JPH0952360A - インクジェット式記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速駆動に起因するインク滴の着点位置のぶ
れやインクミストの発生を防止すること。 【解決手段】 圧力発生室をヘルムホルツ共振周波数の
周期Ｔcにほぼ一致する時間で拡大させる第１の信号
と、膨張状態にある圧力発生室を収縮させてノズル開口
からインク滴を吐出させる第２の信号と、インク滴吐
出後に生じたメニスカスの振動が最も圧力発生室に移動
した時点で第１の信号による拡大容積よりも小さい容積
で圧力発生室を再び拡大させる第３の信号を圧電振動
子に印加して、インク滴の吐出により発生したメニスカ
スの振動が、ノズル開口に向かおうとした時点で、再び
圧力発生室を膨張させてメニスカスの運動エネルギを効
果的に減衰させて、次のインク滴吐出に最適な位置にメ
ニスカスを留める。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明が属する技術の分野】本発明は、縦振動モードの
圧電振動子をアクチュエータに使用したインクジェット
記録ヘッドの駆動技術に関する。 【０００２】 【従来の技術】一部が弾性板により構成され、ノズル開
口に連通する圧力発生室を、圧電振動子により膨張、収
縮させて、インクの吸引、インク滴の形成を行うインク
ジェット式記録ヘッドの高速駆動用アクチュエータとし
て、圧電材料と導電層を交互に積層し、その軸方向の伸
長する縦振動モードの圧電振動子が使用されている。こ
のような縦振動モードを有する圧電振動子は、面をたわ
みませて振動する圧電振動子よりも圧力発生室との当接
面積が小さく、しかも高速駆動が可能であるため、高い
解像度での高速印刷が可能であるという特徴を備えてい
る。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
縦振動モードの圧電振動子は、高速駆動が可能であるも
のの、残留振動の減衰率が小さいため、インク滴吐出後
にも大きな残留振動が残ってメニスカスの挙動に影響を
与え、これに起因して次のインク滴吐出時におけるメニ
スカスの位置がバラつき、結果としてインク滴の飛翔方
向が変動したり、またメニスカスのノズル開口側への大
きなオーバーシュートによりインクミストが生じたりし
て印字品質の低下を招くという問題がある。本発明はこ
のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的
とするところは、インクミストの発生やインク滴の飛行
曲がりを引き起こすことなく、高速駆動が可能なインク
ジェット式記録装置を提供することである。また、本発
明の第２の目的は、印字品質の低下を招くことなくドッ
トサイズを変更することができるインクジェット式記録
装置を提供することである。さらに本発明の第３の目的
は、記録ヘッドの仕様や、環境温度に関わりなく、イン
クミストの発生やインク滴の飛行曲がりを引き起こすこ
となく、一定の駆動周波数で印刷が可能なインクジェッ
ト式記録装置を提供することである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明においては、ノズル開口、及びインク供
給口を介して共通のインク室に連通し、周期ＴHのへル
ムホルツ共振周波数を備えた圧力発生室と、該圧力発生
室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェ
ット式記録ヘッドと、前記圧力発生室を拡大させる第１
の信号と、膨張状態にある前記圧力発生室を収縮させて
前記ノズル開口からインク滴を吐出させる第２の信号
と、前記インク滴吐出後に生じたメニスカスの振動がノ
ズル開口側に向かう時点で第１の信号による拡大容積よ
りも小さい容積で前記圧力発生室を拡大させる第３の信
号を出力する駆動信号発生手段とを備えるようにした。 【０００５】 【作用】インク滴の吐出により発生したメニスカスの振
動が、ノズル開口側に向かう時点で、第３の信号により
圧力発生室を微小膨張させてメニスカスの振動を効果的
に減衰させ、かつ次のインク滴吐出に最適な位置となる
ようにノズル開口の内側にメニスカスを留めさせる。 【０００６】 【発明の実施の形態】そこで以下に本発明の詳細を図示
した実施例に基づいて説明する。図１は、本発明に使用
するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示すもの
であって、図中符号１はノズル開口２が穿設されたノズ
ルプレート、７は流路構成板、８は弾性板で、流路構成
板７の両面をノズルプレート１と弾性板８とで封止して
インク流路ユニット１１が構成されている。 【０００７】このインク流路ユニット１１は、圧力発生
室３、共通のインク室４、及びこれらを接続するインク
供給口５を有し、後述する圧電振動子９の伸長、収縮を
受けてインク滴を吐出したり、またインクを吸引したり
する働きをするものである。 【０００８】９は、圧電振動子で、伸長方向に平行に圧
電材料と導電材料を交互に積層して構成され、充電状態
では導電層の積層方向と直角な方向に収縮し、また充電
状態から放電状態に移る時点で導電層と直角な方向に伸
長する、いわゆる縦振動モードの振動子で、その先端を
圧力発生室３を形成している弾性板８に当接させた状態
で他端が基台１０に固定されている。 【０００９】ところで、このように構成されたインクジ
ェット式記録ヘッドは、圧力発生室３のインクの圧縮性
に起因する流体コンプライアンスをＣi、また圧力発生
室３を形成している弾性板８、ノズルプレート１等の材
料自体の固体コンプライアンスをＣv、ノズル開口２の
イナータンスをＭn、インク供給口５のイナータンスを
Ｍｓとすると、圧力発生室３のヘルムホルツ周波数ＦH
は、 ＦH＝１／２π×√｛（Ｍn＋Ｍｓ）／（Ｃｉ＋Ｃv）
（Ｍn×Ｍｓ）｝ により表すことができる。 【００１０】なお、流体コンプライアンスＣiは、圧力
