JP2007062326A - Driving method of ink jet type recording head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレーのカラーフィルタの製造に用いられる色材液や有機ELディスプレー等の電極膜形成に用いられる電極材液などの特殊な液体を噴射するインクジェット式ヘッドの駆動方法に関する。 The present invention relates to a special liquid such as a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a color material liquid used for manufacturing a color filter of a liquid crystal display, or an electrode material liquid used for forming an electrode film such as an organic EL display. The present invention relates to a method for driving an ink jet head to be ejected.
共通のインク供給部や圧力室などノズル開口穴へ至るインク流路を形成し、前記圧力室を膨張・収縮させる圧力発生手段により液滴を噴射するオンデマンドのインクジェット式ヘッドが種々開発されている。 Various on-demand ink jet heads have been developed that form ink flow paths to nozzle opening holes, such as a common ink supply section and pressure chamber, and eject droplets by pressure generating means for expanding and contracting the pressure chamber. .
また、近年のインクジェット式の記録装置は写真画質に匹敵するほどの高精細な画像を出力できる。これは、前記インク流路を微細化することでノズルから噴射されるインク滴が数ピコリットルと言う極めて小な液滴を記録媒体上に選択的に噴射して画像を出力している。 Further, recent ink jet recording apparatuses can output high-definition images comparable to photographic image quality. This is because the ink flow path is miniaturized so that an extremely small droplet of several picoliters is ejected from a nozzle and selectively ejected onto a recording medium to output an image.
一方では、屋外の看板やポスターといった非常に大きな記録媒体に印刷行なう印刷装置もある。これらの印刷品質はそれほど高精細さを必要とせず比較的大きな液滴でおおきなドットを形成して印刷されている。大きな液滴を得るためには大きな前記インク流路を大きくして液滴を噴射するように構成されている。これらの小液滴と大液滴を1つの液滴で両立させるヘッドの開発は非常に困難であった。 On the other hand, there are printing apparatuses that print on very large recording media such as outdoor signboards and posters. These print qualities do not require so high definition and are printed by forming large dots with relatively large droplets. In order to obtain a large droplet, the large ink flow path is enlarged to eject the droplet. It has been very difficult to develop a head that makes these small droplets and large droplets compatible with one droplet.
このような小さな液滴とその数倍の大きさの液滴を1つのヘッドで実現させるために、圧力発生手段を駆動する電気パルスを工夫した種々のアイディアが提案されている。例えば、1つのドットを形成する複数のインク滴を途切れさせることなくノズル開口穴から連続的に噴射させ、飛翔中に1つの液体に合体させ、記録媒体上に着弾させるものが提案されている。つまり、複数の連続した電気パルスを圧力発生手段に付与し、先の電気パルスよりもその後続の電気パルスの傾斜や時間間隔を狭めることで、それらの電気パルス列内において先の電気パルスによって得られた液滴の速度よりも後続の液滴の方がより速くなるように噴射し、液滴群が飛翔中に合体して単一の液滴として記録媒体上にドットを形成するようにするものである(特許文献1参照)。 In order to realize such small droplets and droplets several times larger in size with one head, various ideas have been proposed in which an electric pulse for driving the pressure generating means is devised. For example, there has been proposed a method in which a plurality of ink droplets forming one dot are continuously ejected from a nozzle opening hole without being interrupted, united into one liquid during flight, and landed on a recording medium. In other words, by applying a plurality of continuous electric pulses to the pressure generating means and narrowing the slope or time interval of the subsequent electric pulses relative to the previous electric pulses, it can be obtained by the previous electric pulses in those electric pulse trains. The droplets are ejected so that the subsequent droplets are faster than the velocity of the droplets, and the droplets coalesce during flight to form dots on the recording medium as a single droplet (See Patent Document 1).
しかしながら、この方法を用いた場合、連続した電気パルスの形状は複雑になり、かつ変換器である圧力発生手段の駆動周期を順次変更する必要がり、クロック信号も複雑となる。また、複数の液滴を合体させて画素を形成するため、ノズルから噴射可能な小液滴をドットとして用いていないため、ヘッドが本来持っている印刷解像度を活かしきれない。 However, when this method is used, the shape of the continuous electric pulse is complicated, and it is necessary to sequentially change the driving cycle of the pressure generating means, which is a transducer, and the clock signal is also complicated. In addition, since a plurality of droplets are combined to form a pixel, a small droplet that can be ejected from a nozzle is not used as a dot, so that the print resolution originally possessed by the head cannot be fully utilized.
このような問題を鑑みて、単一パルスのパルス幅としてヘルムホルツ固有振動の周期を選び、そのパルス幅の1/5〜1/4あるいはそれ以下の時間を休止時間とし、単一パルスと休止時間とを交互に繰り返してマルチパルスを形成して、記録媒体上に着弾したときのドット径を可変させる方法が提案されている(特許文献2参照)。 In view of these problems, the period of the Helmholtz natural oscillation is selected as the pulse width of a single pulse, and the time of 1/5 to 1/4 or less of the pulse width is set as the pause time. Has been proposed in which multi-pulses are alternately repeated to vary the dot diameter when landed on a recording medium (see Patent Document 2).
