JP2023144261A

JP2023144261A - プリントヘッドの駆動方法

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Publication number: JP2023144261A
Application number: JP2022051162A
Authority: JP
Inventors: 祐介野下; Yusuke Noge
Original assignee: Kishu Giken Kogyo Co Ltd
Current assignee: Kishu Giken Kogyo Co Ltd
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2042-03-28
Also published as: JP7122051B1

Abstract

【課題】駆動信号をノズル毎に調整することなく、吐出速度の変動を最小限に留めることができるプリントヘッドの駆動方法を提供する。【解決手段】プリントヘッドは、インク滴を吐出する複数のノズル孔が直線状かつ等間隔に配列されたプリントヘッドと、プリントヘッドの各ノズル孔からインク滴を吐出させる圧力を発生させる複数の圧力発生手段と、複数の圧力発生手段に印加する駆動電圧信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えている。上述のプリントヘッドの駆動電圧信号として、２つのパルスが時間軸上に配列された電圧信号を用い、当該電圧信号を、先行する第１パルスの振幅が、後続する第２パルスの振幅より小さく、かつ第１パルスによって前記ノズル孔からインク滴が吐出しない振幅に設定し、第２パルスによってノズル孔からインク滴を吐出させる。【選択図】図４

Description

本発明は、直線状に配列された複数のノズルからインク滴を選択的に吐出させて印刷を行う、オンデマンド式のインクジェットプリンタにおけるプリントヘッドの駆動方法に関する。

圧力発生手段を用いてインク圧力室のインクを加減圧することで、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるオンデマンド式のプリントヘッドが知られている（特許文献１参照）。

上述のプリントヘッドでは、用途に応じて印刷面に形成されるインクドットの大きさを変えるため、圧力発生手段（実施例では圧電素子を使用）を駆動する電気信号として、様々な波形の信号が提案されている。

例えば、特許文献１には、単一のパルスからなる信号で駆動する方法以外に、複数のパルスが連続する信号を用いて、吐出したインク滴を空中で合体させ、仕様に応じてインク滴の大きさを変える方法が記載されている。

一方、上述した複数のノズル孔が直線状に等間隔に配列されたプリントヘッドでは、流路のわずかな形状の違いなどの構造的なばらつきや、インク滴をノズルから吐出する圧電素子の静電容量のばらつきにより、各ノズルから吐出されるインク滴の速度が変動し、結果として印字品質が低下する。

上述の問題を解決するため、従来のプリントヘッドでは、インク滴の吐出に影響を与える因子を考慮して駆動パルスを生成することにより、インク滴の吐出速度の安定化を図っていた。

例えば、特許文献２に記載のプリントヘッドでは、駆動信号を構成するパルスの立ち上り時間や立ち下り時間を変えることで、インク滴の吐出速度が均一になるように調節している。

特開2007-62326号公報特開2012-56298号公報

特許文献２に記載の駆動方法は、直線状に配列されたノズル孔の数が少ない場合には有効であるが、数百個、更には千個を超えるノズル孔が配列されたプリントヘッドでは、ノズル孔毎に駆動パルスの調整を行う必要があるため、コスト面や作業面での負担が大きい。

更に、吐出速度の変動の原因には、上述した構造や特性に起因するもの以外に、隣接するチャンネルの振動が相互に干渉すること（クロストーク）に起因するもの、複数のチャンネルを同時に駆動したときに駆動波形が変化して、吐出速度が変動することに起因するものがある。

しかし、特許文献２に記載の方法では、構造や特性に起因した吐出速度の変動以外の変動には対応できないため、新たな対応策が求められていた。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたもので、駆動信号をノズル毎に調整することなく、吐出速度の変動を最小限に留めることができるプリントヘッドの駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係るプリントヘッドの駆動方法は、インク滴を吐出する複数のノズル孔が直線状かつ等間隔に配列されたプリントヘッドと、前記プリントヘッドの各ノズル孔からインク滴を吐出させる圧力を発生させる複数の圧力発生手段と、前記複数の圧力発生手段に印加する駆動電圧信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えたプリントヘッドの駆動方法であって、
前記駆動電圧信号として、２つのパルスが時間軸上に配列された電圧信号を用い、
当該電圧信号を、先行する第１パルスの振幅が、後続する第２パルスの振幅より小さく、かつ第１パルスによって前記ノズル孔からインク滴が吐出しない振幅に設定し、第２パルスによって前記ノズル孔からインク滴を吐出させることを特徴とする。

