JP3669409B2

JP3669409B2 - インクジェット式記録装置

Info

Publication number: JP3669409B2
Application number: JP7134098A
Authority: JP
Inventors: 稔碓井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: JPH11254672A

Description

【０００１】
【発明が属する技術の分野】
本発明は、圧電振動子をアクチュエータに使用したインクジェット記録ヘッドの駆動技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一部が弾性板により構成され、ノズル開口に連通する圧力発生室を、圧電振動子により膨張、収縮させて、インクの吸引、インク滴の形成を行うインクジェット式記録ヘッドは、アクチュエータである圧電振動子の変位を信号波形により任意に制御できるため、発熱素子を駆動手段に使用するインクジェット式記録ヘッドに比較してインク滴のサイズ等を制御しやすく、高い解像度で、かつ高速度での印刷が可能である。
【０００３】
ところが、このような圧電振動子は必然的に残留振動を伴うため、インク滴吐出後にも大きな残留振動が残ってメニスカスの挙動に影響を与え、これに起因して次のインク滴吐出時におけるメニスカスの位置がバラつき、結果としてインク滴の飛翔方向が変動したり、またメニスカスのノズル開口側への大きなオーバーシュートによりインクミストが生じたりして印字品質に低下を来す場合がある。このような問題を解消するため、圧力発生室を拡大させる第１の工程と、膨張状態にある圧力発生室を収縮させてノズル開口からインク滴を吐出させる第２の工程と、インク滴吐出後に生じたメニスカスの振動がノズル開口側に向かう時点で第１の工程よりも小さい容積で圧力発生室を拡大させ、インク滴の吐出により発生したメニスカスの振動を圧力発生室側に引き込んでメニスカスの振動を効果的に減衰させ、かつ次のインク滴吐出に最適な位置となるようにノズル開口の内側にメニスカスを留めさせる駆動方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような駆動を実現するためには、図６に見られるように中間電圧から一方の方向への電圧の変化と、他方の方向への電圧の変化を必要とするため、最高電圧Ｖｈと最低電圧ＶLとの差電圧Ｖ１が圧電振動子に作用することになり、圧電振動子や駆動回路を構成する電子部品にはこれに相当する耐圧が求められ、圧電振動子に大きな変位を必要とする装置にあっては圧電振動子や回路部品に耐電圧の高いものが必要となり、コストの上昇を招くという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、中間電圧から両方向に電圧変化するという駆動信号の特性を積極的に利用して、圧電振動子や電子部品の低耐圧化を図ることができる新規なインクジェット式記録装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解消するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、ノズル開口、及びインク供給口を介してリザーバに連通する圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮してインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドと、中間の電圧から一方の方向に一定の変化率で電圧変化する第１の信号と、所定電圧を保持する第２の信号と、前記所定電圧から前記中間の電圧まで一定の変化率で電圧変化する第３の信号を１グループとして、印刷周期内で少なくとも２グループ分、発生させる信号発生手段と、該信号発生手段から印刷周期内に出力された１のグループの前記信号を直接に前記圧電振動子に出力するとともに、前記１のグループに引き続いて発生する次のグループの前記信号を反転させて前記圧電振動子に出力する極性切替手段とを備えるようにした。
【０００６】
【作用】
圧電振動子は、信号発生手段の最高電圧が作用するものの、最高電圧の倍の変位を生じるから、インク滴のインク量を確保しつつ、圧電振動子の耐圧を下げることが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示すものであって、図中符号１はノズル開口２が穿設されたノズルプレート、３は流路構成板、４は弾性板で、流路構成板３の両面をノズルプレート１と弾性板４とで封止してインク流路ユニットが構成されている。
【０００８】
このインク流路ユニット５は、圧力発生室６、リザーバ７、及びこれらを接続するインク供給口８を有し、後述する圧電振動子９の変位を受けてノズル開口２からインク滴を吐出したり、またリザーバ４のインクを圧力発生室６に吸引する。
【０００９】
９は、圧電振動子で、伸長方向に平行に圧電材料１０と内部電極１１、１２となる導電材料を交互に積層して構成され、充電状態では導電層の積層方向と直角な方向に収縮し、また充電状態から放電状態に移る時点で導電層と直角な方向に伸長する、いわゆる縦振動モードの振動子で、その先端を圧力発生室６を形成している弾性板４に当接させた状態で他端が基台１３に固定されている。
