JP2007268751A - インクジェット記録装置及びその制御条件の決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルからインクを吐出させるアクチュエータの変形度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが抑制される。
【解決手段】アクチュエータは第１の状態（圧力室の容積Ｖ１）→第２の状態（同Ｖ２（＞Ｖ１））→第１の状態と変形することで圧力室内のインクに圧力を印加する。これによってノズルからインクが吐出される。個別インク流路は、アクチュエータが第１の状態から変化し始めてから第２の状態を経て第１の状態に戻り始めるまでの時間Ｔｏに対する吐出速さの曲線が概略的に上に凸となり且つＴｏ／Ｔｃ＞１／２の領域において極大値を有するように形成されている。このとき、Ｔｏ／Ｔｃが０．５１〜０．５４に収まるようにアクチュエータが制御されることで、電圧感度が抑制される。なお、Ｔｃは個別インク流路内のインクの固有振動周期である。
【選択図】図１１

Description

本発明は、インクジェット記録装置、特に、インクの吐出方式としていわゆる引き打ち方式が採用されたインクジェット記録装置に関する。

インクジェット方式によってインクを吐出するインクジェット記録装置には、以下のような構造を有するものがある。このインクジェット記録装置はインクを吐出するノズルが形成されたインクジェットヘッドを有している。そして、インクジェットヘッドの内部に形成された共通インク室からのインクがノズルから吐出される。インクジェットヘッドには、共通インク室からノズルに至る個別インク流路の内部のインクに圧力を付与するアクチュエータが設置されており、アクチュエータの変形によって圧力が付与されたインクのうちの一部がノズルから吐出される。

このとき、圧力室内に圧力が印加されることで発生する圧力波によって、個別インク流路において圧力波による固有振動が発生する。このような固有振動のピークを利用して効率的にインクを吐出するものとして、特許文献１に記載されているインクジェットヘッドがある。特許文献１においては、いったん圧力室内の容積を増加させ、所定時間の経過後に圧力室内の容積を元に戻すことによりインクに圧力を印加する、いわゆる引き打ち方式が採用されている。

特開２００３−３０５８５２号公報（図７）

アクチュエータの変形には製造上のばらつきなどの種々のばらつきが含まれる。例えば、アクチュエータに電圧信号を供給することでアクチュエータを変形させる方式が採用されているとする。このとき、ある大きさの電圧の差を含む電圧信号を供給した場合に、その電圧の大きさに対応して厳密に設計どおりにアクチュエータが変形するとは限らず、変形の度合いに若干のずれが生じる場合がある。このような場合には、アクチュエータによってノズルからインクが吐出された際に、インクの吐出速さにも設計上の大きさからのずれが生じる。

そして、特許文献１のような引き打ち方式が採用されたインクジェットヘッドにインクを吐出させると、個別インク流路の形状によっては、アクチュエータの変形度合いのずれに対してインクの吐出速さのずれが大きくなりすぎることがある。このように、アクチュエータの変形のずれに対してインクの吐出速さが大きくずれると、アクチュエータごとに、あるいはインクの吐出ごとに、インクの吐出速さが大きくずれることになる。インクの吐出速さがずれが大きい場合、アクチュエータの変形度合いのばらつきに対する吐出速さのばらつきが大きくなり、印刷用紙に形成される画像の再現性が低下するおそれが生じる。

本発明の目的は、アクチュエータの変形度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが抑制されたインクジェット記録装置及びその制御条件の決定方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の発明者は、上記の課題を解決するために以下のように考察した。上記の課題を生じるようなインクジェット記録装置の一例として以下のものがある。このインクジェット記録装置に設置されたインクジェットヘッドにおいて、インクに圧力を印加するアクチュエータには後述の圧電アクチュエータが用いられている。なお、本発明が解決しようとする課題は主にインク流路の構造によって生じるものであり、アクチュエータの種類等には特に依存しない。

図５に示されている圧電アクチュエータ５０は個別電極３５及び共通電極３４を有しており、共通電極３４の電位は常にグランドに保持されている。そして、個別電極３５がグランド電位以外の電位になると、圧電歪みによって圧電アクチュエータ５０が変形し、圧力室１０の容積が変化する（図４、図８参照）。このような圧力室１０の容積変化で生じた圧力波がノズルに達し、ノズルに形成されているインクのメニスカスを変形させると共に、メニスカスを形成しているインクの一部がインク液滴として吐出されることになる。吐出された分のインクは圧力室１０の上流に接続されたインク流路（例えば副マニホールド流路５ａ）から補充され、次の吐出に供される。本インクジェットヘッドにおいては、個別電極３５に所定の電圧パルス信号を供給し圧電アクチュエータ５０を変形させて引き打ちを行うことによりインクが吐出される。

インクを吐出させるために個別電極３５に供給される電圧パルス信号の波形は、個別電極３５の電位が所定の期間に所定の電位となるように設定される。図７は、このような電圧パルス信号が供給された際の個別電極３５における電位の変化を示している。図７に示されているように、時刻ｔ１までの期間及び時刻ｔ４からの期間において個別電極３５の電位はグランド電位でないＵ０である。このとき、圧電アクチュエータ５０は図８（ａ）に示される第１の状態を取る。第１の状態において圧電アクチュエータ５０は変形しており、圧電アクチュエータ５０の下面が圧力室１０の内部に突出している。これによって、圧電アクチュエータ５０が変形していない図８（ｂ）の第２の状態と比べて、圧電アクチュエータ５０は最大で距離Ｇだけ下方に変形している。このとき、圧力室１０の容積はＶ１である。

時刻ｔ２〜ｔ３の期間において個別電極３５の電位はグランド電位である。このとき、圧電アクチュエータ５０及び個別インク流路３２は図８（ｂ）に示されている第２の状態を取る。第２の状態において圧電アクチュエータ５０は変形しておらず、圧電アクチュエータ５０の下面が平面にほぼ沿っている。これによって圧力室１０の容積がＶ１より大きいＶ２になっている。

時刻ｔ１〜ｔ２の期間及び時刻ｔ３〜ｔ４の期間においては、個別電極３５の電位はグランド電位とＵ０との間で過渡的に変化する。また、時刻ｔ１〜ｔ２の期間及び時刻ｔ３〜ｔ４の期間の長さは共にＴｖに調節され、時刻ｔ１〜ｔ３の期間はパルス幅Ｔｏに調節されている。

このような電圧パルス信号が個別電極３５に供給されることによって、圧電アクチュエータ５０が第１の状態から第２の状態に変化して再び第１の状態に戻る。そして、圧力室１０の容積はＶ１からＶ２になり、再びＶ１に戻る。この一連の動作によって、圧力室１０内のインクにまず負圧の圧力が印加される。これによって発生した負圧の圧力波がアパーチャ１２で反射して正圧の圧力波となる。そして、このような正圧の圧力波が圧力室１０に戻ってきたタイミングに合わせて圧力室１０に正圧の圧力が印加される（図４参照）。このように、個別インク流路３２に充填されたインクに発生する圧力波が重なり合うことにより、効率的にインク吐出がなされる。

図９は、このような引き打ち方式によってインクが吐出された場合の概略的な吐出特性を示すグラフである。図９の横軸はＴｏ／Ｔｃの大きさを示しており、縦軸はインクの吐出速さを示している。なお、Ｔｃは、共通インク流路に対応する副マニホールド流路５ａから圧力室１０を経てノズル８に至る個別インク流路３２（図４参照）に充填されたインクの固有振動周期を表している。図９の曲線７０に示されているように、Ｔｏ／Ｔｃ＝１／２のときにインクの吐出速さが極大値を取っている。したがって、Ｔｏ＝ＡＬ＝１／２Ｔｃを満たす波形６１の電圧パルス信号が個別電極３５に供給されることにより、インクの吐出速さについて最も効率的にインクが吐出されることになる。

