喷墨打印头和喷墨打印机 【技术领域】
本发明涉及喷出油墨滴来进行图像形成的喷墨打印头和喷墨打印机。
背景技术
在现有技术中，例如，如美国专利4879568中公开的那样，已知通过根据电信号产生全切断变形的加压部件使压力室的容积变化，从设置于各压力室的喷出喷嘴中选择性地喷出油墨而进行图像形成的全截断模式型的喷墨打印头。这样的全截断模式型的喷墨打印头具有容易高密度地排列压力室的特征。
但是，在上述全截断模式型的全截断模式型地喷墨打印头中，存在某个压力室的压力变动对附近的其他压力室的油墨压力或流速产生变动的串扰现象的问题。串扰被认为是因压力室内的油墨压力使压力室间的隔壁位移，使相邻和附近的压力室内的油墨压力变化而产生的。
但是，在位于打印范围内的两端侧的压力室中，仅有来自位于打印范围内的内侧的其他压力室的串扰产生作用，而在位于打印范围内侧的压力室中来自位于两侧的其他压力室的串扰产生作用。因此，在位于打印范围内的两端侧的压力室和位于内侧位置的压力室中，串扰的影响有所不同。由此，从连通到位于打印范围内的两端侧的压力室的喷出喷嘴喷出的油墨滴的体积和连通到打印范围内侧的压力室的喷嘴喷出的油墨滴的体积有所不同，容易产生打印物上的浓度不匀和图像质量下降。
作为使作用于压力室的串扰的影响均等化的喷墨打印头，例如有(日本)特开2000-135987公报的图13所示的喷墨打印头。图13所示的喷墨打印头在打印范围内排列多个的压力室101的两侧分别形成各三个虚拟压力室102，在压力室101中分别各连通一个喷出喷嘴103，在虚拟压力室102中分别连通多个虚拟喷嘴104。这里，‘虚拟压力室’指即使施加驱动信号也不喷出油墨的压力室。
在图13所示的喷墨打印头中，例如，在使位于打印范围内的端部的压力室101a的容积变化而喷出油墨滴时，在油墨滴喷出的同时使虚拟压力室102a也同样变化容积。而在使位于打印范围内的端部的压力室101b的容积变化而喷出油墨滴时，在油墨滴喷出的同时使虚拟压力室102b也同样变化容积。而且，在使位于打印范围内的端部的压力室101c容积变化而喷出油墨滴时，在油墨滴喷出的同时使虚拟压力室102c也同样变化容积。
由此，对于位于打印范围内的端部的压力室101a、101b、101c，可以使来自位于其两端侧的其他压力室(有效压力室和虚拟压力室)的串扰影响产生作用，使得与位于这些压力室101a、101b、101c内侧的其他压力室受到的影响相同。
但是，在图13所示的喷墨打印头中，连通到一个虚拟压力室102的虚拟喷嘴104的数目为多个，在使虚拟压力室102的容积变化时，不从虚拟喷嘴104喷出油墨滴。
因此，从虚拟压力室102来看的虚拟喷嘴104的流体阻抗、即产生在虚拟喷嘴104上的油墨粘性阻抗和惯性阻抗等与虚拟喷嘴104的数目成反比下降。其结果，虚拟压力室102内的油墨的主音响谐振频率与压力室101内的油墨的主音响谐振频率有所不同。
这里，主音响谐振频率是通过加压部件施加电压来驱动压力室时，对压力室内的油墨上产生的压力波在压力室内的油墨中传播，该压力波重叠成为最大压力振动的频率，也称为亥姆霍兹(Helmholtz)谐振频率。
因此，如果将与有效压力室101内的油墨的主音响谐振频率一致的波形驱动信号施加在虚拟压力室102内的油墨上，在虚拟压力室102内产生异常的压力变动，在位于打印范围内两端部的各自三个有效压力室101中受到虚拟压力室102内产生的异常压力变动引起的串扰，存在因部位而产生浓度不匀和图像质量下降的课题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种喷墨打印头和喷墨打印机，防止因串扰原因使从各喷出喷嘴喷出的油墨滴的体积偏差，防止产生浓度不匀和降低图像质量。
