JP2023000082A

JP2023000082A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2023000082A
Application number: JP2021100695A
Authority: JP
Inventors: メンフェイウォン; Meng Fei Wong; 竜太郎楠; Ryutaro Kusunoki
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2023-01-04
Also published as: CN115489207A; EP4105027A1; US20220402264A1

Abstract

【課題】インクを吐出する際にミスト化するのを抑えることのできるインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】実施形態のインクジェットヘッドは、インク吐出部及びアクチュエータ駆動回路を備える。インク吐出部は、インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通するインク圧力室、及び前記インク圧力室の容積を変えるアクチュエータを備える。アクチュエータ駆動回路は、第１電圧から該第１電圧よりも前記インク圧力室を拡張させる第２電圧に変化した後、前記第２電圧と前記第１電圧の間の電位で前記インク圧力室を収縮させる第３電圧に変化して前記ノズルからインクを吐出する吐出パルス部を含み、且つ、前記第２電圧と前記第３電圧の電位差が前記第３電圧と前記第１電圧の電位差より大きい駆動波形の駆動信号を、前記アクチュエータに与える。
【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドに関する。

インクを吐出するインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、アクチュエータを駆動してインク圧力室の容積を変化させ、インク圧力室に連通するノズルからインクの液滴を吐出する。インクジェットヘッドは、主としてインクジェットプリンタに搭載する。インクジェットプリンタは、インクジェットヘッドからインクの液滴を吐出して、記録媒体の表面に画像等を形成する。

インクの吐出をアクチュエータに実行させる駆動波形については、これまでにも種々の検討がなされている。駆動波形の一つに、インク圧力室の容積を拡張させた後、インク圧力室を完全にではなく途中まで収縮させてインクの液滴を吐出する駆動波形がある。この駆動波形は、ＤＤ駆動波形と称されることもある（ＤＤ；Draw-Draw）。しかしながら、この駆動波形で実際にインクを吐出してみると、特に先頭滴のインクがミスト化することがあった。インクのミスト化は、印字品質の低下の原因となり得る。

国際公開２００１／０３２４２８号公報特開２００９－２８６１０８号公報特開２０２０－８２４３３号公報

本発明が解決しようとする課題は、インクを吐出する際にミスト化するのを抑えることのできるインクジェットヘッドを提供することにある。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドは、インク吐出部及びアクチュエータ駆動回路を備える。インク吐出部は、インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通するインク圧力室、及び前記インク圧力室の容積を変えるアクチュエータを備える。アクチュエータ駆動回路は、第１電圧から該第１電圧よりも前記インク圧力室を拡張させる第２電圧に変化した後、前記第２電圧と前記第１電圧の間の電位で前記インク圧力室を収縮させる第３電圧に変化して前記ノズルからインクを吐出する吐出パルス部を含み、且つ、前記第２電圧と前記第３電圧の電位差が前記第３電圧と前記第１電圧の電位差より大きい駆動波形の駆動信号を、前記アクチュエータに与える。

第１実施形態に従うインクジェットヘッドを搭載したインクジェットプリンタの全体構成図である。上記インクジェットヘッドの斜視図である。上記インクジェットヘッドのノズルプレートの平面図である。上記インクジェットヘッドの縦断面図である。上記インクジェットヘッドのノズルプレートの縦断面図である。上記インクジェットプリンタの制御系のブロック構成図である。上記インクジェットヘッドのアクチュエータに与える駆動波形である。上記アクチュエータの動作を説明する説明図である。上記駆動波形でアクチュエータを動作させたときの試験結果である。インクのミスト化を模式的に図示した説明図である。上記駆動波形でアクチュエータを動作させたときの最適λ／２からのずれと残留振動の関係を示す特性図である。第２実施形態に従うインクジェットヘッドのアクチュエータに与えるマルチドロップ駆動波形である。上記アクチュエータに与える駆動波形の変形例である。

以下、実施形態に従うインクジェットヘッドについて、添付図面を参照しながら詳述する。なお、各図において、同一構成は同一の符号を付している。

（第１実施形態）
第１実施形態のインクジェットヘッド１００～１０３を搭載したインクジェットプリンタ１０について説明する。図１は、インクジェットプリンタ１０の概略構成を示す。インクジェットプリンタ１０は、筐体１１の内部に、記録媒体の一例であるシートＳを収納するカセット１２、シートＳの上流搬送路１３、カセット１２内から取り出したシートＳを搬送する搬送ベルト１４、搬送ベルト１４上のシートＳに向けてインクの液滴を吐出する複数のインクジェットヘッド１００～１０３、シートＳの下流搬送路１５、排出トレイ１６、及び制御基板１７を配置する。ユーザーインターフェイスである操作部１８は、筐体１１の上部側に配置する。

シートＳに印刷する画像データは、例えば外部接続機器であるコンピュータ２００で生成する。コンピュータ２００で生成した画像データは、ケーブル２０１、コネクタ２０２，２０３を通してインクジェットプリンタ１０の制御基板１７に送る。

