JPH10250061A - インクジェット式印字ヘッドの駆動方法 - Google Patents
インクジェット式印字ヘッドの駆動方法Info
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Abstract
つ高駆動周波数でもインクが供給不足になることを防
ぎ、それにより環境温度の違いによるインクの吐出特性
差を少なくする。 【解決手段】圧電振動板を充電または放電してインクが
充填している圧力発生室を膨張、収縮させてインク滴を
吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記
圧力発生室を収縮させる行程(t1)と駆動電圧維持行
程(t2)と前記圧力発生室を膨張させる行程(t3)
とを持つ駆動波形を備え、t1とt2とt3の合計時間
が、圧電振動板の固有振動周期Tの(n+1/4)倍
(n=1,2,3)から、温度環境の減少に伴って、上
記固有振動周期Tの(n+3/4)倍若しくはTの(n
―1/4)倍に変動させていくことにより、低温度環境
下での高駆動周波数におけるインクの供給不足を解消す
ることで、温度環境によるインク吐出特性差を減らす。
Description
で加圧してインクを吐出させて文字や図形を記録する記
録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置を駆動させ
る方法に関する。
境温度変化に対して、インクの粘度、表面張力等のイン
ク物性値が変化するため、吐出するインク滴の速度、イ
ンク滴の重量といった吐出特性が変わってしまい印字品
質に影響を及ぼすことが知られている。
0947号公報では、環境温度が低下する場合において
はインクを供給する前に常温に近い状態にまで加熱を行
って温度の補正を行うことが開示されている。
号で開示されている駆動方法は圧電素子を中間駆動電圧
に充電した状態から最低駆動電圧にまで放電してインク
を圧力室に吸入し、吸入直後に圧電素子を最大電圧まで
充電してインクの吐出を行い、その直後に中間駆動電圧
まで放電するものである。
開平5−220947号公報の方式では環境温度対策の
ためだけにインク過熱器を設置しなければならず、製造
コストが高くなる問題を抱える。
号で開示されている駆動方法を保証環境温度の全領域に
渡って使用する場合、特にメニスカスの残留振動の影響
が顕著に現れる駆動周波数(単位時間当たりのインク滴
吐出回数)が例えば、20kHz以上では、環境温度が
下がるにつれ、インク量が粘度上昇の分による減少分に
加えて、吐出後のノズル開口へのメニスカスの戻りが遅
くなるために環境温度が高い状態よりもメニスカスが引
き込まれた状態で次の吐出を行わなければならない分の
インク量減少が加わって、大幅にインク重量が減少する
ことになる。また、上記メニスカスの戻りが遅くなるた
めに、メニスカスが大幅に引き込まれた状態のまま次の
インク滴の吐出を行うので、吐出されるインク滴が線状
になり、また前記のように大幅なインク量の減少も手伝
って、画質の劣化は必至である。
めに、本発明に於けるインクジェット式ヘッドの駆動方
式は、ノズル開口と共通のインク室に連通する圧力発生
室と、圧力発生手段を備え、駆動電圧を維持する行程、
充電行程と放電行程の3つの行程を適宜に組み合わせ
て、前記圧力発生手段により圧力発生室を膨張、収縮さ
せて、インクの吸引、ノズル開口からのインク滴吐出を
行うインクジェット式ヘッドにおいて、前記圧力発生室
を収縮させる行程(t1)と駆動電圧維持行程(t2)
と前記圧力発生室を膨張させる行程(t3)とを持つ駆
動波形を備え、t1とt2とt3の合計時間が、インク
の環境温度に応じて圧力発生手段の固有振動周期Tの
