JP3473085B2 - インクジェット記録装置及びその記録方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はオン・デマンド型のイン
クジェットヘッドに関し、特にその駆動手段として静電
気力を利用するものに係わり、並びに本発明の目的を有
効に達成するインクジェットの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒
音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、イ
ンクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど
多くの利点を有する。この中でも記録の必要な時にのみ
インク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマン
ド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としな
いため、現在主流となってきてきている。

【０００３】従来のオン・デマンド型インクジェットヘ
ッドの駆動方法において、特に本願と関連する特公平２
−２４２１８号により公知の駆動方法では、インク噴射
圧力を発生する圧力室の容積を変化させる圧電素子を備
え、圧電素子には待機状態で圧電素子の分極電圧と同方
向の電気的パルスが印加され圧電素子を充電して圧力室
の容積を減少させておき、インク噴射時には圧電素子を
徐々に放電させて圧力室の容積を増大させた後、再び圧
電素子に電気的パルスを印加して圧電素子を急速に充電
させ圧力室の容積を減少させることによりノズルよりイ
ンクを噴射させる方法が開示されている。更に同号証に
は、インク液滴を低電圧で最も効率よく噴射させるため
に圧力室へのインクの吸入時に起きるインク系の減衰振
動の極大値近傍で圧電素子に再び電圧を印加し急速に圧
力室の容積を減少させる方法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来のインクジェットヘッドの駆動方法は駆動手段に圧
電素子を用いたものには最適な方法の一つであるが、流
路の一部に設けられた振動板と、振動板に対向して設け
られた電極間に電気パルスを印加し、振動板を静電気力
により変形させ、ノズルからインク液滴を吐出させる方
法、即ち、例えば特開平２−２８９３５１号に開示され
ている様な駆動手段に静電気力を用いたものに、単純に
適用したのでは、以下に述べるような問題が生じ、実用
化が困難であった。

【０００５】駆動素子に圧電素子を用いたものでは、振
動板は圧電素子に加えられたエネルギ（電圧、通電幅）
に比例して精度よく撓むため、現状の加工精度で得られ
るインクジェットヘッドにおいて、一定のエネルギを各
圧電素子に加えることに留意すれば、各ノズルの一回当
たりのインク吐出量はほぼ同量となり、十分な印字品質
が得られる。

【０００６】これに対し、駆動手段に静電気力を用いた
ものでは、振動板と電極間の距離を必要以上に大きくと
ると、振動板と電極間に発生する静電気力はそのギャッ
プの距離の２乗に比例して小さくなるため、プリンタと
して用いられる標準的な電圧では、インクを吐出もしく
は、流路内のインクを吸引するだけの圧力の発生が得ら
れないため、ギャップを極めて小さく（およそ２μ以
下）せねばならない。

【０００７】更に、駆動手段に圧電素子を用いたものと
異なり、振動板と電極間に発生する静電気引力が強すぎ
ると、即ち振動板と電極間に印加する電気パルスの電圧
が高すぎるか通電幅が長すぎると、振動板と電極が接
触、短絡しヘッドが破壊するという静電気力を用いたイ
ンクジェットヘッド特有の問題があり、振動板と電極が
接しない程度のエネルギを加え駆動せねばならなかっ
た。

【０００８】このため、現状の加工精度でギャップを極
めて精度よく（±０．０５μ）で加工し、振動板、これ
に対向する電極間に一定のエネルギを加えても、各振動
板の歪量を精度よく一定に制御することが困難であり、
従って、各ノズルから吐出される一回当たりのインク吐
出量は一定に安定せず、記録画像ののドット抜け、ドッ
トの大きさの不揃い等印字品質上の不具合が多発した。
また更に、特に振動板の材質が半導体の場合、振動板、
電極間に充放電を繰り返すと、振動板内に分極が発生
し、常に振動板の撓み量を一定にする事が更に困難にな
る。

【０００９】したがって、本発明の目的は上述の問題を
解決し、静電気力を利用した方式のインクジェットヘッ
ドにおいて、まず第１に、安定した高印字品質を得るた
めに常に安定したインクの吐出が得られる駆動装置であ
って、第２に、長時間使用してもヘッドの破壊等の不具
合の生じず、ヘッド自体にストレスを与えない駆動装置
であって、更に第３に、プリンタの印字速度を向上させ
るために充分な応答性が得られる駆動装置であって、第
４に低い駆動電圧で効率よく駆動することができるイン
クジェットヘッドの駆動装置を提供することにある。

