JP3322276B2 - インクジェット式記録ヘッドの駆動方法、及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力室を形成している
弾性板を棒状の圧電振動子により変位させ、この変位に
より圧力室を圧縮してノズル開口からインク滴を噴射さ
せるインクジェット記録ヘッドの駆動技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】記録装置に用いられるインクジェット記
録ヘッドの一つとして特公平2-24218号公報に示される
ように、圧力室を構成する弾性板に円板状の圧電振動板
を固定したものが従来から利用されている。このような
形式のインクジェット記録ヘッドは、圧電振動子の変位
が小さいため、実効面積を大きく取らざるを得ず、した
がって比較的大きな面積を確保することができる、ノズ
ル開口から離れた箇所に圧力室を配置し、ノズル開口と
の間を流路で接続するという構造が採用されている。こ
の結果、記録ヘッドの全体の大型化を招くばかりでな
く、各インク流路の流体抵抗を均一にするために複雑な
調整作業が必要になるという問題がある。

【０００３】このような問題を解消するべく、例えば米
国特許第4697193号明細書に示されたように、圧電振動
子を棒状に形成し、これを圧力室の弾性板に当接させて
縦振動させてインク滴を発生させるインクジェット記録
ヘッドも提案されている。この記録ヘッドによれば、ノ
ズル開口に対向させて圧電振動子を配置することができ
るため、圧力室とノズル開口を接続する流路が不要とな
るばかりでなく、圧電振動子を積層構造とすることがで
きるため、駆動電圧を引き下げることができ、さらには
圧電振動子自体の固有振動数が比較的大きいため、高速
駆動が可能となって印刷速度の向上を図ることができる
などの特徴を備えている。

【０００４】このような縦振動を利用したインクジェッ
ト記録ヘッドは、ドット形成直前に圧電振動子に駆動電
圧を印加して圧電振動子を収縮させ、次いで駆動電圧を
放電させて圧電振動子の伸長によりインク滴を発生させ
る、いわゆる引き打ち方式が採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような引き打ち方
式を用いると、圧電振動子や振動板に予め蓄積された弾
性エネルギの利用が可能となるばかりでなく、圧力室へ
のインクの確実な引き込みを図ることができるという利
点がある反面、印字速度を高めるべく圧電振動子の作動
繰り返し周波数を高めると、インク滴の形成時のメニス
カスの位置にばらつきが生じてインク滴のサイズや速度
が変動して印刷品質が変動するという不都合がある。

【０００６】このような問題を回避するため、圧電振動
子の縮小速度を可及的に低く設定してメニスカスの移動
を少なくするとともに、メニスカスが元の位置に復帰し
て静止するまで一定時間、圧電振動子を収縮状態に保持
し、それから第２の駆動電圧を印加して圧電振動子を伸
長させるという駆動方法が用いられている。このような
駆動方法によれば印字品質の安定を図ることができる反
面、圧電振動子自体の高速応答性を十分に生かすことが
できないという新たな問題が生じる。本発明はこのよう
な問題に鑑みてなされたものであって、その目的とする
ところは高い印字品質を維持しながら高速駆動すること
ができる縦振動モードを利用したインクジェット記録ヘ
ッドの駆動方法を提案することである。また本発明の第
２の目的は、上記方法を実現するための装置を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明においては、ノズル開口が穿設されたノ
ズルプレートに対向させて振動板を配置して圧力室を形
成するとともに、先端を前記ノズル開口に対向させて前
記振動板に固定された縦振動モードの圧電振動子を固定
してなるインクジェット式記録ヘッドに、前記圧電振動
子に駆動電圧を印加してノズル開口のメニスカスが前記
ノズル開口から吐出する程度の速度で前記振動板をノズ
ル開口から所定の位置まで後退させる第１の工程と、前
記振動板を前記位置に保持する第２の工程と、前記メニ
スカスが後退量の１／３以上復帰した時点で前記振動板
をノズル開口側に前進させる第３の工程とを備えるよう
にした。

