JP2023041492A - 液体吐出装置、およびヘッド駆動制御装置 - Google Patents

液体吐出装置、およびヘッド駆動制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】液滴吐出ヘッドの高周波駆動化を損なうことなく、吐出液の粘度または設置環境温度毎に挙動が異なる液滴吐出後の残留振動を抑制できる液体吐出装置、およびヘッド駆動制御装置を提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドと、液室と、圧力発生部42と、前記圧力発生部42に対して駆動信号Vcomを印加して前記液体吐出ヘッドを駆動するヘッド駆動部410と、を備え、前記駆動信号Vcomは、液滴を吐出させる駆動パルスを少なくとも1つ以上含み、前記駆動パルスは、前記液室を膨張させる膨張要素と、一定時間、前記液室の容積を維持する保持要素と、前記液室を収縮させることで前記ノズルから液滴を吐出させる収縮要素と、を含み、前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、前記液体が所定粘度よりも低粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも高温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより長い。【選択図】図5

Description

本発明は、液体吐出装置、およびヘッド駆動制御装置に関する。
液体吐出ヘッドを駆動する液滴吐出パルス(駆動パルス)の後にノズルメニスカスの残留振動を抑制するための残留振動抑制波形を入れることで駆動周波数による吐出滴速度を抑制する技術が開発されている。液体吐出ヘッドが吐出される液体である吐出液の粘度は、当該液体吐出ヘッドが搭載されるプリンタの設置環境温度により変動し、それに伴い、メニスカスの残留振動も変わる。そのため、液体吐出ヘッドまたはプリンタ内に温度センサを設け、設置環境温度毎に残留振動抑制波形を調整した駆動波形を選択する技術も開発されている。
しかしながら、上記の従来技術では、環境温度検出手段により検出した設置環境温度に応じて、残留振動抑制波形の電圧を設定する技術が開示されているが、プリンタの生産性の向上のため、液体吐出ヘッドの高周波駆動化が求められており、残留振動抑制波形を入れる波形長を確保できないことがある。また、複数の吐出ヘッドで構成される大敵波形等では、波形の最終部の制振波形だけでは残留振動を抑制しきれない場合がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、液滴吐出ヘッドの高周波駆動化を損なうことなく、吐出液の粘度または設置環境温度毎に挙動が異なる液滴吐出後の残留振動を抑制できる液体吐出装置、およびヘッド駆動制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、液滴を吐出するノズルを有する液体吐出ヘッドと、前記ノズルと連通する液室と、前記液室内の液体に印加電圧の変化により圧力を発生させる圧力発生部と、前記圧力発生部に対して駆動信号を印加して前記液体吐出ヘッドを駆動するヘッド駆動部と、を備え、前記駆動信号は、液滴を吐出させる駆動パルスを少なくとも1つ以上含み、前記駆動パルスは、前記液室を膨張させる膨張要素と、前記膨張要素の後に、一定時間、前記液室の容積を維持する保持要素と、前記保持要素の後に前記液室を収縮させることで前記ノズルから液滴を吐出させる収縮要素と、を含み、前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、前記液体が所定粘度よりも低粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも高温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより長い。
本発明によれば、液滴吐出ヘッドの高周波駆動化を損なうことなく、吐出液の粘度または設置環境温度毎に挙動が異なる液滴吐出後の残留振動を抑制できる、という効果を奏する。
図1は、第1の実施の形態にかかる印刷装置の概略説明図である。 図2は、第1の実施の形態にかかる印刷装置の吐出ユニットの平面説明図である。 図3は、第1の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。 図4は、第1の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドのノズル配列方向に沿う断面説明図である。 図5は、第1の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッド駆動制御装置の構成の一例を示す図である。 図6は、従来の印刷装置において圧電素子に印加する駆動波形の一例を説明するための図である。 図7は、駆動波形の保持要素を変更した場合における吐出滴速度の変化の一例を示す図である。 図8は、第1の実施の形態にかかる印刷装置において圧電素子に印加する駆動波形の一例を説明するための図である。 図9は、第1の実施の形態にかかる印刷装置における吐出滴速度の変化の一例を説明するための図である。 図10は、第1の実施の形態にかかる印刷装置における吐出滴速度の変化および吐出滴速度と駆動周波数との関係の一例を示す図である。 図11は、第1の実施の形態にかかる印刷装置における吐出滴速度の変化および吐出滴速度と駆動周波数との関係の一例を示す図である。 図12は、実施例1にかかる印刷装置において圧電素子に印加する共通駆動波形の他の例を説明するための図である。 図13は、実施例2にかかる印刷装置において圧電素子に印加する共通駆動波形の一例を示す図である。 図14は、実施例2にかかる印刷装置における吐出滴速度と駆動周波数との関係の一例を示す図である。 図15は、第2の実施の形態にかかる印刷装置の概略説明図である。 