JP5845968B2 - 液滴量測定装置、液滴量測定方法、および液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴量測定装置、液滴量測定方法、および液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。

近年、インクジェット技術を用いた印刷では高精細化技術および高速化技術が要求されている。これらの技術は、インクジェット式記録ヘッドにおける液滴吐出ノズルの高密度化技術、微細化技術、ヘッド駆動波形による液滴の微小化技術等に基づく。一方、製品評価時には、インクジェット式記録ヘッドの特性として、高位な印刷品質を確保するために液滴の飛翔速度や吐出量等の各ノズルに対する特性を適宜測定しなければならない。これは、これらの特性がヘッドの製造工程におけるノズル毎の寸法のばらつき等に依存し、印刷時の液滴着地位置ずれや印刷濃度斑等の品質に直接影響を与えるためである。

液滴吐出量に関しては、一滴の液滴吐出量を測定するために、１ノズルにつき複数回液滴を吐出させて容器に収集し、それを重量計等で測定する方法、あるいはヘッドに接続したインク供給容器側のインク減少量を重量計等で測定する液滴積算法がある。これらの方法によって比較的高精度に一滴当たりの液滴吐出量が測定可能になっている。また、液滴の飛翔画像をカメラ等で撮影し、撮影画像を画像処理し液滴が回転対称であると仮定してその形状から吐出量を算出する方法も知られている。

しかし、測定対象である液滴は数ナノｇ（１×１０^−９ｇ）程度であることに対して、一般に市販されている高精度重量計の分解能は１×１０^−５ｇ程度である。このため、高精度に液滴重量を測定するためには１ノズルにつき数万乃至数十万発程度積算しなければならない。特に、複数集積した各ノズルに対して液滴の重量測定を行う場合には多大な時間を要するという問題があった。

また、液滴の飛翔画像から液滴吐出量を算出する方法では照明の強さや向きなどの条件によって画像上の液滴の大きさが変わってしまうのに加え、液滴量は測定された回転半径の２乗に比例するため、回転半径の測定誤差が強く影響してしまう。このため、算出される吐出量の精度が悪いという問題があった。

特許文献１には、液滴吐出量を効率的に測定する手段として、液滴吐出手段から吐出された液滴長さの異なる複数の液滴の飛翔画像を取得し、各々の画像について二値化閾値を掃引することにより算出した液滴量曲線と、重量取得手段によって測定した液滴量とが等価となる閾値を算出した後、複数の液滴長さと該閾値との間に導出した閾値曲線によって、種々の飛翔形状を有する液滴の画像解析における二値化閾値を最適化する方法が開示されている。

しかし、特許文献１において、液滴吐出量を効率的かつ高精度に測定するという問題は解消できていない。

本発明は以上の問題点を鑑みなられたものであり、液滴吐出量を効率的かつ高精度に測定する液滴量測定装置、液滴量測定方法、および液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、液滴量が未知である第１液滴を吐出する第１液滴吐出手段と、液滴量が既知である第２液滴を前記第１液滴と空中で接触する方向に吐出して、前記第２液滴を前記第１液滴に融合させる第２液滴吐出手段と、前記第１液滴、前記第２液滴、および前記第１液滴と前記第２液滴とが融合して形成された融合液滴のそれぞれの速度を計測する計測手段と、前記第１液滴、前記第２液滴、および前記融合液滴のそれぞれの速度と、前記第１液滴および前記第２液滴のそれぞれの液滴量との間に成り立つ運動量保存の関係から前記第１液滴の液滴量を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする液滴量測定装置が提供される。