しかしながら、連続した2つのパルスにより形成された液滴は飛翔中に合体するが、第3パルス以降によって形成された液滴は合体せずに記録媒体上で合体する。更には、特許文献2の図9からわかるように、後続の液滴は飛翔距離が長くなると先頭との間隔が広がるように駆動されている。これは記録速度が遅い場合は良いが、記録速度を高めるため記録ヘッドの走査速度を速める場合、あるいはヘッドを固定して記録媒体が高速で搬送する場合、後続の液滴の速度が遅いと先頭の液滴が記録媒体上に着弾後、遅れて記録媒体上に着弾するので丸いドット形状にならない。最悪の場合は、串団子状のドット形状や完全に分かれたドットになりかねない。つまり、印刷品質が悪化するため記録速度を向上させることができないという問題が生じる。
However, the droplets formed by two continuous pulses are merged during the flight, but the droplets formed by the third pulse and thereafter are merged on the recording medium without being merged. Furthermore, as can be seen from FIG. 9 of
本発明はこのような問題を鑑みてなされたもので、本発明の目的とするところは、マルチパルス駆動によってインク滴の量を制御する駆動方法において、圧力発生手段に印加する電気パルスの全幅を極端に長くすることなく、かつ、ほぼ同じ電気パルス波形を印加することで、連続的に噴射された液滴が記録媒体上にほぼ到達する前にほぼ単一の液滴となって着弾し、安定して高い駆動周波数域でのドット諧調記録が可能な駆動方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to reduce the full width of the electric pulse applied to the pressure generating means in a driving method for controlling the amount of ink droplets by multi-pulse driving. By applying almost the same electric pulse waveform without making it extremely long, the continuously ejected liquid droplets land almost as a single liquid droplet before reaching the recording medium, An object of the present invention is to provide a driving method capable of dot gradation recording in a stable and high driving frequency range.
本発明は、電気パルスの印加により作動する圧力発生手段を有し、該圧力発生手段で以って液体を収容する圧力室と連通するノズル開口穴より液滴を吐出させるものであって、前記電気パルスは少なくとも前記圧力室の容積を膨張させる膨張工程と、前記圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程とを有するオンデマンドインクジェット式記録ヘッドにおいて、少なくとも2以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には、個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にすると共に、前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスがほぼ最下点に到達する時間をTmとしたとき、前記電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間TpをTmとほぼ等しくし、前記電気パルスの全幅PWを前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決められる固有周期Tcxn(nは自然数)未満、かつ連続する電気パルスの総周期は、前記電気パルスはほぼ前記固有周期Tcxn近傍の範囲とすることを特徴とする。 The present invention comprises pressure generating means that operates by applying an electric pulse, and the pressure generating means discharges droplets from a nozzle opening hole that communicates with a pressure chamber that contains liquid, In the on-demand ink jet recording head having at least an expansion step for expanding the volume of the pressure chamber and a contraction step for contracting the pressure chamber and discharging droplets, the electric pulse uses at least two or more continuous electric pulses. In the case of discharging droplets, each electric pulse has the same waveform shape, and the time for the meniscus of the nozzle opening hole drawn in the pressure chamber expansion step to reach the lowest point is Tm. The time Tp from the start of the expansion step of the electric pulse to immediately before the start of the contraction step is made substantially equal to Tm, and the full width PW of the electric pulse is The total period of electrical pulses that are less than the natural period Tcxn (n is a natural number) determined by the ink flow path from the nozzle opening to the pressure chamber, and the total period of the continuous electric pulse is in the range near the natural period Tcxn. It is characterized by.
そして、前記ノズル開口穴部のメニスカスが最下点に到達するまでの時間Tmと、前記電気パルスの全幅PW及び前記固有振動周期Tcの関係がTm<PW<Tcの時、前記電気パルスの総周期Tcxnの変数nは1以上であって、Tm>Tcの時の変数nは2以上であることを特徴とする。 When the relationship between the time Tm until the meniscus of the nozzle opening hole reaches the lowest point, the full width PW of the electric pulse, and the natural vibration period Tc is Tm <PW <Tc, the total of the electric pulses The variable n of the cycle Tcxn is 1 or more, and the variable n when Tm> Tc is 2 or more.
また、前記電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間Tpは、前記ノズル開口穴のメニスカスがほぼ最下点に到達する時間Tmの0.7〜1.2倍であることを特徴とする。 The time Tp from the start of the electric pulse expansion process to just before the start of the contraction process is 0.7 to 1.2 times the time Tm for the meniscus of the nozzle opening hole to reach the lowest point. It is characterized by that.
また、横軸を単一の電気パルスの駆動周波数をとり縦軸にそれによって噴射されるインク滴が所定量のギャップ間を通過する時間から算出された速度としたときを周波数特性カーブとしたときに、前記マルチパルス駆動における電気パルスの繰返し周期は、前記固有周期Tcxn近傍であって、単一電気パルスの2kHz以下の駆動におけるインク滴の速度より大きい速度を有する範囲であることを特徴とする。 When the horizontal axis is the driving frequency of a single electric pulse and the vertical axis is the speed calculated from the time that the ink droplet ejected thereby passes between a predetermined amount of gaps, the frequency characteristic curve is taken. In addition, the repetition period of the electric pulse in the multi-pulse driving is in the vicinity of the natural period Tcxn and has a speed higher than the speed of the ink droplet in the driving of a single electric pulse of 2 kHz or less. .
また、前記電気パルスは、前記膨張行程の終了直後から前記収縮工程の間に保持工程を有することを特徴とする。 Further, the electric pulse has a holding step between the contraction step and immediately after the end of the expansion stroke.