【００１０】
図２は、上述したインクジェット式記録ヘッドを駆動する駆動回路の一実施例を示すものであって、図中符号２０は、制御信号発生回路で、入力端子２１、２２と出力端子２３、２４、２５を備え、端子２１、２２には印刷データを生成する外部装置からの印字信号とタイミング信号が入力し、また出力端子２３、２４、２５からシフトクロック信号、印字信号、及びラッチ信号が出力するように構成されている。
【００１１】
２６は、駆動信号発生回路で、端子２２から入力した外部装置からの１印刷周期を規定するタイミング信号内で少なくと２回、好ましくは１／２の周期に同期して極性切替回路２８を介して出力端子２９、３０に後述する駆動信号を出力するものである。出力端子２９には、後述するフリップフロップからの信号によりオン・オフ制御を受ける双方向トランジスタＳを介して圧電振動子９、９、９‥‥の一方の端子が、また出力端子３０には圧電振動子９、９、９の他方の端子が接続されている。
【００１２】
切替信号発生回路２７は、端子２２から入力したタイミング信号に規定されて、ブリッジ接続されたトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の内、対をなすトランジスタＴ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３、Ｔｒ４を、好ましくはタイミング信号の１／２の周期で信号を出力して、交互にオン、オフさせ、駆動信号発生回路２６の信号を、１印刷周期内で直接、及び極性を反転させた信号を圧電振動子９に出力させるものである。
【００１３】
Ｆ１、Ｆ１、Ｆ１‥‥は、それぞれラッチ回路を構成するフリップフロップであり、またＦ２、Ｆ２、Ｆ２‥‥はシフトレジスタを構成するフリップフロップで、フリップフロップＦ２、Ｆ２、Ｆ２‥‥から各圧電振動子９、９、９‥‥に対応して出力された印字信号をフリップフロップＦ１、Ｆ１、Ｆ１‥‥でラッチし、各双方向スイッチングトランジスタＳ、Ｓ、Ｓ‥‥に選択信号を出力するように構成されている。
【００１４】
図３は、制御信号発生回路２０の一実施例を示すものであって、図中符号３１は、カウンタで、端子２２から入力するタイミング信号（図５（I））の立ち上がりで初期化され、発振回路３３からのクロック信号を圧電振動子９、９、９‥‥の数に一致する値まで計数した時点でＬＯＷレベルのキャリー信号を出力して計数動作を停止するものである。このカウンタ３１のキャリー信号は、ＡＮＤゲートにより発振回路３３のクロック信号と論理積を取られて端子２３にシフトクロック信号として出力する。
【００１５】
また、符号３４は、端子２１から入力する圧電素子９、９、９‥‥に一致するビット数の印字データを記憶するメモリで、ＡＮＤゲートからの信号に同期して内部に記憶している印字データを端子２４に１ビット毎にシリアル出力する機能をも合わせ備えている。
【００１６】
この端子２４からシリアル転送される印字信号は、次の印刷周期で双方向スイッチングトランジスタＳ、Ｓ、Ｓ‥‥の選択信号となり、印字信号の端子２３から出力されたシフトクロック信号により前述のシフトレジスタを構成しているフリップフロップＦ１、Ｆ１、Ｆ１、‥‥にラッチされる。なお、ラッチ信号（図５（VIII））は、前述のキャリー信号の立ち下がりに同期してラッチ信号生成回路３５から出力される。
【００１７】
図４は、駆動信号発生回路２６の一実施例を示すものであって、図中符号４０は、第１タイミング制御回路で、従属接続された２つのワンショットマルチバイブレータＭ１、Ｍ2を有し、各ワンショットマルチバイブレータＭ１、Ｍ2にはそれぞれ第１の充電時間（Ｔc1）と第１のホールド時間（Ｔh）との和Ｔ1＝（Ｔc1＋Ｔh）、放電時間（Ｔd1）と第２のホールド時間（Ｔh2）との和Ｔ2＝（Ｔd＋Ｔh2）を規定するためのパルス幅（図５（II）、（III））が設定されている。
【００１８】
各ワンショットマルチバイブレータＭ１、Ｍ2から出力するパルスの立ち上がり、立ち下がりにより、それぞれ充電を実行させるトランジスタＱ2、放電を実行させるトランジスタＱ3をオン、オフ制御するように構成されている。
【００１９】
外部装置からのタイミング信号が端子２２に入力すると、タイミング制御回路４０を構成するワンショットマルチバイブレータＭ１は、予めこれに設定されているパルス幅（Ｔc1＋Ｔh）のパルス信号（図５（II））を出力する。このパルス信号によりトランジスタＱ1がオンとなると、コンデンサＣ１がトランジスタＱ2と抵抗Ｒ1とにより定まる一定電流でもって充電される。この充電によりコンデンサＣ１の端子電圧が電源電圧ＶHになると、充電動作が自動的に停止し、以後、放電されるまでこの電圧が維持される。
【００２０】
次ぎにワンショットマルチバイブレータＭ１のパルス幅に相当する時間（Ｔc1＋Ｔh）＝Ｔ1が経過してこれが反転すると、トランジスタＱ1がオフとなり、またワンショットマルチバイブレータＭ2からパルス信号（図５（III））が出力してトランジスタＱ3がオンとなってコンデンサＣ１を放電させる。この放電は、トランジスタＱ4と抵抗Ｒ3とにより定まる一定電流で所定の電圧Ｖ１まで実行される。
【００２１】
