JPH07178907A

JPH07178907A - インクジェット式記録ヘッドの駆動装置及び駆動方法

Info

Publication number: JPH07178907A
Application number: JP32857693A
Authority: JP
Inventors: Shiyunka Chiyou; 俊華張
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1995-07-18
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JP3225987B2

Abstract

(57)【要約】【目的】インクジェット記録ヘッドの応答速度を高め
るとともに、ノズルの目詰まりを防ぐことのできる駆動
方法を提供すること。【構成】圧力発生室１と、この圧力発生室１に連通し
インクを吐出するノズル開口２と、前記圧力発生室１に
圧力を発生させる圧電振動子７と、この圧力振動子７に
電圧を印加する電圧印加手段とを有するインクジェット
式記録ヘッドであって、インク滴の飛翔後に生じるメニ
スカスが最も引き込まれる時点に合わせて、所定速度で
圧力発生室１を拡張させる。またこの動作は、記録デー
タの有無に関わらず行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を飛翔させ、
記録紙等の記録媒体上にインク像を形成するインクジェ
ット式記録ヘッドの駆動に関する。

【０００２】

【従来の技術】オンデマンド型インクジェット式記録ヘ
ッドは、圧電振動子や発熱素子によりインク圧を発生さ
せる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給
する共通のリザ−バと、各圧力発生室に連通するノズル
開口を備えた記録ヘッドを備えており、印字信号に応じ
て圧力発生室のインク圧を高めて、ノズル開口からイン
ク滴を飛翔させ、記録媒体にドットを形成している。

【０００３】このような、オンデマンド型インクジェッ
ト式記録ヘッドでは、インク滴飛翔後、ノズル開口近傍
に形成されるメニスカスが大きく圧力室側に引き込ま
れ、このメニスカスが基の位置に戻る前に次の吐出動作
を行ってしまうと、飛翔インク滴のサイズ及び飛翔速度
が、メニスカスの位置により変わり印字品質が劣化して
しまう。そのため、次のインク滴飛翔動作は、メニスカ
スが十分復帰した後行わなければならず、高速印字を行
う上で問題で、これを改善するための提案がされてい
る。

【０００４】例えば、特開平２−２３３２５８号公報で
は、発熱素子により蒸気バブルを発生させてインク滴を
飛翔させるインクジェット記録ヘッドにおいて、１回目
の蒸気バブルによりインク滴が飛翔後、メニスカスの吸
引が最大となる時刻に２回目の蒸気バブルの成長が最大
となる入力パルスを発熱素子に印加することで、メニス
カスの回復を早め、高速印字を行うことを開示してい
る。

【０００５】しかし、圧電振動子によりインク圧を発生
させるインクジェット記録ヘッドでは、当然、特開平２
−２３３２５８号公報の方式をとれない。また、２回目
の蒸気パルスを発生できるようにするには当然入力エネ
ルギーを多く入れなければならず、発熱素子からの熱に
より、インクが変質してノズルを詰まらせてしまうとい
った問題を招く虞が生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような課
題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは高
周波駆動を図るとともにインクジェット記録ヘッドの宿
命である目詰まりの防止も同時に可能な圧電振動子を用
いたインクジェット式記録ヘッドの駆動を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
式記録ヘッドの駆動装置は、インクを吐出するノズル開
口と、前記ノズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧
力発生室の容積を変えて圧力を発生させる圧電振動子を
複数備えたインクジェット式記録ヘッドの駆動回路にお
いて、印刷タイミングに同期して、容積ａの初期状態に
ある前記圧力発生室を容積ｂまで拡大させる第１の電圧
波形を発生する手段と、前記第１の電圧波形を記録デー
タに応じて選択的に前記圧電振動子に印加する手段と、
前記容積ｂ或は前記容積ａの初期状態にある圧力発生室
を、前記初期状態を越えて容積ｃまで収縮させる第２の
電圧波形を発生し、前記すべての圧電振動子に印加する
手段と、前記第２の電圧波形の印加により、前記第１の
電圧波形を印加された圧電振動子に対応する前記ノズル
開口よりインク滴が飛翔し、メニスカスが最も引き込ま
れる時点で、前記圧力発生室を容積ａの初期状態まで拡
大させる第３の電圧波形を前記すべての圧電振動子に印
加する手段と、を有することを特徴とする。また、本発
明のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法は、インク
を吐出するノズル開口と、前記ノズル開口に連通する圧
力発生室と、前記圧力発生室の容積を変えて圧力を発生
させる圧電振動子を複数備えたインクジェット式記録ヘ
ッドの駆動方法において、印刷タイミングに同期して、
容積ａの初期状態にある前記圧力発生室を、記録データ
に応じて選択的に容積ｂまで拡大し、その後、前記容積
ｂ或は前記容積ａの状態にある前記圧力発生室を、容積
ａを越えて容積ｃまで収縮させ、前記記録データに応じ
て選択された圧力発生室に連通する前記ノズル開口より
インク滴が飛翔し、メニスカスが最も引き込まれる時点
で、前記すべての圧力発生室を容積ａの初期状態まで拡
大させることを特徴とする。

