JP7243054B2 - 液体吐出装置および液体吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出装置および液体吐出方法に関する。

インクジェット技術を、電極形成、各種電気部品の直接形成、ディスプレイに用いる発光体やフィルターの形成、マイクロレンズの形成等に応用するために、種々の検討が行われている。インクジェット技術の用途の拡大に応じて、吐出された液体が塗布される記録媒体の種類は多様化している。例えば、特許文献１には、毛羽立った布帛等に対して液体を吐出する方法が開示されている。また、特許文献２には、表面に凹凸を有する記録媒体に対して液体を吐出する方法が開示されている。

特開２０１４－１６３０２１号公報 特開２００４－１４６３１０号公報

本願の発明者らは、上述した各液体吐出方法では、吐出された液体が十分な飛翔速度を得られない場合に、吐出された液体が毛羽に付着して、布帛本体まで到達しない可能性や、ノズルと記録媒体との水平方向の相対的な位置を変化させながら印刷を行う場合に、ノズルと記録媒体との垂直方向の間隔が変化して、吐出された液体が記録媒体に着弾する位置がずれる可能性があるという課題を見出した。

本発明の一形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、液体を吐出するノズルと；前記ノズルに連通する圧力室と；前記圧力室内の液体の圧力を変化させる圧力変化部と；前記圧力変化部を制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記圧力変化部を駆動して、前記圧力室内の前記液体の圧力を低下させることによって、前記ノズル内の前記液体のメニスカスの中央部を前記圧力室側に向かって引き込ませ、前記ノズルの内壁面に前記液体による液膜を形成する第１制御と；前記内壁面に前記液膜が形成された状態で、前記圧力室内の前記液体の圧力を上昇させることによって、前記メニスカスの中央部の形状を前記圧力室とは反対側の前記ノズルの開口部側に向かって凸形状に反転させて液柱を形成し、さらに、前記凸形状の前記メニスカスの中央部から前記開口部側に向かって、前記液柱を前記液膜に接触させずに吐出させる第２制御と；を実行する。

第１実施形態における液体吐出装置の概略構成を示す説明図。 第１実施形態におけるヘッド部の概略構成を示す説明図。 圧電素子に供給される駆動電圧の波形の一例を示す説明図。 初期状態におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す説明図。 第１工程におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す説明図。 第２工程におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す説明図。 第３工程におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す説明図。 液体吐出後におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す説明図。 キャピラリー数と疑似ノズル径との関係についての試験結果を示す説明図。 第１工程におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す他の説明図。 第１工程におけるノズル内のメニスカスの状態を模式的に示す他の説明図。 循環流路を有するヘッド部の概略構成を示す説明図。 複数のノズルを有するヘッド部の概略構成を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における液体吐出装置１００の概略構成を示す説明図である。液体吐出装置１００は、タンク１０と、加圧ポンプ２０と、供給管３０と、ヘッド部４０と、制御部９０とを備えている。

タンク１０には液体が収容されている。タンク１０内の液体は加圧ポンプ２０により加圧され、供給管３０を通じてヘッド部４０に供給される。本実施形態における加圧ポンプ２０は、一定流量の液体を供給可能な定量ポンプである。定量ポンプとしては、脈動の少ないギアポンプを採用することが可能である。また、例えば、供給管３０の一部に脈動を吸収するためのバッファータンクを設けることにより、ダイヤフラム型やプランジャー型の各種定量ポンプを用いることも可能である。

供給管３０を通じてヘッド部４０に供給された液体は、ヘッド部４０により吐出される。ヘッド部４０の動作は、制御部９０により制御される。制御部９０は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサーと、メインメモリーと、不揮発性メモリーとを含むコンピューターで実現可能である。制御部９０内の不揮発性メモリーには、ヘッド部４０を制御するためのコンピュータープログラムが格納されている。制御部９０は、このコンピュータープログラムを実行することにより、後述する第１工程と、第２工程と、第３工程とを含む、ヘッド部４０による液体の吐出を実現する。

本実施形態において、ヘッド部４０によって吐出される液体は、５０ｍＰａ・ｓ以上の粘度を有する。この液体の粘度は、５０～１００００ｍＰａ・ｓの範囲内であることが好ましい。液体は、物質が液相であるときの状態の材料であれば良く、ゾル、ゲル等のような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども液体に含まれる。液体の代表的な例としてはインクや液晶乳化剤等が挙げられる。インクとは一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。

金属粒子としては、例えば、Ｓｎ－Ｐｂ系材料、Ｓｎ－Ａｇ系材料、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系材料、Ｓｎ－Ｂｉ系材料、Ｓｎ－Ｃｕ系材料、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系材料、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ系材料、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系材料、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｃｕ系材料、Ｓｎ－Ｚｎ系材料、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｂｉ系材料等を用いることができる。

