JP2003211669A - インクジェット式記録装置による記録方法、及び前記記録方法に適した記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズル開口のサイズで決まるよりも小さなイ
ンク滴を安定に吐出させること。 【解決手段】 圧電振動子を変位させてノズル開口のメ
ニスカスｍの中央領域をノズル開口の壁面側の領域より
も選択的に、かつメニスカスの振動を支配する異なる少
なくとも２つ周波数でメニスカスを振動させるように圧
力発生室側に引込む第１工程と、第１工程で引き込まれ
たメニスカスの中央領域がノズル開口側に反転し、かつ
２つ周波数で振動しているメニスカスの移動方向がノズ
ル開口側への移動として同期した時点で圧電振動子を変
位させて圧力発生室をインク滴を吐出させることが可能
な速度で収縮させる第２工程とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、ノズル開口とリ
ザーバに連通する圧力発生室を、印刷データに対応させ
て圧電振動子により圧力変動させてノズル開口からイン
ク滴を吐出させる記録ヘッドを備えたインクジェット式
記録装置、より詳細にはインク滴の吐出技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット式記録装置は、ノズル開
口とリザーバとに連通する圧力発生室と、圧力発生室を
加圧する圧力発生手段とからなるインクジェット式記録
ヘッド用い、インクジェット式記録ヘッドに印刷データ
に対応した駆動信号を供給してノズル開口からインク滴
を吐出させて記録媒体にドットを形成するもので、色の
異なるインクを用いることにより簡単にフルカラー印刷
を行うことができる。このようなグラフィック印刷を可
及的に写真に近い品質で印刷するためには、インク滴に
より形成するドットのサイズを可及的に小さくする必要
がある。このようなドットの微小化には、ノズル開口の
開口面積を小さくすることが有効ではあるが、微小な開
口を高い精度で穴開け加工することには自ずと限界があ
る。

【０００３】このため、圧力発生室を膨張させてから、
収縮させることができる縦振動モードの圧電振動子を圧
力発生手段に使用したインクジェット式記録ヘッドを用
いた記録装置においては、特許文献１に見られるように
メニスカスの運動エネルギを利用してノズル開口で決ま
るサイズよりも小さな断面積のインク滴を発生させる技
術が提案されている。

【特許文献１】特公平4-36071号公報

【０００４】すなわち、先ず圧力発生室を圧電振動子に
よりインク充填時よりも速い速度で膨張させ、ノズル開
口近傍のメニスカスを圧力発生室側に急速に引込む。こ
れによりメニスカスの中央線上の表面に共振により上下
動するインクの波動を発生させ、メニスカスの盛り上が
り時に、メニスカス本体から一部が分断してノズル開口
からしぶきとなって記録媒体に向けて飛行する。これに
より、ノズル開口できまるインク滴よりもはるかに小さ
なサイズ、具体的には開口径５１乃至５６μｍのノズル
開口から最大断面積が１０乃至１５μｍ程度、つまりノ
ズル開口径の２０％程度のインク滴を吐出させることが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、印刷に
利用できるインク滴のサイズがノズル開口のサイズに比
較してあまりにも小さいため、隣接するノズル開口から
吐出されたインク滴による記録媒体上のドットの間に間
隙が生じたり、またノズル開口と記録媒体との１乃至２
ｍｍ程度の間隙を所定の経路で飛翔させるにはインク滴
が保持できる運動エネルギがあまりにも小さく、飛行曲
がり等が生じ、さらにはインク滴を発生させる波動がイ
ンクの粘度に大きく依存するため、温度などに大きく影
響されて安定に吐出させることができない等の数多くの
問題を抱えている。本発明はこのような問題に鑑みてな
されたものであってその目的とするところは、ノズル開
口等の機械的サイズよりも小さなインク滴を安定に吐出
させることができるインクジェット式記録ヘッドを用い
た記録方法を提案することである。

【０００６】また、本発明の他の目的は、同上印刷方法
を実施するのに適したインクジェット式記録ヘッドを提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明においては、インク供給口を介してリザ
ーバに連通してインクの供給を受け、またノズル開口か
らインク滴を吐出する圧力発生室を、圧電振動子を変位
させて前記ノズル開口のメニスカスの中央領域を前記ノ
ズル開口の壁面側の領域よりも選択的に、かつ前記メニ
スカスの振動を支配する異なる少なくとも２つ周波数で
前記メニスカスを振動させるように前記圧力発生室側に
引込む第１工程と、第１工程で引き込まれた前記メニス
カスの中央領域が前記ノズル開口側に反転し、かつ２つ
周波数で振動している前記メニスカスの移動方向が前記
ノズル開口側への移動として同期した時点で前記圧電振
動子を変位させて圧力発生室をインク滴を吐出させるこ
とが可能な速度で収縮させる第２工程とを備える。

【０００８】

【作用】急激な引き込みにより発生した２つ周波数のメ
ニスカスの振動の中央領域がノズル開口側に反転してノ
ズル開口側への移動となるように同期した時点で、圧電
振動子を変位させて圧力発生室を加圧して、中央領域の
インクをインク滴として吐出させる。

