JPH01275147A - インクジェット記録方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、インクジェット記録装置に用いられ、そのイ
ンクジェット記録ヘッドに設けられた電気機械変換素を
駆動する為のインクジェット記録方法に関する。

〔従来の技術〕

インクジェット記録装置は、第７図に示すように、イン
ク圧力室ｌの端部にインク吐出用のノズル２を備え、こ
のノズル２の近傍に設けられた電気機械変換素子として
の圧電素子３を設けたインクジェット記録ヘッド１０が
用いられている。圧電素子３に記録データに応じた駆動
電圧を印加することによって、インク圧力室ｌに定常−
拡大→定常、または定常−収縮一定常操作がなされ、イ
ンク圧力室ｌに生じる加圧力によりインク滴が吐出され
る。この吐出により飛翔したインク滴が被記録体（記録
紙、フィルム等）の表面に付若し、ドツトが形成される
。

駆動電圧は、第８図の如くに立上がり部ａ、定値部す及
び立下がり部Ｃを有し、立上がり部ａでインク圧力室１
を収縮させ、その際に生じる圧力でインク滴を吐出させ
る。定値部すは収縮状態を保持し、立下がり部Ｃで立上
がり部ａによる拡大により、元の状態に戻される。

次に、第７図及び第９図〜第１１図を参照して、第８図
の駆動電圧によるインク滴の吐出動作を詳細に説明する
。

第７図に示すように、駆動電圧の立上がり部ａでインク
圧力室１が収縮し、インク圧力室１内のインク圧力は△
Ｑだけ上昇する。また、インク圧力室１とインク流路と
の境界面４及び５に圧力差が生じるため、圧力波動が発
生し、インク供給路６及びインク吐出ロア方向に伝播す
る。

圧電素子３が収縮してしばらくすると、第９図のように
、圧電素子３よりインク供給口６及びインク吐出ロアの
夫々に寄った側の領域８及び９が１／２ΔＰの圧力値に
なっている。これら２つの高圧部分の長さは概ね圧電素
子３の長さｌに等しい。圧電素子３の機械的性質（質量
、弾性定数等）により、高圧部分８．９の境界は第９図
に示したように、明確に線引きをすることは難しいが、
説明の便宜上このようにしている。収縮を続けている圧
電素子３の内側に位置するインクは、この時点で収縮前
の圧力（例えば、大気圧）に戻されている。

ここで、圧電素子３に印加する電圧が、第８図の立下が
り部Ｃになると、圧電素子３は膨張する。

このため、圧電素子３の内側に位置するインクの圧力は
低下し、第１０図のように、−△Ｐになる。

すると、圧電素子３が収縮した瞬間の場合と同様に、イ
ンク流路内に長さが２の一１／２△Ｐの圧力を持った２
つの負圧部分１１及び１２が圧力波として第１１図のよ
うに生じる。なお、駆動電圧の定値部すの発生期間が長
いものとしたため、第９図における領域８及び９がイン
ク圧力室１を完全に去っているものとしたが、実際には
定値部すが短いため、領域８と９及び負圧部分１１と１
２の各々は互いに重なり合う場合もあるが、線型性があ
るため、２つに分けて考えることができる。

ところで、領域９の部分は、インク吐出ロアからインク
を押し出し、その波動エネルギーをインク滴の運動エネ
ルギーに変換する。この領域９の正圧１／２△Ｐは完全
にエネルギーを失うわけでは無いが、１／２△Ｐに比べ
てかなり弱まり、ノズル２の壁面およびインク吐出ロア
で反射してインク供給口６方向へ向かう。一方、領域８
における正圧１／２△Ｐ及び負圧部分１１．１２はイン
ク圧力室ｌ内を往復する。このとき、領域８は、インク
供給口６で反射すると、−１／２△Ｐの負圧部分となっ
てノズル２方向に向かい、逆に、負圧部分１１は正の圧
力部分となってノズル２方向へ向かう　（これはインク
供給口６が開口端になっていることによるものである）
。一方、負圧部分１２は、インク吐出ロアで同様に反射
し、インク供給口６方向へ向かう。

（発明が解決しようとする課題〕 しかし、このような従来のインクジェット記録方法にあ
っては、インク吐出ロアの直径ｄ２がインク圧力室１の
直径ｄ１に比べて十分に小さいため、開口端としてでは
なく、閉端として機能する。

