(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを収容する圧力室と、この圧力室に連通しこの圧力室のインクを吐出するノズルと、前記圧力室の容積を駆動信号発生手段からの駆動信号に応じて拡張、収縮変化させるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータの動作により前記ノズルから均一な大きさのインク滴を複数回連続的に吐出させ、前記インク滴の数を変化させてドットサイズを変化させるインクジェット記録装置において、
前記駆動信号発生手段は、駆動信号として、前記圧力室の容積を拡張させる矩形波状の拡張パルスと待ち時間と前記圧力室の容積を収縮させる矩形波状の収縮パルスとを有し、前記拡張パルスの中心と前記収縮パルスの中心との時間差が前記圧力室内のインクによって前記ノズル内に生じるメニスカスの共振周期Ｔｃに合うタイミングで順次発生させ、かつ前記収縮パルスの幅は（１／２）Ｔｃ以下の時間とし、前記インク滴の数に合わせて前記駆動信号を発生させることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
圧力室内のインクの温度を検出する温度検出手段を設け、この温度検出手段の検出温度により、ノズル内に生じるメニスカスの共振周期が温度によって変化するのに合わせて拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差を補正することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】
拡張パルスの幅をノズル内に生じるメニスカスの共振周期の半分に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】
インクを収容する圧力室と、この圧力室に連通しこの圧力室のインクを吐出するノズルと、前記圧力室の容積を駆動信号に応じて拡張、収縮変化させるアクチュエータとを有し、前記駆動信号を前記圧力室の容積を拡張させる矩形波状の拡張パルスと待ち時間と前記圧力室の容積を収縮させる矩形波状の収縮パルスとで構成し、前記拡張パルスと収縮パルスを、その拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差が前記圧力室内のインクによって前記ノズル内に生じるメニスカスの共振周期Ｔｃに合うタイミングで順次発生させて前記アクチュエータを駆動し、かつ前記収縮パルスの幅は（１／２）Ｔｃ以下の時間とし、インク滴の数に合わせて前記駆動信号を発生させて前記ノズルから均一な大きさの前記インク滴を複数回連続的に吐出させ、前記インク滴の数を変化させてドットサイズを変化させることを特徴とするインクジェット記録方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルからインク滴を複数回連続的に吐出させて階調表現するインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子等の電気機械変換手段からなるアクチュエータを駆動信号で動作し、インクを収容する圧力室の容積を拡張、収縮変化させてノズルからインクを吐出するインクジェット記録装置の階調表現方法として、一つは、例えば、米国特許第５，４６１，４９３号明細書や特開平４−２５００４５公報に見られるように、駆動信号の電圧やパルス幅等を変化させてノズルから吐出するインク滴の体積を変化させ、これにより、記録媒体に被弾させるインク滴のドットサイズを変化させる方法が知られている。また、他の一つは、例えば、米国特許第４，５１３，２９９号明細書に見られるように、駆動パルス数を制御することによってノズルからインクの小液滴を複数回吐出させ、吐出させる小液滴の数を変化させて記録媒体に被弾させるインク滴のドットサイズを変化させる方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者の方法は、大幅にインク滴の吐出体積を変化させることが困難であり、ドットサイズを大きな割合で変化させるには後者の方法が優れている。しかし、後者における駆動方法は、一つの画素を形成するのに前者のように１つのインク滴の吐出体積を制御する駆動方法に比べて、より高い駆動周波数で複数個の小液滴を吐出させる必要があるので、印字速度を低下させないためには、かなり高い周波数で小液滴を吐出させなければならない。
【０００４】
このため、駆動パルスを高い周波数で連続的にアクチュエータに印加することになるが、このように駆動パルスを高い周波数で連続的に印加すると、直前に小液滴を吐出させる駆動パルスで発生したノズル内のメニスカスの振動に、次に小液滴を吐出させる駆動パルスで発生するメニスカスの振動が加わり、このため、メニスカスの振動が大きくなって乱れノズル内のインクが気泡を巻き込むという現象が発生する。そして、ノズル内のインクが気泡を巻き込む現象が発生すると、インク滴の吐出速度が低下し、場合によってはインク滴が吐出しなくなってしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、インクの小液滴を複数回吐出させてドットサイズを変化させるものにおいて、ノズル内のインクが気泡を巻き込むのを極力防止できるインクジェット記録装置を提供する。
