JP2017213755A - インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】残留振動による吐出不良を抑制するインクジェットヘッド及びインクジェットプリンタを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、インクジェットヘッドは、圧力室と、アクチュエータと、制御部と、を備える。圧力室は、インクを収容する。アクチュエータは、前記インクを前記圧力室の開口から吐出させるために前記圧力室の容積を拡張又は収縮させるように駆動する。制御部は、前記圧力室においてノズル負圧が変化する固有振動周期の半分の時間であるＡＬの０．４倍から前記ＡＬの０．９倍の幅を有し前記圧力室を拡張させる拡張パルスを前記アクチュエータに印加し、前記圧力室を収縮させる収縮パルスを前記アクチュエータに印加する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタに関する。

インクジェットヘッドは、インクを充填する圧力室、及び、圧力室に圧力振動を生じさせるアクチュエータなどを備えるものがある。インクジェットヘッドは、アクチュエータを駆動し、圧力室からインクを吐出する。インクジェットヘッドの圧力室には、インクの吐出によって吐出後に残留振動が生じることがある。

インクジェットヘッドは、残留振動によって後の吐出に吐出不良を生じるという課題がある。

特開２０００−１５８０２号公報

上記の課題を解決するために、残留振動による吐出不良を抑制するインクジェットヘッド及びインクジェットプリンタを提供する。

実施形態によれば、インクジェットヘッドは、圧力室と、アクチュエータと、制御部と、を備える。圧力室は、インクを収容する。アクチュエータは、前記インクを前記圧力室の開口から吐出させるために前記圧力室の容積を拡張又は収縮させるように駆動する。制御部は、前記圧力室においてノズル負圧が変化する固有振動周期の半分の時間であるＡＬの０．４倍から前記ＡＬの０．９倍の幅を有し前記圧力室を拡張させる拡張パルスを前記アクチュエータに印加し、前記圧力室を収縮させる収縮パルスを前記アクチュエータに印加する。

図１は、実施形態に係るインクジェットプリンタの構成例を示す図である。 図２は、実施形態に係るインクジェットヘッドの構成例を示す図である。 図３は、実施形態に係る電極に印加される電圧波形の例を示す図である。 図４は、実施形態に係る拡張パルス幅と駆動電圧との関係を示すグラフである。 図５は、実施形態に係る圧力室内の圧力を示すグラフである。 図６は、実施形態に係る理想的な着弾を示す図である。 図７は、実施形態に係る残留振動の影響を受けた着弾を示す断面図である。 図８は、実施形態に係る電極に印加される電圧波形の他の例を示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
実施形態に係るインクジェットプリンタは、インクカートリッジに格納されるインクをインクの付着対象となる媒体（たとえば、用紙）に吐出して、媒体に画像を形成する。

図１は、インクジェットプリンタ１の構成例を示す図である。
インクジェットプリンタ１は、複数のインクジェットヘッドユニット１０（１０ａ乃至１０ｅ）と、複数のインクジェットヘッドユニット１０にそれぞれ対応するインクカートリッジとを備える。また、インクジェットプリンタ１は、ヘッド支持部４０と、媒体移動部７０（搬送部）と、メンテナンスユニット９０と、を備える。ヘッド支持部４０は、複数のインクジェットヘッドユニット１０を移動可能に支持する。媒体移動部７０は、媒体Ｓを移動可能に支持する。なお、インクジェットプリンタ１が備えるインクジェットヘッドユニット１０の個数は、特定の個数に限定されるものではない。

インクジェットヘッドユニット１０は、液体吐出部であるインクジェットヘッド３００と、インクを循環させるインク循環装置１００とを備える。
インクジェットプリンタ１がカラープリンタである場合、各色のインクカートリッジは、チューブを介して対応するインクジェットヘッドユニット１０のインク循環装置１００にそれぞれ連通する。各インクカートリッジは、インクを各インクジェットヘッドユニット１０に供給する。

各インクジェットヘッドユニット１０のインクの色は、互いに異なるものであってもよい。カラーのインクジェットプリンタ１において、たとえば、インクの色は、シアン、マゼンタ、イエロー又はブラックなどである。

ヘッド支持部４０は、インクジェットヘッドユニット１０を所定の位置に搬送し固定する。たとえば、ヘッド支持部４０は、キャリッジ４１と搬送ベルト４２とキャリッジモータ４３とを備える。キャリッジ４１は、複数のインクジェットヘッドユニット１０を支持する。搬送ベルト４２は、キャリッジ４１を矢印Ａ方向に往復移動させる。キャリッジモータ４３は、搬送ベルトを駆動する。