ところが、圧電アクチュエータ５０による圧力の印加によって、個別インク流路３２のインクに進行波が発生するのみならず、個別インク流路３２において一部の領域に局所的なインクの固有振動が発生する場合があると考えられる。本発明者は、このような局所的な固有振動によって上記のようなアクチュエータの変形度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが増大するものと考えた。つまり、ノズル８において上記のような進行波のピークに局所的な固有振動によって生じた圧力波のピークが重なることにより、局所的な固有振動がない場合と比べてインクの吐出速さが高速化する。これによってインク液滴の先端が分離し、高速な小液滴が発生する。

上記のような現象のさらに詳しいメカニズムは以下のとおりである。インク吐出の際に、圧電アクチュエータ５０の変形によって圧力室１０内に充填されたインクに圧力波が発生すると、この圧力波は圧力室１０に関してその上流側と下流側とに伝播する。引き打ちにおいては、圧力室１０の容積を一旦増加させ、その後でパルス幅Ｔｏに相当する時間を置いて再びもとの容積に戻すことでノズルからインクが吐出される。まず、圧力室１０の容積を増加させる際には圧力室１０内のインクに負圧の圧力波（以下、第１の圧力波とする）が発生し、これに続けて容積を減少させる際には正圧の圧力波（以下、第２の圧力波とする）が発生する。

これらの圧力波の一部は、上記のように下流側のディセンダ３３へ伝播する。例えば、ディセンダ３３へと伝播した第１の圧力波は、ディセンダ３３の両端、つまり圧力室１０とディセンダ３３との境界及びノズル８近傍で反射する。このような反射波によってディセンダ３３内に充填されたインクには固有振動が励起される。ここで、このようなディセンダ３３で発生する固有振動は、上記の局所的な固有振動の一例である。

一方で、第1の圧力波の一部は、圧力室１０の上流側の副マニホールド流路５ａに向かって伝播する。そして、流路の途中のアパーチャ１２において反射し、圧力の正負が反転した圧力波となって圧力室１０及びディセンダ３３を伝播しノズル８へと向かう。つまり、第１の圧力波は、アパーチャ１２で反射する際に圧力が反転して正圧の圧力波（以下、第３の圧力波とする）となって、圧力室１０に戻ってくる。そして、圧電アクチュエータ５０によって圧力室１０内のインクに第２の圧力波が発生する。第２の圧力波と第３の圧力波とが重なり合った合成波が進行波としてノズル８に到達した際に、ノズル８からインクが吐出される。

さらに、第２及び第３の圧力波の一部は、第１の圧力波によって発生したディセンダ３３の固有振動に重畳する。つまりディセンダ３３の固有振動には、第１、第２及び第３の各圧力波が寄与する。したがって、第２及び第３の圧力波が進行波としてノズル８に到達した時には、１）当該進行波そのものによる寄与、２）第１の圧力波によるディセンダ３３の固有振動への寄与、及び、３）第２及び第３の圧力波の一部によるディセンダ３３の固有振動への寄与の全てが重畳した振動がノズル８において観測される。

このようにノズル８において重畳した振動によって、ノズル８の近傍のインクに印加される圧力が増大する。ここで、圧電アクチュエータ５０の変形の度合いにばらつきがある場合には、ばらつきの影響は上記１）〜３）の寄与の全てに及ぶ。したがって、ノズル８の近傍のインクに印加される圧力にも、これらの影響が重畳して表れると考えられる。これによって、アクチュエータの変形度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが増大するものと考えられる。

＜解析＞
このことを確かめるため、発明者は下記のような数値解析を実施した。図１０は本数値解析の内容を示す図である。

本数値解析に当たっては、図４に示されているような個別インク流路３２、つまり、副マニホールド流路５ａからのインクの流入口からノズル８に至る流路を音響的に等価変換した回路に見立てた上で、このような等価回路について音響解析を行った。図１０（ａ）はこのような等価回路を示している。

なお、以下の等価回路は図４、図５等に示されているインク流路やアクチュエータに相当するものである。したがって、下記の説明に当たって図４、図５等に示されたディセンダ３３や圧電アクチュエータ５０等の語句が使用されている。しかし、例えば図５に示されているアクチュエータに係る情報として本数値解析に必要なものはコンプライアンスである。したがって、同様のコンプライアンスを有し、圧力室内のインクに圧力を印加するアクチュエータであれば本数値解析の結果も同様のものとなる。つまり、下記の数値解析によって得られた結果は、図４、図５等に示された流路ユニット４や圧電アクチュエータ５０のみに適用されるものではなく、数値解析において用いられた条件を満たすあらゆるインクジェットヘッドに適用され得る。

個別インク流路３２を構成するアパーチャ１２、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０は、図１０（ａ）の回路においてコイル２１２ａ及び抵抗２１２ｂ、コンデンサー２５０並びにコンデンサー２１０に相当する。一方で、ディセンダ３３及びノズル８はこの回路において流体解析部２３３に相当する。流体解析部２３３は回路中の単なるコンデンサーや抵抗等とはみなされず、別途後述の流体解析によって数値解析される。

本数値解析における音響解析では、後述の実施形態で説明されている圧電アクチュエータ５０の厚さ、圧力室１０の面積と積層方向に関する深さ、アパーチャ１２の幅、長さ、積層方向に関する深さ等が用いられている。また、圧電アクチュエータ５０のコンプライアンス（音響容量：等価回路中のコンデンサー２５０の容量）や発生圧力定数は、上記の圧電アクチュエータ５０等の諸元から、有限要素法によってあらかじめ求められている。さらに、圧電定数は圧電素子のインピーダンスを測定する共振法を用いて求められている。

上記のとおり流体解析部２３３はディセンダ３３に相当する。図１０（ｂ）は流体解析部２３３における流体解析で用いられるディセンダ３３の全体の構成を示している（図４参照）。図１０（ｃ）はディセンダ３３のうちのノズルプレート３０に形成されたノズル８に相当する部分の構成を示している。図１０（ｂ）において左端が圧力室１０に連通する部分であり、右端がノズル８に相当する。

流体解析部２３３において用いられているディセンダ３３の構成において、左端からノズル８に至るまでの部分は４つの領域に分割される。これらの領域の内径は、左端から順にＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４で表される。そして、図１０（ｂ）の上下方向について、これらの領域の中心が一致している。また、これらの領域の図１０（ｂ）において左右方向の長さは、左端から順にＬ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４で表される。

また、ノズル８に相当する部分は２つの領域に分割されている。右から１つ目の領域の内径はＤ５で表され、その左右方向の長さはＬ６で表される。右から２つ目の領域は右方へ向かって先細りのテーパー構造を有している。１つ目の領域の左端と２つ目の領域の右端とは一致している。２つ目の領域の内表面と１つ目の領域の内表面とは図１０（ｃ）において角度θをなしている。ノズル８に相当する領域の全長は左右方向についてＬ５で表される。本発明の解析において、Ｄ１〜Ｄ５、Ｌ１〜Ｌ６及びθには表１及び表２に表される数値が用いられた。Ｄ１〜Ｄ５、Ｌ１〜Ｌ６の単位は［μｍ］（マイクロメートル）であり、θの単位はｄｅｇ（度）である。

