JP3769371B2 - インクジェット式記録ヘッドの駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを圧力発生手段で加圧してインクを吐出させて文字や図形を記録する記録ヘッドからインク滴を吐出させるための記録ヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドにおいて、インク滴の吐出重量を減らすことは、低濃度領域での粒状性を目立たなくすることができ、記録品質を高めることができる。例えば、特開昭５５−１７５８９号公報等に記載されているように、インクを収容した圧力発生室を膨張させてから収縮するという、いわゆる「引き打ち」を行うことによって、吐出するインク滴の重量を少なくし、記録ドット径を小さくすることが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いわゆる「引き打ち」のみで吐出インク重量を減らすためには、圧力発生室を収縮する直前に行う膨張工程における膨張量を増やす必要があり、収縮直前の膨張量が増えるほど、収縮直後に発生する圧力発生室の残留振動が大きくなり、吐出インク滴の直進性を損ねたり、意図しないインク滴の吐出を引き起こす可能性が高まる。
【０００４】
そこで、本発明では、圧力発生室を収縮してインク滴を吐出させる工程の直前に行う膨張工程の膨張量を増やすことなく、吐出インク重量を減らして、記録品質を向上することのできる駆動方法を提供する。
【０００５】
更に、本発明では、環境温度の変化に対しても均一量のインク吐出量を確保することのできる駆動方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明に於けるインクジェット式記録ヘッドの駆動方式は、ノズル開口と共通のインク室に連通する圧力発生室を備え、前記圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させて前記圧力発生室へインクの補充、ノズル開口からのインク滴吐出を行うインクジェット式記録ヘッドにおいて、ノズルメニスカスが静止している状態から、圧力発生室を収縮（工程Ｃ１）もしくは膨張（工程Ｄ１）して圧力を増減し、増減後の圧力発生室の状態を保持している間のインクの流れによって、ノズルメニスカスが圧力発生室側に引きこまれた状態を捉えて、圧力発生室を膨張して最小圧力まで減圧し、その後に最大圧力まで圧力発生室を収縮させることを特徴とする。
【０００７】
また、工程Ｃ１を行う場合は、工程Ｃ１によって収縮した圧力発生室の圧力をホールドする工程の時間が、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの１／８倍以上３／８倍以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、工程Ｄ１を行う場合は、工程Ｄ１によって膨張した圧力発生室の圧力をホールドする工程の時間が、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの５／８倍以上、７／８倍以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、工程Ｃ１もしくは工程Ｄ１において、環境温度が最高保証温度の場合は圧力発生室の収縮量もしくは膨張量を最小にし、最低保証温度に近づくに従って圧力発生室の収縮量もしくは膨張量を最高にすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（実施例１）
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。
【００１２】
図１は本発明に使用するインクジェット記録ヘッドの一実施例を示すものであって、図中の符号１は、駆動ユニットで、ジルコニアの薄板からなる振動板２の表面に、後述する圧力発生室４に対向するようにＰＺＴからなる圧電振動板３、３、３‥‥を一体に固定して構成されている。
【００１３】
５はスぺーサーで、圧力発生室４を形成するのに適した厚さ、例えば１００μｍのジルコニア（ＺｒＯ２）などのセラミック板に圧力発生室４、４、４‥‥の形状に一致した通孔を一定ピッチで穿設して構成されている。
【００１４】
６は圧力発生室４の他面を封止する基板で、圧力発生室４と対向する一端側には、ノズル開口７、７、７‥‥と圧力発生室４を接続する連通口８、８、８‥‥が、また他端側には圧力発生室４と各ノズル共通のインク室１０とを接続する連通口１１、１１、１１‥‥が設けられている。この連通口１１、１１、１１‥‥はノズル開口７、７、７‥‥とほぼ同等の流路抵抗を有する流路制限孔の役割も担っている。
【００１５】
これら３つの部材１、５、６はそれぞれユニットとして構成され、後述するユニット固定板１２に取り付けられる。
【００１６】
１２は前述のユニット固定板で、一方の面に上述したユニットが所定の位置に接着剤で固定されており、連通口１１と共通のインク室１０とを接続する連通孔１３が設けられ、また連通孔８に対向する位置にはノズル開口７と接続する連通孔１４が設けられている。
【００１７】
１５は、後述する共通のインク室構成板１６とユニット固定板１２とを接合するための熱溶着フィルムで、共通のインク室１０に一致する窓１７、及びノズル開口７、７、７‥‥圧力発生室４、４、４‥‥とを接続する連通孔１８、１８、１８‥‥とが穿設されている。
【００１８】
１６は、前述の共通のインク室構成板で、共通のインク室１０を形成するに適した厚み、例えば１２０μｍのステンレス鋼などの耐蝕性を備えた板材に、共通のインク室１０の形状に対応する通孔と、圧力発生室４、４、４‥‥とノズル開口７、７、７‥‥とを接続する連通孔９、９、９‥‥を穿設して構成されている。
【００１９】
２５はノズルプレートで、圧力発生室４、４、４‥‥の一側よりにはノズル開口７、７、７‥‥が穿設されていて、連通孔８、１４、１８、９、及び１９を介して各圧力発生室４、４、４‥‥に接続するように共通のインク室形成板１６に熱溶着フィルム２０で接着されている。
【００２０】
このように構成されたインクジェット式記録ヘッドは、圧電振動板３に一定速度で上昇する電圧からなる駆動信号が印加されると、振動板２が圧力発生室４側を凸にするようにたわんで、圧力発生室４を収縮させる。これにより、圧力発生室４のインクが連通口８、１４、１８、９及び１９を経由してノズル開口７に至り、ここからインク滴を吐出する。
【００２１】
インク滴形成後に駆動電圧を一定の速度で低下させると、圧電振動板３は元の位置に徐々に復帰して、圧力発生室４が膨張する。この過程でインク滴の形成により消費された分のインクが共通のインク室１０から連通口１１を経由して圧力発生室４に流入する。
【００２２】
図２は、上述した記録ヘッドにより圧電振動板３のたわみ変位によりインク滴を吐出させるのに適した駆動波形の一実施例を示すものである。
【００２３】
図に示すように駆動信号は、前回のインク滴吐出の一連の工程終了時の駆動電圧（中間駆動電圧ＶＭ）を保持する第一のホールド工程Ｃ８、中間駆動電圧ＶＭからインク滴を吐出させることなく圧力発生室４を収縮させて最大駆動電圧ＶＨまで充電する第一の充電工程Ｃ１、工程Ｃ１によって収縮した圧力発生室４の状態を保持する第二のホールド工程Ｃ２、ノズル開口に形成されたインクのメニスカス（以降ノズルメニスカス）を圧力発生室４側に最大限引き込むための放電を行う第一の放電工程Ｃ３、インク滴を吐出させるためのタイミングを調整する第三のホールド工程Ｃ４、最大駆動電圧ＶＨまで急激な充電を行って、インク滴を吐出させるため圧力発生室を急激に収縮させる第二の充電工程Ｃ５、インク滴吐出後に生じた大きなノズルメニスカス振動の減衰タイミングを調整している第四のホールド工程Ｃ６、中間駆動電圧ＶＭまで放電し、第一の放電工程Ｃ３よりも圧力発生室の膨張量の小さい第二の放電工程Ｃ７とから構成されている。
【００２４】
