JP5268838B2

JP5268838B2 - インクジェットヘッドの駆動装置

Info

Publication number: JP5268838B2
Application number: JP2009208407A
Authority: JP
Inventors: 英治西田
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: JP2011056760A

Description

この発明は、インクジェットヘッドのインク滴の吐出速度について考慮したインクジェットヘッド駆動装置に関する。

インクジェットヘッドは、静電容量性アクチュエータである圧電素子を、インク吐出用のアクチュエータとして、多数有する。これらアクチュエータにパルス状の駆動電圧が印加されることにより、アクチュエータが作動してインク滴が吐出される。

このようなインクジェットヘッドにおいて、非動作期間が長いと、インクの増粘等の影響により、インク滴が飛び難くなる。数発のインク滴を連続して吐出する場合、最初の１発目のインク滴ほど吐出速度が遅く、各インク滴の吐出速度に大きな差が生じてしまう。各インク滴の吐出速度が互いに異なると、インク滴の着弾位置にずれが生じ、印字品質が悪くなる。例えば、複数のインク滴を吐出して１つの画素を形成する階調印字の場合、階調を切替えながらベタ印字を行うと、階調の切替え部分に不要な白い筋が現れる。

そこで、例えば７発のインク滴を連続して吐出する場合、図９に示すように、駆動電圧Ｅから最初のブーストパルス電圧とそれに続く７発の駆動パルス電圧を生成してアクチュエータに印加する例がある（例えば特許文献１）。ブーストパルス電圧を加えると、ノズル内のインクが少し撓んでインクの増粘状態が解消され、インク滴が飛び易くなる。これにより、図１０に示すように、１発目および２発目のインク滴の吐出速度を高めることができ、各インク滴の吐出速度の差が小さくなる。

しかしながら、ブーストパルス電圧を加えると、合計８発分のパルス電圧を印加することになる。結果として、インクジェットヘッドの駆動周期が長くなり、印字速度の低下を招いてしまう。

対策として、パーシャルブースト方式がある。これは、各インク滴の吐出速度が異なることによって印字に影響が出易いのはインク滴の吐出数が少ない低階調時である点に着目し、低階調時だけブーストパルス電圧を加えて各インク滴の吐出速度の差を小さくし、インク滴の吐出数が多い高階調時はブーストパルス電圧を省いて各駆動パルス電圧の印加に要する時間を短縮する方式である。

別の対策として、ブーストパルス電圧を加える代わりに、図１１および図１２に示すように、駆動パルス電圧のレベルを１発目では大きくしてそこから７発目にかけて徐々に下げていく制御がある。

パーシャルブースト方式の場合、高階調時にブーストパルス電圧を省くため、高階調時は各インク滴の吐出速度に大きな差が生じてしまうことが避けられず、印字品質が低下するという不具合を完全には解消できない。

駆動パルス電圧のレベルを１発目から７発目にかけて徐々に下げていく制御は、制御そのものが難しくて複雑になるという新たな問題がある。

この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的は、ブーストパルス電圧を加えることなく、制御の複雑化を招くこともなく、インク滴の連続吐出に際して各インク滴の吐出速度の差を小さくすることができ、これにより駆動周期が長くならずに良好な印字品質が得られるインクジェットヘッドの駆動装置を提供することである。

請求項１に係る発明のインクジェットヘッドの駆動装置は、数発のインク滴を連続して吐出する際に、アクチュエータに数発の駆動パルス電圧を印加する第１制御手段と、この各駆動パルス電圧のうち、インクの増粘により吐出速度が遅くなる傾向のある初めから所定数のインク滴に対応する初めから所定数の駆動パルス電圧のレベルを残りの駆動パルス電圧のレベルよりも高く設定するとともに、その所定数の駆動パルス電圧のレベルを下降方向にわずかずつ徐々に変化させ、かつ上記残りの駆動パルス電圧のレベルを一定とする第２制御手段と、を備える。