図16は、第2の実施の形態にかかる印刷装置の吐出ユニットの説明図である。 図17は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドモジュールの分解斜視説明図である。 図18は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドモジュールのノズル面側から見た分解斜視説明図である。 図19は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドをノズル面側から見た外観斜視説明図である。 図20は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドをノズル面と反対側から見た外観斜視説明図である。 図21は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドの分解斜視説明図である。 図22は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドの流路構成部材の分解斜視説明図である。 図23は、第2の実施の形態にかかるヘッドの要部拡大斜視説明図である。 図24は、第2の実施の形態にかかるヘッドの流路部分の断面斜視説明図である。
以下に添付図面を参照して、液体吐出装置、およびヘッド駆動制御装置を適用した印刷装置の実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態にかかる印刷装置の概略説明図である。図2は、第1の実施の形態にかかる印刷装置の吐出ユニットの平面説明図である。図1および図2を参照して、実施の形態にかかる液体を吐出する装置としての印刷装置について説明する。
印刷装置は、シート材Pを搬入する搬入部510と、前処理部520と、印刷部530と、乾燥部540と、搬出部550と、を備えている。印刷装置は、搬入部510から搬入(供給)されるシート材Pに対し、前処理手段である前処理部520で必要に応じて前処理液を付与(塗布)する。次いで、印刷装置は、印刷部530でシート材Pに対して液体を付与して所要の印刷を行い、乾燥部540でシート材Pに付着した液体を乾燥させた後、シート材Pを搬出部550に排出する。
搬入部510は、複数のシート材Pを収容する搬入トレイ511(下段搬入トレイ511A、上段搬入トレイ511B)と、搬入トレイ511からシート材Pを1枚ずつ分離して送り出す給送装置512(512A、512B)と、を備え、シート材Pを前処理部520に供給する。
前処理部520は、例えば、インクを凝集させ、裏写りを防止する作用効果を有する処理液をシート材Pの印刷面に付与する処理液付与手段である塗布部521等を備えている。
印刷部530は、シート材Pを周面に担持して回転する担持部材(回転部材)であるドラム531と、ドラム531に担持されたシート材Pに向けて液体を吐出する液体吐出部532と、を備えている。
また、印刷部530は、前処理部520から送り込まれたシート材Pを受け取ってドラム531との間でシート材Pを渡す渡し胴534と、ドラム531によって搬送されたシート材Pを受け取って反転機構部561に渡す受け渡し胴535と、を備えている。
前処理部520から印刷部530へ搬送されてきたシート材Pは、渡し胴534に設けられた把持手段(シートグリッパ)によって先端が把持され、渡し胴534の回転に伴って搬送される。渡し胴534により搬送されたシート材Pは、ドラム531との対向位置でドラム531へ受け渡される。
ドラム531の表面にも把持手段(シートグリッパ)が設けられており、シート材Pの先端が把持手段(シートグリッパ)によって把持される。ドラム531の表面には、複数の吸引穴が分散して形成され、吸引手段によってドラム531の所要の吸引穴から内側へ向かう吸い込み気流を発生させる。
そして、渡し胴534からドラム531へ受け渡されたシート材Pは、シートグリッパによって先端が把持されるとともに、吸引手段による吸い込み気流によってドラム531上に吸着担持され、ドラム531の回転に伴って搬送される。
液体吐出部532は、液体吐出手段である吐出ユニット533(533A~533D)を備えている。例えば、吐出ユニット533Aはシアン(C)の液体を、吐出ユニット533Bはマゼンタ(M)の液体を、吐出ユニット533Cはイエロー(Y)の液体を、吐出ユニット533Dはブラック(K)の液体を、それぞれ吐出する。また、その他、白色、金色(銀色)などの特殊な液体の吐出を行う吐出ユニットを使用することもできる。
吐出ユニット533は、例えば、図2に示すように、液滴を吐出する複数のノズル11を配列したノズル列を複数列有する複数の液体吐出ヘッド(以下、単に「ヘッド」という。)1をベース部材103に千鳥状に配置したフルライン型ヘッドである。
液体吐出部532の各吐出ユニット533は、印刷情報に応じた駆動信号によりそれぞれ吐出動作が制御される。ドラム531に担持されたシート材Pが液体吐出部532との対向領域を通過するときに、吐出ユニット533から各色の液体が吐出され、当該印刷情報に応じた画像が印刷される。
反転機構部561は、受け渡し胴535から渡されたシート材Pに対して両面印刷をおこなうときに、スイッチバック方式で、シート材Pを反転する機構であり、反転されたシート材Pは印刷部530の搬送経路560を通じて渡し胴534よりも上流側に逆送される。
乾燥部540は、印刷部530でシート材P上に付着した液体を乾燥させる。これにより液体中の水分等の液分が蒸発し、シート材P上に液体中に含まれる着色剤が定着し、また、シート材Pのカールが抑制される。
搬出部550は、複数のシート材Pが積載される搬出トレイ551を備えている。乾燥部540から搬送されてくるシート材Pは、搬出トレイ551上に順次積み重ねられて保持される。
なお、本実施の形態では、シート材がカットシート材である例で説明しているが、連帳紙、ロール紙などの連続体(ウェブ)を使用する装置、壁紙などのシート材を使用する装置等にも本実施の形態を適用することができる。
