JP2000127390A

JP2000127390A - インクジェット記録ヘッドの駆動方法

Info

Publication number: JP2000127390A
Application number: JP30958598A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Okuda; 真一奥田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-09
Also published as: WO2000026032A1

Abstract

(57)【要約】【課題】メニスカス制御による滴径変調を実行する際の
滴径変調範囲を拡大させ、装置コストや装置サイズの増
加を招くことなく高画質記録と高速記録を両立させるイ
ンクジェット記録ヘッドの駆動方法の提供。【解決手段】圧電アクチュエータの駆動波形が、吐出直
前に圧力発生室体積を増加させる第１の電圧変化プロセ
ス１１と、圧力発生室体積を急激に減少させて滴吐出を
行う第２の電圧変化プロセス１２を有し、第１の電圧変
化プロセスの電圧変化時間t1を変化させてメニスカスの
後退量を制御し吐出インク滴の滴径変調を行う。小滴吐
出時にはt1を小さく設定しメニスカスを大きく後退させ
て微小な滴を得、大滴吐出時にはt1を大きく設定しメニ
スカス後退量を小さく抑えつつ第２の電圧変化プロセス
における電圧変化量(V1)を拡大できるため、大径のイン
ク滴を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録装置に関し、特に、ノズルから微小なインク滴を吐出
して文字や画像の記録を行うインクジェット記録ヘッド
の駆動方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来技術】圧電アクチュエータ等の電気機械変換器を
用いて、インクが充填された圧力発生室内に圧力波（音
響波）を発生させ、その圧力波によって圧力発生室に連
結されたノズルからインク滴を吐出するドロップオンデ
マンド型インクジェットが、一般によく知られている。
この種のインクジェット記録方法として、例えば特公昭
５３−１２１３８号公報等の記載が参照される。この種
のインクジェット記録ヘッドの構成の一例を図３に示
す。

【０００３】図３を参照すると、圧力発生室６１には、
インクを吐出するためのノズル６２と、共通インク室６
３を介してインクタンク（図示せず）からインクを導く
ためのインク供給路６４が連結されている。また、圧力
発生室６１の底面には振動板６５が設けられている。イ
ンク滴吐出時には、圧力発生室６１外部に設けられた圧
電アクチュエータ６６によって、この振動板６５を変位
させ、圧力発生室６１に体積変化を生じさせることによ
り、圧力発生室６１内に圧力波を発生させる。この圧力
波によって、圧力発生室６１内に充填されていたインク
の一部がノズル６２を通って外部に噴射され、インク滴
６７となって飛翔する。飛翔したインク滴６７は記録紙
等の記録媒体上に着弾し、記録ドットを形成する。こう
した記録ドットの形成を画像データに基づいて繰り返し
行うことによって、記録紙上に文字や画像が記録され
る。

【０００４】なお、圧電アクチュエータ６６に印加する
駆動波形の最も単純な例としては、図８（ａ）に示すよ
うな駆動波形が用いられている。すなわち、電圧変化プ
ロセス３１（立ち上がり過程）において圧電アクチュエ
ータ６６への印加電圧を増加し、圧力発生室６１の体積
を急激に減少させることによってインク滴の吐出を行
い、その後、電圧変化プロセス３２（立ち下がり過程）
において、電圧を基準電圧（この例では０Ｖ）まで戻
す。なお、駆動電圧と圧電アクチュエータの動作との関
係は、アクチュエータの構造や分極方向によって異なる
が、本明細書においては、駆動電圧を増加させると、圧
力発生室の体積が減少し、逆に、駆動電圧を減少させる
と圧力発生室の体積が増加するものとする。

【０００５】ところで、この種のインクジェット記録ヘ
ッドで高品質な画像記録を実行しようとした場合、滑ら
かな中間調を再現するための階調記録を行うことが不可
欠となる。

【０００６】階調記録を実行する方法としては、（ａ）
インク滴径を固定して複数の滴で一つの画素（ピクセ
ル）を形成する方法（疑似階調）、及び（ｂ）インク滴
径を多段階に変化させることによりドット毎に濃度を変
化させる方法、の二つに大別される。このうち、高画質
記録と高速記録を両立させるには、一般的に（ｂ）の方
法が適している。すなわち、（ａ）の方法で高画質を得
ようとした場合、記録解像度を非常に高く設定する必要
があり、そのため記録に必要となるドット数が大幅に増
加し、記録速度が低下してしまう。一方、（ｂ）の方法
では、ドット毎に濃度を変化できるため、比較的低い記
録解像度で高画品質が得られる。そのため、必要なドッ
ト数が少なくて済み、高速記録が可能となる。

