JP2004025890A - Method for driving actuator, and inkjet recording device - Google Patents
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Description
本発明は、駆動信号の入力により変位するアクチュエータの駆動方法に関するものである。更に詳しくは、アクチュエータを高速に変位させる駆動方法に関するものである。また、本発明の属するもう一つの技術分野は、インク滴を吐出して記録媒体上に付着させるインクジェット記録装置に関するもので、更に詳しくは、低い電圧で微小なインク滴を高速に吐出させることに適したインクジェット記録装置に関するものである。 The present invention relates to a method for driving an actuator that is displaced by input of a drive signal. More specifically, the present invention relates to a driving method for displacing an actuator at high speed. Another technical field to which the present invention pertains relates to an ink jet recording apparatus that ejects ink droplets and deposits them on a recording medium. More specifically, the present invention relates to ejecting minute ink droplets at a low voltage at a high speed. The present invention relates to a suitable inkjet recording apparatus.
制御信号の入力により発生する駆動力あるいは駆動力の変化で変位するアクチュエータとして、例えば電歪(圧電)材料を用いた電歪アクチュエータや、磁歪材料を用いた磁歪アクチュエータがある。これらのアクチュエータは、アクチュエータの形状や固定方法等によって決まる固有振動モードを持っている。 (4) As a driving force generated by input of a control signal or an actuator which is displaced by a change in the driving force, for example, there are an electrostrictive actuator using an electrostrictive (piezoelectric) material and a magnetostrictive actuator using a magnetostrictive material. These actuators have a natural vibration mode determined by the shape and fixing method of the actuator.
例えば、図1に示す圧電縦振動子は、圧電セラミクス細棒の一端を固定し、細棒の両面に形成された駆動電極間に電圧を印加すると、圧電横効果により細棒の長手方向に変位する。このような一端を固定した棒の縦振動の固有振動数は、 For example, in the piezoelectric longitudinal vibrator shown in FIG. 1, when one end of a piezoelectric ceramic thin rod is fixed and a voltage is applied between drive electrodes formed on both surfaces of the thin rod, the piezoelectric longitudinal vibrator is displaced in the longitudinal direction of the thin rod by a piezoelectric transverse effect. I do. The natural frequency of the longitudinal vibration of such a rod with one end fixed is
で表わされる。ここで、L:棒の長さ、E:棒材料の縦弾性係数、γ:棒材料の密度、λ:固有振動モードによって定まる無次元の係数でλ=π/2,3π/2,5π/2,...,(2n−1)π/2(nは自然数)である。また、各固有振動数に対応する固有振動モードは、図18に示すようになる。図18では、一次モード、二次モード、三次モードの棒の長さ方向の変位状態を、便宜的に棒に垂直方向の変位として表わしている。 It is represented by. Here, L: length of rod, E: longitudinal elastic modulus of rod material, γ: density of rod material, λ: dimensionless coefficient determined by natural vibration mode, λ = π / 2, 3π / 2, 5π / 2,. . . , (2n-1) π / 2 (n is a natural number). The natural vibration modes corresponding to the respective natural frequencies are as shown in FIG. In FIG. 18, the displacement state in the longitudinal direction of the rod in the first mode, the second mode, and the third mode is expressed as a displacement perpendicular to the rod for convenience.
この圧電縦振動子に、外部の駆動回路からの出力電圧を駆動電極間に印加すると、圧電横効果による駆動力が発生し、静的には次式で表現される変位量を発生する。 (4) When an output voltage from an external drive circuit is applied between the drive electrodes to the piezoelectric longitudinal vibrator, a driving force is generated by a piezoelectric transverse effect, and statically generates a displacement expressed by the following equation.
ここで、V:駆動電圧、t:電極間の圧電細棒の厚さ、L:棒の長さ、d31:圧電定数である。 Here, V: drive voltage, t: thickness of the piezoelectric thin bar between the electrodes, L: length of the bar, d 31 : piezoelectric constant.
この圧電縦振動子を変位させる時の上記静的変位に至るまでの過渡的振動状態は、電圧の立ち上げ方に大きく支配される。図19と図20は、圧電縦振動子に一定の電圧上昇率で立ち上がる擬ステップ電圧を印加した時の、圧電縦振動子先端の変位応答を見たものである。図の横軸は圧電縦振動子の一次モードの基本周期Tm1で規格化し、縦軸の変位量は静変位量で規格化してある。 When the piezoelectric longitudinal vibrator is displaced, the transient vibration state up to the static displacement is largely governed by how the voltage rises. FIGS. 19 and 20 show the displacement response of the tip of the piezoelectric longitudinal vibrator when a pseudo step voltage that rises at a constant voltage rising rate is applied to the piezoelectric longitudinal vibrator. The horizontal axis in the figure is normalized by the fundamental period Tm1 of the primary mode of the piezoelectric longitudinal vibrator, and the vertical displacement is normalized by the static displacement.
図19では、擬ステップ電圧の立ち上がり時間T1が三次モードの固有周期Tm3=Tm1/5より短く、一次モード、二次モード、三次モードの複数のモードが励振され、その結果、静変位のおよそ2倍の変位まで立ち上がるが、鋸波状のリンギングが発生する。 In FIG. 19, the rise time T 1 of the pseudo step voltage is shorter than the natural period T m3 = T m1 / 5 of the third mode, and a plurality of modes of the first mode, the second mode, and the third mode are excited, and as a result, the static displacement Rise up to about twice the displacement, but saw-like ringing occurs.
図20では、擬ステップ電圧の立ち上がり時間T1を一次モードの固有周期Tm1に等しく設定している。一般にある固有モードの固有振動周期より十分長い立ち上がり時間にすると、その固有モードとより高次の振動の励振は低く抑えられる。逆にある固有モードの固有周期より短い立ち上がり時間にすると、その固有モードとより低次の固有モードは強く励振される。また、立ち上がり時間があるモードの固有振動周期に等しくなる時点で、そのモードの励振は極小となり、その振動モードの励振を可及的に抑えられる。図20では、擬ステップ電圧の立ち上がり時間T1を一次モードの固有周期Tm1に等しく設定しているため、一次モードと高次モードの励振が共に抑えられ、振動子先端はおよそ立ち上がり時間に等しい時間(即ち一次モードの固有周期Tm1に等しい時間)で立ち上がり、オーバシュートやリンギングは発生しない。 In Figure 20, it is set equal to the rise time T 1 of the pseudo-step voltage to the natural period T m1 of the primary mode. In general, if the rise time is set to be sufficiently longer than the natural oscillation period of a certain natural mode, the excitation of the natural mode and higher-order vibrations can be suppressed low. Conversely, if the rise time is shorter than the eigenmode of a certain eigenmode, the eigenmode and a lower-order eigenmode are strongly excited. Further, when the rise time becomes equal to the natural vibration period of a certain mode, the excitation of the mode becomes minimal, and the excitation of the vibration mode can be suppressed as much as possible. In Figure 20, since the rising time T 1 of the pseudo-step voltage is set equal to the natural period T m1 of the primary mode, excitation of the primary and higher modes are suppressed both transducer tip is approximately equal to the rise time It rises in time (that is, a time equal to the natural period T m1 of the first-order mode), and no overshoot or ringing occurs.
次に、本発明の従来技術となるインクジェット記録装置を説明する。 Next, an ink jet recording apparatus according to the prior art of the present invention will be described.
一般にインクジェット記録装置においては、インク室の剛性(コンプライアンス)と供給路、ノズルを含むインク流路系の慣性(イナータンス)によって決まるヘルムホルツ周波数を持つインク流れの固有振動が有り、この振動モードを強く励振することによりノズルから高速にインク滴を吐出することが可能となる。
そのため、インク流れの固有振動の周期より短い時間でアクチュエータが変位するよう、アクチュエータの基本振動モードの周期がインク流れの固有振動の周期より短くなるようにする。このような従来技術が、特許文献1に開示されている。
In general, an ink jet recording apparatus has a natural vibration of an ink flow having a Helmholtz frequency determined by the rigidity (compliance) of an ink chamber and the inertia (inertance) of an ink flow path system including a supply path and a nozzle, and this vibration mode is strongly excited. By doing so, it becomes possible to eject ink droplets from the nozzles at high speed.
