JP2021041577A - 液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示品質を向上させることが可能な液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置を提供する。【解決手段】液滴吐出ヘッド１１は、液滴を吐出する吐出ノズル２０と、液滴を吐出しないダミーノズル２１と、を有するノズルプレート３１と、液体を収容する液室２３と、液室２３内の液体に圧力を付与するアクチュエーター４１と、液室２３に液体を供給する供給流路２６と、を備え、ダミーノズル２１の流路抵抗は吐出ノズル２０の流路抵抗に比べて大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置に関する。

近年、インクジェット技術を多様な用途に展開する活動が活発化しており、液滴吐出ヘッドから液滴が吐出される被記録媒体として、例えば、毛羽立った布帛や立体物など凹凸を有する媒体に微小なインク等の液体を高い解像度で精度良く着弾させる技術が望まれている。上記媒体に対して液滴を吐出するためには、ヘッドと記録媒体とが干渉しないように被記録媒体とのギャップ（ＰＧ間ギャップ）を大きくする必要がある。しかし、液滴の吐出速度は飛翔中に空気抵抗の影響で減速する。特に、液滴が微小になるほど空気抵抗の影響を受けやすく大きく減速し、媒体に到達出来ずに浮遊するまたは、ミスト化するおそれがある。すなわち、上記媒体に対して微小な液滴を高い精度で着弾させるためには、吐出速度を高める必要がある。液室容積を変化させてノズルから液滴を吐出する方式において、吐出速度を速くするためには、液室容積を変形する速度を速くする必要がある。

例えば、液室の容積を変化させる圧力発生素子として、縦振動する圧電素子を使用した場合、液室容積速度を速めるために圧電素子に電圧を急速に印加することが効果的である。しかし、電圧印加を急にすると、吐出した後に残留する液室内の無用な振動が大きくなる。残留振動が大きくなると、着弾する液滴の形状がばらつき、連続吐出時に吐出安定性が損なわれるおそれがある。残留振動を抑制する手法の１つとして、例えば、特許文献１には、圧電素子に印加された電圧の放電時間を長くする液滴吐出ヘッドが開示されている。

特開平６−８４２７号公報

しかしながら、放電時間を長く、すなわち液室の変形速度を遅くすると液滴の吐出速度が低下するため、大きなギャップにおいて高い着弾精度を実現するための吐出速度を高めるという本来の目的を達成することができないという課題がある。

本願の液滴吐出ヘッドは、液体を収容する液室と、液室から供給された液体を液滴として吐出する第１ノズルと、液室から供給された液体を液滴として吐出しない第２ノズルと、液室内の液体に圧力を付与するアクチュエーターと、液室に液体を供給する供給流路と、を備え、第２ノズルの流路抵抗は第１ノズルの流路抵抗に比べて大きいことを特徴とする。

本願の液滴吐出ヘッドは、液体を収容する液室と、液室から供給された液体を液滴として吐出する第１ノズルと、液室から供給された液体を液滴として吐出しない第２ノズルと、液室内の液体に圧力を付与するアクチュエーターと、液室に液体を供給する供給流路と、第２ノズルの開口を覆う被膜と、を備えることを特徴とする。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、第２ノズルの最小径は第１ノズルの最小径に比べて小さいことが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、第２ノズルの断面積は第１ノズルの断面積に比べて小さいことが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、液室から供給された液体を液滴として吐出しない第３ノズルを備えることが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、第１ノズルおよび第２ノズルは連通路に接続され、連通路は液室に接続されていることが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、液室の液体を流出する流出流路を備える、ことが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、連通路の液体を流出する流出流路を備える、ことが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、アクチュエーターは、圧電素子であり、液室の壁面内の一部は、振動板で形成され、アクチュエーターは振動板を挟んで液室の反対側に配置される、ことが好ましい。

上記の液滴吐出ヘッドにおいて、アクチュエーターは、圧電素子であり、液室の壁面の少なくとも２面は、圧電素子で形成される、ことが好ましい。

本願の液滴吐出装置は、被記録媒体を搬送する搬送手段と、被記録媒体に液滴を吐出する上記に記載の液滴吐出ヘッドと、液滴吐出ヘッドのノズルをクリーニングするメンテナンス手段と、を備えることを特徴とする。

上記の液滴吐出装置において、メンテナンス手段は、キャップとワイパーとを備え、ワイパーのワイピング方向からみて、第１ノズルと第２ノズルとが重ならない、ことが好ましい。

実施形態に係る液滴吐出装置の概略構成を説明する図。 実施形態に係る液滴吐出装置の概略構成を説明するブロック図。 実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を説明する図。 実施形態に係るノズルプレートの概略構成を説明する図。 実施形態に係るヘッド制御部の概略構成を説明するブロック図。 実施形態に係る吐出制御のタイミングチャート。 吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 実施形態に係る圧力変動を示すグラフ。 比較例に係る圧力変動を示すグラフ。 吐出速度とダミーノズルの開口の直径との相関図。 圧力変動とダミーノズルの開口の直径との相関図。 吐出不良と判定された吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 吐出不良と判定された吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 吐出不良と判定された吐出ノズル内のメニスカスの時間変化を説明する断面図。 変形例１に係るノズルプレートの概略構成を示す図。 変形例２に係るノズルプレートの概略構成を示す図。 変形例３に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す図。 変形例４に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す図。 変形例５に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す図。 変形例６に係るノズルプレートの概略構成を示す図。 変形例６に係るノズルプレートの概略構成を示す図。 変形例７に係る吐出制御のタイミングチャート。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態）
図１は、印刷システムを構成する液滴吐出制御装置としてのコンピューター９１および液滴吐出装置としてのプリンター９２の概略構成を説明する図である。プリンター９２は、用紙、布、フィルム等の被記録媒体９３に画像を印刷する。コンピューター９１は、プリンター９２と通信可能に接続される。そして、コンピューター９１は、その画像に応じた印刷データをプリンター９２に出力し、プリンター９２は被記録媒体９３に画像を印刷する。このコンピューター９１には、アプリケーションプログラムやプリンタードライバー等のコンピュータープログラムがインストールされている。

