JP3909940B2 - インク液滴噴射方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット方式によるインク液滴噴射方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、インクジェット方式のインク噴射装置としては、圧電セラミックスの変形によってインク流路の容積を変化させ、その容積減少時にインク流路内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積増大時にインク導入口からインク流路内にインクを導入するようにしたものが知られている。この種の記録ヘッドにおいては、圧電セラミックスの隔壁によって隔てられた複数のインク室が形成されており、これら複数のインク室の一端にインクカートリッジ等のインク供給手段が接続され、他端にはインク噴射ノズル(以下、ノズルという)が設けられ、印字データに従った前記隔壁の変形によってインク室の容積を減少させることにより、記録媒体に対して前記ノズルからインク液滴を噴射し、文字や図形等が記録される。
【0003】
この種のインクジェット方式のインク噴射装置において、インク液滴を噴射するドロップ・オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコストの安さなどから普及している。ドロップ・オン・デマンド型として、特開昭63−247051号公報に示されているように、圧電材料を利用したせん断モード型がある。図12に示すように、この種のインク液滴噴射装置600は、底壁601、天壁602及びその間のせん断モードアクチュエータ壁603からなる。そのアクチュエータ壁603は、底壁601に接着され、かつ矢印611方向に分極された下部壁607と、天壁602に接着され、かつ矢印609方向に分極された圧電材料製の上部壁605とからなっている。アクチュエータ壁603は一対となって、その間にインク室613を形成し、かつ次の一対のアクチュエータ壁603の間には、空気室615を形成している。
【0004】
各インク室613の一端には、ノズル618を有するノズルプレート617が固着され、他端には、図示しないインク供給源が接続されている。各アクチュエータ壁603の両側面には電極619,621が金属化層として設けられている。具体的にはインク室613側のアクチュエータ壁603には電極619が設けられ、空気室615側のアクチュエータ壁603には電極621が設けられている。なお、電極619の表面にはインクと絶縁するための絶縁層630で覆われている。そして、空気室615に面している電極621はアース623に接続され、インク室613内に設けられている電極619はアクチュエータ駆動信号を与える制御装置625に接続されている。
【0005】
そして、各インク室613の電極619に制御装置625が電圧を印加することによって、各アクチュエータ壁603がインク室613の容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。例えば図13に示すように、インク室613cの電極619cに電圧E(V)が印加されると、アクチュエータ壁603e、603fにそれぞれ矢印631、632の方向の電界が発生し、アクチュエータ壁603e、603fがインク室613cの容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。このときノズル618c付近を含むインク室613c内の圧力が減少する。この電圧E(V)の印加状態を圧力波のインク室613内での片道伝播時間Tだけ維持する。すると、その間インク供給源からインクが供給される。
【0006】
なお、上記片道伝播時間Tはインク室613内の圧力波が、インク室613の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、インク室613の長さLとこのインク室613内部のインク中での音速aにより、T=L/aと決まる。
【0007】
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からT時間がたつとインク室613内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせてインク室613cの電極621cに印加されている電圧を0(V)に戻す。すると、アクチュエータ壁603e、603fが変形前の状態(図12)に戻り、インクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、アクチュエータ壁603e、603fが変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力がインク室613cのノズル618c付近の部分に生じて、インク液滴がノズル618cから噴射される。なお、インク室613へ連通するインク供給路626が部材627及び部材628により形成されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この種のインク液滴噴射装置600では、解像度の高い印字を行うには、小さい液滴で噴射する必要があるが、そうすると、液滴が小さいために、連続してドット噴射を行って塗り潰しパターンを記録するような場合に、白抜けが生じたり、印字濃度が薄くなる。また、全てを大きいドットで印字した場合、文字や図形の書き始め部分や細かい模様等が美しくなく、また、細い線が不要に太くなるなど、印字品質が低下するといった問題がある。
