JP4432426B2 - Driving method of droplet discharge head - Google Patents
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Description
本発明は、ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法に関し、特に、高周波駆動が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法に関する。 The present invention relates to a method for driving a droplet discharge head that discharges droplets from a nozzle, and more particularly to a method for driving a droplet discharge head capable of high-frequency driving.
微小なインク滴を用いて画像を記録するためのインクジェット記録ヘッドのようにノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドでは、圧力発生室内に圧力を付与することでノズルから液滴を吐出させ、記録紙等の記録媒体上に着弾させる。 In a liquid droplet ejection head that ejects liquid droplets from a nozzle, such as an inkjet recording head for recording an image using minute ink droplets, the liquid droplets are ejected from the nozzle by applying pressure to the pressure generating chamber. Land on a recording medium such as recording paper.
圧力発生室内に圧力を付与する手段は様々であるが、ここでは圧力発生室の隔壁を圧電素子により構成し、この圧電素子を変形することによりノズルからインク滴を吐出する場合の液滴吐出ヘッドについて、図1〜図4を用いて簡単に説明する。 There are various means for applying pressure to the pressure generating chamber. Here, a liquid droplet discharge head in the case where the partition of the pressure generating chamber is constituted by a piezoelectric element and ink droplets are discharged from the nozzle by deforming the piezoelectric element. Will be briefly described with reference to FIGS.
図1は、液滴吐出ヘッドの一態様であるせん断モード(シェアモード)タイプのインクジェット記録ヘッド(以下、単に記録ヘッドという。)の概略構成を示す図であり、(a)は一部断面で示す斜視図、(b)はインク供給部を備えた状態の断面図である。図2はその作動を示す図であり、図3は液滴の吐出動作を説明する図、図4は駆動波形を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a shear mode (share mode) type ink jet recording head (hereinafter simply referred to as a recording head), which is an embodiment of a droplet discharge head, and FIG. FIG. 4B is a cross-sectional view showing a state in which an ink supply unit is provided. FIG. 2 is a diagram illustrating the operation, FIG. 3 is a diagram illustrating a droplet discharge operation, and FIG. 4 is a diagram illustrating a drive waveform.
図1において、1はインクチューブ、2はノズル形成部材、3はノズル、Sは隔壁、6はカバープレート、7はインク供給口、8は基板である。そして、図2に示すように圧力発生室であるインクチャネルAが隔壁Sとカバープレート6及び基板8によって形成されている。
In FIG. 1, 1 is an ink tube, 2 is a nozzle forming member, 3 is a nozzle, S is a partition, 6 is a cover plate, 7 is an ink supply port, and 8 is a substrate. As shown in FIG. 2, an ink channel A that is a pressure generation chamber is formed by the partition wall S, the
図1(b)には1個のノズル3を有する1個のインクチャネルAの断面図が示されているが、実際のせん断モードで動作する記録ヘッドHでは、図2(a)に示すようにカバープレート6と基板8との間には複数の隔壁S、即ち、S1、S2、…Sn+1で隔てられたインクチャネルA1、A2、…Anが多数構成されている。インクチャネルA1、A2、…Anの一端(以下、これをノズル端という場合がある)はノズル形成部材2に形成されたノズル3に連通し、他端(以下、これをマニホールド端という場合がある)はインク供給部を構成する供給口7及びインクチューブ1によって図示されていないインクタンクに接続されていて、ノズル3にはインクによるメニスカスを形成している。
FIG. 1B shows a cross-sectional view of one ink channel A having one
各隔壁S1、S2、…は、図2の矢印で示すように分極方向が異なる2個の圧電材料からなる隔壁Sa(S1a、S2a、…)とSb(S1b、S2b、…)とから構成されており、隔壁S1には密着形成された電極Q1、Q2が、隔壁S2には密着形成された電極Q3、Q4が設けてある。同様に各隔壁にそれぞれ電極が密着形成されており、各電極Q1、Q2、…は駆動パルス発生回路に電気的に接続している。 Each of the partition walls S1, S2,... Is composed of partition walls Sa (S1a, S2a,...) And Sb (S1b, S2b,...) Made of two piezoelectric materials having different polarization directions as indicated by arrows in FIG. The partition wall S1 is provided with electrodes Q1 and Q2 formed in close contact, and the partition wall S2 is provided with electrodes Q3 and Q4 formed in close contact. Similarly, electrodes are formed in close contact with the partition walls, and the electrodes Q1, Q2,... Are electrically connected to a drive pulse generating circuit.
かかる記録ヘッドHは、図2(a)に示す状態において、例えば、電極Q1及びQ4をアースに接続すると共に電極Q2及びQ3に、図4に示す矩形波からなる駆動パルスを印加すると、まず、駆動パルスの最初の立ち上がり(P1)によって、隔壁S1、S2を構成する圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じ、隔壁S1a、S1bともに隔壁の接合面にズリ変形を生じ、また隔壁S2a、S2bも同様に反対方向にズリ変形を生じて、図2(b)に示すように隔壁S1a、S1b及び隔壁S2a、S2bは互いに外側に向けて変形し、インクチャネルA1の容積を拡大する。これによりインクチャネルA1内のインクに負の圧力が生じてインクが流れ込む。同時にマニホールド端とノズル端から圧力が上がり始め、音響波がインクチャネル中央に向かって伝わり、その後、その音響波が反対端に達し、インクチャネル内が正圧となる。 In the state shown in FIG. 2 (a), for example, when the recording head H connects the electrodes Q1 and Q4 to the ground and applies a driving pulse consisting of the rectangular wave shown in FIG. 4 to the electrodes Q2 and Q3, first, Due to the first rise (P1) of the drive pulse, an electric field in a direction perpendicular to the polarization direction of the piezoelectric material constituting the partition walls S1 and S2 is generated, and the partition walls S1a and S1b are deformed at the joint surfaces of the partition walls, and the partition wall S2a. , S2b is similarly deformed in the opposite direction, and as shown in FIG. 2B, the partition walls S1a, S1b and the partition walls S2a, S2b are deformed outwardly to expand the volume of the ink channel A1. As a result, a negative pressure is generated in the ink in the ink channel A1, and the ink flows. At the same time, the pressure starts to increase from the manifold end and the nozzle end, and the acoustic wave is transmitted toward the center of the ink channel. Thereafter, the acoustic wave reaches the opposite end, and the inside of the ink channel becomes positive pressure.
