インクジェットヘッドの駆動方法及び駆動装置
【課題】メイン液滴の吐出安定性を損ねることなくサテライトの発生を抑制する。
【解決手段】インクが収容される圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを、圧力室に振動を与えるためのアクチュエータに印加した後、圧力室に連通するノズルから吐出されるインク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを前記アクチュエータに印加する。
【解決手段】インクが収容される圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを、圧力室に振動を与えるためのアクチュエータに印加した後、圧力室に連通するノズルから吐出されるインク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを前記アクチュエータに印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インクジェット方式のプリンタ等に用いられるインクジェットヘッドの駆動方法及び駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式のプリンタ等に用いられるインクジェットヘッドは、インクを収容する複数の圧力室と、これら圧力室の一端側に設けられ、各圧力室にそれぞれ対応してインク滴を吐出するためのノズルが複数形成されたノズルプレートと、各圧力室にそれぞれ対応して設けられ、その圧力室に振動板を介して振動を与える複数の圧電アクチュエータとを備える。
【０００３】
この種のインクジェットヘッドは、圧電アクチュエータが駆動すると、このアクチュエータに対応した圧力室に圧力振動が与えられる。この圧力振動によって、圧力室内部の体積が変化し、この圧力室に対応したノズルからインク滴が吐出される。インク滴は、記録紙等の記録媒体に着弾して、当該記録媒体にドットを形成する。このようなドットを連続して形成することにより、インクジェットヘッドは、画像データに基づいた文字や画像等を記録媒体上に形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０２２０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなインクジェットヘッドにおいては、インク滴がノズルから吐出される際に、メインの液滴に付随して微小な液滴が吐出される場合がある。この微小な液滴は、サテライトと称される。サテライトは、飛翔速度が遅いため、メインの液滴から離れて記録媒体上に着弾する。その結果、印字ムラやゴーストといった印字品質の低下を招く。
【０００６】
サテライトの発生は、圧電アクチュエータの駆動電圧を小さくすることで防ぐことができる。駆動電圧が小さいと、メイン液滴の吐出速度が遅くなるため、サテライトは発生しなくなる。しかし、メイン液滴の吐出速度が遅くなると、インク滴の吐出安定性が損なわれる。このため、やはり印字品質が低下する懸念がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、メイン液滴の吐出安定性を損ねることなくサテライトの発生を抑制できるインクジェットヘッドの駆動方法及び駆動装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態において、インクジェットヘッドの駆動方法は、インクが収容される圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを、圧力室に振動を与えるためのアクチュエータに印加した後、圧力室に連通するノズルから吐出されるインク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを前記アクチュエータに印加するようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態におけるインクジェットヘッドの斜視図。
【図２】インクジェットヘッドの要部を断面で示す構成図。
【図３】図２の矢印Ａ−Ａの方向から見たインクジェットヘッドの断面図。
【図４】駆動装置から出力される時分割駆動信号のタイミング図。
【図５】駆動信号の１ドロップ周期を説明するための図。
【図６】従来の１ドロップ周期のパルス波形図。
【図７】本実施形態の１ドロップ周期のパルス波形図。
【図８】本実施形態のインクジェットヘッドにおけるノズル内のインクのメニスカスの動きを示す模式図。
【図９】インクの液柱がノズルから分離されるタイミングを調べるための実験で用いたパルス波形図。
【図１０】第２の実施形態における時分割駆動信号のタイミング図。
【図１１】吐出速度とディレイ時間との対応関係を示すグラフ。
【図１２】第３の実施形態における時分割駆動信号のタイミング図。
【図１３】吐出速度とディレイ時間との対応関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
図１はインクジェットヘッド１の斜視図、図２はインクジェットヘッド１の要部を断面で示す構成図、図３は図２の矢印Ａ−Ａの方向から見たインクジェットヘッド１の断面図である。
【００１１】
インクジェットヘッド１は、駆動装置２と、ヘッド基板３と、マニホールド４とを備える。マニホールド４は、インクの供給管５と排出管６とを備える。インクジェットヘッド１は、インク供給手段（不図示）から供給管５を経て供給されるインクを、駆動装置２からの駆動信号に応じて、各ノズル１３ａから吐出する。供給管５からマニホールド４内に供給されたインクのうち、各ノズル１３ａから吐出されなかったインクは、排出管６からインク供給手段へ排出される。
【００１２】
ヘッド基板３は、ノズルプレート１３を含む。ノズルプレート１３には、インク滴を吐出するための複数のノズル１３ａが形成されている。各ノズル１３ａは、ノズルプレート１３の長手方向に複数列（図１では２列）で整列している。
【００１３】
ヘッド基板３は、各ノズル１３ａにそれぞれ対応して複数の圧力室１１を並設する。各圧力室１１は、隔壁１２によって仕切られており、それぞれインクを収容する。ノズルプレート１３は、各圧力室１１の底面側に接着される。各ノズル１３ａは、圧力室１１側である裏面側からインク吐出側である表面側に向けて先細りの形状になっている。
【００１４】
各圧力室１１の天面側には、振動板１４が接着される。振動板１４の上面側には、各圧力室１１にそれぞれ対応して複数の圧電部材１５の一端が固着される。各圧電部材１５の他端は、保持部材１６によって保持される。各圧電部材１５は、それぞれ圧電層１５ａと電極層１５ｂとが交互に複数積層される。各電極層１５ｂを挟むように一対の電極１７が配置される。両電極１７は、駆動装置２に電気的に接続される。
【００１５】
ヘッド基板３は、共通圧力室１８を備える。共通圧力室１８には、供給管５を経由してインクが注入される。共通圧力室１８は、各圧力室１１に連通しており、注入されたインクは、各圧力室１１と、この圧力室１１に対応したノズル１３ａとに充填される。圧力室１１とノズル１３ａとにインクが充填されることで、ノズル１３ａ内にインクのメニスカスが形成される。
【００１６】
かかる構成のインクジェットヘッド１は、電極１７を介して圧電部材１５に駆動信号が印加されると、圧電部材１５が膨張または収縮する。この圧電部材１５の膨張または収縮に伴い振動板１４が変形して、圧力室１１に振動を与える。この振動により圧力室１１の容積が変化して圧力室１１内に圧力波が発生し、ノズル１３ａからインク滴が吐出される。ここに、振動板１４と圧電部材１５とは、圧力室１１に振動を与えるためのアクチュエータを形成する。インクジェットヘッド１は、ノズル１３ａの数だけ、アクチュエータを備えている。
【００１７】
次に、駆動装置２について説明する。駆動装置２は、通信部２１と、演算部２２と、駆動信号発生部２３とを備える。通信部２１は、例えばインクジェットプリンタを制御するためのホストコンピュータから印字を行う画像の階調データを受信する。演算部２２は、上記階調データに基づいて駆動パルス数を算出する。駆動信号発生手段である駆動信号発生部２３は、演算部２２で算出されたパルス数の駆動信号を各アクチュエータに選択的に供給する。駆動信号の電圧がアクチュエータに印加されることにより、このアクチュエータに対応した圧力室１１のノズル１３ａから、パルス数に相当するドロップ数のインク滴が吐出される。
【００１８】
図４は、隣り合うアクチュエータにそれぞれ印加される駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４を示すタイミング図である。駆動信号＃１は、第１のアクチュエータに印加される。駆動信号＃２は、第１のアクチュエータに対して隣接する第２のアクチュエータに印加される。駆動信号＃３は、第２のアクチュエータに隣接する第３のアクチュエータに印加される。駆動信号＃４は、第３のアクチュエータに隣接する第４のアクチュエータに印加される。
【００１９】
