JP5440943B2 - 液滴吐出方法、液滴吐出装置及びインクジェット記録装置 - Google Patents
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f=1/(2π)×√{(Mn+MS)/(Mn×MS)(Ci+Cv)}
・・・(式1)
また、請求項2の発明は、請求項1記載の液滴吐出方法において、上記定在波の腹となる領域の少なくとも1つに対して、複数の上記液滴吐出孔が形成されていることを特徴とするものである。
更に、請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の液滴吐出方法において、上記液滴吐出孔は1つの上記液柱共鳴液室に複数設けられていることを特徴とするものである。
また、請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、上記液柱共鳴液室の長手方向の両端には、少なくとも一部に反射壁面が設けられていることを特徴とするものである。
更に、請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、上記振動として、f=N×c/(4L)(L:上記液柱共鳴液室の長手方向の長さ、c:液体の音波の速度、N:整数)が成立する周波数fの振動を付与することを特徴とするものである。
また、請求項6の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、上記振動として、N×c/(4L)≦f≦N×c/(4Le)(L:上記液柱共鳴液室の長手方向の長さ、Le:上記液供給路側の端部に最も近い上記吐出孔までの距離、c:液体の音波の速度、N:整数)が成立する周波数fの振動を付与することを特徴とするものである。
更に、請求項7の発明は、請求項6記載の液滴吐出方法において、Le/L>0.6であることを特徴とするものである。
また、請求項8の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、上記振動として、N×c/(4L)≦f≦(N+1)×c/(4Le)(L:上記液柱共鳴液室の長手方向の長さ、Le:上記液供給路側の端部に最も近い上記吐出孔までの距離、c:液体の音波の速度、N:整数)が成立する周波数fの振動を付与することを特徴とするものである。
更に、請求項9の発明は、請求項5、6、8のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、上記振動の周波数は300kHz以上の高周波振動であることを特徴とするものである。
また、請求項10の発明は、請求項5、6、8のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、上記振動を発生させる振動発生手段は、上記液柱共鳴液室の長手方向の長さによるいずれかの液柱共鳴振動数を周波数の主成分としたパルス群で励振することを特徴とするものである。
更に、請求項11の発明は、請求項10記載の液滴吐出方法において、上記パルス群は、上記パルス群の先頭にあって上記液体を滴化飛翔まで至らない状態に上記液柱共鳴液室内を励振させる予備圧発生パルス部と上記液滴吐出孔から上記液体を吐出させる駆動主パルス部との2つのパルス部に分かれて構成され、吐出用の定在波を形成するものであり、更に上記振動発生手段は、上記駆動主パルス部の直後の印加パルスであって上記駆動主パルス部の主の周波数成分に対して逆位相の周波数成分を有する印加パルスである残留振動打消パルス部で励振することを特徴とするものである。
また、請求項12の発明は、少なくとも1つの液滴吐出孔から液体を吐出して液滴化する液滴吐出装置において、一部に上記液滴吐出孔が開孔されている液柱共鳴液室と、該液柱共鳴液室内の液体に振動を付与する振動発生手段とを有し、該振動発生手段によって上記液柱共鳴液室内に振動を付与して上記液柱共鳴液室内に液柱共鳴による定在波を形成し、該定在波の腹となる領域に、該定在波の振幅方向に形成された上記液滴吐出孔から上記液体を吐出することを特徴とするものである。
更に、請求項13の発明は、請求項1〜11のいずれか1項に記載の液滴吐出方法を用い、あるいは請求項12記載の液滴吐出装置を有することを特徴とするインクジェット記録装置である。
図1は本発明の一実施の形態に係る液滴吐出装置の液滴吐出ヘッドの構成を示す断面図である。同図の液滴吐出ヘッド10内の液柱共鳴液室11において生じる液柱共鳴現象の原理について説明すると、液柱共鳴液室11内の液の音速をcとし、振動発生手段12から媒質である液体に与えられた駆動周波数をfとした場合、液体の共鳴が発生する波長λは、
λ=c/f ・・・(式2)
の関係にある。
L=(N/4)λ ・・・(式3)
(但し、Nは偶数)
同様にして、片方側が圧力の逃げ部がある開放端と等価で、他方側が閉じている(固定端)の場合、つまり片側固定端又は片側開放端の場合には、長さLが波長λの4分の1の奇数倍に一致する場合に共鳴が最も効率的に形成される。つまり、上記式2のNが奇数で表現される。
f=N×c/(4L) ・・・(式4)
と導かれる。しかし、実際には、液体は共鳴を減衰させる粘性を持つために無限に振動が増幅されるわけではなく、Q値を持ち、後述する式4、式5に示すように、式3に示す最も効率の高い駆動周波数fの近傍の周波数でも共鳴は発生する。
N×c/(4L)≦f≦(N+1)×c/(4Le) ・・・(式6)
<実施例1>
