JP2007223231A - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サテライト滴の発生を防止し得る液体吐出ヘッド及びこれを用いた画像形成装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様による液体吐出ヘッドは、液滴を吐出する吐出口としてのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室に容積変化を生じさせる変位発生手段と、前記圧力室と連通して該圧力室に液を供給する供給流路と、を含んで構成される吐出ユニットの共振周波数ｆ［ｋＨｚ］と液体吐出速度ｖ［ｍ／ｓ］が、ｆ＞３１×ｖ＋８０の関係を満たすことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は液体吐出ヘッド及び画像形成装置に係り、特に圧電素子の駆動により圧力室に容積変化を生じさせて液滴を吐出させる方式のインクジェット式記録ヘッド等に好適な液体吐出ヘッドの構成及びこれを用いる画像形成装置に関する。

圧電素子を利用するインクジェット式記録ヘッドでは、圧力室のヘルムホルツ共振周波数を考慮して圧電素子の駆動を制御することが必要である。例えば、特許文献１では、ノズル開口のイナータンスＭｎと、インク供給口のイナータンスＭｓが０．５＜Ｍｎ／（Ｍｎ＋Ｍｓ）であるインクジェット式記録ヘッドを用いることにより、球形に近いインク滴を発生させる旨を開示している。また、同文献１では、圧力発生室（圧力室）にインクを吸引させるための圧電振動子の収縮時間及びノズル開口からインク滴を吐出させるための圧電素子の伸長時間を１／ｆ（ただし、ｆはヘルムホルツ共振周波数）として、メニスカスの残留振動を可及的に小さくして高速駆動を実現することを提案している。
特開平８−２９０５７１号公報

しかしながら、特許文献１では、イナータンス比とそれに付随してのヘルムホルツ共振周波数にしか注目しておらず、液滴を吐出させる際の吐出速度に関しては記載されていない。一般的に、吐出させる力が大きい場合には、それに付随して吐出液滴（メイン滴）の吐出速度が上昇するとともに、サテライト滴が多数発生する。

このサテライトは画質悪化の要因となるため、多数のサテライト滴の発生は画質の観点から望ましくない。特許文献１では、サテライト滴の発生について考慮されておらず、多数のサテライト滴発生によって画質が悪化する可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、サテライト滴の発生を防止し得る液体吐出ヘッド及びこれを用いた画像形成装置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記載の発明に係る液体吐出ヘッドは、液滴を吐出する吐出口としてのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室に容積変化を生じさせる変位発生手段と、前記圧力室と連通して該圧力室に液を供給する供給流路と、を含んで構成される吐出ユニットの共振周波数ｆ［ｋＨｚ］と液体吐出速度ｖ［ｍ／ｓ］が、ｆ＞３１×ｖ＋８０の関係を満たすことを特徴とする。

本発明に係る液体吐出ヘッドにおける吐出素子の単位（１チャンネル分の吐出ユニット）は、ノズルと、該ノズルに連通する圧力室と、該圧力室に容積変化を生じさせる変位発生手段と、当該圧力室に液を供給する供給流路と、を含んだ系として把握できる。この吐出ユニットでは、供給流路を介して圧力室に液が充填され、変位発生手段を駆動することによって圧力室に容積変化が生じ、その圧力変動によりノズルから液滴が吐出させる。

特に、本発明では、吐出時のサテライト滴の発生を防止するという観点から、吐出ユニットの共振周波数ｆ［ｋＨｚ］と液体吐出速度ｖ［ｍ／ｓ］の関係に着目し、サテライト滴が発生しない条件として、ｆ＞３１×ｖ＋８０の関係を規定する。かかる条件を満たすことサテライト滴の無い（メイン滴のみの）吐出を行うことが可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の液体吐出ヘッドの一態様であり、前記共振周波数ｆは、２５０ｋＨｚ以上であることを特徴とする。

吐出ユニットの具体的な設計態様にもよるが、共振周波数を２５０ｋＨｚ以上とすると、吐出量（メイン滴の体積）が２ｐｌ（ピコリットル）以下で、且つ吐出速度が概ね５．５ｍ／ｓとなるため、インクジェットプリンタにおける高画質の画像形成を実現する上で有益である。

請求項３に係る発明は、前記目的を達成する画像形成装置を提供する。すなわち、請求項３に係る画像形成装置は、請求項１又は２記載の液体吐出ヘッドを有し、前記ノズルから吐出した液滴によって記録媒体上に画像を形成することを特徴とする。