本发明提供一种喷墨打印头，通过可改变在直线上隔着隔壁并排排列并分别连通到油墨供给路径的多个压力室的容积，从设置于该压力室一端的喷出喷嘴中喷出油墨，其中，设置于所述压力室中位于打印范围外的所述压力室的一端，具有使油墨喷出侧的开口面积大于所述喷出喷嘴的开口面积，并与所述喷出喷嘴的流体阻抗大致相同的虚拟喷嘴，在从连通到位于打印范围内端部的压力室的喷出喷嘴喷出油墨滴时，通过改变位于打印范围内端部的压力室容积和同时改变位于打印范围外的压力室容积。
本发明的喷墨打印头可防止因串扰原因从各喷出喷嘴喷出的油墨滴的体积产生偏差，防止产生浓度不匀和降低图像质量。
【附图说明】
图1是表示本发明一实施方式的喷墨打印头的纵剖剖面图。
图2是图1中的A-A线剖面图。
图3是表示全切断变形的压力室的容积变化状况的说明图。
图4是表示喷出喷嘴和虚拟喷嘴的形状的剖面图。
图5是说明喷出喷嘴和虚拟喷嘴的形成工序的说明图。
图6是表示喷出喷嘴和虚拟喷嘴的流体阻抗的计算模型的说明图。
图7是对电极输出的驱动波形的时序图。
图8是表示驱动波形的细节的说明图。
图9是表示喷出喷嘴和虚拟喷嘴的变形例的剖面图。
图10是表示本发明的另一实施例的喷墨打印机的局部斜视图。
图11是表示配有本发明的另一实施例的喷墨打印机的打印头保持部件中的喷墨打印头的保持状态的说明图。
图12是表示配有本发明另一实施例的喷墨打印机的各种电路和这些电路相关联的方框图。
图13是表示现有例的喷墨打印头的正面图。
【具体实施方式】
下面参照图1至图8来说明本发明的一实施方式。图1是表示喷墨打印头的纵剖剖面图，图2是图1中的A-A线剖面图。
如图1和图2所示，本实施例的喷墨打印头1配有在板厚度方向上分极的两片压电部件(下部压电部件2和上部压电部件3)。两片压电部件2、3在使同极对置的状态下进行粘结。粘结后的压电部件2、3固定在不分极的介电常数低的压电部件构成的基板4上。
在基板4和该基板4上固定的压电部件2、3中，以等间隔并排形成多个槽5。多个槽5使用金刚石切割器等来加工实施。
在基板4的上表面上焊接顶板框6。该顶板框6对槽5的一部分上表面进行密封。由此，形成压力室7(7a、7b、7c、...)。
相邻的压力室7之间，构成下部压电部件2和上部压电部件3，由形成根据驱动信号可改变压力室7的容积的加压部件的隔壁8(8a、8b、8c、...)隔断。
在顶板框6中，形成连通到所有压力室7的油墨供给路径9。
在顶板框6的上面，焊接顶板10。在该顶板10中形成连通到油墨供给路径9的供给口11。在油墨供给口11中，连接用于向喷墨打印头1供给油墨的油墨供给管(未图示)。
在各槽5的内表面上，设置相互电气隔离的电极12(12a、12b、12c、...)。本实施方式的电极12通过无电解电镀形成。各电极12通过连接到基板4后端部的挠性电缆13连接到作为驱动部件的驱动IC(未图示)。
在压力室7的正面侧上，焊接聚酰亚胺制的喷嘴板14。在该喷嘴板14中，设置喷出喷嘴15(15e、15f、15g、...)和虚拟喷嘴16(16a、16b、16c、16d)。本实施方式的喷出喷嘴15和虚拟喷嘴16通过激光加工而形成。面对喷嘴板14的喷出喷嘴15和虚拟喷嘴16的激光加工，在将喷嘴板14焊接到压力室7的正面侧后进行。
喷出喷嘴15形成在面对位于打印范围内的压力室7(7e、7f、7g、...)的位置上。虚拟喷嘴16形成在面对位于打印范围外的压力室7(7a、7b、7c、7d...)的位置上。
图2仅图示喷墨打印头1的一个端部侧，在喷墨打印头1的另一端侧也形成位于打印范围外的四个压力室7、以及位于面对该压力室7的四个虚拟压力室16。
油墨通过油墨供给管道内从油墨供给口11注入到喷墨打印头1内，填充到油墨供给路径9、压力室7、喷出喷嘴15、虚拟喷嘴16内。
