JP4192732B2 - 極微小液滴噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、極微小な液滴を噴射することが可能なインクジェットプリンタなどの極微小液滴噴射装置に関する。

インクジェットプリンタでは、印刷画質の向上を図るために、ヘッドから噴射されるインク液滴をできるだけ微小なものにすることが望まれている。このような観点から、インクに吐出エネルギーを付与するアクチュエータの制御パルス波形を工夫したり、ノズル径を小さくしたりすることにより、２ｐｌ程度の微小インク液滴を噴射できるようになっている。

しかし近年、さらに高画質の高精細印刷を実現するため、２ｐｌよりも小さい極微小インク液滴を噴射する必要が生じている。ところが、上述した制御パルス波形の工夫やノズル径の縮小という手法でインク液滴をさらに微小なものにすることは困難である。

上述したのとは異なる手法によりインク液滴を微小化する技術として、１回の圧力変動に起因してノズルから吐出されるメインドット（メインインク液滴）とサテライトドット（サテライトインク液滴）とをほぼ同じ重量とし且つこれら２つのインク液滴の着弾位置がずれるように、制御パルス波形を調整すると共に、ノズルと被印刷媒体との距離を調整する技術が知られている（特許文献１参照）。この技術によると、メインインク液滴の微小化が図れると共にサテライトインク液滴が拡大されてこれをメインインク液滴とは別の印刷ドットとすることができる。

特開平７−２８５２２２号公報（図１）

しかしながら、例えば写真画質を有する非常に高精細な画像を印刷するためには、上記技術によって得られるよりもさらに微小なインク液滴を噴射する必要がある。また、インクジェットプリンタにおいては、微小なインク液滴を噴射するという要望以外に、導電ペーストを噴射して極めて微細な電気回路パターンを基板上に印刷するという要望もある。

本発明の目的は、極微小液滴を噴射できる極微小液滴噴射装置を提供することにある。

本発明の観点によると、ノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室の体積を変化させるアクチュエータとを有し、アクチュエータにより圧力室の体積を変化させて、圧力室内の液体の圧力を変化させることによってノズルから第１の飛翔軌道を有するメイン液滴を噴射可能であると共に、メイン液滴よりも小体積のサテライト液滴をメイン液滴の噴射に伴ってメイン液滴に遅れて噴射可能な第１の液滴噴射部と、ノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室の体積を変化させるアクチュエータとを有し、アクチュエータにより圧力室の体積を変化させて、圧力室内の液体の圧力を変化させることによってノズルから第１の飛翔軌道と交差する第２の飛翔軌道を有する液滴を噴射可能な第２の液滴噴射部と、メイン液滴と第２の液滴噴射部から噴射された液滴とが衝突して両者が合体した合体液滴の飛翔軌道がメイン液滴の第１の飛翔軌道とは異なるように、且つ、サテライト液滴が被印刷媒体に着弾するように、第１及び第２の液滴噴射部を制御する制御手段とを備え、制御手段は、第１の液滴噴射部からメイン液滴の噴射に伴ってサテライト液滴が噴射される速度でメイン液滴が噴射されるように第１の液滴噴射部を制御するとともに、第２の液滴噴射部から、メイン液滴及びサテライト液滴の噴射速度よりも遅い、液滴の噴射に伴って液滴よりも小体積の追加液滴が噴射されない速度で液滴が噴射されるように第２の液滴噴射部を制御するものであって、前記第１の液滴噴射部からの前記メイン液滴及び前記サテライト液滴は第１の噴射タイミングで噴射させ、前記第２の液滴噴射部からの前記液滴は前記第１の噴射タイミングよりも早い第２の噴射タイミングで噴射させる、被印刷媒体にドットを形成する極微小液滴噴射装置が提供される。

上記構成によると、第１の液滴噴射部から噴射されるメイン液滴と第２の液滴噴射部から噴射される液滴とが衝突して両者が合体した合体液滴の飛翔軌道がメイン液滴の飛翔軌道とは異なるものとなる結果、第１の液滴噴射部から噴射された例えば０．００２ｐｌ〜０．５ｐｌの体積を有する極微小なサテライト液滴だけを被印刷媒体に着弾させることができる。したがって、インクを噴射して非常に高精細な画像を印刷したり、導電ペーストを噴射して極めて微細な電気回路パターンを印刷したり、或いは、有機発光体を噴射して有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＯＥＬＤ）などの高精細ディスプレイデバイスを作成することなどができるようになる。
また、第２の液滴噴射部から１回の液滴の噴射によって液滴が噴射された後、小体積の液滴が噴射されないので、この小体積の液滴とサテライト液滴とが衝突するおそれがなくなり、第１及び第２のインク噴射部の制御が容易になる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、本実施の形態によるインクジェットプリンタ１には、被印刷媒体である用紙４１を搬送する搬送手段としてのプラテンローラ４０と、プラテンローラ４０上にセットされる用紙４１に対してインクを噴射するインクジェットヘッド１０と、インクジェットヘッド１０などのインクジェットプリンタ１内の各部の動作を制御する制御部２０とが含まれている。

プラテンローラ４０は、軸４２によりフレーム４３に回転可能に取り付けられており、モータ４４によって回転駆動される。用紙４１は、インクジェットプリンタ１の側方に設けられた給紙カセット（図示せず）から給紙され、プラテンローラ４０により一定速度で搬送されて、インクジェットヘッド１０から噴射されるインクにより所定の印刷がなされ、その後、排紙される。

