JPS59143654A - 液体放出装置 - 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】 １、産業上の利用分野 本発明は、パルス電圧により圧電体を駆動することによ
り、ノズルが設けられた液体収容室に圧力を加え、ノズ
ルから液滴を放出するように構成した液体放出装置。特
にインクシェツト記録装置に関する。

２、従来技術 まず、従来のインクジェット記録装置の概略について説
明する。

ノズルが設けられた液体収容室に例えばその内容積が縮
小するように圧力が加えられると、液体収容室内部の液
体が圧縮され、このエネルギにより液体収容室に設Ｌｊ
られたノズルから液体力・″放出される。液体収容室に
加えられる圧力が瞬間的なものであると、液体の圧縮も
瞬間的であり、ノズルから放出される液体は粒状の液滴
（ドロップレット）となる。

液体収容室内の液体にインク液を使用し、ノズルの前に
被記録体として記録紙を設け、記録信号（パルス電圧）
に基いて前記操作が行なわれると、ノズルから放出され
たドロンプレットが記録紙に当たり、記録紙はインクの
ドツトが記される。この操作において、例えば、記録紙
を縦方向に動かし、ノズルを横方向に動かすこととすれ
ば、記録紙の全面にインクのドツトによる記録を文字等
の所定パターンに記すことができる。

前記したような記録装置は、オンデマンドインクジェッ
ト記録装置として、すでに市場に提供されている。

オンデマンドインクジェット記録装置は、ワイヤドツト
プリンタのようにワイヤのインバク１へにより記録紙に
ドツトを記すのではなく、ノズルから放出された小さな
液体のＦロソプレソトが記録紙に当たることによりドツ
トが形成されるから、非常に静かに記録ができる。イン
ク液に圧力を加える手段として、例えば、電圧を印加す
ることにより歪む性質を有する圧電体により行なうこと
とすれば、記録に必要な駆動部分が少なく、装置を小型
に出来１、また短時間に記録を記すことができる。

即ち、オンデマンドインクジェット記録装置は、ワイヤ
ドツトプリンタと比較し、静かに、速く記録が出来、か
つ装置を小型にすることができる。

更に、色の違うインク液を記録紙の同し場所に重ね打ち
することにより、インク液自体の色だけではなく、多色
の記録を記すことが出来るのである。

オンデマンドインクジェット記録装置において、高密度
による高解像度の記録を記録紙に記すためには、記録紙
に記されるドツトの径を小さくする必要があり、そのた
めにはノズルから放出されるドロップレットの大きさを
小さくしなければならない。

また、記録紙に画像等の記録をするには、濃度を多段階
に変化させる必要が生じる。そして濃度を多段階に変化
させるには、記録紙のある面積に記すドツトの数を変化
させる方法がある。例えば濃度の濃い記録を得るには、
記録紙に記すドツトの数を多くし、淡い記録をするには
、ドツトの数を少なくするわけである。しかし、この方
法だけで中間調を表現するには限界がある。濃度を多段
階に変化させるには、記録紙の単位面積当たりのドツト
のｉ々を変化させると共に、ドツト径を変化させる必要
がある。

即ち、オンデマンドインクジェット記録装置において、
高密度による高解像度、及び濃度が多段階の記録を記録
紙に記すためには、ノズルから放出されるトロンプレッ
トの大きさを小さくすることが望ましい。

ノズルから放出されるドロップレットの大きさを小さく
するためには、ノズル開口の径を小さくすることが考え
られるが、ノズルの目詰りが発生し易く、かつ、ノズル
部分でインク液の摩擦が大きくなり、インク液がノズル
から放出されにくくｈる。ノズルを通過するインク液の
流動性との関係から、ノズル開口の径を小さくするには
自ずと限界がある。

