JP2004142448A - 液体噴射装置及び液体噴射装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　液体滴をより安定に吐出させることが可能であると共に、高周波駆動が可能である液体噴射装置を提供すること。
【解決手段】　圧力発生室３は、周期Ｔｃのヘルムホルツ共振周波数を有する。駆動信号は、圧力発生室３を膨張させるための第１の信号要素Ｓ１と、膨張状態にある圧力発生室３を収縮させるための第２の信号要素Ｓ２と、液体滴吐出後に圧力発生室３を第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第３の信号要素Ｓ３と、を有する。第３の信号要素は、液体滴吐出後に、圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態よりも収縮している中間収縮状態まで膨張させる第１段階要素Ｓ３ａと、中間収縮状態にある圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第２段階要素Ｓ３ｂと、を有している。第１段階要素Ｓ３ａと第２段階要素Ｓ３ｂとは、印加時間または勾配の少なくとも一方が実質的に不連続である。
【選択図】　図５

Description

　本発明は、例えば圧電振動子をアクチュエータとして使用した液体噴射装置に関するものである。

　液体噴射装置、例えばインクジェット式記録装置に用いられる記録ヘッドは、ノズル開口に連通するとともに一部の区画壁が弾性板により構成された圧力発生室を備えている。弾性板には、膨張・収縮可能な圧電振動子の可動端が結合されている。これにより、圧電振動子を膨張・収縮させることにより圧力発生室の容積を変化させることができ、結果としてインクの供給及びインク滴の吐出を行えるようになっている。

　このような記録ヘッドを高速に駆動するアクチュエータとして、交互に積層された圧電材料及び導電層からなり、その長手方向に伸長可能な縦振動モードの圧電振動子が使用されている。

　縦振動モードの圧電振動子は、たわみ振動タイプの圧電振動子よりも圧力発生室との当接面積が小さく、しかも高速駆動が可能である。このため、より高い解像度での高速印刷が可能である。

　ところが、このような縦振動モードの圧電振動子は、高速駆動が可能であるものの、残留振動の減衰率か小さい。このため、インク滴の吐出後に大きな残留振動が残ってメニスカスの挙動に影響を与え得る。例えば、次のインク滴吐出時におけるメニスカスの位置がバラついて、インク滴の飛翔方向が変動し得る。あるいは、メニスカスがノズル開口側に大きくオーバーシュートして、インクミストが生じ、印字品質の低下を招き得る。

　そこで、インク滴を吐出した後のメニスカスの残留振動を減衰させてインクミストの発生等を防止するため、例えば、特開平９−５２３６０号に開示されたインクジェット式記録装置が考案されている。この記録装置は、圧力発生室を膨張させる第１の信号要素Ｓ５１と、ノズル開口からインク滴を吐出させるべく膨張状態にある圧力発生室を収縮させる第２の信号要素Ｓ５２と、インク滴吐出後に生じるメニスカスの振動がノズル開口側に向かう時点で、第１の信号要素Ｓ５１による膨張容積よりも小さい容積で圧力発生室を膨張させる第３の信号要素Ｓ５３と、を有する駆動信号ＰＤＳ（図６参照）を発生するようになっている。これにより、インク滴の吐出後にノズル開口に向かおうとしているメニスカスが、第３の信号要素Ｓ５３による圧力発生室の膨張によって圧力発生室側に引き込まれ、メニスカスの振動が効果的に減衰され得る。これにより、メニスカスの運動に起因するインクミストの発生が防止される。また、次のインク滴吐出時のメニスカス位置を略一定に調整可能となり、インク滴飛翔の安定化を図ることができる。

　図６に示す駆動信号ＰＤＳにおいては、第１の信号要素Ｓ５１の電位差Ｖｃ１と第２の信号要素Ｓ５２の電位差Ｖｄと第３の信号要素Ｓ５３の電位差Ｖｃ２との間に、Ｖｃ１＋Ｖｃ２＝Ｖｄなる関係が成立している。

　図６に示す駆動信号ＰＤＳは、以下のように設計される。

　まず、インク滴吐出特性（インク滴の吐出重量や吐出速度）に応じて、第２の信号要素Ｓ５２の電位差Ｖｄが設計される。そして、当該電位差Ｖｄに応じて、電位レベル調整のために、第１の信号要素Ｓ５１の電位差Ｖｃ１と第３の信号要素Ｓ５３の電位差Ｖｃ２とが設計される。ここで、第３の信号要素Ｓ５３がメニスカスの制振作用を担うことが考慮される。メニスカスが好適に制振されると、次の周期でのインク滴吐出が安定して行われる。
特開平９−５２３６０号公報 特開平１０−２８６９６１号公報 特許第３２２５９８７号公報 特表ＷＯ９７／３７８５２号公報

　前述のように、第３の信号要素Ｓ５３はメニスカスの制振作用を担う。すなわち、第３の信号要素Ｓ５３は、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動に対して、当該メニスカスを逆発振させるタイミングで印加（出力）される。

　しかしながら、第３の信号要素Ｓ５３の振幅が大き過ぎると（電位差Ｖｃ２が大き過ぎると）、制振作用が過剰となる。この場合、本件発明者の知見によれば、メニスカスから延びる柱状のインクがより長く尾を引くようになって、当該尾の部分から生成されるサテライト滴の挙動（運動）が不安定になる。具体的には、当該サテライト滴の速度不足が発生して、当該サテライト滴の飛行方向に曲がりが生じたりする。

