JP4604491B2 - 液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。

従来から、インクジェットプリンタにおいて、印字動作中に駆動していないノズルからインクの主成分（溶媒または分散媒＝水）が蒸発し、メニスカス開口付近のインクが増粘して吐出特性に影響を及ぼすことが知られている。

これに対しては、１：ヘッドを非印字領域に退避させて増粘したインクを吐出することでノズル内のインクをリフレッシュする方法（パージ動作）、２：非駆動時にインク滴が吐出しない程度にメニスカス面を振動させ、増粘したインクを攪拌させる方法（予備波形印加）、が公知技術として存在する（例えば、特許文献１〜３参照）。

実際には両者を組み合わせ、予備波形を印加することでパージ動作の頻度を下げる方法が一般的である。２：の予備波形に関しては、液滴を吐出しない程度にメニスカス面を振動させる必要があり、アナログ駆動波形においてヘッドの駆動電圧を小さくしたり、波形の傾きをゆるくしたりすることで、通常の駆動波形に比較して弱い圧力波を発生させることで、インク滴が吐出しない程度のメニスカス面の振動を実現している。

しかしながら、印字速度を意識した多ノズル化、ＦＷＡ（紙幅）化を意識し、駆動回路の低コスト化を図るために波形の電圧値の自由度を減らしたデジタル波形（矩形波駆動、２値波形）による駆動波形を採用した場合、従来のように通常の吐出波形に対して駆動電圧を小さくすることで予備波形を構成することができなくなる。また波形の傾きは回路の時定数で決まるため、変更することはできない。したがって、通常の吐出波形と同じ印加電圧および傾きで、インク滴が吐出しないようなメニスカス振動を与えることのできる波形を作成しなければならない。そのためには波形のパルス幅やパルスとパルスの間隔を工夫することで予備波形の設計が可能であることを見出した。

特許文献１では、駆動原理が静電型に限定されている。静電型とＰＡ型の大きな相違点は、入力信号に対する駆動部の追従速度であり、ＰＡ型は傾きが１μsec程度の極めて高速な信号に対しても駆動部が追従することができる。 特許文献１で予備波形として吐出波形よりもパルス幅の短い波形を用いるのは、この駆動部の追従性の悪さを利用しているためである。すなわち、パルス幅を短くすることで、駆動部が十分に変位しきらないうちに元に戻すことで吐出しない程度の圧力波を発生させている。これは駆動部の変位量を少なくして弱い圧力波を発生させていることを意味しており、ＰＡ型の場合には駆動電圧を小さくすることに相当する。上記のように静電型のインクジェットとＰＡ駆動型のインクジェットでは、駆動波形とアクチュエータの動きとの関係が異なるため、特許文献１の例をそのままＰＡ駆動のインクジェットに採用することはできない。

特許文献２では、通常の吐出波形に比較して予備波形の電圧値が低く設定されている。これは矩形波（２値波形）では採用できない方式であり、電圧値の自由度を増やそうとすれば駆動回路のコストが増加してしまう。

特許文献３では、印字中の増粘対策ではなく印刷命令と印刷命令の間、すなわち休止状態での増粘対策であって、印字作業の工程を増やし、結果として印字速度を下げる可能性もある。また、印可する予備波形が吐出波形と異なる専用の波形であるかどうかは明記されていない。

なお、実際に矩形波駆動を用いたＰＡ（ピエゾアクチュエータ）駆動のインクジェットプリンタとしての例もあるが、当該例では予備波形を使用していない。これは前述の問題点に加え、最小滴が５ｐｌ程度と大きいためにインク増粘の影響が少なく（インク滴体積が小さいほど、増粘の影響を受けやすい）、頻繁にパージ動作を行うだけで増粘を回避することが可能だからであると考えられる。

しかし、１：液滴の体積が２〜２．５ｐｌ程度の微小滴を吐出する場合、２：顔料インクの使用により増粘の進行が早い場合、３：マトリクスヘッドなどを採用しノズルの数が多い時は頻繁にパージ動作を行うとインク消費量が多くなってしまう場合、などでは予備波形の印加が必須となる。
特開２００２−０１９１０４号公報 （図１１、第３〜８頁） 特開昭５７−０６１５７６号公報 （図２、第１〜２頁） 特開２０００−１６８１０３号公報 （図５、第４〜５頁）

