JP2005238847A - インクジェットプリントヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 インクジェットプリントヘッドの駆動方法を提供する。
【解決手段】 圧電アクチュエータに印加される駆動パルスの電圧立上り時間は、一定に維持させ、駆動パルスの最大電圧持続時間を調節することによって、ノズルを通じて吐き出される液滴の体積を変化させる。そして、駆動パルスの最大電圧持続時間と共に駆動パルスの最大電圧も調節されうる。これにより、多様な体積の液滴を吐き出すことができつつも、液滴の速度は、比較的一定に維持することができ、高周波領域でも液滴の体積を容易に調節することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドの駆動方法に係り、より詳しくは階調表現が可能な駆動波形を使用するインクジェットプリントヘッドの駆動方法に関する。

一般に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微少な液滴を記録媒体上の所望の位置に吐き出させて、所定色相の画像に印刷する装置である。こうしたインクジェットプリントヘッドは、インク液滴の吐き出しメカニズムにより広く二つの方式に分類されうる。その一つは、熱源を用いてインクにバブルを発生させてそのバブルの膨張力によりインク液滴を吐き出させるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用してその圧電体の変形によりインクに加えられる圧力によりインク液滴を吐き出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。

図１には、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一例として、特許文献１に開示されたインクジェットプリントヘッドの構造が示されている。

図１を参照すれば、インクジェットプリントヘッド１０には、吐き出されるインクが充填される圧力チャンバ１５が形成されており、この圧力チャンバ１５の一側には、インクリザーバ３５から圧力チャンバ１５の内部にインクを供給するためのインク供給通路２８，３４が連結されている。圧力チャンバ１５の他側には、インク排出通路２９，３６が連結されており、インク排出通路２９，３６の端部にインクを吐き出させるノズル１３が形成されている。そして、圧力チャンバ１５の上部には、振動板２３が設けられており、この振動板２３上には、振動板２３を振動させて圧力チャンバ１５の体積を変化させることによって、インク吐出しのための駆動力を提供する圧電アクチュエータ２５が設けられている。この圧電アクチュエータ２５は、振動板２３上に形成された共通電極２６と、共通電極２６上に形成され、圧電物質より成った圧電膜１４と、圧電膜１４上に形成されてこの圧電膜１４に駆動電圧を印加する駆動電極２７とから構成される。

こうした構成を有した圧電方式インクジェットプリントヘッド１０において、駆動電極２７を通じて圧電膜１４に所定の駆動電圧を有した駆動パルスを印加すれば、圧電膜１４の変形により振動板２３が曲がるので、圧力チャンバ１５の体積が小さくなる。これによる圧力チャンバ１５内の圧力上昇により、圧力チャンバ１５内のインクがノズル１３を通じて外部へ吐き出される。次いで、圧電膜１４に印加された駆動パルスを除去すれば、振動板２３が元来の形態に復元されながら圧力チャンバ１５の体積が大きくなる。これによる圧力チャンバ１５内の圧力低下により、インクリザーバ３５からインクがインク供給通路３４，２８を通じて圧力チャンバ１５内に流入し、圧力チャンバ１５は再びインクで充填される。

前記の圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、圧電アクチュエータ２５に印加される駆動パルスの波形により一定した直径を有したノズル１３を通じて多様な体積を有した液滴を噴射することができるため、階調表現に有利という長所がある。

図２には、前記特許文献１に開示された従来のインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用された駆動波形が示されている。

図２に示された駆動パルスは、液滴の体積を二段階に調節することができる波形を有する。具体的に、小さい体積の液滴を吐き出させるための第１の駆動パルスは、第１のパルスと第２のパルスよりなることに反して、より大きい体積の液滴を吐き出させるための第２の駆動パルスは第２のパルスのみよりなっている。ここで、第２のパルスは、液滴を吐き出させることができる駆動力を提供するメインパルスであり、第１のパルスはそれ自体のみとしては、インク液滴を吐き出させることができない補助パルスである。

圧電アクチュエータ２５に第２のパルスを印加する前に第１のパルスを先ず印加すれば、液滴が吐き出される前に第１のパルスにより振動板２３が若干振動され、これによりノズル１３の内部のインクのメニスカスが後退する。このようにインクのメニスカスが後退した時点で液滴吐き出しのための第２のパルスを印加すれば、液滴の体積がより小さくなり、これにより記録媒体上に印刷されたドットの直径が狭くなる。一方、圧電アクチュエータ２５に第２のパルスのみを有した第２の駆動パルスを印加すれば、より大きい体積を有した液滴が吐き出されるため、記録媒体上に印刷されたドットの直径がより広くなる。

