JP2013103460A - インクジェットヘッドの駆動波形およびインクジェットヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インク吐出における残留振動の抑制と糸引きの防止と、を同時に達成することができるインクジェットヘッドの駆動波形およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】インクを吐出するために吐出ノズル２２に連なる圧電素子３３に印加される第１駆動パルスＰ１と、吐出されたインクの糸引きを切るために圧電素子３３に印加される第２駆動パルスＰ２とを有するインクジェットヘッド１１の駆動波形Ｐであって、第１駆動パルスＰ１の立下り終了点と、第２駆動パルスＰ２の立上り開始点との間の待ち時間Ｔ７を、０．５μｓから０．８μｓとしている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、主に粘性の高いインクを吐出するために、吐出ノズルに連なる素子部に印加されるインクジェットヘッドの駆動波形およびインクジェットヘッドの駆動方法に関するものである。

従来、この種のインクジェットヘッドの駆動方法として、粘性の高いインクに対し、特殊な駆動波形を印加してインクジェットヘッドを駆動するものが知られている（特許文献１参照）。
この場合の駆動波形は、吐出ノズルのメニスカスを引き込んだ後、開放することでインクを吐出する台形の形状のものであり、高電圧の第１のパルスと低電圧の第２のパルスとで構成されている。インクジェットヘッドの吐出駆動では、電圧値の高い第１のパルスを印加してインクの吐出を行い、第１のパルスから数μ秒（１．０μ秒〜２．５μ秒）後、電圧値の低い第２のパルスを印加する。これにより、吐出したインクの糸引きを防止することができると共に、第１のパルスによるインク吐出で生じた残留振動を第２のパルスで吸収（制振）し、インク吐出における吐出不良を防止している。

特開２００４−３２２５１９号公報

このような従来のインクジェットヘッドの駆動方法では、その駆動波形において、高電圧の第１のパルスと低電圧の第２のパルスとの間に数μ秒（１．０μ秒〜２．５μ秒）の待ち時間を設けることで、残留振動を抑制しているが、この待ち時間が長いため、制振効果が十分に発揮されない問題があった。すなわち、第１のパルスの立下りにより、吐出力を付与されたインクが変位のピークに達した直後に、第２のパルスの立上りにより、インクに引込み力が作用するため、この吐出力（厳密には、インクの慣性力）と引込み力とが相殺されず、制振効果が十分に発揮されなくなっていた。このため、いわゆるインクの糸引きを防止することができるが、残留振動を十分に制振することができず、メニスカスが不安定となって、次のインク吐出における吐出不良が発生してしまう虞があった。

本発明は、インク吐出における残留振動の制振と糸引きの防止と、を同時に達成することができるインクジェットヘッドの駆動波形およびインクジェットヘッドの駆動方法を提供することを課題としている。

本発明のインクジェットヘッドの駆動波形は、インクを吐出するために吐出ノズルに連なる素子部に印加される第１駆動パルスと、吐出されたインクの糸引きを切るために素子部に印加される第２駆動パルスとを有するインクジェットヘッドの駆動波形であって、第１駆動パルスの立下り終了点と、第２駆動パルスの立上り開始点との間の時間が、０．５μｓから０．８μｓであることを特徴とする。

この構成によれば、第１駆動パルスの立下がり終了点と、第２駆動パルスの立上り開始点との間の時間、すなわち第１駆動パルスと第２駆動パルスとの間の待ち時間が、０．５μｓから０．８μｓであるため、第１駆動パルスの立下がりにより吐出した糸引き状態のインクに対し、第２駆動パルスの立上りがインクの糸引き基部に引き込み方向の吸引力が作用する。すなわち、第１駆動パルスの立下りにより、吐出力を付与されたインクが変位のピークに達した直前に、第２駆動パルスの立上りにより、インクに引込み力が作用する。このため、この吐出力（厳密には、インクの慣性力）と引込み力（吸引力）とが相殺され、残留振動を十分に制振することができる。したがって、インク吐出における残留振動の制振と糸引きの防止と、を同時に達成することができ、インクジェットヘッドの吐出不良を有効に防止することができる。

