JP4889103B2

JP4889103B2 - 液滴吐出装置および液滴吐出方法

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Publication number: JP4889103B2
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Inventors: 哲平山本
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Publication date: 2012-03-07
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Description

本発明はサテライト滴の発生を防止しつつ微小な液滴を吐出することができる液滴吐出装置および液滴吐出方法に関する。

液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室に連通する液体供給口と、圧力室の容積を変化させる圧電素子と、圧電素子に対して駆動信号を与える駆動手段とを備えた液滴吐出装置が知られている。

圧電素子に対して与えられる駆動信号は、圧力室を膨張させるプル信号（「Pull」と表記することもある）、および、圧力室を収縮させるプッシュ信号（「Push」と表記することもある）を含んで構成されている。

微小液滴の吐出を行う場合には、一般に、Pull-Push-Pull波形が用いられる。また、特許文献１には、Push-Pull-Push-Push-Pull波形を用いて液滴の吐出を行うようにしたものが記載されている。また、特許文献２には、Pull-Push-Pull-Pull波形を用いて液滴の吐出を行うようにしたものが記載されている。
特許第３７１１４４３号公報（特に図３）特開２００４−１４２４４８号公報（特に図５）

微小液滴を吐出させる場合には、一般に、Pull-Push-Pull波形が用いられてきたが、この波形を用いて高粘度のインクを吐出しようとすると、長い尾引きが出来てしまい、不安定なサテライト滴が発生してしまうという課題がある。例えば、２０ｃＰ以上の高粘度の液体を、１ｐｌ以下の微小液滴として、サテライト滴なく吐出することは困難であった。

図１２は、Pull-Push-Pull波形からなる駆動信号が圧電素子に付与されたことによって圧力室内のインクに発生する圧力Ｐ（インク発生圧力）の変動９６を示す。図１２において、時刻ｔ＝０は第１のプル信号の開始時刻、時刻ｔ＝（１／２）・Ｔｃはプッシュ信号の開始時刻、時刻ｔ＝Ｔｃは第２のプル信号の開始時刻になっている。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝（３／２）・Ｔｃにかけてインク発生圧力Ｐの振幅が増していき、高速度でインク滴が吐出される一方で、時刻ｔ＝（３／２）・Ｔｃ以降、振幅の大きな振動が残留してしまう。

模式図を用いて説明すると、図１３（Ａ）に示すように、ノズル５１からノズル５１の径よりも大きな径を有するインク滴９４が吐出されるが、長い尾９２が引いた状態となり、このような長い尾９２に因って、図１３（Ｂ）に示すように、どうしてもサテライト滴９５が発生してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、サテライト滴の発生を防止しつつ微小液滴を吐出することができる液滴吐出装置および液滴吐出方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液滴を吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室に連通する液体供給口、および、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子からなる吐出素子と、前記圧電素子に対して駆動信号を付与する駆動手段とを備え、前記駆動信号は、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスを凹形状にする第１の信号要素と、前記圧力室を収縮させて前記ノズルのメニスカスを凸形状にする第２の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルの凸形状のメニスカスから液滴を生成する第３の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスの残留振動を制動する第４の信号要素と、を含んで構成され、前記駆動手段は、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の共振周期をＴｃとしたとき、前記第１の信号要素の開始時刻ｔ１、前記第２の信号要素の開始時刻ｔ２、前記第３の信号要素の開始時刻ｔ３および前記第４の信号要素の開始時刻ｔ４の各間隔｜ｔ１−ｔ２｜、｜ｔ２−ｔ３｜、｜ｔ３−ｔ４｜をいずれもＴｃ／２とし、かつ、前記第１の信号要素の振幅Ａ１、前記第２の信号要素の振幅Ａ２、前記第３の信号要素の振幅Ａ３および前記第４の信号要素の振幅Ａ４の比Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４が、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の減衰係数αと自然対数の底ｅとを用いて指数で表したとき、e ^α・π/２：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：e ^{−α・π/２} である前記駆動信号を前記圧電素子に付与することを特徴とする液滴吐出装置を提供する。

この発明によれば、第１のプル信号の開始時刻ｔ１から第３のプル信号の開始時刻ｔ４まで圧力室内の液体の圧力変動を一定の振幅を有する正弦波形状としたことにより、圧力室内の液体に必要以上の圧力をかけなくても、すなわち従来と比較して小さな吐出速度でメニスカスから液滴を生成できるので、液滴から長い尾引きが発生することを防止してサテライト滴の発生を防止しつつ微小液滴を吐出することができる。また、第４の信号要素によってメニスカスの残留振動が制動されるので、吐出速度が小さくても、液滴がメニスカスへ引き戻されることなく確実に飛翔することになる。

ここで、減衰係数αは、ノズルと圧力室と液体供給口と圧電素子とからなる吐出素子に液体が充填されて構成される系において、圧電素子にパルス波形（パルス状電圧）を与えたときに、圧力室内の液体に発生する圧力の減衰自由振動波形の振幅比の自然対数である。

