インクジェットヘッド及びその揺動方法、並びに画像形成装置
【課題】ノズルからインク滴が吐出されることなくメニスカスを揺動させることが可能なインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】インクが充填された加圧室と、この加圧室に連通してこのインクのメニスカスが形成されるノズルと、この加圧室を加圧する圧電素子とを備える。また、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路を備える。そして、上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、この基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う。
【解決手段】インクが充填された加圧室と、この加圧室に連通してこのインクのメニスカスが形成されるノズルと、この加圧室を加圧する圧電素子とを備える。また、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路を備える。そして、上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、この基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドに関し、特に、プリンター、コピー、ファクシミリ、および、それらの複合機などの画像形成装置に好適に用いることができる、圧電インクジェットヘッドの揺動技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
オンデマンド型のインクジェットプリンタなどの画像形成装置においては、例えば、図２、３に示すように、インクが充填される加圧室２を備えたインクジェットヘッドが用いられる。この加圧室２にはノズル３が連通しており、当該加圧室２にインクが充填されることによって、このノズル３内部にインクメニスカス(以下、単に「メニスカス」という)が形成される。また、加圧室２には駆動電圧の印加によって変形する圧電素子９と、圧電素子９と積層されて駆動部Ｄを構成する振動板７とが連接されている。
【０００３】
このようなインクジェットヘッドにおいては、駆動部Ｄが、圧電素子９が発生する力を加圧室２内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室２に連通するノズル３からインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。すなわち、駆動部Ｄは、圧電素子９の、駆動電圧の印加による変形によって、振動板７を、図２中に一点鎖線で示すように、加圧室２の方向に突出するように撓ませる。こうして、加圧室２の容積を減少させることによって、加圧室２内のインクを加圧して、ノズル３の先端から、インク滴として吐出させる。それと同時に、駆動部Ｄは、加圧室２内のインクの圧力を受けることによって振動板７が図と反対方向に撓むため、インクの振動に対して弾性体としての役割も持っている。
【０００４】
圧電素子９に電圧を印加して応力を発生させると、インクは、振動板７を介して駆動部Ｄから受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、駆動部Ｄと加圧室２とを弾性、加圧室２にインクを供給する供給口５、加圧室２とノズル３とを繋ぐノズル流路４、およびノズル３を慣性として発生する。この振動における、上記各部内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、駆動部Ｄの寸法と物性値とによって決まる。圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル３内でのメニスカスの振動を利用して、インク滴を発生させている。
【０００５】
特許文献１において説明されているように、このようなインクジェットヘッドにおいては、非印字時の圧電素子９に、一定の駆動電圧を継続的に印加して、圧電素子９を変形させ続けることで、振動板７を撓ませ続けて、加圧室２の容積を減少させた状態を維持しておく。そして、印字時には、
(I) 印字する直前に、駆動電圧を放電して圧電素子９の変形と、振動板７の撓みとを解除させることで、加圧室２の容積を増加させて、ノズル３内のインクメニスカスを一旦、加圧室２の側へ引き込ませた後、
(II) 再び、駆動電圧を印加して圧電素子９を変形させて、振動板７を撓ませることで、加圧室２の容積を減少させて、ノズル３の先端からインク滴を吐出させる駆動方法が一般的に用いられる。以下では、この駆動方法を、「引き打ち式の駆動方法」と略称する場合がある。
【０００６】
図１２は、上記引き打ち式の駆動方法において、圧電素子９に印加する駆動電圧ＶPの揺動電圧波形（曲線Ｖｐ）と、かかる揺動電圧波形が与えられた際の、ノズル３における、インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、(＋)がノズル３の先端側、(−)が加圧室２の側〕との関係を簡略化して示すグラフである。以下に、前記図２、３に示す、厚みの小さい平板状または層状に形成され、揺動電圧を印加することによって面方向に収縮する横振動モードの圧電素子９を使用する場合を例にとって、図１２を参照して、この揺動方法を説明する。
【０００７】
図１２中左端（時刻０）までの待機状態においては、駆動電圧ＶPをＶHに維持（ＶP＝ＶH）して圧電素子９を面方向に収縮させ続けることによって、振動板７を、加圧室２の容積を減少させた状態を維持するべく、一定の形状に撓ませ続けている。この時刻０まで、インクは静止状態、すなわち、ノズル３におけるインクの体積速度（曲線Ｃ）は０を維持し、ノズル３内のメニスカスは停止している。
【０００８】
ノズル３からインク滴を吐出させて、紙面に印字するには、まず、その直前の時刻０の時点で、圧電素子９に印加していた駆動電圧ＶPを放電（ＶP＝０）して、圧電素子９の面方向の収縮を解除させることによって、振動板７の撓みを解除させる。そうすると、加圧室２の容積が一定量だけ増加するため、ノズル３内のインクは、その容積の増加分だけ、メニスカスが加圧室２の側に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図１２の曲線Ｌに示すように一旦、(−)の側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく（時刻Ｐ１）。これは、インクの体積速度の固有振動周期の、ほぼ半周期分に相当する。
【０００９】
そして、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点（時刻Ｐ１）で、駆動電圧ＶPを、再びＶHまで充電（ＶP＝ＶH）して、圧電素子９を面方向に収縮させることによって、振動板７を撓ませる。この動作は、曲線Ｖｐで示すように、パルス幅が固有振動周期の約１／２倍である駆動電圧波形を有する駆動電圧ＶPを、圧電素子９に印加していることに相当する。
【００１０】
