JPH01275148A - 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６図に示すように、イン
ク圧力室１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
の圧電索子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１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１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く記録
紙、フィルム等）の表面に付着し、ドツトが形成される
。

駆動電圧は、第７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６図及び第８図〜第１０図を参照して、第７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６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内のインク圧力は八
Ｐ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８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１／２△Ｐ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８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６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９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β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１０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８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１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
て往復動し、それが、インク吐出ロアに到達する毎に、
第１１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、領域８
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８図及び第
９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１２図に示ずように負圧部分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、がっ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、膨張にょっ°ζ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、この収縮を一定
時間保持したのち、段階的に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く駆動電圧を、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、段階的に膨張を生じさせる際の駆動電圧を可変
できるようにすることができる。

また、段階的な膨張に引き続いて膨張を緩やかに消滅さ
せる重圧を付加することが望ましい。

また、段階的な膨張を２段階とし、各々膨張開始タイミ
ングをｔ　１＝２　（ｊ２１＋２７！２）／Ｃ１ｔ　２
＝４　ＣＩ！　１　＋ｆ　２）　／Ｃに設定することが
できる。

〔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、ついで段階的にかつ急激に所定のレベルの膨張
を生じさせることにより、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することが
できる。

また、膨張操作に続いて膨張を緩やかに消滅させること
により、インク圧力室内に複雑な圧力波動が生じるのを
防止でき、インク吐出を安定化させることができる。

さらに膨張過程における駆動電圧を可変することになり
、インク吐出の吐出量の調整が可能になる。

また、複数の膨張の開始のタイミングの各々を電気機械
変換素子の配設位置に基づいて決定することにより、膨
張操作に伴って生じるインク圧力室内の負圧々力を調節
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５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図は本発明に通用
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より駆動電圧が印加される。

第１図（ａ）に示すように、時刻ｔ＝Ｑ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３３は収縮す
る。この状態は印加電圧が一定値（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６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８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エネ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！である。この１点で反射（開口端にお
ける反射）が生じ、正圧部分が逆にｐ、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サ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０）。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■が２０龍
〜６０１１程度の場合、インク？ｉ１７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＋２Ｎ２）／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ｆｆｌ、！！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１０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Ｘを零ボルトまで下げることなく或る電圧値ｙ（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Ｐ。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１氏抗等によっても、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
した波動Ｓであり、インク供給口６に向かう。これはＶ
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Ｑｕ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。

次に収縮開始よりｔ　２＝４　＜１１−ｚ！　２）　／
Ｃが経過した時点で、駆動電圧を電圧ｙから電圧２まで
急激に降下し、第２の膨張を生じさせる。この電圧降下
によってインク圧力室１内には、新たに伝播する負圧部
分が生じる。この内の１つが、ｔ＝Ｑのときに圧電素子
４に与えられた電圧上昇により発生した２つの正圧部分
の内のインク吐出に関与した領域９の正圧を打ち消すよ
うに機能する。この圧力波は、すでにインクを吐出させ
たりインク圧力室１内を何往復かしているため、そのエ
ネルギーはかなり弱められおり、したがって、Ｗ点で圧
電素子３に印加する駆動電圧の電圧降下は、それほど大
きくする必要はない。第１図（ａ）に示す２回の電圧降
下の幅は、最初の印加電圧ＶＰに比例させるべきである
が、インク粘度、インク温度に応じて適宜最適な値を選
ぶ必要がある。

したがって、場合によっては、電圧２が零ボルトになる
とは囚らない。

この場合には、第１図（ａ）に示すように、電圧２の状
態から緩やかに電圧を降下させ、インク圧力室１を徐々
に膨張させ、大きな圧力波がインク圧力室ｌ内に生じな
いようにするのが望ましい。

第３図は１、第１図（ａ）の駆動電圧を発生する駆動回
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ＮＰＮ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
あったトランジスタ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所定
の間隔をもって２回与えられ、トランジスタ５０がオン
になる。トランジスタ５０が瞬時的に２回オンすること
によって、コンデンサ４７の充電々荷が瞬間的に２段階
に降下する。コンデンサ４７の充電電荷は、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４
８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）の定植部の高さｖｈ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、電気礪械変換素子として、イ
ンダクタンスの性質を有する磁歪素子等を珀いた場合の
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１のパルスより小さ
い負の第２及び第３のパルス電圧が順次印加されること
によって、素子に流れていた電流は瞬時的に２段階に或
るレベルまで減じたのち、緩やかに電流が減少する。

〔発明の効果〕

以上より明らかな如く、本発明によれば、インク圧力室
の収縮を急激に生じさせると共に、この収縮を一定時間
保持したのち、段階的に膨張を急激に生じさせて収縮を
或るレベルまで解く駆動電圧を電気機械変換素子に印加
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を劣化
させることがない。

また、段階的な膨張燥作に加えて、その膨張を緩やかに
消滅させることにより、インク圧力室に複雑な圧力波動
を生じさせることがなく、インク吐出を安定に行うこと
ができる。

さらに、膨張過程における駆動電圧を可変することによ
って、インク吐出量を調整することができる。

また、複数の膨張の開始タイミングを電気機械変換素子
の配役位置に基づいて決定することにより、インク圧力
室内の負圧々力を調節してインク滴を吐出させない程度
に打ち消すことができ、インク吐出の安定化に寄与する
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図は本発明に通用されるヘッド
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Ｉ８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
図はインク滴の吐出動作を説明する原理説明図、第７図
は従来の駆動電圧波形を示す電圧波形図、第８図〜第１
２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、
３−一−−−−−−圧電素子、Ｉ８−・−・−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
   定時間保持したのち、段階的に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く駆動電圧を、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）前記段階的な膨張を生じさせる際の駆動電圧を可
   変できるようにした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）前記段階的な膨張のための駆動電圧に引き続いて
   、その膨張を緩やかに消滅させる駆動電圧を付加したこ
   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）前記段階的な膨張を２段階とし、各々の膨張開始
   のタイミングｔ１、ｔ２を、 ｔ１＝２（ｌ１＋２ｌ２）／Ｃ、ｔ２＝４（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。