特開 2023-128411 駆動制御装置、ヘッドユニット、液体吐出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023128411

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】駆動制御装置、ヘッドユニット、液体吐出装置

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/015 20060101AFI20230907BHJP

   B41J 2/01 20060101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

B41J2/015 101

B41J2/01 401

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022032747

(22)【出願日】2022-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100207181

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 朋

(72)【発明者】

【氏名】花田 卓弥

【テーマコード（参考）】

2C056

2C057

【Ｆターム（参考）】

2C056EA04

2C056EC08

2C056EC09

2C056EC31

2C056EC37

2C056EC38

2C056EC41

2C056EC42

2C056FA02

2C056FA10

2C057AF21

2C057AF22

2C057AG14

2C057AG44

2C057AM03

2C057AM15

2C057AM21

2C057AM22

2C057BA01

(57)【要約】

【課題】液体吐出ヘッドによる液体の吐出状態を安定化することを課題とする。
【解決手段】液体吐出ヘッド１０のノズル１４を開閉するニードル弁１７の駆動を制御する駆動制御装置４０であって、ニードル弁１７を駆動させる駆動パルスを生成する波形発生回路４１を備え、波形発生回路４１は、第１駆動パルスと、ニードル弁１７を最大変位量～最大変位量＊０．６の範囲の変位量である所定変位量で保持する保持時間が第１駆動パルスよりも小さく、保持時間における変位量の平均値が第１駆動パルスよりも大きい第２駆動パルスとを生成可能であることを特徴とする。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体吐出ヘッドの吐出口を開閉する開閉弁の駆動を制御する駆動制御装置であって、
前記開閉弁を駆動させる駆動パルスを生成する駆動パルス生成部を備え、
前記駆動パルス生成部は、第１駆動パルスと、前記開閉弁の変位量を所定変位量で保持する保持時間が前記第１駆動パルスよりも小さく、前記保持時間における前記開閉弁の変位量の平均値が前記第１駆動パルスよりも大きい第２駆動パルスとを生成可能であることを特徴とする駆動制御装置。

【請求項2】

前記液体吐出ヘッドが液体の吐出対象物の隣接する少なくとも二つの箇所に液体を吐出する場合に、前記少なくとも二つの箇所に個別に液滴を吐出するために前記液体を吐出する箇所の数と同じ回数だけ前記開閉弁を開閉させる複数駆動パルスと、前記少なくとも二つの箇所に跨るように液滴を吐出するために前記開閉弁を一度だけ開閉させて前記開閉弁を開いた状態を維持する単一駆動パルスとを生成可能である請求項１記載の駆動制御装置。

【請求項3】

前記開閉弁を閉じる速度が異なる複数の駆動パルスを生成可能である請求項１または２記載の駆動制御装置。

【請求項4】

前記開閉弁を閉じた状態から前記開閉弁を前記所定変位量まで開くまでの区間を上り区間、前記開閉弁を前記所定変位量で保持する区間を保持区間、前記開閉弁が前記所定変位量まで変位した前記開閉弁を閉じていく区間を下り区間とすると、
前記下り区間における前記吐出口からの液体の吐出速度が、前記上り区間および保持区間における前記吐出口からの液体の吐出速度よりも大きくなるように前記駆動パルスを生成する請求項３記載の駆動制御装置。

【請求項5】

前記液体の液圧をＰ、
前記吐出口の出口側開口端の断面積をＳ、
前記吐出口と前記開閉弁との間の領域である隙間領域の流体抵抗をＲ_bulb、
前記吐出口内の流体抵抗をＲ_nozzle、
前記開閉弁を閉じる速度ＳＲ_bulbとすると、
下記の数式（１）を満たす前記駆動パルスを生成する請求項３または４記載の駆動制御装置。

【数1】

【請求項6】

液体吐出ヘッドの開閉弁を駆動する駆動体に電圧を印加し、前記開閉弁の吐出口に対する開閉動作を制御する駆動制御装置であって、
前記駆動体に印加する電圧のパルスである駆動パルスを生成する駆動パルス生成部を備え、
前記駆動パルス生成部は、第１駆動パルスと、前記駆動体に所定電圧を印加した状態で保持する保持時間が前記第１駆動パルスよりも小さく、前記保持時間における電圧の平均値が前記第１駆動パルスよりも大きい第２駆動パルスとを生成可能であることを特徴とする駆動制御装置。

【請求項7】

前記液体吐出ヘッドが液体の吐出対象物の隣接する少なくとも二つの箇所に液体を吐出する場合に、前記少なくとも二つの箇所に個別に液滴を吐出するために前記液体を吐出するする箇所の数と同じ回数だけ前記駆動体に印加する電圧の値を前記所定電圧まで上げた後に下げる複数駆動パルスと、前記少なくとも二つの箇所に跨るように液滴を吐出するために前記駆動体に印加する電圧の値を一度だけ前記所定電圧まで上げ、前記所定電圧の印加状態を維持する単一駆動パルスとを生成可能である請求項６記載の駆動制御装置。

【請求項8】

前記電圧を前記所定電圧から下げる速度の異なる複数の駆動パルスを生成可能である請求項６または７いずれか記載の駆動制御装置。

【請求項9】

電圧を前記所定電圧まで上げる区間を上り区間、前記所定電圧を印加した状態を保持する区間を保持区間、電圧を前記所定電圧から下げていく区間を下り区間とすると、
前記下り区間における前記吐出口からの液体の吐出速度が、前記上り区間および保持区間における前記吐出口からの液体の吐出速度よりも大きくなるように前記駆動パルスを生成する請求項８記載の駆動制御装置。

