(57)【要約】【課題】表面張力のみに頼らずに速やかにかつ安定的にリフィルを完了させて液体吐出の駆動周波数を高くする。【解決手段】吐出口に連通する個別液室と、個別液室を膨張または収縮させる液室容積制御手段とからなる液体吐出ヘッドにおいて、個別液室の容積を第１容積Ｖ1 まで膨張させ、つづいて第２容積Ｖ2 まで収縮させる。さらに、個別液室の容積が初期容積Ｖ0 よりも大である時点で液柱を引き千切るべく、第３容積Ｖ3 まで膨張を開始する第３容積形成プロセスＰ３により、液柱を分離する。液柱分離時点で個別液室の収縮を開始し、半径ｒR の吐出口外接円中心から半径（ｒR ×１．５）の範囲内に液体の広がりが留まるような勾配で初期容積Ｖ0 まで収縮させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の吐出口に連通する液室の容積を変化させて、前記吐出口から液体を吐出する液体吐出方法において、
前記吐出口から液体のメニスカスを引き込むために、前記液室の容積を初期容積Ｖ0 から膨張させて第１容積Ｖ1 とする第１工程と、
前記吐出口において液柱を形成するために、前記液室の容積を前記第１容積Ｖ1 から収縮させて前記初期容積Ｖ0 より大である第２容積Ｖ2 とする第２工程と、
前記液柱を引き千切るべく、前記液室の容積を前記第２容積Ｖ2 から膨張させて前記第１容積Ｖ1 より小である第３容積Ｖ3 とする第３工程と、
前記液室の容積を前記第３容積Ｖ3 から前記初期容積Ｖ0 まで収縮させる第４工程と、を有することを特徴とする液体吐出方法。
【請求項２】
前記第４工程におけるオーバーシュートによる前記吐出口での液体の広がりが、前記吐出口の半径の１．５倍の半径を有する円形状の領域内に留まるように制御することを特徴とする請求項１記載の液体吐出方法。
【請求項３】
前記第３工程と前記第４工程との間に、前記第３容積Ｖ3 を大きく変化させない容積保持工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出方法。
【請求項４】
前記第４工程において、時間軸に対する前記液室の容積の減少勾配が、時間の経過に応じて緩やかになっていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の液体吐出方法。
【請求項５】
前記液室の容積を変化させるための手段が圧電素子であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の液体吐出方法。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか１項記載の液体吐出方法によって前記液室の容積を変化させるための手段、を制御するための駆動信号を発生する手段を備えた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、吐出口に連通する個別液室を備えた液体吐出ヘッドにおいて、個別液室の一部を構成する振動板に時間とともに推移する変位を与えることにより、液室容積を変化させて液滴を吐出するための液体吐出方法および液体吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電素子や静電力を利用したアクチュエータ素子等を搭載したインクジェットプリンタ等の性能改善策、特に微小液滴化技術および駆動周波数の高速化技術を見てみると、その手段として圧倒的に多いのは投入する電圧波形の改良に関するものである。
【０００３】
また、圧電素子には、投入電圧と変形量がほぼ線形に動作する範囲が存在し、この特徴を利用して、図９に示すように個別液室容積を制御する工程Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を実現していることも圧電素子を搭載した記録装置の一側面である。
【０００４】
ところが、特許文献１等には、電圧をゼロに戻しても変位がゼロにならないことが示されており、電圧の絶対値が小さい後ろのステップ状電圧付加時に、変位が大きくなることも示されている。この構成では、基本の縦振動モードよりも高次の縦振動モードの事前投入のケースとして記述されているが、事前投入電圧値と、後ろのステップ状駆動電圧値は概ね２倍程度の差の範囲である。従って、後ろのステップ状駆動電圧値に対して、投入電圧と変形量がほぼ線形となる関係が成立しているのであれば、事前投入電圧に対しても線形関係は成立すると思われるがそうはなっていない。