プリンター９２は、ヘッドユニット１と、搬送手段としての搬送機構９４と、制御部９５（図２参照）と、第１タンク９７１と、メンテナンス手段としてのクリーニングユニット９６と、キャリッジ９７とを有する。制御部９５については、後述する。

ヘッドユニット１は、ヘッド制御部６および液滴吐出ヘッド１１を有する。液滴吐出ヘッド１１は、キャリッジ９７に搭載され、キャリッジ９７の被記録媒体９３と対向する面に複数のノズルがキャリッジ移動方向と交差して配列され、液体を被記録媒体９３に対して吐出する。液体は、吐出するときに物質が液相である状態の材料であれば良く、ゾル、ゲルなどのような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能性材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども液体に含まれる。例えば、インク、液晶乳化剤、金属ペーストなどが挙げられる。また、ヘッド制御部６は、キャリッジ９７の内部に設けられ、制御部９５と電気的に接続される。ヘッド制御部６は、液滴吐出ヘッド１１からの液滴の吐出を制御する制御部である。

搬送機構９４は、キャリッジ移動機構９４１および被記録媒体搬送機構９４２を有する。キャリッジ移動機構９４１は、モーター９４３を駆動させ、ヘッドユニット１を備えたキャリッジ９７をキャリッジ移動方向に移動させる。キャリッジ９７がキャリッジ移動方向に往復運動し、液滴吐出ヘッド１１が印刷データに基づいて液体を吐出することでプリンター９２は被記録媒体９３に画像を印刷する。被記録媒体搬送機構９４２は、モーター９４４により被記録媒体９３を搬送方向に搬送する。この搬送方向は、キャリッジ移動方向と交差する方向である。

第１タンク９７１は、キャリッジ９７に搭載され、流入路９７３（図２参照）を通じて液滴吐出ヘッド１１に供給される液体を収容する。第１タンク９７１は大気圧に比べてわずかに負圧になるように、内部に圧力調整機構を内蔵するように構成されている。液滴吐出ヘッド１１に供給された液体は、液滴吐出ヘッド１１内のアクチュエーター４１（図２参照）を駆動させることで被記録媒体９３へ吐出される。

クリーニングユニット９６は、第２タンク９６２と、キャップ９６３と、ワイパー９６４とを有する。第２タンク９６２は、液滴吐出ヘッド１１から排出された液体を、流出流路としての排出路９６１（図２参照）を通じて収容する。第２タンク９６２は、ポンプ９６５（図２参照）を有する。ポンプ９６５は、キャップ９６３内を減圧することにより、排出路９６１を通じて液滴吐出ヘッド１１から液体を吸引する。

液滴吐出ヘッド１１と接触するキャップ９６３は、排出路９６１と液滴吐出ヘッド１１との間に配置される。ポンプ９６５は第２タンク９６２を介してキャップ９６３内を減圧し、増粘した液体を液滴吐出ヘッド１１から吸引する。これにより、液滴吐出ヘッド１１はノズル内の液体の増粘や、液室内に沈降成分が堆積することを抑制できる。また、液滴吐出ヘッド１１から液体を吸引する前にワイパー９６４により後述する液滴吐出ヘッド１１のノズルプレート３１（図３参照）の表面をワイピングしても構わない。これにより、ノズルプレート３１の表面に付着した液体を取り除くことができる。なお、ワイピングの方向は、搬送方向または、搬送方向と交差する方向であっても構わない。

図２は、コンピューター９１およびプリンター９２の概略構成を説明するブロック図である。まず、コンピューター９１の構成について簡単に説明する。コンピューター９１は、出力インターフェイス（以降、出力ＩＦ９１１と称する。）と、ＣＰＵ９１２と、メモリー９１３とを有する。

出力ＩＦ９１１は、プリンター９２との間でデータの受け渡しを行う。ＣＰＵ９１２は、コンピューター９１の全体的な制御を行うための演算処理装置である。メモリー９１３は、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、磁気ディスク装置等によって構成され、ＣＰＵ９１２が使用するコンピュータープログラムを格納する。このメモリー９１３に格納されるコンピュータープログラムは、アプリケーションプログラムやプリンタードライバーなどがある。そして、ＣＰＵ９１２は、コンピュータープログラムに従って各種の制御を行う。

プリンタードライバーは、画像データを印刷データに変換させるプログラムなどである。この印刷データをプリンターへ出力する。印刷データは、プリンターが解釈できる形式のデータであって、各種のコマンドデータと、画素データ（ＳＩ）とを有する。コマンドデータとは、プリンター９２に特定の動作の実行を指示するためのデータである。このコマンドデータには、例えば、給紙を指示するコマンドデータ、搬送量を示すコマンドデータ、排紙を指示するコマンドデータがある。また、画素データ（ＳＩ）は、印刷される画像の画素に関するデータである。

ここで、画素とは、画像を構成する単位要素であり、この画素が２次元的に並ぶことにより画像が構成される。印刷データにおける画素データ（ＳＩ）は、被記録媒体９３上に形成されるドットに関するデータ（例えば、階調値）である。

つぎに、プリンター９２内部の制御部９５の構成について簡単に説明する。制御部９５は、入力インターフェイス９５１（以降、入力ＩＦ９５１と称する。）と、ＣＰＵ９５２と、メモリー９５３と、駆動信号生成回路９５７と、搬送機構駆動回路９５４と、印字タイミング生成回路９５５と、ポンプ駆動回路９５８と、クリーニングユニット駆動回路９５９と、を有する。入力ＩＦ９５１は、外部装置であるコンピューター９１との間で、データの受け渡しを行う。ＣＰＵ９５２は、プリンター９２の全体的な制御を行うための演算処理装置である。メモリー９５３は、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、磁気ディスク装置等によって構成され、ＣＰＵ９５２が使用するコンピュータープログラムを格納する。そして、ＣＰＵ９５２は、メモリーに記憶されているコンピュータープログラムに従い、各回路を制御する。

