JP2020032712A - 液体吐出装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アクチュエータの動作が互いに干渉するクロストークを抑え、安定した液体の吐出を行うことのできる液体吐出装置を提供する。【解決手段】実施形態の液体吐出装置(1A)は、液体を吐出するノズル(51)を配列したノズルプレート(5)、アクチュエータ(8)、液体供給部(4)、及び駆動制御部(7)を備える。アクチュエータは、ノズル毎に設けている。液体供給部は、ノズルに連通する。駆動制御部は、複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向及びY方向に夫々隣接するノズルのアクチュエータには、前記注目したノズルのアクチュエータとは駆動周期の半分をずらしたタイミングで駆動させる駆動信号を与える。【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、液体吐出装置及び画像形成装置に関する。
所定量の液体を所定の位置に供給する液体吐出装置が知られている。液体吐出装置は、例えばインクジェットプリンタ、3Dプリンタ、分注装置などに搭載する。インクジェットプリンタは、インクの液滴をインクジェットヘッドから吐出して、記録媒体の表面に画像等を形成する。3Dプリンタは、造形材の液滴を造形材吐出ヘッドから吐出し、硬化させて、三次元造形物を形成する。分注装置は、試料の液滴を吐出して複数の容器等へ所定量供給する。
アクチュエータを駆動してインクを吐出するノズルを複数備えた液体吐出装置は、複数のアクチュエータを同相で駆動するか、或いは駆動電流の集中を避けるために僅かに位相をずらして駆動している。しかしながら、複数のアクチュエータを略同じタイミングで駆動した場合、アクチュエータの動作が互いに干渉するクロストークにより、インクの吐出が不安定になることがある。
特開2013−91215号公報 特開2016−60076号公報 特表2013−511404号公報
本発明が解決しようとする課題は、アクチュエータの動作が互いに干渉するクロストークを抑え、安定した液体の吐出を行うことのできる液体吐出装置及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の実施形態の液体吐出装置は、液体を吐出するノズルを配列したノズルプレート、アクチュエータ、液体供給部、及び駆動制御部を備える。アクチュエータは、ノズル毎に設けている。液体供給部は、ノズルに連通する。駆動制御部は、複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向及びY方向に夫々隣接するノズルのアクチュエータには、前記注目したノズルのアクチュエータとは駆動周期の半分をずらしたタイミングで駆動させる駆動信号を与える。
第1実施形態に従うインクジェットプリンタの全体構成図である。 上記インクジェットプリンタのインクジェットヘッドの斜視図である。 上記インクジェットヘッドのノズルプレートの平面図である。 上記インクジェットヘッドの縦断面図である。 上記インクジェットヘッドのノズルプレートの縦断面図である。 上記インクジェットプリンタの制御系のブロック構成図である。 上記インクジェットヘッドのアクチュエータに与える駆動信号である。 上記駆動信号を与えたアクチュエータの動作を説明する説明図である。 上記ノズルプレートに配列したチャネルのチャネル番号と、各チャネルが注目チャネル108に与える圧力振幅の大きさをプロットした分布図である。 チャネル109を駆動したときに注目チャネル108に誘導される残留振動の振幅波形と振幅の大きさを示すグラフである。 上記ノズルプレートに配列したチャネルのチャネル番号と、各チャネルが注目チャネル108に与える圧力の大きさをプロットした分布図である。 チャネル116及びチャネル132を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を示すグラフである。 チャネル109及びチャネル107を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を示すグラフである。 チャネル100及びチャネル116を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を示すグラフである。 チャネル101及びチャネル99を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を示すグラフである。 チャネル117及びチャネル115を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を示すグラフである。 チャネルを駆動させる駆動波形に相互に時間差(遅延時間)を設定した4つの駆動タイミングA1、A2、B1、B2を示す説明図である。 全チャネルに上記駆動タイミングA1、A2、B1、B2を規則的に割り当てたマトリックス、及び各チャネルの遅延時間の分布を示すマトリックスである。 第2実施形態の液体吐出装置の一例であるインクジェットヘッドのノズル配置図である。 ノズルの位置関係及び距離について説明する説明図である。 第3実施形態の液体吐出装置の一例であるインクジェットヘッドの縦断面図である。
以下、実施形態に従う液体吐出装置及び画像形成装置について、添付図面を参照しながら詳述する。なお、各図において、同一構成は同一の符号を付している。
(第1実施形態)
実施形態の液体吐出装置1を搭載した画像形成装置の一例として、記録媒体に画像を印刷するインクジェットプリンタ10を説明する。図1は、インクジェットプリンタ10の概略構成を示す。インクジェットプリンタ10は、例えば外装体である箱型の筐体11を備えている。筐体11の内部には、記録媒体の一例であるシートSを収納するカセット12、シートSの上流搬送路13、カセット12内から取り出したシートSを搬送する搬送ベルト14、搬送ベルト14上のシートSに向けてインクの液滴を吐出するインクジェットヘッド1A〜1D、シートSの下流搬送路15、排出トレイ16、及び制御基板17を配置している。ユーザーインターフェイスである操作部18は、筐体11の上部側に配置している。