　従って、第３の信号要素Ｓ５３の電位差Ｖｃ２は、ある程度の大きさまでに抑えることが好ましい。

　一方、第１の信号要素Ｓ５１の振幅を大きくする場合（電位差Ｖｃ１を大きくする場合）、第１の信号要素Ｓ５１の継続時間を維持すれば、インク滴の吐出速度が過大となる傾向がある。逆に、第１の信号要素Ｓ５１の継続時間を長くすれば、駆動信号の一周期が長くなって、インクジェット式記録装置の高周波駆動が困難となる。

　更に、本件発明者の知見によれば、多数の圧力発生室が隔壁を介して密に配置されている場合、第１の信号要素Ｓ５１の振幅を大きくすると、多数の圧力発生室のうち変形されないはずの圧力発生室にまで変形が生じ易くなる（クロストーク）。

　従って、第１の信号要素Ｓ５１の電位差Ｖｃ１も、ある程度の大きさまでに抑えることが好ましい。

　本件発明者は、本件発明に至る過程において、第１の信号要素Ｓ５１の電位差Ｖｃ１と第３の信号要素Ｓ５３の電位差Ｖｃ２とを独立に設計するために、第１の信号要素Ｓ５１の前あるいは第３の信号要素Ｓ５３の後に電位レベル調整のための第４の信号要素を設けることを検討した。

　しかしながら、前記のように第４の信号要素を設ければ、駆動信号の一周期が長くなって、インクジェット式記録装置の高周波駆動が困難となる。

　本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、液体滴をより安定に吐出させることが可能であると共に、高周波駆動が可能である液体噴射装置を提供することを目的とする。

　本発明は、
　容積が可変であって液体が供給されると共にノズル開口に連通する内部空間と、周期Ｔｃの共振周波数と、を有する圧力発生室と、
　圧力発生室を膨張させるための第１の信号要素と、膨張状態にある圧力発生室を収縮させてノズル開口から液体滴を吐出させるための第２の信号要素と、液体滴吐出後に圧力発生室を第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第３の信号要素と、を有する駆動信号を発生させる信号発生手段と、
　駆動信号に基づいて圧力発生室を膨張及び収縮させる圧力発生手段と、
を備え、
　第３の信号要素は、
　液体滴吐出後に、圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態よりも収縮している中間収縮状態まで膨張させる第１段階要素と、
　中間収縮状態にある圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第２段階要素と、
を有しており、
　前記第１段階要素と前記第２段階要素とは、印加時間または勾配の少なくとも一方が実質的に不連続である
ことを特徴とする液体噴射装置である。

　本発明によれば、第３の信号要素の印加（出力）中における圧力発生室の膨張が少なくとも２段階で行われるため、後段階である第２段階要素による圧力発生室の膨張段階をメニスカス制振のために設計しても、前段階の第１段階要素を利用して電位レベルの調整を行うことができ、第１の信号要素の設計に影響を及ぼすことが無い。また、前述のように第４の信号要素を設ける場合と異なり、駆動信号の一周期の長さが所定範囲内に容易に抑えられ得る。

　このため、サテライト滴の挙動の安定、好適な液体滴吐出速度、及び、液体滴噴射装置の高周波駆動が、同時に好適に実現され得る。

　例えば、第２段階要素による圧力発生室の膨張は、第２段階要素の付与直前の圧力発生室の状態に対して、不連続に開始されるようになっている。好ましくは、前記第３の信号要素の前記第１段階要素と前記第３の信号要素の前記第２段階要素との間には、前記中間収縮状態を維持させる中間段階要素が設けられている。

　この場合について、第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第１段階要素の出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２との関係について説明する。

　前記時間Ｔ１、Ｔ２間にＴ１≒Ｔ２×１／２なる関係が成立している場合、第１段階要素の印加（出力）は、メニスカスの更なる加振を促すことになる。従って、前記時間Ｔ１、Ｔ２間には、Ｔ１≠２×１／２なる関係が成立していることが好ましい。更に、本件発明者による各種の実験結果からの知見によれば、前記時間Ｔ１、Ｔ２間にＴ１＜Ｔ２×１／２なる関係が成立していることが好ましい。特に好適には、Ｔ１≦Ｔ２×１／４である。

　また、前記時間Ｔ２については、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃと実質的に等しくなるように設定されていることが好ましい。

　あるいは、前記時間Ｔ２については、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃのヘッド個体毎等のばらつきに対応して、可変に設定されることが好ましい。

　なお、前述のように、第３の信号要素の第１段階要素は、電位レベル調整のために利用される要素である。しかしながら、当該第１段階要素の印加に起因する振動については、特に積極的な制振が考慮されていないため、当該振動が有意な大きさになるとメニスカスの挙動がやはり不安定になる。

　当該観点から、発明者の知見によれば、第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第２の信号要素の振幅Ｖｄの２０％以下、特には１５％以下、であることが好ましい。

　また、前記第１段階要素と前記第２段階要素とが連続している場合には、第１段階要素の第２段階要素との接続部までの勾配と第２段階要素の第１段階要素との接続部からの勾配とが不連続である（すなわち、異なっている）。

