JP2009096025A - 液体噴射装置の回復方法及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴を吐出するノズルに付着する異物及び気泡を除去する回復動作を効率的に行う。
【解決手段】ヘッド１の回復動作を行うための変圧手段５を備えた液体圧送ライン６に、ヘッド１の圧力室への液体供給圧を検知する圧力検知手段１１を接続し、圧力検知手段１１の検知結果を波形生成手段２１に導入する。変圧手段５により、吐出性能回復のための脈動を圧力室に与えると同時に、圧力検知手段１１によってリアルタイムで検知される液体供給圧に応じた共振周波数に基づく駆動電気波形を生成し、ヘッド１を駆動する。これにより、細かい異物や気泡まで効果的に除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力室に圧力を発生させて液滴を吐出させる液体噴射装置において、吐出口からの液滴吐出を良好に保つための液体噴射装置の回復方法及び液体噴射装置に関するものである。

従来、インクジェット装置などの液体噴射装置においては、一般に複数の微細な吐出口及びそれらに連通する液路（以下、これらを含めてノズルと称す）などを形成したインクジェットヘッド（ヘッド）が用いられる。このヘッドは、長期間液体を吐出することによってノズル内に吐出口から気泡や塵埃が混入したり、液体に含有される溶剤の蒸発に起因して液体が増粘したりあるいは、溶剤が蒸発しきってしまいノズル壁面に液体中の固形成分が固着したりすることがある。このように液体が増粘したり、固形成分が固着したりすると、ヘッドの吐出性能は大幅に低下する。たとえば、吐出された液滴の着弾誤差が生じたり、液滴の不吐出などが生じたりする。こうしたヘッドの吐出性能低下を回避するため、従来は、ノズル内に生じた増粘あるいは固化した液体中の固形成分を排出し、ノズル内をリフレッシュする処理が行われている。この処理は回復処理と呼ばれている。

回復処理を行う手段としては、ポンプなどの外部動力によりノズル内の液体を強制的に排出する手段や、ヘッドの圧力室を、回復処理用に設定された駆動電気波形により駆動させることでノズル内の液体を吐出し、排出する手段が広く知られている。

また、特許文献１には、上記ポンプなどの外部動力の稼動と、回復処理用の圧力室の駆動とを同時に行うことで、より効率的に回復処理を行う方法が開示されている。

特開昭６３−０９４８４８号公報

近年、インクジェットヘッドの吐出性能はさらに高精度のものが求められ、特に電子デバイスへのパターニングに用いられる際には数μｍオーダーの着弾性能が求められる。したがって、前記着弾性能を保持するためには、従来では許容されていた微小な異物及び気泡であっても除去する必要がある。

特許文献１においては、ポンプを用いてヘッド内の液体を強制排出するとともに、ヘッドに高周波域から低周波域までの駆動電圧を印加し、圧力室を駆動させるとしているが、ヘッド自体は、ポンプによって印加される圧力によって、その共振周波数は変化する。ポンプによって高い圧力が印加されているときにはヘッド自体の共振周波数は高く、またポンプによって低い圧力が印加されているときにはヘッド自身の共振周波数は低い。したがって圧力室を含むヘッド自身の共振周波数から外れた駆動電圧を印加しても十分な振動変位が得られない。このように、圧力室への液体供給圧を考慮せずに駆動電圧を加えても、液体排出及び異物・気泡の排出にほとんど寄与しないおそれがあった。

本発明は、ノズルへ付着する異物及び気泡を、非常に微小なものにいたるまで効率的かつ効果的に除去することができる液体噴射装置の回復方法及び液体噴射装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の液体噴射装置の回復方法は、圧力室に圧力を発生させて液滴を吐出させる液体噴射装置の回復方法において、吐出性能を回復するために、変圧手段により前記圧力室への液体供給圧を変化させる工程と、前記圧力室への液体供給圧を圧力検知手段により検知する工程と、検知された液体供給圧における前記圧力室の共振周波数に応じて生成される駆動電気波形により、前記圧力室を駆動する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の液体噴射装置は、圧力室に圧力を発生させて液滴を吐出させる液体噴射装置において、前記圧力室への液体供給圧を変化させる変圧手段と、前記圧力室への液体供給圧を検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段の検知結果に基づいて前記圧力室の駆動電気波形を生成する波形生成手段と、吐出性能を回復するために、前記変圧手段を稼動すると同時に、前記圧力検知手段の検知結果に基づいて前記波形生成手段により生成される駆動電気波形により、前記圧力室を駆動するための制御部と、を有することを特徴とする。