発生室３の体積をＶ、インクの密度をρ、インク中での
音速をｃとすると、 Ｃi＝Ｖ／ρｃ² により表すことができる。 【００１１】さらに圧力発生室３の固体コンプライアン
スＣvは、圧力発生室３に単位圧力を印加したときの圧
力発生室３の静的な変形率に一致する。 【００１２】具体例を挙げると、長さが０．５乃至２ｍ
ｍで、幅０．１乃至０．２ｍｍ、深さ０．０５乃至０．
３ｍｍのサイズとして構成された圧力発生室３の場合、
ヘルムホルツ共振周波数ＦHは５０ｋＨｚ乃至２００ｋ
Ｈｚ程度となる。 【００１３】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を示すものであっ
て、図中符号２０は、制御信号発生回路で、入力端子２
１、２２と出力端子２３、２４、２５を備え、端子２
１、２２には印刷データを生成する外部装置からの印字
信号とタイミング信号が入力し、また出力端子２３、２
４、２５からシフトクロック信号、印字信号、及びラッ
チ信号が出力するように構成されている。 【００１４】２６は、駆動信号発生回路で、端子２２か
ら入力した外部装置からのタイミング信号に基づいて圧
電振動子９、９、９‥‥を駆動する駆動信号を出力する
ものである。 【００１５】Ｆ１、Ｆ１、Ｆ１‥‥は、それぞれラッチ
回路を構成するフリップフロップであり、またＦ２、Ｆ
２、Ｆ２‥‥はシフトレジスタを構成するフリップフロ
ップで、フリップフロップＦ２、Ｆ２、Ｆ２‥‥から各
圧電振動子９、９、９‥‥に対応して出力された印字信
号をフリップフロップＦ１、Ｆ１、Ｆ１‥‥でラッチ
し、オアゲート２８、２８、２８‥‥を介して各スイッ
チングトランジスタ３０、３０、３０‥‥に選択信号を
出力するように構成されている。 【００１６】図３は、前述の制御信号発生回路２０の一
実施例を示すものであって、図中符号３１は、カウンタ
で、端子２２から入力するタイミング信号（図５
（I））の立ち上がりで初期化され、発振回路３３から
のクロック信号を駆動信号発生回路２６の出力端子２９
に接続されている圧電振動子９、９、９‥‥の数に一致
する値まで計数した時点でＬＯＷレベルのキャリー信号
を出力して計数動作を停止するものである。このカウン
タ３１のキャリー信号は、ＡＮＤゲートを介して発振回
路２３からのクロック信号と論理積を取られて端子２３
にシフトクロック信号を出力する。 【００１７】また、符号３４は、端子２１から入力する
圧電素子９、９、９‥‥に一致するビット数の印字デー
タを記憶するメモリで、ＡＮＤゲートからの信号に同期
して内部に記憶している印字データを端子２４に１ビッ
ト毎にシリアル出力する機能をも合わせ備えている。 【００１８】この端子２４からシリアル転送される印字
信号（図５（VII））は、次の印刷周期でスイッチング
トランジスタ３０、３０、３０‥‥の選択信号となり、
印字信号の端子２３から出力されたシフトクロック信号
（図５（VIII））により前述のシフトレジスタを構成し
ているフリップフロップＦ１、Ｆ１、Ｆ１、‥‥にラッ
チされる。なお、ラッチ信号は、前述のキャリー信号の
立ち下がりに同期してラッチ信号生成回路３５から出力
され、その出力の時点は後述する駆動信号が中間電位Ｖ
Mを維持する期間である。 【００１９】図４は、前述した駆動信号発生回路２６の
一実施例を示すものであって、図中符号３６は、タイミ
ング制御回路で、縦属接続された３つのワンショットマ
ルチバイブレータＭ１、Ｍ2、Ｍ3を有し、各ワンショッ
トマルチバイブレータＭ１、Ｍ2、Ｍ3にはそれぞれ第１
の充電時間（Ｔc1）と第１のホールド時間（Ｔh1）との
和Ｔ1＝（Ｔc1＋Ｔh1）、放電時間（Ｔd）と第２のホー
ルド時間（Ｔh2）との和Ｔ2＝（Ｔd＋Ｔh2）、及び第２
の充電時間Ｔc2を規定するためのパルス幅ＰＷ1、ＰＷ
2、ＰＷ3（図５（II）、（III）、（IV））が設定され
ている。 【００２０】各ワンショットマルチバイブレータＭ１、
Ｍ2、Ｍ3から出力するパルスの立ち上がり、立ち下がり
によりそれぞれ充電を実行させるトランジスタＱ2、放
電を実行させるトランジスタＱ3、及び第２の充電を実
行させるトランジスタＱ6をオン、オフ制御するように
構成されている。 【００２１】外部装置からのタイミング信号が端子２２
に入力すると、タイミング制御回路３６を構成するワン
ショットマルチバイブレータＭ１は、予めこれに設定さ
れているパルス幅ＰＷ1（Ｔc1＋Ｔh1）のパルス信号
（図５（II））を出力する。このパルス信号によりトラ
ンジスタＱ1がオンとなると、初期状態で既に電位ＶMに
充電されているコンデンサＣがトランジスタＱ2と抵抗
Ｒ1とにより定まる一定電流Ｉc1でもって充電される。
この充電によりコンデンサＣの端子電圧が電源電圧ＶH
になると、充電動作が自動的に停止し、以後、放電され
るまでこの電圧が維持される。 【００２２】次ぎにワンショットマルチバイブレータＭ
１のパルス幅ＰＷ1に相当する時間（Ｔc1＋Ｔh1）＝Ｔ1
が経過してこれが反転すると、トランジスタＱ1がオフ
となり、またワンショットマルチバイブレータＭ2から
パルス幅ＰＷ2のパルス信号（図５（III））が出力して
トランジスタＱ3がオンとなってコンデンサＣを放電さ
せる。この放電は、トランジスタＱ4と抵抗Ｒ3とにより
定まる一定電流Ｉdでもってほぼ電圧ＶLに到達するまで
継続して行なわれる。 【００２３】ワンショットマルチバイブレータＭ2のパ
ルス幅ＰＷ2に相当する時間（Ｔd＋Ｔh2）が経過してこ
れが反転すると、ワンショットマルチバイブレータＭ3
からパルス幅ＰＷ3のパルス信号（図５（IV））が出力
してトランジスタＱ6がオンとなる。これによりコンデ
ンサＣは、一定電流Ｉc2で再び充電され、ワンショット
マルチバイブレータＭ3のパルス幅ＰＷ3に相当する時間
（Ｔc2）で決まる中間電位ＶMに到達し、この電位ＶMで
充電が終了する。 【００２４】このような充放電により、図５に示したよ
うにな中間電位ＶMから電圧ＶHに一定の勾配で上昇し、
