液滴吐出装置
【課題】液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することが可能な液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】液滴を吐出するノズル３１と、ノズル３１に連通し且つノズル３１から吐出される液体を加圧するためのキャビティ３２と、キャビティ３２に連通し且つキャビティ３２に供給される液体を貯留するためのリザーバ３３と、キャビティ３２に備えられ且つノズル３１から液滴を吐出するためのノズルアクチュエータ２２と、リザーバ３３に備えられ且つリザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータ３４と、ノズルアクチュエータ２２を駆動制御すると共に低粘度化アクチュエータ３４を駆動制御する制御装置とを備え、リザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与して当該液体を低粘度化する。
【解決手段】液滴を吐出するノズル３１と、ノズル３１に連通し且つノズル３１から吐出される液体を加圧するためのキャビティ３２と、キャビティ３２に連通し且つキャビティ３２に供給される液体を貯留するためのリザーバ３３と、キャビティ３２に備えられ且つノズル３１から液滴を吐出するためのノズルアクチュエータ２２と、リザーバ３３に備えられ且つリザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータ３４と、ノズルアクチュエータ２２を駆動制御すると共に低粘度化アクチュエータ３４を駆動制御する制御装置とを備え、リザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与して当該液体を低粘度化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な液滴をノズルから吐出して、その微粒子（ドット）を印刷媒体上に形成することにより、所定の文字や画像等を印刷するようにした液滴吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出ヘッドを利用する液滴吐出型印刷装置は、家庭用の印刷装置として開発された技術であり、微小液滴を高精度に吐出することができる。この種の液滴吐出ヘッドの利点は、必要な量の液滴を、必要な部分だけに吐出、着弾させるところであり、印刷装置に止まらず、工業、医療の分野でも使用され、省エネルギー、省資源など環境負荷低減にも有効である。
液滴吐出ヘッドに代表される液滴吐出装置は、液滴を吐出するノズル、ノズルに連通し且つノズルから吐出される液体を加圧するための圧力室、圧力室に連通し且つ圧力室に供給される液体を貯留するための貯留室、圧力室に備えられ且つノズルから液滴を吐出するためのノズルアクチュエータ、ノズルアクチュエータを駆動制御する制御装置などを備えて構成される。
【０００３】
このような液滴吐出装置では、印刷装置を始め、吐出液体が高粘度化している。例えば高分子ポリマーの液体などは粘度が高く、加圧室への液体の充填や、ノズルからの安定した液滴吐出が難しい。そこで、下記特許文献１に記載される液滴吐出装置では、液滴吐出信号の他に、液滴が吐出しない程度の高周波信号をノズルアクチュエータに印加し、それによって発生する熱で液体を低粘度化するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１９８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に記載される液滴吐出装置では、熱によって液体を低粘度化させるものであるため、逆に熱によって液体の変性、安定性低下を誘発する恐れがある。具体的には、工業分野で使用される液体は機能性インクであり、例えば熱硬化型インクでは、熱によって増粘してしまうため、安定した吐出を行うことができない。また、タンパク質インクなどは、熱によるダメージでインクの機能が損なわれてしまう。また、有機系のインクでは、引火する可能性があり、安全上不安定である。
本発明は、これらの諸問題に着目して開発されたものであり、液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することが可能な液滴吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記諸問題を解決するため、本発明の液滴吐出装置は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通し且つノズルから吐出される液体を加圧するための圧力室と、前記圧力室に連通し且つ圧力室に供給される液体を貯留するための貯留室と、前記圧力室に備えられ且つノズルから液滴を吐出するためのノズルアクチュエータと、前記貯留室に備えられ且つ貯留室内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータと、前記ノズルアクチュエータを駆動制御すると共に前記低粘度化アクチュエータを駆動制御する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
この液滴吐出装置によれば、貯留室内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与して当該液体を低粘度化することにより、液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することができる。
また、前記剪断速度は、前記液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の速度としたことを特徴とするものである。
この液滴吐出装置によれば、液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の剪断速度とすることで、液体を低粘度化する機械的エネルギーを確実に付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の液滴吐出装置を用いた液滴吐出型印刷装置の一実施形態を示す概略構成正面図である。
【図２】図１の液滴吐出型印刷装置に用いられる液滴吐出ヘッド近傍の底面図である。
【図３】図１の液滴吐出型印刷装置の制御装置のブロック図である。
【図４】各液滴吐出ヘッド内のノズルアクチュエータを駆動する駆動信号の説明図である。
【図５】スイッチングコントローラのブロック図である。
【図６】ノズルアクチュエータの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図７】図６の液滴吐出ヘッドのブロック図である。
【図８】図６のデジタル電力増幅回路のブロック図である。
【図９】図６の平滑フィルタのブロック図である。
【図１０】図１の液滴吐出ヘッドのノズル近傍の縦断面図である。
【図１１】吐出液体の剪断速度と粘度の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の液滴吐出装置の一実施形態として、液滴吐出型印刷装置に適用されたものについて説明する。
図１は、本実施形態の印刷装置の概略構成図であり、図において、印刷媒体１は、図の左から右に向けて矢印方向に搬送され、その搬送途中の印刷領域で印刷される、ラインヘッド型印刷装置である。
液滴吐出型印刷装置のうち、液滴吐出ノズルの形成された液滴吐出ヘッドをキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液滴吐出ヘッドを配置して、所謂１パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。
【００１０】
