JP7689351B2 - 液滴観察装置および液滴観察方法 - Google Patents

Description

本開示は、液滴観察装置および液滴観察方法に関する。

インクジェットヘッドには、圧電素子を利用するインクジェットヘッドがある。この方式のインクジェットヘッドは、圧電素子の体積変化を利用して、インクが貯留されているインク室の容積を変化させることでインクを液滴として吐出する。

この方式のインクジェットヘッドを利用した印刷処理によって得られる印刷画像の品質を一定に保持するためには、インクジェットヘッドから吐出されるインクの液滴の体積、吐出速度、および、吐出角度を安定させる必要がある。

特許文献１には、インクを受容部材上に吐出させ、当該受容部材上に形成されたインクドットをカメラで撮像し、撮像されたインクドットの濃度を測定することで、インクジェットヘッドからのインクの吐出量（すなわち、インクの液滴の体積）を測定する測定装置が開示されている。

また、特許文献２には、撮像装置および光源装置を用いてインクジェットから吐出されたインクの液滴を撮像してインクの液滴を観察する観察装置が示されている。

特開平９－４８１１１号公報 特許第６５２４４０７号公報

本開示は、正常に液滴が飛翔しているか否かを判定することができる液滴観察装置および液滴観察方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る液滴観察装置は、ノズル部から液滴を吐出させる圧電素子を駆動させるタイミングよりも遅いタイミングで光源を発光させる制御装置と、前記ノズル部から吐出され、伸長部を含まない状態にあり、前記光源により光を照射された前記液滴を撮像する撮像部と、前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定する測定部と、を備え、前記制御装置は、前記圧電素子を駆動させる毎に、前記圧電素子を駆動させるタイミングに対して前記光源を発光させるタイミングを変更し、前記撮像部は、前記光源を発光させた異なる複数のタイミングで複数回撮像を行って複数の飛翔状態画像を生成し、前記測定部は、前記複数の飛翔状態画像から、前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定する。

本開示の一態様に係る液滴観察方法は、ノズル部から液滴を吐出させる圧電素子を駆動させるタイミングよりも遅いタイミングで光源を発光させる制御ステップと、前記ノズル部から吐出され、伸長部を含まない状態にあり、前記光源により光を照射された前記液滴を撮像する撮像ステップと、前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定する測定ステップと、を含み、前記制御ステップでは、前記圧電素子を駆動させる毎に、前記圧電素子を駆動させるタイミングに対して前記光源を発光させるタイミングを変更し、前記撮像ステップでは、前記光源を発光させた異なる複数のタイミングで複数回撮像を行って複数の飛翔状態画像を生成し、前記測定ステップでは、前記複数の飛翔状態画像から、前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定する。

本開示によれば、正常に液滴が飛翔しているか否かを判定することができる液滴観察装置および液滴観察方法を提供することができる。

インクジェットヘッドから吐出されたインクの液滴に起因するミストの発生を説明するための図 インクジェットヘッドから吐出されたインクの液滴に起因するミストの発生を説明するための図 インクジェットヘッドから吐出されたインクの液滴に起因するミストの発生を説明するための図 インクジェットヘッドから吐出されたインクの液滴に起因するミストの発生を説明するための図 インクジェットヘッドから吐出されたインクの液滴に起因するミストの発生を説明するための図 本開示の実施形態に係る液滴観察装置の全体構成を示す図 本開示の実施形態に係る液滴観察装置が備えるインクジェットヘッドを示す模式図 本開示の実施形態に係る液滴観察装置が備える制御装置の機能構成を示す図 本開示の実施形態に係る液滴観察装置が実行する動作を示すフローチャート 本開示の実施形態に係る液滴観察装置によって生成された画像例を示す図 ミストの発生の有無を調べる実験の結果を示す図

（ミストの発生原理）
まず、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄ、および、図１Ｅを参照しつつ、インクジェットヘッド２１０からインクを吐出したときにミスト１０３が発生する原理について説明する。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄ、および、図１Ｅは、インクジェットヘッド２１０から吐出されたインクの液滴１０１に起因するミスト１０３の発生を説明するための図であり、インクジェットヘッド２１０のノズル１００近傍が示されている。なお、本明細書において、インクの液滴を単に「液滴」と称することもある。

圧電素子の体積変化により、インクジェットヘッド２１０のインク室（不図示）の容積が変化すると、ノズル１００の吐出部からインクが押し出される。その結果、図１Ａに示されているようにインクの液滴１０１が形成される。図１Ａの液滴１０１は、液滴１０１が、液滴１０１の主要部分をなす部位である主液滴１０２から構成されている状態にある。

インクは一定値以上の粘性および弾性を有するので、液滴１０１の一部がノズル１００の吐出部に接触した状態のまま主液滴１０２が移動する。このため、主液滴１０２が移動するにつれて液滴１０１が移動方向に引き伸ばされる。その結果、図１Ｂに示されているように、主液滴１０２とノズル１００との間に伸長部１０４が形成される。伸長部１０４は、主液滴１０２を形成するインクの一部により形成される。以下の説明において、主液滴１０２の移動方向を単に移動方向と称することもある。