図３は図２で示した駆動信号を発生させる駆動回路の一実施例を示すもので、図中符号２１、２２、２３、２４はそれぞれ制御手段４８から供給されるパルス信号からなる制御信号の入力端子で、図４に示す周期Ｔ０で出力される印字信号のタイミングに基づいて入力端子２１には第一の充電工程Ｃ１を制御する時間幅Ｔ１の第一の充電パルス、入力端子２２には第二の充電工程Ｃ５を制御する時間幅Ｔ５の第二の充電パルス、入力端子２３には第一の放電工程Ｃ３を制御する時間幅Ｔ３の第一の放電パルス、入力端子２４には第二の放電工程Ｃ７を制御する時間幅Ｔ７の第二の放電パルスがそれぞれ入力する。
【００２５】
第一の充電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ２６のベースに入力しており、ＮＰＮ型トランジスタ２６が導通すると、ＰＮＰ型トランジスタ２７、２８及び抵抗２９により構成された定電流回路３０が作動して、ノズル開口７からインク滴を吐出させない程度の一定電流Ｉraでコンデンサ３１を中間駆動電圧ＶＭから最大駆動電圧ＶＨまで充電させる。
【００２６】
同様に、入力端子２２に入力した第二の充電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ３２のベースに入力しており、ＮＰＮ型トランジスタ３２が導通すると、ＰＮＰ型トランジスタ３３、３４及び抵抗３５により構成された定電流回路３６が作動し、零電位から最大駆動電圧ＶＨまでコンデンサ３１をインク滴を吐出させるのに適した一定電流Ｉrbで充電させる。
【００２７】
一方、入力端子２３に入力した第一の放電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ３７、３８及び抵抗３９からなる定電流回路４０により、コンデンサ３１の電荷を一定電流Ｉfaで放電させてメニスカスを圧力発生室側に大きく引き込む。
【００２８】
また、入力端子２４に入力した第二の放電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ４１、４２及び抵抗４３からなる定電流回路４４により、コンデンサ３１の電荷を最大駆動電圧ＶＨから中間駆動電圧ＶＭまで一定電流Ｉfbで放電させ、以後この電位を維持して次のインク滴の吐出に備えてメニスカスを平定する。
【００２９】
トランジスタ２８のベース―エミッタ間電圧をＶbe28、抵抗２９の抵抗値をＲraとすると、充電電流Ｉraは、Ｉra=Ｖbe28／Ｒraとなり、またコンデンサ３１の容量をＣＣとすると、電圧ΔＶ分を充電するのに要する時間Ｔraは、Ｔra＝ＣＣ×ΔＶ／Ｉraとなる。また、定電流回路３６についても同様であり、充電電流Ｉrbは、Ｉrb＝Ｖbe34／Ｒrbとなり、電圧ＶＨまで充電するに要する時間ＴrbはＴrb＝ＣＣ×ＶＨ／Ｉrbとなる。
【００３０】
一方、放電電流に関しては、定電流回路４０のトランジスタ３８のベース―エミッタ間電圧をＶbe38、抵抗３９の抵抗値をＲfaとすると、Ｉfa＝Ｖbe38／Ｒfaとなり、電圧ΔＶ分降下するのに要する時間Ｔfaは、Ｔfa＝ＣＣ×ΔＶ／Ｉfaとなり、同様に、定電流回路４４による放電電流Ｉfbは、Ｉfb＝Ｖbe42／Ｒfbとなり、立ち下がり時間Ｔfbは、Ｔfb＝ＣＣ×ΔＶ／Ｉfbとなる。なお、図中符号４５、４６により示すトランジスタは電流増幅器を構成している。
【００３１】
次に上記のように構成した装置の動作を説明する。
【００３２】
前回の吐出より十分な時間、つまり第一ホールド工程（Ｃ８）の時間が例えば３００マイクロ秒、経過した後、ノズルメニスカスはほぼ振動が減衰し、静止した状態である。第一ホールド終了と同時に、次の印字信号がホストから出力されると、制御手段４８は第一の充電パルスを出力して、圧力発生室４を収縮させる（工程Ｃ１）。
【００３３】
充電工程Ｃ１によりノズルメニスカスはインク滴を吐出しない程度にノズル開口７の先端側に押し出される。しかしながら、ノズルメニスカスは充電傾きが緩い、つまりゆっくりと圧力発生室４を収縮させているときは、ノズル開口側にインク滴を押し出す力が弱いために、ノズル開口７の振動収束位置にメニスカスを回復させようとする力（工程Ｃ１では、ノズルメニスカスを圧力発生室側に押し戻す力になる）の影響を受けて、実際に圧力発生室からノズル開口側に押し出されるインク滴の量は少ない。
【００３４】
工程Ｃ１によって圧力発生室４から排除されたインクの流れは、図５（ａ）の状態５２で示すように圧力発生室４から排除されるインクのうち、ノズル開口側に向かう量は少なく、排除されたインクの多くが共通のインク室１０側に向かい、圧力発生室４内でノズル開口７側から共通のインク室１０側に向かう流れが発生する。尚、５１はメニスカス振動静止時のメニスカス位置を示す。
【００３５】
工程Ｃ１終了時点では、図５（ｂ）の状態５３に示すように、圧力発生室４の収縮により排除されたインクはノズルメニスカスをノズル開口７側にわずかに押し出し、ノズル開口７から圧力発生室４、共通のインク室１０へと向かう流れを持った状態になる。
【００３６】
充電工程Ｃ１終了後、ホールド工程Ｃ２に推移すると、ノズルメニスカスは工程Ｃ１終了直後の位置を初期位置とし、図５（ｂ）の状態５３に示すように、充電工程Ｃ１終了直後では、インク流路の流れ方向は、ノズル開口７側から圧力発生室４側に向いているので、まず、ノズルメニスカスはホールド工程Ｃ２開始時より、圧力発生室４側に引き込まれる方向に進む。ノズルメニスカスは自身の固有振動周期Ｔで振動し、挙動は図６に示すようになり、ホールド工程Ｃ２の開始より、時間の推移に伴って、状態６１（工程Ｃ２開始直後）、６２（最大引き込み時）、６３、６４、６５、６６、と振幅を減衰しながら変位していく。
【００３７】
工程Ｃ２が終了すると、制御手段４８は第一の放電パルスを出力して、最大駆動電圧ＶＨと零電位との電位差相当分だけ圧力発生室４が膨張してノズルメニスカスを大きく引き込み（工程Ｃ３）、第三ホールド（工程Ｃ４）を挟んで、制御手段４８は、第二の充電パルスを出力して圧力発生室４を急激に収縮させる（工程Ｃ５）。工程Ｃ３から工程Ｃ５までの一連の動作によって、ノズル開口４からインク滴が吐出する。
【００３８】
工程Ｃ３からＣ５を行う過程で、充電工程Ｃ５の直前のノズルメニスカスの引き込み量が大きいほど充電Ｃ５の収縮工程において、インクの吐出重量を減らすことができ、本実施例１においては、放電Ｃ３直前の駆動電圧を最大駆動電圧ＶＨと同じにするまで高めることで、ノズルメニスカスを大きく引き込むようにしている。
【００３９】
ホールド工程Ｃ６が終了すると、制御手段４８は第二の放電パルスを出力する。工程Ｃ６のホールド時間と工程Ｃ７の第二放電の時間を、工程Ｃ５における急激な充電によって発生した圧電振動板３の残留振動を発振させないような時間を捉えて設定することにより、充電工程Ｃ５によって吐出したインク滴以外の不必要なインク滴の吐出を押さえるようにし、なおかつ放電工程Ｃ７終了時に中間駆動電圧ＶＭの電位を持たせ、以後、次の印字信号が発生するまで電位をホールドし、ノズルメニスカスを平定させる（工程Ｃ８）。
【００４０】
図７に充電工程Ｃ１とホールド工程Ｃ２を行わずに放電Ｃ３以降の工程を行った場合の駆動波形の図を示す。図７の駆動波形７１では放電Ｃ３の開始電位が工程Ｃ８のホールド電位に等しくなるため、最高駆動電圧ＶＨと中間駆動電圧ＶＭが等しくなり、必然的に放電工程Ｃ７が存在しなくなるが、工程Ｃ７はインク滴を吐出した直後の工程であり、インク滴の吐出量や吐出速度には関係ない。
【００４１】
図８は、本実施例１の駆動波形において、ホールド工程Ｃ２の時間と吐出インク滴の重量の関係を示したものであり、図中の８１が前記Ｃ２時間とインク重量の関係であり、図７の駆動波形７１で示した駆動における吐出量を１としてある。
【００４２】
工程Ｃ２を図６の状態６２で示すように、ノズルメニスカスが最も圧力発生室４側に引き込まれた時点近傍を捉えて終了し、工程Ｃ３以降を行うと、工程Ｃ１とＣ２を行わずに工程Ｃ３以降を行う駆動波形７１時と比べて工程Ｃ３の直前にノズルメニスカスが引き込まれている分だけ、吐出インク重量を減らすことができ、この時のインク重量の減少は図８の８３に示す範囲（工程Ｃ２時間がＴの１／８倍以上３／８倍以下）で顕著であった。また、インクの吐出速度も駆動波形７１で示される駆動を行う時と同等の吐出速度が得られ、その結果インク重量を減らすことができ、記録品質の向上を図ることができた。
