(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを蓄える加圧室と、該加圧室の壁面の少なくとも一部を形成する振動板と、該振動板に当接し、電気信号の印加により前記加圧室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室にインクを供給する流路と、インク滴を前記加圧室から噴射するオリフィスを有するノズルを複数備えたオンデマンド型マルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電素子を駆動する駆動波形として、圧電素子を直線的に変位させる収縮時間Ｔｆと、その収縮を保持する保持時間Ｔｏと、再び圧電素子をもとの状態とするために直線的に変位させる復元時間Ｔｒからなる台形状のパルス波形を用い、圧電素子の収縮時間Ｔｆを圧電素子の共振周期またはその整数倍とし、圧電素子の復元時間Ｔｒを、（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）の１／２の時間から、当該時間にヘルムホルツ固有振動周期のＴｈの１／２を加算した時間を範囲とし、かつ前記圧電素子の保持時間Ｔｏがヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈよりも短いことを特徴とするオンデマンド型マルチノズルインクジェットヘッドの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いたオンデマンド型インクジェットヘッドの駆動方法に関するもので、特にオフィス用並びに産業用インクジェットプリンタで用いられる駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オンデマンド型インクジェットヘッドにはインクを噴射する方式として、電気ヒータによりインク中に気泡を発生させてインクを噴射するサーマル方式と、圧電素子を用いて加圧室の壁面の一部を変形させてインクを噴射する圧電素子方式とがある。
【０００３】
サーマル方式はリソグラフィ技術により微細な加工が可能で、ノズルピッチを１００μｍ以下に出来るという長所があるが、噴射する液体の沸点が１００℃程度に限定され、且つ連続噴射の際の周波数が１０ｋＨｚ程度に限られるという短所がある。上記沸点の制限は使用可能なインクの種類を制限するため、産業応用の面では支障になることがある。
【０００４】
圧電素子方式は圧電素子の変位量が小さいので、インク噴射のためには加圧室の振動板表面積を大きくする必要があり、そのためノズルピッチを１４０μｍ程度までしか小さくできない。しかし、駆動周波数は圧電素子の形状に依存するので２０ｋＨｚ以上にすることができ、印刷速度の高速化に適した方式といえる。また、サーマル方式と違ってインクの種類を選ばないという利点もあり、産業応用に適しているといえる。
【０００５】
【発明が解決しようする課題】
本発明は、上記したように産業上の応用の幅が広い圧電素子方式に関するものであり、記録用媒体にインク滴が着弾する際、サテライト、ドット割れ等の発生を押さえる方法を提供するものである。
【０００６】
従来例として、特開平５−３１８７３１号公報がある。これは、振動板の停止状態を慣性流によるメニスカスが後退量の１／３以上復活した時点で振動板をノズル開口側に前進せてドットを形成することにより、メニスカスの位置に関りなく一定の吐出速度のインク滴が発生するようにしている。
【０００７】
ところが、高粘度のインクを用いた場合、慣性流によるメニスカスが後退量の１／３以上に復活するまでに時間を要するため、パルス幅が長くなり、高周波駆動を行う場合に不具合があった。
【０００８】
また、高速でのインク滴が吐出されたとき、そのインク滴飛翔形状は、主インク滴のあとに長い尾が残る場合がある。その尾は、高速印刷を行うと、記録用媒体にインク滴が着弾する際、主インク滴と分散して、サテライト、ドット割れ等となり、印刷品質を低下させてしまう。
【０００９】
更に、高周波駆動させる場合、インク滴の吐出間隔が短くなる。この場合、長い尾をもつインク滴を吐出させると、先に吐出させたインク滴の尾に、次のインク滴の先端部が追突して、インク滴の吐出方向及び、吐出速度が変化し、印刷品質を低下させてしまう。
【００１０】
従って、本発明はインク滴飛翔形状を短くする事で、印刷品質の低下を押さえる駆動方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本願発明は、インクを蓄える加圧室と、該加圧室の壁面の少なくとも一部を形成する振動板と、該振動板に当接し、電気信号の印加により前記加圧室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室にインクを供給する流路と、インク滴を前記加圧室から噴射するオリフィスを有するノズルを複数備えたオンデマンド型マルチノズルインクジェットヘッドにおいて、前記圧電素子を駆動する駆動波形として、圧電素子を直線的に変位させる収縮時間Ｔｆと、その収縮を保持する保持時間Ｔｏと、再び圧電素子をもとの状態とするために直線的に変位させる復元時間Ｔｒからなる台形状のパルス波形を用い、圧電素子の収縮時間Ｔｆを圧電素子の共振周期またはその整数倍とし、圧電素子の復元時間Ｔｒを、（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）の１／２の時間から、当該時間にヘルムホルツ固有振動周期のＴｈの１／２を加算した時間を範囲とし、かつ前記圧電素子の保持時間Ｔｏがヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈよりも短いことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明について説明する。
