JP2663140B2 - インクジェット記録方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はインクジェット記録装置の駆動方法に関す
る。

〔従来の技術〕

インクジェット記録装置は、連続噴射型、インパルス
型（オンデマンド型）および静電吸引型の３つに大別す
ることができる。

連続噴射型は、連続的に吐出しているインクを荷電偏
向させることによって記録するものであり、装置が複雑
となり、インクの回収や清掃装置等余分のものが必要に
なる。

静電吸引型は、構造が比較的簡単であるが、高電圧を
必要とし安全性に留意する必要があり、しかも、導電率
などのインク物性に制限が多く、周波数応答性も悪い。

ところで、オンデマンド型においては、必要な時だけ
圧電素子等の吐出エネルギー発生素子を駆動してインク
滴を吐出させるので無駄なインク消費が少なく、しかも
構造が非常に簡単であるので、その普及が期待されてい
る。

これらの記録方法でフルカラープリンターを実現しよ
うとすると、高解像度とともに忠実な中間調表現を達成
する必要がある。

中間調表現としては、ディザ法などのデジタル的なも
のと、記録ドットサイズを変化させるアナログ的なもの
との２通りが考えられる。

しかし、デジタル的中間調表現法では、階調数を上げ
るために解像度を犠牲にしなければならない。

このため、記録ドットサイズを変化させて記録濃度を
制御するアナログ記録に期待が寄せられている。

ところが、従来のインクジェット記録装置でインク吐
出量を制御するのは非常に困難であった。

例えば、連続噴射型では、インク吐出量を変化させる
ことは不可能である。

また、静電吸引型では、アナログ的な中間調表現が可
能であるが、階調巾を大きくすることは困難である。

さらに、オンデマンド型では、インク吐出量を制御す
るのに圧電素子に印加するパルス電圧やパルス巾を変化
させることによって行うが、このパルス波形の変化だけ
では階調巾を大きくすることは不可能であった。

このため、濃度の異なるインクを使い分けることによ
って大きな階調巾を持たせるようにしたインクジェット
記録装置や、異なるノズル径を複数個設けることによっ
て階調巾を持たせるようにしたインクジェット記録装置
等が知られている。

しかし、これらの方法では装置が大型化、複雑化する
ためコストアップになるという問題があった。

一方、特公昭53−12138号に開示されているような圧
電素子で単にインクを加圧してインク滴を吐出させる方
法よりも、特開昭55−17589号に記載されているような
一旦インク室容積を増加させメニスカスを後退させた後
インクを加圧する方法の方が、小さなインク滴を吐出さ
せることが可能であるのみならず周波数応答性にもすぐ
れていることが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、ノズルからは、一般的に、吐出速度の大き
い主滴の他に吐出速度の小さなサテライトと呼ばれる液
滴が副次的に吐出されることがある。

このサテライトは低速であるため記録紙への着弾精度
が劣り、画質を劣化させてしまう。

したがって、前記サテライトを確実になくすことが要
請されていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので
あり、周波数応答性、吐出安定性、階調性、さらには記
録精度に優れた記録を行いうるインクジェット記録装置
の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、圧電素子を配置
した吐出エネルギー作用室を有する記録ヘッドを用い、
前記圧電素子にパルスを印加して前記吐出エネルギー作
用室の容積を変化させ、前記吐出エネルギー作用室の容
積の変化に伴って発生する圧力により吐出口からインク
滴を吐出させて記録を行うインクジェット記録方法にお
いて、前記圧電素子によって生じる圧力波が前記記録ヘ
ッド内で反射する部分の長さをｌ、インク中の音速をＣ
とするとき、前記吐出エネルギー作用室の容積を収縮さ
せて前記吐出口からインク滴を吐出させる第１のパルス
を前記圧電素子に印加し、前記第１のパルスの印加から
2l/C経過した後に、前記第１のパルスとほぼ同形であっ
て前記第１のパルスの電圧値以下の電圧値である第２の
パルスを印加して前記圧電素子を駆動するとともに、前
記第２のパルスの立ち下がり時間をインク温度に応じて
異ならせることを特徴とする。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第１図は本発明の駆動方法を実施するのに好適なオン
デマンド型のインクジェット記録装置の印字ヘッドの模
式的縦断面図である。

