JP4763418B2 - インクジェットヘッドの駆動方法、インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、インク滴を吐出してイメージを被記録媒体に記録するインクジェットヘッドの駆動方法およびインクジェット記録装置に関するものである。

従来より、インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドを用いて被記録媒体に文字や画像を記録するインクジェット式記録装置が知られている。このようなインクジェットヘッドの概略正面図を図８、概略断面図を図９、吐出に必要な圧力を発生する駆動部や最終的にインクが吐出するノズル部周辺の分解図を図３に示す。
図３に示すように、圧電セラミックプレート１には、複数の溝５が並設され、各溝５は、側壁７で分離されている。

各溝５の長手方向一端部は圧電セラミックプレート１の一端面まで延設されており、他端部は、他端面までは延びておらず、深さが徐々に浅くなっている。
また、各溝５内の両側壁７の開口側表面には、長手方向に亘って、駆動電界印加用の電極４および電極９が形成されている。

また、圧電セラミックプレート１の溝５の開口側には、インク室プレート２が接合されてヘッドチップ２６が形成されている。圧電セラミックプレート１とインク室プレート２との接合体の溝５が開口している端面には、ノズルプレート３が接合されており、ノズルプレート３の各溝５に対向する位置にはノズル孔１１が形成されている。ノズルプレート３とヘッドチップ２６はヘッドキャップ１２によって固定され、ヘッドチップ２６上に形成された電極４と駆動回路基板１４はフレキシブル基板１９によって接続されている。

さらに、インク室プレート２上には、インクを供給するためのインク流路２１が固定され、流路２１の中央部にはインク導入のためのインク導入口４１が形成され、インク導入口４１には印字中の圧力変動を吸収するための圧力緩和ユニット２０が接続されている。

続いてこのように構成されるインクジェットヘッドの駆動方法について図２、図４をもとに説明する。図２は従来のインクジェットヘッドの吐出信号波形を示す図で図４はインクジェットヘッドの電極配線状態を示す断面図である。図２（ａ）は従来の1滴のインク容量を吐出する場合の吐出信号波形を示す図、図２（ｂ）は従来の２滴のインク容量を吐出する場合の吐出信号波形を示す図、図２（ｃ）は従来の３滴のインク容量を吐出する場合の吐出信号波形を示す図で、図４（ａ）は非駆動時の断面図、図４（ｂ）は、駆動時の断面図である。６は分極方向を示しており、側壁７を挟む電極４および電極９に電界をかけるとそれぞれの側壁７は所望の方向に変形する構造となっている。図４（ａ）に示すようにこのインクジェットヘッドは、溝５に形成された電極４は1本置きにアース電位の共通電極となっており、それを挟む電極９は外部からの出力信号を与えられる電極構造である。この電極９に図２（ａ）に示す1滴のインク容量の吐出信号波形が示す正電界パルスを印加すると電極４との電位差によって、図４（ｂ）に示すように側壁７がそれぞれ変形する。この変形は電極９が正の電界が印加されているｔ１の時間変形しておりｔ１後電位がゼロになると再び図４（ａ）の状態に戻る。尚、ｔ１は図１１の電界印加時間と吐出速度の関係を示す図から分かるように最も効率のよい吐出速度が速くなる時間に設定されている。この変形によって溝５内に充填されたインクに圧力の変化が起こり、インクがノズル孔１１から１滴飛翔する仕組みである。また、この正の電界を複数回印加することによりノズル孔１１から飛翔するインクの吐出容積を変えて階調表現をすることが出来る。例えばノズル孔１１から２滴分の容量のインクを吐出させるためには、図２（ｂ）に示すように正電界のパルスｔ１の前に正電界パルスｔ２をｔ４の間隔で動作させる。同様に、３滴分の容量のインクを吐出させる場合には、図２（ｃ）に示すように正電界のパルスｔ１、ｔ２の前に正電界パルスｔ３を動作させる。これによりノズル孔１１から３滴分の容積のインクが飛翔させることが出来る。この場合の正電界のパルス印加時間やパルス間隔の時間は、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４＝ｔ５としている。正電界パルス印加時間とパルス印加の間の休止時間を全て同じにすることにより、効率よくインクの吐出をすることが出来る。
特開２００２−１９１０３号公報

