JPH11157064A - インクジェット記録ヘッドの駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 最適駆動条件のもとで稼働させながら径の異
なるインク滴を一定の飛翔速度で常に安定した状態で同
一ノズルより噴射、記録することができるインクジェッ
ト記録ヘッドを提供する。 【解決手段】 記録時において、圧力発生室に対応した
位置に設けられた電気機械変換器に駆動電圧を印加して
当該電気機械変換器を変形させて、ノズルよりインク滴
を吐出させるインクジェット記録ヘッドの駆動装置にお
いて、電気機械変換器に印加する駆動電圧の電圧波形
は、電圧のピーク値までの立ち上がり時間並びに電圧の
基底値までの立ち下がり時間が、インク流路系統内のイ
ンクの音響的振動の固有周期Ｔｏの略１／２であって、
かつ立ち上がり開始時間から立ち下がり開始時間までの
位相差Ｔｗが固有周期Ｔｏの１を含む整数倍の電圧波形
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴の径を制
御するインクジェット記録ヘッドの駆動装置及び駆動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、記録液滴を必要時にのみ吐出す
るために電圧アクチュエータを備えた記録ヘッドに電気
信号を印加して記録ヘッド内に設けられたインク室に圧
力波を発生させて、その圧力波によってノズルより液滴
を噴射するドロップオンデマンド型インクジェット記録
ヘッドは知られている。この種のものでは、写真画像な
ど階調を含む画像を出力するため、ドット径を可変させ
ることにより、階調記録を可能にしたインクジェット記
録ヘッドが提案されている（例えば、特開昭５１−３７
５４１号公報）。図１５はそのインクジェット記録ヘッ
ドを示している。図中において１８１はインクジェット
記録ヘッド、１８２は圧力室、１８３はインク供給層で
ある。１８４は圧力室１８２とインク供給層１８３とを
結ぶ第一ノズル、１８４はダイヤフラム、１８５は圧電
素子、１８６は第二ノズルである。圧電素子１８５に振
幅が与えられると、ダイヤフラム１８４を通じて圧力室
１８２に振動が与えられ、この振動によって圧力室１８
２内のインクに圧力波が発生し、この圧力波は第一ノズ
ル１８４に伝播され、インク供給層１８３内のインクは
その圧力波を受けて第二ノズル１８６より吐出され、イ
ンク滴１８８として飛翔される。上記の原理を用いたイ
ンクジェット記録ヘッド１８１を用いて階調を含む画像
を記録する場合、図１７ａに示すように１画素をＮｘＮ
のドット１５１で構成されるマトリックスとし、そのマ
トリックス内のドット１５１の配置によって階調を表現
するとすると、その階調数は階調数をＬとすれば、 Ｌ＝Ｎ２ …（ａ） で表される。しかし、写真画像のように高解像度でかつ
高階調数が要求されるものでは、上式から明らかなよう
にマトリックスサイズＮの値を大きくしなければなら
ず、従って１画素あたりの解像度が低下するのでドット
解像度に極めて高いものが要求される。これに対しドッ
ト径を可変にすればドット自体も階調を持ち併せている
ので、そのときの階調数Ｌは１ドットの階調数をｎとす
れば、 Ｌ＝ｎｘＮ２ …（ｂ） となる。図１７ａに示すものでは、ｎ＝１、Ｎ＝３であ
るから、階調数は（ｂ）式よりＬ＝９となる。これに対
して図１７ｂに示すようにドット径を１５１ａ〜１５１
ｄと４段階に可変できれば、ｎ＝４、Ｎ＝３であるか
ら、階調数Ｌは３６となり、かつ１画素あたりの解像度
は低下しないことになる。従って、上記方式によればド
ット解像度を上げることなく階調数を増やすことができ
る。このドット径の可変制御を行う場合において、噴射
されるインク滴の量Ｑは次式の関係で表される。

【０００３】Ｑ比例のτｘｖｘＡ …（ｃ） 但し、τは圧力室８２内に発生する圧力波の波動周期、
ｖはインク滴噴射速度、Ａは第二ノズル８６の断面積で
ある。インク滴噴射速度ｖは次式のような関係にある。

【０００４】ｖ比例のＶ …（ｄ） 但し、Ｖは圧電素子８５に印加する印加電圧である。前
述の式によれば圧力室８２内のインク圧力は、図１６の
圧力応答線図に示すように、印加電圧Ｖの増減によっ
て、インクのピーク圧力がＰａ〜Ｐｄと変化する。この
ピーク圧力がＰａ〜Ｐｄと変化すると、インク滴噴射速
度ｖが変化することになるが、一般に圧力波の周期τは
変化しないので、（ｃ）式はパラメータとしては印加電
圧Ｖのみとなり、次式のように表される。

【０００５】Ｑ比例のＶ …（ｅ） この関係式を利用して、図１５に示す従来のインクジェ
ット記録ヘッドでは、圧電素子１８５に印加する印加電
圧Ｖを加減して、圧力室１８２内のインクの圧力Ｐを制
御することによって、第二ノズル１８６より噴射される
インク滴１８８の量Ｑを加減するようにしていた。しか
しながら、印加電圧Ｖの増減によってインク滴噴射速度
ｖを変化させる方式では、インク滴の飛翔速度とヘッド
と記録紙との相対速度の比に変化がある場合に、インク
滴の記録紙上に着弾する位置がずれるため、記録品質に
大きな影響を与えるという問題があった。例えば、微小
インク滴を吐出するときは、そのインク滴の飛翔速度が
遅く第二ノズル１８６の周りにインクたれを起こしやす
いという問題があった。

