JPH0435343B2

JPH0435343B2 -

Info

Publication number: JPH0435343B2
Application number: JP55183410A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hanaoka
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1992-06-10
Also published as: JPS57105361A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はオンデマンド型インクジエツトヘツド
の駆動方法に関し、特にインクをインク溜りから
強制的に吸引し、この吸引されたインクを弾性体
の蓄積エネルギーを利用して噴射する方法に関す
る。

従来のオンデマンド型インクジエツトの駆動方
法において、特開昭52−56928により公知の駆動
方法では、圧力室の容積が拡大するように圧力室
の壁を圧電素子の分極電圧と反対方向の電圧印加
によつて所定時間維持し、さらに圧電素子への電
圧の極性を反転させ圧力室の容積を拡大された状
態から縮小する状態へ移行させ、液滴の噴出を行
つている。この電圧の極性の反転には電圧変換器
が用いられ、その２次側インダクタンスは圧電素
子の容量と共に振動回路を形成している。また上
記振動回路の共振周波数はインク柱の共振周波数
に等しく、１次側の電流衝撃の長さを上記した共
振周波数の半周期の長さに等しくしている。

このような駆動方法では１つのノズルに対して
１つの電圧変換器と制御回路が必要であり、特に
マルチノズルの場合、ノズルの数だけ電圧変換器
と制御回路の組合せが必要となつて極めて費用が
嵩む。

また最低の電圧で最高の液滴速度を得るという
最大効率の観点からすると、電圧変換器の１次側
の電流衝撃の長さはインク柱の共振周波の半周期
には一致しない。何故ならばインク性の振動は圧
力室の壁と圧電素子とインクから成る振動系の電
圧変換器の１次側の電流衝撃に呼応する過渡応答
としてとらえられ、インク柱の振動は位相遅れを
伴つた減衰振動となる。従つて圧電素子への制御
電圧の極性転換による圧力室の容積が拡大された
状態から縮小された状態への移行する時点は、こ
のインク柱の位相遅れを伴う減衰振動の或る位相
に対応して選択されるとき、上記した最大の効率
が得られる。換言すれば、電圧変換器の１次側の
電流衝撃の長さは、単にインク柱の固有振動数の
半周期に定められるのではなく、実際に起る圧力
室とノズル内でのインク柱の減衰振動の最適位相
に合せて定められるとき低電圧での駆動が実現で
き、上記電流衝撃の長さはインク柱の固有振動の
半周期より長くなることが実験的にも確認され
る。

さらに待機状態で圧力室を膨張させるものにあ
つては、圧電素子に分極電圧とは逆方向の電圧を
印加した状態を維持する必要があるため、圧電素
子が減極されて変換効率が低下する虞れがある。

本発明の目的は、圧力室の壁と電気機械変換手
段とインクからなる振動系の減衰振動を積極的に
利用して安定な動作を可能にすることであり、且
つ低い駆動電圧で所定の液滴の噴出速度を得る事
である。

本発明の他の目的は、前記振動系の積極利用と
共に駆動系の改良により駆動電源電圧を低下する
事にある。

以下、本発明の一具体例を図示実施例に基づい
て説明する。

第１図、第２図において、基板１には、円形を
した圧力室２とノズル３と供給口４が凹部形状で
形成されており、この凹部形状全体を覆うように
壁５が接合されている。インク６は、インク溜り
７よりインク供給管８、さらに狭溢部を形成する
供給口４を経て圧力室２とノズル３に導びかれて
いる。ノズル３の開口部３ａでは、インク６の表
面張力と負圧Ｈが釣り合つて、インク６がノズル
３の開口部３ａに滲み出ないように保たれてい
る。電気機械変換手段としての圧電素子９が、蒸
着などの手段で壁５に設けられた電極面５ａへ接
着されており、その場所は壁５を挾んで圧力室２
に対峙する位置である。リード線１０は電圧を印
加したとき圧電素子９が径方向へ収縮し、壁５が
ほぼ円錐状に圧力室２の方向へ撓み、圧力室２の
容積が減少するようにその極性が選択される。即
ち圧電素子９の分極電圧と同方向の電圧の印加と
なる。

