JP2007022095A

JP2007022095A - インク滴噴射方法及びその装置

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Publication number: JP2007022095A
Application number: JP2006298565A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ishikawa; 博幸石川
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】インク滴噴射方法及びその装置において、連続するドットを印字するときに用いる印字周波数を所定値に設定することにより、安定した噴射が可能で、２発目以降の液滴の噴射速度や体積の変動がなくなる。
【解決手段】連続する複数ドットの印字命令にしたがいアクチュエータに印加する噴射パルス信号の周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの（整数＋０．５）倍の逆数とする。これにより、２発目以降の液滴速度や体積が変動することが防止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット方式によるインク滴噴射方法及びその装置に関するものである。

従来から、インクジェット方式のインク噴射装置としては、圧電セラミックスの変形によってインク流路の容積を変化させ、その容積減少時にインク流路内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積増大時にインク導入口からインク流路内にインクを導入するようにしたものが知られている。この種の記録ヘッドにおいては、圧電セラミックスの隔壁によって隔てられた複数のインク室が形成されており、これら複数のインク室の一端にインクカートリッジ等のインク供給手段が接続され、他端にはインク噴射ノズル（以下、ノズルという）が設けられ、印字データに従った前記隔壁の変形によってインク室の容積を減少させることにより、記録媒体に対して前記ノズルからインク液滴を噴射し、文字や図形等が記録される。

この種のインクジェット方式のインク噴射装置において、インク滴を噴射するドロップ・オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコストの安さなどから普及している。ドロップ・オン・デマンド型として、特開昭６３−２４７０５１号公報に示されているように、圧電材料を利用したせん断モード型がある。図８に示すように、この種のインク滴噴射装置６００は、底壁６０１、天壁６０２及びその間のせん断モードアクチュエータ壁６０３からなる。そのアクチュエータ壁６０３は、底壁６０１に接着され、かつ矢印６１１方向に分極された下部壁６０７と、天壁６０２に接着され、かつ矢印６０９方向に分極された圧電材料製の上部壁６０５とからなっている。アクチュエータ壁６０３は一対となって、その間にインク室６１３を形成し、かつ次の一対のアクチュエータ壁６０３の間には、空気室６１５を形成している。

各インク室６１３の一端には、ノズル６１８を有するノズルプレート６１７が固着され、他端には、図示しないインク供給源が接続されている。各アクチュエータ壁６０３の両側面には電極６１９，６２１が金属化層として設けられている。具体的にはインク室６１３側のアクチュエータ壁６０３には電極６１９が設けられ、空気室６１５側のアクチュエータ壁６０３には電極６２１が設けられている。なお、電極６１９の表面はインクと絶縁するための絶縁層６３０で覆われている。そして、空気室６１５に面している電極６２１はアース６２３に接続され、インク室６１３内に設けられている電極６１９はアクチュエータ駆動信号を与える制御装置６２５に接続されている。

そして、各インク室６１３の電極６１９に制御装置６２５が電圧を印加することによって、各アクチュエータ壁６０３がインク室６１３の容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。例えば図９に示すように、インク室６１３ｃの電極６１９ｃに電圧Ｅ（Ｖ）が印加されると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆにそれぞれ矢印６３１、６３２の方向の電界が発生し、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆがインク室６１３ｃの容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。このときノズル６１８ｃ付近を含むインク室６１３ｃ内の圧力が減少する。この電圧Ｅ（Ｖ）の印加状態を圧力波のインク室６１３内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間インク供給源からインクが供給される。

なお、上記片道伝播時間Ｔはインク室６１３内の圧力波が、インク室６１３の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、インク室６１３の長さＬとこのインク室６１３内部のインク中での音速ａにより、Ｔ＝Ｌ／ａと決まる。

圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からＴの奇数倍時間がたつとインク室６１３内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせてインク室６１３ｃの電極６２１ｃに印加されている電圧を０（Ｖ）に戻す。すると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態（図８）に戻り、インクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力がインク室６１３ｃのノズル６１８ｃ付近の部分に生じて、インク滴がノズル６１８ｃから噴射される。なお、インク室６１３へ連通するインク供給路６２６が部材６２７及び部材６２８により形成されている。
特開昭６３−２４７０５１号公報

従来、この種のインク滴噴射装置６００では、連続ドット噴射時の印字周波数を高くすると、ある周波数域によっては、ノズル内でのインクのメニスカス振動の影響で、噴射が不安定になり易い。そのため、例えば、連続噴射の２発目、３発目の液滴の噴射速度や液滴体積が変動して不均一となり、印字品質が低下するといった問題があった。