この発明のインクジェットヘッドの駆動装置によれば、ブーストパルス電圧を加えることなく、制御の複雑化を招くこともなく、インク滴の連続吐出に際して各インク滴の吐出速度の差を小さくすることができる。これにより、駆動周期が長くならずに良好な印字品質が得られる。

この発明の一実施形態におけるインクジェットヘッドの外観を示す図。図１の要部を断面して示す図。図２のＸ−Ｘ線に沿う断面を矢印方向に見た図。図３の２つのアクチュエータが互いに離反するように湾曲変形した状態を示す図。図３の２つのアクチュエータが互いに近づくように湾曲変形した状態を示す図。一実施形態の制御回路を示すブロック図。一実施形態の駆動パルス電圧を示す波形図。一実施形態のインク滴ごとの各駆動パルス電圧のレベルを示す図。従来のブーストパルス電圧および各駆動パルス電圧を示す波形図。図９のブーストパルス電圧がある場合とない場合の各インク滴の吐出速度の違いを示す図。従来の各駆動パルス電圧のレベルを徐々に下げていく制御を示す波形図。図１１の制御による各駆動パルス電圧のレベルを示す図。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。シェアモード・シェアウォール・タイプのインクジェットヘッドを図１、図２、図３に示す。図１は斜め方向から見た図。この図１の要部を断面して見たのが図２。この図２のＸ−Ｘ線に沿う断面を矢印方向に見たのが図３である。

基板１の上面にアクチュエータ列Ａおよびアクチュエータ列Ｂが形成され、これらアクチュエータ列Ａ，Ｂを囲む状態に枠部材２が装着される。この枠部材２上に、かつアクチュエータ列Ａ，Ｂを覆う状態に、ノズルプレート３が設けられる。そして、ノズルプレート３の上記アクチュエータ列Ａ，Ｂと対応する位置に、多数のノズル５がそれぞれ列状に形成される。

アクチュエータ列Ａ，Ｂは、それぞれ多数のアクチュエータＺ１，Ｚ２，…Ｚｍの配列により形成されている。このアクチュエータＺ１，Ｚ２，…Ｚｍの相互間に、かつ上記各５と対応する位置に、溝状のチャネル６が確保される。

基板１におけるアクチュエータ列Ａ，Ｂの相互間に、多数のインク流入口７が形成される。これらインク流入口７に流入するインクは各チャネル６に導かれ、その各チャネル６を経たインクは基板１に形成されている多数のインク流出口８を通って基板１の外に流出する。

アクチュエータＺ１，Ｚ２，…Ｚｍは、図３に示すように、静電容量性アクチュエータであるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子１１，１２を互いの分極方向が対向する状態に上下に張り合わせて柱状に形成するとともに、その柱状部分の両側面からチャネル６の底面にかけて駆動パルス電圧を受けるための電極１３を装着したものである。これら電極１３と後述の充放電回路２１とが、基板１上の導電パターン（図示いない）により配線接続される。

チャネル６を挟んで隣り合うアクチュエータＺ１，Ｚ２に着目すると、アクチュエータＺ１が順方向通電されて充電され、同時にアクチュエータＺ２が逆方向通電されて充電されることにより、図４に示すようにアクチュエータＺ１，Ｚ２が互いに離反するようにシェアモード変形して湾曲する。これに伴い、チャネル６の容積が増大して、アクチュエータＺ１，Ｚ２の相互間のチャネル６にインクが補充される。

続いて、アクチュエータＺ１，Ｚ２が放電される。そして、アクチュエータＺ１が逆方向通電されて充電され、同時にアクチュエータＺ２が順方向通電されて充電されることにより、図５に示すようにアクチュエータＺ１，Ｚ２が互いに近づくようにシェアモード変形して湾曲する。これに伴い、チャネル６の容積が減少して、アクチュエータＺ１，Ｚ２の相互間のチャネル６に存するインクがノズル５から勢いよく吐出される。