【０００５】
つまり圧電素子において、投入電圧と変形量がほぼ線形になるものとして使用するには電圧印加の時間軸に対する勾配やその他のファクターも考慮しなくてはならないことを示している。さらにこのような圧電素子は個別液室を構成する振動板に貼り合わせて使用するため、液体を注入した状態での動きにおいては、時間軸に対する挙動遅延を考えると複雑になる。
【０００６】
そこで本発明者は、駆動電圧の時間推移ではなく、振動板のｚ方向変位量の時間推移δ(x,y,t)を測定し（例えば、座標xは個別液室幅方向、座標yは個別液室長手方向、tは時間）、その時の吐出性能（吐出量、吐出速度、リフィル時間）との関係を検討した。その結果、個別液室の容積が初期容積よりも膨張する動作をしているときには吐出口付近の液体は必ず個別液室方向に引き込まれ、個別液室の容積が初期容積よりも収縮する動作をしているときは吐出口付近の液体は必ず外界方向に押されることを見出した。そして、液滴の吐出性能（吐出量、吐出速度、リフィル時間）を説明する指標としては駆動電圧波形ではなく、個別液室の容積変動の方がよいという考えに至った。
【０００７】
一方、微小液滴を吐出させながらリフィル時間を可能な限り短縮する方法として、特許文献２および特許文献３に駆動電圧を制御する例が示されている。
【特許文献１】特許第３４８０１５７号公報
【特許文献２】特開２００１−１５０６７２号公報
【特許文献３】特開２００３−３９６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電素子が投入電圧と変形量がほぼ線形に動作する、という知見からすれば、例えば特許文献２の図９における左側の電圧の山によって実現される振動板の変位量よりも、右側の電圧の山によって実現される振動板の変位量の方が小さいことになる。しかし、特許文献１について説明したように、他のファクターをきちんと詰めない限り、駆動電圧の大小関係と変位の大小関係は逆転したりする。この点に関して、特許文献２および特許文献３では明確に述べられていない。また、「電位差Ｖｃ２が駆動電圧Ｖｈの７０％〜１２０％となる範囲で設定可能である。」とし、「具体的には、電位差Ｖｃ２が駆動電圧Ｖｈの８０％となるように設定してある。」と記しているのみで、液体の吐出現象と関係付けた決定であることが何ら明確に記されていない。
【０００９】
一方、電圧波形に電圧ホールド要素が無いために電圧印加全工程の時間が短くなることから高速記録に適するとしているが、高速化に大きく効いてくるのはリフィル後のメニスカス振動が早期に減衰するか否かである。液滴の飛翔がなされて目減りした量の液体のリフィル進行中に、例えば個別液室の容積が既に初期容積になっている場合は、リフィルの完了は表面張力にのみ頼るしかない。
【００１０】
また、個別液室を膨脹させることにより吐出方向（外界方向）とは逆の方向に向かう流れを形成し、液柱を吐出方向とは逆の方向に引き千切ることで液柱を分離して液滴化時期を早めるのが望ましい。
【００１１】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、液柱が分離した後、速やかにリフィルを完了させて液体吐出の駆動周波数を高くすることができる液体吐出方法および液体吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出方法は、液体の吐出口に連通する液室の容積を変化させて、前記吐出口から液体を吐出する液体吐出方法において、前記吐出口から液体のメニスカスを引き込むために、前記液室の容積を初期容積Ｖ0 から膨張させて第１容積Ｖ1 とする第１工程と、前記吐出口において液柱を形成するために、前記液室の容積を前記第１容積Ｖ1 から収縮させて前記初期容積Ｖ0 より大である第２容積Ｖ2 とする第２工程と、前記液柱を引き千切るべく、前記液室の容積を前記第２容積Ｖ2 から膨張させて前記第１容積Ｖ1 より小である第３容積Ｖ3 とする第３工程と、前記液室の容積を前記第３容積Ｖ3 から前記初期容積Ｖ0 まで収縮させる第４工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