媒体移動部７０は、媒体Ｓを所定の搬送路上において搬送させる。たとえば、媒体移動部７０は、媒体Ｓを吸着固定するテーブル７１を備える。テーブル７１は、スライドレール装置７２の上部に取り付けられて矢印Ａ及び矢印Ｂと直交する方向（図１の面に直交する方向）に往復移動する。即ち、媒体移動部７０は、テーブル７１をキャリッジ４１と直交する方向に往復移動する。

メンテナンスユニット９０は、複数のインクジェットヘッドユニット１０の矢印Ａ方向の走査範囲であって、テーブル７１の移動範囲より外側の位置に配置される。メンテナンスユニット９０は、上方が開放したケース体であって、上下方向（図１矢印Ｂ及びＣ方向）に移動可能に設けられる。

メンテナンスユニット９０は、ゴム製のブレード９１と廃インク受け部９２とを備える。ブレード９１は、各色のインクジェットヘッドユニット１０のインクジェットヘッド３００のノズルプレートに付着したインク、ほこり又は紙粉などを除去する。廃インク受け部９２は、ブレード９１で除去したインク、ほこり又は紙粉などを受ける。メンテナンスユニット９０は、ブレード９１を矢印Ａ及び矢印Ｂと直交する方向へ移動させる機構を備える。ブレード９１はノズルプレートの表面を払拭する。

次に、インクジェットヘッド３００の構成例について説明する。
図２は、インクジェットヘッド３００の構成例の例を示す。
インクジェットヘッド３００は、オンデマンド型のピエゾ方式シェア・モード、サイドウォールタイプのインクジェットヘッドである。また、インクジェットヘッド３００は、複数個の吐出孔を有する。インクジェットヘッド３００は、複数の吐出孔を複数の分割に分割し、分割ごとにインクを吐出する。ここでは、インクジェットヘッド３００が、吐出孔を２つおきの３つの組に分けて分割駆動する、いわゆる３分割駆動の場合を例示する。
また、インクジェットヘッド３００は、媒体移動部７０によって供給された媒体にインクを吐出する。

図２が示すように、インクジェットヘッド３００は、第１の圧電素子１１、第２の圧電素子１２ａ並びに１２ｂ、ノズルプレート１４、電極１６ａ乃至１６ｃ、及び制御部２０などを備える。インクジェットヘッド３００は、さらに、例えば、カバー、及び、インクカートリッジに接続されるチューブなどを備えてもよい。

インクジェットヘッド３００は、図示されないベース基板の上面に第１の圧電素子１１を接合し、第１の圧電素子１１の上に第２の圧電素子１２を接合する構造である。第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２との分極方向は、互いに逆向きである。第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２の一端から他端に向けて多数の長尺な溝が設けられる。各溝は、間隔が一定でありかつ平行である。

第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から構成される。
第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２ａとは、アクチュエータ１３ａを形成する。同様に、第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２ｂとは、アクチュエータ１３ｂを形成する。

ノズルプレート１４は、第２の圧電素子１２上に形成される。ノズルプレート１４は、開口部１５を備える。アクチュエータ１３ａ並びに１３ｂ及びノズルプレート１４は、内部に圧力室１８ｂを形成する。開口部１５は、圧力室１８ｂに連通する。圧力室１８ａ及び１８ｃは、圧力室１８ｂに隣接し、それぞれアクチュエータ１３ａ及び１３ｂ側に形成される。

圧力室１８は、インクを収容する。圧力室１８は、インクを充填するために、インクタンクからインクの供給を受ける供給口を備える。
電極１６ａ乃至１６ｃは、それぞれ圧力室１８ａ乃至１８ｃの側壁及び底面に接触するように形成される。即ち、電極１６ａ乃至１６ｃは、それぞれ圧力室１８ａ乃至１８ｃの内面を覆う。

電極１６ａは、圧力室１８ｂの外側からアクチュエータ１３ａに接する。また、電極１６ｂは、圧力室１８ｂの内側からアクチュエータ１３ａ及び１３ｂに接する。また、電極１６ｃは、圧力室１８ｂの外側からアクチュエータ１３ｂに接する。

電極１６ａ及び電極１６ｂの間に、アクチュエータ１３ａが形成される。即ち、電極１６ａ及び電極１６ｂに電圧が印加されると、両電圧の差がアクチュエータ１４ａに印加される。

同様に、電極１６ｂ及び電極１６ｃの間に、アクチュエータ１３ｂが形成される。即ち、電極１６ｂ及び電極１６ｃに電圧が印加されると、両電圧の差がアクチュエータ１４ｂに印加される。

