JP5541724B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、および、この液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置に関する。

いわゆるコンティニュアス方式の液滴吐出装置は、ポンプで液体に常時圧力をかけてノズルから押し出し、さらに加振手段により振動を加えることで、ノズルから吐出された液体が規則正しく液滴化する状態を形成する。この方式では、液滴がノズルから吐出され続けるので、印刷データにあわせて印刷に使用する液滴と使用しない液滴を選別する必要がある。いわゆる荷電偏向方式では、液滴を選択的に帯電させ、電場によって偏向させ、非帯電液滴と異なる軌道を飛翔するようにして選別を行う。選別された非印刷液滴は、ガターによって捕獲、回収する。これらの機能を実現するため、ノズルから液滴飛翔軌道に沿って、帯電電極、偏向電極、ガターが設けられる。

特許文献１は、液滴を帯電させることなく液滴を選別する方法を開示している。具体的には、ノズルで大液滴と小液滴を打ち分け、液滴の飛翔路に形成したミスト状液滴からなる液体カーテンを通過させることで、小液滴を捕獲し、大液滴のみを記録媒体に着弾させる構成を開示している。また、特許文献２は、コンティニュアス方式の液体吐出装置ではないが、飛翔する液滴に別の液滴を衝突させる技術を開示している。具体的には、第１の吐出口からの液滴（主滴）に第２の吐出口からの液滴を衝突させ、飛翔方向をそらすことで、第１の吐出口からのサテライト滴（極小滴）のみを記録媒体に着弾させることで、記録ドットの微小化を図る構成を開示している。

特開２００３−３３４９５７号公報 特開２００８−１４３１８８号公報

ところで、記録液滴が帯電していると、前後の帯電液滴や壁面に付着した帯電したミストとの静電相互作用を受け、飛翔軌道がずれてしまい、着弾精度が低下する可能性がある。

また、特許文献１に示す方法では、記録液滴も液体カーテンを通過するため、液体カーテンの影響を受けて、着弾位置がずれる可能性がある。特許文献２に示されている方法では、非記録液滴の捕獲のために、別の液滴を飛翔させ、ガターに着弾させるが、着弾時に跳ね返りミストが発生し、飛翔路を汚してしまう可能性がある。

本発明の目的は、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めつつ、液滴飛翔路中のミストの発生を抑制可能な液体吐出ヘッド、および、この液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置を提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドは、液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、当該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち使用されない不使用液滴を回収するために、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、当該第２のノズルから液面を突出させ、当該突出液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する液体吐出ヘッドであって、前記第２のノズルの液面を変位させる、圧電素子を含む駆動機構を有し、前記駆動機構は、前記液面を継続的に振動させる第１の駆動機構と、前記不使用液滴を回収すべく、振動する前記液面の振幅を増加させる第２の駆動機構とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、電気的な力を使用しないので、使用液滴（記録液滴）に影響を与えず不使用液滴（非記録液滴）の選別回収が可能であり、その結果、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができる。また、第２のノズルから液面を変位させるための圧電素子を含む駆動機構を複数個設けることで、第２のノズルの液面の振幅を大きくすることができ、不使用液滴の選別回収を確実に行なうことが可能となる。

本発明の液体吐出装置のシステム概略図である。 本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の分解斜視図である。 本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の断面図である。 本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の回収ノズル液面動作を示す断面図である。 本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の回収ノズル液面動作を示す断面図である。 本発明の各実施形態の液体吐出装置の第１の圧電素子と第２の圧電素子に与える駆動電圧と回収ノズルの圧力変位と液面駆動を示した線図である。 本発明の液体吐出装置の第２の実施形態の断面図である。 本発明の液体吐出装置の第３の実施形態の分解斜視図である 本発明の液体吐出装置の第３の実施形態の断面図である。 本発明の液体吐出装置の第３の実施形態の液面駆動機構を示す分解斜視図である。

[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施形態を説明する。なお、本発明の液体吐出ヘッドは、色材を用いた印刷用インクだけでなく、液体全般に適用可能である。また、本発明の液体吐出ヘッドは記録媒体に液滴を着弾させて画像を記録するのに用いる場合を例に説明されるが、印刷だけでなく、導電性材料やポリマーからなる液体を用いた製造装置やたんぱく質を含む液体などを用いた分析装置などにも広く適用可能である。

