JPH02192947A

JPH02192947A - インクジェット記録ヘッドの駆動方法

Info

Publication number: JPH02192947A
Application number: JP19215889A
Authority: JP
Inventors: Hirozo Matsumoto; 浩造松本; Koji Yoshizawa; 吉沢　孝二; Kosuke Sasaki; 佐々木　光祐; Takeshi Saito; 斉藤　岳史; Yukinori Kawamura; 幸則河村; Yujiro Kitade; 雄二郎北出
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1989-07-25
Publication date: 1990-07-30
Anticipated expiration: 2012-03-26
Also published as: JP2593940B2

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ヘッドの駆動力φにかかり
、詳しくはオンデマンド型インクジェット記録ヘッドに
おいて、インク吐出の安定化及び高速化ならびに印字品
質の向上を可能にした記録ヘッドの駆動方法に関する。

（従来の技術）従来、インクジェット記録ヘッド及びその駆動装置には
多くの方式がある。これを大きく分類すると■連続噴射
型■オンデマンド型（インパルス型）■静電吸引型の３
つである。この中で、オンデマンド型インクジェット記
録ヘッドは、構成が比較的簡単であり、しかも安価にて
製造できるという特徴から、プリンタ等の記・録ヘッド
として広く使用されている。

第１２図及び第１３図は、この記録ヘッドの主要部を示
したもので、これらの図において、１１はインクタンク
、１２はインク供給路、１３は平面形状が円形または多
角形状のインク加圧室、１４はその中心に設けられた断
面形状が例えば円形のインクノズル、１５はインク加圧
室１３の外側においてインクノズル１４とは反対側に設
けられた振動板、１６はこの振動板１５に貼着された電
気機械変換素子としての圧電素子であり、前記振動板１
５及び圧電素子１６によりバイモルフが構成されている
。

このような構成において、圧電素子１６にパルス状の電
圧が印加されると、圧電素子１６は図示する矢印のよう
に長さ方向に収縮して厚さ方向に膨張するため、振動板
１５が図の一点鎖線ａのようにインク加圧室１３の内側
にたわむ、これによりインク加圧室１３の容積が僅かな
がら減少し、振動板１５の変形によって生じた圧力波に
より、インク加圧室１３内のインクがインク滴となって
インクノズル１４から図のｂ方向に吐出される。なお、
この記録ヘッドはインク加圧室１３とインクノズル１４
とが直接連通した構造であり、インク滴はインクの加圧
方向に対して平行な方向に吐出されるものである。

また、第１４図に示すものは他の記録ヘッドの主要部を
示したものであり、その基本的な構造やインク吐出の原
理は第１２図及び第１３図に示したものとほぼ同様であ
る。しかるにこの例では、インクノズル１４′がインク
加圧室１３の側方に形成されていてインク滴はインクの
加圧方向に対して直角方向に吐出されると共に、インク
加圧室１３とインクノズル１４′との間には段差を有す
るインク供給路１７が形成されている。

この記録ヘッドのインクノズル１４′では、製造方法等
の点からその断面形状を円形にすることが困難であるた
め、通常は断面形状が第１５図（ａ）の正方形、同図（
ｂ）の長方形、または同図（ｃ）の台形に形成されてい
る。

なお、第１４図に示した記録ヘッドではインクノズル１
４′が記録ヘッドの側方に設けられているため、第１２
図及び第１３図に示した記録ヘッドに比べてノズルピッ
チを短小化し易く、印字ドツト数の増加により高解像度
の印字が可能である。

ところで、圧電素子１６に印加される電圧パルス波形と
しては、第１６図（ａ）〜（ｃ）に示すものが多用され
ている。まず、第１６図（ａ）は時刻ｔえて電圧をｖｌ
とし、　（ｔｚ　　ｔｚ）時間経過後の時刻ｔ２で電圧
をゼロに除荷するものであり、インク滴は時刻ｔ１で吐
出し、これを目的とする周波数に応じてｎ回（ｎは自然
数）繰り返す、この際、電圧パルス幅Ａを振動板１５及
び圧電素子１６からなるバイモルフの固有振動周期と等
しくした場合、このような電圧パルス波形による駆動方
法は“押し打ち″の駆動方法と呼ばれている。

次に、同図（ｂ）は時刻ｔ１で電圧をゼロとし、（１，
−１０）時間経過後の時刻ｔ２で電圧をＶ工とするもの
であり、インク滴は時刻ｔ２で吐出し、これを目的とす
る周波数に応じてｎ回繰り返す、この際、（１，−１０
）の時間Ｂをバイモルフの固有振動周期の１／２とした
場合、このような電圧パルス波形による駆動方法は“引
き打ち″の駆動方法と呼ばれている。