本発明に係るプリントヘッドの駆動方法において、前記駆動電圧信号を、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第１パルスの振幅を変化させながら前記駆動信号生成手段に印加し、前記ノズル孔から吐出するインク滴の速度を測定して、当該吐出速度が上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く第１パルスの振幅範囲を特定することが好ましい。

また、前記上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く第１パルスの振幅範囲から、吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅を抽出し、前記駆動電圧信号の第１パルスの振幅を、前記ピークを示す値またはその付近の値に設定することが好ましい。

また前記駆動電圧信号を、前記インク滴の吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅において、第２パルスの振幅を、要求される吐出速度に対応した値に設定することが好ましい。

更に、前記圧力発生手段は、
前記ノズル孔に連通し、インクで満たされた圧力室と、
当該圧力室内のインクに前記ノズル孔からインク滴を吐出させるエネルギーを発生させる圧電素子と、
前記圧電素子の駆動によって変形して、当該圧電素子からのエネルギーを前記圧力室のインクに伝達する振動板とで構成されることが好ましい。

本発明に係るプリントヘッドの駆動方法では、第１パルスと第２パルスで構成された駆動電圧信号を用い、かつ第１パルスをノズル孔からインク滴が吐出しない振幅に設定し、第２パルスによってノズル孔からインク滴を吐出させている。

上述の駆動信号を用いた場合、クロストークによるインク滴の吐出速度の変動、構造的・特性的なばらつきによる吐出速度の変動、および多数チャンネルを同時駆動したときの駆動波形の変形に伴う吐出速度の変動のそれぞれを抑制することができる。結果として、品質に優れた印刷を実現できる。

本発明の実施の形態で用いたプリントヘッドの外観を示す斜視図である。図１のプリントヘッドのうちインク滴の吐出に関連した部材の断面図である。プリントヘッドの駆動回路の基本的な構成を示すブロック図である。圧電素子に印加される駆動電圧信号の波形図である。ノズル孔からインク滴を吐出したときの１μｓ毎の画像を示した図である。ダブルパルスの駆動信号の第１パルスの振幅を変えたときのノズル孔から吐出されるインク滴の速度を測定したグラフである。クロストークによって吐出速度が変動した時の飛翔中のインク滴の画像を示す図である。図６のグラフから第２パルスの振幅と吐出速度の低下との関係を示すデータを抽出したグラフである。図６のグラフから第２パルスの振幅と吐出速度との関係を示すデータを抽出したグラフである。ダブルパルスの駆動信号を用いてプリントヘッドを駆動したときの第２パルスの振幅と吐出速度との関係を示すグラフである。図１０のグラフからチャンネル毎の吐出速度を抽出して示したグラフである。同時に駆動するチャンネル数と吐出速度との関係を示すグラフである。１２００個のノズル孔からインク滴を同時に吐出させたときのインク滴の吐出速度の測定値を点で表示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態に係るプリントヘッドの駆動方法について、図面を参照して説明する。

＜プリントヘッドの構成と機能＞
最初に、図１および図２を参照して、本実施の形態で用いたプリントヘッドの構成と各部の機能を説明する。図１に、プリントヘッドの外観を示し、図２に、インク滴の吐出に関連した部材の断面を示す。

プリントヘッド１００の上面には、窓枠状のフレーム１０１を介してノズル板１１０が取り付けられ、ノズル板１１０には、インク滴を吐出する複数のノズル孔１１１が、直線状かつ等間隔に形成されている。

当該プリントヘッド１００を用い、ノズル孔１１１が配列された主走査方向と直交する方向（矢印で示す）に移動する被印刷物（図示せず）に対し、印刷される画像に応じてノズル孔１１１からインク滴を吐出させ、被印刷物の印刷面にインクドットを形成する。

図１に示すように、ノズル板１１０には、直線状に４列のノズル孔１１１が形成され、かつそれぞれの列のノズル孔１１１は、主走査方向に１／４ピッチずつずれた状態で形成されている。プリントヘッド１００を、被印刷物に対して副走査方向に相対的に移動させることによって、印刷面に６００ｄｐｉの解像度の画像の印刷が可能となる。

図２に示すように、４列のノズル孔１１１のうち２列のノズル孔が、それぞれ対向した状態で配置されている。図１のプリントヘッドでは、一列に３００個のノズル孔１１１を配置し、合計１２００個のノズル孔１１１からインク滴を吐出して、最大６００ｄｐｉの解像度の画像を実現している。