第３図は圧電素子９の駆動回路であり、第４
図，第５図は駆動波形である。第３図に於て、圧
電素子９の各々の電極は制御素子１１，１２，１
３，１４の中間点２２，２３に抵抗力２０，２１
を介して結線され、各々の制御素子１１，１２，
１３，１４は制御入力１６，１７，１８，１９が
入つている。制御素子１１，１２，１３，１４に
は電圧１５が印加されこの電圧パルスを圧電素子
９に印加する。２４は圧電素子９の内部抵抗であ
り、外付けした放電抵抗であつても良い。この時
の動作を第４図と共に説明する。第４図ａは電源
のON，Off波形、ｂは制御入力波形、ｃは中間
点２２の圧電素子９への印加波形、ｄは中間点２
３の波形、ｅは圧電素子に印加される合成波形で
ある。ｆは圧電素子９の変位を示す。第３図の回
路に電圧１５がＶボルト印加２５されると、Tr₁
はOff、Tr₂はON、Tr₃はON、Tr₄はOffされる
ように制御入力１６，１７，１８，１９が入力さ
れる。この時の状態が第４図のｂであるが極性に
ついては本説明は正負を略しタイミングのみ説明
する。尚極性は素子がスイツチングしやすい波形
のものでトランジスターの種類によつて異なるが
常識的であるので説明しない。すなわちT₁の時
中間点２２は０ボルトに近くｃの如くであり、中
間点２３はＶボルトに近くｄの如くである。更に
ヘツド駆動パルスT₂が制御入力１６，１９に入
力されるとTr₁，Tr₄がONし、Tr₂，Tr₃がOffし
て電流が矢印Ａの如く抵抗２０，２１を介して圧
電素子９を充放電させ中間点２２は０からＶボル
トに、中間点２３はＶボルトから０に変化する。
この時圧電素子９の両端の電圧は第４図ｅのよう
に−Ｖから＋Ｖに極性が変化し電圧１５のＶボル
トに対し2Vボルトの変化がとれる。更にパルス
の解除時にはTr₁，Tr₄はOffし、Tr₂，Tr₃がON
し、その時の充放電電流は矢印Ｂの如く流れる。
中間点２２と２３はｃ，ｄのように急激に変化
し、中間点２２はＶボルトから０に、中間点２３
は０ボルトからＶボルトになりもとの電位に復元
される、圧電素子９の両端の電圧はｅの如く＋Ｖ
ボルトから−Ｖボルトに極性が逆転され2Vボル
トの変化がとれる。電源を26点にてOffさせると
印字パルス２７の解除よりT₄時間後に電源が切
られ、圧電素子９の内部抵抗２４あるいは放電抵
抗により蓄積エネルギーはT₅時間にて放電され
て圧電素子９の両端は同電位となる。

第５図は電源投入時に圧電素子９の両端を同電
にしたもので、印字休止状態は圧電素子９に電圧
印加をさけて耐久性を向上させたものであり、且
つ内部抵抗２４によるエネルギーロスをなくした
ものの実施例である。第５図ｇの印字指令２８に
より、中間点２３はｋ図の如くTr₃がONされて
Ｖボルト印加され、中間点２２，２３の間にはｌ
図の如く−Ｖボルト印加される。印字指令２８よ
りT₁時間後にヘツド駆動パルスT₂が入力され中
間点２２はｊの波形、中間点２３はｋの波形が印
加され、その合成波形はｌの如くなり、第４図の
説明と同様な動作をする。更に最後のヘツド駆動
パルスよりT₇時間後に印字終了指令２９が入り
ｋはＶボルトからＯボルトになり圧電素子９への
印加電圧はゼロとなる。

この時の壁５の変化を第４図ｆに示す。この方
式によれば、電源電圧に対して２倍の電圧変位を
とることが可能となり、電源電圧を低くする事が
できる。特に電池にて直接駆動する場合等に於
て、効果は大きくなる。また電源投入時、あるい
は印字指令時以外は、圧電素子への印加電圧をな
くする事ができ耐久寿命からも効果は大きい。ま
た駆動回路はTTL，Ｅ／DMOS，CMOSの集積
回路でもよく、ICに内蔵してもよい。従つて抵
抗２０，２１は半導体で同様な特性を得る事は可
能であり半導体であつてもかまわない。また圧電
素子の逆耐圧に対しても印加電圧が低い事は効果
がある。

次にこのように構成した装置の動作を第６、
７、８図、及び第１０図に基づいて説明する。

電源が投入されていない状態では、圧力室構成
している壁５はほぼ平面状に保持される。この状
態で電源が投入されると、第３図に示す駆動回路
のトランジスタTr₂、Tr₃がONとなつて図中矢印
Ｂ方向の電流が圧電素子９に流れ込み、圧電素子
９に分極方向の電源電圧に等しい電圧信号が印加
され、この状態が維持される。これにより圧電素
子が径方向に収縮するから、壁５が圧力室２側に
撓んだ状態となり（第７図、第１０図のＡ）こ
の状態で待機する。

