JP3546880B2 - インクジェットプリンタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェットプリンタに関し、特に静電気力をインクジェットヘッドに応用したインクジェットプリンタのインクジェットヘッド駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電気力を応用したインクジェットヘッドとしては、クロル氏の発明に係る米国特許第４，５２０，３７５号及び特開平２−２８９３５１号に開示されているものが知られている。クロル氏の発明に係るインクジェットヘッドは、インク吐出室の一部を構成する振動板とこれに対向してインク吐出室外に設けられた対向板とから構成される静電アクチュエータを用い、振動板と対向板との間に時間と共に変化する電圧を印加することにより、吐出室につながるノズルからインク滴を吐出するものである。また、後者の特許出願に係るインクジェットヘッドは、インク吐出室に隣接して設けられた静電アクチュエータに電圧を印加することによって振動板をたわませ、インク吐出室内にインクを吸引した後、印加電圧を切ることによって振動板を復元させ、インク滴を吐出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
まず、インクジェットヘッドに用いる静電アクチュエータの動作原理を詳細に説明する。振動板は対向する電極との間に印加される電圧に起因して発生する静電気力により電極に吸引されて撓んだ状態となり、一方で、振動板は撓んだ状態では復元力を生ずる。従って、静電アクチュエータに電圧を印加した時の振動板の撓み量、即ち振動板の腹部の変位量（以下、単に振動板の変位量、又は振動板の変位と称する）は、静電気力と振動板の復元力とが釣り合う値となる。振動板の復元力Ｐと変位量ｘは振動板のコンプライアンスをＣとすると、
［数１］
Ｐ＝ｘ／Ｃ …（１）
で表される。また、振動板と電極との間に発生する静電気力は、実効電圧をＶａ、振動板と電極との距離（以下、電気ギャップ長と称する）をδ、ギャップ内の誘電率をεとすると、
［数２］
Ｐ＝ε／２｛Ｖａ／（δ−ｘ）｝^２ …（２）
で表される。この式（１）及び式（２）から振動板の変位の釣合の位置を求めることができる。
【０００４】
図２２は振動板の変位量と振動板の復元力との関係、及び振動板の変位量と発生する静電気力との関係を上式（１）及び（２）からそれぞれ求めた特性図である。横軸に振動板変位量ｘを、縦軸には振動板の復元力により発生する圧力、及び静電気力により発生する圧力をそれぞれ示してある。また、計算に使用したパラメータは実験に使ったものと同一であり、それは以下の通りである。
【０００５】
Ｃ＝５×１０^−１８ ［ｍ^５ ／Ｎ］，
δ＝０．２５［μｍ］，
ε＝８．８５［ｐＦ／ｍ］
【０００６】
静電気力は印加電圧ごとに計算されており、図中の曲線でそれぞれ示されている。一方、振動板変位量と振動板復元力との関係は直線で示されており、この直線とこれらの曲線との交点のうち左側の交点が各印加電圧における振動板の撓み量（変位量）を示している。また、振動板の復元力と静電気力とが交わらない印加電圧（例えば３５Ｖ）では、振動板の変位量に関わらず常に静電気力が振動板の復元力を上回っているので、変位は無限大となる。実際には対向する電極があるため、振動板は電極まで変位する。さて、このような静電アクチュエータを実際のプリンタのインクジェットヘッドに応用するに当たり、その駆動に関して例えば以下のような問題があった。
【０００７】
静電アクチュエータの充電に用いる電源の電圧は諸々の要因によって初期的にも、また動的にも変動する。また、静電アクチュエータの電気機械特性は、実際には、製造ロット毎のバラツキや、経時変化が存在するので一定ではない。従って、このような要因によりインクの吐出が安定せず、印字品質が損なわれるという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、静電アクチュエータへの充電時間を制御することによって上述の問題を解決し、安定したインクの吐出により高印字品質が安定的に得られ、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プリンタを実現することにある。
【０００９】