コンピュータープログラムは、駆動信号生成プログラムと、搬送機構駆動プログラムと、印字タイミング生成プログラムと、第１ポンプ駆動プログラムと、第２ポンプ駆動プログラムなどである。

駆動信号生成回路９５７は、クロック信号（ＣＫ）が入力されると駆動信号を生成する。駆動信号生成回路９５７は、２種類以上の駆動信号を周期的に生成し、ヘッド制御部６へ出力する。

搬送機構駆動回路９５４は、モーター９４３、９４４などを介して搬送機構９４の搬送量を制御する。例えば、キャリッジ移動機構９４１（図１参照）のモーター９４３を回転させ、キャリッジ９７（図１参照）をキャリッジ移動方向に搬送する。この時、モーター９４３に付属するリニアエンコーダー９４５は、モーター９４３の回転量からキャリッジ９７の搬送量を算出し、印字タイミング生成回路９５５に出力する。印字タイミング生成回路９５５は、搬送量に基づいて、クロック信号（ＣＫ）を生成し、ヘッド制御部６および搬送機構駆動回路９５４へ出力する。

ポンプ駆動回路９５８は、ポンプ９６５を駆動させ、第２タンク９６２の圧力を制御する。ポンプ９６５は、液滴吐出ヘッド１１のクリーニング時にキャップ内部を減圧し、増粘した液体を液滴吐出ヘッド１１から吸引する。液滴吐出ヘッド１１のクリーニング動作前には、クリーニングユニット駆動回路９５９が、モーター９６７を駆動させ、ワイパー９６４（図１参照）により液滴吐出ヘッド１１のノズルプレート３１（図３参照）の表面をワイピングする。また、モーター９６６を駆動させ、キャップ９６３（図１参照）と液滴吐出ヘッド１１のノズルプレート３１の表面とを密着させる。アクチュエーター４１およびスイッチ回路６６については後述する。

図３は、実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１の概略構成を説明する図である。図４は、図３の液滴吐出ヘッド１１のノズルプレート３１をＺ方向から見た概略図である。図３及び図４に示すように、液滴吐出ヘッド１１は、ノズルプレート３１と流路形成基板３２と振動板３３とアクチュエーター４１とを有する。流路形成基板３２には、連通路２２と、液室２３と、流路抵抗部２４と、共通液室２５と、が形成される。

液室２３は、流路形成基板３２に凹部を形成し、凹部の開口が振動板３３によって封止されることで構成される空間である。液体は、供給流路２６、共通液室２５、流路抵抗部２４を通って、液室２３に供給される。そして、連通路２２、第１ノズルとしての吐出ノズル２０を介して外部に吐出される。すなわち、液室２３は、連通路２２と流路抵抗部２４に連通する。

振動板３３は、流路形成基板３２に固定され、液室２３の壁面の一部を構成する。振動板３３は、Ｚ方向に撓み変形可能な板状部材、即ち、ダイアフラムである。

アクチュエーター４１は、振動板３３上に配置され、ベース基板３４に固定される。アクチュエーター４１には、フレキシブルケーブル４２が電気的に接続され、ヘッド制御部６（図２参照）からの信号に基づいて伸縮する。ベース基板３４の剛性は、振動板３３の剛性に比べて高いため、アクチュエーター４１の伸縮に伴い振動板３３がＺ方向に変位する。実施形態では、アクチュエーター４１は、印加された電圧に応じて伸縮する圧電素子、即ち、ピエゾ素子によって構成される。すなわち、アクチュエーター４１は振動板３３を挟んで液室２３の反対側に配置される。

ノズルプレート３１には、その表面に複数の吐出ノズル２０の開口と複数の第２ノズルとしてのダミーノズル２１の開口とが形成されている。吐出ノズル２０の開口は、例えば、Ｙ軸方向に沿って２列に配置され、ダミーノズル２１の開口も、Ｙ軸方向に沿って２列に配置される。ダミーノズル２１を液体が通る流路抵抗は、吐出ノズル２０を液体が通る流路抵抗と比べて大きい。具体的には、ダミーノズル２１の開口の直径は、吐出ノズル２０の開口の直径よりも小さい。

図５は、ヘッド制御部６の概略構成を説明するブロック図である。ヘッド制御部６は、第１シフトレジスター６１１，６１２，６１３（ＳＲ１）と、第２シフトレジスター６２（ＳＲ２）と、ＬＡＴ回路６３１，６３２，６３３と、選択信号生成回路６４と、デコーダー（Decoder）６５１，６５２，６５３と、スイッチ回路６６１，６６２，６６３とを備える。各スイッチ回路６６１，６６２，６６３は、アクチュエーター４１１，４１２，４１３にそれぞれ接続される。

ヘッド制御部６には、制御部９５（図２参照）からクロック信号（ＣＫ）と、ラッチ信号（ＬＡＴ）と、チェンジ信号（ＣＨ）と、第１駆動信号（ＣＯＭ−Ａ）と、画素データ（ＳＩ）および設定データ（ＳＰ）を含む設定信号とが入力される。なお、第１駆動信号（ＣＯＭ−Ａ）は、アクチュエーター４１（図２参照）に印加される。

クロック信号（ＣＫ）に同期して設定信号がヘッド制御部６に入力されると、画素データ（ＳＩ）が第１シフトレジスター６１１，６１２，６１３（ＳＲ１）に、設定データ（ＳＰ）が第２シフトレジスター６２（ＳＲ２）にそれぞれセットされる。そして、ラッチ信号（ＬＡＴ）のパルスに応じて、画素データ（ＳＩ）がＬＡＴ回路６３１，６３２，６３３に、設定データ（ＳＰ）が選択信号生成回路６４にそれぞれラッチされる。

