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JP3580065B2 - Ink jet recording device - Google Patents
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JP3580065B2 - Ink jet recording device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、縦振動モードや縦効果の圧電振動子、たわみ変形する圧電振動板を駆動源に使用したインクジェット記録ヘッドの駆動技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
オンデマンド型インクジェット記録ヘッドは圧電振動子や発熱素子によりインク圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通インク室と各圧力発生室に連通するノズル開口を備えた流路を備えており、印字信号に対応する圧力発生室に駆動信号を印加してインク滴をノズル開口から記録媒体に飛翔させるように構成されている。
【0003】
このようなインクジェット記録ヘッドには圧力発生手段として、圧力発生室内にジュール熱を発生する抵抗線を設け、気泡の発生圧力を利用してインク滴を吐出させるいわゆるバブルジェット(登録商標)式がある。
【0004】
一方、圧電材料と導電層を交互に積層して構成した、その軸方向の伸長、つまり縦振動モードを利用した圧電振動子により、一部が弾性板により構成された圧力発生室を膨張、収縮させて、インクの吸引、インク滴の吐出を行う圧電振動式も知られている。なお、圧電振動子は、高速駆動が可能であり、圧力発生室と当接させることで圧力発生室の膨張、収縮を高速で繰り返し行うことが可能であるという特徴を備えている。
【0005】
このようなオンデマンド型インクジェットヘッドには以下のような課題がある。
【0006】
圧力発生室に圧力を発生させインク滴が吐出した後には圧力発生室に圧力変動が残留し、ノズル内のメニスカスが振動をしながら定常位置まで回復していく。
【0007】
ところが、高周波数でインク滴吐出をした場合は、インク滴吐出のタイミング時にまだメニスカスが定常位置まで回復していないため、インク滴の吐出量や吐出速度がばらついたり、インク滴の吐出が不安定となり、飛翔方向が変化したり、インクミストが発生したりし、印字品質の低下を招きやすく、結果インクジェット記録ヘッドの応答周波数向上の妨げとなるという課題を抱えていた。
【0008】
このような問題の対策として、特開平2−233258号公報に示されるような駆動方法が提案されている。
【0009】
当駆動方法はインク滴を吐出させる信号の印加後にメニスカスの引き込みが小さくなるように補助信号を印加する技術である。
【0010】
当駆動方法によれば、信号の印加時に発熱素子によって圧力発生室内に第1の気泡を発生させノズルからインク滴を飛翔させた後、メニスカスの吸引が最大となる時刻に第2の気泡を発生させることで、第1気泡発生とインク滴飛翔による圧力変化を相殺するように第2の気泡による圧力変化が生じ、互いに干渉しあって、結果としてメニスカスに働く圧力変化が低減し、メニスカスの吸引は低減され回復時間は短くなる。
【0011】
この結果、高応答駆動が可能となるというものである。
【0012】
当駆動ヘッドはバブルジェット(登録商標)式であるが、圧電振動式でも圧力発生室に圧力を発生させるという意味で同様の効果があることは明らかである。
【0013】
つまり、圧電振動式でも、インク滴吐出後のメニスカスの回復時間が遅い場合、高周波数駆動をしてもメニスカスの回復が伴わないため安定した吐出が行われなくなるという課題があったが、上記の駆動方法により、回復時間を短くすることが可能となってきている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メニスカスが回復していく過程では、圧力発生室に固有の共振周波数(ヘルムホルツ共振周波数)を持つ残留振動が伴う。
【0015】
従来の駆動方法では、この微少な残留振動が十分おさまらないうちにインク滴の吐出を開始しようとしても、メニスカスが安定していないため形成が不安定となり、吐出したインク滴が不安定となる可能性がある。
【0016】
よって、従来のインクジェット記録ヘッドの駆動方法では、メニスカスの回復時間をはやくして高周波数駆動応答を達成できても、メニスカスの微少な残留振動の制振には効果が期待できず、インク滴の安定吐出にはつながらないという課題があった。
【0017】
また、メニスカスの振動は、流路の寸法バラツキ、材料やインク物性によってその振動周期・振幅が変化する。
【0018】
このため、流路の寸法管理を厳しくしたり、流路構成材料やインクの選択の幅が狭くなり、製造コストが高くなったり、設計の自由度が低下してしまうという課題もあった。
【0019】
さらに、これに加え環境温度の変化も生じると、インク物性の変化によりメニスカスの振動周期・振幅がさらに変化をするため、固定した駆動方法では効果的にメニスカスの残留振動を制振できない。
【0020】
このため、使用する環境温度範囲に制限を加えたり、環境温度毎に別々の駆動を行うべく、複数の駆動装置を用意したりする必要が生じ、装置自体のコストが高くなってしまうという課題があった。
【0021】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高周波数駆動でもインク滴の安定吐出を確保するとともに、インク流路の寸法バラツキ、材料やインクの物性の変化、環境温度の変化に対しても安定吐出を確保でき、さらに駆動周波数に関わりなくインクの飛翔速度を一定に保持させてインク滴の着点位置を一定に維持できる新規なインクジェット記録装置を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット記録装置は、ノズル開口、インク供給口を介して共通インク室に連通し、周期Tcのヘルムホルツ共振周波数を備えた圧力発生室、及び、前記圧力発生室に当接する圧電振動子を備え、電位変化により前記圧電振動子の収縮・膨張をおこない前記圧力発生室を膨張・収縮させるインクジェット記録ヘッドと、
前記圧力発生室を膨張させる第1のパルス、膨張状態にある前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口からインク滴を吐出させる第2のパルス、及び、前記第2のパルス後に前記圧力発生室を再び膨張させる第3のパルスを出力する駆動パルス発生手段と、
環境温度検出手段によって検出した環境温度と前記第2のパルスの継続時間とに基づいて前記第1のパルスと第3のパルスの印加電位比を定め、この印加電位比に基づいて第3のパルスの印加電位を定める駆動パルス制御手段と、を有することを特徴とする。
【0023】
また、前記第2のパルスの継続時間と前記第3のパルスの継続時間が同じに設定され、前記第2パルス開始から前記第3パルス開始までの時間が、前記圧力発生室の共振周期Tcとほぼ一致した時間となるように設定されていることを特徴とする。
【0024】
また、前記駆動パルス制御手段は、前記第3のパルス開始タイミングを環境温度によって制御することを特徴とする。
【0025】
また、前記第3のパルスの印加電位が、第1のパルスの印加電位より低いことを特徴とすることを特徴とする。
【0026】
また、前記第3のパルスの継続時間が前記環境温度によらず一定であることを特徴とする。
【0027】
【作用】
環境温度検出手段によって検出した環境温度と前記第2のパルスの継続時間とに基づいて前記第1のパルスと第3のパルスの印加電位比を定め、この印加電位比に基づいて第3のパルスの印加電位を定める駆動パルス制御手段を備えるので、環境温度や第2のパルスの傾きによって変化するメニスカスの振動に最適な印加量で制振振動を加えることができる。その結果、メニスカスの振動を効果的に減衰させ、環境温度や第2のパルスの傾きに関わらずインク滴の安定吐出を確保することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。
【0029】
図1は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置に使用するインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【0030】
図において符号1はノズル開口2が形成されたノズルプレート、符号7は圧力発生室3、共通インク室4、インク供給口5が連通するよう形成した流路構成板、8は弾性板である。流路構成板7をノズルプレート1と弾性板8で挟み込む形で一体に構成しインク流路ユニットを構成している。
【0031】
圧電振動子9は圧電材料と導電材料を交互に積層して構成され、充電状態では導電層の積層方向と直角な方向に収縮し、また充電状態が解かれると導電層との積層方向と直角な方向に伸長する、いわゆる縦振動モードの振動子で、電極が存在しない先端の不活性部を圧力発生室3の領域で弾性板8に当接させた状態で他端が固定基板10に固定されている。また、各圧電振動子9、9、9・・・は各圧力発生室3、3、3・・・および各ノズル開口2、2、2・・・に1対1で対応している。
【0032】
上記のように構成されたインクジェット記録ヘッドは以下のような駆動によりインク滴の吐出が行われる。
【0033】
圧電振動子9に駆動電圧を印加し充電をおこなうと、圧電振動子9が収縮することで当接する弾性板8が変形して圧力発生室3が膨張し、インク供給口5を介して共通インク室4から圧力発生室3にインクが流れ込む。
