JP5315980B2 - 液滴吐出装置、液滴吐出方法および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出装置、液滴吐出方法および画像形成装置に係り、具体的には例えばインクジェットヘッドをキャリッジに搭載して往復移動しながら印刷するシリアル方式の印刷装置、インクジェットヘッドをライン上に設置した状態で印刷するラインヘッド方式の印刷装置などに用いて画像を形成するときのドロップオンデマンド型の液滴吐出装置、または液晶ディスプレーのカラーフィルターの製造に用いられる色材液や、有機ＥＬディスプレー等の電極膜形成に用いられる電極材料液などの特殊な液体を噴射するドロップオンデマンド型の液滴吐出装置などに関するものである。

近年のドロップオンデマンド式インクジェットヘッドを用いた印刷装置は、写真画質に匹敵するほどの高精細な画像を高速で出力できる。これは、ノズル開口から吐出されるインク滴の微細化が進み、１ピコリットリ（１０^-12リットル）から３０ピコリットルの範囲で小さなインク滴を記録媒体上に選択的に噴射して画像の出力を行っている。

このように小滴から大滴とインク滴を可変させる技術について、種々提案されている。例えば、比較的小滴のインク量を吐出できる第１の駆動パルスと、その第１の駆動パルスによって形成されたインク滴よりも大きなインク量を吐出できる第２の駆動パルスを持ち、更に、大きなインク滴を得るために、前記第１のパルスと第２のパルスを連続的に駆動して、インク滴が記録媒体に着弾するときに合体して、より大きなインク滴を形成する技術が提案されている（特許文献１参照；特開平１１−２０１６５号公報）。しかしながら、それぞれのインク滴を形成させるための駆動パルスは非常に複雑であり、インク滴を吐出するための周期が長くなり、印刷速度の高速化が課題となる。

このような問題を鑑みて、複数の駆動パルスを連続的に構成し、複数の駆動パルス間隔をノズル開口へ連通する圧力発生室及びインク供給路の形状で決まる固有周期近傍とすることで複数の液滴を形成し、高速化と画像品質の向上を図る技術が提案されている（特許文献２参照；特開２００７−６２３２６号公報）。しかしながら、この方法を用いても連続する駆動パルス数が多くなればインク滴が合体するまでのインク滴の飛翔距離が長くなる。

また、更に高速化するために、連続する複数の駆動パルスとして、前記固有周期の共振を利用した共振駆動パルスと、前記固有周期の共振を利用しない非共振駆動パルスを用い、共振パルスについてはパルス間隔をｍ×Ｔｃ（ｍ≦２）をとり、非共振パルスについてはパルス間隔を（ｍ＋１／４）×Ｔｃ〜（ｍ＋３／４）×Ｔｃをとることで、複数の駆動パルスによって吐出されたインク滴を飛翔中に合体させてことでインク滴量を可変させる技術が提案されている（特許文献３参照；特開２００７−１８２０６１号公報）。
特開平１１−２０１６５号公報 特開２００７−６２３２６号公報 特開２００７−１８２０６１号公報

前記特許文献２の場合、前述のように連続する駆動パルス数が多くなればインク滴が合体するまでのインク滴の飛翔距離が長くなる。インク滴の飛翔距離が長くなると、インク滴は、空気抵抗や外乱によって飛翔速度は低下し、かつ直進性が損なわれて、印刷品質を悪くするという課題がある。

また、特許文献３の場合は、共振駆動パルスと非共振駆動パルス使用することは、駆動パルスを生成する作業や安定吐出のためにより多くの最適化を図る必要がある。また、インクの粘度によってメニスカスの動きは大きく変動し、これによって印刷品質を悪くするという課題がある。

本発明はこれらの課題を鑑みてなされたものであり、その第１の目的は液滴吐出速度の高速化が可能で、しかも液滴着弾の品質が高い液滴吐出装置、液滴吐出方法を提供することにある。

第２の目的は、高精度のドット諧調記録が可能な画像形成装置を提供することにある。

前記第１の目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
液体を吐出するために設けられたノズル開口と、そのノズル開口に連通して設けられた圧力発生室と、その圧力発生室の容積を膨張・収縮させる圧力発生手段と、前記圧力発生室に前記液体を供給する液体流路の途中に設けられた流体抵抗部を有する液滴吐出ヘッドと、
前記圧力発生室の容積を膨張・収縮させるための駆動パルスを前記圧力発生手段に印加する駆動制御部を備え、
その駆動制御部から駆動パルスを所定の間隔で２個以上連続して前記圧力発生手段に印加して、その駆動パルス数に応じて吐出された液滴が、被着媒体に到達する前にほぼ一つの液滴に合体して前記被着媒体に着弾する液滴吐出装置を対象とするものである。