【０００９】

【発明の実施の形態】そこで以下に本発明の詳細を図示
した実施例に基づいて説明する。図１は、本発明のプリ
ンタの印刷機構周辺の構造を示すものであって、図中符
号１は、キャリッジで、タイミングベルト２を介してキ
ャリッジ駆動モータ３に接続されていて、ガイド部材４
に案内されて記録用紙５の紙幅方向に往復動し、その位
置をリニアエンコーダ６により検出可能に構成されてい
る。

【００１０】キャリッジ１には記録用紙５と対向する
面、この実施例では下面に後述するインクジェット式記
録ヘッド７、８が取り付けられ、キャリッジ１に搭載さ
れているインクカートリッジ９、１０からインクの補給
を受けてキャリッジ１の移動に合わせて記録用紙５にイ
ンク滴を吐出してドットを形成して、記録用紙に画像や
文字を印刷する。

【００１１】また非印字領域には、キャップ部材１１、
１２が設けられていて、休止中に記録ヘッド７、８のノ
ズル開口を封止する一方、印刷動作中に行なわれるフラ
ッシング動作による記録ヘッド７、８からのインク滴を
受けるように構成されている。なお、図中符号１３は、
クリーニング手段を、また１４は紙送りモータをそれぞ
れ示す。

【００１２】図２は、記録ヘッド７、８の一実施例を示
すものであって、図中符号１５は、流路形成基板で、中
央領域には後述するノズル開口２０の配列ピッチに合わ
せて圧力発生室１６、１６、‥‥を複数列形成し、また
これらの周囲に圧力発生室１６にインクを供給するリザ
ーバ１７と、各圧力発生室１６とリザーバ１７を接続す
るインク供給口１８を形成して構成されている。

【００１３】流路形成基板１５の一方の開口面を封止す
るノズルプレート１９は、中央領域に各圧力発生室１６
の一端に対向するようにノズル開口２０が形成されてい
る。

【００１４】流路形成基板１５の他方の開口面を封止す
る弾性板２１は、各圧力発生室１６の中央領域に後述す
る圧電振動子２２に当接して圧電振動子２２の変位を、
各圧力発生室１６に効率的に伝達する比較的剛性が大き
なアイランド部２３と、これの周囲を取り囲むように弾
性変形可能な薄肉部２４が形成されている。この薄肉部
２４は、図５に示したようにアイランド部２３の両側
と、ノズル開口側とインク供給側との領域２４ａ、２４
ｂにも形成されていて、ノズル開口近傍とインク供給口
近傍とに積極的にコンプライアンスを与えるように構成
されている。

【００１５】２５は、圧電振動子ユニットで、図４に示
したように複数の圧電振動子２２を圧力発生室１６の配
列ピッチに合わせて、その一端を金属やセラミック等の
剛性の高い材料で構成された固定基板２６に固定し、ま
た両端に位置決め部材や導電パターン形成材として機能
するダミーの振動子２７、２７を配して構成されてい
る。

【００１６】これら圧電振動子２２は、両端近傍の領域
以外でラップするように複数の電極２９、３０をチタン
酸ジルコン酸鉛等の圧電材料２８を挟んでサンドイッチ
状に配し、電極２９、３０がラップする領域を活性領
域、つまり軸方向に伸縮に関与する領域となるように構
成されている。

【００１７】これら電極の内、一方の電極２９は接続バ
ー３１により各圧電振動子間で並列接続された上でダミ
ーの振動子２７に形成された導電パターンを介して固定
基板２６の表面に形成された導電パターン３２に接続さ
れ、また他方の電極３０は各圧電振動子毎に独立するよ
うに形成された導電パターン３３に接続され、これら導
電パターン３２、３３を介してリードフレーム３４によ
り後述する駆動回路に接続されている。

【００１８】これらノズルプレート１９、流路形成基板
１５、及び弾性板２１は、一体に積層されて流路ユニッ
トに構成された上で、高分子材料等により構成されたヘ
ッドフレーム３５の開口部に固定され、また圧電振動子
ユニット２５は、各圧電振動子２２の先端を各アイラン
ド部２３に接着剤で固着するとともに、固定基板２６を
フレーム３５に接着剤により固定して記録ヘッドに纏め
られている。フレーム３５には、図示しないインクタン
クに接続するインクチューブ３６が引込まれていて、そ
の先端が弾性板２１に形成されたインク導入口３７に接
続されている。これにより外部からリザーバ１７にイン
クを供給することができる。

【００１９】次に、このように構成されたインクジェッ
ト式記録ヘッドの特性について説明する。細い流路を加
速されながらインクが流れると、インクの質量がイナー
タンスとして作用する。イナータンスＭは、インクの密
度をρ、流路の断面積、長さをそれぞれＳ、Ｌとする
と、

【数１】 となる。ここでκは、流路の断面形状により決まる形状
係数で、断面が円形、もしくは縦横比が１に近いもので
はおよそ１．３となる。一方、圧力発生室１６のコンプ
ライアンスＣは、インクの圧縮性によるコンプライアン
ス成分Ｃinkが作用する。この成分Ｃinkは、

