(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を連続して吐出する第１のノズルが設けられたノズル板と、前記第１のノズルから液滴を吐出するために、液体に圧力を加える第１の加圧手段と、を備えた吐出手段と、
前記第１のノズルから吐出される液滴の軌道上に、液面を突出させることが可能な第２のノズルと、前記第２のノズルから液面を突出させるために、液体に圧力を加える第２の加圧手段と、を備え、前記第２のノズルから液面を突出させることで、前記第１のノズルから連続して吐出される液滴のうちの所定の液滴と、前記第２のノズルから突出する液面と、を衝突させて前記所定の液滴を回収する回収手段、を備え、
前記ノズル板は、前記第２の加圧手段と前記第２のノズルとの間に設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記第１の加圧手段は加振機構であり、前記第２の加圧手段は圧電体であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記第１の加圧手段と前記第２の加圧手段は、共に圧電体であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記圧電体は、前記ノズル板と接して設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記第１の加圧手段および前記第２の加圧手段である圧電体は、同一部材によって構成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記圧電体は、両端に開口部を備えた筒状の形状を備えており、筒状における内面に第１電極が形成されるとともに、外面に第２電極が形成されて、径方向に分極されており、一方端の前記開口部がベース部材によって固定されており、前記ベース部材上で、行方向及び列方向に二次元に複数配置されていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
液滴を連続して吐出する第１のノズルが設けられたノズル板と、前記第１のノズルから液滴を吐出するための第１の加圧手段とを備えた吐出手段と、
前記第１のノズルから吐出される液滴の軌道上に、液面を突出させることが可能な第２のノズルと、前記第２のノズルから液面を突出させるために、液体に圧力を加える第２の加圧手段と、を備え、前記第２のノズルから液面を突出させることで、前記第１のノズルから吐出された液滴の所定の液滴と、前記第２のノズルから突出する液面と、を衝突させて前記所定の液滴を回収する回収手段と、
前記第１のノズルから吐出された液滴によって記録が行われる記録媒体を搬送する搬送手段と、を備え、
前記第１のノズルが形成されたノズル板は、前記第２の加圧手段と、前記第２のノズルとの間に設けられていることを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、記録データにあわせて記録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。また、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ることによって、帯電液滴と非帯電液滴とを異なる軌道を飛翔するようにして選別を行う。選別された非記録液滴は、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。
【０００３】
特許文献１では、荷電偏向方式とは異なる、液滴を帯電させることなく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選別して着弾させる構成を開示している。
【０００４】
また、特許文献２では、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）のみを選別して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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３４９５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１４３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、インクジェット方式による記録では、液滴あるいは液柱を生成する吐出口と記録媒体との距離が遠くなるほど、飛翔液滴が気流などの外乱を受ける時間が長くなるために、記録媒体上での着弾精度が悪化する。また、上述した荷電偏向方式では、吐出口と記録媒体との間に、帯電電極、偏向電極そしてガターを設けるために吐出口と記録媒体との距離が遠くなってしまう。
【０００７】
また、特許文献１に示す方法でも、吐出口と記録媒体との間に、液体カーテンを形成する部材を設けるために吐出口と記録媒体との距離が遠くなってしまう。また、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、非記録液滴に別の液滴を衝突させる構成を設けるために吐出口と記録媒体との距離が遠くなってしまう。
【０００８】