溶媒としては、例えば、直鎖状もしくは分岐状の脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、または芳香族炭化水素、およびこれらの炭化水素のハロゲン置換体、シリコーンオイル等が好ましく例示される。一例として、へキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、デカン、イソデカン、デカリン、ノナン、ドデカン、イソドデカン、シクロヘキサン、シクロオクタン、シクロデカン、トルエン、キシレン、メシチレン、アイソパーＣ、アイソパーＥ、アイソパーＧ、アイソパーＨ、アイソパーＬ、アイソパーＭ（アイソパー：エクソン社の商品名）、シェルゾール７０、シェルゾール７１（シェルゾール：シェルオイル社の商品名）、アムスコＯＭＳ、アムスコ４６０溶剤（アムスコ：スピリッツ社の商品名）、ＫＦ－９６Ｌ（信越シリコーン社の商品名）等を、単独または混合して用いることができる。

粒子とは、例えば球形、回転楕円体形状および不定形などの任意の形状を有し得る粒状物を言う。粒径とは、粒子が球形を有するとの仮定に基づいて得られる粒子の寸法を言い、粒子から成る粒状材料の平均粒径により代表され得る。粒子の集合物である粒状材料の粒径分布は、レーザー回折・散乱法により求めることができ、例えばＭＩＣＲＯＴＲＡＣ ＦＲＡ（日機装株式会社製）を用いて求めることができる。粒子の平均粒径は、そのようにして得られる粒状材料の粒径分布から求められる体積平均の粒径である。

図２は、第１実施形態におけるヘッド部４０の概略構成を示す説明図である。ヘッド部４０は、液体を吐出するノズル６０と、ノズル６０に連通する圧力室４３と、圧力室４３内の液体の圧力を変化させる圧力変化部４４とを備えている。圧力変化部４４は、制御部９０によって制御される。

タンク１０からヘッド部４０に供給された液体は、供給流路４２を介して圧力室４３に流れる。圧力室４３内の液体は、圧力変化部４４に加圧されることによって、ノズル６０から吐出される。本実施形態では、ノズル６０は、ストレート部６１と、テーパー部６２とを備えている。ストレート部６１は、圧力室４３とは反対側の端部にノズル開口部６４を有し、ノズル６０の中心軸ＣＬとノズル６０の内壁面６３との角度が５度未満となるノズル６０の部位である。ストレート部６１の内径は、５０～１０００μｍの範囲内で設定される。尚、ノズル６０の中心軸ＣＬとノズル６０の内壁面６３との角度は、ノズル６０の内壁面６３の表面粗さやエッチングプロセスの加工痕による凹凸を平均化した状態で算出される。テーパー部６２は、ストレート部６１よりも圧力室４３側に設けられた、ノズル６０の中心軸ＣＬとノズル６０の内壁面６３との角度が５度以上となるノズル６０の部位である。テーパー部６２におけるノズル６０の内径は、圧力室４３側に向かうにつれて大きくなる。テーパー部６２における内壁面６３の接線と、ノズル６０の中心軸ＣＬとの角度は、４５度以下であることが好ましい。テーパー部６２は、ノズル６０の中心軸ＣＬを含む断面において、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。尚、ノズル６０は、テーパー部６２を備えていなくてもよい。この場合、ストレート部６１が圧力室４３に直接連通する。

本実施形態における圧力変化部４４は、圧電素子４５と、拡大変位機構５０とを備えている。拡大変位機構５０は、第１隔壁５１と、第１弾性部材５２と、収容室５３と、第２隔壁５４と、第２弾性部材５５とを備えている。圧電素子４５は、制御部９０によって印加される電圧に応じて伸縮する。圧電素子４５の伸縮方向における一方の端部は、ヘッド部４０の筐体４１に固定されており、圧電素子４５の伸縮方向における他方の端部は、第１隔壁５１に固定されている。第１隔壁５１の外周縁は、第１弾性部材５２を介して筐体４１に支持されている。第１隔壁５１を挟んで圧電素子４５とは反対側には、作動流体が封入された収容室５３が設けられている。本実施形態における作動流体は、フィラーが分散された所定の粘度を有する液体である。収容室５３の第１隔壁５１とは反対側には、第２隔壁５４が設けられている。第２隔壁５４の外周縁は、第２弾性部材５５を介して筐体４１に支持されている。第１隔壁５１が作動流体と接する面積は、第２隔壁５４が作動流体と接する面積よりも大きい。尚、作動流体は、液体に限られず、外部から圧力を受けて変形するときに流動性を示し、液体のように全方位に圧力を伝達できる流体的な性質を発現する材料によって構成されていればよい。例えば、作動流体は、シリコンゴムをはじめとする種々のゴム材料であってもよいし、流動性と弾性とをともに有するゲル体であってもよい。

制御部９０によって印加される電圧に応じて圧電素子４５が変位すると、圧電素子４５は、第１隔壁５１を収容室５３側に向かって変位させる。収容室５３側に向かって変位させられた第１隔壁５１は、収容室５３に封入された作動流体を介して第２隔壁５４を圧力室４３側に向かって変位させる。圧力室４３側に向かって変位させられた第２隔壁５４は、圧力室４３の容積を変化させる。この際の第２隔壁５４の変位量は、パスカルの原理によって拡大されたため、第１隔壁５１の変位量よりも大きくなる。つまり、第２隔壁５４の変位量が圧電素子４５の変位量よりも大きくなる。そのため、圧力室４３の容積の変化は、拡大変位機構５０を備えない形態よりも大きくなる。圧力室４３の容積が縮小されることによって、圧力室４３内の液体は加圧される。一方、圧力室４３の容積が拡大されることによって、圧力室４３内の液体は減圧される。尚、拡大変位機構５０は、上述した形態に限られず、種々の形態を採用できる。例えば、圧電素子４５の変位を梃子によって拡大して、梃子によって圧力室４３の壁面を構成する振動板を変形させて圧力室４３の容積を変化させる形態であってもよい。

