JP2001334659A - インクジェット記録ヘッドの駆動方法及びインクジェット記録装置 - Google Patents

インクジェット記録ヘッドの駆動方法及びインクジェット記録装置

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voltage
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真一 奥田
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友宏 和田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境温度の変化によらず、大滴吐出時のサテ
ライトの飛翔状態を常に良好な状態に保ち、かつ、大滴
吐出後のリフィル動作を高速化させるインクジェット記
録ヘッドの駆動方法及びインクジェット記録装置を提供
する。 【解決手段】 圧電アクチュエータを駆動する駆動波形
は、立ち上げ時間ｔ1 で圧力発生室を圧縮する第１の電
圧変化プロセス７１と、時間ｔ2 のあいだ電圧を保持し
た後、立ち下げ時間ｔ3 で圧力発生室を膨張させる第２
の電圧変化プロセス７２を有する。ここで、ノズル部に
発生する粒子速度の第１ピーク値ｖ1 と第２ピーク値ｖ
2 が、室温環境下において０．３≦ｖ2 ／ｖ1 ≦０．６
の条件を満足するように第２の電圧変化プロセスの開始
時間、電圧変化時間、および電圧変化量を設定すること
で、広い温度範囲での低速サテライトや微小サテライト
の発生を防ぎ、サテライトの飛翔状態を常に良好に保つ
ことが可能となり、大滴吐出後のリフィルを高速化で
き、高周波でのインク滴吐出が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ノズルからインク
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インクジェット記録装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、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として、例えば、特公
昭５３−１２１３８号公報や特開平１０−１９３５８７
号公報に開示されるものが一般に知られている。
【０００３】図１１は、上述される各公知例にて開示さ
れるインクジェット記録装置における記録ヘッドの一構
成例を示す図である。圧力発生室１１１には、インクを
吐出するためのノズル１１２と共通インク室１１３とを
介して不図示のインクタンクからインクを導くためのイ
ンク供給路１１４が連結されている。
【０００４】また、圧力発生室１１１の底面には振動板
１１５が設けられている。インク滴吐出時には、圧力発
生室１１１外部に設けられた圧電アクチュエータ１１６
によって該振動板１１５を変位させ、圧力発生室１１１
に体積変化を生じさせることにより、圧力発生室１１１
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１１１内に充填されていたインクの一部がノズル１
１２を通って外部に噴射され、インク滴１１７となって
飛翔する。飛翔したインク滴１１７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。このような記
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。
【０００５】圧電アクチュエータ１１６には、吐出させ
るインク滴の大きさに対応して様々な形状の駆動波形が
印加されるものであるが、文字や高濃度部の記録に用い
られる大径のインク滴を吐出する場合には、図１２
（ａ）に示すような駆動波形が一般に用いられている。
【０００６】すなわち、電圧変化プロセス１２１におい
て圧電アクチュエータ１１６への印加電圧を増加し、圧
力発生室１１１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１２
２において電圧を基準電圧(Ｖb ) まで戻す。
【０００７】なお、駆動電圧と圧電アクチュエータ１１
６の動作との関係は、圧電アクチュエータ１１６の構造
や分極方向によって異なるが、本発明においては、駆動
電圧を増加させると圧力発生室１１１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１１１の体積が
増加するものとする。
【０００８】また、インク滴の飛翔状態を安定化するた
めに、図１２（ｂ）に示すような駆動波形が用いられる
こともある。この波形は、インク滴を吐出するための電
圧変化プロセス１２１’の直前に、圧力発生室１１１の
体積を僅かに増加させる電圧変化プロセス１２３’が付
加されており、この電圧変化プロセス１２３’の作用に
よってインク滴の吐出状態が安定化する。すなわち、吐
出前に圧力発生室１１１を僅かに膨張させることによ
り、ノズル開口部のメニスカスが圧力発生室１１１側に
引き込まれ、吐出直前のメニスカス形状は僅かに凹形状
となる。
【０００９】このようにメニスカスを凹形状にした状態
からインク滴の吐出を実行すると、ノズル表面の濡れや
ノズル開口部の形状不均一（バリなど）の影響を受け難
くなり、インク滴の吐出方向やサテライトの発生状態な
どを安定化することが可能となる。
【００１０】図１３（ａ）は、図１２（ａ）の駆動波形
によってインク滴を吐出した際におけるインク滴の飛翔
状態を示している。ノズル開口１３１から排出されたイ
ンク滴の後部には尾１３２が付いており、これが飛翔過
程において主滴１３３と分離し、サテライト１３４を形
成する。このサテライト１３４は、飛翔過程において球
形状となり、主滴と同等もしくは若干低い速度で飛翔
し、記録紙上に着弾する。
