JP2013151073A - 液体噴射装置、および、液体噴射装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射特性の変動を抑制することが可能な液体噴射装置、および、液体噴射装置の制御方法を提供する。
【解決手段】 駆動信号発生回路は、基準電位ＶＢから当該基準電位よりも高い加圧電位ＶＭまで電位を変化させる加圧要素ｐ１を有する前段加圧波形を噴射駆動波形の前に発生させ、当該前段加圧波形により圧電素子を駆動して圧力室を封止する作動面を圧力室の内側に変位させた状態から、噴射駆動波形による噴射動作を行わせる。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置、および、その制御方法に関し、特に、ノズルに連通する圧力室の一部を構成する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによりノズルから液体を噴射させる液体噴射装置、および、液体噴射装置の制御方法に関するものである。

液体噴射装置は、液体を液滴としてノズルから噴射可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）を備え、この記録ヘッドのノズルから液体状のインクをインク滴として噴射させて記録を行うインクジェット式記録装置（プリンター）等の画像記録装置を挙げることができる。また、この他、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターに用いられる色材、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイに用いられる有機材料、電極形成に用いられる電極材等、様々な種類の液体の噴射に液体噴射装置が用いられている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記のプリンターに搭載される記録ヘッドは、インクカートリッジ等のインク供給源からのインクを圧力室（圧力発生室）に導入し、圧電素子等の圧力発生手段を作動させることで圧力室の上部開口を封止する作動面を変形させて当該圧力室内のインクに圧力変動を生じさせ、この圧力変動を利用して圧力室内のインクをノズルからインク滴として噴射するように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１９４７８３号公報

ここで、例えば、圧力室を形成している基板と、当該基板に積層されて圧力室の底部を区画する部材（例えばノズルプレート）とを接着剤によって接合する構成では、インク（例えば、溶剤系のインク）によっては接着剤が膨潤して接合力が低下する場合がある。さらに、記録紙等を加熱してインクの定着や乾燥を促すヒーターを備えたプリンターでは、このヒーターの熱によって接着剤が軟化して接合力が低下し易い傾向にある。この場合、圧力室の隔壁の下端の固定力が低下する。そして、ノズルからインクを噴射させる際に圧力発生手段および作動面が変形した際に、当該隔壁が上下方向に変位しやすくなる。このように、圧力発生手段および作動面が変形した際に当該隔壁が上下動すると、その分だけ圧力損失が発生し、ノズルから噴射されるインク滴の飛翔速度の低下やインク滴量の減少等、噴射特性が変化する虞がある。

なお、このような問題は、インクを噴射する記録ヘッドを搭載したインクジェット式記録装置だけではなく、複数の圧力室を、間に隔壁を隔てて有し、圧力室の開口面を封止する作動面を圧電素子によって変形させることで圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによりノズルから液体を噴射させる他の液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置においても同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、噴射特性の変動を抑制することが可能な液体噴射装置、および、液体噴射装置の制御方法を提供することにある。

本発明の液体噴射装置は、上記目的を達成するために提案されたものであり、液体を噴射するノズル、当該ノズルに連通する圧力室、及び、当該圧力室の開口面を封止する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段を有し、当該圧力発生手段の駆動によって前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドと、
前記ノズルから液体を噴射させる噴射駆動波形を発生する駆動波形発生手段と、を備え、
前記圧力発生手段は、前記作動面が前記圧力室の開口面よりも当該圧力室の外側に位置する基準状態に対応する基準電位よりも印加電位が高まるほど、当該作動面を基準状態から当該圧力室の内側に変位させる一方、印加電位が前記基準電位よりも低くなるほど前記作動面を基準状態から前記圧力室の外側に変位させるように構成され、
前記駆動波形発生手段は、前記基準電位から当該基準電位よりも高い加圧電位まで電位を変化させる加圧要素を有する前段加圧波形を前記噴射駆動波形の前に発生させ、当該前段加圧波形により前記作動面を前記圧力室の内側に変位させた状態から前記噴射駆動波形による液体噴射動作を行わせることを特徴とする。

本発明によれば、前段加圧波形によって作動面を圧力室の内側に変位させて、当該圧力室を区画する隔壁を隣の圧力室側に変位させた状態から噴射駆動波形による噴射動作が行われるので、噴射動作において圧力発生手段および作動面が変位した際に、隔壁の上下方向の動きが抑えられる。特に、例えば、圧力室を形成している基板と、当該基板に積層されて圧力室の底部を区画する部材とを接着している接着剤の接合力が低下した場合においても、隔壁の上下動が抑制される。これにより、液体噴射時における隔壁の上下動に基づく圧力損失が低減され、液体の噴射特性（ノズルから噴射される液体の量や飛翔速度）の変動を抑制することができる。