図１中の符号２は、印刷媒体１の搬送ライン上方に設けられた複数の液滴吐出ヘッドであり、印刷媒体搬送方向に２列になるように且つ印刷媒体搬送方向と交差する方向に並べて配設されて、夫々、ヘッド固定プレート１１に固定されている。各液滴吐出ヘッド２の最下面には、多数のノズルが形成されており、この面がノズル面と呼ばれている。ノズルは、図２に示すように、吐出する液体の色毎に、印刷媒体搬送方向と交差する方向に列状に配設されており、その列をノズル列と呼んだり、その列方向をノズル列方向と呼んだりする。そして、印刷媒体搬送方向と交差する方向に配設された全ての液滴吐出ヘッド２のノズル列によって、印刷媒体１の搬送方向と交差する方向の幅全長に及ぶラインヘッドが形成されている。印刷媒体１は、これらの液滴吐出ヘッド２のノズル面の下方を通過するときに、ノズル面に形成されている多数のノズルから液滴が吐出され、印刷が行われる。
【００１１】
液滴吐出ヘッド２には、例えばイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のインクなどの液体が、図示しない各色の液体タンクから液体供給チューブを介して供給される。そして、各液滴吐出ヘッド２に形成されているノズルから同時に必要箇所に必要量の液滴を吐出することにより、印刷媒体１上に微小なドットを出力する。これを各色毎に行うことにより、搬送部４で搬送される印刷媒体１を一度通過させるだけで、所謂１パスによる印刷を行うことができる。
【００１２】
液滴吐出ヘッドの各ノズルから液滴を吐出する方法としては、静電方式、ピエゾ方式、膜沸騰液滴吐出方式などがあり、本実施形態ではピエゾ方式を用いた。ピエゾ方式は、ノズルアクチュエータである圧電素子に駆動信号を与えると、圧力室（キャビティともいう）内の振動板が変位してキャビティ内に圧力変化を生じ、その圧力変化によって液滴がノズルから吐出されるというものである。そして、駆動信号の波高値や電圧増減傾きを調整することで液滴の吐出量を調整することが可能となる。なお、本発明は、ピエゾ方式以外の液滴吐出方法にも、同様に適用可能である。
【００１３】
液滴吐出ヘッド２の下方には、印刷媒体１を搬送方向に搬送するための搬送部４が設けられている。搬送部４は、駆動ローラ８及び従動ローラ９に搬送ベルト６を巻回して構成され、駆動ローラ８には図示しない電動モータが接続されている。また、搬送ベルト６の内側には、当該搬送ベルト６の表面に印刷媒体１を吸着するための図示しない吸着装置が設けられている。この吸着装置には、例えば負圧によって印刷媒体１を搬送ベルト６に吸着する空気吸引装置や、静電気力で印刷媒体１を搬送ベルト６に吸着する静電吸着装置などが用いられる。従って、給紙ローラ５によって給紙部３から印刷媒体１を一枚だけ搬送ベルト６上に送給し、電動モータによって駆動ローラ８を回転駆動すると、搬送ベルト６が印刷媒体搬送方向に回転され、吸着装置によって搬送ベルト６に印刷媒体１が吸着されて搬送される。この印刷媒体１の搬送中に、液滴吐出ヘッド２から液滴を吐出して印刷を行う。印刷の終了した印刷媒体１は、搬送方向下流側の排紙部１０に排紙される。なお、前記搬送ベルト６には、例えばリニアエンコーダなどで構成される印刷基準信号出力装置が取付けられている。この印刷基準信号出力装置は、例えば搬送ベルト６とそれに吸着されて搬送される印刷媒体１とが同期して移動されることに着目し、印刷媒体１が搬送経路中の所定位置を通過した後は、搬送ベルト６の移動に伴って要求される印刷解像度相当のパルス信号を出力し、このパルス信号に応じて、後述する駆動回路から駆動信号をノズルアクチュエータに出力することで印刷媒体１上の所定位置に所定の色の液滴を吐出し、そのドットによって印刷媒体１上に所定の画像を描画する。
【００１４】
この印刷装置内には、自身を制御するための制御装置が設けられている。この制御装置は、例えば図３に示すように、例えばパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のホストコンピュータ６０から入力された印刷データに基づいて、印刷装置や給紙装置等を制御することにより印刷媒体に印刷処理を行うものである。そして、ホストコンピュータ６０から入力された印刷データ読込むための入力インタフェース６１と、この入力インタフェース６１から入力された印刷データに基づいて印刷処理等の演算処理を実行する例えばマイクロコンピュータで構成される制御部６２と、前記給紙ローラ５に接続されている給紙ローラモータ１７を駆動制御する給紙ローラモータドライバ６３と、各液滴吐出ヘッド２を駆動制御するヘッドドライバ６５と、前記駆動ローラ８に接続されている電動モータ７を駆動制御する電動モータドライバ６６と、各ドライバ６３、６５、６６と外部の給紙ローラモータ１７、液滴吐出ヘッド２、電動モータ７とを接続するインタフェース６７とを備えて構成される。
【００１５】
制御部６２は、印刷処理等の各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）６２ａと、入力インタフェース６１を介して入力された印刷データ或いは当該印刷データ印刷処理等を実行する際の各種データを一時的に格納し、或いは印刷処理等のプログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）６２ｃと、ＣＰＵ６２ａで実行する制御プログラム等を格納する不揮発性半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read-Only Memory）６２ｄを備えている。この制御部６２は、インタフェース６１を介してホストコンピュータ６０から印刷データ（画像データ）を入手すると、ＣＰＵ６２ａが、この印刷データに所定の処理を実行して、何れの液滴吐出ヘッド２の何れのノズルから液滴を吐出するか或いはどの程度の液滴を吐出するかというノズル選択データ（駆動信号選択データ）を算出し、この印刷データや駆動信号選択データ及び各種センサからの入力データに基づいて、各ドライバ６３、６５、６６に制御信号を出力する。各ドライバ６３、６５、６６からはアクチュエータを駆動するための駆動信号が出力され、給紙ローラモータ１７、電動モータ７、液滴吐出ヘッド２内のノズルアクチュエータなどが夫々作動して、印刷媒体１の給紙及び搬送及び排紙、並びに印刷媒体１への印刷処理が実行される。なお、制御部６２内の各構成要素は、図示しないバスを介して電気的に接続されている。
【００１６】
図４には、本実施形態の印刷装置の制御装置から液滴吐出ヘッド２に供給され、圧電素子からなるノズルアクチュエータを駆動するための駆動信号ＣＯＭの一例を示す。本実施形態では、中間電位を中心に電位が変化する信号とした。この駆動信号ＣＯＭは、ノズルアクチュエータを駆動して液滴を吐出する単位駆動信号としての駆動パルスＰＣＯＭを時系列的に接続したものであり、各駆動パルスＰＣＯＭの立上がり部分がノズルに連通するキャビティ（圧力室）の容積を拡大して液体を引込む（液体の吐出面を考えればメニスカスを引き込むとも言える）段階であり、駆動パルスＰＣＯＭの立下がり部分がキャビティの容積を縮小して液体を押出す（液体の吐出面を考えればメニスカスを押出すとも言える）段階であり、液体を押出した結果、液滴がノズルから吐出される。
【００１７】
この電圧台形波からなる駆動パルスＰＣＯＭの電圧増減傾きや波高値を種々に変更することにより、液体の引込量や引込速度、液体の押出量や押出速度を変化させることができ、これにより液滴の吐出量を変化させて異なる大きさのドットを得ることができる。従って、複数の駆動パルスＰＣＯＭを時系列的に連結する場合でも、そのうちから単独の駆動パルスＰＣＯＭを選択してアクチュエータに供給し、液滴を吐出したり、複数の駆動パルスＰＣＯＭを選択してアクチュエータに供給し、液滴を複数回吐出したりすることで種々の大きさのドットを得ることができる。即ち、液滴が乾かないうちに複数の液滴を同じ位置に着弾すると、実質的に大きな液滴を吐出するのと同じことになり、ドットの大きさを大きくすることができるのである。このような技術の組合せによって多階調化を図ることが可能となる。なお、図４の左端の駆動パルスＰＣＯＭ１は、液体を引込むだけで押出していない。これは、微振動と呼ばれ、液滴を吐出せずに、例えばノズルの増粘を抑制防止したりするのに用いられる。
【００１８】