しかしながら、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の駆動波形を用いる従来のインクジェットの駆動方法の場合は、図７の電界印加電圧と吐出速度の関係を示すから分かるように１滴、２滴、３滴それぞれの吐出速度に差異が発生するという問題がある。１滴吐出時に比べ２滴、３滴分のインク容量時の吐出速度がそれぞれ速くなるのは、ｔ３、ｔ２の駆動で発生した圧力変化の影響が残り、その振動の余波が加わり吐出速度が大きくなることに起因している。ここで発生した吐出速度の差は、インクジェットプリンタで印字した場合インク滴の着弾位置の差として現れてしまい、印字物の画質を悪化させてしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、階調表現する場合の１滴、２滴、３滴の速度差をなくし、インク滴の着弾位置制度を向上させるインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明は、印加電圧に応動して変形動作するアクチュエータで構成される複数の側壁と、ノズルに連通して側壁の間に並設された複数の溝と、溝のそれぞれにインクを供給するインク流路とを具備し、側壁に設けた電極に入力されアクチュエータを変形動作させてノズルからインクを飛翔させる駆動パルスと、アクチュエータを動作させない休止時間を設定し、駆動パルスを前記休止時間の間隔で連続して複数回与え、その回数を変えることによって、一度に被記録媒体に到達するインク滴容量を変化させるインクジェットヘッドの駆動方法において、複数回の駆動パルスのうち、最後に与えられる最終駆動パルスの信号波形と、最終駆動パルスの前に１回以上与えられる初期駆動パルスの信号波形が異なることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法にある。

以上説明したように本発明では、階調表現する場合の１滴と２滴、３滴などの複数滴分のインク容量の吐出をさせた場合のインク滴吐出速度差をなくし、インク滴の着弾位置精度を向上させ、画質の優れるインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを提供できる。

以下、本発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図８は、本実施形態のインクジェットヘッド全体の正面図、図９は本実施形態のインクジェットヘッド概略断面図で、図３は、本実施形態のインクジェットヘッドの吐出圧力発生部周辺を示す分解図である。

図示するように、本実施形態のインクジェットヘッドは、ヘッドチップ２６と、この一方面側に設けられる流路２１と、ヘッドチップ２６を駆動するための駆動回路等が搭載された回路基板１４と、ヘッドチップ２６内の圧力変化を緩和させる圧力緩和ユニット２０とを有し、これらの各部材は、それぞれベース１３に固定されている。

続いて吐出のための圧力発生源となるヘッドチップ２６周辺の詳細について説明する。圧電セラミックプレートヘッドチップ２６を構成する圧電セラミックプレート１には、ノズル孔１１に連通する複数の溝５が並設され、各溝５は、側壁７で隔離されている。
各溝５の長手方向の一端部は圧電セラミックプレート１の一端面まで延設されており、他端部は、他端面まで延びておらず、深さが徐々に浅くなっている。
また、各溝５の幅方向両側の側壁７には、溝５の開口側に長手方向に亘って駆動電界印加用の電極４が形成されている。

圧電セラミックプレート１に形成される各溝５は、例えば、円盤状のダイスカッターにより形成され、深さが徐々に浅くなった部分は、ダイスカッターの形状により形成されてしまう。また、各溝５内に形成される電極４は、例えば、公知の斜め方向からの蒸着により形成される。このような溝５の両側の側壁７の開口側に設けられた電極４には、フレキシブル基板１９の一端が接合され、フレキシブル基板１９の他端側は、回路基板１４上の図示しない駆動回路に接合されることで、電極４は駆動回路に電気的に接続されている。さらに、圧電セラミックプレート１の溝５の開口側には、インク室プレート２が接合されている。

なお、インク室プレート２は、セラミックプレート、金属プレートなどで形成することができるが、圧電セラミックプレート１との接合後の変形を考えると、熱膨張率の近似したセラミックプレートを用いることが好ましい。

また、圧電セラミックプレート１とインク室プレート２との接合体の溝５が開口している端面には、ノズルプレート３が接合されており、ノズルプレート３の各溝５に対向する位置にはノズル孔１１が形成されている。