また、上記構成において、前記前段加圧波形は、前記加圧要素の後に続いて、当該前記加圧要素の後端電位である加圧電位を維持する加圧電位維持要素を有し、
前記噴射駆動波形は、前記加圧電位維持要素の後に続いて、当該加圧電位維持要素の後端電位である加圧電位から前記基準電位よりも低い第１の電位まで降下して前記作動面を前記圧力室に対して基準状態よりも外側に変形させる第１の変化要素と、前記第１の電位から前記加圧電位よりも高い第２の電位まで上昇して前記作動面を前記圧力室に対して基準状態よりも内側に向けて変形させる第２の変化要素と、を少なくとも含む構成を採用することが望ましい。

また、本発明の液体噴射装置の制御方法は、液体を噴射するノズル、当該ノズルに連通する圧力室、及び、当該圧力室の開口面を封止する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段を有し、当該圧力発生手段の駆動によって前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドと、
前記ノズルから液体を噴射させる噴射駆動波形を発生する駆動波形発生手段と、を備え、
前記圧力発生手段は、前記作動面が前記圧力室の開口面よりも当該圧力室の外側に位置する基準状態に対応する基準電位よりも印加電位が高まるほど、当該作動面を基準状態から当該圧力室の内側に変位させる一方、印加電位が前記基準電位よりも低くなるほど前記作動面を基準状態から前記圧力室の外側に変位させるように構成された液体噴射装置の制御方法であって、
前記基準電位から当該基準電位よりも高い加圧電位まで電位を変化させる加圧要素を有する前段加圧波形を前記噴射駆動波形の前に発生させ、当該前段加圧波形により前記作動面を前記圧力室の内側に変位させた状態から前記噴射駆動波形による液体噴射動作を行わせることを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する図である。 プリンターの電気的構成を説明するブロック図である。 駆動信号の構成を説明する波形図である。 噴射動作について説明する模式図である。 第２実施形態における駆動信号の構成を説明する波形図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の液体噴射装置として、インクジェット式記録装置（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。

図１はプリンター１の構成を示す斜視図である。このプリンター１は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２が取り付けられると共に、液体供給源の一種であるインクカートリッジ３が着脱可能に取り付けられるキャリッジ４と、記録動作時の記録ヘッド２の下方に配設されたプラテン５と、キャリッジ４を記録紙６（記録媒体の一種あるいは液体着弾対象の一種）の紙幅方向、即ち、主走査方向に往復移動させるキャリッジ移動機構７と、主走査方向に直交する副走査方向に記録紙６を搬送する紙送り機構８と、を備えて概略構成されている。

キャリッジ４は、主走査方向に架設されたガイドロッド９に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構７の作動により、ガイドロッド９に沿って主走査方向に移動するように構成されている。キャリッジ４の主走査方向の位置は、リニアエンコーダー１０によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス（位置情報の一種）がプリンターコントローラー３６の制御部４１（図３参照）に送信される。リニアエンコーダー１０は位置情報出力手段の一種であり、記録ヘッド２の走査位置に応じたエンコーダーパルスを、主走査方向における位置情報として出力する。このため、制御部４１は、受信したエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４に搭載された記録ヘッド２の走査位置を認識できる。即ち、例えば、受信したエンコーダーパルスをカウントすることで、キャリッジ４の位置を認識することができる。これにより、制御部４１はこのリニアエンコーダー１０からのエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４（記録ヘッド２）の走査位置を認識しながら、記録ヘッド２による記録動作を制御することができる。

キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジの走査の基点となるホームポジションが設定されている。本実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル形成面（ノズル形成基板１５：図３参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル形成面を払拭するためのワイパー部材１２とが配置されている。そして、プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録紙６上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録が可能に構成されている。

本実施形態におけるプリンター１のプラテン５の内部には、図示しないプラテンヒーター（加熱手段）が設けられている。このプラテンヒーターによって、プラテン５上の記録紙記録媒体が加熱されて、記録媒体に着弾したインクの定着・乾燥が促進される。

図２は、本実施形態の記録ヘッド２の構成を示す図であり、（ａ）は記録ヘッド２の平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′線断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図２（ｃ）では保護基板１９の図示が省略されている。また、図２ではノズル４つ分の構成を例示しているが、残りの他のノズルに対応する構成も同様である。本実施形態における記録ヘッド２は、圧力室基板１４、ノズル形成基板１５、弾性体膜１６、絶縁体膜１７、圧電素子１８、及び、保護基板１９等を積層して構成されている。

