JP3580343B2 - インクジェット式記録装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術の分野】
本発明は、圧電振動子を駆動源に使用したインクジェット式記録ヘッドの駆動技術、より詳細には温度によるインク滴の吐出特性の変化を補償する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一部が弾性板により構成され、ノズル開口に連通する圧力発生室を、圧電振動子により膨張、収縮させて、インクの吸引、インク滴の形成を行うインクジェット式記録ヘッドは、発熱素子をアクチュエータに用いるものに比較して圧力発生室の容積変化の形態を微妙にコントロールできるため、高い解像度での高速印刷が可能であるという特徴を備えている。
【０００３】
ところが、圧電振動子は、制御が容易で高速駆動が可能であるものの、残留振動の減衰率が小さいため、インク滴吐出後にも大きな残留振動が残ってメニスカスの挙動に影響を与え、これに起因して次のインク滴吐出時におけるメニスカスの位置にバラつきが生じ、結果としてインク滴の飛翔方向が変動したり、またメニスカスのノズル開口側への大きなオーバーシュートによりインクミストが生じたりして印字品質の低下を招くという不都合を抱えている。
【０００４】
このような問題を解消するため、例えば特開平９−５２３６０号公報に見られるように、へルムホルツ共振周波数の周期Ｔｃを備えた圧力発生室の容積を圧電振動子の変位により膨張、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を、圧力発生室を拡大させ、ついで膨張状態にある圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させ、その後インク滴吐出後に生じたメニスカスの振動がノズル開口側に向かう時点で圧力発生室を若干拡大させて、メニスカスの振動を減衰させ、かつ次のインク滴吐出に最適な位置となるようにノズル開口の内側にメニスカスを留めさせるインクジェット式記録装置が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インクは温度の変化によりその粘度が大きく変化するから、インク滴吐出後のメニスカスの振動形態も変化する。これに起因してインク滴吐出後のメニスカスの振動を一様に減衰させることが困難で、特にグラフィック印刷等のために微小なインク滴を、高い繰り返し周波数で吐出させる記録ヘッドでは印字品質に低下を来すという問題を抱えている。
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インク滴吐出後のメニスカスの振動を温度に関わり無く一様に減衰させて、高い印字品質での印字を行うことができるインクジェット式記録装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、ノズル開口、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、
前記圧力発生室を膨張させメニスカスを引き込む第１の信号と、膨張状態を維持する第２の信号と、前記圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる第３の信号と、収縮状態を維持する第４の信号と、第１の信号を印加する前段階まで前記圧力発生室を膨張させる第５の信号とからなり、第５の信号の前記第３の信号に対する相対電圧を温度検出手段からの信号に応動させて前記相対電圧が低い場合には前記第５の信号の継続時間が常温時と同一となるように、また前記相対電圧が高い場合には単位時間当たりの電圧変化率が常温時と同一となるように調整するとともに、前記第５の信号の電圧変化を前記第３の信号の電圧変化量の２０乃至７０パーセントに調整する。
また、ノズル開口、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、
前記圧力発生室を膨張させメニスカスを引き込む第１の信号と、膨張状態を維持する第２の信号と、前記圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる第３の信号と、収縮状態を維持する第４の信号と、第１の信号を印加する前段階まで前記圧力発生室を膨張させる第５の信号とからなり、