【００１３】
図１は、本発明で用いたマルチノズルインクジェットヘッドのノズル部の構成を示す断面図である。このヘッドは、入力信号に応じてインクを噴射することにより記録を行うことができる。
【００１４】
図において、１はオリフィス、２は加圧室、３は振動板、４は圧電素子、５ａ、５ｂは信号入力端子、６は圧電素子固定板、７は共通インク供給路８と加圧室２とを連結し、加圧室２へのインク流入を制御するリストリクタ、８は共通インク供給路、９は振動板３と圧電素子４とを連結する弾性材料（たとえばシリコン接着剤など）、１０はリストリクタ７を形成するリストリクタプレート、１１は加圧室２を形成する加圧室プレート、１２はオリフィス１を形成するオリフィスプレート、１３は振動板３を補強する支持板、１４、１５は共通インク供給路プレート、１６は共通インク供給路カバー、１７は圧電素子と外部配線とを接続する導電性接着剤、１８はフィルタである。
【００１５】
振動板３、リストリクタプレート１０、加圧室プレート１１、支持板１３は、例えばステンレス材から作られ、オリフィスプレート１２はニッケル材から作られている。また、圧電素子固定板６は、セラミックス、ポリイミドなどの絶縁物から作られている。
【００１６】
インクは、上流から下流へ向かって、図示しないインクタンクから共通インク供給路８、リストリクタ７、加圧室２、オリフィス１の順に流れる。
【００１７】
圧電素子４は信号入力端子５ａと５ｂの間に電位差が生じると伸長するように取り付けられている。このため、圧電素子４の収縮時においては、振動板３は図中上方へ撓み、これによって加圧室２内にインクが充填され、次いで再び電位差が生じると圧電素子４は復元し、振動板３もこれに追従して変形する。そのため、インク滴がオリフィス１から噴射される。
【００１８】
図２は本発明のインクジェットヘッドのノズル列を示すものである。
【００１９】
図に示すように、１列につき３２個のノズルが並べられている。また、図では全部で１２列のノズル列が並べられており、総数３８４個のノズルが配列されている。
【００２０】
このような構造のインクジェットヘッドにおいて、同一の電圧でパルス幅を変化させた時のインク滴速度の一例を図３に示す。
【００２１】
図において、特定のパルス幅の時に、インク滴速度が最大値（ピーク値）となるのがわかる。このピークはインク流路と、圧電素子等で決まるノズルのヘルムホルツ固有振動の共振点である。この場合には、パルス幅５μｓ及び１５μｓ付近でピーク値が生じており、１／（１５−５μｓ）＝１００ｋＨｚ、すなわち本例のノズルのヘルムホルツ振動数は１００ｋＨｚであり、ヘルムホルツ振動数Ｔｈは１０μｓである。
【００２２】
一方、上記構造のインクジェットヘッドのノズルにおいて、該ノズルに駆動波形として図４の台形状のパルス波形を印加し、この駆動波形で圧電素子の復元時間Ｔｒを１μｓから１１μｓまで変え、その際のインク滴の先頭速度を１０ｍ／ｓとしたときのインク滴の飛翔形状長さを図５に示す。
【００２３】
なお、図４の収縮時間Ｔｆは５．８μｓ、保持時間Ｔｏは２．２μｓとしているが、理由は次のとおりである。すなわち、圧電素子を変位させる時間をその共振周期或いはその整数倍の時間に合わせるとその変位のオーバシュートやリンギングを抑えられることが知られている。本構造のインクジェットヘッドにおいて、用いられた圧電素子の共振周波数は３４０ｋＨｚであり、共振周期は２．９μｓとなるため、収縮時間Ｔｆをこの共振周期の２倍である５．８μｓとした。
【００２４】
さて、前述の如く、図５においては、復元時間Ｔｆでは、一定の速度条件（１０ｍ／ｓ）を満たし得る任意の電圧を選択し、この電圧下でのインク滴の飛翔形状の長さを調べている。ここで、インク滴長さとは、飛翔するインク滴の先頭から尾までが、プリンタのインクジェットヘッドと記録媒体間を飛翔する距離を、通過する時間で表現している。つまり飛翔時間が長いものが飛翔形状の長いことを示しており、インクジェットヘッドと記録媒体間によってその時間と長さは変化する。
【００２５】
この図５から、最もインク滴形状が短かった復元時間Ｔｒは３．７μｓである。これは（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）／２＝（１０μｓ−２．２μｓ）／２＝３．９μｓとほぼ一致する。
【００２６】
また、比較的インク滴長さが短い範囲で、復元時間Ｔｒ＝３．７μｓと８．７μｓで、極小値が２個所発生した。この極小値の間、つまり復元時間Ｔｒ＝３．７μｓから８．７μｓの５μｓの範囲がインク滴長さが短い範囲であることが分かった。この５μｓはヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈの１／２と一致する。
【００２７】
更に、図５から、復元時間Ｔｒがこの範囲（３．７〜８．７μｓ）を超えるとインク滴長さは急激に長くなるため、この範囲内を選択することが望ましいということがわかった。