(n+1/4)倍(n=1,2,3)から、Tの(n+
3/4)倍に増加若しくはTの(n―1/4)倍に減少
していくことを特徴とするインクジェット式印字ヘッド
の駆動方法である。
室を収縮させインク滴を吐出させようとする時、充電
(若しくは放電)時間が経過した時点で、充電(若しく
は放電)最終時間のまま、駆動電圧を維持する状態に移
行すると、圧力発生手段としての圧電振動板はその固有
振動周期Tで定まる残留振動に入るが、更にその駆動電
圧を維持する時間から放電(若しくは充電)を完了し、
再び放電(若しくは充電)完了時の駆動電圧を維持する
状態に入る直前までのタイミングを変化させることで、
圧電振動板の残留振動を抑止することも残留振動を増幅
させることもできる。圧電振動板の残留振動を抑止する
ことにより、結果的に意図しない吐出(サテライト)が
発生するのを防ぐことができる。これは特に環境温度が
高いときにインクの粘度が減少したときの駆動波形の設
定法である。逆に環境温度が低いとき、つまりインク粘
度が増加したとき、圧電振動板の残留振動を抑止しない
ようなタイミングを設定すると、圧電振動板の残留振動
が引き起こすポンプ効果により、メニスカスの戻りを早
めることができ、環境温度が高い状態に近い戻りの早さ
を実現できる。圧電振動板の残留振動を抑止するタイミ
ングと抑止しないタイミングを環境温度によって変化さ
せることにより、インクの粘度特性に応じた高周波数駆
動方法を実現できる。
基づいて説明する。
ジェット記録ヘッドの一実施例を示すものであって、図
中の符号1は、駆動ユニットで、ジルコニアの薄板から
なる振動板2の表面に、後述する圧力発生室4に対向す
るようにPZTからなる圧電振動板3、3、3‥‥を一
体に固定して構成されている。
るのに適した厚さ、例えば100μmのジルコニア(Z
rO2)などのセラミック板に圧力発生室4、4、4‥
‥の形状に一致した通孔を一定ピッチで穿設して構成さ
れている。
で、圧力発生室4寄りの一端側には、ノズル開口7、
7、7‥‥と圧力発生室4を接続する連通口8、8、8
‥‥が、また他端側には圧力発生室4と各ノズル共通の
インク室10とを接続する連通口11、11、11‥‥
が設けられている。この連通口11、11、11‥‥は
ノズル開口7、7、7‥‥とほぼ同等の流路抵抗を有す
る流路制限孔の役割も担っている。
ニットとして構成され、後述するユニット固定板12に
取り付けられる。
に上述したユニットが所定の位置に接着剤で固定されて
おり、連通口11と共通のインク室10とを接続する連
通孔13が設けられ、また通孔8に対向する位置にはノ
ズル開口7と接続する連通孔14が設けられている。
6とユニット固定板12とを接合するための熱溶着フィ
ルムで、共通のインク室10に一致する窓17、及びノ
ズル開口7、7、7‥‥圧力発生室4、4、4‥‥とを
接続する連通孔18、18、18‥‥とが穿設されてい
る。
共通のインク室10を形成するに適した厚み、例えば1
20μmのステンレス鋼などの耐蝕性を備えた板材に、
共通のインク室10の形状に対応する通孔と、圧力発生
室4、4、4‥‥とノズル開口7、7、7‥‥とを接続
する連通孔9、9、9‥‥を穿設して構成されている。
4、4‥‥の一側よりにはノズル開口7、7、7‥‥が
穿設されていて、連通孔8、14、18、9、及び19
を介して各圧力発生室4、4、4‥‥に接続するように
共通のインク室形成板16に熱溶着フィルム20で接着
されている。
録ヘッドは、圧電振動板4に一定速度で上昇する電圧か
らなる駆動信号が印加されると、振動板2が圧力発生室
4側を凸にするようにたわんで、圧力発生室4を収縮さ
せる。これにより、圧力発生室4のインクが連通口8、
14、18及び9を経由してノズル開口7に至り、ここ
