JPH02506A - インクジェットヘッドの駆動方法およびインクジェット装置 - 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】 ［産業上の利用分ヱＦ１ 本発明はインクジェットヘッドの駆動方法および該ヘッ
ドを具備するインクジェット装置に関し、詳しくはイン
ク路に沿って設けられた電気機械変換素子を用いてイン
ク中に発生する圧力により、前記インク路に連通ずる吐
出口からインクを液滴として吐出して記録を行なうイン
クジェットヘッドの駆動方法および該ヘッドを具備する
インクジェット装置に関する。

［従来の技術］ この種のインクジェットヘッドの１つとして第１１図に
示すような、いわゆるグールドタイプのものが知られて
いる。

第１１図において、１は先端部が円錐形に絞られた中、
空の円筒形状を有するノズル本体、２はノズル本体１の
一端の開口部に配設されたフィルタ、３はノズル本体１
の他端における円錐形の頭部を開口して形成される吐出
口である。４はノズル本体１の周囲の一部に嵌合する円
筒形の圧電素子であり、エポキシ系樹脂等の接着材５に
よってノズル本体１と一体化した状態で接着、固定され
ている。また、６は後述される波形のパルスを発生可能
な駆動部である。

圧電素子４に、駆動部６によって第１２図に示すような
圧電パルスを加えることにより、圧電素子４は機械的変
位を生じ、ノズルｌ内の第１１図に示す２部を中心とし
て圧力波を発生させる。この圧力波はノズルｌのインク
路に沿って前後２方向に伝播する。圧力波の一方が吐出
口３に到達すると、この圧力波の作用によって吐出口３
よりインクが液滴どして吐出される。このとき、圧力波
に対して吐出口３の部分は、ノズル管内径が極端に小さ
くなるため固定端として作用し、圧力波は同じ位相で反
射する。また、フィルタ２の部分は、フィルタ２がレン
ニンのように開口部を有し、その開放率が約８０％以上
あるので、自由端として作用し、圧力波は位相を反転し
て反射する。

これら２つの圧力波が反射しながらノズル内を伝播して
いく様子を茅１３図に示す。圧力波のうち実線は圧縮波
を示し、破線は膨張波を示す。同図から明らかなように
圧縮波および膨張波の反射波は上述したように、吐出口
３では、同じ位相で反射するのでそれぞれ圧縮波および
膨張波となり、フィルタ２では位相が反転するので、そ
れぞれ膨張波および圧縮波となる。

これら反射圧力波とインクの粘性および表面張力、さら
にフィルタ２を介しての、インク吐出後に減じたインク
の再供給（リフィル）などとの関係によって、吐出口３
の部分のインク■のメニスカスＭは第１４図に示すよう
に複雑な挙動を示しながら減衰振動し、やがて初期状態
に復帰する。そして次の駆動用電圧パルスを圧電素子４
に印加し、次々とインクを液滴として吐出させ画像や文
字等の記録を行なう。

また、圧電素子４に印加する駆動用電圧パルスの電圧を
変更することにより、吐出されるインク液適量が調節さ
れる。これにより画素；・４度が変化し、画像の階調表
現がなされる。さらに、第２図に示すように電圧パルス
の立ち下がりは緩やかになっていて急激な機械的変位を
阻止し、Ｐ点で負の大きな圧力を発生させないようにし
ている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、反射圧力波は、さまざまな悪影響を及ぼ
す。すなわち、電圧パルスの立ち上がりにより発生した
圧力波は、第１３図に示すように、ノズル内で反射し、
圧縮波と膨張波とに反転しながら伝播する。同図に示す
時刻１．では、吐出口３より吐出して飛翔しようとして
いるインクドロップレットの尾がまだメニスカスＭから
離れていない時点で、吐出口３の部分に負の圧力波が作
用するため、第１５図に示すようにノズル１内に気泡Ｂ
を取り込む危険がある。

また、第１３図に示す時刻ｔ２では吐出口３の部分に圧
力波が作用するため吐出口３より不要なインク滴を吐出
させてしまい、画像の品位を劣下させるおそれがある。

この対策として、第１６図に示すように立ち上げた電圧
パルスを時刻ｔ２で立ち下げる波形によって圧力波を消
去させる提案が特開昭８１−２６６２５５になされてい
る。

しかし、上述した波形では時刻ｔｌでの反射波に対する
対策がなされていないので、気泡の取り込みの危険をな
くすことはできない。また、吐出されるインク量を可変
させることによって階調表現をするアナログ変調のイン
クジェット記録プリンタでは、吐出されるインク量の可
変範囲が重要であり、さらに高画質の記録が可能なイン
クジェット記録プリンタを実現するには階調性とともに
解像度が重要であるため、微小インク滴を噴射して小ド
ツトを記録することが必要である。これに対して第１６
図に示す波形ではパルス幅が大きいために小ドツトを記
録することができず、アナログ変調のインクジェットプ
リンタには適していない。