そうすると、ノズル３内のインクは、メニスカスが加圧室２の側に最も大きく引き込まれた状態から静止状態（体積速度が０の状態）を経て、逆にノズル３の先端側へ戻ろうとしているところに、振動板７を撓ませて、加圧室２の容積を減少させることになる。すると、当該加圧室２から押し出されたインクの圧力が加わることになるため、ノズル３の先端側の方向へ加速されて、ノズル３の先端から外方に大きく突出する（時刻Ｐ２）。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図１２の曲線Ｌに示すように一旦、(＋)の側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく（時刻Ｐ３）。ノズル３の先端から外方に突出したインクが略円柱状に見えることから、この突出状態のインクを、一般にインク柱と称する。そして、ノズル３でのインクの体積速度が０になった時点以降、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の先端から外方へ伸びきったインク柱が、ノズル３内のインクから切り離され、インク滴として飛翔して、紙面に印字される。
【００１１】
実際のインクジェットヘッドにおいては、例えば、図１に示すように、上記加圧室２、ノズル３、圧電素子９、および振動板７等を有する印字部を複数個、１つの基板１上に形成するのが一般的である。そして、例えば、あらかじめ設定した駆動周波数ごとに、形成画像のデータに応じて、各印字部のうち任意の印字部を選んで動作させて、その印字部のノズル３から選択的にインク滴を吐出させて紙面にドットを形成する。この動作を繰り返し行わせることによって、紙面に画像が形成される。そのため、各印字部の動作間隔は一定ではなく、駆動周波数ごとに毎回、動作する印字部もあれば、一度、動作してから次に動作するまでの間にかなりの間隔があく印字部も生じる。
【００１２】
引き打ち式の場合、動作させる印字部以外の他の印字部においては、インクが、ノズル３の先端からインク滴として吐出されるのを防ぐため、上記の待機状態、つまり、圧電素子９に一定の駆動電圧を印加して変形させることで加圧室２の容積を減少させた状態が維持される。そして、この待機状態の間、インクは静止し、メニスカスは停止した状態が続く。この待機状態が長くなればなるほど、インクと外気との界面であるインクメニスカスの近傍において、インク中に含まれる溶剤等の成分が蒸発し、インクの粘度が上昇する。その結果としてインク滴の吐出が乱れたり、場合によっては、ノズル３が目詰まりしてインク滴を吐出できなくなったりするという問題を生じる。特に、紙面に形成されたドットの速乾性を高めるために、揮発性の高い溶媒を使用したインクを用いた場合に、この問題が顕著に発生する。
【００１３】
そこで、インクの粘度上昇を未然に防止し、あるいは粘度上昇が発生した際にはこれを解消するため、待機状態の圧電素子９に微小な揺動電圧を印加して、振動板７を、インクが吐出されない程度に揺動させることで、加圧室２内のインクを攪拌することが提案されている（特許文献２参照）。
【００１４】
さらに、上記の揺動電圧として、インクの固有振動周期と略同周期の基本パルスを形成し、これに基づく揺動電圧を上記圧電素子に印加するのが好適であることを、特許文献３において、本願発明者が明らかにしている。
【００１５】
【特許文献１】特開平２−１９２９４７号公報（第３頁左上欄第１９行〜同頁右上欄第６行、第３頁右上欄第１４行〜同頁左下欄第２行、第１６図(b)）
【特許文献２】特開２００３−３４１０４８号公報（請求項１、第０００４〜第０００６段落、第０００８〜第０００９段落）
【特許文献３】特開２００６−１５０８４５号公報（図７、００４２段落、００４９段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記特許文献３で本願発明者が開示したのは、メニスカスを揺動させつつも、上記ノズル３からインク滴が吐出することがないようにするための、好適な基本パルスであった。
【００１７】
しかし、その後の実験により、この基本パルスを用いても、インクの粘度や室温などの条件によっては、稀にノズル３からインク滴が吐出されてしまう場合があることが判明した。これを放置すると、非印字時にインクが吐出され、画像形成装置の内部を汚損するなどの問題が発生する。
【００１８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルからインク滴が吐出されることなくメニスカスを揺動させることが可能なインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以上の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を採用している。
【００２０】
本願発明者は、上記基本パルスの前後に、この基本パルスの立ち上がり時間と略同周期の付加パルス電圧を少なくとも１回以上形成すると、メニスカスが揺動してもノズルからインク滴が吐出されることを防止できることを、計算機シミュレーションにより見出した。
【００２１】
これに基づき、まず、本発明のインクジェットヘッドは、インクが充填された加圧室と、この加圧室に連通してこのインクのメニスカスが形成されるノズルと、この加圧室を加圧する圧電素子とを備える。また、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路を備える。
【００２２】
そして、上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、この基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う。
【００２３】
これにより、ノズルからインク滴が吐出されることなくメニスカスを揺動させることが可能なインクジェットヘッドが実現できるのである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、インクジェットヘッドにおいて、インク滴を吐出することなくメニスカスを揺動させることができる。しかも、本発明は、メニスカスを揺動するための電圧の波形を改良する構成を採っているため、特別なハードウェア構成を必要とせず、安価に実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明を実施するためのインクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。この図１の例のインクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル３とを含む印字部を複数個、配列したものである。各印字部のノズル３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図１の例では４列に並んでおり、同一列内の印字部間のピッチは９０ｄｐｉであって、インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。
【００２７】
また、図２は、上記例のインクジェットヘッドにおいて、駆動部Ｄを取り付けた状態での、１つの印字部を拡大して示す断面図、図３は、１つの印字部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【００２８】
各印字部は、基板１の、図２において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状（図３参照）を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋いでいる。また、これとともに、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各印字部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。
【００２９】