なお、特開平６−８４０７３号公報に示されるように、パルス電圧立ち上がり時のエネルギーを有効に利用するために、インク噴射のメニスカス振動の影響を考慮して、パルス電圧の立ち下がりから次のパルス電圧の立ち上がりまでの時間をノズル部の固有振動周期の１／２とする方法が知られている。しかしながら、この方法は、噴射の振動がなくなった後、圧電素子が復帰することに伴う振動に次の噴射の振動を重ねようとするものであり、高い印字周波数での連続振動の中で行われる対策ではない。また、特開昭６１−１２０７６４号公報に示されるように、ドット間隔に関係なくインク液滴の体積が一定となるように、ドット間隔を参照して圧電素子に対する駆動信号を制御することが知られている。しかし、この公報に示されるものも、連続するドットの２発目以降の液滴体積の変動を防止するものではない。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、連続するドットを印字するときに用いる印字周波数を、所定値に設定することにより、連続振動の中で、安定した噴射が可能で、２発目以降の液滴の噴射速度や体積の変動がなくなり、印字品質の良いインク滴噴射方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加え、インク滴をノズルより噴射させるインク滴噴射方法において、連続する複数ドットの印字命令にしたがい前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加するときに、２発目以降のドットのインク滴体積及びインク滴速度が１発目のドットのそれとほぼ同等となるような周波数で前記噴射パルス信号を印加するインク滴噴射方法であって、前記周波数は、前記インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔのほぼ（整数＋０．５）倍の逆数であって、前記整数は６から１０のうちの整数であることを特徴とする。この方法においては、連続して複数ドットを噴射した時のインク滴体積及びインク滴速度が変化せず、高い周波数を用いた印字が可能となる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインク滴噴射方法において、前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させて前記インク室内に圧力波を発生させ、それから前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を自然状態に減少させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる。

また、請求項３に記載の発明は、ノズルと接続されインクが充填されるインク室と、前記インク室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加えインク滴を前記ノズルより噴射させる制御装置と、を備えたインク滴噴射装置において、前記制御装置は、連続する複数ドットの印字命令にしたがい、前記インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔのほぼ（整数＋０．５）倍の逆数を周波数とした噴射パルス信号を前記駆動電源から前記アクチュエータに印加するものであって、前記整数は６から１０のうちの整数である。

また、好ましくは請求項４に記載のように前記制御装置は、前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を自然状態に減少させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる。

以上のように本発明によれば、連続する複数ドットの印字命令にしたがいアクチュエータに印加する噴射パルス信号の周波数を、２発目以降のドットのインク滴体積が１発目のドットのそれと同等となるように設定することで、高い周波数で印字する場合にあっても、連続振動の中で、安定した噴射が可能となり、液滴の噴射速度や体積の変動がなくなる。特に、噴射パルス信号の周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔのほぼ（整数＋０．５）倍の逆数とすることにより、連続ドット時のインク液滴速度や体積の変動が少なくなり、高い印字品質が得られる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本実施の形態のインク滴噴射装置における機械的部分の構成は、上述した図８に示すものと同様であるので説明を省略する。

本インク滴噴射装置６００の具体的な寸法の一例を述べる。インク室６１３の長さＬが１５ｍｍである。ノズル６１８の寸法は、インク滴噴射側の径が４０μｍ、インク室６１３側の径が７２μｍ、長さが１００μｍである。また、実験に供したインクの２５℃における粘度は約２ｍＰａ・ｓ、表面張力は３０ｍＮ／ｍである。このインク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）は１５μｓｅｃであった。

次に本発明の一実施の形態であるインク室６１３内の電極６１９に印加する駆動波形を図１に示す。図示の駆動波形１０は、１ドット分の印字のためのインク滴を噴射するための噴射パルス信号Ａである。波高値（電圧値）は、例えば２０（Ｖ）である。

噴射パルス信号Ａの波幅は、インク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）の奇数倍に一致するもの（ヘッド固有の値）とする。連続して次のドットを印字する場合のパルスの周期は、駆動周波数を１０ｋＨｚとしたとき、１００μｓｅｃとなる（周波数は周期の逆数）。

この噴射パルス信号Ａを、連続する複数ドットの印字命令にしたがい印加するときに、２発目以降のドットのインク滴体積が１発目のドットのそれとほぼ同等となるような印字周波数を用いる。具体的には、以下に述べる図２、図３のインク滴噴射の測定データから判明するように、噴射パルス信号の周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔのほぼ（整数＋０．５）倍の逆数とする。

