(57)【要約】【課題】  液滴の吐出する際の、逆流を防止し、エネルギーの損失を防止する。【解決手段】  液滴吐出装置１０は、液滴吐出部２０と、渦流型流体ダイオード３０と、液体供給路５０を含む。渦流型流体ダイオード３０はチャンバー３１と、接線流路３２と、軸流路３３を含み、軸流路３３は、液滴吐出部２０から渦流型流体ダイオード３０への逆流が生じたとき、チャンバー３１内で発生する渦流の中心の近傍であって、チャンバー３１の中心を通過し接線流路３２と直角を成す線を仮想のＹ軸とし、記チャンバーの中心を通過し仮想のＹ軸と直角を成す線を仮想のＸ軸としたときの第一象限または第二象限に形成される。【選択図】図１
2011079198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のチャンバーと、前記チャンバーに連通され前記チャンバーの接線方向に延びる接線流路と、前記チャンバーに連通され前記チャンバーの軸方向に延びる軸流路と、を備える渦流型流体ダイオードと、
前記接線流路と連通する液滴吐出部と、
前記軸流路と連通する液体供給路と、を備える液滴吐出装置であって、
前記液滴吐出部から前記渦流型流体ダイオードへの逆流が生じたときに前記チャンバー内で発生する渦流の中心の近傍で、
前記チャンバーの中心を通過し接線流路と直角を成す線を仮想のＹ軸とし、前記チャンバーの中心を通過し仮想のＹ軸と直角を成す線を仮想のＸ軸としたときの第一象限または第二象限に前記軸流路が形成されることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記チャンバーの直径Ｄが以下式を満たす請求項１記載の液滴吐出装置。
【数１】
2011079198.tif 000012
（Ａ；軸流路の断面積、ｃ；液体中を伝わる音速、ｄ；チャンバーの厚さ、ｌ；軸流路の長さ、ｆ０；液滴吐出部と液体供給路で構成される液滴吐出装置の共振周波数）
【請求項３】
前記液滴吐出部が、ノズルと、前記ノズルに連通するポンプ・チャンバーと、前記ポンプ・チャンバー内の液体に圧力を付与する加圧装置を含む請求項１又は２記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記加圧装置が、圧電アクチュエーターである請求項３記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに１項記載の液滴吐出装置を備えるインクジェットプリンタ。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の液滴吐出装置を用いて液滴を吐出する液滴吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出装置、インクジェットプリンタおよび液滴吐出方法に関し、特に逆流防止機能を備えた技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式の記録装置は、多数のノズルが形成されたインクジェットヘッドの各ノズルからそれぞれインクを記録媒体上に吐出することにより、記録媒体上に画像を形成する装置である。インクジェット記録装置は、騒音性にすぐれ、ランニングコストが安く、多種多様な記録媒体に対して高品位な画像を記録できることなどから幅広く利用される。
【０００３】
インクジェット記録装置の１つのタイプとして、圧電アクチュエーターを利用するものが知られている。まず、インク・チャンバー内にインク供給路からインクが導入される。次いで、インク・チャンバーの上部に設けられた圧電アクチュエーターの変形によってポンプ・チャンバーの一部を構成する振動板を変形させる。これによりインク・チャンバーの容積が変化し、インク・チャンバー内のインクがノズルから液滴として吐出される。
【０００４】
しかしながら、圧電アクチュエーターによって液滴を吐出する際、インク・チャンバーの内のインクがインク供給路に逆流する場合がある。逆流が生じると、エネルギー効果が悪くなる。また、インク供給路を介したノズル間のクロストークも発生する。
【０００５】