【０００８】

【作用】ドットを記録する場合は、初期状態から最大位
置まで圧力発生室を拡大してインクを吸引し、圧力発生
室を初期状態以上に収縮させてインクを飛翔させる。そ
の後、メニスカスが最も引き込まれノズル開口側に移動
を転じる時に、再度圧力発生室を初期状態まで拡大す
る。これによりメニスカスの振動を相殺し速やかにメニ
スカスを静定させる。

【０００９】またドットを記録しない場合は、圧力発生
室を初期状態位置から初期状態以上に圧縮して、再度初
期状態まで拡大する。これにより、メニスカスはインク
滴を飛翔しない程度に揺動する。この揺動によりノズル
内のインクは攪はんされ、目詰まりが生じない。

【００１０】

【実施例】以下本発明の詳細を実施例に基づいて図示し
て説明する。

【００１１】図１は、本発明に用いられるインクジェッ
ト式記録ヘッドの構成図である。図中符号１は、圧力発
生室で、ノズル開口２が形成されたノズルプレート３
と、後述する圧電振動子７の先端に当接する振動板４と
をスペーサ５を挟んで構成されており、インク供給口６
を通してり図示せぬインクタンクに接続するリザーバ１
４からインクの補給を受けるように構成されている。

【００１２】７は、前述の圧電振動子で、この実施例で
は圧電材料８と電極形成材料９、１０を交互にサンドイ
ッチ状に挟んで積層構造となるように構成され、電極が
存在しない不活性領域が固定基板１１に固定されてい
る。これら固定基板１１とスペーサ５、及び振動板４
は、基台１２を介して一体に固定されてインクジェット
式記録ヘッドとしてまとめ上げられている。

【００１３】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子７の電極９、１０に電圧が印加さ
れれば、圧電振動子７がノズルプレート３側に伸長し、
振動板４が圧力発生室１を圧縮する。その結果、圧力発
生室１に存在するインクの一部がノズル開口２から吐出
される。

【００１４】図２は上述したインクジェット式記録ヘッ
ドを駆動する駆動回路の一実施例である。

【００１５】図中符号１３０は、後述する制御信号発生
回路で、図示せぬ装置よりデータバス１３１を介して送
られてくる印字データを取り込み、記録ヘッドが印字位
置に達したことを示す印字タイミング信号が端子１３２
に入力された段階で、取り込んだ印刷データをシリアル
転送して記録ヘッドの駆動回路に出力する。

【００１６】この制御信号発生回路１３０からは、カス
ケードに接続されシフトレジスタを構成するフリップフ
ロップ１３９、１３９、・・・・のデータ端子に信号線１３
４を介してシリアルデータ信号が、また信号線１３３を
介してシフトクロック信号が出力される。更に、全ての
圧電振動子４８、４８、・・・・に対する印刷データ信号が
転送された段階で、信号線１３５を介してラッチ１３
８、１３８、・・・・にシリアル転送した印刷データをラッ
チするための信号をする。

