JPH05169664A

JPH05169664A - インクジェット記録方法

Info

Publication number: JPH05169664A
Application number: JP34505091A
Authority: JP
Inventors: Jiro Moriyama; 次郎森山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】なめらかな階調性を有する階調記録を、着弾
精度よく可能とするインクジェット記録方法を提供する
こと。【構成】駆動パルスは電圧値（Ｖ１）が等しい２個以
上とし、最後のパルス（メインパルス）のみがインク噴
射を引き起こすパルス幅Ｔ３であり、それ以前のパルス
（プレパルス）の幅はＴ３より狭い一定の値Ｔ１であ
り、プレパルスとメインパルスの間隔Ｔ２を制御して、
噴射するインク液滴の体積を変化させる。このとき、メ
インパルスは、インク噴射信号（記録タイミング信号）
に対し、大きいインク体積のときほど早く（ｅ）、また
小さいインク体積のときほど遅い（ｃ）タイミングとす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オリフィス（吐出口）
近傍の発熱体にパルス状の電圧信号を与え、発生する熱
により、発熱体近傍のインクが発泡する力で吐出口から
インクを噴射（吐出）させる記録ヘッドを用いたインク
ジェット記録方法に係り、特に、階調記録（ｇｒａｙ
ｓｃａｌｅｐｔｉｎｔｉｎｇ）に適するインクジェッ
ト記録方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録方式の中でも、高速
記録、高解像度記録が可能な方式として、熱エネルギー
を利用して液滴を形成して記録を行う方式が注目されて
いる。また、高画質化のために、階調記録の要求が高ま
ってきている。

【０００３】ところで、従来から用いられているピエゾ
（圧電）素子を使用したピエゾ記録ヘッドは、ピエゾ素
子の駆動する駆動パルスの幅及びまたは大きさを変化さ
せることによって比較的容易に噴射するインク液滴の体
積を変化させ、なめらかな階調記録を行う「アナログ階
調法」が容易であった。これに対し、熱エネルギーを用
いる上記記録ヘッドは、駆動パルスの幅及びまたは大き
さを変化させることによって得られる階調レンジがきわ
めて狭い特性があるため、高密度でしかもダイナミック
レンジの広い階調記録を行うことは、かなり困難であ
る。これは上記記録ヘッドの吐出原理が、発熱体の発熱
による発泡エネルギーを利用しており、この発泡エネル
ギーを単一の駆動パルスのみで制御することが困難だか
らである。

【０００４】ピエゾ記録ヘッドは、階調記録の制御が簡
単である反面、記録ヘッドの形状が大きくなり、特に多
数のノズルを高密度でつくるのには不向きである欠点を
持っている。一方、前記のように、熱エネルギーを用い
る記録ヘッドは、記録液滴の体積を変化させるのが困難
なため、記録密度をより高くして、記録したインク液滴
の数で階調を表現する「ディジタル階調法」をメインに
した開発が行われてきた。しかしながら、なめらかな階
調性を且つ高密度で行うためには、やはり噴射するイン
ク液滴の体積を変化させる技術が必要となる。

【０００５】そこで、高密度な記録ヘッドの製造で有利
な、上述の記録ヘッドを使用して、インク液滴の体積を
変化させる方法がいくつか提案されてきた。

【０００６】第１は、特開昭６０−２７５４８号公報、
特開平１−１８０３５４号公報に開示されているように
圧電素子の駆動と上述の記録ヘッドの駆動とを組合せた
ものである。第２は、特開昭６２−１５１３４８号公報
に開示されているように、静電気力と上述の記録ヘッド
の駆動とを組合せたものである。第３は、特開平２−２
１４６６４号公報に開示されているように、噴射パルス
の前にプレパルスを与え、記録すべきグレースケール信
号に応じてプレパルスのエネルギーを変えるものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、第
１と第２の提案については、ヘッドの構造と制御部が複
雑になるため、記録装置が大型になりコストも高くな
る。第３の提案については、プレパルスのエネルギー量
を可変にして吐出量を可変にしているため、最大吐出量
を得ようとすると通常よりも大量のエネルギーをヘッド
に供給しなければならない。このため、駆動回路部が複
雑になり、上述と同様の欠点を有していた。

