JP3281523B2 - インク噴射装置およびその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク噴射装置お
よびその駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、これまでのインパクト方式の印字
装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト方式の印字装置のなかで、原理が最も単
純で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとし
て、インクジェット方式の印字装置が挙げられる。なか
でも印字に使用するインク滴のみを噴射するドロップ・
オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコス
トの安さなどから急速に普及している。

【０００３】ドロップ・オン・デマンド型として特公昭
５３−１２１３８号公報に開示されているカイザー型、
あるいは特公昭６１−５９９１４号公報に開示されてい
るサーマルジェット型がその代表的な方式としてある。
このうち、前者は小型化が難しく、後者は高熱をインク
に加えるためにインクの耐熱性に対する要求が必要とさ
れ、それぞれに非常に困難な問題を抱えている。

【０００４】以上のような欠陥を同時に解決する新たな
方式として提案されたのが、特開昭６３−２４７０５１
号公報に開示されている圧電セラミックスを利用したせ
ん断モード型である。図５に示すように、上記せん断モ
ード型のインク噴射装置６００は、底壁６０１、天壁６
０２及びその間のせん断モードアクチュエータ壁６０３
からなる。そのアクチュエータ壁６０３は、底壁６０１
に接着され、且つ矢印６１１方向に分極された下部壁６
０７と、天壁６０２に接着され、且つ矢印６０９方向に
分極された上部壁６０５とからなっている。アクチュエ
ータ壁６０３は一対となって、その間にインク流路６１
３を形成し、且つ次の一対のアクチュエータ壁６０３の
間には、インク流路６１３よりも狭い空間６１５を形成
している。

【０００５】各インク流路６１３の一端には、ノズル６
１８を有するノズルプレート６１７が固着され、各アク
チュエータ壁６０３の両側面には電極６１９，６２１が
設けられている。各電極６１９，６２１はインクと絶縁
するための絶縁層（図示せず）で覆われている。そし
て、空間６１５に面している電極６１９はアース６２３
に接続され、インク流路６１３内に設けられている電極
６２１はアクチュエータ駆動回路を与えるシリコン・チ
ップ６２５に接続されている。また、各インク流路６１
３の他端には、開口部を有する目止めプレート６２７が
固着され、更に各インク流路６１３の他端には、図示し
ないインク供給源からのインクを各インク流路６１３に
供給するためのマニホールド６２６が形成されたマニホ
ールド部材６２８が固着されている。

【０００６】次に、このインク噴射装置６００の製造方
法を説明する。まず、矢印６１１に分極された圧電セラ
ミックス層を底壁６０１に接着し、矢印６０９に分極さ
れた圧電セラミックス層を天壁６０２に接着する。各圧
電セラミックス層の厚みは、下部壁６０７、上部壁６０
５の高さに等しい。次に、圧電セラミックス層に、平行
な溝をダイヤモンドカッティング円板の回転等によって
形成して、下部壁６０７、上部壁６０５を形成する。そ
して、真空蒸着によって下部壁６０７の側面に電極６１
９、６２１を形成し、その電極６１９、６２１上に前記
絶縁層を設ける。

【０００７】上部壁６０５の天頂部と下部壁６０７の天
頂部とを接着してインク流路６１３と空間６１５とを形
成する。次に、ノズル６１８が形成されているノズルプ
レート６１７を、ノズル６１８がインク流路６１３と対
応するように、インク流路６１３及び空間６１５の一端
に接着し、インク流路６１３と空間６１５との他端をシ
リコン・チップ６２５とアース６２３とに接続する。前
記開口部が形成されている目止めプレート６２７を、開
口部がインク流路６１３と対応するように、インク流路
６１３及び空間６１５の他端に接着し、更に、マニホー
ルド部材６２８を接着する。

【０００８】そして、各インク流路６１３の電極６２１
にシリコン・チップ６２５が電圧を印加することによっ
て、各アクチュエータ壁６０３がインク流路６１３の容
積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。例えば図
６に示すようにインク流路６１３ｃの電極６２１ｃに電
圧Ｖが印加されると、アクチュエータ壁６０３ｅに矢印
６２９、６３１の方向の電界が発生し、アクチュエータ
壁６０３ｆに矢印６３０、６３２の方向の電界が発生
し、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０３ｆがインク流路
６１３ｃの容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形す
る。このときノズル６１８ｃ付近を含むインク流路６１
３ｃ内の圧力が減少する。この状態を圧力波のインク流
路６１３内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、
その間マニホールド６２６からインクが供給される。な
お、上記Ｔはインク流路６１３内の圧力波が、インク流
路６１３の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、
インク流路６１３の長さＬとこのインク流路６１３内部
のインク中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。圧力
波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からちょうど
Ｔ時間がたつとインク流路６１３内の圧力が逆転し、正
の圧力に転じるが、このタイミングに合わせてインク流
路６１３ｃの電極６２１ｃに印加されている電圧を０に
戻す。