また、上記各部は、図２の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズル３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。また、第1基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。さらに、各基板１ａ〜１ｄは、樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって、上記各部となる通孔を形成した、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
【００３０】
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７と、振動板７の上面側に積層され少なくとも各印字部を覆う振動板７と同じ大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８とを備えている。そして、図１中に一点鎖線で示すように各印字部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子９と、各圧電素子９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とを、この順に積層することで駆動部Ｄを構成してある。
【００３１】
なお、圧電素子９を、いくつかの印字部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、図１中に一点鎖線で示すように、各印字部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
【００３２】
振動板７は、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また、振動板７には、先の基板１の通孔１１ａとともにジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。共通電極８、個別電極１０は、ともに、金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
【００３３】
圧電素子９を形成する圧電材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【００３４】
薄板状の圧電素子９は、従来と同様にして形成することができる。例えば、圧電材料の焼結体を薄板状に研磨して所定の平面形状を有するチップを作製し、それを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定することで形成できる。また、共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによっても、圧電素子９を形成することができる。
【００３５】
圧電素子９を横振動モードとするためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子９をエージング処理してもよい。
【００３６】
圧電材料の分極方向を、上記の方向に配向させた圧電素子９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から(＋)の駆動電圧ＶPを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電素子９と振動板７とが、図２中に一点鎖線で示すように、加圧室の側に撓むことになる。
【００３７】
このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル３の先端に向かうことによって、ノズル３内のインクメニスカスが、先端から外部へと押し出される。そして、ノズル３の先端から外部に、前述したインク柱が突出する。突出したインク柱は、やがて、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３内のインクから切り離され、インク滴となって、紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【００３８】
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル３内のメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル３に再充てんされる。
【００３９】
個別電極１０を介して圧電素子９に印加する駆動電圧波形は、この例では、図４の駆動回路１２を使って発生させる。図の駆動回路１２は、電源線１２ａと接地１２ｂとの間に、第１トランジスタＴＲ1、抵抗Ｒ1、Ｒ2、および第２トランジスタＴＲ2を直列に繋いで第１回路１２ｃを形成する。また、この第１回路１２ｃの抵抗Ｒ1、Ｒ2間から分岐させて、抵抗Ｒ3、個別電極１０、圧電素子９、および共通電極８を介して、接地１２ｄに至る第２回路１２ｅを形成する。さらに、両トランジスタＴＲ1、ＴＲ2のベースに、それぞれ、コントロール電圧ＶCを印加するための端子１２ｆを接続したものである。圧電素子９は、等価的にコンデンサとして機能する。
【００４０】
かかる駆動回路１２は、圧電インクジェットヘッド上の、複数の印字部の各圧電素子９を個別に動作させるために、圧電素子９と同数を、例えば集積回路上に形成し、駆動回路１２の第２回路１２ｅを、個別に、各圧電素子９の個別電極１０と接続してある。また、各駆動回路１２の端子１２ｆは、いずれも、図示しない制御回路から、各端子１２ｆを介して各駆動回路１２に、個別に、形成画像のデータに応じたコントロール電圧を印加することで、それぞれの駆動回路１２を個別に駆動させることができるように、上記制御回路と個別に接続してある。
【００４１】
非印字時(その意味は後述する)に、このコントロール電圧Ｖｃとして、図９に示すような基本パルスを形成すると、上記第２回路１２ｅに、図１０に一点鎖線で示すようなメニスカスを揺動するための揺動電圧Ｖｐが発生する。この基本パルスは、インクの固有振動周期とほぼ同期間Ｔ３のパルス幅だけ、圧電素子９に印加している電圧をオフする波形となっている。その結果、ノズル３内のインクは、図１０に実線で示すような揺動を起こす。ここで、上記パルス幅Ｔ３は上述したように、インクの固有振動周期Ｔ１のほぼ同じ約１５μｓとなっており、この条件で、インクがノズル３から吐出されることなくメニスカスが揺動される。これが、本願発明者が特開２００６−１５０８４５号公報において明らかにした、インクジェットヘッドの揺動方法であった。なお、この場合、コントロール電圧Ｖｃは約５Ｖ、基本パルス電圧Ｖｐは約１３Ｖである。
【００４２】
しかし、その後の実験により、この基本パルス電圧を用いても、インクの粘度や室温などの条件によっては、稀にノズル３からインク滴が吐出されてしまう場合があることが判明した。図１１は、縦軸に時間経過(単位μｓ)を、横軸にノズル３の端からの距離(単位ｍｍ)をとり、このインク滴ｄの吐出の様子を計算機シミュレーションした結果である。この計算機シミュレーションにおいて、インクの粘度は３〜５ｍＰａｓであり、インクジェット式印刷における標準的なインクの粘度である。
このように、従来の方法では、図１１に示すように、ノズル３からインク滴ｄが吐出されてしまう場合があり、これを放置すると、非印字時にインクが吐出され、画像形成装置の内部を汚損するなどの問題が発生する。
【００４３】
今回、本願発明者は、上記基本パルス電圧の前後に、この基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間ｔ１(図１０参照)とほぼ同周期の付加パルス電圧を少なくとも１回以上形成すると、メニスカスが揺動してもノズルからインク滴が吐出されることを防止できることを、計算機シミュレーションにより見出した。これが本発明の最大の特徴である。
