(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク流路と該インク流路に連設されたノズルとを備えたチャネルが圧電材料からなる複数の側壁により隔てられて複数設けられ、該側壁からなるアクチュエータを駆動して前記ノズルからインクを飛翔させ、インクを記録材に飛着させて画像を形成するインクジェット記録装置であって、
前記アクチュエータの駆動部は、前記アクチュエータを駆動する駆動パルス発生回路と、駆動パルスを選択的に通すアナログスイッチとからなり、前記駆動パルス発生回路が前記アナログスイッチ及び前記アクチュエータを含むヘッドユニットと分離された構成であって、且つ、前記駆動パルス発生回路の出力インピーダンスが前記ヘッドユニットのインピーダンスよりも大きく、且つ、前記アクチュエータの固有振動の周波数をｆとし、該アクチュエータを含む駆動回路系の時定数が実質的に１／（２ｆ）となるような出力インピーダンスを前記駆動パルス発生回路が有することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
前記アクチュエータの容量をＣ、前記チャネルの数をＮ、前記駆動パルス発生回路の出力インピーダンスをｒｄ、駆動パルス発生回路から前記ヘッドユニットまでの配線の抵抗をｒｗ、１個の前記アナログスイッチがオンしている場合の抵抗をｒｏｎ、前記アクチュエータへの配線抵抗をｒａとしたとき、前記アクチュエータを含む駆動回路系の時定数がＣ×（（（ｒｏｎ＋ｒａ）／Ｎ）＋ｒｄ）で表されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】
前記駆動パルス発生回路の出力部に設けられた抵抗により前記出力インピ−ダンスが調整されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】
前記アクチュエータ及び前記アナログスイッチが前記ヘッドユニットに設けられ、前記駆動パルス発生回路が前記ヘッドユニット以外の回路基板に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はノズルに連設されたインク流路を有するチャネルが圧電材料からなる複数の側壁により隔てられて多数形成されたインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットヘッドは種々の方式が提案されているが、その一つに剪断モードインクジェットヘッドがあり、図１及び図２は特開平１０−２７２７７１号公報に記載されている剪断モードインクジェットヘッド（以下単にヘッドと記す）の例を示す図である。図１で１はインクチューブ、２はノズル形成部材、３はノズル、５０は側壁、６はカバープレート、７はインク供給口、８は基板である。そして、図２に示すようにインク流路であるチャネル４０、４１、・・・４Ｍは各チャネルを隔てる側壁５０、５１、５２・・・５Ｎとカバープレート６及び基板８によって形成されている。
【０００３】
図１には１個のノズルを有する１チャネルの断面図が示されているが、実際の剪断モードインクジェットヘッドでは、図２（ａ）に示すようにカバープレート６と基板８の間に複数の側壁５０、５１、５２・・５Ｎで隔てられたチャネル４０、４１、４２、・・４Ｍが多数形成されている。図ではチャネル４０、４１の２チャネルのみが示されている。チャネル４０の一端はノズル形成部材２に形成されたノズル３に連設され、他端は供給口７を経て、インクチューブ１によって図示されていないインクタンクに連設されている。そして例えば、側壁５０に密着形成した電極１０１と１０３を、側壁５１に密着した電極１０２、１０４をそれぞれ設けている。同様に各側壁にはそれぞれ電極が密着形成されている。
【０００４】
図３は前記電極に印加する駆動パルスの波形を示した図である。図２（ｂ）に示すように、電極１０１、１０２をアースに接続し、該電極１０３及び１０４に図３（ａ）に示すような波高値Ｖの矩形波パルスを印加することにより、以下述べる動作によってインク滴をノズル３から飛翔させ、記録材に飛着させて画像の記録を行う。
【０００５】