図１は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置のシステム概要図である。本実施形態に係る液体吐出装置は、液体タンク００１、加圧ポンプ００２、加振機構００３、ヘッド００４、コントローラ００５（制御手段）、回収ポンプ００６、液体調整部００７を有する。なお、図１において、太線はインクの輸送経路を示し、細線は電気信号の伝送経路を示している。

図２は、ヘッド００４の分解斜視図、図３はヘッド００４の断面図である。本実施形態では、Ｙ方向にノズル列を形成し、Ｘ方向にノズル列を並べて配置した、２次元マルチノズルヘッドの構成を示す。

図３に示すように、ヘッド００４は、吐出ノズル１０１（第１のノズル）、回収ノズル１０２（第２のノズル）、第１の回収流路１１６、第１の液面駆動機構１０３（第１の駆動機構）および第２の液面駆動機構１０４（第２の駆動機構）を有する。図２に示すように、ヘッド００４は上記ノズル等の構成要素が加工された板状の部材を積層することにより、構成されている。部材にはシリコンやステンレス、樹脂材料などを使用することができる。これら板状の部材を露光によるパターニングやエッチング、プレスによって作製することで、ノズル数が増加した場合にも一括加工可能で部品点数を増加させず、低コストでヘッドを作製することができる。

回収ノズル１０２はＸ方向に形成されており、回収ノズル１０２の先端開口は、吐出ノズル１０１から吐出される液滴１１８の液滴飛翔軌道１１７の近傍に配置される。第１の液面駆動機構１０３および第２の液面駆動機構１０４は、各回収ノズル１０２に連通する回収流路１１６にそれぞれ隣接して設けられている。後述するように、これらを駆動することにより、回収ノズル１０２の液面を変位させて当該ノズルの開口先端から突出させ、この突出した液面に吐出ノズル１０１から連続的に吐出される液滴を衝突、合体させて回収ノズル１０２内へ液滴を回収する。本実施形態では、第１の液面駆動機構１０３、第２の液面駆動機構１０４として、薄膜状の圧電素子を使用している。具体的には第１の上部電極４１１、第１の圧電素子４１２、第１の下部電極４１３が第１の振動板４１４の上に成膜された構成となっている。第２の液面駆動機構１０４も同一構成であり、第２の上部電極４２１、第２の圧電素子４２２、第２の下部電極４２３が第２の振動板４２４の上に成膜された構成となっている。成膜にはスパッタなどを、また、パターニングにはドライエッチングを用いることができる。

図４および図５は、本実施形態の液体吐出装置の動作を説明する断面図である。図４は、吐出ノズルから吐出された液滴を記録に使用する場合を示し、図５は吐出ノズルから吐出された液滴を回収する場合を示す。液体タンク００１に貯えられた液体（インク）ＩＫは、加圧ポンプ００２によって加圧され、ヘッド００４に供給される。ヘッド００４から押出された液体（液柱）は、加振機構００３によって振動を与えられ、規則的に滴化され、液滴飛翔軌道１１７に沿って飛翔する。一方回収ノズル１０２の液面００９には、回収ポンプ００６による負圧（圧力値Ｐ１、大気圧よりも小さい圧力値）とメニスカス力がバランスすることで、液面００９が回収ノズル１０２の先端開口付近に保持される。

吐出ノズル１０１から吐出された液滴１１８を記録に使用する場合には、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、液面００９は、液滴飛翔軌道１１７に位置しておらず、使用液滴１１８は周囲から何ら影響を受けずに、回収ノズル１０２を通過する。回収ノズル１０２を通過した液滴１１８は、記録媒体００８に着弾し、画像形成が行なわれる。なお、記録媒体００８を搬送手段（不図示）に保持することにより、液滴１１８の吐出タイミングに合わせて記録媒体００８を搬送することで所望の画像を記録でできる。

後述するように、液滴１１８を記録に使用する場合であっても、第２の液面駆動機構１０４は駆動されていないが、第１の液面駆動機構１０３は継続的に駆動されている。このため、液面００９は振動し、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、回収ノズル１０２の先端開口から距離Ｌ１の位置と距離Ｌ２の位置との間で変位する。しかしながら、距離Ｌ２は、回収ノズル１０２の先端開口から液滴飛翔軌道１１７までの距離Ｍよりも小さくなるように制御されているので、液面００９に飛翔してくる液滴１１８が衝突し、合体することはない。

