JP3781193B2 - 液滴吐出装置及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は液滴吐出装置及びインクジェット記録装置に係り、特にノズル（液滴吐出口）に連通する圧力室内の気泡排除に有効な液滴吐出装置及びこれを用いたインクジェット記録装置に関する。

液を加圧して吐出するインクジェット記録ヘッドでは、圧力室に気泡が存在すると、液を加圧しても気泡の収縮にエネルギーが使われるため、液滴が吐出しないという問題がある。かかる圧力室の気泡進入は、液の充填時に発生しやすい。そのため、気泡の残らない圧力室の設計が必要となる。

ヘッド内部に気泡を残さない、或いはヘッド内部の気泡を効果的に除去する方法として、圧力室内部を親水処理するという方法が数々提案されている（特許文献１〜４）。

特許文献１に開示されたインクジェット記録ヘッドは、ノズルプレートにクレーター部が形成され、そのクレーター部とヘッド内壁及びインク流路が親水処理されていることを特徴としている。また、その親水処理は純水（常温）での接触角が１０度以下であることが好ましい旨の記載がある。

特許文献２に開示されたインクジェッド記録ヘッドは、流路を形成する蓋板が２層構造を有し、インクと接触する側の層の接触角が９０度以下、インクと接触しない側の層の接触角が９０度以上であることを特徴としている。

特許文献３に開示されたインクジェット記録ヘッドは、ヘッド内のインク接液部の少なくとも一部がイオン注入法で親水処理されていることを特徴としている。また、同文献によれば、オリフィスプレート（ノズルプレートと同等）が撥水性材料で形成されており、吐出口形成面の裏面が親水処理されている態様も開示されている。

特許文献４に開示されたインクジェッド記録ヘッドは、プラスチック製のヘッドであって、インク流路壁面のインクの接触角が１０度以下であることを特徴としている。
特開平５−１２４１９８号公報 特開平５−３１８７２５号公報 特開平６−７１８８５号公報 特開平８−１０８５３５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、ノズルプレートの構造が複雑で、作成に工数がかかる。

特許文献２に開示の構成では、蓋板が二層になっているため、構造が複雑である。特許文献３に開示の構成は、イオン注入法を用いるため親水処理工程に手間がかかる。

特許文献４に開示の構成は、プラスチック製のヘッドに限定されるものであり、プラスチック以外の材料（例えば、ステンレスなど）を用いて製作されるヘッドについて適用することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成によってヘッド内の気泡残り（特に液体充填時の圧力室の気泡残り）を防止することができる液滴吐出装置及びこれを用いたインクジェット記録装置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記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通し該ノズルから吐出させる液体が充填される圧力室と、前記圧力室内の液体に圧力変化を生じさせて前記ノズルから液滴を吐出させる圧力発生手段と、を備えた液滴吐出装置において、前記圧力室の内壁面のうち当該内壁面を構成している互いに隣接する二つの面によって形成されるコーナ部の近傍領域を含む第１の領域に前記液体との親液性を有する親液部が設けられている一方、前記内壁面のうち前記第１の領域以外の第２の領域に前記第１の領域よりも親液性の低い低親液部が設けられていることを特徴とする。

請求項１記載の発明では、圧力室の内壁面の親液性に分布を持たせ、気泡が残り易いコーナ部（端部）を相対的に親液性の高い親液部とし、他の領域は相対的に親液性の低い低親液部として、接触角を不均一にしている。このような構成により、液体充填時に気泡が残り易い圧力室のコーナ部に液を優先して流すことができ、気泡残りを効果的に抑制できる。

低親液部は、親液処理を施さないことによって実現してもよいし、親液部よりも親液性の低い処理を施すことによって実現してもよい。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の液滴吐出装置に係り、前記圧力室の内壁面のうち前記ノズルに連通する流路口が形成されている面を下面、該下面と対向する面を上面、前記下面及び前記上面の間を繋ぐ面を側面とするとき、前記側面の全面を前記親液部として構成する一方、前記上面及び下面に前記低親液部を設けたことを特徴とする。

かかる態様によれば、液体充填時に気泡が残り易い場所から先に液体を充填することができ、気泡排出性が向上する。

特に、圧力室の側面のみを親液処理し、上面及び下面について非処理とする構造は、流路プレートを積層して貼り合わせる製造工程によって容易に製造可能である。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の液滴吐出装置をインクジェット記録ヘッドとして用い、該インクジェット記録ヘッドに対して記録媒体を相対移動させながら、前記ノズルからインク滴を吐出することにより前記記録媒体上に画像を記録することを特徴とするインクジェット記録装置を提供する。