本発明のインクジェットプリンタは、ノズルと、このノズルに連通するインク流路と、インク流路の一部に設けられた振動板と、振動板とこの振動板に対向してインク流路外に設けられた電極とからなる静電アクチュエータとを有するインクジェットヘッドと、静電アクチュエータに対する電荷の充電を行う充電回路と、その電荷の放電を行う放電回路と、充電回路による充電の開始並びに停止のタイミング及び放電回路による放電の開始並びに停止のタイミングを制御する制御手段とを備え、静電アクチュエータに対し電圧を印加して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し印刷を行うインクジェットプリンタにおいて、静電アクチュエータに充電された電荷量を検出する検出手段と、その検出手段によって検出された電荷量と前記振動板の変位量を定める所定の電荷量と比較する比較手段とを有し、制御手段が、比較手段の出力に基づいて、静電アクチュエータへの充電を停止するように構成されたことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、充電回路により静電アクチュエータに印加される充電パルスは、時間で規制されるのではなく、電荷量で規制されるため、振動板の変位量を常に正確に把握でき、これにより充電回路を構成する充電抵抗の値のバラツキや駆動電圧値の変動の影響を低減できるので更に安定したインク吐出が得られる。
【００１１】
検出手段として、静電アクチュエータの端子間電圧を検出する電圧検出回路又は、静電アクチュエータへの充電電流の積分値を出力する積分回路を採用することができる。また、制御手段を、静電アクチュエータの充電の停止後、所定時間充電状態をホールドしてから、放電回路による静電アクチュエータの放電を開始するように構成してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例におけるインクジェットヘッドの分解斜視図であり、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孔から吐出させるエッジイジェクトタイプのインクジェットヘッドの例を示すものである。図２は組み立てられたインクジェットヘッド全体の断面側面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢視図である。本実施例のインクジェットヘッド１０は次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。
【００１３】
中間の第１の基板１はシリコン基板であり、その表面には複数のノズル孔４を構成する互いに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とが設けられている。また、振動板５の下部には、後述する第２の基板２と接合した際に振動室９を構成することになる凹部１５が設けられている。
【００１４】
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個別電極との対向間隔、即ちギャップ部１６の長さＧ（図３参照、電気ギャップ長）が、凹部１５の深さと電極の厚さとの差として得られるように構成されている。当該電気ギャップ長を規定するための間隔保持手段として機能する振動室用凹部１５は、本実施例に於いては第１の基板１の裏面側に構成されているが、別の例としては凹部を第２の基板２の上面に形成してもよい。ここでは、凹部１５の深さをエッチングにより０．６μｍ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。
【００１５】
また、第１の基板１に共通電極１７を設ける技術としては、本実施例では、半導体としての第１の基板１及び電極として用いる金属材料それぞれの仕事関数の大小を勘案して、共通電極材料にはチタンを下付けとし白金、あるいはクロムを下付けとし金を使用している。もちろんこれ以外にも、周知の電極形成技術が応用できる。
【００１６】
第２の基板２にはホウ珪酸系ガラスを使用し、この第２の基板２を第１の基板１の下面に接合することによって振動室９を構成するとともに、振動板５に対応する第２の基板２上の各々の部分に、金を０．１μｍ厚にスパッタし、振動板５とほぼ同じ形状に金パターンを形成して個別電極２１としている。個別電極２１はリード部２２及び端子部２３を持つ。更に、電極端子部２３を除きホウ珪酸系ガラススパッタ膜を全面に０．２μｍ被覆して絶縁層２４を形成し、インクジェットヘッド駆動時の絶縁破壊、ショート等を防止するための膜を形成している。
【００１７】
第１の基板１の上面に接合される上側の第３の基板３は、第２の基板２と同じくホウ珪酸系ガラスを用いている。この第３の基板３を第１の基板１に接合することによって、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、第３の基板３にはインクキャビティ８に連通するインク供給口３１が設けられる。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。
【００１８】