各液滴吐出ヘッド２には、前記駆動信号ＣＯＭの他、前記図３の制御装置から制御信号として、印刷データに基づいて吐出するノズルを選択すると共に圧電素子などのノズルアクチュエータの駆動信号ＣＯＭへの接続タイミングを決定する駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰ、全ノズルにノズル選択データが入力された後、駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰに基づいて駆動信号ＣＯＭと液滴吐出ヘッド２のノズルアクチュエータとを接続させるラッチ信号ＬＡＴ及びチャンネル信号ＣＨ、駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰをシリアル信号として液滴吐出ヘッド２に送信するためのクロック信号ＣＬＫ、後述する低粘度化アクチュエータを駆動する低粘度化信号ＬＶが入力されている。なお、これ以後、ノズルアクチュエータを駆動する駆動信号の最小単位を駆動パルスＰＣＯＭとし、駆動パルスＰＣＯＭが時系列的に連結された信号全体を駆動信号ＣＯＭと記す。即ち、ラッチ信号ＬＡＴで一連の駆動信号ＣＯＭが出力され始め、チャンネル信号ＣＨ毎に駆動パルスＰＣＯＭが出力されることになる。
【００１９】
図５には、駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）をノズルアクチュエータ２２に供給するために各液滴吐出ヘッド２内に構築されたスイッチングコントローラの具体的な構成を示す。このスイッチングコントローラは、液滴を吐出させるべきノズルに対応した圧電素子などのノズルアクチュエータ２２を指定するための駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰを保存するシフトレジスタ２１１と、シフトレジスタ２１１のデータを一時的に保存するラッチ回路２１２と、ラッチ回路２１２の出力をレベル変換して選択スイッチ２０１に供給することにより、駆動信号ＣＯＭをピエゾ素子などのノズルアクチュエータ２２に接続するレベルシフタ２１３を備えて構成されている。
【００２０】
シフトレジスタ２１１には、駆動信号選択データ信号ＳＩ＆ＳＰが順次入力されると共に、クロック信号ＣＬＫの入力パルスに応じて記憶領域が初段から順次後段にシフトする。ラッチ回路２１２は、ノズル数分の駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰがシフトレジスタ２１１に格納された後、入力されるラッチ信号ＬＡＴによってシフトレジスタ２１１の各出力信号をラッチする。ラッチ回路２１２に保存された信号は、レベルシフタ２１３によって次段の選択スイッチ２０１をオンオフできる電圧レベルに変換される。これは、駆動信号ＣＯＭが、ラッチ回路２１２の出力電圧に比べて高い電圧であり、これに合わせて選択スイッチ２０１の動作電圧範囲も高く設定されているためである。従って、レベルシフタ２１３によって選択スイッチ２０１が閉じられる圧電素子などのノズルアクチュエータは駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰの接続タイミングで駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）に接続される。また、シフトレジスタ２１１の駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰがラッチ回路２１２に保存された後、次の印刷情報をシフトレジスタ２１１に入力し、液滴の吐出タイミングに合わせてラッチ回路２１２の保存データを順次更新する。なお、図中の符号ＨＧＮＤは、圧電素子などのノズルアクチュエータのグランド端である。また、この選択スイッチ２０１によれば、圧電素子などのノズルアクチュエータを駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）から切り離した後も、当該ノズルアクチュエータ２２の入力電圧は、切り離す直前の電圧に維持される。
【００２１】
図６には、ノズルアクチュエータの駆動回路の概略構成を示す。ラインヘッド型印刷装置を構成する液滴吐出ヘッド２には多数のノズルが形成されており、図７に示すように、その夫々に、前述したノズルアクチュエータ２２が設けられており、それらのノズルアクチュエータ２２の上流側に例えばトランスミッションゲートで構成される選択スイッチ２０１が配設され、選択スイッチ２０１がオンされているノズルアクチュエータ２２にのみ駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）が印加される。
【００２２】
本実施形態の駆動回路は、予め記憶されている駆動波形データＤＷＣＯＭに基づいて、駆動信号ＣＯＭの元、つまりノズルアクチュエータ２２の駆動を制御する信号の基準となる駆動波形信号ＷＣＯＭを生成する駆動波形信号発生回路２５と、駆動波形信号発生回路２５で生成された駆動波形信号ＷＣＯＭをパルス変調する変調回路２６と、変調回路２６でパルス変調された変調信号を電力増幅するデジタル電力増幅回路、所謂Ｄ級アンプ２８と、デジタル電力増幅器２８で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化して、駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）として選択スイッチ２０１からノズルアクチュエータ２２に供給する平滑フィルタ２９とを備えて構成される。
【００２３】
駆動波形信号発生回路２５は、ＣＰＵ６２ａから出力された駆動波形データＤＷＣＯＭを電圧信号に変換して所定サンプリング周期分ホールドすると共に、それをＤ／Ａ変換器でアナログ変換して駆動波形信号ＷＣＯＭとして出力する。この駆動波形信号ＷＣＯＭをパルス変調する変調回路２６には、周知のパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）回路を用いた。パルス幅変調は、例えば所定周波数の三角波信号やノコギリ波信号などの基準信号と入力信号、この場合は駆動波形信号ＷＣＯＭを比較し、例えば駆動波形信号ＷＣＯＭが基準信号より大きいときにオンデューティとなるパルスデューティの変調信号を出力する。また、変調回路２６には、この他にパルス密度変調（ＰＤＭ）回路などの周知のパルス変調回路を用いることができる。また、何れの場合も、プログラムによる演算処理によって変調回路２６を構成することができる。
【００２４】
デジタル電力増幅回路２８は、図８に示すように、実質的に電力を増幅するためのハイサイドのスイッチング素子Ｑ１及びローサイドのスイッチング素子Ｑ２からなるハーフブリッジＤ級出力段２１と、変調回路２６からの変調信号に基づいて、それらのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート−ソース間信号ＧＨ、ＧＬを調整するためのゲート駆動回路３０とを備えて構成されている。デジタル電力増幅回路２８では、変調信号がハイレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間信号ＧＨはハイレベルとなり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２のゲート−ソース間信号ＧＬはローレベルとなるので、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１はオン状態となり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２はオフ状態となり、その結果、ハーフブリッジＤ級出力段２１の出力は、供給電圧ＶＤＤとなる。一方、変調信号がローレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間信号ＧＨはローレベルとなり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２のゲート−ソース間信号ＧＬはハイレベルとなるので、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１はオフ状態となり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２はオン状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段２１の出力は０となる。
