JP3259401B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクジェット記録ヘッ
ドの駆動方法に係わり、詳しくはオンデマンド型インク
ジェット記録ヘッドの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の記録ヘッドの主要部を示
したもので、振動板５およびノズルプレート７により挟
まれた、インクリザーバ１、インク供給路２、インク加
圧室３、ノズルオリフィス４、から構成されるインク流
路と、固定部材７により一端が固定され、かつ、別端が
圧力板８を介して振動板５上に貼着された圧電素子９か
ら構成される振動部から形成されている。

【０００３】この様な構成において、圧電素子９に図８
（ａ）に示す台形波パルス状の電圧を印加すると、電圧
立ち上がりパルスＴｃ間において、圧電素子９は図示す
る矢印のように、電極積層方向に膨張し、かつ、その垂
直方向に収縮する。それにより、振動板５が図の鎖線ａ
の様にインク加圧室３の外側にたわみ、インク加圧室３
の容積が増加し、加圧室内が負圧となる。そのため、図
８（ｂ）に示すように、ノズルオリフィス４に形成され
たノズルメニスカスが一旦インク流路内に引き込まれ、
圧力が緩和されるとともに、再びノズルオリフィスへ復
帰し安定する。この際、台形波パルスは、電圧立ち上が
りからメニスカスが復帰するまでの時間Ｔにたいして、
電圧立ち上がりパルスＴｃと電圧ホールドパルスＴｈの
和が長くなるように設定する。そののち、電圧ホールド
パルスＴｈを経て、圧電素子の固有振動周期に一致した
電圧立ち下がりパルスＴｄ間において、圧電素子９の電
圧を除荷することにより振動板５は再び復帰し、その変
形によって生じた圧力波により、インク加圧室３のイン
クがインク滴となってインクノズル４から図のｂ方向に
吐出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法による、イ
ンクジェット記録ヘッドの駆動方法によりインクを吐出
した場合に生じる課題を説明する。

【０００５】従来のヘッドにおいては、インク流路の圧
力振動周期と圧電素子の減衰振動周期が異なり、かつ、
独立している。このため、図９で示すようにインク流路
の圧力変動により生じる主インク滴吐出Ａの他に、圧電
素子のオーバーシュートにより微小インク吐出Ｂが生じ
てしまう。また、この際、圧電素子の固有振動周期は、
インク流路の振動周期に比べて短いため、前記主インク
滴Ａがノズルメニスカスより離脱する前に、前記圧電素
子のオーバーシュートによる吐出タイミングが発生する
ために、前記微小インク滴Ｂは前記主インク滴Ａの尾部
に位置しながら飛行する。この際に、この微小インク滴
は吐出エネルギーが小さいため、吐出速度が遅く飛行が
不安定であり、紙面上でミストとなり印字品質の劣化の
原因となるほか、前記ノズルプレート面に着弾して、イ
ンクヌレを引き起こして飛行曲がりを生じさせ、印字品
質および信頼性の劣化を引き起こす。

【０００６】本発明は、前記問題点を解決するべくなさ
れたもので、発明の目的とするところは、微小インク滴
の無い主吐出インク滴を形成することにより、印字品質
の向上およびインク吐出の安定化を図るインクジェット
記録ヘッドの駆動方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
記録装置は、インク加圧室と、このインク加圧室に連通
するインクノズルと、前記インク加圧室の容積を変化さ
せる圧電素子とを備え、この圧電素子の変形により前記
インク加圧室内のインクを加圧して前記インクノズルか
らインク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドを備え
たインクジェット記録装置において、前記インク加圧室
を膨張させる電圧パルスと、この膨張状態を所定の時間
維持する電圧パルスと、前記インク加圧室を収縮させて
インク滴を吐出させる電圧パルスとを備え、前記インク
滴を吐出させる電圧パルスが終了するタイミングが、イ
ンク滴がインクノズルより離脱するタイミングよりも遅
いことを特徴とする。

【０００８】

【実施例】以下に本発明による実施例の詳細を図面を参
照して説明する。

【０００９】図１に本発明のヘッド構成とその部分詳細
図を示す。本発明のヘッドは、振動板５とノズルプレー
ト６によりサンドイッチされることにより閉溝とされ、
かつ、共通インクリザーバ１、インク供給路２、インク
加圧室３、ノズルオリフィス４から構成された複数のイ
ンク流路を有しているインク流路基板部材と、固定部材
７により一端が固定され、かつ、別端が圧力板８を介し
て振動板５上に貼着された圧電素子９から構成される振
動部から形成されている。

【００１０】前記ノズルオリフィス４の開口面積とノズ
ルプレート６の厚さは、インク吐出特性に大きな影響を
与えるため、極めて高い加工精度が要求される。そのた
め、ノズルプレート６は、精密プレス法、ニッケル電鋳
法、または、シリコンウエハのエッチング加工等により
形成される。

