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JP2008168533A - Liquid ejection method and liquid ejection apparatus - Google Patents

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JP2008168533A
JP2008168533A JP2007004442A JP2007004442A JP2008168533A JP 2008168533 A JP2008168533 A JP 2008168533A JP 2007004442 A JP2007004442 A JP 2007004442A JP 2007004442 A JP2007004442 A JP 2007004442A JP 2008168533 A JP2008168533 A JP 2008168533A
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JP
Japan
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liquid
volume
discharge port
discharge
control means
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JP2007004442A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Kitagami
浩一 北上
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Abstract

【課題】液体吐出を行わせるため個別液室の容積を初期容積から増大させてから減少させることで液体の吐出が行われる液体吐出ヘッドにおいて、液体の物性やヘッド構造などの諸条件によらず、吐出の「よれ」の発生を防止し得る適切な駆動を実現する。
【解決手段】吐出される液体が柱状に伸び、吐出方向先端部に液滴(主滴)となる部分をもつ液柱を形成した後に吐出口側の部分で分断されるようにする。この際、吐出口側の部分での液柱分断が生じるまでは、容積の最大値が出現した後に現れる最小値の出現の後は容積が減少しないよう、容積変化に基いて駆動条件を定める。これにより、吐出口内の液体が液柱を押す動作をすることがないので、「よれ」の原因となる液柱の屈曲が生じない。また、容積の変化に基いて駆動条件を定めることで、液体の物性やヘッド構造などの諸条件によらず、確実に「よれ」の発生を抑制できるようになる。
【選択図】図7
In a liquid discharge head in which liquid is discharged by increasing and decreasing the volume of an individual liquid chamber from the initial volume in order to perform liquid discharge, regardless of various conditions such as physical properties of the liquid and the head structure. Therefore, it is possible to realize appropriate driving capable of preventing the occurrence of the “swing” of the discharge.
The discharged liquid extends in a columnar shape, and a liquid column having a portion that becomes a droplet (main droplet) is formed at the tip in the discharge direction, and then divided at a portion on the discharge port side. At this time, the drive condition is determined based on the volume change so that the volume does not decrease after the appearance of the minimum value that appears after the maximum value of the volume appears until the liquid column is divided at the discharge port side. As a result, the liquid in the discharge port does not push the liquid column, so that the liquid column is not bent, which causes “swing”. In addition, by determining the driving condition based on the change in volume, it is possible to reliably suppress the occurrence of “swing” regardless of various conditions such as the physical properties of the liquid and the head structure.
[Selection] Figure 7

Description

本発明は、液体吐出方法および液体吐出装置に関し、特に液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し、容積の増減によって吐出口から液体を吐出させるエネルギとしての圧力を発生する圧力室とを有する液体吐出ヘッドを用いるものである。そして本発明は、紙,布,皮革,不織布,OHP用プラスチックフィルム等の記録媒体に記録を行う機器だけでなく、基板,板材,固体物等に液体を付着させることでパターニングや加工を行う装置、さらには塗装装置等にも適用可能なものである。   The present invention relates to a liquid discharge method and a liquid discharge device, and more particularly, a pressure that generates pressure as energy for discharging liquid from the discharge port by increasing or decreasing the volume, and a discharge port for discharging liquid and the discharge port. A liquid discharge head having a chamber is used. The present invention is not only a device for recording on a recording medium such as paper, cloth, leather, nonwoven fabric, and OHP plastic film, but also an apparatus for patterning and processing by attaching a liquid to a substrate, a plate material, a solid material, etc. Furthermore, it can also be applied to a coating apparatus or the like.

液体吐出ヘッドとして、圧力室に液体と接する振動板を備え、電圧の印加に応じて変形する圧電素子により振動板を変位させることで、圧力室の容積を増減させ、これに伴う圧力変化によりインクを吐出させるものがある。かかる構成の液体吐出ヘッドから吐出される液体は、柱状に伸びた後に途中で分断され、これにより分離した液滴が記録媒体などの受容体に到達する。   As a liquid ejection head, a pressure plate is provided with a vibration plate in contact with the liquid, and the volume of the pressure chamber is increased or decreased by displacing the vibration plate by a piezoelectric element that is deformed in response to the application of voltage. There is a thing that discharges. The liquid ejected from the liquid ejection head having such a configuration is divided in the middle after extending in a columnar shape, whereby the separated liquid droplets reach a receptor such as a recording medium.

液体吐出ヘッド、例えば記録剤としてのインクを吐出する液体吐出ヘッドにおいては、記録の高精細化および高品位化を図る上で、液体の好ましい吐出性能が得られていることが重要な課題となっている。   In a liquid discharge head, for example, a liquid discharge head that discharges ink as a recording agent, it is an important issue that a preferable discharge performance of liquid is obtained in order to achieve high definition and high quality recording. ing.

高品位の記録等を実現するに当たっては高精度に液滴を記録媒体等に着弾させる技術が必要となる。これを阻害する要因の一つとして、吐出口形成面上の、特に吐出口縁付近に付着・累積する不用の液体が、吐出液滴または液柱の直進を妨害し、これによって吐出方向が偏向させてしまう現象(「よれ」と称される)がある。これに対しては、吐出口形成面の濡れ性や形状などを適切に選択することで改善を図る技術がある。   In order to realize high-quality recording or the like, a technique for landing droplets on a recording medium or the like with high accuracy is required. As one of the factors that hinder this, unnecessary liquid that adheres and accumulates on the discharge port formation surface, especially near the discharge port edge, obstructs the straight movement of the discharge droplets or liquid column, thereby deflecting the discharge direction. There is a phenomenon (called “yore”) that causes it to occur. For this, there is a technique for improving by appropriately selecting the wettability and shape of the discharge port forming surface.

しかし「よれ」の発生原因には、そのほか、吐出口内の液体の速度が液柱の突出速度よりも大きくなることによる液柱の屈曲もある。つまり、吐出口内の液体が液柱を押す動作をすることで液柱が屈曲してしまい、ここから分離する液滴の飛翔方向が偏向してしまうのである。この「よれ」は、吐出口縁付近への液体の付着を防止する構成で解決できるものではない。   However, another cause of “flickering” is the bending of the liquid column due to the fact that the liquid velocity in the discharge port becomes higher than the protruding velocity of the liquid column. That is, when the liquid in the discharge port pushes the liquid column, the liquid column is bent, and the flying direction of the liquid droplets separated therefrom is deflected. This “swing” cannot be solved by a configuration that prevents the liquid from adhering to the vicinity of the discharge port edge.

ここで、例えば特許文献1においては、好ましい吐出性能を得るための技術として、インク滴を微細化する(1pl台の微小液滴を吐出する)技術が開示されている。この特許文献1には肝心の吐出口寸法が明記されていないが、同一出願人および同一発明者になる特許文献2にも同一の表1が記載されており、特許文献2に記載されている数値から、特許文献1で用いている吐出口径は20μmと推定される。   Here, for example, Patent Document 1 discloses a technique for miniaturizing ink droplets (discharging 1 pl microdroplets) as a technique for obtaining preferable ejection performance. Although the essential discharge port dimensions are not specified in Patent Document 1, the same Table 1 is also described in Patent Document 2 which is the same applicant and the same inventor, and is described in Patent Document 2. From the numerical value, the discharge port diameter used in Patent Document 1 is estimated to be 20 μm.

かかる特許文献1および特許文献2においては、微細なインク滴の吐出を行うためにアクチュエータ(圧電素子)に投入する駆動波形を、そのアクチュエータの固有周期に基いて規定するものとなっている。そして、そのアクチュエータの固有周期の算出方法として特許文献3に開示の技術を挙げている。   In Patent Document 1 and Patent Document 2, a drive waveform to be input to an actuator (piezoelectric element) in order to discharge a fine ink droplet is defined based on the natural period of the actuator. The technique disclosed in Patent Document 3 is cited as a method for calculating the natural period of the actuator.