ピックアップローラ２０４は、カセット１２からシートＳを一枚ずつ上流搬送路１３へ供給する。上流搬送路１３は、送りローラ対１３１、１３２と、シート案内板１３３、１３４で構成する。シートＳは、上流搬送路１３を経由して、搬送ベルト１４の上面に送る。図中の矢印１０４は、カセット１２から搬送ベルト１４へのシートＳの搬送経路を示す。

搬送ベルト１４は、表面に多数の貫通孔を形成した網状の無端ベルトである。駆動ローラ１４１、従動ローラ１４２，１４３の３本のローラは、搬送ベルト１４を回転自在に支持する。モータ２０５は、駆動ローラ１４１を回転することによって搬送ベルト１４を回転させる。モータ２０５は、駆動装置の一例である。図中１０５は、搬送ベルト１４の回転方向を示す。搬送ベルト１４の裏面側に、負圧容器２０６を配置する。負圧容器２０６は、減圧用のファン２０７と連結する。ファン２０７は、形成する気流によって負圧容器２０６内を負圧にし、搬送ベルト１４の上面にシートＳを吸着保持させる。図中１０６は、気流の流れを示す。

インクジェットヘッド１００～１０３は、搬送ベルト１４上に吸着保持したシートＳに対して、例えば１ｍｍの僅かな隙間を介して対向するように配置する。インクジェットヘッド１００～１０３は、シートＳに向けてインクの液滴を夫々吐出する。インクジェットヘッド１００～１０３は、下方をシートＳが通過する際に画像を印刷する。各インクジェットヘッド１００～１０３は、吐出するインクの色が異なることを除けば、同じ構造である。インクの色は、例えば、シアン，マゼンタ，イエロー，ブラックである。

インクジェットヘッド１００～１０３は、夫々、インク流路３１１～３１４を介してインクタンク３１５～３１８及びインク供給圧力調整装置３２１～３２４と連結する。各インクタンク３１５～３１８は、各インクジェットヘッド１００～１０３の上方に配置する。待機時に、インクジェットヘッド１００～１０３のノズル２４（図２参照）からインクが漏れ出ないように、各インク供給圧力調整装置３２１～３２４は、各インクジェットヘッド１００～１０３内を大気圧に対して負圧、例えば－１．２ｋＰａに調整している。画像形成時、各インクタンク３１５～３１８のインクは、インク供給圧力調整装置３２１～３２４によって各インクジェットヘッド１００～１０３に供給する。

画像形成後、搬送ベルト１４から下流搬送路１５へシートＳを送る。下流搬送路１５は、送りローラ対１５１，１５２，１５３，１５４と、シートＳの搬送経路を規定するシート案内板１５５，１５６で構成する。シートＳは、下流搬送路１５を経由し、排出口１５７から排出トレイ１６へ送る。図中矢印１０７は、シートＳの搬送経路を示す。

続いて、インクジェットヘッド１００～１０３の構成について説明する。以下は、図２～図５を参照しながら、インクジェットヘッド１００について説明しているが、インクジェットヘッド１０１～１０３もインクジェットヘッド１００と同じ構造である。

図２は、インクジェットヘッド１００の外観斜視図である。インクジェットヘッド１００は、ノズルプレート２、基板２０、インク供給部２１、フレキシブル基板２２、駆動回路２３を備えている。インクを吐出する複数のノズル２４は、ノズルプレート２に形成する。各ノズル２４から吐出するインクは、インク供給部２１から供給する。既述のインク供給圧力調整装置３２１からのインク流路３１１は、インク供給部２１の上部側に接続する。矢印１０５は、シートＳを搬送する搬送ベルト１４の回転方向（すなわち印字方向）を示している（図１参照）。

図３は、図２の枠Ｐで囲っている部分の拡大平面図である。ノズル２４は、行方向（Ｘ軸方向）及び列方向（Ｙ軸方向）に２次元配列している。但し、行方向（Ｘ軸方向）に並ぶノズル２４は、Ｘ軸の軸線上にノズル２４が重ならないように斜めに配列している。各ノズル２４は、Ｘ軸方向に距離Ｘ１、Ｙ軸方向に距離Ｙ１の間隔で配置している。一例として、距離Ｘ１は、３３８μｍ、距離Ｙ１は、８４．５μｍとする。すなわち、Ｙ軸方向に３００ＤＰＩの記録密度となるように距離Ｙ１を決めている。さらに、Ｘ軸方向にも３００ＤＰＩで印字するように、搬送ベルト１４の回転速度とインクが着弾するまでに要する時間との関係に基づいて距離Ｘ１を決めている。ノズル２４は、Ｘ軸方向に配列した４個のノズル２４を１組としてＹ軸方向に複数配列している。図示は省略するが、Ｙ軸方向に例えば７５組配列し、さらに７５組のノズル２４を１群としてＸ軸方向に２群配列することで、総数６００個のノズル２４を配列している（図２参照）。

