JP3659581B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平06-297707号公報には、インクジェットヘッドの圧力室の容積を拡大してインクを圧力室に充填し、その後、圧力室の容積を収縮してインクを吐出する際に、被記録材の記録特性に応じて、第１の段階における圧力室の容積拡大速度を任意に可変させ、一定のインク吐出速度を維持しながらインク吐出量だけを自在に可変するようにしたインクジェット記録装置について開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高粘度インクを使用するインクジェットヘッドにおいては、周波数特性を良好にするためにインク供給室からのリフィール時間を短くする必要があり、インク圧力室とインク供給室とを連通する流体抵抗部の流体抵抗Ｒoは小さくする必要がある。よって、いわゆる「引き打ち」方式を採用したインクジェット記録装置において、図１２に示すようなパルス波形をもつ従来の駆動信号でインクジェットヘッドの駆動を行なうと、インク圧力室の容積拡大速度が速い（図１２におけるΔＶ／Ｔfsの値が大きい）場合、インク圧力室内の負圧が大きくなり、流体抵抗Ｒoが小さいためインク供給室からのインク供給が速やかに行われるので、ノズルメニスカスの引き込み深さを大きくできない。すなわち、図１２のパルスは、保持パルス１００の状態から電位が漸次下降する放電パルス１０１を時間Ｔfsの間出力してから、時間Ｐwsの間だけ放電パルス１０２（電位Ｖpb）を出力し、電位が漸次上昇する充電パルス１０３を時間Ｔrmの間出力して後、保持パルス１０４（電位Ｖps）になるという波形の電圧である。一方、インク圧力室の容積拡大速度を遅くするとインク供給室内圧力を大きくできないので、このインク供給室内圧力を効率的に利用した吐出は期待できない。
【０００４】
図１２のパルス波形における時間Ｐwsとインクジェットヘッドのノズル面からのメニスカス深さとの関係を図１３に示す。図１３において、はじめに保持パルス１００により電圧Ｖpsがインクジェットヘッドのアクチュエータである圧電振動子に印加され、圧電振動子は充電して伸張する。その結果、インク加圧室の容積は収縮する。続いて放電パルス１０１により電圧Ｖpbになるまで圧電振動子を放電させることでインク圧力室を収縮させ、インク圧力室の容積を膨張させる。その時、インク圧力室内に周期Ｔsで振動するインク供給室内圧力が発生し、はじめは負圧が発生するのでメニスカスはインク圧力室内側に引き込まれる。そして、引き続きインク供給室からインクが徐々に供給されはじめる。その結果、一端引き込まれたメニスカスは、インクが供給されるに従って周期Ｔsで減衰振動しながら徐々にノズル面に向かって盛り上がっていく。ここでは流体抵抗Ｒoの小さいインクジェットヘッドで高粘度インクを使うことを考えると、電圧ΔＶを一定にし時間Ｔfsが短いときは、メニスカス深さは浅く、振幅は大きい。そして、時間Ｔfsを長くしていくと、メニスカス深さは深く、振幅は小さくなっていく。メニスカス深さは吐出インク滴量と密接な関係にあり、メニスカス変動の振幅は吐出インク速度と密接な関係に有ることが知られている。すなわち、メニスカス深さを大きくしてインク滴の微小滴化を意図しても、所望のインク吐出速度が得られないので吐出電圧を大きくしなければならず、インク吐出速度を上げると同時にインク吐出量も多くなり、目標の小滴化を達成しにくくなる。
【０００５】
これに対し、特開平06-297707号公報に開示の技術では、インクジェットヘッドの圧力室の容積拡大速度を任意に可変させ、インク吐出量だけを自在に可変することはできるものの、インク吐出速度は遅くなってしまうので、印刷速度の低下を招き、同時にインクの着弾位置のばらつきが大きくなることによる印刷画質の低下も招来してしまう。
【０００６】
この発明の目的は、インク吐出速度を確保しつつインク滴の微小滴化を行なうことを可能とするインクジェット記録装置を提供することである。
【０００７】
この発明の目的は、最適化された小ドットのインク滴の吐出を可能とするインクジェット記録装置を提供することである。
【０００８】
この発明の目的は、ノズル内のインク占有体積を小さくし、また、小ドットのインク滴を吐出させることを可能とするインクジェット記録装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、インク圧力室、このインク圧力室に連通してインクを吐出するノズル、前記インク圧力室と連通しているインク供給室及び前記インク圧力室の容積を増減するアクチュエータを有してなるインクジェットヘッドと、前記アクチュエータに駆動電圧を印加して前記インクジェットヘッドを駆動し、前記駆動電圧を構成する１周期のパルスは、前記インク圧力室を膨張させる第１の信号、前記第１の信号の後に出力され前記第１の信号の印加のときより前記インク圧力室内に大きな圧力を発生させて前記インク圧力室を膨張させる第２の信号、この第２の信号による前記インク圧力室の膨張状態を保持する第３の信号及び当該膨張状態から前記インク加圧室を収縮させてインク滴を吐出させる第４の信号を含むものとするドライバと、を備え、前記ドライバは、前記インク圧力室の共振周期をＴ s としたときに前記第１の信号の印加時間を当該共振周期Ｔ s の１／２以上Ｔ s 以下とするインクジェット記録装置である。