【数２】 となる。ここで、κ’はインクの体積圧縮率で、水系の
インクでは約０．４５（ＧＰａ）−１であり、またＶin
kは圧力発生室１６の容積を表す。さらに、圧力発生室
１６は周囲を弾性部材で囲われているため、これらの弾
性変形分もコンプライアンスとして作用するが、これら
は形状に大きく支配され、かつ圧力発生室は複雑な形状
であるため、通常、有限要素法等により実験的に求めら
れる。

【００２０】この実施例におけるインクジェット式記録
ヘッドは、圧電振動子２２による加圧領域の他に、これ
から離れたノズル開口２０側の領域、及びインク供給口
側の領域にもそれぞれ薄肉部２４ａ、２４ｂを形成し、
かつ圧力発生室１６自体のイナータンスＭc、及びイン
ク供給口１８のイナータンスＭsが、ともにノズル開口
２０のイナータンスＭnより大きくなるように構成され
ている。

【００２１】すなわちノズル開口２０は、口径が３２μ
ｍ、ストレート部の長さが１５μｍで、これにテーパ部
が形成されていて、イナータンスＭnが８×１０の７乗
（ｋｇ／ｍの４乗）であり、また、インク供給口１８
は、断面が４０μｍ×５０μｍの矩形で、長さが３００
μｍであるから、そのイナータンスＭsは２１×１０の
７乗（ｋｇ／ｍの４乗）であり、さらに圧力発生室１６
は、断面が４０×１００μｍの矩形で、長さが５００μ
ｍであるから、そのイナータンスＭcは、２５×１０の
７乗（ｋｇ／ｍの４乗）である。

【００２２】一方、コンプライアンスについては、ノズ
ル開口側の薄肉部２４ａによる成分がＣc1≒４×１０の
マイナス２１乗（ｍの３乗／Ｐａ）、インク供給口側の
薄肉部２４ｂによる成分がＣc2＝８×１０のマイナス２
１乗（ｍの３乗／Ｐａ）となる。

【００２３】ところで、インクジェット式記録ヘッドに
おける圧電振動子の変位と、これに対応して生じるイン
クの流れとは、一般的に電気回路にアナロジーさせて考
察されているので、上記記録ヘッドを電気回路に相似さ
せると、静的には図７（ａ）に示したようにノズル開口
２０、圧力発生室１６、及びインク供給口１８の各イナ
ータンスＭn、Ｍc、Ｍsの直列回路と、各イナータンス
の接続点にノズル開口側の薄肉部２４ａによるコンプラ
イアンスＣc1と、インク供給口側の薄肉部２４ｂのコン
プライアンスＣc2をそれぞれ接続した回路と考えること
ができる。

【００２４】すなわち、圧電振動子２２の収縮変位量を
大きくした場合には、インク供給口１８の薄肉部２４ｂ
まで振動するから、ノズル開口側及びインク供給口側の
コンプライアンスＣc1、Ｃc2がともに流体回路全体でも
コンプライアンスとして機能する。この振動モードでは
ヘルムホルツ共振周波数が１６０ｋＨｚとなるから、メ
ニスカスは６μｓの固有振動周期を持つことになる。

【００２５】一方、圧電振動子２２の収縮変位量を小さ
くした場合には、ノズル開口２０側の薄肉部２４ａだけ
が振動し、これによるインクの流れは、この薄肉部２４
ａによるコンプライアンスＣc1よりも大きく形成されて
いるインク供給口側のコンプライアンスＣc2が作用する
ため、インク流はインク供給口側ではここのコンプライ
アンスＣc2により大部分が吸収されてしまう。

【００２６】したがって、圧力発生室１６のインク供給
口側は短絡されたのと同様となり、図７（ｂ）に示した
ように圧力発生室１６のイナータンスＭcとノズル開口
２０のイナータンスＭnの直列回路に、これらの接続点
にノズル開口側のコンプライアンスＣc1を接続したもの
と等価となる。この振動モードではヘルムホルツ共振周
波数が３２０ｋＨｚとなるから、メニスカスは３μｓの
固有振動周期を持つことになる。

【００２７】この結果、圧電振動子２２による圧力発生
室１６の膨張、収縮により生じたインク流は、固有振動
周期６μｓと、固有振動周期３μｓとの２つの振動モー
ドの合成された運動を行うことになる。このため、圧力
発生室１６の薄肉部２４が関与するインク流路系の上記
２つの振動モードよりも短い周期、この実施例では３μ
ｓ以下で、インク流路系の２つの振動モードの周期より
も短い時間の間、この実施例では３μｓ以下の期間、圧
力発生室１６を容積変化させると、メニスカスに上記２
つの振動モードに対応した運動を生じさせることができ
る。

【００２８】本実施例の記録ヘッドに使用する圧電振動
子２２は、長さ１．５ｍｍで、軸方向の固有振動周波数
は４５０ｋＨｚで、周期が２．２μｓであり、また軸方
向の変位を利用するため、たわみ振動を利用する場合に
比較してその剛性が極めて大きく、圧力発生室１６のア
イランド部２３の剛性の１０倍以上となる。したがっ
て、圧電振動子２２の変位を圧力発生室１６に時間遅れ
なく伝達することができる。このため、圧電振動子２２
の固有振動周波数よりも低い周波数の領域にメニスカス
の振動のピークを観測することができた。