【請求項10】

前記液体の液圧をＰ、
前記吐出口の出口側開口端の断面積をＳ、
前記吐出口と前記開閉弁との間の領域である隙間領域の流体抵抗をＲ_bulb、
前記吐出口内の流体抵抗をＲ_nozzle、
電圧を前記所定電圧から下げる速度を速度SＲ_bulbとすると、
下記の数式（１）を満たす前記駆動パルスを生成する請求項８または９記載の駆動制御装置。

【数1】

【請求項11】

前記液体吐出ヘッドは大きさの異なる複数の液滴を吐出し、
前記液体吐出ヘッドから吐出する液滴が大きい場合には前記第１駆動パルスを生成し、前記液体吐出ヘッドから吐出する液滴が前記第１駆動パルスの場合よりも小さい場合には前記第２駆動パルスを生成する請求項１から１０いずれか１項に記載の駆動制御装置。

【請求項12】

前記液体吐出ヘッドが液体を吐出する周期が長い場合には前記第１駆動パルスを生成し、前記液体吐出ヘッドが液体を吐出する周期が前記第１駆動パルスを生成する場合よりも短い場合には前記第２駆動パルスを生成する請求項１から１１いずれか１項に記載の駆動制御装置。

【請求項13】

請求項１から１２いずれか１項に記載の駆動制御装置と、
前記液体吐出ヘッドとを備えたヘッドユニット。

【請求項14】

液体を吐出する吐出口を開閉する開閉弁を有する液体吐出ヘッドと、
前記開閉弁の駆動を制御する駆動制御装置とを備えるヘッドユニットであって、
第１駆動パルスによって前記開閉弁を駆動して液体を吐出する動作と、前記開閉弁を所定変位量だけ変位させた状態で保持する保持時間が前記第１駆動パルスよりも小さく、前記保持時間における前記開閉弁の変位量の平均値が前記第１駆動パルスよりも大きい第２駆動パルスによって前記開閉弁を駆動して液体を吐出する動作とを選択的に実行することを特徴とするヘッドユニット。

【請求項15】

駆動体、および、前記吐出口を開閉する開閉弁とを有する前記液体吐出ヘッドと、
前記駆動体に電圧を印加して前記開閉弁の駆動を制御する駆動制御装置と、を備えるヘッドユニットであって、
第１駆動パルスによって前記開閉弁を駆動して液体を吐出する動作と、前記駆動体に所定電圧を印加した状態で保持する保持時間が前記第１駆動パルスよりも小さく、前記保持時間に印加する電圧の平均値が前記第１駆動パルスよりも大きい第２駆動パルスによって前記開閉弁を駆動して液体を吐出する動作とを選択的に実行することを特徴とするヘッドユニット。

【請求項16】

前記液体吐出ヘッドは大きさの異なる複数の液滴を吐出し、
前記液体吐出ヘッドから吐出する液滴が大きい場合には前記第１駆動パルスが選択され、前記液体吐出ヘッドから吐出する液滴が前記第１駆動パルスの場合よりも小さい場合には前記第２駆動パルスが選択される請求項１４または１５記載のヘッドユニット。

【請求項17】

前記液体吐出ヘッドが液体を吐出する周期が長い場合には前記第１駆動パルスが選択され、前記液体吐出ヘッドが液体を吐出する周期が前記第１駆動パルスを生成する場合よりも短い場合には前記第２駆動パルスが選択される請求項１４または１５記載のヘッドユニット。

【請求項18】

請求項１３から１７いずれか１項に記載のヘッドユニットを備えた液体吐出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、駆動制御装置、ヘッドユニットおよび液体吐出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

開閉弁によって吐出口を開閉することにより液体の吐出を行う液体吐出ヘッドが存在する。そして、この開閉弁を駆動させる駆動体に電圧を印加することにより、開閉弁の駆動を制御する駆動制御装置が存在する。

【0003】

例えば特許文献１（特開２０１８－５１４７７号公報）の液体吐出装置では、ピエゾ素子に電圧を印加してピエゾ素子を伸縮させることで、移動体を移動させて吐出口を開閉し、吐出口から流体を吐出することが記載されている。この液体吐出装置では、移動体を一度往復させて吐出口からの流体の吐出を開始させる吐出処理の後、再度移動体を往復させることで、吐出口から吐出される流体に貯留室側へ向かう力を発生させる移動処理を行う。これにより、吐出口の外部に流体が残留することを抑制している。またこの移動処理では、移動体の移動距離の異なる複数の移動波形を選択できることが記載されている。