しかしながら、特許文献3に開示の方法は、電気回路のヘルムホルツ周期を算出するにはともかく、液体を含むインクジェットヘッドの固有周期算出に適用するのには疑問がある。なぜなら、ヘッドの構造(形状特徴や寸法など)および液体の物性(粘性など)を表す恣意的なパラメータを固有周期算出に導入するからである。そして、これらのパラメータを適用する上での統一的な基準もない。このように、固有周期算出方法は考慮すべきパラメータから理論的に独立していないので、ある特定の場合での固有周期算出方法が、形状の違うすべてのインクジェットヘッドに対して正確な固有周期を計算する保証はない。また、特許文献1および特許文献2には、計算精度を確認した測定に関する記述もないが、そもそも確認する測定方法があれば上記のような計算の必要性がない。つまり特許文献1および特許文献2に開示の技術は、固有周期の計算対象としたインクジェットヘッドにしか適用できないものである。   However, the method disclosed in Patent Document 3 is questionable when applied to the calculation of the natural period of an ink-jet head containing liquid, in addition to calculating the Helmholtz period of an electric circuit. This is because arbitrary parameters representing the structure of the head (such as shape characteristics and dimensions) and the physical properties of the liquid (such as viscosity) are introduced into the natural period calculation. And there is no uniform standard for applying these parameters. In this way, the natural period calculation method is not theoretically independent of the parameters to be considered, so that the natural period calculation method in a specific case is accurate for all inkjet heads with different shapes. There is no guarantee to calculate. Further, Patent Document 1 and Patent Document 2 do not have a description regarding measurement in which calculation accuracy is confirmed, but if there is a measurement method for confirming in the first place, there is no need for the above calculation. That is, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 can be applied only to an inkjet head that is subject to calculation of the natural period.

一方、特許文献4には、吐出速度のピーク間の時間を固有周期と評価するとした測定装置に関する技術が開示されている。この際圧電素子に投入される駆動電圧波形としては台形型のものが採用されている。   On the other hand, Patent Document 4 discloses a technique related to a measuring apparatus that evaluates the time between discharge speed peaks as a natural period. At this time, a trapezoidal drive voltage waveform is applied to the piezoelectric element.

しかし駆動電圧波形が台形波形でなければならない理由はないし、JISその他の工業規格により定められたものでもない。そこで本発明者らは、圧力室の容積を増大させた後に減少させて液滴を吐出させる矩形波を用い、容積を増大させる電位変化を投入した時刻と、収縮させる電位変化を投入する時刻との差の時間を種々変更することで、吐出速度の変化を整理した。ここで本発明者らは、いわゆるベンダー型の圧電素子を用いた液体吐出ヘッドにステップ状の電圧を加え、振動板に接合する圧電膜層の上に構成されている電極表面の変位をレーザー・ドップラー方式により測定し、鋭意検討を重ねた。圧電膜層および電極層ともに薄い構成を取っている場合、電極表面の面外変位はほぼ等しく振動板の面外変位を示していると解釈でき、電極表面の面外変位によって液体を含めたピエゾヘッドの全体系の振動周期が観察できると考えられる。   However, there is no reason why the drive voltage waveform must be a trapezoidal waveform, nor is it defined by JIS or other industrial standards. Therefore, the present inventors use a rectangular wave that discharges a droplet by increasing and decreasing the volume of the pressure chamber, and when applying a potential change that increases the volume, and when applying a potential change that contracts The change in the discharge speed was arranged by changing the time of the difference. Here, the inventors apply a step-like voltage to a liquid discharge head using a so-called bender type piezoelectric element, and measure the displacement of the electrode surface formed on the piezoelectric film layer bonded to the diaphragm with a laser beam. Measured by the Doppler method and earnestly studied. When both the piezoelectric film layer and the electrode layer are thin, it can be interpreted that the out-of-plane displacement of the electrode surface is almost equal to the out-of-plane displacement of the diaphragm. It is thought that the vibration cycle of the entire head system can be observed.

その結果、レーザー・ドップラー方式による圧電素子の電極の面外変位から評価される振動の周期と、特許文献4開示の方法のように吐出速度のピーク間の時間から評価される周期とがほぼ一致することを確認した(但し特許文献4では台形波が使用されている)。   As a result, the period of vibration evaluated from the out-of-plane displacement of the electrode of the piezoelectric element by the laser Doppler method and the period evaluated from the time between the discharge speed peaks as in the method disclosed in Patent Document 4 are almost the same. (However, a trapezoidal wave is used in Patent Document 4).

次に、レーザー・ドップラー方式による圧電素子の電極の面外変位から評価される周期tに普遍性があるか否かの検討を行った。すなわち、圧力室容積を増大させる電位変化の傾きを種々変えて、電極の面外変位から評価される周期を整理した。 Next, it was examined whether or not the period t H evaluated from the out-of-plane displacement of the electrode of the piezoelectric element by the laser Doppler method has universality. That is, the period evaluated from the out-of-plane displacement of the electrode was arranged by changing the gradient of the potential change that increases the pressure chamber volume.

図11はこの際の種々の電位変化の説明図であり、VからVまでの電位変化において、a、bおよびcの電位変化(傾きがこの順で小さくなる)が示されている。図12(a)、(b)および(c)は、それぞれ、電位変化a、bおよびcに対する圧電素子の電極の初期位置からの面外変位の応答曲線を示している。これらの図から明らかなように、電位変化の傾きを緩やかにするにつれて電極の面外変位から評価される周期tが長くなることが確認された(tHc>tHb>tHa)。つまり、投入する電圧波形の形状によって、評価される周期tは変化してしまうことが確認されたのである。 FIG. 11 is an explanatory diagram of various potential changes at this time. In the potential changes from V H to V L , potential changes of a, b, and c (inclination decreases in this order) are shown. 12A, 12B, and 12C show response curves of out-of-plane displacement from the initial position of the electrodes of the piezoelectric element with respect to potential changes a, b, and c, respectively. As is clear from these figures, it was confirmed that the period t H evaluated from the out-of-plane displacement of the electrode becomes longer as the gradient of the potential change becomes milder (t Hc > t Hb > t Ha ). That is, it was confirmed that the evaluated cycle t H changes depending on the shape of the voltage waveform to be input.

特開2001−246746号公報JP 2001-246746 A 特開2002−19105号公報JP 2002-19105 A 米国特許第4,697,193号明細書U.S. Pat. No. 4,697,193 特開2003−202261号公報JP 2003-202261 A 特開平10−193587号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-193877

以上のとおり、本発明者らは、特許文献1および特許文献2に開示されるような、固有周期に基いて規定した駆動電圧波形の投入によって達成される吐出量制御は限定された条件下でのみ有効なものに過ぎない。また、レーザー・ドップラー方式による電極の面外変位から系の固有周期を評価する方法も、特許文献4に示された方法も、世界的に統一された規格で定めた波形を、規格統一された方法にて評価するものでない限り、誰が測定しても同じ結果を得ることにはならない。上記各特許文献でそれぞれに記載される多義的な「固有周期」が存在しているのが現状であり、従って本発明者らは、吐出液滴の微細化を達成する駆動波形決定の基準に固有周期を導入すること自体がそもそも不適当であるという考えに至った。   As described above, the inventors of the present invention have disclosed that the discharge amount control achieved by the input of the drive voltage waveform defined based on the natural period as disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 is limited. It is only effective. In addition, both the method of evaluating the natural period of the system from the out-of-plane displacement of the electrode by the laser Doppler method, and the method disclosed in Patent Document 4, the waveforms defined in the globally unified standard were standardized. Unless measured by a method, the same result will not be obtained by anyone. Currently, there is an ambiguous “natural period” described in each of the above-mentioned patent documents. Therefore, the present inventors have used the criteria for determining the drive waveform to achieve the miniaturization of the ejected droplets. The idea that introducing the natural period itself is inappropriate in the first place.