圧力室基板１４は、例えば、シリコン単結晶基板から成る板材である。この圧力室基板１４には、複数の圧力室２０が、隔壁３７を間に挟んでその幅方向（ノズル列方向（第１の方向））に並設されている。圧力室基板１４の圧力室２０の長手方向（ノズル列方向に直交する方向（第２の方向））における外側に外れた領域には、連通部２１が形成され、連通部２１と各圧力室２０とが、圧力室２０毎に設けられたインク供給路２２を介して連通されている。なお、連通部２１は、後述する保護基板１９のリザーバー部２６と連通して各圧力室２０の共通のインク室となるリザーバー２７の一部を構成する。インク供給路２２は、圧力室２０よりも狭い幅で形成されており、連通部２１から圧力室２０に流入するインクに対して流路抵抗を付与する。圧力室基板１４におけるこれらの圧力室２０やインク供給路２２等の流路は、異方性エッチングにより形成されている。

圧力室基板１４の下面には、各圧力室２０に対応して複数のノズル２３が列状に開設されたノズル形成基板１５が接着剤３４により接合されている。これにより、圧力室２０の下面側の開口がノズル形成基板１５により封止されて圧力室２０の底部が画成される。すなわち、ノズル形成基板１５は、圧力室２０の底部材としても機能する。圧力室基板１４の上面（第１の開口面）には、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１６が形成されている。この弾性膜１６における圧力室２０の開口を封止する部分は、作動面として機能する。

上記の弾性膜１６上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜１７が形成されている。また、この絶縁膜１７上には、圧力室２０毎に対応して圧電素子１８が配設されている。例示した圧電素子１８は、所謂撓み振動モードの圧電素子であり、駆動電極１８ａと共通電極１８ｂとによって圧電体１８ｃを挟んで構成されている。また、各圧電素子１８の駆動電極１８ａには、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極２４がそれぞれ接続されている。そして、圧電素子１８の駆動電極１８ａに駆動信号（駆動パルス）が印加されると、駆動電極１８ａと共通電極１８ｂとの間には電位差に応じた電場が発生する。この電場は圧電体１８ｃに付与され、圧電体１８ｃが付与された電場の強さに応じて変形する。即ち、駆動電極１８ａの電位を高くする程、圧電体１８ｃが圧力室２０の内側（ノズル形成基板１５に近づく側）に撓み、圧力室２０の容積を減少させるように弾性膜１６を変形させる。一方、駆動電極１８ａの電位を低くする程（０に近づける程）、圧電体１８ｃが圧力室２０の外側（ノズル形成基板１５から離れる側）に撓み、圧力室２０の容積を増加させるように弾性膜１６を変形させる。なお、圧電素子１８の変形による弾性膜１６の作動面の動きの詳細については、図５の模式図を用いて後述する。

圧力室基板１４上の圧電素子１８側の面には、圧電素子１８に対向する領域にその変位を阻害しない程度の大きさの空間となる圧電素子保持部２５を有する保護基板１９が接合されている。さらに、保護基板１９には、圧力室基板１４の連通部２１に対応する領域にリザーバー部２６が設けられている。このリザーバー部２６は、圧力室２０の並設方向に沿って長尺な矩形の開口形状を有する貫通穴として保護基板１９に形成されており、上述したように圧力室基板１４の連通部２１と連通されてリザーバー２７を画成する。このリザーバー２７は、インクの種類毎（色毎）に設けられ、複数の圧力室２０に共通のインクが貯留される。

また、保護基板１９の圧電素子保持部２５とリザーバー部２６との間の領域には、保護基板１９を厚さ方向に貫通する貫通孔２８が設けられ、この貫通孔２８内に共通電極１８ｂの一部及びリード電極２４の先端部が露出されている。保護基板１９上には、封止膜２９及び固定板３０とからなるコンプライアンス基板３１が接合されている。封止膜２９は、可撓性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイドフィルム）からなり、この封止膜２９によってリザーバー部２６の一方面が封止されている。また、固定板３０は、金属等の硬質の材料（例えば、ステンレス鋼等）で形成される。この固定板３０のリザーバー２７に対向する領域は、厚さ方向を貫通する開口部３２となっている。このため、リザーバー２７の一方の面は可撓性を有する封止膜２９のみで封止されている。

上記構成の記録ヘッド２では、インクカートリッジ等のインク供給手段からインクを取り込み、リザーバー２７からノズル２３に至るまでインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２０に対応するそれぞれの共通電極１８ｂと駆動電極１８ａとの間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１８および作動面（弾性膜１６）が撓み変形することにより、圧力室２０内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２３からインクを噴射させる。

