JP2015112851A - 液体吐出ヘッドの駆動方法及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル近傍の付着物等を簡易な構成で短時間に除去することを可能にする。【解決手段】圧電素子が加える圧力によって液体吐出ヘッドの液室内の液体を吐出させるノズルの近傍をクリーニングする場合の液体吐出ヘッドの駆動方法であって、液体の流れによるリフィル振動を発生させるリフィル振動生成パルスとなる第１の電圧を圧電素子に印加する工程と、第１の電圧の印加により発生させたリフィル振動によってノズル内の圧力が最大になるタイミングに基づいて、液体をノズルから吐出させるクリーニングパルスとなる第２の電圧を圧電素子に印加する工程とを含む。【選択図】図９

Description

本発明は、液体吐出ヘッドの駆動方法及び画像形成装置に関する。

プリンタ、ファックス、コピア、プロッタ又はこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置として、例えば、記録液（液体）の液滴を吐出する液体吐出ヘッドで構成された記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、搬送している媒体に記録液を付着させて画像形成を行うものがある。

画像形成装置は、例えば、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材及びセラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置である。また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与することをも意味する。また、「液体」とは、記録液、インクに限るものではなく、吐出されるときに流体となるものであれば特に限定されるものではない。また、「液体吐出装置」とは液体吐出ヘッドから液体を吐出する装置を意味し、画像形成を行うものに限定されない。

液体吐出ヘッドは、例えばノズル、個別液室、圧力発生部、共通液室を有する。ノズルは、液滴を吐出する。個別液室は、ノズルが連通しており、液体を収容する。また、個別液室は、加圧液室、吐出室、圧力室、液体流路などとも称される。圧力発生部は、個別液室内の液体に加える圧力を発生させる。共通液室は、各個別液室に液体を供給する比較的容積の大きな液体収容部である。そして、液体吐出ヘッドは、圧力発生部が発生させる圧力により個別液室内の液体に加圧することによってノズルから液滴を吐出させる。

圧力発生部として、例えば発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いて液体の膜沸騰による相変化を利用するサーマル方式、圧電素子（電気機械変換素子）などを用いる圧電方式、及び静電力を発生させる静電型アクチュエータを用いる静電方式などが知られている。

画像形成装置に用いる記録ヘッドを構成する液体吐出ヘッドは、ノズルから液滴を吐出させて媒体に記録を行うものであることから、ノズル周りに異物がつくと、吐出の方向が曲がってしまうという課題がある。例えば、ノズルから吐出されるインク滴の一部がちぎれて霧のように舞うインクミストの一部がノズルのごく近傍に付着し、その後の吐出で何らかの理由によりノズルからの突発的なインク溢れが生じることがある。この場合、溢れたインクがインクミスト付着物に接触することによってノズルが実質的に真円でなくなり、それ以降の吐出のときにミストが付着した側に吐出滴の吐出方向が曲がってしまう。

吐出方向が曲がる問題を解決するために、吸引、又は加圧によってノズルからインクを多量に溢れさせ、ノズル面上に溢れたインクを払拭部材によりワイピングすることによってノズル近傍のインクミスト付着物を除去するクリーニング動作が一般的に行われている。しかし、従来のクリーニング動作によるノズル近傍のインクミスト付着物除去動作を行うためには、ヘッドをワイパーなどの近くに移動させる必要があり、時間がかかるという問題があった。

このような問題を解決するために、例えば特許文献１には、少なくとも空噴射を行なうメンテナンス機構と、インクを供給する圧力を変化させるインク供給圧力可変手段を有し、該インク供給圧力可変手段は、空噴射時においてインクを供給する圧力を変化させるインクジェット記録装置が開示されている。

しかしながら、上述した方法によって付着物を除去する場合、機器が複雑化し、コストが高くなってしまうという問題があった。また、ヘッド外からノズル内インク圧力を制御する場合、加圧、減圧に少なくとも数十から数百ミリ秒の時間を要することがある。そのため、特に連続して高速で画像を形成するラインヘッドプリンターにおいては、画像形成動作中に上記メンテナンスを行おうとすると、通常のページ間隔より長い非印字領域が必要になり、画像形成の生産性が落ちてしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ノズル近傍の付着物等を簡易な構成で短時間に除去することを可能にする液体吐出ヘッドの駆動方法及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、圧電素子が加える圧力によって液体吐出ヘッドの液室内の液体を吐出させるノズルの近傍をクリーニングする場合の前記液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記液体の流れによるリフィル振動を発生させるリフィル振動生成パルスとなる第１の電圧を前記圧電素子に印加する工程と、前記第１の電圧の印加により発生させたリフィル振動によって前記ノズル内の圧力が最大になるタイミングに基づいて、前記液体を前記ノズルから吐出させるクリーニングパルスとなる第２の電圧を前記圧電素子に印加する工程とを含む。

