(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口とリザーバに連通する圧力発生室を備え、前記圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させて前記ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドと、
前記圧力発生室を膨張させる第１の膨張工程と、前記ノズル開口からインク滴が吐出するように前記圧力発生室を収縮させる第１の収縮工程と、第１の膨張工程での容積変化よりも少なく膨張させる第２の膨張工程と、前記圧力発生室をインク滴を吐出させない程度で、かつ次回のインク量を調整する程度に収縮させる第２の収縮工程とを前記圧電振動子に実行させる駆動信号を１印刷周期毎に出力する第１のモードと、第２の膨張工程と第２の収縮工程との間の時間を１印刷周期分延長した駆動信号を出力する第２のモードとを、
外部からの印字信号を判定して実行するインクジェット式記録装置。
【請求項２】
第２の膨張工程と第２の収縮工程との間の時間を１印刷周期分延長し、以後第２の収縮工程の終了状態で印字信号の入力を待つ第３のモードとを、外部からの印字信号を判定して実行する請求項１に記載のインクジェット式記録装置。
【請求項３】
第１のモード、第２のモード、及び第３のモードは、当該ノズル開口からインク滴の吐出の履歴、及びインク滴の吐出予定により切り替えられる請求項１に記載のインクジェット式記録装置。
【請求項４】
当該インク滴の吐出に関る第２の収縮工程、及び次回のインク滴の吐出のための第１の膨張工程を、前回のインク滴吐出によるメニスカスの変位がノズル開口に向かい、かつノズル開口から吐出しない時期に実行する請求項１に記載のインクジェット式記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術の分野】
本発明は、圧電振動子をアクチュエータに使用したインクジェット記録ヘッドの駆動技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノズル開口に連通する圧力発生室を、圧電振動子により膨張、収縮させて、圧力発生室へのインクの充填、圧力発生室のインクの加圧を行なってノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドは、その圧電振動子として圧電材料と導電層を交互に積層し、その軸方向の伸長する縦振動モードの圧電振動子や、また弾性板の表面に設けられたわみ変位するたわみ変位型圧電振動子が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
グラフック印刷等のように微小サイズのドットを形成するためには、圧電振動子の変位を小さくして、インク滴のインク量を可及的に減少させる必要があるが、圧力発生室の圧力も低下するため、インク滴の速度が低下し、インク滴の記録媒体への着弾位置に誤差が生じ、特にグラフィック印刷のように正確な位置にドット形成が求められる印刷においては印刷品質の低下が目立つという問題がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは圧電振動子を駆動源とする記録ヘッドにより、インク滴の飛行速度を低下させることなく、インク滴を構成するインク量をグラフィック印刷に適するように可及的に減少させ、しかも高速度で印刷できるインクジェット式記録装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、ノズル開口とリザーバに連通する圧力発生室を備え、前記圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させて前記ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドと、前記圧力発生室を膨張させる第１の膨張工程と、前記ノズル開口からインク滴が吐出するように前記圧力発生室を収縮させる第１の収縮工程と、第１の膨張工程での容積変化よりも少なく膨張させる第２の膨張工程と、前記圧力発生室をインク滴を吐出させない程度で、かつ次回のインク量を調整する程度に収縮させる第２の収縮工程とを前記圧電振動子に実行させる駆動信号を１印刷周期毎に出力する第１のモードと、第２の膨張工程と第２の収縮工程との間の時間を１印刷周期分延長した駆動信号を出力する第２のモードとを、外部からの印字信号を判定して実行するようにした。
【０００５】
【作用】
第２の収縮工程により圧力発生室を収縮させて第１の膨張工程で圧力発生室を膨張させてインク滴吐出直前のメニスカスを圧力発生室側に後退させた後、第１の膨張工程で圧力発生室を膨張させることにより、インク滴の速度に低下を来すこと無く、インク量だけが減少し、しかもインク滴吐出後のノズル開口側に向かうメニスカスを、次の印刷工程の圧力発生室の膨張により強制的に圧力発生室に引き込んでノズル開口からの突出を抑制して、ノズル開口からの突出による不都合を防止しつつ引き続き次のインク滴を吐出する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１、本発明に使用するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示すものであって、図中符号１は、スペーサで、１５０μｍ程度の厚みを持つジルコニア（ＺｒＯ2）などのセラミックス板に、圧力発生室２となる通孔を形成して構成されている。