第５の信号の前記第３の信号に対する相対電圧を温度検出手段からの信号に応動させて前記相対電圧が低い場合には前記第５の信号の継続時間が常温時と同一となるように調整するとともに、前記第５の信号の前記第３の信号に対する前記相対電圧の最大値が、常温時における前記相対電圧の２倍以下である。
【０００７】
【作用】
インク滴吐出後、圧力発生室を膨張させてメニスカスの振動を制振させる第５の信号を、温度に対応して調整させ、もって圧力発生室にインク粘度に応じた制振力を発生させ、かつ第５の信号による制振開始のタイミングを調整する第４の信号の継続時間のマージン、つまり制振可能なタイミングの余裕度を拡大して、高速駆動時にも第５の信号による制振作用を可能ならしめる。
【０００８】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明が適用されるインクジェット式記録ヘッドの一実施例を、１つの圧力発生室近傍の構造で示すものであって、図中符号１は、ノズル開口２を有するノズルプレート、３は、圧力発生室４、インクリザーバ５、及び圧力発生室４とインクリザーバ５とを接続するインク供給口６を形成する流路形成板、７は後述する圧電振動子９の変位を受ける弾性板で、これらノズルプレート１、流路形成基板３、及び弾性板７は、液密に積層されて流路ユニット８を形成している。
【０００９】
流路ユニット８は、圧電振動子９の軸方向の変位を受けて圧力発生室４のインクを加圧してノズル開口２からインク滴として吐出させたり、またインク供給口６を介してリザーバ５のインクを圧力発生室４に吸引させる。
【００１０】
圧電振動子９は、この実施例においては伸長方向に平行に圧電材料１０と一方の極となる内部電極１１、他方の極となる内部電極１２とを交互に積層して圧電定数ｄ３１の圧電振動子として構成され、充電を受けた場合には内部電極１１、１２の積層方向と直交する方向に収縮し、また充電状態が解かれると内部電極１１、１２と直交する方向に伸長する、いわゆる縦振動モードの振動子として機能する。
【００１１】
また、圧電振動子９は、振動に関与しない領域を固定基板１３に固定されて、先端を圧力発生室４の領域の弾性板７に当接するようにヘッドケース１４に固定され、力学的な閉鎖回路を形成している。
【００１２】
図２は、上述した記録ヘッドを駆動する駆動装置の一実施例を示すものであって、電圧制御回路２１は、温度検出回路２２からの温度信号に基づいて、図３（イ）に示したように外気温に対応した電圧を駆動信号発生回路２３に供給し、圧電振動子９、９、９、‥‥に駆動信号を供給する信号を制御するものである。
【００１３】
すなわち、外気温度が高くなるほど電圧が高くなる中間電圧Ｖｃと、中間電圧Ｖｃからインク滴吐出前の膨張状態まで圧力発生室４を膨張させる第１の信号▲１▼と、膨張状態を維持する第２の信号▲２▼と、膨張状態から収縮状態まで圧力発生室４を一気に収縮させてノズル開口２からインク滴を吐出させる第３の信号▲３▼と、収縮状態を保持し、かつ後述する第５の信号▲５▼のタイミングを調整する第４の信号▲４▼と、インク滴吐出後のメニスカスを平定させるための第５の信号▲５▼とを発生させるとともに、第３の信号▲３▼の電圧に対する第５の信号▲５▼の相対電圧を温度検出回路２２からの信号に応動させ、かつ第３の信号▲３▼の電圧に対する比率が小さいときには時間幅を一定として勾配で、また比率が大きい場合には勾配αを一定として時間幅で調整するように構成されている。
【００１４】
この実施例において、外気温度が常温の場合には、中間電圧ＶＣＭは、１滴のインク滴が印刷に最適な量となるように定められた値となる。この状態で印刷信号が入力すると、インク滴吐出前に中間電圧ＶＣＭに維持された圧電振動子９が第１の信号▲１▼により変位して圧力発生室４が中間電圧ＶＣＭとインク滴吐出直前の電圧ＶＨとの差分だけ膨張し、この膨張量に応じてメニスカスＭがノズル開口２からノズル開口２の内部に引き込まれる（図４）。
【００１５】
