JP3738548B2 - インク滴噴射方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット方式によるインク滴噴射方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、インクジェット方式のインク噴射装置としては、圧電セラミックスの変形によってインク流路の容積を変化させ、その容積減小時にインク流路内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積増大時にインク導入口からインク流路内にインクを導入するようにしたものが知られている。この種の記録ヘッドにおいては、圧電セラミックスの隔壁によって隔てられた複数のインク室が形成されており、これら複数のインク室の一端にインクカートリッジ等のインク供給手段が接続され、他端にはインク噴射ノズル（以下、ノズルという）が設けられ、印字データに従った前記隔壁の変形によってインク室の容積を減小させることにより、記録媒体に対して前記ノズルからインク液滴を噴射し、文字や図形等が記録される。
【０００３】
この種のインクジェット方式のインク噴射装置において、インク滴を噴射するドロップ・オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコストの安さなどから普及している。ドロップ・オン・デマンド型として、特開昭６３−２４７０５１号公報に示されているように、圧電材料を利用したせん断モード型がある。 図７に示すように、この種のインク滴噴射装置６００は、底壁６０１、天壁６０２及びその間のせん断モードアクチュエータ壁６０３からなる。そのアクチュエータ壁６０３は、底壁６０１に接着され、かつ矢印６１１方向に分極された下部壁６０７と、天壁６０２に接着され、かつ矢印６０９方向に分極された圧電材料製の上部壁６０５とからなっている。アクチュエータ壁６０３は一対となって、その間にインク室６１３を形成し、かつ次の一対のアクチュエータ壁６０３の間には、空気室６１５を形成している。
【０００４】
各インク室６１３の一端には、ノズル６１８を有するノズルプレート６１７が固着され、他端には、図示しないインク供給源が接続されている。各アクチュエータ壁６０３の両側面には電極６１９，６２１が金属化層として設けられている。具体的にはインク室６１３側のアクチュエータ壁６０３には電極６１９が設けられ、空気室６１５側のアクチュエータ壁６０３には電極６２１が設けられている。なお、電極６１９の表面にはインクと絶縁するための絶縁層６３０で覆われている。そして、空気室６１５に面している電極６２１はアース６２３に接続され、インク室６１３内に設けられている電極６１９はアクチュエータ駆動信号を与える制御装置６２５に接続されている。
【０００５】
そして、各インク室６１３の電極６１９に制御装置６２５が電圧を印加することによって、各アクチュエータ壁６０３がインク室６１３の容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。例えば図８に示すように、インク室６１３ｃの電極６１９ｃに電圧Ｅ（Ｖ）が印加されると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆにそれぞれ矢印６３１、６３２の方向の電界が発生し、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆがインク室６１３ｃの容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。このときノズル６１８ｃ付近を含むインク室６１３ｃ内の圧力が減少する。この電圧Ｅ（Ｖ）の印加状態を圧力波のインク室６１３内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間インク供給源からインクが供給される。
【０００６】
なお、上記片道伝播時間Ｔはインク室６１３内の圧力波が、インク室６１３の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、インク室６１３の長さＬとこのインク室６１３内部のインク中での音速ａにより、Ｔ＝Ｌ／ａと決まる。
【０００７】
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からＴ時間がたつとインク室６１３内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせてインク室６１３ｃの電極６２１ｃに印加されている電圧を０（Ｖ）に戻す。すると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態（図７）に戻り、インクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力がインク室６１３ｃのノズル６１８ｃ付近の部分に生じて、インク滴がノズル６１８ｃから噴射される。なお、インク室６１３へ連通するインク供給路６２６が部材６２７及び部材６２８により形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この種のインク滴噴射装置６００では、解像度を種々変えて印字を行うには、インク液滴の体積を変え、各解像度に合ったドット径を得る必要があるが、インク液滴の体積を変える方法として、噴射パルスの電圧値を変える方法が知られていが、その場合、複数の電圧源が必要となり、コスト高となっていた。
【０００９】