この場合、インクの粘度が、３ｍＰａ・ｓから５０ｍＰａ・ｓであることが好ましい。

この構成によれば、上記のインク粘度のインクに、０．５μｓから０．８μｓの待ち時間が好適に作用し、インク粘度の高低に関わらず、インク吐出における残留振動の制振と糸引きの防止と、を同時に達成することができる。

また、第２駆動パルスの電圧値に対する第１駆動パルスの電圧値の比が、１．０から１０．０であることが好ましい。

この構成によれば、０．５μｓから０．８μｓの待ち時間が好適に作用して、インクを吐出する力（吐出力）とインクを引き込む力（吸引力）とが相殺される。このため、第２駆動パルスの電圧値が高くても、インクの吐出（メニスカスの変位）は抑制される。したがって、第１駆動パルスに対する第２駆動パルスの電圧値の設定の自由度が増し、広い粘度範囲のインクをカバーすることができる。

本発明のインクジェットヘッドの駆動方法は、描画データーに基づいて、複数の吐出ノズルを有するインクジェットヘッドの各吐出ノズルに連なる素子部に、上記したインクジェットヘッドの駆動波形を印加して、インクの選択的な吐出を実施することを特徴とする。

この構成によれば、インク吐出における残留振動の制振と糸引きの防止と、を同時に達成することができるため、粘度の高いインクに対し最良の吐出制御を行うことができ、高い描画品質を維持することができる。

実施形態に係るインクジェット記録装置の外観斜視図である。 インクジェットヘッドの構造図である。 インクジェットヘッドの駆動制御系のブロック図である。 インクジェットヘッドに印加する駆動波形の波形図である。 待ち時間を０．７μｓとしたときの、駆動波形の波形図（ａ）、およびメニスカスの挙動をシュミレーションしたシュミレーション結果の説明図（ｂ）である。 待ち時間を１．５μｓとしたときの、駆動波形の波形図（ａ）、およびメニスカスの挙動をシュミレーションしたシュミレーション結果の説明図（ｂ）である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの駆動波形およびインクジェットヘッドの駆動方法を適用したインクジェット記録装置について説明する。このインクジェット記録装置は、高粘性のインク（例えば、紫外線硬化型インク）を導入し、記録媒体にインクジェット方式で描画を実施するものであり、インクジェットヘッドが駆動により発熱することに着眼し、熱によりインクの粘度を下げてインク吐出を行うようにしている。

図１は、インクジェット記録装置１の全体斜視図であり、同図に示すように、インクジェット記録装置１は、装置本体２と、装置本体２を収容するチャンバー３とで構成されている。
装置本体２は、インクジェットヘッド１１と、インクジェットヘッド１１を保持するキャリッジ１２と、キャリッジ１２を介してインクジェットヘッド１１をＸ軸方向に移動させるヘッド移動機構１３と、インクジェットヘッド１１に対峙する記録媒体１４をＹ軸方向に送る媒体送り機構１５と、これら構成装置を統括制御する制御手段（図３参照）と、備えている。また、インクジェットヘッド１１には、図外のタンクからインクが供給される。

制御手段は、ヘッド移動機構１３を駆動し、インクジェットヘッド１１をＸ軸方向に往復動させながら、描画データーに基づいて、インクジェットヘッド１１を駆動する（主走査）一方、媒体送り機構１５を駆動し、記録媒体１４をＹ軸方向に間欠送り（改行送り：副走査）する。これにより、記録媒体１４に対し、描画データーに基づくインクの吐出が行われ、すなわち所望の描画（印刷）が実施される。