請求項３に係る画像形成装置の一態様としてのインクジェット記録装置は、ドットを形成するためのインク液滴を吐出する吐出口としてのノズルと、該ノズルに連通する圧力室に容積変化を生じさせる圧電アクユエータ（変位発生手段）と、圧力室へのインク供給路（供給流路）を含む液滴吐出素子（吐出ユニット）を高密度に多数配置した液体吐出ヘッド（記録ヘッド）が用いられる。また、入力画像から生成されたインク吐出用データ（ドット画像データ）に基づいて各ノズルに対応する圧電アクチュエータの駆動を制御して各ノズルの吐出タイミングや吐出量を制御する吐出制御手段を備え、ノズルから吐出した液滴によって記録媒体上に画像を形成する。

かかる印字用の液体吐出ヘッドの構成例として、記録媒体の全幅に対応する長さにわたって複数のノズルを配列させたフルライン型のヘッドを用いることができる。フルライン型のヘッドは、通常、記録媒体の相対的な送り方向（相対的搬送方向）と直交する方向に沿って延在するように配置されるが、搬送方向と直交する方向に対して、ある所定の角度を持たせた斜め方向に沿ってヘッドを配置する態様もあり得る。

インクジェット方式の液体吐出ヘッド（印字ヘッド）を用いてカラー画像を形成する場合は、複数色のインクの色別にヘッドを配置してもよいし、１つのヘッドから複数色のインクを吐出可能な構成としてもよい。

「記録媒体」は、液体吐出ヘッドのノズルから吐出される液の付着を受ける媒体であり、画像形成装置においては、記録紙等の媒体がこれに相当する。すなわち、「記録媒体」は、印字媒体、被画像形成媒体、被記録媒体、受像媒体、被吐出媒体など呼ばれ得るものであり、連続用紙、カット紙、シール用紙、ＯＨＰシート等の樹脂シート、フイルム、布、配線パターン等が形成されるプリント基板、中間転写媒体、その他材質や形状を問わず、様々な媒体を含む。

記録媒体と液体吐出ヘッドを相対的に移動させる搬送手段は、停止した（固定された）ヘッドに対して記録媒体を搬送する態様、停止した記録媒体に対してヘッドを移動させる態様、或いは、ヘッドと記録媒体の両方を移動させる態様の何れをも含む。

また、本発明は、上記のフルライン型のヘッドに限らず、シャトルスキャン方式など、記録媒体のページ幅に満たない長さの記録ヘッドを複数回走査させて記録を行う方式についても適用可能である。

本発明によれば、サテライト滴の発生しない吐出が可能となる。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔サテライト滴が発生しない条件の導出〕
本発明の実施形態では、吐出時のサテライト滴の発生を抑制する観点から、液滴の吐出速度をある値以下に抑える必要があることに着目し、サテライト無しの吐出を実現する条件をシミュレーションによって導き出した。

すなわち、吐出ユニットにおけるノズル部分にかかる圧力変動を境界条件とするシミュレーションを行い、サテライトが発生しない条件を求めた。ノズル部分に与える圧力変化は図１に示すような波形とし、数式では以下のようなものになる。

［式１］ Ｐ＝−cos（２πｆｔ）×step〔（2．5/f）−t〕
この圧力変動を図２に示すようなＣＦＤ（数値流体力学）のモデルのノズル部分、つまり図２における矢印（→）部分に代入して、シミュレーションの結果をコンピュータの画面（ディスプレイ）上で観察した。なお、ここでの圧力変化の周波数とは、図１のグラフでの圧力変動の周波数を表す。

〔シミュレーション結果の評価方法〕
シミュレーションの結果を観察し、ノズルの先端（開口部）から空気部分に吐出された液滴の個数を計測することで、サテライト滴の有無を把握する。図２の例では、ノズル１０から空気部分に向かってメイン滴１２とサテライト滴１４とが吐出された様子が示されている。液滴の体積に関しては、シミュレーションを実施した際にノズル部分から空気部分に出た質量を計算し、その質量を液体の密度（１０００kg/ｍ^３）で割った値として算出した。

サテライト滴の数は、「（シミュレーション結果で観察された液滴数）−１」で算出した。すなわち、観察された総液滴数からメイン滴（１滴）を減算した数をサテライト滴数とした。

図３は、サテライト滴が発生しない吐出速度と共振周波数の関係を示すグラフである。すなわち、図３は、上記シミュレーションの結果を示す画面上でサテライト滴が発生しているか否かを判断し、サテライト滴が発生せずにメイン滴のみが吐出する最小の吐出速度（サテライト滴が発生しない限界値）の条件をグラフ化したものである。