更に、本発明は、電気パルスの印加により作動する圧力発生手段を有し、該圧力発生手段で以って液体を収容する圧力室と連通するノズル開口穴より液滴を吐出させるものであって、前記電気パルスは少なくとも前記圧力室の容積を膨張させる膨張工程と、前記圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程とを有するオンデマンドインクジェット式記録ヘッドにおいて、少なくとも2以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にし、かつ前の電気パルスの電圧Vpと次の電気パルスの電圧V(p+1)の電圧比を(Vp/V(p+1))≦1(pは自然数)にすると共に、前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスがほぼ最下点に到達する時間をTmとしたとき、前記電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間TpをTmとほぼ等しくし、前記電気パルスの全幅PWを前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決められる固有周期Tcxn(nは自然数)未満、かつ連続する電気パルスの総周期は、前記電気パルスはほぼ前記固有周期Tcxn近傍の範囲とすることを特徴とする。 Furthermore, the present invention has pressure generating means that operates by application of an electric pulse, and the pressure generating means discharges droplets from a nozzle opening hole that communicates with a pressure chamber that contains liquid. In the on-demand ink jet recording head, the electrical pulse includes at least an expansion process for expanding the volume of the pressure chamber and a contraction process for contracting the pressure chamber and discharging droplets. In the case of ejecting droplets using the above, each electric pulse has the same waveform shape, and the voltage ratio between the voltage Vp of the previous electric pulse and the voltage V (p + 1) of the next electric pulse is (Vp / V ( p + 1)) ≦ 1 (p is a natural number) and when the time for the meniscus of the nozzle opening hole drawn in the expansion step of the pressure chamber to substantially reach the lowest point is Tm, The time Tp from the start of the electric pulse expansion process to just before the start of the contraction process is made substantially equal to Tm, and the full width PW of the electric pulse is determined by the ink flow path from the nozzle opening hole to the pressure chamber. The total period of electric pulses that are less than the period Tcxn (n is a natural number) and that are continuous is a range in which the electric pulse is approximately in the vicinity of the natural period Tcxn.
そして、以上の特徴を有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記マルチパルス駆動によって噴射された液滴は、記録媒体に到達する前に液滴の先頭がほぼ大きな一つのインク滴と該インク滴に追従する細長い尻尾部からなることを特徴とする。 In the ink jet recording head having the above characteristics, the droplet ejected by the multi-pulse drive follows the one ink droplet whose head is substantially large and the ink droplet before reaching the recording medium. It consists of an elongated tail.
圧力発生手段によりインクを収容する圧力室の容積を膨張・収縮させ液滴を吐出するオンデマンドインクジェット式記録ヘッドにおいて、連続する電気パルスは、少なくともインクを圧力室内に取り込む膨張工程と、圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程と、を有し、電気パルスの収縮工程開始直前までのパルス幅を圧力室の膨張行程で引き込まれるノズル開口部のメニスカスが最下点に到達する時間近傍を取り、電気パルスの全幅がノズル開口部からインク流入口のインク流路で決まる固有周期、いわゆるヘルムホルツ周期と言われる周期Tc未満あって、連続する電気パルスの周期は、前記電気パルスの全幅PW以上でほぼ固有周期Tcxn(nは自然数)近傍の範囲でマルチパルスを形成するようにしたので、必要最小限の工程を要する電気パルスを繰り返して駆動しているのみで複雑な波形の制御が不要である。また、連続した電気パルスの駆動周期も常に一定であり、クロック信号も複雑にする必要がない。つまりは、駆動回路の簡素化が可能となる。 In an on-demand ink jet recording head that discharges droplets by expanding and contracting the volume of a pressure chamber containing ink by a pressure generating means, a continuous electric pulse includes at least an expansion process for taking ink into the pressure chamber, and a pressure chamber. A contraction process that contracts and discharges droplets, and the vicinity of the time when the meniscus of the nozzle opening that is pulled in the expansion process of the pressure chamber reaches the lowest point is the pulse width until just before the start of the contraction process of the electric pulse. The full width of the electric pulse is less than the natural period determined by the ink flow path from the nozzle opening to the ink inlet, that is, the so-called Helmholtz period, and the period of the continuous electric pulse is equal to or greater than the full width PW of the electric pulse. The multi-pulse is formed in the range near the natural period Tcxn (n is a natural number). Control of only the complex waveforms repeatedly driving the electrical pulses are required. Further, the driving cycle of continuous electric pulses is always constant, and the clock signal does not need to be complicated. That is, the drive circuit can be simplified.
また、駆動周期はヘルムホルツ周期にて連続的に駆動されているので、必要に応じて選択的に電気パルスを選ぶことで、少なくとも前記ヘルムホルツ周期以下の駆動周波数で選択的に液滴量を可変させることが可能となる。 In addition, since the driving cycle is continuously driven in the Helmholtz cycle, the droplet amount is selectively varied at least at a driving frequency equal to or less than the Helmholtz cycle by selectively selecting an electric pulse as necessary. It becomes possible.
更に、ヘルムホルツ周期を選ぶことで後続の液滴が先の液滴より速度が速くなるため、必ず先頭の液滴に追いつき単一の液滴となって飛翔できる。また、同時に電気パルスの駆動電圧を直前の電気パルスの駆動電圧より僅かに大きくなるようにすることでより速く単一の液滴が形成され、記録媒体までの距離が短くなっても複数の液滴の状態で着弾することを防止できる。これにより、記録速度の向上を図るために記録ヘッドの走査速度を高めても単一パルスとほぼ同じ液滴形状で着弾させることが可能となり、印刷品質を維持しながら記録速度向上が図れる。 Furthermore, by selecting the Helmholtz cycle, the subsequent droplets are faster than the previous droplets, so that they can always catch up with the first droplet and fly as a single droplet. At the same time, by making the driving voltage of the electric pulse slightly higher than the driving voltage of the immediately preceding electric pulse, a single droplet is formed faster, and even if the distance to the recording medium is shortened, a plurality of liquids Landing in the state of drops can be prevented. As a result, even if the scanning speed of the recording head is increased in order to improve the recording speed, it can be landed in substantially the same droplet shape as a single pulse, and the recording speed can be improved while maintaining the print quality.