そして前記駆動制御部は、
同じパルス形状の駆動パルスを出力し、
前記ノズル開口から流体抵抗部までの液体流路によって決まる固有振動数の周期をＴｃとしたときに、前記駆動パルスのパルス幅Ｔｐは前記周期Ｔｃよりも小さく設定され（Ｔｐ＜Ｔｃ）、
連続するｎ個（ｎ≧２の整数）の駆動パルスの第ｎパルス開始から第（ｎ＋１）パルスの開始までのパルス間隔をＴＮｎとしたときに、ｎ＝１である第１パルスとｎ＝２である第２パルスとのパルス間隔ＴＮ１は、１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃの範囲に設定されて、前記第２パルスと次の第３パルスとのパルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔ＴＮ２、ＴＮ３、・・ＴＮｎは、前記ＴＮ１より小さいく、かつ前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ１＝１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃ＞（ＴＮ２、ＴＮ３、・・、ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記パルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔は順次小さくなっており、かつ最終のパルス間隔ＴＮｎは前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ２＞ＴＮ３＞・・＞ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記駆動パルスは、前記圧力発生室の容積を膨張するために電圧を立ち上げる膨張時間Ｔｆと、立ち上げた電圧を一定に保持する保持時間Ｔｈと、圧力発生室の容積を収縮するために電圧を立ち下げる収縮時間Ｔｒとを有する台形の波形形状をしていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記膨張時間Ｔｆと保持時間Ｔｈの合計時間Ｔｗが、前記圧力発生室の膨張によってメニスカスが引き込まれ、そのメニスカスの引き込み位置がほぼ１／２となる点から最初にメニスカス位置が最下点になるまでの時間の範囲内であることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第１ないし第４の手段において、前記ノズル開口の表面の前記液体に対する接触角が６５°以上であることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離の１／２以上を超えた所から前記被着媒体までの範囲で一つの液滴となることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍ範囲内で一つの液滴となることを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は前記第１ないし第７の手段において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴の先頭の液滴が前記被着媒体に到達してから最後尾の液滴が前記被着媒体に着弾するまでの時間差をＴｓとし、ラインヘッド型装置の前記被着媒体の速度、またはシリアル型のキャリッジ速度をＶｐとし、先頭の液滴の中心から最後尾の液滴の中心までの距離をＬｎとすると、先頭の液滴と最後尾の液滴との時間差Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｌｎ／Ｖｐ以下とすることを特徴とするものである。

本発明の第９の手段は前記第１ないし第８の手段において、前記液滴吐出ヘッドにヒータが設置され、吐出される液体の粘度がほぼ一定になるように温度制御されていることを特徴とするものである。

前記第１の目的を達成するため、本発明の第１０の手段は、
液体を吐出するために設けられたノズル開口と、そのノズル開口に連通して設けられた圧力発生室と、その圧力発生室の容積を膨張・収縮させる圧力発生手段と、前記圧力発生室に前記液体を供給する液体流路の途中に設けられた流体抵抗部を有する液滴吐出ヘッドを備え、
前記圧力発生手段に駆動パルスを所定の間隔で２個以上連続して印加して、その駆動パルス数に応じて吐出された液滴が、被着媒体に到達する前にほぼ一つの液滴に合体して前記被着媒体に着弾する液滴吐出方法を対象とするものである。

そして前記連続する駆動パルスは同じパルス形状を有し、
前記ノズル開口から流体抵抗部までの液体流路によって決まる固有振動数の周期をＴｃとしたときに、前記駆動パルスのパルス幅Ｔｐは前記周期Ｔｃよりも小さく設定され（Ｔｐ＜Ｔｃ）、
連続するｎ個（ｎ≧２の整数）の駆動パルスの第ｎパルス開始から第（ｎ＋１）パルスの開始までのパルス間隔をＴＮｎとしたときに、ｎ＝１である第１パルスとｎ＝２である第２パルスとのパルス間隔ＴＮ１は、１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃの範囲に設定されて、前記第２パルスと次の第３パルスとのパルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔ＴＮ２、ＴＮ３、・・ＴＮｎは、前記ＴＮ１より小さいく、かつ前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ１＝１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃ＞（ＴＮ２、ＴＮ３、・・、ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とするものである。

本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、前記パルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔は順次小さくなっており、かつ最終のパルス間隔ＴＮｎは前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ２＞ＴＮ３＞・・＞ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とするものである。

本発明の第１２の手段は前記第１０または第１１の手段において、前記駆動パルスは、前記圧力発生室の容積を膨張するために電圧を立ち上げる膨張工程の時間Ｔｆと、立ち上げた電圧を一定に保持する保持工程の時間Ｔｈと、圧力発生室の容積を収縮するために電圧を立ち下げる収縮工程の時間Ｔｒとを有する台形の波形形状をしていることを特徴とするものである。

本発明の第１３の手段は前記第１２の手段において、前記膨張工程の時間Ｔｆと保持工程の時間Ｔｈの合計時間Ｔｗが、前記圧力発生室の膨張によってメニスカスが引き込まれ、そのメニスカスの引き込み位置がほぼ１／２となる点から最初にメニスカス位置が最下点になるまでの時間の範囲内であることを特徴とするものである。

本発明の第１４の手段は前記第１０ないし第１３の手段において、前記ノズル開口の表面の前記液体に対する接触角が６５°以上であることを特徴とするものである。

本発明の第１５の手段は前記第１０ないし第１４の手段において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離の１／２以上を超えた所から前記被着媒体までの範囲で一つの液滴となることを特徴とするものである。

本発明の第１６の手段は前記第１０ないし第１５の手段において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍ範囲内で一つの液滴となることを特徴とするものである。

本発明の第１７の手段は前記第１０ないし第１５の手段において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴の先頭の液滴が前記被着媒体に到達してから最後尾の液滴が前記被着媒体に着弾するまでの時間差をＴｓとし、ラインヘッド型装置の前記被着媒体の速度、またはシリアル型のキャリッジ速度をＶｐとし、先頭の液滴の中心から最後尾の液滴の中心までの距離をＬｎとすると、先頭の液滴と最後尾の液滴との時間差Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｌｎ／Ｖｐ以下とすることを特徴とするものである。

本発明の第１８の手段は前記第１０ないし第１７の手段において、前記液滴吐出ヘッドにヒータが設置され、吐出される液体の粘度がほぼ一定になるように温度制御されていることを特徴とするものである。

前記第２の目的を達成するため、本発明の第１９の手段は画像形成装置において、前記液体がインクであって、前記着弾媒体が記録媒体であって、前記第１ないし第９の手段の液滴吐出装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２０の手段は前記第１９の手段において、例えばシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックなどの色の異なるインクをそれぞれ装填した前記液滴吐出ヘッドが複数個設けられていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、液滴吐出速度の高速化が可能で、しかも液滴着弾の品質が高い液滴吐出装置および液滴吐出方法を提供することができる。
また本発明は、高精度のドット諧調記録が可能な画像形成装置を提供することができる。