また、上述した液柱の屈曲による「よれ」は、吐出口内の液体の速度が液柱の突出速度よりも大きくなることに起因しており、これら各部の液体の速度は吐出量と同様、吐出性能の範疇に属し、ヘッドの構造および液体の物性によって異なる。従って、吐出量制御と同様、「よれ」の発生を適切に抑制するための駆動波形決定の基準に固有周期を導入することは不適当であり、普遍的な解決方法とはなり得ない。   In addition, the above-mentioned “swing” due to the bending of the liquid column is caused by the fact that the speed of the liquid in the discharge port is larger than the protruding speed of the liquid column. It belongs to the category of performance and depends on the structure of the head and the physical properties of the liquid. Therefore, as in the case of the discharge amount control, it is inappropriate to introduce a natural period as a reference for determining a drive waveform for appropriately suppressing the occurrence of “twist”, and this cannot be a universal solution.

よって本発明は、普遍的な指針に基づき、「よれ」のない良好な吐出性能を実現できる液体吐出ヘッドの駆動を実現することを目的とする。ここで、液体吐出ヘッドは、記録装置だけでなくパターニング装置や塗布装置など様々な分野に応用され、様々な物性の液体や様々なヘッド構造が用いられることが考えられる。従って、適切かつ普遍的な液体吐出ヘッドの駆動制御の指針を与え、応用分野を拡大する上でも、本発明は好ましいものである。   Accordingly, an object of the present invention is to realize driving of a liquid discharge head capable of realizing good discharge performance without “swing” based on a universal guideline. Here, it is conceivable that the liquid discharge head is applied not only to the recording apparatus but also to various fields such as a patterning apparatus and a coating apparatus, and liquids having various physical properties and various head structures are used. Therefore, the present invention is preferable in providing an appropriate and universal guide for driving control of the liquid discharge head and expanding the application field.

そのために、本発明は、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、を具えた液体吐出ヘッドを用い、前記容積制御手段を駆動することで、前記容積を初期容積から増大させてから減少させることで、前記吐出口から柱状に伸びた液体を前記吐出口側で分離して液滴を形成し、該液滴を媒体に到達させる液体吐出方法であって、
前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される面に垂直な方向における変位の時間推移において、変位の最大値が出現した後に現れる変位の最小値の出現の後から、前記吐出口から柱状に伸びた液体が分離して液滴を形成するまでの期間、前記変位が減少しないように前記容積制御手段を駆動することを特徴とする。
Therefore, the present invention uses a liquid discharge head comprising a discharge port for discharging a liquid, an individual liquid chamber communicating with the discharge port, and volume control means for increasing or decreasing the volume of the individual liquid chamber, By driving the volume control means, the volume is increased from the initial volume and then decreased, whereby the liquid extending in a columnar shape from the discharge port is separated on the discharge port side to form droplets, A liquid ejection method for causing droplets to reach a medium,
In the time transition of displacement in the direction perpendicular to the surface on which the volume control means is formed, the volume control means is columnar from the discharge port after the appearance of the minimum displacement value that appears after the maximum displacement value appears. The volume control means is driven so that the displacement does not decrease during the period from when the liquid extending to the distance is separated to form droplets.

また、本発明は、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、振動板と、を具え、前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、前記電極に信号を入力して該圧電膜を変形させることで、前記振動板を変位させて、前記容積を初期容積から増大させてから減少させることで、前記吐出口から柱状に伸びた液体を前記吐出口側で分離して液滴を形成し、該液滴を媒体に到達させる液体吐出装置であって、
前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される振動板面に垂直な方向における変位の時間推移において、変位の最大値が出現した後に現れる変位の最小値の出現の後から、前記吐出口から柱状に伸びた液体が分離して液滴を形成するまでの期間、前記変位が減少しないように前記容積制御手段を駆動する手段を具えたことを特徴とする。
In addition, the present invention includes an ejection port for ejecting liquid, an individual liquid chamber communicating with the ejection port, volume control means for increasing or decreasing the volume of the individual liquid chamber, and a diaphragm. The means includes a piezoelectric film and an electrode, and by inputting a signal to the electrode and deforming the piezoelectric film, the diaphragm is displaced, and the volume is increased from the initial volume and then decreased. A liquid discharge apparatus that separates liquid extending in a columnar shape from the discharge port on the discharge port side to form a droplet, and causes the droplet to reach a medium,
In the time transition of the displacement in the direction perpendicular to the diaphragm surface on which the volume control means is formed, the discharge port after the appearance of the minimum displacement value that appears after the maximum displacement value appears. And a means for driving the volume control means so that the displacement does not decrease during the period from when the liquid extending in a columnar shape is separated to form droplets.

本発明によれば、吐出口側の部分での液柱分断が生じるまでは、容積制御手段表面の面外変位の最大値が出現した後に最小値が出現した後は前記容積が減少しないように容積の変化に基いて駆動条件を定めている。これにより、吐出口内の液体が液柱を押す動作をすることがないので、液柱の屈曲が生じず、これに起因した「よれ」の発生を防止することができる。また、容積の変化に基いて駆動条件を定めることで、個別液室内に現に存在する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によらず、確実に「よれ」の発生を抑制できるようになる。   According to the present invention, the volume is not reduced after the minimum value appears after the maximum value of the out-of-plane displacement on the surface of the volume control means appears until the liquid column is divided at the outlet side. The driving conditions are determined based on the change in volume. As a result, the liquid in the discharge port does not push the liquid column, so that the liquid column is not bent, and the occurrence of “warping” due to this can be prevented. In addition, by determining the driving conditions based on the change in volume, it becomes possible to reliably suppress the occurrence of “flickering” regardless of the physical properties of the liquid actually existing in the individual liquid chamber and various conditions such as the head structure. .

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

1.本発明の基本概念
本発明者らは、上述した様々な実験および検討を通じ、好ましい吐出性能を実現するための普遍的な指針を定めるにあたっては、固有周期ではなく、他の視点をもってより汎用的なメカニズムを論じるべきであると考察した。
1. Basic concept of the present invention The present inventors have determined that the general guidelines for realizing preferable discharge performance through the various experiments and examinations described above are not general periods but are more general from other viewpoints. We considered that the mechanism should be discussed.

ここで、個別液室の容積の増減を生じさせる機械的な駆動源である圧電素子には、投入電圧と変位量とがほぼ線形に動作する範囲が存在しているが、まず本発明者らは、既存の液体吐出方法はこの性質を前提として成立していることに着目した。   Here, there is a range in which the input voltage and the displacement amount operate almost linearly in the piezoelectric element that is a mechanical drive source that causes the volume of the individual liquid chamber to increase or decrease. Noted that existing liquid ejection methods are based on this premise.

しかるに、特許文献5には、その図3に関して、駆動電圧をゼロに戻しても、機械的な駆動源であるアクチュエータの変位がゼロにならないことが示されている。また、同じくその図4には、アクチュエータの変位は、電圧の絶対値が大きい、先行するパルス状駆動波形付加時よりも、電圧の絶対値が小さい、後続のステップ状駆動波形電圧付加時の方が大きくなることが示されている。   However, Patent Document 5 shows that the displacement of the actuator that is a mechanical drive source does not become zero even if the drive voltage is returned to zero with respect to FIG. Similarly, FIG. 4 also shows that the displacement of the actuator has a larger absolute value of the voltage, the absolute value of the voltage is smaller than when the preceding pulsed drive waveform is added, and when the subsequent stepped drive waveform voltage is added. Is shown to be larger.

