WO2000044564A1

WO2000044564A1 - Procede d'entrainement de tete d'impression par jets d'encre et dispositif d'impression par jets d'encre

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Publication number: WO2000044564A1
Application number: PCT/JP2000/000389
Authority: WO
Inventors: Masakazu Okuda; Masatoshi Araki
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2000-08-03
Also published as: US6705696B1; JP3427923B2; EP1155863A1; JP2000218778A; DE60035963D1; DE60035963T2; CN1345272A; EP1155863B1; EP1155863A4

Description

明細書インクジエツト記録へッドの駆動方法及びインクジエツト記録装置技術分野

本発明は、インクジエツト記録へッドの駆動方法及びインクジエツト記録装置に関し、特に、インクジェット記録装置において、インクノズルから微小なィンク滴を吐出して文字や画像の記録を行うィンクジェット記録へッドを駆動する駆動技術に関する。背景技術

一般的なインクジエツト記録方式として、圧電ァクチユエ一夕等の電気機械変換器を用いて、液状インクが充填された圧力室内に圧力波（音響波）を発生させ、その圧力波によって圧力室に連結されたノズルからインク滴を吐出するドロップオンデマンド型インクジエツト方式がある。ドロップオンデマンド型ィンクジエツト方式を用いた従来のこの種のインクジエツト記録方法として、例えば特公昭 5 3— 1 2 1 3 8号公報に開示された技術がある。この種のインクジエツト記録へッドの構成例を図 2 2に示す。

図 2 2を参照すると、圧力室 6 1には、インクを吐出するためのノズル 6 2と、共通インク室 6 3を介してインクタンク（図示せず）からィンクを導くためのインク供給路 6 4が連結されている。また、圧力室の底面には振動板 6 5が設けられている。

インク滴吐出時には、圧力室 6 1の外部に設けられた圧電ァクチユエ一夕 6 6によって振動板 6 5を変位させ、圧力室 6 1に容積変化を生じさせることにより、圧力室 6 1内に圧力波を発生させる。この圧力波によって、圧力室 6 1内に充填されていたィンクの一部がノズル 6 2を通つて外部に噴射され、インク滴 6 7となって飛翔する。飛翔したインク滴は、記録紙等の記録媒体上に着弾し、記録ドットを形成する。こうした記録ドットの形成を、画像データに基づいて繰り返し行うことによつて、記録紙上に文字や画像が記録される。

この種のインクジエツ卜記録へッドで高い画像品質を得るためには、吐出するインク滴の径（滴径）を小さく設定することが必要である。すなわち、粒状感の少ない滑らかな画像を得るには、記録紙上に形成される記録ドット（画素）をできるだけ小さくすることが必要であり、そのためには吐出するインク滴の径を小さく設定しなければならない。通常, ドット径が 4 0 m以下となると画像の粒状感は大幅に低下し、さらに 3 0 m以下になると、画像のハイライト部においても個々のドッ卜が目視で認識し難くなるため、画像品質は飛躍的に向上する。

インク滴径とドット径との関係は、インク滴の飛翔速度（滴速）、ィンク物性（粘度、表面張力）、記録紙種類などに依存するが、通常は、ドット径はィンク滴径の 2倍程度となる。従って、 3 0 /z m以下のドット径を得るためには、インク滴の径を 1 5 / m以下に設定する必要がある。なお、本明細書において、インク滴の径（滴径）とは、 1回の吐出で排出されるインク総量（サテライトを含む）を 1つの球状の滴に置き換えた場合の直径を意味する。

インク滴径を縮小する最も有効な手段としては、ノズル径を縮小することが挙げられる。しかし、製造技術的な限界があること、およびノズル径を小さくすることによってノズル目詰まりが起こるといった事実を考慮すれば、実際に使用できるノズル径は 2 5 x m程度が下限である _c したがって、ノズル径の縮小のみによって 1 5 mレベルのインク滴を得ることは不可能である。そこで、従来から、駆動方法によって吐出ィンク滴の滴径を縮小する試みがなされており、これまでに、いくつかの有効な方法が提案されている。

そのような提案の一つとして、例えば特開昭 5 5 - 1 7 5 8 9号公報に開示されたように、吐出直前に圧力室を一旦膨張させ、ノズル開口部のィンクメニスカスを圧力室側に引き込んだ状態からィンク滴の吐出を行うメニスカス制御技術がある。この技術を利用して圧電ァクチユエ —夕を駆動する駆動波形の一例を図 2 3に示す。駆動電圧と圧電ァクチユエ一夕動作との関係は、本明細書においては、駆動電圧を上昇させると圧力室の体積が減少し、逆に駆動電圧を降下させると圧力室の体積が増加するものとする。一般に極性は、圧電ァクチユエ一夕の構造やその圧電素子の分極方向によって逆になることがある。

図 2 3に示す駆動波形において、 V 1からゼロポルトへの電圧降下 7 1は圧力室の容積を膨張させる。次のゼロボルトから V 2への電圧上昇 7 1は、圧力室の容積を圧縮しインク滴の吐出を行う。降下時間 t 1及び上昇時間 t 2の夫々は、一般に 2〜 1 0 ^ s程度であり、従来の圧電ァクチユエ一夕自体の固有周期 T aよりも大きい。

図 2 5 ( a ) 〜（d ) は、図 2 3の駆動波形を印加した際におけるノズル開口部のィンクメニスカスの動きを模式的に表わした図である。初期状態においてィンクメニスカスは平坦な頂部を有するが（図 2 5 ( a ) )、吐出直前に圧力室を膨張させることにより、インクメニスカスは、図 2 5 ( b ) に示すような凹型の頂部を有する形状となる。こうして凹型のインクメニスカスを形成した状態から、電圧上昇 7 1によって圧力室の圧縮を行うと、図 2 5 ( c ) に示すように、インクメニスカスの中央部に細い液柱 8 3が形成され、次いで、液柱の先端部が分離してインク滴 8 4が形成される（図 2 5 ( d ) )。このときのインク滴径は、形成された液柱の太さとほぼ等しく、ノズル径よりも小さい。すなわち，こうした駆動方法を用いることにより、ノズル径よりも小さなインク滴を吐出することが可能となる。

