JPH0224218B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオンデマンド型のインクジエツトヘツ
ドの駆動方法に関する。

従来のオンデマンド型インクジエツトの駆動方
法において、特開昭52−56928により公知の駆動
方法では、圧力室の容積が拡大するように圧力室
の壁を圧電素子の分極電圧と反対方向の電圧印加
によつて所定時間維持し、さらに圧電素子への電
圧の極性を反転させ圧力室の容積を拡大された状
態から縮小する状態へ移行させ、液滴の噴出を行
つている。この電圧の極性の反転には電圧変換器
が用いられ、この２次側インダクタンスは圧電素
子の容量と共に振動回路を形成している。また上
記振動回路の共振周波数はインク柱の共振周波数
に等しく、１次側の電流衝撃の長さを上記した共
振周波数の半周期の長さに等しくしている。

このような駆動方法では１つのノズルに対して
１つの電圧変換器と制御回路が必要であり、特に
マルチノイズの場合、ノズルの数だけ電圧変換器
と制御回路の組合せが必要となつて極めて費用が
嵩む。

また最低の電圧で最高の液滴速度を得るという
最大効率の観点からすると、電圧変換器の１次側
の電流衝撃の長さはインク柱の共振周波の半周期
には一致しない。何故ならばインク柱の振動は圧
力室の壁と圧電素子とインクから成る振動系の電
圧変換器の１次側の電流衝撃に呼応する過渡応答
としてとらえられ、インク柱の振動は位相遅れを
伴つた減衰振動となる。従つて圧電素子への制御
電圧の極性転換による圧力室の容積が拡大された
状態から縮小された状態への移行する時点は、こ
のインク柱の位相遅れを伴う減衰振動の或る位相
に対応して選択されるとき、上記した最大の効率
が得られる。換言すれば、電圧変換器の１次側の
電流衝撃の長さは、単にインク柱の固有振動数の
半周期に定められるのではなく、実際に起る圧力
室とノズル内でのインク柱の減衰振動の最適位相
に合せて定められるとき低電圧での駆動が実現で
き、上記電流衝撃の長さはインク柱の固有振動の
半周期より長くなることが実験的にも確認され
る。

さらに圧力室の容積を拡大させるために、圧電
素子に対して分極電圧と反対方向の電圧を印加す
るので、圧電素子の減衰を招く惧れがある。

この発明の目的は、これらの点を鑑みて、圧力
室の壁と電気機械変換手段とインクからなる振動
系の減衰振動を積極的に利用することによつて、
単純簡単で安価な駆動回路で駆動でき、電気機械
変換手段としての圧電素子に分極電圧と同方向の
電圧を加ることができ、加えて低い駆動電圧で所
定の液滴の噴出速度を得るオンデマンド型インク
ジエツトヘツドの駆動方法を提供することにあ
る。

以下、この発明の一具体例を図示実施例に基づ
いて説明する。

第１図，第２図において、基板１には、円形を
した圧力室２とノズル３と供給口４が凹部形状で
形成されており、この凹部形状全体を覆うように
壁５が接合されている。インク６は、インク溜り
７よりインク供給管８、さらに狭隘部を形成する
供給口４を経て圧力室２とノズル３に導びかれて
いる。ノズル３の開口部３ａでは、インク６の表
面張力と負圧Ｈが釣り合つて、インク６がノズル
３の開口部３ａに滲み出ないように保たれてい
る。電気機械変換手段としての圧電素子９が、蒸
着などの手段で壁５に設けられた電極面５ａへ接
着されており、その場所は壁５を挾んで圧力室２
に対峙する位置である。リード線１０は電圧を印
加したとき圧電素子９が径方向へ収縮し、壁５が
ほぼ円錐状に圧力室２の方向へ撓み、圧力室２の
容積が減少するようにその極性が選択される。即
ち圧電素子９の分極電圧と同方向の電圧の印加と
なる。