【０００８】

【作用】圧電振動子の収縮に伴ってメニスカスがノズル
開口から後退するが、圧電振動子の収縮が停止する前後
において、次の瞬間にノズル開口に向かう流れとなる。
インクの慣性流の方向が切り換わり、元の位置から１／
３程度まで復帰した時点で、圧電振動子を伸長させる
と、慣性流に圧電振動子の伸長による圧力がノズル開口
近傍のインクに加わりインクを効率良くノズル開口から
飛翔させることになる。そしてメニスカスが元の位置か
ら１／３以上復帰すると、メニスカスの位置に関りなく
一定の速度でインク滴が飛翔するので、印刷されるドッ
トの形状、サイズが安定する。

【０００９】

【実施例】そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例
に基づいて説明する。図１、２は本発明の駆動装置が適
用される縦振動モードを利用するインクジェット記録ヘ
ッドの一実施例を示すものであって、図中符号１は、縦
振動モードで振動する圧電振動子で、駆動電極と圧電振
動材料をサンドイッチ状に積層して構成され、圧電振動
材料を挟む駆動電極を並列に接続して構成されている。
このような構造を採ることにより、各圧電振動層を同一
の電圧での駆動が可能となって、３０ボルト程度の駆動
電圧でインク滴を形成させることができる。

【００１０】この圧電振動子１は、一端を比較的弾性係
数の大きな絶縁性接着剤７によりベース９に固定され、
また他端には先端に圧力伝達部材２を介して圧力室１０
を構成する高弾性板からなる振動板８が固定されてい
る。そして振動板８と一定のギャップｇを確保するよう
にしてノズル開口４を備えたノズルプレート３がスペー
サ１１を介してベース９に固定されている。これら振動
板８とノズルプレート３とにより形成された空間が圧力
室１０となり、ベース９に形成された凹部からなるイン
ク供給流路５を介して図示しないインクタンクからイン
クの供給を受けるように構成されている。そしてこれら
ノズル開口４，４，４は、図３に示したように副走査方
向に千鳥状となるように複数列配置して、可及的に高い
ドット密度での印刷が可能に構成されている。

【００１１】このような構造を持ったインクジェット記
録ヘッドは、圧電振動子１に駆動電圧が印加されていな
い状態では、メニスカス１５がほぼノズル開口４の表面
に位置している（図５ Ｉ）。この状態で圧電振動子１
に対して、これを縮小させる方向（図４ 符号ａ）に第
１の駆動電圧を印加すると、圧電振動子１の先端に固定
されている振動板８もノズルプレート３に対して弾性変
形してノズル開口４から後退する。この結果、圧力室１
０が拡張してここのインクが図中符号Ａ方向に移動する
からメニスカス１５も圧電振動子１側に後退する。同時
このインクの流れに誘われてインク供給流路５から符号
Ｂで示すようにインクが圧力室１０に流れ込む（図５
ＩＩ）。

【００１２】圧電振動子１を縮小させた状態を維持する
と、圧力室１０のインクは慣性により今度はノズル開口
側に向かう流れＣ（図５ ＩＩＩ）を生じ、これにより
メニスカス１５もノズル開口４に向かって前進を開始す
る。このメニスカスが前進している過程で圧電振動子１
にこれを伸長させる方向（図４ 符号ｂ）の駆動電圧を
印加すると、振動板８が圧電振動子１に押されてノズル
開口側に弾性変形して圧力室１０を縮小させる。これに
より発生した圧力Ｄは、前の工程で発生している慣性流
Ｃ（図５ ＩＩＩ）に足し合わさって圧力室１０のイン
クをノズル開口４からインク滴１６として外部に飛び出
させることになる。圧電振動子１の伸長により生じた圧
力は、圧力室１０からインク供給流路５に向かう流れＥ
を発生させることになるが、前の工程により生じた慣性
流Ｂにより或程度阻止されるため、圧力室１０の圧力抜
けが或程度減少することになる。（図５ ＩＶ）。