流体解析部２３３における流体解析は、上記のようなディセンダ３３の構成を用い、擬似圧縮性により定式化された流体解析である擬似圧縮法（擬似的に密度の時間変化を表す項を加えた連続の式に、Navier-Stokes方程式を連立させて速度と圧力とを求める方法）によって行われた。流体解析部２３３における流体解析では、流体解析部２３３を通過するインクの体積速度が求められた。

また、圧力室１０のコンプライアンス（音響容量Ｃ：等価回路中のコンデンサー２１０の容量）は関係式Ｃ＝Ｗ／Ｅｖによって求められた。ここで、Ｗは圧力室１０の容積、Ｅｖはインクの体積弾性率である。

また、アパーチャ１２におけるイナータンス（等価回路中のコイル２１２ａのインダクタンス）は関係式ｍ＝ρ＊ｌ／Ａによって求められた。ここで、ρはインクの密度、Ａはアパーチャ１２におけるアパーチャの延在方向（図４の左右方向）に垂直な断面の面積であり、ｌは図４に向かって左右方向に関するアパーチャ１２の長さである。

また、アパーチャ１２の流路抵抗（抵抗２１２ｂの抵抗値Ｒ）は、以下のように求められた。後述の実施形態においては、アパーチャ１２は、アパーチャの延在方向（図４の左右方向）に垂直な断面について各辺の長さが２ａ及び２ｂである長方形の形状を有している。この場合には、アパーチャを流れるインクの量は下記の数式１を用いて表される。そして、アパーチャ１２に加えられる圧力Δｐ（圧力波の強度）とアパーチャ１２を流れるインクの量Ｑとの関係はＱ＝Δｐ／Ｒと表される。これと数式１とにより抵抗値Ｒが算出される。なお、ｌは上記の通り、アパーチャ１２の長さである。

［数式１］

また、圧力源２９９は等価回路に圧力を供給する。圧力源２９９によって供給される圧力は、圧電アクチュエータ５０によって圧力室１０内のインクに印加される圧力に相当する。圧電アクチュエータ５０によって圧力室１０内のインクに印加される圧力は、圧電アクチュエータ５０の変形によって印加される。そして、圧電アクチュエータ５０の変形度合いは、個別電極３５と共通電極３４との電位差に依存する。したがって、個別電極３５に印加される電圧パルス信号の波形（例えば図７の波形６１）によって、インクに印加される圧力の大きさが変化する。本解析においては、圧電アクチュエータ５０に波形６１のような電圧パルス信号を、電位Ｕ０が１８Ｖ（ボルト）、１９Ｖ及び２０Ｖの各大きさであるという条件で供給した場合が想定された。また、パルス幅Ｔｏが、５μｓｅｃ（マイクロ秒）〜８．８μｓｅｃまでの各長さに設定された。なお、圧電アクチュエータ５０の実用の範囲においては、電圧パルス信号の電位Ｕ０と圧電アクチュエータ５０の変形の量とは比例の関係にある。したがって、圧力源によって印加される圧力の大きさは、電位Ｕ０に比例するものと想定されている。

以上の条件下で、圧力Ｐ、音響容量、イナータンス及び抵抗値、並びに、別途数値解析された流体解析部における解析結果に基づいて、回路を流れるインクの体積速度が数値解析によって求められた。表３は数値解析の結果である。

表３において、左から１列目は、本解析で設定された各ＴｏについてのＴｏ／Ｔｃの大きさを示している。なお、本解析においては、Ｔｃ＝１４．６μｓｅｃである。

また、表３において左から２列目〜４列目は、Ｕ０が電圧１〜電圧３であるときの各Ｔ０／Ｔｃに対するインクの吐出速さを示している。つまり、Ｔｏ／Ｔｃが１列目に示されている各値であり且つＵ０が電圧１〜電圧３の各値であるような波形６１を有する電圧パルス信号が個別電極３５に供給された場合についてそれぞれ解析が行われた。そして、表３の２列目から４列目は、各解析によって求められたインクの吐出速さを示している。電圧１〜電圧３は、それぞれ１８Ｖ、１９Ｖ及び２０Ｖである。インクの吐出速さの単位は［ｍ／ｓｅｃ］（メートル毎秒）である。

さらに、表３において左から５列目は、各Ｔｏ／Ｔｃに対する電圧感度を示している。電圧感度は以下のように定義される。ｘの値をＵ０とし、ｙの値をインクの吐出速さとして、表３の２列目〜４列目の結果が各Ｔｏ／Ｔｃについてｘｙ座標系にプロットされると、各Ｔｏ／Ｔｃについて３点がプロットされる。電圧感度はこのようにプロットされた点の回帰直線の傾きである。したがって、電圧感度の大きさは、各Ｔｏ／ＴｃについてＵ０が変化した場合における吐出速さの変化の程度を示している。電圧感度の単位は［ｍ／ｓｅｃ／Ｖ］である。

図１１は表３の結果をグラフに表したものである。図１１（ａ）の曲線７１〜７３は、表３の２列目〜４列目の結果に基づいて、電圧１〜電圧３の各電圧についてＴｏ／Ｔｃに対するインクの吐出速さがプロットされたものである。図１１（ａ）の横軸はＴｏ／Ｔｃの大きさを示し、縦軸は吐出速さを示している。一方、図１１（ｂ）の曲線７４は、表３の５列目の結果に基づいてＴｏ／Ｔｃに対する電圧感度がプロットされたものである。図１１（ｂ）の横軸はＴｏ／Ｔｃの大きさを示し、縦軸は電圧感度を示している。

曲線７１〜７３は概略的に上に凸の形状を有しており、この点において曲線７０と同様である。一方で、曲線７０には１つの極大値のみが表れているのに対して、曲線７１〜７３においては、例えばピーク７３ａ及び７３ｂのように複数の極大値が表れている。また、曲線７１及び７２においても、若干のずれを含んでいるが、曲線７３と同様の位置にピークが表れている。このように、吐出速さの曲線が全体として上に凸の概略的な形状を示しつつも複数の極大値を取ることになるのは、ディセンダ３３など、個別インク流路３２の各部において、Ｔｃよりも小さい固有振動周期を有する局所的な固有振動が発生するためであると考えられる。

曲線７４に示されているように電圧感度も複数の極大値を取っている。そして、電圧感度が極大値を取るピーク７４ａ及び７４ｂのそれぞれは、曲線７３におけるピーク７３ａ及び７３ｂの位置に対応している。このように、図１１には、電圧感度が増大する位置と吐出速さが極大値を取る位置とが互いに対応していることが示されている。例えば、曲線７４においてＴｏ／Ｔｃ＝０．５８の近傍に極大値が表れているのに対し、曲線７３ｂにおいてもＴｏ／Ｔｃ＝０．５６の近傍と、曲線７４の極大値が表れている位置に近いところに極大値が表れている。

一方で、電圧感度が増大することは、電圧の変化に対する吐出速さの変化が増大することに相当する。電圧の大きさは個別電極３５に供給される電圧パルス信号の電位Ｕ０の大きさに相当するので、電圧の変化は圧電アクチュエータ５０の変形度合いの変化に対応する。したがって、電圧感度の増大が吐出速さの変化の増大をもたらすことは、圧電アクチュエータ５０の変形度合いの変化が増大すると吐出速さの変化が増大することを意味している。