本発明によれば、ノズル近傍の付着物等を簡易な構成で短時間に除去することを可能にするという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる画像形成装置の全体構成を示す図である。 図２は、画像形成装置の要部の上面図である。 図３は、記録ヘッドを例示する図である。 図４は、図３（ａ）に示した記録ヘッドのＣ−Ｃ’線断面図である。 図５は、記録ヘッドを駆動するために設けられた機能を示すブロック図である。 図６は、インク滴の非吐出状態から吐出状態へ移行を示す図である。 図７は、ノズル内のインクを引き込む方向に圧電素子を駆動させるための駆動波形を示すグラフである。 図８は、図７に示した駆動波形におけるメニスカスの変位量を示すグラフである。 図９は、圧電素子を駆動させるための駆動波形の第１実施例を示すグラフである。 図１０は、図９に示した駆動波形の第１実施例におけるメニスカスの変位量を示すグラフである。 図１１は、図９に示した駆動波形の第１実施例によって記録ヘッドのノズルが吐出するインクの状態を示す図である。 図１２は、圧電素子を駆動させるための駆動波形の第２実施例を示すグラフである。 図１３は、図１２に示した駆動波形の第２実施例におけるメニスカスの変位量を示すグラフである。 図１４は、ノズル近傍のインクミスト付着物除去を行うクリーニング動作の比較例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、画像形成装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかる画像形成装置１の全体構成を示す図である。図２は、画像形成装置１の要部の上面図である。

画像形成装置１は、シリアル型画像形成装置であり、左右の側板１００Ａ、１００Ｂに横架したガイド部材である主従のガイドロッド１０１、１０２でキャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持し、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ１０３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出するための記録ヘッド（液体吐出ヘッド）１０４ａ、１０４ｂを、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向Ａと直交する副走査方向Ｂに配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。以下、記録ヘッド１０４ａ、１０４ｂのように複数ある構成部分のいずれかを特定せずに示す場合には、単に「記録ヘッド（液体吐出ヘッド）１０４」などと略記する。

記録ヘッド１０４は、それぞれ２つノズル列を有する。記録ヘッド１０４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴をそれぞれ吐出する。また、記録ヘッド１０４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴をそれぞれ吐出する。

また、キャリッジ１０３には、記録ヘッド１０４のノズル列に対応して各色のインクを供給するためのヘッドタンク１０５ａ、１０５ｂが搭載されている。このヘッドタンク１０５には、各色の供給チューブ１０６を介して、各色のインクカートリッジ１１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ１１２の用紙積載部（圧板）１１３上に積載した用紙１１４を給紙するための給紙部として、用紙積載部１１３から用紙１１４を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）１１５が設けられている。また、給紙コロ１１５には、分離パッド１１６が対向するように設けられている。分離パッド１１６は、摩擦係数の大きな材質からなり、給紙コロ１１５側に付勢されている。

そして、画像形成装置１は、給紙部から給紙された用紙１１４を記録ヘッド１０４の下方側に送り込むために、用紙１１４を案内するガイド部材１１７と、カウンタローラ１１８と、搬送ガイド部材１１９と、先端加圧コロ１２０を有する押さえ部材１２１とを備える。また、画像形成装置１は、給送された用紙１１４を静電吸着して記録ヘッド１０４に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト１２２を備えている。

この搬送ベルト１２２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１２３とテンションローラ１２４との間に掛け渡されて、ベルト搬送方向（副走査方向Ｂ）に周回するように構成されている。また、搬送ローラ１２３の下方には、この搬送ベルト１２２の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ１２５が設けられている。この帯電ローラ１２５は、搬送ベルト１２２の表層に接触し、搬送ベルト１２２の回動に従動して回転するように配置されている。搬送ベルト１２２は、図示しない副走査モータによって搬送ローラ１２３が回転駆動されることによってベルト搬送方向に周回移動する。