上述のように、メニスカス制御方式を用いれば、ノズル径よりも小さな径のインク滴を吐出することが可能となる。しかし、図 2 3のような駆動波形を用いた場合、現実に得られる滴径は 2 5 m程度が限界であり、高画質化の要求に対して十分には応えることができなかった。そこで、さらに微小な滴の吐出を可能とする駆動方法として、図 2 4 に示すような駆動波形がある。図 2 4に示す駆動波形において、電圧降下 7 3は、吐出直前にインクメニスカスを引き込む。次の電圧上昇 7 4 は、圧力室の体積を圧縮して液柱を形成する。電圧降下 7 5は、液柱先端部から滴を早期に分離させる。電圧上昇 7 6は、インク滴吐出後に残存する圧力波の残響を抑制する。すなわち、図 2 4の駆動波形は、インク滴の早期分離および残響抑制を目的とした圧力波制御を従来のメニスカス制御方式に加えたもので、これにより滴径 2 0 程度のィンク滴を安定に吐出させることが可能となった。

しかしながら、上記改善された駆動波形では、滴径 2 0 以下のィンク滴を吐出することは困難であり、特に滴径 1 5 m以下のインク滴を吐出することは不可能であった。つまり、画質面から要求される滴径 1 5 ii m以下のインク滴を得られる駆動方法は、従来存在していなかつた。その最大の原因として、従来のインクジェット記録ヘッドにおけるインク滴吐出は、圧力室の音響容量に支配される圧力波によって行われていたことが挙げられる。以下、その理由を詳しく説明する。

図 2 6は、図 2 4の駆動波形を圧電ァクチユエ一夕に印加した際に生じるインクメニスカスの速度変化（粒子速度変化）を、レーザ一ドッブラー計を用いて観測した結果である。図に示されるように、インクメニスカスは、圧力室内に生じた圧力波によって振動する。図 2 6に示した例では、圧力波の固有周期 T c は 1 3 sであり、駆動波形の各節（ふし）で発生した圧力波が重ね合わされることによって、インクメニスカスに複雑な速度変化が生じている。

ここで、吐出されるインク滴の体積は、図 2 6の圧力波の最初の正の半サイクルで規定される斜線部の面積とノズル開口面積の積にほぼ比例すると考えられる。すなわち、正の速度（ノズル外部へ向かう方向の速度）を与えられたインクがノズルから排出され、インク滴となって飛翔すると仮定して滴径（滴体積）の見積もり計算を行うと、実測される滴径（滴体積）とよく一致する。メニスカス制御方式を用いた場合には、ノズル径よりも細い液柱が形成され、実効的なノズル開口面積が減少するが、インク滴体積が図 2 6の斜線部面積にほぼ比例するという関係は成り立つ。従って、滴径（滴体積）を低減するには、上記斜線部の面積を減少させることが重要となる。

斜線部面積を減少させるには、大別して 2つの方法がある。すなわち，図 2 7に示す粒子速度の振幅を小さく設定する方法と、図 2 8に示す粒子速度振動の周期を短く設定する方法である。このうち、粒子速度の振幅を小さく設定する方法は、実際には適用困難である。なぜならば、滴速は斜線部の平均粒子速度にほぼ比例するため、粒子速度の振幅を小さく設定すると、インク滴の飛翔速度（滴速）が大きく減少してしまう。そのため、画像記録に支障が生じるからである。

従って、微小滴吐出を行うためには、図 2 8に示すように、圧力波の固有周期を非常に小さく設定する必要がある。具体的な数値を挙げると、滴径 1 5 のィンク滴を滴速 6 mZ sで吐出するためには、圧力波の固有周期を 3〜 5 fi s程度に設定する必要がある。

しかし、従来のインクジェット記録ヘッドは、圧力波の固有周期を上記のように小さく設定することは非常に困難であった。なぜなら、 3〜 5 s程度の固有周期を得るためには、後述するように、圧力室の体積を非常に小さく設定し、かつ、圧力室を形成する壁面の剛性を極めて高くする必要がある。しかし、これは、穿孔加工した板材を積層接着して圧力室を形成する従来のへッド製造方法では実現が難しい。

また、仮に上の条件を満足できたとしても、インク滴の限界吐出周波数が低下してしまうことを避けることができない。すなわち、圧力波の固有周期を小さくするためには圧力室の容積を小さく設定する必要があるが、その一方で、圧電ァクチユエ一夕によって変位を加える駆動部面積も一定以上確保する必要があるため、圧力室は扁平形状とならざるを得ない。そのため、圧力室の流路抵抗は大幅に増加し、結果的にリフィル時間（吐出後のインクメニスカスの復帰時間）が増加し、高い周波数で吐出を繰り返すことが困難となってしまう。

以上説明したように、従来のインクジェット記録ヘッドは、画像品質の飛躍的な向上に要求される滴径のインク滴、具体的には、滴径 1 5 mレベルの微小インク滴を吐出することができないため、高品質の画像が得られないという欠点があった。発明の概要

本発明の目的は、高周波域での吐出特性を損なうことなく、また、特別なへッド製造技術を必要とすることなく、滴径 1 5 以下の微小なインク滴の吐出を可能とするインクジエツト記録へッドの駆動方法及びそのような駆動方法を用いたィンクジエツト記録装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、吐出するインク滴の滴径を多段階に変調して階調記録を実行する場合に、広い滴径変調範囲を確保し、高画質記録と高速記録の両立を可能とすることにある。本発明インクジエツ卜記録へッドは、上記の目的を達成するために、液状のィンクを供給するィンク供給口と前記ィンクを少なくとも 1つのインク滴として吐出するインクノズルとを有し液状ィンクが充填される圧力室と、駆動電圧の印加によって前記圧力室内に圧力波を発生させ前記インクノズルからインク滴（6 7 ) を吐出させるように配設され、固有振動周期 T aを有する電気機械変換器とを備えるィンクジェット記録へッドを駆動する駆動方法において、