図示しないが、チャンバー３にはヒーターが内蔵されており、チャンバー３内の雰囲気は所定の温度に管理されている。本実施形態では、駆動により発熱するインクジェットヘッド１１の発熱量で、インクを目標温度に昇温するが、この昇温のための熱量を補うと共に、温度変化する周囲温度の影響を排除すべく、チャンバー３内の雰囲気は所定の温度に管理されている。例えば、インクの目標温度を４５℃とし、インクジェットヘッド１１の発熱による温度上昇を５℃とすれば、チャンバー３内の雰囲気は４０℃で管理されることになる。このようにしてインクジェットヘッド１１が昇温されと、インクの粘度は低下し（但し、一般的なインクより粘度は高い）、低下した状態で吐出される。そして、この温度管理による粘度調整と後述する駆動波形Ｐの調整とにより、本実施形態のインクジェット記録装置１では、粘度３ｍＰａ・ｓから５０ｍＰａ・ｓのインクを使用可能に構成されている。

図２は、インクジェットヘッド１１の構造図であり、同図に示すように、インクジェットヘッド１１は、インクを吐出する複数の吐出ノズル２２を有する流路ユニット２１と、流路ユニット２１を支持する基台２３と、流路ユニット２１に対峙するように基台２３に内蔵されたアクチュエーター部２４と、を備えている。流路ユニット２１は、複数の吐出ノズル２２を形成したノズルプレート２６と、間隙を存してノズルプレート２６に対面する振動板２７と、ノズルプレート２６と振動板２７との間の間隙において、一対の共通室２８と複数の圧力室２９を区画する流路形成板３０と、を有している。一対の共通室２８と各圧力室２９とは、連通しており、複数の圧力室２９は、複数の吐出ノズル２２に対応して配置されている。また、振動板２７は、薄い弾性材料で構成され、複数の吐出ノズル２２に対応する複数のアイランド部３１を有している。

アクチュエーター部２４は、ピエゾ素子等で構成された複数の圧電素子３３と、複数の圧電素子３３を支持する固定基板３４とを有している。複数の圧電素子３３は、複数のアイランド部３１に対応し、且つ、複数の吐出ノズル２２に対応しており、各圧電素子３３は、その一方の端部を対応するアイランド部３１に当接するように、配設されている。
圧電素子３３に後述する駆動波形Ｐを印加すると、圧電素子３３が変形（長辺方向で収縮、短辺方向で膨張）し、アイランド部３１を介して圧力室２９が負圧になる。圧力室２９が負圧になると、共通室２８から圧力室２９にインクが流入する。続いて、駆動波形Ｐの印加が解除されると、アイランド部３１が元の状態に復帰し、圧力室２９が正圧になって吐出ノズル２２からインクが吐出される。

このようにして、吐出ノズル２２からインクが吐出されるが、粘性の高いインクを吐出すると、いわゆる糸引きが生じ吐出不良となる。また、インク吐出により生ずる残留振動により、次のインク吐出までにメニスカスが安定せず、この場合も吐出不良となる。そこで、本実施形態では、インクを吐出するための駆動波形Ｐを、インクが吐出するための第１駆動パルスＰ１と、糸引きを切ると共に残留振動を制振するための第２駆動パルスＰ２とで構成している（図４参照）。

図３は、上記制御手段におけるインクジェットヘッド１１の駆動制御系のブロック図であり、同図に示すように、この駆動制御系は、制御部４１と、駆動波形生成部４２と、ヘッド選択部４３と、電源に接続されたヘッド駆動部４４と、複数の圧電素子３３と、を備えている。制御部４１は、ＣＰＵ４６と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部４７とからなり、記憶部４７に記憶されている描画データー等に基づいて各部を制御する。駆動波形生成部４２は、制御部４１を介して入力されたインクの粘度や描画条件等に基づいて、第１駆動パルスＰ１と第２駆動パルスＰ２とから成る駆動波形Ｐを生成する。具体的には、第１駆動パルスＰ１の電圧値Ｖ１、立上り時間Ｔ１、持続時間Ｔ２、立下り時間Ｔ３を決定すると共に、第２駆動パルスＰ２の電圧値Ｖ２、立上り時間Ｔ４、持続時間Ｔ５、立下り時間Ｔ６を決定し、更に第１駆動パルスＰ１の立下り終了点と第２駆動パルスＰ２の立上り開始点との間の待ち時間Ｔ７を決定する。