【００１０】

【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、ノズルと、該ノズルに連通するインク流路
と、該流路の一部に設けられた振動板と、該振動板を挟
み前記インク流路の反対側に、前記振動板に対向して設
けられた電極とを有し、前記振動板と前記電極間に電気
パルスを印加し、前記振動板を静電気力により変形さ
せ、前記ノズルからインク液滴を記録紙に向け吐出し印
刷を行うインクジェット記録装置において、前記振動板
と前記電極の間に設けられた絶縁膜と、前記電極と前記
振動板との間に電荷を充電する充電回路と、前記電極と
前記振動板との間に蓄えられた電荷を放電する放電回路
と、前記充電回路に前記電極もしくは前記振動板を接続
する第１の相と、前記放電回路に前記電極もしくは前記
振動板を接続する第２の相との少なくとも２つの相とを
切り換えるスイッチング素子と、前記電極と前記振動板
が前記絶縁膜を介して接触するに十分な電荷を、前記振
動板がインク液滴の吐出が行える程度に撓むまで充電し
た後、前記スイッチング素子を第２の相に切り換え前記
インク液滴を吐出するスイッチング回路とを有すること
を特徴とするものであり、また、本発明の他の様態は、
更に、前記充電回路と前記放電回路のいずれにも前記電
極もしくは前記振動板を接続しない第３の相とを切り換
える３相のスイッチング素子と、前記スイッチング素子
を前記第１の相に接続し、前記電極と前記振動板が前記
絶縁膜を介して接触するに十分な電荷が充電された後、
前記スイッチング素子を第３の相に接続し、所定の時
間、前記スイッチング素子を第３の相に接続した状態を
保った後、スイッチング素子を第２の相に切り換えるス
イッチング回路とを有したことを特徴とするものであ
る。また、本願発明のインクジェット記録装置の記録方
法は、ノズルと、該ノズルに連通するインク流路と、該
流路の一部に設けられた振動板と、該振動板を挟み前記
インク流路の反対側に、前記振動板に対向して設けられ
た電極と、前記振動板と前記電極の間に設けられた絶縁
膜とを有するインクジェット記録装置の記録方法におい
て、前記振動板と前記電極間に電気パルスを印加し、前
記振動板を静電気力により前記電極側に変形させ、前記
振動板が前記電極に前記絶縁膜を介して接触するに十分
な電荷を、前記振動板がインク液滴の吐出が行える程度
に撓むまで、前記電極と前記振動板との間に充電し、前
記電極と前記振動板との間に蓄えられた電荷を急激に放
電し、前記ノズルからインク液滴を記録紙に向け吐出す
ることを特徴とするものであり、好ましくは、前記電極
と前記振動板との間に十分な電荷を充電した後、所定時
間の時間経過後、前記電極と前記振動板との間に蓄えら
れた電荷を急激に放電し、前記ノズルからインク液滴を
記録紙に向け吐出することを特徴とするものである。

【００１１】また、上述のインクジェット記録装置の好
ましい様態によると、前記充電回路の時定数が、前記電
極と前記振動板に電荷を充電する際に、前記インク流路
内に発生するインクにかかる負圧が２×１０^５ パスカル
以下になるように設定されていることを特徴とするもの
であり、更に好ましい様態によると、前記充電回路の時
定数が、前記電極と前記振動板に電荷を充電する電気パ
ルスの１／２以下に設定されていることを特徴とするも
のである。更に、前記振動板がシリコンであり、前記絶
縁膜がシリコンの酸化膜もしくは窒化膜であることを特
徴とし、その絶縁膜の厚さが５００〜３０００オングス
トロームであることを特徴とするものである。また、更
に、前記電極が導電性酸化膜で形成されていることを特
徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明のインクジェットヘッドは、電極に電気
パルスを印加することにより該電極とこれに対向して配
置された振動板との間に静電気力による引力あるいは斥
力が働き、この静電気力と振動板自体の弾性力によって
振動板を振動させ、インク液滴をノズルより吐出させる
ものであり、振動板と電極との対向間隔は、インク吐出
体積が印字に必要な大きさが取るために下限が０．０５
μｍ程度、実用的な駆動電圧から上限が２．０μｍ程度
に設定されており、好ましくは、駆動電圧を低く設定す
るために振動板と電極との対向間隔は下限に近い方がよ
い。

【００１３】この時、振動板を電極に接するまで引きつ
けるので、各ノズルから吐出される１回当たりのインク
吐出量は、振動板と電極との対向間隔により一義的に決
定されるため、各ノズルの吐出量は一定になり、安定し
た印字品質が得られる。

【００１４】また、振動板は電極に対向する面に酸化膜
が形成されたシリコン等の半導体で、振動板は絶縁体で
ある酸化膜を介して電極に接するため、短絡によってヘ
ッドが破壊されることがなく、更に電極の材質がＩＴＯ
等の酸化導電体であるため、耐電圧性が優れ、長期の駆
動においてもヘッドが破壊される不具合が生じにくい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に
説明する。

【００１６】図１は本発明の第１の実施例によるインク
ジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してあ
る。本実施例はインク液滴を基板の端部に設けたノズル
から吐出させるエッジエジェクトタイプの例を示すもの
である。図２は組み立てられた全体装置の断面側面図、
図３は図２のＡ−Ａ線矢視図である。