図４において、区間Ｔｐは、アクチュエータに対応するノズル１３ａからインク滴を１ドロップ吐出させるための区間であり、１ドロップ周期と称される。また区間Ｔｃは、隣り合うアクチュエータにそれぞれ印加される１ドロップ周期Ｔｐの遅延時間である。
【００２０】
全てのノズル１３ａから同時にインク滴が吐出されると、駆動装置２やアクチュエータでの発熱量が増加し、温度上昇が問題となる。このため駆動装置２は、少なくとも隣り合うノズルから同時にインク滴が吐出されないように、駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４の１ドロップ周期Ｔｐを、駆動周期Ｔｔ内で時分割する。図４の例は、全てのノズル１３ａを３つずつのグループに分割し、そのグループ内で３分割にタイミングをずらしてインク滴を吐出させる場合である。この例では、１つのノズル１３ａに対する駆動周期Ｔｔは、「３（Ｔｐ＋Ｔｃ）」となる。
【００２１】
図５は、駆動信号における１ドロップ周期Ｔｐの説明図である。図５に示すように、１ドロップ周期Ｔｐは、第１のパルスである吐出パルスＳＰと、第２のパルスであるダンピングパルスＤＰとを含む。吐出パルスＳＰは、基準電圧Ｖｍよりも低い電圧Ｖｌに変化するパルスであり、電圧振幅が−Ｖｓに設定され、パルス幅がＴｓに設定されている。ダンピングパルスＤＰは、基準電圧Ｖｍよりも高い電圧Ｖｈに変化するパルスであり、電圧振幅が＋Ｖｄに設定され、パルス幅がＴｄに設定されている。なお、基準電位Ｖｍは、インク滴を吐出しない通常状態の圧電部材１５に常に印加されている電圧である。
【００２２】
時点ｔ１において、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより圧電部材１５に印加される電圧がＶｍからＶｌに変化すると、圧電部材１５が通常状態よりも収縮する。この収縮に伴い、圧電部材１５に固着した振動板１４が、圧力室１１の容積を拡張させるように変形する。
【００２３】
この拡張状態は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓに相当する時間だけ継続する。そして、時点ｔ２において、圧電部材１５に印加される電圧がＶｌからＶｍに戻ると、圧電部材１５と振動板１４が通常状態に戻る。これに伴って、圧力室１１内の容積も通常の状態に戻る。
【００２４】
この通常状態は、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗに相当する時間（ｔ３−ｔ２）だけ継続する。そして、時点ｔ３において、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりにより圧電部材１５に印加される電圧がＶｍからＶｈに変化すると、圧電部材１５が通常状態よりも膨張する。この膨張に伴い、圧電部材１５に固着した振動板１４が、圧力室１１の容積を収縮させるように変形する。
【００２５】
この収縮状態は、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄに相当する時間だけ継続する。そして、時点ｔ４において、圧電部材１５に印加される電圧がＶｈからＶｍに戻ると、圧電部材１５と振動板１４とが通常状態に戻る。これに伴って、圧力室１１内の容積も通常の状態に戻る。
【００２６】
図６は、従来の駆動信号における１ドロップ周期Ｔｐのパルス波形図である。図６において、時間Ｔａは、圧力室１１内のインクの固有振動周期の１／２である圧力伝播時間である。図６の場合、吐出パルスＳＰのパルス幅（通電時間）Ｔｓと、ダンピングパルスＤＰのパルス幅（通電時間）Ｄｓと、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗとは、いずれも圧力伝播時間Ｔａと略一致させている。したがって、１ドロップ周期Ｔｐは３Ｔａとなる。
【００２７】
このような設定の従来例においては、先ず、吐出パルスＳＰの立ち下がりによって圧力室１１の容積を拡張すると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この状態は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓ、つまりは圧力伝播時間Ｔａだけ保持されるので、その間に、共通圧力室１８側から圧力室１１内にインクが流入する。また、ノズル１３ａの先端のメニスカスが圧力室１１側に後退する。したがって、圧力室１１内の圧力は、負圧から正圧に反転する。
【００２８】
次に、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓ、つまりは圧力伝播時間Ｔａが経過して圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により発生する圧力波は、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより発生した圧力波に対して位相が一致するので、圧力波の振幅が急激に増大する。この振幅の増大によりノズル１３ａ内のメニスカスが前進を始める。
【００２９】
メニスカスの前進は、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗに相当する時間、つまりは圧力伝播時間Ｔａが経過するまで継続する。したがって、圧力室１１内の圧力は再度、正圧から負圧に変化する。
【００３０】
圧力伝播時間Ｔａが経過して、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりにより圧力室１１の容積が収縮すると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。しかし、このときの圧力波は、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより発生した圧力波に対して位相が逆となるため、圧力室１１内の圧力は減衰される。この状態は、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄ、つまりは圧力伝播時間Ｔａだけ保持され、その間に、圧力室１１内の圧力は負圧から正圧に反転する。
【００３１】
その後、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄ、つまりは圧力伝播時間Ｔａが経過して圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により発生する圧力波は、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりの時点で発生した圧力波に対して位相が逆となるため、圧力室１１内の圧力はさらに減衰される。
【００３２】
このように、従来例では、吐出パルスＳＰによって発生した圧力振動をダンピングパルスＤＰによって減衰させることでインク滴の安定した吐出が得られるようにしている。しかし、サテライトの発生については全く考慮されていない。
【００３３】
図７は、本実施形態の駆動信号における１ドロップ周期Ｔｐのパルス波形図である。図７に示すように、本実施形態では、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓが、圧力伝播時間Ｔａと略一致する。また、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｄｓが、圧力伝播時間Ｔａの略０．５〜０．７倍である。さらに、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗが、圧力伝播時間Ｔａの略１．４倍である。このような波形パターンの駆動パルス信号が印加されるときのノズル１３ａ内のインクのメニスカスの動きを図８の模式図にて示す。
【００３４】
先ず、時点ｔ１において、吐出パルスＳＰの立ち下がりによって圧力室１１の容積が拡張すると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この状態は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓ、つまりは圧力伝播時間Ｔａだけ継続するので、その間に、共通圧力室１８側から圧力室１１内にインクが流入する。また、ノズル１３ａの先端のメニスカスが圧力室１１側に後退する（図８の８Ａを参照）。したがって、圧力室１１内の圧力は、負圧から正圧に反転する。
【００３５】
次に、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓに相当する圧力伝播時間Ｔａが経過し、時点ｔ２において、圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により発生する圧力波は、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより発生した圧力波に対して位相が一致するので、圧力波の振幅が急激に増大する。この振幅の増大によりノズル１３ａ内のメニスカスが前進を始める（図８の８Ｂを参照）。
【００３６】