【０００６】
また、本発明は、インクの小液滴を複数回吐出させてドットサイズを変化させる場合に、ノズル内のインクが気泡を巻き込むのを極力防止できるインクジェット記録方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、インクを収容する圧力室と、この圧力室に連通しこの圧力室のインクを吐出するノズルと、圧力室の容積を駆動信号発生手段からの駆動信号に応じて拡張、収縮変化させるアクチュエータとを有し、アクチュエータの動作によりノズルからインク滴を複数回連続的に吐出させるインクジェット記録装置において、駆動信号発生手段は、駆動信号として、圧力室の容積を拡張させる拡張パルスと圧力室の容積を収縮させる収縮パルスとを、拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差が圧力室内のインクによってノズル内に生じるメニスカスの共振周期に合うタイミングで順次発生させるインクジェット記録装置にある。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のインクジェット記録装置において、圧力室内のインクの温度を検出する温度検出手段を設け、この温度検出手段の検出温度により、ノズル内に生じるメニスカスの共振周期が温度によって変化するのに合わせて拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差を補正することにある。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のインクジェット記録装置において、拡張パルスの幅をノズル内に生じるメニスカスの共振周期の半分に設定したことにある。
【００１０】
請求項４記載の発明は、インクを収容する圧力室と、この圧力室に連通しこの圧力室のインクを吐出するノズルと、圧力室の容積を駆動信号に応じて拡張、収縮変化させるアクチュエータとを有し、駆動信号を圧力室の容積を拡張させる拡張パルスと圧力室の容積を収縮させる収縮パルスとで構成し、拡張パルスと収縮パルスを、その拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差が圧力室内のインクによってノズル内に生じるメニスカスの共振周期に合うタイミングで順次発生させてアクチュエータを駆動し、ノズルからインク滴を複数回連続的に吐出させるインクジェット記録方法にある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２はインクジェット記録装置の要部構成を示す図で、１はインクジェットヘッド、２は駆動信号発生手段である。なお、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１２】
前記インクジェットヘッド１は、インクを収容する複数の圧力室１１を隔壁１２で仕切って形成し、各圧力室１１にはインク滴を吐出するノズル１３が設けられている。前記各圧力室１１の底面は振動板１４によって形成され、その振動板１４の下面側に前記各圧力室１１に対応して複数の圧電部材１５が固定されている。前記振動板１４及び圧電部材１５はアクチュエータを構成し、前記圧電部材１５は前記駆動信号発生手段２の出力端子に電気的に接続されている。
【００１３】
前記インクジェットヘッド１には、また、前記各圧力室１１に連通する共通圧力室１６が形成されており、この共通圧力室１６にインク供給口１７を経由してインク供給手段（図示せず）からインクを注入し、共通圧力室１６、各圧力室１１及びノズル１３にインクを満たすようになっている。前記圧力室１１及びノズル１３内にインクが満たされることで、ノズル１３内にはインクのメニスカスが形成される。
【００１４】
また、前記共通圧力室１６の背面には温度検出手段である温度センサ１８が取付けられ、ヘッド内のインクの温度を検出するようになっている。そして、前記温度センサ１８が検出した温度情報を前記駆動信号発生手段２に供給するようになっている。
【００１５】
この装置は、前記駆動信号発生手段２から駆動信号を発生して前記圧電部材１５に印加すると、この圧電部材１５が振動板１４を変位させて圧力室１１の容積を変化させ、これにより、圧力室１１内に圧力波を発生してノズル１３からインク滴を吐出するようになっている。そして、前記ノズル１３内のインクのメニスカスの共振周期は圧力室１１内のインクのヘルムホルツ共振周期と同じになる。
【００１６】
インクの小液滴の吐出回数によって階調印字を行う場合、高い印字品質を得るためには、１回の動作で吐出するインクの小液滴の体積は小さいことが望ましい。また、圧力室１１内のインクのヘルムホルツ共振周期は短いほど高速にインク滴を吐出させることができる。
【００１７】
