JP2007001265A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出不要かつ駆動回路の負荷を低減して、温度に依存せず安定して液体を吐出する。
【解決手段】ノズルと連通する圧力室と、前記圧力室の一面を構成する振動板と、前記振動板を変形させる圧電素子とを備え、前記圧電素子により前記振動板を変形させて前記圧力室内の液体を前記ノズルより吐出する液体吐出ヘッドであって、前記液体の温度に対する粘度の増減傾向と、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数の増減傾向が所定の関係にある温度領域において、前記圧電素子を駆動して前記液体を吐出するようにしたことを特徴とする液体吐出ヘッドを提供することにより前記課題を解決する。
【選択図】図９

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに係り、特に、液体を吐出するための圧力発生手段に圧電素子を用いた液体吐出ヘッドにおいて、液体を安定して吐出するようにした液体吐出ヘッドに関する。

従来より、画像形成装置として、インク（液体）を吐出する多数のノズル（吐出口）を配列させたインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を有し、このインクジェットヘッドと被記録媒体を相対的に移動させながら、被記録媒体に向けてノズルからインクを吐出することにより、被記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置（インクジェットプリンタ）が知られている。

このようなインクジェット記録装置におけるインクの吐出方法として、例えば、インクを吐出するための圧力発生手段として圧電素子を用い、圧電素子の変形によって圧力室の一つの壁面を構成する振動板を変形させて、圧力室の容積を変化させ、圧力室の容積増大時にインク供給路から圧力室内にインクを導入し、圧力室の容積減少時に圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出する圧電方式が知られている。

圧電素子は、例えば、薄い板状に形成されたピエゾ（ＰＺＴ）等の圧電体の両面を電極で挟んだものであり、両電極間に電圧を印加することにより、圧電体が変形するものである。このような圧電体の特性は温度によって変化することが知られている。一方、吐出するインクの粘度も温度によって大きく変化する。

また、画像を形成するために続けてインクを吐出するために圧電素子を駆動し続けていると、圧電素子がしだいに熱を持つようになる。従って、インクジェット記録装置で画像を形成する場合に、インクジェットヘッドの温度状態が常に変化し、圧電素子の特性やインクの粘度が常に変化しており、そのため従来より、常に一定量のインクを安定的に吐出することが難しいということが問題となっていた。また、インクジェット記録装置以外においても、例えば圧電素子を用いた圧力センサ等の装置において、温度によって圧電素子の特性が変化するため、温度に拘わりなく一定の測定や制御を行うことが困難であった。

これに対して、圧電素子を用いた装置において、温度に拘わりなく安定した測定や制御を行うための工夫が従来よりいろいろ提案されている。

例えば、圧力センサにおいて、ケーシング本体内に設けられた受圧ロッドの変位に応じた検出信号を出力する圧電体の温度特性に基づき、ケーシング本体が有する熱膨張率に対し、受圧ロッドの熱膨張率が小さくなる関係を持ち、圧電定数変化分を相殺するようにして、温度依存性のない安定した検出信号を出力するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また例えば、印字ヘッドの圧電素子の圧電定数に応じた特性を識別するための識別手段と、印字ヘッドの周囲温度を検出する温度検出手段とを備え、識別手段を利用して得た圧電定数特性と温度検出手段で検出した温度とに基づいて、印字ヘッドの駆動電圧を決定し、制御することにより、インク吐出量を一定にするようにしたものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。
特開平８−１８４５２０号公報 特開２０００−２０３０１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のものは、圧力センサにおける圧電体の温度補償の方法であり、ケーシング及びロッドの材料の線膨張率というパラメータによって補正するもので、これを液体吐出ヘッドに適用するのは困難である。