従って、本発明によれば記録ヘッドの持つ最小の液滴噴射とその数倍の液滴噴射をひとつのヘッドで実現させることができると同時に記録速度の向上も図れる。 Therefore, according to the present invention, the minimum droplet ejection of the recording head and several times the droplet ejection can be realized with one head, and at the same time, the recording speed can be improved.
マルチパルス駆動によってインク滴の量を制御する駆動方法において、圧力発生手段に印加する電気パルスの全幅を極端に長くすることなく、かつ、ほぼ同じ電気パルス波形を印加することで、連続的に噴射された液滴が記録媒体上にほぼ到達する前にほぼ単一の液滴となって着弾させるという目的をノズル開口部のメニスカスの動きと記録ヘッドの固有周期との関係を利用することで、安定して高い駆動周波数域でのドット諧調記録ができるようにした。 In a driving method that controls the amount of ink droplets by multi-pulse driving, continuous ejection is performed by applying substantially the same electric pulse waveform without extremely increasing the entire width of the electric pulse applied to the pressure generating means. By utilizing the relationship between the movement of the meniscus of the nozzle opening and the natural period of the recording head, the purpose of causing the formed droplet to land as a substantially single droplet before reaching the recording medium substantially, The dot gradation recording can be performed stably in the high driving frequency range.
図1に本発明に用いる積層型のインクジェト式記録ヘッド一実施例となる断面図を示す。本発明のインクジェット式記録ヘッド1は、複数のノズル開口穴11を少なくとも1列を有するノズルプレート10と、ノズル開口穴11へ連通する連通流路21を有するチャンバープレート20と、リストリクタ32と圧力発生室31を兼ねた開口穴を有するリストリクタプレート30と、圧力発生室31及びリストリクタ32を封止する薄板よりなるダイアフラムプレート40と、圧力発生室31に相当する部分を大きく変位させるためにダイアフラムプレート40を振動板41として保持する領域と、共通のインク溜まり52の部分に開口穴を有するサポートプレート50と、各ノズル開口穴11までの流路への異物の進入を防止するフィルター61を有するフィルタープレート60よりなる流路基板5と、流路基板5を保持し、かつ外部からのインクを導入し、貯留する共通インク室71を有する高剛性プレート70より形成される。そして、高剛性プレート70に開けられた開口溝72には、支持部材82に保持され、複数に分割された圧電振動子81を有する圧電アクチュエータ80が挿入されており、圧電振動子81の先端は振動板40に当接・固着されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a multilayer ink jet recording head used in the present invention. The ink
ここで、ノズルプレート10は、インク滴の飛翔直進性を得るために高精度に穴加工され、ニッケルのエレクトフォーミング法やステンレスの薄板を精密プレス法によって穴を加工する方法で成形される。チャンバープレート20は、リストリクタプレート30に開けられた穴より長手方向が短い連通流路21が成形されている。連通流路21の端部側にノズル開口穴11が位置している。リストリクタプレート30は、圧力発生室31及びリストリクタ32の流路となる細長い開口穴が開けられている。図1においては、ノズル開口穴11が1列に並べられた例であるが、1つの記録ヘッド内に複数列を配置しても、ノズル開口穴11を内側として、圧力発生室31などの流路穴が互いに対向するように配置されていても良い。これらチャンバープレート20とリストリクタプレート30は、ステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工成形される。或いは、シリコンウェハーを異方性エチング法やドライエッチング法で形成しても良い。
Here, the
圧力発生室31及びリストリクタ32を封止するダイアフラムプレート40は、他のプレートに比べ、さらに薄板からなるステンレス製の板やエレクトフォーミング法によるニッケル材で成形されている薄膜プレートである。あるいは、薄板のプラスチックフィルムや該プラスチックフィルムと薄板の金属板を積層した後に、振動板となる領域部の金属板をエッチングして除去しても良い。また、サポートプレート50もステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工形成することができる。
The
高剛性プレート70は、ステンレスの棒材等を切削加工で容易に形成することができる。圧電アクチュエータ80は、導電材料と圧電材料が交互に積層されたバルク状態の圧電素子を支持部材82の一端側に固着し、バルク状の圧電素子を個々の圧力発生室31に対応するように複数の圧電振動子81に分割され、圧電振動子81の端面が振動板41に当接固着される。本例に挙げた圧電素子は、積層方向にもっとも変位するd33タイプのものであるが、積層した鉛直方向に変位するd31タイプのものであっても良く、あるいは、薄板の圧電体を利用した方式であっても良い。または、前記圧電アクチュエータ81の変わりに変位変換手段として静電方式であっても良い。
The high-
次に、このように構成されたインクジェット式記録ヘッド1からインク滴が吐出する動作過程について、図2を用いて説明する。図2は、もっとも単純な薄板積層構造で構成さてインクジェット式記録ヘッドの1例である。また、図3はノズル開口穴11より液滴を吐出するために用いられる電気パルスの一例を示す図である。インク流路内にインク6が充填された状態で圧電振動子81に所定の電位差Vを持って電気パルス7が印加されると(図3のTfに相当)、圧電振動子81は収縮し、ダイアフラムプレート40の振動板41が変形する。これによって圧力室発生室31の容積が膨張し、共通のインク室71より夫々のリストリクタ32を経由してインク6が圧力室発生室31に供給される(図2(b)矢印B)。同時にノズル開口穴11のインクメニスカスも圧力発生室31側へ引き戻される(図2(b)矢印A)。このような過程を、以下、膨張行程と呼び、その時間をTfとする。そのまま電圧をホールドするとメニスカスの引き込みが終了し、再度、メニスカスはノズル開口穴部11の出口側へ戻ろうとする。このような過程を保持工程と呼び、その時間をTpとする。そして、メニスカスがノズル開口穴部11の出口側に戻ろうとするほぼその時点で、今度は圧電振動子81が伸長する方向に収縮時よりも短時間で電圧を開放する。この工程を収縮工程と呼び、その時間をTrとする。そうすると、膨張工程によって圧力発生室内31に充填されたインク6が圧縮され、圧力発生室31内は高い気圧状態となり、インク6の圧力が上昇する(図2(c)の状態)。この圧力によってノズル開口穴11よりインク滴8となって飛翔する(図2(d)の状態)。
Next, an operation process in which ink droplets are ejected from the ink