そこで、インクジェット記録装置の逆流を防止する方法として、例えば、インク・チャンバーとインク供給口の間に、流動抵抗調節部を設けたものが知られている（特許文献１）。
【０００６】
また、マイクロポンプ等の小型の送液システムに渦流型流体ダイオードを導入し、逆流を防止することが研究されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１７６１５９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】吉富秀樹、外１名，「流体ダイオードを用いたバルブレスマイクロポンプの研究」，津山高専紀要，第４９号，（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の技術では、流動抵抗調節部は屈曲部を有する。インクの吐出過程で発生した逆流インクは、この屈曲部に沿って流れて、再循環領域を形成する。これにより、逆流現象が減少する。しかしながら、逆流インクが流動抵抗調節部を通過してインク供給口に到達する場合があり、流動抵抗調節部としての機能が十分発揮されていない。
【００１０】
非特許文献１の渦流型流体ダイオードは、渦室と、渦室に対し接線方向に伸びる接線ノズルと、渦室の中心で軸方向に延びる軸ノズルを備える。接線ノズルから逆流が生じたとき、渦室内に渦流が形成される。この結果、渦流型流体ダイオードは逆流に対して流動抵抗が大きくなるとされている。
【００１１】
しかしながら、渦流の中心が形成される位置と軸ノズルの形成位置の関係について十分な検討がなされていない。そのため、渦流型流体ダイオードの機能が発揮されていない。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、逆流防止できる流体ダイオードを備えた液滴吐出装置、インクジェットプリンタおよび液滴吐出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明の液滴吐出装置は、円筒状のチャンバーと、前記チャンバーに連通され前記チャンバーの接線方向に延びる接線流路と、前記チャンバーに連通され前記チャンバーの軸方向に延びる軸流路と、を備える渦流型流体ダイオードと、前記接線流路と連通する液滴吐出部と、前記軸流路と連通する液体供給路と、を備える液滴吐出装置であって、前記液滴吐出部から前記渦流型流体ダイオードへの逆流が生じたときに前記チャンバー内で発生する渦流の中心の近傍で、前記チャンバーの中心を通過し接線流路と直角を成す線を仮想のＹ軸とし、前記チャンバーの中心を通過し仮想のＹ軸と直角を成す線を仮想のＸ軸としたときの第一象限または第二象限に、前記軸流路が形成されることを特徴とする。
【００１４】
発明者は、逆流が生じたときにチャンバー内に発生する渦流を鋭意検討した。チャンバー内に発生する渦流の中心が、チャンバーの中心と一致しないことを見出し本発明に至った。液滴吐出部から渦流型流体ダイオードへの逆流が生じたとき、チャンバー内で発生する渦流の中心は、チャンバーの中心を通過し接線流路と直角を成す線を仮想のＹ軸とし、チャンバーの中心を通過し仮想のＹ軸と直角を成す線を仮想のＸ軸としたとき、その第一象限または第二象限に形成される。この渦流の中心の近傍に軸流路が形成される。渦流の中心の液体の速度が遅いため、液体が軸流路をとおして液体供給路に流れ込むことは殆ど生じない。
【００１５】
本発明の液滴吐出装置は、前記発明において、前記チャンバーの直径Ｄが以下の式を満たすことが好ましい。
【００１６】
【数１】
2011079198.tif 000003
（Ａ；軸流路の断面積、ｃ；液体中を伝わる音速、ｄ；チャンバーの厚さ、ｌ；軸流路の長さ、ｆ０；液滴吐出部と液体供給路で構成される液滴吐出装置の共振周波数）
本発明の液滴吐出装置は、前記発明において、前記液滴吐出部が、ノズルと、前記ノズルに連通するポンプ・チャンバーと、前記ポンプ・チャンバー内の液体に圧力を付与する加圧装置を含むことが好ましい。
【００１７】
本発明の液滴吐出装置は、前記発明において、前記加圧装置が、圧電アクチュエーターであることが好ましい。
【００１８】