この電圧ＶHを一定時間Ｔh1を保持し、今度は一定の勾
配でＶLまで降下し、この電圧ＶLを一定時間Ｔh2を保持
し、さらに再び中間電位ＶMまで上昇する駆動信号が発
生する。 【００２５】ところで、上述の駆動信号発生回路２６に
おけるコンデンサＣの容量をＣ0、抵抗Ｒ1の抵抗値をＲ
r１、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲr２、抵抗Ｒ3の抵抗値をＲ
ｒ３、トランジスタＱ2、Ｑ4、Ｑ7のベース−エミッタ
間の電圧をそれぞれＶbe2、Ｖbe4、Ｖbe7とすると、前
述した充電電流Ｉc１、放電電流Ｉd、充電電流Ｉc２、
及び充電時間Ｔc1、放電時間Ｔd、及び充電時間Ｔc2
は、それぞれ Ｉc1＝Ｖbe2／Ｒr1 Ｉd＝Ｖbe4／Ｒr3 Ｉc2＝Ｖbe7／Ｒr2 Ｔc1＝Ｃ0×（ＶM−ＶM）／Ｉc1 Ｔd＝Ｃ0×（ＶHーＶL）／Ｉd Ｔc2＝Ｃ0×（ＶMーＶL）／Ｉc2 となる。 【００２６】圧力発生室３を膨張収縮させるためのアク
チュエータとして縦振動モードの圧電振動子９を使用
し、また高速駆動のために圧力発生室３のヘルムホルツ
周波数ＦHが高くなるように構成された記録ヘッドにあ
っては、前述したようにインク滴吐出後の圧電振動子９
の残留振動の継続時間がヘルムホルツ周波数ＦHの周期
ＴHよりも相対的に長くなるため、メニスカスが圧電振
動子９の残留振動の影響を受けてメニスカスが不安定に
なる。 【００２７】このためこの実施例では、まず圧電振動子
９の残留振動を抑制する目的で、インク滴吐出のための
伸長時の放電時定数Ｔdと、圧力発生室３の微小膨張時
の充電時定数Ｔc2とを共に圧電振動子９の固有振動周期
Ｔaに一致させ、さらにヘルムホルツ共振周波数ＴHと、
充電時定数Ｔc1、及び放電時定数Ｔdとの関係を、 ０．５ＴH＜Ｔc1＜２ＴH、望ましくはＴc1≒ＴH Ｔd≒Ｔa、望ましくはＴd＜ＴH Ｔc2≒Ｔa、望ましくはＴc2＜ＴH となるように設定する。また、放電電圧、つまり充電が
完了して一定の電位となった状態と放電が完了した状態
までの電位差Ｖ１と、放電が終了した状態と中間電位Ｖ
Mとの電位差Ｖ２の比Ｖ2／Ｖ1＝Ｒ2/1が、０．１乃至
０．５の範囲となるように設定しておく。 【００２８】次ぎにこのように構成した装置の動作につ
いて説明する。前述したように制御信号発生回路２０
は、前の印刷周期の間にスイッチングトランジスタ３
０、３０、３０、‥‥の選択信号を転送して、全ての圧
電振動子９、９、９‥‥が中間電位ＶMに充電されてい
る期間にフリップフロップＦ１、Ｆ１、Ｆ1‥‥にこの
選択信号をラッチさせている。その後、タイミング信号
が入力し、図５（V）に示す駆動信号が中間電位ＶMから
電圧ＶHまで上昇して圧電振動子が充電される。圧電振
動子９は、この充電により一定速度で収縮して圧力発生
室３を膨張させる。 【００２９】この圧力発生室３の膨張によりインク供給
口５を介して共通のインク室４のインクが圧力発生室３
に流れ込み、同時にノズル開口２のメニスカスが圧力発
生室３側に引き込まれる。駆動信号が電圧ＶHに到達す
ると、所定時間Ｔh1の期間だけこの電圧ＶHを維持し、
その後に電位ＶLに向けて降下する。駆動信号が電位ＶL
に向けて降下すると、電圧ＶHに充電されていた圧電振
動子９、９、９、‥‥の充電電荷がダイオードＤを介し
て放電され、圧電振動子９は伸長して圧力発生室３を収
縮させる。この圧力発生室３の収縮によりインクが加圧
されてノズル開口２からインク滴として吐出する。その
後、ノズル開口２内のメニスカスが振動を開始する。 【００３０】この実施例ではメニスカスの振動が圧力発
生室３側に最も引き込まれ、ノズル開口２の側に転じる
時点で、駆動信号を電圧ＶLから中間電位ＶMに向けて再
び上昇するように設定しているので、圧電振動子９が再
び充電されて圧力発生室３が微小膨張する。この圧力発
生室３の微小膨張によりノズル開口側に移動するように
反転したメニスカスが圧力発生室側に引き戻されるか
ら、メニスカスはその運動エネルギを減じられてその振
動を急速に減衰する。 【００３１】上述のようにインク吐出後に発生するメニ
スカスの振動を抑制するためには、メニスカスの運動方
向と反対方向の力を圧力発生室３のインクに与えるのが
望ましいから、第３の信号（図７においてで示す信
号）により圧力発生室３を微小膨張させるタイミング
は、インク吐出後に生じたメニスカスの微小振動がノズ
ル開口側に向かい始める時点（図７における時間ｔ2）
が望ましい。 【００３２】ところで、圧力発生室３のインクは、圧電
振動子９に第２の信号（図７においてで示す信号）が
印加されて圧力発生室３が収縮された時点から周期ＴH
のヘルムホルツ周波数ＦHで振動を開始しているので、
結局、第３の信号を印加するタイミングは、Ｔd＋Ｔh
2≒ＴH×ｎ（ただし、ｎは１以上の整数）に等しくなる
ように設定しておくのが望ましい。そして可及的早期、
つまりメニスカスが圧力発生室３の奥側に存在する段階
で振動を抑制すると、メニスカスの振動によるインクミ
ストの発生防止と、次のインク滴吐出までの時間の短縮
に役立つから、上記数値ｎが可及的に小さな値、例えば
ｎ＝１の時点が望ましい。 【００３３】他方、上記圧力発生室３の微小な膨張の相
対的な大きさ、つまり第３の信号による充電電圧Ｖ2
と、インク滴吐出のための放電電圧Ｖ1との比Ｒ2/1が
０．１乃至０．５、望ましくは０．２乃至０．４が良い
結果をもたらす。 【００３４】すなわち、第３の信号を印加しない場合
には図８（イ）に示したようにインク滴吐出後に生じる
メニスカスの自由振動が、次のインク滴を吐出するのに
適した位置、つまりノズル開口近傍に復帰するまでの時
間ｔr1が極めて短いものの、メニスカスがノズル開口２
から大きく突出（図中、クロスハッチングで示した領
域）するため、メニスカスの運動エネルギによるインク
ミストが発生しやすくなる。 【００３５】これに対して第３の信号の電圧Ｖ2を放
電電圧Ｖ1と同じ大きさにすると、図８（ヘ）に示した
ようにメニスカスが圧力発生室側に大きく引き込まれる