このため、負圧部分１２は反射した後も負の圧力部分と
して伝播し、インク供給口６方向へ向かう。

したがって、領域８の正圧及び負圧部分１１．１２の各
圧力波が、インク供給口６及びインク吐出ロアで反射し
て往復動じ、それが、インク吐出ロアに到達する毎に、
第１２図のようにインク吐出ロアに形成されているメニ
スカス１４が方向１５または方向１６へ運動し、領Ｌ！
３ｉ８の正圧、負圧１１及び１２がインク供給口６とイ
ンク吐出ロアの間を何回も往復し、弱まるまで静止しな
い。このため、次のインク滴を吐出させるまでに時間が
かかり、ヘッドの周波数特性を悪化させている。また、
正の圧力波としてインク吐出ロアに到達したときに第２
滴を吐出させることになり、画質を悪化させる。さらに
、負の圧力波がインク吐出ロアに到った際に空気を吸い
込んでインク流路内に泡を発生させ、インク吐出不能を
招くことがある。

以上の問題を解決するために、圧電素子３に第２パルス
電圧を印加することが考えられる。即ち、第９図及び第
１０図に示した領域８の正圧１／２△Ｐがインク供給口
６で反射し、第１３図に示すように負圧部分１７となっ
て圧電素子３の内側を通過する時刻に第２のパルス電圧
の立上がり時刻を一致させて負圧部分１７を打ち消すの
が最も有効である。しかし、新たに２つの正の圧力波動
と１つの負の圧力波動を生じてしまうため、第２滴の吐
出を抑えることはできるものの、メニスカスの復帰に時
間がかかると共に、泡を取り込む危険が依然として残さ
れる不具合がある。

本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決でき
、インク滴を安定に吐出させ、かつメニスカスの運動を
すみやかに静止させることが可能なインクジェット記録
方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は先端にノズルを有するインク圧力室に設けられ
た電気機械変換素子の収縮、膨張によって前記インク圧
力室に生じる圧力波動を用いて前記ノズルよりインク滴
を吐出させるオンデマンド型インクジヱソト記録装置に
おいて、前記収縮を急激に生じさせ、この収縮を一定時
間保持させ、ついで前記膨張を急激に生じさせて前記収
縮を或るレベルまで解き、さらに徐々に収縮を解除させ
る駆動電圧を、前記電気機械変換素子に印加するように
し、もって上記目的を達成するようにしたものである。

さらに、収縮発生時の駆動電圧をインク滴の吐出量に応
じた値にしてもよい。

また、膨張時の駆動電圧を収縮発生時の収縮量に比例さ
せることもできる。

また、前記収縮の発生から前記膨張の発生までの時間ｔ
を、ｔ＝２　ＣＩｔ　ｌ＋２ｊ２２）　／Ｃ（ただし、
１１：電気機械変換素子の配設位置からインク吐出口ま
での距離、β２：電気機械変換素子の配設位置からイン
ク供給口までの距離、Ｃ：圧力波動がインク圧力室内を
伝播する速度）に設定することが望まれる。

〔作用〕

電気機械変換素子を急激に収縮させると共に一定時間保
持させ、ついで急激に所定のレベルの膨張を生じさ艮た
のちに収縮を徐々に解く駆動電圧とすることにより、負
圧の移動に起因する正圧の発生を防止し、不要なインク
滴の吐出を防止しながら、次のインク滴の吐出に備える
ことができる。

これによって、周波数特性の劣化を防止しながら画像品
質の劣化を防止することができる。

収縮時及び膨張時の駆動電圧を、インク吐出量及び収縮
量に応じて設定することにより、Ｑ通な吐出量の決定が
可能になり、かつ圧力波動の複雑な動作の発生を防止し
、インク吐出を安定に行うことができる。

また、インク供給口及びインク吐出口の各々に対する電
気機械変換素子の配設位置に基づいて収縮持続時間ｔを
設定することにより、膨張時の駆動電圧の変化により生
じる負圧の圧力を調節し、インク滴を吐出させない程度
に打ち消すことができる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第６図を参照して本発明を具体的に説明
する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による駆動方法を説明す
る駆動電圧の時間−電圧特性図及びインク圧力室内の圧
力波動伝播特性図である。また、第２図は本発明に適用
されるヘッドの模式的断面図である。