最初の駆動パルスの印加から所定時間経過後に電位を0に戻す(P2)と、隔壁S1、S2は拡大位置から図2(a)に示す中立位置に戻り、インクに高い圧力が掛かる。 When the potential is returned to 0 after a predetermined time has elapsed from the application of the first drive pulse (P2), the partition walls S1 and S2 return from the enlarged position to the neutral position shown in FIG. 2A, and high pressure is applied to the ink.
引き続いて、図2(c)に示すように、隔壁S1a、S1b及びS2a、S2bを互いに逆方向に変形するように駆動パルスを印加して(P3)、インクチャネルA1の容積を縮小すると、インクチャネルA1内に正の圧力が生じる。これによりインクチャネルA1を満たしているインクの一部によるノズル3内のメニスカスがノズル3から押し出される方向に変化し、ノズル3からインク柱100が突出する(図3(a)参照)。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, when the drive pulse is applied to deform the partition walls S1a, S1b and S2a, S2b in opposite directions (P3), and the volume of the ink channel A1 is reduced, the ink is reduced. A positive pressure is generated in channel A1. As a result, the meniscus in the
この状態を所定時間保持した後、電位を0に戻し(P4)、隔壁S1、S2を縮小位置から中立位置に戻すと、インクチャネルA1の容積が拡大することでメニスカスが引き込まれ、突出されたインク柱100の後端が引き戻されるので、インク柱100はメニスカスから分離して液滴101として飛翔する(図3(b)参照)。
After maintaining this state for a predetermined time, when the potential is returned to 0 (P4) and the partition walls S1 and S2 are returned from the contracted position to the neutral position, the volume of the ink channel A1 is expanded and the meniscus is drawn and protruded. Since the rear end of the
なお、かかる記録ヘッドHでは、以上のように、隔壁Sの変形によってインクチャネルA内のインクに正負の圧力が付与されるものであり、この隔壁Sは圧力付与手段を構成している。 In this recording head H, as described above, positive and negative pressure is applied to the ink in the ink channel A by deformation of the partition wall S, and this partition wall S constitutes a pressure applying unit.
ところで、上記において、インクチャネルA1の容積を縮小して、ノズル3からインク柱100を突出させた状態を保持する時間について、特許文献1には、2AL時間とすることが最適であることが記載されている。なお、「AL」とは、インクチャネルA1の音響的共振周期の1/2である。
By the way, in the above, regarding the time for reducing the volume of the ink channel A1 and maintaining the state in which the
また、特許文献2にも、上記時間は2AL時間が一般的であることが開示されている。
上記記録ヘッドHの場合、上記のように、インクチャネルA1の容積を縮小してノズル3からインク柱100を突出させた後、隔壁S1、S2を縮小位置から中立位置に戻すことでインクチャネルA1の容積を拡大すると、該インクチャネルA1内の残留圧力波はキャンセルされる。従って、インクチャネルA1内の残留圧力波によるメニスカスの挙動は、この時点で一旦静止し、この後に次のインク滴の吐出動作に入ることができる。
In the case of the recording head H, as described above, after the volume of the ink channel A1 is reduced and the
ところで、インクジェット画像を高速で記録するには、記録ヘッドを高周波駆動することにより速いサイクルでインク滴を吐出させることが必要であり、特に、高周波駆動を実現するには、液滴を吐出した後、続いて同一ノズルから速やかに且つ安定して液滴を吐出させることが必要である。 By the way, in order to record an inkjet image at high speed, it is necessary to eject ink droplets in a fast cycle by driving the recording head at high frequency. In particular, to realize high frequency driving, after ejecting the droplets Subsequently, it is necessary to quickly and stably eject droplets from the same nozzle.
しかしながら、上記のようにインクチャネルA1の容積を縮小して、ノズル3からインク柱100を突出させた状態を保持する継続時間を、従来のように2AL時間とし、その後に残留圧力波をキャンセルして液滴101を吐出しても、特に、粘度が高く、表面張力が低いインクを用いる場合に、続く液滴の吐出動作は不安定となり、高周波駆動を行うことが困難となる。これは、本発明者の知見によると、インクチャネルA1の容積を縮小して、ノズル3からインク柱100を突出させた状態を2AL時間継続させた後、残留圧力波のキャンセルを掛けても、ノズル3内のメニスカスは、該ノズル3の開口における液滴吐出側の先端面よりも液滴吐出方向とは反対のかなり奥側に位置しており、これが次の液滴吐出の不安定性を招き、高周波駆動の阻害要因となっていることがわかった。
However, the duration of maintaining the state in which the volume of the ink channel A1 is reduced and the
そこで、本発明は、高周波駆動を可能とすると共に、安定した吐出を行うことのできる液滴吐出ヘッドの駆動方法を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a driving method of a droplet discharge head that enables high-frequency driving and can perform stable discharge.
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。 Other problems of the present invention will become apparent from the following description.
上記課題は、以下の各発明によって解決される。 The above problems are solved by the following inventions.