側壁５０は図２（ａ）の矢印で示すように分極方向が異なる２個の圧電材料から成る側壁５０Ａと５０Ｂで構成されていて、パルスを印加することによって変形するアクチュエータとして動作する。電極１０３及び１０４に駆動パルスが印加されない時は図２（ａ）のように側壁５０、５１は変形しないが、前記の波形の駆動パルスが、電極１０３及び１０４とアース間に印加されると（図２（ｂ）参照）、圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じ、側壁５０Ａ、５０Ｂとも側壁の接合面にズリ変形を生じ、また、側壁５１Ａ、５１Ｂも同様に反対方向にズリ変形を生じ、図２（ｂ）に示すように側壁５０Ａ、５０Ｂ及び側壁５１Ａ、５１Ｂは互いに外側に向けて変形し、この例ではチャネル４０の体積は大きくなる。次に、駆動パルスが立ち下がって、電極１０３、１０４と電極１０１、１０２とが同電位になり、前記側壁５０Ａ、５０Ｂ及び５１Ａ、５１Ｂは図２（ａ）の状態に戻る。このとき、チャネル４０の体積は急激に縮小して、チャネル４０内の圧力が変化することによってチャネル４０を満たしているインクの一部によるインク滴をノズル３から飛翔させる。なお空間Ｄは隣同士のチャネル動作が互いに影響しないために設けた空間である。チャネル４１においても同様な作用でインク滴の射出が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
圧電材料で構成された側壁であるアクチュエータを駆動する駆動回路は電気的負荷としては容量性負荷であり、図３（ｂ）に１チャネル駆動回路の等価回路を示す。
【０００７】
インク飛翔の駆動に使用されるエネルギーＥは、アクチュエータの容量をＣ、パルス電圧をＶ、駆動パルスの印加周波数周波数をｆd、ノズルの数をＮとすると、良く知られた（ＣＶ2）／２から、容量の充放電によって発生するエネルギーＥは、Ｅ＝ＣＶ2・ｆd・Ｎとなる。
【０００８】
このエネルギーＥの一部はインクを飛翔させるのに使用されるが、大部分のエネルギーは回路中でジュール熱に変換されて熱を発生する。従って例えば、繰り返し周波数２０ｋＨｚ程度のパルスで駆動する場合、発熱量は増加し、また、チャンネル数が増加するに従い、ヘッドの発熱量は増加するという問題点がある。
【０００９】
ヘッドを駆動する従来の駆動回路の例を図４に示す。図では２チャネルの駆動回路しか示してないが、実際には多数あり、Ｎチャネルとし、前記アクチュエータＣ１、Ｃ２の電極に印加する電圧Ｖを、例えばｎＣＭＯＳとｐＣＭＯＳのＦＥＴを相補的に組み合わせたスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２から生成する。スイッチ回路Ｓ１、Ｓ２は画像信号に基づいて形成された駆動パルスにより個別に制御されてスイッチ動作をする。
【００１０】
このように、スイッチ回路Ｓ１、Ｓ２は画像信号に基づいてスイッチ動作をして、アクチュエータを駆動し、ノズルからインクを飛翔させ、記録材にインクを飛着させて画像を形成する。
【００１１】
通常、図４の駆動回路はドライバーＩＣチップ２１ａとして集積回路化されている。そして、ドライバーＩＣ２１ａとアクチュエータＣ１、Ｃ２を有するヘッドとインクマニホールドとがヘッドユニット２３ａを構成する。駆動電力による前記発熱の大部分は該ヘッドユニット２３ａ、即ち、前記駆動回路で発生している。そして、前記駆動回路を含むヘッドユニット２３ａは高集積化されるために放熱は困難である。
【００１２】
そして、ヘッドユニット２３ａにおける発熱はインクの粘度変化などの影響を与えて、インクの飛翔（吐出）特性を変化させて不安定にするなどの問題点がある。更に、該ヘッドユニットに装着されているヘッド駆動用の回路にも発熱の影響を与える問題点もある。
【００１３】
本発明はヘッドユニットにおける前記の発熱の問題を解決し、安定して動作するインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下に示す発明によって達成される。
【００１５】
１．インク流路と該インク流路に連設されたノズルとを備えたチャネルが圧電材料からなる複数の側壁により隔てられて複数設けられ、該側壁からなるアクチュエータを駆動して前記ノズルからインクを飛翔させ、インクを記録材に飛着させて画像を形成するインクジェット記録装置であって、