なお、図１では、用紙４１の給紙機構と排紙機構の詳細な図示を省略している。また、図１に描かれたインクジェットプリンタ１はモノクロプリンタであってインクジェットヘッド１０が１つしか配置されていないが、カラー印刷を行う場合にはイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの少なくとも４つのインクジェットヘッド１０が平行に配置される。

図１から分かるように、本実施の形態において、インクジェットヘッド１０は、用紙４１の搬送方向に対して垂直に延びるラインヘッドであって、フレーム４３に対して固定設置されている。

インクジェットヘッド１０は、共にライン状に一方向に延在した第１のインク噴射部１００及び第２のインク噴射部２００の２つの平板状インク噴射部を有する。これら２つのインク噴射部１００，２００は、互いの一方の幅方向端部に沿って角度１３５°をなすように連結されて一体となっている（図３参照）。両者の連結部からは、第１のインク噴射部１００に対して垂直な方向に基部１１が伸延している。

多数のノズル１０９（図２参照）が長手方向に沿って一列に形成された第１のインク噴射部１００のインク噴射面は、プラテンローラ４０による用紙４１の搬送面と平行に対向している。そのため、第１のインク噴射部１００に形成された各ノズル１０９から制御部２０の制御に基づいて噴射されたインク液滴は、用紙４１に対して実質的に垂直な軌道で飛翔する。なお、後述するように、第１のインク噴射部１００は、１回の噴射信号によって、比較的大径（例えば直径４〜２５μｍ程度）のメイン液滴と、これよりも小体積のサテライト液滴（例えば直径１．６〜１０μｍ程度）とを噴射するように、制御部２０によって制御される。

例えば、ノズル径が略２０μｍの場合はメイン液滴の直径２５μｍ・体積８ｐｌ，サテライト液滴の直径１０μｍ・体積０．５ｐｌとなり、また、ノズル径が略３．５μｍの場合はメイン液滴の直径４μｍ・体積０．０３ｐｌ，サテライト液滴の直径１．６μｍ・体積０．００２ｐｌとなる。なお、このときメイン液滴の噴射速度は略９ｍ／ｓｅｃ，サテライト液滴の噴射速度は略５．５ｍ／ｓｅｃである。

一方、多数のノズル２０９（図３参照）が長手方向に沿って一列に形成された第２のインク噴射部２００のインク噴射面は、プラテンローラ４０による用紙４１の搬送面と角度４５°をなしている。第２のインク噴射部２００から適切な噴射速度で噴射されたインク液滴の飛翔軌道は、用紙４１の搬送面に達する前に、第１のインク噴射部１００から噴射されたメイン液滴の飛翔軌道と交差する。これにより、第２のインク噴射部２００から噴射されたインク液滴は、その噴射速度及び噴射タイミングが制御部２０の制御に基づいて適宜調整された場合、第１のインク噴射部１００から噴射されたメイン液滴と衝突する。

また、第１のインク噴射部１００におけるノズル１０９の軸線（当該ノズル１０９からの液滴の噴射方向）、及び、第２のインク噴射部２００におけるノズル２０９の軸線（当該ノズル２０９からの液滴の噴射方向）は、互いに角度をなして配置されている。さらに、第１のインク噴射部１００におけるノズル１０９の軸線は用紙４１に対して垂直であり、一方、第２のインク噴射部２００におけるノズル２０９の軸線は用紙４１に対して傾斜している。

制御部２０は、モータ４４やインクジェットヘッド１０などのインクジェットプリンタ１内の各部の動作を制御する。特に、本実施の形態において、制御部２０は、第１のインク噴射部１００及び第２のインク噴射部２００からのインク噴射タイミング及びインク噴射速度をそれぞれ制御することにより、第１のインク噴射部１００に与えられる１回の噴射信号（用紙４１上の１ドットに対応した駆動パルスを意味する）でメイン液滴の噴射に伴ってこれよりも小体積のサテライト液滴が噴射され、且つ、第２のインク噴射部２００に与えられる１回の噴射信号で液滴が１つだけ噴射されると共に、第１のインク噴射部１００から噴射されたメイン液滴と第２のインク噴射部２００から噴射されたインク液滴とが衝突して両者が合体した合体インク液滴の飛翔軌道がメイン液滴の飛翔軌道とは異なるものとなるようにする。なお、インク噴射速度は、噴射信号のパルス高さやパルス数、パルス幅などの少なくともいずれか一つを調整することで制御することができる。

第１のインク噴射部１００から１回の噴射信号でメイン液滴とサテライト液滴とが噴射されるようにするには、多くの場合インク噴射速度を比較的大きい適切な範囲内とすればよく、その範囲は一例として５ｍ／ｓｅｃ〜１５ｍ／ｓｅｃ程度であってよい。また、第２のインク噴射部２００から１回の噴射信号で液滴が１つだけ噴射されるようにするにも、多くの場合インク噴射速度を比較的小さい適切な範囲内とすればよく、その範囲は一例として５ｍ／ｓｅｃ程度以下であってよい。なお、適切なインク噴射速度の範囲は、噴射させる液体の物性によって異なる。