【００１７】本実施例のインクジェットヘッド１０は、
下記に詳述する構造を持つ３枚の基板１、２、３を重ね
て接合した積層構造となっている。中間の第１の基板１
は、シリコン基板であり、複数のノズル孔４を構成する
ように基板１の表面に一端より平行に等間隔で形成され
た複数のノズル溝１１と、各々のノズル溝１１に連通し
底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹
部１２と、凹部１２の後部に設けられたオリフィス７を
構成することになるインク流入口のための細溝１３と、
各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインク
キャビティ８を構成することになる凹部１４を有する。
また、振動板５の下部には後述する電極を装着するため
振動室９を構成することになる凹部１５が設けられてい
る。また、Ｓ部に示した振動板５の断面図の様に、基板
１には一様な厚みで熱酸化膜２４（ＳiＯ₂）が設けら
れ、後述するように、電極２１と振動板５が接触した時
に、これらを電気的に絶縁する機能を有している。

【００１８】本実施例においては、振動板５とこれに対
向して配置される電極との対向間隔、すなわちギャップ
部１６の長さＧが凹部１５の深さと電極の厚さとの差に
なるように、間隔保持手段を第１の基板１の下面に形成
した振動室用の凹部１５により構成したものである。こ
こでは、凹部１５の深さをエッチングにより０．３μｍ
としている。なお、ノズル溝１１のピッチは０．７２mm
であり、その幅は７０μｍである。

【００１９】第１の基板１の下面に接合される下側の第
２の基板２にはパイレックスガラス（ホウ珪酸系ガラ
ス）を使用し、この基板２の接合によって振動室９を構
成するとともに、基板２を前記振動板５に対応する各々
の位置に振動板形状と類似した形状にＩＴＯ（スズ（Ｓ
n）を添加した酸化インジウム（Ｉn₂Ｏ₃））を０．１μ
ｍスパッタし、ほぼ振動板５と同じ形状にＩＴＯパター
ンを形成して電極２１としている。電極２１はリード部
２２及び端子部２３を持つ。

【００２０】第１の基板１の上面に接合される上側の第
３の基板３には第２の基板２と同じくパイレックスガラ
スを用いている。この基板３の接合によって、前記ノズ
ル孔４、吐出室６、オリフィス７及びインクキャビティ
８が構成される。そして、基板３にはインクキャビティ
８に連通するインク供給口３１を設ける。インク供給口
３１は接続パイプ３２及びチューブ３３を介して図示し
ないインクタンクに接続される。

【００２１】上述した各基板の接合については、第１の
基板１と第２の基板２を温度３００℃，電圧５００Ｖの
印加で陽極接合し、また同条件で第１の基板１と第３の
基板３を接合し、図２のようにインクジェットヘッドを
組み立てる。

【００２２】図４は図２において主に振動板５、電極２
１からなるアクチュエータ部Ｔの詳細断面図である。陽
極接合後の振動板５と電極２１との空隙間隔１６は０．
２μｍとなり、振動板５の電極２１に対向する面には、
厚さ０．１μｍ程度の絶縁膜２４が形成されている。絶
縁膜２４はシリコンの熱酸化膜で、振動板５が電極２１
に接した時、短絡を防止し、更に電極２１、振動板５の
破壊を防止する。絶縁膜は電極２１に対向する面のみに
形成してもよいし、第１の基板１の全面に形成してもよ
い。

【００２３】また、酸化膜の代替として窒化膜を形成し
ても良い。シリコン酸化膜は９００℃程度の比較的低い
温度でシリコンの熱酸化により、比較的容易に安定して
形成することができる。また、窒化膜は、シリコンを窒
素雰囲気中で加熱することにより形成されるが、酸素膜
に比べ誘電率が高いため、比較的厚く（２倍程度）形成
しても、振動板と電極間の電界強度の低下、すなわち駆
動電圧の上昇を防止できる。また更に、酸化膜の代替と
してＭgＯ（酸化マグネシウム、マグネシア）等の耐電
界強度の高い材料をスパッタ等により形成して絶縁膜と
して用いいれば、更にインクジェットヘッドの耐久性
（寿命）を向上させることが可能である。

【００２４】更に、上述した絶縁膜の厚みに言及する
と、これら絶縁膜の厚みは５００〜３０００オングスト
ローム程度が望ましい。これは、５００オングストロー
ム以下であると、フォウラーノルドハイムのトンネル電
流の発生により、絶縁膜の耐久性が著しく低下し、逆に
３０００オングストローム以上であると、振動板と電極
間の電界強度が低下し、すなわち駆動電圧が上昇するた
めである。

【００２５】電極２１の材質としては、ＩＴＯの他に酸
化スズ（ＳnＯ₂）を主成分とするＦＴＯ膜、アルミニウ
ムを添加した酸化亜鉛（ＺnＯ）を成分とするＡＺＯ
膜、その他にＣdＳnＯ₃、Ｃd₂ＳnＯ₄、ＣdＩdＯ₄を成分
とする導電性酸化膜を形成してもよいが、ＩＴＯ膜が最
も体積抵抗率が低く、安全性の観点からも好ましい。

【００２６】また、これらの酸化膜は酸素の含有量に応
じて光を透過する性質をもつため、目視、光センサ等の
光学的検知手段を用いて、製造時における振動板、流路
等の穴、歪、欠落、異物混入等の不良を検出したり、使
用時においても流路内のインクの有無、気泡・異物等の
入り込みを検出するのが容易であるという効果も有す
る。