更に、同図（ｃ）は同図（ａ）に示した″押し打ち″の
駆動方法の変形例であり、時刻ｔ０で電圧をＶ工とし、
（ｔ□−ｔｚ）時間経過後の時刻ｔ２で電圧を−Ｖ、と
した後、（ｔｉ　　ｔｔ）時間経過後の時刻ｔ。

で電圧をゼロとするもので、インク滴は時刻ｔ工で吐出
し、これを目的とする周波数に応じてｎ回繰り返すもの
である。

なお、第１６図（ｂ）に示した″引き打ち″の駆動方法
は、インク加圧室１３の容積を一旦増加させ、いわゆる
インクノズル１４　、１４’内のメニスカス（インクの
出入り）を後退させてからインクを加圧するものであり
、この駆動方法によれば、特開昭５５−１７５８９号公
報に記載されているごとく、同図（ａ）の″押し打ち″
に比べてインク滴を安定して吐出させることかでき、か
つ周波数応答性にも優れていることが知られている。

（発明が解決しようとする課題）上述したように、圧電素子１６に印加される電圧パルス
波形に応じた記録ヘッドの駆動方法は様々であり、これ
らの駆動方法が記録ヘッドのインク吐出性に密接な関係
を有することが周知の事実となっている。そして、第１
６図（ａ）〜（Ｃ）に示した各駆動方法では、もっばら
電圧パルスの波高値及びパルス幅のみが着目され、これ
らの２つのパラメータによってインクの吐出性を制御し
ようとする場合が多い。

しかるに、インク吐出時の挙動を考えるとき、上記２つ
のパラメータのみによっては制御できない種々の好まし
くない現象がある０例えば、インクノズル外部からの気
泡の侵入によるインク不吐出等のほか、重大なものとし
ていわゆるサテライトの発生による不都合がある。すな
わち、１回の電圧パルス波形を与えた場合、インクノズ
ルから主インク滴に続いて時間的に遅れをもったサテラ
イト（副インク滴）が散発吐出し、このサテライトによ
って文字を構成するドツトかにじみ、印字品質が低下す
るという問題を生じる。また、インクノズルから吐出さ
れたインク滴が曲がって直進性を失い、所望の文字を印
字できないという不都合が発生する場合もある。

これらの現象はストロボ観測装置を用いて容易に観測す
ることができ、実際に前記第１６図（ａ）〜（ｃ）の電
圧パルス波形を圧電素子１６に印加した観測実験では、
圧電素子１６の面積を小さくするほどサテライトが発生
し易いことが事実として判明した。また、このことは、
以下に詳述する集中定数回路モデルを用いたインクジェ
ット記録ヘッドの理論解析によっても明らかである。

すなわち、第１２図及び第１３図に示したインクジェッ
ト記録へッ１を等価電気回路に置き換えると第１７図に
示すとおりとなる。同図において、ｍはイナータンス、
Ｃは音響容量、ｒは音響抵抗、Ｕは体積速度を示し、こ
れらに関する添字の０はバイモルフからなる振動系、１
はインク加圧室系、２はインク供給路系、３はインクノ
ズル系をそれぞれ意味している。それぞれの単位は、圧
カニＰ［：Ｎ／ｍ”　）、体積速度：　Ｕ（ｍ’／ｓ）
、イナータンス：ｍ（ｋｇ／ｍ’）、音響容量：　ｏ　
（ｍ”／Ｎ）、音響抵抗：ｒ（Ｎｓ／♂〕を用いる。

これらのうち、振動系のｍａ、ｒａ、インク供給路系の
０２及びインクノズル系の０３は実際の計算過程で無視
できるため、第１７図の回路は第１８図によって近似す
ることができ、また、インク供給路系の定数はｍｚ　”
　ｋ　ｍ３ｔ　ｒ’　２　”　ｋ　ｒ’　３の関係を有
している。この第１８図の等価回路を用いて、圧力Ｐを
第１９図に示すようなステップパルス応答におけるステ
ップ関数としてとらえ、時間ｔ≧Ｏでのインクノズル系
の体積速度Ｕ３の過渡応答性を求める場合、第１８図の
等価回路をラプラス変換した第２０図の回路に基づいて
解析すると、前記体積速度Ｕ３は（１）式のとおりとな
る。

