JP4203085B2 - インクジェットプリンタ及びインクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、記録媒体にインクを吐出させて印字を行うインクジェットプリンタ及びインクジェットヘッドに関する。特に、吐出されるインク滴の飛翔速度を増大させる技術に関する。

近年、記録媒体に印字を行うインクジェットプリンタは、パーソナル用や業務用として普及している。インクジェットプリンタに搭載されているインクジェットヘッドには、大別してコンティニュアス方式とオンデマンド方式がある。コンティニュアス方式は、インクジェットヘッドのノズルから連続的にインク滴を吐出させて、印字信号に基づいてインク滴の飛翔軌道を制御し、印字すべき信号の場合にのみ記録媒体にインク滴を着弾させて印字を行う方式である。また、オンデマンド方式は、印字信号に基づいてインクジェットヘッドのノズルよりインク滴を適時吐出させて記録媒体に着弾させて印字させるものである。

このようなインクジェットプリンタにおいて、印字品質の向上のためには吐出されるインク滴の記録媒体への着弾位置の精度確保が望まれている。

しかしながら、印字品質がノズルから吐出されるインク滴の飛翔速度によって影響を受けることがある。オンデマンド方式のインクジェットヘッドが搭載されたインクジェットプリンタにおいて、通常行われている駆動方式では、インク滴の飛翔初速度は約１０ｍ／ｓｅｃ程度である。そのため、インクジェットヘッドと記録媒体との間隔が数ｍｍを超えると印字品質の低下を起こす。そのため、ノズルと記録媒体との間隔を当該範囲内に確保するためにインクジェットプリンタの設計の自由度が制限を受けるという問題がある。この原因としては、インク滴の吐出速度が遅いとインク滴の飛翔中に空気の流れなどによってその飛翔軌道が不安定になり、インク滴の記録媒体への着弾位置にバラツキが生じるからである。また、コンティニュアス方式では、インク滴の飛翔速度がオンデマンド方式よりは速いとはいえ、ノズルと記録媒体との間隔を構造的な制約のために短くすることができないので、ノズルから吐出されたインク滴の飛翔距離が長くなり、その結果インク滴の着弾位置がばらつくという問題がある。

このような問題を解決する方法として、例えば、特許文献１において、印字ヘッド３１に対しインク滴５１の吐出方向に振動力を付与する超音波振動子１４を設け、印字ヘッド３１の所定ノズルより吐出されたインク滴５１の吐出力にこれと同方向のみの上記超音波振動子１４（ホーン３３）の振動力を重畳させることで、インク滴の吐出力による速度Ｓ１に振動力による速度Ｓ２を重畳させる構成が開示されている（当該特許文献１の図４参照）。
特開２００４−２６１９９８号公報

しかしながら、この方法はインク滴を吐出させるタイミングと同時にインクジェットヘッド本体に、インク滴の吐出方向に振動力を重畳させるため制御回路が複雑になる問題がある。

本発明は、上記したような課題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、インク滴の飛翔速度を増大させることによってインクジェットヘッドのノズルと記録媒体までの間隔を広くしても所望の印字品質を確保することができるインクジェットプリンタおよびインクジェットヘッドを提供することである。

ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドと、前記インク滴の吐出方向に超音波を放射する超音波放射手段と、記録媒体を搬送させる記録媒体搬送手段と、を備えたインクジェットプリンタにおいて、前記記録媒体搬送手段により前記インクジェットヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させ、前記超音波放射手段は、前記インク滴の吐出方向に超音波を放出するとともに、当該超音波を前記インク滴の吐出方向の飛翔軌道の一部に集束させ、超音波が集束した焦点付近で、前記インク滴に飛翔速度を増大するような圧力を付与し、前記インク滴を前記記録媒体に着弾させるようにした。

本発明により、インクジェットヘッドの吐出手段によるインク滴の吐出力に、超音波放射手段から放射される超音波による圧力を重畳させることによりインク滴の飛翔速度を増大させることができ、ノズルと記録媒体との間隔を広くしてもインク滴の着弾位置のバラツキを小さくすることができ、印字品質の低下をなくすることができる。

以下、本発明のインクジェットプリンタの実施形態を図１乃至図５を用いて、いわゆる“オンデマンド方式”のインクジェットヘッドを搭載したプリンタに適用した場合について説明する。