　この場合について、本件発明者の種々の実験結果に基づく知見によれば、第１段階要素の第２段階要素との接続部までの勾配は、第２段階要素の第１段階要素との接続部からの勾配に対して、緩やかであることが好ましい。

　また、本件発明者の種々の実験結果に基づく知見によれば、第１の信号要素の振幅Ｖｃ１は、第２の信号要素の振幅Ｖｄの５０％未満であることが好ましい。

　また、本件発明者の種々の実験結果に基づく知見によれば、第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第２の信号要素の振幅Ｖｄの４０％未満であることが好ましい。

　また、本件発明者の種々の実験結果に基づく知見によれば、第３の信号要素の第２段階要素の振幅Ｖｃ２は、第２の信号要素の振幅Ｖｄの２０％より大きいことが好ましい。

　また、本件発明者の種々の実験結果に基づく知見によれば、第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第３の信号要素の第２段階要素の振幅Ｖｃ２以下であることが好ましい。

　圧力発生手段は、例えば圧電振動子を有している。高速かつ連続の液体滴の吐出のためには、圧電振動子は、縦振動モードの圧電振動子であることが好ましい。もっとも、たわみ振動モードの圧電振動子も利用可能である。

　また、本発明は、
　容積が可変であって液体が供給されると共にノズル開口に連通する内部空間と、周期Ｔｃの共振周波数と、を有する圧力発生室と、
　駆動信号に基づいて圧力発生室を膨張及び収縮させる圧力発生手段と、
を備えた液体噴射装置を制御する装置であって、
　圧力発生室を膨張させるための第１の信号要素と、膨張状態にある圧力発生室を収縮させてノズル開口から液体滴を吐出させるための第２の信号要素と、液体滴吐出後に圧力発生室を第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第３の信号要素と、を有する駆動信号を発生させる信号発生手段を備え、
　第３の信号要素は、
　液体滴吐出後に、圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態よりも収縮している中間収縮状態まで膨張させる第１段階要素と、
　中間収縮状態にある圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第２段階要素と、
を有しており、
　前記第１段階要素と前記第２段階要素とは、印加時間または勾配の少なくとも一方が実質的に不連続である
ことを特徴とする制御装置である。

　前記の制御装置あるいは制御装置の各要素手段は、コンピュータシステムによって実現され得る。

　また、コンピュータシステムに各装置または各手段を実現させるためのプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体も、本件の保護対象である。

　ここで、記録媒体とは、フロッピーディスク等の単体として認識できるものの他、各種信号を伝搬させるネットワークをも含む。

　次に、本発明の実施の形態について詳しく説明する。

　図１は、本発明によるインクジェット式記録装置（液体噴射装置の一例）に用いられる記録ヘッドの一例を示すものである。図１の記録ヘッドは、主として、ノズル開口２及び圧力発生室３が形成されたインク流路ユニット１１と、圧電振動子９を収容するヘッドケース１２と、を有している。インク流路ユニット１１とヘッドケース１２とは、互いに接合されている。

　インク流路ユニット１１は、図１に示すように、複数のノズル開口２が穿設されたノズルプレート１と、圧力発生室３、共通のインク室４及びこれらを連通させるインク供給口５に対応する空間が各ノズル開口２に対応して形成された流路構成板７と、圧力発生室３の少なくとも一部を区画するための弾性板８と、が積層されて形成されている。

　圧電振動子９は、圧電材料と導電材料が交互に長手方向に平行に積層されて構成されている。これにより、充電状態では導電層の積層方向と直角な長手方向に収縮し、放電状態では元の状態に戻る（収縮状態からは長手方向に伸長する）。すなわち、圧電振動子９は、いわゆる縦振動モードの振動子である。圧電振動子９は、その先端（可動端）が圧力発生室３の一部を区画している弾性板８の当該区画部分に接合され、他端が基台１０を介してヘッドケース１２に固定されている。

　このような記録ヘッドでは、圧電振動子９の収縮・伸長に対応して圧力発生室３が膨張・収縮する。圧力発生室３の膨張・収縮に伴う圧力発生室３内のインクの圧力変動により、インクが圧力発生室３内に吸引され、インク滴がノズル開口２から吐出される。

　ここで、上記のように構成されたインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室３内のインクの圧縮性に起因する流体コンプライアンスをＣｉ、圧力発生室３を形成している弾性板８及びノズルプレート１等の材料自体の固体コンプライアンスをＣｖ、ノズル開口２のイナータンスをＭｎ、インク供給口５のイナータンスをＭｓとすると、圧力発生室３のヘルムホルツ共振周波数ＦＨを次の式、
　ＦＨ＝１／（２π）×
　　　　√｛（Ｍｎ＋Ｍｓ）／［（Ｃｉ＋Ｃｖ）・（Ｍｎ×Ｍｓ）］｝
により表すことができる。