からインク滴を吐出する。
低下させると、圧電振動板3は元の位置に徐々に復帰し
て、圧力発生室4が膨張する。この過程でインク滴の形
成により消費された分のインクが共通のインク室10か
ら流路制限孔11を経由して圧力発生室4に流入する。
送り込むための装置を図式化して示したものである。図
2中の21はパルス形成装置である。この回路は中にR
OMを持っており駆動波形情報をROMに焼き付けるこ
とにより、任意の駆動波形を表現できる装置である。こ
のROMに、22に示すように設定する駆動波形の情報
をあらかじめ焼き付けておく。この駆動情報には環境温
度の変化に対応して波形のタイミングを変化させるよう
なデータをあらかじめ備えている。更にパルス形成装置
21近傍にサーミスタ23を備えておき、環境温度の情
報が常にパルス形成装置21へと伝わるように設定す
る。
スタ23で示される情報を元にして、パルス形成装置2
1はデジタルパルスをD/Aコンバーター24へと送信
する。このD/Aコンバーター24では、パルス形成装
置21によって伝えられた駆動波形の情報をアナログの
データへと変換することができる。
れたパルスは電力増幅器25にて設定している電圧と電
流にまで増幅され、図1の符号1で示される駆動ユニッ
トへと駆動パルス波形として伝えられる。
した記録ヘッド装置の動作を表す駆動波形図である。圧
電振動板3に中間駆動電圧を印加した待機状態(t5の
直前)から放電を行い圧力室にインクを吸入する工程
(t5)、最低駆動電圧を維持する時間(t6)、充電
を行い圧力室のインクを射出する工程(t1)、充電最
終電圧を維持する時間(t2)、放電をおこなって中間
駆動電圧に復帰する工程(t3)を持ち、t4以降は次
の吐出に入るまで中間駆動電圧を維持する波形が設定さ
れている。尚、圧電振動板の固有振動周期Tは8μsで
ある。以下ではこれを実施例とする。
変化させたときの情報一覧である。ここで設定した情報
を図2中の22に設定して駆動波形の情報として登録す
る。駆動波形情報41に示されるt1、t2及びt3の
工程の合計時間が、環境温度40℃時では、圧電振動板
の固有振動周期Tの(1+1/4)倍、環境温度15℃
時では、Tの(1+3/4)倍になるように設定してい
る。
グラフとして示したものである。
数特性のグラフとして示したものである。51は実施例
での周波数特性を表したもので、52はt1+t2+t
3の合計時間を40℃環境結果における最も好適値のま
ま(つまり、図6で用いた組み合わせ)で測定した結果
である。
20kHzを超えるあたりからインク滴吐出後のインク
の供給が間に合わなくなり、駆動周波数が上昇する毎
に、インク量が大幅に減少していく。駆動周波数の上昇
に伴いインク量は40℃時での周波数特性図(図6)と
比べると大幅に減少する。また、駆動周波数20kHz
以上ではインクの供給が間に合わないために吐出するイ
ンク滴が線状になってしまい、画質の劣化を引き起こす
原因になる。
比べると、特に20kHz以上で吐出するインク量が上
昇している。また、測定52で出現した線状のインク滴
も現れることなく、全周波数に渡って粒状のインク滴を
吐出することができた。
も図6のグラフと図5の52(t1+t2+t3の組み
合わせを変更しない)の場合では、グラフにかなりの差
が現れており、低い周波数と高い周波数を混在させてイ
ンク滴を吐出することが多い印字では温度が違うと色合
いに差がつくことは必至である。対して図6と図5の5
1(実施例)の場合は周波数特性のグラフは温度による
違いはあまりなく、色合いに差がつくことは少ない。
充電工程(t1)以降の圧電振動板3の残留振動を示し
た図である。
板3の残留振動はt3における放電によってちょうど打
ち消されるようにタイミングを設定している。圧電振動