なお、本発明の実施に際して、記録ヘッドの形態は特に限定されず、記録媒体の送り方向と略直交する方向に記録ヘッドが往復動作しながら印字を行うシャトル方式の記録ヘッドであってもよいし、インクを吐出する複数のノズルが記録媒体の送り方向と略直交する方向に前記記録媒体の全幅に対応する長さにわたって配列されたノズル列を有するフルライン型の記録ヘッドであってもよい。

「フルライン型の記録ヘッド（液滴吐出ヘッド）」は、通常、記録媒体の相対的な送り方向と直交する方向に沿って配置されるが、送り方向と直交する方向に対して、ある所定の角度を持たせた斜め方向に沿って記録ヘッドを配置する態様もあり得る。また、記録ヘッドにおけるノズルの配列形態は、１列のライン状配列に限定されず、複数列からなるマトリックス配列でもよい。更には、記録媒体の全幅に対応する長さに満たないノズル列を有する短尺記録ヘッドユニットを複数個組み合わせることによって、これらユニット全体として記録媒体の全幅に対応するノズル列を構成する形態もあり得る。

「記録媒体」は、記録ヘッドの作用によって画像の記録を受ける媒体（印字媒体、被画像形成媒体、被記録媒体、受像媒体など呼ばれ得るもの）であり、連続用紙、カット紙、シール用紙、ＯＨＰシート等の樹脂シート、フイルム、布、インクジェット記録装置によって配線パターン等が形成されるプリント基板、その他材質や形状を問わず、様々な媒体を含む。なお、本明細書において「印字」という用語は、文字を含む広い意味での画像を形成する概念を表すものとする。

記録媒体と記録ヘッドを相対的に移動させる移動手段（搬送手段）は、停止した（固定された）記録ヘッドに対して記録媒体を搬送する態様、停止した記録媒体に対して記録ヘッドを移動させる態様、或いは、記録ヘッドと記録媒体の両方を移動させる態様の何れをも含む。

本発明によれば、圧力室の内壁面に親液部と低親液部を設け、親液性の高い親液部の作用によってコーナ部に液を優先して流す態様により、液体充填時の気泡残りを効果的に抑制できる。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔インクジェット記録装置の全体構成〕
図１は本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示したように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色ごとに設けられた複数の印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、記録済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６と、を備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコード或いは無線タグなどの情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター（第１のカッター）２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置される。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラ３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引穴（不図示）が形成されている。図１に示したとおり、ローラ３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ３４が設けられており、この吸着チャンバ３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（図１中不図示，図７中符号８８として記載）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１上の時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、或いはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラ線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラ・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラ・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラが接触するので画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面を接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。詳細な構造例は後述するが（図３乃至図５）、各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙは、図２に示したように、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の送り方向（以下、紙搬送方向という。）に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙが配置されており、記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドが各インク色ごとに設けられてなる印字部１２によれば、副走査方向について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち１回の副走査で）、記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが主走査方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンク（インクタンク）を有し、各インクタンクは不図示の管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサを含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサ又はエリアセンサで構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形
状を有する加圧ローラ４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして生成されたプリント物は排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成される。

また、図１には示さないが、本画像の排出部２６Ａには、オーダ別に画像を集積するソーターが設けられる。

次に、印字ヘッドの構造について説明する。インク色ごとに設けられている各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッドを示すものとする。

図３(a) は印字ヘッド５０の構造例を示す平面透視図であり、図３(b) はその一部の拡大図である。また、図３(c) は印字ヘッド５０の他の構造例を示す平面透視図、図４はインク室ユニットの立体的構成を示す断面図（図３(a) 中の４−４線に沿う断面図）である。記録紙面上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、印字ヘッド５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例の印字ヘッド５０は、図３(a) 〜(c) 及び図４に示したように、インク滴が吐出するノズル５１と、各ノズル５１に対応する圧力室５２等からなる複数のインク室ユニット５３を千鳥でマトリックス状に配置させた構造を有し、これにより見かけ上のノズルピッチの高密度化を達成している。