第１図において、先端にインク吐出口（オリフィス）
４を有するインク通路を構成する直管状のノズル１外側
に圧電素子２が配置されている。

前記ノズル１は長さがｌであり、前記圧電素子２は例
えばノズル１の周面を囲む円筒状をしている。

前記圧電素子２が配置されたノズル１の部分が吐出エ
ネルギー作用室3Aとなる。

駆動部７から電気信号を圧電素子２へ供給することに
より、吐出エネルギー作用室3Aを含むノズル１内のイン
ク室３の容積が減少または増加するので、オリフィス４
からインク滴５が吐出される。

また、ノズル１の後端部（例えばサブインクタンクへ
連通する部分）には多孔質部材で作られたフィルター６
が装着され、インク中の塵埃や気泡がノズル１内へ侵入
しない構造になっている。

このようなヘッドの圧電素子２に対して第２図に示す
ような正の電圧パルス波からなる電気信号を印加する
と、インク室３の容積を急激に減少させた後気泡をノズ
ル１内に取り込まないようにゆるやかに容積を復帰させ
ることができる。

しかし、第２図に示すようなパルス波を供給したので
は、インク滴を吐出させることはできるが、比較的小さ
なインク滴を吐出させることはできない。

第３図は第２図のパルス波形を圧電素子２に印加した
時の駆動周波数と吐出速度との関係を示すグラフであ
る。

第３図中の曲線に山および谷が存在するように、一般
に、インクジェット記録用のヘッドでは共振周波数が存
在し、曲線に表れる山および谷のピークから計算する
と、共振の周波数はノズル１内のインクの音速Ｃとする
と、4l/Cで表すことができる。

このことは、圧力波がノズル１を１往復することによ
り位相が逆転し、２往復すると元の位相に戻ることを示
している。

第４図はインク吐出口（オリフィス）４からインクが
吐出するときメニスカス振動の状態を示すグラフであ
る。

第４図に示すように、インク吐出口４のメニスカスの
振動の山および谷はほぼ4l/Cごとに表れており、これら
の逆数は第３図の山および谷（ピーク）における供振周
波数に対応している。

第５図はインク吐出口４からインク滴が吐出する状態
を示す。

吐出インク滴５（第１図）には、一般に、第５図に示
すように主滴11の他にサテライト13が存在し、前述のよ
うに、このサテライト13は主滴に比べ吐出速度が遅く記
録紙への着弾精度が悪いために画像の記録品位を乱すも
のである。

本発明は、第２図のような圧電素子２駆動用のパルス
波形の形状を余り変化させることなしに、小さなドット
から大きなドットまでトット径を可変にすることがで
き、周波数応答性、吐出安定性および吐出速度を改善し
うるインクジェット記録装置の駆動方法を提供するもの
である。

第６図は、本発明の駆動方法を実施するのに使用され
る圧電素子２の駆動信号波形を示す。

この波形は、正の方向の第１のパルス波を加えた後再
び正の方向のほぼ同形の第２のパルス波を加えたもので
ある。

すなわち、電気信号の供給によって圧電素子２の配置
部分から生じる圧力波を反射する記録（印字）ヘッド部
分の長さ（第１図では吐出口４とフィルター６が装着さ
れたノズル１の後端との間の長さ）をｌとし、インク中
の音速をＣとするとき、圧電素子２に供給される電気信
号は、第６図に示すように、吐出口４からインク滴を吐
出させる第１のパルス波を印加した後2l/C経過後に、該
第１のパルス波とほぼ同形の第２のパルス波を印加する
波形のものであり、かつ、パルス波の立ち下がり時間が
温度によって変化する波形をしている。

