JP3826519B2

JP3826519B2 - Inkjet recording device

Info

Publication number: JP3826519B2
Application number: JP30244597A
Authority: JP
Inventors: 眞芳三浦; 雅一郎立川; 吉幸杉山; 雅彦橋本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JPH11138799A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、文字・図形などを被記録物に形成するインクジェット記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア情報化社会において、パソコンが普及し、それに伴ってプリンタの需要が増大してきている。特に、インクジェットプリンタは、低価格で高画質なカラープリントが可能なことから、急速に市場が増大しつつある。
【０００３】
かかるインクジェットプリンタのインクジェット記録ヘッドの構成は、種々存在するが、代表的なものに、図４に示す圧力波を発生させ液滴を吐出するオンデマンド方式インクジェット記録ヘッドがある。
【０００４】
図４において、１００はピエゾ圧電振動子、１０１はインク流入口、１０２は圧力室、１０３はインク吐出口である。
【０００５】
このような構成において、ピエゾ振動子１００に電圧を印加すると、その伸縮振動が曲げ方向の振動に変換され、圧力室１０２の体積を膨張・収縮させる。
【０００６】
そして、体積の収縮時には、圧力室１０２内のインクが圧縮されるため液滴がノズル１０３より吐出し、膨張時には圧力室１０２内のインクが負圧となるが、ノズル１０３の出口ではインクの表面張力による保持力が作用するためインク流入口１０１よりインクが補給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上記の従来の構成では、例えば一般には図５に示されたような信号波形が採用される。
【０００８】
具体的には図５では、三角波形状の信号が示されているが、電圧の上昇する部分Ａで例えば圧力室が膨張し、下降する部分Ｂで圧力室が圧縮されインク液滴が吐出する。また、この三角波形は時間Ｔ毎に繰り返され、１つの波形で１つのインク液滴が吐出される。
【０００９】
図５においては、（ｉ）、（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）の３つの信号が印加された場合が示されており、（ｉ）は信号の振幅が大きく、従って振動の変位が大きく圧力室の膨張・圧縮の程度が大きいが、(ii)、(iii)となるに従いその程度が小さくなっていく。
【００１０】
図６は、これらの信号に対応したインク液滴の吐出状態を具体的に示したものである。
【００１１】
図６（ａ）において、信号（ｉ）では、信号電圧が十分高く振動の変位量が大きいので、大きな液滴が、速い速度で吐出する。
【００１２】
一方で、図６（ｂ）、（ｃ）に各々対応した信号（ｉｉ）、（ｉｉｉ）では変位量が小さくなってくるため、吐出するインク液滴は小さくなるが、インク液滴の飛翔力も弱くなり、吐出速度が低下してくる。特に、信号（ｉｉｉ）のように非常に吐出速度が小さくなると、重力の影響をうけ対向する被記録物に到着できないほどに曲がって吐出してしまうことになる。
【００１３】
今、図５の信号波形通りに、ピエゾ振動子が振動しているとすると、信号の振幅が変位量に、波形部Ｂの傾きがインクを圧縮する側に変位する速さに対応することになる。
【００１４】
ここで、信号（ｉ）〜（ｉｉｉ）では、振幅が異なっているが波形部Ｂの傾きは同じであり、すなわち、圧力室を圧縮する速さは同じである。
【００１５】
よって、圧力室が圧縮される速さは、圧力室内のインクの流動する速さに相当するので、信号（ｉ）〜（ｉｉｉ）での圧力室内のインク流動速度は同じであることが想定されるが、実際の液滴飛翔速度は、振幅の小さな信号ほど小さな値となっている。この原因は、振動によって液滴が吐出する際に、振動エネルギーが、液滴の運動エネルギーと、液滴表面形成エネルギー及び粘性損失エネルギーに変換されるためである。
【００１６】
特に、変位の小さな信号（ｉｉｉ）では、振動エネルギーが液滴形成エネルギーと粘性損失エネルギーに変換された後、わずかな運動エネルギーしか残っていないため、飛翔速度は低いことになる。
【００１７】
図７は、横軸に信号により励起されるピエゾ振動子の変位量を、縦軸に吐出されるインク液滴の径及び飛翔速度をとったグラフである。
【００１８】
図７によれば、振動変位量が小さくなると、吐出するインク液滴径がしだいに小さくなってくるが、液滴の飛翔速度も小さくなってきてくることが示されている。このように、液滴の飛翔速度が小さいと、前述のように重力の影響を受けて吐出方向が曲がったり、空気の流れの影響を受けて吐出方向が安定しないという現象が生じる。
【００１９】
つまり、ピエゾ振動子による振動力だけでは、液滴の大小は変位量を制御して可変とすることができるが、液滴飛翔速度を十分大きくすることが困難であって、強いて飛翔速度を高速にしようとすると、変位量以外の要素、例えば変位速度を速くして、液体の流動速度を大きくするなどの工夫が必要である。
【００２０】
ところが、変位速度は、図５で傾斜部Ｂに対応するが、傾斜部Ｂを変化させることは、信号波形が相似形でなくなることを意味しており、それだけ駆動回路が複雑になる。
