WO2000026032A1 - Mise en oeuvre d'une tete d'impression a jet d'encre - Google Patents

Description

明細書 イ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方法 本発明は、 イ ンク ジェ ッ ト記録装置に関 し、 特に、 ノ ズルから微小 なイ ンク滴を吐出 して文字や画像の記録を行うイ ンク ジェ ッ ト記録へ ッ ドの駆動方法及び装置に関する。 従来技術

圧電ァクチユエータ等の電気機械変換器を用いて、 イ ンク が充填さ れた圧力発生室内に圧力波 （音響波） を発生させ、 その圧力波によつ て圧力発生室に連結されたノ ズルからィ ンク滴を吐出する ドロ ップォ ンデマン ド型イ ンク ジェ ッ トが、 一般によ く 知られている。 この種の イ ンク ジュ ッ ト記録方法と して、 例えば特公昭 5 3 — 1 2 1 3 8 号公 報等の記載が参照される。 こ の種のイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの構成 の一例を図 3 に示す。

図 3 を参照する と、 圧力発生室 6 1 には、 イ ンク を吐出するための ノ ズル 6 2 と 、 共通イ ンク室 6 3 を介してイ ンク タ ンク （図示せず） からイ ンクを導く ためのイ ンク供給路 6 4 が連結されている。 また、 圧力発生室 6 1 の底面には振動板 6 5 が設けられている。 イ ンク滴吐 出時には、 圧力発生室 6 1 外部に設けられた圧電ァクチユエータ 6 6 によ って、 こ の振動板 6 5 を変位させ、 圧力発生室 6 1 に体積変化を 生じさせる こ と によ り 、 圧力発生室 6 1 内に圧力波を発生させる。

この圧力波によ って、 圧力発生室 6 1 内に充填されていたイ ンク の —部がノ ズル 6 2 を通って外部に噴射され、 イ ンク滴 6 7 となって飛 翔する。 飛翔したイ ンク滴 6 7 は記録紙等の記録媒体上に着弾し、 記 録 ドッ トを形成する。 こ う した記録 ドッ トの形成を画像データに基づ いて繰り返 し行う こ とによ って、記録紙上に文字や画像が記録される。 なお、 圧電ァクチユエータ 6 6 に印加する駆動波形の最も単純な例 と しては、 図 8 ( a ) に示すよ う な駆動波形が用いられている。 すな わち、 電圧変化プロセス 3 1 (立ち上が り過程） において圧電ァクチ ユエ一タ 6 6 への印加電圧を増加 し、 圧力発生室 6 1 の体積を急激に 減少させるこ とによってイ ンク滴の吐出を行い、 その後、 電圧変化プ ロセス 3 2 (立ち下が り過程） において、 電圧を基準電圧 （この例で は 0 V ) まで戻す。 なお、 駆動電圧と圧電ァクチユエータの動作と の 関係は、 ァクチユ エ一タの構造や分極方向によ って異なるが、 本明細 書においては、 駆動電圧を増加させる と、 圧力発生室の体積が減少 し、 逆に、 驟動電圧を減少させる と圧力発生室の体積が増加する ものとす る。

と こ ろで、 この種のイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドで高品質な画像記録 を実行しよ う と した場合、 滑らかな中間調を再現するための階調記録 を行う こ とが不可欠と なる。

階調記録を実行する方法と しては、 （ a ) イ ンク滴径を固定して複 数の滴で一つの画素 （ピクセル） を形成する方法 （疑似階調） 、 及び ( b ) イ ンク滴径を多段階に変化させる こ と によ り ドッ ト毎に濃度を 変化させる方法、 の二つに大別される。 この う ち、 高画質記録と高速 記録を両立させるには、 一般的に （ b ) の方法が適 している。 すなわ ち、 （ a ) の方法で高画質を得よ う と した場合、 記録解像度を非常に 高く 設定する必要があ り 、 そのため記録に必要となる ドッ ト数が大幅 に増加 し、 記録速度が低下 して しま う。 一方、 （ b ) の方法では、 ド ッ ト毎に濃度を変化でき るため、 比較的低い記録解像度で高画品質が 得られる。 そのため、 必要な ドッ ト数が少なく て済み、 高速記録が可 能と なる。

例えば、 解像度 4 0 0 d p i ( ドッ トノイ ンチ） 、 階調数 1 0 (画 素濃度を 1 0段階に変調） の記録を実行しょ う と した場合、 （ a ) の 方法では 3 X 3 = 9 ドッ トで 1 画素を形成する必要があるため、 実際 に必要な記録解像度は 4 0 0 X 3 = 1 2 0 0 d p i とな り 、 記録に必 要な ドッ ト数は 1 平方イ ンチ当た り 1 . 4 4 X 1 0 6個となる。 一方、

( b ) の方法では、 滴径を 1 0段階に変調できれば、 必要な記録解像 度は 4 0 0 d p i のまま とな り 、 必要な ドッ ト数は 1 平方イ ンチ当た り 0 . 1 6 X 1 0 6個となる。 すなわち、 （ b ) の方法では必要な ド ッ ト数が約 1 1 0 と な り 、 イ ンク滴の吐出周波数を同一と した場合 には、 約 1 0倍の記録速度を得る こ とが可能となる （ただし現実には、

( a ) の方法の方が吐出周波数を多少高く 設定でき るため、 実際に得 られる速度比は 2 〜 5倍程度と なる） 。 また、 記録 ドッ ト数が少なく て済むとい う こ と は、 画像信号のデータ量が少なく て済むとい う こ と であ り 、 記録前に実行される画像処理プロセスにおいても大幅な時間 短縮が可能となる。