つまり圧電素子においては、電圧が静的に印加されている状態や、時間軸に対してある程度ゆっくりと電圧を変化させたときには、印加電圧に対し変位量がほぼ線形となる。しかし液体を吐出させるために、数十μs程度の時間幅内で変化する駆動電圧波形が投入される場合には、その駆動電圧波形と変位量との間に相似性がないことを特許文献5は教示している。   That is, in the piezoelectric element, when the voltage is applied statically or when the voltage is changed to some extent with respect to the time axis, the amount of displacement becomes almost linear with respect to the applied voltage. However, when a driving voltage waveform that changes within a time width of about several tens of μs is input in order to eject liquid, it is known that there is no similarity between the driving voltage waveform and the amount of displacement. Teaches.

以上のように、圧電素子の変形やたわみを利用した液体吐出ヘッドでは、必ずしも電圧変化とアクチュエータないしは振動板4の変位がそのまま一致するわけではない。また、電圧を一定に保持していてもそれまでの電圧変化の仕方によって振動板に変位が発生することもある。従って、駆動波形決定の基準に固有周期を導入すること自体がそもそも不適であるし、またそのように決定された駆動波形にて吐出性能(吐出量および吐出速度)の制御を行う直接的かつ汎用的な条件や因果関係を求めるのは困難であり、かつ不十分であることが判る。   As described above, in a liquid ejection head that utilizes deformation or deflection of a piezoelectric element, the voltage change does not necessarily coincide with the displacement of the actuator or the diaphragm 4. Further, even if the voltage is kept constant, the diaphragm may be displaced depending on how the voltage is changed so far. Therefore, it is not appropriate to introduce a natural period as a reference for determining a drive waveform, and direct and general-purpose control of discharge performance (discharge amount and discharge speed) with the drive waveform determined as such. It can be seen that it is difficult and inadequate to determine the general conditions and causality.

液体の運動は、駆動波形の投入に伴う個別液室の容積の増減により生じる。しかし駆動波形の入力に対する容積の増減の応答特性は、個別液室内に現に存在する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によって異なってくる。従って、限定された条件下での固有周期に基いて駆動波形を規定しても、液体の吐出性能ないしは液体の挙動(液柱の発生、液滴の分離および吐出口付近のメニスカスの状態など)を制御する普遍的な解決方法とはなり得ないのである。   The movement of the liquid is caused by the increase / decrease of the volume of the individual liquid chamber accompanying the input of the driving waveform. However, the response characteristic of the volume increase / decrease with respect to the input of the driving waveform varies depending on various properties such as the physical properties of the liquid actually existing in the individual liquid chamber and the head structure. Therefore, even if the drive waveform is defined based on the natural period under limited conditions, the liquid discharge performance or liquid behavior (liquid column generation, droplet separation, meniscus state near the discharge port, etc.) It cannot be a universal solution to control

これに対し、個別液室の容積が初期容積よりも増大する動作をしているときには、吐出口付近の液体は必ず内方に引き込まれ、個別液室の容積が初期容積よりも減少する動作をしているときは吐出口付近の液体は必ず外方に押し出される。   On the other hand, when the volume of the individual liquid chamber is increased from the initial volume, the liquid near the discharge port is always drawn inward, and the volume of the individual liquid chamber is decreased from the initial volume. During the operation, the liquid near the discharge port is always pushed outward.

そこで本発明者らは、吐出性能や液体挙動を制御する指標としては、固有周期ではなく、個別液室の容積の増減の推移に着目すべきであると考えるに至った。そして、
・容積を初期容積から増大させてから、初期容積に戻すよう減少させるべく、容積制御手段表面の面外変位を時間推移させることで液体吐出を行わせること、および、
・この過程に応じた面外変位の時間推移曲線上での液柱分断までの時点において、最大値出現後に最小値が現れた後に面外変位が減少しないようにすること、
によって、所期の目的を達成するものである。
Therefore, the present inventors have come to consider that as an index for controlling the discharge performance and the liquid behavior, attention should be paid not to the natural period but to the change in the volume of the individual liquid chamber. And
To increase the volume from the initial volume and then reduce the return to the initial volume so that liquid discharge is performed by shifting the out-of-plane displacement of the surface of the volume control means over time; and
-In order to prevent the out-of-plane displacement from decreasing after the minimum value appears after the maximum value appears, at the time until the liquid column breaks on the time transition curve of the out-of-plane displacement according to this process,
To achieve the intended purpose.

なお、以下の実施形態では、容積をまず増大させてから、減少させるようアクチュエータを駆動することで液滴を吐出させるようにしている。ここで、「増大」とは、駆動開始前の圧力室の初期容積から容積が増大するよう変化させることを言い、「減少」とは、増大している容積が初期容積に向けて変化するようにすることを言うものとする。   In the following embodiments, the volume is first increased and then the actuator is driven so as to decrease the volume, thereby ejecting droplets. Here, “increase” means that the volume increases from the initial volume of the pressure chamber before the start of driving, and “decrease” means that the increasing volume changes toward the initial volume. I shall say that.

2.液体吐出装置およびヘッドの実施形態
図1は、本発明が適用可能な液体吐出装置の一例として、インクジェット記録装置形態のものを示す概略斜視図である。液体吐出装置に挿入された記録媒体Pは、送りローラ107,108,109,110によって液体吐出ヘッドユニット100の記録可能領域へ搬送される。液体吐出ヘッドユニット100は、ガイド軸102によって、その延在方向(主走査方向)に沿って移動可能に支持されている。そして、モータ103の駆動によってプーリ105,106に架けられたベルト104が移動し、液体吐出ヘッドユニット100が記録領域を往復走査する。液体吐出ヘッドユニット100の走査方向(A方向)が主走査方向であり、記録媒体Pの搬送方向(B方向)が副走査方向となる。
2. Embodiment of Liquid Ejecting Apparatus and Head FIG. 1 is a schematic perspective view showing an ink jet recording apparatus as an example of a liquid ejecting apparatus to which the present invention can be applied. The recording medium P inserted into the liquid ejection device is conveyed to the recordable area of the liquid ejection head unit 100 by the feed rollers 107, 108, 109, and 110. The liquid discharge head unit 100 is supported by a guide shaft 102 so as to be movable along the extending direction (main scanning direction). Then, the belt 104 laid on the pulleys 105 and 106 is moved by driving the motor 103, and the liquid discharge head unit 100 reciprocally scans the recording area. The scanning direction (A direction) of the liquid discharge head unit 100 is the main scanning direction, and the transport direction (B direction) of the recording medium P is the sub-scanning direction.

液体吐出ヘッドユニット100には、複数色のインク液滴を吐出するため液体吐出ヘッド103と、それぞれの液体吐出ヘッド103にインクを供給するためのインクタンク101が搭載されている。この例の液体吐出装置における複数色のインクは、ブラック(Bk)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の4色である。各色の位置は特に限定されるものではなく、また、用いる色調(色および濃度)の種類およびその数についても限定されるものではない。   The liquid discharge head unit 100 is equipped with a liquid discharge head 103 for discharging ink droplets of a plurality of colors, and an ink tank 101 for supplying ink to each liquid discharge head 103. The inks of a plurality of colors in the liquid ejection device of this example are four colors of black (Bk), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y). The position of each color is not particularly limited, and the type and number of color tones (color and density) to be used are not limited.