プリントヘッド１００は、流路を形成する流路板１２０、当該流路板１２０の一方の面に接合された振動板１３０、流路板１２０の他方の面に接合されたノズル板１１０を備え、これらの部材によって、インク滴を吐出する複数のノズル孔１１１が連通する、個別流路としての圧力室１４０が形成されている。

そして圧力室１４０のインクＩの流れ方向上流側には、流体抵抗部１２１および液体導入部１３１がそれぞれ形成されている。フレーム部材１５０に形成された共通液室１５１のインクＩが、振動板１３０に形成された円形の液体導入部１３１に導入され、更に、流路板１２０に形成された溝状の流体抵抗部１２１を介して圧力室１４０に供給される。

ノズル板１１０はステンレスプレートで形成されたもので、流路板１２０に接合されている。ノズル板１１０には、プレス加工により、各圧力室１４０に対応して直径20～30μmのノズル孔１１１が形成されている。

流路板１２０は、ステンレスプレートをエッチングして、圧力室１４０、流体抵抗部１２１等の開口部や溝部がそれぞれ形成されている。流路板１２０のうちエッチングで残された部分が流路間の隔壁となっている。

振動板１３０は、各圧力室１４０および流体抵抗部１２１等の壁面を形成する壁面部材でもあり、下面に圧電素子１６０が接合されている。また圧電素子１６０の下面は、ベース部材１７０に接合されている。圧電素子１６０から供給されるエネルギーによって振動板１３０が変形し、インクＩで満たされた圧力室１４０内の圧力が高まってノズル孔１１１からインク滴が吐出される。

圧電素子１６０は、例えば厚さ10～50μm／1層のチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の圧電層１６１と、厚さ数μm／1層の銀・パラジウム（AgPd）からなる内部電極１６２を交互に積層し、内部電極１６２を端面電極である個別電極および共通電極にそれぞれ電気的に接続したものである。そして個別電極には、フレキシブルプリント基板（以降、「ＦＰＣ」という）１８０の個別電極ラインが半田付けされ、また共通電極は、ＦＰＣ１８０の接地電極に接続されている。ＦＰＣ１８０には図示しないドライバＩＣが実装されており、これにより圧電素子１６０への駆動信号の印加を制御している。

本実施の形態では、前記圧力室１４０、振動板１３０および圧電素子１６０によってノズル孔１１１からインク滴を吐出させる圧力発生手段を構成している。

振動板１３０の外周側には、ポリアセタール樹脂のフレーム部材１５０が接合され、当該フレーム部材１５０には共通液室１５１が形成されている。図示しないが、共通液室１５１には、外部からインクを供給するために供給口が形成され、連通管を介して図示しないインクタンクに接続されている。

図２において、圧電素子１６０の圧電層１６１は１５０ｄｐｉの間隔でダイシングされており、それが対向して２列配置されている。また圧力室１４０およびノズル孔１１１は、一列１５０ｄｐｉの間隔で２列が千鳥状に配列されており、４列の直線状ノズル孔１１１を用いて、１回の走査で合計６００ｄｐｉの解像度を実現している。

次に、図３～図５を参照して、本実施の形態に係るプリントヘッドの駆動方法について説明する。図３は、プリントヘッド１００の駆動回路の基本的な構成を示すブロック図、図４は圧電素子１６０に印加される駆動電圧信号の波形を示す図である。

図示しないが、プリントヘッド１００のコントローラは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭで構成されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行し、ＲＡＭに格納された各種レジスタやフラグを用い、インターフェースを介してパーソナルコンピュータ等の上位装置から供給された印刷情報に基づいて、被印刷物の印刷面上に文字や画像を印刷する。

プリントヘッド１００の印刷制御部２００は、図４に示す電圧波形の駆動信号を生成した後、その駆動信号を所定の圧電素子１６０に供給し、ノズル孔１１１からインク滴を吐出して印刷面にインクドットを形成する。

印刷制御部２００は、駆動信号生成部２１０と制御信号出力部２２０で構成され、それぞれ配線によって個々の圧電素子１６０に対応して配置されたスイッチング回路２３０に接続されている。

駆動信号生成部２１０は、Ｄ/Ａ変換回路、積分回路および増幅回路で構成され、ＣＰＵによりＲＯＭから読み出された電圧波形のデータをアナログ変換した後、積分・増幅して図４に示す駆動電圧信号を生成する。