【０００６】これら問題を解消するため、従来、図１５
に示すように、ヘッドの外側に空気流路１８９を追加
し、外部に設けたエアポンプやアキュムレータ（図示せ
ず）によって第二ノズル１８６の前面に設けられた第三
ノズル１９０より一定の速度で流出する空気流１９１を
形成し、第二ノズル１８６より噴射されるインク滴１８
８を空気流１９１に乗せて、この空気流１９１と同速度
に加減速する方法を採るようにしていた。しかしながら
本方法は空気流１９１を発生させるための手段としての
エアポンプやアキュムレータを装置に付加しなければな
らず、ヘッド本体にも、空気を送るための流路が必要に
なり、それらが原因でヘッドの大型化、重量化、そして
複雑化が避けられないものとなっていた。

【０００７】これを解決する手段として、例えば特開昭
６１−１００４６９号公報によるインクジェット記録ヘ
ッドが提案されている。これは前述の（ｃ）式に着目し
て、インク圧力波の波動周期τを変化させることによ
り、インク滴の吐出速度ｖを一定に保ちながら、インク
滴の吐出量Ｑを増減させようとするものであり、具体的
には異なる固有周期を持つインク流路を複数個配置し、
異なる圧力波の周期τを発生させてそれぞれのノズルか
ら異なるインク滴径を噴射させるものである。しかし、
複数個のインク流路を持つことは、やはりヘッドの大型
化にもなり、高コスト化の要因になるという問題があっ
た。

【０００８】一方で、図１８に示すように、圧電素子を
インク流路内に発生する固有振動モードの中の１つの波
形における振幅の腹の部分に対応する１個あるいは複数
個の位置に張り付けて、その圧電素子を駆動させること
によって特定の振動モードを発生させるドロップオンデ
マンドインクジェット記録ヘッドが提案されている（例
えば、特開昭６２−１７４１６３号公報）。

【０００９】図１８ａに示すように、インク流路１７１
の中の点線で囲ってある部分が圧電素子１７２の位置を
示している。その圧電素子１７２の長さは同図ｂに示す
ようにインク流路１７１内のインクの第三次固有振動モ
ード７４における第一の節１７６と第二の節１７７との
間の長さであり、圧電素子１７２の張られる位置はそれ
らの節に挟まれた腹７５の位置に一致する。この圧電素
子１７２に、例えば三次モードの固有周期に合わせた電
圧波形を印加するとインク流路１７１内のインク７８に
三次モードによる比較的波長の短い圧力波が励起され、
この圧力波によって比較的小さな径のインク滴が噴射さ
れる。高次のモード例えば四次、五次モードを励起させ
るならば、その振動モードの腹に相応する部分に圧電素
子を設け、その固有周期に相応した電圧波形を印加すれ
ばよい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の構成では基本固有振動モード（第一次モード）と１
つの高次モード以外の振動モードを励起させることが困
難であり、基本モードによるインク滴と１つの高次モー
ドによるインク滴との２つしか得られないという問題が
あった。従って、従来のものでは写真画像のような多階
調を含む画像を出力するために、ドット径を可変させて
より多階調の記録を可能にしたインクジェット記録ヘッ
ドを得ることは難しいという問題があった。

【００１１】そこで、本発明の目的は、インクジェット
記録ヘッドを非常に簡単な構成にして、最適駆動条件の
もとで稼働させながら径の異なるインク滴を一定の飛翔
速度で常に安定した状態で同一ノズルより噴射、記録す
ることができるインクジェット記録ヘッドの駆動装置及
び駆動方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
ノズルと圧力発生室とを有してなる１個または複数個の
インク流路系統がインクプールに連通して構成され、記
録時において前記圧力発生室に対応した位置に設けられ
た電気機械変換器に駆動電圧を印加して当該電気機械変
換器を変形させて、前記ノズルよりインク滴を吐出させ
るインクジェット記録ヘッドの駆動装置において、前記
駆動電圧の電圧波形を前記インク流路系統内のインクの
音響的振動の固有周期に関連づけて形成する駆動回路を
備えたことを特徴とするものである。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載のも
のにおいて、前記駆動回路は、前記電圧波形における基
底値からピーク値までの立ち上がり時間並びにピーク値
から基底値までの立ち下がり時間が前記インク流路系統
内のインクの音響的振動における基本固有振動モードの
固有周期の略１／２であって、かつ前記立ち上がり開始
時間から前記立ち下がり開始時間までの位相差が前記固
有周期の１を含む整数倍の電圧波形を形成することを特
徴とするものである。

【００１４】この発明によれば、電気機械変換器がイン
ク流路全体にわたって設けられていても、電圧波形の立
ち上がり時間並びに立ち下がり時間が、インク流路系統
内のインクの音響的振動における基本固有振動モードの
固有周期の略１／２である電圧波形が入力されるので、
電気機械変換器の長さに関係なく、基本固有振動モード
が励起され、基本の圧力波がインク流路内に発生する。