【０００９】すると、アクチュエータ壁６０３ｅ、６０
３ｆが変形前の状態（図５）に戻り、インクに圧力が加
えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、アクチュ
エータ壁６０３ｅ、６０３ｆが変形前の状態に戻ること
により発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力
がインク流路６１３ｃのノズル６１８ｃ付近の部分に生
じて、インクがノズル６１８ｃから噴射される。

【００１０】従来、この種の噴射装置で用いられるイン
クは図７に示すように、例えば、あるインクでは２５℃
においては、粘度が約３ｍＰａ・ｓであるが、１０℃で
は６ｍＰａ・ｓ、４０℃では約２ｍＰａ・ｓと温度に対
して非常に大きく特性が変化する。このインク粘度の変
化により、低温時は、高温時に比べてはインク液滴噴射
速度が小さくなり、着弾位置ずれが大きくって、印字品
質が劣化する。そこで、印字品質が劣化しないように、
インク液滴噴射速度の変化を抑えるために、周囲温度に
より、インク噴射装置の駆動電圧を変化させていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構成のインク噴射装置の駆動方法では、周囲温度の変
化に応じて駆動電圧を変化させるための、複雑な電圧可
変回路、または２種以上の電源を必要とし、コストが高
価であるという問題があった。

【００１２】本発明は、かつ単一の駆動電圧のみで、周
囲温度の変化によるインク液滴噴射速度の変化が少なく
良好な印字品質の得られる低コストのインク噴射装置お
よびその駆動方法を提示することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１では、インクが充填されるインク流
路と、前記インク流路の容積を変化させるためのアクチ
ュエータと、前記アクチュエータにパルス信号を印加す
ることにより、前記インク流路の容積を増大させてイン
ク流路内に圧力波を発生させ、所定時間経過後、増大状
態から容積を自然状態に減少させて前記インク流路内の
インクに圧力を加えてインク滴を噴射させる制御手段と
を備えたインク噴射装置において、前記制御手段は、周
囲温度が所定温度以下においては、高粘度のインク液滴
を噴射するために、前記インク流 路の容積を増大させる
パルス幅の一端から、前記増大状態から容積を自然状態
に減少させるパルス幅の他端までのパルス幅が、前記イ
ンク流路内における前記圧力波の片道伝播時間Ｔと一致
する第１のパルス信号を印加し、周囲温度が所定温度以
上においては、低粘度のインク液滴を噴射するために、
前記第１のパルス信号と波高値が同じで、かつ前記イン
ク流路の容積を増大させるパルス幅の一端から、前記増
大状態から容積を自然状態に減少させるパルス幅の他端
までのパルス幅が前記インク流路内における前記圧力波
の片道伝播時間Ｔの３倍に一致する第２のパルス信号を
印加することによって、温度変化に伴うインクの噴射速
度の変動幅を小さくしている。

【００１４】請求項２のインク噴射装置では、前記アク
チュエータは、前記インク流路を構成する少なくとも１
つの壁部であり、該壁部の少なくとも一部は圧電材料で
形成されることによって、前記壁部の圧電変形によって
インク流路の容積が変化され、インクが噴射される。請
求項３のインク噴射装置の駆動方法では、インクが充填
されるインク流路と、前記インク流路の容積を変化させ
るためのアクチュエータと、前記アクチュエータにパル
ス信号を印加する制御手段とを備えたインク噴射装置に
おいて、前記アクチュエータにパルス信号を印加するこ
とにより、前記インク流路の容積を増大させてインク流
路内に圧力波を発生させ、所定時間経過後、増大状態か
ら容積を自然状態に減少させて前記インク流路内のイン
クに圧力を加えてインク滴を噴射させる駆動方法であっ
て、周囲温度が所定温度以下のときには、高粘度のイン
ク液滴を噴射するために、前記インク流路の容積を増大
させてから前記インク流路内における前記圧力波の片道
伝播時間Ｔと一致する時点で、前記増大状態から容積を
自然状態に減少させて前記インク流路内のインクに圧力
を加えてインク滴を噴射させ、周囲温度が所定温度以上
のときには、低粘度のインク液滴を噴射するために、上
記の場合と同じ電圧値で、前記インク流路の容積を増大
させてから前記圧力波の片道伝播時間Ｔの３倍に一致す
る時点で、前記増大状態から容積を自然状態に減少させ
て前記インク流路内のインクに圧力を加えてインク滴を
噴射させることによって、温度変化に伴うインクの噴射
速度の変動幅を小さくしてい る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１６】以下、本発明を具体化した一実施例を図面
を参照して説明する。

