JP4000356B2 - インクジェット式記録ヘッドの駆動方法、及びインクジェット式記録装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術の分野】
本発明は、ノズル開口及びリザーバに連通する圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させてノズル開口からインク量の異なるインク滴を吐出させる駆動技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い密度でドットの形成が必要なグラフィック印刷等においてはインク滴のインク量を調整してドット自身の径により階調を表現する方法が提案され、このようなインク滴の吐出には圧力発生室に設けられている圧電振動子や加熱手段に供給する駆動信号の電圧等を調整することにより行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このため、圧力発生手段には大きなダイナミックレンジのものが必要となりコストが上昇するばかりでなく、圧力発生手段に過大なエネルギが供給されて寿命を短縮するという問題がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところはダイナミックレンジの大きな圧力発生手段を必要とすることなく、しかも圧力発生手段の寿命に影響を与えること無く、面積階調で印刷することができるインクジェット式記録ヘッドの駆動方法を提案することである。
また、本発明の他の目的は、同上駆動方法を実現することができるインクジェット式記録装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、リザーバとノズル開口に連通する圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させるインクジェット式記録ヘッドに、１印刷周期を複数のタイミングに分割し、小ドットを形成する小ドット形成用駆動信号、中ドットを形成する中ドット形成用駆動信号のいずれかだけを１印刷周期内で印加して、小ドット、また中ドットを形成するモードと、前記小ドット形成用駆動信号と中ドット形成用駆動信号とを１印刷周期内で印加して、前記小ドット形成後のメニスカスの運動エネルギを利用して前記小ドットのインク量と前記中ドットのインク量との和よりもインク量が多い大ドットを形成するモードとを備えるようにした。
【０００５】
【作用】
小ドット形成後のメニスカスの運動エネルギを利用して中ドットを形成して、小ドット単独のインク量と中ドット単独のインク量との和よりも多いインク量からなる第３のインク滴を吐出させる。これにより、圧力発生手段に無用に高いダイナミックレンジや、高い電圧の駆動信号を必要とすることなく、４階調のドットを形成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例を示すものであって、図中符号１は、キャリッジで、タイミングベルト２によりモータ３に接続されていて、ガイド部材４に案内されてプラテン５に平行に移動するように構成されている。キャリッジ１の記録用紙６と対向する面には、印刷領域側（図中、左側）に黒インクを吐出する記録ヘッド７が、また非印刷領域側に着脱可能に構成されたカラー印刷用の記録ヘッド８が搭載され、各記録ヘッド７、８は、それぞれ黒インクカートリッジ９、カラーインクカートリッジ１０からインクの供給を受けて記録用紙６にインク滴を吐出して印刷するようになっている。
【０００７】
１１は、キャッピング装置で、黒インク用記録ヘッド７を封止するキャップ１２と、カラーインク用記録ヘッド８を封止するキャップ１３を同一のスライダに搭載され、ポンプユニット１６にチューブを介して接続されていて、記録ヘッド７、８のノズル開口面を封止できるサイズを備えている。非印字時には記録ヘッド７、８のノズル開口を封止し、またクリーニング処理やインク充填操作時にはポンプユニット１６の負圧を受けて記録ヘッド７、８からインクを強制的に排出させることができるように構成されている。