本実施の形態のインクジェットプリンタ１において、第１のインク噴射部１００から噴射されるメイン液滴の飛翔軌道からやや外れた、用紙４１の搬送面に達するまでの合体インク液滴の飛翔軌道上には、インクキャッチ部３０が配置されている（図１及び図４（ａ）〜図４（ｄ）参照）。インクキャッチ部３０の表面には、布やスポンジなどのインクの飛散を防止しつつこれを吸収保持することができる部材が配置されている。これにより、合体インク液滴は用紙４１の搬送面に達する前にインクキャッチ部３０に受け止められるので、用紙４１にインクが着弾するのを防止できる。インクキャッチ部３０の底部には、図１に示すように、受け止めた合体インク液滴をインクキャッチ部３０の外部に流して廃棄することができる流路３１が形成されている。

次に、第１のインク噴射部１００及び第２のインク噴射部２００を含むインクジェットヘッド１０の詳細な構造について図２及び図３をさらに参照して説明する。なお、図３において、第１のインク噴射部１００と第２のインク噴射部２００との連結部近傍及び基部１１の図示を省略している。

図２及び図３に示すように、第１のインク噴射部１００においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号（グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる）により駆動されるアクチュエータユニット１０６と、インク流路を形成する流路ユニット１０７とが積層されている。アクチュエータユニット１０６は、バイモルフ型の圧電アクチュエータである。アクチュエータユニット１０６及び流路ユニット１０７は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。また、アクチュエータユニット１０６の上面には、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号を印加するためにフレキシブル配線基板（図示せず）等が接合されている。

流路ユニット１０７は、金属材料からなる薄板状の３枚のプレート（キャビティプレート１０７ａ、スペーサプレート１０７ｂ、マニホールドプレート１０７ｃ）と、インクを噴射するノズル１０９を備えたポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレート１０７ｄとが積層されることによって構成されている。最上部のキャビティプレート１０７ａは、アクチュエータユニット１０６に接している。

キャビティプレート１０７ａの表面には、アクチュエータユニット１０６の動作により選択的に噴射されるインクを収容する複数の圧力室１１０が、インク噴射部１００の長手方向（図２では左右方向、図３では紙面に垂直な方向）に沿って、一列に形成されている。複数の圧力室１１０は、隔壁１１０ａによって相互に隔てられている。

スペーサプレート１０７ｂには、圧力室１１０の一端をノズル１０９に連通させる連通孔１１１と、圧力室１１０の他端を後述するマニホールド流路１１５に連通させる連通孔１１２（図３参照）とがそれぞれ形成されている。

マニホールドプレート１０７ｃには、圧力室１１０の一端をノズル１０９に連通させる連通孔１１３が形成されている。さらに、マニホールドプレート１０７ｃには、インクを圧力室１１０に供給するマニホールド流路１１５が、複数の圧力室１１０がなす列の下方においてその列方向に長く形成されている。マニホールド流路１１５の一端は、図示されないインク供給源に接続されている。

このようにして、マニホールド流路１１５から連通孔１１２、圧力室１１０、連通孔１１１、連通孔１１３を経てノズル１０９に至るインク流路が形成されている。

アクチュエータユニット１０６においては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる６枚の圧電セラミックスプレート１０６ａ〜１０６ｆが積層されている。圧電セラミックスプレート１０６ｂと圧電セラミックスプレート１０６ｃとの間、及び、圧電セラミックスプレート１０６ｄと圧電セラミックスプレート１０６ｅとの間にはそれぞれ共通電極１０１、１０３が、流路ユニット１０７の圧力室１１０に対応した範囲内のみに配置されている（図３参照）。なお、共通電極１０１、１０３は、各圧電セラミックスプレートのほぼ全範囲を覆う広範囲にわたって配置されてもよい。

一方、圧電セラミックスプレート１０６ｃと圧電セラミックスプレート１０６ｄとの間、及び、圧電セラミックスプレート１０６ｅと圧電セラミックスプレート１０６ｆとの間にはそれぞれ個別電極１０２、１０４が、流路ユニット１０７の圧力室１１０に対応した範囲内にのみ配置されている（図３参照）。

図２に示すように、共通電極１０１、１０３は常にグランド電位に保持されている。一方、個別電極１０２、１０４には駆動パルス信号が与えられる。共通電極１０１、１０３と個別電極１０２、１０４とによって挟まれた圧電セラミックスプレート１０６ｃ〜１０６ｅの当該挟まれた領域は予めこれら電極によって電界が印加されることによって積層方向に分極した活性部となっている。そのため、個別電極１０２、１０４の電位が正の所定電位になると、圧電セラミックスプレート１０６ｃ〜１０６ｅの活性部は電界が印加されて積層方向に伸びようとする。ところが、圧電セラミックスプレート１０６ａ、１０６ｂにはこのような現象が現れないので、アクチュエータユニット１０６の活性部に対応した部分は、全体として圧力室１１０側に凸となるように膨らむ。

図２に示された２つの圧力室１１０のうち左側は、このように正の所定電位が与えられて圧力室１１０側に伸びたアクチュエータユニット１０６によって圧力室１１０の容積が縮小することで、当該圧力室１１０に連通したノズル１０９からインクが噴射されようとする様子を描いたものである。

インクを噴射するにあたって、「引き打ち（fill before fire）」（予め全ての個別電極１０２，１０４に電圧を印加して全ての圧力室１１０の容積を図２の左側のように縮小させておき、インクの吐出動作をしようとする圧力室１１０のみ個別電極１０２，１０４の電圧を解除して容積を図２の右側のように拡大することにより負の圧力波を発生させ、その後、再び個別電極１０２，１０４に電圧を印加して圧力室１１０の容積を縮小させ、先に発生した負の圧力波が正に反転するタイミングに合わせるように正の圧力波を重畳させることにより、圧力室１１０内を伝播する圧力波を利用して効率よくインクに吐出圧力を加える方式）を採用する。これにより、ノズル１０９からは、用紙４１上の１ドットに対応した駆動パルスである１回の噴射信号によってメイン液滴と小体積のサテライト液滴とが噴射される。