【０００７】
スペーサ１の一方の面は、後述する圧電振動子５の変位により各圧力発生室２の容積を変化させることができる厚さ１０μｍのジルコニアの薄板からなる弾性板３により封止されている。弾性板３の表面には下電極４が形成され、これの表面に圧力発生室毎に独立してたわみ変位する圧電振動子５が固定されている。
【０００８】
この圧電振動子５は、圧電材料からなるグリーンシートを貼付したり、また圧電材料をスパッタリングする等の方法により形成されている。圧電振動子５の表面には印刷データに対応してドットを形成すべく、圧力発生室毎に独立して圧電振動子５を駆動するための上電極６が形成されている。
【０００９】
スペーサ１の他方の面は、厚さ１５０μｍのジルコニアの薄板からなるインク供給口形成基板７により封止されている。インク供給口形成基板７は、ノズルプレートのノズル開口と圧力発生室２とを接続するノズル連通孔８と、後述するリザーバ１１と圧力発生室２とを接続するインク供給口９を穿設して構成されている。
【００１０】
１０は、リザーバ形成基板で、インク流路を構成するに適した例えば１５０μｍのステンレス鋼などの耐蝕性を備えた板材に、外部のインクタンクからインクの供給を受けて圧力発生室２にインクを供給するリザーバ１１と、圧力発生室２とノズル開口とを接続するノズル連通孔１２とが形成されている。リザーバ形成基板１０の開口面側には、圧力発生室２と同一の配列ピッチでノズル開口１３が形成されたノズルプレート１４により封止されている。なお、図中符号１５、１６は接着材層を示す。
【００１１】
このように構成されたインクジェット式記録ヘッドは、インク滴を吐出させるべきノズル開口１３に連通する圧力発生室２の圧電振動子５に選択的に駆動信号を印加すると、予め中間電位により収縮されている圧電振動子５が放電されて圧力発生室２が平衡状態に戻り、圧力発生室２を膨張させる。これによりメニスカスが圧力発生室側に引き込まれる。
【００１２】
所定時間の経過後に駆動信号を断って圧電振動子５を充電すると、圧電振動子５が圧力発生室側にたわみ変位し、圧力発生室２を収縮させる。この過程で圧力発生室２のインクを加圧して連通孔８、１２を介してノズル開口１３からインク滴として吐出させる。
【００１３】
図２は、上述した記録ヘッドの圧電振動子５をたわみ変位させてインク滴の速度に変化を来すこと無く、インク量を減少させる駆動信号の一実施例を示すものであって、駆動信号は、メニスカスを圧力発生室２に最大限引き込む第１の膨張工程▲１▼と、インク滴吐出のタイミングを調整する第１のホールド工程▲２▼と、インク滴を吐出させるために圧力発生室２を第１のホールド電圧まで収縮させる第１の収縮工程▲３▼と、インク滴吐出後に生じたメニスカスの大きな振動の減衰タイミングを調整する第２のホールド工程▲４▼と、圧電振動子５を中間電位ＶMまで放電させて第１の膨張工程の膨張量よりも小さい膨張を行わせる第２の膨張工程▲５▼と、メニスカスの振動を平定させる第３のホールド工程▲６▼と、インク滴を吐出させることなく圧力発生室２の膨張量を次のインク量に対応させる第２の収縮工程▲７▼と、この収縮量を維持する第４のホールド工程▲８▼を実現するように構成されている。
【００１４】
予め所定電位ＶH1に充電されている圧電振動子５の電荷をホストからの印字信号に同期して放電させて第１の膨張工程▲１▼を実行すると、圧力発生室２は第１のホールド電圧ＶH1とゼロ電位との電位差相当分だけ膨張するから、ノズル開口１３のメニスカスが大きく引き込まれる。
【００１５】
メニスカスは、圧力発生室側に引き込まれると、自己共振周波数で運動を開始し、圧力発生室２に最も接近した時点で移動方向を反転してノズル開口１３に向かう。
【００１６】
所定時間のホールド工程▲２▼を経てメニスカスが反転してノズル開口側に向かう前後の時期に、圧電振動子５を急速に充電して第１の収縮工程▲３▼を実行する。これにより圧力発生室２は、ホールド電圧ＶHと零電位との電位差相当分だけ急激に収縮し、インクが加圧されてメニスカスが現在の位置からノズル開口側に押されてノズル開口１３からインク滴として吐出する。
【００１７】
インク滴を構成するインク量は、メニスカスの先端からノズル開口先端までの距離ｄに反比例するから、ホールド電圧ＶH1を調整すること、つまり圧力発生室２の事前の収縮量を規定することによりインク滴のインク量が減少する。一方、インク滴吐出時の圧電振動子５の収縮量はホールド電圧とゼロ電位とで規定されて一定であるから、飛行速度はインク量に関わりなくほぼ一定に維持される。
【００１８】