ところで、前記の駆動方法においては、インクのメニスカス後退時点についての正確なタイミング調節が難しいという短所がある。また、小さい体積の液滴を吐き出すときが大きい体積の液滴を吐き出すときに比べて液滴の吐出し速度が遅くなる。これにより、記録媒体上のドットの位置が変わって印刷品質が低下するという問題点がある。

図３には、特許文献２に開示された従来のインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用された駆動波形が示されている。

図３に示された駆動波形によれば、小さい体積の液滴を吐き出すための第１のパルスと大きい体積の液滴を吐き出すための第２のパルスとを選択的に適用することによって、三つの体積の液滴を吐き出すことができる。具体的に、圧電アクチュエータに第１のパルスのみ有した第１の駆動パルスを印加すれば、小さい体積の液滴が吐き出されて、記録媒体上に狭い直径を有したドットが印刷され、図示されていないが、圧電アクチュエータに第２のパルスのみ印加すれば、大きい体積の液滴が吐き出されて記録媒体上に広い直径を有したドットが印刷される。そして、圧電アクチュエータに第１のパルスと第２のパルスとをいずれも有した第２の駆動パルスを印加すれば、小さい体積の液滴が予め吐き出され、次いで大きい体積の液滴が吐き出されて小さい体積の液滴に重なるため、記録媒体上に一番広い直径を有したドットが印刷される。

こうした駆動方法によれば、大きい体積の液滴の吐出し速度と小さい体積の液滴の吐出し速度とに差異があるが、小さい体積の液滴を吐き出すための第１のパルスを大きい体積の液滴を吐き出すための第２のパルスより先ず印加することによって、小さい体積の液滴の遅い速度が補償されうるため、二つの液滴が記録媒体上の同一な位置に到達されうる。

ところで、こうした駆動方法においても、速度が相異なる二つの液滴についての吐出しタイミング調節が容易ではない短所がある。また、記録媒体上に一番広い直径を有したドットを印刷するために二つの液滴を重ねる場合には、記録媒体上に印刷されたドットが正確な円形を有しにくくなり、形成されたドットの直径が吐き出された液滴の体積に比例しないという問題点がある。
米国特許第６，２９０，３１５号明細書 米国特許第６，３３１，０４０号明細書

本発明の技術的課題は、液滴の速度変化を最小化しつつ階調表現のための液滴の体積調節が可能なインクジェットプリントヘッドの駆動方法を提供するところにある。

前記技術的課題を達成するための本発明によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法は、圧電アクチュエータに駆動パルスを印加して、インクが充填された圧力チャンバの体積を変化させることによって、前記圧力チャンバの体積変化による圧力変化により前記圧力チャンバに連通されたノズルを通じてインク液滴を吐き出させるインクジェットプリントヘッドの駆動方法であって、前記駆動パルスの電圧立上り時間Ｔ_Ｒは、一定に維持させ、前記駆動パルスの最大電圧持続時間Ｔ_Ｄを調節することによって、前記ノズルを通じて吐き出される液滴の体積を変化させることを特徴とする。

ここで、吐き出されるインク液滴の体積が大きい程前記駆動パルスの最大電圧持続時間Ｔ_Ｄは、長くなるように調節されうる。

この際、前記駆動パルスの最大電圧持続時間Ｔ_Ｄは、前記圧電アクチュエータの最大変位到達前に終了するように、３μｓ〜９μｓの範囲内で調節されるものが望ましい。

一方、前記駆動パルスの電圧立下り時間Ｔ_Ｆも一定に維持されうる。

そして、本発明によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法において、前記駆動パルスの最大電圧持続時間Ｔ_Ｄと共に、前記駆動パルスの最大電圧Ｖ_Ｐを調節することが望ましい。

この場合、前記インクジェットプリントヘッドの駆動周波数が高い程、前記駆動パルスの最大電圧Ｖ_Ｐは低くなるように調節されうる。

このような本発明によれば、多様な体積の液滴を吐き出すことができつつも液滴の速度は、比較的一定に維持することができ、高周波領域でも液滴の体積を容易に調節することができる。