第２図に示すように、インク圧力室１に装着された圧電
素子３はインク供給口６とインク吐出口２との間の中間
部に位置し、駆動回路１８より駆ＤＪ雷電圧印加される
。

第１図（ａ）に示すように、時刻１＝０において急激な
電圧を圧電素子３に印加すると、圧電素子３は収縮する
。この状態は印加電圧が一定値（この例では約８５Ｖ）
を維持している間保持され、圧電素子３の自由振動が抑
制される。圧電素子３が収縮した瞬間に、第７図に示し
たように圧力の高い部分（正圧部分）が形成され、直ち
に第９図に示したように２つの正圧部分（領域８．９）
が圧力波動となってインク供給口６及びインク吐出ロア
に向かって速度Ｃで伝播する。この圧力波動の伝播は第
１図（ｂ）の如くになる。

第１図（ｂ）において、ｄは領域９の正圧１／２△Ｐが
ノズル２に向かうことを示し、ｅはインク吐出ロアに到
達したことを示している。この到達の瞬間にインク液が
インク吐出ロアからノズル外へ押し出され、インク滴１
７が形成される。その後に正圧の一部がインク吐出ロア
で反射してインク供給口６に向かい、以後インク供給口
６とインク吐出ロアとの間を往復する。これが第１図（
ｂ）に示すｆ−ｊである。この波動は、１＝０において
圧電素子３から与えられた波動玉名ルギーの大部分をイ
ンク滴１７に与えつくしているため、そのエネルギーは
小さなものになっている。

第１図（ｂ）中のｋは領域８の正圧がインク供給口６に
向かっていることを示し、その正圧がインク供給口６に
到達した時点がｌである。この４点で反射（開口端にお
ける反射）が生じ、正圧部分が逆にＰｏ　より圧力の低
い部分（負圧部分）になってインク吐出ロアへ向かう（
波動ｍ）。また、このとき波動の一部は、インク供給口
６から不図示のインク号ブタンク等に送り込まれる。こ
のため、インク吐出ロアに向かう反射波のエネルギーは
、幾分弱まりながらｎ点でインク吐出ロアに到達すると
共に、ここで再反射する。このときの反射は閉端での反
射と考えられ、従って、負圧部分はそのままインク供給
口６へ向かう（第１図（ｂ）のＯ）。波動ｎの発生時点
では、インク供給口６とインク吐出ロアとの距離が２０
ｍｍ〜６０＋ｓ程度の場合、インク滴１７はインク圧力
室内のインクに繋がっていることが多い。このため、反
射した負圧部分のエネルギーの一部がインク滴１７に吸
収され、この反射波エネルギーは幾分弱められてＰで再
び反射する。このとき、インク供給口６で開口端の反射
が生じるため、正圧部分になる（波動ｑ）。この正圧部
分は、このまま放置するとインク吐出ロアに到達し、イ
ンクを吐出させる可能性がある。この２番目のインク滴
は画像品位を劣化させるため、これが生じるのは望まし
いことではない。

さらに、第２滴の吐出に伴って不図示のインク供給系か
らのインク供給口６とインク吐出ロアとの間へのインク
補充に時間を要し、これが周波数特性を劣化させる原因
、になる。そこで、この正圧部分がｒに達したとき、即
ち正圧部分が圧電素子３の内側を通過する瞬間、即ち時
刻２（１＋２β２）　／Ｃ（ただし、圧電素子３からイ
ンク吐出ロアまでの距離を夫々１１、ｊｌ！２とし、イ
ンク圧力室１内の圧力波の速度Ｃとする）に駆動電圧を
下げ、圧電素子３を膨張させ、負圧部分を発生させる。

この結果、第１１図に示した負圧部分１１．１２が生じ
る。このうち、負圧部分１２は上記の正圧部分に重なり
合うことになる。このとき、電圧の下げ高を選ぶことに
より、新たに発生した２つの負圧部分の圧力を調節し、
前記正圧部分と負圧部分とが互いに打ち消すように機能
させることができる。