リード１７ａ乃至１７ｃは、それぞれ電極１６ａ乃至１６ｃから外部に向けて延出される。リード１７ａ乃至１７ｃは、制御部２０に接続する。即ち、制御部２０は、リード１７ａ乃至１７ｃに駆動電圧を印加することで、電極１６ａ乃至１６ｃに駆動電圧を印加することができる。

次に、インクジェットヘッド３００の制御部２０について説明する。
制御部２０は、電極１６に印加する駆動電圧を出力する。たとえば、制御部２０は、駆動電圧として、圧力室１８を拡張させる拡張パルス及び圧力室１８を収縮させる収縮パルスを出力する。また、拡張パルスと収縮パルスとの間には、休止期間が生じる。

たとえば、制御部２０は、以下のように拡張パルスを出力する。ここでは、圧力室１８ｂを例に説明する。
制御部２０は、拡張パルスとして、アクチュエータ１３ａ及び１３ｂに圧力室１８ｂの容積を拡張する方向に駆動する駆動信号を出力する。ここでは、拡張パルスは、矩形状のパルスであるものとする。たとえば、制御部２０は、リード１７ａ及びリード１７ｃに電圧＋ＶＡＡを印加し、リード１７ｂに電圧−ＶＡＡを印加する。リード１７ａに電圧＋ＶＡＡが印加され、リード１７ｂに電圧−ＶＡＡを印加されたアクチュエータ１３ａは、電極１６ａを基準に−ＶＡＡ×２の電圧が印加される。−ＶＡＡ×２の電圧が印加されたアクチュエータ１３ａは、外側に（圧力室１８ｂの容積を拡張する方向に）駆動する。

リード１７ｃに電圧＋ＶＡＡが印加され、リード１７ｂに電圧−ＶＡＡを印加されたアクチュエータ１３ｂは、電極１６ｃを基準に−ＶＡＡ×２の電圧が印加される。−ＶＡＡ×２の電圧が印加されたアクチュエータ１３ｂは、外側に（圧力室１８ｂの容積を拡張する方向に）駆動する。

また、たとえば、制御部２０は、以下のように収縮パルスを出力する。
制御部２０は、収縮パルスとして、アクチュエータ１３ａ及び１３ｂに圧力室１８ｂの容積を収縮する方向に駆動する駆動信号を出力する。ここでは、収縮パルスは、矩形状のパルスであるものとする。たとえば、制御部２０は、リード１７ａ及びリード１７ｃに電圧−ＶＡＡを印加し、リード１７ｂに電圧＋ＶＡＡを印加する。リード１７ａに電圧−ＶＡＡが印加され、リード１７ｂに電圧＋ＶＡＡを印加されたアクチュエータ１３ａは、電極１６ａを基準に＋ＶＡＡ×２の電圧が印加される。＋ＶＡＡ×２の電圧が印加されたアクチュエータ１３ａは、内側に（圧力室１８ｂの容積を収縮する方向に）駆動する。

リード１７ｃに電圧−ＶＡＡが印加され、リード１７ｂに電圧＋ＶＡＡを印加されたアクチュエータ１３ｂは、電極１６ｃを基準に＋ＶＡＡ×２の電圧が印加される。＋ＶＡＡ×２の電圧が印加されたアクチュエータ１３ｂは、内側に（圧力室１８ｂの容積を収縮する方向に）駆動する。

なお、制御部２０が印加する電圧の正負は、拡張パルス又は収縮パルスにおいて逆であってもよい。たとえば、制御部２０が印加する電圧の正負は、アクチュエータ１３ａ及び１３ｂを構成する第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２の構造などに基づいて決定される。

休止期間は、制御部２０がアクチュエータ１３ａ及び１３ｂに電圧を印加しない期間である。たとえば、休止期間は、制御部２０によって意図的に設定されるものであってもよい。また、休止期間は、制御部２０の回路の構成上意図せずに生じるものであってもよい。たとえば、休止期間は、０．２μｓ程度である。

たとえば、制御部２０は、駆動電圧の波形パターンを生成する制御信号生成部及び波形パターンに従って電極１６ａ乃至１６ｃに電圧を印加するトランジスタなどから構成される。

制御部２０は、以下のように吐出動作を行う。
まず、制御部２０は、圧力室１８ｂの体積を拡張し、メニスカスを圧力室１８ｂ内に引き込む。制御部２０は、その後に圧力室１８ｂの体積を収縮させて、メニスカスを圧力室１８ｂ外に押し出す。制御部２０は、メニスカスを圧力室１８ｂ外に押し出すことで、開口部１５からインクを吐出させる。即ち、制御部２０は、拡張パルス、休止期間及び収縮パルスを含む吐出パルスを電極１６ａ乃至１６ｃに印加してインクを吐出する。

