(57)【要約】【課題】  安定して８ｐｌ程度以下の吐出を可能とし、より広範かつ確実な吐出量制御を実現する。【解決手段】  アクチュエータを駆動する駆動手段と駆動回路とを備え、前記駆動手段は、基準電位から液室を膨張させてメニスカスを引き込ませる第一の信号と、液室を収縮させる第二の信号と、液室を膨張させる第三の信号と、基準電位に戻す第四の信号とから構成され、前記第一の信号の入力開始時から、第二の信号の入力開始時までの時間ｔｓをヘルムホルツ周期Ｔｃに対して、０．４５Ｔｃ≦ｔｓ≦１．８５Ｔｃに設定する。【選択図】  図１
2007203664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出口と、該吐出口および共通液室に連通する個別液室と、該個別液室を膨張または収縮させるアクチュエータとからなる液体吐出ヘッドと、前記アクチュエータを駆動する駆動手段と駆動回路とを備え、
前記駆動手段は、基準電位から液室を膨張させてメニスカスを引き込ませる第一の信号と、液室を収縮させる第二の信号と、液室を膨張させる第三の信号と、基準電位に戻す第四の信号とから構成され、
前記第一の信号の入力開始時から、第二の信号の入力開始時までの時間tsをヘルムホルツ周期Tcに対して、0.45Tc≦ts≦1.85Tcに設定することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出する吐出口とこれに連通する個別液室を備え、この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により液滴を吐出させる液体吐出装置に関する。
【０００２】
本発明は、紙、布、革、不織布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。
【背景技術】
【０００３】
インクジェット記録方法および装置に関する微小液滴化技術については種々の提案がなされているが、その中でも吐出口径が２０μｍ前後というサイズの吐出口から１．５ｐｌ程度の微小液滴を吐出させる技術が特許文献１に示されている。
【０００４】
特許文献１の請求項はヘルムホルツ周期をもとにその有効範囲を示すものとなっており、主パルス信号の電位降下波形の電位降下開始時間から電位上昇波形の電位上昇開始時までの時間tsは、ヘルムホルツ周期Tcに対して、(１/４)Tc < ts <(３/４)Tcに設定されていることが独立クレームとして記述されている。
【０００５】
しかしながら、発明者が吐出口径が３０μm前後という大口径の吐出口を備えたノズルにおいて鋭意検討した結果、tsが０．４５Tc未満であると、吐出が不安定になり、印刷画像の品質や、パターニング精度の悪化を引き起こすことが発覚した。また、特許文献１では、排除されている範囲ts=(３/４)Tcにおいても、1plという微小液滴を安定して吐出させることが可能であることも発覚した。
【特許文献１】特登録３４２５１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、吐出口径が３０μｍの場合やこれよりも大きい吐出口の場合にも8ｐｌ程度以下の液滴を、安定して吐出可能なインクジェット記録装置、パターニング装置および塗装装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による液体吐出装置は、吐出口と、該吐出口および共通液室に連通する個別液室と、該個別液室を膨張または収縮させるアクチュエータとからなる液体吐出ヘッドと、前記アクチュエータを駆動する駆動手段と駆動回路とを備え、前記駆動手段は、基準電位から液室を膨張させてメニスカスを引き込ませる第一の信号と、液室を収縮させる第二の信号と、液室を膨張させる第三の信号と、基準電位に戻す第四の信号とから構成され、前記第一の信号の入力開始時から、第二の信号の入力開始時までの時間tsをヘルムホルツ周期Tcに対して、0.45Tc≦ts≦1.85Tcに設定することを特徴とすることで、8pl程度以下の液滴を安定して吐出することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
上述のように本発明の液体吐出装置は、メニスカスの引き込み行程を充分ゆっくり行なう第１の信号に続く第２の信号〜第３の信号の一連の動作に続いて、(1)生成させる細い液柱のサイズ（太さ、長さ）の制御と、(2)個別液室を膨張させることによる前記液柱サイズ（長さ）のリサイズ（短化引き千切り）制御の２段階制御によって、安定して８pl程度以下の吐出を可能とし、より広範かつ確実な吐出量制御が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図４は、本発明が適用可能なインクジェット記録装置の斜視図である。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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
図５は記録ヘッド１００の平面図、図６は記録ヘッド１００内の吐出口２の位置の断面図である（図５中の一点鎖線Ｃ−Ｃ位置）。
【００１３】