【０００８】そこで、本発明は上述の課題を解決するた
めになされたもので、装置を複雑化することなく、なめ
らかな階調性を有する階調記録を、着弾精度よく可能と
するインクジェット記録方法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は駆動パルスに応じた熱エネルギーをインク
に供給して膜沸騰による気泡を形成し、該気泡の形成に
基づいてインクを記録ヘッドから記録媒体上に吐出して
記録を行うインクジェット記録方法において、インク滴
の１吐出あたり、インクを吐出に至らしめないプリ駆動
パルスと、インクを吐出に至らしめるメイン駆動パルス
とを休止期間を介して前記記録ヘッドに供給する際、前
記休止期間を短くするとともに、前記メイン駆動パルス
の供給タイミングを早くして、大体積のインク滴を早い
タイミングで吐出し、前記休止期間を長くするととも
に、前記メイン駆動パルスの供給タイミングを遅くし
て、小体積のインク滴を遅いタイミングで吐出すること
を特徴とする。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、記録ヘッドに投入するエネ
ルギーを増加させることなくインク滴の吐出量を可変に
できるとともに、着弾位置補正を自動的に行えるので、
噴射したインク液滴の被記録媒体への着弾精度も向上
し、記録品位が向上する。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明のインクジェッ
ト記録方法に係る実施例について詳細に説明する。

【００１２】（実施例１）図１は、実施例１の熱エネル
ギーを用いる記録ヘッドの駆動波形を説明する図であ
る。また図２は、実施例１に使用した記録ヘッドの断面
を示す図である。図において、記録ヘッド２１には、ノ
ズル（吐出口）２が１ｉｎｃｈ当たりに約４００本の密
度（６３．５μｍピッチ）で紙面と垂直方向に計１２８
個形成されている。記録ヘッド２１と被記録媒体１１と
を相対移動させ、記録印字幅約８ｍｍで記録できる。

【００１３】各ノズル２には、それぞれに対応した発熱
体３が設けられており、ヘッド駆動回路部４により選択
的に発熱体３を発熱させて、インク液滴５を被記録媒体
１１に向けて噴射する。発熱体３はガラスまたはシリコ
ンのような比較的安価で平面度がよい絶縁体または反動
体でできた（ここではシリコン）基板７上に配されてお
り、インク液２０とは直接に接触しないようにＳｉＯ₂
の保護膜８がある。発熱体３を発熱させるエネルギー
は、ヘッド駆動回路部４からリード線１７と基板７上に
平面的に形成された配線を介して発熱体３に伝えられ
る。また、基板７には温度センサ２２が取り付けられて
いて、記録ヘッド２１の温度を知ることができる。パル
ス制御回路部１５は階調性を有する記録データに応じた
駆動パルスを駆動回路部４に供給する。

【００１４】図１を用いて駆動パルスの詳細を説明す
る。パルス制御回路部１５に記録タイミング信号（ａ）
と、記録濃度と対応した記録データが入力される。記録
タイミング信号（ａ）により、（ｂ）でまず電圧Ｖ１で
幅Ｔ２の矩形状の第１のパルス（プレパルス）が駆動回
路部４を介して発熱体３に印加される。このとき圧力室
９内のヒータ付近ではインク液滴の噴射に寄与する発泡
はおこらない、すなわち、インクの噴射はおこらない。
第１のパルスは圧力室９の中のインクを加熱をし、特に
インクの粘度を下げる役割をする。続いて、電圧が０で
Ｔ２時間（休止期間Ｔ２）経過後、電圧Ｖ２で幅Ｔ３の
矩形状の第２のパルス（メインパルス）が発熱体３に印
加される。ここで、第１のパルスと第２のパルスの電圧
は等しい、すなわちＶ１＝Ｖ２である。また第１のパル
スの幅より第２のパルスの幅は長い、すなわちＴ１＜Ｔ
３である。第２のパルスは、従来からの通常のパルスで
あり、印加した電気エネルギーが圧力室９内で発泡を起
こさせ、インク２０がノズル２から噴射するのに十分で
ある電圧と幅である。

【００１５】次に、記録データが小さい、すなわち記録
するべき画素が小さいドットである場合を（ｃ）に同じ
く中のドット場合を（ｄ）に、同じく大きいドットであ
る場合を（ｅ）に示す。電圧Ｖ１、プリパルス幅Ｔ１、
メインパルス幅Ｔ３は（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）で等し
い。休止期間Ｔ２のみが異なり、Ｔ２（ｃ）＞Ｔ２
（ｄ）＞Ｔ２（ｅ）となっている。