上記のよ う に、 高速記録と高画質記録を両立させる上で、 滴径変調 は非常に有力な手段となる。 そのため、 イ ンク ジェ ッ ト記録ヘッ ドで 滴径変調を実現する方法について、 従来よ り 、 様々 な方法が提案され ている。 滴径変調を実行する最も簡単な方法と しては、 圧電ァクチユエータ に印加する電圧 （図 8 ( a ) における電圧振幅 V I ) を変化させる方 法が知られている。 すなわち、 吐出時における圧力発生室の体積変化 量を増減する こ と によ り 、 吐出するイ ンク滴の体積を変化させる こ と が可能となる。 しかしながら、 こ う した滴径変調方式を用いた場合、 滴径と同時に滴の飛翔速度 （滴速） が大き く 変化して しま う ため、 滴 の着弾位置に大きな誤差が生じ、 結果的に出力画像の品質を著しく 低 下させて しま う とい う問題があった。

また、 こ う した滴径変調方式では、 ノ ズル開口 よ り も小さな径のィ ンク滴を吐出するこ とが困難であるため、 滴径の変調範囲を十分大き く 取れないとい う問題もあった。

上記の問題を解決する方法と して、 吐出直前のメ ニスカ ス形状を変 化させる こ と によって滴径変調を実行する方法が開示されている。 例 えば特開平 2 — 6 1 3 7 号公報には、 記録時に、 圧電素子の印加パル ス電圧と して、 まず一定時間負の第一電圧に保ちつづいて急激に立ち 上げて正の第二電圧に一定時間保った後緩やかにゼロ電圧にまで下げ る駆動方法が従来技術と して説明されている。 すなわち、 図 8 ( b ) に示すよ う に、 吐出を行う 第 2 の電圧変化プロセス 3 3 の直前に、 逆 方向の電圧変化を加える第 1 の電圧変化プロセス 3 4 (立ち下が り過 程） を印加し、 この第 1 の電圧変化プロセス 3 4 によってノ ズル内の メ ニスカス位置を変化させる こ とによ り 、 吐出されるイ ンク の量を変 化させる。 滴径の変調は、 第 1 の電圧変化プロセス 3 4 における電圧 変化量 （図 8 ( b ) における電圧 V 2 ) を変化させる こ と によ り 実行 される。 こ う したメ ニスカ ス制御を用いる と、 ノ ズル開口 よ り も小さ な径のイ ンク滴を吐出する こ とができ るため、 滴径変調範囲を大き く 設定でき、 さ らに、 吐出滴径によ る滴速変化を小さ く 抑える こ とが可 能となる とレ、 う利点がある。

また特開平 2 — 6 1 3 7号公報には、 吐出滴径によ る滴速変化を抑 制するための駆動方法と して、 図 9 に示すよ う な駆動波形が開示され ている。 すなわち、 吐出時における電圧変化量 （ V 1 、 V I ' 、 V I 〃 ） が常に一定になるよ う に、 駆動電圧波形を設定する こ とによ り 、 吐出滴径にかかわらず、 滴速を一定に保てる と している。

と ころで、 滴径変調によって高画質記録と高速記録を両立 しよ う と した場合、 重要となるのは滴径変調範囲 （最大滴径と最小滴径の差） の大き さである。 すなわち、 いく ら階調数 （滴径のレベル数） が多く ても、 滴径の変調範囲が狭い場合には、 高画質記録と高速記録を両立 する こ と は困難となって しま う。 例えば、 滴径変調範囲が大径域で狭 い場合 （例えば 3 0〜 4 0 μ πι) 、 階調数がいく ら多く ても、 ハイ ラ ィ ト部の粒状性が除去できないため、 高画質記録は困難となって しま う。 また、 滴径変調範囲が小径域で狭い場合 （例えば 2 0〜 3 0 /Ζ m ) には、 ハイ ライ ト部の滑らかさは確保でき る ものの、 最大滴径が小さ いため解像度を高く 設定する必要があ り （例えば 8 0 0 d p i ) 、 高 速記録を実現する こ とが困難となって しま う。

つま り 、 高画質記録と高速記録を両立するためには、 滴径変調範囲 をでき るだけ広く 設定する必要がある （例えば 2 0〜 4 0 μ πι程度の 範囲が好ま しい） 。 上述 したよ う に、 メ ニスカス制御を用いた滴径変 調は、 高画質記録と高速記録を両立する上で非常に有効な手段である。 しかしながら、 メ ニスカ ス制御によ る滴径変調は、 未だ実用化される に至っていなレ、。 その理由の一つと して、 図 9 に示 したよ う な従来の 駆動方法では、 十分に広い滴径変調範囲を得る こ とが困難であったこ とが挙げられる。 以下、 その理由を詳しく 説明する。

イ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドに使用 される圧電ァクチユエータは、 そ の構造 （電極間距離、 圧電材料の絶縁破壊性、 分極の保持性など） に よって、 印加でき る電圧範囲が制限される。 後述するよ う に、 この許 容電圧範囲が、 メ ニスカス制御を行った際の滴径変調範囲を左右する。 許容電圧範囲は、 圧電ァクチユエ一タの構造や材質によって大き く 異 なるが、 こ こ では仮に、 許容電圧範囲を 0 〜 4 0 V と して説明を続け る。

まず、 滴径変調を行わない場合について考える と、 図 1 0 ( a ) に 示 したよ う な駆動波形で吐出を行う こ とが可能である。 すなわち、 許 容電圧範囲 （ 0〜 4 0 V ) の全体を利用 し、 圧力発生室に大きな体積 変化量を与える こ と によ り 、 径の大きなイ ンク滴を吐出する こ とが可 能と なる。 なお、 イ ンク滴 （大滴） の体積は、 圧力発生室の体積変化 量とほぼ比例関係にある。