前記駆動電圧が第 1の駆動電圧波形を有し、該第 1の駆動電圧波形は、前記圧力室の容積を収縮させる、第 1の時間長さ t 1を有する第 1波形部分と、前記圧力室の容積を膨張させる、第 2の時間長さ t 2を有する第 2波形部分とを順次に有し、前記第 1及び第 2の時間長さ t 1 、 t 2 が、前記電気機械変換器の固有振動周期 T a以上に設定されることを特徵とする。

また、本発明のインクジェット記録装置は、液状のインクを供給するインク供給口と前記ィンクを少なくとも 1つのインク滴として吐出するインクノズルとを有し液状インクが充填される圧力室と、駆動電圧の印加によって前記圧力室内に圧力波を発生させ前記ィンクノズルからィンク滴を吐出させるように配設され、固有振動周期 T aを有する電気機械変換器とを有するインクジエツ卜記録へッドと、

前記電気機械変換器に印加する駆動電圧のための 1又は複数の駆動波形を発生する駆動波形発生回路とを有するインクジエツト記録装置において、

前記駆動波形が、前記圧力室の容積を収縮させる、第 1の時間長さを有する第 1波形部分と、前記圧力室の容積を膨張させる、第 2の時間長さを有する第 2波形部分とを順次に有する第 1駆動波形を含み、前記第 1及び第 2の時間長さが、前記電気機械変換器の固有振動周期 T a以上に設定されることを特徴とする。

本発明のィンクジエツト記録へッドの駆動方法及びィンクジエツト記録装置によれば、電気機械変換素子の固有振動周期以下の上昇時間及び降下時間を有する駆動波形で電気機械変換素子を駆動することによつて、インクノズルから 1 5 /z m以下の直径を有する微少なインク滴が吐出可能であるため、印刷精度の向上が可能となる。。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の原理に従うインクジエツト記録へッドの等価回路図である。

図 2は、図 1の等価回路の部分図である。

図 3は、図 1の等価回路の他の部分図である。

図 4は、図 1の等価回路の他の部分図である。

図 5は、本発明で使用する電圧上昇部を有する駆動電圧の駆動波形図である。

図 6は、本発明で使用する電圧上昇部及び下降部を有する駆動電圧の駆動波形図である。

図 7は、本発明で使用する電圧上昇部及び下降部を有する駆動電圧の他の駆動波形図である。

図 8は、圧力室の固有周期よりも大きな上昇時間を有する図 5の駆動波形図の場合のノズル部の滴速を時間と共に示すグラフである。

図 9は、圧力室の固有周期よりも小さな上昇時間を有する図 5の駆動波形の場合のノズル部の滴速を時間と共に示すグラフである。

図 1 0は、図 6の駆動波形の場合のノズル部の滴速を時間と共に示すグラフである。

図 1 1は、図 7の駆動波形の場合のノズル部の滴速を時間と共に示すグラフである。

図 1 2は、圧電ァクチユエ一夕の駆動回路の構成を示すブロック図である。

図 1 3は、圧電ァクチユエ一夕の駆動回路の別の構成を示すブロック図である。

図 1 4は、本発明の実施形態例に係るインクジエツト記録へッドの駆動方法で使用する駆動波形図の一例である。

図 1 5は、図 1 4の駆動波形で駆動されたノズル部における滴速を示すグラフである。

図 1 6は、圧力上昇時間と滴径の関係を示すグラフである。

図 1 7は、本発明の実施形態例に係るインクジェット記録ヘッドの駆動方法で使用する駆動波形図の他の例である。

図 1 8は、図 1 7の駆動電圧の場合の滴速を時間と共に示すグラフである。

図 1 9は、本発明の別の実施形態例に係る、小さなインク滴を発生するために本発明の他の実施形態例のィンクジエツト記録へッドの駆動方法で使用される 1つの駆動波形図である。

図 2 0は、本発明の別の実施形態例に係る、中程度のインク滴を発生するために本発明の他の実施形態例のィンクジエツト記録へッドの駆動方法で使用される他の駆動波形図である。

図 2 1は、本発明の別の実施形態例に係る、大きなインク滴を発生するために本発明の他の実施形態例のィンクジエツト記録へッドの駆動方法で使用される 1つの駆動波形図である。発明の好適な実施の形態

本発明の好適な実施形態例について説明する前に、本発明の原理を集中定数回路モデルを用い、ィンクジエツト記録へッドの理論解析結果に基づいて説明する。

図 1は、図 2 2に示した一般的なィンクジエツ卜記録へッドを等価電気回路に置き換えた回路図である。図において、「m」はイナ一夕ンス

[k gZm⁴]、「 r」は音響抵抗 [N s Zm⁵]、「c」は音響容量 [m⁵ ZN]、「u」は体積速度 [m³Z s ]、「Φ」は圧力 [P a] を表わす。また、添字の「0」は駆動部、「 1」は圧力室、「2」はインク供給路、

「3」はノズルをそれぞれ意味する。

従来のインクジエツ卜記録へッドで、縦振動モードで作動する圧電ァクチユエ一夕を使用した場合には、図 1の回路は、図 2〜図 4に示す 3 つの回路に分解して考えることができる。図 2は、圧電ァクチユエ一夕および振動板からなる駆動部に関する回路であり、固有周期 T aは次式で表わされる。

Ta=27C

また、図 2の回路の固有周期 T aは、固定端一自由端の棒が縦振動する際の固有周期として、次式を用いて近似的に求めることもできる。

ここで、 Lは圧電ァクチユエ一夕の長さ、 p pおよび E pは圧電ァクチユエ一夕材料の密度および弾性係数である。通常のインクジエツト記録ヘッドでは、 T aは：！〜 5 s程度である。

図 3の部分回路は、圧力室の音響容量 c 1で示される圧力室を含んでいる。圧力室内の固有振動モードによって発生する圧力波は、図 3の回路によって規定される。つまり、従来のインクジェット記録ヘッドは、この回路によって規定される圧力波によってィンク滴の吐出を行っている。図 3の回路における固有周期 T cは次式で表わされる。