本発明によれば、液滴吐出量を効率的かつ高精度に測定できる。

第１の実施形態に係る液滴量測定装置の全体概要図である。 第１の実施形態に係る液滴量測定装置の被測定ヘッド、プローブ液滴吐出ヘッド、撮影装置、および光源の配置を説明する図である。 液滴の衝突を撮影した例を示す図である。 第２の実施形態に係る液滴量測定装置の被測定ヘッド、プローブ液滴吐出ヘッド、撮影装置、および光源の配置を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る液滴量測定装置の全体概要図である。
図２は、第１の実施形態に係る液滴量測定装置の被測定ヘッド、プローブ液滴吐出ヘッド、撮影装置、および光源の配置を説明する図である。図２では、被測定ヘッド１１のノズル１１ｎの正面から眺めた図が示されている。

液滴量測定装置１は、液滴量が未知である第１液滴（被測定液滴１０）を吐出する第１液滴吐出手段（被測定ヘッド１１）と、液滴量が既知である第２液滴（プローブ液滴２０）を前第１液滴と空中で接触する方向に吐出して、前記第２液滴を前記第１液滴に融合させる第２液滴吐出手段（プローブ液滴吐出ヘッド２１）と、前記第１液滴、前記第２液滴、および前記第１液滴と前記第２液滴とが融合して形成された融合液滴３０のそれぞれの速度を計測する計測手段（撮影装置４０）と、前記第１液滴、前記第２液滴、および前記融合液滴のそれぞれの速度と、前記第１液滴および前記第２液滴のそれぞれの液滴量との間に成り立つ運動量保存の関係から前記第１液滴の液滴量を演算する演算手段（情報処理装置５０）と、を備える。

さらに、液滴量測定装置１は、計測手段である撮影装置４０と対向して配置された光源６０を備える。計測手段による計測は、光源６０の発光下でなされる。光源６０が撮影装置４０と対向して配置されたことにより、液滴の撮影が容易になる。また、液滴量測定装置１は、被測定ヘッド１１からの液滴の吐出を制御する制御装置１２と、プローブ液滴吐出ヘッド２１からの液滴の吐出を制御する制御装置２２と、光源６０の発光を制御する制御装置６２と、を備える。制御装置１２、２２、６２は、情報処理装置５０に接続されている。情報処理装置５０は、２つのインクジェットヘッド（被測定ヘッド１１、プローブ液滴吐出ヘッド２１）の吐出タイミングと撮影装置４０の撮影タイミング、光源６０の発光タイミングを調整するとともに、撮影装置４０から得られた画像から液滴の速度を算出する。

液滴量測定装置１は、予め、液滴積算法によって吐出量が既知、即ち吐出される液滴の質量が既知となっている第２液滴吐出手段（プローブ液滴吐出ヘッド２１）を設けている。第２液滴吐出手段から吐出される液滴をプローブ液滴２０とする。第２液滴（プローブ液滴２０）の液滴量は、その重量を取得する重量取得手段（不図示）によって決定される。これにより、第２液滴の液滴量が精度よく測定できる。重量取得手段は、液滴量測定装置１内に組み込んでもよく、組み込まなくてもよい。重量取得手段とは、例えば、重量計等である。

図３は、液滴の衝突を撮影した例を示す図である。
図３では、図の上から下に向かって被測定液滴１０が、図の左から右に向かってプローブ液滴２０が飛翔して、図の中央で融合した後、右下に向かって融合液滴３０が飛翔している様子が示されている。

第１液滴（被測定液滴１０）は、第１液滴吐出手段（被測定ヘッド１１）から吐出された液滴である。第２液滴（プローブ液滴２０）は、第２液滴吐出手段（プローブ液滴吐出ヘッド２１）から吐出された液滴である。

第１液滴吐出手段（被測定ヘッド１１）から吐出された測定対象である質量未知の被測定液滴１０に対し、質量既知のプローブ液滴２０を衝突させることにより、プローブ液滴２０と被測定液滴１０とを合体し融合液滴３０が形成される。この衝突の様子を撮影装置４０（例えば、カメラ、顕微鏡）で撮影し、撮影画像の時間変化より衝突前の２つ液滴のそれぞれの重心の速度と融合後の液滴の重心の速度を測定する。それぞれの重心は、例えば、画像処理等によって決定される。すなわち、計測手段は、第１液滴、第２液滴、および融合液滴のそれぞれの重心の位置に基づいて、それぞれの速度を計測する。

