JP4350628B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は画像形成装置に係り、特にインクを記録媒体に吐出して、記録媒体に画像を形成するインクジェットプリンタ等の画像形成装置に関する。

インクジェットプリンタは、記録ヘッドを画像形成データに応じて駆動し、記録ヘッドのノズルからインクを吐出させて記録紙に画像を形成する。記録ヘッドのインク吐出手段としては、ピエゾアクチュエータ方式のものがあり、圧力室の振動板を圧電素子（ピエゾ素子）によって変形させて圧力室に圧力を与え、圧力室のノズルからインクを吐出させる。

積層型の圧電素子を用いたインクジェットプリンタにおいては、インク吐出時に圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子は積層方向に伸びるが、この動きにより圧力室体積が増減するだけでなく、圧力室全体が上下動する恐れがあり、後者が支配的な場合、インクの吐出能力が充分得られない恐れがある。これを防止する為に圧電素子の振動板の加圧側と反対側と、圧力室の側面の壁とを拘束部材にて固定し、効率よく圧力室を伸縮変形させる構成とする。しかし、拘束部材を正確に位置決めしないと吐出能力が安定しないため、これを行なうためには製作コストがかかる問題があった。

一方、インクを吐出するノズルの圧電素子に駆動エネルギーを与える際にインクを吐出しないノズルの圧電素子にインクを吐出させない程度の駆動エネルギーを与えて、インクを吐出させないノズルの圧力室への気泡の入り込みを防止する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開平１１−１５７０７６号公報

しかし、特許文献１のインクジェットプリンタはインクを吐出しない圧力室への気泡の入り込みは防止できても、前記拘束部材の必要性がなくなるわけではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、拘束部材を用いずにインク吐出時の圧力室の不要な上下動を防止してインク吐出効率を向上できる画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するために、２次元状に配列されたノズルと、前記各ノズルに対応して配設された圧力室と、駆動信号が印加されることにより、前記圧力室内に圧力を付与して前記ノズルからインクを吐出させる圧電素子と、からなる記録ヘッドを有する画像形成装置において、インク吐出時に、インク吐出ノズルの圧電素子に駆動信号のｐｕｓｈ波形を印加するのと同時に、インク吐出ノズルを挟んで前後左右両側に位置する該インク吐出ノズル近傍の複数の非吐出ノズルの圧電素子に対して、前記インク吐出ノズルの圧電素子に与えられる前記駆動信号の駆動波形の少なくとも一部が逆位相である駆動成分を含んだ駆動波形の駆動信号のｐｕｌｌ波形を印加し、前記前後左右両側に位置する前記複数の非吐出ノズルの圧電素子を前記インク吐出ノズルの圧電素子と逆方向に駆動することにより、前記インク吐出時に前記インク吐出ノズル及び前記前後左右両側の非吐出ノズル間で前記記録ヘッドにかかる力のモーメントを２次元的に釣り合わせるとともに、前記ノズルの内側と外側での圧力差をΔＰ、インクの表面張力をＴ、ノズルの半径をｒとするとき、前記非吐出ノズルの圧電素子に与えられる駆動信号は、前記圧力差ΔＰが２Ｔ／ｒの半分に収まる駆動電圧であり、前記非吐出ノズルの圧電素子に与えられる駆動信号の大きさは、前記インク吐出ノズルからの距離が遠いほど小さく設定されることを特徴とする
。

本発明によれば、インク吐出ノズル近傍の非吐出ノズルの圧電素子に、吐出ノズルの圧電素子と逆方向に駆動する駆動信号を与えるので、拘束部材を用いずにインク吐出時の圧力室の上下動を防止でき、効率よく圧力室を伸縮運動させることができる。