すなわち、本実施形態における印字ヘッド５０は、図３(a) ，(b) に示すように、インクを吐出する複数のノズル５１が印字媒体送り方向と略直交する方向に印字媒体の全幅に対応する長さにわたって配列された１列以上のノズル列を有するフルラインヘッドである。

また、図３(c) に示すように、短尺の２次元に配列されたヘッド５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、印字媒体の全幅に対応する長さとしてもよい。

各ノズル５１に対応して設けられている圧力室５２は、その平面形状が概略正方形となっており、対角線上の両隅部にノズル５１と供給口５４が設けられている。図４に示したように、各圧力室５２は供給口５４を介して共通流路５５と連通されている。共通流路５５はインク供給源たるインクタンク（図４中不図示、図６中符号６０として記載）と連通しており、インクタンク６０から供給されるインクは共通流路５５を介して各圧力室５２に分配供給される。

図４に示すように、ノズル５１はノズル流路５６を介して圧力室５２と連通されている。圧力室５２の天面を構成している加圧板５７には個別電極５８を備えたアクチュエータ５９が接合されており、個別電極５８に駆動電圧を印加することによってアクチュエータ５９が変形してノズル５１からインクが吐出される。インクが吐出されると、共通流路５５から供給口５４を通って新しいインクが圧力室５２に供給される。

かかる構造を有する多数のインク室ユニット５３を図５に示す如く、主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンで格子状に配列させた構造によって本例の印字ヘッド５０が実現されている。

図５に示したとおり、主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ× cosθとなる。

すなわち、主走査方向については、各ノズル５１が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。

なお、用紙（記録紙１６）の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドでノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割してブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、用紙の幅方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。

特に、図５に示すようなマトリクス状に配置されたノズル５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。すなわち、ノズル５１-11 、５１-12 、５１-13 、５１-14 、５１-15 、５１-16 を１つのブロックとし（他にはノズル５１-21 、…、５１-26 を１つのブロック、ノズル５１-31 、…、５１-36 を１つのブロック、…として）、記録紙１６の搬送速度に応じてノズル５１-11 、５１-12 、…、５１-16 を順次駆動することで記録紙１６の幅方向に１ラインを印字する。

一方、上述したフルラインヘッドと用紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。

本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されない。また、本実施形態では、ピエゾ素子（圧電素子）に代表されるアクチュエータ５９の変形によってインク滴を飛ばす方式が採用されているが、本発明の実施に際して、インクを吐出させる方式は特に限定されず、ピエゾジェット方式に代えて、ヒータなどの発熱体によってインクを加熱して気泡を発生させ、その圧力でインク滴を飛ばすサーマルジェット方式など、各種方式を適用できる。

図６はインクジェット記録装置１０におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インクタンク６０はインクを供給するための基タンクであり、図１で説明したインク貯蔵／装填部１４に設置される。インクタンク６０の形態には、インク残量が少なくなった場合に、不図示の補充口からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を変える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じた吐出制御を行うことが好ましい。なお、図６のインクタンク６０は、先に記載した図１のインク貯蔵／装填部１４と等価のものである。

図６に示したように、インクタンク６０と印字ヘッド５０を繋ぐ管路の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ６２が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは、ノズル径と同等若しくはノズル径以下（一般的には、２０μｍ程度）とすることが好ましい。

なお、図６には示さないが、印字ヘッド５０の近傍又は印字ヘッド５０と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。

また、インクジェット記録装置１０には、ノズル５１の乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ６４と、ノズル面の清掃手段としてのクリーニングブレード６６とが設けられている。

これらキャップ６４及びクリーニングブレード６６を含むメンテナンスユニットは、不図示の移動機構によって印字ヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置から印字ヘッド５０下方のメンテナンス位置に移動される。

キャップ６４は、図示せぬ昇降機構によって印字ヘッド５０に対して相対的に昇降変位される。電源ＯＦＦ時や印刷待機時にキャップ６４を所定の上昇位置まで上昇させ、印字ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面をキャップ６４で覆う。

クリーニングブレード６６は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示せぬブレード移動機構により印字ヘッド５０のインク吐出面（ノズル板表面）に摺動可能である。ノズル板にインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード６６をノズル板に摺動させることでノズル板表面を拭き取り、ノズル板表面を清浄する。