【0004】

ところで、液体吐出ヘッドによる液体の吐出は、要求される液滴の大きさや吐出の周期などの吐出条件や、環境温度などの外的条件がその都度異なっており、これらの条件の違いが液体の吐出速度や吐出量などに影響を与える。このため、液体吐出ヘッドによる液体の吐出状態にもばらつきを生じ、印刷される画像の品質にばらつきを生じてしまうという問題があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明では、液体吐出ヘッドによる液体の吐出状態を安定化することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するため、本発明は、液体吐出ヘッドの吐出口を開閉する開閉弁の駆動を制御する駆動制御装置であって、前記開閉弁を駆動させる駆動パルスを生成する駆動パルス生成部を備え、前記駆動パルス生成部は、第１駆動パルスと、前記開閉弁の変位量を所定変位量で保持する保持時間が前記第１駆動パルスよりも小さく、前記保持時間における前記開閉弁の変位量の平均値が前記第１駆動パルスよりも大きい第２駆動パルスとを生成可能であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、液体吐出ヘッドによる液体の吐出状態を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】液体吐出ヘッドの斜視図である。

【図2】ヘッドユニットを示す図である。

【図3】液体吐出モジュールを示す断面図である。

【図4】液体供給手段の一例を示す概略構成図である。

【図5】（ａ）～（ｃ）はニードル弁の開閉動作によるインクの吐出を示す図で、（ｄ）はその時の駆動パルスを示す図である。

【図6】液滴の大きさによって異なる駆動パルスを示す図である。

【図7】圧電素子の経時の収縮による変化を示す図である。

【図8】駆動周期によって異なる駆動パルスを示す図である。

【図9】隣接箇所へインクを吐出する場合の駆動パルスを示す図で、（ａ）図が駆動パルスの波形を示し、（ｂ）図がそれによって吐出される液滴の形状の一例を示している。

【図10】隣接箇所へインクを吐出する場合の、図９と異なる駆動パルスを示す図で、（ａ）図が駆動パルスの波形を示し、（ｂ）図がそれによって吐出される液滴の形状の一例を示している。

【図11】ノズルから吐出されたインクを示す図である。

【図12】ニードル弁を閉じる速度の異なる複数の駆動パルスを示す図である。

【図13】駆動制御装置が駆動パルスを生成する過程を示すフロー図である。

【図14】液体吐出装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、本発明の一実施形態に係る駆動制御装置として、液体吐出ヘッドに設けられた開閉弁の駆動を制御する駆動制御装置を説明する。またこの液体吐出ヘッドは、液体としてのインクを吐出する。

【0010】

図１は、液体吐出ヘッドの全体斜視図である。

【0011】

液体吐出ヘッド１０はハウジング１１を備える。ハウジング１１は金属または樹脂からなる。また、ハウジング１１は、その上部に電気信号の通信のためのコネクタ２９を備える。また、ハウジング１１の左右には、インクをヘッド内に供給するための供給ポート１２と、インクをヘッドから排出するための回収ポート１３を設けている。

【0012】

図２はヘッドユニットを示す図で、液体吐出ヘッドの図１のＡ－Ａ矢視断面を示す図でもある。

【0013】

ヘッドユニット６０は、液体吐出ヘッド１０と駆動制御装置４０とを有する。

【0014】

液体吐出ヘッド１０はノズル板１５を有する。ノズル板１５はハウジング１１に接合されている。ノズル板１５はインクを吐出するノズル１４を備える。ハウジング１１は流路１６を備えている。流路１６は、供給ポート１２側からのインクを、ノズル板１５上を経て回収ポート１３側へ送る経路である。インクは、流路１６上を図２に示す矢印ａ１～ａ３で示す方向へ送られる。

【0015】

供給ポート１２と回収ポート１３との間には、液体吐出モジュール３０が配置されている。液体吐出モジュール３０は流路１６内のインクをノズル１４から吐出する。液体吐出モジュール３０の数はノズル１４の数に対応しており、本例では１列に並べた８個のノズル１４に対応する８個の液体吐出モジュール３０を備えた構成を示している。なお、ノズル１４および液体吐出モジュール３０の数および配列は上記に限るものではない。例えば、ノズル１４および液体吐出モジュール３０の数は、複数ではなく１個であってもよい。また、ノズル１４および液体吐出モジュール３０の配列は、１列ではなく複数列で配置してもよい。

【0016】

上記の構成により、供給ポート１２は加圧した状態のインクを外部から取り込み、インクを矢印ａ１方向へ送り、インクを流路１６に供給する。流路１６は、供給ポート１２からのインクを矢印ａ２方向へ送る。そして、回収ポート１３は、流路１６に沿って配置したノズル１４から吐出しなかったインクを矢印ａ３方向へ排出する。

【0017】

液体吐出モジュール３０は、ノズル１４を開閉するニードル弁１７と、ニードル弁１７を駆動する圧電素子１８とを備える。

【0018】

ハウジング１１は、圧電素子１８の上端部と対向する位置に規制部材１９を備えている。この規制部材１９は、圧電素子１８の上端部に当接しており、圧電素子１８の固定点をなしている。

【0019】

ここで、ノズル１４は吐出口の一例で、ノズル板１５は吐出口形成部材の一例で、ニードル弁１７は開閉弁の一例で、圧電素子１８は駆動体の一例である。

【0020】

圧電素子１８を作動してニードル弁１７を上方向へ動かした場合は、ニードル弁１７によって閉じていたノズル１４が開いた状態になり、ノズル１４からインクを吐出する。また、圧電素子１８を作動してニードル弁１７を下方向へ動かした場合は、ニードル弁１７の先端部がノズル１４に当接してノズル１４が閉じた状態になり、ノズル１４からインクは吐出しなくなる。なお、ノズル１４からのインクの吐出効率が低下しないようにするため、液体の吐出対象物に対してインクを吐出している期間は、回収ポート１３からのインクの排出を一時的に行わないようにしてもよい。