からインクミストの発生を防止することができるもの
の、次のインク滴を吐出するための位置に復帰するまで
の時間ｔr6が極めて長くなり、駆動周波数を下げざるを
得なくなる。 【００３６】これらの結果を踏まえて比Ｒ2/1を０．１
程度に設定すると、図８（ロ）に示したように自由振動
しているメニスカスを圧力発生室側に引き戻して運動エ
ネルギを減少させてインクミストの発生を防止しつつ、
次のインク滴を吐出するための位置への復帰時間ｔr12
を短縮することができる。 【００３７】そしてこの比Ｒ2/1を０．３、０．５、
０．７と大きくしていくと、図８（ハ）、（ニ）、
（ホ）に示したようにメニスカスの振動を早期に減衰さ
せることができるものの、メニスカスが圧力発生室側に
大きく引き込まれるため、次のインク滴が吐出可能にな
るまでの時間ｔr3、ｔr4、ｔr5が大きくなる。 【００３８】これらの事情を考慮すると、駆動信号の電
圧比Ｒ2/1を０．１乃至０．５、望ましくは０．２乃至
０．４の範囲に設定すると、１０ｋＨｚ以上という高い
周波数応答性を得ることができて、インクミストの発生
防止と印刷速度の向上との両立を図ることができる。 【００３９】前述したように、ノズル開口２のメニスカ
スは、圧力発生室３の膨張速度に比例した速度で、圧力
発生室側に引き込まれ、最も引き込まれた位置から振動
しながらノズル開口２に向かって復帰するという現象が
ある。図１０は、この現象を示すもので、圧電振動子９
を収縮させて圧力発生室３を膨張させるための駆動信号
と、その時のメニスカスの引き込み量との関係を示すも
のである。図１０において実線は、駆動信号の電圧を中
間電位ＶM1から電圧ＶHに上昇させた場合を、また一点
鎖線は電圧ＶM1より高い電圧ＶM2から電圧ＶHに上昇さ
せた場合のメニスカスの運動を表わしている。 【００４０】図１０に示したように圧力発生室３の膨張
開始から一定時間Ｔ1経過後のメニスカスの引き込み量
は、符号ｍ１、ｍ２で示したように圧力発生室の膨張量
に比例しているから、一定のタイミングで圧力発生室３
を収縮させると、インク滴が吐出される時点での各メニ
スカスは、距離Ｄ１、Ｄ２の位置となる。 【００４１】すなわち、駆動信号の電圧を中間電位ＶM1
から電圧ＶHに上昇させた場合は、インク滴吐出時点の
メニスカスはノズル開口２から遠く離れた距離Ｄ１の位
置に存在するので、インク滴を構成するインク量が少な
く、記録用紙には小さなサイズのドットが印刷される。
一方、駆動信号の電圧を中間電位ＶM2から電圧ＶHに上
昇させた場合は、インク滴吐出時点でのメニスカスはノ
ズル開口２に近い距離Ｄ２の位置に存在するので、イン
ク滴のインク量が多くなり、記録用紙に大きなサイズの
ドットが形成されることになる。換言すれば、駆動信号
の中間電位を調整することによりインク滴のインク量を
変えてドットサイズを調整することが可能となる。 【００４２】図９は、このような現象を積極的に利用し
て記録媒体に形成するドットサイズを調整するための実
施例を示すものであって、駆動としては前述した図２乃
至図４と同等の機能を備えるものを使用し、ただタイミ
ング回路３６を構成しているワンショットマルチバイブ
レータＭ3は、これから出力させる信号のパルス幅をホ
スト装置から調整可能とするために外部信号により時定
数を可変設定する調整機能を備えている。 【００４３】この実施例において、タイミング信号が入
力すると、圧力発生室３の膨張を開始させ、膨張開始時
点から時間Ｔ1が経過した時点で圧力発生室３を収縮さ
せてインク滴を吐出させるまでの動作は前述した通りで
ある。インク滴の吐出に伴って発生するメニスカスの振
動がノズル開口側に転じる時点で、ワンショットマルチ
バイブレータＭ3が作動して駆動信号の電圧を電圧ＶLか
ら所定の中間電位まで上昇させて圧力発生室３を微小膨
張させる。 【００４４】このとき、次の印刷周期で印刷するドット
のサイズを決定すべく、ワンショットマルチバイブレー
タＭ3のパルス幅を調整する。中間電位ＶMの電圧は、ワ
ンショットマルチバイブレータＭ3の信号のパルス幅に
比例するから、ホストからの信号によりワンショットマ
ルチバイブレータＭ3のパルス幅を制御すると、次のイ
ンク滴吐出の際の中間電位、つまり圧電振動子９の充電
開始電圧を電圧ＶM1、ＶM2というように調整して、記録
媒体上のドットのサイズを自由に変更できる。 【００４５】図１１は、上述した中間電位ＶMを種々に
変化させた場合におけるインク滴のインク重量、及び速
度を調査した結果を、中間電位ＶMとインク滴を吐出さ
せる際の放電電圧Ｖ1との比Ｒ2/1を、０．１８から０．
３３まで変化させたときの結果を示すもので、インク滴
の速度は、７．５乃至８．０ｍ／ｓと１．０６倍程度の
極めて小さい範囲でしか変化せず、中間電位ＶMには関
わりなくほぼ一定値を取るのに対して、インク量は、
０．０４６から０．０５６μｇまで１．２倍も大きく変
化する。 【００４６】このことから、ワンショットマルチバイブ
レータＭ3のパルス幅ＰＷ3を変化させて比Ｒ2/1を調整
すると、インク滴の着弾位置に変動や、またインクミス
トの発生を来すことなく、記録用紙上のドットのサイズ
を任意に調整できることが裏付けられた。 【００４７】次に、前述のタイミング発生回路３６を、
記録ヘッドの仕様や、環境温度の変化に拘らず印字品質
を一定に保つように積極的に使用した第３の実施例につ
いて説明する。前述したようにインク滴が吐出すると、
図７に示したようにノズル開口２内のメニスカスが振動
を開始するが、この振動周波数は、ヘルムホルツ共振の
周波数ＦHに支配され、またヘルムホルツ共振の周波数
ＦHは個々の記録ヘッドの製造公差やインクの物性に依
存する。 【００４８】このため、ロット等が変わると、同じ仕様
の記録ヘッドであってもヘルムホルツ共振周波数が変動
するという問題ある。このような問題に対処するために
は、各記録装置に組み込まれる制御装置のタイミング調
整手段、この実施例でいえばワンショットマルチバイブ