【００１３】図６は、上述のインクジェット記録ヘッド
を駆動する装置の一実施例を示すものであって、図中符
号２０は、第１のスイッチング回路で、３つのトランジ
スタ２１，２２，２３からなり、入力端子２４にＨレベ
ルの電圧が印加されたときにオンとなるように構成され
ている。２５は、第２のスイッチング回路で、トランジ
スタ２６，２７からなり、インバータ２８を介して入力
端子２４に接続されていて、入力端子２４にＬレベルの
電圧が印加されたときにオンとなるように構成されてい
る。２９は、時定数回路を構成するコンデンサで、第１
のスイッチング回路２０がオンとなったときには、抵抗
３０を介して電源電圧ＶHにより充電を受け、また第２
のスイッチング回路２５がオンとなったときには抵抗３
１を介して放電するものである。３２は、電流バッファ
で、トランジスタ３３，３４からなり、コンデンサ２９
の端子電圧に比例した電圧を圧電振動子１に供給するも
のである。このような回路構成を採ることにより図７
（Ｉ）に示すような入力信号が入力端子２４に印加され
ると、信号がＬレベルになった時点でトランジスタ２２
がオフとなって駆動電圧ＶPが電圧ＶHまで立ち上がる。
そしてトランジスタ２２とコンデンサ２９と、これに接
続されている電流バッファ３２がミラー積分回路を構成
しているため、圧電振動子１に印加される駆動電圧ＶP
の波形は、同図（ＩＩ）に示すように一定の勾配をもっ
て直線的に立ち上がる。駆動電圧ＶPが電源電圧ＶHと等
しくなった時点で、電圧の上昇が停止し、その後、所定
時間の間駆動電圧ＶPは電源電圧ＶHに保持される。そし
て入力信号がＨレベルに切り換わった時点で、コンデン
サ２９が抵抗３１を介して放電し、圧電振動子１の駆動
電圧ＶPの波形は立ち上がり時とほぼ対称をなすように
立ち下がる。

【００１４】ところで駆動電圧Ｖｐの立ち上がり時間τ
1、及び立ち下がり時間τ2は、回路を構成しているコン
デンサ２９と抵抗３０、３１により決定される。コンデ
ンサ２９の容量をＣ、抵抗３０の抵抗値をＲ1、抵抗３
２の抵抗値をＲ2、トランジスタ２０、２６のベース−
エミッタ間電圧を各々ＶBE1、ＶBE2とすると、時間τ
1、τ2は、それぞれ τ1＝Ｃ×Ｒ1×ＶH ／ＶBE1 τ2＝Ｃ×Ｒ2×ＶH ／ＶBE2 となる。この結果、圧電振動子１に流れる電流ＩP は ＩP＝Ｃｐ×ＶH ／τ1 ＝Ｃｐ×ＶBE1／（Ｃ×Ｒ1） ＩP＝Ｃｐ×ＶH ／τ2 ＝Ｃｐ×ＶBE2／（Ｃ×Ｒ2） となる。電流Ｉｐの時間変化からも明らかなように、こ
の回路は圧電振動子１に一定の電流を流す定電流回路を
構成している。

【００１５】これに対し、従来圧電振動子の駆動回路と
して用いられる回路に図２４のような定電圧回路があ
る。この定電圧回路で圧電振動子を駆動する場合、圧電
振動子に流れる電流ＩP’と圧電振動子に印加される電
圧ＶP’は、時間とともに非直線的に変化する。すなわ
ち、充電抵抗６０と６１の合成抵抗値をＲ1’、また圧
電振動子６２の静電容量Ｃpとすると、立ち上がり時の
電流ＩP’と電圧ＶP’は、 ＩP’（ｔ）＝ＶH／Ｒ1’×ｅｘｐ｛−ｔ／（Ｃｐ×Ｒ1’）｝ ＶP’（ｔ）＝ＶH×［１−ｅｘｐ｛−ｔ／（Ｃｐ×Ｒ1’）｝］ となる。このような回路では駆動電圧Ｖｐ’が電源電圧
ＶHに達するまでの時間は非常に長くなるが、実質的に
圧電振動子が変形するのに問題ない電圧を、仮に電源電
圧ＶHの０．９倍に達する時間、すなわちＶｐ’（ｔ）
が０．９×ＶHに達する時間ｔ0は ｔ0＝２．３×Ｃｐ×Ｒ1’ となる。ここで前述した立ち上がり時間τ1と等しい時
間でｔ0が立ち上がるように充電抵抗値Ｒ1’を設定する
と、ＩP’の最大値、すなわちＩP’（０）は、 ＩP’（０）＝ＶH／Ｒ1’ ＝ＶH×２．３×Ｃp／τ1＝２．３×Ｉp となる。これは、定電圧回路が前述した定電流回路に対
し、同じ時間で電圧を立ち上げるためには、最大電流が
２．３倍流れてしまうことを示している。また立ち下が
る時においても全く同様の形態を示す。以上説明したよ
うに、本実施例で示した定電流回路を用いることによ
り、従来の駆動回路に比較して、充電時間、または放電
時間を小さくしても回路に流れる最大電流値を減少させ
ることができるため、駆動回路を構成する部品を小さく
でき、回路の低コスト化を図ることができる。