図１は、本発明のインクジェットプリンタ３０の主要な構成を示す模式図である。図２に、このインクジェットプリンタ３０に搭載されているインクジェットヘッド１の斜視図を示す。記録媒体３が記録媒体搬送手段６によりインクジェットヘッド１と相対的に搬送制御され、インクジェットヘッド１のノズル９から吐出されるインク滴が記録媒体３に着弾し印字が行われる。また、インクジェットヘッド１のノズル９が形成されている端面２０の長さ方向の両側に超音波放射手段５が取り付けられている。超音波放射手段５は、超音波を放射する圧電振動子７と整合部材８が積層されている。また、整合部材８は平面形状でもよいが、本実施の形態の場合、吐出されたインク滴の飛翔方向に超音波を集束させるようにレンズの形状に形成されている。

図３にインクジェットヘッド１のインク室１０の断面構造を示す。ノズル９と対向する面に設けられている可撓性部材１０ａの外面に圧電素子４ａが配置されている、可撓性部材１０ａと圧電素子４ａとでインク吐出アクチュエータ４を構成している。圧電素子４ａにインクを吐出させる駆動信号が印加されると、可撓性部材１０ａの変形によってインク室１０内のインクの容積が変化し、ノズル９からインク滴が吐出される。なお、インク室１０は、本実施形態では、ノズル９はインクジェットヘッド１の端面２０にライン状に形成されているが、印字態様（例えば、白黒印字、カラー印字等）によってその個数や配列ピッチなどが決定されるものである。インク吐出アクチュエータ４は、圧電素子４ａを用いた場合について例示したが、その他、サーマル方式の、いわゆる“バブルジエット方式”を用いても同様に適用することができる。

次に、図４にインクジェットプリンタ３０を動作させて印字を行う制御ブロック４０について説明する。制御ブロック４０は、制御処理手段１１、インク吐出アクチュエータ４，圧電振動子７、記録媒体搬送手段６および位置検出手段１９により構成される。 記録媒体搬送手段６は、記録媒体３を搬送し、インク滴を吐出するタイミングを合わせてインクジェットヘッド１と記録媒体３との相対的に移動制御を行う。なお、記録媒体は連続紙や枚葉の用紙であってもよく、フィルムであってもよい。位置検出手段１９は、記録媒体３として連続用紙を用いる場合に印字位置を検出または特定するためのもので、例えば、透過形光センサやロータリエンコーダなどの既存のものが用いられる。制御処理手段１１は、インクジェットヘッド１の所定ノズル９よりインク滴を吐出させるための吐出制御信号を生成する。また、インク滴の吐出の際に当該吐出力と同方向の超音波により圧力を重畳させるために超音波放射手段５を駆動制御する振動制御信号を生成する。また、適宜、制御手段１３、バス２２、ドライバ１２、インタフェース（ＩＦ）２４、メモリ１４、記録媒体制御手段１５、インク滴２の吐出制御を行う圧電素子４ａを駆動制御するアクチュエータ駆動制御手段１６、圧電振動子７を駆動制御する超音波振動駆動制御手段１７および発振生成手段１８などが設けられている。
ここで、制御手段１３は、インクジェットプリンタ３０を統括的に制御するもので、制御プログラムがメモリ１４に格納されている。メモリ１４は、その他、例えばホストコンピュータより入力される印字データを一旦記憶したり、制御手段１３や他の手段の適宜作業領域となる。ドライバ１２は、圧電振動子７、インク吐出アクチュエータ４や記録媒体供給搬送手段６に出力する制御信号を各手段に応じて駆動制御を行う。
ＩＦ２４は、印字データや位置検出手段１９から信号が入力される際の当該制御処理手段１１との整合性を取るためのものである。記録媒体制御手段１５は、印字データに基づいた制御手段１３からのコマンドに応じて記録媒体制御手段１５への制御駆動信号を生成して送出する。アクチュエータ駆動制御手段１６は、印字データに基づいた制御手段１３からのコマンドに応じてインク吐出アクチュエータ４に対する吐出制御信号を生成して送出する。超音波振動駆動制御手段１７は、制御手段１３からのコマンドに応じて圧電振動子７への振動制御信号を生成して送出する。
発振生成手段１８は、外部または内部回路による周波数設定に応じて、アクチュエータ駆動制御手段１６や超音波振動駆動制御手段１７による信号生成の基本となるクロックパルスを生成する。制御処理手段１１では、アクチュエータ駆動制御手段１６および超音波振動駆動制御手段１７による吐出制御信号生成および振動制御信号生成の基本のクロックパルスを単一の発振生成手段１８により生成するものである。なお、吐出制御信号および振動制御信号が所望の同期を取られるものであれば発振生成手段１８は必ずしも単一である必要はない。
［実施例１］
以下に上記した超音波放射手段５の実施例を図５と図６を用いて説明する。

