JP2003127364A - インクジェットヘッドの駆動方法 - Google Patents

インクジェットヘッドの駆動方法

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JP2003127364A
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俊孝 小川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、インクジェットヘッドの駆動方法
に関するもので、複数個のノズルよりインクを吐出する
際、メニスカスが最も引き込まれた時間を求めることな
く、安定したインクを吐出することのできるインクジェ
ットヘッドを提供する。 【解決手段】 圧電素子を収縮させ圧力室を膨張させる
膨張工程とその膨張を保持する膨張保持工程と圧電素子
を復元させ圧力室を復元させる収縮工程とからなる駆動
パルス信号に、オリフィスとインクタンク内の液面の高
さ(水頭差)を変化させた時に、吐出速度及び吐出量の
変化が小さい膨張工程開始から収縮工程開始までの時間
で駆動せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子が発生す
る圧力によってインク滴を飛翔させ、記録媒体にインク
像を形成するプリンタのインクジェットヘッドに関す
る。 【0002】 【従来の技術】従来のインクジェットヘッドには、イン
クを吐出する方式として、電気ヒータによりインク中に
気泡を発生させてインクを吐出するサーマル方式と、圧
電素子を用いて加圧室の壁面の一部を変形させてインク
を吐出する圧電素子方式とがある。 【0003】サーマル方式はホトリソグラフィの技術に
より微細な加工が可能で、オリフィスピッチを100μ
m以下にできるという長所があるが、連続吐出の際の周
波数が10kHz程度に限られ、かつ寿命が数億回の吐
出にとどまるいう短所がある。 【0004】一方、圧電素子方式は圧電素子の変位量が
小さいので、インク吐出のためには加圧室の振動板表面
積を大きくする必要があり、そのためオリフィスピッチ
を100μm程度までしか小さくできない。しかし、駆
動周波数は圧電素子の形状に依存するのでサーマル方式
よりも高い周波数で駆動することができ、印刷速度の高
速化に適した方式と言える。また、サーマル方式と違っ
てインクの種類を選ばないという利点もある。 【0005】圧電素子方式を用いたインクジェットヘッ
ドの従来例として図2に示す。図2は、圧電素子14の
変位方向の一端にセラミック部材16を有し、前記圧電
素子14の振動面をオリフィス1の入り口開口部に対向
したダイヤフラムプレート9に配置し、且つ、セラミッ
ク部材16をハウジング19に接着して固定されたもの
である。この構成については、例えば、特開平1−11
5638号公報に示されている。 【0006】インクジェットヘッドよりインク滴を吐出
させるには、個別電極17及び共通電極18に対し外部
駆動電源より電気信号を印加し、圧電素子14を変位さ
せる。この変位が振動板を介し圧力室の体積変化とな
り、満たされるインクの圧力変化となる。この圧力変化
でインクはオリフィスよりインク滴として吐出する。 【0007】一般に、圧力変化は、圧力室の体積を膨張
させてノズル内のメニスカスと呼ばれるインク先端部の
位置を圧力室の方向に一旦引き込み、圧力室を収縮させ
てインク滴を吐出させる方法が多く提案されている。圧
力室を膨張させると、メニスカスは圧力室の方向に一旦
引き込む。その後、メニスカスが最も引き込まれた後、
ヘルムホルツ固有振動と呼ばれる振動を伴いながら元の
位置に戻ってくる。 【0008】インクを吐出するために圧力室を収縮させ
るが、そのタイミングは高品質の印刷を行なうためには
重要である。それは、メニスカスの位置により吐出され
るインク滴の大きさが、メニスカスの速度により吐出速
度が大きく影響されるためである。 【0009】そこで、米国特許第4646106号に記
載されている様に、メニスカスが最も引き込まれた時点
でインク室を収縮させてインク滴を吐出させ、固有振動
の影響を受け難い駆動方法が提案されている。しかしな
がら、実際にメニスカスが最も引き込まれるタイミング
を見つけるのは困難であった。従来は、この時間を求め
るのにはシミュレーションを行なったり、例えば、レー
ザードップラ振動計を用いたメニスカス速度の実測を行
なっている。 【0010】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シミュ
レーションによる従来の計算方法では、細部にわたる現
象を追えず、実際の現象とは誤差を生じ、正確なメニス
カス位置の時間経過を知ることは困難であった。また、
レーザードップラ振動計を用いたメニスカスの実測にお
いても、メニスカスが引き込まれる位置により測定限界
が有り、また、レーザーの反射光を利用するため、測定
に使用できるインクにも制限が有った。 【0011】本発明は、このような従来の問題点を解決