【００２５】
平滑フィルタ２９には、図９に示すように、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２、コイルＬ、抵抗Ｒからなる３次のフィルタを用いた。この平滑フィルタ２９によって、前記変調回路２６で生じた変調周波数、即ちパルス変調の周波数成分を減衰して除去し、前述したような波形特性の駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）を出力する。
図１０には、液滴吐出ヘッドのノズル近傍の縦断面を示す。図中の符号３１が、ノズル面に開設されたノズルである。前述したように、ノズル３１には、吐出する液体を加圧するためのキャビティ（圧力室）３２が連設されており、このキャビティ３２の上面に振動板３５を介してノズルアクチュエータ２２が取付けられている。キャビティ３２には、液体を貯留するためのリザーバ（貯留室ともいう）３３が連設されており、このリザーバ３３に液体タンクからチューブを経て吐出液体が供給される。本実施形態では、このリザーバ３３に振動板３５を介して低粘度化アクチュエータ３４が取付けられている。
【００２６】
この低粘度化アクチュエータ３４は、前述したノズルアクチュエータ２２と同様に、例えば圧電素子からなり、電圧信号からなる前記低粘度化信号が印加されると膨張したり収縮したりして、リザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与する。本実施形態では、印刷用のインクなどの液体に高粘度の液体を用いる。一般的に、高粘度インクなどの高粘度液体は、高分子が溶解しているものや、高濃度の顔料が分散しているものである。これらの高粘度液体は、非ニュートン流体という領域に属する。非ニュートン流体は、剪断速度に対し、粘度が指数関数的に変化するという性質を持っており、その多くは、剪断速度が増すと粘度が低下する傾向にある。一般的な傾向を図１１に示す。
【００２７】
この剪断速度と粘度の関係は、個々の高粘度液体によって異なるため、予めレオメータなどで液体の剪断速度と粘度の関係を測定し、低粘度化アクチュエータ３４への低粘度化信号を設定する。具体的には、例えば図１１のような剪断速度−粘度特性が得られたら、その特性の変曲点に相当する剪断速度が得られるように低粘度化信号ＬＶを設定する。設定する剪断速度は、この変曲点以下の剪断速度であってもよいが、変曲点の剪断速度が最も効率よく、液体を低粘度化する剪断速度となる。
【００２８】
この剪断速度変曲点以下の領域を、低粘度化アクチュエータ３４の駆動周波数ｆで表記すると、液体の等価回路の容量をＣ、抵抗をＲとしたとき、
ｆ≦１／２πＣＲ
と表れる。つまり、この周波数帯域で低粘度化アクチュエータ３４を駆動する場合、入力周波数成分は機械的変位エネルギーとなり、これを越える周波数帯域で低粘度化アクチュエータ３４を駆動すると、入力周波数成分は熱エネルギーとなってしまう。液体に与えられるエネルギーが熱エネルギーである場合、前述のように液体の温度が高くなるから、液体の変性や安全性低下を誘発してしまう。一方、液体に与えられるエネルギーが機械的エネルギーであれば、液体の温度を高めることなく、粘度を低下することができる。特に、本実施形態のように、リザーバ３３に低粘度化アクチュエータ３４を取付け、このリザーバ３３内の液体を低粘度化することにより、キャビティ３２への液体の流入をスムースにし、且つノズルからの吐出を安定化することができる。
【００２９】
このように、本実施形態の液滴吐出型印刷装置によれば、液滴を吐出するノズル３１と、ノズル３１に連通し且つノズル３１から吐出される液体を加圧するためのキャビティ３２と、キャビティ３２に連通し且つキャビティ３２に供給される液体を貯留するためのリザーバ３３と、キャビティ３２に備えられ且つノズル３１から液滴を吐出するためのノズルアクチュエータ２２と、リザーバ３３に備えられ且つリザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータ３４と、ノズルアクチュエータ２２を駆動制御すると共に低粘度化アクチュエータ３４を駆動制御する制御装置とを備え、リザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与して当該液体を低粘度化することとしたため、液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することができる。
【００３０】
また、剪断速度は、液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の速度とすることで、液体を低粘度化する機械的エネルギーを確実に付与することができる。
なお、前記実施形態では、本発明の液滴吐出装置をラインヘッド型の液滴吐出型印刷装置に用いた場合についてのみ詳述したが、本発明のゲルの生成方法は、マルチパス型の液滴吐出型印刷装置にも同様に適用可能である。また、これらの印刷装置形態以外の印刷装置であってもよく、例えば工業分野、医療分野などで液滴を吐出して印刷を行うものにも同様に適用することができる。
【００３１】
また、前記実施形態では、本発明の液滴吐出装置をインクなどの液体を吐出するものに具体化したが、この限りではなく、インク以外の他の液体（液体以外にも、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルなどの流状体を含む）や液体以外の流体（流体として流して吐出できる固体など）を吐出する液滴吐出装置に具体化することもできる。例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッサンス）ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルタの製造などに用いられる電極材や色材などの材料を分散又は溶解の形態で含む液状体を吐出する液状体吐出装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出装置、精密ピペットとして用いられて試料となる液体を吐出する液滴吐出装置であってもよい。更に、時計やカメラなどの精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出装置、光通信素子などに用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するための紫外線硬化樹脂などの透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出装置、基板などをエッチングするために酸又はアルカリなどのエッチング液を吐出する液滴吐出装置、ジェルを吐出する流状体吐出装置、トナーなどの粉体を例とする固体を吐出する流体吐出式記録装置であってもよい。そして、これらのうち何れか一種の吐出装置に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１は印刷媒体、２は液滴吐出ヘッド、３は給紙部、４は搬送部、５は給紙ローラ、６は搬送ベルト、７は電動モータ、８は駆動ローラ、９は従動ローラ、１０は排紙部、１１は固定プレート、２１はハーフブリッジＤ級出力段、２２はノズルアクチュエータ、２５は駆動波形信号発生回路、２６は変調回路、２８はデジタル電力増幅回路、２９は平滑フィルタ、３０はゲート駆動回路、３１はノズル、３２はキャビティ（圧力室）、３３はリザーバ（貯留室）、３４は低粘度化アクチュエータ、６５はヘッドドライバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な液滴をノズルから吐出して、その微粒子（ドット）を印刷媒体上に形成することにより、所定の文字や画像等を印刷するようにした液滴吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出ヘッドを利用する液滴吐出型印刷装置は、家庭用の印刷装置として開発された技術であり、微小液滴を高精度に吐出することができる。この種の液滴吐出ヘッドの利点は、必要な量の液滴を、必要な部分だけに吐出、着弾させるところであり、印刷装置に止まらず、工業、医療の分野でも使用され、省エネルギー、省資源など環境負荷低減にも有効である。
