JP4671029B2 - インク滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットヘッド方式によるインク滴吐出装置に関するものである。

インク滴吐出装置であるインクジェットプリンタにはインクジェットヘッドが備えられており、圧電式のアクチュエータを有するインクジェットヘッドでは、駆動パルス信号の印加によるアクチュエータの変位で、インクに吐出圧力が与えられてノズルからインク滴が吐出される構成が知られている。

前記インクジェットヘッドの構成によれば、ノズルから吐出されるインク滴は、アクチュエータに印加される駆動パルス信号のパルス幅を、インク流路での圧力波の片道伝播時間ＡＬと一致させたときに、最も高いエネルギー効率で吐出され、その吐出量も最大となる。

ところで、一般的に、インクジェットプリンタでは、階調表現のために、複数種類の大きさ（記録面積）のインクドットを混在させて被記録媒体に記録を行っており、１ドット当たりの吐出量を変える必要がある。

１ドット当たりの吐出量を多くする場合には、例えば、本出願人が特許文献１で開示しているように、第１のインク滴がノズルから離れる前に第２のインク滴を吐出させて合体させる方法がある。具体的には、メイン（第２）の駆動パルス信号のパルス幅を圧力波の伝播時間Ｔ（前記ＡＬに相当）と一致させ、それより前にパルス幅が０．３５Ｔ〜０．６５Ｔの第１の駆動パルス信号を印加している。さらに、メイン(第２)の駆動パルス信号の後に、第３の駆動パルス信号としてインク滴を吐出しない短いパルス幅の信号を印加している。これにより第１の駆動パルス信号によるインク滴がエネルギー効率の悪い状態で吐出し、このインク滴がノズルから離れる前に、第２の駆動パルス信号によるインク滴がエネルギー効率よく吐出されて合体する。そして、第３の駆動パルス信号が、残留する圧力波成分を抑制するようにしている。
特許第３５５１８２２号公報（図１及び図６参照）

特許文献１に記載されている駆動波形では、メインパルス信号の後に、第３の駆動パルス信号として、残留する圧力波成分を抑制する非吐出パルスを印加して、吐出全体を安定化している。しかしながら、この非吐出パルスは、圧力波を抑制し且つインクを吐出させないように印加する必要があるから、そのパルス幅や印加のタイミングは、極めて微妙であり、僅かなずれが生じると吐出全体に大きな影響を与えていた。従って、前記非吐出パルスを含まずに駆動波形を構成し、その波形で安定した吐出状態を得たいという要望があった。また、連続して吐出した後の激しい振動を効果的に抑えたいという要望もあった。