シートSに印刷する画像のデータは、例えば外部接続機器であるコンピュータ2で生成する。コンピュータ2で生成した画像データは、ケーブル21、コネクタ22B,22Aを通してインクジェットプリンタ10の制御基板17に送られる。
ピックアップローラ23は、カセット12からシートSを一枚ずつ上流搬送路13へ供給する。上流搬送路13は、送りローラ対13a、13bと、シート案内板13c、13dで構成する。シートSは、上流搬送路13を経由して、搬送ベルト14の上面へ送られる。図中の矢印A1は、カセット12から搬送ベルト14へのシートSの搬送経路を示す。
搬送ベルト14は、表面に多数の貫通孔が形成された網状の無端ベルトである。駆動ローラ14a、従動ローラ14b、14cの3本のローラは、搬送ベルト14を回転自在に支持している。モータ24は、駆動ローラ14aを回転させることによって搬送ベルト14を回転させる。モータ24は、駆動装置の一例である。図中A2は、搬送ベルト14の回転方向を示す。搬送ベルト14の裏面側には、負圧容器25を配置している。負圧容器25は、減圧用のファン26と連結しており、ファン26が形成する気流によって容器内が負圧になる。シートSは、負圧容器25内が負圧になることによって搬送ベルト14の上面に吸着保持される。図中A3は、気流の流れを示している。
インクジェットヘッド1A〜1Dは、搬送ベルト14上に吸着保持したシートSに対して、例えば1mmの僅かな隙間を介して対向するように配置している。インクジェットヘッド1A〜1Dは、シートSに向けてインクの液滴を夫々吐出する。シートSは、インクジェットヘッド1A〜1Dの下方を通過する際に画像が形成される。各インクジェットヘッド1A〜1Dは、吐出するインクの色が異なることを除けば、同じ構造になっている。インクの色は、例えば、シアン,マゼンタ,イエロー,ブラックである。
各インクジェットヘッド1A〜1Dは、インク流路31A〜31Dを介してインクタンク3A〜3D及びインク供給圧力調整装置32A〜32Dと夫々連結している。インク流路31A〜31Dは、例えば樹脂製チューブである。インクタンク3A〜3Dは、インクを貯留した容器である。各インクタンク3A〜3Dは、各インクジェットヘッド1A〜1Dの上方に配置している。待機時に、インクジェットヘッド1A〜1Dのノズル51(図2参照)からインクが漏れ出ないように、各インク供給圧力調整装置32A〜32Dは、各インクジェットヘッド1A〜1D内を大気圧に対して負圧、例えば−1kPaに調整している。画像形成時、各インクタンク3A〜3Dのインクは、インク供給圧力調整装置32A〜32Dによって各インクジェットヘッド1A〜1Dに供給される。
画像形成後、シートSは、搬送ベルト14から下流搬送路15へ送られる。下流搬送路15は、送りローラ対15a、15b、15c、15dと、シートSの搬送経路を規定するシート案内板15e、15fで構成している。シートSは、下流搬送路15を経由し、排出口27から排出トレイ16へ送られる。図中矢印A4は、シートSの搬送経路を示す。
続いて、図2〜図6を参照しながら、インクジェットヘッド1Aの構成について説明する。なお、インクジェットヘッド1B〜1Dは、インクジェットヘッド1Aと同じ構造であるので詳しい説明は省略する。
図2は、インクジェットヘッド1Aの外観斜視図である。インクジェットヘッド1Aは、液体供給部の一例であるインク供給部4、ノズルプレート5、フレキシブル基板6、駆動回路7を備えている。インクを吐出する複数のノズル51は、ノズルプレート5に配列している。各ノズル51から吐出するインクは、ノズル51に連通するインク供給部4から供給する。インク供給圧力調整装置32Aからのインク流路31Aは、インク供給部4の上部側に接続している。駆動回路7は、駆動制御部の一例である。矢印A2は、既述の搬送ベルト14の回転方向を示している(図1参照)。
図3は、ノズルプレート5の部分拡大平面図である。ノズル51は、列方向(X方向)及び行方向(Y方向)に2次元配列している。但し、行方向(Y方向)に並ぶノズル51は、Y軸の軸線上にノズル51が重ならないように斜めに配列している。各ノズル51は、X軸方向に距離X1、Y軸方向に距離Y1の間隔で配置している。一例として、距離X1は、略42.25μm、距離Y1は、略253.5μmとする。すなわち、X軸方向に600DPIの記録密度となるように距離X1を決めている。さらに、Y軸方向にも600DPIで印字するように、距離Y1を決めている。ノズル51は、Y方向に配列した8個のノズル51を1組としてX方向に複数配列していく。図示は省略するが、X方向に例えば150組配列し、総数1200個のノズル51を配列している。
インクを吐出する動作の駆動源となるアクチュエータ8は、ノズル51毎に設けている。各アクチュエータ8は、円環状に形成し、その中央にノズル51が位置するように配列している。一組のノズル51とアクチュエータ8は、一つのチャネルを構成する。アクチュエータ8のサイズは、例えば、内径30μm、外径140μmである。各アクチュエータ8は、個別電極81と夫々電気的に接続している。さらに、各アクチュエータ8は、Y方向に並ぶ8個のアクチュエータ8を共通電極82で電気的に接続している。各個別電極81及び各共通電極82は、さらに実装パッド9と夫々電気的に接続している。実装パッド9は、アクチュエータ8に駆動信号(電気信号)を与える入力ポートになっている。各個別電極81は、各アクチュエータ8に駆動信号を夫々与え、各アクチュエータ8は、与えられた駆動信号に応じて駆動する。なお、図3は、説明の便宜上、アクチュエータ8、個別電極81、共通電極82及び実装パッド9を実線で記載しているが、これらはノズルプレート5の内部に配置している(図4の縦断面図参照)。勿論、アクチュエータ8の配置は、ノズルプレート5の内部に限定されない。
実装パッド9は、フレキシブル基板6に形成した配線パターンと例えば異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Contact Film)を介して電気的に接続している。さらに、フレキシブル基板6の配線パターンは、駆動回路7と電気的に接続している。駆動回路7は、例えばIC(Integrated Circuit)である。駆動回路7は、アクチュエータ8に与える駆動信号を生成する。