さらに、画像形成装置１は、記録ヘッド１０４で記録された用紙１１４を排紙するための排紙部として、搬送ベルト１２２から用紙１１４を分離するための分離爪１２６と、排紙ローラ１２７とを備え、排紙ローラ１２７の下方に排紙トレイ１０７を備えている。

また、画像形成装置１の背面部には両面ユニット１２８が着脱自在に装着されている。この両面ユニット１２８は、搬送ベルト１２２の逆方向回転で戻される用紙１１４を取り込んで反転させて再度カウンタローラ１１８と搬送ベルト１２２との間に給紙する。また、この両面ユニット１２８の上面は手差しトレイ１２９が設けられている。

さらに、キャリッジ１０３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド１０４のノズルの状態を維持し、回復するための回復手段を含む維持回復機構１３０が配置されている。この維持回復機構１３０には、記録ヘッド１０４の各ノズル面をキャッピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）１３１ａ、１３１ｂと、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード１３２と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け１３３などが設けられている。

また、キャリッジ１０３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける液体回収容器であるインク回収ユニット（空吐出受け）１３４が配置されている。このインク回収ユニット１３４には、記録ヘッド１０４のノズル列方向に沿った開口部１３５などが備えられている。

このように構成された画像形成装置１においては、給紙トレイ１１２から用紙１１４が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙１１４はガイド部材１１７で案内され、搬送ベルト１２２とカウンタローラ１１８との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド部材１１９で案内されて先端加圧コロ１２０で搬送ベルト１２２に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

このとき、帯電ローラ１２５に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト１２２が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト１２２上に用紙１１４が給送されると、用紙１１４が搬送ベルト１２２に吸着され、搬送ベルト１２２の周回移動によって用紙１１４が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ１０３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０４を駆動することにより、停止している用紙１１４にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙１１４を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙１１４の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙１１４を排紙トレイ１０７に排紙する。

次に、画像形成装置１が有する記録ヘッド（液体吐出ヘッド）１０４について詳述する。図３は、記録ヘッド１０４を例示する図である。図３（ａ）は記録ヘッド１０４の平面図であり、図３（ｂ）は記録ヘッド１０４の側面図である。また、図４は、図３（ａ）に示した記録ヘッド１０４のＣ−Ｃ’線断面図である。

液体吐出アレイを構成している記録ヘッド（液体吐出ヘッド）１０４は、流路部材（液室基板）１４０と、この流路部材１４０の下面に接合した振動板部材１４１と、流路部材１４０の上面に接合したノズル板１４２とを有する。流路部材１４０、振動板部材１４１及びノズル板１４２は、液滴（液体の滴）を吐出するノズル１５０が連通する加圧液室（個別流路：液室）１４４を形成する。

各加圧液室１４４に対し、振動板部材１４１に設けられた連通部１４５、流路部材１４０に形成された連通路１４６、及び流体抵抗部１４７を介して液体であるインク（記録液）を供給する共通液室１４８は後述するフレーム部材１４９に形成されている。

ここで、流路部材１４０は、結晶面方位の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで各加圧液室１４４や流体抵抗部１４７、連通部１４５などの開口、溝を形成している。なお、流路部材１４０は、ＳＵＳ基板を、酸性エッチング液を用いてエッチング、又は打ち抜きなどの機械加工することにより、各加圧液室１４４などが形成されてもよい。また、流路部材１４０と、ノズル板１４２又は振動板部材１４１とを電鋳で一体形成されてもよい。その他感光性樹脂などを用いることもできる。

振動板部材１４１は、加圧液室１４４側から第１層１４１ａ、第２層１４１ｂ、第３層１４１ｃの３層構造のニッケルプレートで形成したもので、例えば電鋳によって作製されている。なお、この振動板部材１４１は、例えば、ポリイミドなどの樹脂部材とＳＵＳ基板などの金属プレートとの積層部材、又は樹脂部材によって形成されたものであってもよい。

ノズル板１４２は、各加圧液室１４４に対応して多数のノズル１５０が形成され、流路部材１４０に対して接着剤によって接合されている。ノズル板１４２としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、ポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル１５０は、内部形状（内側形状）がホーン形状（略円柱形状又は略円錘台形状でもよい。）に形成され、穴径がインク滴出口側の直径で約１４〜３５μｍとされている。