伸長部１０４がノズル１００の吐出部に接触したまま主液滴１０２がさらに移動方向に移動すると、伸長部１０４が移動方向に引き伸ばされる。その結果、図１Ｃに示されているように、伸長部１０４のノズル１００側の部位が細長い形状を有する細状部１０５となる。細状部１０５は、伸長部１０４の部位であって伸長部１０４の他の部位よりも、移動方向に対して垂直な方向の寸法が短い部位である。

主液滴１０２がさらに移動方向に移動すると、細状部１０５がノズル１００の吐出部から離れ、図１Ｄに示されているように、細状部１０５を構成していたインクが空中でミスト１０３に変化する。図１Ｄに示されているミスト１０３の移動方向の速度成分の大きさは比較的大きい。

主液滴１０２がさらに移動方向に移動すると、ミスト１０３の運動エネルギーが極めて小さくなり、ミスト１０３は様々な方向に飛散する。また、細状部１０５以外の伸長部１０４を構成していたインクは、主液滴１０２を構成するようになる。すなわち、図１Ｅに示されているように、伸長部１０４が無くなり、比較的大きい主液滴１０２が形成される。

以上、説明したように、ノズル１００から吐出されたインクの液滴１０１は、移動する過程でその形状が変化する。具体的には、液滴１０１は、主に主液滴１０２から構成される状態（図１Ａ参照）、主液滴１０２と細状部１０５を有さない伸長部１０４とから構成される状態（図１Ｂ参照）、および、主液滴１０２と細状部１０５が形成された伸長部１０４とから構成される状態（図１Ｃ参照）に順に移り変わる。そして、細状部１０５がノズル１００の吐出部から離れたときに、ミスト１０３が発生する（図１Ｄ参照）。なお、細状部１０５が形成された場合に必ずミスト１０３が発生するわけではなく、細状部１０５を形成するインクが、主液滴１０２の一部になる場合もある

（実施形態）
以下、適宜図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。

＜構成＞
図２は、本開示の実施形態に係る液滴観察装置２００の全体構成を示す図である。液滴観察装置２００は、インクジェットヘッド２１０、光源２２０、撮像部２２１、および、制御装置２０１を備えている。なお、図２において、下方向がインクの吐出方向である。

インクジェットヘッド２１０は、インクを液滴１０１として吐出する吐出装置である。図３は、インクジェットヘッド２１０を示す模式図である。

インクジェットヘッド２１０は、インクの吐出方向の端部にノズル部２１１を備えている。ノズル部２１１には、インクが吐出される孔であるノズル孔（不図示）が複数形成されている。ノズル孔は、ノズル部２１１の長手方向に沿って１列に所定の間隔を空けて並んでいる。なお、ノズル孔は、ノズル部２１１の長手方向に沿って複数列となるように並んでいてもよい。また、ノズル孔が、複数列に並ぶ場合、千鳥状に並んでいてもよい。なお、図３の２１２は、ノズル部２１１の吐出方向を向く端面（以下、ノズル面）である。

インクジェットヘッド２１０は、その内部にインクを吐出するための圧電素子（不図示）を備えている。圧電素子が、制御装置２０１からの駆動信号に基づいて駆動することで、複数のノズル孔からインクが液滴１０１として吐出される。駆動信号については後に詳細に説明する。

光源２２０は、ノズル面２１２および液滴１０１に光を照射させる発光装置である。光源２２０は、発光源である発光ダイオード（不図示）および光の進行方向を調整する照明光学系２２３を備えている。光源２２０は、制御装置２０１の制御の下、発光ダイオードをストロボ発光させる。ここで、光源２２０は、制御装置２０１からの発光信号に基づいて、発光ダイオードを発光させる。発光信号については後に詳細に説明する。

照明光学系２２３は、複数のテレセントリックレンズを備えている。テレセントリックレンズは、発光ダイオードから発せられる光を所定の方向に向くように屈折させる。テレセントリックレンズで屈折された光が、ノズル面２１２および液滴１０１に照射される。

撮像部２２１は、液滴１０１を撮像し、液滴１０１の画像を生成する撮像装置である。撮像部２２１は、撮像素子（不図示）および撮像光学系２２２を備えている。撮像部２２１は、光源２２０によって光が照射された被写体を撮像する。本実施形態では、被写体は、主に液滴１０１およびノズル部２１１である。

撮像光学系２２２は、複数のテレセントリックレンズを備えており、被写体を撮像素子に結像させる。

撮像部２２１は、生成した液滴１０１の画像を制御装置２０１に出力する。

制御装置２０１は、液滴観察装置２００の全体制御を実行する。制御装置２０１は、駆動信号を生成し、インクジェットヘッド２１０に出力することで、インクジェットヘッド２１０のインクの吐出制御を行う。また、制御装置２０１は、発光信号を生成し、光源２２０に出力することで、光源２２０の発光制御を行う。