また、本例の場合、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色インク(Bk,C,M,Y)のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。液体吐出ヘッドユニット100には、Bk,C,M,Yの各色液滴を吐出する液体吐出ヘッドの群と、Bk用インクタンク101B、C用インクタンク101C、M用インクタンク101M、Y用インクタンク101Yが搭載される。各インクタンクは対応する液体吐出ヘッドと接続され、その液体吐出ヘッドの吐出口に連通する個別液室内にインクを供給する。この例以外にも、例えば、各色用のインクタンクと液体吐出ヘッドとが分離不能に一体となった構造としてもよい。また、液体吐出ヘッドユニットには液体吐出ヘッドのみを搭載し、装置の固定部位に設けたインクタンクから可撓性チューブ等を介してインクが供給されるものでもよい。   In the case of this example, the ink tanks of the respective color inks (Bk, C, M, Y) of black, cyan, magenta, and yellow are all replaceable independently. The liquid ejection head unit 100 includes a group of liquid ejection heads that eject liquid droplets of Bk, C, M, and Y, an ink tank for Bk 101B, an ink tank for C 101C, an ink tank for M, and ink for Y. A tank 101Y is mounted. Each ink tank is connected to a corresponding liquid discharge head, and supplies ink into an individual liquid chamber communicating with the discharge port of the liquid discharge head. In addition to this example, for example, an ink tank for each color and a liquid discharge head may be integrated so as not to be separated. Alternatively, only the liquid discharge head may be mounted on the liquid discharge head unit, and ink may be supplied from an ink tank provided at a fixed portion of the apparatus via a flexible tube or the like.

液体吐出ヘッドユニット100が移動可能な主走査領域の一端(図では右端)の下部には、回復系ユニット112が配備されている。回復系ユニット112は、液体吐出ヘッドの吐出口形成面をキャッピングし、非記録動作時などにおいてはその保護を行ったり、あるいは吸引回復を行ったりするためのキャップや、吐出口形成面を払拭するワイパブレードなどを有したものとすることができる。   A recovery system unit 112 is disposed below one end (right end in the figure) of the main scanning region where the liquid discharge head unit 100 can move. The recovery system unit 112 caps the discharge port forming surface of the liquid discharge head, and wipes off the cap or the discharge port forming surface for protecting or performing suction recovery during non-recording operations. It can have a wiper blade or the like.

図2および図3は本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構成例であり、それぞれ、吐出口形成面側から見た模式的正面図およびそのC−C線断面図を示している。   2 and 3 are configuration examples of a liquid discharge head applicable to the present invention, and respectively show a schematic front view and a cross-sectional view taken along the line C-C as viewed from the discharge port forming surface side.

この例の液体吐出ヘッドは、インクを吐出する複数の吐出口2が設けられたオリフィスプレート1と、各吐出口に対応する個別液室3の複数およびこれらに共通に連通してインクを供給する共通液室11を画成する壁部が配置された基体6とを有する。個別液室3は、連通路7を介して吐出口2に連通している。   The liquid discharge head of this example supplies ink by communicating with an orifice plate 1 provided with a plurality of discharge ports 2 for discharging ink, a plurality of individual liquid chambers 3 corresponding to the respective discharge ports, and these in common. And a base body 6 on which walls defining the common liquid chamber 11 are arranged. The individual liquid chamber 3 communicates with the discharge port 2 via the communication path 7.

個別液室3の側面の一部には変位可能な振動板4が設けられ、この振動板4に対して、個別液室の容積制御手段である圧電膜および電極を含むアクチュエータ5が配置されている。そのアクチュエータ5に、記録情報に対応して駆動電圧信号を印加することにより振動板4を変位させ、個別液室3の容積を変化させることで、吐出口2から液滴を吐出させることが可能である。アクチュエータ5は、これに印加される駆動電圧が下降する場合には個別液室の容積を増大させるよう、また駆動電圧が上昇する場合に個別液室の容積を減少させるよう、それぞれ厚み方向に変形するものとする。   A displaceable diaphragm 4 is provided on a part of the side surface of the individual liquid chamber 3, and an actuator 5 including a piezoelectric film and electrodes, which are volume control means of the individual liquid chamber, is disposed on the diaphragm 4. Yes. By applying a drive voltage signal to the actuator 5 corresponding to the recording information, the diaphragm 4 is displaced, and the volume of the individual liquid chamber 3 is changed, so that droplets can be discharged from the discharge port 2. It is. The actuator 5 is deformed in the thickness direction so as to increase the volume of the individual liquid chamber when the drive voltage applied thereto decreases, and to decrease the volume of the individual liquid chamber when the drive voltage increases. It shall be.

本発明が好適に実施されるヘッドの個別液室の長さは2000μm以上12000μm以下、吐出口直径は20μm以上50μm以下である。また、アクチュエータ5(上電極、圧電膜、下電極)、および振動板4はこれら自体の変形を容易にするために、それぞれ、10μm以下の厚みとすることが好ましい。より好ましくは、振動板が3μm以上6μm以下であり、振動板とアクチュエータとをあわせても10μm以下の薄膜形状がよい。このような薄膜形状のアクチュエータであれば、個別液室の容積の増減を示す指標となる、振動板の変位の時間推移δ(t)を、アクチュエータ5の表面(上電極位置)の変位(面外変位)で近似・代用する事ができる。この変位は、振動板が形成されている面に対して垂直な方向の変位を指し、例えばレーザー・ドップラー速度計によって測定することができる。このようなヘッドを用い、図5に示す個別液室の容積変化が生じるよう、圧電膜の変形、つまり撓みに応動する振動板の変位を行なうことで、液体吐出が好適に行なわれる。   The length of the individual liquid chamber of the head in which the present invention is suitably implemented is 2000 μm or more and 12000 μm or less, and the discharge port diameter is 20 μm or more and 50 μm or less. In addition, the actuator 5 (upper electrode, piezoelectric film, lower electrode) and diaphragm 4 each preferably have a thickness of 10 μm or less in order to facilitate deformation of the actuator 5 itself. More preferably, the diaphragm is 3 μm or more and 6 μm or less, and a thin film shape of 10 μm or less is good even when the diaphragm and the actuator are combined. In the case of such a thin film actuator, the time transition δ (t) of the displacement of the diaphragm, which serves as an index indicating the increase or decrease of the volume of the individual liquid chamber, is expressed by the displacement (surface) External displacement) can be approximated or substituted. This displacement refers to a displacement in a direction perpendicular to the surface on which the diaphragm is formed, and can be measured by, for example, a laser Doppler velocimeter. Using such a head, liquid discharge is suitably performed by performing deformation of the piezoelectric film, that is, displacement of the vibration plate that responds to bending so that the volume change of the individual liquid chamber shown in FIG. 5 occurs.

図4はアクチュエータ5の駆動部の構成例を示す。アクチュエータ5は電力を供給するための電極配線を介して駆動回路51に接続されている。駆動回路51は、記録情報に対応する駆動データ(吐出の有無を定めるためのデータ)に応じ、駆動波形設定部53に規定される駆動波形にて、アクチュエータ5を作動させることができる。   FIG. 4 shows a configuration example of the drive unit of the actuator 5. The actuator 5 is connected to the drive circuit 51 via an electrode wiring for supplying electric power. The drive circuit 51 can operate the actuator 5 with a drive waveform defined by the drive waveform setting unit 53 in accordance with drive data (data for determining the presence or absence of ejection) corresponding to the recording information.