また、ノズル板１４２のノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、図示しない撥水性の表面処理を施した撥水処理層が設けられている。撥水処理層は、例えば、ＰＴＦＥ−Ｎｉ共析メッキやフッ素樹脂の電着塗装、蒸発性のあるフッ素樹脂（例えばフッ化ピッチなど）を蒸着コートしたもの、シリコン系樹脂・フッ素系樹脂の溶剤塗布後の焼き付け等、記録液物性に応じて選定された撥水処理膜が設けられて、記録液の滴形状、飛翔特性が安定化され、高品位の画像が得られるようにされている。

そして、振動板部材１４１には、各加圧液室１４４に対応して第１層１４１ａで形成された変形可能な領域であるダイアフラム部（振動領域）１４１Ａの中央部に第２層１４１ｂ及び第３層１４１ｃの積層構造からなる凸部１４１Ｂが形成されている。この凸部１４１Ｂには、圧力発生手段（アクチュエータ手段）を構成する積層型の圧電素子１５１Ａがそれぞれ接合されている。

複数の圧電素子１５１Ａは、１つの圧電素子部材１５１にハーフカットの溝加工（スリット加工）によって分断することなく櫛歯状に形成されたものである。圧電素子部材１５１は、複数個の圧電素子１５１Ａの並び方向に沿ってベース部材１５２上に固定配置されている。この場合、１列に並ぶ複数の圧電素子は、交互に駆動する圧電素子１５１Ａと単なる支柱部となる駆動されない他の圧電素子となる。支柱部となる他の圧電素子は、液室間隔壁部に対応する部分に接合されている。

圧電素子部材１５１は、例えば厚さ１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層と、厚さ数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層とが交互に積層されたものである。また、圧電素子部材１５１は、内部電極を交互に端面の端面電極（外部電極）である個別電極及び共通電極にそれぞれ電気的に接続されたものである。

この圧電定数がｄ３３（ｄ３３は内部電極面に垂直（厚み方向）の伸び縮みを指す。）である圧電素子１５１Ａの伸縮により振動領域１４１Ａを変位させて加圧液室１４４を収縮、膨張させるようになっている。圧電素子１５１Ａに駆動信号が印加され充電が行われると伸長し、また圧電素子１５１Ａに充電された電荷が放電すると反対方向に収縮する。

なお、圧電素子部材１５１の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて加圧液室１４４内のインクを加圧する構成とすることも、圧電素子部材１５１の圧電方向としてｄ３１方向の変位を用いて加圧液室１４４内のインクを加圧する構成とすることもできる。本実施形態ではｄ３３方向の変位を用いた構成をとっている。

ベース部材１５２は金属材料で形成されることが好ましい。ベース部材１５２の材質（材料）が金属であれば、圧電素子部材１５１の自己発熱による蓄熱を防止することができる。さらに、振動板部材１４１の周囲にはフレーム部材１４９が接着剤で接合されている。そして、このフレーム部材１４９には各加圧液室１４４に液体を供給する共通液室１４８が形成されている。この共通液室１４８から振動板部材１４１に形成した連通部１４５を介して加圧液室１４４に液体（記録液）が供給される。なお、フレーム部材１４９には共通液室１４８に外部から記録液を供給するための記録液供給口も形成される。

この共通液室１４８は、加圧液室１４４の並び方向（ノズル並び方向：これを「共通液室長手方向」とする）に平面形状で長方形状に形成されている。そして、この共通液室１４８を形成する壁面の中で、少なくとも一つの壁面は、振動板部材１４１の第１層１４１ａで形成されることにより、フレーム部材１４９で形成される他の壁面よりも剛性が低いダンパ部材１５３とされている。

なお、ダンパ部材１５３は、１層ではなく２層としてもよい。また、ダンパ部材１５３のみを振動板部材１４１と異なる材料で構成してもよい。また、ダンパ部材１５３は、例えば金属Ｎｉのような気体の透過性が低い素材で構成されていることが望ましいが、樹脂膜等で形成されていてもかまわない。