また、特開平６−８４０７３号公報に示されるように、インク噴射のメニスカス振動の影響を考慮して、パルス電圧の立ち下がりから次のパルス電圧の立ち上がりまでの時間をノズル部の固有振動周期の１／２とする方法が知られている。しかしながら、この方法は、パルス電圧立ち上がり時のエネルギーを有効に利用することを目的に、噴射の振動がなくなった後、圧電素子が復帰することに伴う振動に次の噴射の振動を重ねようとするものであり、高い印字周波数での連続振動の中で行われる対策ではない。また、特開昭６１−１２０７６４号公報に示されるように、ドット間隔を参照して圧電素子に対する駆動信号を制御することにより、ドット間隔に関係なくインク液滴の体積を一定とすることが知られている。しかし、この公報に示されるものも、連続するドットの解像度を変えるものではない。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、噴射パルスの電圧値を変えることなく、インク液滴の体積を容易かつ任意に制御することが可能で、所望の解像度の印字を行うことができるインク滴噴射方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加え、インク滴をノズルより噴射させるインク滴噴射方法において、連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とするものである。この方法においては、噴射パルス信号の周期タイミングすなわち印字周波数をインク室内の圧力波が片道伝播する時間Ｔの倍数に対し所定値に設定することで、噴射される１ドット当たりのインク滴体積を増大させることができ、解像度に応じたドット径で印字することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法と前提とするところを共通とし、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とするものである。この方法においては、印字周波数を所定値に設定することで、噴射される１ドット当たりのインク液滴体積を減少させることができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のインク滴噴射方法において、さらに、１ドットのインク液滴体積を減少するとき、前記時間Ｔの奇数倍の逆数とするもので、噴射される１ドット当たりのインク液滴体積を増大及び減少させることができる。
【００１４】
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のインク滴噴射方法において、前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を戻してインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させるものである。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、インクが充填されるインク室と、前記インク室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室内に圧力波を発生させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御装置と、を備えたインク滴噴射装置において、前記制御装置は、連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記駆動電源から前記アクチュエータに印加してインク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、前記インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とするものである。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の装置と前提とするところを共通とし、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とするものである。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のインク滴噴射装置において、前記制御装置は、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とするものである。
【００１９】
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５ないし７のいずれかに記載のインク滴噴射装置において、前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を戻してインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本実施の形態のインク滴噴射装置における機械的部分の構成は、上述した図７に示したものと同様であるので説明を省略する。
【００２２】
本インク滴噴射装置６００の具体的な寸法の一例を述べる。インク室６１３の長さＬが９ｍｍである。ノズル６１８の寸法は、インク滴噴射側の径が４０μｍ、インク室６１３側の径が７２μｍ、長さが１００μｍである。また、実験に供したインクの２５℃における粘度は約２ｍＰａ・ｓ、表面張力は３０ｍＮ／ｍである。このインク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）は１５μｓｅｃであった。
【００２３】
次に本発明の一実施の形態であるインク室６１３内の電極６１９に印加する駆動波形を図１に示す。図示の駆動波形１０は、１ドット分の印字のためのインク滴を噴射するための噴射パルス信号Ａである。波高値（電圧値）は、例えば２０（Ｖ）である。
【００２４】
噴射パルス信号Ａの波幅は、インク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）の奇数倍に一致するもの（ヘッド固有の値）とし、例えば、Ｔ＝１５μｓｅｃとする。連続して次のドットを印字する場合のパルスの周期は、駆動周波数を１０ｋＨｚとしたとき、１００μｓｅｃ（これは、Ｔ＝１５μｓｅｃのとき、約６．６６Ｔ）となる（周波数は周期の逆数）。
【００２５】
本実施形態は、単ドット又は連続する複数ドットの印字命令にしたがい、単数又は複数の噴射パルス信号Ａを所定の周期タイミングでアクチュエータに印加して、インク滴を噴射させるものであり、１ドットの所望のインク液滴体積に応じて所定の周期タイミングを変える。具体的には、以下に述べる図２のインク滴噴射の測定データから判明する。
【００２６】