一方、吐出ノズル１０１から吐出された液滴１１８を使用せず回収する場合には、液滴１１８が回収ノズル１０２を通過する前に、第１の液面駆動機構１０３の駆動に重ね合わせて第２の液面駆動機構１０４も駆動する。これにより、図５（ａ）に示すように、液滴飛翔軌道１１７に位置していない状態にある液面００９は、図５（ｂ）に示すように、液滴飛翔軌道１１７に位置するように回収ノズル１０２から突出する。すなわち、第１の液面駆動機構１０３に加えて第２の液面駆動機構１０４も駆動することにより、周期的に変位する液面００９の変位量を、一時的に増大させ、液面００９を液滴飛翔軌道１１７に位置させる。これにより、飛翔してくる液滴１１８を液面００９に確実に衝突、合体させ、回収ノズル１０２内に回収できる。

ここで、図６を参照して、吐出ノズル１０１の液面００９を変位させるための、第１および第２の圧電素子４１２、４２２の駆動方法を説明する。図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ第１および第２の圧電素子４１２、４２２に与える駆動電圧を示している。また、図１０（ｃ）は圧電素子を駆動させた時に液面００９に発生する圧力線図、図１０（ｄ）はその時の液面００９の回収ノズル面に対する変位量をそれぞれ示す。

図６（ａ）に示すように、第１の圧電素子４１２に、一定周期で変化する電圧を継続的に印加する。これにより、液面００９の圧力値も、図６（ｂ）に示すように、一定の周期で変化を繰り返す。この圧力値の変化により、図６（ｄ）に示すように、液面００９の位置も周期的に変化する。具体的には、最初、回収ノズル１０２の先端開口（回収ノズル面）に位置する液面００９は、第１の圧電素子４１２への電圧の印加により、図４に示した、回収ノズル面から距離Ｌ１の位置と距離Ｌ２の位置との間で変位する。この距離Ｌ１、Ｌ２は、回収ノズル面から液滴飛翔軌道１１７までの距離Ｍよりも小さくなるように制御される。

また、第１の圧電素子４１２に印加する電圧は、一定振幅および一定の周波数をもつ電圧である。この電圧の周波数は、加振機構００３の加振周波数である、液滴１１８の吐出周期と同じにする。また、図６（ｄ）において時点Ｔ１〜Ｔ３で示すように、液滴１１８が回収ノズル１０２を通過するタイミングと、液面００９の突出量が最大となるタイミングとが同期するように、第１の圧電素子４１２への電圧の位相が制御される。

図６（ｂ）に示すように、第２の圧電素子４２２には、第１の圧電素子４１２に印加する電圧の振幅より大きな振幅で、かつ、これと同じ周波数の電圧を、同じ位相で印加する。なお、第２の圧電素子４２２に印加する電圧は、これに限定されるわけではなく、液面の変位を増大させるものであればよい。これにより、図６（ｃ）に示すように、液面００９の圧力値を増大させることができ、液面００９の振幅が増大する。そして、図６（ｄ）に示すように、液面００９は、回収ノズル１０２内に引き込まれる距離Ｌ３の位置に移動したのち、距離Ｌ４の位置まで大きく突出し、その後、後退する。距離Ｌ４は、回収ノズル１０２の先端開口から液滴飛翔軌道１１７までの距離Ｍよりも大きくなるように制御される。このため、図５（ｂ）に示したように、液面００９に第１の不使用液滴ｄ４が衝突、合体する。

その後、第２の圧電素子４２２への電圧の印加を停止すると、突出した液面００９は、当該液面の表面張力によって元の位置に復帰し、回収ノズル面から距離Ｌ１の位置と距離Ｌ２の位置との間で振動する。回収ポンプ００６によって圧力が一定に保たれることにより（圧力値Ｐ１）、回収ノズル１０２の液面００９は、液滴の捕獲後も一定の範囲に保たれる。

捕獲された液滴１１８は、液体調整部００７に徐々に送られ、ごみの除去や粘度調整を行った後、再び加圧ポンプ００２によって加圧され、再利用のためにヘッド００４へと循環される。

このように、本実施形態では、液面００９に継続的に振動を与えておき、不使用液滴が飛翔してきた際に、液面００９の圧力値を高めて振幅を大きくすることで、液面００９を俊敏に（高応答で）突出させることができる。このため、吐出ノズル１０１から高周波数で液滴を吐出したとしても、不使用液滴を確実に回収することが可能となる。