図３は、プリンター１の電気的な構成を示すブロック図である。本実施形態におけるプリンター１は、プリンターコントローラー３６とプリントエンジン３７とで概略構成されている。プリンターコントローラー３６は、ホストコンピューター等の外部装置からの印刷データ等が入力される外部インタフェース（外部Ｉ／Ｆ）３８と、各種データ等を記憶するＲＡＭ３９と、各種制御のための制御プログラム等を記憶したＲＯＭ４０と、ＲＯＭ４０に記憶されている制御プログラムに従って各部の統括的な制御を行う制御部４１と、クロック信号を発生する発振回路４２と、記録ヘッド２へ供給する駆動信号を発生する駆動信号発生回路４３（駆動波形発生手段の一種）と、印刷データをドット毎に展開することで得られたドットパターンデータや駆動信号等を記録ヘッド２に出力するための内部インタフェース（内部Ｉ／Ｆ）４４と、を備えている。また、プリントエンジン３７は、記録ヘッド２、キャリッジ移動機構７、紙送り機構８、及び、リニアエンコーダー１０から構成されている。

制御部４１は、リニアエンコーダー１０から出力されるエンコーダーパルスからタイミングパルスＰＴＳ（図４参照）を生成するタイミングパルス生成手段として機能する。このタイミングパルスＰＴＳは、駆動信号発生回路４３が発生する駆動信号の発生開始タイミングを定める信号である。つまり、駆動信号発生回路４３は、このタイミングパルスＰＴＳを受信する毎に駆動信号を出力する。また、制御部４１は、印刷データのラッチタイミングを規定するラッチ信号ＬＡＴ、及び、駆動信号に含まれる各噴射駆動パルスの選択タイミングを規定するチェンジ（又はチャンネル）信号ＣＨを出力する。

上記の駆動信号発生回路４３は、タイミングパルスＰＴＳの受信毎に複数の噴射駆動パルスを含む駆動信号ＣＯＭを発生する。換言すると、駆動信号発生回路４３は、上記のタイミングパルスＰＴＳに基づく周期（以下、単位周期Ｔという。）で駆動信号ＣＯＭを繰り返し発生する。
図４は、本実施形態における駆動信号発生回路４３が発生する駆動信号ＣＯＭの構成の一例を説明する図である。なお、同図において横軸は時間を、縦軸は電位を、それぞれ示している。本実施形態における駆動信号ＣＯＭは、合計３つの噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３を単位周期Ｔ内に含む信号である。本実施形態において、駆動信号ＣＯＭの単位周期Ｔは、３つの期間（パルス発生期間）ｔ１〜ｔ３に区分されている。そして、期間ｔ１で第１噴射駆動パルスＰ１が発生し、期間ｔ２で第２噴射駆動パルスＰ２が発生し、期間ｔ３で第３噴射駆動パルスＰ３が発生する。これらの駆動パルスの詳細については後述する。

次に、この記録ヘッド２の電気的構成について説明する。この記録ヘッド２は、図３に示すように、第１シフトレジスター４５及び第２シフトレジスター４６からなるシフトレジスター（ＳＲ）回路と、第１ラッチ回路４７及び第２ラッチ回路４８からなるラッチ回路と、デコーダー４９と、制御ロジック５０と、レベルシフター５１と、スイッチ５２と、圧電素子１８とを備えている。そして、各シフトレジスター４５，４６、各ラッチ回路４７，４８、レベルシフター５１、スイッチ５２、及び、圧電素子１８は、それぞれノズル２３毎に対応した数だけ設けられる。なお、図３では、１ノズル分の構成のみが図示され、他のノズル分の構成については図示が省略されている。

この記録ヘッド２は、プリンターコントローラー３６から送られてくる印刷データ（画素データ）ＳＩに基づいてインク（液体の一種）の噴射制御を行う。本実施形態では、２ビットで構成された印刷データＳＩの上位ビット群、印刷データＳＩの下位ビット群の順に記録ヘッド２へクロック信号ＣＬＫに同期して送られてくるので、まず、印刷データＳＩの上位ビット群が第２シフトレジスター４６にセットされる。全てのノズル２３について印刷データＳＩの上位ビット群が第２シフトレジスター４６にセットされると、次にこの上位ビット群が第１シフトレジスター４５にシフトする。これと同時に、印刷データＳＩの下位ビット群が第２シフトレジスター４６にセットされる。

第１シフトレジスター４５の後段には、第１ラッチ回路４７が電気的に接続され、第２シフトレジスター４６の後段には、第２ラッチ回路４８が電気的に接続されている。そして、プリンターコントローラー３６側からのラッチパルスが各ラッチ回路４７，４８に入力されると、第１ラッチ回路４７は記録データの上位ビット群をラッチし、第２ラッチ回路４８は記録データの下位ビット群をラッチする。各ラッチ回路４７，４８でラッチされた記録データ（上位ビット群，下位ビット群）はそれぞれ、デコーダー４９へ出力される。このデコーダー４９は、記録データの上位ビット群及び下位ビット群に基づいて、駆動信号ＣＯＭに含まれる各駆動パルスを選択するためのパルス選択データを生成する。