図２は、インク滴噴射周波数を変えて連続ドット印字した時のインク滴体積を測定したデータ特性図（複数のブロット値を線でつないだ図）である。周期が時間Ｔの偶数倍（６Ｔ，８Ｔ，１０Ｔ）の時には、インク滴体積は増加する特性を有し、周期が時間Ｔの奇数倍（７Ｔ，９Ｔ）の時には、インク滴体積は減少する特性を呈する。従って、周期（その逆数である周波数）を選択することで、インク滴体積を変えることができる。
【００２７】
すなわち、所定の周期タイミングである印字周波数を、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とし、また、１ドットのインク液滴体積を減小するときは、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とする。例えば、図示の領域ａの７Ｔに相当する周波数を選択すると、インク滴体積は約３０ｐｌ（ピコリットル）となり、これは解像度７２０ｄｐｉの印字に適したものとなる。また、図示の領域ｂの８Ｔに相当する周波数を選択すると、インク滴体積は約３８ｐｌとなり、これは解像度３６０ｄｐｉの印字に適したものとなる。Ｔの整数倍でなくとも、これら７Ｔと８Ｔの間に相当する周波数を選択することで、それらの中間の解像度での印字が可能である。なお、周期７Ｔは、１０５μｓｅｃであり、この時の周波数はほぼ９．５ｋＨｚである。
【００２８】
次に、前記駆動波形１０を実現するための制御装置の一実施の形態を図３及び図４を用いて説明する。図３に示す制御装置６２５は充電回路１８２と放電回路１８４とパルスコントロール回路１８６から構成されている。アクチュエータ壁６０３の圧電材料及び電極６１９、６２１は、等価的にコンデンサ１９１で表される。１９１Ａと１９１Ｂはその端子である。
【００２９】
入力端子１８１と１８３は、それぞれインク室６１３内の電極６１９に与える電圧をＥ（Ｖ）、０（Ｖ）にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路１８２は、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、Ｒ１０４、Ｒ１０５、トランジスタＴＲ１０１、ＴＲ１０２から構成されている。
【００３０】
入力端子１８１にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０１を介して、トランジスタＴＲ１０１が導通し、正の電源１８７から抵抗Ｒ１０３を介して電流がトランジスタＴＲ１０１のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源１８７に接続されている抵抗Ｒ１０４及びＲ１０５にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタＴＲ１０２のベースに流れる電流が増加し、トランジスタＴＲ１０２のエミッタとコレクタ間が導通する。正の電源１８７からの２０（Ｖ）の電圧がトランジスタＴＲ１０２のコレクタ及びエミッタ、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１９１、端子１９１Ａに印加される。
【００３１】
次に、放電用回路１８４について説明する。放電用回路１８４は抵抗Ｒ１０６、Ｒ１０７、トランジスタＴＲ１０３から構成される。入力端子１８３にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０６を介してトランジスタＴＲ１０３が導通し、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１９１の抵抗Ｒ１２０側端子１９１Ａをアースする。したがって、図７及び図８に示すインク室６１３のアクチュエータ壁６０３に印加されていた電荷は放電される。
【００３２】
次に、充電回路１８２の入力端子１８１及び放電用回路１８４の入力端子１８３に入力されるパルス信号を発生するパルスコントロール回路１８６について説明する。パルスコントロール回路１８６には、各種の演算処理を行うＣＰＵ１１０が設けられ、ＣＰＵ１１０には、印字データや各種のデータを記憶するＲＡＭ１１２とパルスコントロール回路１８６の制御プログラム及びタイミングでオン、オフ信号を発生するシーケンスデータを記憶しているＲＯＭ１１４が接続されている。ここで、ＲＯＭ１１４には、図４に示すように、インク滴噴射制御プログラム記憶エリア１１４Ａと、駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂとが設けられている。
【００３３】
駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂには、駆動波形１０のシーケンスデータとして、低い解像度で印字を行う場合で、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、印字周波数をインク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とし、高い解像度で印字を行う場合で、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、印字周波数をインク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすることが記憶されている。
【００３４】
さらに、ＣＰＵ１１０は各種のデータをやりとりするＩ／Ｏバス１１６に接続され、当該Ｉ／Ｏバス１１６には、印字データ受信回路１１８とパルスジェネレータ１２０及び１２２が接続されている。パルスジェネレータ１２０の出力は充電回路１８２の入力端子１８１に接続され、パルスジェネレータ１２２の出力は放電用回路１８４の入力端子１８３に接続されている。
【００３５】
ＣＰＵ１１０は、ＲＯＭ１１４の駆動波形データ記録エリア１１４Ｂに記憶されているシーケンスデータにしたがって、パルスジェネレータ１２０及び１２２を制御する。したがって、解像度に応じたデータを予めＲＯＭ１１４内の駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂに記憶させておくことによって、不図示の解像度設定手段によりユーザが設定した所望の解像度に応じて、図１に示す駆動波形１０の駆動パルスを所定の周期タイミングでアクチュエータ壁６０３に与えることができる。
【００３６】