また、本発明によれば、非吐出ノズルの圧電素子に与えられる駆動信号の駆動波形は、インク吐出ノズルの圧電素子の駆動信号の駆動波形と少なくとも一部分が逆位相であり、インク吐出時の圧力室の上下動を防止でき、効率よく圧力室を伸縮運動させることができる。さらに、非吐出ノズルの圧電素子に対して、ノズルの内側と外側での圧力差ΔＰが２Ｔ／ｒの半分に収まる程度の駆動電圧を与えるため、インク漏れや圧力室内部への気泡混入を防止できる。

また、本発明によれば、非吐出ノズルの圧電素子に与えられる駆動信号の大きさは、前記インク吐出ノズルからの距離に応じて定められるので、インク吐出時の圧力室の上下動を防止でき、効率よく圧力室を伸縮運動させることができる。

請求項２に記載された本発明によれば、画像形成に寄与しないダミーの圧電素子が最外側のノズルの外側に設けられているので、最外側のノズルの圧力室の上下動を防止でき、効率よく圧力室を伸縮運動させることができる。

なお、圧力室の「吐出効率」とは、「圧力室加圧時の圧力室の体積変化量」に対する「液滴の吐出体積」の比を示すものであり、吐出効率が良好であるほど液滴の吐出体積が圧力室の体積変化量に近づく。

また、本明細書において「記録」とは、文字を含む広い意味で画像を形成する概念を表すものとする。また、「記録媒体」は、ヘッドによって画像が形成される媒体（被画像形成媒体、被記録媒体、受像媒体、記録紙など呼ばれるもの）であり、連続用紙、カット紙、シール用紙、ＯＨＰシート等の樹脂シート、フイルム、布、その他材質や形状を問わず、様々な媒体を含むものとする。

本発明によれば、インク吐出ノズル近傍の非吐出ノズルの圧電素子をインク吐出ノズルの圧電素子と逆方向に駆動する駆動信号を与えるのでインク吐出時に加圧方向と異なる方向の圧力室の上下動を防止でき、拘束部材を用いなくとも効率よく圧力室を伸縮運動させることができる。
また、本発明によれば、非吐出ノズルの圧電素子に対して、ノズルの内側と外側での圧力差ΔＰが２Ｔ／ｒの半分に収まる程度の駆動電圧を与えるため、インク漏れや圧力室内部への気泡混入を防止できる。

以下、添付図面に従って本発明に係る画像形成装置の実施の形態について詳説する。図１は画像形成装置が適用される画像形成装置１０の構成を模式的に示す側面図である。

画像形成装置１０は、記録ヘッド１２と、この記録ヘッド１２に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送するベルト搬送部１８と、記録紙１６を供給する給紙部２０と、画像形成済みの記録紙を外部に排出する排紙部２２と、を備えている。

記録ヘッド１２は、記録紙１６の紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向に固定配置した、いわゆるフルライン型ヘッドで構成されている。記録紙１６の搬送方向（矢印Ａ）に沿って上流側からブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した記録ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。これら各記録ヘッドの下面には、搬送方向と直交方向に千鳥でマトリクス状に複数配置されたノズルが備えられ、記録紙１６を搬送しつつノズルからそれぞれの色インクを記録紙１６に吐出することにより記録紙１６上にカラー画像などを形成する。

給紙部２０にはロール紙２６が着脱自在にセットされている。給紙部２０近傍には、ロール紙２６から記録紙１６を引き出す引き出しローラ２１、２１が設けられている。引き出しローラ２１のローラの少なくとも一つにはモータ１１４（図３参照）の動力が伝達され、引き出された記録紙１６は図１上の右から左へと搬送される。なお、符号２４はローラ２１、２１間に設置された裁断用のカッターであり、このカッター２４によってロール紙２６から引き出された記録紙１６は所望のサイズにカットされる。

ベルト搬送部１８は、ローラ３０、３２、３４、３６間に無端状のベルト３８が巻き掛けられた構造をなし、少なくとも記録ヘッド１２に対向する部分が平面をなすように構成されている。このベルト３８は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有し、記録紙１６を搬送する。ベルト３８が巻かれているローラ３０、３２、３４、３６の少なくとも一つにはモータ１１６（図３参照）の動力が伝達され、ベルト３８は図１上の反時計回り方向に駆動されて、ベルト３８上に吸着された記録紙１６は図１の右から左へと搬送される。