図３の横軸は吐出速度（単位：メートル／秒）を表し、縦軸は共振周波数（単位：ｋＨｚ）を表す。なお、ここでいう共振周波数とは、液体と、アクチュエータと、圧力室の剛性とを含んだ、吐出ユニット（記録素子単位）の共振周波数を意味している。共振周波数は、ヘッド設計で決まり、特許文献１にも記載されているとおり、圧力室のインクの圧縮性に起因するコンプライアンスをＣi、また圧力室を形成している部材（振動板、流路形成板、ノズルプレート等）の材料自体による剛性コンプライアンスをＣv、ノズル開口のイナータンスをＭn、インク供給口のイナータンスをＭｓとすると、圧力室のヘルムホルツ周波数ｆは、
［式２］ ｆ＝１／２π×√｛（Ｍn＋Ｍｓ）／（Ｃｉ＋Ｃv）（Ｍn×Ｍｓ）｝
により表すことができる。

また、コンプライアンスＣiは、圧力室の体積をＶ、インクの密度をρ、インク中での音速をｃとすると、Ｃi＝Ｖ／ρｃにより表すことができ、圧力室の剛性コンプライアンスＣvは、圧力室に単位圧力を印加したときの圧力室の静的な変形率に一致する。

図３のグラフ中に◆印で明示した３点の条件は、図４の表に示すとおりである。すなわち、共振周波数２００ｋＨｚのときにサテライトが発生しない吐出速度の限界（下限値）は、３．８ｍ／ｓであり、この値よりも吐出速度が大きくなるとサテライトが発生してしまう。

また、共振周波数２５０ｋＨｚのときにサテライトが発生しない吐出速度の限界（下限値）は、５．５ｍ／ｓであり、共振周波数３００ｋＨｚのときにサテライトが発生しない吐出速度の限界（下限値）は、７ｍ／ｓである。

これら３点から求まる直線ｇの近似式は、
［式３］ ｙ＝３１．２０９ｘ＋８０．４２９
と表すことができる。

なお、この近似結果の評価を示す決定係数Ｒ^２は、Ｒ^２＝０．９９８７であり、良好な近似結果と言える。

［式３］における係数値「３１．２０９」、「８０．４２９」の小数点以下の端数を四捨五入で処理すると、［式３］は、
［式４］ ｙ＝３１ｘ＋８０
と表される。端数処理により近似精度は低下するものの、この［式４］を直線ｇの式として取り扱っても実質的な問題はない。

図３のグラフによれば、近似直線ｇよりも上側の領域は、サテライトが発生しない条件であり、近似直線ｇよりも下側の領域はサテライトが発生する条件である。すなわち、近似直線ｇよりも上側の領域に属する吐出条件で吐出させることにより、サテライトの発生を防止できる。

つまり、サテライトの発生しない条件は、共振周期をｆ［ｋＨｚ］、吐出速度をｖ［ｍ／ｓ］としたときに、
［式５］ｆ＞３１×ｖ＋８０
の関係を満たすことである。

特に、共振周波数を２５０ｋＨｚ以上とすると、吐出速度が５．５ｍ／ｓ、かつ吐出量が２ｐｌ（ピコリットル）以下となり得るため、インクジェットプリンタにおける高画質の画像形成を実現することができる。

このような条件を満たす吐出ユニットの設計例を図５及び図６の表に示す。図５は、液体吐出ヘッドの１つのノズルに対応した吐出ユニット２０（１チャンネル分の液滴吐出素子）の構造例を模式化した斜視図である。符号２２は圧力室、２４はノズル、２６は供給口（「供給流路」に相当）、２８はアクチュエータ（「変位発生手段」に相当）である。図５に示す吐出ユニット２０が１次元又は２次元に複数配列されることで多ノズルの液体吐出ヘッドが形成される。なお、供給口２６は不図示の共通流路（共通液室）に接続される。

図５に示した吐出ユニット２０における圧力室２２の長さをＬc、幅をＷc、高さをＨc、ノズル２４の直径をφＮz、長さをＬnz、供給口の長さをＬs、幅をＷs、高さをＨsとするとき、それぞれの寸法例とアクチュエータ２８の条件例を図６の表に示した。

図５及び図６に示した吐出ユニット２０は、［式５］の条件を満たす一例にすぎず、吐出ユニットの形態としては、図５に例示した構造の他にも多様な形態が可能である。すなわち、圧力室の形状、大きさ、圧力室に対するノズルの形成位置、圧力室に対する供給口の形成位置、ノズルの流路形状、供給口の流路形状、アクチュエータの形状、圧力室に対するアクチュエータの配置位置など、上記規定の条件を満たす範囲で多様な設計が可能である。

〔インクジェット記録装置への適用例〕
次に、上記［式５］の条件を満たすように構成された吐出ユニットを備えた液体吐出ヘッド１０を用いた画像形成装置の例について説明する。