【００１０】
したがって、インク圧力室の容積拡大速度を遅くしてインク供給室内圧力を小さくすることでインク供給室からのインク供給を緩慢にして、ノズルメニスカスを効率的に引き込むことが第１の信号により可能になり、引き続き、インク圧力室の容積拡大速度を速くしてインク供給室内圧力を大きくすることでインク吐出電圧を小さくすることが第２の信号により可能となるので、インク吐出速度を確保しつつインク滴の微小滴化を行なうことができる。
また、第１の信号の印加時間をインク圧力室の共振周期Ｔ s の１／２以上とすることで、インク吐出速度を確保しつつインク滴の微小滴化を行なうことができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェット記録装置において、前記ドライバは、前記第１の信号の印加開始時における電位と前記第３の信号の電位との電位差を前記第３の信号の電位と前記第４の信号の印加終了時における電位との電位差より大きくするものである。
【００２４】
したがって、より深くノズルメニスカスを引き込むことができるので、ノズル内のインク占有体積を小さくでき、かつ、インク吐出時のインク圧力室の容積変化を小さくできるので、小ドットのインク滴を吐出させることが可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は、この実施の形態であるインクジェット記録装置Ａの概略構成を示す斜視図、図２は同断面図である。図１、図２に示すように、インクジェット記録装置Ａは、本体１の内部に、主走査方向に移動可能なキャリッジ１３、キャリッジ１３に搭載したインクジェットヘッド１４、及び、インクジェットヘッド１４へインクを供給するインクカートリッジ１５等で構成される印字機構部２等を収納している。装置本体１の下部には前面側から多数枚の用紙３を積載可能な給紙カセット（あるいは給紙トレイでもよい）４を着脱自在に装着することができ、また、用紙３を手差しで給紙するための手差しトレイ５を開閉することができ、給紙カセット４あるいは手差しトレイ５から給送される用紙３を取り込み、印字機構部２によって所要の画像を印字した後、後面側に装着された排紙トレイ６に排紙する。
【００２７】
印字機構部２は、本体１の筐体を構成する左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１１及び従ガイドロッド１２でキャリッジ１３を主走査方向（図２で紙面垂直方向）に摺動自在に保持している。このキャリッジ１３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッド１４を、複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ１３にはインクジェットヘッド１４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１５を着脱可能に装着している。
【００２８】
インクカートリッジ１５は、その上部に外気と連通する外気口、下部にはインクジェットヘッド１４へインクを供給する供給口を備え、内部にはインクが充填された多孔質体を備えており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッド１４へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【００２９】
ここで、キャリッジ１３は後部側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１１に摺動自在に軸支され、前部側（用紙搬送方向下流側）も従ガイドロッド１２に摺動自在に支持されている。そして、このキャリッジ１３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１７で回転駆動される駆動プーリ１８と従動プーリ１９との間にタイミングベルト２０が架け渡され、このタイミングベルト２０をキャリッジ１３に固定しており、主走査モータ１７の正逆回転によりキャリッジ１３が往復駆動される。
【００３０】
