JP2695204B2 - 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

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

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JP2695204B2 JP63270899A JP27089988A JP2695204B2 JP 2695204 B2 JP2695204 B2 JP 2695204B2 JP 63270899 A JP63270899 A JP 63270899A JP 27089988 A JP27089988 A JP 27089988A JP 2695204 B2 JP2695204 B2 JP 2695204B2
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

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する
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１内の第11図に示すＰ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１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
りインクが液滴として吐出される。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がレンコ
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
ていく様子を第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Ｉ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滴量が調節
される。これにより画素濃度が変化し、画像の階調表現
がなされる。さらに、第12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
ばす。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t1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、画像の品位を劣化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61−266255になされている。
しかし、上述した波形では時刻t1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
ッ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ットを記録
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、小ドッ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、時間t1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が少なく、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
ト装置を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ その為に、本発明は、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、該イ
ンク路内のインクに圧力波を与える電気機械変換素子と
を有するインクジェットヘッドと、前記電気機械変換素
子に駆動パルスを印加して前記吐出口からインクを吐出
して印字を行う駆動手段と、を具備し、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、前記駆動パルスは、前記インク路内
のインクに圧縮波を与えて前記吐出口からインクを吐出
させるためのメインパルスと、該メインパルスの印加後
に前記インク路内のインクに圧縮波を与えるパルスであ
って、前記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、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からなることを
特徴とする。
また、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、該イン
ク路内のインクに圧力波を与える電気機械変換素子とを
有するインクジェットヘッドの駆動方法において、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、前記インク路内のインク
に圧縮波を与えて前記吐出口からインクを吐出させるた
めのメインパルスと、該メインパルスの印加後に前記イ
ンク路内のインクに圧縮波を与えるパルスであって、前
記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、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からなる駆動パルスによ
り前記電気機械変換素子を駆動して前記吐出口からイン
クを吐出させ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
通するインク路と、該インク路内のインクに圧力波を与
える電気機械変換素子とを有するインクジェットヘッド
と、前記電気機械変換素子に駆動パルスを印加して前記
吐出口からインクを吐出して印字を行う駆動手段と、を
具備し、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l1、イン
ク中の圧力波の伝播速度をｃとするとき、前記駆動パル
スは、前記インク路内のインクに圧縮波を与えて前記吐
出口からインクを吐出させるためのパルスであって、そ
の立ち上がりの時点から2l1/cの時間が経過した時点で
立ち下がることを特徴とする。
さらに加えて、本発明では、インクが吐出される吐出
口に連通するインク路と、該インク路内のインクに圧力
波を与える電気機械変換素子とを有するインクジェット
ヘッドの駆動方法において、前記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
l1、インク中の圧力波の伝播速度をｃとするとき、前記
インク路内のインクに圧縮波を与えて前記吐出口からイ
ンクを吐出させるためのパルスであって、その立ち上が
りの時点から2l1/cの時間が経過した時点で立ち下がる
駆動パルスにより前記電気機械変換素子を駆動して前記
吐出口からインクを吐出させ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
ことができる。
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。
［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき本発明を詳細に説明
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。t1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ｌ、インク
中の圧力波の伝播速度をｃとしたとき、t1＝2l/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＝2t1となる。
時刻０のメインパルスの立ち上がりで発生した圧縮波
は２方向に伝播して行き、第13図に示すように、時刻t1
に、圧力発生点Ｐで膨張波となって重なる。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t1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、時刻t2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。
一般に圧力波は、伝播していくうちにインクの粘性、
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って発生
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
圧力に比べ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がりがゆるやかなため、
サブパルスの立ち上がり電圧ｂ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t1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
が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
にすればよい。
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ッ
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との距離l1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2l1/
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2l1/C後にＰ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t1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t2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、記録のさらなる
小ドッ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t1′でＰ点に圧縮波の正
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、上記電気機械変
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
１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Ｉ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録を行うイン
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ドの模式的
上断面図を第９図（Ａ）に、第９図（Ａ）のＡ−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
連通するインク路であり、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ドを具備する
インクジェット装置の模式的斜視図である。第10図にお
いて、1000は装置本体、1100は電源スイッチ、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、本発明はこれ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
2l1/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、一層優れた効果を得ることができる。
［実験例］ 「SID 87 DIGEST」のp.186〜188の「Pressure−Wave
Generation in Impulse Ink−Jet Head Using Elongate
d Fluid−Filled Piezoelectric Transducer」（Franci
s C.Lee）のFigure 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＝1500m/s であった。
ｌ＝40mm,l1＝7.5mm,吐出口径＝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
の吐出特性を測定したところ、 第１図のt1＝2l/c＝53μｓ 第１図のt2＝4l/c＝106μｓ 第１図の最大電圧値（ａ）＝110V 第１図の電圧値（ｂ）＝55V 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＝110V 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 10重量％ ＋染料，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、 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
ット装置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（Ａ）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図、 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図、 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。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、該インク路内の
    インクに圧力波を与える電気機械変換素子とを有するイ
    ンクジェットヘッドと、 前記電気機械変換素子に駆動パルスを印加して前記吐出
    口からインクを吐出して印字を行う駆動手段と、を具備
    し、 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、前記駆動パルスは、
    前記インク路内のインクに圧縮波を与えて前記吐出口か
    らインクを吐出させるためのメインパルスと、該メイン
    パルスの印加後に前記インク路内のインクに圧縮波を与
    えるパルスであって、前記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、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
    からなることを特徴とするインクジェット装置。
  2. 【請求項２】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、該インク路内の
    インクに圧力波を与える電気機械変換素子とを有するイ
    ンクジェットヘッドの駆動方法において、 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、前記インク路内のイ
    ンクに圧縮波を与えて前記吐出口からインクを吐出させ
    るためのメインパルスと、該メインパルスの印加後に前
    記インク路内のインクに圧縮波を与えるパルスであっ
    て、前記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、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からなる駆動パル
    スにより前記電気機械変換素子を駆動して前記吐出口か
    らインクを吐出させ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. 【請求項３】インクが吐出される吐出口に連通するイン
    ク路と、該インク路内のインクに圧力波を与える電気機
    械変換素子とを有するインクジェットヘッドと、 前記電気機械変換素子に駆動パルスを印加して前記吐出
    口からインクを吐出して印字を行う駆動手段と、を具備
    し、 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l1、インク中の圧
    力波の伝播速度をｃとするとき、前記駆動パルスは、前
    記インク路内のインクに圧縮波を与えて前記吐出口から
    インクを吐出させるためのパルスであって、その立ち上
    がりの時点から2l1/cの時間が経過した時点で立ち下が
    ることを特徴とするインクジェット装置。
  4. 【請求項４】インクが吐出される吐出口に連通するイン
    ク路と、該インク路内のインクに圧力波を与える電気機
    械変換素子とを有するインクジェットヘッドの駆動方法
    において、 前記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l1、インク中の圧力波の伝播
    速度をｃとするとき、 前記インク路内のインクに圧縮波を与えて前記吐出口か
    らインクを吐出させるためのパルスであって、その立ち
    上がりの時点から2l1/cの時間が経過した時点で立ち下
    がる駆動パルスにより前記電気機械変換素子を駆動して
    前記吐出口からインクを吐出させることを特徴とするイ
    ンクジェットヘッドの駆動方法。
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