JP3290056B2 - インク噴射装置およびその駆動方法 - Google Patents
インク噴射装置およびその駆動方法Info
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Description
その駆動方法に関するものである。
装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト方式の印字装置のなかで、原理が最も単
純で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとし
て、インクジェット方式の印字装置が挙げられる。なか
でも印字に使用するインク滴のみを噴射するドロップ・
オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコス
トの安さなどから急速に普及している。
53−12138号公報に開示されているカイザー型、
あるいは特公昭61−59914号公報に開示されてい
るサーマルジェット型がその代表的な方式としてある。
このうち、前者は小型化が難しく、後者は高熱をインク
に加えるためにインクの耐熱性に対する要求が必要とさ
れ、それぞれに非常に困難な問題を抱えている。
方式として提案されたのが、特開昭63−247051
号公報に開示されている圧電セラミックスを利用したせ
ん断モード型である。
インク噴射装置600は、底壁601、天壁602及び
その間のせん断モードアクチュエータ壁603からな
る。そのアクチュエータ壁603は、底壁601に接着
され、且つ矢印611方向に分極された下部壁607
と、天壁602に接着され、且つ矢印609方向に分極
された上部壁605からなっている。アクチュエータ壁
603は一対となって、その間にインク流路613を形
成し、且つ次の一対のアクチュエータ壁603の間に
は、インク流路613よりも狭い空間615を形成して
いる。
18を有するノズルプレート617が固着され、各アク
チュエータ壁603の両側面には電極619,621が
金属化層として設けられている。各電極619,621
はインクと絶縁するための絶縁層(図示せず)で覆われ
ている。そして、空間615に面している電極621は
アース623に接続され、インク流路613内に設けら
れている電極619はアクチュエータ駆動信号を与える
シリコン・チップ625に接続されている。
法を説明する。まず、矢印611に分極された圧電セラ
ミックス層を底壁601に接着し、矢印609に分極さ
れた圧電セラミックス層を天壁602に接着する。各圧
電セラミックス層の厚みは、下部壁607、上部壁60
5の高さに等しい。次に、圧電セラミックス層に、平行
な溝をダイヤモンドカッティング円板の回転等によって
形成して、下部壁607、上部壁605を形成する。そ
して、真空蒸着によって下部壁607の側面に電極61
9を形成し、その電極619上に前記電極層を設ける。
同様にして上部壁605の側面に電極621、前記絶縁
層を設ける。
頂部とを接着してインク流路613と空間615とを形
成する。次に、ノズル618が形成されているノズルプ
レート617を、ノズル618がインク流路613と対
応するように、インク流路613及び空間615の一端
に接着し、インク流路613と空間615との他端をシ
リコン・チップ625とアース623とに接続する。
にリコン・チップ625が電圧を印加することによっ
て、各アクチュエータ壁603がインク流路613の容
積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。例えば図
7に示すようにインク流路613cに電圧Vが印加され
るとアクチュエータ壁603e、603fにそれぞれ矢
印627、629の方向の電界が発生し、アクチュエー
タ壁603d、603eがインク流路613cの容積を
増加する方向に圧電厚みすべり変形する。このときノズ
ル618c付近を含むインク流路613c内の圧力が減
少する。この状態を、圧力波がインク流路613内を片
道伝播する時間Tだけ維持する。すると、その間図示し
ないマニホールドからインクが供給される。なお、上記
片道伝播時間Tはインク流路613内の圧力波が、イン
ク流路613の長手方向に伝播するのに必要な時間であ
