JP4901351B2 - 液滴吐出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出方法及び装置に係り、特に、液体に吐出エネルギーを加えて液滴として吐出するインクジェット方式の液滴吐出方法及び装置に関する。

従来より、インクジェット方式の液滴吐出装置が知られており、これは液滴吐出ヘッドに形成されたノズルから被記録媒体に向けて、インク等の液体を液滴として吐出し、画像等を形成するものである。インクジェット方式の液滴吐出装置における液滴吐出方式には、様々なものがあるが、例えば、圧電セラミックスの変形によって圧力室の容積を変化させ、容積増大時にインク供給路から圧力室内にインクを導入し、圧力室の容積減少時に圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出する圧電方式や、ヒータ等の電気熱変換素子によりインクを瞬時に沸騰させて発生した気泡を急激に成長させてノズルからインク滴を高速に吐出させるようにした電気熱変換素子を用いたサーマルインクジェット方式などが知られている。

このようなインクジェット方式の液滴吐出装置においては、一度液滴を吐出した後、次に吐出するための液体を直ちに供給（リフィル）して、高速で常に安定した吐出を行う必要がある。

例えば、従来より、サーマルインクジェット方式の液体吐出ヘッドにおいて、液滴の吐出効率およびリフィル効率を同時に向上させるために、吐出エネルギー発生素子（電気熱変換素子）から吐出口（ノズル）までのイナータンス、吐出エネルギー発生素子から供給口までのイナータンス及びノズルと供給室からなる流路全体のイナータンスの値を規定したものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、例えば、圧電方式の液体吐出ヘッドにおいて、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止し、しかも高速で画像記録を可能とするために、液体供給路の流路抵抗、液体供給系、ノズル及び液室のそれぞれの流路抵抗と、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスとの関係を規定したものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。
特開２００３−２５５７７号公報 特開２００４−３０６５３７号公報

ところで、リフィルの特性を考察する際、液体の動き易さとして粘性と慣性（イナータンス）を同時に考察する必要がある。上記特許文献１あるいは特許文献２においても、リフィル効率の向上あるいは記録の高速化のために、イナータンスや流路抵抗の値を規定しようとしている。

一方、液体を吐出した後にメニスカスの表面張力で残留振動が残ってしまう現象があり、この残留振動が次の液体吐出に悪影響を与える。吐出周波数が低い場合には次の液体の吐出まで時間的余裕があるため、この時間内にメニスカス面の表面張力による振動を抑制して静定するための駆動波形を入れることによって、メニスカス面の振動が次の吐出に悪影響を与えるのを抑制することができる。

しかしながら、吐出周波数が高い場合には、このようなメニスカス面の振動を抑制するような駆動波形を入れる余裕が存在しないため、メニスカス面の振動が次の吐出に悪影響
を与え、安定した吐出が得られないという問題がある。

また、上記特許文献では、いずれも吐出周波数に関しては考察されておらず、メニスカス面の残留振動による吐出への悪影響が考慮されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、メニスカス面の残留振動を抑制し、安定した吐出を行うことのできる液滴吐出方法及び装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、液体が充填され、該液体を液滴として前記ノズルから吐出するための圧力を前記液体に付与する圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する供給口を有する液滴吐出装置であって、前記ノズルのイナータンスＭｎ、前記ノズルの抵抗Ｒｎ、ノズル部の表面張力によるコンプライアンスＣｎ、前記供給口のイナータンスＭｓ、前記供給口の抵抗Ｒｓ及び吐出周波数ｆが、以下の２式を満たすことを特徴とする液滴吐出装置を提供する。

これによれば、吐出後のメニスカス面の残留振動が抑制され、連続吐出においても２回目の吐出液滴量を安定させることができる。また、圧力変化を１％以下に抑えることで、液滴量を安定化させることが可能となる。

また、請求項２に示すように、請求項１に記載の液滴吐出装置であって、さらに、前記２式を満足するように前記液体の物性値を制御する温度制御手段を有することを特徴とする。