図4は、本発明となるインクジェット式記録ヘッド1にインク滴が吐出しない程度の弱い電気パルス9を印加した時の、ノズル開口穴部11のインク表面であるメニスカスの動きをレーザードップラー装置によって観測したものである。観測に用いた記録ヘッド1は、ノズル開口穴11が38μmでノズルピッチが0.338mmであるものを用いた。電気パルス9は、圧力発生室31を膨張させる信号9aを印加し、その状態を保持し続け、メニスカスがほぼ元に位置に復元したら膨張を開放する信号を与えて観測する。メニスカス動きは、圧力発生室31の膨張により大きく引き込まれる。電圧信号9aを印加直後からメニスカスが引き込まれて再び戻り始める直前までの時間Tm、いわゆるメニスカスの引き込み最下点までの時間Tmは約9μsである。その後、膨張が保持されたままにしておくと、メニスカスはノズル開口穴11側へ振動をしながら戻り始める。その周期Tcはおよそ14〜15μsである。この振動は、この記録ヘッドの固有周期を示していることが既にわかっている。
FIG. 4 shows a laser Doppler device that observes the movement of the meniscus, which is the ink surface of the
次に、本発明となるインク滴の量をコントロールするためのマルチパルス駆動方法について詳述する。図6は、図4のメニスカスを観測した記録ヘッド1に電気パルスを2回連続して印加したときの例を示す。夫々の電気パルス100aと100bの膨張行程となる時間Tfは約3μs、保持工程となる時間Tpが6μs、収縮工程となる時間Trが約3μsで構成され、膨張行程と保持工程の合計時間Twは、メニスカスの引き込み時間Tmであるおよそ9μsとし、1つの電気パルスの合計時間PWは、12μsとしている。そして、連続した電気パルスの周期は記録ヘッド1の固有周期Tcである14.5μs、つまりは、約68kHzの駆動周期とした。
Next, a multi-pulse driving method for controlling the amount of ink droplets according to the present invention will be described in detail. FIG. 6 shows an example when an electric pulse is continuously applied twice to the
このときのインク滴の飛翔状態を観測した結果を図7に示す。図7の(a)〜(d)は、インク滴がノズルから飛び出す直前から徐々に時間をずらして観測した図である。図に示されるように最初の電気パルス100aによって噴射されたインク滴108aに対して、2発目に印加された電気パルス100bによって噴射されたインク滴108bが先のインク滴8aに追いつき、空中で合体する様子がわかる。これは、先の電気パルス100aによって発生した圧力発生室31内の内部圧力の振動(固有周期による振動)が、第二の電気パルス100bによって共振し、圧力発生室31内の圧力が更に高まり、第二のインク滴108bのインク滴速度が速くなるからである。
The result of observing the flying state of the ink droplet at this time is shown in FIG. (A) to (d) of FIG. 7 are views observed by gradually shifting the time immediately before ink droplets jump out of the nozzles. As shown in the figure, with respect to the
上述した現象を検証するため、圧力発生室内31の圧力変動をシミュレーションで分析した結果を図8に示す。図8(a)が、インク流路をモデル化し、WolframResearch社の計算ソフトMathematica(登録商標)を使用して、線形計算にて算出したノズル開口穴11の入り口近傍の圧力変化を示す。図8(b)は、アイネス社のFLOW−3D(登録商標)を用いて圧力発生室31の圧力変化の解析を行なった結果である。圧力振動波形の形状は、僅かなモデルの差により多少異なるが、どちらの場合も電気パルス100aによって発生した圧力発生室31の内部圧力が電気パルス100bによって更に高くなっている様子がわかった。これにより、後続のインク滴8bの液滴速度が速くなることが理解できる。
FIG. 8 shows the result of analyzing the pressure fluctuation in the
図5は、電気パルス9の信号9aの時間Tfを変えたときのメニスカスの動きを見た図である。これからわかるように信号9aの時間が変わるとメニスカスの引き込み最下点までの時間Tmも変化することがわかる。当然、その後の戻り過程での振動周期Tcは同じである。つまり、時間Tfに応じて膨張行程時間Tfと保持工程時間Tpの合計であるTwも変えることで安定した駆動が実現できることは理解できる。また、実験結果によればTpは、(0.7〜1.2)×Tmで後続のインク滴が直前のインク滴に追いつくことが確認できた。
FIG. 5 shows the movement of the meniscus when the time Tf of the signal 9a of the
次に、本発明を利用し、もっと多くの電気パルスを連続的に印加したときのインク吐出の観測結果を図9に示す。図9は、電気パルスを連続5パルスで駆動した時の観測結果で、全て固有周期である約68kHzで連続駆動した結果である。なお、(a)〜(g)の観測結果は時系列になっている。ここに示すように、噴射されたインク滴は印加されたパルスの数によって時間差があるが、全て後続のインク滴が前のインク滴に必ず追いついていく様子がわかる。本例の場合、ノズル開口穴11からおよそ2.5mm離れた地点で、ほぼ一体となることがわかった((7)の状態)。従って、これ以下の連続したマルチパルス駆動においても必ず後続のインク滴は、直前のインク滴に追いつくことは容易に判断できる。また、最終的な液滴の形状は、電気パルスを1つ印加した時の液滴形状にほぼ同じ形状となる。従って、記録媒体上に着地した時のドット液状はほぼ丸い形状を示す。つまり、電気パルスを固有周期の約68kHzで連続的に電気パルスを印加し、必要に応じて選択的に電気パルスを1つ、あるいは3つ、5つなどを必要に応じて選択することでドットサイズを制御でき、階調表現が可能となる。従って、高い駆動周波数、つまりは印刷速度が速く、かつ多値諧調表現によりグラデーションなどのグラフィック印刷での印刷品質を向上させることができる。 Next, FIG. 9 shows an observation result of ink ejection when more electric pulses are continuously applied using the present invention. FIG. 9 is an observation result when the electric pulse is driven by five continuous pulses, and is a result of continuous driving at about 68 kHz which is a natural period. Note that the observation results of (a) to (g) are in time series. As shown here, the ejected ink droplets have a time difference depending on the number of applied pulses, but it can be seen that all subsequent ink droplets always catch up with the previous ink droplets. In the case of this example, it was found that they were almost integrated at a point about 2.5 mm away from the nozzle opening hole 11 (state (7)). Therefore, it can be easily determined that the subsequent ink droplets always catch up with the immediately preceding ink droplets even in continuous multi-pulse driving below this. In addition, the final droplet shape is substantially the same as the droplet shape when one electric pulse is applied. Therefore, the liquid dot when landing on the recording medium has a substantially round shape. In other words, by applying electrical pulses continuously at a natural period of about 68 kHz and selectively selecting one, three, five, etc. as necessary, dots The size can be controlled, and gradation expression is possible. Therefore, the printing quality in graphic printing such as gradation can be improved by high driving frequency, that is, high printing speed and multi-value gradation expression.