こ こで、 圧力発生室の体積変化量は、 圧電ァクチユエ一タの変位量 に比例 し、 さ らに、 圧電ァクチユエータの変位量は印加電圧にほぼ比 例する。 従って、 得られる最大滴径は、 吐出時の電圧変化量 （ V I ) によって決ま り 、 V I を可能な限り 大き く 設定するこ とが、 広い滴径 変調範囲を得る上での重要なポイ ン ト となる。

次に、従来の駆動波形によって滴径変調を行う場合について考える。 この場合、 駆動波形は、 図 1 0 ( b ) に示すよ う なものと なる。 メ ニ スカス制御によ って小滴を吐出するためには、 吐出直前に大きな 「引 き」 （圧力発生室体積を増加させるプロセス） を加える必要があり 、 その際、 印加電圧が許容電圧範囲を超えないよ う にするために、 基準 電位をオフセ ッ ト させる必要がある。 図 1 0 ( b ) に示す例では、 ォ フセ ッ ト電圧を 1 0 V と し、 「引き」 の強さ （ V 2 ) を変更する こ と によって、 大 · 中 · 小の 3種類の滴を吐出するための駆動波形を示 し ている。

このよ う にメ ニスカス制御によ る滴径変調を行う場合には、 基準電 位をオフセッ トする必要が生じるため、 大滴吐出時に圧電ァクチユエ 一タに印加でき る電圧差は減少 して しま う。

具体的には、 図 1 0 ( b ) に示す例では、 大滴吐出時の電圧差は （ 4 0 - 1 0 ) = 3 0 V とな り 、 その結果、 得られる大滴の体積は、 滴径 変調を行わない場合と比較する と、 2 5 %程度も小さ く なつて しま う。 すなわち、 限られた電圧範囲で圧電ァクチユエータを駆動 して滴径 変調を行う場合、 得られる大滴径は滴径変調を行わない場合よ り も小 さ く なつて しまい、 結果的に、 十分な滴径変調範囲を得る こ とが困難 になって しま う。

上記の問題を解決する一手段と して、 圧電ァクチユエ一タの特性を 改善し、 圧電ァクチユエ一タに印加でき る電圧範囲及び得られる変位 量範囲を拡大する こ とが考えられる。 しかし、 こ う した対策は、 現実 的には極めて困難である。 すなわち、 許容電圧範囲や変位量範囲を拡 大するためには、 圧電ァクチユエ一タの厚さや積層数を増加させる こ とが必要とな り 、 ァクチユエータ の時間応答性低下ゃコ ス ト増加など の問題を生じさせて しま う。 また、 圧電ァクチユエ一タに印加される 電圧範囲が増加する と、 圧電ァクチユエ一タ用スィ ツチング素子のサ ィズゃコ ス 卜が増加 し、 装置コ ス トゃ装置サイ ズの増加を招く といつ た問題も生じる。 そのため、 従来の駆動方法では、 十分な滴径変調範 囲を確保する こ とが困難であ り 、 メ ニスカス制御による滴径変調を実 用化する上での大きな障害と なっていた。

したがって本発明は、 上記の問題点を解決すべく なされたものであ り 、 その目的は、 狭い印加電圧範囲によっても広い範囲での滴径変調 を可能と し、 結果的に、 装置コ ス トや装置サイ ズの増加を招く こ とな く 、 高画質記録と高速記録の両立を可能とするイ ンク ジエ ツ ト記録へ ッ ドの駆動方法及び装置を提供する こ とである。 発明の開示

前記目的を達成する、 本発明のイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方 法は、 ノ ズル、 圧力発生室、 及び該圧力発生室に対応 した位置に設け られた電気機械変換器を具備 し、 記録時に前記電気機械変換器に駆動 電圧を印加し、 前記圧力発生室に体積変化を生じさせるこ と によって 前記ノ ズルからイ ンク滴を吐出させるイ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ドの駆 動方法において、 前記駆動電圧の電圧波形が、 吐出直前に前記圧力発 生室の体積を増加させる よ う に電圧を印加する第 1 の電圧変化プロセ ス と 、 次いで前記圧力発生室の体積を減少させる よ う に電圧を印加す る第 2 の電圧変化プロセス と を少なく と も有 し構成され、 かつ、 前記 第 1 の電圧変化プロセスにおける電圧変化時間を、 吐出させるイ ンク 滴の滴径に応じて変化させたこ と を特徴と したものである。 あるいは 請求項 2 乃至 1 3 のいずれか一に記載の本発明によっても、 上記目的 を達成するこ とができる。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の一実施例のイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動波形 を示す図である。

図 2 は、 本発明の第二の実施例のイ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ドの駆動 波形を示す図である 図 3 は、イ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの基本構造を示す断面図である。 図 4 は、イ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ドの等価電気回路を示す図である。 図 5 は、 駆動波形と ノ ズル部粒子速度の関係を説明するための図で ある。

図 6 は、 本発明における、 立ち下が り 時間制御による滴径変調の原 理を説明するための

図である。

図 7 は、 本発明の一実施例における、 イ ンク ジェ ッ ト記録ヘッ ドの 制御回路の構成を示

すブロ ッ ク図である。

図 8 は、 従来の駆動波形を示す図である。

図 9 は、 滴径変調を実行する場合の従来の駆動波形の一例を示す図 である。

図 1 0 は、 許容電圧範囲と滴径変調範囲の関係を説明するための図 である。 発明を実施するための最良の形態 上記した本発明の原理 ' 作用を、 集中定数回路モデルを用いたイ ン ク ジエ ツ ト記録へッ ドの理論解析結果を基に説明する。