図２（ａ）は、インク滴噴射周波数を変えた時のインク滴速度を、（ｂ）は各種の周期（６．０Ｔ〜１０．０Ｔ）を用いて駆動した時の１発目〜５発目のインク滴速度を示す。図３（ａ）は、インク滴噴射周波数を変えた時のインク滴体積を、（ｂ）は各種の周期（同）を用いて駆動した時の１発目〜５発目のインク滴体積を示す。実線は２発目、破線は３発目について各種の周波数での測定データのブロットを結線したものである。一点鎖線は１発目（周波数に関係なく）のインク滴速度及び体積を示し、それぞれの値は約７ｍ／ｓ、約４０ｐｌ（ピコリットル）である。

図２（ａ）、図３（ａ）に示されるように、２発目、３発目については、周期が時間Ｔの偶数倍（６Ｔ，８Ｔ，１０Ｔ）の時には、インク滴速度、体積ともに増加する特性を有し、周期が時間Ｔの奇数倍（７Ｔ，９Ｔ）の時には、インク滴速度、体積ともに減少する特性を呈する。なお、周期６Ｔは、９０μｓｅｃであり、この時の周波数はほぼ１１ｋＨｚである。同図において、２発目、３発目の特性線が１発目の値を示す一点鎖線と交わる領域（サークルで示す）の周期は、６．５Ｔ，７．５Ｔ，８．５Ｔ，９．５Ｔ（時間Ｔの（整数＋０．５）倍）の辺りである。従って、これら周期（その逆数である周波数）を選択することで、２発目、３発目についてのインク滴速度、体積を１発目と同等にすることができる。このことは、図２（ｂ）、図３（ｂ）のグラフからも分かる。

次に、前記駆動波形１０を実現するための制御装置の一実施の形態を図４及び図５を用いて説明する。図４に示す制御装置６２５は充電回路１８２と放電回路１８４とパルスコントロール回路１８６から構成されている。アクチュエータ壁６０３の圧電材料及び電極６１９、６２１は、等価的にコンデンサ１９１で表される。１９１Ａと１９１Ｂはその端子である。

入力端子１８１と１８３は、それぞれインク室６１３内の電極６１９に与える電圧をＥ（Ｖ）、０（Ｖ）にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路１８２は、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、Ｒ１０４、Ｒ１０５、トランジスタＴＲ１０１、ＴＲ１０２から構成されている。

入力端子１８１にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０１を介して、トランジスタＴＲ１０１が導通し、正の電源１８７から抵抗Ｒ１０３を介して電流がトランジスタＴＲ１０１のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源１８７に接続されている抵抗Ｒ１０４及びＲ１０５にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタＴＲ１０２のベースに流れる電流が増加し、トランジスタＴＲ１０２のエミッタとコレクタ間が導通する。正の電源１８７からの２０（Ｖ）の電圧がトランジスタＴＲ１０２のコレクタ及びエミッタ、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１９１、端子１９１Ａに印加される。

次に、放電用回路１８４について説明する。放電用回路１８４は抵抗Ｒ１０６、Ｒ１０７、トランジスタＴＲ１０３から構成される。入力端子１８３にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０６を介してトランジスタＴＲ１０３が導通し、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１９１の抵抗Ｒ１２０側端子１９１Ａをアースする。したがって、図８及び図９に示すインク室６１３のアクチュエータ壁６０３に印加されていた電荷は放電される。

次に、充電回路１８２の入力端子１８１及び放電用回路１８４の入力端子１８３に入力されるパルス信号を発生するパルスコントロール回路１８６について説明する。パルスコントロール回路１８６には、各種の演算処理を行うＣＰＵ１１０が設けられ、ＣＰＵ１１０には、印字データや各種のデータを記憶するＲＡＭ１１２とパルスコントロール回路１８６の制御プログラム及びタイミングでオン、オフ信号を発生するシーケンスデータを記憶しているＲＯＭ１１４が接続されている、ここで、ＲＯＭ１１４には、図５に示すように、インク滴噴射制御プログラム記憶エリア１１４Ａと、駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂとが設けられている。したがって、駆動波形１０のシーケンスデータは、駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂに記憶されている。

さらに、ＣＰＵ１１０は各種のデータをやりとりするＩ／Ｏバス１１６に接続され、当該Ｉ／Ｏバス１１６には、印字データ受信回路１１８とパルスジェネレータ１２０及び１２２が接続されている。パルスジェネレータ１２０の出力は充電回路１８２の入力端子１８１に接続され、パルスジェネレータ１２２の出力は放電用回路１８４の入力端子１８３に接続されている。