請求項２に記載の発明は、液滴を吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室に連通する液体供給口、および、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子からなる吐出素子を用いて、前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出方法であって、前記圧電素子に対して与える駆動信号は、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスを凹形状にする第１の信号要素と、前記圧力室を収縮させて前記ノズルのメニスカスを凸形状にする第２の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルの凸形状のメニスカスから液滴を生成する第３の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスの残留振動を制動する第４の信号要素と、を含んで構成され、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の共振周期をＴｃとしたとき、前記第１の信号要素の開始時刻ｔ１、前記第２の信号要素の開始時刻ｔ２、前記第３の信号要素の開始時刻ｔ３および前記第４の信号要素の開始時刻ｔ４の各間隔｜ｔ１−ｔ２｜、｜ｔ２−ｔ３｜、｜ｔ３−ｔ４｜をいずれもＴｃ／２とし、かつ、前記第１の信号要素の振幅Ａ１、前記第２の信号要素の振幅Ａ２、前記第３の信号要素の振幅Ａ３および前記第４の信号要素の振幅Ａ４の比Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４が、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の減衰係数αと自然対数の底ｅとを用いて指数で表したとき、e ^α・π/２：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：e ^{−α・π/２} である前記駆動信号を前記圧電素子に付与することを特徴とする液滴吐出方法を提供する。

本発明によれば、サテライト滴の発生を防止しつつ微小液滴を吐出することができる。

以下、添付図面に従って、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明に係る液滴吐出装置の一例としての画像形成装置１０の全体構成を示すブロック図である。

図１において、画像形成装置１０は、主として、液滴吐出ヘッド５０、通信インターフェース１１０、システムコントローラ１１２、メモリ１１４、１５２、搬送部１１６、搬送ドライバ１１８、給液部１４２、給液制御部１４４、インク識別情報取得部１４６、プリント制御部１５０、および、ヘッドドライバ１５４（駆動手段）、を含んで構成されている。

液滴吐出ヘッド５０は、２次元配列された多数のノズルを有し、インク滴を吐出する。本例の画像形成装置１０は、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロ（Ｙ）の各インク色ごとにひとつずつ、合計で４つの液滴吐出ヘッドを備えている。

通信インターフェース１１０は、ホストコンピュータ３００から送信される画像データを受信する。通信インターフェース１１０には、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４などの有線、又は、無線のインターフェースを適用することができる。この通信インターフェース１１０によって画像形成装置１０に取り込まれた画像データは、この画像データ記憶用の第１のメモリ１１４に一旦記憶される。

システムコントローラ１１２は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等から構成されており、所定のプログラムに従って画像形成装置１０の全体を制御する。すなわち、システムコントローラ１１２は、通信インターフェース１１０、搬送ドライバ１１８、プリント制御部１５０等の各部を制御する。

搬送部１１６は、紙などの被吐出媒体を搬送するためのローラ（図示を省略）と、このローラに動力を与えるモータ（図示を省略）を含んで構成されている。搬送部１１６によって、被吐出媒体と液滴吐出ヘッド５０とが相対的に移動される。搬送ドライバ１１８は、システムコントローラ１１２からの指示に従って搬送部１１６を駆動する回路を含んで構成されている。

給液部１４２は、インクを貯留するインクタンク（図示を省略）、このタンクから液滴吐出ヘッド５０へ至る管路（図示を省略）、この管路を通じてタンク内のインクを液滴吐出ヘッド５０へ送液するポンプ（図示を省略）を含んで構成されている。インクタンクは、例えば交換自在なカートリッジ式のものが用いられる。

給液制御部１４４は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等から構成されており、所定のプログラムに従い、給液部１４２を用いて、液滴吐出ヘッド５０に対してインクを供給する制御を行う。

インク識別情報取得部１４６は、液滴吐出ヘッド５０へ供給されるインクの種別を識別するインク識別情報を取得する。インク識別情報の取得態様には、各種あり、例えば、給液部１４２のインクタンクにバーコードとして印刷されているインク識別情報を読み取る態様、給液部１４２のインクタンクに付着させたＩＣタグ（「ＲＦＩＤ：Radio Frequency Identification」ともいう）に予め記憶されているインク識別情報を無線で受信する態様などがある。通信インターフェース１１０を用いてホストコンピュータ３００からインク識別情報を受信するようにしてもよい。

プリント制御部１５０は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従って、給液制御部１４４、インク識別情報取得部１４６、および、ヘッドドライバ１５４を制御する。プリント制御部１５０は、画像形成装置１０に入力される画像データに基づいて、液滴吐出ヘッド５０が被吐出媒体に向けて吐出（打滴）を行って被吐出媒体上にドットを形成するために必要なデータ（ドットデータ）を生成する。すなわち、プリント制御部１５０は、システムコントローラ１１２の制御に従い、第１のメモリ１１４内の画像データから打滴用のドットデータを生成し、生成したドットデータをヘッドドライバ１５４に供給する。プリント制御部１５０には第２のメモリ１５２が付随しており、プリント制御部１５０における画像処理時にドットデータ等が第２のメモリ１５２に一時的に格納される。