メニスカスの前進は、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗに相当する時間、つまりは圧力伝播時間Ｔａの１．４倍の時間が経過するまで継続する。そして、吐出パルスＳＰの立ち上がりから圧力伝播時間Ｔａの１．４倍の時間が経過すると、インクの液柱３１がノズル１３ａから分離される直前となる（図８の８Ｃを参照）。
【００３７】
この分離直前の時点ｔ３において、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりにより圧力室１１の容積が収縮すると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により、圧力室１１にはインクの液柱３１を押し出す作用が働き、液柱３１がノズル１３a側へ引っ張られメイン液滴と分離してサテライトを形成するのを防ぐとともにメインの液滴３２の吐出速度を大きくする効果を持たせることができる（図８の８Ｄを参照）。
【００３８】
その後、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄに相当する圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍の時間が経過し、時点ｔ４において、圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により、圧力室１１内の残留圧力振動が抑制される。
【００３９】
ここに、駆動信号発生部２３は、アクチュエータに、圧力室１１の容積を拡張させる第１のパルス、すなわち吐出パルスＳＰを印加した後、インク滴がノズル１３ａから分離する直前に、圧力室１１の容積を収縮させる第２のパルス、すなわちダンピングパルスＤＰを印加する駆動信号発生手段として機能する。
【００４０】
ここで、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを、インク滴がノズル１３ａから分離する直前の時間として、圧力伝播時間Ｔａの１．４倍の時間に設定した理由について説明する。
【００４１】
インクの液柱３１がノズル１３ａから分離されるタイミングは、次の実験によって調べることができる。実験者は先ず、図９に示す波形の駆動信号をインクジェットヘッド１のアクチュエータに印加する。この駆動信号は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓを圧力伝播時間Ｔａに固定し、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの２倍に固定する。また、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰの電圧をいずれも基準電圧Ｖｍに対して低い電圧Ｖｌ（２２．０ボルト）で一定とする。つまり、ダンピングパルスＤＰは、吐出パルスＳＰと同様に圧力室１１の容積を拡張させるようにアクチュエータを駆動する。このような波形の駆動信号をアクチュエータに印加することによって、ノズル１３ａからインクの液柱３１が切れるタイミングが明確にわかる。
【００４２】
実験者は次に、駆動信号の吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを、圧力伝播時間Ｔａを基準に可変させて、インクジェットヘッド１のアクチュエータに印加する。そして実験者は、メインのインク滴３２の吐出速度を測定する。この実験の結果は、下記の［表１］に示される。
【表１】
【００４３】
［表１］から明らかなように、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗが圧力伝播時間Ｔａの１．５倍以上になると、インク滴３２の吐出速度が変化しなくなる。インク滴３２の吐出速度が変化しないということは、ダンピングパルスＤＰの前にインクの液柱３１がノズル１３ａから切れたために、その後のダンピングパルスＤＰの影響をインク滴３２が受けていないことを意味する。したがって、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗが圧力伝播時間Ｔａの１．４倍のときは、インク滴３２がノズル１３ａから分離する直前であると言える。
【００４４】
次に、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍の時間に設定した理由について説明する。
【００４５】
本願出願人は、以下の実験を行った。すなわち、図７に示す駆動信号の１ドロップ周期において、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを、圧力伝播時間Ｔａを基準に変化させて、インクジェットヘッド１のアクチュエータに印加する。そして、サテライトが発生しない限界の電圧、つまりはサテライトフリー電圧Ｖ１と、そのときのインク滴３２の吐出速度、つまりはサテライトフリー速度Ｓ１を測定した。また、インク滴３２の吐出が不安定となる直前の電圧、つまりは吐出安定限界電圧Ｖ２も測定した。
【００４６】
なお、各電圧Ｖ１，Ｖ２は、吐出パルスＳＰの電圧振幅ＶｓとダンピングパルスＤＰの電圧振幅Ｖｄの平均値［（Ｖｓ＋Ｖｄ）／２］を示す。また、吐出が不安定になるとは、インク滴３２の吐出速度にムラが生じたり、インク滴が吐出されなかったりする状態を意味する。さらに、サテライトの発生や吐出が不安定となる現象は、様々な駆動パターンすなわち隣接するノズルの駆動数によっても変化する。しかし、上記サテライトフリー電圧Ｖ１および吐出安定限界電圧Ｖ２は、いずれの駆動パターンにおいてもそのような現象が発生しない限界の電圧を示す。
【００４７】
上記実験の測定結果を［表２］に示す。また、参考として、従来の駆動信号の１ドロップ周期（図６）による測定結果も［表２］の最下行に示す。
【表２】
【００４８】
［表２］から明らかなように、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄが大きくなればなるほど、サテライトフリー速度Ｓ１とサテライトフリー電圧Ｖ１は大きくなる。サテライトフリー速度Ｓ１が大きくなると、製造等に起因するノズル毎の吐出速度のばらつきによる着弾ずれを小さくできるので望ましい。しかし、パルス幅Ｔｄが大きくなればなるほど、吐出安定限界電圧Ｖ２が小さくなって、吐出安定限界電圧Ｖ２とサテライトフリー電圧Ｖ１との電圧マージン（Ｖ２−Ｖ１）が狭くなり、吐出安定性が損なわれることになる。
【００４９】
［表２］では、サテライトフリー速度Ｓ１が７．５［ｍ／ｓ］以上の場合を適“○”、７．５［ｍ／ｓ］未満の場合を不適“×”として「速度評価」の欄に記載した。また、電圧マージン（Ｖ２−Ｖ１）が２．５［Ｖ］以上の場合を適“○”、２．５［Ｖ］未満の場合を不適“×”として「電圧評価」の欄に記載した。
【００５０】
その結果、図７に示す駆動信号の１ドロップ周期、つまりは吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓを圧力室１１内のインクの固有振動周期の１／２である圧力伝播時間Ｔａと等しくし、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを圧力伝播時間Ｔａの１．４倍とした波形において、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍とし、吐出パルスＳＰの電圧ＶｓとダンピングパルスＤＰの電圧Ｖｄとの平均電圧をサテライトが発生しない限界のサテライトフリー電圧Ｖ１とすることによって、サテライトフリー速度Ｓ１が大きく、かつ、十分な電圧マージンを確保できるようになる。つまり、十分な吐出安定性を得ることができる。
【００５１】
因みに、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．６倍とすることで、１ドロップ周期Ｔｐは次の（１）式により３Ｔａとなる。この値は、図６に示した従来の１ドロップ周期Ｔｐと等しい。つまり、従来例と同じ駆動周波数でインクを吐出させることができる。
Ｔ＝Ｔｓ＋Ｔｗ＋Ｔｄ＝Ｔａ＋１．４Ｔａ＋０．６Ｔａ＝３Ｔａ …（１）
以上詳述したように、本実施形態によれば、メイン液滴の吐出安定性を損ねることなくサテライトの発生を抑制できる効果を奏する。
【００５２】
ところで、製造等に起因して、各ノズルの吐出速度にばらつきを生じることがある。このばらつきにより、各ノズルのメイン液滴の着弾位置がずれて、印字品質が低下する懸念がある。また、この着弾ずれは媒体の搬送速度にも依存する。すなわち、搬送速度が大きくなればなるほど着弾ずれも大きくなる。したがって、インクジェットヘッドの駆動周波数を落として媒体の搬送速度を大きくすることはできない。このため、印字速度が遅くなり、生産性が悪化する。
【００５３】
通常、サテライトはメインの液滴よりも飛翔速度が遅く、駆動波形や電圧を変えてもその速度を上げることができない。このため、特にギャップが広い時に、メイン液滴との着弾ずれが顕著となってくる。また、ヘッドと媒体との相対的な移動に伴う空気流の影響を、小さな液滴であるサテライトはより受け易い。この影響により、風紋のような濃度ムラが発生し、著しく印字品質を損なうことになってしまう。