【００１６】図７は、上述の駆動回路の動作を示す波形
図であって、ホスト装置から図７（Ｉ）に示したような
信号が入力端子に入力すると、信号がＨレベルからＬレ
ベルに切り換わった時点（Ｔ1）で第１のスイッチング
回路２０がオンとなって抵抗３０を介してコンデンサ２
９が充電される。この充電電流は時定数τ1でもって変
化し、同時にミラー積分機能により圧電振動子１に一定
割合で上昇する電圧が印加される。このれにより圧電振
動子１は等速度で縮小することになり、振動板８がやは
り等速度で後退して圧力室１０が拡大し、またメニスカ
スも時間とともに後退する（同図 ＩＶ）。

【００１７】圧電振動子１の端子電圧ＶPが電源電圧ＶH
まで上昇した時点（Ｔ2）で、電圧変化が停止し、この
結果圧力室１０の拡大も停止する。このような圧力室１
０が拡大した状態を所定時間（保持時間Ｔ）継続して、
メニスカスが後述する所定の位置まで復帰した時点（Ｔ
3）で入力信号がＬレベルからＨレベルに切り換わる。
この結果、第２のスイッチング回路２５がオンとなって
コンデンサ２９に蓄積されている電荷が、時定数τ2で
もって抵抗を介して放電する。これにより圧電振動子１
の端子電圧ＶPも一定の割合で減少し、これに伴って圧
電振動子１が等速度で伸長して、圧力室１０を一定の割
合で圧縮することになる。

【００１８】なお、この実施例においては充電により縮
小し、また放電により伸長する圧電振動子に例を採って
説明したが、放電により縮小し、また充電により伸長す
るタイプの圧電振動子を用いる場合には、Ｌレベルから
Ｈレベルに切り換わり、次いでＨレベルからＬレベルに
切り換わる駆動信号を用いて図９に示したような０ボル
トレベルを対称線とする立ち上がり時定数τ1,保持時間
Ｔ、及び立ち下がり時定数τ2の駆動電圧を発生させる
ことにより同様の動作をさせ得ることは明らかである。

【００１９】ところで、前述したようにインクジェット
記録ヘッドに第１の駆動電圧を印加して圧電振動子１を
縮小させ、これによりノズル開口に形成されていたメニ
スカスをノズル開口の表面から後退させ、このメニスカ
スの後退が反転した時点を見計らって圧電振動子１伸長
させる本発明の駆動方法におけるインクの挙動を、シュ
ミレーションによりさらに詳説する。ノズル開口の直径
が４０μｍ、停止状態におけるノズルプレート３と振動
板８とのギャップｇが８０μｍとなるように構成された
記録ヘッドに、粘度１０ミリＰａｓのインクを用いた場
合のインクの挙動を、図１０に示した音響モデルを用い
てシュミレーションし、その結果を図１１から図１８に
示す。

【００２０】このモデルは、インクジェットヘッドの各
部を集中定数とみなしてモデル化した音響系の集中定数
回路である。４０はノズル部を表わす集中定数回路であ
り、メニスカス１５の圧力源４４とノズル開口のイナー
タンス４５とレジスタンス４６とが直列に接続されてい
る。４１は、圧電振動子１と振動板８を単振動系とみな
した集中定数回路であり、印加電圧による圧力発生源４
８と剛性コンプライアンス４９とレジスタンス５０とイ
ナータンス５７を直列に接合する。４２は圧力室１０を
表す集中定数回路であり、レジスタンス５２とイナータ
ンス５３を直列に接続する。４３は圧力室１０全体の変
形を表す集中定数回路であり、剛性コンプライアンス５
５で表されている。インクジェットヘッド全体の集中定
数回路は集中定数回路４０、４１、４２、４３を並列に
接続した構成である。そして、メニスカス１５がノズル
開口４を完全に満たしているときのイナータンス４５と
レジスタンス４６は、メニスカス１５が引き込まれてい
るときのイナータンス４５とレジスタンス４６よりも大
きい値をとる。この結果、ノズル部の集中定数回路４０
を構成する圧力４４とイナータンス４５とレジスタンス
４６をメニスカス１５の引き込み量に応じて変化する非
線形素子としてシュミレーションを行うことなる。この
ようしてシュミレーションを行うことにより、圧力発生
源４８を駆動すると圧力板８が体積速度Ｕｖでインクが
排除され、その結果、非定常に変化する各部のインクの
体積速度Ｕｎ、Ｕｃ、Ｕｓを知ることができる。そして
ノズル部の体積速度Ｕｎのシュミレーション結果を自由
表面の挙動を取り扱いが可能な汎用差分法モデルの境界
条件として与えて、メニスカスの挙動やインク滴の飛翔
形態を得ることができる。なお、イナータンス４５、５
３と剛性コンプライアンス５５からなる振動系の固有振
動数を圧力室の共振周波数と指す。

