JPH03216341A - インクジェットヘッドの駆動方法 - 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〕 本発明はインク滴を飛翔させ記録紙等の媒体上にインク
像を形成するプリンタ等の装置に用いられるインクジェ
ットヘッドの駆動方法に関する。

〔従来の技術〕

複数のノズル開口を有するノズル形成部材と、ノズルの
各々に対向して配置され、インク中に浸された圧電変換
器とを備え、電圧印加によりこの圧電変換器を変位させ
て、ノズル形成部材との間隙を充たすインクをノズルか
ら噴出させるオンデマンド型インクジェットヘッドは、
例えば特公昭６０−８９５３号公報に開示されている。

このヘッドは、安定性が高くインク中に気泡・ゴミ等の
異物が混入した場合でもこの影響を受けずに正常動作が
可能であるという利点を有している。圧電変換器として
は、片持ちもしくは両持ち梁状構造が用いられ、電気機
械変換効率が高く、低い電圧で必要な可動変位が得られ
る等の利点を有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、一方においてこの種の装置では、ノズル
形成部材と圧電変換器との間隔がインク噴出特性に大き
な影響を与えるため微小な間隙を保つように構成する必
要があり、ヘッドの製造においてこの間隙の高精度な管
理が問題となっていた。

ところで圧電変換器の駆動方法としては、印字要求され
たノズルに対向する振動子の動きが、ノズル開口に対し
て一旦逃げる方向に変位した後ノズル開口に向かって変
位するいわゆる引き打ち法と、印字要求されたノズルに
対向する振動子の動きが、最初ノズル開口方向に変位し
て元の位置に戻ろうとするいわゆる押し打ち法がある。

前者の引き打ち法では、インク滴速度が得易い反面、噴
出したインクが糸状になって紙面に到達しやすいためき
れいな円形ドットの形成を妨げるという問題を生じる。

また後者の押し打ち法では、インク滴速度が小さくイン
クは球状に近いプロフィールで噴出されるが、高速印字
の際１ドット目と次のドットの噴出時におけるノズル内
でのインクメニスカスの位置が異なり、ドットの大きさ
が一定とはならない。

さらには振動子の固有振動を利用しないため、引き打ち
法に比較してかなり大きな駆動電圧を必要とするという
問題を生じる。　（参考文献　特開昭５７−３９９７１
、特公昭６２−９４３２公報）そこで本発明はこのよう
な問題を解訣すべくなされたもので、その目的とすると
ころは、ヘッド製造においてノズル形成部材と圧電変換
器の微小間隙の高精度な管理の緩和を可能とし、同時に
正確な円形状に近いドットを形成し、しかも高速印字の
際大きさの揃ったドット形成することにより高い印字品
質が可能なインクジェット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〕

本発明のインクジェットヘッドの駆動方法は、複数のノ
ズル開口を有するノズル形成部材と、前記ノズルの各々
に対向する複数の振動子が配設された圧電変換器とから
なり、該圧電変換器への印加電圧を変化させて、前記振
動子と直接接触するインクをノズル開口より噴出させる
インクジェットヘッドの駆動方法であって、前記圧電変
換器への印加電圧信号を、前記振動子の運動が前記ノズ
ル開口に対して逃げる方向に変位を開始するごとき信号
とし、且つ前記印加電圧信号のパルス幅を、前記振動子
のインク中における振動周期の３／５〜４／５倍の長さ
としたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の上記構成によれば、パルス幅長が振動子のイン
ク中における振動周期（以下、周期Ｔｖと略す）の３／
５〜４／５倍と長めの引き打ち法によるヘッド駆動であ
るために、パルス幅を周期Ｔｖの１／２長にしたときと
同量のインク噴出■を得るためには駆動電圧をあげる必
要がある。この結果、ノズル開口と振動子との微小間隙
であるノズルギャップ（以下、ノズルギャップと略す）
が狭くてインクを介し大きな反力を受ける場合であって
も、駆動電圧が大きいために振動子は反力に抗して十分
な大きさの変位速度で運動することが可能となり、十分
なインク滴速度が得られる。

