JP3594628B2 - Ink jet recording device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はデータに基づいて紙面や記録媒体上にインクを吐出し文字や画像などを記録するインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
インクジェット方式による記録装置は小型で低騒音であり装置コスト、ランニングコストともに比較的安価であるためにコンピュータなどに接続して文字や画像などのデータを記録する目的で広く使用されている。しかしながら、印字速度が遅いために高速記録が要求される場合においては高価で複雑、大型の電子写真方式の記録装置に頼らざるを得ない。インクジェット方式の記録装置の記録速度を電子写真方式のそれに匹敵する速度に高速化するためには、インクジェット記録装置の1ノズル当りのインク吐出の繰返し応答周波数を向上すること、記録装置のノズル数を増やすことが要求される。
【0003】
現状のインクジェット記録装置の1ノズル当りのインク吐出の繰返し応答周波数は3〜10kHz程度であるが、この繰返し周波数を実験的に上げて駆動した場合、それぞれのノズルのインク吐出は可能であるが、各ノズル間の吐出インク量、吐出インクスピードのばらつきが激しくなり、更に駆動繰返し周波数を上げた場合、一部のノズルでインクの吐出が可能でも残りのノズルでインク吐出ができない状態になる。すなわち、現状のインクジェット記録装置で吐出繰返し周波数を上げるとノズル間のインク吐出特性のばらつきが激しくなったり吐出不良が発生したりすることで記録装置として実用的でなくなってしまう。
【0004】
更に、現状のインクジェット記録装置で吐出繰返し周波数を実験的に上げると、圧電素子の圧縮、伸張の繰返しによる疲労現象によって破壊寿命が著しく短くなり、この点からも記録装置としての実用性が損なわれる。また、電子写真方式に匹敵する高速記録を実現するためにはインクの吐出繰返し周波数を上げると同時にインクノズル数も現状の48〜64ノズル程度から少なくとも100ノズル以上に増やさなければならない。しかしながら、インクジェット記録装置においては1ノズルでも吐出不良が発生すると記録装置として不良となるために、現状のインクジェット方式でノズル数を増やすことは装置としての不良率を著しく増加させてしまい実用的な信頼性を得ることは困難であった。
【0005】
すなわち、従来のインクジェット記録装置は高速化に当って、インク吐出特性がばらつく、圧電素子の疲労破壊により寿命が短い、圧電素子の不良発生率が高すぎるといった問題があった。
【0006】
従来のインクジェット記録装置のインク吐出部構成例の断面を図16及び図17に示す。図16はノズル1に連通するインク室2とインク供給路3から成るインク流路に満たされているインクを、インク室2の一部に設けられた圧力壁2pに接続された圧電素子4へ両面の電極4eによって電圧を印加することで圧電素子4に縦横比の変化としての歪みを生じさせてインク室2を加圧しノズル1からインクを吐出させる構成である。図17はノズル1に連通するインク室2とインク供給路3から成るインク流路にインクが満たされており、インク室2の一部に設けられた圧力壁2pに両面に電極4eをもつ圧電セラミクスと弾性板4tを張り合わせてなる圧電素子4を備え、電極間に電圧を印加することで圧電素子4を屈曲させ、インク室2を加圧しノズル1からインクを吐出させる構成である。従来例として示す図16、図17とも圧電素子に印加する電圧によってインク室を拡張または縮小させる構造となっている点で圧電素子を用いたインクジェット記録装置に共通する構成である。
【0007】
図18は圧電素子を用いたインクジェット記録装置の従来例における、圧電素子に印加する駆動電圧波形と圧電素子の歪みを示すグラフである。図中実線Vが印加する電圧波形であり、破線Pが圧電素子の歪みである。グラフ横軸は時間であり、縦軸は電圧及び歪みを示す。図の電圧波形Vは電圧値であり、圧電素子の歪みPは変位値であるのでグラフの縦軸の単位は異なるが本図では説明の為、重ねて標記している。グラフの上方向が圧電素子の分極電圧と同方向の電圧を加えた場合で、その時の圧電素子の歪みは電極間の距離が伸張する方向である。グラフ水平軸0の状態が歪み0の状態であり、下方向が縮み方向の歪みである。
【0008】
図18(a)は押し打ちと言われる駆動方法で、圧電素子に電圧を加えて充電することでインク室が縮小する構造とし、図中符号Iで示す様に圧電素子にパルス状の電圧を印加し圧電素子を急激に充電し歪ませてインク室の容積を縮小させることでノズルからインクを吐出させる方式である。インク吐出後は図中符号Rで示す様に圧電素子を放電し圧電素子の歪みを0の状態にしインク室を吐出前の状態に戻す。図16(a)の構造で圧電素子に分極時と同方向の電圧を印加すると圧電素子は電極面4eの間隔が拡張する方向に歪むので、片側の電極面をインク室の壁面に接合しているのでインク室を圧縮する事ができる。同様に図18(a)の駆動方法で図17(a)の構造の圧電素子を駆動する場合は、符号Iで示す様に圧電素子に電圧を印加して急激に充電することで圧電素子4が厚み方向に拡張すると同時に長さ方向に収縮するので圧電素子に張り合わされている弾性板4tとの歪みの差が生じインク室を加圧する方向に振動板が反り、インクを吐出させる。インク吐出後は図中符号Rで示す様に圧電素子を放電することで圧電素子の歪みを0の状態にし、インク室を吐出前の状態に戻す。
【0009】
図18(b)は引き打ちと言われる駆動方法で、圧電素子を充電することでインク室が拡張する構造とし、インク吐出の準備として図中符号Rで示す様に圧電素子に電圧を印加し圧電素子を充電し歪ませることでインク室を拡張しておき、インク吐出のタイミングで図中符号Iで示す様に充電されている圧電素子を急激に放電し振動子の歪みを元の状態に解放することでインク室を加圧しインクを吐出させる方式である。図16(b)の構造では圧電素子は電圧の印加でインク室2を拡張する方向に歪むので図17の駆動方法でインク吐出ができる。同様に図17(b)の構造では圧電素子の反りは電圧の印加でインク室2を拡張する方向に生じるので図17の駆動方法でインク吐出ができる。
【0010】
従来の圧電素子を用いたインクジェット記録装置は米国特許第4471363号明細書などに述べられているように、図18で示した例またはそのタイミングを改善した例、それらを組み合せて圧電素子に印加する電圧を反転可能にした例などが見られる。しかしながら、これら、従来の方法で記録速度を高速化していくと圧電素子の疲労破壊による不良や寿命の著しい低下が発生するために実用的でなくなるという問題点を有していた。図19に従来の圧電素子を用いたインクジェット記録装置における圧電素子の破壊部位を断面図で示す。図中符号4は圧電性セラミクスであり、符号4eは圧電性セラミクスに電圧を印加する電極である。図19(a)、(b)、(c)は厚み方向の歪み変位でインク室を拡張または縮小する圧電素子の例である。図19(d)、(e)、(f)は圧電素子に弾性板4tを張り合わせることで圧電性セラミクス4の厚み及び広がり方向の歪みを屈曲変位に変換しインク室を拡張または縮小する圧電素子の例である。これらの圧電素子を図18で示す従来の方法で長時間インク吐出の為の駆動を行なうと、図19において符号Kで例示する部分にクラックが入り、圧電素子の駆動動作が行なわれなくなったり、著しく特性を損ねてインク吐出が不可能になる。図19(a)及び(d)は圧電セラミクス4と電極4eの接合部付近にクラックKが生じた例であり、同様に図19(b)及び(e)の符号Kで示すクラックは圧電セラミクスの表面付近に生じた例であり、図19(c)及び(f)の符号Kで示すクラックは圧電性セラミクスの内部に生じた例である。いずれも接合部の組成の変化部や微小な欠陥や異物など応力の集中しやすい部分に圧電素子の伸張の繰返しによる疲労破壊が発生したものと考えられる。また、従来の圧電素子を用いたインクジェット記録装置で記録速度を高速化していくと圧電素子の疲労破壊の顕在化とともに、圧電素子の電気機械変換特性の素子間ばらつきが著しくなり実用的でなくなるという問題点も有していた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明が解決しようとする課題は、圧電素子を用いたインクジェット記録装置の記録速度を高速化するための課題である圧電素子の疲労破壊の防止と圧電素子の電気機械変換特性の素子間バラツキを極小にすることである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明においては、インクを吐出するノズルと、前記ノズルに連通したインク室と、前記インク室の一部に設けられたインク室の容積を変化させる圧力壁と、前記インク室にインクを供給する供給路と、電圧の印加によって形状を変化させる圧電素子とを備え、前記圧力壁と前記圧電素子が機械的に接続されており、前記圧電素子に印加する電圧の変化で前記インク室の容積を拡張及び縮小、または、縮小及び拡張させ前記ノズルよりインクを吐出させるオンデマンド方式のインクジェット記録装置において、前記圧力室の拡張時または縮小時またはその前後のいずれにおいても前記圧電素子に常に一方向の歪みを加える機構として前記圧電素子の分極電圧と同方向のバイアス電圧を印加する機構を備え、該バイアス電圧を印加する機構は、印加されるバイアス電圧による前記圧電素子の歪み幅が、前記圧電素子の残留振動の振幅の最大値よりも大きくなるようにバイアス電圧を加えるものであり、前記圧力室の拡張時または縮小時に生じる前記圧電素子の残留振動によって前記圧電素子の歪み方向が反転しないようにしたことを特徴とする。
また、前記インクジェット記録装置において、好ましくは前記バイアス電圧が、前記圧電素子の放電動作時における残留振動の振幅の最大値ΔDと、前記圧電素子の電圧印加部の総厚みHと、前記圧電素子の隣り合う電極間の距離hと、圧電常数dと、によって規定される値(ΔD×h)/(d×H)以上であることを特徴とする。
また、前記インクジェット記録装置において、好ましくは上記バイアス電圧が、上記規定される値の2倍以上であることを特徴とする。
【0013】
また、前記インクジェット記録装置において、好ましくは前記圧電素子に印加される最大電圧を変化させることでインク吐出量の変調を行うことを特徴とする。
また、前記インクジェット記録装置において、好ましくは前記圧電素子の電圧印加部に印加する電界を、分極時と同方向とし、かつ、常に50kV/m以上の電界強度で駆動することを特徴とする。
また、本発明の別の態様におけるインクジェット記録装置は、インクを吐出するノズルと、前記ノズルに連通したインク室と、前記インク室の一部に設けられたインク室の容積を変化させる圧力壁と、前記インク室にインクを供給する供給路と、電圧の印加によって形状を変化させる圧電素子とを備え、前記圧力壁と前記圧電素子が機械的に接続されており、前記圧電素子に印加する電圧の変化で前記インク室の容積を拡張及び縮小、または、縮小及び拡張させ前記ノズルよりインクを吐出させるオンデマンド方式のインクジェット記録装置において、前記圧力室の拡張時または縮小時またはその前後のいずれにおいても前記圧電素子に常に一方向の歪みを加える機構として前記圧電素子を圧縮状態に保持する構造材、または、加圧機構を備え、前記圧力室の拡張時または縮小時に生じる前記圧電素子の残留振動によって前記圧電素子の歪み方向が反転しないようにしたことを特徴とする。
【0014】
【作用】
圧電素子の充電または放電またはその前後に生じる圧電素子の歪みが0の状態あるいは0の状態を越えて圧縮と伸張の両方の状態を繰り返すことがなく、常に一方向の歪みで圧電素子が動作するために圧電素子の疲労破壊が著しく低減される。また、圧電素子を常に一定電圧以上が印加された状態で使用するので圧電素子の素子間で電気機械変換特性のばらつきが激しい電圧0付近の状態を避けられるために素子間の特性ばらつきを極小にできる。
【0015】
【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。
【0016】
本発明を用いた第1の実施例を図1、図2 図3、図4、及び図5を用いて説明する。本実施例はA4大シート状の記録媒体に1分当り12枚の記録を可能とするインクジェット記録装置である。本実施例では高速記録を可能とするためにインクノズルとそれに連通するインク室、インク室を加圧する圧電素子で1組を成すインクジェット素子を640素子用い、それぞれの素子の繰返し駆動周波数を24kHzとしている。また、印字密度は600ドット/インチとし高速でありながら高精細な画質で記録が可能である。
【0017】
図2は本実施例の構成要素外観を示す斜視図であり、図中符号10は記録ヘッド、図中符号11はヘッド駆動回路、図中符号12は記録用紙、図中符号13はヘッド支持機構、図中符号14はヘッド移動機構、図中符号15は印字ドラム、図中符号16は記録用紙クランプ機構、図中符号17はドラム駆動機構、図中符号18はインクタンクである。記録用紙12は図示しない用紙カセットから給紙され、印字ドラム15に巻き付けられ記録用紙クランプ機構16により固定される。記録ヘッド10はインクを吐出させるノズル及びそれに連通したインク室及びインクを加圧する圧電素子よる1組を成すインクジェット素子をライン状に640素子備えている。それぞれのノズル間隔は8/600インチ間隔であり、印字ドラム15が1回転する毎にヘッド移動機構14により1/600インチずつ印字ドラム軸に平行な方向に沿って移動する。記録ヘッド10は印字ドラム15の回転に同期して駆動される。記録ヘッド10の1素子の繰返し駆動周波数は24kHzであるので印字ドラムは1回転1秒以下で記録が可能であり、紙面全面の記録を印字ドラム8回転で終了する。従って本実施例の記録装置はインクジェット方式でありながら駆動周波数の高速化と圧電素子の多ノズル化を図ったことで高速記録を可能としている。