選択信号生成回路６４は、設定データ（ＳＰ）とチェンジ信号（ＣＨ）とに基づいて、複数の選択信号を生成する。デコーダー６５１，６５２，６５３は、ＬＡＴ回路６３１，６３２，６３３にラッチされた画素データ（ＳＩ）に応じて、選択信号生成回路６４より入力された複数の選択信号の内１つを選択する。選択された選択信号は、スイッチ信号としてデコーダー６５１，６５２，６５３から出力される。

スイッチ回路６６１，６６２，６６３には第１駆動信号（ＣＯＭ−Ａ）およびスイッチ信号が入力される。例えば、スイッチ信号がＨレベルのとき、スイッチ回路６６１，６６２，６６３はＯＮ状態になり、第１駆動信号（ＣＯＭ−Ａ）がアクチュエーター４１１，４１２，４１３へ印加される。スイッチ信号がＬレベルのとき、スイッチ回路６６１，６６２，６６３はＯＦＦ状態になり、第１駆動信号（ＣＯＭ−Ａ）がアクチュエーター４１１，４１２，４１３へ印加されない。

次に、吐出制御方法について説明する。図６は、スイッチ回路６６（図２参照）より入力された第１駆動信号（ＣＯＭ―Ａ）に基づいて実行されるアクチュエーター４１（図２参照）のタイミングチャートの一例である。図６の横軸は、時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸は、アクチュエーター４１に印加される電圧［Ｖ］を示す。正の電圧がアクチュエーター４１に印加された時、アクチュエーター４１は収縮し、液室２３（図３参照）の容積を拡大する。なお、このタイミングチャートは吐出ノズル２０から液体を液滴として吐出する一連の液滴吐出制御を表す。

図７Ａから図７Ｅは、液滴吐出制御に伴う吐出ノズル２０内のメニスカスの状態を説明する断面図である。なお、図７Ａに示す図は、図６に示すＡの時点でのメニスカスの状態を示している。図７Ｂに示す図は、図６に示すＢからCの時点でのメニスカスの状態を示している。図７Ｃに示す図は、図６に示すＣの時点でのメニスカスの状態を示している。図７Ｄに示す図は、図６に示すＤからEの時点でのメニスカスの状態を示している。図７Ｅに示す図は、図６に示すＥの時点でのメニスカスの状態を示している。

図６に示すように液滴吐出ヘッド１１は、一連の吐出制御の中で各期間ｔ０〜ｔ４の５つの工程を実行する。期間ｔ０およびｔ４は待機状態であり、アクチュエーター４１には電位がかかっていない。期間ｔ１は、吐出ノズル２０内のメニスカスを液室２３側へ引き込む、引き込み工程である。期間ｔ２は、アクチュエーター４１が振動板３３の位置を保持する待機工程である。期間ｔ３は、アクチュエーター４１が振動板３３を−Ｚ方向に変位させ、吐出ノズル２０内の液体を加圧し液滴を吐出する押し込み工程である。期間ｔ４は、アクチュエーター４１が振動板３３の位置を保持し、液体が吐出ノズル２０に供給されるリフィル工程であり、次吐出の信号が印加されるまでこの状態で待機している。なお、待機中にはノズル内の液体乾燥による局所的な粘度上昇を防ぐために、吐出しない程度の電圧で振動を加えて搖動させても良い。

期間ｔ０の初期状態では、図７Ａに示すように、吐出制御が開始される前の吐出ノズル２０内の液体は、第１タンク９７１の負圧と吐出ノズル２０のメニスカス耐圧のバランスにより液室２３側にわずかに凹形状になるように維持されている。

期間ｔ１の引き込み工程では、図７Ｂに示すように、アクチュエーター４１が収縮することによって、振動板３３が＋Ｚ方向に変位する。これにより、液室の容積が拡大し、液室２３内の圧力が低下する。この引き込み工程において吐出ノズル２０内のメニスカスは液室２３側へ引き込む方向に作用する。

期間ｔ２の待機工程では、ヘッド制御部６がアクチュエーター４１の印加電圧を一定に保持することで振動板３３の位置は保持される。この間、期間ｔ１におけるアクチュエーター４１の駆動により発生した圧力波は液室２３の固有振動数Ｔｃで振動する。

メニスカスの引込みが最大になった時点で期間ｔ３の押し込み工程を開始し、アクチュエーター４１が待機状態まで伸張することによって、振動板３３が−Ｚ方向に変位する。アクチュエーター４１の伸張により、図７Ｃに示すように、液室２３内の液体には、瞬間的に大きなエネルギーが付与され圧力波が発生する。この圧力波は液室２３から吐出ノズル２０内の液体に伝播し、図７Ｄに示すように、吐出ノズル２０内の液体が加圧され、液滴Ｄが吐出される。吐出速度は、期間ｔ３が短いほど、すなわち、電圧を復帰させる時の傾きが急なほど速くすることが出来る。

さらに、このとき、期間ｔ３で発生した圧力波と、期間ｔ１で発生した圧力波と重畳することがより好ましい。これにより、吐出速度を可及的に速くすることができる。

期間ｔ４のリフィル工程では、図７Ｅに示すように、振動板３３の位置は保持される。このとき、吐出ノズル２０内のメニスカスは連通路２２からの液体の供給により安定状態に戻る。

図８Ａは、液滴吐出ヘッド１１における吐出ノズル２０の連通路２２側の開口の圧力変動を示したグラフであり、図８Ｂは、液滴吐出ヘッド１１からダミーノズル２１を取り除いた場合における吐出ノズル２０の連通路２２側の開口の圧力変動を示したグラフである。縦軸は、初期状態を基準とした時の圧力変動［Ｐａ］であり、横軸は時間［ｓｅｃ］である。