スイッチング回路２３０は、入力側が駆動信号生成部２１０に接続され、出力側が対応する圧電素子１６０に接続され、印刷情報に対応した制御信号が制御信号出力部２２０から入力されるとスイッチオンとなり、駆動信号生成部２１０で生成された駆動電圧信号が圧電素子１６０に印加される。

圧電素子１６０は、印加される駆動電圧信号に応じた変位を振動板１３０に与え、振動板１３０の変位により圧力室１４０に容積変位を生じさせて、インクが充填された圧力室１４０に所定の圧力波を発生させる。この圧力波によってノズル孔１１１からインク滴が吐出され、印刷面にインクドットが形成される。インクドットの形成を画像情報に基づいて繰り返すことにより、被印刷物の印刷面に文字や画像が形成される。

次に、図４および図５を参照して、圧電素子１６０に印加する駆動電圧信号について説明する。図４（a）は、従来から一般に使用されている単一のパルス（以降、「シングルパルス」という）で構成された駆動電圧信号の波形図、図４（ｂ）は、本発明で使用する２つのパルス（以降、「ダブルパルス」という）で構成された駆動電圧信号の波形図である。

最初に、図４（ａ）に示すシングルパルスの駆動電圧信号について説明する。インク流路内にインクＩが充填された状態で、圧電素子１６０に所定の振幅（電圧差）を持ってパルスが印加されると、圧電素子１６０は収縮し、振動板１３０が変形する。これによって圧力室１４０の容積が膨張し、共通液室１５１より流体抵抗部１２１を経由してインクＩが圧力室１４０に供給される。同時に、ノズル孔１１１のインクメニスカスも圧力室１４０側に引き戻される。このような過程を膨張行程と呼び、その時間をＴａとする。

そのまま電圧を保持すると、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孔１１１の出口側に戻ろうとする。このような過程を保持行程と呼び、その時間をＴｂとする。

そして、メニスカスがノズル孔１１１の出口側に戻ろうとするほぼその時点で、今度は圧電素子１６０が伸長する方向に電圧を印加する。この過程を収縮行程と呼び、その時間をＴｃとする。

そうすると、膨張行程によって圧力室１４０内に充填されたインクＩが圧縮され、圧力室１４０内は高い圧力状態となり、インクＩの圧力が増加することによってノズル孔１１１よりインク滴となって吐出する。

実験では、立ち下り時間Ｔａおよび立ち上り時間Ｔｃを固定した状態で、シングルパルスの保持時間Ｔｂを変えながら、吐出速度がピークになる最適の保持時間Ｔｂとして３μｓに設定した。また立ち下り時間Ｔａを２μｓ、立ち上り時間Ｔｃを２μｓに設定し、振幅Ｖ₀が１５ボルトのパルスを生成した。

図５（ａ）に、これらの条件を満たす電圧信号で圧電素子１６０を駆動し、ノズル孔１１１からインク滴を吐出したときの１μｓ毎の画像を示す。圧力室１４０内のインク圧力が増加し、ノズル孔１１１から飛び出していく様子が示されている。その後、インクは表面張力によってインク滴となり、被印刷物の印刷面まで飛翔する。

次に、図４（ｂ）に示す、本発明で使用するダブルパルスの駆動信号について説明する。図４（b）に示す駆動信号は、図４（ａ）に示すパルスを時間軸上に２つ配置したもので、基本的に、各パルスの形状は図４（ａ）に示したパルスと変わりがない。第１パルスの立ち下り時間Ｔｄ、保持時間Ｔｅおよび立ち上り時間Ｔｆと、第２パルスの立ち下り時間Ｔｈ、保持時間Ｔｉおよび立ち上り時間Ｔｊは同じとし、第１パルスの振幅をＶ₁、第２パルスの振幅をＶ₂とする。

前述の特許文献２に記載の駆動方法では、マルチパルスの電圧信号を用いてプリントヘッドを駆動する場合、第１パルスおよび第２パルスのそれぞれによってインク滴を吐出させていた。

これに対し、本発明では、第１パルスの振幅Ｖ₁を第２パルスの振幅Ｖ₂より小さい値に設定し、かつ第１パルスでは、ノズル孔１１１からインク滴を吐出させず、第２パルスによってインク滴を吐出させている。