圧力室１１内のインクのヘルムホルツ共振周期は圧力室１１の容積を小さくすることで高くすることができるので、圧力室１１の容積は十分に小さくすることが望ましい。
【００１８】
図３は前記駆動信号発生手段２から発生する駆動信号の一例を示す波形図で、この駆動信号は、圧力室１１の容積を拡張させる拡張パルスｐ１、待ち時間ｔ、圧力室１１の容積を収縮させる収縮パルスｐ２を１つの駆動パルスとし、この駆動パルスの数によってノズル１３から吐出するインク滴の数を制御して階調印字を行う。そして、各駆動パルス間で一定の遅延時間を設定している。
【００１９】
インクのヘルムホルツ共振周期、すなわち、インクのメニスカスの共振周期をＴｃと定義すると、拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差をＴｃに設定する。また、拡張パルスｐ１と収縮パルスｐ２のパルス幅をＴｃ／２に設定する。従って、ｔもＴｃ／２となる。
【００２０】
インクのメニスカスの共振周期Ｔｃは温度によって変化するので、温度センサ１８で検出した温度によって拡張パルスｐ１と収縮パルスｐ２の時間差を補正する必要がある。前記駆動信号発生手段２は、例えば表１に示すようなテーブルを設け、温度センサ１８で検出した温度に対応する共振周期Ｔｃに合わせて拡張パルスｐ１と収縮パルスｐ２の時間差を補正するようになっている。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
これにより、インクの温度によってインクのメニスカスの共振周期Ｔｃが変化しても、それに応じて拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心の時間差を補正できるので、拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心の時間差を常にインクのメニスカスの共振周期Ｔｃに合わせることができる。
【００２３】
次に動作について図４及び図５に基づいて述べる。
ノズル１３内のインクのメニスカスｍが図４の(a)に示す状態にある初期状態から拡張パルスｐ１が圧電部材１５に印加されると、圧力室１１が拡張して圧力室内部のインク圧力が図５に示すように低下し、インクのメニスカスｍは図４の(b)に示すように圧力室１１の負圧を受けて後退を始める。
【００２４】
その後、圧力室１１内のインクの圧力は図５に示すように圧力振動により上昇して正圧になり、動作開始後０．５Ｔｃ時間が経過するとインクのメニスカスｍは圧力室の正圧を受けて後退を停止し静止状態になる。このとき拡張パルスｐ１も終了するので圧力室１１は収縮するようになる。圧力室１１が収縮を始めると、インク圧力はさらに上昇してもっとも高い状態になり、メニスカスｍは高い圧力を受けてノズル１３から吐出するようになる。
【００２５】
その後、圧力室１１内のインク圧力は圧力振動により低下し、動作開始後Ｔｃ時間が経過するとメニスカスｍの吐出動作は圧力室１１の負圧を受けて終了する。このときのメニスカスｍは図４の(c)に示す状態になっている。なお、ノズル１３からのインクの吐出は慣性によって継続される。
【００２６】
動作開始後Ｔｃ時間になると今度は収縮パルスｐ２の印加が開始される。これにより、圧力室１１の容積が収縮してインク圧力が上昇し、負圧の大きさが小さくなる。その後、メニスカスｍは圧力室１１の負圧を受けて後退し、インク圧力は圧力振動により上昇する。
【００２７】
動作開始後１．５Ｔｃ時間になるとメニスカスｍは圧力室１１の正圧を受けて後退から静止状態になる。このときのメニスカスｍは図４の(d)に示す状態になっている。なお、ノズル１３からのインクの吐出は慣性によってさらに継続され１つ目のインク滴が吐出される。このとき収縮パルスｐ２も終了するので圧力室１１は拡張するようになる。圧力室１１が拡張を始めると、インク圧力が低下し、インク吐出のために発生した圧力の大部分が打ち消される。このため、メニスカスｍの急激な前進が抑えられ、気泡の巻き込みが防止される。
【００２８】
この後、次の駆動パルスが連続的に印加されると、初期状態からの動作を繰返すことになる。２つ目以降のインク滴の吐出動作では、メニスカスは一時的に１つ目のインク滴の吐出動作のときよりも大きく後退するが、メニスカスの表面張力によりインクが共通圧力室１６から圧力室１１に補給されるため、１回目の動作で吐出するインク滴の量が小さければメニスカスが後退し続けることはない。
【００２９】
図６は７つのインク滴を連続的に吐出させたときの拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差と駆動電圧Ｖとの関係を示すグラフで、グラフｇ１は動作電圧の上限を示し、グラフｇ２は動作電圧の下限を示している。
【００３０】
動作電圧の下限は、正常な印字が行える駆動電圧の下限を示しており、これよりも低い駆動電圧ではインク滴の吐出速度が遅いためにインク滴の着弾位置のずれが大きくなり、また、極端に印字濃度が低くなって印字品質が悪くなる。また、動作電圧の上限は、安定して動作できる駆動電圧の上限を示しており、これを越える駆動電圧では圧力室１１のインクが気泡を巻き込み、インク滴の吐出がなくなってしまう現象が発生する。