また、上記特許文献２に記載のものは、装置の温度を検出して圧電素子にかける電圧を補正するものであり、温度検出系を必要とし、ドライバにかかる負担が増加し、冗長的な手段であり、コスト高となるという問題がある。また、インクジェットヘッドに適用した場合、特に多ノズルのライン型インクジェットヘッドの場合には、ヘッド自体が大きくなるため、ヘッドの位置による温度バラツキが発生し、完全に補正するのは困難であるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、温度検出不要でかつ駆動回路の負荷を低減して、温度に依存せず安定して液体を吐出することのできる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ノズルと連通する圧力室と、前記圧力室の一面を構成する振動板と、前記振動板を変形させる圧電素子とを備え、前記圧電素子により前記振動板を変形させて前記圧力室内の液体を前記ノズルより吐出する液体吐出ヘッドであって、前記液体の温度に対する粘度の増減傾向と、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数の増減傾向が所定の関係にある温度領域において、前記圧電素子を駆動して前記液体を吐出するようにしたことを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

これにより、温度検出が不要で、かつ駆動回路負荷を低減し、温度に依存せず安定して液体を吐出することが可能となる。

また、請求項２に示すように、前記所定の関係は、前記増減傾向が一致することであることを特徴とする。

例えば、それぞれの増減傾向がともに減少する温度領域で、液体を吐出することにより、液体粘度が減少して液体吐出量が増加する分と、圧電素子の駆動特性が減少する分とが相殺して、温度によらず液体吐出量の安定化を図ることが可能となる。

また、請求項３に示すように、前記所定の関係にある温度領域は、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数が極大値となる温度より高温領域であることを特徴とする。

これにより、前記増減傾向を一致させることができ、また、圧電素子の材質により圧電ｄ定数が極大値をとる温度を低下させることにより、駆動回路負荷をより低減することができる。

また、請求項４に示すように、前記温度領域は、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数が極大値となる温度以上で、かつ、キュリー温度または前記液体の沸点のうち低い温度以下の領域であることを特徴とする。

これにより、温度を検出して精密に温度制御することなく、液体吐出特性を安定化させることが可能となる。

また、請求項５に示すように、請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドであって、さらに、前記振動板の材料の温度による剛性変化または前記圧電素子の比誘電率変化のパラメータを含めて、前記液体の温度の変化による吐出特性の変化を補償することを特徴とする。

これにより、上記温度領域に制御するのみでは補償しきれない場合に、他のパラメータを考慮することにより、吐出特性を安定化させることができる。

また、請求項６に示すように、前記温度領域に温度を制御する温度制御手段を有することを特徴とする。

これにより、駆動回路負荷を低減して、温度によらず液体の吐出特性を安定化させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、温度検出が不要で、かつ駆動回路負荷を低減し、温度に依存せず安定して液体を吐出することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る液体吐出ヘッドについて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る液体吐出ヘッドを有する画像形成装置としてのインクジェット記録装置の第１実施形態の概略を示す全体構成図である。

図１に示すように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド（液体吐出ヘッド）１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６とを備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラー３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示省略）が形成されている。図１に示したとおり、ローラー３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３４が設けられており、この吸着チャンバー３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラー３１、３２の少なくとも一方にモータ（図示省略）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は、図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラー線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。

図２に示すように、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向）に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送方向（副走査方向）について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち、一回の副走査で）記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する方向（主走査方向）に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお、ここで主走査方向及び副走査方向とは、次に言うような意味で用いている。すなわち、記録紙の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時、（１）全ノズルを同時に駆動するか、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動するか、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動するか、等のいずれかのノズルの駆動が行われ、用紙の幅方向（記録紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字をするようなノズルの駆動を主走査と定義する。そして、この主走査によって記録される１ライン（帯状領域の長手方向）の示す方向を主走査方向という。

一方、上述したフルラインヘッドと記録紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。そして、副走査を行う方向を副走査方向という。結局、記録紙の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する方向が主走査方向ということになる。

また本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列とからなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が二次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このようにして生成されたプリント物は、排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える選別手段（図示省略）が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成されている。

また、図示を省略したが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。

次に、印字ヘッド（液体吐出ヘッド）のノズル（液体吐出口）の配置について説明する。インク色毎に設けられている各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッドを表すものとし、図３に印字ヘッド５０の平面透視図を示す。