本実施形態では、ノズルプレート３は、圧電セラミックプレート１とインク室プレート２との接合体の溝５が開口している端面の面積よりも大きくなっている。このノズルプレート３は、ポリイミドフィルムなどに、例えば、エキシマレーザ装置を用いてノズル孔１１を形成したものである。また、図示しないが、ノズルプレート３の被印刷物に対向する面には、インクの付着等を防止するための撥水性を有する撥水膜が設けられている。

さらに、この圧電セラミックプレート１とインク室プレート２との接合体の各溝５が開口している端面側の外周面には、ノズルプレート３を支持するヘッドキャップ１２が接合されている。このヘッドキャップ１２は、ノズルプレート３の接合体端面の外側と接合されて、ノズルプレート３を安定して保持するためのものである。

そして、本実施形態のインクジェットヘッドは、インク室プレート２上に、インクを供給するためのインク流路２１が固定され、流路２１の中央部にはインク導入のためのインク導入口４１が形成され、インク導入口４１には印字中の圧力変動を吸収するための圧力緩和ユニット２０が接続されている。例えば、初期充填時等にインクタンク（図示せず）からのインクが圧力緩和ユニット２０に充填され、更に、流路２１内にインクが導入され、最終的に溝５にインクが満たされる仕組みである。

続いて、本実施形態の電極の配線方法および駆動方法について図１、図４をもとに説明する。図１は本実施形態のインクジェットヘッドの吐出信号波形を示す図で、図４はインクジェットヘッドの電極配線状態を示す断面図である。図１（ａ）は本実施形態の1滴のインク容量を吐出する場合の吐出信号波形を示す図、図１（ｂ）は本実施形態の２滴のインク容量を吐出する場合の吐出信号波形を示す図、図１（ｃ）は本実施形態の３滴のインク容量を吐出する場合の吐出信号波形を示す図で、図４（ａ）は非駆動時の断面図、図４（ｂ）は、駆動時の断面図である。６は分極方向を示しており、側壁７を挟む電極４および電極９に電界をかけるとそれぞれの側壁７は所望の方向に変形する構造となっており、アクチュエータを構成している。図４（ａ）に示すようにこのインクジェットヘッドは、溝５に形成された電極４は1本置きにアース電位の共通電極となっており、それを挟む電極９は外部からの出力信号を与えられる電極構造である。この電極９に図１（ａ）に示す正電界パルスＶを印加すると電極４との電位差によって、図４（ｂ）に示すように側壁７がそれぞれ変形する。この変形は電極９が正の電界が印加されているＴ１の時間変形しておりＴ１後電位がゼロになると再び図４（ａ）の状態に戻る。尚、Ｔ１は図５の電界印加時間と吐出速度の関係を示す図から分かるように最も効率のよい吐出速度が速くなる時間に設定されている。この効率のよい吐出速度になる正電界パルスT1を最終駆動パルスと呼ぶ。この側壁７の変形によって溝５内に充填されたインクに圧力の変化が起こり、インクがノズル孔１１から１滴飛翔する仕組みである。また、階調表現するためノズル孔１１から飛翔するインクの吐出容積を変えるためには、図４（ｂ）に示す最終駆動パルスＴ１の前にT1よりも短い正電界パルスＴ２をＴ４の間隔で印加する。これにより、ノズル孔１１から２滴分の容積のインクが飛翔する。同様に、図２（ｃ）に示す正電界のパルスＴ１、Ｔ２の前に最終駆動パルスＴ１より短く、Ｔ２と同じ印加時間の正の駆動パルスＴ３をＴ５の間隔で動作させる。すると、ノズル孔１１から３滴分の容積のインクが飛翔させることが出来る。ここで、最終駆動パルスＴ１より短い正の駆動パルスＴ２やＴ３を初期駆動パルスと呼ぶ。この初期駆動パルスは最終駆動パルスよりも印加時間が短いが、同容量のインク滴を吐出することが出来る。そして、Ｔ２やＴ３で吐出されたインク滴は短時間に連続して吐出されるため、ノズル孔１１と被記録媒体との間での飛翔中に合体し大きなインク滴となって被記録媒体に着弾して階調表現を可能にする（インク滴容量可変手段）。本実施形態では、パルス電圧Ｖは共通で、Ｔ１／２＝Ｔ２＝Ｔ３の条件とした。これにより、初期駆動パルスＴ２やＴ３は図５の電界印加時間と吐出速度の関係を示す図から分かるように最終駆動パルスＴ１で駆動した場合より遅い吐出速度でありこれによって溝５内の圧力変化の影響が次の吐出の際に残こらず、その振動の余波が加わらないためインク滴吐出速度が大きくならない。これにより図６に示すようにインク滴の容量を変化させても電界印加電圧と吐出速度の差をほぼ同じくすることができた。