【００１１】図１４（ａ）は、大滴吐出直後のメニスカ
スの状態を模式的に示した図である。インク滴の吐出が
行われると、ノズル１４１内部のインク量が減少するた
め、凹形状のメニスカス１４２が形成される。凹形状に
なったメニスカス１４２は、インクの表面張力の作用に
よって徐々にノズル開口部まで復帰し、吐出前の状態に
回復する。このようなメニスカスの回復動作のことを
「リフィル」と称する。
【００１２】インク滴を連続吐出する場合、リフィルが
完了してから次の吐出を実行しなければインク滴の滴径
や滴速が不安定化してしまうため、安定した連続吐出を
実行することはできない。つまり、インクジェット記録
ヘッドの最大駆動周波数は、リフィルの速度に支配され
る。そのため、従来のインクジェット記録ヘッドでは、
リフィルを高速化できるようにインクジェット記録ヘッ
ドの設計を行い、記録速度（駆動周波数）を可能な限り
増加できるようにしていた。
【００１３】具体的には、インクタンク−ノズル間にお
けるインク流路の流路抵抗（音響抵抗）やイナータンス
（慣性）が小さくなるように、ノズルや供給路の径、圧
力発生室の長さ及び断面積等を設定していた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、昨今の
インクジェット記録装置の高画質化及び高速化に伴っ
て、従来のような駆動波形設計及びヘッド設計では対応
することのできないような以下の問題が発生している。
【００１５】第１の問題は、大径インク滴（大滴）を吐
出する際に発生するサテライトが、画像品質を低下させ
てしまうという問題である。上述したように、大滴吐出
時にはサテライトが発生するが、主滴とサテライトの着
弾位置に大きなずれが生じると画像品質を著しく悪化さ
せてしまう。特に、インク滴の滴径を数段階に変調し
（滴径変調）、写真等の階調画像を高画質で出力しよう
とする場合、サテライトの着弾位置を精度よく制御しな
ければ高画質を得ることは不可能である。
【００１６】上記のようなサテライトの着弾位置ずれに
よる画質劣化は、環境温度が変化した際に特に顕著にな
る。図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は、環境温度による
飛翔状態の変化を模式的に示した図である。図１２
（ａ）に示した従来の駆動波形の一例により大滴吐出を
行った場合、室温環境（２５℃）及び高温環境（４０
℃）においては、図１３（ａ）のような正常な飛翔状態
が得られ、記録結果にも問題は生じなかった。
【００１７】しかし、低温環境（５℃）で記録を行った
場合には、図１３（ｃ）に示すようにインク滴の尾が非
常に長くなり、低速サテライト１３６が発生することが
観察された。こうした低速サテライト１３６は、浮遊し
た状態で紙面上に着弾し、画像全体の鮮鋭度を大幅に低
下させると共に、画像の余白部分にもサテライトが付着
し、画像品質が著しく悪化してしまうという問題があっ
た。
【００１８】また、別の従来の駆動波形を用いた場合に
は、室温環境下及び低温環境下においては、図１３
（ａ）のような正常な飛翔状態が得られたが、高温時に
は、図１３（ｂ）に示すように微小サテライト１３５が
大量に発生することが観察された。こうした微小サテラ
イト１３５は、ノズルプレートの表面に付着しやすく、
連続吐出時における滴の吐出方向悪化や、吐出不良の発
生などの原因となっていた。
【００１９】以上のように、環境温度が変化しても常に
良好な画像記録を実現するためには、大滴吐出時に発生
するサテライトを常に正常な状態に維持しなければなら
ない。しかし、従来はサテライトの制御方法が確立でき
ていなかったため、広い温度範囲で常に良好なサテライ
ト状態を維持することは極めて困難であった。
【００２０】従来の駆動波形及びヘッド設計で対応でき
ない第２の問題として、リフィルの高速化が挙げられ
る。前述した通り、インク滴の吐出周波数を上げるため
にはリフィル速度を増加させる必要があり、そのために
はノズル径、インク供給路径、及び圧力発生室の断面積
などを増加させ、インク流路の流体抵抗及びイナータン
スを減少させる必要がある。しかし、ノズル径の増加
は、高画質記録を行う上で不可欠である微小滴吐出に不
利となるため、ノズル径を一定以上大きくすることはで
きないものであった（通常は３５μｍ程度が上限）。
【００２１】また、インク供給路径の増加は吐出効率の
低下を招くため、これも大幅に増加させることは困難で
ある。圧力発生室に関しては、断面積の増加と長さの減
少がリフィルの高速化に有効となるが、圧力発生室の形
状は圧力波の固有周期やノズルの配列密度等と密接に関
係しているため、形状の自由度は小さく、圧力発生室形
状の変更によってリフィル速度を大幅に増加することは
困難である。
【００２２】つまり、従来のインクジェット記録ヘッド
では、ヘッド構造の改良によってリフィル速度を大幅に
増加することは困難であり、記録速度の向上という昨今
の要求に十分対応できないといった問題があった。
【００２３】本発明は、上述される問題点に鑑みて成さ
れたものであり、大滴吐出時のサテライトを常に良好な
状態で飛翔させ、環境温度の変化にかかわらず常に高画
品質の画像記録が可能となると共に、大滴吐出後のリフ
ィル速度を増加させ、高周波駆動に適したインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動方法及びインクジェット記録装置を
提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、電気機械変換器に駆動電圧
を印加し、該電気機械変換器を変形させて、インクが充
填された圧力発生室内に圧力変化を生じさせて該圧力発
生室に連通される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であって、駆動電圧の