一方インクを介して振動子の受ける反力が小さい場合で
あるノズルギャップの大きな領域では、駆動電圧を大き
くしてもパルス幅が長いことにより、振動子の変位は大
きくても変位速度は比較的大きくならない。

これにより振動子の変位速度のノズルギャップに対する
変化は小さくなり、インク滴速度のノズルギャップによ
る変動を抑えることができる。

また、振動子の変位速度が、インクの噴出する方向であ
る時間が長くしかも加速度が小さいためにインクメニス
カス速度も同様に噴出する方向である時間が長く加速度
が小さい。これにより、噴出したインク滴はその先端か
ら後尾までの分布速度が小さく、柱状のプロフィールに
なりにくいため、記録媒体上で円形に近いドットが形成
される。

〔実施例〕 以下本発明の詳細を具体例により図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明におけるインクジェットヘッドを搭載し
たプリンタの斜視図である。記録媒体１は送りローラー
２，３の押圧によりプラテン４に捲き回され、記録の進
行に従い矢印５の方向に搬送される。ガイド軸６，７に
案内され、プラテン４の軸に平行な方向に移動可能なキ
ャリッジ８上には、複数のノズルを有するインクジェッ
トヘッド９が搭載されており、矢印１０の方向に移動し
つつ各々のノズルからインク滴を噴出して記録媒体１上
にインク像を形成する。

第２図は本発明によるインクジェットヘッドの断面図を
示したものである。ノズル形成部材であるノズル板１１
には複数のノズル１２が紙面と垂直方向に列殺され、各
々のノズルと対応する位置に、圧電素子１３と金属層１
４を積層した圧電変換器１５が配置されている。圧電変
換器１５は、インク１６中に浸された構造となっている
。このように、圧電変換器１５をユニモルフ型構造にす
る理由は、低電圧で大きな変位が得られるからである。

なお本実施例においては、圧電素子１３の材質はジルコ
ン酸チタン酸鉛系圧電セラミックスであり、金属層１４
の材質はニッケルである。

次に動作について、第２図及び第２図におけるインクジ
ェットヘッドの駆動電圧信号のタイミング図である第３
図を用いて説明する。

時間ｔｏにおいて、圧電素子１３と金属層１４の間に選
択的に電圧信号１７を印加すると、圧電効果により、該
当する圧電素子１３が収縮する。

一方、ニッケルよりなる金属層１４は、高い弾性率を有
するため寸法変化が規制される．結果として、圧電変換
器１５の可撓部分である振動子１８は、圧電素子１３側
に曲がる方向への曲げモーメントの発生により、ノズル
板１１と反対方向へ変形変位する。時間ｔ１においてパ
ルスを切ると、振動子１８は時間ｔｏ以前の中立位置を
中心とする振動運動を開始し、ノズル板１１方向に変位
する。これにより、ノズル板１１との間に介在するイン
クは振動子１８で発生した圧力によりノズル１２から噴
出する。ここで駆動電圧信号１７のパルス幅ＰＷは周期
Ｔｖの２／３倍の長さであって、時間ｔｏで立ち上がり
時定数が周期Ｔｖの１／１０以内であるような信号であ
る。立ち上がり時定数が周期Ｔｖの１／１０を超える場
合、振動子先端部の変位速度が遅くなって駈動電圧をさ
らに大きくする必要があり、噴出効率が悪くなることが
本発明者の実験により判明している。

本発明者の実験結果について説明する。

第４図は、第２図のインクジェットヘッドにおける引き
打ち駆動パルス幅ＰＷと、インク滴速度及びインク噴出
量との関係図である。この図から明らかなように駆動パ
ルス幅ＰＷが周期Ｔｖの１／２の長さのときにインク滴
速度４１及びインク噴出ｆｉ４２は最大になる。ところ
で、本実施例では駆動電圧信号１７のパルス幅ＰＷは、
周期Ｔｖの３／５〜４／５倍の長さであり、パルス幅Ｐ
Ｗが周期Ｔｖの１／２長のときに得られるインク噴出量
４２と同じだけのインク噴出量を得るためには駆動電圧
を大きくする必要がある。

