JP6296819B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体ジェット方式に従って液体を吐出して記録媒体に記録を行う液体吐出ヘッドとそれを有する液体吐出装置に関する。特に、液体吐出口面に液体滴が付着したり滴下したりするのを回避するために設けられた液体吸引管の適正化に関する。

液体を吐出して記録媒体に画像を記録する液体吐出装置では、液体吐出ヘッドと記録媒体の間において、主滴よりも小さな副滴や記録媒体の表面で跳ね返った微細な液体滴（ミスト）が浮遊し、装置内部の様々な機材を汚染してしまう場合がある。そして、例えば、搬送される記録媒体を表面から抑えるピンチローラにミストが付着した場合は、ローラの回転に伴って画像とは無関係な液体が記録媒体に転写してしまうことがある。また、液体吐出ヘッドの吐出口近傍にミストが付着して乾燥した場合は、その固着物によって吐出口が塞がれ、正常な吐出が実行できずに画像品位を損なうおそれもある。

これに対し、例えば特許文献１や特許文献２には、液体吐出ヘッドの近傍にエア吸引口を設け、エアとともに浮遊するミストを吸入する構成が開示されている。特許文献１や特許文献２のような構成であれば、液体吐出ヘッドと記録媒体との間に浮遊するミストを効果的に除去し、ミストによる画像汚染を抑制することが出来る。

米国特許第２００６／０２３８５６１明細書 特開２０１０−１３７４８３号公報

しかしながら、吸引口から一度吸引されても、その経路中でミストが結合して大きな液滴を形成すると、そのミスト集合体が吸引口から落下して記録媒体や装置内部を汚染する場合がある。

本発明は上記問題点を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、一度吸引口より吸引されたミストが再び吸引口に戻るのを回避することが可能な吸引管を備えた液体吐出ヘッドを提供することである。

そのために本発明は、液体を吐出する複数の吐出口と液体ミストを含む大気を吸入する吸引口とが設けられた面と、前記吸引口から吸入された液体ミストを通過させるための吸引管と、を備える液体吐出ヘッドであって、前記吸引管の内径Ｌは、液体の密度をρ、重力加速度をｇ、円周率をπ、液体と前記吸引管の内壁の間の界面エネルギをγＬV、としたとき、
Ｌ≦（１／２）・｛（１２・γ・ＬＶ／（ρ・ｇ・π）｝＾（１／２）
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、吸引管の内部において液滴が滴下する大きさに成長する前にメニスカスが形成されるので、一度ガス吸引口より吸引されたミストが再びガス吸引口に戻るのを回避することが可能となる。

（ａ）および（ｂ）は、液体吐出ヘッドの平面図および断面図を示す図である。 液体吐出ヘッドに対する液体の供給とガス吸入のシステムを示す図である。 吸引管の内壁に付着した液体液滴に作用する力の関係を示す図である。 液滴の直径に対する重力と表面張力の比を示した図である。 （ａ）および（ｂ）は、吸引管内にメニスカスが形成された状態を示すである。 メニスカスの直径とメニスカスを移動させるための圧力差ΔＰを示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、複数の吸引管の配列構成例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、液滴に対する重力と表面張力の比と、メニスカスの直径とメニスカスを移動させるための圧力差ΔＰを示した図である。 （ａ）および（ｂ）は、液滴に対する重力と表面張力の比と、メニスカスの直径とメニスカスを移動させるための圧力差ΔＰを示した図である。 口径の異なる複数の吐出口列を備える構成を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、吐出口形成面にガス噴出口を配備した構成を示す図である。

（実施例１）
図１（ａ）および（ｂ）は、本実施例のインクジェット記録装置に代表される液体吐出装置が用いる液体吐出ヘッドの吐出口形成面１０の平面図およびＡ−Ａ´の断面図を示す図である。液体吐出ヘッドは、画像データに応じて個々のノズルからインク等の液体を吐出し、記録媒体に画像を記録する。ここでは、３列のノズル列８１〜８３とガス吸引口７１〜７３が備えられた液体吐出ヘッドを示している。