また、記録紙に記される記録を高密度とするため、ノズ
ルから放出される際にドロップレノ［・の背後に副次的
に形成される小さな液滴であるサテライトを利用する方
法もある。ノズルから放出されるドロップレノ１〜とサ
テライトは同一方向に放出されるから、記録紙に当たる
場所は、何の操作も加えないと同じ場所である。記録紙
に記されるＦ）１〜の径を小さくするには、サテライト
のみを使用し、ドロップレットが記録紙に到達しないよ
う操作をしなければならない。このためドロップレット
を帯電させ、偏向させる手段、及び、使用されないドロ
ップレットを回収する装置が必要となり、記録装置・全
体が大型化し、高価となる。

つぎに、ドロップレットの大きさを小さくし、記録紙に
記されるドソ１への径を小さくするために、電気−機械
変換器に印加するパルス電圧を低くし、液体収容室にあ
るインク液に加える圧力を小さくする装置が考え出され
た。

しかし、この装置によっても、ドロップレットの大きさ
を小さくするのは困難であることが解った。液体放出装
置を構成する液体収容室、電気−機械変換器等は、固有
の振動周波数があり、電気−機械変換器に印加されるパ
ルス電圧により発生する振動周波数が、前記した固有の
振動周波数と一致せず、共振しない場合には、加えられ
る圧力により能率良く一定の大きさのドロップレットが
ノズルから放出されるが、電気−機械変換器に加えられ
るパルス電圧により発生ずる振動周波数が、共振振動周
波数の周波数成分と同一であると、能率良くノズルから
ドロップレフトを放出しないのである。

以上記載したように、従来技術では、ノズルから放出さ
れるドロップレットの径の小さなものを簡単に得ること
は出来ない。

本発明者は、鋭意努力の結果、同じパルス電圧を電気−
機械変換器に印加した場合であっても、パルス電圧を印
加したときのノズル内の先端インク液の位置がドロップ
レットの大きさに関係していることを突き＋ｌ−めた。

即ち、第１図（ａ）のように、液体収容室２のノズル４
内のインク液３の先端が、ノズル４の先まで満たされて
いる場合と、第１図（ｂ）のように、ノズル４内のイン
ク液２の先端が、ノズル４の先からある距離にある場合
とでは、同しパルス電圧を電気−機械変換器に印加して
も、ノズル４から放出されるドロップレットの大きさは
異なるのである。

ドロップレットの大きさを縦軸とし、ノズル４の先と、
インク液３の先端位置の間の距離ｌを横軸とすると、同
じパルス電圧を印加した場合であっても、ドロ・ノブレ
ットの大きさは、第２図に示すように変化する。

第３図（ａ）に示すようなインクジェットヘッドにおい
て、インク液容器２の壁面に設けた圧電体１に、第・４
図（ａ）に示すようなパルス電圧を印加すると、インク
液容器２の壁面は、パルス電圧が印加される度に、例え
ば、仮想線で示すように歪むとすると、容器２内のイン
ク液３は圧縮され、ノズル１からインク液３がドロップ
レット５となって放出され、記録紙にドツトが記される
。

前記したインクジェットヘッドの圧電体１に、第４図（
ｂ）に示すような第４図（ａ）とは逆極性のパルス電圧
を印加すると、今度は圧電体１が設けられたインク液容
器２の壁面は、第３図（ｂ）に示すように、容器の体積
を増大させる方向に歪む。そして、圧電体１に印加され
るパルス電圧が停止し、圧電体１が設けられた壁面が元
の位置に戻るときに、インク液３に圧力が加えられ、ノ
ズル１からトロノブレットが放出される。

圧電体１は印加される電圧の極性により、歪む方向が反
対となるが、いずれの極性でも容器内のインク液に圧力
をかけ、ノズル１からドロップレフト５を放出させるこ
とができる。

第３図（ａ）と第３図（ｂ）とを比較すると、第１図（
ｂ）に示すインクジェットプリントヘッドの時の方が、
ノズル１から放出されるトロソブレ・７トの大きさは小
さくなる。