【００２７】ここで、電極２１の抵抗率について言及す
ると、電極２１の抵抗率は５×１０^-4Ωcm以下であるこ
とが望ましい。これは、例えば、１０００オングストロ
ーム程度の厚みでかつ、パターン幅８０μｍ、配線長さ
１cm程度の高密度配線を、抵抗率が５×１０^-4Ωcm以上
の材料で構成した場合、配線抵抗は６．２５Ω以上とな
り、その結果、これ以上の抵抗率をもつものでは、配線
抵抗と振動板−対向電極が形成する容量から決定される
時定数が増大し、通常プリンタの駆動に常用される５０
Ｖ以下の電圧では、インクを吐出するに十分な振動板の
変形を得ることが不可能となるためである。

【００２８】上記のようにインクジェットヘッドを組み
立てた後は、基板１と電極２１の端子部２３間にそれぞ
れ配線４９により駆動回路４０を接続し、インクジェッ
ト記録装置を構成する。

【００２９】図示しないインクタンクよりインク供給口
３１を経て基板１の内部に供給され、インクキャビティ
８、吐出室６、ノズル溝１１等で形成されたいわゆるイ
ンク流路内には、インク１０３が充填される。

【００３０】図２において、１０４はノズル孔４より吐
出されるインク液滴、１０５は記録紙である。そして、
インク液滴１０４の吐出の基本的なメカニズムは以下の
様に説明される。電極２１に適度な電圧を印加し、電極
２１の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板５の
下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５
は静電気の吸引作用により下方へ撓む。 次に、電極２
１をＯＦＦにすると、振動板５は振動板自体の弾性によ
り復元する。そのため、吐出室６内の圧力が急激に上昇
し、ノズル孔４よりインク液滴１０４を記録紙１０５に
向けて吐出する。そして次に、振動板５が再び下方へ撓
むことにより、インク１０３がインクキャビティ８より
オリフィス７を通じて吐出室６内に補給される。

【００３１】図５、図６は電極２１に電圧を印加し、振
動板５が静電気の吸引作用により下方へ撓んだ状態を示
す断面側面図である。図５は振動板５が電極２１に接触
しないように、電圧を印加し振動板５を駆動する（以下
非接触駆動と呼ぶ）ものであり、図６は振動板５と電極
２１が当接するように十分充電して振動板５を駆動する
（以下当接駆動と呼ぶ）ものであり、何れの場合も、複
数のノズルを有するインクジェットヘッドにおいて、各
ノズルから吐出される１回当たりのインクの吐出量は、
振動板５が最も撓んだ状態、即ち吐出室６の最大容積変
化量ｄＶで決定される。

【００３２】非接触駆動の場合、電極２１、振動板５に
かかる電気的、機械的ストレスが小さいため、比較的ヘ
ッドが壊れにくいというメリットがあるものの、振動板
５の厚み等の形状の違いによる各振動板５のバネ定数の
不均一、電極２１、振動板５に印加される通電パルスの
電圧、通電幅の僅かな違いによって、充電される電荷量
に不均一が生じる等の要因により、吐出室６の最大容積
変化量ｄＶ、つまり各ノズルから吐出されるインク量を
一定にすることが非常に困難で、従ってドット抜け、記
録画像におけるドット径を均一にすることも難しい。ま
た、長時間連続して、振動板５を駆動すると、振動板５
内に徐々に残留電界が形成され、常に一定のエネルギ
（電圧、通電幅）を振動板５に与えても、時間と共にイ
ンクの吐出量が変化してしまう。

【００３３】これに対して、当接駆動では、非接触駆動
に比べ、電極２１、振動板５にかかる電気的、機械的ス
トレスが大きいため、ヘッドが壊れやすくなるが、常
に、振動板５が電極２１に接触する電圧（当接電圧）以
上の電圧を印加しているので、各ノズルから吐出される
１回当たりのインクの吐出量、即ち吐出室６の最大容積
変化量ｄＶは、ギャップ長Ｇで一義的に決定されるた
め、ギャップ長Ｇ及び振動板の厚さを精度良く加工すれ
ばインク吐出量は安定し、良好な印字品質が得られる。

【００３４】図７は、パイレックスガラス（ホウ珪酸ガ
ラス）からなる第２の基板２上クロムを下塗りした層２
６上に金からなる個別電極２５を形成したアクチュエー
タ部Ａの詳細断面図である。図４、図７のようにアクチ
ュエータ部Ａを構成したインクジェットヘッド１０を駆
動電圧４１Ｖ、駆動周期３ｋＨｚにて当接駆動によって
駆動し、耐久度を比較実験した結果、図４に示される個
別電極をＩＴＯで形成したものが、２億パルス以上パル
スを加えてもインクジェットヘッド１０の性能になんら
変化が生じなかったのに対し、図７に示される個別電極
を金で形成したものは、１３００万パルスで、個別電極
２５と振動板５間が短絡し、インクジェットヘッド１０
が機能しなくなった。この様に個別電極の材質で耐久性
に有意差が生じたのは、金属に対し導電性を有する酸化
物が分子的に安定でかつ硬度も高く電気的・機械的スト
レスに強いためであり、前述した構造のアクチェータの
電極として適し、当接駆動を実用的に使用でき、前述し
た当接駆動の利点を得ることができる。