請求項1記載の発明は、液滴を吐出するためのノズルの開口と、内部に液体を貯留可能であり前記ノズルの開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室内の容積を拡大又は縮小させる圧力を変化させる圧力付与手段を備えた液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、前記圧力付与手段によって前記圧力発生室の容積を拡大させる第1の工程と、前記第1の工程の後、前記圧力付与手段によって前記圧力発生室の容積を縮小させて前記圧力発生室内の液体を前記ノズルの開口から突出させる第2の工程と、前記第2の工程を3.5〜4.4AL(ALは前記圧力発生室の音響的共振周期の1/2)時間継続させた後、前記圧力付与手段によって前記圧力発生室の容積を拡大させることにより、前記第2の工程により前記ノズルの開口から突出している液体を液滴として分離させる第3の工程と、を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 According to the first aspect of the present invention, an opening of a nozzle for discharging droplets, a pressure generation chamber capable of storing liquid therein and communicating with the opening of the nozzle, and a volume in the pressure generation chamber are enlarged or reduced. A method of driving a droplet discharge head including a pressure applying unit that changes a pressure to be applied, the first step of expanding the volume of the pressure generating chamber by the pressure applying unit, and after the first step, The second step of reducing the volume of the pressure generating chamber by the pressure applying means and causing the liquid in the pressure generating chamber to protrude from the opening of the nozzle, and the second step of 3.5 to 4.4 AL (AL Is continued from the acoustic resonance period of the pressure generating chamber for 1/2) time, and then the volume of the pressure generating chamber is expanded by the pressure applying means, thereby protruding from the opening of the nozzle in the second step. The A third step of separating that liquid droplets, a method for driving a droplet discharge head characterized in that it comprises a.
請求項2記載の発明は、前記第2の工程を4AL時間継続させることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 According to a second aspect of the present invention, in the method of driving a droplet discharge head according to the first aspect, the second step is continued for 4 AL hours.
請求項3記載の発明は、前記第2の工程により縮小させた時の前記圧力発生室の容積は、前記第1の工程により前記圧力発生室を拡大させる以前の容積より小さく、且つ、前記第3の工程により拡大させた時の前記圧力発生室の容積は、前記第1の工程により前記圧力発生室を拡大させる以前の容積と実質的に同じであることを特徴とする請求項1又は2記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。
According to a third aspect of the present invention, the volume of the pressure generating chamber when reduced by the second step is smaller than the volume before the pressure generating chamber is expanded by the first step, and the
請求項4記載の発明は、前記圧力付与手段は、電圧を印加することにより前記圧力発生室内の容積が変化するように駆動され、異なる電圧を印加することにより前記圧力発生室に異なる圧力を付与可能に構成されており、前記第1の工程において前記圧力付与手段に印加する電圧をa(V)、前記第3の工程において前記圧力付与手段に印加する電圧をb(V)とした時、|a|>|b|であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, the pressure applying means is driven such that the volume in the pressure generating chamber is changed by applying a voltage, and different pressures are applied to the pressure generating chamber by applying different voltages. When the voltage applied to the pressure applying means in the first step is a (V), and the voltage applied to the pressure applying means in the third step is b (V), 4. The method of driving a droplet discharge head according to
請求項5記載の発明は、前記電圧aと前記電圧bは、|a|/|b|=2であることを特徴とする請求項4記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method of driving a droplet discharge head according to the fourth aspect, the voltage a and the voltage b are | a | / | b | = 2.
請求項6記載の発明は、前記圧力付与手段は圧電素子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 A sixth aspect of the present invention is the method of driving a droplet discharge head according to any one of the first to fifth aspects, wherein the pressure applying means is a piezoelectric element.
請求項7記載の発明は、前記圧電素子は、電界を印加することによりせん断モードで変形することを特徴とする請求項6記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。
The invention according to
請求項8記載の発明は、前記第1の工程の継続時間が0.8〜1.2AL(ALは前記圧力発生室の音響的共振周期の1/2)であることを特徴とする請求項1〜7のいずれに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 The invention according to claim 8 is characterized in that the duration of the first step is 0.8 to 1.2 AL (AL is 1/2 of the acoustic resonance period of the pressure generating chamber). The method for driving a droplet discharge head according to any one of 1 to 7.
請求項9記載の発明は、前記第1の工程の継続時間が1AL(ALは前記圧力発生室の音響的共振周期の1/2)であることを特徴とする請求項1〜7のいずれに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 The invention according to claim 9 is characterized in that the duration of the first step is 1AL (AL is 1/2 of the acoustic resonance period of the pressure generating chamber). This is a driving method of the described droplet discharge head.
請求項10記載の発明は、前記液体の粘度が、5cp以上15cp以下であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 A tenth aspect of the present invention is the method of driving a droplet discharge head according to any one of the first to ninth aspects, wherein the viscosity of the liquid is 5 cp or more and 15 cp or less.
請求項11記載の発明は、前記液体の表面張力が、20dyne/cm以上30dyne/cm以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。
The invention according to claim 11 is the method of driving a droplet discharge head according to any one of
請求項12記載の発明は、前記液体はインクであることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the method of driving a droplet discharge head according to any one of the first to eleventh aspects, the liquid is ink.
請求項13記載の発明は、前記圧力発生室内の容積を変化させるために前記圧力付与手段に印加する駆動波形が、矩形波であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法である。 According to a thirteenth aspect of the present invention, the drive waveform applied to the pressure applying means to change the volume in the pressure generating chamber is a rectangular wave. This is a method for driving a droplet discharge head.
本発明によれば、高周波駆動が可能となると共に、安定した吐出を行うことができる。 According to the present invention, high-frequency driving is possible and stable ejection can be performed.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明に係る駆動方法は、液滴を吐出するためのノズルの開口と、このノズルの開口に連通する圧力発生室と、この圧力発生室内の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えた液滴吐出ヘッドであれば、どのようなタイプの液滴吐出ヘッドにも適用でき、また、圧力発生室内に満たされる液体はどのような液体であっても良いが、以下の説明では、圧力発生室内の容積を拡大又は縮小させることによって圧力を変化させる圧力付与手段を備え、圧力発生室内に満たされる液体としてインクを使用した液滴吐出ヘッドである図1、図2に示したせん断モードタイプのインクジェット記録ヘッドHを用いて説明する。 The driving method according to the present invention includes a nozzle opening for discharging a droplet, a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and a pressure applying means for changing the pressure in the pressure generating chamber. Any liquid discharge head can be used as long as it is a discharge head, and the liquid filled in the pressure generation chamber may be any liquid. A shear mode type ink jet recording shown in FIGS. 1 and 2, which is a droplet discharge head that includes pressure applying means for changing the pressure by enlarging or reducing the volume, and using ink as the liquid filled in the pressure generating chamber. This will be described using the head H.