【００１６】図３（ａ）は、プレパルス幅Ｔ１＝２μｓ
ｅｃ、メインパルス幅Ｔ３＝７μｓｅｃで基板温度が２
０℃の場合の休止期間Ｔ２に対する噴射インク体積Ｖｄ
の特性をプロットしたものである。同図（ｂ）は、メイ
ンパルス幅Ｔ３＝７μｓｅｃでプレパルスが無い場合の
記録ヘッドの基板温度Ｔに対する噴射するインク体積Ｖ
ｄの特性をプロットしたものである。同図（ａ）で、Ｔ
２は大きいほどＶｄが小さくなっている様子がわかる。
又同図（ｂ）で、基板温度Ｔが高いほどＶｄが大きくな
っている様子がわかる。基板温度は、主にインクの粘度
に影響を与え、高温になり粘度が下がるほどＶｄは増加
する。

【００１７】ＶｄはＴに依存していることから、プレパ
ルスとメインパルスによる駆動は、まず、プレパルスで
インク噴射の直前にノズル内のインクを局部的に加熱
し、次ぎにメインパルスで局部的に加熱されたインクを
噴射する、というメカニズムになっていることが予想さ
れる。

【００１８】この仮説にもとづくと、Ｔ２の値が定まる
と、インク噴射の瞬間の圧力室９内のインク温度の概略
値が、図３（ａ）、（ｂ）から予測される。例えば、休
止期間Ｔ２＝１１μｓｅｃではＶｄ＝３０ｐ１で、Ｔ＝
４０℃である。噴射の瞬間に局部的に高くなり、残った
インクの熱量は、記録ヘッド２１全体へ放熱される。記
録ヘッド２１はノズル２内のインクに比べ、十分大きな
熱容量があり、又、放熱装置やヘッドの温度一定に制御
させる装置を加えることによって一定の温度に保つこと
ができる。

【００１９】また、インク噴射時に入力されたエネルギ
ーは、ほとんどが熱エネルギーとなって記録ヘッド２１
に残ることが以下の簡単な計算で示される。発熱体３に
入力される電気エネルギーをＥｉｎ、噴射するインクの
運動エネルギーをＥｏｕｔ１、噴射するインクの熱エネ
ルギーをＥｏｕｔ２、記録ヘッドに残った熱エネルギー
をＥｏｕｔ３、発泡のエネルギーや振動のエネルギーな
どのＥｏｕｔ１〜Ｅｏｕｔ３以外の出力エネルギーをＥ
ｏｕｔ４、とすると次の式が成り立つ。

【００２０】Ｅｉｎ＝Ｅｏｕｔ１＋Ｅｏｕｔ２＋Ｅｏｕｔ３＋Ｅｏｕｔ４記録ヘッドの発熱体を駆動するパルスとして、駆動パル
ス幅Ｔを１０μｓｅｃ、電圧Ｖ＝２５Ｖ、電流１＝０．
１Ａ、の１個のパルスで駆動した時の記録ヘッド２１へ
の入力エネルギーは、Ｅｉｎ＝ＴｘＶｘ１＝１０Ｅ−６ｘ２５ｘ０．１＝２．５Ｅ−５［Ｊ］比重が約１で、質量が３０ｐＫｇ（＝３０ｐ１）のイン
ク液滴が９ｍ／ｓで飛行することから、Ｅｏｕｔ１＝１／２ｘ３０Ｅ−１２ｘ（９．０）＾２＝１．２Ｅ−９［Ｊ］また、ほとんどが水とアルコールから成る使用したイン
クの比熱Ｃは約３０００Ｊ／Ｋｇ・Ｋであり、噴射した
インクの温度が約１０℃上昇していることが、噴射した
インクを熱溜にいれて測定した実験から推定されている
ことから、Ｅｏｕｔ２＝３０００ｘ３０Ｅ−１２ｘ１０＝９．０Ｅ−７［Ｊ］である。入力に対する噴射した液滴のエネルギーの比率
は、（Ｅｏｕｔ１＋Ｅｏｕｔ２）／Ｅｉｎｘ１００＝３．６％Ｅｏｕｔ４は０と近似できると考えられるので、入力さ
れたエネルギーの約９６％が熱エネルギーとなって残る
ことになる。

【００２１】従って、記録ヘッドに入力するエネルギー
の大きさを変えないことは、特に連続記録動作時に、圧
力室９内付近のインクの温度をできる限り一定に保つ点
で意味がある。本実施例の駆動法では、休止期間Ｔ２の
幅を変化させるのであって、入力するエネルギーの大き
さは変えていないので、入力エネルギーを変化させる場
合より、記録ヘッドの過昇温防止等の点で優れた方法で
ある。