図５（ｂ）に、各パルスの立ち下り時間Ｔｄ、Ｔｈを２μｓ、保持時間Ｔｅ、Ｔiを３μｓ、立ち上り時間Ｔｆ、Ｔｊを２μｓとし、また第１パルスと第２パルスとの間隔Ｔｇを３μｓとし、第１パルスの振幅Ｖ₁を６．５ボルト、第２パルスの振幅Ｖ₂を１５ボルトとした駆動電圧信号を用いて、ノズル孔１１１からインク滴を吐出したときの１μｓ毎の画像を示す。

図５（ｂ）に示すように、第１パルスによってノズル孔１１１から飛び出したインクの液面は第２パルスの膨張行程によって速度が０に近い凸形の液面となる。そこに第２パルスの収縮行程によりインクがノズル孔１１１から飛び出す。このとき第１パルスによって形成された凸型の液面と合体してインクが吐出されるが、合体の影響によって吐出速度が低下する。第１パルスによるインクの飛び出しが大きい程、吐出速度の低下は大きくなる。

図４（ｂ）に示した、第１パルスの振幅を第２パルスの振幅より小さくし、かつ第１パルスではインク滴を吐出させないダブルパルスの駆動信号を用いた場合、第１パルスはインク滴の吐出速度を低下させるように作用する。本発明では、この特性を利用して吐出速度の変動を抑制している。

＜駆動信号に要求される条件＞
以下、実験結果に基づいて、ダブルパルスの駆動信号を用いる場合に要求される条件について、吐出速度の変動の原因毎に説明する。最初に、隣接する複数のチャンネルを同時に駆動したときに生じるクロストーク対策について説明する。

以下の説明において、個々のノズル孔からインク滴を吐出させる機能を区別するため「チャンネル」という概念を導入する。具体的には、直線状に配置されたノズル孔のうち一番端のノズル孔からインク滴を吐出させる機能を第１チャンネル、次のノズル孔からインク滴を吐出させる機能を第２チャンネル---と呼んで区別する。

ダブルパルスのうち第２パルスの振幅Ｖ₂を１１．５ボルトに固定した状態で、第１パルスの振幅Ｖ₁を変動させたときの吐出速度を測定した。その結果を図６に太い実線で示す。図に示された第１パルスの振幅範囲では、第１パルスの振幅Ｖ₁が５ボルトを超えると、振幅Ｖ₁が大きくなる程、吐出速度が低下している。すなわち、インク滴を吐出させない振幅範囲では、第１パルスは吐出速度を低下させるように作用している。

次に、図６の吐出速度を測定した第１パルスの各振幅において、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第１パルスの振幅Ｖ₁を変えたときの吐出速度を測定した。その測定値を図６に細い実線で示す。

図から明らかなように、第１パルスの振幅Ｖ₁が小さいときは、吐出速度は第１パルスの振幅Ｖ₁にほぼ比例して大きくなるが、第１パルスの振幅Ｖ₁が大きくなると、上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く。

第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第１パルスの振幅Ｖ₁を変えると、第１パルスの振幅Ｖ₁が大きくなる程、吐出を阻害して吐出速度が低下する。同時に、第２パルスの振幅Ｖ₂が大きくなり、インク滴を吐出させる力が大きくなるので、吐出速度が上昇する。これらが合わさって上向きのピークの曲線になる。以降、吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅Ｖ₁をＶｐとする。

一方、図６において、細い破線の曲線は、細い実線と同一の駆動信号を用いて、隣接する５つのチャンネルを同時に駆動させたときの吐出速度を示す。

細い実線の曲線と細い破線の曲線に若干のずれが生じているが、これは５チャンネルの圧電素子を同時に駆動させたときに生じるクロストークによるものである。隣接する複数のチャンネル（２～１０数チャンネル）を同時に駆動した場合、圧電素子の駆動時にインク流路の構造部材が振動し、それぞれの振動が干渉することによって吐出速度が変動する。

図６のうち吐出速度が上向きのピークをもつ曲線を描く第１パルスの振幅範囲において、細い実線の曲線と細い破線の曲線を比較すると、ピークから離れた位置では、吐出速度に違いが見られるが、ピーク付近では、１チャンネル駆動と５チャンネル駆動で、ほとんど差がないことがわかる。

図７に、クロストークにより吐出速度が変動したときの飛翔中のインク滴の画像を示す。図７（ａ）の画像は、シングルパルスの電圧信号を用いて圧電素子を駆動したときに、ノズル孔から吐出したインク滴の画像で、左側は１チャンネルを単独で駆動したとき、右側は隣接する５チャンネルを同時に駆動したときのインク滴を示す。インク滴は、紙面の下側に設置されたノズル孔から上方に向かって飛行している。