ここで、圧電アクチュエータ５０の変形度合いのばらつきと吐出速さのばらつきとを結びつけるばらつき指標Ｄｖ［ｍ／ｓ］が導入される。

［数式２］
Ｄｖ＝Ｓｖ×Ｕ０×Ｄｄ

Ｄｄは圧電アクチュエータ５０の変形度合いのばらつき割合である。圧電アクチュエータ５０に図７の波形６１が供給された場合に圧電アクチュエータ５０が変形する度合いはＵ０にほぼ正比例する。したがって、Ｕ０×Ｄｄは、圧電アクチュエータ５０の変形度合いのばらつきを示す指標である。Ｕ０×Ｄｄは圧電アクチュエータ５０の変形度合いのばらつきに正比例している。また、Ｓｖは電圧感度であり、Ｕ０の変化に対する吐出速さの変化の程度を示すものである。

したがって、Ｄｖ＝Ｓｖ×Ｕ０×Ｄｄは、圧電アクチュエータ５０に変形度合いのばらつきが生じている場合におけるインクの吐出速さのばらつきを示す指標である。なお、圧電アクチュエータ５０の変形度合いとは、図８（ａ）において圧電アクチュエータ５０が下方向に向かって変形した際の最大の変形量Ｇに相当する。

表４は、数式２に基づいて算出された各Ｓｖ及び各Ｄｄに対するＤｖの算出結果である。左から１列目は各Ｓｖを示している。２列目〜５列目の最上行は各Ｄｄを示しており、その下の行は各Ｓｖ及びＤｄに対するＤｖを示している。なお、Ｄｖの算出に当たってＵ０には平均の電圧として１９Ｖが用いられている。

一般的には圧電アクチュエータ５０の変形度合いのばらつき割合は平均的に±７％程度である。一方で、吐出速さのばらつきの指標Ｄｖが１．０ｍ／ｓを超えると、印刷画像の再現性が実用上の許容範囲を超える場合が多い。したがって、表４から、印刷画像に問題を生じない範囲は電圧感度が０．８ｍ／ｓ／Ｖを超えない範囲、つまり、０ｍ／ｓ／Ｖから０．７ｍ／ｓ／Ｖまでの範囲であることが示される。一方、表３及び図１１より、Ｔｏ／Ｔｃが１／２以上の範囲において、電圧感度が上記のような範囲となるようなＴｏ／Ｔｃは、０．５１から０．５４までである。したがって、Ｔｏ／Ｔｃが１／２以上となる範囲でインクの吐出を行う場合に印刷画像の品質を保持するためには、Ｔｏ／Ｔｃは、０．５１から０．５４までの範囲になければならない。なお、Ｔｏ／Ｔｃが０．６である場合にも電圧感度が上記の範囲内となるが、Ｔｏが大きくなりすぎると、インク吐出のために投入されたエネルギーに対して実際にインク吐出に消費されるエネルギーの効率が低下する。したがって、Ｔｏ／Ｔｃが０．６以上の範囲はインクの吐出に不適である。

以上より、本発明のインクジェット記録装置は以下のように構成される。すなわち、本発明のインクジェット記録装置は、共通インク室、及び、前記共通インク室の出口から圧力室を経てインクの吐出口に至る個別インク流路を有する流路ユニットと、前記圧力室の容積をＶ１とする第１の状態と前記圧力室の容積をＶ１より大きいＶ２とする第２の状態とを選択的に取ることができるアクチュエータと、前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクを吐出させるように前記アクチュエータを制御する制御手段とを備えている。そして、前記個別インク流路が、以下の（ａ）及び（ｂ）の両方の条件を満たすように形成されている。

（ａ）前記アクチュエータが前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクが吐出されるときに、前記第１の状態から前記第２の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点から前記第２の状態から前記第１の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点までの時間Ｔｏの変化に対して前記吐出口から吐出されるインクの吐出速さの変化を描いた曲線が吐出速さの増える向きに凸となった概略形状を有する。

（ｂ）前記個別インク流路に充填されたインクの固有振動周期がＴｃで表される場合に、前記曲線において、インクの吐出速さは、ＴｏがＴｃの１／２倍よりも大きい領域で少なくとも１つの極大値を取る。

そして、インクが吐出される際には、前記制御手段が、Ｔｏ／Ｔｃが０．５１から０．５４までの範囲内になるように前記アクチュエータを制御する。

また、本発明のインクジェット記録装置の制御条件の決定方法は以下のようなものである。まず、本方法は、共通インク室、及び、前記共通インク室の出口から圧力室を経て吐出口に至る個別インク流路を有する流路ユニットと、前記圧力室の容積をＶ１とする第１の状態と前記圧力室の容積をＶ１より大きいＶ２とする第２の状態とを選択的に取ることができるアクチュエータと、前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクを吐出させるように前記アクチュエータを制御する制御手段とを備えているインクジェット記録装置に係るものである。また、このインクジェット記録装置において、前記個別インク流路は、（ａ）前記アクチュエータが前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクが吐出されるときに、前記第１の状態から前記第２の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点から前記第２の状態から前記第１の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点までの時間Ｔｏの変化に対して前記吐出口から吐出されるインクの吐出速さの変化を描いた曲線が吐出速さの増える向きに凸となった概略形状を有すること、を満たすように形成されている。

そして、本方法は、Ｔｏの大きさを変えつつ前記制御手段に前記アクチュエータを制御させた場合に前記ノズルから吐出されるインクの吐出速さを導出する導出ステップと、前記個別インク流路に充填されたインクの固有振動周期がＴｃで表される場合に、（ｂ）前記導出ステップで導出されたインクの吐出速さに基づいて、前記曲線において、インクの吐出速さは、ＴｏがＴｃの１／２倍よりも大きい領域で少なくとも１つの極大値を取ること、を満たすか否かを判断する判断ステップと、（ｂ）を満たすと前記判断ステップで判断された場合に、ＴｏがＴｃの１／２倍の時間よりも長くなり且つインクの吐出速さが前記極大値を取らない時間となるように、前記制御手段が前記アクチュエータを制御する際の制御条件を決定する条件決定ステップとを備えている。

本発明のインクジェット記録装置及びその制御条件の決定方法によると、インクの吐出速さが極大値を取らないようにＴｏが調整された上で、インク吐出の制御がなされる。したがって、上記の通り、アクチュエータの変形度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが抑制され、印刷画像の品質が保持される。

また、本発明は、前記共通インク流路と前記圧力室とが互いに対向しており、前記流路ユニットにおいて前記圧力室と共に前記共通インク流路を挟む位置に形成されたノズル面に前記吐出口が形成されている場合に適用されることが好ましい。この構成によると、アクチュエータの変形の度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが増大するという課題が生じやすくなる。したがって、このような場合に本発明が適用されると、そもそも課題が生じにくい構造を有するインクジェットヘッドに適用される場合と比べて効果が大きい。

上記の構成によって課題が生じやすくなるのは以下のような理由による。圧力室とノズル面とが共通インク流路を挟んでいる。このため、圧力室からノズル面に形成された吐出口までを繋ぐ部分流路が共通インク流路を跨ぐように延在しなければならず、ノズル面と圧力室とが共通インク流路を挟んでいない場合と比べて部分流路が長くなる。したがって、部分流路に固有振動が発生する場合には、その固有振動の影響が大きくなる。このような固有振動の影響が大きくなると、アクチュエータの変形の度合いのばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが増大するという課題が生じやすくなる。

また、本発明は、前記個別インク流路のうちの前記圧力室の出口から前記吐出口に至るまでの第１の部分流路のいずれかの領域において、前記第１の部分流路の長さ方向について垂直な断面の面積が、前記第１の部分流路と前記圧力室との境界面の面積及び前記吐出口の面積のいずれよりも大きい場合に適用されることが好ましい。第１の部分流路において圧力室との境界の近傍が第１の部分流路の長さ方向について中央の近傍よりも狭くなっている場合には、第１の部分流路内に局所的な固有振動が発生しやすくなる。したがって、このような場合に本発明が適用されると、そもそも固有振動が発生しにくい構造を有するインクジェットヘッドに適用される場合と比べて効果が大きい。

