JP3753047B2 - インクジェットヘッドの駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子が発生する圧力によってインク滴を飛翔させ、記録媒体にインク像を形成するプリンタのインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインクジェットヘッドには、インクを吐出する方式として、電気ヒータによりインク中に気泡を発生させてインクを吐出するサーマル方式と、圧電素子を用いて加圧室の壁面の一部を変形させてインクを吐出する圧電素子方式とがある。
【０００３】
サーマル方式はホトリソグラフィの技術により微細な加工が可能で、オリフィスピッチを１００μｍ以下にできるという長所があるが、連続吐出の際の周波数が１０ｋＨｚ程度に限られ、かつ寿命が数億回の吐出にとどまるいう短所がある。
【０００４】
一方、圧電素子方式は圧電素子の変位量が小さいので、インク吐出のためには加圧室の振動板表面積を大きくする必要があり、そのためオリフィスピッチを１００μｍ程度までしか小さくできない。しかし、駆動周波数は圧電素子の形状に依存するのでサーマル方式よりも高い周波数で駆動することができ、印刷速度の高速化に適した方式と言える。また、サーマル方式と違ってインクの種類を選ばないという利点もある。
【０００５】
圧電素子方式を用いたインクジェットヘッドの従来例として図２に示す。図２は、圧電素子１４の変位方向の一端にセラミック部材１６を有し、前記圧電素子１４の振動面をオリフィス１の入り口開口部に対向したダイヤフラムプレート９に配置し、且つ、セラミック部材１６をハウジング１９に接着して固定されたものである。この構成については、例えば、特開平１−１１５６３８号公報に示されている。
【０００６】
インクジェットヘッドよりインク滴を吐出させるには、個別電極１７及び共通電極１８に対し外部駆動電源より電気信号を印加し、圧電素子１４を変位させる。この変位が振動板を介し圧力室の体積変化となり、満たされるインクの圧力変化となる。この圧力変化でインクはオリフィスよりインク滴として吐出する。
【０００７】
一般に、圧力変化は、圧力室の体積を膨張させてノズル内のメニスカスと呼ばれるインク先端部の位置を圧力室の方向に一旦引き込み、圧力室を収縮させてインク滴を吐出させる方法が多く提案されている。圧力室を膨張させると、メニスカスは圧力室の方向に一旦引き込む。その後、メニスカスが最も引き込まれた後、ヘルムホルツ固有振動と呼ばれる振動を伴いながら元の位置に戻ってくる。
【０００８】
インクを吐出するために圧力室を収縮させるが、そのタイミングは高品質の印刷を行なうためには重要である。それは、メニスカスの位置により吐出されるインク滴の大きさが、メニスカスの速度により吐出速度が大きく影響されるためである。
【０００９】
そこで、米国特許第４６４６１０６号に記載されている様に、メニスカスが最も引き込まれた時点でインク室を収縮させてインク滴を吐出させ、固有振動の影響を受け難い駆動方法が提案されている。しかしながら、実際にメニスカスが最も引き込まれるタイミングを見つけるのは困難であった。従来は、この時間を求めるのにはシミュレーションを行なったり、例えば、レーザードップラ振動計を用いたメニスカス速度の実測を行なっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シミュレーションによる従来の計算方法では、細部にわたる現象を追えず、実際の現象とは誤差を生じ、正確なメニスカス位置の時間経過を知ることは困難であった。また、レーザードップラ振動計を用いたメニスカスの実測においても、メニスカスが引き込まれる位置により測定限界が有り、また、レーザーの反射光を利用するため、測定に使用できるインクにも制限が有った。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解決するもので、その目的とするところは、メニスカスの位置を求めることなく、実際に印刷するプリントヘッドとインクを用いることにより、駆動パルス信号の膨張行程開始から収縮工程開始までの時間を誤差なく選択でき、ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い安定したインク滴を吐出することのできるインクジェットヘッドの駆動方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明では、インクタンクと連通してインクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記圧電素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジングと、前記圧力室のインクが吐出されるオリフィスが複数個列をなして配設されるインクジェットヘッドにおいて、前記圧電素子を駆動する際の駆動パルス信号は、前記圧電素子を収縮させ圧力室を膨張させる膨張工程と、その膨張を保持する膨張保持工程と、前記圧電素子を復元させ圧力室を復元させる収縮工程とからなり、且つ、前記圧電素子の駆動パルス幅を前記膨張工程開始から前記収縮工程開始までの時間とし、前記オリフィスと前記インクタンク内の液面の高さを変化させた時に、吐出速度及び吐出量の変化が小さいパルス幅で駆動させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明のインクジェットヘッドの主要部の構造説明斜視図である。