駆動波形設定部53は、好ましい液体の挙動を生じさせる個別液室の容積増減の時間推移(振動板の面外変位の時間推移)が生じるような駆動波形を設定する。   The drive waveform setting unit 53 sets a drive waveform such that a time transition (time transition of out-of-plane displacement of the diaphragm) of the volume increase / decrease of the individual liquid chamber causing a preferable liquid behavior occurs.

3.実施例
以下、本発明の規定に従う液体吐出ヘッドの駆動態様および効果について、具体的な実施例および比較例を説明する。
3. Examples Hereinafter, specific examples and comparative examples of driving modes and effects of the liquid discharge head according to the present invention will be described.

3.1 実施例
まず、図2および図3に示す液体吐出ヘッドを作製した。ここで、吐出口は直径30μmの丸穴とし、個別液室3の長さ(図3の横方向寸法)は6000μm、幅(図3の図面直交方向の寸法)は100μmとした。また、アクチュエータ5の厚みは3μm、振動板4の厚みは5μmである。
3.1 Example First, the liquid discharge head shown in FIGS. 2 and 3 was produced. Here, the discharge port was a round hole having a diameter of 30 μm, the length (lateral dimension in FIG. 3) of the individual liquid chamber 3 was 6000 μm, and the width (dimension in the direction orthogonal to the drawing in FIG. 3) was 100 μm. The actuator 5 has a thickness of 3 μm, and the diaphragm 4 has a thickness of 5 μm.

なお、上記液体吐出ヘッドは、アクチュエータである圧電素子の変形(伸縮)を利用し、これに固定される振動板の、その面に垂直な方向の変位(面外変位)によって個別液室の容積の増減を行わせる形態のものである。かかる形態のヘッドでは、振動板4が変形することで排除する/流動させる液体の体積量(制御液体量VCON)は、個別液室の長さと、個別液室の幅と、振動板変位の時間推移δ(t)とにより定まる。そして、これらの3つの積に、制御液体量VCONは概ね比例する。従って、個別液室の長さが半分となって幅が2倍となった構成などにおいても同様の効果が得られる。 The liquid discharge head utilizes deformation (extension / contraction) of a piezoelectric element as an actuator, and the volume of the individual liquid chamber is determined by displacement (out-of-plane displacement) in a direction perpendicular to the surface of a diaphragm fixed to the piezoelectric element. It is the form which makes increase / decrease of. In such a head, the volume of liquid to be excluded / flowed by deformation of the vibration plate 4 (control liquid amount V CON ) is determined by the length of the individual liquid chamber, the width of the individual liquid chamber, and the vibration plate displacement. It is determined by the time transition δ (t). The control liquid amount V CON is approximately proportional to these three products. Accordingly, the same effect can be obtained in a configuration in which the length of the individual liquid chamber is halved and the width is doubled.

次に、上記液体吐出ヘッドに液体を供給して吐出動作を行った。ここでは、液体として、密度1.0×10kg/m,粘性3.3×10−3Pa・s,表面張力3.3×10−2N/mのシアンインクを用いた。 Next, a liquid was supplied to the liquid discharge head to perform a discharge operation. Here, a cyan ink having a density of 1.0 × 10 3 kg / m 3 , a viscosity of 3.3 × 10 −3 Pa · s, and a surface tension of 3.3 × 10 −2 N / m was used as the liquid.

ここで、まず吐出口径が30μmと大きいため、メニスカスが静定している状態から単に個別液室の容積を減少させて吐出動作を行わせても、28pl以上の大きな液滴しか吐出できない。そこで、このように口径が大きい吐出口から10pl台の小液滴吐出を実現するために、細い液柱を形成するようにした。   Here, since the discharge port diameter is as large as 30 μm, even if the discharge operation is performed by simply reducing the volume of the individual liquid chamber from a state where the meniscus is static, only a large droplet of 28 pl or more can be discharged. Therefore, a thin liquid column is formed in order to discharge small droplets in the order of 10 pl from the discharge port having such a large diameter.

図5(a)〜(d)はその具体的な方法の説明図である。まずメニスカスを一旦引き込ませてから(図5(a))、メニスカスの中心底部に圧力を付加してこの部分に隆起部が形成されるようにした(図5(b))。これは、個別液室の容積を初期容積から増大させるプロセス(以下、膨張プロセスという)を実行してから、減少させるプロセス(以下、収縮プロセスという)を実行すればよい。つまり、図5(b)の状態は、膨張プロセスによっておよそ放物曲面状に引き込まれたメニスカスに対して圧力室側から加圧を行えば実現できる。当該加圧に応じ、必然的にメニスカスの中心底部に高圧部が発生してこの部分のみを隆起できるからである。飛行するロケットの先端部に最も高圧部が形成されるのと同じ理由である。   FIGS. 5A to 5D are explanatory diagrams of the specific method. First, the meniscus was once retracted (FIG. 5A), and pressure was applied to the center bottom of the meniscus so that a raised portion was formed at this portion (FIG. 5B). This may be achieved by executing a process of increasing the volume of the individual liquid chamber from the initial volume (hereinafter referred to as expansion process) and then a process of decreasing (hereinafter referred to as contraction process). That is, the state shown in FIG. 5B can be realized by applying pressure from the pressure chamber side to the meniscus drawn into a substantially parabolic curved surface by the expansion process. This is because a high-pressure portion is inevitably generated at the center bottom of the meniscus in response to the pressurization, and only this portion can be raised. This is the same reason that the highest pressure part is formed at the tip of the flying rocket.

この後さらに収縮プロセスを継続することによって、生成させる細い液柱のサイズ(太さ、長さ)の制御が行われ、より確実に微細化された液滴吐出を実現できる(図5(c),(d))。   After this, the shrinking process is further continued to control the size (thickness and length) of the thin liquid column to be generated, and more precise droplet discharge can be realized (FIG. 5C). , (D)).

この際、図5(c)に示すように、吐出口内の流体(液体)の速度vが液柱の突出速度vよりも大きいことによる液柱の屈曲に起因した「よれ」が発生しない吐出状態を実現すべく鋭意検討した。解決策としてはv<vとなるように液柱生成過程を制御すれば、吐出口内の液体が液柱を押す動作をすることがないので、液柱の屈曲が生じない。しかし、吐出口内に隠れている液体の速度vを測定することは困難であり、制御の効果を検証することができない。そこで、本実施例では、吐出口から突出した液柱が吐出口に近い側で切断するときに、vとvとが逆向きの方向成分を持つように制御を行うものとした。ここで、振動板4が個別液室の容積を減少させる方向に変位しているときは吐出口内の液体は外界へ向かって流れ、個別液室の容積を増大させる方向に変位しているときは個別液室側へ向かって流れる。そこで、前述した速度vの方向を把握する方法として、個別液室の容積が増大している状態にあるか否かで把握することにした。 At this time, as shown in FIG. 5 (c), "according" does not occur due to the bending of the liquid column by greater than the projection velocity v 2 velocity v 1 of the liquid column of fluid in the discharge ports (liquid) We have intensively studied to realize the discharge state. As a solution, if the liquid column generation process is controlled so that v 1 <v 2 , the liquid in the discharge port does not push the liquid column, so that the liquid column is not bent. However, it is difficult to measure the velocity v 1 of the liquid hidden in the discharge port, and the control effect cannot be verified. Therefore, in this embodiment, when the liquid column protruding from the discharge port is cut on the side close to the discharge port, control is performed so that v 1 and v 2 have opposite direction components. Here, when the diaphragm 4 is displaced in the direction of decreasing the volume of the individual liquid chamber, the liquid in the discharge port flows toward the outside and when displaced in the direction of increasing the volume of the individual liquid chamber. Flows toward the individual liquid chamber. Therefore, as a method for grasping the direction of the velocity v 1 described above, it is decided whether or not the volume of the individual liquid chamber is increasing.