【0018】
図1は図2で示した実施例の記録ヘッドの1素子のノズル及びインク室及び圧電素子の構成と、圧電素子を駆動する装置の構成を示した図である。図中符号1はノズル、図中符号2はインク室であり、インクは図中符号3のインク供給路を通じてインクタンクから供給されインク室2を満たしている。インク室2の一部には図中符号2pで示す圧力壁が設けられており圧電素子4と接合されている。本実施例で用いた圧電素子は板状の圧電性セラミクスを膜状の電極4eを挟んで複数枚積層した積層タイプ圧電素子と言われるもので、交互に接続される電極間に電圧を加えて分極されている。図15(a)に本実施例で用いた積層タイプ圧電素子の電極構造とそれぞれの圧電セラミクス層の分極状態を示す。図15(b)は最も基本的な圧電素子で、両面に電極を形成した1層のものである。ここで圧電セラミクス4は分極の為の電源Eによって図上側の電極4eがプラス、下側の電極4eがマイナスとなる様電圧を印加している。圧電素子中の電荷は図中符号4cで示す方向に向きをそろえ分極される。本実施例ではこの場合の分極方向をプラスからマイナスに向かう矢印4aで示し、この状態で分極された圧電素子の端子の極性をそれぞれ分極時のプラス側を+、マイナス側を−と記述する。本実施例で用いている積層タイプ圧電素子を示す図15(a)は、電極4eが櫛歯状に交互に圧電性セラミクス層4をはさんで形成されており、電源Eによって分極することでそれぞれの圧電層4は図中矢印4aで示す様に交互に方向を換えて分極されている。第1の実施例の図1において図中記号tcが複数の素子で共通して接続するコモン電極端子で、図中記号tsが各素子それぞれでスイッチングされるセグメント電極端子である。本実施例ではコモン電極端子tc側をマイナス、セグメント電極端子ts側をプラスにして圧電素子4は分極されている。従ってコモン電極端子tc側をマイナスとしてセグメント電極端子ts間に電圧を印加すると圧電素子4は電極間の距離を拡張する方向に歪みを生じ、同時にそれに直行する方向に縮小する歪みを生じる。本実施例では図1で示すように、電極4eに直行する面を厚力壁2pと接続しているので、圧電素子4の端子間に分極時と同方向の電圧を印加することでインク室を拡張することができる。本実施例では圧電素子4のコモン電極端子tcを充放電装置5に接続し、セグメント電極端子tsをそれぞれの素子のスイッチング装置7に接続している。充放電装置5はバイアス電圧Vbのマイナス電源と、バイアス電圧Vbにドライブ電圧VDを加えた電圧のマイナス電源−(Vb+VD)に接続されており、充電制御信号、放電制御信号の入力によってコモン電極端子tcの電位を制御し圧電素子4の充電動作、放電動作を行なうことができる。また、それぞれの圧電素子のセグメント電極端子に接続されているスイッチング装置は印字データに従ってそれぞれの圧電素子の放電動作をON/OFFすることができる。ここで充放電装置5はバイアス電圧印加装置6を備えており圧電素子4は分極電圧と同方向のバイアス電圧Vbを印加された状態で、インク吐出動作のためのインク室の拡張及び縮小の為の充電、放電が行なわれる。
【0019】
次に本実施例のインク吐出動作について説明する。図3は図2で示した圧電素子の電極間の駆動電圧とその時の圧電素子の歪みを示すグラフである。本実施例では図中Bで示す様に、記録装置の電源が入った状態で記録信号が入力され記録動作が開始されると同時に圧電素子に分極電圧と同方向のバイアス電圧Vbを印加する。これにより圧電素子は印字動作時の基底歪み状態となる。本実施例では従来例で説明したいわゆる引き打ち動作を行なうので図3符号Rで示す様に、印字動作の前状態として更に図2で示した駆動電圧発生装置5で圧電素子4に更に電圧VDを加え、圧電素子を充電してインク室を拡張する方向の歪みを生じさせる。駆動タイミングで放電制御信号が充放電装置に入力されると図3符号Iで示す様に、駆動電圧発生装置は駆動電圧VDを急激に放電するよう回路動作を行ない圧電素子間の電圧はバイアス電圧Vbまで放電され、圧電素子の歪みが基底歪み状態まで解放され、インク室が圧縮されてノズルよりインクが吐出する。インク吐出後、次回のインク吐出動作に備えて駆動電圧発生装置は圧電素子に電圧VDを除々に印加しインク室を拡張しておく。
【0020】
本動作において圧電素子は常に一方向の歪み状態にある。従来の方式では図18(b)符号Oで示す様に、インク吐出時の急激な放電で圧電素子はオーバーシュートで一時的に反対方向の歪みを生じることは避けられず、この歪み方向の反転の繰返しが圧電素子の疲労破壊を招く原因となっていた。本発明によれば圧電素子の分極時と同方向のバイアス電圧Vbを常に圧電素子に印加することで、図3符号Oで示す様に、駆動電圧の変動、またはその前後のオーバーシュートなどによっても圧電素子の歪み方向が0を越えて反転しないために、高速の繰返し動作を長時間行なっても圧電素子が疲労破壊しない。本実施例のバイアス電圧Vbは図15(a)で示す圧電素子の隣り合う電極間の距離hと、圧電素子の電圧印加部の総厚みHと、実際に測定された圧電素子の放電動作時における残留振動の振幅の最大値ΔDと、圧電素子の圧電常数dから規定される値(ΔD×h)/(d×H)の約2倍の電圧とした。本実施例でΔDは、図1で示す圧電素子とインク室の構造を持った系において圧力版2pの表面の速度変化を実際の駆動条件に近い条件でレーザードップラー速度測定器を用いて測定し、その結果を積分して圧電素子の変位量を求め、圧電素子の放電動作時におけるオーバーシュート時の最大変位と収束した変位との差として求めた。また、本実施例において圧電常数dは圧電素子の物性値であるd31を用いた。
【0021】
図20は一般的な圧電素子の歪み変位状態を示すもので、圧電素子の電極間の電位を0にした状態から分極時と同方向のある電圧まで定電流で充電し、充電が終了したら電圧を一定時間保持し、次に充電時と同じ定電流で電極間の電位が0になるまで放電させた時の圧電素子の歪み変位を示している。図中細線Piは理想的な変位状態であり、図中太線Prは実際の変位状態である。図20(a)で示す様に比較的ゆっくりと圧電素子の充放電を行ない変位させると圧電素子の歪み変位のオーバーシュート量は少なく、図20(b)で示す様に高速で圧電素子の充放電を行ない動作させようとすると圧電素子の歪み変位のオーバーシュートが激しくなることがわかる。本発明で述べている圧電素子の放電動作時における残留振動の振幅の最大値ΔDは図20のPoで示す部分のオーバーシュート量のことを示す。
【0022】
図4は一般的な圧電素子の電気機械変換特性を示すグラフであり、横軸に圧電素子に印加する電圧、縦軸に歪率を示している。一般に圧電素子の歪みは印加された電圧に比例せず、0からある電圧まではグラフの傾きが緩やかな部分があり途中からほぼ一定のグラフの傾きを示す。本発明によれば、図中符号VDoで示す電圧0からの部分で電圧を変動させて圧電素子を駆動する従来の方法に比べ、図4で示すVbのバイアス電圧を印加することで、最も電気機械変換効率の良いVDの部分で圧電素子を駆動するので電気機械変換効率に優れる利点がある。また、本発明に当って調査した結果、複数の圧電素子を用いる場合に避けられない素子間の電気機械特性のばらつきは、そのほとんどが電圧0付近の電気機械変換効率のばらつきとして現われ、ある一定電圧以上では電気機械変換効率はばらつかずほぼ一定値を示すことが判明した。更に、ほとんどの圧電素子で、駆動部分の電界強度を50kV/m以上にすることで複数の圧電素子間で特性のばらつきが激しく、また電気機械変換効率の低い領域を避けられることが判明した。図4で示す実線a及び破線b、c、dは同様の製造方法で製作した複数の圧電素子の電気機械変換特性を測定した例であるが、電圧が0からVbの範囲ではグラフの形や傾きが様々に異なるのに対して、電圧Vb以上のVDの範囲では電気機械変換率を示すグラフの傾きがほぼ同一であることがわかる。従って、本発明によれば、圧電素子の最も電気機械変換効率の高い部分で駆動ができることに加えて、複数の圧電素子の電気機械変換効率のばらつきを駆動時に無視できるので、圧電素子の高速駆動が可能であり、また、駆動特性を一定に保つことができる。
【0023】
図5は本実施例の圧電素子の駆動回路を示すものである。図中符号CGで示す破線で囲まれた部分が圧電素子の充電及び放電を行なう充放電回路であり、図中符号C1、C2、・・・はそれぞれのインク室に設けられた複数の圧電素子を示し、分極時の印加電圧の極性を+、−で示す。本実施例では充放電回路CGの端子tp3を複数の圧電素子のマイナス電極に共通に接続し、充電及び放電を行なう。複数の圧電素子C1、C2、・・・のプラス側の電極はそれぞれのスイッチング回路S1、S2、・・・に接続されておりそれぞれの制御端子tpS1、tpS2に制御電圧を印加して各素子の放電のON/OFFを制御する。充放電回路CGは−(Vb+VD)及び−Vbの電位の異なる2つのマイナス電源に接続されており、充電制御端子tp1と放電制御端子tp2は初期状態で5Vの電位にされている。回路は充電制御端子tp1の電位を0Vにすることで図中符号M1で示す部分がONの状態になりコンデンサC0が定電流で放電されトランジスタTr1がONの状態になり充放電端子tp3が−(Vb+VD)の電位になるまで圧電素子C1、C2、・・・を充電する。従って圧電素子C1、C2、・・・は電位Vb+VDまで充電されそれぞれのインク室を拡張する方向に歪む。次にインクを吐出させるための圧電素子の放電動作について説明する。ここでインク吐出させる素子をC1としインク吐出させない素子をC2とする。充放電回路CGの充電制御端子tp1を元の状態である5Vに戻し、放電制御端子tp2を0Vにすることで図中符号M2の部分がONになりコンデンサC0に充電が開始され、トランジスタTr2がONの状態になり充放電端子tp3の電位が上がる。ここで吐出させる圧電素子に接続されたスイッチング回路のスイッチング端子tpS1を5Vにしておくことで圧電素子C1はスイッチング回路S1を通して放電される。一方、吐出させない圧電素子C2に接続されたスイッチング回路S2のスイッチング端子tpS2を0Vにしてスイッチング回路S2をOFFの状態にしておくことで圧電素子C2はtp3の電位が上がっても放電されない。圧電素子の放電はコンデンサC0の図中上側の電位がダイオードを通して接続されているバイアス電源の電位である−Vbになるまで行なわれるので圧電素子C1は電圧Vbまで放電される。従って本実施例の回路を用いて駆動すれば圧電素子に分極電圧と同方向のバイアス電圧Vbを常に印加しながら引き打ち駆動動作をすることができる。
【0024】
以上、第1の実施例は本発明により、640素子という多数のノズルを用いてそれぞれのノズルを最高24kHzで繰返し駆動させるにもかかわらず圧電素子の特性が均一で、かつ、疲労破壊などの不良をほぼ皆無にすることが可能と成った為に実用的に高速記録が可能となった。
【0025】
本実施例の実験によれば圧電素子の疲労破壊による平均寿命は従来の方法と比較して2倍以上延長し、複数の素子間の特性ばらつきは実質的に無視できる程度に低下した。
【0026】
本発明を用いた第2の実施例を図6、図7、図8及び図9を用いて説明する。図6は記録装置の構成要素を示す斜視図でA4記録用紙に120素子の記録ヘッドをシリアルスキャンし300dpiの記録密度で記録する記録装置である。図中符号20は記録ヘッドであり、ノズルとそれに連通するインク室とインク室のそれぞれに配置された圧電素子で1組を成すインクジェット素子を120素子備える。図中符号21は交換可能なインクタンクであり記録ヘッド20に連結されインクを供給する。図中符号22の記録用紙は図中符号23の給紙ローラによりヘッド下まで供給される。記録ヘッド20はヘッド移動機構24によりスライド軸25に沿って記録用紙22上をシリアルスキャンする構造となっている。
【0027】
図7に記録ヘッドの1素子の圧電素子及びインク吐出機構と圧電素子の駆動機構を示す。ノズル1に連通するインク室2はインク供給路3よりインクが供給されている。インク室の壁面の一部が圧力壁2pとなっており、両面に電極4eを備える圧電セラミクス4から成る圧電素子が張り合わされている。圧力壁2pは圧電セラミクス4の歪み変位を屈曲変位に換える為の弾性板4tの機能も併用している。電極4eに分極時の印加電圧と同方向の電圧を印加すると圧電性セラミクス4は厚み方向に拡張歪みを生じると同時に広がり方向に縮むので、張り合わされている弾性板4tとの弾性率の差で弾性板を外側に反りを生じる。本実施例では弾性板4tがインク室の圧力壁4pを兼ねているので圧電素子4に分極時の印加電圧と同方向に電圧を印加するとインク室は縮小する。本実施例では圧電素子4の分極時のプラス側の電極はコモン電極端子tcとして複数の圧電素子と共通して充放電装置5に接続され、マイナス側の電極はセグメント電極端子tsとしてそれぞれの素子で独立してスイッチング装置7に接続されている。充放電装置5はバイアス電圧Vbの電源と、バイアス電圧Vbにドライブ電圧VDを加えた電圧の電源に接続されており、バイアス電圧印加装置6を備えている。
