JPH01113252A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はインクジェット記録ヘッドに関し、詳しくはイ
ンク液噴射ノズルのインク流路に沿って設けられた電気
機械変換素子の発生する圧力により前記ノズル先端から
インク液を液滴として噴射して記録を行なうインクジェ
ット記録ヘッドに関する。

（従来の技術） 従来、この種の、いわゆるオンデマンド方式のインクジ
ェット記録ヘッドは連続噴射方式や静電吸引方式のイン
クジェット記録ヘッドと比較し、必要なときだけインク
滴を吐出できることや、記録ヘッド自体の構造が簡単で
あることなどの点で優れているとされている。

また、記録画像の階調表現の上では、記録ドツトサイズ
を変化させることによって記録濃度を制御するアナログ
記録方式がより優れたものとされている。このことに対
してオンデマンド方式の記録ヘッドは、例えば特開昭５
５−１７５８９号公報に記載されているような方法によ
って、小さなインク滴を吐出させ、上記アナログ記録を
可能にするものであった。

第７図はオンデマンド型のインクジェット記録ヘッドの
一構成例である。図において、１は長さＬの直管状のノ
ズル、２はノズルｌの外側に配置されている例えば円筒
状の電気機械変換素子としての圧電素子であり、この圧
電素子２が配置されたノズル１の内部が吐出エネルギ作
用室となる。

圧電素子２に駆動部７から電圧パルス信号が供給され、
この電圧パルスの正負に応じて圧電素子２が収縮または
膨張する。これにより吐出エネルギ作用室を含むノズル
１内のインク室３の容積が減少または増加し、これら容
積の減少および増加を適切に制御することによってオリ
フィス４から所望のタイミングでインク滴５が吐出され
る。また、６はフィルタであり、多孔質の部材で形成さ
れており、インク中の塵埃や気泡のノズル内への侵入を
阻止するものである。ここに２′は圧電素子２の配設部
分の中心からノズル後端までの長さとする。

上述したような記録ヘッドにおける圧電素子２に対し、
例えば第８図に示すような正の電圧パルス、すなわちイ
ンク室３の容積を急激に減少せしめた後、気泡をノズル
内に取り込まないようにゆるやかに戻らしめるような電
圧パルス信号を供給すると、インク滴は吐出するものの
比較的小さなインク滴を吐出させることができない。

これに対して、上述した特開昭５５−１７５８９号に記
載されている方法で小さなインク滴を吐出することも可
能になっている。

第９図は第８図示の電圧パルスを印加したときの駆動周
波数とインク吐出速度との関係を示す。

この曲線に山、谷が存在するように、一般にインクジェ
ット記録ヘッドにおけるインクの挙動には共振周波数が
あり、これらのピークから計算すると、共振の周期は、
ノズル内のインク中の音速度をＣとすると　４１１／ｃ
であられすことができる。このことは、ノズル先端のオ
リフィス４が圧力波の反射における固定端、ノズル後端
のフィルタ６が自由端とみなされ、圧力波がノズルを一
往復することによりその圧力の態様を反転し、二往復す
ることにより元に戻ることを示している。

このことをさらに明らかにするために、オリフィスから
インクが吐出するときのメニスカス振動の様子を第１Ｏ
図に示す。メニスカスの振動の山（谷）はやはりほぼ４
１／Ｃ毎にあり、これらの逆数は第９図の共撮周波数に
対応している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、このようなメニスカスの振動があると、オリ
フィス４方向に振動したとき、付勢されたメニスカスが
オリフィス４を通り越してしまい、インク滴として吐出
してしまう危険性がある。

第１１図（Ａ）に示すように、メインパルスによって吐
出する主滴１１および副次的に発生するサテライト１２
に比べて、メニスカスの振動によって吐出する微小イン
ク滴１３は吐出速度が極端に遅いため、その方向等が偏
向したりして記録画像の品位を乱すばかりでなく適正な
記録濃度より高めになってしまうことになる。また、時
には完全に吐出し終えずに、第１１図（８）のようにオ
リフィス４付近でインク滴がつぶれてしまい、次の吐出
を阻害し吐出安定性を大幅に劣化させることもある。

第１Ｏ図に示したようにメニスカスは不安定に振動しな
がらオリフィスに復帰するものであり、このメニスカス
の振動による、上述したような弊害が多々生じる可能性
があった。従って、環境温度の上昇や連続作動等によっ
てインク温度が高くなった場合にインクの粘度および表
面張力が低下すると、インクの粘性によるエネルギーの
減衰が十分になされず、振動はより激しいものとなりイ
ンクの吐出安定性に欠けることになる。

このメニスカスの振動の原因は、吐出電圧パルスによっ
て生じる圧力波がノズルの後端および先端で繰り返しは
ねかえる反射波によるものであり、この反射波の悪影響
はインクジェット記録装置において従来より解決すべき
問題点の一つであった。