在这样构成的喷墨打印头1中，例如，如果对电极12e从驱动IC提供负的驱动信号，则在隔壁8d、8e中分极方向上产生正交电场。隔壁8d、8e因分极方向上正交电场产生的逆压电效应，如图3所示，在增大压力室7e的容积方向相互反向地弯曲而产生全截断变形。由此，压力室7e的容积变大(图3(a))。相反，如果对电极12e从驱动IC提供正的驱动信号，则压力室7e的容积变小(参照图3(b))。这样，通过对电极12e提供驱动信号，可以选择性改变压力室7e的容积。在压力室7e内，在压力室7e的容积增大时，该压力室7e内部的油墨压力下降，在压力室内的油墨中产生以负极性开始的压力振动。而在压力室7e内，在压力室7e的容积变小时，压力室7e内的油墨压力升高，在压力室内的油墨中产生以正极性开始的压力振动。压力室7e内的油墨在这些压力振动重叠、压力室7e内的油墨压力升高时，作为油墨滴从喷出喷嘴15e喷出。
接着，说明虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15。图4是表示虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15的形状的剖面图。虚拟喷嘴16面对油墨喷出方向具有喷嘴内的直径变大的形状。与虚拟喷嘴16相反，喷出喷嘴15在面对油墨喷出方向具有喷嘴内的直径变窄的形状。
虚拟喷嘴16的出口侧的口径Dod大致与喷出喷嘴15的入口侧的口径Dir设定得相同。虚拟喷嘴16的入口侧的口径Did大致与喷出喷嘴15的出口侧的口径Dor设定得相同。喷出喷嘴15和虚拟喷嘴16面对油墨滴喷出的方向以锥形状对称形成。
作为虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15的尺寸的优选一例，可列举如下。
虚拟喷嘴16的出口侧口径Dod：54μm
虚拟喷嘴16的入口侧口径Did：27μm
喷出喷嘴15的出口侧口径Dor：27μm
喷出喷嘴15的入口侧口径Dir：54μm
喷嘴(虚拟喷嘴16、喷出喷嘴15)长度Ln：50μm
这种情况下，虚拟喷嘴16的出口侧的截面积和喷出喷嘴15的出口侧的截面积之比与各自口径的平方成正比，为4∶1。即，在油墨弯月形液面m的位置上，虚拟喷嘴16内的油墨的流速为喷出喷嘴15内的油墨流速的1/4。由此，即使压力室7a～7d内的油墨压力升高的情况下，也不从虚拟喷嘴16喷出油墨滴。
如虚拟喷嘴16那样，如果出口侧的口径增大，油墨弯月形液面(inkmeniscus)因油墨表面张力而使保持该位置的力变弱，其静态的负压边界Ps在油墨的表面张力σ为30mN/m时，用
Ps=-4σDoi----(1)]]>
的公式计算时，为-2222Pa。
喷嘴面的油墨静水压需要维持在0～-2222Pa之间，而喷嘴面的油墨静水压以-1000Pa左右来调整油墨的供给压力，所以没有问题。
即使万一油墨静水压瞬间低于负压的边界Ps，在虚拟喷嘴16中油墨弯月形液面m越后退，喷嘴直径就越小，负压的边界提高，增强油墨弯月形液面m恢复到原来位置的力。
因此，对于油墨弯月形液面m后退至压力室7内部，气泡被卷入压力室7内部，引起喷墨打印头1动作不良的负压的边界来说，与喷出喷嘴15相同。
如果以上那样的虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15的形成采用激光束L进行加工，则可以容易地进行。即，使用具有成像光学系统的激光照射装置，通过xyz工作台来改变激光投影透镜和喷嘴板14的相对位置，形成虚拟喷嘴16的情况如图5(a)所示，通过z工作台的调整使激光的聚光面对准喷嘴板14的下表面，形成喷出喷嘴15的情况如图5(b)所示，通过z工作台的调整使激光的聚光面对准喷嘴板14的上表面。
虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15的音响特性如下。在图6的喷出喷嘴15中，设
p(t)：喷嘴入口的油墨压力
q(t)：喷嘴入口的油墨流量
M：喷嘴内的油墨的惯性阻抗
R：喷嘴内的油墨的粘性阻抗
ρ：油墨的密度
y(x)：位置x的喷嘴半径