【０００７】例えば、解像度４００ｄｐｉ（ドット／イ
ンチ）、階調数１０（画素濃度を１０段階に変調）の記
録を実行しようとした場合、（ａ）の方法では３×３＝
９ドットで１画素を形成する必要があるため、実際に必
要な記録解像度は４００×３＝１２００ｄｐｉとなり、
記録に必要なドット数は１平方インチ当たり１．４４×
１０６個となる。一方、（ｂ）の方法では、滴径を１０
段階に変調できれば、必要な記録解像度は４００ｄｐｉ
のままとなり、必要なドット数は１平方インチ当たり
０．１６×１０６個となる。すなわち、（ｂ）の方法で
は必要なドット数が約１／１０となり、インク滴の吐出
周波数を同一とした場合には、約１０倍の記録速度を得
ることが可能となる（ただし現実には、（ａ）の方法の
方が吐出周波数を多少高く設定できるため、実際に得ら
れる速度比は２〜５倍程度となる）。また、記録ドット
数が少なくて済むということは、画像信号のデータ量が
少なくて済むということであり、記録前に実行される画
像処理プロセスにおいても大幅な時間短縮が可能とな
る。

【０００８】上記のように、高速記録と高画質記録を両
立させる上で、滴径変調は非常に有力な手段となる。そ
のため、インクジェット記録ヘッドで滴径変調を実現す
る方法について、従来より、様々な方法が提案されてい
る。

【０００９】滴径変調を実行する最も簡単な方法として
は、圧電アクチュエータに印加する電圧（図８（ａ）に
おける電圧振幅Ｖ１）を変化させる方法が知られてい
る。すなわち、吐出時における圧力発生室の体積変化量
を増減することにより、吐出するインク滴の体積を変化
させることが可能となる。しかしながら、こうした滴径
変調方式を用いた場合、滴径と同時に滴の飛翔速度（滴
速）が大きく変化してしまうため、滴の着弾位置に大き
な誤差が生じ、結果的に出力画像の品質を著しく低下さ
せてしまうという問題があった。

【００１０】また、こうした滴径変調方式では、ノズル
開口よりも小さな径のインク滴を吐出することが困難で
あるため、滴径の変調範囲を十分大きく取れないという
問題もあった。

【００１１】上記の問題を解決する方法として、吐出直
前のメニスカス形状を変化させることによって滴径変調
を実行する方法が開示されている。例えば特開平２−６
１３７号公報には、記録時に、圧電素子の印加パルス電
圧として、まず一定時間負の第一電圧に保ちつづいて急
激に立ち上げて正の第二電圧に一定時間保った後緩やか
にゼロ電圧にまで下げる駆動方法が従来技術として説明
されている。すなわち、図８（ｂ）に示すように、吐出
を行う第２の電圧変化プロセス３３の直前に、逆方向の
電圧変化を加える第１の電圧変化プロセス３４（立ち下
がり過程）を印加し、この第１の電圧変化プロセス３４
によってノズル内のメニスカス位置を変化させることに
より、吐出されるインクの量を変化させる。滴径の変調
は、第１の電圧変化プロセス３４における電圧変化量
（図８（ｂ）における電圧Ｖ２）を変化させることによ
り実行される。こうしたメニスカス制御を用いると、ノ
ズル開口よりも小さな径のインク滴を吐出することがで
きるため、滴径変調範囲を大きく設定でき、さらに、吐
出滴径による滴速変化を小さく抑えることが可能となる
という利点がある。

【００１２】また特開平２−６１３７号公報には、吐出
滴径による滴速変化を抑制するための駆動方法として、
図９に示すような駆動波形が開示されている。すなわ
ち、吐出時における電圧変化量（Ｖ１、Ｖ１′、Ｖ
１″）が常に一定になるように、駆動電圧波形を設定す
ることにより、吐出滴径にかかわらず、滴速を一定に保
てるとしている。

【００１３】ところで、滴径変調によって高画質記録と
高速記録を両立しようとした場合、重要となるのは滴径
変調範囲（最大滴径と最小滴径の差）の大きさである。
すなわち、いくら階調数（滴径のレベル数）が多くて
も、滴径の変調範囲が狭い場合には、高画質記録と高速
記録を両立することは困難となってしまう。例えば、滴
径変調範囲が大径域で狭い場合（例えば３０〜４０μ
ｍ）、階調数がいくら多くても、ハイライト部の粒状性
が除去できないため、高画質記録は困難となってしま
う。また、滴径変調範囲が小径域で狭い場合（例えば２
０〜３０μｍ）には、ハイライト部の滑らかさは確保で
きるものの、最大滴径が小さいため解像度を高く設定す
る必要があり（例えば８００ｄｐｉ）、高速記録を実現
することが困難となってしまう。

【００１４】つまり、高画質記録と高速記録を両立する
ためには、滴径変調範囲をできるだけ広く設定する必要
がある（例えば２０〜４０μｍ程度の範囲が好まし
い）。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、メニ
スカス制御を用いた滴径変調は、高画質記録と高速記録
を両立する上で非常に有効な手段である。しかしなが
ら、メニスカス制御による滴径変調は、未だ実用化され
るに至っていない。その理由の一つとして、図９に示し
たような従来の駆動方法では、十分に広い滴径変調範囲
を得ることが困難であったことが挙げられる。以下、そ
の理由を詳しく説明する。