ノズル列８１〜８３の夫々はＹ方向に配列する複数の吐出口４を有し、これら複数の吐出口４に続く発泡室１３には、共通する供給室６から供給路５を介して液体が供給される。個々の吐出口に対応する位置にはヒータ１が配備されており、このヒータ１が記録信号に応じて駆動されることにより、発泡室内にて液体の膜沸騰が生じ、生成された泡の成長エネルギによって液体が滴として吐出口から吐出される。液体吐出ヘッドの背後には不図示のガス吸引装置が配備され、吐出口近傍の空気やミストはノズル列の側部に配備されたガス吸引口７１から矢印の方向に吸入される。

図２は、液体吐出ヘッド２に対する液体の供給とガス吸入のシステムを示す図である。ここでは簡単のため、１組のノズル列８２とガス吸引口７２について示している。液体供給装置１３には液体供給管１２が接続され、液体供給管１２は図１（ｂ）で説明した供給室６に連結している。このような構成により、液体供給装置１３に収容されている液体が、ノズル列８２に備えられた複数のノズルに共通して液体を供給するようになっている。

一方、ガス吸引装置１５には吸引管１４が接続されており、吸引管１４は液体吐出ヘッドの吐出口形成面１０にて開口するガス吸引口７２まで延在している。ガス吸引装置１５はその内部で負圧を発生することが出来、この負圧に伴ってガス吸引口７２から大気が吸入される。この際、吐出口４より吐出された正規の液体滴はガス吸い込み口７から吸引されることはないが、吐出口形成面１０の近傍に浮遊している微細なミストはガス吸い込み口７から吸入される。液体ミストを通過させるための吸引管１４の途中には、ガスとミストとを分類するためのミスト回収用チャンバーが設けられていても良い。また、ミストの回収量によらずガスの吸引量を一定に保つため、吸引されたミストの量に応じてガス吸引装置１５の吸引力を調整するための弁などを用意しても良い。吸引管１４およびガス吸い込み口７についての詳細な構造については後に詳しく説明する。

図３は、吸引管１４の内壁に付着した液体液滴に作用する力の関係を示す図である。吸引管１４に吸引されたミスト一部は、その内壁に付着しながらも互いの表面張力などによって集合し、液体液滴Ｄを形成する。ここで、水平面に対する内壁面の角度をα、液滴Ｄの重力方向の前進接触角をθａ、後退接触角をθｒ、液滴Ｄの直径（接触面径）をＷ、質量をｍ、液滴Ｄと内壁の間の界面エネルギをγＬＶ、重力加速度をｇとする。この場合、液滴Ｄに作用する力の関係は、Ｆｕｒｍｉｄｇｅ式により（式１）によって表すことが出来る。C.G.L.Furmidge;J.Colloid Sci.17,309(1962)
ｍ・ｇ・ｓｉｎα＝Ｗ・γＬＶ・（ｃｏｓθｒ−ｃｏｓθａ） ・・・（式１）

式１における左辺が右辺よりも小さい場合、すなわち
ｍ・ｇ・ｓｉｎα／｛Ｗ・γＬＶ・（ｃｏｓθｒ−ｃｏｓθａ）｝≦１の場合、液滴は内壁表面に停止している状態となる。

一方、左辺が右辺よりも大きい場合、すなわちｍ・ｇ・ｓｉｎα／｛Ｗ・γＬＶ・（ｃｏｓθｒ−ｃｏｓθａ）｝＞１の場合、液滴は内壁内を下方に移動する状態となる。

例えば、α＝９０°、θａ＝９０°、θｒ＝０°の場合を考えると（式１）は、
ｍ・ｇ＝Ｗ・γＬＶ となる。

一方、液滴Ｄ自体を半球であると仮定し液体の密度をρ、円周率をπとすると、液滴の質量ｍは、ｍ＝（ρ・π・Ｗ＾３）／１２で表すことが出来るので、上記条件において、重力方向に移動を開始する際の液滴Ｄの直径Ｗは、（式２）によって表すことが出来る。
Ｗ＝｛（１２・γ・ＬＶ／（ρ・ｇ・π）｝＾（１／２） ・・・（式２）