図７（ａ）の画像から、シングルパルスで隣接する５チャンネルを同時駆動した場合、１チャンネルを単独で駆動した場合に比較し、インク滴の吐出速度が大きく低下している。

これに対し、図７（ｂ）の画像は、ダブルパルスの電圧信号を用い、かつ第１パルスの振幅Ｖ₁を、図６の細い実線のピークを示す振幅Ｖｐとしたときに、ノズル孔から吐出したインク滴の画像で、左側は１チャンネルを単独で駆動のとき、右側は隣接する５チャンネルを同時に駆動したときのインク滴の飛行状態を示している。

図７（ｂ）の画像から、第１パルスの振幅Ｖ₁として吐出速度がピークを示す振幅Ｖｐで駆動した場合、１チャンネルを単独で駆動したときと、隣接する５チャンネルを同時に駆動したときで、吐出速度にほとんど差がない。

上述の実験結果から、第１パルスを、細い実線の曲線のピークを示す値Ｖｐまたはその付近の振幅で駆動した場合、クロストークによる影響をほとんど無視できることがわかる。

更に、図６に示すように、細い実線の曲線と細い破線の曲線はピーク値Ｖｐまたはその付近で交わり、かつ網掛けのエリアで示すように、各曲線が交差する第１パルスの振幅Ｖｐは、第２パルスの振幅Ｖ₂にかかわらず、近接した範囲にある。

図８は、図６の細い実線と細い破線の各曲線から、それぞれの曲線のピーク値Ｖｐまたはその付近におけるクロストークによる吐出速度の低下と第２パルスの振幅Ｖ₂との関係を示すデータを抽出したものである。図８から明らかなように、吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅Ｖｐまたはその付近では、クロストークによる速度変化はほぼ０である。このことから、クロストークによる吐出速度の低下を抑制する効果は、第１パルスの振幅Ｖ₁で決まり、第２パルスの振幅Ｖ₂には影響されないことがわかる。

また図９は、図６の各曲線から、ピーク値Ｖｐにおける第２のパルスの振幅Ｖ₂と吐出速度の関係のデータを抽出したものである。図９から明らかなように、吐出速度は、第２パルスの振幅Ｖ₂にほぼ比例して増大する。

上述の２つの事象より、第１パルスの駆動電圧（振幅Ｖ₁）を、吐出速度の曲線がピークを示す値Ｖｐまたはその付近の値に設定し、かつ第２パルスの振幅Ｖ₂を変えれば、クロストークによる吐出速度の変動を軽減する効果を維持したまま、所望の吐出速度でインク滴を吐出させることができることがわかった。

次に、チャンネル間の構造的なばらつきや圧電素子の静電容量のばらつきによる吐出速度の変動対策について説明する。

図１０に、図４（ｂ）に示すダブルパルスの電圧信号を用いてプリントヘッド１００を駆動したときのインク滴の吐出速度の測定結果を示す。

図１０では、前述の図６において、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第２パルスの振幅Ｖ₂を変えたときの吐出速度の測定値を示した。図６と同様に、吐出速度は、上向きのピークをもつ曲線を描いている。

図１０には、直線状に配列されたノズル孔１１１のうち、一方の端から１４７番目から１５３番目（１４７チャンネル～１５３チャンネル）のノズル孔から吐出したインク滴の吐出速度の測定値が示されている。なお、チャンネル１４７、１４９～１５２の測定値については、曲線の形状を示しただけで、特に区別していない。

また図１１は、図１０のグラフから、第２パルスの振幅Ｖ₂を１４ボルト、１６ボルト、１９ボルトとしたときの各チャンネルにおける吐出速度を抽出したものである。

図１０に示すように、チャンネル毎に吐出速度の測定値が若干ばらついているが、吐出速度は上向きのピークをもつ曲線を描いている。チャンネル毎で吐出速度が変動する原因は、流路のわずかな形状の違いなどの構造的なばらつきや圧電素子の静電容量のばらつきにあると考えられる。

注目されるのは、図１１に示すように、チャンネル毎に吐出速度に差が生じ、特にピークから離れる程ばらつきが大きくなるが、ピーク（１６ボルト）またはその付近では吐出速度のばらつきがほとんどないことである。