【００２１】図１１は、一定の勾配で変化する第１の駆
動電圧を１０μ秒間、圧電振動子に印加し、以後この電
圧を保持し続けた時のノズル開口近傍のメニスカスの自
由な挙動を示すものであって、駆動電圧印加時点（同図
Ｉ）から１０μ秒（ＶＩ）までメニスカスの後退が続
き、次いでメニスカスがノズル開口側に反転する。そし
て駆動電圧の印加から２２μ秒が経過すると（ＸＩＩ）
ノズル開口４からインク滴が外側に突出し、最終的には
液滴の形成が可能な程度の液柱にまで発展する（ＸＸ
Ｉ）。

【００２２】図１２乃至図１８図は、圧電振動子１を縮
小させる工程、及び圧電振動子を伸長させる工程の時定
数をそれぞれ１０μ秒に選択する一方、圧電振動子の収
縮工程の終了から圧電振動子を伸長させるまでの時間、
つまり上述した保持時間を変えて種々なメニスカスの位
置が第２の駆動電圧を印加して圧力室を収縮させた場合
のノズル開口近傍のインクの流れを示すものである。図
１２は、第１の駆動電圧印加から１２μ秒が経過した時
点、つまり保持時間を２μ秒の時点で圧力室を収縮させ
た時のインク流の状態を示すものであって、メニスカス
の後退が停止して慣性流により前進に転じた初期の段階
で圧力室が圧縮されることになり、ノズル開口からはイ
ンクが柱状、つまり先端部と中央部との直径がほぼ同じ
大きさとなって飛翔している。

【００２３】図１３は、第１の駆動電圧印加から１４μ
秒が経過した時点、つまり保持時間を４μ秒とした時の
インク流の状態を示すものであって、メニスカスが後退
から前進に転じ、ノズル開口側に少し前進した時点で、
ノズル形成板をノズル開口側に押し出した時の状態を示
している。この場合も前述の場合と同様にノズル開口か
ら飛び出したインクは、柱状となる。

【００２４】図１４は第１の駆動電圧印加から１６μ秒
が経過した時点、つまり保持時間を６μ秒とした時のイ
ンク流の状態を示すものであって、メニスカスが後退か
ら前進に転じ、最も後退した位置から１／３程度まで復
帰した時点で、圧電振動子を伸長させた時の状態を示す
ものである。この場合にはノズル開口から飛び出したイ
ンクの先端の一部がくびれて飛行の過程で球状にまとま
るため、記録用紙には理想的なドットが形成されること
になる。

【００２５】以下図１５乃至図１８は、それぞれ第１の
駆動電圧印加から１８μ秒（保持時間８μ秒）、２０μ
秒（保持時間１０μ秒）、２２μ秒（保持時間１２μ
秒）、２４μ秒（保持時間１４μ秒）とした場合の状態
を示すもので、これらの時点で圧電振動子を伸長させる
と、ノズル開口から飛び出したインクの先端は、球状と
なることが確認できた。