このアクチュエータＺ１，Ｚ２，…Ｚｍに駆動パルス電圧を印加するための制御回路を図６に示す。
直流電源回路２０は、直流電圧Ｅを出力するとともに、その直流電圧Ｅのレベルを後述の制御部３０からの指令に応じて調節する機能を有する。この直流電源回路２０の出力端に、スイッチ素子Ｓ１２,Ｓ１１の直列回路、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２１の直列回路、およびスイッチ素子Ｓｎ２，Ｓｎ１の直列回路など、多数の直列回路が接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１２,Ｓ１１の相互接続点と、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２１の相互接続点との間に、上記アクチュエータＺ１が接続される。残りの各直列回路の相互間にも、それぞれアクチュエータＺ２，…Ｚｍが接続される。

アクチュエータＺ１に対する通電経路がどのように形成されるかについて説明する。
まず、スイッチング素子Ｓ１２，Ｓ２１がオンされることにより、直流電源回路２０からアクチュエータＺ１に対し順方向電圧が印加され、アクチュエータＺ１が充電される。すなわち、矢印で示すように、直流電源回路２０から電荷Ｑが流れ出し、その電荷Ｑがスイッチング素子Ｓ１２，Ｓ２１を介してアクチュエータＺ１に蓄えられる。続いて、スイッチング素子Ｓ１２，Ｓ２１がオフされ、アクチュエータＺ１への通電が休止される。この後、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ２２がオンされることにより、アクチュエータＺ１に蓄えられたエネルギーが、破線矢印で示すように、アクチュエータＺ１からスイッチ素子Ｓ１２，Ｓ２２を通る経路で放電する。次に、スイッチング素子Ｓ２２，Ｓ１１がオンされることにより、直流電源回路２０からアクチュエータＺ１に対し逆方向電圧が印加され、アクチュエータＺ１が充電される。すなわち、直流電源回路２０から電荷Ｑが流れ出し、その電荷Ｑがスイッチング素子Ｓ２２，Ｓ１１を介してアクチュエータＺ１に蓄積される。

これらスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ２１，…Ｓｎ１、Ｓ１２，Ｓ２２，…Ｓｎ２により、アクチュエータＺ１，Ｚ２，…Ｚｍに対する充放電用の通電路を形成する充放電回路２１が形成される。

この充放電回路２１および上記直流電源回路２０に、制御部３０が接続される。制御部３０は、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ２１，…Ｓｎ１、Ｓ１２，Ｓ２２，…Ｓｎ２をオン，オフ制御することによりアクチュエータＺ１，Ｚ２，…Ｚｍに対する駆動パルス電圧を生成するとともに、その駆動パルス電圧の生成に合わせて直流電源回路２０の出力電圧Ｅのレベルを制御するもので、主要な機能として次の（１）（２）の手段を有する。

（１）例えば１つの画素を複数のインク滴の吐出により形成する階調印字など、１画素を形成するための複数のインク滴を一対のアクチュエータによって連続して吐出する際に、その一対のアクチュエータに対し複数の駆動パルス電圧を印加する第１制御手段。

（２）上記各駆動パルス電圧のうち、初めから所定数の駆動パルス電圧のレベルを残りの駆動パルス電圧のレベルよりも高く設定するとともに、その所定数の駆動パルス電圧のレベルを下降方向に徐々に変化させる第２制御手段。

動作について説明する。
例えば１つの画素を複数のインク滴の吐出により形成する階調印字など、１画素を形成するための複数たとえば７発のインク滴をアクチュエータＺ１，Ｚ２の相互間のチャネル６から連続して吐出する場合、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ１２，Ｓ２２のオン，オフによって７発の駆動パルス電圧が生成される。この生成に際し、直流電源回路２０の出力電圧Ｅのレベルが図７に示すように制御される。