図4は、インクジェットヘッド1Aの縦断面図である。図4に示すように、ノズル51は、ノズルプレート5をZ軸方向に貫通している。ノズル51のサイズは、例えば、直径20μm、長さ8μmである。インク供給部4の内部には、各ノズル51に夫々連通する圧力室(個別圧力室)41を複数設けている。圧力室41は、例えば上部を開放した円柱形の空間である。各圧力室41の上部は開口しており、共通インク室42と連通している。インク流路31Aは、インク供給口43を介して共通インク室42と連通している。各圧力室41及び共通インク室42内は、インクで満たされている。共通インク室42は、例えばインクを循環させる流路状に形成する場合もある。圧力室41は、例えば厚さ500μmの単結晶シリコンウエハに、例えば直径200μmの円柱形の穴を形成した構成である。インク供給部4は、例えばアルミナ(Al)に共通インク室42に対応する空間を形成した構成である。
図5は、ノズルプレート5の部分拡大図である。ノズルプレート5は、底面側から保護層52、アクチュエータ8及び振動板53を順に積層した構造である。アクチュエータ8は、下部電極84、圧電素子の一例である薄板状の圧電体85及び上部電極86を積層した構造である。上部電極86は、個別電極81と電気的に接続し、下部電極84は、共通電極82と電気的に接続している。保護層52と振動板53の境界には、個別電極81と共通電極82の短絡を防ぐ絶縁層54を介在させている。絶縁層54は、例えば厚さ0.5μmの二酸化シリコン膜(SiO)で形成する。下部電極84と共通電極82は、絶縁層54に形成したコンタクトホール55によって電気的に接続している。圧電体85は、圧電特性と絶縁破壊電圧を考慮して、例えば厚さ5μm以下のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)で形成している。上部電極86及び下部電極84は、例えば厚さ0.15μmの白金で形成している。個別電極81と共通電極82は、例えば厚さ0.3μmの金(Au)で形成している。
振動板53は、絶縁性無機材料で形成している。絶縁性無機材料は、例えば二酸化シリコン(SiO)である。振動板53の厚みは、例えば2〜10μm、好ましくは4〜6μmである。詳しくは後述するが、振動板53及び保護層52は、電圧を印加した圧電体85がd31モード変形することに伴って内側に湾曲する。そして圧電体85への電圧の印加を止めると元に戻る。この可逆的な変形によって、圧力室(個別圧力室)41の容積は、拡張及び収縮する。圧力室41の容積を変えると、圧力室41内のインク圧が変わる。
保護層52は、例えば厚さ4μmのポリイミドで形成している。保護層52は、ノズルプレート5の底面側の一面を覆い、さらにノズル51の孔の内周面を覆っている。
図6は、インクジェットプリンタ10の機能ブロック図である。制御部としての制御基板17は、CPU90、ROM91、RAM92、入出力ポートであるI/Oポート93、画像メモリ94を搭載している。CPU90は、I/Oポート93を通して、駆動モータ24、インク供給圧力調整装置32A〜32D、操作部18、及び各種センサーを制御する。外部接続機器であるコンピュータ2からの印字データは、I/Oポート93を通じて制御基板17へ送信され、画像メモリ94に保存される。CPU90は、画像メモリ94に保存した印字データを描画順に駆動回路7に送信する。
駆動回路7は、印字データバッファ71、デコーダ72、ドライバ73を備えている。印字データバッファ71は、印字データをアクチュエータ8毎に時系列に保存する。デコーダ72は、アクチュエータ8毎に、印字データバッファ71に保存された印字データに基づいて、ドライバ73を制御する。ドライバ73は、デコーダ72の制御に基づき、各アクチュエータ8を動作させる駆動信号を出力する。駆動信号は、各アクチュエータ8に印加する電圧である。
続いて図7及び図8を参照し、アクチュエータ8に与える駆動信号の駆動波形と、ノズル51からインクを吐出する動作について説明する。図7は、駆動波形の一例として、トリプルパルスにより、1回の駆動周期でインクの液滴を3回ドロップするマルチドロップの駆動波形を示している。高速でドロップすればインクは一つの液滴となってシートSに着弾する。図7の駆動波形は、いわゆる引き打ちの駆動波形である。但し、駆動波形はトリプルパルスに限定されない。例えばダブルパルスであってもよい。また、引き打ちに限らず、押し打ちや押し引き打ちであってもよい。
駆動回路7は、時刻t0から時刻t1までバイアス電圧V1をアクチュエータ8に印加する。すなわち、上部電極86と下部電極84の間に電圧V1を印加する。そして、インクの吐出動作を開始する時刻t1から時刻t2まで電圧V0(=0V)にした後、時刻t2から時刻t3まで電圧V2を印加して1回目のインクのドロップを行う。さらに、時刻t3から時刻t4まで電圧V0(=0V)にした後、時刻t4から時刻t5まで電圧V2を印加して2回目のインクのドロップを行う。さらに、時刻t5から時刻t6まで電圧V0(=0V)にした後、時刻t6から時刻t7まで電圧V2を印加して3回目のインクのドロップを行う。高速でドロップすれば液滴が一つになってシートSに着弾する。ドロップ終了後の時刻t7でバイアス電圧V1を印加して圧力室41内の残留振動を減衰させる。
電圧V2は、バイアス電圧V1よりも小さい電圧であり、例えば圧力室41内のインクの圧力振動の減衰率に基づいて電圧値を決定する。時刻t1から時刻t2までの時間、時刻t2から時刻t3までの時間、時刻t3から時刻t4までの時間、時刻t4から時刻t5までの時間、時刻t5から時刻t6までの時間、時刻t6から時刻t7までの時間は、夫々、インクの特性とヘッド内構造によって決まる固有の振動周期λの半周期に設定する。固有の振動周期λの半周期は、AL(Acoustic Length)とも称される。なお、一連の動作中、共通電極82の電圧は0Vで一定とする。
図8は、図7の駆動波形でアクチュエータ8を駆動させてインクを吐出する動作を模式的に示している。待機状態において圧力室41内は、インクで満たされている。ノズル51内のインクのメニスカス位置は、図8(a)に示すように、略0付近で静止している。そして時刻t0から時刻t1までバイアス電圧V1を収縮パルスとして印加すると、圧電体85の厚さ方向に電界が生じ、図8(b)に示すように圧電体85にd31モードの変形が生じる。具体的には、円環状の圧電体85は、厚さ方向に伸び、径方向に縮む。この圧電体85の変形によって振動板53と保護層52に圧縮応力が生じるが、振動板53に生じる圧縮力の方が保護層52に生じる圧縮力よりも大きいため、アクチュエータ8は内側に湾曲する。すなわち、アクチュエータ8は、ノズル51を中心とした窪地となるように変形し、圧力室41の容積が収縮する。