図７は、本発明に係る画像形成装置の一実施形態を示すインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示すように、このインクジェット記録装置１１０は、黒（Ｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）の各インクに対応して設けられた複数のインクジェットヘッド（以下、「ヘッド」という。）１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを有する印字部１１２と、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録媒体たる記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、前記印字部１１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送するベルト搬送部１２２と、印字部１１２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、記録済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とを備えている。

印字部１１２の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙとして、上記［式４］の条件を満たすように構成された吐出ユニットを備えた液体吐出ヘッドが用いられる。

図７に示したインク貯蔵／装填部１１４は、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するインクタンクを有し、各タンクは所要の管路を介してヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１１４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）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。

図７では、給紙部１１８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。

複数種類の記録媒体（メディア）を利用可能な構成にした場合、メディアの種類情報を記録したバーコード或いは無線タグなど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、使用される記録媒体の種類（メディア種）を自動的に判別し、メディア種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１１８から送り出される記録紙１１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、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１２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム１３０で記録紙１１６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。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図７のように、裁断用のカッター（第１のカッター）１２８が設けられており、該カッター１２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。なお、カット紙を使用する場合には、カッター１２８は不要である。

デカール処理後、カットされた記録紙１１６は、ベルト搬送部１２２へと送られる。ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１１２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）を成すように構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の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穴（不図示）が形成されている。図７に示したとおり、ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１１２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによって記録紙１１６がベルト１３３上に吸着保持される。なお、吸引吸着方式に代えて、静電吸着方式を採用してもよい。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方に不図示のモータの動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図７上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図７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１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３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１３６が設けられている。ベルト清掃部１３６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、或いはこれらの組合せなどがある。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線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、ベルト搬送部１２２に代えて、ローラ・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・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラ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を接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１１２の上流側には、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６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１１２の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、当該インクジェット記録装置１１０が対象とする記録紙１１６の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの記録媒体の少なくとも一辺を超える長さ（描画可能範囲の全幅）にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている（図８参照）。

ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の色順に配置され、それぞれのヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙが記録紙１１６の搬送方向と略直交する方向に沿って延在するように固定設置される。

ベルト搬送部１２２により記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙからそれぞれ異色のインクを吐出することにより記録紙１１６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ノズル列を有するフルライン型のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを色別に設ける構成によれば、紙送り方向（副走査方向）について記録紙１１６と印字部１１２を相対的に移動させる動作を１回行うだけで（すなわち１回の副走査で）、記録紙１１６の全面に画像を記録することができる。これにより、記録ヘッドが紙搬送方向と直交する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。

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合せについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インク、特別色インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出するインクジェットヘッドを追加する構成も可能である。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。

図７に示した印字検出部１２４は、印字部１１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ又はエリアセンサ）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、ノズルの目詰まりや着弾位置ずれなどの吐出不良をチェックする手段として機能する。各色のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙにより印字されたテストパターン又は実技画像が印字検出部１２４により読み取られ、各ヘッドの吐出判定が行われる。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などで構成される。

印字検出部１２４の後段には後乾燥部１４２が設けられている。後乾燥部１４２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、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

多孔質のペーパーに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパー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１４２の後段には、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４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１４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして生成されたプリント物は排紙部１２６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１１０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１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える不図示の選別手段が設けられている。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）１４８によってテスト印字の部分を切り離す。また、図７には示さないが、本画像の排出部１２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられる。

〔ヘッドの構造〕
次に、ヘッドの構造について説明する。色別の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号１５０によってヘッドを示すものとする。

図９（ａ）はヘッド１５０の構造例を示す平面透視図であり、図９（ｂ）はその要部拡大図である。また、図９（ｃ）はヘッド１５０の他の構造例を示す平面透視図、図１０は１つのノズル１５１に対応した吐出ユニット１５３（記録素子単位となる液滴吐出素子）の立体的構成を示す断面図（図９（ａ）中の１０Ａ−１０Ａ線に沿う断面図）である。

これらの図面に示したように、本例のヘッド１５０は、インク吐出口としてのノズル１５１と、ノズル１５１に連通する圧力室１５２と、圧力室１５２にインクを供給するための供給口１５４と、圧力室１５２の容積を変化させる変位発生手段としてのアクチュエータ（図８中不図示、図１０において符号１５８として記載）とを含んで構成される複数の吐出ユニット１５３をマトリクス状に２次元配列させた構造を有している。

これにより、記録紙１１６の送り方向と略直交する方向に記録紙１１６の全幅に対応する長さにわたるノズル列が構成され、ヘッド長手方向（紙送り方向と直交する方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。