Therefore, the period of the basic vibration mode of the actuator is set shorter than the period of the natural vibration of the ink flow so that the actuator is displaced in a shorter time than the period of the natural vibration of the ink flow. Such a conventional technique is disclosed in
このようなインクジェット記録装置では、アクチュエータが駆動後にリンギング(残留振動)を起こすとインク流れの固有振動を励振し、非常に僅かな振幅であってもノズルよりミスト状のインク滴が発生する。このミストは、それ自体が記録媒体に付着すると記録品質を低下させるが、記録媒体だけでなくインクジェットヘッドのノズル周囲に付着するとノズル開口部の濡れが不均一になり、付着したミストに引かれてインク滴の吐出方向が変わってしまい、記録媒体上の目的の位置に正確に記録できず、記録品質の低下を招く。 In such an ink jet recording apparatus, when ringing (residual vibration) occurs after the actuator is driven, natural vibration of the ink flow is excited, and mist-like ink droplets are generated from the nozzles even with a very small amplitude. When the mist itself adheres to the recording medium, it degrades the recording quality.However, when the mist adheres not only to the recording medium but also to the periphery of the nozzle of the ink jet head, the nozzle opening becomes unevenly wet, and is attracted to the adhering mist. Since the ejection direction of the ink droplet changes, it is not possible to accurately record at a target position on the recording medium, and the recording quality is deteriorated.
また、特許文献2に開示されているインクジェット記録装置は、区画形成されたインク室の底壁をなす振動板に、振動板を駆動してインク室を加圧するアクチュエータとしての圧電振動子の一方の端部が当接している。この圧電振動子の他方の端部は基板を介して基台に固定されており、積層された駆動電極に駆動電圧を印加することで、軸方向に伸縮する縦振動モードで駆動される。駆動電圧を上昇させると圧電振動子が縮み、振動板をインク室の面外方向に変形させインク室の容積を増大させる。その後、駆動電圧を下降させると圧電振動子が伸長しインク室の容積を急激に縮小させる。この時発生するインク室の流体圧力により、インク室に連通するノズルよりインク滴が吐出する。駆動電圧の下降は、電圧下降率が一定となる回路で行われているが、この下降の時間を圧電振動子の自由振動(縦振動の基本振動)の周期に実質的に等しくすることで、圧電振動子の残留振動を低くし、ノズルからのミスト状の不要インク滴が吐出するのを抑制している。
Further, an ink jet recording apparatus disclosed in
更に、特許文献3に開示されているインクジェット記録装置は、駆動電圧の下降を2段階に分け、電圧下降の中間に電圧下降の停止時間を入れることで、可及的に圧電振動子の残留振動を抑制している。
上記の従来技術が示すとおり、アクチュエータを高速に変位させ、かつ変位のリンギングを十分に小さくするには、そのアクチュエータの変位に係わる基本振動モード、例えば縦振動子の先端変位を出力に用いるアクチュエータでは縦振動の基本振動モード(一次振動モード)を、その固有周期が必要な変位応答時間に等しいかそれ以下となるよう固有周波数を高くしなければならない。即ち、変位応答の速度は、アクチュエータの基本振動モードの固有周期で上限が決められてしまう。一般に、機械構造物の固有振動周波数は構造物が小さくなるほど高くなる。例えば、一様な縦振動子やねじり振動子では固有周波数は長さに反比例し、横振動子(たわみ振動子)では固有周波数は長さの2乗に反比例する。これとは逆に、アクチュエータの変位量は、駆動力が一定であれば寸法が小さくなるほど小さくなる。例えば、一様な縦振動子やねじり振動子では、変位量は長さに比例し、横振動子(たわみ振動子)では、変位量は長さの2乗に比例する。従って、変位速度を高くするには、アクチュエータを小型にすると共にその駆動力、即ち、電気機械変換素子からなるアクチュエータでは駆動電圧を高くしなければならない。 As described in the above prior art, in order to displace an actuator at a high speed and to sufficiently reduce the ringing of the displacement, a basic vibration mode related to the displacement of the actuator, for example, an actuator using a tip displacement of a longitudinal transducer as an output is used. The natural frequency of the fundamental vibration mode (primary vibration mode) of longitudinal vibration must be increased so that its natural period is equal to or less than the required displacement response time. That is, the upper limit of the speed of the displacement response is determined by the natural period of the fundamental vibration mode of the actuator. Generally, the natural vibration frequency of a mechanical structure increases as the structure decreases. For example, for a uniform longitudinal oscillator or torsional oscillator, the natural frequency is inversely proportional to the length, and for a transverse oscillator (flexible oscillator), the natural frequency is inversely proportional to the square of the length. Conversely, if the driving force is constant, the amount of displacement of the actuator decreases as the size decreases. For example, in a uniform longitudinal or torsional vibrator, the amount of displacement is proportional to the length, and in a lateral vibrator (flexible vibrator), the amount of displacement is proportional to the square of the length. Therefore, in order to increase the displacement speed, it is necessary to reduce the size of the actuator and to increase its driving force, that is, the driving voltage of the actuator including the electromechanical transducer.
しかしながら、駆動電圧が高くなると駆動回路が非常に大型・高価になり、また駆動回路やアクチュエータの発熱による性能低下を招くという問題点が発生する。また、アクチュエータ内部の応力が高くなり、アクチュエータの破壊による信頼性低下が生じるなど、アクチュエータ素子自体の限界歪みで特性の上限が決められてしまう。 However, when the drive voltage is increased, the drive circuit becomes very large and expensive, and the performance of the drive circuit and the actuator deteriorates due to heat generation. In addition, the upper limit of the characteristic is determined by the limit distortion of the actuator element itself, for example, the stress inside the actuator is increased and the reliability is reduced due to the destruction of the actuator.
また、インクジェット記録装置では、インク滴の吐出に係わるインク室の振動モードの固有振動数(ヘルムホルツ周波数)を高くすることで微小なインク滴を高速に吐出させることが可能となる。そのためには、このインク室の振動モードを駆動できる高い変位速度を持つアクチュエータが必要となる。しかしながら、駆動電圧の立ち上がりを速くするとリンギングが発生し、印字品質を劣化させる不要インクミストが発生する問題点がある。また、アクチュエータの基本モードを高速にするためアクチュエータの小型化を図ると、駆動電圧が非常に高くなってしまう問題点がある。 In addition, in the ink jet recording apparatus, it is possible to discharge minute ink droplets at high speed by increasing the natural frequency (Helmholtz frequency) of the vibration mode of the ink chamber relating to the discharge of ink droplets. For that purpose, an actuator having a high displacement speed capable of driving the vibration mode of the ink chamber is required. However, if the rise of the drive voltage is made faster, ringing occurs, and there is a problem that unnecessary ink mist that deteriorates print quality is generated. In addition, if the actuator is miniaturized in order to increase the speed of the basic mode of the actuator, there is a problem that the driving voltage becomes extremely high.
そこで、本発明の課題は、基本モードの固有周期以下の時間で変位が立ち上がるアクチュエータの駆動方法を提供し、アクチュエータの基本モードで制限されていた変位応答性の限界を飛躍的に改善し、低駆動力・低電圧で高速に駆動できる高性能なアクチュエータを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a driving method of an actuator in which a displacement rises in a time equal to or less than a natural period of a basic mode, and drastically improve a displacement response limit limited in the basic mode of the actuator, and An object of the present invention is to provide a high-performance actuator that can be driven at high speed with a low driving voltage and low driving force.
また、アクチュエータの変位速度を飛躍的に向上さることで、微小なインク滴を高速に低駆動力・低電圧で吐出できる、高品位なインクジェット記録装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a high-quality ink jet recording apparatus capable of ejecting minute ink droplets at a high speed with a low driving force and a low voltage by dramatically increasing the displacement speed of an actuator.