つまり本実施例では、測定された圧電素子の電極の変位の時間推移δ(t)の、吐出口側での液柱分断が観察される時間tまでにおいて、変位曲線の最大値出現後に現れる最小値出現の後は、容積を減少させる振動板変位がないようにする。そして液柱分断が観察される時間tまでに最小値の出現後は、容積を減少する振動板変位が生じないように、すなわち吐出口内の液体が突出液柱と同じ方向へ流動しないように、アクチュエータ5を制御する。 That is, in this example, the time transition δ (t) of the measured displacement of the electrode of the piezoelectric element appears after the maximum value of the displacement curve appears until the time t B when the liquid column division on the discharge port side is observed. After the minimum value appears, there is no diaphragm displacement that reduces the volume. And after the appearance of the minimum value by the time t B when the liquid column division is observed, the diaphragm displacement that reduces the volume does not occur, that is, the liquid in the discharge port does not flow in the same direction as the protruding liquid column. The actuator 5 is controlled.

図6はそのアクチュエータ5の制御時における圧電素子の電極の面外変位量の時間推移を観測した線図である。ここで、測定位置は、個別液室中央位置とした。このような時間推移が生じるようアクチュエータ5を制御し、CCDカメラと、インク吐出と同期したストロボ光とを用いて液体吐出状態を観察した。   FIG. 6 is a diagram in which the time transition of the out-of-plane displacement amount of the electrode of the piezoelectric element during the control of the actuator 5 is observed. Here, the measurement position was the central position of the individual liquid chamber. The actuator 5 was controlled so that such a time transition occurred, and the liquid discharge state was observed using a CCD camera and strobe light synchronized with ink discharge.

図7(a)〜(l)はその観察結果を示す図である。これらの図に示すように、液柱には屈曲が見られず、それに起因した「よれ」が発生しなかった。また。サテライトの進行方向が主滴の進行方向とずれることがなく、主滴とサテライトが合体して、最終的にサテライトがない吐出を実現することができた。   7A to 7L are diagrams showing the observation results. As shown in these figures, the liquid column was not bent, and no “twist” caused by it was generated. Also. The traveling direction of the satellite did not deviate from the traveling direction of the main droplet, and the main droplet and the satellite were merged, and finally discharge without the satellite could be realized.

このようにサテライトが主滴に追いついたのは以下の理由によるものと考えられる。まず第1に、吐出口側での液柱分断が観察された時刻tの後、表面張力により液柱を主滴側へ引き寄せ、これにより吐出方向への液柱分断部分の速度が増加して主滴の速度を上回るまでは、液柱に新たな分断部分を発生させないようアクチュエータを制御したことである。ここで、吐出口側での液柱分断が観察された時刻tと、これ以外の新たな分断が発生する時刻との時間差が大きければ大きいほど、表面張力による引き寄せ期間が長くなるので速度が増加する。第2に、先に吐出口側で発生した分断部と、新たに発生した分断部とで形成された液柱部分(図7(f))が、表面張力によって略球形のサテライトとなったとき(同図(h))の吐出方向への速度が主滴の速度を上回っているようにアクチュエータを制御したためである。 The reason why the satellite has caught up with the main droplet is considered to be as follows. First, after the time t B when the liquid column division on the discharge port side is observed, the liquid column is drawn to the main droplet side by the surface tension, thereby increasing the speed of the liquid column division portion in the discharge direction. Until the speed of the main droplet was exceeded, the actuator was controlled so as not to generate a new divided portion in the liquid column. Here, the larger the time difference between the time t B at which the liquid column division at the discharge port side is observed and the time at which another new division occurs, the longer the pulling period due to the surface tension, the higher the speed. To increase. Second, when the liquid column portion (FIG. 7 (f)) formed by the divided portion generated on the discharge port side and the newly generated divided portion becomes a substantially spherical satellite due to the surface tension. This is because the actuator was controlled so that the velocity in the ejection direction ((h) in the figure) exceeded the velocity of the main droplet.

図8は、図6のような面外変位の時間推移を得るために印加した駆動電圧の波形である。これは基本的に次の波形部分からなっている。すなわち、
・個別液室の容積を増大させるべく初期電圧Vから電圧Vまで変化する波形部分、
・電圧Vに保持する波形部分、
・容積を初期容積に戻すべく電圧Vまで変化する波形部分、および
・初期電圧Vに保持する波形部分、
である。
FIG. 8 shows the waveform of the drive voltage applied to obtain the time transition of the out-of-plane displacement as shown in FIG. This basically consists of the following waveform parts. That is,
A waveform portion that changes from the initial voltage V H to the voltage V L to increase the volume of the individual liquid chamber,
The waveform portion held at voltage VL ,
A waveform portion that changes to a voltage V H to return the volume to the initial volume, and a waveform portion that is held at the initial voltage V H ,
It is.

本実施例では、液柱屈曲防止のためにかかる駆動電圧波形を用いているが、ここで注意すべきことは、始めに波形の設定があるのでもなければ、固有周期に基く駆動波形の設定があるのでもない。あくまでも、液柱屈曲を防止する上で普遍的な基準となる個別液室の容積増減、より具体的にはこれと強く相関のあるの圧電素子の電極の面外変位量の時間推移が生じるように、駆動波形が選択され、設定されることである。すなわち、図8に示すような基本波形に対し、電圧や各波形部分の傾きおよび形状などを、好ましい吐出性能や液体の挙動に照らして適宜定めることができる。   In this embodiment, the driving voltage waveform is used to prevent the liquid column from being bent. However, it should be noted here that the setting of the driving waveform based on the natural period is not necessary unless the waveform is set at the beginning. There is no. To the last, the volume increase / decrease of the individual liquid chamber, which is a universal reference for preventing the bending of the liquid column, more specifically, the time transition of the out-of-plane displacement amount of the piezoelectric element electrode, which has a strong correlation with this, will occur. In addition, the drive waveform is selected and set. That is, with respect to the basic waveform as shown in FIG. 8, the voltage, the inclination and shape of each waveform portion, and the like can be appropriately determined in light of preferable discharge performance and liquid behavior.

3.2 比較例
比較例においては、実施例と同じ液滴吐出ヘッドおよび液体を使用する一方、吐出速度を高くするべく駆動波形を変更した。その結果、液柱の屈曲が発生した。
3.2 Comparative Example In the comparative example, the same droplet ejection head and liquid as in the example were used, while the drive waveform was changed to increase the ejection speed. As a result, the liquid column was bent.

図9はこのときの圧電素子の電極の面外変位量の時間推移を観測した線図である。また、図10(a)〜(e)は、実施例1と同様に液体吐出状態を観察した結果を示す図である。   FIG. 9 is a diagram of the time transition of the out-of-plane displacement amount of the electrodes of the piezoelectric element at this time. FIGS. 10A to 10E are views showing the results of observing the liquid discharge state in the same manner as in the first embodiment.