【００２１】
また、圧力室を含むピエゾ振動子振動系の剛性が十分に高ければ、傾斜部Ｂの変化でいくらでも、液の流動速度を高くできるが、実際にはある程度の弾性をもっていると考えられるので、機械的振動特性において変位速度には上限があり、液滴飛翔速度にかかる液体の流動速度を速くすることにも上限があり、実用上、振動力のみで液滴径と液滴飛翔速度の両方を制御するのは非常に難しい。
【００２２】
さらに、インクジェット記録装置では、インク液滴の大小を制御できれば、それによって画像の濃淡を制御でき、階調性の高い画像を印写が可能となるので、インク液滴径が広い範囲で可変であるかどうかは、プリンタの実現できる画質に大きく影響を与える。
【００２３】
ところが、従来の圧力波を利用したインクジェット記録装置では、小さな液滴径を形成しようとしたとき、その液滴の飛翔速度を大きくできないため、実用的な範囲では非常に狭い範囲でしか液滴径を可変できないという課題を有してしまう。
【００２４】
本発明は上記従来技術の課題を解決するもので、吐出するインク液滴の大小が広い範囲で可変でき、かつそのインク液滴が高速で安定に飛翔し得るインクェット記録装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、インクノズルのインクに圧力波を作用させて所定の径及び飛翔速度を有するインク液滴を吐出させる吐出手段と、吐出されたインク液滴の飛翔速度を制御する飛翔速度制御手段とを有し、吐出手段を、インクに付与するエネルギーの大きさを変化することによって吐出インク液滴量を変化させて吐出インク液滴径を変化させることができるように構成すると共に、飛翔制御手段は、吐出されたインク液滴の径を決める吐出手段の動作とは実質的に独立しており、吐出手段によって吐出されたインク液滴の異なる径に対応してインク液滴の飛翔速度を同一にする制御がされるように構成したインクジェット記録装置である。
【００２６】
このような構成により、吐出するインク液滴の大小が広い範囲で可変でき、かつそのインク液滴が高速で安定に飛翔し得るインクェット記録装置を提供する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の本発明は、インク供給源に連絡されたインクノズルと、前記インクノズルのインクに圧力波を作用させて所定の径及び飛翔速度を有するインク液滴を吐出させる吐出手段と、前記吐出手段により吐出されたインク液滴の飛翔速度を制御する飛翔速度制御手段とを有し、吐出手段を、インクに付与するエネルギーの大きさを変化することによって吐出インク液滴量を変化させて吐出インク液滴径を変化させることができるように構成すると共に、飛翔制御手段は、吐出されたインク液滴の径を決める吐出手段の動作とは実質的に独立しており、吐出手段によって吐出されたインク液滴の異なる径に対応してインク液滴の飛翔速度を同一にする制御がされるように構成したインクジェット記録装置である。
【００２８】
このような構成により、圧力波で液滴径（吐出量）を、飛翔速度制御手段で液滴の飛翔速度を、機能分離して制御する。よって、吐出液滴径が小さな場合にも、大きい場合と同様な液滴飛翔速度を与えることができるため、使用できるインク液滴径の可変範囲が広がり、階調性の高い画像を印写できるようになり、高画質な画像再現が可能となる。
【００２９】
具体的には、飛翔速度制御手段は、吐出手段により吐出されたインク液滴の被記録物までの平均飛翔速度を一定の値とするようにインク液滴を制御することが好適であり、換言すれば、請求項２記載のように、飛翔速度制御手段は、吐出手段により吐出されたインク液滴の被記録物までの飛翔時間を一定の値とするようにインク液滴を制御するものであってもよい。
【００３０】
ここで、請求項３記載のように、吐出手段は、少なくとも非吐出状態から吐出状態へ変化するときにおいて、インクノズルのインクに圧力を印加しインクメニスカスを吐出方向に凸状とすることが好適である。
【００３１】
かかる構成により、インクの吐出を確実かつ容易に行い得る。
また、請求項４記載のように、吐出手段は、吐出状態においてインクノズルのインクメニスカスに吐出方向に圧力を印加し、飛翔速度制御手段は、吐出状態において、インクノズルのインクメニスカスに吐出方向に引力を印加する構成が好適である。
【００３２】
かかる構成により、インクの吐出を確実かつ容易に行い得る。
【００３３】
また、請求項５記載のように、飛翔速度制御手段は、飛翔するインク液滴に被記録物の方向に引力を印加することが、液滴の飛翔速度を制御することの的確性故に好適である。
【００３４】
ここで、請求項６記載のように、吐出手段は、ピエゾ圧電素子を有することが好適で、請求項７記載のように、飛翔速度制御手段は、インクノズルと被記録物間に作用する静電力を利用することが好適である。
【００３５】
かかる構成により、液滴径（吐出量）と液滴の飛翔速度とを、確実に機能分離して制御し得る。
【００３６】
以上において、請求項８記載のように、インクノズルと被記録物のインクの吐出方向と略直交する方向の相対移動速度をＶｐ、前記インクノズルから前記被記録物までの距離をＬ、インク液滴の飛翔速度の最高速度の平均値をＶｄ_１、インク液滴の飛翔速度の最低速度の平均値をＶｄ_２、被記録物における解像度をＤドット／ｍとすると、以下の（数３）を満たすことが、その画質を確実に良好にするために好適である。
【００３７】
【数３】