そこで本発明は、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができる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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのため本発明の液体吐出ヘッドは、液滴を連続して吐出する第１のノズルが設けられたノズル板と、前記第１のノズルから液滴を吐出するために、液体に圧力を加える第１の加圧手段と、を備えた吐出手段と、前記第１のノズルから吐出される液滴の軌道上に、液面を突出させることが可能な第２のノズルと、前記第２のノズルから液面を突出させるために、液体に圧力を加える第２の加圧手段と、を備え、前記第２のノズルから液面を突出させることで、前記第１のノズルから連続して吐出される液滴のうちの所定の液滴と、前記第２のノズルから突出する液面と、を衝突させて前記所定の液滴を回収する回収手段、を備え、前記ノズル板は、前記第２の加圧手段と前記第２のノズルとの間に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、液体吐出ヘッドは、第１のノズルから吐出される液滴の軌道上に、液面を突出させることが可能な第２のノズルと、第２のノズルから液面を突出させるために、液体に圧力を加える第２の加圧手段と、を備える。そして、第２のノズルから液面を突出させることで、第１のノズルから吐出された液滴の所定の液滴と、液面と、を衝突させて所定の液滴を回収する回収手段、を備え、ノズル板は、第２の加圧手段と第２のノズルとの間に設ける。これによって、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができる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実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の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。
【図２】ヘッド部の斜視分解図である。
【図３】ヘッド部の断面図である。
【図４】第１の実施形態における液面駆動機構列を示した斜視図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は回収ノズルの動作を示す図である。
【図６】第２の実施形態の液体吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図７】第２の実施形態の液体吐出ヘッドの断面図である。
【図８】第２の実施形態における液面駆動機構列を示した斜視図である。
【図９】他の方式の圧電素子で構成されたヘッド部の斜視分解図である。
【図１０】図９のヘッド部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。  
本発明の液体吐出ヘッドの吐出対象は、色材を用いた記録用インクにとどまらず、液体全般に適用可能なものである。更に、本発明の液体吐出ヘッド（以下、単にヘッドともいう）は記録媒体に液滴を着弾させ、記録に用いる場合を例に述べている。しかし、その用途は記録にとどまらず、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。
【００１３】
図１は、本発明の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。本発明の液体吐出装置は、液体タンク００１、加圧ポンプ００２、ヘッド００４、コントローラ００５、回収ポンプ００６、液体調整部００７および記録媒体を搬送する不図示の搬送部を備えている。
【００１４】
図２は、本発明のヘッド部の斜視分解図であり、図３は、ヘッド部の断面図である。ヘッド００４は、吐出ノズル１０１（第１のノズル）、供給流路１１５、加振機構（第１の加圧手段）００３、回収ノズル１０２（第２のノズル）、液面駆動機構（第２の加圧手段）１０３を備えている。加振機構００３は、図３（ａ）に示す様に、吐出ノズル１０１よりも上流側の流路途中に配置されている。例えば本実施形態では、供給流路１１５途中（吐出ノズル板１３１に対して矢印−Ｚ方向に配置されている）に配置されている。吐出ノズル板１３１の矢印Ｚ方向には、第１の回収流路部材１３２と第２の回収流路板１３３が積層されることで、回収ノズル１０２、回収流路１１６、更には吐出ノズル１０１から液滴が飛翔するための溝形状の液滴飛翔スリット１０７が形成されている。回収ノズル１０２は液面駆動機構１０３を駆動することで、液面００９に充分な突出量を発生させて、吐出ノズル１０１から連続的に吐出される所定の液滴に液面００９を衝突、合体させて回収ノズル１０２内へ回収できるように配置されている。各回収流路１１６は、吐出ノズル板１３１を横切りながら矢印−Ｚ方向に伸び、液面駆動機構１０３に接続されている。各回収流路１１６は、各回収ノズル列１０６（図２）分の流路数が下流側の回収合流路１１８で合流される。
【００１５】
本実施形態では液面駆動機構１０３は、特に、吐出ノズル板１３１に対して回収ノズルと反対側に配置されている。このような液面駆動機構１０３の配置により、液滴飛翔スリット１０７の深さ（Ｌ６）を浅くすることができる。具体的には、吐出ノズル１０１から押し出されたインクが液滴形成されるまでの滴化距離（Ｌ５）まで、回収ノズル１０２の矢印Ｚ方向の配置を吐出ノズル板１３１側に近づけられ、それに伴い液滴飛翔スリット１０７の深さ（Ｌ６）を浅くしている。