インクを吐出する動作の駆動源となるアクチュエータ３は、ノズル２４毎に設けている。一組のノズル２４とアクチュエータ３は、一つのチャネルを構成する。各アクチュエータ３は、円環状に形成し、その中央にノズル２４が位置するように配置する。アクチュエータ３のサイズは、例えば、内径３０μｍ、外径１４０μｍである。各アクチュエータ３は、個別電極３１と夫々電気的に接続する。さらに、各アクチュエータ３は、Ｘ軸方向に並ぶ４個のアクチュエータ３を共通電極３２で電気的に接続する。各個別電極３１及び共通電極３２は、さらに実装パッド３３と夫々電気的に接続する。実装パッド３３は、後述する駆動波形を各アクチュエータ３に与える入力ポートになっている。なお、複数の個別電極３１のうち、図中の枠３１１で囲った４本の個別電極３１は、図示は省略するが図２に示したもう一方の群のアクチュエータ３に夫々接続する。X軸方向に並ぶ他の個別電極３１も同様である。変形例として、もう一方の群のアクチュエータ３用に実装パッド３３とフレキシブル基板２２を追加してもよい。この場合、同じ色のインクを吐出する構成に限らず、インクの流路を各群で切り離して、異なる色のインクを吐出するようにしてもよい。また、図３は、説明の便宜上、アクチュエータ３、個別電極３１、及び共通電極３２を実線で記載しているが、これらはノズルプレート２の内部に設けている（図４の縦断面図参照）。勿論、アクチュエータ３の位置は、ノズルプレート５の内部に限定されない。

実装パッド３３は、フレキシブル基板２２に形成した配線パターンと例えば異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Contact Film）を介して電気的に接続している。さらに、フレキシブル基板２２の配線パターンは、駆動回路２３と電気的に接続している。駆動回路２３は、例えばＩＣ（Integrated Circuit）である。駆動回路２３は、印刷する画像データに応じてインクを吐出するチャネルを選択し、選択したチャネルのアクチュエータ３に駆動波形を与える。

図４は、インクジェットヘッド１００の縦断面図である。図４に示すように、ノズル２４は、ノズルプレート２をＺ軸方向に貫通している。ノズル２４のサイズは、例えば、直径２０μｍである。基板２０の内部には、各ノズル２４に夫々連通するインク圧力室（個別圧力室）２５を設けている。インク圧力室２５は、例えば上部を開放した円柱形の空間である。各インク圧力室２５の上部は開口しており、共通インク室２６と連通している。インク流路３１１は、インク供給口２７を介して共通インク室２６と連通している。各インク圧力室２５及び共通インク室２６内は、インクで満たされている。共通インク室２６は、例えばインクを循環させる流路状に形成する場合もある。インク圧力室２５は、例えば厚さ４００μｍの単結晶シリコンウエハの基板２０に、例えば直径２００μｍの円柱形の穴を形成した構成である。インク供給部２１は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に共通インク室２６に対応する空間を形成した構成である。

図５は、ノズルプレート２の縦断面の部分拡大図である。ノズルプレート２は、底面側から保護層２８、アクチュエータ３及び振動板２９を順に積層した構造である。アクチュエータ３は、上部電極３４、薄板状の圧電体３５及び下部電極３６を積層した構造である。下部電極３６は、個別電極３１と電気的に接続し、上部電極３４は、共通電極３２と電気的に接続している。保護層２８と振動板２９の境界には、個別電極３１と共通電極３２の短絡を防ぐ絶縁層３７を介在させている。絶縁層３７は、例えば厚さ０．５μｍの二酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）で形成する。上部電極３４と共通電極３２は、絶縁層３７に形成したコンタクトホール３８によって電気的に接続している。圧電体３５は、例えば厚さ５μｍ以下のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で形成している。下部電極３６及び上部電極３４は、例えば厚さ０．１μｍの白金で形成している。個別電極３１と共通電極３２は、例えば厚さ０．３μｍの金（Ａｕ）で形成している。

振動板２９は、絶縁性無機材料で形成している。絶縁性無機材料は、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。振動板２９の厚みは、例えば２～１０μｍ、好ましくは４～６μｍである。詳しくは後述するが、振動板２９及び保護層２８は、電圧を印加した圧電体３５がｄ_３１モード変形することに伴って内側に湾曲する。そして圧電体３５への電圧の印加を止めると元に戻る。この可逆的な変形によって、インク圧力室（個別圧力室）２５の容積は、拡張及び収縮する。インク圧力室２５の容積を変えると、インク圧力室２５内のインク圧が変わる。このインク圧力室２５の容積の拡張と収縮、インク圧の変化を利用してノズル２４からインクを吐出する。