【００３８】
さらに、請求項９記載のように、インクノズルと被記録物のインクの吐出方向と略直交する方向の相対移動速度をＶｐ、前記インクノズルから前記被記録物までの距離をＬ、インク液滴の飛翔速度の最高速度の平均値をＶｄ_１、インク液滴の飛翔速度の最低速度の平均値をＶｄ_２、被記録物における解像度をＤドット／ｍとすると、以下の（数４）を満たすことが、その画質を確実に一層良好にするために好適である。
【００３９】
【数４】

【００４０】
（実施の形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４１】
図１は本発明の一実施例におけるインクジェット記録装置の断面図である。
図１において、１０はインクジェット記録ヘッド、１１は吐出ノズル、１２は圧力室、１３は不図示のインク供給源に連絡されたインク流入口、１４はピエゾ素子（ピエゾ圧電振動子）、１５はピエゾ駆動電極、１６はピエゾ駆動信号源、１７は対向電極、１８は被記録物、及び１９は高圧電源を示す。
【００４２】
このような構成において、ピエゾ駆動信号源１６によってピエゾ駆動電極１５に信号電圧が印加されるとピエゾ素子１４が振動を起こし、圧力室１２内のインクを膨張・圧縮させ、吐出ノズル１１よりインク液滴が吐出するが、このインクジェット記録ヘッド１０と対向して配置された被記録物１８の背面に対向電極１７が設けられており、吐出ノズルと対向電極間に静電界が作用するようになっている。
【００４３】
図２は、以上のような構成のインクジェット記録装置を用いて実験した結果を示すグラフであり、横軸はピエゾ素子の振動変位量を、縦軸は液滴の飛翔速度を示している。
【００４４】
図２において、直線ａは静電界が印加されておらず、振動によるエネルギーによってのみ液滴が吐出している状態を示し、変位量が小さくなるとしだいに飛翔速度が低下して速度０に近ずく。
【００４５】
ついで、直線ｂ、ｃは、静電界を印加したときのインク液滴の飛翔速度を示すもので、直線ｂは１．５ｋＶ／ｍｍの電界を、直線ｃは３ｋＶ／ｍｍの電界を印加したときの飛翔速度を示している。
【００４６】
図２より、このように電界を印加することによって、液滴飛翔速度が上昇することが分かる。特に、変位量の小さな領域では、液滴径が小さく重さが軽いため、より静電力によって加速される効果が大きいことが理解できる。
【００４７】
さらに、ピエゾ素子の変位量に応じて、静電界の強度を制御すれば、インク液滴の飛翔速度をほぼ一定の値に近づけることができることをも理解できる。実際には、静電力による加速で、液滴は、被記録物に近い程高速となるので、平均速度で見た場合に一定の値に近づけることができることになり、換言すれば、被記録物までの飛翔時間を一定の値に近づけることができることとなる。
【００４８】
以上より、まず、本実施の形態のインクジェット記録装置は、圧力波によって液滴径（吐出量）を、静電力によって液滴飛翔速度を制御する、機能分離型インクジェット記録装置を実現している。
【００４９】
静電力で液滴飛翔速度を制御することによって、ピエゾ素子の振動は相似形の信号波形で振幅のみ変化するような単純な波形が採用できる。これは、振動による圧力波発生の条件として、吐出量のみを変化できればよく、液滴の飛翔速度を考慮する必要がないからである。
【００５０】
次に、図３は、静電力によって、液滴が吸引加速される様子を示したものである。
【００５１】
図３において、ノズル２０内にはインク２２が充填されており、ノズル２０と対向電極２１との間に静電界が印加できるよう電源２３が接続され、ノズル２０の吐出端部にはインクのメニスカスが形成されている。
【００５２】
図３（ａ）は、ノズル２０に形成されるインクのメニスカス２４が、凹状の状態で、静電界のみが印加された状態を示す。
【００５３】
この場合には、電界は、一番尖った部分に集中する性質があり、この場合にはノズルのエッジ部２５に一番集中するから、従ってインクのメニスカス２４を引き出す力は相当大きな静電界が作用しないと十分働かない。
【００５４】
図３（ｂ）は、ピエゾ素子の圧力を用いてインクのメニスカス２６を凸状にした状態で電界を作用させた状態を示す。
【００５５】