プローブ液滴２０の重量、衝突前の２つ液滴のそれぞれの重心の速度、融合後の液滴の重心の速度の測定値から、運動量保存則を利用することにより、質量が未知である被測定液滴１０の質量が算出される。

被測定液滴１０の液滴量測定方法としては、液滴量が未知であり空中を飛翔する第１液滴（被測定液滴１０）と接触する方向に、液滴量が既知である第２液滴（プローブ液滴２０）を吐出させ、前記第１液滴及び前記第２液滴を融合させて融合液滴３０を生成し、前記第１液滴と前記第２液滴と前記融合液滴それぞれの速度と前記第１液滴と前記第２液滴それぞれの液滴量の間に成り立つ運動量保存の関係から前記第１液滴の液滴量を算出する。

例えば、まず、プローブ液滴２０の質量を液滴積算法により測定する。つまり１ノズルにつき複数回吐出させた液滴を容器に収集し、収集した液滴を重量計等で測定して１滴あたりの質量を算出する。

続いて、被測定ヘッド１１とプローブ液滴吐出ヘッド２１から液滴を連続吐出し、撮影装置４０で観察しながら、被測定液滴１０とプローブ液滴２０とが衝突するように両ヘッドの位置および吐出タイミングを調整する。

液滴の衝突を確認した後、撮影装置４０で液滴の重心位置の時間変化を観察することで被測定液滴１０及びプローブ液滴２０の衝突直前の速度、そして衝突して２つの液滴が融合した融合液滴３０の速度を測定する。

ここで、プローブ液滴の質量をＭ、速度をＶ、被測定液滴の質量をｍ、速度をｖ、融合液滴の速度をＶ’とおくと、例えば速度の各成分（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向成分）をＶ＝（Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３）と表記すると、次の式（運動量保存法則）が成立し、
ｍ＝（−（Ｖ_ｉ−Ｖ’_ｉ）／（ｖ_ｉ−Ｖ’_ｉ））×Ｍ；ただしｉ＝１、２、３
から、被測定液滴１０の質量ｍが得られる。
このように、運動量保存則を用いると、これらの速度とプローブ液滴の質量から被測定液滴１０の質量ｍを算出することができる。

実施形態では、撮影した画像の液滴の輪郭でなく、重心座標の相対移動変化を用いるため撮影時の照明の影響を受けにくく、吐出量測定の精度が良好になる。さらに、被測定液滴１０の質量を直接測定できる点も精度が向上する一因となっている。

なぜなら、液滴が回転対称であると仮定して、撮影した液滴の形状から吐出量を算出する方法では直接測定できるのが液滴の断面積または回転半径である。質量を算出する際に、回転半径を利用する場合には、回転半径の２乗の値が必要になり、その結果、測定誤差が拡大するからである。

また、プローブ液滴２０の質量は予め液滴積算法で測定する必要があるものの、被測定液滴１０の吐出量を測定する場合には、液滴積算法を使用する必要がないため、液滴量測定の効率が良好になる。

このように、液滴吐出手段から吐出された測定対象の液滴に対し、質量が既知であるプローブ液滴と測定対象の液滴を衝突させ合体させ、衝突前後のそれぞれの液滴の重心の移動速度の変化から運動量保存則を用いて測定対象の液滴の質量を測定する。

被測定ヘッド、プローブ液滴吐出ヘッドはともに、オンデマンド型でもコンティニュアス型でもよく、特に制約はされない。また、オンデマンド型の場合、加熱によって液体を発泡させて液滴を吐出させる方式でもよく、圧電素子を変位させることで液滴を吐出する方式でもよく、特に制約はされない。