液滴吐出ヘッドに代表される液滴吐出装置は、液滴を吐出するノズル、ノズルに連通し且つノズルから吐出される液体を加圧するための圧力室、圧力室に連通し且つ圧力室に供給される液体を貯留するための貯留室、圧力室に備えられ且つノズルから液滴を吐出するためのノズルアクチュエータ、ノズルアクチュエータを駆動制御する制御装置などを備えて構成される。
【０００３】
このような液滴吐出装置では、印刷装置を始め、吐出液体が高粘度化している。例えば高分子ポリマーの液体などは粘度が高く、加圧室への液体の充填や、ノズルからの安定した液滴吐出が難しい。そこで、下記特許文献１に記載される液滴吐出装置では、液滴吐出信号の他に、液滴が吐出しない程度の高周波信号をノズルアクチュエータに印加し、それによって発生する熱で液体を低粘度化するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１９８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に記載される液滴吐出装置では、熱によって液体を低粘度化させるものであるため、逆に熱によって液体の変性、安定性低下を誘発する恐れがある。具体的には、工業分野で使用される液体は機能性インクであり、例えば熱硬化型インクでは、熱によって増粘してしまうため、安定した吐出を行うことができない。また、タンパク質インクなどは、熱によるダメージでインクの機能が損なわれてしまう。また、有機系のインクでは、引火する可能性があり、安全上不安定である。
本発明は、これらの諸問題に着目して開発されたものであり、液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することが可能な液滴吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記諸問題を解決するため、本発明の液滴吐出装置は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通し且つノズルから吐出される液体を加圧するための圧力室と、前記圧力室に連通し且つ圧力室に供給される液体を貯留するための貯留室と、前記圧力室に備えられ且つノズルから液滴を吐出するためのノズルアクチュエータと、前記貯留室に備えられ且つ貯留室内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータと、前記ノズルアクチュエータを駆動制御すると共に前記低粘度化アクチュエータを駆動制御する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
この液滴吐出装置によれば、貯留室内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与して当該液体を低粘度化することにより、液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することができる。
また、前記剪断速度は、前記液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の速度としたことを特徴とするものである。
この液滴吐出装置によれば、液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の剪断速度とすることで、液体を低粘度化する機械的エネルギーを確実に付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の液滴吐出装置を用いた液滴吐出型印刷装置の一実施形態を示す概略構成正面図である。
【図２】図１の液滴吐出型印刷装置に用いられる液滴吐出ヘッド近傍の底面図である。
【図３】図１の液滴吐出型印刷装置の制御装置のブロック図である。
【図４】各液滴吐出ヘッド内のノズルアクチュエータを駆動する駆動信号の説明図である。
【図５】スイッチングコントローラのブロック図である。
【図６】ノズルアクチュエータの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図７】図６の液滴吐出ヘッドのブロック図である。
【図８】図６のデジタル電力増幅回路のブロック図である。
【図９】図６の平滑フィルタのブロック図である。
【図１０】図１の液滴吐出ヘッドのノズル近傍の縦断面図である。
【図１１】吐出液体の剪断速度と粘度の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の液滴吐出装置の一実施形態として、液滴吐出型印刷装置に適用されたものについて説明する。
図１は、本実施形態の印刷装置の概略構成図であり、図において、印刷媒体１は、図の左から右に向けて矢印方向に搬送され、その搬送途中の印刷領域で印刷される、ラインヘッド型印刷装置である。
液滴吐出型印刷装置のうち、液滴吐出ノズルの形成された液滴吐出ヘッドをキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液滴吐出ヘッドを配置して、所謂１パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。
【００１０】
図１中の符号２は、印刷媒体１の搬送ライン上方に設けられた複数の液滴吐出ヘッドであり、印刷媒体搬送方向に２列になるように且つ印刷媒体搬送方向と交差する方向に並べて配設されて、夫々、ヘッド固定プレート１１に固定されている。各液滴吐出ヘッド２の最下面には、多数のノズルが形成されており、この面がノズル面と呼ばれている。ノズルは、図２に示すように、吐出する液体の色毎に、印刷媒体搬送方向と交差する方向に列状に配設されており、その列をノズル列と呼んだり、その列方向をノズル列方向と呼んだりする。そして、印刷媒体搬送方向と交差する方向に配設された全ての液滴吐出ヘッド２のノズル列によって、印刷媒体１の搬送方向と交差する方向の幅全長に及ぶラインヘッドが形成されている。印刷媒体１は、これらの液滴吐出ヘッド２のノズル面の下方を通過するときに、ノズル面に形成されている多数のノズルから液滴が吐出され、印刷が行われる。
【００１１】
液滴吐出ヘッド２には、例えばイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のインクなどの液体が、図示しない各色の液体タンクから液体供給チューブを介して供給される。そして、各液滴吐出ヘッド２に形成されているノズルから同時に必要箇所に必要量の液滴を吐出することにより、印刷媒体１上に微小なドットを出力する。これを各色毎に行うことにより、搬送部４で搬送される印刷媒体１を一度通過させるだけで、所謂１パスによる印刷を行うことができる。
【００１２】
液滴吐出ヘッドの各ノズルから液滴を吐出する方法としては、静電方式、ピエゾ方式、膜沸騰液滴吐出方式などがあり、本実施形態ではピエゾ方式を用いた。ピエゾ方式は、ノズルアクチュエータである圧電素子に駆動信号を与えると、圧力室（キャビティともいう）内の振動板が変位してキャビティ内に圧力変化を生じ、その圧力変化によって液滴がノズルから吐出されるというものである。そして、駆動信号の波高値や電圧増減傾きを調整することで液滴の吐出量を調整することが可能となる。なお、本発明は、ピエゾ方式以外の液滴吐出方法にも、同様に適用可能である。
【００１３】