符号８２は記録紙の位置および大きさなどを読み取る記録紙検出部、符号８４は記録紙１６へのインク吐出タイミング決定用の記録位置検出部、符号８８は記録紙１６の紙詰まりや次紙の供給タイミング決定用の記録紙終端検出部である。さらに、画像形成装置１０にはこれら各検出部の検出結果をもとに画像形成装置１０を統括して制御する後述のシステムコントローラが設けられている。このシステムコントローラは中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路などから構成され、たとえば記録紙１６搬送のための各モータの駆動信号や制御信号、記録ヘッド１２の画像形成信号などを生成する。

図２に示すように記録ヘッド１２はノズルプレート４２、隔壁４３、振動板４４、積層型の圧電素子５０などから構成されている。ノズルプレート４２、隔壁４３、振動板４４によって囲まれた空間部によって圧力室５４が形成されている。圧力室５４の底部に相当するノズルプレート４２には、貫通されたノズル５６が形成されている。振動板４４は圧力室５４の上面を塞ぐように取り付けられ、その上面に圧電素子５０が配置されている。

圧電素子５０は、圧電体の薄板と内部電極とが交互に積み重ねられて接合された構造を持つ積層型の圧電素子である。

また、圧電素子５０の自由端側の端部（図２において上端）には図示しないフレキシブル基板が接続されている。フレキシブル基板には、圧電素子５０の個別電極に対応する配線パターンが形成されており、該フレキシブル基板を介して一括で外部に配線する。なお、フレキシブル基板は柔軟性のある樹脂素材からなり、複数の圧電素子５０に架け渡されて接続されている。

本例の振動板４４は圧電素子５０のコモン電極を兼ねている。コモン電極（共通電極）については、接着剤を介して金属性の振動板４４に電気接続する。なお、接着剤による導通は、表面粗さの効果で導通させてもよいし、導電性接着剤を使用してもよい。

圧電素子５０の個別電極に対して電圧を印加すると圧電素子５０内部の圧電体の薄板に電位差が生じ、圧電素子５０は積層方向（図２上で上下方向）に変形する。圧電素子５０の変形に伴い振動板４４が下方向に撓み、圧力室５４を収縮し、これによりノズル５６からインクが吐出される。

図３は画像形成装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。画像形成装置１０は通信インターフェース１００、システムコントローラ１０２、プリント制御部１０４、ヘッドドライバ１０６などを備えている。

通信インターフェース１００は、ホストコンピュータ１２０から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース１００にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用できる。ホストコンピュータ１２０から送出された画像データは通信インターフェース１００を介して画像形成装置１０に取り込まれ、一旦画像メモリ１１０に記憶される。画像メモリ１１０は入力された画像データを一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ１０２を通じて画像データの読み書きが行われる。

システムコントローラ１０２は通信インターフェース１００、画像メモリ１１０、モータドライバ１１２などを制御する制御部である。すなわち、システムコントローラ１０２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ１２０との間の通信制御、画像メモリ１１０の読み書き制御などを行うとともに、モータ１１４、１１６による記録紙１２の搬送を制御する制御信号などを生成する。

モータドライバ１１２は、システムコントローラ１０２からの指示にしたがってモータ１１４、１１６を駆動するドライバである。

プリント制御部１０４はセンサ部１０８からの検出結果をもとに、ヘッドドライバ１０６、カッター２４などの各部を制御する制御部である。プリント制御部１０４は、システムコントローラ１０２の制御に従い、画像メモリ１１０内の画像データから記録制御用の信号を生成するための各種加工などの処理を行い、生成した記録制御信号（記録データ）をヘッドドライバ１０６に供給する。ヘッドドライバ１０６はプリント制御部１０４から与えられる記録データに基づいて、記録ヘッド１２の各色（Ｋ、Ｃ、Ｍ、Ｙ）の記録ヘッドを駆動する。

