この記事では、多くのプリントヘッドに適用できる一般的なドロップウォッチャーアプローチを使用して、より良いジェッティングを得るために波形を最適化する方法について考察しています。
Dimatix Sambaプリントヘッドを使用して、ステップバイステップで画像とデータの例を挙げていきます。
原理原則の簡単な説明
まず、波形の原理をごく簡単におさらいしておきましょう。下の図は、電圧パルスによってアクチュエーターが変形し、ノズル室内に圧力が発生し、液滴が噴射される様子を示しています。私たちが最適化しているのは、パルスの大きさ、形、間隔であり、噴射が私たちの目標条件に合致するようにすることである。
ターゲットの理解
波形を開発する試みの最初のステップは、目標を明確に定義することである。通常、最も重要な目標は、希望する液滴サイズ、液滴速度、および噴射頻度です。もし、これらの目標が決まっているのであれば、すぐにでも開発を開始することができます。そうでない場合は、いくつかの調査を行う必要があります。
インクメーカーであれば、開発する機械が決まっている場合、そのインクの使用条件を顧客に確認する。お客様が装置メーカーであれば、必要なことはすべて教えてくれるはずです。ユーザーへの直販の場合、おそらくこの情報はそう簡単には手に入らないので、何が賢明なのかを知るにはもう少し努力しなければならないでしょう。キャリッジスピードと印刷解像度から動作周波数を知ることができますが、印刷がマルチパスの場合、最終的な解像度とは異なる可能性があることを忘れないでください。
スタート地点
波形最適化の最初のステップは、噴射のベースラインを確立し、ドロップウォッチャーで表示できるようにすることです。可能であれば、プリントヘッドのメーカーが推奨する、またはデフォルトのシングルパルス波形から始めるのが簡単な方法です。一般的なパルスタイミングと同様に、通常はある種のキャリブレーション電圧（「ラベル」電圧と呼ばれることもあります）があります。この電圧は適切なジェッティングを生成するはずですので、まずはこれを使用します。Dimatix Sambaの例では、プリントヘッドのユーザーマニュアルにある波形から始めます：26V振幅パルス、パルス幅2.18us（40V/usの立ち上がり時間を含む）。
次のステップは、ドロップウォッチャーの視野に液滴が見えるようにすることです。できればフェースプレートが見えることが重要で、失敗があった場合にそれを理解するのに非常に役立ちます。下の画像は、Dimatix Sambaのプリントヘッドの理想的な視野です。
シリンジ充填で予備テストを行うだけなら、テスト中のインク消費量を最小限に抑えることが有効です。8kHzのような適度な周波数で、同じプリントヘッド列に沿って10～20個程度のノズルを噴射すれば、しばらくは液体を補充することなくテストができます。
液滴の速度は5～6m/s程度が適当と思われますので、簡単に測定してください。最終的な目標がそれ以上であっても、この設定であれば、通常、あまり多くの衛星を使用せずに簡単に測定できます。もし、速度が低すぎると感じたら、パルスの電圧を少し上げるとよいでしょう。私たちの速度は、たまたま波形を修正することなく許容できたので、26Vは適切な設定です。
ステップ1: パルス幅の最適化
波形の最適化の最初のステップは、ヘッドと液剤の組み合わせの音響特性にマッチした基本的なパルス形状を得ることです。波形の用語では、適切なパルス幅を決定することから始めます。
ノズルの大きさも流体の性質も決まっているので、ノズル室を膨らませておいて、その中をインクがリズムよく往復できる時間を求めています。
一般に、パルス幅と滴下量・滴下速度はほぼ二次曲線で結ばれている。最適なパルス幅とは、滴下量と滴下速度が最も高くなる幅であり、そのピークを見つけることが最初の目的である。開始波形の現在のパルス幅を決定し、その推奨設定値の50%下から50%上までパルス幅を調整することを計画する。各パルス幅で、プリントヘッドから一定の距離で液滴の量と速度を測定します。カーブを描くために、いくつかのデータポイントが得られるようなステップサイズを選択します。
Sambaプリントヘッドでは、1.1usから3.3usまでのパルス幅を0.1us刻みで自動的に掃引することにしています。各値で画像をキャプチャすることにより（ダブルパルスを使用）、滴下速度を視覚的に素早く判断することができ、必要に応じて測定で補足することができます。下の画像は、JetXpertアドオン、XSweep、Stitchの組み合わせで生成したものです。
速度曲線の頂点は、パルスのタイミングが、インク、ヘッド、電子機器の組み合わせに対して最も効率的に液滴を吐出させる場所です。ピークよりも少し高いパルス幅を使用した方が、サテライトに有利な場合があります。この判断は、経験を積むことでできるようになります。パルス幅を選択したら、その値を波形にプログラムして、次に進みましょう。
この画像から、2.1〜2.2usのパルス幅が最も高い落下速度が得られることがわかります。これは、画像の各スライスが同じ瞬間に撮影され、これらのスライスでは液滴がプリントヘッドから最も遠くまで移動しているため、わかります。思い起こせば、2.18usはDimatix Sambaのマニュアルにあった私たちの開始パルス幅で、実際それが最適であるように思われます。グッジョブDimatix!