すなわち、ノズル２４、アクチュエータ３及びインク圧力室２５は、インクジェットヘッド１００のインク吐出部を構成する。

保護層２８は、例えば厚さ４μｍのポリイミドで形成している。保護層２８は、シートＳと対向するノズルプレート２の底面側の一面を覆い、さらにノズル２４の孔の内周面を覆っている。

図６は、インクジェットプリンタ１０の制御系のブロック構成図である。制御部としての制御基板１７は、ＣＰＵ１７０、ＲＯＭ１７１、ＲＡＭ１７２、入出力ポートであるＩ／Ｏポート１７３、画像メモリ１７４を搭載している。ＣＰＵ１７０は、Ｉ／Ｏポート１７３を通して、モータ２０５、インク供給圧力調整装置３２１～３２４、操作部１８、及び各種センサーを制御する。外部接続機器であるコンピュータ２００からの画像データは、Ｉ／Ｏポート１７３を通じて制御基板１７へ送信し、画像メモリ１７４に保存する。ＣＰＵ１７０は、画像メモリ１７４に保存した画像データを描画順にインクジェットヘッド１００～１０３の駆動回路２３に夫々送信する。送信するデータは、画像データに基づきドットの階調を指定する階調データを含むことができる。

駆動回路２３は、データバッファ２３１、デコーダ２３２、駆動ドライバ２３３を備えている。データバッファ２３１は、画像データをアクチュエータ３毎に時系列に保存する。デコーダ２３２は、アクチュエータ３毎に、データバッファ２３１に保存された画像データに基づいて、駆動ドライバ２３３を制御する。駆動ドライバ２３３は、デコーダ２３２の制御に基づき、各アクチュエータ３を動作させる駆動信号を出力する。駆動信号は、駆動波形に従いアクチュエータ３に印加する電圧である。

すなわち、インクジェットヘッド１００～１０３の各駆動回路２３は、各アクチュエータ３に駆動波形を与えるアクチュエータ駆動回路としての機能を夫々有する。

続いて図７を参照しながら、アクチュエータ３を駆動する駆動波形３００について説明する。図７は、インクを１回吐出する駆動波形３００を示している。駆動波形３００は、いわゆる引き打ちの駆動波形の一例である。インクを１回吐出してドットを形成する場合、駆動波形３００でアクチュエータ３を駆動する。インクを２回以上吐出してドットを形成する階調印字を行う場合、マルチドロップ駆動波形でアクチュエータ３を駆動する。マルチドロップ駆動波形の詳しい説明は後述する。

電圧Ｖ１と電圧Ｖ３を正の電圧（Ｖ１＞Ｖ３）とし、電圧Ｖ２を０Ｖとしたとき、図７に示すように、駆動波形３００は、第１電圧の一例である電圧Ｖ１をバイアス電圧としてアクチュエータ３に印加する。すなわち、個別電極３１を通じてアクチュエータ３の下部電極３６に電圧Ｖ１を印加する。アクチュエータ３の上部電極３４と接続している共通電極３２は０Ｖとする。そして、電圧Ｖ１のときよりもインク圧力室２５を拡張させる第１拡張パルスとして、第２電圧の一例である電圧Ｖ２を、個別電極３１を通じてアクチュエータ３に時間Ｔａ印加する。その後、インク圧力室２５を収縮させる第１収縮パルスとして、第３電圧の一例である電圧Ｖ３を、個別電極３１を通じてアクチュエータ３に時間Ｔａ印加する。この第１収縮パルスは、インクを吐出する収縮パルスである。さらにインク圧力室２５を収縮させる第２収縮パルスとして、第４電圧の一例である電圧Ｖ１を、個別電極３１を通じてアクチュエータ３に印加する。この第２収縮パルスは、残留振動を減衰する収縮パルスである。

駆動波形３００において第１拡張パルス－第１収縮パルスは、インクを吐出する「吐出パルス部」を構成する。すなわち、吐出パルス部は、インク圧力室２５を拡張させた後、インク圧力室２５を完全にではなく途中まで収縮させてインクの液滴を吐出するＤＤ駆動波形を含む（ＤＤ；Draw-Draw）。

第２収縮パルスの電圧Ｖ１を時間Ｔａ印加した後、駆動波形３００は、インク圧力室２５を拡張させる第２拡張パルスとして、第５電圧の一例である電圧Ｖ３を、個別電極３１を通じてアクチュエータ３に時間Ｔａ印加する。その後、インク圧力室２５を収縮させる第１電圧と同じ電圧Ｖ１を、個別電極３１を通じてアクチュエータ３に印加する。この電圧Ｖ１は、次の第１拡張パルスまでのバイアス電圧として印加することができる。そして次のインクを吐出する駆動周期においても同じ駆動波形３００でアクチュエータ３を駆動する。

駆動波形３００において第２収縮パルス－第２拡張パルスは、吐出パルス部の第１収縮パルスに続いて残留振動を減衰する「キャンセルパルス部」を構成する。このように駆動波形３００は、吐出パルス部とキャンセルパルス部が合わさってＤＤＲＤ駆動波形を形成している（ＤＤＲＤ；ＤＤ；Draw-Draw-Release-Draw）。