これによれば、使用環境温度が変化しても、安定した吐出が可能となる。

また、同様に前記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、圧力室に供給口から供給された液体に対して圧力を付与して、前記圧力室に連通するノズルから前記液体を液滴として吐出する液滴吐出方法であって、前記ノズルのイナータンスＭｎ、前記ノズルの抵抗Ｒｎ、ノズル部の表面張力によるコンプライアンスＣｎ、前記供給口のイナータンスＭｓ、前記供給口の抵抗Ｒｓ及び吐出周波数ｆが、以下の２式を満たすことを特徴とする液滴吐出方法を提供する。

これによれば、メニスカス面の残留振動を抑制し、安定した液滴量での連続吐出が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、吐出後のメニスカス面の残留振動が抑制され、連続吐出においても２回目の吐出液滴量を安定させることができ、さらに、圧力変化を１％以下に抑えることで、液滴量を安定化させることが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る液滴吐出方法及び装置について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る液滴吐出装置を備えたインクジェット記録装置の一実施形態の概略を示す全体構成図である。

図１に示すように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド（液滴吐出ヘッド）１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６とを備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラー３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示省略）が形成されている。図１に示したとおり、ローラー３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３４が設けられており、この吸着チャンバー３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラー３１、３２の少なくとも一方にモータ（図示省略）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は、図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラー線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。

図２に示すように、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向）に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送方向（副走査方向）について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち、一回の副走査で）記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する方向（主走査方向）に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお、ここで主走査方向及び副走査方向とは、次に言うような意味で用いている。すなわち、記録紙の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時、（１）全ノズルを同時に駆動するか、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動するか、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動するか、等のいずれかのノズルの駆動が行われ、用紙の幅方向（記録紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字をするようなノズルの駆動を主走査と定義する。そして、この主走査によって記録される１ライン（帯状領域の長手方向）の示す方向を主走査方向という。

一方、上述したフルラインヘッドと記録紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。そして、副走査を行う方向を副走査方向という。結局、記録紙の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する方向が主走査方向ということになる。

また本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列とからなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が二次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ド
ットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このようにして生成されたプリント物は、排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える選別手段（図示省略）が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成されている。

また、図示を省略したが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。

次に、印字ヘッド（液体吐出ヘッド）のノズル（液体吐出口）の配置について説明する。インク色毎に設けられている各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッドを表すものとし、図３に印字ヘッド５０の平面透視図を示す。

図３に示すように、本実施形態の印字ヘッド５０は、インクを液滴として吐出するノズル５１、インクを吐出する際インクに圧力を付与する圧力室５２、図３では図示を省略した共通流路から圧力室５２にインクを供給するインク供給口５３を含んで構成される圧力室ユニット５４が千鳥状の２次元マトリクス状に配列され、ノズル５１の高密度化が図られている。

このような印字ヘッド５０上のノズル配置のサイズは特に限定されるものではないが、一例として、ノズル５１を横４８行（２１ｍｍ）、縦６００列（３０５ｍｍ）に配列することにより２４００ｎｐｉを達成する。

図３に示す例においては、各圧力室５２を上方から見た場合に、その平面形状は略正方形状をしているが、圧力室５２の平面形状はこのような正方形に限定されるものではない。圧力室５２には、図３に示すように、その対角線の一方の端にノズル５１が形成され、他方の端にインク供給口５３が設けられている。

なお、図示は省略するが、図３と同様の圧力室ユニットが２次元マトリクス状に配列さ
れた複数の短尺ヘッドを、２次元の千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、これらの複数の短尺ヘッド全体で印字媒体の全幅に対応する長さとなるようにして１つの長尺のフルラインヘッドを構成するようにしてもよい。

