JP2717796B2 - 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に用いられ、その
インクジェット記録ヘッドに設けられた電気機械変換素
子を駆動する為のインクジェット記録方法に関する。

〔従来の技術〕

インクジェット記録装置は、第７図に示すように、イ
ンク圧力室１の端部にインク吐出用のノズル２を備え、
このノズル２の近傍に設けられた電気機械変換素子とし
ての圧電素子３を設けたインクジェット記録ヘッド10が
用いられている。圧電素子３に記録データに応じた駆動
電圧を印加することによって、インク圧力室１に定常→
拡大→定常、または定常→収縮→定常操作がなされ、イ
ンク圧力室１に生じる加圧力によりインク滴が吐出され
る。この吐出により飛翔したインク滴が被記録体（記録
紙、フィルム等）の表面に付着し、ドットが形成され
る。

駆動電圧は、第８図の如くに立上がり部ａ、定値部ｂ
及び立下がり部ｃを有し、立上がり部ａでインク圧力室
１を収縮させ、その際に生じる圧力でインク滴を吐出さ
せる。定値部ｂでは、インク圧力室１は収縮した状態に
保持され、立下がり部ｃでは、インク圧力室１は拡大さ
れ、立上がり部ａにより収縮される前の状態に戻され
る。

次に、第７図及び第９図〜第11図を参照して、第８図
の駆動電圧によるインク滴の吐出動作を詳細に説明す
る。

第７図に示すように、駆動電圧の立上がり部ａでイン
ク圧力室１が収縮し、インク圧力室１内のインク圧力は
△Ｑだけ上昇する。また、インク圧力室１とインク流路
との境界面４及び５に圧力差が生じるため、圧力波動が
発生し、インク供給路６及びインク吐出口７方向に伝播
する。

圧電素子３の駆動によりインク圧力室が収縮してしば
らくすると、第９図のように、圧電素子３よりインク供
給口６及びインク吐出口７の夫々に寄った側の領域８及
び９が1/2△Ｐの圧力値になっている。これら２つの高
圧部分の長さは概ね圧電素子３の長さｌに等しい。圧電
素子３の機械的性質（質量、弾性定数等）により、高圧
部分８、９の境界は第９図に示したように、明確に線引
きをすることは難しいが、説明の便宜上このようにして
いる。インク圧力室１は収縮した状態で保持され、圧電
素子３の内側に位置するインクは、この時点で収縮前の
圧力（例えば、大気圧）に戻されている。

ここで、圧電素子３に印加する電圧が、第８図の立下
がり部ｃになると、インク圧力室１は拡大されて収縮前
の状態に戻る。このため、圧電素子３の内側に位置する
インクの圧力は低下し、第10図のように、−△Ｐにな
る。すると、圧電素子３が収縮した瞬間の場合と同様
に、インク流路内に長さがｌの−1/2△Ｐの圧力を持っ
た２つの負圧部分11及び12が圧力波として第11図のよう
に生じる。なお、駆動電圧の定値部ｂの発生期間が長い
ものとしたため、第９図における領域８及び９がインク
圧力室１を完全に去っているものとしたが、実際には定
値部ｂが短いため、領域８と９及び負圧部分11と12の各
々は互いに重なり合う場合もあるが、線型性があるた
め、２つに分けて考えることができる。

ところで、領域９の部分は、インク吐出口７からイン
クを押し出し、その波動エネルギーをインク滴の運動エ
ネルギーに変換する。この領域９の正圧1/2△Ｐは完全
にエネルギーを失うわけでは無いが、1/2△Ｐに比べて
かなり弱まり、ノズル２の壁面およびインク吐出口７で
反射してインク供給口６方へ向かう。一方、領域８にお
ける正圧1/2△Ｐ及び負圧部分11、12はインク圧力室１
内を往復する。このとき、領域８は、インク供給口６で
反射すると、−1/2△Ｐの負圧部分となってノズル２方
向に向かい、逆に、負圧部分11は正の圧力部分となって
ノズル２方向へ向かう（これはインク供給口６が開口端
になっていることによるものである）。一方、負圧部分
12は、インク吐出口７で同様に反射し、インク供給口６
方向へ向かう。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、このような従来のインクジェット記録方法に
あっては、インク吐出口７の直径d2がインク圧力室１の
直径d1に比べて十分に小さいため、開口端としてではな
く、閉端として機能する。このため、負圧部分12は反射
した後も負の圧力部分として伝播し、インク供給口６方
向へ向かう。したがって、領域８の正圧及び負圧部分1
1、12の各圧力波が、インク供給口６及びインク吐出口
７で反射して往復動し、それが、インク吐出口７に到達
する毎に、第12図のようにインク吐出口７に形成されて
いるメニスカス14が方向15または方向16へ運動し、領域
８の正圧、負圧11及び12がインク供給口６とインク吐出
口７の間を何回も往復し、弱まるまで静止しない。この
ため、次のインク滴を吐出するのに適した状態となるま
でに時間がかかり、常に適切な状態でインク吐出を行わ
せようとすると吐出周波数を低くしなければならない。
また、圧旅波が静まらないために正の圧力波としてイン
ク吐出口７に到達して不要なインク滴を吐出させること
にもなり、画質を悪化させる原因となってしまう。さら
に、負の圧力波がインク吐出口７に到った際に空気を吸
い込んでインク流路内に泡を発生させ、インク吐出不能
を招くことがある。