図10は、連続する電気パルスの駆動周期を記録ヘッド1の持つ固有周期Tcのおよそ2倍とした場合のインク吐出の観測結果を示す。(a)〜(h)の観測結果は時系列になっている。電気パルスの形状は、100aや100bと同じ形状であって、駆動周期を26μs、およそ35kHzで連続した5つの電気パルスを印加した。図10からもわかるように、インク滴の飛翔距離が長くなれば、後続のインク滴が追いついていく様子がわかる。しかし本例の場合、5発目のインク滴は、直前のインク滴に近づいていくものの10mmの距離を飛翔させても追いつくことができなかった。これは、圧力発生室31内の圧力が徐々に平衡化していくことと、飛翔距離が長くなり運動エネルギーが失われ追いつくことができなかったためである。
FIG. 10 shows the observation results of ink ejection when the drive period of continuous electric pulses is about twice the natural period Tc of the
次に、記録ヘッド1の固有周期Tcが短い(高周波数)場合について述べる。固有周期Tcが短い記録ヘッドでもメニスカスの引き込み最下点までの時間Tmが、固有周期Tcよりも長くなる場合がある。例えば、ノズル開口穴11の直径が25μmで、ノズルピッチが0.25mmの記録ヘッドを用いた場合、記録ヘッドの固有周期Tcが、8μs(125kHz)の振動周期で、メニスカスの引き込み時間Tmが約9μsであった。このようなときは、電気パルスの膨張行程と保持時間の合計をほぼメニスカスの引き込み時間Tmとし、連続した電気パルスの周期を固有周期Tcの2倍以上(但し、整数倍)とすれば良い。
Next, a case where the natural period Tc of the
図11は前述した記録ヘッド1の固有周期Tcが短い(高周波数)場合における圧力発生室31内の圧力変化をシミュレーションした図である。圧力発生室31の圧力変化は、図8で示した結果と同様に2発目の圧力が高くなっていることがわかる。これは、後続のインク滴が、直前のインク滴に追いつくことを示している。図示はしていないが、図9に示すような観測方法でインク滴が直前のインク滴に追いつく様子を確認することもできた。この場合は、連続した5つの電気パルスを印加しても固有周期Tcが長い記録ヘッドのように後続の液滴が追いつく時間は短かった。これは、本記録ヘッドの固有周期が短いので圧力発生室31内の容積は小さくなり、これにより内部圧力の上昇が固有周期の長い記録ヘッドに対して大きくなるため、連続した電気パルスの後半での圧力低下が小さくなることによる。このように、記録ヘッド1の固有周期Tcの2倍の時間で連続駆動することでも、図9に示すような記録ヘッドと同じ効果を得ることができる。
FIG. 11 is a diagram simulating a pressure change in the
図12は、横軸に電気パルスの駆動周波数、縦軸にインク滴が飛翔距離1mmに到達するまでの時間から算出したインク滴の平均速度をプロットしたインク滴の周波数特性カーブを示す。インク滴の速度は、駆動周波数に応じて変化している様子がわかる。速度変化カーブのピークとピーク間から算出される時間は、記録ヘッド1の持つ固有周期Tcとほぼ同じ時間をあらわしている。この速度カーブにおける(1)、(2)、(3)、(4)及び(5)に示したポイントで2連続のマルチパルス駆動を実施した。図13の(1)から(5)は、図12の(1)から(5)に対応した駆動周期におけるインク滴の噴射開始直後から所定量飛翔した時の状態を示す。これからわかるように、図12で示したインク滴の周波数特性を見ると2kHzでのインク滴速度は約8m/s、それに対して(3)から(5)での速度は8m/sより速く、(1)及び(2)が8m/s以下となっている。観測結果、図12中の(3)から(5)までは確実に直前のインク滴に追いつく様子がわかる。(2)の場合は、追いついてはいないものの、インク滴間の距離が詰まっていることから、いずれ追いつくものと思われる。そして、(1)の場合は、確実に追いつかないことがわかった。
FIG. 12 shows a frequency characteristic curve of the ink droplet in which the horizontal axis represents the driving frequency of the electric pulse and the vertical axis plotted the average velocity of the ink droplet calculated from the time until the ink droplet reaches the flying distance of 1 mm. It can be seen that the speed of the ink droplet changes according to the drive frequency. The time calculated from the peak of the speed change curve is approximately the same as the natural period Tc of the
図14は、図12の(5)の周波数で連続5パルスを印加した状態を、FLOW−3Dを用いてインク滴の吐出状態を解析した結果を示す。連続するパルスの数を増やしても後続のインク滴が追いつく様子が検証された。つまり、マルチパルス駆動において、液滴を空中で合体、あるいはほぼ記録媒体上に到達する直前で合体させるためには、マルチパルス駆動の駆動周期をほぼ固有周期Tc近傍をとり、かつ単一の電気パルスでの周波数特性カーブの低周波数域でのインク滴速度より早い領域でのTcの整数倍近傍の時間をとり連続駆動することで、後続の電気パルスによるインク滴が直前のインク滴に追いつくことがわかった。但し、この効果は固有周期Tcの整数倍の周期が長いほどマルチパルスによる周期が長くなり直前のインク滴に追いつく効果は薄れるので、2から3倍程度までが良い。 FIG. 14 shows the result of analyzing the ejection state of ink droplets using FLOW-3D in a state in which five continuous pulses are applied at the frequency of (5) in FIG. It has been verified that the subsequent ink droplet catches up even when the number of consecutive pulses is increased. That is, in multi-pulse driving, in order to combine droplets in the air or almost immediately before reaching the recording medium, the driving cycle of multi-pulse driving is approximately the natural period Tc, and a single electric By continuously driving in the vicinity of an integral multiple of Tc in a region faster than the ink droplet velocity in the low frequency region of the frequency characteristic curve at the pulse, the ink droplet by the subsequent electric pulse catches up with the immediately preceding ink droplet. I understood. However, this effect is preferably about 2 to 3 times as the period of the multi-pulse becomes longer as the period that is an integral multiple of the natural period Tc is longer, and the effect of catching up with the immediately preceding ink droplet is lessened.