図３に示すように、本実施形態の印字ヘッド５０は、インクを液滴として吐出するノズル５１、インクを吐出する際インクに圧力を付与する圧力室５２、図３では図示を省略した共通流路から圧力室５２にインクを供給するインク供給口５３を含んで構成される圧力室ユニット５４が千鳥状の２次元マトリクス状に配列され、ノズル５１の高密度化が図られている。

このような印字ヘッド５０上のノズル配置のサイズは特に限定されるものではないが、一例として、ノズル５１を横４８行（２１ｍｍ）、縦６００列（３０５ｍｍ）に配列することにより２４００ｎｐｉを達成する。

図３に示す例においては、各圧力室５２を上方から見た場合に、その平面形状は略正方形状をしているが、圧力室５２の平面形状はこのような正方形に限定されるものではない。圧力室５２には、図３に示すように、その対角線の一方の端にノズル５１が形成され、他方の端にインク供給口５３が設けられている。

また、図４は他の印字ヘッドの構造例を示す平面透視図である。図４に示すように、複数の短尺ヘッド５０’を２次元の千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、これらの複数の短尺ヘッド５０’全体で印字媒体の全幅に対応する長さとなるようにして１つの長尺のフルラインヘッドを構成するようにしてもよい。

図５に、図３の圧力室ユニット５４を拡大して示す。また、図５中の６Ａ−６Ｂ線に沿った圧力室ユニット５４の断面図を図６に示す。

図６は、本発明の第１実施形態に係る印字ヘッド５０の圧力室ユニット５４の構成を示す断面図である。

図６に示すように、圧力室ユニット５４は、インクを吐出するノズル５１と連通する圧力室５２によって形成され、圧力室５２には、供給口５３を介してインクを供給する共通流路（図６において不図示）が連通するとともに、圧力室５２の一面（図では天面）は振動板５６で構成されている。

振動板５６の圧力室５２に対応する部分の反対側の面（振動板５６の上面）には、圧電体５８が形成され、圧電体５８の上には圧電体５８を駆動する駆動電圧を印加するための個別電極５７が形成されている。なお、振動板５６は、個別電極５７に対応する共通電極を兼ねている。圧電体５８は、この共通電極（振動板５６）と個別電極５７で挟まれて圧電素子を構成し、共通電極（振動板５６）と個別電極５７との間に電圧が印加されると変形し、圧力室５２内のインクに対して吐出圧力を付与する。

本実施形態においては、このように個別電極５７が形成された圧電体５８の上側に、フレキシブルヒータ５９が設けられている。フレキシブルヒータ５９は、詳しくは後述するが、圧電体５８の温度−ｄ定数の特性が極大となる温度以上の温度で圧電体５８を駆動するように温調コントロールするものである。レキシブルヒータ５９は、ゴム及びカーボン等の材質で形成されており、圧電体５８の変形にともなって同じように変形することができ、圧電体５８の変形を阻害しないようになっている。

図７はインクジェット記録装置１０におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インクタンク６０は印字ヘッド５０にインクを供給するための基タンクであり、図１で説明したインク貯蔵／装填部１４に設置される。インクタンク６０の形態には、インク残量が少なくなった場合に、補充口（図示省略）からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を替える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じて吐出制御を行うことが好ましい。なお、図７のインクタンク６０は、先に記載した図１のインク貯蔵／装填部１４と等価のものである。

図７に示したように、インクタンク６０と印字ヘッド５０を繋ぐ管路の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ６２が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは印字ヘッド５０のノズル径と同等若しくはノズル径以下（一般的には、２０μｍ程度）とすることが好ましい。

なお、図７には示さないが、印字ヘッド５０の近傍又は印字ヘッド５０と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。

また、インクジェット記録装置１０には、ノズルの乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ６４と、ノズル面５０Ａの清掃手段としてのクリーニングブレード６６とが設けられている。

