(57)【要約】【課題】駆動信号の電圧レベルを低減すると共に、液滴吐出装置における液滴の吐出ばらつきを抑制する。【解決手段】所定の駆動信号でアクチュエータを機械的に変形させることによってキャビティに貯留された吐出用液体をノズルから液滴として吐出させる液滴吐出装置であって、駆動信号がキャビティを先行して振動させ、かつこの振動に同期した状態で液滴を吐出させるように波形設定される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の駆動信号でアクチュエータを機械的に変形させることによってキャビティに貯留された吐出用液体をノズルから液滴として吐出させる液滴吐出装置であって、
前記駆動信号は、キャビティを先行して振動させ、かつこの振動に同期した状態で液滴を吐出させるように波形設定されることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記駆動信号は、アクチュエータの充電波形部あるいは放電波形部のうち、少なくても何れか一方がアクチュエータに共振するように波形設定されることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記駆動信号は、
キャビティを振動させる先行共振パルス部と、
該先行共振パルス部に続く波形部であって、キャビティの振動に同期した状態で液滴を吐出させる吐出パルス部と
を有することを特徴とする請求項１または２記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記駆動信号は、液滴を吐出した後にキャビティの振動を制振させる制振パルス部を有することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
所定の駆動信号でアクチュエータを機械的に変形させることによってキャビティに貯留された吐出用液体をノズルから液滴として吐出させる液滴吐出方法であって、
前記駆動信号は、キャビティを先行して振動させ、かつこの振動に同期した状態で液滴を吐出させるように波形設定されることを特徴とする液滴吐出方法。
【請求項６】
前記駆動信号は、アクチュエータの充電波形部あるいは放電波形部のうち、少なくても何れか一方がアクチュエータに共振するように波形設定されることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出方法。
【請求項７】
前記駆動信号は、
キャビティを振動させる先行共振パルス部と、
該先行共振パルス部に続く波形部であって、キャビティの振動に同期した状態で液滴を吐出させる吐出パルス部と
を有することを特徴とする請求項５または６記載の液滴吐出方法。
【請求項８】
前記駆動信号は、液滴を吐出した後にキャビティの振動を制振させる制振パルス部を有することを特徴とする請求項５〜７いずれかに記載の液滴吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴吐出装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、プリンタ等に応用される液滴吐出装置には、圧電素子をアクチュエータとし、当該圧電素子に所定波形形状の駆動信号を印加することによってキャビティに貯留された吐出用液体を液滴としてノズルから吐出させるものがある。
【０００３】
そして、上記駆動信号の波形形状は、一般に吐出用液体に関係する機械的な固有共振周期（例えばキャビティや圧電素子の固有共振周期）のばらつきを考慮して、この固有共振周期と共振しないように設計されている。このような駆動信号の設計思想については、例えば特開２０００２−０９６４６７号公報に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００２−０９６４６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記駆動信号は、上記特許文献にも記載されているように、いくつかの部位（波形部）から構成された一種のパルス信号であり、液滴を吐出するための吐出パルス部と、これに続く波形部であってキャビティ内における吐出用液体の揺動を抑制する制振パルス部とから形成されている。また、吐出パルス部は、所定の基準電圧から所定の電圧勾配で立ち上がる充電波形部と、一定の高電圧を保持する吐出前平坦波形部と、所定の電圧勾配で立ち下がると共に液滴を吐出する放電波形部（吐出波形部）とから形成されている。圧電素子は、充電波形部で充電された電荷を吐出波形部で放電することにより変形してノズルから液滴を吐出させる。