本発明によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法によれば、駆動パルスの立上り時間を一定に維持させ、その持続時間を調節することによって、多様な体積の液滴を吐き出すことができつつも、液滴の速度は、比較的一定に維持することができる。

また、駆動パルスの持続時間と駆動電圧とを共に調節すれば、駆動周波数が高くなっても液滴の体積が比較的一定に維持されるため、高周波数領域でも駆動パルスの持続時間調節により液滴の体積を容易に変化させ得る。

このように、本発明によれば階調表現のための液滴の体積調節が容易であり、液滴の速度を比較的一定に維持することができるため、印刷品質が向上されうる。

以下、添付した図面に基づき本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図４は、本発明の第１の実施形態によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用される駆動パルスの波形を説明するための図面である。

図４を参照すれば、本発明によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法において、インク液滴を吐き出させるため圧電アクチュエータに印加される駆動パルスは、台形波形を有する。こうした台形波形を有した駆動パルスの全体時間は、電圧が高まる立上り時間（Ｒｉｓｉｎｇ Ｔｉｍｅ；Ｔ_Ｒ）と、最大電圧Ｖ_Ｐ、すなわち駆動電圧が一定に維持される持続時間（Ｄｕｒａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ；Ｔ_Ｄ）と、電圧が低くなる立下り時間（Ｆａｌｌｉｎｇ Ｔｉｍｅ；Ｔ_Ｆ）と、から構成される。

本発明の第１の実施形態においては、前記駆動パルスの立上り時間Ｔ_Ｒは、一定に維持させ、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄを調節することによって、ノズルを通じて吐き出される液滴の体積を調節する。それにより、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄの調節によりノズルを通じて吐き出される液滴の体積を多様に変化させることができるだけでなく、一定に維持される立上り時間Ｔ_Ｒにより、液滴の速度は、比較的一定に維持することができる。この際、駆動パルスの立下り時間Ｔ_Ｆも一定に維持されうる。

詳細に説明すれば、圧力チャンバ内にインクが充填された状態で圧電アクチュエータに駆動パルスを印加すれば、圧電アクチュエータにより変形される振動板の変位応答は、アクチュエータの構造的な剛性、インクが有した粘性によるダンピング、アクチュエータ及びインク流路内のインクを含んだ全体システムの慣性などにより決定される。通常的に１μｓ程度の立上り時間Ｔ_Ｒで最大電圧Ｖ_Ｐに到達する波形を有した駆動パルスがアクチュエータに印加されるとき、振動板の最大変位は、前記の慣性及び粘性の影響による応答遅延により立上り時間Ｔ_Ｒより数倍の時間が経った後に到達される。従って、振動板の最大変位到達時点以前に最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄを終了し、電圧を０Ｖに低下させれば、振動板の最大変位量は、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄに比例して大きくなる。従って、駆動パルスの最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_ＤをＴ_Ｄ１からＴ_Ｄ２， Ｔ_Ｄ３へ長くするようにすれば、吐き出される液滴の体積もそれによって大きくなることである。

そして、吐き出される液滴の速度は、振動板の最大変位量よりは振動板の変位の速度に影響を受け、振動板の変位の速度は、電圧立上り時間Ｔ_Ｒが短い程早くなる。従って、電圧立上り時間Ｔ_Ｒを一定に維持させれば、吐き出される液滴の体積が変わっても、その速度はほとんど一定に維持される。

結果的に、本発明によれば、階調表現のための液滴の体積調節が容易であり、記録媒体に印刷されるドットの位置が均一になって優秀な印刷品質を得ることができる。

図５と図６は、図４に示された方法において、インクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出し性能についての実験結果を示したグラフである。

先ず、図５のグラフは、圧電アクチュエータに印加される駆動パルスの電圧立上り時間Ｔ_Ｒと電圧立下り時間Ｔ_Ｆとを１μｓに固定させ、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄを１μｓ単位に長くするようにする場合、振動板の変位とノズルから吐き出されるインク液滴の体積及び速度を測定した結果を示す。

図５のグラフを見れば、駆動パルスの最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄが長くする程に振動板の変位が次第に増加し、持続時間Ｔ_Ｄが１２μｓ程度であるとき、振動板の最大変位に到達することが分かる。そして、液滴の体積は、持続時間Ｔ_Ｄが長くする程に次第に大きくなるが、特に持続時間Ｔ_Ｄが９μｓであるときまでは、持続時間Ｔ_Ｄにほとんど比例的に大きくなることが分かる。