【0009】
なお、特開平2−2008号公報に示されるように、記録初期において記録画像濃度が低下する問題を解消するために、記録の無い期間が検出された時に、その後の記録のための噴射パルスの電力を制御するようにしたものが知られている。しかし、このような制御を行ったとしても、上記のような、解像度の高い印字を行うために、小さい液滴を用いて塗り潰しパターンを記録した場合に、白抜けが生じるといった問題は依然として解消されない。
【0010】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、連続して印字を行う場合にあっては、1ドット目のみ液滴体積を小さくし、2ドット目からは液滴体積を大きくし、間隔をおいて印字を行う場合にあっては、液滴体積を小さくすることで、解像度の高い印字を行うことが可能となり、しかも、塗り潰しパターンを記録するような場合に白抜けが生じたり印字濃度が薄くなることが解消され、高品質の印字が可能なインク液滴噴射方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内のインクに圧力を加え、インク液滴をノズルより噴射させるインク液滴噴射方法において、単ドット又は連続する隣接位置への複数ドットの印字命令にしたがい単数又は複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク液滴を噴射させるものであり、前記噴射パルス信号として、連続する隣接位置へ複数インク液滴を噴射するときは、最初の1発目だけが小さいインク液滴となり、2発目以降は前記1発目よりも大きいインク液滴となるようなものを用いるものである。この方法においては、連続して噴射するときに、最初の1発目のインク液滴が小さいことで、印字の細かい部分が美しくなり、解像度を高くすることができ、また、2発目以降は大きいインク液滴を用いるので、ドットが連続する場合においてドットとドットの間に隙間ができることがなくなる。
【0012】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のインク液滴噴射方法において、前記噴射パルス信号として、単ドットを形成するインク液滴を噴射又は1ドットだけ間隔をおいてインク液滴を噴射するときは、全て小さいインク液滴となるようなものを用いるものである。この方法においては、間隔をおいて噴射するときに、文字、模様等の細かい部分が潰れることなく、美しく印字することができ、解像度を高くすることができる。
【0013】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載のインク液滴噴射方法において、インク液滴を小さくする噴射パルス信号として、パルス信号の波高値又はパルス幅を小さくしたもの、制御用パルスを付加したもの、パルスの立ち上り/立ち下がり時間を変更したもの、あるいは印字周波数を変更したもののいずれか一つまたは複数を用いるものである。
【0014】
また、請求項4に記載の発明は、インクが充填されるインク室と、前記インク室内のインクを噴射するためのアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、1ドットの印字命令に対して、インク室内のインクを噴射するため前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加する制御装置と、を備えたインク液滴噴射装置において、前記制御装置は、単ドット又は連続する隣接位置への複数ドットの印字命令にしたがい単数又は複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク液滴を噴射させるものであり、前記噴射パルス信号として、連続する隣接位置へ複数インク液滴を噴射するときは、最初の1発目だけが小さいインク液滴となり、2発目以降は前記1発目よりも大きいインク液滴となるようなものを選択するものである。この構成においては、請求項1と同等の作用が得られる。
【0015】
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載のインク液滴噴射装置において、前記制御装置は、前記噴射パルス信号として、単ドットを形成するインク液滴を噴射又は1ドットだけ間隔をおいてインク液滴を噴射するときは、全て小さいインク液滴となるようなものを選択するものである。
【0016】
また、請求項6に記載の発明は、請求項4に記載のインク液滴噴射装置において、前記アクチュエータは、前記インク室の容積を変化させて、そのインク室内に圧力波を発生させるものである。さらに請求項7に記載の発明は、請求項4または6に記載のインク液滴噴射装置において、前記制御装置は、インク液滴を小さくする噴射パルス信号として、パルス信号の波高値又はパルス幅を小さくしたもの、制御用パルスを付加したもの、パルスの立ち上り/立ち下がり時間を変更したもの、あるいは印字周波数を変更したもののいずれか一つまたは複数を選択するものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本実施の形態のインク液滴噴射装置における機械的部分の構成は、上述した図12に示すものと同様であるので説明を省略する。
【0018】