図3は、第1の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。図4は、第1の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドのノズル配列方向に沿う断面説明図である。次に、図3および図4を用いて、本実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッド1の構成の一例について説明する。
本実施の形態では、ヘッド1は、ノズル板10と、流路板20と、壁面部材としての振動板部材30と、を積層接合している。そして、振動板部材30の振動領域(ダイアフラム領域、振動板)31を変位させる圧電アクチュエータ40と、ヘッド1のフレーム部材を兼ねている共通流路部材50と、を備えている。
ノズル板10は、複数のノズル11を配列したノズル列を有している。
流路板20は、複数のノズル11と連通する複数の圧力室(液室の一例)21、各圧力室21にそれぞれ通じる流体抵抗部を兼ねる個別供給流路22、1または複数の個別供給流路22に通じる1または複数の個別回収流路(中間供給流路)23を形成している。隣り合う圧力室21,21は隔壁28にて隔てられている。
振動板部材30は、流路板20の圧力室21の壁面を形成する変位可能な複数の振動領域31を有する。ここでは、振動板部材30は、2層構造(限定されない)とし、流路板20側から薄肉部を形成する第1層30aと、厚肉部を形成する第2層30bと、で構成されている。
そして、薄肉部である第1層30aで圧力室21に対応する部分に変形可能な振動領域31を形成している。振動領域31内には、第2層30bで圧電アクチュエータ40と接合する厚肉部である島状の凸部31aを形成している。また、振動板部材30の隔壁(圧力室間隔壁)28に対応する部位に第2層30bで厚肉部である接合部38を形成している。
そして、振動板部材30の圧力室21とは反対側に、振動板部材30の振動領域31を変形させる圧力発生素子(駆動手段、アクチュエータ手段)としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ40を配置している。
この圧電アクチュエータ40は、ベース部材44上に接合した圧電部材41にハーフカットダイシングによって溝加工をして、ノズル配列方向において、所要数の柱状の圧電素子42と支柱部43を所定の間隔で櫛歯状に形成している。
そして、圧電素子42は、駆動電圧(印加電圧)を与えることで振動領域31を変位させる圧電素子である。すなわち、圧電素子42は、圧力室21内の液体に駆動電圧の変化により圧力を発生させる圧力発生部の一例である。支柱部43は、駆動電圧を与えないで圧力室21,21間の隔壁28を支える圧電素子である。
そして、圧電素子42は、振動板部材30の振動領域31に形成した厚肉部である島状の凸部31aに接着剤で接合している。一方、支柱部43は、振動板部材30の隔壁28に対応する部位に設けた厚肉部である接合部38に接着剤で接合している。
圧電素子42は、圧電層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極がそれぞれ端面に引き出されて外部電極(端面電極)に接続され、外部電極にフレキシブル配線部材45が接続される。
共通流路部材50は、共通供給流路51を形成している。共通供給流路51は、振動板部材30に設けたフィルタ部39を介して個別回収流路(中間供給流路)23に通じている。
このヘッド1においては、例えば圧電素子42を基準電位(中間電位)から下げることによって圧電素子42が収縮し、振動板部材30の振動領域31が引かれて圧力室21の容積が膨張することで、圧力室21内に液体が流入する。
その後、圧電素子42に印加する電圧を上げて圧電素子42を積層方向に伸長させ、振動板部材30の振動領域31をノズル11に向かう方向に変形させて圧力室21の容積を収縮させることにより、圧力室21内の液体が加圧され、ノズル11から液体が吐出される。
図5は、第1の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッド駆動制御装置の構成の一例を示す図である。次に、図5を用いて、ヘッド1を駆動制御するヘッド駆動制御装置400に係る部分について説明する。
ヘッド駆動制御装置400は、ヘッド制御部401と、駆動波形生成部を構成する駆動波形生成部402および波形データ格納部403と、ヘッドドライバ410と、吐出タイミングを生成するための吐出タイミング生成部404と、を備えている。
ヘッド制御部401は、吐出タイミングパルスstbを受信すると、共通駆動波形の生成のトリガーとなる吐出同期信号LINEを駆動波形生成部402へ出力する。また、ヘッド制御部401は、吐出同期信号LINEからの遅延量に当たる吐出タイミング信号CHANGEを駆動波形生成部402へ出力する。
駆動波形生成部402は、吐出同期信号LINEと、吐出タイミング信号CHANGEに基づいたタイミングで共通駆動波形Vcomを生成出力する。ここで、共通駆動波形Vcomは、液滴を吐出させるパルス(駆動パルス)を少なくとも1つ以上含む駆動信号の一例である。温度センサ420は、ヘッド1近傍の温度を検出する温度検出部の一例である。粘度センサ430は、ヘッド1に供給される液体の粘度を検出する粘度検出部の一例である。例えば、粘度センサ430は、圧力室21内の液体の粘度を検出しても良い。
ヘッド制御部401は、ヘッドドライバ410のアナログスイッチASで構成される選択手段で選択する波形部分を指定する選択信号を出力する手段を兼ねている。
ヘッド制御部401は、画像データを受け取る。そして、ヘッド制御部401は、この画像データをもとに、ヘッド1の各ノズル11から吐出させる液体の大きさ、ノズル11の特性ばらつきに応じて、各ノズル11毎に、共通駆動波形Vcomの所定の所要の波形部分を選択するための選択信号MNを生成する。したがって、選択信号MNは、ノズル11の数だけ出力される。また、選択信号MNは、吐出タイミング信号CHANGEに同期したタイミングの信号である。