各電圧Ｖ１～Ｖ３の大きさは、Ｖ１＞Ｖ３＞Ｖ２である。駆動波形３００は、吐出パルス部における電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の電位差Δ_{Ｖ２－Ｖ３}を、同じく吐出パルス部における電圧Ｖ３と電圧Ｖ１の電位差Δ_{Ｖ３－Ｖ１}よりも大きくしている（Δ_{Ｖ２－Ｖ３}＞Δ_{Ｖ３－Ｖ１}）。好ましくは、Δ_{Ｖ２－Ｖ３}とΔ_{Ｖ３－Ｖ１}の比率を６：４～８：２の範囲内とする。より好ましくは、Δ_{Ｖ２－Ｖ３}とΔ_{Ｖ３－Ｖ１}の比率を７：３とする（電位差Δ_Ｖ1－Ｖ2を1としたときは、Δ_{Ｖ２－Ｖ３}：Δ_{Ｖ３－Ｖ１}＝０．７：０．３）。各電圧Ｖ１～Ｖ３の値は、一例として、電圧Ｖ１＝２４Ｖ、電圧Ｖ３＝１６．８Ｖ、電圧Ｖ２＝０Ｖとする。一連の動作中、共通電極３２の電圧は、０Ｖで一定とする。Δ_{Ｖ２－Ｖ３}とΔ_{Ｖ３－Ｖ１}の比率は７：３である（Δ_{Ｖ２－Ｖ３}＝１６．８Ｖ、Δ_{Ｖ３－Ｖ１}＝７．２Ｖ）。

各パルス幅（すなわち時間Ｔａ）は、インク圧力室２５及びノズル２４にインクが充填された状態でのアクチュエータ３の１次固有振動周期λの半周期（λ／２）とするのが好ましい。固有振動周期λは、例えばインクを満たした状態でアクチュエータ３のインピーダンスの変化を検出することによって測定することができる。インピーダンスの検出は、例えばインピーダンスアナライザを用いる。固有振動周期λを測定する他の方法として、駆動回路２３からステップ波形などの電気信号をアクチュエータ３に入力し、レーザードップラー振動計でアクチェータ３の振動を測定してもよい。また、コンピュータを用いたシミュレーションによって演算により求めてもよい。変形例として、各パルス幅の時間Ｔａは、λ／２の倍数としてもよく、λ／２よりも短い時間であってもよい。さらに、各パルス幅の時間Ｔａは、互いに異なっていてもよい。λ／２は、ＡＬ（Acoustic Length）と称されることもある。

なお、図７の例では、電圧Ｖ１と電圧Ｖ３を正の電圧（Ｖ１＞Ｖ３）とし、電圧Ｖ２を０Ｖとしたが、これに限らない。変形例として、例えば電圧Ｖ１と電圧Ｖ３を正の電圧、電圧Ｖ２を負の電圧としてもよい。この場合、電圧Ｖ２は、圧電体３５の分極反転電圧以上の負の電圧とする。一例として、電圧Ｖ１／Ｖ３／Ｖ２＝１７Ｖ／９．８Ｖ／－７Ｖとする。

図８は、図７の駆動波形３００でアクチュエータ３を駆動させたときのインク吐出動作を模式的に示している。なお、符号Ｍは、インクのメニスカスを示している。図８（ａ）の待機状態においてバイアス電圧Ｖ１を印加すると、圧電体３５の厚さ方向に電界が生じ、圧電体３５にｄ_３１モードの変形が生じる。具体的には、円環状の圧電体３５は、厚さ方向に伸び、径方向に縮む。この圧電体３５の変形によって振動板２９に曲げ応力が生じて、図８（ｂ）に示すようにアクチュエータ３は内側に湾曲する。すなわち、アクチュエータ３は、ノズル２４を中心とした窪地となるように変形し、インク圧力室２５の容積が収縮する。

続いて、第１拡張パルスの電圧Ｖ２を印加すると、アクチュエータ３は、図８（ｃ）に示すように変形前の状態に戻る。このときインク圧力室２５内では、容積が元の状態にまで拡張することで内部のインク圧が低下するが、そこに共通インク室２６からのインクが流れ込んでインク圧が上昇していく。その後、インク圧力室２５へのインク供給が止まり、インク圧力の上昇も止まる。すなわち、いわゆる引きの状態となる。

続いて、第１収縮パルスの電圧Ｖ３を印加すると、図８（ｄ）に示すようにアクチュエータ３の圧電体３５が変形してインク圧力室２５の容積が収縮する。前述したようにインク圧力室２５内のインク圧は上昇している。そこでインク圧力室２５の容積を収縮させてインク圧を高めることによって、インクをノズル２４から吐出する。続くキャンセルパルス部において第２収縮パルスの電圧Ｖ１を印加すると、図８（ｅ）に示すようにインク圧力室２５の容積がさらに収縮する。すなわち、インクを吐出すると、インク圧力室２５内のインク圧は低下し、インク圧力室２５内にはインクの振動が残留している。そこでインク圧力室２５の容積をさらに収縮させることによって残留振動を減衰させている。