なお、フルライン型のヘッドを構成する形態は、図９（ａ）のように１ヘッドで記録媒体の送り方向と略直交する方向に記録媒体の全幅に対応する長さにわたるノズル列を構成する形態に限定されない。例えば、図９（ａ）の構成に代えて、図９（ｃ）に示すように、複数のノズル１５１が２次元に配列された短尺のヘッドモジュール１５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。

各ノズル１５１に対応して設けられている圧力室１５２は、その平面形状が概略正方形となっており、頂点付近の隅部の１箇所にノズル１５１が設けられる。なお、インクの供給口は、圧力室１５２の他の頂点付近の隅部、好ましくは、ノズル１５１との対角線上の隅部に設けられる。

圧力室１５２の形状は、本例に限定されず、平面形状が四角形（菱形、長方形など）、五角形、六角形その他の多角形、円形、楕円形など、多様な形態があり得る。

図１０に示したように、各圧力室１５２は供給口１５４を介して共通流路１５５と連通されている。共通流路１５５はインク供給源たるインクタンク（不図示）と連通しており、インクタンクから供給されるインクは共通流路１５５を介して各圧力室１５２に分配供給される。

圧力室１５２の一部の面（図１０において天面）を構成している加圧板（共通電極と兼用される振動板）１５６には個別電極１５７を備えたアクチュエータ１５８が接合されている。個別電極１５７と共通電極間に駆動電圧を印加することによってアクチュエータ１５８が変形して圧力室１５２の容積が変化し、これに伴う圧力変化によりノズル１５１からインクが吐出される。なお、アクチュエータ１５８には、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどの圧電体を用いた圧電素子が好適に用いられる。インク吐出後、アクチュエータ１５８の変位が元に戻る際に、共通流路１５５から供給口１５４を通って新しいインクが圧力室１５２に充填される。

入力画像から生成さるドット配置データに応じて各ノズル１５１に対応したアクチュエータ１５８の駆動を制御することにより、ノズル１５１からインク滴を吐出させることができる。

上述した構造を有する吐出ユニット１５３を図１１に示す如く主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンでマトリクス状に（斜めの格子状に）に多数配列させることにより、本例の高密度ノズルヘッドが実現されている。

すなわち、主走査方向に対してある角度θの方向に沿って吐出ユニット１５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ× cosθとなり、主走査方向については、各ノズル１５１が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。

なお、印字可能幅の全幅に対応した長さの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には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（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等が行われ、用紙の幅方向（用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）を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。

特に、図１１に示すようなマトリクス状に配置されたノズル１５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。すなわち、ノズル１５１-11 、１５１-12 、１５１-13 、１５１-14 、１５１-15 、１５１-16 を１つのブロックとし（他にはノズル１５１-21 、…、１５１-26 を１つのブロック、ノズル１５１-31 、…、１５１-36 を１つのブロック、…として）、記録紙１１６の搬送速度に応じてノズル１５１-11 、１５１-12 、…、１５１-16 を順次駆動することで記録紙１１６の幅方向に１ラインを印字する。

一方、上述したフルラインヘッドと用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、上述の主走査によって記録される１ライン（或いは帯状領域の長手方向）の示す方向を主走査方向といい、上述の副走査を行う方向を副走査方向という。すなわち、本実施形態では、記録紙１１６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。

図７で説明したように、記録媒体たる記録紙１１６を一定の速度で副走査方向に搬送しながら、その搬送速度に合わせて各ノズル１５１のインク吐出タイミングを制御することによって、記録紙１１６上に所望の画像を記録することができる。

本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されない。また、本例では、行方向に沿ってノズル１５１が並ぶノズル列を列方向に６列並べた構成を示すが、本発明の実施に際して、ノズル列の数（行数）ｎは特に限定されない。

図１２はインクジェット記録装置１１０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１１０は、通信インターフェース１７０、システムコントローラ１７２、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８、プリント制御部１８０、画像バッファメモリ１８２、ヘッドドライバ１８４等を備えている。

通信インターフェース１７０は、ホストコンピュータ１８６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１７０にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、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（不図示）を搭載してもよい。ホストコンピュータ１８６から送出された画像データは通信インターフェース１７０を介してインクジェット記録装置１１０に取り込まれ、一旦画像メモリ１７４に記憶される。

画像メモリ１７４は、通信インターフェース１７０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１７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ１７４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磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ１７２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、所定のプログラムに従ってインクジェット記録装置１１０の全体を制御する制御装置として機能するとともに、各種演算を行う演算装置として機能する。即ち、システムコントローラ１７２は、通信インターフェース１７０、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８等の各部を制御し、ホストコンピュータ１８６との間の通信制御、画像メモリ１７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１８８やヒータ１８９を制御する制御信号を生成する。