第２のインク噴射部２００も、第１のインク噴射部１００と同様の構造を有しており、サテライト液滴が噴射されないように制御される以外は、第１のインク噴射部１００と同様に動作する。そこで、ここでは、図３に示すように、第１のインク噴射部１００の各部の符号の３桁台の数字を「１」から「２」に変えた符号を第２のインク噴射部２００の対応する各部を表す符号として用いることとして、第２のインク噴射部２００についての詳細な説明を省略する。

次に、本実施の形態によるインクジェットプリンタ１におけるインク噴射動作の詳細について、さらに図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照して説明する。なお、図４（ａ）〜図４（ｄ）の各図において、流路ユニットのノズル近傍部分以外の図示とアクチュエータユニットの図示を省略している。

まず、図４（ａ）に示すように、制御部２０の制御に基づいて上述したような噴射信号を第１のインク噴射部１００のアクチュエータユニット１０６に与えることにより、第１のインク噴射部１００のノズル１０９からメイン液滴１２（噴射速度５〜１５ｍ／ｓｅｃ程度）を噴射させる。なお、図４（ａ）に示す状態においては、メイン液滴１２は後方においてノズル１０９とつながっており、サテライト液滴は未だ形成されていない。一方、制御部２０の制御に基づいて上述したような噴射信号を第２のインク噴射部２００のアクチュエータユニット２０６に与えることにより、第２のインク噴射部２００のノズル２０９からインク液滴１４（噴射速度４ｍ／ｓｅｃ程度）を噴射させる。

ここで、第１のインク噴射部１００及び第２のインク噴射部２００に噴射信号が与えられるタイミング、並びに、メイン液滴１２とインク液滴１４との噴射速度は、第１のインク噴射部１００から噴射されたメイン液滴１２と第２のインク噴射部２００から噴射されたインク液滴１４とが衝突して両者が合体した合体インク液滴の飛翔軌道がメイン液滴１２の飛翔軌道とは異なるものとなるようなものに、決められている。したがって、第１のインク噴射部１００からメイン液滴を噴射するタイミングと、第２のインク噴射部２００からインク液滴を噴射するタイミングとは、一致してもよいし、異なってもよい。

メイン液滴１２の飛翔軌道１２ａ（及び後述するサテライト液滴１３の飛翔軌道１３ａ）は、用紙４１に対して垂直な直線軌道である。一方、インク液滴１４の飛翔軌道１４ａは、インクキャッチ部３０の斜め上方においてメイン液滴１２の飛翔軌道１２ａと交差するような直線軌道である。

図４（ｂ）に示すように、メイン液滴１２の噴射直後に、メイン液滴１２からサテライト液滴１３が空中で分離して形成される。メイン液滴１２およびサテライト液滴１３は、共に用紙４１に対して垂直な直線軌道である飛翔軌道１２ａ、１３ａにしたがって飛翔していく。

その後、第１のインク噴射部１００から噴射されたメイン液滴１２と第２のインク噴射部２００から噴射されたインク液滴１４とが衝突する。すると、図４（ｃ）に示すように、両者が一体となった合体インク液滴１５が形成される。合体インク液滴１５の飛翔軌道１５ａは、２つの液滴１２、１４の運動量（体積（質量）と速度との積）のベクトル和で決まり、２つの液滴１２、１４の飛翔軌道の合成方向となる、これは、従来のメイン液滴１２の飛翔軌道１２ａとは異なった、インクキャッチ部３０に向かって進行する方向の直線軌道である。一方、サテライト液滴１３はインク液滴１４の影響を受けることなく、今までと同じ飛翔軌道１３ａに沿ってそのまま進んでいく。

やがて、図４（ｄ）に示すように、合体インク液滴１５は、用紙４１に到達することなくインクキャッチ部３０に受け止められ、インク流路３１（図１参照）を流れてインクキャッチ部３０の外部に廃棄される。一方、サテライト液滴１３は、そのまま用紙４１に到達して着弾する。

ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照しつつ、第２のインク噴射部２００の噴射タイミングを第１のインク噴射部１００の噴射タイミングより早くした場合における各液滴１２，１３，１４にかかる関係式について、説明する。図５（ａ）は、各インク噴射部１００，２００から液滴１２、１３、１４が噴射され飛翔している状態を示す。図５（ｂ）は、第１及び第２のインク噴射部に付与される駆動パルスを示すグラフである。

メイン液滴１２が噴射されてからメイン液滴１２の飛翔軌道１２ａとインク液滴１４の飛翔軌道１４ａとの交差点Ａ（図５（ａ）参照）に達するまでの時間をＴｍ１とすると、次式（１）が成立する。Ｔｍ１＝Ｘ１／Ｓｍ１ （１）（ここで、Ｘ１：第１のインク噴射部１００から交差点Ａまでの距離、Ｓｍ１：メイン液滴１２の噴射速度）

同様に、インク液滴１４が交差点Ａに達するまでの時間Ｔｍ２、及び、サテライト液滴１３が噴射されてから交差点Ａに達するまでの時間Ｔｓ１について、それぞれ次式（２）、（３）が成立する。Ｔｍ２＝Ｘ２／Ｓｍ２ （２）Ｔｓ１＝Ｘ１／Ｓｓ１ （３）（ここで、Ｘ２：第２のインク噴射部２００から交差点Ａまでの距離、Ｓｍ２：インク液滴１４の噴射速度、Ｓｓ１：サテライト液滴１３の噴射速度）

