JPH04251749A - インクジェット記録ヘッドの駆動方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクジェット記録ヘッ
ドの駆動方法に係り、詳しくはオンデマンド型インクジ
ェット記録ヘッドにおいて、インク吐出の安定化及び高
速化並びに印字品質の向上を可能にした記録ヘッドの駆
動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、インクジェット記録ヘッド及びそ
の駆動装置には多くの方式があり、これを大きく分類す
ると、■連続噴射型■オンデマンド型（インパルス型）
■静電吸引型の３つになる。この中で、オンデマンド型
インクジェット記録ヘッドは、構成が比較的簡単であり
しかも安価にて製造できるという特徴から、プリンタ等
の記録ヘッドとして広く使用されている。

【０００３】図２はこの種の記録ヘッドの主要部を示し
たもので、この図において１はインクタンク、２はイン
ク供給路、３はインク加圧室、４はインクノズル、５は
インクノズル４に連通するインク供給路、６はインク加
圧室３の外側に設けられた振動板、７はこの振動板６に
貼着された電気機械変換素子としての圧電素子であり、
前記振動板６及び圧電素子７によりバイモルフが構成さ
れている。このような構成において圧電素子７にパルス
状の電圧が印加されると、圧電素子７はその厚さ方向に
膨張し長さ方向には収縮するため、振動板６はインク加
圧室３の内側にたわむ。これによりインク加圧室３の容
積がわずかながら減少し、振動板６の変形により生じた
圧力波により、インクがインク滴となってインクノズル
４から図のａ方向に吐出される。

【０００４】ところで、圧電素子７に印加される電圧パ
ルス波形としては、図３〜図５に示すものが多用されて
いる。まず、図３は時刻ｔ１で電圧をＶ１とし、（ｔ２
−ｔ１）時間経過後の時刻ｔ２で電圧をゼロに除荷する
ものであり、インク滴は時刻ｔ１で吐出し、これを目的
とする周波数に応じてｎ回（ｎは自然数）繰り返す。こ
こで、電圧パルス幅Ａを振動板６及び圧電素子７からな
るバイモルフの固有振動周期と等しくする。このような
電圧パルス波形による駆動方法は“押し打ち”の駆動方
法と呼ばれている。次に、図４は時刻ｔ１で電圧をゼロ
とし、（ｔ２−ｔ１）時間経過後の時刻ｔ２で電圧をＶ
１とするものであり、インク滴は時刻ｔ２で吐出し、こ
れを目的とする周波数に応じてｎ回繰り返す。ここで、
（ｔ２−ｔ１）の時間Ｂをバイモルフの固有振動周期の
１／２とする。このような電圧パルス波形による駆動方
法は“引き打ち”の駆動方法と呼ばれている。更に、図
５は図３に示した“押し打ち”の駆動方法の変形例であ
り、時刻ｔ１で電圧をＶ１とし、（ｔ２−ｔ１）時間経
過後の時刻ｔ２で電圧を−Ｖ２とした後、（ｔ３−ｔ２
）時間経過後の時刻ｔ３で電圧をゼロとするもので、イ
ンク滴は時刻ｔ１で吐出し、これを目的とする周波数に
応じてｎ回繰り返すものである。

【０００５】なお、図４に示した“引き打ち”の駆動方
法は、インク加圧室３の容積を一旦増加させ、いわゆる
インクノズル４内のメニスカス（インクの出入り）を後
退させてからインクを加圧するものであり、この駆動方
法によれば、特開昭５５−１７５８９号公報に記載され
ているごとく、図３の“押し打ち”に比べてインク滴を
安定して吐出させることができ、かつ周波数応答性にも
優れていることが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、オン
デマンド型のインクジェット記録ヘッドは、電圧パルス
の印加によって駆動される。印加される電圧パルスは、
周知のようにその波形のタイプによって、それぞれ異な
ったメカニズムでインクジェットを生成する。図３〜図
５に示される波形では、もっぱら電圧パルスの波高値及
びパルス幅のみが着目され、これらの２つのパラメータ
によってインクの吐出を制御しようとしている。しかる
に、インク吐出時の挙動を考えるとき、上記２つのパラ
メータのみによっては制御できない種々の好ましくない
現象がある。例えば、インクノズル外部からの気泡の浸
入によるインク不吐出のほか、重大なものとしていわゆ
るサテライトの発生がある。すなわち、１回の電圧パル
ス波形を与えた場合、インクノズルから主インク滴に続
いて時間的に遅れをもったサテライト（副インク滴）が
数発吐出し、このサテライトによって文字を構成するド
ットがにじみ、印字品質が低下するという問題を生じる
。また、インクノズルから吐出されたインク滴が曲がっ
て直進性を失い、所望の文字フォントを印字できないこ
とがある。