そして、ヘッド制御部401は、画像データSDと、同期クロック信号SCKと、画像データのラッチを命令するラッチ信号LTと、生成した選択信号MNとを、ヘッドドライバ410に転送する。また、ヘッド制御部401は、温度センサ420により検出される温度および粘度センサ430により検出される粘度の少なくとも一方に基づいて、駆動波形生成部402により生成される共通駆動波形Vcomを補正する。
ヘッドドライバ410は、ヘッド制御部401からの各種信号に基づいて、共通駆動波形Vcomの内、液体吐出ヘッド1の各圧力発生素子(圧電素子42)に与える波形部分を選択する選択手段である。本実施の形態では、ヘッド制御部401、駆動波形生成部402、およびヘッドドライバ410が、圧電素子42に対して駆動信号を印加してヘッド1を駆動するヘッド駆動部の一例として機能する。
このヘッドドライバ410は、シフトレジスタ411、ラッチ回路412、階調デコーダ413、レベルシフタ414、およびアナログスイッチアレイ415を備える。
シフトレジスタ411は、ヘッド制御部401から転送される画像データSDおよび同期クロック信号SCKを入力する。ラッチ回路412は、シフトレジスタ411の各レジスト値を、ヘッド制御部401から転送されるラッチ信号LTによってラッチする。
階調デコーダ413は、ラッチ回路412でラッチした値(画像データSD)と各ノズル11毎の選択信号MNとをデコードして結果を出力する。レベルシフタ414は、階調デコーダ413のロジックレベル電圧信号をアナログスイッチアレイ415のアナログスイッチASが動作可能なレベルへとレベル変換する。
アナログスイッチアレイ415のアナログスイッチASは、レベルシフタ414を介して与えられる階調デコーダ413の出力でオンまたはオフするスイッチであり、共通駆動波形Vcomの通過または非通過(遮断)を行う手段である。
このアナログスイッチASは、ヘッド1が備えるノズル11毎に設けられ、各ノズル11に対応する圧電素子42の個別電極に接続されている。また、アナログスイッチASには、駆動波形生成部402からの共通駆動波形Vcomが入力されている。また、上述したように選択信号MNのタイミングが共通駆動波形Vcomのタイミングと同期している。
したがって、レベルシフタ414を介して与えられる階調デコーダ413の出力に応じて適切なタイミングでアナログスイッチASのオンまたはオフが切り替えられる。これにより、共通駆動波形Vcomから各ノズル11に対応する圧電素子42に印加される波形部分が選択される。その結果、ノズル11から吐出される滴の大きさなどが制御される。
吐出タイミング生成部404は、ドラム531の回転量を検出するロータリエンコーダ405の検出結果から、シート材Pが所定量移動される毎に吐出タイミングパルスstbを生成して出力する。ロータリエンコーダ405は、ドラム531と共に回転するエンコーダホイールと、エンコーダホイールのスリットを読取るエンコーダセンサで構成される。
図6は、従来の印刷装置において圧電素子に印加する駆動波形の一例を説明するための図である。図6(a)および図6(c)において、縦軸は、圧電素子に印加する印加電圧を表し、横軸は、時間を表す。図6(b)において、縦軸は、ノズルから吐出される液滴の速度である吐出滴速度を表し、横軸は、圧電素子の駆動周波数を表す。次に、図6を用いて、従来の印刷装置において圧電素子に印加される駆動波形の一例について説明する。
従来の印刷装置において圧電素子に印加する駆動波形は、図6(a)に示すように、膨張要素V1、保持要素Pw、および収縮要素V2を有する。ここで、膨張要素V1は、個別液室(圧力室21)を膨張させる要素である。また、保持要素Pwは、膨張要素V1の後に、一定時間、個別液室の容積を維持する要素(パルス幅)である。また、収縮要素V2は、保持要素Pwの後に個別液室を収縮させることでノズルから液滴を吐出させる要素である。
一般的に、膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、個別液室の共振周期(固有周期)の1/2とすることで、最も効率良く、ヘッド1から液滴を吐出させることができる。また、個別液室内の液体の粘度が高くなる低温では、膨張要素V1および収縮要素V2の変位電圧を大きくし、かつ個別液室内の液体の粘度が低くなる高温では、膨張要素V1および収縮要素V2の変位電圧を小さくする。これにより、ヘッド1の設置された環境温度(設置環境温度)が変化しても、同一の吐出滴速度でヘッド1から液滴を吐出することができる。
図6(a)に示す駆動波形を圧電素子に印加した場合、図6(b)に示すように、圧電素子の駆動周波数が上がるに従って、ヘッド1の設置環境温度によって、吐出滴速度の特性が大きく乖離することが分かる。これは、液滴の吐出後のノズルメニスカスのリフィル振動によるものであり、設置環境温度が高温(液体が低粘度)では、ノズルメニスカスが常温よりも溢れた状態で、次の周期の液滴を吐出するための吐出液量の増加が起こる。これにより、増加した液量分、吐出滴速度が遅くなる。一方、設置環境温度が低温(液体が高粘度)では、これと逆の現象が起きる。
このように、ヘッド1の設置環境温度によって、吐出滴速度の駆動周波数特性が大きく変化してしまうと、印刷画像上では、着弾ドットの位置ズレが発生してしまい、ヘッド1の設置環境温度が高温および低温では、画質品質の低下が生じる。これを抑制するために、例えば、図6(c)に示すように、吐出パルス(駆動波形)の後に、残留振動抑制波形Twを入れることがある。しかし、プリンタの生産性の向上のため、ヘッド1の高周波駆動化が求められており、残留振動抑制波形Twを入れる時間を確保することができない場合もあり、この場合、吐出滴速度の周波数による変動を抑えるこが難しい。
