JP2014180834A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットの低下等、新たな問題を招来することなく、高デューティの液滴の吐出が断続された場合に、吐出の不安定性を招来する圧力変動を抑制することができる液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】インクが充填される圧力発生室と、駆動信号Ｓ１、Ｓ２の供給により前記圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子１８と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内のインクを吐出させるノズル開口とを備えた液体噴射ヘッド本体１０と、吐出用の駆動信号Ｓ１で液滴を吐出させる吐出期間の後の非吐出期間において前記圧力発生室を膨張させるよう前記圧力発生手段を駆動する水撃防止用の駆動信号Ｓ２を前記圧力発生手段に供給する制御部１１０とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関し、特に液体噴射ヘッドにおける多数のノズルから同時にインクを吐出してより多くのインクを消費する吐出駆動（高デューティ吐出）を断続的に行う場合に適用して有用なものである。

液体噴射装置としては、例えば圧電素子からなる圧力発生手段によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、共通のマニホールドから各圧力発生室に個別にインクを供給するインク供給路と、各圧力発生室に形成されてインク滴を吐出するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置がある（例えば、特許文献１参照）。

かかるインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズル開口と連通した圧力発生室内のインクに、吐出エネルギーを付与してノズル開口からインク滴を外部に吐出させ、紙等の媒体の所定位置に着弾させている。

ところが、この種のインクジェット式記録装置で高デューティ吐出による印字等を断続的に行った場合には、インク滴吐出の急激な停止に伴いノズル開口に向かうインク流の慣性に起因して衝撃や高圧といった、いわゆる水撃現象が生起され、ドット抜けや吐出インク滴の吐出重量の変動といった不具合を生起する。

一方、高デューティな噴射駆動時の圧力変動自体を制限することで、高デューティ吐出時の圧力変動を軽減し、吐出の不安定化を抑制する構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、高デューティ駆動の抑制により吐出不安定化を回避するというものである。ところが、かかる対策では、スループット向上の妨げとなるという新たな問題を招来する。

なお、このような問題は、インクを噴射するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、他の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

特開２００２−３５５９６１号公報 特開２０１０−１３７４２８号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、スループットの低下等、新たな問題を招来することなく、高デューティの液滴の吐出が断続された場合に、吐出の不安定性を招来する圧力変動を抑制することができる液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、液体が充填される圧力発生室と、駆動信号の供給により前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内の液体を吐出させるノズル開口と、前記駆動信号を制御する制御手段とを備え、前記駆動信号は、液体を吐出させる吐出用信号と、圧力発生室に充填された液体に生じた圧力変動を吸収させる圧力変動吸収用信号とを含み、前記制御手段は、液体を吐出しない非吐出時において、液体の吐出に伴って圧力発生室に流入する液体の圧力を吸収するように前記圧力変動吸収用信号を供給することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
この種の液体噴射ヘッドにおいて、圧力発生手段の変位による圧力発生室内の圧力変化が急停止された場合、次の吐出までの間隔によっては、直前の吐出により圧力発生室内をノズル開口に向かって流れる液体の慣性に起因する衝撃や高圧が生起される場合がある。これに対し、本態様によれば、非吐出期間に能動的に圧力発生手段を変位させて圧力発生室内を適宜膨張させることができるので、液体の慣性に起因して発生する衝撃や高圧といった圧力変動を吸収することができる。この結果、液体の慣性に伴うドット抜けや液滴重量の減少を抑制し得る。

ここで、前記制御手段は、直前の画像データに基づき前記圧力変動吸収用信号による前記圧力発生手段の駆動を制御するのが好ましい。この場合には、高デューティ画像の断続吐出等、液体の慣性に起因して発生する衝撃や高圧といった圧力変動が発生しやすい状況を把握して適切な制御を行い得るからである。

さらに、前記制御手段は、直前の画像データに基づき、前記圧力変動吸収用信号による前記圧力発生手段の駆動を制御するとともに前記圧力発生手段の膨張量を制御するのが好ましい。この場合には、液体の慣性に起因して発生する衝撃や高圧といった圧力変動が発生しやすい状況のみならずこの圧力変動を予測したより適切な制御を行い得るからである。