図5(a)は、本発明に係る駆動方法を実現するための駆動波形の一例を示し、図5(b)は駆動波形によってインクチャネルA内のインクに付与される圧力を示している。また、図6は、本発明に係る駆動方法によるノズルにおけるメニスカス及び液滴吐出の様子を示している。図5、図6及び以下の説明中の括弧内の数字は、それぞれ時間的に対応している。 FIG. 5A shows an example of a drive waveform for realizing the drive method according to the present invention, and FIG. 5B shows the pressure applied to the ink in the ink channel A by the drive waveform. FIG. 6 shows a state of meniscus and droplet discharge in the nozzle by the driving method according to the present invention. The numbers in parentheses in FIGS. 5 and 6 and the following description correspond to each other in time.
なお、本明細書において、「インク柱」とは、先端がノズル3の開口から突出しているが、後端はノズル3内のメニスカスと繋がっていて、未だメニスカスから分離していない状態のインクを指し、「液滴」とは、後端がノズル3内のメニスカスから完全に分離している状態のインクを指す。
In the present specification, the “ink column” means an ink whose front end protrudes from the opening of the
(1);まず、隔壁Sを図2(a)の中立状態から図2(b)のように拡大変形させてインクチャネルAの容積を拡大させ(Draw)、インクをインクチャネルA内に導入する(第1の工程)。インクチャネルA内の圧力は、駆動波形が変化しない時は、1AL時間毎に反転を繰り返すので、この継続時間を1AL時間継続させると、引き込まれたメニスカスMがノズル3の開口における液滴吐出側の先端面(以下、このノズル3の開口における液滴吐出側の先端面のことを、メニスカスMの「復帰位置」という。)に戻り、インクの圧力が正圧に反転するので、このタイミングで、拡大したインクチャネルAを元の中立状態に戻すと(Release)、インクチャネルA内のインクに高い圧力が掛かる。なお、ノズル3内のインク圧力は、駆動波形の変化から若干遅れて変化し、メニスカスMの変化は、更に若干遅れる。
(1); First, the partition wall S is expanded from the neutral state of FIG. 2A as shown in FIG. 2B to expand the volume of the ink channel A (Draw), and the ink is introduced into the ink channel A. (First step). When the driving waveform does not change, the pressure in the ink channel A repeats reversal every 1 AL time. Therefore, if this duration is continued for 1 AL time, the drawn meniscus M is moved to the droplet discharge side at the opening of the
なお、「AL」とは、前述したように、インクチャネルの音響的共振周期の1/2である。また継続時間とは、電圧の立ち上がり始め又は立ち下がり始めの10%から次の工程の開始までと定義する。このALは、隔壁Sに矩形波の電圧パルスを印加して吐出するインク滴の速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波の継続時間を変化させたときに、インク滴の飛翔速度が最大になる時間として求められる。さらにここで矩形波は、電圧の10%と90%との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもが好ましくはALの1/2以内、さらに好ましくは1/4以内であるような波形である。 Note that “AL” is ½ of the acoustic resonance period of the ink channel, as described above. The duration is defined as 10% of the start of voltage rise or fall to the start of the next step. This AL measures the speed of the ink droplet ejected by applying a rectangular wave voltage pulse to the partition wall S, and changes the duration of the rectangular wave while keeping the rectangular wave voltage value constant. It is calculated as the time when the flight speed is maximized. Further, the rectangular wave is a waveform in which both the rise time and fall time between 10% and 90% of the voltage are preferably within ½ of AL, more preferably within ¼. is there.
(2);引き続き、図2(c)のようにインクチャネルAの容積を縮小させ、インクに更に高い圧力を掛け(Reinforce)、ノズル3の開口からインク柱10を突出させる(第2の工程)。
(2); Subsequently, as shown in FIG. 2C, the volume of the ink channel A is reduced, a higher pressure is applied to the ink (Reinforce), and the
(3);1AL時間経過すると、インクの圧力が反転して負圧になるので、突出されたインク柱10の根元に、図6中に矢視するようにくびれを生じる。
(3): When 1 AL time has elapsed, the pressure of the ink is reversed and becomes a negative pressure, so that the neck of the protruding
(4);更に0.5AL時間経過すると、負圧が最高になり、メニスカスMがノズル3の開口とは反対方向の最も深い位置に引き込まれ、メニスカスMがはっきりと現れる。
(4); When 0.5 AL time has passed, the negative pressure becomes maximum, the meniscus M is drawn into the deepest position in the direction opposite to the opening of the
(5);更に0.5AL時間経過すると、圧力が反転して正圧となり、メニスカスMが復帰位置に向かって移動する。しかし、図6からわかるように、この時点では、まだメニスカスMは復帰位置よりも液滴吐出方向とは反対のかなり奥側に位置している。 (5); When 0.5 AL time further elapses, the pressure is reversed to become positive pressure, and the meniscus M moves toward the return position. However, as can be seen from FIG. 6, at this time, the meniscus M is still located on the far back side opposite to the droplet discharge direction from the return position.