これを実現した駆動電圧が第１図（ａ）であり、電圧降
下部ｙを零ボルトまで下げることなく或る電圧値（本実
施例では、約４０Ｖ）に止め、新たに発生させる負圧部
分の圧力の下がり具合が小さくなるようにしている。そ
の理由は、正圧部分が既にインク供給口６とインク吐出
ロアとの間を往復して夫々で反射する毎にＰｏ　　との
圧力差が小さくなり、更にインクそのものの粘性抵抗、
内部抵抗等によっても、同様にＰｏ　　との圧力差が小
さくなるため、これを打ち消す為には電圧降下を駆動電
圧の立ち上がり電圧中（本実施例では約８５Ｖ）より小
さくする必要があるためである。結果として、新たに発
生した負圧部分のうち、負圧部分１２が唯一インク圧力
室１内に残された圧力波になる。これが第１図（ｂ）に
示した破線による波動Ｓであり、インク供給口６に向か
う。これはＵで反射し、正圧部分となって再びインク吐
出ロアへ向かって波動■となるが、インク滴を吐出させ
るほどのエネルギーは持っていない。

ところで、駆動電圧は２点に下げられたのち、徐々に電
圧が零ボルト近傍まで下げられる。このように緩やかに
降下させる理由は、急激に印加電圧を下げると圧電素子
３が複雑な振動をし、これに応じた圧力波をインク圧力
室１内に生じさせるためである（そうかと言って、２点
の電圧を維持し続けた場合、次のインク吐出のための駆
動電圧を印加できないことになるため、−且零ボルトに
する必要がある）。具体的には、インク供給口６とイン
ク吐出ロアとの間隔が１８０以下の場合、駆動電圧の印
加開始点から２５０，１７ｓ程度を経た後に零ボルトに
すればよい。このことは零から４に１１ｚまでの周波数
範囲でインク吐出が安定していることを意味する。

第３図は１、第１図（ａ）の駆動電圧を発生ずる駆動回
路１８の詳細を示す回路図である。

４１は第４図（ａ）の電圧が印加される入力端子であり
、４２は入力端子４１に接続される抵抗、４３はベース
が抵抗４２の他端に接続されたエミッタ接地によるＮＰ
Ｎ型のトランジスタである。

４４は電源＋■とトランジスタ４３のコレクタ間に挿入
される抵抗、４５はトランジスタ４３のコレクタにアノ
ードが接続されたダイオード、４６はダイオード４５の
カソードに接続される抵抗、４７は抵抗４６の他端とア
ース間に接続されるコンデンサである。４８はコンデン
サ４７に並列接続された抵抗、４９は抵抗４６の他端に
一端が接続された抵抗、５０は抵抗４９の他端にコレク
タが接続されると共にエミッタ接地によるＮ　Ｐ　Ｎ型
のトランジスタ、５１はトランジスタ５０のベースに一
端が接続された抵抗、５２は抵抗５１の他端に接続され
ると共に第４図（ｂ）の電圧が印加される入力端子であ
る。尚５３は出力端子である。

第３図において、入力端子４１に第４図（ａ）の電圧が
与えられると、電圧の立ち下がりに同期してオン状態に
あまたトランジスタ４３がオフ状態に転じ、トランジス
タ４３のコレクタに電圧が生じ、ダイオード４５及び抵
抗４６を介してコンデンサ４７に充電々流が流れる。一
定時間の経過後に入力端子４１の印加電圧が”Ｈ”レベ
ルになると、トランジスタ４３はオフに転じる。同時に
入力端子５２に第４図（ｂ）の波形のパルス電圧が与え
られ、トランジスタ５０がオンになる。トランジスタ５
０が瞬時的にオンすることによって、コンデンサ４７の
充電電荷が瞬間的に降下する。

コンデンサ４７の充電々荷は、トランジスタ５０がオフ
になると共に、トランジスタ４３に対してはダイオード
４５があるために放電が阻止され、抵抗４８を通しての
み放電が行われる。したがって、抵抗４８を適当に選ぶ
ことにより、垂下部分の時間を決定することができる。

なお、出力波形（駆動電圧）の立ち上がりは抵抗４４．
４６によって決定され、急激な電圧降下の電圧幅は第４
図（ｂ）のパルス幅によって決定される。また、第４図
（ａ）の電圧波形の谷底の高さｖＬを変えることにより
、第４図（ｃ）の定値部の高さ■を調節し、インク吐出
量を調節することができる。