【００５４】
このようなインクジェットヘッドにおいて、すべてのノズルを一度に同時に吐出する場合、駆動回路やヘッドの温度上昇が問題になってくる。このため、タイミングをずらして時分割で駆動する方法がある。しかし、サテライトの問題とは別に、着弾ずれに関しては、隣接するノズルが吐出するかしないかによって吐出速度が変化し印字品質が悪くなる、いわゆるクロストークの問題もある。
【００５５】
そこで次に、メイン液滴の吐出速度を小さくすることなく、また吐出安定性を損なうことなく、さらに駆動周波数を下げることなくサテライトが発生しない駆動波形を与え、サテライトやノズル毎のばらつきによる着弾ずれおよびクロストークを抑制することで高速で高印字品質の印字を行うことができる実施形態について説明する。
【００５６】
［第２の実施形態］
図１０は、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍の時間に設定したときの駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４を示すタイミング図である。前述したように、１つのノズル１３ａに対する駆動周期Ｔｔは、「３（Ｔｐ＋Ｔｃ）」となる。したがって駆動周波数Ｆは、その逆数「１／Ｔｔ」となる。高速印字を実現するためには、駆動周波数Ｆを高くすればよい。
【００５７】
遅延時間Ｔｃを短縮することで、駆動周波数Ｆを高くすることができる。しかし、遅延時間Ｔｃが短くなると、クロストーク現象によって印字品質が損なわれるおそれがある。クロストーク現象とは、直前のタイミングでインク滴を吐出したノズル１３ａの残留振動の影響によって、次のタイミングでインク滴を吐出する隣接ノズル１３ａの吐出速度が変化する現象である。
【００５８】
直前のタイミングでインク滴を吐出したノズル１３ａに対応する圧力室１１内の圧力は、その圧力室内のインクの固有振動周期（２Ｔａ）に従って振動する。この振動は、次のタイミングでインク滴を吐出する隣接ノズル１３ａに対応する圧力室１１に、隔壁１２を介して伝播する。その結果、隣接ノズル１３ａから吐出されるインクの速度が変化する。そこで第２の実施形態では、図１０に示される時分割駆動において、遅延時間Ｔｃを適切な値に設定することにより、サテライトの発生を抑制しつつクロストークの影響も改善する。
【００５９】
図１１は、遅延時間Ｔｃと吐出速度Ｓ［ｍ／ｓ］との対応関係を示すグラフである。図１１において、横軸は、遅延時間Ｔｃを圧力伝播時間Ｔａで除した値Ｔｃ／Ｔａであり、縦軸は、吐出速度Ｓ［ｍ／ｓ］である。また、実線Ｐ１は、１つのノズルのみ単独でインクを吐出させる、いわゆる単ノズル駆動のときの値Ｔｃ／Ｔａと吐出速度Ｓとの対応関係を示す。破線Ｐ２は、全てのノズルからインク滴を吐出させる、いわゆる全ノズル駆動のときの値Ｔｃ／Ｔａと吐出速度Ｓとの対応関係を示す。
【００６０】
図１１に示すように、全ノズル駆動の場合には、吐出速度Ｓが周期的に大きく変化する。このように、吐出速度Ｓが周期的に変化するのは、クロストークの影響によるものと考えられる。換言すれば、全ノズル駆動のときの吐出速度Ｓが、単ノズル駆動のときの吐出速度Ｓに近ければ、クロストークの影響が小さいと考えられる。
【００６１】
全ノズル駆動の場合、値Ｔｃ／Ｔａが“３”，“５”，“７”，…のときに単ノズル駆動のときの吐出速度Ｓに接近する。したがって、遅延時間Ｔｃを下記（２）式から導出される値に設定することによって、クロストークの影響を小さくすることができる。
【００６２】
Ｔｃ＝（１＋２ｎ）＊Ｔａ （ｎは１，２，３，…の自然数） …（２）
特に、ｎ＝１、つまり遅延時間Ｔｃ＝３Ｔａに設定した場合、駆動周波数Ｆは高い。すなわち、高速印字を実現することができる。なお、遅延時間Ｔｃを３Ｔａ未満とした場合には、吐出が不安定となる。このため、遅延時間Ｔｃを３Ｔａ未満とすることは好ましくない。
【００６３】
［第３の実施形態］
第２の実施形態では、遅延時間Ｔｃを適切な値に設定することによって、クロストークの影響を小さくする。第３の実施形態では、別の方法によってクロストークの影響を小さくする。
【００６４】
図１２は、第３の実施形態における駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４を示すタイミング図であり、駆動信号＃３が印加されるノズル１３ａからインクが吐出される場合を示している。図１２に示すように、第３の実施形態では、インクを吐出しないノズルに対しては、吐出パルスＳＰを出力しない。このように、１ドロップ周期において吐出パルスＳＰが出力されず、ダンピングパルスＤＰのみが出力される駆動波形をダミーパルスと称する。ダミーパルスがアクチュエータに印加されると、圧力室１１に対してインク滴が吐出しない程度の微振動が与えられる。
【００６５】
図１３は、遅延時間Ｔｃと吐出速度Ｓ［ｍ／ｓ］との対応関係を示すグラフであり、図１１と共通する部分には同一符号を付している。図１３に示すように、ダミーパルスを用いることによって、単ノズル駆動の場合もクロストークの影響により吐出速度が全ノズル駆動の場合と同じように周期的に変化する。そして、全ノズル駆動の場合と単ノズル駆動の場合とで吐出速度の差は小さくなる。したがって、ダミーパルスを用いることによってクロストークの影響が小さくなる。また、遅延時間Ｔｃを第２の実施形態と同様の前記（２）式から導出される値に設定することによって、吐出速度を大きくすることができる。しかも、ｎ＝１、つまり遅延時間Ｔｃ＝３Ｔａに設定した場合には、駆動周波数Ｆを高く、すなわち高速印字を実現することができる。
【００６６】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施形態では、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを圧力伝播時間Ｔａの１．４倍としたが、この値は特に限定されるものではない。要は、吐出パルスＳＰをアクチュエータに印加した後、インク滴がノズルから分離する直前に、ダンピングパルスＤＰをアクチュエータに印加できればよい。
【００６７】
また、前記実施形態は、図１に示す構造のインクジェットヘッド１に対する駆動装置及び駆動方法として説明したが、他の構造のインクジェットヘッド１に対する駆動装置及び駆動方法としても同様に適用できるものである。また、各ノズルを時分割で駆動するインクジェットヘッドに限定されるものでもない。
【００６８】
この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１…インクジェットヘッド、２…駆動装置、１１…圧力室、１３…ノズルプレート、１３ａ…ノズル、１４…振動板、１５…圧電部材、１７…電極、２１…通信部、２２…演算部、２３…駆動信号発生部。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インクジェット方式のプリンタ等に用いられるインクジェットヘッドの駆動方法及び駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式のプリンタ等に用いられるインクジェットヘッドは、インクを収容する複数の圧力室と、これら圧力室の一端側に設けられ、各圧力室にそれぞれ対応してインク滴を吐出するためのノズルが複数形成されたノズルプレートと、各圧力室にそれぞれ対応して設けられ、その圧力室に振動板を介して振動を与える複数の圧電アクチュエータとを備える。
【０００３】
この種のインクジェットヘッドは、圧電アクチュエータが駆動すると、このアクチュエータに対応した圧力室に圧力振動が与えられる。この圧力振動によって、圧力室内部の体積が変化し、この圧力室に対応したノズルからインク滴が吐出される。インク滴は、記録紙等の記録媒体に着弾して、当該記録媒体にドットを形成する。このようなドットを連続して形成することにより、インクジェットヘッドは、画像データに基づいた文字や画像等を記録媒体上に形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０２２０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなインクジェットヘッドにおいては、インク滴がノズルから吐出される際に、メインの液滴に付随して微小な液滴が吐出される場合がある。この微小な液滴は、サテライトと称される。サテライトは、飛翔速度が遅いため、メインの液滴から離れて記録媒体上に着弾する。その結果、印字ムラやゴーストといった印字品質の低下を招く。
【０００６】