また、本発明は、前記個別インク流路のうちの前記共通インク室の出口から前記圧力室までの第２の部分流路のいずれかの領域において、前記第２の部分流路の長さ方向について垂直な断面の面積が、前記第２の部分流路と前記圧力室との境界面の面積及び前記共通インク室の出口の面積のいずれよりも小さい場合に適用されてもよい。第２の部分流路において圧力室との境界の近傍及び共通インク室の近傍より、第２の部分流路の長さ方向について中央の近傍が狭くなっていることにより、第２の部分流路のいずれかの位置を一方の反射端とする固有振動が生じやすくなる。したがって、引き打ちによるインク吐出に適した構造を有するインクジェットヘッドが実現する。

以下は、本発明の好適な実施の形態である。

＜プリンタ概略＞
図１は、本発明の一実施形態によるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つのインクジェットヘッド２を有している。これらのインクジェットヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。インクジェットヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。

プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０及び紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、インクジェットヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。

給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。

給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａ及び１１８ｂ、並びに、１１９ａ及び１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。

搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６及び１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６及び１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、インクジェットヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。

ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。従って、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。

ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。

給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、インクジェットヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。

４つのインクジェットヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各インクジェットヘッド２は、下端にヘッド本体１３を有している。ヘッド本体１３の下面には、インクを吐出する多数のノズル８が設けられている（図３参照）。１つのインクジェットヘッド２に設けられたノズル８からは、同じ色のインクが吐出されるようになっている。各インクジェットヘッド２から吐出されるインクの色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｋ）である。各インクジェットヘッド２は、ヘッド本体１３の下面と搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。

搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、インクジェットヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、ヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けてインクが吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。

搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａ及び１２１ｂ並びに１２２ａ及び１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。

なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にあるインクジェットヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子及び受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、インクジェットヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。

＜ヘッド本体＞
ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体１３の上面図である。

ヘッド本体１３は、流路ユニット４と、流路ユニット４上に接着されたアクチュエータユニット２１とを有している。アクチュエータユニット２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路ユニット４の長手方向に平行になるように流路ユニット４の上面に配置されている。また、流路ユニット４の長手方向に平行な２本の直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つのアクチュエータユニット２１が、全体として千鳥状に流路ユニット４上に配列されている。流路ユニット４上で隣接し合うアクチュエータユニット２１の斜辺同士は、流路ユニット４の幅方向について部分的にオーバーラップしている。

流路ユニット４の内部にはインク流路の一部であるマニホールド流路５が形成されている。流路ユニット４の上面にはマニホールド流路５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路ユニット４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つのアクチュエータユニット２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド流路５には開口５ｂを通じて図示されていないインクタンクからインクが供給されるようになっている。

図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大上面図である。なお、説明の都合上、図３にはアクチュエータユニット２１が二点鎖線で示されている。また、本来破線で示されるべき流路ユニット４の内部や下面に形成されているアパーチャ１２やノズル８などが実線で示されている。

流路ユニット４内に形成されたマニホールド流路５からは、複数本の副マニホールド流路５ａが分岐している。マニホールド流路５は、アクチュエータユニット２１の斜辺に沿うように延在しており、流路ユニット４の長手方向と交差して配置されている。二つのアクチュエータユニット２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド流路５が、隣接するアクチュエータユニット２１に共有されており、副マニホールド流路５ａがマニホールド流路５の両側から分岐している。これらの副マニホールド流路５ａは、流路ユニット４の内部であって各アクチュエータユニット２１に対向する領域に互いに隣接して延在している。

流路ユニット４は、複数の圧力室１０がマトリクス状に形成されている圧力室群９を有している。圧力室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。圧力室１０は流路ユニット４の上面に開口するように形成されている。これらの圧力室１０は、流路ユニット４の上面におけるアクチュエータユニット２１に対向する領域のほぼ全面に亘って配列されている。従って、これらの圧力室１０によって形成された各圧力室群９はアクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさ及び形状の領域を占有している。また、各圧力室１０の開口は、流路ユニット４の上面にアクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。本実施形態では、図３に示されているように、等間隔に流路ユニット４の長手方向に並ぶ圧力室１０の列が、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各圧力室列に含まれる圧力室１０の数は、圧電アクチュエータ５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。ノズル８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。

アクチュエータユニット２１の上面における各圧力室１０に対向する位置には後述のような個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は圧力室１０より一回り小さく、圧力室１０とほぼ相似な形状を有しており、アクチュエータユニット２１の上面における圧力室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。

圧力室１０及び個別電極３５のいずれも、図３の上下方向に沿って長尺な形状を有している。そして、図３の上下方向に関する中心から上方向及び下方向のいずれに向かう方向にも先細りの形状を有している。これによって多数の圧力室１０及び個別電極３５が平面上に密に配列されている。

流路ユニット４には多数のノズル８（吐出口）が形成されている。これらのノズル８は、流路ユニット４の下面における副マニホールド流路５ａと対向する領域を避ける位置に配置されている。また、これらのノズル８は、流路ユニット４の下面におけるアクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。そして、それぞれの領域内のノズル８は、流路ユニット４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。

なお、これらのノズル８は、流路ユニット４の長手方向に平行な仮想直線上にこの仮想直線と垂直な方向から各ノズル８の形成位置を射影した射影点が、印字の解像度に対応した間隔で等間隔に途切れずに並ぶような位置に形成されている。これによって、インクジェットヘッド２は、流路ユニット４におけるノズルが形成された領域の長手方向についてのほぼ全領域に亘って、印字の解像度に対応した間隔で途切れずに印字できるようになっている。

流路ユニット４の内部には、多数のアパーチャ（しぼり）１２が形成されている。これらのアパーチャ１２は、圧力室群９と対向する領域内に配置されている。本実施形態のアパーチャ１２は、水平面に平行な１方向に沿って延在している。

流路ユニット４の内部には、各アパーチャ１２、圧力室１０及びノズル８を互いに連通させるような連通孔が形成されている。これらの連通孔は、互いに連通し、個別インク流路３２を構成している（図４参照）。各個別インク流路３２は副マニホールド流路５ａと連通している。マニホールド流路５に供給されたインクは副マニホールド流路５ａを通じて各個別インク流路３２へと供給され、ノズル８から吐出される。

＜個別インク流路＞
ヘッド本体１３の断面構造について説明する。図４は、図３のＩＶ―ＩＶ線に沿った縦断面図である。

ヘッド本体１３に含まれる流路ユニット４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路ユニット４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャプレート２４、サプライプレート２５、マニホールドプレート２６、２７、２８、カバープレート２９及びノズルプレート３０である。これらのプレートには多数の連通孔が形成されている。各プレートは、これらの連通孔が互いに連通して個別インク流路３２及び副マニホールド流路５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体１３は、図４に示されているように、圧力室１０は流路ユニット４の上面に、副マニホールド流路５ａは内側中央部に、ノズル８は下面にと、個別インク流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、圧力室１０を介して副マニホールド流路５ａとノズル８とが連通孔により連通される構成を有している。