本インク液滴噴射装置600の具体的な寸法の一例を述べる。インク室613の長さLが9mmである。ノズル618の寸法は、インク液滴噴射側の径が40μm、インク室613側の径が72μm、長さが100μmである。また、実験に供したインクの25℃における粘度は約2mPa・s、表面張力は30mN/mである。このインク室613内のインク中における音速aと上記Lとの比L/a(=T)は15μsecであった。
【0019】
次に、本発明の一実施の形態であるインク室613内の電極619に印加する駆動波形(噴射パルス信号)により噴射されるインク液滴について、図1を参照して説明する。図1(a)(c)は、1発だけ噴射するとき及び間隔をおいて噴射するときのインク液滴であり、液滴が小さくなるようにする。図1(b)は、連続して噴射するときのインク液滴であり、最初の1発目だけが小さい液滴となり、2発目以降は大きい液滴となるようにする。なお、1〜5は連続ドットの場合の番号である。
【0020】
図2は、駆動波形の一例を示している。駆動波形10は、1ドット分の印字のためのインク液滴を噴射するための噴射パルス信号Aである。波高値(電圧値)は、例えば20(V)である。噴射パルス信号Aの波幅は、インク室613内のインク中における音速aと上記Lとの比L/a(=T)の奇数倍に一致するもの(ヘッド固有の値)とし、例えば、T=15μsecとする。連続して次のドットを印字する場合のパルスの周期は、駆動周波数を10kHzとしたとき、100μsec(これは、T=15μsecのとき、約6.66T)となる(周波数は周期の逆数)。
【0021】
次に、単ドット又は連続する複数ドットの印字命令にしたがい前記噴射パルス信号Aを印加して、上記図1に示したような液滴の大きさを得る各種の方法を以下に説明する。図3(a)は、インク液滴噴射周波数を変えた時のインク液滴体積を示し、2発目、3発目について各種の周波数での測定データのブロットを結線したものである。図3(b)は各種の周期(7.0T〜10.0T)を用いて駆動した時の1発目〜5発目のインク液滴体積を示す。1発目のインク液滴体積は、周波数に関係なくインク液滴噴射装置固有の値となり、本実施形態では約40pl(ピコリットル)である(液滴速度は、約7m/s)。
【0022】
同図に示されるように、2発目、3発目については、周期が時間Tの偶数倍(6T,8T,10T)の時に、1発目に比べてインク液滴体積が増加する。なお、周期8Tは、120μsecであり、この時の周波数はほぼ8.3kHzである。このような特性があることから、印字周波数を適宜選択することで、2発目以降のドットのインク液滴体積が1発目のドットのそれよりも大きくなるようにすることができる。
【0023】
図4乃至図7は、駆動波形10によって最初の1発目の液滴を小さくする方法を示すものである。これらの図において、(a)(b)(c)はそれぞれ、図1の(a)(b)(c)に対応している。図4は、噴射パルス信号の電圧値(波高値)を変えるものであり、連続ドット噴射時(b)には2発目以降の電圧値を高くしており、これにより2発目以降の液滴体積を相対的に大きくすることができる。1発だけの場合(a)、及び間隔をおいて噴射する場合(c)には、上記の連続ドット噴射時の1発目と同等の低い電圧値のパルスを発生する。
【0024】
図5は、パルス幅を変えるものであり、連続ドット噴射時(b)の1発目、あるいは他の場合(a)(c)のパルス幅を適正な値(前記Tの奇数倍)から故意にずらすことによって、液滴体積を小さくしており、これにより上記と同様の作用が得られる。
【0025】
図6は、制御用のパルスを付加するものであり、1発だけの場合(a)、及び間隔をおいて噴射する場合(c)の噴射パルス信号に、非噴射のパルス(噴射パルス信号よりもパルス幅は小さい)を付加している。この非噴射パルスの付加によって、その液滴を小さくすることができる。この非噴射のパルスは、主になる噴射パルスによりノズルから飛び出したインク液滴の一部を、引き戻すタイミングでインク室の容積を増大させるものである。連続ドット噴射の場合(b)においては、図3で説明したように、印字周波数を適宜設定することにより、1発目のドットを小さくすることができるが、上記(a)(c)の場合と同様に1発目のパルスに非噴射パルスを付加するようにしてもよい。
【0026】
図7は、パルスの立ち上がり/立ち下がり時間を変えるものであり、この例では、液滴を小さくしたいドットのパルスの立ち上がりを緩やかにしている。なお、上記の周波数、電圧値、パルス幅、非噴射の付加パルス、パルスの立ち上がり/立ち下がり時間を単独で設定するだけでなく、これらを組合わせて液滴の体積を制御することもできる。
【0027】
次に、上記のような駆動波形を実現するための制御装置の一実施の形態を図8及び図9を用いて説明する。図8に示す制御装置625は充電回路182と放電回路184とパルスコントロール回路186から構成されている。アクチュエータ壁603の圧電材料及び電極619、621は、等価的にコンデンサ191で表される。191Aと191Bはその端子である。
【0028】
入力端子181と183は、それぞれインク室613内の電極619に与える電圧をE(V)、0(V)にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路182は、抵抗R101、R102、R103、R104、R105、トランジスタTR101、TR102から構成されている。
【0029】