印字中又は待機中において、特定のノズルの使用頻度が低くなり、ノズル近傍のインク粘度が上昇した場合、その劣化インクを排出すべくキャップ６４に向かって予備吐出が行われる。

また、印字ヘッド５０内のインク（圧力室内）に気泡が混入した場合、印字ヘッド５０にキャップ６４を当て、吸引ポンプ６７で圧力室内のインク（気泡が混入したインク）を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク６８へ送液する。この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも粘度上昇（固化）した劣化インクの吸い出しが行われる。

すなわち、印字ヘッド５０は、ある時間以上吐出しない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してノズル近傍のインクの粘度が高くなってしまい、吐出駆動用のアクチュエータ５９が動作してもノズル５１からインクが吐出しなくなる。したがって、この様な状態になる手前で（アクチュエータ５９の動作によってインク吐出が可能な粘度の範囲内で）、インク受けに向かってアクチュエータ５９を動作させ、粘度が上昇したノズル近傍のインクを吐出させる「予備吐出」が行われる。また、ノズル面の清掃手段として設けられているクリーニングブレード６６等のワイパーによってノズル板表面の汚れを清掃した後に、このワイパー摺擦動作によってノズル５１内に異物が混入するのを防止するためにも予備吐出が行われる。なお、予備吐出は、「空吐出」、「パージ」、「唾吐き」などと呼ばれる場合もある。

また、ノズル５１や圧力室５２に気泡が混入したり、ノズル５１内のインクの粘度上昇があるレベルを超えたりすると、上記予備吐出ではインクを吐出できなくなるため、以下に述べる吸引動作を行う。

すなわち、ノズル５１や圧力室５２のインク内に気泡が混入した場合、或いはノズル５１内のインク粘度があるレベル以上に上昇した場合には、アクチュエータ５９を動作させてもノズル５１からインクを吐出できなくなる。このような場合、印字ヘッド５０のノズル面に、圧力室５２内のインクをポンプ等で吸い込む吸引手段を当接させて、気泡が混入したインク又は増粘インクを吸引する動作が行われる。

ただし、上記の吸引動作は、圧力室５２内のインク全体に対して行われるためインク消費量が大きい。したがって、粘度上昇が少ない場合はなるべく予備吐出を行うことが好ましい。

なお、図６で説明したキャップ６４は、吸引手段として機能するとともに、予備吐出のインク受けとしても機能し得る。

〔制御系の説明〕
次に、インクジェット記録装置１０の制御系について説明する。

図７はインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース７０、システムコントローラ７２、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８、プリント制御部８０、画像バッファメモリ８２、ヘッドドライバ８４等を備えている。

通信インターフェース７０は、ホストコンピュータ８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース７０にはＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（不図示）を搭載してもよい。ホストコンピュータ８６から送出された画像データは通信インターフェース７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦画像メモリ７４に記憶される。画像メモリ７４は、通信インターフェース７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ７２は、通信インターフェース７０、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ８６との間の通信制御、画像メモリ７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ８８やヒータ８９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ７６は、システムコントローラ７２からの指示に従ってモータ８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ７８は、システムコントローラ７２からの指示に従って後乾燥部４２その他各部のヒータ８９を駆動するドライバである。

プリント制御部８０は、システムコントローラ７２の制御に従い、画像メモリ７４内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号（印字データ）をヘッドドライバ８４に供給する制御部である。プリント制御部８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ８４を介して印字ヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部８０には画像バッファメモリ８２が備えられており、プリント制御部８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ８２に一時的に格納される。なお、図７において画像バッファメモリ８２はプリント制御部８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部８０とシステムコントローラ７２とを統合して一つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８４はプリント制御部８０から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙのアクチュエータ５９を駆動する。ヘッドドライバ８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

印字検出部２４は、図１で説明したように、ラインセンサを含むブロックであり、記録紙１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部８０に提供する。

プリント制御部８０は、必要に応じて印字検出部２４から得られる情報に基づいて印字ヘッド５０に対する各種補正を行う。

〔圧力室の構造〕
本実施形態に係る印字ヘッド５０は圧力室５２内における気泡残留を防止する条件を満たして構成される。以下、図８乃至図９の参考図を参照して圧力室の気泡残りの発生原因を考察し、気泡残留防止の条件を検討する。