【0034】
次に、放電により圧電振動子9が元の状態に伸長して弾性板8が押圧されることにより、圧力発生室3内に圧力が発生して、ノズル開口2からインク滴が吐出をする。
【0035】
さらに引き続く充電によりインク滴が吐出しない程度に圧力発生室3を再び膨張させる。
【0036】
以下、本発明の駆動パルス発生手段および駆動パルス制御手段とその駆動方法について詳細に説明する。
【0037】
図2は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置を示すブロック図である。
【0038】
図においてインクジェット記録装置は、インクジェット記録ヘッド100と、圧電振動子9、9、9・・・の駆動を選択する駆動ノズル選択手段110と、駆動パルスを発生する駆動パルス発生手段120と、駆動パルスを制御する駆動パルス制御手段130と、環境温度検出手段140から構成される。
【0039】
環境温度検出手段140は周囲の環境温度を検出し、駆動パルス制御手段130にこの環境温度データを送出するものである。
【0040】
駆動パルス制御手段130は、当手段内に設定されているパルス制御信号p1、p2、p3のパルス幅と環境温度、および印加電位と環境温度の関係テーブルにもとづき、環境温度に応じたパルス幅pw1、pw2、pw3をもつパルス制御信号p1、p2、p3および印加電位制御信号v1、v2、v3を駆動パルス発生手段120に送る。また、外部からの印字信号にもとづき印字データを駆動ノズル選択手段におくる。
【0041】
駆動パルス発生手段120は駆動パルス制御手段130から送られる複数のパルス幅制御信号p1、p2、p3および印加電位制御信号v1、v2、v3にもとづいて所望の山と谷からなる駆動パルスを発生させる。
【0042】
発生した駆動パルスは、駆動ノズル選択手段110を介してドットを形成すべきノズル開口2に属する圧電振動子9に選択的に送られる。これによって、所望のノズル開口2からインク滴が吐出される。
【0043】
本実施例ではインクジェット記録ヘッド100上に、駆動ノズル選択手段110と環境温度検出手段140が搭載されている。環境温度検出手段140をインクジェット記録ヘッド100上に搭載したのは、インクジェット記録ヘッド100周辺の環境温度をより正確に検出するためである。
【0044】
図3は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置におけるインクジェット記録ヘッドの駆動パルス形成を説明する図である。
【0045】
本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動パルスは図3(a)のような山と谷からなる階段状の台形パルスであり、充電を行う第1のパルスS1、放電を行う第2のパルスS2、再充電を行う第3のパルスS3から構成される。
【0046】
本実施例では、駆動パルス制御手段130内にはパルス幅制御信号p1、p2、p3と印加電位制御信号v1、v2,v3の各3つが設定されている。それぞれが駆動パルスの第1のパルスS1、第2のパルスS2、第3のパルスS3に対応しており、各パルス制御信号p1、p2,p3の印加タイミングとそのパルス幅pw1、pw2,pw3によって各駆動パルスS1、S2、S3の開始タイミングと継続時間が決定され、各印加電位制御信号v1、v2,v3によって各駆動パルスS1、S2、S3の印加電位が決定される。
【0047】
なお、本発明では第2のパルスが放電パルスとなるよう印加電位制御信号v2は印加電位が零となるように設定されている。
【0048】
以上のような駆動パルスの各行程において、以下に示すようなインクジェット記録ヘッドの駆動が行われる。
【0049】
第1のパルス制御信号p1がオンされると、そのパルス幅pw1分の時間を要して第1の印加電位制御信号v1によって指示されたピーク電位(V1)まで充電が行われ、圧電振動子9が一定速度で収縮する。これに伴って圧力発生室3が膨張し、インク供給口5を介して共通インク室4のインクが圧力発生室3に流れ込む。第1のパルス制御信号p1の終了以降、ピーク電位のまま電位が保持され、圧電振動子9も変形を止めて待機をする。
【0050】
引き続き、第2のパルス制御信号p2がオンされると、そのパルス幅pw1分の時間を要して第2の印加電位制御信号v2によって指示された電位零まで放電が行われ、圧電振動子9が伸長する。これに伴って圧力発生室3が収縮を開始し、圧力発生室3内に圧力が発生することでノズル開口2からインク滴が吐出する。インク滴吐出後、ノズル内でメニスカスが振動を開始する。
【0051】
この後、第3の制御パルス信号p3および第3の印加電位制御信号v3がオンされると、そのパルス幅pw3分の時間を要して電位(V3)まで圧電振動子9が充電され微少収縮し、圧力発生室3が膨張する。この膨張によりノズル内で振動しているメニスカスの振動挙動を制御し、メニスカスの振動を急速に減衰させる。なお、この膨張終了後、その電位(V3)のまま次のインク吐出信号がくるまで電位が維持される。
【0052】
以上のような駆動方法で本発明のインクジェット記録装置は駆動されるが、本発明では、特に第3のパルスの印加タイミングおよび印加電位を環境温度検出手段140によって検出した環境温度に基づき駆動パルス制御手段130を用いて調整し可変出来るようにした。
この駆動方法により任意の駆動パルスの形成が可能となり、いかなる条件下でも効果的にインク吐出後のメニスカスの振動を急速に減衰させることができる。
【0053】
以下にその印加タイミングおよび印加電位の詳細な調整、可変方法を説明する。
【0054】
まず、第3のパルスの印加タイミングから説明する。
【0055】
図4は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置におけるインクジェット記録ヘッドの駆動パルスとメニスカスの挙動を説明する図である。
【0056】
第3のパルスを任意のタイミングで印加しても十分なメニスカスの制振は行われない。効果的にメニスカスの制振を行うには、インク吐出により発生したメニスカスの振動が、もっとも圧力発生室3側に移動したタイミングで、第3のパルスを印加するのがよい。これによりこの時点でノズルに向かおうとしているメニスカスの運動エネルギーを効果的に減衰することができ、メニスカスの振動を急速に減衰させ、図4の実線L1のように短時間で定常状態に戻すことが出来る。
【0057】
しかし、メニスカスが圧力発生室3側もしくはノズル開口2側に移動中のタイミングで、充電を開始し圧力発生室3を膨張させると、メニスカスの運動エネルギが十分減じられず、図4の波線L2のようにメニスカスの振動が残るため、次に吐出すべきタイミングがメニスカスがノズル内に引き込まれる途中過程(図の波線L2に矢印で示した過程)に相当すると、インク滴の吐出時のメニスカスの形成が不安定となり、結果、吐出するインク滴にミストが生じたり、吐出曲がりや吐出ブレを引き起こし易い。
【0058】
このため、上記のタイミングで次のインク滴を吐出しようとする駆動周波数下においては、インク滴の安定吐出が十分確保できず、インクの吐出曲がりやミストが発生し、印字品質の低下を招きやすいという問題が生じる。
【0059】
このため、第3のパルスの印加タイミングの設定には注意を要する。
【0060】
しかし本発明では、以下に示すようなメニスカスの代表的振動特性である周期Tcのヘルムホルツ周波数を利用する手段により、容易に第3パルスの最適な印加タイミングを判断し設定するようにした。
【0061】
メニスカスの振動特性の代表値について以下に説明する。
【0062】
図1のように構成されたインクジェット記録ヘッドは、圧力発生室3のインクの圧縮性に起因するコンプライアンスをCi、また圧力発生室3を形成している弾性板8、ノズルプレート1、流路構成板7等の材料自体による剛性コンプライアンスをCv、ノズル開口2のイナータンスをMn、インク供給口4のイナータンスをMsとするとインク流路のヘルムホルツ共振周期Tcは
Tc=2π×√((Mn+Ms)/((Ci+Cv)(Mn×Ms)))
により表すことができる。
【0063】
ここで、コンプライアンスCiは、圧力発生室3の体積をV、インクの密度をρ、インク中での音速をcとすると、
Ci=V/(ρc2
である。
【0064】
また、圧力発生室3の剛性コンプライアンスCvは、圧力発生室3に単位圧力を印加したときの圧力発生室3の静的な変形率に一致する。
【0065】
具体例をあげると、長さ0.5〜2mm、幅0.05〜0.2mm、深さ0.05〜0.3mmの圧力発生室3を構成すると、ヘルムホルツ共振周期が5〜20μs(共振周波数が50〜200kHz)程度のインクジェット記録ヘッドを構成することができる。
【0066】
以上に示した代表値はインク滴吐出後のメニスカスの残留振動の挙動特性に大きく関係する。
【0067】
図4のようにインク滴吐出後のメニスカスは微少な振動周期(T)の振動を持ちつつ大きな周期(Tm)での振動が繰り返される。
【0068】
前述したように、第3のパルスの印加タイミングはメニスカスが圧力発生室3側に引き込まれた状態が一番効果が高い。このためメニスカスの制振を効果的に行える第3のパルスのタイミングは微少な周期Tの周期で存在することになる。
【0069】
つまり、インク滴吐出時からTの振動周期に相当する時間の経過後に第3のパルスを加えること(つまり図3の第2のパルス開始から第3のパルス開始までの時間pw4をTと概ね等しくすること)で、メニスカスの制振を効果的に行えることを意味する。
【0070】