【0028】
図8に本実施例の圧電素子の電極間電圧とその屈曲変位を示す。本実施例では記録装置の電源を入れると図中符号Bで示す様に圧電素子に分極時の印加電圧と同方向のバイアス電圧Vbを印加する。この電圧が印加された状態を圧電素子の基底状態として従来例で説明した押し打ちと呼ばれる方法でインク吐出の為の駆動動作が行なわれる。すなわち、図中符号Iで示す様に、駆動信号によって圧電素子に電圧VDを印加し急速に充電することでインク室を加圧する方向に圧電素子が屈曲運動し、ノズルからインクが吐出される。インクの吐出が終了すると、図中符号Rで示す様に、電圧VDを電圧Vbまで下げて放電させ、圧電素子を電圧Vbで圧電素子の歪みがインク吐出前の基底状態までもどし、インク室を拡張する。本実施例ではオーバーシュートの比較的大きな板状の圧電素子を用いているにもかかわらず、それぞれの圧電素子を最高12kHzという高速で繰返し駆動するが、本発明に分極時の電圧方向と同方向のバイアス電圧が圧電素子に加えられた状態を基底状態としているために、図中符号Oで示す様に、オーバーシュート時に圧電素子の歪み方向が0を越えて逆転することなく常に同方向に収まるために圧電素子の疲労破壊が防止される。また、オーバーシュート時の歪みが歪み0付近の不安定な状態にならないので、オーバーシュートの収縮時間が従来の方式に比較して早く、また、素子間でばらつかないので、高速繰返し駆動の周波数を実用的に高めることが可能となった。また、本発明による本実施例では、実施例1で述べたのと同様に圧電素子の電気機械変換効率が高く、また、素子間で一定の領域を用いることができるので、電気機械変換効率の改善と素子間ばらつきの低減の効果が実効的に得られ、高速駆動、多素子化が実用的に可能になっている。
【0029】
図9は本実施例の圧電素子の駆動回路を示すものである。図中符号CGで示す破線で囲まれた部分が圧電素子の充電及び放電を行なう充放電回路であり、図中符号C1、C2、・・・はそれぞれのインク室に設けられた複数の圧電素子を示す。圧電素子の分極時の印加電圧極性を記号+、−で示す。本実施例では充放電回路CGの端子tp3を複数の圧電素子のプラス電極に共通に接続し充電及び放電動作時の電圧印加を行なう。複数の圧電素子C1、C2、・・・のマイナス側の電極はそれぞれのスイッチング回路S1、S2、・・・に接続されておりそれぞれの制御端子tpS1、tpS2に制御電圧を印加して各素子の充電のON/OFFを制御する。充放電回路CGはVb+VD及びVbの電位の異なる2つの電源に接続されており、充電制御端子tp1と放電制御端子tp2は初期状態で0Vの電位にされている。回路は充電制御端子tp1の電位を5Vにすることで図中M1で示す部分がONの状態となりコンデンサC0に定電流で充電が開始され、Tr1がONの状態となり充放電端子Tp3の電位がVb+VDまで上昇する。ここで吐出動作をさせる圧電素子をC1とすると圧電素子C1のマイナス端子に接続されているスイッチング回路S1のスイッチング制御端子tpS1を5Vとすることによって圧電素子C1に電流が流れ電位Vb+VDまで充電される。一方、吐出動作をさせない圧電素子をC2とすると圧電素子C2のマイナス端子に接続されているスイッチング回路S2のスイッチング制御回路tpS2を0Vにしておくことで充放電回路CGの充放電端子tp3の電位が上がっても圧電素子C2に電流が流れないので充電動作が行なわれない。以上の動作で吐出させる圧電素子の充電を行ないインク室を加圧してインク吐出を行なう。次に圧電素子を元の状態に戻す為に全ての圧電素子をVbの電位まで放電させる動作について説明する。充電制御端子tp1を0Vに戻し、放電制御端子tp2を5Vにすることで図中M2で示す部分がONの状態になりコンデンサC0の電荷が定電流で放電され、トランジスタTr2がONの状態になり充放電端子tp3の電位が下がり接続されている圧電素子C1、C2、・・・を放電する。ここでコンデンサC0はダイオードDを通してバイアス電源Vbに接続されているのでCOの電圧が概ねVbとなった状態でTr2がOFFの状態となり充放電端子tp3の電位が概ねVbとなった状態で圧電素子の放電は停止する。従って本実施例の回路を用いて駆動すれば圧電素子に分極電圧と同方向のバイアス電圧Vbを常に印加して複数の圧電素子を押し打ち駆動することができる。
【0030】
本発明を用いた第3の実施例を図10、図11、図12及び図13により説明する。本実施例はイエロー、マゼンタ、シアン、ブラック色のインクを吐出できる素子をそれぞれ1素子ずつ合計4素子備えたカラー記録装置である。記録密度は300dpiで記録面積はA6相当からA4相当で家庭用のテレビ画像のプリントや写真データの記録を目的としたものである。それぞれの素子は厚み振動タイプの圧電素子でインク室の拡張及び縮小を行ない、引き打ちと言われる駆動動作を行なうが、カラー記録の為に駆動波形を変調することで1回当りのインク吐出量を変調することが可能な構成となっている。
【0031】
図10に本実施例のカラー記録装置の要素構成を示す。本実施例は低価格でカラー記録を実現するために各色1ノズルの素子構成となっている。従来の方式では少ない素子数で記録装置を構成すると、1素子当りの駆動回数が記録媒体枚数に対して非常に多くなり、寿命の点で実用化が困難であったが本発明を用いることにより、圧電素子の寿命が著しく改善されたために本実施例の記録装置が実現された。また、本実施例では本発明によって素子の駆動繰返し周波数を28kHzと高速化することができたために少ない記録素子数でも実用的な記録速度が可能となった。図中符号34は記録用紙33を巻き付けるドラムであり、図中符号30はノズルとインク室及び圧電素子よりなるインク吐出素子をもったヘッドで各色1ノズル合計4ノズルの素子を内蔵しており交換可能なインクカートリッジ31から4色のインクを供給されている。ヘッド30は図中符号32のキャリッジに固定され、キャリッジ32はねじ状のヘッド移動軸35によってドラム軸方向に駆動される構造となっている。ドラム34は紙を巻き付け後、DCモーター36によって高速回転し、ヘッド移動軸はステッピングモータ37によってドラム1周に付き1/300インチずつ移動する構造になっている。本実施例では非常に低コストで製造可能な構造にもかかわらずフルカラーのA5相当画面を約2分で印字できる。
【0032】
図11は本実施例の1素子のインク吐出機構と圧電素子の駆動機構を示す図である。図中符号1で示すノズルとそれに連通するインク室2とインク室にインクを供給するインク供給路3そして、インク室2の一部を圧力壁2pとし圧電素子4と接合されている。圧電素子4は両面に電極4eを形成した圧電性セラミクスから成っており圧力壁2pに接合された面と直行する面に電極4eを形成し厚み振動させるので、第1の実施例と同様に圧電素子の電圧を印加することでインク室を拡張する動作を行なうことができる。本実施例では、図中符号5で示す充放電装置により、いわゆる引き打ちと言われる方式で圧電素子を駆動してインクを吐出させるが、図中符号6で示すバイアス電圧印加装置によりインク室の拡張時または縮小時またはその前後のいずれにおいても前記圧電素子に前記圧電素子の分極電圧と同方向の電圧を印加する構造となっている。これにより第1の実施例と第2の実施例で述べた駆動速度の高速化と圧電素子の疲労破壊の防止による寿命の著しい長期化が可能となった。
【0033】
更に本実施例では、階調記録性を向上させるために、圧電素子の駆動電圧を8段階に変調させ、1回のインク吐出量を通常の吐出量を100%とした場合、90%、80%、70%、・・・、30%と、10%間隔で30%までのインク吐出量の変調を可能としている。すなわち、インク量の100%を吐出させる時は図12で示すようにバイアス電圧Vbに対して充電電圧をVD1とし圧電素子をインク室を拡張する方向に歪ませ、吐出タイミングでVbまで放電することでインクを吐出させ、例えば60%及び30%吐出の場合はそれぞれ図12VD2及びVD3で示す電圧で圧電素子を充電しインク室の拡張量を少なくし、吐出タイミングでVbまで放電することでそれぞれ求められる量のインクを吐出させている。従来の方法で、本実施例の様に電圧を変調して圧電素子を駆動し、インクの吐出量を変調しようとすると圧電素子の電圧0付近で電気機械変換効率がばらつき、駆動電圧を変調しても吐出量の定量管理が不可能であった。本発明によれば、常に電圧Vb以上の電圧を圧電素子に加えて駆動するので、図4のグラフで見られる様に電気機械変換効率が一定の領域VDで圧電素子を駆動でき、電気機械変換効率が一定でない歪み0付近の特性に影響されないので、吐出インク量の変調が設計値どうり可能となった。
【0034】
図13は本実施例の圧電素子の駆動回路を示すもので、充放電回路CGは先に示した実施例2と同様の構成となっており圧電素子Cは充電制御端子tp1に5Vの制御電圧を印加することで充電され、放電制御端子tp2に5Vの制御電圧を印加することで放電される。また図中BCで示す部分でバイアス電圧が決定されているので圧電素子Cの充放電は常にバイアス電圧Vb以上で行なわれる。また、図12で示した様に充電電位を変調するために本実施例では充電制御端子tp1に印加する充電制御信号を印字データの濃度に従ってパルス巾変調することで充電時間を変調し充電量を制御している。0Vから充電を行なう従来の方法では充電時間を制御しても充電電位が充電時間に比例しないことに加え圧電素子の特性ばらつきで設計値とことなる充電電位になってしまったが、本発明による本実施例では充電時間で圧電素子の充電電位が設計値どうり規定することが可能となった。
【0035】
図14は本発明による第4、第5の実施例を示す断面図で、圧電素子を圧縮状態に保持する構造材を設けた例ある。図14(a)は両面に電極4eを備えた圧電素子4をスペーサ8sを介して加圧部材8で圧縮状態に保持している。本実施例において圧縮部材8はジルコニア系セラミクス、スペーサ8sは樹脂からできており、圧縮部材8は圧電素子4を挟んだ後に、図示しない調整ネジによって圧電素子4を圧縮する方向に圧力を与えられている。図14(b)はノズル1とインク室2とインク供給路3とからなるインク流路とインク室2の一部に設けられた圧力壁2pと圧力壁2pに接続された圧電素子4からなる実施例であるが、圧電素子4は形状記憶合金からなる圧縮部材8により図の縦方向にあらかじめ圧縮されている。図14で示す実施例はいずれも構造的に圧電素子を圧縮状態にしている。こうすることで駆動時にバイアス電圧を印加しなくても圧電素子の放電時のオーバーシュートによって圧電素子の歪みが0をこえて反転せず、圧電素子の疲労破壊を防止することができる。
【0036】
以上、本実施例で述べたとうり本発明はいわゆる押し打ち駆動方式でも引き打ち駆動方式でも同様に効果がある。また本実施例で述べた圧電素子は圧電セラミクス、あるいは、積層された圧電セラミクスの厚み方向の変位を利用してインクを吐出させる方式、または、厚み方向の歪みを屈曲変位に変換してインクを吐出させる方式であったが、本発明は圧電素子の変位がずり変位であっても同様の効果がある。また、本実施例ではいずれも圧電素子がインク室の壁面を変位させる構造となっていたが、本発明は圧電素子がインク室内に設けられ、インクに直接圧力を加える方式であっても同様の効果を持つ。更に、本実施例では圧電素子にバイアス電圧を印加する方法として充放電回路の放電電位を規定する方法を用いたが、本発明は圧電素子の放電時間を制限して圧電素子の電位を保持する方法など、バイアス電圧の印加方法によらず同様の効果を持つ。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電素子の歪みが0を越えて反転することなく常に同方向の歪み状態で駆動動作される。従って圧電素子の疲労破壊が防止され寿命が著しく改善される。また、圧電素子は電気機械変換効率の高い部分で駆動動作されるので高速、高能率の駆動動作が可能となる。また、複数の圧電素子を用いる場合において電気機械変換特性のばらつきが激しい歪み0付近でなく特性の均一な領域で駆動動作されるので、簡単な構造で実質的に素子間の特性ばらつきを軽減できる。従って、多数の圧電素子を用いて高速繰返し駆動をすることが実質的に可能となり、高速なインクジェット記録装置が実現できる。
【0038】
更に本発明によれば、実施例に述べた効果に加えて、圧電素子を常に歪んだ状態に保つことで圧電素子の剛性が増し、インク室の圧力壁の不要な振動が抑制されるので素子間の伝播振動によるクロストークを軽減できる効果もある。また、圧電素子に分極時と同方向の電圧を常に印加しているので、長期の繰返し駆動においても分極状態が安定して維持される効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す装置の断面図及び構成図である。
【図2】本発明の第1の実施例を示す装置の斜視図である。
【図3】本発明の第1の実施例の駆動波形と変位を示す図である。
【図4】圧電素子の電気機械変換特性を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施例の回路図である。
【図6】本発明の第2の実施例を示す装置の斜視図である。
【図7】本発明の第2の実施例を示す装置の断面図及び構成図である。
【図8】本発明の第2の実施例の駆動波形と変位を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施例を示す装置の回路図である。