また、図３中の４−４線に沿った断面図を図４に示す。

図４に示すように、圧力室ユニット５４は、インクを吐出するノズル５１と連通する圧力室５２によって形成され、圧力室５２には、供給口５３を介してインクを供給する共通流路５５が連通するとともに、圧力室５２の一面（図では天面）は振動板５６で構成され、その上部には、振動板５６に圧力を付与して振動板５６を変形させる圧電体５８が接合され、圧電体５８の上面には個別電極５７が形成されている。また、振動板５６は共通電極を兼ねている。

圧電体５８は、共通電極（振動板５６）と個別電極５７によって挟まれて圧電素子を構成し、これら２つの電極５６、５７に駆動電圧を印加することによって変形する。圧電体５８（圧電素子）の変形によって振動板５６が押され、圧力室５２の容積が縮小されてノズル５１からインクが吐出されるようになっている。２つの電極５６、５７間への電圧印加が解除されると圧電体５８がもとに戻り、圧力室５２の容積が元の大きさに回復し、共通流路５５から供給口５３を通って新しいインクが圧力室５２に供給されるようになっている。

また、図４に示すように、圧力室５２には、インクの温度を調整するための加熱ヒータ９２が設置されている。この加熱ヒータ９２は、インクの密度、粘度あるいは表面張力等の物性値を制御して、インク吐出を安定化させるために、インクの温度を調整するためのものである。なお、その制御方法については後で詳しく述べる。

図５はインクジェット記録装置１０におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インクタンク６０は印字ヘッド５０にインクを供給するための基タンクであり、図１で説明したインク貯蔵／装填部１４に設置される。インクタンク６０の形態には、インク残量が少なくなった場合に、補充口（図示省略）からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を替える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じて吐出制御を行うことが好ましい。なお、図５のインクタンク６０は、先に記載した図１のインク貯蔵／装填部１４と等価のものである。

図５に示したように、インクタンク６０と印字ヘッド５０を繋ぐ管路の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ６２が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは印字ヘッド５０のノズル径と同等若しくはノズル径以下（一般的には、２０μｍ程度）とすることが好ましい。

なお、図５には示さないが、印字ヘッド５０の近傍又は印字ヘッド５０と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。

また、インクジェット記録装置１０には、ノズルの乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ６４と、ノズル面５０Ａの清掃手段としてのクリーニングブレード６６とが設けられている。

これらキャップ６４及びクリーニングブレード６６を含むメンテナンスユニットは、図示を省略した移動機構によって印字ヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じ
て所定の退避位置から印字ヘッド５０下方のメンテナンス位置に移動される。

キャップ６４は、図示しない昇降機構によって印字ヘッド５０に対して相対的に昇降変位される。昇降機構は、電源ＯＦＦ時や印刷待機時にキャップ６４を所定の上昇位置まで上昇させ、印字ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面５０Ａのノズル領域をキャップ６４で覆うようになっている。

クリーニングブレード６６は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示を省略したブレード移動機構により印字ヘッド５０のインク吐出面（ノズル面５０Ａ）に摺動可能である。ノズル面５０Ａにインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード６６をノズル面５０Ａに摺動させることでノズル面５０Ａを拭き取り、ノズル面５０Ａを清浄するようになっている。

印字中又は待機中において、特定のノズル５１の使用頻度が低くなり、そのノズル５１近傍のインク粘度が上昇した場合、粘度が上昇して劣化したインクを排出すべく、キャップ６４に向かって予備吐出が行われる。

また、印字ヘッド５０内のインク（圧力室５２内のインク）に気泡が混入した場合、印字ヘッド５０にキャップ６４を当て、吸引ポンプ６７で圧力室５２内のインク（気泡が混入したインク）を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク６８へ送液する。この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも行われ、粘度が上昇して固化した劣化インクが吸い出され除去される。