パルス幅を適当に小さくして、立ち下がりを緩やかにし
たパルス波形ならば、小ドツトを記録することが可能で
あり、また、反射圧力波の影響を低減するために第１７
図に示すように、メインパルスから時間ｔ１遅らせてサ
ブパルスを印加させて反射圧力波が消去する方式が提案
されている。しかし、時刻（ｌで２方向から伝わってき
て重なり合う波のそれぞれの大きさが違うため、うまく
一つのサブパルスで反射圧力波を消去することができず
、悪影響を残してリフィルが遅くなる場合があるなどの
問題点があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消し、気泡の抱き込
みやインク滴の不要な吐出か少なく、高速記録が可能な
インクジェットヘッドの駆動方法およびインクジェット
装置を１是供することにある。

［課題を解決するための手段］ そのために本発明では、インクが吐出される吐出口とイ
ンクが供給される供給口とに連通するインク路と、イン
ク路に沿って設けられた電気機械変換素子とを有するイ
ンクジェットヘッドと、吐出口から供給口までの長さを
℃、インク中の圧力波の伝播速度をＣとするとき、メイ
ンパルスと、メインパルスの立ち上がりの時点から２１
／ｃの時間が経過した時点で立ち上がり、　２ｆｌ／ｃ
の時間が経過した時点からさらに２ｌ／ｃの時間が経過
した時点で立ち下がるサブパルスとを有する駆動パルス
を電気機械変換素子に付与する手段とを具備することを
特徴とする。

さらに本発明では、インクジェットヘッドのインクが吐
出される吐出口からインクが供給される供給口までの長
さをｌ、インク中の圧力波の伝播速度をＣとするとき、
メインパルスと、メインパルスの立ち上がりの時点から
２ｆｌ／ｃの時間が経過した時点で立ち上がり、　７２
／ｃの時間が経過した時点から　２ｌ７ｃの時間がさら
に経過した時点で立ち下がるサブパルスとを有する駆動
パルスをインクジェットヘッドの電気機械変換素子に付
与することを特徴とする。

さらに本発明では、インクが吐出される吐出口に連通ず
るインク路と、インク路に沿って設けられた電気機械変
換素子とを有するインクジェットヘッドと、吐出口から
インク路の電気機械変換素子か設けられた部分の中心点
までの長さをＩｌ、＋、インク中の圧力波の伝播速度を
Ｃとするとき、立ち」二がりの時点から２１□７Ｃの時
間が経過した時点で立ち下がる駆動パスルを電気機械変
換素子に付与する手段とを具備することを特徴とする。

さらに本発明では、インクジェットヘッドのインクか吐
出される吐出口から吐出口に連通ずるインク路の電気機
械変換素子が設けられた部分の中心点までの長さを℃ｌ
、インク中の圧力波の伝播速度をＣとするとき、立ち上
がりの時点から２Ｉ！、（／Ｃの時間が経過した時点で
立ち下がる駆動パルスを′電気機械変換素子に付与する
ことを特徴とする。

［作　用］ 前記の構成によれば、メインパルスの立ち上げによって
発生した圧力波が、二方向に分かれノズル内を反射し、
再び位相を反転して圧力発生点に集中する時刻にサブパ
ルスを立ち上げ、さらに上記２つのパルスの立ち上げ時
間間隔と同一時間が経過した後にサブパルスを立ち下げ
ることにより、反射圧力波を２回に分けて消去すること
かできる。

また、前記の構成によれば、電気機械変換素子に印加す
る電圧パルスの立ち下げ時間を、上記電気機械変換素子
と吐出口との距雛およびインク中を伝播する圧力波の速
度の関係によって定めることにより、反射圧力波の圧力
を減衰させることができる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示し、圧電素子４に印加す
る電圧波形図である。（ｌは第１１図に示すＰ点で最初
に圧力波が重なる時刻であり、第１３図から明らかなよ
うに、ノズルの長さ（吐出口からインク路へのインク供
給口、すなわちフィルタの右端までの長さ）を℃、イン
ク中の圧力波の伝播速度をＣとしたとき、ｔ＋　＝　２
．Ｑ　／ｃで表わされる。