【００２９】図８は、同上記録ヘッドを駆動する駆動装
置の一実施例を示すものであって、図中符号４０は、制
御手段で、ホストからの印字信号（図９ I）に同期し
て出力端子４１、４２から充電パルス（図９ II）及び
放電パルス（図９ III）を出力するように構成されて
いる。

【００３０】充電パルスがＮＰＮ型トランジスタ４３の
ベースに入力してＮＰＮ型トランジスタ４３が導通する
と、ＰＮＰ型トランジスタ４４、４５及び抵抗４６によ
り構成された定電流回路４７が作動し、コンデンサ４８
を電圧Ｖ1までメニスカスを引込むの適した一定電流Ｉr
aで充電する。

【００３１】一方、入力端子４２に放電パルスが入力す
ると、ＮＰＮ型トランジスタ４９、５０及び抵抗５１か
らなる定電流回路５２により、コンデンサ４８の電荷を
零電圧まで一定電流Ｉfaで放電させる。なお、図中符号
５３、５４により示すＮＰＮ型トランジタは電流増幅器
を構成しており、圧電振動子２２を駆動するに適した電
流を出力端子５５に出力する。

【００３２】次にこのように構成した装置の動作を説明
する。先ず、ノズル開口のように狭い間隙を有する管路
や２枚の平行平板間に満たされた流体に振動的な圧力勾
配α

【数３】 を作用させた場合の流体の挙動について概説する（例え
ば今井功著、裳華房出版の流体力学（前編）参照）。圧
力振動をＰ、圧力振動の角周波数をω、流路が円管を例
に採ると円管の直径をｄ、流体の動粘性係数をυとし、

【数４】 の条件が成り立つ場合には、図１０に示したように管壁
から所定の厚さδの範囲内では、粘性が支配的であり、
圧力勾配と同位相の流れが発生し、また境界層より外
側、この図では中央よりの領域では、流れは慣性の影響
を大きく受けて一体となって振動するものの、圧力勾配
の時間的変化、つまり振動の位相に対してπ／２遅れた
位相を持つことになる。

【００３３】そして粘性の影響が支配的な領域の厚さδ
は、管壁から

【数５】 となる。例えば、円管部の直径ｄが３０μｍ、インクの
動粘性係数υが２×１０−６m2／ｓ、圧力振動の固有周
期を１０μｓとすると、境界層の厚さδはおよそ２．５
μｍとなる。

【００３４】ホストから印字指令が制御手段４０に出力
すると、制御手段４０は、印字信号（図９ I）にタイ
ミングを合わせて時間幅ｔ11の充電信号（図９ II）を
端子４１に出力する。圧電振動子２２は定電流回路４７
による一定電流Ｉraで時間ｔ11の間、一定の勾配で電圧
Ｖ1まで急速に充電され、一定速度で収縮する。これに
より圧力発生室１６は、急速に膨張してノズル開口２０
に静止しているメニスカスｍの内（図１１ I）、ノズ
ル開口２０の壁面から前述の粘性が支配的な領域の厚さ
δよりも中央領域が相対的に大きく圧力発生室側に急激
に引込む（図１１ II）。

【００３５】制御手段４０は、電圧Ｖ1まで圧電振動子
２２を充電した段階でこの電圧Ｖ1を時間ｔ12だけ保持
し、圧力発生室１６の容積変化を可及的に防止する。一
方、メニスカスは、以後自己の固有振動周期にしたがっ
てさらに圧力発生室側に移動するが、その過程で境界層
近傍には外向きの流れ（図中 矢印Ａ）が生じ、また中
央部分は依然として圧力発生室側に引込まれる（図１１
III）。

【００３６】そして時間の経過とともに境界層部分がノ
ズル開口側に押し出され、中央部ほど大きく圧力発生室
側に変位したメニスカスとなり、さらにノズル開口２０
の中央領域ではインクが少なくイナータンスが境界層に
比較して小さいため、ノズル開口２０の中央領域だけが
選択的に圧力発生室側に急速に引込まれる（図１１I
V）。

【００３７】このようにメニスカスｍの中央領域が圧力
発生室側に大きく引込まれた段階で、制御手段４０は端
子４２から放電パルス（図９ III）を出力する。圧電
振動子２２は定電流回路５２による一定電流Ｉfaで時間
ｔ13の間放電され、一定速度で急激に伸長して圧力発生
室１６を一定速度で収縮させる。

【００３８】圧力発生室１６の収縮により圧力発生室１
６で加圧されたインクの流れ、つまり慣性流は、圧力発
生室側に近いメニスカスｍの中央領域ｍcに集中的に作
用し（図１１ V）、メニスカスｍの中央領域ｍcだけを
選択的に非常に大きな速度で押し出す（図１１ VI）。
このようにメニスカス自体の運動だけに頼ること無く、
中央領域を積極的に加圧するため、ノズル開口２０の直
径よりも細いインク滴を印字に適した速度で安定にノズ
ル開口２０から吐出させることができる。