次に、第１の基板１と第２の基板２とを温度３００〜５００℃、電圧５００〜８００Ｖを印加して陽極接合し、また同条件で第１の基板１と第３の基板３とを接合し、図３のようにインクジェットヘッドを組み立てる。陽極接合後の振動板５と第２の基板２上に形成された個別電極２１との間に形成される電気ギャップ長Ｇは、凹部１５の深さと個別電極２１の厚さとの差であり、本実施例では０．５μｍにしてある。また、振動板５と個別電極２１を覆う絶縁層２４とで形成される機械ギャップ長Ｇ１は０．３μｍとなっている。
【００１９】
上記の構成を有するインクジェットヘッドを駆動するために、共通電極１７と個別電極２１の端子部２３とにそれぞれ配線１０１により駆動回路４０を接続する。インク１０３は、図示しないインクタンクよりインク供給口３１を経てインクキャビティ８、吐出室６等のインク流路に充満している。そして、吐出室６のインクは、図３に示されるように、インクジェットヘッド１０の駆動時にノズル孔４よりインク液滴１０４となって吐出され、これにより記録紙１０５に印字が行われる。
【００２０】
次に、本実施例に係る静電アクチュエータの動作について説明する。図４は本実施例における振動板及び個別電極の部分詳細模式図であり、電荷の様子を模式化して示したものである。ここでは、第１の基板１、即ち振動板５にＰ形シリコンを用い、共通電極１７の電位を個別電極２１の電位より高くした場合について図示されている。また、振動板５の個別電極と対向する側の面は酸化処理が施され、０．１乃至０．２μｍの厚みの酸化膜５ａが形成されている。この酸化膜５ａは個別電極側に設けられた保護膜２４と共に、振動板と電極とが接触した場合の、回路の短絡を防止している。本実施例のＰ形シリコンはボロン（Ｂ）が拡散されており、ボロンの数に等しい正孔を持っていることが知られている。Ｐ形シリコン中の正孔１９は共通電極１７から個別電極２１へ向かう電界により、振動板５中を酸化膜５ａ側へ移動する。この正孔１９の移動により生じたボロンの負の電荷は、基板電極１７から供給される正電荷により中和されるので、第１の基板１はプラスに帯電し、空間電荷層を発生しないので導体とみなすこができる。また、個別電極２１側はマイナスに帯電しており、この結果、印加した電圧により振動板５と個別電極間に静電引力が作用し、振動板５を個別電極２１の方へ撓ませる。
【００２１】
図２１は上述のインクジェットヘッド１０を応用したプリンタの概要図である。３００は記録紙１０５を搬送する記録紙搬送手段としてのプラテン、３０１は内部にインクを貯蔵するインクタンクであり、インク供給チューブ３０６を介してインクジェットヘッド１０にインクを供給する。インクジェットヘッド１０はキャリッジ３０２に搭載され、ステッピングモータからなるキャリッジ駆動手段３１０により記録紙１０５の搬送方向と直行する方向に移動させられる。そしてこの移動に同期してノズル列からインクを適宜吐出して文字、図形を記録紙１０５上に印刷する。後述するように駆動回路はインクジェットヘッドの近傍に配置することが望ましいので、インクジェットヘッド１０の内部に搭載している。同図にはオンデマンド方式のインクジェットヘッドを搭載したプリンタに特有の、インクジェットヘッドのノズルの目詰まり防止の為の装置が示されている。インクジェットヘッド１０のノズルの目詰まりを防止するために、インクジェットヘッドをキャップ３０４の前に移動させ、インクの吐出動作を数回乃至数十回行う場合に、ポンプ３０３がキャップ３０４、廃インク回収チューブ３０８を介してインクを吸引し、排インク溜３０５に回収する。
【００２２】
図５は本発明の実施例のプリンタの構成を示すブロック図である。印刷要求装置６１はプリンタがターミナルプリンタである場合はホストコンピュータ等の外部の装置であり、またプリンタが装置に組み込まれたものであれば装置内部の計算処理部等である。
【００２３】
印刷制御装置６２は印刷要求装置６１から印刷要求を受け取ると、記録紙搬送装置３００とキャリッジ駆動装置３１０とに駆動信号を送出し、記録紙上の所定の位置にインクジェットヘッド１０を搭載したキャリッジ３０２を移動させ、キャリッジ３０２を印刷方向に移動させながら印刷を行う。インクジェットヘッド１０の個々の静電アクチュエータ２７にはそれぞれ静電アクチュエータ駆動装置４０が接続されている。印刷制御装置６２は印刷データに応じて印刷を行うべきドットの位置に対応した１又は複数の静電アクチュエータ２７の静電アクチュエータ駆動装置４０に印刷開始信号Ｓ１を送出し、これを受けて静電アクチュエータ駆動装置は静電アクチュエータを駆動する。静電アクチュエータ駆動装置４０は静電アクチュエータへの配線のインダクタンス分を低減させるため、キャリッジ上に搭載して当該配線の配線長を極力短くすることが望ましいが、本願発明はこれに限定されるものではなく、キャリッジ外に静電アクチュエータ駆動装置を配置しても良い。
【００２４】
ところで、実際のプリンタにおいては、電源電圧は諸々の要因によって初期的にも、また動的にも変動する。この場合には、以下に説明するように、充電条件を変更する必要がある。