図7は、駆動波形の保持要素を変更した場合における吐出滴速度の変化の一例を示す図である。駆動波形が有する膨張要素V1によって、ノズルメニスカスには、個別液室の固有周期の振動が励起される。そのため、保持要素Pwの印加時間T2の長さを振ることによって、吐出滴速度は、図7に示すように、個別液室の整数倍の間隔でピークを持つ挙動となる。一般的に、吐出滴速度の第1ピークの保持要素Pwである第1パルスPw1の印加時間T2と、膨張要素V1の印加時間T1と、の和は、個別液室の固有周期の1/2となる。そのため、膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、個別液室の共振周期(固有周期)の1/2とすることで、最も効率良く、ヘッド1から液滴を吐出させることができる。
図8は、第1の実施の形態にかかる印刷装置において圧電素子に印加する駆動波形の一例を説明するための図である。図8において、縦軸は、圧電素子42に対する印加電圧を表し、横軸は、時刻を表す。図9は、第1の実施の形態にかかる印刷装置における吐出滴速度の変化の一例を説明するための図である。図10および図11は、第1の実施の形態にかかる印刷装置における吐出滴速度の変化および吐出滴速度と駆動周波数との関係の一例を示す図である。図9、図10(b)、および図11(b)において、縦軸は、吐出滴速度を表し、横軸は、駆動周波数を表す。図10(a)および図11(a)において、縦軸は、吐出滴速度を表し、横軸は、保持要素Pwの印加時間T2(パルス幅)を表す。次に、図8~図11を用いて、本実施の形態にかかる印刷装置において圧電素子42に印加する共通駆動波形Vcomの一例について説明する。
共通駆動波形Vcomは、膨張要素V1、保持要素Pw、および収縮要素V2を含む1つ以上の駆動パルスを含む駆動信号の一例である。ここで、本実施の形態では、保持要素Pwの印加時間T2は、ヘッド1の設置温度環境が高温(圧力室21内の液体が所定の粘度より低い低粘度)では常温時よりも広く、ヘッドの設置環境温度が低温(圧力室21内の液体が所定粘度より高粘度)では常温時よりも狭くする。
本実施の形態では、設置環境温度が低温では、共通駆動波形Vcomの保持要素Pwを、吐出滴速度がピークとなる保持要素Pwのパルス幅Pw1よりも短いパルス幅Pw2a,Pw2bとする。具体的には、設置環境温度が低温では、膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、圧力室21の固有周期の1/2より短くする。これにより、圧電素子42の駆動周波数の高周波数側の吐出滴速度の上昇を下げる方向に制御することができる。その際、本実施の形態では、膨張要素V1の印加時間T1は、圧力室21内の液体の粘度またはヘッド1の設置環境温度によらず一定とする。さらに、保持要素Pwの印加時間T2は、圧力室21内の液体の粘度およびヘッド1の設置環境温度に応じて異なる。
一方、設置環境温度が高温では、共通駆動波形Vcomの保持要素Pwの印加時間T2を、吐出滴速度がピークとなる保持要素Pw(パルス幅Pw1)よりも長いパルス幅Pw3a,Pw3bとする。具体的には、高温環境では、膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、圧力室21の固有周期の1/2より長くする。これにより、圧電素子42の駆動周波数の中間周波数から高周波数にかけての吐出滴速度の低下を抑える方向に制御することができる。その際、本実施の形態では、膨張要素V1の印加時間T1は、圧力室21内の液体の粘度またはヘッド1の設置環境温度によらず一定とする。さらに、保持要素Pwの印加時間T2は、圧力室21内の液体の粘度およびヘッド1の設置環境温度に応じて異なる。
したがって、図8(a)に示すように、常温時の保持要素Pwの印加時間T2に対して、高温における保持要素Pwの印加時間T2を広くし、低温における保持要素Pwの印加時間T2を狭くすることにより、ヘッド1から吐出する液滴の温度毎の吐出滴速度の特性が乖離を小さくすることができる。この方法によれば、共通駆動波形Vcomの後ろに残留振動駆動波形を入れる必要がなくなるので、より高い駆動周波数でのヘッド1の駆動が可能となる。
また、図8(a)に示す共通駆動波形Vcomでは、設置環境温度に関わらず、当該共通駆動波形Vcomの中央(中央時刻)を各温度で一致させているが、これに限定するものではない。例えば、図8(b)に示すように、各設置環境温度の共通駆動波形Vcomの収縮要素V2の開始時刻を一致させても良い。
また、図8(a)に示す共通駆動波形Vcomでは、各設置環境温度の共通駆動波形Vcomの保持要素Pwの電圧を一致させているが、これに限定するものではない。例えば、図8(c)に示すように、各設置環境温度の共通駆動波形Vcomの膨張要素V1および収縮要素V2の電圧(中間電位)を一致させても良い。
このように、第1の実施の形態にかかる印刷装置によれば、共通駆動波形Vcomの後ろに残留振動駆動波形を入れることなく、ヘッド1のノズルメニスカスの残留振動を抑制することができる。その結果、ヘッド1の高周波駆動化を損なうことなく、吐出液の粘度または設置環境温度毎に挙動が異なる液滴吐出後の残留振動を抑制でき、より高い駆動周波数でのヘッド1の駆動が可能となる。
(実施例1)
図12は、実施例1にかかる印刷装置において圧電素子に印加する共通駆動波形の他の例を説明するための図である。図12において、縦軸は、圧電素子42に印加する印加電圧を表し、横軸は、時刻を表す。次に、図12を用いて、本実施の形態にかかる印刷装置において圧電素子42に印加する共通駆動波形Vcomの他の例について説明する。
上述の例では、単独の吐出パルス(駆動パルス)を含む共通駆動波形Vcomについて説明したが、複数の吐出パルスを含む共通駆動波形Vcom(例えば、多パルス構成の大滴波形)の場合も同様に、複数の吐出パルスのそれぞれを制御することも可能である。具体的には、図12に示すように、低温においては、共通駆動波形Vcomが含む各吐出パルスの膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、圧力室21の固有周期の1/2より短くする。一方、高温においては、共通駆動波形Vcomが含む各吐出パルスの膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、圧力室21の固有周期の1/2より長くする。