電圧波形が、圧力発生室の体積を収縮させてインク滴を
吐出させるための第１の電圧変化プロセスと、圧力発生
室の体積を膨張させるための第２の電圧変化プロセスと
を少なくとも有し、ノズル部に発生する粒子速度の第１
ピーク値ｖ1 と第２ピーク値ｖ2 とが、室温環境下にお
いて、０．３≦ｖ2 ／ｖ1 ≦０．６の条件を満足するよ
うに第２の電圧変化プロセスの開始時間、電圧変化時
間、及び電圧変化量を設定することを特徴とする。
【００２５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、第１の電圧変化プロセスの電圧変化時間
を、圧力発生室内に発生する圧力波の固有周期の略１／
２に設定することを特徴とする。
【００２６】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、第１の電圧変化プロセスの終了時
刻と第２の電圧変化プロセスの開始時刻との時間間隔
を、圧力波の固有周期の略１／２に設定することを特徴
とする。
【００２７】請求項４記載の発明は、請求項１から３の
いずれか１項に記載の発明において、第２の電圧変化プ
ロセスの電圧変化時間を、圧力波の固有周期の１／２以
上に設定することを特徴とする。
【００２８】請求項５記載の発明は、電気機械変換器に
駆動電圧を印加し、該電気機械変換器を変形させて、イ
ンクが充填された圧力発生室内に圧力変化を生じさせる
ことで、該圧力発生室に連通される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を使用して文字
や画像の記録を行うインクジェット記録装置であって、
駆動電圧の電圧波形が、圧力発生室の体積を収縮させて
インク滴を吐出させるための第１の電圧変化プロセス
と、圧力発生室の体積を膨張させるための第２の電圧変
化プロセスと、を少なくとも有して構成され、ノズル部
に発生する粒子速度の第１ピーク値ｖ1 と第２ピーク値
ｖ2 とが、室温環境下において、０．３≦ｖ2 ／ｖ1 ≦
０．６の条件を満足するように第２の電圧変化プロセス
の開始時間、電圧変化時間、及び電圧変化量を設定する
ことを特徴とする。
【００２９】請求項６記載の発明は、請求項５記載の発
明において、第１の電圧変化プロセスの電圧変化時間
を、圧力発生室内に発生する圧力波の固有周期の略１／
２に設定することを特徴とする。
【００３０】請求項７記載の発明は、請求項５または６
記載の発明において、第１の電圧変化プロセスの終了時
刻と第２の電圧変化プロセスの開始時刻との時間間隔
を、圧力波の固有周期の略１／２に設定することを特徴
とする。
【００３１】請求項８記載の発明は、請求項５から７の
いずれか１項に記載の発明において、第２の電圧変化プ
ロセスの電圧変化時間を、圧力波の固有周期の１／２以
上に設定することを特徴とする。
【００３２】請求項９記載の発明は、請求項５から８の
いずれか１項に記載の発明において、電気機械変換器
が、圧電振動子を含んで構成されることを特徴とする。
【００３３】〈作用〉本発明は、電気機械変換機に駆動
電圧を印加し、この電気機械変換機を変形させてインク
が充填された圧力発生室内に圧力変化を生じさせること
で、当該圧力発生室内に連通される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及び
インクジェット記録装置において、駆動電圧の電圧波形
が、圧力発生室の体積を収縮させてインク滴を吐出させ
るための第１の電圧変化プロセスと、次いで圧力発生室
の体積を膨張させるための第２の電圧変化プロセスと、
を含んで構成され、ノズルに発生する粒子速度の第１の
ピーク値Ｖ1 と第２のピーク値Ｖ2 とが、室温環境下に
おいて、０．３≦Ｖ1 ／Ｖ2 ≦０．６を満足するよう
に、第２の電圧変化プロセスの開始時間、電圧変化時
間、及び電圧変化量を設定する。
【００３４】すなわち、従来のインクジェット記録ヘッ
ドの駆動方法及びインクジェット記録装置において、大
滴吐出直後の圧力波残響の作用は十分に解明されておら
ず、駆動波形の残響制御部が適切に設定されていなかっ
たのに対し、本発明者らは、数多くの吐出観察実験に基
づいて、大滴吐出直後の残響を一定の条件を満足するよ
うに設定することで、サテライトの飛翔状態を最適化で
きると共に、リフィル速度の高速化が可能になることを
見出した。これにより、ヘッド構造を変更することな
く、画像品質及び記録速度（駆動周波数）を向上させ
る。
【００３５】
【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの駆動
方法及びインクジェット記録装置を詳細に説明する。ま
ず、上述した本発明の原理・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に
基づいて説明する。
【００３６】図１（ａ）は、図１１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回路図であ
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」は駆動部、
「１」は圧力発生室、「２」はインク供給路、「３」は
ノズルをそれぞれ表すものである。
【００３７】図１（ａ）の回路において、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、振動系のイナータンスｍ0 、音響抵抗ｒ0 、
及び音響容量ｃ0 を無視することができる。また、圧力
波の解析時には、ノズルの音響容量ｃ3 も無視すること
ができるため、図１（ａ）に示される回路は、図１
（ｂ）に示される回路によって近似することが可能とな
る。
【００３８】ノズルとインク供給路のイナータンス及び
音響抵抗に、ｍ2 ＝ｋ・ｍ3 、ｒ2＝ｋ・ｒ3 の関係が