・・・・・・・・・・・・（１）ここで、Ｄは減衰定数、Ｅは角周波数であり、これらは
それぞれ以下の（２）、（３）式により表わされる。

Ｄ＝ｒ３／２ｍ、　　　　・・・・・・・・・・・・（
２）また、電圧Ｖ　（ｔ）と圧力Ｐ　（ｔ）との関係は
以下の（４）式のとおりとなり、（４）式のＣは（５）
式で表わされる。

Ｖ（ｔ）＝Ｐ（ｔ）／Ｃ・・−−−・−−−−−・（４
）・・・・・・・・・・・・（５）ここで、ｔｐは圧電素子の厚さ、αは振動板の厚さをｔ
ｖとした場合のｔ　ｖ／　ｔ　ｐ、　Ｓ　１１は圧電素
子のコンプライアンス、ａは圧電素子の半径、ｄａｔは
横効果圧電定数である。また、ｙｔ＝ｓ□□′Ｅ　ｖ（
１−Ｄ　Ｐ”）／　（１−Ｄ　ｖ）”であり、ここにＥ
Ｖは振動板のヤング率、９Ｐは圧電素子のポアソン比、
ψＶは振動板のポアソン比である。

前記（１）、（４）式に基づいて、第２１図上段に示す
如くｔ＝０でＶ＝Ｖ、のステップ電圧を印加した場合の
体積速度Ｕ、を時間ｔに対してプロットした結果は同図
下段に示すとおりである。同図において、体積速度Ｕ３
の２番目以後の極大値はサテライトを意味し、２番目の
サテライトの最大値Ｂと主インク滴の最大値Ｕ、、（＝
Ａ）との比Ｂ／Ａは５０％となっている。ここで、最大
値０３　ｍをインクノズルの断面積で割ると、インク滴
の吐出速度が得られる。また、図中、Ｔは体積速度Ｕ、
の固有振動周期を示し、前述した（３）式を用いて、Ｔ
＝２π／Ｅにより求められる。更に、インク滴の体積Ｑ
は、前記（１）式を１＝０〜１１まで積分した値となり
、次の（６）式によって表わされる。

・・・・・・・・・・・・（６）第２２図は、上述の解析結果に基づいて矩形波パルス電
圧を印加した場合の体積速度Ｕ３の振動をプロットした
ものである。同図においても、体積速度Ｕ３の２番目以
後の極大値はサテライトを意味しており、かかるサテラ
イトがドツトのにじみによる印字品質の低下をもたらす
ことになる。そしてこのサテライトの発生は、圧電素子
１６の面積が小さいほど顕著となる。

このような問題は、圧電素子１６の小型化により記録ヘ
ッドの小型化を図りたい場合に大きな障害であり、換言
すれば、従来では記録ヘッドの小型化とサテライトの除
去による印字品質の向上、ひいてはインク吐出の安定性
確保が同時に達成できないという問題があった。

一方、このような問題点をインクノズルの断面形状との
関連で考察すると、第１４図に示した記録ヘッドではイ
ンクノズル１４’の断面形状が第１５図のような多角形
であるため、第１２図及び第１３図に示したように断面
形状が殆ど円形で緩やかなテーパを有するインクノズル
１４を備えた記録ヘッドに比べて、以下のような新たな
問題を生じることになる。すなわち、第１２図及び第１
３図に示したインクノズル１４では、その構造に起因し
てインクの流れやインクメニスカスの挙動がインクノズ
ル１４内で不均一になることはないが、第１４図に示し
たインクノズル１４′では、第１６図（ａ）や（ｂ）の
ような電圧パルス波形そのものではインク滴の吐出が不
安定となりやすく、印字品質上の不都合が発生し易い。

これは、前述の如くインクノズル１４’の断面形状が多
角形であるので、その断面内の位置に応じてインクが受
ける抵抗が別々となり、インクメニスカスの挙動が不均
一になり易いためではないかと考えられている。

ここで、記録ヘッドの構造上は、前述した如く第１４図
の記録ヘッドの方がノズルピッチを短小化して解像度を
向上させることができ、マルチノズル化し易いという特
徴があるため、このように特にインクノズルの断面形状
が多角形の記録ヘッドにおいて、インク滴の吐出安定化
及び印字品質の向上を図れる駆動方法の提供が要請され
ている。