レータＭ2のパルス幅ＰＷ2を各記録ヘッドのヘルムホル
ツ共振周波数ＦHに合わせ込んでおけばよい。 【００４９】すなわち、ヘルムホルツ共振周波数が変動
すると、図１２（イ）、（ロ）、（ハ）に示すように放
電開始時点ｔ1からメニスカスがノズル開口に復帰する
までの時間Ｔ21、Ｔ22、Ｔ23が微妙に異なるが、各記録
ヘッドでのメニスカスの振動が最適な位置に到達した時
点でワンショットマルチバイブレータＭ2が反転するよ
うにその時間を微調整すれば、次の段階では圧力発生室
３が微小膨張するから、圧力発生室３内のインクの運動
エネルギを適確に減じさせてインクミストの発生が防止
される。 【００５０】換言すれば、第３の信号を印加する時点
を、ワンショットマルチバイブレータＭ2のパルス幅Ｐ
Ｗ2により個々の記録ヘッド毎に合わせ込むように調整
するだけで、常に最適なタイミングで圧力発生室が微小
膨張させることができ、たとえ記録ヘッド間でのヘルム
ホルツ共振周波数ＦHにバラつきがあるとしても、印字
品質の低下を招くことなく記録ヘッドを同一の駆動周波
数で駆動することができる。 【００５１】一方、環境温度によって記録ヘッドの物理
的サイズや、弾性率、さらにはインクの物性が変化する
ため、ヘルムホルツ共振の周波数ＦHも環境の温度に大
きく影響を受ける。 【００５２】製造された多数の記録ヘッドから複数の記
録ヘッドをサンプルとして抽出し、各記録ヘッドのヘル
ムホルツ共振の周期ＴHの温度依存性を調査したとこ
ろ、図１３に示したように記録ヘッド毎にその値（図中
＊印、△印、○印、□印、及び×印で示す）が温度によ
り変化した。ところが、ヘルムホルツ共振の周波数ＦH
の変化率には記録ヘッド毎に個体差がなく、温度に対し
てほぼ同様の傾向で変化するが判明した。 【００５３】したがって、図１４に示したようにインク
滴吐出のために放電が開始された時点から第３の信号
（図７の信号）を印加する時点までの時間Ｔ2を環境
温度に対応して調整することにより、ノズル開口に向か
うメニスカスの運動エネルギを効果的に減衰できる時点
を見計らって圧力発生室３を再び膨張させることがで
き、したがって環境温度に関わりなくインクミストの発
生を確実に防止することが可能となる。 【００５４】図１５は、第３の信号の印加時期を環境温
度に応じて調整するための一実施例を示すもので、タイ
ミング制御回路３５の第２のワンショットマルチバイブ
レータＭ2に温度検出手段３８からの信号を入力させ
て、ワンショットマルチバイブレータＭ2から出力する
パルスの幅ＰＷ２を制御するように構成したものであ
る。 【００５５】この実施例によれば、温度検出手段３８か
らの信号により環境温度に対応して圧力発生室３の微小
膨張の開始時期が調整できるため、環境温度の変化に関
わりなく、メニスカスの運動エネルギーを確実に減衰さ
せてインク滴を安定に吐出させることができる。 【００５６】なお、印字信号がなく、非導通状態のスイ
ッチングトランジスタ３０に接続された圧電振動子９
は、駆動信号が電圧ＶHから電圧ＶLに降下する際に、駆
動信号の電圧がＶM以下にまで低下してしまうと放電を
開始する。これにより、圧力発生室３が微小収縮する。
一方、同時にインバータ３７で信号レベルを反転された
ワンショットマルチバイブレータＭ3からの出力が、オ
アゲート２８を介して全スイッチングトランジスタ３０
を導通させる。これらのことにより、印刷にかかわらな
い圧電振動子９は、インク滴の吐出を伴わない程度に圧
力発生室３を微小膨張、微小収縮させることになるか
ら、ノズル開口近傍に形成されているメニスカスが微小
振動する。この微小振動は、ノズル開口近傍のインクと
圧力発生室のインクとの攪拌を促してノズル開口２のイ
ンクの増粘を可及的に防止しインクの目詰まりに至るま
での時間を延長するのに寄与する。 【００５７】図１６は、前述の駆動信号発生回路２６の
他の実施例を示すものであって、図中符号４０は定電流
回路で、トランジスタＱ111、Ｑ112、Ｑ113、抵抗Ｒ11
1、Ｒ112、Ｒ113、Ｒ114、Ｒ115、Ｒ116、Ｒ117で構成
されており、入力端子ＩＮ101に入力されるハイレバル
の信号により動作し、抵抗Ｒ111の抵抗値ｒ111とトラン
ジスタＱ111のベースーエミッタ間電圧ＶBE111により定
まる電流Ｉ1、つまり Ｉ1＝ＶBE111／ｒ111 を出力してコンデンサＣ101を充電する。 【００５８】コンデンサＣ101は、電流Ｉ1により充電さ
れてその端子電圧が充電電流Ｉ1とコンデンサＣ101の静
電容量ｃ101とにより定まる、 ｄＶ／ｄｔ＝Ｉ1／ｃ101 なる電圧勾配で上昇する。 【００５９】４１は、第２の定電流回路で、トランジス
タＱ121、Ｑ122、Ｑ123、抵抗Ｒ121、Ｒ122、Ｒ123、Ｒ
124、Ｒ125、Ｒ126、Ｒ127により構成されていて、第１
の定電流回路４０と同様に入力端子ＩＮ102への信号の
入力によりー定の充電電流をコンデンサＣ101に供給す
る。 【００６０】４２は、第３の定電流回路で、トランジス
タＱ131、Ｑ132、抵抗Ｒ131、Ｒ132、Ｒ133、Ｒ134、Ｒ
135により、入力端子ＩＮ103に入力したハイレバルの信
号により動作するシンク型の定電流回路として構成さ
れ、抵抗Ｒ131の抵抗値ｒ131とトランジスタＱ131のべ
ースーエミッタ間電圧ＶBE131により定まる電流Ｉ3、つ
まり Ｉ3＝ＶBE131／ｒ131 でもつてＲ131を介してコンデンサＣ101の充電電荷を放
電させるものである。 【００６１】この第３の定電流回路４２により、コンデ
ンサＣ101の端子電圧は、電流Ｉ3とコンデンサＣ101の
静電容量ｃ101とにより定まる、 ｄＶ／ｄｔ＝Ｉ3／ｃ101 の電圧勾配で降下する。 【００６２】４３は第４の定電流回路で、トランジスタ
Ｑ141、Ｑ142、抵抗Ｒ141、Ｒ142、Ｒ143、Ｒ144、Ｒ14
5により、第３の定電流回路４２と同様にシンク型の定
電流回路として構成されている。これら各定電流回路４
０〜４３からの電流により充放電されるコンデンサＣ10