すなわち、印字ヘッド５０は、ある時間以上吐出しない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してノズル近傍のインクの粘度が高くなってしまい、吐出駆動用の圧力発生手段（図示省略、後述）が動作してもノズル５１からインクが吐出しなくなる。したがって、この様な状態になる手前で（圧力発生手段の動作によってインク吐出が可能な粘度の範囲内で）、インク受けに向かって圧力発生手段を動作させ、粘度が上昇したノズル近傍のインクを吐出させる「予備吐出」が行われる。また、ノズル面５０Ａの清掃手段として設けられているクリーニングブレード６６等のワイパーによってノズル面５０Ａの汚れを清掃した後に、このワイパー摺擦動作によってノズル５１内に異物が混入するのを防止するためにも予備吐出が行われる。なお、予備吐出は、「空吐出」、「パージ」、「唾吐き」などと呼ばれる場合もある。

また、ノズル５１や圧力室５２内に気泡が混入したり、ノズル５１内のインクの粘度上昇があるレベルを超えたりすると、上記予備吐出ではインクを吐出できなくなるため、上述したような吸引動作を行う。

すなわち、ノズル５１や圧力室５２のインク内に気泡が混入した場合、或いはノズル５１内のインク粘度があるレベル以上に上昇した場合には、圧力発生手段を動作させてもノズル５１からインクを吐出できなくなる。このような場合、印字ヘッド５０のノズル面５０Ａに、キャップ６４を当てて圧力室５２内の気泡が混入したインク又は増粘インクをポンプ６７で吸引する動作が行われる。

ただし、上記の吸引動作は、圧力室５２内のインク全体に対して行われるためインク消費量が大きい。したがって、粘度上昇が少ない場合はなるべく予備吐出を行うことが好ましい。なお、図５で説明したキャップ６４は、吸引手段として機能するとともに、予備吐出のインク受けとしても機能し得る。

また、好ましくは、キャップ６４の内側が仕切壁によってノズル列に対応した複数のエ
リアに分割されており、これら仕切られた各エリアをセレクタ等によって選択的に吸引できる構成とする。

図６はインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース７０、システムコントローラ７２、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８、プリント制御部８０、画像バッファメモリ８２、ヘッドドライバ８４等を備えている。

通信インターフェース７０は、ホストコンピュータ８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース７０にはＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（図示省略）を搭載してもよい。ホストコンピュータ８６から送出された画像データは通信インターフェース７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦画像メモリ７４に記憶される。画像メモリ７４は、通信インターフェース７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなどの磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ７２は、通信インターフェース７０、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ８６との間の通信制御、画像メモリ７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ８８やヒーター８９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ７６は、システムコントローラ７２からの指示に従ってモータ８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ７８は、システムコントローラ７２からの指示にしたがって後乾燥部４２等のヒーター８９を駆動するドライバである。

プリント制御部８０は、システムコントローラ７２の制御に従い、画像メモリ７４内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号（印字データ）をヘッドドライバ８４に供給する制御部である。プリント制御部８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ８４を介して印字ヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部８０には画像バッファメモリ８２が備えられており、プリント制御部８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ８２に一時的に格納される。なお、図６において画像バッファメモリ８２はプリント制御部８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部８０とシステムコントローラ７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８４はプリント制御部８０から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド５０の圧力発生手段を駆動する。ヘッドドライバ８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

印字検出部２４は、図１で説明したように、ラインセンサー（図示省略）を含むブロックであり、記録紙１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部８０に
提供するものである。

プリント制御部８０は、必要に応じて印字検出部２４から得られる情報に基づいて印字ヘッド５０に対する各種補正を行うようになっている。

また、本実施形態のインクジェット記録装置１０は、前述したように（図４参照）圧力室５２に設置された加熱ヒータ９２によってインクの温度を制御して吐出の安定化を図るようにしているが、この加熱ヒータ９２を制御する温度制御手段９０がシステムコントローラ７２に接続されている。

以下、本実施形態の作用について説明する。本実施形態は、ノズルメニスカス面の残留振動を抑制して吐出を安定化するために、ノズルやインク供給口の抵抗及びイナータンスを吐出周波数を考慮してある範囲内に規定しようとするものである。

