JP4052349B2 - インクジェット式記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を駆動源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。

一部が弾性板により構成され、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、インクの吸引、インク滴の吐出を行うインクジェット式記録ヘッドは、圧力によりインク滴を吐出させるため、印刷のための各インク滴のインク量が温度変化に伴う粘度の変化に影響を大きく受け、図７に示したように温度が上昇するにつれてインク量が増加し、印字品質が変動するという問題がある。

このため、環境温度に応じて圧力発生室を収縮させてインク滴を吐出させる際の圧電振動子の信号の大きさや変化速度を温度に対応して調整することにより、インク量を一定する駆動技術が提案されている。

これによれば、記録ヘッドに印加する信号のレベルを温度に応じて変化させることにより、インク滴のインク量を温度に関わりなく一定に維持することが可能となるものの、圧力発生室の収縮速度や収縮量が変化するため、インク滴の飛行速度にも変動を来し、信号の電圧レベルを下げた場合にはインク滴の速度が低下して記録媒体への着弾位置に誤差を生じて印字品質の低下を招くという問題がある。

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、インク滴の速度の変動を可及的に小さく抑えて、温度変化に関わりなくインク滴のインク量を一定に維持することが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。

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、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、温度により基準電位からの電圧が変化する中間電位と、前記中間電位から基準電位までの電位変化により前記圧力発生室を膨張させる第１の信号と、基準電位と最高電圧との差分として発生され、インク滴を吐出させるために前記圧力発生室を収縮させる第２の信号と、インク滴吐出後に収縮状態にある圧力発生室を元の状態に復帰させる第３の信号とを発生させる信号発生手段とを備えるようにした。

中間電位を温度により変化させて、第２の信号によるインク吐出時のメニスカスの位置を調整して、ノズル開口までの流路抵抗とインク粘度とを相殺させ、温度に関わりなく、インク滴の重量と飛行速度とを一定に維持する。

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は、本発明が適用されるインクジェット式記録ヘッドの一実施例を、１つのアクチュエータユニットの圧力発生室近傍の構造で示すものであって、図中符号１は第１の蓋体で、厚さ９μｍ程度のジルコニアの薄板から構成され、その表面には圧力発生室２、２に対向するように駆動電極３、３を形成し、その表面にＰＺＴ等からなる圧電振動子４、４を固定して構成されている。

５は、スペーサで、圧力発生室２、２を形成するのに適した厚さ、例えば１５０μｍのジルコニア（ＺｒＯ₂）などのセラミックス板に通孔を穿設して構成され、後述する第２の蓋体６と第１の蓋体１とにより両面を封止されて圧力発生室２、２を形成している。

圧力発生室２、２は、圧電振動子４、４のたわみ振動を受けて膨張、収縮してインク供給口７、７を介して共通のインク室８、８のインクを吸引して、ノズル開口９、９からインク滴を吐出する。

６は、前述の第２の蓋体で、やはりジルコニア等のセラミック板に、圧力発生室２、２の対向側の端部でノズル開口９、９に連通するノズル連通孔１０、１０と、また外側でインク供給口７、７と連通する連通孔１１、１１を穿設して構成されている。

１２は、インク供給口形成基板で、圧力発生室２、２の中央部側にノズル開口９、９と接続するノズル連通孔１３、１３を、また外側には共通のインク室８、８と圧力発生室２、２とを接続する前述のインク供給口７、７を穿設して構成されている。

１４は、共通のインク室形成基板で、共通のインク室８、８を形成するに適した厚み、例えば１５０μｍのステンレス鋼などの耐蝕性と剛性を備えた板材に、共通のインク室８、８の形状に対応する通孔と、その外側にノズル開口９、９と接続する連通孔１５、１５を穿設して構成されている。

１６は、ノズルプレートで、ノズル開口９、９を列状に、複数列、この実施例では２列形成して構成されている。なお、図中符号１７は外部回路からの信号を圧電振動子４、４に供給するフレキシブルケーブルを示す。