超音波放射手段５は、圧電振動子７とこの圧電振動子７のインク滴が吐出される方向の面に整合部材８が積層されている。圧電振動子７は、超音波領域の周波数の印加パルスに応じて当該周波数で振動し超音波を放射する。また、整合部材８は、圧電振動子７から放射される超音波をインク滴２の吐出方向の飛翔軌道の一部に集束させるように凹面状に加工され、Ｏ点を焦点とするいわゆる音響レンズをなしている。圧電振動子７から放射される超音波は、整合部材８によりインク滴２の飛翔軌道上の焦点Ｏ付近に集束し、この焦点Ｏ付近で圧力Ｐを発生する。ノズル９から吐出されるインク滴２は、その吐出力によって整合部材８の焦点Ｏへ向かって飛翔し、焦点Ｏに近づくにつれて放射される超音波が次第に集束されるので圧力が高まり、やがて、焦点Ｏを通過する。このときインク滴２は、圧力Ｐを受けて吐出力が増加し、さらに飛翔速度を増大するようになる。このように、音響レンズをなす整合部材８の焦点をインク滴の飛翔軌道の適当な位置に設定することで、ノズル９から吐出されるインク滴２の飛翔速度を増大させることができる。なお、焦点Ｏの位置は、整合部材の放射面の曲率Ｒとすると半径Rの円の中心となる。

圧電振動子７から放射される超音波は、圧電振動子７の固有音響インピーダンスと空気層の固有音響インピーダンスとの差が大きいと超音波の伝搬ロスは大きくなる。この伝搬ロスを低減させるために整合部材８の材質は、圧電振動子７の固有音響インピーダンスと空気の固有音響インピーダンスとの中間のものが選択される。

図７に示すように、超音波は、固有音響インピーダンスが異なる物質同士が成す境界に入射すると、一部は、透過し一部が反射する。一般に物質の密度と音速の積（物質の密度ρ×音速ｖ）をその物質の「固有音響インピーダンス」と呼ぶ。いま固有音響インピーダンスがそれぞれ、Ｚ_１、Ｚ_２である二つの物質の境界面に超音波が垂直に入射したとする。このときの振幅反射率Ｒ_Ｅは、式（１）で与えられる。本実施の形態では、媒質Iは圧電振動子７であり、媒質IIは音響レンズ８である。また媒質IIIは空気層である。

媒質Iと媒質IIIの間に，厚さＬの中間層IIが挟まれている。媒質Iに強さIｉの音波が入射したとき，中間層IIを通りぬけて，媒質IIIに透過する音の強さIｔ、媒質I,IIおよびIIIの各々の音速，密度をｃ₁，ｃ₂，ｃ₃，ρ₁，ρ₂，ρ₃とする。平面境界における音波の入射透過と同様の扱いにより次式の結果を得る。

ここで、λ₂は、λ₂＝Ｃ₂／ｆ₂である。

図８に示すように、Ｌ＝λ_２／４、Ｚ_２＝√（Ｚ_１Ｚ_３）の条件が成立する場合には、τI＝Iｔ／Iｉ＝１が得られ，入射波は無損失で（反射損失がない形で）媒質IIIに透過する。本実施例の場合、媒質Iは圧電振動子７に対応し、媒質IIは整合部材８に対応し、媒質IIIは空気層に対応する。上記のように理想的には，整合部材８の厚みがＬ＝λ_２／４で、固有音響インピーダンスがＺ_２＝√（Ｚ_１Ｚ_３）のとき、圧電振動子７から整合部材８に入射する超音波は無損失で空気層に伝搬される。