【００２８】
図５のインク吐出条件と同条件で駆動波形の保持時間Ｔｏを０．２から５．２μｓまで範囲を広げて測定を試みた結果を図６に示す。この図の中では、それぞれ保持時間Ｔｏで極小値が２個所発生し、その間のインク滴長さが短いことが分かった。この極小値をとる復元時間Ｔｒの値を図７に示す。
【００２９】
また、（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）／２の値、及びその値からヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈの１／２後の値を図８に示す。
【００３０】
図７と図８を比較すると、インク滴長さが短い極小値の範囲と、（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）／２の値から、ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈの１／２間の範囲がほぼ一致している。
【００３１】
更に、インク滴形状が短い復元時間Ｔｒが、（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）の１／２である理由について、次のような検討をおこなった。
【００３２】
図９は前述の構成に関する数値解析結果である。横軸は時間、縦軸は圧力室内の圧力であって、値が高い側を上に、低い方を下に示し、収縮時間Ｔｆが５．８μｓ、保持時間Ｔｏが２．２μｓの時、インク滴長さが短かった復元時間Ｔｒ＝３．７と、長かった復元時間Ｔｒ＝１０μｓの場合の圧力変化と、それぞれの駆動波形を示す。
【００３３】
図において、復元時間Ｔｒ＝３．７μｓでは時間１４μｓに圧力が大きく減少しているのに対し、復元時間Ｔｒ＝１０μｓでは時間２０μｓに圧力がＴｒ＝３．７μｓに比べ、減少が小さい。また、吐出したインクは、圧力室の圧力が減少する時にインク滴の尾として、オリフィスのインクと別れ吐出する。このため尾は、圧力減少が大きいほどオリフィスのインクと別れ易く、その圧力減少の時間が早いほど早く別れる。インク滴の先頭速度が同じ場合、圧力減少の時間が早いほどインク滴長さは短くなる。
【００３４】
上述の解析結果を踏まえると、インク滴形状が短い復元時間Ｔｒが、（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）の１／２である理由は次の通りとなる。
【００３５】
駆動パルスが（ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）の１／２である時の加圧室内の圧力は、それ以外のパルスに比べ、圧力減少が大きく、また圧力減少の時間が早いため、インク滴長さが短くなる。さらに、図において、圧力室内の圧力振動が５０μｓ付近では、ほぼ減衰している。このため、繰り返しの時間間隔が５０μｓである２０ｋＨｚまでの高周波駆動においてもこれらの効果が得られることが分かる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電素子の駆動波形に台形状のパルス波形を用いる際、圧電素子をもとの状態とする際の、時間を選択することで、インク滴飛翔形状を短くすることができ、サテライト、ドット割れ等を起こさずに、印刷させることができる。また、高周波駆動においてもインク滴飛翔形状が短いために、飛翔中に先発のインク滴と衝突することが減り印字品質を向上させることができる。更に、簡単なパルス波形を使うため、電気回路の構成を単純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル断面図。
【図２】  本発明で用いたインクジェットヘッドのオリフィスの配置を示す図。
【図３】  同一電圧におけるパルス幅とインク滴速度の関係を示すグラフ。
【図４】  本実験に用いた台形状のパルス電圧の時間変化を示すグラフ。
【図５】  保持時間Ｔｏを２．２μｓでの同一インク滴速度における復元時間Ｔｒとインク滴長さの関係を示すグラフ。
【図６】  保持時間Ｔｏを０．２μｓ〜５．２μｓまで変えた場合の復元時間Ｔｒとインク滴長さの関係を示すグラフ。
【図７】  インク滴長さが極小値となる復元時間Ｔｒの値を示す表。
【図８】  （ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈ−保持時間Ｔｏ）の１／２の値、及びその値からヘルムホルツ固有振動周期Ｔｈの１／２後の値を示す表。
【図９】  加圧室の圧力の時間変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１はオリフィス、２は加圧室、３は振動板、４は圧電素子、５ａ、５ｂは信号入力端子、６は圧電素子固定板、７はリストリクタ、８は共通インク供給路、９はシリコンゴム、１０はリストリクタプレート、１１は加圧室プレート、１２はオリフィスプレート、１３は支持板、１４は共通インク供給路プレートＡ、１５は共通インク供給路プレートＢ、１６は共通インク供給路カバー、１７は導電性接着剤、１８はフィルタである。
【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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