ＣＰＵ１１０はＲＯＭ１１４の駆動波形データ記録エリア１１４Ｂに記憶されているシーケンスデータにしたがって、パルスジェネレータ１２０及び１２２を制御する。したがって、前記のタイミングの各種パターンを予めＲＯＭ１１４内の駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂに記憶させておくことによって、図１に示す駆動波形１０の駆動パルスをアクチュエータ壁６０３に与えることができる。なお、パルスジェネレータ１２０、１２２及び充電回路１８２及び放電回路１８４はノズル数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、代表して一つのノズルの制御について説明したが、他のノズルの制御についても同様な制御である。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、印字周波数によってノズルからの液滴噴射状況が変る様子を示した図である。同図（ａ）は、本実施の形態による周期がＴの（整数＋０．５）倍で連続ドット噴射（ここでは１〜５個）を行った場合のノズルからインクが噴出される様子、（ｂ）は、周期が時間Ｔの偶数倍の時の様子、（ｃ）は周期が時間Ｔの奇数倍の時の様子を示す。（ａ）では連続ドットの液滴１４の速度、体積に変化がないが、（ｂ）では、連続ドットの１発目の液滴１５に対して２発目の液滴１６は速度、体積が増加し、（ｃ）では連続ドットの１発目の液滴１７に対して２発目の液滴１８は速度、体積が減少している。

図７は、本インク滴噴射装置６００に噴射パルスを印加した時のインク室６１３（圧力室と記す）内の圧力変化を説明する図である。１Ｔ〜１０Ｔは時間推移である。噴射パルスの立ち上がり時間０で圧力室の容積が増大して圧力波（負圧）が発生し、１Ｔ時間後の噴射パルスの立ち下がり時点で、圧力室の容積が自然状態に減少し、そのため圧力波は増大する（正圧）。２Ｔ時間では負圧となる。以下、Ｔ時間毎に圧力の位相は反転し、減衰していく。このように作用することからも、周期がＴの偶数倍で噴射駆動すると、２発目、３発目で液滴の速度、体積が増大し、周期がＴの奇数倍で噴射駆動すると、２発目、３発目で液滴の速度、体積が減少する。その中間付近の周期で噴射駆動すると、それらの変動を抑えることができるのである。

以上、一実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、主たる駆動信号として１つの噴射パルス信号Ａのみを持つものを示したが、主たる駆動信号が例えば２つの噴射パルスからなるものであっても構わない。また、インク滴噴射装置６００は、上記実施の形態の構成に限られるものではなく、圧電材料の分極方向が逆のものを用いてもよい。

また、本実施の形態では、インク室６１３の両側に空気室６１５を設けているが、空気室を設けずに、インク室が隣接するようにしてもよい。さらに、本実施の形態では、アクチュエータはせん断モード型のものを用いたが、圧電材料を積層し、その積層方向の変形によって圧力波を発生する構成でもよく、圧電材料に限らずインク室に圧力波を発生するものを使用可能である。

本発明の一実施形態によるインク滴噴射装置による駆動波形を示す図である。（ａ）はインク滴噴射周波数を変えた時のインク滴速度の測定データを示す図、（ｂ）は各種の周期を用いて駆動した時の１発目〜５発目のインク滴速度の測定データを示す図である。（ａ）は、インク滴噴射周波数を変えた時のインク滴体積の測定データを示す図、（ｂ）は各種の周期を用いて駆動した時の１発目〜５発目のインク滴体積の測定データを示す図である。インク滴噴射装置の駆動回路を示す図である。インク滴噴射装置の制御装置のＲＯＭの記憶領域を示す図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各種印字周波数で噴射した場合のノズルからのインク滴噴射状況を示す図である。噴射パルスを印加した時の圧力室内の圧力変化を説明する図である。（ａ）は記録ヘッドのインク噴射部分の縦断面図、（ｂ）は同横断面図である。記録ヘッドのインク噴射部分の動作を示す縦断面図である。

符号の説明

１０駆動波形（噴射パルス信号）
６００インクジェットヘッド
６０３アクチュエータ壁
６１３インク室
６２５制御装置

Claims

インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加え、インク滴をノズルより噴射させるインク滴噴射方法において、連続する複数ドットの印字命令にしたがい前記アクチュエータに噴射パルス信号を印加するときに、２発目以降のドットのインク滴体積が１発目のドットのそれとほぼ同等となるような印字周波数を用いることを特徴とするインク滴噴射方法。
連続する複数ドットの印字命令にしたがい前記アクチュエータに印加する噴射パルス信号の周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔのほぼ（整数＋０．５）倍の逆数とすることを特徴とする請求項１に記載のインク滴噴射方法。
インクが充填されるインク室と、前記インク室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記インク室内を圧力波が片道伝播する時間をＴとしたときに、このＴの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を自然状態に減少させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御装置と、を備えたインク滴噴射装置において、前記制御装置は、連続する複数ドットの印字命令にしたがい、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔのほぼ（整数＋０．５）倍の逆数を周波数とした噴射パルス信号を前記駆動電源から前記アクチュエータに印加するものであることを特徴とするインク滴噴射装置。