このメニスカスの微少な振動周期(T)は、ほかならぬ上述のヘルムホルツ共振周期(Tc)であり、つまり、微少な共振周期Tcが前述の計算式で確認できれば最適な第3パルスの印加タイミングが容易に設定できることになる。
【0071】
本発明者は、インクジェット記録ヘッドの持つ共振周期Tcと最適な第3パルスの印加タイミングについて調査した。
【0072】
図5は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における共振周期Tcとインク滴の吐出が安定する最適な第3のパルスの印加タイミングの関係を示す図である。図において第3パルスの最適な印加タイミングは第2のパルス開始から第3のパルスが開始されるまでの時間pw4で示してある。
【0073】
図5から明らかなように、共振周期Tcと第3パルスの最適な印加タイミング(pw4)はほぼ一致しており、本発明では、メニスカスの振動特性の代表値であるヘルムホルツ共振周期(Tc)を利用する手段により、容易に第3パルスの最適な印加タイミングを判断し設定できるようになることがわかる。
【0074】
なお、第3のパルスの継続時間pw3と第2のパルス継続時間pw2が同じでない場合は、共振周期Tcとpw4は一致しないが、pw4は共振周期Tcに対して若干シフトした値となるため、そのシフト量さえ把握できれば共振周期Tcを代表値にすることは容易である。
【0075】
次に第3のパルスの印加電位に関して説明する。
【0076】
第3のパルスの印加電位(V3)に関しても、任意の印加電位であってもよいという訳ではない。インク吐出後のメニスカスの振動状態によって、それを減衰させるに適切な印加電位がある(後述する図9・10参照)。
【0077】
このため、第3のパルスが最適なタイミングで印加されていても、その印加電位(V3)が不適切な場合、メニスカスが十分減衰しない場合が生じる。以下に説明する。
【0078】
図8は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置におけるインクジェット記録ヘッドの駆動パルスとメニスカスの挙動の関係を説明する第2の図である。
【0079】
印加電位(V3)が小さすぎる場合、図のようにメニスカスの振動が十分に減じられず、第3のパルスの効果が半減してしまう(図8の一点鎖線)。
【0080】
逆に、印加電位量(V3)が不必要に大きすぎる場合、第3のパルスはメニスカスの振動を減衰させるというよりも、逆に激しい振動を発生させてしまい、逆効果となってしまう(図8の点線)。
【0081】
この結果、印加タイミングが適切でない場合と同様に、インク滴の吐出時のメニスカスの形成が不安定となり、吐出するインク滴にミストが生じたり、吐出曲がりや吐出ブレを引き起こし易い。
【0082】
以上のような理由から、第3のパルスで効果的にメニスカスを減衰させるには、印加タイミングだけでなく印加電位(V3)も注意して設定する必要がある。
【0083】
そこで本発明者は以下に示すように、第3パルスの最適な印加電位を実験的に調査し、それに基づき設定することとした。
【0084】
本発明者は、最適な第3パルスの印加電位について調査した。
【0085】
図9は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における第3パルスの印加電位とインク吐出状態を示す図である。
【0086】
図において印加電位(V3)はピーク電位(V1)との比の印加電位比(V3/V1)で示し、各印加電位比における最大駆動周波数下でのインク滴の吐出状況を示してある。
【0087】
本調査ではヘルムホルツ共振周期(Tc)がTc=6.0μsであるインクジェット記録ヘッドを用い、第2のパルスの継続時間(pw2)をpw2=3μs、9μs、18μsと変え、インク吐出後のメニスカスの振動エネルギー量を変化させ、それぞれの場合について印加電位比と吐出状態の関係を整理した。
【0088】
図において明らかなように、インク滴が安定して吐出するには各pw2毎に最適な印加電位比で第3のパルスを印加する必要があり、さらにpw2が短いほど、つまりインクの吐出エネルギーが強く、メニスカスの振動エネルギーが大きくなるほど、印加電位比を高くする必要があることがわかった。
【0089】
また、印加電位比を高くしすぎると、前述したようにメニスカスの振動を減衰させるというよりも、逆に激しい振動を発生させてしまい、逆効果となってしまうことも確認した。
【0090】
以上の調査結果に基づき、最適な第3のパルスの印加電位を確認した。
【0091】
本実施例のヘッドでは、印加電位比を0.1から0.3の間で設定するのが良く、第2のパルスの継続時間(pw2)が3μsの場合は印加電位比は約0.2〜0.3が最適である。
【0092】
ところで、メニスカスの振動は、前述の式で定義されているように、インクの圧縮性、圧力発生室3の剛性に起因するコンプライアンスと、ノズル開口2とインク供給口4等のインク流路の形状寸法に起因するイナータンスの変化に伴いその振動周期および振動振幅が変動する。
【0093】
これらの変動を引き起こす主なものは、製造上のインク流路の形状バラツキや、環境温度の変化であり、特にコンプライアンスは環境温度が変化するとインクの物性値はもちろんのこと、圧力発生室3を構成している材料の剛性も変化するため、変動は比較的大きい。
【0094】
このため共振振動周期Tcや振動エネルギーが変化しこれに伴い、第3パルスの最適な印加タイミングおよび印加電位も変わってくることとなる。
【0095】
本発明者は、第3のパルスの最適な印加タイミングと印加電位の環境温度による変化について調査した。
【0096】
図6は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における共振周期Tcと環境温度の関係を示す図である。また、図7は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における環境温度と吐出安定する最適な第3のパルスの印加タイミングの関係を示す図である。
【0097】
明らかに、環境温度が高くなるとそれに伴い、共振周期Tcも長くなっていき、それに応じて最適な第3のパルスの印加タイミングpw4も変化していくことがわかる。
【0098】
ということは、ある一定値に固定された印加タイミングのままで駆動が行われると、環境温度の変化により共振周期Tcが変化すると、最適なメニスカスの制振が行なわれず、インク滴吐出が不安定となってしまう可能性がある。
【0099】
一方、本発明者は環境温度と最適な第3パルスの印加電位の関係についても調査した。
【0100】
図10は本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における各温度環境下での第3パルスの印加電位とインク吐出状態を示す第2の図である。図の見方は図9に準じる。
【0101】
図では高温下(40℃)、常温下(25℃)、低温下(15℃)での各環境温度下での調査結果を示してある。
【0102】
図において明らかなように、環境温度によってインクが安定して吐出する最適な印加電位比(V3/V1)が異なり、温度が高いほど印加電位を高くすることが望ましいことがわかる。
【0103】
これは温度によってインクの粘度が変化し、メニスカスの振動の減衰状態が変化するためである。
【0104】
つまり、温度が高い場合、インクの粘度が低下しインク吐出後のメニスカスの振動がより激しくなるため、減衰させるには、より高い印加電位を加える必要があり、一方、低温下の場合、インクの粘度が高くなり、インク吐出後のメニスカスの振動が小さくなるため、少しの印加電位を加えればメニスカスが十分減衰できる。
【0105】
ただし加えすぎるとかえって安定吐出を確保できない。
【0106】
調査結果から明らかなように、低温下から高温下まで通じて、第3のパルスの印加電位比がおよそ0.5μs以上(つまり第3のパルスの印加電位が、第1のパルスの印加電位よりも高くなる)となると、インクは安定して吐出しなくなる。 よって第3のパルスの印加電位は、第1のパルスの印加電位よりも低い方が望ましい。
【0107】
以上の調査結果にもとづき、本実施例では、環境温度検出手段140を設け、それにより環境温度を検出して、駆動パルス制御手段130を介して、駆動パルス発生手段130から出力される駆動パルスの第3パルスの印加タイミングおよび印加電位を変化させるようにした。
【0108】
具体的には、環境温度が高い場合は印加タイミングpw4を長く、印加電位比(V3/V1)を大きく、環境温度が低いときは印加タイミングpw4を短く、印加電位比を小さくするようにした。
【0109】
図7および図10のインクジェット記録ヘッドの場合、図11の様に
低温(15℃)時→常温(25℃)時→高温(40℃)時において、
V3/V1=0.15→0.25→0.35
pw4=6.0μs→7.0μs→8.0μs
と変化させるのがよい。
【0110】
図ではV3/V1、pw4ともに温度に対して直線的に変化させているが、ある温度範囲毎に階段状に変化させても同様の効果が得られる。
【0111】
ところで、印加電位比を変化させる際、第3のパルスの継続時間は、第2のパルスの継続時間と同じ時間とし、環境温度によらず一定時間とした。
【0112】
これは印加タイミングの説明の際にも前述したが、同じ継続時間でパルスを加えることで両方のパルスにより引き起こされるメニスカスの振動がほぼ同周期で発生するためであり、両者の振動が逆位相となった場合、両パルスの継続時間が同じでない場合に比べ、効果的にメニスカスの制振がおこなわれるためである。
【0113】
このため、第3のパルスは第2のパルスの継続時間により決定され、環境温度によりその印加電位が変化しても、その継続時間は一定であることが望ましい。