　また、ヘルムホルツ共振周波数の周期Ｔｃは、上記ヘルムホルツ共振周波数ＦＨの逆数（Ｔｃ＝１／ＦＨ）で表される。

　なお、流体コンプライアンスＣｉは、圧力発生室３の体積をＶ、インクの密度をρ、インク中での音速をｃとすると、
　Ｃｉ＝Ｖ／（ρ×ｃ^２）
により表すことができる。

　さらに、圧力発生室３の固体コンプライアンスＣｖは、圧力発生室３に単位圧力を印加したときの圧力発生室３の静的な変形率に一致する。

　具体的には、例えば、長さが０．５〜２ｍｍで、幅０．１〜０．２ｍｍ、深さ０．０５〜０．３ｍｍのサイズとして構成された圧力発生室３の場合、ヘルムホルツ共振周波数ＦＨは、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度となり、ヘルムホルツ共振周波数の周期Ｔｃは、２０μｓｅｃ〜５μｓｅｃとなる。代表例として、固体コンプライアンスＣｖが７．５×１０^−２１［ｍ^５／Ｎ］、流体コンプライアンスＣｉが５．５×１０^−２１［ｍ^５／Ｎ］、ノズル開口２のイナータンスＭｎが１．５×１０^８［ｋｇ／ｍ^４］、インク供給口５のイナータンスＭｓが３．５×１０^８［ｋｇ／ｍ^４］である時、ヘルムホルツ共振周波数ＦＨは１３６ｋＨｚとなり、ヘルムホルツ共振周波数の周期Ｔｃは７．３μｓｅｃとなる。

　図２は、上述したような記録ヘッドを駆動する駆動回路の一例を示すものである。図２に示すように、制御信号発生回路２０は、入力端子２１，２２と出力端子２３，２４，２５とを備える。入力端子２１，２２には、印刷データを生成する外部装置から印字信号とタイミング信号とが入力されるようになっている。出力端子２３，２４，２５からは、それぞれ、シフトクロック信号，印字信号およびラッチ信号が出力されるようになっている。

　駆動信号発生回路２６は、前記入力端子２２に入力されるのと同様の外部装置からのタイミング信号に基づいて、圧電振動子９を駆動する駆動信号を出力するようになっている。

　Ｆ１は、ラッチ回路を構成するフリップフロップであり、Ｆ２は、シフトレジスタを構成するフリップフロップである。フリップフロップＦ２から各圧電振動子９に対応して出力される信号がフリップフロップＦ１でラッチされると、オアゲート２８を介して、各スイッチングトランジスタ３０に選択信号が出力されるようになっている。

　図３は、制御信号発生回路２０の一例を示す。カウンタ３１は、入力端子２２から入力されるタイミング信号の立ち上がりで初期化されるようになっている。そして、カウンタ３１は、初期化された後、発振回路３３からのクロック信号をカウントし、当該カウント値が駆動信号発生回路２６の出力端子２９に接続されている圧電振動子９の数（変形駆動可能な圧力発生室３の数）に一致した時点で、ＬＯＷレベルのキャリー信号を出力して計数動作を停止するようになっている。このカウンタ３１のキャリー信号は、ＡＮＤゲート３２において発振回路３３からのクロック信号との論理積を取られて、出力端子２３にシフトクロック信号として出力される。

　また、メモリ３４は、入力端子２１から入力される、圧電振動子９の数に一致するビット数の印字データを記憶するようになっている。メモリ３４は、ＡＮＤゲート３２からの信号に同期して、内部に記憶されている印字データを出力端子２４に１ビット毎にシリアル出力する機能を合わせ備えている。

　出力端子２４からシリアル転送される印字信号は、次の印刷周期でのスイッチングトランジスタ３０の選択信号となるべく、印字信号の出力端子２３から出力されたシフトクロック信号によってフリップフロップＦ２（シフトレジスタ）にラッチされる。なお、ラッチ信号は、カウンタ３１のＬｏｗレベルのキャリー信号の出力に同期してラッチ信号生成回路３５から出力される。ラッチ信号の出力の時点は、駆動信号が中間電位ＶＭを維持する期間である。

　図４は、駆動信号発生回路２６により発生される駆動信号ＤＳの一例である。駆動信号発生回路２６としては、公知の任意の信号発生回路が利用され得る。

　図４に示すように、当該駆動信号ＤＳは、中間電位ＶＭから電圧ＶＨに一定の勾配で上昇し、この電圧ＶＨを一定時間Ｔｈ１保持し、今度は一定の勾配でＶＬまで降下し、この電圧ＶＬを一定時間Ｔｈ２保持し、さらに再び収縮中間電位ＶＬ２まで一定の緩やかな勾配で上昇し、その後により急峻な一定の勾配で中間電位ＶＭまで上昇する駆動信号である。

　中間電位ＶＭから電圧ＶＨに一定の勾配で上昇する充電信号要素Ｓ１が、本発明における第１の信号要素である。第１の信号要素Ｓ１の振幅（電位差）Ｖｃ１は、ＶＨ−ＶＭである。

　電圧ＶＨから電圧ＶＬに一定の勾配で降下する放電信号要素Ｓ２が、本発明における第２の信号要素である。第２の信号要素Ｓ２の振幅（電位差）Ｖｄは、ＶＨ−ＶＬである。

　電圧ＶＬから収縮中間電位ＶＬ２に緩やかな一定の勾配で上昇する充電信号要素Ｓ３ａが、本発明における第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素である。第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素ｓ３ａの振幅（電位差）Ｖｐは、ＶＬ２−ＶＬである。

　収縮中間電位ＶＬ２から中間電位に、第１段階要素ｓ３ａよりも急峻な一定の勾配で上昇する充電信号要素Ｓ３ｂが、本発明における第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素である。第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素ｓ３ｂの振幅（電位差）Ｖｃ２は、ＶＭ−ＶＬ２である。