図３は、制御部９０によって圧電素子４５に供給される駆動電圧の波形の一例を示す説明図である。図３には、ノズル６０からの液体の吐出を１サイクル行うための駆動波形を表している。駆動波形には、圧力室４３内の液体を減圧させる引き込み波形部分Ｗ１と、圧力室４３内の液体を加圧させる押し出し波形部分Ｗ２とが含まれる。まず、制御部９０は、圧電素子４５に、引き込み波形部分Ｗ１を供給する。引き込み波形部分Ｗ１が供給されることによって、圧電素子４５が縮む方向に変位し、圧力室４３の容積が拡大されて、圧力室４３内の液体は減圧される。次に、制御部９０は、圧電素子４５に、押し出し波形部分Ｗ２を供給する。押し出し波形部分Ｗ２が供給されることによって、圧電素子４５が伸びる方向に変位し、圧力室４３の容積が縮小されて、圧力室４３内の液体は加圧されて、ノズル６０から液体が吐出される。

図４から図８は、本実施形態においてノズル６０から液体を吐出させる際の、ノズル６０内のメニスカスの動きを模式的に示す説明図である。図４から図８では、ノズル６０の中心軸ＣＬを含む断面図として、ノズル６０内の様子を表している。図４には、初期状態におけるノズル６０内のメニスカスの状態を表している。初期状態では、圧力室４３内の液体に圧力変化は生じていないため、メニスカスの外周縁はノズル開口部６４に位置し、メニスカスの中央部Ｍは、表面張力によってノズル６０内のノズル開口部６４よりも圧力室４３側に位置する。

図５には、第１工程におけるノズル６０内のメニスカスの状態を表している。まず、第１工程では、制御部９０が圧電素子４５に対して、引き込み波形部分Ｗ１を供給して、圧力室４３内の液体の圧力を低下させることによって、メニスカスの中央部Ｍを、ノズル６０の内壁面６３に液体による液膜７１がとどまるように、圧力室４３側に向かって引き込ませる。図５では、メニスカスの中央部Ｍをストレート部６１内まで引き込ませている。ノズル６０の内壁面６３に液膜７１が形成されることによって、ノズル６０内に、液膜７１による擬似的なノズルが形成されたと捉えることもできる。本明細書では、この液膜７１による擬似的なノズルのことを、疑似ノズルとも呼ぶ。疑似ノズル径Ｄｐは、ノズル径Ｄから、ノズル６０の内壁面６３に形成された液膜７１の厚みｔｍの２倍の値を差し引いた径以下となる。疑似ノズル径Ｄｐは、後述するように、ノズル径Ｄに対して３分の２以下の径となる。ノズル６０の内壁面６３に形成された液膜７１の厚みｔｍの算出方法については後述する。本明細書では、制御部９０が圧電素子４５を制御して第１工程を行うことを第１制御とも呼ぶ。

図６には、第２工程におけるノズル６０内のメニスカスの状態を表している。第２工程では、ノズル６０の内壁面６３に液膜７１が形成された状態、つまり、疑似ノズルが形成された状態で、制御部９０が圧電素子４５に対して、押し出し波形部分Ｗ２を供給する。圧電素子４５が圧力室４３内の液体の圧力を上昇させることによって、メニスカスの中央部Ｍの形状をノズル開口部６４側に向かって凸形状に反転させる。この際に必要とされる、圧力室４３内の液体に与えられる圧力変化の大きさや速度は、上述した疑似ノズルを形成させずに、ノズル６０から液体を吐出させるために必要とされる圧力変化の大きさや速度と同程度である。ノズル６０の内壁面６３に接する液体に比べてメニスカスの中央部Ｍの方が、抵抗が小さいため、メニスカスの中央部Ｍの形状がノズル開口部６４側に向かって凸形状に反転されると、加圧された液体が凸形状のメニスカスの中央部Ｍに向かって集中し始める。

図７には、第３工程におけるノズル６０内のメニスカスの状態を表している。第３工程では、メニスカスの中央部Ｍがノズル開口部６４側に向かって凸形状にされた状態で、制御部９０が圧電素子４５に対して、押し出し波形部分Ｗ２の供給を継続する。圧電素子４５が圧力室４３内の液体の圧力を上昇させることによって、凸形状のメニスカスの中央部Ｍには、ノズル開口部６４側に向かって、液柱７２が形成されて、液柱７２は液膜７１に接触しないようにノズル６０から吐出される。ノズル６０の内壁面６３に接する液体に比べてメニスカスの中央部Ｍの方が、抵抗が小さいため、ノズル６０の内壁面６３に形成された液膜７１内の液体がノズル開口部６４側に向かって移動する速さよりも、液柱７２のメニスカスの中央部Ｍがノズル開口部６４側に向かって移動する速さの方が速い。液柱７２が液膜７１に接触しないように押し出されるため、ノズル開口部６４を通過する際に、吐出された液柱７２が有するノズル６０の径方向における径は、ノズル６０の内径の３分の２未満となる。本明細書では、制御部９０が圧電素子４５を制御して第２工程と第３工程とを行うことを第２制御とも呼ぶ。