【０００７】これらの現象はストロボ観測装置を用いて
容易に観測可能であり、実際に前記図３〜図５の電圧パ
ルス波形を圧電素子７に印加した観測実験では、圧電素
子７の面積を小さくするほどサテライトが発生しやすい
ことが確認されている。これは、インクノズル内でのイ
ンクメニスカスの挙動が不均一になるためであろうと考
えられている。このインクメニスカスの挙動については
インクノズルの形状を制御することで安定化させる試み
もなされているが、製造面や形状面での制約が多く実用
化が難しい。このため、簡便な方法として、駆動波形の
工夫によってインク滴の吐出を安定させて印字品質の向
上を図ることが要請されてくる。

【０００８】なお、発明者においても、図３，図４に示
す駆動電圧のパルス波形を図２の記録ヘッドに印加しイ
ンクの吐出特性を調べてみた。実験条件として、電圧Ｖ
１を１００〜１５０Ｖ、時間Ａ，Ｂを２０〜１５０μｓ
ｅｃ、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間を何
れも５μｓｅｃ以下、駆動周波数は１〜５ｋＨｚとした
。実験の結果、これらの条件下ではサテライト発生が多
くみられ、インクノズル４への気泡の浸入も多数みられ
て良好な印字品質が得られないことを確認した。そこで
、電圧印加方法の中で最も動作を安定させることが可能
と思われる“引き打ち”の駆動電圧のパルス波形につい
て着目し、図６に示す波形の立ち下がり時間Ｔｄ及び立
ち上がり時間Ｔｅ、印加電圧Ｖにつき上述した実験より
もさらに広範囲の値を設定して実験したが、良好な結果
は得られなかった。

【０００９】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、サテライトの発
生、気泡の浸入をなくし、高速で安定したインクジェッ
ト記録が可能なインクジェット記録ヘッドの駆動方法を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、“引き打ち”の電圧パルス波形を基本と
するもので、インク不吐出時には電気機械変換素子に予
め電圧Ｖ１を印加してインク加圧室の容積を減少させて
おき、印字に当たってはインク加圧室の容積が急激に変
化しないように立ち下がり時間Ｔａを経て前記電圧Ｖ１
を除荷し、そのまま時間Ｔｂを保持し、その後、立ち上
がり時間Ｔｃにて前記電圧Ｖ１よりも低い電圧Ｖ２を印
加した後、瞬時に電圧Ｖ１に復帰させてインク加圧室の
容積を減少させ、インクノズルからインクを吐出させる
ものである。

【００１１】ここで、上記電圧Ｖ１，Ｖ２、時間Ｔａ，
Ｔｂ，Ｔｃとしては以下の範囲であることが望ましい。 Ｖ１：９０〜１２０Ｖ Ｖ２：４０〜６０Ｖ Ｔａ：５〜１０μｓｅｃ Ｔｂ：Ｔｂ≦２０μｓｅｃ−Ｔａ Ｔｃ：Ｔｃ≒６０μｓｅｃ−Ｔｂ−Ｔｃ