【0021】

図３は、液体吐出ヘッドを構成する液体吐出モジュール単体の説明図である。図３（ａ）は液体吐出モジュールの全体断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ部の拡大図である。

【0022】

流路１６はハウジング１１に設けた複数の液体吐出モジュール３０に共通の流路である。

【0023】

ニードル弁１７はその先端に弾性部材１７ａを備えている。ニードル弁１７の先端をノズル板１５に押し付けた際に、弾性部材１７ａが圧縮されることで、ニードル弁１７がノズル１４を確実に閉塞する。また、ニードル弁１７とハウジング１１との間には、軸受部２１を設ける。軸受部２１とニードル弁１７との間には、Ｏリングなどのシール部材２２を設けている。

【0024】

ハウジング１１の内側の空間１１ａ内には圧電素子１８を収容している。保持部材２３は中央空間２３ａ内に圧電素子１８を保持している。圧電素子１８とニードル弁１７とは同軸上に保持部材２３の先端部２３ｂを介して連結されている。保持部材２３は、先端部２３ｂ側はニードル弁１７と連結し、後端部２３ｃ側はハウジング１１に取り付けられた規制部材１９によって固定されている。

【0025】

駆動制御装置４０によって圧電素子１８に電圧が印加されることで、圧電素子１８が収縮し、圧電素子１８が保持部材２３を介してニードル弁１７を引っ張る。これにより、ニードル弁１７がノズル１４から離間してノズル１４を開放する。これにより、流路１６に加圧供給したインクがノズル１４から吐出される。また、圧電素子１８に電圧を印加していないときは、ニードル弁１７がノズル１４を閉塞している。この状態では、流路１６にインクが加圧供給されていても、ノズル１４からインクが吐出することはない。

【0026】

駆動制御装置４０は、駆動パルス生成部である波形発生回路４１と増幅回路４２とを有する。波形発生回路４１が後述する駆動パルス波形を生成し、増幅回路４２が必要な値まで電圧値を増幅する。そして、増幅された電圧が圧電素子１８に印加される。この電圧の印加により、駆動制御装置４０は、ニードル弁１７の開閉を制御し、液体吐出ヘッドからのインクの吐出を制御する。ただし、波形発生回路４１が十分な値の電圧を印加できる場合には増幅回路４２は省略してもよい。

【0027】

波形発生回路４１は、圧電素子１８に印加する電圧の時間経過に伴う波形である駆動パルスを生成する。波形発生回路４１は、外部のＰＣや装置内部のマイコンから印刷データを入力され、この入力データに基づいて駆動パルスを生成する。波形発生回路４１は、圧電素子１８に印加する電圧を変更でき、複数の駆動パルスを生成できる。前述のように、波形発生回路４１が駆動パルスを生成することにより、圧電素子１８が駆動パルスに従って伸縮し、ニードル弁１７を開閉移動させる。

【0028】

図４は、液体供給手段の一例を示す概略構成図である。

【0029】

液体吐出装置は、各液体吐出ヘッド１０ａ～１０ｄから吐出するインク９０ａ～９０ｄを収容した密閉容器としてのタンク３１ａ～３１ｄを備えている。なお、以下の説明において、これら各インクを総称する場合はインク９０と記す。また、各タンクを総称する場合は、タンク３１と記す。

【0030】

タンク３１と液体吐出ヘッド１０の注入口（図１、図２に示した供給ポート１２）とは、それぞれチューブ３２を介して接続している。一方、タンク３１は、エアーレギュレータ３３を含むパイプ３４を介してコンプレッサ３５に接続している。コンプレッサ３５はタンク３１に加圧空気を供給する。これにより、液体吐出ヘッド１０内のインク９０は加圧状態になり、前述のニードル弁を開けばノズル１４からインク９０が吐出する。ここで、コンプレッサ３５、エアーレギュレータ３３を含むパイプ３４、タンク３１、およびチューブ３２は、液体吐出ヘッド１０に対してインク９０を加圧供給する液体供給手段の一例である。

【0031】

次に、駆動制御装置４０が圧電素子１８に電圧を印加してニードル弁１７を駆動する様子について図５を用いて説明する。図５（ａ）～（ｃ）はニードル弁の開閉の様子を示す図で、図５（ｄ）はその際のニードル弁の変位量を示すもので、横軸に時間ｔ［ｓ］、縦軸にニードル弁の変位量Ｃ［ｍｍ］を示している。ここで言うニードル弁の変位量とは、図５（ａ）のニードル弁１７がノズル板１５に当接し、ニードル弁１７がノズル１４を閉じた位置を０として、そこからニードル弁１７が図５（ａ）の上方向である開き方向へ移動した量を示すものである。

【0032】

なお、駆動制御装置４０は、圧電素子１８に対して電圧のパルスである駆動パルスを印加して圧電素子１８を伸縮させ、開閉弁を駆動させる。この駆動パルスはニードル弁の変位量と比例関係にある。つまり、駆動制御装置４０が形成する時間ｔに対する駆動パルスは、図５（ｄ）の時刻ｔの変化に対するニードル弁の変位量の推移と同様の形状の波形をなす。このため、以降の説明では、図５（ｄ）等に示す変位量Ｃの波形が駆動パルスの波形である（駆動パルスの波形と等しい）ものとして説明する。