ヘッドドライバ１５４は、プリント制御部１５０から与えられるドットデータ（実際には第２のメモリ１５２に記憶されたドットデータである）に基づき、液滴吐出ヘッド５０に対して吐出用の駆動信号を生成する。このヘッドドライバ１５４から出力された駆動信号が液滴吐出ヘッド５０（具体的には後述する図３の圧電素子５８）へ与えられることによって、液滴吐出ヘッド５０から被吐出媒体に向けてインク滴が吐出される。

また、プリント制御部１５０は、インク識別情報取得部１４６によって取得されたインク識別情報に基づいて、ヘッドドライバ１５４によって生成される駆動信号の波形を選択する。具体的には、第２のメモリ１５２には、インク識別情報と駆動信号の波形（駆動波形）との対応関係を示すテーブル情報が予め記憶されており、プリント制御部１５０は、第２のメモリ１５２のテーブル情報に登録されている複数の駆動波形の中から、インク識別情報取得部１４６によって取得されたインク識別情報に対応する駆動波形を選択する。プリント制御部１５０によって選択された駆動波形は、ヘッドドライバ１５４に指示される。

なお、図１ではシステムコントローラ１１２、給液制御部１４４、プリント制御部１５０を分けて表したが、１つのマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。

図２は、図１の液滴吐出ヘッド５０の一例の全体構成を示す平面透視図であり、図３は、図２の３−３線に沿った断面図である。

図２に一例として示すヘッド５０は、いわゆるフルライン型のヘッドであり、被吐出媒体１６の搬送方向（図中に矢印Ｓで示す副走査方向）と直交する方向（図中に矢印Ｍで示す主走査方向）において、被吐出媒体１６の幅Ｗｍに対応する長さにわたり、被吐出媒体１６に向けてインクを打滴する多数のノズル５１を２次元的に配列させた構造を有している。

液滴吐出ヘッド５０は、ノズル５１、ノズル５１に連通する圧力室５２、圧力室５２に連通する液体供給口５３、および、後述の圧電素子（図３の５８）からなる複数の吐出素子５４が、主走査方向Ｍおよび主走査方向Ｍに対して所定の鋭角θ（０度＜θ＜９０度）をなす斜め方向の２方向に沿って配列されている。なお、図２では、図示の便宜上、一部の吐出素子５４のみ描いている。

ノズル５１は、具体的には、主走査方向Ｍに対して所定の鋭角θをなす斜め方向において、一定のピッチｄで配列されており、これにより、主走査方向Ｍに沿った一直線上に「ｄ×ｃｏｓθ」の間隔で配列されたものと等価に取り扱うことができる。

ヘッド５０を構成するひとつの吐出素子５４について、図２中の３−３線に沿った断面図を図３に示す。

図３に示すように、各圧力室５２は液体供給口５３を介してさらに共通液室５５と連通している。共通液室５５は図示を省略した液体供給源たるインクタンクと連通しており、そのインクタンクから供給されるインクが共通液室５５を介して各圧力室５２に分配供給される。

圧力室５２の天面を構成する振動板５６の上には圧電体５８ａが配置され、この圧電体５８ａの上には個別電極５７が配置されている。振動板５６は、接地されており、共通電極として機能する。これらの振動板５６、個別電極５７および圧電体５８ａによって、圧力室５２内のインクに打滴用の圧力を発生する手段としての圧電素子５８が構成されている。

図１のヘッドドライバ１５４によって生成された駆動信号が圧電素子５８に与えられると、すなわち、圧電素子５８の個別電極５７に所定の駆動電圧が印加されることにより、圧電体５８ａが変形して圧力室５２の容積が変化し、これに伴う圧力室５２内の圧力の変化によって、ノズル５１からインクが打滴される。インク打滴にともなって、共通液室５５から液体供給口５３を通って新しいインクが圧力室５２に供給される。

なお、図２には、被吐出媒体１６に高解像度の画像を高速で形成し得る構造として、複数のノズル５１が２次元配列されている場合を例に示したが、本発明におけるヘッドは、複数のノズル５１が２次元配列された構造に特に限定されるものではなく、複数のノズル５１が１次元配列された構造であってもよい。また、液滴吐出ヘッドを構成する吐出素子５４は、一例であって、このような場合に特に限定されない。例えば、圧力室５２よりも下（すなわち圧力室５２よりもノズル面５１０側）に共通液室５５を配置する代りに、圧力室５２よりも上（すなわちノズル面５１０とは反対側）に共通液室５５を配置してもよい。