本発明は上記問題点を解決するべくなされたもので、第
１の発明の目的とするところは、サテライトを除去して
印字品質の向上及びインク吐出の安定化を図ると共に、
記録ヘッドの小型化をも可能にしたインクジェット記録
ヘッドの駆動方法を提供することにあり、更に、第２の
発明の目的とするところは、インクノズルの断面形状が
多角形であっても印字品質の向上及びインク吐出の安定
化を図り得るインクジェット記録ヘッドの駆動方法を提
供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため１発明者等は上述した従来の理
論解析に改良を加えて解析した結果、第１の発明として
、駆動電圧パルスの立ち上がり時間をインクノズルのイ
ンク体積速度の固有振動周期と等しくし、前記電圧パル
スの立ち下がり時間を前記固有振動周期のｎ倍（ｎは自
然数）とすることにより、記録ヘッドの構造の若干の変
更や駆動電圧パルス波形の種類に拘らず、サテライトを
除去してインク吐出の安定化を可能にしたものである。

また、第２の発明として１発明者等はインクノズル内の
インク体積速度（メニスカスの動き）に着目し、メニス
カスの後退は緩やかとし、逆にメニスカスの前進（イン
ク吐出）は速やかに行い、かつインク滴（もしくはイン
ク柱）の吐出量を制御可能な電圧パルス波形を提供する
ことにより、断面形状が多′角形のインクノズルをもつ
記録ヘッドにおいてもインク吐出の安定化及び印字品質
の向上を可能にしたものである６（作用）第１の発明において、本発明者等は、矩形パルス応答解
析においてパルスの立ち上がりと立ち下がりに着目して
解析を進めた。その結果、圧力Ｐを第１図のように立ち
上げた場合のラプラス変換は、・・・・・・・・・・・・（７）となる。これをラプラス変換（ｔ４ｓ）した集中定数回
路に代入してインクノズルのインク体積速度を求めると
、以下の（８）、（９）式のようになる。

（０≦ｔ≦ｔｉ）　　　　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（８）−ｅｘｐ　（Ｄｔ３）　・５
ｉｎ（Ｅ（ｔ−ｔ、）−ψ）〕（ｔ＞ｔ３）　　　　　
　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９
）である。

いま、矩形パルスが第２図に示すようなものであるとき
、インクノズルの体積速度は以下のとおりとなる。

・・・・・・・・・・・・・・・（１０）そして、この
際の前記体積速度の挙動は、前述した第２２図のよ・う
になる。

一方、圧力Ｐを、前述した第１図に準じて第３図のよう
に立ち上がり時間ｔ、を考慮したものとすると、インク
ノズルの体積速度は以下のとおりとなる。

・・・・・・・・・・・・・・・（１１）また、圧力Ｐ
を、立ち上がり時間ｔ３のみならず第４図のように立ち
下がり時間（ｔｚ　　ｔｏ）をも考慮したものとすると
、上記体積速度は以下のとおりとなる。

・・・・・・・・・・・・・・・（１２）このように立
ち上がり時間及び立ち下がり時間を考慮した電圧パルス
を用い、例えば第１６図（ｂ）の引き打ち駆動方法によ
り記録ヘッドを駆動した場合について考察する。

第５図に示すように、立ち下がり時間ｔｎ＝２Ｔ（Ｔは
インクノズルのインク体積速度の固有振動周期）、立ち
上がり時間ｔａ＝Ｔの電圧パルスを圧電素子に印加した
際の体積速度の解析結果は第６図のとおりとなる０本発
明によれば、インク吐出動作が１パルス当たりほぼ１回
となり、第２２図のような余分な振動が抑えられるため
、サテライトが殆ど生じなくなる。第６図におけるサテ
ライトの最大値Ｂと主インク滴の最大値Ａとの比Ｂ／Ａ
はほぼ６．６％であり、圧電素子の形状が変わった場合
でも、電圧パルス波形の立ち下がり時間ｔ＾及び立ち上
がり時間ｔａを前記固有振動周期Ｔに合わせて制御する
ことにより、サテライトの発生を解消してインク吐出の
安定化を実現することができる。

一方、第２の発明においては、以下のような電圧パルス
波形を用いて記録ヘッドを駆動する。すなわち、インク
不吐出時には圧電素子に予め電圧ｖｉを印加してインク
加圧室の容積を減少させておき、印字に当たってはイン
ク加圧室の容積が急激に変化しないようにｔ工なる立ち
下がり時間を経て前記電圧Ｖ工を除荷したままｔ２なる
時間を保持し、その後ｔ、なる立ち上がり時間を経て前
記電圧Ｖ□より高い電圧ｖ２を印加したままｔ４なる時
間を保持することによりインク加圧室の容積を急激に減
少させてインクノズルからインクを吐出させ、更にｔ、
なる立ち下がり時間を経て前記電圧Ｖ工よりも低い電圧
Ｖ、を印加したままｔｌなる時間を保持し、その後ｔ７
なる立ち上がり時間を経て前記電圧Ｖ工に復帰する電圧
パルス波形である。