以下、本発明の代表的な例としてインクジェット記録装置について説明する。本発明では、マルチパルス駆動によってインク滴の量を制御するインクジェット記録装置において、圧力発生手段に印加する駆動パルスの全幅を極端に長くすることなく、かつ、ほぼ同じ駆動パルス波形を印加することで、連続的に噴射されたインク滴が記録媒体上にほぼ到達する前にほぼ単一のインク滴となって着弾させるという目的を、ノズル開口部のメニスカスの動きと記録ヘッドの固有周期との関係を利用することで、安定して高い駆動周波数域でのドット諧調記録ができるようにした。

図５は、本発明の実施例に係るインクジェット記録装置の斜視図である。本実施例は、卓上型の小型シリアルスキャン印刷方式の例であるが、ポスターなどの大判記録媒体用の印刷装置であるいわゆるワイドフォーマットプリンタ、記録ヘッドを複数並べて固定したライン印刷方式であっても本発明は適用される。また、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、印刷装置以外、例えば産業用途等に使われるディスペンサー、インクジェット方式の３次元造形機等に使用する吐出ヘッドにも適用される。

同図において、１はインクジェット式の記録ヘッド、１００は記録媒体、１０１はサブインクタンク、１０２はヘッド保全部、１０３はメインインクタンク、１０４は供給チューブ、１０５はキャップ、１１０、１１１はガイド軸である。

記録ヘッド１は、図示されていないタイミングベルトに連結され駆動モータの正逆転によりフレームから伸びたガイド軸１１０、１１１上を往復動しながら、記録媒体１００上にインク滴を吐出して文字や図形等を印刷する。記録ヘッド１へのインクの供給は、メインインクタンク１０３から供給チューブ１０４を経由してサブインクタンク１０１へ送られる。さらに、供給チューブ１０４を介して、記録ヘッド１へ供給される。ヘッド保全部１０２は、印刷をしていない時に記録ヘッド１のノズルからのインク乾燥や異物の付着を防止するためにキャップ１０５、或いは図示していないが、ノズル面に付着したインクなどを除去するためのワイパーブレードなどが配設されている。前記キャップ１０５は、サブインクタンク１０１から記録ヘッド１内にインクを充填する時や記録ヘッド１内に停滞した気泡等を除去する目的で実施されるパージ動作をする時の吸引キャップとしても活用される。

図１は、本発明の実施例１に係る積層型のインクジェト式記録ヘッドの断面図である。このインクジェット式記録ヘッド１は、多数のノズル開口１１を紙面に対して垂直な方向に少なくとも１列を有するノズルプレート１０と、前記ノズル開口１０へ連通する連通流路２１を有するチャンバープレート２０と、リストリクタ３２と圧力発生室３１を兼ねた開口穴３３を有するリストリクタプレート３０と、前記圧力発生室３１及びリストリクタ３２を封止する薄板のダイアフラムプレート４０と、前記圧力発生室３１部のみを大きく変位させるために前記ダイアフラムプレート４０を振動板４１として保持する領域と共通のインク溜まり部５２に開口穴を有するサポートプレート５０と、各ノズル開口１１までの流路への異物の進入を防止するために設けたフィルター６１を有するフィルタープレート６０から流路基板５が構成されている。

さらにこの流路基板５と、その流路基板５を保持及び外部からのインクを導入し貯留する共通インク室７１を有する高剛性プレート７０と、その高剛性プレート７０に開けられた開口溝７２から複数に分割された圧電振動子８１を有する圧電アクチュエータ８０が前記振動板４１に固定されている。

前記ノズルプレート１０は、インク滴の飛翔直進性を得るために高精度に穴加工され、ニッケルのエレクトフォーミング法やステンレスの薄板を精密プレス法によって穴を加工する方法で成形される。チャンバープレート２０は、リストリクタプレート３０に開けられた穴より長手方向が短い連通流路２１が成形されている。前記連通流路２１の端部側に前記ノズル開口穴１１が位置している。リストリクタプレート３０は、圧力発生室３１及びリストリクタ３２の流路となる細長い開口穴が開けられている。

本実施例はノズル開口１１が紙面に対して垂直方向に１列に並べられた例であるが、１つの記録ヘッド内に複数列を配置しても、またノズル開口１１を内側として、前記圧力発生室３１などの流路穴が互いに対向するように配置されていても良い。これら連通流路プレート２０とチャンバープレート３０は、ステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工成形される。或いは、シリコンウェハーを異方性エチング法やドライエッチング法で形成しても良い。

前記圧力発生室３１及びリストリクタ３２を封止するダイアフラムプレート４０は、他のプレートに比べ、さらに薄板からなるステンレス製の板やエレクトフォーミング法によるニッケル材で成形されている薄膜プレートである。或いは、薄板のプラスチックフィルムや該プラスチックフィルムと薄板の金属板を積層した後に振動板となる領域部の金属板をエッチングして除去しても良い。また、サポートプレート５０もステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工形成することができる。高剛性プレート７０は、ステンレスの棒材等を切削加工で容易に形成することができる。