図５は、記録ヘッド１０４を駆動するために設けられた機能を示すブロック図である。記録ヘッド１０４は、ＲＯＭ３００から設定値などを読取ったＣＰＵ３０２の制御に応じて動作するヘッド駆動制御部３０４が印加する電圧によって駆動される。温度検知部３０６は、例えば熱電対や半導体サーミスタなどにより、記録ヘッド１０４内のインク温度、又は記録ヘッド１０４近傍の温度を検出し、ＣＰＵ３０２に対して検出結果を出力する。

次に、記録ヘッド１０４のノズル１５０におけるインク滴の吐出について詳述する。図６は、インク滴の非吐出状態から吐出状態へ移行を示す図である。図６（ａ）は、実施の形態における記録ヘッド１０４のノズル１５０からのインク滴の吐出状態への正常な移行を示している。図６（ｂ）は、比較例におけるインク滴の吐出状態への移行を示している。

図６（ａ）に示すように、ノズル１５０の近傍に異物の付着がなく、正常な吐出が実施できる場合には、圧電素子１５１Ａにより揺動されるメニスカスがノズル１５０の中心の軸に対して対称であり、インク滴（吐出滴）もノズル１５０の中心の軸に対して平行に飛翔する。

一方、図６（ｂ）に示すように、ノズル１５０のごく近傍に異物がある場合においては、何らかの理由でメニスカスがノズル１５０からわずかでも溢れた時に、溢れたインクがノズル１５０のごく近傍の異物に接触し、メニスカス形状がノズル１５０の中心の軸に対して対称でなくなる。よって、それ以降に吐出されるインク滴の飛翔する方向が曲がってしまう。

図７は、ノズル１５０内のインクを引き込む方向に圧電素子１５１Ａを駆動させるための駆動波形（記録ヘッド１０４内の圧電素子１５１Ａへの印加電圧）を示すグラフである。図８は、図７に示した駆動波形におけるメニスカスの変位量（シミュレーション）を示すグラフである。

まず、記録ヘッド１０４が利用する「リフィル振動」について説明する。リフィル振動とは、記録ヘッド１０４の加圧液室１４４にインクが供給される流れの振動である。つまり、主に圧電素子１５１Ａ（図４）を収縮させることによってノズル１５０内のインクが負圧になることによって、ノズル１５０内へのインクの流れが生じることにより発生する振動である。

具体的な振動の例を、図７に示した単純な駆動波形を印加した場合において説明する。図７では、記録ヘッド１０４において圧電素子１５１Ａを一度引き込み、そのまま維持するだけの波形が示されている。図８では、図７に示した波形を印加した際のメニスカス変位が示されている。メニスカス変位としては、加圧液室１４４において周期の異なる２種類の振動が生じることが分かる。

振動の１つは、加圧液室１４４内での音響波の共振であるヘルムホルツ振動の周期で、４μｓ強の短い共振周期を有している。振動の他の１つは、上述したインク流れによるリフィル振動であり、ヘルムホルツ振動より長い１００μｓ以上の周期を有している。

記録ヘッド１０４では、このリフィル振動を後述する図１１（ｂ）に示すようなノズル１５０内のインクを正圧にするために利用することにより、簡易な構成でノズル１５０近傍のインクミスト等の異物の除去を行う。

次に、図９〜図１１を用いて、記録ヘッド１０４の駆動の第１実施例について説明する。図９は、圧電素子１５１Ａを駆動させるための駆動波形（記録ヘッド１０４内の圧電素子１５１Ａへの印加電圧）の第１実施例を示すグラフである。図１０は、図９に示した駆動波形の第１実施例におけるメニスカスの変位量（シミュレーション）を示すグラフである。図１１は、図９に示した駆動波形の第１実施例によって記録ヘッド１０４のノズル１５０が吐出するインクの状態を示す図である。

図１１（ａ）は、非印字時（非画像形成時）の、ノズル１５０の状態を示している。ノズル１５０内の圧力は負圧に保たれているため、メニスカスはノズル１５０の内側に向けて凸の形状となっている。また、ノズル１５０近傍にインクミストが付着している。ヘッド駆動制御部３０４は、図１１（ａ）に示した状態から、ノズル１５０近傍のインクミストが除去され、インクミストの付着がない状態である図１１（ｅ）に示した状態へ移行するために、図９に示した駆動波形をクリーニング波形として圧電素子１５１Ａに印加する。