また、前記圧力発生手段は圧電素子で形成するとともに、前記制御手段は、前記圧電素子で形成した圧力発生手段が検出する前記圧力発生室内の圧力に基づき前記圧力変動吸収用信号による前記圧力発生手段の駆動を制御するように構成するのが好ましい。この場合には、圧電素子を圧力発生室内の圧力を検出するセンサーとして利用することにより制御手段との間に圧力発生装置内の圧力検出のためのフィードバックループを形成することができるからである。この結果、液体の慣性に起因して発生する衝撃や高圧といった圧力変動による圧力発生室内の圧力上昇を事前に検出して、圧力変動を効果的に抑制することができる。

本発明の他の態様は、上記何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
本態様によれば、所定の高デューティで液滴を断続的に吐出させても圧力発生室での液体の慣性に起因して発生する衝撃や高圧といった圧力変動による圧力変動が吸収されるので、ドット抜けや液滴重量の低下を招来することなく高品質の印刷等を行うことができる。

本発明の実施の形態に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係る液体噴射ヘッド本体を示す断面図である。 上記インクジェット式記録装置の制御系を示すブロック線図である。 圧電素子に供給される駆動信号の一例を示す波形図である。 前記実施の形態における圧力変動の抑制特性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略斜視図である。同図に示すように、本形態に係るインクジェット式記録装置Ｉは、詳しくは後述するインクジェット式記録ヘッド本体（以下、単に記録ヘッド本体ともいう）１Ａ、１Ｂを有しており、さらに記録ヘッド本体１Ａ，１Ｂにインクを供給する供給手段を構成するインクカートリッジ２Ａ、２Ｂが着脱可能に設けられている。記録ヘッド本体１Ａ、１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッド本体１Ａ、１Ｂは、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出する。

また、キャリッジ軸５の一端部近傍には、駆動モーター６が設けられており、駆動モーター６の軸の先端部には外周に溝を有する第１のプーリー６ａが設けられている。さらに、キャリッジ軸５の他端部近傍には、駆動モーター６の第１のプーリー６ａに対応する第２のプーリー６ｂが回転自在に設けられており、これら第１のプーリー６ａと第２のプーリー６ｂとの間には環状でゴム等の弾性部材からなるタイミングベルト７が掛けられている。

そして、駆動モーター６の駆動力がタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッド本体１Ａ、１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

ここで、上述のようなインクジェット式記録装置Ｉに搭載されるインクジェット式記録ヘッド本体について説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド本体の一例を示す断面図である。

図２に示すインクジェット式記録ヘッド本体１０は、縦振動型の圧電素子を有するタイプであり、流路基板１１には、複数の圧力発生室１２が並設され、流路基板１１の厚さ方向（図中の上下方向）の両側は、各圧力発生室１２に対応してノズル開口１３を有するノズルプレート１４と、振動板１５とにより封止されている。ここで、ノズル開口１３は、径が開口に向かって漸小されるテーパー形状に形成されている。

また、流路基板１１には、各圧力発生室１２毎にそれぞれインク供給口１６を介して連通されて複数の圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１７が形成されている。マニホールド１７にはケースヘッド２３および振動板１５を貫通してインクを導入するインク供給路２４の一方（図中、下端側）の開口部が臨んでいる。インク供給路２４の他方（図中、上端側）の開口部は流路２５を介してインクを貯留しているインクカートリッジ２６に連通されている。