通常のィンクジエツト記録へッドでは、 T cは 1 0〜 2 0 S程度である。

ここで、圧力室の音響容量 c 1は、圧力室の体積を Wl [m³]、インクの体積弾性率を κ [P a], 圧力室壁の剛性に依存する定数を K 1とすると、次式のように表わされる。 cl=——― . 従って、固有周期 T cを減少するためには、圧力室の体積 W1を小さく設定し、かつ、圧力室壁の剛性を高く（K 1を大きく）設定することが望まれる。

また、図 4の回路は、インクメニスカスの表面張力による音響容量 c 3に支配される回路であり、リフィル特性に関わる回路である。図 4の回路における固有周期 Tmは、次式で表わされる。

Tm=z m + /n₃) · c₃

なお、通常のィンクジエツト記録へッドでは、 Tmは 2 0〜 5 0 s程度である。

図 2〜図 4の回路のうち、本発明では、図 2および図 3の回路に関する特性を利用する。特に、従来のインクジェット記録ヘッドでは、図 3 の回路に関する特性のみを利用してインク滴吐出を行っていたのに対し、本発明では、駆動部（圧電ァクチユエ一夕）自体の固有振動も利用してインク滴吐出を行う。

図 5は、駆動電圧に比例する、図 2 2に示した圧力室内の圧力（圧力波） φの一例を示す。図 8及び 9は夫々、図 5の圧力波に対応してノズルの開口部の滴速 V 3 (粒子速度）を示している。粒子速度 V 3は、体積速度 U 3をノズルの開口面積で割った商に等しい。

図 8は、従来のィンクジエツト記録へッドの駆動方法で使用されている、圧力の上昇時間 t 1を回路の固有周期 T aよりも大きく設定した場合のインクジエツト記録へッドにおける粒子速度を示し、粒子速度 V 3は固有周期 T cで振動する。すなわち、従来のインクジエツ卜記録へッドでは、粒子速度 V 3は図 3の回路のみによって規定される。

図 9は、本発明の原理に従って圧力 Φの上昇時間 t 1を駆動部の固有周期 T aと同等もしくはそれ以下に設定した場合のィンクジェット記録ヘッドの粒子速度 V 3を示している。この場合、図 2で表わされる駆動部の固有振動が励起され、その結果、粒子速度 V 3の振動は、固有周期 T cの振動と固有周期 T aの振動とが重畳した振動に対応する。つまり、圧力 Φの上昇時間を固有周期 T aと同等もしくはそれ以下に設定することにより、圧電ァクチユエ一夕自体の固有周期でィンクメニスカスを振動させることが可能となる。

図 6を参照すると、圧力室に発生する圧力波が台形形状である場合が示されている。同図では、上昇時間 t 1および下降時間 t 2は、どちらも回路の固有周期 T aと同等もしくはそれ以下に設定されており、また、電圧上昇の開始時刻と下降の開始時刻の時間差（ t 3 ) を、 T a / 2≤ t 3≤T aに設定している。図 6の圧力波を圧力室内で発生させると、インクメニスカスの粒子速度 V 3は図 1 0に示すように変化する。この場合、図 6の電圧上昇部 1 4 1 Aによって圧電ァクチユエ一夕が急激に伸長され、伸長した圧電ァクチユエ一夕が、その固有振動によって縮もうとする夕イミングに合わせて圧電ァクチユエ一夕を収縮させる電圧下降 1 4 2 Aが印加される。その結果、圧電ァクチユエ一夕は急激に収縮し、粒子速度 V 3は非常に早いタイミングで図 1 0の V 3 = 0の位置に戻ることになる。つまり、粒子振動の最初の正の半サイクルに対応する斜線部の面積は図 9の斜線部に比して小さくなり、微小滴の吐出に適した条件となる。

圧力 Φを図 6のような台形波形状とすると、図 1 0に示されるように、図 1 0の粒子速度の最初の正の半サイクルが複数の山によって形成されることとなる。このような場合、斜線部面積を増加させるおそれ、つまり、インク滴の径を増加させ、サテライトインク滴を発生させ、且つ、不安定な吐出を生じさせるおそれがある。

上記事態を防ぐため、圧力 (/)の変化を、図 7に示すような形状とすることが好ましい。図 7の圧力波は、圧力上昇 1 4 1 Bの量よりも、圧力下降 1 4 2 Bの量を大きく設定することにより、図 1 1のように、斜線部が単一の極大点によって形成されるようになる。その単一の極大点により、斜線部の面積が縮小し、安定なインク吐出が得られる。

上述したように、駆動波形の上昇下降時間を圧電ァクチユエ一夕の固有周期 T aと同等もしくはそれ以下に設定し、かつ、上昇開始時刻と下降開始時刻の時間差 t 3を T a Z 2≤ t 3≤T aに設定することにより、インクメニスカス振動の固有周期を非常に小さくでき、図 1 0および図 1 1に示されるように斜線部面積を小さくできるため、従来の駆動方法よりも微小滴を吐出することが可能となる。また、下降部の電圧変化量を上昇部の電圧変化量よりも大きく設定することにより、さらに微小なインク滴を安定に吐出することが可能となる。

次に、本発明の実施形態例に基づいて本発明を説明する。本発明の原理を、図 2 2の基本構造を有するインクジエツト記録へッドのサンプルに適用した。

ィンクジエツト記録へッドのサンプルは、エッチング等によって穿孔加工された複数の薄板を、接着剤によって積層接合することにより作製した。本実施形態では、厚さ 5 0〜 7 5 のステンレス板を熱硬化性樹脂による接着層（厚さ約 2 0 ^ m) を用いて接合した。ヘッドには、図 2 2の紙面垂直方向に配列された複数の圧力室 6 1が設けられており、それらは共通インク室 6 3によって連結されている。共通インク室 6 3はインクタンク（図示せず）と連結されており、各圧力室 6 1にィンクを導く働きをしている。