上記課題を解決するために、本発明は、駆動手段による駆動力で変位し、この駆動力で励振される第1の振動モードと、この第1の振動モードより高次な第2の振動モードとを有するアクチュエータの駆動方法において、前記第1の振動モードの周期より短い区間の間に、前記第2の振動モードの固有周期の略半分の幅を有するパルス状となる駆動力の立ち上げと立ち下げを少なくとも一回行うことにより前記第2の振動モードを励振し、しかる後に必要な変位に駆動する駆動力を作用させるようにしている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a first vibration mode that is displaced by a driving force of a driving unit and is excited by the driving force, and a second vibration mode that is higher in order than the first vibration mode. In the driving method of the actuator, comprising: during a section shorter than the period of the first vibration mode, a pulse-like driving force having a width substantially half the natural period of the second vibration mode; By performing the fall at least once, the second vibration mode is excited, and then a driving force for driving to a necessary displacement is applied.
ここで、前記立ち下げから前記必要な変位に駆動する駆動力までの時間を、前記第2の振動モードの固有周期の略半分に設定することが望ましい。 Here, it is desirable to set the time from the fall to the driving force for driving to the required displacement to be substantially half of the natural period of the second vibration mode.
また、前記パルス状となる駆動力の立ち上げと立ち下げの大きさに関し、前記必要な変位に駆動する駆動力の大きさより大きくすることが望ましい。 It is desirable that the magnitude of the rise and fall of the pulse-like drive force is larger than the magnitude of the drive force for driving to the required displacement.
また、前記必要な変位に駆動する駆動力が、ステップ状駆動力にパルス状駆動力を重畳させてなることが望ましい。ここで、重畳される前記パルス状駆動力が、前記第1の振動モードの振動を打ち消すように抑制することが望ましい。 Preferably, the driving force for driving to the required displacement is obtained by superimposing a pulse-like driving force on a step-like driving force. Here, it is preferable that the superimposed pulsed driving force suppresses the vibration in the first vibration mode.
また、前記アクチュエータとしては、電歪振動子あるいは磁歪振動子からなることが望ましい。 It is preferable that the actuator is made of an electrostrictive vibrator or a magnetostrictive vibrator.
また、前記アクチュエータは、縦振動子、横振動子、あるいはねじり振動子であることが望ましい。 It is preferable that the actuator is a vertical vibrator, a horizontal vibrator, or a torsional vibrator.
また、本発明は、インク室を区画形成している周壁の一部を、アクチュエータで振動させることにより、前記インク室に連通したノズルよりインク滴を吐出するインクジェット記録装置において、前記アクチュエータは駆動手段による駆動力で変位し、この駆動力で励振される第1の振動モードと、この第1の振動モードより高次な第2の振動モードとを有し、前記第1の振動モードの周期より短い区間の間に、前記第2の振動モードの固有周期の略半分の幅を有するパルス状となる駆動力の立ち上げと立ち下げを少なくとも一回行うことにより前記第2の振動モードを励振し、しかる後に必要な変位に駆動する駆動力を作用させるようにしている。 The present invention also provides an ink jet recording apparatus that ejects ink droplets from a nozzle communicating with the ink chamber by vibrating a part of a peripheral wall that defines an ink chamber with an actuator. A first vibration mode that is displaced by the driving force of the first vibration mode and is excited by the driving force, and a second vibration mode that is higher in order than the first vibration mode. Exciting the second vibration mode by performing at least one rise and fall of a pulse-like driving force having a width approximately half the natural period of the second vibration mode during a short section. Then, a driving force for driving the required displacement is applied.
ここで、前記立ち下げから前記必要な変位に駆動する駆動力までの時間を、前記第2の振動モードの固有周期の略半分に設定することが望ましい。 Here, it is desirable to set the time from the fall to the driving force for driving to the required displacement to be substantially half of the natural period of the second vibration mode.
また、前記パルス状となる駆動力の立ち上げと立ち下げの大きさに関し、前記必要な変位に駆動する駆動力の大きさより大きくすることが望ましい。 It is desirable that the magnitude of the rise and fall of the pulse-like drive force is larger than the magnitude of the drive force for driving to the required displacement.
また、前記必要な変位に駆動する駆動力が、ステップ状駆動力にパルス状駆動力を重畳させてなることが望ましい。ここで、重畳される前記パルス状駆動力が、前記第1の振動モードの振動を打ち消すように抑制することが望ましい。 Preferably, the driving force for driving to the required displacement is obtained by superimposing a pulse-like driving force on a step-like driving force. Here, it is preferable that the superimposed pulsed driving force suppresses the vibration in the first vibration mode.
また、前記アクチュエータは縦振動モードで駆動される電歪振動子で、前記駆動手段による駆動力は前記電歪振動子に形成された駆動電極に印加される電圧で与えられることが望ましい。 Preferably, the actuator is an electrostrictive vibrator driven in a longitudinal vibration mode, and the driving force by the driving means is given by a voltage applied to a drive electrode formed on the electrostrictive vibrator.
また、前記インク室はインクの吐出に係わるインク室の振動モードを持ち、前記アクチュエータの前記第1の振動モードの固有周期は前記インク室の振動モードの固有周期より大きく、前記第2の振動モードの固有周期は前記インク室の振動モードの固有周期より小さいことが望ましい。 Further, the ink chamber has a vibration mode of the ink chamber related to the ejection of ink, a natural period of the first vibration mode of the actuator is larger than a natural period of the vibration mode of the ink chamber, and the second vibration mode Is preferably smaller than the natural period of the vibration mode of the ink chamber.
本発明によれば、アクチュエータの基本モードの固有周期より短い時間でアクチュエータを立ち上げることが可能となり、高速で変位するアクチュエータを実現することができる。 According to the present invention, the actuator can be started up in a time shorter than the natural period of the basic mode of the actuator, and an actuator that displaces at a high speed can be realized.
また、高速な応答を得る為に、必要以上にアクチュエータを小型にする必要が無く、低い駆動力・駆動電圧で必要な変位量を得ながら、高速に変位するアクチュエータを実現することができ、高い応答速度を持つインク室を駆動することが可能となる。 Also, in order to obtain a high-speed response, it is not necessary to make the actuator more compact than necessary, and an actuator that displaces at a high speed while obtaining a necessary displacement with a low driving force and a low driving voltage can be realized. It is possible to drive an ink chamber having a response speed.
さらに、アクチュエータのオーバーシュートや残留振動を抑えることができ、不要インク滴の吐出や、インク吐出の不安定性が発生せず、低駆動電圧と高信頼性を両立させることが可能となる。 Furthermore, overshoot and residual vibration of the actuator can be suppressed, and unnecessary ink droplet ejection and ink ejection instability do not occur, and both low drive voltage and high reliability can be achieved.
以下に、図面を参照して本発明のアクチュエータの駆動方法について詳しく説明する。 Hereinafter, the driving method of the actuator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は以下に説明する駆動波形の実施例を適用したアクチュエータで、チタン酸ジルコン酸鉛(以下PZTと表現する)からなる厚さHの圧電板を幅Wの板棒状に切り出し、一方の端部を基板61からの張り出し長さLで基板に接着固定してある。圧電板60にはその両面に駆動電極62が形成されており、この駆動電極62を用いて圧電材料を厚さ方向に分極させてある。この圧電縦振動子の寸法は、厚さHが200μm、幅Wが500μm、張り出し長さLが20mmで、圧電材料のおよその材料定数は、比重が7.5、縦弾性係数が6×1010N/m2、圧電定数d31は200×10-12m/Vである。駆動電極へ電圧印加を行うと圧電横効果による圧電歪みが駆動力として作用し、棒は長手方向に収縮する。この長手方向の縦振動の固有周波数は、上記数値を用いて公式より算出すると、1次モードが34kHz、2次モードが102kHz、3次モードが170kHzとなる。また、固有周期で見ると、1次モードが29μs、2次モードが10μs、3次モードが6μsとなる。インピーダンスアナライザを用いて共振点を実測すると1次モードの固有周期は30μsとなり、上記計算結果と一致した。
FIG. 1 shows an actuator to which an embodiment of a drive waveform described below is applied. A piezoelectric plate having a thickness H made of lead zirconate titanate (hereinafter, referred to as PZT) is cut into a plate bar having a width W, and one end thereof is formed. The portion is bonded and fixed to the substrate with a length L extending from the
図2(A)に示す駆動電圧波形は、図1に示す圧電振動子の1次モード固有周期に等しい30μsで電圧が立ち上がる擬ステップ波形であるが、この駆動波形を図1に示す圧電振動子に印加すると、図2(B)に示すアクチュエータ変位の応答が得られる。従来技術として説明した様に、この駆動方法によれば、オーバシュートやリンギングが発生せず滑らかに変位が立ち上がるが、変位の立ち上がりに要する時間がおよそ30μsも必要とし、立ち上がりの速度が低くなってしまう。 The drive voltage waveform shown in FIG. 2A is a pseudo step waveform in which the voltage rises in 30 μs, which is equal to the natural mode natural period of the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1, and this drive waveform is shown in FIG. , The response of the actuator displacement shown in FIG. 2B is obtained. As described in the related art, according to this driving method, the displacement rises smoothly without overshoot or ringing, but the time required for the rise of the displacement is about 30 μs, and the speed of the rise is low. I will.