r(y)：基于半径y的圆筒中流动的油墨的平均单位流量的粘性的压力匹配
Ln：喷嘴的长度时，喷嘴内的油墨的相关运动方程式
P(t)=Mddtq(t)+Rq(t)------(1)]]>
其中
M=ρπ∫0Ln1y,(x)2dx---------(3)]]>
R=∫0Lnr((x))dx-------(4)]]>
成立。
从式(2)可知，从压力室7来看的喷嘴的音响性质，即流体阻抗带有惯性阻抗M和粘性阻抗R的特征。
这里，如图6所示，如果考虑与喷出喷嘴15反向的虚拟喷嘴16的惯性阻抗M’和粘性阻抗R’，则可得到
M,=ρπ∫0Ln1y,(x)2dx=ρπ∫0Ln1y(Ln-x)dx=-ρπ∫0Ln1y(x)dx=M--------(5)]]>
R,=∫0Lnr(y,(x))dx=∫0Lnr-(y(Ln-x))dx=-∫0Lnr-(y(x))dx=R----(6)]]>
根据式(5)和式(6)可知，形成相互反向形状的喷出喷嘴15和虚拟喷嘴16的惯性阻抗M、M’和粘性阻抗R、R’相同，两者的流体阻抗相同。
因此，如本实施方式那样，在虚拟喷嘴16的出口直径Dod与喷出喷嘴15的入口直径Dir大致相同，虚拟喷嘴16的入口直径Did与喷出喷嘴15的出口直径Dor大致相同时，虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15具有大致相同的流体阻抗。
由此，可以使打印范围外的压力室7b～7d的压力振动特性和打印范围内的压力室7e、7f、…的压力振动特性大致相同，还可以使压力室7b、7c、…内的油墨的主音响谐振频率大致相同。
在喷墨打印头1的维护时，从喷出喷嘴15和虚拟喷嘴16进行油墨吸引动作的情况下，在虚拟压力室中设置多个虚拟喷嘴的现有喷墨打印头中，从虚拟压力室流出需要以上的油墨。
相反，在本实施方式中，虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15的粘性阻抗相同，所以不从虚拟压力室流出需要以上的油墨。由此，可以减少维护时的油墨浪费。
这里，图7是良好打印时的从驱动IC对电极12输出的驱动信号WW的时序图。在电极12a上，不提供驱动信号，而为固定电位。在电极12b中，始终提供与电极12e相同的电位。在电极12c上，始终提供与电极12f相同的电位。在电极12d上，始终提供与电极12g相同的电位。再有，图7仅图示喷墨打印头1的一个端部侧，而对于喷墨打印头1的另一端部侧来说也是同样的。
再有，将驱动信号时分为三相，从某个喷嘴15喷出油墨时，不从喷出油墨的喷嘴15的两相邻的喷嘴15、以及与其相邻的喷嘴15中喷出油墨。
驱动信号WW是连续7个下滴信号W的信号。如果将这样的驱动信号WW施加在压力室7上，则在一个下滴信号W中从喷出喷嘴15喷出一滴油墨滴。例如，在驱动信号WW的下滴信号W的数目是7个时，在单一的驱动信号WW中，从喷出喷嘴15中连续地喷出7滴油墨滴。因此，在要改变1像素上附着的油墨滴的量时，改变驱动信号WW的下滴信号W的数目就可以。因此，包含不喷出油墨的情况，可以进行8色调的打印。
如图8所示，下滴信号由扩大压力室7的容积的扩大脉冲P1、收缩压力室7的容积的收缩脉冲P2、以及两脉冲间的中止时间构成。扩大脉冲P1的宽度和中止时间及收缩脉冲P2的宽度分别是1AL。这里，AL是压力室7内的油墨的主音响谐振周期的1/2的时间，是压力室7内的油墨的压力平均值从正到负、或从负到正的反转时间。作为压力室7内的油墨的主音响谐振频率的倒数的主音响谐振频率也称为亥姆霍兹(Helmholtz)谐振频率。扩大脉冲P1具有使喷出喷嘴15喷出油墨的作用，而收缩脉冲P2具有抵消扩大脉冲P1产生的压力振动的作用。