各圧力室 6 1は、ィンク供給路 6 4を介して共通インク室 6 3と連通しており、圧力室 6 1内はインクで充填されている。また、各圧力室 6 1にはィンクを吐出するためのノズル 6 2が設けられている。

本実施例では、ノズル 6 2およびインク供給路 6 4は同一形状とし、開口径 3 0 m、裾径 6 5 m、長さ 7 5 x mのテ一パ一形状とした。孔開け加工はプレスにより行った。

圧力室 6 1の底面には振動板 6 5が設けられており、圧力室 6 1の外側に設置された電気機械変換器としての圧電ァクチユエ一夕（圧電振動子） 6 6によって圧力室の体積を増加または減少させることが可能となつている。本実施形態では、振動板 6 5として、電铸（エレクトロフォ —ミング）で成形したニッケルの薄板を用いた。

圧電ァクチユエ一夕 6 6には、積層型圧電セラミクスを用いた。圧力室 6 1に変位を加えるための駆動柱の形状は、長さ（L ) が 1 . l mm、幅（W) が 1 . 8 mm、奥行き長さ（図 2 2の紙面垂直方向長さ）が 1 2 0 mである。使用した圧電材料は、密度 p pが 8 . 0 X 1 0 ³ k g / 3 、弾性係数 E pが 6 8 G P aである。実測された圧電ァクチュェ一夕自体の固有周期 T aは 1 . 6 Sであった。

圧電ァクチユエ一夕 6 6によって圧力室 6 1に体積変化を生じさせると、圧力室 6 1内に圧力波が発生する。この圧力波によってノズル部 6 2のインクが運動し、ノズル 6 2から外部へ排出されることによりィンク滴 6 7が形成される。なお、本実施形態で用いたヘッドの固有周期 T cは 1 4 β sである。

次に、図 1 2および図 1 3を参照して、圧電ァクチユエ一夕を駆動するための駆動回路の基本構成について説明する。

図 1 2は、吐出するインク滴の径を固定する場合、すなわち滴径変調を行わない場合における駆動回路の構成例である。図 1 2に示す駆動回路は、波形発生回路 1 2 1、増幅回路 1 2 2、スイッチング回路（トランスファ ·ゲ一ト回路） 1 2 3とを備え、圧電ァクチユエ一夕 1 2 4を駆動する。駆動波形信号を発生して電力増幅した後、圧電ァクチユエ一夕に供給して駆動することにより、記録紙上に文字や画像を印字させる。波形発生回路 1 2 1は、デジタル ·アナログ変換回路と積分回路とから構成され、駆動波形データをアナログ変換した後、積分処理して駆動波形信号を発生する。増幅回路 1 2 2は、波形発生回路 1 2 1から供給された駆動波形信号を電圧増幅及び電流増幅して増幅駆動波形信号として出力する。スィツチング回路 1 2 3は、ィンク滴吐出のオン ·オフ制御を行うもので、画像データをもとに生成された信号に基づいて、駆動波形信号を圧電ァクチユエ一夕 1 2 4に印加する。

図 1 3は、吐出させるインク滴の径を多段階に切り替える場合、すなわち滴径変調を実行する場合における駆動回路の構成例である。図 1 3 に示す駆動回路は、滴径を 3段階（大滴、中滴、小滴）に変調するために、それぞれの滴径に応じた 3種類の波形発生回路 1 3 1、 1 3 1 A、 1 3 1 Bを具備しており、各波形はそれぞれ増幅回路 1 3 2、 1 3 2 A、 1 3 2 Bによって増幅される。記録時には、画像データをもとに、圧電ァクチユエ一夕 1 3 4に印加される駆動波形がスィツチング回路 1 3 3によって切り替えられ、所望の滴径のインク滴が吐出される。

なお、圧電ァクチユエ一夕を駆動するための駆動回路の構成としては、図 1 2及び図 1 3に示した構成に限らず、他の構成を用いることも可能である。

図 1 4は、本発明の実施形態例のインクジエツト記録装置を用いて約 2 0 mの直径を有するィンク滴を形成するために図 1 9の駆動回路で発生する駆動波形の一例を示す。駆動波形は、固有周期 T a ( 1 . 6 s ) よりも短い上昇時間 t 1 ( 0. 5 S ) を有し、初期電圧 V b ( 6 ポルト）から V 2 ( 2 0ボルト）まで上昇させて圧力室を収縮させる第 1の上昇部 1 1を有する。波形は、更に、第 1の上昇部の開始時刻から t 3時間経過後に開始し、固有周期 T aよりも短い下降時間 t 2 ( 0. 5 S ) を有し、 V 2からゼロボルトに下降する第 1下降部 1 2を有する。下降部 1 2は、圧力室を膨張させる。波形は、更に、下降部 1 2の終了から t 4 ( 1 4 S ) 時間経過後に開始し、上昇時間 t 5 ( 3 0 β s ) を有し、ゼロポルトから初期電圧 V bに回復するための第 2の上昇部 1 3を有する。これらの構成により、 t 3は T a≤ t 3≤T aを満足する。

図 1 4に示す駆動波形を印加した際のィンクメニスカスの動きをレ —ザ一ドップラー計によって観察した結果を図 1 5に示す。観察の際には、インクメニスカスの動きを精度よく測定するために、印加電圧を 1 / 1 5倍に低く設定しており、図 1 5の結果は、粒子速度 V 3が印加電圧に比例することを考慮して、測定された粒子速度を 1 5倍した値を示している。

図 1 5において、インクメニスカスは、固有周期 T aの振動と固有周期 T cの振動とが重畳された形で振動している。そして、 t 3 = 1 s の夕イミングで圧電ァクチユエ一夕を収縮させているため、最初の極大点において、 t = 2 sと非常に早い時点で v 3 = 0の点に戻っている。このため、最初の半サイクルの斜線部の面積が非常に小さく、微小滴吐出に有利な波形となっている。実際に、図 14の駆動波形を用いてサンプルのへッドで吐出実験を行つた結果、滴径 2 1 mのインク滴が滴速 5. 5mZ sで吐出されることが観察された。比較対象として、従来の駆動方法のように、 t l = t 2- t 3 = 2 pi s >T aの駆動波形を用いて実験を行った結果、吐出できる微小滴の径は 2 8； mが下限であった。