1の端子電圧は、トランジスタＱ101、Ｑ102、Ｑ103、Ｑ
104で構成される電流バッファ４４を介して端子ＯＵＴ1
01に駆動信号として出力されて圧電振動子９に供給され
る。 【００６３】このように構成された回路の動作を図１７
に基づいて説明する。印刷準備期間中に所定時間ｔｌの
ＨＩレベルの信号が入力端子ＩＮ101に入力すると、第
１の定電流回路４０から電流Ｉ1が出力してコンデンサ
Ｃ１０２が充電されて出力端子ＯＵＴ101の電圧を中間
電位ＶMに時間とともに上昇させて第１の信号を発生さ
せる。時間ｔｌが経過すると、入力端子ＩＮ101の信号
をＬＯＷレベルとなり、コンデンサＣ102の充電が停止
して、以後出力電圧を中間電位圧ＶMに維持する。 【００６４】この状態で印刷期間に入るとコンデンサＣ
101の端子電圧が中間電位ＶMから電源電圧ＶHまで立ち
上がるに必要な時間以上の時間ｔ2、入力端子ＩＮ102に
ＨＩレベルの信号を印加して、駆動信号の電圧を中間電
位ＶMから電源電圧ＶH付近まで時間と共に立ち上げ、以
後このほぼこの電圧ＶHを維持する。これにより、圧力
発生室３が中間電位ＶMと電源電圧ＶHとの電位差に相当
する分、膨張する。 【００６５】そして、インク吐出のタイミングに合わせ
て、コンデンサＣ101の端子電圧をほぼゼロボルトまで
低下させるに必要な時間以上の時間ｔ３のＨＩレベルの
信号を入力端子ＩＮ103に入力し、駆動信号をゼロボル
ト程度に低下させて第２の信号を発生させる。 【００６６】その後、インク滴吐出後に生じるメニスカ
スの運動を静停させることができるタイミングを狙って
時間ｔｌのＨＩレベル信号を入力端子ＩＮ101に入力し
て駆動信号の電圧を中間電位ＶMまで上昇させて第３の
信号を発生させる。この信号により圧力発生室３が微小
膨張して、メニスカスを圧力発生室側に引き戻す。以
後、印刷期間中、上述の第１、第２、及び第３の信号を
１印刷信号毎に出力させる。 【００６７】１行の印刷が終了すると、コンデンサＣ10
1の端子電圧をゼロボルトまで立ち下げるに必要な時間
以上の時間ｔ4だけＨＩレベルの信号を入力端子ＩＮ104
に印加し、駆動電圧波形をゼロボルト付近まで低下させ
る。なお、この電圧の低下により圧力発生室３が微小収
縮するので、第４の定電流回路４３は、その時定数がイ
ンクが吐出しない程度の大きな値に設定されていて、な
だらかに電圧が低下するように構成されている。 【００６８】図１８は、上述した駆動信号発生回路を使
用して印刷動作を実行する場合の動作を示すもので、上
述したように印刷準備期間においては、駆動電圧がゼロ
ボルトから中間電位ＶMまで立ち上がる期間、全出力オ
ン信号をＨＩレベルにして、全ての双方向スイッチング
トランジスタ３０’（図１９）を導通状態として印刷デ
ータに関係なく、全ての圧電振動子９にこの中間電位Ｖ
Mを供給して全ての圧電振動子９を中間電位ＶMまで充電
する。 【００６９】次に、通常の印刷期間では、全出力オン信
号がＬＯＷレベルの時、印刷データ１乃至印刷データｎ
により選択的に導通されている双方向スイッチングトラ
ンジスタ３０’を介して特定の圧電振動子９に駆動信号
を印加して充電を行い、また選択されていない圧電振動
子９には充電を行なわず、ただ中間電位ＶMを維持させ
る。 【００７０】また、１印刷周期の開始時と終了時とで駆
動電圧波形が中間電位ＶMに保持される期間のうち、少
なくとも１回は全出力オン信号をＨＩレベルする。これ
により、１印刷周期中に印刷データが全くなく、長時間
非駆動状態が継続して放電により中間電位ＶMが低下し
た圧電振動子を再充電して中間電位を正規の電圧ＶMに
上昇させてリフレッシュを図ることができる。 【００７１】さらに、印刷終了処理期間においては、駆
動電圧波形が中間電位ＶMからゼロボルト付近に低下し
た段階で、全出力オン信号をＨＩレベルにする。これに
より、全ての圧電振動子３の残留電荷が確実に放電する
ことになり、圧電振動子９の端子電圧をゼロボルトとし
て、ノイズ等による圧電振動子の意図しない膨張、収縮
に起因する微小インク滴の発生を阻止する。 【００７２】図１６に示した実施例は、中間電位ＶMか
ら電圧ＶHに上昇する第１の信号と、電圧ＶHから略零ボ
ルトまで降下する第２の信号と、略零ボルトから中間電
位ＶMに上昇する第３の信号の電圧上昇、及び電圧降下
の際の電圧勾配を独立に設定することができるため、記
録ヘッドの特性に適合した駆動信号をより一層適切に設
定することができる。なお、図１６に示した実施例で
は、入力端子ＩＮ101〜ＩＮ104に印加する信号を出力す
る信号生成回路を特に明示していないが、例えば図４に
示したようにワンショットマルチバイブレータを縦属接
続したタイミング調整回路により構成できることは明ら
かである。 【００７３】なお、上述の実施例においては、圧電振動
子を充電することにより圧力発生室を膨張させ、また圧
電振動子の電荷を放電させることにより圧力発生室を収
縮させてインク滴を吐出する形式のインクジエツトヘツ
ドに適用した場合について説明したが、図２０に示した
ように振動方向に圧電材料５１と電極材料５２、５３と
を交互に積層した、いわゆるｄ33効果により充電時に伸
長し、また放電時に収縮する圧電振動子５４を用いた記
録ヘッドに適用しても同様の作用を奏することは明らか
である。 【００７４】すなわち、上述した駆動信号発生回路のそ
れぞれの入力端子ＩＮ101、ＩＮ102、ＩＮ103、ＩＮ104
に図２１に示したようなタイミングで信号を入力すれば
よい。 【００７５】また、上述の実施例においては、圧電振動
子を駆動するスイッチ３０に制御データをシリアル転送
する場合に例を採って説明したが、記録ヘッドを構成し
ている圧電振動子の数が少ない場合には、シフトレジス
タ等のシリアルーパラレル変換手段を省いて図２２に示
したように、スイッチ３０の制御ゲートに信号を出力す
るオアゲート４６に印刷データや全オン信号を直接を入
力して、駆動信号を圧電振動子９に出力するようにして