【０００６】
しかしながら、従来の駆動信号は、吐出用液体に関係する機械的な固有共振周期と共振しないように設計されているために、圧電素子が与えた振動の一部がうち消されて、所望の吐出エネルギーを得るためには、吐出波形部における電圧変化幅（つまり駆動信号の電圧レベル）を大きく取る必要がある。このため、従来の液滴駆動装置では、圧電素子を駆動する駆動回路に広い駆動電圧範囲のものを採用する必要があり、この結果、液滴吐出装置のコスト高を招くという問題点がある。また、例えば高粘度の材料を吐出できなくなる。高粘度を吐出するために圧電素子の最大振幅を大きくなるように改造すると振動周期が長くなり、微小な液滴が打てなくなるという問題も生じる。
【０００７】
また、このように電圧レベルの大きな駆動信号を圧電素子に印加した場合、当然にその発熱が大きくなる。そして、この熱によって液滴の大きさにばらつき（吐出ばらつき）が生じるという問題もある。このような吐出ばらつきは、特に高粘度の吐出用液体を液滴として吐出させる場合に発生するものである。例えばＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）パネルの製造において、液体状の発光物質を液滴吐出装置を用いて基板上に吹き付けることによって画素を形成する場合、上記発光物質は極めて粘度が高いために吐出ばらつきが生じ易く、この結果として各画素を形成する発光物質の量にばらつきが生じて、ＥＬパネルの表示性能が低下する。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、駆動信号の電圧レベルを低減すると共に、液滴吐出装置における液滴の吐出ばらつきを抑制することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、所定の駆動信号でアクチュエータを機械的に変形させることによってキャビティに貯留された吐出用液体をノズルから液滴として吐出させる液滴吐出装置及び方法において、駆動信号がキャビティを先行して振動させ、かつこの振動に同期した状態で液滴を吐出させるように波形設定される、という手段を採用する。
【００１０】
このような手段によれば、より小さなレベルの駆動信号によって液滴を吐出することが可能となり、これによってアクチュエータの発熱を抑制することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係わる液滴吐出装置の機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、本液滴吐出装置は、制御装置１、Ｘ−Ｙ駆動装置２及び吐出ヘッド３から構成されている。制御装置１は、Ｉ／Ｆ１ａ、ＲＡＭ１ｂ、ＲＯＭ１ｃ、演算制御部１ｄ、駆動信号生成部１ｅ、発振回路１ｆ及びＩ／Ｆ１ｇを備えている。
【００１２】
Ｉ／Ｆ１ａは、外部から入力される描画対象画像の画像情報や各種設定情報を受信するものである。ＲＡＭ１ｂは、上記画像情報や各種設定情報、及び演算制御部１ｄのワークデータを一時的に記憶するものである。ＲＯＭ１ｃは、演算制御部１ｄが処理する制御プログラム、吐出ヘッド３を駆動するための駆動信号ＣＯＭの波形を示す駆動波形データ及び制御プログラムの実行に必要な各種制御データ、等々を記憶するものである。
【００１３】
演算制御部１ｄは、上記画像情報や各種設定情に基づいて制御プログラムを実行することにより、液滴の吐出パターンを示す吐出パターンデータ、Ｘ−Ｙ駆動部２を駆動するためのモータ駆動信号を生成してＩ／Ｆ１ｇに出力すると共に、上記画像情報に基づいてＲＯＭ１ｃから駆動波形データを取得して駆動信号生成部１ｅに出力する。
【００１４】
ここで、上記吐出パターンデータは、描画対象画像に対応するドットパターンデータ、すなわち吐出ヘッド３に対して何れの圧電素子３ｅに駆動信号ＣＯＭを印加するかを指定するものである。この吐出パターンデータは、１ワードが吐出ヘッド３に備えられた圧電素子３ｅの個数（＝液滴が吐出する吐出ノズルの個数）に相当するビット数からなるシリアルデータである。例えば吐出ヘッド３が１８０個の吐出ノズルを有する場合には、１８０ビット・シリアルデータである。