そこで駆動パルス幅ＰＷが周期Ｔｖの１／２長である条
件と、駆動パルス幅ＰＷを周期Ｔｖの２／３長にし、か
つインク噴出量を同程度にするために電圧を補正した条
件における、ノズルギャップ（ノズル部におけるノズル
板と振動子との間隙）とインク噴出量並びにインク滴速
度についての本実施例による関係図をそれぞれ第５図（
ａ）（ｂ）に示す。また第６図に振動子１８の先端部に
おける変位速度とノズルギャップとの関係図を示す。

第５図（ａ）で明らかなようにパルス幅ＰＷを変えても
電圧補正をすることにより、ノズルギャップに対するイ
ンク噴出量５１、５２の関係および値はほぼ同一である
。これに対し、ノズルギャップに対するインク滴速度５
３、５４の関係および値は第５図（ｂ）の通り前記２条
件で異なる。

すなわち、パルス幅ＰＷを周期Ｔｖの１／２長とした条
件下では、ノズルギャップが狭い領域で、パルス幅ＰＷ
を周期Ｔｖの２／３長とした条件下よりインク滴速度５
４が大きく変化している。この原因は振動子１８の動き
自体にある。第６図でみるように、パルス幅ＰＷが周期
Ｔｖの１／２長の場合、狭いノズルギャップの領域では
、振動子先端部の変位速度６２がインクを介して作用す
る反力に抗しきれず急激に低下していることによる。

これに対し、パルス幅ＰＷが周期Ｔｖの２／３長である
場合には、駆動電圧を大きくしてあるため、インクを介
して振動子に作用する反力に抗することができ、振動子
先端部の変位速度６１はノズルギャップが狭くなっても
急激には変化しない。一方、インクを介して振動子の受
ける反力が小さい場合であるノズルギャップの大きな領
域では、駆動電圧を大きくしてもパルス幅が長いことに
より、パルス幅が周期Ｔｖの１／２長である場合に比べ
振動子先端部の変位は大きくても変位速度６１は大きく
ならない（第６図）。このように、パルス幅を長くする
と、ノズルギャップに対する振動子先端部の変位速度の
変化は小さくなり、インク滴速度のノズルギャップによ
る変動を抑えることができる． 第７図にインクの噴出状態の輪郭図を示す。第７図（ａ
）はパルス幅が周期Ｔｖの２／３長のインクの噴出状態
の輪郭図であり、インクの先端に質量が偏ったプロフィ
ールで飛翔している。第７図（ｂ）はパルス幅が周期Ｔ
ｖの１／２長のインクの噴出状態の輪郭図であり、イン
クは細長く伸びて柱状のプロフィールとなっている。こ
の現象を説明するために第８図（ａ）（ｂ）に、時間に
対する振動子先端部の変位速度および加速度の関係図を
、パルス幅が周期Ｔｖの２／３長とパルス幅が周期Ｔｖ
の１／２長のそれぞれの場合について示す。第８図（ａ
）で明らかなようにパルス幅が周期Ｔｖの２／３長の場
合、振動子先端部の変位速度８１は、インクの噴出する
方向である時間Ｗが長く続きしかも加速度８２は小さい
。このため、インクメニスカス速度も同様に、噴出する
方向である時間が長くなり加速度が小さくなる。囚って
噴出したインク滴は、その先端から後尾までの分布速度
が小さくなり、柱状のプロフィールになりにくいため、
記録媒体上で円形に近いドットが形成される。

本実施例ではパルス幅は振動子のインク中における振動
周期Ｔｖの２／３長としたが、上述の動作および作用が
期待できるのは、パルス幅が周期Ｔｖの３／５〜４／５
長であることが本発明者の実験により判明している。パ
ルス幅が周期Ｔｖの３／５長に満たない場合には周期Ｔ
ｖの１／２長とする場合との優位性が小さくなるからで
あり、逆にパルス幅が周期Ｔｖの４／５長を超える場合
には、振動子先端部の変位速度が小さくなり過ぎて駆動
電圧を大きくしても十分なインク滴速度が得られ難くな
り噴出効率が悪くなるからである。