なお、パルスジェネレータ１２０、１２２及び充電回路１８２及び放電回路１８４はノズル数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、代表して一つのノズルの制御について説明したが、他のノズルの制御についても同様な制御である。
【００３７】
図５は、本インク滴噴射装置６００に噴射パルスを印加した時のインク室６１３内の圧力変化を説明する図である。１Ｔ〜１０Ｔは時間推移である。噴射パルスの立ち上がり時間０で圧力室の容積が増大して圧力波（負圧）が発生し、１Ｔ時間後の噴射パルスの立ち下がり時点で、圧力室の容積が自然状態に減少し、そのため圧力波は増大する（正圧）。２Ｔ時間では負圧となる。以下、Ｔ時間毎に圧力の位相は反転し、減衰していく。このように作用することから、周期がＴの偶数倍で噴射駆動すると、液滴の速度、体積が増大し、周期がＴの奇数倍で噴射駆動すると、液滴の速度、体積が減少する。その間の周期で噴射駆動すると、それらの中間的な液滴の速度、体積が得られるのである。
【００３８】
図６は、解像度３６０ｄｐｉ、７２０ｄｐｉで連続ドット印字した結果を示す。解像度３６０ｄｐｉでの印字は、周期８Ｔに相当する周波数で駆動し、解像度７２０ｄｐｉでの印字は、周期７Ｔに相当する周波数で駆動することにより、得ることができ。また、一群の画像データにおいて、任意の箇所での印字に上記のように周波数を可変制御することで、階調印字を実現することができる。
【００３９】
以上、一実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、１ドットの所望のインク滴体積に応じて周期タイミングを変えるものを示したが、印字密度に応じて周期タイミングを変えるものであってもよい。また、主たる駆動信号として１つの噴射パルス信号Ａのみを持つものを示したが、主たる駆動信号が例えば２つの噴射パルスからなるものであっても構わない。また、インク滴噴射装置６００は、上記実施の形態の構成に限られるものではなく、圧電材料の分極方向が逆のものを用いてもよい。
【００４０】
また、本実施の形態では、インク室６１３の両側に空気室６１５を設けているが、空気室を設けずに、インク室が隣接するようにしてもよい。さらに、本実施の形態では、アクチュエータはせん断モード型のものを用いたが、圧電材料を積層し、その積層方向の変形によって圧力波を発生する構成でもよく、圧電材料に限らずインク室に圧力波を発生するものを使用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明のインク滴噴射方法及びその装置によれば、噴射パルス信号の周期タイミングすなわち印字周波数をインク室内の圧力波が片道伝播する時間Ｔの倍数に対し所定値に設定することで、噴射パルスの電圧値を変えることなく、噴射される１ドット当たりのインク滴体積を容易かつ任意に制御することができ、所望の解像度で印字することが可能となる。そして、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とし、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすればよい。また、同様にして所望の印字密度に応じた印字を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるインク滴噴射装置による駆動波形を示す図である。
【図２】 インク滴噴射周波数を変えた時のインク滴体積の測定データを示す図である。
【図３】 インク滴噴射装置の駆動回路を示す図である。
【図４】 インク滴噴射装置の制御装置のＲＯＭの記憶領域を示す図である。
【図５】 噴射パルスを印加した時の圧力室内の圧力変化を説明する図である。
【図６】 各種解像度で連続ドット印字を行った状態を示す図である。
【図７】 （ａ）は記録ヘッドのインク噴射部分の縦断面図、（ｂ）は同横断面図である。
【図８】 記録ヘッドのインク噴射部分の動作を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 駆動波形（噴射パルス信号）
６００ インクジェットヘッド
６０３ アクチュエータ壁
６１３ インク室
６２５ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット方式によるインク滴噴射方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、インクジェット方式のインク噴射装置としては、圧電セラミックスの変形によってインク流路の容積を変化させ、その容積減小時にインク流路内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積増大時にインク導入口からインク流路内にインクを導入するようにしたものが知られている。この種の記録ヘッドにおいては、圧電セラミックスの隔壁によって隔てられた複数のインク室が形成されており、これら複数のインク室の一端にインクカートリッジ等のインク供給手段が接続され、他端にはインク噴射ノズル（以下、ノズルという）が設けられ、印字データに従った前記隔壁の変形によってインク室の容積を減小させることにより、記録媒体に対して前記ノズルからインク液滴を噴射し、文字や図形等が記録される。
【０００３】
この種のインクジェット方式のインク噴射装置において、インク滴を噴射するドロップ・オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコストの安さなどから普及している。ドロップ・オン・デマンド型として、特開昭６３−２４７０５１号公報に示されているように、圧電材料を利用したせん断モード型がある。 図７に示すように、この種のインク滴噴射装置６００は、底壁６０１、天壁６０２及びその間のせん断モードアクチュエータ壁６０３からなる。そのアクチュエータ壁６０３は、底壁６０１に接着され、かつ矢印６１１方向に分極された下部壁６０７と、天壁６０２に接着され、かつ矢印６０９方向に分極された圧電材料製の上部壁６０５とからなっている。アクチュエータ壁６０３は一対となって、その間にインク室６１３を形成し、かつ次の一対のアクチュエータ壁６０３の間には、空気室６１５を形成している。