このことから、ダブルパルスの駆動信号を用い、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定し、かつ第２パルスの振幅Ｖ₂を、吐出速度の曲線のピーク（第１パルスの振幅はＶｐ）またはその付近で駆動すれば、チャンネル間の構造的・特性的なばらつきによる吐出速度の変動を、ほぼ吸収できることがわかった。

クロストークによる吐出速度の変動対策として説明したように、ダブルパルスの第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第１パルスを、吐出速度がピークを示す値Ｖｐまたはその付近の振幅で駆動した場合、クロストークによる影響をほとんど無視できる。

一方、チャンネル間の構造的・特性的なばらつき対策として説明したように、ダブルパルスの電圧信号を用い、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定し、かつ第２パルスの振幅Ｖ₂を、吐出速度の曲線のピーク（第１パルスの振幅はＶｐ）またはその付近の値で駆動した場合、チャンネル間の構造的・特性的なばらつきよる吐出速度の変動を、ほぼ吸収できる。

なお、図１０では、第２パルスの振幅Ｖ₂に対する吐出速度の変化を示したが、第１パルスと第２パルスの振幅比が固定されていることから、横軸を第１パルスの振幅Ｖ₁に変えてもよい。いずれの場合においても、吐出速度のピーク値に変わりはない。

上述した様に、第１パルスの振幅Ｖ₁または第２パルスの振幅Ｖ₂を、吐出速度がピークを示す値またはその付近の値に設定すれば、クロストークによる吐出速度の変動と、チャンネル間の構造的・特性的なばらつきによる吐出速度の変動が最も少ない状態で、プリントヘッドを駆動できる。

次に、多数のチャンネルを同時に駆動したときに生じる駆動波形の変形による吐出速度の変動対策について説明する。図１２は、同時に駆動するチャンネル数と吐出速度との関係を示したグラフである。

図１２（ａ）は、図５（ａ）の実験を行った場合と同一のシングルパルスの駆動信号を用いて測定した吐出速度であり、図１２（ｂ）は、図５（ｂ）の実験を行った場合と同一のダブルパルスの駆動信号を用いて測定した吐出速度である。

同時に駆動するチャンネル数が増えるに従って、オーバーシュートや波形なまりによって駆動波形が変形し、これに伴って吐出速度の上昇や低下が生じる。これは、駆動チャンネル数の増加に伴って電流量が増大し、電気配線のインダクタンスや抵抗により駆動波形が変形するためと考えられる。駆動波形の変形によって圧電素子の挙動が変化し、吐出速度が上昇、もしくは低下する。

図１２（ａ）に示すように、シングルパルスの駆動信号を用いた場合、駆動チャンネル数が１０～３０程度で吐出速度が落ち込み、更に、３００チャンネルに近づくに従って落ち込みが増加する。

これに対し、図１２（ｂ）に示すように、ダブルパルスの駆動信号を用いた場合、吐出速度の落ち込みの割合は、シングルパルスの場合に比較してはるかに小さく、かつチャンネル数が増加すると、落ち込みの割合が減少する。これらの事実より、駆動波形の変形に伴う吐出速度の変動に対しても、ダブルパルスの駆動信号が有効であることがわかる。

図１３に、図１に示す３００個×４列、合計１２００個のノズル孔を有するプリントヘッドを用い、かつ各圧電素子に図４に示す駆動信号を印加して、１２００個のノズル孔からインク滴を同時に吐出させたときの各インク滴の吐出速度を点で示す。

図１３（ａ）の吐出速度は、図５（ａ）に示す画像を撮影したときと同一波形の電圧信号を用いて圧電素子を駆動したときの測定結果である。一方、図１３（ｂ）の吐出速度は、図５（ｂ）の実験を行った場合と同一のダブルパルスを用いたときの測定結果である。

シングルパルスの駆動信号を用いた図１３（ａ）のグラフでは、巨視的にみたときには、チャンネル全体のばらつきの傾向として両端が速く、中央が遅いばらつきがある。一方、微視的にみたときには、チャンネル毎に吐出速度のばらつきがある。これに対し、ダブルパルスの駆動信号を用いた図１３（ｂ）のグラフでは、巨視的なばらつき、微視的なばらつきのいずれも比較的小さい。

上述したように、ノズル孔が直線状に複数配列されたプリントヘッドの駆動信号として、第１パルスではインク滴を吐出させないダブルパルスの駆動信号を用いた場合、クロストークによる吐出速度の変動、構造的・特性的なばらつきによる吐出速度の変動、および多数チャンネルを同時駆動したときの駆動波形の変形に伴う吐出速度の変動を抑えることができ、結果として、品質の優れた印刷を実現できる。