また、プリント制御部１０４は、後述する図４で示すように、吐出ノズル５６ａに隣接するノズル５６ｂの圧電素子５０ｂに与える駆動信号をヘッドドライバ１０６に与える。

プリント制御部１０４に備えられたセンサ部１０８は、前述した記録紙検出部８２、記録位置検出部８４、記録紙終端検出部８８を含むブロックであり、これら各検出部によって検出された検出結果はプリント制御部１０４に提供される。プリント制御部１０４では、各検出部によって検出された検出結果をもとに所定の演算処理が行なわれ、これら処理結果をシステムコントローラ１０２に提供する。すなわち、記録紙検出部８２における検出結果をもとに、カッター２４による記録紙１２のカットタイミングなどが決定される。

つぎに、上記の如く構成された記録ヘッド１２のインク吐出動作を説明する。

図４では中央のノズルを吐出ノズル５６ａ、この吐出ノズル５６ａに前後左右両側で隣接するノズルを非吐出ノズル５６ｂとし、吐出ノズル５６ａと非吐出ノズル５６ｂに対応する圧電素子を符号５０ａ、５０ｂ、振動板を符号４４ａ、４４ｂとする。また、駆動電圧は画像形成パターンに基づいた駆動波形を有する駆動電圧パルスとして印加される。

画像形成パターンに基づいて画像形成を行なうため、システムコントローラによって圧電素子５０ａに駆動電圧を印加する。図５に示すように電圧波形Ｖａは、インクを吐出させるノズル５６ａの圧電素子５０ａに印加される駆動電圧であり、電圧波形Ｖｂは、インクを吐出しない非吐出ノズル５６ｂの圧電素子５０ｂに印加される駆動電圧を示す。

図４において、吐出ノズル５６ａの圧電素子５０ａに駆動電圧を印加すると、圧電素子５０ａが図４で上下方向に伸び変形して振動板４４ａが下方向に撓み、吐出ノズル５６ａの圧力室５４ａが収縮されインクを吐出する。この電圧Ｖａｐｕｓｈの印加とほぼ同時に電圧Ｖｂｐｕｌｌを隣接の非吐出ノズル５６ｂの圧電素子５０ｂに印加すると、圧電素子５０ｂは図４の上下方向に縮み変形して振動板４４ｂが上方向に撓む。吐出ノズル５６ａおよび非吐出ノズル５６ｂの間に位置する振動板４４ａと４４ｂとの両境界部分に回転モーメントＭが付与され、圧力室５４ａの上下動を防止する。

ここで、図５に示した電圧波形Ｖｂは、駆動波形の一部を利用して振動板４４ａに回転モーメントを発生させる位相であればよいので完全な逆位相でなくてもよい。

また、電圧波形Ｖｂは電圧波形Ｖａの駆動方法と逆の成分を一部含むものでもよい。

なお、非吐出ノズル５６ｂの圧電素子５０ｂに印加される電圧波形Ｖｂの最大電圧は、圧力室５４内部に気泡が混入されない程度またはインクを吐出させない程度の駆動電圧にする。図６（ａ）に示すようにノズルプレート４２ｂに対してノズル５６ｂから外側にインクが略半球分だけ突出する場合、あるいは図６（ｂ）に示すようにノズルプレート４２ｂから圧力室５４ｂの内側に気泡が突出する場合を越えた場合にはアクシデンタルドロップや圧力室５４への気泡の混入となる。このときのノズル５６の内側と外側での圧力差をΔＰ（インクの表面張力をＴ、ノズル半径をｒとした時、ΔＰ＝２Ｔ／ｒ）とすると、内圧−外圧≧ΔＰでインク漏れが発生し、外圧−内圧≧ΔＰで気泡が圧力室５４内に混入する。実際には、インクとノズルとの接触角やノズル形状などの影響が発生するため、少なくとも圧力差ΔＰが２Ｔ／ｒの半分程度に収まるような程度の駆動電圧を与える。