時刻t1において、拡張パルスとしての電圧V0(=0V)を印加すると、アクチュエータ8は、図8(c)に模式的に示すように変形前の状態に戻る。このとき圧力室41内では、容積が元の状態に戻ることにより内部のインク圧が低下するが、そこに共通インク室42からインクが供給されることでインク圧力が上昇していく。その後、時刻t2になると圧力室41へのインク供給が止まり、インク圧力の上昇も止まる。すなわち、いわゆる引きの状態となる。
時刻t2において、収縮パルスとしての電圧V2を印加すると、図8(d)に模式的に示すように、再びアクチュエータ8の圧電体85が変形して圧力室41の容積が収縮する。前述したように時刻t1から時刻t2の間にインク圧力は上昇しており、さらに圧力室41の容積が小さくなるようにアクチュエータ8で押すことによってインク圧力を高めて、ノズル51からインクを押し出す。電圧V2の印加は、時刻t3まで継続し、図8(e)に模式的に示すように、インクは液滴となってノズル51から吐出される。すなわち、1回目のインクのドロップが行われる。
時刻t3から時刻t4まで電圧V0(=0V)にした後、時刻t4から時刻t5まで電圧V2を印加したときも同様の動作と作用で2回目のインクのドロップが行われる(図8(b)〜(e))。さらに時刻t5から時刻t6まで電圧V0(=0V)にした後、時刻t6から時刻t7まで電圧V2を印加したときも同様の動作と作用で3回目のインクのドロップが行われる(図8(b)〜(e))。
3回目のドロップが行われると時刻t7で、キャンセルパルスとしての電圧V1を印加する。インクを吐出したことで圧力室41内のインク圧は低下している。さらに圧力室41内にはインクの振動が残留している。そこで、電圧V2から電圧V1にして圧力室41の容積が収縮するようにアクチュエータ8を駆動させ、圧力室41内のインク圧を実質的に0とし、圧力室41内のインクの残留振動を強制的に減衰させる。
ここで、213個のチャネルをノズルプレート5に2次元配列したインクジェットヘッド1Aを用いて行った試験の結果に基づき、アクチュエータ8を駆動させたときに周囲のチャネルに伝わる圧力振動の特性について説明する。既述のように、一つのチャネルは、一組のノズル51とアクチュエータ8によって構成されている。図9(a)は、XY方向に配列した213個のチャネルに割り当てたチャネル番号を示している。勿論、Y方向に並ぶチャネルは、実際には図3に示したように斜めに配列している。また、以下においては、チャネル同士の位置関係の説明の便宜上、左右(X方向)、上下(Y方向)、斜めと称することがある。
213個の中のチャネルの一つである例えばチャネル108に注目し、他のチャネルを各々単独で駆動したときに注目チャネル108に与える圧力振動振幅の大きさをプロットすると図9(b)の分布図のようになった。チャネルは、ステップ波形をアクチュエータ8に与えることによって駆動させた。前記ステップ波形は、図9(c)に示すアクチュエータ8を一回だけ収縮させる測定用波形である。そして収縮後を測定期間とした。図9(b)の分布図の各枠内の数値は、駆動するチャネルに駆動信号を与えた後、測定期間に注目チャネル108に誘導される残留振動振幅の最大値である。残留振動振幅の大きさを表す値として、注目チャネル108のアクチュエータ8の圧電体85に生じる圧電効果の電圧値(mV)を用いた。
より詳しくは、残留振動振幅の最大値は、次のように算出した。例えば注目チャネル108の一つ上に隣接するチャネル109を駆動したときに、注目チャネル108に誘導される残留振動を圧電体85に生じる圧電効果の電圧値(mV)で表すと図10の圧力波形のようになった。このとき8μsの区間を時間軸に沿って移動させてその区間の最大値から最小値の幅をプロットすると同図の「残留振動の最大最小の幅」波形のようになった。そしてプロットした幅の中の最大値を、残留振動の最大値として図9(b)にプロットする。チャネル109の「残留振動の最大最小の幅」の最大値は135mVである。残りのチャネルに対しても同様の手順で「残留振動の最大最小の幅」の最大値を測定した。
図9(b)の結果から、注目チャネル108に対して上下に隣接するチャネル109,108からの振動の影響が最も大きいことが分かる。次いで左右に隣接するチャネル100,116からの振動の影響が大きいことが分かる。つまり、チャネルが周囲のチャネルからの影響を少なくして安定した吐出を行うためには、特に上下左右のチャネルからの振動の影響をできるだけ抑えることが望ましい。
続いて、注目チャネル108に与える圧力の大きさをプロットすると図11の分布図のようになった。図11の分布図の各枠内の数値は、チャネルに駆動信号を与えてから10μsが経過したときに、注目チャネル108に生じた圧力の大きさを示している。正値は正圧であり、負値は負圧である。圧力の大きさを表す値は、注目チャネル108のアクチュエータ8の圧電体85に生じる圧電効果の電圧値(mV)を用いた。
図11の分布図を見ると、注目チャネル108を中心として周囲を囲うチャネルは互いに略同相で圧力を生じさせ(正値の範囲)、さらにその外周を囲うチャネルは反対に略逆相で圧力を生じさせている(負値の範囲)。すなわち、注目チャネル108から逆相の圧力を生じさせるチャネル群のエリアまでの距離は、ノズルプレート5の面に沿って広がりながら伝わる圧力振動の半波長に相当する。つまり、ノズルプレート5の面に沿って広がりながら伝わる圧力振動の半波長は、ノズルプレート5に配列したチャネルの面方向のピッチ(隣接距離)よりも長い。このため、隣接するチャネル同士など、すぐ近くの位置関係にあるチャネルの圧力振動は同相である。
また、図12の波形図は、チャネル116とチャネル132を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を夫々示している。チャネル116は、注目チャネル108の一つ右に隣接する。チャネル132は、注目チャネル108から右に3つ目の位置にある。圧力波形(残留振動波形)は、縦軸が圧力の大きさを表す圧電効果の電圧値(mV)、横軸が時間(μs)を示している。なお、インクジェットヘッド1Aの固有の圧力振動周期λは4μsであり、その半周期(AL)は2μsであった。この結果から、注目チャネル108に与える圧力は、駆動するチャネルの場所によって大きさと位相が異なることが分かる。