【００２５】
図１１は静電アクチュエータの振動板の変位を求めるための簡易的なモデルである。ここで、ｍはインクのイナータンスと振動板の質量との和、ｒはインクの流路抵抗、Ｃ０は振動板のコンプライアンス、ｅは誘電率、Ｖｈは振動板と電極との間に印加されている電圧、Ｇは振動板と電極とのギャップ長、ｘは振動板の変位量である。このモデルに基づき運動方程式を求めると式（３）となる。
［数３］
ｍｘ”＋ｒｘ’＋（１／Ｃ０）ｘ＝
（１／２）ｅ（Ｖｈ／（Ｇ−ｘ））^２ ・・・式（３）
ｘ（０）＝ｘ’（０）＝０
また、
［数４］
Ｖｈ＝Ｖｓ・（１−ｅ^{−ｔ／ＲＣ}） ・・・式（４）
ここで、Ｖｓは充電に用いる電源の電圧、Ｒは充電抵抗４３の抵抗値、Ｃは静電アクチュエータの静電容量である。
【００２６】
式（３）及び式（４）から明らかなように、振動板５の変位量ｘは電源電圧Ｖｓに依存しており、従って、振動板５が電極に当接する当接時間も電源電圧Ｖｓによって変動する。図１２に電源電圧と当接時間との関係の例を示す。この例では上記の各定数は以下の通りである。
【００２７】
ｍ＝１．０×１０^８ ［Ｋｇ／ｍ^４］
ｒ＝１．５×１０^１２ ［Ｎ・ｓ／ｍ^５］
Ｃ０＝２．５×１０^−１８ ［ｍ^５／Ｎ］
Ｒ＝３．９ ［ＫΩ］
【００２８】
図１２によれば、通常駆動電圧３０Ｖ付近では当接時間は１Ｖ当たり２ｕｓの割合で変化しており、従って、この当接を避けるためには充電時間を電源電圧に応じて充電条件、例えば充電抵抗値或いは充電時間などを変更する必要がある。以下に説明する実施例は斯かる課題を考慮にいれて行われたものである。
【００２９】
図６に本実施例の静電アクチュエータ駆動装置のブロック図を示す。図１３は本実施例によるインクジェットヘッドの駆動方法を示すタイミングチャートである。図６に示すように、静電アクチュエータ駆動装置はタイミングパルス発生手段６３、充電回路６４及び放電回路６５、電圧検出回路６６、比較回路６７からなる。
【００３０】
図１３の時刻ｔ２０において印刷制御装置６２からタイミングパルス発生手段６３に印刷開始信号Ｓ１が送出されるとタイミングパルス発生手段６３は充電信号５１を充電回路６４に送り、静電アクチュエータ２７への充電を開始する。比較回路６７は電圧検出回路６６によって検出された静電アクチュエータ２７の端子間電圧と所定の充電電荷ｑ０に対応した電圧値とを比較し、静電アクチュエータ２７に充電された電荷が所定量ｑ０に達した時刻ｔ２１において、タイミングパルス発生手段６３に対しリセット信号Ｓ４を送出する。これにより、タイミングパルス発生手段は充電信号５１を非動作状態とし、静電アクチュエータへの充電を停止する。
【００３１】
その後タイミングパルス発生手段６３は放電回路６５に所定の幅の放電パルスを送出する。放電回路６５は静電アクチュエータ２７に蓄えられている電荷を放電する。これにより、静電アクチュエータ２７はインクの吸引及び吐出を行う。以下に、具体的な回路例を用いてその構成及び作用につき更に詳細に説明する。
【００３２】
図７は充電回路６４および放電回路６５の一例であり、図８は、この充電及び放電回路への入力信号５１、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１０２の振動を示すものであり、図９は、振動板５駆動時の吐出室６周りの各段階の状態を示すものである。
【００３３】
時刻ｔ０の以前、即ち待機状態ではトランジスタ４２はＯＦＦ、４５はＯＮ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９（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。
【００３４】
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４２がＯＮするので、振動板５−電極２１間に電圧が印加され、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にひきつけられ、図９（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、充電抵抗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８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８のＥ部の様に変化する。
【００３５】
時刻ｔ１において、充電信号５１をＯＦＦし、同時に放電信号５２をＯＮする。この時、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４５がＯＮするので、振動板５−電極２１間に蓄えられた電荷は放電抵抗４６を介して矢印Ｂ方向に放電される。
【００３６】