り、インク流路613の長さLとこのインク流路613
内部のインク中での音速aとによりT=L/aと決ま
る。圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加から
ちょうど時間Tがたつとインク流路613内の圧力が逆
転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせて
インク流路613cの電極619cに印加されている電
圧を0に戻す。
3fが変形前の状態(図6)に戻り、インクに圧力が加
えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、アクチュ
エータ壁603e、603fが変形前の状態に戻ること
により発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力
がインク流路613cのノズル618c付近の部分に生
じて、インクがノズル618cから噴射される。
噴射装置の駆動方法では、インク滴をノズル618cか
ら噴射するタイミングは前述のように比較的高い圧力
を、インク流路613c内のインクに与えることができ
る。しかし、図8(b)に示すように、この時点でのメ
ニスカス24は、ノズル618cの内部に後退してい
る。従って、前述した噴射時のインクの高い圧力も、そ
の一部をノズル出口までメニスカス24を押し戻すのに
費やしてしまい、インク滴噴射に寄与する部分は少な
い。このためインク量が多く必要な場合、必要なインク
滴体積が得られず、良好な印字品質が得られないという
欠点があった。
になされたものであり、印字に必要な体積を持つインク
滴が形成でき、良好な印字品質の得られる低コストのイ
ンク噴射装置およびその駆動方法を提示することを目的
とする。
に本発明のインク噴射装置では、インクを充填するイン
ク流路と、前記インク流路の一部を構成するアクチュエ
ータ壁と、前記アクチュエータ壁にパルス信号を印加す
るための駆動電源と、前記アクチュエータ壁に前記駆動
電源からパルス信号を印加することにより、該パルス信
号の一端で、前記インク流路の容積を増大させてインク
流路内に圧力波を発生させ、パルス信号の他端で、増大
状態から容積を自然状態に減少させてインク流路内のイ
ンクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御手段とを
備えたインク噴射装置において、前記制御手段は、前記
インク流路の容積を増大させる前記パルス信号の一端か
ら、前記インク流路内を圧力波が片道伝播する時間Tの
時点で、パルス信号の他端で、増大状態から容積を自然
状態に減少させてインク滴を噴射させる第1のパルス信
号と、その第1のパルス信号の印加前に、第1のパルス
信号と波高値が同じで、且つ、パルス信号の一端で、前
記インク流路の容積を増大させ、0.3T以下、または
(N−0.3)T〜(N+0.3)Tの時点で(Nは偶
数)、パルス信号の他端で、増大状態から容積を自然状
態に減少させるがインク滴を噴射しない第2のパルス信
号とを、前記アクチュエータ壁に印加することを特徴と
する。また本発明のインク噴射装置の駆動方法では、イ
ンクを充填するインク流路と、前記インク流路の一部を
構成するアクチュエータ壁と、前記アクチュエータ壁に
パルス信号を印加するための駆動電源とを備えたインク
噴射装置において、前記パルス信号の一端で、前記イン
ク流路の容積を増大させてインク流路内に圧力波を発生
させ、パルス信号の他端で、増大状態から容積を自然状
態に減少させて インク流路内のインクに圧力を加えてイ
ンク滴を噴射させる駆動方法であって、前記インク流路
内を圧力波が片道伝播する時間をTとしたとき、前記イ
ンク流路の容積を増大させるパルス信号の一端から前記
容積を自然状態に減少させるパルス信号の他端までのパ
ルス幅が、0.3T以下、または(N−0.3)T〜
(N+0.3)Tで(Nは偶数)、インク滴を噴射しな
い第2のパルス信号を前記アクチュエータ壁に印加し、
その後、その第2のパルス信号と波高値が同じで、且
つ、前記インク流路の容積を増大させるパルス信号の一
端から前記容積を自然状態に減少させるパルス信号の他
端までのパルス幅が前記Tと一致する時間で、インク滴