本発明のインクジェットプリンタは、前記液滴吐出装置の何れかを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の液滴吐出方補は、前記液滴吐出装置を用いて液滴を吐出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、液滴を吐出する際の、逆流を防止することができる。それにより液滴を吐出する際のエネルギーの損失を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】液滴吐出装置の基本構成を示す説明図。
【図２】シミュレーションの結果を示す図。
【図３】シミュレーションの結果を示す図。
【図４】シミュレーションの結果を示す図。
【図５】本発明の一実施例であるインクジェット記録ヘッドを示す図面。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。
【００２３】
以下、図面を参照して、好ましい実施の形態について説明する。図１は、液滴吐出装置の基本構成を示す。液滴吐出装置１０は、液滴吐出部２０と、渦流型流体ダイオード３０と、液体供給路５０を備える。
【００２４】
渦流型流体ダイオード３０は、円筒状のチャンバー３１と、チャンバー３１の外周に接線方向に取り付けられた接線流路３２と、チャンバー３１の軸方向に取り付けられた軸流路３３を備える。チャンバー３１は、環状の外周壁３１ａと、２つの端壁３１ｂ，３１ｃにより画定される。外周壁３１ａの内面は平滑な曲面で構成される。接線流路３２は外周壁３１ａと連通してチャンバー３１の接線方向に延びる。軸流路３３は端壁３１ｃと連通して軸方向に伸びる。軸流路３３はチャンバー３１の中心からずれた位置に形成される。これについては後述する。
【００２５】
軸流路３３が液体供給路５０に連通される。液体供給路５０は図示しない液体貯蔵タンクと接続される。
【００２６】
液滴吐出部２０は、ポンプ・チャンバー２１、ノズル２６と加圧装置２８を含む。ポンプ・チャンバー２１は、４つの外周壁２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと、２つの端壁２１ｅ、２１ｆにより画定される。なお、ポンプ・チャンバー２１は、図１に示す平面形状が矩形に加えて、五角形、六角形等の多角形、円形、楕円形等の多様な形状とすることができる。外周壁２１ａに流入口（不図示）が形成され、流入口を介してポンプ・チャンバー２１と接線流路３２とが連通される。
【００２７】
ノズル２６がポンプ・チャンバー２１に接続される。端壁２１ｆに流出口（不図示）が形成され、流出口を介してポンプ・チャンバー２１とノズル２６とが連通される。ノズル２６の先端にノズル開口２６ａが形成される。ノズル２６の先端部はノズル開口２６ａに向かうにしたがい漸次先細りの形状を有する。
【００２８】
加圧装置２８は、ポンプ・チャンバー２１の上面に設けられる。加圧装置２８はポンプ・チャンバー２１内の液体に圧力を付与する。この圧力により、ポンプ・チャンバー２１内の液体がノズル２６のノズル開口２６ａから液滴として吐出される。加圧装置２８として、圧電アクチュエーター等を使用することができる。
【００２９】
液滴吐出装置１０では、液体が液体供給路５０から渦流型流体ダイオード３０を介して液滴吐出部２０へ流出する流れを「順方向流れ」、液体が液滴吐出部２０から渦流型流体ダイオード３０を介して液体供給路５０へ流出する流れを「逆方向流れ」「逆流」と称する。
【００３０】
次に、渦流の中心の位置と軸流路３３が形成される位置の関係を説明する。ポンプ・チャンバー２１内の液体に、加圧装置２８により圧力を付与したとき、液体が接線流路３２を介してチャンバー３１に流れ込む。つまり、逆流が発生する。そこで、発明者は、液体がチャンバー３１内に流れ込んだ初期の非定常流から、十分に時間が経過して定常流となった状態を鋭意検討した。計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを実施して、定常流となった状態での渦流の中心の位置を求めた。渦流の中心は、液体の速度が最も遅く、流動抵抗が大きい。
【００３１】