スイッチ５２の入力側には駆動信号発生回路４３からの駆動信号ＣＯＭが供給される。また、スイッチ５２の出力側には、圧電素子１８が接続されている。このスイッチ５２は、上記のパルス選択データに基づき各駆動信号ＣＯＭに含まれる各駆動パルスを圧電素子１８へ選択的に供給する。このような動作をするスイッチ５２は、選択供給手段の一種として機能する。

図４に示すように、駆動信号ＣＯＭに含まれる各噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３は、加圧要素ｐ１と、加圧ホールド要素ｐ２（加圧電位維持要素に相当）と、膨張要素ｐ３と、膨張ホールド要素ｐ４と、収縮要素ｐ５と、制振ホールド要素ｐ６と、制振要素ｐ７とからなる。本実施形態において、加圧要素ｐ１および加圧ホールド要素ｐ２は、本発明における前段加圧波形に相当し、膨張要素ｐ３〜制振要素ｐ７は、本発明における噴射駆動波形に相当する。すなわち、本実施形態における噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３は、前段加圧波形と噴射駆動波形の組み合わせにより構成されている。加圧要素ｐ１は、圧力室２０の基準容積（膨張又は収縮の基準となる容積）に対応する基準電位ＶＢから加圧電位ＶＭまで電位を変化させる波形要素である。加圧電位ＶＭは、基準電位ＶＢと収縮電位ＶＨとの間の値を採る電位である。そして、加圧要素ｐ１の電位勾配（単位時間あたりの電位変化率）は、当該加圧要素ｐ１が圧電素子１８に印加されたときにノズル２３からインクが噴射されない程度の値に設定されている。また、加圧ホールド要素ｐ２は、加圧要素ｐ１の終端電位である加圧電位ＶＭを維持する波形要素である。なお、前段加圧波形の作用等の詳細については後述する。

膨張要素ｐ３は、加圧ホールド要素ｐ２に続いて発生される波形要素であり、加圧電位ＶＭから膨張電位ＶＬ（本発明における第１の電位に相当）まで一定勾配で電位を下降させる波形要素であり、本発明における第１の変化要素に相当する。膨張ホールド要素ｐ４は、膨張要素ｐ３の終端電位である膨張電位ＶＬを維持する波形要素であり、本発明における維持要素に相当する。収縮要素ｐ５は、膨張電位ＶＬから収縮電位ＶＨ（本発明における第２の電位に相当）まで急勾配で電位を上昇させる波形要素であり、本発明における第２の変化要素に相当する。制振ホールド要素ｐ６は、収縮電位ＶＨを所定期間維持する波形要素である。また、制振要素ｐ７は収縮電位ＶＨから基準電位ＶＢまでインクを噴射させない程度の一定勾配で電位を復帰させる波形要素である。

図５は、インク噴射動作の様子を説明する模式図である。なお、同図における中央のノズル２３は、ある単位周期でインクを噴射する噴射ノズルであり、当該噴射ノズルの両側に位置するノズル２３は同一の単位周期でインクを噴射しない非噴射ノズルである。また、同図において構成部材の一部を簡略化して示している。
上記の基準電位ＶＢが圧電素子１８に継続的に供給されている間、図５（ａ）に示すように、作動面は、圧力室２０の開口面よりも少し外側（ノズル形成基板１５側とは反対側）に位置する状態となる。即ち、基準電位ＶＢが圧電素子１８に供給されると、圧電素子１８が圧力室２０の外側に少し撓んだ状態となる。本実施形態においては、この状態が基準状態である。駆動信号ＣＯＭの各噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３の何れもが圧電素子１８に供給されない間は、上記の基準電位ＶＢが圧電素子１８に継続的に印加されるので、単位周期内でインクを噴射するノズル２３（以下、適宜、噴射ノズルという。）および同一の単位周期内でインクを噴射しないノズル２３（以下、適宜、非噴射ノズルという。）の何れも図５（ａ）に示す基準状態となる。以下、この基準状態における圧力室２０の容積を基準容積と言う。なお、インクの噴射制御については後述する。