図 4 ( a ) は、 図 3 に示したイ ンク ジェ ッ ト記録ヘッ ドを等価電気 回路に置き換えたものである。 こ こで、 mはイナ一タ ンス [ k g /m⁴] , r は音響抵抗 [ N s Zm⁵] 、 c は音響容量 [m⁵ N] 、 u は体積速 度 [m³Z s ] 、 φ は圧力 [ P a ] を表わ し、 添字の 0 は振動系、 1 は 圧力発生室系、 2 はイ ンク供給路系、 3 はノ ズル系をそれぞれ意味し ている。

圧電ァクチユエ一タに高剛性の積層型圧電ァクチユエータ を使用す る場合には、 図 4 ( a ) の回路におけるイナ一タ ンス m O及び音響容 量 c O を無視する こ とができ るため、 図 4 ( a ) の回路は、 図 4 ( b ) の回路によって近似する こ とが可能となる。 すなわち、 イ ンク供給路 系の直列接続したイナ一タ ンス m 2 と音響抵抗 r 2 と、 ノ ズル系の直 列接続したイナ一タ ンス m 3 と音響抵抗 r 3 とが、 圧力 ψ が印加され る圧力発生室系の音響容量 c 1 に並列接続した等価回路と して近似さ れる。

ノ ズルと供給路のイナ一タ ンス （m 2、 m 3 ) 及び音響抵抗 （ r 2、 r 3 ) に、

m 2 = k · m 3、

r 2 = k · r 3

の関係が成り 立つものと仮定し、 図 5 ( a ) に示すよ う に、 立ち上 が り 角度 0 をもつ駆動波形 （圧力波形 を入力 した場合について、 回路解析を行う と、

0 ≤ t ≤ t 1

の時間内における、 ノ ズル部における体積速度 u 3 ' は、 次式 （ 1 ) のよ う に表わされる。 c, ta O w

1—— exp(- _c t)sin(H ) (0< </,)

⁽¹ )

E = (la)

Ζ = (lb)

2m 1+ 1/

W = ' ·· (lc)

また図 5 ( b ) に示すよ う な複雑な形状の駆動波形を用いた場合の ノ ズル部における体積速度は、 駆動波形の各節 （時刻 0 1 、 t 1 、 t 2 、 も 3 の各節八、 B 、 C 、 D ) の部分で発生する圧力波を重ね合わ せてレヽく こ と によって求める こ とができ る。 すなわち、 図 5 ( b ) の 駆動波形で発生する ノ ズル部の体積速度 u 3 は、 各時刻区間毎に、 上 式 （ 1 ) を重ね合わせる こ とで求ま り 、 次式 （ 2 ) のよ う に表わされ る。

"3(t) = "'₃(/， ） (0</</,)

1/₃( = «'₃ (ί,θ,) + η'₃ (ί-ί„θ₂) (t, ≤t<t₂)

( 2 ) u₃ (/) = u'₃ (ί, θ_ι ) + w'₃ ( /— /い ( ₂ ) + u'₃ (ί-ί₂,θ₃) (t₂ ≤t<t₃) u₃(t) = u'₃ (1,9^ + u ひ一/い ( ₂) + M'₃ (t-t₂,9₃) + u'₃ (ί-ί₃,θ₄) (t≥t₃) と ころで、 上式 （ 1 ) から もわかるよ う に、 圧力波によって生じる ノ ズル部の粒子速度 u 3 ' は、 駆動波形の傾き t a η θ ( θ = t a η ( V 1 / t 1 ) ) に比例する。

従って、 図 6 に示すよ う に、 「引き」 の部分の電圧 V 2 を一定と し ても、 電圧変化時間 （立ち下が り 時間 t 1 ) を大き く 設定した場合 （波 形の傾斜小） には （図 6 ( a ) 参照） 、 点 Aで生じる体積速度 u 3が 小さ く 抑えられ、 その結果、 メ ニスカスの後退量は減少する。

逆に、 立ち下げ時間 t 1 を小さ く 設定した場合 （波形の傾斜大） に は （図 ( b ) 参照） 、 点 A ' で生じる体積速度 u 3 が大き く なり 、 メ ニスカスの後退量が増加する。

このよ う に、 駆動電圧波形の立ち下が り 時間 t 1 を変化させる こ と によって、 メ ニスカス後退量を制御する こ とが可能であ り 、 この原理 を利用するこ と によって、 メ ニスカス制御によ る滴径変調を実行する 際の滴径変調範囲を拡大する こ とができ る。

すなわち、 小滴を吐出する際には、 立ち下が り 時間 t 1 を小さ く 設 定し、 メ ニスカスの後退量を増加させる こ と によ り微小滴を得る （図 6 ( b ) ) 。 一方、 大滴を吐出する際には立ち下が り時間 t 1 を大き く 設定し、 メ ニスカスの後退量を小さ く 抑える こ とによ り 大滴を得る (図 6 ( a ) ) 。

この際、 印加電圧は、 一旦、 許容最小電圧近傍 （図 6 ( a ) では 0 V ) まで減少させられるため、 吐出時の電圧変化 （ V I ) には許容電 圧範囲 （ 0〜4 0 V ) の全体を有効利用でき、 大きな大滴径を得る こ とが可能となる。

以上の原理に基づく 、 本発明は、 その好ま しい実施の形態において、 圧電ァクチユエ一タに印加する駆動電圧波形は、 図 1 に示すよ う に、

( a ) イ ンク滴吐出直前に、 圧力発生室の体積を増加させる よ う に、 一旦、 所定の基準電位から、 所定電圧分立ち下が り 変化し、 その際、 吐出させるィ ンク滴の吐出滴径に応 じて立ち下が り時間を変化させ、