液柱の引き千切りが行われる時点で液室を初期容積Ｖ0 に比べて膨張させておき、液柱が分離した時点から直ちに液室の容積を初期容積Ｖ0 に戻すべく振動板等の変形を制御する。これによってメニスカスを押して、リフィルを促進させるので、表面張力のみに頼らずに速やかにかつ安定的にリフィルを完了させて液体吐出の駆動周波数を高くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、インクジェット記録装置（液体吐出装置）を示す斜視図である。この記録装置に挿入された被記録媒体Ｐは、送りローラ１０９、１１０によって記録ヘッドユニット１００の記録可能領域へ搬送される。記録ヘッドユニット１００は、２つのガイド軸１０７、１０２によって、それらの延在方向（主走査方向）に沿って移動可能にガイドされており、記録領域を往復走査する。記録ヘッドユニット１００の走査方向が主走査方向であり、被記録媒体Ｐの搬送方向が副走査方向となる。記録ヘッドユニット１００には、複数色のインク液滴を吐出するための液体吐出ヘッドである記録ヘッドと、それぞれの記録ヘッドにインクを供給するためのインクタンク１０１が搭載されている。この例のインクジェット記録装置における複数色のインクは、ブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色である。各色の位置は順不同である。
【００１６】
記録ヘッドユニット１００が移動可能な領域の右端の下部には、回復系ユニット１１２が配備されており、非記録動作時に記録ヘッドの吐出口部を回復処理したりする。
【００１７】
本例の場合、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色インク（Ｂｋ、Ｃ、Ｍ、Ｙ）のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。記録ヘッドユニット１００には、Ｂｋのインク液滴、Ｃのインク液滴、Ｍのインク液滴、Ｙのインク液滴を吐出する記録ヘッド群と、Ｂｋ用インクタンク１０１Ｂ、Ｃ用インクタンク１０１Ｃ、Ｍ用インクタンク１０１Ｍ、Ｙ用インクタンク１０１Ｙが搭載される。各インクタンクは記録ヘッド群と接続され、記録ヘッド群の吐出口に連通するノズル流路内にインクを供給する。この例以外にも例えば、各色用のインクタンクを任意の組み合わせで一体構造としてもよい。
【００１８】
図２は記録ヘッドを示す平面図、図３は、図２のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。
【００１９】
この記録装置は、記録ヘッドのオリフィスプレート１の各吐出口２に対応して形成された個別液室（液室）３に面して、振動板４および圧電素子５からなる、液室の容積を制御する手段を有する。圧電素子５に、図示しない駆動信号発生手段から記録情報に対応する駆動信号を印加することによって、吐出口２から液滴を吐出させる。オリフィスプレート１と一体である基体６は、個別液室３と吐出口２の間に連通口７を有する。
【実施例１】
【００２０】
図２および図３に示す構成の液体吐出ヘッドである記録ヘッドを作製した。吐出口は半径ｒR ＝１６μｍの丸穴である。この液体吐出ヘッドの振動板を変位させて個別液室の容積が図４に示す推移をする電圧波形（駆動信号）を入力した。電圧波形は、圧電材料の厚みや振動板の厚みを変えるごとに種々違うものを選ばなければ図４の容積推移を達成しなかった。吐出させた液体はシアンインクで、密度１．０×１０3 ｋｇ／ｍ3 、粘性３．３×１０-3Ｐａ・ｓ、表面張力３．３×１０-2Ｎ／ｍである。
【００２１】
まず、メニスカスを引き込むために個別液室の容積を初期容積Ｖ0 から膨張させて第１容積Ｖ1 とする第１工程である第１容積形成プロセスＰ１を実行する。つぎに液柱を形成するために第１容積Ｖ1 から収縮させて第２容積Ｖ2 とする第２工程である第２容積形成プロセスＰ２を実行する。つぎに所望体積の液滴を形成するために、初期容積Ｖ0 よりも大である第２容積Ｖ2 から、液柱を引き千切るべく膨張を開始して第３容積Ｖ3 とする第３工程である第３容積形成プロセスＰ３を実行する。