図４は、制御装置２０１の機能構成を示す図である。制御装置２０１は、記憶部２５０およびＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）（不図示）を備えている。

記憶部２５０には、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が含まれる。記憶部２５０には、ミスト１０３が発生するか否かを判定するための基準を示すデータ（以下、基準データを称す。）および所定のプログラムが記憶されている。基準データについては、後に詳細に説明する。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている所定のプログラムを読みだして、ＲＡＭに展開し、展開したプログラムを実行することで測定部２５１および判定部２５２として機能する。

測定部２５１は、液滴１０１の画像に基づいて液滴１０１の伸長部１０４および細状部１０５の寸法を測定する。判定部２５２は、測定部２５１による測定結果および記憶部２５０に記憶されている基準データに基づいて、液滴１０１に起因するミスト１０３が発生するか否かを判定する。測定部２５１および判定部２５２の動作については後に詳細に説明する。

また、制御装置２０１は、判定部２５２による判定結果とともに液滴１０１の画像を表示装置（不図示）に表示させる。

なお、液滴観察装置２００は、インクジェットヘッド２１０に対してインクが吐出される側に印刷媒体を搬送する搬送部を備えていてもよい。この場合、印刷媒体に対して走査することで印刷媒体に印刷することができる。

＜動作＞
次に、図５および図６を参照しつつ、液滴観察装置２００が実行する動作を説明する。図５は、液滴観察装置２００が実行する動作を示すフローチャートである。図６は、液滴観察装置２００によって生成された画像例を示す図である。

まず、インクジェットヘッド２１０は、制御装置２０１から出力された駆動信号に基づいて圧電素子を駆動させる（ステップＳ１）。駆動信号は、圧電素子を駆動させるタイミングを示す信号であり、電圧波形により構成されている。

圧電素子がこの電圧波形に応じたタイミングで体積変化するので、インク室のインクがノズル孔から、インクジェットヘッド２１０の外部に出始める。

次に、光源２２０は、制御装置２０１から出力された発光信号に基づいて発光ダイオードをストロボ発光させる（ステップＳ２）。発光信号は、発光ダイオードを発光させるタイミングを示す信号である。発光信号は、発光ダイオードを発光させるタイミングが、液滴１０１がノズル部２１１から離れる直前のタイミングとなるように設定されている。発光ダイオードを発光させるタイミングは、圧電素子の駆動タイミングよりもわずかに遅いタイミングである。

次に、撮像部２２１は、液滴１０１を撮像する（ステップＳ３）。光源２２０から発せられ、ノズル面２１２および液滴１０１を照射した光が撮像部２２１に入射することで、ノズル面２１２および液滴１０１が結像される。

そして、撮像部２２１は、撮像結果に基づいて液滴１０１の画像を生成する（ステップＳ４）。

続いて、測定部２５１は、液滴１０１の画像に基づいて、伸長部１０４の寸法および細状部１０５の寸法を測定する（ステップＳ５）。測定部２５１による寸法の測定について、ステップＳ４で図６の画像が生成されたとして説明する。図６は液滴観察装置２００によって生成された液滴１０１の画像例を示す図である。なお、図６の画像は、一つの液滴１０１のみが、ノズル部２１１から吐出している様子が含まれているが、ステップＳ４において生成される画像に、複数の液滴１０１がノズル部２１１から吐出される様子が含まれてもよい。

測定部２５１は、伸長部１０４の寸法であって液滴１０１の移動方向の寸法である第１寸法Ｌ１を測定する。寸法Ｌ１は、伸長部１０４の移動方向の全長に相当する。また、細状部１０５の移動方向の寸法である第２寸法Ｌ２を測定する。

次に、判定部２５２は、測定部２５１によって測定された第１寸法Ｌ１および第２寸法Ｌ２に基づいて、液滴１０１に起因するミスト１０３が発生するか否かを判定する（ステップＳ６）。

ここで、判定部２５２は、まず、第１寸法Ｌ１に対する第２寸法Ｌ２の比率であるＬ２／Ｌ１を算出する。そして、判定部２５２は、記憶部２５０から基準データを取得し、取得した基準データと、算出されたＬ２／Ｌ１とを比較し、Ｌ２／Ｌ１が基準データ以上である場合、液滴１０１に起因したミスト１０３が発生すると判定する。なお、基準データは、第１寸法Ｌ１に対する第２寸法Ｌ２の比率の基準値であり、具体的には、０．３５である。Ｌ２／Ｌ１が、０．３５以上である場合、ミスト１０３が発生しやすいことが分かっている。この基準値の根拠は、後述する実施例で説明する。

