JP4269647B2

JP4269647B2 - 液体噴射装置

Info

Publication number: JP4269647B2
Application number: JP2002318639A
Authority: JP
Inventors: 真理酒井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004148261A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等の液体を吐出する液体噴射ヘッドおよびそれを用いた液体噴射装置全般に関する。以下、液体の一つであるインクを用い主走査方向に連続する画像パターンを形成する印刷装置において説明する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力発生室を満たす液体の圧力を変化させて、この圧力発生室に接続するノズルから液体を液体ジェットとして噴射させるインクジェット式の印刷装置が知られている。
【０００３】
広く利用されているこのインクジェット式の印刷装置では、圧力発生室の圧力発生手段として圧電素子の変位を利用する方法、液体を発熱抵抗体で沸騰させた時の蒸気圧力を利用する方法がある。特に圧電素子を利用した方法は、液体に沸騰現象のような物理的あるいは化学的変化を必要としないため、非常に多様な液体を噴射できると言う特徴がある。また、圧電素子は駆動信号に線形に応答するデバイスであるため、圧力を自在に制御することが容易に行え、ノズルから噴射する液体ジェットの形態、量、速度を比較的自由に変えることが可能である。
【０００４】
このインクジェット式の印刷装置、特に圧電素子を用いた印刷装置は、数ピコリットルと言う極めて微小な液滴を記録画素として印刷媒体上に選択的に配置させることができるため、写真画像の印刷や電子回路のパターン形成にも利用可能である。
【０００５】
ところが、インクジェット式の印刷ヘッドから噴射される液体ジェットは球状の液滴では無く、ノズルから細長い柱状に噴出する液体ジェットが印刷媒体へ向けて飛行する過程で液体の表面張力により複数の液滴に分裂した後に印刷媒体に着滴して画素を形成する。最も一般的な噴射形態では、液体ジェットの液柱は大きな主液滴と細長いテール部に分裂した後、更にテール部は表面張力で小さなサテライト液滴となり、合計２つの液滴として飛翔したり、細長いテール部が複数の微小液滴に更に分裂する場合がある。
【０００６】
これらのサテライト液滴はノイズとして精細な画像形成を妨げると言う問題がある。また、サテライト液滴は非常に微小なため、空気抵抗や空気流の影響を受けて失速し浮遊飛散して印刷装置や印刷媒体を汚染してしまうと言う問題も生じる。
【０００７】
このようなサテライト液滴による印刷品質低下の問題を解消するため、例えば特開昭59-133066号公報や米国特許5,285,215号明細書に示されたように１つのドットを形成する複数のインク滴を途切れさすこと無くノズル開口から吐出させ、飛翔中に１つの液滴に合体させて印刷媒体に着滴させるものが提案されている。すなわち、複数の連続した駆動パルスを圧力発生手段に付与し、それらの駆動パルス列内において後続パルスは直前の駆動パルスより大きな電圧変化率を持ち、かつパルス間隔を順次小さくする。このような駆動パルス列を用いることで、連続的に順次速度の速くなる液滴群がオリフィスから噴射し、液滴群が空中を飛翔している間に合体して単一の液滴として印刷媒体に画素を形成することになる。
【０００８】
一方、これらの従来技術において、駆動信号が極めて複雑で最適な状態に制御することが困難であると言う問題に鑑みて、特開平8-336970公報には複数の独立した液滴をノズルから噴射し、最後に吐出された液滴が飛翔中に最初に吐出された液滴に合体する速度となるように駆動信号を調整する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭59-133066号公報
【特許文献２】
米国特許5,285,215号明細書
【特許文献３】
特開平8-336970公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一つの画素を複数の液滴を合体させて構成しても、最後の液滴に関してはサテライト液滴やミストが発生するため、画素当たりに発生するミスト量は変わらず、汚染に関しては効果をなさない。また、上記従来技術は複数の液滴を合体させて画素を形成するため、ノズルから吐出可能な最小液滴を画素として用いていない。従って、印刷ヘッドが本来持っている最高の解像度を生かしていない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明の液体噴射装置は、次の構成を採用した。