ここで、上記時間ｔ１ないしｔ７としては、ｔ。

はインクノズルにおけるインク体積速度の固有振動周期
の１／２以上とし、また、ｔｌは１０〜５０μＳｅｃ、
　　ｔ３は１０μｓｅｃ以下、ｔ４は５０〜１５０μｓ
ｅｃ、　ｊｓは１０　ｐ　ｓａｃ以下、ｔ６は１０〜５
０　μｓｅｃ、　　ｔ　、は１０　ｐ　ｓｅＣ以下とし
、更に、時間ｔ１及びｔ２の和をインクノズルにおける
インク体積速度の固有振動周期の１／２以上とするもの
である。

このような電圧パルス波形を用いることにより、断面形
状が多角形のインクノズルを有する記録ヘッドであって
もインク吐出の安定化が可能になる。

（実施例）まず、第１の発明の一実施例を説明する。第１の発明に
ついて、（作用）の項で詳述した理論解析に基づき、イ
ンクノズルの体積速度の固有振動周期Ｔを求めてみた。

まず、電気等価回路の各定数を以下の式により計算する
。

ここで、Ｅｐ、Ｅｖは前述のようにそれぞれ圧電素子及
び振動板のヤング率、Ｋ１は定数（実験ではに、〜１２
．５）、　ａは圧電素子の半径、ｔｐ、ｔｖはそれぞれ
圧電素子及び振動板の厚さ、ｄａはインク加圧室の深さ
、■はインク中の音速、γはインク粘度、ａはインクノ
ズルにおけるインク流路長、Ｓは流路断面積、βはイン
ク密度、ｄは流路直径を示す、なお、流路直径ｄ岬２ｓ
／（ｂ＋ｃ）であり、ｂ、ｃは流路断面の辺の長さであ
る。

また、インクノズル系においてｅ＝０．３ｍ（ノズル外
径＝４０μ厘、回内径＝９０μ耐、インク加圧室系にお
いてｄａ＝０．２ｍ、振動系においてＥ’ｐ　＝５．５
ＸＩＯ１ＯＮ／ｒｒＦ、Ｅ　ｖ＝９．１５　Ｘ　１０１
ＯＮ／　ｎｒ、ａ　＝０．７９閣、ｔｐ＝０．２ｍ、ｔ
ｖ＝０．２閣、前述した横効果圧電定数ｄ３□＝２４５
ｍ／Ｖ、インク供給路系における第１８図中のに＝５、
インク粘度γ＝１．６Ｃｐ、インク密度β＝１．０ｇ／
ａＪ、印加電圧波高値Ｖ、＝５０Ｖとすると、結果とし
て固有振動周期Ｔ＝２０ｔｉｓとなる。

上記理論解析から得られた結果をもとに実験を行ない、
この実施例による効果を確認してみた。

実験では、従来の駆動方法については矩形電圧パルスに
よる押し打ちとし、パルス幅＝周期のときに吐出特性が
よいものとしてこの記録ヘッドに波高値６０ｖ、パルス
幅２０μｓ、周波数３に七の矩形電圧パルスを印加した
のに対して、この実施例においては上記解析結果に基い
た波高値１００Ｖ、パルス幅２０４、立ち下がり時間４
０．、立ち上がり時間２０１１ｓ、周波数３ＫＨｚの電
圧パルスを印加した。また、本実施例については引き打
ちの駆動方法も試みた。

これらによるインク飛距離、サテライト及び印字による
ドツト形状の評価結果を以下の表１に示す。

（以下、余白）を示している。

この表１から明らかなように、本実施例によれば十分な
インク飛距離が得られ、サテライトが発生しないと共に
、ドツト形状も良好で印字品質を高められることが判明
した。

次に、第２の発明の一実施例を説明する。この実施例で
は、感光性ガラス（例えば、ＨＯＹＡ株式会社製の商品
名ｒＰＥＧ−３Ｊなと）を素材に用いて第７図及び第８
図に示す構造の記録ヘッドを製作し、後述する電圧パル
ス波形による駆動方法とインク吐出性との関係を試験研
究した。ここで、感光性ガラスとは、インク供給路など
の溝を形成したい所要の部分のみに紫外線を照射して潜
像をつくり、これを現像（熱処理）すると、その部分が
結晶化されて酸に溶けやすくなるので、エツチング時間
の調整等によって溝の深さを正確に制御できる材料であ
る。この感光性ガラスはその表面上に微細なパターンを
精度よく加工でき、かつ適切な熱処理条件によって融着
（物理的接合）も可能であるという特徴を有している。