ところでパルス幅を長くすることは粘度が小さなインク
を用いる際に上記以外の有効性を持つ。

インク粘度が小さい場合には、振動子の減衰が悪く残留
振動が収まらなくなる。このため、ノズルギャップの広
い領域では１回の駆動パルスに対し２回インク滴が噴出
するいわゆる２度打ち現象が生じる。しかしパルス幅を
長くすれば振動子先端部の変位速度が小さくなるため、
２度打ちのタイミングでインクメニスカスの速度は十分
遅くなってインク滴は飛び出すことができなくなり、２
度打ちの抑止になる。

なお本実施例の圧電変換器は片持ち梁構造を採っている
が、両持ち梁構造でも同様な構成が可能であり、同様の
動作が実現できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の上記構成によれば、印加電圧
信号のパルス幅が振動子のインク中における振動周期の
３／５〜４／５倍の長さであるために、振動子先端部の
変位速度のノズルギャップに対する変化は小さくなり、
インク滴速度のノズルギャップによる変動を抑えること
ができる。これによりヘッド製造においてノズル形成部
材と圧電変換器の微小間隙の高精度な管理の緩和が可能
となる。

また本発明によると、噴出したインク滴はその先端から
後尾までの分布速度が小さく柱状のプロフィールになり
にくいため、記録媒体上で円形に近いドットが形成され
る。また、高速印字の際にも引き打ち駆動法であるため
大きさの揃ったドットが形成される。

従って高印字品質のインクジェットヘッドが実現可能と
なる。

しかも本発明によると、粘度の小さいインクが記録体と
なり２度打ち現象が発生し易くなる場合でも、振動子先
端部の変位速度が小さくなるため、２度打ち目のタイミ
ングではインクメニスカスの速度は十分遅くなってイン
ク滴は飛び出すことができなくなり、２度打ちの抑止策
としても有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるインクジェットヘッドを搭載し
た記録装置の一実施例を説明するための斜視図。 第２図は本発明におけるインクジェットヘッドの一実施
例を示す主要断面図。 第３図は第２図におけるインクジェットヘッドの駆動電
圧信号のタイミング図。 第４図は第２図のインクジェットヘッドにおける引き打
ち駆動パルス幅とインク滴速度及びインク噴出量との関
係図。 第５図（ａ）（ｂ）は第２図のインクジェットヘッドに
おけるノズルギャップとインク噴出量並びにインク滴速
度との関係図。 第６図は第２図のインクジェットヘッドにおける振動子
先端部の変位速度とノズルギャップとの関係図。 第７図（ａ）（ｂ）は第２図のインクジェットヘッドに
おけるインクの噴出状態の輪郭図。 第８図（ａ）（ｂ）は第２図のインクジェットヘッドに
おける、時間に対する振動子先端部の変位速度および加
速度の関係図。 １・・・記録媒体 ９・・・インクジェットヘッド １１・・・ノズル板 １２・・・ノズル １５・・・圧電変換器 １６・・・インク １７・・・駆動電圧信号 １８・・・振動子 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数のノズル開口を有するノズル形成部材と、前記ノズ
   ルの各々に対向する複数の振動子が配設された圧電変換
   器とからなり、該圧電変換器への印加電圧を変化させて
   、前記振動子と直接接触するインクをノズル開口より噴
   出させるインクジェットヘッドの駆動方法であって、前
   記圧電変換器への印加電圧信号を、前記振動子の運動が
   前記ノズル開口に対して逃げる方向に変位を開始するご
   とき信号とし、且つ前記印加電圧信号のパルス幅を、前
   記振動子のインク中における振動周期の３／５〜４／５
   倍の長さとしたことを特徴とするインクジェットヘッド
   の駆動方法。