また、ｔ２は２度目に圧力波が重なる時刻であり、ｔ２
＝２ｔ、となる。

時刻０のメインパルスの立ち上かりで発生した圧、偏波
は２方向に伝播して行き、第１３図に示すように、時刻
む直に、圧力発生点Ｐで膨張波となって重１．−る。こ
こで再びパルスを立ち上げることによって圧縮波を発生
させ、２方向からの膨張波の圧力を同時に減衰させる。

時刻１．で圧力の減衰された圧力波は反射をしながらノ
ズル内を伝播して行き、時Ｕ’Ｊｊｚに、再びＰ点で圧
縮波となって重なる。この時点でサブパルスを緩やかに
立ち下げることにより、膨張波を発生させ、２方向から
の圧縮波をほぼ完全に相殺する。

−ＪＱに圧力波は、伝播していくうちにインクの粘ｈ、
熱拡散等によって、さらには反射することによってエネ
ルギーが減衰していく。従ってサブパルスによフて発生
させる圧力波の圧力はメインパルスで発生した圧力波の
圧力に比へて小さくした方が好ましい。そこで第１図の
波形ではメインパルスの立ち下かつかゆるやかなため、
サブパルスの立ち上がり電圧すはメインパルスの立ち上
がり電圧ａの約半分となっている。

また、インクの粘度が高くなると、メインパルスの立ち
上がりにより発生する圧縮波は、時刻し、ではかなり減
衰しており、第１図に示す波形をそのまま用いると伝播
してきた膨張波による負の圧力よりサブパルスの立ち上
かりによって発生する圧縮による正の圧力の方が大きく
なってしまい、その後伝播していく圧力波の位相が反転
し、減衰がうまくなされない。よって、このような場合
にはサブパルスの印加電圧をメインパルスの印加電圧よ
り相対的に低くした第２図に示すような波形を用い、サ
ブパルスの電圧のメインパルスの電圧に対する相対値を
インク粘度に合わせて調整して圧力波を減衰させるよう
にすわばよい。

さらに、本実施例は単一パルスでインクを吐出させる方
式に適用されるにとどまらず、第３図に示すように、最
初、膨張波を発生させ続いて圧縮波を発生させることに
よって微小インク滴を吐出し、記録のさらなる小ドツト
化を実現するインクジェット記２１ヘッドの駆動用パル
スに通用しても同様な優れた効果が得られる。

以上の説明から明らかなように、メインパルスの立ち上
げによって発生した圧力波が、二方向に分かれノズル内
を反射し、再び位相を反転して圧力発生点に集中する時
ＳＮにサブパルスを立ち上げ、さらに上記２つのパルス
の立ち上げ時間間隔と同一時間が経過した後にサブパル
スを立ち下げることにより、反射圧力波を２回に分けて
消去することができる。

第４図は本発明の他の実施例を示し、圧電素子４に印加
する電圧波形図である。ここで、電圧パルスの立ち下げ
時間は、ノズルのインク路について、圧電素子４が設け
られたインク路の中央部と吐出口３との距ｆｉｌ！ｘ　
＋およびノズル内のインク中を伝達する圧力波の速度Ｃ
より２　ｆＬ、／Ｃと定められる。

この結果、第７図に示されるように、電圧パルスの立ち
上がりによって発生した圧縮波のうち吐出口３に向かっ
て伝播したものが吐出口３で反射されて圧縮波のまま時
間２ｌ　＋／ｃ後にＰ点に戻ったとき、電圧パルスは緩
やかに立ち下げられることによってＰ点に膨張波が発生
し、圧縮波の圧力は減衰される。この結果、第１１図に
示すＰ点で最初に圧力波が重なる時刻ｔ、付近で吐出口
３に作用する膨張波による負の圧力が大きく減衰し、さ
らに、Ｐ点で２回目に圧力波が重なる時刻し、付近で吐
出口３に作用する圧縮波の正の圧力も大きく減衰する。

なお、時刻２ｌ１／ＣでＰ部に発生した膨張波による負
の圧力は小さいために、この膨張波が吐出口３へ向かっ
て伝播するときの圧力は無視できる。

さらに、本実施例は、単一パルスでインクを吐出させる
方式に適用されるにとどまらず、第５図に示すように、
最初、膨張波を発生させ、続いて圧縮波を発生させるこ
とによって微小インク滴を吐出し、記録のざらなる小ド
ツト化を実現するインクジェット記録ヘッドの駆動用パ
ルスに適用しても同様な効果が得られる。