【００１５】
駆動信号生成部１ｅは、Ｄ／Ａコンバータ等から構成されており、上記波形データ（デジタル信号）を駆動信号ＣＯＭ（アナログ信号）に変換してＩ／Ｆ１ｇに出力する。発振回路１ｆは、所定周波数のクロックを生成するものである。Ｉ／Ｆ１ｇは、このクロックに同期させて吐出パターンデータ、クロック及び駆動信号ＣＯＭ並びにモータ駆動信号を吐出ヘッド３やＸ−Ｙ駆動部２に同期出力する。
【００１６】
一方、Ｘ−Ｙ駆動装置２は、Ｘ軸モータ２ａ及びＹ軸モータ２ｂを備えている。Ｘ軸駆動モータ２ａは、例えばステッピングモータであり、制御装置１から入力されるモータ駆動信号に基づいて、吐出対象物が装着されたステージをに対して吐出ヘッド３をＸ方向（主走査方向）に移動させる。Ｙ軸駆動モータ２ｂは、例えばステッピングモータであり、制御装置１から入力されるモータ駆動信号に基づいて上記ステージをＹ方向（副走査方向）に移動させる。上記ステージは、例えば方形状の平板であり、その上面には吐出対象物が固定されている。対象物は、吐出ヘッド３から吐出された液滴を付着させる対象物であり、各種の用紙や基板等である。
【００１７】
吐出ヘッド３は、シフトレジスタ３ａ、ラッチ回路３ｂ、レベルシフタ３ｃ、スイッチ回路３ｄ及び圧電素子３ｅを備えている。
【００１８】
シフトレジスタ３ａは、Ｉ／Ｆ１ｇから入力される吐出パターンデータｄ（シリアルデータ）をパラレルデータに変換し、当該パラレルデータをラッチ回路３ｂに出力する。ラッチ回路３ｂは、パラレルデータをＩ／Ｆ１ｇから入力される基準クロックでラッチすることにより同期合わせしてレベルシフタ３ｃに出力する。レベルシフタ３ｃは、ラッチ回路３ｂから入力されたパラレルデータを電圧変換し選択信号としてスイッチ回路３ｄに出力する。
【００１９】
スイッチ回路３ｄは、Ｉ／Ｆ１ｇから入力される駆動信号ＣＯＭをレベルシフタ３ｃから入力される選択信号に基づいて選択的に圧電素子３ｅに印加する。圧電素子３ｅは、液滴が吐出する吐出孔に対応して設けられており、駆動信号ＣＯＭの印加を受けて機械的に変形することにより吐出ノズルから液滴を吐出させるものである。
【００２０】
例えば１８０個の吐出ノズルを有する吐出ヘッド３の場合、吐出ノズルは、各々個別のキャビティに設けられ、各キャビティに圧電素子３ｅがそれぞれ設けられる。すなわち、圧電素子３ｅは、各キャビティ毎に設けられ、キャビティの一部を機械的に変形させることにより内部の吐出揺液体に圧力を加えて吐出ノズルから液滴として吐出させる。
【００２１】
上記吐出用液体（つまり液滴）は、本液滴吐出装置の用途に応じて種々のものが適用される。この吐出用液体は、例えば本液滴吐出装置を印刷装置をして用いる場合には各種の印刷用インクとなり、パターン配線装置として用いる場合には配線パターンを形成する導電性材料となり、マイクロレンズ形成装置として用いる場合にはマイクロレンズを形成するための透明樹脂となり、カラーフィルタ製造装置として用いる場合にはカラーフィルタの着色層を形成するための樹脂となる。
【００２２】
また、有機ＥＬ基板製造装置として用いる場合、吐出用液体は、発光画素を形成する電気光学物質（エレクトロルミネセンスを呈する蛍光性有機化合物）となる。この電気光学物質は、粘度５０ｃｐｓあり、上述した各種吐出用液体の中でもっとも粘度が高い。このような高粘度の吐出用液体を吐出するためには、駆動信号ＣＯＭの電圧レベルを高く設定する必要がある。
【００２３】
続いて、図２を参照して上記駆動信号ＣＯＭの波形について説明する。なお、この図２に示す駆動信号ＣＯＭは、キャビティの固有共振周期Ｔｃが７μｓｅｃであり、また圧電素子３ｅの固有共振周期Ｔａが約３．５μｓｅｃである吐出ヘッド３に対して設計されたものである。
【００２４】
この図に示すように、この駆動信号ＣＯＭは、先行共振パルス部と、この先行共振パルス部に続く吐出パルス部と、この吐出パルス部に続く制振パルス部とから形成されている。先行共振パルス部は、キャビティを振動させるように波形が設定されている。吐出パルス部は、キャビティの振動に共振した状態で液滴を吐出させるように波形が設定されている。また、制振パルス部は、液滴を吐出した後にキャビティの振動を制振させ得るように波形が設定されている。一般的な駆動信号は吐出パルス部と制振パルス部とから形成されるが、本液滴吐出装置の駆動信号ＣＯＭは、先行共振パルス部を備えることを特徴としている。