【0033】

圧電素子１８への印加電圧を０Ｖにした状態では、図５（ａ）に示すように、圧電素子１８が伸張してニードル弁１７がノズル板１５に当接する。これにより、ニードル弁１７がノズル１４を閉じる。図５（ｄ）および以降の図では、ニードル弁１７がノズル１４を閉じた状態をニードル弁１７の変位量０とし、この位置からのニードル弁１７の変位量として変位量Ｃを示している。また本実施例では、ノズル１４を閉じるときは電圧を０Ｖとしているが、後述の所定電圧よりも小さな電圧であれば０Ｖ以外としてもよい。

【0034】

また圧電素子１８に電圧を印加することにより、圧電素子１８が収縮する。これにより、図５（ｂ）に示すように、ニードル弁１７が図５（ｂ）の上方向へ移動し、ニードル弁１７とノズル板１５との間に隙間領域５０が形成される。そして、圧電素子１８に対する電圧の印加をやめることにより、あるいは印加する電圧を小さくすることにより、図５（ｃ）に示すように、再びニードル弁１７がノズル板１５に当接してノズル１４を閉じる。

【0035】

以上のニードル弁１７による開閉動作の区間として、図５（ｄ）に示すように、ニードル弁１７の変位量が大きくなっていく上り区間Ｄ１と、ニードル弁１７の変位量が最大変位量Ｃ_ｍａｘ＊０．６～最大変位量Ｃ_ｍａｘの範囲で保持される保持区間Ｄ２と、ニードル弁１７の変位量が小さくなっていく下り区間Ｄ３との三つの区間に分けられる。

【0036】

このノズル１４の開放時には、コンプレッサ３５（図４参照）によりインク９０が加圧されている。従って、図５（ｂ）のように、インク９０の液圧により開放されたノズル１４からインクが吐出される。上り区間Ｄ１の初期は、ニードル弁１７の変位量が小さく隙間領域５０も小さいため、インクの吐出速度は小さい。そして、保持区間Ｄ２では、変位量が大きくなりインクの吐出速度も大きくなる。このため、ノズル１４から吐出されるインクは、図５（ｂ）のように下流側に形成された液滴９１Ａの塊をこれに連なる糸部分が押し出すような形になる。またこれとは別に、下り区間Ｄ３では、ニードル弁１７が閉じられていく過程で、隙間領域５０のインク９０が加圧されてノズル１４から押し出される。これにより、図５（ｃ）に示すように、上流側に別の液滴９１Ｂの塊が形成される。

【0037】

ここで、液体の吐出対象物に形成する画像の品質を安定させるために、インクの吐出量や吐出速度を安定させることが重要になる。しかし、吐出するインクの液滴の大きさやインクを吐出する周期などの吐出条件は、その都度異なる。そこで本実施形態では、駆動制御装置がこれらの条件毎に異なる駆動パルスを生成している。

【0038】

ここで、ノズルからのインクの吐出量は、インク９０の液圧とニードル弁１７の開口時間に比例し、隙間領域５０における流体抵抗に反比例する。具体的には、液圧をＰ、ノズル１４の流体抵抗をＲ_nozzle、隙間領域５０の流体抵抗をＲ_lift、ニードル弁１７の開口時間をΔｔとし、駆動パルスの波形が矩形であるとすると、吐出量Ｑを下記式（２）により求めることができる。あるいは、駆動パルスが矩形でない場合には、インクを吐出する周期をＴとすると、吐出量Ｑを下記式（３）により求めることができる。なお、液圧Ｐは圧力計により液体吐出モジュール内に入るインクの液圧を測定する、あるいはタンク３１（図４参照）の液圧を測定することにより求める。また、Ｒ_nozzleはノズル１４の断面積により、Ｒ_liftは隙間領域５０の寸法により求めることができる。

【数2】

【数3】

【0039】

またインクの吐出速度は単位時間当たりの吐出量に比例し、ノズル１４の断面積に反比例する。具体的には、ノズル１４の出口側開口端の断面積をＳとし、駆動パルスが矩形であるとすると、吐出速度Ｖを下記式（４）により求めることができる。あるいは、駆動パルスが矩形でない場合には、吐出速度Ｖを下記式（５）により求めることができる。

【数4】

【数5】

【0040】

ここで、本実施形態の駆動制御装置は、液体吐出ヘッドが吐出するインクの液滴の大きさにより、異なる駆動パルスを生成する。具体的には、駆動制御装置は、図６に示すように、大きい液滴を吐出する際の駆動パルスＡ１と、中間の大きさの液滴を吐出する際の駆動パルスＡ２と、小さい液滴を吐出する際の駆動パルスＡ３とを生成できる。