するもので、その目的とするところは、メニスカスの位
置を求めることなく、実際に印刷するプリントヘッドと
インクを用いることにより、駆動パルス信号の膨張行程
開始から収縮工程開始までの時間を誤差なく選択でき、
ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い安定したインク
滴を吐出することのできるインクジェットヘッドの駆動
方法を提供することである。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明では、インクタンクと連通してインクを蓄え
る圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力
変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少な
くとも一部を形成して前記圧電素子と弾性材料で連結さ
れている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路
であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給
する共通インク通路を有するハウジングと、前記圧力室
のインクが吐出されるオリフィスが複数個列をなして配
設されるインクジェットヘッドにおいて、前記圧電素子
を駆動する際の駆動パルス信号は、前記圧電素子を収縮
させ圧力室を膨張させる膨張工程と、その膨張を保持す
る膨張保持工程と、前記圧電素子を復元させ圧力室を復
元させる収縮工程とからなり、且つ、前記圧電素子の駆
動パルス幅を前記膨張工程開始から前記収縮工程開始ま
での時間とし、前記オリフィスと前記インクタンク内の
液面の高さを変化させた時に、吐出速度及び吐出量の変
化が小さいパルス幅で駆動させることを特徴とする。 【0013】 【発明の実施の形態】以下、本発明の一例を図面を参照
して説明する。 【0014】図1は、本発明のインクジェットヘッドの
主要部の構造説明斜視図である。 【0015】オリフィスプレート2はインク吐出口であ
る複数のオリフィス1を形成している。オリフィス1の
開口形状の加工精度は、インクジェットヘッドのインク
吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のオリフィス1間
において、これらのオリフィス精度ばらつきを低く押さ
えるため、オリフィスプレート2の製法は高い加工精度
が要求される。このためオリフィスプレート2は、ステ
ンレスの精密プレス法、レーザー加工法あるいはニッケ
ルの電鋳加工等により形成される。 【0016】このオリフィスプレート2に圧力室3が形
成されたチャンバプレート4、及びインク供給路10と
圧力室3とを連結し、圧力室3へのインク流入を制御す
るリストリクタ5を形成したリストリクタプレート6
を、位置決めして接合する。 【0017】更に、圧電アクチュエータ13の圧力を効
率よく圧力室に伝えるための振動板7と、共通インク通
路10からリストリクタ5に流入するインク中のゴミ等
を取り除くフィルタ部8とを形成したダイアフラムプレ
ート9と、共通インク通路10を形成したハウジング1
1を同じように位置決めして接合する。 【0018】上記チャンバプレート4、リストリクタプ
レート6、ダイアフラムプレート9は、ステンレス材の
エッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作ら
れる。 【0019】ハウジング11はステンレス材の切削加工
等で形成され、インクタンク21からインクを共通イン
ク通路10まで導くインク導入パイプ20が接合されて
いる。 【0020】最後に、複数の圧電素子14と、それを固
定する支持基板16からなる圧電アクチュエータ13を
位置決めして接合する。圧電アクチュエータ13を製作
する順序は、まず支持基板16に棒状の積層圧電体素子
を複数本並べて接着・固定する。その後、棒状の積層圧
電体素子をダイシングソー、ワイヤソー等を利用した切
断により分割する。この時、分割された各々の圧電素子
14は圧力室の一つずつに対応するようになっている。
尚、本発明に用いる圧電素子は積層型が好適である。 【0021】更に、支持基板16にはそれぞれの圧電素
子14に外部駆動回路から独立した電気信号を送るため
の個別電極17及び共通電極18が形成されている。こ
れによって、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電
素子14に印加されることにより、圧電素子14はひず
みを生じる。圧電素子14は高剛性の支持基板16上に
接合されているため、振動板7に優先的に変位を与え圧
力室3の圧力を高める。本例にて説明するインクジェッ
トヘッドは、こうした原理によってオリフィス1からイ
ンクを吐出して、記録媒体上にインク画像を形成する装
置に用いられる。 【0022】なお、本例では、配列ピッチは1/37.