【０００４】
各インク室６１３の一端には、ノズル６１８を有するノズルプレート６１７が固着され、他端には、図示しないインク供給源が接続されている。各アクチュエータ壁６０３の両側面には電極６１９，６２１が金属化層として設けられている。具体的にはインク室６１３側のアクチュエータ壁６０３には電極６１９が設けられ、空気室６１５側のアクチュエータ壁６０３には電極６２１が設けられている。なお、電極６１９の表面にはインクと絶縁するための絶縁層６３０で覆われている。そして、空気室６１５に面している電極６２１はアース６２３に接続され、インク室６１３内に設けられている電極６１９はアクチュエータ駆動信号を与える制御装置６２５に接続されている。
【０００５】
そして、各インク室６１３の電極６１９に制御装置６２５が電圧を印加することによって、各アクチュエータ壁６０３がインク室６１３の容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。例えば図８に示すように、インク室６１３ｃの電極６１９ｃに電圧Ｅ（Ｖ）が印加されると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆにそれぞれ矢印６３１、６３２の方向の電界が発生し、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆがインク室６１３ｃの容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。このときノズル６１８ｃ付近を含むインク室６１３ｃ内の圧力が減少する。この電圧Ｅ（Ｖ）の印加状態を圧力波のインク室６１３内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間インク供給源からインクが供給される。
【０００６】
なお、上記片道伝播時間Ｔはインク室６１３内の圧力波が、インク室６１３の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、インク室６１３の長さＬとこのインク室６１３内部のインク中での音速ａにより、Ｔ＝Ｌ／ａと決まる。
【０００７】
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からＴ時間がたつとインク室６１３内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせてインク室６１３ｃの電極６２１ｃに印加されている電圧を０（Ｖ）に戻す。すると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態（図７）に戻り、インクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力がインク室６１３ｃのノズル６１８ｃ付近の部分に生じて、インク滴がノズル６１８ｃから噴射される。なお、インク室６１３へ連通するインク供給路６２６が部材６２７及び部材６２８により形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この種のインク滴噴射装置６００では、解像度を種々変えて印字を行うには、インク液滴の体積を変え、各解像度に合ったドット径を得る必要があるが、インク液滴の体積を変える方法として、噴射パルスの電圧値を変える方法が知られていが、その場合、複数の電圧源が必要となり、コスト高となっていた。
【０００９】
また、特開平６−８４０７３号公報に示されるように、インク噴射のメニスカス振動の影響を考慮して、パルス電圧の立ち下がりから次のパルス電圧の立ち上がりまでの時間をノズル部の固有振動周期の１／２とする方法が知られている。しかしながら、この方法は、パルス電圧立ち上がり時のエネルギーを有効に利用することを目的に、噴射の振動がなくなった後、圧電素子が復帰することに伴う振動に次の噴射の振動を重ねようとするものであり、高い印字周波数での連続振動の中で行われる対策ではない。また、特開昭６１−１２０７６４号公報に示されるように、ドット間隔を参照して圧電素子に対する駆動信号を制御することにより、ドット間隔に関係なくインク液滴の体積を一定とすることが知られている。しかし、この公報に示されるものも、連続するドットの解像度を変えるものではない。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、噴射パルスの電圧値を変えることなく、インク液滴の体積を容易かつ任意に制御することが可能で、所望の解像度の印字を行うことができるインク滴噴射方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加え、インク滴をノズルより噴射させるインク滴噴射方法において、連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とするものである。この方法においては、噴射パルス信号の周期タイミングすなわち印字周波数をインク室内の圧力波が片道伝播する時間Ｔの倍数に対し所定値に設定することで、噴射される１ドット当たりのインク滴体積を増大させることができ、解像度に応じたドット径で印字することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法と前提とするところを共通とし、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とするものである。この方法においては、印字周波数を所定値に設定することで、噴射される１ドット当たりのインク液滴体積を減少させることができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のインク滴噴射方法において、さらに、１ドットのインク液滴体積を減少するとき、前記時間Ｔの奇数倍の逆数とするもので、噴射される１ドット当たりのインク液滴体積を増大及び減少させることができる。
【００１４】