【０００８】
また、キャッピング装置１１の近傍には、記録ヘッド７、８のノズル開口面を擦過するワイピングブレード等からなるクリーニングユニット１８が配置されている。
【０００９】
図２は、同上記録装置に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示すものであって、この実施例においては圧電材料２０と異なる極の複数の内部電極２１、２２とを積層して構成された縦振動モードの圧電振動子２３として構成されている。
【００１０】
圧力発生室２４、インク供給口２５、リザーバ２６を備えた流路形成基板２７と、流路形成基板２７の一方の面を封止する弾性板２８と、圧力発生室２４に連通するノズル開口２９を備えたノズルプレート３０とを積層して流路ユニット３１が構成されている。
【００１１】
圧電振動子２３は、その先端を弾性板２８のアイランド部３２に当接するように固定されていて、駆動信号により圧電振動子２３を収縮、伸長させて圧力発生室２４を膨張、収縮させ、圧力発生室２４のインクをノズル開口２９からインク滴として吐出させる。
【００１２】
図３は、同上記録装置に使用可能な他のインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示すものであって、この実施例においては圧電材料の薄板、または薄膜４０の上下両面に電極４１、４２が形成されたわみ振動モードの圧電振動子４３として構成されている。
【００１３】
圧力発生室４４を形成するスペーサ４５と、これの一方の面を封止する第１の蓋板４６と、他方の面を封止する第２の蓋体４７とを積層して圧力発生ユニット４８が構成され、第１の蓋体４６の表面の、圧力発生室４４に対向する位置にたわみ振動モードの圧電振動子４３が設けられている。
【００１４】
外部からインクの供給を受けるリザーバ４９と、ノズル連通孔５０とを備えたリザーバ形成基板５１と、一方の面をノズル開口５２を備えたノズルプレート５３により封止し、また他方の面を圧力発生ユニット４８の固定基板を兼ね、かつリザーバ４９のインクを圧力発生室４４に供給するインク供給口５４を備えたインク供給口形成基板５５により封止して流路ユニット５６が構成されている。
【００１５】
圧電振動子４３は、駆動信号によりたわみ変位して第１の蓋板４６を弾性変形させて圧力発生室４４を膨張、収縮させてさせ、圧力発生室２４のインクをノズル開口５２からインク滴として吐出させる。
【００１６】
図４は、同上装置の制御装置を示すものであって、印字制御手段６０は、ホストからの印刷信号（図５（I））に同期して１印刷周期Ｔ0を３分割したタイミング信号（図５（II））を生成して後述する駆動信号発生回路６１に出力するとともに、印刷データに対応して微小振動駆動信号、小ドット形成用信号、及び中ドット形成用駆動信号の少なくとも何れか１つを定められた順序で出力するように構成されている。
【００１７】
駆動信号発生回路６１は、メニスカスに微小振動を誘起する微小振動用駆動信号（図５のIIIの符号ａ）、例えば３ｎｇ程度のインク量でドットを形成する小ドット形成信号（図５のIIIの符号ｂ）、及び８ｎｇ程度のインク量でドットを形成する中ドット形成用駆動信号（図５のIIIの符号ｃ）の３種類の信号を発生する。
【００１８】
微小振動用駆動信号ａは、ノズル開口のメニスカスをインク滴が吐出しない程度に移動させ、またインク滴吐出後のメニスカスの大きな振幅での振動を制振させることができる程度に調整されている。
【００１９】
小ドット形成用駆動信号ｂは、図６（イ）に示したように圧力発生室を膨張させる第１の信号▲１▼の継続時間Ｐｃ１が、
Ｔa≦Ｐｃ１＜Ｔｃ
（ただし、Ｔｃはヘルムホルツ共振振動の周期）
に設定されていて、圧力発生室の膨張時にヘルムホルツ共振を積極的に発生させるようなっている。
【００２０】
第２の信号▲２▼の継続時間Ｐｈ１と第３の信号▲３▼の継続時間Ｐｄ１との和（Ｐｈ１＋Ｐｄ１）が
Ｔｃ≦Ｐｈ１＋Ｐｄ１
となるように設定されていて、圧力発生室２４の収縮時にヘルムホルツ共振振動の発生を抑制するようになっている。