本発明は、上記問題を解消するものであり、残留圧力を抑制するための非吐出パルスを含まずに駆動波形を構成しながら、吐出全体の安定化を図ることのできるインク滴吐出装置の提供を目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明におけるインク滴吐出装置は、インクが充填された圧力室の容積を変化させるアクチュエータに、駆動パルス信号を印加することにより、インク滴を被記録媒体に吐出させるインク滴吐出装置において、被記録媒体にドットを形成する場合に、その駆動波形は、前記駆動パルス信号としてインク滴を吐出するメインパルス信号Ｐｍのみを３個有し、前記各メインパルス信号Ｐｍのパルス幅Ｔｐは、それぞれ等しい幅であり、先行する前記メインパルス信号Ｐｍの終端と後続の前記メインパルス信号Ｐｍの始端との間隔Ｔｗは、それぞれ等しい幅であり、前記各メインパルス信号Ｐｍのパルス幅Ｔｐと、先行する前記メインパルス信号Ｐｍの終端と後続の前記メインパルス信号Ｐｍの始端との間隔Ｔｗとがそれぞれ、前記圧力室が含まれるインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬに対して、１．１ＡＬ≦Ｔｐ≦１．５ＡＬ、３．５ＡＬ≦Ｔｗ≦４．５ＡＬ、の関係を満たしていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインク滴吐出装置において、前記駆動波形は、当該ドットを形成する駆動周期の次に駆動周期に形成するドットがない場合に、当該ドットの形成に用いることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のインク滴吐出装置において、前記複数のメインパルス信号を有する駆動波形は、被記録媒体にドットを形成するための駆動周期の複数周期に跨っていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、前記Ｔｐ及びＴｗが前記関係を満たすように組み合わされることにより、駆動波形として、吐出用のメインパルス信号Ｐｍを３個用いるだけで、換言すれば、従来のような残留圧力波を抑制するための非吐出パルスを用いなくても、安定した吐出を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、当該ドットを形成する駆動周期の次に駆動周期に形成するドットがない場合に、当該ドットの形成に上記駆動波形を用いることで、吐出によって生じた振動を効果的に抑え、安定した吐出動作を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、複数の周期に跨って駆動波形を構成することで、大きなサイズのドットを安定して形成することが可能となる。また、請求項２に記載の発明のように次に駆動周期に形成するドットがない場合に、複数の周期に跨って駆動波形を発生することで、より効果的に振動を抑えることができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のインク滴吐出装置に適用されるインクジェットヘッドの斜視図、図２はインクジェットヘッドの分解斜視図、図３はキャビティユニットの拡大分解斜視図、図４は図１のIV−IV線矢視拡大断面図、図５は図１のＶ−Ｖ線矢視拡大断面図、図６は制御装置のブロック図、図７は駆動波形を示すタイムチャート、図８は駆動波形におけるパルス幅及び間隔の値の組み合わせを変えたときの実験結果を示す図である。

本発明の実施形態のインク滴吐出装置は、インクジェットプリンタであり、このインクジェットプリンタに備えられるインクジェットヘッド１００は、被記録媒体の搬送方向（副走査方向、以下Ｘ方向という）と直交する方向（主走査方向、以下Ｙ方向という）に往復移動するキャリッジ（図示せず）に搭載されるものである。このインクジェットヘッド１００には、例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色のカラーインクがそれぞれ充填されたインクカートリッジが、キャリッジ上に着脱可能に搭載されるか、あるいは、インクジェットプリンタの本体に静置され供給パイプ等を介するかして、各色のインクが供給されるように構成されている。

インクジェットヘッド１００は、図１に示すように、金属板製の複数枚のプレートからなるキャビティユニット１にプレート型の圧電アクチュエータ２が接合され、このプレート型の圧電アクチュエータ２の上面（背面）に外部機器との接続のためのフレキシブルフラットケーブル３（図４参照）が重ね接合されている。そして、キャビティユニット１の下面（前面）側に開口されたノズル４から、下向きにインクが吐出するものとする。

前記キャビティユニット１は、図２に示すように、ノズルプレート１１、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、及びキャビティプレート１７の合計８枚の薄い板をそれぞれ接着剤にて重ね接合した構造となっている。

実施形態では、各プレート１１〜１７は５０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１７は４２％ニッケル合金鋼板製である。前記ノズルプレート１１には、微小径（２５μｍ程度）のインク吐出用のノズル４が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル４は、当該ノズルプレート１１における長辺方向（Ｘ方向）と平行な５列に配列されている。

また、前記キャビティプレート１７には、図２に示すように、複数の圧力室３６がキャビティプレート１７の長辺（前記Ｘ方向）と平行な５列に配列されている。実施形態では、前記各圧力室３６は、平面視細長形状に形成され、その長手方向がキャビティプレート１７の短辺方向（Ｙ方向）に沿うようにして穿設されている。

図３に示すように、各圧力室３６における先端部３６ａは、サプライプレート１５、ベースプレート１６と２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、ダンパープレート１３、及びスペーサプレート１２に穿設されている微小径の連通孔３７を介して、ノズルプレート１１における前記各ノズル４に連通している。