【００４４】
即ち、上記コントロール電圧Ｖｃとして、図５に示すように、例えばパルス幅Ｔ３の上記基本パルスの前後に、それぞれ２回、パルス幅ｔ１の付加パルスを形成する。この付加パルスは、このパルス幅ｔ１だけ、圧電素子９に印加している電圧をオフする波形となっている。すると、上記揺動電圧Ｖｐとして、図６に曲線Ｖｐで示すような波形が得られ、メニスカスは図６に曲線Ｃで示すような揺動を起こす。図７は図１１と同様に、この条件で、縦軸に時間経過(単位μｓ)を、横軸にノズル３の端からの距離(単位ｍｍ)をとり、このインク滴ｄの吐出の様子を計算機シミュレーションした結果である。なお、この計算機シミュレーションにおいても、インクの粘度は３〜５ｍＰａｓであり、インクジェット式印刷における標準的なインクの粘度である。また、付加パルス電圧の大きさは基本パルス電圧の大きさと同じ約１３Ｖである。
【００４５】
この図７に示すように、本発明によれば、メニスカスを揺動させてもノズル３からインク滴ｄが吐出されることはなくなる。この基本パルス電圧の前後に付加パルス電圧を印加するということは、原理的には、基本パルス電圧に基づく揺動電圧Ｖｐの立ち上がりと立下りを緩やかにすることに相当する。その結果として、メニスカスの揺動が緩やかになり、ノズル３からインク滴が吐出されることがなくなるのである。
【００４６】
なお、付加パルスのパルス幅ｔ１は、基本パルスを印加したときの、メニスカスの揺動の立ち上がり時間とほぼ同周期である。このパルス幅ｔ１は、図４の回路構成における抵抗Ｒ1、Ｒ3と、圧電素子９の静電容量Ｃとで決せられ、ｔ１≒Ｃ（Ｒ1＋Ｒ3）ｌｎ９である。本実施の形態ではｔ１≒１．５μｓである。また、付加パルスどうしの間隔と、付加パルスと基本パルスとの間隔も、同じくｔ１≒１．５μｓである。
【００４７】
以上のように、本発明によれば、付加パルス電圧を印加するだけで、特別なハードウェア構成を必要とせずに、インク滴を吐出することなくメニスカスを揺動させることができる。なお、図５〜７では、付加パルス電圧を基本パルス電圧の前後に２回ずつ印加する場合を説明したが、これは例示であって、付加パルス電圧は基本パルス電圧の前後のいずれかに少なくとも１回印加すれば本発明の効果が得られることが実験装置を用いた試験で明らかになっている。しかしながら、インク特性のばらつきや経年変化や圧電素子の特性のばらつき等を考慮して本実施例では、基本パルス波形の前後に付加パルス波形を２回印加するようにしている。もちろん３回以上印加しても本発明の効果が得られるが、余り沢山の回数印加するのは適切ではない。なぜならば、この場合には、メニスカスの揺動が落ち着く(静止する)のに時間がかかり、メニスカスが十分静止する前に後続の印字が開始されて、印字の品質を損ねてしまうことが考えられるからである。
【００４８】
さて、最後に以上の説明で用いてきた非印字時という用語について明らかにしておく。これまでの説明から明らかなように、メニスカスの揺動は非印字時に行う。この非印字時とは、第一義的には一つの印字ジョブの終了から次の印字ジョブの開始までを指すが、本発明では、さらに細密化した意味で用いている。
【００４９】
例えば、図８に示すように用紙Ｐの搬送方向が矢印Ｌであるとして、１枚の用紙に対する印字であっても、画像データがない領域Ｓ１については、非印字時であるとしてメニスカスの揺動を行う。また画像データＡ，Ｂが存在する領域Ｓ２においても、画像データＡとＢとの間隔が５００画素以上空いていれば、やはり非印字時であるとして、画像データＡの印字と画像データＢの印字の間に上記揺動を行う。
【００５０】
このように、本実施形態では、画素ごとに(ノズル３ごとに)非印字時を決定し、非常に細密化したメニスカスの揺動を行うので、ノズル３内でインクが固化するようなことが起こらず、常になめらかで美しい印字を行うことができるのである。なお、上記の５００画素というのは、メニスカスが揺動を起こしてから、このメニスカスが静止するまでの時間を反映した値であり、この時間は約２．５ｍｓである。もちろんの５００画素も例示であり、印字速度に応じて適宜決定される値である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るインクジェットヘッドは、インク滴を吐出することなくメニスカスを揺動させることができる。しかも、メニスカスを揺動するための電圧の波形を改良する構成を採っているため、特別なハードウェア構成を必要とせず、安価に実現可能である。従って、プリンター、コピア、ファクシミリ、および、それらの複合機等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明における圧電素子と振動板を含む駆動部の平面図。
【図２】本発明における１つの印字部の断面図。
【図３】本発明における１つの印字部の重なり状態を示す透視図。
【図４】本発明における駆動回路の一例を示す回路図。
【図５】本発明における付加パルス電圧の波形を示すグラフ。
【図６】本発明における揺動電圧とインクの体積速度を示すグラフ。
【図７】本発明におけるインクの吐出に関するシミュレーション図。
【図８】本発明における非印字時の説明図。
【図９】基本パルス電圧の波形を示すグラフ。
【図１０】従来の揺動電圧とインクの体積速度を示すグラフ。
【図１１】従来のインクの吐出に関するシミュレーション図。
【図１２】従来の駆動電圧とインクの体積速度を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５３】
２ 加圧室
３ ノズル
７ 振動板
９ 圧電素子
Ｔ1 体積速度の固有振動周期
Ｔ3 基本パルス電圧のパルス幅
ｔ１ 付加パルス電圧のパルス幅
Ｖｃ コントロール電圧
Ｖｐ 揺動電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドに関し、特に、プリンター、コピー、ファクシミリ、および、それらの複合機などの画像形成装置に好適に用いることができる、圧電インクジェットヘッドの揺動技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
オンデマンド型のインクジェットプリンタなどの画像形成装置においては、例えば、図２、３に示すように、インクが充填される加圧室２を備えたインクジェットヘッドが用いられる。この加圧室２にはノズル３が連通しており、当該加圧室２にインクが充填されることによって、このノズル３内部にインクメニスカス(以下、単に「メニスカス」という)が形成される。また、加圧室２には駆動電圧の印加によって変形する圧電素子９と、圧電素子９と積層されて駆動部Ｄを構成する振動板７とが連接されている。
【０００３】
このようなインクジェットヘッドにおいては、駆動部Ｄが、圧電素子９が発生する力を加圧室２内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室２に連通するノズル３からインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。すなわち、駆動部Ｄは、圧電素子９の、駆動電圧の印加による変形によって、振動板７を、図２中に一点鎖線で示すように、加圧室２の方向に突出するように撓ませる。こうして、加圧室２の容積を減少させることによって、加圧室２内のインクを加圧して、ノズル３の先端から、インク滴として吐出させる。それと同時に、駆動部Ｄは、加圧室２内のインクの圧力を受けることによって振動板７が図と反対方向に撓むため、インクの振動に対して弾性体としての役割も持っている。
【０００４】