図２は、縦横がそれぞれ５００（μｍ）、流入速度が１（ｍ／ｓ）、液体の粘度が２（ｃＰ）、レイノルズ数がＲｅ＝２５０の場合の計算例を示す。図３は、縦横がそれぞれ５００（μｍ）、流入速度が１（ｍ／ｓ）、液体の粘度が１０（ｃＰ）、レイノルズ数がＲｅ＝５０の場合の計算例を示す。図４は、縦横がそれぞれ５００（μｍ）、流入速度が１（ｍ／ｓ）、液体の粘度が２０（ｃＰ）、レイノルズ数がＲｅ＝２５の場合の計算例を示す。
【００３２】
図２，３，４に示すように、逆流により生じた渦流の中心Ｃはチャンバー３１の中心からずれた位置に発生する。図２では、チャンバー３１の中心を通り、接線流路３２と直角を成す線を仮想のＹ軸とし、チャンバー３１の中心を通り、仮想のＹ軸と直角を成す線を仮想のＸ軸としたとき、渦流の中心Ｃは、いわゆる第一象限に形成される。また、同じ流入速度であっても、図２に比較して粘度が大きくレイノルズ数が小さい図３の場合、渦流の渦中は、縦方向横方向ともに、図２より接線流路３２の流入口の近くに形成される。図３に比較して粘度が大きくレイノルズ数が小さい図４の場合、渦流の渦中は、縦方向横方向ともに、図３より接線流路３２の流入口の近くに形成される。
【００３３】
図２〜４のから明らかなように、渦流の中心は、いわゆるチャンバー３１の中心を通る線をＹ軸とし、このＹ軸と直角を成しチャンバー３１の中心を通る線をＸ軸としたときの、第一象限または第二象限内に形成される。なお、本実施の形態に関し、第一象限または第二象限内には、仮想のＹ軸、仮想のＸ軸上に渦流の中心Ｃが形成される場合も含まれる。
【００３４】
このことから、渦流の中心が形成される領域内（第一象限または第二象限内）で、渦流の中心の近くに軸流路を設置すべきであることわかる。渦流の中心では液体の速度が最も遅くなる。したがった、この位置に軸流路が形成されると、液体が軸流路内をほとんど流れない。これにより、液体がポンプ・チャンバーから液体供給路に流れる逆流を防止することができる。
【００３５】
次に、円筒状のチャンバー３１の大きさについて検討する。渦流型流体ダイオードを備えていない従来型の液滴吐出装置の共振周波数をｆ０とする。従来型の液滴吐出装置は、図１に示す液滴吐出部と液体供給路とを直列接続した構成を備える。
【００３６】
図１の本実施の形態では、液滴吐出装置１０は、液滴吐出部２０と、液体供給路５０と、液滴吐出部２０と液体供給路５０との間に挿入された渦流型流体ダイオード３０を有する。液滴吐出装置１０は、従来の設計周波数ｆ０に影響を及ぼさないことが求められる。そのため、渦流型流体ダイオード３０はある程度の大きさが求められる。つまり、渦流型流体ダイオード３０が極端に小さくなると、渦流型流体ダイオード３０は液滴吐出部２０に対する固定端と見なされる。そうなると、液滴吐出装置１０の共振周波数ｆ１は設計周波数ｆ０より大きくなる。それを避けるため、渦流型流体ダイオード３０の大きさの下限値は以下の条件から決定される。
【００３７】
【数２】
2011079198.tif 000004
以下、集中定数方による電気回路へのアナロジーにより、渦流型流体ダイオード３０のチャンバー３１の直径Ｄの下限値を求める。軸流路３３の断面積をＡ、その長さをｌ、液体の密度ρとすると、そのイナータンスＬは以下の式で求められる。なお、液体の密度ρは約１０００（ｋｇ／ｍ３）である。
【００３８】
【数３】
2011079198.tif 000005
チャンバー３１の厚さをｄ、液体中を伝わる音速をｃとすると、そのキャパシタンスＣは以下の式により求められる。なお、音速ｃは約１５００（ｍ／ｓ）である。
【００３９】
【数４】
2011079198.tif 000006
流路抵抗は（Ｌ／Ｃ）１／２に比較して十分に小さいので、ここでは、それを無視することができる。イナータンスＬとキャパシタンスＣの並列共振周波数ｆＢは以下の式で求められる。
【００４０】
【数５】
2011079198.tif 000007
（１）式から以下の式が求められる。
【００４１】
【数６】
2011079198.tif 000008
上述したように、チャンバー３１の直径Ｄの下限値が求められる。
【００４２】