次に、制御装置２０１は、液滴１０１の画像を判定部２５２による判定結果とともに表示装置に表示させる（ステップＳ７）。ここで、制御装置２０１は、例えば、ステップＳ４で生成された画像と対応付けて「ミストが発生します」又は「ミストは発生しません」等の判定結果を示す情報を表示させる。ステップＳ７において、制御装置２０１は、判定結果を示す情報とともに、第１寸法Ｌ１、第２寸法Ｌ２、および、比率Ｌ２／Ｌ１の各値を、ステップＳ４で生成された画像に対応付けて表示させてもよい。

もし、ステップＳ４で生成された画像に複数の液滴１０１が吐出される様子が含まれていて、かつ、比率Ｌ２／Ｌ１が０．３５以上の液滴１０１、および、比率０．３５未満の液滴１０１が含まれている場合、それぞれの液滴１０１に対応付けて、判定結果を示す情報、並びに、各液滴１０１の寸法Ｌ１、寸法Ｌ２、および、比率Ｌ２／Ｌ１を表示させてもよい。あるいは、ステップＳ４で生成された画像に含まれる複数の液滴１０１のうち、少なくとも１つの液滴１０１の比率Ｌ２／Ｌ１が０．３５以上である場合、ミスト１０３が発生する旨を示す情報を表示させてもよい。また、ステップＳ４で生成された画像に含まれるすべての液滴１０１の比率Ｌ２／Ｌ１が、０．３５未満である場合、ミスト１０３が発生しない旨を示す情報を表示させてもよい。

上述したように、本実施形態に係る液滴観察装置２００は、液滴１０１の伸長部１０４の第１寸法Ｌ１および細状部１０５の第２寸法Ｌ２を測定し、その測定結果に基づいて、ミスト１０３が発生するか否かを判定する。具体的には、液滴観察装置２００は、伸長部１０４の第１寸法Ｌ１および細状部１０５の第２寸法Ｌ２の比率であるＬ２／Ｌ１が、基準値０．３５以上である場合、ミスト１０３が発生すると判定し、Ｌ２／Ｌ１が、基準値０．３５未満である場合、ミスト１０３が発生しないと判定する。このため、ミスト１０３が発生するか否かについて、直接ミスト１０３を観察するよりも、迅速にかつ容易に検出することができる。

製造されたインクジェットヘッド２１０について液滴観察装置２００を用いて検査を行うことで、当該インクジェットヘッド２１０からインクを吐出したときにミスト１０３が発生するか否かを判定できる。このため、液滴観察装置２００による検査により、ミスト１０３が発生しないと判定されたインクジェットヘッド２１０を用いて印刷処理が実行された場合、意図しない位置にミスト１０３を着弾させることはない。よって、インクジェットヘッド２１０を用いて印刷処理を実行する場合、高い品質の印刷を提供できる。その結果、本開示の実施形態に係る液滴観察装置２００は、印刷技術で工業製品を創出していくというプリンテッドエレクトロニクスの発展に寄与することができる。

＜変形例＞
なお、図５に示されているステップＳ１～Ｓ４の処理が繰り返し実行されてもよい。例えば、ステップＳ１～Ｓ４の処理が１秒間に２７回の速さで繰り返されてもよい。このように、ステップＳ１～Ｓ４の処理が繰り返される場合、ステップＳ１～Ｓ４の処理が実行される回数毎に、圧電素子を駆動させるタイミングに対して発光ダイオードを発光させるタイミングを変える。この場合、撮像部２２１は、ステップＳ１が実行される毎に生成される互いに異なる液滴１０１について、液滴１０１が生成されたタイミングに対してそれぞれ異なるタイミングで液滴１０１を撮像する。よって、液滴１０１が生成されてから液滴１０１がノズル部２１１から離れるまでの様子を示す複数の画像が生成される。

インクジェットヘッド２１０の吐出再現性は極めて高いので、駆動信号が示す駆動タイミングに対して光源２２０を発光させるタイミングが、常に一定時間遅くなるように設定された場合、液滴観察装置２００は、図５に示される処理が何度目に実行されたかに依らず、空間上略同じ位置に位置している液滴１０１を撮像することになる。すなわち、空間上略同じ位置に液滴１０１が静止したような画像が生成される。

よって、異なる液滴１０１の画像同士を液滴１０１が生成されてから撮像されるまでの時間が短い順に並べることで、一つの液滴１０１を連続的に撮像して複数の画像を生成することと同じとみなせることを実現できる。すなわち、ノズル部２１１からインクが吐出して液滴１０１が形成されてから、液滴１０１がノズル部２１１から離れるまでの様子を時間を追って観察することができる。