成り立つと仮定し、図２（ａ）のように立ち上がり角度
θをもつ駆動波形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での粒子
速度ｖ3 ’は次式のように表わされる（Ａ3 は、ノズル
の開口面積を示す）。
【００３９】
【数１】
【００４０】図２（ｂ）のような複雑な形状の駆動波形
を用いた場合の粒子速度は、駆動波形の各節（Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ）で発生する粒子速度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２（ｂ）の駆
動波形で発生する粒子速度ｖ3 は、次式のように表わさ
れる。
【００４１】
【数２】
【００４２】図３は、従来の駆動波形の一例に対し、上
式を用いて粒子速度ｖ3 を求めた結果である。図３
（ａ）の駆動波形は、第１の電圧変化プロセス３１と第
２の電圧変化プロセス３２によって構成されており、圧
力波は節Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４個所で発生する。電圧変化
のタイミング及び電圧変化時間は、ｔ1 ＝５μｓ、ｔ2
＝５μｓ、ｔ3 ＝５μｓである。
【００４３】図３（ｂ）は、駆動波形の各節で発生する
粒子速度を式（１）に基づいて計算した結果であり（振
動要素のみを考慮）、図中の細線は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの
各節で発生するそれぞれの粒子速度を示しており、図中
の太線は、それらを重ね合わせた粒子速度を表わしてい
る。また、図３（ｃ）は、式（２）により実際にノズル
に生じる粒子速度を求めた結果である。
【００４４】ここで重要なのは、第１の電圧変化プロセ
スを構成する節Ａ及び節Ｂで発生する粒子速度の合成波
Ａ＋Ｂと、第２の電圧変化プロセスを構成する節Ｃ及び
節Ｄで発生する粒子速度の合成波Ｃ＋Ｄ（ｔ3 が大きい
場合は節Ｃのみ）の関係である。ここに示した従来駆動
波形の場合、図３（ｂ）から分かるように、合成波Ａ＋
Ｂと合成波Ｃ＋Ｄの振幅がほぼ等しく、位相が１８０°
ずれているため、両者が相殺し合い、残響が非常に小さ
くなっている。
【００４５】一方、図４に示した別の従来駆動波形（ｔ
1 ＝５μｓ、ｔ2 ＝１０μｓ、ｔ3＝１２μｓ）では、
節Ｃによる圧力発生タイミングが遅く、かつ、合成波Ａ
＋Ｂと合成波Ｃ＋Ｄの位相差が一致しているため、大き
な残響が残っている。このように、第２の電圧変化プロ
セスの設定によって、吐出直後に発生する粒子速度（残
響）は大きく変化するものである。
【００４６】本発明者らは、多数の吐出観察実験をもと
に、吐出直後に発生する粒子速度の大きさ（残響強度）
とサテライトの発生状態との間に強い相関があることを
見出した。すなわち、図３に示されるように吐出後の残
響が非常に小さい場合には、図１３（ｃ）に示したよう
にインク滴の尾が非常に長くなり、低速サテライトが飛
翔しやすいことが明らかになった。
【００４７】一方、図４に示されるように吐出後の残響
が非常に大きい場合には、図１３（ｂ）のように、イン
ク滴の尾が短くなり、微小サテライトが飛翔しやすくな
ることが確認された。つまり、吐出直後の残響は、大き
すぎても小さすぎても問題が生じるものであり、適度な
設定範囲が存在することが明らかになった。そして、そ
の適度な設定範囲について調査を行った結果、ノズル部
に発生する粒子速度の第１のピーク値ｖ1 と第２のピー
ク値ｖ2 （図３（ｃ）、図４（ｃ）参照）の間に下式の
関係を成立させれば、サテライトの飛翔状態を広い環境
温度範囲において安定化できることを明らかにした。 ０．３≦ｖ2 ／ｖ1 ≦０．６ （３）
【００４８】また、本発明者らは、吐出後の残響の大き
さとリフィル速度との間にも強い相関があることを見出
した。すなわち、図３のように吐出後の残響が非常に小
さい場合には、リフィル時間は非常に低速になり、図４
のように吐出後の残響が非常に大きい場合には高速にな
ることを明らかにした。
【００４９】残響強度が大きいほどリフィルが高速化す
る理由としては、メニスカスに生じる毛細管力の増加が
考えられる。すなわち、残響が小さい場合には、図１４
（ａ）に示したように、滴吐出後のメニスカスは放物線
に近い形状を保った状態で徐々にノズル開口部まで復帰
してくるのに対し、残響が大きい場合には、図１４
（ｂ）に示すように形状が複雑化する。メニスカスに働
く毛細管力は、液面の曲率半径に依存し、図１４（ｂ）
に示すように局所的な曲率半径が小さくなる方が毛細管
力は大きくなる。従って、残響が大きく、メニスカス形
状が複雑化するほど、メニスカスに働く毛細管力が増加
し、リフィル速度が大きくなると推測される。
【００５０】上記のように、リフィル速度の観点から見
ると、残響は大きいほど好ましい。しかし、残響が一定
以上大きくなると、残響の減衰に要する時間が増大し、
高周波での連続吐出時に吐出が不安定化するという問題
が生じてしまう（特に高温で顕著）。
【００５１】本発明者らの吐出観察実験によれば、ｖ2
／ｖ1 ＞０．６５になると、高温での吐出安定性が不安
定化しやすいことが確認された。従って、リフィル高速
化の観点のみからは、ｖ2 ／ｖ1 を０．５〜０．６程度
に設定することが望ましいと言える。
【００５２】以上述べたように、サテライトの飛翔状態
及びリフィルの高速化の二つの観点から考えると、大滴
吐出後の残響は適正な範囲で残した方が良く、具体的に
はノズル部に発生する粒子速度の第１のピーク値ｖ1 と
第２のピーク値ｖ2 の間に式（３）の関係を成り立たせ
ることが重要である。
【００５３】本発明の各実施例において、インクジェッ
ト記録ヘッドは、図１１に示した従来のインクジェット
記録ヘッドと同一の基本構造のものを使用した。