( b ) ついで前記圧力発生室の体積を減少させる よ う に逆方向に変化 させる こ とで、 ノ ズルからイ ンク滴を吐出させる。 前記 （ a ) の電圧 変化において、 前記立ち下が り の電圧変化量である所定電圧を、 吐出 させるイ ンク滴の吐出滴径の変化に対して一定とする。

また本発明は、 別の実施の形態において、 図 2 に示すよ う に、 前記

( b ) の電圧変化において、 吐出させるイ ンク滴の吐出滴径に応じて、 電圧変化量と、 立ち上が り 又は立ち下が り の時間を変化させるよ う に しても よレ、。

また、 本発明の実施の形態において、 イ ンク ジェ ッ ト記録ヘッ ドの 駆動装置は、 ノ ズル、 圧力発生室、 及び該圧力発生室に対応 した位置 に設けられた電気機械変換器を具備 し、 記録時に前記電気機械変換器 に駆動電圧を印加 し、 前記圧力発生室に体積変化を生じさせる こ とに よって前記ノ ズルからイ ンク滴を吐出させるイ ンク ジェ ッ ト記録へッ ドの駆動装置において、 吐出ィ ンク滴径に応 じてそれぞれ異なる電圧 を発生して増幅する波形発生手段 （図 7 の 1 0 1、 1 0 2 ) を複数備 え、 前記複数の波形発生手段の出力の う ちから、 記録時の画像デ一タ を基づき、 波形発生手段を選択し、 前記電気機械変換器に印加する駆 動電圧波形を切 り 替える切替回路 （ 1 0 3 ) と 、 を備え、 前記電気機 械変換器 （ 1 0 4 ) に印加する駆動波形と して、 吐出直前に、 前記圧 力発生室の体積を増加させる よ う に、 一旦、 所定の基準電位から、 所 定電圧分、 立ち下が り 又は立ち上が り の一方に変化させ、 その際、 吐 出させるイ ンク滴の吐出滴径に応じた前記波形発生手段が選択されて 前記立ち下が り 又は立ち上が り の時間を、 吐出滴径に対応させて変化 させ、 ついで前記圧力発生室の体積を減少させるよ う に逆方向に変化 させる こ とで、 前記ノ ズルからイ ンク滴を吐出させる。 以下、 図面を 参照 して、 実施例に即して詳説する。 実施例

本発明の一実施例において、 イ ンク ジェ ッ ト記録ヘッ ドは、 図 3 に 示 したイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドと同一の基本構造のものを使用 した。 へッ ドはパターニングされた複数の薄板を積層する こ とによ り 作製 した。 本実施例では、 厚さ 5 0〜 7 5 / mのステン レス板を熱硬化性 樹脂による接着層 （厚さ約 2 0 μ πι ) を用いて接合した。

へッ ドには複数の圧力発生室 6 1 (図 3 の紙面垂直方向に配列） が 設けられており 、 それらは共通イ ンク室 6 3 よって連結されている。 共通イ ンク室は 6 3イ ンク タ ンク （図示せず） と連結されてお り 、 各 圧力発生室 6 1 にイ ンク を導く 働きを している。

各圧力発生室 6 1 は、 イ ンク供給路 6 4 を介 して共通イ ンク室 6 3 と連通 してお り 、 圧力発生室 6 1 内はイ ンク で充填されている。 また、 各圧力発生室 6 1 にはイ ンク を吐出するためのノ ズル 6 2 が設けられ ている。

本実施例では、 ノ ズル及びイ ンク供給路は同一形状と し、 開口径 3 0 μ m , 裾径 6 5 /i m、 長さ 7 5 mのテーパー形状と した。 孔開け 加工はプレスによ り行った。

圧力発生室 6 1 の底面には振動板 6 5 が設けられてお り 、 圧力発生 室 6 1 の外側に設置された電気機械変換器と しての圧電ァクチユエ一 タ 6 6 によって圧力発生室の体積を増加または減少させる こ とが可能 となっている。 本実施例では、 電铸 （エレク ト ロ フォ一ミ ング） で成 形 したニッケルの薄板を振動板 6 5 と して用いた。 また、 圧電ァクチ ユエ一タ 6 6 には積層型圧電セラ ミ クスを用いた。 使用 した圧電ァク チユエータの許容印加電圧範囲は 0〜 4 0 Vである。

圧電ァクチユエータ 6 6 によって圧力発生室 6 1 に体積変化を生じ させる と、 圧力発生室 6 1 内に圧力波が発生する。 この圧力波によつ てノ ズル部 6 2 のイ ンクが運動 し、 ノ ズル 6 2 から外部へ排出される こ とによ り イ ンク滴 6 7 が形成される。 なお、 本実施例で用いたへッ ドの圧力発生室 6 1 内における音響的基本固有振動モ一 ドの固有周期 は 1 4 μ s である。

圧電ァクチユエ一タ 6 6 の駆動は、 以下に説明するよ う に、 駆動回 路を構成する波形発生回路及びスイ ッチング回路によって行われる。 図 7 は、 圧電ァクチユエータ 6 6 の駆動回路の基本構成を示してい る。 図 7 を参照する と、 本実施例において、 滴径を 3段階 （大滴、 中 滴、 小滴） に変調するために、 それぞれの滴径に応 じた 3種類の波形 発生回路 1 0 1 、 1 0 1 ' 、 1 0 1 〃 が具備されており 、 各波形は増 幅回路 1 0 2 、 1 0 2 ' 、 1 0 2 " によって増幅される。 記録時には、 画像データを基に、 圧電ァクチユエータ 6 6 に印加される駆動波形が スイ ッチング回路 1 0 3 によ って切 り替えられ、 所望滴径のイ ンク滴 が吐出される。