変圧手段の駆動により相対的に大きな異物及び気泡を排出すると同時に、圧力室を最適な駆動電気波形により駆動することで、相対的に小さな異物及び気泡を排出する。

このように、大きな異物及び気泡の除去と、小さな異物及び気泡の除去を同時にかつ効果的に行うことにより、回復処理時間の短縮によるスループットの向上、液体使用量の低減及び液体噴射装置の長寿命化によるコスト削減が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１において、ヘッド１は液体供給ライン２及び液体帰還ライン３を介して液タンク４と連通されている。液体供給ライン２には、吐出性能を回復するためにヘッド１に対する液体供給圧を変化させるための、チューブポンプなどの変圧手段５が設置された液体圧送ライン６が接続されており、バルブ７及びバルブ８により切り替え可能とされている。液体供給ライン２と液体圧送ライン６とに接続される共通ライン（供給ライン）９にはフィルタ１０が設置され、フィルタ１０の下流側に圧力検知手段１１が配置されている。

図２（ａ）にヘッド１の構成を示す。共通ライン９を通り、ヘッド１に供給される液体は、ヘッド１内部の液体貯留室１２を介して電圧の印加により変形可能な圧力発生部１３を有する圧力室１４に供給される。圧力室１４はノズルプレート１８に設けられたノズル１９へ連通されている。圧力検知手段１１の設置場所については圧力室１４内が最も好ましいが、設置が困難な場合においては、圧力検知手段１１と圧力室１４との間の圧力損失が少ない場所を選ぶとよい。

圧力検知手段１１は、共通ライン９における液体の圧力、流量又は流速を計測する手段を用いる。流量や流速を検知する手段を用いる場合は、検知する対象から圧力室内へ供給される液体の圧力（液体供給圧）を算出する手段が必要である。

なお、本実施形態において変圧手段５は図１に示すように設置されているが、液体供給ライン２上に設置されてもよいし、液タンク４の容積を変化させて圧力を発生させる形態であってもよい。また、変圧手段５には、液体の流速に加速度を与えて異物及び気泡に動力を伝えるために、圧力を多段階設定し、周期的に変化させ得るものを用いるのが好ましい。液体供給圧は連続的に変化させても断続的に変化させてもよい。

液体貯留室１２は液体帰還ライン３にも連通されており、図１に示すように、液体帰還ライン３には開閉可能なバルブ１５が設置されている。

変圧手段５の稼動は制御部２０により制御され、バルブ７、８及びバルブ１５の開閉制御についても制御部２０にて行われる。さらに制御部２０には、ファンクションジェネレータなどの波形生成手段２１が備わっており、圧力検知手段１１からの出力（検知結果）に基づいて駆動電気波形を生成し、圧力室１４内の圧力発生部１３へ印加する。液体の吐出は、前記駆動電気波形を受けた圧力発生部１３の変形に伴う圧力室１４の容積の変化により実現される。

図２（ｂ）はパターニング、待機、回復の各モード時の変圧手段５のＯＮ−ＯＦＦ、及びバルブ７、８、１５の開−閉状態を示している。回復モード時には、変圧手段５の稼動により、液体は液タンク４から液体圧送ライン６を通ってヘッド１へ圧送され、液体貯留室１２、圧力室１４を介してノズル１９より排出される。同時に、圧力検知手段１１は検知した結果を波形生成手段２１へ出力し、圧力室１４の駆動も行われる。ここで波形生成手段２１は、前記圧力の検知結果をうけて駆動電気波形を決定（生成）し、圧力室１４を駆動させる。以下に圧力検知結果に基づく駆動電気波形の決定方法について説明する。

効率的に液体を吐出するためには圧力室１４を駆動する駆動電気波形を、圧力室１４の共振周波数ｆｒに対し、パルス幅Ｗを１／２ｆｒに略等しく、またパルス周期Ｔを１／２ｎｆｒ（ｎは正の整数）に略等しく設定する必要がある。ここで変圧手段５により圧力室１４へ液を圧送するに際には、圧力室１４の内圧が変化するため、圧力室１４の共振周波数ｆｒが変化することとなる。よって液体の圧送と同時に圧力室１４を効率的に駆動させるためには、駆動電気波形のパルス幅Ｗ及びパルス周期Ｔの少なくとも一方を前記共振周波数ｆｒの変化に合わせて変更する必要がある。