【００１５】
オリフィスプレート２はインク吐出口である複数のオリフィス１を形成している。オリフィス１の開口形状の加工精度は、インクジェットヘッドのインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のオリフィス１間において、これらのオリフィス精度ばらつきを低く押さえるため、オリフィスプレート２の製法は高い加工精度が要求される。このためオリフィスプレート２は、ステンレスの精密プレス法、レーザー加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。
【００１６】
このオリフィスプレート２に圧力室３が形成されたチャンバプレート４、及びインク供給路１０と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート６を、位置決めして接合する。
【００１７】
更に、圧電アクチュエータ１３の圧力を効率よく圧力室に伝えるための振動板７と、共通インク通路１０からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部８とを形成したダイアフラムプレート９と、共通インク通路１０を形成したハウジング１１を同じように位置決めして接合する。
【００１８】
上記チャンバプレート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。
【００１９】
ハウジング１１はステンレス材の切削加工等で形成され、インクタンク２１からインクを共通インク通路１０まで導くインク導入パイプ２０が接合されている。
【００２０】
最後に、複数の圧電素子１４と、それを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ１３を位置決めして接合する。圧電アクチュエータ１３を製作する順序は、まず支持基板１６に棒状の積層圧電体素子を複数本並べて接着・固定する。その後、棒状の積層圧電体素子をダイシングソー、ワイヤソー等を利用した切断により分割する。この時、分割された各々の圧電素子１４は圧力室の一つずつに対応するようになっている。尚、本発明に用いる圧電素子は積層型が好適である。
【００２１】
更に、支持基板１６にはそれぞれの圧電素子１４に外部駆動回路から独立した電気信号を送るための個別電極１７及び共通電極１８が形成されている。これによって、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電素子１４に印加されることにより、圧電素子１４はひずみを生じる。圧電素子１４は高剛性の支持基板１６上に接合されているため、振動板７に優先的に変位を与え圧力室３の圧力を高める。本例にて説明するインクジェットヘッドは、こうした原理によってオリフィス１からインクを吐出して、記録媒体上にインク画像を形成する装置に用いられる。
【００２２】
なお、本例では、配列ピッチは１／３７．５ｉｎｃｈ（約６７７μｍ）としたが、ノズル数、列数、及びユニット構成はどの様な組み合わせでも限定されるものではない。本発明で言うノズルは、オリフィスよりインクを吐出するための流路で、オリフィス、圧力室、リストリクタからなる。
【００２３】
図２は、インクジェトヘッドの部分断面図である。
【００２４】
圧電アクチュエータ１３は、支持基板１６と圧電素子１４とで構成される。圧電素子１４は、接着剤１２を介して振動板７と接合されている。従って、圧力室３内の圧力は振動板７が変形することにより急激に変動する。すなわち、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電素子１４に印加されることにより、圧電素子１４はオリフィス１へ向かう方向に変位を発生する。この変位により、接着剤１２を介して振動板７が変形し、圧力室３内に充填されたインクは加圧され、オリフィス１からインク滴となって吐出する。
【００２５】
図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００２６】
一枚のオリフィスプレート１には、複数個のオリフィスが横一列に配設され、これらのオリフィスに個々に連通する圧力室により複数個のノズルが形成される。
【００２７】
これらのノズルよりインク滴を吐出する場合、圧力室３の体積を膨張させてノズル内のメニスカスと呼ばれるインク先端部の位置を圧力室の方向に一旦引き込み、圧力室を収縮させてインク滴を吐出させる。圧力室を膨張させると、メニスカスは圧力室の方向に一旦引き込む。その後、メニスカスが最も引き込まれた後、ヘルムホルツ固有振動と呼ばれる振動を伴いながら元の位置に戻ってくる。インク滴を吐出するために圧力室を収縮させるが、そのタイミングは高品質の印刷を行なうためには重要である。それは、メニスカスの位置により吐出されるインク滴の大きさが、メニスカスの速度により吐出速度が大きく影響されるためである。このため、ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い駆動方法が必要である。