一方、液滴の速度は、持続時間Ｔ_Ｄが変わっても、そして液滴の体積が大きくなってもほとんど変わらないことが分かる。特に、持続時間Ｔ_Ｄが３μｓ以上である場合には、液滴の速度はほとんど一定に維持される。

上記の結果を総合すれば、駆動パルスの最大電圧Ｖ_Ｐ持続時間Ｔ_Ｄを３μｓ〜９μｓの範囲内に調節すれば、液滴の速度をほとんど一定に維持しながら液滴の体積をほぼ比例して拡大させ得る。この際、液滴の体積は、ほぼ２０ｐl〜５０ｐlの範囲内で非常に効果的に調節されうる。

図６のグラフは、圧電アクチュエータに印加される駆動パルスの電圧立上り時間Ｔ_Ｒと電圧立下り時間Ｔ_Ｆとを１μｓに固定させ、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄを２μｓから６μｓまで１μｓ単位に長くするようにしながら、駆動周波数を変化させる場合、ノズルから吐き出されるインク液滴の体積と速度とを測定した結果を示す。

図６のグラフを見れば、図５に示されたグラフでとほとんど同一な結果を得ることができることが分かる。特に、駆動周波数が高くなっても液滴の速度は、ほとんど一定に維持されることが分かり、液滴の体積も２５ｐlまでは、均一に維持されることが分かる。しかしながら、２５ ｐlより大きい体積例えば、ほぼ３０ ｐl程度の体積を有した液滴を吐き出そうとする場合には、同一な最大電圧Ｖ_Ｐ持続時間Ｔ_Ｄでも駆動周波数が高くなる程に液滴の体積が縮小する現象が発生している。従って、比較的高い駆動周波数例えば、１０ｋＨｚ以上の駆動周波数では、最大電圧Ｖ_Ｐ持続時間Ｔ_Ｄの調節のみでインク液滴の体積を効率的に変化させることができない。

図７Ａと図７Ｂは、図４に示された方法において、駆動周波数が高まることにより、インク液滴の体積が縮小する現象を説明するための断面図である。

図７Ａを参照すれば、駆動周波数が比較的低い場合には、ほぼ３０ｐl程度の大きい体積を有した液滴１２２を吐き出しても、インク液滴１２２の吐出し後にノズル１１０の内部にインク１２０の再充填が完全に成され、インク１２０のメニスカス１２１もノズル１１０の端部に到達して原状に復帰されうる。従って、所望の体積の液滴を継続的に吐き出すことができる。

しかしながら、図７Ｂに示されたように、駆動周波数が比較的高い場合、例えば１０ｋＨｚ以上である場合には、ほぼ３０ｐl程度の大きい体積を有した液滴１２２を吐き出した後、次の液滴１２２の吐出しが成されるまでの時間が非常に短くなる。従って、ノズル１１０内にインク１２０の再充填が完全に成されず、メニスカス１２１もノズル１１０の端部まで到達しない状態で、次の液滴１２２の吐出しが成される。この場合、吐き出される液滴１２２の体積が小さくなる。

これにより、本発明は、高周波領域でも低周波領域に比べて液滴の体積が小さくならない駆動方法を提供する。

図８は、本発明の第２の実施形態によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用される駆動パルスの波形を説明するための図面であり、図９は、図８に示された方法において、駆動周波数が高くなってもインク液滴の体積が一定に維持されることを示す断面図である。

図８を参照すれば、本発明の第２の実施形態においては、圧電アクチュエータに印加される駆動パルスの電圧立上り時間Ｔ_Ｒは、一定に維持させた状態で、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄと最大電圧Ｖ_Ｐとを共に調節する。それにより、液滴の体積を多様に変化させることができながらも、液滴の速度を比較的一定に維持することができるだけではなく、最大電圧Ｖ_Ｐの調節により、高周波領域でも低周波領域に比べて液滴の体積が小さくならない。