【００１５】また、電圧波形の立ち上がり開始時間から
立ち下がり開始時間までの位相差がインク流路系統内の
インクの音響的振動における基本固有振動モードの固有
周期の１を含む整数倍である。電圧波形の立ち上がりに
相当するところで正のインパルスがインクに与えられ、
立ち下がりに相当するところで負のインパルスがインク
に与えられる。そのために、まず正のインパルスがイン
クに与えられることにより周期を持った圧力波が発生
し、その圧力波が１周期を終えたとき、つまり２回目の
正の圧力波が発生した時点で負のインパルスが与えられ
るために、互いの圧力波が打ち消されて０になるので、
インク流路系統内の残留振動は減衰される。これらによ
って、安定したインク滴の吐出が可能になる。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１記載のも
のにおいて、前記インク流路系統内のインクの音響的振
動の基本固有振動モードより高次の固有振動モードを選
択し、前記駆動回路は、前記電圧波形における基底値か
らピーク値までの立ち上がり時間並びにピーク値から基
底値までの立ち下がり時間が前記選択された固有振動モ
ードの固有周期の略１／２である三角波状の第一の電圧
波形と、当該第一の電圧波形と同一形状を有する第二の
電圧波形とを備え、前記第一の電圧波形における前記立
ち上がり開始時間から前記第二の電圧波形における前記
立ち上がり開始時間までの位相差が前記基本固有振動モ
ードの固有周期の１／２倍である電圧波形を形成するこ
とを特徴とするものである。

【００１７】この発明によれば、電圧波形の立ち上がり
時間並びに立ち下がり時間を任意に選択、変更すること
によって、圧力の強さすなわちインク滴吐出速度をほぼ
一定にしたまま、圧力波の波長すなわちインク滴の大き
さを段階的に変えることができる。また第一の電圧波形
の立ち上がり開始時間から第二の電圧波形の立ち上がり
開始時間までの位相差が基本固有振動モードの固有周期
の１／２倍であることにより、基本固有振動モードの励
起が抑制され、かつ選択された固有振動モードによる残
留振動が抑制される。

【００１８】請求項４記載の発明は、請求項１記載のも
のにおいて、前記インク流路系統内のインクの音響的振
動の基本固有振動モードより高次の固有振動モードを選
択し、前記駆動回路は、前記電圧波形における基底値か
らピーク値までの立ち上がり時間並びにピーク値から基
底値までの立ち下がり時間が前記選択された固有振動モ
ードの固有周期の略１／２であって、かつ当該電圧波形
における前記立ち上がり開始時間と前記立ち下がり開始
時間との差に相当する電圧維持時間が所定の時間を持っ
た第一の電圧波形と、当該第一の電圧波形と同一形状を
有する第二の電圧波形とを備え、前記第一の電圧波形に
おける前記立ち上がり開始時間から前記第二の電圧波形
における前記立ち上がり開始時間までの位相差が前記基
本固有振動モードの固有周期の１／２倍である電圧波形
を形成することを特徴とするものである。

【００１９】この発明によれば、電圧波形の立ち上がり
開始時間と立ち下がり開始時間との差に相当する電圧維
持時間を任意に変更することによって、圧力の強さすな
わちインク滴吐出速度をほぼ一定にしたまま、圧力発生
室に発生するインクの圧力波の波長、すなわちノズルか
ら吐出されるインク滴の大きさをほぼ段階的に変えるこ
とができる。また第一の電圧波形の立ち上がり開始時間
から第二の電圧波形の立ち上がり開始時間までの位相差
が基本固有振動モードの固有周期の１／２倍であること
により、基本固有振動モードの励起が抑制され、かつ選
択された固有振動モードによる残留振動が抑制される。

【００２０】請求項５記載の発明は、請求項４記載のも
のにおいて、前記第一の電圧波形及び前記第二の電圧波
形において電圧を立ち上げる前に一旦電圧を立ち下げた
後に電圧を立ち上げることを特徴とするものである。

【００２１】この発明によれば、電気機械変換器の分極
が失われてしまうような高い伝播を電気機械変換器に与
えることなく、インク滴の吐出速度を向上させる。

【００２２】請求項６記載の発明は、ノズルと圧力発生
室とを有してなる１個または複数個のインク流路系統が
インクプールに連通して構成され、記録時において前記
圧力発生室に対応した位置に設けられた電気機械変換器
に駆動電圧を印加して当該電気機械変換器を変形させ
て、前記ノズルよりインク滴を吐出させるインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動方法において、前記インク流路系統
内のインクの音響的振動の固有周期に関連づけて形成さ
れた電圧波形を持つ駆動電圧を電気機械変換器に印加す
ることを特徴とするものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。