第３図は圧電素子９の電気制御を行う駆動回路
であり、第４図ａ，ｂはこの駆動回路への入力信
号１６と圧電素子９の両端の電圧波形１９（第３
図中２４）を示す。時刻t₁の以前、即ち待機状態
ではトランジスタ１１がオンしてトランジスタ１
２もオンしているので、圧電素子９には電圧が印
加されたままの状態にある。従つて、第１図で示
す如く、壁５は内方へ円錐状に撓んだ状態に維持
されている。t₁の時刻において、入力信号１６の
立上り１７でトランジスタ１４がオフしてトラン
ジスタ１５がオンし、矢印Ｂ方向に電流が流れ、
圧電素子９に貯えられた電荷は抵抗１３を介して
放電される。このときの圧電素子９の両端の電圧
（第３図中２４）は、第４図ｂの電圧波形１９の
如くとなる。t₂の時刻に入力信号１６の立下り１
８がくると、トランジスタ１４がオンしてトラン
ジスタ１５がオフし、逆にトランジスタ１１がオ
ンしてトランジスタ１２がオンし、矢印Ａ方向に
電流が瞬時に流れて圧電素子９に充電される。圧
電素子９の両端に加わる電圧２４は電源電圧２５
にほぼ等しい。なお、第４図ｂに示されるように
待機状態では圧電素子には充電用パルスが印加さ
れ、圧力室の容積が減少しているが、t₁〜t₂の間
で圧電素子が徐々に放電し圧力室の容積が増大し
た後、t₂のタイミングで圧電素子に待機状態の電
気パルスが印加され、圧電素子が急速に充電して
圧力室の容積が減少する。

これらの電気的動作に対応した機械的動作を第
１図，第５図ａ，ｂ、第６図で説明する。電源投
入時には第３図においてトランジスタ１１がオン
してトランジスタ１２もオンするので矢印Ａ方向
に電流が流れ圧電素子９へ充電される。この充電
が完了すると電源電圧２５にほぼ等しい電圧が圧
電素子９の両端へ加わつたまま保持されるので、
圧電素子９が径方向に収縮したままの状態で維持
され、従つて壁５もほぼ円錐状に圧力室２の側へ
撓んだ状態に維持される（第１図図示）。t₁の時
刻において、圧電素子９へ貯えられた電荷を放電
しはじめると、圧力室２の側へ円錐状へ撓んでい
た壁５は、壁５と圧電素子９に貯えられた弾性エ
ネルギーによつて、外方へ復帰する。このとき供
給口４を経て、インク６がインク溜りより吸入さ
れるが、これと共にノズル３の開口部３ａより大
気を吸い込んで第５図ａ，ｂで図示した状態とな
る。この空気の吸込量２０が最大となる前後にt₂
の時刻を設定し、圧電素子９へ再び電圧を印加す
ると、壁５と圧電素子９は第６図の如く圧力室２
の側の内方へ急速に撓み、圧力室２の中へ吸い込
んだインク６を液滴２１として空中へ放出する。
このようにしてインク液滴が噴射されるが、駆動
に際してまず圧電素子には圧力室の壁を外方に変
位させて圧力室の容積を増大させる際の電気パル
スの変化が緩慢であるため、空気をノズル先端部
から圧力室内にとりこむことがない。これはイン
ク噴射をおこなう場合、圧力室の容積を増大させ
圧力室内にまずインクをとりこむ本願の方法で
は、圧力室の容積増大が急激であるとノズル先端
部からノズルの奥深くまで空気が侵入し、圧力室
の内部まで空気がとり込まれることによつてイン
ク噴射不能を生ずるためである。

また、インク噴射を連続しておこなう場合、イ
ンク噴射後にはノズル内のインクは空となつた後
毛細管力の助けにより圧力室からノズル先端部に
向けてインクが充填されるが、噴射サイクルの最
初におこなう圧力室の増大が緩慢であるので前の
インク噴射で空になつたノズル内に毛細管力の助
けによりインクを充填させることができる。これ
により、連続してインク噴射をおこなう場合、ノ
ズルからの空気の吸い込みによるインク噴射不能
を生ずることなく早いサイクルのインク噴射が可
能となり、インクジエツト記録速度を早くするこ
とができる。また、同じ量のインク液滴を噴射す
る場合、圧電素子の駆動電圧が低くてすむ。