また、図５（ｂ）に示すように、第２のインク噴射部２００の噴射タイミングＴ２と第１のインク噴射部１００の噴射タイミングＴ１との時間差はＤである。さらに、第１のインク噴射部１００の駆動電圧をＶ１、第２のインク噴射部２００の駆動電圧をＶ２とすると、Ｖ１＞Ｖ２である。

ここで、メイン液滴１２とインク液滴１４とが衝突する場合は次式（４）、サテライト液滴１３がインク液滴１４と衝突しない場合は次式（５）がそれぞれ成立する。なお、式（４）の左辺及び右辺は必ずしも等しくなくてよく、メイン液滴１２とインク液滴１４とが少なくとも接触する程度にほぼ等しければよい。Ｔｍ１＋Ｄ＝Ｔｍ２ （４）Ｔｓ１＋Ｄ≠Ｔｍ２ （５）

例えば、Ｘ１＝１．５ｍｍ，Ｘ２＝１．５ｍｍ、Ｖ１＝２４ＶでＳｍ１＝９ｍ／ｓｅｃ，Ｓｓ１＝５．５ｍ／ｓｅｃ，Ｖ２＝１６ＶでＳｍ２＝５ｍ／ｓｅｃ，Ｄ＝１４３μｓｅｃの場合について考えてみる。この場合、式（２）によると、第２のインク噴射部２００からのインク液滴１４は噴射されてから３００μｓｅｃ（Ｔｍ２）後に交差点Ａに到達する。一方、式（１）によると、第１のインク噴射部１００からのメイン液滴１２はインク液滴１４が噴射されてから１４３μｓｅｃ（Ｄ）後に噴射されてさらに１６７μｓｅｃ（Ｔｍ１）後、即ちメイン液滴１２はインク液滴１４が噴射されてから３００μｓｅｃ（Ｔｍ１＋Ｄ）後に、交差点Ａに到達する。このとき式（４）が成立し、メイン液滴１２とインク液滴１４とが衝突することになる。また、式（３）によると、サテライト液滴１３はインク液滴１４が噴射されてから１４３μｓｅｃ（Ｄ）後に噴射されてさらに２７３μｓｅｃ（Ｔｓ１）後、即ちサテライト液滴１３はインク液滴１４が噴射されてから４１６μｓｅｃ（Ｔｓ１＋Ｄ）後に、交差点Ａに到達する。このとき式（５）が成立し、サテライト液滴１３がインク液滴１４と衝突しないことになる。

なお、図５（ｂ）に示すような駆動パルスのパルス幅は、通常、図３に示すマニホールド流路１１５，２１５からノズル１０９，２０９まで圧力波が伝播するのに要する時間ＡＬ(Acoustic Length)の値と等しくなるように設定する。このＡＬの値は、ヘッドの設計
によって決定され、例えば４〜１２μｓｅｃである。パルス幅をこのＡＬの値に等しく設定すると噴射エネルギー効率が最大となり、パルス幅をＡＬの値から離れた値に設定すると噴射速度が下がる。

また、図５（ｂ）に示すような駆動電圧Ｖ１，Ｖ２の波高値によって、各液滴の噴射速度を変化させ、交差点Ａに達するまでの時間Ｔｍ１，Ｔｍ２，Ｔｓ１を調整することも可能である。

また、図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）は、インク噴射部１００，２００を含むインクジェットヘッド１０に対する各液滴１２，１３，１４の相対的な動きを示したものである。

このように、本実施の形態のインクジェットプリンタ１によれば、第１のインク噴射部１００から噴射されるメイン液滴１２と第２のインク噴射部２００から噴射されるインク液滴１４とが衝突して両者が合体した合体インク液滴１５の飛翔軌道１５ａがメイン液滴１２の飛翔軌道１２ａとは異なるものとなる。その結果、第１のインク噴射部１００から噴射されたサテライト液滴１３だけを被印刷媒体である用紙４１に着弾させることができる。そのため、０．００２ｐｌ〜０．５ｐｌの体積を有する極微小液滴であるサテライト液滴１３を用いた高精細なインクジェット記録が可能となる。

また、インクキャッチ部３０が用紙４１の搬送面の上方で合体インク液滴１５を受け止めるため、合体インク液滴１５が用紙４１の搬送面に着弾しない。これにより、合体インク液滴１５により用紙４１上の印刷内容が乱されることがなくなって画質の劣化が生じない。

また、第２のインク噴射部２００から１回の噴射信号によってインク液滴１４以外に小体積の液滴が噴射されないので、この小体積の液滴と第１のインク噴射部１００から噴射されたサテライト液滴１３とが衝突するおそれがなくなり、第１及び第２のインク噴射部１００、２００の制御が容易になる。

また、第１及び第２のインク噴射部１００、２００が共にフレーム４３に対して固定設置されているため、これらから噴射されるインク液滴１２〜１５の飛翔軌道１２ａ〜１５ａの誤差が生じにくくなる。その結果、第１のインク噴射部１００から噴射されるメイン液滴１２と第２のインク噴射部２００から噴射されるインク液滴１４とを確実に衝突させることが可能となる。