各プレートに形成された連通孔について説明する。これらの連通孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された圧力室１０である。第２に、圧力室１０の一端から副マニホールド流路５ａへと連通する流路（第２のインク流路）を構成する連通孔Ａである。連通孔Ａは、ベースプレート２３（圧力室１０の入り口）からサプライプレート２５（副マニホールド流路５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、連通孔Ａには、アパーチャプレート２４に形成されたアパーチャ１２が含まれている。

第３に、圧力室１０の他端からノズル８へと連通する流路を構成する連通孔Ｂである。連通孔Ｂは、ベースプレート２３（圧力室１０の出口）からカバープレート２９までの各プレートに形成されている。なお、以下の記載において連通孔Ｂはディセンダ３３と呼称される。第４に、ノズルプレート３０に形成されたノズル８であり、ノズル８は連通孔Ｂと共にディセンダ３３（第１の部分流路）を構成している。第５に、副マニホールド流路５ａを構成する連通孔Ｃである。連通孔Ｃは、マニホールドプレート２６〜２８に形成されている。

このような連通孔が相互に連通し、副マニホールド流路５ａからのインクの流入口（副マニホールド流路５ａの出口）からノズル８に至る個別インク流路３２を構成している。副マニホールド流路５ａに供給されたインクは、以下の経路でノズル８へと流出する。まず、副マニホールド流路５ａから上方向に向かって、アパーチャ１２の一端部に至る。次に、アパーチャ１２の延在方向に沿って水平に進み、アパーチャ１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、圧力室１０の一端部に至る。さらに、圧力室１０の延在方向に沿って水平に進み、圧力室１０の他端部に至る。そこから３枚のプレートを経由して斜め下方に向かい、さらに直下のノズル８へと進む。

なお、ディセンダ３３と圧力室１０との境界面２３ｂを含む連通孔２３ａと、ノズル８とは、ディセンダ３３の他の部分よりも細くなっている。つまり、ディセンダ３３の長さ方向（個別インク流路を示す図４の矢印に沿った方向）に垂直な断面について、連通孔２３ａ及びノズル８の断面積は、ディセンダ３３の他の部分の断面積より小さい。したがって、ディセンダ３３に充填されたインクにノズル８及び連通孔２３ａの近傍を両端とする固有振動が比較的発生しやすい構造となっている。

また、アパーチャ１２の長さ方向（個別インク流路を示す図４の矢印に沿った方向）に垂直なアパーチャ１２の断面の面積は、連通孔Ａにおける圧力室１０との境界面２３ｃの面積及び副マニホールド流路５ａの出口２５ａの面積のいずれよりも小さい。したがって、アパーチャ１２のしぼりとしての機能が発揮され、引き打ちによるインク吐出に適した構造が実現されている。

＜アクチュエータユニット＞
アクチュエータユニット２１は、図５に示されるように、４枚の圧電層４１、４２、４３、４４からなる積層構造を有している。これらの圧電層４１〜４４はそれぞれ１５μｍ程度の厚みを有している。アクチュエータユニット２１全体の厚みは６０μｍ程度である。圧電層４１〜４４のいずれの層も複数の圧力室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電層４１〜４４は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。

アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる個別電極３５及び共通電極３４を有している。個別電極３５は上述のようにアクチュエータユニット２１の上面における圧力室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、圧力室１０と対向する領域外に引き出されてランド３６が形成されている。このランド３６は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚みが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、ランド３６は、図示されていないＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられたコンタクトと電気的に接合されている。制御部１００は、後述のように、ＦＰＣを通じて個別電極３５に電圧パルスを供給する。

共通電極３４は圧電層４１と圧電層４２との間の領域に面方向のほぼ全面に亘って介在している。すなわち、共通電極３４は、アクチュエータユニット２１に対向する領域内の全ての圧力室１０に跨るように延在している。共通電極３４の厚さは２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電層４１上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、圧電層４１の内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されていると共に、多数の個別電極３５と同様に、ＦＰＣ５０上の別のコンタクト及び配線と接続されている。

図５に示されるように、上記の２つの電極は、最上層の圧電層４１のみを挟むように配置されている。圧電層における個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称される。本実施形態のアクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電層４１のみ活性部を含んでおり、その他の圧電層４２〜４４は活性部を含んでいない。すなわち、このアクチュエータユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。

なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の電圧パルスが供給されることにより、この個別電極３５に対応する圧力室１０内のインクに圧力が加えられる。これによって、個別インク流路３２を通じて、対応するノズル８からインクが吐出される。すなわち、アクチュエータユニット２１における各圧力室１０に対向する部分は、各圧力室１０及びノズル８に対応する個別の圧電アクチュエータ５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、４枚の圧電層からなる積層体中には、図５に示されているような構造を単位構造とするアクチュエータが圧力室１０ごとに作り込まれており、これによってアクチュエータユニット２１が構成されている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によってノズル８から吐出されるインクの量は５〜７ｐｌ（ピコリットル）程度である。

＜アクチュエータユニットの制御＞
以下は、アクチュエータユニット２１の制御についての説明である。アクチュエータユニット２１の制御のために、プリンタ１は制御部１００及びドライバＩＣ８０を有している。なお、プリンタ１は、演算処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵが実行するプログラム及びプログラムに使用されるデータが記憶されているＲＯＭ（Read Only Memory）、及び、プログラム実行時にデータを一時記憶するためのＲＡＭ（Random Access Memory）を有しており、これらによって以下に説明する機能を有する制御部１００が構築されている。

制御部１００は、図６に示されているように、印刷制御部１０１及び動作制御部１０５を有している。印刷制御部１０１は、画像データ記憶部１０２、波形パターン記憶部１０３及び印刷信号生成部１０４を有している。画像データ記憶部１０２は、ＰＣ１３３などから送信された印刷に係る画像データを記憶している。

波形パターン記憶部１０３は複数の吐出パルス列波形に対応する波形データを記憶している。各吐出パルス列波形は画像の階調等に応じた基本の波形に相当する。このような波形に対応した電圧パルス信号がドライバＩＣ８０を介して個別電極３５に供給されることにより、それぞれの階調等に対応した量のインクがインクジェットヘッド２から吐出される。

印刷信号生成部１０４は、画像データ記憶部１０２に記憶された画像データに基づき、シリアルの印刷データを生成する。このような印刷データは、波形パターン記憶部１０３に記憶された複数の吐出パルス列波形に対応するデータのいずれかに対応しており、各個別電極３５に所定のタイミングで各吐出パルス列波形が供給されるよう指示するデータである。印刷信号生成部１０４は、画像データ記憶部１０２が記憶している画像データに基づき、画像データに対応するタイミング、波形及び個別電極に応じた印刷データを作成する。そして、印刷信号生成部１０４は、生成した印刷データをドライバＩＣ８０に出力する。

ドライバＩＣ８０はアクチュエータユニット２１ごとに設けられており、シフトレジスタ、マルチプレクサ及びドライブバッファ（共に図示されず）を有している。

シフトレジスタは、印刷信号生成部１０４から出力されたシリアルの印刷データをパラレルデータに変換する。つまり、シフトレジスタは印刷データの指示に従って、各圧力室１０及びノズル８に対応する圧電アクチュエータ５０に対する個別のデータを出力する。

マルチプレクサは、シフトレジスタから出力された各データに基づいて、波形パターン記憶部１０３が記憶している波形データの中から適切なものを選択する。そして、マルチプレクサは選択したデータをドライブバッファに出力する。

ドライブバッファは、マルチプレクサから出力された波形データに基づいて、所定のレベルを有する吐出電圧パルス列信号を生成する。そして、ドライブバッファは、各圧電アクチュエータ５０に対応する個別電極３５に上記の吐出電圧パルス列信号を、ＦＰＣを介して供給する。