【0114】
以上の様に本実施例では、第3のパルスを第2のパルスと同じ継続時間で印加し、かつ環境温度によってその印加タイミングと印加電位の双方を調整することで、インク滴の吐出により発生したメニスカスの振動が環境温度によって変化しても、最も圧力発生室3に移動した段階で、第3のパルスにより圧力発生室3を最適な膨張量で再び膨張させることができるため、メニスカスの振動を効果的に減衰することができる。
【0115】
これにより、いかなる環境温度環境下においても、メニスカスの運動エネルギーの減衰不良によるインク滴の吐出不安定現象が抑制され、また、メニスカスの急速な静止により、繰り返し周波数に関わりなくメニスカスを一定位置に静止させた状態でインク滴を吐出させるため飛翔速度が安定する。このため、高駆動周波数の駆動でも安定した吐出が確保できる。
【0116】
最後に、印字開始準備時および印字終了時の動作について説明する。
【0117】
印字が開始される前には、駆動パルスを電位(V3)まで充電し、圧電振動子9を微少収縮させて印字信号が送られるまで、待機をする。電位(V3)まで充電する時間は、その駆動によってインク滴が吐出しない程度であればよく、第3パルスの継続時間程度の時間で問題ない。
【0118】
一方、印字信号が入力されなくなると、駆動パルスは電位(V3)から所定のパルスにより放電を行い電位を零とする。この所要時間も、その駆動によってインク滴が吐出しない程度であれば問題ない。
【0119】
上述の実施例はすべて充電により収縮する圧電振動子を使用したインクジェット記録ヘッドを例にとって説明したが、充電により伸長する縦効果の圧電振動子や、ユニモルフもしくはバイモルフ式にたわみ変形する圧電振動板を使用しても同様の作用があることは明らかである。
【0120】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、環境温度と前記第2のパルスの継続時間とに基づいて前記第1のパルスと第3のパルスの印加電位比を定め、この印加電位比に基づいて第3のパルスの印加電位を定める駆動パルス制御手段を備えるので、メニスカスの振動挙動が環境温度や第2のパルスの継続時間によって変化しても、最適な印加量で制振振動を加えることができる。その結果、メニスカスの振動を効果的に減衰させ、環境温度や第2のパルスの傾きに関わらずインク滴の安定吐出を確保することができる。
【0121】
さらに、メニスカスの急速な静止により、駆動周波数が高くてもメニスカスを一定位置に静止させた状態でインク滴を吐出させるため、飛翔速度が安定し、また、メニスカスの回復時間が早くなるため、応答周波数が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置に使用するインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【図2】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置を示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置におけるインクジェット記録ヘッドの駆動パルス形成を説明する図である。
【図4】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置におけるインクジェット記録ヘッドの駆動パルスとメニスカスの挙動の関係を説明する第2の図である。
【図5】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における共振周期Tcとインク滴の吐出が安定する最適な第3のパルスの印加タイミングの関係を示す図である。
【図6】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における共振周期Tcと環境温度の関係を示す図である。
【図7】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における環境温度と吐出安定する最適な第3のパルスの印加タイミングの関係を示す図である。
【図8】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置におけるインクジェット記録ヘッドの駆動パルスとメニスカスの挙動の関係を説明する第2の図である。
【図9】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における第3パルスの印加電位とインク吐出状態を示す図である。
【図10】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における第3パルスの印加電位とインク吐出状態を示す第2の図である。
【図11】本発明の一実施例であるインクジェット記録装置における環境温度と第3パルスの印加電位の設定テーブル及び、環境温度と第3パルスの印加タイミングの設定テーブルを示す図である。
【符号の説明】
1 ノズルプレート
2 ノズル開口
3 圧力発生室
4 共通インク室
5 インク供給口
6 インク流路
7 流路構成板
8 弾性板
9 圧電振動子
10 固定基板
100 インクジェット記録ヘッド
110 駆動ノズル選択手段
120 駆動パルス発生手段
130 駆動パルス制御手段
140 環境温度検出手段
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving technique of an inkjet recording head using a piezoelectric vibrator of a longitudinal vibration mode or a longitudinal effect, and a flexurally deformed piezoelectric vibrating plate as a driving source.
[0002]
[Prior art]
The on-demand type ink jet recording head has a plurality of pressure generating chambers for generating ink pressure by piezoelectric vibrators and heating elements, a common ink chamber for supplying ink to each pressure generating chamber, and a nozzle opening communicating with each pressure generating chamber. And a driving signal is applied to the pressure generating chamber corresponding to the print signal to cause the ink droplet to fly from the nozzle opening to the recording medium.
[0003]
In such an ink jet recording head, there is a so-called bubble jet (registered trademark) type as a pressure generating means in which a resistance wire for generating Joule heat is provided in a pressure generating chamber, and ink droplets are ejected by utilizing the pressure for generating bubbles. .
[0004]
On the other hand, a piezoelectric vibrator, which is formed by alternately laminating a piezoelectric material and a conductive layer, and extends in the axial direction, that is, a piezoelectric vibrator utilizing a longitudinal vibration mode, expands and contracts a pressure generating chamber partially constituted by an elastic plate. In addition, a piezoelectric vibration type that sucks ink and discharges ink droplets is also known. The piezoelectric vibrator can be driven at a high speed, and has a characteristic that the pressure generating chamber can be repeatedly expanded and contracted at a high speed by being brought into contact with the pressure generating chamber.
[0005]
Such an on-demand type inkjet head has the following problems.