そこで本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し
、周波数応答性および吐出安定性に優れたインクジェッ
ト記録ヘッドを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） そのため、本発明では、インク液噴射ノズルのインク流
路に沿って設けられた電気機械変換素子と、メインパル
スと該メインパルスに後続する少なくとも３つ以上奇数
個のサブパルスを、前記ノズルの長さ、前記機械変換素
子による圧力作用の中心と前記ノズル後端との距離、お
よびインク中を伝播する圧力波の速さによって定まる時
間間隔で印加する電圧パルス波形により前記電気機械変
換素子を駆動する手段とを具えたことを特徴とする。

〔作用〕

以上の構成によれば、メインパルスによって発生する圧
力波の反射波を、その後に印加される少なくとも３つ以
上のサブパルスによって打ち消す。

（実施例） 以下、図面に示す実施例に基づき本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す電圧パルスの波形図で
あり、また、第２図は第１図に示した電圧パルス波形を
圧電素子２に印加したときの、圧力波の伝播およびイン
ク中で圧力波エネルギーが減衰する様子を示す。なお、
第２図中、実線は圧縮波を示し、破線は膨張波を示す。

第２図から明らかなように、正のメインパルス１５を印
加すると圧縮波が発生し、この圧縮波はノズル先端およ
び後端に向かって進行する。上述したようにノズル先端
は、反射にお□ける固定端、ノズル後端は自由端とみな
され固定端では圧力波の態様は変化せず、自由端では反
転する。すなわち、自由端では圧力波が反射することに
よって、圧縮波は膨張波。

に、膨張波は圧縮波に反転する。

また、第１図から明らかなように、メインパルス１５を
印加した後、時間２１°／Ｃ後、２℃／Ｃ後、２（ｕ　
＋　１　’）／Ｃ後に、それぞれサブパルス１５−１．
１５−２．１５−３を印加させる。このとき、反射して
きた膨張波はサブパルス１５−１によって打ち消され、
圧縮波がノズル後端に向かって進行し始める。同様にサ
ブパルス１５−２によって、反射してきた膨張波は打ち
消され圧縮波がノズル後端に向かって進行し始める。こ
の２つのサブパルスによって膨張波がノズル先端に達し
、メニスカスの挙動に悪影響を及ぼすことを阻止するこ
とが可能となる。

これに対して、第１２図および第１３図の比較例に示す
ように、メインパルスを印加した後、時間２Ｉ１．／Ｃ
後にサブパルスを印加した場合、最終的に圧力波は消滅
するものの、反射してきた膨張波の１つはノズル先端に
達し、充分にエネルギーが減衰していないため、メニス
カスの挙動に悪影響を及ぼす可能性がある。

さらに、第１図および第２図から明らかなよう２つのサ
ブパルス１５−１および１５−２に続けて、時間２（１
＋ｊ２°）／Ｃ後に３番目のサブパルス１５−３を印加
する。このとき、膨張波のエネルギーは減衰して小さく
なっており、このサブパルス１５−３の大きさを圧力波
エネルギーの減衰量に応じ適切に定めることによって、
反射してきた膨張波は完全に相殺される。これにより、
後続するインク吐出に与える影響を無くすことができ、
インク吐出の応答性を良くすることができる。また、反
射してくる膨張波の１つはノズル先端に達したものであ
るが、このとき膨張波のエネルギーは十分に減衰して小
さくなっているため、メニスカスの挙動に与える影百は
少ない。

第３図は本発明の第２の実施例を示す電圧パルス波形で
ある。この波形はインク中での圧力波エネルギーの減衰
が比較的小さい場合に有効である。第１図の実施例で示
したように、３つ目のサブパルスで膨張波を相殺するよ
うにするのではなく、１［ｉ−１〜１６−４の４つのサ
ブパルスによ）て、反射してきた膨張波を打ち消してノ
ズル先端への圧力波の伝播を阻止し、５つ目のサブパル
ス１６−５で膨張波を完全に相殺する。この結果、メニ
スカスの挙動に影響を与え得る反射波のエネルギーはよ
り小さなものとなる。

上述したように、インク中の圧力波エネルギーの減衰に
応じてサブパルス数および印加タイミングを適切に定め
れば、ノズル先端におけるメニスカスの挙動に与える圧
力波の影響は軽減される。

すなわち、メインパルスを印加してから、時間（ｎｘ　
ｚｕ’／ｃ）後に（２ｎ−１）番目、時間（１／ｃ＋　
（ｎ−１）　ｘ　２Ｊ２　’／ｃ）後に（２ｎ）番目、
時間（２ｊ！／ｃ＋　ｎ　Ｘ　２１’／ｃ）後に（２ｎ
＋１）番目、ここで、ｎは１以上の整数のサブパルスを
、それぞれ圧力波エネルギーの減衰に対応させ、徐々に
小さな値にして印加する。