板3の残留振動が圧力発生室4を収縮させ始める時点を
捉えて放電t3による圧力発生室4を膨張させるパルス
を開始させ、圧電振動板3の残留振動が圧力発生室4を
膨張させる向きに反転する直前を捉えて放電t3を制止
し、電圧維持t4にすることで、圧電振動板3の残留振
動を抑えるようにしているので、t1の急激な充電工程
による圧力発生室4を収縮させようとする残留振動71
とその反動による圧力発生室4を膨張させようとする残
留振動72の振動以降は、放電工程(t3)による残留
振動打ち消しの効果が発生して、大きな残留振動はなく
なる。またこの時、圧電振動板3の残留振動は放電工程
t3の前後で最大1/2周期の位相の遅れが生じ、圧電
振動板3の残留振動における次の収縮方向への振動73
以降は1/2周期遅れて振動する。
ことができるタイミングは、圧電振動板が充電工程t1
を開始した時点から固有振動周期T(8μs)の1+1
/4倍の時点であり、これより短い時間間隔でも長い時
間間隔でも圧電振動板3の残留振動の振幅は大きくな
る。
ク滴吐出を行う充電工程(t1)以降の圧電振動板(図
1中の3)の残留振動を示した図である。
の残留振動図8は図7とは異なり、放電工程(t3)に
おける残留振動打ち消しの効果が現れないタイミングを
取っている。圧電振動板3の残留振動が、圧力発生室4
を膨張させる時点を捉えて、放電t3による圧力発生室
4を膨張させるパルスを開始させ、残留振動により圧力
発生室4をますます膨張させ、残留振動が最も膨張側に
変位し、収縮させようとする直前に放電t3を停止し、
電圧維持工程t4に移行することにより、大きな残留振
動を残したままになるので、図8は、t1の急激な充電
による圧力発生室4を収縮させようとする残留振動81
とその反動による圧力発生室4を膨張させようとする残
留振動82、さらにその反動で圧力発生室4を収縮させ
ようとする残留振動83を経て、その残留振動84(膨
張)では放電t3の影響を受けて振幅が大きくなり、以
降圧力発生室4を収縮する作用と膨張する作用を繰り返
す。(85、86)しかしながら、温度が低い場合に
は、インクの粘度が高いため、温度が高い時と比べて、
減衰が早く、実質的には同等の減衰時間である。また、
圧電振動板3の残留振動は放電t3工程の前後で位相の
変化はない。
の残留振動の振幅を増し、電圧維持工程t4に進むタイ
ミングは、圧電振動板が充電工程t1を開始した時点か
ら固有振動周期T(8μs)の1+3/4倍の時点であ
り、これより短い時間間隔でも長い時間間隔でも圧電振
動板3の残留振動の振幅は図7の状態よりも小さくな
る。
きく圧力発生室4に引き込まれ、所定時間が経過した時
点で反転して、圧電振動板の固有振動(図7、図8に示
した振動)と同期した振動を繰り返しながらノズル開口
側(図1の7)に向かって移動する。インク滴吐出から
メニスカスが圧力発生室4側に引き込まれ、その後ノズ
ル開口部7に到着するまでの合計時間が短いほど、次の
吐出で安定的にインク量を確保することができるまでの
時間間隔を短くすることができ、その結果駆動周波数を
上げていっても、メニスカスの振動が完全に収束した状
態で次のインク滴を吐出するのと同程度のインク量を確
保することができる。
振動板3は残留振動の振幅が増大し、放電t3工程終了
後(残留振動84)、メニスカスは大きく圧力発生室4
側に引き込まれる。また、圧電振動板3の残留振動が残
らないような放電t3工程をかけるときは、例えば、4
0℃環境における例(図7)のような状態であり、t3
工程終了時(残留振動72)では、残留振動の振幅が大
きく残る場合よりもメニスカスは圧力発生室4側に引き
込まれない。
きい状態と小さい状態でのノズルメニスカス減衰運動の