図 1 6は、上昇時間 t 1を変化させたときの滴径の変化を調べた結果である。なお、下降時間 t 2は t 2 = t 1と設定し、時間 t 3は、 t 1 ≤ 1 sの場合は t 3 = l / s、 t 1 > 1 sの場合は t 3 = t 1と設定した。また、印加電圧 V I、 V 2は、滴速が 6 mZsとなるように、それぞれの t 1に対して調整を行った。

図 1 6において、 t 1 =T a付近で滴径に急激な変化が見られ、この領域で吐出メカニズムに変化が生じていることがわかる。すなわち、 t 1 >T aの領域では、固有周期 T cのインクメニスカス振動によって吐出が行われているのに対し、 t l≤T aの領域では、固有周期 T aのィンクメニスカス振動によって吐出が行われている。図 1 6から判るように、本発明の駆動方法を使用することにより、従来の駆動方法よりも滴径を大幅に縮小することが可能である。

図 1 7は、上記のィンクジエツト記録へッドを用いて、滴径 1 5 /m 以下の微小滴を吐出するために使用した駆動波形の一例を示す図である。図 1 7に示す駆動波形は、電圧上昇 3 1の前に、メニスカス制御用電圧降下 33が含まれている。すなわち、図 1 7の駆動波形は、圧電ァクチユエ一夕自体の固有振動を利用した吐出メカニズムと、メニスカス制御方式の両者を組み合わせた駆動方法を用いたものである。したがつて、図 14に示した駆動波形を用いた場合よりも、さらに滴径の小さなインク滴を吐出することが可能である。

図 1 7の駆動波形は、固有周期 T aよりも大きくかつ固有周期 Tじょりも小さな下降時間（ t 6 = 3 s ) を有し、初期電圧 V b (4 0ボルト）から V 3 ( 1 8ボルト）だけ降下させる第 1の降下部 3 3を有する。第 1の降下部 3 3は、 V Iだけ電圧を上昇させる第 1の電圧上昇 3 1よりも t 7時間（4 / s ) 先に発生する。このような駆動波形により、圧電ァクチユエ一夕自体の固有振動を利用した駆動技術と、メニスカス制御技術とを組み合わせることが可能になる。

詳しくは、第 1の降下部 3 3は、固有周期 T aよりも大きく固有周期 T cよりも小さな下降時間 t 6 ( 3 s ) を有し、圧力室を膨張させる。第 1の上昇部 3 1は、圧力室を収縮させる電圧上昇 V 1を有し、また、固有周期 T aよりも短い上昇時間 t l ( 0. 5 ^ s ) を有する。第 2の降下部 3 2は、第 1の上昇部 3 1の開始から t 3時間（ 1 s ) 経過後に開始し、下降時間 t 2 ( 0. 5 S ) を有し、 V 2 ( 3 6ボルト）の電圧変化量で圧力室を膨張させて電圧をゼロポルトにする。第 2の上昇部 3 4は、ゼロボル卜から初期電圧 V bに回復させるもので、上昇時間 3 0 s ) を有する。

図 1 7に示す駆動波形を印加した際のィンクメニスカスの動きをレ一ザ一ドップラー計によって観察した結果を図 1 8に示す。なお、観察の際には印加電圧を 1 Z 1 5倍に低く設定しており、図 1 8の結果は、実際に測定された粒子速度の 1 5倍の値を示している。

図 1 8に示されるように、図 1 7の駆動波形が圧電ァクチユエ一夕に印加されると、まず、電圧降下 3 3によって負の粒子速度が発生し、これによってインクメニスカスが圧力室側に引き込まれ、凹型のインクメニスカスが形成される。次いで、第 1電圧変化プロセス 3 1が印加され、 v 3〉0となり、ィンクメニスカスがノズルの外に向かって変位する。このとき、先のインクメニスカス形状が凹形状であるため、ノズルの中央部に細い液柱が形成される。滴吐出状態の観察結果（ストロボ観察）によると、形成された液柱の太さは約 1 5 m (ノズル径の約 1 Z 2 ) であった。

液柱が形成された後、 T a Z 2≤ t 3≤T aのタイミングで第 2の上昇部 3 2が印加され、圧力室が急速に収縮すると、非常に早い時期に V 3 = 0に戻る。そのため、図 1 8の斜線部面積は非常に小さくなり、微小滴吐出に有利な波形となっている。

実際に、図 1 7の駆動波形を用いて吐出実験を行った結果、滴径 1 4 mのィンク滴が滴速 6 m/ sで吐出されることが観察された。図 1 4 の駆動波形を用いた場合よりも更に滴径が減少した理由は、メニスカス制御技術を組み合わせたためである。すなわち、メニスカス制御を行うことにより、ノズル径を減少させたのと等価の効果を得ることができたためと考えられる。比較対象として、従来の駆動波形のように、 t 1 = t 2 = t 3 = 2 s > T aの駆動波形を用いて実験を行った結果、吐出できる微小滴の径は 2 1 mが下限であった。

図 1 7の駆動波形において、 T a < t 6≤T cと設定した理由は、安定したインクメニスカス形状の制御を行うためである。ここで、 t 6≤ T aと設定すると、 t≤ t 6 + t 7の時間範囲においても固有周期 T a の振動が生じ、インクメニスカス形状の正確な制御が困難になったり、不要な吐出が発生したりするといつた問題が生じやすい。また、 t 6〉 T cに設定した場合にも、 t≤ t 6 + t 7の時間範囲の粒子速度 V 3の変化が複雑化してしまい、やはりインクメニスカス形状の正確な制御が困難となる。特に、マルチノズルヘッドの場合には、ノズル間に大きな特性ばらつきが発生しやすい。

従って、時間 t 6は T a < t 6≤T cの範囲内にあることが望ましく、この場合、図 1 8に示されるように、 t t 6 + t 7の時間範囲においては固有周期 T aの振動が発生しないため、安定なインクメニスカス形状の制御が可能となる。ただし、シングルノズルのヘッドや、ノズル間に高い均一性が確保できるへッドでは、 t 6≤T aまたは t 6>T cに設定することも可能である。