一方、この感光性ガラスは露光→現象（熱処理）によっ
て異方性となるため、そのエツチングによる溝の断面形
状は方形となり、例えば断面形状が半円形のように溝の
底部分に曲率を付与することが困難である。また、イン
ク供給路等の深さを緩やかなテーパをもって変化させる
こと等も不可能である。

第７図において、第１４図に示したのと同様に１１はイ
ンクタンク、１２はインク供給路、１３はインク加圧室
、１４′は断面形状が例えば第１５図（ａ）〜（ｃ）の
如く多角形（四角形）に形成されたインクノズル、１５
は振動板、１６は振動板１５と共にバイモルフを形成し
ている圧電素子である。ここで、インク加圧室】３とイ
ンクノズル１４′との間にはそれぞれ深さの異なるイン
ク供給路１２Ａ、１２Ｂが形成されている。また、第８
図は第７図とほぼ同様な構成であるが、インク加圧室１
３とインクノズル１４′との間には均一の深さを有する
インク供給路１２Ａのみが形成されている点が異なって
いる。

また、第７図及び第８図において、インクノズル１４′
の断面形状は深さと幅とがそれぞれ０．０３５＋＋＋ｍ
の正方形と、長辺が０．０４ｍｍ、短辺が０．０：３１
１ｍ＋で深さが０，０３５ｍａ＋の台形との２つとし、
インク供給路１２゜１２Ａの深さは何れも０．１５ｍ＋
＊、インク供給路１２Ｂの深さは０．１ｍｍとした。更
に、圧電素子■６の形状は１゜５Ｘ３．ＯＸｏ、１５！
Ｉｌｌとした。

また、上記寸法をもつ記録ヘッドにおけるインク体積速
度の固有振動周期は、前述の第１の発明の実施例におい
て説明したように記録ヘッドの構成を電気音響変換した
等価回路図の数値解析から、１２０〜１３５μｓｅｃと
求められた。

く比較例１〉第７図及び第８図に示す記録ヘッドに前記第１６図（ａ
）、（ｂ）の電圧パルス波形を印加してインク吐出性を
調べた。この時、第１６図（ａ）、（ｂ）における電圧
Ｖ、は１２０〜１５０Ｖ、時間Ａ、Ｂ（何れもｔ２ｔ工
）は２０〜１５０μｓｅｃ、パルスの立ち上がり時間及
び立ち下がり時間は何れも８μｓθＣ１駆動周波数は１
〜５　ｋ）ｌｚとして試験した。この条件ではサテライ
トの発生も多く、かつインクノズル１４′の外部からの
気泡の侵入も数多くみられ、良好な印字品質は得られな
かった。

〈実施例１〉発明者等は、種々検討を行い、第９図に示す電圧パルス
波形が本発明の目的に合致することを見出し、その細部
について実験的考察を進めた結果、以下の要件により本
発明の目的を達成するに至った。

すなわち第９図の電圧パルス波形では、まず、予め電圧
ｖ１を圧電素子１６に印加しておき、この電圧ｖ１を立
ち下がり時間ｔ１を経てゼロに除荷する。ここで、時間
ｔ１は電圧ｖ１を除荷してインク加圧室１３の容積を復
元し、インクの吸い込みとインクノズル１４′内のメニ
スカスの後退を行う期間であり、この時間ｔ□はインク
体積速度の固有振動周期の１Ｘ２以上の時間としてメニ
スカスの後退を緩やか、かつ少なくするように設定され
、または、ｔｌと後述するｔ２との和がインク体積速度
の固有振動周期の１７２以上の時間になるように設定し
て、メニスカスの動きを安定化するととが必要とされる
。

次に、電圧ゼロの状態を例えば１０〜５０μｓｅｃの時
間ｔ２にわたって保持した後、電圧ゼロから前記電圧ｖ
ｉよりも高い電圧■２に立ち上げる時間ｔ３は、例えば
１０μｓｅｃ以下に設定される。この時間ｔ、が１０μ
ｓｅｃ以上であると、圧力波の発生が不十分となってイ
ンク吐出速度が低下し、記録媒体に対するインクの着弾
位置がずれ、印加品質に欠陥を生じることとなる。

次に、電圧■２の保持時間であるし４は、例えば５０〜
１５０μｓｅｃの範囲であれば特に印字品質上、不都合
を与えることはない、そして、この時間ｔ４を経過した
後、立ち下がり時間１．を経て前記電圧■１よりも低い
電圧Ｖ、に立ち下げることとする。