被測定ヘッド１１は、単ノズルのヘッドでもよく、ノズルが多数に集積したヘッド（後述）でもよく、特に制約はされない。また、プローブ液滴吐出ヘッド２１は、ノズル２１ｎがキャピラリ形状をした単ノズルヘッドが望ましい。ノズル２１ｎがキャピラリ形状をしていると、撮影装置４０で衝突を観察する際に光源６０からの光を遮る部分が少なく、光量を十分確保できて鮮明な画像が得られるためである。

被測定ヘッド１１の駆動周波数と吐出された被測定液滴１０の速度の大きさは特に制約されるものではなく、実際にインクジェットヘッドで使用する所望の駆動周波数、液滴速度を用いるのがよい。

プローブ液滴吐出ヘッド２１の駆動周波数は、被測定液滴１０と衝突すれば特に制約はされない。好ましくは被測定ヘッド１１と同一周波数である。プローブ液滴２０の速度の大きさ、被測定液滴１０の速度ベクトルとプローブ液滴２０の速度ベクトルとの成す角度は、測定精度の観点から衝突前後の液滴の速度差が大きくなるように調整するとよい。例えば、被測定液滴１０の吐出方向（速度ベクトル）とプローブ液滴２０の吐出方向（速度ベクトル）との成す角度は９０度程度とするのが好適である。

被測定液滴１０が柱状に伸びた形状をしている場合には、被測定液滴１０の全てがプローブ液滴２０と融合するように、被測定液滴１０の速度と、被測定液滴の速度ベクトルとプローブ液滴の速度ベクトルの成す角度を調整するとよい。

プローブ液滴２０を構成する液体は、融合後の重心位置の算出の容易さから、被測定液滴１０を構成する液体と互いに溶解し合う液体が好ましい。プローブ液滴２０の質量は特に制約されるものではないが、測定精度の観点から被測定液滴１０の質量と同じ質量となることは好ましくない。

撮影装置４０を用いた撮影方法は、液滴の重心の速度が精度良く測定できれば、高速度カメラでの撮影でもストロボ光源やパルスレーザと組み合わせたストロボ法でもよく、特に制約は受けない。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る液滴量測定装置の被測定ヘッド、プローブ液滴吐出ヘッド、撮影装置、および光源の配置を説明する図である。

図４に示す液滴量測定装置２においては、第１液滴吐出手段に第１液滴を吐出するノズルが複数集積されている。例えば、液滴量測定装置２は、被測定ヘッド１５としてオンデマンド型の多数のノズルが集積したヘッドを備える。プローブ液滴吐出ヘッド２１は、第１の実施形態と同型のコンティニュアス型ヘッドである。第２の実施形態においても、プローブ液滴２０を複数回、吐出させて容器に収集し、それを重量計で測定し、プローブ液滴１滴の質量を算出した。

被測定ヘッド１５のノズル孔１５ｈのうち、測定対象の一つのノズルから液滴を吐出し、さらに、プローブ液滴吐出ヘッド２１のノズル２１ｎから液滴を吐出した。続いて、上記と同様の撮影手段を用いて、２つのヘッド、すなわち、プローブ液滴吐出ヘッド２１のノズル２１ｎと、被測定ヘッド１５のノズル孔１５ｈとから吐出される液滴が衝突するように調整した。そして、撮影装置４０で液滴の衝突を観察し、上記と同様な方法で被測定液滴１０の質量ｍを得た。

次に、被測定ヘッド１５を図４中のｘ方向またはｙ方向に相対的に移動し、被測定ヘッド１５の測定対象の別のノズルから吐出される被測定液滴１０に関しても、同様な方法でその質量を得た。

第２の実施形態では、プローブ液滴２０の質量は予め液滴積算法で測定する必要があるものの、複数集積した各ノズルすべての吐出量を測定する場合には、全ノズルに対して液滴積算法を使用する必要がないため、測定の効率が良好になる。

また、上述した液滴量測定方法を用いて、液滴の吐出量を調整する工程を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法も実施形態に含まれる。

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではない。他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