圧電素子９に電圧を印加して応力を発生させると、インクは、振動板７を介して駆動部Ｄから受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、駆動部Ｄと加圧室２とを弾性、加圧室２にインクを供給する供給口５、加圧室２とノズル３とを繋ぐノズル流路４、およびノズル３を慣性として発生する。この振動における、上記各部内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、駆動部Ｄの寸法と物性値とによって決まる。圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル３内でのメニスカスの振動を利用して、インク滴を発生させている。
【０００５】
特許文献１において説明されているように、このようなインクジェットヘッドにおいては、非印字時の圧電素子９に、一定の駆動電圧を継続的に印加して、圧電素子９を変形させ続けることで、振動板７を撓ませ続けて、加圧室２の容積を減少させた状態を維持しておく。そして、印字時には、
(I) 印字する直前に、駆動電圧を放電して圧電素子９の変形と、振動板７の撓みとを解除させることで、加圧室２の容積を増加させて、ノズル３内のインクメニスカスを一旦、加圧室２の側へ引き込ませた後、
(II) 再び、駆動電圧を印加して圧電素子９を変形させて、振動板７を撓ませることで、加圧室２の容積を減少させて、ノズル３の先端からインク滴を吐出させる駆動方法が一般的に用いられる。以下では、この駆動方法を、「引き打ち式の駆動方法」と略称する場合がある。
【０００６】
図１２は、上記引き打ち式の駆動方法において、圧電素子９に印加する駆動電圧ＶPの揺動電圧波形（曲線Ｖｐ）と、かかる揺動電圧波形が与えられた際の、ノズル３における、インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、(＋)がノズル３の先端側、(−)が加圧室２の側〕との関係を簡略化して示すグラフである。以下に、前記図２、３に示す、厚みの小さい平板状または層状に形成され、揺動電圧を印加することによって面方向に収縮する横振動モードの圧電素子９を使用する場合を例にとって、図１２を参照して、この揺動方法を説明する。
【０００７】
図１２中左端（時刻０）までの待機状態においては、駆動電圧ＶPをＶHに維持（ＶP＝ＶH）して圧電素子９を面方向に収縮させ続けることによって、振動板７を、加圧室２の容積を減少させた状態を維持するべく、一定の形状に撓ませ続けている。この時刻０まで、インクは静止状態、すなわち、ノズル３におけるインクの体積速度（曲線Ｃ）は０を維持し、ノズル３内のメニスカスは停止している。
【０００８】
ノズル３からインク滴を吐出させて、紙面に印字するには、まず、その直前の時刻０の時点で、圧電素子９に印加していた駆動電圧ＶPを放電（ＶP＝０）して、圧電素子９の面方向の収縮を解除させることによって、振動板７の撓みを解除させる。そうすると、加圧室２の容積が一定量だけ増加するため、ノズル３内のインクは、その容積の増加分だけ、メニスカスが加圧室２の側に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図１２の曲線Ｌに示すように一旦、(−)の側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく（時刻Ｐ１）。これは、インクの体積速度の固有振動周期の、ほぼ半周期分に相当する。
【０００９】
そして、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点（時刻Ｐ１）で、駆動電圧ＶPを、再びＶHまで充電（ＶP＝ＶH）して、圧電素子９を面方向に収縮させることによって、振動板７を撓ませる。この動作は、曲線Ｖｐで示すように、パルス幅が固有振動周期の約１／２倍である駆動電圧波形を有する駆動電圧ＶPを、圧電素子９に印加していることに相当する。
【００１０】
そうすると、ノズル３内のインクは、メニスカスが加圧室２の側に最も大きく引き込まれた状態から静止状態（体積速度が０の状態）を経て、逆にノズル３の先端側へ戻ろうとしているところに、振動板７を撓ませて、加圧室２の容積を減少させることになる。すると、当該加圧室２から押し出されたインクの圧力が加わることになるため、ノズル３の先端側の方向へ加速されて、ノズル３の先端から外方に大きく突出する（時刻Ｐ２）。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図１２の曲線Ｌに示すように一旦、(＋)の側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく（時刻Ｐ３）。ノズル３の先端から外方に突出したインクが略円柱状に見えることから、この突出状態のインクを、一般にインク柱と称する。そして、ノズル３でのインクの体積速度が０になった時点以降、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の先端から外方へ伸びきったインク柱が、ノズル３内のインクから切り離され、インク滴として飛翔して、紙面に印字される。
【００１１】
実際のインクジェットヘッドにおいては、例えば、図１に示すように、上記加圧室２、ノズル３、圧電素子９、および振動板７等を有する印字部を複数個、１つの基板１上に形成するのが一般的である。そして、例えば、あらかじめ設定した駆動周波数ごとに、形成画像のデータに応じて、各印字部のうち任意の印字部を選んで動作させて、その印字部のノズル３から選択的にインク滴を吐出させて紙面にドットを形成する。この動作を繰り返し行わせることによって、紙面に画像が形成される。そのため、各印字部の動作間隔は一定ではなく、駆動周波数ごとに毎回、動作する印字部もあれば、一度、動作してから次に動作するまでの間にかなりの間隔があく印字部も生じる。
【００１２】
引き打ち式の場合、動作させる印字部以外の他の印字部においては、インクが、ノズル３の先端からインク滴として吐出されるのを防ぐため、上記の待機状態、つまり、圧電素子９に一定の駆動電圧を印加して変形させることで加圧室２の容積を減少させた状態が維持される。そして、この待機状態の間、インクは静止し、メニスカスは停止した状態が続く。この待機状態が長くなればなるほど、インクと外気との界面であるインクメニスカスの近傍において、インク中に含まれる溶剤等の成分が蒸発し、インクの粘度が上昇する。その結果としてインク滴の吐出が乱れたり、場合によっては、ノズル３が目詰まりしてインク滴を吐出できなくなったりするという問題を生じる。特に、紙面に形成されたドットの速乾性を高めるために、揮発性の高い溶媒を使用したインクを用いた場合に、この問題が顕著に発生する。
【００１３】
そこで、インクの粘度上昇を未然に防止し、あるいは粘度上昇が発生した際にはこれを解消するため、待機状態の圧電素子９に微小な揺動電圧を印加して、振動板７を、インクが吐出されない程度に揺動させることで、加圧室２内のインクを攪拌することが提案されている（特許文献２参照）。
【００１４】
さらに、上記の揺動電圧として、インクの固有振動周期と略同周期の基本パルスを形成し、これに基づく揺動電圧を上記圧電素子に印加するのが好適であることを、特許文献３において、本願発明者が明らかにしている。
【００１５】
【特許文献１】特開平２−１９２９４７号公報（第３頁左上欄第１９行〜同頁右上欄第６行、第３頁右上欄第１４行〜同頁左下欄第２行、第１６図(b)）
【特許文献２】特開２００３−３４１０４８号公報（請求項１、第０００４〜第０００６段落、第０００８〜第０００９段落）
