JP5251093B2 - 液体吐出装置、及び、液体吐出方法 - Google Patents
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Description
(A)圧力室内の液体に圧力変化を与えるための動作をする素子と、
(B)前記圧力室に連通し、前記液体が吐出されるノズルであって、
前記圧力室に近い側が開放され、遠い側に底部を有する第1ノズル部と、
前記底部の内縁と外部とを連通する第2ノズル部と、
を有するノズルと、
(C)前記ノズルから前記液体を吐出させるための動作を前記素子に行わせる吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、
を備え、
(D)前記吐出パルスは、
前記第2ノズル部で露出しているメニスカスを前記第1ノズル部側に引き込むように前記素子を動作させる第1引き込み部分であって、単位時間あたりの電位変化量が一定の第1引き込み部分と、
前記第1引き込み部分よりも後に生成され、前記メニスカスを前記第1ノズル部内で拡大させるように前記素子を動作させる第2引き込み部分であって、単位時間あたりの電位変化量が前記第1引き込み部分における電位変化量よりも大きい第2引き込み部分と、を有する、
(E)液体吐出装置である。
このような液体吐出装置によれば、メニスカスが第2ノズル部内を移動しているときの引き込み力は、メニスカスを第1ノズル部内で拡大させるときの引き込み力よりも弱い。このため、メニスカスを第1ノズル部内で拡大させる際に、第1ノズル部内における淀みの影響を抑制できる。その結果、メニスカスの過度な変形を抑制することができる。
このような液体吐出装置によれば、定電位部分が素子に印加されている間もメニスカスは第1ノズル部側に移動する。このため、第1ノズル部内における淀みの影響を一層抑制できる。
このような液体吐出装置によれば、メニスカスを引き込んだり拡大させたりするための電位差として、少なくとも最高電位と前記最低電位の差の80%を割り振ることができる。これにより、第1ノズル部内でメニスカスを拡大させる際において、電位の変化幅を十分確保できる。
このような液体吐出装置によれば、引き込み時におけるメニスカスの過度な変形を効果的に抑制できる。
このような液体吐出装置によれば、第1ノズル部内にてメニスカスをより大きく拡大させることができる。
このような液体吐出装置によれば、機械加工では作製が困難な極めて小さいサイズのノズルであっても、精度良く作製することができる。
このような液体吐出装置によれば、メニスカスの引き込みや拡大を吐出パルスで与えられる電位に基づき、精度良く制御することができる。
すなわち、(A)圧力室内の液体に圧力変化を与える素子を動作させることで、前記圧力室に近い側が開放され、遠い側に底部を有する第1ノズル部、及び、前記底部の内縁と外部とを連通する第2ノズル部を有するノズルから、液体を吐出させる液体吐出方法であって、(B)単位時間あたりの電位変化量が一定の第1引き込み部分を前記素子に印加し、前記第2ノズル部で露出しているメニスカスを前記第1ノズル部側に引き込むステップと、(C)前記第1引き込み部分よりも後に生成され、単位時間あたりの電位変化量が前記第1引き込み部分における電位変化量よりも大きい第2引き込み部分を前記素子に印加し、前記メニスカスを前記第1ノズル部内で拡大させるステップと、(D)を有する液体吐出方法を実現できることも明らかにされる。
<印刷システムについて>
図1に例示した印刷システムは、プリンタ1と、コンピュータCPとを有する。プリンタ1は液体吐出装置に相当し、用紙、布、フィルム等の媒体に向けて、液体の一種であるインクを吐出する。媒体は、液体が吐出される対象となる対象物であり、例えば用紙である。コンピュータCPは、プリンタ1と通信可能に接続されている。プリンタ1に画像を印刷させるため、コンピュータCPは、その画像に応じた印刷データをプリンタ1に送信する。
プリンタ1は、用紙搬送機構10、キャリッジ移動機構20、駆動信号生成回路30、ヘッドユニット40、検出器群50、及び、プリンタ側コントローラ60を有する。
<ヘッドHDについて>
図2に示すように、ヘッドHDは、ケース41と、流路ユニット42と、ピエゾ素子ユニット43とを有する。ケース41は、ピエゾ素子ユニット43を収容して固定するための収容空部411が内部に設けられた箱体状である。このケース41は、例えば樹脂材によって作製される。そして、ケース41の先端面には、流路ユニット42が接合されている。
前述したように、ノズルプレート422には複数のノズル427が設けられている。本実施形態のノズル427は、圧力室424に連通するとともに、ノズルプレート422の板厚方向を貫通する孔(空間部)として設けられている。図3はノズル427の説明図であり、ノズルプレート422をノズル427の中心線で切断した状態を示す。なお、理解を助けるために、図3ではノズル427の形状を外形線によって表している。