【００２４】図１はインクジェット記録ヘッドの斜視図
である。図１において符号１１は電気機械変換器を構成
する圧電体を示している。この圧電体１１にはインク流
路１ｂｃ、１ｄｅ、…とダミー流路２ａｂ、２ｃｄ、…
とが形成されている。これらは両側と下側とを側壁３
ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、…で囲まれ、上側と前方
とをトッププレート４、ノズルプレート５で囲まれてい
る。インク流路１ｂｃ、１ｄｅ、…の後方にはインク供
給孔１２を介してインクプール７が連通している。前記
ノズルプレート５には各インク流路１ｂｃ、１ｄｅ、…
に連通するノズル６ｄｃ、６ｄｅ、６ｆｇ、…（６ｂ
ｃ、６ｄｅは図示せず）が設けられている。圧電体１１
よりなる側壁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、…の側面
と下面とには、個別電極８ｂｃ、８ｄｅ、…と共通電極
９ａｂ、９ｃｄ、…とが設けられ、個別電極８ｂｃ、８
ｄｅ、…はインク流路１ｂｃ、１ｄｅ、…内に形成さ
れ、パッド部１０ｂｃ、１０ｄｅ、…に電気的に接続さ
れている。共通電極９ａｂ、９ｃｄ、…はダミー流路２
ａｂ、２ｃｄ、…内に形成され、は共通パッド部（図示
せず）に電気的に接続されている。インク流路１ｂｃ、
１ｄｅ、…、ノズル６ｂｃ、６ｄｅ、…、及びインクプ
ール７の中にはインク（図示せず）が充填され、このイ
ンクと前記電極とは直接接触しない構造になっている。
側壁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、…はその幅方向
（矢印Ｐ方向）に分極処理が施されている。また、トッ
ププレート４は可撓性を有し、このトッププレート４に
はダミー流路２ａｂ、２ｃｄ、…上に位置するスリット
１３が設けられている。

【００２５】つぎに同ヘッドにおけるインク滴吐出動作
について説明する。

【００２６】図２Ａ〜Ｄは、図１に示すヘッドのＡ−
Ａ’断面図である。図２Ａ〜Ｄを参照して、まず、複数
のインク流路１ｂｃ、１ｄｅ、…のうちのある特定のイ
ンク流路１ｂｃを駆動して、それに連通するノズル６ｂ
ｃ（図示せず）からインク滴を吐出させる場合について
説明する。インク流路を駆動するとは、インク流路を構
成する両側の圧電体１１よりなる側壁３ｂ、３ｃ、を駆
動することである。図２Ｂに示すように、インク流路１
ｂｃを囲む圧電体１１の側壁３ｂ、３ｃにそれぞれ電極
から電圧を印加して矢印Ｅ方向に電界を発生させると、
インク流路の分極方向（矢印Ｐ方向）と電界方向（矢印
Ｅ方向）とが同一のために、側壁３ｂ、３ｃは電界方向
に伸長動作を惹起する。この場合、電界方向と垂直方向
には縮む。その結果、インク流路１ｂｃの容積は急激に
減少して圧力波が発生し、ノズル６ｂｃに伝播されてノ
ズル６ｂｃ部分のインクが吐出される。

【００２７】図２Ｃに示すように、側壁３ｂ、３ｃにそ
れぞれの電極から電圧を印加して矢印Ｅ方向に電界を発
生させると分極方向（矢印Ｐ方向）と電界方向（矢印Ｅ
方向）とが逆方向のために、側壁３ｂ、３ｃは電界方向
には縮み、電界方向と垂直方向には伸長する。その結
果、インク流路１ｂｃの容積が増加して圧力が低下する
ために、ノズル６ｂｃから吐出されたインク柱はここで
切断されてインク滴となって飛翔する。また、図２Ａの
状態から直接図２Ｃの状態にさせてノズル６ｂｃにある
インクのメニスカスを一旦後退させてから、図２Ｂに示
す状態に移ってインク滴を吐出させてもよい。さらに図
２Ｃの行程を省略しても、ノズル６ｂｃのインク柱のイ
ンクは慣性力によってそのまま前方へ動き続けるので、
吐出されたインク柱はやがて切断されてインク滴にな
る。

【００２８】次に、側壁３ｂ、３ｃ、の印加電圧即ち電
界を０にすると図２Ｄに示すように側壁３ｂ、３ｃは元
に戻るが、インク流路１ｂｃ内のインクは吐出されたイ
ンク滴の量の分だけ失われ、インクの圧力は低下する。
インクの圧力が低下することによりノズル６ｂｃ内のイ
ンクメニスカスの表面張力による圧力、即ち毛細管現象
によって、インクプール７からインクが供給される。

【００２９】この実施形態では、圧電体１１の個別電極
８ｂｃ、８ｄｅに電圧を印加して圧力波を発生させると
き、この圧力波の波長の長さを印加電圧の波形を変化さ
せることによって制御し、吐出されるインク滴の径を決
定する。

【００３０】インク流路１はインクを媒質とした１本の
音響管と見なすことができるので、インク流路１内のイ
ンクの音響的な振動（縦波）の固有振動モードの数は、
波長の長い基本モードから無限に存在する。