さらにキャンセルパルス部において、第２拡張パルスの電圧Ｖ３を印加すると、図８（ｆ）に示すようにアクチュエータ３の圧電体３５の変形量が電圧Ｖ１のときより小さくなり、その分、インク圧力室２５の容積が拡張する。このキャンセルパルス部によって、残留振動を減衰させる。続いて第３収縮パルスの電圧Ｖ１を印加すると、図８（ｇ）に示すようにインク圧力室２５の容積が収縮する。すなわち、図８（ｂ）と同じ状態になる。

ここで、既述のようにＤＤ駆動波形にはインクのミスト化の問題がある。図９は、実際に行ったインク吐出試験の結果を示している。図９は、試験に用いた駆動波形と、インク吐出動作時におけるインクの流速の変化と、インクのメニスカスＭの位置の変化を併せて示している。なお、インクの流速は、インク圧力室２５に流入する方向を負の値、インク圧力室２５から流出する方向を正の値で示している。メニスカスの位置は、例えば図８（ａ）の初期状態でのメニスカスＭの位置を基準とし、吐出方向への変化を正の値、内側方向への変化を負の値で示している。

比較例１のＤＤ駆動波形は、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の電位差Δ_{Ｖ２－Ｖ３}を、電圧Ｖ３と電圧Ｖ１の電位差Δ_{Ｖ３－Ｖ１}よりも小さくしている（電位差Δ_Ｖ1－Ｖ2を1としたとき、Δ_{Ｖ２－Ｖ３}：Δ_{Ｖ３－Ｖ１}＝０．２５：０．７５）。この場合、インクを吐出する際に先頭滴のインクがミスト化し易い。図１０は、先頭滴のインクがミスト化した状態を模式的に表したものである。比較例１の駆動波形がミスト化し易い理由は、図９に示したメニスカスＭの位置の変化から分かるように、インクの液滴を吐出させる際に、圧力振動で自然にノズル面から出っ張るメニスカスＭが形成されないことにあると推察している（丸枠で囲った部分）。

他方、比較例２のようにＤＤ駆動波形でない場合、先頭滴のミスト化は起き難い。しかし、ＤＤ駆動波形でない場合は、使用するインクジェットヘッド１００～１０３の固有振動周期λの半周期（λ／２）が、最適λ／２からずれると、インク吐出後の残留振動が大きくなってしまう別の問題がある。図１１は、最適λ／２からのずれに伴う残留振動の大きさを示している。図１１の結果から分かるように、比較例２のようにＤＤ駆動波形でない場合、最適λ／２からのずれに伴い残留振動が大きくなる。残留振動が大きいと、次のインクの吐出状態に影響したり、他のチャネルとの間でクロストークが発生したりする。

通常、駆動波形は、インクジェットヘッド１００～１０３の構造やサイズなどに基づく最適λ／２を時間Ｔａに設定する。最適λ／２の一例は、２．５μｓである。しかしながら、ヘッドの制作精度の限界などの理由で、実際の固有振動周期λの半周期（λ／２）が、最適λ／２からずれることがある。図１のインクジェットヘッドプリンタ１０も同じ形状及び同じサイズの複数のインクジェットヘッド１００～１０３を備えているが、固有振動周期λが全く同じであるとは限らない。

これに対し、駆動波形３００を用いた実施例は、吐出パルス部における電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の電位差Δ_{Ｖ２－Ｖ３}を、電圧Ｖ３と電圧Ｖ１の電位差Δ_{Ｖ３－Ｖ１}よりも大きくしたことによって（電位差Δ_Ｖ1－Ｖ2を1としたとき、Δ_{Ｖ２－Ｖ３}：Δ_{Ｖ３－Ｖ１}＝０．７５：０．２５）、ミスト化を防止できたことを確認している。ミスト化を防止できた理由は、図９に示したメニスカスの位置の変化から分かるように、インクの液滴を吐出させる際に、圧力振動で自然にノズル面から出っ張るメニスカスＭを形成できたからと推察する。