インク滴の吐出が終了して圧力発生室２の収縮量が最大となった段階で、インク滴吐出後に生じたメニスカスの大きな振動を平定するのに適した時間の経過をホールド状態で待ち▲４▼、圧力発生室２のわずかな収縮によってはインク滴を吐出しない状態となった段階で、圧力発生室２を規定量収縮させる。すなわち第２の放電パルスを出力して圧電振動子５の電圧を中間電位ＶMまで降下させる。
【００１９】
このようにしてメニスカスの振動が圧力発生室２のわずかな収縮によってはメニスカスがノズル開口から突出しない程度まで平定された時点で、第２の収縮工程▲７▼を実行し、この状態を次の印字タイミングまで維持する▲８▼。すなわち、圧電振動子５を中間電位ＶMからインク滴のインク量を規定するの適したホールド電圧ＶH1まで充電する。
【００２０】
以後、上述の工程▲１▼乃至▲８▼を１印字タイミング毎に実行することにより、飛行速度が一定なインク量の少ないインク滴を吐出することができる。
【００２１】
図３、及び図４は、上述した第１乃至第８の工程を実行する駆動回路、及び信号の一実施例を示すものであって、図中符号２１は、入力端子３１からの第１の充電パルス（図４（ロ））により第１の収縮工程▲３▼を実行する電圧上昇率αの信号を生成する第１電圧上昇率決定回路であり、また符号２２は、入力端子３２からの第２の充電パルス（図４（ハ））により電圧上昇率βの第２の収縮工程▲７▼を実行する信号を生成する第２電圧上昇率決定回路である。
【００２２】
２３は、入力端子３３からの第１の放電パルス（図４（ニ））により電圧降下率γの第１の膨張工程▲１▼を実行する信号を生成する第１電圧降下率決定回路であり、また符号２４は、入力端子３４からの第２の放電パルス（図４（ホ））により電圧降下率θで中間電位ＶMに降下させる第５の工程▲５▼を実行する信号を生成する第２電圧降下率決定回路である。
【００２３】
これら回路２１〜２４と、充放電用コンデンサ２５、２６により決まる電圧上昇率α、β、電圧降下率γ、θの信号は電流増幅回路２７に増幅されて端子２８から記録ヘッドの圧電振動子５に供給される。
【００２４】
本発明は、上述の駆動方法における休止期間、つまり工程▲６▼におけるメニスカスのノズル開口に向かう運動を、第１の膨張工程▲１▼により動的に制御して、微小インク滴による高速印刷を可能ならしめるものである。
【００２５】
すなわち、上述の実施例においてはインク滴吐出後のメニスカスがノズル開口との摩擦等により自然に平定されるのを待って、第２の収縮▲７▼を開始しているが、メニスカスがノズル開口内に位置している状態、つまりノズル開口から突出してない状態では、圧力発生室の膨張による引き込み作用がメニスカス全体に及ぶため、次のインク滴の大きな引き込み工程▲１▼を期間Ａに開始すると、メニスカスをノズル開口から突出させることなく、以後のインク滴吐出のための第２乃至第８工程▲２▼乃▲８▼を実行することが可能となる。
【００２６】
図５は本発明の一実施例を示すものであって、図５（イ）は、前述の期間Ａに次の印刷の第１の工程▲１▼を開始したもので、前述の駆動方法に比較して２倍の駆動周波数、例えば１４．４ｋＨｚで駆動することができる。
【００２７】
このようにメニスカスの自然な平定を待つことなく、インク滴吐出後のメニスカスの先端がノズル開口から突出しない期間Ａ（図２）に圧力発生室２を急激に膨張せてメニスカスを圧力発生室２に引き込むと、工程▲７▼により圧力発生室２が若干収縮してもインク滴の吐出特性に変化を誘起させることなく、前述と同様にメニスカスの先端とノズル開口１３までの距離ｄによりインク滴のインク量を減少させ、かつ加圧力を一定として一定の飛行速度を維持する。
【００２８】
図６は、上述の駆動方法によるメニスカスの変位を示すもので、印刷のためのインク滴吐出前のメニスカスのノズル開口１３からの突出量（図中ハッチングで示す領域）は、インク滴に飛行曲がりを生じさせない程度に抑制されている。
【００２９】
また図５（ロ）は、第６の工程▲６▼’を１印刷周期分を延長して休止工程を設定したもの、つまり７．２ｋＨｚで駆動したもので、前述の駆動方法と同様にメニスカスの自然な平定を待って次の印刷工程を開始し、メニスカスを所定量引き込んでインク量を減少させ、かつ加圧力を一定として一定の飛行速度を維持するものである。
【００３０】
図７は、上述の駆動方法によるメニスカスの変位を示すもので、図２の駆動原理を踏襲することになるから、印刷のためのインク滴吐出前のメニスカスのノズル開口からの突出量は、インク滴に飛行曲がりを生じさせない程度に抑制されている。
【００３１】、
図５（ハ）は、２印刷期間以上の休止工程を設けたもので、この実施例では４．８ｋＨｚ以下で駆動周波数に対処するためのもので、休止工程は第６の工程▲６▼’を１印刷周期分だけとし、第６の工程▲６▼’の終了後に印字信号の入力の有無に関わりなく、第２の充電工程▲７▼を実行して、引き続く工程▲８▼’の継続時間を調整していかなるタイミングの印字信号にも対応するものである。
【００３２】
この実施例によれば、印刷終了後に２印刷周期以上が経過しているため、メニスカスが圧力発生室側に自然に大きく後退するから、微小なインク滴を吐出できる。
【００３３】