【００３１】一般的なインクジェット記録ヘッドでは、
ノズル６に伝播される圧力波の波長はそのインクの固有
振動モードによって決定され、それが吐出されるインク
滴の体積を決定する。その圧力波の固有振動モードの周
期は、基本モードの周期（第一固有周期）を１とすれ
ば、第二固有周期、第三固有周期、…、と次数が上がる
につれてその整数分の１、すなわち１／２、１／３、
…、と短くなる。従って、インク流路１内のインクを任
意の固有振動モードで励起すれば、その固有周期による
波長を持った圧力波が発生し、所定の体積を有するイン
ク滴が吐出される。基本モードによるインク滴の体積を
１とすれば、三次モードによるインク滴の体積は１／
３、すなわち径に換算すると約３０％小さくなる。但
し、インク流路１の実際の形状は、ノズル及びインク流
路の断面形状が変化するのが一般的であるので、各振動
モードの固有周期は、基本モードの周期の整数分の１の
正確な値になるとは限らない。

【００３２】特定の固有振動モードを励起させるには、
インクにかかるインパルスの維持時間を当該振動モード
の固有周期の少なくとも１／２以下に設定すればよい。
インパルスの大きさは圧電体１１のインクと接する側壁
３ｂ、３ｃの変形速度に比例する。すなわちインクにか
かるインパルスの変化は、図３ａに示す電圧波形２１を
微分したものに相似的に等しく、図３ｂに示すようにイ
ンパルスの大きさは電圧波形の立ち上がり２２及び立ち
下がり２３の勾配、すなわち変形速度に比例し、そのイ
ンパルスの維持時間は電圧の基底値からピーク値までの
立ち上がり時間２６及び電圧のピーク値から基底値まで
の立ち下がり時間２７に等しい。立ち上がり２２時のイ
ンパルス２４は正、立ち下がり２３時のインパルス２５
は負である。そしてその２つのインパルス２４、２５の
位相差は、その立ち上がり２２開始時刻と立ち下がり２
３開始時刻の時間差、即ちパルス幅Ｔｗに相当する。

【００３３】この実施形態では、図４に示す駆動回路を
用いて印加電圧の波形を変化させて、圧力波の波長の長
さを制御し、吐出されるインク滴の径を決定する。図４
はインク流路を構成する両側の圧電体１１よりなる側壁
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、…、を駆動する駆動回
路図である。尚、本図では側壁３ｂ、３ｃ、のみを図示
しており、他の側壁の図示は省略する。

【００３４】側壁３ｂ、３ｃにはオン・オフ回路１０１
が接続される。このオン・オフ回路１０１はオン時にの
みグランドに側壁３ｂ、３ｃを接続する。また、側壁３
ｂ、３ｃには制御線Ｄを介して駆動回路１０３が接続さ
れる。この駆動回路１０３は第一トランジスタ群１０
５、第二トランジスタ群１０７、および波形成形回路１
０９を備え、この波形成形回路１０９は放電回路１０９
ａと充電回路１０９ｂとを備える。１１１は制御回路で
あり、所定のタイミングで放電回路１０９ａと充電回路
１０９ｂとにパルス出力指令を出力する。

【００３５】前記制御回路１１１を介して記録ドットデ
ータがオン・オフ回路１０１にラッチされると、図５に
示すように、所定時間幅を持った立ち下がり指令パルス
ａが、図４に示すように、放電回路１０９ａから制御線
Ａを介して第二トランジスタ群１０７に送られ、この第
二トランジスタ群１０７および制御線Ｄを介して側壁３
ｂ、３ｃから電圧−Ｖｌの端子に通電される。

【００３６】この場合、側壁３ｂ、３ｃにかかる電圧波
形は、図５に示すように、パルスａの幅の立ち下がり時
間で−Ｖｌレベルにまで下がる。

【００３７】次に、所定時間をおいて充電回路１０９ｂ
から立ち上がり指令パルスｂが、図４に示すように、制
御線Ｂを介して第一トランジスタ群１０５に送られる
と、制御線Ｄの電圧は＋Ｖｈにまで昇圧され、この場
合、側壁３ｂ、３ｃにかかる電圧波形は、図５に示すよ
うに、パルスｂの幅の立ち上がり時間で＋Ｖｈレベルに
まで上がり、側壁３ｂ、３ｃを内側に変形させて（例え
ば図２Ｂ参照）、インク流路内のインクにインパルスを
与える。

【００３８】更に、所定時間をおいた後、制御線Ａを介
して、再び放電回路１０９ａから第二トランジスタ群１
０７に立ち下がり指令パルスｃが送られると、図５に示
すように、駆動電圧は＋零Ｖに戻される。

【００３９】この実施形態では、放電回路１０９ａ、お
よび充電回路１０９ｂを介して所定のタイミングで立ち
上がり指令パルスｂ、立ち下がり指令パルスａ、ｃが出
力されるので、任意の立ち下がり／立ち上がりタイミン
グを持った駆動パルス波形が形成される。例えば、図３
に示す台形波を形成する場合には、図４における電圧−
Ｖｌが零Ｖに設定されることになる。

【００４０】第一実施形態 固有周期がＴｏの基本固有振動モードを励起する場合に
は、図６に示すように、電圧の基底値からピーク値まで
の立ち上がり時間（以下、単に立ち上がり時間とい
う。）、および電圧のピーク値から基底値までの立ち下
がり時間（以下、単に立ち下がり時間という。）がとも
にＴｏ／２である駆動電圧を印加することにより、固有
周期Ｔｏを持つ圧力波が電圧波形に対して効率よく励起
される。