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のインク滴噴射方法において、前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を戻してインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させるものである。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、インクが充填されるインク室と、前記インク室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室内に圧力波を発生させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御装置と、を備えたインク滴噴射装置において、前記制御装置は、連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記駆動電源から前記アクチュエータに印加してインク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、前記インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とするものである。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の装置と前提とするところを共通とし、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とするものである。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のインク滴噴射装置において、前記制御装置は、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とするものである。
【００１９】
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５ないし７のいずれかに記載のインク滴噴射装置において、前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を戻してインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本実施の形態のインク滴噴射装置における機械的部分の構成は、上述した図７に示したものと同様であるので説明を省略する。
【００２２】
本インク滴噴射装置６００の具体的な寸法の一例を述べる。インク室６１３の長さＬが９ｍｍである。ノズル６１８の寸法は、インク滴噴射側の径が４０μｍ、インク室６１３側の径が７２μｍ、長さが１００μｍである。また、実験に供したインクの２５℃における粘度は約２ｍＰａ・ｓ、表面張力は３０ｍＮ／ｍである。このインク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）は１５μｓｅｃであった。
【００２３】
次に本発明の一実施の形態であるインク室６１３内の電極６１９に印加する駆動波形を図１に示す。図示の駆動波形１０は、１ドット分の印字のためのインク滴を噴射するための噴射パルス信号Ａである。波高値（電圧値）は、例えば２０（Ｖ）である。
【００２４】
噴射パルス信号Ａの波幅は、インク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）の奇数倍に一致するもの（ヘッド固有の値）とし、例えば、Ｔ＝１５μｓｅｃとする。連続して次のドットを印字する場合のパルスの周期は、駆動周波数を１０ｋＨｚとしたとき、１００μｓｅｃ（これは、Ｔ＝１５μｓｅｃのとき、約６．６６Ｔ）となる（周波数は周期の逆数）。
【００２５】
本実施形態は、単ドット又は連続する複数ドットの印字命令にしたがい、単数又は複数の噴射パルス信号Ａを所定の周期タイミングでアクチュエータに印加して、インク滴を噴射させるものであり、１ドットの所望のインク液滴体積に応じて所定の周期タイミングを変える。具体的には、以下に述べる図２のインク滴噴射の測定データから判明する。
【００２６】
図２は、インク滴噴射周波数を変えて連続ドット印字した時のインク滴体積を測定したデータ特性図（複数のブロット値を線でつないだ図）である。周期が時間Ｔの偶数倍（６Ｔ，８Ｔ，１０Ｔ）の時には、インク滴体積は増加する特性を有し、周期が時間Ｔの奇数倍（７Ｔ，９Ｔ）の時には、インク滴体積は減少する特性を呈する。従って、周期（その逆数である周波数）を選択することで、インク滴体積を変えることができる。
【００２７】
すなわち、所定の周期タイミングである印字周波数を、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とし、また、１ドットのインク液滴体積を減小するときは、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とする。例えば、図示の領域ａの７Ｔに相当する周波数を選択すると、インク滴体積は約３０ｐｌ（ピコリットル）となり、これは解像度７２０ｄｐｉの印字に適したものとなる。また、図示の領域ｂの８Ｔに相当する周波数を選択すると、インク滴体積は約３８ｐｌとなり、これは解像度３６０ｄｐｉの印字に適したものとなる。Ｔの整数倍でなくとも、これら７Ｔと８Ｔの間に相当する周波数を選択することで、それらの中間の解像度での印字が可能である。なお、周期７Ｔは、１０５μｓｅｃであり、この時の周波数はほぼ９．５ｋＨｚである。
【００２８】
次に、前記駆動波形１０を実現するための制御装置の一実施の形態を図３及び図４を用いて説明する。図３に示す制御装置６２５は充電回路１８２と放電回路１８４とパルスコントロール回路１８６から構成されている。アクチュエータ壁６０３の圧電材料及び電極６１９、６２１は、等価的にコンデンサ１９１で表される。１９１Ａと１９１Ｂはその端子である。
【００２９】
入力端子１８１と１８３は、それぞれインク室６１３内の電極６１９に与える電圧をＥ（Ｖ）、０（Ｖ）にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路１８２は、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、Ｒ１０４、Ｒ１０５、トランジスタＴＲ１０１、ＴＲ１０２から構成されている。
【００３０】