【００１７】本実施例のインク噴射装置６００は、図５
に示す従来のインク噴射装置６００と同様に、底壁６０
１、天壁６０２及びその間のせん断モードアクチュエー
タ壁６０３からなる。そのアクチュエータ壁６０３は、
底壁６０１に接着され、且つ矢印６１１方向に分極され
た下部壁６０７と、天壁６０２に接着され、且つ矢印６
０９方向に分極された上部壁６０５からなっている。ア
クチュエータ壁６０３は一対となって、その間にインク
流路６１３を形成し、且つ次の一対のアクチュエータ壁
６０３の間には、インク流路６１３よりも狭い空間６１
５を形成している。

【００１８】各インク流路６１３の一端には、ノズル６
１８を有するノズルプレート６１７が固着され、各アク
チュエータ壁６０３の両側面には電極６１９，６２１が
設けられている。各電極６１９，６２１はインクと絶縁
するための絶縁層（図示せず）で覆われている。そし
て、空間６１５に面している電極６１９はアース６２３
に接続され、インク流路６１３内に設けられている電極
６２１はアクチュエータ駆動回路を与えるシリコン・チ
ップ６２５に接続されている。また、各インク流路６１
３の他端には、開口部を有する目止めプレート６２７が
固着され、更に各インク流路６１３の他端には、図示し
ないインク供給源からのインクを各インク流路６１３に
供給するためのマニホールド６２６が形成されたマニホ
ールド部材６２８が固着されている。

【００１９】本インク噴射装置の具体的な寸法の１例
は、インク流路６１３の長さＬが７．５ｍｍである。ノ
ズル６１８の寸法は、インク噴射側の径が４０μｍ、イ
ンク流路６１３側の径が７２μｍ、長さが１００μｍで
ある。また、実験に供したインクの２５℃における粘度
は３ｍＰａ・ｓ、表面張力は３０ｍＮ／ｍであり、粘度
の温度変化は図７に示すように１０℃では６ｍＰａ・
ｓ、４０℃では２ｍＰａ・ｓである。このインク流路６
１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ
（＝Ｔ）は８μｓｅｃであった。

【００２０】次に本発明のインク流路６１３内の電極６
２１に印加する駆動波形１０、２０を図１に示す。第１
の駆動波形１０は、インクの噴射速度を速くするための
波形であり、第２の駆動波形２０はインクの噴射速度を
遅くするための波形である。インクが高粘度となる低温
度域、例えば２５℃未満では第１の駆動波形１０を用い
て駆動し、インクが低粘度となる高温度域、例えば２５
℃以上では第２の駆動波形２０を用いることで、インク
の噴射速度変化を少なくできる。

【００２１】第１の駆動波形１０は、第１のパルス信号
Ａからなり、第１のパルス信号Ａの波高値（電圧値）は
Ｖ（例えば２０ｖ）である。第１のパルス信号Ａの幅Ｗ
ａは、インク流路６１３内の圧力波の片道伝播時間Ｔ
（Ｌ／ａ）に一致、すなわち８μｓｅｃである。

【００２２】第２の駆動波形２０は、第２のパルス信号
Ｂからなり、前記第１の駆動波形の前記第１のパルス信
号Ａと同じく、波高値（電圧値）はＶ（例えば２０ｖ）
である。第２のパルス信号Ｂの幅Ｗｂは、インク流路６
１３内の圧力波の片道伝播時間Ｔ（Ｌ／ａ）の３倍、す
なわち２４μｓｅｃである。

【００２３】この第１、第２の駆動波形１０、２０を実
現するための駆動回路の一実施例を図２、３を用いて説
明する。図２に示す出力信号Ｘ、Ｙは、それぞれインク
流路６１３内の電極６１９に与える電圧をＶ、０にする
ための信号である。出力信号Ｘがオンになると、電圧Ｖ
を発生し、出力信号Ｙがオンになると電圧が０になる。
コンデンサ１９１はインク流路６１３のアクチュエータ
壁６０３とその両側に形成された電極６１９、６２１に
よって構成される。