時間の節約
インクジェットの世界では、どの程度の精度でこの処理を行うかは、ユーザー次第です。波形の最適化では、各パラメータをテストする際のステップサイズを小さくすることで、より正確な結果を得ることができます。しかし、この解析を手動で行う場合、ステップサイズを小さくすると、このテストにかかる時間が長くなります。ImageXpertにはXSweepというツールがあり、このツールは波形の設定を自動的に調整し、計測を実行してくれますので、この作業を迅速に行うことができます。
ステップ2：電圧の最適化
タイミングが分かったところで、電圧と滴下量・速度の関係を探ってみましょう。通常、電圧と滴下量、速度の間には、ある限界まで直線的な関係があります。通常のトレードオフとして、電圧を上げるとリガメントも増えるので、目的は、サテライトに分かれるようなテールのないきれいなドロップを作るために、できるだけ高い速度を得ることである。
先ほどのパルス幅と同様に、様々な電圧を試し、それぞれの電圧での液滴速度を測定してみましょう。このとき、滴下量と衛星の形成状況にも注目することが重要で、これが判断に影響します。この時点の目標は、衛星が多すぎず、目標量と速度が得られる電圧設定を決定することです。Sambaでは、21V～31Vの電圧を0.5V刻みで自動的に掃引することにしています。出力は以下の通りです。
今回も、結果は理論と一致しているようだ。落下速度は電圧に対して直線的に増加し、サテライトが発生するところまで到達している。サテライトが発生した電圧より少し低めの電圧を選んで測定してみよう。
これで、この設定による波形の滴下量と速度がわかり、目標値と比較できるようになりました。しかし、私たちの仕事はまだ終わっていません。
ステップ3：ヘッドを少し強く押す
パルスを改善し、求めていた速度が得られるようになったところで、今度はヘッドをもう少し強く押して周波数を上げてみましょう。これは、これまでに作った波形が目標周波数でうまく機能するかどうか、また避けるべき特定の場所があるかどうかをテストするものです。ターゲットとする周波数が決まっている場合は、その周波数での噴射を確認するだけでも時間がかかりますが、サブハーモニクスを含めることを忘れないでください。これにより、画像のレンダリングや印刷時にドロップ間隔が調整されても、波形が正常に機能するようになります。
通常、周波数空間全体を把握することは、できる限りやったほうがいいと考えています。すでにシステムをセットアップしているわけですから、顧客からいつそのインクを別の周波数で使いたいと言われるかわかりません。Imagexpert社では、XSweepに加え、このプロセスを高速化するための周波数スイープアドオンを提供しています。これは自動的に周波数範囲を掃引してデータを収集するもので、特に高周波数のプリントヘッドに有効です。下の画像は、1～30kHzを1kHzステップで噴射するSambaの波形です。
幸いなことに、私たちのドロップフォーメーションは、この範囲ではかなり良さそうです。ここで、別の例を挙げますが、これは違う話です。
約19kHzまでは一定の速度で噴射し、その後、速度が急上昇していることにお気づきでしょうか？速度が上がるだけでなく、靭帯長が伸びたり、サテライトが形成されたりしていることがわかります。これがレゾナンスです。19～24kHzでは、波形パルス間のタイミングが、その前のパルスによるノズル内の余韻でパルスが増幅されるような状態になっています。これを知っていれば、その周波数を避けるか、その範囲に別の波形を使用するようにシステムの設計を修正することができます。
結果が思わしくない場合は？
作成した波形が目的の周波数でうまく機能しない場合は、低い電圧を選んで再挑戦します。パルス幅や電圧を少しずつ変えては、望む結果を得るために繰り返す必要があるかもしれない反復プロセスです。そこで便利なのが自動化だ。どうしてもドロップボリュームやベロシティを十分に高くできない場合は、マルチパルシングが有効かもしれません。
ステップ4：マルチパルシングの導入
複数のパルスを使用して滴を生成することをマルチパルスと呼びます。これはグレースケールと混同しないように、1つの滴の大きさしか作りませんが、複数の波形パルスを使用していることに変わりはありません。マルチパルスは、1つのパルスで十分な量のインクを吐出せない場合に、噴射される液滴の量を増やすのに有効です。
複数のパルスを使用してより大きな液滴を作るには、まず、ヘッド内でインクが移動するタイミングを理解することから始めなければなりません。そこで、同じパルスを2つ作り、その間隔によって吐出がどう変わるかを調べます。タイミングが良ければ、2回目のパルスでノズル内のインクの勢いが増し、より速い液滴が噴射されることが分かります。