【００４１】インクにかかるインパルスはその波形の立
ち上がり勾配の大きさに比例する。この立ち上がり勾配
が一定の場合にはインパルス維持時間（立ち上がり時
間）に対するインクの圧力応答はその固有周期の半周期
でピークになる。言い換えれば、立ち上がり時間がその
固有周期の半周期以上になると、インクの圧力応答はピ
ークになる。従って、立ち上がり時間、立ち下がり時間
がともにＴｏ／２以上になったとしても、前記ピーク以
上にインクの圧力は大きくならない。

【００４２】一方、前述のように周期Ｔｏを持つ圧力波
が効率よく励起されたとしても、電圧波形のパルス幅Ｔ
ｗの大きさによっては、図７に示すように、インク流路
内のインクの圧力の過渡応答線図にてインク滴を吐出さ
せる圧力の第一波４０の発生の後、印字品質の劣化の原
因となるサテライト（主インク滴に追従して飛翔する余
分な微小インク滴）の発生の原因となる第二波以降の残
留振動４１が生ずる。良好な印字品質を確保するには、
その残留振動４１を抑制する必要がある。

【００４３】その残留振動４１を抑制するために、第一
実施形態では上記パルス幅Ｔｗが基本固有周期Ｔｏの整
数倍（図６では３倍である。）である台形波状の波形を
設定することによって、その残留振動４１を抑制する。

【００４４】詳細に説明すると、前述したようにインク
にかかるインパルスの大きさは圧電体１１のインクと接
する側壁３ｂ、３ｃの変形速度に比例するので、その変
形速度は電圧波形の立ち上がり及び立ち下がりに相当す
る。すると電圧波形の立ち上がりに相当するところで正
のインパルスがインクに与えられ、立ち下がりに相当す
るところで負のインパルスがインクに与えられる。

【００４５】図６に示すような台形波状の波形を設定す
れば、まず正のインパルスがインクに与えられることに
より周期を持った圧力波が発生し、次の正の圧力波が発
生した時点で負のインパルスが与えられるために、互い
の圧力波は打ち消されて０になり残留振動４１は抑制さ
れる。

【００４６】第二実施形態 小さなインク滴を形成するためには、基本固有振動モー
ド（一次モード）よりも高い固有振動モード、例えば二
次モード、三次モードを励起させればよい。前述のよう
に基本固有振動モードにおける基本固有周期Ｔｏ、或い
は数次モードにおける固有周期Ｔｎを元にした電圧波形
を設定すれば、所望の大きさのインク滴の吐出を可能に
する。しかし、この方法では、基本固有振動モードが必
ず同時に励起されるので、所望のインク滴径を得ること
は困難である。また基本固有振動モードが残留振動とな
って残るので記録品質に悪影響を及ぼす。

【００４７】それらの問題を解決して特定の固有振動モ
ードのみを励起させるための方法として、第二実施形態
では、発生した基本固有振動モードを発生直後に打ち消
すような第二の電圧波形を印加することで達成される。

【００４８】すなわち、図８に示すように、励起させる
特定の固有振動モードの半周期Ｔｎ／２の時間を立ち上
がり時間及び立ち下がり時間とする三角波状の第一の電
圧波形５１を印加した後、基本固有振動モードにおける
基本固有周期Ｔｏの半分Ｔｏ／２の位相だけずらした第
一の電圧波形５１と同じ形状を持つ第二の電圧波形５２
を続けて印加することにより、基本固有振動モードの励
起を抑制し、かつ励起させる固有振動モードによる残留
振動を抑制させることができる。

【００４９】立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、前
記実施形態と同様に、励起させる特定の固有振動モード
の半周期Ｔｎ／２であればよい。図９に、基本固有振動
モード（一次モード）による圧力応答６１ａから、五次
モードによる圧力の過渡応答６１ｅまでのシミュレーシ
ョン計算結果を示している。但し、一次モードの応答線
６１ａは図３に示す電圧波形による結果である。

【００５０】この第二実施形態によれば、図９に示すよ
うに、電圧波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間Ｔ
ｎ／２のみを変更することによって、圧力の強さすなわ
ちインク滴吐出速度をほぼ一定でかつ残留振動を抑制さ
せながら、圧力波の波長すなわちインク滴量を変更させ
ることができる。

【００５１】これらのシミュレーション計算結果による
インク滴の体積の変化は一次モードの場合を１００％と
すれば、二次から五次までそれぞれ、約７２％、５０
％、３７％、３０％であった。

【００５２】第三実施形態 第三実施形態として、図１０の電圧波形について説明す
る。図１０に示す電圧波形は図８の電圧波形が２つの三
角波５１，５２であるのに対して２つの台形波となって
いる。当該台形波を使用した第三実施形態によれば、図
１０に７１ａ〜７１ｄ、７２ａ〜７２ｄで示すように、
電圧波形の立ち上がり開始時間と立ち下がり開始時間と
の差に相当する電圧維持時間（＝パルス幅Ｔｗ）が所定
の時間に設定されており、この２つのパルス幅Ｔｗのみ
を任意的に変更することによって吐出されるインク滴量
を細かく変更することができる。