実施例1は図1に示す液滴吐出ヘッドを用いて振動発生手段の圧電体に図4に示す波形を与えて液滴を形成している。なお、300kHz相当のサイン波形により形成される主パルス部波形を1回とした。また、ノズルはニッケルの電鋳を用いて開口径が8ミクロンであった。液柱共鳴液室及び液供給流路はステンレス製の流路板を貼り合せて形成した。更に、ニッケル薄膜を弾性板として貼り合せ、液柱共鳴液室の上部に圧電体を配置し、これら部材は、ステンレスからなるフレームにより図1のように固定されている。使用した液体は、酢酸エチル100部にシアン顔料を0.5重量部添加し、粘度調整のためにポリエステル樹脂を溶解したものを処方した。圧電体に与えた電圧値に対する、一滴の液滴量を示す。液滴量の測定は、本装置の直下に設けた受け皿に張られたシリコーン液中に上記波形を30kHzで吐出させ、100万滴吐出したところで駆動を停止し、シリコーン液の重量変化を測定し、平均的な重量を測定した。更に、高倍率の顕微鏡によって飛翔液滴を観測し、液滴直径を測定した結果、同じ条件において、重量測定法と同じ液滴量を得た。その結果、一滴の滴量は、パルスの電圧が8Vにおいて0.7plであった。
実施例2では、実施例1の主パルス部波形を2回に変更する以外は同じ構成で、同一の液滴量測定を行った。その結果、一滴の滴量はパルスの電圧が8Vにおいて1.2plであった。
実施例3では、実施例1の主パルス部波形を3回に変更する以外は同じ構成で、同一の液滴量測定を行った。その結果、1回の駆動において、液滴は2滴形成されたが、合計した滴量はパルスの電圧が8Vにおいて1.8plであった。このように、主パルス部のパルス数を変更することによって形成する液滴の量を変調することが可能である。
実施例4では、実施例1の主パルスを、610kHz相当波形に変更し、更にパルス数を2回に変更した。それ以外は同じ構成で同一の液滴量測定を行った。その結果、一滴の滴量は、パルスの電圧が8Vの条件において、0.5plであった。
図12は液滴吐出ヘッドの実施例を示す図である。同図の(a)は実施例5における同図に示すように、実施例5は、液柱共鳴液室11内の固定端側に液滴吐出孔14が2個開口するとともに液柱共鳴液室11の液供給路側端に反射壁を設けた場合の定在波の一例である。両端ともにほぼ固定端のN=2の共鳴モードの定在波とみなすことができる。なお、駆動周波数は328[kHz]とした。この実施例5は、共鳴ピーク周波数での駆動の結果を示している。
図13は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例6は、液柱共鳴液室11内の固定端側に液滴吐出孔14が10個開口するとともに液柱共鳴液室11の液供給路側に反射壁を設けた場合の定在波の一例である。なお、駆動周波数は377[kHz]とした。よって、図12の実施例5と比して固定端側が緩い拘束の固定端となっている。
図14は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例7は、液柱共鳴液室11内の固定端側に液滴吐出孔14が24個開口するとともに液柱共鳴液室11の液共通供給路側に反射壁を設けた場合の定在波の一例である。なお、駆動周波数は417[kHz]とした。よって、図12の実施例5と比して、液柱共鳴液室11内の固定端とみなしていた先端側は開放端に近いN=3の共鳴モードの定在波となっている。
図15は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例8は、液柱共鳴液室11内の固定端側に液滴吐出孔14が4個開口するとともに液柱共鳴液室11の液供給路側に反射壁を設けた場合の定在波の一例である。なお、駆動周波数は344[kHz]とした。よって、図12の実施例5と比して固定端側が液滴吐出孔の開口の影響でやや緩い拘束状態となるが、N=2の共鳴モードの定在波との固定端となっている。
図16は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例9は、局所的に液滴吐出孔の開口数を増やした場合で、液滴吐出孔14が液供給路側に近づき、他端が閉口端であるため、これを両端としたN=1の共鳴モードの定在波が発生し、液供給路側寄りに配置された液滴吐出孔がある領域の圧力分布に比して固定端側寄りに配置された液滴吐出孔がある領域の圧力分布は平坦な分布状態となっている。なお、駆動周波数は160[kHz]とした。
図17は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例10は、液柱共鳴液室11内の固定端側に液滴吐出孔14が36個開口としたことで、液柱共鳴液室長のおおよそ3分の1の範囲まで液滴吐出孔が設けられたことになる。この実施例6では、N=2の共鳴モードの定在波となるが、固定端側が緩い拘束の固定端となっている。なお、駆動周波数は468[kHz]とした。
図18は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例11は、実施例10と同じ形態の液供給流路及び液滴吐出孔の開口パターンであるが、周波数を少し低くした場合の例である。なお、駆動周波数は395[kHz]とした。この場合、共鳴定在波のパターンは同図に示すとおりであり、緩く拘束された、液滴吐出孔の密集した領域で、圧力分布が更に均一化する。実施例6に比較して、D4/DNが小さくなる、即ち粒子径分布がより均一化した。このように、同じ形態であっても、共鳴が発生している領域内において、駆動周波数を適宜決定することで粒子径分布を最適化することができる。