一方、図13の波形図は、チャネル109とチャネル107を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を夫々示している。チャネル109は、注目チャネル108の一つ上に隣接する。チャネル107は、注目チャネルの一つ下に隣接する。この結果から、注目チャネルの一つ上と一つ下に隣接するチャネルが注目チャネルに与える圧力波形は類似していることが分かる。
図14の波形図は、チャネル100とチャネル116を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を夫々示している。チャネル100は、注目チャネル108の一つ左に隣接する。チャネル116は、注目チャネル108の一つ右に隣接する。この結果から、注目チャネルの一つ左と一つ右に隣接するチャネルが注目チャネルに与える圧力波形は略一致していることが分かる。
図15の波形図は、チャネル101とチャネル99を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を夫々示している。チャネル101は、注目チャネル108の一つ左上に隣接する。チャネル99は、注目チャネル108の一つ左下に隣接する。この結果から、注目チャネルの一つ斜め左上と一つ斜め左下に隣接するチャネルが注目チャネルに与える圧力波形も類似していることが分かる。
図16の波形図は、チャネル117とチャネル115を各々駆動したときに注目チャネル108に表れた圧力波形(残留振動波形)を夫々示している。チャネル117は、注目チャネル108の一つ右上に隣接する。チャネル115は、注目チャネル108の一つ右下に隣接する。この結果から、注目チャネルの一つ斜め右上と一つ斜め右下に隣接するチャネルが注目チャネルに与える圧力波形も類似していることが分かる。
図11〜図16に示した結果から、注目チャネルからみて対称の位置にあるチャネルは、注目チャネルに略同じ圧力振動を与えることが分かる。すなわち、注目チャネルからみて左右(X方向)に隣接するチャネル同士、注目チャネルからみて上下(Y方向)に隣接するチャネル同士、注目チャネルからみて斜め上と斜め下に隣接するチャネル同士は、注目チャネルからみて対称の位置にあり、注目チャネルに略同じ圧力振動を与える。
以上の結果を踏まえ、図17に一例を示すように、複数のアクチュエータ8に与える駆動波形に相互に時間差(遅延時間)を設定した4つの駆動タイミングA1、A2、B1、B2を準備した。駆動タイミングA1及びA2からなるA群の駆動波形と、駆動タイミングB1及びB2からなるB群の駆動波形は、相互に駆動周期の半分ずらしている。一つの駆動周期は、前半部分の吐出動作を行う時間tABと、次の吐出動作を開始するまでの待機の時間tBAからなる。一例として、駆動波形の時刻t1〜時刻t7の各パルスを、夫々固有の振動周期λの半周期ALとした場合、このインクジェットヘッドの駆動周期が24μsであれば、吐出動作の時間tABは12μsとする。吐出動作の時間tABと、待機の時間tBAは、同じ時間か或いは略同じ時間とすることが好ましい。
さらに、A群の駆動波形同士においても、駆動タイミングA1の駆動波形と駆動タイミングA2の駆動波形は、固有の圧力振動周期λの半周期AL(λの2分の1)ずらしている。同様に、B群の駆動波形同士においても、駆動タイミングB1の駆動波形と駆動タイミングB2の駆動波形は、固有の圧力振動周期λの半周期AL(λの2分の1)ずらしている。但し、相互に逆相の駆動波形であればよく、ずらす時間(遅延時間)は半周期(1AL)に限らない。半周期ALの奇数倍であってもよい。
そして、図18に一例を示すように、市松模様となるように213個の全てのチャネルに駆動タイミングA1,A2,B1,B2を規則的に割り当てる。すなわち、A群の駆動タイミング(A1又はA2)を割り当てたチャネルの上下及び左右に隣接するチャネルはいずれもB群の駆動タイミング(B1又はB2)を割り当てる。反対に、B群の駆動タイミング(B1又はB2)を割り当てたチャネルの上下及び左右に隣接するチャネルはいずれもA群の駆動タイミング(A1又はA2)を割り当てる。勿論、角にあるチャネルは、上下の一方及び左右の一方に隣接するチャネルが対象となる。
さらに、A群の駆動タイミング(A1又はA2)を割り当てたチャネルの上下に隣接するチャネルは、一方に駆動タイミングB1を割り当て、他方に駆動タイミングB2を割り当てる。左右に隣接するチャネルは、一方に駆動タイミングB1を割り当て、他方に駆動タイミングB2を割り当てる。つまり、上下及び左右に隣接するチャネルは、夫々、逆相となる駆動波形で駆動させるチャネルのペアとなる。
同様に、B群の駆動タイミング(B1又はB2)を割り当てたチャネルの上下に隣接するチャネルは、一方に駆動タイミングA1を割り当て、他方に駆動タイミングA2を割り当てる。左右に隣接するチャネルは、一方に駆動タイミングA1を割り当て、他方に駆動タイミングA2を割り当てる。つまり、上下及び左右に隣接するチャネルは、夫々、逆相となる駆動波形で駆動させるチャネルのペアとなる。
すなわち、図18の213個のチャネルは、いずれのチャネルに注目しても、そのチャネルに対して上と下に隣接するチャネル同士、及び左と右に隣接するチャネル同士の駆動周期が半分ずれている。
駆動周期が短ければ印字速度は速い。駆動周期は印字装置に要求される印字速度から決定される。駆動周期が所定値のとき、tAB=tBAとすることで、任意のチャネルの駆動タイミングは、上下左右に隣接するチャネルの駆動タイミングから可能な限り離間したタイミングで駆動することになる。これによって最も影響を受け易い上下左右に隣接するチャネルからのクロストークを減らすことができる。
しかも、上下に隣接するチャネル同士及び左右に隣接するチャネル同士は、夫々、相互に逆相となる駆動波形で駆動するペアとなっているので、その中央にあるチャネルへの圧力の影響を互いに打ち消し合う。すなわち、上下及び左右に隣接するチャネルは、既述の通り、注目チャネルからみて対称の位置にあるチャネル同士である。対称の位置にあるチャネルは略同じか或いは類似した波形の圧力振動を注目チャネルに与える。よって双方同じタイミング(同相)で駆動させると互いの振動が加算されて増幅した圧力振動を注目チャネルに与えてしまうが、駆動タイミングを半周期分ずらして逆相の駆動波形で駆動させることにより、相互に振動を打ち消し合う逆相の圧力振動を注目チャネルに与えるようになる。