【００１２】

【作用】本発明においては、インク不吐出時には電気機
械変換素子に電圧Ｖ１が印加されてインク加圧室の容積
が減少する。印字に当たっては立ち下がり時間Ｔａをか
けて電圧Ｖ１が除荷されるので、インク加圧室の容積は
急激に減少しない。電圧Ｖ１が除荷された後は、時間Ｔ
ｂを経過してから、電圧Ｖ１の約半分の電圧Ｖ２まで立
ち上がり時間Ｔｃをかけて昇圧される。電圧Ｖ２まで昇
圧した後は瞬時に電圧Ｖ１まで復帰される。これらの過
程を経て電圧が印加されることにより、インク吐出が高
速になると共に安定する。

【００１３】さらに、電圧Ｖ１を９０〜１２０Ｖ（ボル
ト）、電圧Ｖ２を４０〜６０Ｖ（ボルト）、時間Ｔａを
５〜１０μｓｅｃ、時間Ｔａと時間Ｔｂとの和を２０μ
ｓｅｃ以下、時間Ｔａと時間Ｔｂと時間Ｔｃとの和をほ
ぼ６０μｓｅｃとすると、インク吐出が一層高速になる
と共に最も安定することが確認されている。

【００１４】

【実施例】以下、図に沿って本発明の実施例を説明する
。図１は本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法
に用いられる電圧パルスの波形図であり、この電圧パル
スが図２に示した記録ヘッドに印加されてインク滴を吐
出する。図２の記録ヘッドの構造についてはすでに説明
してあるので説明を省略する。発明者は、メニスカスが
前進してインクが吐出される際の波形効果に着目し、最
も良好なインク吐出特性を発揮する波形として、図１に
示す波形を見出し、その条件を特定化した。

【００１５】以下、波形と記録ヘッドの動作との関係に
ついて図１を参照しつつ詳細に説明する。先ず、圧電素
子７には予め電圧Ｖ１が印加される。この電圧Ｖ１は、
記録ヘッドの動作時に除荷されて一様に下降し、立ち下
がり時間Ｔａを経過した時点でゼロになる。この立ち下
がり時間Ｔａは、それまで収縮していたインク加圧室３
が復元してインクタンク１からインクが吸い込まれると
ともに、インクノズル４内のメニスカスが後退する期間
である。この立ち下がり時間Ｔａは、短かすぎるとイン
クノズル４から気泡が浸入する要因となるので、具体的
には５〜１０μｓｅｃの範囲が好ましい。さらに、電圧
がゼロになってから再度昇圧するまでの保持時間Ｔｂは
、次のインク吐出時の立ち上がり時間Ｔｃとの関係で決
定され、具体的には１０μｓｅｃ以下であることが望ま
しく、また、立ち下がり時間Ｔａと保持時間Ｔｂとの和
が２０μｓｅｃ以下であることが必要である。

【００１６】次に、電圧はインク吐出のためほぼ一様な
勾配で電圧Ｖ２まで上昇させ、電圧Ｖ２に到達すると電
圧Ｖ１まで瞬時に上昇させる。このときの立ち上がり時
間Ｔｃを５μｓｅｃ以下とすると、インクが吐出される
ものの、インク柱の曲がりや吐出量のバラツキが発生し
やすい。そこで種々の実験の結果、電圧Ｖ２を電圧Ｖ１
の約半分の値とし、立ち上がり時間Ｔｃを４０μｓｅｃ
とし、電圧Ｖ２に到達してから３μｓｅｃ以下の期間に
電圧Ｖ１に復帰させることで、安定した吐出特性が得ら
れることが判明した。これは、メニスカスの動作が、あ
る段階までは緩やかであるので、その期間にメニスカス
の先端形状等が整合されてインクノズル４内での不均一
がなくなることにより、良好な吐出特性が得られるもの
と推定される。また、電圧パルスのパターン幅は、立ち
下がり時間Ｔａと保持時間Ｔｂと立ち上がり時間Ｔｃと
の和（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ）となり、実験の結果、このパ
ターン幅を６０μｓｅｃ以下にすると、インク吐出の高
速化、安定化の面で最も適していることが判明した。な
お、パターン幅が６０μｓｅｃを越えて長くなると、イ
ンク柱が次第に細長くなって裁断され、サテライト化す
る。また、パターン幅が６０μｓｅｃを下回り４０〜５
０μｓｅｃの範囲になると、インク柱が曲がってしまう
。いずれにしろ、パターン幅がほぼ６０μｓｅｃである
ときに、インク柱が最も安定し、良質の印字が可能にな
る。すなわちパターン幅が６０μｓｅｃを越えても、ま
たは下回っても、印字品質は低下することになる。