【００２４】駆動回路は破線で囲まれる２つのブロック
から構成され、それぞれが充電用回路１８２、放電用回
路１８４である。そして、入力信号Ｘがオンするときは
トランジスタＴｃが導通し、抵抗Ｒ１２０を介してコン
デンサー１９１の電極Ｅに正の電源１８７からＶの電
圧、例えば２０ｖを印加する。入力信号Ｙがオンすると
きはトランジスタＴｇが導通し、抵抗Ｒ１２０を介して
コンデンサー１９１の電圧Ｅをアースする。第１の駆動
波形１０の場合の入力信号Ｘ、Ｙのそれぞれのタイミン
グチャート１１、１２と電極Ｅの出力電圧波形１３を図
３に示す。

【００２５】入力信号Ｘのタイミングチャート１１のよ
うに、入力信号Ｘは通常オフの状態に有り、噴射する所
定のタイミングＴ１にてオンされ、所定のタイミングＴ
２にてそれぞれオフされる。入力信号Ｙのタイミングチ
ャート１２は、上記入力信号Ｘがオンのときオフされ、
上記入力信号Ｘがオフのときオンされる。そのときの電
極Ｅでの出力波形１３は、通常０ｖであるが、タイミン
グＴ１にてコンデンサ１９１への電荷が充電され、トラ
ンジスタＴｃと抵抗Ｒ１２０とコンデンサ１９１にて決
まる充電時間Ｔａ後に電圧Ｖ（例えば２０ｖ）になる、
またタイミングＴ２にてコンデンサ１９１の電荷が放電
され、トランジスタＴｇと抵抗Ｒ１２０とコンデンサ１
９１にて決まる放電時間Ｔｂ後に０ｖになる。このよう
に実際の駆動波形１３は立ち上がりと立ち下がりでそれ
ぞれＴａ、Ｔｂの遅れが生じるため、電圧が１／２Ｖ
（例えば１０ｖ）における第１の駆動波形１０における
第１のパルス信号Ａの幅Ｗａを、所定の値となるように
上記各タイミングＴ１、Ｔ２を設定する。同様に第２の
駆動波形２０も、第２のパルス信号Ｂの幅Ｗｂが、所定
の値となるように、上記タイミングＴ１、Ｔ２を設定す
る。

【００２６】上記した本実施例の駆動方法にて駆動した
場合のインク噴射テストを行った。１０℃〜４０℃まで
温度を変えたときの第１の駆動波形１０、および第２の
駆動波形２０にて２０ｖの駆動電圧にて駆動した場合の
インク液滴噴射速度を測定した。この結果を図４に示
す。第１の駆動波形１０にて駆動した場合の方が、第２
の駆動波形２０にて駆動する場合に比べてインク液滴噴
射速度が２ｍ／ｓ程度速いことが分かる。従って、イン
クが高粘度となり、インク液滴噴射速度が減少する温度
域、例えば２５℃未満では、前記第１の駆動波形１０を
用い、インクが低粘度となり、インク液滴噴射速度が増
大する温度域、例えば２５℃以上では、前記第２の駆動
波形２０を用いることで、インク液滴噴射速度の変化を
低減できることが分かる。このため、温度変化に伴う、
インクの粘度変化によるインク液滴噴射速度も変化が少
なく、良好な印字品質が得られる。

【００２７】また、本実施例のインク噴射装置の駆動方
法では、インク流路６１３の電極６１９に第１の駆動波
形１０における第１のパルス信号Ａ、第２駆動波形２０
における第２のパルス信号Ｂに同じ正の電圧Ｖを印加す
るので、駆動電源が正の電源１８７のみで済み、従来の
ように電圧可変回路を用いたり、電圧の異なる２種以上
の電源を用いる場合に比較して制御回路が単純となり、
コスト低減を図り得る。

【００２８】以上、一実施例を詳細に説明したが、本発
明はこの実施例に限定されるものではない。例えば上記
実施例では、正の電源１８７を用いたが、分極方向を図
５の６０９、６１１を逆にして、負の電源を用いても良
い。その他の構成についても、特許請求の範囲を逸脱す
ることなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良
を施した態様で本発明を実施できる。

【００２９】また、本実施例では、第１の駆動波形１０
と第２の駆動波形２０との切り換えを２５℃を境にして
行なっていたが、この限りではなく、例えば２０℃で切
り換えてもよい。

【００３０】また、本実施例のインク噴射装置６００は
インク流路６１３の両側に空気室６１５を有していた
が、空気室を設けずにインク流路を隣接したインク噴射
装置であってもよい。

【００３１】また、本実施例では、アクチュエータ壁６
０３が互いに反対方向に分極された下部壁６０７と上部
壁６０５とから構成されていたが、上部もしくは下部の
みが分極されたアクチュエータ壁であってもよい。