再有，如上所述，根据本发明，可将连通虚拟喷嘴16的压力室7内的油墨的主音响谐振周期大致与连通喷出喷嘴15的压力室7内的油墨的主音响谐振频率周期设定得一致，但严格地说，在连通虚拟喷嘴16的压力室7和连通喷出喷嘴15的压力室7中，喷嘴(虚拟喷嘴16、喷出喷嘴15)附近的形状有所不同，所以两者的主音响谐振频率有微小的不同。这种差异仅在1个下滴喷出时没有什么问题。但是，如本实施方式那样连续地喷出多个油墨滴时，驱动信号W的时序最好与连通喷出喷嘴15的压力室7内的油墨的主音响谐振频率一致。
在这样的结构中，电极12b和电极12e、电极12c和电极12f、电极12d和电极12g的电位分别相同，所以在压力室7e的隔壁8d、8e产生全截断变形时，压力室7b的隔壁8a、8b也同时产生全截断变形。在压力室7f的隔壁8e、8f产生全截断变形时，压力室7c的隔壁8b、8c也同时产生全截断变形。而且，在压力室7g的隔壁8f、8g产生全截断变形时，压力室7d的隔壁8c、8d也同时产生全截断变形。由于在压力室7b、7c、7d上连通虚拟喷嘴16b、16c、16d，所以即使压力室7b、7c、7d产生全截断变形，也不喷出油墨。但是，由于虚拟喷嘴16和喷出喷嘴15的流体阻抗大致相同，所以在压力室7b、7c、7d中产生与压力室7e、7f、7g、...大致相同的压力振动。因此，从压力室7b、7c、7d漏泄的串扰的大小也与从压力室7e、7f、7g...漏泄的串扰的大小大致相同。因此，在良好打印时，位于打印范围内的端部的压力室7e、7f、7g如位于打印范围内的内侧的其他压力室7h、7i、7j、...相同那样从两侧接受相同程度的串扰。由此，可以使从喷出喷嘴15e、15f、15g喷出的油墨滴的体积与从喷出喷嘴15h、15i、15j、...喷出的油墨滴的体积大致相同。由此，可以防止打印范围端部的浓度不匀、图像质量的下降。
在上述实施方式中，举例说明了将喷嘴内周面形成直线锥状的喷嘴15和虚拟喷嘴16，但如图9所示，也可以将喷出喷嘴15和虚拟喷嘴16A的喷嘴内周面形成曲线锥状。这种情况下，通过将喷出喷嘴15A和虚拟喷嘴16A面对油墨喷出方向锥状对称地形成，如上所述，可以使喷出喷嘴15A和虚拟喷嘴16A的流体阻抗大致相同。
下面，参照图10至图12来说明本发明的另一实施方式。再有，与第1实施例相同的部分用相同标号示出并省略说明。
图10是表示本发明另一实施例的喷墨打印机的局部斜视图。喷墨打印机配有一字形喷墨打印头20。一字形喷墨打印头20包括一字状排列的多个喷墨打印头1、以及保持这些喷墨打印头1的保持部件21。如图11所示，打印头保持部件21中的喷墨打印头1沿喷出喷嘴和虚拟喷嘴的排列方向排列多个。本实施方式的喷墨打印头1在板状的打印头保持部件21的两面上相对、互不相同地排列。由此，可以将各喷墨打印头1中的打印范围沿喷墨打印头1的排列方向没有分断的排列。
喷墨打印机配有运送记录用纸22的记录用纸运送带23，以通过面对打印头保持部件21保持的喷墨打印头1的位置。本实施方式的用纸运送带23具有卷绕于一对滚轮24上的无端带形状。在一对滚轮24中，至少在一个上，连接电机等未图示的驱动机构。用纸运送带23通过由驱动结构旋转驱动至少一个滚轮24，带动滚轮转动而运送记录用纸22。用纸运送带23运送记录用纸22时，例如，通过静电和空气流将记录用纸22吸附在用纸运送带23上，由未图示的按压部件按压记录用纸22的端部，使记录用纸22紧密接触用纸运送带23。再有，关于使记录用纸22紧密接触用纸运送带23的方法是公知的技术，所以省略说明。
图12是表示本发明另一实施例的喷墨打印机配有的各种电路和这些电路的连接的方框图。喷墨打印机配有存储打印在记录用纸22上的图像数据的图像存储器25。控制电路26在用纸运送带23运送的记录用纸22通过面对喷墨打印头1的位置时，按规定的顺序读出存储于图像存储器25中的图像数据，向驱动IC27发送对应于读出的图像数据的打印信号。驱动IC27根据打印信号向对应的喷墨打印头1输出规定形状的驱动信号WW。由此，与上述同样，可进行与各驱动信号WW中的下滴信号W的数目等对应的打印。