JP2015214108A - 液滴吐出装置、その駆動方法及び液滴吐出ヘッドユニット - Google Patents

Abstract

【課題】最小限のコストアップでヘッドに印加される駆動信号の変化を低減し、吐出特性を安定化する。【解決手段】駆動波形生成回路２１１が圧電素子１４の一方の電極に駆動波形を印加する。圧電素子１４のもう一方の電極は、アナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２を経由して複数の固定電圧源に接続されている。そのうちの一つである第１のバイアス電圧電源２１３は、供給する電圧Ｖｂ１と、駆動波形に基づく電圧との間の電極間電圧の変化に基づく圧電素子１４の変位量が、ノズル１２から液滴が吐出しない程度に十分小さいように、電圧Ｖｂ１が調整されている。【選択図】図６

Description

本発明は、ノズル孔等からインクなどの液滴を吐出する液滴吐出装置等に関し、特に、駆動ノズル数の変化に起因する吐出特性の不安定化を改善する技術に関する。

液滴を吐出するノズルを複数有する液滴吐出装置における課題について、インクジェット方式の画像形成装置に用いられるインクジェットヘッドを例にとって以下に説明する。

複数のノズルを有するインクジェットヘッドは、ノズルに対応して設けられた圧電素子に駆動信号を供給することにより液滴を吐出する。駆動信号は、駆動信号生成回路から配線部材を経由して圧電素子に供給される。配線部材としては、可撓性を有するフレキシブルフラットケーブル（以下ＦＦＣ）やフレキシブルプリント基板（以下ＦＰＣ）がよく利用されている。

配線部材の特性として、通常、電流の変化が誘導起電力となって現れるインダクタンス成分Ｌがあり、インダクタンス成分Ｌと単位時間あたりの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）との積で表される逆起電力ΔＥ（＝Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ））が発生する。配線長・経路長の増加により配線のインダクタンス成分Ｌが大きくなると、配線により伝送される信号に逆起電力ΔＥがノイズとして無視できなくなるほど大きくなり、信号の歪みが発生する。このインダクタンス成分Ｌによるノイズは一般にオーバーシュートやアンダーシュートと呼ばれる。

オーバーシュートとアンダーシュートは、発生する電圧が固定であれば、この歪みが発生することを前提にした駆動波形と駆動信号生成回路を作成することができる。しかし、オーバーシュートとアンダーシュートの大きさは上記で説明したように配線部材に流れる電流によって変化するため、ヘッドで駆動するノズル数によりオーバーシュートとアンダーシュートの大きさが変化する。

つまり、駆動ノズル数が少ないときは駆動波形の歪みが小さく、駆動ノズル数が多いときは駆動波形の歪みが大きくなるため、駆動するノズル数によって駆動波形が異なることを原因として液滴の吐出特性が変化してしまうという問題が生じる。

特許文献１には、ノズル間の特性差を抑制するため、特性差に応じて圧電アクチュエータに印加するバイアス電圧値を設定することが記載されている。このように駆動波形に歪みが発生することを前提として駆動波形と駆動信号生成回路を生成することは考えられる。しかし、ヘッドで駆動するノズル数の変化により駆動波形に変化が起きることまでは考慮されていない。

配線部材のＬ成分の影響を低減するため、駆動しないノズルにダミーの容量性負荷を接続する方法があるが、容量性負荷は小型化が困難なためヘッドが大型化し、またコストアップの要因となるという問題がある。

別の方法として、配線部材に流れる電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を小さくするために駆動信号をなまらせピーク電流を低減する方法もあるが、負荷容量変化による電流変化率の変化を完全になくすことはできず、駆動ノズル数により駆動波形が変化し印刷品質が低下してしまうという問題がある。

本発明は、最小限のコストアップでヘッドに印加される駆動信号の変化を低減し、吐出特性を安定化することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の一態様は、ノズルと、液室と、前記液室に充填された液滴を前記ノズルから吐出させるための圧電素子とを、複数有する液滴吐出装置であって、前記圧電素子の一方の電極は、駆動波形が印加され、前記圧電素子のもう一方の電極は、スイッチング手段を経由して複数の固定電圧源に接続され、少なくとも一つの前記固定電圧源は、供給する電圧と前記駆動波形に基づく電圧との間の電極間電圧の変化に基づく前記圧電素子の変位量が、前記ノズルから液滴が吐出しない程度に十分小さいことを特徴とする。