[0006]
After the pressure is generated in the pressure generating chamber and the ink droplet is ejected, the pressure fluctuation remains in the pressure generating chamber, and the meniscus in the nozzle vibrates and recovers to the steady position.
[0007]
However, when ink droplets are ejected at a high frequency, since the meniscus has not yet recovered to the steady position at the time of ink droplet ejection, the ejection amount and ejection speed of the ink droplets vary, and the ejection of the ink droplets becomes unstable. Therefore, the flying direction changes, ink mist is generated, and the printing quality is likely to be reduced. As a result, there is a problem that the response frequency of the ink jet recording head is prevented from being improved.
[0008]
As a countermeasure against such a problem, a driving method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-233258 has been proposed.
[0009]
This driving method is a technique of applying an auxiliary signal so that the meniscus pull-in is reduced after the application of a signal for ejecting ink droplets.
[0010]
According to this driving method, the first bubble is generated in the pressure generating chamber by the heating element when a signal is applied, and the ink droplet is caused to fly from the nozzle, and then the second bubble is generated at a time when the meniscus suction is maximized. By doing so, the pressure change due to the second bubble is generated so as to cancel the pressure change due to the generation of the first bubble and the flying of the ink droplet, and they interfere with each other. As a result, the pressure change acting on the meniscus is reduced, and the meniscus is sucked. And the recovery time is reduced.
[0011]
As a result, high-response driving becomes possible.
[0012]
Although this drive head is of a bubble jet (registered trademark) type, it is apparent that a piezoelectric vibration type has a similar effect in that pressure is generated in the pressure generating chamber.
[0013]
In other words, in the case of the piezoelectric vibration type, if the meniscus recovery time after the ink droplet ejection is slow, there is a problem that stable ejection is not performed because the meniscus is not recovered even when driving at a high frequency. Depending on the driving method, it has become possible to shorten the recovery time.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the process of recovering the meniscus, residual vibration having a resonance frequency (Helmholtz resonance frequency) unique to the pressure generating chamber accompanies.
[0015]
With the conventional driving method, even if an attempt is made to start ejection of ink droplets before the minute residual vibration is sufficiently suppressed, the formation of the ink droplets becomes unstable because the meniscus is not stable, and the ejected ink droplets may become unstable There is.
[0016]
Therefore, in the conventional ink jet recording head driving method, even if the meniscus recovery time can be shortened to achieve a high-frequency driving response, it is not expected to be effective in damping the minute residual vibration of the meniscus, and the ink droplets cannot be regenerated. There was a problem that it did not lead to stable ejection.
[0017]
In addition, the vibration cycle and amplitude of the meniscus vibration change depending on the dimensional variation of the flow path, the material and the physical properties of the ink.
[0018]
For this reason, there are also problems that the dimensional control of the flow path is strict, the range of selection of the flow path constituent material and the ink is narrowed, the manufacturing cost is increased, and the degree of freedom in design is reduced.
[0019]
In addition, if the environmental temperature changes, the meniscus vibration period and amplitude further change due to the change in the ink physical properties. Therefore, the fixed driving method cannot effectively suppress the residual vibration of the meniscus.
[0020]
For this reason, it is necessary to limit the environmental temperature range to be used, or to prepare a plurality of driving devices in order to perform separate driving for each environmental temperature, and the cost of the device itself increases. there were.
[0021]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to ensure stable ejection of ink droplets even at a high frequency drive, and to achieve dimensional variations of ink flow paths, physical properties of materials and inks. A new ink jet recording device that can secure stable ejection against changes in ink temperature and environmental temperature, and also keeps the ink jetting speed constant regardless of the drive frequency to keep the ink droplet landing position constant To provide.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
An ink jet recording apparatus according to the present invention includes a pressure generating chamber that communicates with a common ink chamber via a nozzle opening and an ink supply port and has a Helmholtz resonance frequency of a period Tc, and a piezoelectric vibrator that contacts the pressure generating chamber. An inkjet recording head comprising: a pressure generating chamber that expands / contracts the pressure generating chamber by contracting / expanding the piezoelectric vibrator due to a potential change;
A first pulse for expanding the pressure generating chamber, a second pulse for contracting the expanded pressure generating chamber to eject ink droplets from the nozzle openings, and the pressure generating chamber after the second pulse. Driving pulse generating means for outputting a third pulse for expanding the pressure again;
Based on the environmental temperature detected by the environmental temperature detecting means and the duration of the second pulse, First pulse And a drive pulse control means for determining the applied potential ratio of the third pulse and determining the applied potential of the third pulse based on the applied potential ratio.
[0023]
Further, the duration of the second pulse and the duration of the third pulse are set to be the same, and the time from the start of the second pulse to the start of the third pulse is equal to the resonance cycle Tc of the pressure generating chamber. It is characterized in that the time is set to be substantially the same.
[0024]
Further, the drive pulse control means controls the third pulse start timing based on an environmental temperature.
[0025]
Further, the applied potential of the third pulse is lower than the applied potential of the first pulse.
[0026]
Further, the duration of the third pulse is constant regardless of the environmental temperature.
[0027]
[Action]
Based on the environmental temperature detected by the environmental temperature detecting means and the duration of the second pulse, First pulse And a driving pulse control means for determining the applied potential of the third pulse based on the applied potential ratio, so that the meniscus of the meniscus that changes according to the ambient temperature and the gradient of the second pulse is determined. Vibration suppression vibration can be applied with an optimal amount of vibration. As a result, the vibration of the meniscus can be effectively attenuated, and stable ejection of ink droplets can be ensured regardless of the ambient temperature and the inclination of the second pulse.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, details of the present invention will be described based on examples.
[0029]
FIG. 1 is a sectional view showing an ink jet recording head used in an ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0030]
In the figure, reference numeral 1 denotes a nozzle plate in which the nozzle openings 2 are formed, reference numeral 7 denotes a flow path forming plate formed so that the pressure generating chamber 3, the common ink chamber 4, and the ink supply port 5 communicate with each other, and reference numeral 8 denotes an elastic plate. The ink flow path unit is integrally formed by sandwiching the flow path forming plate 7 between the nozzle plate 1 and the elastic plate 8.
[0031]
The piezoelectric vibrator 9 is formed by alternately laminating a piezoelectric material and a conductive material. The piezoelectric vibrator 9 contracts in a charged state in a direction perpendicular to the lamination direction of the conductive layer, and when the charged state is released, it is perpendicular to the lamination direction with the conductive layer. The other end is fixed to the fixed substrate 10 in a state where the inactive portion at the tip where no electrode is present is in contact with the elastic plate 8 in the region of the pressure generating chamber 3. Have been. .. Correspond to the pressure generating chambers 3, 3, 3,... And the nozzle openings 2, 2, 2,.
[0032]
The ink jet recording head configured as described above discharges ink droplets by the following drive.
[0033]
When a drive voltage is applied to the piezoelectric vibrator 9 to perform charging, the piezoelectric vibrator 9 contracts to deform the abutting elastic plate 8, thereby expanding the pressure generating chamber 3 and the common ink through the ink supply port 5. Ink flows into the pressure generating chamber 3 from the chamber 4.
[0034]
Next, the piezoelectric vibrator 9 is extended to its original state by the discharge and the elastic plate 8 is pressed, so that a pressure is generated in the pressure generating chamber 3 and the ink droplet is ejected from the nozzle opening 2.
[0035]
Further, the pressure generating chamber 3 is expanded again so that the ink droplets are not discharged by the subsequent charging.
[0036]
Hereinafter, the drive pulse generating means, the drive pulse control means, and the driving method of the present invention will be described in detail.
[0037]
FIG. 2 is a block diagram showing an ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0038]
In the figure, the ink jet recording apparatus includes an ink jet recording head 100, a driving nozzle selecting means 110 for selecting driving of the piezoelectric vibrators 9, 9, 9,..., A driving pulse generating means 120 for generating a driving pulse, and a driving pulse. And an environmental temperature detecting means 140.
[0039]
The environmental temperature detecting means 140 detects the ambient environmental temperature and sends the environmental temperature data to the drive pulse control means 130.