図８はアクチュエータ（ピエゾ素子）側から見た圧力室９２の平面図である。同図において、符号９４は供給側開口、符号９６はノズル流路に連通する吐出側開口を示す。供給側開口９４から圧力室９２内にインク９８を供給すると、インク９８が流入するにつれて図８(a) の状態から次第に図８(b) の状態になる。

図示のように、圧力室９２の平面形状が四角形の場合、供給側開口９４から圧力室９２にインク９８を流入させると、圧力室９２内の側面１０２におけるインク９８の接触角によって圧力室９２のコーナ部１０４に気泡１０６が残る場合がある。なお、ここでは説明の便宜上、圧力室９２の上面（加圧板側）と下面（ノズル板側）の接触角について無視するものとする。

圧力室９２を構成している互いに隣接する二つの側面１０２同士が交わるコーナ部１０４の角度が９０度の場合、図９に示したように、側面１０２に対するインク９８の接触角が９０度より大きいと、コーナ部１０４の頂点Ａよりも先に次の側面１０２にインク９８が接触するため、コーナ部１０４に気泡が残る。

一方、接触角が９０度以下であれば、コーナ部１０４の頂点Ａから先にインク９８が接するため、コーナ部１０４に気泡は残らない。

したがって、図１０に示したように、圧力室９２の側面１０２について、インク流入時のインク９８との接触角が９０度以下となるようにすることが望ましい。かかる構成によれば、供給側開口９４から圧力室９２内にインク９８を流入させたとき、インク９８が入るにつれて図１０(a) の状態から次第に図１０(b) の状態になり、圧力室９２のコーナ１０４に気泡が残らない。

また、図１１に示した圧力室１１２のように、隣接する二つの側面１２２の作る角度が９０度であって、そのコーナ部１２４が円弧形状に面取りされている構成についても同様であり、気泡が残らない接触角の条件は９０度以下である。

図８乃至図１１では、圧力室の側面について述べたが、図１２及び図１３に示すように、圧力室の側面１３２と下面１３６とで形成されるコーナ部１４４、又は側面１３２と上面（不図示）で形成されるコーナ部についても同様のことが言える。

図１２及び図１３には、圧力室の下面１３６に形成された供給側開口９４から圧力室内にインク９８が流入し始めたときの様子が示されている。すなわち、図１２に示したように、側面１３２と下面１３６とで作られるコーナ部１４４の角度が９０度の場合、インク９８の接触角が９０度よりも大きいとコーナ部１４４に気泡が残る。

これに対して、図１３に示すように、接触角が９０度以下の場合はコーナ部１４４に気泡が残留しない。

次に、圧力室の平面形状が六角形の場合を検討する。

図１４(a) に示すように、略正六角形状の圧力室１５２において、一つの角（コーナ部）の付近に供給側開口９４が形成され、その向かい合う角の付近に吐出側開口９６が形成されているものとする。この圧力室１５２に供給側開口９４からインク９８が流入すると、図１４(a) の状態から次第に図１４(b) の状態になる。すなわち、同図のように、圧力室１５２の側面１５３のインク９８との接触角が１２０度よりも大きいとコーナ部１５４に気泡が残る。

その一方、図１５(a) ，(b) に示したように、接触角が１２０度以下であればコーナ部１５４に気泡は残らない。

図１６に示した圧力室１６２のように、互いに隣接する二つの側面１７２の作る角度が１２０度であって、そのコーナ部１７４が円弧形状に面取りされている略正六角形状の構成についても同様であり、コーナ部１７４に気泡が残らない接触角の条件は１２０度以下である。

次に、圧力室の平面形状が他の多角形の場合を検討する。

図１７(a) ，(b) に示したように、圧力室１８２が平行四辺形状を有し、その鋭角のコーナ部１８４の一方に供給側開口９４が形成され、他方に吐出側開口９６が形成されている場合に、供給側開口９４からインク９８を流入させると、図１７(a) では鈍角のコーナ部１８８に気泡が残る。また、図１７(b) については鈍角のコーナ部１８８に気泡が残らない。すなわち、接触角が鈍角のコーナ部１８８の角度以下であれば、気泡は残らない。

また、図１８(a) ，(b) に示したように、圧力室１９２が平行四辺形状を有し、その鈍角のコーナ部１９４の一方に供給側開口９４が形成され、他方に吐出側開口９６が形成されている場合に、供給側開口９４からインク９８を流入させると、図１８(a) では鋭角のコーナ部１９８に気泡が残り、図１８(b) では気泡が残らない。すなわち、接触角が鋭角のコーナ部１９８の角度以下であれば、気泡は残らない。