【００２８】
この駆動波形を見つけるため、図４に示した矩形波を用いて駆動する場合の選択方法を以下の通り試みた。図４に示す矩形波は、圧電素子を収縮させ圧力室を膨張させる膨張工程Ｔ１、この膨張を保持する膨張保持工程Ｔ２、及び圧力室を元の位置に復元させるための収縮工程Ｔ３とからなる。ここで、前記膨張行程Ｔ１と膨張保持工程Ｔ２の時間を以下パルス幅と設定する。
【００２９】
７〜１０μｓのパルス幅において、オリフィスの高さと、インクタンクの液面との高さ（水頭差）を等しくし、一定の吐出速度となるように各々の駆動電圧を設定する。さらに、そこから液面の高さ（水頭差）を徐々に下げながら吐出滴速度と吐出量を測定した。
【００３０】
吐出速度を測定した結果を図５（ａ）に、吐出量を測定した結果を図５（ｂ）に示す。ここで、横軸の「０」はオリフィス面とインクタンク液面が等しく、「低」は低いことを示している。
【００３１】
図５から分かるように、ある特定のパルス幅（この場合９μｓ）において、水頭差の変化による吐出速度と吐出量の変化が小さいことが分かる。この波形が、ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い波形となる。
【００３２】
次に、インク吐出安定性を確認するため、パルス幅を変えながら、全ノズルよりインクを吐出させた。この実験時の吐出時間と不吐出ノズル数の関係を図６に示す。この図より、特定のパルス幅（この場合９μｓ）は不吐出ノズル数の発生率が小さいことが分かる。
【００３３】
以上の実験により、特定のパルス幅（この場合９μｓ）で駆動することにより、メニスカス固有振動の影響を受け難い駆動パルス信号を選択することができ、安定したインクを吐出することが出来るようになった。
【００３４】
本発明では、インクタンクの液面の高さを変えて実験を行なったが、インクタンク内の圧力を変化させることで、水頭差を変えた効果と同じ結果が得られる。
【００３５】
なお、本発明の説明では、駆動パルス信号として矩形波を用いたが、図７に示すような駆動波形でもよい。これらも、膨張工程開始から収縮工程開始までの時間がパルス幅となる。
【００３６】
台形波は図７に示す膨張工程Ｔ１から膨張保持工程Ｔ２までがパルス幅となり、三角波、指数関数波、及び正弦波は膨張行程Ｔ１がパルス幅となる。つまり、膨張保持工程Ｔ２がなくてもメニスカス固有振動の影響を受け難い駆動パルス信号を選択することができ、安定したインクを吐出することができる効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、メニスカスが最も引き込まれた点を見つけることなしに、ヘルムホルツ固有振動の影響を受け難い駆動パルスを選択することができ、且つ、長時間安定したインク滴を吐出することが可能であり、ひいてはインクジェットプリンタヘッドの信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一例にけるインクジェットヘッドの主要部の構造説明斜視図。
【図２】 本実施の一例を説明するインクジェットヘッドの縦部分断面図。
【図３】 図２のＡ−Ａ断面であり、インクジェットヘッドの横部分断面図。
【図４】 駆動パルス信号として矩形波を示した図。
【図５】 水頭差と吐出速度、吐出量の関係を示した図。
【図６】 インクを吐出した時の吐出時間と不吐出ノズル数の関係を示した図。
【図７】 本発明に用いることが可能な駆動パルス信号の例を示した図。
【符号の説明】
図において、１はオリフィス、２はオリフィスプレート、３は圧力室、４はチャンバプレート、５はリストリクタ、６はリストリクタプレート、７は振動板、８はフィルタ部、９はダイアフラムプレート、１０は共通インク通路、１１はハウジング、１２は接着剤、１３は圧電アクチュエータ、１４は圧電素子、１５は導電性接合部材、１６は支持基板、１７は個別電極、１８は共通電極、２０はインク導入パイプ、２１はインクタンクである。

Claims (1)

1. インクタンクと連通してインクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記圧電素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジングと、前記圧力室のインクが吐出されるオリフィスが複数個列をなして配設されるインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧電素子を駆動する際の駆動パルス信号は、前記圧電素子を収縮させ圧力室を膨張させる膨張工程と、その膨張を保持する膨張保持工程と、前記圧電素子を復元させ圧力室を復元させる収縮工程とからなり、且つ、前記圧電素子の駆動パルス幅を前記膨張工程開始から前記収縮工程開始までの時間とし、前記オリフィスと前記インクタンク内の液面の高さを変化させた時に、吐出速度及び吐出量の変化が小さいパルス幅で駆動させることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。

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