(6);更に時間が経過すると、メニスカスMが復帰位置まで復帰する。ノズル3の奥深くまで引き込まれたメニスカスMは、インクの毛管力と正のインク圧力が合わさって、迅速に復帰位置に向かって移動を開始する。メニスカスMが復帰位置に復帰した時点では、インク柱10はまだメニスカスMから分離しておらず、その尾部10bはメニスカスMと繋がっている。
(6); When a further time elapses, the meniscus M returns to the return position. The meniscus M drawn deeply into the
(7);上記(2)でインクに高い圧力を掛けてから4AL時間経過後、図2(a)のように隔壁Sを中立位置に戻し、インクチャネルAの容積をそれまでの縮小状態から拡大させ、メニスカスMをノズル3の開口から液滴吐出方向とは反対方向に後退させることによって、上記第2の工程によってノズル3の開口から突出しているインク柱10をメニスカスMから分離させ、液滴11としてノズル3から吐出させる(第3の工程)。
(7); After 4 AL hours have elapsed since the high pressure was applied to the ink in (2) above, the partition wall S is returned to the neutral position as shown in FIG. 2 (a), and the volume of the ink channel A is reduced from the previously reduced state. By enlarging and retracting the meniscus M from the opening of the
ここでは、矩形波からなるDRR(Draw-Release-Reinforce)法の駆動波形(以下、DRR波形という場合がある。)を用い、第2の工程を4AL時間経過させた後に第3の工程を実行しているが、第3の工程によってインクチャネルAの容積を拡大させることで、該インクチャネルA内の残留圧力波はキャンセルされる。この時点では、メニスカスMは復帰位置に実質的に復帰しているため、次の駆動を速やかに開始することができ、駆動周波数を上げることが可能となる。従来技術のようにインク柱を突出させるための継続時間を2AL時間とした場合では、メニスカスMは復帰位置よりもかなり手前(奥側)で残留圧力波がキャンセルされてしまうため、その後のメニスカスMの復帰位置までの復帰は、毛管力のみで行われることとなり、きわめて遅くなって駆動周波数を上げることは困難である。 Here, a DRR (Draw-Release-Reinforce) method driving waveform (hereinafter also referred to as a DRR waveform) consisting of a rectangular wave is used, and the third step is executed after 4 AL hours have elapsed from the second step. However, the residual pressure wave in the ink channel A is canceled by enlarging the volume of the ink channel A in the third step. At this time, the meniscus M has substantially returned to the return position, so that the next drive can be started quickly, and the drive frequency can be increased. In the case where the duration time for causing the ink column to protrude is 2 AL time as in the prior art, the residual pressure wave is canceled considerably before (rear side) the meniscus M from the return position. The return to the return position is performed only by the capillary force, and is extremely slow and it is difficult to increase the drive frequency.
また、第2の工程の継続時間を3AL又は5AL付近に設定すると、残留圧力波をキャンセルできないため出射が不安定となり、6AL以上に設定すると、駆動波形時間が長くなり、駆動周波数を上げることができない。 Also, if the duration of the second step is set to 3AL or near 5AL, the residual pressure wave cannot be canceled and the emission becomes unstable, and if it is set to 6AL or more, the drive waveform time becomes longer and the drive frequency is increased. Can not.
この第2の工程の継続時間は、上記のように4ALとすることが最も好ましいが、3.5〜4.4AL時間であることが好ましい。 The duration of the second step is most preferably 4AL as described above, but is preferably 3.5 to 4.4AL hours.
なお、ここで、実質的に復帰した時点とは、インク柱10突出後のメニスカスMの位置が復帰位置にほぼ位置しているか、又はノズル3の開口から突出している状態をいう。この「ほぼ位置している」とは、図7に示すように、メニスカスMと復帰位置との間の距離dが、ノズル半径の1/2以下、好ましくは1/4以下である。ノズル3の開口から突出しているよりは、このように復帰位置にほぼ位置している方が、駆動周波数をより上げることができる点で好ましい。なお、ノズル3の開口形状は真円に限らず、楕円形等様々であるが、本発明においてノズル半径とは、ノズル3の開口における液滴吐出側の先端面での最長径の1/2のことである。
Here, the point of time when the
かかる駆動において、上記第2の工程により縮小させた時のインクチャネルAの容積は、上記第1の工程によりインクチャネルAを拡大させる以前の容積より小さく、且つ、上記第3の工程により拡大させた時のインクチャネルAの容積は、上記第1の工程によりインクチャネルAを拡大させる以前の容積と実質的に同じである。このように駆動を行う駆動波形は、図5(a)のようにシンプルな波形とすることができる。しかも、最後の第3の工程において隔壁Sは初期状態に戻り、このときインクチャネルA内の残留圧力波はキャンセルされるので、復帰位置に実質的に復帰した後のメニスカスMへの残留圧力波の影響はなく、高速駆動が可能である。 In such driving, the volume of the ink channel A when reduced by the second step is smaller than the volume before the ink channel A is enlarged by the first step, and is enlarged by the third step. The volume of the ink channel A at this time is substantially the same as the volume before the ink channel A is expanded by the first step. The driving waveform for driving in this way can be a simple waveform as shown in FIG. Moreover, in the final third step, the partition wall S returns to the initial state, and at this time, the residual pressure wave in the ink channel A is canceled, so the residual pressure wave to the meniscus M after substantially returning to the return position. There is no influence of this, and high-speed driving is possible.
また、図5(a)の駆動波形に示すように、第1の工程においてインクチャネルAに印加する電圧a(V)と、第3の工程においてインクチャネルAに印加する電圧b(V)とを、|a|>|b|の関係とすると、メニスカスMの復帰が早くなり、高速駆動を行う上でより好ましいものとなる。また、吐出安定性の点で好ましい。なお、この電圧aと電圧bの基準電圧は0とは限らない。この電圧aと電圧bは、それぞれ差分の電圧である。 Further, as shown in the drive waveform of FIG. 5A, the voltage a (V) applied to the ink channel A in the first step and the voltage b (V) applied to the ink channel A in the third step. Is a relationship of | a |> | b |, the meniscus M is quickly restored, which is more preferable for high-speed driving. Moreover, it is preferable at the point of discharge stability. The reference voltage of the voltage a and the voltage b is not always 0. The voltage a and the voltage b are differential voltages.
この電圧aと電圧bは、|a|/|b|=2とすることがより好ましく、これにより、高速駆動と吐出安定性との両立を図ることが可能である。 The voltage a and voltage b are more preferably | a | / | b | = 2, which makes it possible to achieve both high-speed driving and ejection stability.