印刷指令が出力されるとトランジスタTr₁、
Tr₄とがONとなつて、圧電素子９は、蓄積され
ている電荷を放電させ、同時に前記待機状態とは
逆方向の電圧信号が印加される。これにより圧電
素子９は、待機時に蓄積された弾性エネルギによ
り外周方向に伸張し、この時にトランジスタ
Tr₂、Tr₃がOFFとなつて印加される電圧でもつ
て無電圧よりもさらに外周側に伸張する。これに
より壁５は、無電圧時の状態から更に外側に膨張
することになる（第６図ｍ、第１０図のＢ）。
この膨張の過程においてインク供給口４からイン
クが圧力室２に吸引され、またノズル３の開孔３
ａから空気が吸引されてノズル３のインクが圧力
室２に後退する。ノズル３からのインクの後退量
が最大となつた時点、つまり今印加されている電
圧による変形量が最大となつた時点で、再び駆動
回路のトランジスタTr₁、Tr₄をOFFとし、また
トランジスタTr₂、Tr₃をONにする。

これにより圧電素子９が最大伸張状態から径方
向への収縮を起こすことになるから、壁５は、最
大膨張状態から圧力室２側への収縮に移る。この
過程で圧力室２のインクが壁５に圧縮されてノズ
ル３から外部に液滴として飛出すことになる（第
８図、第１０図のＣ）。

液滴形成後も、その電圧を印加した状態が維持
されて前述の待機状態に移る（第７図、第１０図
のA′）。

したがつて、液滴の形成が終了した時点以後
も、壁５がそのまま収縮された状態を維持するこ
とになり、これがためノズル３にインクが残るこ
とになる。したがつて、ノズル開口３ａのメニス
カスの後退を起こすことがなく、即、次の印刷指
令に応答することができる。もとよりこの待機状
態では、圧電素子の分極電圧と同一極性の電圧が
印加されることになるから、圧電素子の分極を招
くことにはならない。

以下、壁５は、圧力室側に撓んだ状態で待機し
（第１０図のＡ）、印刷指令が出力された時点で
膨張しするとともに（同図のＢ）、膨張が最大に
達した時点で反転して圧力室側に撓んで液滴を形
成し（同図のＣ）、更に圧力室側に撓んだ状態を
そのまま維持して待機する（同図Ａ）という一連
の工程を繰り返して印刷を行なう。

第９図ｏの様に、時刻t₉から時刻t₁₀の間のパル
ス間隔T₈を長くすると、壁５及び圧電素子９は
第９図ｐの如く減衰振動をし、この減衰振動３２
ほぼ次式で表現される。

Ｘ＝Be^-ntsin（ωt−θ）ここでＸは第６図ｍで示した方向の変位であ
り、ｘ＝０はパルス巾T₈を無限に長くした場合、
即ち圧電素子９に電圧が印加されないときの壁５
と圧電素子９の変位であり、Ｘ＝−１は圧電素子
９に電圧を印加して保持したときの内方へ撓んだ
壁５と圧電素子９の変位を示す。Ｘ＝１は外方へ
撓んだ壁５と圧電素子９の変位を示す。ｔは時刻
t₉を零としたときの時間であり、常数Ｂ，ｎ，
ω，θは、壁５や圧電素子９の弾性係数や内部摩
擦、ノズル３と供給口４の近傍の流体質量や流体
抵抗、ノズル３の開口部３ａ近傍でのインク６の
表面張力等によつて定まる。

時刻t₉から時刻t₁₀の間で、壁５と圧電素子９は
最終的には状態Ｘ＝１に落ち着くが、それ以前で
はＸ＝１を軸とした減衰振動をする。またこの減
衰振動３２は、圧電素子９に第９図ｏの如き電圧
波形３３が加えられたときの、壁５と圧電素子９
とインク６から成る振動系の過度応答となる。従
つてこの減衰振動には時間遅れが起り、上記した
式の中でθがこれを意味する。

壁５及び圧電素子９の、上記した減衰振動３２
によつて、ノズル３近傍のインク６を同様の振動
をする。これはノズル３の開口部３ａより入る空
気の吸い込み量３０（第６図ｍ，ｎ図示）の時間
変化によつて観察される。空気の吸い込み量３０
は第９図Ｑの如き減衰振動３４をして、最終的に
は消滅するが、最大の吸い込み量３０が起る時刻
t₁₁は、圧電素子９の変位Ｘが極大値３５になる
時刻にほぼ一致している。