これらキャップ６４及びクリーニングブレード６６を含むメンテナンスユニットは、図示を省略した移動機構によって印字ヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置から印字ヘッド５０下方のメンテナンス位置に移動される。

キャップ６４は、図示しない昇降機構によって印字ヘッド５０に対して相対的に昇降変位される。昇降機構は、電源ＯＦＦ時や印刷待機時にキャップ６４を所定の上昇位置まで上昇させ、印字ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面５０Ａのノズル領域をキャップ６４で覆うようになっている。

クリーニングブレード６６は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示を省略したブレード移動機構により印字ヘッド５０のインク吐出面（ノズル面５０Ａ）に摺動可能である。ノズル面５０Ａにインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード６６をノズル面５０Ａに摺動させることでノズル面５０Ａを拭き取り、ノズル面５０Ａを清浄化するようになっている。

印字中又は待機中において、特定のノズル５１の使用頻度が低くなり、そのノズル５１近傍のインク粘度が上昇した場合、粘度が上昇して劣化したインクを排出すべく、キャップ６４に向かって予備吐出が行われる。

また、印字ヘッド５０内のインク（圧力室５２内のインク）に気泡が混入した場合、印字ヘッド５０にキャップ６４を当て、吸引ポンプ６７で圧力室５２内のインク（気泡が混入したインク）を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク６８へ送液する。この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも行われ、粘度が上昇して固化した劣化インクが吸い出され除去される。

すなわち、印字ヘッド５０は、ある時間以上吐出しない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してノズル近傍のインクの粘度が高くなってしまい、吐出駆動用の圧力発生手段（圧電素子）が動作してもノズル５１からインクが吐出しなくなる。したがって、この様な状態になる手前で（圧力発生手段の動作によってインク吐出が可能な粘度の範囲内で）、インク受けに向かって圧力発生手段を動作させ、粘度が上昇したノズル近傍のインクを吐出させる「予備吐出」が行われる。また、ノズル面５０Ａの清掃手段として設けられているクリーニングブレード６６等のワイパーによってノズル面５０Ａの汚れを清掃化した後に、このワイパー摺擦動作によってノズル５１内に異物が混入するのを防止するためにも予備吐出が行われる。なお、予備吐出は、「空吐出」、「パージ」、「唾吐き」などと呼ばれる場合もある。

また、ノズル５１や圧力室５２内に気泡が混入したり、ノズル５１内のインクの粘度上昇があるレベルを超えたりすると、上記予備吐出ではインクを吐出できなくなるため、上述したような吸引動作を行う。

すなわち、ノズル５１や圧力室５２のインク内に気泡が混入した場合、或いはノズル５１内のインク粘度があるレベル以上に上昇した場合には、圧力発生手段を動作させてもノズル５１からインクを吐出できなくなる。このような場合、印字ヘッド５０のノズル面５０Ａに、キャップ６４を当てて圧力室５２内の気泡が混入したインク又は増粘インクをポンプ６７で吸引する動作が行われる。

ただし、上記の吸引動作は、圧力室５２内のインク全体に対して行われるためインク消費量が大きい。したがって、粘度上昇が少ない場合はなるべく予備吐出を行うことが好ましい。なお、図７で説明したキャップ６４は、吸引手段として機能するとともに、予備吐出のインク受けとしても機能し得る。

また、好ましくは、キャップ６４の内側が仕切壁によってノズル列に対応した複数のエリアに分割されており、これら仕切られた各エリアをセレクタ等によって選択的に吸引できる構成とする。

図８はインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース７０、システムコントローラ７２、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８、プリント制御部８０、画像バッファメモリ８２、ヘッドドライバ８４等を備えている。

通信インターフェース７０は、ホストコンピュータ８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース７０にはＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（図示省略）を搭載してもよい。ホストコンピュータ８６から送出された画像データは通信インターフェース７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦画像メモリ７４に記憶される。画像メモリ７４は、通信インターフェース７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなどの磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ７２は、通信インターフェース７０、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ８６との間の通信制御、画像メモリ７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ８８やヒーター８９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ７６は、システムコントローラ７２からの指示に従ってモータ８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ７８は、システムコントローラ７２からの指示にしたがって後乾燥部４２等のヒーター８９を駆動するドライバである。