【００５３】圧力の過渡応答のシュミレーション計算に
よる圧力応答結果を図１１の８１ａ〜８１ｄに示す。こ
のときの電圧波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間
Ｔｎ／２は、目標となる最小の滴径を吐出しうる高次の
振動モードを選択（図１１の実施形態では五次モードを
選択）し、その振動モードの固有周期をＴｎとして電圧
波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間Ｔｎ／２を設
定する。そして２つの電圧波形７１ａ〜７１ｄ、７２ａ
〜７１ｄの位相差を前述と同様、基本固有振動モードの
固有周期Ｔｏとする。これらの電圧波形を使ったシミュ
レーション計算の結果、インク滴吐出速度はほぼ一定で
かつ残留振動を抑制しながら、インク滴量を変化させる
ことができた。

【００５４】図１１に示すインク圧力応答計算の結果８
１ａ〜８１ｄによると、最大パルス幅をＴｗ（図１０の
７１ｄ、７２ｄｃ）とし、そのパルス幅ＴｗをＴｗの７
５％（図１０の７１ｃ、７２ｃ）、５０％（図１０の７
１ｂ、７２ｂ）、両電圧波形が三角波７１ａ、７２ａと
なる２５％、と４段階に変化させると、インク滴の体積
の変化は最大パルス幅の時のインク滴量（最大インク適
量）に対してそれぞれ７８％、５２％、２６％であっ
た。これは基本振動モードによって吐出されるインク滴
径が３０μｍの場合、吐出可能な最小インク滴径は約１
４μｍとなる。このようにして２つの電圧波形７１，７
２のパルス幅Ｔｗを変えることにより１４μｍから３０
μｍの範囲内できめ細かなインク滴径の設定が可能にな
る。

【００５５】第四実施形態 次に第四実施形態について説明する。図１２に示す電圧
波形は、先ず最初に負のパルス電圧波形を印加して、イ
ンク流路の容積を増加させた後に、正のパルス電圧波形
を印加してインク流路の容積を減少させてインク滴を吐
出させるものである。この方式の目的は圧電体１１の分
極が失われてしまうような高い伝播を圧電体１１に与え
ることなく、インク滴の吐出速度を向上させることであ
る。

【００５６】その目的を実現するためには、先ず所定の
立ち下がり時間Ｔｎ／２で圧電体１１が分極逆転開始す
る電界より小さい電界になるような逆電圧Ｖ２ を印加
して負の圧力波を発生させた後、立ち上がり時間Ｔｎ／
２で所定の電圧Ｖ１ まで上げる。そして前述の図１１
と同様に所定のパルス幅Ｔｗ、立ち下がり時間Ｔｎ／２
の第一の電圧波形９１ａ〜９１ｄを印加した後、位相Ｔ
ｏ／２で第一の電圧波形と同じ形状の第二の電圧波形９
２ａ〜９２ｄを印加する。この電圧波形を印加したとき
の圧力応答９４ａ〜９４ｄを図１３に示す。同図におい
てインク滴量の変化は、最大径を１００％（図１２の圧
力波形９１ｄ）としてそれぞれ７５％（図１２の圧力波
形９１ｂ）、５１％（図１２の圧力波形９１ｂ）、２７
％（図１２の９１ａ）であり、インク滴量の変化はほぼ
正確に制御された。

【００５７】以上、幾つかの実施形態に基づいて本発明
を説明したが、本発明はこれらに限定されるものでない
ことは明らかである。例えば、図１４に示すように負の
電圧Ｖ２ 側のパルス幅Ｔｗを正の電圧Ｖ１ 側のパル
ス幅Ｔｗと連動して変化させてもインク滴の吐出時に前
述と同様な結果を得ることができる。

【００５８】本発明の電圧波形の実施形態は説明に用い
た図１に示すインクジェット記録ヘッドに限定されず、
例えば図１５，図１８に示すような他の構造を持ったイ
ンクジェット記録ヘッドにも適用が可能である。従って
上記実施形態の説明は本発明の範囲を限定するものでな
いことは明らかである。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
インク滴吐出速度を変えることなく、また圧電素子の寸
法に制限を受けることなく、インク滴径を任意に変化さ
せることができるので、高画質な画像を記録することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態
を示す斜視図である。