図８には、第３工程の後におけるノズル６０内のメニスカスの状態を表している。第３工程の後、ノズル６０外へと吐出された液柱７２は、液滴７３となって飛翔する。その後、ノズル６０内に残った液体のメニスカスの状態は、初期状態に戻る。尚、ノズル６０内にて液柱７２が液滴７３となって、液滴７３がノズル６０外へと吐出されてもよいし、ノズル６０外へと吐出された液柱７２は、液滴７３とはならず、液柱７２状のまま飛翔してもよい。ノズル６０から液柱７２が吐出された後、制御部９０は、圧電素子４５に対して引き込み波形部分Ｗ１を供給して、圧力室４３内の液体の圧力を低下させることによって、吐出された液柱７２の尾切りを行ってもよい。

第１工程において、メニスカスの中央部Ｍが圧力室４３側に向かって移動する速さは、ノズル６０の内壁面６３に液膜７１が形成され、かつ、ノズル６０内の液体に空洞現象が生じない程度の速さとすることが好ましい。空洞現象のことを、キャビテーションとも呼ぶ。第１工程において、メニスカスの中央部Ｍを引き込む速度は、吐出される液体の種類やノズル径Ｄ等に応じて設定できる。例えば、第３工程において、吐出される液体がノズル開口部６４側に向かって移動する速さよりも２～１００倍遅くすることができる。

第１工程において、メニスカスの中央部Ｍが圧力室４３側に向かって移動する速さは、引き込まれたメニスカスの中央部Ｍが移動する様子を、ノズル６０の側方からストロボスコープによって所定の周期で撮像し、得られた複数枚の画像を用いて、メニスカスの中央部Ｍがノズル６０の中心軸ＣＬに沿って移動を開始した直後から、移動を停止する直前までの平均速度によって算出される。また、第３工程において、吐出される液体がノズル開口部６４側に向かって移動する速さは、凸形状のメニスカスの中央部Ｍから押し出された液柱７２のメニスカスの中央部Ｍまたは液滴７３の先端Ｍ１が移動する様子を、ノズル６０の側方からストロボスコープによって所定の周期で撮像し、得られた複数枚の画像を用いて、液柱７２のメニスカスの中央部Ｍまたは液滴７３の先端Ｍ１がノズル６０の中心軸ＣＬに沿って移動を開始した直後から、液柱７２のメニスカスの中央部Ｍまたは液滴７３の先端Ｍ１がノズル開口部６４を通過する直前までの平均速度によって算出される。

第３工程によって、ノズル６０外に吐出された液体が飛翔する速さは、凸形状のメニスカスの中央部Ｍから押し出された液柱７２のメニスカスの中央部Ｍまたは液滴７３の先端Ｍ１が移動する様子を、ノズル６０の側方からストロボスコープによって所定の周期で撮像し、得られた複数枚の画像を用いて、液柱７２のメニスカスの中央部Ｍまたは液滴７３の先端Ｍ１が、ノズル６０外に現れた直後から、ノズル６０の中心軸ＣＬに沿ってノズル開口部６４から０．５ｍｍの距離を移動した直後までの平均速度によって算出される。但し、液柱７２のメニスカスの中央部Ｍまたは液滴７３の先端Ｍ１が、ノズル６０の中心軸ＣＬに沿ってノズル開口部６４から１．０ｍｍ以上の距離を移動した後の画像は、平均速度の算出に用いない。

図５に示すように、ノズル６０の内壁面６３に形成された液膜７１の厚みｔｍは、以下の方法により求められる平均的な厚みとする。まず、ノズル６０内における液体の状態を、ノズル６０の側方からストロボスコープによって撮像し、得られた２次元の画像において、メニスカスによって表される曲線のうち、以下の（Ａ）から（Ｃ）までの条件のいずれかを満たす曲線の部分を求める。（Ａ）メニスカスに対してノズル６０の内壁面６３側にメニスカスの曲率中心が位置する。（Ｂ）メニスカスの曲率が無限大である。尚、ここでいう無限大とは、メニスカスの曲率半径がノズル径Ｄに対して１００倍以上であることを意味する。（Ｃ）メニスカスに対してノズル６０の中心軸ＣＬ側にメニスカスの曲率中心が位置し、かつ、メニスカスの曲率半径がノズル６０の最大半径よりも大きい。尚、ノズル６０の最大半径とは、ノズル６０がストレート部６１とテーパー部６２とを有する場合、テーパー部６２の半径の最大値とする。このようにして求めた曲線の部分における、ノズル開口部６４側の端部を点Ａとし、圧力室４３側の端部を点Ｂとする。次に、点Ａを通る中心軸ＣＬの垂線と、点Ｂを通る中心軸ＣＬの垂線と、ノズル６０の内壁面６３と、メニスカスとによって囲まれた領域の面積Ｓを求める。そして、この領域の面積Ｓを、ノズル６０の中心軸ＣＬに沿った方向における点Ａと点Ｂとの間隔Ｌで割った値を、液膜７１の厚さｔｍとする。また、図６に示すように、ノズル６０の中心軸ＣＬに沿った方向における凸形状のメニスカスの中央部Ｍと点Ａとの間における、疑似ノズルの最小径を疑似ノズル径Ｄｐとする。

