JP6976726B2 - 駆動装置及びインクジェット記録装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、駆動装置及びインクジェット記録装置に関する。
インクジェットプリンターなどのインクジェット記録装置は、インクジェットヘッドのノズルから吐出されたメインドットから小液滴が分離する場合がある。このような小液滴は、サテライトドットと呼ばれる。サテライトドットの発生は、記録画像の品質低下などに繋がるため、問題である。
特開2015−51599号公報
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、サテライトドットの発生を抑える駆動装置及びインクジェット記録装置を提供することである。
実施形態の駆動装置は、圧力室内の液体をノズルから吐出させるための駆動信号をアクチュエーターに印加する印加部を含む。駆動信号は、圧力室の圧力を増加させるように前記アクチュエーターを駆動させる第1のパルスを含む。印加部は、前記第1のパルスの印加を、前記液体の前記ノズルの開口部での流速が液体吐出方向に負の値を持つときに終了する。
第1実施形態〜第4実施形態に係るインクジェット記録装置の構成の一例を示す側面模式図。 図1中に示す液体吐出ヘッドの構成の一例を示す斜視模式図。 図1中に示す液体吐出ヘッドの構成の一例を示す分解斜視模式図。 図2のF−F線断面模式図。 図1に示すインクジェット記録装置の要部回路構成の一例を示すブロック図。 第1解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 比較解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 第2解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 第3解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 第4解析モデル〜第7解析モデル及び比較解析モデルにおける収縮時間と残留振幅との関係を示すグラフ。 従来の液滴の飛翔形状の例を示す模式図。 実施形態に係る液滴の飛翔形状の例を示す模式図。 第8解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 第9解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 第10解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。 第11解析モデルに係る駆動波形、及び当該駆動波形が印加された場合のノズル流速及びノズル圧力の時間変化を示す図。
以下、いくつかの実施形態に係るインクジェット記録装置について図面を用いて説明する。なお、実施形態の説明に用いる各図面は、説明のため、各部の縮尺を適宜変更して示している場合がある。また、実施形態の説明に用いる各図面は、説明のため、構成を省略して示している場合がある。
〔第1実施形態〕
以下、第1実施形態に係るインクジェット記録装置の構成について説明する。
図1は、第1実施形態に係るインクジェット記録装置1の構成の一例を示す側面模式図である。
インクジェット記録装置1は、一例として、複数の液体吐出部2と、液体吐出部2を移動可能に支持するヘッド支持機構3と、記録媒体Sを移動可能に支持する媒体支持機構4と、を備える。記録媒体Sは、例えば、紙又は樹脂などを素材とするシートである。
図1に示すように、複数の液体吐出部2が、所定の方向に並列して配置された状態でヘッド支持機構3に支持される。ヘッド支持機構3は、ローラー3aに掛けられた無端ベルト3bに取り付けられている。インクジェット記録装置1は、ローラー3aを回転させることで、ヘッド支持機構3を、記録媒体Sの搬送方向に対して直交する主走査方向Aに移動させることが可能である。液体吐出部2は、インクジェットヘッド10及び循環装置20を一体に備える。液体吐出部2は、液体として例えばインクIをインクジェットヘッド10から吐出させる吐出動作を行う。インクジェット記録装置1は、一例として、ヘッド支持機構3を主走査方向Aに往復移動させながらインク吐出動作を行うことで、対向して配置される記録媒体Sに所望の画像を形成するスキャン方式である。あるいは、インクジェット記録装置1は、ヘッド支持機構3を主走査方向Aに移動させずにインク吐出動作を行うシングルパス方式であっても良い。この場合、ローラー3a及び無端ベルト3bは、設けるには及ばない。また、ヘッド支持機構3は、インクジェット記録装置1の筐体などに固定される。
複数の液体吐出部2は、例えば、CMYKに対応する4色のインク、すなわちシアンインク、マゼンタインク、イエローインク及びブラックインクを、それぞれ吐出する。
以下、インクジェットヘッド10について図2〜図4に基づいて説明する。なお、インクジェットヘッド10として、循環タイプのサイドシュータ型インクジェットヘッドを各図に例示する。しかしながら、インクジェットヘッド10は、その他の種類のインクジェットヘッドであっても良い。
図2は、インクジェットヘッド10の構成の一例を示す斜視図である。図3は、インクジェットヘッド10の構成の一例を示す分解斜視図である。図4は、図2のF−F線断面図である。
インクジェットヘッド10は、インクジェット記録装置1に搭載され、チューブのような部品を介してインクタンクに接続されている。このようなインクジェットヘッド10は、ヘッド本体11と、ユニット部12と、一対の回路基板13とを備えている。インクジェットヘッド10は、駆動装置の一例である。
ヘッド本体11は、インクを吐出するための装置である。ヘッド本体11は、ユニット部12に取り付けられている。ユニット部12は、ヘッド本体11と前記インクタンクとの間の経路の一部を形成するマニホールドや、インクジェット記録装置1の内部に取り付けるための部材を含んでいる。一対の回路基板13は、ヘッド本体11にそれぞれ取り付けられている。
ヘッド本体11は、図3及び図4に示すようにベースプレート15と、ノズルプレート16と、枠部材17と、一対の駆動素子18とを備えている。ヘッド本体11の内部には、図4に示すように、インクが供給されるインク室19が形成されている。