上記の噴射駆動パルスが圧電素子１８に供給されると、まず、前段加圧波形の加圧要素ｐ１が圧電素子１８によって圧電素子１８および弾性膜１６の作動部が圧力室２０の内側（ノズル形成基板１５に近接する側）に向けて少し撓む。これにより、圧力室２０が基準電位ＶＢに対応する基準容積から加圧電位ＶＭに対応する加圧容積まで収縮する。この圧力室２０の収縮状態は、加圧ホールド要素ｐ２の供給期間中に亘って維持される。続いて、膨張要素ｐ３により、圧電素子１８および弾性膜１６の作動部の幅方向中央部が圧力室２０の外側（ノズル形成基板１５から離隔する側）に向けて撓む。これにより圧力室２０が加圧電位ＶＭに対応する加圧容積から膨張電位ＶＬに対応する膨張容積まで膨張する。この膨張によりノズル２３におけるメニスカスが圧力室２０側に引き込まれると共に、圧力室２０内にはリザーバー２７側から供給口を通じてインクが供給される。そして、この圧力室２０の膨張状態は、膨張ホールド要素ｐ４の供給期間中に亘って維持される。その後、収縮要素ｐ５が印加されることで圧電素子１８および作動部が圧力室２０の内側に撓む。これにより、圧力室２０は膨張容積から収縮電位ＶＨに対応する収縮容積まで急激に収縮される。この圧力室２０の急激な収縮により圧力室２０内のインクが加圧され、ノズル２３から規定量（例えば、数ｎｇ〜十数ｎｇ）のインクが噴射される。圧力室２０の収縮状態は、制振ホールド要素ｐ６の供給期間に亘って維持され、この間に、インクの噴射によって生じた圧力室２０内のインクの圧力振動は周期的に増減を繰り返す。そして、圧力室２０内のインク圧力が上昇するタイミングにあわせて制振要素ｐ７が供給され、これに伴って圧電素子１８および作動部が圧力室２０の外側に向けて撓んで基準状態に復帰する。これにより、圧力室２０が基準容積まで戻ると共に、圧力室２０内のインクの圧力変動（残留振動）が低減される。

次に、上記の駆動信号ＣＯＭを用いた記録制御（噴射制御）について図５を参照しながら説明する。
本実施形態における記録制御では、ある単位周期Ｔにおいてインクの噴射を行うノズル２３（噴射ノズル）に対応する圧電素子１８に対して駆動信号ＣＯＭの噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３の少なくとも何れか１つが印加される一方で、当該単位周期Ｔにおいてインクの噴射が行われないノズル２３（非噴射ノズルという）に対応する圧電素子１８に対しては、基準電位ＶＢが単位周期Ｔにおいて継続して印加されるように構成されている。具体的には、記録媒体の所定の位置に大ドットを形成する場合、単位周期Ｔ内の３つの噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３が噴射ノズルの圧電素子１８に順次印加されることで、当該ノズルから３回連続してインクが噴射される。また、中ドットを形成する場合、単位周期Ｔ内の２つの噴射駆動パルスＰ１，Ｐ３が噴射ノズルの圧電素子１８に順次印加されることで、当該ノズルから２回連続してインクが噴射される。さらに、小ドットを形成する場合、単位周期Ｔ内の１つの噴射駆動パルスＰ２が噴射ノズルの圧電素子１８に印加されることで、当該ノズルからインクが１回だけ噴射される。そして、ドットを形成しない非記録の場合、非噴射ノズルの圧電素子１８には基準電位ＶＢが継続して印加されるので、圧電素子１８は変位しない。

このように、本実施形態１のプリンターでは「大ドット」、「中ドット」、「小ドット」、「非記録」の４階調での記録が可能となっている。なお、以下では、単位周期Ｔ内おいて図５における中央のノズル２３から小ドットに対応するインクを噴射させる一方、当該噴射ノズルの両隣のノズル２３からはインクを噴射させない場合について例示する。つまり、図５では、中央のノズル２３が噴射ノズルであり、当該噴射ノズルの両隣に位置するノズル２３がそれぞれ非噴射ノズルである。

駆動信号ＣＯＭの各噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３の何れもが圧電素子１８に印加されない間は、上記の基準電位ＶＢが圧電素子１８に継続的に印加されるので、噴射ノズルと非噴射ノズルの何れもが、図５（ａ）に示す基準状態となる。上述したように、この基準状態では、作動面が、圧力室２０の開口面よりも当該圧力室２０の少し外側に位置する状態となっている。そして、この基準状態では、各ノズル２３に対応する圧力室２０内の圧力も同程度となっている。

次に、噴射ノズルの圧電素子１８に対して、噴射駆動パルスＰ２の加圧要素ｐ１が印加される。これにより、図５（ｂ）に示すように、噴射ノズルに対応する圧電素子１８および弾性膜１６の作動部が、圧力室２０の開口面と同一面となる程度（或いは圧力室２０の少し内側に位置する程度）まで撓む。このように作動面が圧力室２０の開口面の近傍まで撓むことで、圧力室２０の容積が加圧容積まで縮小するため、当該圧力室２０の内圧も上昇する。これに加え、当該圧力室２０を区画している両側の隔壁３３に対して作動面が隣の非噴射ノズル側へ押圧する状態となる。これにより、図５（ｂ）において白抜きの矢印で示すように、これらの隔壁３３は、圧力室基板１４とノズル形成基板１５とを接合している接着剤３４の弾性力に抗しつつ、隣（非噴射ノズル側）の圧力室２０側にそれぞれ変位する。これに伴い、接着剤３４は、黒塗りの矢印で示すように、ノズル列方向に引き伸ばされる。この状態は、加圧ホールド要素ｐ２の印加期間に亘って維持される。