サテライトの発生は、圧電アクチュエータの駆動電圧を小さくすることで防ぐことができる。駆動電圧が小さいと、メイン液滴の吐出速度が遅くなるため、サテライトは発生しなくなる。しかし、メイン液滴の吐出速度が遅くなると、インク滴の吐出安定性が損なわれる。このため、やはり印字品質が低下する懸念がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、メイン液滴の吐出安定性を損ねることなくサテライトの発生を抑制できるインクジェットヘッドの駆動方法及び駆動装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態において、インクジェットヘッドの駆動方法は、インクが収容される圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを、圧力室に振動を与えるためのアクチュエータに印加した後、圧力室に連通するノズルから吐出されるインク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを前記アクチュエータに印加するようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態におけるインクジェットヘッドの斜視図。
【図２】インクジェットヘッドの要部を断面で示す構成図。
【図３】図２の矢印Ａ−Ａの方向から見たインクジェットヘッドの断面図。
【図４】駆動装置から出力される時分割駆動信号のタイミング図。
【図５】駆動信号の１ドロップ周期を説明するための図。
【図６】従来の１ドロップ周期のパルス波形図。
【図７】本実施形態の１ドロップ周期のパルス波形図。
【図８】本実施形態のインクジェットヘッドにおけるノズル内のインクのメニスカスの動きを示す模式図。
【図９】インクの液柱がノズルから分離されるタイミングを調べるための実験で用いたパルス波形図。
【図１０】第２の実施形態における時分割駆動信号のタイミング図。
【図１１】吐出速度とディレイ時間との対応関係を示すグラフ。
【図１２】第３の実施形態における時分割駆動信号のタイミング図。
【図１３】吐出速度とディレイ時間との対応関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
図１はインクジェットヘッド１の斜視図、図２はインクジェットヘッド１の要部を断面で示す構成図、図３は図２の矢印Ａ−Ａの方向から見たインクジェットヘッド１の断面図である。
【００１１】
インクジェットヘッド１は、駆動装置２と、ヘッド基板３と、マニホールド４とを備える。マニホールド４は、インクの供給管５と排出管６とを備える。インクジェットヘッド１は、インク供給手段（不図示）から供給管５を経て供給されるインクを、駆動装置２からの駆動信号に応じて、各ノズル１３ａから吐出する。供給管５からマニホールド４内に供給されたインクのうち、各ノズル１３ａから吐出されなかったインクは、排出管６からインク供給手段へ排出される。
【００１２】
ヘッド基板３は、ノズルプレート１３を含む。ノズルプレート１３には、インク滴を吐出するための複数のノズル１３ａが形成されている。各ノズル１３ａは、ノズルプレート１３の長手方向に複数列（図１では２列）で整列している。
【００１３】
ヘッド基板３は、各ノズル１３ａにそれぞれ対応して複数の圧力室１１を並設する。各圧力室１１は、隔壁１２によって仕切られており、それぞれインクを収容する。ノズルプレート１３は、各圧力室１１の底面側に接着される。各ノズル１３ａは、圧力室１１側である裏面側からインク吐出側である表面側に向けて先細りの形状になっている。
【００１４】
各圧力室１１の天面側には、振動板１４が接着される。振動板１４の上面側には、各圧力室１１にそれぞれ対応して複数の圧電部材１５の一端が固着される。各圧電部材１５の他端は、保持部材１６によって保持される。各圧電部材１５は、それぞれ圧電層１５ａと電極層１５ｂとが交互に複数積層される。各電極層１５ｂを挟むように一対の電極１７が配置される。両電極１７は、駆動装置２に電気的に接続される。
【００１５】
ヘッド基板３は、共通圧力室１８を備える。共通圧力室１８には、供給管５を経由してインクが注入される。共通圧力室１８は、各圧力室１１に連通しており、注入されたインクは、各圧力室１１と、この圧力室１１に対応したノズル１３ａとに充填される。圧力室１１とノズル１３ａとにインクが充填されることで、ノズル１３ａ内にインクのメニスカスが形成される。
【００１６】
かかる構成のインクジェットヘッド１は、電極１７を介して圧電部材１５に駆動信号が印加されると、圧電部材１５が膨張または収縮する。この圧電部材１５の膨張または収縮に伴い振動板１４が変形して、圧力室１１に振動を与える。この振動により圧力室１１の容積が変化して圧力室１１内に圧力波が発生し、ノズル１３ａからインク滴が吐出される。ここに、振動板１４と圧電部材１５とは、圧力室１１に振動を与えるためのアクチュエータを形成する。インクジェットヘッド１は、ノズル１３ａの数だけ、アクチュエータを備えている。
【００１７】
次に、駆動装置２について説明する。駆動装置２は、通信部２１と、演算部２２と、駆動信号発生部２３とを備える。通信部２１は、例えばインクジェットプリンタを制御するためのホストコンピュータから印字を行う画像の階調データを受信する。演算部２２は、上記階調データに基づいて駆動パルス数を算出する。駆動信号発生手段である駆動信号発生部２３は、演算部２２で算出されたパルス数の駆動信号を各アクチュエータに選択的に供給する。駆動信号の電圧がアクチュエータに印加されることにより、このアクチュエータに対応した圧力室１１のノズル１３ａから、パルス数に相当するドロップ数のインク滴が吐出される。
【００１８】
図４は、隣り合うアクチュエータにそれぞれ印加される駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４を示すタイミング図である。駆動信号＃１は、第１のアクチュエータに印加される。駆動信号＃２は、第１のアクチュエータに対して隣接する第２のアクチュエータに印加される。駆動信号＃３は、第２のアクチュエータに隣接する第３のアクチュエータに印加される。駆動信号＃４は、第３のアクチュエータに隣接する第４のアクチュエータに印加される。
【００１９】
図４において、区間Ｔｐは、アクチュエータに対応するノズル１３ａからインク滴を１ドロップ吐出させるための区間であり、１ドロップ周期と称される。また区間Ｔｃは、隣り合うアクチュエータにそれぞれ印加される１ドロップ周期Ｔｐの遅延時間である。
【００２０】
全てのノズル１３ａから同時にインク滴が吐出されると、駆動装置２やアクチュエータでの発熱量が増加し、温度上昇が問題となる。このため駆動装置２は、少なくとも隣り合うノズルから同時にインク滴が吐出されないように、駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４の１ドロップ周期Ｔｐを、駆動周期Ｔｔ内で時分割する。図４の例は、全てのノズル１３ａを３つずつのグループに分割し、そのグループ内で３分割にタイミングをずらしてインク滴を吐出させる場合である。この例では、１つのノズル１３ａに対する駆動周期Ｔｔは、「３（Ｔｐ＋Ｔｃ）」となる。
【００２１】
図５は、駆動信号における１ドロップ周期Ｔｐの説明図である。図５に示すように、１ドロップ周期Ｔｐは、第１のパルスである吐出パルスＳＰと、第２のパルスであるダンピングパルスＤＰとを含む。吐出パルスＳＰは、基準電圧Ｖｍよりも低い電圧Ｖｌに変化するパルスであり、電圧振幅が−Ｖｓに設定され、パルス幅がＴｓに設定されている。ダンピングパルスＤＰは、基準電圧Ｖｍよりも高い電圧Ｖｈに変化するパルスであり、電圧振幅が＋Ｖｄに設定され、パルス幅がＴｄに設定されている。なお、基準電位Ｖｍは、インク滴を吐出しない通常状態の圧電部材１５に常に印加されている電圧である。
【００２２】
時点ｔ１において、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより圧電部材１５に印加される電圧がＶｍからＶｌに変化すると、圧電部材１５が通常状態よりも収縮する。この収縮に伴い、圧電部材１５に固着した振動板１４が、圧力室１１の容積を拡張させるように変形する。
【００２３】
この拡張状態は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓに相当する時間だけ継続する。そして、時点ｔ２において、圧電部材１５に印加される電圧がＶｌからＶｍに戻ると、圧電部材１５と振動板１４が通常状態に戻る。これに伴って、圧力室１１内の容積も通常の状態に戻る。
【００２４】
この通常状態は、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗに相当する時間（ｔ３−ｔ２）だけ継続する。そして、時点ｔ３において、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりにより圧電部材１５に印加される電圧がＶｍからＶｈに変化すると、圧電部材１５が通常状態よりも膨張する。この膨張に伴い、圧電部材１５に固着した振動板１４が、圧力室１１の容積を収縮させるように変形する。
【００２５】
この収縮状態は、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄに相当する時間だけ継続する。そして、時点ｔ４において、圧電部材１５に印加される電圧がＶｈからＶｍに戻ると、圧電部材１５と振動板１４とが通常状態に戻る。これに伴って、圧力室１１内の容積も通常の状態に戻る。