これに対し、図3は本発明の第1の実施例となる駆動方法を示す図で、図3(A)は圧電振動子に印加する駆動電圧波形で、図3(B)はアクチュエータとしての圧電振動子の先端変位応答である。図3(A)の駆動電圧波形は、圧電振動子の第1の振動モードである基本(1次)モードの固有周期である30μsより短い時間の間に、電圧の立ち上げと立ち下げからなるパルス状の波形S0を加えた後に、再び電圧を立ち上げている。初めの電圧の立ち上げP0から電圧の立ち下げP1までの時間と、電圧の立ち下げP1から2度目の電圧の立ち上げP2までの時間はおよそ6μsで、圧電振動子60の第2の振動モードとなる2次モードの固有周期のおよそ半分の値である。この駆動波形により、圧電振動子60の立ち上がりにおいて基本(1次)モードが立ち上がる前に、2次の変位モードを励振する圧力波が振動子を伝播するため、図3(B)に示すように急峻な立ち上がりQ0と変位一定のプラトーQ1が得られる。プラトーQ1の後、時間15μs以降にはパルス状の駆動電圧波形を伴った駆動電圧の立ち上がりによる1次モードのリンギングQ2が残留している。
3A and 3B show a driving method according to a first embodiment of the present invention. FIG. 3A shows a driving voltage waveform applied to a piezoelectric vibrator, and FIG. 3B shows a driving voltage waveform as an actuator. It is a tip displacement response of a piezoelectric vibrator. The drive voltage waveform in FIG. 3A includes a rise and fall of the voltage during a time shorter than 30 μs, which is the natural period of the basic (primary) mode, which is the first vibration mode of the piezoelectric vibrator. After adding the pulse waveform S0, the voltage is raised again. The time from the first voltage rise P0 to the voltage fall P1 and the time from the voltage fall P1 to the second voltage rise P2 is about 6 μs, and the second vibration mode of the
図3の駆動方法により、振動子先端変位は図2の従来技術に比較して3分の1以下のおよそ8μsで立ち上がり、非常に高速な立ち上がりを実現できた。しかし、プラトーQ1まで急峻に立ち上がる変位量は静的な変位量であるおよそ0.25μmより2割程度小さい。 (3) By the driving method of FIG. 3, the displacement of the tip of the vibrator rises in about 8 μs, which is one third or less as compared with the prior art of FIG. 2, and a very fast rise can be realized. However, the displacement that rises sharply to the plateau Q1 is about 20% smaller than the static displacement of about 0.25 μm.
これに対し、図4は本発明の第2の実施例となる駆動方法を示す図で、図3に示した実施例を改善したものである。図4(A)は圧電振動子に印加する駆動電圧波形で、図4(B)はアクチュエータとしての圧電振動子60の先端変位応答である。図3(A)の駆動電圧波形に対し、図4(A)の駆動電圧波形は、最初の電圧の立ち上げP10と立ち下げP11からなるパルス状の波形S10の高さを、静的な変位量を与える電圧に対しておよそ3割大きくすることで、プラトーQ11まで急峻に立ち上がる変位量を静的な変位量と同程度にすることが可能となった。本駆動方法の様にパルスの高さを変えることにより、プラトーまで急峻に立ち上がる変位量を自由に調整することが可能となる。
FIG. 4 shows a driving method according to a second embodiment of the present invention, which is an improvement of the embodiment shown in FIG. FIG. 4A shows a drive voltage waveform applied to the piezoelectric vibrator, and FIG. 4B shows a tip displacement response of the
図5は本発明の第3の実施例となる駆動方法を示す図で、図5(A)は圧電振動子に印加する駆動電圧波形で、図5(B)はアクチュエータとしての圧電振動子の先端変位応答である。本実施例は、図4に示した実施例を改善したものである。即ち、静的な変位量を与える電圧よりおよそ3割高く第1の電圧の立ち上げP20を行う。続いて、圧電振動子60の第2の振動モードとなる2次モードの固有周期のおよそ半分の値となるおよそ6μsで電圧の立ち下げP21を行い、第1のパルス状波形S20を形成する。続いて、電圧の立ち下げP21から先と同様およそ6μsで第2の電圧の立ち上げP22を行う。この立ち上げP22の高さを第1の立ち上げと同様に静的な変位量を与える電圧よりおよそ3割高くする。続いて、第2の立ち上げP22から先と同様およそ6μsで静的変位を与える電圧まで第2の電圧の立ち下げP23を行う。
5A and 5B show a driving method according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5A shows a driving voltage waveform applied to the piezoelectric vibrator, and FIG. 5B shows a driving voltage waveform of the piezoelectric vibrator as an actuator. It is a tip displacement response. This embodiment is an improvement of the embodiment shown in FIG. That is, the rise P20 of the first voltage is performed about 30% higher than the voltage giving the static displacement amount. Subsequently, the voltage falls P21 at about 6 μs, which is about half the natural period of the second mode of the
図4(A)と図5(A)とを比較して分かるように、本実施例の駆動波形で、静的な変位にまで駆動するステップ状駆動波形S22に第2のパルス状波形S21を重畳させることで、アクチュエータ変位の立ち上がり後のリンギングを抑制することが可能となる。 As can be seen by comparing FIG. 4 (A) and FIG. 5 (A), in the drive waveform of the present embodiment, the second pulse-like waveform S21 is added to the step-like drive waveform S22 for driving up to the static displacement. By superimposing, it is possible to suppress ringing after rising of the actuator displacement.
図6は本発明の第4の実施例となる駆動方法を示す図で、図6(A)は圧電振動子60に印加する駆動電圧波形で、図6(B)はアクチュエータとしての圧電振動子60の先端変位応答である。本実施例は、図5に示した実施例を改善し、補助的に重畳させた第2のパルスを基本(1次)モードのリンギングを打ち消すように最適化し、残留振動を抑制したものである。即ち、第2の電圧の立ち上げP32の高さを、第1の立ち上げP30より大きくし、その大きさを基本(1次)モードのリンギングを打ち消すように調整した。本駆動波形により、図6(B)に示すように、非常に小さいレベルにまでオーバシュートとリンギングを抑制できた。図2(B)と比較すると、同じアクチュエータを用いて3倍以上高速な立ち上がり速度が得られ、アクチュエータの駆動能力を格段に向上させることができた。
6A and 6B show a driving method according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6A shows a driving voltage waveform applied to the
図7は本発明の第5の実施例となる駆動方法を示す図で、図7(A)は圧電振動子60に印加する駆動電圧波形で、図7(B)はアクチュエータとしての圧電振動子60の先端変位応答である。図7(A)の駆動電圧波形は、圧電振動子の第1の振動モードである基本(1次)モードの固有周期である30μsより短い時間の間に、電圧の立ち上げと立ち下げからなるパルス状の波形S40、S41を2つ加えた後に電圧を立ち上げている。電圧の立ち上げと立ち下げの夫々の間隔は圧電振動子の第2の振動モードとなる3次モードの固有周期のおよそ半分の3μsで、3次の変位モードを励振する圧力波が振動子を伝播するようにしてある。
7A and 7B show a driving method according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 7A shows a driving voltage waveform applied to the
この駆動電圧波形に対する応答を図7(B)で見ると、およそ4μsで第1の立ち上がりQ40をした後、およそ3μsの間静止したプラトーQ41を示し、その後およそ3μsで第2の立ち上がりQ42をし、再びおよそ3μsの間静止した第2のプラトーQ43を示す。本実施例と図2(B)を比較すると、本実施例では立ち上がりと静止を繰り返しながらも、従来技術に比べおよそ2倍の立ち上がり速度を示している。 Looking at the response to this drive voltage waveform in FIG. 7 (B), after a first rising Q40 in about 4 μs, a plateau Q41 resting for about 3 μs, followed by a second rising Q42 in about 3 μs. Shows the second plateau Q43 again resting for approximately 3 μs. Comparing this embodiment with FIG. 2B, this embodiment shows that the rising speed is about twice as high as that of the prior art, while repeating the rising and stopping.