また、第６図に示すように、フィルタ２で反射した膨張
波が最初にＰ点に達する時刻ｔ、ｌ　でｐ６に圧縮波の
正の圧力を発生させるように電圧波形を負から０に立ち
上げれば、メインパルスの立ち上げにより発生した圧縮
波が２方向に伝わっていくうちのフィルタ２の方向に伝
わったものの反射波の圧力も減衰させることができ、よ
り効果的に反射圧力波を相殺できる。

以上の説明から明らかなように、電気機械変換素子に印
加する電圧パルスの立ち下げ時間を、上記電気ｙＵ城変
換素子とオリフィスとの距離およびインク中を伝播する
圧力波の速度の関係によって定めることにより、反射圧
力波の圧力を減衰させることができる。

第８図は、第１１図に示されるインクジェットヘッドが
組込まれたインクジェット装置の主要部の模式的断面図
である。

第８図において、インクジェットヘッドのノズル本体ｌ
は例えばエポキシ系の接着材を用いてサブタンク１１に
固定されている。サブタンク１１へは供給チューブ１２
を介して不図示のメインタンクからインク■が供給され
る。１３は、第１１図の駆動部６から圧電素子４に信号
を送るための配線である。

なお、本実施例によればインク路に沿って設けられた電
気機械変換素子に電圧パルスを印加することによって吐
出口よりインクを液滴として吐出して記ｔ】を行うイン
クジェットヘッドならば、グールドタイプのものに限ら
ず、サイロニクスタイプ等すべてのヘッドで同様な効果
が得られる。

サイロニクスタイプのインクジェットヘットの模式的上
断面図を第９図（Ａ）に、第９図（Ａ＞の＾−Ａ′にお
ける模式的横断面図を第９図（Ｂ）に示す。

第９図（Ａ）および（Ｂ）において、１４は吐出口１５
に連通ずるインク路であり、１６はインク路１４に供給
するためのインクを貯留するインク室である。

また、１７はインク路１４内のインクに圧力波を生じさ
せるための圧電素子である。

第１０図は、上述したインクジェットヘット金具備する
インクジェット装置の模式的斜視図である。第１θ図に
おいて、１０００は装置本体、１１００は電源スィッチ
、１２００は操作パネルである。

なお、以上の実施態様例では、第１図〜第３図において
主にサブパルスに関するタイミングに関して、第４図〜
第６図において主にメインパルスに関するタイミングに
関して述べたが、本発明はこｊｌらの実施例に限定され
るものではない。

例えば、第１図のメインパルスの立上がりの時点から２
ｌ／Ｃの時間が経過した時点で該メインパルスを立ち下
げることで、−層優れた効果を得ることができる。

［実験例］ ｒｓＩＤ　８１　ＤＴＧＥＳＴ、のｐ、ｌＨ〜１８８の
’Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｗａｖｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
　ｉｎ　Ｉａ＋ｐｕｌｓｅ　Ｉｎｋ−Ｊｅｔ　ｌｌｅａ
ｄＵｓｉｎｇ　　Ｅｌｏｎｇａｔｅｄ　　Ｆｌｕｉｄ−
Ｆｉｌｌｅｄ　　ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＴｒａｎ
ｓｄｕｃｅｒ４　（Ｆｒａｎｃｉｓ　Ｃ，Ｌｅｅ）のＦ
ｉｇｕｒｅ　１．に記載された測定法によって、インク
中の圧力波の伝播速度を測定したところ、ｃ　＝　１５
００ｍ／ｓ であった。

Ｉｔ　＝　４０ｍｍ、　Ｒ，、＝　７．５ｍｍ、吐出ロ
径＝５０μｍ、インク供給口径＝　０．５７ｍｍの、第
１１図に示されるヘッドを用いてインクの吐出特性を１
１７足したところ、 第１図のｔ＋＝　２Ｉ１．／ｃ＝ｓ：＋μＳ第１図のし
２−４ｆＬ／Ｃ＝１０６μｓ第１図の最大電圧値（ａ）
　＝ｕｏｖ 第１図の電圧値（ｂ）　＝ｓｓｖ のパルスで、気泡の抱き込みやインクの不要な吐出もな
く良好な結果（高速安定吐出）が得られた。

また同様に、 第４図の２ｌ１／ｃ＝１０μｓ 第４図の最大電圧値＝　ｌｌ０Ｖ のパルスでも、気泡の抱き込みやインクの不要な吐出も
なく良好な結果（高速安定吐出）が得られた。