【００１６】インクジェット記録ヘッドに使用される圧
電アクチュエータは、その構造（電極間距離、圧電材料
の絶縁破壊性、分極の保持性など）によって、印加でき
る電圧範囲が制限される。後述するように、この許容電
圧範囲が、メニスカス制御を行った際の滴径変調範囲を
左右する。許容電圧範囲は、圧電アクチュエータの構造
や材質によって大きく異なるが、ここでは仮に、許容電
圧範囲を０〜４０Ｖとして説明を続ける。

【００１７】まず、滴径変調を行わない場合について考
えると、図１０（ａ）に示したような駆動波形で吐出を
行うことが可能である。すなわち、許容電圧範囲（０〜
４０Ｖ）の全体を利用し、圧力発生室に大きな体積変化
量を与えることにより、径の大きなインク滴を吐出する
ことが可能となる。なお、インク滴（大滴）の体積は、
圧力発生室の体積変化量とほぼ比例関係にある。

【００１８】ここで、圧力発生室の体積変化量は、圧電
アクチュエータの変位量に比例し、さらに、圧電アクチ
ュエータの変位量は印加電圧にほぼ比例する。従って、
得られる最大滴径は、吐出時の電圧変化量（Ｖ１）によ
って決まり、Ｖ１を可能な限り大きく設定することが、
広い滴径変調範囲を得る上での重要なポイントとなる。

【００１９】次に、従来の駆動波形によって滴径変調を
行う場合について考える。この場合、駆動波形は、図１
０（ｂ）に示すようなものとなる。メニスカス制御によ
って小滴を吐出するためには、吐出直前に大きな「引
き」（圧力発生室体積を増加させるプロセス）を加える
必要があり、その際、印加電圧が許容電圧範囲を超えな
いようにするために、基準電位をオフセットさせる必要
がある。図１０（ｂ）に示す例では、オフセット電圧を
１０Ｖとし、「引き」の強さ（Ｖ２）を変更することに
よって、大・中・小の３種類の滴を吐出するための駆動
波形を示している。

【００２０】このようにメニスカス制御による滴径変調
を行う場合には、基準電位をオフセットする必要が生じ
るため、大滴吐出時に圧電アクチュエータに印加できる
電圧差は減少してしまう。

【００２１】具体的には、図１０（ｂ）に示す例では、
大滴吐出時の電圧差は（４０−１０）＝３０Ｖとなり、
その結果、得られる大滴の体積は、滴径変調を行わない
場合と比較すると、２５％程度も小さくなってしまう。

【００２２】すなわち、限られた電圧範囲で圧電アクチ
ュエータを駆動して滴径変調を行う場合、得られる大滴
径は滴径変調を行わない場合よりも小さくなってしま
い、結果的に、十分な滴径変調範囲を得ることが困難に
なってしまう。

【００２３】上記の問題を解決する一手段として、圧電
アクチュエータの特性を改善し、圧電アクチュエータに
印加できる電圧範囲及び得られる変位量範囲を拡大する
ことが考えられる。しかし、こうした対策は、現実的に
は極めて困難である。すなわち、許容電圧範囲や変位量
範囲を拡大するためには、圧電アクチュエータの厚さや
積層数を増加させることが必要となり、アクチュエータ
の時間応答性低下やコスト増加などの問題を生じさせて
しまう。また、圧電アクチュエータに印加される電圧範
囲が増加すると、圧電アクチュエータ用スイッチング素
子のサイズやコストが増加し、装置コストや装置サイズ
の増加を招くといった問題も生じる。そのため、従来の
駆動方法では、十分な滴径変調範囲を確保することが困
難であり、メニスカス制御による滴径変調を実用化する
上での大きな障害となっていた。

【００２４】したがって本発明は、上記の問題点を解決
すべくなされたものであり、その目的は、狭い印加電圧
範囲によっても広い範囲での滴径変調を可能とし、結果
的に、装置コストや装置サイズの増加を招くことなく、
高画質記録と高速記録の両立を可能とするインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動方法及び装置を提供することであ
る。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する、本
発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法は、ノズ
ル、圧力発生室、及び該圧力発生室に対応した位置に設
けられた電気機械変換器を具備し、記録時に前記電気機
械変換器に駆動電圧を印加し、前記圧力発生室に体積変
化を生じさせることによって前記ノズルからインク滴を
吐出させるインクジェット記録ヘッドの駆動方法におい
て、前記駆動電圧の電圧波形が、吐出直前に前記圧力発
生室の体積を増加させるように電圧を印加する第１の電
圧変化プロセスと、次いで前記圧力発生室の体積を減少
させるように電圧を印加する第２の電圧変化プロセスと
を少なくとも有し構成され、かつ、前記第１の電圧変化
プロセスにおける電圧変化時間を、吐出させるインク滴
の滴径に応じて変化させたことを特徴としたものであ
る。あるいは請求項２乃至１３のいずれか一に記載の本
発明によっても、上記目的を達成することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】上記した本発明の原理・作用を、
集中定数回路モデルを用いたインクジェット記録ヘッド
の理論解析結果を基に説明する。