図 1 は、 上記したイ ンク ジェ ッ ト記録ヘッ ドを用いて、 吐出滴径を 大 · 中 · 小の 3段階に変調するために使用 した駆動波形の一例を示す 図である。

メ ニスカスを後退させる第一の電圧変化プロセス部 1 1 、 1 1 ' 、 1 1 〃 では、 電圧変化量を全ての波形で同一と し （ V 2 = V 2 ' = V 2 〃 = 1 0 V ) 、 立ち下が り時間 （ t 1 、 t 1 ' 、 t 1 " ) は大滴 で 1 2 μ s 、 中滴で 6 μ s 、 小滴で 2 μ S に設定した。

イ ンク滴を吐出する第二の電圧変化プロセス部 1 2 、 1 2 ' 、 1 2 " における条件は、 全ての波形で同一と した （電圧振幅 V 1 = V I ' = V I " = 4 0 V、 立ち上力； り 時間 t 3 = t 3 ' = t 3 " = 2 μ

S ) ο

吐出過程におけるメ ニスカ スの動きを顕微鏡型レーザ一変位計にて 観察 した結果、 吐出直前におけるメ ニスカスの後退量は、 大滴用の波 形では約 5 μ mと小さいこ とが確認された。 これは、 立ち下が り時間 t 1 が 1 2 μ s と大きいため、 第一の電圧変化プロセス部 1 1 にて発 生する圧力波の振幅が小さ く なるからである。 イ ンク滴の吐出状態を 観察 した結果、 滴径 4 2 A mの滴が滴速 S m Z s で吐出される こ とが 確認された。

一方、 小滴用の波形では、 立ち下げ時間 t 1 〃 を 2 μ s と小さ く 設 定しているため、 第一の電圧変化プロセス 1 1 〃 において大きな圧力 波が発生し、 メ ニスカ スの後退量は 3 2 μ πιと大き く なつた。 その結 果、 第二の電圧変化プロセス 1 2 〃 において、 ノ ズル内に非常に細い 液柱が形成され、 滴径 2 5 μ πιの滴が滴速 7 m/ s で吐出されるこ と が確認された。

中滴用波形は、 大滴と小滴の中間となるよ う に設定されている。 す なわち、 初期の立ち下が り 時間 t 1 ' は 6 μ s に設定されており 、 メ ニスカスの後退量は 1 1 mと なった。 その結果、 滴径 3 0 /x mの滴 が滴速 8 m s で吐出された。 以上のよ う に、 吐出させるイ ンク滴の径が大きレ、ほど、 第一の電圧 変化プロセスにおける電圧変化時間 （立ち下が り時間 t 1 ) を大き く 設定する こ と によ り 、 広い範囲でイ ンク滴径を変調する こ とが可能と なる こ とが確認された。

なお、本実施例で使用 したイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドを、図 1 0 ( b ) に示 した従来の駆動波形で駆動した場合、 得られる大滴径は 3 5 μ m が限界であ り 、 滴径変調範囲は 2 5 〜 3 5 mであった。

これに対して、 図 1 に示 した本実施例の駆動波形では、 滴径変調範 囲は 2 5 〜 4 2 μ ιηであ り 、 本発明が滴径変調範囲の拡大に有効であ る こ とが確認された。

また図 1 0 ( b ) に示 した従来の駆動波形を用いて、 2 5 〜 4 2 μ mの滴径変調範囲を得よ う と した場合、 最大印加電圧を 4 8 Vまで増 加させる必要があ り 、 圧電ァクチユエータ の信頼性を損な う （絶縁破 壊、 寿命の短縮化など） と共に、 圧電ァクチユエータ用スイ ッチング 回路のコス ト増を招き、 結果的に、 装置のコス ト増加や信頼性低下と いった問題を生じさせる こ とがわかった。

一方、 本実施例の駆動波形では、 許容電圧範囲 （ 0 ~ 4 0 V ) で広 ぃ滴径変調範囲を実現する こ とができるため、 高信頼性及び低装置コ ス ト を確保しながら、 滴径変調によ る高画質 · 高速記録を実現する こ とが可能となる。

図 2 は、 本発明の第 2 の実施例の駆動波形を示す図であ り 、 吐出滴 径を大 · 中 · 小の 3段階に変調するために用いた駆動波形の一例を示 す図である。

初期の立ち下が り 電圧 V 2 は全ての波形で同一と し（ V 2 = 1 0 V ) 立ち下が り時間 （ t 1 、 t 1 ' 、 t 1 〃 ） を吐出滴径に応じて変化さ せている点は上述の第一の実施例と同様であるが （ t 1 = 1 2 μ s 、 t 1 ' = 6 μ S 、 t 1 〃 = 2 μ S ) 、 滴吐出時の電圧波形、 すなわち 第二の電圧変化プロセス以降の電圧波形を、 吐出滴径に応 じて変化さ せている点が、 前記第一の実施例と相違している。

大滴用の駆動波形では、 よ り 一層大きな滴が得られるよ う に、 立ち 上が り時間 t 3 を圧力波の固有周期に近い 1 0 μ S に設定している。 これによ り 、 滴径 4 5 μ πιの滴を滴速 8 m Z s で飛翔させる こ とがで きた （ V 1 = 4 0 V ) 。