図４は、γＬｖ＝０．００４Ｎ／ｍとした場合の、液滴Ｄの直径Ｗに対する式１の（左辺／右辺）を示した図である。縦軸の値が１を超える、すなわち液滴Ｄの直径Ｗが５００μｍを超えると、液滴Ｄに対する重力が壁面に止まろうとする表面張力より大きくなるため、液滴Ｄは、下方に移動する。このように、液滴Ｄが移動を開始するタイミングはその大きさ（直径）に依存する。

但し、液滴Ｄが移動を開始するための大きさに成長する前に、吸引管の中で液滴Ｄがメニスカスを形成すれば、界面エネルギγＬVはメニスカス（液滴）の全周囲に渡って作用することになる。すなわち、式１における力の釣り合いは、（式３）で表すことが出来る。
ｍ・ｇ・ｓｉｎα＝Ｗ・π・γＬＶ・（ｃｏｓθｒ−ｃｏｓθａ）・・・（式３）
例えば、図４の例では、図３を参照するに、液滴Ｄの直径Ｗが５００μｍを超える前に液滴Ｄの頂点Ｐが吸引管１４の内壁の対面に接触すれば、即ち吸引管１４の内径が２５０μｍ以下であれば、液滴Ｄが下降する前に吸引管内にメニスカスＭを形成することが出来る。

図５（ａ）および（ｂ）は、吸引管１４内にメニスカスＭが形成された状態を示す図である。メニスカスＭの形状は、ガス吸引装置１５方向の内圧に応じて、図５（ａ）および（ｂ）のいずれかになる。このようなメニスカスＭが形成されると、メニスカス自体が吸引管内の大気の連通を妨げる状態となり、ガス吸引装置１５の吸引力がメニスカスＭに効果的に作用し、ミストが確実に吸引されることが期待出来る。

メニスカスが移動を開始するとき、吸引管１４の管内の断面積をＳ、メニスカスＭより分割されたガス吸引装置１５方向の内圧と大気圧との差をΔＰとすると、メニスカスＭに作用する力の関係として、（式４）が成立する。
ｍ・ｇ・ｓｉｎα＋Ｗ・π・γＬＶ・（ｃｏｓθｒ−ｃｏｓθａ）＝Ｓ・ΔＰ
・・（式４）

図６は、メニスカスＭの直径すなわち吸引管１４の内径Ｌと、メニスカスＭを移動させるのに必要な圧力差ΔＰを示した図である。ここでは、図４と同様にγＬＶ＝０．０４Ｎ／ｍとし、ステンレスの吸引管内壁を例に、前進接触角θａ＝６３°、後退接触角θｒ＝０°とした場合について示している。図によれば、メニスカスＭの直径Ｗ即ち吸引管１４の内径が５００μｍの場合、ΔＰ＝２００Ｐａの圧力差でメニスカスＭを吸引することが出来、この値は一般的な負圧発生装置（ポンプ）が十分実現できる値である。

以上の現象を鑑み、本発明者らは、吸引管１４を介してミストを吸入する際には、吸引管１４を、液滴Ｄが滴下する程度の大きさに成長する前に、メニスカスＭが形成される程度の内径に設計することが有効であると判断した。具体的には、液滴Ｄが重力方向に移動を開始する際の液滴直径、すなわち（式２）で表されるＷの１／２（液滴半径）よりも、吸引管１４の内径Ｌの方が小さくなるように設計するのである。
Ｌ≦（１／２）・｛（１２・γ・ＬＶ／（ρ・ｇ・π）｝＾（１／２） ・・・（式５）

そして、上記（式５）を満たす内径Ｌであれば、ミストが集合することによって吸引管１４の途中で液滴が生成されたとしても、これが再びガス吸引口７から滴下することなく、ガス吸引装置１５によって確実に吸引することが出来るのである。但し、実際に液滴Ｄに作用する力は、上記図３で説明したものに限られず、吸引管１４の内壁表面の粗さ（形状）や化学装飾、液体の組成などにも依存する。よって、図４や図６で示したようなグラフは液体の種類ごとに実測して求め、吸引管１４の内径Ｌはその実測値に基づいて調整することが好ましい。

ところで、このように設計された吸引管１の内径Ｌは非常に小さいので、１つの吸引管１によって吸入可能な領域は狭い。よって、本実施例では１つのガス吸引口の中に内径Ｌの吸引管１４を複数配備する。