このような充放電により、図５（IV）に示したように電圧Ｖ１から電圧ＶHに一定の勾配で上昇し、この電圧ＶHを一定時間Ｔhを保持し、今度は一定の勾配でＶ１まで降下する電圧波形が得られる。
【００２２】
次ぎにこのように構成した装置の動作について説明する。
前述したように制御信号発生回路２０は、前回の印刷周期の間に双方向スイッチングトランジスタＳ、Ｓ、Ｓ、‥‥の選択信号をフリップフロップＦ１、Ｆ１、Ｆ1‥‥にラッチさせている。その後、タイミング信号（図５（I））が入力すると、駆動信号発生回路２６が作動する。印刷周期の前半では極性切替回路２８のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２がオンとなり双方向スイッチングトランジスタＳを介して圧電振動子９に印加される（図５（V））。これにより、圧電振動子９は、電圧Ｖ１から電圧ＶHまで一定の電圧上昇率で充電され、一定速度で収縮して圧力発生室６を膨張させる。
【００２３】
この圧力発生室６の膨張によりインク供給口８を介してリザーバ４のインクが圧力発生室６に流れ込み、同時にノズル開口２のメニスカスが圧力発生室６側に引き込まれる。駆動信号が電圧ＶHに到達すると、所定時間Ｔhの期間だけこの電圧ＶHを維持し、その後に電圧Ｖ１に向けて降下する。
【００２４】
駆動信号が電圧Ｖ１に向けて降下すると、電圧ＶHに充電されていた圧電振動子９、９、９、‥‥の充電電荷が放電されて元の状態に復帰、つまり伸長して圧力発生室６を収縮させる。この圧力発生室６の収縮によりインクが加圧されてノズル開口２からインク滴として吐出する。
【００２５】
このようにして駆動信号発生回路２６の駆動信号が電圧Ｖ１まで降下すると、インク滴の吐出に影響を与えない程度の時間Δｔ、例えば４マイクロ秒以下の時間をおいて、再び駆動信号発生回路２６から信号が出力する。同時に切替信号発生回路２７は、極性切替回路２８のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２をオフとし、代わってＴｒ３、Ｔｒ４をオンにして双方向スイッチングトランジスタＳを介して圧電振動子９に駆動信号発生回路２６の信号をその極性を反転させて圧電振動子９に印加する（図５（VI））。
【００２６】
これにより、圧電振動子９は、電圧Ｖ１から電圧−ＶHまで一定の電圧降下率でさらに放電され、一定速度で極性反転前の伸長動作を引き継ぐようにさらに伸長されて圧力発生室６を収縮させ、圧電振動子９や双方向トランジスタＳに作用する電圧の増大を来すことなく、圧縮量を確保してインク滴のインク量を確保する。
【００２７】
駆動信号が電圧ＶHに到達すると、所定時間Ｔhの期間だけこの電圧ＶHを維持し、その後に電圧Ｖ１に向けて上昇する。
【００２８】
駆動信号が電圧Ｖ１に向けて上昇すると、電圧−ＶHに充電されていた圧電振動子９、９、９、‥‥の充電電荷が放電されて元の状態に復帰、つまり収縮して圧力発生室６を膨張させる。これにより印刷により消費されたインクがリザーバ４から圧力発生室６に流れ込み、次の印刷に備える。
【００２９】
そして、極性切替後における駆動信号の降下時点を、インク滴吐出後のメニスカスの振動が圧力発生室６側に最も引き込まれ、ノズル開口２の側に転じる時点となるようにタイミングを一致さておきさえすれば、圧力発生室６の微小膨張によりノズル開口側に移動するように反転したメニスカスを圧力発生室側に引き戻すことができ、メニスカスの運動エネルギを減じて、インクミストの発生を防止することができる。
【００３０】
以下、上述の工程をタイミング信号の１／２の周期に同期して駆動信号発生回路２６の信号を切替信号発生回路２７を介して圧電振動子９に選択的に印加して印刷を実行する。
【００３１】
このように、圧電振動子９の両端子に時間をおいて駆動信号発生回路からの信号が極性を反転されて印加するため、圧電振動子９には駆動信号発生回路２６の電圧Ｖhの２倍程度の変位を生じることになり、圧電振動子９やスイッチングトランジスタＳの耐圧を下げつつ、インク滴のインク量を確保することができる。
【００３２】
なお、上述の実施例においては、軸方向に伸縮変位する圧電振動子に例を採って説明したが、たわみ変位する圧電振動子を用いた記録ヘッドに適用しても同様の作用を奏することは明らかである。
【００３３】
また、上述の実施例においては各信号の出力時点をワンショットマルチバイブレータにより制御しているが、マイクロコンピュータ等他のタイミング制御手段を使用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット記録装置に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明のインクジェット式記録装置の一実施例を示すブロック図である。
【図３】同上装置における制御信号発生回路の一実施例を示すブロック図である。
【図４】同上装置における駆動信号発生回路の一実施例を示す回路図である。
【図５】図（I）乃至（IX）はぞれぞれ同上装置の動作を示す波形図である。
【図６】従来の駆動信号の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
１ノズルプレート
２ノズル開口
３圧力発生室
８弾性板
９圧電振動子