【図２】Ａ〜Ｄは夫々図１のＡ−Ａ’断面図である。

【図３】ａは圧電体に印加する電圧波形の代表的な例を
示す図であり、ｂはａの電圧波形によるインクジェット
記録ヘッド内のインクへのインパルス過程を示す図であ
る。

【図４】圧電体の駆動回路図である。

【図５】駆動電圧波形図である。

【図６】最適化された基本的な電圧波形を示す図であ
る。

【図７】最適化されていない電圧波形を印加したときの
インクの圧力応答の例を示す図である。

【図８】本発明のインクジェット記録ヘッドに印加する
電圧波形の実施形態を示す図である。

【図９】図８に示す電圧波形によるインクジェット記録
ヘッドのインク流路内のインク圧力の過渡応答を示す図
である。

【図１０】本発明のインクジェット記録ヘッドに印加す
る電圧波形の別の実施形態を示す図である。

【図１１】図９に示す電圧波形によるインクジェット記
録ヘッドのインク流路内のインク圧力の過渡応答を示す
図である。

【図１２】本発明のインクジェット記録ヘッドに印加す
る電圧波形の別の実施形態を示す図である。

【図１３】図１２に示す電圧波形によるインクジェット
記録ヘッドのインク流路内のインク圧力の過渡応答を示
す図である。

【図１４】本発明のインクジェット記録ヘッドに印加す
る電圧波形の別の実施形態を示す図である。

【図１５】従来のインクジェット記録ヘッドを示す断面
図である。

【図１６】図１５のインクジェット記録ヘッドによるイ
ンク滴径制御時の圧力応答を示す図である。

【図１７】ａはドット径不変の場合の中間調表現を示す
ドットパターンを示す図、ｂはドット径可変の場合の中
間調表現を示すドットパターンを示す図である。

【図１８】ａは従来のインクジェット記録ヘッドの別な
例を示す上面断面図、ｂはａのインクジェット記録ヘッ
ドのインク流路内に発生する圧力波の固有振動モードの
第三次モードを示す図である。

【符号の説明】

１ｂｃ、１ｄｅ インク流路 ２ａｂ、２ｃｄ ダミー流路 ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 側壁 ６ｆｇ、６ｈｉ、６ｊｋ ノズル ７ インクプール ８ｂｃ、８ｄｅ 個別電極 ９ａｂ、９ｃｄ 共通電極 １０ｂｃ、１０ｄｅ パッド部 １１ 圧電体（電気機械変換器） ５１、７１、９１ 第一の電圧波形 ５２、７２、９２ 第二の電圧波形 ６１、８１、９４ インク流路内のインクの圧力の過渡
応答 １０３ 駆動回路 １０９ 波形成形回路 １０９ａ 放電回路 １０９ｂ 充電回路 １１１ 制御回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルと圧力発生室とを有してなる１個
   または複数個のインク流路系統がインクプールに連通し
   て構成され、記録時において前記圧力発生室に対応した
   位置に設けられた電気機械変換器に駆動電圧を印加して
   当該電気機械変換器を変形させて、前記ノズルよりイン
   ク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドの駆動装置
   において、 前記駆動電圧の電圧波形を前記インク流路系統内のイン
   クの音響的振動の固有周期に関連づけて形成する駆動回
   路を備えたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド
   の駆動装置。
2. 【請求項２】 前記駆動回路は、 前記電圧波形における基底値からピーク値までの立ち上
   がり時間並びにピーク値から基底値までの立ち下がり時
   間が前記インク流路系統内のインクの音響的振動におけ
   る基本固有振動モードの固有周期の略１／２であって、
   かつ前記立ち上がり開始時間から前記立ち下がり開始時
   間までの位相差が前記固有周期の１を含む整数倍の電圧
   波形を形成することを特徴とする請求項１記載のインク
   ジェット記録ヘッドの駆動装置。
3. 【請求項３】 前記インク流路系統内のインクの音響的
   振動の基本固有振動モードより高次の固有振動モードを
   選択し、 前記駆動回路は、 前記電圧波形における基底値からピーク値までの立ち上
   がり時間並びにピーク値から基底値までの立ち下がり時
   間が前記選択された固有振動モードの固有周期の略１／
   ２である三角波状の第一の電圧波形と、当該第一の電圧
   波形と同一形状を有する第二の電圧波形とを備え、前記
   第一の電圧波形における前記立ち上がり開始時間から前
   記第二の電圧波形における前記立ち上がり開始時間まで
   の位相差が前記基本固有振動モードの固有周期の１／２
   倍である電圧波形を形成することを特徴とする請求項１
   記載のインクジェット記録ヘッドの駆動装置。
4. 【請求項４】 前記インク流路系統内のインクの音響的
   振動の基本固有振動モードより高次の固有振動モードを
   選択し、 前記駆動回路は、 前記電圧波形における基底値からピーク値までの立ち上
   がり時間並びにピーク値から基底値までの立ち下がり時
   間が前記選択された固有振動モードの固有周期の略１／
   ２であって、かつ当該電圧波形における前記立ち上がり
   開始時間と前記立ち下がり開始時間との差に相当する電
   圧維持時間が所定の時間を持った第一の電圧波形と、当
   該第一の電圧波形と同一形状を有する第二の電圧波形と
   を備え、前記第一の電圧波形における前記立ち上がり開
   始時間から前記第二の電圧波形における前記立ち上がり
   開始時間までの位相差が前記基本固有振動モードの固有
   周期の１／２倍である電圧波形を形成することを特徴と
   する請求項１記載のインクジェット記録ヘッドの駆動装
   置。
5. 【請求項５】 前記第一の電圧波形及び前記第二の電圧
   波形において電圧を立ち上げる前に一旦電圧を立ち下げ
   た後に電圧を立ち上げることを特徴とする請求項４記載
   のインクジェット記録ヘッドの駆動装置。
6. 【請求項６】 ノズルと圧力発生室とを有してなる１個
   または複数個のインク流路系統がインクプールに連通し
   て構成され、記録時において前記圧力発生室に対応した
   位置に設けられた電気機械変換器に駆動電圧を印加して
   当該電気機械変換器を変形させて、前記ノズルよりイン
   ク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドの駆動方法
   において、 前記インク流路系統内のインクの音響的振動の固有周期
   に関連づけて形成された電圧波形を持つ駆動電圧を電気
   機械変換器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。