図９に示した駆動波形は２つのパルスからなり、前半のパルスがリフィル振動生成パルスであり、後半のパルスがクリーニングパルスである。ヘッド駆動制御部３０４は、リフィル振動生成パルスによってリフィル振動を発生させる。そしてリフィル振動により、ノズル１５０内のインクの圧力が最大になるタイミングの付近（予め確認された所定の期間）では、図１１（ｂ）に示した状態となる。このタイミング（インクの圧力が略最大になるタイミング）に、ヘッド駆動制御部３０４は、クリーニングパルスを印加する。クリーニングパルスは、圧電素子１５１Ａを収縮させてから膨張させるパルスであり、圧電素子１５１Ａの収縮と膨張とによって発生するノズル１５０内のインクのヘルムホルツ振動のそれぞれの位相が略同一になるように、圧電素子１５１Ａの収縮と膨張の間隔を設定している。

さらに、クリーニングパルスは、吐出が実施できる範囲で溢れが大きいほど、ノズル１５０近傍のより広範囲の付着物を吸収することができ、クリーニング効果が大きくなる。溢れはメニスカスの変位量が大きいほど大きくなる。従って、メニスカス変位量をさらに大きくするために、クリーニングパルスを印加するタイミングは、リフィル振動生成パルスにより発生するノズル１５０内のインクのヘルムホルツ振動の位相と同一になるタイミングとする。これにより、リフィル振動のピークに加えて、ヘルムホルツ周期の振動もメニスカス変位量の増大に寄与する。よって、図１１（ｃ）に示すようにメニスカスが大きく溢れ、ノズル１５０近傍のインクミスト付着物を溢れたインクが覆う。ここで、記録ヘッド１０４は、クリーニングパルスによってインクをノズル１５０から吐出する。つまり、記録ヘッド１０４は、ノズル１５０近傍のインクミスト等付着物をインクの吐出によって吸収、除去し、図１１（ｄ）、（ｅ）の状態に移行する。

リフィル振動、ヘルムホルツ周期の振動が最大になるタイミングは、ノズル１５０内のインクの変位を観察することによって設定される。ノズル１５０内のインク変位の観察は、高速度カメラ、ＬＤＶ等を用いて行われる。また、各タイミングはインクの物性、特に粘度に大きく影響されるため、異なるインクを用いる際や、異なる温度で使用する際には各温度でタイミングを設定することが望ましい。

また、リフィル振動生成パルスはノズル１５０内のインクを振動させるものであればどのような形状でもいいが、実験によって望ましいパルスが分かっている。例えば、より大きなリフィル振動を得るためには、リフィル振動生成パルスは、記録ヘッド１０４の非駆動時と比べてメニスカスが記録ヘッド１０４内部に向けてより大きな凸になるパルス、いわゆる引きうちパルスであることが望ましい。

リフィル振動生成パルス、クリーニングパルスともに、パルスの立ち下げ、立ち上げの間隔は、ノズル１５０内のインクの音響的振動であるヘルムホルツ共振周期により、強めあう間隔であることが望ましい。また、この２つのパルスは強いほどそれぞれリフィル振動の振幅とクリーニング効果が大きくなるため望ましい。

そして、リフィル振動パルス、クリーニングパルスともに、パルスによるノズル１５０の外へのインク吐出はなくてもよい。ただし、クリーニングパルスについては、ノズル１５０の外にインクを吐出する波形とすることにより、異物をインクとともに外部に吐出することができる。この場合、ノズル１５０周りに存在する異物が増粘したインクや、インクに不溶性の紙粉などであっても、それらがノズル１５０内に引き込まれて、ノズル詰まりの原因になることを防ぐことができる。

次に、図１２、１３を用いて、記録ヘッド１０４の駆動の第２実施例について説明する。図１２は、圧電素子１５１Ａを駆動させるための駆動波形（記録ヘッド１０４内の圧電素子１５１Ａへの印加電圧）の第２実施例を示すグラフである。図１３は、図１２に示した駆動波形の第２実施例におけるメニスカスの変位量（シミュレーション）を示すグラフである。

記録ヘッド１０４の駆動の第２実施例においては、クリーニングパルスを２パルスとし、これら２パルスの立ち上げ（及び立ち下げ）のタイミングを、２パルスにより発生するノズル１５０内のインクのヘルムホルツ振動の位相が同一になる間隔だけずらして配置する。これにより、振動の重ね合わせによってリフィル振動のピークにおけるクリーニングパルスの振動をより強くすることができる。よって、一層高いクリーニング効果を得ることができる。