すなわち、１発目のインク滴を吐出するための１発目の駆動パルス電圧の生成に際し、直流電源回路２０の出力電圧Ｅが最大のレベル“Ｅａ”に設定される。２発目のインク滴を吐出するための２発目の駆動パルス電圧の生成に際し、直流電源回路２０の出力電圧Ｅがレベル“Ｅａ”よりわずかに低いレベル“Ｅｂ（＜Ｅａ）”に設定される。３発目のインク滴を吐出するための３発目の駆動パルス電圧の生成に際し、直流電源回路２０の出力電圧Ｅがレベル“Ｅｂ”よりわずかに低いレベル“Ｅｃ（＜Ｅｂ）”に設定される。４発目から７発目のインク滴を吐出するための４発目から７発目の駆動パルス電圧の生成に際しては、直流電源回路２０の出力電圧Ｅがレベル“Ｅｃ”よりわずかに低いレベル“Ｅｄ（＜Ｅｃ）”に設定される。
この出力電圧Ｅのレベル制御に伴い、各駆動パルス電圧のレベルが設定される。各駆動パルス電圧のレベルとインク滴の数との関係を図８に示す。

初めから３発目までのインク滴は増粘等によって吐出速度が遅くなる傾向があることから、初めから３発目までの駆動パルス電圧のレベルを４発目から７発目の駆動パルス電圧のレベルよりも高く設定している。この設定により、たとえチャネル６内のインクが増粘状態にあっても、１発目、２発目、３発目のインク滴の吐出速度を高めることができる。

１発目、２発目、３発目のインク滴の吐出速度が高まることで、従来のようなブーストパルス電圧を用いることなく、１発目から７発目までの各インク滴の吐出速度の差を小さくすることができる。ひいては、駆動周期が長くならず、良好な印字品質が得られる。

インクの粘度は、１発目のインク滴よりも２発目のインク滴の方が低く、さらに２発目のインク滴よりも３発目のインク滴の方が低いことを考慮し、各駆動パルス電圧のレベルを１発目から３発目まで“Ｅａ”“Ｅｂ”“Ｅｃ”へと下降方向に徐々に変化させているので、インクの粘度変化に応じた最適な吐出圧力を得ることができる。これにより、各インク滴の吐出速度の差をより小さくすることができる。

駆動パルス電圧のレベルを下降方向に変化させるのは初めから３発目までの駆動パルス電圧だけで、残りの４発目から７発目までの駆動パルス電圧についてはレベル一定なので、従来のように全ての駆動パルス電圧のレベルを変化させるものに比べ、制御を簡略化できる。これは制御を担うハードウェアの簡略化にもつながり、コストの低減が図れる。

なお、上記実施形態では、７発のインク滴を連続して吐出する場合を例に説明したが、吐出するインク滴の数については、適宜に選定可能である。その他、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…基板、２…枠部材、３…ノズルプレート、５…ノズル、６…チャネル、７…インク流入口、８…インク流出口、Ａ，Ｂ…アクチュエータ列、Ｚ１，Ｚ２，…Ｚｍ……アクチュエータ、１１，１２…圧電素子、１３…電極、２１…充放電回路、２０…直流電源回路、３０…制御部

特開２００７−２２０７３号公報

Claims

複数のインク滴を吐出して１つの画素を形成するためのインク吐出用のアクチュエータを有するインクジェットヘッドの駆動装置において、
１画素を形成するための複数のインク滴を連続して吐出する際に、前記アクチュエータに対し複数の駆動パルス電圧を印加する第１制御手段と、
前記各駆動パルス電圧のうち、インクの増粘により吐出速度が遅くなる傾向のある初めから所定数のインク滴に対応する初めから所定数の駆動パルス電圧のレベルを残りの駆動パルス電圧のレベルよりも高く設定するとともに、その所定数の駆動パルス電圧のレベルを下降方向にわずかずつ徐々に変化させ、かつ前記残りの駆動パルス電圧のレベルを一定とする第２制御手段と、
を備えることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。