【特許文献３】特開２００６−１５０８４５号公報（図７、００４２段落、００４９段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記特許文献３で本願発明者が開示したのは、メニスカスを揺動させつつも、上記ノズル３からインク滴が吐出することがないようにするための、好適な基本パルスであった。
【００１７】
しかし、その後の実験により、この基本パルスを用いても、インクの粘度や室温などの条件によっては、稀にノズル３からインク滴が吐出されてしまう場合があることが判明した。これを放置すると、非印字時にインクが吐出され、画像形成装置の内部を汚損するなどの問題が発生する。
【００１８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルからインク滴が吐出されることなくメニスカスを揺動させることが可能なインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以上の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を採用している。
【００２０】
本願発明者は、上記基本パルスの前後に、この基本パルスの立ち上がり時間と略同周期の付加パルス電圧を少なくとも１回以上形成すると、メニスカスが揺動してもノズルからインク滴が吐出されることを防止できることを、計算機シミュレーションにより見出した。
【００２１】
これに基づき、まず、本発明のインクジェットヘッドは、インクが充填された加圧室と、この加圧室に連通してこのインクのメニスカスが形成されるノズルと、この加圧室を加圧する圧電素子とを備える。また、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路を備える。
【００２２】
そして、上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、この基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う。
【００２３】
これにより、ノズルからインク滴が吐出されることなくメニスカスを揺動させることが可能なインクジェットヘッドが実現できるのである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、インクジェットヘッドにおいて、インク滴を吐出することなくメニスカスを揺動させることができる。しかも、本発明は、メニスカスを揺動するための電圧の波形を改良する構成を採っているため、特別なハードウェア構成を必要とせず、安価に実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明を実施するためのインクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。この図１の例のインクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル３とを含む印字部を複数個、配列したものである。各印字部のノズル３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図１の例では４列に並んでおり、同一列内の印字部間のピッチは９０ｄｐｉであって、インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。
【００２７】
また、図２は、上記例のインクジェットヘッドにおいて、駆動部Ｄを取り付けた状態での、１つの印字部を拡大して示す断面図、図３は、１つの印字部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【００２８】
各印字部は、基板１の、図２において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状（図３参照）を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋いでいる。また、これとともに、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各印字部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。
【００２９】
また、上記各部は、図２の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズル３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。また、第1基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。さらに、各基板１ａ〜１ｄは、樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって、上記各部となる通孔を形成した、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
【００３０】
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７と、振動板７の上面側に積層され少なくとも各印字部を覆う振動板７と同じ大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８とを備えている。そして、図１中に一点鎖線で示すように各印字部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子９と、各圧電素子９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とを、この順に積層することで駆動部Ｄを構成してある。
【００３１】
なお、圧電素子９を、いくつかの印字部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、図１中に一点鎖線で示すように、各印字部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
【００３２】
振動板７は、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また、振動板７には、先の基板１の通孔１１ａとともにジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。共通電極８、個別電極１０は、ともに、金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
【００３３】
圧電素子９を形成する圧電材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【００３４】
薄板状の圧電素子９は、従来と同様にして形成することができる。例えば、圧電材料の焼結体を薄板状に研磨して所定の平面形状を有するチップを作製し、それを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定することで形成できる。また、共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによっても、圧電素子９を形成することができる。
【００３５】
圧電素子９を横振動モードとするためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子９をエージング処理してもよい。
【００３６】
圧電材料の分極方向を、上記の方向に配向させた圧電素子９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から(＋)の駆動電圧ＶPを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電素子９と振動板７とが、図２中に一点鎖線で示すように、加圧室の側に撓むことになる。
