(57)【要約】【課題】  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１ｐｌ程度以下の吐出における駆動周波数の高速化が確実に実現できる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。【解決手段】  「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に到達後、液滴または液柱の分断飛翔まで、または、個別液室初期容積（すなわちアクチュエータ変位の初期位置）に戻るまでに個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」を２回乃至４回となるようにする。【選択図】  図１
2009090551.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、前記個別液室を初期容積から膨張させる第１駆動電圧変化部と、収縮させる第２駆動電圧変化部と、再度膨張させる第３駆動電圧変化部と、収縮させる第４駆動電圧変化部とからなる駆動電圧波形を前記液体吐出ヘッドに投入する駆動回路とを備え、
前記駆動電圧波形投入中に測定される前記アクチュエータの変位時刻歴線図において、前記個別液室の膨張に伴って変位が初期状態から増加して、時間軸にて最初の第１山頂変位δＵ１に到達後、変位が初期状態に戻るまでの間に前記駆動電圧波形を終了させることにより、個別液室を２乃至４回再膨張させることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
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、前記個別液室を初期容積から膨張させる第１駆動電圧変化部と、収縮させる第２駆動電圧変化部と、再度膨張させる第３駆動電圧変化部と、収縮させる第４駆動電圧変化部とからなる駆動電圧波形を前記液体吐出ヘッドに投入する駆動回路とを備え、
前記駆動電圧波形投入中に測定される前記アクチュエータの変位時刻歴線図において、前記個別液室の膨張に伴って変位が初期状態から増加して、時間軸にて最初の第１山頂変位δＵ１に到達後、液滴または液柱が分断飛翔するまでの間に前記駆動電圧波形を終了させることにより、個別液室を２乃至４回再膨張させることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項３】
請求項１、又は請求項２に記載された液体吐出装置であって、測定された変位時刻歴線図にて、変位開始点と第１山頂変位δＵ１点との間に段差が発生するアクチュエータに対して、前記段差をほぼ無くす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第３４２５１１３号公報に示されている。特許第３４２５１１３号公報には肝心の吐出口寸法が明記されていないが、発明者が同一である特開２００２−１９１０５号公報に同一の表１があり、本公開公報に記載されている数値から吐出口直径は２０μｍと推定される。
【０００４】
特許第３４２５１１３号公報の請求項はアクチュエータの固有周期をもとにその有効範囲を示すものとなっている。またこのアクチュエータの固有周期の算出方法として米国特許第４６９７１９３号明細書を挙げているがこの方法は電気回路のヘルムホルツ周期を算出するにはともかく、液体をふくむインクジェットヘッドの固有周期算出に適用するのには疑問がある。なぜなら一般的に、形状特徴・寸法および流動特徴を表す恣意的なパラメータを持ち込むからである。これらの方法に対する統一規格もない。このように、インクジェットヘッドの形状・寸法と固有周期算出方法が理論的に独立していないので、ある固有周期算出方法が、形状の違うすべてのインクジェットヘッドに対して正確な固有周期を計算する保証はない。また、計算精度を確認した測定に関する記述もなく、そもそも確認する測定方法があれば上記のような計算の必要性がない。
【０００５】
したがって、特許第３４２５１１３号公報の請求項は、当該出願人が固有周期の計算対象としたインクジェットヘッドにしか適用できない。
【０００６】
本発明者は、いわゆるベンダー型のピエゾヘッドにステップ状の電圧を加えて、振動板上に構成されたピエゾ層、さらにそ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、鋭意検討を重ねた。その結果、個別液室を膨張（または収縮）させるべくステップ状の電圧波形を投入すると（図４）、電極表面の面外方向への変位にある周期の残留振動が観察される（図５）。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。すなわち液体を含めたピエゾヘッドの全体系の振動周期が観察できていると考えた。
【０００７】
そこで、個別液室を膨張させた後に収縮させて液滴を吐出させる矩形波にて、個別液室を膨張させる電位変化を投入した時刻と、収縮させる電位変化を投入する時刻との差の時間（いわゆるパルス幅）を種々変更させて矩形波電圧を投入することで、液滴の吐出速度の変化を整理した（横軸にパルス幅、縦軸に吐出速度）。この図中の吐出速度のピーク間の時間から評価される周期ｔｈと、レーザー・ドップラー方式による電極の面外変位から評価される振動の周期ｔＨ(1)（図５（ａ））とが概略一致することを確認した（特許第３６２０７２２号公報では矩形ではなく、台形波形を使用している）。
【０００８】
そこで本発明者は、液滴の吐出性能（吐出量Ｖｄ，吐出速度ｖ）を説明する指標としては、駆動電圧波形中の各部分の特徴を固有周期を基に特徴付けるのではなく、測定した電極表面の面外変位量（≒振動板の面外変位量）の時間推移δ(x,y,t)の方がよい（たとえばレーザー・ドップラー方式による測定）という考えに至った。
【０００９】
また、特開２００２−１９１０５号公報にはあたかも吐出口径１０μｍ〜３５μｍのものに対して1.5ｐｌ程度の小液滴が吐出できるかのように記載されているが、駆動周波数の高速化については明記されていない。本発明者が検討したところ、吐出口径３０μｍ程度と大口径の場合にはメニスカス静定までに時間がかかり駆動周波数の高速化が大きな課題である。
【特許文献１】特許第３４２５１１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１９１０５号公報
【特許文献３】米国特許第４６９７１９３号明細書