この場合には、インクのメニスカス２６の先端が一番対向電極に近ずくため、メニスカスの先端に電界が集中してインクを吸引する力が急激に大きくなる。
【００５６】
図３（ｃ）は、液滴２７が飛翔している状態での電界の状態を示す。
そして、例えば、図３の場合のように、ノズル側に正の電位を与えた場合、インクのメニスカスには正の電荷が集まってきて、電荷をもった状態で切断されて飛翔する。
【００５７】
したがって、図３（ｃ）のように、飛翔している液滴２７は、正電荷をもっており、液滴２７と対向電極２１との間に図のような電気力線が生じて、液滴２７が対向電極に吸引される。この吸引力は対向電極に近ずけば近ずくほど大きくなるので、液滴２７も対応して一層加速されることになる。
【００５８】
さて、インクジェット記録装置では、インクの吐出しない非吐出状態では、ノズルに形成されるインクのメニスカス２４が凹状になるように設定されている。これはインクのノズルからの漏れ出しを防ぐためである。
【００５９】
ここで、静電界だけでインク液滴を吐出させること考えると、メニスカスが凹の状態では電界の集中が悪いため、電界の作用だけでメニスカスを凹から凸に引き出すには相当大きな電界が必要であって、通常２〜１０ｋＶ／ｍｍ程度の電界が必要である。
【００６０】
しかし、少なくともインクの非吐出状態から吐出状態へ切り替わるときに、例えば２〜１０ｋＶ／ｍｍのバイアス電圧を印加してメニスカスを凸状にしておけば、さらに追加して、数百Ｖの信号電圧を印加すれば液滴を飛翔させることができる。
【００６１】
すなわち、静電力でインク液滴を吐出させようとした場合、メニスカスを凸状にするには多大なエネルギーが必要だが、一旦メニスカスが凸状になりさえすれば、低いエネルギーで効率よく液滴を加速することができることが理解できる。
【００６２】
そこで、本実施の形態のインクジェット記録装置においては、ピエゾ素子の圧力波と対向電極による静電界とを協同的に作用させ、ピエゾ素子の変位量に応じてインク液滴の大きさを制御し、静電界の強度に応じてインク液滴の飛翔速度を制御するのみならず、メニスカスを一旦凸状にすべく、ピエゾ素子による圧力波エネルギーと静電界による吸引エネルギーの両者のエネルギーを利用している。
【００６３】
換言すれば、本実施の形態のインクジェット記録装置は、ピエゾ素子の変位量制御によって液滴径の制御は容易であるが、液滴の飛翔速度を高速化することの困難な、圧力波を利用したインクジェットと、インクのメニスカスを凸状にするまでは多大なエネルギーを要するが、液滴の加速が容易で、飛翔速度を高くすることができる静電吸引型インクジェットの両者の利点を生かし、欠点を互いにカバーしたインクジェット記録装置であるともいえる。
【００６４】
なお、以上において、インクへ作用する圧力を発生する手段としてピエゾ素子を用いた例、及び被記録物方向へインクに作用する引力を発生する手段として静電力を用いた例について説明したが、同等の機能を有するものであれば他のものも使用可能である。
【００６５】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１におけるインクジェット記録装置の構成において、液滴飛翔速度と記録特性について詳細に説明する。
【００６６】
インクジェット記録装置は、インクジェットヘッドと被記録物を対向させ、両者を図１における矢印の方向に沿って相対移動させながら、インク液滴を吐出させ被記録物に画像などを形成して行くものである。
【００６７】
かかる場合において、インクジェットヘッドと被記録物との相対移動速度をＶｐ（ｍ／ｓ）、吐出液滴がノズルから被記録物に飛翔する平均速度をＶｄ（ｍ／ｓ）、及びノズルから被記録物までの距離をＬ（ｍ）とすると、液滴が吐出してから被記録物に到着する時間は、Ｌ／Ｖｄ（ｓ）となる。
【００６８】
ここで、各液滴の飛翔速度には実際にはばらつきが生じているため、最高速の液滴がＶｄ₁、最低速の液滴がＶｄ₂の各平均速度（静電力による加速で、液滴は、被記録物に近い程高速となるので、平均速度で代表する。）をもっているとすると、これらが被記録物に到着する時間差は、以下の（数５）で示される。
【００６９】
【数５】