これにより、共通駆動波形Vcomが単独の吐出パルスである場合と同様に、ヘッド1の設置環境温度毎の吐出滴速度の特性が乖離を小さくすることができる。その結果、共通駆動波形Vcomの後ろに残留振動駆動波形を入れる必要がなくなるので、より高い駆動周波数でのヘッド1の駆動が可能となる。多パルス構成の大滴波形等では、波形の最終部に残留振動抑制波形を設けただけでは、残留振動抑制効果が不十分なこともあるが、この方法であれば、吐出パルス毎に吐出滴速度の変動を抑制できるとともに、波形長が長くなることも防止できる。
(実施例2)
図13は、実施例2にかかる印刷装置において圧電素子に印加する共通駆動波形の一例を示す図である。図13において、縦軸は、圧電素子42に印加する印加電圧を表し、横軸は、時刻を表す。図14は、実施例2にかかる印刷装置における吐出滴速度と駆動周波数との関係の一例を示す図である。図14において、縦軸は、吐出滴速度を表し、横軸は、駆動周波数を表す。
本実施例においても、共通駆動波形Vcomは、図13(a)~(c)に示すように、低温では、膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を圧力室21の固有周期の1/2よりも短くする。一方、共通駆動波形Vcomは、図13(a)~(c)に示すように、高温では、膨張要素V1の印加時間T1と保持要素Pwの印加時間T2の和を、圧力室21の固有周期の1/2よりも長くする。さらに、本実施例では、共通駆動波形Vcomは、図13(a)~(c)に示すように、収縮要素V2の後ろに、ヘッド1からの液滴の吐出後のノズルメニスカスの残留振動を抑制する残留振動抑制波形Tw(残留振動抑制要素の一例)を有する。
例えば、高温環境において、図13(a)に示すように、共通駆動波形Vcomが含む保持要素Pwの印加時間T2を、パルス幅Pw3bにすることによって、全体的な、吐出滴速度の低下を抑制することができるが、高周波数側に圧力室21の固有周期の振動が残ってしまうことがある。この場合、共通駆動波形Vcomの波長に余裕がある場合には、図13(a)~(c)に示すように、収縮要素V2の後に残留振動抑制波形Twを加えることで、図14に示すように、吐出滴速度の駆動周波数の変動による影響を抑制することができる。
(第2の実施の形態)
本実施の形態は、ノズルが2次元マトリクス配置されたヘッドを備える例である。以下の説明では、第1の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
次に、第2の実施の形態にかかる液体を吐出する装置としての印刷装置について図15および図16を参照して説明する。
図15は、第2の実施の形態にかかる印刷装置の概略説明図である。図16は、第2の実施の形態にかかる印刷装置の吐出ユニットの説明図である。
本実施の形態にかかる印刷装置500は、連続体、ロール紙、ウェブなどのシート材Pを搬入する搬入部510と、搬入部510から搬入されたシート材Pを印刷部530に案内搬送する案内搬送部570と、シート材Pに対して液体を吐出して印刷を行う印刷部530と、シート材Pを乾燥する乾燥部540と、シート材Pを搬出する搬出部550等を備えている。
シート材Pは、搬入部510の元巻きローラ591から送り出され、搬入部510、案内搬送部570、乾燥部540、搬出部550の各ローラによって案内、搬送されて、搬出部550の巻取りローラ592にて巻き取られる。
このシート材Pは、印刷部530において、吐出ユニット533に対向して搬送され、吐出ユニット533から吐出される液体によって画像が印刷される。
ここで、吐出ユニット533は、2つのヘッドモジュール100A、100Bを共通ベース部材113に備えている。
そして、ヘッドモジュール100の搬送方向と直交する方向におけるヘッド1の並び方向をヘッド配列方向とするとき、ヘッドモジュール100Aのヘッド列1A1,1A2で同じ色の液体を吐出する。同様に、ヘッドモジュール100Aのヘッド列1B1、1B2を組とし、ヘッドモジュール100Bのヘッド列1C1、1C2を組とし、ヘッド列1D1、1D2を組として、それぞれ所要の色の液体を吐出する。
図17は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドモジュールの分解斜視説明図である。図18は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドモジュールのノズル面側から見た分解斜視説明図である。次に、図17および図18を用いて、本実施の形態にかかるヘッドモジュール100の一例について説明する。
ヘッドモジュール100は、液体を吐出する液体吐出ヘッドである複数のヘッド1と、複数のヘッド1を保持するベース部材103と、を備えている。
また、ヘッドモジュール100は、放熱部材104と、複数のヘッド1に対して液体を供給する流路を形成しているマニホールド105と、フレキシブル配線部材101と接続するプリント基板(PCB)106と、モジュールケース107と、を備えている。
図19は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドをノズル面側から見た外観斜視説明図である。図20は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドをノズル面と反対側から見た外観斜視説明図である。図21は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドの分解斜視説明図である。図22は、第2の実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッドの流路構成部材の分解斜視説明図である。図23は、第2の実施の形態にかかるヘッドの要部拡大斜視説明図である。図24は、第2の実施の形態にかかるヘッドの流路部分の断面斜視説明図である。次に、図19~24を用いて、本実施の形態にかかる印刷装置が有するヘッド1の一例について説明する。