液滴吐出ヘッド２の下方には、印刷媒体１を搬送方向に搬送するための搬送部４が設けられている。搬送部４は、駆動ローラ８及び従動ローラ９に搬送ベルト６を巻回して構成され、駆動ローラ８には図示しない電動モータが接続されている。また、搬送ベルト６の内側には、当該搬送ベルト６の表面に印刷媒体１を吸着するための図示しない吸着装置が設けられている。この吸着装置には、例えば負圧によって印刷媒体１を搬送ベルト６に吸着する空気吸引装置や、静電気力で印刷媒体１を搬送ベルト６に吸着する静電吸着装置などが用いられる。従って、給紙ローラ５によって給紙部３から印刷媒体１を一枚だけ搬送ベルト６上に送給し、電動モータによって駆動ローラ８を回転駆動すると、搬送ベルト６が印刷媒体搬送方向に回転され、吸着装置によって搬送ベルト６に印刷媒体１が吸着されて搬送される。この印刷媒体１の搬送中に、液滴吐出ヘッド２から液滴を吐出して印刷を行う。印刷の終了した印刷媒体１は、搬送方向下流側の排紙部１０に排紙される。なお、前記搬送ベルト６には、例えばリニアエンコーダなどで構成される印刷基準信号出力装置が取付けられている。この印刷基準信号出力装置は、例えば搬送ベルト６とそれに吸着されて搬送される印刷媒体１とが同期して移動されることに着目し、印刷媒体１が搬送経路中の所定位置を通過した後は、搬送ベルト６の移動に伴って要求される印刷解像度相当のパルス信号を出力し、このパルス信号に応じて、後述する駆動回路から駆動信号をノズルアクチュエータに出力することで印刷媒体１上の所定位置に所定の色の液滴を吐出し、そのドットによって印刷媒体１上に所定の画像を描画する。
【００１４】
この印刷装置内には、自身を制御するための制御装置が設けられている。この制御装置は、例えば図３に示すように、例えばパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のホストコンピュータ６０から入力された印刷データに基づいて、印刷装置や給紙装置等を制御することにより印刷媒体に印刷処理を行うものである。そして、ホストコンピュータ６０から入力された印刷データ読込むための入力インタフェース６１と、この入力インタフェース６１から入力された印刷データに基づいて印刷処理等の演算処理を実行する例えばマイクロコンピュータで構成される制御部６２と、前記給紙ローラ５に接続されている給紙ローラモータ１７を駆動制御する給紙ローラモータドライバ６３と、各液滴吐出ヘッド２を駆動制御するヘッドドライバ６５と、前記駆動ローラ８に接続されている電動モータ７を駆動制御する電動モータドライバ６６と、各ドライバ６３、６５、６６と外部の給紙ローラモータ１７、液滴吐出ヘッド２、電動モータ７とを接続するインタフェース６７とを備えて構成される。
【００１５】
制御部６２は、印刷処理等の各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）６２ａと、入力インタフェース６１を介して入力された印刷データ或いは当該印刷データ印刷処理等を実行する際の各種データを一時的に格納し、或いは印刷処理等のプログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）６２ｃと、ＣＰＵ６２ａで実行する制御プログラム等を格納する不揮発性半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read-Only Memory）６２ｄを備えている。この制御部６２は、インタフェース６１を介してホストコンピュータ６０から印刷データ（画像データ）を入手すると、ＣＰＵ６２ａが、この印刷データに所定の処理を実行して、何れの液滴吐出ヘッド２の何れのノズルから液滴を吐出するか或いはどの程度の液滴を吐出するかというノズル選択データ（駆動信号選択データ）を算出し、この印刷データや駆動信号選択データ及び各種センサからの入力データに基づいて、各ドライバ６３、６５、６６に制御信号を出力する。各ドライバ６３、６５、６６からはアクチュエータを駆動するための駆動信号が出力され、給紙ローラモータ１７、電動モータ７、液滴吐出ヘッド２内のノズルアクチュエータなどが夫々作動して、印刷媒体１の給紙及び搬送及び排紙、並びに印刷媒体１への印刷処理が実行される。なお、制御部６２内の各構成要素は、図示しないバスを介して電気的に接続されている。
【００１６】
図４には、本実施形態の印刷装置の制御装置から液滴吐出ヘッド２に供給され、圧電素子からなるノズルアクチュエータを駆動するための駆動信号ＣＯＭの一例を示す。本実施形態では、中間電位を中心に電位が変化する信号とした。この駆動信号ＣＯＭは、ノズルアクチュエータを駆動して液滴を吐出する単位駆動信号としての駆動パルスＰＣＯＭを時系列的に接続したものであり、各駆動パルスＰＣＯＭの立上がり部分がノズルに連通するキャビティ（圧力室）の容積を拡大して液体を引込む（液体の吐出面を考えればメニスカスを引き込むとも言える）段階であり、駆動パルスＰＣＯＭの立下がり部分がキャビティの容積を縮小して液体を押出す（液体の吐出面を考えればメニスカスを押出すとも言える）段階であり、液体を押出した結果、液滴がノズルから吐出される。
【００１７】
この電圧台形波からなる駆動パルスＰＣＯＭの電圧増減傾きや波高値を種々に変更することにより、液体の引込量や引込速度、液体の押出量や押出速度を変化させることができ、これにより液滴の吐出量を変化させて異なる大きさのドットを得ることができる。従って、複数の駆動パルスＰＣＯＭを時系列的に連結する場合でも、そのうちから単独の駆動パルスＰＣＯＭを選択してアクチュエータに供給し、液滴を吐出したり、複数の駆動パルスＰＣＯＭを選択してアクチュエータに供給し、液滴を複数回吐出したりすることで種々の大きさのドットを得ることができる。即ち、液滴が乾かないうちに複数の液滴を同じ位置に着弾すると、実質的に大きな液滴を吐出するのと同じことになり、ドットの大きさを大きくすることができるのである。このような技術の組合せによって多階調化を図ることが可能となる。なお、図４の左端の駆動パルスＰＣＯＭ１は、液体を引込むだけで押出していない。これは、微振動と呼ばれ、液滴を吐出せずに、例えばノズルの増粘を抑制防止したりするのに用いられる。
【００１８】
各液滴吐出ヘッド２には、前記駆動信号ＣＯＭの他、前記図３の制御装置から制御信号として、印刷データに基づいて吐出するノズルを選択すると共に圧電素子などのノズルアクチュエータの駆動信号ＣＯＭへの接続タイミングを決定する駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰ、全ノズルにノズル選択データが入力された後、駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰに基づいて駆動信号ＣＯＭと液滴吐出ヘッド２のノズルアクチュエータとを接続させるラッチ信号ＬＡＴ及びチャンネル信号ＣＨ、駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰをシリアル信号として液滴吐出ヘッド２に送信するためのクロック信号ＣＬＫ、後述する低粘度化アクチュエータを駆動する低粘度化信号ＬＶが入力されている。なお、これ以後、ノズルアクチュエータを駆動する駆動信号の最小単位を駆動パルスＰＣＯＭとし、駆動パルスＰＣＯＭが時系列的に連結された信号全体を駆動信号ＣＯＭと記す。即ち、ラッチ信号ＬＡＴで一連の駆動信号ＣＯＭが出力され始め、チャンネル信号ＣＨ毎に駆動パルスＰＣＯＭが出力されることになる。
【００１９】
図５には、駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）をノズルアクチュエータ２２に供給するために各液滴吐出ヘッド２内に構築されたスイッチングコントローラの具体的な構成を示す。このスイッチングコントローラは、液滴を吐出させるべきノズルに対応した圧電素子などのノズルアクチュエータ２２を指定するための駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰを保存するシフトレジスタ２１１と、シフトレジスタ２１１のデータを一時的に保存するラッチ回路２１２と、ラッチ回路２１２の出力をレベル変換して選択スイッチ２０１に供給することにより、駆動信号ＣＯＭをピエゾ素子などのノズルアクチュエータ２２に接続するレベルシフタ２１３を備えて構成されている。