入力端子181にオン信号(+5V)が入力されると、抵抗R101を介して、トランジスタTR101が導通し、正の電源187から抵抗R103を介して電流がトランジスタTR101のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源187に接続されている抵抗R104及びR105にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタTR102のベースに流れる電流が増加し、トランジスタTR102のエミッタとコレクタ間が導通する。正の電源187からの20(V)の電圧がトランジスタTR102のコレクタ及びエミッタ、抵抗R120を介してコンデンサ191、端子191Aに印加される。
【0030】
次に、放電用回路184について説明する。放電用回路184は抵抗R106、R107、トランジスタTR103から構成される。入力端子183にオン信号(+5V)が入力されると、抵抗R106を介してトランジスタTR103が導通し、抵抗R120を介してコンデンサ191の抵抗R120側端子191Aをアースする。したがって、図12及び図13に示すインク室613のアクチュエータ壁603に印加されていた電荷は放電される。
【0031】
次に、充電回路182の入力端子181及び放電用回路184の入力端子183に入力されるパルス信号を発生するパルスコントロール回路186について説明する。パルスコントロール回路186には、各種の演算処理を行うCPU110が設けられ、CPU110には、印字データや各種のデータを記憶するRAM112とパルスコントロール回路186の制御プログラム及びタイミングでオン、オフ信号を発生するシーケンスデータを記憶しているROM114が接続されている、ここで、ROM114には、図9に示すように、インク液滴噴射制御プログラム記憶エリア114Aと、駆動波形データ記憶エリア114Bとが設けられている。そして、駆動波形データ記憶エリア114Bには、駆動波形10のシーケンスデータが記憶されている。
【0032】
さらに、CPU110は各種のデータをやりとりするI/Oバス116に接続され、当該I/Oバス116には、印字データ受信回路118とパルスジェネレータ120及び122が接続されている。パルスジェネレータ120の出力は充電回路182の入力端子181に接続され、パルスジェネレータ122の出力は放電用回路184の入力端子183に接続されている。
【0033】
CPU110はROM114の駆動波形データ記録エリア114Bに記憶されているシーケンスデータにしたがって、パルスジェネレータ120及び122を制御する。したがって、前記のタイミングの各種パターンを予めROM114内の駆動波形データ記憶エリア114Bに記憶させておくことによって、上述したような駆動波形の駆動パルスをアクチュエータ壁603に与えることができる。
【0034】
なお、パルスジェネレータ120、122及び充電回路182及び放電回路184はノズル数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、代表して一つのノズルの制御について説明したが、他のノズルの制御についても同様な制御である。
【0035】
図10(a)(b)は、上記制御装置625の機能ブロック図であり、印字命令の信号の流れを示している。同図(a)においては、印字命令は、ドライバソフトウェアから制御信号としてドライバ回路に与えられる。それに基づいてドライバ回路はROMに格納された各種データを読み出し、駆動信号を生成してアクチュエータを駆動する。ここに、ドライバ回路は、各ドット噴射が連続するものであるか、間隔をおいたものであるかを記憶しておき、その状況に応じてROMのデータを基に上述のように駆動波形を変化させる。同図(b)においては、印字命令は、ドライバソフトウェアにてテーブルを参照して制御信号に変換され、その制御信号はドライバ回路に与えられ、ドライバ回路にて駆動信号とされ、それによりアクチュエータを駆動する。この例では、ドライバソフトウェアが、テーブルのデータを基に、上記と同様に駆動波形を変化させる。
【0036】
図11は従来方法及び本実施形態の方法により印字を行った場合の印字結果を示す図である。同図(a)は、すべて大きいドットで印字した場合であり、左側の細い線が太くなってしまう。同図(b)は、本実施形態に係り、最初の1ドットのみ小さい液滴で印字した場合であり、美しい印字が得られる。同図(c)は、すべて小さいドットで印字した場合であり、ドットとドットの間に隙間が目立つ印字結果となってしまう。このように、本実施形態によれば、細かい部分での解像度を上げつつ、また、連続ドット部分での白抜けのない良好な印字を得ることができる。その他に、網かけ印字や写真等の画像の記録においても、好ましい結果が得られる。
【0037】
以上、実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、インク液滴噴射装置600は、上記実施の形態の構成に限られるものではなく、圧電材料の分極方向が逆のものを用いてもよい。また、本実施の形態では、インク室613の両側に空気室615を設けているが、空気室を設けずに、インク室が隣接するようにしてもよい。さらに、本実施の形態では、アクチュエータはせん断モード型のものを用いたが、圧電材料を積層し、その積層方向の変形によって圧力波を発生する構成でもよく、圧電材料に限らずインク室に圧力波を発生するものを使用可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上のように本発明のインク液滴噴射方法及びその装置によれば、連続する隣接位置へ複数インク液滴を噴射するときには、最初の1発目のインク液滴を小さいものとし、2発目以降のインク液滴を大きいものとし、また、単ドットを形成するインク液滴を噴射又は1ドットだけ間隔をおいて噴射するときは、全て小さいインク液滴とすることにより、解像度を高くして文字、模様等の細かい部分を美しく印字することができる。