【００７０】
そして、この間に被記録物とノズルの相対位置は、以下の（数６）の距離程移動している。
【００７１】
【数６】

【００７２】
つまり、（数６）で示される距離だけ液滴の付着する位置がずれてしまうことになる。
【００７３】
ここで、被記録物の解像度をＤドット／ｍとすると、形成されるドットの間隔は１／Ｄ（ｍ）であり、ドット形成位置がずれる場合を考えると、１／２Ｄ、すなわち、理想的に並ぶべき間隔の半分以上ずれると、隣接するドットのどちらに属するドットであるか不明となり、解像度の意味がなくなってしまう。
【００７４】
よって、（数６）から、以下の（数７）を満足することが少なくとも必要である。
【００７５】
【数７】

【００７６】
さらに、一般にドットの位置ずれが、正規のドット間隔の１／４以内であれば、実用上画質が損なわれないと評価される。
【００７７】
したがって、さらに好適には、以下の（数８）を満足することが必要である。
【００７８】
【数８】

【００７９】
以上のように、本実施の形態では、静電力で液滴飛翔速度を制御する場合に、少なくとも（数７）、より好適には（数８）満たすように制御すれば、良好な品質の画像が得られることになる。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、圧力波でインク液滴を吐出させるインクジェット記録装置の吐出ノズルから被記録物に至る空間に制御可能な吸引力を作用させるものであり、圧力波で液滴径あるいは吐出量を、吸引力で液滴の飛翔速度を、機能分離して制御するようにしたものである。
【００８１】
このような構成により、吐出液滴径が小さな場合にも、大きい場合と同様な液滴飛翔速度を与えることができるため、使用できるインク液滴径の可変範囲が広がり、階調性の高い画像を印写できるようになり、高画質な画像再現が可能な記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるインクジェット記録装置の断面図
【図２】同インクジェット記録装置の液滴吐出結果を示す図
【図３】同従来のインクジェット記録装置の液滴吐出状態を示す断面図
【図４】従来のインクジェット記録装置の断面図
【図５】同インクジェット記録装置の信号波形を示す図
【図６】同インクジェット記録装置の液滴吐出状態を示す断面図
【図７】同インクジェット記録装置の液滴吐出結果を示す図
【符号の説明】
１０インクジェット記録ヘッド
１１吐出ノズル
１２圧力室
１３インク流入口
１４ピエゾ素子
１５ピエゾ駆動電極
１６ピエゾ駆動信号源
１７対向電極
１８被記録物
１９高圧電源
２０吐出ノズル
２１対向電極
２２インク
２３電源
２４メニスカス
２５エッジ部
２６メニスカス
２７液滴[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording apparatus that forms characters, figures, and the like on a recording material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, personal computers have become widespread in the multimedia information society, and accordingly, the demand for printers has increased. In particular, the market for inkjet printers is rapidly increasing because low-cost, high-quality color printing is possible.
[0003]
There are various configurations of the ink jet recording head of such an ink jet printer, but a representative one is an on-demand ink jet recording head that generates a pressure wave and discharges droplets as shown in FIG.
[0004]
In FIG. 4, reference numeral 100 denotes a piezoelectric piezoelectric vibrator, 101 denotes an ink inlet, 102 denotes a pressure chamber, and 103 denotes an ink discharge port.
[0005]
In such a configuration, when a voltage is applied to the piezo vibrator 100, the stretching vibration is converted into bending vibration, and the volume of the pressure chamber 102 is expanded and contracted.
[0006]
When the volume shrinks, the ink in the pressure chamber 102 is compressed, so that the droplets are ejected from the nozzle 103. When the volume expands, the ink in the pressure chamber 102 has a negative pressure. Ink is supplied from the ink inlet 101 because a holding force due to tension acts.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Now, in the above conventional configuration, for example, a signal waveform as shown in FIG. 5 is generally adopted.
[0008]
Specifically, FIG. 5 shows a triangular wave-shaped signal. For example, the pressure chamber expands at the portion A where the voltage increases, and the pressure chamber is compressed at the portion B where the voltage decreases, and ink droplets are ejected. This triangular waveform is repeated every time T, and one ink droplet is ejected with one waveform.
[0009]
FIG. 5 shows the case where three signals (i), (ii), and (iii) are applied. In (i), the amplitude of the signal is large, and hence the displacement of the vibration is large and the pressure chamber Although the degree of expansion / compression is large, the degree decreases as (ii) and (iii).
[0010]
FIG. 6 specifically shows the ejection state of ink droplets corresponding to these signals.
[0011]
In FIG. 6A, in the signal (i), since the signal voltage is sufficiently high and the displacement amount of the vibration is large, a large droplet is ejected at a high speed.
[0012]
On the other hand, in the signals (ii) and (iii) respectively corresponding to FIGS. 6B and 6C, the amount of displacement is small, so that the ejected ink droplet is small, but the flying force of the ink droplet is also small. It becomes weaker and the discharge speed decreases. In particular, when the discharge speed is very low as in the signal (iii), the ink is bent and discharged so as not to reach the opposite recording material due to the influence of gravity.
[0013]
Now, assuming that the piezo vibrator is vibrating as shown in the signal waveform of FIG. 5, the amplitude of the signal corresponds to the amount of displacement, and the inclination of the waveform portion B corresponds to the speed at which the ink is compressed. Become.
[0014]
Here, in the signals (i) to (iii), the amplitudes are different, but the inclination of the waveform portion B is the same, that is, the speed of compressing the pressure chamber is the same.
[0015]
Therefore, since the speed at which the pressure chamber is compressed corresponds to the speed at which ink flows in the pressure chamber, it is assumed that the ink flow speed in the pressure chamber in the signals (i) to (iii) is the same. However, the actual droplet flying speed is smaller as the signal has a smaller amplitude. This is because, when a droplet is ejected by vibration, vibration energy is converted into droplet kinetic energy, droplet surface formation energy, and viscosity loss energy.
[0016]
In particular, in the signal (iii) having a small displacement, after the vibration energy is converted into the droplet formation energy and the viscosity loss energy, only a small amount of kinetic energy remains, so the flying speed is low.
[0017]
FIG. 7 is a graph in which the horizontal axis represents the displacement amount of the piezoelectric vibrator excited by the signal, and the vertical axis represents the diameter and flying speed of the ejected ink droplet.
[0018]
According to FIG. 7, it is shown that when the vibration displacement amount is reduced, the diameter of the ejected ink droplet is gradually decreased, but the flying speed of the droplet is also decreased. Thus, when the flying speed of the droplet is low, the discharge direction is bent due to the influence of gravity as described above, or the discharge direction is unstable due to the influence of the air flow.
[0019]
In other words, the magnitude of the droplet can be made variable by controlling the amount of displacement with only the vibration force of the piezo vibrator, but it is difficult to sufficiently increase the droplet flying speed, and the flying speed is increased rapidly. In order to achieve this, it is necessary to devise elements other than the amount of displacement, such as increasing the displacement speed and increasing the liquid flow speed.
[0020]
However, the displacement speed corresponds to the inclined portion B in FIG. 5, but changing the inclined portion B means that the signal waveform is not similar, and the drive circuit is complicated accordingly.