次に、噴射ノズルに対応する圧電素子１８に対して第２噴射駆動パルスＰ２の膨張要素ｐ３が印加され、図５（ｃ）に示すように、当該噴射ノズルに対応する圧電素子１８および弾性膜１６の作動部の幅方向中央部が、圧力室２０の開口面よりも外側まで基準状態よりも大きく撓む。これにより、圧力室２０が加圧容積から膨張電位ＶＬに対応する膨張容積まで膨張する。この容積変化により当該圧力室２０の内圧が減少し、作動面による押圧状態から開放された両側の隔壁３３は、圧電素子１８の変形による引張力と黒矢印に示す接着剤３４の復元力の作用により、白抜きの矢印で示すように互いに近接する方向に変位して元の位置（基準状態のときの位置）まで復帰する。このように、前段加圧波形によって隣の圧力室２０側に一旦変位した隔壁３３が、元の位置に復帰するべくノズル列方向に沿って変位するため、隔壁３３の上下方向の動きが抑えられる。

噴射ノズルにおける圧力室２０の膨張状態が、第２噴射駆動パルスＰ２の膨張ホールド要素ｐ４の供給期間中に亘って維持された後、第２噴射駆動パルスＰ２の収縮要素ｐ５が印加されることで、図５（ｄ）に示すように、噴射ノズルにおける圧電素子１８および作動部が圧力室２０の内側（下側）に急激に撓む。これにより、圧力室２０は膨張容積から収縮電位ＶＨに対応する収縮容積まで急激に収縮される。この圧力室２０の急激な収縮により圧力室２０内の圧力が急激に上昇し、これによりノズル２３から規定量（例えば、数ｎｇ〜十数ｎｇ）のインクが噴射される。このとき、当該圧力室２０の両側の隔壁３３に関し、図５（ｂ）の状態から元の位置まで復帰する際の慣性力の作用により、圧力室２０内の圧力上昇による非噴射ノズル側への変位が抑制される。これにより、圧力損失を低減することができる。そして、噴射ノズルにおける圧力室２０の収縮状態は、第２噴射駆動パルスＰ２の制振ホールド要素ｐ６の供給期間に亘って維持された後、同じく第２噴射駆動パルスＰ２の制振要素ｐ７の供給により、圧電素子１８および作動部が基準状態まで戻る。これにより、圧力室２０が基準容積まで復帰すると共に、圧力室２０内のインクの圧力変動（残留振動）が低減される。

このように、前段加圧波形によって圧電素子１８および作動面を圧力室２０の内側に変位させて隔壁３３を隣の圧力室２０側に変位させた状態から噴射駆動波形による噴射動作が行われるので、噴射動作において圧電素子１８および作動面が変位した際に、隔壁３３の上下方向の動きが抑えられる。特に、例えば、インクによる膨潤やヒーターによる加熱によって接着剤３４の接合力が低下した場合においても、隔壁３３の上下動が抑制される。これにより、インク噴射時における隔壁３３の変位に基づく圧力損失が低減され、インク噴射特性（ノズル２３から噴射されるインクの量や飛翔速度）の変動を抑制することができる。その結果、噴射ノズルに隣接するノズル２３で同時に噴射が行われる場合（噴射ノズルの隣に位置するノズルが噴射ノズルである場合）と、噴射ノズルに隣接するノズル２３で同時に噴射が行われない場合（噴射ノズルの隣のノズルが非噴射ノズルである場合）とで、インクの飛翔速度やインクの量等の噴射特性がばらつくことが抑制される。即ち、隣接するノズル間におけるクロストークが防止される。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、駆動信号ＣＯＭに第１噴射駆動パルスＰ１〜第３噴射駆動パルスＰ３の３つを含む構成を例示したが、これには限られず、少なくとも１つ以上の噴射駆動パルスが含まれる構成であれば良い。また、噴射駆動パルスＰ１〜Ｐ３の波形が何れも同じである構成を例示したが、種々の波形の噴射駆動パルスを採用することができる。この場合、各噴射駆動パルスの噴射駆動波形の前に前段加圧波形が含まれていれば良い。