【００５４】インクジェット記録ヘッドは、エッチング
等によって穿孔加工された複数の薄板を、接着剤によっ
て積層接合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５μｍ) を用いて接合した。
【００５５】インクジェット記録ヘッドには、複数の圧
力発生室１１１（図１１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１１３によって連結
されている。共通インク室１１３はインクタンク（図示
せず) と連結されており、各圧力発生室１１１にインク
を導く働きをしている。
【００５６】各圧力発生室１１１は、インク供給路１１
４を介して共通インク室１１３と連通しており、圧力発
生室１１１内はインクで充填されている。また、各圧力
発生室１１１には、インクを吐出するためのノズル１１
２が設けられている。
【００５７】本実施例では、ノズル１１２及びインク供
給路１１４は同一形状とし、開口径３０μｍ、裾径６５
μｍ、長さ７５μｍ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。
【００５８】圧力発生室１１１の底面には、振動板１１
５が設けられており、圧力発生室１１１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（圧電
振動子）１１６によって圧力発生室１１１を膨張または
圧縮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１１５として用いた。
【００５９】圧電アクチュエータ１１６には、積層型圧
電セラミックスを用いた。圧電アクチュエータ１１６に
よって圧力発生室１１１に体積変化を生じさせると、当
該圧力発生室１１１内に圧力波が発生する。この圧力波
によってノズル１１２のインクが運動し、ノズル１１２
から外部へ排出されることによりインク滴１１７が形成
される。なお、本実施例で用いたヘッドの固有周期Ｔc
は１０μｓである。また、固有周期Ｔc の値は、上述さ
れる値に限定されるわけでないが、大滴の滴速や小滴吐
出性等を考慮すると、固有周期Ｔc は７〜１５μｓの範
囲内に設定することが望ましい。
【００６０】次に、図５及び図６を参照して、圧電アク
チュエータを駆動するための駆動回路の基本構成につい
て説明する。
【００６１】図６は、吐出するインク滴の径を固定する
場合（滴径変調を行わない場合）の駆動回路の一例であ
る。この例の駆動回路は、駆動波形信号を発生して電力
増幅した後、圧電アクチュエータに供給して駆動するこ
とにより、記録紙上に文字や画像を印字させるもので、
同図に示すように、波形発生回路６１と、増幅回路６２
と、スイッチング回路（トランスファ・ゲート回路）６
３と、圧電アクチュエータ６４と、を少なくとも有して
概略構成されている。
【００６２】波形発生回路６１は、デジタル・アナログ
変換回路と、積分回路と、から構成され、駆動波形デー
タをデジタル・アナログ変換回路にてアナログ変換した
後、積分回路にて積分処理して駆動波形信号を発生す
る。
【００６３】増幅回路６２は、波形発生回路６１から供
給された駆動波形信号を電圧増幅及び電流増幅して増幅
駆動波形信号として出力する。
【００６４】スイッチング回路６３は、インク滴吐出の
オン・オフ制御を行うもので、画像データをもとに生成
された信号に基づいて、駆動波形信号を圧電アクチュエ
ータ６４に印加する。
【００６５】図６は、吐出させるインク滴の径を多段階
に切り替える場合、すなわち滴径変調を実行する場合に
おける駆動回路の基本構成を示している。この例の駆動
回路では、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６１、６１' 、６１''を具備しており、各波形は増幅
回路６２、６２' 、６２''によって増幅される。記録時
には、画像データに基づいて、圧電アクチュエータ（６
４、６４' 、６４''．．．）に印加される駆動波形がス
イッチング回路（６３、６３' 、６３''．．．）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。な
お、圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路は、
本実施例に示した構成のものに限らず、他の構成のもの
を用いることも可能である。
【００６６】〈第１の実施例〉図７（ａ）は、上述され
るインクジェット記録ヘッドを用いて、滴径３５μｍ程
度のインク滴を吐出するために使用した駆動波形の第１
の実施例を示す図である。
【００６７】本発明の第１の実施例における駆動波形
は、ｔ1 ＝５μｓで圧力発生室を圧縮する第１の電圧変
化プロセス７１と、ｔ3 ＝３０μｓの立ち下げ時間で圧
力発生室体積を膨張させる第２の電圧変化プロセス７２
と、により構成されている。第１の電圧変化プロセスの
終了時刻と第２の電圧変化プロセスの開始時刻との時間
間隔（ｔ2 ）は５μｓに設定した。また、電圧変化量Ｖ
1 は２４Ｖに、バイアス電圧（Ｖb ）は１０Ｖに設定し
た。
【００６８】図７（ｂ）は、駆動波形の各節で発生する
粒子速度を式（１）をもとに計算した結果であり（振動
要素のみを考慮）、図中の細線はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各節
で発生するそれぞれの粒子速度を示しており、図中の太
線はそれらを重ね合わせた粒子速度を表わしている。
【００６９】また、図７（ｃ）は、吐出過程におけるメ
ニスカスの動きを顕微鏡型レーザドップラー変位計にて
観察した結果である。なお、メニスカスの動きを正確に
観察できるよう、観察は電圧Ｖ1 を１／１０（＝２．４
Ｖ）に設定して行った（図７（ｃ）の結果は、実測され
た粒子速度を１０倍にした値）。図７（ｃ）の観察結果