ステップＳ１～Ｓ４の処理が繰り返される場合、ステップＳ５～Ｓ７の処理に替えて、ステップＳ１～Ｓ４の処理が定められた回数実行された後、次に示す処理が実行される。測定部２５１は、撮像部２２１によって撮像された液滴１０１の複数の画像の中で、ノズル部２１１に細状部１０５が接触しており、かつ、液滴１０１が形成されたタイミングを基準として最も後のタイミングで撮像された画像に基づいて、第１寸法Ｌ１および第２寸法Ｌ２を測定する。そして、判定部２５２は、測定部２５１による測定結果に基づいて、ミスト１０３が発生するか否かを判定する。そして、制御装置２０１は、測定対象の液滴１０１の画像を判定部２５２による判定結果とともに表示装置に表示させる。

液滴１０１がノズル部２１１から離れる直前のタイミングに合わせて、液滴１０１を撮像することは難しい。しかしながら、上述したように、液滴観察装置２００は、ステップＳ１～Ｓ４の処理が実行される回数度に、液滴１０１を撮像するタイミングを変更するので、細状部１０５が最大限、移動方向に伸びきった状態の液滴１０１を撮像することができる。したがって、判定部２５２がより正確に、ミスト１０３が発生するか否かを判定することができる。

なお、液滴観察装置２００は、測定部２５１および判定部２５２として機能するＣＰＵ、並びに、記憶部２５０を備えていればよく、インクジェットヘッド２１０、光源２２０、および、撮像部２２１を備えていなくてもよい。すなわち、インクジェットヘッド２１０、光源２２０、および、撮像部２２１から構成される画像生成装置が、液滴観察装置２００とは別の装置であってもよい。

上述した実施形態では、ステップＳ５およびステップＳ６が、制御装置２０１によって実行されると説明されているが、必ずしも制御装置２０１によって実行されなくてもよい。この場合、液滴観察装置２００は、ステップＳ１～Ｓ４を実行し、ステップＳ４で生成された画像を表示装置に表示させてもよい。その後、インクジェットヘッド２１０について検査を実行する者が、表示された液滴１０１の画像に基づいて、第１寸法Ｌ１および第２寸法Ｌ２を測定し、比率Ｌ２／Ｌ１を算出し、算出した比率Ｌ２／Ｌ１を、基準値である０．３５と比較することでミスト１０３が発生するか否かを判定してもよい。

上述した実施形態では、液滴観察装置２００は、液滴１０１がノズル部２１１から離れる直前の様子を示す画像を生成するとしたが、当該画像と併せて、液滴１０１がノズル部２１１から離れた後の様子を示す画像（以下、飛翔状態画像と称す。）を生成してもよい。液滴１０１がノズル部２１１から離れた後の様子とは、図１Ｅに示されている液滴１０１の様子であり、液滴１０１が飛翔している様子を意味する。

この場合、ステップＳ１～Ｓ４の処理が実行される回数毎に、圧電素子を駆動させるタイミングに対して発光ダイオードを発光させるタイミングを変えていくことで、液滴１０１がノズル部２１１から離れた後の様子を撮像できる。この場合、液滴観察装置２００が、ステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返すことで、液滴１０１が生成されてからノズル部２１１から離れるまでの様子を示す複数の画像に加えて、互いに異なるタイミングに対応する複数の飛翔状態画像も生成される。

このように、飛翔状態画像が生成されるので、測定部２５１は液滴１０１の体積を測定できる。体積は、液滴１０１を球と仮定して液滴１０１の直径を測定することで求めることができる。また、互いに異なるタイミングに対応する複数の飛翔状態画像が生成されるので、測定部２５１は、複数の飛翔状態画像に基づいて、各タイミングにおける液滴１０１の位置、および、時間差を求めることができる。よって、測定部２５１は、各タイミングにおける液滴１０１の位置、および、時間差に基づいて、液滴１０１の吐出速度および吐出角度を求めることができる。したがって、液滴１０１の飛翔状態を示す値である液滴１０１の体積、吐出速度および吐出角度を求めることができる。その結果、ミスト１０３が発生するか否かを検査するとともに、液滴１０１の体積、吐出速度および吐出角度に基づいて正常に液滴１０１が飛翔しているか否かを判定することができる。

なお、撮像部２２１は、高速度カメラであってもよい。この場合、液滴観察装置２００は、光源２２０を備えていない。このように、撮像部２２１は、高速度カメラである場合、液滴観察装置２００は、圧電素子を駆動させるタイミングから、液滴１０１がノズル部２１１から離れるタイミングまでの間に、一つの液滴１０１を複数回撮像してもよい。

この場合、撮像部２２１は、一つの液滴１０１を複数回撮像し、当該一つの液滴１０１に対して複数の液滴１０１の画像を生成する。また、測定部２５１は、ステップＳ５において、撮像部２２１によって撮像された液滴１０１の複数の画像の中で、液滴１０１を吐出するノズル部２１１に細状部１０５が接触しており、かつ、最も後に撮像された画像を選択する。そして、測定部２５１は、選択された画像に基づいて、当該画像に示されている液滴１０１の伸長部１０４の第１寸法Ｌ１および細状部１０５の第２寸法Ｌ２を測定する。このように、液滴１０１がノズル部２１１から離れるまでの間に液滴１０１を複数回撮像することで、細状部１０５が最大限、移動方向に伸びきった状態の液滴１０１を撮像することができる。したがって、判定部２５２がより正確に、ミスト１０３が発生するか否かを判定することができる。