以上の問題を解決するために、圧電素子３に第２パル
ス電圧を印加することが考えられる。即ち、第９図及び
第10図に示した領域８の正圧1/2△Ｐがインク供給口６
で反射し、第13図に示すように負圧部分17となって圧電
素子３の内側を通過する時刻に第２のパルス電圧の立上
がり時刻を一致させて負圧部分17を打ち消すのが最も有
効である。しかし、新たに２つの正の圧力波動と１つの
負の圧力波動を生じてしまうため、第２滴の吐出を抑え
ることはできるものの、メニスカスの復帰に時間がかか
ると共に、泡を取り込む危険が依然として残される不具
合がある。

本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決で
き、インク滴を安定に吐出させ、かつメニスカスの運動
をすみやかに静止させることが可能なインクジェット記
録方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、先端にノズルを有するインク圧力室に設け
た電気機械変換素子を駆動して前記インク圧力室を収縮
させ、前記インク圧力室の圧縮によって生じる圧力を用
いて前記ノズルよりインク滴を吐出させて被記録体上に
記録を行うインクジェット記録方法において、前記電気
機械変換素子に前記インク圧力室を収縮させて前記ノズ
ルからインクを吐出させる電圧を印加し、前記電圧を所
定時間ｔ保持した後に前記インク圧力室を収縮前の状態
より所定量収縮した状態まで急激に拡大させ、続いて前
記インク圧力室を徐々に拡大するように前記電気機械変
換素子を駆動する電圧を制御し、前記ノズルの先端から
前記電気機械変換素子の配設位置までの距離をl1、前記
ノズルにインクを供給するインク供給口から前記電気機
械変換素子の配設位置までの距離をl2、前記電気機械変
換素子の駆動により前記インク圧力室に発生した圧力が
前記インク圧力室内を伝播する速度をＣとするとき、前
記インク吐出時に前記インク圧力室を収縮させる電圧を
保持する所定時間ｔをｔ＝２（l1＋2l2）/Cとすること
を特徴とするインクジェット記録方法を用いることによ
り、上記目的を達成するものである。

なお、本発明においては、前記インク吐出時に前記イ
ンク圧力室を収縮させる時の前記電気機械変換素子の駆
動電圧を、インク滴の吐出量に応じた値にすることが好
ましい。

〔作用〕

インク圧力室を急激に収縮させると共に一定時間保持
させ、ついで急激に所定のレベルの膨張を生じさせたの
ちに収縮を徐々に解く駆動電圧とすることにより、負圧
の移動に起因する正圧の発生を防止し、不要なインク滴
の吐出を防止しながら、次のインク滴の吐出を備えるこ
とができる。

これによって、周波数特性の劣化を防止しながら画像
品質の劣化を防止することができる。

収縮時及び膨張時の駆動電圧を、インク吐出量及び収
縮量に応じて設定することにより、最適な吐出量の決定
が可能になり、かつ圧力波動の複雑な動作の発生を防止
し、インク吐出を安定に行うことができる。

また、インク供給口及びインク吐出口の各々に対する
電気機械変換素子の配設位置に基づいて収縮持続時間ｔ
を設定することにより、膨張時の駆動電圧の変化により
生じる負圧の圧力を調節し、インク滴を吐出させない程
度に打ち消すことができる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第６図を参照して本発明を具体的に説
明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による駆動方法を説明
する駆動電圧の時間−電圧特性図及びインク圧力室内の
圧力波動伝播特性図である。また、第２図は本発明に適
用されるヘッドの模式的断面図である。