　第２の信号要素Ｓ２の振幅（電位差）Ｖｄは、インク滴の所望の吐出特性に基づいて設計されている。一方、第２段階要素ｓ３ｂの振幅（電位差）Ｖｃ２は、メニスカスの好適な制振を目的として設計されている。本件発明者による各種の実験結果からの知見によれば、第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂの振幅Ｖｃ２は、第２の信号要素Ｓ２の振幅Ｖｄの２０％より大きいことが好ましい。そして、第１の信号要素Ｓ１の振幅（電位差）Ｖｃ１は、インク滴の吐出速度と駆動信号ＤＳの一周期の時間（周波数）とのバランスに基づいて設計されている。本件発明者による各種の実験結果からの知見によれば、第１の信号要素Ｓ１の振幅Ｖｃ１は、第２の信号要素Ｓ２の振幅Ｖｄの５０％未満であることが好ましい。そして、緩やかな勾配の第１段階要素ｓ３ａが、電位レベル調整のために挿入されている。

　以上により、第３の信号要素Ｓ３の印加（出力）中における圧力発生室の膨張は、２段階で行われる。このため、後段階である第２段階要素Ｓ３ｂによる圧力発生室の膨張段階がメニスカス制振のために設計されても、前段階の第１段階要素Ｓ３ａを利用して電位レベルの調整が行われて、第１の信号要素Ｓ１の設計に影響を及ぼすことが無い。

　従って、駆動信号ＤＳは、サテライト滴の挙動の安定と好適な液体滴吐出速度とを実現すると共に、高周波駆動に対応可能な信号となっている。また、この駆動信号ＤＳによれば、クロストークの発生も抑制され得る。

　その他、本実施の形態では、第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａの振幅Ｖｐは、第２の信号要素Ｓ２の振幅Ｖｄの４０％未満であり、かつ、第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂの振幅Ｖｃ２以下である。

　前述のように、第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａは、電位レベル調整のために利用される要素である。しかしながら、当該第１段階要素Ｓ３ａの印加に起因する振動が大きくなると、メニスカスの挙動がやはり不安定になる。この点について、本件発明者は、各種の実験結果から、第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａについて、その勾配が小さければ小さいほど好適であり（もっとも、小さ過ぎると駆動信号の一周期が長くなる）、振幅Ｖｐについては、第２の信号要素Ｓ２の振幅Ｖｄの４０％未満であること、及び／または、第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂの振幅Ｖｃ２以下であること、が好ましいことを知見した。

　次に、以上のように構成された装置の動作について説明する。前述したように制御信号発生回路２０は、前の印刷周期の間に、スイッチングトランジスタ３０のための選択信号をフリップフロップＦ１に転送して、全ての圧電振動子９が中間電位ＶＭに充電されている期間にフリップフロップＦ１にこの選択信号をラッチさせる。その後、タイミング信号が入力されると、図４に示す駆動信号ＤＳが中間電位ＶＭから電圧ＶＨまで上昇して（第１の充電信号要素Ｓ１）、圧電振動子９が充電される。圧電振動子９は、この充電により、略一定速度で収縮して圧力発生室３を膨張させる。

　圧力発生室３が膨張すると、共通のインク室４のインクがインク供給口５を介して圧力発生室３に流れ込む。同時に、ノズル開口２のメニスカスが圧力発生室３側に引き込まれる。駆動信号が電圧ＶＨに到達すると、所定時間Ｔｈ１の期間だけこの電圧ＶＨが維持され、その後に電位ＶＬに向けて降下する（第２の放電信号要素Ｓ２）。

　駆動信号が電位ＶＬに向けて降下する際、電圧ＶＨに充電されていた圧電振動子９の充電電荷が、ダイオードＤを介して放電される。これにより、圧電振動子９は伸長して圧力発生室３を収縮させる。圧力発生室３が収縮すると、インクが加圧されてノズル開口２からインク滴として吐出される。

　さらに、駆動信号ＤＳが電圧ＶＬから収縮中間電位ＶＬ２に向けて再び上昇し（第３の充電信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａ）、圧電振動子９が再び充電される。これにより、圧力発生室３は微小に膨張するが、その量は微小であり、その速度は遅い。

　そして、駆動信号ＤＳが収縮中間電圧ＶＬ２から中間電位ＶＭ２に向けて再び上昇し（第３の充電信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂ）、圧電振動子９が更に充電される。これにより、圧力発生室３は膨張する。この時、圧力発生室３の残留振動と逆位相で第２段階要素Ｓ３ｂが出力される（図４参照）。これにより、ノズル開口２側への移動を開始するメニスカスが圧力発生室３側に引き戻され、メニスカスの運動エネルギが減じられて、その振動が急速に減衰する。

　このように、上記インクジェット式記録装置によれば、第３の信号要素Ｓ３の印加（出力）中における圧力発生室の膨張を２段階とすることにより、サテライト滴の挙動の安定と好適な液体滴吐出速度とを実現する高周波駆動に対応可能な信号が利用される。これにより、上記インクジェット式記録装置は、液体滴をより安定に吐出させることが可能であると共に、高周波駆動が可能である。

　特に、第３の充電信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａと第２段階要素Ｓ３ｂとが連続しているため、第１段階要素Ｓ３ａの勾配を可及的に小さくして第１段階要素Ｓ３ａによる圧力発生室３の膨張を緩やかにすることにより、より効果的にメニスカスの制振作用を得ることができる。

