JP2008168531A - 液体吐出方法および液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によらず、サテライト発生を有効に防止し得る適切かつ液体吐出ヘッドの駆動を実現する。
【解決手段】液滴（主滴）を分離する際の前記柱状に伸びた液体が、前記分離部分から前記吐出口に向かって徐々に太くなる形状となるようにし、前記液滴を分離後の前記柱状に伸びた液体の長さが短くなる期間は前記吐出口から液体を隆起させるよう、容積変化に基いて液体吐出ヘッドを駆動する。これによって、吐出する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によらず、主滴分離後に液柱がさらに分断されるのを効果的に防止でき、サテライトの発生を抑制できる。
【選択図】図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個別液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，固体物等などの媒体（受容体）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。

液体吐出ヘッドとして、個別液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膜により振動板を変位させることで、個別液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液体受容体に到達する。この際、受容体に本来的に到達させるべき液滴（主滴）のほかに、サテライトと称される副次的な液滴が分離することがある。一般にサテライトは、主滴と比べて小さく、また速度も遅いために、記録媒体その他の液体受容体上に主滴とずれた位置に着弾し、記録品位の低下やパターニング精度の低下などをもたらすことがある。また、ミストとして漂い、これが液体吐出ヘッドの吐出口形成面に付着することで、後に吐出される液体の吐出方向を偏向させたり、装置内部に付着することでこれを汚損させたりしてしまうこともある。

そこで、従来よりサテライトの発生を防止するための様々な提案がなされている。
例えば特許文献１は、電圧の印加に応じて変形することで個別液室（インク室）の容積を増減させるピエゾ素子を有する構成において、サテライトの発生を抑制するための技術が開示されている。ここには、個別液室容積を減少させるためにピエゾ素子に印加する駆動電圧のピークから、瞬時の急停止パルスをかけることによって、ピエゾ素子とインク室内のインク等の慣性を速やかに克服してインク吐出を急停止させることが記載されている。そして、その駆動電圧波形として、同文献の図１（ａ）には、急峻な部分を持つものが示されている。

また、特許文献２には、個別液室の容積を増大させた後、第１の変化速度で減少させし、続いて第１の変化速度よりも大きい第２の変化速度で減少させるよう圧電振動子を駆動する方法が開示されている。そしてこの方法によれば、液柱（インク柱）の先端と後端との速度差が少なくなり、球状の液滴が形成されるとしている。

特開平５−５７８８８号公報 特開平７−７６０８７号公報 特開平９−１４１８５１号公報 特開平１０−１９３５８７号公報

特許文献１では、駆動電圧のピークから瞬時の急停止パルスをかけるとしている。その図１（ａ）によれば、ピークに達した瞬間に急停止パルスを投入すると考えるのが相当である。しかし、そもそもそのピークとはどのように設定したものなのか、またいかなる評価をもって駆動電圧波形の各部の傾きが急峻と言い得るのか等について具体的な記載がない。しかも、そのような波形の駆動電圧の印加に伴うインク吐出過程に関して、図等を用いた明確な説明がなく、具体的にどのようにサテライトの発生が抑制されるのかが全く不明である。

一方、特許文献２に開示の方法は、液柱の後端までを吐出するため、近年特に望まれている記録の高精細化のために吐出量を小さくする上で不利となる。また、液柱の先端と後端との速度差は少なくても液柱が伸び過ぎた場合には、ここからサテライトが発生してしまうことが容易に想起されるが、これはもはや、制御範囲外である。

本発明者らが行った実験や検討は、種々の液体を種々の構造の液体吐出ヘッドに適用し、特許文献１および特許文献２に開示された指針に基づいて実施したものである。例えば、特許文献２に開示の方法において、表面張力が低い液体を吐出させたところ、サテライトの発生が認められることがあった。これは、一般に表面張力が低くなる程、表面張力が高い場合と比べ、液柱が分断されにくくなり、分断が生じるまでに長く伸びやすくなることによるものと考えられる。