パルス波の立ち下がり時間は、環境温度の差によっ
て、例えば第６図中τ１およびτ２で示すように変化さ
せるものである。

前述の２つのパルス波の意義は、第１の正のパルス波
がインク滴吐出のためのパルスであり、第２のパルス波
は第１のパルス波により発生した正の圧力波がインク中
をノズル１往復し負の圧力波として戻ってきた時（2l/C
経過後）にこれを打ち消すために設けられたものであ
る。

パルス波の立ち下がり時間は、環境温度の差により、
例えば高温では短い立ち下がり時間τ１（実線）のよう
にし、低温では長い立ち下がり時間τ２（鎖線）となる
ように制御される。

このように立ち下がり時間を高温では低温より短くす
ることによる第１の利点は、周波数応答性が向上するこ
とである。

これは、立ち下がり時間によって周波数応答性は異な
るが、最も高い周波数応答性を示す立ち下がり時間が第
７図のように温度（インクの粘度）によって変化するか
らである。

第２の利点は、立ち下がり時間を変化させることによ
り第２のパルス波の立ち上がりのポイントが異なること
である。第２のパルス波は第１のパルス波の圧力波の反
射波を打ち消すためのものであるが、この圧力波はイン
ク中を伝播する際に次第に減衰して行き、その減衰率は
温度が高い（インクの粘度が低い）ほど小さくなるの
で、これを打ち消すのに温度が高いほど立ち下がり時間
を短くして大きな逆の圧力波を発生させる必要があるた
めである。

第８図は本発明による駆動方法を実施するのに好適な
制御系の回路図である。

第８図において、デジタル入力in1には７ビットのデ
ータが入力され、D/A変換回路21でアナログ電圧によ
り、DCアンプ22で30〜80Vに増幅される。

このDCアンプ22からの電圧は、トランジスタTrsに入
力されるデジタル入力in2の信号によりON、OFFされる。

このDCアンプ22からの電圧がONにされた場合、温度セ
ンサー23から出力された温度データがコンパレータ24に
入力され、温度が25℃より高い時はトランジスタTr1がO
Nになり、低い時はトランジスタTr2がONになる。

放電抵抗R1とR2との関係はR1＜R2となっており、立ち
下がり時間τ１、τ２はこれに対応してτ１＜τ２とな
っている。すなわち、温度が高いほど、小さな放電抵抗
を選択し立ち下がり時間が短くなる。

第９図および第10図はそれぞれ本発明の駆動方法に使
用される駆動パルス波形の他の実施例を示す。

第９図の駆動パルス波形は負のパルスの後に正のパル
スを印加したものであり、小さなインク滴を吐出させる
のに好適なパルス波形である。

第10図の駆動パルス波形は、第９図のパルス波形にお
いて第２のパルス波の電圧を低く設定したものである。

この第10図の波形は駆動回路がやや複雑になるが、第
１のパルス波の圧力波の反射波を適正値でほぼ完全に打
ち消すことができる。

次に本発明によるインクジェット記録装置の駆動方法
を実機に実施した時の試験例を説明する。

試験例I: ノズル１の圧力波伝播長さｌが20mmで、インク中の音
速Ｃが1500m/s（インク粘度7CPS、表面張力50dyn/cm）
のとき、第６図に示すように、第１のパルス波と第２の
パルス波の時間差を2l/C＝26μsecとし、温度が25℃以
下のときは立ち下がり時間が120μsecとなり、25℃以上
のときは70μsecとなるように放電抵抗R1、R2（第８
図）を選択した。

この結果、５℃〜45℃の温度範囲においてサテライト
がなく、周波数応答性、吐出安定性および記録精度にす
ぐれた良好なインク吐出を行うことができた。

試験例II: 試験例Ｉとは第９図の駆動パルス波形で駆動する点の
みで異なり、他は全て同じ条件でインク吐出を行った。

その結果、５℃〜45℃の温度範囲において試験Ｉの場
合と同様の良好なインク吐出を行うことができた。

試験例III: 試験例Ｉとは第10図の駆動パルス波形で駆動する点の
みで異なり、他は全て同じ条件でインク吐出を行った。

その結果、５℃〜45℃の温度範囲において試験Ｉの場
合と同様の良好なインク吐出を行うことができた。

以上説明したような実施例によって、ヘッドのインク
吐出の安定性を大幅に改善しうるインクジェット記録装
置の駆動方法が得られた。

また、メニスカスの後退量の時間変化は第11図のグラ
フに示すようになだらかなものにすることができ、第２
図のような波形印加による第４図のグラフに示すような
従来の駆動方法におけるメニスカス後退量の場合より、
大幅に改善することができた。