【００４３】
ところで、ノズルメニスカスが静止している状態でインク滴を吐出しない程度に充電工程Ｃ１を行い、続いてホールド工程Ｃ２に移行すると、圧電振動板３は自身の固有振動周期ＴＣで振動を始める。圧電振動板３の固有振動によって、ノズルメニスカスは前記圧電振動板３の振動に同期して周期ＴＣで振動する。また、充電工程Ｃ１によって収縮された圧力発生室４が排除したインクが作り出す流れによって、ノズルメニスカスは自身の固有振動周期Ｔで振動する。従って、充電工程Ｃ１によってノズルメニスカスは圧電振動板３の固有振動周期ＴＣとノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの周期の異なる二つの振動を持つようになる。
【００４４】
圧電振動板３の固有振動周期ＴＣでの振動は圧電振動板３を急激に変位させると発生しやすく、充電の傾き（電圧変化量／充電時間）が急峻であるほど、振動振幅は大きくなり、減衰しにくくなる。
【００４５】
ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔでの振動は充電工程Ｃ１によって圧力発生室４から排除された体積が大きいほど、ノズル側連通口または共通のインク室に流れこむ流量が多く、ノズルメニスカスの振動振幅を大きくし、減衰しにくくなる。
【００４６】
ここで、圧電振動板３の固有振動周期ＴＣは、次の式で表される。
【００４７】
ＴＣ=２π/√{(Ｍn+Ｍs)/(Ｍn×Ｍs)/(Ｃi+Ｃv)}
但し、Ｍｎはノズル開口のイナータンス、Ｍｓはインク供給口のイナータンス、Ｃｉは圧力発生室のインクの圧縮性に起因する流体コンプライアンス、Ｃｖは圧電振動板などの材料自体による剛性コンプライアンスである。
【００４８】
また、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔは、インク流路の粘性抵抗を無視できる場合は、
Ｔ=２π×√{(Ｍn＋Ｍs)×Ｃn}
で表される。但し、Ｃｎはノズルメニスカスのコンプライアンスである。
【００４９】
更に、圧力発生室の体積をＶ，インクの密度をρ、インク中での音速をｃとすると、流体コンプライアンスＣｉは、
Ｃｉ＝Ｖ／ρｃ２
で表され、剛性コンプライアンスＣｖは、圧力発生室に単位圧力を印加したときの圧力発生室の静的な変形率に一致する。
【００５０】
具体例を挙げると、流体コンプライアンスＣｉが１×１０−２０ｍ５Ｎ−１、剛性コンプライアンスＣｖが１．５×１０−２０ｍ５Ｎ−１、ノズルメニスカスのコンプライアンスＣｎが、８．５×１０−１９ｍ５Ｎ−１、イナータンスＭｎが２×１０８ｋｇｍ−４、イナータンスＭｓが１×１０８ｋｇｍ−４、のときの圧電振動板３の固有振動周期ＴＣは８μｓ、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔは１００μｓになる。
【００５１】
上記ＴＣとＴの周期のとき、ＴＣはＴに比べて非常に小さく、充電工程Ｃ１によって発生するノズルメニスカスの振動は図９で示すようになる。前記したように、周期ＴＣの振動は、充電の傾きが急峻であるほど振幅が大きいが、例えば、充電時間をＴＣ以上の時間幅で設定すると圧電振動板３が周期ＴＣで引き起こす振動の振幅は非常に小さくなり、これと同期して振動するノズルメニスカスの振動振幅も小さくなり、ノズルメニスカス自身の固有振動周期Ｔで起きる振動振幅よりも小さくなる。周期ＴＣによる振動が無視できる程度の緩やかな充電工程Ｃ１により圧力発生室４から排除されたインクは図５中の状態５２で示すように、ノズル開口側に流入するものと共通のインク室に流入するものに別れ、充電傾きが緩いほど共通のインク室への流入割合が多くなる。
【００５２】
従って充電工程Ｃ１の終了時点のノズルメニスカスの押し出し位置は、図１０に示すように充電傾きが緩いほど（図１０中のグラフ１０１、１０２、１０３の内で、グラフ１０１が最も充電傾きがきつく、グラフ１０３が最も充電傾きが緩く、グラフ１０２は１０１と１０３の中間である）ノズルメニスカスの振動静止位置に近い位置をとる。
【００５３】
つまり、充電傾きが緩いほど、充電工程Ｃ１終了直後のノズルメニスカスの振動の位相が一定に漸近する。充電工程Ｃ１終了直後の時間を時間０とし、インク滴吐出方向を正方向とすると、ノズルメニスカスの位置Ｙは、
Ｙ=Ａ×ｅ( ―Ｂ×ｔ )×(−１)×ＳＩＮ(２π/Ｔ×ｔ)
（但し、ＡとＢは正の数、ｅは指数関数、ｔは充電工程Ｃ１終了からの経過時間（つまり、ホールド工程Ｃ２の時間）、Ｔはノズルメニスカスの固有振動周期）で示される関数にノズルメニスカスの振動は位相が漸近する。
【００５４】
この式にて、極小値をとる時の時間ｔの値は（１／４）×Ｔになり、この時、ノズルメニスカスは最も圧力発生室４側に引き込まれた状態になり、図６における状態６２と同一になる。従ってホールド工程Ｃ２時間を（１／４）×Ｔの近傍、例えば（１／８）×Ｔ以上（３／８）×Ｔ以下、にすることで、図７に示す駆動波形７１よりも吐出インク重量の減少が顕著になる。
【００５５】
（実施例２）
実施例２は実施例１の構成に準じている。実施例２が実施例１と異なる点は、第一充電工程Ｃ１に変えて放電工程Ｄ１を備えている点である。また、工程Ｄ１直後に続くホールド工程は実施例１ではＣ２としたが、本実施例ではＤ２と名称を変更している。しかし、工程Ｄ２の構成・機能は実施例１の工程Ｃ２と全く同一である。
【００５６】
本実施例の駆動波形は図１１中の駆動波形１１１に示す通りであり、中間駆動電圧ＶＭは、工程Ｄ２における電位（第二ホールド電圧ＶＳ）よりも高い電位を持ち、第二ホールド電圧ＶＳは、零電位以上の電位を持っている。また、図１１中の１１２に示す波形は放電工程Ｄ１とそれに続くホールド工程Ｄ２を持たない駆動波形である。
【００５７】
なお、駆動波形１１１と１１２では、第三放電工程Ｃ７の傾きが異なっているが、第三放電部分はインク滴を吐出した直後の波形なので、直接インク滴の吐出量や速度には関係ない。
【００５８】
実施例１では、ホールド工程Ｃ２中でノズルメニスカスを振動させるのは充電工程Ｃ１の作用によるものだったが、本実施例では、ホールド工程Ｄ２中でメニスカスを振動させるのは、実施例１における充電工程Ｃ１に対応する放電工程Ｄ１の作用であり、実施例１とは充電Ｃ１と放電Ｄ１が入れ替わるだけなので、ホールド工程Ｄ２中でのノズルメニスカスの振動は図１２に示すように、実施例１における図６の振動の位相が反転したものになり、ホールド工程Ｄ２の開始より、時間の推移に伴って、状態１２１（工程Ｄ２開始直後）、１２２、１２３、１２４（最大引き込み時）、１２５、１２６と振幅を減衰させながら変位していく。
【００５９】
実施例１の場合は、ホールド工程Ｃ２の時間をノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの（１／８）倍以上（３／８）倍以下にすることで、工程Ｃ２終了後のノズルメニスカスは圧力発生室４側に引き込まれ、以降の工程Ｃ３以降で吐出させるインク滴の吐出量を、工程Ｃ１とＣ２のない駆動波形に比べて減らすことができたが、本実施例では、ホールド工程Ｄ２の振動位相を実施例１に比べて反転させたとき、つまり、工程Ｄ２の時間がノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの(５／８)倍以上（７／８）倍以下の時に、工程Ｄ２終了後のノズルメニスカスは圧力発生室４側に引き込まれ、以降の工程Ｃ３からは実施例１に示す駆動波形と同じなので、前記したホールド工程Ｄ２のタイミングを捉えることにより、工程Ｄ１とＤ２を持たない駆動波形、つまり図１１中の１１２で示される駆動波形でインク滴を吐出させた場合に比べて吐出インク重量を減らすことができ、記録品質の向上を達成することができる。
【００６０】
（実施例３）
実施例３は実施例１の構成に準じている。実施例３が実施例１と異なる点は、環境温度の変化に応じて、中間駆動電圧ＶＭを変化させることで、充電工程Ｃ１による充電電圧量を増減させることを特徴とする点である。