[0021]
Further, if the rigidity of the piezo vibrator vibration system including the pressure chamber is sufficiently high, the flow rate of the liquid can be increased by any change in the inclined portion B, but since it is considered that the fluid has a certain degree of elasticity in practice, In the dynamic vibration characteristics, there is an upper limit for the displacement speed, and there is also an upper limit for increasing the liquid flow speed related to the droplet flying speed. In practice, both the droplet diameter and the droplet flying speed can be controlled only by the vibration force. It is very difficult to control.
[0022]
Furthermore, in an ink jet recording apparatus, if the size of ink droplets can be controlled, the density of the image can be controlled accordingly, and an image with high gradation can be printed, so that the ink droplet diameter can be varied over a wide range. Whether or not there is a great influence on the image quality that can be realized by the printer.
[0023]
However, in the conventional ink jet recording apparatus using pressure waves, when trying to form a small droplet diameter, the flying speed of the droplet cannot be increased. Therefore, in a practical range, the droplet diameter is limited to a very narrow range. There is a problem that cannot be changed.
[0024]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide an ink jet recording apparatus in which the size of ejected ink droplets can be varied over a wide range and the ink droplets can fly stably at high speed. And
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention provides an ejection means for ejecting ink droplets having a predetermined diameter and flying speed by applying a pressure wave to the ink of the ink nozzle, and a flying speed of the ejected ink droplets. possess a flight speed control means for controlling the discharge means, so that it is possible to change the discharged ink droplet diameter by changing the ejection amount of ink droplets by varying the magnitude of energy applied to the ink In addition, the flight control means is substantially independent of the operation of the ejection means that determines the diameter of the ejected ink droplets, and the ink corresponding to the different diameters of the ink droplets ejected by the ejection means. The inkjet recording apparatus is configured to be controlled so that the flying speeds of the droplets are the same .
[0026]
With such a configuration, there is provided an ink jet recording apparatus in which the size of ejected ink droplets can be varied over a wide range, and the ink droplets can fly stably at high speed.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention described in claim 1 is an ink nozzle communicated with an ink supply source, and a discharge means for discharging an ink droplet having a predetermined diameter and flying speed by applying a pressure wave to the ink of the ink nozzle; possess a flight speed control means for controlling the flying speed of ink droplets discharged by said discharge means, the discharge means to vary the discharge amount of ink droplets by varying the magnitude of energy applied to the ink And the flying control means is substantially independent of the operation of the ejection means for determining the diameter of the ejected ink droplets. The inkjet recording apparatus is configured to be controlled so that the flying speed of the ink droplets is the same corresponding to different diameters of the ejected ink droplets .
[0028]
With such a configuration, the droplet diameter (ejection amount) is controlled by pressure waves, and the flying speed of the droplets is controlled by the flying speed control means with functional separation. Therefore, even when the discharge droplet diameter is small, the same droplet flying speed as that when the discharge droplet diameter is large can be given, so that the variable range of the ink droplet diameter that can be used is widened, and an image with high gradation can be printed. As a result, high-quality image reproduction is possible.
[0029]
Specifically , the flying speed control means preferably controls the ink droplets so that the average flying speed of the ink droplets ejected by the ejection means to the recording material is a constant value. if, as in claim 2, wherein the flight speed control means, the flight time to the recording of the ink droplets ejected by the ejecting means controls the ink droplets to a constant value There may be.
[0030]
According to the third aspect of the present invention, it is preferable that the ejection unit applies a pressure to the ink of the ink nozzle to make the ink meniscus convex in the ejection direction at least when changing from the non-ejection state to the ejection state. It is.
[0031]
With this configuration, ink can be discharged reliably and easily.
According to a fourth aspect of the present invention, the ejection means applies pressure in the ejection direction to the ink meniscus of the ink nozzle in the ejection state, and the flying speed control means in the ejection direction applies to the ink meniscus of the ink nozzle in the ejection state. A configuration in which an attractive force is applied is preferable.
[0032]
With this configuration, ink can be discharged reliably and easily.
[0033]
Further, as described in claim 5 , the flying speed control means preferably applies an attractive force to the flying ink droplets in the direction of the recording material because of the accuracy of controlling the flying speed of the droplets. is there.
[0034]
Here, as described in claim 6 , it is preferable that the ejection unit has a piezoelectric element, and as described in claim 7 , the flying speed control unit operates between the ink nozzle and the recording material. It is preferable to use electric power.
[0035]
With this configuration, the droplet diameter (ejection amount) and the droplet flying speed can be reliably controlled with functional separation.
[0036]
In the above, as of claim 8, the distance of the relative movement speed of the discharge direction a direction substantially perpendicular of the ink in the ink nozzles and the recording material Vp, from the ink nozzles to the recording material L, ink Assuming that the average value of the maximum flying speed of the droplet is Vd ₁ , the average value of the minimum flying speed of the ink droplet is Vd ₂ , and the resolution of the recording material is D dots / m, the following (Equation 3) is obtained. Satisfaction is preferred to ensure good image quality.
[0037]
[Equation 3]