　さて、図５は、駆動信号発生回路２６により発生される駆動信号の他の例である。

　図５に示すように、当該駆動信号ＤＳ’は、中間電位ＶＭから電圧ＶＨに一定の勾配で上昇し、この電圧ＶＨを一定時間Ｔｈ１保持し、今度は一定の勾配でＶＬまで降下し、この電圧ＶＬを一定時間Ｔｈ２保持し、さらに再び収縮中間電位ＶＬ２まで一定の勾配で上昇し、この電圧ＶＬ２を一定時間Ｔｈ３保持し、その後に一定の勾配で中間電位ＶＭまで上昇する駆動信号である。

　中間電位ＶＭから電圧ＶＨに一定の勾配で上昇する充電信号要素Ｓ１が、本発明における第１の信号要素である。第１の信号要素Ｓ１の振幅（電位差）Ｖｃ１は、ＶＨ−ＶＭである。

　電圧ＶＨから電圧ＶＬに一定の勾配で降下する放電信号要素Ｓ２が、本発明における第２の信号要素である。第２の信号要素Ｓ２の振幅（電位差）Ｖｄは、ＶＨ−ＶＬである。

　電圧ＶＬから収縮中間電位ＶＬ２に一定の勾配で上昇する充電信号要素Ｓ３ａが、本発明における第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素である。第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素ｓ３ａの振幅（電位差）Ｖｐは、ＶＬ２−ＶＬである。

　収縮中間電位ＶＬ２から中間電位に一定の勾配で上昇する充電信号要素Ｓ３ｂが、本発明における第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素である。第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素ｓ３ｂの振幅（電位差）Ｖｃ２は、ＶＭ−ＶＬ２である。

　その他、電圧ＶＬ２を一定時間だけ保持する信号要素が、本発明における第３の信号要素Ｓ３の中間段階要素Ｓ３ｍである。

　第２の信号要素Ｓ２の振幅（電位差）Ｖｄは、インク滴の所望の吐出特性に基づいて設計されている。一方、第２段階要素ｓ３ｂの振幅（電位差）Ｖｃ２は、メニスカスの好適な制振を目的として設計されている。そして、第１の信号要素Ｓ１の振幅（電位差）Ｖｃ１は、インク滴の吐出速度と駆動信号ＤＳ’の一周期の時間（周波数）とのバランスに基づいて設計されている。そして、第１段階要素ｓ３ａは、電位レベル調整のために挿入されている。

　以上により、第３の信号要素Ｓ３の印加（出力）中における圧力発生室の膨張は、２段階で行われる。このため、後段階である第２段階要素Ｓ３ｂによる圧力発生室の膨張段階がメニスカス制振のために設計されても、前段階の第１段階要素Ｓ３ａを利用して電位レベルの調整が行われて、第１の信号要素Ｓ１の設計に影響を及ぼすことが無い。

　従って、駆動信号ＤＳ’は、サテライト滴の挙動の安定と好適な液体滴吐出速度とを実現すると共に、高周波駆動に対応可能な信号となっている。また、この駆動信号ＤＳ’によれば、クロストークの発生も抑制され得る。

　なお、電圧ＶＬが維持される時間Ｔｈ２、すなわち、第２の信号要素Ｓ２の出力終了時から第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａの出力開始時までの時間Ｔｈ２は、駆動信号発生回路２６の構成上の要請から、０．６μｓ以上である。

　また、本実施の形態では、第２の信号要素Ｓ２の出力終了時から第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａの出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素Ｓ２の出力終了時から第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂの出力終了時までの時間Ｔ２との間には、Ｔ１≒Ｔ２×１／４なる関係が成立している。

　具体的に数値を挙げれば、Ｔｃ＝７．３μｓである時、Ｔｈ２＝０．６μｓ、Ｓ３ａ＝１．０μｓ、Ｔｈ３＝２．８μｓ、Ｓ３ｂ＝２．３μｓ、である。

　また、前記時間Ｔ２は、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃと実質的に等しくなるように設定されている。これにより、効果的な制振作用を得ることができる。

　ここで、第２の信号要素Ｓ２の出力終了時から第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａの出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素Ｓ２の出力終了時から第３の信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂの出力終了時までの時間Ｔ２との関係について説明する。

　前記時間Ｔ１、Ｔ２間にＴ１≒Ｔ２×１／２なる関係が成立している場合、第１段階要素の印加（出力）は、メニスカスの更なる加振を促すことになる。従って、前記時間Ｔ１、Ｔ２間には、Ｔ１≠２×１／２なる関係が成立していることが好ましい。

　更に、本件発明者による各種の実験結果からの知見によれば、前記時間Ｔ１、Ｔ２間にＴ１＜Ｔ２×１／２なる関係が成立していることが好ましい。特に好適には、Ｔ１≦Ｔ２×１／４である。前記時間Ｔ１、Ｔ２間にＴ１＞Ｔ２×１／２なる関係が成立している場合も、本発明の有効性は確認され得るが、その程度は、第１段階要素Ｓ３ａと第２段階要素Ｓ３ｂとが一連の同一勾配の信号要素である（この場合、第２段階要素Ｓ３ｂによる圧力発生室の膨張は、第２段階要素Ｓ３ｂの付与直前の圧力発生室の状態に対して連続に行われる）従来例（図６参照）と比較して、大きくない。