【００６１】
図１３に環境温度が１５℃、２５℃と４０℃のときの駆動波形を示す。環境温度が１５℃のときは中間駆動電圧ＶＭの電位を下げることで、充電Ｃ１工程による充電量を増やすことができる。環境温度が低い状態では、インクの粘度が増大するため、流路の抵抗が増大し、ノズルメニスカスの減衰がよくなり、メニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が高い場合に比べて小さくなる。そのため、充電工程Ｃ１によって発生させるノズルメニスカスの振動を温度環境に応じて一定にするために、工程Ｃ１による充電量を増やし、圧力発生室４から流出するインク量を増やすことで、インク粘度増加による流路抵抗の増加によるメニスカスの振動振幅の減少分を補い、工程Ｃ２による吐出減少量を２５℃環境並みにすることができる。
【００６２】
逆に温度環境が４０℃のとき、中間駆動電圧ＶＭの電位を上げることで、充電Ｃ１工程による充電量を減らすことができる。環境温度が高い状態では、インクの粘度が減少するため、流路の抵抗が減少し、ノズルメニスカスの減衰が悪くなり、ノズルメニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が低い場合に比べて大きくなる。そのため、充電工程Ｃ１によって発生させる振動を温度環境によって一定にするために、工程Ｃ１による充電量を減らし、圧力発生室から流出するインク量を減らすことで、インク粘度減少による流路抵抗の減少によるメニスカスの振動振幅の増加分を押さえ、工程Ｃ２による吐出減少量を２５℃環境並みにすることができる。
【００６３】
以上の手法から環境温度の変化に関わらず、充電工程Ｃ１によって発生したノズルメニスカスの振動振幅を一定にすることができるので、ホールド工程Ｃ２の時間を実施例１に示したように、（１／８）×Ｔ以上（３／８）×Ｔ以下に設定すると、図７で示した駆動波形７１のときに比べて、インク重量を環境温度によらず一定量減らすことができた。
【００６４】
（実施例４）
実施例４は実施例２の構成に準じている。実施例４が実施例２と異なる点は、環境温度の変化に応じて、中間駆動電圧ＶＭを変化させることで、放電工程Ｄ１による放電電圧量を増減させることを特徴とする点である。
【００６５】
図１４に環境温度が１５℃、２５℃と４０℃のときの駆動波形を示す。環境温度が１５℃のときは中間駆動電圧ＶＭの電位を上げることで、放電Ｄ１工程による放電量を増やすことができる。環境温度が低い状態では、インクの粘度が増大するため、流路の抵抗が増大し、ノズルメニスカスの減衰がよくなり、メニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が高い場合に比べて小さくなる。そのため、放電工程Ｄ１によって発生させるノズルメニスカスの振動を温度環境に応じて一定にするために、工程Ｄ１による放電量を増やし、圧力発生室４に流入するインク量を増やすことで、インク粘度増加による流路抵抗の増加によるノズルメニスカスの振動振幅の減少分を補い、工程Ｄ２による吐出量減少を２５℃環境並みに得ることができる。
【００６６】
逆に温度環境が４０℃のとき、中間駆動電圧ＶＭの電位を下げることで、放電Ｄ１工程による放電量を減らすことができる。環境温度が高い状態では、インクの粘度が減少するため、流路の抵抗が減少し、ノズルメニスカスの減衰が悪くなり、ノズルメニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が低い場合に比べて大きくなる。そのため、放電工程Ｄ１によって発生させる振動を温度環境によって一定にするために、工程Ｄ１による放電量を減らし、圧力発生室に流入するインク量を減らすことで、インク粘度減少による流路抵抗の減少によるメニスカスの振動振幅の増加分を押さえ、工程Ｄ２による吐出量減少を２５℃環境並みにすることができる。
【００６７】
以上の手法から環境温度の変化に関わらず、放電工程Ｄ１によって発生したノズルメニスカスの振動振幅を一定にすることができるので、ホールド工程Ｄ２の時間を実施例２に示したように、（５／８）×Ｔ以上（７／８）×Ｔ以下に設定すると、図１１で示した駆動波形１１２のときに比べて、インク重量を環境温度によらず一定量減らすことができ、記録品質を向上することができた。
【００６８】
更に、以上４つの実施例において、圧電振動子はたわみ振動型のＰＺＴに限らず、縦振動横効果のＰＺＴであってもよい。ただしこの場合、充電と放電が入れ替わることになる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、静止状態にある圧力発生室に、収縮ないしは膨張工程を加え、収縮（または膨張）後に圧力発生室の状態を保持する工程を一定時間保ち、その間のインクの流れによってノズルメニスカスが圧力発生室側に引き込まれている状態を捉えて、最小圧力まで圧力発生室を膨張し、その後に圧力発生室を最大圧力まで収縮することによりインク滴を飛ばす。これによって、単に最小圧力まで圧力発生室を膨張してその直後に最大圧力まで圧力発生室を収縮してインク滴を飛ばす場合よりも吐出インク重量を減らすことができ、記録品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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断面図である。
【図２】同上記録ヘッドを動作させる駆動波形の工程図である。
【図３】同上記録ヘッドの要部を示す回路図である。
【図４】同上記録ヘッドの駆動波形の制御パルスを示した図である。
【図５】実施例１における工程Ｃ１中とＣ１終了時のインク流路の流れを示した図である。
【図６】実施例１における工程Ｃ２中でのノズルメニスカスの挙動を示した図である。
【図７】工程Ｃ１と工程Ｃ２を用いない従来例の駆動波形図である。
【図８】工程Ｃ２時間と吐出インク重量の関係を示した図である。
【図９】ノズルメニスカスの変位の例を示す線図である。
【図１０】実施例１における工程Ｃ１の充電傾きによるノズルメニスカスの変位の違いを示す線図である。
【図１１】実施例２における駆動波形図である。
【図１２】実施例２における工程Ｄ２中でのノズルメニスカスの挙動を示した図である。
【図１３】実施例３における駆動波形図である。
【図１４】実施例４における駆動波形図である。
【符号の説明】
３ 圧電振動板
４ 圧力発生室
７ ノズル開口
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを圧力発生手段で加圧してインクを吐出させて文字や図形を記録する記録ヘッドからインク滴を吐出させるための記録ヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドにおいて、インク滴の吐出重量を減らすことは、低濃度領域での粒状性を目立たなくすることができ、記録品質を高めることができる。例えば、特開昭５５−１７５８９号公報等に記載されているように、インクを収容した圧力発生室を膨張させてから収縮するという、いわゆる「引き打ち」を行うことによって、吐出するインク滴の重量を少なくし、記録ドット径を小さくすることが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いわゆる「引き打ち」のみで吐出インク重量を減らすためには、圧力発生室を収縮する直前に行う膨張工程における膨張量を増やす必要があり、収縮直前の膨張量が増えるほど、収縮直後に発生する圧力発生室の残留振動が大きくなり、吐出インク滴の直進性を損ねたり、意図しないインク滴の吐出を引き起こす可能性が高まる。
【０００４】
そこで、本発明では、圧力発生室を収縮してインク滴を吐出させる工程の直前に行う膨張工程の膨張量を増やすことなく、吐出インク重量を減らして、記録品質を向上することのできる駆動方法を提供する。
【０００５】