【００２６】図１９は、このシュミレーションのモデル
になった記録ヘッドを用いて、第１の駆動電圧を一定の
割合、つまり放置すれば慣性流によりメニスカスがノズ
ル開口から柱状となって飛翔する程度の変化速度で１０
μ秒印加して圧電振動子を一定の割合で収縮させ、以後
この収縮状態を任意の時間保持し、次いで一定の割合で
変化する駆動電圧を１０μ秒印加して圧電振動子を収縮
させたときにノズル開口から噴射されるインク滴の形状
を高速度カメラにより撮影し、これを保持時間をパラメ
ータとして示したもので、保持時間が６μ秒（同図ＩＩ
Ｉ）以上のものにあってはノズルから飛び出したインク
の先端部がくびれて球状となるのに対して、保持時間が
４μ秒以下のもの（同図ＩＩ、Ｉ）では全体が同一形状
で、柱状となっていることが確認できる。

【００２７】上述した保持時間毎のインク滴のノズル開
口からの吐出量と、吐出速度の関係を総合して示すと、
図２０に示したようにインク吐出量（図中点線により示
す線）は、保持時間に比例して若干多くなり、またイン
ク吐出速度は、保持時間６μ秒、つまりメニスカスが最
も後退した時点から１／３程度の位置まで復帰する時点
までは保持時間とともに急激に低下するが、これより保
持時間が長くなってもほぼ１２．５メートル／秒程度の
一定値を維持している。ところで、インク吐出速度が速
い場合にはノズルから吐出するインクは柱状となり、ま
た遅い場合には球状になることが知られている。そして
吐出したインクの先端が球状である場合には、記録用紙
に形成されるドットがほぼ円形となることも知られてい
るから、これらのことから上記モデルでは保持時間を６
μ秒以上、つまりメニスカスが最も後退した時から１／
３まで復帰した以後に圧力室を収縮させると理想的なド
ット、つまり円形のドットが印刷できることが判明し
た。

【００２８】このことは、ノズル開口のサイズやインク
の粘度、ノズルプレートと振動板の間隙長等のパラメー
タを変えてメニスカスの挙動をいろいろ変化させて確認
したところ、メニスカスが最も後退した位置から１／３
に復帰するまでの時間には変化が生じるものの、１／３
まで復帰した時点以降に圧力室を収縮させれば、上記パ
ラメータの変化に関りなく、ノズル開口から飛びだすイ
ンクの先端部が球状となることが確認された。これらの
ことから、振動板を後退させた時に生じる慣性流がノズ
ル開口からインクを飛び出させる程度にまで高速度で圧
力室を拡開させ、かつメニスカスの位置がその最も後退
した位置から１／３以上復帰した時点以降に圧力室を収
縮させると、メニスカスの位置に関りなくインクを球状
となして飛翔させることができることを意味する。

【００２９】このことをインクジェット記録ヘッドの駆
動周波数に当てはめて見ると、図２１、図２２において
実線により示したように駆動周波数１ＫＨｚから１０Ｋ
Ｈｚ程度までインク吐出量及びインク吐出速度が一定と
なる。このことは、高い印刷速度でも高い印字品質を維
持できることを示すばかりでなく、連続ドットの形成、
１ドットおきにドットを形成する場合、２ドットおきに
ドットを形成する場合などあらゆる印刷形態に対しても
一定の印字品質を維持できることを示している。これに
対して従来の駆動方式（図２１、図２２において点線に
より示した線）では駆動周波数３ＫＨｚ近辺を境にして
インク吐出量が減少し、またインク吐出速度が急激に上
昇してしまい、結果として印字品質が駆動周波数に左右
されてしまうことを示している。

【００３０】ところで、縦振動モードを使用する圧電振
動子は、たわみ振動モードのものよりも振動板やインク
等の他の構成部材の影響を受け難く、ほぼ圧電振動子単
独の共振周波数で振動することが確認されている。

【００３１】一方、圧力室の共振周波数は、前述の図１
０中のイナータンス４５、５３と剛性コンプライアンス
５５によって決まる。圧力室の共振周波数ｆｃは、イナ
ータンス４５をＭｎ、イナータンス５３をＭｓ、剛性コ
ンプライアンスをＣｃとすると、

【００３２】

【数１】

【００３３】で表わされる。なお、圧力室を自由振動さ
せた場合にはその共振周波数ｆｃで振動することが確認
されている。圧力室を拡大させる工程、及び圧縮する場
合に、圧電振動子の変位速度を圧力室の固有振動周期の
０．９倍以上、つまり圧電振動子を収縮、伸長させるた
めに印加する電圧波形の立ち上がり、立ち下がり時間を
圧力室の固有振動周期の０．９倍以上にする事により、
圧力室拡開後、及びインク滴形成後における圧力室の残
留振動を可及的に小さくすることができる。また、圧電
振動子の残留振動を抑制するためには、圧電振動子の変
位速度を圧電振動子の固有振動周期に一致させることで
達成することができる。