プリンタ側コントローラ60は、プリンタ1における全体的な制御を行う。例えば、コンピュータCPから受け取った印刷データや各検出器からの検出結果に基づいて制御対象部を制御し、用紙に画像を印刷させる。図1に示すように、プリンタ側コントローラ60は、インタフェース部61と、CPU62と、メモリ63とを有する。インタフェース部61は、コンピュータCPとの間でデータの受け渡しを行う。CPU62は、プリンタ1の全体的な制御を行う。メモリ63は、コンピュータプログラムを格納する領域や作業領域等を確保する。CPU62は、メモリ63に記憶されているコンピュータプログラムに従い、各制御対象部を制御する。例えば、CPU62は、用紙搬送機構10やキャリッジ移動機構20を制御する。また、CPU62は、ヘッドHDの動作を制御するためのヘッド制御信号をヘッド制御部HCに送信したり、駆動信号COMを生成させるための制御信号を駆動信号生成回路30に送信したりする。
前述したように、駆動信号生成回路30は、吐出パルス生成部として機能し、DACデータに基づき、吐出パルスを有する駆動信号COMを生成する。図4に示すように、駆動信号生成回路30は、DAC回路31と、電圧増幅回路32と、電流増幅回路33とを有する。DAC回路31は、デジタルのDACデータをアナログ信号に変換する。電圧増幅回路32は、DAC回路31で変換されたアナログ信号の電圧を、ピエゾ素子433を駆動できるレベルまで増幅する。このプリンタ1では、DAC回路31から出力されるアナログ信号は最大3.3Vであるのに対し、電圧増幅回路32から出力される増幅後のアナログ信号(便宜上、波形信号ともいう。)は最大42Vである。電流増幅回路33は、電圧増幅回路32からの波形信号について電流の増幅をし、駆動信号COMとして出力する。この電流増幅回路33は、例えば、プッシュプル接続されたトランジスタ対によって構成される。
ヘッド制御部HCは、駆動信号生成回路30で生成された駆動信号COMの必要部分をヘッド制御信号に基づいて選択し、ピエゾ素子433へ印加する。このため、図4に示すように、ヘッド制御部HCは、駆動信号COMの供給線の途中に、ピエゾ素子433毎に設けられた複数のスイッチ44を有する。そして、ヘッド制御部HCは、ヘッド制御信号からスイッチ制御信号を生成する。このスイッチ制御信号によって各スイッチ44を制御することで、駆動信号COMの必要部分をピエゾ素子433へ印加させる。このとき、必要部分の選択の仕方次第で、ノズル427からのインクの吐出を制御できる。
<駆動信号COMについて>
駆動信号生成回路30で生成される駆動信号COMは、吐出パルスや微振動パルスといった駆動パルスを複数有する。吐出パルスは、前述したように、ノズル427からインクを吐出させるための動作をピエゾ素子433に行わせるための波形(電位変化パターン)に定められる。吐出パルスは、吐出させるインクの量に応じて波形が定められる。そして、駆動信号COMには、そのプリンタ1の仕様に応じた種類の吐出パルスが含まれる。微振動パルスは、ノズル427からインクが吐出されない程度の弱い圧力変化を圧力室424内のインクに与える動作(微振動動作ともいう。)をピエゾ素子433に行わせるための波形に定められる。
図5に示す吐出パルスPS1は、極めて少量のインクを吐出させるための動作をピエゾ素子433に行わせるためのものであり、ノズル427の形状に適した波形を有する。この吐出パルスPS1は、第1減圧部分P1と、第1電位保持部分P2と、第2減圧部分P3と、第2電位保持部分P4と、第1加圧部分P5と、第3電位保持部分P6と、第2加圧部分P7と、第4電位保持部分P8と、第3減圧部分P9とを有する。
次に、前述した吐出パルスPS1をピエゾ素子433に印加した場合におけるインクの吐出動作について説明する。タイミングt0において、ピエゾ素子433の駆動電極435は基準電位VBになっている。ピエゾ素子433はこの基準電位VBに応じた度合いで変形しているが、インク供給口425を通じて共通インク室426から圧力室424へインクが流入しているため、メニスカスMは第2ノズル部427bにおけるノズル面422a側の開口付近に位置している(図6A)。
この第1実施形態の吐出パルスPS1では、第1減圧部分P1と第2減圧部分P3とを有している。このため、メニスカスMを第2ノズル部427b内で引き込んでいる際のインクの減圧度合いと、メニスカスMを第1ノズル部427a内で拡大させる際のインクの減圧度合いとを個別に定めることができる。そして、第1減圧部分P1によるインクの減圧度合い(メニスカスMを引き込むための引き込み力)は、第2減圧部分P3によるインクの減圧度合い(メニスカスMを拡大させるための引き込み力)よりも弱く定められている。これにより、第1ノズル部427aの淀み部分(底部427cと側壁の境界付近の部分)おけるインクの流れが過度に大きくなることを抑制できる。その結果、メニスカスMを第1ノズル部427a内で拡大させる際に、メニスカスMの過度な変形を抑制できる。すなわち、淀み部分を流れるインクによってメニスカスMが変形されてしまう不具合を抑制できる。加えて、極めて少量のインクについて、量や飛行方向の精度を高めることができる。