また、本実施形態においては、圧電体５８をその温度−ｄ定数の特性が極大となるような温度以上の温度領域において駆動させることにより、温度に依存しないでインク吐出量を安定化させるようにしている。そのために圧力室ユニット５４の上にフレキシブルヒータ５９が設けられている。そして、フレキシブルヒータ５９を制御するためのフレキシブルヒータドライバ９０が設けられている。システムコントローラ７２は、フレキシブルヒータドライバ９０を介してフレキシブルヒータ５９を制御し、圧電体５８の温度−ｄ定数の特性が極大となるような温度以上の温度領域で圧電体５８が駆動されるように温調コントロールを行う。なお、この制御については後述する。

プリント制御部８０は、システムコントローラ７２の制御に従い、画像メモリ７４内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号（印字データ）をヘッドドライバ８４に供給する制御部である。プリント制御部８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ８４を介して印字ヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部８０には画像バッファメモリ８２が備えられており、プリント制御部８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ８２に一時的に格納される。なお、図８において画像バッファメモリ８２はプリント制御部８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部８０とシステムコントローラ７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８４はプリント制御部８０から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド５０の圧力発生手段を駆動する。ヘッドドライバ８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

印字検出部２４は、図１で説明したように、ラインセンサー（図示省略）を含むブロックであり、記録紙１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部８０に提供するものである。

プリント制御部８０は、必要に応じて印字検出部２４から得られる情報に基づいて印字ヘッド５０に対する各種補正を行うようになっている。

次に、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態は、圧電体５８の温度−ｄ定数の特性が極大値となる温度以上の温度で、圧電体５８を駆動してインクを吐出することにより、温度によらずインク吐出量を一定に保とうとするものである。

また、圧電素子には、圧電素子が電界の方向と同方向に変形し、軸方向に伸長・収縮する縦振動モード（ｄ３３モード）と、圧電素子が電界の方向と直交する方向に変形し、圧電素子が撓む撓み振動モード（ｄ３１モード）の２種類がある。本実施形態で用いている圧電体５８は、ｄ３１モードで変位するものとする。

このとき圧電体に電界を印加した場合に、どれだけ変位するかを表す係数を、圧電ｄ定数（あるいは単にｄ定数）と言う。圧電ｄ定数は、温度によって変化する。図９は、２種類のインクの温度と粘度との関係を表したグラフＩ_Ａ、Ｉ_Ｂと、圧電体の温度とｄ定数との関係を表したグラフＤとを一緒に表したものである。

図９のグラフＤに示すように、圧電ｄ定数は、最初温度の上昇とともに増加し、ある温度Ｔｍで極大値となり、その後は温度の上昇にともなって減少するように変化する。すなわち、圧電体は温度がピーク温度Ｔｍを過ぎるとしだいにその変形量が少なくなる。

また一方、図９に２種類のインクの温度による粘度変化を表した２つのグラフＩ_Ａ、Ｉ_Ｂからわかるように、インクの粘度は温度が高くなるとともに減少する。従って、インクについては、温度が高い程粘度が小さくなり、インクはサラサラとなって、同じ吐出圧力でもたくさんの量のインクが吐出する。従って、圧電体５８の特性が一定であるとすると、温度によりインクの粘度が変化し、そのため温度に依存してインクの吐出量が変化してしまう。

また、印字時において、圧電体５８の駆動による発熱で、印字ヘッド５０の温度が変化（増加）する。この温度変化により、インクの粘度が変化して、インク吐出量等の印字特性が変化する。