＜インク吐出時の電位変化＞
吐出電圧パルス列信号及びこの信号の供給を受けた個別電極３５における電位の変化について説明する。

吐出電圧パルス列信号に含まれる各時刻の電圧について説明する。図７は、吐出電圧パルス列信号が供給された個別電極３５における電位の変化の一例を示している。なお、図７に示す吐出電圧パルス列信号の波形６１は、１滴のインクをノズル８から吐出させるための波形の一例である。

時刻ｔ１は、個別電極３５に吐出電圧パルス列信号が供給され始める時刻である。時刻ｔ１は、この個別電極３５に対応するノズル８からインクを吐出させるタイミングに合わせて調節される。吐出電圧パルス列信号の波形６１が供給された場合に、時刻ｔ１までの期間及び時刻ｔ４以降の期間には、個別電極３５の電位はＵ０（≠０）に保持されている。そして、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間には個別電極３５の電位はグランド電位に保持されている。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔｖ１は、個別電極３５の電位がＵ０からグランド電位になるまでの過渡期間である。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間Ｔｖ２は、個別電極３５の電位がグランド電位からＵ０になるまでの過渡期間である。期間Ｔｖ１及びＴｖ２はいずれも同じ長さに設定されている。図５に示されているとおり、圧電アクチュエータ５０はコンデンサーと同様の構成を有しているため、個別電極３５の電位が変化する際には、電荷の充放電に対応して上記のような過渡期間が生じる。

なお、時刻ｔ１から時刻t３までの期間の長さＴｏは、後述の制御条件の決定ステップを経て決定されている。波形パターン記憶部１０３は、このように予め決定されたＴｏに基づく波形６１を記憶している。

＜インク吐出時のアクチュエータの駆動＞
以下は、上記のような吐出電圧パルス列信号が個別電極３５に供給されることにより、圧電アクチュエータ５０がどのように駆動されるかについての説明である。

本実施形態におけるアクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電層４１だけが個別電極３５から共通電極３４に向かう方向に分極されている。従って、個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電層４１に対してその分極方向と同じ方向に、具体的には個別電極３５から共通電極３４に向かう方向に電界を印加すると、この電界が印加された部分、すなわち活性部が、厚み方向、すなわち積層方向に伸長しようとする。また、このとき、活性部は積層方向と垂直な方向、すなわち面方向には収縮しようとする。これに対し、残りの３枚の圧電層４２〜４４は分極されておらず、電界を印加したとしても自発的には変形しない。

このように、圧電層４１と圧電層４２〜４４との間で歪み方に差が生じるので、全体として各圧電アクチュエータ５０は圧力室１０側（圧電層４２〜４４側）へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。

以下は、個別電極３５に波形６１に対応する電圧パルス信号を供給したときの圧電アクチュエータ５０の駆動についての説明である。図８（ａ）〜（ｃ）は、この場合の圧電アクチュエータ５０の経時変化を示す図である。

図８（ａ）は、図７に示される時刻ｔ１までの期間での圧電アクチュエータ５０の様子を示している。このとき、個別電極３５の電位はＵ０である。圧電アクチュエータ５０は、上記のようなユニモルフ変形により、圧力室１０内に突出している。このときの圧力室１０の容積はｖ１となっている。この状態を圧力室１０における第１の状態とする。

図８（ｂ）は、図７に示される時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間での圧電アクチュエータ５０の様子を示している。このとき、個別電極３５の電位はグランド電位である。従って、圧電層４１における活性部に印加されていた電界が解除され、圧電アクチュエータ５０のユニモルフ変形も解除されている。このときの圧力室１０の容積Ｖ２は、図８（ａ）に示される圧力室１０の容積Ｖ１より大きい。この状態を圧力室１０における第２の状態とする。このように圧力室１０の容積が増大した結果、インクが副マニホールド流路５ａから圧力室１０に吸い込まれる。

図８（ｃ）は、図７に示される時刻ｔ４からの期間での圧電アクチュエータ５０の様子を示している。このとき、個別電極３５の電位はＵ０である。従って、圧電アクチュエータ５０は、再び第１の状態に戻っている。このように、圧電アクチュエータ５０が圧力室１０を第２の状態から第１の状態に変化させることで、圧力室１０内のインクに圧力が加えられる。これによって、ノズル８からインク滴が吐出される。インク滴は印刷用紙Ｐの印刷面に着弾し、ドットを形成する。

このように、本実施形態の圧電アクチュエータ５０の駆動においては、まず、一旦圧力室１０の容積を増大させて、圧力室１０内のインクに負の圧力波を発生させる（図８（ａ）から図８（ｂ）へ）。すると、この圧力波が流路ユニット４内のインク流路端部で反射して、ノズル８側に進行する正の圧力波として帰ってくる。この正の圧力波が圧力室１０内に到達したタイミングを見計らって、再び圧力室１０の容積を減少させる（図８（ｂ）から図８（ｃ）へ）。これはいわゆる「引き打ち(fill before fire)」と呼ばれる手法である。

上記のような引き打ちによるインク吐出が行われるように、インク吐出に係る波形６１を有する電圧パルスのパルス幅Ｔｏ（図７参照）は、ＡＬに調節されている。本実施形態では、個別インク流路３２の全長のほぼ中央近傍に圧力室１０が配設されており、ＡＬとは圧力室１０内で発生した圧力波がアパーチャ１２からノズル８まで伝播する時間の長さである。これによると、上記のようにして反射してきた正の圧力波と、圧電アクチュエータ５０の変形により生じた正の圧力波とを重畳させ、より大きい圧力がインクに付与される。そのため、単に圧力室１０の容積を１回減少させるだけでインクを押し出す場合より、同じ量のインクを吐出する際の圧電アクチュエータ５０の駆動電圧が低く抑えられる。したがって、引き打ち方式は圧力室１０の高集積化、インクジェットヘッド２のコンパクト化、及び、インクジェットヘッド２を駆動する際のランニングコストの点で有利である。

＜制御条件決定ステップ＞
以下は、本実施形態において個別電極３５に供給される電圧パルス信号の波形に係る制御条件を決定する一連のステップについての説明である。図１２は、制御条件の決定ステップを示すフローチャートである。なお、本制御条件の決定ステップは、インクジェットヘッド２からインクが吐出された際に、Ｔｏに対するインクの吐出速さの曲線が図９の曲線７０に示されているような場合に適用される。つまり、吐出速さの曲線が吐出速さの増える向きに凸の概略形状を有している場合に適用される。

まず、Ｕ０及びＴｏがある値に設定された上で図７の波形６１の電圧パルス信号が個別電極３５に供給された場合におけるノズル８からのインクの吐出速さが導出される（Ｓ１）。吐出速さの導出は既述のような数値解析を用いて行われる。そして、Ｕ０を変更せず、Ｔｏの値を様々に変更した場合のインクの吐出速さが繰り返し導出される（Ｓ２、Ｙｅｓ）。

Ｔｏの値を様々に変更した場合の吐出速さの導出が完了すると（Ｓ２、Ｎｏ）、Ｕ０の値を様々に変更してＳ１及びＳ２の処理が繰り返される（Ｓ３、Ｙｅｓ）。これによって、Ｔｏ及びＵ０の様々な値に対するインクの吐出速さが導出される。なお、数値解析によって吐出速さが導出されるのではなく、Ｔｏ及びＵ０が異なる種々の電圧パルス信号を供給した場合のインクの吐出速さを実際に測定することによって、Ｔｏに対する吐出速さが導出されてもよい。