図２は、上述した記録ヘッドを駆動する駆動装置の一実施例を示すものであって、図中符号３０は、信号発生回路で、図３に示したように外気温度が高くなるほど高い電位となる中間電位Ｖｃと、中間電位Ｖｃから基準電位Ｖｓに降下する第１の信号と、基準電位Ｖｓと最高電位ＶＨとの差分として発生され、インク滴を吐出させるための第２の信号と、最高電圧ＶＨと中間電位Ｖｃとの差分として発生され、収縮状態にある圧力発生室２をもとの状態に戻すとともに、共通のインク室８から圧力発生室２にインクを吸引するための第３の信号とを発生させるように構成れている。そして中間電位Ｖｃは温度検出手段３１からの温度により制御可能となっている。

この実施例において、外気温度が常温の場合には、中間電位Ｖｃは、１滴のインク滴が印刷に最適な量となるように定められた値となる。この状態で、印刷信号が入力すると、中間電位Ｖｃに充電されていた圧電振動子４が第１の信号で放電して、圧力発生室２が中間電位Ｖｃに相当する分だけ膨張する。これによりメニスカスＭがノズル開口２からこの膨張量に相当する分だけ引き込まれる（図５）。

所定時間が経過した段階で、基準電位Ｖｓと最高電位ＶＨとの差分としての第２の信号が出力して圧力発生室２を収縮させる。第２の信号が出力される時点では、一旦圧力発生室２に引き込まれたメニスカスがノズル開口９に向かって移動して印刷に適した位置に到達しているため、常温でのインクの粘度と、メニスカスのノズル開口９までの距離ΔＬに見合ったインク量のインク滴が吐出され、所定の速度で飛行する。

インク滴吐出後、圧電振動子４が第３の信号により放電され、次の印刷に備えて圧力発生室が元の容積に位置に復帰する。そして印刷信号にタイミングを合わせて再び中間電位Ｖｃに充電される。以下、このような工程を繰返して印刷を実行する。

外気温が高く、したがってインクの粘度が常温に比較して低下している場合には、中間電位Ｖｃが常温時よりも上昇する。この状態で印刷信号が入力すると、中間電位Ｖｃに充電されていた圧電振動子４が第１の信号で放電して、圧力発生室２が常温時よりも大きく膨張する。

このため、メニスカスが常温時よりも圧力発生室側に大きく引き込まれる。所定時間が経過した段階で、基準電位Ｖｓと最高電位ＶＨとの差分としての第２の信号が出力して圧力発生室２を収縮させる。第２の信号が出力される時点では、一旦圧力発生室２に引き込まれたメニスカスがノズル開口９に向かって移動しているが、圧力発生室２に大きく引き込まれているから、ノズル開口９からの距離ΔＬが長く、ここからノズル開口９までの流体抵抗が大きくなる。

しかしながら温度が上昇していてインクの粘度が低下しているから、両者のファクタが相殺されることになり、インク量に変化を来すことなく、しかも吐出時に受ける圧力が一定となるから、常温時と同一のインク量のインク滴が常温時と同一の飛行速度で飛翔する。

一方、外気温が低く、したがってインクの粘度が常温に比較して上昇している場合には、中間電位ＶＣが常温時よりも低下する。この状態で印刷信号が入力すると、中間電位Ｖｃに充電されていた圧電振動子４が放電して、圧力発生室２が常温時よりも膨張量が少なくなる。

このため、メニスカスＭが常温時よりもノズル開口側に位置する。所定時間が経過した段階で、基準電位Ｖｓと最高電位ＶＨとの差分としての第２の信号が出力して圧力発生室２を収縮させる。第２の信号が出力される時点では、メニスカスが既にノズル開口９の近傍に位置していてノズル開口９までの流体抵抗が小さいが、インクの粘度が上昇しているから、両者のファクタが相殺されることになり、インク量に変化を来すことなく、しかも吐出時に受ける圧力が一定となるから、常温時と同一のインク量のインク滴が常温時と同一の飛行速度で飛翔する。

以下、このように外気温に応じて中間電位Ｖｃを変化させることにより、インク吐出時点のメニスカスとノズル開口との距離を調整してインクの粘度の変化に起因する抵抗を相殺して、インク滴のインク量、及び飛行速度を温度変化に関わりなく、一定に維持する。