以上の考察から、圧力室の内壁面を構成している面のうち互いに隣接する面同士のなす角度（圧力室の内側に形成される角度）をψとするとき、そのコーナ部に気泡が残らない条件は、接触角がψ以下ということになる。

また、アクチュエータ側（ピエゾ側）から見た圧力室の形状が多角形の場合、隣り合う側面同士で形成される角がＮ1 ，Ｎ2 …とある場合、その中の最小の角Ｎk よりも接触角が大きい場合は気泡が残る可能性があり、接触角がＮk 以下の場合は気泡が残らない。

なお、図１２及び図１３では、圧力室の下面と側面（又は上面と側面）の関係について述べたが、この条件は他の図で説明したとおり、圧力室の側面に対して行うことが最も効果的である。

つまり、立体的な（３次元的な）圧力室の内部形状について気泡が残らないための好ましい条件は、当該圧力室の内壁面を構成している互いに隣接する二つの面のなす角度（圧力室の内側に形成される角度）のうち最小の角度Θと、接触角との関係において、接触角がその最小の角度Θ以下となることである。

図１８を例に検証すれば、同図に示した圧力室１９２における鋭角のコーナ部１９８の角度は、当該圧力室１９２の内壁面を構成している互いに隣接する二つの面のなす角度のうち最小の角度である。同図(b) に示したとおり、接触角がこの最小の角度Θ以下であれば、圧力室１９２内に気泡が残らない。

したがって、図１乃至図７で説明したインクジェット記録装置１０の印字ヘッド５０について、上記条件を満たすように、インクの種類、圧力室形状、圧力室内面の表面処理等の関係が選択される。

また、別の方法として、液の温度をコントロールして接触角を変えることで、液の充填時には圧力室壁面に対しての接触角を上記条件を満たすような角度Ｎ（すなわち、圧力室の最小の角度Θ以下の角度）にする方法がある。

図１９には水の表面張力と温度の関係が示されている。この表に示したとおり、水は温度が上昇するにつれて表面張力が下がる（詳細は『理科年表』国立天文台編等を参照）。表面張力が減少するにつれて接触角も減少するため、例えば、水のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）に対する接触角は図２０のようになる。

一般に、液体は温度が上昇するにつれて表面張力が減少し、これに伴い接触角も減少する。本実施形態のインクジェット記録装置１０に用いられる水溶性のインクについても同様の性質（温度上昇に対して表面張力が低下し、接触角が減少する）を有している。そのため、インクや流路（インクの接触壁）の温度をコントロールすることで接触角を制御できる。ただし、接触角の変化の程度は、液体の性質、接する壁面の材質等により異なるため、条件に応じた設計が必要である。

インク充填時に加熱し、上記の条件を満たすような接触角を実現することにより、圧力室内に気泡が残ることなくインクを充填することができる。

図２１乃至図２４は、温度調節のための加熱手段の設置例を示したものである。

図２１に示した例では、圧力室５２の供給インクタンク６０にヒータ２００が取り付けられている。また、該インクタンク６０には、温度を検出する手段としての温度センサ２０２が設けられている。該温度センサ２０２によってインクの温度を管理しながら、ヒータ２００の駆動制御が行われる。

図２２に示した例では、インクタンク６０と印字ヘッド５０を繋ぐ液管路２０４の途中にヒータ２０６が取り付けられている。温度センサ２０８はヒータ２０６から供給側開口９４までの液管路２０４の適当な位置に設置される。

図２３に示した例では、印字ヘッド５０の内部にヒータ２１０が配設されている。同図によれば、供給側開口９４の付近にヒータ２１０と温度センサ２１２とが取り付けられており、圧力室５２に入る直前のインクが加熱される構成になっている。

また、図２４に示したように、インクタンク６０と印字ヘッド５０の全体を包囲するようにヒータ２１４を配置し、インク充填時にインクタンク６０と印字ヘッド５０の全体を加熱する態様も可能である。この場合も、ヒータ２１４が包囲する領域内の適当な位置に温度センサ２１６が設置される。