【００２６】
図６は、従来の駆動信号における１ドロップ周期Ｔｐのパルス波形図である。図６において、時間Ｔａは、圧力室１１内のインクの固有振動周期の１／２である圧力伝播時間である。図６の場合、吐出パルスＳＰのパルス幅（通電時間）Ｔｓと、ダンピングパルスＤＰのパルス幅（通電時間）Ｄｓと、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗとは、いずれも圧力伝播時間Ｔａと略一致させている。したがって、１ドロップ周期Ｔｐは３Ｔａとなる。
【００２７】
このような設定の従来例においては、先ず、吐出パルスＳＰの立ち下がりによって圧力室１１の容積を拡張すると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この状態は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓ、つまりは圧力伝播時間Ｔａだけ保持されるので、その間に、共通圧力室１８側から圧力室１１内にインクが流入する。また、ノズル１３ａの先端のメニスカスが圧力室１１側に後退する。したがって、圧力室１１内の圧力は、負圧から正圧に反転する。
【００２８】
次に、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓ、つまりは圧力伝播時間Ｔａが経過して圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により発生する圧力波は、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより発生した圧力波に対して位相が一致するので、圧力波の振幅が急激に増大する。この振幅の増大によりノズル１３ａ内のメニスカスが前進を始める。
【００２９】
メニスカスの前進は、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗに相当する時間、つまりは圧力伝播時間Ｔａが経過するまで継続する。したがって、圧力室１１内の圧力は再度、正圧から負圧に変化する。
【００３０】
圧力伝播時間Ｔａが経過して、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりにより圧力室１１の容積が収縮すると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。しかし、このときの圧力波は、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより発生した圧力波に対して位相が逆となるため、圧力室１１内の圧力は減衰される。この状態は、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄ、つまりは圧力伝播時間Ｔａだけ保持され、その間に、圧力室１１内の圧力は負圧から正圧に反転する。
【００３１】
その後、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄ、つまりは圧力伝播時間Ｔａが経過して圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により発生する圧力波は、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりの時点で発生した圧力波に対して位相が逆となるため、圧力室１１内の圧力はさらに減衰される。
【００３２】
このように、従来例では、吐出パルスＳＰによって発生した圧力振動をダンピングパルスＤＰによって減衰させることでインク滴の安定した吐出が得られるようにしている。しかし、サテライトの発生については全く考慮されていない。
【００３３】
図７は、本実施形態の駆動信号における１ドロップ周期Ｔｐのパルス波形図である。図７に示すように、本実施形態では、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓが、圧力伝播時間Ｔａと略一致する。また、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｄｓが、圧力伝播時間Ｔａの略０．５〜０．７倍である。さらに、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗが、圧力伝播時間Ｔａの略１．４倍である。このような波形パターンの駆動パルス信号が印加されるときのノズル１３ａ内のインクのメニスカスの動きを図８の模式図にて示す。
【００３４】
先ず、時点ｔ１において、吐出パルスＳＰの立ち下がりによって圧力室１１の容積が拡張すると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この状態は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓ、つまりは圧力伝播時間Ｔａだけ継続するので、その間に、共通圧力室１８側から圧力室１１内にインクが流入する。また、ノズル１３ａの先端のメニスカスが圧力室１１側に後退する（図８の８Ａを参照）。したがって、圧力室１１内の圧力は、負圧から正圧に反転する。
【００３５】
次に、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓに相当する圧力伝播時間Ｔａが経過し、時点ｔ２において、圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により発生する圧力波は、吐出パルスＳＰの立ち下がりにより発生した圧力波に対して位相が一致するので、圧力波の振幅が急激に増大する。この振幅の増大によりノズル１３ａ内のメニスカスが前進を始める（図８の８Ｂを参照）。
【００３６】
メニスカスの前進は、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗに相当する時間、つまりは圧力伝播時間Ｔａの１．４倍の時間が経過するまで継続する。そして、吐出パルスＳＰの立ち上がりから圧力伝播時間Ｔａの１．４倍の時間が経過すると、インクの液柱３１がノズル１３ａから分離される直前となる（図８の８Ｃを参照）。
【００３７】
この分離直前の時点ｔ３において、ダンピングパルスＤＰの立ち上がりにより圧力室１１の容積が収縮すると、圧力室１１内には正の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により、圧力室１１にはインクの液柱３１を押し出す作用が働き、液柱３１がノズル１３a側へ引っ張られメイン液滴と分離してサテライトを形成するのを防ぐとともにメインの液滴３２の吐出速度を大きくする効果を持たせることができる（図８の８Ｄを参照）。
【００３８】
その後、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄに相当する圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍の時間が経過し、時点ｔ４において、圧力室１１の容積が通常の状態に戻ると、圧力室１１内には負の圧力が瞬間的に発生する。この圧力により、圧力室１１内の残留圧力振動が抑制される。
【００３９】
ここに、駆動信号発生部２３は、アクチュエータに、圧力室１１の容積を拡張させる第１のパルス、すなわち吐出パルスＳＰを印加した後、インク滴がノズル１３ａから分離する直前に、圧力室１１の容積を収縮させる第２のパルス、すなわちダンピングパルスＤＰを印加する駆動信号発生手段として機能する。
【００４０】
ここで、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを、インク滴がノズル１３ａから分離する直前の時間として、圧力伝播時間Ｔａの１．４倍の時間に設定した理由について説明する。
【００４１】
インクの液柱３１がノズル１３ａから分離されるタイミングは、次の実験によって調べることができる。実験者は先ず、図９に示す波形の駆動信号をインクジェットヘッド１のアクチュエータに印加する。この駆動信号は、吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓを圧力伝播時間Ｔａに固定し、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの２倍に固定する。また、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰの電圧をいずれも基準電圧Ｖｍに対して低い電圧Ｖｌ（２２．０ボルト）で一定とする。つまり、ダンピングパルスＤＰは、吐出パルスＳＰと同様に圧力室１１の容積を拡張させるようにアクチュエータを駆動する。このような波形の駆動信号をアクチュエータに印加することによって、ノズル１３ａからインクの液柱３１が切れるタイミングが明確にわかる。
【００４２】
実験者は次に、駆動信号の吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを、圧力伝播時間Ｔａを基準に可変させて、インクジェットヘッド１のアクチュエータに印加する。そして実験者は、メインのインク滴３２の吐出速度を測定する。この実験の結果は、下記の［表１］に示される。