【００１１】図２に圧電素子９とその固定部および電極
配線の詳細を示す。圧電素子９は電歪材料と導電材料を
交互に積層して成る積層振動子から構成され、この縦振
動により、前記インク加圧室の体積変化を生じさせる。
この圧電素子９は、弾性率の高い接着剤１０にて一端が
固定板７に保持されている。さらに、圧電素子９の別端
には圧力板８を接合して、この圧力板が振動板と接着さ
れ振動板を変位させることにより、インク加圧室のより
大きな体積変化を可能としている。

【００１２】本発明のヘッドの印字動作を説明する。電
歪層間に設置されたセグメント電極１１と共通電極１２
を介して、充放電回路１３から圧電素子９に電圧が印加
されると、この圧電素子９は矢印Ａ1 の方向に収縮し、
これに接合されている圧力板８も同時に変位を発生し
て、インク加圧室の体積が増加する。このため、ノズル
オリフィス４に形成されているインクメニスカスがイン
ク流路内に引き込まれるとともにインク供給路を介して
共通インクリザーバー１より、インクが供給されことに
より、インク加圧室３内の負圧が緩和され、かつ、ノズ
ルの表面張力によりノズルメニスカスが復帰する。その
後、圧電素子９に印加されていた電圧を除荷すると圧力
板８は、矢印Ａ2 の方向に変位しインク加圧室３の体積
が減少する。こうして加圧されたインク加圧室３内のイ
ンクはノズルオリフィス４から吐出し、記録媒体に到達
して画像を形成する。

【００１３】図３に、図１で示した本発明のヘッド構成
を簡単な等価音響電気回路で示す。図中、各パラメータ
ーは以下の意味を持つ。ｒ₀:圧電素子の音響抵抗、ｍ₀:
圧電素子のイナータンス、ｃ₀:圧電素子のコンプライア
ンス、ｃ₁:インク流路のインクの圧縮性と流路壁の変形
によるコンプライアンス、ｍ₂:インク供給路のイナータ
ンス、ｒ₂:インク供給路の音響抵抗、ｍ₃:ノズルオリフ
ィスのイナータンス、ｒ₃:ノズルオリフィスの音響抵
抗、ｃ₃:ノズルメニスカスのコンプライアンス。以上の
パラメータを用いることにより、前記インク流路の固有
振動周波数ｆ1は、式１によって求めることができる。

【００１４】

【数１】

【００１５】また、同様に前記圧電素子９の共振周波数
ｆ2 は、その張り出し長さＬ（図２中）と、電歪材料自
身の持つ密度と弾性定数によって決定され、式２によっ
て求められる。

【００１６】

【数２】

【００１７】図４（ａ）に圧電素子に印加する前記電圧
パルスＶｈとそれにともなう圧電素子の振動変位Ｌ、図
４（ｂ）にインク吐出後のインク流路内の圧力変動、図
４（ｃ）にインク吐出後のメニスカス形状および吐出イ
ンク滴形状を示す。前記で説明にしたように電圧立ち上
がり時間Ｔｃおよび電圧ホールド時間Ｔｈを経て圧電素
子９に電圧が印加され、かつ、メニスカスがノズルオリ
フィスに復帰する（ｔ0）。 その後、電圧立ち下がり時
間Ｔｄにおける圧電素子９からの電圧除荷にともない、
振動板５が復帰することにより圧力波がインク流路内に
生じ、インクノズル４から主インク滴Ａが吐出する（図
４（ｃ）（１）〜（５））。その圧力波は、電圧除荷初
期ｔ0 より圧力が増加し、電圧除荷過程で最大となり、
その後、徐々に減衰し始め、ｔ2 において最大負圧にな
り、インク流路の固有振動周波数ｆ１で振動し減衰す
る。この際、主インク滴Ａは、ｔ0 〜ｔ2 間で徐々にノ
ズルオリフィス４から吐出しはじめ、インク流路内が最
大負圧に達したとき（ｔ2）、 主インク滴Ａはインクメ
ニスカスから離脱し飛行する（図４（ｃ）（２））。
その後、インク流路の内圧が緩和されるとともに、ノズ
ルメニスカスはノズルオリフィス内に引き込まれ、圧力
が最大正圧に達した際、ノズルメニスカスの引き込み量
は最大となる（ｔ4）。 また、圧電素子は、前記インク
流路の固有振動周期と独立した自己の固有振動周波数ｆ
２により減衰振動を行なう。この際、減衰振動ａ部にお
いて、ノズルオリフィス４より微小インク滴Ｂの吐出が
生じる。この微小インク滴Ｂは、吐出速度が遅く飛行が
不安定であるため、紙面上でミストになり印字品質の劣
化につながるほか、ノズルプレート上に着弾した際、イ
ンクヌレを引き起こし主インク滴の飛行曲がりおよび吐
出不良を生じさせる。