同様に、撮像部２２１は、高速度カメラである場合、液滴観察装置２００は、液滴１０１がノズル部２１１から離れる直前の様子を示す画像と併せて、複数の飛翔状態画像を生成してもよい。

この場合、撮像部２２１は、液滴１０１がノズル部２１１から離れるまでの間に液滴１０１を複数回撮像することに加えて、液滴１０１がノズル部２１１から離れ、かつ、液滴１０１が伸長部１０４を含まない状態にある液滴１０１をそれぞれ異なるタイミングで複数回撮像する。これにより、ステップＳ４において、液滴１０１がノズル部２１１から離れる前であって互いに異なるタイミングに対応する複数の画像および互いに異なるタイミングに対応する複数の飛翔状態画像が生成される。

このように、飛翔状態画像が生成されるので、測定部２５１は液滴１０１の体積を測定できる。また、互いに異なるタイミングに対応する複数の飛翔状態画像が生成されるので、測定部２５１は、液滴１０１の吐出速度および吐出角度を求めることができる。その結果、ミスト１０３が発生するか否かを検査するとともに、液滴１０１の体積、吐出速度および吐出角度に基づいて正常に液滴１０１が飛翔しているか否かを判定することができる。

また、判定部２５２は、必ずしも、第１寸法Ｌ１に対する第２寸法Ｌ２の比率であるＬ２／Ｌ１を算出しなくてもよく、第２寸法Ｌ２に対する第１寸法Ｌ１の比率Ｌ１／Ｌ２を算出してもよい。この場合、基準データは、０．３５の逆数、すなわち２．８６である。また、判定部２５２は、比率Ｌ１／Ｌ２が２．８６以下である場合、ミスト１０３が発生すると判定する。

（実施例）
発明者は、実験により、インクの物性およびインクジェットヘッド２１０のノズル径が、インクの吐出状態に及ぼす影響を調べた。具体的には、互いに異なる物性を有する複数のインクを用いてミスト１０３の有無について調べた。また、互いに異なる大きさのノズル孔の径（以下、ノズル径と称す。）を有する複数のインクジェットヘッド２１０を用いてミスト１０３の発生の有無について調べた。なお、ミスト１０３の発生の有無については、公知の観察方法により実施した。

＜インク＞
表１には、実験に用いられたインクの物性が示されている。

実験には、インクＡ、Ｂ、Ａ／Ｂ、および、Ｃを用いた。インクＡ、Ｂ、および、Ｃの材料は、それぞれ化合物Ａｃ、Ｂｃ、およびＣｃである。

化合物Ａｃ、Ｂｃ、およびＣｃは、ホール輸送機能を有する分子骨格を備える有機化合物である。化合物Ａｃ、Ｂｃ、およびＣｃの分子量は、それぞれ６５００、５８０００、および１５０００である。

化合物Ａｃ、Ｂｃ、およびＣｃを芳香族系の有機溶剤に溶解させてインクＡ、Ｂ、および、Ｃを作製した。インクＡ、Ｂ、および、Ｃを作製する際、インクＡ、Ｂ、および、Ｃの粘度が互いに同じ値になるように固形分濃度を調整した。本実験では、インクＡ、ＢおよびＣの粘度が３．２ｍＰａ・ｓとなるように、インクＡ、ＢおよびＣの固形分濃度をそれぞれ９．２ｗｔ％、１．７ｗｔ％、および、１．０ｗｔ％となるように調整した。

なお、インクＡ／Ｂは、化合物Ａｃと化合物Ｂｃとを同じ重量比率で混合することで作製されている。ここで、インクＡ、Ｂ、および、Ｃと同様、粘度が３．２ｍＰａ・ｓとなるように、インクＡ／Ｂの固形分濃度を調整した。

インクＡ、Ｂ、Ａ／Ｂ、および、Ｃの表面張力は、それぞれ、３５．５ｍＮ／ｍ、３５．０ｍＮ／ｍ、３５．３ｍＮ／ｍ、および、３４．９ｍＮ／ｍであった。なお、インクＡ、Ｂ、Ａ／Ｂ、および、Ｃの表面張力の大きさは、材料である化合物を溶解させた有機溶剤の表面張力によってほぼ決まる。

インクＡ、Ｂ、Ａ／Ｂ、および、Ｃの密度は、互いに同じ値（９５１ｇ／ｍ^３）であった。

また、発明者は、インクＡ、Ｂ、Ａ／Ｂ、および、Ｃに対して、レイノルズ数Ｒｅ、ウェーバー数Ｗｅ、オーネゾルゲ数Ｏｎ、および、Ｚ値Ｚを特定した。以下の説明において、レイノルズ数Ｒｅ、ウェーバー数Ｗｅ、オーネゾルゲ数Ｏｎ、および、Ｚ値Ｚをまとめて流体パラメータと表現することもある。