【図10】本発明の第3の実施例を示す装置の斜視図である。
【図11】本発明の第3の実施例を示す装置の断面図及び構成図である。
【図12】本発明の第3の実施例の駆動波形と変位を示す図である。
【図13】本発明の第3の実施例の回路図である。
【図14】本発明の第4、第5の実施例を示す断面図である。
【図15】圧電素子の構造と分極方向を示す図である。
【図16】従来例を示す装置の断面図である。
【図17】従来例を示す装置の断面図である。
【図18】従来例の駆動波形と変位を示すである。
【図19】従来例の圧電素子の破壊例を示す断面図である。
【図20】圧電素子の駆動変位を示す図である。
【符号の説明】
1:ノズル
2:インク室
2p:圧力壁
3:インク供給路
4:圧電素子
5:充放電装置
6:バイアス電圧印加装置
7:スイッチング装置
8:圧縮部材
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an ink jet recording apparatus that discharges ink onto paper or a recording medium based on data to record characters, images, and the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Ink jet recording apparatuses are widely used for recording data such as characters and images by connecting to a computer or the like since recording apparatuses are small and have low noise and both apparatus cost and running cost are relatively low. However, when high-speed recording is required due to a low printing speed, an expensive, complicated, and large-sized electrophotographic recording apparatus must be used. In order to increase the recording speed of the ink jet recording apparatus to a speed comparable to that of the electrophotographic method, it is necessary to improve the repetition response frequency of ink ejection per nozzle of the ink jet recording apparatus and to increase the number of nozzles of the recording apparatus. It is required to increase.
[0003]
The repetition response frequency of ink ejection per nozzle of the current inkjet recording apparatus is about 3 to 10 kHz, but when this repetition frequency is experimentally increased and driven, ink ejection from each nozzle is possible. When the variation in the ejection ink amount and the ejection ink speed among the nozzles becomes severe, and when the drive repetition frequency is further increased, ink ejection is possible in some nozzles but not in the other nozzles. That is, if the ejection repetition frequency is increased in the current inkjet recording apparatus, the ink ejection characteristics between the nozzles become more uneven or ejection failure occurs, which makes the ink jet recording apparatus impractical.
[0004]
Furthermore, when the ejection repetition frequency is experimentally increased in the current inkjet recording apparatus, the fatigue life caused by the repeated compression and expansion of the piezoelectric element significantly shortens the destruction life, which also impairs the practicality of the recording apparatus. . Further, in order to realize high-speed printing comparable to the electrophotographic system, the number of ink nozzles must be increased from the current 48 to 64 nozzles to at least 100 or more at the same time as the ink ejection repetition frequency is increased. However, in the ink jet recording apparatus, if an ejection failure occurs even for one nozzle, the recording apparatus becomes defective. Therefore, increasing the number of nozzles in the current ink jet system significantly increases the rejection rate of the apparatus. It was difficult to obtain sex.
[0005]
In other words, the conventional ink jet recording apparatus has problems in that the ink ejection characteristics vary when the speed is increased, the life is short due to the fatigue destruction of the piezoelectric element, and the failure rate of the piezoelectric element is too high.
[0006]
16 and 17 show cross sections of an example of the configuration of an ink ejection section of a conventional ink jet recording apparatus. FIG. 16 shows that the ink filled in the ink flow path including the ink chamber 2 and the ink supply path 3 communicating with the nozzle 1 is transferred to the piezoelectric element 4 connected to the pressure wall 2 p provided in a part of the ink chamber 2. When voltage is applied by the electrodes 4e on both surfaces, distortion is generated in the piezoelectric element 4 as a change in aspect ratio, so that the ink chamber 2 is pressurized and ink is ejected from the nozzle 1. FIG. 17 shows a piezoelectric device in which ink is filled in an ink flow path including an ink chamber 2 and an ink supply path 3 communicating with a nozzle 1, and a pressure wall 2p provided in a part of the ink chamber 2 has electrodes 4e on both surfaces. A piezoelectric element 4 is formed by laminating a ceramic and an elastic plate 4t, and a voltage is applied between the electrodes to bend the piezoelectric element 4, pressurize the ink chamber 2, and discharge ink from the nozzle 1. 16 and 17 shown as conventional examples are common to ink jet recording apparatuses using piezoelectric elements in that the ink chambers are expanded or reduced by a voltage applied to the piezoelectric elements.
[0007]
FIG. 18 is a graph showing a drive voltage waveform applied to a piezoelectric element and distortion of the piezoelectric element in a conventional example of an ink jet recording apparatus using a piezoelectric element. In the figure, a solid line V indicates a voltage waveform to be applied, and a broken line P indicates distortion of the piezoelectric element. The horizontal axis of the graph represents time, and the vertical axis represents voltage and distortion. The voltage waveform V in the figure is a voltage value, and the strain P of the piezoelectric element is a displacement value. Therefore, the units on the vertical axis of the graph are different, but are overlapped for the sake of explanation in this figure. The upward direction of the graph is a case where a voltage in the same direction as the polarization voltage of the piezoelectric element is applied, and the distortion of the piezoelectric element at that time is a direction in which the distance between the electrodes is extended. The state on the horizontal axis 0 of the graph is the state of zero distortion, and the downward direction is the distortion in the contraction direction.