つまり特許文献１および特許文献２などの従来技術では、適切な駆動電圧波形の投入によってサテライト発生を抑制するようにしているが、本発明者らはこれは限定された条件下でのみ有効なものに過ぎず、普遍的解決方法とはなり得ないことを認識したのである。

よって本発明は、普遍的な指針に基づき、サテライト発生を有効に防止し得る適切かつ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。

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、前記吐出口から柱状に伸びた液体の先端部を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、
前記液滴を分離する際の前記柱状に伸びた液体が、前記分離部分から前記吐出口に向かって徐々に太くなる形状となるようにし、前記液滴を分離後の前記柱状に伸びた液体の長さが短くなる期間は前記吐出口から液体を隆起させるように、前記容積制御手段を駆動することを特徴とする。

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、前記吐出口から柱状に伸びた液体の先端部を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、
前記液滴を分離する際の前記柱状に伸びた液体が、前記分離部分から前記吐出口に向かって徐々に太くなる形状となるようにし、前記液滴を分離後の前記柱状に伸びた液体の長さが短くなる期間は前記吐出口から液体を隆起させるように、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。

本発明によれば、液滴（主滴）を分離する前後の液柱が、吐出口の方向へ向かうにつれて徐々に太くなり、また液滴分離後には吐出口から液体が隆起してくるよう、容積変化に基いて液体吐出ヘッドが駆動される。これによって、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、主滴分離後に液柱がさらに分断されるのを効果的に防止でき、サテライトの発生を抑制できる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

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、サテライトの発生を抑制するための普遍的な指針を定めるにあたっては、限られた条件下での駆動波形を単に選択するのではなく、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。

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。

しかるに、特許文献３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。

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、その波形と変位量との間に相似性がないことを特許文献３は教示している。

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、駆動波形の形状のみを考察して、サテライト発生を防止する直接的かつ汎用的な条件や因果関係を求めることは困難であり、かつ甚だしく不十分であることがわかる。

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、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駆動波形を規定しても、液体の吐出性能（吐出量および吐出速度）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進退）を制御する普遍的な解決方法とはなり得ないのである。

これに対し、個別液室の容積が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。

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、圧電素子の駆動波形すなわち駆動電圧の時間推移ではなく、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。実際には、個別液室の容積の増減は、該室内に配置され、圧電素子の変形もしくは撓みに応動する手段（振動板）の変位によって生じる。従って、具体的には、個別液室の容積の増減を生じさせる振動板の変位の時間推移δ（ｔ）を、好ましい吐出性能および液体挙動を得るための指標とすることができる。

ここで、サテライトが発生する過程を整理して端的に言えば、「ある長さの液柱が複数の箇所で切断し、それらが表面張力で丸くなる」ことによる。このようなサテライトを防止する直接的かつ汎用的な条件は、好ましく液体を挙動させることである。従って、かかる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、圧電素子の駆動波形が選択されるべきである。

本発明では、最初の液柱の分断すなわち主滴分離のタイミングで、分離部分から根本に向かって太くなる液柱が形成され、さらにこのタイミングから、柱状に伸びた液体の長さが短くなる期間はメニスカスを隆起させるように液体を挙動させる。根本に向かって太くなる液柱を形成することで、主滴分離後には液柱の分断すなわちサテライトの発生が生じにくくなり、その後液柱は隆起してくるメニスカスに速やかに吸収されるので、分断がより効果的に阻止されるようになる。

なお、以下の実施形態では、個別液室容積をまず増大させ、減少させ、再度増大させ、再度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、駆動開始前の個別液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、増大している個別液室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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。すなわち、本実施形態では、アクチュエータである圧電素子の変形を利用し、これに固定される振動板の、その面に垂直な方向の変位によって個別液室の容積の増減を行わせる形態の液体吐出ヘッドを用いている。

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、圧電膜および下電極を具える）、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・代用することができる。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。

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。

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。

３．実施例
以下、本発明の指針に基く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挙げて説明する。

３．１ 実施例１
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６μｍである。

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Ｖ_ＣＯＮ）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Ｖ_ＣＯＮ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。