【００２５】
さらに詳しく説明すると、先行共振パルス部は、２．２μｓｅｃの期間で基準電圧（バイアス電圧）である３．０Ｖから中間電圧である２３．５Ｖまで一定勾配で立ち上がる立上り部ｈ１と、２３．５Ｖを２．０μｓｅｃの期間維持する平坦部ｈ２と、２．２μｓｅｃの期間で２３．５Ｖから３．０Ｖまで一定勾配で立ち下がる立下り部ｈ３と、３．０Ｖを２．０μｓｅｃの期間維持する平坦部ｈ４とから形成されている。なお、この先行共振パルス部の電圧レベル（＝２３．５Ｖ−３．０Ｖ）は、液滴が吐出しないように設定されている。
【００２６】
先行共振パルス部の全時間幅ｔ１〜ｔ５は、理論的にはキャビティの固有共振周期Ｔｃに設定されるが、キャビティの振動における基本周期はキャビティに関係する他の機械要素の影響によって純粋に固有共振周期Ｔｃとはならないので、これらの事情から固有共振周期Ｔｃに対して多少調整してある。また、立上り部ｈ１及び立下り部ｈ３の時間幅幅ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４は、理論的には圧電素子３ｅの固有共振周期Ｔａの半分であるＴａ／２に設定されるが、これについても圧電素子３ｅの振動における基本周期は圧電素子３ｅを支持する機械要素の影響によって純粋に固有共振周期Ｔａとはならないので、当該固有共振周期Ｔａに対して調整してある。また、本実施形態に用いた駆動信号生成部の応答速度で実現可能な範囲の値としている。多少Ｔａ／２から駆動波形がずれても効果が減るが致命的ではない。
【００２７】
吐出パルス部は、３．５μｓｅｃの期間で３．０Ｖから最高電圧である３０Ｖまで一定勾配で立ち上がる立上り部ｈ５と、３０Ｖを２．５μｓｅｃの期間維持する平坦部ｈ６と、２．０μｓｅｃの期間で３０Ｖから最低電圧である０Ｖまで一定勾配で立ち下がる立下り部ｈ７とから形成されている。上記立上り部ｈ５は、圧電素子３ｅに電荷を充電させるための充電波形部であり、一方、最高電圧から最低電圧まで立ち下がる立下り部ｈ７は、液滴を吐出させるための吐出波形部であり、つまり圧電素子３ｅの電荷を放電させるための放電波形部である。なお、この吐出パルス部電圧レベル（＝２３．５Ｖ−３．０Ｖ）も、単独では液滴が吐出しないように設定されている。
【００２８】
このような吐出パルス部における立上り部ｈ５は、上記全時間幅ｔ１〜ｔ５を有する先行共振パルス部に引き続くものなので、圧電素子３ｅへの印加によって生じるキャビティの振動に同期するタイミングとなる。また、この立上り部ｈ５に２．５μｓｅｃの平坦部ｈ６を挟んで続く立下り部ｈ７も、キャビティの振動に同期するタイミングとなる。
【００２９】
さらに、制振パルス部は、０Ｖを３．６μｓｅｃの期間維持する平坦部ｈ８と、２．２μｓｅｃの期間で０Ｖから２３．５Ｖまで一定勾配で立ち上がる立上り部ｈ９と、２３．５Ｖを３．３μｓｅｃの期間維持する平坦部ｈ１０と、３．３μｓｅｃの期間で２３．５Ｖから３．０Ｖまで一定勾配で立ち下がる立下り部ｈ１１とから形成されている。
【００３０】
次に、このように構成された本液滴吐出装置の動作について詳しく説明する。最初に、演算制御部１ｄは、外部から提供される画像情報や設定情報に基づいて制御プログラムを実行することにより、液滴の吐出パターンを示す吐出パターンデータ及びＸ−Ｙ駆動装置２を駆動するためのモータ駆動信号を生成すると共に、画像情報に基づいてＲＯＭ１ｃから波形データを取得する。
【００３１】
上記吐出パターンデータは演算制御部１ｄからＩ／Ｆ１ｇに供給され、モータ駆動信号も同じくＩ／Ｆ１ｇに供給される。一方、波形データは、演算制御部１ｄから駆動信号生成部１ｅに供給されることにより駆動信号ＣＯＭに変換された後にＩ／Ｆ１ｇに供給される。そして、このような３つの信号は、Ｉ／Ｆ１ｇによって同期が取られた後に吐出ヘッド３あるいはＸ−Ｙ駆動装置２にそれぞれ出力される。
【００３２】
すなわち、吐出パターンデータはシフトレジスタ３ａに、モータ駆動信号は、Ｘ軸モータ２ａ及びＹ軸モータ２ｂに、また駆動信号ＣＯＭはスイッチ回路３ｄにそれぞれ供給される。この結果、吐出ヘッド３は、吐出対象物に対するＸ方向とＹ方向との相対位置が走査状に順次移動すると共に、駆動信号ＣＯＭによって各圧電素子３ｅが駆動されることによって各キャビティ内に貯留された吐出揺液体を各吐出ノズルから液滴として順次吐出して、吐出対象物上に描画画像に対応した画像を描画（記録）する。