ここで、振動板１５は、例えば樹脂フィルム等の弾性部材からなる弾性膜２８と、この弾性膜２８を支持する、例えば、金属材料等からなる支持板２９との複合板で形成されており、弾性膜２８側が流路基板１１に接合されている。例えば、本形態では、弾性膜２８は、厚さが数μｍ程度のＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）フィルムからなり、支持板２９は、厚さが数十μｍ程度のステンレス鋼板（ＳＵＳ）からなる。また、振動板１５の各圧力発生室１２に対向する領域内には、圧電素子１８の先端部が当接する島部３０が設けられている。この圧電素子１８の先端面は、接着剤によって島部３０に接合されている。すなわち、振動板１５の各圧力発生室１２の周縁部に対向する領域に他の領域よりも厚さの薄い薄肉部３１が形成されて、この薄肉部３１の内側にそれぞれ島部３０が設けられている。また、本形態では、振動板１５のマニホールド１７に対向する領域に、薄肉部３１と同様に、支持板２９がエッチングにより除去されて実質的に弾性膜２８のみで構成されるコンプライアンス部３２が設けられている。コンプライアンス部３２は、マニホールド１７内の圧力変化が生じた時に、コンプライアンス部３２の弾性膜２８が変形することによって圧力変化を吸収し、マニホールド１７内の圧力を常に一定に保持する役割を果たす。

さらに、圧電素子１８は、圧電材料１９と、電極形成材料２０、２１とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層され、振動に寄与しない不活性領域が固定基板２２を介してケースヘッド２３に固着されている。なお、固定基板２２と、振動板１５、流路基板１１及びノズルプレート１４とは、ケースヘッド２３を介して一体的に固定されている。

このように構成されたインクジェット式記録ヘッド本体１０では、インクカートリッジ２６に連通される流路２５およびインク供給路２４を介してマニホールド１７にインクが供給され、インク供給口１６を介して各圧力発生室１２に分配される。かかる状態で圧電素子１８に電圧を印加することにより圧電素子１８を収縮させる。これにより、振動板１５が圧電素子１８と共に変形されて（図中上方向に引き上げられて）圧力発生室１２の容積が広げられ、圧力発生室１２内にインクが引き込まれる。そして、ノズル開口１３に至るまでの内部をインクで満たした後、制御部１１０（図３参照）の駆動信号生成部１１３（図３参照）から送出される吐出用の駆動信号に基づき圧電素子１８の電極形成材料２０及び２１に印加していた電圧を解除すると、圧電素子１８が伸張されて元の状態に戻る。これにより、振動板１５も元の状態に戻るため、圧力発生室１２が収縮されて内部圧力が高まりノズル開口１３からインク滴が吐出される。すなわち、本形態では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として縦振動型の圧電素子１８が設けられている。

ここで、吐出用の駆動信号の供給により、例えば全てのノズルを使用して吐出が行われる所謂ベタ印字や、比較的多くのノズルを使用して吐出する場合、または一ノズルあたりの使用頻度が高い場合など、圧力発生室１２に多くのインクを供給しなければならない吐出状態が断続的に続く印字等を行う場合には、インク滴が正常に吐出されないドット抜けや、吐出されたインク滴が狙いのインク重量よりも多いまたは少ないといった不具合が生じることが懸念される。圧電素子１８の変位による圧力発生室１２内の圧力変化が急停止された場合、次の吐出までの間隔によっては、直前の吐出により圧力発生室１２内をノズル開口１３に向かって流れるインクの慣性に起因する衝撃や高圧といった圧力変動、いわゆる水撃（ウォーターハンマー）現象が生起される場合があるからである。本形態では、かかる水撃現象の発生を事前に予測し、能動的に圧電素子１８を変位させて圧力発生室１２内を適宜膨張させ、水撃現象による圧力変動を吸収するように工夫している。かかる圧力変動の吸収は、インク滴の吐出により媒体上に形成する画像データ等に基づき圧電素子１８の変位量を制御することにより容易に実現し得る。この点のさらに詳細な構成は、図３に示す当該インクジェット式記録装置Ｉの制御系とともに説明する。なお、本形態では圧力発生室１２に流入するインクの流量が多い吐出方法を、高デューティ印字とし、インクの慣性に起因する衝撃や高圧といった圧力変動を水撃現象と称して、詳細を説明する。