【００３９】以下、圧電振動子２２の電圧が零となった
段階で、次の印字信号の入力を待ち、印字信号が入力す
る度に前述の工程を繰返してドットを形成する。

【００４０】上記の動作をさらにメニスカスの運動を中
心にして図１２に基づいて詳説する。第１のステップに
より圧力発生室１６が急激に膨張すると、前述したよう
にノズル開口２０近傍のメニスカスは、２つの振動モー
ドの重畳による振動形態で圧力発生室側に引込まれる。
そしてそれぞれの固有振動周期、つまり３μｓ及び６μ
ｓにより圧力発生室側への移動と、ノズル開口側への移
動を繰返す。

【００４１】このように記録ヘッドの特性として存在す
る２つの振動モードの重ね合わせでメニスカスが励振を
受けるため、メニスカスが圧力発生室側に引込まれる
と、短い周期（３μｓ）の振動に起因するメニスカスの
戻り（Ｐ１）が始まった後、再びメニスカスが圧力発生
室側に引込まれ、ついには最大深度（Ｐ２）に到達す
る。

【００４２】そして、この点Ｐ２において長い周期（６
μｓ）の振動も重なるから、２つのモードの振動が同期
し、メニスカスはノズル開口２０に向けて急速に戻り始
める。したがって、この時点にタイミングを合わせて放
電パルス（図９ III）を出力して圧力発生室１６を急
激に収縮させると、前述の断面積の小さなインク滴ｋ
（図１１）をより高速度で吐出させることができる。

【００４３】この実施例のインクジェット式記録ヘッド
は、メニスカス全体の振動を周期の異なる２つの振動が
支配していて、かつそれぞれの周期が３μｓと６μｓと
いうように整数倍となるように構成されているため、２
つのモードによるメニスカスの振動成分が、メニスカス
がノズル開口側に戻る２回目の時点、つまり最大深度
（Ｐ２）に到達した以後からインク吐出までの間は同期
し、メニスカスが効率的にノズル開口側に加速される。

【００４４】このため、駆動電圧（図９ IV）の内の充
電時間ｔ11とホールド時間ｔ12との和（ｔ11＋ｔ12）
が、メニスカスが最大振動（Ｐ２）に到達する時点に一
致するように設定し、また圧電振動子２２の伸長時間、
つまり放電時間ｔ14を振動モードの短い方の周期、この
実施例では３μｓよりも短いか、望ましくはこの周期に
一致させて、残留振動の発生を防止する。

【００４５】このような駆動方法を採ることにより、本
発明の記録ヘッドにおいては、インク重量３μｇ乃至８
μｇのインク滴が５ｍ／ｓ乃至１０ｍ／ｓの速度で吐出
し、本インクジェット式記録ヘッドを通常の方法により
駆動した時のインク滴の飛行速度を維持したまま、イン
ク量だけを６０乃至８０％に低下させることができた。

【００４６】また、インク滴を吐出させるために圧力発
生室１６を収縮させるタイミングを確認するため、イン
ク供給口側のコンプライアンスＣc2だけを、前述の実施
例のほぼ２倍程度の１４×１０のマイナス２１乗（ｍの
３乗／Ｐａ）とし、ノズル開口側の薄肉部２４ａに起因
するメニスカスの固有振動周期を３μとする一方、イン
ク供給口側の薄肉部２４ｂによるメニスカスの固有振動
周期を８μｓと大きくしたインクジェット式記録ヘッド
を製作して同様の試験を行なった。

【００４７】すなわち、図１３（ａ）に示したようにメ
ニスカスの２度目のノズル開口側への移動時Ｐ３にタイ
ミングを合わせて圧力発生室１６を前述と同様に急速に
収縮させると、前述と同様にノズル開口２０の口径より
も断面積の小さなインク滴が印刷に適した高速度で吐出
した。

【００４８】これに対して、図１３（ｂ）に示したよう
にコンプライアンスが増大されたインク供給口側の薄肉
部２４ｂに起因する低い周波数の成分の戻り時（Ｑ１）
にタイミングを合わせて圧力発生室１６を収縮させて
も、メニスカスの運動を加速するだけで、印刷に適した
インク滴を形成するまでには至らなかった。

【００４９】図１４は、本発明の駆動方法に適したイン
クジェット式記録ヘッドの他の実施例を示すものであっ
て、この実施例では、ノズル開口側の薄肉部２４ａと圧
電振動子２２の変位を直接受ける領域との間、及びイン
ク供給口側の薄肉部２４ｂと圧電振動子２２の変位を直
接受ける領域との間に、絞り部６０、６１が形成されて
おり、ノズル開口側のコンプライアンスＣｃ１及びイン
ク供給口側のコンプライアンスＣc2を発生する領域６
２、６３と、圧電振動子２２の加圧力が作用する領域６
４のコンプライアンスとを可及的に分離して、前述の２
つの振動モードを積極的に発現させるように構成されて
いる。

【００５０】図１５は、本発明の記録ヘッドの他の実施
例を示すものであって、この実施例においては圧力発生
室７０のイナータンスＭc’をノズル開口２０のイナー
タンスＭnとほぼ同一となるように調整し、メニスカス
が実質的に単一の振動で運動するように構成されてい
る。そして、圧力発生室７０を構成する振動板２１の薄
肉部７１の可撓性を調節して、メニスカスが最適な固有
振動周波数を持つように構成されている。