次に、上記液体吐出ヘッドに液体を供給し、図５に示すように個別液室３の容積を変化させて吐出動作を行った。ここでは、液体として、密度１．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３，粘性３．０×１０^−３Ｐａ・ｓ，表面張力３．５×１０^−２Ｎ／ｍのシアンインクを用いた。

図５の容積変化では、次のプロセスを実行する。すなわち、まず個別液室の容積を初期容積Ｖ_０から増大させて第１容積Ｖ_１とするプロセスＰ_１を実行する。このとき、メニスカスは吐出口２の内方へと引き込まれる。

次に、第１容積Ｖ_１から減少させて第２容積Ｖ_２とするプロセスＰ_２を実行する。このとき、引き込まれたメニスカスの中央部が盛り上がり、吐出方向に延在する液柱が形成される。

次に、容積増大を開始して第３容積Ｖ_３とするプロセスＰ_３を実行する（Ｖ_３≦Ｖ_１であっても構わない）。このとき、液柱は慣性によって吐出方向に前進する一方、メニスカス外縁部の前進は一時的に抑制される。これによりメニスカス外縁部までもが吐出されることを防止し、所望体積の液滴を形成できる。

最後に、第３容積Ｖ_３を初期容積Ｖ_０に戻すプロセスＰ_４を実行する（この間は、様々な周期および振幅の残留振動の存在により、個別液室３の容積は微小な増減振動成分をもつが、便宜上、プロセスＰ_４を単調な減少曲線で示した）。

液柱の分断すなわち液滴分離が生じるのはこのプロセスＰ_４中の時点ｔ_Ｂであり、この時点では根本に向かって太くなる液柱が形成され、さらにこの時点からメニスカスが吐出口から隆起（オーバーシュート）するように液体が挙動する。

以上の結果、吐出量１．８ｐｌ，吐出速度６．０ｍ／ｓで液滴が吐出され、サテライトは発生しなかった。吐出後、メニスカス３０は、図６に示すように吐出口に対してしばらく隆起状態となった後、ほぼフラットな初期状態に戻った。

実施例１においてサテライトが発生しなかった理由を、実際の液体の挙動に基いて考察する。

図７（ａ）〜（ｋ）はプロセスＰ_４における液体吐出状態の説明図であり、プロセスＰ_４の開始時点（同図（ａ）；プロセスＰ_１の開始時点から１８μｓ後）から２μｓ刻みで液体の状態を示している。これは、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観察した結果に基くものである。また、図８（ａ）および（ｂ）は、液柱の分断すなわち液滴分離時点の直前および直後の状態の説明図である。

液滴分離時点（ｔ＝ｔ_Ｂ）の前に、先のプロセスＰ_３においては、吐出口中心に位置する液体すなわちメニスカス中央部に大きな速度を付加させるように個別液室の容積を操作した。従って、今まさに主滴として分離するであろう略球形の先端２１を有しつつ、この略球形先端部分と吐出口２内の液体とを結んでいる液柱２２は、略球形先端部分２１との接続部分付近が最も細く、吐出口２方向へ向かうにつれて徐々に太くなっている。図７（ｃ）および図８（ａ）はこの状態を示している。

この結果、時刻ｔ＝ｔ_Ｂ（図７（ｄ））では、最も細くなっている液柱部分２２と略球形先端部分２１との接続部分付近でのみ、１００％の確率で液柱を分断できる。時刻ｔ＝ｔ_Ｂ直後では、図７（ｅ）および図８（ｂ）に示すように、液滴（主滴２３）を分離して残った液柱部分２４は、主滴を分離した部分が最も細く、吐出口２方向へ向かうにつれて徐々に太くなっている形状となっていた。

液柱は太さがほぼ等しい部分が一部にあったり、また時間の経過とともに表面張力等によって丸みを帯びてきて最も細くなっている位置が若干変わったりすることもあったが、概して吐出口２に向かうにつれて徐々に太くなっている形状を維持していた。この結果、残った液柱部分２４内のいずれの位置においてもさらなる液柱分断は起こらず、表面張力によって長さが短くなってゆく（図７（ｅ）〜（ｊ））。