第３図（ｂ）の場合、パルス電圧が圧電体に印加されれ
ば、容器体の体積は増大するように圧電体１は歪み、容
器２内の液体の圧力は減少する。

容器２内の圧力が減少すれば、ノズル１内のインク液３
は容器側に吸引され、ノズル１の先と、インク液３の先
端位置の間の距離ｌは第１図（ｂ）に示すように長くな
る。従って、第３図（ｂ）に示すインクジェットプリン
トヘッドの方が、第３図（ａ）のときよりも、ノズルか
ら放出されるドロップレットの大きさは小さくなると考
えられる。

−・方、圧電体は、その製造工程で分極方向を揃えるた
めに、ある方向に電圧が加えられている。

圧電体は強誘電物質で製造されており、分極処理と同一
の極性の電圧が印加されたときは、分極方向は統一され
ているが、分極処理と反対の極性の電圧が圧電体に何回
も加わると、分極方向の乱れが生じ、パルス電圧を印加
しても、歪の度合が少なくなり、予定の圧力が液体に加
わらず、ノズルからドロップレットが放出されなくなる
。圧電体が強誘電体で製造されている以上このような現
象が発生するのはやむを得ない。従来は、圧電体に分極
処理の時と反対方向の極性の電圧をかけ使用した場合に
おいて、その圧電体の歪の度合が低下したときには、新
たな圧電体と交換せざるを得なかったのである。

３、発明の目的 本発明者は、鋭意努力の結果、圧電体に分極処理の時と
は反対の極性の電圧をかけ使用する場合であっても、分
極方向の乱れを少なくし、圧電体の長寿命化を図る手段
を見い出し、本発明をするに敗った。

４、発明の構成 即ち、本発明は、圧電体の分極処理時と逆極性のパルス
電圧を前記圧電体に印加することにより若しくは印加し
た後に、ノズルが設けられた液体収容室に圧力を加え、
前記ノズルから液滴を放出するように構成された液体放
出装置において、所望の時点で前記圧電体にその分極処
理時と同一極性のパルス電圧が少なくとも１個ずつ印加
されることを特徴とする液体放出装置に係るものである
。

５、実施例 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

圧電体は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（
商品名ＰＺＴ）等の強誘電性を示す物質の焼結体に、強
い電圧を加え、分極方向を揃えたものである。

チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の物質を単
に焼結するだけでは、第５図（ａ）に示すように、結晶
ことに分極の方向は違う。

これを、例えば、Ａにプラス、Ｂにマイナスの電圧を加
え、分権処理をすることにより、第５図（ｂ）のように
分極の方向が統一され、圧電体としての性質が現れる。

分極処理の時と同じ極性の電圧を圧電体に印加すれば、
分極の方向を統一する方向に力が加えられるから、圧電
体としての性質、即ち、電圧が印加されることにより歪
む性質を長期間保持する。

しかし、圧電体に分極処理の時とは反対の極性の電圧を
かければ、分極方向を反対にするカが加わる。今まで統
一されていた分極方向が、分極処理時とは反対の極性の
電圧が圧電体に印加されるコトニヨリ、圧電体を構成す
るチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸等の結晶の分
極方向が乱れるのである。従って、圧電体に、分極処理
の時と反則の極性の電圧をかけ、長期間使用すると、結
晶毎の分極方向の乱れが大となり、圧電体が、圧電体と
しての性質、即ちパルス電圧が印加されても歪む度合が
少なくなり、インク液の圧力が加わらす、ノズルからド
ロソプレ・２トが放出されにくくなるのである。

しかし、圧電体に分極処理の時とは反対の極性の電圧を
印加し、トロツブレットを放出させる場合であっても、
常に圧電体の分極方向が統一されるようにすれば、圧電
体は、長期間予定の役割を果たすことは明らかである。

圧電体は、製造工程で分極処理されており、分極方向が
定まっている。これが逆極性の電圧で印加され、分極方
向に乱れが生じた場合であっても、分極処理の時と同一
極性の電圧を圧電体に印加すれば、分極の方向は、分極
処理の時のように統一され、分極方向の乱れがなくなる
ことを本発明者は見い出し７た。