これに対する解決策として、例えば図９に示すグラフＤが極大値となるピーク温度Ｔｍよりも高温側の領域で圧電体５８を使用するようにする。すると、温度上昇とともにインク粘度が減少し、吐出するインク量が増加する傾向となるが、その一方、圧電体５８の温度−ｄ定数の関係が温度上昇にともない減少するため、圧電体５８は変位し難くなり、吐出量が減少する方向となる。その結果、インク粘度減少による吐出量増加に対し、圧電体５８の吐出性能が減少するため、互いに相殺してバランスがとれてインク吐出量が安定化する。

このように本実施形態においては、圧電体５８の温度−ｄ定数の関係が極大値となるピーク温度Ｔｍよりも高温側の領域で圧電体５８を駆動するようにすることで、特に温度センサ等を設けて、正確な温度を検出して、この領域において精密に温度補正する等の温度制御をすることなく、温度の変化にかかわらずインク吐出量を安定化させることが可能となる。

このときインク吐出時の温度Ｔの範囲としては、図９に示す圧電体５８の温度−ｄ定数の関係が極大値となるピーク温度Ｔｍと、キュリー温度Ｔ_Ｃ、インクの沸点Ｔ_Ｂに対して、次の不等式
Ｔｍ ≦ Ｔ ≦ （Ｔ_ＣとＴ_Ｂの低い方）
で表される範囲とする。

具体的にこのような温度制御の方法としては、例えば、前述したフレキシブルヒータ５９の部分にサーミスタを付けて、フレキシブルヒータ５９を温度Ｔｍ以上の温度で制御するようにする。なお、サーミスタは、下限値、上限値のみをモニタし、フレキシブルヒータ５９のオン、オフのみを行うようにすることが好ましい。

また、このようにピーク温度Ｔｍよりも高温側領域で圧電体５８を駆動するように制御するだけではインク吐出量を補正しきれない部分が存在する場合には、このような圧電体５８の特性だけでなく、他のパラメータ、例えば振動板５６の剛性、すなわち振動板５６のヤング率や、圧電５８の比誘電率などが考えられる。例えば、温度により振動板剛性が増加・減少する振動板５６の温度特性を組み合わせて利用することができる。また、圧電体５８の比誘電率は、ｄ定数と温度依存傾向は同様であり、電気特性に対する吐出性能に影響を及ぼす。

また、図９のグラフＤの、圧電体５８の温度−ｄ定数の関係が極大値となるピーク温度Ｔｍは、特に限定はされないが、例えば、６０度が例示される。しかしこの圧電特性ｄ３１の極大値を与える温度Ｔｍは、例えばピエゾ（ＰＺＴ）系材料に、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＷＯ_３等を添加することにより上記ピーク温度Ｔｍをより低下させることができる。

次に、インク吐出体積Ｖol と、ｄ定数（ｄ３１）やインク粘度に関係した項との関係式について説明する。

インク吐出体積をＶolとする。単位はｐｌ（ピコリットル）である。また、変位体積をＷoとし、その単位もｐｌ（ピコリットル）とする。変位体積Ｗoは、圧電ｄ定数ｄ３１に比例する。また、ノズルのイナータンスをＭnとする。イナータンスの単位は、kg／ｍ^４
である。さらに、供給口のイナータンスをＭsとする。

また、圧力室のコンプライアンスをＣcとし、アクチュエータ（圧電素子）のコンプライアンスをＣpとする。コンプライアンスの単位は、ｍ^３/Ｐaである。また、アクチュエータの減衰をＤ、周波数をＥとする。減衰及び周波数はインク粘度に依存する。

このとき、吐出体積Ｖolと、これらの変数との関係は、次の式で表される。

Ｖol＝｛Ｍs／(Ｍs＋Ｍn)｝・｛Ｃc／(Ｃp＋Ｃc)}・Ｗo・｛１＋exp(−π・Ｄ／Ｅ）｝
ここで、インクが高粘度の場合には、上の式において、ｅｘｐの部分は０に近づき、インクが低粘度の場合には、上の式において、ｅｘｐの部分は１に近づく。