一方、 小滴用波形では、 t 3 〃 = 2 β s の速い立ち上が り時間で圧 力発生室を圧縮した直後に （ V 1 〃 = 1 5 V ) 、 t 4〃 = 2 s の速 い立ち下が り 時間で再び圧力発生室を膨張させている。 こ う したプロ セスによって、 吐出されるイ ンク滴のサイズをさ らに減少させるこ と が可能となり 、 本実施例では滴径 1 9 μ mの微小滴が滴速 6 m s で 吐出された。

中滴用波形では、 2 μ s の早い立ち上げ時間で圧力発生室を圧縮し た後 （ V I ' = 2 0 V ) 、 約 1 4 i s の間電圧を保持し、 その後緩や 力 こ基準電圧に戻した。 これによ り 、 滴径 3 0 /i mの滴を滴速 s で吐出する こ とができた。 なお、 中滴用の駆動波形と しては、 これ 以外にも様々 なパターンが考えられる。 例えば、 小滴用波形と同様の 形状で、 立ち上げ 立ち下が り 時間 （ t 3 、 t 4 ) を 5 μ s 程度に設 定する こ とによつても、滴径約 3 0 /z mの滴を吐出する こ とができ る。 上記のよ う に、 吐出させるイ ンク滴の径が大きいほど、 第一の電圧 変化プロセスにおける電圧変化時間 （立ち下げ時間 t 1 ) を大き く 設 定し、 さ らに、 第二の電圧変化プロセス以降の駆動波形を吐出滴径に 応じて変化させる こ と によって、 極めて広い滴径変調範囲 （本実施例 では 1 9 〜 4 5 μ m ) が得られる こ とが確認された。

以上、 各実施例について説明 したが、 本発明は、 上記した実施例の 構成に限定される ものではない。 例えば上記実施例では、 すべて基準 電位を 1 0 Vにオフセ ッ ト させているが、 圧電ァクチユエ一タが負極 性の電圧を印加でき る場合には、 必ずしも基準電位をオフセ ッ 卜する 必要はない。 また、 第一の電圧変化プロセス終了時における電圧を、 大 · 中 · 小滴用波形の全てについてで同一 （ 0 V ) に設定したが、 別 々 の電圧に設定しても よい。 また上記実施例では滴径変調の段階数を、 大 . 中 . 小の 3段階と したが、 本発明はかかる構成に限定される もの でなく 、 3段階以上、 も しく は 3段階以下に設定した場合においても、 本発明は適用可能である。

さ らに、 圧電ァクチユエ一タには圧電定数 d 3 3 を利用 した縦振動 モー ドのものを用いたが、 圧電定数 d 3 1 を利用 した縦振動モー ドの ァクチユエ一タゃ横振動モー ド （撓み変形モー ド） を利用 したァクチ ユエ一タを用いた場合にも、 本発明を適用する こ とができ、 上記と同 様の作用効果が得られる。

そ して上記実施例では、 積層型圧電ァクチユエ一タを用いたが、 単 板型圧電ァクチユエータを用いた場合においても、 本発明を適用する こ とが可能である。

また、 上記した各実施例では、 図 3 に示すよ う なカイザ一型イ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドを用いたが、 圧電ァクチユエ一タに設けた溝を圧 力発生室とする記録へッ ドなど、 その他の構造のイ ンク ジエ ツ ト記録 へッ ドに対しても、 本発明は同様に して適用する こ とができ る。 さ らに、 圧電ァクチユエータ以外の電気機械変換器、 例えば静電力 や磁力を利用 したァクチユエ一タ を利用 したィ ンク ジェ ッ ト記録へッ ドに対しても、 本発明を適用する こ とができ る。 産業上の利用可能性

以上説明 したよ う に、 本発明によれば、 下記記載の効果を奏する。 本発明の第 1 の効果は、 メ ニスカス制御を利用 した滴径変調を実行 する際に、 広い滴径変調範囲が得られるため、 高速記録と高画質記録 を両立するこ とが可能となる、 とレ、 う こ と である。

また、 本発明の第 2 の効果は、 装置の信頼性確保やコス ト低減を可 能とする、 とい う こ とである。

その理由は、 圧電ァクチユエ一タに印加する電圧レンジを小さ く 設 定でき るためである。

Claims

請求の範囲

1 . ノ ズル、 圧力発生室、 及び該圧力発生室に対応 した位置に 設けられた電気機械変換器を具備し、 記録時に前記電気機械変換器に 駆動電圧を印加 し、 前記圧力発生室に体積変化を生じさせる こ とによ つて前記ノ ズルからイ ンク滴を吐出させるイ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ド の駆動方法において、 前記駆動電圧の電圧波形が、 吐出直前に前記圧 力発生室の体積を増加させる よ う に電圧を印加する第 1 の電圧変化プ ロセス と、 次いで前記圧力発生室の体積を減少させるよ う に電圧を印 加する第 2 の電圧変化プロセス と 、 を少なく と も有し、 前記第 1 の電 圧変化プロセスにおける電圧変化時間を、 吐出させるィ ンク滴の滴径 に応 じて変化させる、 こ と を特徴とするイ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ドの 駆動方法。

2 . 前記第 1 の電圧変化プロセスの電圧変化時間を、 吐出イ ン ク滴の滴径が大きいと きほど長く なるよ う に設定する、 こ と を特徴と する請求項 1 記載のイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方法。

3 . 前記第 1 の電圧変化プロセスの終了時における駆動電圧の 値を、 異なるィ ンク滴径に対応する全ての駆動電圧波形に対して同一 となるよ う に設定する、 こ と を特徴とする請求項 1 又は 2記載のイ ン ク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方法。