ヘッド選択部４３は、描画データーに基づいて、インク吐出する吐出ノズル２２に対応する圧電素子３３（素子部）を選択する。ヘッド駆動部４４は、選択された圧電素子３３に、描画データーに基づいて上記の駆動波形Ｐを印加する。なお、インク吐出しない吐出ノズル２２にも、インクが吐出しない程度の不吐出駆動波形（微振動駆動波形）を印加すれば、インクジェットヘッド１１を均一に昇温することができる。かかる場合には、駆動波形生成部４２において、上記の駆動波形Ｐより電圧値の低い不吐出駆動波形を更に生成する。そして、ヘッド選択部４３において、インク吐出する吐出ノズル２２に対応する圧電素子３３と、これ以外のインク吐出しない吐出ノズル２２に対応する圧電素子３３と、を区分けし、ヘッド駆動部４４を介して、インク吐出しない圧電素子３３には不吐出駆動波形を印加する。

次に、図４を参照して、圧電素子３３に印加される駆動波形Ｐについて説明する。上述のように、駆動波形Ｐは、第１駆動パルスＰ１と第２駆動パルスＰ２とを有している。第１駆動パルスＰ１は台形形状を為し、昇温後のインク粘度等に基づいて、電圧値Ｖ１、立上り時間Ｔ１、持続時間Ｔ２、立下り時間Ｔ３のパラメーターにより規定されている。この内、電圧値Ｖ１と立上り時間Ｔ１とで規定される第１駆動パルスＰ１の立上り部分は、圧電素子３３の収縮動作に対応している。また、持続時間Ｔ２で規定される電圧維持部分は、圧力室２９へのインクの流入動作に対応し、さらに電圧値Ｖ１と立下り時間Ｔ３とで規定される立下り部分は、圧電素子３３の復帰動作であってインクの吐出動作に対応している。

また、第２駆動パルスＰ２は、第１駆動パルスＰ１より小さい台形形状を為し、第１駆動パルスＰ１と同様に、電圧値Ｖ２、立上り時間Ｔ４、持続時間Ｔ５、立下り時間Ｔ６のパラメーターにより規定されている。この内、電圧値Ｖ２と立上り時間Ｔ４とで規定される第２駆動パルスＰ２の立上り部分は、圧電素子３３の小さな収縮動作であって、第１駆動パルスＰ１により吐出したインクの糸引きを切る動作と、第１駆動パルスＰ１により生じた残留振動を制振する動作とを兼ねている。また、持続時間Ｔ５で規定される電圧維持部分と、電圧値Ｖ２および立下り時間Ｔ６で規定される立下り部分とは、残留振動を更に制振する動作となる。そして、これら残留振動を制振する動作は、インク吐出により挙動するメニスカスを、振動吸収により元の位置に落ち着かせるものとなる。

一方、待ち時間Ｔ７は、第１駆動パルスＰ１（立下り部分）によるインクの吐出動作から、第２駆動パルスＰ２（立上り部分）による糸引き切り且つ残留振動を制振するための動作に移行する、移行タイミングを図る時間である。この場合、吐出動作により吐出ノズル２２から糸引き状態で飛行するインクに対し、吐出ノズル２２側でカウンターとなる吸引力を作用させることになるため、待ち時間Ｔ７が短いと、インクが飛行（吐出）するための力が殺され、長いと残留振動を十分に制振することができなくなる。そこで、本実施形態では、待ち時間Ｔ７を０．５μｓから０．８μｓに設定している。また、第１駆動パルスＰ１に対し第２駆動パルスＰ２をカウンターとして適切に作用させることができるため、第２駆動パルスＰ２によりインクが吐出されてしまうことが無く、本実施形態では、第１駆動パルスＰ１の電圧値Ｖ１と第２駆動パルスＰ２の電圧値Ｖ２との関係を、１≦（Ｖ１／Ｖ２）≦１０としている。すなわち、電圧値Ｖ２＝電圧値Ｖ１×０．１〜１．０としている。