第１工程において、ノズル６０の内壁面６３に形成される液膜７１の厚みｔｍは、第２工程や第３工程において、液柱７２が液膜７１に接触しない範囲内であれば、ノズル径Ｄに対して何％であってもよい。第１工程において、ノズル６０の内壁面６３に形成される液膜７１の厚みｔｍは、ノズル径Ｄに対して２０％以下であることが好ましい。

ノズル開口部６４を通過する際に、吐出された液柱７２または液滴７３が有するノズル６０の径方向における径は、凸形状のメニスカスの中央部Ｍから押し出された液柱７２または液滴７３が移動する様子を、ノズル６０の側方からストロボスコープによって所定の周期で撮像し、得られた複数枚の画像を用いて、ノズル開口部６４を通過する液柱７２または液滴７３が有する最大の径を計測することによって調べることができる。

図９は、キャピラリー数Ｃａと、ノズル径Ｄに対する疑似ノズル径Ｄｐの比との関係について調べた試験結果を示すグラフである。この試験では、上述した第１工程と第２工程と第３工程とが行われる間における、ノズル６０内の液体の状態を、ノズル６０の側方からストロボスコープを用いて所定の周期で撮像し、得られた画像を用いて液膜７１の厚みｔｍを算出した。算出された液膜７１の厚みｔｍの２倍の値を、ノズル径Ｄから差し引いた径を、疑似ノズル径Ｄｐと仮定した。この試験では、ノズル６０内の液体の状態をストロボスコープによって撮像可能なように、ノズル６０が透明なアクリル樹脂によって構成された液体吐出装置１００を用いた。この試験は、２５℃の常温下において行った。液体としては、常温下において、８００ｍＰａ・ｓの粘度を有するグリセリンを用いた。キャピラリー数Ｃａは、液体の粘度ηと、メニスカスの中央部Ｍを引き込む速度Ｖと、液体の表面張力σとを用いて、下式（１）によって求めた。
Ｃａ＝η×Ｖ／σ ・・・（１）

図９にて、丸印で表された点Ｐ１は、ノズル径Ｄが１６０μｍの場合の試験結果を表している。三角形印によって表された点Ｐ２は、ノズル径Ｄが２１０μｍの場合の試験結果を表している。菱形印によって表された点Ｐ３は、ノズル径Ｄが３１０μｍの場合の試験結果を表している。また、図９には、下式（２）を用いて液膜７１の厚みｔｍを算出した場合における、キャピラリー数Ｃａとノズル径Ｄに対する疑似ノズル径Ｄｐの比との関係が曲線によって表されている。この曲線では、下式（２）を用いて算出された液膜７１の厚みｔｍの２倍の値を、ノズル径Ｄから差し引いた径を、疑似ノズル径Ｄｐとした。試験によって得られた液膜７１の厚みｔｍは、概ね下式（２）に則る。
ｔｍ＝１．３４×Ｃａ^２／３／（１＋１．３４×２．５×Ｃａ^２／３） ・・・（２）
この試験結果によれば、疑似ノズル径Ｄｐは、キャピラリー数Ｃａの増加に従って、小さくなる。キャピラリー数Ｃａが２以上の範囲では、ノズル径Ｄの大きさによる影響をあまり受けずに、疑似ノズル径Ｄｐは、ノズル径Ｄに対して３分の２以下の径となる。

以上で説明した本実施形態の液体吐出装置１００によれば、ノズル６０内に、液膜７１による疑似ノズルが形成され、疑似ノズル内から液体が吐出される。疑似ノズル内の抵抗がノズル６０の内壁面６３近傍よりも小さいため、吐出される液体のエネルギー損失を小さくできるとともに、吐出される液体のノズル６０の径方向における径を、疑似ノズル径Ｄｐよりも小さくできる。そのため、高粘度かつ小径の液体を安定して吐出させることができる。

また、本実施形態では、液膜７１と接触しないように液柱７２が疑似ノズル内から液体が吐出されるため、吐出される液体のエネルギー損失を小さくできる。そのため、吐出される液体の飛翔速度を向上できる。

また、本実施形態では、液膜７１によって形成された疑似ノズル内から液体を吐出させるため、大きな粒径の材料を含む液体を吐出させる場合であっても、ノズル６０の目詰まりを抑制できる。

また、本実施形態では、疑似ノズル径Ｄｐがノズル径Ｄの３分の２以下となり、疑似ノズルを形成する液膜７１に接触しないように疑似ノズル内から液体が吐出される。そのため、ノズル径Ｄの３分の２未満の径の液体を吐出させることができる。

また、本実施形態では、第１工程において、メニスカスの中央部Ｍが圧力室４３側に向かって移動する速さが、第３工程において、吐出される液体がノズル開口部６４側に向かって移動する速さよりも遅く設定される。そのため、メニスカスの中央部Ｍを引き込む際に、液体にキャビテーションが発生することを抑制でき、ノズル６０からの液体の吐出不良を抑制できる。