[0008]
FIG. 18A shows a driving method referred to as a pushing operation, in which the ink chamber is contracted by applying a voltage to the piezoelectric element and charging the same, and a pulse-like voltage is applied to the piezoelectric element as indicated by reference numeral I in the drawing. This is a method in which ink is ejected from a nozzle by rapidly charging and distorting the applied piezoelectric element to reduce the volume of the ink chamber by distortion. After the ink is ejected, the piezoelectric element is discharged as shown by a symbol R in the drawing to set the distortion of the piezoelectric element to 0 and return the ink chamber to the state before the ejection. In the structure shown in FIG. 16A, when a voltage is applied to the piezoelectric element in the same direction as that during polarization, the piezoelectric element is distorted in a direction in which the distance between the electrode surfaces 4e is expanded. So that the ink chamber can be compressed. Similarly, when the piezoelectric element having the structure shown in FIG. 17A is driven by the driving method shown in FIG. 18A, the piezoelectric element 4 is rapidly charged by applying a voltage to the piezoelectric element as indicated by reference numeral I. Expands in the thickness direction and contracts in the length direction at the same time, so that a difference in distortion from the elastic plate 4t attached to the piezoelectric element occurs, and the diaphragm warps in the direction in which the ink chamber is pressurized, thereby discharging ink. After the ink is ejected, the piezoelectric element is discharged to a state of zero by discharging the piezoelectric element as indicated by a symbol R in the drawing, and the ink chamber is returned to the state before the ejection.
[0009]
FIG. 18 (b) shows a driving method called pulling, in which the ink chamber is expanded by charging the piezoelectric element, and a voltage is applied to the piezoelectric element as indicated by a symbol R in the drawing in preparation for ink ejection. The ink chamber is expanded by charging and distorting the piezoelectric element, and the charged piezoelectric element is suddenly discharged at the timing of ink discharge as shown by the symbol I in the figure to restore the distortion of the vibrator to the original state. When the ink chamber is released, the ink chamber is pressurized to discharge ink. In the structure of FIG. 16B, the piezoelectric element is distorted in the direction in which the ink chamber 2 is expanded by the application of a voltage, so that the ink can be ejected by the driving method of FIG. Similarly, in the structure of FIG. 17B, the warpage of the piezoelectric element occurs in the direction in which the ink chamber 2 is expanded by the application of the voltage, so that the ink can be ejected by the driving method of FIG.
[0010]
As described in U.S. Pat. No. 4,471,363 and the like, a conventional ink jet recording apparatus using a piezoelectric element applies an example shown in FIG. 18 or an example in which the timing is improved, and a combination thereof to apply to the piezoelectric element. There are examples in which the voltage can be inverted. However, when the recording speed is increased by the conventional methods, there is a problem that the failure due to the fatigue breakdown of the piezoelectric element and the life of the piezoelectric element are remarkably reduced, which is not practical. FIG. 19 is a cross-sectional view showing a broken portion of a piezoelectric element in an ink jet recording apparatus using a conventional piezoelectric element. In the figure, reference numeral 4 denotes a piezoelectric ceramic, and reference numeral 4e denotes an electrode for applying a voltage to the piezoelectric ceramic. FIGS. 19A, 19B, and 19C show examples of a piezoelectric element that expands or contracts an ink chamber by strain displacement in the thickness direction. FIGS. 19 (d), (e), and (f) show a piezoelectric element in which the elastic plate 4t is attached to the piezoelectric element to convert the distortion of the piezoelectric ceramic 4 in the thickness and spreading direction into a bending displacement to expand or contract the ink chamber. It is an example of an element. When these piezoelectric elements are driven for long-time ink ejection by the conventional method shown in FIG. 18, cracks occur in the portion illustrated by reference character K in FIG. 19, and the driving operation of the piezoelectric elements is not performed. The characteristics are significantly impaired, making it impossible to eject ink. FIGS. 19A and 19D show an example in which a crack K is generated near the joint between the piezoelectric ceramics 4 and the electrode 4e. Similarly, the cracks indicated by the symbol K in FIGS. 19B and 19E are piezoelectric ceramics. 19 (c) and 19 (f) are cracks generated inside the piezoelectric ceramics. In any case, it is considered that fatigue fracture due to repeated extension of the piezoelectric element occurred in a portion where stress tends to concentrate, such as a change in the composition of the joint, a minute defect, or a foreign matter. In addition, when the recording speed is increased with an ink jet recording apparatus using a conventional piezoelectric element, fatigue breakdown of the piezoelectric element becomes apparent, and the electromechanical conversion characteristics of the piezoelectric element significantly vary among the elements, which is not practical. There were also problems.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to increase the recording speed of an ink jet recording apparatus using a piezoelectric element. It is to minimize the variation.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in the present invention, a nozzle that discharges ink, an ink chamber that communicates with the nozzle, and a pressure wall that changes the volume of an ink chamber provided in a part of the ink chamber are provided. A supply path for supplying ink to the ink chamber, and a piezoelectric element whose shape is changed by applying a voltage, wherein the pressure wall and the piezoelectric element are mechanically connected, and a voltage applied to the piezoelectric element is provided. In the on-demand type ink jet recording apparatus for expanding and reducing the volume of the ink chamber, or reducing and expanding the volume of the ink chamber and ejecting ink from the nozzles, at the time of expanding or reducing the pressure chamber or before or after it Also provided with a mechanism for applying a bias voltage in the same direction as the polarization voltage of the piezoelectric element as a mechanism for always applying a one-way strain to the piezoelectric element, The mechanism for applying the bias voltage applies the bias voltage so that the strain width of the piezoelectric element due to the applied bias voltage is larger than the maximum value of the amplitude of the residual vibration of the piezoelectric element. The distortion direction of the piezoelectric element is not reversed by the residual vibration of the piezoelectric element that occurs when the element expands or contracts.
Further, in the ink jet recording apparatus, preferably, the bias voltage is a maximum value ΔD of an amplitude of a residual vibration during a discharging operation of the piezoelectric element, a total thickness H of a voltage applying portion of the piezoelectric element, It is characterized by being equal to or more than a value (ΔD × h) / (d × H) defined by a distance h between adjacent electrodes and a piezoelectric constant d.
In the ink jet recording apparatus, preferably, the bias voltage is at least twice the specified value.
[0013]
Further, in the above-described ink jet recording apparatus, preferably, the ink discharge amount is modulated by changing a maximum voltage applied to the piezoelectric element.
Further, in the ink jet recording apparatus, preferably, the electric field applied to the voltage applying unit of the piezoelectric element is driven in the same direction as the polarization, and is always driven at an electric field strength of 50 kV / m or more.
In addition, an ink jet recording apparatus according to another aspect of the present invention includes a nozzle that discharges ink, an ink chamber that communicates with the nozzle, and a pressure wall that changes the volume of an ink chamber provided in a part of the ink chamber. A supply path for supplying ink to the ink chamber, and a piezoelectric element whose shape is changed by applying a voltage, wherein the pressure wall and the piezoelectric element are mechanically connected, and a voltage applied to the piezoelectric element is provided. In the on-demand type ink jet recording apparatus for expanding and reducing the volume of the ink chamber, or reducing and expanding the volume of the ink chamber and ejecting ink from the nozzles, at the time of expanding or reducing the pressure chamber or before or after it Also, as a mechanism for constantly applying a one-way strain to the piezoelectric element, a structural material for holding the piezoelectric element in a compressed state or a pressing mechanism is provided. Characterized in that the strain direction of the piezoelectric element by the residual vibration of the piezoelectric element occurs during expansion or during reduction of the pressure chamber is prevented from inverting.
[0014]
[Action]
The piezoelectric element is always operated in one-way strain without distortion of the piezoelectric element caused before or after charging or discharging of the piezoelectric element or before and after the state of the piezoelectric element does not repeat the state of compression or expansion beyond the state of zero or zero. Therefore, the fatigue fracture of the piezoelectric element is significantly reduced. In addition, since the piezoelectric element is always used in a state where a constant voltage or more is applied, the variation in electromechanical conversion characteristics between the piezoelectric elements is extremely large. it can.
[0015]
【Example】
Therefore, the details of the present invention will be described below based on the illustrated embodiment.
[0016]
A first embodiment using the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 3, 4, and 5. FIG. This embodiment is an ink jet recording apparatus capable of recording 12 sheets per minute on an A4 large sheet recording medium. In the present embodiment, in order to enable high-speed printing, 640 ink jet elements, which are a set of ink nozzles, ink chambers communicating with the ink nozzles, and piezoelectric elements that pressurize the ink chambers, are used, and the repetitive drive frequency of each element is 24 kHz. I have. The printing density is 600 dots / inch, and high-definition image recording is possible at high speed.
[0017]
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the components of the present embodiment. In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a recording head, reference numeral 11 denotes a head drive circuit, reference numeral 12 denotes recording paper, and reference numeral 13 denotes a head support mechanism. Reference numeral 14 denotes a head moving mechanism, reference numeral 15 denotes a printing drum, reference numeral 16 denotes a recording paper clamping mechanism, reference numeral 17 denotes a drum driving mechanism, and reference numeral 18 denotes an ink tank. The recording paper 12 is fed from a paper cassette (not shown), wound around a print drum 15 and fixed by a recording paper clamp mechanism 16. The recording head 10 has 640 linearly arranged ink jet elements, each of which includes a nozzle for discharging ink, an ink chamber communicating with the nozzle, and a piezoelectric element for pressurizing the ink. Each nozzle interval is 8/600 inch, and each time the print drum 15 makes one rotation, it is moved by the head moving mechanism 14 by 1/600 inch in a direction parallel to the print drum axis. The recording head 10 is driven in synchronization with the rotation of the printing drum 15. Since the repetitive drive frequency of one element of the recording head 10 is 24 kHz, the recording can be performed within one second per rotation of the printing drum, and the recording on the entire surface of the paper is completed by eight rotations of the printing drum. Therefore, the recording apparatus of this embodiment is capable of high-speed recording by increasing the driving frequency and increasing the number of nozzles of the piezoelectric element even though the recording apparatus is of the ink jet type.