を噴射する第1のパルス信号を前記アクチュエータ壁に
印加することを特徴とする。
置およびその駆動方法では、インク滴を噴射する第1の
パルス信号の印加前に、第1のパルス信号と波高値が同
じで、且つ、パルス幅が、0.3T以下、または(N−
0.3)T〜(N+0.3)Tである(Nは偶数)イン
ク滴を噴射しない第2のパルス信号を、前記アクチュエ
ータ壁に前記駆動電源から印加することによって、イン
ク滴の噴射前に圧力波の変動により予めノズルからイン
クが押し出され、その後、第1のパルス信号にてインク
滴を噴射することで、第1のパルス信号単独にてインク
滴を噴射する場合よりも大きなインク滴が噴射できる。
参照して説明する。
に示す従来のインク噴射装置600と同様に、底壁60
1、天壁602及びその間のせん断モードアクチュエー
タ壁603からなる。そのアクチュエータ壁603は、
底壁601に接着され、且つ矢印611方向に分極され
た下部壁607と、天壁602に接着され、且つ矢印6
09方向に分極された上部壁605からなっている。ア
クチュエータ壁603は一対となって、その間にインク
流路613を形成し、且つ次の一対のアクチュエータ壁
603の間には、インク流路613よりも狭い空間61
5を形成している。
18を有するノズルプレート617が固着され、各アク
チュエータ壁603の両側面には電極619,621が
金属化層として設けられている。各電極619,621
はインクと絶縁するための絶縁層(図示せず)で覆われ
ている。そして、空間615に面している電極621は
アース623に接続され、インク流路613内に設けら
れている電極619はアクチュエータ駆動信号を与える
シリコン・チップ625に接続されている。
述べる。インク流路613の長さLは7.5mmであ
る。ノズル618の寸法は、インク噴射側の径が40μ
m、インク流路613側の径が72μm、長さが100
μmである。また、実験に供したインクは、粘性が2m
Pa・s、表面張力が30mN/mである。そして、こ
のインク流路613内のインク中における音速aとイン
ク流路613の長さLとの比L/a(=圧力波の片道伝
播時間T)は8μsecである。
19に印加する駆動波形10を図1に示す。駆動波形1
0は、インク噴射前のインク流路613内に予備圧力波
を与えるための第2のパルス信号Bと、インクを噴射さ
せるための第1のパルス信号Aとからなり、第2のパル
ス信号B、第1のパルス信号Aのどちらも波高値(電圧
値)はV(例えば20v)である。第2のパルス信号B
の幅Wbはインク流路613内の圧力波の片道伝播時間
Tの2倍、すなわち16μsecである。第1のパルス
信号Aの幅Waは、インク流路613内の圧力波の片道
伝播時間T(L/a)に一致し、すなわち8μsecで
ある。第2のパルス信号Bの立ち下がりタイミングTe
から第1のパルス信号Aの立ち上がりタイミングTsま
での時間Tdは、インク流路613内の圧力波の片道伝
播時間Tの0.5倍、すなわち4μsecである。
路の一実施例を図2、3を用いて説明する。図2に示す
出力信号X、Yは、それぞれインク流路613内の電極
619に与える電圧をV、0にするための信号である。
出力信号Xがオンになると、電圧Vを発生し、出力信号
Yがオンになると電圧が0になる。コンデンサ191は
インク流路613のアクチュエータ壁603とその両側
に形成された電極619、621によって構成される。
から構成され、それぞれが噴射用充電回路182、放電
用回路184である。そして、入力信号Xがオンすると
きはトランジスタTcが導通し、抵抗R120を介して
コンデンサー191の電極Eに正の電源187からVの
電圧、例えば20vを印加する。入力信号Yがオンする
ときはトランジスタTgが導通し、抵抗R120を介し
てコンデンサー191の電圧Eをアースする。
ャート11、12と電極Eの出力電圧波形13を図3に
示す。入力信号Xのタイミングチャート11のように、
入力信号Xは通常オフの状態に有り、所定のタイミング
T1にてオンされ、タイミングT2にてオフされる。そ
の後のタイミングT3にてオンされ、タイミングT4に
てオフされる。入力信号Yのタイミングチャート12
は、上記入力信号Xがオンのときオフされ、上記入力信
号Xがオフのときオンされる。