更に、本発明では、環境温度の変化に対しても均一量のインク吐出量を確保することのできる駆動方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明に於けるインクジェット式記録ヘッドの駆動方式は、ノズル開口と共通のインク室に連通する圧力発生室を備え、前記圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させて前記圧力発生室へインクの補充、ノズル開口からのインク滴吐出を行うインクジェット式記録ヘッドにおいて、ノズルメニスカスが静止している状態から、圧力発生室を収縮（工程Ｃ１）もしくは膨張（工程Ｄ１）して圧力を増減し、増減後の圧力発生室の状態を保持している間のインクの流れによって、ノズルメニスカスが圧力発生室側に引きこまれた状態を捉えて、圧力発生室を膨張して最小圧力まで減圧し、その後に最大圧力まで圧力発生室を収縮させることを特徴とする。
【０００７】
また、工程Ｃ１を行う場合は、工程Ｃ１によって収縮した圧力発生室の圧力をホールドする工程の時間が、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの１／８倍以上３／８倍以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、工程Ｄ１を行う場合は、工程Ｄ１によって膨張した圧力発生室の圧力をホールドする工程の時間が、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの５／８倍以上、７／８倍以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、工程Ｃ１もしくは工程Ｄ１において、環境温度が最高保証温度の場合は圧力発生室の収縮量もしくは膨張量を最小にし、最低保証温度に近づくに従って圧力発生室の収縮量もしくは膨張量を最高にすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（実施例１）
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。
【００１２】
図１は本発明に使用するインクジェット記録ヘッドの一実施例を示すものであって、図中の符号１は、駆動ユニットで、ジルコニアの薄板からなる振動板２の表面に、後述する圧力発生室４に対向するようにＰＺＴからなる圧電振動板３、３、３‥‥を一体に固定して構成されている。
【００１３】
５はスぺーサーで、圧力発生室４を形成するのに適した厚さ、例えば１００μｍのジルコニア（ＺｒＯ２）などのセラミック板に圧力発生室４、４、４‥‥の形状に一致した通孔を一定ピッチで穿設して構成されている。
【００１４】
６は圧力発生室４の他面を封止する基板で、圧力発生室４と対向する一端側には、ノズル開口７、７、７‥‥と圧力発生室４を接続する連通口８、８、８‥‥が、また他端側には圧力発生室４と各ノズル共通のインク室１０とを接続する連通口１１、１１、１１‥‥が設けられている。この連通口１１、１１、１１‥‥はノズル開口７、７、７‥‥とほぼ同等の流路抵抗を有する流路制限孔の役割も担っている。
【００１５】
これら３つの部材１、５、６はそれぞれユニットとして構成され、後述するユニット固定板１２に取り付けられる。
【００１６】
１２は前述のユニット固定板で、一方の面に上述したユニットが所定の位置に接着剤で固定されており、連通口１１と共通のインク室１０とを接続する連通孔１３が設けられ、また連通孔８に対向する位置にはノズル開口７と接続する連通孔１４が設けられている。
【００１７】
１５は、後述する共通のインク室構成板１６とユニット固定板１２とを接合するための熱溶着フィルムで、共通のインク室１０に一致する窓１７、及びノズル開口７、７、７‥‥圧力発生室４、４、４‥‥とを接続する連通孔１８、１８、１８‥‥とが穿設されている。
【００１８】
１６は、前述の共通のインク室構成板で、共通のインク室１０を形成するに適した厚み、例えば１２０μｍのステンレス鋼などの耐蝕性を備えた板材に、共通のインク室１０の形状に対応する通孔と、圧力発生室４、４、４‥‥とノズル開口７、７、７‥‥とを接続する連通孔９、９、９‥‥を穿設して構成されている。
【００１９】
２５はノズルプレートで、圧力発生室４、４、４‥‥の一側よりにはノズル開口７、７、７‥‥が穿設されていて、連通孔８、１４、１８、９、及び１９を介して各圧力発生室４、４、４‥‥に接続するように共通のインク室形成板１６に熱溶着フィルム２０で接着されている。
【００２０】
このように構成されたインクジェット式記録ヘッドは、圧電振動板３に一定速度で上昇する電圧からなる駆動信号が印加されると、振動板２が圧力発生室４側を凸にするようにたわんで、圧力発生室４を収縮させる。これにより、圧力発生室４のインクが連通口８、１４、１８、９及び１９を経由してノズル開口７に至り、ここからインク滴を吐出する。
【００２１】
インク滴形成後に駆動電圧を一定の速度で低下させると、圧電振動板３は元の位置に徐々に復帰して、圧力発生室４が膨張する。この過程でインク滴の形成により消費された分のインクが共通のインク室１０から連通口１１を経由して圧力発生室４に流入する。
【００２２】
図２は、上述した記録ヘッドにより圧電振動板３のたわみ変位によりインク滴を吐出させるのに適した駆動波形の一実施例を示すものである。
【００２３】
図に示すように駆動信号は、前回のインク滴吐出の一連の工程終了時の駆動電圧（中間駆動電圧ＶＭ）を保持する第一のホールド工程Ｃ８、中間駆動電圧ＶＭからインク滴を吐出させることなく圧力発生室４を収縮させて最大駆動電圧ＶＨまで充電する第一の充電工程Ｃ１、工程Ｃ１によって収縮した圧力発生室４の状態を保持する第二のホールド工程Ｃ２、ノズル開口に形成されたインクのメニスカス（以降ノズルメニスカス）を圧力発生室４側に最大限引き込むための放電を行う第一の放電工程Ｃ３、インク滴を吐出させるためのタイミングを調整する第三のホールド工程Ｃ４、最大駆動電圧ＶＨまで急激な充電を行って、インク滴を吐出させるため圧力発生室を急激に収縮させる第二の充電工程Ｃ５、インク滴吐出後に生じた大きなノズルメニスカス振動の減衰タイミングを調整している第四のホールド工程Ｃ６、中間駆動電圧ＶＭまで放電し、第一の放電工程Ｃ３よりも圧力発生室の膨張量の小さい第二の放電工程Ｃ７とから構成されている。
【００２４】
図３は図２で示した駆動信号を発生させる駆動回路の一実施例を示すもので、図中符号２１、２２、２３、２４はそれぞれ制御手段４８から供給されるパルス信号からなる制御信号の入力端子で、図４に示す周期Ｔ０で出力される印字信号のタイミングに基づいて入力端子２１には第一の充電工程Ｃ１を制御する時間幅Ｔ１の第一の充電パルス、入力端子２２には第二の充電工程Ｃ５を制御する時間幅Ｔ５の第二の充電パルス、入力端子２３には第一の放電工程Ｃ３を制御する時間幅Ｔ３の第一の放電パルス、入力端子２４には第二の放電工程Ｃ７を制御する時間幅Ｔ７の第二の放電パルスがそれぞれ入力する。
【００２５】
第一の充電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ２６のベースに入力しており、ＮＰＮ型トランジスタ２６が導通すると、ＰＮＰ型トランジスタ２７、２８及び抵抗２９により構成された定電流回路３０が作動して、ノズル開口７からインク滴を吐出させない程度の一定電流Ｉraでコンデンサ３１を中間駆動電圧ＶＭから最大駆動電圧ＶＨまで充電させる。
【００２６】
同様に、入力端子２２に入力した第二の充電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ３２のベースに入力しており、ＮＰＮ型トランジスタ３２が導通すると、ＰＮＰ型トランジスタ３３、３４及び抵抗３５により構成された定電流回路３６が作動し、零電位から最大駆動電圧ＶＨまでコンデンサ３１をインク滴を吐出させるのに適した一定電流Ｉrbで充電させる。
【００２７】
一方、入力端子２３に入力した第一の放電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ３７、３８及び抵抗３９からなる定電流回路４０により、コンデンサ３１の電荷を一定電流Ｉfaで放電させてメニスカスを圧力発生室側に大きく引き込む。