また、第１及び第２のインク噴射部１００、２００が一つのインクジェットヘッド１０として一体に形成されているため、インクジェットプリンタ１が非常にコンパクトなものとなっている。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上記実施の形態においては、第１及び第２のインク噴射部１００、２００が一つのインクジェットヘッド１０として一体に形成されているが、第１のインク噴射部１００を有するインクジェットヘッドと、第２のインク噴射部２００を有するインクジェットヘッドとの２つのインクジェットヘッドが設けられていてもよい。

また、２つのインク噴射部１００，２００における各インク噴射面のなす角度、及び、第２のインク噴射部２００におけるインク噴射面と用紙４１との角度は、それぞれ１３５°及び４５°に限定されず、様々であってよい。

また、図５（ａ）に示す各インク噴射部１００，２００から交差点Ａまでの距離Ｘ１，Ｘ２は、適宜変更可能である。

また、第２のインク噴射部２００から噴射されるインクの材質は、第１のインク噴射部１００から噴射されるインクと同一であってもなくてもよい。

また、第１及び第２のインク噴射部１００、２００の構造は、上述したものに限らず、用途などに応じて様々な形態に変更可能である。

例えば、上述したインクジェットヘッド１０の変形例として図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すインクジェットヘッド７００が考えられる。このインクジェットヘッド７００では、互いにノズル５０９，６０９の軸線（図中一点鎖線で示す）が交差した第１のインク噴射部５００及び第２のインク噴射部６００が対になっている。ノズル５０９，６０９は、流路ユニット７０７最下層のノズルプレートに互いに傾斜して形成されている。また、圧力室５１０，６１０が形成された最上層のプレートの上には金属製の振動板７０６が配置されており、この振動板７０６上の各圧力室５１０，６１０に対向する位置に、厚み方向に分極された圧電シート５０６、６０６がそれぞれ配置されている。ここで、振動板７０６をグランド電位とし、圧電シート５０６，６０６上の個別電極５０１，６０１にグランド電位よりも高い電位を印加すると、圧電シート５０６，６０６が厚み方向に伸長すると共に、圧電横効果により面方向に収縮する。このとき状況が図６（ｂ）に拡大図示されており、この図から、個別電極５０１，６０１及び振動板７０６が圧力室５１０，６１０側へ凸になるように変形（ユニモルフ変形）しているのがわかる。つまり、ユニモルフタイプの駆動機構が実現されている。

さらに図６（ａ）には、各圧力室５１０，６１０の他端に設けられた連通孔５１２，６１２、及び、連通孔５１２，６１２を介して各圧力室５１０，６１０と連通されたマニホールド流路７１５が点線で描かれている。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、ノズル５０９，６０９と用紙４１との間にはインクキャッチ部７３０が配置されている。したがって、ノズル５０９からメイン液滴及びサテライト液滴が噴射し、ノズル６０９から単一のインク液滴のみが噴射し、上述の実施形態と同様にノズル５０９からのメイン液滴とノズル６０９からのインク液滴とが衝突して両者が合体した合体液滴８１５は、インクキャッチ部７３０で受け止められる。そして、ノズル５０９からのサテライト液滴８１３のみが用紙４１に着弾する。

なお、アクチュエータはバイモルフ型やユニモルフ型に限定されるものではなく、様々な構成であってよい。

また、第２のインク噴射部２００から１回の噴射信号でインク液滴１４以外にこれよりも小体積のサテライト液滴がインク液滴１４に引き続いて噴射されてもよい。これによると、第２のインク噴射部２００から比較的高速でインク液滴１４を噴射することができ、その結果、合体インク液滴１５の飛翔軌道をメイン液滴１２の飛翔軌道とは大きく異ならせることができる。ただし、この場合、第２のインク噴射部２００から噴射された小体積のサテライト液滴が第１のインク噴射部１００から噴射されたサテライト液滴１３と衝突しないように制御を行うことが好ましい。例えば、上述の式（４）（５）に加え、下記式（６）を成立させることが好ましい。Ｔｓ１＋Ｄ≠Ｔｓ２ （６）（ここで、Ｔｓ２：第２のインク噴射部２００から噴射されたサテライト液滴が図５（ａ）に示す交差点Ａに達するまでの時間）

或いは、第１のインク噴射部１００から噴射されたサテライト液滴１３と第２のインク噴射部２００から噴射されたサテライト液滴とが衝突してできた合体インク液滴を、印刷ドットとして用紙４１上に着弾させてもよい。この場合、各サテライト液滴の合体インク液滴が用紙４１に着弾されるように、その飛翔軌道を、メイン液滴１２とインク液滴１４との合体インク液滴１５（図４（ｃ）参照）の飛翔軌道と異なるようにする必要がある。なお、各サテライト液滴の合体インク液滴の飛翔軌道は、２つのサテライト液滴の運動量（体積（質量）と速度との積）のベクトル和で決定される。

例えば、メイン液滴１２の噴射速度９ｍ／ｓｅｃ・体積１ｐｌ，第１のインク噴射部１００から噴射されたサテライト液滴１３の噴射速度５．５ｍ／ｓｅｃ・体積０．０６ｐｌ，第２のインク噴射部２００から噴射された大きい方のインク液滴（メイン液滴）１４の噴射速度７ｍ／ｓｅｃ・体積１ｐｌ，第２のインク噴射部２００から噴射されたサテライト液滴３の噴射速度４．７ｍ／ｓｅｃ・体積０．０６ｐｌの場合に、Ｄ＝４８μｓｅｃとすると、式Ｔｓ１＋Ｄ＝Ｔｓ２が成立し、大きい方のメイン液滴同士、小さい方のサテライト液滴同士を合体させ、且つ、それぞれの飛翔軌道を異なるものとできる。