[0018]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of one nozzle, an ink chamber, and a piezoelectric element of the recording head of the embodiment shown in FIG. 2, and a configuration of an apparatus for driving the piezoelectric element. In the figure, reference numeral 1 denotes a nozzle, and reference numeral 2 denotes an ink chamber. Ink is supplied from an ink tank through an ink supply path indicated by reference numeral 3 in the figure to fill the ink chamber 2. A pressure wall indicated by reference numeral 2p in the drawing is provided in a part of the ink chamber 2, and is joined to the piezoelectric element 4. The piezoelectric element used in this embodiment is called a laminated type piezoelectric element in which a plurality of plate-shaped piezoelectric ceramics are stacked with a film-shaped electrode 4e interposed therebetween, and a voltage is applied between the alternately connected electrodes. Polarized. FIG. 15A shows the electrode structure of the laminated piezoelectric element used in this embodiment and the polarization state of each piezoelectric ceramic layer. FIG. 15B shows the most basic piezoelectric element, which is a single-layer piezoelectric element having electrodes formed on both surfaces. Here, a voltage is applied to the piezoelectric ceramics 4 by a power source E for polarization so that the upper electrode 4e in the figure is positive and the lower electrode 4e is negative. The electric charge in the piezoelectric element is polarized in the direction indicated by reference numeral 4c in the drawing. In this embodiment, the direction of polarization in this case is indicated by an arrow 4a extending from plus to minus, and the polarities of the terminals of the piezoelectric element polarized in this state are described as + on the plus side during polarization and-on the minus side. FIG. 15A showing a laminated type piezoelectric element used in the present embodiment has electrodes 4e alternately formed in a comb-tooth shape with a piezoelectric ceramic layer 4 interposed therebetween. Each piezoelectric layer 4 is alternately polarized, as shown by an arrow 4a in the figure. In FIG. 1 of the first embodiment, a symbol tc in the figure is a common electrode terminal commonly connected by a plurality of elements, and a symbol ts in the figure is a segment electrode terminal switched by each element. In this embodiment, the piezoelectric element 4 is polarized with the common electrode terminal tc side minus and the segment electrode terminal ts side plus. Therefore, when a voltage is applied between the segment electrode terminals ts with the common electrode terminal tc side being negative, the piezoelectric element 4 is distorted in a direction in which the distance between the electrodes is expanded, and at the same time, reduced in a direction perpendicular thereto. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the surface perpendicular to the electrode 4e is connected to the thick wall 2p. Can be extended. In this embodiment, the common electrode terminal tc of the piezoelectric element 4 is connected to the charging / discharging device 5, and the segment electrode terminal ts is connected to the switching device 7 of each element. The charging / discharging device 5 is connected to a negative power supply of the bias voltage Vb and a negative power supply − (Vb + VD) of a voltage obtained by adding the drive voltage VD to the bias voltage Vb. The charging operation and the discharging operation of the piezoelectric element 4 can be performed by controlling the potential of tc. Further, the switching device connected to the segment electrode terminal of each piezoelectric element can turn on / off the discharging operation of each piezoelectric element according to the print data. Here, the charging / discharging device 5 includes a bias voltage applying device 6, and the piezoelectric element 4 is applied with a bias voltage Vb in the same direction as the polarization voltage to expand and contract the ink chamber for the ink discharging operation. Is charged and discharged.
[0019]
Next, the ink discharging operation of the present embodiment will be described. FIG. 3 is a graph showing the drive voltage between the electrodes of the piezoelectric element shown in FIG. 2 and the distortion of the piezoelectric element at that time. In this embodiment, as shown by B in the figure, a bias signal Vb in the same direction as the polarization voltage is applied to the piezoelectric element at the same time as the recording signal is input and the recording operation is started while the power of the recording apparatus is turned on. As a result, the piezoelectric element enters a base distortion state during a printing operation. In this embodiment, since the so-called pulling operation described in the conventional example is performed, as shown by a reference symbol R in FIG. 3, a voltage VD is further applied to the piezoelectric element 4 by the driving voltage generator 5 shown in FIG. To charge the piezoelectric element, causing a distortion in the direction of expanding the ink chamber. When the discharge control signal is input to the charging / discharging device at the driving timing, the driving voltage generating device performs a circuit operation so as to rapidly discharge the driving voltage VD as shown by reference numeral I in FIG. Vb is discharged, the distortion of the piezoelectric element is released to the base distortion state, the ink chamber is compressed, and ink is ejected from the nozzle. After the ink discharge, the drive voltage generator gradually applies the voltage VD to the piezoelectric element to expand the ink chamber in preparation for the next ink discharge operation.
[0020]
In this operation, the piezoelectric element is always in a one-way distortion state. In the conventional method, as shown by reference symbol O in FIG. 18 (b), it is inevitable that the piezoelectric element is temporarily distorted in the opposite direction due to overshoot due to rapid discharge during ink discharge. This has caused the fatigue breakage of the piezoelectric element. According to the present invention, the bias voltage Vb in the same direction as the polarization of the piezoelectric element is always applied to the piezoelectric element, so that, as indicated by reference numeral O in FIG. Since the distortion direction of the piezoelectric element does not exceed 0 and does not reverse, even if the high-speed repetitive operation is performed for a long time, the piezoelectric element does not break down due to fatigue. The bias voltage Vb of the present embodiment is determined by the distance h between the adjacent electrodes of the piezoelectric element shown in FIG.Total thickness HAnd approximately twice the value (ΔD × h) / (d × H) defined from the actually measured maximum value ΔD of the residual vibration during the discharging operation of the piezoelectric element and the piezoelectric constant d of the piezoelectric element. Voltage. In this embodiment, ΔD is measured by using a laser Doppler velocimeter under a condition close to an actual driving condition in a system having the structure of the piezoelectric element and the ink chamber shown in FIG. The results were integrated to determine the amount of displacement of the piezoelectric element, and the difference was determined as the difference between the maximum displacement during overshoot and the converged displacement during the discharging operation of the piezoelectric element. In this example, the piezoelectric constant d used was d31 which is a physical property value of the piezoelectric element.
[0021]
FIG. 20 shows a strain displacement state of a general piezoelectric element. The piezoelectric element is charged with a constant current from a state in which the potential between the electrodes of the piezoelectric element is set to 0 to a voltage in the same direction as the polarization, and when the charging is completed, the voltage is changed. Is held for a certain period of time, and then the piezoelectric element is discharged with the same constant current as during charging until the potential between the electrodes becomes 0, showing the strain displacement of the piezoelectric element. The thin line Pi in the figure is an ideal displacement state, and the thick line Pr in the figure is an actual displacement state. When the charging and discharging of the piezoelectric element is performed relatively slowly as shown in FIG. 20A and displaced, the amount of overshoot of the distortion displacement of the piezoelectric element is small, and as shown in FIG. It can be seen that when the discharge operation is performed, the overshoot of the strain displacement of the piezoelectric element becomes severe. The maximum value ΔD of the amplitude of the residual vibration during the discharging operation of the piezoelectric element described in the present invention indicates the amount of overshoot in the portion indicated by Po in FIG.
[0022]
FIG. 4 is a graph showing the electromechanical conversion characteristics of a general piezoelectric element. The horizontal axis indicates the voltage applied to the piezoelectric element, and the vertical axis indicates the distortion factor. In general, the distortion of the piezoelectric element is not proportional to the applied voltage, and there is a portion where the slope of the graph is gentle from 0 to a certain voltage, and the graph shows a substantially constant gradient from the middle. According to the present invention, by applying the bias voltage of Vb shown in FIG. 4, the electric power is most reduced compared to the conventional method of driving the piezoelectric element by changing the voltage from the voltage 0 shown by the reference symbol VDo in the figure. Since the piezoelectric element is driven in the VD portion having good mechanical conversion efficiency, there is an advantage that the electromechanical conversion efficiency is excellent. In addition, as a result of investigations according to the present invention, most of the inevitable variations in electromechanical characteristics between elements when using a plurality of piezoelectric elements appear as variations in electromechanical conversion efficiency near a voltage of 0, and have a certain level. It was found that the electromechanical conversion efficiency did not vary above the voltage and showed a substantially constant value. Further, it has been found that in most of the piezoelectric elements, by setting the electric field strength of the driving portion to 50 kV / m or more, the characteristics greatly vary among a plurality of piezoelectric elements, and a region having low electromechanical conversion efficiency can be avoided. The solid line a and the broken lines b, c, and d shown in FIG. 4 are examples in which the electromechanical conversion characteristics of a plurality of piezoelectric elements manufactured by the same manufacturing method are measured. It can be seen that the slopes of the graph showing the electromechanical conversion ratio are almost the same in the range of VD equal to or higher than the voltage Vb, while the slopes are variously different. Therefore, according to the present invention, in addition to being able to drive the portion of the piezoelectric element having the highest electromechanical conversion efficiency, the variation in the electromechanical conversion efficiency of a plurality of piezoelectric elements can be ignored during driving, so that the piezoelectric element can be driven at high speed. And driving characteristics can be kept constant.
[0023]
FIG. 5 shows a driving circuit of the piezoelectric element of this embodiment. A portion surrounded by a broken line indicated by reference numeral CG in the figure is a charge / discharge circuit for charging and discharging the piezoelectric elements, and reference numerals C1, C2,... Represent a plurality of piezoelectric elements provided in respective ink chambers. And the polarities of the applied voltage during polarization are indicated by + and-. In the present embodiment, the terminal tp3 of the charge / discharge circuit CG is commonly connected to the minus electrodes of the plurality of piezoelectric elements to perform charging and discharging. The positive electrodes of the plurality of piezoelectric elements C1, C2, ... are connected to the respective switching circuits S1, S2, ..., and apply a control voltage to the respective control terminals tpS1, tpS2 to apply a control voltage to each of the elements. Controls ON / OFF of discharge. The charge / discharge circuit CG is connected to two negative power supplies having different potentials of-(Vb + VD) and -Vb, and the charge control terminal tp1 and the discharge control terminal tp2 are set to a potential of 5 V in an initial state. In the circuit, by setting the potential of the charge control terminal tp1 to 0 V, the portion indicated by the symbol M1 in the figure is turned on, the capacitor C0 is discharged with a constant current, the transistor Tr1 is turned on, and the charge / discharge terminal tp3 is set to-( (Vb + VD) are charged to the piezoelectric elements C1, C2,... Therefore, the piezoelectric elements C1, C2,... Are charged to the potential Vb + VD and are distorted in a direction to expand the respective ink chambers. Next, a discharging operation of the piezoelectric element for discharging ink will be described. Here, an element that causes ink ejection is C1 and an element that does not eject ink is C2. The charge control terminal tp1 of the charge / discharge circuit CG is returned to the original state of 5V, and the discharge control terminal tp2 is set to 0V, thereby turning on the portion indicated by the symbol M2 in the figure and starting to charge the capacitor C0. The state becomes ON, and the potential of the charge / discharge terminal tp3 increases. Here, by setting the switching terminal tpS1 of the switching circuit connected to the piezoelectric element to be discharged to 5 V, the piezoelectric element C1 is discharged through the switching circuit S1. On the other hand, by setting the switching terminal tpS2 of the switching circuit S2 connected to the non-ejected piezoelectric element C2 to 0 V and setting the switching circuit S2 to the OFF state, the piezoelectric element C2 is not discharged even when the potential of tp3 increases. The piezoelectric element C1 is discharged to the voltage Vb because the piezoelectric element C1 is discharged until the potential on the upper side of the capacitor C0 in the drawing becomes -Vb which is the potential of the bias power supply connected through the diode. Therefore, when the piezoelectric element is driven by using the circuit of this embodiment, it is possible to perform the pulling drive operation while always applying the bias voltage Vb in the same direction as the polarization voltage to the piezoelectric element.
[0024]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the characteristics of the piezoelectric element are uniform and defects such as fatigue fracture are caused despite the fact that each nozzle is repeatedly driven at a maximum of 24 kHz using a large number of nozzles of 640 elements. Can be practically eliminated, and practically high-speed recording has become possible.
[0025]
According to the experiment of the present embodiment, the average life of the piezoelectric element due to fatigue fracture was extended more than twice as compared with the conventional method, and the characteristic variation among a plurality of elements was reduced to a substantially negligible extent.