キャビティプレート１７の下面に隣接するベースプレート１６には、各圧力室３６の他端部３６ｂに接続する貫通孔３８が穿設されている。

ベースプレート１６の下面に隣接するサプライプレート１５には、後述する共通インク室７から前記各圧力室３６へインクを供給するための接続流路４０が設けられる。そして各接続流路４０には、共通インク室７からインクが入る入口孔と、圧力室３６側（貫通孔３８）に開口する出口孔と、入口孔と出口孔との間にあって、接続流路４０中で最も大きな流路抵抗となるように断面積を小さくして形成された絞り部とが備えられている。

２枚のマニホールドプレート１４ａ，１４ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い５つの共通インク室７が前記ノズル４の各列に沿って延びるように板厚さを貫通して形成されている。すなわち、図２及び図４に示すように、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂを積層し、かつその上面をサプライプレート１５にて覆い、下面をダンパープレート１３にて覆うことにより、合計５つの共通インク室（マニホールド室）７が密閉状に形成される。各共通インク室７は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記圧力室３６の一部と重なって圧力室３６の列方向（ノズル４の列方向）に沿って長く延びている。

図３及び図４に示すように、マニホールドプレート１４ａの下面に隣接するダンパープレート１３の下面側には、共通インク室７と隔絶されたダンパ室４５が凹み形成されている。この各ダンパ室４５の位置および形状は、図２に示すように、前記各共通インク室７と一致させている。このダンパープレート１３は、適宜弾性変形し得る金属素材であるため、ダンパ室４５上部の薄い板状の天井部は、共通インク室７側にも、ダンパ室４５側にも自由に振動することができる。インク吐出時に、圧力室３６で発生した圧力変動が共通インク室７に伝播しても、前記天井部が弾性変形して振動することにより、前記圧力変動を吸収減衰させるというダンパ効果を奏する。これは、圧力変動が他の圧力室３６へ伝播する所謂クロストークの低減を図ったものである。

また、図２に示すように、キャビティプレート１７、ベースプレート１６、及びサプライプレート１５の一方の短辺側の端部には、上下の位置を対応させて、それぞれ４つのインク供給口４７が穿設されている。インク供給源からのインクが、これらインク供給口４７から共通インク室７の一端部に連通するようになっている。４つのインク供給口４７を、図２の左側から順に個別に４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄと付す。

インク供給口４７からノズル４に至るインク流通路では、インクは、インク供給口４７からインク供給チャンネルとしての共通インク室７に供給された後、図３に示すように、サプライプレート１５の接続流路４０及びベースプレート１６の貫通孔３８を経由して各圧力室３６に分配供給される。そして、後述するように、圧電アクチュエータ２の駆動により、インクは各圧力室３６内から前記連通孔３７を通って、その圧力室３６に対応するノズル４に至るという構成になっている。そして、後述する圧電アクチュエータ２の駆動により、圧力室３６に吐出圧力が加えられると、圧力波が圧力室３６内から、連通孔３７を通ってノズル４に伝達し、インクを吐出する。

この実施形態では、図２に示すように、インク供給口４７が４つ設けられているのに対して、共通インク室７が５つ設けられており、インク供給口４７ａだけが、２つの共通インク室７，７に接続されている。インク供給口４７ａには、ブラックインクが供給されるように設定されており、ブラックインクがその他のカラーインクに比べて使用頻度が高いことを考慮したものである。他のインク供給口４７ｂ、４７ｃ、４７ｄには、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクがそれぞれ単独に供給される。インク供給口４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄには、それぞれの開口に対応する濾過部２０ａを有するフィルタ体２０が接着剤等で貼着されている（図１参照）。