【００２０】
シフトレジスタ２１１には、駆動信号選択データ信号ＳＩ＆ＳＰが順次入力されると共に、クロック信号ＣＬＫの入力パルスに応じて記憶領域が初段から順次後段にシフトする。ラッチ回路２１２は、ノズル数分の駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰがシフトレジスタ２１１に格納された後、入力されるラッチ信号ＬＡＴによってシフトレジスタ２１１の各出力信号をラッチする。ラッチ回路２１２に保存された信号は、レベルシフタ２１３によって次段の選択スイッチ２０１をオンオフできる電圧レベルに変換される。これは、駆動信号ＣＯＭが、ラッチ回路２１２の出力電圧に比べて高い電圧であり、これに合わせて選択スイッチ２０１の動作電圧範囲も高く設定されているためである。従って、レベルシフタ２１３によって選択スイッチ２０１が閉じられる圧電素子などのノズルアクチュエータは駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰの接続タイミングで駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）に接続される。また、シフトレジスタ２１１の駆動信号選択データＳＩ＆ＳＰがラッチ回路２１２に保存された後、次の印刷情報をシフトレジスタ２１１に入力し、液滴の吐出タイミングに合わせてラッチ回路２１２の保存データを順次更新する。なお、図中の符号ＨＧＮＤは、圧電素子などのノズルアクチュエータのグランド端である。また、この選択スイッチ２０１によれば、圧電素子などのノズルアクチュエータを駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）から切り離した後も、当該ノズルアクチュエータ２２の入力電圧は、切り離す直前の電圧に維持される。
【００２１】
図６には、ノズルアクチュエータの駆動回路の概略構成を示す。ラインヘッド型印刷装置を構成する液滴吐出ヘッド２には多数のノズルが形成されており、図７に示すように、その夫々に、前述したノズルアクチュエータ２２が設けられており、それらのノズルアクチュエータ２２の上流側に例えばトランスミッションゲートで構成される選択スイッチ２０１が配設され、選択スイッチ２０１がオンされているノズルアクチュエータ２２にのみ駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）が印加される。
【００２２】
本実施形態の駆動回路は、予め記憶されている駆動波形データＤＷＣＯＭに基づいて、駆動信号ＣＯＭの元、つまりノズルアクチュエータ２２の駆動を制御する信号の基準となる駆動波形信号ＷＣＯＭを生成する駆動波形信号発生回路２５と、駆動波形信号発生回路２５で生成された駆動波形信号ＷＣＯＭをパルス変調する変調回路２６と、変調回路２６でパルス変調された変調信号を電力増幅するデジタル電力増幅回路、所謂Ｄ級アンプ２８と、デジタル電力増幅器２８で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化して、駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）として選択スイッチ２０１からノズルアクチュエータ２２に供給する平滑フィルタ２９とを備えて構成される。
【００２３】
駆動波形信号発生回路２５は、ＣＰＵ６２ａから出力された駆動波形データＤＷＣＯＭを電圧信号に変換して所定サンプリング周期分ホールドすると共に、それをＤ／Ａ変換器でアナログ変換して駆動波形信号ＷＣＯＭとして出力する。この駆動波形信号ＷＣＯＭをパルス変調する変調回路２６には、周知のパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）回路を用いた。パルス幅変調は、例えば所定周波数の三角波信号やノコギリ波信号などの基準信号と入力信号、この場合は駆動波形信号ＷＣＯＭを比較し、例えば駆動波形信号ＷＣＯＭが基準信号より大きいときにオンデューティとなるパルスデューティの変調信号を出力する。また、変調回路２６には、この他にパルス密度変調（ＰＤＭ）回路などの周知のパルス変調回路を用いることができる。また、何れの場合も、プログラムによる演算処理によって変調回路２６を構成することができる。
【００２４】
デジタル電力増幅回路２８は、図８に示すように、実質的に電力を増幅するためのハイサイドのスイッチング素子Ｑ１及びローサイドのスイッチング素子Ｑ２からなるハーフブリッジＤ級出力段２１と、変調回路２６からの変調信号に基づいて、それらのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート−ソース間信号ＧＨ、ＧＬを調整するためのゲート駆動回路３０とを備えて構成されている。デジタル電力増幅回路２８では、変調信号がハイレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間信号ＧＨはハイレベルとなり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２のゲート−ソース間信号ＧＬはローレベルとなるので、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１はオン状態となり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２はオフ状態となり、その結果、ハーフブリッジＤ級出力段２１の出力は、供給電圧ＶＤＤとなる。一方、変調信号がローレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間信号ＧＨはローレベルとなり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２のゲート−ソース間信号ＧＬはハイレベルとなるので、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１はオフ状態となり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２はオン状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段２１の出力は０となる。
【００２５】
平滑フィルタ２９には、図９に示すように、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２、コイルＬ、抵抗Ｒからなる３次のフィルタを用いた。この平滑フィルタ２９によって、前記変調回路２６で生じた変調周波数、即ちパルス変調の周波数成分を減衰して除去し、前述したような波形特性の駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）を出力する。
図１０には、液滴吐出ヘッドのノズル近傍の縦断面を示す。図中の符号３１が、ノズル面に開設されたノズルである。前述したように、ノズル３１には、吐出する液体を加圧するためのキャビティ（圧力室）３２が連設されており、このキャビティ３２の上面に振動板３５を介してノズルアクチュエータ２２が取付けられている。キャビティ３２には、液体を貯留するためのリザーバ（貯留室ともいう）３３が連設されており、このリザーバ３３に液体タンクからチューブを経て吐出液体が供給される。本実施形態では、このリザーバ３３に振動板３５を介して低粘度化アクチュエータ３４が取付けられている。
【００２６】
この低粘度化アクチュエータ３４は、前述したノズルアクチュエータ２２と同様に、例えば圧電素子からなり、電圧信号からなる前記低粘度化信号が印加されると膨張したり収縮したりして、リザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与する。本実施形態では、印刷用のインクなどの液体に高粘度の液体を用いる。一般的に、高粘度インクなどの高粘度液体は、高分子が溶解しているものや、高濃度の顔料が分散しているものである。これらの高粘度液体は、非ニュートン流体という領域に属する。非ニュートン流体は、剪断速度に対し、粘度が指数関数的に変化するという性質を持っており、その多くは、剪断速度が増すと粘度が低下する傾向にある。一般的な傾向を図１１に示す。