【００１６】
図４は、本実施形態における液面駆動機構列を示した斜視図である。本実施形態では、液面駆動機構１０３には、特に円筒型の圧電素子（圧電体）を使用した。この円筒型圧電素子は電圧を印加すると、円筒部１２７が半径方向に膨張、収縮し、回収圧力室０１０内部の液体に圧力変動が与えられる。この圧力変動を利用して、液面００９を回収ノズル１０２から突出させている。
【００１７】
図５は、回収ノズル１０２の動作を示す図であり、（ａ）は使用液滴に対する動作であり、（ｂ）は不使用液滴に対する動作を示している。ここで、本発明の液体吐出装置の動作を説明する。図５（ａ）において、液体タンク００１に貯えられた液体は、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て規則的に滴化され、その滴化された液滴は、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（大気圧よりも小さい圧力値）とメニスカス力がお互いにバランスをとることで、液面００９が回収ノズル１０２付近で保持される。使用液滴が回収ノズル１０２の横を通過する時には、液面駆動機構１０３は駆動させないために、前述の如く液面００９は回収ノズル１０２付近で保持されている。よって使用液滴は液滴飛翔軌道１１７に沿って飛翔し、回収ノズル１０２位置を通過して記録媒体に着弾し、画像形成が行なわれる。
【００１８】
図５（ｂ）において、第１の不使用液滴ｄ４が回収ノズル１０２位置を通過時に、液面駆動機構１０３を駆動する。これによって液面００９は、回収ノズル１０２から大きく突き出され（Ｌ４）飛翔してくる不使用液滴と確実に衝突して合体し回収ノズル１０２内に回収する。その後、突出した液面００９は液面の表面張力によって元の位置に復帰する。回収ポンプ００６によって圧力が一定の負圧に保たれていることにより、回収ノズル１０２の液面は捕獲後も一定の位置に保たれる。捕獲された液滴は、回収合流路１１８から液体調整部００７（図１）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（図１）によって加圧され、再利用のためにヘッド００４（図１）へと循環される。
【００１９】
以上述べたように、液面駆動機構１０３を吐出ノズル板１３１に対して回収ノズルと反対側に配置することで、液滴飛翔スリット１０７の深さ（Ｌ６）を浅くすることができる。よって液面駆動機構１０３を吐出ノズル板と記録媒体の間に配置した構成よりも、吐出口と記録媒体間距離を短くすることができるので、記録媒体上への液滴の着弾精度を高く確保できる。
【００２０】
また液面駆動機構１０３を吐出ノズル板１３１に対して回収ノズルと反対側で、しかも吐出ノズル板に接する位置に配置することで、回収ノズルを液滴飛翔方向（矢印Ｚ方向）に対して吐出ノズル側（上側）に配置することができる。よって第１の回収流路１１６の流路の長さを短くできるため、液面駆動機構１０３の駆動で、回収ノズル１０２に生じる液面００９の突出量を大きくすることができる。
【００２１】
また液面駆動機構１０３を吐出ノズル板１３１に対して回収ノズルと反対側に配置することで、前述の液滴飛翔スリット１０７の深さを浅くでき、かつ液滴飛翔スリット１０７のスリット幅（図３（ａ）のＬ７）を広くできる。よって液滴飛翔スリット１０７内に配置されている吐出ノズルや回収ノズルに溜まったミストを拭くためのワイピング動作が容易に行なえる。
【００２２】
また液面駆動機構１０３を吐出ノズル板１３１に対して回収ノズルと反対側に配置することで、ワイピング動作時、電気部品である圧電素子を直接ブレードで擦ることがないため、液面駆動機構１０３の電気的な耐久性能を上げることができる。以上述べたように、本実施形態では液面駆動機構１０３を特に円筒型の圧電素子として説明したが、他の方式の圧電素子でもよい。
【００２３】
図９は、他の方式の圧電素子で構成されたヘッド部の斜視分解図であり、図１０はその断面図を示している。供給流路１１５と回収圧力室１４３は、吐出ノズル板１３１と第１のマニホールド部材１３４と振動板１４１により形成されている。加振機構００３と液面駆動機構１０３は振動板１４１に対して吐出ノズル１０１と反対側に配置されている。液面駆動機構１０３は積層型の圧電素子である。回収ノズル列１０６内の回収ノズル１０２に対応した液面駆動機構１０３が、支持基板１４４により一体化された圧電ユニット１４０となっている。各液面駆動機構１０３内部には第１電極１３８と第２電極１３９が設けられ、支持基板１４４表面に配線され、まとめられている。圧電ユニット１４０は、支持基板表面を第３のマニホールド部材１４２と接着固定され、さらに各液面駆動機構１０３はそれぞれ振動板１４１と接着固定されている。上述に述べた積層型の圧電素子の液面駆動機構１０３でも回収ノズル１０２の液面００９を突出させることが可能である。
【００２４】
本実施形態では図２、図３でも説明したように、矢印Ｙ方向にノズルを並べることでノズル列を形成し、そのノズル列を矢印Ｘ方向に複数本並べて配置した、２次元マルチノズルヘッド用いている。以下、この２次元マルチノズルヘッドの詳細について説明する。図２に示すように、ヘッド部は板状の部材を積層することにより作製した。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。
【００２５】