【００１７】この信号線１３５は、駆動電圧信号発生回
路８４にも出力されており、信号出力と同時に駆動電圧
信号号発生回路８４からは、後述する所定の電圧波形を
持った駆動電圧信号を出力する。

【００１８】図３は前述した駆動電圧信号発生回路の一
実施例を示す図である。タイミング発生回路１７０は３
つのワンショットマルチバイブレータ１７１、１７２、
１７３より構成されており、制御信号発生回路１３０か
らの信号線１３５にタイミング信号が出力されると、ま
ず第１のワンショットマルチバイブレータ１７１から一
定パルス幅のＬＯＷレベル信号が出力し、この出力信号
で、第１の定電流回路１８０が動作し、初期状態で−Ｖ
Ｍボルトに充電されているコンデンサ１５２を一定電流
Ｉｒにより充電する。一定電流値Ｉｒでコンデンサ１５
２が略０ボルトまで充電されると、コンデンサ１５２に
並列接続されたダイオード１５３によりコンデンサ１５
２の端子電圧はクランプされ、コンデンサ１５２の端子
電圧は略０ボルト状態を維持する。

【００１９】第１のワンショットマルチバイブレータ１
７１の出力信号がＨＩＧＨレベルに変わると、これをト
リガとして第２のワンショットマルチバイブレータ１７
２から一定パルス幅のＬＯＷレベル信号が出力して、今
度は第２の定電流回路１８１を動作させ、コンデンサ１
５２の端子電圧が略０ボルトから給電電圧である略−Ｖ
Ｌボルトに達するまで、一定電流値Ｉｆでコンデンサ１
５２を放電する。

【００２０】更に、第２のワンショットマルチバイブレ
ータ１７２の出力信号がＨＩＧＨレベルに変わると、こ
れをトリガとして第３のワンショットマルチバイブレー
タ１７３から一定パルス幅のＬＯＷレベル信号が出力し
て、今度は第３の定電流回路１８２を動作させ、コンデ
ンサ１５２の端子電圧が略−ＶＬボルトから−ＶＭボル
トになるまで、一定電流値Ｉｒ１でコンデンサ１５２を
充電する。

【００２１】このコンデンサ１５２の電圧変化は、電流
増幅用トランジスタ対１５９、１６０を介して圧電振動
子４８、４８、・・・・に印加される。

【００２２】上述の駆動電圧信号発生回路８４では、コ
ンデンサ１５２の容量をＣ、第１の定電流回路１８０の
抵抗２００の値をＲｒ、第２の定電流回路１８１の抵抗
２０１の値をＲｆ、第３の定電流回路１８２の抵抗３０
０の値をＲｒ１、トランジスタ１５４、１５８、３５４
のベース・エミッタ間の電圧をＶｂｅ１５４、Ｖｂｅ１
５８、Ｖｂｅ３５４とすると、前述した充放電電流Ｉ
ｒ、Ｉｆ、Ｉｒ１は、Ｉｒ＝Ｖｂｅ１５４／Ｒｒ（１）Ｉｆ＝Ｖｂｅ１５８／Ｒｆ（２）Ｉｒ１＝Ｖｂｅ３５４／Ｒｒ１（３）となり、また充放電時定数Ｔｒ、Ｔｆ、Ｔｒ１は、Ｔｒ＝Ｃ×ＶＭ／Ｉｒ（４）Ｔｆ＝Ｃ×ＶＬ／Ｉｆ（５）Ｔｒ１＝Ｃ×（ＶＬ−ＶＭ）／Ｉｒ１（６）となる。