また、本実施形態では、第１工程において、メニスカスの中央部Ｍが引き込まれる長さは、ストレート部６１内までに設定されている。そのため、メニスカスの中央部Ｍを引き込む際に要する圧力室４３内の圧力変化を小さくでき、圧力変化部４４を小型化することができる。また、メニスカスの中央部Ｍを引き込む際に、圧力室４３内に気泡が混入することを抑制できる。

また、本実施形態では、圧力変化部４４が拡大変位機構５０を備えているため、圧力室４３内の液体に対して、より大きな圧力変化を生じさせることができる。そのため、メニスカスの中央部Ｍをより大きく引き込むことができるとともに、加圧された液体を凸形状のメニスカスの中央部Ｍに対して、より集中させることができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ－１）上述した第１実施形態の液体吐出装置１００において、圧力変化部４４は、拡大変位機構５０を備えている。これに対して、圧力変化部４４は、拡大変位機構５０を備えていなくてもよい。この場合、圧力変化部４４は、例えば、圧電素子４５と、圧力室４３の壁面を構成する振動板を備える形態とすることができる。この形態であっても、振動板に固定された圧電素子４５の伸縮によって、圧力室４３の容積を変化させることができる。尚、圧力室４３内の液体を加圧する形態は、上述したピエゾ方式に限らず、圧力室４３内に気泡を発生させて液体を加圧するサーマル方式であってもよく、ソレノイドとバルブによって圧力室４３内を加圧して液体を吐出させるバルブ方式であってもよい。

（Ｂ－２）上述した第１実施形態の液体吐出装置１００では、制御部９０は、図５に示したように、第１工程において、点Ａから点Ｂに向かって液膜７１が徐々に厚くなるように、メニスカスの中央部Ｍをストレート部６１内まで引き込ませている。これに対して、図１０に示すように、制御部９０は、第１工程において、点Ｂ近傍の液膜７１が点Ａと点Ｂとの間の液膜７１よりも薄くなるように、メニスカスの中央部Ｍをストレート部６１内まで引き込ませてもよい。また、図１１に示すように、制御部９０は、第１工程において、メニスカスの中央部Ｍを、ストレート部６１を超えてテーパー部６２内に入るまで引き込ませてもよい。この場合、テーパー部６２近傍の液体を撹拌できるため、テーパー部６２近傍における液体の増粘を抑制できる。また、第２工程から第３工程にかけて、加圧によって液体が加速させられる距離が長くなるため、液体を高速で吐出できる。尚、第１工程において、メニスカスの中央部Ｍをどの位置まで引き込ませるかは、第２工程と第３工程とを実現可能な位置までであればよい。第２工程におけるメニスカスの中央部Ｍの反転は、第１工程において、メニスカスの中央部Ｍをテーパー部６２まで引き込んだ場合には、テーパー部６２内において行われてもよいし、ストレート部６１内において行われてもよい。

（Ｂ－３）上述した第１実施形態の液体吐出装置１００において、ノズル６０から吐出される液体は、フィラーを含有してもよい。液体に含有されるフィラーの種類に応じて、液体の体積収縮が抑制される他、良好な発色性を実現できる等の効果が得られる。尚、液体におけるフィラーの含有率は、例えば、５０質量％以上であってもよい。

（Ｂ－４）図１２に示すように、上述した第１実施形態の液体吐出装置１００において、ヘッド部４０は、ノズル６０のテーパー部６２に連通する循環流路４６を備えてもよい。ノズル６０から吐出されずに循環流路４６へと流れた液体は、ポンプ等の圧力によって、供給流路４２から圧力室４３内に循環する。この場合、圧力室４３から循環流路４６に向かう液体の流れを生じさせることができるため、圧力室４３内からノズル６０にかけての液体の増粘を抑制できる。液膜７１の厚みｔｍは、循環流路４６の開口が設けられた側ではなく、循環流路４６の開口が設けられていない側において測定することが好ましい。尚、循環流路４６へと流れた液体は、圧力室４３内に循環せずに廃液タンク等に排出されてもよい。また、循環流路４６は、圧力室４３や、ノズル６０のストレート部６１に連通してもよい。

（Ｂ－５）図１３に示すように、上述した第１実施形態の液体吐出装置１００において、ヘッド部４０は、１組のノズル６０と圧力室４３と圧力変化部４４とを備えている。これに対して、ヘッド部４０は、複数組のノズル６０ａ，６０ｂ，６０ｃと圧力室４３ａ，４３ｂ，４３ｃと圧力変化部４４ａ，４４ｂ，４４ｃとを備える形態であってもよい。この場合、複数のノズル６０ａ，６０ｂ，６０ｃから高粘度かつ小径の液体を安定して吐出させることができる。

（Ｂ－６）上述した第１実施形態では、ノズル６０の側方から、ストロボスコープを用いて、ノズル６０内およびノズル６０外の液体の状態を撮像したが、ノズル６０の中心軸ＣＬに沿った方向から撮像してもよい。また、ハイスピードカメラや、レーザー変位計等を用いて撮像、計測してもよい。