常0vであるが、タイミングT1にてコンデンサ191
への電荷が充電され、トランジスタTcと抵抗R12と
コンデンサ191にて決まる充電時間Ta後に電圧V
(例えば20v)になる、またタイミングT2にてコン
デンサ191の電荷が放電され、トランジスタTgと抵
抗R12とコンデンサ191にて決まる放電時間Tb後
に0vになる。続いてタイミングT3にてコンデンサ1
91への電荷が充電され、トランジスタTcと抵抗R1
2とコンデンサ191にて決まる充電時間Ta後に電圧
V(例えば20v)になる、またタイミングT4にてコ
ンデンサ191の電荷が放電され、トランジスタTgと
抵抗R12とコンデンサ191にて決まる放電時間Tb
後に0vになる。このように実際の駆動波形13は立ち
上がりと立ち下がりでそれぞれTa、Tbの遅れが生じ
るため、電圧が1/2V(例えば11v)における第2
のパルス信号Bの幅Wb、第1のパルス信号Aの幅Wa
および第2のパルス信号Bの立ち下がりタイミングTe
から第1のパルス信号Aの立ち上がりタイミングTsま
での遅れ時間Tdを図1に示す値になるように上記各タ
イミングT1、T2、T3、T4を設定する。
のインク滴形成過程を示す。インク流路613内のイン
クの圧力波の片道伝播時間をTとすると第2のパルス信
号Bが印加されてインク流路613の体積が自然状態か
ら増大状態に増大され、t=0からt=Tまでの間、イ
ンク流路613内のインク圧力は負に保たれる。この
間、メニスカス24は後退し続け、ノズル618内に引
っ込んでしまう。圧力伝播理論によると、ノズル618
付近の圧力波はt=Tを過ぎた時点で正に転じる。そし
て正に転じた圧力もt=2Tまでの間だけ維持され負に
転じるが、この時点で第2のパルス信号Bが立ち下が
り、インク流路613の体積が増大状態から自然状態に
減少されるので、一旦メニスカス24を図4(c)のよ
うにノズル618の外に押し出す。これは、t=2Tで
の負に転じる圧力は減衰されているので、第2のパルス
信号Bの立ち下がりにより発生する正の圧力の方が大き
いためである。
ス24が後退しないうちに(ノズル618付近の圧力が
負に転じる前であるt=2.5T時点に)、第1のパル
ス信号Aを印加して、インク流路613の容積を自然状
態からから増大状態としてノズル618付近に負圧を発
生させる。しかしながらノズル618を出たメニスカス
24はノズル618に引き込まれず、図4(d)のよう
にインク流路613内のインクと接続した予備インク滴
28となる。その後ノズル618付近の圧力波はt=
3.5Tを過ぎた時点で正に転じ、この時第1のパルス
信号Aを立ち下げて、インク流路613の体積を増大状
態から自然状態に減少させることにより発生する正の圧
力を、前記正に転じた圧力に加えて、図4(e)のよう
に予備インク滴28を後ろから更に押し出すようにして
メニスカス24が押し出され、その後、図4(h)に示
すように比較的大きなインク液滴26がノズル618か
ら噴射される。
場合のインク噴射テストを行った。駆動電圧は20vに
て駆動した場合、インク滴速度は5m/s、インク滴体
積は45plであった。比較実験として本実施例の駆動
波形の第1のパルス信号Aのみにて駆動した場合、イン
ク噴射速度が4.5m/s、インク滴体積は25plで
あった。またインク滴噴射速度が5m/sとなるように
比較実験の駆動電圧を21vとした場合は、インク滴体
積は26plであった。
インク滴噴射速度、インク滴体積が増加していることが
分かる。
のパルス信号Bの立ち下がりタイミングTeと、第1の
パルス信号Aの立ち上がりタイミングTsまでの遅れ時
間Tdの適正範囲を求めるために行った実験の結果を説
明する。
0.3T〜7.0Tに変え、第2のパルス信号Bの立ち
下がりタイミングTeから第1のパルス信号Aの立ち上
がりタイミングTsまでの遅れ時間Tdを0.3T〜
3.0Tに変えたときの評価結果を示す。評価方法とし
ては20vで駆動したときのインク噴射速度とインク滴
体積を測定し、第2のパルス信号Bによりインク滴が噴
射してしまった場合はNGとした。
がりタイミングTeから第1のパルス信号Aの立ち上が
りタイミングTsまでの遅れ時間Tdは、0.3T〜
3.0の範囲で、インク滴噴射速度とインク滴体積の変
化はほとんどなく、第2のパルス信号Bの幅Wbを0.