【００２８】
また、入力端子２４に入力した第二の放電パルスは、ＮＰＮ型トランジスタ４１、４２及び抵抗４３からなる定電流回路４４により、コンデンサ３１の電荷を最大駆動電圧ＶＨから中間駆動電圧ＶＭまで一定電流Ｉfbで放電させ、以後この電位を維持して次のインク滴の吐出に備えてメニスカスを平定する。
【００２９】
トランジスタ２８のベース―エミッタ間電圧をＶbe28、抵抗２９の抵抗値をＲraとすると、充電電流Ｉraは、Ｉra=Ｖbe28／Ｒraとなり、またコンデンサ３１の容量をＣＣとすると、電圧ΔＶ分を充電するのに要する時間Ｔraは、Ｔra＝ＣＣ×ΔＶ／Ｉraとなる。また、定電流回路３６についても同様であり、充電電流Ｉrbは、Ｉrb＝Ｖbe34／Ｒrbとなり、電圧ＶＨまで充電するに要する時間ＴrbはＴrb＝ＣＣ×ＶＨ／Ｉrbとなる。
【００３０】
一方、放電電流に関しては、定電流回路４０のトランジスタ３８のベース―エミッタ間電圧をＶbe38、抵抗３９の抵抗値をＲfaとすると、Ｉfa＝Ｖbe38／Ｒfaとなり、電圧ΔＶ分降下するのに要する時間Ｔfaは、Ｔfa＝ＣＣ×ΔＶ／Ｉfaとなり、同様に、定電流回路４４による放電電流Ｉfbは、Ｉfb＝Ｖbe42／Ｒfbとなり、立ち下がり時間Ｔfbは、Ｔfb＝ＣＣ×ΔＶ／Ｉfbとなる。なお、図中符号４５、４６により示すトランジスタは電流増幅器を構成している。
【００３１】
次に上記のように構成した装置の動作を説明する。
【００３２】
前回の吐出より十分な時間、つまり第一ホールド工程（Ｃ８）の時間が例えば３００マイクロ秒、経過した後、ノズルメニスカスはほぼ振動が減衰し、静止した状態である。第一ホールド終了と同時に、次の印字信号がホストから出力されると、制御手段４８は第一の充電パルスを出力して、圧力発生室４を収縮させる（工程Ｃ１）。
【００３３】
充電工程Ｃ１によりノズルメニスカスはインク滴を吐出しない程度にノズル開口７の先端側に押し出される。しかしながら、ノズルメニスカスは充電傾きが緩い、つまりゆっくりと圧力発生室４を収縮させているときは、ノズル開口側にインク滴を押し出す力が弱いために、ノズル開口７の振動収束位置にメニスカスを回復させようとする力（工程Ｃ１では、ノズルメニスカスを圧力発生室側に押し戻す力になる）の影響を受けて、実際に圧力発生室からノズル開口側に押し出されるインク滴の量は少ない。
【００３４】
工程Ｃ１によって圧力発生室４から排除されたインクの流れは、図５（ａ）の状態５２で示すように圧力発生室４から排除されるインクのうち、ノズル開口側に向かう量は少なく、排除されたインクの多くが共通のインク室１０側に向かい、圧力発生室４内でノズル開口７側から共通のインク室１０側に向かう流れが発生する。尚、５１はメニスカス振動静止時のメニスカス位置を示す。
【００３５】
工程Ｃ１終了時点では、図５（ｂ）の状態５３に示すように、圧力発生室４の収縮により排除されたインクはノズルメニスカスをノズル開口７側にわずかに押し出し、ノズル開口７から圧力発生室４、共通のインク室１０へと向かう流れを持った状態になる。
【００３６】
充電工程Ｃ１終了後、ホールド工程Ｃ２に推移すると、ノズルメニスカスは工程Ｃ１終了直後の位置を初期位置とし、図５（ｂ）の状態５３に示すように、充電工程Ｃ１終了直後では、インク流路の流れ方向は、ノズル開口７側から圧力発生室４側に向いているので、まず、ノズルメニスカスはホールド工程Ｃ２開始時より、圧力発生室４側に引き込まれる方向に進む。ノズルメニスカスは自身の固有振動周期Ｔで振動し、挙動は図６に示すようになり、ホールド工程Ｃ２の開始より、時間の推移に伴って、状態６１（工程Ｃ２開始直後）、６２（最大引き込み時）、６３、６４、６５、６６、と振幅を減衰しながら変位していく。
【００３７】
工程Ｃ２が終了すると、制御手段４８は第一の放電パルスを出力して、最大駆動電圧ＶＨと零電位との電位差相当分だけ圧力発生室４が膨張してノズルメニスカスを大きく引き込み（工程Ｃ３）、第三ホールド（工程Ｃ４）を挟んで、制御手段４８は、第二の充電パルスを出力して圧力発生室４を急激に収縮させる（工程Ｃ５）。工程Ｃ３から工程Ｃ５までの一連の動作によって、ノズル開口４からインク滴が吐出する。
【００３８】
工程Ｃ３からＣ５を行う過程で、充電工程Ｃ５の直前のノズルメニスカスの引き込み量が大きいほど充電Ｃ５の収縮工程において、インクの吐出重量を減らすことができ、本実施例１においては、放電Ｃ３直前の駆動電圧を最大駆動電圧ＶＨと同じにするまで高めることで、ノズルメニスカスを大きく引き込むようにしている。
【００３９】
ホールド工程Ｃ６が終了すると、制御手段４８は第二の放電パルスを出力する。工程Ｃ６のホールド時間と工程Ｃ７の第二放電の時間を、工程Ｃ５における急激な充電によって発生した圧電振動板３の残留振動を発振させないような時間を捉えて設定することにより、充電工程Ｃ５によって吐出したインク滴以外の不必要なインク滴の吐出を押さえるようにし、なおかつ放電工程Ｃ７終了時に中間駆動電圧ＶＭの電位を持たせ、以後、次の印字信号が発生するまで電位をホールドし、ノズルメニスカスを平定させる（工程Ｃ８）。
【００４０】
図７に充電工程Ｃ１とホールド工程Ｃ２を行わずに放電Ｃ３以降の工程を行った場合の駆動波形の図を示す。図７の駆動波形７１では放電Ｃ３の開始電位が工程Ｃ８のホールド電位に等しくなるため、最高駆動電圧ＶＨと中間駆動電圧ＶＭが等しくなり、必然的に放電工程Ｃ７が存在しなくなるが、工程Ｃ７はインク滴を吐出した直後の工程であり、インク滴の吐出量や吐出速度には関係ない。
【００４１】
図８は、本実施例１の駆動波形において、ホールド工程Ｃ２の時間と吐出インク滴の重量の関係を示したものであり、図中の８１が前記Ｃ２時間とインク重量の関係であり、図７の駆動波形７１で示した駆動における吐出量を１としてある。
【００４２】
工程Ｃ２を図６の状態６２で示すように、ノズルメニスカスが最も圧力発生室４側に引き込まれた時点近傍を捉えて終了し、工程Ｃ３以降を行うと、工程Ｃ１とＣ２を行わずに工程Ｃ３以降を行う駆動波形７１時と比べて工程Ｃ３の直前にノズルメニスカスが引き込まれている分だけ、吐出インク重量を減らすことができ、この時のインク重量の減少は図８の８３に示す範囲（工程Ｃ２時間がＴの１／８倍以上３／８倍以下）で顕著であった。また、インクの吐出速度も駆動波形７１で示される駆動を行う時と同等の吐出速度が得られ、その結果インク重量を減らすことができ、記録品質の向上を図ることができた。
【００４３】
ところで、ノズルメニスカスが静止している状態でインク滴を吐出しない程度に充電工程Ｃ１を行い、続いてホールド工程Ｃ２に移行すると、圧電振動板３は自身の固有振動周期ＴＣで振動を始める。圧電振動板３の固有振動によって、ノズルメニスカスは前記圧電振動板３の振動に同期して周期ＴＣで振動する。また、充電工程Ｃ１によって収縮された圧力発生室４が排除したインクが作り出す流れによって、ノズルメニスカスは自身の固有振動周期Ｔで振動する。従って、充電工程Ｃ１によってノズルメニスカスは圧電振動板３の固有振動周期ＴＣとノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの周期の異なる二つの振動を持つようになる。
【００４４】
圧電振動板３の固有振動周期ＴＣでの振動は圧電振動板３を急激に変位させると発生しやすく、充電の傾き（電圧変化量／充電時間）が急峻であるほど、振動振幅は大きくなり、減衰しにくくなる。
【００４５】
ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔでの振動は充電工程Ｃ１によって圧力発生室４から排除された体積が大きいほど、ノズル側連通口または共通のインク室に流れこむ流量が多く、ノズルメニスカスの振動振幅を大きくし、減衰しにくくなる。
【００４６】
ここで、圧電振動板３の固有振動周期ＴＣは、次の式で表される。
【００４７】
ＴＣ=２π/√{(Ｍn+Ｍs)/(Ｍn×Ｍs)/(Ｃi+Ｃv)}
但し、Ｍｎはノズル開口のイナータンス、Ｍｓはインク供給口のイナータンス、Ｃｉは圧力発生室のインクの圧縮性に起因する流体コンプライアンス、Ｃｖは圧電振動板などの材料自体による剛性コンプライアンスである。