以上から、マルチパルス駆動において、インク滴の量をコントロールし、ドットサイズの可変コントロールをする場合、連続する電気パルスの駆動周期は、記録ヘッド1の持つ固有周期Tc近傍をとり、かつ単一電気パルスにおけるインク滴速度より大きい領域でマルチ駆動することで、高い周波数で駆動可能となり印刷速度を低下せることなくマルチパルス駆動ができるインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。
From the above, in the multi-pulse drive, when the ink droplet amount is controlled and the dot size is variably controlled, the drive cycle of the continuous electric pulse takes the vicinity of the natural cycle Tc of the
上述したように、マルチパルス駆動でのパルス数が多くなると、また、駆動周期が長くなると合体するまでの時間と距離が伸びることがわかっている。図15は、インク滴が吐出しない程度に駆動電圧を下げ、電気パルスを連続的に5パルスを印加した時のノズル開口穴11内のインクのメニスカスを観測した図である。図からわかるように連続した電気パルスの4発目以降のメニスカス出張り量がそれほど上昇していないことがわかる。つまり、連続する電気パルスの数が多くなると圧力発生室31内の圧力が平衡状態となってくるためである。
As described above, it has been found that as the number of pulses in multi-pulse driving increases and the driving cycle becomes longer, the time and distance until they are combined increases. FIG. 15 is a diagram in which the meniscus of the ink in the
そこで、図16に示すように、連続した電気パルスの駆動電圧を後続になるに従って徐々に大きくしていくことで、より速く直前のインク滴に追いつかせることが可能となる。また、例えば、最初の電気パルスの電圧をV1としたとき、2番目をV2=V1×1.1、3番目をV3=V×1.2、四番目をV4=V1×1.3、というように連続して大きくする必要はなく、直前の電気パルスの駆動電圧に対して、V(p+1)≧V(p)、電圧比で言えば(Vp/V(p+1))≦1(pは自然数)であれば良い。例えば、図15のような例をとれば、4発目の電気パルスの駆動電圧を直前の電気パルスの駆動電圧より高くすることで、より速く直前に噴射されたインク滴に追いつく。また、マルチパルス駆動の周期を、図12で示した周波数特性カーブで示された固有周期Tcの整数倍近傍で単一電気パルスの低周波数域での速度より早い領域の範囲で、徐々に前記マルチパルスの駆動周期を短くしても、後続のインク滴が直前のインク滴に追いつくことは理解できる。このように、後続のインク滴の速度を大きくすることで、空中でのインク滴の合体を早めることが可能となり、記録媒体までの距離を長く取らずとも良い。その結果、飛翔中の風なので外乱によるインク滴の直進性を悪くする要因が少なくなり、インク滴の着地位置精度が高まり、印刷品質を向上させることができる。 Therefore, as shown in FIG. 16, by gradually increasing the driving voltage of the continuous electric pulse as it follows, it becomes possible to catch up with the immediately preceding ink droplet faster. For example, when the voltage of the first electric pulse is V1, the second is V2 = V1 × 1.1, the third is V3 = V × 1.2, and the fourth is V4 = V1 × 1.3. Thus, it is not necessary to increase it continuously, and V (p + 1) ≧ V (p) with respect to the driving voltage of the immediately preceding electric pulse, and (Vp / V (p + 1)) ≦ 1 (p is the voltage ratio) Natural number). For example, in the example shown in FIG. 15, the drive voltage of the fourth electrical pulse is made higher than the drive voltage of the immediately preceding electrical pulse, thereby catching up with the ink droplet ejected immediately before. Further, the period of the multi-pulse drive is gradually increased in a range of an area near the integer multiple of the natural period Tc shown in the frequency characteristic curve shown in FIG. 12 and faster than the speed of the single electric pulse in the low frequency range. It can be understood that even if the multi-pulse driving cycle is shortened, the subsequent ink droplet catches up with the immediately preceding ink droplet. In this way, by increasing the speed of the subsequent ink droplets, it is possible to accelerate the coalescence of the ink droplets in the air, and it is not necessary to increase the distance to the recording medium. As a result, since the wind is flying, the factors that deteriorate the straightness of the ink droplets due to disturbance are reduced, the ink droplet landing position accuracy is increased, and the printing quality can be improved.