しかし、固有音響インピーダンスは、物質に固有のものであるのでこのような条件に適合する整合部材８の材質を選定することは容易ではない。少なくとも整合部材８の材質として、圧電振動子７の固有音響インピーダンスと空気層の固有音響インピーダンスの中間の固有音響インピーダンスの値を有するものを選択すれば超音波の伝播ロスを低減させることができる。好適な整合部材８の材料として、樹脂、ガラス、セラミックス、金属などを選定するとよい。

なお、上記の超音波放射手段５として圧電振動子７を用いて場合について例示したが、その他、圧電振動子に代えて、電歪素子や磁歪素子等を用いることも可能である。

［実施例２］
実施例２において、音響レンズをなす整合部材８として、フレネルレンズ８ｂを用いた場合について説明する。

超音波放射手段５は、圧電振動子７とフレネルレンズ８ｂの積層体により形成されている。このフレネルレンズ８ｂの上面図を図９に示し、そのＡ−Ａ断面を図１０示す。フレネルレンズ８ｂは、圧電振動子７から放射される超音波をインク滴２の吐出方向の所定の位置に集束させるように溝１００が所定の間隔で形成されている。また、このフレネルレンズ８ｂの材料は、例えばアルミニュームを機械加工により形成される。ここでフレネルレンズの溝は、次式で計算される。

ここで、具体的な実施例として、フレネルレンズの中央部に厚みが4ｍｍのインクジェットヘッド１を用いた場合について述べる。フレネルレンズ８ｂの中央部４０はくりぬかれている。このくりぬきされた部位４０にインクジェットヘッド１の端面２０がフレネルレンズ８ｂの上面と平面的に同一面となるように埋め込まれる。このフレネルレンズ８ｂは、アルミニュームを機械加工して所望の形状にする。幅が1０ｍｍの矩形状のアルミニュームに表１に示された寸法に従って図６と図７に示すように溝１００が形成される。溝１００の深さは、4.5ｍｍ、フレネルレンズ８ｂ全体の厚みは、6ｍｍとした。このように加工されたフレネルレンズ８ｂは、溝１００の深さと、全体の厚みを適当に合わせることと音響レンズを構成する材料の固有音響インピーダンスを適当に合わせることで、整合部材の機能を備えることができる。すなわち、音響レンズ全体の厚みから溝１００の深さを差し引いた加工残りの厚みをλ／４とすることで、整合層としての機能を発揮することができる。

［実施例３］
本発明の１実施例を以下に述べる。超音波をノズル９から１ｍｍの焦点位置に集束させる圧電振動子７と整合部材８の積層体からなる超音波放射手段５を用いた場合について説明する。圧電振動子７と整合部材８は、それぞれの長さ方向の幅を１０ｍｍとした。幅方向の中心にインクジェットヘッド１を配置した。このようなインクジェットヘッド１をインクジェットプリンタ３０に装着し、超音波放射手段５の動作の有無とノズル９から記録媒体３までの距離を変化させ、インク滴２の記録媒体３への着弾位置のばらつきについて調べた。

その結果、超音波放射手段５を動作させない状態では、ノズル９と記録媒体３との距離が2ｍｍを超えると、インク滴２の着弾位置にばらつきが発生するのに対して、超音波放射手段５を動作させた場合は、ノズル９と記録媒体３との距離が1ｍｍの場合とほぼ同等のばらつきとなった。さらに、ノズル９と記録媒体３との距離を3ｍｍとした場合でも、インク滴２の着弾位置のばらつきは、大きくなることはなかった。

このように、ノズル９から記録媒体３までの間隔を比較的大きくしてもインク滴２が記録媒体３に着弾する位置のバラツキが低減でき、印字品質の低下もなくすることが可能になった。また、インクジェットヘッド１と記録媒体３との間隔を比較的大きくすることができるのでインクジェットプリンタの設計の自由度を向上させることができる。
上記した超音波放射手段５をインクジエッット本体と一体的に取り付けた場合について例示したが、この超音波放射手段５とインクジェットヘッド本体とを別々に製作してプリンタ本体に取り付けてもよい。