本発明によれば、最小限のコストアップでヘッドに印加される駆動信号の変化を低減し、吐出特性を安定化することが可能となる。

本発明を実施するための一形態のブロック図である。 上記実施形態で液滴吐出に用いられる素子の特性を説明するための図である。 上記実施形態を説明するための図（その１）である。 上記実施形態を説明するための図（その２）である。 上記実施形態を説明するための図（その３）である。 図１の圧電素子駆動回路２１の模式図である。 図６の構成における圧電素子印加電圧例を示す図である。 図６の構成における圧電素子電極間電圧と変位量の例を示す図である。 図６の構成における非吐出−吐出切り替え時の電圧の例を示す図である。 図１の圧電素子駆動回路２１の異なる構成例を示す図である。 図１０の構成におけるバイアス電圧切り替え時の処理手順を示すフローチャートである。

＜概略構成＞
図１に、本発明を実施するための一形態のブロック図を示す。この実施形態では、液滴吐出装置の具体例として、インクジェット方式の画像形成装置を用いる。図示の画像形成装置１は、普通紙にインク滴を吐出して紙面に画像を形成するものである。そのために、画像形成装置１は、液滴吐出ヘッドユニットと、装置全体を制御するための制御部、用紙搬送装置などを備える。インクジェット方式の画像形成方法自体は公知であり、本発明の本質と大きく関わらないので割愛する。

液滴吐出ヘッドユニットは、ノズルユニット１１を複数備えた液滴吐出ヘッド１０と、これを制御するためのヘッドコントローラ２０とを有してなる。画像形成装置１の制御部から形成する画像の情報がヘッドコントローラ２０に送られ、これに基づいてヘッドコントローラ２０は、液滴吐出ヘッド１０をどのように駆動させるかを決定する。

画像形成の際に紙面を走査するための具体的方法については、用紙の搬送方向に直角の方向に液滴吐出ヘッド１０を並べ、用紙を搬送することによって用紙全面を走査するようにしてもよいし、液滴吐出ヘッド１０をキャリッジに乗せ、用紙を搬送しつつ用紙の搬送方向に直角の方向にキャリッジを移動させることで用紙全面を走査するようにしてもよい。
その他、画像形成の具体的方法については、公知の技術を全て用いることができる。

液滴吐出の方法について簡単に説明すると、液滴吐出ヘッド１０には、液滴吐出ヘッド１０に設けられた孔であるノズル１２と、ノズル１２に連通する液室１３が設けられている。液室１３にインク液滴を充填し、液室１３自体の体積を変動させたり、インク液滴の体積を加熱等により変動させたりすることで液滴をノズル１２から吐出させる。

具体的な方式としては、例えば、圧電素子を用いて液室の壁面を形成する振動板を変形させることにより液室容積を変化させて吐出させるピエゾ方式、発熱抵抗体を用いて液室内の液体を加熱、発生する気泡による圧力で液滴を吐出させるサーマル方式、振動板と電極の間に発生させる静電力により振動板を変形させ、液室容積を変化させて液滴を吐出させる静電方式などがある。

具体的な方式は問わないが、好ましくは、液滴をノズル１２から吐出させる働きをする素子の特性が、素子に印加する電圧と素子の変位量の関係が図２に示すような非線形な特性となる素子であるとよい。その点で、ピエゾ方式が好ましく、この実施形態では液滴を吐出させる働きをする素子として圧電素子を用いている。図２は、圧電素子の電極間の電圧と圧電素子の変位量との関係を示している。

ノズル１２、液室１３、圧電素子１４で構成される一組を、便宜的にノズルユニット１１と呼ぶ。ノズルユニット１１は複数存在し、液滴吐出ヘッド１０の主要部を構成する。液滴吐出ヘッド１０は、ヘッドコントローラ２０の制御に基づいて、紙面上を走査する動作等を行う。一方で各圧電素子１４は、ヘッドコントローラ２０の圧電素子駆動回路２１から電気的な制御を受けて駆動する。

＜駆動波形の変化＞
次に、吐出特性の不安定化を招く駆動波形の変化について、図３ないし図５を参照して説明する。図３は、従来の液体吐出ヘッドの圧電素子駆動回路の模式図である。通常の液滴吐出装置は、図中にＰＺＴと記された圧電素子の端子間電圧を変化させ、圧電素子の変位量を変化させることによりヘッドの液室に圧力変化を発生させ液滴の吐出を行う。