【００２３】図４は、駆動電圧信号発生回路８４からの
駆動電圧信号出力と、圧電振動子に印加される電圧を時
系列的に示している。

【００２４】次に上述した駆動電圧信号発生回路８４を
用いて圧電振動子を駆動した場合のインク滴吐出動作に
ついて説明する。

【００２５】初期状態では、駆動電圧信号発生回路８４
の出力は、−ＶＭボルトとなっており、この状態では、
トラジスタ８５、８５、・・・・に並列接続されたダイオー
ドＤ、Ｄ、・・・・を通して全圧電振動子４８、４８、・・・・
は共通接続端子側を負電位（−ＶＭボルト）、他端を略
０ボルトとした過放電状態、つまりＶＭボルトの電圧が
印加されている状態にあり、圧電振動子４８、４８、・・
・・は伸長し圧力発生室１は収縮状態にある。

【００２６】第１の定電流回路１８０の動作が開始さ
れ、駆動電圧信号発生回路８４の出力が−ＶＭボルトか
ら略０ボルトに一定勾配で変化する第１の工程では、ラ
ッチ１３８、１３８、・・・・にラッチした印刷データによ
り導通状態のトランジスタ８５、８５、・・・・に接続され
た圧電振動子４８、４８、・・・・に充電がなされ、結果と
して、過放電状態から電圧無印加状態に印加電圧が変わ
る。つまり、インク滴を飛翔させる必要のある圧電振動
子４８、４８、・・・・のみが収縮し圧力発生室１を拡大し
てリザーバー１４からインクを吸引する。この圧力発生
室１の拡大に伴って、ノズル開口２の近傍に形成される
メニスカスは、圧力発生室１側に引き込まれ、やがて基
の位置に復帰して行く。

【００２７】この、メニスカスが基の位置に復帰した時
点で、第２の定電流回路１８１の動作を開始し、駆動電
圧信号発生回路８４の出力が略０ボルトから略−ＶＬボ
ルトに一定勾配で変化する第２の工程に切り換えると、
前記第１の工程の充電でほぼ印加電圧が零となり収縮状
態にある圧電振動子４８、４８、・・・・は、共通接続端子
を負電位として過放電されて行き、最終的にＶＬボルト
の電圧が印加された状態になり伸長する。つまり、拡大
状態であった圧力発生室１が収縮し、この収縮力によっ
て、ノズル開口２よりインク滴が飛翔する。インク滴の
飛翔後、メニスカスは、再度大きく圧力発生室１側に大
きく引き込まれ振動を繰り返し基の位置に復帰して行く
わけであるが、圧力発生室１側に最も引き込まれてメニ
スカスがノズル開口２側に移動を転じる時点で、第３の
定電流回路１８２の動作を開始し、駆動電圧信号発生回
路８４の出力が略−ＶＬボルトから−ＶＭボルトに一定
勾配で変化する第３の工程に切り換えると、前記第２の
工程でインク滴を飛翔させた圧電振動子４８、４８、・・
・・は、充電され初期状態の位置まで収縮する。つまり、
圧力発生室１は初期状態まで拡大する。この拡大に伴っ
てメニスカスを圧力発生室１側に引き戻そうとする力が
生じ、メニスカスのノズル開口２側へ移動する力と相殺
する結果、メニスカスは振動を伴わず速やかにノズル開
口近傍に静止する。

【００２８】我々のシュミレーション及び実験結果で
は、メニスカスの振動に代表されるヘッドの流路系の固
有振動周期をＴｃとすると、メニスカスの振動を効果的
に押さえるには、条件０．５＜Ｔｃ／Ｔｒ＜３（７）０．５＜Ｔｃ／Ｔｆ＜３（８）のもとで、２＜ＶＭ／（ＶＬ−ＶＭ）＜１０（９）１／８＜Ｔｃ／Ｔｒ１＜１（１０）となるように設定される必要があることが確認された。

【００２９】また、本発明の記録ヘッドでは、縦振動形
の圧電振動子を用いているため圧力発生室の体積変化
は、圧電振動子の印加電圧とほぼ比例関係にあることを
確かめられた。