そしてインク噴射サイクルの後半でインク噴射
サイクル前半の圧力室の容積を増大させる際の電
気的パルスの変化方向と逆方向に電気的パルスの
大きさを急峻に変化させることにより充分な噴射
スピードが記録性にすぐれたインクジエツトヘツ
ドの駆動をおこなうことが可能になる。

第７図ａの様に、時刻t₁から時刻t₂の間のパル
ス間隔Ｔを長くすると、壁５及び圧電素子９は第
７図ｂの如く減衰振動をし、この減衰振動２３は
ほぼ次式で表現される。なお、第７図ａから明ら
かなように、第７図の実施例においても、圧電素
子には待機状態で圧電素子の分極電圧と同方向の
電気的パルスが印加され圧電素子を充電して圧力
室の容積を減少させておき、インク噴射時には圧
電素子を徐々に放電させ圧力室の容積を増大させ
た後、再び圧電素子に電気的パルスを印加して圧
電素子を急速に充電させ圧力室の容積を減少させ
ることによりノズルよりインクを噴射させるもの
である。

Ｘ＝−Be^-ntsin（ωt−θ） ここでＸは第５図ａで示した方向の変位であ
り、Ｘ＝０はパルス巾Ｔを無限に長くした場合、
即ち圧電素子９に電圧が印加されないときの壁５
と圧電素子９の変位であり、Ｘ＝−１は圧電素子
９に電圧を印加して保持したときの内方へ撓んだ
壁５と圧電素子９の変位を示す。ｔは時刻t₁を零
としたときの時間であり、常数Ｂ，ｎ，ω，θ
は、壁５や圧電素子９の弾性係数や内部摩擦、ノ
ズル３と供給口４の近傍の流体質量や流体抵抗、
ノズル３の開口部３ａ近傍でのインク６の表面張
力等によつて定まる。

時刻t₁から時刻t₂の間で、壁５と圧電素子９は
最終的には状態Ｘ＝０に落ち着くが、それ以前で
はＸ＝０を軸とした減衰振動をする。またこの減
衰振動２３は、圧電素子９に第７図ａの如き電圧
波形１９が加えられたときの、壁５と圧電素子９
とインク６から成る振動系の過度応答となる。従
つてこの減衰振動には時間遅れが起り、上記した
式の中でθがこれを意味する。

壁５及び圧電素子９の、上記した減衰振動２３
によつて、ノズル３近傍のインク６も同様の振動
をする。これはノズル３の開口部３ａより入る空
気の吸い込み量２０（（第５図ａ，ｂ図示）の時
間変化によつて観察される。空気の吸い込み量２
０は第７図ｃの如き減衰振動２２をして、最終的
には消滅するが、最大の吸い込み量２０が起る時
刻t₃は、圧電素子９の変位Ｘが極大値２７になる
時刻にほぼ一致している。