吐出ノズル２０の開口出口の直径は、３０［μｍ］とし、ダミーノズル２１の開口出口の直径は、８．５［μｍ］とした。即ち、ダミーノズル２１の開口の最小径は、吐出ノズル２０の開口の最小径に比べて小さい。また、ダミーノズル２１の開口の断面積は、吐出ノズル２０の開口の断面積に比べて小さいともいえる。図８Ａおよび図８Ｂにおける期間Ａに観測された圧力変動は、吐出ノズル２０内の液体を意図的に吐出させるための圧力振動を示している。期間Ａにおいて、ダミーノズル２１の有無による正の圧力の最大値は約４ＭＰａである。そのため、ダミーノズル２１の有無に依らず速い吐出速度、例えば、３０ｍ／ｓ以上の吐出速度が得られる。図８Ａおよび図８Ｂにおける期間Ｂに観測された圧力変動は、吐出ノズル２０内の残留振動を示している。図８Ｂにおける期間Ｂでは、吐出後に最大９［ＭＰａ］の残留振動が発生し、多数の意図しない液滴、いわゆるサテライトが多数発生した。一方、図８Ａにおける期間Ｂでは、吐出後の残留振動が約４〜５［ＭＰａ］と図８Ｂの半分に抑えることができるため、液滴吐出後の意図しない複数のサテライトや、ノズルプレート３１への液体付着、ミストなどを抑制することができる。

図９Ａは、吐出速度と、ダミーノズル２１の開口の直径との関係の試験結果を示すグラフであり、図９Ｂは、残留する最大圧力変動と、ダミーノズル２１の開口の直径との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。ここで、図９Ｂにおける圧力変動とは、図８Ａや図８Ｂの期間Ｂにおける１つ目の圧力変動である。吐出ノズル２０の開口の直径は、図８Ａと同様である。

吐出ノズル２０から吐出される液滴の吐出速度は、ノズルプレート３１をＹ方向からストロボスコープによって所定の周期で撮像し、得られた複数枚の画像を用いて、液滴Ｄ（図１０Ｂ参照）が吐出ノズル２０から吐出された直後の画像と、所定周期経過した画像とを比較し、液滴Ｄの−Ｚ方向の頂点の移動距離から平均速度を算出する。図７Ｄのように１滴の液滴Ｄ、またはサテライトが１滴で、かつ、ミスト状に浮遊することなくメイン液滴Dと同軸線上に飛翔して吐出される吐出状態を○、図１０Ａ乃至図１０Ｃで示された吐出状態を×（吐出不良）と判定した。図１０Ａおよび図１０Ｂについての説明は後述する。

図９Ａから読み取れるように、ダミーノズル２１の開口の直径が９［μｍ］以下では、吐出速度は大きく低下せず、ダミーノズル２１の開口の直径が１２［μｍ］以上では、吐出速度は徐々に低下している。これは、吐出ノズル２０の開口の直径に対してダミーノズル２１の開口の直径が大きくなると、ダミーノズル２１がアクチュエーター４１から付与される圧力波を吸収する割合が大きくなるためである。

また、ダミーノズル２１の開口の直径が６［μｍ］以下では、吐出不良が発生している。これは、図９Ｂから読み取れるように、液滴が吐出された後の圧力変動が吐出不良が生じていないダミーノズル２１の開口の直径の範囲に比べて大きいためである。すなわち、吐出ノズル２０の開口の直径に対するダミーノズル２１の開口の直径の比が２０［％］以上４０［％］以下であれば、ダミーノズル２１が吐出速度に与える影響を抑えつつ、良好な吐出状態を得ることができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、図６に示すＤ乃至Ｅの時点でのメニスカスの状態を示している。図１０Ａでは残留振動によって、液滴が分離する前に次の吐出が始まってしまい、数珠状の液柱Ｃとなって吐出される。この様な吐出状態となると、被記録媒体９３に吐出される液量にばらつきが生じる。また、液柱Cの後方がノズル側へ引き戻される力が先頭の液滴の飛翔に影響して減速してしまう、場合によってはノズル内に戻って不吐出となってしまう等の画質低下が生じてしまう。図１０ＢではサテライトＳが液滴Ｄの吐出後に吐出ノズル２０内の液体から多数分離されている。この様な吐出状態となると、被記録媒体９３の予期しない領域に複数のサテライトＳが着弾するという不具合が生じる。また、極めて速度の遅いサテライトが浮遊し、ノズルプレート３１に付着し、吐出方向が曲がっている、液滴が吐出できないという不具合が生じる。

図１０Ｃでは、図１０ＢのようにサテライトＳが吐出された後のメニスカスの状態を示している。残留した圧力振動によるメニスカスの振動が吐出ノズル２０内の液体と分離できずにサテライトＳ’は吐出ノズル２０の開口に付着している。この様な吐出状態となると、吐出ノズル２０の開口に付着したサテライトＳ’と、吐出ノズル２０から吐出される液体とが接触し、液滴の吐出方向が曲がってしまい、ノズル内に気泡を巻き込んで不吐出となるおそれがある。これにより、液滴の着弾ズレやドット抜けが発生し、画質が低下する。

以上述べたように、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１によれば、液滴を吐出しないダミーノズル２１が、吐出ノズル２０と接続される連通路２２に接続されていることにより、吐出ノズル２０から液滴が吐出された後の吐出ノズル２０内の残留振動を抑制することができる。これにより、画質低下や吐出の不安定を起こさずに吐出速度を高めることができ、ヘッドとの間に大きなギャップが必要な被記録媒体９３に対して高い着弾精度を実現することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
上記実施形態では、図４に示す液滴吐出ヘッド１１のノズルプレート３１のように、１つの連通路２２に対して１つのダミーノズル２１が連通されていると説明したが、図１１Ａに示すノズルプレート３１１のように、１つの連通路２２に対して第２ノズル及び第３ノズルを含む複数のダミーノズル２１１を連通していても構わない。ダミーノズル２１１の直径を大きくとると、メニスカスの耐圧が下がり、吐出ノズル２０の振動等の外的な要因による圧力変動等で気泡を巻込むおそれが増加する。そのため、ダミーノズル２１１の直径は適正なコンプライアンスが得られる範囲で可能な限り小さいことが望まれる。ダミーノズル２１１のコンプライアンスは、ダミーノズル２１１の数に比例するため、仮に図４のダミーノズル２１１の開口の直径と、図９Ａ及び図９Ｂのダミーノズル２１１の開口の直径とが同じであると仮定した場合、図１１の液滴吐出ヘッド１２では、メニスカス耐圧を維持しつつ、コンプライアンスを２倍に増加させることができる。逆に、ダミーノズル２１１の数を増やすことで、その分直径を小さくしても同等のコンプライアンスが得られるため、メニスカス耐圧を増やし、より外乱に強くすることができる。