前述した実施形態は、主として、液体吐出装置としてのプリンタ1を有する印刷システムについて記載されているが、その中には、液体吐出方法や液体吐出システム等の開示が含まれている。加えて、液体吐出用のヘッドを制御するための制御装置の開示も含まれている。また、この実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
図7は他の吐出パルスPS2を示す。他の吐出パルスPS2において、第1実施形態の吐出パルスPS1と同じ対応する部分については、同じ符号を付している。他の吐出パルスPS2は、第1減圧部分P11と、第2減圧部分P12と、第2電位保持部分P4と、第1加圧部分P5と、第3電位保持部分P6と、第2加圧部分P7と、第4電位保持部分P8と、第3減圧部分P13とを有する。図から判るように、他の吐出パルスPS2の基本的な形状は、第1実施形態の吐出パルスPS1と同じである。第1実施形態の吐出パルスPS1との違いは、第1減圧部分P11の始端電位、第1減圧部分P11の傾きθ11と生成期間、及び、第2減圧部分P12の傾きθ12と生成期間、及び、第3減圧部分P13の傾きθ13と始終端電位である。
このような波形の他の吐出パルスPS2であっても、前述した吐出パルスPS1と同様の作用効果を奏する。
前述した第1実施形態のヘッドHDでは、ピエゾ素子433として、吐出パルスPS1で与えられる電位が高いほど、圧力室424の容積を大きくするための動作をするタイプのものを用いていた。ヘッドに関し、他のタイプのものを用いてもよい。図8に示した他のヘッドHD´は、ピエゾ素子74として、吐出パルスPS3(図9を参照)で与えられる電位が高いほど、圧力室72の容積を大きくするための動作をするタイプのものを用いている。
第1ノズル部に関し、前述の実施形態では円柱状の空間部として設けられていたが、底部を有する窪みとして構成されていればよい。例えば、第1ノズル部を、底部の外縁が方形状である角柱状の窪みによって構成してもよい。そして、前述の実施形態のように、第1ノズル部427aの底部427cを、その外縁427dが円形状であって、内縁427eが外縁427dと同心の円形状とした場合には、第1ノズル部427a内においてメニスカスMをより大きく拡大させることができる。
吐出動作をする素子は、前述したピエゾ素子433,74に限定されるものではない。印加された電位に応じて動作をし、圧力室内の液体に圧力変化を与える素子であればよい。例えば、磁歪素子であってもよい。そして、この素子として、前述の実施形態のようにピエゾ素子433,74を用いた場合には、メニスカスMの引き込みや拡大を、吐出パルスで与えられる電位に基づいて精度良く制御できる。
また、前述の実施形態では、液体吐出装置としてプリンタ1が説明されていたが、これに限られるものではない。例えば、カラーフィルタ製造装置、染色装置、微細加工装置、半導体製造装置、表面加工装置、三次元造形機、液体気化装置、有機EL製造装置(特に高分子EL製造装置)、ディスプレイ製造装置、成膜装置、DNAチップ製造装置などのインクジェット技術を応用した各種の液体吐出装置に、本実施形態と同様の技術を適用しても良い。また、これらの方法や製造方法も応用範囲の範疇である。
30 駆動信号生成回路,31 DAC回路,
32 電圧増幅回路,33 電流増幅回路,
40 ヘッドユニット,41 ケース,411 収容空部,
42 流路ユニット,421 流路形成基板,
422 ノズルプレート,422a ノズル面,423 振動板,
423a ダイヤフラム部,424 圧力室,
425 インク供給口,426 共通インク室,427 ノズル,
427a 第1ノズル部,427b 第2ノズル部,
427c 底部,427d 外縁,427e 円形状の内縁,
428 支持板,428a 島部,429 弾性体膜,
429a 島部周辺の弾性体膜,43 ピエゾ素子ユニット,
431 ピエゾ素子群,432 固定板,433 ピエゾ素子,
434 共通電極,435 駆動電極,436 圧電体,
44 スイッチ,50 検出器群,
60 プリンタ側コントローラ,61 インタフェース部,
62 CPU,63 メモリ,71 共通インク室,
72 圧力室,73 ノズル,74 ピエゾ素子,75 振動板,
CP コンピュータ,HD ヘッド,HD´ 他のヘッド,
HC ヘッド制御部,COM 駆動信号,PS1 吐出パルス,
P1 第1減圧部分,P2 第1電位保持部分,
P3 第2減圧部分,P4 第2電位保持部分,