圧電アクチュエータ８０は、導電材料と圧電材料が交互に積層されたバルク状態の圧電振動子８１（圧電素子）を支持部材８２の一端側に固着し、前記バルク状の圧電振動子８１を前記個々の圧力発生室３１に対応するように複数の圧電振動子８１に分割され、該圧電振動子８１の端面が前記振動板４１に当接固着される。本例に挙げた圧電振動子８１は、積層方向にもっとも変位するｄ３３タイプのものであるが、積層した鉛直方向に変位するｄ３１タイプのものであっても良く、或いは、薄板の圧電体を利用した方式であっても良い。または、前記圧電アクチュエータ８１の変わりに変位変換手段として静電方式であっても良い。前記圧電振動子８１には、後述するような駆動パルスを出力する駆動制御部８３が接続されている。

次にインクジェット式記録ヘッド１からインク滴が吐出する動作過程について、図２ならびに図３を用いて説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は最も単純な薄板積層構造で構成されたインクジェット式記録ヘッドの例を示す図、図３はノズル開口より液滴を吐出するために用いられる駆動パルスの一例を示す図である。

図２（ａ）に示すように前述のインク流路内にインク６が充填された状態で、圧電振動子８１に前記駆動制御部８３から所定の電位差Ｖを持って駆動パルス７が図示しない駆動制御部から印加されると、圧電振動子８１は収縮しダイアフラムプレート４０の振動板４１が変形する。これによって圧力発生室３１の容積が膨張し、共通のインク室７１より其々のリストリクタ３２を経由してインク６が圧力発生室発生室３１に供給される。同時にノズル開口１１部のインクメニスカスも圧力発生室３１側へ引き戻される（図２（ｂ）参照）。このような過程を以下、膨張工程と呼び、その時間をＴｆとする（図３参照）。

そのまま電圧をホールドするとメニスカスの引き込みが終了し（以下、保持工程と呼び、その時間をＴｐとする。図３参照）、再度、ノズル開口部１１の出口側へ戻ろうとする。ほぼその時点で今度は、圧電振動子８１が伸長する方向に前記膨張工程よりも短時間で電圧を開放する（以下、収縮工程と呼び、その時間をＴｒとする。図３参照）。そうすると前記膨張工程によって圧力発生室内３１に充填されたインク６が圧縮されて圧力発生室３１内は高い気圧状態となり、インク６の圧力が上昇する（図２（ｃ）参照）。この圧力によってノズル開口１１よりインク滴８となって飛翔する（図２（ｄ）参照）。

図４は、インクジェット式記録ヘッド１にインク滴が吐出しない程度の弱い駆動パルス９を印加した時のノズル開口部１１のインク表面であるメニスカスの動きをレーザードップラー装置によって観測したものである。

前記駆動パルス９は、圧力発生室３１を膨張させる信号９ａが印加され、その状態を保持し続け、メニスカスがほぼ元に位置に復元したら膨張を開放する信号を与えて観測する。メニスカス動きは、圧力発生室３１の膨張により大きく引き込まれる。その後、膨張が保持されたままにしておくとメニスカスは、ノズル開口１１側へ振動をしながら戻り始める。その振動周期である固有周期Ｔｃが、リストリクタ３２からノズル開口１１までのインク流路によって決まる固有振動数の周期Ｔｃであることは周知の事実である。ここで、ノズル開口１１の開口径を２８μｍ、ノズル開口穴１１のピッチを１／１５０ｄｐｉ（ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）として、リストリクタ３２、圧力発生室３１を決定した結果、およそ１４０ｋＨｚ＝７．５マイクロ秒の固有振動の周期Ｔｃが得られた。

次に、インク滴の量をコントロールするためのマルチパルス駆動方法について詳述する。図６は、前記図４のメニスカスを観測した記録ヘッド１に駆動パルスを５回連続して印加したときの駆動パルス波形例を示す。

其々の駆動パルス７ａと７ｂは、圧力発生室３１の体積を膨張させる膨張工程となる時間Ｔｆが２マイクロ秒、その膨張状態を保持する保持工程時間Ｔｈが２．５マイクロ秒、インク滴をノズル開口から吐出するために前記圧力発生室３１の体積を収縮させる収縮工程時間Ｔｒが２マイクロ秒となっており、膨張工程と保持工程と収縮工程の合計時間Ｔｐ（図３参照）は、６．５マイクロ秒とした。駆動パルスの形状は台形であるが、保持工程Ｔｈが無い三角形の駆動パルスであっても良い。

ここで、膨張工程の時間Ｔｆと保持工程の時間Ｔｈの合計時間Ｔｗは、膨張工程によってメニスカスが引き込まれ、メニスカスの引き込み位置がほぼ１／２となる点から最初にメニスカス位置が最下点になる点までの時間の範囲内であることが良い。これは、メニスカスが圧力発生室３１側に引き込まれるときのエネルギーを利用することで吐出効率を高めることができるからである。

連続した駆動パルスの間隔を図６に示すようにＴＮ１、ＴＮ２、・・、ＴＮ５とした。このように連続して駆動パルスを印加してマルチ駆動を行うことにより吐出されるインク滴の量を可変させる場合、その駆動周波数を高めるために駆動パルス間隔は短い方が良い。従って、駆動パルスの合計時間Ｔｐは、前記ノズル開口１１から前記リストリアクタ３２（流体抵抗部）までの液体流路によって決まる固有振動数の周期Ｔｃより小さくしている（Ｔｐ＜Ｔｃ）。

図７（ａ）〜（ｃ）は、ノズル開口１１からリストリアクタ３２（流体抵抗部）までの液体流路によって決まる固有振動数の周期Ｔｃ（＝７．５マイクロ秒）に対して、駆動パルスの合計時間（パルス幅）Ｔｐを若干短くした（＝６．５マイクロ秒）条件で、連続的に駆動したときの駆動パルス間隔ＴＮを７．５マイクロ秒〔図７（ａ）〕、８．５マイクロ秒〔図７（ｂ）〕、９．０マイクロ秒〔図７（ｃ）〕と全て同じ間隔で連続的に５つの駆動パルスを印加したときの駆動パルス数とインク滴の吐出速度との関係を示す。ここで吐出速度とは、吐出しようとするインク滴の先端がノズル開口１１から飛び出そうとするときから記録媒体に到達するまでのインク滴の平均速度を表す。