（変形例２）
上記実施形態では、図４のように、ダミーノズル２１の開口形状を円と説明したが、図１２に示す液滴吐出ヘッド１３のノズルプレート３１２のように、ダミーノズル２１２の開口形状は長円や、楕円であっても構わない。ダミーノズル２１２の開口形状が長円状である場合、ダミーノズル２１２のメニスカス耐圧は長円の短径でほぼ決定する。そのため、長円の短径が円形状のダミーノズル２１２の開口の直径と同様であると仮定した場合、ダミーノズル２１２のメニスカス耐圧を低下させることなく、コンプライアンスを増加させることができる。これにより、より効率的に吐出ノズル２０内の残留振動を抑制できる。なお、ダミーノズル２１２の開口は、円や長円、楕円に限定されず、多角形であっても構わない。

（変形例３）
上記実施形態では、図３のように、液室２３の液体は、連通路２２から吐出ノズル２０を通って外部へ吐出されると説明したが、図１３に示す液滴吐出ヘッド１４の流路形成基板３２１のように、連通路２２に連通する流出流路としての流出路２８を介して循環流路２９へ流出する構成である。第１タンク９７１には、第１タンク９７１内の液体を加圧する第２ポンプ（図示しない）が内蔵されている。また、循環流路２９は、図示しない第３タンクに接続に接続されている。第３タンクには、第３ポンプが内蔵され、第３タンク内の内圧は、大気圧に対して負圧に設定される。そして、吐出ノズル２０から吐出されずに循環流路２９へと流れた液体は、第３タンクに流入する。第１タンクと第３タンクは、図示しない流路で接続されており、第３タンクの液量が図示しない検出素子で一定以上に到達した時に、第３タンク内の液体は、第１タンクへ流入する。供給流路２６内の液体には大気圧に比べて高い圧力が付与され、流出路２８内の液体には大気圧に比べて負の圧力が付与される。吐出ノズル２０内の液体には大気圧に比べてわずかに負の圧力（例えば-５００Pa）が付与され、吐出ノズル２０内のメニスカスは液室２３側に凹んだ状態で維持されている。この場合、液室２３から循環流路２９に向かう液体の流れを生じさせることができるため、液室２３内から吐出ノズル２０または、ダミーノズル２１にかけての液体の増粘を抑制できる。なお、連通路２２における流出路２８の開口とダミーノズル２１との距離は、連通路２２における流出路２８の開口と吐出ノズル２０との距離に比べて短いことが好ましい。液滴が吐出されないダミーノズル２１は吐出ノズル２０に比べて内部の液体が増粘しやすいため、上記構成とすることで、ダミーノズル２１内の液体の増粘を抑制できる。なお、流出路２８は、連通路２２ではなく液室２３に接続されても構わない。

（変形例４）
上記実施形態では、図３のように、アクチュエーター４１が液室２３の壁面の一部を形成する振動板３３上に配置されると説明したが、図１４の液滴吐出ヘッド１５のように、アクチュエーター４１４が液室２３１の壁面の一部を構成しても構わない。すなわち、アクチュエーター４１４の変形モードが縦モード型やユニモルフ型ではなく、せん断モードである。液滴吐出ヘッド１５は、基板３５と、ノズルプレート３１と流路形成基板３２２とアクチュエーター４１４とを有する。基板３５にはアクチュエーター４１４およびヘッド制御部６（図２参照）が実装されている。

アクチュエーター４１４は、基板３５に接合された第１圧電素子４１５と第１圧電素子４１５に接合された第２圧電素子４１６とから構成され、第１圧電素子４１５と第２圧電素子４１６との分極方向は互いに対向する。

液室２３１は、第１圧電素子４１５の＋Ｘ方向及び、−Ｚ方向の面が開口した凹部である。第１圧電素子４１５の＋Ｘ方向の開口面には流路形成基板３２２が接合され、液室２３１の壁面の一部を形成する。すなわち、液室２３１の壁面の少なくとも２面は、圧電素子で形成される。アクチュエーター４１４で構成された液室２３１の壁面には、電極が被膜されている。流路形成基板３２２には供給流路２６１が形成され、供給流路２６１は液室２３１に連通する。

ノズルプレート３１はアクチュエーター４１４と流路形成基板３２２に接合され、複数の吐出ノズル２０の開口と複数のダミーノズル２１の開口とが形成されている。吐出ノズル２０の開口は、Ｙ軸方向に沿って配置され、ダミーノズル２１の開口も、Ｙ軸方向に沿って配置される。

第１圧電素子４１５および第２圧電素子４１６は、ヘッド制御部６からの信号に基づきせん断変形し、液室２３１内の容積が減少することで、吐出ノズル２０から液体が吐出される。

上記構成を有することで、実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例５）
上記実施形態では、図３のように、ダミーノズル２１内の液体は、外気と液面で接触していると説明したが、図１５の液滴吐出ヘッド１６のように、ダミーノズル２１の開口が、被膜としてのフィルム４４で覆う構成としても構わない。フィルム４４は、例えばポリイミドフィルムのように、耐液性に優れ、かつ柔軟な薄膜で形成される。これにより、ダミーノズル２１内の液体が外気と接することがなく、また外乱による気泡の巻き込みのリスクがないため、ダミーノズル２１内の液体が増粘することを抑制し、吐出の安定した吐出ヘッドを提供することができる。これにより、連続吐出時に吐出安定性が損なわれることなく、吐出速度を高めることができ、ヘッドとのギャップを大きくすることが必要な被記録媒体に対して高い着弾精度を実現することができる。また、ダミーノズル内の液体が外気と接することを防止でき、ノズル内の液体が増粘することを抑制することができる。また、ダミーノズル２１の連通路２２側の開口に対してフィルム４４を形成する場合に比べて、残留振動を抑制することができる。これは、残留振動時に圧力波がダミーノズル２１内を往復することで、ダミーノズル２１の流路抵抗が残留振動を減衰させるためである。