ここで、圧電素子１４の一方の電極はアナログスイッチＳＷ３を経由して駆動波形生成回路２１１に接続されている。波形選択制御回路２１５は、吐出を行うノズルに対応するＳＷ３をオンするよう制御を行う。駆動波形生成回路２１１からは図４の駆動波形が出力されていて、オンしているＳＷ３を経由し圧電素子１４の一方の電極に駆動波形を供給する。一方で、圧電素子１４のもう一方の電極は、バイアス電圧電源２１６に接続されている。

図４は図３の回路で圧電素子１４を１ｃｈのみ駆動した場合の駆動波形である。駆動波形生成回路２１１の負荷が小さいため、オーバーシュートやアンダーシュートはほとんど発生しない。図５は多ｃｈ駆動し、駆動波形生成回路２１１の負荷を大きくした場合の駆動波形である。負荷が大きいため電流の変化率も大きくなり、配線部材のインダクタンス成分によりオーバーシュートやアンダーシュートが発生している。

図３に示したような構成では、駆動するノズルユニット１１が単一ないし少数の場合の駆動波形（図４）と、多数の場合の駆動波形（図５）とで変化してしまうことが問題である。駆動するｃｈ数により駆動波形が変化すると、液滴の吐出特性が不安定になる。結果として印刷品質が低下する。

＜圧電素子駆動回路２１の構成＞
駆動するノズル数が変化しても駆動波形が変化しないようにするためには、ノズル数が変化しても駆動波形生成回路２１１の負荷が変化しないようにすればよい。そこで本発明の実施形態では、図３の構成とは異なり、駆動しないノズル１２の圧電素子１４にも駆動波形を印加し、駆動波形生成回路２１１の負荷は常に全ｃｈ駆動したときと同じとなるようにする。そのため、駆動ノズル数が変化しても駆動波形が変化しないようになる。そうすると、液滴を吐出しないノズルにも駆動波形を印加することになるが、以下に述べる方法で液滴を吐出しないよう制御する。

圧力発生素子として圧電素子を使用した場合、圧電素子に印加する電圧と圧電素子の変位量の関係は、図２に示すように非線形の特性となる。ここで、駆動波形を変化させない（最大電圧と最小電圧の差を変えない）で駆動波形と反対側の電極に印加する電圧（以下「バイアス電圧」）を変化させると圧電素子の変位量が変化し、吐出特性を変化させることができる。

そこで本実施形態においては、液滴を吐出しないノズル１２については、圧電素子１４の変位量が十分小さくなるようバイアス電圧を選択する。吐出するノズル１２については、圧電素子１４の変位量が大きくなるようにバイアス電圧を選択する。このようにして、各ノズル１２における液滴の吐出又は非吐出を制御する。

上記方法を具体的に実現するために、本実施形態ではまず、圧電素子１４の一方の電極（以下「第１の電極」）に駆動波形に応じた電圧を印加し、もう一方の電極（以下「第２の電極」）に固定電圧を印加して圧電素子の電極間に電圧を印加する。ここで、駆動波形に基づく電圧は、すべてのノズル１２に常に印加する一方で、第２の電極に印加する固定電圧をノズル毎に切り替えることによりノズル１２からの吐出の有無を切り替える。本実施形態によると、駆動波形の容量性負荷は駆動ノズル数にかかわらず一定となるため駆動波形のオーバーシュート、アンダーシュートを一定にでき、吐出特性の差を低減できる。

＜圧電素子駆動回路２１の詳細な構成＞
圧電素子駆動回路２１の詳細な構成を説明するために図６ないし図８を参照する。図６は圧電素子駆動回路２１の模式図、図７は圧電素子印加電圧例、図８は圧電素子電極間電圧と変位量の例である。本実施形態は、図６に示すような構成を用いて圧電素子１４の端子間電圧を変化させ、圧電素子１４の変位量を変化させることにより液室１３に圧力変化を発生させ液滴の吐出を行う。

図６に示すように、圧電素子１４の一方の電極は駆動波形生成回路２１１に接続されている。圧電素子１４のもう一方の電極は、アナログスイッチＳＷ１とＳＷ２を経由し、第１のバイアス電圧電源２１３と第２のバイアス電圧電源２１４に接続されている。アナログスイッチＳＷ１とＳＷ２は、バイアス電圧選択制御回路２１２の制御によりスイッチングされるため、ノズル１２からの液滴の吐出の有無に応じてバイアス電圧を選択することができるようになっている。