【００３７】
このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル３の先端に向かうことによって、ノズル３内のインクメニスカスが、先端から外部へと押し出される。そして、ノズル３の先端から外部に、前述したインク柱が突出する。突出したインク柱は、やがて、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３内のインクから切り離され、インク滴となって、紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【００３８】
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル３内のメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル３に再充てんされる。
【００３９】
個別電極１０を介して圧電素子９に印加する駆動電圧波形は、この例では、図４の駆動回路１２を使って発生させる。図の駆動回路１２は、電源線１２ａと接地１２ｂとの間に、第１トランジスタＴＲ1、抵抗Ｒ1、Ｒ2、および第２トランジスタＴＲ2を直列に繋いで第１回路１２ｃを形成する。また、この第１回路１２ｃの抵抗Ｒ1、Ｒ2間から分岐させて、抵抗Ｒ3、個別電極１０、圧電素子９、および共通電極８を介して、接地１２ｄに至る第２回路１２ｅを形成する。さらに、両トランジスタＴＲ1、ＴＲ2のベースに、それぞれ、コントロール電圧ＶCを印加するための端子１２ｆを接続したものである。圧電素子９は、等価的にコンデンサとして機能する。
【００４０】
かかる駆動回路１２は、圧電インクジェットヘッド上の、複数の印字部の各圧電素子９を個別に動作させるために、圧電素子９と同数を、例えば集積回路上に形成し、駆動回路１２の第２回路１２ｅを、個別に、各圧電素子９の個別電極１０と接続してある。また、各駆動回路１２の端子１２ｆは、いずれも、図示しない制御回路から、各端子１２ｆを介して各駆動回路１２に、個別に、形成画像のデータに応じたコントロール電圧を印加することで、それぞれの駆動回路１２を個別に駆動させることができるように、上記制御回路と個別に接続してある。
【００４１】
非印字時(その意味は後述する)に、このコントロール電圧Ｖｃとして、図９に示すような基本パルスを形成すると、上記第２回路１２ｅに、図１０に一点鎖線で示すようなメニスカスを揺動するための揺動電圧Ｖｐが発生する。この基本パルスは、インクの固有振動周期とほぼ同期間Ｔ３のパルス幅だけ、圧電素子９に印加している電圧をオフする波形となっている。その結果、ノズル３内のインクは、図１０に実線で示すような揺動を起こす。ここで、上記パルス幅Ｔ３は上述したように、インクの固有振動周期Ｔ１のほぼ同じ約１５μｓとなっており、この条件で、インクがノズル３から吐出されることなくメニスカスが揺動される。これが、本願発明者が特開２００６−１５０８４５号公報において明らかにした、インクジェットヘッドの揺動方法であった。なお、この場合、コントロール電圧Ｖｃは約５Ｖ、基本パルス電圧Ｖｐは約１３Ｖである。
【００４２】
しかし、その後の実験により、この基本パルス電圧を用いても、インクの粘度や室温などの条件によっては、稀にノズル３からインク滴が吐出されてしまう場合があることが判明した。図１１は、縦軸に時間経過(単位μｓ)を、横軸にノズル３の端からの距離(単位ｍｍ)をとり、このインク滴ｄの吐出の様子を計算機シミュレーションした結果である。この計算機シミュレーションにおいて、インクの粘度は３〜５ｍＰａｓであり、インクジェット式印刷における標準的なインクの粘度である。
このように、従来の方法では、図１１に示すように、ノズル３からインク滴ｄが吐出されてしまう場合があり、これを放置すると、非印字時にインクが吐出され、画像形成装置の内部を汚損するなどの問題が発生する。
【００４３】
今回、本願発明者は、上記基本パルス電圧の前後に、この基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間ｔ１(図１０参照)とほぼ同周期の付加パルス電圧を少なくとも１回以上形成すると、メニスカスが揺動してもノズルからインク滴が吐出されることを防止できることを、計算機シミュレーションにより見出した。これが本発明の最大の特徴である。
【００４４】
即ち、上記コントロール電圧Ｖｃとして、図５に示すように、例えばパルス幅Ｔ３の上記基本パルスの前後に、それぞれ２回、パルス幅ｔ１の付加パルスを形成する。この付加パルスは、このパルス幅ｔ１だけ、圧電素子９に印加している電圧をオフする波形となっている。すると、上記揺動電圧Ｖｐとして、図６に曲線Ｖｐで示すような波形が得られ、メニスカスは図６に曲線Ｃで示すような揺動を起こす。図７は図１１と同様に、この条件で、縦軸に時間経過(単位μｓ)を、横軸にノズル３の端からの距離(単位ｍｍ)をとり、このインク滴ｄの吐出の様子を計算機シミュレーションした結果である。なお、この計算機シミュレーションにおいても、インクの粘度は３〜５ｍＰａｓであり、インクジェット式印刷における標準的なインクの粘度である。また、付加パルス電圧の大きさは基本パルス電圧の大きさと同じ約１３Ｖである。
【００４５】
この図７に示すように、本発明によれば、メニスカスを揺動させてもノズル３からインク滴ｄが吐出されることはなくなる。この基本パルス電圧の前後に付加パルス電圧を印加するということは、原理的には、基本パルス電圧に基づく揺動電圧Ｖｐの立ち上がりと立下りを緩やかにすることに相当する。その結果として、メニスカスの揺動が緩やかになり、ノズル３からインク滴が吐出されることがなくなるのである。
【００４６】
なお、付加パルスのパルス幅ｔ１は、基本パルスを印加したときの、メニスカスの揺動の立ち上がり時間とほぼ同周期である。このパルス幅ｔ１は、図４の回路構成における抵抗Ｒ1、Ｒ3と、圧電素子９の静電容量Ｃとで決せられ、ｔ１≒Ｃ（Ｒ1＋Ｒ3）ｌｎ９である。本実施の形態ではｔ１≒１．５μｓである。また、付加パルスどうしの間隔と、付加パルスと基本パルスとの間隔も、同じくｔ１≒１．５μｓである。
【００４７】
以上のように、本発明によれば、付加パルス電圧を印加するだけで、特別なハードウェア構成を必要とせずに、インク滴を吐出することなくメニスカスを揺動させることができる。なお、図５〜７では、付加パルス電圧を基本パルス電圧の前後に２回ずつ印加する場合を説明したが、これは例示であって、付加パルス電圧は基本パルス電圧の前後のいずれかに少なくとも１回印加すれば本発明の効果が得られることが実験装置を用いた試験で明らかになっている。しかしながら、インク特性のばらつきや経年変化や圧電素子の特性のばらつき等を考慮して本実施例では、基本パルス波形の前後に付加パルス波形を２回印加するようにしている。もちろん３回以上印加しても本発明の効果が得られるが、余り沢山の回数印加するのは適切ではない。なぜならば、この場合には、メニスカスの揺動が落ち着く(静止する)のに時間がかかり、メニスカスが十分静止する前に後続の印字が開始されて、印字の品質を損ねてしまうことが考えられるからである。
【００４８】
さて、最後に以上の説明で用いてきた非印字時という用語について明らかにしておく。これまでの説明から明らかなように、メニスカスの揺動は非印字時に行う。この非印字時とは、第一義的には一つの印字ジョブの終了から次の印字ジョブの開始までを指すが、本発明では、さらに細密化した意味で用いている。
【００４９】