一方、給紙カセット４にセットした用紙３をインクジェットヘッド１４の下方側に搬送するために、給紙カセット４から用紙３を分離給装する給紙ローラ２１及びフリクションパッド２２と、用紙３を案内するガイド部材２３と、給紙された用紙３を反転させて搬送する搬送ローラ２４と、この搬送ローラ２４の周面に押し付けられる搬送コロ２５及び搬送ローラ２４からの用紙３の送り出し角度を規定する先端コロ２６とを設けている。搬送ローラ２４は副走査モータ２７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００３１】
そして、キャリッジ１３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ２４から送り出された用紙３を記録インクジェットヘッド１４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印台２９を設けている。この印台２９の用紙搬送方向下流側には、用紙３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ３１、拍車３２を設け、さらに用紙３を排紙トレイ６に送り出す排紙ローラ３３及び拍車３４と、排紙経路を形成するガイド部材３５，３６とを配設している。
【００３２】
キャリッジ１３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェットヘッド１４の吐出不良を回復するための回復装置３７を配置している。回復装置はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１３は印字待機中にはこの回復装置３７側に移動されてキャッピング手段でインクジェットヘッド１４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００３３】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェットヘッド１４の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００３４】
図３は、インクジェット記録装置Ａの電気的な接続を示すブロック図である。図１に示すように、インクジェット記録装置Ａは、マイコン等からなりインクジェット記録装置Ａの全体を制御する制御部４１と、インクジェットヘッド１４の圧電振動子５２（図４参照）に駆動電圧を印加してインクジェットヘッド１４を駆動するドライバ４２と、外部からインクジェットヘッド１４で印刷を行なうための印字データを受付けるインターフェイス４３と、主走査モータ１７と、副走査モータ２７とが接続されるほか、各種のアクチュエータ、センサが接続されている。
【００３５】
以上のような装置構成で、インクジェット記録時には、制御部４１はキャリッジ１３を移動させながら印字データに応じてインクジェットヘッド１４を駆動することにより、停止している用紙３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙３を所定量搬送後、次の行の記録を行なう。そして、記録終了信号、又は、用紙３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙３を排紙する。
【００３６】
図４は、インクジェットヘッド１４の縦断面図である。このインクジェットヘッド１４は、セラミックなどから構成される基板５１と、インクジェットヘッド１４のアクチュエータとなる圧電素子である圧電振動子５２と、インク共通液室５５ａを支えるフレーム５３と、振動板５４と、液室及び流路５５と、インク圧力室５６と、インク圧力室５６と連通してインクを吐出するノズル５７とを備えている。液室及び流路５５は、インク供給室であるインク共通液室５５ａと流体抵抗部５５ｂとからなる。
【００３７】
振動板５４には、インク圧力室５６側に弾性変形可能なダイアフラム部５４ａが設けられ、圧電振動子５２の伸縮により、インク圧力室５６を収縮、膨張させることができる。圧電振動子５２に対してドライバ４２から駆動信号が印加され、充電が行われると、図４中の矢印Ａ方向に伸長し、また圧電振動子５２に充電された電荷が放電すると、図中のＡ方向と反対方向に収縮する。
【００３８】
ドライバ４２は、制御部４１に制御されて、インクジェットヘッド１４に以下に説明する駆動信号を印加することでインク液滴を形成する。すなわち、１周期のパルスが次のような波形となる駆動パルス信号を出力する。
【００３９】
図５は、かかる駆動信号のパルス波形を示す波形図である。まず、この駆動信号は、最大電位Ｖps（保持パルス２００）の電位から第１の変化速度で下降する第１の信号（放電パルス２０１）に移行する。そして、引き続き、第１の変化速度（ΔＶa／Ｔfs1）よりも大きい第２の変化速度（ΔＶb／Ｔfs2＝一定）で最低電位Ｖpbまで下降する第２の信号（放電パルス２０２）に移行する。次に、最低電位Ｖpbを所定の時間（パルス幅Ｐws）だけ保持する第３の信号（保持パルス２０３）に移行する。最後に、最低電位Ｖpbから最大電位Ｖpsまで第３の変化速度（ΔＶc／Ｔrm＝一定）でする上昇する第４の信号（充電パルス２０４）に移行して、再び最大電位Ｖpsに戻って（保持パルス２０５）、１周期のパルスを終了する。以後は、保持パルス２００から保持パルス２０５までが繰り返されることで、パルス信号が連続的に出力される。