前記アクチュエータの駆動部は、前記アクチュエータを駆動する駆動パルス発生回路と、駆動パルスを選択的に通すアナログスイッチとからなり、前記駆動パルス発生回路が前記アナログスイッチ及び前記アクチュエータを含むヘッドユニットと分離された構成であって、且つ、前記駆動パルス発生回路の出力インピーダンスが前記ヘッドユニットのインピーダンスよりも大きく、且つ、前記アクチュエータの固有振動の周波数をｆとし、該アクチュエータを含む駆動回路系の時定数が実質的に１／（２ｆ）となるような出力インピーダンスを前記駆動パルス発生回路が有することを特徴とするインクジェット記録装置。
【００１６】
２．前記アクチュエータの容量をＣ、前記チャネルの数をＮ、前記駆動パルス発生回路の出力インピーダンスをｒｄ、駆動パルス発生回路から前記ヘッドユニットまでの配線の抵抗をｒｗ、１個の前記アナログスイッチがオンしている場合の抵抗をｒｏｎ、前記アクチュエータへの配線抵抗をｒａとしたとき、前記アクチュエータを含む駆動回路系の時定数がＣ×（（（ｒｏｎ＋ｒａ）／Ｎ）＋ｒｄ）で表されることを特徴とする前記１に記載のインクジェット記録装置。
【００１７】
３．前記駆動パルス発生回路の出力部に設けられた抵抗により前記出力インピ−ダンスが調整されていることを特徴とする前記１又は前記２に記載のインクジェット記録装置。
【００１８】
４．前記アクチュエータ及び前記アナログスイッチが前記ヘッドユニットに設けられ、前記駆動パルス発生回路が前記ヘッドユニット以外の回路基板に設けられたことを特徴とする前記１〜３のいずれか１項に記載のインクジェット記録装置。
【００１９】
【発明の実施の形態】
アクチュエータを駆動する駆動系全体の発熱量は決まっているとしても、発熱する場所は各部のインピーダンスで異なる。
【００２０】
本発明の実施の形態においては、ヘッドユニットに集中している回路構成を分離し、全体の発熱量の内のヘッドユニットにおける発熱量の割合を下げることによって、前述の発熱による問題を解決している。
【００２１】
即ち、インクを飛翔させるアクチュエータを駆動する駆動部をアナログスイッチと駆動パルス発生回路に分離し、駆動パルス発生回路の実効的な出力インピーダンスをアナログスイッチを含むヘッドユニットのインピーダンスよりも大きくすることにより、アナログスイッチが設けられたヘッドユニットにおける発熱を抑制している。
【００２２】
図５は本発明の実施の形態に係るアクチュエータの駆動部の回路図である。図５では４つのチャネルを駆動する回路を例に示してあるが、実際のインクジェット記録装置においては多数のチャネルが設けられており、以下の説明においてはＮチャネルまで駆動する回路があるものとする。
【００２３】
図５において、駆動部は駆動パルス発生回路２０、アナログスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮ及び画像信号回路２２を有し、駆動パルス発生回路２０と画像信号発生回路２１とはヘッドユニット２３ｂとは分離された回路基板であるマザーボード２４に設けられる。アナログスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮを構成する駆動ＩＣ２１ｂとアクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮはヘッドユニット２３ｂに設けられる。駆動パルス発生回路２０は繰り返し周期が一定で、一定の電圧Ｖの駆動パルスを発生し、破線で示した駆動ＩＣ２１ｂに入力し、各チャネルに対応するアナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４・・ＳＮの信号端子に入力する。アナログスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮの各出力はそれぞれの各チャネルのアクチュエータＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・ＣＮに接続され、また、各アナロスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮのアース端子は共通にアースに接続されていて駆動部を形成している。アナログスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮは駆動パルス発生回路２０の駆動パルスを画像信号回路２２からの制御信号に基づいて選択的にアクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮに伝達し、アクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮを駆動する。