図７（ａ）〜（ｆ）は、複数の吸引管１４の配列構成例を示す図である。図７（ａ）は、吐出口面１０において、円筒型の吸引管１４をＹ方向に複数配列した構成を示し、図７（ｂ）は、同じく円筒型の吸引管１４をＸ−Ｙ平面に複数配列した構成を示している。また、図７（ｃ）は、吐出口面１０において、矩形状の吸引管１４をＹ方向に複数配列した構成を示し、図７（ｄ）は、同じく矩形状の吸引管１４をＸ−Ｙ平面に複数配列した構成を示している。更に、図７（ｅ）は、１つの吸引管１４の中に複数のパーティションを設け、これに仕切られることによってＹ方向に複数の領域を構成する様子を示している。また、図（ｆ）は、１つの吸引管１４の中に複数のパーティションを設け、これに仕切られることによってＸＹ方向に複数の領域を構成する様子を示している。また、ここでは示していないが、吸引管は、更に異なる多角形としても良い。いずれにしても、１つ１つの吸引管１４または分断されて形成された領域が、液滴が滴下する大きさに成長する前に、メニスカスが形成される程度の内径、具体的には（式５）を満たすような内径Ｌを有していればよい。

（実施例２）
本実施例では、液体の固着を抑制するための水蒸気を供給可能な記録装置について説明する。このような記録装置の場合、吸引管１４には、大気、液体ミストの他に水蒸気も吸引され、その内壁においては水分を多く含んだ液滴が付着することになる。この際、吸引管１４には、実施例１に比べ多量の液化成分が吸入されることになるが、一般に、水は液体滴よりも界面エネルギ（表面張力）が大きい場合が多く、吸引管１４に適した内径も、実施例１とは異なってくる。

図８（ａ）および（ｂ）は、水分を主成分とした液滴の場合の、液滴Ｄの直径Ｗに対する式１の（左辺／右辺）を示した図と、吸引管１４の内径ＬとメニスカスＭを移動させるのに必要な圧力差ΔＰを示した図である。ここでは、水分の界面エネルギ（表面張力）γＬＶ＝０．０７２Ｎ／ｍとし、水平面に対する内壁面の角度α、液滴Ｄの重力方向の前進接触角θａ、後退接触角θｒについては実施例１と同様、α＝９０°、θａ＝９０°、θｒ＝０°として示している。

図によれば、液体の主成分が水である場合、液滴Ｄの直径Ｗが６８０μｍを超えると、液滴Ｄは下方に移動し、吸引管１４の内径が３４０μｍ以下であれば、液滴Ｄが下降する前にメニスカスＭを形成することが出来る。そしてこの場合、ΔＰ＝１５０Ｐａの圧力差でメニスカスＭを吸引することが出来る。

（実施例３）
本実施例では、一般的な液体よりも表面張力が低い液体を用いる記録装置について説明する。

図９（ａ）および（ｂ）は、表面張力γＬＶ＝０．０２Ｎ／ｍとした場合の、液滴Ｄの直径Ｗに対する式１の（左辺／右辺）を示した図と、吸引管１４の内径ＬとメニスカスＭを移動させるのに必要な圧力差ΔＰを示した図である。本例においても、水平面に対する内壁面の角度α、液滴Ｄの重力方向の前進接触角θａ、後退接触角θｒについては実施例１と同様、α＝９０°、θａ＝９０°、θｒ＝０°として示している。

図によれば、表面張力γＬＶ＝０．０２Ｎ／ｍである場合、液滴Ｄの直径Ｗが３６０μｍを超えると、液滴Ｄは下方に移動し、吸引管１４の内径が１８０μｍ以下であれば、液滴Ｄが下降する前にメニスカスＭを形成することが出来る。そしてこの場合、ΔＰ＝８０Ｐａの圧力差でメニスカスＭを吸引することが出来る。

以上説明したように本発明によれば、液滴が滴下する大きさに成長する前にメニスカスが形成される程度の内径Ｌを有する吸引管を用意することにより、一度ガス吸引口より吸引されたミストが再びガス吸引口に戻るのを回避することが可能となる。