また、インクジェットヘッド１０はラインヘッドではなくシリアルヘッドであってよく、この場合、用紙搬送方向と直交する方向に往復移動するように制御されてよい。このようにすると、より短いヘッドで大きなサイズの用紙に印刷を施すことが可能になる。またこの場合でも、インク噴射部１００，２００を含むインクジェットヘッド１０を固定した座標系で見ると、図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）が当てはまり、メイン液滴１２及びサテライト液滴１３は同じ噴射方向であるため飛翔軌道も同じになる。ただし、ヘッド１０の外部から見ると、飛翔軌道は噴射速度とヘッドの移動速度とのベクトル和で決定されるので、メイン液滴１２とサテライト液滴１３とは異なった飛翔軌道を有することになる。

また、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された極微小液滴噴射装置において、噴射媒体として導電ペーストを用いることにより、極めて微細な電気回路パターンを印刷可能である。また、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された極微小液滴噴射装置において、噴射媒体として有機発光体を用いることにより、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＯＥＬＤ）などの高精細ディスプレイデバイスを作成したりすることもできる。そのほか、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された極微小液滴噴射装置は、微小なドットを被印刷媒体上に形成する用途であれば、極めて広範に用いることができる。

本発明の一実施の形態に係る極微小液滴噴射装置であるインクジェットプリンタの概略構成を示す斜視図である。 図１に示すインクジェットプリンタに含まれるインクジェットヘッドの第１のインク噴射部をその長手方向に沿って切断した部分断面図である。 図１に示すインクジェットプリンタに含まれるインクジェットヘッドをその幅方向に沿って切断した断面図である。 図３に対応して、インクジェットヘッドから噴射されるインク液滴の様子を順に描いた模式図である。 第２のインク噴射部の噴射タイミングを第１のインク噴射部の噴射タイミングより早くした場合における各液滴にかかる関係式を説明するための説明図である。 第１及び第２のインク噴射部に付与される駆動パルスを示すグラフである。 本発明によるインクジェットヘッドの変形例を示す部分断面斜視図である。 図６（ａ）の部分拡大図である。

符号の説明

１ インクジェットプリンタ
１０ インクジェットヘッド
１１ 基部
１２ メイン液滴
１２ａ メイン液滴の飛翔軌道
１３ サテライト液滴
１３ａ サテライト液滴の飛翔軌道
１４ インク液滴
１４ａ インク液滴の飛翔軌道
１５ 合体インク液滴
１５ａ 合体インク液滴の飛翔軌道
２０ 制御部
３０ インクキャッチ部
４０ プラテンローラ
４１ 用紙
１００ 第１のインク噴射部
１０６ アクチュエータユニット
１０７ 流路ユニット
１０９、２０９ ノズル
１１０ 圧力室
２００ 第２のインク噴射部

Claims (17)

1. ノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の体積を変化させるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータにより前記圧力室の体積を変化させて、前記圧力室内の液体の圧力を変化させることによって前記ノズルから第１の飛翔軌道を有するメイン液滴を噴射可能であると共に、前記メイン液滴よりも小体積のサテライト液滴を前記メイン液滴の噴射に伴って前記メイン液滴に遅れて噴射可能な第１の液滴噴射部と、
   ノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の体積を変化させるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータにより前記圧力室の体積を変化させて、前記圧力室内の液体の圧力を変化させることによって前記ノズルから前記第１の飛翔軌道と交差する第２の飛翔軌道を有する液滴を噴射可能な第２の液滴噴射部と、
   前記メイン液滴と前記第２の液滴噴射部から噴射された液滴とが衝突して両者が合体した合体液滴の飛翔軌道が前記メイン液滴の前記第１の飛翔軌道とは異なるように、且つ、前記サテライト液滴が被印刷媒体に着弾するように、前記第１及び第２の液滴噴射部を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記第１の液滴噴射部から前記メイン液滴の噴射に伴って前記サテライト液滴が噴射される速度で前記メイン液滴が噴射されるように前記第１の液滴噴射部を制御するとともに、
   前記第２の液滴噴射部から、前記メイン液滴及び前記サテライト液滴の噴射速度よりも遅い、前記液滴の噴射に伴って前記液滴よりも小体積の追加液滴が噴射されない速度で前記液滴が噴射されるように前記第２の液滴噴射部を制御するものであって、前記第１の液滴噴射部からの前記メイン液滴及び前記サテライト液滴は第１の噴射タイミングで噴射させ、前記第２の液滴噴射部からの前記液滴は前記第１の噴射タイミングよりも早い前記第２の噴射タイミングで噴射させることを特徴とする、被印刷媒体にドットを形成する極微小液滴噴射装置。
2. 前記制御手段は、前記メイン液滴、前記サテライト液滴、及び、前記第２の液滴噴射部から噴射される液滴の噴射タイミング及び噴射速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の極微小液滴噴射装置。
3. 前記サテライト液滴は、前記第１の液滴噴射部に相対して前記第１の飛翔軌道と実質的に同じ飛翔軌道を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の極微小液滴噴射装置。
4. 前記第２の噴射タイミングは前記第１の噴射タイミングより早く、その時間差をＤとすると、前記メイン液滴及び前記第２の液滴噴射部から噴射された液滴が衝突するとき、次式が成立することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。Ｔｍ１＋Ｄ＝Ｔｍ２（ここで、Ｔｍ１＝Ｘ１／Ｓｍ１、Ｔｍ２＝Ｘ２／Ｓｍ２Ｔｍ１：前記メイン液滴が噴射されてから前記第１の飛翔軌道と第２の飛翔軌道との交差点に達するまでの時間Ｔｍ２：前記第２の液滴噴射部から噴射された液滴が前記交差点に達するまでの時間Ｘ１：前記第１の液滴噴射部から前記交差点までの距離Ｘ２：前記第２の液滴噴射部から前記交差点までの距離Ｓｍ１：前記メイン液滴の噴射速度Ｓｍ２：第２の液滴噴射部から噴射される液滴の噴射速度）
5. 前記サテライト液滴が前記第２の液滴噴射部から噴射された液滴と衝突せずに被印刷媒体に着弾するとき、次式が成立することを特徴とする請求項４に記載の極微小液滴噴射装置。Ｔｓ１＋Ｄ≠Ｔｍ２（ここで、Ｔｓ１＝Ｘ１／Ｓｓ１Ｔｓ１：前記サテライト液滴が噴射されてから前記交差点に達するまでの時間Ｓｓ１：前記サテライト液滴の噴射速度）
6. 前記第１の液滴噴射部と前記交差点との間の距離と、前記第２の液滴噴射部と前記交差点との間の距離とが等しいことを特徴とする請求項４又は５に記載の極微小液滴噴射装置。
7. 前記制御手段は、前記第１及び第２の液滴噴射部にそれぞれ第１及び第２の駆動信号を付与することにより、前記第１の液滴噴射部から前記メイン液滴及び前記サテライト液滴を、前記第２の液滴噴射部から前記液滴を、それぞれ噴射させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
8. 前記第１の駆動信号は１つの駆動パルスを含み、前記第２の駆動信号は１つの駆動パルスを含み、前記第１の駆動信号に含まれる前記駆動パルスは前記第２の駆動信号に含まれる前記駆動パルスよりも波高値が高いことを特徴とする請求項７に記載の極微小液滴噴射装置。
9. 前記メイン液滴及び前記サテライト液滴の噴射速度がそれぞれ実質的に５〜１５ｍ／ｓｅｃであり、前記第２の噴射部から噴射される液滴の噴射速度が実質的に５ｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
10. 前記サテライト液滴の体積は、実質的に０．００２〜０．５ｐｌであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
11. 前記第１及び第２の液滴噴射部と被印刷媒体との間に配置され、前記合体液滴が被印刷媒体に着弾する前に前記合体液滴を受け止めるための液滴キャッチ部をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
12. 前記液滴キャッチ部で受け止められた合体液滴をこれに通して排出するための排出路をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の極微小液滴噴射装置。
13. 前記第１及び第２の液滴噴射部が共に固定設置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
14. 前記第１及び第２の液滴噴射部はそれぞれ複数のノズルを形成しており、前記第１及び第２の液滴噴射部における前記ノズルの軸線が互いに角度をなして配置されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
15. 前記第１の液滴噴射部における前記ノズルの軸線及び前記第２の液滴噴射部における前記ノズルの軸線のうち、一方が被印刷媒体に対して垂直であると共に、他方が被印刷媒体に対して傾斜していることを特徴とする請求項１４に記載の極微小液滴噴射装置。
16. 前記第１及び第２の液滴噴射部が一つの液滴噴射ヘッドとして一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の極微小液滴噴射装置。
17. ノズル、前記ノズルに連通する圧力室及び前記圧力室の体積を変化させるアクチュエータが形成されており、前記ノズルの軸線が第１の方向に延びているとともに、前記アクチュエータにより前記圧力室の体積を変化させて前記圧力室内の液体の圧力を変化させることによって前記ノズルから液滴を噴射させる第１の液滴噴射部と、
    ノズル、前記ノズルに連通する圧力室及び前記圧力室の体積を変化させるアクチュエータが形成されており、前記ノズルの軸線が前記第１の方向と交差する第２の方向に延びているとともに、前記アクチュエータにより前記圧力室の体積を変化させて前記圧力室内の液体の圧力を変化させることによって前記ノズルから液滴を噴射させる第２の液滴噴射部と、
    前記第１及び第２の液滴噴射部に駆動信号を付与することにより、前記第１及び第２の液滴噴射部から液滴を噴射させる制御手段と、
    前記第１及び第２の液滴噴射部と被印刷媒体との間に配置され、前記第１及び第２の液滴噴射部から噴射された液滴の一部を被印刷媒体に着弾する前に受け止めるための液滴キャッチ部とを備えており、
    前記制御手段は、前記第１の液滴噴射部からメイン液滴を、前記メイン液滴の噴射に伴って前記メイン液滴に遅れて前記メイン液滴よりも小体積のサテライト液滴が噴射されるような速度で噴射させるとともに、前記第２液滴噴射部から前記メイン液滴及び前記サテライト液滴の噴射速度よりも遅い、前記液滴の噴射速度に伴って前記液滴よりも小体積の追加液滴が噴射されないような速度で、且つ、前記メイン液滴及び前記サテライト液滴よりも早い噴射タイミングで液滴を噴射させ、前記メイン液滴と前記第２の液滴噴射部から噴射された前記液滴とが衝突して合体した合体液滴が前記液滴キャッチ部に向かうようにすると共に、前記サテライト液滴が被印刷媒体に着弾するように、前記第１及び第２の液滴噴射部を制御することを特徴とする極微小液滴噴射装置。

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