【００２４】
以下、アナログスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮの信号端子にスイッチされた場合をオン、アース端子にスイッチされた場合をオフとして説明する。そして、画像信号回路２２からの制御信号に基づいて、アナログスイッチＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮの内、制御信号に対応するスイッチのみ動作してオンとなり、駆動パルスがアクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮの対応するものを駆動してインクを飛翔させ記録材に飛着させて画像を形成する。また、図５の点線で示したヘッドユニット２３ｂには前記駆動ＩＣ２１ｂが設けられて一体に構成され、駆動パルス発生回路２０と画像信号回路２２はヘッドユニット２３ｂから分離したマザーボード２４に設けられている。
【００２５】
図６（ａ）は固有振動の周波数ｆが１ＭＨｚであるアクチュエータＣ１（又は、Ｃ２、・・・ＣＮ）を、電圧Ｖとパルス幅Ｗが一定である駆動パルスで駆動し、該駆動パルスの立ち上がり時間ΔＴを変化させた場合のインク滴の飛翔速度の変化を測定したグラフである。図６（ｂ）は立ち上がり時間がΔＴで、立ち下がり時間がδＴ駆動パルスの駆動パルスの波形を示す。通常、立ち上がりと立ち下がりは時定数で決まるので、ΔＴとδＴとは同じ値である。
【００２６】
図６（ａ）において、グラフは横軸に立ち上がり時間ΔＴ（立ち下がり時間δＴ）（μｓｅｃ）をとり、縦軸にインク滴の飛翔速度（ｍ／ｓｅｃ）をとってある。このグラフから立ち上がり時間ΔＴ（立ち下がり時間δＴ）が０．５μｓｅｃまではインク滴の飛翔速度は、ほぼ８ｍ／ｓｅｃで変わらず、ΔＴが更に長くなると急激にインク滴の飛翔速度が低下することが分かる。従って、ΔＴが０．５μｓｅｃの範囲内で、図５の駆動パルス発生回路２０の出力インピーダンスをヘッドユニット２３ｂのインピーダンスよりも大きくすれば、インク滴の飛翔速度を低下させることなく、大部分の発熱は放熱し易いマザーボ−ド２４で発生することになる。駆動パルス発生回路２０の出力インピーダンスがヘッドユニット２３ｂのインピーダンスよりも小さいとヘッドユニット２３ｂにおける発熱分が大きい。しかし、駆動パルス発生回路２０のインピーダンスを大きくし過ぎると、負荷容量との積で決まる時定数が長くなり、パルス波形が鈍ってしまうことになる。パルス波形の許容される鈍りは側壁を構成するアクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮの固有振動の周波数ｆによって決まる。アクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮの固有振動の周波数ｆ以上の周波数の駆動パルスに追随することはできない。例えば、アクチュエータＣ１、Ｃ２、・・・ＣＮの固有振動の周波数ｆが１ＭＨｚとすると、駆動パルスを印加してから実際に側壁の変位が終わるまでに０．５μｓｅｃ程度の時間が必要である。即ち、駆動パルスの立ち上がりエッジに０．５μｓｅｃ程度の鈍りがあっても実際の駆動動作には殆ど差を生じないことになる。
【００２７】
図７は図５の駆動回路の等価回路を示した図である。駆動パルス発生回路２０の出力インピーダンスをｒｄ、マザーボード２４からヘッドユニット２３ｂまでの配線の抵抗をｒｗ、１個のアナログスイッチがオンしている場合の抵抗をｒｏｎ、アクチュエータへの配線抵抗をｒａとする。
【００２８】
例えば、ｒｏｎを５０Ω、ｒａを２０Ω、ｒｗを０．５Ωとし、１チャネルのアクチュエータの容量を１ｎＦ、チャネルの数Ｎを１２８として、時定数、即ちＣ×Ｒを０．５μｓｅｃとした場合には、図７に示す系で駆動パルス発生回路２０、アナログスイッチＳ１（又はＳ２、・・・ＳＮ）、画像信号回路２２及びアクチュエータＣ１（又はＣ２、・・・ＣＮ）を含む全回路系のインピーダンスＲはＲ＝３．９Ωとなり、ｒｄは、ｒｄ＝３．９−（５０＋２０）／１２８＝３．４Ωとなる。即ち、３．４／３．９はマザーボード２４で発熱することになる。このため、駆動パルスの立ち上がり、立ち下がり時間を０．５μｓｅｃの範囲で鈍らせてもインク滴の飛翔速度には殆ど影響なく、発熱を効果的に抑制することが可能になる。