推移を示したものである。91はメニスカスが放電t3
工程後に強く引き込まれた場合(実施例、残留振動の振
幅が大きい)であり、92はメニスカスがほとんど引き
込まれなかった場合の減衰振動である。92の場合は、
圧電振動板3の残留振動の振幅はあまり大きくなく、メ
ニスカスは自然減衰に近い挙動を示す。対して、実施例
のメニスカス減衰91は、放電t3工程終了直後に圧電
振動板3の残留振動が圧力発生室4を収縮させる(つま
り、メニスカスをノズル開口7側に押し出す)方向に最
大の圧力を発生する位相になっていて、また、残留振動
の振幅が最大であるので、最も大きなメニスカス押し出
しの圧力を持っている。さらに、残留振動の反動で圧力
発生室4を膨張させる、つまり、メニスカスを圧力発生
室4側に引き込む作用の圧力は、圧電振動板3の残留振
動の減衰により、必ず一つ前のメニスカスをノズル開口
7側に押し出す作用よりも弱い圧力になる。結果とし
て、減衰91は、メニスカスをノズル開口7にまで回復
するための最大の圧力を流路に加えることができる。
小さくなる減衰92の場合では、放電t3工程終了直後
に、圧電振動板3の残留振動は、圧力発生室4を最も膨
張させる(つまり、メニスカスを圧力発生室4側に引き
込む)方向に最大の圧力を発生する位相になっている
が、圧電振動板3の残留振動の振幅が非常に小さいの
で、メニスカスをノズル開口7に回復させる圧力も圧力
発生室4側に引き込む圧力もほとんど存在しない。
3の制振効果を持つ減衰93は、放電t3工程終了直後
では、91と92の中間の位相になっており、また、圧
電振動板3の振幅も91と92の中間をとるので、メニ
スカスをノズル開口7に回復させるための圧力も減衰9
1と92の中間になる。
メニスカスがノズル開口7に早く回復させるためには、
実施例のように、最も圧電振動板3の残留振動を発振さ
せたほうがよい。
て、圧電振動板3の残留振動は位相のずれを引き起こ
す。15℃環境での実施例のように、放電t3工程によ
って、残留振動が最も発振する状態では位相ずれはない
が、放電t3工程によって、残留振動が収まるほど圧電
振動板3の位相が最大で固有振動周期Tの1/2倍の時
間だけ遅れる方向に進み、放電t3工程終了後始めて圧
力発生室4を収縮させる残留振動が位相ずれの分だけ遅
くなってしまい、結果としてノズルメニスカスをノズル
開口7まで回復させる時間を遅らせてしまう。位相のず
れがないほど、つまり放電t3工程によって圧電振動板
3が発振するほど、吐出後のメニスカスを再びノズル開
口7まで回復する時間が早くなり、15℃環境における
高い駆動周波数のインク滴吐出であっても、インク滴の
供給が間に合うようになる。
境において、実施例の(図8)状態が最も残留振動の振
幅を高める状態であり、実施例のt1+t2+t3時間
の合計が減少もしくは増大すると、圧電振動板3の放電
t3工程終了後の残留振動の振幅が小さくなり、放電t
3工程後のメニスカス引きこみ位置の面からも位相のず
れという面からも、ノズルメニスカスがインク滴吐出に
よって大きく圧力発生室4側に引き込まれてからノズル
開口7に押しもどされるまでの時間が遅くなってしま
い、15℃環境時での高周波数駆動時のインク吐出量が
減少してしまう。
振動板3の残留振動を加振して高周波数駆動時のインク
滴供給能力を高める方法は、インク粘度が相対的に高い
状態で使うことが望ましい。つまり実施例における15
℃環境のような状態である。
うなインク粘度が小さくなる状態では、インク粘度の減
少(つまり温度の増加)に従って徐々に圧電振動板3の
残留振動が消滅するようにして、圧電振動板3の残留振
動による予期せぬインク滴の吐出を抑え、粘度減少によ
る吐出量が過剰に増えることも抑えることができる。
くなる状態では実施例のように圧電振動板3の振動を抑