詳細に説明すれば、駆動周波数が比較的高い場合、例えば１０ｋＨｚ以上である場合に、圧電アクチュエータに印加される駆動パルスの持続時間Ｔ_ＤをＴ_Ｄ１からＴ_Ｄ２へ長くするようにしながら最大電圧Ｖ_ＰをＶ_Ｐ１からＶ_Ｐ２へ若干低める。そうすれば、図９に示されたように液滴１２２の吐出し後に元来の位置に復帰する過程でメニスカス１２１が後退する程度が弱まる。これにより、インク１２０のメニスカス１２１がノズル１１０の端部まで到達する時間が短くなるため、その次の液滴１２２の吐出し前までノズル１１０内にインク１２０の再充填が完全に成されうる。すなわち、高い駆動周波数でもノズル１１０内にインク１２０の再充填が完全に成された状態でその次の液滴１２２の吐出しが起こるため、液滴１２２の体積が小さくならない。

図１０は、図８に示された方法において、インクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出し性能についての実験結果を示したグラフである。

図１０のグラフは、圧電アクチュエータに印加される駆動パルスの電圧立上り時間Ｔ_Ｒと電圧立下り時間Ｔ_Ｆとを１μｓに固定させ、最大電圧Ｖ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｄを３μｓから５μｓまで１μｓ単位に長くするようにしながら、駆動周波数を変化させる場合、ノズルから吐き出されるインク液滴の体積と吐出し速度とを測定した結果を示す。特に、図１０のグラフは、最大電圧Ｖ_Ｐを６２Ｖから５８Ｖへ低めて実験した結果も示す。

図１０のグラフを見れば、図６に示されたグラフでとほとんど同一な結果を得ることができることが分かる。特に、２５ ｐlより大きい体積を有した液滴を吐き出す場合、最大電圧Ｖ_Ｐを６２Ｖから５８Ｖへ低下させれば、低周波領域だけではなく、高周波領域でも液滴の体積がほとんど一定に維持されることが分かる。従って、比較的高い駆動周波数例えば、１０ｋＨｚ以上の駆動周波数では、駆動パルスの持続時間Ｔ_Ｄと最大電圧Ｖ_Ｐとを共に調節することによって、液滴の体積を効果的に制御することができる。

以上本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎなく、当業者であれば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により決められるべきである。

本発明は、液滴の速度変化を最小化しながら階調表現のための液滴の体積調節が可能なインクジェットプリントヘッドの駆動方法にかかわる技術分野に用いられうる。

従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの一例を示した断面図である。 従来のインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用された駆動波形の一例を示す図面である。 従来のインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用された駆動波形の他の例を示す図面である。 本発明の第１の実施形態によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用される駆動パルスの波形を説明するための図面である。 図４に示された方法において、インクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出し性能についての実験結果を示したグラフである。 図４に示された方法において、インクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出し性能についての実験結果を示したグラフである。 図４に示された方法において、駆動周波数が高まることによってインク液滴の体積が縮小する現象を説明するための断面図である。 図４に示された方法において、駆動周波数が高まることによってインク液滴の体積が縮小する現象を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態によるインクジェットプリントヘッドの駆動方法に適用される駆動パルスの波形を説明するための図面である。 図８に示された方法において、駆動周波数が高まってもインク液滴の体積が一定に維持されることを示す断面図である。 図８に示された方法において、インクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出し性能についての実験結果を示したグラフである。

符号の説明

Ｔ_Ｄ 持続時間
Ｔ_Ｆ 立下り時間
Ｔ_Ｒ 立上り時間
Ｖ_Ｐ 最大時間

Claims (7)

1. 圧電アクチュエータに駆動パルスを印加してインクが充填された圧力チャンバの体積を変化させることによって、前記圧力チャンバの体積変化による圧力変化により、前記圧力チャンバに連通されたノズルを通じてインク液滴を吐き出させるインクジェットプリントヘッドの駆動方法であって、
   前記駆動パルスの電圧立上り時間は、一定に維持させ、前記駆動パルスの最大電圧持続時間を調節することによって、前記ノズルを通じて吐き出される液滴の体積を変化させることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
2. 吐き出されるインク液滴の体積が大きい程前記駆動パルスの最大電圧持続時間を長くすることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
3. 前記駆動パルスの最大電圧持続時間は、前記圧電アクチュエータの最大変位到達前に終了することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
4. 前記駆動パルスの最大電圧持続時間は、３μｓ〜９μｓの範囲内で調節されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
5. 前記駆動パルスの電圧立下り時間も一定に維持させることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
6. 前記駆動パルスの最大電圧持続時間と共に、前記駆動パルスの最大電圧を調節することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
7. 前記インクジェットプリントヘッドの駆動周波数が高い程前記駆動パルスの最大電圧を低めることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットプリントヘッドの駆動方法。
   

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