例えば、図８に示すように用紙Ｐの搬送方向が矢印Ｌであるとして、１枚の用紙に対する印字であっても、画像データがない領域Ｓ１については、非印字時であるとしてメニスカスの揺動を行う。また画像データＡ，Ｂが存在する領域Ｓ２においても、画像データＡとＢとの間隔が５００画素以上空いていれば、やはり非印字時であるとして、画像データＡの印字と画像データＢの印字の間に上記揺動を行う。
【００５０】
このように、本実施形態では、画素ごとに(ノズル３ごとに)非印字時を決定し、非常に細密化したメニスカスの揺動を行うので、ノズル３内でインクが固化するようなことが起こらず、常になめらかで美しい印字を行うことができるのである。なお、上記の５００画素というのは、メニスカスが揺動を起こしてから、このメニスカスが静止するまでの時間を反映した値であり、この時間は約２．５ｍｓである。もちろんの５００画素も例示であり、印字速度に応じて適宜決定される値である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るインクジェットヘッドは、インク滴を吐出することなくメニスカスを揺動させることができる。しかも、メニスカスを揺動するための電圧の波形を改良する構成を採っているため、特別なハードウェア構成を必要とせず、安価に実現可能である。従って、プリンター、コピア、ファクシミリ、および、それらの複合機等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明における圧電素子と振動板を含む駆動部の平面図。
【図２】本発明における１つの印字部の断面図。
【図３】本発明における１つの印字部の重なり状態を示す透視図。
【図４】本発明における駆動回路の一例を示す回路図。
【図５】本発明における付加パルス電圧の波形を示すグラフ。
【図６】本発明における揺動電圧とインクの体積速度を示すグラフ。
【図７】本発明におけるインクの吐出に関するシミュレーション図。
【図８】本発明における非印字時の説明図。
【図９】基本パルス電圧の波形を示すグラフ。
【図１０】従来の揺動電圧とインクの体積速度を示すグラフ。
【図１１】従来のインクの吐出に関するシミュレーション図。
【図１２】従来の駆動電圧とインクの体積速度を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５３】
２ 加圧室
３ ノズル
７ 振動板
９ 圧電素子
Ｔ1 体積速度の固有振動周期
Ｔ3 基本パルス電圧のパルス幅
ｔ１ 付加パルス電圧のパルス幅
Ｖｃ コントロール電圧
Ｖｐ 揺動電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが充填された加圧室と、該加圧室に連通して該インクのメニスカスが形成されるノズルと、該加圧室を加圧する圧電素子と、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路とを備えるインクジェットヘッドにおいて、
上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、該基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う
ことを特徴とする、インクジェットヘッド。
【請求項２】
インクが充填された加圧室と、該加圧室に連通して該インクのメニスカスが形成されるノズルと、該加圧室を加圧する圧電素子と、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路とを備えたインクジェットヘッドを有する画像形成装置において、
上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、該基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う
ことを特徴とする、画像形成装置。
【請求項３】
インクが充填された加圧室と、該加圧室に連通して該インクのメニスカスが形成されるノズルと、該加圧室を加圧する圧電素子とを備えるインクジェットヘッドに対して、非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行うインクジェットヘッドの揺動方法において、
上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルス形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、該基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う
ことを特徴とする、インクジェットヘッドの揺動方法。
【請求項１】
インクが充填された加圧室と、該加圧室に連通して該インクのメニスカスが形成されるノズルと、該加圧室を加圧する圧電素子と、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路とを備えるインクジェットヘッドにおいて、
上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、該基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う
ことを特徴とする、インクジェットヘッド。
【請求項２】
インクが充填された加圧室と、該加圧室に連通して該インクのメニスカスが形成されるノズルと、該加圧室を加圧する圧電素子と、印字時に該インクの吐出を行うとともに非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行う駆動回路とを備えたインクジェットヘッドを有する画像形成装置において、
上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルスの形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、該基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う
ことを特徴とする、画像形成装置。
【請求項３】
インクが充填された加圧室と、該加圧室に連通して該インクのメニスカスが形成されるノズルと、該加圧室を加圧する圧電素子とを備えるインクジェットヘッドに対して、非印字時に該インクの固有振動周期と略同期間、該圧電素子に印加している電圧をオフすることで上記メニスカスの揺動を行う基本パルスの形成動作を行うインクジェットヘッドの揺動方法において、
上記非印字時に、上記駆動回路が上記基本パルス形成動作を行う際に、その前後のいずれかに少なくとも一回以上、該基本パルスによる揺動電圧の立ち上がり時間と略同期間、上記圧電素子に印加している電圧をオフする付加パルスの形成動作を行う
ことを特徴とする、インクジェットヘッドの揺動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２６２３６３（Ｐ２００９−２６２３６３Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１２４１３（Ｐ２００８−１１２４１３）
【出願日】平成２０年４月２３日（２００８．４．２３）
【出願人】（０００００６１５０）京セラミタ株式会社 (13,173)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２３日（２００８．４．２３）
【出願人】（０００００６１５０）京セラミタ株式会社 (13,173)
【Ｆターム（参考）】
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