[0040]
The drive pulse control means 130 generates a pulse width pw1 corresponding to the environmental temperature, based on the relation table between the pulse widths of the pulse control signals p1, p2, and p3 set in the means and the environmental temperature, and the applied potential and the environmental temperature. , Pw2, pw3, and the applied potential control signals v1, v2, v3 to the drive pulse generation means 120. The print data is sent to the drive nozzle selecting means based on a print signal from the outside.
[0041]
The drive pulse generator 120 generates a drive pulse having a desired peak and valley based on the plurality of pulse width control signals p1, p2, p3 and the applied potential control signals v1, v2, v3 sent from the drive pulse controller 130. .
[0042]
The generated driving pulse is selectively transmitted to the piezoelectric vibrator 9 belonging to the nozzle opening 2 where a dot is to be formed, via the driving nozzle selecting means 110. Thus, ink droplets are ejected from desired nozzle openings 2.
[0043]
In this embodiment, a driving nozzle selecting unit 110 and an environmental temperature detecting unit 140 are mounted on the inkjet recording head 100. The reason why the environmental temperature detecting means 140 is mounted on the inkjet recording head 100 is to detect the environmental temperature around the inkjet recording head 100 more accurately.
[0044]
FIG. 3 is a diagram illustrating the formation of a driving pulse of an inkjet recording head in an inkjet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0045]
The drive pulse of the ink jet recording head of the present invention is a step-like trapezoidal pulse composed of peaks and valleys as shown in FIG. 3A, a first pulse S1 for charging, a second pulse S2 for discharging, and a re-pulsing. It comprises a third pulse S3 for charging.
[0046]
In this embodiment, three pulse width control signals p1, p2, p3 and applied potential control signals v1, v2, v3 are set in the drive pulse control means 130. Each of them corresponds to the first pulse S1, the second pulse S2, and the third pulse S3 of the driving pulse, and depends on the application timing of each pulse control signal p1, p2, p3 and the pulse width pw1, pw2, pw3. The start timing and duration of each of the drive pulses S1, S2, S3 are determined, and the applied potential of each of the drive pulses S1, S2, S3 is determined by the applied potential control signals v1, v2, v3.
[0047]
In the present invention, the applied potential control signal v2 is set so that the applied potential becomes zero so that the second pulse becomes a discharge pulse.
[0048]
In each step of the drive pulse as described above, the following driving of the ink jet recording head is performed.
[0049]
When the first pulse control signal p1 is turned on, the pulse is charged to the peak potential (V1) indicated by the first applied potential control signal v1 in the time required for the pulse width pw1 and the piezoelectric vibrator is charged. 9 contracts at a constant rate. Accordingly, the pressure generating chamber 3 expands, and the ink in the common ink chamber 4 flows into the pressure generating chamber 3 via the ink supply port 5. After the end of the first pulse control signal p1, the potential is maintained at the peak potential, and the piezoelectric vibrator 9 also stops deforming and waits.
[0050]
Subsequently, when the second pulse control signal p2 is turned on, the discharge is performed to the potential zero specified by the second applied potential control signal v2 in the time required for the pulse width pw1 and the piezoelectric vibrator 9 Elongates. Accordingly, the pressure generating chamber 3 starts contracting, and the pressure is generated in the pressure generating chamber 3 so that ink droplets are ejected from the nozzle openings 2. After ink droplet ejection, the meniscus starts oscillating in the nozzle.
[0051]
Thereafter, when the third control pulse signal p3 and the third applied potential control signal v3 are turned on, the piezoelectric vibrator 9 is charged to the potential (V3) with the time required for the pulse width pw3 and slightly contracted. Then, the pressure generating chamber 3 expands. By this expansion, the vibration behavior of the meniscus vibrating in the nozzle is controlled, and the vibration of the meniscus is rapidly attenuated. After the end of the expansion, the potential is maintained at the potential (V3) until the next ink ejection signal comes.
[0052]
The inkjet recording apparatus of the present invention is driven by the driving method as described above. In the present invention, in particular, the drive pulse control is performed based on the environmental temperature detected by the environmental temperature detecting means 140, particularly the application timing and the applied potential of the third pulse. The means 130 can be adjusted and changed.
With this driving method, an arbitrary driving pulse can be formed, and the vibration of the meniscus after ink ejection can be rapidly attenuated effectively under any conditions.
[0053]
Hereinafter, a detailed adjustment and variation method of the application timing and the applied potential will be described.
[0054]
First, the application timing of the third pulse will be described.
[0055]
FIG. 4 is a diagram for explaining a driving pulse and a meniscus behavior of the ink jet recording head in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0056]
Even if the third pulse is applied at an arbitrary timing, the vibration of the meniscus is not sufficiently suppressed. In order to effectively dampen the meniscus, it is preferable to apply the third pulse at the timing when the vibration of the meniscus generated by ink ejection moves to the pressure generating chamber 3 side most. As a result, the kinetic energy of the meniscus going to the nozzle at this point can be effectively attenuated, and the vibration of the meniscus is rapidly attenuated to return to a steady state in a short time as shown by the solid line L1 in FIG. Can be done.
[0057]
However, when charging is started and the pressure generating chamber 3 is expanded at the timing when the meniscus is moving to the pressure generating chamber 3 side or the nozzle opening 2 side, the kinetic energy of the meniscus is not sufficiently reduced, and the dashed line L2 in FIG. Since the vibration of the meniscus remains as described above, if the next ejection timing corresponds to the process in which the meniscus is drawn into the nozzle (the process indicated by the arrow in the dashed line L2 in the figure), the formation of the meniscus during the ejection of the ink droplets Becomes unstable, and as a result, mist is generated in the ejected ink droplets, and the ejection ink is likely to bend or shake.
[0058]
For this reason, under the driving frequency at which the next ink droplet is to be ejected at the above timing, stable ejection of the ink droplet cannot be sufficiently ensured, and ink ejection bends and mist are generated, which tends to cause deterioration in print quality. The problem arises.
[0059]
Therefore, care must be taken in setting the application timing of the third pulse.
[0060]
However, in the present invention, the optimal application timing of the third pulse is easily determined and set by means utilizing the Helmholtz frequency of the period Tc which is a typical meniscus vibration characteristic as described below.
[0061]
The representative value of the vibration characteristics of the meniscus will be described below.
[0062]
The ink jet recording head configured as shown in FIG. 1 has a compliance Ci due to the compressibility of the ink in the pressure generating chamber 3, an elastic plate 8 forming the pressure generating chamber 3, a nozzle plate 1, and a flow path configuration. Assuming that the rigidity compliance of the material such as the plate 7 itself is Cv, the inertance of the nozzle opening 2 is Mn, and the inertance of the ink supply port 4 is Ms, the Helmholtz resonance period Tc of the ink flow path is
Tc = 2π × √ ((Mn + Ms) / ((Ci + Cv) (Mn × Ms)))
Can be represented by
[0063]
Here, the compliance Ci is as follows, where V is the volume of the pressure generating chamber 3, ρ is the density of the ink, and c is the sound velocity in the ink.
Ci = V / (ρc Two )
It is.
[0064]
The rigidity compliance Cv of the pressure generating chamber 3 matches the static deformation rate of the pressure generating chamber 3 when a unit pressure is applied to the pressure generating chamber 3.
[0065]
To give a specific example, when the pressure generating chamber 3 having a length of 0.5 to 2 mm, a width of 0.05 to 0.2 mm, and a depth of 0.05 to 0.3 mm is formed, the Helmholtz resonance period is 5 to 20 μs (resonance). An inkjet recording head having a frequency of about 50 to 200 kHz) can be configured.
[0066]
The representative values shown above are largely related to the behavior characteristics of the residual vibration of the meniscus after ink droplet ejection.
[0067]
As shown in FIG. 4, the meniscus after the ejection of the ink droplet has a small vibration cycle (T) and a large cycle (Tm).