[0038]
Furthermore, as described in claim 9, the relative movement speed in the direction substantially perpendicular to the ink ejection direction of the ink nozzle and the recording material is Vp, the distance from the ink nozzle to the recording material is L, and the ink droplets Assuming that the average value of the maximum flying speed of Vd ₁ is Vd ₁ , the average value of the minimum flying speed of ink droplets is Vd ₂ , and the resolution of the recording medium is D dots / m, the following (Equation 4) is satisfied. Is preferable in order to surely improve the image quality.
[0039]
[Expression 4]

[0040]
(Embodiment 1)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0041]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 10 is an ink jet recording head, 11 is a discharge nozzle, 12 is a pressure chamber, 13 is an ink inlet connected to an ink supply source (not shown), 14 is a piezo element (piezo piezoelectric vibrator), and 15 is a piezo. Reference numeral 16 denotes a drive electrode, 16 denotes a piezoelectric drive signal source, 17 denotes a counter electrode, 18 denotes a recording object, and 19 denotes a high-voltage power source.
[0042]
In such a configuration, when a signal voltage is applied to the piezo drive electrode 15 by the piezo drive signal source 16, the piezo element 14 vibrates, the ink in the pressure chamber 12 is expanded and compressed, and the ink liquid is discharged from the discharge nozzle 11. Although the droplets are ejected, a counter electrode 17 is provided on the back surface of the recording material 18 disposed to face the ink jet recording head 10, and an electrostatic field acts between the ejection nozzle and the counter electrode. Yes.
[0043]
FIG. 2 is a graph showing the results of experiments using the ink jet recording apparatus having the above-described configuration, in which the horizontal axis represents the vibration displacement amount of the piezo element, and the vertical axis represents the droplet flying speed.
[0044]
In FIG. 2, a straight line a shows a state in which no electrostatic field is applied and droplets are ejected only by energy due to vibration, and as the amount of displacement decreases, the flying speed decreases and approaches speed 0. .
[0045]
Next, the straight lines b and c indicate the flying speed of the ink droplet when an electrostatic field is applied. The straight line b is an electric field of 1.5 kV / mm, and the straight line c is an electric field of 3 kV / mm. Shows the flight speed.
[0046]
FIG. 2 shows that the droplet flying speed increases by applying the electric field in this way. In particular, in a region where the displacement is small, it can be understood that the effect of acceleration by electrostatic force is greater because the droplet diameter is small and the weight is light.
[0047]
Furthermore, it can be understood that the flying speed of the ink droplet can be brought close to a substantially constant value by controlling the strength of the electrostatic field in accordance with the amount of displacement of the piezo element. Actually, the closer the droplet is to the recording material, the faster the droplet is accelerated by the electrostatic force, so that it can approach a certain value when viewed at the average speed, in other words, the recording material. It is possible to bring the flight time up to a certain value.
[0048]
As described above, first, the ink jet recording apparatus according to the present embodiment realizes a function-separated ink jet recording apparatus that controls the droplet diameter (discharge amount) by pressure waves and the droplet flying speed by electrostatic force.
[0049]
By controlling the droplet flying speed with electrostatic force, the vibration of the piezo element can adopt a simple waveform in which only the amplitude changes with a similar signal waveform. This is because it is only necessary to change the discharge amount as a condition for generating a pressure wave due to vibration, and it is not necessary to consider the flying speed of the droplet.
[0050]
Next, FIG. 3 shows how droplets are sucked and accelerated by electrostatic force.
[0051]
In FIG. 3, the nozzle 20 is filled with ink 22, and a power source 23 is connected so that an electrostatic field can be applied between the nozzle 20 and the counter electrode 21. An ink meniscus is disposed at the discharge end of the nozzle 20. Is formed.
[0052]
FIG. 3A shows a state where the ink meniscus 24 formed on the nozzle 20 is concave and only an electrostatic field is applied.
[0053]
In this case, the electric field has a property of being concentrated at the sharpest portion. In this case, the electric field is most concentrated at the edge portion 25 of the nozzle. Therefore, the force for pulling out the ink meniscus 24 has a considerably large electrostatic field. If it does not work, it will not work sufficiently.
[0054]
FIG. 3B shows a state where an electric field is applied in a state where the ink meniscus 26 is convex using the pressure of the piezo element.
[0055]
In this case, since the tip of the ink meniscus 26 is closest to the counter electrode, an electric field concentrates on the tip of the meniscus, and the force for sucking ink suddenly increases.
[0056]
FIG. 3C shows the state of the electric field when the droplet 27 is flying.
For example, as shown in FIG. 3, when a positive potential is applied to the nozzle side, positive charges are collected at the meniscus of the ink, and are cut and fly in a charged state.
[0057]
Therefore, as shown in FIG. 3C, the flying droplet 27 has a positive charge, and electric lines of force as shown in the figure are generated between the droplet 27 and the counter electrode 21, so that the droplet 27 Is sucked into the counter electrode. Since this suction force becomes larger as the counter electrode is approached, the droplet 27 is also accelerated correspondingly.
[0058]
In the ink jet recording apparatus, the ink meniscus 24 formed in the nozzle is set to be concave in a non-ejection state where ink is not ejected. This is to prevent leakage of ink from the nozzles.
[0059]
Here, considering that ink droplets are ejected only by an electrostatic field, the concentration of the electric field is poor when the meniscus is concave, so a considerable electric field is required to pull the meniscus from the concave to the convex only by the action of the electric field. In general, an electric field of about 2 to 10 kV / mm is required.
[0060]
However, at least when the ink is switched from the non-ejection state to the ejection state, for example, if a meniscus is convex by applying a bias voltage of 2 to 10 kV / mm, a signal voltage of several hundred volts is further added. When applied, the droplet can fly.
[0061]
In other words, when trying to eject ink droplets with electrostatic force, a large amount of energy is required to make the meniscus convex, but once the meniscus becomes convex, the droplet can be efficiently ejected with low energy. You can understand that you can accelerate.
[0062]
Therefore, in the ink jet recording apparatus of the present embodiment, the pressure wave of the piezo element and the electrostatic field by the counter electrode are cooperatively operated, and the size of the ink droplet is controlled according to the displacement amount of the piezo element, In addition to controlling the flying speed of ink droplets according to the strength of the electrostatic field, both the pressure wave energy generated by the piezo element and the suction energy generated by the electrostatic field are used to make the meniscus convex once. .
[0063]
In other words, the ink jet recording apparatus of the present embodiment uses pressure waves, which can easily control the droplet diameter by controlling the amount of displacement of the piezo element, but it is difficult to increase the flying speed of the droplet. It takes a lot of energy to make the ink meniscus convex, but it takes advantage of the advantages of both electrostatic attraction inkjet that can easily accelerate the droplet and increase the flying speed. It can be said that this is an inkjet recording apparatus that covers each other.
[0064]
In the above description, an example in which a piezo element is used as a means for generating pressure acting on ink and an example in which an electrostatic force is used as a means for generating attraction acting on ink in the direction of the recording material have been described. Others can be used as long as they have the above functions.
[0065]
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the droplet flying speed and the recording characteristics in the configuration of the ink jet recording apparatus in the first embodiment will be described in detail.
[0066]
An ink jet recording apparatus forms an image or the like on a recording material by ejecting ink droplets while causing the ink jet head and the recording material to face each other and relatively moving them along the direction of the arrow in FIG. is there.
[0067]
In such a case, the relative moving speed between the inkjet head and the recording material is Vp (m / s), the average speed at which the ejected droplets fly from the nozzle to the recording material is Vd (m / s), and the recording is performed from the nozzle. Assuming that the distance to the object is L (m), the time to reach the recording material after the droplet is ejected is L / Vd (s).
[0068]
Here, since the flying speed of each droplet actually varies, the average velocity (Vd _{1 for} the fastest droplet and Vd _{2 for} the slowest droplet) Since the droplet is faster as it gets closer to the recording material, it is represented by the average speed.) If this has a time difference, the time difference at which they arrive at the recording material is expressed by the following (Equation 5).
[0069]
[Equation 5]