なお、本実施例で用いたインクの組成は次の通りである
。

水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５０
重量％ジエチレングリコール　　　　　３０重量％Ｎ−
メチル２ピロリドン　　　　１０重量％ポリエチレング
リコール　　　　ｌＯ重量％＋染料２表面張力調整用添
加剤 ［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明によれば、気泡の
抱き込みやインク滴の不要吐出が極端に少なくなってイ
ンク吐出の安定性が増し、インクジェット記録装置の信
頼性が大きく向上する。

また、インク吐出後の圧力波が速やかに消去できるので
、多くのインク液滴を吐出させることができるようにな
り階調範囲を広くとることができ、さらに、電圧パルス
を印加した後の次の電圧パルスを印加するまでの時間を
短かくして記録の高速化を図ることができるという優れ
た効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図はそれぞれ本発明の実施例に係る駆動パ
ルスを示す模式図、 第７図はインク路内を伝播する圧力波を説明するための
別の図５ 第８図はインクジェットヘッドが組込まれたインクジェ
ット装面の主要部の模式的断面図、第９図（Ａ＞はサイ
ロニクスタイプのインクジェットヘッドの模式的上断面
図、 第９図（Ｂ）は第９図（＾）のＡ−Ａ’線における模式
的横断面図、 第１０図はインクジェットヘッドを具備するインクジェ
ット装置の模式的斜視図、 第１１図は従来のインクジェットヘッドの模式的断面図
、 第１２図は従来の駆動パルスの一例を示す模式第１３図
はインク路内を伝播する圧力波を説明するための図、 第１４図は従来の吐出口におけるメニスカスの挙動を説
明するための模式図、 第１５図は従来の吐出口からの気泡の取り込みを説明す
るための模式図、 第１６図は従来の駆動パルスの他の例を示す模式第１７
図は従来の駆動パルスのさらに他の例を示す模式図であ
る。 １・・・ノズル本体、 ２・・・フィルタ、 ３．１５・・・吐出口、 ４．１７・・・圧電素子、 ５・・・接着材、 ６・・・駆動部、 １１・・・サブタンク、 １２・・・供給チューブ、 １３・・・配線、 １４・・・インク路、 １６・・・インク室、 Ｉ・・・インク、 Ｍ・・・メニスカス。 第４図 ２紅 第５図 つ）Ｏ嗜 第６図 第１図 第２図 第３図 第７図 第１０図 第１２図 第１３図 第１５図 第１６図 第１７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）インクが吐出される吐出口とインクが供給される供
   給口とに連通するインク路と、該インク路に沿って設け
   られた電気機械変換素子とを有するインクジェットヘッ
   ドと、 前記吐出口から前記供給口までの長さをｌ、インク中の
   圧力波の伝播速度をｃとするとき、メインパルスと、該
   メインパルスの立ち上がりの時点から２ｌ／ｃの時間が
   経過した時点で立ち上がり、前記２ｌ／ｃの時間が経過
   した時点からさらに２ｌ／ｃの時間が経過した時点で立
   ち下がるサブパルスとを有する駆動パルスを前記電気機
   械変換素子に付与する手段と を具備することを特徴とするインクジェット装置。 ２）インクジェットヘッドのインクが吐出される吐出口
   からインクが供給される供給口までの長さをｌ、インク
   中の圧力波の伝播速度をｃとするとき、 メインパルスと、該メインパルスの立ち上がりの時点か
   ら２ｌ／ｃの時間が経過した時点で立ち上がり、前記２
   ｌ／ｃの時間が経過した時点から２ｌ／ｃの時間がさら
   に経過した時点で立ち下がるサブパルスとを有する駆動
   パルスを前記インクジェットヘッドの電気機械変換素子
   に付与することを特徴とするインクジェットヘッドの駆
   動方法。 ３）インクが吐出される吐出口に連通するインク路と、
   該インク路に沿って設けられた電気機械変換素子とを有
   するインクジェットヘッドと、前記吐出口から前記イン
   ク路の前記電気機械変換素子が設けられた部分の中心点
   までの長さをｌ＿１、インク中の圧力波の伝播速度をｃ
   とするとき、立ち上がりの時点から２ｌ＿１／ｃの時間
   が経過した時点で立ち下がる駆動パスルを前記電気機械
   変換素子に付与する手段と を具備することを特徴とするインクジェット装置。 ４）インクジェットヘッドのインクが吐出される吐出口
   から該吐出口に連通するインク路の前記電気機械変換素
   子が設けられた部分の中心点までの長さをｌ＿１、イン
   ク中の圧力波の伝播速度をｃとするとき、 立ち上がりの時点から２ｌ＿１／ｃの時間が経過した時
   点で立ち下がる駆動パルスを前記電気機械変換素子に付
   与することを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方
   法。