【0041】

各駆動パルスのニードル弁が所定変位量だけ変位した状態で保持する保持時間は、駆動パルスＡ１の保持時間ｔ１が最も大きく、駆動パルスＡ２の保持時間ｔ２、駆動パルスＡ３の保持時間ｔ３の順で小さくなる。この「所定変位量」とは、その駆動パルスにおける最大変位量＊０．６～最大変位量の範囲の変位量のことを指し、「保持時間」は、この「所定変位量」で保持される区間のことである。またこれとは逆に、保持時間における変位量の平均値は、駆動パルスＡ１が最も小さく、Ａ２、Ａ３の順で大きくなる。なお最大変位量は、駆動パルスＡ１の最大変位量Ｃ１が最も小さく、駆動パルスＡ２の最大変位量Ｃ２、駆動パルスＡ３の変位量Ｃ３の順で大きくなる。以下、各駆動パルスにおけるニードル弁の最大変位量を単に最大変位量、そして、所定変位量だけ変位した状態での保持時間を単に保持時間とも呼ぶ。またニードル弁が最大変位した時は、駆動制御装置が圧電素子１８に最大電圧を印加した時でもある。そして保持時間は所定電圧を印加した状態で保持した時間でもある。この所定電圧とは、最大の電圧値＊０．６～最大の電圧値の範囲の電圧である。

【0042】

最大変位量が大きいほどインクが通る道幅が大きくなり、ノズル１４から吐出されるインクの吐出速度は大きくなる。また所定変位量での保持時間が長いほど吐出されるインクの量が多くなり、インクの吐出速度も大きくなる。このため、本実施形態では、吐出する液滴を大きくしたい時ほど保持時間を大きくしてインクの吐出量を大きくしている。一方で、吐出する液滴が小さい場合には、保持時間における変位量の平均値を大きくすることで吐出速度を大きくしている。これにより、それぞれの駆動パルスにおける吐出速度を略同じにしている。つまり、本実施形態のように複数の駆動パルスを使い分けることにより、吐出する液滴の大きさに関わらず、略一定の速度でインクを吐出することができ、液体吐出ヘッドからのインクの吐出状態を安定させることができる。従って、液体の吐出対象物に形成する画像の品質を向上させることができる。

【0043】

以上のように本実施形態の駆動制御装置は、吐出する液滴の大きさに応じて複数の駆動パルスを生成できる。ただし、この駆動パルスは少なくとも２つあればよく、また４つ以上であってもよい。これらの駆動パルスのうち、ある駆動パルス（例えば駆動パルスＡ１）を本発明の第１駆動パルス、そして、この第１駆動パルスよりもニードル弁の保持時間における変位量の平均値が大きく、保持時間が小さい駆動パルス（例えば駆動パルスＡ３）を本発明の第２駆動パルスとすることができる。

【0044】

ところで、圧電素子１８は電圧を印加することにより発熱する。このため、高電圧を印加したり高周波での駆動を続けると、圧電素子１８の負の熱膨張係数により圧電素子１８が収縮し、ニードル弁１７の変位量も小さくなってしまう。一例として図７に示すように、時刻ｔ０から高電圧での駆動を継続すると、圧電素子１８の熱収縮によってニードル弁の変位量Ｃが小さくなり、ひいてはインクの吐出量Ｑ、吐出速度Ｖも小さくなってしまう。

【0045】

これに対して本実施形態では、駆動制御装置が、圧電素子の発熱量の異なる複数の駆動パルスを生成できる。具体的には、図８に示すように、駆動制御装置は、第２駆動パルスとしての駆動パルスＢ１と、第１駆動パルスとしての駆動パルスＢ２とを生成できる。駆動パルスＢ１の最大変位量Ｃ４は駆動パルスＢ２の最大変位量Ｃ５よりも大きい。そして、駆動パルスＢ１の保持時間における変位量の平均値は駆動パルスＢ２の保持時間における変位量の平均値よりも大きい。また、駆動パルスＢ１の保持時間ｔ４は駆動パルスＢ２の保持時間ｔ５よりも小さい。

【0046】

本実施形態の駆動制御装置は、ニードル弁の駆動周波数が大きい場合には駆動パルスＢ１を生成し、ニードル弁の駆動周波数が小さい場合には駆動パルスＢ２を生成する。駆動パルスＢ１と駆動パルスＢ２はその面積が略同じになるように設定されており、吐出量は略同じである。

【0047】

圧電素子の発熱量を抑える観点で考えると、保持時間における変位量の平均値の小さい（つまり印加する電圧の小さい）駆動パルスＢ２が好ましい。しかし一方で、駆動パルスＢ２はニードル弁を開閉する時間が長くなり、高速印刷に対応できないという問題がある。そこで本実施形態では、上記のように、駆動周波数が小さい場合には圧電素子の発熱量の小さい駆動パルスＢ２を生成し、駆動周波数が大きい場合には駆動パルスＢ１を生成する。これにより、圧電素子の熱収縮を抑制してノズルからのインクの吐出量や吐出速度を安定化するとともに、ニードル弁の高周波駆動にも対応することができる。また、駆動周波数ごとに３つ以上の駆動パルスを生成できる構成であってもよい。

【0048】

また圧電素子１８の発熱を抑える観点では、ニードル弁の開閉の回数を減らすことも有効である。つまり本実施形態の駆動制御装置は、液体の吐出対象物の隣接する２箇所にインクを吐出する場合、図９（ａ）に示すように、ニードル弁をその都度開閉させる複数駆動パルスである駆動パルスＥ１を生成し、図９（ｂ）に示すように、それぞれの箇所に吐出する液滴を個別に形成することもできる。一方で、図１０（ａ）に示すように、ニードル弁を一度だけ開閉させ、ニードル弁の開放状態を維持する単一駆動パルスである駆動パルスＥ２を生成し、図１０（ｂ）に示すように、２箇所に跨って吐出される糸状の液滴を形成することもできる。駆動パルスＥ２により、圧電素子の熱収縮を抑制してノズルからのインクの吐出量や吐出速度を安定化することができる。また、隣接するインクの吐出箇所に対して糸状の液滴による塗布を行うので、インクの液体の吐出対象物に対する着弾時のインク跳ねや膜厚のムラを抑制できる。