も同様の作用を奏することは明らかである。 【００７６】また、上述の実施例においては各信号の出
力時点をワンショットマルチバイブレータにより制御し
ているが、マイクロコンピュータ等他のタイミング制御
手段を使用できることは明らかである。 【００７７】 【発明の効果】以上、説明したように本発明において
は、圧力発生室を拡大させる第１の信号と、膨張状態に
ある圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口からインク
滴を吐出させる第２の信号と、インク滴吐出後に生じた
メニスカスの振動がノズル開口側に向かう時点で第１の
信号による拡大容積よりも小さい容積で圧力発生室を拡
大させる第３の信号を出力する駆動信号発生手段とを備
えたので、インク滴の吐出にノズル開口に向かおうとし
ているメニスカスを圧力発生室の膨張で引き込んで効果
的に減衰させることができ、メニスカスの運動エネルギ
に起因するインクミストの発生を防止するとともに、次
のインク滴吐出のためにメニスカスを一定位置に留めて
飛翔の安定を図ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明のインクジェット記録装置に使用するイ
ンクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す断面図であ
る。 【図２】本発明のインクジェット式記録装置の一実施例
を示すブロック図である。 【図３】同上装置における制御信号発生回路の一実施例
を示すブロック図である。 【図４】同上装置における駆動信号発生回路の一実施例
を示す回路図である。 【図５】図（I）乃至（VIII）はぞれぞれ同上装置の動
作を示す波形図である。 【図６】駆動信号を規定する各パラメータを示す図であ
る。 【図７】メニスカスの挙動を駆動信号との関係で示す図
である。 【図８】（イ）乃至（ヘ）は、それぞれ全駆動電圧に対
する第２駆動信号の比を変えた場合におけるメニスカス
の挙動を示すもので、図（イ）は、０の場合を、図
（ロ）は０．１の場合を、図（ハ）は０．３の場合を、
図（ニ）は０．５の場合を、図（ホ）は０．７の場合
を、及び図（ヘ）は１の場合を示す波形図である。 【図９】図（I）乃至（VI）はぞれぞれ本発明の他の実
施例を示す波形図である。 【図１０】圧力発生室の膨張開始からインク滴吐出まで
メニスカスの挙動を駆動信号との関係で示す図である。 【図１１】放電電圧と微小充電電圧との比に対する、イ
ンク滴の速度、及びインク量の関係を示す図である。 【図１２】図（イ）乃至（ハ）は、ぞれぞれヘルムホル
ツ共振周波数とインク滴吐出後のメニスカスの戻り時間
を示す図である。 【図１３】環境温度とヘルムホルツ共振の周期との関係
を示す線図である。 【図１４】環境温度と第３の信号を印加する時期との関
係を示す線図である。 【図１５】本発明の他の実施例を示すブロック図であ
る。 【図１６】駆動信号発生回路の一実施例を示す回路図で
ある。 【図１７】同上回路の動作を示す波形図である。 【図１８】１印刷工程中における同上回路の動作を示す
波形図である。 【図１９】図１６に示した駆動信号発生回路で駆動する
に適したインクジェット式記録装置の一実施例を示すブ
ロック図である。 【図２０】本発明の駆動技術が適用可能なインクジェッ
ト式記録ヘッドの他の実施例を示す図である。 【図２１】図１６に示した駆動信号発生回路を同上記録
ヘッドを駆動するために使用する際の制御方法を示す波
形図である。 【図２２】印刷データの印加方式の他の実施例を示すブ
ロック図である。 【符号の説明】 １ ノズルプレート ２ ノズル開口 ３ 圧力発生室 ８ 弾性板 ９ 圧電振動子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平7−166970 (32)優先日 平７(1995)６月８日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−166971 (32)優先日 平７(1995)６月８日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 吉田 昌彦 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 鈴木 一永 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 岡沢 宣昭 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ノズル開口、及びインク供給口を介して
   共通のインク室に連通し、周期ＴHのへルムホルツ共振
   周波数を備えた圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収
   縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘ
   ッドと、 前記圧力発生室を拡大させる第１の信号と、膨張状態に
   ある前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口からイ
   ンク滴を吐出させる第２の信号と、前記インク滴吐出後
   に生じたメニスカスの振動がノズル開口側に向かう時点
   で第１の信号による拡大容積よりも小さい容積で前記圧
   力発生室を拡大させる第３の信号を出力する駆動信号発
   生手段とからなるインクジェット式記録装置。 【請求項２】 前記第３の信号は、その振幅が前記第２
   の信号の振幅の０．１乃至０．５倍に設定されている請
   求項１に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項３】 前記第３の信号は、その振幅が前記第２
   の信号の振幅の０．２乃至０．４倍に設定されている請
   求項１に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項４】 前記第３の信号は、その継続時間が周期