図３に示す、ノズル５１、圧力室５２、液体供給口５３、および、圧電素子５８によって、ひとつの吐出素子５４が構成されている。

図４は、図１のヘッドドライバ１５４によって生成されて図２のひとつの圧電素子５８に対して与えられる駆動信号７５を示す波形図であり、縦軸は駆動信号７５の電圧Ｖ（駆動電圧）であり、横軸は時刻ｔである。

図４において、駆動信号７５は、ひとつのノズル５１からひとつのインク滴を吐出させるための１単位の波形である。ひとつのノズル５１から連続してインク滴を吐出させる場合には、図４に示した駆動信号７５が繰り返しひとつの圧電素子５８に対して与えられる。

駆動信号７５は、初期の電圧Ｖ０から第１の電圧Ｖ１（＞Ｖ０）へ立ち上がる立ち上がり波形からなる第１のプル信号Ｓ１（第１の信号要素）と、第１の電圧Ｖ１から第２の電圧Ｖ２（＜Ｖ１）へ立ち下がる立ち下がり波形からなるプッシュ信号Ｓ２（第２の信号要素）と、第２の電圧Ｖ２から第３の電圧Ｖ３（＞Ｖ２）へ立ち上がる立ち上がり波形からなる第２のプル信号Ｓ３（第３の信号要素）と、第３の電圧Ｖ３から第４の電圧Ｖ４（＞Ｖ３）へ立ち上がる立ち上がり波形からなる第３のプル信号Ｓ４（第４の信号要素）と、第４の電圧Ｖ４から初期の電圧Ｖ０へ緩やかな勾配で下降する波形からなる復帰信号Ｓ５（第５の信号要素）を含んで構成されている。言い換えると、駆動信号７５は、振幅Ａ１（＝｜Ｖ０−Ｖ１｜）を有する第１のプル信号Ｓ１と、振幅Ａ２（＝｜Ｖ１−Ｖ２｜）を有するプッシュ信号Ｓ２と、振幅Ａ３（＝｜Ｖ２−Ｖ３｜）を有する第２のプル信号Ｓ３と、振幅Ａ４（＝｜Ｖ３−Ｖ４｜）を有する第３のプル信号Ｓ４と、振幅Ａ５（＝｜Ｖ４−Ｖ０｜＝Ａ１−Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）を有する復帰信号Ｓ５を含んで構成されている。

吐出素子５４に液体が充填されて構成される系の共振周期をＴｃで表して、第１のプル信号Ｓ１の開始時刻ｔ１を「０」としたとき、プッシュ信号Ｓ２の開始時刻ｔ２は（１／２）・Ｔｃであり、第２のプル信号Ｓ３の開始時刻ｔ３はＴｃであり、第３のプル信号Ｓ４の開始時刻ｔ４は（３／２）・Ｔｃである。言い換えると、ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４の各間隔｜ｔ１−ｔ２｜、｜ｔ２−ｔ３｜、｜ｔ３−ｔ４｜を、いずれもＴｃ／２としてある。

上記の間隔Ｔｃ／２で第１のプル信号Ｓ１、プッシュ信号Ｓ２、第２のプル信号Ｓ３および第３のプル信号Ｓ３を圧電素子５８へ与えるため、第１のプル信号Ｓ１、プッシュ信号Ｓ２、第２のプル信号Ｓ３にそれぞれ続いて、駆動電圧Ｖを一定に保持する所定の期間ｄ１、ｄ２、ｄ３が設けられている。また、第３のプル信号Ｓ３に続き、インク滴の確実な飛翔を保証するために、駆動電圧Ｖを一定に保持する期間ｄ４が設けられている。

第１のプル信号Ｓ１は、圧力室５２を膨張させて、ノズル５１のメニスカスを凹形状にするようにメニスカスを引く信号要素である。

プッシュ信号Ｓ２は、圧力室５２を収縮させて、ノズル５１のメニスカスを凸形状にするようにメニスカスを押す信号要素である。

第２のプル信号Ｓ３は、圧力室５２を膨張させて、凸形状のメニスカスからインク滴が形成されるようにノズル５１のメニスカスを引く信号要素である。

第３のプル信号Ｓ４は、圧力室５２を膨張させて、ノズル５１のメニスカスの残留振動を制動する信号要素である。言い換えると、第３のプル信号Ｓ４は、メニスカスからインク滴が分離しようとしているとき、および、メニスカスからインク滴が分離した直後に、再びメニスカスが凸状態になってインク滴がメニスカスに引き戻されることを防ぐ。

復帰信号Ｓ５は、駆動電圧を第１のプル信号Ｓ１の印加直前の初期電圧Ｖ０に復帰させる信号要素である。復帰信号Ｓ５の電圧変化の勾配は、ノズル５１から液滴が吐出しない程度に、プッシュ信号Ｓ２の電圧変化の勾配よりも小さくしてある。