【００３２】

【発明の効果】上述したように、本発明のインク噴射装
置およびその駆動方法によれば、所定温度以下において
は、前記インク流路の容積を増大させ前記インク流路内
における前記圧力波の片道伝播時間Ｔと一致する時点
で、前記増大状態から容積を自然状態に減少させて前記
インク流路内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射さ
せ、所定温度以上においては、上記の場合と同じ電圧値
すなわちパルス信号の波高値で、前記インク流路の容積
を増大させ前記圧力波の片道伝播時間Ｔの３倍に一致す
る時点で、前記増大状態から容積を自然状態に減少させ
て前記インク流路内のインクに圧力を加えてインク滴を
噴射させるので、温度変化に伴うインクの噴射速度の変
動幅を小さくすることができ、着弾位置のずれが少なく
なって印字品質を向上することができる。また、単一の
駆動電源にて駆動することができるので、従来よりも駆
動回路が単純となり、コストを低減することができる。

【００３３】前記アクチュエータが、前記インク流路を
構成する少なくとも１つの壁部であり、該壁部の少なく
とも一部は圧電材料で形成されることで、前記壁部の圧
電変形によってインク流路の容積が変化して、インクを
噴射し、高速で印字品質の良い記録を行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のインク噴射装置の駆動波形
を示す図である。

【図２】前記インク噴射装置の駆動回路を示す図であ
る。

【図３】前記インク噴射装置の駆動方法のタイミングチ
ャートを示す図である。

【図４】前記インク噴射装置の駆動波形による噴射実験
の結果を示す図である。

【図５】従来例、および本発明に係るインク噴射装置を
示す図である。

【図６】従来例、および本発明に係るインク噴射装置の
動作を説明する図である。

【図７】従来例、および本発明に係るインクの粘度の温
度による変化を説明する図である。

【符号の説明】

１０ 第１の駆動波形 ２０ 第２の駆動波形 ６００ インク噴射装置 ６０３ アクチュエータ壁 ６１３ インク流路 ６１９ 電極 ６２１ 電極

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが充填されるインク流路と、前記
   インク流路の容積を変化させるためのアクチュエータ
   と、前記アクチュエータにパルス信号を印加することに
   より、前記インク流路の容積を増大させてインク流路内
   に圧力波を発生させ、所定時間経過後、増大状態から容
   積を自然状態に減少させて前記インク流路内のインクに
   圧力を加えてインク滴を噴射させる制御手段とを備えた
   インク噴射装置において、前記制御手段は、 周囲温度が 所定温度以下のときには、前記インク流路の
   容積を増大させるパルス幅の一端から、前記増大状態か
   ら容積を自然状態に減少させるパルス幅の他端までのパ
   ルス幅が、前記インク流路内における前記圧力波の片道
   伝播時間Ｔと一致する第１のパルス信号を印加し、周囲温度が 所定温度以上のときには、前記第１のパルス
   信号と波高値が同じで、かつ前記インク流路の容積を増
   大させるパルス幅の一端から、前記増大状態から容積を
   自然状態に減少させるパルス幅の他端までのパルス幅が
   前記インク流路内における前記圧力波の片道伝播時間Ｔ
   の３倍に一致する第２のパルス信号を印加することを特
   徴とするインク噴射装置。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータは、前記インク流路
   を構成する少なくとも１つの壁部であり、該壁部の少な
   くとも一部は圧電材料で形成されていることを特徴とす
   る請求項１に記載のインク噴射装置。
3. 【請求項３】 インクが充填されるインク流路と、前記
   インク流路の容積を変化させるためのアクチュエータ
   と、前記アクチュエータにパルス信号を印加する制御手
   段とを備えたインク噴射装置において、 前記アクチュエータにパルス信号を印加することによ
   り、前記インク流路の容積を増大させてインク流路内に
   圧力波を発生させ、所定時間経過後、増大状態から容積
   を自然状態に減少させて前記インク流路内のインクに圧
   力を加えてインク滴を噴射させる駆動方法であって、 周囲温度が所定温度以下のときには、前記インク流路の
   容積を増大させてから前記インク流路内における前記圧
   力波の片道伝播時間Ｔと一致する時点で、前記増大状態
   から容積を自然状態に減少させて前記インク流路内のイ
   ンクに圧力を加えてインク滴を噴射させ、 周囲温度が所定温度以上のときには、上記の場合と同じ
   電圧値で、前記インク流路の容積を増大させてから前記
   圧力波の片道伝播時間Ｔの３倍に一致する時点で、前記
   増大状態から容積を自然状態に減少させて前記インク流
   路内のインクに圧力を加えてインク滴を噴射させること
   を特徴とするインク噴射装置の駆動方法。