図３はインクジェット式記録装置Ｉの制御系を示すブロック線図である。同図に示すように、インクジェット式記録装置Ｉ内には、インクジェット式記録装置Ｉの制御を行う制御部１１０が設けられている。制御部１１０は、ＣＰＵ１１１と、装置制御部１１２と、容量性負荷である圧電素子１８を駆動する吐出用の駆動信号Ｓ１および水撃防止用の駆動信号Ｓ２を生成する駆動信号生成部１１３とを備えている。

さらに詳言すると、ＣＰＵ１１１からキャリッジ３（図１参照）の移動を示す信号が装置制御部１１２に入力されると、装置制御部１１２は、駆動モーター６を駆動させてキャリッジ３をキャリッジ軸５に沿って移動させるとともに、ＣＰＵ１１１からの記録シートＳ（図１参照）の搬送を示す信号が装置制御部１１２に入力され、装置制御部１１２は、給紙ローラー（図示せず）を駆動して記録シートＳを搬送させる。

一方、駆動信号生成部１１３には、ＣＰＵ１１１から吐出用の駆動信号Ｓ１および水撃防止用の駆動信号Ｓ２を生成するためのデータとともに、吐出モードであるか、水撃防止モードであるかを判断し、いずれかの駆動信号Ｓ１またはＳ２をインクジェット式記録ヘッド本体１０に送出する。この結果、駆動信号生成部１１３はインクジェット式記録ヘッド本体１０の各圧電素子１８に駆動信号Ｓ１，Ｓ２を選択的に印加してインクを吐出させるか、または圧力発生室１２内の圧力変動を抑制するように圧電素子１８を変位させる。ここで、インクジェット式記録ヘッド本体１０は図示しないドライバーＩＣがＣＰＵ１１１からヘッド制御信号を供給されて各圧電素子１８を選択的に駆動させる。

本形態により抑制したい水撃は、吐出モードが高デューティで断続される場合に生起される。また、水撃は、ある吐出モードと時間軸で隣接する次の吐出モードとの間の非吐出期間で発生する。そして、吐出モードが高デューティであるか否か、および非吐出期間で水撃が発生する可能性が高いか否かは、インクカートリッジ２６から圧力発生室１２を介してノズル開口１３に向かう液体流路の物理的な特性や吐出用の駆動信号Ｓ１の周波数等で一意に定まる。すなわち、ヘッド本体１０の各流路のパラメータや駆動信号Ｓ１の周波数が定まれば、ＣＰＵ１１１に記憶されている画像データに基づき水撃の発生を容易に予測することができる。そこで、ＣＰＵ１１１では、画像データを分析して吐出期間の後の非吐出期間に挿入する水撃抑制用の駆動信号Ｓ２を駆動信号生成部１１３に生成させる。ここで、画像データの分析の結果、水撃の大きさも併せて予測すれば、その大きさに合わせて圧電素子１８の変位量が変化するようにして圧力発生室１２の膨張量の最適化を図ることもできる。

さらに、圧電素子１８の変位で圧力発生室１２内の圧力を検出することもできるので、この検出信号Ｓ４をＣＰＵ１１１にフィードバックさせて所定の処理をすることで、非吐出期間であることを条件として水撃等により圧力発生室１２内の圧力が上昇した場合を特定して、この場合に水撃抑制用の駆動信号Ｓ２を圧電素子１８に供給するようにしても良い。かかるフィードバック系は、単独で設けても良く、この場合には非吐出期間における所定の圧力発生室１２内の圧力変動を抑制するものとなる。また、画像データの分析と併用した場合には、より確実かつ最適に非吐出期間における圧力発生室１２内の圧力変動を抑制することができる。