第１のプル信号Ｓ１の振幅Ａ１、プッシュ信号Ｓ２の振幅Ａ２、第２のプル信号Ｓ３の振幅Ａ３、および、第３のプル信号Ｓ４の振幅Ａ４の比Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４を、減衰係数αおよび自然対数の底ｅを用いて、次の数１に示す。
[数１]
A1：A2：A3：A4 ＝ e^α・π/２：（e^α・π/２−e^{−α・π/２}）^：（e^α・π/２―e^{−α・π/２}）：e^{−α・π/２}
ここで、αは、ノズル５１と圧力室５２と液体供給口５３と圧電素子５８とからなる吐出素子５４にインクが充填されて構成される系において、圧電素子５８にパルス波形（パルス状電圧）を与えたときに、圧力室５２内のインクに発生する圧力の減衰自由振動波形の振幅比の自然対数である。

例えば、α＝０．３の場合、Ａ１＝７．２［Ｖ］、Ａ２＝４．４［Ｖ］、Ａ３＝４．４［Ｖ］、Ａ４＝２．８［Ｖ］である。

図５は、図３に示した液滴吐出ヘッド５０を構成するひとつの吐出素子５４にインクが充填されて構成される系を音響回路としてモデル化した等価回路８０を示す回路図である。

図５において、第１の回路要素８１は、図３の圧電素子５８に相当し、コンプライアンスＣｐとイナータンスＬｐとレジスタンスＲｐとを直列接続してなる。第２の回路要素８２は、図３の圧力室５２に相当し、レジスタンスＲｓとイナータンスＬｓとを直列接続してなる。第３の回路要素８３は、図３の液体供給口５３に相当し、コンプライアンスＣｃからなる。第４の回路要素８４は、図３のノズル５１に相当し、イナータンスＬｎとレジスタンスＲｎとコンプライアンスＣｎとを直列接続してなる。

入力端子８５は、圧電素子５８相当の第１の回路要素８１の一端に配置されており、駆動電圧Ｖが印加される。言い換えると、図１のヘッドドライバ１５４から圧電素子５８に与えられる駆動信号Ｖ（ｔ）が、入力端子８５に与えられる。

出力端子８６は、圧電素子５８相当の第１の回路要素８１の入力端子８５とは反対側の他端に配置されているとともに、圧力室５２相当の第２の回路要素８２、液体供給口５３相当の第３の回路要素８３およびノズル５１相当の第４の回路要素８４に接続されており、入力端子８５に印加された駆動電圧Ｖに対する応答電圧Ｐが出力される。言い換えると、図１のヘッドドライバ１５４から図３の圧電素子５８に駆動信号Ｖ（ｔ）が与えられたときに圧力室５２内のインクに発生する圧力（圧力室５２の内圧）に相当する応答信号Ｐ（ｔ）が、出力端子８６に出力される。ここで、ｔは時刻を示す。応答電圧Ｐを以下では「インク発生圧力」ということもある。

数１の減衰係数αは、具体的には、次の数２によって表される。

ここで、Ln、Ls、Cp、Cc、Rn、Rsは、液体が充填された吐出素子５４の等価回路を構成する素子の値である。詳細には、Lnはノズル５１のイナータンス、Lsは液体供給口５３（しぼり）のイナータンス、Cpは圧電素子５８（アクチュエータ）のコンプライアンス、Ccは圧力室５２のコンプライアンス、Rnはノズル５１の抵抗、Rsは液体供給口５３（しぼり）の抵抗である。

等価回路８０の入力端子８５へ図４の駆動信号７５を入力したとき、等価回路８０の出力端子８６には図６の応答信号７６が出力される。なお、図６では、大気圧に相当する中心値を「０」、最大値を「1.0」として正規化し、応答信号７６を表している。

図６において、時刻ｔ＝０は、第１のプル信号Ｓ１の開始時刻ｔ１である。第１のプル信号Ｓ１によって圧力室５２が膨張し、時刻ｔ＝（１／４）・Ｔｃにおいてインク発生圧力Ｐは最大値（1.0）になる。時刻ｔ＝（１／２）・Ｔｃは、プッシュ信号Ｓ２の開始時刻ｔ２である。プッシュ信号Ｓ２によって圧力室５２が収縮し、時刻ｔ＝（３／４）・Ｔｃにおいてインク発生圧力Ｐは最小値（-1.0）になる。時刻ｔ＝Ｔｃは、第２のプル信号Ｓ３の開始時刻ｔ３である。第２のプル信号Ｓ３によって圧力室５２が膨張し、時刻ｔ＝（５／４）・Ｔｃにおいてインク発生圧力Ｐは最大値（1.0）になる。時刻ｔ＝（３／２）・Ｔｃは、第３のプル信号Ｓ４の開始時刻ｔ４である。