本実施の形態の画像形成装置によれば、吐出ノズルと非吐出ノズル間に位置する振動板４４に回転モーメントを付与して圧力室５４ａの上下動を防止して、インクの吐出効率を向上できる。これによってより高粘度のインクも使用できるほか、ヘッド高密度化を図ることもできる。

圧電素子は積層圧電体が圧力室ごとに機械的に分離されている形態に限定されず、積層圧電体の電極パターンで圧力室ごとに個別駆動する形態やユニモルフ構造（単板圧電素子）でもよい。

また、吐出ノズルから前後左右に１個離れた非吐出ノズルに限らず吐出ノズルから前後左右２個以上離れた非吐出ノズルに逆駆動の駆動電圧を加えてもよい。

すなわち、図４を用いた説明では、吐出ノズル５６ａと隣接する非吐出ノズル５６ｂの圧電素子５０ｂを吐出ノズル５６ａの圧電素子５０ａに対して逆方向に駆動させる例を説明したが、吐出ノズル５６ａの近傍にあって吐出ノズル５６ａと隣接しない非吐出ノズルの圧電素子（図４において図示せず）を吐出ノズル５６ａの圧電素子５０ａに対して逆方向に駆動させる態様も可能である。

図７に示したとおり、吐出ノズル５６ａの圧力室５４ａ（同図の中央）に対応して設けられた圧電素子５０ａに図５で説明した電圧波形Ｖａ（駆動波形）のＰｕｓｈ波形を加えて図７の下向きの力Ｆ0 を発生させるとき、当該吐出ノズル５６ａに隣接する左右の非吐出ノズル５６ｂに対応した各圧電素子５０ｂには、それぞれＦ0 と逆向き（上向き）の力Ｆ2 、Ｆ3 を発生させるべく、電圧波形Ｖｂ（図５参照）のｐｕｌｌ波形を加えることを図４で説明した。

このとき、記録ヘッド１２にかかる力のモーメントを釣り合わせることにより、記録ヘッド１２に曲げの応力がかからないようにすることが、高精度な吐出のために重要である。図７に示したように、吐出ノズル５６ａと隣接する非吐出ノズル５６ｂの圧電素子５６ｂを駆動する場合、隣接ノズル間距離をＬ2 、Ｌ3 （Ｌ2 ＝Ｌ3 ＝ノズルピッチ）とおくと、Ｆ2 ×Ｌ2 ＝Ｆ3 ×Ｌ3 とすることが望ましい。

同様に、隣接しない圧電素子を駆動する場合、その距離に応じてモーメントが釣り合うように力を設定することが望ましい。例えば、図８において、吐出ノズル５６ａと隣接しないＬ1 の距離にある非吐出ノズル５６ｂ-1に対応した圧電素子５０ｂ-1と、隣接するＬ3 の距離にある非吐出ノズル５６ｂに対応した圧電素子５０ｂとを駆動してＦ0 と逆向きの力Ｆ1 、Ｆ3 を発生させる場合、Ｆ1 ×Ｌ1 ＝Ｆ3 ×Ｌ3 となるように力を設定することが望ましい。ここで、Ｌ1 ＝2 ×Ｌ3 が成り立てば、Ｆ1 ＝Ｆ3 ／２となる。

以上の関係から、吐出ノズルからの距離と圧電素子への駆動信号の大きさ（電圧値）の関係は、図９に示すように、ほぼ反比例（Ｌ×Ｆ＝一定) となる。

また、複数のノズルが千鳥で２次元状に並んでいる場合、吐出ノズルの前後左右に限らず斜め方向に隣接するノズルの圧電素子に逆駆動の駆動電圧を与えても良い。さらに、吐出ノズル５６ａからの距離に応じて圧電素子５０ｂの駆動電圧の大きさを変えてもよい（図９参照）。