図７に、本実施形態の印字ヘッド５０の一つの圧力室ユニット５４に対する集中定数モデルを示す。図７に示すように、この集中定数モデルは、Ｌ（コイル）、Ｃ（コンデンサ）、Ｒ（抵抗）を直列に繋いだＬＣＲ回路である。

図７において、Ｍｎはノズル５１のイナータンス、Ｒｎはノズル５１の抵抗、Ｍｓは供給口５３のイナータンス、Ｒｓは供給口５３の抵抗であり、またＣｎはノズル部分の表面張力によるコンプライアンスを表す。なお、図７においては、リフィルを直接考察しているので、リフィルには影響を与えない圧力室のコンプライアンスやアクチュエータのコンプライアンスは省略している。

また、図４に示すように、ノズル５１の長さをＬｎ、ノズル５１の面積をＡｎ、ノズル５１の半径をｒ_ｎとし、供給口５３の長さをＬｓ、供給口５３の面積をＡｓとする。

このとき、インクの密度をρ、インクの粘度をν、インクの表面張力をσとすると、ノズルのイナータンスＭｎ、ノズルの抵抗Ｒｎ、ノズル部分の表面張力によるコンプライアンスＣｎ、供給口のイナータンスＭｓ、供給口の抵抗Ｒｓは、それぞれ以下のように表すことができる。

Ｍｎ ＝ ρ（Ｌｎ／Ａｎ）
Ｒｎ ＝ ８πν（Ｌｎ／Ａｎ^２）
Ｃｎ ＝ πｒ_ｎ ^４／３σ
Ｍｓ ＝ ρ（Ｌｓ／Ａｓ）
Ｒｓ ＝ ８πν（Ｌｓ／Ａｓ^２）
ここで、インクのリフィル時にメニスカス面に振動が起きる条件は、図７の集中定数モデル回路で、解が減衰振動解となる場合であり、その条件は次の式（１）で表される。

４（Ｍｎ＋Ｍｓ）／Ｃｎ ＞ （Ｒｎ＋Ｒｓ）^２ ・・・（１）
一方、リフィル完了時にメニスカス面が元の状態に回復し、かつメニスカス面がほとんど振動していない状態となるためには、
（Ａ）減衰振動解の振動解の振動数が吐出振動数の半分以下である
（Ｂ）減衰振動解の減衰項が吐出周期だけ時間が経過したときに値が０．０１以下となっているという、２つの条件が成り立つことが必要となる。

なお、上記条件の（Ｂ）で、値が０．０１（１％）以下としているのは、次のような理由によるものである。

すなわち、印字ヘッド５０と記録紙１６を１回（副走査方向に）相対的に移動するいわゆる１パスで画像を描く場合、液滴サイズのバラツキを３％以下に抑えることが求められている。

図８に、インク液滴２ｐｌ（ピコリットル）以下吐出した場合の圧力変動条件から変化させた圧力振幅変化率を横軸にとり、その圧力振幅変化率に対応して変化した吐出量変化率を縦軸にとったグラフを示す。

図８に示すように、このグラフは略直線を示しており、その変動量が圧力変動１０％につき、２０〜２５％となっている。このことから、圧力変動１％につき、吐出量が２〜３％変化すると推測される。

以上のことから、圧力の変化量が最初の吐出のときと比べて１％以下であれば、液滴サイズのバラツキが許容範囲内に収まると考えられる。そこで、減衰量を０．０１以下とするものである。

上記２条件（Ａ）及び（Ｂ）を満たすためには、次の２つの式、式（２）及び式（３）を満たす必要がある。

上記式（２）及び式（３）において、ｆは吐出周波数を表し、また対数ｌｏｇは当然自然対数である。

このような条件を満たすことにより、吐出周波数ｆで吐出させる際に、１回吐出させた後に吐出させる場合、メニスカス面が静定され、１回目と同等な液滴吐出が可能となり、常に安定した吐出を行うことができるようになる。