また図８（ａ）〜（ｃ）は図７（ａ）〜（ｃ）に対応したインク滴の飛翔状態を示すもので、インク滴が飛び出してから１ｍｍ到達の時間の１／４時点と、インク滴の先頭がノズル開口１１からほぼ１ｍｍに到達した時点の状態を示す。

図７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、連続した駆動パルスが多くなるに従いインク滴の吐出速度は徐々に速くなっている。また、ＴＮが長いほど、その変化量が小さくなることが判る。しかしながら、図８（ａ）〜（ｃ）に示されるようにＴＮが長くなりすぎると後続のインク滴が、前のインク滴に追いつくことができなくなる。これは、ノズル開口１１のインク表面であるメニスカスは、最初の駆動パルスによって吐出される第１のインク滴によって振動する。そして、インク滴が吐出した後もメニスカスは振動を続けている。次に印加された駆動パルスによって吐出される第２のインク滴の吐出速度は、第１の駆動パルスに前記メニスカスの位置がどの位置にいるかによって、つまりはメニスカスの速度とその向きによって、大きく左右されるからである。

連続した駆動パルスから選択的に抽出して画像を形成する場合、インク滴の吐出速度の変化は小さい方がインク滴の着弾位置、つまりは画質向上の点から望ましい。つまり、インク滴を記録媒体上に着弾する時には、少なくともドットが分離しない程度に飛翔することが良い。より好ましくは、どの駆動パルス数が選択されてもインク滴の吐出速度が変化しないことが望ましい。

図９（ａ）は連続２個の駆動パルスを印加し、駆動パルス間隔（パルスピッチ）を７．８マイクロ秒、８．２マイクロ秒、８．５マイクロ秒、９マイクロ秒、９.５マイクロ秒、９．７マイクロ秒、１０マイクロ秒と変化させたときの飛翔状態を示し、図９（ａ１）はそのときに吐出されたインク滴が１ｍｍの距離を飛翔する時の速度との関係を示す。

連続して吐出されたインク滴は、パルス間隔が短いとノズル開口１１から吐出されるとほぼ同時に１滴となって飛翔する。駆動パルス間隔を広げていくと２滴が衝突するまでの距離が長くなる。インク滴の衝突が、１ｍｍ近傍に近づくと速度がほぼ一定となってくる。この結果から、印刷ギャップ（ノズルプレート１０の表面から記録媒体までの間隔）がほぼ１ｍｍの時点でインク滴が１つになる程度で、かつインク滴の速度を８ｍ／ｓ近傍として、駆動パルス間隔ＴＮ１が９マイクロ秒の条件のものを選択した。これは前記固有周期Ｔｃ＝７．５マイクロ秒の１．２倍である（１．２×Ｔｃ）。

次に図９（ｂ）は連続３個の駆動パスルを印加し、駆動パルス間隔（パルスピッチ）を８マイクロ秒、８．５マイクロ秒、８．７マイクロ秒、８．９マイクロ秒、９マイクロ秒と変化させたときの飛翔状態を示し、図９（ｂ１）は第２の駆動パルスと第３の駆動パルスとの間隔とインク滴の速度の関係を示す。ここで、第１の駆動パルスと第２の駆動パルスの間隔ＴＮ１は、９マイクロ秒を選択している。同様に、インク滴の速度が８ｍ／ｓとなる近傍の駆動パルス間隔ＴＮ２を８．７マイクロ秒に選択する。図示してはいないが、同様の考え方で駆動パルスを連続４個、連続５個の場合の駆動パルスの間隔を決定する。

図１０（ａ）に駆動パルスを連続５個印加したときのインク滴の飛翔状態を示し、図１０（ｂ）に駆動パルス数とインク滴の速度の関係を示し、図１０（ｃ）に駆動パルス数とインク滴吐出量の関係を示す。それぞれの駆動パルスの間隔は、ＴＮ１＝９．０マイクロ秒、ＴＮ２＝８．９マイクロ秒、ＴＮ３＝８．７マイクロ秒、ＴＮ４＝７．８マイクロ秒とした。

このように第１駆動パルスと第２駆動パルスの間隔を液滴が分離した状態とならない程度まで間隔を伸ばす。その時の駆動パルス間隔をＴＮ１とすると、ＴＮ１＝１．２〜１．３×Ｔｃとし、第２駆動パルス目以降の駆動パルス間隔を徐々に狭めて最適化していくことで、インク滴の吐出速度が大きく変化しないことが確認された。ここでは、複数のインク滴が、印刷ギャップ１ｍｍの約１／２の時点で、インク滴がほぼ合体するように駆動パルス間隔ＴＮを選択した。

図１１にＴＮ１＝１１．０マイクロ秒（≒１．５×Ｔｃ）とし、以降の駆動パルス間隔を順次小さくしながら連続５つの駆動パルスを印加したときの飛翔状態を示す。このように、ほぼＴＮ１＝１．５×Ｔｃとしても印刷ギャップ１ｍｍ近傍で１つのインク滴として合体することがわかった。

以上の結果を総合すると、第１駆動パルスと第２駆動パルスの駆動パルス間隔をＴＮ１とし、それ以降の駆動パルス間隔をＴＮ２，ＴＮ３，・・，ＴＮｎ（ｎは自然数）とすると、ＴＮ１（＝１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃ）＞ＴＮ２＞ＴＮ３＞・・＞ＴＮｎ≧Ｔｃにすると良いことが分かった。