を見ると、第１ピーク値ｖ1 と第２ピーク値ｖ2 との比
（ｖ2 ／ｖ1 ）は０．４２であり、式（３）の条件を満
たしている。
【００７０】本発明の第１の実施例の駆動波形を用い
て、高温環境（４０℃）、室温環境（２５℃）、及び低
温環境（５℃）で吐出観察を行った結果、全ての温度に
おいて図１３（ａ）のような安定した吐出が観察され、
微小サテライトや低速サテライトは一切発生しないこと
が確かめられた。また、リフィル時間は４２μｓであ
り、２５ｋＨｚの駆動周波数まで安定吐出が可能であっ
た。
【００７１】比較例として、ｔ3 を５μｓに変更した波
形を用いて粒子速度観察及び吐出観察を実行した。その
結果、粒子速度は図３（ｃ）の理論計算結果とほぼ等し
い波形となり、ｖ2 ／ｖ1 ＝０．２２と、式（３）の条
件を満たさなかった。そのため低温環境（５℃）時に
は、図１３（ｃ）に示したように滴の尾が異常に長くな
り、尾の先端部が低速サテライトとして飛翔してしまう
ことが確認された。また、リフィル時間は５２μｓと増
加し、安定吐出が可能な上限駆動周波数は１９ｋＨｚに
低下した。
【００７２】また、別の比較例として、ｔ2 ＝１０μ
ｓ、ｔ3 ＝１２μｓに変更した波形を用いて粒子速度観
察及び吐出観察を実行した。この場合には、粒子速度は
図４（ｃ）とほぼ等しい波形となり、ｖ2 ／ｖ1 ＝０．
６３と、やはり式（３）の条件を満たさなかった。その
ため高温環境（４０℃）時には、図１３（ｂ）に示した
ように微小サテライトが発生し、長時間の吐出を続ける
と微小サテライトがノズル開口部周辺に付着し、不吐出
や吐出方向悪化などの悪影響を生じることが確認され
た。装置による画像記録評価においても、吐出不良ノズ
ルの発生確率が増加し、画像品質が低下しやすくなるこ
とが確認された。なお、本波形では、リフィル時間は３
６μｓと最も短かったが、高温環境下ではリフィル動作
時のメニスカスの動きが激しくなり過ぎて、滴の吐出が
不安定化することが確認された。
【００７３】以上のように、式（３）を満たすように第
２の電圧変化プロセスの印加タイミング及び電圧変化時
間を設定することにより、広い温度範囲でサテライト飛
翔状態を正常化し、同時にリフィルを高速化できること
が確認された。
【００７４】なお、第１の電圧変化プロセスの電圧変化
時間ｔ1 は、圧力波固有周期Ｔc の略１／２に設定する
ことが望ましい。なぜならば、ｔ1 ＜１／２Ｔc に設定
すると、駆動波形の節Ａで発生した粒子速度が正である
間に節Ｂによって負の粒子速度が発生するため、吐出過
程におけるメニスカスの動きが不安定化しやすくなり、
特に高温での吐出特性が悪化するといった問題が生じや
すい。また、ｔ1 をＴc と同等まで長くすると、サテラ
イト処理やリフィル高速化に必要となるだけの十分な残
響が発生しなくなってしまう。
【００７５】また、第１の電圧変化プロセスと第２の電
圧変化プロセスの間隔ｔ2 も、圧力波固有周期Ｔc の略
１／２に設定することが望ましい。すなわち、ｔ1 及び
ｔ2をＴc の略１／２に設定することにより、節Ａ、
Ｂ、Ｃで発生した粒子速度の位相が全て一致するように
なるため（図７（ｂ）参照）、製造ばらつき等によって
固有周期がノズル間でばらついても、吐出状態に大きな
差が生じにくくなる。
【００７６】さらに、第２の電圧変化プロセスの電圧変
化時間ｔ3 は、圧力波固有周期Ｔcの１／２以上に設定
することが望ましい。ｔ3 ＜１／２Ｔc であると、残響
抑制時のメニスカス動作が不安定化しやすくなると共
に、固有周期ばらつきに対して敏感になってしまうため
である。
【００７７】なお、本駆動波形を用いた滴径変調記録を
実行する場合には、図６に示したような駆動回路におい
て、波形発生回路６１で本駆動波形を発生させ、波形発
生回路６１’、６１”で他の滴径に対応した駆動波形を
発生させればよい。
【００７８】〈第２の実施例〉図８（ａ）は、上述され
るインクジェット記録ヘッドを用いて、滴径３５μｍ程
度のインク滴を吐出するために使用した駆動波形の第２
の実施例を示す図である。
【００７９】本発明の第２の実施例における駆動波形
は、ｔ1 ＝５μｓで圧力発生室を圧縮させる第１の電圧
変化プロセス８１と、ｔ3 ＝３０μｓの立ち下げ時間で
圧力発生室体積を膨張させる第２の電圧変化プロセス８
２と、吐出前に印加電圧をバイアス電圧（Ｖb ）からゆ
っくりと変化させる第３の電圧変化プロセス８３と、吐
出後に印加電圧をゆっくりとバイアス電圧に戻すための
第４の電圧変化プロセス８４と、により構成されてい
る。第１の電圧変化プロセスの終了時刻と第２の電圧変
化プロセスの開始時刻との時間間隔（ｔ2 ）は５μｓに
設定した。また、電圧変化量Ｖ1 は２５Ｖに、バイアス
電圧（Ｖb ）は２０Ｖに、Ｖ2 は１０Ｖに設定した。
【００８０】吐出過程におけるメニスカスの動きを顕微
鏡型レーザードップラー変位計にて観察した結果を図８
（ｃ）に示す。第１ピーク値ｖ1 と第２ピーク値ｖ2 の
比ｖ2 ／ｖ1 は０．４１であり、式（３）の条件を満た
している。図８（ｃ）からわかるように、第３及び第４
の電圧変化プロセスは、電圧変化の傾きが小さいため、
粒子速度波形に対しては大きな影響を及ぼさず、第１の
実施形態の駆動波形とほぼ同様の粒子速度波形が得られ
ている。
【００８１】本発明の第２の実施例の駆動波形を用い
て、高温環境（４０℃）、室温環境（２５℃）、及び低
温環境（５℃）で吐出観察を行った結果、全ての温度に
おいて図１３（ａ）のような安定した吐出が観察され、
微小サテライトや低速サテライトは一切発生しないこと
が確かめられた。また、リフィル時間は４１μｓであ
り、２５ｋＨｚの駆動周波数まで安定吐出が可能であっ
た。
【００８２】本発明の第２の実施例のように、式（３）
を満たすように第２の電圧変化プロセスの印加タイミン
グ、電圧変化時間、及び電圧変化量を設定すれば、駆動