そこで、本発明によれば、圧電体を分極処理の時と反対
の極性により駆動させ、ドロップレットをノズルから放
出させるインクジェット記録装置では、圧電体の歪の度
合が低下する前に、分極処理の時と同一極性の電圧をか
け、分極方向の乱れを防止することとしたのである。

第６図は、本発明の実施例による圧電体を駆動させるた
めの電気回路図である。

入力Ｔ１に、ノズルからドロップレットを放出させるた
めのパルス電圧信号（極性はマイナス）が加わると、ト
ランジスタＴ　ｒｚがオンとなる。１−ランジスクＴ　
ｒｚがオンになると、トランジスタＴへのコレクタと圧
電体のマイナス端子の間に接続されている電源ｖ２とに
より、閉回路が形成される。

電源Ｖ？のプラス端子は、アースに接続され、圧電体の
マイナス端子は、アースに接続されている。

電源■２の電圧は、トランジスタＴ　ｒｚと可変抵抗Ｒ
５を介して、圧電体１に逆極性に印加される。トランジ
スタＴ　ｒｚのヘースにマイナスの電圧が加わることに
より、ｌ・ランジスタ゛Ｙで２がオンとなり、圧電体１
には、電圧■２が逆極性として印加され、圧電体１ば駆
動し、ノズルからドロップレットを放出する（例えば第
３図（ａ）参照）。

ここで入力Ｔ１に、プラスの電圧を加えると、トランジ
スタＴｒ１がオンとなり、電圧Ｖ１が可変抵抗Ｒ５を介
して圧電体のプラス端子に加わる。圧電体のマイナス端
子はアースに接続され、アースには電源■２のマイナス
が接続されているから、■、の電圧がｌ・ランジスタＴ
　ｒｌと可変抵抗Ｒ５を介して、圧電体ｌに正極性とし
て加わる。

圧電体１に分極処理の時とは反対の極性の電圧を加えて
使用しても、前記のように、入力端子ＴＩにプラスの電
圧を加え、圧電体１に正極性の電圧を印加すれば、分極
方向の乱れはなくなり、分極方向が修復されるのである
。第８図に従来例と本発明の実施例による圧電体に印加
するパルス電圧の波形図茫示す。

第７図は、本発明の他の実施例による圧電体を駆動させ
るための電気回路である。第６図の電気回路では、圧電
体１を駆動させ、ドロップレットを放出させるためのパ
ルス電圧信号（マイナス電圧）と圧電体１の分極方向を
統一させるためのパルス電圧信号（プラス）を同じ入力
端子Ｔに加え、入力信号がプラスかマイナスかにより、
圧電体１に印加する極性を変化させていた。

第７図の電気回路では、ドロップレットを放出するため
のパルス電圧信号と、分極方向を修復するためのパルス
電圧信号の入力端子は別とし２、圧電体１を確実に動作
させることとしている。

入力端子Ｔ３に、ドロップレットを放出するためのパル
ス電圧信号（プラス）が加わると、インバータ７により
反転させられたマイナスの電圧がトランジスタ］゛ｒ５
のベースに加わる。トランジスタＴ　ｒ５のベースがマ
イナスになると１−ランジスタＴｒ５はオンとなり、電
流がトランジスタＴ　ｒ５、抵抗Ｒ５、抵抗脳を介して
電源に流れる。この電流が抵抗Ｒ４に流れるときの電圧
降下が、トランジスタＴｒものベースとエミッタ間に加
わり、トランジスタＴ”ｒ６がオンとなる。Ｉ・ランジ
スタＴ　ｒ６がオンになると電源電圧Ｖ５が可変抵抗Ｒ
を介して圧電体１に逆極性として印加され、ノズルから
ドロップレフ１〜が放出されることとなる。