図 1 9〜図 2 1は、上記のインクジェット記録ヘッドを用いて、吐出するインク滴を、小滴、中滴、大滴の 3種類の大きさに変調するために使用した駆動波形である。図 1 9に示す小滴用駆動波形は、図 1 7に示した駆動波形と同一形状である。図 2 0に示す中滴用駆動波形および図 2 1に示す大滴用駆動波形は、上昇時間（ t ll、 t 12) を回路の固有周期 T a よりも大きく設定し、圧電ァクチユエ一夕の固有振動を励起しない駆動方法を用いている。

図 20の中滴用駆動波形は、初期電圧から電圧降下量 V 3 A引き下げる、降下時間 t 6 1 (3 S ) を有する第 1の降下部 5 3 Aによって、吐出直前にィンクメニスカスを凹形状とし、第 1の保持時間 t 7 1 (4 ii s ) の後に、固有周期 T aよりも大きな上昇時間 t 11 (3 S ) の電圧上昇 5 1 A によって圧力室を圧縮し、固有周期 T aよりも大きな第 2の保持時間 1 3 S ( t 3 1 - t 1 1 ) の後に、降下時間 t 2 1 (3 0 z s ) を有する第 2の降下部 5 2 Aによって初期電圧 Vb (40 V) に戻す。

図 2 1の大滴用駆動波形では、初期電圧から大きな上昇時間 t 1 2 ( 1 0 S ) を有する電圧上昇 5 1 Bで圧力室を圧縮した後に、降下時間 t 22 ( 30 ^ s ) を有する電圧降下 5 2 Bによってゆっくりと初期電圧 Vbに戻し、圧力室の容積を膨張させる。図 2 1の駆動波形では、吐出直前におけるインクメニスカスの引き込みは行わない。

上記の小滴用、中滴用、および大滴用の駆動波形を、図 1 3に示すように、それぞれ別個の波形発生回路（ 1 3 1、 1 3 1 A、 1 3 I B) により発生させ、画像デ一夕に基づいて圧電ァクチユエ一夕 1 34に印加する波形を切り替えることにより、階調記録を実行した。

図 1 9〜図 2 1に示す駆動波形を用いた場合、滴径 1 4 u rn , 滴速 6 mZ sの小滴、滴径 2 8 / m、適速 6 . 2 m/ sの中滴、および滴径 4 1 u rn , 滴速 7 mZ sの大滴を、いずれも 1 0 k H zの駆動周波数で吐出させることができた。すなわち、滴径 1 4〜4 1 mという従来にない広範な滴径変調範囲を、高駆動周波数を.維持しながら実現することができた。

なお、大滴および中滴用の駆動波形としては、本実施例で示した波形に限定されるものではなく、他の形状の波形を用いることが可能である。たとえば、大滴用駆動波形においても、吐出直前にインクメニスカスをわずかに凹形状にする電圧変化プロセスを加えることにより、吐出安定性を向上させることができる。

また、本実施例では、滴径変調の段階数を大 · 中 ·小の 3段階としたが、滴径の段階数を 3段階以上もしくは 3段階以下に設定した場合においても、本発明が適用可能なことは明白である。

さらにまた、上述したように、滴径変調を行うインクジェット記録へッドにおいて、微小滴吐出時には本発明の圧電ァクチユエ一夕の固有振動を利用した吐出原理を使用し、径の大きな滴を吐出する際には、従来のインクジヱット記録へッドと同様、圧力室の音響容量 c 1に支配される圧力波を用いてインク滴の吐出を行うことにより、きわめて広範な滴径変調範囲を得ることができ、高画質記録と高速記録を両立することが可能となる。

以上好ましい実施形態をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では t 1く t 3と設定し、第 1電圧変化プロセスと第 2電圧変化プロセスの間に電圧保持部（平坦部）を設けたが、 t l = t 3、すなわち一定電圧部を除去したような駆動波形としても良い。

また、上記実施形態の駆動波形では、インク滴吐出後における強制的な残響抑制を行っていないが、図 2 4で示したような残響抑制プロセスを含めても良い。

また、上記実施形態では、圧電ァクチユエ一夕自体（駆動部）の固有周期 T aを 1 . 6 s としたが、固有周期 T aをそれ以外の値に設定してもよい。ただし、滴径 1 5 z mレベルの微小インク滴吐出を実行するためには、固有周期 T aを 5 / s以下に設定することが望ましい。

また、上記実施形態では、圧電ァクチユエ一夕への印加電圧が常に正極性となるようにバイアス電圧（初期電圧） V bを設定したが、圧電ァクチユエ一夕に負極性の電圧を印加しても問題ない場合には、バイアス電圧 V を 0 Vなど、他の電圧に設定してもかまわない。

さらに、上記実施形態においては、圧電ァクチユエ一夕として、圧電定数 d 3 3を利用した縦振動モードの圧電ァクチユエ一夕を用いたが、圧電定数 d 3 1を利用した縦振動モ一ドのァクチユエ一夕など、他の形態のァクチユエ一夕を使用してもかまわない。また、上記実施形態では、積層型の圧電ァクチユエ一夕を用いたが、単板型の圧電ァクチユエ一夕を用いた場合において同様の効果を得ることができる。また、固有周期 T aを小さく設定できれば、橈み振動モードの圧電ァクチユエ一夕を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、図 2 2に示すようなカイザー型インクジェット記録へッドを用いたが、圧電ァクチユエ一夕に設けた溝を圧力室とする記録へッドなど、その他の構造のインクジエツト記録へッドに対しても、本発明を同様に適用することが可能である。さらに、圧電ァクチユエ一夕以外の電気機械変換器、たとえば静電力や磁力を利用したァクチユエ一夕を利用したィンクジエツト記録へッドに対しても、本発明を適用することが可能である。