ベースプレート15は、図3に示すように、例えばアルミナのようなセラミックスによって矩形の板状に形成されている。ベースプレート15は、平坦な実装面21を有している。ベースプレート15は、実装面21に、複数の供給孔22と、複数の排出孔23とが開口している。
供給孔22は、ベースプレート15の中央部において、ベースプレート15の長手方向に並んで設けられている。供給孔22は、ユニット部12の前記マニホールドのインク供給部12aに連通している。供給孔22は、インク供給部12aを介して循環装置20内のインクタンクに接続されている。前記インクタンクのインクは、インク供給部及び供給孔22を通じてインク室19に供給される。
排出孔23は、供給孔22を挟むように二列に並んで設けられている。排出孔23は、ユニット部12の前記マニホールドのインク排出部12bに連通している。排出孔23は、インク排出部12bを介して循環装置20内のインクタンクに接続されている。インク室19のインクは、インク排出部12b及び排出孔23を通じて前記インクタンクに回収される。このように、インクは前記インクタンクとインク室19との間で循環する。
ノズルプレート16は、例えば表面に撥液性機能を付与したポリイミド製の矩形状のフィルムによって形成されている。ノズルプレート16は、ベースプレート15の実装面21に対向している。ノズルプレート16に、複数のノズル25が設けられている。複数のノズル25は、ノズルプレート16の長手方向に沿って二列に並んでいる。
枠部材17は、例えばニッケル合金によって矩形の枠状に形成されている。枠部材17は、ベースプレート15の実装面21とノズルプレート16との間に介在している。枠部材17は、実装面21とノズルプレート16とにそれぞれ接着されている。すなわち、ノズルプレート16は、枠部材17を介してベースプレート15に取り付けられている。インク室19は、図4に示すように、ベースプレート15と、ノズルプレート16と、枠部材17とに囲まれて形成されている。
駆動素子18は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)によって形成された板状の二つの圧電体によって形成されている。前記二つの圧電体は、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされている。
一対の駆動素子18は、図3に示すように、ベースプレート15の実装面21に接着されている。一対の駆動素子18は、図4に示すように、二列に並ぶノズル25に対応して、インク室19の中に平行に配置されている。駆動素子18は、断面台形状に形成されている。駆動素子18の頂部は、ノズルプレート16に接着されている。
駆動素子18に、複数の溝27が設けられている。溝27は、駆動素子18の長手方向と交差する方向にそれぞれ延びており、駆動素子18の長手方向に並んでいる。複数の溝27は、ノズルプレート16の複数のノズル25に対向している。本実施形態の駆動素子18は、図4に示すように、溝27にインクを吐出する駆動流路となる複数の圧力室51を配置している。
複数の溝27のそれぞれに、電極28が設けられている。電極28は、例えばニッケル薄膜をフォトレジストエッチング加工することによって形成されている。電極28は、溝27の内面を覆っている。
図3に示すように、ベースプレート15の実装面21から駆動素子18に亘って、複数の配線パターン35が設けられている。これらの配線パターン35は、例えばニッケル薄膜をフォトレジストエッチング加工することによって形成されている。
配線パターン35は、実装面21の一つの側端部21aおよび他方の側端部21bからそれぞれ延びている。なお、側端部21a,21bは、実装面21の縁のみならずその周辺の領域を含む。このため、配線パターン35は、実装面21の縁よりも内側に設けられても良い。
以下、一つの側端部21aから延びる配線パターン35について代表して説明する。なお、他方の側端部21bの配線パターン35の基本的な構成は、一つの側端部21aの配線パターン35と同様である。
配線パターン35は、図3及び図4に示すように、第1の部分35aと、第2の部分35bとを有している。配線パターン35の第1の部分35aは、実装面21の側端部21aから駆動素子18に向かって直線状に延びている部分である。第1の部分35aは、互いに平行に延びている。配線パターン35の第2の部分35bは、第1の部分35aの端部と、電極28とに跨る部分である。第2の部分35bは、電極28にそれぞれ電気的に接続されている。
一つの駆動素子18において、複数の電極28のうち幾つかの電極28は、第1の電極群31を構成する。複数の電極28のうち他の幾つかの電極28は、第2の電極群32を構成する。
第1の電極群31と第2の電極群32とは、駆動素子18の長手方向の中央部を境に分かれている。第2の電極群32は、第1の電極群31と隣り合っている。第1および第2の電極群31,32は、例えば159個の電極28をそれぞれ含んでいる。
図2に示すように、一対の回路基板13のそれぞれは、基板本体44と、一対のフィルムキャリアーパッケージ(FCP)45とをそれぞれ有している。なお、FCPは、テープキャリアーパッケージ(TCP)とも称される。
基板本体44は、矩形状に形成された剛性を有するプリント配線板である。基板本体44に、種々の電子部品やコネクターが実装される。また、基板本体44に、一対のFCP45がそれぞれ取り付けられている。
一対のFCP45は、複数の配線が形成されるとともに柔軟性を有する樹脂製のフィルム46と、前記複数の配線に接続されたヘッド駆動回路47とをそれぞれ有している。フィルム46は、テープオートメーテッドボンディング(TAB)である。ヘッド駆動回路47は、電極28に電圧を印加するためのIC(integrated circuit)である。ヘッド駆動回路47は、樹脂によってフィルム46に固定されている。
一方のFCP45の端部は、異方性導電性フィルム(ACF)48によって、配線パターン35の第1の部分35aに、熱圧着接続されている。これにより、FCP45の前記複数の配線は、配線パターン35に電気的に接続される。
FCP45が配線パターン35に接続されることで、ヘッド駆動回路47が、FCP45の前記配線を介して電極28に電気的に接続される。ヘッド駆動回路47は、フィルム46の前記配線を介して電極28に電圧を印加する。