第２の信号▲２▼により規定された所定時間が経過した段階で、第３の信号▲３▼が印加されて圧力発生室４が大きく収縮し、前述の第１の信号▲１▼によりノズル開口２の内部に一旦、引き込まれたメニスカスＭがノズル開口２に向かって移動して印刷に適した位置、及び速度に到達しているため、所定のインク量のインク滴が吐出されて飛行する。
【００１６】
インク滴吐出後、第５の信号を印加するのに適した時間が経過するまでの時間Ｔ４を第４の信号▲４▼により維持し、常温に対応する中間電圧ＶＣＭまで上昇させて、インク滴を吐出した後のメニスカスの残留振動を制振するとともに、次の印刷に備えて圧力発生室４を元の容積に復帰させる。このとき第５の信号▲５▼の継続時間は、ヘルムホルツ周期Ｔｃであることが望ましく、また第３の信号▲３▼の開始から第４の信号▲４▼の終了までの時間もヘルムホルツ周期Ｔｃであることが望ましい。以下、このような工程を繰返して印刷を実行する。
【００１７】
外気温が常温よりも高くなると、インクの粘度が常温に比較して低下するので、電圧制御回路２１は、温度検出回路２２からの信号に基づいて駆動電圧ΔＶＤを低下させ、同時に中間電圧をＶＨＣに調整して常温時と同量のインク滴を吐出させる。この時、駆動電圧ΔＶＤを基準とする中間電圧の比率、つまり第５の信号▲５▼の相対電圧は、常温時のＶＣＭから高温時の値ＶＣＨに上昇される。
【００１８】
インク滴吐出後、第５の信号▲５▼を印加するのに適した時間Ｔ４、つまりインク滴吐出後に生じたメニスカスの振動がノズル開口側に向かうに要する時間が経過するまで第４の信号▲４▼により圧力発生室４の膨張状態を維持し、その後、高温時に対応する中間電圧ＶＣＨまで上昇させる。
【００１９】
メニスカスＭの振動はインクの粘度が低いため、流体力学的な減衰を受け難いものの、駆動電圧ΔＶに比較した中間電圧ＶＣＨが常温時の中間電圧ＶＣＭに比較して高く設定されているため、ノズル開口側に向かうメニスカスは強い力で引き戻され、十分な制振が可能となる。このとき単位時間当たりの電圧上昇率αを常温時における第５の信号▲５▼と同一に設定して復帰させる。
【００２０】
一方、温度が常温よりも低下すると、インクの粘度が常温に比較して上昇するので、電圧制御回路２１は、温度検出回路２２からの信号に基づいて駆動電圧ΔＶＤを上昇させ、同時に中間電圧をＶＣＬに調整して常温時と同量のインク滴を吐出させる。この時、駆動電圧ΔＶＤを基準とする中間電圧の比率、つまり第５の信号▲５▼の相対電圧は、常温時のＶＣＭから低温時の値ＶＣＬに降下される。
【００２１】
インク滴吐出後、第５の信号を印加するのに適した時間、つまりインク滴吐出後に生じたメニスカスの振動がノズル開口側に向かうに要する時間が経過するまで第４の信号▲４▼により圧力発生室４の膨張状態を維持し、その後、低温時に対応する中間電圧ＶＣＬまで上昇させる。
【００２２】
メニスカスＭの振動はインクの粘度が高いため、流体力学的に減衰を受け易いから、駆動電圧ΔＶに比較した常温時の中間電圧ＶＣＭよりも低い中間電圧ＶＣＬによりメニスカスを過剰に引き込むことなく、必要最小限で制振させることができる。このとき第５の信号▲５▼を常温時の継続時間Ｔ５Ｍと同一の長さに設定して復帰させる。
【００２３】
このように、第５の信号▲５▼の相対電圧を気温に対応させて調整してインク滴吐出後のメニスカスの残留振動を抑制するのに際して、第４の信号▲４▼の終了後に温度に対応した電圧ＶＣＬ、ＶＣＭ、ＶＣＨに上昇する場合に、インク滴吐出時の駆動電圧ΔＶＤに対する比率が大きい場合には常温時と同一の電圧変化率αで、また低い場合には常温時と同一の時間Ｔ５Ｍで上昇するため、図３（ロ）に示したように第５の信号▲５▼による制振可能となるタイミングのマージン、つまり第４の信号▲４▼の継続時間のマージンを拡大することができ、環境の大幅な変動に対しても第５の信号▲５▼によりメニスカスの残留振動を確実に制振することできる。
【００２４】
これに対して、図５（イ）に示したように一定の時間Ｔ５Ｍで上昇させた場合には、メニスカスを効果的に制振させることができるものの、第５の信号▲５▼のインク滴吐出時の駆動電圧ΔＶＤに対する比率が大きくなると、図５（ロ）に示したように第４の信号▲４▼の継続時間のマージンが急激に小さくなり、環境の変化によっては第５の信号▲５▼による制振が不十分となって、インク滴の飛翔方向が変化したり、またインクミストが発生する。