【００１８】本発明において、圧電素子の前記印加電圧
が除荷し終えるタイミングｔ1 を、主インク滴がインク
ノズル４から離脱して、ノズルメニスカスがノズルオリ
フィス内に引き込まれるタイミングｔ2 より、遅くする
ことにより、前記微小インク滴が吐出するのを防ぐもの
であり、その過程の詳細を図５に基づいて説明する。図
５（ａ）において、前記圧電素子に印加されている電圧
Ｖｈを除荷して、圧電素子を復帰させることにしたがっ
て（ｔ0〜ｔ1）、インク流路内の圧力が一旦増加して最
大に達したのち、徐々に減少して最大負圧となる（ｔ
2）。 この時間内において、図５（ｃ）に示すようにノ
ズルオリフィス４内のインクはノズル外部方向に流れだ
すことにより、主インク吐出滴Ａは、ノズルオリフィス
４より徐々に吐出をおこない、インク流路内の圧力が最
大負圧となるｔ2 においてノズルオリフィス４より離脱
する。主インク滴Ａが離脱したのち、ノズルオリフィス
内に形成されたメニスカスは、インク流路内の圧力が徐
々に増加するにしたがって、ノズルオリフィス内に急激
に引き込まれる。この際、前記圧電素子の減衰振動ａ部
において生じる微小インク滴Ｂの発生タイミングｔ1
を、前記主インク滴Ａがノズルオリフィス４より離脱す
るタイミングｔ2 より遅くすることにより、前記ノズル
オリフィス内の前記微小インク滴Ｂが吐出する流れと、
主インク滴Ａが離脱した後のメニスカスがノズルオリフ
ィス内へ引き込まれる流れとが打ち消し合う。このこと
により、前記微小インク滴Ｂがノズルオリフィスより吐
出するのを防いでいる。

【００１９】また、前記実施例で説明した効果は図５の
押し打ちの他に、図６で示すような引き打ちによる吐出
においても有効である。

【００２０】

【発明の効果】本発明のインクジェット記録装置は、イ
ンク加圧室と、このインク加圧室に連通するインクノズ
ルと、前記インク加圧室の容積を変化させる圧電素子と
を備え、この圧電素子の変形により前記インク加圧室内
のインクを加圧して前記インクノズルからインク滴を吐
出するインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェッ
ト記録装置において、前記インク加圧室を膨張させる電
圧パルスと、この膨張状態を所定の時間維持する電圧パ
ルスと、前記インク加圧室を収縮させてインク滴を吐出
させる電圧パルスとを備え、前記インク滴を吐出させる
電圧パルスが終了するタイミングが、インク滴がインク
ノズルより離脱するタイミングよりも遅いことにより、
ドットを形成する主インク滴以外の微少インク滴の吐出
を防止でき、微少インク滴による印字品質の劣化を防止
すると共に、微少インク滴が形成されることにより発生
するインク濡れを防止でき、飛行曲がりや吐出不良を低
減させて信頼性を向上させることができる。

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘッドの構成を説明した断面図であ
る。

【図２】本発明のヘッドの駆動部の詳細を説明した図で
ある。

【図３】本発明のヘッドの第２の実施例を説明した図で
ある。

【図４】本発明の実施例における圧電素子の後振動、イ
ンク流路内の圧力変動およびインク吐出滴およびノズル
メニスカスの形状を説明した図である。

【図５】本発明の実施例を説明した図である。

【図６】本発明の実施例を説明した図である。

【図７】従来のヘッドの構成を説明した断面図である。

【図８】従来のヘッドの駆動方法を説明した図である。

【図９】従来のヘッドの課題を説明した図である。

【符号の説明】

１ インクリザーバー ２ インク供給路 ３ インク加圧室 ４ ノズルオリフィス ５ 振動板 ６ ノズルプレート ７ 固定部材 ８ 圧力板 ９ 圧電素子 １０ 接着剤 １１ セグメント電極 １２ 共通電極 １３ 充放電回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク加圧室と、このインク加圧室に連
   通するインクノズルと、前記インク加圧室の容積を変化
   させる圧電素子とを備え、この圧電素子の変形により前
   記インク加圧室内のインクを加圧して前記インクノズル
   からインク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドを備
   えたインクジェット記録装置において、 前記インク加圧室を膨張させる電圧パルスと、この膨張
   状態を所定の時間維持する電圧パルスと、前記インク加
   圧室を収縮させてインク滴を吐出させる電圧パルスとを
   備え、前記インク滴を吐出させる電圧パルスが終了する
   タイミングが、インク滴がインクノズルより離脱するタ
   イミングよりも遅いことを特徴とするインクジェット記
   録装置。