図7及び図17に示した駆動波形は、1ドットを形成する間に3滴の小ドロップを吐出するマルチドロップ波形である。図7及び図17に示したマルチドロップ波形では、各小ドロップの吐出は時刻t2、t4、t6でアクチュエータに電圧V2が与えられるタイミングを起点にして行われる。時刻t1から時刻t2の時間、時刻t2から時刻t3の時間、時刻t3から時刻t4の時間、時刻t4から時刻t5の時間、時刻t5から時刻t6の時間、時刻t6から時刻t7の時間は、夫々、固有の振動周期λの半周期(AL)分に設定している。そして、駆動タイミングA2は、駆動タイミングA1に対して半周期(AL)分遅れている。駆動タイミングB2は、駆動タイミングB1に対して半周期(AL)分遅れている。したがって、マルチドロップ波形の駆動タイミングA1と駆動タイミングA2は、各小ドロップを吐出する毎に逆相で駆動される。マルチドロップ波形の駆動タイミングB1と駆動タイミングB2は、各小ドロップを吐出する毎に逆相で駆動される。このためマルチドロップ波形ではより効果的にクロストークを削減できる。勿論、1ドットを形成する間に3滴の小ドロップを吐出するマルチドロップ波形に限らない。例えば、1ドットを形成する間に2滴或いは4滴の小ドロップを吐出するマルチドロップ波形であってもよい。さらには、駆動波形は、必ずしもマルチドロップ波形でなくても上述のクロストーク削減の効果を得ることができる。すなわち、駆動波形は、マルチドロップ波形にも限定されない。
なお、図18のように市松模様の割り当てにすると、注目チャネルの左右いずれか一方に隣接するチャネルと上下いずれか一方に隣接するチャネルは、逆相となる駆動波形で駆動するペアか或いは同相の駆動波形で駆動するペアとなる。この場合も、逆相となる駆動波形で駆動するペアは、相互に振動を打ち消し合う逆相の圧力振動を注目チャネルに与えるようになる。また、一つ左斜め上、一つ左斜め下、一つ右斜め上及び一つ右斜め下のチャネルは、注目チャネルと駆動周期が同じA群の駆動タイミングとなるが、一つ左斜め上と一つ左斜め下のチャネル同士、一つ右斜め上と一つ右斜め下のチャネル同士が相互に逆相の駆動波形で駆動するので、相互に振動を打ち消し合う逆相の圧力振動を注目チャネルに与える。
なお、図18は、213個のチャネルに割り当てた駆動タイミングA1,A2,B1,B2の一例であるが、チャネルが213個以上あったとしても、同様の規則性をもって駆動タイミングA1,A2,B1,B2を割り当てることによって、安定した吐出を可能にすることが可能となる。
(第2実施形態)
続いて、第2実施形態の液体吐出装置1について説明する。図19は、液体吐出装置1の一例であるインクジェットヘッド1Aを透視して図1におけるZ軸方向からシートSを見たときのノズル配置である。すなわち、ノズル配置の平面投影図である。図中の符号#1〜#66は、図9(a)に対応するチャネル番号を示し、作図の便宜上、チャネル番号66以降のノズル51の図示を省略している。また、アクチュエータ8の構成など、ノズル配置以外は第1実施形態のインクジェットヘッド1Aと同じである。よって詳しい説明は省略する。
図19に示すように、列方向(X方向)に並ぶノズル51は、一つ置きにY軸方向に所定の距離離すように配置している。例えば列1をみると、#1,#17,#33,#49,#65のノズル51群と、#9,#25,#41,#57のノズル51群とは、Y軸方向に所定の距離離れている。すなわち、相対的なY軸方向のずらしを入れた配置にしている。相対的にY軸方向にずらす距離は、ノズル間距離X1を「1p」と定義したとき、0.5pである。ノズル間距離X1は、列1乃至列8の全てのノズル51を対象にしてY方向から見たときのX方向のノズルピッチである。なお、同じ列にあるノズル51のX方向のピッチは、8pである。列2乃至列8の列方向(X方向)に並ぶノズル51も同様に、一つ置きにY軸方向にずらしている。但し、Y軸方向にずらすノズル51が上下にある列とは行が交互になるようにする。これによりY軸方向にずらすノズル51とずらさないノズル51とで市松模様を形成する。
上記の様に市松模様に配置すると、例えば#14のノズル51に注目した場合、X方向に隣接する#22のノズル51、及び−X方向に隣接する#6のノズル51は、注目した#14のノズル51からみるとY軸方向に0.5pの距離離れている。Y方向に隣接する#15のノズル51は、注目した#14のノズル51に対するY軸方向の離間距離が6.5pとなっている。−Y方向に隣接する#13のノズル51は、注目した#14のノズル51に対するY軸方向の離間距離が5.5pとなっている。すなわち、複数のノズル51の中のいずれか一つに注目したとき、注目したノズル51とX方向及び−X方向に隣接するノズル51とは、相対的にY軸方向に0.5pの距離だけずらした配置になっており、Y方向及び−Y方向に隣接するノズル51の注目したノズル51に対するY軸方向の離間距離は、一方のノズル51が6.5pのとき、他方のノズル51が5.5pとなっているノズル51の配置を含む。また、注目したノズル51自身についてみると、X方向,−X方向,Y方向及び−Y方向の上下左右に隣接するノズル51に対して、相対的に0.5pの距離だけY軸方向にずらした配置となっている。
X方向に隣接するノズル51、Y方向に隣接するノズル51、Y軸方向のずらしの距離、及びY軸方向の離間距離は、図20に示すノズル51の位置関係及び距離となる。すなわち、X方向に隣接するノズル51は、同列において隣接するノズル51であり、必ずしもX軸線上になくともよい。−X方向の場合も同様である。Y方向に隣接するノズル51は、斜めに配列した同行において隣接するノズル51であり、必ずしもY軸線上になくともよい。−Y方向の場合も同様である。Y軸方向のずらしの距離、及びY軸方向の離間距離は、Y軸線上の離間距離である。Y軸は、シートSに画像等を印刷する際のインクジェットヘッド1AとシートSの相対運動の向きである。