比較例では、圧電素子の電極の変位の時間推移δ(t)の、吐出口側での液柱分断が観察される(図10(c))時間tまでにおいて、変位曲線の最大値出現後に現れる最小値出現の後に、個別液室の容積を減少させる振動板変位が見られた(図9中のp)。そしてこれに呼応するように、吐出口側から隆起したメニスカスが液柱端部を吐出方向へ押している現象(図10(a),(b))とともに、隆起メニスカス先端の中心軸と液柱中心軸とがずれていることが確認できた(図11(c),(d))。これがよれ発生の主要因であると考える。つまり、比較例では、実施例で整理した条件を満たさなかったために、よれが発生した。 In the comparative example, the time course of the displacement of the electrodes of the piezoelectric element [delta] (t), the liquid column interrupted at the discharge port side is observed (FIG. 10 (c)) in up to the time t B, the maximum value appearing in the displacement curve after the minimum appearance appearing later, it was observed diaphragm displacement to reduce the volume of the individual liquid chamber (p c in FIG. 9). In response to this, the meniscus raised from the discharge port side pushes the end of the liquid column in the discharge direction (FIGS. 10A and 10B), and the central axis of the tip of the raised meniscus and the center of the liquid column It was confirmed that the axis was displaced (FIGS. 11C and 11D). This is considered to be the main cause of warping. That is, in the comparative example, since the conditions arranged in the example were not satisfied, the warp occurred.

4.その他
上例ではインクジェット記録装置形態の液体吐出装置およびヘッドに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、記録装置だけでなくパターニング装置や塗布装置など様々な液体吐出装置に好ましく適用可能である。装置に応じて様々な物性の液体や様々なヘッド構造が用いられることに対して、吐出口を小径化せずに吐出液滴の微細化を達成し得る適切かつ普遍的な液体吐出ヘッドの駆動制御の指針を与えることができるからである。
4). Others In the above example, the case where the present invention is applied to the liquid ejecting apparatus and the head in the form of the ink jet recording apparatus has been described. However, the present invention is preferably applicable not only to the recording apparatus but also to various liquid ejecting apparatuses such as a patterning apparatus and a coating apparatus. It is. Suitable and universal liquid ejection head drive that can achieve finer ejection droplets without reducing the diameter of the ejection port, as liquids with various physical properties and various head structures are used depending on the device This is because a control guideline can be given.

本発明が適用可能な液体吐出装置の一例として、インクジェット記録装置形態のものを示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing an ink jet recording apparatus as an example of a liquid ejection apparatus to which the present invention can be applied. 本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構成例であり、吐出口形成面側から見た模式的正面図を示している。FIG. 2 is a configuration example of a liquid discharge head applicable to the present invention, and shows a schematic front view seen from the discharge port forming surface side. 本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構成例であり、図2のC−C線断面図を示している。2 is a configuration example of a liquid discharge head applicable to the present invention, and shows a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. アクチュエータ(圧電素子)の駆動部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the drive part of an actuator (piezoelectric element). (a)〜(d)は実施例における液体吐出状態の説明図である。(A)-(d) is explanatory drawing of the liquid discharge state in an Example. 実施例における圧電素子の電極の面外変位量の時間推移を示す線図である。It is a diagram which shows the time transition of the out-of-plane displacement amount of the electrode of the piezoelectric element in an Example. (a)〜(l)は実施例における液体吐出状態の観察結果を示す図である。(A)-(l) is a figure which shows the observation result of the liquid discharge state in an Example. 図6のような面外変位量の時間推移を得るために印加した駆動電圧の基本的な波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the basic waveform of the drive voltage applied in order to obtain the time transition of an out-of-plane displacement amount like FIG. 比較例における圧電素子の電極の面外変位量の時間推移を示す線図である。It is a diagram which shows the time transition of the out-of-plane displacement amount of the electrode of the piezoelectric element in a comparative example. 比較例における液体吐出状態の観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of the liquid discharge state in a comparative example. 圧電素子の電極の面外変位から評価される液体吐出ヘッドの固有周期に普遍性があるか否かを検討するために、個別液室の容積を増大させる電位変化の傾きを変えた状態を示す説明図である。In order to investigate whether or not the natural period of the liquid discharge head evaluated from the out-of-plane displacement of the electrodes of the piezoelectric element has universality, a state in which the gradient of the potential change that increases the volume of the individual liquid chamber is changed is shown. It is explanatory drawing. (a)〜(c)は、図9に示す傾きの違いによる面外変位の応答曲線の違いを説明するための説明図である。(A)-(c) is explanatory drawing for demonstrating the difference in the response curve of an out-of-plane displacement by the difference in inclination shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

2 吐出口
3 個別液室
4 振動板
5 容積制御手段(アクチュエータ)
2 Discharge port 3 Individual liquid chamber 4 Vibration plate 5 Volume control means (actuator)

Claims (3)

液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、を具えた液体吐出ヘッドを用い、前記容積制御手段を駆動することで、前記容積を初期容積から増大させてから減少させることで、前記吐出口から柱状に伸びた液体を前記吐出口側で分離して液滴を形成し、該液滴を媒体に到達させる液体吐出方法であって、
前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される面に垂直な方向における変位の時間推移において、変位の最大値が出現した後に現れる変位の最小値の出現の後から、前記吐出口から柱状に伸びた液体が分離して液滴を形成するまでの期間、前記変位が減少しないように前記容積制御手段を駆動することを特徴とする液体吐出方法。
The volume control means is driven using a liquid discharge head comprising a discharge port for discharging liquid, an individual liquid chamber communicating with the discharge port, and a volume control means for increasing or decreasing the volume of the individual liquid chamber. Thus, by increasing the volume from the initial volume and then decreasing, the liquid extending in a columnar shape from the discharge port is separated on the discharge port side to form a droplet, and the droplet reaches the medium A liquid ejection method comprising:
In the time transition of displacement in the direction perpendicular to the surface on which the volume control means is formed, the volume control means is columnar from the discharge port after the appearance of the minimum displacement value that appears after the maximum displacement value appears. The volume control means is driven so that the displacement does not decrease during the period from when the liquid that has been separated into two separates to form droplets.
前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、前記圧電膜が変形することで、前記個別液室に対応して形成された振動板が変位し、前記個別液室の容積を増減させることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出方法。   The volume control means includes a piezoelectric film and an electrode. When the piezoelectric film is deformed, a diaphragm formed corresponding to the individual liquid chamber is displaced, and the volume of the individual liquid chamber is increased or decreased. The liquid ejection method according to claim 1, wherein: 液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、振動板と、を具え、前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、前記電極に信号を入力して該圧電膜を変形させることで、前記振動板を変位させて、前記容積を初期容積から増大させてから減少させることで、前記吐出口から柱状に伸びた液体を前記吐出口側で分離して液滴を形成し、該液滴を媒体に到達させる液体吐出装置であって、
前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される振動板面に垂直な方向における変位の時間推移において、変位の最大値が出現した後に現れる変位の最小値の出現の後から、前記吐出口から柱状に伸びた液体が分離して液滴を形成するまでの期間、前記変位が減少しないように前記容積制御手段を駆動する手段を具えたことを特徴とする液体吐出装置。
A discharge port for discharging a liquid; an individual liquid chamber communicating with the discharge port; volume control means for increasing or decreasing the volume of the individual liquid chamber; and a diaphragm. The volume control means includes a piezoelectric film and an electrode. And by deforming the piezoelectric film by inputting a signal to the electrode, the diaphragm is displaced, and the volume is increased from the initial volume and then decreased, so that the discharge port has a columnar shape. A liquid discharge apparatus that separates the extended liquid at the discharge port side to form droplets and causes the droplets to reach a medium,
In the time transition of the displacement in the direction perpendicular to the diaphragm surface on which the volume control means is formed, the discharge port after the appearance of the minimum displacement value that appears after the maximum displacement value appears. A liquid ejection apparatus comprising means for driving the volume control means so that the displacement does not decrease during a period from when the liquid extending in a columnar shape is separated to form a droplet.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108801922A (en) * 2018-08-09 2018-11-13 金华职业技术学院 A kind of device of research macroion photoelectron spectrum
CN109001117A (en) * 2018-08-09 2018-12-14 金华职业技术学院 A method for studying the photoelectron spectrum of macromolecular ions

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