Ｃ．他の形態：
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本発明は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本発明の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本発明の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、液体を吐出するノズルと；前記ノズルに連通する圧力室と；前記圧力室内の液体の圧力を変化させる圧力変化部と；前記圧力変化部を制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記圧力変化部を駆動して、前記圧力室内の前記液体の圧力を低下させることによって、前記ノズル内の前記液体のメニスカスの中央部を前記圧力室側に向かって引き込ませ、前記ノズルの内壁面に前記液体による液膜を形成する第１制御と；前記内壁面に前記液膜が形成された状態で、前記圧力室内の前記液体の圧力を上昇させることによって、前記メニスカスの中央部の形状を前記圧力室とは反対側の前記ノズルの開口部側に向かって凸形状に反転させて液柱を形成し、さらに、前記凸形状の前記メニスカスの中央部から前記開口部側に向かって、前記液柱を前記液膜に接触させずに吐出させる第２制御と；を実行する。
この形態の液体吐出噴射装置によれば、ノズル内における液膜よりも内側の抵抗が、ノズルの内壁面近傍よりも小さく、さらに、液膜と接触しないように液柱が液膜の内側を通過するため、吐出される液体のエネルギー損失を小さくできる。そのため、吐出される液体の飛翔速度を向上させることができる。

（２）上記形態の液体吐出装置において、前記ノズルの前記開口部側の端面を通過する際に、前記吐出された前記液柱が有する前記ノズルの径方向における径は、前記ノズルの内径の３分の２未満であってもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、ノズル内に形成される液膜の内側の径は、ノズル内径の３分の２の径となるため、ノズル内径の３分の２未満の径の液体を吐出させることができる。

（３）上記形態の液体吐出装置において、前記第１制御において、前記メニスカスの中央部が前記圧力室側に向かって移動する速さは、前記第２制御において、前記吐出される前記液柱が前記ノズルの前記開口部側に向かって移動する速さよりも遅くてもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、メニスカスを引き込む際に、液体にキャビテーションが発生することを抑制できるため、ノズルからの液体の吐出不良を抑制できる。

（４）上記形態の液体吐出装置において、前記ノズルは、ストレート部と、前記ストレート部よりも前記圧力室側に設けられたテーパー部とを有し、前記テーパー部における前記ノズルの径は、前記圧力室側に向かうにつれて大きくなり、前記第１制御において、前記メニスカスの中央部は、前記ストレート部内まで引き込まれてもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、メニスカスを引き込む際に要する圧力室内の圧力変化を小さくできるため、圧力変化部を小型化することができる。また、メニスカスを引き込む際に、圧力室内に気泡が混入することを抑制できる。

（５）上記形態の液体吐出装置において、前記ノズルは、ストレート部と、前記ストレート部よりも前記圧力室側に設けられたテーパー部とを有し、前記テーパー部における前記ノズルの径は、前記圧力室側に向かうにつれて大きくなり、前記第１制御において、前記メニスカスの中央部は、前記テーパー部内に入るまで引き込まれてもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、テーパー部近傍の液体を撹拌できるため、テーパー部近傍における液体の増粘を抑制できる。また、液体が加圧されて加速させられる距離が長くなるため、液体を高速で吐出できる。

（６）上記形態の液体吐出装置において、前記液体は、フィラーを含有してもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、液体に含有されるフィラーの種類に応じて、液体の体積収縮が抑制される他、良好な発色性を実現できる等の効果が得られる。

（７）上記形態の液体吐出装置は、前記圧力室に連通し、前記液体を前記圧力室に循環させる循環流路を備えてもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、圧力室から循環流路に向かう液体の流れを生じさせることができるため、圧力室内からノズルにかけての液体の増粘を抑制できる。

（８）上記形態の液体吐出装置において、前記圧力変化部は、圧電素子と、前記圧電素子の変位量を拡大する拡大変位機構とを備えてもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、圧力室内により大きな圧力変化を生じさせることができるため、メニスカスの中央部をより大きく引き込むことができるとともに、メニスカスの凸形状の中央部に対して、加圧された液体の流れをより集中させることができる。

（９）上記形態の液体吐出装置は、前記ノズルと前記圧力室と前記圧力変化部とを複数組備え、前記制御部は、それぞれの前記圧力変化部を制御してもよい。
この形態の液体吐出装置によれば、複数のノズルから高粘度かつ小径の液体を安定して吐出させることができる。

本発明は、液体吐出装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、液体吐出方法や液体吐出ヘッド、その制御方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

１０…タンク、２０…加圧ポンプ、３０…供給管、４０…ヘッド部、４１…筐体、４２…供給流路、４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ…圧力室、４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ…圧力変化部、４５…圧電素子、４６…循環流路、５０…拡大変位機構、５１…第１隔壁、５２…第１弾性部材、５３…収容室、５４…第２隔壁、５５…第２弾性部材、６０，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ…ノズル、６１…ストレート部、６２…テーパー部、６３…内壁面、６４…ノズル開口部、７１…液膜、７２…液柱、７３…液滴、９０…制御部、１００…液体吐出装置。

Claims (6)