圧電素子９への電源電圧１５（第３図図示）を
或る値に設定し、第９図ｏのパルス巾T₈を段々
と短くしていつて、このパルス巾T₈に対応する
液滴の速度をプロツトすると、第９図ｒの如き速
度曲線３６となる。即ちパルス巾T₈が長い状態
では、ノズルから液滴３１は噴射されないが、空
気の吸い込み量が最大となる時刻t₁₁近傍へパル
ス巾T₈を設定すると、液滴３１が噴射される。
液滴３１の噴射される速度は、パルス巾T₈の長
さが時刻t₁₁の前後にあるとき最大になる。圧電
素子９への電源電圧１５（第３図図示）が低い場
合、壁５及び圧電素子の減衰振動３２がＸ＝１へ
落ち着いた時点で圧電素子９へ電圧を印加する
と、即ちパルス巾T₈を長くした場合には、壁５
及び圧電素子９は液滴３１を噴射する程の速度で
Ｘ＝１からＸ＝−１の状態へ変位しない。しかし
時刻t₁₁前後で圧電素子９へ電圧を再び印加する
と、壁５及び圧電素子９のＸ＝−１への状態移行
は、パルス巾T₈を長くした場合のＸ＝１からＸ
＝−１への変位の仕方に時刻t₁₁以降の減衰振動
３２を重畳された如くとなる。従つて特に時刻
t₁₁と時刻t₁₂の間の減衰振動３２が、パルス巾T₈
が長い場合の壁５と圧電素子９のＸ＝−１への状
態移行に加わるので、壁５及び圧電素子９は、よ
り速くＸ＝−１の状態へ移行し、液滴３１の噴射
が可能となる。このように圧力室２へのインク６
の吸入時に起る減衰振動３２に同期してパルス巾
T₈を設定することによつて、換言すればパルス
巾T₈を減衰振動３２の極大値近傍に設定するこ
とによつて、圧電素子９への印加電圧が低くて所
定の液滴の速度が得られる。

電源投入時には上記した減衰振動３２が起つて
いないので、壁５が圧力室２の側へ変位しても液
滴３１は噴出されない。

液滴３１の噴射後の壁５と圧電素子９とインク
６から成る振動系のＸ＝−１を軸とした減衰振動
は、圧力室２の内部のインク６がノズル３より液
滴３１が噴射される流体の動き、これと同時に起
る圧力室２の内部のインク６が供給口４を介して
逃げる流体の動きによつて、急速に終息する。従
つて次の液滴３１の噴射にはこの減衰振動は余り
影響を及ぼすことがなく、周波数応答に関し良好
の結果が得られる。

以上述べたように、圧電素子９へ分極電圧と同
方向へ電圧を印加して保持しておき、印字時にこ
の電圧印加を除去して壁５を外方へ復帰させ、更
に逆方向の電圧印加より壁５を外方に変化させ
る。このときのインク６の吸入時に起る圧電素子
９と壁５とインク６から成る振動系の減衰振動３
２の極大値３５近傍で、圧電素子９へ再び逆電圧
を印加し圧電素子９及び壁５を圧力室２の側の内
方へ変位させることによつて、液滴３１を低電圧
で噴射させることを可能とした。減衰振動３２は
圧電素子９への電圧除去及び逆電圧印加に呼応す
る過渡現象であるので、本質的に時間遅れが生
じ、効率のよいパルス巾T₈の設定は、減衰振動
３２の極大値３５近傍に設定することが望しい。
この点からすると、パルス巾T₈を圧電素子９と
壁５とインク６の共振周波数の周期の半分にして
も、上記時間遅れの存在によつて、良い効率点は
上記周期の半分より長い所に存在する。この発明
では、減衰振動３２を利用することによつて高い
効率点でインクジエツトヘツドの駆動ができるの
で、供給する電圧は低くて済みさらに分極電圧と
同方向の電圧印加あるいは逆方向も変化電圧の1/
２程度であるので、圧電素子９の減極も少ない。

また、この発明による駆動方法によれば、高い
効率点での駆動は単にパルス巾T₈の選択のみに
よつて行うことができる。従つて圧電素子９、壁
５及びインク６から成る振動系の系が変つて、そ
の減衰振動３２の極大値３５の位置が時間的に変
つても、パルス巾T₈を変更して高い効率点での
駆動が可能となる。これに対して、電圧変換器を
用いた場合には、１次側、２次側の巻線仕様を変
更する必要があり非常に複雑である。

また本発明によれば電源電圧を低下することが
可能となり、駆動素子の耐圧を下げることがで
き、一般市販されているIC回路を利用できる。
また昇圧回路の昇圧率を低くとることは巻線効率
の改善につながり変換効率の良い電源の製造を可
能にする。また電池駆動の場合、電池電圧直接駆
動も可能となり駆動素子もCMOS等のMOS素子、
TTL等のバイポーラ系の素子にて直接駆動が可
能となり、素子の集積化の進む今日では製品化の
上でも効果は大きい。