図１２は、本発明によるインクジェット記録ヘッドに用いられるヘッドのインク流路をモデル化し、解析ソフトのＦｌｏｗ ３Ｄを用いてインク滴が吐出する様子を１マイクロ秒毎に表した図である。本解析に用いた駆動パルスは、膨張時間Ｔｆ＝２マイクロ秒、保持時間Ｔｈ＝２．５マイクロ秒、収縮時間Ｔｒ＝２マイクロ秒を印加したものである。駆動パルスの膨張時間Ｔｆが印加されるとメニスカスは、ノズル開口１１の内部へと引き込まれる。所定時間の保持工程Ｔｈを経たのちにインクは、Ｔｒの収縮工程によってノズル開口へと飛び出してくる。この過程で、ノズル開口１１内のインクは、ノズルプレート１０の大気開放面である表面へと溢れるように飛び出す。次の駆動パルスまでの間隔が長いとノズル内の負圧によって、はみ出したインクは何れ引き込まれる。しかし、複数の駆動パルスが、短い間隔で印加されると、溢れ出したインクはノズル開口１１内部への引き込まれる前に次のインクが溢れ出すことになる。インクがノズル開口１１近傍に多量に付着すると、インク滴の飛翔の直進性を損なうことがある。

次の表１は、ノズルプレート１０の表面とインクとの接触角と吐出異常を示す表である。この表中のハッチング部が吐出不良を発生した接触角である。

この表から明らかなように、ノズルプレート１０の表面とインクとの接触角が６５°以上あれば吐出不良が発生しないことが分かり、さらにインク吐出の信頼性を確実にするためには、前記接触角が７０°以上であることが望ましいことが分かった。なお、接触角の上限は特に特定されるものではないが、８５°程度が適当である。

このように前記接触角を６５°以上に規制することにより、インクの溢れ出しを防止することができ、インク滴の直進性が保たれ、印刷品質の向上が図れる。ここで、ノズルプレート１０の表面にコートされる撥水処理膜としては例えばフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂などが用いられるが、インクとの接触角を確保できる材料であれば特に限定されることはない。

複数の駆動パルスによって吐出されたインク滴が、飛翔中に合体することが望ましいことは言うまでもない。しかし、屋外用の看板印刷に用いられるようなインクジェット方式のワイドフォーマット印刷装置などは、ノズルプレート１０の表面と記録媒体１００までの印刷ギャップは、オフィス用途やコンシューマ向けのインクジェット記録装置などの印刷ギャップ約１ｍｍと比べても大きく、１．５ｍｍ〜２ｍｍ程度ある。さらには、大滴、例えば３０ピコリットリ（ｐｌ）以上のインク滴を必要とする場合、印加される駆動パルス数は多くなる。これにより、印刷ギャップの１ｍｍ間では複数の液滴が合体しない可能がある。駆動パルス数を従って、１．５ｍｍ、場合によっては２ｍｍ程度まで飛翔したところで合体するように、駆動パルスの間隔を調整しても良い。

図１３は、連続して駆動されるインク滴の記録媒体上に着弾するときのイメージを示したものである。複数のインク滴の先頭のインク滴が記録媒体に到達してから最後尾のインク滴が記録媒体に着弾するまでの時間差をＴｓとし、先頭のインク滴の速度Ｖ１の着弾によって形成される記録媒体上のドット径Ｄ１、最後尾のインク滴の速度Ｖ２によって形成されるドット径Ｄ２とし、インクジェット記録ヘッド１がライン状に固定されたラインヘッド型装置においてインク滴が着弾する記録媒体の速度、またはインクジェット記録ヘッド１が搭載されたキャリッジが往復動作をしながら印刷を行うシリアル型のキャリッジ速度をＶｐとし、先頭の液滴の中心から最後尾の液滴の中心までの距離をＬｎとすると、先頭の液滴と最後尾の液滴との時間差Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｌｎ／Ｖｐ詳しくはＴｓ＝Ｌｎ／Ｖｐ＝{（１／２）×（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋・・＋Ｄｎ＋Ｄ（ｎ＋１））}／Ｖｐ以下になるように、それぞれの駆動パルス間隔を１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃの範囲で設定すればよい。これによって、記録媒体に着弾したインク滴は少なくとも分離することはなくドットが形成される。ドットが分離すると印刷された色濃度が異なったり、文字や画像の稜線部が不明瞭となり、印刷品質の低下となる。

そうすることにより記録媒体上へのインク滴の着弾した痕は、図１３のようになる。記録媒体に着弾したインクは、一般的には直ぐに乾燥することはないので後続のインク滴が衝突してくるとインクの表面張力によって集合しようとする力が働く。その結果、実際の着弾形状は、やや細長いドットとなる程度に、一つのドットとして形成される。

図１４は、本発明の実施例２に係るインクジェット式記録ヘッド１の断面図である。本実施例で図１に示す実施例１と相違する点は、高剛性プレート７０の開口溝７２と対向する側面にインクを加温するためのヒータ２００が設置されている点である。

ヒータ２００は、図示していない電源及び制御装置によって、記録ヘッド１を大気温度よりも高い、例えば４０℃〜８０℃のある一定の温度に保持されるように制御されている。ヒータ２００により記録ヘッド１及びヘッド内のインクは、ほぼ一定の温度に維持することができる。これによりインクジェット記録装置の周囲環境温度が変化してもインクをほぼ一定の温度に保持することで、インクの粘度もほぼ一定に維持できる。インクは温度によって粘度が変化し、その変化によってもインク滴の飛翔状態が変化することがある。本実施例のように記録ヘッド１にヒータ２００を取り付けることにより、常に安定したインク滴の飛翔が保たれ、周囲の環境変化によっても印刷品質が損なわれることがないインクジェット記録装置を提供することができる。