具体的には、Ｙ方向のノズル間隔は５００μｍ、Ｘ方向のノズル間隔は３ｍｍとなるヘッド００４を作製し、また、液体として、粘度４０ｃＰ、表面張力３０ｍＮ／ｍのものを使用した。吐出ノズル１０１の直径を８μｍ、液体タンク００１の圧力を２．８ＭＰａ、加振機構００３の振動周波数を１７５ｋＨｚの条件で吐出させた結果、液滴サイズは４．５ｐＬ（直径約２０μｍ）、吐出速度は約１３ｍ／ｓ程度であった。回収ノズル１０２の直径は約８０μｍで、吐出ノズル１０１から液滴の飛翔方向に約１ｍｍ離れた位置に設けられた。また、液滴の飛翔軌道１１７は、回収ノズル１０２から３０μｍ離れた位置に設定された。回収ノズル１０２内のインクを回収ポンプ００６によって一定の負圧にコントロールし（大気圧を基準として−１．４ｋＰａ程度）、回収ノズル１０２にはインクのメニスカスを形成した。このような条件の下で、不使用液滴が通過する際に、第１の液面駆動機構１０３と第２の液面駆動機構１０４の駆動により、回収ノズル１０２の液面を突出させ、液滴と衝突合体させ、回収ノズル１０２内に不使用液滴を回収することができた。

[第２の実施形態]
本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態に係るヘッドを図７に示す。図７（ａ）はＹ方向から見たヘッドの断面図、図７（ｂ）はＸ方向から見たヘッドの断面図である。なお、図７において、第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の符号を使用している。また、本実施形態は、ヘッド以外の他の構成は、第１の実施形態と同じである。

上記した第１の実施形態では、それぞれの回収ノズル１０２の回収流路１１６に対して第１の液面駆動機構１０３が個別に配置されているのに対し、第２の実施形態では、回収ノズル列１０６毎に共通の第１の液面駆動機構１０３を設ける。すなわち、各ノズル列１０６の複数の回収ノズル１０２に対して、共通の第１の液面駆動機構１０３を設ける。図７（ｂ）に示すように、複数の第２の回収圧力室０１１が流路下流側で各回収ノズル列１０６毎に合流され、１つの圧力室である第１の回収圧力室０１０の位置に、第１の液面駆動機構１０３が配置されている。

上記構成により、共通の第１の液面駆動機構１０３を用いて、回収ノズル列１０６の複数の液面００９を一括して振動させることができるため、圧電素子の電気配線等のスペースを簡素化できる。本実施形態においても、不使用液滴が回収ノズル１０２を通過する際に、第１の液面駆動機構１０３と第２の液面駆動機構１０４の駆動により、回収ノズル１０２から液面を突出させ、液滴と衝突合体し、回収ノズル内に不使用液滴を回収することができる。

[第３の実施形態]
本発明の第３の実施形態を説明する。図８は第３の実施形態に係るヘッド全体を示す分解斜視図、図９はヘッドの断面図である。図９（ａ）はＹ方向から見たヘッドの断面図、図９（ｂ）はＸ方向から見たヘッドの断面図である。図１０は、第３の実施形態に係る第１および第２の液面駆動機構を示す分解斜視図である。なお、図８〜図１０において、第１の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を使用している。また、本実施形態は、ヘッド以外は、第１の実施形態と同一の構成である。

図８および図９に示すように、本実施形態に係るヘッド００４Ａは、吐出ノズル１０１、回収ノズル１０２、供給流路１１５、第１の回収流路１１６、第２の回収流路１１７、回収合流路１１８、第１の液面駆動機構１０３Ａおよび第２の液面駆動機構１０４Ａを有する。ヘッド００４Ａは、第１の実施形態と同様に、板状の部材を積層することにより構成されている。

第１の実施形態では、図３に示したように、第１の液面駆動機構１０３及び第２の液面駆動機構１０４を、薄膜型の圧電素子と振動板で構成した。本実施形態では、液面駆動機構に円筒型の圧電素子を使用する。この円筒型の圧電素子は、電圧を印加することで円筒の半径方向に拡大、収縮する。