例えば、液滴を吐出するノズルについてはバイアス電圧２（図７のＶｂ２）を選択し、駆動波形印加時の圧電素子電極間電圧を図８のＶ１−Ｖｂ２からＶ０−Ｖｂ２まで変化させ、圧電素子の変位をＤ１からＤ３まで変位させる。

同様に液滴を吐出しないノズルについてはバイアス電圧１（図７のＶｂ１）を選択し、圧電素子をＤ０からＤ２まで変位させる。Ｄ０からＤ２までの変位量はＤ１からＤ３までの変位量よりも小さく、このときの変位量をノズル１２から液滴が吐出しない量としておき吐出ノズルの選択を行う。
このとき、駆動波形生成回路２１１からの電流はすべての圧電素子１４に流れるため、駆動ノズル数による負荷の変化はなく、波形を一定にすることができる。

＜バイアス電圧の選択が吐出又は非吐出に与える影響を低減する＞
吐出の有無に応じたバイアス電圧の選択は、駆動波形において液滴の吐出又は非吐出のタイミングを避けることが好ましい。この場合、吐出の駆動波形送出から非吐出の駆動波形送出の間の時間か、非吐出の駆動波形送出から吐出の駆動波形送出の間の時間にバイアス電圧を印加する固定電圧源の選択をする（図９参照）。ところがこの場合、圧電素子電極間電圧の変化が次のタイミングにおける吐出又は非吐出に影響を及ぼす可能性がある。

図９は非吐出−吐出切り替え時の電圧の例である。図６の圧電素子駆動回路２１においては、あるノズル１２を非吐出から吐出に切り替えるとき、バイアス電圧切り替えにより図９中に矢印で示したＡ部の実線のように圧電素子電極間電圧が変化する。圧電素子電極間電圧が変化すると圧電素子１４が変位し、次の吐出（図９の２回目の吐出タイミング）に影響を与えることがある。図９では非吐出から吐出へ切り替えた場合を示しているが、吐出から非吐出へ切り替える場合においても同じ問題が生じる可能性がある。

そのため、この電圧変化量が次の吐出に影響しないよう予め実験で電圧を求めておくことが好ましい。つまり、Ｖｂ１、Ｖｂ２の条件が下記となるよう電圧を決めておく。
Ｖｂ１選択時：インクを吐出しないこと。
Ｖｂ２選択時：インクを吐出すること。
Ｖｂ１からＶｂ２へ、又は、Ｖｂ２からＶｂ１への電圧変化時：次の吐出に影響しないこと。

より具体的には、あるノズル１２を非吐出から吐出に切り替えるとき、バイアス電圧切り替えによる電圧変化を図９中に矢印で示したＡ部の破線のように電圧変化率を小さくすることにより影響を低減することができる。

図１０に、この電圧変化率を小さくするための構成を備える圧電素子駆動回路２１を示す。図１０において、バイアス電圧Ｖｂ１を選択するためのアナログスイッチＳＷ１−１とＳＷ１−２は並列に接続されていて、両方ともオンしたときの合成抵抗が図６のＳＷ１のオン抵抗と同等になるように設定されている。ＳＷ１−１のみオンした場合は両方をオンしたときよりも抵抗値が大きくなる。
ＳＷ２−１とＳＷ２−２の構成も同様である。

図１１に、図１０の構成におけるバイアス電圧切り替え時の処理手順を示す。図１１に示すようにバイアス電圧切り替えは、非吐出のタイミング（Ｓ１１）から吐出のタイミング（Ｓ１５）までの間、又は、吐出のタイミング（Ｓ２１）から非吐出のタイミング（Ｓ２５）までの間に行う。図１１（ａ）の場合、バイアス電圧選択制御回路２１２が、ＳＷ１−１とＳＷ１−２をオフし、次にＳＷ２−１のみオンしてバイアス電圧を切り替える（Ｓ１２）。その後、圧電素子電極間電圧が安定した後にＳＷ２−２もオンにする（Ｓ１３，Ｓ１４）。