なお、上述の実施の形態では、プリントヘッドを用いて記録紙上に印刷を行う場合について説明したが、本発明に係るプリントヘッドの駆動方法は、記録紙上への印刷に限定されず、例えば、コンベア上を搬送される商品もしくは包装箱の側面や上面に印刷を行う場合にも適用可能である。

また、上述の実施の形態では、プリントヘッドの圧力発生手段として圧電素子を用いた場合について説明したが、これに限定されない。例えば、電歪素子や加熱手段を用いて圧力を発生させるプリントヘッドに対しても適用できることは云うまでもない。

Ｉインク
１００プリントヘッド
１１０ノズル板
１１１ノズル孔
１２０流路板
１２１流体抵抗部
１３０振動板
１３１液導入部
１４０圧力室
１５０フレーム部材
１５１共通液室
１６０圧電素子
１７０ベース部材
１８０ＦＰＣ
２００印刷制御部
２１０駆動信号生成部
２２０制御信号出力部
２３０スイッチング回路

上記目的を達成するため、本発明に係るプリントヘッドの駆動方法は、インク滴を吐出する複数のノズル孔が直線状かつ等間隔に配列されたプリントヘッドと、前記プリントヘッドの各ノズル孔からインク滴を吐出させる圧力を発生させる複数の圧力発生手段と、前記複数の圧力発生手段に印加する駆動電圧信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えたプリントヘッドの駆動方法であって、
前記駆動電圧信号として、２つのパルスが時間軸上に配列された電圧信号を用い、当該電圧信号を、先行する第１パルスの振幅が、後続する第２パルスの振幅より小さく、かつ第１パルスによって前記ノズル孔からインク滴が吐出しない振幅に設定し、第２パルスによって前記ノズル孔からインク滴を吐出させると共に、
前記駆動電圧信号を、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第１パルスの振幅を変化させながら前記駆動信号生成手段に印加し、前記ノズル孔から吐出するインク滴の速度を測定して、当該吐出速度が上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く第１パルスの振幅範囲を特定することを特徴とする。

本発明に係るプリントヘッドの駆動方法において、前記上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く第１パルスの振幅範囲から、吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅を抽出し、前記駆動電圧信号の第１パルスの振幅を、前記ピークを示す値またはその付近の値に設定することが好ましい。

Claims

インク滴を吐出する複数のノズル孔が直線状かつ等間隔に配列されたプリントヘッドと、
前記プリントヘッドの各ノズル孔からインク滴を吐出させる圧力を発生させる複数の圧力発生手段と、
前記複数の圧力発生手段に印加する駆動電圧信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えたプリントヘッドの駆動方法であって、
前記駆動電圧信号として、２つのパルスが時間軸上に配列された電圧信号を用い、当該電圧信号を、先行する第１パルスの振幅が、後続する第２パルスの振幅より小さく、かつ第１パルスによって前記ノズル孔からインク滴が吐出しない振幅に設定し、第２パルスによって前記ノズル孔からインク滴を吐出させることを特徴とするプリントヘッドの駆動方法。
前記駆動電圧信号を、第１パルスと第２パルスの振幅比を固定した状態で、第１パルスの振幅を変化させながら前記駆動信号生成手段に印加し、前記ノズル孔から吐出するインク滴の速度を測定して、当該吐出速度が上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く第１パルスの振幅範囲を特定する、請求項１に記載のプリントヘッドの駆動方法。
前記上向きのピークをもつ非線形の曲線を描く第１パルスの振幅範囲から、吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅を抽出し、
前記駆動電圧信号の第１パルスの振幅を、前記ピークを示す値またはその付近の値に設定する、請求項２に記載のプリントヘッドの駆動方法。
前記駆動電圧信号を、前記インク滴の吐出速度がピークを示す第１パルスの振幅において、第２パルスの振幅を、要求される吐出速度に対応した値に設定する、請求項３に記載のプリントヘッドの駆動方法。
前記圧力発生手段は、
前記ノズル孔に連通し、インクで満たされた圧力室と、
当該圧力室内のインクに、前記ノズル孔からインク滴を吐出させるエネルギーを発生させる圧電素子と、
前記圧電素子の駆動によって変形して、当該圧電素子からのエネルギーを前記圧力室のインクに伝達する振動板とで構成される、請求項１乃至４のいずれかに記載のプリントヘッドの駆動方法。