ヘッド駆動回路47が電極28に電圧を印加すると、駆動素子18がシェアモード変形することにより、当該電極28が設けられた圧力室51の容積が増減させられる。これにより、圧力室51の中のインクの圧力が変化し、当該インクがノズル25から吐出される。このように、圧力室51を隔てる駆動素子18は、圧力室51の内部に圧力振動を与えるためのアクチュエーターとなる。
図1に示す循環装置20は、金属製などの連結部品によりインクジェットヘッド10の上部に一体に連結されている。循環装置20は、前記インクタンク及びインクジェットヘッド10を通り液体が循環可能に構成された所定の循環路を備える。循環装置20は、液体を循環させるためのポンプを備える。当該液体は、ポンプの働きにより循環装置20からインク供給部を通じてインクジェットヘッド10内に供給され、所定の流路を通った後、インク排出部を通じてインクジェットヘッド10内から循環装置20へと送られる。
また、循環装置20は、循環路の外部に設けられる補給タンクとしてのカートリッジから循環路に液体を補給する。
インクジェット記録装置1の要部回路構成について説明する。図5は、第1実施形態に係るインクジェット記録装置1の要部回路構成の一例を示すブロック図である。
インクジェット記録装置1は、プロセッサー101、ROM(read-only memory)102、RAM(random-access memory)103、通信インターフェース104、表示部105、操作部106、ヘッドインターフェース107、バス108及びインクジェットヘッド10を含む。
プロセッサー101は、インクジェット記録装置1の動作に必要な処理及び制御を行うコンピューターの中枢部分に相当する。プロセッサー101は、ROM102に記憶されたシステムソフトウェア、アプリケーションソフトウェア又はファームウェアなどのプログラムに基づいて、インクジェット記録装置1の各種の機能を実現するべく各部を制御する。プロセッサー101は、例えば、CPU(central processing unit)、MPU(micro processing unit)、SoC(system on a chip)、DSP(digital signal processor)又はGPU(graphics processing unit)などである。あるいは、プロセッサー101は、これらの組み合わせである。
ROM102は、プロセッサー101を中枢とするコンピューターの主記憶部分に相当する、専らデータの読み出しに用いられる不揮発性メモリである。ROM102は、上記のプログラムを記憶する。また、ROM102は、プロセッサー101が各種の処理を行う上で使用するデータ又は各種の設定値などを記憶する。
RAM103は、プロセッサー101を中枢とするコンピューターの主記憶部分に相当する、データの読み書きに用いられるメモリである。RAM103は、プロセッサー101が各種の処理を行う上で一時的に使用するデータを記憶しておく、いわゆるワークエリアなどとして利用される。
通信インターフェース104は、インクジェット記録装置1がネットワーク又は通信ケーブルなどを介してホストコンピューターなどと通信するためのインターフェースである。
表示部105は、インクジェット記録装置1の操作者に各種情報を通知するための画面を表示する。表示部105は、例えば、液晶ディスプレイ又は有機EL(electro-luminescence)ディスプレイなどのディスプレイである。
操作部106は、インクジェット記録装置1の操作者による操作を受け付ける。操作部106は、例えば、キーボード、キーパッド、タッチパッド又はマウスなどである。また、操作部106としては、表示部105の表示パネルに重ねて配置されたタッチパッドを用いることもできる。すなわち、タッチパネルが備える表示パネルを表示部105として、タッチパネルが備えるタッチパッドを操作部106として用いることができる。
ヘッドインターフェース107は、プロセッサー101がインクジェットヘッド10と通信するために設けられる。ヘッドインターフェース107は、プロセッサー101の制御のもと、階調データなどをインクジェットヘッド10へ送信する。
バス108は、コントロールバス、アドレスバス及びデータバスなどを含み、インクジェット記録装置1の各部で授受される信号を伝送する。
インクジェットヘッド10は、ヘッドドライバー100を備える。
ヘッドドライバー100は、インクジェットヘッド10を動作させるための駆動回路である。ヘッドドライバー100は、例えばラインドライバーである。ヘッドドライバー100は、入力される階調データに基づき、複数の駆動素子18のそれぞれに印加する駆動信号を生成する。そして、ヘッドドライバー100は、生成した駆動信号を複数の駆動素子18のそれぞれに印加する。ヘッドドライバー100は、駆動装置の一例である。ヘッドドライバー100は、駆動素子18に駆動信号を印加することで、印加部として動作する。
駆動信号が印加されることで、圧電体である駆動素子18は、シェアモード変形する。この変形により、駆動信号の電位が正のとき、圧力室51は収縮して圧力室51の容積は減少する。また、駆動信号の電位が負のとき、圧力室51は拡張して圧力室51の容積は増加する。そして、以上のような圧力室51の容積の変化に伴い、圧力室51内のインクの圧力が変化する。例えば、インクジェットヘッド10は、圧力室51を拡張させた後に収縮させることで、インクを吐出させる。なお、駆動信号の波形を以下「駆動波形」という。
第1実施形態に係る駆動波形の例を、図6に基づいて説明する。図6のD1は、1滴分のインクをノズル25から吐出させる場合にヘッドドライバー100がアクチュエーターに印加する駆動波形の例を示す。なお、図6は、後に説明する第1解析モデルに係る図であり、数値解析により得られたものである。