先ほど作成した最適化パルスを複製して、この2つのパルスの間隔を調整し、各段階での噴射を解析してみましょう。まずは、間隔を許容最小値から各パルスのパルス幅の2倍まで変化させるのがよいでしょう。2滴目の液滴の速度は、最初のパルスによる圧力変動に非常に敏感であるため、2滴目が出る場合、その速度を見ることが最適な測定方法となります。ヘッドとインクの組み合わせによっては、パルスギャップが小さいと、測定する前に液滴が合体してしまうこともありますし、2滴目が1滴目のリガメントを上昇するバルジとして現れることもあります。重要なのは、測定できる液滴が最も速く移動する間隔を見つけることです。そのピークがヘッドレゾナンスの場所です。グレイスケールの成功例の多くは、共振周期かその近辺で動作し、与えられた入力量に対して放出が最適化されるようになっています。
最適化したサンバパルスを複製し、パルス間隔を1.4usから3.2usまで0.1usステップで掃引すると、次のような画像が得られました。2回目の落下速度が最も高い場所は、私たちの共振周期であることがよくわかります。
これで共振周期がわかったので、それを利用した波形を作ることができます。ただひとつ覚えておいていただきたいのは、このようにパルスを次々と重ねていく場合、電圧振幅を考慮することが重要です。このことを念頭に置いて、目標とする液滴サイズを得るために、このようなものから始めるとよいでしょう。
マルチパルスをグレースケール化する
すでに述べたように、グレースケールとの大きな違いは、印刷画像の画素ごとにドロップサイズを変えることができることです。つまり、目的のドロップサイズを得るためには、グレーレベルごとに使用する波形パルスを選択する必要があるのです。そのためにはまず、波形をプリントコントローラーで選択可能なセグメントに分割する必要があります。次に、正しいセグメントをグレーレベルに関連付ける必要があります。
この部分は、パルス形状と同様、システム、特に波形の「形状」を編集できるソフトウェアに大きく依存します。これを視覚化する最も簡単な方法は、セパレータで波形を描き、各レベルで使用されるものを示す表を作成することであり、このテーマに関する特許でもよく使用されている方法です。下図は、5パルスの例で描きました。
3レベルで5パルスを選んだ理由は、パルスが同一である必要はなく、振幅が直線である必要もない（最初の例のように）ことを含め、高い柔軟性があることをうまく示しているためです。注意しなければならないのは、どのグレーレベルを選択しても、使用できる最大周波数は、波形全体を完成させるのにかかった時間の逆数になることです。
通常、電子基板が波形セグメントを切り替える時間を確保するために、パルスを互いにどれだけ近づけられるかというルールがあります。ほとんどの優れた波形エディタは、問題が起こりそうな場合は、それを教えてくれます。
あとは、波形セグメントの個々のパルス幅、電圧、パルス間隔を調整し、滴下量と速度を目標値に合わせます。同じ視野内に異なるサイズの液滴を隣り合わせに配置した画像があると便利で、すべてのグレーレベルに対する変化の影響を調べることができます。この画像は、1つの視野の中に3つの異なるグレーレベルを示しています。
高度な波形設計
マルチパルスは、例えば、ノズルプレートの濡れ性を制御したり、リガメントブレークオフに影響を与えたりする場合にも有効です。下図のように、メインの射出パルスの前または後に追加パルスを出すことができます。より高度な波形のトリックを実装するためのヒントは、体系化するのが難しいのですが、我々は、これらのことが可能であることを確認したかったのです。
もうひとつ、一部のヘッドメーカーが標準採用している方式で、バイポーラパルスというものがあります。この用語は、PZTを両方向に駆動するために正負両方のアンプを使用するヘッドに由来しています。このシステムの利点は、より低い電圧でより効率的に液滴を吐出できることですが、吐出後の圧力変化を操作するために、任意の方向にパルスをプログラムすることも可能です。両極性にすると電子回路が複雑になるので、ゼロ以外の静止電圧を使った単極性回路（プラスまたはマイナスの電圧のみ）でも効果は再現できる。下の画像は、2つの主要なヘッドメーカーの最近の特許から引用したもので、その違いを説明しようとします。左の画像はバイポーラ波形、右の画像はゼロでない静止電圧を用いたユニポーラです。
どちらの場合も、波形は前に説明したような単純な台形の連続ではありません。より任意性の高い形状を生成するには、パルスの高さや幅だけでなく、異なるアプローチが必要です。通常、波形はある時間内にある電圧から別の電圧に変化するセグメントで定義されます。特定のエレクトロニクスが必要で、これはベンダーに依存する場合があります。これらの技術を用いた波形の最適化については、今後の記事で詳しく説明する予定です。 [This is automatically translated from English]
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