【００５１】このように構成された記録ヘッドは、図１
６に示す等価電気回路として表すことができ、圧力発生
室１６のヘルムホルツ共振周波数は、

【００５２】

【数６】 として表すことができ、本実施例では約１２０ｋＨｚ、
つまり５μｓ程度となる。なお、圧電振動子２２は前述
と同様に構成されていて、固有振動周波数が４５０ｋＨ
ｚで、周期が約２．２μｓである。

【００５３】図１７は、同上記録ヘッドを駆動する駆動
回路の一実施例を示すものであって、図中符号８０は、
制御手段で、ホストからの印字データの基づいて印字信
号に同期して出力端子８１、８２、８３から図１８に示
した第１の充電パルス（II）、第２の充電パルス（II
I）、及び放電パルス（IV）を出力するように構成され
ている。

【００５４】第１の充電パルスがＮＰＮ型トランジスタ
８４のベースに入力してＮＰＮ型トランジスタ８４が導
通すると、ＰＮＰ型トランジスタ８５、８６及び抵抗８
７により構成された定電流回路８８が作動し、コンデン
サ８９を第２の電圧Ｖ2までメニスカスを引込むの適し
た一定電流Ｉraで充電する。

【００５５】同様に、端子８２から出力する第２の充電
パルスがＮＰＮ型トランジスタ９０のベースに入力して
ＮＰＮ型トランジスタ９０が導通すると、ＰＮＰ型トラ
ンジスタ９１、９２及び抵抗９３により構成された定電
流回路９４が作動し、コンデンサ８９をメニスカスを急
速に引込むのに適した一定電流Ｉrbで電圧Ｖ2から電圧
Ｖ1まで追い充電し、以後所定時間この電圧Ｖ1を維持さ
せる。

【００５６】一方、入力端子８３に放電パルスが入力す
ると、ＮＰＮ型トランジスタ９５、９６及び抵抗９７か
らなる定電流回路９８がコンデンサ８９の電荷を零電圧
まで、インク滴を吐出させるのに適した一定電流Ｉfaで
放電させる。なお、図中符号９９、１００により示すＮ
ＰＮ型トランジタは電流増幅器を構成しており、圧電振
動子を駆動するに適した電流を出力端子１０１に出力す
る。

【００５７】次にこのように構成した装置の動作につい
て説明する。ホストから印字指令が制御手段８０に出力
すると、制御手段８０は、印字信号（図１８ I）にタ
イミングを合わせて時間幅ｔ21の第１の充電信号（図１
８ II）を端子８１に出力する。圧電振動子２２は定電
流回８８による一定電流Ｉraで時間ｔ21の間、一定の勾
配で電圧Ｖ2まで充電され、一定速度で収縮して圧力発
生室１６を一定速度で膨張させる。

【００５８】これにより、ノズル開口２０に静止してい
るメニスカスｍ（図１１ I）が圧力発生室側に急激に
引込まれ、メニスカスｍは自己の固有振動周波数で振動
を開始する。このとき前述したようノズル開口２０の壁
面から前述の粘性が支配的な領域の厚さδよりも中央領
域が選択的に圧力発生室側に大きく引込まれる（図１１
II）。

【００５９】制御手段８０は、電圧Ｖ2まで圧電振動子
２２を充電した段階でこの電圧Ｖ2を時間ｔ22だけ保持
し、圧力発生室１６の容積変化を可及的に防止する。メ
ニスカスは、圧力振動が負から正に反転すると、その境
界層の部分に外向きの流れ（図中 矢印Ａ）が生じ、ま
た中央部分は依然として圧力発生室側に引込まれ、時間
の経過とともに境界層部分がノズル開口側に押し出さ
れ、中央部ほど大きく圧力発生室側に変位したメニスカ
スとなる（図１１ III）。

【００６０】制御手段８０は、所定時間の経過後に第２
の充電パルス（図１８ III）を出力する。圧電振動子
２２は、定電流回路９４による一定電流Ｉrbで時間ｔ23
の間、一定の勾配で電圧Ｖ1まで充電され、一定速度で
大きく収縮して圧力発生室１６をさらに一定速度で膨張
させる。これにより、ノズル開口２０の中央領域ではイ
ンクが少なくイナータンスが境界層に比較して小さいた
め、ノズル開口２０の中央領域ｍcだけが選択的に圧力
発生室側に急速に引込まれる（図１１ IV）。

【００６１】このようにメニスカスの中央領域が圧力発
生室側に大きく引込まれた段階で、制御手段８０は端子
８３から放電パルス（図１８ IV）を出力する。圧電振
動子２２は定電流回路９８による一定電流Ｉfaで時間ｔ
25の間放電され、一定速度で大きく急激に伸長して圧力
発生室１６を一定速度で収縮させる。

【００６２】圧力発生室１６の収縮により加圧されたイ
ンクの流れ、つまり慣性流は、圧力発生室側に近いメニ
スカスの中央領域ｍcに集中的に作用し（図１１ V）、
メニスカスの中央領域だけを非常に大きな速度で押し出
す（図１１ VI）。このようにメニスカス自体の運動だ
けに頼ること無く、中央領域を積極的に加圧するため、
ノズル開口２０の直径よりも細いインク滴を印字に適し
た速度で安定にノズル開口２０から吐出させることがで
きる。