入力端子１８１にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０１を介して、トランジスタＴＲ１０１が導通し、正の電源１８７から抵抗Ｒ１０３を介して電流がトランジスタＴＲ１０１のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源１８７に接続されている抵抗Ｒ１０４及びＲ１０５にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタＴＲ１０２のベースに流れる電流が増加し、トランジスタＴＲ１０２のエミッタとコレクタ間が導通する。正の電源１８７からの２０（Ｖ）の電圧がトランジスタＴＲ１０２のコレクタ及びエミッタ、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１９１、端子１９１Ａに印加される。
【００３１】
次に、放電用回路１８４について説明する。放電用回路１８４は抵抗Ｒ１０６、Ｒ１０７、トランジスタＴＲ１０３から構成される。入力端子１８３にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０６を介してトランジスタＴＲ１０３が導通し、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１９１の抵抗Ｒ１２０側端子１９１Ａをアースする。したがって、図７及び図８に示すインク室６１３のアクチュエータ壁６０３に印加されていた電荷は放電される。
【００３２】
次に、充電回路１８２の入力端子１８１及び放電用回路１８４の入力端子１８３に入力されるパルス信号を発生するパルスコントロール回路１８６について説明する。パルスコントロール回路１８６には、各種の演算処理を行うＣＰＵ１１０が設けられ、ＣＰＵ１１０には、印字データや各種のデータを記憶するＲＡＭ１１２とパルスコントロール回路１８６の制御プログラム及びタイミングでオン、オフ信号を発生するシーケンスデータを記憶しているＲＯＭ１１４が接続されている。ここで、ＲＯＭ１１４には、図４に示すように、インク滴噴射制御プログラム記憶エリア１１４Ａと、駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂとが設けられている。
【００３３】
駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂには、駆動波形１０のシーケンスデータとして、低い解像度で印字を行う場合で、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、印字周波数をインク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とし、高い解像度で印字を行う場合で、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、印字周波数をインク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすることが記憶されている。
【００３４】
さらに、ＣＰＵ１１０は各種のデータをやりとりするＩ／Ｏバス１１６に接続され、当該Ｉ／Ｏバス１１６には、印字データ受信回路１１８とパルスジェネレータ１２０及び１２２が接続されている。パルスジェネレータ１２０の出力は充電回路１８２の入力端子１８１に接続され、パルスジェネレータ１２２の出力は放電用回路１８４の入力端子１８３に接続されている。
【００３５】
ＣＰＵ１１０は、ＲＯＭ１１４の駆動波形データ記録エリア１１４Ｂに記憶されているシーケンスデータにしたがって、パルスジェネレータ１２０及び１２２を制御する。したがって、解像度に応じたデータを予めＲＯＭ１１４内の駆動波形データ記憶エリア１１４Ｂに記憶させておくことによって、不図示の解像度設定手段によりユーザが設定した所望の解像度に応じて、図１に示す駆動波形１０の駆動パルスを所定の周期タイミングでアクチュエータ壁６０３に与えることができる。
【００３６】
なお、パルスジェネレータ１２０、１２２及び充電回路１８２及び放電回路１８４はノズル数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、代表して一つのノズルの制御について説明したが、他のノズルの制御についても同様な制御である。
【００３７】
図５は、本インク滴噴射装置６００に噴射パルスを印加した時のインク室６１３内の圧力変化を説明する図である。１Ｔ〜１０Ｔは時間推移である。噴射パルスの立ち上がり時間０で圧力室の容積が増大して圧力波（負圧）が発生し、１Ｔ時間後の噴射パルスの立ち下がり時点で、圧力室の容積が自然状態に減少し、そのため圧力波は増大する（正圧）。２Ｔ時間では負圧となる。以下、Ｔ時間毎に圧力の位相は反転し、減衰していく。このように作用することから、周期がＴの偶数倍で噴射駆動すると、液滴の速度、体積が増大し、周期がＴの奇数倍で噴射駆動すると、液滴の速度、体積が減少する。その間の周期で噴射駆動すると、それらの中間的な液滴の速度、体積が得られるのである。
【００３８】
図６は、解像度３６０ｄｐｉ、７２０ｄｐｉで連続ドット印字した結果を示す。解像度３６０ｄｐｉでの印字は、周期８Ｔに相当する周波数で駆動し、解像度７２０ｄｐｉでの印字は、周期７Ｔに相当する周波数で駆動することにより、得ることができ。また、一群の画像データにおいて、任意の箇所での印字に上記のように周波数を可変制御することで、階調印字を実現することができる。
【００３９】
以上、一実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、１ドットの所望のインク滴体積に応じて周期タイミングを変えるものを示したが、印字密度に応じて周期タイミングを変えるものであってもよい。また、主たる駆動信号として１つの噴射パルス信号Ａのみを持つものを示したが、主たる駆動信号が例えば２つの噴射パルスからなるものであっても構わない。また、インク滴噴射装置６００は、上記実施の形態の構成に限られるものではなく、圧電材料の分極方向が逆のものを用いてもよい。
【００４０】