放電抵抗４６と充電抵抗４３との関係は、通常は放電抵抗４６が充電抵抗４３に比べかなり小さく設定されている。しかし、振動板に作用する静電気力は、振動板が電極に接近するほど、振動板と電極との距離の自乗に反比例して大きくなるため、振動板の電極近傍における電荷の充電速度及び放電速度が、インクの吸引及び吐出に関与する、吐出室内の圧力に特に大きく影響している。従って、これらの抵抗は必ずしも前記の関係を満足する必要はなく、振動板の電極近傍における電荷の充電速度が、当該電荷の放電速度より充分に小さい範囲であれば足りる。
【００３７】
本実施例では充電時定数より放電時の時定数が小さいため、図８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９（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１０２の変位５４は、図８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内に引き戻す力を吐出圧力が上回った時点でインクの吐出が発生し、以後、減衰振動をする。
【００３８】
尚、図７において、放電抵抗４７は、充電抵抗４３、放電抵抗４６に比べ充分に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２１間に初期的にたまっている電荷をゆっくりと放電させる機能を有する抵抗である。この放電抵抗４７により、静電アクチュエータの初期的な充電電荷をゼロに保持することができる。
【００３９】
図１０に本実施例におけるタイミングパルス発生手段の回路例を示す。周知の単安定マルチバイブレータ８１のトリガー入力端子に印刷開始信号Ｓ１が入力されると外付けの抵抗及びコンデンサの定数で決定される時間幅を有する正相のパルスが充電信号として出力される。また、本実施例においては静電アクチュエータへの充電の停止と同時に放電を開始するので、充電信号と逆相のパルスを放電信号として用いることができる。
【００４０】
実験によると、駆動電圧３０Ｖ、充電抵抗５０Ω、充電時間１５μｓ、及び充電抵抗５ＫΩ、充電時間４５μｓｅｃの諸駆動条件において、駆動周波数３ＫＨｚにて安定した吐出が確認できた。
【００４１】
図１４に本実施例の電圧検出回路６６及び比較回路６７の回路例を示す。静電アクチュエータ２７の端子間電圧は分圧された後ボルテージフォロア８４を経てコンパレータ８５に入力される。そしてコンパレータ８５において充電電荷量ｑ０に対応する電圧値と比較される。比較の結果、充電電圧が所定の値に達していた場合には、コンパレータ８５は低レベルのリセット信号をタイミングパルス発生手段に送出する。前述した図１０又は後述する図１８のタイミングパルス発生手段の回路例において、リセット信号は単安定マルチバイブレータ８１、８２のリセット端子に入力され、充電信号５１は非動作状態となる。また、図１３のマイクロプロセッサを用いたタイミングパルス発生手段の例では、ＳＴ４においてリセット信号の有無が検査され、リセット信号があれば直ちに充電を停止する。
【００４２】
上述のように、端子間電圧と振動板の変位量は図２２に示すように１対１に対応しており、振動板の変位量は端子間電圧から一義的に導き出せる。また、端子間電圧と電荷量との関係は、図２３に示すように振動板の変位量から一義的に定まる。従って、上記の構成によれば、充電パルスを時間で規制するのではなく、電荷量と１対１に対応する端子間電圧で規制するため、振動板５の変位量を常に正確に把握でき、これにより充電抵抗４３の値のバラツキや駆動電圧値の変動の影響を低減できるので更に安定したインク吐出が得られる。
【００４３】
また、後述するように、放電信号を動作状態とする前に所定のホールド時間を設けることによって、インク吐出を更に効率よく行うことができる。
【００４４】
また、静電アクチュエータに充電される電荷量を測定する手段として、静電アクチュエータの端子間電圧に代えて充電電流の積分値を検出する手段を用いることも可能である。図１５に斯かる構成のブロック図を示す。タイミングパルス発生手段６３は時刻ｔ２０において充電信号５１を動作状態とすると共に電流積分回路６８に対してリセット信号を送出する。これにより、充電回路６４は静電アクチュエータへの充電を開始し、電流積分回路６８は静電アクチュエータへの充電電流の積分を開始する。充電電流の積分値即ち充電電荷量は比較回路６７において所定の電荷量ｑ０と比較され、リセット信号が生成される。以降の動作は上記の電圧検出による実施例と同様である。
【００４５】
図１６に電流積分回路６８の回路例を示す。充電経路中に設けられた電流検出抵抗８７により発生する電流に比例した電圧は作動増幅器８６及び定電流ドライバ９０によって電流値に変換されコンデンサ８８に充電される。このコンデンサ８８はタイミングパルス発生手段６３からのリセット信号により放電トランジスタ８９がターンオンして放電される。コンデンサ８８によって積分された充電電流に比例した電流は、比較回路６７によって所定の値と比較され、タイミングパルス発生回路へのリセット信号が生成される。