pは、インクジェットヘッド1Aがインクを吐出してシートSに形成するドットのドットピッチである。600DPIのインクジェットヘッド1Aの場合、p≒42.25μmである。従って、0.5p≒21.13μm、5.5p≒232.38μm、6.5p≒274.63μmとなる。仮に0.5pのずらしを入れない場合、Y方向に隣接するノズル51のY軸方向の離間距離は全て6p(≒253.5μm)である。pの定義は、ドットピッチと関連付けなくてもよく、例えばX方向のノズルピッチ(=X1)で定義してもよい。
さらに、0.5p,5.5p,6.5pは、設定する距離の一例である。X方向及び−X方向に隣接するノズル51のY軸方向にずらす距離は、0.5pに限らず、数式(m+0.5)pに従って設定することができる。mは、0を含む自然数である。Y方向及び−Y方向に隣接するノズル51のY軸方向の離間距離は、6.5pと5.5pに限らず、数式(n+0.5)pと数式(n−0.5)pに従って設定することができる。nは、0を含まない自然数である。すなわち、設定する距離はいずれもPの半分の奇数倍である。
図19における図中Yは、既述のように、シートSに画像等を印刷する際のインクジェットヘッド1AとシートSの相対運動の向きである。例えばシートSが−Y方向からインクジェットヘッド1Aの下方に向かってくるようにした場合、最初にシートSに相対するノズル51は、列8の#10,#26,#42,#58のノズル51であり、距離0.5p分のシート搬送に要する時間だけ遅れて同列の#2,#18,#34,#50,#66のノズル51がシートSに相対する。シートSに相対するとは、ノズル51がシートSの印字範囲に位置することでもある。
その後、距離5.5p分のシート搬送に要する時間だけ遅れて、列7に配列した#3,#19,#35,#51のノズル51がシートSに相対し、距離0.5p分のシート搬送に要する時間だけ遅れて同列の#11,#27,#43,#59のノズル51がシートSに相対する。
さらにその後、距離6.5p分のシート搬送に要する時間だけ遅れて、列6に配列した#12,#28,#44,#60のノズル51がシートSに相対し、距離0.5p分のシート搬送に要する時間だけ遅れて同列の#4,#20,#36,#52のノズル51がシートSに相対することになる。
各チャネルに対して図18に示した駆動タイミングを設定している場合、#9,#16,#41,#48,・・・,#19,#26,#51,#58のノズル51はA1の駆動タイミングでアクチュエータ8を駆動し、#25,#32,#57,#64,・・・,#3,#10,#35,#42のノズル51はA2の駆動タイミングでアクチュエータ8を駆動し、#8,#33,#40,#65,・・・,#11,#18,#32,#50のノズル51はB1の駆動タイミングでアクチュエータ8を駆動し、#17,#24,#49,#56,・・・,#2,#27,#34,#59,#66のノズル51は、B2の駆動タイミングでアクチュエータ8を駆動する。
先程注目した#14のノズル51についてみると、#14のノズル51のアクチュエータ8は、A群(A1,A2)の中のA2の駆動タイミングで駆動する。そして、左右にあたるX方向と−X方向に隣接する#6及び#22のノズル51、並びに、上下にあたるY方向と−Y方向に隣接する#13及び#15のノズル51のアクチュアータ8は、いずれも#14のノズル51とは駆動周期の半分ずらしたB群(B1,B2)の駆動タイミングで駆動する。印刷の実行中、B群の駆動タイミングのノズル51は、A群の駆動タイミングのノズル51が駆動した後、駆動周期の半分の時間だけ遅れて駆動する。しかし、B群の駆動タイミングのノズル51は、A群の駆動タイミングのノズル51よりも、0.5pだけ遅れてシートSと相対するので、駆動周期の半分遅れたタイミングで駆動してもA群とB群の印字結果はシートS上で一直線に並ぶ。
なお、B1とB2の駆動タイミングの時間差、及びA1とA2の駆動タイミングの時間差は僅かなので直線性に影響することはない。或いは、たとえ影響があったとしても極めて少ない。
なお、インクジェットヘッド1AとシートSの相対運動の向きは、インクジェットヘッド1Aを固定しシートSがY軸方向の一方向に移動するシングルパス方式でもよいが、例えばインクジェットヘッド1AとシートSが相対的にX軸方向にも移動するスキャン方式であってもよい。スキャン方式の場合、印刷動作しながらインクジェットヘッド1Aが運動する向きをXとする。これにより、先程と同様に、列8の#10,#26,#42,#58のノズル51が最初にシートSに相対し、距離0.5p分のヘッド移動に要する時間だけ遅れて同列の#2,#18,#34,#50,#66のノズル51がシートSに相対するようになる。
このように第2実施形態においても、B群の駆動タイミングのノズル51は、A群の駆動タイミングのノズル51に対して駆動周期の半分だけ遅れたタイミングでアクチュエータ8が駆動される。すなわち、上下左右に隣接するチャネルの駆動タイミングから可能な限り離間したタイミングで駆動することになるので、最も影響を受け易い上下左右に隣接するチャネルからのクロストークを減らすことができる。さらに、ドットピッチ或いはノズルピッチの半分の奇数倍だけシートSの送り方向(Y軸方向)にノズル51の位置をずらしたことで、駆動周期の半分だけ遅れたタイミングで駆動させても印字結果の直線性を保つことができる。
以上、ノズル配置と駆動タイミングを対応付けた構成を好ましい一例として説明したが、必ずしも遅延タイミングと対応付けなくてもよい。
(第3実施形態)
続いて、第3実施形態の液体吐出装置について説明する。図21は、液体吐出装置の一例として、インクジェットヘッド101Aの縦断面図を示している。インクジェットヘッド101Aは、圧力室(個別圧力室)41を省略し、ノズルプレート5が共通インク室42と直接的に連通するようにしたことを除けば、第1実施形態で例示したインクジェットヘッド1Aと同じ構成である。従って、インクジェットヘッド1Aと同様の構成については、同じ符号を付すことによって詳しい説明は省略する。
図21に示すインクジェットヘッド101Aも、全てのチャネルに対して、図18に一例を示したような市松模様の駆動タイミングA1、A2、B1、B2を割り当てて駆動させる。
上述のいずれかの実施形態によれば、図18に一例を示したような市松模様の駆動タイミングA1、A2、B1、B2を割り当てることにより、いずれのチャネルに注目しても、上下及び左右に隣接するチャネルの駆動周期が半分ずれている。よって、その中央にあるチャネルは吐出動作を行う際に、上下及び左右に隣接するチャネルからの圧力振動の影響を受け難い。その結果、アクチュエータの動作が互いに干渉するクロストークを抑え、安定した液体の吐出を行うことが可能となる。