（変形例６）
上記変形例１では、ダミーノズル２１１を２つ有していたが、図１６Ａおよび図１６Ｂのように、液滴吐出ヘッド１７、１８は、さらにより小径にして多数のダミーノズル２１３、２１４を吐出ノズル２０の周囲に設置しても構わない。これにより、変形例１と同様の効果を得ることができる。

（変形例７）
上記実施形態では、図６のように、期間ｔ０、ｔ４において電圧が印加されない駆動波形としたが、図１７のように、期間ｔ０、ｔ４において中間電圧が印加されても構わない。期間ｔ１は、吐出ノズル２０内のメニスカスを液室２３側へ引き込む、引き込み工程である。期間ｔ２は、アクチュエーター４１が振動板３３の位置を保持する待機工程である。期間ｔ３は、アクチュエーター４１が振動板３３を−Ｚ方向に変位させ、吐出ノズル２０内の液体を加圧し液滴を吐出する押し込み工程である。このとき、アクチュエーター４１は中間電位を超えて押し込まれる。期間ｔ５は、アクチュエーター４１が振動板３３の位置を保持する待機工程である。期間ｔ１は、アクチュエーター４１を中間電位まで戻す、収縮工程である。期間ｔ４は、アクチュエーター４１が振動板３３の位置を保持し、液体が吐出ノズル２０に供給されるリフィル工程であり、次吐出の信号が印加されるまでこの状態で待機している。なお、期間ｔ１の引き込み工程および期間ｔ２の待機工程は、省略することが可能である。この場合、吐出後の残留振動をある程度抑制することは可能であるが、所望する吐出速度を得るには不十分である。

（変形例８）
上記実施形態においてワイパー９６４（図１参照）のワイピングの方向は、搬送方向または、搬送方向と交差する方向であっても構わないと説明したが、ワイパー９６４のワイピング方向からみて、吐出ノズル２０とダミーノズル２１とが重ならないことが好ましい。例えば、図４のノズルプレート３１に対してワイピングを実行する場合、ワイピングの方向はＹ軸方向となる。これにより、ダミーノズル２１内の増粘液体が吐出ノズル２０内部に混入することを抑制でき、液滴吐出ヘッド１１の吐出安定性を高めることができる。

以下に、実施形態から導き出される内容を記載する。

本願の液滴吐出ヘッドでは、液体を収容する液室と、液室から供給された液体を液滴として吐出する第１ノズルと、液室から供給された液体を液滴として吐出しない第２ノズルと、液室内の液体に圧力を付与するアクチュエーターと、液室に液体を供給する供給流路と、を備え、第２ノズルの流路抵抗は前記第１ノズルの流路抵抗に比べて大きいことを特徴とする。

この構成によれば、流路抵抗が大きく液滴が吐出されない第２ノズルを有しているため、第１ノズルから液滴が吐出された後の第１ノズル内部の残留振動を抑制することができる。これにより、連続吐出時に吐出安定性が損なわれることなく、吐出速度を高めることができ、大きなギャップが必要な被記録媒体に対して高い着弾精度を実現することができる。

本願の液滴吐出ヘッドでは、液体を収容する液室と、液室から供給された液体を液滴として吐出する第１ノズルと、液室から供給された液体を液滴として吐出しない第２ノズルと、液室内の液体に圧力を付与するアクチュエーターと、液室に液体を供給する供給流路と、第２ノズルの開口を覆う被膜と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、第２ノズルの開口が被膜で覆われているため、第１ノズルから液滴が吐出された後の第１ノズル内部の残留振動を抑制することができる。これにより、連続吐出時に吐出安定性が損なわれることなく、吐出速度を高めることができ、大きなＰＧ間ギャップが必要な被記録媒体に対して高い着弾精度を実現することができる。また、第２ノズル内の液体が外気と接することを防止でき、第２ノズル内の液体が増粘することを抑制することができる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、第２ノズルの最小径は第１ノズルの最小径に比べて小さいことが好ましい。

この構成によれば、流路抵抗が大きく液滴が吐出されない第２ノズルを有しているため、上記と同様の効果を得ることができる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、第２ノズルの断面積は前記第１ノズルの断面積に比べて小さいことが好ましい。

この構成によれば、流路抵抗が大きく液滴が吐出されない第２ノズルを有しているため、第２ノズルの流路抵抗が第１ノズルの流路抵抗に比べて高くなり、第１ノズルから液滴が吐出される際に第２ノズルから液体が漏れることを防止できる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、前記液室から供給された前記液体を液滴として吐出しない第３ノズルを備えることが好ましい。

この構成によれば、吐出ノズルに対して液滴を吐出しないダミーノズルを複数有するため、コンプライアンスの面積を増加させることができる。これにより、より効率的に第１ノズル内部の残留振動を抑制できる。なお、ダミーノズルは３つ以上でも構わない。

上記の液滴吐出ヘッドでは、第１ノズルおよび第２ノズルは連通路に接続され、連通路は液室に接続されていることが好ましい。

この構成によれば、流路抵抗が大きく液滴が吐出されない第２ノズルを有しているため、上記と同様の効果を得ることができる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、液室の液体を流出する流出流路を備える、ことが好ましい。

この構成によれば、液室の液体を流出する流出流路を備えるため、液室内の液体の増粘を抑制できる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、連通路の液体を流出する流出流路を備える、ことが好ましい。