   ＴHよりも小さく設定されている請求項１に記載のイン
   クジェット式記録装置。 【請求項５】 前記第３の信号は、その継続時間が前記
   第２の信号と実質的に同一の値に設定されている請求項
   １に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項６】 前記第２の信号が出力されてから前記第
   ３の信号が出力されるまでの経過時間がへルムホルツ共
   振周波数の周期ＴHと実質的に同一の値に設定されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式
   記録装置。 【請求項７】 前記第１の信号がへルムホルッ共振周波
   数の周期ＴHと実質的に同一の値に設定されていること
   を特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録装
   置。 【請求頃８】 前記第２の信号の継続時間が前記圧電振
   動子の固有振動周期と実質的に同一の値に設定されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式
   記録装置。 【請求項９】 前記第３の信号の継続時間が前記圧電振
   動子の固有振動周期と実質的に同一の値に設定されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式
   記録装置。 【請求項１０】 ノズル開口、及びインク供給口を介し
   て共通のインク室に連通し、周期ＴHのヘルムホルツ共
   振周波数を備えた圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、
   収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録
   ヘッドと、 前記圧力発生室を前記周期ＴHにほぼ一致する時間で膨
   張させる第１の信号と、前記第１の信号の印加開始から
   一定の時間経過後に膨張状態にある前記圧力発生室を収
   縮させて前記ノズル開口からインク滴を吐出させる第２
   の信号と、前記インク滴吐出後に前記第１の信号による
   拡大容積よりも小さい容積で前記圧力発生室を膨張させ
   る第３の信号を出力する駆動信号発生手段と、 第１の信号と第３の信号との振幅比を調整する手段と、 を備えてなるインクジェット式記録装置。 【請求項１１】 前記振幅比は、前記第３の信号の継続
   時間により調整される請求項１０に記載のインクジェッ
   ト式記録装置。 【請求項１２】 第３の信号は、その継続時間が第２の
   信号と実質的に同一の値に設定されている請求項１０に
   記載のインクジェット式記録装置。 【請求項１３】 ノズル開口、及びインク供給口を介し
   て共通のインク室に連通し、ヘルムホルツ共振周波数Ｆ
   Hを備えた圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮さ
   せる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッド
   と、 前記圧力発生室を拡大させる第１の信号と、膨張状態に
   ある前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口からイ
   ンク滴を吐出させる第２の信号と、前記インク滴吐出後
   に生じたメニスカスの振動がノズル開口側に向かう時点
   で前記第１の信号による拡大容積よりも小さい容積で前
   記圧力発生室を拡大させる第３の信号を出力する駆動信
   号発生手段と、 前記第２の信号の終了時点から前記第３の信号を印加す
   るまでの時間を調整する手段とを備えてなるインクジェ
   ット式記録装置。 【請求項１４】 前記第３の信号は、その振幅が前記第
   ２の信号の振幅の０．１乃室０．５倍に設定されている
   請求項１３に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項１５】 前記第３の信号は、継続時間が周期Ｔ
   Hよりも小さく設定されている請求項１３に記載のイン
   クジェット式記録装置。 【請求項１６】 前記第３の信号は、その継続時間が前
   記第２の信号と実質的に同一の値に設定されている請求
   項１３に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項１７】 前記第２の信号が出力されてから前記
   第３の信号が出力されるまでの経過時間が周期ＴHと実
   質的に同一の値に設定されていることを特徴とする請求
   項１３に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項１８】 前記第１の信号が周期ＴHと実質的に
   同一の値に設定されていることを特徴とする請求項１３
   に記載のインクジェット式記録装置。 【請求項１９】 前記第２の信号の継続時間が圧電振動
   子の固有振動周期と実質的に同一の値に設定されている
   ことを特徴とする請求項１３に記載のインクジェット式
   記録装置。 【請求項２０】 前記第３の信号の継続時間が圧電振動
   子の固有振動周期と実質的に同一の値に設定されている
   ことを特徴とする請求項１３に記載のインクジェット式
   記録装置。 【請求項２１】 前記第３の信号の出力する時点を環境
   温度に応じて制御する手段を備えた請求項１３に記載の
   インクジェツト式記録装置。 【請求項２２】 インク滴吐出後に生じたメニスカスの
   振動が最も前記圧力発生室側に移動した時点に一致する
   ように前記第３の信号を出力する時点を環境温度に応じ
   て制御する手段を備えた請求項１３に記載のインクジェ
   ット式記録装置。