【００３５】上記のように構成された本実施例の更に詳
細な動作を説明する。

【００３６】図８は本発明のインクジェットヘッドの駆
動方法を示すブロック図であり、図９はそのタイミング
チャートあり、図１０に示す様なシリアル型のプリンタ
に適用した例である。

【００３７】図１０において、インクジェットヘッド１
０はキャリッジ３０２上に搭載され、キャリッジ３０２
をステッピングモータ等のキャリッジ駆動手段３１０に
より桁方向に移動させ、この移動に同期させてインクジ
ェットヘッド１０のノズル列からインクを適宜吐出し、
文字等を記録紙１０５上に形成する。なお、３００はプ
ラテン、３０１はインクタンク、３０２はインクジェッ
トヘッド１０のキャリッジ、３０３はポンプ、３０４は
キャップ、３０５は排インク溜、３０６はインク供給チ
ューブ、３０７はインク排出チューブ、３０８は噴射口
排出チューブである。

【００３８】図８において、タイミング回路６１から出
力される基準信号Ｓ１に同期してキャリッジ３０２はキ
ャリッジ駆動回路６２によって、桁方向に周期Ｔで１ド
ットずつ送られる。スイッチング回路６３は基準信号Ｓ
１に同期して、時刻ｔ０でトランジスタ等で構成された
の３相のスイッチング素子６５を充電回路６６と電極２
１が接続するように切り換える。タイマー６４で充電時
間を計時し、予め設定された電極２１と振動板５が接触
し、インク吐出に充分な吸引ができる時刻ｔ１でスイッ
チング回路６３はスイッチング素子６５を放電回路６７
と電極２１が接続するように切り換え、振動板５−電極
２１間に蓄えられた電荷は急速に放電されインクが吐出
される。時刻ｔ０から周期Ｔ分経過した時刻ｔ２で再び
スイッチング回路６３は基準信号Ｓ１に同期して、スイ
ッチング素子６５を充電回路６６と電極２１が接続する
ように切り換え、充電を開始し、以降印字桁が終了する
まで上記のサイクルを繰り返す。

【００３９】図１１は、振動板５の電気制御を行う駆動
回路図であり、図１２は、この駆動回路への入力信号５
１、５２と振動板５−電極２１間の電圧波形５３と、ノ
ズル４先端に形成されたインク１０３のメニスカス１０
２の振動を示すものであり、図１３は、振動板５駆動時
の吐出室６近傍の各段階の状態を示すものである。

【００４０】時刻ｔ０の以前、即ち待機状態ではトラン
ジスタ４２、４５共にＯＦＦしているので、振動板５−
電極２１間に電圧は印加されず、従って振動板５は変位
せず吐出室６の状態は図１３（ａ）に示される様にイン
ク１０３に全く圧力を与えない状態にある。

【００４１】ｔ０の時刻において、充電信号５１の立ち
上がりでトランジスタ４１がＯＮしてトランジスタ４２
もＯＮするので、振動板５−電極２１間に電圧は印加さ
れ、矢印Ａ方向に電流が流れ、振動板５−電極２１間に
充電された電荷によって、振動板５−電極２１間に働く
静電引力により振動板５は電極２１に振動板５が電極２
１に当接するまでひきつけられ、図１３（ｂ）に示され
る様に吐出室６の容積は増大し、吐出室６近傍のインク
１０３は矢印方向に引きつけられる。この時、振動板５
−電極２１間の電圧５３は、抵抗４３とヘッド自体が持
つ容量から決定される時定数によって図１２のＣ部に示
す如く変化し、振動板の変位に伴ってメニスカス１０２
は図１２のＥ部の様に変化する。

【００４２】ｔ１の時刻において、充電信号５１をＯＦ
Ｆし、同時に放電信号５２をＯＮする。この時、トラン
ジスタ４１はＯＦＦし、トランジスタ４２がＯＦＦする
ので、振動板５−電極２１間の充電が停止し、一方トラ
ンジスタ４４がＯＦＦし、トランジスタ４５がＯＮする
ので、振動板５−電極２１間に蓄えられた電荷は抵抗４
６を介して矢印Ｂ方向に放電される。抵抗４６は抵抗４
３に比べかなり小さく設定され、放電時の時定数は小さ
いため、図１２のＤ部に示すように充電に比べわずかな
時間で放電される。この時、振動板は静電引力から一気
に解放され、図１３（ｃ）に示す様に、振動板５自体の
弾性力により待機位置に戻り、急激に吐出室６を押圧
し、吐出室６内に発生した圧力によりインク液滴１０４
をノズル４から吐出する。また、この時、メニスカス１
０２の変位５４は、図１２のＦ部に示す様に変化し、イ
ンク１０３の粘性や表面張力等によりノズル４内に引き
戻す力に比べ、吐出圧力が大きい点で吐出し、以後前者
の及ぼす力によって周期τの減衰振動をする。尚、図１
１において、抵抗４７は、抵抗４３、抵抗４６に比べ極
めて大きな値を持つ抵抗で、ヘッド駆動時の充放電には
ほとんど影響せず、電源投入時等に、振動板５、電極２
１間に初期的にたまっている電荷をゆっくりと逃がす抵
抗である。また、以上述べたように、ヘッドへの充電の
停止と同時に放電する場合、入力信号は１つでよく、充
電信号５１の立ち上がりで充電を開始し立ち下がりで充
電の停止と放電を開始するように回路を簡略化してもよ
い。