　その他、本実施の形態では、第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａの振幅Ｖｐは、第２の信号要素Ｓ２の振幅Ｖｄの１５％である。

　前述のように、第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａは、電位レベル調整のために利用される要素である。しかしながら、当該第１段階要素Ｓ３ａの印加に起因する振動については、特に積極的な制振が考慮されていない。このため、当該振動が有意な大きさになると、メニスカスの挙動がやはり不安定になる。

　本件発明者は、各種の実験結果から、第３の信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａの振幅Ｖｐは、第２の信号要素Ｓ２の振幅Ｖｄの２０％以下、特には１５％以下、であることが好ましいことを知見した。

　次に、以上のような駆動信号ＤＳ’を用いる場合の前記装置の動作について説明する。前述したように制御信号発生回路２０は、前の印刷周期の間に、スイッチングトランジスタ３０のための選択信号をフリップフロップＦ１に転送して、全ての圧電振動子９が中間電位ＶＭに充電されている期間にフリップフロップＦ１にこの選択信号をラッチさせる。その後、タイミング信号が入力されると、図５に示す駆動信号ＤＳ’が中間電位ＶＭから電圧ＶＨまで上昇して（第１の充電信号要素Ｓ１）、圧電振動子９が充電される。圧電振動子９は、この充電により、略一定速度で収縮して圧力発生室３を膨張させる。

　圧力発生室３が膨張すると、共通のインク室４のインクがインク供給口５を介して圧力発生室３に流れ込む。同時に、ノズル開口２のメニスカスが圧力発生室３側に引き込まれる。駆動信号が電圧ＶＨに到達すると、所定時間Ｔｈ１の期間だけこの電圧ＶＨが維持され、その後に電位ＶＬに向けて降下する（第２の放電信号要素Ｓ２）。

　駆動信号が電位ＶＬに向けて降下する際、電圧ＶＨに充電されていた圧電振動子９の充電電荷が、ダイオードＤを介して放電される。これにより、圧電振動子９は伸長して圧力発生室３を収縮させる。圧力発生室３が収縮すると、インクが加圧されてノズル開口２からインク滴として吐出される。

　さらに、駆動信号ＤＳ’が電圧ＶＬから収縮中間電位ＶＬ２に向けて再び上昇し（第３の充電信号要素Ｓ３の第１段階要素Ｓ３ａ）、圧電振動子９が再び充電される。これにより、圧力発生室３は微小に膨張するが、その量は微小である。

　そして、駆動信号ＤＳ’が収縮中間電圧ＶＬ２から中間電位ＶＭ２に向けて再び上昇し（第３の充電信号要素Ｓ３の第２段階要素Ｓ３ｂ）、圧電振動子９が更に充電される。これにより、圧力発生室３は膨張する。この時、圧力発生室３の残留振動と逆位相で第２段階要素Ｓ３ｂが出力される。これにより、ノズル開口２側への移動を開始するメニスカスが圧力発生室３側に引き戻され、メニスカスの運動エネルギが減じられて、その振動が急速に減衰する。

　このように、駆動信号ＤＳ’も、第３の信号要素Ｓ３の印加（出力）中における圧力発生室の膨張を２段階として、サテライト滴の挙動の安定と好適な液体滴吐出速度とを実現する高周波駆動に対応可能な信号である。これにより、上記インクジェット式記録装置は、液体滴をより安定に吐出させることが可能であると共に、高周波駆動が可能である。

　なお、制御信号発生回路２０、駆動信号発生回路２６等は、コンピュータシステムによっても構成され得る。コンピュータシステムに前記各要素を実現させるためのプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体２０１も、本件の保護対象である。

　さらに、前記の各要素が、コンピュータシステム上で動作するＯＳ等のプログラムによって実現される場合、当該ＯＳ等のプログラムを制御する各種命令を含むプログラム及び当該プログラムを記録した記録媒体２０２も、本件の保護対象である。

　ここで、記録媒体２０１、２０２とは、フロッピーディスク等の単体として認識できるものの他、各種信号を伝搬させるネットワークをも含む。

　圧電振動子としては、たわみ振動モードの圧電振動子を用いることも可能である。たわみ振動モードの圧電振動子は、充電による変形で圧力室を収縮させ、放電による変形で圧力室を膨張させる圧電振動子である。この場合、圧電振動子に供給される波形の上下（正負）の関係が、縦振動モードの場合と比べて反転する。

　なお、以上の説明はインクジェット式記録装置についてなされているが、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものである。液体の例としては、インクの他に、グルー、マニキュア等が用いられ得る。

本発明によるインクジェット式記録装置に用いられる記録ヘッドの一例を示す断面図である。 図１の記録ヘッドの駆動回路の一例を示すブロック図である。 図２の制御信号発生回路の一例を示すブロック図である。 本発明による駆動信号の一例を示す図である。 本発明による駆動信号の他の例を示す図である。 従来の駆動信号の一例を示す図である。

符号の説明

１　ノズルプレート
２　ノズル開口
３　圧力発生室
４　共通のインク室
５　インク供給口
７　流路構成板
８　弾性板
９　圧電振動子
１０　基台
１１　インク流路ユニット
１２　ヘッドケース
２０　制御信号発生回路
２１　入力端子
２２　入力端子
２３　出力端子
２４　出力端子
２５　出力端子
２６　駆動信号発生回路
２７　出力端子
２８　オアゲート
２９　出力端子
３０　スイッチングトランジスタ
３１　カウンタ
３２　ＡＮＤゲート
３３　発振回路
３４　メモリ
３５　ラッチ信号生成回路