図8は本発明の第6の実施例となる駆動方法を示す図で、図8(A)は圧電振動子60に印加する駆動電圧波形で、図8(B)はアクチュエータとしての圧電振動子60の先端変位応答である。図8(A)の駆動電圧波形は、図7(B)の第1の立ち上がりQ40に着目し、駆動波形の最適化を行った。即ち、静的な変位量を与える電圧より2.5倍高く第1の電圧の立ち上げP50を行い、続いて、圧電振動子の第2の振動モードとなる3次モードの固有周期のおよそ半分の値となるおよそ3μsに電圧の立ち下げP51を行い、第1のパルス状波形S50を形成する。続いて、擬ステップ波形S51、S52を印加し静的変位量に変位させる。この擬ステップ波形は、第1のパルス波形S50と組み合わせた時、基本モードのリンギングを打ち消すように抑制する波形に最適化する必要がある。本実施例では、擬ステップ波形の立ち上がり時刻を調整して、第1のパルス状波形S50で誘導される基本モードの振動と、擬ステップ波形S51、S52で誘導される基本モードの振動が、打ち消しあうよう位相を制御する。即ち、両基本モードの位相が180°異なる時刻に調整する。また、擬ステップ波形の立ち上がりP52に要する時間は、高次モードを強く誘導しないよう、2次モードの固有周期より少し短い6μsとした。擬ステップ波形の立ち上がりP52から静的変位量を与える電圧に立ち下げるP53までの時間、即ち立ち上がり勾配一定の擬ステップ波形に重畳される第2のパルス波形S51の幅は、基本モードの振動を効率よく誘導するよう、基本モードの固有周期のおよそ半分の時間に調整した。この第2のパルスの高さを、第1のパルス状波形で誘導される基本モードの振動を相殺するよう調整することで、図8(B)に示すように、3次モード固有周期のおよそ半分の時間である5μsで立ち上がるステップ状に変位する駆動を実現できる。
8A and 8B show a driving method according to a sixth embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a driving voltage waveform applied to the
図9は本発明の第7の実施例となる駆動方法を示す図で、図9(A)は圧電振動子60に印加する駆動電圧波形で、図9(B)はアクチュエータとしての圧電振動子60の先端変位応答である。図9(A)の駆動電圧波形は、図8(A)の駆動電圧波形同様のアプローチにより最適化されている。図8(A)とは異なり、第1のパルス状波形S60と擬ステップ波形S61、S62とにおいて、駆動回路を簡略化できるよう電圧の立ち上がり勾配P60、P62、P63、電圧の立ち下がり勾配P61、P64をそれぞれ一定な値としている。
9A and 9B show a driving method according to a seventh embodiment of the present invention. FIG. 9A shows a driving voltage waveform applied to the
図8(B)と図9(B)の応答は、共にリンギングは抑制できているが、オーバシュートQ52、Q62がやや大きくなっている。擬ステップ波形に、第3、第4とパルス状波形を重畳していくことで、このオーバシュートを抑制ことは可能である。しかし、波形が複雑になると、駆動回路が複雑になり、僅かなパラメタ変動で期待した効果や作用が機能しないことも予想される。図8あるいは図9に示した実施例は、初期の立ち上がりQ50、Q60の速度が図2の従来技術と比較して6倍程度向上している。従って、アクチュエータの高速位置決め機能よりアクチュエータの速度が重要で、基本モード程度の周波数成分を持つオーバシュートが問題とならない応用分野で非常に有効な駆動方法である。 応 答 In both the responses of FIGS. 8B and 9B, the ringing can be suppressed, but the overshoots Q52 and Q62 are slightly larger. It is possible to suppress this overshoot by superimposing the third, fourth and pulse-like waveforms on the pseudo step waveform. However, when the waveform becomes complicated, the driving circuit becomes complicated, and it is expected that the expected effect or function does not function due to slight parameter fluctuation. In the embodiment shown in FIG. 8 or FIG. 9, the speed of the initial rise Q50, Q60 is improved about six times as compared with the prior art of FIG. Therefore, the speed of the actuator is more important than the high-speed positioning function of the actuator, and this is a very effective driving method in an application field in which overshoot having a frequency component on the order of the fundamental mode is not a problem.
以上の実施例では、圧電素子からなる縦振動子を例にとり駆動方法の説明を行ったが、他の振動モードであっても同じ動作原理により同様な作用効果が得られることは明らかである。例えば、ねじり振動子では、その運動方程式は縦振動子と相似であり、縦振動子の場合の縦弾性係数をねじり振動子の場合には横弾性係数で置き換えることで、ねじり振動に関する一連の公式が得られる。横振動子の場合も、1次モード、2次モード、3次モードの振動を用いて、高次モードにより急峻な立ち上がりを実現しながら1次モードの振動を抑制する本発明の着想が適用できる。しかしながら、横振動子では、1次モード、2次モード、3次モードの固有振動数が縦振動子やねじり振動子のように直線的に並ばず、1次モードと高次モードとの固有振動数の差が大きいため、駆動波形の最適化は他の振動子に比べ難しい。 In the above embodiments, the driving method has been described by taking the vertical vibrator made of a piezoelectric element as an example. However, it is apparent that the same operation and effect can be obtained by the same operation principle even in other vibration modes. For example, for a torsional vibrator, the equation of motion is similar to a longitudinal vibrator, and by replacing the longitudinal elastic modulus for a longitudinal vibrator with the transverse elastic modulus for a torsional vibrator, a series of formulas for torsional vibration are obtained. Is obtained. Also in the case of the transverse oscillator, the idea of the present invention that suppresses the vibration of the primary mode while realizing a steep rise by the higher mode using the vibration of the first mode, the second mode, and the third mode can be applied. . However, in the transverse oscillator, the natural frequencies of the first mode, the second mode, and the third mode are not linearly arranged like the longitudinal oscillator and the torsional oscillator, and the natural oscillation of the first mode and the higher mode is not performed. Because of the large difference between the numbers, it is more difficult to optimize the drive waveform than other transducers.
ここで、これまで説明した圧電縦振動子は圧電横効果を用いているため、分極時の電圧と同じ方向に電圧を印加する場合、圧電縦振動子は負の歪み(負の変位)を発生する。逆に、圧電縦効果を用いた圧電縦振動子の場合は、分極時の電圧と同じ方向に電圧を印加する場合、圧電縦振動子は正の歪み(正の変位)を発生する。従って、本明細書においては、駆動力あるいは電圧等の駆動信号の立ち上げとは、アクチュエータが目的とする変位に駆動される方向への駆動力あるいは電圧等の駆動信号の変化を意味する場合も有り、その場合は立ち上がり/立ち下がりが正/負の符号には依らない用語の使い方をしている。 Here, since the piezoelectric vertical vibrator described so far uses the piezoelectric lateral effect, when a voltage is applied in the same direction as the voltage at the time of polarization, the piezoelectric vertical vibrator generates negative distortion (negative displacement). I do. Conversely, in the case of a piezoelectric longitudinal vibrator using the piezoelectric longitudinal effect, when a voltage is applied in the same direction as the voltage at the time of polarization, the piezoelectric longitudinal vibrator generates a positive strain (positive displacement). Therefore, in the present specification, the rise of a driving signal such as a driving force or a voltage may mean a change in a driving signal such as a driving force or a voltage in a direction in which the actuator is driven to a target displacement. Yes, in that case, the terms are used where the rise / fall does not depend on the positive / negative sign.