すなわち、
液体ジェットを噴射する液体噴射ヘッドをターゲットに対して相対的に移動する液体噴射装置で、前記液体噴射ヘッドが噴射する前記液体ジェットに電荷を付与する電荷付与手段を有し、この電荷付与手段は前記液体ジェットが飛翔中に主液滴を形成する先頭部分から前記飛翔方向と反対方向に沿って伸びて副液滴を形成する後続部分に対して、前記後続部分の先頭部に正の電荷を付与し、前記後続部分の後端部に負の電荷を付与して、それぞれが逆極性の電荷量となるように電荷を付与するよう構成されていることを要旨とする。
【００１６】
かかる本発明の液体噴射装置では、細長い帯状に噴射する後続部分の中で異なる符合の電荷分布を持たせたため、後続部分は静電気力で一つの液滴にまとまろうとする作用を受ける。そのため、後続部分からミストが生成するのを抑制できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態の印刷装置１は、インクカートリッジ２を保持可能なカートリッジホルダ部３と印刷ヘッド４（ヘッド部材）とを有するキャリッジ５を備えている。キャリッジ５は、ヘッド走査機構によって、主走査方向に沿って往復移動されるようになっている。
【００２１】
ヘッド走査機構は、ハウジングの左右方向に架設されたガイド部材６と、ハウジングの一方側に設けられたパルスモータ７と、パルスモータ７の回転軸に接続されて回転駆動される駆動プーリー８と、ハウジングの他方側に取付けられた遊転プーリー９と、駆動プーリー８及び遊転プーリー９の間に掛け渡されると共にキャリッジ５に結合されたタイミングベルト１０と、パルスモータ７の回転を制御する図示していない制御部と、から構成されている。これにより、パルスモータ７を作動させることによって、キャリッジ５、即ち、印刷ヘッド４を、印刷媒体である記録紙１２の幅方向である主走査方向に往復移動させることができる。
【００２２】
また、印刷装置１は、記録紙１２等の印刷媒体を紙送り方向（副走査方向）に送り出す紙送り機構を有する。この紙送り機構は、紙送りモータ１３及び紙送りローラ１４等から構成される。記録紙１２等の印刷媒体は、記録動作に連動して、順次送り出される。
【００２３】
本実施例の印刷ヘッド４では、吐出する液体ジェットの形態、速度、量、タイミングを精度良く制御することが可能な圧電素子を用いている。圧電素子を用いた印刷ヘッドで液体ジェットを吐出させるメカニズムについて図２を参照しながら説明する。
【００２４】
印刷ヘッド４は、図２に示すように、例えばプラスチックからなる箱体状のケース７１の収納室７２内に、櫛歯状の圧電素子２１が一方の開口から挿入されて櫛歯状先端部２１ａが他方の開口に臨んでいる。その他方の開口側のケース７１の表面（下面）には流路ユニット７４が接合され、櫛歯状先端部２１ａは、それぞれ流路ユニット７４の所定部位に当接固定されている。
【００２５】
圧電素子２１は、圧電体２１ｂを挟んで共通内部電極２１ｃと個別内部電極２１ｄとを交互に積層した板状の圧電素子基板を、ノズルと圧力発生室形成密度に対応させて櫛歯状に切断して構成してある。そして、共通内部電極２１ｃと個別内部電極２１ｄとの間に駆動電圧を与えることにより、各圧電素子２１は、積層方向と直交する圧電素子長手方向に伸縮する。
【００２６】
流路ユニット７４は、流路形成板７５を間に挟んでノズルプレート１６と弾性板７７を両側に積層することにより構成されている。
【００２７】
流路形成板７５は、ノズルプレート１６に複数開設したノズル開口１７とそれぞれ連通して圧力発生室隔壁を隔てて列設された複数の圧力発生室２２と、各圧力発生室２２の少なくとも一端に連通する複数のインク供給部８２と、全インク供給部８２が連通する細長い共通インク室８３と、が形成された板材である。例えば、シリコンウエハーをエッチング加工することにより、細長い共通インク室８３が形成され、共通インク室８３の長手方向に沿って圧力発生室２２がノズル開口１７のピッチに合わせて形成され、各圧力発生室２２と共通インク室８３との間に溝状のインク供給部８２が形成され得る。なお、この場合、圧力発生室２２の一端にインク供給部８２が接続し、このインク供給部８２とは反対側の端部近傍でノズル開口１７が位置するように配置されている。また、共通インク室８３は、インクカートリッジに貯留されたインクを圧力発生室２２に供給するための室であり、その長手方向のほぼ中央にインク供給口が連通している。