第４図は上述したようなメインパルスおよびサブパルス
を各々印加する直前に、負の電圧パルスを印加して圧電
素子２を膨張させるパルス波形を示す。これにより、電
圧パルスの立ち上げ電圧が大きくなり、インク滴の吐出
速度を大とし、小さ　。

なインク滴の吐出を可能にする。

第５図は、上述したような正のメインパルスおよびサブ
パルスを印加する代りに、負の電圧パルスを立ち下げて
その後立ち上げる波形を示している。これにより、圧電
素子２を一端膨張させて、その直後急激に元の状態に戻
すことにより小さなインク滴を吐出することが可能とな
る。

なお、第４図および第５図に示した電圧パルス波形によ
って本発明の効果が損なわれないことは勿論である。

第６図は第７図に示した駆動部７の主要部をなす駆動回
路の一例を示し、第１図に示すパルス波形を発生する回
路である。図において、Ｔｒｉ〜Ｔｒ４はトランジスタ
を示し、端子Ａ、Ｂに入力する論理信号の組み合わせに
よって４つのパルスを発生する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、メインパルス印加後に
サブパルスを印加し、メインパルスによって生じる圧力
波の反射波を打ち消すことによって、メニスカスの振動
に与える悪影響を軽減でき、また振動の減衰を速めるこ
とができる。これにより、インク吐出の安定性および応
答性に優れたインクジェット記録ヘッドを実現すること
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による駆動パルス波形の一実施例を示す
波形図、 第２図は本発明による駆動パルス波形の一実施例での圧
力波の伝播の様子を示す概念図、第３図〜第５図は本発
明による駆動パルス波形の一実施例を示す波形図、 第６図は第１図に示した駆動パルス波形を発生させる回
路図、′ 第７図は本発明を適用可能なインクジェット記録ヘッド
の一構成例を示す側断面図、 第８図は記録ヘッドを駆動するための従来の駆動パルス
波形を示す波形図、 第９図は第８図示の波形で駆動を行ったときのインク吐
出速度の周波数特性を示す特性曲線図、 第１Ｏ図は第２図示の波形で駆動を行ったときの四国、 第１２図は比較例による駆動パルス波形を示す波形図、 第１３図は比較例による駆動パルス波形での圧力波の伝
播の様子を示す概念図である。 １・・・ノズル、 ２・・・圧電素子、 ３・・・インク室、 ４・・・オリフィス、 ６・・・フィルタ、 ７・・・駆動部、 Ｔｒｉ〜Ｔｒ４・・・トランジスタ。 第１図 カ・もの８尋問 第２図 第３図 ＋Ｖ −Ｖ 第６図 馬り動因波数（ＫＨｚ＞ 第９図 第川図 第ｔｉ図（Ｂ） 第１２図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）インク液噴射ノズルのインク流路に沿って設けられ
   た電気機械変換素子と、 メインパルスと該メインパルスに後続する少なくとも３
   つ以上奇数個のサブパルスを、前記ノズルの長さ、前記
   機械変換素子による圧力作用の中心と前記ノズル後端と
   の距離、およびインク中を伝播する圧力波の速さによっ
   て定まる時間間隔で印加する電圧パルス波形により前記
   電気機械変換素子を駆動する手段と を具えたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 ２）特許請求の範囲第１項に記載のインク ジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルの長さをｌ、
   前記距離をｌ′、前記インク中の圧力波の伝播速度をｃ
   としたとき、前記電圧パルス波形は、前記メインパルス
   を印加してから、 時間（ｎ×２ｌ′／ｃ）後に（２ｎ−１）番目、 時間｛２ｌ／ｃ＋（ｎ−１）×２ｌ′／ｃ｝後に（２ｎ
   ）番目の前記サブパルスを、 さらに時間（２ｌ／ｃ＋ｎ×２ｌ′／ｃ）後に（２ｎ＋
   １）番目の最後 の前記サブパルスを、前記メインパルスの電圧値の各々
   ａ＿２＿ｎ＿−＿１倍、ａ＿２＿ｎ倍、ａ＿ｎ＿＋＿１
   倍して印加する波形 ここで、ｎは１≦ｎ≦ｎ０を満たす整数 １≧ａ＿２＿ｎ＿−＿１≧ａ＿２＿ｎ≧ａ＿２＿ｎ＿＋
   ＿１＞０であることを特徴とするインクジェット記録ヘ
   ッド。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載のインクジ
   ェット記録ヘッドにおいて、前記メインパルスは前記電
   気機械変換素子を収縮させる前に膨張させるパルスであ
   ることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 ４）特許請求の範囲第１項または第２項記載のインクジ
   ェット記録ヘッドにおいて、前記メインパルスは正電圧
   のパルスであることを特徴とするインクジェット記録ヘ
   ッド。 ５）特許請求の範囲第１項または第２項記載のインクジ
   ェット記録ヘッドにおいて、前記メインパルスは負電圧
   のパルスであることを特徴とするインクジェット記録ヘ
   ッド。