[0026]
A second embodiment using the present invention will be described with reference to FIGS. 6, 7, 8, and 9. FIG. FIG. 6 is a perspective view showing the components of the printing apparatus. The printing apparatus prints A4 printing paper at a printing density of 300 dpi by serially scanning a printing head of 120 elements. In the drawing, reference numeral 20 denotes a recording head, which includes 120 nozzles, ink chambers communicating with the nozzles, and 120 ink jet elements which constitute one set of piezoelectric elements arranged in each of the ink chambers. In the drawing, reference numeral 21 denotes a replaceable ink tank which is connected to the recording head 20 and supplies ink. The recording paper indicated by reference numeral 22 in the drawing is supplied to a position below the head by a paper feed roller indicated by reference numeral 23 in the drawing. The recording head 20 has a structure in which a head moving mechanism 24 serially scans the recording paper 22 along a slide shaft 25.
[0027]
FIG. 7 shows one piezoelectric element and an ink ejection mechanism of the recording head and a driving mechanism of the piezoelectric element. An ink chamber 2 communicating with the nozzle 1 is supplied with ink from an ink supply path 3. A part of the wall surface of the ink chamber is a pressure wall 2p, and a piezoelectric element composed of a piezoelectric ceramic 4 having electrodes 4e on both surfaces is bonded. The pressure wall 2p also has a function of an elastic plate 4t for converting a strain displacement of the piezoelectric ceramics 4 into a bending displacement. When a voltage in the same direction as the applied voltage at the time of polarization is applied to the electrode 4e, the piezoelectric ceramics 4 generates expansion strain in the thickness direction and shrinks in the spreading direction, so that the difference in elastic modulus between the elastic plate 4t and the bonded elastic plate 4t. The elastic plate warps outward. In this embodiment, since the elastic plate 4t also serves as the pressure wall 4p of the ink chamber, when a voltage is applied to the piezoelectric element 4 in the same direction as the voltage applied during polarization, the ink chamber is reduced. In this embodiment, the positive electrode during polarization of the piezoelectric element 4 is connected to the charge / discharge device 5 in common with a plurality of piezoelectric elements as a common electrode terminal tc, and the negative electrode is used as a segment electrode terminal ts for each element. And is independently connected to the switching device 7. The charging / discharging device 5 is connected to a power source of a bias voltage Vb and a power source of a voltage obtained by adding a drive voltage VD to the bias voltage Vb, and includes a bias voltage applying device 6.
[0028]
FIG. 8 shows the inter-electrode voltage of the piezoelectric element of this embodiment and the bending displacement thereof. In the present embodiment, when the power of the recording apparatus is turned on, a bias voltage Vb in the same direction as the applied voltage at the time of polarization is applied to the piezoelectric element as shown by reference numeral B in the drawing. The state in which the voltage is applied is set as the base state of the piezoelectric element, and a driving operation for ejecting ink is performed by a method called pressing described in the conventional example. That is, as indicated by reference numeral I in the drawing, the piezoelectric element bends in the direction of pressurizing the ink chamber by applying the voltage VD to the piezoelectric element in response to the drive signal and rapidly charging the piezoelectric element, thereby ejecting ink from the nozzles. When the ejection of the ink is completed, the voltage VD is reduced to the voltage Vb and discharged as shown by a symbol R in the figure, and the distortion of the piezoelectric element is returned to the base state before the ink ejection at the voltage Vb, and the ink chamber is filled. Expand. Although the present embodiment uses a plate-like piezoelectric element having a relatively large overshoot, each piezoelectric element is repeatedly driven at a high speed of up to 12 kHz. Since the state in which the bias voltage is applied to the piezoelectric element is the base state, the distortion direction of the piezoelectric element at the time of overshoot does not exceed 0 and always stays in the same direction without reversing, as shown by reference numeral O in the drawing. Therefore, fatigue breakage of the piezoelectric element is prevented. In addition, since the distortion at the time of overshoot does not become an unstable state near distortion 0, the contraction time of overshoot is faster than that of the conventional method, and since there is no variation between elements, the frequency of high-speed repetitive driving is reduced. Became practically possible. Further, in the present embodiment according to the present invention, the electromechanical conversion efficiency of the piezoelectric element is high as described in the first embodiment, and a constant area can be used between the elements. The effect of improvement and reduction of variation between elements can be effectively obtained, and high-speed driving and multi-element implementation are practically possible.
[0029]
FIG. 9 shows a driving circuit of the piezoelectric element of this embodiment. A portion surrounded by a broken line indicated by reference numeral CG in the figure is a charge / discharge circuit for charging and discharging the piezoelectric elements, and reference numerals C1, C2,... Represent a plurality of piezoelectric elements provided in respective ink chambers. Is shown. The polarity of the applied voltage during polarization of the piezoelectric element is indicated by + and-. In this embodiment, the terminal tp3 of the charge / discharge circuit CG is commonly connected to the plus electrodes of a plurality of piezoelectric elements, and a voltage is applied during the charge and discharge operations. The negative electrodes of the plurality of piezoelectric elements C1, C2, ... are connected to the respective switching circuits S1, S2, ... and apply a control voltage to the respective control terminals tpS1, tpS2 to apply a control voltage to each of the elements. Controls ON / OFF of charging. The charge / discharge circuit CG is connected to two power supplies having different potentials of Vb + VD and Vb, and the charge control terminal tp1 and the discharge control terminal tp2 are set to a potential of 0 V in an initial state. In the circuit, by setting the potential of the charge control terminal tp1 to 5 V, the portion indicated by M1 in the drawing is turned on, charging of the capacitor C0 is started with a constant current, Tr1 is turned on, and the potential of the charge / discharge terminal Tp3 is Vb + VD. To rise. Here, assuming that the piezoelectric element for performing the discharging operation is C1, by setting the switching control terminal tpS1 of the switching circuit S1 connected to the minus terminal of the piezoelectric element C1 to 5 V, a current flows through the piezoelectric element C1 and is charged to the potential Vb + VD. . On the other hand, assuming that the piezoelectric element that does not perform the ejection operation is C2, by setting the switching control circuit tpS2 of the switching circuit S2 connected to the minus terminal of the piezoelectric element C2 to 0 V, the potential of the charge / discharge terminal tp3 of the charge / discharge circuit CG becomes Even if it rises, no current flows through the piezoelectric element C2, so that the charging operation is not performed. The piezoelectric element to be discharged by the above operation is charged, and the ink chamber is pressurized to discharge ink. Next, an operation of discharging all the piezoelectric elements to the potential Vb in order to return the piezoelectric elements to the original state will be described. By returning the charge control terminal tp1 to 0 V and setting the discharge control terminal tp2 to 5 V, the portion indicated by M2 in the figure is turned on, the electric charge of the capacitor C0 is discharged at a constant current, and the transistor Tr2 is turned on. The electric potential of the charge / discharge terminal tp3 is reduced, and the connected piezoelectric elements C1, C2,. Here, since the capacitor C0 is connected to the bias power supply Vb through the diode D, the Tr2 is turned off when the voltage of the CO is substantially Vb, and the piezoelectric element is turned on when the potential of the charge / discharge terminal tp3 is substantially Vb. Discharge stops. Therefore, when the piezoelectric element is driven by using the circuit of the present embodiment, the bias voltage Vb in the same direction as the polarization voltage is always applied to the piezoelectric element, so that a plurality of piezoelectric elements can be driven by pushing.
[0030]
A third embodiment using the present invention will be described with reference to FIGS. 10, 11, 12, and 13. FIG. This embodiment is a color printing apparatus provided with a total of four elements each of which can discharge yellow, magenta, cyan, and black inks. The recording density is 300 dpi and the recording area is equivalent to A6 to A4, and is intended for printing television images for home use and recording photographic data. Each element is a thickness-vibration type piezoelectric element that expands and contracts the ink chamber and performs a driving operation called “pulling”. By modulating the driving waveform for color recording, the ink ejection amount per time Can be modulated.
[0031]
FIG. 10 shows an element configuration of the color printing apparatus of this embodiment. This embodiment has an element configuration of one nozzle for each color in order to realize color printing at low cost. In the conventional method, when a printing apparatus is configured with a small number of elements, the number of driving operations per element becomes extremely large with respect to the number of printing media, and it is difficult to put the printing apparatus to practical use in terms of life. Since the life of the piezoelectric element was remarkably improved, the recording apparatus of this embodiment was realized. Further, in the present embodiment, the driving repetition frequency of the element can be increased to 28 kHz by the present invention, so that a practical recording speed can be achieved with a small number of recording elements. Numeral 34 in the figure is a drum around which the recording paper 33 is wound. Numeral 30 in the figure is a head having nozzles, ink chambers, and ink ejection elements composed of piezoelectric elements. Four color inks are supplied from the possible ink cartridges 31. The head 30 is fixed to a carriage denoted by reference numeral 32 in the figure, and the carriage 32 is configured to be driven in a drum axis direction by a screw-shaped head moving shaft 35. After the paper is wound, the drum 34 is rotated at a high speed by a DC motor 36, and the head moving shaft is moved by 1/300 inch per one rotation of the drum by a stepping motor 37. In this embodiment, a full-color A5 equivalent screen can be printed in about 2 minutes despite a structure that can be manufactured at a very low cost.
[0032]
FIG. 11 is a view showing a one-element ink ejection mechanism and a driving mechanism of a piezoelectric element of the present embodiment. A nozzle denoted by reference numeral 1 in the drawing, an ink chamber 2 communicating therewith, an ink supply path 3 for supplying ink to the ink chamber, and a part of the ink chamber 2 are pressure walls 2p and are joined to the piezoelectric element 4. The piezoelectric element 4 is made of piezoelectric ceramics having electrodes 4e formed on both surfaces, and the electrodes 4e are formed on the surface orthogonal to the surface joined to the pressure wall 2p and the thickness is vibrated. The operation of expanding the ink chamber can be performed by applying the voltage of the element. In this embodiment, the piezoelectric element is driven by a charging / discharging device indicated by reference numeral 5 in the drawing to drive the piezoelectric element in a so-called pulling mode, and ink is ejected. A voltage is applied to the piezoelectric element in the same direction as the polarization voltage of the piezoelectric element during expansion, reduction, or before and after the expansion. As a result, it is possible to remarkably prolong the service life by increasing the driving speed and preventing the fatigue breakage of the piezoelectric element as described in the first and second embodiments.
[0033]
Further, in this embodiment, in order to improve the gradation recordability, the drive voltage of the piezoelectric element is modulated in eight steps, and when the normal ink discharge amount is 100%, the ink discharge amount at one time is 90%, 80%. %, 70%,..., 30%, and up to 30% at 10% intervals. That is, when discharging 100% of the ink amount, as shown in FIG. 12, the charging voltage is set to VD1 with respect to the bias voltage Vb, the piezoelectric element is distorted in a direction to expand the ink chamber, and the discharge is performed to Vb at the discharge timing. In the case of 60% and 30% discharge, for example, the piezoelectric element is charged with the voltages shown by VD2 and VD3 in FIG. 12 to reduce the expansion amount of the ink chamber, and is discharged to Vb at the discharge timing, respectively. A certain amount of ink is ejected. In the conventional method, when the voltage is modulated as in the present embodiment to drive the piezoelectric element, and the ink ejection amount is modulated, the electromechanical conversion efficiency fluctuates around the voltage 0 of the piezoelectric element, and the driving voltage is modulated. However, quantitative control of the discharge amount was impossible. According to the present invention, since the piezoelectric element is always driven by applying a voltage equal to or higher than the voltage Vb, the piezoelectric element can be driven in a region VD where the electromechanical conversion efficiency is constant as shown in the graph of FIG. Since the efficiency is not affected by the characteristic near distortion 0 where the efficiency is not constant, the modulation of the amount of ejected ink can be performed according to the design value.