【００１７】なお、パルスの高さについては、電圧Ｖ１
が９０〜１２０Ｖ、電圧Ｖ２が４０〜６０ボルトＶであ
る場合に、前述の各時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ相互間の条件
を満足して印字品質を向上させることが確認できた。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように本発明では、記録ヘッ
ドの電気機械変換素子に印加する電圧パルス波形を、イ
ンクノズル内のメニスカスの動き（インク体積速度）に
着目してメニスカスの後退を緩やかとし、かつメニスカ
スの前進（インク吐出）を緩急の２段階に分けて制御で
きる電圧パルス波形とした。具体的には、インク不吐出
時には電気機械変換素子に電圧Ｖ１を印加してインク加
圧室の容積を減少させ、印字に当たっては立ち下がり時
間Ｔａをかけて電圧Ｖ１を除荷することによりインク加
圧室の容積の急激な減少を防ぐと共に、電圧Ｖ１を除荷
した後に時間Ｔｂを経過してから電圧Ｖ１の約半分の電
圧Ｖ２まで立ち上がり時間Ｔｃをかけて昇圧し、その後
、瞬時に電圧Ｖ１まで復帰させる電圧パルス波形とした
ものである。これにより、インク吐出の高速化、安定化
を達成できると共に印字品質の向上を図ることができ、
マルチノズルに用いられる記録ヘッドにも適用可能であ
る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における電圧パルスの波形図で
ある。

【図２】本発明が適用されるインクジェット記録ヘッド
の断面図である。

【図３】従来の電圧パルスを示す波形図である。

【図４】従来の電圧パルスを示す波形図である。

【図５】従来の電圧パルスを示す波形図である。

【図６】従来の電圧パルスを示す波形図である。

【符号の説明】

１　　インクタンク ２　　インク供給路 ３　　インク加圧室 ４　　インクノズル ５　　インク供給路 ６　　振動板 ７　　圧電素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　インク加圧室と、このインク加圧室に
   連通するインクノズルと、前記インク加圧室の外側に配
   置され、かつ電圧パルスの印加により変形して前記イン
   ク加圧室の容積を変化させる電気機械変換素子とを備え
   、この電気機械変換素子の変形の際に生ずる圧力波によ
   り前記インク加圧室内のインクを加圧して前記インクノ
   ズルから吐出させるオンデマンド型インクジェット記録
   ヘッドにおいて、インク不吐出時には前記電気機械変換
   素子に予め電圧Ｖ１を印加して前記インク加圧室の容積
   を減少させておき、印字に当たっては前記インク加圧室
   の容積が急激に変化しないように立ち下がり時間Ｔａを
   経て前記電圧Ｖ１を除荷し、そのまま時間Ｔｂを保持し
   、その後、立ち上がり時間Ｔｃにて前記電圧Ｖ１よりも
   低い電圧Ｖ２を印加した後、瞬時に電圧Ｖ１に復帰させ
   て前記インク加圧室の容積を減少させ、前記インクノズ
   ルからインクを吐出させることを特徴とするインクジェ
   ット記録ヘッドの駆動方法。
2. 【請求項２】　　電圧Ｖ１，Ｖ２、時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔ
   ｃが以下の範囲である請求項１記載のインクジェット記
   録ヘッドの駆動方法。 Ｖ１：９０〜１２０Ｖ Ｖ２：４０〜６０Ｖ Ｔａ：５〜１０μｓｅｃ Ｔｂ：Ｔｂ≦２０μｓｅｃ−Ｔａ Ｔｃ：Ｔｃ≒６０μｓｅｃ−Ｔｂ−Ｔｃ