次に、制御部２０が電極１６ａ乃至１６ｃを介してアクチュエータに印加する駆動電圧について説明する。
図３は、制御部２０がアクチュエータに印加する駆動電圧の例を示す図である。図３が示す例は、制御部２０が所定のアクチュエータ（たとえば、アクチュエータ１３ａ及び１３ｂ）に印加する電圧を示す。

図３が示すように、制御部２０は、所定のタイミングでアクチュエータに拡張パルスを印加する。拡張パルスを印加すると、制御部２０は、休止期間経過後に収縮パルスを印加する。ここでは、収縮パルスは、ＡＬの２倍の幅を持つ。ＡＬは、圧力室１８においてノズル負圧が変化する固有振動周期の半分の時間である。

図３が示す例では、制御部２０は、連続して４つの吐出パルスをアクチュエータに印加する。なお、制御部２０が連続して印加する吐出パルスの個数は、特定の個数に限定されるものではない。

次に、拡張パルスの幅とアクチュエータに印加される駆動電圧との関係について説明する。
図４は、拡張パルスの幅とアクチュエータに印加される駆動電圧との関係を示すグラフである。横軸は、ＡＬを基準として拡張パルスの幅を示す。縦軸は、アクチュエータに印加される駆動電圧を示す。

グラフ１０１は、アクチュエータが形成する圧力室からインクを吐出することができる上限電圧を示す。即ち、グラフ１０１よりも大きな駆動電圧がアクチュエータに印加されても、圧力室からインクが吐出されない。

グラフ１０２は、アクチュエータが形成する圧力室からインクを吐出することができる下限電圧を示す。即ち、グラフ１０２よりも小さな駆動電圧がアクチュエータに印加されても、圧力室からインクが吐出されない。

グラフ１０３は、所望のインクを吐出することができる駆動電圧である。即ち、制御部２０は、グラフ１０３が示す駆動電圧をアクチュエータに印加すると所望の量のインクを吐出することができる。

拡張パルスの幅が小さいほど、残留振動の位相及び振幅は減少する。従って、拡張パルスの幅が小さいほど、吐出不良を抑制することができる。他方、図４が示すように、拡張パルスの幅が小さくなるほど、所望のインクを吐出することができる駆動電圧（グラフ１０３）は大きくなる。特に、拡張パルスの幅がＡＬの０．４倍を超えると、所望のインクを吐出することができる駆動電圧は急激に増加する。

よって、拡張パルスの幅は、ＡＬの０．４倍〜ＡＬの０．９倍程度であることが望ましい。また、拡張パルスの幅がＡＬの０．５倍であれば、所望のインクを吐出することができる駆動電圧が比較的小さく、かつ、残留振動の影響も抑制することができる。

次に、残留振動について説明する。
ここでは、拡張パルスの幅が０．５ＡＬであるものとする。
図５は、残留振動の例を示すグラフである。横軸は、経過時間を示す。縦軸は、圧力室内の圧力を示す。

グラフ２０１は、拡張パルスの幅が０．５ＡＬである吐出パルスを印加した例を示す。即ち、グラフ２０１は、制御部２０が０．５ＡＬの幅を持つ拡張パルスと２ＡＬの幅を持つ収縮パルスとを吐出パルスとして印加した場合における残留振動を示す。

グラフ２０２は、拡張パルスの幅がＡＬである吐出パルスを印加した例を示す。即ち、グラフ２０１は、制御部２０がＡＬの幅を持つ拡張パルスと２ＡＬの幅を持つ収縮パルスとを吐出パルスとして印加した場合における残留振動を示す。
なお、休止期間は、拡張パルス及び収縮パルスの幅と比べて十分に小さいため、図５においては、無視するものとする。

図５が示すように、グラフ２０１及び２０２において、拡張パルスが印加されるタイミングで圧力は、不連続に低下し、その後徐々に上昇する。また、収縮パルスが印加されるタイミングで圧力は、不連続に上昇し、その後振幅する。また、収縮パルスの印加が終了するタイミングで圧力は、不連続に低下し、その後振幅する。

図５が示すように、グラフ２０１の振幅は、グラフ２０２の振幅よりも早く収縮する。即ち、グラフ２０１の残留振動は、グラフ２０２の残留振動がより早く収縮する。従って、制御部２０が拡張パルスの幅が０．５ＡＬである吐出パルスを印加する方が、拡張パルスの幅がＡＬである吐出パルスを印加するよりも、残留振動が早く収縮し、残留振動の影響が小さくなるものといえる。