ＲＯＭ１７５には、システムコントローラ１７２のＣＰＵが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。ＲＯＭ１７５は、書換不能な記憶手段であってもよいし、ＥＥＰＲＯＭのような書換可能な記憶手段であってもよい。画像メモリ１７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。

モータドライバ１７６は、システムコントローラ１７２からの指示にしたがってモータ１８８を駆動するドライバである。ヒータドライバ１７８は、システムコントローラ１７２からの指示にしたがって後乾燥部１４２等のヒータ１８９を駆動するドライバである。

プリント制御部１８０は、システムコントローラ１７２の制御に従い、画像メモリ１７４内の画像データ（多値の入力画像のデータ) から打滴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備えた吐出データ生成部１８０Ａを有し、生成した吐出データ（ドットデータ）をヘッドドライバ１８４に供給する吐出駆動制御手段として機能する。

プリント制御部１８０には画像バッファメモリ１８２が備えられており、プリント制御部１８０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１８２に一時的に格納される。なお、図１２において画像バッファメモリ１８２はプリント制御部１８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ１７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１８０とシステムコントローラ１７２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。

画像入力から印字出力までの処理の流れを概説すると、印刷すべき画像のデータは、通信インターフェース１７０を介して外部から入力され、画像メモリ１７４に蓄えられる。この段階では、例えば、ＲＧＢの多値の画像データが画像メモリ１７４に記憶される。

インクジェット記録装置１１０では、インク（色材) による微細なドットの打滴密度やドットサイズを変えることによって、人の目に疑似的な連続階調の画像を形成するため、入力されたデジタル画像の階調（画像の濃淡）をできるだけ忠実に再現するようなドットパターンに変換する必要がある。そのため、画像メモリ１７４に蓄えられた元画像（ＲＧＢ）のデータは、システムコントローラ１７２を介してプリント制御部１８０に送られ、該プリント制御部１８０の吐出データ生成部１８０Ａにおいてディザ法や誤差拡散法などを用いたハーフトーン化処理によってインク色ごとのドットデータに変換される。

すなわち、プリント制御部１８０は、入力されたＲＧＢ画像データをＫ，Ｃ，Ｍ，Ｙの４色のドットデータに変換する処理を行う。こうして、プリント制御部１８０で生成されたドットデータは、画像バッファメモリ１８２に蓄えられる。この色別ドットデータは、ヘッド１５０のノズルからインクを吐出するためのＣＭＹＫ打滴データに変換され、印字されるインク吐出データが確定する。

また、プリント制御部１８０は、ヘッド１５０のアクチュエータ（図１０の符号１５８）を駆動するための駆動信号波形を生成する駆動波形生成部１８０Ｂを備えており、駆動波形生成部１８０Ｂにて生成された信号（駆動波形）は、ヘッドドライバ１８４に供給される。なお、駆動波形生成部１８０Ｂから出力される信号は、デジタル波形データであってもよいし、アナログ電圧信号であってもよい。

ヘッドドライバ１８４は、プリント制御部１８０から与えられる吐出データ（すなわち、画像バッファメモリ１８２に記憶されたドットデータ、或いは、ＣＭＹＫ打滴データ、若しくは印字されるインク吐出データ）及び駆動波形の信号に基づき、印字内容に応じてヘッド１５０の各ノズル１５１に対応するアクチュエータ１５８を駆動するための駆動信号を出力する。ヘッドドライバ１８４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。

こうして、ヘッドドライバ１８４から出力された駆動信号がヘッド１５０に加えられることによって、該当するノズル１５１からインクが吐出される。記録紙１１６の搬送速度に同期してヘッド１５０からのインク吐出を制御することにより、記録紙１１６上に画像が形成される。

上記のように、プリント制御部１８０における所要の信号処理を経て生成されたドットデータ及び駆動信号波形に基づき、ヘッドドライバ１８４を介して各ノズルから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。

印字検出部１２４は、図７で説明したように、イメージセンサを含むブロックであり、記録紙１１６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、光学濃度など）を検出し、その検出結果をプリント制御部１８０に提供する。なお、この印字検出部１２４に代えて、又はこれと組み合わせて他の吐出検出手段（吐出異常検出手段に相当）を設けてもよい。

他の吐出検出手段としては、例えば、ヘッド１５０の各圧力室１５２内又はその近傍に圧力センサを設け、インク吐出時或いは圧力測定用のアクチュエータ駆動時などに、この圧力センサから得られる検出信号から吐出異常を検出する態様（内部検出方法）、或いは、レーザ発光素子などの光源と受光素子から成る光学検出系を用い、ノズルから吐出された液滴にレーザ光等の光を照射し、その透過光量（受光量）によって飛翔液滴を検出する態様（外部検出方法）などがあり得る。