第２図に示すように、インク圧力室１に装着された圧
電素子３はインク供給口６とインク吐出口２との間の中
間部に位置し、駆動回路18より駆動電圧が印加される。

第１図（ａ）に示すように、時刻ｔ＝０において急激
な電圧を圧電素子３に印加すると、圧電素子３の歪によ
ってインク圧力室１は収縮される。この状態は印加電圧
が一定値（この例では約85V）を維持している間保持さ
れ、圧電素子３の自由振動が抑制される。圧電素子３へ
の電圧印加によってインク圧力室１が収縮した瞬間に、
第７図に示したように圧力の高い部分（正圧部分）が形
成され、直ちに第９図に示したように２つの正圧部分
（領域８、９）が圧力波動となってインク供給口６及び
インク吐出口７に向かって速度Ｃで伝播する。この圧力
波動の伝播は第１図（ｂ）の如くになる。

第１図（ｂ）において、ｄは領域９の正圧1/2△Ｐが
ノズル２に向かうことを示し、ｅはインク吐出口７に到
達したことを示している。この到達の瞬間にインク液が
インク吐出口７からノズル外へ押し出され、インク滴17
が形成される。その後に正圧の一部がインク吐出口７で
反射してインク供給口６に向かい、以後インク供給口６
とインク吐出口７との間を往復する。これが第１図
（ｂ）に示すｆ〜ｊである。この波動は、ｔ＝０におい
て圧電素子３から与えられた波動エネルギーの大部分を
インク滴17に与えつくしているため、そのエネルギーは
小さなものになっている。

第１図（ｂ）中のｋは領域８の正圧がインク供給口６
に向かっていることを示し、その正圧がインク供給口６
に到達した時点がｌである。このｌ点で反射（開口端に
おける反射）が生じ、正圧部分が逆にP₀より圧力の低い
部分（負圧部分）になってインク吐出口７へ向かう（波
動ｍ）。また、このとき波動の一部は、インク供給口６
から不図示のインクサブタンク等に送り込まれる。この
ため、インク吐出口７に向かう反射波のエネルギーは、
幾分弱まりながらｎ点でインク吐出口７に到達すると共
に、ここで再反射する。このときの反射は閉端での反射
と考えられ、従って、負圧部分はそのままインク供給口
６へ向かう（第１図（ｂ）のＯ）。波動ｎの発生時点で
は、インク供給口６とインク吐出口７との距離が20mm〜
60mm程度の場合、インク滴17はインク圧力室内のインク
に繋がっていることが多い。このため、反射した負圧部
分のエネルギーの一部がインク滴17に吸収され、この反
射波エネルギーは幾分弱められてＰで再び反射する。こ
のとき、インク供給口６で開口端の反射が生じるため、
正圧部分になる（波動ｑ）。この正圧部分は、このまま
放置するとインク吐出口７に到達し、インクを吐出させ
る可能性がある。この２番目のインク滴は画像品位を劣
化させるため、これが生じるのは望ましいことではな
い。

さらに、第２滴の吐出に伴って不図示のインク供給系
からのインク供給口６とインク吐出口７との間へのイン
ク補充に時間を要し、これが周波数特性を劣化させる原
因になる。そこで、この正圧部分がｒに達したとき、即
ち正圧部分が圧電素子３の内側を通過する瞬間、即ち時
刻２（l1＋2l2）/C（ただし、圧電素子３からインク吐
出口７までの距離を夫々l1、l2とし、インク圧力室１内
の圧力波の速度Ｃとする）に駆動電圧を下げ、圧電素子
３が駆動されることによってインク圧力室は拡大され、
負圧部分を発生させる。この結果、第11図に示した負圧
部分11、12が生じる。このうち、負圧部分12は上記の正
圧部分に重なり合うことになる。このとき、電圧の下げ
高を選ぶことにより、新たに発生した２つの負圧部分の
圧力を調節し、前記正圧部分と負圧部分とが互いに打ち
消すように機能させることができる。

これを実現した駆動電圧が第１図（ａ）であり、電圧
降下部ｙを零ボルトまで下げることなく或る電圧値（本
実施例では、約40V）に止め、新たに発生させる負圧部
分の圧力の下がり具合が小さくなるようにしている。そ
の理由は、正圧部分が既にインク供給口６とインク吐出
口７との間を往復して夫々で反射する毎にP₀との圧力差
が小さくなり、更にインクそのものの粘性抵抗、内部抵
抗等によっても、同様にP₀との圧力差が小さくなるた
め、これを打ち消す為には電圧降下を駆動電圧の立ち上
がり電圧巾（本実施例では約85V）より小さくする必要
があるためである。結果として、新たに発生した負圧部
分のうち、負圧部分12が唯一インク圧力室１内に残され
た圧力波になる。これが第１図（ｂ）に示した破線によ
る波動ｓであり、インク供給口６に向かう。これはｕで
反射し、正圧部分となって再びインク吐出口７へ向かっ
て波動ｖとなるが、インク滴を吐出させるほどのエネル
ギーは持っていない。