このため、本発明の駆動方法を実施することにより、
使用条件が変化する場合でも安定したインク吐出を行う
ことができ、反射波による不安定な微小インク滴の吐出
をなくすことができた。

なお、上記実施例では本発明を直管状のノズル１に吐
出エネルギー作用室3A（第１図）を一体に形成した記録
ヘッドを備えた装置で実施する場合を説明したが、この
部分の構成は種々のものにすることができ、例えば、屈
曲部を有するノズルを使用したり、吐出エネルギー作用
室3Aを別体にしたノズルを使用することもできる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなごとく、、本発明によれば、
吐出エネルギー作用室の容積を収縮させて吐出口からイ
ンク滴を吐出させる第１のパルスを圧電素子に印加し、
第１のパルスの印加から2l/C経過した後に、第１のパル
スとほぼ同形であって第１のパルスの電圧値以下の電圧
値である第２のパルスを印加して圧電素子を駆動すると
ともに、前記第２のパルスの立ち下がり時間をインク温
度に応じて異ならせることにより、簡単な構成で、イン
ク滴吐出の際に発生する圧力波を広い温度範囲で適正に
打ち消すことができ、周波数応答性、吐出安定性、階調
性および記録精度を向上させうるインクジェット記録装
置の駆動方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の駆動方法を実施するのに好適なインク
ジェット記録装置の記録ヘッドの模式的縦断面図、第２
図は記録ヘッドを駆動するための従来のパルス波形のグ
ラフ、第３図は第２図のパルス波形で駆動した時のイン
ク吐出速度の周波数特性を示すグラフ、第４図は第２図
のパルス波形で駆動した時のメニスカス振動を示すグラ
フ、第５図はインク吐出状態を示す模式図、第６図は本
発明の駆動方法に使用されるパルス波形の一例を示すグ
ラフ、第７図は駆動パルスの最適な立ち下がり時間と温
度の関係を示すグラフ、第８図は本発明方法で使用する
駆動パルス波形を発生させる駆動回路の回路図、第９図
および第10図はそれぞれ本発明の駆動方法に使用可能な
パルス波形の変更例を示すグラフ、第11図は本発明の駆
動方法を実施した時のメニスカス振動を示すグラフであ
る。 １……ノズル、２……圧電素子、3A……吐出エネルギー
作用室、４……インク吐出口（オリフィス）、５……イ
ンク滴、７……駆動回路、ｌ……ノズル長さ、Ｃ……音
速。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子を配置した吐出エネルギー作用室
   を有する記録ヘッドを用い、前記圧電素子にパルスを印
   加して前記吐出エネルギー作用室の容積を変化させ、前
   記吐出エネルギー作用室の容積の変化に伴って発生する
   圧力により吐出口からインク滴を吐出させて記録を行う
   インクジェット記録方法において、 前記圧電素子によって生じる圧力波が前記記録ヘッド内
   で反射する部分の長さをｌ、インク中の音速をＣとする
   とき、 前記吐出エネルギー作用室の容積を収縮させて前記吐出
   口からインク滴を吐出させる第１のパルスを前記圧電素
   子に印加し、前記第１のパルスの印加から2l/C経過した
   後に、前記第１のパルスとほぼ同形であって前記第１の
   パルスの電圧値以下の電圧値である第２のパルスを印加
   して前記圧電素子を駆動するとともに、前記第２のパル
   スの立ち下がり時間をインク温度に応じて異ならせるこ
   とを特徴とするインクジェット記録方法。