図３（ａ）に本実施形態において取得した圧力検知結果と、変圧手段５による液の圧送がない状態（常圧状態）での共振周波数ｆｒを基準とした共振周波数の変化率の相関データの一例を示す。常圧状態での共振周波数ｆｒは今回計測された中で最も高周波側に位置している。これは常圧状態でノズル１９内に形成されるメニスカスに、液体表面張力、固体表面張力及び液体−固体間の表面張力の合力Ｆｓがかかっており、この合力Ｆｓにより圧力室１４の内部の液体には内圧Ｐ０がかかるためである。内圧Ｐ０は以下の式によって求められる。

ここで、ρ：液体の密度 ｈ：圧力室高さ ｒ：ノズル半径

変圧手段５の稼動により、ノズル１９内のメニスカスが壊れ共振周波数ｆｒは一たん低周波数側にシフトするが、変圧手段５により供給される液体量が増えるにしたがって、圧力室１４内の液体圧は上昇し、共振周波数ｆｒは高周波数側にシフトしていく。図３（ａ）において、検知圧力５０〜５５ ［ｋＰａ］間、及び１４５〜１５０［ｋＰａ］間でそれぞれ矢印で示すように、共振周波数ｆｒのシフト量が不連続となっている。これは、各供給圧力下における圧力室１４内の液体の流れの状態（層流、乱流、及び遷移域）を、レイノルズ数Ｒｅの算出により推測した結果と略一致している。なお、図３（ａ）のデータ取得に際し、圧力検知手段１１にキーエンス製圧力センサＡＰ５２Ａを使用し、共振周波数ｆｒはＡｇｉｌｅｎｔ製インピーダンスアナライザ４２９４Ａを用いたインピーダンス測定により検知している。

図３（ａ）のグラフを用いて、（ｂ）に示すように、取得したデータを層流域、遷移域、乱流域に分割し、それぞれの領域について、検知圧力と共振周波数との関係を近似する関係式１、２、３を導出した。波形生成手段２１には導出した関係式１〜３が記録されており、圧力検知手段１１の検知結果を検知圧力に対応した前記関係式にあてはめ、図４（ａ）の表に示すように、共振周波数ｆｒを算出する。そして、波形生成手段２１において、図４（ｂ）に示すようなパルス幅Ｗ、パルス周期Ｔを有する駆動電気波形を生成する。このように生成された駆動電気波形は、変圧手段５の稼動下において、効率的に圧力室１４を駆動させ得る波形と言える。ここでさらに液体の吐出効率を高めたい場合には、パルス電圧Ｖをパターニング時の設定電圧よりも高めに設定するのがよい。

ヘッド１の回復時には、変圧手段５の稼動により、液体供給圧が連続的又は断続的に変化するため、その変化に合わせて圧力室１４の駆動電気波形を変化させる。図５にその一例を示す。図５（ａ）において、Ｔｐは変圧手段５による液体供給圧の変動周期であり、Ｔｓは圧力検知手段１１の検知結果のサンプリング周期である。図５（ｂ）に拡大して示すように、波形生成手段２１は圧力検知結果を受けて駆動電気波形を生成し、次の検知結果が入力されるまでのＴｓ秒間、該駆動電気波形で圧力室１４を駆動し続ける。Ｔｓ秒後の検知結果が入力されれば、結果に応じて駆動電気波形を再度生成し、圧力室１４を駆動させる。回復モード時には前記動作が繰り返し行われる。

上記回復動作は、ヘッド１に対向して液体受容槽３０を設置して行われる。図示されないが、液体受容槽３０で受けた液体はフィルタを介して液タンク４へ戻されてもよいし、廃液されてもよい。

図６に液滴位置及び形状の経時変化を示す。ここではノズルａ、ノズルｂ、ノズルｃ、ノズルｄの４つのノズルから連続的に液滴Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを吐出した。吐出開始直後は図６の左側に示されるように、目的の位置及び形状に対しほとんど差異はないが、２時間連続吐出すると、図６の右側に示されるように、液滴Ｐａｅ、Ｐｂｅ、Ｐｄｅの差異が顕著になり、ノズルｃからは液滴不吐出であった。

ここで、下記条件の回復動作を、それぞれ２時間連続吐出した後に行い、その後再吐出した際のズレ量Δｄ及び真円度Δｒを評価した結果を図７の表に示す。

ズレ量Δｄは、図６に示したように、ある時刻の着液点を基準に、連続して吐出を続けて一定時間経過後に着液点との差をＸ、Ｙ方向に測定したものである。吐出性能が連続的にヘッドを駆動した後でも全く落ちず、着液点にズレが生じないときには、ズレ量Δｄは０となる。また真円度とは、ある時刻に吐出された液滴の形状を測定し、その液滴に接する外接円の直径と内接円の直径の差で定義される。まったくの真円であれば真円度Δｒは０となる。