5inch(約677μm)としたが、ノズル数、列
数、及びユニット構成はどの様な組み合わせでも限定さ
れるものではない。本発明で言うノズルは、オリフィス
よりインクを吐出するための流路で、オリフィス、圧力
室、リストリクタからなる。 【0023】図2は、インクジェトヘッドの部分断面図
である。 【0024】圧電アクチュエータ13は、支持基板16
と圧電素子14とで構成される。圧電素子14は、接着
剤12を介して振動板7と接合されている。従って、圧
力室3内の圧力は振動板7が変形することにより急激に
変動する。すなわち、外部駆動回路から選択的な電気信
号が圧電素子14に印加されることにより、圧電素子1
4はオリフィス1へ向かう方向に変位を発生する。この
変位により、接着剤12を介して振動板7が変形し、圧
力室3内に充填されたインクは加圧され、オリフィス1
からインク滴となって吐出する。 【0025】図3は図2のA−A断面図である。 【0026】一枚のオリフィスプレート1には、複数個
のオリフィスが横一列に配設され、これらのオリフィス
に個々に連通する圧力室により複数個のノズルが形成さ
れる。 【0027】これらのノズルよりインク滴を吐出する場
合、圧力室3の体積を膨張させてノズル内のメニスカス
と呼ばれるインク先端部の位置を圧力室の方向に一旦引
き込み、圧力室を収縮させてインク滴を吐出させる。圧
力室を膨張させると、メニスカスは圧力室の方向に一旦
引き込む。その後、メニスカスが最も引き込まれた後、
ヘルムホルツ固有振動と呼ばれる振動を伴いながら元の
位置に戻ってくる。インク滴を吐出するために圧力室を
収縮させるが、そのタイミングは高品質の印刷を行なう
ためには重要である。それは、メニスカスの位置により
吐出されるインク滴の大きさが、メニスカスの速度によ
り吐出速度が大きく影響されるためである。このため、
ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い駆動方法が必要
である。 【0028】この駆動波形を見つけるため、図4に示し
た矩形波を用いて駆動する場合の選択方法を以下の通り
試みた。図4に示す矩形波は、圧電素子を収縮させ圧力
室を膨張させる膨張工程T1、この膨張を保持する膨張
保持工程T2、及び圧力室を元の位置に復元させるため
の収縮工程T3とからなる。ここで、前記膨張行程T1
と膨張保持工程T2の時間を以下パルス幅と設定する。 【0029】7〜10μsのパルス幅において、オリフ
ィスの高さと、インクタンクの液面との高さ(水頭差)
を等しくし、一定の吐出速度となるように各々の駆動電
圧を設定する。さらに、そこから液面の高さ(水頭差)
を徐々に下げながら吐出滴速度と吐出量を測定した。 【0030】吐出速度を測定した結果を図5(a)に、
吐出量を測定した結果を図5(b)に示す。ここで、横
軸の「0」はオリフィス面とインクタンク液面が等し
く、「低」は低いことを示している。 【0031】図5から分かるように、ある特定のパルス
幅(この場合9μs)において、水頭差の変化による吐
出速度と吐出量の変化が小さいことが分かる。この波形
が、ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い波形とな
る。 【0032】次に、インク吐出安定性を確認するため、
パルス幅を変えながら、全ノズルよりインクを吐出させ
た。この実験時の吐出時間と不吐出ノズル数の関係を図
6に示す。この図より、特定のパルス幅(この場合9μ
s)は不吐出ノズル数の発生率が小さいことが分かる。 【0033】以上の実験により、特定のパルス幅(この
場合9μs)で駆動することにより、メニスカス固有振
動の影響を受け難い駆動パルス信号を選択することがで
き、安定したインクを吐出することが出来るようになっ
た。 【0034】本発明では、インクタンクの液面の高さを
変えて実験を行なったが、インクタンク内の圧力を変化
させることで、水頭差を変えた効果と同じ結果が得られ
る。 【0035】なお、本発明の説明では、駆動パルス信号
として矩形波を用いたが、図7に示すような駆動波形で