【００２２】
液柱が分離した後も引き続いて個別液室を膨張させることは無駄であり、また個別液室を初期容積に戻す時間も増えてしまい、リフィルが完了するまでの時間の長期化につながるので避けた。
【００２３】
本実施例では、メニスカスを早期に復帰初期化させるために液柱が分離した時点で個別液室の収縮を開始し、第４工程である第４容積形成プロセスＰ４において、所要時間ｔ4 かけてほぼ一定勾配で、第３容積Ｖ3 から初期容積Ｖ0 まで収縮させた。
【００２４】
図８の（ａ）に示すように、引っ込んだ吐出口１内のメニスカスが復帰して初期状態になるまでには、同図の（ｂ）に示すように何度かのオーバーシュート１０を経る。リフィルが完了してメニスカスが初期状態に静定するまでに、オーバーシュート時において最も吐出口部で液体が広がった範囲は吐出口中心から半径２０μｍ（＜ｒR ×１．５）の範囲（同じ円領域）内であった。
【００２５】
（比較例）
比較のために、メニスカスを早期に復帰初期化させるために液柱が分離した時点で第３容積Ｖ3 からの収縮を開始し、実施例１より短い時間で、ほぼ一定勾配で初期容積Ｖ0 まで収縮させた。吐出後に引っ込んだメニスカスが復帰する速度が大きいために濡れ広がってしまい、オーバーシュート時において最も吐出口部で液体が広がった範囲は吐出口中心
から半径２６μｍ（＞ｒR ×１．５）の範囲内であった。
【実施例２】
【００２６】
本実施例は、実施例１と同じ構成の記録ヘッドにおいて、同様に個別液室の容積が図４に示すような推移をする電圧波形を入力した。電圧波形は、圧電材料の厚みや振動板の厚みを変えるごとに種々違うものを選ばなければ図４の容積推移を達成しなかった。
【００２７】
まずメニスカスを引き込むために個別液室の容積を初期容積Ｖ0 から膨張させて第１容積Ｖ1 とする第１容積形成プロセスＰ１を実行する。つぎに液柱を形成するために第１容積Ｖ1 から収縮させて第２容積Ｖ2 とする第２容積形成プロセスＰ２を実行する。つぎに所望体積の液滴を形成するために、第２容積Ｖ2 から、液柱を引き千切るべく膨張を開始して第３容積Ｖ3 とする第３容積形成プロセスＰ３を実行する。液柱が分離した後も引き続いて個別液室を膨張させることは無駄であり、また個別液室を初期容積Ｖ0 に戻す時間も増えてしまい、リフィルが完了するまでの時間の長期化につながるので避けた。
【００２８】
本実施例は、メニスカスを早期に復帰初期化させるために液柱が分離した時点で収縮を開始し、所要時間ｔ4 を実施例１より短く、比較例より長くして、ほぼ一定勾配で第３容積Ｖ3 から初期容積Ｖ0 まで収縮させた。引っ込んだメニスカスが復帰して初期状態になるまでには何度かのオーバーシュートを経るが、吐出開始からリフィルが完了してメニスカスが初期状態に静定した時間は実施例１より短縮した。オーバーシュート時において最も吐出口部で液体が広がった範囲は吐出口中心から半径２４μｍ（＝ｒR ×１．５）の範囲内であった。
【実施例３】
【００２９】
本実施例は、実施例１と同じ構成の記録ヘッドの振動板を変位させて、個別液室容積が図５に示すような推移をする電圧波形（不図示）を入力した。電圧波形は、圧電材料の厚みや振動板の厚みを変えるごとに種々違うものを選ばなければ図５の容積推移を達成しなかった。
【００３０】
まずメニスカスを引き込むために個別液室の容積を初期容積Ｖ0 から膨張させて第１容積Ｖ1 とする第１容積形成プロセスＰ１を実行する。つぎに液柱を形成するために第１容積Ｖ1 から収縮させて第２容積Ｖ2 とする第２容積形成プロセスＰ２を実行する。つぎに所望体積の液滴を形成するために、第２容積Ｖ2 から、液柱を引き千切るべく膨張を開始して第３容積Ｖ3 とする第３容積形成プロセスＰ３を実行する。液柱が分離した後も引き続いて個別液室を膨張させることは無駄であり、また個別液室を初期容積Ｖ0 に戻す時間も増えてしまい、リフィルが完了するまでの時間の長期化につながるので避けた。
【００３１】
液柱の引き千切りは、個別液室の膨張プロセスを短い時間実行した後は、個別液室の容積をほぼ一定に保持する動作に切り替えても達成できる。これによって個別液室の無駄な膨張を抑制でき、リフィル完了までの時間の短縮ができる。
【００３２】