【００２７】図４（ａ）は、図３に示したインクジェッ
ト記録ヘッドを等価電気回路に置き換えたものである。
ここで、ｍはイナータンス［ｋｇ／ｍ⁴］、ｒは音響抵
抗［Ｎｓ／ｍ⁵］、ｃは音響容量［ｍ⁵／Ｎ］、ｕは体積
速度［ｍ³／ｓ］、φは圧力［Ｐａ］を表わし、添字の
０は振動系、１は圧力発生室系、２はインク供給路系、
３はノズル系をそれぞれ意味している。

【００２８】圧電アクチュエータに高剛性の積層型圧電
アクチュエータを使用する場合には、図４（ａ）の回路
におけるイナータンスｍ０及び音響容量ｃ０を無視する
ことができるため、図４（ａ）の回路は、図４（ｂ）の
回路によって近似することが可能となる。すなわち、イ
ンク供給路系の直列接続したイナータンスｍ２と音響抵
抗ｒ２と、ノズル系の直列接続したイナータンスｍ３と
音響抵抗ｒ３とが、圧力φが印加される圧力発生室系の
音響容量ｃ１に並列接続した等価回路として近似され
る。

【００２９】ノズルと供給路のイナータンス（ｍ２、ｍ
３）及び音響抵抗（ｒ２、ｒ３）に、ｍ２＝ｋ・ｍ３、ｒ２＝ｋ・ｒ３の関係が成り立つものと仮定し、図５（ａ）に示すよう
に、立ち上がり角度θをもつ駆動波形（圧力波形φ）を
入力した場合について、回路解析を行うと、０≦ｔ≦ｔ１の時間内における、ノズル部における体積速度ｕ３′
は、次式（１）のように表わされる。

【００３０】

【００３１】また図５（ｂ）に示すような複雑な形状の
駆動波形を用いた場合のノズル部における体積速度は、
駆動波形の各節（時刻０１、ｔ１、ｔ２、ｔ３の各節
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の部分で発生する圧力波を重ね合わせ
ていくことによって求めることができる。すなわち、図
５（ｂ）の駆動波形で発生するノズル部の体積速度ｕ３
は、各時刻区間毎に、上式（１）を重ね合わせることで
求まり、次式（２）のように表わされる。

【００３２】

【００３３】ところで、上式（１）からもわかるよう
に、圧力波によって生じるノズル部の粒子速度ｕ３′
は、駆動波形の傾きｔａｎθ（θ＝ｔａｎ^-1（Ｖ１／ｔ
１））に比例する。

【００３４】従って、図６に示すように、「引き」の部
分の電圧Ｖ２を一定としても、電圧変化時間（立ち下が
り時間ｔ１）を大きく設定した場合（波形の傾斜小）に
は（図６（ａ）参照）、点Ａで生じる体積速度ｕ３が小
さく抑えられ、その結果、メニスカスの後退量は減少す
る。

【００３５】逆に、立ち下げ時間ｔ１を小さく設定した
場合（波形の傾斜大）には（図６（ｂ）参照）、点Ａ′
で生じる体積速度ｕ３が大きくなり、メニスカスの後退
量が増加する。

【００３６】このように、駆動電圧波形の立ち下がり時
間ｔ１を変化させることによって、メニスカス後退量を
制御することが可能であり、この原理を利用することに
よって、メニスカス制御による滴径変調を実行する際の
滴径変調範囲を拡大することができる。

【００３７】すなわち、小滴を吐出する際には、立ち下
がり時間ｔ１を小さく設定し、メニスカスの後退量を増
加させることにより微小滴を得る（図６（ｂ））。一
方、大滴を吐出する際には立ち下がり時間ｔ１を大きく
設定し、メニスカスの後退量を小さく抑えることにより
大滴を得る（図６（ａ））。

【００３８】この際、印加電圧は、一旦、許容最小電圧
近傍（図６（ａ）では０Ｖ）まで減少させられるため、
吐出時の電圧変化（Ｖ１）には許容電圧範囲（０〜４０
Ｖ）の全体を有効利用でき、大きな大滴径を得ることが
可能となる。

【００３９】以上の原理に基づく、本発明は、その好ま
しい実施の形態において、圧電アクチュエータに印加す
る駆動電圧波形は、図１に示すように、（ａ）インク滴
吐出直前に、圧力発生室の体積を増加させるように、一
旦、所定の基準電位から、所定電圧分立ち下がり変化
し、その際、吐出させるインク滴の吐出滴径に応じて立
ち下がり時間を変化させ、（ｂ）ついで前記圧力発生室
の体積を減少させるように逆方向に変化させることで、
ノズルからインク滴を吐出させる。前記（ａ）の電圧変
化において、前記立ち下がりの電圧変化量である所定電
圧を、吐出させるインク滴の吐出滴径の変化に対して一
定とする。

【００４０】また本発明は、別の実施の形態において、
図２に示すように、前記（ｂ）の電圧変化において、吐
出させるインク滴の吐出滴径に応じて、電圧変化量と、
立ち上がり又は立ち下がりの時間を変化させるようにし
てもよい。