また、上記第1の工程の継続時間を本実施形態のように1ALとすると、第1の工程において印加した圧力発生室の容積拡大による負の圧力波が1ALで反転し、正の圧力波になった時、第2の工程の容積縮小による正の圧力波を足し合わせた形で加えるので、インク吐出圧力が高まり最も好ましいが、上記第1の工程の継続時間は、0.8〜1.2AL時間とすることが好ましい。 If the duration of the first step is 1AL as in the present embodiment, the negative pressure wave due to the volume expansion of the pressure generation chamber applied in the first step is inverted at 1AL, and becomes a positive pressure wave. In this case, since the positive pressure wave due to the volume reduction in the second step is added in a combined form, the ink discharge pressure is most preferably increased. However, the duration of the first step is 0.8-1. 2 AL hours are preferred.
ところで、インクの毛細管浸透速度は、{2・(毛細管半径)・(表面張力)・cos(接触角)}/{8・(粘度)・(管長)}と表わされるので、インクの粘度と表面張力の影響を大きく受ける。例えば、表面張力40dyne/cm、粘度2cpのインクと、表面張力28dyne/cm、粘度10cpのインクを比べると、同じ毛細管半径、同じ管長では、後者のインクは毛細管浸透速度が前者のインクの1/10に低下してしまう。
By the way, the capillary penetration speed of the ink is expressed as {2 · (capillary radius) · (surface tension) · cos (contact angle)} / {8 · (viscosity) · (tube length)}. Largely affected by tension. For example, when an ink having a surface tension of 40 dyne / cm and a viscosity of 2 cp is compared with an ink having a surface tension of 28 dyne / cm and a viscosity of 10 cp, with the same capillary radius and the same tube length, the latter ink has a
従って、インク粘度の相異によって、メニスカスMの復帰位置への復帰のタイミングが異なり、粘度が高いインクではメニスカスMの復帰が遅くなり、逆に粘度が低いインクではメニスカスMの復帰は早くなる。また同様に、インクの表面張力の相異によっても、メニスカスMの復帰位置への復帰のタイミングが異なり、表面張力が低いインクではメニスカスMの復帰が遅くなり、逆に表面張力が高いインクではメニスカスMの復帰は早くなる。 Accordingly, the return timing of the meniscus M to the return position differs depending on the difference in ink viscosity, and the return of the meniscus M is delayed in the case of ink having a high viscosity, whereas the return of the meniscus M is accelerated in the case of ink having a low viscosity. Similarly, the return timing of the meniscus M to the return position differs depending on the difference in the surface tension of the ink, so that the return of the meniscus M is delayed with an ink with a low surface tension, and conversely with an ink with a high surface tension. The return of M is faster.
このようにインク粘度や表面張力の相異によって、メニスカスMの復帰位置への復帰のタイミングが異なると、第2の工程を4AL時間継続させた後に第3の工程に移行しても、メニスカスMが復帰位置に未だ実質的に復帰していない場合が想定される。しかし、4AL時間継続させた後は、メニスカスMは復帰位置付近まで復帰するため、従来技術の2ALの場合のように、復帰位置から液滴吐出方向とは反対のかなり奥側に位置している状態に比べて高周波駆動が可能となる。 As described above, when the return timing of the meniscus M to the return position varies depending on the difference in ink viscosity and surface tension, the meniscus M is not changed even if the second step is continued for 4 AL hours and then the third step is performed. Is assumed to have not yet substantially returned to the return position. However, since the meniscus M returns to the vicinity of the return position after being continued for 4 AL hours, it is located on the far side opposite to the droplet discharge direction from the return position as in the case of 2AL of the prior art. High frequency driving is possible compared to the state.
なお、本発明の駆動方法は、インクの粘度が5cp以上15cp以下である場合に顕著な効果を発揮する。このようなインクは粘度が高く、メニスカスの復帰過程での残留圧力による暴れが小さく、また液滴がメニスカスから分離しにくくなるためである。 The driving method of the present invention exhibits a remarkable effect when the viscosity of the ink is 5 cp or more and 15 cp or less. This is because such an ink has a high viscosity and is less likely to be disturbed by the residual pressure during the meniscus recovery process, and the droplets are difficult to separate from the meniscus.
このような粘度が高いインクは、メニスカスMの復帰位置への復帰速度が遅いので、従来技術の2ALでは復帰位置よりも液滴吐出方向とは反対のかなり奥側で残留圧力波がキャンセルされてしまうため、駆動周波数が全く上げられず、本発明の3.5〜4.4ALとすることが、復帰位置付近まで復帰したところでキャンセルされるため、より顕著な効果を発揮する。 Ink with such a high viscosity has a slow return speed of the meniscus M to the return position, so in the 2AL of the prior art, the residual pressure wave is canceled far behind the droplet discharge direction than the return position. Therefore, the drive frequency is not increased at all, and setting 3.5 to 4.4 AL according to the present invention is canceled when returning to the vicinity of the return position, so that a more remarkable effect is exhibited.
また、本発明の駆動方法は、インクの表面張力が20dyne/cm以上30dyne/cm以下である場合にも顕著な効果を発揮する。このようなインクは表面張力が低いので、同様に液滴がメニスカスから分離しにくくなるためである。 In addition, the driving method of the present invention exhibits a remarkable effect even when the surface tension of the ink is 20 dyne / cm or more and 30 dyne / cm or less. This is because such an ink has a low surface tension, and similarly, it is difficult for the droplets to be separated from the meniscus.
また、このような表面張力が低いインクは、メニスカスMの復帰位置への復帰速度が遅いので、従来技術の2ALでは復帰位置よりも液滴吐出方向とは反対のかなり奥側で残留圧力波がキャンセルされてしまうため、駆動周波数が全く上げられず、本発明の3.5〜4.4ALとすることが、復帰位置付近まで復帰したところでキャンセルされるため、より顕著な効果を発揮する。 Further, such ink with low surface tension has a slow return speed of the meniscus M to the return position, so in the conventional 2AL, a residual pressure wave is generated on the far side opposite to the droplet discharge direction rather than the return position. Since it is canceled, the drive frequency is not raised at all, and setting 3.5 to 4.4 AL of the present invention is canceled when returning to the vicinity of the return position, so that a more remarkable effect is exhibited.