駆動信号Ｓ２の生成方法に特別な制限はないが、例えば非吐出期間において駆動信号Ｓ１の中間電位Ｖｍのレベルを持ち上げる方法等により好適に所期の目的を達成し得る。すなわち、図４に駆動波形を示すように、吐出期間Ｔ１の駆動信号Ｓ１の中間電位Ｖｍを非吐出期間Ｔ２でＶ`ｍに適宜持ち上げることで、非吐出期間における圧力変動を相殺する逆位相の圧力変化を印加し、それを水撃抑制用の駆動信号Ｓ２とすることができる（図４（ａ）〜（ｃ）参照）。さらに、図４（ｂ）、図（ｃ）に示すように、ノズル開口１３近傍でインクが高粘度化するのを防止すべく、非吐出期間において圧電素子１８を微振動用の駆動信号Ｓ３で駆動させるようにしても良い。この場合には、水撃抑制用の駆動信号Ｓ２を印加することによって電位がＶ`ｍに持ち上げられる。そこに微振動用の駆動信号Ｓ３を印加すれば良い。つまり、微振動用の駆動信号Ｓ３の中間電位をＶ`ｍにすれば良い。

ここで、微振動とは、ノズル開口１３からインク滴を吐出させることなく圧力発生室１２内のインクを振動させることをいう。これは、特に外気に触れて乾燥しやすい、ノズル開口１３近傍のインクを振動させて高粘度化を防止する微振動駆動信号で前記圧電素子１８を駆動する手法をいう。微振動用の駆動信号Ｓ３は、インク滴の吐出用の吐出駆動信号を供給する時間軸で隣接する吐出期間の間の非吐出期間に適宜挿入される。

図５は、本形態における圧力変動の抑制特性を示す特性図である。同図に示すように、本形態によれば、高デューティ断続吐出時の圧力変動（図中に間隔が大きい点線で示す特性）が、水撃防止用の駆動信号Ｓ２による圧力変動（図中に間隔が大きい点線で示す特性）で打ち消され、結果的にきわめ小さな圧力変動（図中に実線で示す特性）に抑制される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限るものでは勿論ない。例えば、高デューティ吐出が断続することに伴う圧力変動を、コンプライアンス部３２に別途圧電素子を配設することにより、この圧電素子を画像データに応じて変位させることで、能動的に吸収するように構成することもできる。圧電素子の変位によるコンプライアンス部３２の変位で、水撃現象の原因となる圧力変動を吸収することができるからである。

また、上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッド本体は圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型アクチュエーターを有するヘッド本体であるが、圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として薄膜型のアクチュエーターである圧電素子を有するヘッド本体、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエーターである圧電素子を有するヘッド本体等にも同様に適用できる。

また、上述したインクジェット式記録装置Ｉでは、記録ヘッド本体１０がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、インクジェット式記録ヘッド本体が装置本体４に固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、いわゆるライン式記録装置にも勿論適用することができる。

さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッド本体全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッド本体にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッド本体としては、例えばプリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

Ｉ インクジェット式記録装置、 １０ インクジェット式記録ヘッド本体、 １２ 圧力発生室、 １３ ノズル開口、 １５ 振動板、 １７ マニホールド、 １８ 圧電素子、 ３２ コンプライアンス部、 １１０ 制御部

Claims (5)

1. 液体が充填される圧力発生室と、駆動信号の供給により前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内の液体を吐出させるノズル開口と、前記駆動信号を制御する制御手段とを備え、
   前記駆動信号は、液体を吐出させる吐出用信号と、圧力発生室に充填された液体に生じた圧力変動を吸収させる圧力変動吸収用信号とを含み、
   前記制御手段は、液体を吐出しない非吐出時において、液体の吐出に伴って圧力発生室に流入する液体の圧力を吸収するように前記圧力変動吸収用信号を供給することを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記制御手段は、直前の画像データに基づき前記圧力変動吸収用信号による前記圧力発生手段の駆動を制御することを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項２に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記制御手段は、直前の画像データに基づき、前記圧力変動吸収用信号による前記圧力発生手段の駆動を制御するとともに前記圧力発生手段の膨張量を制御することを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧力発生手段は圧電素子で形成するとともに、
   前記制御手段は、前記圧電素子で形成した圧力発生手段が検出する前記圧力発生室内の圧力に基づき前記圧力変動吸収用信号による前記圧力発生手段の駆動を制御するように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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