また、本発明は圧電振動子(電歪振動子)だけでなく、磁歪振動子についても同様に適用できるのは明らかである。圧電振動子が駆動電圧による電界が駆動力を発生するのに対し、磁歪振動子では磁界の強さが駆動力を発生する。しかし、磁界の発生手段がコイルであれば、その駆動電流を駆動力として解釈してもよい。 It is clear that the present invention can be applied not only to a piezoelectric vibrator (electrostrictive vibrator) but also to a magnetostrictive vibrator. In a piezoelectric vibrator, an electric field generated by a driving voltage generates a driving force, whereas in a magnetostrictive vibrator, the strength of a magnetic field generates a driving force. However, if the magnetic field generating means is a coil, the driving current may be interpreted as a driving force.
次に、図面を参照して本発明のインクジェット記録装置について詳しく説明する。 Next, the ink jet recording apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図10は、アクチュエータとして縦振動モードの圧電振動子を用いたインクジェット記録装置を示すものであって、各部品を分解し内部構造が見えるように示してある。図11は、図10に示した実施例の部分断面図である。 FIG. 10 shows an ink jet recording apparatus using a piezoelectric vibrator in a longitudinal vibration mode as an actuator, in which each component is disassembled so that the internal structure can be seen. FIG. 11 is a partial cross-sectional view of the embodiment shown in FIG.
図10において、流路形成部材3には、周囲を側壁で区画された細長い直線状のキャビティ51,51,51・・・・が列状に等間隔で2列に形成されており、それぞれのキャビティの一端は、後述するインク溜りを形成する窓41に連通している。この流路形成部材3をノズル基板1と振動板7とで挟みこみ、封止することで、前述の細長い直線状のキャビティ51はインク室5を形成し、窓41はインク溜り4を形成する。また、ノズルプレート1にはインク室5に対応してノズル2,2,2・・・・が穿孔されており、インク室5の一端でノズル2が接続している。
In FIG. 10, the
インク滴吐出の駆動源となるアクチュエータ22は、棒状の積層圧電素子を素子固定基板21から梁状に突き出すように、その一方の端部を素子固定基板21に固着した縦振動子で、この積層圧電素子を素子固定基板21に複数実装してアクチュエータユニットとして構成されている。図11に示すように積層圧電素子は、梁状部分で互い違いに交差する電極層26、27と圧電材料(本実施例ではチタン酸ジルコン酸鉛を用いた)を積層した活性部を有し、一方の電極層27は各アクチュエータ毎に個別の電極として、他方の電極層26はアクチュエータに共通の電極として、図示していない外部の駆動回路へリードフレーム25を経て接続している。アクチュエータ22の配置は、一つのアクチュエータ22が一つのインク室5に対応するように、インク室5の間隔と同じに並べられる。図10に示す実施例では、2列のインク室5に対応してアクチュエータユニットが2つ実装されている。
The
インク流路構成部材とアクチュエータユニットは、基台11によって相互に固定されている。基台11には、インク供給管31が圧入接着されている。インクは図示していない外部のインクタンクよりインク供給管31と振動板7にあるインク連絡口33を経て、インク溜り4、更にインク室5へと供給される。各インク室5の底壁を構成する振動板7の部分は弾性壁8として変形可能であり、インク室5と反対面に各インク室毎に形成されている島状の脚部9を持つダイアフラムとなっている。梁状のアクチュエータ22の先端は、個々のインク室の脚部9に接合している。
The ink flow path component and the actuator unit are fixed to each other by the
図示していない外部の駆動回路より、積層圧電素子の個別電極27と共通電極26間に電圧が印加されると、積層圧電素子の活性部は素子固定基板21を支点に長手方向に縮み、インク室5の弾性壁8を、図11において下方にたわませ、インク室5の容積を拡大させる。インク室5の容積の拡大によって、インクがインク溜り4より供給流路6を経てインク室5に供給される。引き続く時間で個別電極27と共通電極26間の電圧印加が解除されると、積層圧電素子の活性部は元の長さに伸びインク室5の容積を縮小させ、このとき発生する圧力によってインク室5を満たすインクの一部をインク室5に連通するノズル2よりインク滴として吐出させる。
When a voltage is applied between the
次に図12を用いて、アクチュエータユニットを更に詳細に説明する。 Next, the actuator unit will be described in more detail with reference to FIG.
図12は、図10に示した実施例のアクチュエータユニットを拡大した図である。素子固定基板21は厚さ1mmのアルミナ基板を加工して作られている。梁状の突出部42はアクチュエータユニットと基台11を位置決めするために設けられている。列状に配置された積層圧電素子(アクチュエータ22)は、図11に示すように、その積層電極の一方は積層圧電素子の梁状先端で外部の電極に接続し、更に側面の電極28に接続している。また、積層電極の他方は積層圧電素子の素子固定基板21に固定されている方の先端で外部の電極に接続し、電極28と対向する側面に形成された電極29に接続している。積層圧電素子の素子固定基板21との接合面に設けられた電極29は個々に積層圧電素子に設けられた個別電極の電気接点として、積層圧電素子と素子固定基板21との接合と同時に、素子固定基板21にアクチュエータ22の個々に対応して設けられた導電性パターン24へ電気的に接続される。積層圧電素子の他方の面に設けられた電極28は共通電極の電気接点として、導電性部材23で連結され、圧電振動子列の両端に設けられたダミーの圧電素子32を経て、素子固定基板21の導電性パターン34に接続している。リードフレーム25の両側の端子は共通電極の端子として、内側の端子はダミーの圧電素子を除く個々の積層圧電素子の個別電極の端子として、外部の駆動回路に連結される。
FIG. 12 is an enlarged view of the actuator unit of the embodiment shown in FIG. The
本実施例では、インク室5は282μmの間隔で、即ち1インチ当り90ノズルの密度で列状に並べられており、図10に示すように2列のインク室によって1インチ当り180ノズルの密度を有するインクジェット記録装置が構成されている。従って、アクチュエータユニットのアクチュエータ22のピッチも282μmとなっている。
In the present embodiment, the
アクチュエータの製造方法は、素子固定基板21から張り出すようにして板状の積層圧電素子を素子固定基板21に接着した後に、積層圧電素子をワイヤソウ等を用いて282μmのピッチの短冊状に切断して、個々のアクチュエータ22が形成される。切断の方法は、他にダイシングソウを用いても良い。積層圧電素子は、積層方向の厚さがおよそ0.5mmで、素子固定基板21から張り出している部分の長さがおよそ8mmである。282μmのピッチで並べるために、並び方向の幅は150μmで、切りしろが130μm程度になる。
The actuator is manufactured by bonding a plate-shaped laminated piezoelectric element to the
次に、インク室5の底壁を構成する振動板7の構造を図13を用いて詳細に説明する。
Next, the structure of the
図13は、各インク室5の弾性壁8を構成する振動板7を、アクチュエータ22側から見た部分斜視図である。アクチュエータ22は、圧電素子への電圧印加により、振動板7に垂直に伸縮する。振動板7には、各々のインク室5の弾性壁となる部分のインク室5の外側に、細長く直線状のインク室に沿うように、細長い島状の厚肉部である脚部9がそれぞれのインク室毎に形成されている。逆に、島状の脚部9の周囲は薄板部10となっており、脚部9の両端部には広い薄板部10a、10bが形成されている。各パターンは、インク室5の配置に対応するように282μmの間隔で等間隔に列状に配置されている。
FIG. 13 is a partial perspective view of the
アクチュエータ22の伸縮に伴うインク室5のおよその体積変形量は、弾性壁8の壁面に垂直方向の移動により排除される容積で与えられる。このように高密度で配置されたインク室5を変形させ、画素形成に必要なインク量をノズル2よりインク滴として吐出させるために、本発明のインクジェット記録装置では、インク室5を細長く形成し、その一面を構成しアクチュエータ22の伸縮に応じて変形する弾性壁8の面積を広く確保している。本実施例では、インク室5の幅は200μmで、長さはおよそ1mmである。振動板7は、これを構成する材料により適切な厚肉部や薄肉部の厚さが変わるが、ニッケルを用いた場合には、厚肉部はその厚みを25μm程度に、また薄肉部はその厚みを1μm乃至3μm程度である。
お よ そ The approximate volume deformation of the
ノズルより微小なインク滴を高速に吐出させるには、インク滴の吐出に係わるインク室の振動モードの固有振動数(ヘルムホルツ周波数)を高くすることが必要である。 吐出 In order to eject minute ink droplets from the nozzles at high speed, it is necessary to increase the natural frequency (Helmholtz frequency) of the vibration mode of the ink chamber related to the ejection of ink droplets.