また、ドットが連続し、塗り潰しパターンを記録するような場合において、白抜けが生じたり印字濃度が薄くなることが防止され、高品質の印字が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のインク液滴噴射方法の一実施の形態による噴射インク液滴を示す図であり、(a)は1発だけ噴射するときのインク液滴を示す図、(b)は連続して噴射するときのインク液滴を示す図、(c)は間隔をおいて噴射するときのインク液滴を示す図である。
【図2】 1ドットに対する噴射パルス信号波形を示す図である。
【図3】 (a)はインク液滴噴射周波数を変えた時のインク液滴体積の測定データを示す図、(b)は各種の周期を用いて駆動した時の1発目〜5発目のインク液滴体積の測定データを示す図である。
【図4】 駆動波形によって最初の1発目の液滴を小さくする方法を示す図である。
【図5】 駆動波形によって最初の1発目の液滴を小さくする方法を示す図である。
【図6】 駆動波形によって最初の1発目の液滴を小さくする方法を示す図である。
【図7】 駆動波形によって最初の1発目の液滴を小さくする方法を示す図である。
【図8】 本発明の一実施形態によるインク液滴噴射装置の駆動回路を示す図である。
【図9】 インク液滴噴射装置の制御装置のROMの記憶領域を示す図である。
【図10】 (a)(b)は、上記制御装置の機能ブロック図である。
【図11】 従来方法及び本実施形態の方法により印字を行った場合の印字結果を示す図である。
【図12】 (a)はインク液滴噴射装置の縦断面図、(b)は同横断面図である。
【図13】インク液滴噴射装置のインク噴射動作を示す縦断面図である。
【符号の説明】
A 噴射パルス信号
600 インクジェットヘッド
603 アクチュエータ壁
613 インク室
625 制御装置
Claims (7)
- インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内のインクに圧力を加え、インク液滴をノズルより噴射させるインク液滴噴射方法において、
単ドット又は連続する隣接位置への複数ドットの印字命令にしたがい単数又は複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク液滴を噴射させるものであり、
前記噴射パルス信号として、連続する隣接位置へ複数インク液滴を噴射するときは、最初の1発目だけが小さいインク液滴となり、2発目以降は前記1発目よりも大きいインク液滴となるようなものを用いることを特徴とするインク液滴噴射方法。 - 前記噴射パルス信号として、単ドットを形成するインク液滴を噴射又は1ドットだけ間隔をおいてインク液滴を噴射するときは、全て小さいインク液滴となるようなものを用いることを特徴とする請求項1に記載のインク液滴噴射方法。
- インク液滴を小さくする噴射パルス信号として、パルス信号の波高値又はパルス幅を小さくしたもの、制御用パルスを付加したもの、パルスの立ち上り/立ち下がり時間を変更したもの、あるいは印字周波数を変更したもののいずれか一つまたは複数を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のインク液滴噴射方法。
- インクが充填されるインク室と、
前記インク室内のインクを噴射するためのアクチュエータと、
前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、
1ドットの印字命令に対して、インク室内のインクを噴射するため前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加する制御装置と、
を備えたインク液滴噴射装置において、
前記制御装置は、単ドット又は連続する隣接位置への複数ドットの印字命令にしたがい単数又は複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク液滴を噴射させるものであり、前記噴射パルス信号として、連続する隣接位置へ複数インク液滴を噴射するときは、最初の1発目だけが小さいインク液滴となり、2発目以降は前記1発目よりも大きいインク液滴となるようなものを選択することを特徴とするインク液滴噴射装置。 - 前記制御装置は、前記噴射パルス信号として、単ドットを形成するインク液滴を噴射又は1ドットだけ間隔をおいてインク液滴を噴射するときは、全て小さいインク液滴となるようなものを選択することを特徴とする請求項4に記載のインク液滴噴射装置。
- 前記アクチュエータは、前記インク室の容積を変化させて、そのインク室内に圧力波を発生させるものであることを特徴とする請求項4に記載のインク液滴噴射装置。
- 前記制御装置は、インク液滴を小さくする噴射パルス信号として、パルス信号の波高値又はパルス幅を小さくしたもの、制御用パルスを付加したもの、パルスの立ち上り/立ち下がり時間を変更したもの、あるいは印字周波数を変更したもののいずれか一つまたは複数を選択することを特徴とする請求項4または6に記載のインク液滴噴射装置。
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