応答信号７６すなわち圧力室５２内のインク発生圧力の変動Ｐ（ｔ）は、第１のプル信号Ｓ１の開始時刻ｔ１から第３のプル信号Ｓ４の開始時刻ｔ４まで、一定の振幅Ａｓと共振周期Ｔｃを有する正弦波形７６１となる。また、Ｐ（ｔ）は、第３のプル信号Ｓ４の開始時刻ｔ４以降、変動が許容範囲内に維持された定常波形７６２となる。

ｔ４以後における液滴の変化の様子を、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に模式的に示す。

図７（Ａ）はｔ４直後を示しており、飛翔していくインク滴３４に尾３２が繋がっており、この尾３２はノズル５１のメニスカス３０に連なっている。インク滴３４の飛翔速度は小さいので、インク滴３４の尾３２は短い。その後、図７（Ｂ）に示すように、インク滴３４の尾３２は切断されてノズル５１のメニスカス３０からインク滴３４が完全に分離する。ここで、インク滴３４の尾３２は短いので、サテライト滴は殆ど発生しない。また、ｔ４以降、ノズル５１のメニスカスは凹形状のまま維持されるので、インク滴３４がノズル５１のメニスカスによって引き戻されることもない。

次に、図４の駆動信号７５を構成する４つの信号要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の各振幅Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の算出方法の一例について、詳細に説明する。

ステップ状の信号要素（ここでは垂直立ち上がり波形または垂直立ち下がり波形）を圧電素子５８へ入力したとき、圧力室５２内のインクに発生する圧力（圧力室５２の内圧）の変動を、次の数３に応答信号Ｐｉ（ｔ）として示す。

［数３］
Ｐｉ（ｔ）＝Ｇｉ×ｅ^{(−α×２π・ｆｃ・ｔ)}ｓｉｎ（２π・ｆｃ・ｔ）
ここで、ｉは信号要素のインデックス、Ｇｉはゲイン、ｅは自然対数の底、αは吐出素子５４に液体が充填されて構成される系の減衰係数、ｆｃは吐出素子５４に液体が充填されて構成される系の共振周波数、ｔはステップ状の信号要素の印加時刻を「０」とした時刻（経過時間）である。なお、吐出素子５４に液体が充填されて構成される系の共振周期をＴｃとしたとき、ｆｃ＝１／Ｔｃである。

以下では、図４の第１のプル信号Ｓ１を疑似した垂直立ち上がり波形からなる信号、プッシュ信号Ｓ２を疑似した垂直立ち下がり波形からなる信号、第２のプル信号Ｓ３を疑似した垂直立ち上がり波形からなる信号、および、第３のプル信号Ｓ４を疑似した垂直立ち上がり波形を、それぞれ、第１の疑似信号ＳＳ１、第２の疑似信号ＳＳ２、第３の疑似信号ＳＳ３、第４の疑似信号ＳＳ４とする。

ここで、第１の疑似信号ＳＳ１は第１のプル信号Ｓ１と同じ振幅Ａ１を有し、第２の疑似信号ＳＳ２はプッシュ信号Ｓ２と同じ振幅Ａ２を有し、第３の疑似信号ＳＳ３は第２のプル信号Ｓ３と同じ振幅Ａ３を有し、第４の疑似信号ＳＳ４は第３のプル信号Ｓ４と同じ振幅Ａ４を有する。また、第１の疑似信号ＳＳ１のみを圧電素子５８へ付与したときのインク発生圧力、第２の疑似信号ＳＳ２のみを圧電素子５８へ付与したときのインク発生圧力、第３の疑似信号ＳＳ３のみを圧電素子５８へ付与したときのインク発生圧力、および、第４の疑似信号ＳＳ４のみを圧電素子５８へ付与したときのインク発生圧力を、それぞ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とする。

最初に、図８（Ａ）に示すように、時刻ｔ＝０において垂直立ち上がり波形からなる第１の疑似信号ＳＳ１を圧電素子５８へ入力したものとして、数３を用いて算出した応答信号Ｐ（ｔ）＝Ｐ１（ｔ）を、図８（Ｂ）に示す。なお、減衰係数α＝０．３である。

ここで、図８（Ｂ）に示すように、時刻ｔ＝（１／４）・Ｔｃにおいて｜Ｐ｜＝｜Ｐ１｜＝１となるＧ１を求める。そうすると、Ｇ１は、次の数４で表される。

［数４］
Ｇ１＝ｅ^{α・π／２}
続いて、図９（Ａ）に示すように、時刻ｔ＝（１／２）・Ｔｃにおいて垂直立ち下がり波形からなる第２の疑似信号ＳＳ２を圧電素子５８へ入力したものとして、数３を用いて算出した応答信号Ｐ（ｔ）＝Ｐ１（ｔ）＋Ｐ２（ｔ）を、図９（Ｂ）に示す。