プリント制御部１８０は、必要に応じて印字検出部１２４或いは図示しない他の吐出検出手段から得られる情報に基づいてヘッド１５０に対する各種補正を行うとともに、必要に応じて予備吐出や吸引、ワイピング等のクリーニング動作（ノズル回復動作）を実施する制御を行う。

上記の実施形態では、フルライン型のヘッドを用いたインクジェット記録装置を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、シャトルスキャン方式のように、記録媒体（記録紙１１６その他の印字媒体）の幅寸法に満たない長さのヘッドを用いて、複数回走査して画像形成する場合にも本発明は適用可能である。

〔他の実施形態〕
図１３は、本発明に係る画像形成装置の他の実施形態を示すインクジェット記録装置の全体構成図である。図１３中、図７に示した構成の要素と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１３に示したインクジェット記録装置２１０は、各色のヘッド１１２Ｃ、１１２Ｍ、１１２Ｙ、１１２Ｋから中間転写ドラム２３２に向けてインクを吐出することによって中間転写ドラム２３２の表面上に画像（転写画像）を形成し、この中間転写ドラム２３２から記録紙１１６にインクを転写することで、記録紙１１６上に画像を記録するものである。

本例のインクジェット記録装置２１０では、紫外線の照射によって硬化する作用を有する紫外線硬化型インク（ＵＶインク）が用いられる。紫外線硬化型インクは、硬化開始剤と、重合性化合物と色材（染料または顔料）を含んだ液体である。なお、本発明の実施に際して、使用可能なインクは本例の紫外線硬化型インクに限定されない。

図１３中、符号２３４は加圧ローラ（転写ローラ）、２３６はクリーナ、２４２は半硬化用光源、２４４は本硬化用光源である。

中間転写ドラム２３２は、記録紙１１６の最大幅（搬送方向と直交する方向の幅）を超える長さの円筒形状を有する中間転写体であり、その回転軸が記録紙１１６の搬送方向と直交する方向に一致するように配置される。図１３に示したように、中間転写ドラム２３２の周囲には、該ドラムの回転方向（図１３において反時計回り方向）に沿って、上流側からシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、黒（Ｋ）の順に、各色インクに対応したヘッド１１２Ｃ、１１２Ｍ、１１２Ｙ、１１２Ｋが配置されている。

各ヘッド１１２Ｃ、１１２Ｍ、１１２Ｙ、１１２Ｋは、記録紙１１６の最大幅（搬送方向と直交する方向の幅）に対応する長さのノズル列を有するフルライン型のヘッドであり、記録紙１１６の幅方向、すなわち中間転写ドラム２３２の回転軸方向（図１３の紙面垂直方向）にノズル配列の方向が一致するように配置される。

また、中間転写ドラム２３２の回転方向下流側に、半硬化用光源２４２が配置されている。半硬化用光源２４２は、中間転写ドラム２３２の表面状に付着されたインクが完全に硬化せず、高粘度の液状となり中間転写ドラム２３２の表面上で液の移動が発生しない程度の半硬化状態となるようにインクを高粘度化（中間転写ドラム２３２上に仮固定）させるための光エネルギー（ここでは紫外線）を付与する手段（半硬化手段）である。

加圧ローラ２３４は、中間転写ドラム２３２と対向する位置に配置されており、この加圧ローラ２３４と中間転写ドラム２３２によって記録紙１１６を挟み、中間転写ドラム２３２を記録紙１１６の搬送速度と一致する周速で図１３の反時計回り方向に回転させながら、記録紙１１６を所定の圧力で中間転写ドラム２３２に押圧接触させることにより、中間転写ドラム２３２から記録紙１１６にインクが転写される。

こうして、記録紙１１６に画像が記録されると、当該記録紙１１６は、さらに下流へと搬送される。中間転写ドラム２３２の後段には、記録紙１１６上に転写記録された画像を定着させる本硬化を行うための本硬化用光源２４４（本硬化手段）が配置されている。この本硬化用光源２４４から記録紙１１６上に紫外線を照射することにより、記録紙１１６上のインクを後段のハンドリングにおいて画質劣化を起こさない程度に硬化定着させる。

なお、ここでいう「ハンドリング」とは、[1] 本硬化用光源の下流側搬送工程におけるローラや搬送ガイド等と画像面との擦れ、[2] プリント集積部におけるプリント同士の擦れ、[3] 仕上がったプリントを実際に取り扱うときに種々の物体による擦れ、などを意味し、「本硬化」とは、上記ハンドリングを行っても画像劣化しない程度に硬化液滴が硬化しているレベルを意味する。したがって、「本硬化」とは必ずしも硬化反応が完全に完了していることを要求するものではない。