図５および図６は、一連のインク吐出動作となるメニスカスの挙動を、待ち時間Ｔ７を変えてシュミレーションしたグラフである。図５は、電圧値Ｖ２＝電圧値Ｖ１×０．３（３０％）とし、待ち時間Ｔ７＝０．７μｓとしたときのメニスカスの挙動であり、図６は、電圧値Ｖ２＝電圧値Ｖ１×０．３（３０％）とし、待ち時間Ｔ７＝１．５μｓとしたときのメニスカスの挙動である。

図６に示す待ち時間Ｔ７＝１．５μｓとしたメニスカスの挙動では、第１駆動パルスＰ１により、圧力室２９の負圧で吐出ノズル２２内にいったん引き込まれた（ａ１）メニスカスは、続く圧力室２９の正圧で吐出方向に瞬時に移動する（ａ２）。続いて、メニスカスは、吐出方向の移動がピークに達した後、僅かに時間をおいて、第２駆動パルスＰ２により、再度の引込み力を受ける（ａ３）。その後、メニスカスの挙動は徐々に収束してゆく（ａ４）。
一方、図５の待ち時間Ｔ７＝０．７μｓとしたメニスカスの挙動では、第１駆動パルスＰ１により、圧力室２９の負圧で吐出ノズル２２内にいったん引き込まれた（ａ１）メニスカスは、続く圧力室２９の正圧で吐出方向に瞬時に移動する（ａ２）。続いて、吐出方向の移動がピークに達する直前に、第２駆動パルスＰ２により、再度の引込み力を受ける（ａ３）。その後、メニスカスの挙動は徐々に収束してゆく（ａ４）。

この場合、待ち時間Ｔ７＝０．７μｓ（図５）では、インクの吐出力に対しインクの引込み力がカウンターとして作用（相殺）し、待ち時間Ｔ７＝１．５μｓ（図６）に比して、インクの吐出力が幾分減退するものの、残留振動の第１波は十分に制振されたことが確認できる。また、第１波が制振されたことに伴い、残留振動は比較的早く収束する。

以上のように本実施形態によれば、第１駆動パルスＰ１の立下り終了点と、第２駆動パルスＰ２の立上り開始点との間の時間、すなわち待ち時間Ｔ７を０．５μｓから０．８μｓとしているため、インクの吐出力（厳密には、インクの飛行慣性力）と引込み力（吸引力）とが相殺され、残留振動を十分に制振することができる。したがって、インク吐出における残留振動の制振と糸引きの防止と、を同時に達成することができ、インクジェットヘッド１１の吐出不良を有効に防止することができる。

なお、本実施形態では、粘度３ｍＰａ・ｓから５０ｍＰａ・ｓのインクを使用可能としているが、使用するインクにより、上記の目標温度が変更されることは、言うまでもない。また、待ち時間Ｔ７、電圧値Ｖ２および電圧値Ｖ１についても、同様である。

１ インクジェット記録装置、２ 装置本体、１１ インクジェットヘッド、２２ 吐出ノズル、２４ アクチュエーター部、３３ 圧電素子、４１ 制御部、４２ 駆動波形生成部、４３ ヘッド選択部、４４ ヘッド駆動部、Ｐ 駆動波形、Ｐ１ 第１駆動パルス、Ｐ２ 第２駆動パルス、Ｔ７ 待ち時間

Claims (4)

1. インクを吐出するために吐出ノズルに連なる素子部に印加される第１駆動パルスと、吐出されたインクの糸引きを切るために前記素子部に印加される第２駆動パルスとを有するインクジェットヘッドの駆動波形であって、
   前記第１駆動パルスの立下り終了点と、前記第２駆動パルスの立上り開始点との間の時間が、０．５μｓから０．８μｓであることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動波形。
2. 前記インクの粘度が、３ｍＰａ・ｓから５０ｍＰａ・ｓであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッドの駆動波形。
3. 前記第２駆動パルスの電圧値に対する前記第１駆動パルスの電圧値の比が、１．０から１０．０であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッドの駆動波形。
4. 描画データーに基づいて、複数の吐出ノズルを有するインクジェットヘッドの各吐出ノズルに連なる素子部に、
   請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェットヘッドの駆動波形を印加して、インクの選択的な吐出を実施す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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