【００４６】
ところで、図８のｔ１の時刻において、充電信号５１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８の破線部の様に減衰振動する。これらの減衰振動の周期Ｔは主として流路の形状、インクの粘性により決まる。この現象に鑑み、インクの吸引を減衰振動の周期Ｔの１／４（ｔ２の時刻）、好ましくは１／４よりやや長い時間の経過する時点まで行い、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ーをインクの吐出に有効に用いることができ、最も駆動効率がよく、低電力でインクを吐出できることが公知例（特公平２−２４２１８号）に記載されている。
【００４７】
しかし、静電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドでは、駆動電圧を振動板が定常状態で対向する電極と当接するに充分大きな値に設定されているので、当接前に駆動電圧の印加を停止する必要があるが、この時点ではインク系の振動の位相は常に振動板の位相より遅れており、このような効率の良い駆動が困難である。従って、この効率の良い駆動方法を実現するためには、タイミングパルス発生手段を更に改良する必要がある。
【００４８】
図１７は本実施例を改良した静電アクチュエータの駆動方法を示すタイミングチャートであり、Ｓ１は印刷開始信号である。また、Ｓ２は充電信号５１及び放電信号５２の状態を模式的に表した信号であり、高レベルは充電信号を、低レベルは放電信号を、中間レベルはホールド状態をそれぞれ表す。尚、静電アクチュエータ駆動装置４０の回路構成はタイミングパルス発生手段６３を除いては上述の駆動装置と同一である。
【００４９】
時刻ｔ１０において印刷開始信号Ｓ１が印刷制御装置６２から印刷を行うべき静電アクチュエータに対応する静電アクチュエータ駆動装置のタイミングパルス発生手段へ送出されると、タイミング発生手段６３は充電回路６４に対し充電信号を送出する。インクの吸引に必要な所定の時間の経過後、時刻ｔ１１においてタイミングパルス発生手段６３は充電信号を停止して充電及び放電回路を共に非動作状態とし、静電アクチュエータ２７をホールド状態とする。インク系の位相遅れ回復する時間の経過後、時刻ｔ１３においてタイミングパルス発生手段６３は放電回路６５に放電信号５２を送出し、静電アクチュエータに蓄えられた電荷の放電を開始する。
【００５０】
このように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法を用いれば、効率よくインクを吐出することができる。なぜならば、振動板５の振動とインク系の振動がインクの粘性と流路の形状とから定まる流路抵抗により、インク系の振動の位相が振動板５の振動の位相に対しやや遅れるため、振動板５の変位を電極２１に接触しない位置で停止させた後、インク系の振動の振幅が最大になるのを待って、インクを加圧すれば、インク系の振動エネルギーをインク吐出に有効に利用できるためである。
【００５１】
本実施例のタイミングパルス発生手段の例を図１８に示す。周知の第１の単安定マルチバイブレータ８２のトリガー入力端子に印刷開始信号Ｓ１が入力されると、外付け抵抗及びコンデンサにより決定される時間幅の充電パルスが正相信号として出力される。これと同時に周知の第２の単安定マルチバイブレータ８３にも同様に印刷開始信号Ｓ１が入力され、外付け素子で定まる時間幅の放電信号が逆相出力端子から放電回路に出力される。斯る回路構成において、第１の単安定マルチバイブレータ８２の発生するパルスのパルス幅を第２の単安定マルチバイブレータ８３のそれよりホールド時間だけ短く設定している。
【００５２】
尚、図１７に示す本実施例のタイミングチャート中、充放電状態を表す信号Ｓ２より明かなように、本実施例においては放電を行ってから次の充電を開始するまでの間、即ちｔ１４からｔ１２までの間も放電状態を保持している。これにより、静電アクチュエータの電極間のインピーダンスは低く保たれ、外来ノイズ、誘導ノイズ等の影響による誤動作を防止することができる。
【００５３】
ところで、充電抵抗の値は静電アクチュエータ方式のインクジェットヘッドの印刷特性を左右する重要な要因である。以下にその理由及び当該充電抵抗値の設定方法につき説明する。
【００５４】
図１９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。図７に示される充電回路において、充電時の時定数を決定する充電抵抗４３の値が小さいと電荷量の変化は実線５５の如く変化し、充電抵抗４３の値が大きいと電荷量の変化は実線５７の如く変化する。