本発明は上記事実を考慮し、低コストでインクの増粘対策が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の液滴吐出ヘッド駆動方法は、矩形駆動波形を用いる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、液滴をノズルから吐出させるために液を加圧する圧力室と、前記矩形駆動波形で駆動され前記圧力室を膨張または圧縮するピエゾアクチュエータである変圧手段と、を備え、一つの前記矩形駆動波形による動作が前記圧力室を膨張させたのち圧縮する順序で行なわれ、非駆動の前記ノズルに対して前記液滴が吐出しないように前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、前記圧力室の固有周期の８０％以上１２５％以下であるパルス幅、且つ前記矩形駆動波形と同じ電圧値の矩形駆動波形を予備波形として印加し、前記液の増粘制御を行なうことを特徴とする。

上記構成の発明では、非駆動のノズルに対して液滴が吐出してしまわないよう前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、圧力室の固有周期の８０％以上１２５％以下であるパルス幅、且つ前記矩形駆動波形と同じ電圧値の矩形駆動波形を予備波形としてピエゾアクチュエータである変圧手段に印加することでメニスカスを振動させ、増粘を制御することができる。予備波形は矩形波なので駆動回路のコスト増加を抑えることもできる。


以上

請求項２に記載の液滴吐出ヘッド駆動方法は、前記予備波形のパルス幅は前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、前記圧力室の固有周期の８５％〜１１８％であることを特徴とする。

上記構成の発明では、予備波形を印可した際、ノズル近辺での最大流速を吐出時の２０〜５０％にすることができる。これにより予備波形の印可時に液滴が吐出されてしまうことを防ぐことができる。また、流速が２０％以下で予備波形の効果が不足することや、流速が５０％以上で高周波吐出時に予備波形の残響によって次の吐出の特性に影響することを防ぐことができる。

請求項３に記載の液滴吐出ヘッド駆動方法は、前記予備波形のパルス幅は前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、前記圧力室の固有周期の９０％〜１１０％であることを特徴とする。

上記構成の発明では、予備波形を印可した際、ノズル近辺での最大流速を吐出時の３０〜４０％にすることができる。これにより予備波形による増粘抑制効果は充分であり、かつ高周波吐出時に予備波形の残響によって次の吐出の特性に影響することを防ぐことができる。

請求項４に記載の液滴吐出ヘッド駆動方法は、前記予備波形の印可後に前記予備波形と逆位相となる波形を１パルス印可することを特徴とする。

上記構成の発明では、予備波形の印加後に逆位相となる波形を１パルス印加することで予備波形の印加により発生した残響を打ち消し、次の吐出の特性に影響することを防ぐことができる。

請求項５に記載の液滴吐出ヘッド駆動方法は、前記ノズルはマトリクス配置とすることを特徴とする。

上記構成の発明では、ノズルをマトリクス配置とすることで、ノズルの間隔を確保しながらドット密度を上げることができる。

請求項６に記載の液滴吐出ヘッド駆動方法は、前記液滴となる液体は顔料インクとすることを特徴とする。

上記構成の発明では、インクに顔料を使用することで染料よりも画像の解像度が高く、また耐候性や耐久性の高い画像を形成することができる。

請求項７に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１乃至請求項６に記載の駆動方法を用いたことを特徴とする。

上記構成の発明では、低コストでインクの増粘対策が可能な液滴吐出ヘッドとすることができる。

請求項８に記載の液滴吐出装置は、請求項７に記載の液滴吐出ヘッドを用いたことを特徴とする。

上記構成の発明では、低コストでインクの増粘対策が可能な液滴吐出装置とすることができる。

本発明は上記構成としたので、低コストでインクの増粘対策が可能な液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置およびその駆動方法とすることができた。

図１には、本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構造と駆動波形が示されている。

図１（ｂ）のように、ヘッド１０には圧力室１２が設けられ、圧力室１２の壁を形成する振動板１４が図１（ｃ）のように圧力室１２を圧縮すると圧力室１２内部のインク１８がノズル２４からインク滴２２となって吐出される。振動板１４に設けられた圧電素子１６は印可される電圧によって変形し、図１（ｂ）あるいは図１（ｃ）のように振動版１４を動かし、圧力室１２を圧縮／膨張させる。

図１（ａ）はＰＡ１６に印加されるパルスの例であり、縦軸は電圧、横軸は時間を表す。この場合、パルスは矩形波なので電圧はＶ０とＶ１の２つの値しかとらず、駆動回路も単純な構成でよいのでコストも安く抑えることができる。