ところで、駆動電圧はｚ点に下げられたのち、徐々に
電圧が零ボルト近傍まで下げられる。このように緩やか
に降下させる理由は、急激に印加電圧を下げると圧電素
子３が複雑な振動をし、これに応じた圧力波をインク圧
力室１内に生じさせるためである（そうかと言って、ｚ
点の電圧を維持し続けた場合、次のインク吐出のための
駆動電圧を印加できないことになるため、一且零ボルト
にする必要がある）。具体的には、インク供給口６とイ
ンク吐出口７との間隔が18mm以下の場合、駆動電圧の印
加開始点から250μｓ程度を経た後に零ボルトにすれば
よい。このことは零から4KHzまでの周波数範囲でインク
吐出が安定していることを意味する。

第３図は、、第１図（ａ）の駆動電圧を発生する駆動
回路18の詳細を示す回路図である。

41は第４図（ａ）の電圧が印加される入力端子であ
り、42は入力端子41に接続される抵抗、43はベースが抵
抗42の他端に接続されたエミッタ接地によるNPN型のト
ランジスタである。44は電源＋Ｖとトランジスタ43のコ
レクタ間に挿入される抵抗、45はトランジスタ43のコレ
クタにアノードが接続されたダイオード、46はダイオー
ド45のカソードに接続される抵抗、47は抵抗46の他端と
アース間に接続されるコンデンサである。48はコンデン
サ47に並列接続された抵抗、49は抵抗46の他端に一端が
接続された抵抗、50は抵抗49の他端にコレクタが接続さ
れると共にエミッタ接地によるNPN型のトランジスタ、5
1はトランジスタ50のベースに一端が接続された抵抗、5
2は抵抗51の他端に接続されると共に第４図（ｂ）の電
圧が印加される入力端子である。尚53は出力端子であ
る。

第３図において、入力端子41に第４図（ａ）の電圧が
与えられると、電圧の立ち下がりに同期してオン状態に
あったトランジスタ43がオフ状態に転じ、トランジスタ
43のコレクタに電圧が生じ、ダイオード45及び抵抗46を
介してコンデンサ47に充電々流が流れる。一定時間の経
過後に入力端子41の印加電圧が“H"レベルになると、ト
ランジスタ43はオフに転じる。同時に入力端子52に第４
図（ｂ）の波形のパルス電圧が与えられ、トランジスタ
50がオンになる。トランジスタ50が瞬時的にオンするこ
とによって、コンデンサ47の充電電荷が瞬間的に降下す
る。

コンデンサ47の充電々荷は、トランジスタ50がオフに
なると共に、トランジスタ43に対してはダイオード45が
あるために放電が阻止され、抵抗48を通してのみ放電が
行われる。したがって、抵抗48を適当に選ぶことによ
り、垂下部分の時間を決定することができる。なお。出
力波形（駆動電圧）の立ち上がりは抵抗44、46によって
決定され、急激な電圧降下の電圧幅は第４図（ｂ）のパ
ルス幅によって決定される。また、第４図（ａ）の電圧
波形の谷底の高さV_Lを変えることにより、第４図（ｃ）
の定値部の高さVhを調節し、インク吐出口を調整するこ
とができる。