【００３３】
そして、このような圧電素子３ｅによる液滴の吐出において、本液滴吐出装置では、駆動信号ＣＯＭが上述したように形状設定されているので、従来よりも小さな電圧レベルに設定されているのにも拘らず、高粘度の吐出用液体を安定して吐出することができる。
【００３４】
すなわち、吐出パルス部の前に配置されている先行共振パルス部によって、キャビティ（より正確にはキャビティ内の吐出用液体）が先行して振動する。そして、このキャビティの振動に同期するタイミングで吐出パルス部（より正確には充電波形部ｈ５及び放電波形部ｈ７）が圧電素子３ｅに印加されるので、キャビティの振動を利用して吐出ノズルから液滴を吐出することができる。
【００３５】
しかも、先行共振パルス部の立上り部ｈ１及び立下り部ｈ３並びに吐出パルス部の立上り部ｈ５及び立下り部ｈ７は、圧電素子３ｅに共振するように波形設定されているので、圧電素子３ｅを効率良く振動させることができる。
【００３６】
したがって、このような駆動信号ＣＯＭによれば、吐出パルス部の電圧レベルが小さくても圧電素子３ｅ及びキャビティを効率良く振動させて、キャビティ内の吐出用液体を吐出ノズルから液滴として吐出させることができる。これによって圧電素子３ｅの発熱を抑制することが可能となるので、この発熱に起因する吐出ばらつきを抑制することも可能となる。
【００３７】
ここで、本実施形態で用いた圧電素子は、製造工程上で選別することによって固有共振周期Ｔａのばらつきを抑えている。またノズル間の固有共振周期Ｔｃのばらつきは吐出に影響ない程度である。ただし、ノズルごとに各固有共振周期Ｔａ，Ｔｃにあわせて駆動波形を調整してノズル間ばらつきを抑える構成にしてもよい。この場合は一つの駆動信号ＣＯＭをスイッチ回路で選択するのではなく、一つ一つの圧電素子を独立の信号で制御する。
【００３８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では吐出パルス部の前に１つの先行共振パルス部を配置したが、複数の先行共振パルス部を配置するようにしても良い。先行共振パルス部の個数を増やすことにより、より大きなキャビティの振動が得られるので、吐出パルス部の電圧レベルをさらに低減することができる。
【００３９】
（２）また、上記実施形態では先行共振パルス部の立上り部ｈ１及び立下り部ｈ３に加えて、吐出パルス部の立上り部ｈ５及び立下り部ｈ７も圧電素子３ｅが共振するように設定した。しかし、本発明は、先行共振パルス部によってキャビティを振動させ、この振動に共振するように吐出パルス部を印加することにより液滴吐出に要するエネルギーの低減を図ることを主な特徴とするものなので、立上り部ｈ１，及び立下り部ｈ３，立上り部ｈ５及び立下り部ｈ７を必ずしも圧電素子３ｅが共振するように設定する必要はない。逆に同じ圧電素子の能力なら、より高粘度のインクが吐出可能になった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動信号がキャビティを先行して振動させ、かつこの振動に同期した状態で液滴を吐出させるように波形設定されるので、より小さなレベルの駆動信号によって液滴を吐出することが可能となり、これによってアクチュエータの発熱を抑制することが可能となる。そして、この結果として、吐出ばらつきを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる液滴吐出装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における駆動信号の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１……  制御装置
１ａ……Ｉ／Ｆ
１ｂ……ＲＡＭ
１ｃ……ＲＯＭ
１ｄ……演算制御部
１ｅ……駆動信号生成部
１ｆ……発振回路
１ｇ……Ｉ／Ｆ
２……  Ｘ−Ｙ駆動装置
２ａ……Ｘ軸モータ
２ｂ……Ｙ軸モータ
３……  吐出ヘッド３
３ａ……シフトレジスタ
３ｂ……ラッチ回路
３ｃ……レベルシフタ
３ｄ……スイッチ回路
３ｅ……圧電素子
【図１】
2004322318.tif 000003
【図２】
2004322318.tif 000004