このように、図９のＡ部では、ＳＷ１−１とＳＷ１−２をオフし、次にＳＷ２−１のみオンしてバイアス電圧を切り替え、圧電素子電極間電圧が安定してからＳＷ２−２をオンする。この制御により、駆動波形印加時のスイッチオン抵抗は図６の場合と同等のまま、バイアス電圧切り替え時の圧電素子充電の時定数を延ばし電極間電圧変化率を低減することができる。その結果、次の吐出への影響を低減できる。また、ＳＷ１−１とＳＷ１−２の合成抵抗はＳＷ１と同等としているため、集積化した場合のチップ面積の増加もない。

以上に開示した構成は一例である。例えば、上記実施形態では、駆動波形が全ての圧電素子１４に印加されているが、文字通り「全て」である必要はない。駆動波形が印加されるノズルユニット１１の数が安定していれば、駆動波形が安定するので上記実施形態で述べた作用と効果は得られる。

なお、本明細書に開示されている技術は、インク液滴を吐出する装置の他にも、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出装置やＤＮＡの資料を液滴として吐出する液滴吐出装置などに応用可能である。

１ 画像形成装置
１０ 液滴吐出ヘッド
１２ ノズル
１３ 液室
１４ 圧電素子
２０ ヘッドコントローラ
２１ 圧電素子駆動回路
２１１ 駆動波形生成回路
２１２ バイアス電圧選択制御回路
２１３ 第１のバイアス電圧電源
２１４ 第２のバイアス電圧電源
２１５ 波形選択制御回路
２１６ バイアス電圧電源

特開２０１０−０３０１８２号公報

Claims (8)

1. ノズルと、液室と、前記液室に充填された液滴を前記ノズルから吐出させるための圧電素子とを、複数有する液滴吐出装置であって、
   前記圧電素子の一方の電極は、駆動波形が印加され、
   前記圧電素子のもう一方の電極は、スイッチング手段を経由して複数の固定電圧源に接続され、
   少なくとも一つの前記固定電圧源は、供給する電圧と前記駆動波形に基づく電圧との間の電極間電圧の変化に基づく前記圧電素子の変位量が、前記ノズルから液滴が吐出しない程度に十分小さい
   ことを特徴とする液滴吐出装置。
2. 前記スイッチング手段は、前記ノズルから液滴を吐出させるタイミングと、次の前記ノズルから液滴を吐出させるタイミングとの間の時間で、前記圧電素子のもう一方の電極に接続する前記固定電圧源を選択することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
3. 前記スイッチング手段による前記固定電圧源の選択による前記電極間電圧の変化は、次のタイミングの吐出に影響しないことを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
4. １つの前記固定電圧源を選択するための前記スイッチング手段は、複数のスイッチング素子が並列に接続した構成であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
5. 前記スイッチング手段は、前記圧電素子のもう一方の電極に、選択した前記固定電圧源を接続する際、前記複数のスイッチング素子を順にオンにすることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出装置。
6. 供給する電圧と前記駆動波形に基づく電圧との間の電極間電圧の変化に基づく前記圧電素子の変位量が、前記ノズルから液滴が吐出しない程度に十分小さい前記固定電圧源は、他の前記固定電圧源よりも低い電圧であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
7. ノズルと、液室と、前記液室に充填された液滴を前記ノズルから吐出させるための圧電素子とを、複数有する液滴吐出装置の駆動方法であって、
   前記圧電素子の一方の電極に駆動波形を印加する工程と、
   前記圧電素子のもう一方の電極に接続する固定電圧を複数の固定電圧源の中から選択するスイッチング工程と、を有し、
   少なくとも一つの前記固定電圧源は、供給する電圧と前記駆動波形に基づく電圧との間の電極間電圧の変化に基づく前記圧電素子の変位量が、前記ノズルから液滴が吐出しない程度に十分小さい
   ことを特徴とする液滴吐出装置の駆動方法。
8. ノズルと、液室と、前記液室に充填された液滴を前記ノズルから吐出させるための圧電素子とを、複数有する液滴吐出ヘッドと、
   前記圧電素子の一方の電極に駆動波形を印加する駆動波形生成回路と、
   前記圧電素子のもう一方の電極に複数の固定電圧源から選択された固定電圧源を選択して接続し、固定電圧を印加するスイッチング手段と、
   を有するヘッドコントローラと、を備え、
   少なくとも一つの前記固定電圧源は、供給する電圧と前記駆動波形に基づく電圧との間の電極間電圧の変化に基づく前記圧電素子の変位量が、前記ノズルから液滴が吐出しない程度に十分小さい
   ことを特徴とする液滴吐出ヘッドユニット。

Images