なお、上述の実施例においては、第３の信号を一旦、基準電位Ｖｓまで低下させてから、次の印刷に備える中間電位Ｖｃを印加するようにしているが、図４に示したように放電終了時の電位を中間電位Ｖｃをとするようにしても同一の作用を奏することは明らかである。すなわち、第３の信号は、インク滴吐出以後に次のインク滴吐出に備えてインク滴吐出により収縮した圧力発生室２を元の状態に復帰させる操作であるから、インク滴吐出特性にかかわるようなメニスカスの運動を誘起しない。

また、上述の実施例においては第２の信号を、一定値に固定しているが、温度に対応させて変化、例えば２５°Ｃの常温時を１とすると、１５°Ｃでは１．２倍に、また４０°Ｃでは０．９倍となるように変化させると、インク滴のインク量、及び飛翔速度を一定に保持しやすい。そして、中間電位Ｖｃを第２の信号に対する比率、例えば２５°Ｃの常温時ではこの時の第１の信号の０．２倍に、また１５°Ｃではこの時の第１の信号の０．１倍、さらに４０°Ｃではこの時の第１の信号の０．３倍となるように変化させるのが望ましい。

さらに、特にインク滴を吐出させるために圧力発生室を収縮させる時間ｔｃを可及的に一定に維持することにより、メニスカスが最適な位置に移動した時点でインク滴を吐出させることができて、インク滴のインク量、及び飛行速度を温度変化に関わりなく一定に維持することが可能となる。

以上、説明したように本発明においては、ノズル開口、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、前記圧力発生室を拡大させる第１の信号と、膨張状態にある前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口からインク滴を吐出させる第２の信号と、前記インク滴吐出後に第１の信号による拡大容積よりも小さい容積で、かつ環境温度に依存して前記圧力発生室を拡大させる第３の信号を出力する信号発生手段とを備えるようにしたので、圧力発生室を膨張させる第１の信号の振幅を中間電位である第３の信号により調整してメニスカスの引き込み量を変えることができ、インク滴吐出のための第２の信号の振幅を一定としてインク滴の速度を変えることなく、メニスカスの位置によりヘッドのインク吐出能力を調整してインク滴のインク量を一定に維持することができる。

本発明のインクジェット記録装置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断面図である。 本発明の信号発生手段の一実施例を示すブロック図である。 同上装置における信号の一実施例を示す波形図である。 同上装置における信号の他の実施例を示す波形図である。 ノズル開口近傍のメニスカスの挙動を示す図である。 中間電位とインク滴の重量比との関係を示す線図である。 インク温度とインク滴のインク量との関係を示す線図である。

符号の説明

２…圧力発生室、４…圧電振動子、８…共通のインク室、９…ノズル開口。

Claims (2)

1. ノズル開口、及びインク供給口を介して共通のインク室に連通する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドと、温度が高い場合には温度が低い場合よりも基準電位との電圧の差が大きい中間電位を発生させ、前記中間電位から、前記中間電位から前記基準電位までの電位変化により前記圧力発生室を膨張させ、メニスカスを、前記の温度が高い場合には温度が低い場合よりも圧力発生室側に大きく引き込ませる第１の信号を発生させ、前記第１の信号の発生後、前記メニスカスが、前記の温度が高い場合には温度が低い場合よりも圧力発生室側に大きく引き込ませた状態で、前記基準電位と最高電位との差分として発生され、インク滴を吐出させるために前記圧力発生室を収縮させる第２の信号を発生させ、前記インク滴吐出後に、収縮状態にある圧力発生室を元の状態に復帰させる第３の信号を発生させる信号発生手段と、からなり、
   前記第２の信号の、前記基準電位と前記最高電位との差分は、前記の温度が高い場合には温度が低い場合よりも小さく、前記第２の信号を発生させている時間は、前記の温度が高い場合と温度が低い場合とで一定である、インクジェット式記録装置。
2. 前記第３の信号の終端電位が前記中間電位である請求項１に記載のインクジェット式記録装置。

Images