【００４８】
また、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔは、インク流路の粘性抵抗を無視できる場合は、
Ｔ=２π×√{(Ｍn＋Ｍs)×Ｃn}
で表される。但し、Ｃｎはノズルメニスカスのコンプライアンスである。
【００４９】
更に、圧力発生室の体積をＶ，インクの密度をρ、インク中での音速をｃとすると、流体コンプライアンスＣｉは、
Ｃｉ＝Ｖ／ρｃ２
で表され、剛性コンプライアンスＣｖは、圧力発生室に単位圧力を印加したときの圧力発生室の静的な変形率に一致する。
【００５０】
具体例を挙げると、流体コンプライアンスＣｉが１×１０−２０ｍ５Ｎ−１、剛性コンプライアンスＣｖが１．５×１０−２０ｍ５Ｎ−１、ノズルメニスカスのコンプライアンスＣｎが、８．５×１０−１９ｍ５Ｎ−１、イナータンスＭｎが２×１０８ｋｇｍ−４、イナータンスＭｓが１×１０８ｋｇｍ−４、のときの圧電振動板３の固有振動周期ＴＣは８μｓ、ノズルメニスカスの固有振動周期Ｔは１００μｓになる。
【００５１】
上記ＴＣとＴの周期のとき、ＴＣはＴに比べて非常に小さく、充電工程Ｃ１によって発生するノズルメニスカスの振動は図９で示すようになる。前記したように、周期ＴＣの振動は、充電の傾きが急峻であるほど振幅が大きいが、例えば、充電時間をＴＣ以上の時間幅で設定すると圧電振動板３が周期ＴＣで引き起こす振動の振幅は非常に小さくなり、これと同期して振動するノズルメニスカスの振動振幅も小さくなり、ノズルメニスカス自身の固有振動周期Ｔで起きる振動振幅よりも小さくなる。周期ＴＣによる振動が無視できる程度の緩やかな充電工程Ｃ１により圧力発生室４から排除されたインクは図５中の状態５２で示すように、ノズル開口側に流入するものと共通のインク室に流入するものに別れ、充電傾きが緩いほど共通のインク室への流入割合が多くなる。
【００５２】
従って充電工程Ｃ１の終了時点のノズルメニスカスの押し出し位置は、図１０に示すように充電傾きが緩いほど（図１０中のグラフ１０１、１０２、１０３の内で、グラフ１０１が最も充電傾きがきつく、グラフ１０３が最も充電傾きが緩く、グラフ１０２は１０１と１０３の中間である）ノズルメニスカスの振動静止位置に近い位置をとる。
【００５３】
つまり、充電傾きが緩いほど、充電工程Ｃ１終了直後のノズルメニスカスの振動の位相が一定に漸近する。充電工程Ｃ１終了直後の時間を時間０とし、インク滴吐出方向を正方向とすると、ノズルメニスカスの位置Ｙは、
Ｙ=Ａ×ｅ( ―Ｂ×ｔ )×(−１)×ＳＩＮ(２π/Ｔ×ｔ)
（但し、ＡとＢは正の数、ｅは指数関数、ｔは充電工程Ｃ１終了からの経過時間（つまり、ホールド工程Ｃ２の時間）、Ｔはノズルメニスカスの固有振動周期）で示される関数にノズルメニスカスの振動は位相が漸近する。
【００５４】
この式にて、極小値をとる時の時間ｔの値は（１／４）×Ｔになり、この時、ノズルメニスカスは最も圧力発生室４側に引き込まれた状態になり、図６における状態６２と同一になる。従ってホールド工程Ｃ２時間を（１／４）×Ｔの近傍、例えば（１／８）×Ｔ以上（３／８）×Ｔ以下、にすることで、図７に示す駆動波形７１よりも吐出インク重量の減少が顕著になる。
【００５５】
（実施例２）
実施例２は実施例１の構成に準じている。実施例２が実施例１と異なる点は、第一充電工程Ｃ１に変えて放電工程Ｄ１を備えている点である。また、工程Ｄ１直後に続くホールド工程は実施例１ではＣ２としたが、本実施例ではＤ２と名称を変更している。しかし、工程Ｄ２の構成・機能は実施例１の工程Ｃ２と全く同一である。
【００５６】
本実施例の駆動波形は図１１中の駆動波形１１１に示す通りであり、中間駆動電圧ＶＭは、工程Ｄ２における電位（第二ホールド電圧ＶＳ）よりも高い電位を持ち、第二ホールド電圧ＶＳは、零電位以上の電位を持っている。また、図１１中の１１２に示す波形は放電工程Ｄ１とそれに続くホールド工程Ｄ２を持たない駆動波形である。
【００５７】
なお、駆動波形１１１と１１２では、第三放電工程Ｃ７の傾きが異なっているが、第三放電部分はインク滴を吐出した直後の波形なので、直接インク滴の吐出量や速度には関係ない。
【００５８】
実施例１では、ホールド工程Ｃ２中でノズルメニスカスを振動させるのは充電工程Ｃ１の作用によるものだったが、本実施例では、ホールド工程Ｄ２中でメニスカスを振動させるのは、実施例１における充電工程Ｃ１に対応する放電工程Ｄ１の作用であり、実施例１とは充電Ｃ１と放電Ｄ１が入れ替わるだけなので、ホールド工程Ｄ２中でのノズルメニスカスの振動は図１２に示すように、実施例１における図６の振動の位相が反転したものになり、ホールド工程Ｄ２の開始より、時間の推移に伴って、状態１２１（工程Ｄ２開始直後）、１２２、１２３、１２４（最大引き込み時）、１２５、１２６と振幅を減衰させながら変位していく。
【００５９】
実施例１の場合は、ホールド工程Ｃ２の時間をノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの（１／８）倍以上（３／８）倍以下にすることで、工程Ｃ２終了後のノズルメニスカスは圧力発生室４側に引き込まれ、以降の工程Ｃ３以降で吐出させるインク滴の吐出量を、工程Ｃ１とＣ２のない駆動波形に比べて減らすことができたが、本実施例では、ホールド工程Ｄ２の振動位相を実施例１に比べて反転させたとき、つまり、工程Ｄ２の時間がノズルメニスカスの固有振動周期Ｔの(５／８)倍以上（７／８）倍以下の時に、工程Ｄ２終了後のノズルメニスカスは圧力発生室４側に引き込まれ、以降の工程Ｃ３からは実施例１に示す駆動波形と同じなので、前記したホールド工程Ｄ２のタイミングを捉えることにより、工程Ｄ１とＤ２を持たない駆動波形、つまり図１１中の１１２で示される駆動波形でインク滴を吐出させた場合に比べて吐出インク重量を減らすことができ、記録品質の向上を達成することができる。
【００６０】
（実施例３）
実施例３は実施例１の構成に準じている。実施例３が実施例１と異なる点は、環境温度の変化に応じて、中間駆動電圧ＶＭを変化させることで、充電工程Ｃ１による充電電圧量を増減させることを特徴とする点である。
【００６１】
図１３に環境温度が１５℃、２５℃と４０℃のときの駆動波形を示す。環境温度が１５℃のときは中間駆動電圧ＶＭの電位を下げることで、充電Ｃ１工程による充電量を増やすことができる。環境温度が低い状態では、インクの粘度が増大するため、流路の抵抗が増大し、ノズルメニスカスの減衰がよくなり、メニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が高い場合に比べて小さくなる。そのため、充電工程Ｃ１によって発生させるノズルメニスカスの振動を温度環境に応じて一定にするために、工程Ｃ１による充電量を増やし、圧力発生室４から流出するインク量を増やすことで、インク粘度増加による流路抵抗の増加によるメニスカスの振動振幅の減少分を補い、工程Ｃ２による吐出減少量を２５℃環境並みにすることができる。
【００６２】
逆に温度環境が４０℃のとき、中間駆動電圧ＶＭの電位を上げることで、充電Ｃ１工程による充電量を減らすことができる。環境温度が高い状態では、インクの粘度が減少するため、流路の抵抗が減少し、ノズルメニスカスの減衰が悪くなり、ノズルメニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が低い場合に比べて大きくなる。そのため、充電工程Ｃ１によって発生させる振動を温度環境によって一定にするために、工程Ｃ１による充電量を減らし、圧力発生室から流出するインク量を減らすことで、インク粘度減少による流路抵抗の減少によるメニスカスの振動振幅の増加分を押さえ、工程Ｃ２による吐出減少量を２５℃環境並みにすることができる。
【００６３】
以上の手法から環境温度の変化に関わらず、充電工程Ｃ１によって発生したノズルメニスカスの振動振幅を一定にすることができるので、ホールド工程Ｃ２の時間を実施例１に示したように、（１／８）×Ｔ以上（３／８）×Ｔ以下に設定すると、図７で示した駆動波形７１のときに比べて、インク重量を環境温度によらず一定量減らすことができた。