【００６３】以下、圧電振動子２２の電圧が零となった
段階で、次の印字信号の入力を待ち、印字信号が入力す
る度に前述の工程を繰返してドットを形成する。

【００６４】ところで、この実施例においては第１のス
テップ（図１１ I）としてのメニスカスの引込みは、
メニスカスとノズル開口２０の壁面との間に境界層を発
生させるための工程であるから、その引込み量を少なく
するのが望ましく、これに対して第２ステップ（図１１
IV）としてのメニスカスの中央部のイナータンスを動
的に小さくし、かつ引き続くインクの慣性流の作用を大
きく作用させるためのものであるから、その引込み量
は、大きい程効果がある。したがって圧電振動子２２の
充電電圧Ｖ2と、追い充電電圧Ｖ1−Ｖ2との電圧比は、
１：３、好ましくは１：４、望ましくは１：６以上にな
るように設定する。

【００６５】そして、第１の立ち上がり時間ｔ21と第２
の立ち上がり時間ｔ23は、圧電振動子２２の固有振動周
期よりも短い方が、一層効果的であることを実験的に確
認した。このため、本実施例では時間ｔ21＋ｔ23を２μ
ｓ乃至３μｓに設定されている。また、インク滴吐出の
ための立ち下がり時間ｔ25は、前述の実施例と同様に圧
電振動子２２の固有振動周期以下、望ましくは一致させ
ると、残留振動を防止することができる。

【００６６】具体的には最終の飽和電圧Ｖ１を２０ボル
トとすると、第１段階の充電電圧Ｖ2を３乃至５ボルト
に、またインク滴吐出のための立ち下がり時間ｔ25を２
μｓ乃至４μｓに設定して記録ヘッドを駆動すると、イ
ンク重量が５ｎｇ乃至７ｎｇ程度のインク滴を速度１０
ｍ／ｓ乃至１５ｍ／ｓ程度で吐出させることができた。

【００６７】これに対して、零ボルトからＶ1まで連続
して圧電振動子２２を充電する従来の駆動方法による
と、インク滴のインク量には大きな変化が無いものの、
速度が４ｍ／ｓ乃至８ｍ／ｓと約１／２にまで低下し
た。

【００６８】さらに詳説すると、第１の立ち上がりの終
端と、第２の立ち上がりの始端との時間差を規定するホ
ールド時間ｔ22も重要な要素で、圧力発生室７０のヘル
ムホルツ共振周波数によるメニスカスの振動の周期（本
実施例では５μｓ）の約１／２（２μｓ乃至３μｓ）に
設定することにより、インク滴のインク量を減少させて
インク滴の飛行速度を増大させることができる。

【００６９】これに対して、ホールド時間ｔ22を長目に
設定すると、インク滴のインク量が増大するばかりでな
く、飛行速度までが低下して初期の目的を達成すること
が不可能となる。これはホールド時間ｔ22が長くなる
と、第１段階の充電により引込まれたメニスカスが反転
してノズル開口側に向かい始めている段階、つまりメニ
スカスの中央部がノズル開口側に凸となっている状態
で、第２段階目のメニスカスの引込みを行うことにな
り、メニスカスの引込み力がメニスカスの運動により相
殺されてしまうことになる。

【００７０】したがって、前述の境界層より中央領域で
は、流れが慣性の影響を大きく受けて一体となって振動
するものの、圧力勾配の時間的変化、つまり振動の位相
に対してπ／２遅れた位相を持つという前述の効果を利
用することができなくなるためである。換言すると、第
１段階の充電によるメニスカスの引込み後、メニスカス
の振動の１周期よりも短い時間内に第２段階のメニスカ
スの引込みを実行することが必須の要件となる。

【００７１】図１９は、上述した駆動方法における圧電
振動子２２の変位と、メニスカスの中央部の位置との関
係を示す線図で、第１段階の充電による圧電振動子２２
の縮小によりメニスカスが引込まれる。そしてこの引込
み量よりも少ない変位量で復帰した時点で圧電振動子２
２を大幅に縮小させてメニスカスを大きく引込み、この
引込みによるメニスカスの振動が反転してノズル開口２
０に向かう時点で、圧電振動子２２を放電させてインク
滴を吐出させる。

【００７２】これにより、メニスカスの中央部が圧力発
生室に最も近づき、かつノズル開口側に向かう時点で、
圧力発生室１６が加圧されるから、インク滴のインク量
の減少させ、かつ飛行速度を落とすことなく飛翔させる
ことができる。

【００７３】なお、上述の実施例においては、圧電振動
子の長手方向を変位方向とする圧電振動子に例を採って
説明したが、図２０に示したように、インク供給口１１
０を介してリザーバ１１１と、ノズル連通孔１１２、１
１３を介してノズル開口１１４に連通する圧力発生室１
１５の一部を弾性変形可能な蓋体１１６により封止し、
蓋体１１６の表面にたわみモードで変位する圧電振動子
１１７を貼着したり、また圧電材料をスパッタリングに
より形成した記録ヘッドに適用しても同様の作用を奏す
る。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、メ
ニスカスの中央領域だけを効果的、選択的に加圧して、
インク量の少ないインク滴を印刷に適した飛行速度で、
かつインクの粘度による影響を可及的に少なくして吐出
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のインクジェット式装置の一実施例
を、記録機構を中心にして示す図である。