【００４１】また、本発明の実施の形態において、イン
クジェット記録ヘッドの駆動装置は、ノズル、圧力発生
室、及び該圧力発生室に対応した位置に設けられた電気
機械変換器を具備し、記録時に前記電気機械変換器に駆
動電圧を印加し、前記圧力発生室に体積変化を生じさせ
ることによって前記ノズルからインク滴を吐出させるイ
ンクジェット記録ヘッドの駆動装置において、吐出イン
ク滴径に応じてそれぞれ異なる電圧を発生して増幅する
波形発生手段（図７の１０１、１０２）を複数備え、前
記複数の波形発生手段の出力のうちから、記録時の画像
データを基づき、波形発生手段を選択し、前記電気機械
変換器に印加する駆動電圧波形を切り替える切替回路
（１０３）と、を備え、前記電気機械変換器（１０４）
に印加する駆動波形として、吐出直前に、前記圧力発生
室の体積を増加させるように、一旦、所定の基準電位か
ら、所定電圧分、立ち下がり又は立ち上がりの一方に変
化させ、その際、吐出させるインク滴の吐出滴径に応じ
た前記波形発生手段が選択されて前記立ち下がり又は立
ち上がりの時間を、吐出滴径に対応させて変化させ、つ
いで前記圧力発生室の体積を減少させるように逆方向に
変化させることで、前記ノズルからインク滴を吐出させ
る。以下、図面を参照して、実施例に即して詳説する。

【００４２】

【実施例】本発明の一実施例において、インクジェット
記録ヘッドは、図３に示したインクジェット記録ヘッド
と同一の基本構造のものを使用した。

【００４３】ヘッドはパターニングされた複数の薄板を
積層することにより作製した。本実施例では、厚さ５０
〜７５μｍのステンレス板を熱硬化性樹脂による接着層
（厚さ約２０μｍ）を用いて接合した。

【００４４】ヘッドには複数の圧力発生室６１（図３の
紙面垂直方向に配列）が設けられており、それらは共通
インク室６３よって連結されている。共通インク室は６
３インクタンク（図示せず）と連結されており、各圧力
発生室６１にインクを導く働きをしている。

【００４５】各圧力発生室６１は、インク供給路６４を
介して共通インク室６３と連通しており、圧力発生室６
１内はインクで充填されている。また、各圧力発生室６
１にはインクを吐出するためのノズル６２が設けられて
いる。

【００４６】本実施例では、ノズル及びインク供給路は
同一形状とし、開口径３０μｍ、裾径６５μｍ、長さ７
５μｍのテーパー形状とした。孔開け加工はプレスによ
り行った。

【００４７】圧力発生室６１の底面には振動板６５が設
けられており、圧力発生室６１の外側に設置された電気
機械変換器としての圧電アクチュエータ６６によって圧
力発生室の体積を増加または減少させることが可能とな
っている。本実施例では、電鋳（エレクトロフォーミン
グ）で成形したニッケルの薄板を振動板６５として用い
た。また、圧電アクチュエータ６６には積層型圧電セラ
ミクスを用いた。使用した圧電アクチュエータの許容印
加電圧範囲は０〜４０Ｖである。

【００４８】圧電アクチュエータ６６によって圧力発生
室６１に体積変化を生じさせると、圧力発生室６１内に
圧力波が発生する。この圧力波によってノズル部６２の
インクが運動し、ノズル６２から外部へ排出されること
によりインク滴６７が形成される。なお、本実施例で用
いたヘッドの圧力発生室６１内における音響的基本固有
振動モードの固有周期は１４μｓである。

【００４９】圧電アクチュエータ６６の駆動は、以下に
説明するように、駆動回路を構成する波形発生回路及び
スイッチング回路によって行われる。

【００５０】図７は、圧電アクチュエータ６６の駆動回
路の基本構成を示している。図７を参照すると、本実施
例において、滴径を３段階（大滴、中滴、小滴）に変調
するために、それぞれの滴径に応じた３種類の波形発生
回路１０１、１０１′、１０１″が具備されており、各
波形は増幅回路１０２、１０２′、１０２″によって増
幅される。記録時には、画像データを基に、圧電アクチ
ュエータ６６に印加される駆動波形がスイッチング回路
１０３によって切り替えられ、所望滴径のインク滴が吐
出される。

【００５１】図１は、上記したインクジェット記録ヘッ
ドを用いて、吐出滴径を大・中・小の３段階に変調する
ために使用した駆動波形の一例を示す図である。

【００５２】メニスカスを後退させる第一の電圧変化プ
ロセス部１１、１１′、１１″では、電圧変化量を全て
の波形で同一とし（Ｖ２＝Ｖ２′＝Ｖ２″＝１０
Ｖ）、立ち下がり時間（ｔ１、ｔ１′、ｔ１″）は大滴
で１２μｓ、中滴で６μｓ、小滴で２μｓに設定した。