パルスの印加によって電圧がＶ０からＶ１へと変化すると、図１（ｂ）のように圧電素子１６は圧力室１２を膨張させる方向に変形し、インク流路１１から圧力室１２にインクが供給される。拡大図（ｄ）のように、ノズル２４近傍ではインク１８の液面がメニスカス２０を形成する。

一定時間（パルス幅）後に電圧がＶ１からＶ０へと変化すると、図１（ｃ）のように圧電素子１６は圧力室１２を圧縮する方向へ変形し、インク１８が圧縮されノズル２４からインク滴２２が吐出される。

このとき、ノズル２４近傍のインク１８は溶媒が蒸発し、インク１８の濃度が高くなるため、増粘してインク吐出特性に影響することがある。このため本実施例では、ノズル２４近傍においてインク滴２２を吐出しない程度の流速を生じるようなパルスを予備波形として圧電素子１６に印加し、ノズル２４近傍のインク１８を攪拌することで粘度の増加を抑えている。

本実施例のように矩形の一パルスが圧力室１２を膨張→圧縮する場合、パルス幅が短くても小さな流速を得ることができるが、パルス幅を固有周期近傍としても、予備波形として適した流速を得ることができる。

図２には、本発明の第１実施形態に係る予備波形のパルス幅とノズル近傍での最大流速比が示されている。

図２の横軸は圧力室１２の固有周期を１とした時の予備波形のパルス幅であり、縦軸はインク吐出時のノズル近傍における最大流速を１とした時の予備波形による最大流速である。

ここで、予備波形での最大流速は、吐出時の最大流速の６０％以下である必要がある。これ以上の流速では滴が吐出してしまう危険がある。この条件を満たすためには、予備波形のパルス幅を図２に示すように固有周期の２０％以下、もしくは８０％〜１２５％とする必要がある。

すなわち、斜線で示す範囲のパルス幅であれば予備波形によってインク滴が吐出してしまうことはない。

図３には、本発明の第２実施形態に係る予備波形のパルス幅とノズル近傍での最大流速比が示されている。

図３の横軸は圧力室１２の固有周期を１とした時の予備波形のパルス幅であり、縦軸はインク吐出時のノズル近傍における最大流速を１とした時の予備波形による最大流速である。

予備波形での最大流速は吐出時の最大流速の６０％以下である必要があるのは前述の通りだが、より望ましくは吐出時の最大流速の２０％〜５０％と限定するほうがよい。

２０％以下の流速では予備波形の効果が少なすぎ、５０％以上の流速では高周波吐出時に予備波形の残響により次の吐出時の特性に影響を及ぼす可能性が高いからである。この条件を満たすためにはパルス幅を固有周期の７％〜１７％もしくは８５％〜１２０％とする必要がある。

すなわち、斜線で示す範囲のパルス幅であれば予備波形の効果が少なすぎ、あるいは予備波形の残響により次の吐出時の特性に影響を及ぼすようなことはない。

図４には、本発明の第３実施形態に係る予備波形のパルス幅とノズル近傍での最大流速比が示されている。

図４の横軸は圧力室１２の固有周期を１とした時の予備波形のパルス幅であり、縦軸はインク吐出時のノズル近傍における最大流速を１とした時の予備波形による最大流速である。

予備波形での最大流速は吐出時の最大流速の２０％〜５０％と限定するほうがよいのは前述の通りだが、より望ましくは予備波形での最大流速を吐出時の最大流速の３０％〜４０％と限定するほうがよい。

予備波形のパルス幅が最大流速の３０％〜４０％の範囲内であれば、予備波形の効果が十分に期待でき、かつ、残響による悪影響を完全に抑えることができるからである。これを満たすためにはパルス幅を固有周期の９％〜１１％もしくは９０％〜１１０％とする必要がある。

すなわち、斜線で示す範囲のパルス幅であれば予備波形の効果が十分に期待でき、かつ、残響による悪影響を完全に抑えることができる。

図５には、本発明の第２実施形態に係るノズル近傍での最大流速比の時間に伴う減衰量が示されている。

図５の横軸は圧力室１２の固有周期を１とした時の経過時間であり、縦軸はインク吐出時のノズル近傍における最大流速を１とした時の予備波形による最大流速である。

図５のＷ０は第２実施例において示した、最大流速０．４３程度の予備波形によるメニスカス面の振動であり、特に残響抑制を行わない場合、固有周期の４倍程度の時間までメニスカス面の振動が残ってしまうことがわかる。