[0070]
During this time, the relative position between the recording medium and the nozzle has moved by the following distance (Equation 6).
[0071]
[Formula 6]

[0072]
That is, the position where the droplet adheres is shifted by the distance indicated by (Equation 6).
[0073]
Here, when the resolution of the recording material is D dots / m, the interval between the dots to be formed is 1 / D (m), and considering the case where the dot formation position is deviated, 1 / 2D, that is, ideal If it is shifted by more than half of the interval to be arranged, it becomes unclear which dot belongs to the adjacent dot, and the meaning of resolution is lost.
[0074]
Therefore, from (Equation 6), it is necessary to satisfy at least the following (Equation 7).
[0075]
[Expression 7]

[0076]
Further, it is generally evaluated that the image quality is not impaired practically when the positional deviation of dots is within 1/4 of the regular dot interval.
[0077]
Therefore, more preferably, it is necessary to satisfy the following (Equation 8).
[0078]
[Equation 8]

[0079]
As described above, in the present embodiment, when the droplet flying speed is controlled by electrostatic force, an image with good quality can be obtained by controlling at least (Equation 7), more preferably (Equation 8). Will be obtained.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, the present invention applies a controllable suction force to the space from the discharge nozzle of the ink jet recording apparatus that discharges ink droplets by pressure waves to the recording material. Alternatively, the ejection amount is controlled by separating the function of the flying speed of the droplet by the suction force.
[0081]
With such a configuration, even when the discharge droplet diameter is small, a droplet flying speed similar to that when the discharge droplet diameter is large can be given, so that a variable range of usable ink droplet diameters is widened, and an image with high gradation characteristics is provided. Can be printed, and a recording apparatus capable of reproducing an image with high image quality can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an ink jet recording apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a droplet discharge result of the ink jet recording apparatus. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional ink jet recording apparatus. FIG. 5 is a signal waveform of the ink jet recording apparatus. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a droplet discharge state of the ink jet recording apparatus. 7] Diagram showing the droplet discharge results of the same ink jet recording apparatus.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Inkjet recording head 11 Discharge nozzle 12 Pressure chamber 13 Ink inlet 14 Piezo element 15 Piezo drive electrode 16 Piezo drive signal source 17 Counter electrode 18 Recording object 19 High voltage power supply 20 Discharge nozzle 21 Counter electrode 22 Ink 23 Power supply 24 Meniscus 25 Edge Part 26 Meniscus 27 Droplet

Claims

An ink nozzle communicated with an ink supply source; an ejection means for ejecting ink droplets having a predetermined diameter and flying speed by applying a pressure wave to the ink of the ink nozzle; and the ink liquid ejected by the ejection means possess a flight speed control means for controlling the flying speed of the droplet,
The ejecting means is configured to change the ejected ink droplet diameter by changing the ejected ink droplet amount by changing the magnitude of energy applied to the ink, and
The flight control means is substantially independent of the operation of the ejection means for determining the diameter of the ejected ink droplet, and the ink liquid corresponding to the different diameter of the ink droplet ejected by the ejection means. An ink jet recording apparatus configured to be controlled so that the flying speed of droplets is the same .

An ink nozzle communicated with an ink supply source; an ejection unit that ejects ink droplets having a predetermined diameter and a flying speed by applying a pressure wave to the ink of the ink nozzle; and the ink liquid ejected by the ejection unit A flying speed control means for controlling the flying speed of the droplet,
The ejecting means is configured to change the ejected ink droplet diameter by changing the ejected ink droplet amount by changing the magnitude of energy applied to the ink, and
The flight speed control means of the operation of the discharge means for determining the diameter of the ink droplets ejected are substantially independent, corresponding to different diameters of ink droplets discharged I by the discharge means an ink jet recording apparatus constructed as Ru been controlled to the same ink droplets flight time to reach the material to be recorded and.

3. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the ejecting means applies a pressure to the ink of the ink nozzle to make the ink meniscus convex in the ejecting direction at least when changing from the non-ejection state to the ejection state.

Discharge means applies a pressure to the discharge direction to the ink meniscus in the ink nozzles in the discharge state, the flying speed control means in the discharge state, claim 1 for applying an attractive force to the discharge direction to the ink meniscus in the ink nozzles of 3 An ink jet recording apparatus according to any one of the above.

Flight speed control means, the ink jet recording apparatus according to claim 1 for applying an attractive force in the direction of the recording medium in an ink droplet to fly 4.

Discharge means, an ink jet recording apparatus according to any one of claims 1-5 having a piezoelectric element.

Flight speed control means, the ink jet recording apparatus according to any one of claims 1 to 6 that utilizes electrostatic force acting between the ink nozzles and the recording material.

The relative moving speed of the ink nozzle and the recording material in the direction substantially perpendicular to the ink ejection direction is Vp, the distance from the ink nozzle to the recording material is L, and the average value of the maximum speed of the ink droplet flying speed is vd _1, the average value vd 2 of minimum speed of the flying speed of ink _droplets, according to when the resolution with D dots / m in the recording medium, any one of claims 1 to 7, which satisfies the following (Equation 1) Inkjet recording apparatus.

The relative moving speed of the ink nozzle and the recording material in the direction substantially perpendicular to the ink ejection direction is Vp, the distance from the ink nozzle to the recording material is L, and the average value of the maximum speed of the ink droplet flying speed is vd _1, the average value vd 2 the minimum rate of the flying speed of ink _droplets, according to when the resolution with D dots / m in the recording medium, any one of claims 1 to 7, which satisfies the following (Formula 2) Inkjet recording apparatus.