この構成によれば、連通路の液体を流出する流出流路を備えるため、液室内から第１ノズルまたは、第２ノズルにかけての液体の増粘を抑制できる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、アクチュエーターは、圧電素子であり、液室の壁面内の一部は、振動板で形成され、アクチュエーターは振動板を挟んで液室の反対側に配置される、ことが好ましい。

この構成によれば、流路抵抗が大きく液滴が吐出されない第２ノズルを有しているため、上記と同様の効果を得ることができる。

上記の液滴吐出ヘッドでは、アクチュエーターは、圧電素子であり、液室の壁面の少なくとも２面は、圧電素子で形成される、ことが好ましい。

この構成によれば、上記と同様の効果を得ることができる。

本願の液滴吐出装置では、被記録媒体を搬送する搬送手段と、被記録媒体に液滴を吐出する上記に記載の液滴吐出ヘッドと、液滴吐出ヘッドのノズルをクリーニングするメンテナンス手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、流路抵抗が大きく液滴が吐出されない第２ノズルを有しているため、上記と同様の効果を得ることができる。

上記の液滴吐出装置では、メンテナンス手段は、キャップとワイパーとを備え、ワイパーのワイピング方向からみて、第１ノズルと第２ノズルとが重ならない、ことが好ましい。

この構成によれば、ワイパーのワイピング方向からみて、第１ノズルと第２ノズルとが重ならないため、第２ノズル内の増粘液体が第１ノズル内部に混入することを抑制でき、液滴吐出ヘッドの吐出安定性を高めることができる。

１…ヘッドユニット、６…ヘッド制御部、１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８…液滴吐出ヘッド、２０…第１ノズルとしての吐出ノズル、２１，２１１，２１２，２１３，２１４…第２ノズルとしてのダミーノズル、２３，２３１…液室、２４…流路抵抗部、２５…共通液室、２６，２６１…供給流路、３１，３１１，３１２…ノズルプレート、３２，３２１，３２２…流路形成基板、３３…振動板、３４…ベース基板、４１，４１１，４１２，４１３，４１４…アクチュエーター、４１５…第１圧電素子、４１６…第２圧電素子、４２…フレキシブルケーブル、４４…被膜としてのフィルム、６１１，６１２，６１３…第１シフトレジスター、６２…第２シフトレジスター、６３１，６３２，６３３…ＬＡＴ回路、６４…選択信号生成回路、６５１，６５２，６５３…デコーダー、６６，６６１，６６２，６６３…スイッチ回路、９１…コンピューター、９２…液滴吐出装置としてのプリンター、９３…被記録媒体、９４…搬送手段としての搬送機構、９５…制御部、９６…メンテナンス手段としてのクリーニングユニット、９７…キャリッジ、９１１…出力ＩＦ、９１２，９５２…ＣＰＵ、９１３，９５３…メモリー、９４１…キャリッジ移動機構、９４２…被記録媒体搬送機構、９４３，９４４，９６６，９６７…モーター、９４５…リニアエンコーダー、９５１…入力ＩＦ、９５４…搬送機構駆動回路、９５５…印字タイミング生成回路、９５７…駆動信号生成回路、９５８…ポンプ駆動回路、９５９…クリーニングユニット駆動回路、９６１…流出流路としての排出路、９６２…第２タンク、９６３…キャップ、９６４…ワイパー、９６５…第１ポンプ、９７１…第１タンク、９７３…流入路、Ｄ…液滴、Ｓ，Ｓ′…サテライト、Ｃ…液柱。

Claims (12)

1. 液体を収容する液室と、
   前記液室から供給された前記液体を液滴として吐出する第１ノズルと、前記液室から供給された前記液体を液滴として吐出しない第２ノズルと、
   前記液室内の液体に圧力を付与するアクチュエーターと、
   前記液室に液体を供給する供給流路と、を備え、
   前記第２ノズルの流路抵抗は、前記第１ノズルの流路抵抗に比べて大きい、液滴吐出ヘッド。
2. 液体を収容する液室と、
   前記液室から供給された前記液体を液滴として吐出する第１ノズルと、前記液室から供給された前記液体を液滴として吐出しない第２ノズルと、
   前記液室内の液体に圧力を付与するアクチュエーターと、
   前記液室に液体を供給する供給流路と、
   前記第２ノズルの開口を覆う被膜と、を備える、液滴吐出ヘッド。
3. 前記第２ノズルの最小径は前記第１ノズルの最小径に比べて小さい、請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記第２ノズルの断面積は前記第１ノズルの断面積に比べて小さい、請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
5. 前記液室から供給された前記液体を液滴として吐出しない第３ノズルを備える、請求項１ないし４に記載の液滴吐出ヘッド。
6. 前記第１ノズルおよび前記第２ノズルは連通路に接続され、
   前記連通路は前記液室に接続されている、請求項１ないし５に記載の液滴吐出ヘッド。
7. 前記液室の液体を流出する流出流路を備える、請求項１ないし６に記載の液滴吐出ヘッド。
8. 前記連通路の液体を流出する流出流路を備える、請求項６に記載の液滴吐出ヘッド。
9. 前記アクチュエーターは、圧電素子であり、
   前記液室の壁面内の一部は、振動板で形成され、
   前記アクチュエーターは前記振動板を挟んで前記液室の反対側に配置される、請求項１ないし８に記載の液滴吐出ヘッド。
10. 前記アクチュエーターは、圧電素子であり、
    前記液室の壁面の少なくとも２面は、前記圧電素子で形成される、請求項１ないし８に記載の液滴吐出ヘッド。
11. 被記録媒体を搬送する搬送手段と、
    前記被記録媒体に液滴を吐出する請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッドと、
    前記液滴吐出ヘッドのノズルをクリーニングするメンテナンス手段と、を備える、液滴吐出装置。
12. 前記メンテナンス手段は、キャップとワイパーとを備え、
    ワイパーのワイピング方向からみて、第１ノズルと第２ノズルとが重ならない、請求項１１に記載の液滴吐出装置。

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