＜レイノルズ数Ｒｅ＞
レイノルズ数Ｒｅは、流体の慣性力と粘性力の比で表される無次元数である。流体の「流れ」の性質を流体力学的に調べるために利用される値である。

レイノルズ数Ｒｅは、インクの密度ρ、インクの粘度η、インクの液滴１０１の径ｒ、および、インクの液滴１０１の速度Ｖを用いて、式（１）で表される。

＜ウェーバー数Ｗｅ＞
ウェーバー数Ｗｅは、慣性力と表面張力との比で表される無次元数である。ウェーバー数Ｗｅは、二相流を扱う際に重要な値であり、液滴１０１が気流中を流れる場合の液滴１０１の変形に関する挙動、および、液滴１０１の界面の安定性について議論する際に利用される値である。

ウェーバー数Ｗｅは、インクの密度ρ、インクの液滴１０１の径ｒ、インクの液滴１０１の速度Ｖ、および、インクの表面張力γを用いて、式（２）で表される。

＜オーネゾルゲ数Ｏｎ＞
オーネゾルゲ数Ｏｎは、粘性力、慣性力、および、表面張力の関係を示す無次元数である。オーネゾルゲ数Ｏｎは、レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅとを用いて、式（３）で表される。

＜Ｚ値Ｚ＞
Ｚ値Ｚは、オーネゾルゲ数Ｏｎの逆数で表される無次元数であり、式（４）で表される。

式（１）～（４）および表１に示されているインクの密度ρ、インクの粘度η、および、表面張力γ、並びに、インクの液滴１０１の径ｒ、および、インクの液滴１０１の速度Ｖを用いて、インクＡ、Ｂ、Ａ／ＢおよびＣのレイノルズ数Ｒｅ、ウェーバー数Ｗｅ、オーネゾルゲ数Ｏｎ、および、Ｚ値Ｚをそれぞれ特定した。

なお、インクの液滴１０１の径ｒは、インクジェットヘッド２１０のノズル径Ｉｎと略等しいため、使用したインクジェットヘッド２１０のノズル径Ｉｎをインクの液滴１０１の径ｒとして用いた。また、インクジェットヘッド２１０から出射されたインクの液滴１０１の速度Ｖとして、５ｍ／ｓを用いた。

＜実験内容＞
発明者は、ノズル径１２μｍであるインクジェットヘッド２１０を用いて、インクＡ、Ｂ、および、Ａ／Ｂを吐出し、吐出された各インクの液滴１０１を観察した。また、ノズル径１８μｍであるインクジェットヘッド２１０を用いて、インクＢ、および、Ｃを吐出し、吐出された各インクの液滴１０１を観察した。

また、吐出された各インクの液滴１０１の伸長部１０４および細状部１０５について、上述した実施形態に係る液滴観察装置２００を用いて測定した。

＜実験結果＞
表２には、各インクについて、吐出に使用されたインクジェットヘッド２１０のノズル径Ｉｎ、流体パラメータ、および、各インクのインクジェット吐出特性が示されている。インクジェット吐出特性には、吐出された液滴１０１の伸長部１０４の第１寸法Ｌ１、細状部１０５の第２寸法Ｌ２、比率Ｌ２／Ｌ１、および、ミスト１０３の発生状況が含まれる。

（１）ノズル径Ｉｎが１２μｍである場合の結果
インクＡ、インクＢ、インクＡ／Ｂはそれぞれ、粘度η、表面張力γ、および密度ρ等の物性は略同じであるため、インクＡ、インクＢ、および、インクＡ／ＢのＺ値Ｚは、互いに略同じ値であった。

Ｌ２／Ｌ１の値は、インクＡ、インクＡ／Ｂ、および、インクＢの順に小さかった。例えば、インクＡは、Ｌ１が３８μｍ、Ｌ２が１２μｍ、Ｌ２／Ｌ１が、０．３２であった。

ミスト１０３の発生状況は、Ｌ２／Ｌ１が０．３２であったインクＡの場合、発生しなかった。一方、Ｌ２／Ｌ１が０．４８であったインクＢ、および、Ｌ２／Ｌ１が０．４４であったインクＡ／Ｂの場合、ミスト１０３が発生した。

（２）ノズル径Ｉｎが１８μｍである場合の結果
インクＢ、およびインクＣはそれぞれ、粘度η、表面張力γ、および密度ρ等の物性は略同じであるため、インクＢ、および、インクＣのＺ値Ｚは、互いに同じ値であった。

インクジェット吐出特性は、インクＢを吐出した場合、ミスト１０３は発生しなかった。この結果は、ノズル径Ｉｎが１２μｍであるインクジェットヘッド２１０を使用してインクＢを吐出した場合にミスト１０３が発生したことと対照的である。