[0034]
FIG. 13 shows a driving circuit of the piezoelectric element of the present embodiment. The charging / discharging circuit CG has the same configuration as that of the above-described embodiment 2, and the piezoelectric element C has a control voltage of 5 V applied to the charge control terminal tp1. Is applied, and is discharged by applying a control voltage of 5 V to the discharge control terminal tp2. In addition, since the bias voltage is determined at the portion indicated by BC in the figure, the charging and discharging of the piezoelectric element C is always performed at the bias voltage Vb or higher. In this embodiment, as shown in FIG. 12, in order to modulate the charge potential, the charge control signal applied to the charge control terminal tp1 is pulse width modulated according to the density of the print data, thereby modulating the charge time and the charge amount. Controlling. In the conventional method of charging from 0 V, even if the charging time is controlled, the charging potential is not proportional to the charging time, and the charging potential becomes a design value due to the characteristic variation of the piezoelectric element. In the present embodiment, the charging potential of the piezoelectric element can be defined by the charging time as a design value.
[0035]
FIG. 14 is a sectional view showing the fourth and fifth embodiments according to the present invention, in which a structural material for holding the piezoelectric element in a compressed state is provided. FIG. 14A shows that a piezoelectric element 4 having electrodes 4e on both surfaces is held in a compressed state by a pressing member 8 via a spacer 8s. In this embodiment, the compression member 8 is made of zirconia-based ceramics, and the spacer 8s is made of resin. After the piezoelectric member 4 is sandwiched between the compression member 8 and the adjustment screw (not shown), a pressure is applied in a direction to compress the piezoelectric element 4. ing. FIG. 14B shows an ink flow path including a nozzle 1, an ink chamber 2, and an ink supply path 3, a pressure wall 2p provided in a part of the ink chamber 2, and a piezoelectric element 4 connected to the pressure wall 2p. In the embodiment, the piezoelectric element 4 is compressed in advance in the vertical direction in the figure by a compression member 8 made of a shape memory alloy. In each of the embodiments shown in FIG. 14, the piezoelectric element is structurally in a compressed state. In this way, even if a bias voltage is not applied during driving, the distortion of the piezoelectric element does not exceed 0 due to overshoot at the time of discharging of the piezoelectric element and does not reverse, so that fatigue damage of the piezoelectric element can be prevented.
[0036]
As described above, the present invention is similarly effective in the so-called push driving method and the pull driving method as described in the present embodiment. Further, the piezoelectric element described in the present embodiment is a method of ejecting ink using displacement in the thickness direction of the piezoelectric ceramics or the laminated piezoelectric ceramics, or converting the distortion in the thickness direction into bending displacement to convert the ink. Although the ejection method is used, the present invention has the same effect even when the displacement of the piezoelectric element is a shear displacement. Further, in each of the embodiments, the piezoelectric element has a structure in which the wall surface of the ink chamber is displaced. However, the present invention is also applicable to a method in which the piezoelectric element is provided in the ink chamber and a pressure is directly applied to the ink. Has an effect. Furthermore, in the present embodiment, a method of defining the discharge potential of the charge / discharge circuit is used as a method of applying a bias voltage to the piezoelectric element, but the present invention limits the discharge time of the piezoelectric element and holds the potential of the piezoelectric element. The same effect can be obtained regardless of the method of applying the bias voltage.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, the driving operation is always performed in a distortion state in the same direction without the distortion of the piezoelectric element exceeding 0 and being reversed. Therefore, the fatigue breakage of the piezoelectric element is prevented, and the life is remarkably improved. In addition, since the piezoelectric element is driven at a portion where the electromechanical conversion efficiency is high, a high-speed and high-efficiency driving operation can be performed. In addition, when a plurality of piezoelectric elements are used, the driving operation is performed not in the vicinity of the strain 0 where the electromechanical conversion characteristics vary greatly, but in a region where the characteristics are uniform. Therefore, the characteristic variation between the elements can be substantially reduced with a simple structure. . Therefore, high-speed repetitive driving using a large number of piezoelectric elements becomes substantially possible, and a high-speed ink jet recording apparatus can be realized.
[0038]
Further, according to the present invention, in addition to the effects described in the embodiment, the rigidity of the piezoelectric element is increased by always keeping the piezoelectric element in a distorted state, and unnecessary vibration of the pressure wall of the ink chamber is suppressed. There is also an effect that crosstalk due to inter-propagation vibration can be reduced. In addition, since a voltage in the same direction as that during polarization is always applied to the piezoelectric element, there is an effect that the polarization state is stably maintained even in long-term repeated driving.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view and a configuration diagram of an apparatus showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of an apparatus showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing driving waveforms and displacements according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing electromechanical conversion characteristics of a piezoelectric element.
FIG. 5 is a circuit diagram of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of an apparatus showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view and a configuration diagram of an apparatus showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a driving waveform and displacement according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram of an apparatus showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view of an apparatus showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view and a configuration diagram of an apparatus showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a drive waveform and displacement according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a circuit diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view showing the fourth and fifth embodiments of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a structure and a polarization direction of a piezoelectric element.
FIG. 16 is a sectional view of an apparatus showing a conventional example.
FIG. 17 is a sectional view of an apparatus showing a conventional example.
FIG. 18 is a diagram showing a driving waveform and displacement of a conventional example.
FIG. 19 is a sectional view showing an example of destruction of a conventional piezoelectric element.
FIG. 20 is a diagram showing driving displacement of a piezoelectric element.
[Explanation of symbols]
1: Nozzle
2: Ink chamber
2p: Pressure wall
3: Ink supply path
4: Piezoelectric element
5: Charge / discharge device
6: bias voltage applying device
7: Switching device
8: Compression member

Claims (6)

インクを吐出するノズルと、前記ノズルに連通したインク室と、前記インク室の一部に設けられたインク室の容積を変化させる圧力壁と、前記インク室にインクを供給する供給路と、電圧の印加によって形状を変化させる圧電素子とを備え、前記圧力壁と前記圧電素子が機械的に接続されており、前記圧電素子に印加する電圧の変化で前記インク室の容積を拡張及び縮小、または、縮小及び拡張させ前記ノズルよりインクを吐出させるオンデマンド方式のインクジェット記録装置において、
前記圧力室の拡張時または縮小時またはその前後のいずれにおいても前記圧電素子に常に一方向の歪みを加える機構として前記圧電素子の分極電圧と同方向のバイアス電圧を印加する機構を備え、
該バイアス電圧を印加する機構は、印加されるバイアス電圧による前記圧電素子の歪み幅が、前記圧電素子の残留振動の振幅の最大値よりも大きくなるようにバイアス電圧を加えるものであり、
前記圧力室の拡張時または縮小時に生じる前記圧電素子の残留振動によって前記圧電素子の歪み方向が反転しないようにしたことを特徴とするインクジェット記録装置。
A nozzle for discharging ink, an ink chamber communicating with the nozzle, a pressure wall for changing a volume of the ink chamber provided in a part of the ink chamber, a supply path for supplying ink to the ink chamber, and a voltage A piezoelectric element that changes its shape by the application of the pressure wall and the piezoelectric element are mechanically connected, and the volume of the ink chamber is expanded or reduced by a change in the voltage applied to the piezoelectric element, or In an on-demand type ink jet recording apparatus for discharging ink from the nozzles by reducing and expanding,
A mechanism for applying a bias voltage in the same direction as the polarization voltage of the piezoelectric element as a mechanism for always applying a unidirectional strain to the piezoelectric element during expansion or contraction of the pressure chamber or before or after the expansion,
The mechanism for applying the bias voltage is to apply the bias voltage so that the distortion width of the piezoelectric element due to the applied bias voltage is larger than the maximum value of the amplitude of the residual vibration of the piezoelectric element.
An ink jet recording apparatus, wherein the distortion direction of the piezoelectric element is not reversed by the residual vibration of the piezoelectric element generated when the pressure chamber expands or contracts.
前記バイアス電圧が、前記圧電素子の放電動作時における残留振動の振幅の最大値ΔDと、前記圧電素子の電圧印加部の総厚みHと、前記圧電素子の隣り合う電極間の距離hと、圧電常数dと、によって規定される値(ΔD×h)/(d×H)以上であることを特徴とする請求項1記載のインクジェット記録装置。The bias voltage has a maximum value ΔD of the amplitude of the residual vibration during the discharging operation of the piezoelectric element, a total thickness H of a voltage applying portion of the piezoelectric element, a distance h between adjacent electrodes of the piezoelectric element, 2. An ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the value is equal to or more than a value ([Delta] D * h) / (d * H) defined by a constant d. 上記バイアス電圧が、上記規定される値の2倍以上であることを特徴とする請求項2記載のインクジェット記録装置。 3. The ink jet recording apparatus according to claim 2 , wherein the bias voltage is at least twice the specified value. インクを吐出するノズルと、前記ノズルに連通したインク室と、前記インク室の一部に設けられたインク室の容積を変化させる圧力壁と、前記インク室にインクを供給する供給路と、電圧の印加によって形状を変化させる圧電素子とを備え、前記圧力壁と前記圧電素子が機械的に接続されており、前記圧電素子に印加する電圧の変化で前記インク室の容積を拡張及び縮小、または、 縮小及び拡張させ前記ノズルよりインクを吐出させるオンデマンド方式のインクジェット記録装置において、
前記圧力室の拡張時または縮小時またはその前後のいずれにおいても前記圧電素子に常に一方向の歪みを加える機構として前記圧電素子を圧縮状態に保持する構造材、または、加圧機構を備え、
前記圧力室の拡張時または縮小時に生じる前記圧電素子の残留振動によって前記圧電素子の歪み方向が反転しないようにしたことを特徴とするインクジェット記録装置。
A nozzle for discharging ink, an ink chamber communicating with the nozzle, a pressure wall for changing a volume of the ink chamber provided in a part of the ink chamber, a supply path for supplying ink to the ink chamber, and a voltage A piezoelectric element that changes its shape by the application of the pressure wall and the piezoelectric element are mechanically connected, and the volume of the ink chamber is expanded or reduced by a change in the voltage applied to the piezoelectric element, or In an on-demand type ink jet recording apparatus for discharging ink from the nozzles by reducing and expanding,
A structure that holds the piezoelectric element in a compressed state as a mechanism for always applying a unidirectional strain to the piezoelectric element at the time of expansion or contraction of the pressure chamber or before or after the expansion or contraction , or a pressure mechanism ,
An ink jet recording apparatus, wherein the distortion direction of the piezoelectric element is not reversed by the residual vibration of the piezoelectric element generated when the pressure chamber expands or contracts.
前記圧電素子に印加される最大電圧を変化させることでインク吐出量の変調を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のインクジェット記録装置。4. The ink jet recording apparatus according to claim 1 , wherein the ink ejection amount is modulated by changing a maximum voltage applied to the piezoelectric element. 5. 前記圧電素子の電圧印加部に印加する電界を、分極時と同方向とし、かつ、常に50kV/m以上の電界強度で駆動することを特徴とする請求項1に記載のインクジェット記録装置。2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein an electric field applied to the voltage applying section of the piezoelectric element is driven in the same direction as the polarization, and is always driven at an electric field strength of 50 kV / m or more.
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