【００２９】
従って、前記全回路系の時定数を１／（２ｆ）程度にすることが発熱とインクの射出特性のバランス上望ましい状態であると言える。
【００３０】
次に、マザーボード２４に構成されている駆動パルス発生回路２０について前記と異なった例を説明する。図８はこれらの回路図である。
【００３１】
図８（ａ）に示す回路は、例えばｎＣＭＯＳとｐＣＭＯＳのＦＥＴを相補的に組み合わせたスイッチ回路で駆動パルス発生回路２０を構成し、一定周期のパルスをＦＥＴのゲートに入力して、アクチュエータに印加する電圧Ｖをスイッチして出力する。そして、駆動パルス発生回路２０の出力部に、出力インピーダンスを大きくするためと、出力（駆動）パルス波形の立ち上がり、立ち下がりを適度に鈍らすための負荷抵抗Ｒ１を挿入して、ヘッドユニット２３ｂの駆動ＩＣ２１ｂに入力して使用する。この場合、時定数は同時に駆動するアクチュエータの数、即ち負荷容量の変化によって大きく変わる。ノズルの数と共にアクチュエータ数が増えると負荷容量が大きくなり、発熱も増えて、インクの粘度が下がって飛翔するインク滴の体積も増加する。しかし、この回路は負荷容量が増えるとパルス波形の立ち上がり、立ち下がりの鈍りが大きくなり、自動的に発熱が減少する傾向になるという効果がある。
【００３２】
図８（ｂ）に示す駆動パルス発生回路２０では台形波発生回路２５から予めパルス波形の立ち上がり、立ち下がりが鈍った台形波のパルスを発生し、オペアンプＯＰで構成された電流増幅回路に入力し、その出力を図５のヘッドユニット２３ｂの駆動ＩＣ２１ｂに入力して使用する。
【００３３】
本来、オペアンプＯＰは出力インピーダンスが小さい回路であるが、入力波形が鈍っているため、実効的な出力インピーダンスは常時大きくなって、全体の発熱をこの回路部分で可成り分担することが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１の発明により、インクジェットヘッドのヘッドユニットで発生する熱量を制御することが可能になる。
【００３５】
請求項２の発明により、インクの飛翔速度の低下を防止しつつ、インクジェットヘッドの発熱を良好に制御することができる。
【００３６】
請求項３の発明により、簡単な回路構成でインクジェットヘッドの発熱を良好に制御することができる。
【００３７】
請求項４の発明により、インクジェットヘッドの駆動回路における発熱部を分離された回路基板に移すことにより、インクジェットヘッドにおける発熱を良好に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットヘッドのインク流路に沿った断面図である。
【図２】インクジェットヘッドのインク流路を横切る断面図である。
【図３】駆動パルス波形と等価回路を示す図である。
【図４】従来のアクチュエータの駆動回路を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るアクチュエータの駆動回路を示す図である。
【図６】駆動パルスの立ち上がり時間とインク飛翔速度の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態にかかるアクチュエータの駆動回路の等価回路を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかるアクチュエータの駆動回路の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１  インクチューブ
３  ノズル
４０、４１  チャネル
５０、５１、５２、５３  側壁
１０１〜１０４  電極
２１ｂ  駆動用ＩＣ
２２  画像信号回路
２３ａ、２３ｂ  ヘッドユニット
２４  マザーボード
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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