次に、チャンバー３１の大きさの上限値について検討する。チャンバー３１の直径Ｄが大きすぎると、ポンプ・チャンバー２１からの逆流した圧力波がチャンバー３１を１周するのに固有周期１／ｆ０以上の時間が掛かる場合がある。その場合、１ショットでの渦の形成が十分でなくなる。そのため、渦流の中心の位置が確定しない問題が生じる。したがって、チャンバー３１の直径Ｄの上限値は以下の式で求められる。
【００４３】
【数７】
2011079198.tif 000009
最終的に式（５）及び（６）から、チャンバー３１の直径Ｄの大きさは、以下の範囲内が好ましいことが理解できる。
【００４４】
【数８】
2011079198.tif 000010
例えば、軸流路３３の断面積がＡ＝３５（μｍ）×３５（μｍ）、長さがｌ＝３００（μｍ）、チャンバー３１の厚さがｄ＝８０（μｍ）、渦流型流体ダイオードを備えない従来型の液滴吐出装置の設計上の共振周波数がｆ０＝２７０（ｋＨｚ）とすると、チャンバー３１の直径Ｄは以下の範囲となる。
【００４５】
【数９】
2011079198.tif 000011
本実施の形態の作用について説明する。液体供給路５０から渦流型流体ダイオード３０を介して液滴吐出部２０へ液体が順方向流れる場合、液体は渦流型流体ダイオード３０の軸流路３３からチャンバー３１を経由して接線流路３２に流れる。このときの渦流型流体ダイオード３０の流動抵抗は小さいので、液体は液体供給路５０から液滴吐出部２０に速やかに流れる。一方、ポンプ・チャンバー２１内の液体が、加圧装置２８からの圧力付与によりノズル２６から液滴として吐出される場合、ポンプ・チャンバー２１からの液体が接線流路３２を介してチャンバー３１に流入する。液体はチャンバー３１の外周壁３１ａに沿って流れ、渦流の中心Ｃが、いわゆる第一象限または第二象限内に形成される。渦流の中心Ｃでは液体の速度は０に近いので、液体が軸流路３３を液体供給路５０に向かって流れることはない。つまり、渦流型流体ダイオード３０は、逆流に対し大きな流動抵抗を持つ。
【００４６】
図５に、本発明に係る実施の形態のインクジェット記録ヘッドを示す。図示のとおり、インクジェット記録ヘッド１５０は、ノズル開口１５１を有するノズル１５４と、圧力室１５２と、個別電極１５７を備えたアクチュエーター１５８を含む。加圧板（共通電極と兼用される振動板）１５６が圧力室１５２の一部の面（図４の天面）により構成される。アクチュエーター１５８には、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどの圧電体を用いた圧電素子が好適に用いられる。
【００４７】
図示したように、圧力室１５２は、接線流路１６２、チャンバー１６１及び軸流路１６３を介して共通流路１５５と連通される。共通流路１５５はインク供給源たるインクタンク（不図示）と連通しており、インクタンクから供給されるインクは共通流路１５５を介して各圧力室１５２に分配供給される。本実施の形態において、接線流路１６２、チャンバー１６１及び軸流路１６３により渦流型流体ダイオード１６０が構成される。
【００４８】
個別電極１５７と共通電極間に駆動電圧を印加することによってアクチュエーター１５８が変形して圧力室１５２の容積が変化する。これに伴う圧力変化によりノズル開口１５１からインクが吐出される。インクが吐出される際に発生するインクの逆流に対し、渦流型流体ダイオード１６０の流動抵抗は大きい。それにより、圧力室１５２から共通流路１５５への逆流が防止される。
【００４９】
一方、インク吐出後、アクチュエーター１５８の変位が元に戻る際に、共通流路１５５から渦流型流体ダイオード１６０を通って新しいインクが圧力室１５２に再充填される。順方向の流れに対する渦流型流体ダイオード１６０の流動抵抗は小さいので、インクの再充填が妨げられることはない。
【符号の説明】
【００５０】
１０…液滴吐出装置、２０…液滴吐出部、２１…ポンプ・チャンバー、２６…ノズル、２８…加圧装置、３０…渦流型流体ダイオード、３１…チャンバー、３２…接線流路、５０…液体供給路
【図１】
2011079198.tif 000013
【図２】
2011079198.tif 000014
【図３】
2011079198.tif 000015
【図４】
2011079198.tif 000016
【図５】
2011079198.tif 000017