以上の実施形態では、圧力付与手段(隔壁S)が圧電素子により構成されるものを示した。本発明の駆動方法は、このように圧力付与手段が圧電素子により構成されるものである場合に、圧力発生室内の圧力を下げるタイミングが容易に制御できるために好ましい。 In the above embodiment, the pressure applying means (partition wall S) is constituted by a piezoelectric element. The driving method of the present invention is preferable because the timing of lowering the pressure in the pressure generating chamber can be easily controlled when the pressure applying means is constituted by a piezoelectric element.
また、上記実施形態では、矩形波の駆動波形を圧電素子に印加している。矩形波を用いることで、メニスカスMが復帰位置に戻ったタイミングで第3の工程を開始際のタイミング設定が容易になり、また、第3の工程により強い負圧が発生し、液滴を容易に分離できるので好ましい。 In the above embodiment, a rectangular driving waveform is applied to the piezoelectric element. By using the rectangular wave, it becomes easy to set the timing when starting the third process at the timing when the meniscus M returns to the return position, and a strong negative pressure is generated by the third process, so that the droplets can be easily formed. It is preferable because it can be separated.
また、上記実施形態例では、圧力付与手段として電界を印加することによりせん断モードで変形するせん断モード型の圧電素子を用いた。せん断モード型の圧電素子では、図6(a)に示した矩形波の駆動波形をより効果的に利用することができ、駆動電圧が下げられ、より効率的な駆動が可能となるため好ましい。但し、本発明はこれらに限られるものではなく、例えば、圧電素子を単板型の圧電アクチュエータや縦振動タイプの積層型圧電素子等、別の形態の圧電素子を用いてもかまわない。また、静電力や磁力を利用した電気機械変換素子や、沸騰現象を利用して圧力を付与させるための電気熱変換素子等、他の圧力付与手段を用いてもかまわない。 In the above embodiment, a shear mode type piezoelectric element that deforms in a shear mode by applying an electric field is used as the pressure applying means. The shear mode type piezoelectric element is preferable because the rectangular waveform driving waveform shown in FIG. 6A can be used more effectively, the driving voltage is lowered, and more efficient driving is possible. However, the present invention is not limited to these, and other types of piezoelectric elements such as a single plate type piezoelectric actuator and a longitudinal vibration type stacked piezoelectric element may be used as the piezoelectric element. Also, other pressure applying means such as an electromechanical conversion element using electrostatic force or magnetic force, or an electrothermal conversion element for applying pressure using a boiling phenomenon may be used.
また、以上の説明では、液滴吐出ヘッドとして画像記録を行うためのインクジェット記録ヘッドを用いたが、これに限らず、液滴を吐出するためのノズルの開口と、このノズルの開口に連通する圧力発生室と、この圧力発生室内の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えたものであれば同様に適用できる。 In the above description, an inkjet recording head for performing image recording is used as the droplet discharge head. However, the present invention is not limited to this, and the nozzle opening for discharging droplets communicates with the nozzle opening. The invention can be similarly applied as long as it includes a pressure generating chamber and a pressure applying means for changing the pressure in the pressure generating chamber.
(実施例1〜3)
ノズルピッチ180dpi、出射液滴量14plのせん断モードの記録ヘッドを使用し、DRR波形で、DrawとReinforceの電圧比(|a|/|b|)を2/1とし、Draw (第1の工程)の継続時間を1ALに設定し、Reinforce(第2の工程)の継続時間(R時間)を表1に示す通りに変化させて駆動を行い、液滴を吐出した。そのときのメニスカスの位置と、液滴の出射安定性及び高速駆動性について観察した。
(Examples 1-3)
Using a recording head in a shear mode with a nozzle pitch of 180 dpi and an output droplet amount of 14 pl, the DRR waveform has a Draw to Reinforce voltage ratio (| a | / | b |) of 2/1 and Draw (first step ) Was set to 1 AL, and the drive was performed by changing the duration (R time) of Reinforce (second step) as shown in Table 1 to discharge droplets. The position of the meniscus at that time, the ejection stability of the droplet, and the high-speed driving performance were observed.
メニスカス位置測定:CCDカメラを用いたストロボ測定により液滴吐出直後のノズル開口からのメニスカスの押し出しの動きを観察することにより、ノズル内のメニスカスの位置を推測し、また、シミュレーションにより確認した。 Meniscus position measurement: The position of the meniscus in the nozzle was estimated by observing the movement of the meniscus pushed out from the nozzle opening immediately after droplet discharge by strobe measurement using a CCD camera, and confirmed by simulation.
使用インク:油系インク(10cp、28dyne/cm)
駆動電圧:20V
AL=4.5μs
Ink used: Oil-based ink (10 cp, 28 dyne / cm)
Drive voltage: 20V
AL = 4.5μs
なお、出射安定性は以下の基準により評価した。
◎:液滴速度10m/sまで安定に出射した。
○:液滴速度8m/sまで安定に出射した。
△:液滴速度8m/sで多少の液滴速度のゆらぎがあるが、出射欠を発生することなく出射した。
×:不安定で出射欠を発生する。
The emission stability was evaluated according to the following criteria.
(Double-circle): It ejected stably to droplet speed 10m / s.
○: The liquid was stably emitted up to a droplet speed of 8 m / s.
(Triangle | delta): Although there was some fluctuation | variation of the droplet velocity at the droplet velocity of 8 m / s, it ejected | emitted without generating an ejection | missing defect.
×: Unstable and lack of emission.
また、高速駆動性は以下の基準により評価した。
○:駆動周期30μsにおいて安定に出射する。
△:少し不安定な出射だが、出射欠は発生しない。
×:出射が不安定で出射欠を発生する。
Moreover, the high-speed drivability was evaluated according to the following criteria.
○: Stable light is emitted at a driving cycle of 30 μs.
Δ: Slightly unstable emission, but no emission failure occurs.
X: Outgoing light is unstable and shortage occurs.
(比較例1〜4)
第2の工程の継続時間(R時間)を表1に示す通りとした以外は実施例1〜3と同一とした。
(Comparative Examples 1-4)
Example 2 was the same as Examples 1 to 3 except that the duration (R time) of the second step was as shown in Table 1.