圧電素子９への電源電圧２５（第３図図示）を
或る値に設定し、第７図ａのパルス巾Ｔを段々と
短くしていつて、このパルス巾Ｔに対応する液滴
の速度をプロツトすると、第７図ｄの如き速度曲
線２６となる。即ちパルス巾Ｔが長い状態では、
ノズルから液滴２１は噴射されないが、空気の吸
い込み量が最大となる時刻t₃近傍へパルス巾Ｔを
設定すると、液滴２１が噴射される。液滴２１の
噴射される速度は、パルス巾Ｔの長さが時刻t₃の
前後にあるとき最大になる。圧電素子９への電源
電圧２５（第３図図示）が低い場合、壁５及び圧
電素子９の減衰振動２３がＸ＝０へ落ち着いた時
点で圧電素子９への電圧を印加すると、即ちパル
ス巾Ｔを長くした場合には、壁５及び圧電素子９
は液滴２１を噴射する程の速度でＸ＝からＸ＝−
１の状態へ変位しない。しかし時刻t₃前後で圧電
素子９へ電圧を再び印加すると、壁５及び圧電素
子９のＸ＝−１への状態移行、即ち圧電素子に印
加する電気的パルスの大きさを待機状態の大きさ
に戻して圧力室の壁の変位（圧力室の容積）を再
び待機状態に戻す状態移行は、パルス巾Ｔを長く
した場合のＸ＝０からＸ＝−１への変位の仕方に
時刻t₃以降の減衰振動２３を重畳された如くとな
る。従つて特に時刻t₃と時刻t₄の間の減衰振動２
３が、パルス巾Ｔが長い場合の壁５と圧電素子９
のＸ＝−１への状態移行に加わるので、壁５及び
圧電素子９は、より速くＸ＝−１の状態へ移行
し、液滴２１の噴射が可能となる。このように圧
力室２へのインク６の吸入時に起る減衰振動２３
に同期してパルス巾Ｔを設定することによつて、
換言すればパルス巾Ｔを減衰振動２３の極大値近
傍に設定することによつて、圧電素子９への印加
電圧が低くて所定の液滴の速度が得られる。

電源投入時には上記した減衰振動２３が起つて
いないので、壁５が圧力室２の側へ変位しても液
滴２１は噴出されない。

液滴２１の噴射後の壁５と圧電素子９とインク
６から成る振動系のＸ＝−１を軸とした減衰振動
は、圧力室２の内部のインク６がノズル３より液
滴２１が噴射される流体の動き、これと同時に起
る圧力室２の内部のインク６が供給口４を介して
逃げる流体の動きによつて、急速に終息する。従
つて次の液滴２１の噴射にはこの減衰振動は余り
影響を及ぼすことがなく、周波数応答に関し良好
の結果が得られる。

駆動回路に関しては第３図を用いて説明してき
たが、第８図の如きより簡単な駆動回路でも駆動
できる。入力信号１６は同じであるので第４図を
参照して説明する。時刻t₁以前においては、トラ
ンジスタ３０がオフしているのでトランジスタ３
１がオンしており、圧電素子９の両端の電圧３２
は、ほぼ電源電圧２５と等しい。時刻t₁から時刻
t₂の間ではトランジスタ３０がオンするのでトラ
ンジスタ３１はオフして圧電素子９へ貯えられた
電荷は抵抗１３を介して放電される。時刻t₂の入
力信号１６の立下り１８において再びトランジス
タ３０がオフしてトランジスタ３１がオンし、圧
電素子６への電圧が印加される。圧電素子９への
電圧印加に関しては第３図の回路と全く等価であ
る。パルス巾Ｔ以外の時間に抵抗１３に消費され
る電力が問題とならない場合には、第８図の駆動
回路でも十分である。

以上述べたように、圧電素子９へ分極電圧と同
方向へ電圧を印加して保持しておき、印字時にこ
の電圧印加を除去して壁５を外方へ復帰させ、こ
のときのインク６の吸入時に起る圧電素子９と壁
５とインク６から成る振動系の減衰振動２３の極
大値２７近傍で、圧電素子９へ再び電圧を印加し
圧電素子９及び壁５を圧力室２の側の内方へ変位
させることによつて、液滴２１を低電圧で噴射さ
せることを可能とした。減衰振動２３は圧電素子
９への電圧除去に呼応する過渡現象であるので、
本質的に時間遅れが生じ、効率のよいパルス巾Ｔ
の設定は、減衰振動２３の極大値２７近傍に設定
することが望ましい。この点からすると、パルス
巾Ｔを圧電素子９と壁５とインク６の共振周波数
の周期の半分にしても、上記時間遅れの存在によ
つて、良い効率点は上記周期の半分より長い所に
存在する。この発明では、減衰振動２３を利用す
ることによつて高い効率点でインクジエツトヘツ
ドの駆動ができるので、供給する電圧は低くて済
みさらに分極電圧と同方向の電圧印加であるの
で、圧電素子９の減極も完全に回避される。さら
に圧電素子９への電圧印加は分極電圧に対して正
逆両方を加える必要がなく、回路構成が極めて簡
単安価にできる利点を生んでいる。