更に、電源投入時、印字指令時等に電圧印加さ
れる時も振動系の減衰振動がない為にノズルより
のインク滴の噴出はなく取り扱い易い装置となり
印字指令T₆の時間も数ミリ秒で良く、T₇は１ミ
リ秒以下でも良い。これは電源投入の場合も同じ
で駆動サイクルに支障はない。むしろ耐久寿命で
の効果がある。本発明は超小型インクジエツト装
置に於て、極めて有益である。

以上説明したように本発明においては、圧電素
子に分極方向の第１の電圧信号を印加して前記壁
を圧力室側に撓ませて待機させておき、印刷時に
第１の電圧信号と絶対値が同一で逆極性の第２の
電圧信号を印加して圧力室の壁を無電圧時の平衡
状態よりも外側に変形させる第１の工程と、圧力
室の壁が第２の電圧信号による平衡点まで膨張し
た時点で第１の電圧信号を印加して液滴を形成さ
せ、以後第１の電圧信号を印加した状態を維持し
て待機状態とさせるようにしたので、液滴形成が
終了した時点の変形状態を維持させて圧力室の膨
張を招くことなく待機状態に移るから、ノズル開
孔からのインクの引き込みを無くしてノズル開口
のインクづまりを防止することができる。また印
刷時には第２の電圧を印加して積極的に圧力室を
膨張させているので、壁や圧電素子の弾性定数、
さらにはインクの粘度変化に関わりなく、圧力室
の変化状態を電圧信号に可及的に同期させること
ができて、安定な動作を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第９図は、本発明による一実施例を
示し、第１図はインクジエツトヘツドの構成を示
す側面断面図、第２図は一部破断面を含む第１図
の上面図、第３図はインクジエツトヘツドの駆動
回路図。第４図ａは電源のON，Off波形、ｂは
印字タイミングの制御入力波形、ｃ，ｄは圧電素
子への電圧印加波形、ｅは圧電素子の両端の電圧
変化波形、ｆは壁の変化を示す。第５図は印字指
令による動作を示し、ｇは印字指令信号のタイミ
ング、ｈは印字期間、ｉは制御入力波形でありタ
イミングのみ示し極性は逆の場合もある。ｊ，ｋ
は圧電素子への印加波形、ｌはその合成波形、第
６図、第７図、第８図は、それぞれ同上装置の動
作を示す図であつて、第６図は待機状態からイン
ク吸引工程に移つた状態を、第７図は待機状態
を、第８図は液滴形成状態を示す図である。第９
図ｏは圧電素子両端の電圧を示す図表、ｐは壁と
圧電素子の減衰振動を示す図表、Ｑはノズルの開
口部より入る空気の時間変化を示す図表、ｒはパ
ルス巾T₈を変化させたときに液滴の速度を示す
図表である。第１０図は、上記実施例における圧
電素子の端子電圧と圧力室の状態を示す説明図で
ある。１……基板、２……圧力室、３……ノズル、４
……供給口、５……壁、６……インク、９……圧
電素子、１０……リード線、１１，１２，１３，
１４……制御素子、１５……電圧、１６，１７，
１８，１９……制御入力、２０，２１……抵抗、
２２，２３……中間点、２４……内部抵抗、２５
……電圧印加、２６……電源Off、２７……印字
パルス、２８……印字指令、２９……印字終了指
令、３０……吸入量、３１……液滴、３２……減
衰振動、３３……電圧波形、３４……減衰振動、
３５……極大値、３６……速度曲線。

Claims

【特許請求の範囲】１インク吐出口と、該インク吐出口に連通する
圧力室と、該圧力室の可動部を構成する壁と、該
壁に接合された圧電素子とを備え、前記圧力室の
容積を変化させてインクを前記インク吐出口から
吐出させるオンデマンド型インクジエツトヘツド
の駆動方法において、前記圧電素子に分極方向の第１の電圧信号を印
加して前記壁を圧力室側に撓ませて待機させてお
き、印刷時に第１の電圧信号と絶対値が同一で逆極
性の第２の電圧信号を印加して前記壁を無電圧時
の平衡状態よりも外側に変形させる第１の工程
と、前記壁が第２の電圧信号による平衡点まで膨張
した時点で第１の電圧信号を印加して液滴を形成
させ、以後第１の電圧信号を印加した状態を維持
されて待機状態となる第２工程とを備え、前記第１、第２の工程を繰り返すことにより印
刷を実行するオンデマンド型インクジエツトヘツ
ドの駆動方法。