【００５３】インク滴を吐出する第二の電圧変化プロセ
ス部１２、１２′、１２″における条件は、全ての波形
で同一とした（電圧振幅Ｖ１＝Ｖ１′＝Ｖ１″＝４
０Ｖ、立ち上がり時間ｔ３＝ｔ３′＝ｔ３″＝２μ
ｓ）。

【００５４】吐出過程におけるメニスカスの動きを顕微
鏡型レーザー変位計にて観察した結果、吐出直前におけ
るメニスカスの後退量は、大滴用の波形では約５μｍと
小さいことが確認された。これは、立ち下がり時間ｔ１
が１２μｓと大きいため、第一の電圧変化プロセス部１
１にて発生する圧力波の振幅が小さくなるからである。
インク滴の吐出状態を観察した結果、滴径４２μｍの滴
が滴速８ｍ／ｓで吐出されることが確認された。

【００５５】一方、小滴用の波形では、立ち下げ時間ｔ
１″を２μｓと小さく設定しているため、第一の電圧変
化プロセス１１″において大きな圧力波が発生し、メニ
スカスの後退量は３２μｍと大きくなった。その結果、
第二の電圧変化プロセス１２″において、ノズル内に非
常に細い液柱が形成され、滴径２５μｍの滴が滴速７ｍ
／ｓで吐出されることが確認された。

【００５６】中滴用波形は、大滴と小滴の中間となるよ
うに設定されている。すなわち、初期の立ち下がり時間
ｔ１′は６μｓに設定されており、メニスカスの後退量
は１１μｍとなった。その結果、滴径３０μｍの滴が滴
速８ｍ／ｓで吐出された。

【００５７】以上のように、吐出させるインク滴の径が
大きいほど、第一の電圧変化プロセスにおける電圧変化
時間（立ち下がり時間ｔ１）を大きく設定することによ
り、広い範囲でインク滴径を変調することが可能となる
ことが確認された。

【００５８】なお、本実施例で使用したインクジェット
記録ヘッドを、図１０（ｂ）に示した従来の駆動波形で
駆動した場合、得られる大滴径は３５μｍが限界であ
り、滴径変調範囲は２５〜３５μｍであった。

【００５９】これに対して、図１に示した本実施例の駆
動波形では、滴径変調範囲は２５〜４２μｍであり、本
発明が滴径変調範囲の拡大に有効であることが確認され
た。

【００６０】また図１０（ｂ）に示した従来の駆動波形
を用いて、２５〜４２μｍの滴径変調範囲を得ようとし
た場合、最大印加電圧を４８Ｖまで増加させる必要があ
り、圧電アクチュエータの信頼性を損なう（絶縁破壊、
寿命の短縮化など）と共に、圧電アクチュエータ用スイ
ッチング回路のコスト増を招き、結果的に、装置のコス
ト増加や信頼性低下といった問題を生じさせることがわ
かった。

【００６１】一方、本実施例の駆動波形では、許容電圧
範囲（０〜４０Ｖ）で広い滴径変調範囲を実現すること
ができるため、高信頼性及び低装置コストを確保しなが
ら、滴径変調による高画質・高速記録を実現することが
可能となる。

【００６２】図２は、本発明の第２の実施例の駆動波形
を示す図であり、吐出滴径を大・中・小の３段階に変調
するために用いた駆動波形の一例を示す図である。

【００６３】初期の立ち下がり電圧Ｖ２は全ての波形で
同一とし（Ｖ２＝１０Ｖ）、立ち下がり時間（ｔ１、ｔ
１′、ｔ１″）を吐出滴径に応じて変化させている点は
上述の第一の実施例と同様であるが（ｔ１＝１２μｓ、
ｔ１′＝６μｓ、ｔ１″＝２μｓ）、滴吐出時の電圧波
形、すなわち第二の電圧変化プロセス以降の電圧波形
を、吐出滴径に応じて変化させている点が、前記第一の
実施例と相違している。

【００６４】大滴用の駆動波形では、より一層大きな滴
が得られるように、立ち上がり時間ｔ３を圧力波の固有
周期に近い１０μｓに設定している。これにより、滴径
４５μｍの滴を滴速８ｍ／ｓで飛翔させることができた
（Ｖ１＝４０Ｖ）。

【００６５】一方、小滴用波形では、ｔ３″＝２μｓの
速い立ち上がり時間で圧力発生室を圧縮した直後に（Ｖ
１″＝１５Ｖ）、ｔ４″＝２μｓの速い立ち下がり時間
で再び圧力発生室を膨張させている。こうしたプロセス
によって、吐出されるインク滴のサイズをさらに減少さ
せることが可能となり、本実施例では滴径１９μｍの微
小滴が滴速６ｍ／ｓで吐出された。

【００６６】中滴用波形では、２μｓの早い立ち上げ時
間で圧力発生室を圧縮した後（Ｖ１′＝２０Ｖ）、約１
４μｓの間電圧を保持し、その後緩やかに基準電圧に戻
した。これにより、滴径３０μｍの滴を滴速８ｍ／ｓで
吐出することができた。なお、中滴用の駆動波形として
は、これ以外にも様々なパターンが考えられる。例え
ば、小滴用波形と同様の形状で、立ち上げ／立ち下がり
時間（ｔ３、ｔ４）を５μｓ程度に設定することによっ
ても、滴径約３０μｍの滴を吐出することができる。