第５図（ａ）、（ｂ）は、電気機械変換素子として、イ
ンダクタンスの性質を有する磁歪素子等を用いた場合の
駆動電圧波形を示すものである。

第５図（ａ）に示すように、正の第１のパルス電圧によ
って第５図（ｂ）のように急激に電流が素子に流れ、そ
の後定植状態を保持する。次に、第一のパルスより小さ
い負の第２のパルス電圧が印加されることによって、素
子に流れていた電流は瞬時的に或るレベルまで減じたの
ち、緩やかに電流が減少する。なお、第５図（ａ）に示
す第１のパルスと第２のパルスとの間の緩やかな減少は
、素子の内部抵抗の値が無視できない場合に効果がある
。　第６図は、第１図（ａ）の如き波形の駆動電圧を用
いて長さ１８ｎのノズルを有するヘッドの、インク滴吐
出後のメニスカス１４の変位を測定したものである。図
より明らかなように、−つのインク滴を吐出させた後に
、メニスカス１４は振動を生じることなく緩やかに平衡
状態に戻され、泡等をノズル内に取り込むことがない。

したがって、インク吐出を安定に生じさせることができ
る。　　〔発明の効果〕 以上説明した通り、本発明によれば、電気機械変換素子
を急激に収縮させると共に一定時間保持させ、ついで急
激に所定レベルの膨張を生じさせたのちに収縮を徐々に
解（駆動電圧とすることにより、その印加時に生じる２
つの正圧の一方を吸収消滅させてメニスカスの振動を有
効に抑え、平衡状態への復帰を速やかに実現し、安定に
インク吐出を行うことができるので、画像の品位や周波
数特性の劣化を招くことがない。

また、収縮時および膨張時の駆動電圧をインク吐出量お
よび収縮量に応じて設定することにより、インク滴のイ
ンク量の最適化及びインク圧力室内での圧力波の複雑な
応答を抑制することができる。

さらに、電気機械変換素子のインク供給口及びインク吐
出口の各々に対する配設位置に基づいて、収縮持続時間
ｔを設定することにより、膨張時の駆動電圧の変化によ
り生じる負圧の圧力を調節し、インク滴を吐出させない
程度に打ち消すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による駆動方法を説明す
る駆動電圧の時間−電圧特性図及びインク圧力室内の圧
力波動伝播特性図、第２図は本発明に適用されるヘッド
の模式的断面図、第３図は第１図の駆動電圧を発生する
駆動回路１８の詳細を示す回路図、第４図（ａ）、（ｂ
）、（Ｃ）は第３図の回路の入力電圧波形図及び出力電
圧波形図、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の他の駆動方
法を説明する駆動電圧波形図及び素子通電波形図、第６
図は本発明によるインク吐出後のノズルにおけるメニス
カスの変位特性図、第７図はインク滴の吐出動作を説明
する原理説明図、第８図は従来の駆動電圧波形を示す電
圧波形図、第９図〜第１３図はインク圧力室内の圧力波
発生説明図である。 １−・−・・−インク圧力室、２・−・−・−・−ノズ
ル、３・・・−・−圧電素子、１８−・〜・−−−−−
ｍ−駆動回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）先端にノズルを有するインク圧力室に設けられた
   電気機械変換素子の収縮、膨張によって前記インク圧力
   室に生じる圧力波動を用いて前記ノズルよりインク滴を
   吐出させるオンデマンド型インクジェット記録装置にお
   いて、前記収縮を急激に生じさせると共にこの収縮を一
   定時間保持させ、ついで前記膨張を急激に生じさせて前
   記収縮を或るレベルまで解き、さらに徐々に収縮を解除
   させる駆動電圧を、前記電気機械変換素子に印加するこ
   とを特徴とするインクジェット記録方法。
2. （２）前記収縮発生時の駆動電圧値を、インク滴の吐出
   量に応じた値にすることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項に記載のインクジェット記録方法。
3. （３）前記膨張時の駆動電圧を収縮発生時の収縮量に比
   例した値にすることを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項に記載のインクジェット記録方法。
4. （４）前記収縮の発生から前記膨張の発生までの時間ｔ
   を、ｔ＝２（ｌ１＋ｌ２）／Ｃ （ただし、ｌ１：電気機械変換素子の配設位置からイン
   ク吐出口までの距離、ｌ２：電気機械変換素子の配設位
   置からインク供給口までの距離、Ｃ：圧力波動がインク
   圧力室内を伝播する速度）に設定することを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項に記載のインクジェット記録
   方法。