一方、中ドット形成用駆動信号は、図６（ロ）に示したように圧力発生室２４を膨張させる第１の信号▲４▼の継続時間Ｐｃ２が
Ｔｃ≦Ｐｃ２
に、
また圧力発生室２４を収縮させる第３の信号▲６▼の継続時間Ｐｄ２が、
Ｔａ≦Ｐｄ２
（ただし、Ｔａは、圧力発生室２４を膨張、収縮させる圧電振動子２３の固有振動周期を示す）
となるように設定されていて、圧力発生室２４を固有振動周期で発振させないようなっている。
【００２１】
この実施例において、ホストから印刷データが入力すると、印字制御手段６０は、当該印刷周期Ｔで印刷すべきデータの種類を判定し、小ドットを形成しない場合には、第１のタイミング（図７におけるＴ11）で駆動信号発生手段６１から微小振動用駆動信号（ａ）を出力させ、ノズル開口２９のメニスカスをインク滴を吐出させない程度に移動させる。これにより、ノズル開口２９近傍の増粘しているインクが、粘度が比較的低い圧力発生室２４内のインクと置換され、印刷に適した粘度となる。
【００２２】
小ドットの印刷が指令されている場合には、印字制御手段６０は、第２のタイミング（図８におけるＴ12）で駆動信号発生手段６１から小ドット形成用駆動信号（ｂ）を出力させる。
【００２３】
小ドット形成用駆動信号は、その第１の信号▲１▼によりノズル開口のメニスカスを急激に引き込んでヘルムホルツ共振振動を生じさせ、メニスカスの先端だけを飛翔させてノズル開口２９の径で決まるインク量よりも少ない量のインク滴を吐出させる。
【００２４】
次の印刷周期が到来して印刷データにより中ドットの印刷が指令されると、印字制御手段６０は、第１のタイミング（図９におけるＴ21）で駆動信号発生手段６１から微小振動用駆動信号（ａ）を出力させた後、所定時間（図９におけるＴ22）の経過を待ち、第３のタイミング（図９におけるＴ23）で中ドット形成用駆動信号（ｂ）を出力させる。
【００２５】
これにより、圧電振動子２３が小ドットの印刷時よりも大きく縮小してメニスカスをノズル開口２９から引き込み、ついで所定時間（Ｐｈ２）保持した後、圧電振動子２３を変位させて圧力発生室２４を縮小させ、ノズル開口２９から比較的インク量の多いインク滴Ｄ２を吐出させて記録用紙に中ドットを形成する。
【００２６】
中ドットＤ２の形成が終了して第３の印刷周期Ｔ３が到来し、大ドットの印刷を指令する印字データが入力すると、印字制御手段６０は、直近の印刷周期で中ドットが形成されてインク滴吐出後のメニスカスの残留振動が大きいため、所定の時間（図１０におけるＴ31）の間、駆動信号発生手段６１から駆動信号を出力すること無くメニスカスを制振させる。
【００２７】
第２のタイミング（図１０におけるＴ32）で駆動信号発生手段６１から小ドット形成用駆動信号（ｂ）を記録ヘッド８に出力させて、小ドットの形成に適したインク滴Ｄ１を吐出させ、さらに第３のタイミング（図１０におけるＴ33）が到来した時点で中ドット形成用駆動信号（ｃ）を出力させる。
【００２８】
このように小ドット形成用駆動信号（ｂ）と中ドット形成用駆動信号（ｃ）とを同一印刷周期Ｔ３内で出力すると、小ドット形成用駆動信号の第２の信号▲２▼の継続時間Ｐh1と、第３の信号▲３▼の継続時間Ｐd1との和が、ヘルムホルツ共振振動Ｔｃに一致しているメニスカスの振動周期よりも長くなるため、メニスカスが安定的に正圧となった状態、つまりメニスカスがインク滴の吐出方向に凸となっている状態となる。
【００２９】
この状態で中ドット形成用駆動信号が印加されると、メニスカスが圧力発生室側に引き込みまれる。
いうまでもなく、メニスカスが正圧を維持している状態は、これに連通する圧力発生室２４も加圧された状態であるから、この状態で駆動信号が印加されるとメニスカスの運動エネルギと圧力発生室２４の圧力とが相乗的に作用する。
したがって、小ドットと中ドットとを形成するインク滴Ｄ１とインク滴Ｄ２とのインク量の和（３ｎｇ＋８ｎｇ）よりも多い量、この実施例では２０ｎｇ程度のインク量からなるインク滴Ｄ３が吐出し、大ドットを形成する。
【００３０】