【００４０】
図６は、図５のパルス波形に対する比較例である従来の駆動信号のパルス波形を示す波形図である。以下では、図５に示したパルス波形（波形Ａとする）と、図６に示す従来のパルス波形（波形Ｂとする）とを比較して説明する。
【００４１】
すなわち、波形Ａの放電パルス２０１と波形Ｂの放電パルス３０１とは変化速度（ΔＶa／Ｔfs1）と電位差（ΔＶa）が同じである。波形Ａの充電パルス２０４と波形Ｂの放電パルス３０３とは変化速度（ΔＶc／Ｔrm）と電位差（ΔＶc）が同じである。そして、引き込み時間（Ｔfs1＋Ｐws）とメニスカス深さとの関係を示すグラフである図７に示すように、波形Ａと波形Ｂとは、この放電パルスの変化速度（ΔＶa／Ｔfs1及びΔＶc／Ｔrm）、電位差（ΔＶa及びΔＶc）が同じなので、メニスカス深さはほぼ同じになる。
【００４２】
そして、波形Ａでは、第１の変化速度（ΔＶa／Ｔfs1）よりも大きい第２の変化速度（ΔＶb／Ｔfs2）をもった放電パルス２０２を、放電パルス２０１に続いて印加することによって、インク共通液室５５ａ内圧力を発生させることができる。そして、放電パルスの変化速度とインク共通液室５５ａ内圧力の振動振幅の大きさとは比例関係があるので、第２の変化速度を第１の変化速度よりも大きくすることで、第１の変化速度で変化した時よりも大きなインク共通液室５５ａ内圧力を発生することができる。また、放電パルス２０１の印加時間を放電パルス２０２の印加時間よりも長くすることでもことでも、同様な結果となることは言うまでもない。
【００４３】
従って、波形Ａでインクジェットヘッド１４を駆動した場合には、放電パルス２０２を印加することによって発生させたインク共通液室５５ａ内圧力によるメニスカス変動が重畳される結果となる（図７参照）。同様に、図８は、引き込み時間（Ｔfs1＋Ｐws）とインク共通液室５５ａ内圧力との関係を示すグラフである。引き込み時間が“０”の時点は放電パルスの印加開始タイミングであり、このときにはインク共通液室５５ａ内圧力も“０”になっている。そして、放電パルスが印加されて圧力振動が発生する。前記と同様に、波形Ａで駆動した場合には放電パルス２０２を印加することによって発生させたインク共通液室５５ａ内圧力によるメニスカス変動が重畳されるので、インク共通液室５５ａ内圧力の圧力振動の振幅が大きくなる。
【００４４】
また、インク共通液室５５ａ内圧力は、図８に示すように、インク圧力室５６の構造やノズル５７の径、インクの流体抵抗値などの要因で決まる周期Ｔsにより正圧、負圧を繰り返しながら減衰振動をするが、引き込み開始から周期Ｔsの半分（Ｔs／２）までは圧力は負圧となり、その大きさは引き込み開始直後が一番大きい。その後は、周期の半分（Ｔs／２）からＴsまで正圧となる。ゆえに、図５の駆動波形Ａで、放電パルス２０１の印加時間Ｔfs1を周期Ｔsの半分（Ｔs／２）よりも大きく設定することで、インク共通液室５５ａ内圧力の負圧による流体抵抗部からのインク供給を最小限にすることができ、その結果、メニスカス深さを大きくできる。
【００４５】
さらに、前記したようにインク共通液室５５ａ内圧力の絶対値は、引き込み開始から周期Ｔsの半分（Ｔs／２）までが一番大きく、それ以降は減衰しながら圧力は小さくなっていく。ゆえに、図５の駆動波形Ａで放電パルス２０２の印加時間Ｔfs2を周期Ｔsの半分（Ｔs／２）よりも小さく設定することで、インク共通液室５５ａ内圧力を最大限にすることができ、その結果、インク共通液室５５ａ内圧力を大きくすることができる。
【００４６】
ところで、図５の駆動信号Ａの場合は、図９に示すように、インク圧力室５６内の圧力振動とほぼ同じ周期でインク吐出速度Ｖjやインク吐出量Ｍjは増減を繰り返すことになる。従って、第３の信号のパルス幅Ｐwsをインク圧力室５６内の圧力が正圧（図９中の点Ａ）になったタイミングで充電パルス２０４を印加すると、インク吐出速度は最大となる。一方、このタイミングだとインク吐出量も最大となることがわかっている。このように、パルス幅Ｐwsの大きさを選定すれば、図１０に示すように、充電パルス２０４の電圧差ΔＶcが低電圧でもインクは吐出するので、充電パルス２０４の電位差ΔＶcを小さくできる。すなわち、図１０は、図９におけるインク吐出速度Ｖj、インク吐出量Ｍjのピーク値（Ａ点）、ボトム値（Ｂ点）それぞれの場合について、駆動電圧Ｖppの変化に対するインク吐出速度Ｖj、インク吐出量Ｍjの変化を示している。電位差ΔＶcを小さくできるということは、吐出時のインク圧力室５６内の容積変化量を小さくできるので、インク吐出量もさらに少なくできる。
【００４７】