ここで、図９（Ｂ）に示すように、時刻ｔ＝（３／４）・Ｔｃにおいて｜Ｐ｜＝｜Ｐ１＋Ｐ２｜＝１となるＧ２を求める。そうすると、Ｇ２は、次の数５で表される。

［数５］
Ｇ２＝（ｅ^{−π／２α}−ｅ^π／２α）
続いて、図１０（Ａ）に示すように、時刻ｔ＝Ｔｃにおいて垂直立ち上がり波形からなる第３の疑似信号ＳＳ３を圧電素子５８へ入力したものとし、数３を用いて算出した応答信号Ｐ（ｔ）＝Ｐ１（ｔ）＋Ｐ２（ｔ）＋Ｐ３（ｔ）を、図１０（Ｂ）に示す。

ここで、図１０（Ｂ）に示すように、時刻ｔ＝（５／４）・Ｔｃにおいて｜Ｐ｜＝｜Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３｜＝１となるように、Ｇ３を求める。そうすると、Ｇ３は、次の数６で表される。

［数６］
Ｇ３＝（ｅ^π／２α−ｅ^{−π／２α}）
最後に、図１１（Ａ）に示すように、時刻ｔ＝（２／３）・Ｔｃにおいて垂直立ち上がり波形からなる第４の疑似信号ＳＳ４を圧電素子５８へ入力したものとし、数３を用いて算出した応答信号Ｐ（ｔ）＝Ｐ１（ｔ）＋Ｐ２（ｔ）＋Ｐ３（ｔ）＋Ｐ４（ｔ）を、図１１（Ｂ）に示す。

ここで、図１１（Ｂ）に示すように、時刻ｔ≧（３／２）・ＴｃにおいてＰ＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＝０となるように、Ｇ４を決める。そうすると、Ｇ４は、次の数７で表される。

［数７］
Ｇ４＝ｅ^{（−π／２α）}
ところで、Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４＝Ｇ１：Ｇ２：Ｇ３：Ｇ４なので、数４、数５、数６および数７より、Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４を示す前述の数１が求められる。

なお、図４に示す実際の駆動信号７５を構成する信号要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、疑似信号ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３、ＳＳ４とは異なり、アンダーシュートおよびオーバーシュートを防止するために勾配を持たせてある。そこで、図５の等価回路８０を用いたシミュレーションにより、実際の応答信号すなわち図６の７６を確認する。

時刻ｔ１からｔ４までの正弦波形７６１の振幅Ａｓ（＝1.0）と、時刻ｔ４以降の定常波形７６２の許容値Ｅｓとの比Ｅｓ／Ａｓは、０.５以下である。

本発明を適用した実験機を用いて実験を行った。実験の条件は次のとおりである。
＜条件＞
ノズル径１８μｍ
ノズル長１８μｍ
共振周期３.４μｓ
インク粘度２０ｃＰ
表面張力３０ｍＮ／ｍ
接触角度３０度
実験の結果、図７（Ｂ）に示すように、サテライト滴を発生させることなく、微小なインク滴を吐出できることが確認できた。

以上説明したように、本実施形態の画像形成装置１０では、インクの吐出を行うとき、図１のヘッドドライバ１５４によって、図３の圧電素子５８に対して図４に示す駆動信号７５が付与される。具体的には、最初に、図４の第１のプル信号Ｓ１によって、図３の圧力室５２を膨張させて、図３のノズル５１のメニスカスを引くことにより当該メニスカスを凹形状にする。次に、図４のプッシュ信号Ｓ２によって、圧力室５２を収縮させて、ノズル５１のメニスカスを押すことにより当該メニスカスを凸形状にする。次に、図４の第２のプル信号Ｓ３によって、圧力室５２を膨張させて、ノズル５１のメニスカスを引くことにより当該メニスカスを凹形状にする。これらの第１のプル信号Ｓ１、プッシュ信号Ｓ２、第２のプル信号Ｓ３に因って圧力室５２内のインクに発生する圧力の変動Ｐ（ｔ）は、図６に示すようにｔ１からｔ４まで、一定の振幅Ａｓを有する正弦波形７６１となり、圧力室５２内のインクは共振状態となる。このように、ｔ１からｔ４まで圧力室５２内のインクの圧力変動を一定の振幅Ａｓを有する正弦波形７６１としたことにより、圧力室５２内のインクに対して必要以上の圧力をかけなくてもよくなり、長い尾引きによるサテライト滴の発生を防止できる。次に、図４の第３のプル信号Ｓ４によって、圧力室５２の内圧を定常状態に制定してノズル５１のメニスカスの残留振動を制動し、ノズル５１のメニスカスを凹形状のまま維持する。これにより、インク滴３４がメニスカス３０へ引き戻されることなく確実に飛翔することになる。

なお、液体がインクである場合を例に説明したが、本発明は液体がインクである場合に限定されず、他の液体を吐出する際に適用してもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、本明細書において説明した例や図面に図示された例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってよいのはもちろんである。