【００４３】本願のインクジェットヘッド１０を図１１
記載の駆動回路で印字試験を行ったところ、駆動電圧３
０Ｖ、駆動周期Ｔを３ｋＨｚ、抵抗４３を５０Ω〜５ｋ
Ω、充電信号５１のパルス幅１５μｓｅｃ〜４５μｓｅ
ｃの駆動条件で安定した吐出が確認できた。

【００４４】以上述べたように、振動板５が電極２１に
当接するまで引きつけるように電気パルスを印加するこ
とで、常に各ノズルからほぼ同量のインク液滴を吐出す
るので、安定した印字品質が得られる。

【００４５】次に、本発明の他の実施様態について説明
する。

【００４６】図１２のｔ１の時刻において、充電信号５
１のＯＦＦのみを行い、放電信号５２をＯＦＦのまま維
持すると、メニスカス１０２の変位５４は、図１２の破
線部の様に減衰振動する。これらの減衰振動の周期τは
流路の粘性抵抗、インクの粘性等に起因するもので、イ
ンクの吸引を減衰振動の周期τの１／４のｔ２付近、好
ましくは１／４周期ｔ２よりやや経過した時点まで行
い、吸引終了と同時のタイミングでインクを加圧する
と、インク系の振動エネルギをインクの吐出に有効に用
いることができ、最も効率的で、低い電圧でインクを吐
出できる。

【００４７】図１４は、図１１の駆動回路において、上
述のインク系の減衰振動を加味し、充電終了後一定の時
間充電状態をホールドした後放電を開始する駆動方式を
示すタイミングチャートである。時刻ｔ０からｔ１まで
振動板５−電極２１間に充電された電荷によって、振動
板５−電極２１間に働く静電引力により、振動板５が電
極２１に当接した後、時刻ｔ１で、充電信号５１のＯＦ
Ｆのみを行い、放電信号５２をＯＦＦのまま維持する
と、トランジスタ４１はＯＦＦし、トランジスタ４２が
ＯＦＦするので、振動板５−電極２１間の充電が停止
し、一方トランジスタ４４はＯＮ状態で、トランジスタ
４５がＯＮ状態を保っているので、振動板５−電極２１
間には、充電も放電も行われなく、時刻ｔ０からｔ１ま
でに蓄えられた電荷によって、振動板５は電極２１に当
接した状態を保つ。

【００４８】次に、インク系の減衰振動の周期τの１／
４のｔ２付近、好ましくは１／４周期ｔ２よりやや経過
した時刻ｔ３で、放電信号５２をＯＮする。この時、ト
ランジスタ４４がＯＦＦし、トランジスタ４５がＯＮす
るので、振動板５−電極２１間に蓄えられた電荷は抵抗
４６を介して図１１の矢印Ｂ方向に放電される。前述し
たように、抵抗４６は抵抗４３に比べかなり小さく設定
され、放電時の時定数は小さいため、充電に比べわずか
な時間で放電される。この時、振動板は静電引力から一
気に解放され、振動板５自体の弾性力により待機位置に
戻り、急激に吐出室６を押圧し、吐出室６内に発生した
圧力により、インク系の減衰振動に同期して、インク液
滴１０４をノズル４から吐出する。

【００４９】以上の駆動方法によると、インク流路の粘
性抵抗、イナータンス、インクの粘性等により、振動板
５の振動に遅れてインク系が振動するため、振動板５が
電極２１に当接した時刻ｔ１より、やや経過した時刻ｔ
３でインク液滴の吐出すれば、インク系の振動エネルギ
をインクの吐出に最も効率的に用いることができる。更
に、このためには、時刻ｔ３まで、振動板５−電極２１
間の充電を行えば良いが、時刻ｔ２までに、振動板５が
インク液滴の吐出に十分行える程度に撓んでいるため、
本来これ以上の充電は不必要であるし、過充電による振
動板５と電極２１の短絡、破壊等が懸念される。

【００５０】よって、振動板５が電極２１に当接した時
刻ｔ１から時刻ｔ３までの一定の時間充電動作を停止し
た後、放電を開始する駆動方式を用いてインク液滴の吐
出を行えば、振動板５と電極２１間の過充電を防ぎ、ヘ
ッド自体の破壊を防止すると共に、インク系の振動エネ
ルギをインクの吐出に有効に用いることができ、最も効
率的で、低い電圧でインクを吐出できる。

【００５１】次に、振動板５を電極２１に引きつける速
度について詳述する。

【００５２】図１５は充電時の電極２１−振動板５間の
電荷量の変化を示すグラフである。

【００５３】図１１に示される駆動回路において、充電
時の時定数を決定する抵抗４３の値が小さいと電荷量の
変化は線９１の如く変化し、抵抗４３の値が大きいと電
荷量の変化は線９３の如く変化する。