第1実施形態に係る駆動波形は、一例として図6のD1に示すように負電位(a)、正電位(b)、ゼロ電位(c)の順で電位が変化する波形である。負電位(a)及び正電位(b)は、それぞれ単一の矩形波である。正電位(b)印加前に負電位(a)を印加することにより、後に続く正電位(b)印加時に、圧力室が拡張状態から収縮状態になる。これにより、圧力室が収縮も拡張もしていない通常状態から収縮状態になる場合に比べて、正電位(b)印加時の圧力変化量が大きくなる。これにより、インクの吐出効率が上がる。そして、正電位(b)の印加により、ノズルの開口部におけるメニスカス面での液体(インク)の速度(以下「ノズル流速」という。)V1が1番目の正のピークp付近であるときにインクの吐出が開始される。なお、ノズル流速は、ノズルの開口面(以下「ノズル面」という。)に垂直でインクが吐出する方向を正、ノズル面に垂直でインク室側の方向を負とする速度である。また、ノズルの開口部におけるメニスカス面での液体(インク)の圧力を、以下「ノズル圧力」という。ノズル圧力も、ノズル流速と同様に、ノズル面に垂直でインクが吐出する方向を正、ノズル面に垂直でインク室側の方向を負とする。
負電位(a)を印加することで圧力室51は拡張する。これにより、圧力室51内のインクは、圧力が減少する。したがって、負電位(a)は、圧力室の圧力を減少させるようにアクチュエーターを駆動させる第2のパルスの一例である。正電位(b)を印加することで圧力室51は収縮する。これにより、圧力室51内のインクは、圧力が増加する。したがって、正電位(b)は、圧力室の圧力を増加させるようにアクチュエーターを駆動させる第1のパルスの一例である。
インク室のインク固有振動周期(インク伝播時間)の半分の時間をALとすると、負電位(a)の印加時間は、1ALであることが好ましい。
すなわち、負電位(a)の印加時間は、インク室のインク固有振動周期の半分の時間であることが好ましい。
以上の条件により、インクが効率よく吐出される。
正電位(b)の印加時間は、負電位(a)の印加時間が1ALの場合、1AL以上2AL未満であることが好ましい。より好ましくは、正電位(b)の印加時間は、1AL以上1.8AL以下である。さらに好ましくは、正電位(b)の印加時間は、1.2AL以上1.6AL以下である。特に好ましくは、正電位(b)の印加時間は、1.5ALである。
すなわち、正電位(b)の印加終了は、負電位(a)の印加開始から2AL以上経過し、且つ3AL経過するより前であることが好ましい。より好ましくは、正電位(b)の印加終了は、負電位(a)の印加開始から2AL以上経過し、且つ2.8AL経過する以前である。さらに好ましくは、正電位(b)の印加終了は、負電位(a)の印加開始から2.6AL経過する以前である。特に好ましくは、正電位(b)の印加終了は、負電位(a)の印加開始から2.5AL経過時である。
また、図6のV1から分かるように、ノズル流速は、負電位(a)の印加開始から1AL経過するまでは負の値を示す。そして、ノズル流速は、負電位(a)の印加開始から1AL経過後から、負電位(a)の印加開始から2AL経過するまでは正の値を示す。さらに、ノズル流速は、負電位(a)の印加開始から2AL経過後から、負電位(a)の印加開始から3AL経過するまでは負の値を示す。また、ノズル流速は、負電位(a)の印加開始から2.5AL経過時に負のピークを示す。したがって、正電位(b)の印加終了は、ノズル流速が負の値であるときであることが好ましい。より好ましくは、正電位(b)の印加終了は、ノズル流速が負のピークであるときである。
インクジェット記録装置1は、第1実施形態に係る駆動波形を印加することでサテライトドットの発生を抑制することができる。
以下、第1実施形態に係る駆動波形について、比較解析モデル、第1解析モデル〜第7解析モデルに基づいてさらに説明する。比較解析モデル及び第1解析モデル〜第7解析モデルは、数値解析に基づく解析モデルである。以下に示すノズル圧力は、ノズル面に垂直でインクが吐出する方向を正、ノズル面に垂直でインク室側の方向を負とする圧力である。また、各解析モデルにおいて図に示す駆動波形は、1滴分のインクをノズル25から吐出させるためにヘッドドライバー100がアクチュエーターに印加する駆動波形を示す。
(比較解析モデル)
比較解析モデルにおける駆動波形は、従来のインクジェット記録装置において用いられる駆動波形の一例である。比較解析モデルの駆動波形を図7に示す。図7は、比較解析モデルに係る駆動波形Dcを示す。また、図7は、駆動波形Dcが印加された場合のノズル流速Vc及びノズル圧力Pcの時間変化を示す。
比較解析モデルの駆動波形Dcは、負電位(a)を1AL印加した後、正電位(b)を2AL印加し、ゼロ電位(c)の後、負電位(d)を印加するものである。
(第1解析モデル)
第1解析モデルの駆動波形を図6に示す。図6は、第1解析モデルに係る駆動波形D1を示す。また、図6は、駆動波形D1が印加された場合のノズル流速V1及びノズル圧力P1の時間変化を示す。
第1解析モデルの駆動波形D1は、負電位(a)を1AL印加した後、正電位(b)を2ALより短い時間である1.5AL印加するものである。
(第2解析モデル)
第2解析モデルの駆動波形を図8に示す。図8は、第2解析モデルに係る駆動波形D2を示す。また、図8は、駆動波形D2が印加された場合のノズル流速V2及びノズル圧力P2の時間変化を示す。
第2解析モデルの駆動波形D2は、負電位(a)を1AL印加した後、正電位(b)を1AL印加するものである。
(第3解析モデル)
第3解析モデルの駆動波形を図9に示す。図9は、第3解析モデルに係る駆動波形D3を示す。また、図9は、駆動波形D3が印加された場合のノズル流速V3及びノズル圧力P3の時間変化を示す。
第3解析モデルの駆動波形D3は、第2解析モデルの駆動波形と同一である。ただし、第3解析モデルでは、第2解析モデルで用いたインクよりも減衰率の大きいインクを用いて数値解析を行ったものである。減衰率は、例えば粘度の高いインクであるほど大きくなる傾向にある。
(第4解析モデル〜第7解析モデル)
第4解析モデル〜第7解析モデルの駆動波形は、比較解析モデルの駆動波形の正電位(b)の印加時間を様々に変化させたものである。比較解析モデルの正電位(b)の印加時間を100%(=2AL)として、各解析モデルの正電位(b)の印加時間を、以下の範囲内となるようにした。
100%=比較解析モデルの正電位(b)印加時間,
98%>第4解析モデルの正電位(b)印加時間>97%,
95%>第5解析モデルの正電位(b)印加時間>94%,
93%>第6解析モデルの正電位(b)印加時間>92%,
90%>第7解析モデルの正電位(b)印加時間>89%。