液面駆動機構１０３として、両端に開口部を備えた筒状の圧電素子を作製した。この円筒型圧電素子は、一方端をベース部１２５に固定されており、電圧を印加することで円筒の半径方向に膨張、収縮する。本実施形態の液面駆動機構１０３として、円筒型圧電素子が回収ノズル列内の回収ノズル個数分、１枚のベース部１２５上（ベース部材上）に配列されている圧電ユニット１４０を作製した（図４参照）。具体的には、径方向に予め分極された各円筒部１２７の内面とベース部１２５表面に第１電極１３８（共通電極）、各円筒部１２７の外面とベース部１２５裏面に第２電極１３９（個別電極）が成膜、パターニング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。本実施形態における圧電ユニット１４０のベース部幅（図４の矢印Ｘ方向の幅）は１．５ｍｍである。図３に示すように、圧電ユニット１４０を各回収ノズル列１０６毎、吐出ノズル板１３１と接し、加振機構１０３と同一側（矢印−Ｚ方向）に配置する。
【００２６】
図２において奥行き方向（矢印Ｙ方向）のノズル間隔は５００μｍ、横方向のノズル間隔は３ｍｍとなっている。液体には粘度１〜４０ｃＰ、表面張力３０ｍＮ／ｍのものを使用した。吐出ノズル１０１の直径を７．４μｍ、インクタンク００２の圧力を０．８ＭＰａ、加振機構００３の振動周波数を５０ｋＨｚとすると、液滴サイズは４ｐＬ（直径約２０μｍ）、飛翔速度は１０ｍ／ｓ程度であった。吐出ノズル１０１では、まず液柱が形成され、吐出ノズル１０１から５００〜８００μｍ程度離れた箇所で液柱は液滴化した。回収ノズル１０２の直径は８０μｍで、吐出ノズル１０１から液滴の飛翔方向に１ｍｍ離れた地点に設けた。回収ノズル１０２と回収流路１１６とを覆う第２の回収流路板１１３の厚さを本実施形態では０．２ｍｍとした。よって液滴飛翔スリット１０７の深さ（Ｌ６）を１．２ｍｍに抑えることができた。
【００２７】
回収ノズル１０２内のインクは、回収ポンプ００６によって一定の負圧にコントロールされており（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が形成されている。不使用液滴が通過する際に液面駆動機構１０３により回収ノズル１０２の液面００９を前進させ、液滴と衝突させることで回収することができた。
【００２８】
本実施形態の構成により使用液滴の飛翔距離を短くすることができ、これによって、使用液滴の着弾精度を上げることができた。
【００２９】
このように、ノズル板に設けられた吐出ノズルから吐出される液滴の軌道上に、液面駆動機構の作用によって回収ノズルから液面を突出させる液体吐出ヘッドで、ノズル板を、回収ノズルの液面駆動機構と回収ノズルとの間に設ける。これによって、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができる液体吐出ヘッドを実現することができた。
【００３０】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
【００３１】
図６は、本実施形態の液体吐出ヘッドの分解斜視図であり、図７は、同様の液体吐出ヘッドの断面図である。本実施形態では第１の実施形態における加振機構００３が、回収ノズルで用いられる液面駆動機構１０３と同一部材の円筒型圧電素子によって構成されている。さらに図８は、本実施形態における液面駆動機構列を示した斜視図である。本実施形態では、各吐出ノズル列に対応した加振機構列１３６と各回収ノズル列に対応した液面駆動機構列１３７とが、１枚のベース部１２５に一体化された圧電ユニット１３８を作製した。図のように、加振機構列１３６と液面駆動機構列１３７とがベース部１２５上で行方向および列方向に二次元に複数配置されている。また圧電ユニット１４０は、吐出ノズル板１３１に対して矢印−Ｚ方向で、吐出ノズル板と接する位置に配置されている。
【００３２】
円筒型圧電素子である加振機構００３を、吐出ノズル１０１に近接する位置に配置することで、吐出ノズル１０１内の液体に与えられる圧力変動が大きくなるため、吐出ノズル１０１から押出される液体の滴化距離（Ｌ８）を短くすることができた。よって第１の実施形態と比較して、回収ノズル１０２の液滴飛翔方向の配置も、更に吐出ノズル方向に近づけることができるため、液滴飛翔スリットの深さ（Ｌ９）を更に浅くすることができた。
【００３３】
よって本実施形態の構成により、使用液滴の記録媒体への飛翔距離を更に短くすることができた。また、加振機構と液面駆動機構の２種類の圧電素子を一体構成化することで、組み立て工数が減り、相対位置精度も良くすることができた。
【００３４】
このように、ノズル板に設けられた吐出ノズルから吐出される液滴の軌道上に、液面駆動機構の作用によって回収ノズルから液面を突出させる液体吐出ヘッドで、ノズル板を、回収ノズルの液面駆動機構と回収ノズルとの間に設ける。これによって、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができる液体吐出ヘッドを実現することができた。
【符号の説明】
【００３５】
００３  加振機構
００４  ヘッド
００９  液面
１０１  吐出ノズル
１０２  回収ノズル
１０３  液面駆動機構
１０７  液滴飛翔ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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