【００３１】
また、このグラフは、拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差がＴｃ、すなわち、ノズル内に生じるメニスカスの共振周期のときに最も高い駆動電圧で駆動できることを示している。このことは、拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差がＴｃ及びＴｃ付近で最も気泡を巻き込まずに速い吐出速度で連続的にインク滴を吐出できることを意味している。また、このグラフは、拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差がＴｃから多少ずれていても、特に、Ｔｃより大きい方向においては比較的広い範囲において比較的高い駆動電圧で駆動できるので、同等の作用効果が得られる。
【００３２】
従って、拡張パルスｐ１と収縮パルスｐ２を、その拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差がＴｃとなるように発生させることは望ましいが、必ずしもＴｃに一致するように発生させる必要はなく多少のずれがあってもよく、要は、拡張パルスｐ１の中心と収縮パルスｐ２の中心との時間差がノズル内に生じるメニスカスの共振周期に合うように発生させればよい。
【００３３】
なお、駆動信号発生手段２が発生する駆動信号の一例として、パルス幅がＴｃ／２の拡張パルスｐ１と待ち時間Ｔｃ／２とパルス幅がＴｃ／２の収縮パルスｐ２からなる駆動パルスを一定の遅延時間を設けて繰返し発生するものを述べたが必ずしもこれに限定するものではない。
【００３４】
駆動信号発生手段２が発生する駆動信号として、例えば、図７に示すように、駆動パルスと駆動パルスとの間に遅延時間を設定しないで繰返し発生するものを使用してもよい。すなわち、前の駆動パルスの収縮パルスｐ２の発生が終了すると直ちに次の駆動パルスの拡張パルスｐ１が発生するものであってもよい。
【００３５】
また、図７に示すように駆動パルスと駆動パルスとの間の遅延時間を０にすると、後に吐出するインク滴の方が先に吐出するインク滴よりも吐出速度が大きくなる傾向にある。
【００３６】
これを解消するために、図８に示すように、収縮パルスとしてその中心位置を変えないでパルス幅がＴｃ／２よりも狭い収縮パルスｐ２´を使用してもよい。あるいは、図９に示すように、収縮パルスとして電圧が拡張パルスｐ１の電圧Ｖ１よりも低いＶ２の収縮パルスｐ２″を使用してもよい。
【００３７】
すなわち、適度の吐出速度の増加は、空中で後から吐出するインク滴が前に吐出したインク滴に合体するために印字媒体上に被弾するドットの円形度が向上して望ましいが、吐出速度の増加が大き過ぎると吐出が不安定になる場合がある。このような場合には収縮パルスのパルス幅を狭くするか電圧を低くして吐出速度の増加を抑えればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１乃至３記載の発明によれば、インクの小液滴を複数回吐出させてドットサイズを変化させるものにおいて、ノズル内のインクが気泡を巻き込むのを極力防止できるインクジェット記録装置を提供できる。
【００３９】
また、請求項２記載の発明によれば、さらに、インクの温度に応じて拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差を補正できるので、インク温度が変化してもノズル内のインクが気泡を巻き込むのを極力防止できるインクジェット記録装置を提供できる。
【００４０】
請求項４記載の発明によれば、インクの小液滴を複数回吐出させてドットサイズを変化させる場合に、ノズル内のインクが気泡を巻き込むのを極力防止できるインクジェット記録方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るインクジェット記録装置の要部構成を示す図。
【図２】図１のインクジェットヘッドのＡ−Ａ断面図。
【図３】同実施の形態の駆動信号発生手段が発生する駆動信号の一例を示す波形図。
【図４】同実施の形態におけるノズル内のインクのメニスカス変化を示す図。
【図５】同実施の形態における圧力室内のインク圧力変化を示すグラフ。
【図６】同実施の形態において７つのインク滴を連続的に吐出させたときの拡張パルスの中心と収縮パルスの中心との時間差と駆動電圧Ｖとの関係を示すグラフ。
【図７】同実施の形態の駆動信号発生手段が発生する駆動信号の他の例を示す波形図。
【図８】同実施の形態の駆動信号発生手段が発生する駆動信号の他の例を示す波形図。
【図９】同実施の形態の駆動信号発生手段が発生する駆動信号の他の例を示す波形図。
【符号の説明】
１…インクジェットヘッド
２…駆動信号発生手段
１１…圧力室
１３…ノズル
１４…振動板
１５…圧電部材
１８…温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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