また、図１０に、ｄ定数と吐出体積の関係を示す。このように、吐出体積Ｖolとｄ定数
は比例関係にある。また、図１１に、インク粘度と吐出体積Ｖolとの関係を示す。図１１のグラフＡは、図１０のグラフと同じ条件の下における関係を表し、グラフＢは、グラフＡの条件に対して圧力室のコンプライアンスCｃの条件のみを変更したものである。

ここで、ノズルのイナータンスＭn（kg／ｍ^４）、供給口のイナータンスＭs（kg／ｍ^４）、圧力室のコンプライアンスＣc（ｍ^３/Ｐa）、アクチュエータ（圧電素子）のコンプライアンスCｐ（ｍ^３/Ｐa）の４種類の印字ヘッド５０の要素に関するパラメータを設計することによって、温度変化分の特性を合わせこむことが可能となる。

図１２に、本発明の第２実施形態に係る印字ヘッド（液体吐出ヘッド）の概略構成を断面図で示す。

図１２に示すように、第２実施形態の印字ヘッド１５０は、図６に示す第１実施形態の印字ヘッド５０と同様に、圧力室ユニット１５４は、インクを吐出するノズル１５１と連通する圧力室１５２によって形成され、圧力室１５２には、供給口１５３を介してインクを供給する共通流路（図示省略）が連通するとともに、圧力室１５２の一面は振動板１５６で構成されている。

振動板１５６の圧力室１５２に対応する部分の反対側の面には、圧電体１５８が形成され、その上には圧電体１５８を駆動する駆動電圧を印加するための個別電極１５７が形成されている。また、振動板１５６は、個別電極１５７に対応する共通電極を兼ねている。圧電体１５８は、この共通電極（振動板１５６）個別電極１５７で挟まれて圧電素子を構成し、共通電極（振動板１５６）と個別電極１５７との間に電圧が印加されると変形し、圧力室１５２内のインクに対して吐出圧力を付与する。

本実施形態においては、圧電体１５８と圧電体１５８との間の圧力室１５２の隔壁１５２ａ上の振動板１５６上にフレキシブルヒータ１５９が設けられている。

図１３にフレキシブルヒータ１５９を平面図で示す。図１３に示すように、フレキシブルヒータ１５９は、振動板１５６（図１２参照）と同様に印字ヘッド１５０の全体を覆うように形成され、圧電体１５８の部分に対応する場所には孔１５９ａが設けられており、圧電体１５８を避けるようになっている（図１２参照）。

このように、本実施形態のフレキシブルヒータ１５９は、振動板１５６、圧力室隔壁１５２ａを加熱して印字ヘッド１５０の温度を圧電体１５８の、温度−ｄ定数特性のピーク温度Ｔｍ（図９参照）よりも高温側に制御し、この温度範囲で圧電体１５８を駆動するようにする。

図１４に、本発明の第３実施形態に係る印字ヘッド（液体吐出ヘッド）の概略構成を断面図で示す。

図１４に示すように、第３実施形態の印字ヘッド２５０も、図６に示す第１実施形態の印字ヘッド５０と同様に、圧力室ユニット２５４は、インクを吐出するノズル２５１と連通する圧力室２５２によって形成され、圧力室２５２には、供給口２５３を介してインクを供給する共通流路（図示省略）が連通するとともに、圧力室２５２の上側に振動板２５６が配置され、振動２５６の上には圧電体２５８が形成され、その上に個別電極２５７が形成されている。

本実施形態においては、圧力室２５２の天面、すなわち振動板２５６の圧力室２５２側にセラミックヒータ２５９が設けられている。

セラミックヒータ２５９は、振動板２５６と同様に一枚の板で印字ヘッド２５０全体を覆うように形成されている。セラミックヒータ２５９は、印字ヘッド２５０全体を加熱するとともに、振動板２５６の変形に伴って一緒に変形する。