【特許文献４】特許第３６２０７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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１ｐｌ程度以下の吐出における駆動周波数の高速化が確実に実現できる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】
【００１１】
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、前記個別液室を初期容積から膨張させる第１駆動電圧変化部と、収縮させる第２駆動電圧変化部と、再度膨張させる第３駆動電圧変化部と、収縮させる第４駆動電圧変化部とからなる駆動電圧波形を前記液体吐出ヘッドに投入する駆動回路とを備え、
前記駆動電圧波形投入中に測定される前記アクチュエータの変位時刻歴線図において、前記個別液室の膨張に伴って変位が初期状態から増加して、時間軸にて最初の第１山頂変位δＵ１に到達後、変位が初期状態に戻るまでの間に前記駆動電圧波形を終了させることにより、個別液室を２乃至４回再膨張させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上述のように本発明の液体吐出装置は、「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に到達後、液滴または液柱の分断飛翔まで、または、個別液室初期容積（すなわちアクチュエータ変位の初期位置）に戻るまでに個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」を２回乃至４回となるようにしたので、メニスカスの突き出し高さを抑制する効果が増加したため、駆動周波数の高速化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。
【００１４】
図６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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図７は記録ヘッド１００の平面図、図８は記録ヘッド１００内の吐出口２の位置の断面図である（図７中の一点鎖線Ｃ−Ｃ位置）。
【００１８】
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。
【００１９】
（比較例１）
比較例１について図をもとに説明する。図７および図８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。この液体吐出ヘッドに駆動電圧波形（不図示）を入力してアクチュエータを変位させ、レーザー・ドップラー方式の変位測定装置にて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）。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 × 10−3 Pa・s ，表面張力3.3 × 10−2 N/m である。
【００２０】
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。
【００２１】
そこで、３０μｍと大きい吐出口から１ｐｌレベルの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）〜図２（ｂ）に示すように、メニスカスを一旦引き込ませてから、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膨張〜第１収縮］）。
【００２２】
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）。
【００２３】
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段階制御による［第１収縮〜第２膨張］、より広範かつ確実な吐出量制御が実現できる（図２（ｃ））。
【００２４】
特許第３４２５１１３号公報には、「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。
【００２５】
また特許第３４２５１１３号公報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。
【００２６】
本比較例１では、測定された変位時刻歴線図δ(t)において、特許第３４２５１１３号公報の図７と同様に、駆動電圧波形の終了が振動板が初期位置に戻った後となるようにゆっくりと個別液室を収縮させたので、「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に到達後、初期位置（図１）に戻る途中に一旦個別液室を膨張させる（個別液室内を減圧させる）方向に変位が増加する回数」が１回であった（図３）。その結果、駆動周波数は 2kHz であった。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。
【００２７】
本比較例１の吐出状態を詳細に検討したところ、飛翔する液滴が吐出した後に、外界へは飛翔しないが大きく突き出るメニスカスの生成が観察された。このメニスカスが吐出口部に平坦に静定するまでの時間が長いほど駆動周波数は高速化できない。本例ではメニスカスの突き出し高さが大きかったために駆動周波数が 2kHz と低かったと考えられる。
【実施例１】
【００２８】
実施例１においては、駆動電圧波形の終了が振動板が初期位置に戻る前となるように駆動波形を変更して、「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に到達後、初期位置（図１）に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が３回となるようにした（図１）。短時間に１吐出分の駆動電圧波形を完了させたために、流体を含むヘッド全体の振動周期が短くなった結果比較例１に対して再膨張回数が増加したと考える。その結果、安定な最高駆動周波数は 9kHz であった。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。
【００２９】