なお、上記の実施の形態は、オンデマンド方式のインクジェットプリンタについて説明したが、コンティニュアス方式のインクジェットプリンタにも同様に適用することができ、同様な効果を奏することができる。

本発明に係るインクジェットプリンタの模式図である。 本発明に係るインクジェットヘッドに超音波放射手段が取付けられた斜視図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの圧力室にアクチュエータが取付けられた部位の断面図である。 本発明によるインクジェットプリンタの制御回路のブロック図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの側面に超音波放射手段が取り付けられて部位の断面図である。 本発明による超音波放射手段の超音波の放射による圧力がインク滴に付与される原理を示す説明図である。 超音波が伝搬する媒質の物性を示す図である。 超音波が伝搬する媒質の物性と固有音響インピーダンスの関係を示す図である。 本発明のフレネルレンズの上面図である。 図９のＡ−Ａ断面を示す断面図である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ インク滴
３ 記録媒体
４ インク吐出アクチュエータ
４ａ 圧電素子
５ 超音波放射手段
６ 記録媒体搬送手段
７ 圧電振動子
８ 整合部材
８ｂ フレネルレンズ
９ ノズル
１０ インク室
１１ 制御処理手段
１３ 制御手段
１４ メモリ
１５ 記録媒体制御手段
１６ アクチュエータ駆動制御手段
１７ 超音波振動動駆動制御手段
１８ 発振生成手段
１９ 位置検出手段
２２ バス
３０ インクジェットプリンタ

Claims (12)

1. ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドと、前記インク滴の吐出方向に超音波を放射する超音波放射手段と、記録媒体を搬送させる記録媒体搬送手段と、を備えたインクジェットプリンタにおいて、
   前記記録媒体搬送手段により前記インクジェットヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させ、前記超音波放射手段は、前記インク滴の吐出方向に超音波を放出するとともに、当該超音波を前記インク滴の吐出方向の飛翔軌道の一部に集束させ、超音波が集束した焦点付近で、前記インク滴に飛翔速度を増大するような圧力を付与し、前記インク滴を前記記録媒体に着弾させることを特徴とするインクジェットプリンタ。
2. 前記超音波放射手段は、超音波を放射する圧電振動子と超音波の放射方向に対して超音波をその焦点に集束させるような整合部材が積層された積層体からなり、超音波放射方向は前記インク滴の吐出方向に沿っていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。
3. 前記整合部材の固有音響インピーダンスは、前記圧電振動子の固有音響インピーダンスより小さく、空気の固有音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする請求項２記載のインクジェットプリンタ。
4. 前記整合部材は、音響レンズであることを特徴とする請求項２または請求項３記載のインクジェットプリンタ。
5. 前記音響レンズは、フレネルレンズであることまたは超音波の放射面が凹面状に形成されていることを特徴とする請求項４記載のインクジェットプリンタ。
6. 前記整合部材は、超音波を前記インク滴の飛翔軌道上に集束させることを特徴とする請求項２記載のインクジェットプリンタ。
7. ノズルからインク滴を吐出させるインク滴吐出手段と、
   前記インク滴の吐出方向に超音波を放出するとともに、当該超音波を前記インク滴の吐出方向の飛翔軌道の一部に集束させ、超音波が集束した焦点付近で、前記インク滴に飛翔速度を増大するような圧力を付与する超音波放射手段と、
   を備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
8. 前記超音波放射手段は、超音波を放射する圧電振動子と超音波の放射方向に対して超音波をその焦点に集束させるような整合部材が積層された積層体からなり、超音波放射方向は前記インク滴の吐出方向に沿っていることを特徴とする請求項７記載のインクジェットヘッド。
9. 前記整合部材の固有音響インピーダンスは、前記圧電振動子の固有音響インピーダンスより小さく、空気の固有音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする請求項８記載のインクジェットヘッド。
10. 前記整合部材は、音響レンズであることを特徴とする請求項８または請求項９記載のインクジェットヘッド。
11. 前記音響レンズは、フレネルレンズであることまたは超音波の放射面が凹面状に形成されていることを特徴とする請求項１０記載のインクジェットヘッド。
12. 前記整合部材は、超音波を前記インク滴の飛翔軌道上に集束させることを特徴とする請求項１０記載のインクジェットヘッド。

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