インクジェットヘッドのインク流路に発生するインク流れでは、細い流路でインクを加速する時にインクの質量がイナータンスとして働く。また、インク室はインク圧力で弾性変形する、あるいはインク室を満たすインクがインク圧力で圧縮・膨張するため、これらの体積変位がコンプライアンスとして働く。従って、イナータンスとコンプライアンスの組み合わせによって、インク室の応答は固有な振動モードを持ち、その周波数は下記の式によって得られるヘルムホルツ周波数となる。 イ ン ク In the ink flow generated in the ink flow path of the inkjet head, the mass of the ink acts as inertance when accelerating the ink in the narrow flow path. Further, since the ink chamber is elastically deformed by the ink pressure, or the ink filling the ink chamber is compressed and expanded by the ink pressure, these volume displacements act as compliance. Therefore, due to the combination of inertance and compliance, the response of the ink chamber has a unique vibration mode, the frequency of which is the Helmholtz frequency obtained by the following equation.
ここで、Ccはインク室のコンプライアンス、Mnはノズル内のインクのイナータンス、Msは供給流路のインクのイナータンスである。 Here, the C c ink chamber compliance, the M n inertance of the ink in the nozzle, the M s is the inertance of the ink supply channel.
Ccはインクの圧縮性による成分とインク室の周壁の可撓性による成分の和で、インクの圧縮性による成分Cinkは次式で求められる。 C c is the sum of the component due to the compressibility of the ink and the component due to the flexibility of the peripheral wall of the ink chamber. The component C ink due to the compressibility of the ink is obtained by the following equation.
ここで、κはインクの体積圧縮率で、水系のインクではおよそ0.45(GPa)-1である。Vcはインク室の容積である。インク室の周壁の可撓性による成分は複雑なインク室構造では簡単な式では表現できず、一般に有限要素法等を用いた数値解析手段を持ちて求められる。 Here, κ is the volume compression ratio of the ink, which is about 0.45 (GPa) −1 for the water-based ink. Vc is the volume of the ink chamber. A component due to the flexibility of the peripheral wall of the ink chamber cannot be expressed by a simple equation in a complicated ink chamber structure, and is generally obtained by using a numerical analysis means using a finite element method or the like.
また、Mc、Msは流路の断面積をS、インク密度をρ、流路の長さをLとして、次式で表わせる。 Further, M c and M s can be expressed by the following equations, where S is the cross-sectional area of the flow path, ρ is the ink density, and L is the length of the flow path.
ここで、kは流路の断面形状で決まる形状係数で、円管ではおよそ1.3である。 Here, k is a shape factor determined by the cross-sectional shape of the flow channel, and is approximately 1.3 in a circular pipe.
流路が複雑な形状の場合には、コンプライアンスと同様に有限要素法等を用いた数値解析手法を用いて求められる。 When the flow path has a complicated shape, it is obtained by using a numerical analysis method using a finite element method or the like as in the case of compliance.
さて、上記方法を用いて本実施例のヘルムホルツ周波数を計算すると以下のようになる。 Now, when the Helmholtz frequency of the present embodiment is calculated using the above method, the result is as follows.
即ち、ノズルのイナータンスMnは、ノズル径40μm、直管部の長さ20μm、直管部に接続するテーパ部を加えると、Mn=70×106kg/m4である。供給流路のイナータンスMsは、60μm×60μmの矩形断面で長さが150μmであるから、Ms=60×106kg/m4である。コンプライアンスはインク室5の弾性壁8の薄板部の寄与が大部分であり、およそCc=1×10-19m3/Paである。これらの値を用いて計算されるヘルムホルツ周波数は90kHzとなり、その固有周期は11μsである。
That is, the inertance Mn of the nozzle is Mn = 70 × 10 6 kg / m 4 when the nozzle diameter is 40 μm, the length of the straight pipe portion is 20 μm, and the tapered portion connected to the straight pipe portion is added. The inertance M s of the supply channel is M s = 60 × 10 6 kg / m 4 because the length is 150 μm in a rectangular cross section of 60 μm × 60 μm. Most of the compliance is contributed by the thin plate portion of the
アクチュエータ22を駆動し、インク室5に強い圧力振動を発生させるには、上記ヘルムホルツ周波数で決まるインクの吐出に係わるインク室の振動モードの固有周期より速く、アクチュエータ22を立ちあげる必要がある。アクチュエータ22の縦振動モードの基本周期はおよそ16μsで、このアクチュエータに図14に示す駆動電圧波形を印加することで、縦振動モードの基本周期よりおよそ3倍速い5μs程度で、アクチュエータを立ちあげることが出来る。
In order to drive the
図14に示す駆動波形は、図3に示したアクチュエータの駆動方法と同じで、図3では圧電横効果を用いた縦振動子を収縮させているのに対し、インクジェット記録装置では圧電横効果を用いた縦振動子を伸長させるのに適用するため、駆動電圧の降下上昇の符号が図3と図14で反対となっている。 The driving waveform shown in FIG. 14 is the same as the driving method of the actuator shown in FIG. 3. In FIG. 3, the vertical vibrator using the piezoelectric lateral effect is contracted. The sign of the rise and fall of the drive voltage is opposite between FIGS. 3 and 14 in order to apply to extending the used longitudinal vibrator.
図14に示す駆動波形は、アクチュエータ22の基本周期とインク室5の固有周期よりも緩やかに上昇する電圧の立ち上がりP70の後、アクチュエータ22の基本周期より短い時間の間に、電圧の立ち下げP71と立ち上げP72からなるパルス状の波形を加えた後に、再び電圧を立ち下げている。電圧の立ち上げP70によりアクチュエータ22は長手方向に縮み、インク室5の弾性壁8を、図11において下方にたわませ、インク室5の容積を拡大させる。インク室5の容積の拡大によって、インクがインク溜り4より供給流路6を経てインク室5に供給される。次に、電圧の立ち下げP71と立ち上げP72と立ち下げP73によりアクチュエータは第2の振動モードとなる2次モードの固有周期程度の値である5μsで長手方向に伸長し、インク室5の容積をインク室5の固有周期より短い時間に急激に縮小させる。このとき発生する圧力によってインク室5を満たすインクにはヘルムホルツ周波数の大きな圧力振動が励起し、インク室5に連通するノズル2よりインク滴が高速に吐出する。
The drive waveform shown in FIG. 14 shows that the voltage P71 rises more slowly than the basic period of the
図3の実施例同様、図14の駆動波形では電圧の立ち下げP71から電圧の立ち上げP72までの時間と、電圧の立ち上げP72から2度目の電圧の立ち下げP73までの時間はおよそ3μsで、アクチュエータ22の第2の振動モードとなる2次モードの固有周期のおよそ半分の値である。
As in the embodiment of FIG. 3, in the drive waveform of FIG. 14, the time from the voltage fall P71 to the voltage rise P72 and the time from the voltage rise P72 to the second voltage fall P73 are about 3 μs. , About half the natural period of the second mode, which is the second vibration mode of the
図15は、本インクジェット記録装置の第2の実施例で、図5に示したアクチュエータの駆動方法とは駆動電圧の降下上昇の符号が反対となっている。 FIG. 15 shows a second embodiment of the present ink jet recording apparatus, in which the signs of the drive voltage drop and rise are opposite to those of the actuator driving method shown in FIG.