この電圧ｖ３は、インクノズル１４′内のメニスカスを
瞬間的に後退させて吐出インク滴もしくはインク柱を作
為的に切断し、サテライトの発生やインク柱の曲がり等
を防止する役割をもつものである。

従って、電圧Ｖ、は電圧ゼロと電圧Ｖユ以下の範囲内に
あればよい。なお、前記立ち下がり時間ｔ５は例えば１
０μｓｅｃ以下に設定される。

また、電圧ｖ３の保持時間ｔ６は、　１０〜５０μｓｅ
ｃの範囲にあれば十分である。その後、電圧Ｖ、の状態
から立ち上がり時間ｔ７を経て再び前記ｖ１に復帰させ
るが、この時の時間ｔ７は前記立ち下がり時間１ｓと同
様に例えば１０μｓｅｃ以下であればよｓ更に、上述した種々の印加電圧のレベルは、第７図また
は第８図の記録ヘッドであれば、ｖｌは１００ｖ前後、
ｖ２は１２０〜１７０Ｖ、　Ｖ、は５０〜７５Ｖの範囲
が最適であることが判明している。

以下、前記時間ｔ１〜ｔ７及び電圧Ｖ工〜Ｖ、を種々異
ならせた１０の電圧波形パターンを用いたときの、サテ
ライト発生の有無及びインク柱の曲がりについての実験
結果を表２に示す。なお、ｔよ〜ｔ７の単位はμ９ｅＣ
，ＶＬ〜ｖ１はＶ（ボルト）である。

（以下、余白）表２なお、この表２において、ｉｔ　Ｏｙ＋はサテライトの
発生がない場合、またはインク柱の曲がりが認められな
い場合を、１×″′はサテライトの発生がある場合、ま
たはインク柱の曲がりが認められた場合をそれぞれ示す
。

ここで、本発明の電圧パルス波形を印加した際の振動板
１５の変位挙動を模式的に示すと、第１０図及び第１１
図のようになると考えられる。このうち第１０図におい
て、Ｃは電圧パルス波形を、Ｄは振動板１５の変位挙動
をそれぞれ示しており、また、第１１図における■〜■
は第１０図中のタイミング■〜■にそれぞれ対応してい
る。

振動板１５の変位挙動を第１１図に基づいて説明すると
、まず、■では振動板１５がインク加圧室１３内へ変位
し、■では振動板１５が圧電素子１６側に戻る。

また、■では例えばＶ２＝１５０Ｖを印加することによ
り、振動板１５が■の場合よりも大きくインク加圧室１
３内へ変位し、このタイミングにてインクが吐出する。

そして、■では例えばｖ、＝ｓｏｖを印加することによ
り、振動板１５が■の場合よりも小さく圧電素子１６側
に戻り、■では再び電圧ｖｉを印加することによって振
動板１５がインク加圧室１３内へ変位し、■の状態に戻
るものである。

（発明の効果）以上詳述したように第１の発明によれば、記録ヘッドの
圧電素子に印加する電圧パルス波形の立ち上がり及び立
ち下がりを、インクノズルの体積速度に応じた時間に設
定したことにより、サテライトや気泡侵入の原因となる
体積速度の振動を解消することができ、印字品質の向上
及びインク吐出性の安定化、高速化が可能になる。また
、サテライトを生じないため、圧電素子の小型化ひいて
は記録ヘッド全体の小型化を図ることができる。