そこで、インクジェットヘッド１４の駆動に、図５に示す駆動信号Ａに代えて、図１１に示すようなパルス波形を用いることができる。すなわち、図５と共通符号の要素は図５の駆動信号Ａと同一の内容であるため詳細な説明は省略するが、図１１においては、最大電位Ｖpsと最小電位Ｖpb（保持パルス２００と保持パルス２０３）との電位差ΔＶ1（ΔＶa＋ΔＶb）を大きくし、これに比べて保持パルス２０３と保持パルス２０５との電位差ΔＶ2（最小電位Ｖpbと駆動電圧Ｖppの電位差）を小さくしている。そして、保持パルス２０５を出力した後に、充電パルス２０６を出力して、この充電パルス２０６により駆動信号の電位は駆動電圧Ｖppから最大電位Ｖpsまで上昇するようにしている。これにより、インク吐出の微小滴化と所望の吐出速度の両立を達成できる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、インク圧力室の容積拡大速度を遅くしてインク供給室内圧力を小さくすることでインク供給室からのインク供給を緩慢にして、ノズルメニスカスを効率的に引き込むことが第１の信号により可能になり、引き続き、インク圧力室の容積拡大速度を速くしてインク供給室内圧力を大きくすることでインク吐出電圧を小さくすることが第２の信号により可能となるので、インク吐出速度を確保しつつインク滴の微小滴化を行なうことができる。
【００５２】
また、第１の信号の印加時間をインク圧力室の共振周期Ｔsの１／２以上とすることで、インク吐出速度を確保しつつインク滴の微小滴化を行なうことができる。
【００５５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェット記録装置において、より深くノズルメニスカスを引き込むことができるので、ノズル内のインク占有体積を小さくでき、かつ、インク吐出時のインク圧力室の容積変化を小さくできるので、小ドットのインク滴を吐出させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態であるインクジェット記録装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】前記インクジェット記録装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図３】前記インクジェット記録装置の電気的な接続を示すブロック図である。
【図４】前記インクジェット記録装置のインクジェットヘッドの縦断面図である。
【図５】前記インクジェット記録装置の駆動電圧のパルス波形を示す波形図である。
【図６】従来のインクジェット記録装置における駆動電圧のパルス波形を示す波形図である。
【図７】図５と図６の駆動電圧による作用を説明するグラフである。
【図８】同グラフである。
【図９】インクジェット記録装置におけるパルス幅とインクの吐出量及び吐出速度との関係を説明するグラフである。
【図１０】インクジェット記録装置における駆動電圧とインクの吐出量及び吐出速度との関係を説明するグラフである。
【図１１】この発明の一実施の形態であるインクジェット記録装置における駆動電圧のパルス波形の他の例を示す波形図である。
【図１２】従来のインクジェット記録装置における駆動電圧のパルス波形を示す波形図である。
【図１３】図１２の駆動電圧による作用を説明するグラフである。
【符号の説明】
Ａ インクジェット記録装置
１４ インクジェットヘッド
４２ ドライバ
５２ アクチュエータ、圧電素子
５５ａ インク供給室
５６ インク圧力室
５７ ノズル

Claims (2)

1. インク圧力室、このインク圧力室に連通してインクを吐出するノズル、前記インク圧力室と連通しているインク供給室及び前記インク圧力室の容積を増減するアクチュエータを有してなるインクジェットヘッドと、
   前記アクチュエータに駆動電圧を印加して前記インクジェットヘッドを駆動し、前記駆動電圧を構成する１周期のパルスは、前記インク圧力室を膨張させる第１の信号、前記第１の信号の後に出力され前記第１の信号の印加のときより前記インク圧力室内に大きな圧力を発生させて前記インク圧力室を膨張させる第２の信号、この第２の信号による前記インク圧力室の膨張状態を保持する第３の信号及び当該膨張状態から前記インク加圧室を収縮させてインク滴を吐出させる第４の信号を含むものとするドライバと、
   を備え、
   前記ドライバは、前記インク圧力室の共振周期をＴ s としたときに前記第１の信号の印加時間を当該共振周期Ｔ s の１／２以上Ｔ s 以下とするインクジェット記録装置。
2. 前記ドライバは、前記第１の信号の印加開始時における電位と前記第３の信号の電位との電位差を前記第３の信号の電位と前記第４の信号の印加終了時における電位との電位差より大きくするものである請求項１に記載のインクジェット記録装置。

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