【００２５】
さらに図６（イ）に示したように比率が小さい場合のＴ５Ｌでメニスカスの残留振動を十分に制振させると、図６（ロ）に示したように比較的広い安定領域を確保できるものの、比率が大きくなる高温時には時間Ｔ５Ｈ’が大きくなって高速駆動が不可能となる。
【００２６】
このように温度による第５の信号▲５▼を時間を一定として変化させるモードと、勾配一定として変化させるモードとを組み合わせたので、図５（ロ）と図６（ロ）に示した安定領域を包含する広い安定領域（図３（ロ））を確保することができ、環境の大幅な変動に対しても第５の信号▲５▼によりメニスカスの残留振動を十分に制振して、安定なインク滴の吐出が可能となる。
【００２７】
ここで第５の信号▲５▼の相対電圧は、低すぎるとメニスカスに対する制振力が不足し、また高すぎるとメニスカスの振動を助長して発振させることになる。印刷に適した制振力を得るには図３（ロ）に示したように第５の信号▲５▼の相対電圧は、駆動電圧の１０乃至８０パーセントであることを実験で確認したが、十分な制振のためのタイミングのマージンを確保するためには、第３の信号▲３▼の電圧変化量（適正電圧）に対する第５の信号▲５▼の比率が若干狭い２０乃至７０パーセントとするのが望ましことも確認した。
【００２８】
また、第５の信号▲５▼の継続時間Ｔ５は、短すぎるとメニスカスの運動が不安定になるので、最短でも圧力発生室４のヘルムホルツ周期Ｔｃ以上に、また長すぎると高速駆動が不可能となるので、
Ｔｃ≦Ｔ５≦２Ｔｃ
に設定するのが望ましい。すなわち、第５の信号▲５▼は、その最大値が常温時における第５の信号のレベルの２倍以下に抑制されて、その継続時間Ｔ５が２Ｔｃ以下となるようにされている。
【００２９】
さらに、第３の信号(3)の継続時間Ｔ３と第４の信号(4)の継続時間Ｔ４との和がほぼヘルムホルツ周期Ｔcとなるように設定すると、安定領域の中央部付近で駆動することができ、制振のタイミング自体にも余裕を持たせて安定な駆動が可能となる。
【００３０】
また、電圧制御回路２１は、温度検出回路２２からの信号により第３の信号▲３▼の電圧変化量ΔＶＤを温度に対応させて調整して、メニスカスの制振作用に影響を与えることなく、圧力発生室４の膨張量を制御してインク滴のインク量を制御する。すなわち、温度が常温よりも低い場合には電圧変化量ΔＶＤを常温よりも高い値に、また温度が常温よりも高い場合には電圧変化量ΔＶＤを低い値に設定してインクの粘度変化によるインク滴のインク量の変動を防止する。
【００３１】
また、第３の信号▲３▼で圧力発生室４を急速に縮小させてインク滴を吐出させた後、圧電振動子の残留振動がメニスカスの振動に影響を与えてインクミストを発生させることになるため、インク滴吐出後の圧電振動子の残留振動を抑制することが望ましい。このため、第３の信号▲３▼の継続時間を圧電振動子の固有振動周期に一致させることで、圧電振動子の残留振動を可能な限り抑制することができる。
【００３２】
なお、上述の実施例においては、圧電定数ｄ３１の圧電振動子をアクチュエータに用いた記録ヘッドに例を採って説明したが、変位方向に異なる極となる内部電極を圧電材料を挟みながら交互に積層した圧電定数ｄ33の圧電振動子を用いた第２のインクジェット式記録ヘッドに適用しても同様の作用を奏することは明らかである。
【００３３】
また、圧力発生室を形成するスペーサの一方の開口面を弾性板で封止し、その表面にたわみ変位する圧電振動板を固定し、また他方の面を第１の蓋部材で封止した圧力発生ユニットと、リザーバを形成するリザーバ形成基板の一方の面をノズル開口を有するノズルプレートで封止し、他方の面をインク供給口を有するインク供給口形成基板により封止した流路ユニットとを、連通孔により連通させて一体化した第３のインクジェット式記録ヘッドや、また一方の表面を開口面とし、裏面に弾性変形する弾性板、望ましくは酸化シリコンからなるメンブレム部を形成するように圧力発生室と、圧力発生室にインクを供給するインクリザーバと、圧力発生室とインクリザーバとを一定の流体抵抗で連通させるインク供給口とをシリコン単結晶基板のエッチングにより作り付けたインク圧発生室形成基板を用意し、これの開口面をノズル開口を有するノズルプレートにより封止し、また弾性板に膜形成法で圧電振動素子を形成した第４のインクジェット式記録ヘッドに適用しても同様の作用を奏する。