【表１】
【００４３】
［表１］から明らかなように、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗが圧力伝播時間Ｔａの１．５倍以上になると、インク滴３２の吐出速度が変化しなくなる。インク滴３２の吐出速度が変化しないということは、ダンピングパルスＤＰの前にインクの液柱３１がノズル１３ａから切れたために、その後のダンピングパルスＤＰの影響をインク滴３２が受けていないことを意味する。したがって、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗが圧力伝播時間Ｔａの１．４倍のときは、インク滴３２がノズル１３ａから分離する直前であると言える。
【００４４】
次に、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍の時間に設定した理由について説明する。
【００４５】
本願出願人は、以下の実験を行った。すなわち、図７に示す駆動信号の１ドロップ周期において、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを、圧力伝播時間Ｔａを基準に変化させて、インクジェットヘッド１のアクチュエータに印加する。そして、サテライトが発生しない限界の電圧、つまりはサテライトフリー電圧Ｖ１と、そのときのインク滴３２の吐出速度、つまりはサテライトフリー速度Ｓ１を測定した。また、インク滴３２の吐出が不安定となる直前の電圧、つまりは吐出安定限界電圧Ｖ２も測定した。
【００４６】
なお、各電圧Ｖ１，Ｖ２は、吐出パルスＳＰの電圧振幅ＶｓとダンピングパルスＤＰの電圧振幅Ｖｄの平均値［（Ｖｓ＋Ｖｄ）／２］を示す。また、吐出が不安定になるとは、インク滴３２の吐出速度にムラが生じたり、インク滴が吐出されなかったりする状態を意味する。さらに、サテライトの発生や吐出が不安定となる現象は、様々な駆動パターンすなわち隣接するノズルの駆動数によっても変化する。しかし、上記サテライトフリー電圧Ｖ１および吐出安定限界電圧Ｖ２は、いずれの駆動パターンにおいてもそのような現象が発生しない限界の電圧を示す。
【００４７】
上記実験の測定結果を［表２］に示す。また、参考として、従来の駆動信号の１ドロップ周期（図６）による測定結果も［表２］の最下行に示す。
【表２】
【００４８】
［表２］から明らかなように、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄが大きくなればなるほど、サテライトフリー速度Ｓ１とサテライトフリー電圧Ｖ１は大きくなる。サテライトフリー速度Ｓ１が大きくなると、製造等に起因するノズル毎の吐出速度のばらつきによる着弾ずれを小さくできるので望ましい。しかし、パルス幅Ｔｄが大きくなればなるほど、吐出安定限界電圧Ｖ２が小さくなって、吐出安定限界電圧Ｖ２とサテライトフリー電圧Ｖ１との電圧マージン（Ｖ２−Ｖ１）が狭くなり、吐出安定性が損なわれることになる。
【００４９】
［表２］では、サテライトフリー速度Ｓ１が７．５［ｍ／ｓ］以上の場合を適“○”、７．５［ｍ／ｓ］未満の場合を不適“×”として「速度評価」の欄に記載した。また、電圧マージン（Ｖ２−Ｖ１）が２．５［Ｖ］以上の場合を適“○”、２．５［Ｖ］未満の場合を不適“×”として「電圧評価」の欄に記載した。
【００５０】
その結果、図７に示す駆動信号の１ドロップ周期、つまりは吐出パルスＳＰのパルス幅Ｔｓを圧力室１１内のインクの固有振動周期の１／２である圧力伝播時間Ｔａと等しくし、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを圧力伝播時間Ｔａの１．４倍とした波形において、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍とし、吐出パルスＳＰの電圧ＶｓとダンピングパルスＤＰの電圧Ｖｄとの平均電圧をサテライトが発生しない限界のサテライトフリー電圧Ｖ１とすることによって、サテライトフリー速度Ｓ１が大きく、かつ、十分な電圧マージンを確保できるようになる。つまり、十分な吐出安定性を得ることができる。
【００５１】
因みに、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．６倍とすることで、１ドロップ周期Ｔｐは次の（１）式により３Ｔａとなる。この値は、図６に示した従来の１ドロップ周期Ｔｐと等しい。つまり、従来例と同じ駆動周波数でインクを吐出させることができる。
Ｔ＝Ｔｓ＋Ｔｗ＋Ｔｄ＝Ｔａ＋１．４Ｔａ＋０．６Ｔａ＝３Ｔａ …（１）
以上詳述したように、本実施形態によれば、メイン液滴の吐出安定性を損ねることなくサテライトの発生を抑制できる効果を奏する。
【００５２】
ところで、製造等に起因して、各ノズルの吐出速度にばらつきを生じることがある。このばらつきにより、各ノズルのメイン液滴の着弾位置がずれて、印字品質が低下する懸念がある。また、この着弾ずれは媒体の搬送速度にも依存する。すなわち、搬送速度が大きくなればなるほど着弾ずれも大きくなる。したがって、インクジェットヘッドの駆動周波数を落として媒体の搬送速度を大きくすることはできない。このため、印字速度が遅くなり、生産性が悪化する。
【００５３】
通常、サテライトはメインの液滴よりも飛翔速度が遅く、駆動波形や電圧を変えてもその速度を上げることができない。このため、特にギャップが広い時に、メイン液滴との着弾ずれが顕著となってくる。また、ヘッドと媒体との相対的な移動に伴う空気流の影響を、小さな液滴であるサテライトはより受け易い。この影響により、風紋のような濃度ムラが発生し、著しく印字品質を損なうことになってしまう。
【００５４】
このようなインクジェットヘッドにおいて、すべてのノズルを一度に同時に吐出する場合、駆動回路やヘッドの温度上昇が問題になってくる。このため、タイミングをずらして時分割で駆動する方法がある。しかし、サテライトの問題とは別に、着弾ずれに関しては、隣接するノズルが吐出するかしないかによって吐出速度が変化し印字品質が悪くなる、いわゆるクロストークの問題もある。
【００５５】
そこで次に、メイン液滴の吐出速度を小さくすることなく、また吐出安定性を損なうことなく、さらに駆動周波数を下げることなくサテライトが発生しない駆動波形を与え、サテライトやノズル毎のばらつきによる着弾ずれおよびクロストークを抑制することで高速で高印字品質の印字を行うことができる実施形態について説明する。
【００５６】
［第２の実施形態］
図１０は、ダンピングパルスＤＰのパルス幅Ｔｄを圧力伝播時間Ｔａの０．５〜０．７倍の時間に設定したときの駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４を示すタイミング図である。前述したように、１つのノズル１３ａに対する駆動周期Ｔｔは、「３（Ｔｐ＋Ｔｃ）」となる。したがって駆動周波数Ｆは、その逆数「１／Ｔｔ」となる。高速印字を実現するためには、駆動周波数Ｆを高くすればよい。
【００５７】
遅延時間Ｔｃを短縮することで、駆動周波数Ｆを高くすることができる。しかし、遅延時間Ｔｃが短くなると、クロストーク現象によって印字品質が損なわれるおそれがある。クロストーク現象とは、直前のタイミングでインク滴を吐出したノズル１３ａの残留振動の影響によって、次のタイミングでインク滴を吐出する隣接ノズル１３ａの吐出速度が変化する現象である。
【００５８】
直前のタイミングでインク滴を吐出したノズル１３ａに対応する圧力室１１内の圧力は、その圧力室内のインクの固有振動周期（２Ｔａ）に従って振動する。この振動は、次のタイミングでインク滴を吐出する隣接ノズル１３ａに対応する圧力室１１に、隔壁１２を介して伝播する。その結果、隣接ノズル１３ａから吐出されるインクの速度が変化する。そこで第２の実施形態では、図１０に示される時分割駆動において、遅延時間Ｔｃを適切な値に設定することにより、サテライトの発生を抑制しつつクロストークの影響も改善する。
【００５９】
図１１は、遅延時間Ｔｃと吐出速度Ｓ［ｍ／ｓ］との対応関係を示すグラフである。図１１において、横軸は、遅延時間Ｔｃを圧力伝播時間Ｔａで除した値Ｔｃ／Ｔａであり、縦軸は、吐出速度Ｓ［ｍ／ｓ］である。また、実線Ｐ１は、１つのノズルのみ単独でインクを吐出させる、いわゆる単ノズル駆動のときの値Ｔｃ／Ｔａと吐出速度Ｓとの対応関係を示す。破線Ｐ２は、全てのノズルからインク滴を吐出させる、いわゆる全ノズル駆動のときの値Ｔｃ／Ｔａと吐出速度Ｓとの対応関係を示す。
【００６０】
図１１に示すように、全ノズル駆動の場合には、吐出速度Ｓが周期的に大きく変化する。このように、吐出速度Ｓが周期的に変化するのは、クロストークの影響によるものと考えられる。換言すれば、全ノズル駆動のときの吐出速度Ｓが、単ノズル駆動のときの吐出速度Ｓに近ければ、クロストークの影響が小さいと考えられる。
【００６１】
全ノズル駆動の場合、値Ｔｃ／Ｔａが“３”，“５”，“７”，…のときに単ノズル駆動のときの吐出速度Ｓに接近する。したがって、遅延時間Ｔｃを下記（２）式から導出される値に設定することによって、クロストークの影響を小さくすることができる。