【００２８】
弾性板７７は、ノズルプレート１６とは反対側の流路形成板７５の面に積層され、ステンレス板８７の下面側にＰＰＳ等の高分子体フィルムを弾性体膜８８としてラミネート加工した二重構造である。そして、圧力発生室２２に対応した部分のステンレス板８７をエッチング加工して、圧電素子２１を当接固定するためのアイランド部８９が形成されている。
【００２９】
上記の構成を有する印刷ヘッド４では、圧電素子２１を圧電素子長手方向に伸長させることにより、アイランド部８９がノズルプレート６側に押圧され、アイランド部８９周辺の弾性体膜８８が変形して圧力発生室２２が収縮する。また、圧力発生室２２の収縮状態から圧電素子２１を長手方向に収縮させると、弾性体膜８８の弾性により圧力発生室２２が膨張する。圧力発生室２２を一旦膨張させてから収縮させることにより、圧力発生室２２内のインク圧力が高まって、ノズル開口１７からインクが液体ジェットとして吐出される。
【００３０】
すなわち、記録ヘッド４では、圧電素子２１に対する充放電に伴って、対応する圧力発生室２２の容量が変化する。このような圧力発生室２２の圧力変動を利用して、ノズル開口１７からインクを吐出させたり、メニスカス（ノズル開口１７で露出しているインクの自由表面）を微振動させたりすることができる。
【００３１】
なお、上記の縦振動モードの圧電素子２１に代えて、いわゆる撓み振動モードの圧電素子を用いることも可能である。たわみ振動モードの圧電素子は、充電による変形で圧力発生室を収縮させ、放電による変形で圧力室を膨張させる圧電素子である。
【００３２】
また、もちろん圧力発生手段として圧電素子以外でも、例えば圧力発生室内に形成された発熱抵抗素子でインクを急加熱してインクの一部を沸騰させて、その蒸気圧力を利用する方式や、非常に狭いギャップを挟んで対向する電極間に電圧を印加し、一方の電極が形成された圧力発生室の壁を静電気力で撓ませる方式も採用することができる。しかしながら、これらの圧力発生手段の方式は一方向にしか制御ができないとか、入力に対する変位としての出力が非常に非線形性が高く精密な制御が困難であるとか、圧電素子を用いた方式に比較して扱いは困難である。
【００３３】
図３は、圧電素子２１に印加する駆動信号の電圧波形の実施例を示したものである。
【００３４】
図３に示す駆動パルス（駆動信号）において、駆動パルスの最初の立ち上がりＰＥ１により圧電素子２１は収縮し圧力発生室２２の容積を急速に拡大すると、共通インク室８３とノズル１７から圧力発生室２２内にインクが吸入される。この時、メニスカスはノズル内部に大きく引き込まれる。この駆動パルスの立ち上がりＰＥ１で誘起されたインクの流れは、その後、インクの持つ慣性と圧力発生室２２の剛性とで決まる固有周期で振動を開始する。この誘起されたインクの振動の初めの逆流時、すなわち圧力発生室２２からノズル１７の方向の流れの発生に同期して駆動パルスの立ち下がりＰＥ２が作用すると、圧電素子２１は伸長し圧力発生室２２の容積を急速に収縮させ、圧力発生室２２からノズル１７の方向へ強い流れが生じ、ノズルからインクが液体ジェットとして噴射される。
【００３５】
ノズル１７から噴射した液体ジェットの形態は後で詳細するが、細長い液柱状に噴射する液体ジェットの後端部の切れるタイミングと、圧力発生室２２内のインクの強い残留振動を抑制するため、適切なタイミングと強さで駆動パルスの立ち上がりＰＥ３が入り、駆動電圧は初期状態に復帰し、次の駆動に備える。
【００３６】
駆動信号に関する上記説明では、正の電圧変化に対して圧力発生室の容積を拡大させる縦振動モードの圧電素子を用いたが、撓み振動モードの圧電素子では圧力発生室に対する変形方向が逆であるため、上記説明で用いた動作を行うには、パルス変化方向を逆にする必要がある。
【００３７】
次に、図３の駆動信号に対し、ノズル１７から噴射する液体ジェットの形態を図４を用いて詳細に説明する。
【００３８】
図４において、図示領域の上端はノズル開口からおよそ２５０μｍである。
【００３９】