図６は、噴射駆動パルスの変形例を説明する波形図である。
上記実施形態では、噴射駆動波形の前に前段加圧波形が発生される構成を例示したが、この変形例の噴射駆動パルスＰ′は、噴射駆動波形の前に前段加圧波形が発生されるとともに噴射駆動波形の後に後段波形が発生され、さらに、基準電位と加圧電位との電位差の分だけ、噴射駆動波形全体の電位が第１実施形態のものよりも高くなっている点が、相違している。後段波形は、噴射駆動波形の制振要素ｐ７の後に続く後段ホールド要素ｐ８と、後段ホールド要素ｐ８の後端電位から基準電位ＶＢまで電位が変化する後段復帰要素ｐ９とから構成されている。本実施形態においては、噴射駆動波形の制振要素ｐ７の後端電位が、加圧電位ＶＭに設定されている。そして、後段ホールド要素ｐ８は、加圧電位ＶＭを一定時間維持する。後段復帰要素ｐ９は、加圧電位ＶＭから基準電位ＶＢまで一定勾配で電位が変化する要素である。この後段復帰要素ｐ９の電位勾配は、当該後段復帰要素ｐ９が圧電素子１８に印加されたときにノズル２３からインクが噴射されない程度の値に設定されている。このように、噴射駆動波形の前に前段加圧波形が発生されると共に噴射駆動波形の後に後段波形が発生され、噴射駆動波形全体の電位が基準電位ＶＢと加圧電位ＶＭとの電位差の分だけ高く設定されることにより、第１実施形態と比較して、圧電素子１８および作動面が圧力室２０の内側の位置で変位する。これにより、噴射ノズルに対応する圧力室２０の隔壁３３を隣の圧力室２０側へ押圧しつつインクの噴射が行われる。その結果、隔壁３３の上下動がより効果的に抑制される。なお、その他の構成については第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。

なお、本発明は、所謂撓み振動型の圧電素子を用いて液体の噴射制御が可能な液体噴射装置であれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体噴射装置、例えば、ディスプレイ製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等にも適用することができる。

１…プリンター，２…記録ヘッド，１４…圧力室基板，１５…ノズル形成基板，１６…弾性膜，１８…圧電素子，２０…圧力室，２３…ノズル，３３…隔壁，３４…接着剤，３６…プリンターコントローラー，４１…制御部，４３…駆動信号発生回路

Claims (3)

1. 液体を噴射するノズル、当該ノズルに連通する圧力室、及び、当該圧力室の開口面を封止する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段を有し、当該圧力発生手段の駆動によって前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドと、
   前記ノズルから液体を噴射させる噴射駆動波形を発生する駆動波形発生手段と、を備え、
   前記圧力発生手段は、前記作動面が前記圧力室の開口面よりも当該圧力室の外側に位置する基準状態に対応する基準電位よりも印加電位が高まるほど、当該作動面を基準状態から当該圧力室の内側に変位させる一方、印加電位が前記基準電位よりも低くなるほど前記作動面を基準状態から前記圧力室の外側に変位させるように構成され、
   前記駆動波形発生手段は、前記基準電位から当該基準電位よりも高い加圧電位まで電位を変化させる加圧要素を有する前段加圧波形を前記噴射駆動波形の前に発生させ、当該前段加圧波形により前記作動面を前記圧力室の内側に変位させた状態から前記噴射駆動波形による液体噴射動作を行わせることを特徴とする液体噴射装置。
2. 前記前段加圧波形は、前記加圧要素の後に続いて、当該前記加圧要素の後端電位である加圧電位を維持する加圧電位維持要素を有し、
   前記噴射駆動波形は、前記加圧電位維持要素の後に続いて、当該加圧電位維持要素の後端電位である加圧電位から前記基準電位よりも低い第１の電位まで降下して前記作動面を前記圧力室に対して基準状態よりも外側に変形させる第１の変化要素と、前記第１の電位から前記加圧電位よりも高い第２の電位まで上昇して前記作動面を前記圧力室に対して基準状態よりも内側に向けて変形させる第２の変化要素と、を少なくとも含むことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 液体を噴射するノズル、当該ノズルに連通する圧力室、及び、当該圧力室の開口面を封止する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段を有し、当該圧力発生手段の駆動によって前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドと、
   前記ノズルから液体を噴射させる噴射駆動波形を発生する駆動波形発生手段と、を備え、
   前記圧力発生手段は、前記作動面が前記圧力室の開口面よりも当該圧力室の外側に位置する基準状態に対応する基準電位よりも印加電位が高まるほど、当該作動面を基準状態から当該圧力室の内側に変位させる一方、印加電位が前記基準電位よりも低くなるほど前記作動面を基準状態から前記圧力室の外側に変位させるように構成された液体噴射装置の制御方法であって、
   前記基準電位から当該基準電位よりも高い加圧電位まで電位を変化させる加圧要素を有する前段加圧波形を前記噴射駆動波形の前に発生させ、当該前段加圧波形により前記作動面を前記圧力室の内側に変位させた状態から前記噴射駆動波形による液体噴射動作を行わせることを特徴とする液体噴射装置の制御方法。

Images