（実施例１）
次に、液滴量測定装置、液滴量測定方法をより具体的に説明する。
図１、２に示す被測定ヘッド１１は、コンティニュアス型インクジェットヘッドであり、その外径は３６０μｍである。また、被測定ヘッド１１は、先端内径８μｍの細管をノズル１１ｎとしている。プローブ液滴吐出ヘッド２１は、コンティニュアス型インクジェットヘッドである。プローブ液滴２０から複数回、液滴を吐出させて容器に収集し、容器内の液滴群を重量計で測定し、さらに液滴数で除算することにより、プローブ液１滴の質量を算出した。観察装置４０としては、ＣＭＯＳイメージセンサを備えたカメラを用いた。また、発光時間が１μｓ以下のキセノンフラッシュと組み合わせてストロボ撮影を行った。

被測定ヘッド１１とプローブ液滴吐出ヘッド２１とから液滴を連続吐出し、撮影装置４０で観察しながら被測定液滴１０とプローブ液滴２０とが衝突するように両ヘッドの位置及び吐出タイミングを調整した。衝突位置は被測定ヘッド１１のノズル孔から約４００μｍであり、被測定液滴１０の速度ベクトルとプローブ液滴２０の速度ベクトルとの成す角度は６０度とした。

また、図３に示す液滴の重心の時間変化を追った結果、図３のｘ方向における被測定液滴１０の速さは０．００ｍ／ｓ、プローブ液滴２０の速さは４．３５ｍ／ｓ、融合液滴３０の速さは１．５８ｍ／ｓであった。これより運動量保存則を用いると、被測定液滴１０の質量ｍは、プローブ液滴２０の質量Ｍの０．５７１倍であると算出できた（ｍ／Ｍ＝０．５７１）。

１、２ 液滴量測定装置
１０ 被測定液滴
１１、１５ 被測定ヘッド
１１ｎ、２１ｎ ノズル
１５ｈ ノズル孔
１２、２２、６２ 制御装置
２０ プローブ液滴
２１ プローブ液滴吐出ヘッド
３０ 融合液滴
４０ 撮影装置
５０ 情報処理装置
６０ 光源

特開２０１０−０３６３８８号公報

Claims (7)

1. 液滴量が未知である第１液滴を吐出する第１液滴吐出手段と、
   液滴量が既知である第２液滴を前記第１液滴と空中で接触する方向に吐出して、前記第２液滴を前記第１液滴に融合させる第２液滴吐出手段と、
   前記第１液滴、前記第２液滴、および前記第１液滴と前記第２液滴とが融合して形成された融合液滴のそれぞれの速度を計測する計測手段と、
   前記第１液滴、前記第２液滴、および前記融合液滴のそれぞれの速度と、前記第１液滴および前記第２液滴のそれぞれの液滴量との間に成り立つ運動量保存の関係から前記第１液滴の液滴量を演算する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする液滴量測定装置。
2. 前記計測手段は、前記第１液滴、前記第２液滴、および前記融合液滴のそれぞれの重心の位置に基づいて、それぞれの速度を計測することを特徴とする請求項１に記載の液滴量測定装置。
3. 前記計測手段に対向する光源をさらに備え、前記計測手段による計測は、前記光源の発光下でなされることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴量測定装置。
4. 前記第１液滴の吐出方向と前記第２液滴の吐出方向との成す角度が９０°であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液滴量測定装置。
5. 前記第２液滴吐出手段は、キャピラリ形状のノズルを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液滴量測定装置。
6. 液滴量が未知であり空中を飛翔する第１液滴と接触する方向に、液滴量が既知である第２液滴を吐出させ、前記第１液滴及び前記第２液滴を融合させて融合液滴を生成し、
   前記第１液滴と前記第２液滴と前記融合液滴のそれぞれの速度と、前記第１液滴と前記第２液滴のそれぞれの液滴量との間に成り立つ運動量保存の関係から前記第１液滴の液滴量を算出することを特徴とする液滴量測定方法。
7. 請求項６に記載の液滴量測定方法を用いて、液滴の吐出量を調整する工程を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。