波形に他の電圧変化プロセスが付加されても、本発明の
効果を維持することが可能である。
【００８３】図９は、本発明の第２の実施例の駆動波形
における第２の電圧変化プロセス８２の印加タイミング
及び電圧変化量を変化させ、それに伴うリフィル時間
（リフィル動作によってメニスカスがノズル開口まで復
帰する時間）の変化を調べた結果である。第１ピーク値
ｖ1 と第２ピーク値ｖ2 の比ｖ2 ／ｖ1 が大きくなるほ
どリフィルが高速化することが確認された。また、ｖ2
／ｖ1 ＞０．６の条件では、連続吐出時の滴径及び滴速
が不安定化しやすいことが確認された（特に高温環境
下）。
【００８４】〈第３の実施例〉図１０は、上述されるイ
ンクジェット記録ヘッドを用いて、滴径３５μｍ程度の
インク滴を吐出するために使用した駆動波形の第３の実
施例を示す図である。
【００８５】本発明の第３の実施例における駆動波形
は、ｔ1 ＝５μｓで圧力発生室を圧縮させる第１の電圧
変化プロセス１０１と、ｔ3 ＝１２μｓの立ち下げ時間
で圧力発生室体積を膨張させる第２の電圧変化プロセス
１０２と、吐出前に印加電圧をバイアス電圧からゆっく
りと変化させる第３の電圧変化プロセス１０３と、吐出
直前に圧力発生室を僅かに膨張させる第５の電圧変化プ
ロセス１０５と、により構成されている。第１の電圧変
化プロセスの終了時刻と第２の電圧変化プロセスの開始
時刻との時間間隔（ｔ2 ）は５μｓに設定した。また、
電圧変化量Ｖ1 は２５Ｖに、バイアス電圧（Ｖb ）は２
０Ｖに、Ｖ2 は８Ｖ、Ｖ3 は２Ｖに設定した。
【００８６】吐出過程におけるメニスカスの動きを顕微
鏡型レーザードップラー変位計にて観察した結果を図１
０（ｃ）に示す。第１ピーク値ｖ1 と第２ピーク値ｖ2
の比ｖ2 ／ｖ1 は約０．４２であり、式（３）の条件を
満たしている。
【００８７】本発明の第３の実施例の駆動波形を用い
て、高温環境（４０℃）、室温環境（２５℃）、及び低
温環境（５℃）で吐出観察を行った結果、全ての温度に
おいて図１３（ａ）に示されるような安定した吐出が観
察され、微小サテライトや低速サテライトは一切発生し
ないことが確かめられた。また、リフィル時間は４３μ
ｓであり、２５ｋＨｚの駆動周波数まで安定吐出が可能
であった。また、本発明の第３の実施例の駆動波形で
は、吐出直前にメニスカスを引き込んでいるため、高周
波駆動時や高温環境下においても、吐出方向の安定性に
優れることが確認された。
【００８８】なお、本発明の第３の実施例の駆動波形で
は、第２の電圧変化プロセスの電圧変化量が小さいた
め、それに対応して第２の電圧変化プロセスの電圧変化
時間ｔ3 を小さく設定することにより、式（３）の条件
を満足させている。このように、第２の電圧変化プロセ
スの電圧変化時間や印加タイミングは単純に規定できる
ものではなく、それぞれの駆動波形に対して式（３）の
条件を満足するように設定する必要がある。
【００８９】なお、上述される実施形態は、本発明の好
適な実施形態であり、本発明の要旨を変更しない範囲内
において種々変形して実施することが可能である。例え
ば、上述される実施形態においては、圧電アクチュエー
タへの印加電圧が常に正極性となるようにバイアス電圧
（基準電圧）Ｖb を設定しているものであるが、圧電ア
クチュエータに負極性の電圧を印加しても問題ない場合
には、バイアス電圧Ｖb を０Ｖなど、他の電圧に設定し
てもかまわない。
【００９０】また、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圧電アクチュエータを用
いたが、圧電定数ｄ31を利用した縦振動モードのアクチ
ュエータなど、他の形態のアクチュエータを使用しても
かまわない。
【００９１】さらに、上述される実施形態では、積層型
の圧電アクチュエータを用いたが、単板型の圧電アクチ
ュエータを用いた場合において同様の効果を得ることが
できる。さらに、圧電アクチュエータ以外の電気機械変
換器、たと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可能である。
【００９２】また、上述される実施形態では、図１１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適用することが可能で
ある。
【００９３】また、上述される実施形態では、記録紙上
に着色インクを吐出して文字や画像などの記録を行うイ
ンクジェット記録装置を例にとったが、本明細書におけ
るインクジェット記録とは、記録紙上への文字や画像の
記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は
紙に限定されるわけではなく、また、吐出する液体も着
色インクに限定されるわけではない。例えば、高分子フ
ィルムやガラス上に着色インクを吐出してディスプレイ
用のカラーフィルターを作製したり、溶融状態のハンダ
を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりす
るなど、工業的に用いられる液滴噴射装置一般に対し
て、本発明を利用することも可能である。
【００９４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジ
ェット記録ヘッドの駆動方法及びインクジェット記録装
置によれば、環境温度の変化にかかわらず大滴吐出時の
サテライトを常に良好な状態で飛翔させることができる
ため、記録画像の品質及び装置の信頼性を飛躍的に向上
させることが可能となる。
【００９５】さらに、本発明のインクジェット記録ヘッ
ドの駆動方法及びインクジェット記録装置によれば、大
滴吐出後のリフィル動作を高速化できるため、インク滴
の吐出周波数を増加し、記録速度を向上させることが可
能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】駆動波形とノズル部粒子速度の関係を説明する