第５図（ａ）、（ｂ）は、電気機械変換素子として、
インダクタンスの性質を有する磁歪素子等を用いた場合
の駆動電圧波形を示すものである。第５図（ａ）に示す
ように、正の第１のパルス電圧によって第５図（ｂ）の
ように急激に電流が素子に流れ、その後定値状態を保持
する。次に、第一のパルスより小さい負の第２のパルス
電圧が印加されることによって、素子に流れていた電流
は瞬時的に或るレベルまで減じたのち、緩やかに電流が
減少する。なお、第５図（ａ）に示す第１のパルスと第
２のパルスとの間の緩やかな減少は、素子の内部抵抗の
値が無視できない場合に効果がある。第６図は、第１図
（ａ）の如き波形の駆動電圧を用いて長さ18mmのノズル
を有するヘッドの、インク滴吐出後のメニスカス14の変
位を測定したものである。図より明らなように、一つの
インク滴を吐出させた後に、メニスカス14は振動を生じ
ることなく緩やかに平衡状態に戻され、泡等をノズル内
に取り込むことがない。したがって、インク吐出を安定
に生じさせることができる。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明によれば、先端にノズルを
有するインク圧力室に設けた電気機械変換素子を駆動し
て前記インク圧力室を収縮させ、前記インク圧力室の収
縮によって生じる圧力を用いて前記ノズルよりインク滴
を吐出させて被記録体上に記録を行うインクジェット記
録方法において、前記電気機械変換素子に前記インク圧
力室を収縮させて前記ノズルからインクを吐出させる電
圧を印加し、前記電圧を所定時間ｔ保持した後に前記イ
ンク圧力室を収縮前の状態より所定量収縮した状態まで
急激に拡大させ、続いて前記インク圧力室を徐々に拡大
するように前記電気機械変換素子を駆動する電圧を制御
し、前記ノズルの先端から前記電気機械変換素子の配設
位置までの距離をl1、前記ノズルにインクを供給するイ
ンク供給口から前記電気機械変換素子の配設位置までの
距離をl2、前記電気機械変換素子の駆動により前記イン
ク圧力室に発生した圧力が前記インク圧力室内を伝播す
る速度をＣとするとき、前記インク吐出時に前記インク
圧力室を収縮させる電圧を保持する所定時間ｔをｔ＝２
（l1＋2l2）/Cとしたので、インクを吐出する際の電圧
印加時に生じる２つの正圧の一方を吸収・消滅させてメ
ニスカスの振動を抑え、平衡状態への復帰を速やかに実
現できるため、インク吐出の安定化とともに画像品位の
向上を達成でき、インク吐出の周波数特性の劣化を招か
ない上に、インク圧力室を拡大させるときの駆動電圧の
制御により生じる負圧を調整でき、不要なインク滴の吐
出を行わずに圧力によるインクの振動を打ち消すことが
できる。

また、インク吐出時にインク圧力室を収縮させるとき
の駆動電圧をインク吐出量に応じて設定することによ
り、吐出するインク量の最適化を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による駆動方法を説明す
る駆動電圧の時間−電圧特性図及びインク圧力室内の圧
力波動伝播特性図、第２図は本発明に適用されるヘッド
の模式的断面図、第３図は第１図の駆動電圧を発生する
駆動回路18の詳細を示す回路図、第４図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）は第３図の回路の入力電圧波形図及び出
力電圧波形図、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の他の駆
動方法を説明する駆動電圧波形図及び素子通電波形図、
第６図は本発明によるインク吐出後のノズルにおけるメ
ニスカスの変位特性図、第７図はインク滴の吐出動作を
説明する原理説明図、第８図は従来の駆動電圧波形を示
す電圧波形図、第９図〜第13図はインク圧力室内の圧力
波発生説明図である。 １……インク圧力室、２……ノズル、３……圧電素子、
18……駆動回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端にノズルを有するインク圧力室に設け
   た電気機械変換素子を駆動して前記インク圧力室を収縮
   させ、前記インク圧力室の収縮によって生じる圧力を用
   いて前記ノズルよりインク滴を吐出させて被記録体上に
   記録を行うインクジェット記録方法において、 前記電気機械変換素子に前記インク圧力室を収縮させて
   前記ノズルからインクを吐出させる電圧を印加し、前記
   電圧を所定時間ｔ保持した後に前記インク圧力室を収縮
   前の状態より所定量収縮した状態まで急激に拡大させ、
   続いて前記インク圧力室を徐々に拡大するように前記電
   気機械変換素子を駆動する電圧を制御し、 前記ノズルの先端から前記電気機械変換素子の配設位置
   までの距離をl1、前記ノズルにインクを供給するインク
   供給口から前記電気機械変換素子の配設位置までの距離
   をl2、前記電気機械変換素子の駆動により前記インク圧
   力室に発生した圧力が前記インク圧力室内を伝播する速
   度をＣとするとき、 前記インク吐出時に前記インク圧力室を収縮させる電圧
   を保持する所定時間ｔを ｔ＝２（l1＋2l2）/C とすることを特徴とするインクジェット記録方法。
2. 【請求項２】前記インク吐出時に前記インク圧力室を収
   縮させる時の前記電気機械変換素子の駆動電圧を、イン
   ク滴の吐出量に応じた値にすることを特徴とする請求項
   １に記載のインクジェット記録方法。