【００２２】次に、本実施例の制御による他の効果を説
明する。上述のとおり、被記録媒体１１と、記録ヘッド
２１は相対移動しながら記録する。また、噴射したイン
ク液滴５は、その体積Ｖｄが大きいほど飛行速度Ｖｉが
遅い。本実施例の駆動法では、Ｖｄが大きいほど駆動信
号（ａ）に対してメインパルスが印加するタイミングは
早い。この結果、被記録媒体１１への着弾位置がＶｄの
大きさによってあまり変化しないよう自動的に補正され
る。したがって、記録画像の画質も向上するものであ
る。

【００２３】以下に、どの程度着弾位置が補正されるか
を計算し、図４に示す。記録ヘッド２１のノイズピッチ
が４００ｄｐｉすなわち、６３．５μｍであることか
ら、最大駆動周波数をＦ＝６０００Ｈｚで駆動すると、
被記録媒体１１と記録ヘッド２１の相対速度は、Ｖｃ＝
０．３８１ｍ／ｓｅｃとなる。記録ヘッド２１と被記録
媒体１１との距離をＬ１＝１０００μｍ、噴射したイン
ク液滴５の平均飛行速度をＶｉ、インク液滴９の飛行時
間をＴｆ＝Ｌ１／Ｖｉ、インク噴射から着弾までの記録
ヘッド２１と被記録媒体１１の相対移動方向のズレをＬ
２＝ＴｆｘＶｃとして、図４でケース２：Ｔ２＝１３
（μｓ）でのＬ２からの着弾位置のズレ量をｄＬ１、補
正距離をＬ３、補正されたズレ量をｄＬ２として示し
た。

【００２４】これは、ケース１：Ｔ２＝８．０とした
時、Ｖｄ＝３３．Ｖｉ＝６．０ケース２：Ｔ２＝１３とした時、Ｖｄ＝２８．Ｖｉ＝
７．２ケース３：Ｔ２＝３０とした時、Ｖｄ＝２１．Ｖｉ＝
８．３であったデータに基づいた計算である。

【００２５】このように、ｄＬ１とｄＬ２を比べると、
着弾位置の補正がいかに効果があるかわかる。例えば図
４のケース３：で、ｄＬ１＝−７．１であったものが、
ｄＬ２＝０．６となっている。

【００２６】パルス制御回路部１５へ入力された記録デ
ータ、すなわち階調信号から駆動パルスの時間Ｔ１、Ｔ
２、Ｔ３をつくるのは、カウンター回路を含むディジタ
ル回路で簡単に構成される。また、Ｔ２とＶｄとはリニ
アーでないため、入力された記録データからｖｄへの補
正も変換テーブルなどを含んだパルス制御回路部１５で
行われる。駆動回路部４はスイッチング素子が必要であ
るが、電圧値や駆動波形を変えるものでないので、安価
で小型の素子で構成することが可能となる。

【００２７】（他の実施例）次に、本発明の他の実施例
について説明する。上記実施例１ではプレパルス幅Ｔ１
＝２μｓｅｃ、メインパルス幅Ｔ３＝７μｓｅｃ、Ｖ１
＝Ｖ２＝２５Ｖで休止期間Ｔ２を可変としたが、これら
のパラメータは、この値に限るものでは無く、それぞれ
の記録ヘッドで最適化される。

【００２８】図５のように、プレパルスの個数は１個で
なく、２個以上でもよい。例えば環境温度に応じて、環
境温度が高いときは、プレパルスの個数は１個で、中く
らいのときは２個で、低い時は３個のように、プレパル
スの個数は２個以上でもよい。この場合、例えば最後の
プレパルスとメインパルスの間隔を休止期間Ｔ２と考え
る。

【００２９】図６は、記録動作時で、記録されるべきド
ットが無い場合を示す。このとき、第１のパルス（プレ
パルス）のみあり、第２のパルス（メインパルス）は無
い。この制御を行なうと次のような利点がある。

【００３０】即ち、上記制御を行なうと、第２のパルス
を印加した場合と印加しない場合とのノズル内での発熱
体近傍のインクの温度の差を、小さくできる点である。
連続的にインクを噴射したノズルと、間欠的に噴射した
ノズルとでは、前者のほうがノズル内のインク温度が上
昇し、大きい体積のインク液滴を噴射する。このため全
体として不均一な記録画像となってしまう。常に第１の
パルスを印加することは、結果として、記録ヘッドの温
度を均一化することになり、記録画像の画質を向上させ
る利点がある。