【００６４】
（実施例４）
実施例４は実施例２の構成に準じている。実施例４が実施例２と異なる点は、環境温度の変化に応じて、中間駆動電圧ＶＭを変化させることで、放電工程Ｄ１による放電電圧量を増減させることを特徴とする点である。
【００６５】
図１４に環境温度が１５℃、２５℃と４０℃のときの駆動波形を示す。環境温度が１５℃のときは中間駆動電圧ＶＭの電位を上げることで、放電Ｄ１工程による放電量を増やすことができる。環境温度が低い状態では、インクの粘度が増大するため、流路の抵抗が増大し、ノズルメニスカスの減衰がよくなり、メニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が高い場合に比べて小さくなる。そのため、放電工程Ｄ１によって発生させるノズルメニスカスの振動を温度環境に応じて一定にするために、工程Ｄ１による放電量を増やし、圧力発生室４に流入するインク量を増やすことで、インク粘度増加による流路抵抗の増加によるノズルメニスカスの振動振幅の減少分を補い、工程Ｄ２による吐出量減少を２５℃環境並みに得ることができる。
【００６６】
逆に温度環境が４０℃のとき、中間駆動電圧ＶＭの電位を下げることで、放電Ｄ１工程による放電量を減らすことができる。環境温度が高い状態では、インクの粘度が減少するため、流路の抵抗が減少し、ノズルメニスカスの減衰が悪くなり、ノズルメニスカス自身の固有振動の振幅も環境温度が低い場合に比べて大きくなる。そのため、放電工程Ｄ１によって発生させる振動を温度環境によって一定にするために、工程Ｄ１による放電量を減らし、圧力発生室に流入するインク量を減らすことで、インク粘度減少による流路抵抗の減少によるメニスカスの振動振幅の増加分を押さえ、工程Ｄ２による吐出量減少を２５℃環境並みにすることができる。
【００６７】
以上の手法から環境温度の変化に関わらず、放電工程Ｄ１によって発生したノズルメニスカスの振動振幅を一定にすることができるので、ホールド工程Ｄ２の時間を実施例２に示したように、（５／８）×Ｔ以上（７／８）×Ｔ以下に設定すると、図１１で示した駆動波形１１２のときに比べて、インク重量を環境温度によらず一定量減らすことができ、記録品質を向上することができた。
【００６８】
更に、以上４つの実施例において、圧電振動子はたわみ振動型のＰＺＴに限らず、縦振動横効果のＰＺＴであってもよい。ただしこの場合、充電と放電が入れ替わることになる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、静止状態にある圧力発生室に、収縮ないしは膨張工程を加え、収縮（または膨張）後に圧力発生室の状態を保持する工程を一定時間保ち、その間のインクの流れによってノズルメニスカスが圧力発生室側に引き込まれている状態を捉えて、最小圧力まで圧力発生室を膨張し、その後に圧力発生室を最大圧力まで収縮することによりインク滴を飛ばす。これによって、単に最小圧力まで圧力発生室を膨張してその直後に最大圧力まで圧力発生室を収縮してインク滴を飛ばす場合よりも吐出インク重量を減らすことができ、記録品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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断面図である。
【図２】同上記録ヘッドを動作させる駆動波形の工程図である。
【図３】同上記録ヘッドの要部を示す回路図である。
【図４】同上記録ヘッドの駆動波形の制御パルスを示した図である。
【図５】実施例１における工程Ｃ１中とＣ１終了時のインク流路の流れを示した図である。
【図６】実施例１における工程Ｃ２中でのノズルメニスカスの挙動を示した図である。
【図７】工程Ｃ１と工程Ｃ２を用いない従来例の駆動波形図である。
【図８】工程Ｃ２時間と吐出インク重量の関係を示した図である。
【図９】ノズルメニスカスの変位の例を示す線図である。
【図１０】実施例１における工程Ｃ１の充電傾きによるノズルメニスカスの変位の違いを示す線図である。
【図１１】実施例２における駆動波形図である。
【図１２】実施例２における工程Ｄ２中でのノズルメニスカスの挙動を示した図である。
【図１３】実施例３における駆動波形図である。
【図１４】実施例４における駆動波形図である。
【符号の説明】
３ 圧電振動板
４ 圧力発生室
７ ノズル開口
Claims (4)
- ノズル開口と共通のインク室に連通する圧力発生室を備え、前記圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させて前記圧力発生室へインクの補充、ノズル開口からのインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、
ノズルメニスカスが静止している状態から、圧力発生室を収縮させて最大圧力以下の範囲で圧力を高め、共通のインク室側へのインクの流れを生じさせる工程Ｃ１と、
この工程Ｃ１終了後の圧力発生室の状態を保持する工程Ｃ２と、
この工程Ｃ２でのインクの流れによって、ノズルメニスカスが圧力発生室側に引きこまれた状態を捉えて、圧力発生室を膨張させて最小圧力まで減圧する工程Ｃ３と、
インク滴を吐出させるためのタイミングを調整する工程Ｃ４と、
この工程Ｃ４終了直後に最大圧力まで圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる工程Ｃ５とを経ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。 - 前記工程Ｃ２において、環境温度が最高保証温度の場合は圧力発生室の収縮量を最小にし、最低保証温度に近づくに従って圧力発生室の収縮量を最高にすることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
- ノズル開口と共通のインク室に連通する圧力発生室を備え、前記圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させて前記圧力発生室へインクの補充、ノズル開口からのインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、
ノズルメニスカスが静止している状態から、圧力発生室を膨張させて最小圧力より高い範囲で減圧し、ノズル開口側へのインクの流れを生じさせる工程Ｄ１と、
この工程Ｄ１終了後の圧力発生室の状態を保持する工程Ｄ２と、
この工程Ｄ２でのインクの流れによって、ノズルメニスカスが圧力発生室側に引きこまれた状態を捉えて、圧力発生室を膨張させて最小圧力まで減圧する工程Ｃ３と、
インク滴を吐出させるためのタイミングを調整する工程Ｃ４と、
この工程Ｃ４終了直後に最大圧力まで圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる工程Ｃ５とを経ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。 - 前記工程Ｄ１において、環境温度が最高保証温度の場合は圧力発生室の膨張量を最小にし、最低保証温度に近づくに従って圧力発生室の膨張量を最高にすることを特徴とする請求項３記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
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| JP29014097A JP3769371B2 (ja) | 1997-10-22 | 1997-10-22 | インクジェット式記録ヘッドの駆動方法 |
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1997
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| JPH11123820A (ja) | 1999-05-11 |
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