以上のような第4解析モデル〜第7解析モデル及び比較解析モデルそれぞれについて、残留振幅の大きさを導出した。この結果を図10のグラフに示す。図10は、第4解析モデル〜第7解析モデル及び比較解析モデルにおける収縮時間(正電位(b)の印加時間)と残留振幅との関係を示すグラフである。なお、図10において、点Mcは比較解析モデルを示し、点M4〜点M7はそれぞれ第4解析モデル〜第7解析モデルを示す。
比較解析モデルでは、図7に示すように、正電位(b)の印加終了時にノズル流速Vcが急激に抑えられる方向に変化していることが分かる。これに対して、第1解析モデルでは、図6に示すように、正電位(b)の印加終了時にノズル流速V1が急激に抑えられるような変化はしていないことが分かる。また、比較解析モデルに係る残留振幅rcは、第1解析モデルに係る残留振幅r1と比較して小さいことが分かる。
比較解析モデルでは、以上のような流速の変化のため、図11に示すような形状でインクが吐出される。図11は、従来の液滴の飛翔形状の例を示す模式図である。ノズル25から吐出されたインクIは、図11(a)に示すようにメインドットI11及び尾引き部I12から成る。ノズル流速Vcが急激に抑えられる方向に変化し、残留振幅rcが小さいことから、吐出されたインクの尾引き部I12のノズル側端の流速は、急激に抑えられた状態になる。したがって、尾引き部I12は、長さが長い状態のまま飛翔する。これは、尾引き部I12の速度が遅く、メインドットI11と凝集することができないためである。また、尾引き部I12は、長さが長いほど分断しやすいため、飛翔中に図11(b)で示されるように複数に分断される。そして、分断された尾引き部I12が、サテライトドットの原因となると考えられる。
対して、第1解析モデルでは、図12に示すような形状でインクIが吐出される。図12は、実施形態に係る液滴の飛翔形状の例を示す模式図である。ノズル25から吐出されたインクIは、図12(a)に示すようにメインドットI21及び尾引き部I22から成る。第1解析モデルでは、前述のように残留振幅r1を比較解析モデルよりも多く残した状態でインクの吐出を終了することになるため、尾引き部I22のノズル側端の流速が急激に抑えられる状態にはならない。したがって、吐出されたインクIは、図12(b)に示すようにメインドットI21と尾引き部I22とが凝集して、尾引き部I22の長さが短くなる。なお、尾引き部I22とメインドットI21との速度差、及びインクIの表面張力などが一定の条件を満たすことで、尾引き部I22とメインドットI21との凝集しやすさが変化すると考えられる。すなわち、((尾引き部I22の速度)−(メインドットI21の速度))が大きいほど尾引き部I22がメインドットI21に追いつきやすいため、尾引き部I22とメインドットI21とが凝集しやすいと考えられる。また、インクIの表面張力が大きいほどインクIの凝集力が大きいため、尾引き部I22とメインドットI21とが凝集しやすいと考えられる。以上のように尾引き部I22の長さが短くなることで、尾引き部I22は分断されにくくなる。このため、サテライトドットの発生が抑えられる。
以上より、正電位(b)の印加時間が2ALよりも短い1.5ALである場合に、サテライトドットの発生を抑制する効果が得られることがわかる。
第2解析モデルでも、正電位(b)の印加終了時にノズル流速V2が急激に抑えられるような変化はしない。また、残留振幅r2は、比較解析モデルの残留振幅rcに比べて大きい。このため、第1解析モデルと同様に尾引き部I22が短くなる。したがって、正電位(b)の印加時間が1ALであるときに、サテライトドットの発生を抑制する効果が得られることがわかる。しかしながら、残留振幅r2がピークpでの振幅に近い大きさとなっているため、第2解析モデルでは第1解析モデルに比べて、残留振幅r2のピーク時にインクが誤吐出する可能性は高くなる。したがって、正電位(b)の印加時間を短くしすぎると誤吐出の可能性が高まると考えられる。以上より、正電位(b)の印加時間は1ALよりも1.5ALの方が好ましいことがわかる。
第3解析モデルでも、第2解析モデルと同様に、正電位(b)の印加終了時にノズル流速V3が急激に抑えられるような変化はしない。また、残留振幅r3は、比較解析モデルの残留振幅rcに比べて大きい。したがって、第2解析モデルと同様に、正電位(b)の印加時間が1ALであるときに、サテライトドットの発生を抑制する効果が得られることがわかる。ただし、第3解析モデルでは、第2解析モデルに比べて残留振幅r3が小さい。これは、インクの減衰率が大きいためである。したがって、インクの減衰率が大きい場合には、正電位(b)の印加時間を短くしても誤吐出は起きにくいことが分かる。つまり、インクの減衰率が大きい場合には、十分な残留振幅を残すために、減衰率の小さいインクに比べて正電位(b)の印加時間を短くすることが好ましいことが分かる。正電位(b)の印加時間は、インクの減衰率に応じて、残留振幅のピーク(2番目の正のピーク)が、1番目の正のピークに対して30%以上65%以下となるようにすることが好ましい。なお、正電位(b)の印加時間を1ALよりも短くすることは、インクの吐出効率(吐出量)が落ち、それに伴って流速振動振幅も小さくなってしまうので好ましくないと考えられる。
図10に示すように第4解析モデル〜第7解析モデルのいずれにおいても残留振幅が比較解析モデルよりも大きいことが分かる。したがって、収縮時間(正電位(b)の印加時間)が100%(2AL)未満のときにサテライトドットの発生を抑制する効果が得られることが分かる。また、図10に示すように、収縮時間が89%〜100%の範囲では、収縮時間が短いほど残留振幅が大きく、サテライトドットの発生を抑制する効果も大きいことが分かる。特に、第7解析モデルと第6解析モデルとの残留振幅の大きさの差は、第6解析モデルと第5解析モデルとの残留振幅の大きさの差、第5解析モデルと第4解析モデルとの残留振幅の大きさの差、及び第4解析モデルと比較解析モデルとの残留振幅の大きさの差に比べて顕著に大きい。このことから、収縮時間(正電位(b)の印加時間)が90%(1.8AL)以下のときにサテライトドットの発生を抑制する効果が好ましく得られることが分かる。
〔第2実施形態〕
第2実施形態に係るインクジェット記録装置1について説明する。第2実施形態に係るインクジェット記録装置1は、第1実施形態と同様の構成であるので構成の説明を省略する。