印刷ヘッドは前述の駆動信号において、パルスの立ち上がりにより図４（ａ）に示すようにノズルメニスカスはノズルの奥に一旦強く引き込まれ、引き続くパルスの立ち下がり後に図４（ｂ）に示すように細長い柱状の液体ジェットがノズルから噴射する。この柱状の液体ジェットは図４（ｃ）の時点でノズルを満たす液体部分から分離（ピンチオフ）した後、液体の持つ表面張力によりくびれを生じ、図４（ｄ）に示すように液体ジェットの先頭がノズル開口からおよそ２００μｍの地点で先頭部に主液滴が分離する。更に液体ジェットが飛翔を続けると、図４（ｅ）以降では主液滴に続くテール部が一つ或いは複数の微小液滴に分離する。これらのテール部から形成される副液滴はサテライト液滴とも呼ばれ、液体ジェットが印刷媒体上に形成する画素形状を乱したり、主液滴が形成する画素と分離した画素を形成してノイズを与える事になる。また、微小なサテライト液滴は空気抵抗により失速し、ミストとなり印刷ヘッドと印刷媒体間を浮遊してこれらの汚染の最大の原因となる。
【００４０】
次に、本発明に係る電荷付与は図５に示すように、印刷ヘッド４と記録紙１２を挟んで対向する電界制御電極１１との間に電界制御電源４０により電界を与え、この電界により印刷ヘッド４側の対向電極として機能するノズルプレート１６から液体ジェットに電荷を誘導することで行われる。電界制御電源４０は印刷ヘッド４から噴射される液体ジェットの吐出形態に同期して正負の電圧パルスを電界制御電極１１に印加する。図６に示すように、一連の液体ジェットの噴射過程において、図６（ａ）から（ｃ）にかけて電界制御電極１１には電界制御電源４０から負の電圧が印加される。この電界によりノズル１７に形成されたインクメニスカスには正の電荷が誘導される。液体ジェットの噴射過程は極めて短時間で行われるため、液体ジェット内での電荷の移動は小さく、注入された電荷はその部分の液体要素に固定される。特にインクが絶縁性の場合には液体要素内での電荷移動は生じない。図６（ｃ）の時点で後に分離して主液滴を形成する液体要素はノズルから噴射し、その直後に電界制御電源４０の極性を反転し電界制御電極の電位を正にする。この電界の反転に伴い、液体ジェットに誘導注入される電荷も反転し、これ以後の液体ジェットの液体要素は負に帯電する。電界制御電源４０の正の電圧は、ノズルから液体ジェットがピンチオフする（ｅ）の状態より長く維持され、液体ジェットの後続部分に確実に負の電荷が付与されるようにする。このような電圧パルスにより図６（ｆ）に示すように、液体ジェットの主液滴部分には正の電荷が、副液滴を形成する細長いテール部の後続部分には負の電荷が付与され、これらの反対符号の電荷が液体ジェットの飛翔中に引き合うことで微小液滴の分離が抑えられ、ミストの発生が減少する。
【００４１】
また、電界制御電源４０への電圧パルスを以下のようにしても同様な効果が得られる。即ち、図７に示すように、液体ジェットの主液滴を形成する部分が噴射する過程では電圧を印加せず、液体ジェットの主液滴に対応する部分が噴射した後の図７（ｃ）のタイミングで電界制御電源４０により電界制御電極に負の電圧を印加する。そして液体ジェットの副液滴を構成する後続部分が噴射する途中の図７（ｄ）のタイミングで電圧を反転し、それ以降の液体ジェットの液体要素には負の電荷が注入されるように制御する。このような電界制御電源４０の電圧パルスにより、図７（ｆ）に示すように、副液滴を形成する細長いテール部の先頭部分と後端部分とに逆極性の電荷が与えられる。これらの電荷は液体ジェットが飛翔中にテール部の分裂を抑制し、ミストの発生が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の印刷装置の構成を例示する説明図である。
【図２】本実施例の印刷ヘッドの内部構造を例示する説明図である。
【図３】印刷ヘッドの動作を説明する駆動信号の例である。
【図４】印刷ヘッドから噴射する液体ジェットの説明図である。
【図５】本実施例の電荷付与手段を例示する説明図である。
【図６】本実施例の印刷ヘッドから噴射する液体ジェットの電荷分布の説明図である。
【図７】本実施例の印刷ヘッドから噴射する液体ジェットの電荷分布の説明図である。
【符号の説明】
１…印刷装置
２…インクカートリッジ
４…印刷ヘッド
５…キャリッジ
１１…電界制御電極
１２…印刷媒体
１６…ノズルプレート
１７…ノズル
２１…圧電素子
２２…圧力発生室
４０…電界制御電源
８２…インク供給部
８３…共通インク室

Claims

液体ジェットを噴射する液体噴射ヘッドをターゲットに対して相対的に移動する液体噴射装置であって、
前記液体噴射ヘッドが噴射する前記液体ジェットに電荷を付与する電荷付与手段を有し、この電荷付与手段は前記液体ジェットが飛翔中に主液滴を形成する先頭部分から前記飛翔方向と反対方向に沿って伸びて副液滴を形成する後続部分に対して、前記後続部分の先頭部に正の電荷を付与し、前記後続部分の後端部に負の電荷を付与して、それぞれが逆極性の電荷量となるように電荷を付与することを特徴とする液体噴射装置。