以上説明したように、印字ヘッドの温調制御方法は様々であるが、いずれも圧電体の温度−ｄ定数特性のピーク温度Ｔｍよりも高温側の温度領域で圧電体を駆動するようにしている。すなわち、この温度範囲においては、インク粘度及び圧電体の温度−ｄ定数特性がともに減少傾向（図９のグラフにおいて、ともに右下がり）にある。従って、温度上昇とともに、インク粘度が低下してインク吐出量が増加し、一方圧電体の駆動特性が低下することにより、これらが相殺し合って、インク吐出量が温度にかかわらず安定するようにしている。

また、前述したように、温度制御する範囲は、圧電体の温度−ｄ定数特性のピーク温度以上かつ、キュリー温度またはインク沸点の低い方以下、の温度範囲とすることが好ましい。

なお、温度制御する範囲としては、必ずしも上の例のように、インク粘度と圧電体の温度−ｄ定数の特性が温度上昇に対してともに減少する傾向（右下がり）にある範囲にのみ限定されるものではない。例えば、使用するインクの種類等によっては、これらがともに増加する傾向（右上がり）にある範囲に制御することも考えられる。

以上、本発明の液体吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係る液体吐出ヘッドを有する画像形成装置としてのインクジェット記録装置の第１実施形態の概略を示す全体構成図である。 図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図である。 印字ヘッドの構造例を示す平面透視図である。 印字ヘッドの他の例を示す平面図である。 図３に示す圧力室ユニットを拡大して示す平面図である。 図５中の６Ａ−６Ｂ線に沿った断面図である。 本実施形態のインクジェット記録装置におけるインク供給系の構成を示した概要図である。 本実施形態のインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図である。 インク粘度と温度の関係及び圧電体の温度とｄ定数との関係を示すグラフである。 圧電体のｄ定数と吐出体積との関係を示すグラフである。 インク粘度と吐出体積との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る印字ヘッドの圧力室ユニットの概略を示す断面図である。 第２実施形態に係るフレキシブルヒータを示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る印字ヘッドの圧力室ユニットの概略を示す断面図である。

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…吸着ベルト搬送部、２４…印字検出部、２６…排紙部、２８…カッター、３０…加熱ドラム、３１、３２…ローラー、３３…ベルト、３４…吸着チャンバー、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４２…後乾燥部、４４…加熱・加圧部、４５…加圧ローラー、４８…カッター、５０…印字ヘッド、５０Ａ…ノズル面、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…インク供給口、５４…圧力室ユニット、５６…振動板（共通電極）、５７…個別電極、５８…圧電体、５９…フレキシブルヒータ、６０…インクタンク、６２…フィルタ、６４…キャップ、６６…ブレード、６７…吸引ポンプ、６８…回収タンク、７０…通信インターフェース、７２…システムコントローラ、７４…画像メモリ、７６…モータドライバ、７８…ヒータドライバ、８０…プリント制御部、８２…画像バッファメモリ、８４…ヘッドドライバ、８６…ホストコンピュータ、８８…モータ、８９…ヒータ、１５２ａ…（圧力室）隔壁、２５９…セラミックヒータ

Claims (6)

1. ノズルと連通する圧力室と、前記圧力室の一面を構成する振動板と、前記振動板を変形させる圧電素子とを備え、前記圧電素子により前記振動板を変形させて前記圧力室内の液体を前記ノズルより吐出する液体吐出ヘッドであって、
   前記液体の温度に対する粘度の増減傾向と、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数の増減傾向が所定の関係にある温度領域において、前記圧電素子を駆動して前記液体を吐出するようにしたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記所定の関係は、前記増減傾向が一致することであることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記所定の関係にある温度領域は、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数が極大値となる温度より高温領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記温度領域は、前記圧電素子の温度に対する圧電ｄ定数が極大値となる温度以上で、かつ、キュリー温度または前記液体の沸点のうち低い温度以下の領域であることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドであって、さらに、前記振動板の材料の温度による剛性変化または前記圧電素子の比誘電率変化のパラメータを含めて、前記液体の温度の変化による吐出特性の変化を補償することを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 前記温度領域に温度を制御する温度制御手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。

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