P5 第1加圧部分,P6 第3電位保持部分,
P7 第2加圧部分,P8 第4電位保持部分,
P9 第3減圧部分,PS2 他の吐出パルス,
P11 第1減圧部分,P12 第2減圧部分,
P13 第3減圧部分,PS3 他のヘッド用の吐出パルス,
P1´ 第1減圧部分,P2´ 第1電位保持部分,
P3´ 第2減圧部分,P4´ 第2電位保持部分,
P5´ 第1加圧部分,P6´ 第3電位保持部分,
P7´ 第2加圧部分,P8´ 第4電位保持部分,
P9´ 第3減圧部分,VB 基準電位,
VC 切り替え電位,VH 最高電位,VL 最低電位,
VF 吐出電位,Vh 駆動電圧,M メニスカス
Claims (9)
- (A)圧力室内の液体に圧力変化を与えるための動作をする素子と、
(B)前記圧力室に連通し、前記液体が吐出されるノズルであって、
前記圧力室に近い側が開放され、遠い側に底部を有する第1ノズル部と、
前記底部の内縁と外部とを連通する第2ノズル部と、
を有するノズルと、
(C)前記ノズルから前記液体を吐出させるための動作を前記素子に行わせる吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、
を備え、
(D)前記吐出パルスは、
前記第2ノズル部で露出しているメニスカスを前記第1ノズル部側に引き込むように前記素子を動作させる第1引き込み部分であって、単位時間あたりの電位変化量が一定の第1引き込み部分と、
前記第1引き込み部分よりも後に生成され、前記メニスカスを前記第1ノズル部内で拡大させるように前記素子を動作させる第2引き込み部分であって、単位時間あたりの電位変化量が前記第1引き込み部分における電位変化量よりも大きい第2引き込み部分と、を有する、
(E)液体吐出装置。 - 請求項1に記載の液体吐出装置であって、
前記第2引き込み部分は、
始端電位が前記第1引き込み部分の終端電位に揃えられており、
前記吐出パルスは、
前記第1引き込み部分の終端と前記第2引き込み部分の始端とを接続する、前記第1引き込み部分の終端電位で一定の定電位部分を有する、液体吐出装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の液体吐出装置であって、
前記素子は、
前記吐出パルスで与えられる電位が高いほど、前記圧力室の容積を大きくするための動作をし、
前記吐出パルスは、
前記第1引き込み部分の始端電位が、前記吐出パルスの最低電位から、前記吐出パルスの最高電位と前記最低電位の差の20%以下の範囲に定められている、液体吐出装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の液体吐出装置であって、
前記素子は、
前記吐出パルスで与えられる電位が高いほど、前記圧力室の容積を小さくするための動作をし、
前記吐出パルスは、
前記第1引き込み部分の始端電位が、前記吐出パルスの最高電位から、前記最高電位と前記吐出パルスの最低電位の差の20%以下の範囲に定められている、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項4の何れかに記載の液体吐出装置であって、
前記第2ノズル部は、
円形状の前記底部の内縁と外部とを連通する円柱状の空間部である、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項5の何れかに記載の液体吐出装置であって、
前記第1ノズル部は、
前記底部の外縁が円形状であり、前記内縁が前記外縁と同心の円形状である、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項6の何れかに記載の液体吐出装置であって、
前記ノズルは、
フォトリソグラフィーによってシリコン基板に設けられている、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項7の何れかに記載の液体吐出装置であって、
前記素子は、
ピエゾ素子である、液体吐出装置。 - (A)圧力室内の液体に圧力変化を与える素子を動作させることで、前記圧力室に近い側が開放され、遠い側に底部を有する第1ノズル部、及び、前記底部の内縁と外部とを連通する第2ノズル部を有するノズルから、液体を吐出させる液体吐出方法であって、
(B)単位時間あたりの電位変化量が一定の第1引き込み部分を前記素子に印加し、前記第2ノズル部で露出しているメニスカスを前記第1ノズル部側に引き込むステップと、
(C)前記第1引き込み部分よりも後に生成され、単位時間あたりの電位変化量が前記第1引き込み部分における電位変化量よりも大きい第2引き込み部分を前記素子に印加し、前記メニスカスを前記第1ノズル部内で拡大させるステップと、
(D)を有する液体吐出方法。
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