一般的にインクジェットプリンタにおいては固有周期の２〜５倍程度の周期でインク吐出を行うため、この状況では残響の影響が考えられる。高周波印字になるほど印字の周期は短くなるので、残響の抑制は必須となる。

図６には、本発明の第４実施形態に係るノズル近傍での最大流速比の時間に伴う減衰量が示されている。

図６の横軸は圧力室１２の固有周期を１とした時の経過時間であり、縦軸はインク吐出時のノズル近傍における最大流速を１とした時の予備波形による最大流速である。

本実施形態においては、第１パルスすなわち予備波形で発生した圧力波の２山目以降を、第２パルスで打ち消すことで残響抑制を行っている。

図６のＷ１は図５のＷ０と同様、残響抑制を行なわなかった場合の予備波形によるメニスカス面の振動であり、固有周期の４倍程度の時間までメニスカス面の振動が残ってしまう。

この残響を打ち消すために第２パルス（Ｗ２）を印加した結果が予備波形と第２パルスの合成波形であるＷ３となる。図６からわかるように、合成波形Ｗ３は固有周期程度の時間で残響が十分に治まっている。

図７には、本発明の第４実施形態に係る予備波形と第２パルスの時間に伴う電圧変化が示されている。図７の横軸は経過時間であり、縦軸は電圧、Ｔｃは圧力室１２の固有周期である。

図７のＰ１は図６に示した予備波形による振動Ｗ１を生じさせる第１パルスすなわち予備波形であり、同様にＰ２は振動Ｗ２を生じさせる第２パルスである。

図７に示すように、予備波形のパルス幅は０．１４Ｔｃつまり圧力室１２の固有周期の１４％であり、このまま残響抑制を行なわなかった場合は図５に示すような残響減衰特性となる。

ここで図７のように予備波形から０．５４Ｔｃ後にパルス幅０．０９Ｔｃの第２パルスＰ２を印加することで、図６に示したようなメニスカス面の振動抑制効果が得られる。すなわち、予備波形のパルス幅が７〜１７％程度の範囲だったとしても、残響抑制として第２パルスＰ２の印加を行なうことで次の吐出への残響の影響を抑えることができる。

以上、本発明の第１〜第４実施例についてインクジェット記録ヘッドを例にとって説明したが、本発明はインクジェット記録ヘッドに留まらず、例えば基板の製造など液滴を吐出するあらゆる用途に応用できることは言うまでもない。

本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドと駆動波形を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの駆動パルス幅と流速を示す図である。 本発明の第２形態に係るインクジェット記録ヘッドの駆動パルス幅と流速を示す図である。 本発明の第３形態に係るインクジェット記録ヘッドの駆動パルス幅と流速を示す図である。 本発明の第２形態に係るインクジェット記録ヘッドの残響を示す図である。 本発明の第４形態に係るインクジェット記録ヘッドの残響を示す図である。 本発明の第４形態に係るインクジェット記録ヘッドの駆動波形を示す図である。

符号の説明

１０ インクジェット記録ヘッド
１２ 圧力室
１４ 振動板
１６ 圧電素子
１８ インク
２０ メニスカス
２２ 液滴
２４ ノズル

Claims (8)

1. 矩形駆動波形を用いる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって，
   液滴をノズルから吐出させるために液を加圧する圧力室と、
   前記矩形駆動波形で駆動され前記圧力室を膨張または圧縮するピエゾアクチュエータである変圧手段と、
   を備え、
   一つの前記矩形駆動波形による動作が前記圧力室を膨張させたのち圧縮する順序で行なわれ、
   非駆動の前記ノズルに対して前記液滴が吐出しないように、前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、前記圧力室の固有周期の８０％以上１２５％以下であるパルス幅、且つ前記矩形駆動波形と同じ電圧値の矩形駆動波形を予備波形として印加し、前記液の増粘制御を行なうことを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
   
2. 前記予備波形のパルス幅は前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、前記圧力室の固有周期の８５％〜１１８％であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
   
3. 前記予備波形のパルス幅は前記液と前記圧力室の組み合わせで決定する、前記圧力室の固有周期の９０％〜１１０％であることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
   
4. 前記予備波形の印加後に前記予備波形と逆位相となる波形を１パルス印加することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
   
5. 前記ノズルはマトリクス配置とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
   
6. 前記液滴となる液体は顔料インクとすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
   
7. 請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の駆動方法を用いた液滴吐出ヘッド。
   
8. 請求項７に記載の液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置。
   

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