本発明に係る液滴吐出装置の一例としての画像形成装置の全体構成を示すブロック図である。液滴吐出ヘッドの一例の全体構成を示す平面透視図である。図２の３−３線に沿った断面図である。駆動信号を示す波形図である。液滴吐出ヘッドを構成する一吐出素子の等価回路を示す回路図である。図４に示す駆動信号を図５に示す等価回路へ入力したときの応答信号の変動を示す図である。（Ａ）はメニスカスに連なる短い尾を有する液滴の模式図、（Ｂ）はサテライト滴が発生することなく飛翔する液滴を示す模式図である。（Ａ）は第１のプル信号に相当する擬似信号の波形図、（Ｂ）は圧力室の内圧の変動に相当する応答信号の波形図である。（Ａ）はプッシュ信号に相当する擬似信号の波形図、（Ｂ）は圧力室の内圧の変動に相当する応答信号の波形図である。（Ａ）は第２のプル信号に相当する擬似信号の波形図、（Ｂ）は圧力室の内圧の変動に相当する応答信号の波形図である。（Ａ）は第３のプル信号に相当する擬似信号の波形図、（Ｂ）は圧力室の内圧の変動に相当する応答信号の波形図である。従来の画像形成装置において圧力室の内圧の変動を示す図である。（Ａ）は従来の画像形成装置においてメニスカスに連なる長い尾を有する液滴の模式図、（Ｂ）は従来の画像形成装置においてサテライト滴を伴い飛翔する液滴を示す模式図である。

符号の説明

５０…液滴吐出ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…液体供給口、５４…吐出素子、５５…共通液室、５８…圧電素子、７５…駆動信号、８０…等価回路、８５…等価回路の入力端子、８６…等価回路の出力端子、１１２…システムコントローラ、１１４、１５２…メモリ、１４６…インク識別情報取得部、１５０…プリント制御部、１５４…ヘッドドライバ（駆動手段）、Ｓ１…第１のプル信号（第１の信号要素）、Ｓ２…プッシュ信号（第２の信号要素）、Ｓ３…第２のプル信号（第３の信号要素）、Ｓ４…第３のプル信号（第４の信号要素）、Ｓ５…復帰信号、Ｔｃ…共振周期、α…減衰係数

Claims

液滴を吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室に連通する液体供給口、および、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子からなる吐出素子と、前記圧電素子に対して駆動信号を付与する駆動手段とを備え、
前記駆動信号は、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスを凹形状にする第１の信号要素と、前記圧力室を収縮させて前記ノズルのメニスカスを凸形状にする第２の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルの凸形状のメニスカスから液滴を生成する第３の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスの残留振動を制動する第４の信号要素と、を含んで構成され、
前記駆動手段は、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の共振周期をＴｃとしたとき、前記第１の信号要素の開始時刻ｔ１、前記第２の信号要素の開始時刻ｔ２、前記第３の信号要素の開始時刻ｔ３および前記第４の信号要素の開始時刻ｔ４の各間隔｜ｔ１−ｔ２｜、｜ｔ２−ｔ３｜、｜ｔ３−ｔ４｜をいずれもＴｃ／２とし、かつ、前記第１の信号要素の振幅Ａ１、前記第２の信号要素の振幅Ａ２、前記第３の信号要素の振幅Ａ３および前記第４の信号要素の振幅Ａ４の比Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４が、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の減衰係数αと自然対数の底ｅとを用いて指数で表したとき、e ^α・π/２：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：e ^{−α・π/２} である前記駆動信号を前記圧電素子に付与することを特徴とする液滴吐出装置。
液滴を吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室に連通する液体供給口、および、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子からなる吐出素子を用いて、前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出方法であって、
前記圧電素子に対して与える駆動信号は、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスを凹形状にする第１の信号要素と、前記圧力室を収縮させて前記ノズルのメニスカスを凸形状にする第２の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルの凸形状のメニスカスから液滴を生成する第３の信号要素と、前記圧力室を膨張させて前記ノズルのメニスカスの残留振動を制動する第４の信号要素と、を含んで構成され、
前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の共振周期をＴｃとしたとき、前記第１の信号要素の開始時刻ｔ１、前記第２の信号要素の開始時刻ｔ２、前記第３の信号要素の開始時刻ｔ３および前記第４の信号要素の開始時刻ｔ４の各間隔｜ｔ１−ｔ２｜、｜ｔ２−ｔ３｜、｜ｔ３−ｔ４｜をいずれもＴｃ／２とし、かつ、前記第１の信号要素の振幅Ａ１、前記第２の信号要素の振幅Ａ２、前記第３の信号要素の振幅Ａ３および前記第４の信号要素の振幅Ａ４の比Ａ１：Ａ２：Ａ３：Ａ４が、前記吐出素子に液体が充填されて構成される系の減衰係数αと自然対数の底ｅとを用いて指数で表したとき、e ^α・π/２：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：（e ^α・π/２ - e ^{−α・π/２} ）：e ^{−α・π/２} である前記駆動信号を前記圧電素子に付与することを特徴とする液滴吐出方法。