すなわち、インクジェットヘッド1A,101Aは、アクチュエータ8とノズル51をノズルプレート5の面上に配置している。この場合、同時に複数のアクチュエータ8を同時に駆動してしまうと、ノズルプレート5の面が撓む、共通インク室42を介して周囲のアクチュエータ8からの圧力変化の影響を受けるなどの理由から、アクチュエータ8の動作は他のアクチュエータ8の動作に干渉するクロストークが起きる。そこで、上述のように駆動タイミングを割り当てることによって、周囲のアクチュエータ8からのクロストークを抑えるのである。
なお、上述の実施形態では、左右に隣接するノズルのアクチュエータ同士、上下に隣接するノズルのアクチュエータ同士、及び、左右のいずれか一方に隣接するノズルと上下のいずれか一方に隣接するノズルのアクチュエータ同士が、相互に逆相の駆動波形となるようにしたが、いずれか一つであってもよく、必ずしも全ての条件を満たさなくてもよい。
さらに、上述の実施形態では、液体吐出装置の一例として、インクジェットプリンタ1のインクジェットヘッド1A、101Aを説明したが、液体吐出装置は、3Dプリンタの造形材吐出ヘッド、分注装置の試料吐出ヘッドであってもよい。
本発明の実施形態は、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。これらの新規な実施形態は、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。これらの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。
10 インクジェットプリンタ
1A インクジェットヘッド
4 インク供給部
5 ノズルプレート
51 ノズル
7 駆動回路
8 アクチュエータ

Claims (7)

  1. 液体を吐出する複数のノズルをXY方向の2次元に配列したノズルプレートと、
    前記ノズル毎に設けたアクチュエータと、
    前記ノズルに連通する液体供給部と、
    前記複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向及びY方向に夫々隣接するノズルのアクチュエータには、前記注目したノズルのアクチュエータとは駆動周期の半分をずらしたタイミングで駆動させる駆動信号を与える駆動制御部と、を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
  2. 液体を吐出する複数のノズルをXY方向の2次元に配列したノズルプレートと、
    前記ノズル毎に設けたアクチュエータと、
    前記ノズルに連通する液体供給部と、
    前記複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向及びY方向に夫々隣接するノズルのアクチュエータには、前記注目したノズルのアクチュエータとは駆動周期の半分をずらしたタイミングで駆動させ、且つ、X方向に隣接するノズルのアクチュエータ同士、Y方向に隣接するノズルのアクチュエータ同士、或いはX方向に隣接するノズルとY方向に隣接するノズルのアクチュエータ同士のいずれかが相互に逆相の駆動波形となる駆動信号を与える駆動制御部と、を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
  3. 液体を吐出する複数のノズルをXY方向の2次元に配列したノズルプレートと、
    前記ノズル毎に設けたアクチュエータと、
    前記ノズルに連通する液体供給部と、
    前記複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向に隣接するノズルのアクチュエータと−X方向に隣接するノズルのアクチュエータには互いに逆相の駆動波形となる駆動信号を与え、且つ、Y方向に隣接するノズルのアクチュエータと−Y方向に隣接するノズルのアクチュエータには互いに逆相の駆動波形となる駆動信号を与える駆動制御部と、を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
  4. 前記アクチュエータを駆動したときの前記ノズルプレートの面方向に沿う振動の半波長は、前記アクチュエータの配列のピッチよりも長いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
  5. 液体を吐出する複数のノズルをXY方向の2次元に配列した液体吐出装置であって、
    前記複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向及び−X方向に隣接するノズルの位置は、前記注目したノズルに対するY軸方向のずらしの距離が(m+0.5)pとなっており、Y方向に隣接するノズルの位置は、前記注目したノズルに対するY軸方向の離間距離が(n+0.5)pとなっており、−Y方向に隣接するノズルの位置は、前記注目したノズルに対するY軸方向の離間距離が(n−0.5)pとなっており、
    前記mは0を含む自然数、nは0を含まない自然数、pは吐出した液体によって形成されるドットのドットピッチであることを特徴とする液体吐出装置。
  6. 液体を吐出する複数のノズルをXY方向の2次元に配列した液体吐出装置であって、
    前記複数のノズルの中の一つに注目したとき、X方向及び−X方向に隣接するノズルの位置は、前記注目したノズルに対するY軸方向のずらしの距離が(m+0.5)pとなっており、Y方向に隣接するノズルの位置は、前記注目したノズルに対するY軸方向の離間距離が(n+0.5)pとなっており、−Y方向に隣接するノズルの位置は、前記注目したノズルに対するY軸方向の離間距離が(n−0.5)pとなっており、
    前記mは0を含む自然数、nは0を含まない自然数、pはX方向のノズルピッチであることを特徴とする液体吐出装置。
  7. 前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の液体吐出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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