なお、図１では、３列の吐出口列８１〜８３の夫々に対しガス吸引口７１〜７３を用意する形態としたが、吐出口列の数や種類はこれに限定されるものではない。例えば図１０のように、吐出口形成面１０には異なる量の液滴を吐出可能な、口径の異なる複数の吐出口列を備えていても良い。図１０では、５ｐｌの液滴と吐出する吐出口列１０１と、１ｐｌの液滴を吐出する吐出口列１０２と、２ｐｌの液滴を吐出する吐出口列１０２と共に、これら３つに対応して１つの吸入口１０４が配備された構成を示している。このような吐出口列の種類や数は、吐出する液体の種類によって異ならせることも出来る。例えば、記録媒体において然程粒状感の目立たないイエロー液体については実施例１のように１列のノズル列としながら、粒状感が目立つブラックについては図１０のように吐出量の異なる３列のノズル列とすることも出来る。この際、イエローとブラックでは液体の表面張力γＬｖや密度ρが異なるので、夫々で液体吸引管１４の内径や配列数を調整しても良い。

また、以上では、ミストを吸引するために、負圧発生装置であるガス吸引装置１５と、これに接続する吸引管１４のシステムを用意する構成で説明したが、例えば背景技術の項で説明した特許文献１や特許文献２のように、ガス噴出装置を別に用意しても構わない。

図１１（ａ）および（ｂ）は、図１で説明した液体吐出ヘッドに対し、更にガス噴出口９１〜９３を配備した構成を示す図である。特許文献１や特許文献２に記載されているように、適切な位置にガス噴出口を設けて積極的に気流を発生することにより、ガス吸引口における液体ミストの回収を更に効率的に行うことが可能となる。
上述した各実施例において、吸引管は円筒や矩形の形態で説明したが、本発明はこれに限られず、断面が長円形状や長方形の形状の吸引管にも適用可能である。これらの場合の内径Ｌは、長さが最小となる内径を内径Ｌとして適用すれば良い。

４ 吐出口
１０ 吐出口形成面
１４ 吸引管
７１〜７３ ガス吸引口
８１〜８３ ノズル列

Claims (18)

1. 液体を吐出する複数の吐出口と液体ミストを含む大気を吸入する吸引口とが設けられた面と、
   前記吸引口から吸入された液体ミストを通過させるための吸引管と、
   を備える液体吐出ヘッドであって、前記吸引管の内径Ｌは、液体の密度をρ、重力加速度をｇ、円周率をπ、液体と前記吸引管の内壁の間の界面エネルギをγＬV、としたとき、
   Ｌ≦（１／２）・｛（１２・γ・ＬＶ／（ρ・ｇ・π）｝＾（１／２）
   を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記吸引管は、前記吸引口に対し複数配列されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記吸引管は、１つの管の内部がパーティションによって仕切られることによって複数配列されていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記吸引管は円筒型であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記吸引管は矩形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記内径Ｌは２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記内径は１８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記吸引管は負圧発生装置に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記面には、大気を噴出するためのガス噴出口が更に設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いて記録媒体に画像を記録する液体吐出装置であって、前記液体吐出ヘッドは、
    液体を吐出する複数の吐出口と液体ミストを含む大気を吸入する吸引口とが設けられた面と、
    前記吸引口から吸入された液体ミストを通過させるための吸引管と、
    を備え、
    前記吸引管の内径Ｌは、液体の密度をρ、重力加速度をｇ、円周率をπ、液体と前記吸引管の内壁の間の界面エネルギをγＬV、としたとき、
    Ｌ≦（１／２）・｛（１２・γ・ＬＶ／（ρ・ｇ・π）｝＾（１／２）
    を満たすことを特徴とする液体吐出装置。
11. 前記吸引管は、前記吸引口に対し複数配列されていることを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出装置。
12. 前記吸引管は、１つの管の内部がパーティションによって仕切られることによって複数配列されていることを特徴とする請求項１１に記載の液体吐出装置。
13. 前記吸引管は円筒型であることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
14. 前記吸引管は矩形であることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
15. 前記内径Ｌは２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
16. 前記内径は１８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
17. 前記吸引管は負圧発生装置に接続されていることを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
18. 前記面には、大気を噴出するためのガス噴出口が更に設けられていることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の液体吐出装置。

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