【００３４】すなわち、図２３に示したように電圧開放
時における放電波形の時定数を振動子自体の固有振動周
期の９０乃至１２０パーセントの範囲に設定することに
より、圧電振動子の変位後における圧電振動子自体、お
よびこれに結合されている振動板の残留振動を、駆動時
の振幅の１０％程度に抑えることができる。

【００３５】以上説明したように圧力室の残留振動、お
よび圧電振動子の残留振動は、圧電振動子の変位速度、
すなわち圧電振動子に印加する圧電の立ち上がり、およ
び／または立ち下がり時間を任意に設定することにより
抑えることができるが、圧電振動子やその他の圧力室形
成部材等の寸法、材質との条件により、各々に適合する
時間設定をとることは明らかである。すなわち、圧電振
動子の固有振動周期Ｔａと圧力室の固有振動周期Ｔｃ
（＝１／ｆｃ）との大小関係により以下のように設定す
ることが望ましい。 １）Ｔａ＜Ｔｃの場合 τ1、τ2≧０．９×Ｔｃ ２）Ｔａ≧Ｔｃの場合 ０．９０×Ｔａ≦τ1、τ2≦１．２×Ｔａ このように圧電振動子に印加する電圧の立ち上がり時
間、および／または立ち下がり時間を設定する事により
特に繰り返し周波数に大きく影響を与えるインク噴射後
の残留振動の減衰待ち時間を設けることなく直ちにドッ
ト形成が可能となり、記録ヘッドの駆動繰り返し周波数
をよりいっそう向上させることができる。

【００３６】なお、上述の実施例においては圧力室の片
側にのみインク流路を形成したインクジェット記録ヘッ
ドに適用した場合について説明したが、圧力室の両側に
インク供給流路を形成したインクジェット記録ヘッドに
適用しても同様の作用を奏することは明らかである。

【００３７】また、振動板がノズル開口に対向して形成
されている、いわゆるフェイスエジェクト形式のインク
ジェット記録ヘッドに適用した場合に限らず、例えば振
動板と平行な方向にインク滴を噴射させるいわゆるエッ
ジエジェクト形式のインクジェット記録ヘッドに適用し
ても同様の作用を奏することは明らかである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
圧電振動子に駆動電圧を印加してノズル開口のメニスカ
スがノズル開口から吐出する程度の速度で前記振動板を
ノズル開口から所定の位置まで後退させる第１の工程
と、振動板を前記位置に保持する第２の工程と、メニス
カスが後退量の１／３以上復帰した時点で振動板をノズ
ル開口側に前進させる第３の工程を備えるようにしたの
で、圧電振動子の収縮時に生じるノズル開口近傍のイン
ク流を積極的に利用するとともに、メニスカスの位置に
インク滴の吐出速度が依存しない領域で圧力室圧縮が可
能となり、これによって駆動繰り返し周波数の広い範囲
にわたってインク滴のサイズや飛翔速度をほぼ一定に維
持することができて、高速駆動可能な記録装置が実現で
きる。また、インク滴噴射時の充電、及び／または放電
の立ち上がり、立ち下がり時間を圧力室及び圧電振動子
の振動周期によって好適に設定するようにしたので、イ
ンク滴噴射後における圧電振動子を含む振動系の残留振
動振幅を小さくできて、駆動繰り返し周波数を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるインクジェット記録ヘッド
の一実施例を示す断面斜視図である。