【００３０】図５は本発明によるメニスカスの振動の様
子を示したもので、（ａ）はメニスカスの挙動を、
（ｂ）は圧電振動子に印加する駆動電圧信号を示してい
る。図６は従来の方式、つまり、本発明における第３の
工程がない場合のメニスカスの振動を示したものある。
図から解るように、従来の方本発明によれば、インク滴
飛翔後、メニスカスの振動が続いてしまうが、本発明で
はメニスカスは速やかに静定する。

【００３１】また、図７に、本発明による駆動周波数と
インク的飛翔速度を示し、図８に、従来の駆動周波数と
インク滴飛翔速度を示している。図から解るように本発
明によれば高速応答させても、一様なインク滴飛翔速度
がえられ、印字品質が劣下しない。

【００３２】最後に、印字データが信号が無い場合、つ
まりラッチ１３８、１３８、・・・・に零がラッチされてい
る場合の動作について説明する。トランジスタ８５、８
５、・・・・に並列接続されたダイオードＤ、Ｄ、Ｄ、・・・・
を通じて圧電振動子４８、４８、・・・・は、駆動電圧信号
発生回路８４の出力が略０ボルトから略−ＶＬボルトに
一定勾配で変化する第２の工程で、共通接続端子側を負
電位として印字データに関係なく常に充電される。また
駆動電圧信号発生回路８４の出力が略−ＶＬボルトから
−ＶＭボルトに一定勾配で変化する第３の工程では、ワ
ンショットマルチバイブレータ１７３のＬＯＷレベル出
力信号をインバータ９１でＨＩＧＨレベル信号に変換
し、ＯＲゲート１８０、１８０、・・・・を介して全トラン
ジスタ８５、８５、・・・・の制御端子に供給するから第３
の工程では、印字データに関わらず常にトランジスタ８
５、８５、・・・・は導通し、略ＶＬボルトに充電された圧
電振動子４８、４８、・・・・を初期状態のＶＭボルトまで
放電する。

【００３３】つまり、非印字時においても、圧電振動子
４８、４８、・・・・は常にインク滴を飛翔させない程度の
伸長、収縮を行い、ノズル開口２の近傍に形成されるメ
ニスカスを揺動させる。これにより、攪はん効果が獲ら
れインク滴を長時間に渡り吐出しないノズルでも乾燥に
よる目詰まりを防止することができる。

【００３４】また上述の実施例において記録ヘッドの圧
電振動子として電圧を印加すると伸長し、圧力発生室１
を収縮させるものを例に説明したが、図９に示す、電圧
印加により図中縦方向に収縮して、圧力発生室１を拡大
するものを用いてもよい。

【００３５】この場合の駆動電圧信号発生回路８４とし
ては、図３において、ダイオード１５３を省き、供給電
源を片電源（ＶＨボルト）とすることで可能となる。

【００３６】図１０は本発に適用できる更に別の記録ヘ
ッドの構造を示したもので、符号７ａ、７ｂで示す２組
の圧電振動子がある。圧電振動子７ａには、図１１
（ａ）で示す電圧波形を印加することで、インク滴をを
ノズル開口２より飛翔させる。また、圧電振動子７ｂに
は図１１（ｂ）の電圧波形が印加され、インク滴吐出
後、電圧を幾分低下させ、また基に戻す。これにより、
振動板４の両端に図中上下方向の伸縮力が生じ、振動板
４がたわめられて圧力発生室１を拡大し、またもとに戻
すよう作用するため、メニスカスの振動を速やかに静定
できる。

【００３７】また、印刷データに関わらず、圧電振動子
７ｂに図１１（ｂ）の電圧波形を印加してやれば、メニ
スカスを揺動させ、目詰まりも防げる。

【００３８】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、イン
ク滴飛翔後のメニスカスが最も引き込まれた時点で初期
状態である待機位置まで圧力発生室を拡大する第３の工
程によりメニスカスの振動を相殺する力を発生させてい
るから、メニスカスを振動させることなく速やかに静定
でき、結果として応答速度の向上が図れる。