また、最外側に位置するノズルの振動板に対して回転モーメントを付与する為に、画像形成に寄与しないダミーの圧電素子を最外側に位置するノズルの外側に設けてもよい。図１０にその一例を示す。

図１０は、２次元マトリクス状に圧力室が配置された記録ヘッドの平面模式図である。同図の一点鎖線で囲んだ範囲１３０は、印字を行うためのインク吐出に使用されるノズル（画像形成に寄与するノズル）の圧力室に対応した圧電素子５０-va が配置された領域（以下「有効ノズル範囲」という。）である。この有効ノズル範囲１３０の外側（同図の点線で囲んだ外周部の範囲１４０）には、画像形成に寄与しないダミーの圧電素子５０-dm が配置されている。

有効ノズル範囲１３０内の最外側に位置するノズルからの吐出の際に、ダミーの圧電素子５０-dm を駆動することにより、モーメントを釣り合わせることができるのは、上述の説明から明白である。

本発明の実施の形態に係る画像形成装置を示す側面図 本発明の実施の形態に係る画像形成装置としての記録ヘッドを示す断面図 本発明の実施の形態に係る画像形成装置の制御ブロック図 本発明の実施の形態に係る画像形成装置の作用を示す断面図 本発明の実施の形態に係る画像形成装置の圧電素子に印加する駆動電圧を示す説明図 ノズルの吐出限界と気泡混入限界を示す説明図 吐出ノズルと隣接する非吐出ノズルを駆動する場合の作用を示す説明図 吐出ノズルと隣接しない非吐出ノズルを駆動する場合の作用を示す説明図 吐出ノズルからの距離と圧電素子への駆動信号の大きさの関係を示すグラフ ダミーの圧電素子の配置例を示す平面模式図

符号の説明

１０…画像形成装置、１２…記録ヘッド、１６…記録紙、４４ａ，４４ｂ…振動板、５０，５０ａ，５０ｂ…圧電素子、５０-dm …ダミーの圧電素子、５４，５４ａ，５４ｂ…圧力室、５６，５６ａ，５６ｂ…ノズル、

Claims (2)

1. ２次元状に配列されたノズルと、
   前記各ノズルに対応して配設された圧力室と、
   駆動信号が印加されることにより、前記圧力室内に圧力を付与して前記ノズルからインクを吐出させる圧電素子と、からなる記録ヘッドを有する画像形成装置において、
   インク吐出時に、インク吐出ノズルの圧電素子に駆動信号のｐｕｓｈ波形を印加するのと同時に、インク吐出ノズルを挟んで前後左右両側に位置する該インク吐出ノズル近傍の複数の非吐出ノズルの圧電素子に対して、前記インク吐出ノズルの圧電素子に与えられる前記駆動信号の駆動波形の少なくとも一部が逆位相である駆動成分を含んだ駆動波形の駆動信号のｐｕｌｌ波形を印加し、前記前後左右両側に位置する前記複数の非吐出ノズルの圧電素子を前記インク吐出ノズルの圧電素子と逆方向に駆動することにより、前記インク吐出時に前記インク吐出ノズル及び前記前後左右両側の非吐出ノズル間で前記記録ヘッドにかかる力のモーメントを２次元的に釣り合わせるとともに、
   前記ノズルの内側と外側での圧力差をΔＰ、インクの表面張力をＴ、ノズルの半径をｒとするとき、前記非吐出ノズルの圧電素子に与えられる駆動信号は、前記圧力差ΔＰが２Ｔ／ｒの半分に収まる駆動電圧であり、
   前記非吐出ノズルの圧電素子に与えられる駆動信号の大きさは、前記インク吐出ノズルからの距離が遠いほど小さく設定されることを特徴とする画像形成装置。
2. 画像形成に寄与しないダミーの圧電素子が最外側のノズルの外側に設けられる請求項１に記載された画像形成装置。

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