【図２】 同上装置の記録ヘッドの一実施例を示す組立
斜視図である。

【図３】 同上記録ヘッドの断面構造を１つの圧力発生
室について示す図である。

【図４】 同上記録ヘッドに使用する圧電振動子ユニッ
トの一実施例を示す図である。

【図５】 同上記録ヘッドの圧力発生室の近傍で拡大し
て示す斜視図である。

【図６】 同上記録ヘッドの圧力発生室を封止する弾性
板の構造を拡大して示す図である。

【図７】 図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ同上記録ヘッ
ドの流体特性をモデル化して示す図である。

【図８】 同上記録ヘッドを駆動する駆動装置の一実施
例を示す回路図である。

【図９】 同上駆動装置の信号を示す波形図である。

【図１０】 本発明の駆動方法によりノズル開口近傍で
発生する２つの異なる流体特性の範囲を示す図である。

【図１１】 図（I）乃至（VI）は、それぞれ本発明の
駆動方法によるメニスカスの運動を模式的に示す図であ
る。

【図１２】 本発明の駆動方法によるメニスカスの中央
部の位置の時間的変化を示す線図である。

【図１３】 図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ比較例とし
て示すメニスカスの中央部の位置の時間的変化を示す線
図である。

【図１４】 本発明の駆動方法に適したインクジェット
式記録ヘッドの他の実施例を、圧力発生室近傍を拡大し
て示す断面図である。

【図１５】 本発明の他の駆動方法に適したインクジェ
ット式記録ヘッドの他の実施例を、圧力発生室近傍を拡
大して示す断面図である。

【図１６】 同上記録ヘッドの流体特性をモデル化して
示す図である。

【図１７】 同上記録ヘッドを駆動するの適した駆動装
置の一実施例を示す回路図である。

【図１８】 同上駆動装置の信号を示す波形図であ
る。

【図１９】 図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の駆動
方法による圧電振動子の変位の時間的変化と、メニスカ
スの中央部の変位の時間的変化を示す線図である。

【図２０】 本発明の記録方法が適用可能なインクジェ
ット式記録ヘッドの他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１６ 圧力発生室 １７ リザーバ １８ インク供給
口 ２０ ノズル開口 ２１ 弾性板 ２２ 圧電振動子 ２３ アイランド部
２４ 薄肉部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク供給口を介してリザーバに連通し
   てインクの供給を受け、またノズル開口からインク滴を
   吐出する圧力発生室を、圧電振動子を変位させて前記ノ
   ズル開口のメニスカスの中央領域を前記ノズル開口の壁
   面側の領域よりも選択的に、かつ前記メニスカスの振動
   を支配する異なる少なくとも２つ周波数で前記メニスカ
   スを振動させるように前記圧力発生室側に引込む第１工
   程と、 第１工程で引き込まれた前記メニスカスの中央領域が前
   記ノズル開口側に反転し、かつ２つ周波数で振動してい
   る前記メニスカスの移動方向が前記ノズル開口側への移
   動として同期した時点で前記圧電振動子を変位させて圧
   力発生室をインク滴を吐出させることが可能な速度で収
   縮させる第２工程とからなるインクジェット式記録装置
   による記録方法。
2. 【請求項２】 第１工程、及び第２工程における前記圧
   電振動子の変位時間が、前記メニスカスの固有振動の周
   期以下である請求項１に記載のインクジェット式記録装
   置による記録方法。
3. 【請求項３】 外部からインクの供給を受けるリザーバ
   と、一部が弾性変形可能な蓋材により封止されて容積変
   化によりインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐
   出させる圧力発生室と、前記リザーバと前記圧力発生室
   とを接続するインク供給口と、前記蓋材を弾性変形させ
   る圧電振動子とを備えた記録ヘッドにおいて、 前記ノズル開口側の領域、及びインク供給口側にそれぞ
   れインク流により弾性変形可能な領域が形成されて、前
   記圧力発生室自体のイナータンスと、前記インク供給口
   のイナータンスＭsが、ともに前記ノズル開口のイナー
   タンスＭnより大きく、かつ前記インク供給口側の領域
   のヘルムホルツ共振周波数が他の領域よりも低く設定さ
   れているインクジェット式記録ヘッド。
4. 【請求項４】 前記インク供給口側の領域と前記他の領
   域との前記ヘルムホルツ共振周波数とが整数倍の関係と
   なるように設定されている請求項３に記載のインクジェ
   ット式記録ヘッド。
5. 【請求項５】 前記ノズル開口側の領域、及びインク供
   給口側にそれぞれインク流により弾性変形可能な領域
   と、前記圧電振動子による弾性変形可能な領域とが絞り
   部により区画されている請求項３に記載のインクジェッ
   ト式記録ヘッド。