一方、液滴分離時刻ｔ＝ｔ_Ｂ直前から継続して吐出口外方へ向かってメニスカスを隆起させ、かつその隆起量を増加させている（図７（ｅ）〜（ｊ），補助線Ｂ）。この結果、液柱部分２４の根本を太いままに維持でき、かつ液柱部分は隆起してくるメニスカスに速やかに吸収される。これによって、さらなる液柱分断の発生を一層効果的に防止できる。

以上のように液体が挙動したことで、液柱部分２４の分断が発生せず、その結果サテライトが発生しなかったと考えられる。

なお、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、液滴分離の直前および直後において、吐出口縁部の液体すなわちメニスカス外縁部は吐出口形成面に対して陥没している場合もあった。しかしこの場合でも、液柱２２および液柱部分２４は概して吐出口２に向かうにつれて徐々に太くなっている形状を形成・維持し、また液滴分離後においてメニスカスを隆起させ、かつその隆起量が増大してゆくことで、上述と同様の結果が得られた。

また、特許文献４には、その図５中に、本明細書の図５（ａ）と似た図が示されている。しかし同文献の図２２（Ｂ）には、２つのサテライトの存在が明示されている。このことからも、サテライト発生防止としては、上述した図７（ｅ）以後の操作が重要な条件であることがわかる。

図１０は、図５のような容積変化ないし図７のような吐出液体の挙動を得るために印加した駆動電圧の波形である。これは、個別液室容積を増大させ、減少させ、再度増大させ、再度減少させて液滴を吐出させる波形であり、基本的に次の波形部分からなっている。すなわち、
・個別液室容積を増大させるべく初期電圧Ｅ_０から第１電圧Ｅ_１まで変化する波形部分Ｌ_１、
・第１電圧Ｅ_１に保持する波形部分Ｌ_２、
・増大した個別液室容積を減少させるべく第１電圧Ｅ_１から第２電圧Ｅ_２まで変化する波形部分Ｌ_３、
・第２電圧Ｅ２に保持する波形部分Ｌ_４、
・個別液室容積を増大させるべく第２電圧Ｅ_２から第１電圧Ｅ_１まで変化する波形部分Ｌ_５、
・第１電圧Ｅ_１に保持する波形部分Ｌ_６、
・個別液室容積を初期容積に戻すべく第１電圧Ｅ_１から初期電圧Ｅ_０まで変化する波形部分Ｌ_７、および
・初期電圧Ｅ_０に保持する波形部分Ｌ_８、
である。なお、波形部分Ｌ_２とＬ_６とは異なる電圧レベルを保持するものであっても構わないし、また波形部分Ｌ_４とＬ_８とは同一電圧レベルであっても、Ｌ_４＞Ｌ_８であっても構わない。

かかる駆動電圧波形を投入することで、微小液滴すなわち吐出口の等価円直径より小さい直径を持つ主滴の吐出が可能となるが、ここで注意すべきことは、始めに波形の設定があるのではない。あくまでも、サテライトの発生が抑制される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。

本実施例では、サテライト発生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はない。あくまでも、サテライト発生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１０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。

３．２ 比較例１
次に、実施例１に対する比較例１について説明する。使用した液体吐出ヘッドおよび液体は実施例１と同じである。また実施例１と同様、個別液室容積を増大させ、減少させ、再度増大させ、再度減少させて液滴を吐出させる駆動波形を投入したが、ここでは図７に示した液柱の形状およびメニスカス隆起量の増大が生じないよう、図１０に示した電圧波形を若干変更した。

この結果、吐出量１．８ｐｌ，吐出速度６．９ｍ／ｓで液滴が吐出された一方で、サテライトの発生が観察された。吐出後、メニスカス３０は、図６に示したように、吐出口に対してしばらく隆起状態となった後、ほぼフラットな初期状態に戻った。