Claims

ノズル開口、及びインク供給口を介してリザーバに連通する圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮してインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドと、
中間の電圧から一方の方向に一定の変化率で電圧変化する第１の信号と、所定電圧を保持する第２の信号と、前記所定電圧から前記中間の電圧まで一定の変化率で電圧変化する第３の信号を１グループとして、印刷周期内で少なくとも２グループ分、発生させる信号発生手段と、
該信号発生手段から印刷周期内に出力された１のグループの前記信号を直接に前記圧電振動子に出力するとともに、前記１のグループに引き続いて発生する次のグループの前記信号を反転させて前記圧電振動子に出力する極性切替手段と、を備えてなるインクジェット式記録装置。
前記第１の信号が前記圧力発生室を膨張させ、また前記第３の信号が前記圧力発生室を収縮させる電圧変化である請求項１に記載のインクジェット式記録装置。
前記極性切替手段と前記圧電振動子との間に、印字信号により制御を受ける双方向スイッチング手段が接続されている請求項１に記載のインクジェット式記録装置。
前記信号発生手段が、前記１のグループの信号を発生した後、インク滴の吐出に影響を及ぼさない程度の時間差をおいて次のグループの信号を発生する請求項１に記載のインクジェット式記録装置。
前記時間差が４マイクロ秒以下である請求項４に記載のインクジェット式記録装置。