以上説明したように、本発明のインクジエツ卜記録へッドの駆動方法及び当該駆動方法を用いたインクジエツト記録装置によれば、滴径 1 5 mレベルの微小滴吐出が可能であるため、画像品質を飛躍的に向上させることができるという効果がある。

また、本発明の好ましい実施形態例によれば、圧力室の容積（W 1 ) を小さく設定することなく微小滴の吐出が可能となるため、リフィル時間の増加を惹起せず、高い駆動周波数での吐出ができるという効果がある。

また、本発明の更に好ましい実施形態例によれば、圧電ァクチユエ一夕の固有振動を利用した本発明の吐出原理と、圧力室の音響容量（c 1 ) によって支配される圧力波を利用した従来の吐出原理を組み合わせて用いることにより、広範な滴径変調範囲を得ることができるため、高画品質と高記録速度を両立させることができるという効果がある。

Claims

請求の範囲

1. 液状のインクを供給するインク供給口（64) と前記インクを少なくとも 1つのインク滴（67) として吐出するインクノズル（62) とを有し液状インクが充填される圧力室（6 1) と、駆動電圧の印加によって前記圧力室（6 1) 内に圧力波を発生させ前記インクノズル（6 2) からインク滴（67) を吐出させるように配設され、固有振動周期 T aを有する電気機械変換器（66) とを備えるインクジエツト記録へッドを駆動する駆動方法において、

前記駆動電圧が第 1の駆動電圧波形を有し、該第 1の駆動電圧波形は、前記圧力室（6 1) の容積を収縮させる、第 1の時間長さ t 1を有する第 1波形部分（1 1、 3 1、 51) と、前記圧力室の容積を膨張させる、第 2の時間長さ t 2を有する第 2波形部分（12、 32、 52) とを順次に有し、前記第 1及び第 2の時間長さ t 1、 t 2が、前記電気機械変換器（66) の固有振動周期 T a以上に設定されることを特徴とするィンクジエツト記録へッドの駆動方法。

2. 前記第 1波形部分（1 1、 3 1、 51) の開始時間と前記第 2波形部分（12、 32、 52) の開始時間との間の間隔 t 3が TaZ 2≤ t 3≤T aである、請求項 1に記載のィンクジエツ卜の記録方法。

3. 前記第 1波形部分（1 1、 3 1、 51 )) の電圧変化量が前記第 2波形部分（1 2、 32、 52) の電圧変化量に比して小さい、請求項 1又は 2に記載のィンクジエツ卜の記録方法。

4. 前記第 1駆動波形が、前記第 1波形部分（3 1、 5 1)) の前に更に第 3波形部分（3 3、 5 3) を有し、該第 3波形部（ 3 3、 5 3) 分は、前記インクノズル（6 2) におけるインクメニスカスを前記圧力室（6 1 ) の側に引き込む、請求項 1〜 3の何れかに記載のインクジェット記録方法。

5. 前記第 3波形部分（3 3、 5 3) は前記圧力室（6 1 ) の容積膨張を発生させる、請求項 4に記載のインクジエツト記録方法。

6. 前記圧力室（6 1 ) 内の圧力波が、前記圧力室の音響容量によって規定される固有振動周期 T cを有し、前記第 3波形部分（ 3 3、 5 3) の時間長さ t 6力前記固有周期 T a及び T cとの間で関係 T a≤ t 6 ≤ cを満足する、請求項 5に記載のインクジエツト記録方法。

7. 前記電気機械変換器（6 6) の固有振動周期 T aが 5 ^ s以下である、請求項 1〜 6の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。

8. 前記駆動電圧が更に第 2駆動波形を有し、該第 2駆動波形は、前記圧力室（6 1 ) の容積を収縮させる、第 3の時間長さを有する第 3波形部分（ 5 1 A、 5 1 B) と、前記圧力室（6 1 ) の容積を膨張させる、第 4の時間長さを有する第 3波形部分（5 2 A、 5 2 B) とを有し、前記第 3及び第 4時間長さが前記電気機械変換器の固有周期 T aよりも大きい、請求項 1〜 3の何れかに記載のィンクジエツト記録へッドの駆動方法。液状のインクを供給するインク供給口（64) と前記インクを少なくとも 1つのインク滴（6 7) として吐出するインクノズル（ 6 2) とを有し液状インクが充填される圧力室（6 1 ) と、駆動電圧の印加によって前記圧力室（6 1 ) 内に圧力波を発生させ前記インクノズル（6 2) からインク滴（6 7) を吐出させるように配設され、固有振動周期 T aを有する電気機械変換器（6 6 ) とを有するインクジェット記録へッドと、

前記電気機械変換器（66) に印加する駆動電圧のための 1又は複数の駆動波形を発生する駆動波形発生回路（ 1 2 1、 1 3 1、 1 3 2、 1 3 3) とを有するインクジェット記録装置において、

前記駆動波形が、前記圧力室（ 6 1 ) の容積を収縮させる、第 1の時間長さを有する第 1波形部分（ 1 1、 3 1、 5 1 ) と、前記圧力室（6 1) の容積を膨張させる、第 2の時間長さを有する第 2波形部分（ 1 2、 3 2、 5 2) とを順次に有する第 1駆動波形を含み、前記第 1及び第 2 の時間長さが、前記電気機械変換器（6 6) の固有振動周期 T a以上に設定されることを特徴とするインクジエツト記録装置。

1 0. 前記駆動波形が、前記圧力室の容積を収縮させる、第 3の時間長さを有する第 3波形部分（5 1 A、 5 1 B) と、前記圧力室の容積を膨張させる、第 4の時間長さを有する第 4波形部分（ 5 2 A、 5 2 B) とを順次に有する第 2駆動波形を含み、前記第 3及び第 4の時間長さが、前記電気機械変換器（6 6) の固有振動周期 T aよりも大きい、インクジエツト記録装置。

1 1. 前記電気機械変換器（6 6) が圧電振動子を含む、請求項 9又は 1 0に記載のインクジエツト記録装置。

1 2 . 前記圧電振動子が縦振動モードで振動する、請求項 9〜 1 1の何れかに記載のインクジヱット記録装置。