【００５５】
電荷量の変化が実線５７のように緩やかに変化すると、時刻ｔ４１ではインクの吸引に充分な電荷が得られないため、充分な量のインクを吐出できる程の吐出室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か又はインクの吐出が行われない場合もある。そこで充分な電荷を得るためには充電パルス幅を時刻ｔ４３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が充電されれば充分な量のインク吸引が行われる。従って、式（５）から充電抵抗と静電アクチュエータ容量とからなる充電回路の時定数（ＲＣ）と充電時間（Ｔ０）との比を求めれば、式（６）が得られ、充電抵抗の最大値が定まる。
［数５］
ｑ＝ｑ０（１−ｅ^{−Ｔ０／ＲＣ}） ・・・式（５）
ｑ＞＝０．９ｑ０
Ｔ０／ＲＣ＞＝２．３ ・・・式（６）
ＲＣ＜＝０．４３Ｔ０
【００５６】
一方、電荷量の変化が線９１のように急激に変化すると、図２０に示すように、流路内のインクを急激に振動板周辺に引き寄せることになる。この際、インクを吸引しようとする、大気圧より低い圧力（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の気体が流路内のインクの急激な振動により気泡１０６となって流路内に現れる。前述のように、このような状態では、振動板と電極間に蓄えられた電荷を放電して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ように働く圧力が気泡１０６によって吸収され、インクが吐出しないという現象が生じる。このため、充電回路の時定数の下限も規定する必要がある。実験で確認されたところによると、インク内に含まれる窒素等の気体を脱気処理によって取り除き、発泡し難くしたインクを用いた場合でも、２×１０^５ パスカル以上の負圧をかけると、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。
【００５７】
実験に用いた静電アクチュエータ方式のインクジェットヘッドでは、ヘッド印加電圧３０Ｖ、充電時間Ｔ０を１５μｓｅｃ、抵抗４３を５０Ωとした条件にて実験を行ったところ気泡の発生はなく、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を測定したところおよそ２７０ｐＦ程度で、時定数を計算すると、０．０１３５μｓｅｃ程度になる。
【００５８】
従って、本発明のインクジェットヘッドの駆動方法は、充電抵抗４３の値を充電回路の時定数の上限が充電パルス幅の１／２以下となるように規定し、下限をインク吸引時にインクにかかる負圧を２×１０^５ 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。
【００５９】
以上述べたように、本発明は静電アクチュエータを実際のプリンタのインクジェットヘッドに応用するに当たって解決しなければならない駆動上の問題を解決すべくなされたものであり、これにより静電アクチュエータを用いた実用的なインクジェットヘッド駆動装置及びこれを応用したインクジェットプリンタを実現することができた。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のインクジェットプリンタは、静電アクチュエータに充電された電荷量を検出する検出手段と、その検出手段によって検出された電荷量と所定の値と比較する比較手段とを有し、制御手段が、比較手段の出力に基づいて、静電アクチュエータへの充電を停止するように構成されているので、充電回路により静電アクチュエータに印加される充電パルスは、時間で規制されるのではなく、電荷量で規制される。これにより、振動板の変位量を常に正確に把握でき、これにより充電回路を構成する充電抵抗の値のバラツキや駆動電圧値の変動の影響を低減できるので、更に安定したインク吐出が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェットプリンタに用いるインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図２】本発明のインクジェットプリンタに係るインクジェットヘッドの断面側面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視図。
【図４】本発明のインクジェットプリンタに係る振動板と個別電極の部分詳細模式図。
【図５】本発明に係るインクジェットプリンタの機能ブロック図。
【図６】本発明の第１の実施例に係る静電アクチュエータ駆動装置のブロック図。
【図７】本発明の第１の実施例に係る静電アクチュエータ駆動装置の充電回路及び放電回路の例を示す回路図。