【００５４】電荷量の変化が線９３のように緩慢に変化
すると、時刻ｔ１ではインク吸引に充分な電荷が得られ
ないため、充分なインク吐出のための吐出室６の容積変
化が得られず、この状態でインク吐出を行うと著しく印
字品質が劣化する。そこで充分な電荷を得るためには充
電パルス幅を時刻ｔ２まで伸ばさなければならず、その
ためにヘッドの応答性が損なわれ、所望の印字速度が得
られない。実験及び計算で確認された値によると、振動
板５−電極２１から構成されるコンデンサの容量に対し
て９割程度の電荷ｑ１が充電されれば吐出に充分なイン
ク吸引が行われる。従って、充電回路の時定数は充電パ
ルス幅Ｐ１の１／２以下であればよい。

【００５５】電荷量の変化が線９１のように急激に変化
すると、図１６に示すように、流路内のインクを振動板
周辺に引き寄せることになり、インクを吸引する方向に
働く負方向の圧力（負圧）により、流路と連通したノズ
ルから気泡１０６が入り込むか、インク内に溶け込んで
存在する窒素等が流路内の急激な振動により気泡１０６
となって流路内に現れるため、振動板と電極間に蓄えら
れた電荷を放電し、流路の容積を待機状態に戻しても発
生したインクを押し出す方向に働く圧力が気泡１０６に
よって吸収され、インクが吐出しない事態が生じる。こ
のため、充電回路の時定数の下限も規定する必要もあ
る。実験で確認された値によると、インク内に含まれる
窒素等を脱気処理した泡立ちにくいインクを用いた場
合、２×１０⁵パスカル以上の負方向の圧力をかける
と、インク流路内に気泡が発生しインクの吐出が不可能
になる。

【００５６】また、他の実験を、ヘッド印加電圧３０
Ｖ、充電パルス幅Ｐ１を１５μｓｅｃ〜４５μｓｅｃ、
抵抗４３を５０Ωの回路条件にて行ったところ充分安定
した吐出が得られた。この時、電極２１−振動板５で構
成されるコンデンサの容量測定したところおよそ２７０
ｐＦ程度で、時定数を計算すると、０．１３５μｓｅｃ
程度になる。

【００５７】従って、本発明のインクジェットヘッドの
駆動方法は、充電回路の時定数の上限を充電パルス幅の
１／２以下に規定し、下限をインク吸引時にインクにか
かる負圧を２×１０⁵パスカル以下になるように規定し
たことにより、安定したインク吐出を得られるものであ
る。

【００５８】

【発明の効果】上述した本発明のインクジェットヘッド
の駆動装置によれば、電極に電気パルスを印加すること
により電極とこれに対向して配置された振動板との間に
静電気力による引力あるいは斥力が働き、この静電気力
と振動板自体の弾性力によって振動板を振動させ、イン
ク液滴をノズルより吐出させるインクジェットヘッドの
駆動装置において、振動板を電極に接するまで引きつけ
るので、各ノズルから吐出される１回当たりのインク吐
出量は、振動板と電極との対向間隔により一義的に決定
されるため、各ノズルの吐出量は一定になり、安定した
印字品質が得られる。

【００５９】また、本発明のインクジェットヘッドの駆
動装置の他の様態によれば、振動板が電極に当接した時
刻から一定の時間充電を停止した後、放電を開始する駆
動方式を用いてインク液滴の吐出を行うため、振動板と
電極間の過充電を防ぎ、ヘッド自体の破壊を防止すると
共に、インク系の振動エネルギをインクの吐出に有効に
用いることができ、最も効率的で、低い電圧でインクを
吐出できる。

【００６０】また更に、上述した本発明のインクジェッ
トの駆動装置の好ましい様態によれば、電極−振動板間
の充電パルスを所定の範囲で規定された加速度で立ち上
げるので、流路内に気泡が発生して、インクの吐出がで
きなくなる等の不具合を生じず、かつインク吐出に充分
なインクの吸引が可能で、印字品質を犠牲にすることな
くプリンタの印字速度を向上させるために充分な応答性
が得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドを示す分解斜視
図である。