本実施例の記録ヘッド１においても、ノズルプレート１０の表面に撥水処理が施されて実施例１と同じ効果が得られる。

前記実施例１，２で述べた記録ヘッド１を４台備え、各記録ヘッド１に別々にシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックのインクを装填してインクを吐出させ、記録媒体上で各色を重ね合わせてカラー画像を形成することができる。

前記実施例ではインクジェト記録装置の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば液晶ディスプレーのカラーフィルターの製造に用いられる色材液や、有機ＥＬディスプレー等の電極膜形成に用いられる電極材料液などの特殊な液体を吐出する液滴吐出装置にも適用可能である。

本発明の実施例１に係る積層型のインクジェト式記録ヘッドの断面図である。 その記録ヘッドのインク滴の吐出原理を説明するための図である。 その記録ヘッドに単一のインク滴のために印加する駆動パルス例を示す波形図である。 その記録ヘッドのノズル開口部におけるインクメニスカスを観測した状態とその駆動電圧を示す図である。 本発明の実施例に係るインクジェット記録装置の斜視図である。 その記録ヘッドに印加する連続した駆動パルス例を示す波形図である。 その記録ヘッドに駆動パルスを各一定周期で印加したときの駆動パルス数とインク滴の速度の関係を示す図である。 図７に示される駆動条件でのインク滴の飛翔状態を示す図である。 その記録ヘッドにおいて５連続の駆動パルスで駆動した時のインク滴の飛翔状態と駆動パルス数とインク滴の吐出速度との関係を示す図である。 その記録ヘッドにおいて別の駆動条件で５連続の駆動パルスで駆動したときのインク滴の飛翔状態、駆動パルス数とインク滴の速度の関係ならびに駆動パルス数とインク滴量の関係を示す図である。 その記録ヘッドに印加する駆動パルス間隔を順次小さくしながら連続５つの駆動パルスを印加したときのインク滴の飛翔状態を示す図である。 本発明によるインクジェット記録ヘッドに用いられるヘッドのインク流路をモデル化し、解析ソフトのＦｌｏｗ ３Ｄを用いてインク滴が吐出する様子を１マイクロ秒毎に表した図である。 その記録ヘッドに連続して駆動されるインク滴の記録媒体上に着弾するときのイメージを示した図である。 本発明の実施例２に係る積層型のインクジェト式記録ヘッドの断面図である。

符号の説明

１：記録ヘッド
５：流路基板
６：インク
７，７ａ，７ｂ：駆動パルス
８：インク滴
９：駆動パルス
９ａ：時間Ｔｆに相当する駆動パルス
１０：ノズルプレート
１１：ノズル開口
２０：チャンバープレート
２１：連通流路
３０：リストリクタプレート
３１：圧力発生室
３２：リストリクタ
３３：開口
４０：ダイアフラムプレート
４１：振動板
５０：サポートプレート
５２：共通のインク溜まり部
６０：フィルタープレート
６１：フィルター
７０：高剛性プレート
７１：共通インク室
７２：開口溝
８０：圧電アクチュエータ
８１：圧電振動子
８２：支持部材
８３：駆動制御部
１００：記録媒体
１０１：サブインクタンク
１０２：ヘッド保全部
１０３：メインインクタンク
１０４：供給チューブ
１０５：キャップ
１１０、１１１：ガイド軸
２００：ヒータ。

Claims (20)