そして、Ｔｏ及びＵ０を様々な値に変更した場合の吐出速さの導出が全て完了すると（Ｓ３、Ｎｏ）、Ｔｏ／Ｔｃに対するインクの吐出速さの曲線が描写される（Ｓ４）。そして、吐出速さの曲線において、Ｔｏ／Ｔｃ＞１／２の領域に極大値が表れているか否かが判断される（Ｓ５）。なお、Ｔｏ／Ｔｃに対する吐出速さの関数が導出された上で、その導関数から極大値があるか否かが判断されてもよい。

Ｔｏ／Ｔｃ＞１／２の領域で極大値が表れていると判断された場合には（Ｓ５、Ｙｅｓ）、各Ｔｏ／Ｔｃについて電圧感度が求められる（Ｓ６）。電圧感度は、上記の通り各Ｕ０について吐出速さがｘｙ座標系にプロットされた場合の回帰直線の傾きを表す。そして、Ｔｏの値は、印刷画像の再現性が実用上の許容範囲を超えないような電圧感度を有するように表４に基づいて決定される（Ｓ７）。なお、Ｔｏ／Ｔｃ＞１／２となり且つ吐出速さが極大値を取らないような値になるのであれば、表４以外の基準を用いてＴｏの値が決定されてもよい。

Ｓ５において、Ｔｏ／Ｔｃ＞１／２の領域で極大値が表れていないと判断された場合には（Ｓ５、Ｎｏ）、Ｔｏの値は１／２Ｔｃに決定される（Ｓ８）。

以上のとおりにＴｏの値が決定されることにより、Ｔｏ／Ｔｃ＞１／２の領域で吐出速さの曲線に極大値が表れる場合には、電圧感度が実用上の許容範囲を超えないような値にＴｏが設定される。これによって、圧電アクチュエータ５０の変形度合い（図８のＧ）のばらつきに対するインクの吐出速さのばらつきが大きくなりすぎることが抑制され、印刷画像の再現性が許容範囲を超えることが回避される。一方で、Ｔｏ／Ｔｃ＞１／２の領域で吐出速さの曲線に極大値が表れない場合には、Ｔｏが１／２Ｔｃに決定される。この場合には、インク吐出の際にエネルギーの効率が良くなるような制御がなされる。

本発明によるインクジェット記録装置の一実施形態であるプリンタの概略構成図である。 図１に示されるインクジェットヘッドの本体の上面図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断面図である。 図４に示される圧電アクチュエータ周辺の部分拡大図である。 図１に示されるプリンタが有する制御部について説明する図である。 インク吐出の際に図５に示される個別電極に供給される電圧パルスの波形を示す図である。 図７に示される電圧パルスが個別電極に供給された際の、アクチュエータユニットの駆動を示す図である。 図７に示される電圧パルスが個別電極に供給された際のインクジェットヘッドから吐出されるインクの吐出速さをパルスの幅に対して描いたグラフである。 本発明がなされるにあたって行われた数値解析において図４に示されるインク流路のモデルとして用いられたものの一例を示す図である。 図９のモデルを用いて行われた数値解析の結果を示すグラフである。 本発明のインクジェット記録装置に係る制御条件の決定ステップの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｔｏ 電圧パルス信号のパルス幅
Ｔｃ 個別インク流路内のインクの固有振動周期
１ カラーインクジェットプリンタ
２ インクジェットヘッド
４ 流路ユニット
５ マニホールド流路
５ａ 副マニホールド流路
８ ノズル
１０ 圧力室
１２ アパーチャ
１３ ヘッド本体
２１ アクチュエータユニット
３２ 個別インク流路
３３ ディセンダ
３４ 共通電極
３５ 個別電極
４１-４４ 圧電層
５０ 圧電アクチュエータ
１００ 制御部
２９９ 圧力源

Claims (5)

1. 共通インク室、及び、前記共通インク室の出口から圧力室を経てインクの吐出口に至る個別インク流路を有する流路ユニットと、
   前記圧力室の容積をＶ１とする第１の状態と前記圧力室の容積をＶ１より大きいＶ２とする第２の状態とを選択的に取ることができるアクチュエータと、
   前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクを吐出させるように前記アクチュエータを制御する制御手段とを備えており、
   前記個別インク流路が、
   （ａ）前記アクチュエータが前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクが吐出されるときに、前記第１の状態から前記第２の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点から前記第２の状態から前記第１の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点までの時間Ｔｏの変化に対して前記吐出口から吐出されるインクの吐出速さの変化を描いた曲線が吐出速さの増える向きに凸となった概略形状を有すること、
   （ｂ）前記個別インク流路に充填されたインクの固有振動周期がＴｃで表される場合に、前記曲線において、インクの吐出速さは、ＴｏがＴｃの１／２倍よりも大きい領域で少なくとも１つの極大値を取ること、
   の両方を満たすように形成されており、
   前記制御手段が、Ｔｏ／Ｔｃが０．５１から０．５４までの範囲内になるように前記アクチュエータを制御することを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記共通インク流路と前記圧力室とが互いに対向しており、
   前記流路ユニットにおいて前記圧力室と共に前記共通インク流路を挟む位置に形成されたノズル面に前記吐出口が形成されてい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。
3. 前記個別インク流路のうちの前記圧力室の出口から前記吐出口に至るまでの第１の部分流路のいずれかの領域において、前記第１の部分流路の長さ方向について垂直な断面の面積が、前記第１の部分流路と前記圧力室との境界面の面積及び前記吐出口の面積のいずれよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記個別インク流路のうちの前記共通インク室の出口から前記圧力室までの第２の部分流路のいずれかの領域において、前記第２の部分流路の長さ方向について垂直な断面の面積が、前記第２の部分流路と前記圧力室との境界面の面積及び前記共通インク室の出口の面積のいずれよりも小さい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ヘッド。
5. 共通インク室、及び、前記共通インク室の出口から圧力室を経て吐出口に至る個別インク流路を有する流路ユニットと、前記圧力室の容積をＶ１とする第１の状態と前記圧力室の容積をＶ１より大きいＶ２とする第２の状態とを選択的に取ることができるアクチュエータと、前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクを吐出させるように前記アクチュエータを制御する制御手段とを備えており、（ａ）前記アクチュエータが前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクが吐出されるときに、前記第１の状態から前記第２の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点から前記第２の状態から前記第１の状態へと前記加圧アクチュエータが変化し始める時点までの時間Ｔｏの変化に対して前記吐出口から吐出されるインクの吐出速さの変化を描いた曲線が吐出速さの増える向きに凸となった概略形状を有すること、を満たすように前記個別インク流路が形成されているインクジェット記録装置の制御条件を決定する方法であって、
   Ｔｏの大きさを変えつつ前記制御手段に前記アクチュエータを制御させた場合に前記ノズルから吐出されるインクの吐出速さを導出する導出ステップと、
   前記個別インク流路に充填されたインクの固有振動周期がＴｃで表される場合に、（ｂ）前記導出ステップで導出されたインクの吐出速さに基づいて、前記曲線において、インクの吐出速さは、ＴｏがＴｃの１／２倍よりも大きい領域で少なくとも１つの極大値を取ること、を満たすか否かを判断する判断ステップと、
   （ｂ）を満たすと前記判断ステップで判断された場合に、ＴｏがＴｃの１／２倍の時間よりも長くなり且つインクの吐出速さが前記極大値を取らない時間となるように、前記制御手段が前記アクチュエータを制御する際の制御条件を決定する条件決定ステップとを備えていることを特徴とするインクジェット記録装置の制御条件の決定方法。

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