この例のインクジェット記録装置は記録ヘッド１００の各吐出口２に対応して圧電素子を含むアクチュエータ５を配置し、そのアクチュエータ５に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記録方式を採用している。これに電力を供給するための電極配線（不図示）が設けられている。
【００１４】
（比較例１）
つぎに本発明に係る比較例１について図をもとに説明する。図５および図６に示す液体吐出ヘッドを作製した（共通液室は不図示）。吐出口は直径３０μｍの丸穴である。本例の液体吐出ヘッドのヘルムホルツ周期Tcは２０μsであった。
【００１５】
まず吐出口径が３０μｍと大きいため、メニスカスが静定している状態から個別液室を収縮させて吐出させると、２８ｐｌ以上の大きな液滴しか吐出できない。
【００１６】
そこで、３０μｍと大きい吐出口から小液滴吐出を実現するために細い液柱を形成する必要がある。具体的な方法としては、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、メニスカスを充分ゆっくり引き込ませてから、メニスカスの中心底部に圧力を負荷してこの部分に隆起部を形成する（個別液室を一旦膨張させた後に収縮させればよい［第１の信号〜第２の信号］）。
【００１７】
図２（ｂ）の実現はおよそ放物曲面状に引き込まれたメニスカスに対して個別液室側から加圧すれば、必然的にメニスカスの中心底部に高圧部が発生してこの部分のみを隆起できる（飛行するロケットの先端部に最も高圧部が形成されるように）。
【００１８】
この後、個別液室を収縮させる工程と個別液室を膨張させる工程の一連の動作によって、(1)生成させる細い液柱のサイズ（太さ、長さ）の制御と、(2)個別液室を膨張させることによる前記液柱サイズ（長さ）のリサイズ（短化引き千切り）制御の２段階制御によって［第２の信号〜第３の信号］、より広範かつ確実な吐出量制御が実現できる（図２（ｃ））。
【００１９】
特許文献１には、「アクチュエータ１０を必ずしも減圧側に変形させる必要はない」と記されているが、より広範かつ確実な吐出量制御を実現するためには、積極的に上記(2)の個別液室を膨張させる動作は有用である。
【００２０】
また特許文献１に記載されているような、「慣性力によって先端部の一部が分断」されることに依存する方法では、温度変化によってインクの物性が変化した場合等には吐出量が簡単に変動してしまう。
【００２１】
図１は、本例の駆動電圧波形を表わしており、ｔ１乃至ｔ７は各部の時間である。
【００２２】
本比較例では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝０．１Tc＝２μs
となる条件で駆動した。その結果この波形では吐出しなかった。
【００２３】
（比較例２）
本比較例２では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝０．２Tc＝４μs
となる条件で駆動した。その結果この波形でも吐出しなかった。
【実施例１】
【００２４】
本実施例１では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝０．４５Tc＝９μs
となる条件で駆動した。ただし、t１＝３μs、t２＝６μsとした。その結果、吐出口から微小な液滴が安定して吐出された。画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面から液滴直径を求め、これをもとに計算した吐出量は１ｐｌであった。
【００２５】
t１＝３μsで液室を膨張させているため、メニスカスの引き込み行程が充分ゆっくり行なわれ、安定して吐出することが可能となった。
【００２６】
また、実施例１の駆動電圧波形を入力して、振動板上に構成されたピエゾ層の上に構成されている電極表面の面外方向への変位をレーザー・ドップラー方式により測定した。ピエゾ層、電極層ともに薄い構成を取っている為に、電極表面の面外変位はほぼ等しく振動板の面外変位を示していると解釈できる。
【００２７】
測定した電極表面の面外変位量（≒振動板の面外変位量）の時刻歴線図δ(t)を図３に示す（個別液室中央位置）。ただし、面外変位δの正数は、個別液室が膨張する方向に振動板が変位していることを表わす。
【００２８】
測定された変位時刻歴線図における時間軸にて１番早く出現する第１山頂変位δＵ１から、１番早く出現する第１谷部変位δＬ１までの収縮量|δＬ１-δＵ１| は、充分確保されており、メニスカス部に充分な吐出速度を付加できたので、吐出したと考える。
【実施例２】
【００２９】
本実施例２では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝０．７５Tc＝１５μs
となる条件で駆動した。ただし、t１＝１０μs、t２＝５μsとした。その結果、吐出口から微小な液滴が安定して吐出された。画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面から液滴直径を求め、これをもとに計算した吐出量は１ｐｌであった。
【００３０】
本実施例の結果から、特許文献１以外の範囲においても、1plの微小液滴を安定して吐出させることが可能であることが分かる。
【００３１】