1. 液体を吐出するために設けられたノズル開口と、そのノズル開口に連通して設けられた圧力発生室と、その圧力発生室の容積を膨張・収縮させる圧力発生手段と、前記圧力発生室に前記液体を供給する液体流路の途中に設けられた液体抵抗部を有する液滴吐出ヘッドと、
   前記圧力発生室の容積を膨張・収縮させるための駆動パルスを前記圧力発生手段に印加する駆動制御部を備え、
   その駆動制御部から駆動パルスを所定の間隔で２個以上連続して前記圧力発生手段に印加して、その駆動パルス数に応じて吐出された液滴が、被着媒体に到達する前にほぼ一つの液滴に合体して前記被着媒体に到達する液滴吐出装置において、
   前記駆動制御部は、
   同じパルス形状の駆動パルスを出力し、
   前記ノズル開口から流体抵抗部までの液体流路によって決まる固有振動数の周期をＴｃとしたときに、前記駆動パルスのパルス幅Ｔｐは前記周期Ｔｃよりも小さく設定され（Ｔｐ＜Ｔｃ）、
   連続するｎ個（ｎ≧２の整数）の駆動パルスの第ｎパルス開始から第（ｎ＋１）パルスの開始までのパルス間隔をＴＮｎとしたときに、ｎ＝１である第１パルスとｎ＝２である第２パルスとのパルス間隔ＴＮ１は、１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃの範囲に設定されて、前記第２パルスと次の第３パルスとのパルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔ＴＮ２、ＴＮ３、・・ＴＮｎは、前記ＴＮ１より小さく、かつ前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ１＝１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃ＞（ＴＮ２、ＴＮ３、・・、ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とする液滴吐出装置。
2. 請求項１に記載の液滴吐出装置において、前記パルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔は順次小さくなっており、かつ最終のパルス間隔ＴＮｎは前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ２＞ＴＮ３＞・・＞ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とする液滴吐出装置。
3. 請求項１または２に記載の液滴吐出装置において、前記駆動パルスは、前記圧力発生室の容積を膨張するために電圧を立ち上げる膨張時間Ｔｆと、立ち上げた電圧を一定に保持する保持時間Ｔｈと、圧力発生室の容積を収縮するために電圧を立ち下げる収縮時間Ｔｒとを有する台形の波形形状をしていることを特徴とする液滴吐出装置。
4. 請求項３に記載の液滴吐出装置において、前記膨張時間Ｔｆと保持時間Ｔｈの合計時間Ｔｗが、前記圧力発生室の膨張によってメニスカスが引き込まれ、そのメニスカスの引き込み位置がほぼ１／２となる点から最初にメニスカス位置が最下点になるまでの時間の範囲内であることを特徴とする液滴吐出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記ノズル開口の表面の前記液体に対する接触角が６５°以上であることを特徴とする液滴吐出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離の１／２以上を超えた所から前記被着媒体までの範囲で一つの液滴となることを特徴とする液滴吐出装置。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍ範囲内で一つの液滴となることを特徴とする液滴吐出装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴の先頭の液滴が前記被着媒体に到達してから最後尾の液滴が前記被着媒体に着弾するまでの時間差をＴｓとし、ラインヘッド型装置の前記被着媒体の速度、またはシリアル型のキャリッジ速度をＶｐとし、先頭の液滴の中心から最後尾の液滴の中心までの距離をＬｎとすると、先頭の液滴と最後尾の液滴との時間差Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｌｎ／Ｖｐ以下とすることを特徴とする液滴吐出装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記液滴吐出ヘッドにヒータが設置され、吐出される液体の粘度がほぼ一定になるように温度制御されていることを特徴とする液滴吐出装置。
10. 液体を吐出するために設けられたノズル開口と、そのノズル開口に連通して設けられた圧力発生室と、その圧力発生室の容積を膨張・収縮させる圧力発生手段と、前記圧力発生室に前記液体を供給する液体流路の途中に設けられた液体抵抗部を有する液滴吐出ヘッドを備え、
    前記圧力発生手段に駆動パルスを所定の間隔で２個以上連続して印加して、その駆動パルス数に応じて吐出された液滴が、被着媒体に到達する前にほぼ一つの液滴に合体して前記被着媒体に到達する液滴吐出方法において、
    前記連続する駆動パルスは同じパルス形状を有し、
    前記ノズル開口から流体抵抗部までの液体流路によって決まる固有振動数の周期をＴｃとしたときに、前記駆動パルスのパルス幅Ｔｐは前記周期Ｔｃよりも小さく設定され（Ｔｐ＜Ｔｃ）、
    連続するｎ個（ｎ≧２の整数）の駆動パルスの第ｎパルス開始から第（ｎ＋１）パルスの開始までのパルス間隔をＴＮｎとしたときに、ｎ＝１である第１パルスとｎ＝２である第２パルスとのパルス間隔ＴＮ１は、１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃの範囲に設定されて、前記第２パルスと次の第３パルスとのパルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔ＴＮ２、ＴＮ３、・・ＴＮｎは、前記ＴＮ１より小さく、かつ前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ１＝１．２×Ｔｃ〜１．５×Ｔｃ＞（ＴＮ２、ＴＮ３、・・、ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とする液滴吐出方法。
11. 請求項１０に記載の液滴吐出方法において、前記パルス間隔ＴＮ２以降のパルス間隔は順次小さくなっており、かつ最終のパルス間隔ＴＮｎは前記液体流路の固有振動数の周期Ｔｃ以上に設定されている（ＴＮ２＞ＴＮ３＞・・＞ＴＮｎ≧Ｔｃ）ことを特徴とする液滴吐出方法。
12. 請求項１０または１１に記載の液滴吐出方法において、前記駆動パルスは、前記圧力発生室の容積を膨張するために電圧を立ち上げる膨張工程の時間Ｔｆと、立ち上げた電圧を一定に保持する保持工程の時間Ｔｈと、圧力発生室の容積を収縮するために電圧を立ち下げる収縮工程の時間Ｔｒとを有する台形の波形形状をしていることを特徴とする液滴吐出方法。
13. 請求項１２に記載の液滴吐出方法において、前記膨張工程の時間Ｔｆと保持工程の時間Ｔｈの合計時間Ｔｗが、前記圧力発生室の膨張によってメニスカスが引き込まれ、そのメニスカスの引き込み位置がほぼ１／２となる点から最初にメニスカス位置が最下点になるまでの時間の範囲内であることを特徴とする液滴吐出方法。
14. 請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の液滴吐出方法において、前記ノズル開口の表面の前記液体に対する接触角が６５°以上であることを特徴とする液滴吐出方法。
15. 請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の液滴吐出方法において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離の１／２以上を超えた所から前記被着媒体までの範囲で一つの液滴となることを特徴とする液滴吐出方法。
16. 請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載の液滴吐出方法において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴は、前記ノズル開口から前記被着媒体までの距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍ範囲内で一つの液滴となることを特徴とする液滴吐出方法。
17. 請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載の液滴吐出方法において、前記駆動パルス数に応じて吐出された複数の液滴の先頭の液滴が前記被着媒体に到達してから最後尾の液滴が前記被着媒体に着弾するまでの時間差をＴｓとし、ラインヘッド型装置の前記被着媒体の速度、またはシリアル型のキャリッジ速度をＶｐとし、先頭の液滴の中心から最後尾の液滴の中心までの距離をＬｎとすると、先頭の液滴と最後尾の液滴との時間差Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｌｎ／Ｖｐ以下とすることを特徴とする液滴吐出方法。
18. 請求項１０ないし１７のいずれか１項に記載の液滴吐出方法において、前記液滴吐出ヘッドにヒータが設置され、吐出される液体の粘度がほぼ一定になるように温度制御されていることを特徴とする液滴吐出方法。
19. 前記液体がインクであって、前記着弾媒体が記録媒体であって、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の液滴吐出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
20. 請求項１９に記載の画像形成装置において、色の異なるインクをそれぞれ装填した前記液滴吐出ヘッドが複数個設けられていることを特徴とする画像形成装置。

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