図２１乃至図２４で説明した態様の何れか１つの態様でもよいが、これらのうちの複数の態様を適宜組み合わせる方が温度変化が少なくてより好ましい。

〔圧力室内の親液処理の分布〕
既述のとおり、インク充填時における圧力室内の気泡残りを抑止するような接液の進行を実現するには、圧力室の形状（主としてコーナ部の角度）に応じた所要の接触角を実現するように設計が行われる。

この場合、圧力室の壁面（天井面（上面）、側面、床面（下面））の液に対する接触角が不均一になるように、壁面について親液処理のパターニングを行うことにより、気泡が残り易いコーナ部に対してインクを優先して流す態様がある。例えば、インクを充填するときに気泡が残り易い圧力室内の側面近傍のみを親液処理する態様がある。

以下、親液処理のパターニングの具体例を述べる。

図２５に示したように、圧力室５２の側面２２２全体（全周）のみを親液処理し、上面及び下面については親液処理を施さないものとする。なお、親液性を与える表面処理としては、例えば、酸処理、アルカリ処理、プラズマ処理、コロナ放電処理、染料吸着層形成、メッキ処理、酸化物処理等を使用できる。なお、親液処理の一方法として、表面を荒らす（表面に微細な凹凸を形成して粗面とする）態様も含まれる。インクの種類や圧力室形状等を考慮して適宜の処理が選択される。

かかる構成によれば、供給側開口９４から流入したインクは側面２２２を伝わって吐出側開口９６へと流れるため（図２６参照）、コーナ部２２４の気泡残りが抑制される。

図２７は、圧力室５２の側面２２２のみを親液処理した場合の液の流れ方を示した模式図である。供給側開口９４からインク９８を流入させると、図２７(a) のように側面２２２の親液性によって側面２２２との接液が先行して進行する。更にインク９８の流入が進むと、図２７(b) のように、コーナ部２２４にインク９８が回り、側面２２２に沿って徐々にインク９８が入っていく。やがて、図２７(c) のように、同図上で時計回り方向に側面２２２に沿って進んだインク９８と、反時計回り方向に側面２２２に沿って進んだインク９８が、吐出側開口９６の頂点で繋がる。このときにできる気泡２２６は吐出側開口９６から排出されるため、圧力室５２内に気泡残りは発生しない。

このように、圧力室５２の下面２２８及び上面（不図示）に対して側面２２２の親液性を相対的に高めておくことにより、側面２２２に沿った接液進行を先行させることができ、インク充填時の気泡残りを防止できる。

親液処理の分布パターンは図２５で例示した態様に限定されない。図２８乃至図３２に他の親液処理のパターン例を示す。

図２８に示すように、圧力室５２の側面２２２のうち上面（不図示）と接する上側の一部領域２３２（全周）と、下面２２８と接する下側の一部領域（全周）２３３について親液処理を施す態様がある。

また、図２９に示すように、互いに隣接する側面２２２同士で形成されるコーナ部２２４の近傍の一部領域２３６のみについて親液処理を施す態様がある。

更に、図２８と図２９の態様を組み合わせて、図３０のように、側面２２２の上側の一部領域２３２及び下側の一部領域２３３並びに各コーナ部２２４の近傍の一部領域２３６に親液処理を施す態様も好ましい。

同様に、圧力室５２の上面若しくは下面、又はその両方について、図３１のように側面２２２と接する周囲の一部領域２４０に親液処理を施す態様が好ましい。

圧力室５２の上面若しくは下面、又はその両方に形成する親液処理のパターンは、図３１の例に限定されず、例えば、図３２(a) 〜(c) に示すような各種パターンが可能である。使用されるインクの接触角に応じて効果的なパターニングが選択される。

上記実施形態では、記録媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有するページワイドのフルライン型ヘッドを用いたインクジェット記録装置を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、短尺の記録ヘッドを往復移動させながら画像記録を行うシャトルヘッドを用いるインクジェット記録装置についても本発明を適用可能である。

また、上述の説明では、画像形成装置の一例としてインクジェット記録装置を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、印画紙に非接触で現像液を塗布する写真画像形成装置についても本発明を適用できる。すなわち、インクに限らず、処理液や機能液その他の液体を媒体に塗布する液滴吐出工程が含まれる他の画像形成装置について本発明を広く適用できる。