1. 液体吐出装置であって、
   液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルに連通する圧力室と、
   前記圧力室内の液体の圧力を変化させる圧力変化部と、
   前記圧力変化部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記圧力変化部を駆動して、
   前記圧力室内の前記液体の圧力を低下させることによって、前記ノズル内の前記液体の粘度とメニスカスの中央部の移動速度と表面張力とによって定まるキャピラリー数が２以上になるように前記ノズル内の前記液体のメニスカスの中央部を前記圧力室側に向かって引き込ませ、前記ノズルの内壁面に前記液体による液膜を形成する第１制御と、
   前記内壁面に前記液膜が形成された状態で、前記圧力室内の前記液体の圧力を上昇させることによって、前記メニスカスの中央部の形状を前記圧力室とは反対側の前記ノズルの開口部側に向かって凸形状に反転させて液柱を形成し、さらに、前記凸形状の前記メニスカスの中央部から前記開口部側に向かって、前記液柱を前記液膜に接触させずに吐出させる第２制御と、
   を実行し、
   前記圧力変化部は、印加される電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮による変位量を拡大する拡大変位機構と、を備え、
   前記拡大変位機構は、
   作動流体が封入されている収容室と、
   前記圧電素子と前記収容室とを隔てる第１隔壁であって、前記圧電素子の伸縮に応じて変位することにより前記収容室内の前記作動流体の圧力を変化させる前記第１隔壁と、
   前記収容室と前記圧力室とを隔てる第２隔壁であって、前記収容室内の前記作動流体の圧力の変化に応じて変位することにより前記圧力室内の前記液体の圧力を変化させる前記第２隔壁と、
   前記第１隔壁の外周縁と前記収容室の壁面との間に配置されている第１弾性部材と、
   前記第２隔壁の外周縁と前記収容室の壁面との間に配置されている第２弾性部材と、
   を備え、
   前記第１隔壁の外周縁は、前記第１弾性部材を介して前記収容室の壁面に支持されており、
   前記第２隔壁の外周縁は、前記第２弾性部材を介して前記収容室の壁面に支持されており、
   前記第２隔壁の前記作動流体と接している部分の面積は、前記第１隔壁の前記作動流体と接している部分の面積よりも小さく、
   前記圧電素子が伸縮するときの前記第２隔壁の変位量は、前記圧電素子が伸縮するときの前記第１隔壁の変位量よりも大きい、液体吐出装置。
2. 請求項１に記載の液体吐出装置であって、
   前記ノズルの前記開口部側の端面を通過する際に、前記吐出された前記液柱が有する前記ノズルの径方向における径は、前記ノズルの内径の３分の２未満である、液体吐出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置であって、
   前記液体は、フィラーを含有する、液体吐出装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
   前記ノズルと前記圧力室とに連通し、前記液体を前記ノズルから前記圧力室に循環させる循環流路を備え、
   前記ノズルは、ストレート部と、前記ストレート部よりも前記圧力室側に設けられたテーパー部とを有し、
   前記循環流路の前記ノズル側の開口部は、前記ストレート部に設けられている、液体吐出装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
   前記ノズルと前記圧力室と前記圧力変化部とを複数組備え、
   前記制御部は、それぞれの前記圧力変化部を制御する、液体吐出装置。
6. 液体をノズルから吐出させる液体吐出方法であって、
   前記ノズルに連通する圧力室内の液体の圧力を変化させる圧力変化部を用いて前記圧力室内の前記液体の圧力を低下させることによって、前記ノズル内の前記液体の粘度とメニスカスの中央部の移動速度と表面張力とによって定まるキャピラリー数が２以上になるように前記ノズル内の前記液体のメニスカスの中央部を前記圧力室側に向かって引き込ませ、前記ノズルの内壁面に前記液体による液膜を形成する第１工程と、
   前記内壁面に前記液膜が形成された状態で、前記圧力変化部を用いて前記圧力室内の前記液体の圧力を上昇させることによって、前記メニスカスの中央部の形状を前記圧力室とは反対側の前記ノズルの開口部側に向かって凸形状に反転させて液柱を形成する第２工程と、
   前記メニスカスの中央部が前記ノズルの前記開口部側に向かって前記凸形状にされた状態で、前記圧力変化部を用いて前記圧力室内の前記液体の圧力を上昇させることによって、前記凸形状の前記メニスカスの中央部から前記開口部側に向かって、前記液柱を前記液膜に接触させずに吐出させる第３工程と、
   を備え、
   前記圧力変化部は、印加される電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮による変位量を拡大する拡大変位機構と、を備え、
   前記拡大変位機構は、
   作動流体が封入されている収容室と、
   前記圧電素子と前記収容室とを隔てる第１隔壁であって、前記圧電素子の伸縮に応じて変位することにより前記収容室内の前記作動流体の圧力を変化させる前記第１隔壁と、
   前記収容室と前記圧力室とを隔てる第２隔壁であって、前記収容室内の前記作動流体の圧力の変化に応じて変位することにより前記圧力室内の前記液体の圧力を変化させる前記第２隔壁と、
   前記第１隔壁の外周縁と前記収容室の壁面との間に配置されている第１弾性部材と、
   前記第２隔壁の外周縁と前記収容室の壁面との間に配置されている第２弾性部材と、
   を備え、
   前記第１隔壁の外周縁は、前記第１弾性部材を介して前記収容室の壁面に支持されており、
   前記第２隔壁の外周縁は、前記第２弾性部材を介して前記収容室の壁面に支持されており、
   前記第２隔壁の前記作動流体と接している部分の面積は、前記第１隔壁の前記作動流体と接している部分の面積よりも小さく、
   前記圧電素子が伸縮するときの前記第２隔壁の変位量は、前記圧電素子が伸縮するときの前記第１隔壁の変位量よりも大きい、液体吐出方法。

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