第2実施形態に係る駆動波形を、図13に基づいて説明する。図13のD8は、1滴分のインクをノズル25から吐出させる場合にヘッドドライバー100がアクチュエーターに印加する駆動波形の例を示す。なお、図13は、後に説明する第8解析モデルに係る図であり、数値解析により得られたものである。
第2実施形態に係る駆動波形は、一例として図13のD8に示すように、負電位(a)、正電位(b)、ゼロ電位(c)、負電位(d)、ゼロ電位(e)の順で電位が変化する波形である。第2実施形態に係る駆動波形における負電位(a)及び正電位(b)は、第1実施形態に係る駆動波形と同様であるので説明を省略する。
負電位(d)は、負電位(a)及び正電位(b)と同様に単一の矩形波である。
負電位(d)を印加することで圧力室51は拡張する。これにより、圧力室51内のインクは、圧力が減少する。したがって、負電位(d)は、圧力室の圧力を減少させるようにアクチュエーターを駆動させる第3のパルスの一例である。
負電位(d)の印加開始は、負電位(a)の印加開始から3AL以上経過し、且つ4AL経過するより前であることが好ましい。そして、負電位(d)の印加終了は、負電位(a)の印加開始から3AL以上経過し、4AL経過するより前であることが好ましい。
また、ノズル流速は、負電位(d)が印加されなかった場合、負電位(a)の印加開始から2AL経過後から、負電位(a)の印加開始から3AL経過するまでは負の値を示す。そして、ノズル流速は、負電位(d)が印加されなかった場合、負電位(a)の印加開始から3AL経過後から、負電位(a)の印加開始から4AL経過するまでは正の値を示す。なお、負電位(d)が印加されなかった場合にノズル流速が0以上の値を示す期間を、以下「特定期間」というものとする。以上より、負電位(d)の印加開始は、特定期間内であることが好ましい。そして、負電位(d)の印加終了は、特定期間内であることが好ましい。より好ましくは、負電位(d)の印加終了は、ノズル流速が0のときである。
第2実施形態に係る駆動波形は、第1実施形態に係る駆動波形の条件も満たす。したがって、インクジェット記録装置1は、第2実施形態に係る駆動波形を印加することで、第1実施形態と同様にサテライトドットの発生を抑制することができる。
また、インクジェット記録装置1は、第2実施形態に係る駆動波形を印加することでインクの誤吐出を抑制することができる。
以下、第2実施形態に係る駆動波形について、比較解析モデル及び第8解析モデルに基づいてさらに説明する。第8解析モデルは、比較解析モデル及び第1解析モデル〜第7解析モデルと同様に数値解析に基づく解析モデルである。
(第8解析モデル)
第8解析モデルの駆動波形を図13に示す。図13は、第8解析モデルに係る駆動波形D8を示す。また、図13は、駆動波形D8が印加された場合のノズル流速V8及びノズル圧力P8の時間変化を示す。
駆動波形D8は、負電位(a)を1AL印加した後、正電位(b)を2ALより短い時間印加し、ゼロ電位(c)の後、負電位(a)の印加開始から3AL超経過し且つ3.5AL経過するより前に負電位(d)の印加を開始するものである。そして、駆動波形D8は、負電位(a)の印加開始から3.5AL経過以前に負電位(d)の印加を終了するものである。
第8解析モデルでも、正電位(b)の印加終了時にノズル流速V8が急激に抑えられるような変化はせず、比較解析モデルに比べて残留振幅r8が大きい。したがって、第8解析モデルでも、サテライトドットの発生を抑制する効果が得られることが分かる。
また、第8解析モデルでは、負電位(d)の印加により、第1実施形態のように負電位(d)を印加しない場合に比べて、残留振幅r8のピークが抑えられている。したがって、第8解析モデルに示すような負電位(d)を印加することで、負電位(d)を印加しない場合に比べてインクの誤吐出を抑制する効果が得られることが分かる。
〔第3実施形態〕
第3実施形態に係るインクジェット記録装置1について説明する。第3実施形態に係るインクジェット記録装置1は、第1実施形態と同様の構成であるので構成の説明を省略する。
第3実施形態に係る駆動波形を、図14に基づいて説明する。図14のD9は、1滴分のインクをノズル25から吐出させる場合にヘッドドライバー100がアクチュエーターに印加する駆動波形の例を示す。なお、図14は、後に説明する第9解析モデルに係る図であり、数値解析により得られたものである。
第3実施形態に係る駆動波形は、一例として図14のD9に示すように、負電位(a)、正電位(b)、ゼロ電位(c)、負電位(d)、ゼロ電位(e)の順で電位が変化する波形である。第3実施形態に係る駆動波形における負電位(a)及び正電位(b)は、第1実施形態及び第2実施形態に係る駆動波形と同様であるので説明を省略する。
第3実施形態の負電位(d)は、第2実施形態と同様に単一の矩形波である。
第3実施形態の負電位(d)の印加開始は、負電位(a)の印加開始から3AL以上経過し、且つ3.5AL経過するより前であることが好ましい。そして、負電位(d)の印加終了は、負電位(a)の印加開始から3.5AL超経過、且つ4AL経過する前であることが好ましい。
また、ノズル流速は、負電位(d)が印加されなかった場合、図14のV9bに示すような波形を示す。すなわち、ノズル流速は、負電位(d)が印加されなかった場合、負電位(a)の印加開始から3.5AL経過したときに2番目の正のピークを示す。なお、負電位(d)が印加されなかった場合にノズル流速が2番目の正のピークを示すときを、以下「特定タイミング」というものとする。したがって、負電位(d)の印加開始は、特定タイミングよりも前であることが好ましい。そして、負電位(d)の印加終了は、特定タイミングよりも後であることが好ましい。すなわち、負電位(d)の印加開始から印加終了までの印加期間は、特定タイミングを跨ぐことが好ましい。
また、負電位(d)は、ノズル流速が0であるときに印加を終了することが好ましい。
第3実施形態に係る駆動波形は、第1実施形態に係る駆動波形の条件も満たす。したがって、インクジェット記録装置1は、第3実施形態に係る駆動波形を印加することで、第1実施形態及び第2実施形態と同様にサテライトドットの発生を抑制することができる。