一方、前記圧電アクチュエータ２は、特開平４−３４１８５３号公報等に開示された公知のものと同様に、ここでは１枚の厚さが３０μｍ程度の複数枚の圧電シート４１〜４３を、図５に示すように積層した構造で、各圧電シートのうち下から所定数の偶数段目の圧電シート４２の上面（広幅面）には、前記キャビティユニット１における各圧力室３６に対応した箇所ごとに細幅の個別電極４４が長辺方向（Ｘ方向）に沿って列状に形成されている。下から所定数の奇数段目の圧電シート４１の上面（広幅面）には、複数個の圧力室３６に対して共通のコモン電極４６が形成されており、最上段のシートの上面には、積層方向に対応する前記個別電極の各々に対して電気的に接続される表面電極４８と、前記コモン電極に対して電気的に接続される表面電極とが設けられている。そして、公知のように個別電極５４とコモン電極５５との間に高電圧を印加することで、両電極間に位置する圧電シートの部分が分極され、活性部として形成される。活性部は各圧力室８２ごとにその上方に位置する。

そして、このプレート型の圧電アクチュエータ２における下面（圧力室３６と対向する広幅面）全体に、接着剤としてのインク非浸透性の合成樹脂からなる接着剤シート（図示せず）を予め貼着し、次いで、前記キャビティユニット１に対して、圧電アクチュエータ２が、その各個別電極４４を前記キャビティユニット１における各圧力室３６の各々に対向配置させて接着・固定される。また、この圧電アクチュエータ２における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル３が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル３における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極に電気的に接合される。

次に、各電極に印加する駆動電圧を制御するための制御装置の構成を、図６に基づいて説明する。この制御装置は、フレキシブルフラットケーブル３上に配置されるＬＳＩチップ５０として設けられている。これに、個別電極４４及びコモン電極４６のそれぞれに対応する表面電極が接続されている。また、ＬＳＩチップ５０には、クロックライン５１、データライン５２、電圧ライン５３及びアースライン５４も接続されている。ＬＳＩチップ５０は、クロックライン５１から供給されるクロックパルスに基づいて、データライン５２上に現れるデータから、どのノズル４にてインクを吐出するべきかを判断し、インクを吐出させる活性部に印加する駆動波形の制御を行う。すなわち、コモン電極４６にアースライン５４を接続するとともに、インクの吐出の有無に応じて、対応する活性部の個別電極４４に対して、電圧ライン５３に基づく駆動パルス信号（駆動電圧）の印加を選択的に行う。

そして、この制御装置により、任意の活性部に対応する個別電極４４に駆動波形を出力すると、活性部が変位し、この活性部に対応する圧力室３６のインクに吐出圧力が加えられる。そして、圧力室３６からノズル４に至る圧力波の前進成分により、ノズル４からインク滴が吐出する。

このように構成されたインクジェットヘッド１００が搭載されたインクジェットプリンタでは、階調表現を行うために、１ドット当たりの吐出量が異なる複数種類のインクドット、例えば、１ドットを３から４滴のインク滴を合体させて構成される大玉、２滴のインク滴から構成される中玉、１滴のインク滴から構成される標準、１滴をさらに小型化した小玉等のサイズの異なるドットを形成することができる。

本実施形態では、１つの駆動周期に大玉のインク滴を吐出する指令があって次の駆動周期で吐出データがない場合、その大玉の体積のインク滴を吐出する駆動波形を図７（ａ）に示すように、２つの駆動周期に跨るように設定している。具体的には、インク吐出用のメインパルス信号Ｐｍのみを複数、例えば３つ含む駆動波形によって大玉のドットを形成し、このメインパルス信号Ｐｍを２つの駆動周期に跨る間隔で配置している。通常、大玉を吐出するとき、大きな体積の流れがインク流路内に激しい振動を生じさせ、隣接する駆動周期で大玉の吐出が連続する場合、振動にタイミングを合わせて効率よく吐出することができる。しかし、次の駆動周期に吐出データがない場合、振動が抑えられず、所望でない吐出が生じたりするなど不安定になる。上記のように複数のメインパルス信号Ｐｍが２つの駆動周期に跨ることによって、１周期内で大玉を吐出する場合と同等のインク滴の体積を確保しながら、従来のような非吐出パルスを印加することなしに、インク流路内に生じる振動を抑え、安定に吐出することができる。