[0068]
As described above, the effect of the third pulse is most effective when the meniscus is drawn into the pressure generating chamber 3 side. For this reason, the timing of the third pulse at which the vibration of the meniscus can be effectively suppressed exists in a very small cycle T.
[0069]
That is, the third pulse is applied after a lapse of time corresponding to the oscillation period of T from the time of ink droplet ejection (that is, the time pw4 from the start of the second pulse to the start of the third pulse in FIG. 3 is substantially equal to T). Means that the meniscus can be effectively damped.
[0070]
The minute oscillation period (T) of the meniscus is the above-mentioned Helmholtz resonance period (Tc), that is, if the minute resonance period Tc can be confirmed by the above-described formula, the optimal third pulse application timing is easy. Can be set to
[0071]
The inventor has investigated the resonance period Tc of the ink jet recording head and the optimum application timing of the third pulse.
[0072]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the resonance period Tc and the optimum application timing of the third pulse for stabilizing the ejection of ink droplets in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention. In the figure, the optimum application timing of the third pulse is indicated by a time pw4 from the start of the second pulse to the start of the third pulse.
[0073]
As is apparent from FIG. 5, the resonance period Tc and the optimum application timing (pw4) of the third pulse are almost the same, and in the present invention, the Helmholtz resonance period (Tc), which is a representative value of the meniscus vibration characteristics, is set to It can be seen that the means to use makes it possible to easily determine and set the optimal application timing of the third pulse.
[0074]
If the duration pw3 of the third pulse is not the same as the duration pw2 of the second pulse, the resonance cycle Tc and pw4 do not match, but pw4 is a value slightly shifted with respect to the resonance cycle Tc. As long as the shift amount can be grasped, it is easy to set the resonance period Tc to a representative value.
[0075]
Next, the applied potential of the third pulse will be described.
[0076]
Regarding the applied potential (V3) of the third pulse, any applied potential may not be used. Depending on the vibration state of the meniscus after ink ejection, there is an applied potential appropriate to attenuate the vibration (see FIGS. 9 and 10 described later).
[0077]
For this reason, even if the third pulse is applied at the optimal timing, if the applied potential (V3) is inappropriate, the meniscus may not be sufficiently attenuated. This will be described below.
[0078]
FIG. 8 is a second diagram illustrating the relationship between the driving pulse of the ink jet recording head and the behavior of the meniscus in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0079]
When the applied potential (V3) is too small, the oscillation of the meniscus is not sufficiently reduced as shown in the figure, and the effect of the third pulse is reduced by half (the dashed line in FIG. 8).
[0080]
Conversely, if the amount of applied potential (V3) is unnecessarily large, the third pulse will generate a vibrant vibration rather than attenuate the vibration of the meniscus, resulting in an adverse effect (see FIG. 8 dotted line).
[0081]
As a result, as in the case where the application timing is not appropriate, the formation of the meniscus during the ejection of the ink droplet becomes unstable, and the mist is likely to be generated in the ejected ink droplet, and the ejection of the ink droplet is likely to cause bending or ejection blur.
[0082]
For the above reasons, in order to effectively attenuate the meniscus with the third pulse, it is necessary to carefully set not only the application timing but also the applied potential (V3).
[0083]
Therefore, as described below, the present inventor experimentally investigated the optimum applied potential of the third pulse and decided based on it.
[0084]
The present inventor has investigated the optimal applied potential of the third pulse.
[0085]
FIG. 9 is a diagram showing the applied potential of the third pulse and the ink ejection state in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0086]
In the figure, the applied potential (V3) is indicated by an applied potential ratio (V3 / V1) with respect to the peak potential (V1), and shows the ejection state of the ink droplet under the maximum driving frequency at each applied potential ratio.
[0087]
In this investigation, an inkjet recording head having a Helmholtz resonance period (Tc) of Tc = 6.0 μs was used, and the duration (pw2) of the second pulse was changed to pw2 = 3 μs, 9 μs, and 18 μs, and the meniscus after ink ejection was changed. The relationship between the applied potential ratio and the ejection state was arranged for each case by changing the vibration energy amount.
[0088]
As is clear from the figure, it is necessary to apply a third pulse at an optimum applied potential ratio for each pw2 in order to stably eject ink droplets. The shorter the pw2 is, the more the ink ejection energy becomes. It was found that it was necessary to increase the applied potential ratio as the vibration energy of the meniscus increased.
[0089]
Further, it was also confirmed that if the applied potential ratio was too high, rather than attenuating the meniscus vibration as described above, a vibrant vibration would be generated, which would have an adverse effect.
[0090]
Based on the above investigation results, the optimum applied potential of the third pulse was confirmed.
[0091]
In the head of this embodiment, the applied potential ratio is preferably set between 0.1 and 0.3. When the duration (pw2) of the second pulse is 3 μs, the applied potential ratio is about 0.2. ~ 0.3 is optimal.
[0092]
By the way, the vibration of the meniscus is, as defined by the above-mentioned equation, the compliance due to the compressibility of the ink, the rigidity of the pressure generating chamber 3 and the shape of the ink flow path such as the nozzle opening 2 and the ink supply port 4. The vibration period and vibration amplitude change with the change in inertance due to the size.
[0093]
The main factors that cause these fluctuations are variations in the shape of the ink flow path in manufacturing and changes in the environmental temperature. In particular, when the environmental temperature changes, not only the physical properties of the ink but also the pressure generation chamber 3 Since the stiffness of the constituent materials also changes, the fluctuation is relatively large.
[0094]
For this reason, the resonance oscillation period Tc and the oscillation energy change, and accordingly, the optimum application timing and applied potential of the third pulse also change.
[0095]
The inventor has investigated the optimum application timing of the third pulse and the change of the applied potential due to the environmental temperature.
[0096]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the resonance period Tc and the ambient temperature in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the ambient temperature and the application timing of the optimal third pulse for stabilizing the ejection in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0097]
Obviously, as the environmental temperature increases, the resonance period Tc also increases, and the optimum third pulse application timing pw4 changes accordingly.
[0098]
That is, if the driving is performed with the application timing fixed at a certain value, if the resonance period Tc changes due to a change in the environmental temperature, the optimal meniscus vibration is not performed and the ink droplet ejection becomes unstable. There is a possibility that it will be.
[0099]
On the other hand, the present inventor also investigated the relationship between the ambient temperature and the optimal applied potential of the third pulse.
[0100]
FIG. 10 is a second diagram showing the applied potential of the third pulse and the ink ejection state under each temperature environment in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention. The way of reading the figure conforms to FIG.
[0101]
The figure shows the results of investigations at various environmental temperatures under high temperature (40 ° C.), normal temperature (25 ° C.), and low temperature (15 ° C.).
[0102]
As is clear from the figure, the optimum applied potential ratio (V3 / V1) at which the ink is stably ejected differs depending on the environmental temperature, and it is desirable that the higher the temperature, the higher the applied potential.
[0103]
This is because the viscosity of the ink changes depending on the temperature, and the attenuation state of the meniscus vibration changes.
[0104]
In other words, when the temperature is high, the viscosity of the ink decreases and the vibration of the meniscus after the ink discharge becomes more intense. Therefore, it is necessary to apply a higher applied potential to attenuate the ink. Since the viscosity is increased and the vibration of the meniscus after ink ejection is reduced, the meniscus can be sufficiently attenuated by applying a small applied potential.
[0105]
However, if added too much, stable ejection cannot be ensured.
[0106]
As is clear from the investigation results, the applied potential ratio of the third pulse is about 0.5 μs or more (that is, the applied potential of the third pulse is lower than the applied potential of the first pulse) from low temperature to high temperature. Becomes higher), the ink is not discharged stably. Therefore, it is preferable that the applied potential of the third pulse be lower than the applied potential of the first pulse.
[0107]
On the basis of the above investigation results, in the present embodiment, the environmental temperature detecting means 140 is provided, thereby detecting the environmental temperature, and the driving pulse output from the driving pulse generating means 130 through the driving pulse controlling means 130. The application timing and applied potential of the third pulse are changed.