【００２７】
この剪断速度と粘度の関係は、個々の高粘度液体によって異なるため、予めレオメータなどで液体の剪断速度と粘度の関係を測定し、低粘度化アクチュエータ３４への低粘度化信号を設定する。具体的には、例えば図１１のような剪断速度−粘度特性が得られたら、その特性の変曲点に相当する剪断速度が得られるように低粘度化信号ＬＶを設定する。設定する剪断速度は、この変曲点以下の剪断速度であってもよいが、変曲点の剪断速度が最も効率よく、液体を低粘度化する剪断速度となる。
【００２８】
この剪断速度変曲点以下の領域を、低粘度化アクチュエータ３４の駆動周波数ｆで表記すると、液体の等価回路の容量をＣ、抵抗をＲとしたとき、
ｆ≦１／２πＣＲ
と表れる。つまり、この周波数帯域で低粘度化アクチュエータ３４を駆動する場合、入力周波数成分は機械的変位エネルギーとなり、これを越える周波数帯域で低粘度化アクチュエータ３４を駆動すると、入力周波数成分は熱エネルギーとなってしまう。液体に与えられるエネルギーが熱エネルギーである場合、前述のように液体の温度が高くなるから、液体の変性や安全性低下を誘発してしまう。一方、液体に与えられるエネルギーが機械的エネルギーであれば、液体の温度を高めることなく、粘度を低下することができる。特に、本実施形態のように、リザーバ３３に低粘度化アクチュエータ３４を取付け、このリザーバ３３内の液体を低粘度化することにより、キャビティ３２への液体の流入をスムースにし、且つノズルからの吐出を安定化することができる。
【００２９】
このように、本実施形態の液滴吐出型印刷装置によれば、液滴を吐出するノズル３１と、ノズル３１に連通し且つノズル３１から吐出される液体を加圧するためのキャビティ３２と、キャビティ３２に連通し且つキャビティ３２に供給される液体を貯留するためのリザーバ３３と、キャビティ３２に備えられ且つノズル３１から液滴を吐出するためのノズルアクチュエータ２２と、リザーバ３３に備えられ且つリザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータ３４と、ノズルアクチュエータ２２を駆動制御すると共に低粘度化アクチュエータ３４を駆動制御する制御装置とを備え、リザーバ３３内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与して当該液体を低粘度化することとしたため、液体の変性や安定性低下を招くことなく、高粘度の液体を安定して吐出することができる。
【００３０】
また、剪断速度は、液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の速度とすることで、液体を低粘度化する機械的エネルギーを確実に付与することができる。
なお、前記実施形態では、本発明の液滴吐出装置をラインヘッド型の液滴吐出型印刷装置に用いた場合についてのみ詳述したが、本発明のゲルの生成方法は、マルチパス型の液滴吐出型印刷装置にも同様に適用可能である。また、これらの印刷装置形態以外の印刷装置であってもよく、例えば工業分野、医療分野などで液滴を吐出して印刷を行うものにも同様に適用することができる。
【００３１】
また、前記実施形態では、本発明の液滴吐出装置をインクなどの液体を吐出するものに具体化したが、この限りではなく、インク以外の他の液体（液体以外にも、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルなどの流状体を含む）や液体以外の流体（流体として流して吐出できる固体など）を吐出する液滴吐出装置に具体化することもできる。例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッサンス）ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルタの製造などに用いられる電極材や色材などの材料を分散又は溶解の形態で含む液状体を吐出する液状体吐出装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出装置、精密ピペットとして用いられて試料となる液体を吐出する液滴吐出装置であってもよい。更に、時計やカメラなどの精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出装置、光通信素子などに用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するための紫外線硬化樹脂などの透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出装置、基板などをエッチングするために酸又はアルカリなどのエッチング液を吐出する液滴吐出装置、ジェルを吐出する流状体吐出装置、トナーなどの粉体を例とする固体を吐出する流体吐出式記録装置であってもよい。そして、これらのうち何れか一種の吐出装置に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１は印刷媒体、２は液滴吐出ヘッド、３は給紙部、４は搬送部、５は給紙ローラ、６は搬送ベルト、７は電動モータ、８は駆動ローラ、９は従動ローラ、１０は排紙部、１１は固定プレート、２１はハーフブリッジＤ級出力段、２２はノズルアクチュエータ、２５は駆動波形信号発生回路、２６は変調回路、２８はデジタル電力増幅回路、２９は平滑フィルタ、３０はゲート駆動回路、３１はノズル、３２はキャビティ（圧力室）、３３はリザーバ（貯留室）、３４は低粘度化アクチュエータ、６５はヘッドドライバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通し且つノズルから吐出される液体を加圧するための圧力室と、前記圧力室に連通し且つ圧力室に供給される液体を貯留するための貯留室と、前記圧力室に備えられ且つノズルから液滴を吐出するためのノズルアクチュエータと、前記貯留室に備えられ且つ貯留室内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータと、前記ノズルアクチュエータを駆動制御すると共に前記低粘度化アクチュエータを駆動制御する制御装置とを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記剪断速度は、前記液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の速度としたことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通し且つノズルから吐出される液体を加圧するための圧力室と、前記圧力室に連通し且つ圧力室に供給される液体を貯留するための貯留室と、前記圧力室に備えられ且つノズルから液滴を吐出するためのノズルアクチュエータと、前記貯留室に備えられ且つ貯留室内の液体に所定の剪断速度の機械的エネルギーを付与するための低粘度化アクチュエータと、前記ノズルアクチュエータを駆動制御すると共に前記低粘度化アクチュエータを駆動制御する制御装置とを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記剪断速度は、前記液体の剪断速度と粘度の関係の変曲点以下の速度としたことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２０８２０５（Ｐ２０１０−２０８２０５Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５８２６３（Ｐ２００９−５８２６３）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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