レーザー・ドップラー方式により測定された変位時刻歴線図における時間軸にて１番早く出現する第１山頂変位δＵ１から、１番早く出現する第１谷部変位δＬ１までの収縮量|δＬ１-δＵ１| は、充分確保されており、メニスカス部に充分な吐出速度を付加できたので、吐出したと考える。
【実施例３】
【００３２】
本実施例３では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝０．７５Tc＝１５μs
となる条件で吐出させた。ただし、t１＝９μs、t２＝６μsとした。画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面から液滴直径を求め、これをもとに計算した吐出量は３ｐｌであった。
【００３３】
レーザー・ドップラー方式により測定された変位時刻歴線図における時間軸にて１番早く出現する第１山頂変位δＵ１から、１番早く出現する第１谷部変位δＬ１までの収縮量|δＬ１-δＵ１| は、充分確保されており、メニスカス部に充分な吐出速度を付加できたので、吐出したと考える。
【実施例４】
【００３４】
本実施例４では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝Tc＝２０μs
となる条件で吐出させた。ただし、t１＝１０μs、t２＝１０μsとした。画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面から液滴直径を求め、これをもとに計算した吐出量は５ｐｌであった。
【００３５】
レーザー・ドップラー方式により測定された変位時刻歴線図における時間軸にて１番早く出現する第１山頂変位δＵ１から、１番早く出現する第１谷部変位δＬ１までの収縮量|δＬ１-δＵ１| は、充分確保されており、メニスカス部に充分な吐出速度を付加できたので、吐出したと考える。
【実施例５】
【００３６】
本実施例５では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝Tc＝３２μs
となる条件で吐出させた。ただし、t１＝１９μs、t２＝１３μsとした。画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面から液滴直径を求め、これをもとに計算した吐出量は７ｐｌであった。
【００３７】
レーザー・ドップラー方式により測定された変位時刻歴線図における時間軸にて１番早く出現する第１山頂変位δＵ１から、１番早く出現する第１谷部変位δＬ１までの収縮量|δＬ１-δＵ１| は、充分確保されており、メニスカス部に充分な吐出速度を付加できたので、吐出したと考える。
【実施例６】
【００３８】
本実施例６では、図７に示すように、第一の信号の入力開始時から第二の信号の入力開始時までの時間tsを、ヘルムホルツ周期Tcに対して、
t１+t２＝ts＝Tc＝３７μs
となる条件で吐出させた。ただし、t１＝２４μs、t２＝１３μsとした。画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面から液滴直径を求め、これをもとに計算した吐出量は８ｐｌであった。
【００３９】
レーザー・ドップラー方式により測定された変位時刻歴線図における時間軸にて１番早く出現する第１山頂変位δＵ１から、１番早く出現する第１谷部変位δＬ１までの収縮量|δＬ１-δＵ１| は、充分確保されており、メニスカス部に充分な吐出速度を付加できたので、吐出したと考える。
【００４０】
本実施例においては、t２、t４、t６の区間における駆動電圧をそれぞれ一定電圧で保持したが、一定電圧でなくても吐出することは言うまでもなく、適切に調整することで吐出量調整を行なうこともできる。
【００４１】
また、本実施例においてはアクチュエータに正の電圧を与えることにより、個別液室が膨張するタイプの液体吐出ヘッドを用いたが、アクチュエータに正の電圧を与えることにより、個別液室が収縮するタイプの液体吐出ヘッドにも適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における駆動電圧波形を説明する図
【図２】本発明における微小液滴の吐出過程を説明する図
【図３】本発明における面外変位時刻歴線図
【図４】本発明に適用可能なインクジェット記録装置の概略斜視図
【図５】本発明による液体吐出記録ヘッドユニットの平面図
【図６】本発明による液体吐出記録ヘッドユニットの断面図
【図７】電圧駆動時間と吐出量、吐出速度について示した表である。
【符号の説明】
【００４３】
１  オリフィスプレート
２  吐出口
３  個別液室
４  振動板
５  アクチュエータ
６  基体
７  オリフィス連通口
１０  液柱
１１  主滴
１２  サテライト滴
１００  記録ヘッドユニット
１０１  インクタンク
１０２  ガイド軸
１０６  被記録媒体
１０７  ガイド軸
１０９  送りローラ
１１０  送りローラ
１１２  回復系ユニット
１２０  クリーニング手段
【図１】
2007203664.tif 000003
【図２】
2007203664.tif 000004
【図３】
2007203664.tif 000005
【図４】
2007203664.tif 000006
【図５】
2007203664.tif 000007
【図６】
2007203664.tif 000008
【図７】
2007203664.tif 000009