そこで本実施例では、メニスカスを早期に復帰初期化させるために液柱が分離した時点で一定時間個別液室の容積を一定に保持する容積保持プロセスＰｄを実行する。その後に、所要時間ｔ4 かけてほぼ一定勾配で第３容積Ｖ3 から初期容積Ｖ0 まで収縮させる第４容積成形プロセスＰ４を実行した。引っ込んだメニスカスが復帰して初期状態になるまでには何度かのオーバーシュートを経るが、リフィルが完了してメニスカスが初期状態に静定した時間は実施例２より短縮された。オーバーシュート時において最も吐出口部で液体が広がった範囲は吐出口中心から半径２０μｍの範囲内であった。
【実施例４】
【００３３】
本実施例は、実施例１と同じ構成の記録ヘッドの振動板を変位させて、個別液室容積が図６に示すような推移をする電圧波形（不図示）を入力した。電圧波形は、圧電材料の厚みや振動板の厚みを変えるごとに種々違うものを選ばなければ図６の容積推移を達成しなかった。
【００３４】
まずメニスカスを引き込むために個別液室の容積を初期容積Ｖ0 から膨張させて第１容積Ｖ1 とする第１容積形成プロセスＰ１を実行する。つぎに液柱を形成するために第１容積Ｖ1 から収縮させて第２容積Ｖ2 とする第２容積形成プロセスＰ２を実行する。つぎに所望体積の液滴を形成するために、第２容積Ｖ2 から、液柱を引き千切るべく膨張を開始して第３容積Ｖ3 とする第３容積形成プロセスＰ３を実行する。液柱が分離した後も引き続いて個別液室を膨張させることは無駄であり、また個別液室を初期容積Ｖ0 に戻す時間も増えてしまい、リフィルが完了するまでの時間の長期化につながるので避けた。
【００３５】
本実施例では、メニスカスを早期に復帰初期化させるために液柱が分離した時点で第３容積Ｖ3 の収縮を開始し、所要時間ｔ4 かけてほぼ一定勾配で、第３容積Ｖ3 からある程度収縮させる第４容積形成プロセスＰ４を実行した。つづいて所要時間ｔ5 かけて、第４容積形成プロセスＰ４より小さい一定勾配で、初期容積Ｖ0 まで収縮させる第５容積形成プロセスＰ５を実行した。引っ込んだメニスカスが復帰して初期状態になるまでには何度かのオーバーシュートを経るが、吐出開始からリフィルが完了してメニスカスが初期状態に静定した時間は実施例３より短縮された。オーバーシュート時において最も吐出口部で液体が広がった範囲は吐出口中心から半径２０μｍの範囲内であった。
【００３６】
この他にも、図７に示すように、実施例３と実施例４を組み合わせた容積形成プロセスＰ1 、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐd 、Ｐ4 、Ｐ5 を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の液体吐出装置は、紙、布、革、不織布、ＯＨＰ等に印刷する機器や、基板、板材、固体物等に液体を付着させるパターニング装置や塗装装置等に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】インクジェット記録装置を示す概略斜視図である。
【図２】図１の記録ヘッドを示す部分平面図である。
【図３】図２のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。
【図４】実施例１による個別液室容積の推移を説明するグラフである。
【図５】実施例３による個別液室容積の推移を説明するグラフである。
【図６】実施例４による個別液室容積の推移を説明するグラフである。
【図７】実施例４の一変形例による個別液室容積の推移を説明するグラフである。
【図８】液体のメニスカスの状態を説明するもので、（ａ）は液滴吐出直後、（ｂ）はオーバーシュートの状態を示す図である。
【図９】一従来例による個別液室容積の堆積を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１    オリフィスプレート
２    吐出口
３    個別液室
４    振動板
５    圧電素子
６    基体
７    連通口
【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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