【００６７】上記のように、吐出させるインク滴の径が
大きいほど、第一の電圧変化プロセスにおける電圧変化
時間（立ち下げ時間ｔ１）を大きく設定し、さらに、第
二の電圧変化プロセス以降の駆動波形を吐出滴径に応じ
て変化させることによって、極めて広い滴径変調範囲
（本実施例では１９〜４５μｍ）が得られることが確認
された。

【００６８】以上、各実施例について説明したが、本発
明は、上記した実施例の構成に限定されるものではな
い。例えば上記実施例では、すべて基準電位を１０Ｖに
オフセットさせているが、圧電アクチュエータが負極性
の電圧を印加できる場合には、必ずしも基準電位をオフ
セットする必要はない。また、第一の電圧変化プロセス
終了時における電圧を、大・中・小滴用波形の全てにつ
いてで同一（０Ｖ）に設定したが、別々の電圧に設定し
てもよい。また上記実施例では滴径変調の段階数を、大
・中・小の３段階としたが、本発明はかかる構成に限定
されるものでなく、３段階以上、もしくは３段階以下に
設定した場合においても、本発明は適用可能である。

【００６９】さらに、圧電アクチュエータには圧電定数
ｄ３３を利用した縦振動モードのものを用いたが、圧電
定数ｄ３１を利用した縦振動モードのアクチュエータや
横振動モード（撓み変形モード）を利用したアクチュエ
ータを用いた場合にも、本発明を適用することができ、
上記と同様の作用効果が得られる。

【００７０】そして上記実施例では、積層型圧電アクチ
ュエータを用いたが、単板型圧電アクチュエータを用い
た場合においても、本発明を適用することが可能であ
る。

【００７１】また、上記した各実施例では、図３に示す
ようなカイザー型インクジェット記録ヘッドを用いた
が、圧電アクチュエータに設けた溝を圧力発生室とする
記録ヘッドなど、その他の構造のインクジェット記録ヘ
ッドに対しても、本発明は同様にして適用することがで
きる。

【００７２】さらに、圧電アクチュエータ以外の電気機
械変換器、例えば静電力や磁力を利用したアクチュエー
タを利用したインクジェット記録ヘッドに対しても、本
発明を適用することができる。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
下記記載の効果を奏する。

【００７４】本発明の第１の効果は、メニスカス制御を
利用した滴径変調を実行する際に、広い滴径変調範囲が
得られるため、高速記録と高画質記録を両立することが
可能となる、ということである。

【００７５】また、本発明の第２の効果は、装置の信頼
性確保やコスト低減を可能とする、ということである。

【００７６】その理由は、圧電アクチュエータに印加す
る電圧レンジを小さく設定できるためである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のインクジェット記録ヘッド
の駆動波形を示す図である。