回復条件１は、変圧手段（チューブポンプによる０．０４ＭＰａ〜０．０６ＭＰａの脈動）のみによる回復である。

回復条件２は、変圧手段（チューブポンプによる０．０４ＭＰａ〜０．０６ＭＰａの脈動）と、一定の駆動電気波形による圧力室駆動（パルス幅１／４ｆｒ、駆動周波数ｆｒ／２、パルス電圧１．５Ｖ）を用いた回復である。

回復条件３は、変圧手段（チューブポンプによる０．０４ＭＰａ〜０．０６ＭＰａの脈動）と、図４に示す表に基づく圧力室駆動による回復である。

なお、回復時間はいずれも３秒とした。

図７に示すように、本実施形態による回復条件３は、回復条件１、２に対して回復性に優れており、本発明による異物及び気泡除去の効率及び効果が確認された。また、本実施形態と同様な回復機構を用いて電子放出素子及び画像形成装置を製造したところ、良好な画像形成装置を短時間で歩留まりよく得ることができた。

一実施形態による液体噴射装置を模式的に説明する図である。 液体噴射装置のヘッド構成及び動作モードを説明する図である。 圧力検知手段と共振周波数の相関を求めて、近似する関係式を求める方法を説明する図である。 駆動電気波形の決定方法を説明する図である。 変圧手段稼動時の圧力室の駆動制御を説明する図である 液滴位置及び形状の経時変化をイメージで示す図である。 具体例による回復評価結果を示す表である。

符号の説明

１ ヘッド
２ 液体供給ライン
３ 液体帰還ライン
４ 液タンク
５ 変圧手段
６ 液体圧送ライン
７、８、１５ バルブ
９ 共通ライン
１０ フィルタ
１１ 圧力検知手段
１２ 液体貯留室
１３ 圧力発生部
１４ 圧力室
１８ ノズルプレート
１９ ノズル
２０ 制御部
２１ 波形生成手段
３０ 液体受容槽

Claims (8)

1. 圧力室に圧力を発生させて液滴を吐出させる液体噴射装置の回復方法において、
   吐出性能を回復するために、変圧手段により前記圧力室への液体供給圧を変化させる工程と、
   前記圧力室への液体供給圧を圧力検知手段により検知する工程と、
   検知された液体供給圧における前記圧力室の共振周波数に応じて生成される駆動電気波形により、前記圧力室を駆動する工程と、を有することを特徴とする液体噴射装置の回復方法。
2. 前記変圧手段により液体供給圧を変化させると同時に、変化した液体供給圧に応じて生成される駆動電気波形により、前記圧力室を駆動する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置の回復方法。
3. 前記圧力検知手段は、前記圧力室に接続される供給ラインにおける液体の圧力、流量及び流速のうちの少なくとも１つを計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射装置の回復方法。
4. 駆動電気波形は、前記圧力検知手段により検知された液体供給圧における前記圧力室の共振周波数に応じたパルス幅及びパルス周期の少なくとも一方を用いて生成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体噴射装置の回復方法。
5. 圧力室に圧力を発生させて液滴を吐出させる液体噴射装置において、
   前記圧力室への液体供給圧を変化させる変圧手段と、
   前記圧力室への液体供給圧を検知する圧力検知手段と、
   前記圧力検知手段の検知結果に基づいて前記圧力室の駆動電気波形を生成する波形生成手段と、
   吐出性能を回復するために、前記変圧手段を稼動すると同時に、前記圧力検知手段の検知結果に基づいて前記波形生成手段により生成される駆動電気波形により、前記圧力室を駆動するための制御部と、を有することを特徴とする液体噴射装置。
6. 前記変圧手段は、液体供給圧を周期的に変化させることを特徴とする請求項５に記載の液体噴射装置。
7. 前記圧力検知手段は、前記圧力室に接続される供給ラインにおける液体の圧力、流量及び流速のうちの少なくとも１つを計測することを特徴とする請求項５または６に記載の液体噴射装置。
8. 前記波形生成手段は、前記圧力検知手段により検知された液体供給圧における前記圧力室の共振周波数に応じたパルス幅及びパルス周期の少なくとも一方を用いて駆動電気波形を生成することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の液体噴射装置。

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