記録ヘッド１０４の駆動の第２実施例においては、クリーニングパルスの１パルス目はインクを吐出しないため、２パルス目よりも小さなパルスとした。これにより、リフィル振動のピークが来る前に多量のインクを吐出してしまってリフィル振動ピークにおけるノズル１５０内のインクの正圧が小さくなることを防ぐことができる。ただし、クリーニングパルスの１パルス目でインクを吐出してしまってもよい。

また、リフィルはインク流れの振動であるため、インク粘度が低い高温ほどインク流路の流体抵抗が小さくなり、リフィルの振動を大きくすることができる。したがって、記録ヘッド１０４又はインク供給系など、画像形成装置１の本体内にヒーターを付加し、インクの温度を加温することにより、低温環境においても高いクリーニング効果を得ることができる。また、インクの温度が予め定められた温度以下である場合、加温によってインク温度を一定に制御することにより、温度ごとのリフィル振動のピークのタイミングを観察したり、設定する必要もなくなる。

次に、記録ヘッドのノズル近傍のクリーニング動作の比較例について説明する。図１４は、ノズル近傍のインクミスト付着物除去を行うクリーニング動作の比較例を示す図である。

図１４（ａ）は、非印字時（非画像形成時）のノズル４００の状態を示す図である。図１４（ａ）に示した状態では、ノズル４００内の圧力は負圧に保たれているため、メニスカスはノズルの内側に向けて凸の形状となっている。また、ノズル４００の近傍にはインクミストが付着している。

このインクミストを除去するため、図１４（ｂ）、（ｃ）に示した加圧動作を行う。加圧動作には、一般に記録ヘッド外部にあるチュービングポンプなどの加圧手段が用いられる。図１４（ｂ）に示すように、加圧動作により、インクミストはノズル４００から溢れるインクに飲み込まれる。そして、図１４（ｃ）に示すように、ノズル４００の上面は数ミリメートル程度の厚いインクの層に覆われる。

その後、図１４（ｄ）に示すように、ノズル４００内の圧力を再度負圧に戻した後にワイパー４２０によるワイピングが行われる。この一連のクリーニング動作により、インクミストが除去され、図１４（ｅ）に示すようにインクミスト付着物のない状態となる。

しかし、この手法では、ノズル面に溢れ出るインク量をコントロールすることが難しく、どうしても大量にインクを消費してしまう。インク量をコントロールすることが難しい理由について、簡単に説明する。ノズルからインクが溢れる力は毛管圧によって説明でき、毛管圧ｈは下記式１で表される。

画像形成装置に用いられる液体吐出ヘッドにおいては、一般に、ノズル径が数十μｍと非常に小さいため、毛管圧は大きくなり、具体的には数百ｍｍＡｑの値となる。そのため、ノズルからインクを溢れさせるにはそれ以上の圧力をノズル内のインクに加える必要がある。ノズルからインクが溢れた後にもその圧力を加え続けると、インクは大量に溢れてしまう。よって、インク消費を抑えるためにはノズル内の圧力を高速で正確に制御する必要がある。

しかし、圧力を制御する圧力制御部は、コストや装置小型化の観点から、ノズルから離れた位置に配置せざるを得ない。よって、従来はノズル内の圧力を高速で正確に制御することは難しかった。従って、負圧制御によりインクを溢れさせるこの方法で、ノズル近傍のインクミスト付着物等の異物除去を行うと、大量にインクを消費してしまう。

そこで、引用文献１に記載されるような、ノズルのごく近傍だけのインク溢れを発生させることによるクリーニング方法が考えられている。この制御方法では、確かにノズル面にインクを溢れさせた後にワイピングを実施するクリーニング動作より短時間で吐出曲がりを回復できる。しかし、この制御方法を実現するためには、機器が複雑化してしまう。また、この制御方法においては、ヘッド外からノズル内インク圧力を制御するため、加圧、減圧に少なくとも数十から数百ミリ秒の時間を要する。そのため、特に連続して高速で画像を形成するラインヘッドプリンターにおいては、画像形成動作中にクリーニングを行おうとすると、通常のページ間隔の非印字領域より長い非印字領域が必要になり、画像形成の生産性が落ちてしまう。