図１０に示すように、本実施形態の第１の液面駆動機構１０３Ａは、図７に示す回収ノズル列１０６を構成する回収ノズル１０２の個数分の複数の第１の円筒部１２７（筒状部）と、複数の第１の円筒部１２７と一体化されこれらの円筒部１２７の一端部を共通に支持する第１のベース部１２５とを有する。円筒部１２７は、上記の円筒型の圧電素子で構成され、この圧電素子は、円筒部の内壁面と外壁面にそれぞれ配線された第１の電極および第２の電極（不図示）を含み、これら分極した第１および第２の電極への通電により円筒の半径方向（円筒部の厚さ方向）に変形する。円筒部１２７は、第１の回収流路１１６と連通する第１の回収圧力室０１０を画定し、流路の一部を構成している。第２の液面駆動機構１０４Ａも第１の液面駆動機構１０３Ａと同様に構成され、複数の第２の円筒部１２８（筒状部）と、これら第２の円筒部１２８の一端部を共通に支持する一枚の第２のベース部１２６とを有する。円筒部１２８は、第２の回収流路１１７と連通する第２の回収圧力室０１１を画定し、流路の一部を構成しているとともに、第２の回収圧力室０１１は第１の回収圧力室０１０と連通している。また、第１の液面駆動機構１０３Ａおよび第２の液面駆動機構１０４Ａは、互いに独立駆動できる構成となっている。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、使用液滴が回収ノズル１０２を通過する時には、第１の液面駆動機構１０３Ａのみを駆動して液面００９を振動させる。一方で、不使用液滴が回収ノズル１０２の近傍を通過する時は、第１の液面駆動機構１０３Ａの駆動と重ね合わせて第２の液面駆動機構１０４Ａも駆動する。

本実施形態によれば、第１および第２の液面駆動機構１０３Ａ、１０４Ａの駆動部を円筒型の圧電素子で構成することで、回収ノズル１０２内の液面００９に発生する圧力を大きくすることができるため、液面００９の突出量も大きくでき、不使用液滴の確実な回収が可能となる。なお、円筒部１２７、１２８の形状は、円筒以外に、角筒等の形状であってもよい。

本発明の液体吐出装置は、液滴の選別および回収に際し、記録等に使用される液滴の飛翔に影響を与えないため、高い着弾精度が得られ、高画質印刷装置などに利用することができる。

００４ ヘッド
００５ コントローラ
００８ 記録媒体
００９ 液面
０１０ 第１の回収圧力室
０１１ 第２の回収圧力室
１０１ 吐出ノズル
１０２ 回収ノズル
１０３ 第１の液面駆動機構
１０４ 第２の液面駆動機構

Claims (7)

1. 液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、当該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち使用されない不使用液滴を回収するために、当該第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、当該第２のノズルから液面を突出させ、当該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置であって、
   前記液体吐出ヘッドは、前記第２のノズルの液面を変位させる、圧電素子を含む駆動機構を有し、
   前記駆動機構は、前記液面を継続的に振動させる第１の駆動機構と、前記不使用液滴を回収するべく、振動する前記液面の振幅を増加させる第２の駆動機構とを含む、ことを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記第１の駆動機構は、複数の前記第１のノズルに対して共通に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記第１および第２の駆動機構は、筒状に形成された筒状部と、当該筒状部の内壁面に形成された第１の電極と外壁面に形成された第２の電極を有し、当該筒状部の厚さ方向に変形する筒型の圧電素子を含み、
   前記筒状部は、前記第２のノズルに通じる液体の流路の一部を構成する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出装置。
4. 前記第１および第２の駆動機構は、複数の前記筒状部の一端部を共通に支持するベース部をさらに有する、ことを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
5. 前記第１の駆動機構の圧電素子に一定の周期および振幅の電圧を印加する制御手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記液面の振幅を増加させるように、前記第２の駆動機構の圧電素子に電圧を印加する、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出装置。
6. 前記制御手段は、前記第１のノズルからの液滴が前記第２のノズルを通過するタイミングと、前記液面の突出量が最大となるタイミングとが同期するように、前記第１の駆動機構の圧電素子に電圧を印加する、ことを特徴とする請求項５に記載の液体吐出装置。
7. 液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、当該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち使用されない不使用液滴を回収するために、当該第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、当該第２のノズルから液面を突出させ、当該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する液体吐出ヘッドであって、
   前記第２のノズルの液面を変位させる、圧電素子を含む駆動機構を有し、
   前記駆動機構は、前記駆動機構は、前記液面を継続的に振動させる第１の駆動機構と、前記不使用液滴を回収するべく、振動する前記液面の振幅を増加させる第２の駆動機構とを含む、ことを特徴とする液体吐出ヘッド。

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