つぎに、入力端子Ｔ２に、分極方向を統一するだめのパ
ルス電圧信号（プラス）が加わると、Ｉ・ランジスタＴ
ｒ５がオンになり、電流が抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２に流れる
。抵抗Ｒ１に流れる電流により、抵抗Ｒ１の両端には電
圧が発生し、この電圧がトランジスタＴ　ｒｌ、のエミ
ッタとベースの間に加わり、トランジスタＴ　ｒ４がオ
ンになる。トランジスタＴｒ４がオンＣ＝なると、電源
電圧■２が可変抵抗Ｒ５を介して圧電体１に印加される
。これにより圧電体１の分極方向の乱れが修復されるこ
ととなる。

実験によれば、分極方向を修復するための正極性のパル
ス電圧は、逆極性のパルス電圧２０万回以内毎に対し１
回収−１−１圧電体１に印加することにより、良好なイ
ンク液放出特性が得られた。

そして、正極性のパルス電圧は、逆極性のパルス電圧の
絶対値の１〜１５倍としたときに、分極方向の乱れを修
正することが出来た。

本実験で用いたインクジェットプリントヘッド）（ｙｓ
ｅｒ型のものである。容器の圧電体を設けた壁の厚さは
０．１　〜０．５　ｍｍ、圧電体の厚さは０１〜０．６
　ｍｍ、及び、ノズル開口は直径４０〜６０μｍφのも
のを用いた。

上記したインクジェットプリントヘットでは、圧電体に
分極処理の時と同じ極性の電圧を印加することにより、
ドロンプレ・７トを放出させる手段では、ドロップレッ
トの大きさは７０〜９０μｍφが限界であるが、圧電体
に分極処理時ピ逆極性の電圧をかけた場合（例えば第３
図（ａ）、（ｂ））ではノズルから放出されるドロンプ
レットの大きさを、４０〜６０μｍφにすることが出来
た。

６、本発明の効果 本発明によれば、圧電体が分極処理の時とは逆極性の電
圧が印加されることにより、分極方向が乱れるのを、所
望の時に正極性の電圧を圧電体に印加することにより、
分極方向の乱れを修復し、前記した効果を長期間維持さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はインクジエソトブリンン１〜対
イのノズル部分の拡大断面図、第２図はノズル内のイン
ク液先端位置と、ドロップレフ　１”の大きさの関係を
表わした図、第３図（ａ）、（ｂ）はインクジェットプ
リントヘッドの拡大断面図、 第４図（ａ）、（ｂ）は圧電体に印加するパルス電圧の
波形図、 第５図（ａ）、（ｂ）は圧電体の製・造Ｔ程における分
権処理前（ａ）と処理後（ｂ）の分極方向を示した同、 第６図、第７図は本発明の実施例による圧電体を駆動さ
せるための回路図、 第８図は従来例と本発明の実施例により圧電体に印加さ
れるパルス電圧の波形図 である。 なお、図面に用いられている符号において、１−圧電体 ２−−一−−インク液容器 ３−−−−インク液 ４−　ノズル ５−一一一ドロンプレット ７−−−−−インバータ Ｒ１，Ｒ２、Ｒ５、Ｒｔ＋−−抵抗 Ｒｓ−−−−−可変抵抗 Ｔｒｌ、Ｔ　ｒ２、Ｔ　ｒｑ、Ｔ　ｒ＋１、Ｔ　ｒ５、
Ｔ　ＴＦｈ−ｍ−−−−−）ランジスタ である。 代理人　弁理士　逢　坂　　宏（化１名）第１図 第２図 第３図 ２ 第４図 第５図 （ａ）　　　　　　（ｂ） 第６図 十ＶＴ Ｖ２ 第７図 ＋１ｈ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電体の分極処理時と逆極性のパルス電圧を前記圧
   電体に印加することにより若しくは印加した後に、ノズ
   ルが設けられた液体収容室に圧力を加え、前記ノズルか
   ら液滴を放出するように構成された液体放出装置におい
   て、所望の時点で前記圧電体にその分極処理時と同一極
   性の電圧が印加されることを特徴とする液体放出装置。 ２、前記分極処理時と同一極性のパルス電圧は、前記分
   極処理時と逆極性のパルス電圧の絶対値の１〜１５倍の
   電圧である、特許請求の範囲の第１項に記載した液体放
   出装置。