図19は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例12は、固定端側と液供給路側に液滴吐出孔を4個づつ配置した例である。実施例5と同様に、N=2の共鳴モードの定在波となる。このような液滴吐出孔の配置でも、全ての液滴吐出孔から均等に吐出が可能であった。なお、駆動周波数は344[kHz]とした。
図20は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例13は、液供給路の断面積が液柱共鳴液室の断面積より大きい場合、液供給路側は開放端となる。この場合は、N=1の共鳴モードの定在波となる。なお、駆動周波数は261[kHz]とした。
図21は液滴吐出ヘッドの別の実施例を示す図である。同図に示す実施例14は、実施例13と同じ形態であるが、駆動周波数を変更した例である。駆動周波数は、516[kHz]とした。実施例10の場合は、N=4の共鳴モードの定在波となる。
11 液柱共鳴液室
12 振動発生手段
13 液供給路
14 液滴吐出孔
15 液滴
100 インクジェット記録装置
104 記録ヘッド
Claims (13)
- 少なくとも1つの液滴吐出孔から液体を吐出して液滴化する液滴吐出方法において、
液柱共鳴液室内の上記液体に振動を付与して上記液柱共鳴液室内に液柱共鳴による定在波を形成し、該定在波の腹となる領域に、該定在波の振幅方向に形成された上記液滴吐出孔から上記液体を吐出することを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項1記載の液滴吐出方法において、
上記定在波の腹となる領域の少なくとも1つに対して、複数の上記液滴吐出孔が形成されていることを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項1又は2に記載の液滴吐出方法において、
上記液滴吐出孔は1つの上記液柱共鳴液室に複数設けられていることを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、
上記液柱共鳴液室の長手方向の両端には、少なくとも一部に反射壁面が設けられていることを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、
上記振動として、
f=N×c/(4L)
(L:上記液柱共鳴液室の長手方向の長さ、c:液体の音波の速度、N:整数)
が成立する周波数fの振動を付与することを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、
上記振動として、
N×c/(4L)≦f≦N×c/(4Le)
(L:上記液柱共鳴液室の長手方向の長さ、Le:上記液供給路側の端部に最も近い上記吐出孔までの距離、c:液体の音波の速度、N:整数)
が成立する周波数fの振動を付与することを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項6記載の液滴吐出方法において、
Le/L>0.6であることを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、
上記振動として、
N×c/(4L)≦f≦(N+1)×c/(4Le)
(L:上記液柱共鳴液室の長手方向の長さ、Le:上記液供給路側の端部に最も近い上記吐出孔までの距離、c:液体の音波の速度、N:整数)
が成立する周波数fの振動を付与することを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項5、6、8のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、
上記振動の周波数は300kHz以上の高周波振動であることを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項5、6、8のいずれか1項に記載の液滴吐出方法において、
上記振動を発生させる振動発生手段は、上記液柱共鳴液室の長手方向の長さによるいずれかの液柱共鳴振動数を周波数の主成分としたパルス群で励振することを特徴とする液滴吐出方法。 - 請求項10記載の液滴吐出方法において、
上記パルス群は、上記パルス群の先頭にあって上記液体を滴化飛翔まで至らない状態に上記液柱共鳴液室内を励振させる予備圧発生パルス部と上記液滴吐出孔から上記液体を吐出させる駆動主パルス部との2つのパルス部に分かれて構成され、吐出用の定在波を形成するものであり、
更に上記振動発生手段は、上記駆動主パルス部の直後の印加パルスであって上記駆動主パルス部の主の周波数成分に対して逆位相の周波数成分を有する印加パルスである残留振動打消パルス部で励振することを特徴とする液滴吐出方法。 - 少なくとも1つの液滴吐出孔から液体を吐出して液滴化する液滴吐出装置において、
一部に上記液滴吐出孔が開孔されている液柱共鳴液室と、該液柱共鳴液室内の液体に振動を付与する振動発生手段とを有し、
該振動発生手段によって上記液柱共鳴液室内に振動を付与して上記液柱共鳴液室内に液柱共鳴による定在波を形成し、該定在波の腹となる領域に、該定在波の振幅方向に形成された上記液滴吐出孔から上記液体を吐出することを特徴とする液滴吐出装置。 - 請求項1〜11のいずれか1項に記載の液滴吐出方法を用い、あるいは請求項12記載の液滴吐出装置を有することを特徴とするインクジェット記録装置。
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