【図２】図１の断面側面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ線矢視図である。

【図４】図２の振動板・電極部の断面詳細図である。

【図５】振動板が静電気の吸引作用により下方へ撓んだ
状態を示す断面側面図である。

【図６】振動板が静電気の吸引作用により下方へ撓んだ
状態を示す断面側面図である。

【図７】従来の振動板・電極部の断面詳細図である。

【図８】本発明のインクジェットヘッドの駆動方法を示
すブロック図である。

【図９】図８の駆動回路への入力信号と振動板−電極の
電圧波形を示すタイミングチャートである。

【図１０】本発明のインクジェットヘッドを組み込んだ
プリンタを示す概要図である。

【図１１】本発明のインクジェットヘッドの駆動回路図
である。

【図１２】図１１の駆動回路への入力信号と振動板−電
極の電圧波形と、ノズル先端に形成されたインクのメニ
スカスの振動を示すタイミングチャートである。

【図１３】本発明のインクジェットヘッドの動作原理を
示す断面側面図である。

【図１４】図８の駆動回路への入力信号と振動板−電極
の電圧波形を示す他の実施例におけるタイミングチャー
トである。

【図１５】本発明のインクジェットヘッドの振動板−電
極の電圧波形を示すグラフである。

【図１６】流路内に気泡が発生したインクジェットヘッ
ドの断面側面図である。

【符号の説明】

１ 第１の基板 ２ 第２の基板 ３ 第３の基板 ４ ノズル孔 ５ 振動板 ６ 吐出室 ９ 振動室 １０ インクジェットヘッド ２１ 電極 ２４ 熱酸化膜 ４１、４２、４４、４５ トランジスタ ４３、４６、４７ 抵抗 ５１ 充電信号 ５２ 放電信号 ５３、Ｖ₁ 電極−振動板間電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽片 忠明 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (72)発明者 渡辺 俊明 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−214770（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−132598（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−23980（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−50601（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−290567（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/015 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルと、該ノズルに連通するインク流
   路と、該流路の一部に設けられた振動板と、該振動板を
   挟み前記インク流路の反対側に、前記振動板に対向して
   設けられた電極とを有し、前記振動板と前記電極間に電
   気パルスを印加し、前記振動板を静電気力により変形さ
   せ、前記ノズルからインク液滴を記録紙に向け吐出し印
   刷を行うインクジェット記録装置において、 前記振動板と前記電極の間に設けられた絶縁膜と、 前記電極と前記振動板との間に電荷を充電する充電回路
   と、 前記電極と前記振動板との間に蓄えられた電荷を放電す
   る放電回路と、 前記充電回路に前記電極もしくは前記振動板を接続する
   第１の相と、前記放電回路に前記電極もしくは前記振動
   板を接続する第２の相との少なくとも２つの相とを切り
   換えるスイッチング素子と、 前記振動板が前記絶縁膜を介して前記電極に接触するに
   十分な電荷を、前記振動板がインク液滴の吐出が行える
   程度に撓むまで充電した後、前記スイッチング素子を第
   ２の相に切り換え前記インク液滴を吐出するスイッチン
   グ回路とを有することを特徴とするインクジェット記録
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のインクジェット記録装置
   において、更に、前記充電回路と前記放電回路のいずれ
   にも前記電極もしくは前記振動板を接続しない第３の相
   とを切り換える３相のスイッチング素子と、前記スイッ
   チング素子を前記第１の相に接続し、前記電極と前記振
   動板が前記絶縁膜を介して接触するに十分な電荷が充電
   された後、前記スイッチング素子を第３の相に接続し、
   所定の時間、前記スイッチング素子を第３の相に接続し
   た状態を保った後、スイッチング素子を第２の相に切り
   換えるスイッチング回路とを有したことを特徴とするイ
   ンクジェット記録装置。
3. 【請求項３】 前記充電回路の時定数が、前記電極と前
   記振動板に電荷を充電する際に、前記インク流路内に発
   生するインクにかかる負圧が２×１０^５パスカル以下に
   なるように設定されていることを特徴とする請求項１も
   しくは請求項２記載のインクジェット記録装置。
4. 【請求項４】 前記充電回路の時定数が、前記電極と前
   記振動板に電荷を充電する電気パルスの１／２以下に設
   定されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項
   ２記載のインクジェット記録装置。
5. 【請求項５】 前記振動板がシリコンであり、前記絶縁
   膜がシリコンの酸化膜もしくは窒化膜であることを特徴
   とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載のインクジ
   ェット記録装置。
6. 【請求項６】 前記絶縁膜の厚さが５００〜３０００オ
   ングストロームであることを特徴とする請求項５記載の
   インクジェット記録装置。
7. 【請求項７】 前記電極が導電性酸化膜で形成されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれかに記
   載のインクジェット記録装置。
8. 【請求項８】 ノズルと、該ノズルに連通するインク流
   路と、該流路の一部に設けられた振動板と、該振動板を
   挟み前記インク流路の反対側に、前記振動板に対向して
   設けられた電極と、前記振動板と前記電極の間に設けら
   れた絶縁膜とを有するインクジェット記録装置の記録方
   法において、 前記振動板と前記電極間に電気パルスを印加し、前記振
   動板を静電気力により前記電極側に変形させ、 前記振動板が前記電極に前記絶縁膜を介して接触するに
   十分な電荷を、前記振動板がインク液滴の吐出が行える
   程度に撓むまで、前記電極と前記振動板との間に充電
   し、 前記電極と前記振動板との間に蓄えられた電荷を急激に
   放電し、前記ノズルからインク液滴を記録紙に向け吐出
   することを特徴とするインクジェット記録装置の記録方
   法。
9. 【請求項９】 前記電極と前記振動板との間に十分な電
   荷を充電した後、所定時間の時間経過後、前記電極と前
   記振動板との間に蓄えられた電荷を急激に放電し、前記
   ノズルからインク液滴を記録紙に向け吐出することを特
   徴とする請求項８記載のインクジェット記録装置の記録
   方法。