上述のように、中間転写ドラム２３２から記録紙１１６に画像が転写されると中間転写ドラム２３２の画像形成領域はクリーナ２３６によって清掃される。クリーナ２３６は、中間転写ドラム２３２の表面の汚れ（転写後に残留するインクや異物等）を除去する清掃手段である。クリーナ２３６は、中間転写ドラム２３２の表面に接触しながら残インクを拭き取るブレードや、洗浄水を含んだ吸水性のある吸引ローラ、ドラム表面上の液滴やゴミ等の異物を吸引除去する吸引除去ローラ、あるいはこれらの適宜の組合せ等によって構成される。

図１３のように、中間転写ドラム２３２を用いて、転写により記録紙に画像を記録する方式は、ヘッド１１２Ｃ、１１２Ｍ、１１２Ｙ、１１２Ｋのノズル面と中間転写ドラム２３２との距離（スローディスタンス）が安定しており、記録紙１１６に対して直接インクを吐出して、記録紙１１６上に画像を記録する方式（例えば、図１０の例）に比べて、記録紙１１６の搬送時のバタツキ（上下変動）などを考慮する必要もなく、スローディスタンスを短く設計することができる。

また、［式５］の条件を満たす本発明の実施形態に係るヘッドは、吐出速度が遅いことから、ノズル部から伸びる液柱は短くなる傾向にある。すなわち、吐出時にノズル開口から押し出された液柱からメイン滴が分離するまでの距離が短く、スローディスタンスの短縮に一層好都合である。

したがって、中間転写方式の利用と相まって、スローディスタンスの短い装置構成を実現でき、これにより、着弾精度を確保することができるという利点がある。

なお、図１３では、中間転写媒体の一例として円筒（円柱）型のドラム状部材（中間転写ローラ２３２）を用いたが、中間転写媒体の形態はこれに限定されず、ドラム状部材に代えて、無端状のベルト状部材を用いる態様も可能である。

また、本発明の適用範囲は上述のインクジェット記録装置１１０，２１０の例に限定されない。例えば、印画紙に非接触で現像液等を塗布する液体吐出ヘッドを備えた写真画像形成装置についても本発明の液体吐出ヘッドを適用できる。更に、本発明の適用範囲は画像形成装置に限定されず、液体吐出ヘッドを用いて各種の液体を被吐出媒体に向けて噴射する装置（塗装装置、塗布装置、配線描画装置など）について本発明を適用することができる。

ＣＦＤ（数値流体力学）のモデルのノズル部分に与えられる圧力変動の波形例を示す波形図 サテライト滴が発生している様子を示すシミュレーション結果の例を示す図 サテライト滴が発生しない吐出速度と共振周波数の関係を示すグラフ 図３中に示した測定点の条件を示す図表 吐出ユニットの構成例を示す模式図 図５に示す吐出ユニットの設計条件の一例を示す図表 本発明に係る画像形成装置の一実施形態を示すインクジェット記録装置の全体構成図 図１３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 ヘッドの構造例を示す平面透視図 図９（ａ）の要部拡大図 フルライン型ヘッドの他の構造例を示す平面透視図 図９（ａ）中の１０Ａ−１０Ａ線に沿う断面図 図９（ａ）に示したヘッドのノズル配列を示す拡大図 本実施形態に係る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 本発明に係る画像形成装置の他の実施形態を示すインクジェット記録装置の全体構成図

符号の説明

１０…ノズル、１２…メイン滴、１４…サテライト滴、２０…吐出ユニット、２２…圧力室、２４…ノズル、２６…供給口、２８…アクチュエータ、１１０…インクジェット記録装置、１１２…印字部、１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙ…ヘッド、１１４…インク貯蔵／装填部、１１６…記録紙、１２２…ベルト搬送部、１２４…印字検出部、１５０…ヘッド、１５１…ノズル、１５２…圧力室、１５３…吐出ユニット、１５４…供給口、１５８…アクチュエータ、１７２…システムコントローラ、２１０…インクジェット記録装置、２３２…中間転写ドラム、２３４…加圧ローラ、２３６…クリーナ、２４２…半硬化用光源、２４４…本硬化用光源

Claims (3)

1. 液滴を吐出する吐出口としてのノズルと、
   前記ノズルに連通する圧力室と、
   前記圧力室に容積変化を生じさせる変位発生手段と、
   前記圧力室と連通して該圧力室に液を供給する供給流路と、を含んで構成される吐出ユニットの共振周波数ｆ［ｋＨｚ］と液体吐出速度ｖ［ｍ／ｓ］が、
   ｆ＞３１×ｖ＋８０
   の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記共振周波数ｆは、２５０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２記載の液体吐出ヘッドを有し、前記ノズルから吐出した液滴によって記録媒体上に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

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