ノズル径Ｉｎが１８μｍである場合のインクＢのＺ値Ｚ、および、Ｌ２／Ｌ１は、それぞれ７．６、および、０．１２であった。

一方、Ｚ値ＺがインクＢと同じであるインクＣを吐出した場合、ミスト１０３が発生した。なお、インクＣを吐出した場合のＬ２／Ｌ１は０．３６であった。

図７は、実験結果がまとめられたグラフである。図７には、各測定におけるインクのＺ値とＬ２／Ｌ１の値との関係が示されている。

実験結果から、ミスト１０３の発生の有無とＺ値Ｚとは関係がないことが分かった。また、吐出されたインクの液滴１０１の伸長部１０４の第１寸法Ｌ１に対する細状部１０５の第２寸法Ｌ２が、０．３５以上である場合、ミスト１０３が発生することが分かった。

したがって、液滴１０１の伸長部１０４の寸法Ｌ１および細状部１０５の寸法Ｌ２を測定し、比率Ｌ２／Ｌ１を算出し、算出したＬ２／Ｌ１と基準値０．３５とを比較することで、当該液滴１０１に起因するミスト１０３が発生するか否かを的確に判定することができる。

上記実施形態および変形例は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示の液滴観察装置および液滴観察方法は、正常に液滴が飛翔しているか否かを判定することに利用できる。

１００ ノズル
１０１ 液滴
１０２ 主液滴
１０３ ミスト
１０４ 伸長部
１０５ 細状部
２００ 液滴観察装置
２０１ 制御装置
２５０ 記憶部
２５１ 測定部
２５２ 判定部
２２０ 光源
２２３ 照明光学系
２２１ 撮像部
２２２ 撮像光学系
２１０ インクジェットヘッド
２１１ ノズル部
２１２ ノズル面
Ｌ１ 第１寸法
Ｌ２ 第２寸法

Claims (6)

1. ノズル部から液滴を吐出させる圧電素子を駆動させるタイミングよりも遅いタイミングで光源を発光させる制御装置と、
   前記ノズル部から吐出され、前記光源により光を照射された前記液滴を撮像する撮像部と、
   前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定する測定部と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記圧電素子を駆動させる毎に、前記圧電素子を駆動させるタイミングに対して前記光源を発光させるタイミングを変更し、
   前記撮像部は、前記光源を発光させた異なる複数のタイミングで複数回撮像を行って複数の飛翔状態画像を生成し、
   前記測定部は、前記複数の飛翔状態画像から、前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定し、
   前記複数の飛翔状態画像には、前記液滴が主液滴と、前記主液滴の移動方向に伸びる伸長部とを有し、前記伸長部が、前記ノズル部に接触し、前記伸長部より細い細状部を含んで撮像された状態の画像が含まれ、
   前記伸長部の寸法に対する前記細状部の寸法の比率に基づいて、前記液滴に起因するミストの発生が判定されることを特徴とする、
   液滴観察装置。
2. 前記複数の飛翔状態画像は、前記ノズル部から吐出された互いに異なる液滴が撮像された画像である請求項１に記載の液滴観察装置。
3. 前記測定部は、前記複数のタイミングにおける液滴の位置、および、前記複数のタイミングの時間差に基づいて、前記吐出速度および前記吐出角度を測定する請求項１または２に記載の液滴観察装置。
4. ノズル部から液滴を吐出させる圧電素子を駆動させるタイミングよりも遅いタイミングで光源を発光させる制御ステップと、
   前記ノズル部から吐出され、前記光源により光を照射された前記液滴を撮像する撮像ステップと、
   前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定する測定ステップと、
   を含み、
   前記制御ステップでは、前記圧電素子を駆動させる毎に、前記圧電素子を駆動させるタイミングに対して前記光源を発光させるタイミングを変更し、
   前記撮像ステップでは、前記光源を発光させた異なる複数のタイミングで複数回撮像を行って複数の飛翔状態画像を生成し、
   前記測定ステップでは、前記複数の飛翔状態画像から、前記液滴の体積、吐出速度および吐出角度を測定し、
   前記複数の飛翔状態画像には、前記液滴が主液滴と、前記主液滴の移動方向に伸びる伸長部とを有し、前記伸長部が、前記ノズル部に接触し、前記伸長部より細い細状部を含んで撮像された状態の画像が含まれ、
   前記伸長部の寸法に対する前記細状部の寸法の比率に基づいて、前記液滴に起因するミストの発生が判定されることを特徴とする、
   液滴観察方法。
5. 前記複数の飛翔状態画像は、前記ノズル部から吐出された互いに異なる液滴が撮像された画像である請求項４に記載の液滴観察方法。
6. 前記測定ステップでは、前記複数のタイミングにおける液滴の位置、および、前記複数のタイミングの時間差に基づいて、前記吐出速度および前記吐出角度を測定する請求項４または５に記載の液滴観察方法。

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