また、第3実施形態に係る駆動波形は、第2実施形態に係る駆動波形の条件も満たす。したがって、インクジェット記録装置1は、第3実施形態に係る駆動波形を印加することで、第2実施形態と同様にインクの誤吐出を抑制することができる。
さらに、インクジェット記録装置1は、第3実施形態に係る駆動波形を印加することで、残留振動を抑えることができる。またこれにより、インクジェットヘッド10は、次のインク吐出動作をすぐに行うことができるため、時間あたりのインク吐出回数の向上が可能である。すなわち、駆動周波数の向上が可能である。
(第9解析モデル)
第9解析モデルの駆動波形を図14に示す。図14は、第9解析モデルに係る駆動波形D9を示す。また、図14は、駆動波形D9が印加された場合のノズル流速V9及びノズル圧力P9の時間変化を示す。さらに、図14は、負電位(d)を印加しなかった場合における残留振幅を半波長分、波形V9bとして示す。
駆動波形D9は、負電位(a)を1AL印加した後、正電位(b)を2ALより短い時間印加し、ゼロ電位(c)の後、負電位(a)の印加開始から3AL経過時に負電位(d)の印加を開始するものである。そして、駆動波形D9は、負電位(a)の印加開始から4AL経過時に負電位(d)の印加を終了するものである。
(第10解析モデル)
第10解析モデルの駆動波形を図15に示す。図15は、第10解析モデルに係る駆動波形D10を示す。また、図15は、駆動波形D10が印加された場合のノズル流速V10及びノズル圧力P10の時間変化を示す。さらに、図15は、負電位(d)を印加しなかった場合における残留振幅を半波長分、波形V10bとして示す。
駆動波形D10は、負電位(a)を1AL印加した後、正電位(b)を2ALより短い時間印加し、ゼロ電位(c)の後、負電位(a)の印加開始から3AL超経過し且つ3.5AL経過するより前に負電位(d)の印加を開始するものである。そして、駆動波形D10は、負電位(a)の印加開始から3.5AL超経過し且つ4AL経過するより前に負電位(d)の印加を終了するものである。
第9解析モデル及び第10解析モデルでも、正電位(b)の印加終了時にノズル流速V9及びノズル流速V10は急激に抑えられるような変化はせず、比較解析モデルの残留振幅rcに比べて残留振幅r9及び残留振幅r10は大きい。したがって、第9解析モデル及び第10解析モデルでも、サテライトドットの発生を抑制する効果が得られることが分かる。
また、第9解析モデル及び第10解析モデルでも、ノズル流速V9又はノズル流速V10と波形V9b又はV10bとを比較することで、負電位(d)の印加により残留振幅r9及び残留振幅r10のピークが抑えられていることが分かる。したがって、第9解析モデル及び第10解析モデルに示すような負電位(d)を印加した場合にも、負電位(d)を印加しない場合に比べてインクの誤吐出を抑制する効果が得られることが分かる。
さらに、第9解析モデル及び第10解析モデルでは、図14及び図15に示すように、第8解析モデルと比べて、負電位(d)の印加終了後(駆動波形がゼロ電位(e)であるとき)の残留振動が抑えられていることが分かる。第9解析モデル及び第10解析モデルのいずれも、負電位(d)の印加開始は、波形V9b又は波形V10bのピークより前である。そして、第9解析モデル及び第10解析モデルのいずれも、負電位(d)の印加終了は、波形V9b又は波形V10bのピークより後である。したがって、第8解析モデルと、第9解析モデル及び第10解析モデルとを比較することにより、特定タイミングを跨ぐように負電位(d)を印加することで、負電位(d)の印加終了後の残留振動を抑える効果が得られることが分かる。このような効果が得られるのは、特定タイミングが、ノズル圧力がプラスからマイナスに向かう圧力0の位置であるときである。つまり、ノズル圧力がプラスの時に負電位(d)を印加すると、ノズル圧力はその分減少するので、ノズル流速のピークを抑えることができる。また、ノズル流速が0であるときに負電位(d)の印加を終了することで、負電位(d)の印加終了後の残留振動を抑える効果が得られることが分かる。
〔第4実施形態〕
第4実施形態に係るインクジェット記録装置1について説明する。第4実施形態に係るインクジェット記録装置1は、第1実施形態と同様の構成であるので構成の説明を省略する。
第4実施形態に係る駆動波形を、図16に基づいて説明する。図16のD11は、1滴分のインクをノズル25から吐出させる場合にヘッドドライバー100がアクチュエーターに印加する駆動波形の例を示す。なお、図16は、後に説明する第11解析モデルに係る図であり、数値解析により得られたものである。
第4実施形態に係る駆動波形は、一例として図16のD11に示すように、正電位(z)、ゼロ電位(a2)、正電位(b)、ゼロ電位(c)の順で電位が変化する波形である。すなわち、第4実施形態に係る駆動波形は、第1実施形態に係る駆動波形について、負電位(a)に代えて正電位(z)及びゼロ電位(a2)を印加するようにしたものである。
正電位(z)は、後に続くゼロ電位(a2)に負電位(a)と同様の効果を持たせるための補助パルスである。すなわち、正電位(z)によって圧力室51を収縮させた後にゼロ電位(a2)にすることで、ゼロ電位(a2)時の圧力室の容積は、正電位(z)に比して拡張した状態となる。このため、正電位(z)に続くゼロ電位(a2)は、負電位(a)と同様の効果を持つ。以上より、ゼロ電位(a2)は、第2のパルスの一例である。
正電位(z)の印加時間は、1ALであることが好ましい。すなわち、正電位(z)の印加時間は、インク室のインク固有振動周期の半分の時間であることが好ましい。
ゼロ電位(a2)の印加時間は、第1実施形態に係る駆動波形の負電位(a)と同様に1ALであることが好ましい。
以上の条件により、インクが効率よく吐出される。
第4実施形態の正電位(b)の印加時間は、第1実施形態と同様である。
すなわち、第4実施形態の正電位(b)の印加終了は、正電位(z)の印加開始から3AL以上経過し、且つ4AL経過するより前であることが好ましい。より好ましくは、正電位(b)の印加終了は、正電位(z)の印加開始から3AL以上経過し、且つ3.6AL経過するより前である。さらに好ましくは、正電位(b)の印加終了は、正電位(z)の印加開始から3.5AL経過時である。
また、第4実施形態の正電位(b)の印加終了は、ノズル流速が負の値であるときであることが好ましい。