ヘッド1は、ノズル板10、流路板(個別流路部材)20、振動板部材30、共通流路部材50、ダンパ部材60、共通流路部材70、フレーム部材80、配線部材(フレキシブル配線基板)45等を備えている。配線部材45には、ヘッドドライバ(ドライバIC)410が実装されている。
ノズル板10には、液体を吐出する複数のノズル11を有している。複数のノズル11は、二次元状にマトリクス配置されている。
個別流路部材20は、複数のノズル11に各々連通する複数の圧力室(個別液室)21と、複数の圧力室21に各々通じる複数の個別供給流路22と、複数の圧力室21に各々通じる複数の個別回収流路23とを形成している。1つの圧力室21およびこれに通じる個別供給流路22と個別回収流路23を併せて個別流路25と称する。
振動板部材30は、圧力室21の変形な可能な壁面である振動板31を形成し、振動板31には圧電素子42が一体に設けられている。また、振動板部材30には、個別供給流路22に通じる供給側開口32と、個別回収流路23に通じる回収側開口33とが形成されている。圧電素子42は、振動板31を変形させて圧力室21内の液体を加圧する圧力発生手段である。
なお、個別流路部材20と振動板部材30とは、部材として別部材であることに限定さるものではない。例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を使用して個別流路部材20および振動板部材30を同一部材で一体に形成することができる。つまり、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン層、シリコン酸化膜の順に成膜されたSOI基板を使用し、シリコン基板を個別流路部材20とし、シリコン酸化膜、シリコン層及びシリコン酸化膜とで振動板31を形成することができる。この構成では、SOI基板のシリコン酸化膜、シリコン層及びシリコン酸化膜の層構成が振動板部材30となる。このように、振動板部材30は個別流路部材20の表面に成膜された材料で構成されるものを含む。
共通流路部材50は、共通流路支流部材であり、2以上の個別供給流路22に通じる複数の共通供給流路支流52と、2以上の個別回収流路23に通じる複数の共通回収流路支流53とを交互に隣接して形成している。
共通流路部材50には、個別供給流路22の供給側開口32と共通供給流路支流52を通じる供給口54となる貫通孔と、個別回収流路23の回収側開口33と共通回収流路支流53を通じる回収口55となる貫通孔が形成されている。
また、共通流路部材50は、複数の共通供給流路支流52に通じる1または複数の共通供給流路本流56の一部56bと、複数の共通回収流路支流53に通じる1または複数の共通回収流路本流57の一部57bを形成している。
ダンパ部材60は、共通供給流路支流52の供給口54と対面する(対向する)供給側ダンパ62と、共通回収流路支流53の回収口55と対面する(対向する)回収側ダンパ63を有している。
ここで、共通供給流路支流52及び共通回収流路支流53は、同じ部材である共通流路部材50に交互に並べて配列された溝部を、変形可能な壁面を形成するダンパ部材60で封止することで構成している。
共通流路部材70は、共通流路本流部材であり、複数の共通供給流路支流52に通じる共通供給流路本流56と、複数の共通回収流路支流53に通じる共通回収流路本流57を形成する。
フレーム部材80には、共通供給流路本流56の一部56bと、共通回収流路本流57の一部57bが形成されている。共通供給流路本流56の一部56bはフレーム部材80に設けた供給ポート81に通じ、共通回収流路本流57の一部57bはフレーム部材80に設けた回収ポート82に通じている。
このヘッド1においては、液体は共通供給流路本流56から共通供給流路支流52を通り、供給口54から圧力室21へ供給され、ノズル11から液体が吐出される。ノズル11から吐出されない液体は、回収口55から共通回収流路支流53を通り、共通回収流路本流57に流れ、回収ポート82から外部の循環装置を経て供給ポート81を通じて、再度、共通供給流路本流56に供給される。
このように、ノズル11が2次元マトリクス配置されたヘッド1を備える場合にも、前記第1の実施の形態によるヘッド駆動制御を適用することができる。
本実施の形態において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が30mPa・s以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、DNA、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、3次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ(積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子)、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。
また、「液体を吐出する装置」には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。
また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。
また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。
なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
1 液体吐出ヘッド
21 圧力室
42 圧電素子
400 ヘッド駆動制御装置
401 ヘッド制御部
402 駆動波形生成部
410 ヘッドドライバ
420 温度センサ
430 粘度センサ
500 印刷装置
Vcom 共通駆動波形
V1 膨張要素