つまり、実施の形態にかかる画像形成装置１は、ノズル１５０近傍に付着したインクミスト等を簡易な構成で短時間（ラインエンジンにおけるページ間の非印字時間である数百μｓ以内）に除去することができ、インクの吐出曲がりから回復させることができる。具体的には、画像形成装置１は、吐出実施時にノズル内インクを正圧にすることで異物除去のための溢れを発生させ、その正圧をヘッドの駆動時に発生するリフィル振動を利用することで実現する。よって、画像形成装置１は、専用の圧力制御機構を持つ必要がなくなり、単純な構成となっている。さらに、画像形成装置１は、記録ヘッド１０４外部から圧力を制御する場合に必要な圧力の過渡応答時間を待つ必要がなくなるので、短時間でのメンテナンスが実施でき、画像形成の生産性を向上させることができる。

なお、画像形成装置１は、例えば、プリンタ、ファックス、コピアの単機能機やこれらの複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、上述した液体吐出ヘッドの駆動方法は、インク以外の液体である記録液や定着処理液などを用いる画像形成装置、その他の前述したような各種の液体を吐出する液体吐出装置にも適用することができる。

１ 画像形成装置
１０３ キャリッジ
１０４ 記録ヘッド
１０５ ヘッドタンク
１４０ 流路部材
１４１ 振動板部材
１４２ ノズル板
１４４ 加圧液室
１４５ 連通部
１４６ 連通路
１４７ 流体抵抗部
１４８ 共通液室
１４９ フレーム部材
１５０ ノズル
１５１ 圧電素子部材
１５１Ａ 圧電素子
１５２ ベース部材
１５３ ダンパ部材
３０２ ＣＰＵ
３０４ ヘッド駆動制御部

実開平０４−１０９１４５号公報

Claims (8)

1. 圧電素子が加える圧力によって液体吐出ヘッドの液室内の液体を吐出させるノズルの近傍をクリーニングする場合の前記液体吐出ヘッドの駆動方法であって、
   前記液体の流れによるリフィル振動を発生させるリフィル振動生成パルスとなる第１の電圧を前記圧電素子に印加する工程と、
   前記第１の電圧の印加により発生させたリフィル振動によって前記ノズル内の圧力が最大になるタイミングに基づいて、前記液体を前記ノズルから吐出させるクリーニングパルスとなる第２の電圧を前記圧電素子に印加する工程と
   を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法。
2. 前記リフィル振動生成パルスにより発生するヘルムホルツ振動と同じ位相の振動が生成されるタイミングであり、且つ、前記リフィル振動生成パルスで発生するリフィル振動により変化する前記ノズル内の圧力が略最大になるタイミングで、前記第２の電圧を印加すること
   を特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
3. 前記リフィル振動生成パルスは、前記液体吐出ヘッドの非駆動時に比べて、メニスカスを前記液体吐出ヘッドの内部に向けてより大きな凸にするパルスであること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
4. 前記クリーニングパルスは、前記圧電素子を収縮させてから膨張させるパルスであり、前記圧電素子の収縮と膨張とによって発生する前記ノズル内の液体のヘルムホルツ振動のそれぞれの位相が略同一になるように、前記圧電素子の収縮と膨張の間隔を設定していること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
5. 前記クリーニングパルスは、複数のパルスからなり、前記複数のパルスにより発生する前記ノズル内の液体のヘルムホルツ振動のそれぞれの位相が略同一になるように、前記圧電素子の収縮と膨張の間隔を設定していること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
6. 前記クリーニングパルスが温度に応じて異なるタイミングのパルスとなるように、前記第２の電圧を前記圧電素子に印加すること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
7. 前記液室内の液体の温度が予め定められた温度以下である場合、前記液室内の液体の温度を上昇させた後に、前記第１の電圧を前記圧電素子に印加すること
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
8. 圧電素子が加える圧力によって液室内の液体をノズルから吐出させて画像を形成する液体吐出ヘッドと、
   前記ノズルの近傍をクリーニングする場合に、前記液体の流れによるリフィル振動を発生させるリフィル振動生成パルスとなる第１の電圧を前記圧電素子に印加し、前記第１の電圧の印加により発生させたリフィル振動によって前記ノズル内の圧力が最大になるタイミングに基づいて、前記液体を前記ノズルから吐出させるクリーニングパルスとなる第２の電圧を前記圧電素子に印加することにより、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。

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