Claims (21)

1. 　容積が可変であって液体が供給されると共にノズル開口に連通する内部空間と、周期Ｔｃの共振周波数と、を有する圧力発生室と、
   　圧力発生室を膨張させるための第１の信号要素と、膨張状態にある圧力発生室を収縮させてノズル開口から液体滴を吐出させるための第２の信号要素と、液体滴吐出後に圧力発生室を第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第３の信号要素と、を有する駆動信号を発生させる信号発生手段と、
   　駆動信号に基づいて圧力発生室を膨張及び収縮させる圧力発生手段と、
   を備え、
   　第３の信号要素は、
   　液体滴吐出後に、圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態よりも収縮している中間収縮状態まで膨張させる第１段階要素と、
   　中間収縮状態にある圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第２段階要素と、
   を有しており、
   　前記第１段階要素と前記第２段階要素とは、印加時間または勾配の少なくとも一方が実質的に不連続である
   ことを特徴とする液体噴射装置。
2. 　前記第３の信号要素の前記第１段階要素と前記第３の信号要素の前記第２段階要素との間には、前記中間収縮状態を維持させる中間段階要素が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第１段階要素の出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２との間に、Ｔ１＜Ｔ２×１／２なる関係が成立している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体噴射装置。
4. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第１段階要素の出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２との間に、Ｔ１≦Ｔ２×１／４なる関係が成立している
   ことを特徴とする請求項３に記載の液体噴射装置。
5. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２が、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃと実質的に等しくなるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の液体噴射装置。
6. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２が、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃに応じて可変に設定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の液体噴射装置。
7. 　第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第２の信号要素の振幅Ｖｄの２０％以下である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の液体噴射装置。
8. 　第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第２の信号要素の振幅Ｖｄの１５％以下である
   ことを特徴とする請求項７に記載の液体噴射装置。
9. 　前記第１段階要素と前記第２段階要素とは連続しており、
   　第１段階要素の第２段階要素との接続部までの勾配と第２段階要素の第１段階要素との接続部からの勾配とは、異なっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
10. 　第１段階要素の第２段階要素との接続部までの勾配は、第２段階要素の第１段階要素との接続部からの勾配に対して、緩やかである
    ことを特徴とする請求項９に記載の液体噴射装置。
11. 　圧力発生手段は、縦振動モードの圧電振動子を有している
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の液体噴射装置。
12. 　容積が可変であって液体が供給されると共にノズル開口に連通する内部空間と、周期Ｔｃの共振周波数と、を有する圧力発生室と、
    　駆動信号に基づいて圧力発生室を膨張及び収縮させる圧力発生手段と、
    を備えた液体噴射装置を制御する装置であって、
    　圧力発生室を膨張させるための第１の信号要素と、膨張状態にある圧力発生室を収縮させてノズル開口から液体滴を吐出させるための第２の信号要素と、液体滴吐出後に圧力発生室を第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第３の信号要素と、を有する駆動信号を発生させる信号発生手段を備え、
    　第３の信号要素は、
    　液体滴吐出後に、圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態よりも収縮している中間収縮状態まで膨張させる第１段階要素と、
    　中間収縮状態にある圧力発生室を、第１の信号要素が出力される前の状態まで膨張させる第２段階要素と、
    を有しており、
    　前記第１段階要素と前記第２段階要素とは、印加時間または勾配の少なくとも一方が実質的に不連続である
    ことを特徴とする制御装置。
13. 　前記第３の信号要素の前記第１段階要素と前記第３の信号要素の前記第２段階要素との間には、前記中間収縮状態を維持させる中間段階要素が設けられている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の制御装置。
14. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第１段階要素の出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２との間に、Ｔ１＜Ｔ２×１／２なる関係が成立している
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の制御装置。
15. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第１段階要素の出力終了時までの時間Ｔ１と第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２との間に、Ｔ１≦Ｔ２×１／４なる関係が成立している
    ことを特徴とする請求項１４に記載の制御装置。
16. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２が、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃと実質的に等しくなるように設定されている
    ことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の制御装置。
17. 　第２の信号要素の出力終了時から第３の信号要素の第２段階要素の出力終了時までの時間Ｔ２が、圧力発生室の内部空間の共振周波数の周期Ｔｃに応じて可変に設定されている
    ことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の制御装置。
18. 　第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第２の信号要素の振幅Ｖｄの２０％以下である
    ことを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれかに記載の制御装置。
19. 　第３の信号要素の第１段階要素の振幅Ｖｐは、第２の信号要素の振幅Ｖｄの１５％以下である
    ことを特徴とする請求項１８に記載の制御装置。
20. 　前記第１段階要素と前記第２段階要素とは連続しており、
    　第１段階要素の第２段階要素との接続部までの勾配と第２段階要素の第１段階要素との接続部からの勾配とは、異なっている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の制御装置。
21. 　第１段階要素の第２段階要素との接続部までの勾配は、第２段階要素の第１段階要素との接続部からの勾配に対して、緩やかである
    ことを特徴とする請求項２０に記載の制御装置。

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