更に第２の発明によれば、記録ヘッドの圧電素子に印加
する電圧パルス波形を、インクノズル内のインク体積速
度（メニスカスの動き）に着目してメニスカスの後退を
緩やかとし、逆にメニスカスの前進（インク吐出）を速
やかに行い、かつインク滴（またはインク柱）の吐出量
を制御できる形にしたため、断面形状が四角形の如き多
角形のインクノズルをもつ記録ヘッドでも安定なインク
吐出が可能になり、印字品質の向上を図ることができる
と共に、感光性ガラスを使用して高解像度でマルチノズ
ルの記録ヘッドを提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は第１の発明の詳細な説明するため
のもので、第１図は圧力の擬ステップパルス応答波形、
第２図は圧力の矩形パルス波形、第３図は立ち上がり時
間を考慮した圧力のパルス波形、第４図は立ち上がり時
間及び立ち下がり時間を考慮した圧力のパルス波形、第
５図は第１の発明における駆動電圧パルス波形、第６図
は第５図の駆動電圧パルス波形によるインク体積速度の
応答波形、第７図ないし第１１図は第２の発明の一実施
例を説明するためのもので、第７図及び第８図はオンデ
マンド型インクジェット記録ヘッドの概略的な断面図、
第９図は駆動電圧パルス波形、第１０図は電圧パルス波
形及び振動板の変位挙動を示す図、第１１図■〜■は振
動板の変位挙動を示す模式図、第１２図ないし第２２図
は従来技術を説明するためのもので、第１２図は記録ヘ
ッドの一例を示す概略的な断面図、第１３図は同じく平
面図、第１４図は上記記録ヘッドの他の例を示す概略的
な断面図、第１５図（ａ）〜（ｃ）はインクノズルの断
面図、第１６図（ａ）は押し打ちの駆動電圧波形、同図
（ｂ）は引き打ちの駆動電圧波形、同図（ｃ）は押し打
ちの変形例の駆動電圧波形、第１７図は電気音響変換し
た記録ヘッドの等価回路図、第１８図は第１７図の回路
を簡略化した等価回路図、第１９図は圧力のステップ応
答波形、第２０図は第１８図の回路をラプラス変換した
場合の等価回路図、第２１図はインク体積速度のステッ
プ応答を示す波形図、第２２図は同じくパルス応答を示
す波形図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）インク加圧室と、このインク加圧室に連通するイ
ンクノズルと、前記インク加圧室の外側に配置され、か
つ電圧パルスの印加により変形して前記インク加圧室の
容積を減少させる電気機械変換素子とを備え、この電気
機械変換素子の変形の際に生じる圧力波により前記イン
ク加圧室内のインクを加圧して前記インクノズルから吐
出させるオンデマンド型インクジェット記録ヘッドにお
いて、前記電圧パルスの立ち上がり時間を前記インクノ
ズルのインク体積速度の固有振動周期に等しくし、かつ
前記電圧パルスの立ち下がり時間を前記固有振動周期の
ｎ倍（ｎは自然数）としたことを特徴とするインクジェ
ット記録ヘッドの駆動方法。
（２）電圧パルスによる押し打ち駆動方法である請求項
（１）記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
（３）電圧パルスによる引き打ち駆動方法である請求項
（１）記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
（４）インク加圧室と、このインク加圧室に連通するイ
ンクノズルと、前記インク加圧室の外側に配置され、か
つ電圧パルスの印加により変形して前記インク加圧室の
容積を変化させる電気機械変換素子とを備え、この電気
機械変換素子の変形の際に生じる圧力波により、前記イ
ンク加圧室のインクを加圧してその加圧方向に対してほ
ぼ直交する向きに設けられた断面形状が多角形の前記イ
ンクノズルから吐出させるオンデマンド型インクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、インク不吐出時には前記電気機械変換素子に予め電圧Ｖ
＿１を印加して前記インク加圧室の容積を減少させてお
き、印字に当たっては前記インク加圧室の容積が急激に
変化しないようにｔ＿１なる立ち下がり時間を経て前記
電圧Ｖ＿１を除荷したままｔ＿２なる時間を保持し、そ
の後ｔ＿３なる立ち上がり時間を経て前記電圧Ｖ＿１よ
り高い電圧Ｖ＿２を印加したままｔ＿４なる時間を保持
することにより前記インク加圧室の容積を急激に減少さ
せて前記インクノズルからインクを吐出させ、更にｔ＿
５なる立ち下がり時間を経て前記電圧Ｖ＿１よりも低い
電圧Ｖ＿３を印加したままｔ＿６なる時間を保持し、そ
の後ｔ＿７なる立ち上がり時間を経て前記電圧Ｖ＿１に
復帰する電圧パルス波形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ヘッドの駆動
方法。
（５）時間ｔ＿１ないしｔ＿７が以下の範囲である電圧
パルス波形を用いる請求項（４）記載のインクジェット
記録ヘッドの駆動方法。ｙ＿１：インクノズルにおけるインク体積速度の固有振
動周期の１／２以上ｔ＿２：１０〜５０μｓｅｃｔ＿３：１０μｓｅｃ以下ｔ＿４：５０〜１５０μｓｅｃｔ＿５：１０μｓｅｃ以下ｔ＿６：１０〜５０μｓｅｃｔ＿７：１０μｓｅｃ以下
（６）時間ｔ＿１及びｔ＿２の和が、インクノズルにお
けるインク体積速度の固有振動周期の１／２以上である
請求項（４）または（５）記載のインクジェット記録ヘ
ッドの駆動方法。
（７）インクノズルの断面形状が四角形であり、このイ
ンクノズルとインク加圧室との間のインク供給路は深さ
が異なる段差を有する構造である請求項（４）、（５）
または（６）記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方
法。