実施例1〜3及び比較例1〜4の結果を表1に示す。 The results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in Table 1.
第2の工程の継続時間が短く、メニスカスが復帰位置に近いところでキャンセルがかかる方が、その後のメニスカスの復帰が早いため、高周波駆動に対応することができる。 If the duration of the second step is short and the meniscus is canceled when the meniscus is close to the return position, the subsequent meniscus return is quicker, so that high frequency driving can be handled.
比較例1では、高周波駆動を行ってもインク充填が間に合わず、出射が不安定となる。 In Comparative Example 1, even if high frequency driving is performed, ink filling is not in time, and emission is unstable.
また、比較例2、3では、メニスカスは復帰するが、キャンセルのタイミングが残留圧力波に対応しておらず、出射の安定性に問題がある。 In Comparative Examples 2 and 3, the meniscus returns, but the cancellation timing does not correspond to the residual pressure wave, and there is a problem in the stability of emission.
更に、比較例4では、出射は安定するが、第2の工程の継続時間(R時間)が長すぎて、駆動周期全体が長くなってしまい、高周波数駆動に対応していない。 Furthermore, in Comparative Example 4, although the emission is stable, the duration (R time) of the second process is too long, and the entire driving cycle becomes long, so that high frequency driving is not supported.
実施例2では、効果的に残留圧力波がキャンセルされ、より安定な出射が得られた。 In Example 2, the residual pressure wave was effectively canceled and more stable emission was obtained.
以上から、第2の工程の継続時間(R時間)は、4ALがより好ましい条件であることがわかった。 From the above, it was found that 4AL is a more preferable condition for the duration time (R time) of the second step.
(実施例4〜7)
実施例2において、DrawとReinforceの電圧比(|a|/|b|)を表2に示す通りに変化させた場合の液滴の出射安定性と高速駆動性について評価した。
(Examples 4 to 7)
In Example 2, the drop ejection stability and the high-speed driving performance when the voltage ratio (| a | / | b |) of Draw and Reinforce was changed as shown in Table 2 were evaluated.
なお、出射安定性は以下の基準により評価した。
◎:液滴速度10m/sまで安定に出射する。
○:液滴速度8m/sまで安定に出射する。
△:液滴速度8m/sでの出射時に、多少の液滴速度のゆらぎがあるが、出射欠を発生することなく出射する。
The emission stability was evaluated according to the following criteria.
(Double-circle): It radiate | emits stably to droplet speed 10m / s.
○: Stable emission up to a droplet velocity of 8 m / s.
Δ: When ejecting at a droplet velocity of 8 m / s, there is some fluctuation of the droplet velocity, but the droplet is ejected without generating ejection failure.
また、高速駆動性は以下の基準により評価した。
○:駆動周期30μsにおいて安定に出射する。
△:少し不安定な出射だが、出射欠は発生しない。
×:出射が不安定で出射欠を発生する。
Moreover, the high-speed drivability was evaluated according to the following criteria.
○: Stable light is emitted at a driving cycle of 30 μs.
Δ: Slightly unstable emission, but no emission failure occurs.
X: Outgoing light is unstable and shortage occurs.
その結果を表2に示す。 The results are shown in Table 2.
実施例6では、残留圧力波がより効果的にキャンセルされ、液滴速度が遅くなってもより安定な出射が得られた。 In Example 6, the residual pressure wave was canceled more effectively, and more stable emission was obtained even when the droplet velocity was slow.
また、実施例4では、メニスカスの復帰が遅く、高周波数駆動時にインクの充填が十分に間に合わず、不安定な出射が観測された。 In Example 4, meniscus recovery was slow, ink filling was not in time when driving at high frequency, and unstable emission was observed.
以上の結果より、|a|/|b|=2/1が、より安定で高速な出射が得られる好ましい条件であることがわかった。 From the above results, it was found that | a | / | b | = 2/1 is a preferable condition for obtaining more stable and high-speed emission.
1:インクチューブ
2:ノズル形成部材
3:ノズル
6:カバープレート
7:インク供給口
8:基板
10、101:インク柱
10a、101a:主滴
10b、101b:尾部
101c:2次滴
200:記録媒体
H:記録ヘッド
A、A1、…:インクチャネル
S、S1、…:隔壁(電気・機械変換手段)
Q、Q1、…:電極
M:インクメニスカス
1: Ink tube 2: Nozzle forming member 3: Nozzle 6: Cover plate 7: Ink supply port 8:
Q, Q1, ...: Electrode M: Ink meniscus
Claims (13)
前記圧力付与手段によって前記圧力発生室の容積を拡大させる第1の工程と、
前記第1の工程の後、前記圧力付与手段によって前記圧力発生室の容積を縮小させて前記圧力発生室内の液体を前記ノズルの開口から突出させる第2の工程と、
前記第2の工程を3.5〜4.4AL(ALは前記圧力発生室の音響的共振周期の1/2)時間継続させた後、前記圧力付与手段によって前記圧力発生室の容積を拡大させることにより、前記第2の工程により前記ノズルの開口から突出している液体を液滴として分離させる第3の工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。 A nozzle opening for discharging droplets, a pressure generating chamber capable of storing liquid therein and communicating with the nozzle opening, and a pressure applying means for changing a pressure for expanding or reducing a volume in the pressure generating chamber A method for driving a droplet discharge head comprising:
A first step of expanding the volume of the pressure generating chamber by the pressure applying means;
After the first step, a second step of reducing the volume of the pressure generating chamber by the pressure applying means and causing the liquid in the pressure generating chamber to protrude from the opening of the nozzle;
After the second step is continued for 3.5 to 4.4 AL (AL is 1/2 of the acoustic resonance period of the pressure generating chamber) time, the volume of the pressure generating chamber is expanded by the pressure applying means. A third step of separating the liquid protruding from the opening of the nozzle in the second step as a droplet;
A method for driving a droplet discharge head, comprising:
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