このように駆動波形３００は、吐出パルス部における電位差Δ_{Ｖ２－Ｖ３}を大きくしたことでミスト化を防止できたが、電位差Δ_{Ｖ３－Ｖ１}が小さくなった分、第２収縮パルスの残留振動減衰効果が弱まるので、ＤＤＲＤ駆動波形にして残留振動を減衰させている。しかも駆動波形３００は、図１１に示すように、インクジェットヘッド１００～１０３の固有振動周期λの半周期（λ／２）が、最適λ／２からずれても残留振動が比較例２のように大きくはならない。すなわち、駆動波形３００は、図１１の比較表にまとめたように、ミスト化防止と残留振動安定性という両方の利点をバランス良く備えている。そしてΔ_{Ｖ２－Ｖ３}とΔ_{Ｖ３－Ｖ１}の比率を７：３（電位差Δ_Ｖ1－Ｖ2を1としたときは、Δ_{Ｖ２－Ｖ３}：Δ_{Ｖ３－Ｖ１}＝０．７：０．３）にすることは、ＤＤＲＤ駆動波形に必要な最小数の電圧Ｖ１～Ｖ３で波形を形成することができ、且つ、ミスト化防止と残留振動安定性の効果がバランスよく得られる最適ポイントを選定していると言える。

なお、図７の例では、ＤＤＲＤ駆動波形に必要な最小数の３つの電圧Ｖ１～Ｖ３で波形を形成することによって、回路構成が複雑になるのを防いでいる。但し、電圧の数に制限はなく、４以上の電圧で駆動波形３００を構成してもよい。一例として、第４電圧を電圧Ｖ１よりも低くするか反対に電圧Ｖ１よりも高くする。他の例として、第５電圧を電圧Ｖ３よりも低くするか反対に電圧Ｖ３よりも高くする。

（第２実施形態）
続いて第２実施形態に従うインクジェットヘッド１００～１０３について説明する。本実施形態では、階調印字を行うマルチドロップ駆動波形について詳述する。駆動波形以外のインクジェットヘッド１００～１０３の構成は、第１実施形態と同じであるため詳しい説明は省略する。

図１２は、2ドロップ～４ドロップのマルチドロップ駆動波形を夫々示す。インクを２回吐出して２階調印字を行うマルチドロップ駆動波形（２Ｄｒｏｐ）は、１ドロップ目の吐出パルスと、２ドロップ目の吐出パルスを備える。マルチドロップ駆動波形（２Ｄｒｏｐ）は、バイアス電圧として電圧Ｖ１をアクチュエータ３に印加する。そして、拡張パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ２を時間０．６Ｔａ印加する。その後、収縮パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ３を時間Ｔａ印加し、１ドロップ目のインクを吐出する。すなわち、電圧Ｖ３の印加時間を調整したことを除いて第１実施形態の吐出パルス部と同様である。さらに収縮パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ１を印加し、残留振動を減衰させる。

２ドロップ目の吐出パルスは、図７に示した駆動波形３００の吐出パルス部と同じである。さらに、吐出パルスに続くキャンセルパルスも図７に示した駆動波形３００のキャンセルパルス部と同じである。従って、詳しい説明は省略する。マルチドロップ駆動波形（２Ｄｒｏｐ）は、１ドロップ目及び２ドロップ目共に、インクを吐出する収縮パルスでの電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の電位差Δ_{Ｖ２－Ｖ３}を、電圧Ｖ３と電圧Ｖ１の電位差Δ_{Ｖ３－Ｖ１}よりも大きくしている（Δ_{Ｖ２－Ｖ３}＞Δ_{Ｖ３－Ｖ１}）。

なお、１ドロップ目と２ドロップ目の間には、中間タイムＴｍを設ける。中間タイムＴｍは、例えば２Ｔａである。また、１ドロップ目の拡張パルスのパルス幅を０．６Ｔａ、２ドロップ目の拡張パルスのパルス幅をＴａに設定したことによって、２ドロップ目のインクの吐出速度を高めている。時間Ｔａをλ／２とした場合は、１ドロップ目の拡張パルスのパルス幅は０．６λ／２、２ドロップ目の拡張パルスのパルス幅はλ／２、中間タイムＴｍはλである。最終滴のインクの吐出速度を高めると共に、中間タイムＴｍを設けるようにすると、インクのサテライトが発生するのを抑えることができる。

インクを３回ドロップして３階調以上の印字を行うマルチドロップ駆動波形（３Ｄｒｏｐ）は、１ドロップ目の吐出パルス、２ドロップ目の吐出パルス、及び３ドロップ目の吐出パルスを備える。マルチドロップ駆動波形（３Ｄｒｏｐ）は、バイアス電圧として電圧Ｖ１をアクチュエータ３に印加する。そして、拡張パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ２を時間０．６Ｔａ印加する。その後、収縮パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ３を印加し、１ドロップ目のインクを吐出する。すなわち、電圧Ｖ３の印加時間を調整したことを除いて第１実施形態の吐出パルス部と同様である。続いて、拡張パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ２を時間０．３Ｔａ印加する。その後、収縮パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ３を印加し、２ドロップ目のインクを吐出する。さらに収縮パルスとしてアクチュエータ３に電圧Ｖ１を印加し、残留振動を減衰させる。