図15に示す駆動波形は、アクチュエータ22の基本周期とインク室5の固有周期よりも緩やかに上昇する電圧の立ち上がりP80の後、アクチュエータ22の基本周期より短い時間の間に、電圧の立ち下げP81と立ち上げP82からなるパルス状の波形を加えた後に、再び電圧を立ち下げP83を行い、更に小さな電圧の立ち上げP84を行い、最後に緩やかに電圧を立ち下げP85を行い電圧0に復帰させている。電圧の立ち上げP80によりアクチュエータ22は長手方向に縮み、インク室5の弾性壁8を下方にたわませ、インク室5の容積を拡大させる。インク室5の容積の拡大によって、インクがインク溜り4より供給流路6を経てインク室5に供給される。次に、電圧の立ち下げP81と立ち上げP82と立ち下げP83と立ち上げP84によりアクチュエータは第2の振動モードとなる2次モードの固有周期程度の値であるおよそ5μsで長手方向に伸長し、この時、図5に示した様にアクチュエータ22の伸長後のリンギングを低く抑えられ、不要なインク室5の振動が抑制されている。
The drive waveform shown in FIG. 15 has a voltage fall P81 during a time shorter than the basic cycle of the
図5の実施例同様、図15の駆動波形では電圧の立ち下げP81から電圧の立ち上げP82までの時間と、電圧の立ち上げP82から2度目の電圧の立ち下げP83までの時間と、2度目の電圧の立ち下げP83から小さな電圧の立ち上げP84までの時間は、それぞれおよそ3μsで、アクチュエータ22の第2の振動モードとなる2次モードの固有周期のおよそ半分の値で、2次モードの振動を強く励振する。また、電圧の立ち上げP84の高さは、基本モードのリンギングを最適に抑制する値に調整する。
As in the embodiment of FIG. 5, in the drive waveform of FIG. 15, the time from the voltage fall P81 to the voltage rise P82, the time from the voltage rise P82 to the second voltage fall P83, and the second time The time from the falling P83 of the voltage to the rising P84 of the small voltage is about 3 μs, which is about half the natural period of the second mode, which is the second vibration mode of the
図16は、本インクジェット記録装置の第3の実施例で、図6に示したアクチュエータの駆動方法とは駆動電圧の降下上昇の符号が反対となっている。 FIG. 16 shows a third embodiment of the ink jet recording apparatus, in which the signs of the drive voltage drop and rise are opposite to those of the actuator driving method shown in FIG.
図16に示す駆動波形は、アクチュエータ22の基本周期とインク室5の固有周期よりも緩やかに上昇する電圧の立ち上がりP90の後、アクチュエータ22の基本周期より短い時間の間に、電圧の立ち下げP91と立ち上げP92からなるパルス状の波形を加えた後に、再び電圧を立ち下げP93と小さな電圧の立ち上げP94を行い、最後に緩やかに電圧を立ち下げP95を行い電圧0に復帰させている。電圧の立ち下げP93は電圧の立ち下げP91より大きく、電圧の立ち上げP94後の電位は、電圧の立ち下げP91後の電位より高く設定されている。
The drive waveform shown in FIG. 16 has a voltage fall P91 during a time shorter than the basic cycle of the
図6に示した様に、本駆動電圧波形によりアクチュエータ22の伸長後のリンギングは先の実施例以上に低く抑えられ、不要なインク室5の振動が抑制されている。
(6) As shown in FIG. 6, the ringing after the extension of the
図14、図15、図16に示した実施例では、アクチュエータ22の伸長後に僅かにリンギングが発生する。このリンギングの成分はアクチュエータの1次モードの成分が大部分であり、その基本周期はおよそ16μsである。しかしながら、本実施例のインクジェット記録装置では、そのヘルムホルツ周波数より決まるインク室5の固有周期はおよそ11μsで、アクチュエータの基本周期より短く設定されている。従って、インク室5の固有周期より長い周期のリンギングでインク室5が励振されるが、この励振に対するインク室5の応答は小さく、ミスト状の不要インク滴を吐出させることはなく、吐出信頼性に優れたインクジェット記録装置を実現できている。
In the embodiments shown in FIGS. 14, 15 and 16, slight ringing occurs after the
また、従来5μsでアクチュエータを駆動するには、アクチュエータの長さを3mm程度に短くしなければならず、必要なインク滴重量を得るためには30V程度の電圧が必要であった。しかし、上記実施例によれば、駆動電圧は高々10V程度であり、3分の1程度の低電圧化が達成できた。 In addition, conventionally, to drive the actuator in 5 μs, the length of the actuator had to be shortened to about 3 mm, and a voltage of about 30 V was required to obtain a required ink droplet weight. However, according to the above embodiment, the driving voltage was at most about 10 V, and a voltage reduction of about one third could be achieved.
これまでの実施例では、アクチュエータとして圧電横効果を用いているため、駆動電圧の上昇させインク室5の容積を拡大させた後の駆動電圧の降下時で、第1の振動モードとなる基本モードの固有周期より短い区間の間に、電圧の立ち下げと立ち上げからなるパルス状波形を挿入し、その後電圧を立ち下げている。
In the embodiments described above, since the piezoelectric lateral effect is used as the actuator, the basic mode that becomes the first vibration mode when the drive voltage drops after the drive voltage is increased and the volume of the
これに対し、圧電縦効果を用いたアクチュエータや、磁歪効果を用いたアクチュエータでは、電圧の上昇に伴いインク室5の容積を収縮させる方向に変位する。従って、駆動電圧波形として図17に示すように、電圧の上昇時に第1の振動モードとなる基本モードの固有周期より短い区間の間に、電圧の立ち上げP100と立ち下げP101からなるパルス状波形を挿入し、その後電圧の立ち上げP102と立ち下げP103からなる補助パルスを重畳させた擬ステップ波形を用いることで、先の実施例と同様な効果が得られる。
On the other hand, in the actuator using the piezoelectric longitudinal effect and the actuator using the magnetostriction effect, the displacement of the
1 ノズル基板,2 ノズル,3 流路形成部材,4 インク溜り,5 インク室,6 供給流路,7 振動板,8 弾性壁,9 脚部,10 可撓部,11 ヘッドフレーム,21 素子固定基板,22 アクチュエータ,60 圧電振動子 1 nozzle substrate, 2 nozzle, 3 channel forming member, 4 ink reservoir, 5 ink chamber, 6 supply channel, 7 diaphragm, 8 elastic wall, 9 leg, 10 flexible section, 11 head frame, 21 element fixing Substrate, 22 ° actuator, 60 ° piezoelectric vibrator
Claims (14)
前記第1の振動モードの周期より短い区間の間に、前記第2の振動モードの固有周期の略半分の幅を有するパルス状となる駆動力の立ち上げと立ち下げを少なくとも一回行うことにより、前記第2の振動モードを励振し、
しかる後に必要な変位に駆動する駆動力を作用させることを特徴とするアクチュエータの駆動方法。 In a method for driving an actuator having a first vibration mode displaced by a driving force of a driving unit and excited by the driving force, and a second vibration mode higher in order than the first vibration mode,
By performing at least one rise and fall of a pulse-like driving force having a width substantially half the natural period of the second vibration mode during a section shorter than the period of the first vibration mode. Exciting the second vibration mode,
A driving method for an actuator, wherein a driving force for driving a necessary displacement is applied after that.
前記アクチュエータは駆動手段による駆動力で変位し、この駆動力で励振される第1の振動モードと、この第1の振動モードより高次な第2の振動モードとを有し、前記第1の振動モードの周期より短い区間の間に、前記第2の振動モードの固有周期の略半分の幅を有するパルス状となる駆動力の立ち上げと立ち下げを少なくとも一回行うことにより前記第2の振動モードを励振し、しかる後に必要な変位に駆動する駆動力を作用させることを特徴とするインクジェット記録装置。 In a liquid ejecting apparatus that discharges liquid droplets from a nozzle communicating with the liquid chamber by vibrating a part of a peripheral wall that defines the liquid chamber by an actuator,
The actuator is displaced by a driving force of a driving unit, and has a first vibration mode excited by the driving force, and a second vibration mode higher in order than the first vibration mode. During a section shorter than the cycle of the vibration mode, the drive force in the form of a pulse having a width substantially half of the natural cycle of the second vibration mode is raised and lowered at least once, whereby the second An ink jet recording apparatus which excites a vibration mode and then applies a driving force for driving to a required displacement.
The ink chamber has a vibration mode of the ink chamber related to the ejection of ink, a natural cycle of the first vibration mode of the actuator is larger than a natural cycle of the vibration mode of the ink chamber, and a natural cycle of the second vibration mode. 14. The ink jet recording apparatus according to claim 8, wherein a period is shorter than a natural period of the vibration mode of the ink chamber.
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