【００３４】
特に第４のインクジェット式記録ヘッドにあっては、シリコン単結晶基板をレーザーや異方性エッチングにより精密な加工が可能で、かつ基板自体の剛性が高いため、圧力発生室のコンプライアンスを可能な限り小さくでき、ヘルムホルツ共振周波数が高く、かつ圧力発生室間でのばらつきが少ない記録ヘッドを構成でき、駆動信号を選択することによりインク滴吐出後のメニスカスの残留振動をより確実に制振することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、第４の信号の継続時間のマージンを拡大しつつインク滴吐出後のメニスカスの振動を、環境温度に関わりなく制振させることができ、温度変化に関わりなくインクミスト等の発生を防止して高速駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録装置に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の信号発生手段の一実施例を示すブロック図である。
【図３】図（イ）、（ロ）は、それぞれ同上装置における信号の一実施例を示す波形図と、第５の信号の相対電圧と、第４の信号の継続時間と動作の安定状態を示す線図である。
【図４】ノズル開口近傍のメニスカスの様子を示す図である。
【図５】図（イ）、（ロ）は、それぞれ中間電圧までの他の到達形態と、第５の信号の相対電圧と、第４の信号の継続時間と動作の安定状態を示す線図である。
【図６】図（イ）、（ロ）は、それぞれ中間電圧までの他の到達形態と、第５の信号の相対電圧と、第４の信号の継続時間と動作の安定状態を示す線図である。
【符号の説明】
２ 圧力発生室
３ 圧電振動子
７ リザーバ
８ ノズル開口

Claims (4)

1. ノズル開口、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、
   前記圧力発生室を膨張させメニスカスを引き込む第１の信号と、膨張状態を維持する第２の信号と、前記圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる第３の信号と、収縮状態を維持する第４の信号と、第１の信号を印加する前段階まで前記圧力発生室を膨張させる第５の信号とからなり、第５の信号の前記第３の信号に対する相対電圧を温度検出手段からの信号に応動させて前記相対電圧が低い場合には前記第５の信号の継続時間が常温時と同一となるように、また前記相対電圧が高い場合には単位時間当たりの電圧変化率が常温時と同一となるように調整するとともに、前記第５の信号の電圧変化を前記第３の信号の電圧変化量の２０乃至７０パーセントに調整するインクジェット式記録装置。
2. ノズル開口、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、
   前記圧力発生室を膨張させメニスカスを引き込む第１の信号と、膨張状態を維持する第２の信号と、前記圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる第３の信号と、収縮状態を維持する第４の信号と、第１の信号を印加する前段階まで前記圧力発生室を膨張させる第５の信号とからなり、
   第５の信号の前記第３の信号に対する相対電圧を温度検出手段からの信号に応動させて前記相対電圧が低い場合には前記第５の信号の継続時間が常温時と同一となるように調整するとともに、前記第５の信号の前記第３の信号に対する前記相対電圧の最大値が、常温時における前記相対電圧の２倍以下であるインクジェット式記録装置。
3. 第３の信号の継続時間と第４の信号の継続時間との和が、前記圧力発生室のヘルムホルツ周期Ｔcとなるように設定されている請求項１または請求項２に記載のインクジェット式記録装置。
4. 前記第３の信号の継続時間が、前記圧電振動子の固有振動周期と一致するように設定されている請求項１または請求項２に記載のインクジェット式記録装置。

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