なお、以上説明した発明においては、電気パルスの形状を図17に示すように、圧力発生室31を膨張させる工程と、保持工程と、圧力発生室31を収縮させる(または、復元させる)工程とで構成し、このうち収縮工程に、定常時の位置よりもさらに収縮させるようにした後に、再び元に位置に復元させる復元工程を追加しても同じ効果を得ることができる。
In the invention described above, as shown in FIG. 17, the shape of the electric pulse is a step of expanding the
本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、ひとつのノズルから、小液滴から大液滴を高い駆動周波数でコントロールすることができ、高速印刷が可能で、かつ高精細な印刷品質を得ることができ、オフィスユースの印刷装置から産業用の印刷分野への用途拡大が可能となる。 According to the ink jet recording head of the present invention, it is possible to control a small droplet to a large droplet with a high driving frequency from a single nozzle, enabling high-speed printing and obtaining high-definition print quality. This makes it possible to expand applications from office use printing devices to industrial printing fields.
1 記録ヘッド
5 流路基板
7 電気パルス
8 インク滴
9 電気パルス
10 ノズルプレート
11 ノズル開口穴
20 チャンバープレート
21 連通流路
30 リストリクタプレート
31 圧力発生室
32 リストリクタ
40 ダイアフラムプレート
41 振動板
50 サポートプレート
52 共通のインク溜まり
60 フィルタープレート
61 フィルター
70 高剛性プレート
71 共通インク室
72 開口溝
80 圧電アクチュエータ
81 圧電振動子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
少なくとも2以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には、個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にすると共に、前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスがほぼ最下点に到達する時間をTmとしたとき、前記電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間TpをTmとほぼ等しくし、前記電気パルスの全幅PWを前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決められる固有周期Tcxn(nは自然数)未満、かつ連続する電気パルスの総周期は、前記電気パルスはほぼ前記固有周期Tcxn近傍の範囲とすることを特徴とするインクジェト式記録ヘッドの駆動方法。 A pressure generating means that operates by application of an electric pulse, wherein the pressure generating means discharges a droplet from a nozzle opening hole that communicates with a pressure chamber containing a liquid, and the electric pulse is at least In an on-demand ink jet recording head having an expansion step of expanding the volume of the pressure chamber, and a contraction step of contracting the pressure chamber and discharging droplets,
When droplets are ejected using at least two or more continuous electric pulses, each electric pulse has the same waveform shape, and the meniscus of the nozzle opening hole drawn in the expansion step of the pressure chamber is almost equal. When the time to reach the lowest point is Tm, the time Tp from the start of the electric pulse expansion process to just before the start of the contraction process is made substantially equal to Tm, and the full width PW of the electric pulse is set to the nozzle opening hole. The total period of electric pulses that are less than the natural period Tcxn (n is a natural number) determined by the ink flow path from the pressure chamber to the pressure chamber is such that the electric pulse is in the range near the natural period Tcxn. To drive an inkjet recording head.
少なくとも2以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にし、かつ前の電気パルスの電圧Vpと次の電気パルスの電圧V(p+1)の電圧比を(Vp/V(p+1))≦1(pは自然数)にすると共に、前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスがほぼ最下点に到達する時間をTmとしたとき、前記電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間TpをTmとほぼ等しくし、前記電気パルスの全幅PWを前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決められる固有周期Tcxn(nは自然数)未満、かつ連続する電気パルスの総周期は、前記電気パルスはほぼ前記固有周期Tcxn近傍の範囲とすることを特徴とするインクジェト式記録ヘッドの駆動方法。 A pressure generating means that operates by application of an electric pulse, wherein the pressure generating means discharges a droplet from a nozzle opening hole that communicates with a pressure chamber containing a liquid, and the electric pulse is at least In an on-demand ink jet recording head having an expansion step of expanding the volume of the pressure chamber, and a contraction step of contracting the pressure chamber and discharging droplets,
When droplets are ejected using at least two or more continuous electric pulses, each electric pulse has the same waveform shape, and the voltage Vp of the previous electric pulse and the voltage V (p + 1) of the next electric pulse are The voltage ratio is set to (Vp / V (p + 1)) ≦ 1 (p is a natural number), and the time required for the meniscus of the nozzle opening hole drawn in the expansion process of the pressure chamber to reach the lowest point is Tm. The time Tp from the start of the electric pulse expansion process to just before the start of the contraction process is made substantially equal to Tm, and the full width PW of the electric pulse is determined by the ink flow path from the nozzle opening hole to the pressure chamber. The total period of the electric pulses that are less than the natural period Tcxn (n is a natural number) and that is continuous is a range in the vicinity of the natural period Tcxn. Driving method of the recording head.
When a plurality of droplets are ejected by using at least two continuous electric pulses, before reaching the recording medium, one leading ink droplet follows the ink droplet. The method of driving an ink jet head according to any one of claims 1 to 6, wherein an elongated tail portion is formed.
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