【0049】

駆動パルスＥ１において、ニードル弁をその都度開閉させるというのは、駆動体に印加する電圧を０Ｖから所定電圧まで上げた後に０Ｖまで下げる動作を吐出箇所の数だけ行うことである。また、駆動パルスＥ２において、ニードル弁を一度だけ開閉するというのは、駆動体に印加する電圧を所定電圧まで上げて保持した後、０Ｖまで下げることである。なお、液体の吐出対象物の３箇所以上に連続してインクを吐出する場合に、これらをすべて一度のニードル弁の開閉によりインクを吐出してもよい。

【0050】

ところで、ノズルから吐出されるインクには、図５（ｃ）で示したように、インクの液圧により形成される吐出方向下流側の液滴９１Ａと、開閉弁を閉じる圧力により形成される吐出方向上流側の液滴９１Ｂとがある。そして、ノズル１４からこれらの液滴が吐出された後に、上流側の液滴９１Ｂの速度が下流側の液滴９１Ａの速度よりも大きい場合には、図１１（ａ）に示すように、上流側の液滴９１Ｂが下流側の液滴９１Ａに追いついて１つの大きな液滴になる。これとは反対に、図１１（ｂ）に示すように、上流側の液滴９１Ｂの速度が下流側の液滴９１Ａの速度以下の場合には、二つの液滴９１Ａ，９１Ｂは分離するか、あるいは細長い糸形状になる。

【0051】

図１１（ａ）の場合には、ノズルから吐出されるインクが１つの球形に近い液滴になるため、液体の吐出対象物に対する吐出状態が安定し、液体の吐出対象物に良好な画像を形成できる。一方、図１１（ｂ）の場合には、同一箇所に２度液滴が着弾して前後の液滴９１Ａ，９１Ｂが干渉することで、液体の吐出対象物に形成される画像が不安定になるなど、印刷不良を起こす。つまり、図１１（ａ）のように上流側の液滴９１Ｂの速度が下流側の液滴９１Ａの速度よりも大きい方が、ノズルからのインクの吐出状態を安定させることができ、好ましい。

【0052】

これに対して本実施形態の駆動制御装置は、ニードル弁１７を閉じる速度を変化させる複数の駆動パルスを生成できる。具体的には、図１２に示すように、駆動制御装置は、ニードル弁１７を閉じる速度（図１２に示す下り勾配）が大きい駆動パルスＦ１と、この勾配が小さくニードル弁１７を閉じる速度が小さい駆動パルスＦ２とを生成できる。

【0053】

ニードル弁１７を閉じる速度が大きい駆動パルスＦ１では、図１１（ａ）のように、上流側の液滴９１Ｂの速度が下流側の液滴９１Ａの速度よりも大きくなるように、その勾配が設定される。これにより、上記のようにインクの吐出状態を安定させることができる。具体的には、ニードル弁１７を閉じる速度であるスルーレートをＳＲ_bulbとすると、ＳＲ_bulbが前述の式（４）で示される吐出速度Ｖ以上に設定され、下記式（６）を満たすように設定される。なお、スルーレートの異なる３つ以上の駆動パルスを生成可能であってもよい。

【0054】

【数6】

【0055】

上記のスルーレートＳＲ_bulbは、駆動体に印加する電圧を所定電圧から０Ｖまで下げる速度のことでもある。

【0056】

以上の説明では、決まった複数の駆動パルスの中からその一つを選択するものとしたが、数値を調整するように設定してもよい。例えば図６の実施形態では、保持時間における変位量の平均値が大きくなるほど所定変位量での保持時間が小さくなるように、変位量の値を任意に設定してもよいし、例えば図１２の実施形態では、スルーレートを任意に設定してもよい。また、図６の液滴による駆動パルスの違い、図８の駆動周波数による駆動パルスの違い、図９の連続吐出時の駆動パルスの選択、図１２の駆動パルスにおけるスルーレートの違い、のそれぞれの条件を組み合わせて合成した駆動パルスを生成してもよい。

【0057】

次に、駆動制御装置があるノズルに対して駆動パルスを生成する過程の一例について、図１３のフロー図を用いて説明する。

【0058】

図１３に示すように、まず外部のＰＣや装置内のマイコンなどからノズルにより吐出する液滴の大きさのデータを受け取る（ステップＳ１）。そして、このデータに基づいて、一度目の駆動パルスを選択する（ステップＳ２，Ｓ３）。本実施形態では、まず、液滴の大きさに応じて、定型の駆動パルスから一つを選択する。その後、環境温度などの外乱要因や、駆動周期、経時変化を考慮したインクの粘度などのその他要因に基づいて、ニードル弁の最大変位量、スルーレート、ニードル弁の所定変位量での保持時間をそれぞれ補正する（ステップＳ４～Ｓ６）。そして、波形発生回路４１（図３（ａ）参照）により駆動パルスを生成して増幅回路４２により波形を増幅し、液体吐出ヘッドの圧電素子に電圧を印加する（ステップＳ７～Ｓ９）。そして、このノズルによりインクの吐出が終了するまでステップＳ３～Ｓ９のフローを繰り返す。