図１１は、本発明により実際のインクジェット式記録ヘッドを駆動した場合のインク滴のインク量（重量）と明度（Ｌ＊）との関係を示す線図で、３ｎｇインクからなる小ドット、８ｎｇのインクからなる中ドット、２０ｎｇのインクからなる大ドットが形成でき、各インク滴による明度に十分な格差が存在するため、これに無印字の状態を入れると、本発明においては４階調での印刷ができることが明らかとなった。
【００３１】
なお、上述の実施例においては、微小振動用駆動信号、小ドット形成用駆動信号、及び中ドット形成用駆動信号の波形がそれぞれほぼアナロジーを保つようにしているが、中ドット形成用駆動信号については図１２において符号ｃ’に示すように一定のバイアス電圧を付与して中間電位Ｖｍから変化させてもよい。
【００３２】
この実施例によれば、中間電位Ｖｍを温度等に対応させて制御することにより、温度によるインク粘度の変化に起因するドットサイズの変動を防止することができる。すなわち、比較的サイズが大きな中ドットは、人の目でサイズの相違等が簡単に視認できるため、そのサイズの変動は印字品質を左右することになる。したがって中間電位Ｖｍを調節することによりドットサイズを一定に維持すると、高い印字品質を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録装置の一実施例を示す斜視図である。
【図２】同上記録装置に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す断面図である。
【図３】同上記録装置に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す断面図である。
【図４】同上記録装置の一実施例を示すブロック図である。
【図５】図（I）乃至（III）は、それぞれ印字周期、タイミング信号、及び駆動信号の一実施例を示す波形図である。
【図６】図（イ）、（ロ）は、それぞれ小ドット、及び中ドット形成用駆動信号のパラメータを示す図である。
【図７】図（I）乃至（IV）は、それぞれ同上装置により微小振動をメニスカスに与える場合の動作を示す線図である。
【図８】図（I）乃至（IV）は、ぞれぞれ同上装置により小ドットを形成する場合の動作を示す線図である。
【図９】図（I）乃至（IV）は、ぞれぞれ同上装置により中ドットを形成する場合の動作を示す線図である。
【図１０】図（I）乃至（IV）は、ぞれぞれ同上装置により大ドットを形成する場合の動作を示す線図である。
【図１１】本発明の記録ヘッドが吐出可能な１つのインク滴のインク量と線密度との関係を示す線図である。
【図１２】図（I）乃至（III）は、それぞれ本発明の他の実施例を示す波形図である。
【符号の説明】
１ キャリッジ
７、８ インクジェット式記録ヘッド
９、１０ インクカートリッジ
２３、４３ 圧電振動子
２４、４４ 圧力発生室
２６、４９ リザーバ
２９、５２ ノズル開口
２５、５４ インク供給口

Claims (10)

1. リザーバとノズル開口に連通する圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させるインクジェット式記録ヘッドに、１印刷周期を複数のタイミングに分割し、小ドットを形成する小ドット形成用駆動信号、中ドットを形成する中ドット形成用駆動信号のいずれかだけを１印刷周期内で印加して、小ドット、また中ドットを形成するモードと、前記小ドット形成用駆動信号と中ドット形成用駆動信号とを１印刷周期内で印加して、前記小ドット形成後のメニスカスの運動エネルギを利用して前記小ドットのインク量と前記中ドットのインク量との和よりもインク量が多い大ドットを形成するモードとを備えたインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
2. 前記印刷周期が少なくとも３つのタイミングに分割され、第１のタイミングで前記ノズル開口のメニスカスからインク滴を吐出させない程度の微小振動用駆動信号を印加する請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