3T以下、1.7T以上2.3T以下、3.7T以上
4.3T以下、5.7T以上6.3T以下とすると、第
2パルス信号Bによる噴射がなく、この範囲内であれば
インク滴速度は4.8〜5.1m/sと変動が少なく、
インク滴体積も43〜47plと変動が少ないことが分
かる。よって、印字品質の良好なインク噴射が行い得
る。
明はこの実施例に限定されるものではない。例えば上記
実施例では、正の電源87を用いたが、分極方向を図7
の609、611を逆にして、負の電源を用いても良
い。その他の構成についても、特許請求の範囲を逸脱す
ることなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良
を施した態様で本発明を実施できる。
3の下部壁607及び上部壁605の圧電変形によりイ
ンク流路613の容積を変形してインクを噴射していた
が、下部壁もしくは上部壁の一方を圧電変形しない材質
で形成し、他方の圧電変形にともなって変形するように
して、インクを噴射してもよい。
両側に空気室615を設けていたが、空気室を設けず
に、インク流路が隣接するようにしてもよい。
置およびその駆動方法によれば、インク滴を噴射する第
1のパルス信号の印加前に、第1のパルス信号と波高値
が同じで、且つ、パルス幅が、0.3T以下、または
(N−0.3)T〜(N+0.3)Tである(Nは偶
数)インク滴を噴射しない第2のパルス信号を、前記ア
クチュエータ壁に前記駆動電源から印加するので、イン
ク滴の噴射前に圧力波の変動により予めノズルからメニ
スカスを前進させることができ、その後、第1のパルス
信号にてインク滴を噴射することで、第1のパルス信号
単独にてインク滴を噴 射する場合よりも大きなインク滴
が噴射でき、良好な印字品質が得られる。
を示す図である。
る。
ャートである。
形成過程を示す図である。
の幅と第1のパルスの印加タイミングを変えた実験の結
果を示す図である。
示す図である。
動作を説明する図である。
す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 インクを充填するインク流路と、前記イ
ンク流路の一部を構成するアクチュエータ壁と、前記ア
クチュエータ壁にパルス信号を印加するための駆動電源
と、前記アクチュエータ壁に前記駆動電源からパルス信
号を印加することにより、該パルス信号の一端で、前記
インク流路の容積を増大させてインク流路内に圧力波を
発生させ、パルス信号の他端で、増大状態から容積を自
然状態に減少させてインク流路内のインクに圧力を加え
てインク滴を噴射させる制御手段とを備えたインク噴射
装置において、前記制御手段は、 前記インク流路の容積を増大させる前記パルス信号の一
端から、前記インク流路内を圧力波が片道伝播する時間
Tの時点で、パルス信号の他端で、増大状態から容積を
自然状態に減少させてインク滴を噴射させる第1のパル
ス信号と、 その 第1のパルス信号の印加前に、第1のパルス信号と
波高値が同じで、且つ、パルス信号の一端で、前記イン
ク流路の容積を増大させ、0.3T以下、または(N−
0.3)T〜(N+0.3)Tの時点で(Nは偶数)、
パルス信号の他端で、増大状態から容積を自然状態に減
少させるがインク滴を噴射しない第2のパルス信号と
を、前記アクチュエータ壁に印加することを特徴とする
インク噴射装置。 - 【請求項2】 インクを充填するインク流路と、前記イ
ンク流路の一部を構成するアクチュエータ壁と、前記ア
クチュエータ壁にパルス信号を印加するための駆動電源
とを備えたインク噴射装置において、前記パルス信号の
一端で、前記インク流路の容積を増大させてインク流路
内に圧力波を発生させ、パルス信号の他端で、増大状態
から容積を自然状態に減少させてインク流路内のインク
に圧力を加えてインク滴を噴射させる駆動方法であっ
て、 前記インク流路内を圧力波が片道伝播する時間をTとし
たとき、前記インク流路の容積を増大させるパルス信号
の一端から前記容積を自然状態に減少させるパルス信号
の他端までのパルス幅が、0.3T以下、または(N−
0.3)T〜( N+0.3)Tで(Nは偶数)、インク
滴を噴射しない第2のパルス信号を前記アクチュエータ
壁に印加し、その後、その第2のパルス信号と波高値が
同じで、且つ、前記インク流路の容積を増大させるパル
ス信号の一端から前記容積を自然状態に減少させるパル
ス信号の他端までのパルス幅が前記Tと一致する時間
で、インク滴を噴射する第1のパルス信号を前記アクチ
ュエータ壁に印加することを特徴とするインク噴射装置
の駆動方法。
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-
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