つまり、制御装置もしくはその制御装置にデータを出力する上位の制御装置は、図９に示すように、各ノズルに対して供給するデータを判断し（ステップＳ１）、大玉のインク滴を吐出するとき、次の駆動周期の吐出データの有無を判断し（Ｓ２）、吐出データがある場合には当該大玉の吐出のために駆動周期内に納まる駆動波形（図７（ｃ））を選択する（Ｓ３）。次の駆動周期に吐出データがないとき、次の非吐出の駆動周期に跨る図７（ａ）の駆動波形を選択する（Ｓ４）。

この実施形態では、制御装置は、各駆動パルス信号の電圧が立ち上がったとき、個別電極４４には電圧の印加が停止され、各駆動信号の電圧が立ち下がったとき、個別電極４４には電圧が印加されるように、個別電極４４への電圧を制御する。つまり、個別電極４４には図７（ａ）の状態とは反転した電圧が印加される。

従って、インク吐出前は、全個別電極４４に正の電圧が印加され、コモン電極４６が接地されており、その間の活性部が伸長し、全圧力室３６の容積が収縮された状態にある。インクを吐出しようとする圧力室に対応する、積層方向の各個別電極４４への電圧印加を停止すると、活性部が収縮状態に復帰して圧力室３６の容積を拡大する。すると、圧力室３６内のインクが負圧になり圧力波が発生する。この圧力波の圧力が反転して正圧になるタイミングで前記各個別電極４４に再び電圧を印加すると、活性部の伸長による圧力と、正圧に反転した圧力とが重畳され、インク滴がノズル４から吐出される。

なお、上述とは逆に、特許第３５５１８２２号公報（特許文献１）に開示されているアクチュエータのように、個別電極に電圧を印加することで、圧力室の容積を拡大して圧力波を発生し、圧力波が反転した時点で電圧の印加を停止することで、圧力室の容積を縮小してインク滴を吐出するようにしてもよい。

インクの圧力波が、負圧から正圧になるまでの時間は、圧力室３６、連通孔３７及び貫通孔３８を含む各ノズル毎のインク流路を圧力波が片道伝播する時間ＡＬで決まる。この片道伝播時間ＡＬは、インクの固有振動数及びインク流路の長さだけでなく、流路抵抗、流路を構成する各プレートの剛性などにも影響される。

つまり、駆動パルス信号の立ち上がりから立ち下がりまでの時間、すなわちパルス幅を、上記圧力波の片道伝播時間ＡＬに一致させると、最も大きな圧力が重畳されてエネルギー効率が最高となり、インク滴の吐出速度、吐出量（液滴体積）がピークになる。

図７（ａ）に示す駆動波形において、メインパルス信号Ｐｍのパルス幅をＴｐ、複数設けられたメインパルス信号Ｐｍの先行のメインパルス信号Ｐｍの終端と後続のメインパルス信号Ｐｍの始端との間隔をＴｗとし、このＴｐとＴｗを最適化する検討を行った。この図７（ａ）の駆動波形の前の各駆動周期に印加される駆動波形は、図７（ａ）の駆動波形と同等の体積のインク滴を吐出するものを使用した。

図８に示すように、Ｔｐは、前記ＡＬと同じかこれより若干大きな値である、１．０ＡＬ〜１．６ＡＬの範囲内で７つの値を設定した。Ｔｗは、２．５ＡＬ〜５．５ＡＬの範囲内で７つの値を設定した。そして、これらを組み合わせた４９通りの駆動波形についてそれぞれ吐出実験を行った。なお、図８に示された数値は、片道伝播時間ＡＬに乗じる値である。本実施形態では、ＡＬは約５μｓｅｃである。

実験での吐出状態を観察すると、目的とする大玉の吐出にてしぶきを生じる等の吐出不良がある場合（図８では×で表示）と、目的とする大玉のみの吐出は良好であるが上記のように連続する各駆動周期で大玉を吐出した後図７（ａ）の駆動波形を組み合わせると吐出不良がある場合(図８では△で表示)と、目的とする大玉のみだけでなく連続する各駆動周期で大玉を吐出した後に組み合わせても良好な吐出状態が得られる場合(図８では○で表示)とに分かれた。