また、初期駆動パルスと最終駆動パルスとの間の休止時間Ｔ４および初期駆動パルス同士の間の休止時間Ｔ５は、Ｔ４＝Ｔ５＝Ｔ１＋（Ｔ１−Ｔ２）＝３×Ｔ２＝３×Ｔ３での吐出を行う。これは、最終駆動パルスと比べて初期駆動パルスの時間が短くなった分（Ｔ１−Ｔ２）を休止時間に加えたものを新たな休止時間としたことを意味する。（従来は休止時間と駆動パルス印加時間は同様に最も効率よくインク吐出することの出来る時間Ｔ１であったため）これにより、従来同様効率的に連続してインク吐出を行うことが出来る。具体的にはＴ１が１２μｓｅｃであるためＴ２、Ｔ３は６μｓｅｃでＴ４、Ｔ５は１８μｓｅｃで吐出を行った。

図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示したような吐出を印刷データに基づいて任意の組み合わせで連続して行うことにより、容量の違うインク滴を吐出し、被記録媒体上に任意の階調表現を行うことが出来る。

また本発明の他の実施形態として、図１（ｄ）で示すように、初期駆動パルスの印加時間Ｔ２´やＴ３´を最終駆動パルスＴ１に比べて長くすることも可能である。この場合、パルス電圧Ｖは共通で、Ｔ２´＝Ｔ３´＝Ｔ１×（３／2）とする。図５に示すように、最終駆動パルスＴ１よりも初期駆動パルスＴ２´、Ｔ３´を長くすることでも、遅い吐出速度を実現することが出来る。また、本実施例の場合の初期駆動パルスと最終駆動パルスとの間の休止時間Ｔ４´および初期駆動パルス同士の間の休止時間Ｔ５´は、Ｔ４´＝Ｔ５´＝Ｔ１＋（Ｔ１−Ｔ２´）＝Ｔ１−Ｔ１／２＝Ｔ１／２となる。最終駆動パルスＴ１に比べて初期駆動パルスが長くなった分、休止時間が短くなることとなる。これにより、従来と同じように効率よくインク吐出を行うことが出来る。

以上説明したように、本実施形態のインクジェットヘッドでは、１滴吐出時に比べ２滴、３滴のインク容量時の吐出速度とがそれぞれ等しいため、インクジェットプリンタで印字した場合インク滴の着弾位置の差がなく、優れた画質の印字物の提供ができる。

尚、本実施形態では1滴、2滴、3滴のインク容量の吐出についての説明をしたが、インク滴量の上限の制限は特にない。また、本実施形態に使用した信号印加電圧Ｖで電界印加時間がＴ１、Ｔ２、Ｔ３の矩形波を用いたが、立ち上がりを滑らかにした波形や信号印加電圧を電界印加時間の中で段階的に変化させた場合などでもよく、特に波形に限定されるものではない。

さらに、本実施形態で用いたインクジェットヘッドでは、溝５に形成された電極４は1本置きにアース電位の共通電極となっており、それを挟むように電極９が形成された場合について説明したが、図１０の他の電極配線状態を示す図のような配線方法で、2本おきに側壁７を駆動させる場合でも問題ない。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドに係る吐出信号波形を示す図 従来のインクジェットヘッドの吐出信号波形を示す図 本発明の実施形態に係る吐出圧力発生部周辺を示す分解図 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの電極配線状態を示す断面図 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの電界印加時間と吐出速度の関係を示す図 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの電界印加電圧と吐出速度の関係を示す図 従来のインクジェットヘッドの電界印加電圧と吐出速度の関係を示す図 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッド全体の正面図 本発明の実施形態に係る従インクジェットヘッド全体の概略断面図 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの電極配線状態を示す断面図 従来のインクジェットヘッドの電界印加時間と吐出速度の関係を示す図