Pw 保持要素
V2 収縮要素
Tw 残留振動抑制波形
特許第3580065号公報

Claims (9)

  1. 液滴を吐出するノズルを有する液体吐出ヘッドと、
    前記ノズルと連通する液室と、
    前記液室内の液体に印加電圧の変化により圧力を発生させる圧力発生部と、
    前記圧力発生部に対して駆動信号を印加して前記液体吐出ヘッドを駆動するヘッド駆動部と、を備え、
    前記駆動信号は、液滴を吐出させる駆動パルスを少なくとも1つ以上含み、
    前記駆動パルスは、前記液室を膨張させる膨張要素と、前記膨張要素の後に、一定時間、前記液室の容積を維持する保持要素と、前記保持要素の後に前記液室を収縮させることで前記ノズルから液滴を吐出させる収縮要素と、を含み、
    前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、前記液体が所定粘度よりも低粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも高温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより長い、液体吐出装置。
  2. 液滴を吐出するノズルを有する液体吐出ヘッドと、
    前記ノズルと連通する液室と、
    前記液室内の液体に印加電圧の変化により圧力を発生させる圧力発生部と、
    前記圧力発生部に対して駆動信号を印加して、前記液体吐出ヘッドを駆動するヘッド駆動部と、を備え、
    前記駆動信号は、液滴を吐出させる駆動パルスを少なくとも1つ以上含み、
    前記駆動パルスは、前記液室を膨張させる膨張要素と、前記膨張要素の後に、一定時間、前記液室の容積を維持する保持要素と、前記保持要素の後に前記液室を収縮させることで前記ノズルから液滴を吐出させる収縮要素と、を含み、
    前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、前記液体が所定粘度よりも高粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも低温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより短い、液体吐出装置。
  3. 前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、
    前記液体が所定粘度よりも低粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも高温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより長く、
    前記液体が所定粘度よりも高粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも低温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより短い、請求項1または2に記載の液体吐出装置。
  4. 前記膨張要素の印加時間は、前記液体の粘度または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度によらず一定であり、
    前記保持要素の印加時間は、前記液体の粘度または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度に応じて異なる、請求項1から3のいずれか一に記載の液体吐出装置。
  5. 前記ヘッド駆動部は、前記駆動パルスの後に、前記液滴の吐出後のノズルメニスカスの残留振動を抑制する残留振動抑制要素を印加する、請求項1から4のいずれか一に記載の液体吐出装置。
  6. 前記液体吐出ヘッド近傍の温度を検出する温度検出部をさらに備える請求項1から5のいずれか一に記載の液体吐出装置。
  7. 前記液体吐出ヘッドへ供給される前記液体の粘度を検出する粘度検出部をさらに請求項1から6のいずれか一に記載の液体吐出装置。
  8. 液滴を吐出するノズルと連通する液室内の液体に印加電圧の変化により圧力を発生させる圧力発生部に対して駆動信号を印加して、前記ノズルを有する液体吐出ヘッドを駆動するヘッド駆動部、を備え、
    前記駆動信号は、液滴を吐出させる駆動パルスを少なくとも1つ以上含み、
    前記駆動パルスは、前記液室を膨張させる膨張要素と、前記膨張要素の後に、一定時間、前記液室の容積を維持する保持要素と、前記保持要素の後に前記液室を収縮させることで前記ノズルから液滴を吐出させる収縮要素と、を含み、
    前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、前記液体が所定粘度よりも低粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも高温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより長い、ヘッド駆動制御装置。
  9. 液滴を吐出するノズルと連通する液室内の液体に印加電圧の変化により圧力を発生させる圧力発生部に対して駆動信号を印加して、前記ノズルを有する液体吐出ヘッドを駆動するヘッド駆動部、を備え、
    前記駆動信号は、液滴を吐出させる駆動パルスを少なくとも1つ以上含み、
    前記駆動パルスは、前記液室を膨張させる膨張要素と、前記膨張要素の後に、一定時間、前記液室の容積を維持する保持要素と、前記保持要素の後に前記液室を収縮させることで前記ノズルから液滴を吐出させる収縮要素と、を含み、
    前記膨張要素の開始から前記保持要素の終了までの時間が、前記液体が所定粘度よりも高粘度である場合、または前記液体吐出ヘッドの設置環境温度が所定温度よりも低温の場合、前記液室の固有周期の1/2の長さより短い、ヘッド駆動制御装置。
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