【図２】図１に示したインクジェット記録ヘッドの断面
図である。

【図３】図１に示したインクジェット記録ヘッドのイン
ク流路、及びノズル開口の配列を示す図である。

【図４】図１に示したインクジェット記録ヘッドにおけ
る圧電振動子の運動状態を示す図である。

【図５】同図（Ｉ）乃至（ＩＶ）は、それぞれ同上イン
クジェット記録ヘッドの動作の概略を示す説明図であ
る。

【図６】同上インクジェット記録ヘッドを駆動する回路
の一実施例を示す回路図である。

【図７】同図（Ｉ）乃至（ＩＶ）は、それぞれ同上駆動
回路に印加される駆動信号、圧電振動子の端子電圧、充
電電流、及びメニスカスの移動を示す説明図である。

【図８】圧電振動子の縮小工程、保持工程、及び伸長工
程の関係を示す説明図である。

【図９】放電により縮小するタイプの圧電振動子を用い
た場合の縮小工程、保持工程、及び伸長工程の関係を示
す説明図である。

【図１０】本発明の駆動方法による圧力室内でのインク
の挙動をシミュレーションするのに使用したモデルの一
例を示す図である。

【図１１】圧電振動子を縮小させた状態で放置した場合
における時間毎のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１２】圧電振動子を縮小させた状態で２μ秒間放置
し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間毎
のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１３】圧電振動子を縮小させた状態で４μ秒間放置
し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間毎
のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１４】圧電振動子を縮小させた状態で６μ秒間放置
し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間毎
のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１５】圧電振動子を縮小させた状態で８μ秒間放置
し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間毎
のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１６】圧電振動子を縮小させた状態で１０μ秒間放
置し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間
毎のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１７】圧電振動子を縮小させた状態で１２μ秒間放
置し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間
毎のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１８】圧電振動子を縮小させた状態で１４μ秒間放
置し、その後圧電振動子を伸長させた場合における時間
毎のメニスカスの挙動を示す図である。

【図１９】同図（Ｉ）乃至（Ｘ）は、それぞれ上記各保
持時間ごとのインク滴の形状を示す図である。

【図２０】保持時間とインク吐出速度、及びインク吐出
量の関係を示す線図である。

【図２１】駆動周波数とインク吐出量の関係を示す線図
である。

【図２２】駆動周波数とインク吐出速度の関係を示す線
図である。

【図２３】圧電振動子伸長時の駆動電圧の時定数と減衰
振動振幅との関係を示す線図である。

【図２４】縦振動モードを使用したインクジェット記録
ヘッドの従来の駆動回路の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 ２ 圧力伝達部材 ３ ノズルプレート ４ ノズル開口 ５ インク供給流路 １０ 圧力室 １５ メニスカス

フロントページの続き (72)発明者 片倉 孝浩 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コ−エプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−234855（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−275051（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−278358（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル開口と連通し、振動板を配置して
   圧力室を形成するとともに、前端が前記振動板に固定さ
   れた縦振動モードの圧電振動子を固定してなるインクジ
   ェット式記録ヘッドに、前記圧電振動子に駆動電圧を印
   加してノズル開口のメニスカスが前記ノズル開口から吐
   出する程度の速度で前記振動板をノズル開口から所定の
   位置まで後退させる第１の工程と、前記振動板を前記位
   置に保持する第２の工程と、前記メニスカスが後退量の
   １／３以上復帰した時点で前記振動板をノズル開口側に
   前進させる第３の工程とからなるインクジェット記録ヘ
   ッドの駆動方法。
2. 【請求項２】 ノズル開口と連通し、振動板を配置して
   圧力室を形成するとともに、前端が前記振動板に固定さ
   れた縦振動モードの圧電振動子を固定してなるインクジ
   ェット式記録ヘッドを駆動する装置において、前記ノズ
   ル開口に形成されているメニスカスが前記ノズル開口か
   ら吐出する程度の速度で前記圧電振動子を収縮させる第
   １の電圧と、前記圧電振動子を収縮状態に保持する第２
   の電圧と、圧電振動子を伸長させる第３の電圧を発生す
   るとともに、前記第２の電圧を Ｔ≧Ｔim （ただし、Ｔは、第２の電圧の保持時間を、またＴim
   は、第１の駆動電圧が定常定常状態に到達してからメニ
   スカスが最後退位置から１／３まで復帰するまでの時間
   を示す） 維持するインクジェット式記録ヘッドの駆動装置。
3. 【請求項３】 第１及び／または第３の駆動電圧の時定
   数を、前記圧力室の固有振動周期の０．９倍以上とした
   請求項２のインクジェット式記録ヘッド駆動装置。
4. 【請求項４】 第３の駆動電圧の時定数を、前記圧電振
   動子の固有振動周期の０．９乃至１．２倍とした請求項
   ２のインクジェット式記録ヘッド駆動装置。