符号の説明

１ 圧電セラミックプレート
２ インク室プレート
３ ノズルプレート
４ 電極
５ 溝
６ 分極方向
７ 側壁
１１ ノズル孔
１２ ヘッドキャップ
１３ ベース
２０ 圧力緩和ユニット
２１ 流路
２６ ヘッドチップ

Claims (12)

1. 印加電圧に応動して変形動作するアクチュエータで構成される複数の側壁と、
   ノズルに連通して前記側壁の間に並設された複数の溝と、
   前記溝のそれぞれにインクを供給するインク流路とを具備し、
   前記側壁に設けた電極に入力され前記アクチュエータを変形動作させて前記ノズルからインクを飛翔させる駆動パルスと、前記アクチュエータを動作させない休止時間を設定し、前記駆動パルスを前記休止時間の間隔で連続して複数回与え、その回数を変えることによって、一度に被記録媒体に到達するインク滴容量を変化させるインクジェットヘッドの駆動方法において、
   前記複数回の駆動パルスのうち、最後に与えられる最終駆動パルスの信号波形の信号印加時間と、前記最終駆動パルスの前に１回以上与えられる全ての初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間が異なるとともに、前記駆動パルスが複数の初期駆動パルスを有する場合は全ての初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間が同じであり、前記初期駆動パルスと前記最終駆動パルスの電圧振幅が同じであることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。
2. 前記最終駆動パルスの信号波形が、前記初期駆動パルスの信号波形より信号印加時間が長いことを特徴とする請求項１のインクジェットヘッドの駆動方法。
3. 前記最終駆動パルスの信号波形が、前記初期駆動パルスの信号波形より信号印加時間が短いことを特徴とする請求項１のインクジェットヘッドの駆動方法。
4. 前記最終駆動パルスの信号波形と前記初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間の時間差分だけ、前記休止時間を長くしたことを特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
5. 前記最終駆動パルスの信号波形と前記初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間の時間差分だけ、前記休止時間を短くしたことを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
6. 前記最終駆動パルスの信号波形が、インク滴が前記ノズルから前記被記録媒体に到達するまでの期間に前記ノズルから１滴のインクのみを飛翔させる駆動パルスの信号波形と等しいことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
7. 前記最終駆動パルスの信号波形の信号印加時間は、１滴のインクの吐出速度が最も速くなる時間であることを特徴とする請求項６記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
8. ｎ−１滴（ｎは３以上の整数）のインクを飛翔させる前記複数回の駆動パルスの前記最終駆動パルスの信号波形とｎ滴のインクを飛翔させる前記複数回の駆動パルスの前記最終駆動パルスの信号波形とが等しい請求項１記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
9. 前記初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間が、前記最終駆動パルスの信号波形の信号印加時間の半分であることを特徴とする請求項２のインクジェットヘッドの駆動方法。
10. 前記初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間が前記最終駆動パルスの信号波形の信号印加時間が、１．５倍であることを特徴とする請求項３のインクジェットヘッドの駆動方法。
11. 印加電圧に応動して変形動作するアクチュエータで構成される複数の側壁と、
    ノズルに連通して前記側壁の間に並設された複数の溝と、
    前記溝のそれぞれにインクを供給するインク流路と、
    前記側壁に設けた電極に入力され前記アクチュエータを変形動作させて前記ノズルからインクを飛翔させる駆動パルスと、前記アクチュエータを動作させない休止時間を設定し、前記駆動パルスを前記休止時間の間隔で連続して複数回与え、その回数を変えることによって、一度に被記録媒体に到達するインク滴容量を変化させるインク滴容量可変手段を設けたインクジェットヘッドにおいて、
    前記複数回の駆動パルスのうち、最後に与えられる最終駆動パルスの信号波形の信号印加時間と、最終駆動パルスの前に１回以上与えられる全ての初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間が異なるとともに、前記駆動パルスが複数の初期駆動パルスを有する場合は全ての初期駆動パルスの信号波形の信号印加時間が同じであり、前記初期駆動パルスと前記最終駆動パルスの電圧振幅が同じであることを特徴とするインクジェットヘッド。
12. 請求項１１記載のインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドにインクを供給するインク供給部と、前記インクジェットヘッドからインクが吐出される被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段と、からなるインクジェット記録装置。

Images