比較例１においてサテライトが発生した理由を、実際の液体の挙動に基いて考察する。

図１１（ａ）〜（ｋ）はプロセスＰ_４における液体吐出状態の説明図であり、プロセスＰ_４の開始時点（同図（ａ）；プロセスＰ_１の開始時点から１８μｓ後）から２μｓ刻みで液体の状態を示している。これは、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観察した結果に基くものである。

この吐出状態を詳細に検討してみると、液滴分離時刻ｔ＝ｔ_Ｂ直後（図１１（ｅ））では、液滴（主滴）を分離して残った液柱部分は、主滴を分離した部分ではなく、吐出口２から隆起しているメニスカスとの接続部が最も細くなっていた。すなわち、実施例１と異なり、吐出口２に向かうにつれて徐々に太くなる形状を維持していなかった。この結果、残った液柱部分が、吐出口２から隆起しているメニスカスとの接続部で分断され（図１１（ｆ））、サテライトとなった（図１１（ｅ）〜（ｋ））。

また、実施例１と異なり、液滴分離時刻ｔ＝ｔ_Ｂ直前から継続して吐出口外方へ向かってメニスカスの隆起量を増加させていない（図１１（ｅ）〜（ｋ），補助線Ｂ）。この結果、液柱はメニスカスに吸収されない。

以上のように液体が挙動したことで、液柱部分２４の分断が発生し、その結果サテライトが発生したと考えられる。

３．３ 比較例２
次に、実施例１に対する比較例２について説明する。ここでは、実施例１において、振動板の厚みのみを３μｍと薄くした液体吐出ヘッドを作製した。その他の条件および入力した電圧波形は実施例１と同じである。

予想通り、液体の吐出形態は実施例１とは違うものとなり、比較例１に似た吐出形態となり、サテライトが発生した。このことから、電圧波形の形状のみに、サテライトを防止する直接的かつ汎用的な条件や因果関係を求めることは困難なことが確認できた。サテライトを防止する直接的かつ汎用的な条件は、実施例１で整理した条件を満たすように「液滴，液柱および隆起メニスカスを（振動板操作を通して）挙動させる観点」でまとめるべきである。

４．その他
以上の実施形態および実施例では、アクチュエータである圧電素子の変形を利用し、これに固定される振動板の、その面に垂直な方向の変位によって個別液室の容積の増減を行わせる形態の液体吐出ヘッドについて説明した。

しかし本発明は、個別液室の容積の増減を利用して液体吐出を行うものであれば、その原動力となる変位または変形を生じさせる手段（容積制御手段）は圧電素子に限られるものではない。例えば、電磁力の作用によって個別液室の容積の増減する形態に対しても、本発明は好ましく適用可能である。

さらに、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、いかなる場合にもサテライト発生を有効に防止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。

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。 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。 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。 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。 本発明の実施例１で採用した個別液室の容積の変化曲線を示す図である。 液体吐出後のメニスカス隆起状態を示す模式図である。 （ａ）〜（ｋ）は実施例１における液体吐出状態の説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、液柱の分断すなわち液滴分離時点の直前および直後における液体の状態の説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、液滴分離時点の直前および直後における液体の他の状態の説明図である。 図５のような容積変化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。 （ａ）〜（ｋ）は実施例１に対する比較例１おける液体吐出状態の説明図である。

符号の説明

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）
２１ 液柱先端
２２ 液柱
２３ 主滴
２４ 液柱部分
２５ サテライト
３０ メニスカス

Claims (3)

1. 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、前記吐出口から柱状に伸びた液体の先端部を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、
   前記液滴を分離する際の前記柱状に伸びた液体が、前記分離部分から前記吐出口に向かって徐々に太くなる形状となるようにし、前記液滴を分離後の前記柱状に伸びた液体の長さが短くなる期間は前記吐出口から液体を隆起させるように、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。
2. 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。
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、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、前記吐出口から柱状に伸びた液体の先端部を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、
   前記液滴を分離する際の前記柱状に伸びた液体が、前記分離部分から前記吐出口に向かって徐々に太くなる形状となるようにし、前記液滴を分離後の前記柱状に伸びた液体の長さが短くなる期間は前記吐出口から液体を隆起させるように、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。

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