[0108]
Specifically, when the environmental temperature is high, the application timing pw4 is long, and the applied potential ratio (V3 / V1) is large. When the environmental temperature is low, the application timing pw4 is short and the applied potential ratio is small.
[0109]
In the case of the ink jet recording head of FIGS. 7 and 10, as shown in FIG.
At low temperature (15 ° C) → normal temperature (25 ° C) → high temperature (40 ° C)
V3 / V1 = 0.15 → 0.25 → 0.35
pw4 = 6.0 μs → 7.0 μs → 8.0 μs
It is better to change.
[0110]
In the figure, both V3 / V1 and pw4 are linearly changed with respect to temperature, but the same effect can be obtained by changing stepwise in a certain temperature range.
[0111]
By the way, when changing the applied potential ratio, the duration of the third pulse was set to be the same as the duration of the second pulse, and was constant regardless of the environmental temperature.
[0112]
This is because, as described above in the description of the application timing, the meniscus vibrations caused by both pulses are generated at almost the same period by applying the pulses with the same duration, and both vibrations have the opposite phases. This is because, in the event that the duration of both pulses is not the same, the meniscus is more effectively damped than when the durations of both pulses are not the same.
[0113]
For this reason, the third pulse is determined by the duration of the second pulse, and it is desirable that the duration be constant even if the applied potential changes due to the environmental temperature.
[0114]
As described above, in the present embodiment, the third pulse is applied for the same duration as the second pulse, and both the application timing and the applied potential are adjusted according to the environmental temperature, so that the third pulse is generated by the ejection of the ink droplet. Even if the vibration of the meniscus changes due to the environmental temperature, the third pulse can cause the pressure generation chamber 3 to expand again with the optimum expansion amount at the stage where the meniscus has moved to the most. Can be effectively attenuated.
[0115]
As a result, the ink droplet ejection instability caused by poor attenuation of the kinetic energy of the meniscus is suppressed under any environmental temperature environment, and the meniscus is stopped at a fixed position regardless of the repetition frequency due to the rapid stop of the meniscus. The flying speed is stabilized because the ink droplets are ejected in the state where the ink droplets are ejected. Therefore, stable ejection can be ensured even at a high driving frequency.
[0116]
Finally, the operation at the time of preparation for printing start and at the time of printing end will be described.
[0117]
Before the printing is started, the driving pulse is charged to the potential (V3), and the piezoelectric vibrator 9 is slightly contracted to stand by until a printing signal is sent. The time required for charging to the potential (V3) may be such that ink droplets are not ejected by the drive, and there is no problem if the time is about the duration of the third pulse.
[0118]
On the other hand, when the print signal is no longer input, the drive pulse is discharged by a predetermined pulse from the potential (V3) to make the potential zero. There is no problem with this required time as long as ink droplets are not ejected by the drive.
[0119]
Although all the above embodiments have been described using an example of an ink jet recording head using a piezoelectric vibrator that contracts by charging, a piezoelectric vibrator of a longitudinal effect that expands by charging or a piezoelectric vibrating plate that bends and deforms into a unimorph or bimorph type. It is clear that the same effect is obtained when used.
[0120]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, based on the environmental temperature and the duration of the second pulse, First pulse And a drive pulse control means for determining the applied potential of the third pulse based on the applied potential ratio, so that the vibration behavior of the meniscus is influenced by the environmental temperature and the continuation of the second pulse. Even if it changes with time, it is possible to apply vibration damping with an optimal amount of application. As a result, the vibration of the meniscus can be effectively attenuated, and stable ejection of ink droplets can be ensured regardless of the ambient temperature and the inclination of the second pulse.
[0121]
In addition, the rapid stopping of the meniscus allows the ink droplet to be ejected in a state where the meniscus is stopped at a fixed position even at a high driving frequency, so that the flying speed is stable, and the meniscus recovery time is shortened. The frequency is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ink jet recording head used in an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating an ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a driving pulse formation of an ink jet recording head in an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a second diagram illustrating the relationship between the driving pulse of the ink jet recording head and the behavior of the meniscus in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a resonance period Tc and an application timing of an optimal third pulse for stabilizing ejection of ink droplets in the ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a resonance cycle Tc and an ambient temperature in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between an environmental temperature and an application timing of an optimal third pulse for stabilizing ejection in an inkjet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a second diagram illustrating the relationship between the driving pulse of the ink jet recording head and the behavior of the meniscus in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing an applied potential of a third pulse and an ink ejection state in the ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a second diagram illustrating an applied potential of a third pulse and an ink ejection state in the inkjet recording apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a setting table of an ambient temperature and an application potential of a third pulse, and a setting table of an environmental temperature and an application timing of a third pulse in the inkjet recording apparatus according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Nozzle plate
2 Nozzle opening
3 Pressure generating chamber
4 Common ink chamber
5 Ink supply port
6 Ink channel
7 Flow path configuration plate
8 Elastic plate
9 Piezoelectric vibrator
10 Fixed board
100 inkjet recording head
110 Driving nozzle selection means
120 Drive pulse generating means
130 Drive pulse control means
140 Environmental temperature detection means

Claims (6)

ノズル開口、インク供給口を介して共通インク室に連通し、周期Tcのヘルムホルツ共振周波数を備えた圧力発生室、及び、前記圧力発生室に当接する圧電振動子を備え、電位変化により前記圧電振動子の収縮・膨張をおこない前記圧力発生室を膨張・収縮させるインクジェット記録ヘッドと、
前記圧力発生室を膨張させる第1のパルス、膨張状態にある前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口からインク滴を吐出させる第2のパルス、及び、前記第2のパルス後に前記圧力発生室を再び膨張させる第3のパルスを出力する駆動パルス発生手段と、
環境温度検出手段によって検出した環境温度と前記第2のパルスの継続時間とに基づいて前記第1のパルスと第3のパルスの印加電位比を定め、この印加電位比に基づいて第3のパルスの印加電位を定める駆動パルス制御手段と、
を有することを特徴とするインクジェット記録装置。
A pressure generating chamber communicating with a common ink chamber through a nozzle opening and an ink supply port and having a Helmholtz resonance frequency of a period Tc; and a piezoelectric vibrator in contact with the pressure generating chamber; An ink jet recording head that expands and contracts the pressure generating chamber by contracting and expanding the child,
A first pulse for expanding the pressure generating chamber, a second pulse for contracting the expanded pressure generating chamber to eject ink droplets from the nozzle openings, and the pressure generating chamber after the second pulse. Driving pulse generating means for outputting a third pulse for expanding the pressure again;
The applied potential ratio between the first pulse and the third pulse is determined based on the environmental temperature detected by the environmental temperature detecting means and the duration of the second pulse, and the third pulse is determined based on the applied potential ratio. Drive pulse control means for determining the applied potential of
An inkjet recording apparatus comprising:
前記第2のパルスの継続時間と前記第3のパルスの継続時間が同じに設定され、前記第2のパルス開始から前記第3のパルス開始までの時間が、前記圧力発生室の共振周期Tcとほぼ一致した時間となるように設定されてい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。The duration of the second pulse and the duration of the third pulse are set to be the same, and the time from the start of the second pulse to the start of the third pulse is equal to the resonance cycle Tc of the pressure generation chamber. 2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the times are set to be substantially the same. 前記第2のパルス開始から前記第3のパルス開始までの時間が、前記環境温度が高いときは長く、低いときは短くなるように設定されてい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。2. The ink jet recording according to claim 1, wherein the time from the start of the second pulse to the start of the third pulse is set to be long when the environmental temperature is high and to be short when the environmental temperature is low. apparatus. 前記駆動パルス制御手段は、前記第3のパルス開始タイミングを環境温度によって制御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。2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the drive pulse control means controls the third pulse start timing based on an environmental temperature. 前記第3のパルスの印加電位が、第1のパルスの印加電位より低い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。2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein an applied potential of the third pulse is lower than an applied potential of the first pulse. 前記第3のパルスの継続時間が、前記環境温度によらず一定であ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。2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the duration of the third pulse is constant irrespective of the environmental temperature.
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