【００６２】
Ｔｃ＝（１＋２ｎ）＊Ｔａ （ｎは１，２，３，…の自然数） …（２）
特に、ｎ＝１、つまり遅延時間Ｔｃ＝３Ｔａに設定した場合、駆動周波数Ｆは高い。すなわち、高速印字を実現することができる。なお、遅延時間Ｔｃを３Ｔａ未満とした場合には、吐出が不安定となる。このため、遅延時間Ｔｃを３Ｔａ未満とすることは好ましくない。
【００６３】
［第３の実施形態］
第２の実施形態では、遅延時間Ｔｃを適切な値に設定することによって、クロストークの影響を小さくする。第３の実施形態では、別の方法によってクロストークの影響を小さくする。
【００６４】
図１２は、第３の実施形態における駆動信号＃１，＃２，＃３，＃４を示すタイミング図であり、駆動信号＃３が印加されるノズル１３ａからインクが吐出される場合を示している。図１２に示すように、第３の実施形態では、インクを吐出しないノズルに対しては、吐出パルスＳＰを出力しない。このように、１ドロップ周期において吐出パルスＳＰが出力されず、ダンピングパルスＤＰのみが出力される駆動波形をダミーパルスと称する。ダミーパルスがアクチュエータに印加されると、圧力室１１に対してインク滴が吐出しない程度の微振動が与えられる。
【００６５】
図１３は、遅延時間Ｔｃと吐出速度Ｓ［ｍ／ｓ］との対応関係を示すグラフであり、図１１と共通する部分には同一符号を付している。図１３に示すように、ダミーパルスを用いることによって、単ノズル駆動の場合もクロストークの影響により吐出速度が全ノズル駆動の場合と同じように周期的に変化する。そして、全ノズル駆動の場合と単ノズル駆動の場合とで吐出速度の差は小さくなる。したがって、ダミーパルスを用いることによってクロストークの影響が小さくなる。また、遅延時間Ｔｃを第２の実施形態と同様の前記（２）式から導出される値に設定することによって、吐出速度を大きくすることができる。しかも、ｎ＝１、つまり遅延時間Ｔｃ＝３Ｔａに設定した場合には、駆動周波数Ｆを高く、すなわち高速印字を実現することができる。
【００６６】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施形態では、吐出パルスＳＰとダンピングパルスＤＰとの間隔Ｔｗを圧力伝播時間Ｔａの１．４倍としたが、この値は特に限定されるものではない。要は、吐出パルスＳＰをアクチュエータに印加した後、インク滴がノズルから分離する直前に、ダンピングパルスＤＰをアクチュエータに印加できればよい。
【００６７】
また、前記実施形態は、図１に示す構造のインクジェットヘッド１に対する駆動装置及び駆動方法として説明したが、他の構造のインクジェットヘッド１に対する駆動装置及び駆動方法としても同様に適用できるものである。また、各ノズルを時分割で駆動するインクジェットヘッドに限定されるものでもない。
【００６８】
この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１…インクジェットヘッド、２…駆動装置、１１…圧力室、１３…ノズルプレート、１３ａ…ノズル、１４…振動板、１５…圧電部材、１７…電極、２１…通信部、２２…演算部、２３…駆動信号発生部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが収容される圧力室にアクチュエータで振動を与えて、その圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、
前記圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを前記アクチュエータに印加した後、前記インク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを前記アクチュエータに印加することを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。
【請求項２】
前記第１のパルスのパルス幅を、前記圧力室内のインクの固有振動周期の１／２と等しくし、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間隔を、前記固有振動周期の１／２の１．４倍としたことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
【請求項３】
インクが収容される圧力室にアクチュエータで振動を与えて、その圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動装置において、
前記アクチュエータに、前記圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを印加した後、前記インク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを印加する駆動信号発生手段、
を具備したことを特徴とすることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。
【請求項４】
前記駆動信号発生手段は、前記第１のパルスのパルス幅を、前記圧力室内のインクの固有振動周期の１／２と等しくし、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間隔を、前記固有振動周期の１／２の１．４倍としたことを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッドの駆動装置。
【請求項５】
前記駆動信号発生手段は、前記第２のパルスのパルス幅を、前記固有振動周期の１／２の０．５〜０．７倍としたことを特徴とする請求項４記載のインクジェットヘッドの駆動装置。
【請求項１】
インクが収容される圧力室にアクチュエータで振動を与えて、その圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、
前記圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを前記アクチュエータに印加した後、前記インク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを前記アクチュエータに印加することを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。
【請求項２】
前記第１のパルスのパルス幅を、前記圧力室内のインクの固有振動周期の１／２と等しくし、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間隔を、前記固有振動周期の１／２の１．４倍としたことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
【請求項３】
インクが収容される圧力室にアクチュエータで振動を与えて、その圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動装置において、
前記アクチュエータに、前記圧力室の容積を拡張させる第１のパルスを印加した後、前記インク滴が前記ノズルから分離する直前に、前記圧力室の容積を収縮させる第２のパルスを印加する駆動信号発生手段、
を具備したことを特徴とすることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。
【請求項４】
前記駆動信号発生手段は、前記第１のパルスのパルス幅を、前記圧力室内のインクの固有振動周期の１／２と等しくし、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間隔を、前記固有振動周期の１／２の１．４倍としたことを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッドの駆動装置。
【請求項５】
前記駆動信号発生手段は、前記第２のパルスのパルス幅を、前記固有振動周期の１／２の０．５〜０．７倍としたことを特徴とする請求項４記載のインクジェットヘッドの駆動装置。
【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１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７５５０９（Ｐ２０１３−７５５０９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５６６２２（Ｐ２０１２−１５６６２２）
【出願日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【出願人】（０００００３５６２）東芝テック株式会社 (5,631)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【出願人】（０００００３５６２）東芝テック株式会社 (5,631)
【Ｆターム（参考）】
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