【図２】本発明の第二の実施例のインクジェット記録ヘ
ッドの駆動波形を示す図である。

【図３】インクジェット記録ヘッドの基本構造を示す断
面図である。

【図４】インクジェット記録ヘッドの等価電気回路を示
す図である。

【図５】駆動波形とノズル部粒子速度の関係を説明する
ための図である。

【図６】本発明における、立ち下がり時間制御による滴
径変調の原理を説明するための図である。

【図７】本発明の一実施例における、インクジェット記
録ヘッドの制御回路の構成を示すブロック図である。

【図８】従来の駆動波形を示す図である。

【図９】滴径変調を実行する場合の従来の駆動波形の一
例を示す図である。

【図１０】許容電圧範囲と滴径変調範囲の関係を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１１、２１第１の電圧変化プロセス１２、２２第２の電圧変化プロセス６１圧力発生室６２ノズル６３共通インク室６４インク供給路６５振動板６６、１０４圧電アクチュエータ１０１波形発生回路１０２増幅回路１０３スイッチング回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル、圧力発生室、及び該圧力発生室に
対応した位置に設けられた電気機械変換器を具備し、記
録時に前記電気機械変換器に駆動電圧を印加し、前記圧
力発生室に体積変化を生じさせることによって前記ノズ
ルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッド
の駆動方法において、前記駆動電圧の電圧波形が、吐出直前に前記圧力発生室
の体積を増加させるように電圧を印加する第１の電圧変
化プロセスと、次いで前記圧力発生室の体積を減少させるように電圧を
印加する第２の電圧変化プロセスと、を少なくとも有
し、前記第１の電圧変化プロセスにおける電圧変化時間を、
吐出させるインク滴の滴径に応じて変化させる、ことを
特徴とするインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
【請求項２】前記第１の電圧変化プロセスの電圧変化時
間を、吐出インク滴の滴径が大きいときほど長くなるよ
うに設定する、ことを特徴とする請求項１記載のインク
ジェット記録ヘッドの駆動方法。
【請求項３】前記第１の電圧変化プロセスの終了時にお
ける駆動電圧の値を、異なるインク滴径に対応する全て
の駆動電圧波形に対して同一となるように設定する、こ
とを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット記
録ヘッドの駆動方法。
【請求項４】前記第２の電圧変化プロセスにおける電圧
変化時間及び電圧変化量を、吐出インク滴の滴径に応じ
て変化させる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいず
れか一に記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
【請求項５】ノズル、圧力発生室、及び該圧力発生室に
対応した位置に設けられた電気機械変換器を具備し、記
録時に前記電気機械変換器に駆動電圧を印加し、前記圧
力発生室に体積変化を生じさせることによって前記ノズ
ルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッド
の駆動方法において、前記電気機械変換器に印加する駆
動電圧波形が、（ａ）インク滴の吐出直前に、前記圧力発生室の体積を
増加させるように、一旦、所定の基準電位から、所定電
圧分、立ち下がり又は立ち上がりの一方に変化し、その
際、吐出させるインク滴の吐出滴径に応じて前記立ち下
がり又は立ち上がりの時間を変化させ、（ｂ）ついで前記圧力発生室の体積を減少させるよう
に、前記（ａ）の電圧変化方向と逆方向に変化させるこ
とで、前記ノズルからインク滴を吐出させ、（ｃ）その後、前記基準電位に復帰する、前記（ａ）乃至（ｃ）の過程を含むことを特徴とするイ
ンクジェット記録ヘッドの駆動方法。
【請求項６】前記（ａ）の電圧変化において、前記立ち
下がり又は立ち上がりの電圧変化量を、吐出させるイン
ク滴の吐出滴径の変化に対して一定とする、ことを特徴
とする請求項５記載のインクジェット記録ヘッドの駆動
方法。
【請求項７】前記（ａ）の電圧変化において、前記基準
電位からの前記立ち下がり又は立ち上がりの電圧が、前
記電気機械変換器の許容電圧範囲の下限又は上限のいず
れか、もしくは前記下限／又は上限の近傍に達するよう
にし、吐出時の前記（ｂ）の電圧変化が、許容電圧範囲
の全体にわたることを可能とした、ことを特徴とする請
求項５記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
【請求項８】前記（ａ）の電圧変化の前記立ち下がり又
は立ち上がりの時間を、吐出させるインク滴の吐出滴の
大小に応じて増減する、ことを特徴とする請求項５記載
のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
【請求項９】前記（ｂ）の電圧変化において、吐出させ
るインク滴の吐出滴径に応じて、電圧変化量と、立ち上
がり又は立ち下がりの時間を変化させる、ことを特徴と
する請求項５記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方
法。
【請求項１０】前記（ｂ）の電圧変化において、大滴径
用の駆動波形においては、立ち上がり又は立ち下がりの
時間を圧力波の固有周期に近い時間に設定し、一方、小滴径用の駆動波形においては、相対的に速い立
ち上がり又は立ち下がりの時間で圧力発生室を圧縮した
直後に、相対的に速い立ち下がり又は立ち上がりの時間
で、再び圧力発生室を膨張させ、中滴径用の駆動波形においては、相対的に速い立ち上が
り時間で前記圧力発生室を圧縮した後所定時間該電圧を
保持し、その後緩やかに前記基準電圧に戻す、ことを特
徴とする請求項９記載のインクジェット記録ヘッドの駆
動方法。
【請求項１１】ノズル、圧力発生室、及び該圧力発生室
に対応した位置に設けられた電気機械変換器を具備し、
記録時に前記電気機械変換器に駆動電圧を印加し、前記
圧力発生室に体積変化を生じさせることによって前記ノ
ズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッ
ドにおける前記電気機械変換器の駆動回路が、吐出インク滴径に応じてそれぞれ異なる電圧を発生して
増幅する波形発生手段を複数備え、前記複数の波形発生手段の出力のうちから、記録時の画
像データに基づき、波形発生手段を選択し、前記電気機
械変換器に印加する駆動電圧波形を切り替える切替回路
と、を備え、前記電気機械変換器に印加する駆動波形として、吐出直
前に、前記圧力発生室の体積を増加させるように、一
旦、所定の基準電位から、所定電圧分、立ち下がり又は
立ち上がりの一方に変化させ、その際、吐出させるイン
ク滴の吐出滴径に応じた前記波形発生手段が選択されて
前記立ち下がり又は立ち上がりの時間を、吐出滴径に対
応させて変化させ、ついで前記圧力発生室の体積を減少させるように逆方向
に変化させることで、前記ノズルからインク滴を吐出さ
せる、ことを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項１２】前記（ａ）の電圧変化において、前記立
ち下がり又は立ち上がりの電圧変化量を、吐出させるイ
ンク滴の吐出滴径の変化に対して一定とする、ことを特
徴とする請求項１１記載のインクジェット記録装置。
【請求項１３】前記（ｂ）の電圧変化において、吐出さ
せるインク滴の吐出滴径に応じて、電圧変化量と、立ち
上がり又は立ち下がりの時間を変化させる、ことを特徴
とする請求項１１記載のインクジェット記録装置。