また、本発明の適用範囲は画像形成装置に限定されず、液滴吐出ヘッドを用いて処理液その他の液体を媒体に塗布する塗布装置など各種の液体吐出装置について適用することができる。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の全体構成図 図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図 印字ヘッドの構造例を示す平面透視図 図３(a) の要部拡大図 印字ヘッドの他の構造例を示す平面透視図 図３(a) 中の４−４線に沿う断面図 図３(a) に示した印字ヘッドのノズル配列を示す拡大図 本実施形態に係るインクジェット記録装置におけるインク供給系の構成を示した概要図 本例のインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図 圧力室に気泡が残る原因を検討するために用いた参考図 圧力室壁面のインクとの接触角と圧力室コーナ部の角度との関係を示した説明図 圧力室に気泡が残らない条件でインクを充填したときの様子を示す平面図 コーナ部が円弧形状に面取りされている圧力室の形状例を示した平面図 気泡が残る条件でインクを充填した場合における圧力室の供給側開口近傍の拡大断面図 気泡が残らない条件でインクを充填した場合における圧力室の供給側開口近傍の拡大断面図 圧力室の平面形状が六角形の場合において気泡残りが生じる条件でインクを充填したときの様子を示す平面図 圧力室の平面形状が六角形の場合において気泡が残らない条件でインクを充填したときの様子を示す平面図 コーナ部が円弧形状に面取りされている圧力室の形状例を示した平面図圧力室と流路の配置関係を示す図４の要部拡大図 圧力室の他の形状例を示す平面図 圧力室の他の形状例を示す平面図 水の表面張力を示した図表 水のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）に対する接触角を示す図表 温度調節を行う場合における加熱手段の設置例を示す概要図 温度調節を行う場合における加熱手段の他の設置例を示す概要図 温度調節を行う場合における加熱手段の他の設置例を示す概要図 温度調節を行う場合における加熱手段の他の設置例を示す概要図 圧力室の側面を親液処理した例を示す斜視図 図２５に示した圧力室におけるインク充填時のインクの流れを示した平面図 図２５に示した圧力室におけるインク充填時のインクの流れ方を示した平面模式図 圧力室の側面のコーナ部を親液処理する場合の例を示した斜視図 圧力室の側面のコーナ部を親液処理する場合の他の例を示した斜視図 圧力室の側面のコーナ部を親液処理する場合の他の例を示した斜視図 圧力室の上面（若しくは下面）の一部に親液処理を施す場合における親液処理パターンの一例を示した平面図 圧力室の上面（若しくは下面）の一部に親液処理を施す場合における親液処理パターンの他の例を示した平面図

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙ…印字ヘッド、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、５０…印字ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５４…供給口、５６…ノズル流路、５９…アクチュエータ、６０…インクタンク、７２…システムコントローラ、７８…ヒータドライバ、８９…ヒータ、９２…圧力室、９４…供給側開口、９６…吐出側開口、９８…インク、１０２…側面、１０４…コーナ部、１３２…側面、１３６…下面、１４４…コーナ部、１５２，１６２，１８２，１９２…圧力室、２００，２０６，２１０，２１４…ヒータ、２０２，２０８，２１２，２１６…温度センサ

Claims (3)

1. 液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通し該ノズルから吐出させる液体が充填される圧力室と、前記圧力室内の液体に圧力変化を生じさせて前記ノズルから液滴を吐出させる圧力発生手段と、を備えた液滴吐出装置において、
   前記圧力室の内壁面のうち当該内壁面を構成している互いに隣接する二つの面によって形成されるコーナ部の近傍領域を含む第１の領域に前記液体との親液性を有する親液部が設けられている一方、前記内壁面のうち前記第１の領域以外の第２の領域に前記第１の領域よりも親液性の低い低親液部が設けられていることを特徴とする液滴吐出装置。
2. 前記圧力室の内壁面のうち前記ノズルに連通する流路口が形成されている面を下面、該下面と対向する面を上面、前記下面及び前記上面の間を繋ぐ面を側面とするとき、前記側面の全面を前記親液部として構成する一方、前記上面及び下面に前記低親液部を設けたことを特徴とする請求項１記載の液滴吐出装置。
3. 請求項１又は２記載の液滴吐出装置をインクジェット記録ヘッドとして用い、該インクジェット記録ヘッドに対して記録媒体を相対移動させながら、前記ノズルからインク滴を吐出することにより前記記録媒体上に画像を記録することを特徴とするインクジェット記録装置。

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