また、本実施の形態では、インク室６１３の両側に空気室６１５を設けているが、空気室を設けずに、インク室が隣接するようにしてもよい。さらに、本実施の形態では、アクチュエータはせん断モード型のものを用いたが、圧電材料を積層し、その積層方向の変形によって圧力波を発生する構成でもよく、圧電材料に限らずインク室に圧力波を発生するものを使用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明のインク滴噴射方法及びその装置によれば、噴射パルス信号の周期タイミングすなわち印字周波数をインク室内の圧力波が片道伝播する時間Ｔの倍数に対し所定値に設定することで、噴射パルスの電圧値を変えることなく、噴射される１ドット当たりのインク滴体積を容易かつ任意に制御することができ、所望の解像度で印字することが可能となる。そして、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とし、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすればよい。また、同様にして所望の印字密度に応じた印字を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるインク滴噴射装置による駆動波形を示す図である。
【図２】 インク滴噴射周波数を変えた時のインク滴体積の測定データを示す図である。
【図３】 インク滴噴射装置の駆動回路を示す図である。
【図４】 インク滴噴射装置の制御装置のＲＯＭの記憶領域を示す図である。
【図５】 噴射パルスを印加した時の圧力室内の圧力変化を説明する図である。
【図６】 各種解像度で連続ドット印字を行った状態を示す図である。
【図７】 （ａ）は記録ヘッドのインク噴射部分の縦断面図、（ｂ）は同横断面図である。
【図８】 記録ヘッドのインク噴射部分の動作を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 駆動波形（噴射パルス信号）
６００ インクジェットヘッド
６０３ アクチュエータ壁
６１３ インク室
６２５ 制御装置
Claims (8)
- インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加え、インク滴をノズルより噴射させるインク滴噴射方法において、
連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とすることを特徴とするインク滴噴射方法。 - インクが充填されたインク室の容積を変化させるためのアクチュエータに噴射パルス信号を印加することによりインク室内に圧力波を発生させてインクに圧力を加え、インク滴をノズルより噴射させるインク滴噴射方法において、
連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記アクチュエータに印加して、インク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすることを特徴とするインク滴噴射方法。 - １ドットのインク液滴体積を減少するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすることを特徴とする請求項１に記載のインク滴噴射方法。
- 前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を戻してインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のインク滴噴射方法。
- インクが充填されるインク室と、前記インク室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室内に圧力波を発生させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御装置と、を備えたインク滴噴射装置において、
前記制御装置は、連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記駆動電源から前記アクチュエータに印加してインク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を増大するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、前記インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの偶数倍の逆数とすることを特徴とするインク滴噴射装置。 - インクが充填されるインク室と、前記インク室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気信号を印加するための駆動電源と、前記アクチュエータに前記駆動電源から噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室内に圧力波を発生させてインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御装置と、を備えたインク滴噴射装置において、
前記制御装置は、連続する複数ドットの印字命令にしたがい複数の噴射パルス信号を所定の周期タイミングで前記駆動電源から前記アクチュエータに印加してインク滴を噴射させるものであり、１ドットのインク液滴体積を減少するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすることを特徴とするインク滴噴射装置。 - １ドットのインク液滴体積を減少するときは、前記所定の周期タイミングである印字周波数を、インク室内を圧力波が片道伝播する時間Ｔの奇数倍の逆数とすることを特徴とする請求項５に記載のインク滴噴射装置。
- 前記アクチュエータに前記噴射パルス信号を印加することにより、前記インク室の容積を増大させてインク室内に圧力波を発生させ、前記Ｔの奇数倍時間経過後、増大状態から容積を戻してインク室内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のインク滴噴射装置。
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