えずに供給能力を最大限高めることで吐出量を確保す
る。圧電振動板3の残留振動に起因する予期せぬインク
滴の吐出は15℃のような高粘度状態ではほとんど起こ
ることはなく、これにより全温度環境に渡って周波数特
性も似たような傾向を得ることができ、なおかつ15℃
の高周波数駆動であっても粒状のインク滴を得ることが
できる。
選択されており、t1とt2とt3の合計時間は、圧電
振動板3の固有振動周期Tの(1+3/4)倍で低温環
境を設定しているが、この設定値は40℃環境において
圧電振動板3の残留振動を最もよく制止することがで
き、15℃環境において最も高い供給能力上昇効果があ
りさらに圧電振動板3の残留振動に起因する不要なイン
ク滴の吐出が発見されなかったのでこの設定値を用いた
が、t1とt2とt3の合計時間の変域は圧電振動板3
の残留振動が最も収まるTの(n+1/4)倍(n=
1、2、3)を基点にして、そこからTの1/2倍だけ
増加ないしはTの1/2倍だけ減少する範囲が一般的に
は望ましい値である。
振動周期Tを8μsの例として述べたが、あらゆる固有
振動周期においても、同様の作用を奏することは明らか
である。
み振動を利用したもの以外でも、例えば、圧電振動子の
縦振動を利用したインクジェット式記録ヘッドでも、同
様の効果を得られる。
とt2とt3との合計時間を圧電振動板の固有振動周期
Tの(n+1/4)倍(n=1、2、3)に設定し、環
境温度の減少に伴いTの(n+3/4)倍若しくは(n
−1/4)倍に近づけることにより、温度が低い状態で
高駆動周波数帯のインク量を増加させることができ、な
おかつ粒状のインク滴を得ることができる。
差も大幅に改善されることができ、温度環境による色合
いの差も改善される。
の一実施例を示す断面図である。
を駆動させる駆動波形を送る方法の概略図である。
の動作を示す駆動波形図である。
ある。
量の関係を示す図である。
量の関係を示す図である。
圧電振動板の残留振動の挙動を示す図である。
圧電振動板の残留振動の挙動を示す図である。
挙動を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 ノズル開口と共通のインク室に連通する
圧力発生室と、圧力発生手段とを備え、駆動電圧を維持
する行程、充電行程と放電行程の3つの行程を適宜に組
み合わせて、前記圧力発生手段により圧力発生室を膨
張、収縮させて、インクの吸引、ノズル開口からのイン
ク滴吐出を行うインクジェット式ヘッドの駆動方法にお
いて、前記圧力発生室を収縮させる行程(t1)と駆動
電圧維持行程(t2)と前記圧力発生室を膨張させる行
程(t3)とを持つ駆動波形を備え、t1とt2とt3
の合計時間が、インクの環境温度に応じて圧力発生手段
の固有振動周期Tの(n+1/4)倍(n=1,2,
3)から、Tの(n+3/4)倍の帯域で変化していく
ことを特徴とするインクジェット式印字ヘッドの駆動方
法。 - 【請求項2】 環境温度の減少に伴って前記請求項1の
範囲内で前記t1とt2とt3の合計時間が増加してい
くことを特徴とするインクジェット式印字ヘッドの駆動
方法。 - 【請求項3】 前記t1とt2とt3の合計時間が、イ
ンクの環境温度に応じて圧力発生手段の固有振動周期T
の(n+1/4)倍(n=1,2,3)から、Tの(n
―1/4)倍までの帯域で変化していくことを特徴とす
るインクジェット式印字ヘッドの駆動方法。 - 【請求項4】 環境温度の減少に伴って前記請求項3の
範囲内で前記t1とt2とt3の合計時間が減少してい
くことを特徴とするインクジェット式印字ヘッドの駆動
方法。
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