図８は、上述の駆動方法によるメニスカスの変位を示すもので、印刷のためのインク滴吐出前のメニスカスのノズル開口からの突出量は、当然にインク滴に飛行曲がりは生じさせない程度に抑制されている。
【００３４】
連続的にドットを形成する場合には印字動作が終了したか否かを判定し、印字が継続される場合には（図９  ステップ（イ））、当該タイミングでの印字データの有無と、次のタイミングでの印字データの有無とを判定し（図９  ステップ（ロ）、（ハ））、２つのタイミングでドットを形成する場合には図５（イ）の駆動信号を印加する。また次回の印刷データが存在しない場合には（図９  ステップ（ハ））図５（ハ）に示す駆動信号を出力して第２の収縮状態で待機する（図９  ステップ（ホ））
【００３５】
一方、当該タイミングでの印字データが無く（図９  ステップ（ロ））、前回のタイミングではインク滴を吐出した場合（図９  ステップ（ヘ））、つまり１ドットおきに形成している場合には図５（ロ）の駆動信号を出力して第２の収縮状態を維持する（図９  ステップ（ト））。
【００３６】
印刷が継続されるものの、当該タイミングでの印字データが無く（図９  ステップ（ロ））、前回のタイミングでもインク滴を吐出しなかった場合（図９  ステップ（ホ））には、つまり２ドット以上空けてドットを形成する場合には図５（ハ）に示す駆動信号、つまり第２の収縮状態で待機する（図９  ステップ（チ））。
【００３７】
これらの判断を図５におけるタイミングＴ１で、マイクロコンピュータ等によりホストからの印字信号の種類に基づいて実行する。
【００３８】
なお、上述の実施例においては、アクチュエータとしてたわみ変位する圧電振動子を用いたインクジェット式記録ヘッドに適用した場合について説明したが、縦振動モードの圧電振動子をアクチュエータに用いた記録ヘッドに適用しても同様の作用を奏することは明らかである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、ノズル開口とリザーバに連通する圧力発生室を備え、圧力発生室を圧電振動子により膨張、収縮させてノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドと、圧力発生室を膨張させる第１の膨張工程と、ノズル開口からインク滴が吐出するように圧力発生室を収縮させる第１の収縮工程と、第１の膨張工程での容積変化よりも少なく膨張させる第２の膨張工程と、圧力発生室をインク滴を吐出させない程度で、かつ次回のインク量を調整する程度に収縮させる第２の収縮工程とを圧電振動子に実行させる駆動信号を１印刷周期毎に出力する第１のモードと、第２の膨張工程と第２の収縮工程との間の時間を１印刷周期分延長した駆動信号を出力する第２のモードとを外部からの印字信号を判定して実行するようにしたので、インク滴の速度に低下を来すこと無く、メニスカスの引き込み量によりインク量を減少させつつ、インク滴吐出後のノズル開口側に向かうメニスカスを、次の印刷工程の圧力発生室の膨張により強制的に圧力発生室に引き込んでノズル開口からの突出を強制的に抑制して、高速駆動を可能ならしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が対象するインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す断面図である。
【図２】図（イ）、（ロ）は、それぞれ圧電振動子に印加する駆動信号の一実施例と、これによるメニスカスの運動を示す図である。
【図３】同上駆動方法を実現する駆動回路の一実施例を示す図である。
【図４】図（イ）乃至（ホ）は、それぞれ同上駆動回路に入力する信号を、また図（ヘ）は圧電振動子に印加される駆動電圧の一実施例を示す線図である。
【図５】図（イ）乃至（ハ）は、それぞれ本発明のインクジェット式記録装置の一実施例を駆動信号により示す線図である。
【図６】図５（イ）による駆動時のメニスカスの変位を示す線図である。
【図７】図５（ロ）による駆動時のメニスカスの変位を示す線図である。
【図８】図５（ハ）による駆動時のメニスカスの変位を示す線図である。
【図９】図５に示す各信号を発生させる判断動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  スペーサ
２  圧力発生室
３  弾性板
５  圧電振動子
７  インク供給口形成基板
１１  リザーバ
１３  ノズル開口
２１  第１電圧上昇率決定回路
２２  第２電圧上昇率決定回路
２３  第１電圧降下率決定回路
２４  第２電圧降下率決定回路
２５  電流増幅回路
【図１】
0003661731.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003661731.tif 000007
【図７】
0003661731.tif 000008
【図８】
0003661731.tif 000009
【図９】
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