３ドロップ目の吐出パルスは、図７に示した駆動波形３００の吐出パルス部と同じである。さらに、吐出パルスに続くキャンセルパルスも図７に示した駆動波形３００のキャンセルパルス部と同じである。従って、詳しい説明は省略する。マルチドロップ駆動波形（３Ｄｒｏｐ）は、１ドロップ目～３ドロップ目のすべてで、インクを吐出する収縮パルスでの電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の電位差Δ_{Ｖ２－Ｖ３}を、電圧Ｖ３と電圧Ｖ１の電位差Δ_{Ｖ３－Ｖ１}よりも大きくしている（Δ_{Ｖ２－Ｖ３}＞Δ_{Ｖ３－Ｖ１}）。

なお、２ドロップ目と３ドロップ目の間には、中間タイムＴｍを設ける。中間タイムＴｍは、例えば２Ｔａである。また、１ドロップ目の拡張パルスのパルス幅を０．６Ｔａ、２ドロップ目の拡張パルスのパルス幅を０．３Ｔａ、３ドロップ目の拡張パルスのパルス幅をＴａに設定したことによって、最終滴の３ドロップ目のインクの吐出速度を高めている。時間Ｔａをλ／２とした場合は、１ドロップ目の拡張パルスのパルス幅は０．６λ／２、２ドロップ目の拡張パルスのパルス幅は０．３λ／２、３ドロップ目の拡張パルスのパルス幅はλ／２、中間タイムＴｍはλである。最終滴のインクの吐出速度を高めると共に、中間タイムＴｍを設けるようにすると、インクのサテライトが発生するのを抑えることができる。１ドロップ目の拡張パルスと２ドロップ目の拡張パルスの間隔は、互いに中間点の間が時間Ｔａとなるようにする。

マルチドロップ駆動波形（４Ｄｒｏｐ）も、マルチドロップ駆動波形（３Ｄｒｏｐ）と同様の構成である。図示は省略するが、インクを５回以上吐出するマルチドロップ駆動波形も同様に構成することができる。なお、図１２に示す一連のマルチドロップ駆動波形を用いる場合、インクを１回吐出する駆動波形についても、拡張パルスの幅を０．６Ｔａにしてインクの吐出状態を揃えるようにしてもよい。

上述の第１～第２実施形態は、個別電極３１を通じてアクチュエータ３の下部電極３６に駆動信号を与える構成である（図５参照）。すなわち、電圧印加方向が、圧電体３５の圧電膜分極方向（すなわち、下部電極３６から上部電極３４に向かう方向）と一致する。変形例として、駆動信号は、アクチュエータ３の上部電極３４に与えるようにしてもよい。すなわち、電圧印加方向が、圧電体３５の圧電膜分極方向（すなわち、下部電極３６から上部電極３４に向かう方向）とは一致しない構成である。この場合、図１３に示すように、駆動波形３０１は、駆動波形３００を上下反転させた波形とする。マルチドロップ波形も同様である。

上述のいずれかの実施形態によれば、インクを吐出する際にミスト化するのを抑えることのできるインクジェットヘッドを提供することができる。

なお、インクジェットヘッド１００～１０３は、アクチュエータ３とノズル２４の両方を、ノズルプレート２の面上に配置してなくともよい。例えば、例えばドロップオンデマンド・ピエゾ方式、シェアウォールタイプ、シェアモードタイプのいずれかの駆動方式のアクチュエータを備えたインクジェットヘッドであってもよい。

本発明の実施形態は、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。これらの新規な実施形態は、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。これらの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。

１０インクジェットプリンタ
１００～１０３インクジェットヘッド
２ノズルプレート
２３駆動回路
２４ノズル
２５インク圧力室
３アクチュエータ
３００駆動波形

Claims

インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通するインク圧力室、及び前記インク圧力室の容積を変えるアクチュエータを備えるインク吐出部と、
第１電圧から該第１電圧よりも前記インク圧力室を拡張させる第２電圧に変化した後、前記第２電圧と前記第１電圧の間の電位で前記インク圧力室を収縮させる第３電圧に変化して前記ノズルからインクを吐出する吐出パルス部を含み、且つ、前記第２電圧と前記第３電圧の電位差が前記第３電圧と前記第１電圧の電位差より大きい駆動波形の駆動信号を、前記アクチュエータに与えるアクチュエータ駆動回路と、を備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記駆動波形は、前記吐出パルス部に続いて、前記インク圧力室を収縮させる第４電圧に変化し、前記第４電圧から該第４電圧よりも前記インク圧力室を拡張させる第５電圧に変化するキャンセルパルス部を含むことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
前記吐出パルス部の前記第３電圧と前記キャンセルパルス部の前記第５電圧を、同じ電圧値にしたことを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
前記駆動波形は、１ドロップ目から最終滴のｎドロップ目のいずれかの吐出に前記吐出パルス部を割り当てたマルチドロップ駆動波形（ｎ≧２）であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
前記第２電圧と前記第３電圧の電位差と、前記第３電圧と前記第１電圧の電位差の比率は、７：３であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。