本実施例１の吐出状態を詳細に検討したところ、飛翔する液滴が吐出した後に外界へは飛翔しないが、突き出るメニスカスの生成が比較例１に比べて小さくなっていることが観察された。これは測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置（図１）に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が３回と増えたので、メニスカスの突き出し高さを抑制する効果が増加したためと考えられる。メニスカスの突き出し高さの抑制タイミングとしては、アクチュエータによる制御がメニスカス先端部に伝達できる、液滴または液柱の分断飛翔までの時間範囲、または、個別液室初期容積（すなわちアクチュエータ変位の初期位置）を基準にして個別液室が膨張している時間範囲内という比較的早い時期が有効となる。
【実施例２】
【００３０】
実施例２においては、実施例１における駆動電圧波形を変更して、測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が２回となるようにした。短時間に１吐出分の駆動電圧波形を完了させたために、流体を含むヘッド全体の振動周期が短くなった結果比較例１に対して再膨張回数が増加したと考える。その結果、安定な最高駆動周波数は 7kHz であった。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。
【００３１】
本実施例２の吐出状態を詳細に検討したところ、飛翔する液滴が吐出した後に、外界へは飛翔しないが突き出るメニスカスの生成が比較例１に比べて小さくなっていることが観察された。これは測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が２回と増えたので、メニスカスの突き出し高さを抑制する効果が増加したためと考えられる。メニスカスの突き出し高さの抑制タイミングとしては、アクチュエータによる制御がメニスカス先端部に伝達できる、液滴または液柱の分断飛翔までの時間範囲、または、個別液室初期容積（すなわちアクチュエータ変位の初期位置）を基準にして個別液室が膨張している時間範囲内という比較的早い時期が有効となる。
【実施例３】
【００３２】
実施例３においては、実施例１における駆動電圧波形を変更して、測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が４回となるようにした。短時間に１吐出分の駆動電圧波形を完了させたために、流体を含むヘッド全体の振動周期が短くなった結果比較例１に対して再膨張回数が増加したと考える。その結果、安定な最高駆動周波数は 12kHz であった。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。
【００３３】
本実施例３の吐出状態を詳細に検討したところ、飛翔する液滴が吐出した後に、外界へは飛翔しないが突き出るメニスカスの生成が比較例１に比べて小さくなっていることが観察された。これは測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が４回と増えたので、メニスカスの突き出し高さを抑制する効果が増加したためと考えられる。メニスカスの突き出し高さの抑制タイミングとしては、アクチュエータによる制御がメニスカス先端部に伝達できる、液滴または液柱の分断飛翔までの時間範囲、または、個別液室初期容積（すなわちアクチュエータ変位の初期位置）を基準にして個別液室が膨張している時間範囲内という比較的早い時期が有効となる。
【００３４】
（比較例２）
比較例２においては、実施例１における駆動電圧波形を変更して、測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が５回となるようにした。その結果、安定な最高駆動周波数は 1kHz であった。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。
【００３５】
比較例２の吐出状態を詳細に検討したところ、飛翔する液滴が吐出した後に、外界へは飛翔しないが突き出るメニスカスの振動が観察された。これは測定された変位時刻歴線図δ(t)において、「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に到達後、初期位置に戻る途中に個別液室を再膨張させる（個別液室内を再減圧させる）方向に変位が増加する回数」が５回と増えたので、メニスカスの突き出し高さを抑制する効果よりも、振動成分が増加したためと考えられる。
【００３６】
（比較例３）
比較例２においては、第１の膨張行程に要する時間を短縮する目的で、駆動電圧波形の第１駆動電圧変化部の傾きを実施例１に比べて急峻にした。その結果図９に示すように、測定された変位時刻歴線図δ(t)に段差Ｓｔが発生するようになった。吐出状態は実施例１に比べて安定しなくなった。これは、第１膨張行程がスムーズに行なわれないために、その後の各工程に良くない影響を与えたためと考える。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明における面外変位時刻歴線図
【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】従来例における面外変位時刻歴線図
【図４】傾きを変えた電圧波形を説明する図
【図５】固有周期の変化を説明する図
【図６】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７】本発明による液体吐出記録ヘッドユニットの平面図
【図８】（ａ）は本発明による液体吐出記録ヘッドユニットの断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
【図９】面外変位時刻歴線図における段差を説明する図
【符号の説明】
【００３８】
１  オリフィスプレート
２  吐出口
３  個別液室
４  振動板
５  圧電体
６  基体
７  オリフィス連通口
８  下電極
９  上電極
１０  液柱
１１  主滴
１２  サテライト滴
１３  後方絞り
１４  共通液室
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】
2009090551.tif 000003
【図２】
2009090551.tif 000004
【図３】
2009090551.tif 000005
【図４】
2009090551.tif 000006
【図５】
2009090551.tif 000007
【図６】
2009090551.tif 000008
【図７】
2009090551.tif 000009
【図８】
2009090551.tif 000010
【図９】
2009090551.tif 000011