図８に示す実験結果からわかるように、評価結果が確実に○となるのは、１．１ＡＬ≦Ｔｐ≦１．５ＡＬで、且つ３．５ＡＬ≦Ｔｗ≦４．５ＡＬの場合であり、ＴｐとＴｗがこの条件を満たすことが連続した大玉の吐出の最後において振動を安定させるのに有効であることがわかった。

なお、図７（ａ）では、駆動波形が２つの駆動周期に跨る場合を例示したが、図７（ｂ）に示すように、駆動波形を１つの駆動周期に納まるように構成してもよい。また、図（ａ）では、駆動波形に４個のメインパルス信号を含んでも次の駆動周期に納まる。メインパルス信号の数は、所望のドッドの大きさに応じて決めればよい。また、図７（ａ）の駆動波形の前で用いられる波形は、その直後の安定を考慮しなくてもよいから、図７（ａ）の駆動波形のメインパルス信号と同数のパルス信号を駆動周期内に納めたもの、あるいは他の任意の波形でよい。

このように、本実施の形態では、駆動波形に従来のような圧力波を抑制するための非吐出パルスを含まなくても、吐出用のパルスのみで吐出の安定化を図ることできる。そのため、駆動パルス信号のわずかなズレ等による吐出への悪影響が少なく、確実な吐出を実現することができる。

本発明のインク滴吐出装置に適用されるインクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの分解斜視図である。 キャビティユニットの拡大分解斜視図である。 図１のIV−IV線矢視拡大断面図である。 図１のＶ−Ｖ線矢視拡大断面図である。 制御装置のブロック図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は駆動波形を示すタイムチャートである。 駆動波形におけるパルス幅及び間隔の値の組み合わせを変えたときの実験結果を示す図である。 制御装置の制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ キャビティユニット
２ 圧電アクチュエータ
３ フレキシブルフラットケーブル
４ ノズル
７ 共通インク室
３６ 圧力室
４１〜４３ 圧電シート
４４ 個別電極
４６ コモン電極
４８ 表面電極
５０ ＬＳＩチップ
１００ インクジェットプリンタ

Claims (3)

1. インクが充填された圧力室の容積を変化させるアクチュエータに、駆動パルス信号を印加することにより、インク滴を被記録媒体に吐出させるインク滴吐出装置において、
   被記録媒体にドットを形成する場合に、その駆動波形は、前記駆動パルス信号としてインク滴を吐出するメインパルス信号Ｐｍのみを３個有し、
   前記各メインパルス信号Ｐｍのパルス幅Ｔｐは、それぞれ等しい幅であり、
   先行する前記メインパルス信号Ｐｍの終端と後続の前記メインパルス信号Ｐｍの始端との間隔Ｔｗは、それぞれ等しい幅であり、
   前記各メインパルス信号Ｐｍのパルス幅Ｔｐと、先行する前記メインパルス信号Ｐｍの終端と後続の前記メインパルス信号Ｐｍの始端との間隔Ｔｗとがそれぞれ、前記圧力室が含まれるインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬに対して、
   １．１ＡＬ≦Ｔｐ≦１．５ＡＬ、３．５ＡＬ≦Ｔｗ≦４．５ＡＬ、
   の関係を満たしていることを特徴とするインク滴吐出装置。
2. 前記駆動波形は、当該ドットを形成する駆動周期の次に駆動周期に形成するドットがない場合に、当該ドットの形成に用いることを特徴とする請求項１に記載のインク滴吐出装置。
3. 前記複数のメインパルス信号を有する駆動波形は、被記録媒体にドットを形成するための駆動周期の複数周期に跨っていることを特徴とする請求項１または２に記載のインク滴吐出装置。

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