4 . 前記第 2 の電圧変化プロセスにおける電圧変化時間及び電 圧変化量を、 吐出イ ンク滴の滴径に応じて変化させる、 こ と を特徴と する請求項 1 乃至 3 のいずれか一に記載のイ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ド の駆動方法。

5 . ノ ズル、 圧力発生室、 及び該圧力発生室に対応 した位置に 設けられた電気機械変換器を具備 し、 記録時に前記電気機械変換器に 駆動電圧を印加 し、 前記圧力発生室に体積変化を生じさせる こ とによ つて前記ノ ズルからイ ンク滴を吐出させるイ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ド の駆動方法において、前記電気機械変換器に印加する駆動電圧波形が、

( a ) イ ンク滴の吐出直前に、 前記圧力発生室の体積を増加させる よ う に、 一旦、 所定の基準電位から、 所定電圧分、 立ち下が り 又は立 ち上が り の一方に変化し、 その際、 吐出させるイ ンク滴の吐出滴径に 応 じて前記立ち下が り 又は立ち上が り の時間を変化させ、

( b ) ついで前記圧力発生室の体積を減少させる よ う に、 前記 （ a ) の電圧変化方向と逆方向に変化させるこ とで、 前記ノ ズルからイ ンク 滴を吐出させ、

( c ) その後、 前記基準電位に復帰する、

前記 （ a ) 乃至 （ c ) の過程を含むこ と を特徴とするイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方法。

6 . 前記 （ a ) の電圧変化において、 前記立ち下が り又は立ち 上が り の電圧変化量を、 吐出させるイ ンク滴の吐出滴径の変化に対し て一定とする、 こ と を特徴とする請求項 5記載のイ ンク ジエ ツ ト記録 へッ ドの駆動方法。

7 . 前記 （ a ) の電圧変化において、 前記基準電位からの前記 立ち下が り又は立ち上が り の電圧が、 前記電気機械変換器の許容電圧 範囲の下限又は上限のいずれか、 も しく は前記下限 又は上限の近傍 に達するよ う に し、 吐出時の前記 （ b ) の電圧変化が、 許容電圧範囲 の全体にわたる こ と を可能と した、 こ と を特徴とする請求項 5記載の イ ンク ジヱ ッ ト記録へッ ドの駆動方法。

8 . 前記 （ a ) の電圧変化の前記立ち下が り 又は立ち上が り の 時間を、 吐出させるイ ンク滴の吐出滴の大小に応 じて増減する、 こ と を特徴とする請求項 5記載のイ ンク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方法。

9 . 前記 （ b ) の電圧変化において、 吐出させるイ ンク滴の吐 出滴径に応じて、 電圧変化量と、 立ち上が り 又は立ち下が り の時間を 変化させる、 こ と を特徴とする請求項 5記載のイ ンク ジヱ ッ ト記録へ ッ ドの駆動方法。

1 0 . 前記 （ b ) の電圧変化において、 大滴径用の駆動波形に おいては、 立ち上が り 又は立ち下が り の時間を圧力波の固有周期に近 い時間に設定し、 一方、 小滴径用の駆動波形においては、 相対的に速 い立ち上が り 又は立ち下が り の時間で圧力発生室を圧縮した直後に、 相対的に速い立ち下が り 又は立ち上が り の時間で、 再び圧力発生室を 膨張させ、 中滴径用の駆動波形においては、 相対的に速い立ち上が り 時間で前記圧力発生室を圧縮した後所定時間該電圧を保持し、 その後 緩やかに前記基準電圧に戻す、 こ と を特徴とする請求項 9記載のイ ン ク ジエ ツ ト記録へッ ドの駆動方法。

1 1 . ノ ズル、 圧力発生室、 及び該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を具備 し、 記録時に前記電気機械変換器 に駆動電圧を印加 し、 前記圧力発生室に体積変化を生じさせる こ と に よ って前記ノ ズルからイ ンク滴を吐出させるイ ンク ジェ ッ ト記録へッ ドにおける前記電気機械変換器の駆動回路が、 吐出イ ンク滴径に応 じ てそれぞれ異なる電圧を発生 して増幅する波形発生手段を複数備え、 前記複数の波形発生手段の出力の う ちから、 記録時の画像データに基 づき、 波形発生手段を選択 し、 前記電気機械変換器に印加する駆動電 圧波形を切り替える切替回路と、 を備え、 前記電気機械変換器に印加 する駆動波形と して、 吐出直前に、 前記圧力発生室の体積を増加させ るよ う に、 一旦、 所定の基準電位から、 所定電圧分、 立ち下が り又は 立ち上が り の一方に変化させ、 その際、 吐出させるイ ンク滴の吐出滴 径に応じた前記波形発生手段が選択されて前記立ち下が り 又は立ち上 が り の時間を、 吐出滴径に対応させて変化させ、 ついで前記圧力発生 室の体積を減少させるよ う に逆方向に変化させる こ とで、 前記ノ ズル からイ ンク滴を吐出させる、 こ と を特徴とするイ ンク ジエ ツ ト記録装 置。

1 2 . 前記 （ a ) の電圧変化において、 前記立ち下が り 又は立 ち上が り の電圧変化量を、 吐出させるイ ンク滴の吐出滴径の変化に対 して一定とする、 こ と を特徴とする請求項 1 1 記載のイ ンク ジ： ッ ト 記録装置。

1 3 . 前記 （ b ) の電圧変化において、 吐出させるイ ンク滴の 吐出滴径に応 じて、 電圧変化量と、 立ち上が り 又は立ち下が り の時間 を変化させる、 こ と を特徴とする請求項 1 1 記載のイ ンク ジェ ッ ト記 録装置。