もよい。これらも、膨張工程開始から収縮工程開始まで
の時間がパルス幅となる。 【0036】台形波は図7に示す膨張工程T1から膨張
保持工程T2までがパルス幅となり、三角波、指数関数
波、及び正弦波は膨張行程T1がパルス幅となる。つま
り、膨張保持工程T2がなくてもメニスカス固有振動の
影響を受け難い駆動パルス信号を選択することができ、
安定したインクを吐出することができる効果が得られ
る。 【0037】 【発明の効果】以上、本発明によれば、メニスカスが最
も引き込まれた点を見つけることなしに、ヘルムホルツ
固有振動の影響を受け難い駆動パルスを選択することが
でき、且つ、長時間安定したインク滴を吐出することが
可能であり、ひいてはインクジェットプリンタヘッドの
信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明の一例にけるインクジェットヘッドの
主要部の構造説明斜視図。 【図2】 本実施の一例を説明するインクジェットヘッ
ドの縦部分断面図。 【図3】 図2のA−A断面であり、インクジェットヘ
ッドの横部分断面図。 【図4】 駆動パルス信号として矩形波を示した図。 【図5】 水頭差と吐出速度、吐出量の関係を示した
図。 【図6】 インクを吐出した時の吐出時間と不吐出ノズ
ル数の関係を示した図。 【図7】 本発明に用いることが可能な駆動パルス信号
の例を示した図。 【符号の説明】 図において、1はオリフィス、2はオリフィスプレー
ト、3は圧力室、4はチャンバプレート、5はリストリ
クタ、6はリストリクタプレート、7は振動板、8はフ
ィルタ部、9はダイアフラムプレート、10は共通イン
ク通路、11はハウジング、12は接着剤、13は圧電
アクチュエータ、14は圧電素子、15は導電性接合部
材、16は支持基板、17は個別電極、18は共通電
極、20はインク導入パイプ、21はインクタンクであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2C057 AF71 AG12 AL40 AM21 AR08 AR16 BA04 BA14

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】インクタンクと連通してインクを蓄える圧
    力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動
    を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくと
    も一部を形成して前記圧電素子と弾性材料で連結されて
    いる振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であ
    るリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する
    共通インク通路を有するハウジングと、前記圧力室のイ
    ンクが吐出されるオリフィスが複数個列をなして配設さ
    れるインクジェットヘッドにおいて、前記圧電素子を駆
    動する際の駆動パルス信号は、前記圧電素子を収縮させ
    圧力室を膨張させる膨張工程と、その膨張を保持する膨
    張保持工程と、前記圧電素子を復元させ圧力室を復元さ
    せる収縮工程とからなり、且つ、前記圧電素子の駆動パ
    ルス幅を前記膨張工程開始から前記収縮工程開始までの
    時間とし、前記オリフィスと前記インクタンク内の液面
    の高さを変化させた時に、吐出速度及び吐出量の変化が
    小さいパルス幅で駆動させることを特徴とするインクジ
    ェットヘッドの駆動方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019155870A (ja) * 2018-03-16 2019-09-19 株式会社リコー 液体吐出装置、液体吐出ユニット

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