次に、印刷媒体Ｓに着弾するインクについて説明する。
図６は、理想的に着弾した場合の例を示す。
図６が示すように、ノズル面（ノズルプレート面）には、複数個のノズルが列を形成して配置される。また、各列は、列方向にずれて配置される。また、同一の分割に属する列は、列方向において同一の位置に配置される。

また、圧力室断面が示すように、隣接する圧力室同士は、アクチュエータを供給する。
また、制御部２０は、印刷媒体Ｓの搬送速度に合わせて、各分割から順にインクを吐出する。その結果、着弾ドットは、印刷媒体Ｓ上に、列方向において同じ位置に形成される。

次に、残留振動の影響を受けた場合の例を示す。
図７は、残留振動の影響を受けた場合の例を示す。
図７（ａ）が示す例では、残留振動によってインクの吐出速度が安定しない場合の例である。吐出速度が安定しないため、印刷媒体Ｓ上の所望の位置にインクが着弾しない。その結果、図７（ａ）が示すように、各分割から吐出された着弾ドットは、列方向において互いに異なる位置に形成される。

図７（ｂ）が示す例では、残留振動によってインクの吐出量が安定しない場合の例である。インクの吐出量が安定しないため、印刷媒体Ｓ上においてドットの大きさが安定しない。その結果、図７（ｂ）が示すように、各着弾ドットの大きさは、互いに異なる。

次に、制御部２０がアクチュエータに印加する駆動電圧の他の例について説明する。
図８は、制御部２０がアクチュエータに印加する駆動電圧の他の例を示す図である。
図８が示すように、制御部２０は、吐出パルスを印加した後に、所定の間隔を空けて抑制パルスを印加する。

抑制パルスは、吐出パルスから生じる残留振動を抑制するためのパルスである。たとえば、抑制パルスは、圧力室を拡張する方向にアクチュエータを駆動させるパルスである。即ち、抑制パルスの駆動電圧は、拡張パルスの駆動電圧と同一の極性を有する。たとえば、抑制パルスは、拡張パルスよりも小さい幅を持つパルスである。また、抑制パルスは、拡張パルスよりも電圧の小さいパルスである。また、抑制パルスは、矩形状のパルスである。なお、抑制パルスの構成は、特定の構成に限定されるものではない。

制御部２０は、抑制パルスを印加した後に所定の間隔を空けて次の吐出パルスを印加する。
なお、制御部２０は、吐出パルス数個おきに抑制パルスを印加してもよい。また、制御部２０は、吐出パルスを印加してから次の吐出パルスを印加するまでに複数個の抑制パルスを印加してもよい。

以上のように構成されたインクジェットヘッドは、拡張パルスの幅を小さくすることで、吐出パルスから生じる残留振動を抑制することができる。また、インクジェットヘッドは、拡張パルスの幅を０．５ＡＬ程度に設定することで、駆動電圧を比較的小さく設定することができる。その結果、インクジェットヘッドは、残留振動による吐出不良を容易に抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…インクジェットプリンタ、１０（１０ａ乃至１０ｅ）…インクジェットヘッドユニット、１３ａ及び１３ｂ…アクチュエータ、１６ａ乃至１６ｃ…電極、１８ａ乃至１８ｃ…圧力室、２０…制御部、７０…媒体移動部、３００…インクジェットヘッド。

Claims (5)

1. インクを収容する圧力室と、
   前記インクを前記圧力室の開口から吐出させるために前記圧力室の容積を拡張又は収縮させるように駆動するアクチュエータと、
   前記圧力室においてノズル負圧が変化する固有振動周期の半分の時間であるＡＬの０．４倍から前記ＡＬの０．９倍の幅を有し前記圧力室を拡張させる拡張パルスを前記アクチュエータに印加し、前記圧力室を収縮させる収縮パルスを前記アクチュエータに印加する制御部と、
   を備えるインクジェットヘッド。
2. 前記収縮パルスは、前記ＡＬの２倍の幅を有する、
   前記請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記拡張パルスは、前記ＡＬの０．５倍の幅を有する、
   前記請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記制御部は、前記収縮パルスを印加した後に、前記圧力室の残留振動を抑制する抑制パルスを前記アクチュエータに印加する、
   前記請求項１乃至３の何れか１項に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記インクの付着対象となる媒体を搬送する搬送部と、
   前記請求項１乃至４の何れか１項に記載のインクジェットヘッドと、
   を備えるインクジェットプリンタ。