3. 直前の印刷周期で小ドット形成用駆動信号が印加されない場合に、前記微小振動用駆動信号を印加する請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
4. 前記小ドット形成用駆動信号、及び中ドット形成用駆動信号は、時間的に変化する第１の信号と、一定電圧を維持する第２の信号と、時間的に変化する第３の信号からなる台形状信号として形成され、
   前記小ドット形成用駆動信号は、その第１の信号の継続時間Ｐｃ１が、
   Ｔａ≦Ｐｃ１＜Ｔｃ
   に設定され、
   第２の信号の継続時間Ｐｈ１と第３の信号の継続時間Ｐｄ１との和が
   Ｔｃ≦Ｐｈ１＋Ｐｄ１
   となるように設定され、
   また、前記中ドット形成用駆動信号は、第１の信号の継続時間Ｐｃ２が
   Ｔｃ≦Ｐｃ２
   第３の信号の継続時間Ｐｄ２が、
   Ｔａ≦Ｐｄ２
   （ただし、Ｔｃはヘルムホルツ共振振動の周期を示し、Ｔａは、圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子の固有振動周期を示す）
   となるように設定されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
5. 少なくとも中ドット形成用駆動信号は、中間電位から上昇する請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
6. リザーバとノズル開口に連通する圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させるインクジェット式記録ヘッドと、
   １印刷周期を複数のタイミングに分割し、小ドットを形成する小ドット形成用駆動信号、中ドットを形成する中ドット形成用駆動信号のいずれかだけを１印刷周期内で印加して、小ドット、また中ドットを形成するモードと、前記小ドット形成用駆動信号と中ドット形成用駆動信号とを１印刷周期内で印加して、前記小ドット形成後のメニスカスの運動エネルギを利用して前記小ドットのインク量と前記中ドットのインク量との和よりもインク量が多い大ドットを形成するモードとを選択する印字制御手段と、
   小ドットを形成する小ドット形成用駆動信号、及び中ドット形成用駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
   からなるインクジェット式記録装置。
7. 前記印字制御手段は、前記印刷周期が少なくとも３つのタイミングに分割し、第１のタイミングで前記ノズル開口のメニスカスからインク滴を吐出させない程度の微小振動用駆動信号を前記駆動信号発生手段から出力させる請求項６に記載のインクジェット式記録装置。
8. 前記印字制御手段は、前記小ドット形成用駆動信号が印加されない場合に、前記微小振動用駆動信号を前記駆動信号発生手段から出力させる請求項７に記載のインクジェット式記録装置。
9. 前記小ドット形成用駆動信号、及び中ドット形成用駆動信号は、時間的に変化する第１の信号と、一定電圧を維持する第２の信号と、時間的に変化する第３の信号からなる台形状信号として形成され、
   前記小ドット形成用駆動信号は、その第１の信号の継続時間Ｐｃ１が、
   Ｔａ≦Ｐｃ１＜Ｔｃ
   に設定され、
   第２の信号の継続時間Ｐｈ１と第３の信号の継続時間Ｐｄ１との和が
   Ｔｃ≦Ｐｈ１＋Ｐｄ１
   となるように設定され、
   また、前記中ドット形成用駆動信号は、第１の信号の継続時間Ｐｃ２が
   Ｔｃ≦Ｐｃ２
   第３の信号の継続時間Ｐｄ２が、
   Ｔａ≦Ｐｄ２
   （ただし、Ｔｃはヘルムホルツ共振振動の周期を示し、Ｔａは、圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子の固有振動周期を示す）
   となるように設定されている請求項６に記載のインクジェット式記録装置。
10. 前記少なくとも中ドット形成用駆動信号は、中間電位から上昇する請求項６に記載のインクジェット式記録装置。

Images