【図８】本発明に係る静電アクチュエータ駆動装置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図。
【図９】第１の実施例の動作原理を示すインクジェットヘッドの断面側面図。
【図１０】本発明に係る静電アクチュエータ駆動装置のタイミングパルス発生手段の回路例を示す回路図。
【図１１】静電アクチュエータの振動板の変位を求めるための簡易モデルを示す図。
【図１２】静電アクチュエータに印加する駆動電圧と振動板−電極当接時間との関係を示す図。
【図１３】本発明に係る、図６及び図１５に示す静電アクチュエータ駆動装置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図。
【図１４】本発明に係る静電アクチュエータ駆動装置の電圧検出回路及び比較回路の回路例を示す図。
【図１５】本発明の第２の実施例に係る他の静電アクチュエータ駆動装置のブロック図。
【図１６】本発明に係る静電アクチュエータ駆動装置の電流積分回路及び比較回路の回路例を示す図。
【図１７】本発明の他の実施例に係る静電アクチュエータ駆動装置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図。
【図１８】本発明の他の実施例に係る静電アクチュエータ駆動装置のタイミングパルス発生手段の回路例を示す回路図。
【図１９】本発明のインクジェットプリンタの充電抵抗値に対するインクジェットヘッド充電時の電極２１−振動板５間の電荷量の変化を示す図。
【図２０】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。
【図２１】本発明のインクジェットプリンタの機構の概要を示す図。
【図２２】振動板の変位量と静電吸引力及び振動板の復元力との関係を示した特性図。
【図２３】振動板の変位量とアクチュエータの静電容量との関係を示した特性図。
【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 個別電極
２４ 絶縁膜
２７ 静電アクチュエータ
４０ 静電アクチュエータ駆動装置
４１ インバータ
４２、４５ トランジスタ
４３ 充電抵抗
４４ バッファ
４６、４７ 放電抵抗
５１ 充電信号
５２ 放電信号
５３ 電極−振動板間電圧（Ｖｈ）
６１ 印刷要求装置
６２ 印刷制御装置
６３ タイミングパルス発生手段
６４ 充電回路
６５ 放電回路
６６ 電圧検出回路
６７、６９ 比較回路
６８ 電流積分回路
８１、８２、８３ 単安定マルチバイブレータ
８４、８６、９０ オペアンプ
８５ コンパレータ
８７ 電流検出抵抗
８８ 電流積分コンデンサ
８９ 放電トランジスタ
１０２ メニスカス
１０３ インク
１０４ インク液滴
１０５ 記録紙
３０２ キャリッジ
３１０ キャリッジ駆動手段

Claims (4)

1. ノズルと、該ノズルに連通するインク流路と、該インク流路の一部に設けられた振動板と、該振動板と該振動板に対向して該インク流路外に設けられた電極とからなる静電アクチュエータとを有するインクジェットヘッドと、
   前記静電アクチュエータに対する電荷の充電を行う充電回路と、
   前記静電アクチュエータに対する電荷の放電を行う放電回路と、
   前記充電回路による充電の開始並びに停止のタイミング及び前記放電回路による放電の開始並びに停止のタイミングを制御する制御手段とを備え、前記静電アクチュエータに対し電圧を印加して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吐出し印刷を行うインクジェットプリンタにおいて、
   前記静電アクチュエータに充電された電荷量を検出する検出手段と、
   当該検出手段によって検出された電荷量と、前記振動板の変位量を定める所定の電荷量と比較する比較手段とを有し、
   前記制御手段は、前記比較手段の出力に基づいて、前記静電アクチュエータへの充電を停止するように構成されたことを特徴とするインクジェットプリンタ。
2. 請求項１記載のインクジェットプリンタにおいて、前記検出手段が、静電アクチュエータの端子間電圧を検出する電圧検出回路であることを特徴とするインクジェットプリンタ。
3. 請求項１記載のインクジェットプリンタにおいて、前記検出手段が、静電アクチュエータへの充電電流の積分値を出力する積分回路であることを特徴とするインクジェットプリンタ。
4. 請求項１乃至３いずれか１項記載のインクジェットプリンタにおいて、前記制御手段は、前記静電アクチュエータの充電の停止後、所定時間充電状態をホールドしてから、前記放電回路による静電アクチュエータの放電を開始するように構成されたことを特徴とするインクジェットプリンタ。

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