【００３１】さらには、この記録方法を使用した記録装
置の被記録動作時、例えばウォーミングアップ時にも、
第１のパルスのみを印加すると、記録動作の始まった瞬
間の記録画像の画質も同様の理由で向上する。なお、第
１のパルスのみではインクは噴射しない。

【００３２】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でも熱エネルギーを利用する方式の記録ヘッド、記録
装置に於て、優れた効果をもたらすものである。

【００３３】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて
行なうものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド
型、コンティニュアス型のいずれにも適用可能である
が、特に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）
が保持されているシートや液路に対応して配置されてい
る電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越
える急速な温度上昇を与える少なくとも一つの駆動信号
を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギー
を発生せしめ、記録ヘットの熱作用面に膜沸騰させて、
結果的にこの駆動信号に一対一対応し液体（インク）内
の気泡を形成出来るので有効である。この気泡の成長、
収縮により吐出用開口を介して液体（インク）を吐出さ
せて、少なくとも一つの滴を形成する。この駆動信号を
パルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行な
われるので、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出
が達成でき、より好ましい。このパルス形状の駆動信号
としては、米国特許第４４６３３５９号明細書、同第４
３４５２６２号明細書に記載されているようなものが適
している。尚、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明
の米国特許第４３１３１２４号明細書に記載されている
条件を採用すると、更に優れた記録を行なうことができ
る。

【００３４】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口、液路、電気熱変換体
の組み合わせ構成（直線状液流路又は直角液流路）の他
に熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示
する米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許第４
４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれる
ものである。加えて、複数の電気熱変換体に対して、共
通するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開
示する特開昭５９年第１２３６７０号公報や熱エネルギ
ーの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応せる構成を開
示する特開昭５９年第１３８４６１号公報に基づいた構
成としても本発明は有効である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればイ
ンク噴射時に、発熱体に与えるエネルギーは等しくした
まま、プレパルスとメインパルスの間の休止時間間隔を
制御するという簡単な制御により、噴射させるインク液
滴の体積Ｖｄを変化させ、階調記録をすることが可能と
なる。休止時間間隔の制御であるので、近年の発達した
ディジタル回路技術により、ごく簡単に、安価に駆動回
路部を構成することが可能である。

【００３６】さらには、着弾位置補正も自動的に行なわ
れ、記録画像の画質が向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の熱エネルギーを用いる記録ヘ
ッドの駆動波形を説明する図である。

【図２】実施例に使用した記録ヘッドの断面を示す図で
ある。

【図３】休止期間Ｔ２及び基板温度Ｔに対するＶｄを示
す図である。

【図４】着弾位置の補正を説明するための図である。

【図５】他の実施例の熱エネルギーを用いる記録ヘッド
の駆動波形を説明する図である。

【図６】被噴射時の駆動波形を示す図である。

【符号の説明】

２ノズル３発熱体４ヘッド駆動回路部５インク液滴７基板２１記録ヘッド２２温度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動パルスに応じた熱エネルギーをイン
クに供給して膜沸騰による気泡を形成し、該気泡の形成
に基づいてインクを記録ヘッドから記録媒体上に吐出し
て記録を行うインクジェット記録方法において、インク滴の１吐出あたり、インクを吐出に至らしめない
プリ駆動パルスと、インクを吐出に至らしめるメイン駆
動パルスとを休止期間を介して前記記録ヘッドに供給す
る際、前記休止期間を短くするとともに、前記メイン駆動パル
スの供給タイミングを早くして、大体積のインク滴を早
いタイミングで吐出し、前記休止期間を長くするとともに、前記メイン駆動パル
スの供給タイミングを遅くして、小体積のインク滴を遅
いタイミングで吐出することを特徴とするインクジェッ
ト記録方法。
【請求項２】前記休止期間の長さ及び前記メイン駆動
パルスの供給タイミングは、階調性を有する記録信号に
基づいて可変にすることを特徴とする請求項１記載のイ
ンクジェット記録方法。
【請求項３】前記記録ヘッドは複数のノズルを有し、
記録動作時の非記録ノズルに対してプレ駆動パルスのみ
を供給することを特徴とする請求項１記載のインクジェ
ット記録方法。
【請求項４】非記録動作時に、プレ駆動パルスのみを
供給することを特徴とする請求項１記載のインクジェッ
ト記録方法。