ための第１の図である。
【図３】駆動波形とノズル部粒子速度の関係を説明する
ための第１の図である。
【図４】駆動波形とノズル部粒子速度の関係を説明する
ための第２の図である。
【図５】インクジェット記録ヘッドの駆動回路構成を示
すブロック図である。
【図６】インクジェット記録ヘッドの別の駆動回路構成
を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１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８】本発明の第２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９】駆動波形によるリフィル時間の変化を示す図で
ある。
【図１０】本発明の第３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１１】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１２】従来の駆動波形の一例を示す図である。
【図１３】滴の吐出状態を説明するための図である。
【図１４】リフィル動作時のメニスカスの動きを説明す
るための図である。
【符号の説明】
７１ 第１の電圧変化プロセス ７２ 第２の電圧変化プロセス

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気機械変換器に駆動電圧を印加し、該
    電気機械変換器を変形させて、インクが充填された圧力
    発生室内に圧力変化を生じさせて該圧力発生室に連通さ
    れる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であって、 前記駆動電圧の電圧波形が、前記圧力発生室の体積を収
    縮させてインク滴を吐出させるための第１の電圧変化プ
    ロセスと、 前記圧力発生室の体積を膨張させるための第２の電圧変
    化プロセスとを少なくとも有し、 前記ノズル部に発生する粒子速度の第１ピーク値ｖ1 と
    第２ピーク値ｖ2 とが、室温環境下において、 ０．３≦ｖ2 ／ｖ1 ≦０．６ の条件を満足するように前記第２の電圧変化プロセスの
    開始時間、電圧変化時間、及び電圧変化量を設定するこ
    とを特徴とするインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
  2. 【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、前記圧力発生室内に発生する圧力波の固有周期
    の略１／２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。
  3. 【請求項３】 前記第１の電圧変化プロセスの終了時刻
    と前記第２の電圧変化プロセスの開始時刻との時間間隔
    を、前記圧力波の固有周期の略１／２に設定することを
    特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録
    ヘッドの駆動方法。
  4. 【請求項４】 前記第２の電圧変化プロセスの電圧変化
    時間を、前記圧力波の固有周期の１／２以上に設定する
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載
    のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
  5. 【請求項５】 電気機械変換器に駆動電圧を印加し、該
    電気機械変換器を変形させて、インクが充填された圧力
    発生室内に圧力変化を生じさせることで、該圧力発生室
    に連通されるノズルからインク滴を吐出させるインクジ
    ェット記録ヘッドを使用して文字や画像の記録を行うイ
    ンクジェット記録装置であって、 前記駆動電圧の電圧波形が、前記圧力発生室の体積を収
    縮させてインク滴を吐出させるための第１の電圧変化プ
    ロセスと、 前記圧力発生室の体積を膨張させるための第２の電圧変
    化プロセスと、 を少なくとも有して構成され、 前記ノズル部に発生する粒子速度の第１ピーク値ｖ1 と
    第２ピーク値ｖ2 とが、室温環境下において、 ０．３≦ｖ2 ／ｖ1 ≦０．６ の条件を満足するように前記第２の電圧変化プロセスの
    開始時間、電圧変化時間、及び電圧変化量を設定するこ
    とを特徴とするインクジェット記録装置。
  6. 【請求項６】 前記第１の電圧変化プロセスの電圧変化
    時間を、前記圧力発生室内に発生する圧力波の固有周期
    の略１／２に設定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記録装置。
  7. 【請求項７】 前記第１の電圧変化プロセスの終了時刻
    と前記第２の電圧変化プロセスの開始時刻との時間間隔
    を、前記圧力波の固有周期の略１／２に設定することを
    特徴とする請求項５または６記載のインクジェット記録
    装置。
  8. 【請求項８】 前記第２の電圧変化プロセスの電圧変化
    時間を、前記圧力波の固有周期の１／２以上に設定する
    ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載
    のインクジェット記録装置。
  9. 【請求項９】 前記電気機械変換器が、圧電振動子を含
    んで構成されることを特徴とする請求項５から８のいず
    れか１項に記載のインクジェット記録装置。
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