【0059】

以上のように本実施形態の駆動制御装置によれば、吐出する液滴の大きさや駆動周期などの吐出条件に応じて、適切な駆動パルスを生成できる。従って、ノズルからのインクの吐出量や吐出速度を安定させることができる等、液体吐出ヘッドからのインクの吐出状態を安定させることができる。従って、液体の吐出対象物に形成する画像の品質を向上させることができる。

【0060】

以上の本実施形態では、変位量が最大値まで増加して一定になる例を説明したが、保持時間において、変位量の最大値に対して－４０％以内で変位量が変動や振動するように構成してもよい。また同様に、以上の本実施形態では、電圧が上昇し続けて最大値まで増加し、最大値を維持する例を説明したが、保持時間における最大電圧値に対して－４０％以内で電圧が変動や振動するように構成してもよい。

【0061】

次に、以上の駆動制御装置を有するヘッドユニットを備えた液体吐出装置について、図１４を用いて説明する。

【0062】

図１４に示すように、液体吐出装置１００は、対象物の一例である液体の吐出対象物２００に対向して設置している。液体吐出装置１００は、Ｘ軸レール１０１と、このＸ軸レール１０１と交差するＹ軸レール１０２と、Ｘ軸レール１０１およびＹ軸レール１０２と交差するＺ軸レール１０３を備える。

【0063】

Ｙ軸レール１０２は、Ｘ軸レール１０１がＹ方向に移動可能なように、Ｘ軸レール１０１を保持する。また、Ｘ軸レール１０１は、Ｚ軸レール１０３がＸ方向に移動可能なように、Ｚ軸レール１０３を保持する。そして、Ｚ軸レール１０３は、キャリッジ１がＺ方向に移動可能なように、キャリッジ１を保持する。ここで、キャリッジ１は、ヘッドユニットの一例であり、前述の駆動制御装置と液体吐出ヘッドを備えている。

【0064】

液体吐出装置１００は、キャリッジ１をＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向に動かす第１のＺ方向駆動部９２と、Ｚ軸レール１０３をＸ軸レール１０１に沿ってＸ方向に動かすＸ方向駆動部７２を備える。また、液体吐出装置１００は、Ｘ軸レール１０１をＹ軸レール１０２に沿ってＹ方向に動かすＹ方向駆動部８２を備える。さらに、液体吐出装置１００は、キャリッジ１に対してヘッド保持体７０をＺ方向に動かす第２のＺ方向駆動部９３を備える。

【0065】

キャリッジ１は、ヘッド保持体７０を備えている。ヘッド保持体７０は、保持体の一例である。また、キャリッジ１は、図１４に示した第１のＺ方向駆動部９２からの動力によりＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向へ移動可能である。ヘッド保持体７０は、図１４に示した第２のＺ方向駆動部９３からの動力によりキャリッジ１に対してＺ方向へ移動可能である。

【0066】

上記構成の液体吐出装置１００は、キャリッジ１をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向に動かしながら、ヘッド保持体７０に設けたヘッドから液体の一例であるインクを吐出し、液体の吐出対象物２００に描画を行う。ここで、キャリッジ１およびヘッド保持体７０のＺ方向への移動は、Ｚ方向と平行である必要はなく、少なくともＺ方向の成分を含んでいれば斜めの移動であってもよい。

【0067】

なお、図１４において液体の吐出対象物２００の表面形状は平面として示しているが、液体の吐出対象物２００の表面形状は、車やトラックの車体、航空機の機体などのように鉛直に近い面、もしくは曲率半径の大きい面でもよい。

【0068】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

【0069】

「液体」にはインクだけでなく塗料を含む。

【0070】

以上の説明では、駆動制御装置が圧電素子などの駆動体に電圧を印加して開閉弁を開閉する実施例ついて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、空圧や油圧により開閉弁を開閉してもよい。この場合、駆動制御装置が生成する駆動パルスは、空圧や油圧による加圧機構を設定した圧力で駆動させるための駆動波形である。

【0071】

本願において、「液体吐出装置」は、液体吐出ヘッド又はヘッドユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体吐出装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。

【0072】

この「液体吐出装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。

【0073】

例えば、「液体吐出装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。

【0074】

また、「液体吐出装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。

【0075】

上記「液体が付着可能なもの」とは、前述した液体の吐出対象物のことであり、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。

【0076】

上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。

【0077】

また、「液体吐出装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。

【0078】

また、「液体吐出装置」としては他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。

【0079】

なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。

【符号の説明】

【0080】

１０ 液体吐出ヘッド
１４ ノズル（吐出口）
１５ ノズル板（吐出口形成部材）
１７ ニードル弁（開閉弁）
１８ 圧電素子（駆動体）
３０ 液体吐出モジュール
４０ 駆動制御装置
４１ 波形発生回路（駆動パルス生成部）
５０ 隙間領域
６０ ヘッドユニット
１００ 液体吐出装置
Ｃ ニードル弁の変位量
Ｃ_ｍａｘ ニードル弁の最大変位量
Ｄ１ 上り区間
Ｄ２ 保持区間
Ｄ３ 下り区間

【先行技術文献】

【特許文献】

【0081】

【特許文献1】特開２０１８－５１４７７号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】