また、この発明による駆動方法によれば、高い
効率点での駆動は単にパルス巾Ｔの選択のみによ
つて行うことができる。従つて圧電素子９、壁５
及びインク６から成る振動系の系が変つて、その
減衰振動２３の極大値２７の位置が時間的に変つ
ても、パルス巾Ｔを変更して高い効率点での駆動
が可能となる。これに対して、電圧変換器を用い
た場合には、１次側、２次側の巻線仕様を変更す
る必要があり非常に複雑である。

このように、本願発明によれば、圧電素子には
待機状態で圧電素子の分極電圧と同方向の電気的
パルスが印加され圧電素子を充電して圧力室の容
積を減少させておき、インク噴射時には圧電素子
を徐々に放電させ圧力室の容積を増大させた後、
再び圧電素子に電気パルスを印加して圧電素子を
急速に充電させ圧力室の容積を減少させることに
よりノズルよりインクを噴射させる方法をとるた
め、インクジエツトヘツドの駆動に際して、圧電
素子が逆方向電圧の印加によつてその特性が損な
われることがない。また、連続してインクを噴射
する際にも圧力室への空気のとり込みによるイン
ク噴射不能等を生ずることなく、高速で鮮明なイ
ンクジエツト記録が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第８図は、本発明による一実施例を
示し、第１図はインクジエツトヘツドの構成を示
す側断面図、第２図は、一部破断面を含む第１図
の上面図、第３図は、インクジエツトヘツドの駆
動回路図、第４図ａは、第３図駆動回路への入力
信号を示し、第４図ｂは、圧電素子の両端の電圧
波形を示す図表、第５図ａは、圧力室へのインク
吸入時における様子を示す側断面図、第５図ｂは
一部破側面を含む第５図ａの上面図、第６図は、
液滴噴射時を示す側面断面図、第７図ａは、圧電
素子両端の電圧を示す図表、第７図ｂは、壁と圧
電素子の減衰振動を示す図表、第７図ｃは、ノズ
ルの開口部より入る空気の時間変化を示す図表、
第７図ｄは、パルス巾Ｔを変化させたときの液滴
の速度を示す図表、第８図は駆動回路の別例を示
す図表である。 １…基板、２…圧力室、３…ノズル、４…供給
口、５…壁、６…インク、９…圧電素子、１０…
リード線、１６…入力信号、１７…電圧波形。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ インクを噴射するノズルと、 前記ノズルに連通しインク噴射圧力を発生する
   圧力室と、 前記圧力室の壁面部に設けられ電気的パルスの
   印加によつて前記圧力室の容積を変化させる圧電
   素子よりなる電気機械変換手段とを備え、 前記圧力室に連通したインク溜りよりインクを
   供給し、 前記電気機械変換手段によつて前記圧力室の容
   積を増大させた後減少させるよう変化させて噴射
   圧力を発生させ、 前記圧力室と、前記圧電素子と、前記圧力室に
   供給されるインク系に生ずる減衰振動に同期させ
   て前記圧電素子に印加する前記電気的パルスを変
   化させ前記圧力室の容積を待機状態に戻し、 前記ノズルからインクを噴射させるオンデマン
   ド型インクジエツトヘツドの駆動方法において、 前記待機状態で前記圧電素子に予め前記圧電素
   子の分極電圧と同方向の電気的パルスを印加して
   前記圧電素子を充電し前記後力室の容積を減少さ
   せておき、インク噴射時には前記圧電素子を徐々
   に放電させ前記圧力室の容積を増大させた後、再
   び前記圧電素子に前記電気的パルスを印加して前
   記圧電素子を急速に充電させ前記圧力室の容積を
   減少させることにより前記ノズルからインクを噴
   射させることを特徴とするオンデマンド型インク
   ジエツトヘツドの駆動方法。