【００３９】また、記録データの有無に関わらず、第３
の工程が入るので、常時メニスカスは揺動状態にあり、
この揺動により攪はん効果が獲られ、長時間インク滴を
飛翔しないノズルでも、乾燥による目詰まりが生じな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる記録ヘッドの構造図。

【図２】本発明の駆動回路の一実施例を示す図。

【図３】図２における駆動電圧信号発生回路８４の詳細
図。

【図４】本発明の駆動方法を説明するタイミング図。

【図５】本発明の実施例におけるメニスカスの挙動を示
す図。

【図６】従来のメニスカスの挙動を示す図。

【図７】本発明の実施例の周波数特性を示す図。

【図８】従来の周波数特性を示す図。

【図９】本発明に用いる別の記録ヘッドの構造図。

【図１０】本発明に用いる更に別の記録ヘッドの構造
図。

【図１１】図１０の記録ヘッドを駆動するための駆動電
圧波形を示す図。

【符号の説明】

１圧力発生室２ノズル開口７圧電振動子８４駆動電圧信号発生回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを吐出するノズル開口と、前記ノ
ズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室の容
積を変えて圧力を発生させる圧電振動子を複数備えたイ
ンクジェット式記録ヘッドの駆動回路において、印刷タイミングに同期して、容積ａの初期状態にある前
記圧力発生室を容積ｂまで拡大させる第１の電圧波形を
発生する手段と、前記第１の電圧波形を記録データに応じて選択的に前記
圧電振動子に印加する手段と、前記容積ｂ或は前記容積ａの初期状態にある圧力発生室
を、前記初期状態を越えて容積ｃまで収縮させる第２の
電圧波形を発生し、前記すべての圧電振動子に印加する
手段と、前記第２の電圧波形の印加により、前記第１の電圧波形
を印加された圧電振動子に対応する前記ノズル開口より
インク滴が飛翔し、メニスカスが最も引き込まれる時点
で、前記圧力発生室を容積ａの初期状態まで拡大させる
第３の電圧波形を前記すべての圧電振動子に印加する手
段と、を有することを特徴とするインクジェット式記録
ヘッドの駆動装置。
【請求項２】前記圧力発生室の容積が、２＜（ｂ−ａ）／（ａ−ｃ）＜１０なる関係に設定されてい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装置。
【請求項３】前記第３の電圧波形の印加時間は、メニ
スカスの固有振動周期Ｔｃ以上、８倍以下の間に設定さ
れていることを特徴とする請求項１及び２記載のインク
ジェット式記録ヘッドの駆動装置。
【請求項４】インクを吐出するノズル開口と、前記ノ
ズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室の容
積を変えて圧力を発生させる圧電振動子を複数備えたイ
ンクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、印刷タイミングに同期して、容積ａの初期状態にある前
記圧力発生室を、記録データに応じて選択的に容積ｂま
で拡大し、その後、前記容積ｂ或は前記容積ａの状態にある前記圧
力発生室を、容積ａを越えて容積ｃまで収縮させ、前記記録データに応じて選択された圧力発生室に連通す
る前記ノズル開口よりインク滴が飛翔し、メニスカスが
最も引き込まれる時点で、前記すべての圧力発生室を容
積ａの初期状態まで拡大させ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。
【請求項５】前記圧力発生室の容積が、２＜（ｂ−ａ）／（ａ−ｃ）＜１０なる関係に設定されていることを特徴とする請求項４記
載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
【請求項６】前記すべての圧力発生室を容積ａの初期
状態まで拡大させる時間は、メニスカスの固有振動周期
Ｔｃ以上、８倍以下の間に設定されていることを特徴と
する請求項４及び５記載のインクジェット式記録ヘッド
の駆動方法。