インクジェット記録装置1は、第4実施形態に係る駆動波形を印加することで第1実施形態と同様にサテライトドットの発生を抑制することができる。
以下、第4実施形態の駆動波形について、第11解析モデルに基づいてさらに説明する。第11解析モデルは、比較解析モデル及び第1解析モデル〜第10解析モデルと同様に数値解析に基づく解析モデルである。
(第11解析モデル)
第11解析モデルの駆動波形を図16に示す。図16は、第11解析モデルに係る駆動波形D11を示す。また、図16は、駆動波形D11が印加された場合のノズル流速V11及びノズル圧力P11の時間変化を示す。
駆動波形D11は、正電位(z)を1AL印加した後、ゼロ電位(a2)を1AL印加し、その後、正電位(b)を2ALより短い時間印加するものである。
第11解析モデルでも、正電位(b)の印加終了時にノズル流速V11が急激に抑えられるような変化はせず、十分な残留振幅r11が残っている。したがって、第4実施形態のように、負電位(a)に代えて正電位(z)及びゼロ電位(a2)を印加した場合でも第1実施形態と同様の効果が得られることが分かる。
第1実施形態〜第4実施形態は以下のような変形も可能である。
第1実施形態及び第2実施形態の駆動波形は、負電位(a)の直後に正電位(b)を印加するような波形である。しかしながら、駆動波形は、負電位(a)の印加終了後すぐには正電位(b)を印加せず、一定時間ゼロ電位などのその他の電位である時間があるような波形であっても良い。
第1実施形態〜第4実施形態では、駆動信号の電位が正のとき圧力室51が収縮し、駆動信号の電位が負のとき圧力室51が拡張する。しかしながら、駆動信号の電位が負のとき圧力室51が収縮し、駆動信号の電位が正のとき圧力室51が拡張するような態様であっても良い。
インクジェットヘッド10は、上記実施形態の他、例えば静電気で振動板を変形させてインクを吐出する構造、あるいはヒーターなどの熱エネルギーを利用してノズルからインクを吐出する構造などであってもよい。これらの場合、当該振動板又はヒーターなどは、圧力室51の内部に圧力振動を与えるためのアクチュエーターとなる。
実施形態のインクジェット記録装置1は、記録媒体Sに、インクによる二次元の画像を形成するインクジェットプリンターである。しかしながら、実施形態のインクジェット記録装置は、これに限られるものではない。実施形態のインクジェット記録装置は、例えば、3Dプリンター、産業用の製造機械又は医療用機械などであっても良い。実施形態のインクジェット記録装置が3Dプリンターなどである場合には、実施形態のインクジェット記録装置は、例えば、素材となる物質又は素材を固めるためのバインダーなどをインクジェットヘッドから吐出させることで、立体物を形成する。
実施形態のインクジェット記録装置1は、液体吐出部2を4つ備え、それぞれの液体吐出部2が使用するインクIの色はシアン、マゼンタ、イエロー又はブラックである。しかしながら、インクジェット記録装置が備える液体吐出部2の数は4つに限定せず、また、複数ではなくても良い。また、それぞれの液体吐出部2が使用するインクIの色及び特性などは限定しない。
また、液体吐出部2は、透明光沢インク、赤外線又は紫外線等を照射したときに発色するインク、又はその他の特殊インクなども吐出可能である。さらに、液体吐出部2は、インク以外の液体を吐出することができるものであっても良い。なお、液体吐出部2が吐出する液体は、懸濁液などの分散液であっても良い。液体吐出部2が吐出するインク以外の液体としては例えば、プリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体、人工的に組織又は臓器などを形成するための細胞などを含む液体、接着剤などのバインダー、ワックス、又は液体状の樹脂などが挙げられる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1……インクジェット記録装置、10……インクジェットヘッド、18……駆動素子、100……ヘッドドライバー

Claims (5)

  1. 圧力室内の液体をノズルから吐出させるための駆動信号をアクチュエーターに印加する印加部を備え、
    前記駆動信号は、前記圧力室の圧力を増加させるように前記アクチュエーターを駆動させる第1のパルスを含み、
    前記駆動信号は、前記第1のパルスより前に印加される、前記圧力室の圧力を減少させるように前記アクチュエーターを駆動させる第2のパルスを含み、
    前記印加部は、前記第1のパルスの印加を、前記液体の前記ノズルの開口部での流速が液体吐出方向に負の値を持つときに終了する、駆動装置。
  2. 前記圧力室に連通するインク室をさらに備え、
    前記インク室のインク固有振動周期の半分の時間をALとすると、前記第2のパルスの印加時間は、1ALであり、前記第1のパルスの印加時間は、1AL以上2AL未満である、請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記駆動信号は、前記第1のパルスより後に印加される、前記圧力室の圧力を減少させるように前記アクチュエーターを駆動させる第3のパルスを含み、
    前記印加部は、前記第3のパルスの印加を、前記流速が液体吐出方向に0以上の値を持つときに開始する、請求項1又は請求項2に記載の駆動装置。
  4. 前記印加部は、前記第3のパルスの印加を、前記第3のパルスを印加しなかった場合に前記流速が液体吐出方向に正のピークを示すよりも前に開始し、前記ピークを示すよりも後に終了する、請求項3に記載の駆動装置。
  5. アクチュエーター及びノズルを備える圧力室と、
    前記ノズルから液体を吐出させるための駆動信号を前記アクチュエーターに印加する印加部と、を具備し
    前記駆動信号は、前記圧力室の圧力を増加させるように前記アクチュエーターを駆動させる第1のパルスを含み、
    前記駆動信号は、前記第1のパルスより前に印加される、前記圧力室の圧力を減少させるように前記アクチュエーターを駆動させる第2のパルスを含み、
    前記印加部は、前記第1のパルスの印加を、前記液体の前記ノズルの開口部での流速が液体吐出方向に負の値を持つときに終了する、インクジェット記録装置。
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