なお、上記式（２）及び式（３）が成り立つ場合には、上記式（１）も自動的に満たされる。

このように、上記条件式（２）及び（３）を満たすようにすることでメニスカス面の残留振動を抑制して、吐出を安定化させることができる。これは、例えばインクの温度を所定範囲に調整することによって上記条件を満たすように制御することができる。これは、具体的には、システムコントローラ７２から温度制御手段９０を介して各圧力室５２に設置された加熱ヒータ９２を制御してインクの温度が所定範囲に入るようにする。

この制御は、各圧力室５２に配置された図示を省略した温度センサによりインク温度を検出し、また吐出周波数ｆ、及びノズル径、ノズル長、ノズル面積、供給口長、供給口面積等の値から上記ノズルのイナータンスＭｎ、ノズルの抵抗Ｒｎ、ノズル部分の表面張力によるコンプライアンスＣｎ、供給口のイナータンスＭｓ、供給口の抵抗Ｒｓ等の値を算
出して上記式（２）、（３）に代入してそれが成立するか否か計算を行うことによってなされる。

なお、インク温度を調整するための加熱ヒータ９２は、上で説明した例では圧力室５２内に設けられていたが、加熱ヒータ９２の設置場所は圧力室５２内に限定されるものではなく、インク供給系の任意の場所に設置することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、吐出周波数を考慮してノズルや供給口のイナータンスや抵抗の値を設計し、インク温度を調整するようにしたことにより、メニスカス面の残留振動を抑制し、２回目の吐出が１回目の吐出とほとんど同じ状態で吐出させることが可能となる。

以上、本発明の液滴吐出方法及び装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係る液滴吐出装置を用いたインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置の一実施形態の概略を示す全体構成図である。 図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図である。 印字ヘッドの構造例を示す平面透視図である。 図３の４−４線に沿った断面図である。 本実施形態のインクジェット記録装置におけるインク供給系の構成を示した概要図である。 本実施形態のインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図である。 本実施形態の印字ヘッドの圧力室ユニットの集中定数モデルを示す回路図である。 圧力の変動率と吐出量の変動率の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…吸着ベルト搬送部、２４…印字検出部、２６…排紙部、２８…カッター、３０…加熱ドラム、３１、３２…ローラー、３３…ベルト、３４…吸着チャンバー、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４２…後乾燥部、４４…加熱・加圧部、４５…加圧ローラー、４８…カッター、５０…印字ヘッド、５０Ａ…ノズル面、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…インク供給口、５４…圧力室ユニット、５５…共通液室、５６…振動板（共通電極）、５７…個別電極、５８…圧電体、９０…温度制御手段、９２…加熱ヒータ

Claims (3)

1. 液滴を吐出するノズルと、液体が充填され、該液体を液滴として前記ノズルから吐出するための圧力を前記液体に付与する圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する供給口を有する液滴吐出装置であって、
   前記ノズルのイナータンスＭｎ、前記ノズルの抵抗Ｒｎ、ノズル部の表面張力によるコンプライアンスＣｎ、前記供給口のイナータンスＭｓ、前記供給口の抵抗Ｒｓ及び吐出周波数ｆが、以下の２式を満たすことを特徴とする液滴吐出装置。
   

   
2. 請求項１に記載の液滴吐出装置であって、さらに、前記２式を満足するように前記液体の物性値を制御する温度制御手段を有することを特徴とする液滴吐出装置。
3. 圧力室に供給口から供給された液体に対して圧力を付与して、前記圧力室に連通するノズルから前記液体を液滴として吐出する液滴吐出方法であって、
   前記ノズルのイナータンスＭｎ、前記ノズルの抵抗Ｒｎ、ノズル部の表面張力によるコンプライアンスＣｎ、前記供給口のイナータンスＭｓ、前記供給口の抵抗Ｒｓ及び吐出周波数ｆが、以下の２式を満たすことを特徴とする液滴吐出方法。
   

   

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