JP2024031599A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】インクの吐出安定性と吐出可能な駆動電圧範囲を確保できる液体吐出ヘッドを提供すること。【解決手段】実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する電気信号を生成する駆動回路と、を備え、前記駆動回路が出力する駆動波形は、中間電圧から圧力室の容積を拡大させる第１拡張要素と、第１拡張要素による拡張後に圧力室の容積を縮小させてノズルからインクを吐出させる第１収縮要素と、前記圧力室にインクが充填された状態での固有振動の半周期をＡＬとして第１収縮要素印加後の０．５～２ＡＬ以内に、圧力室の容積を拡大させる第２拡張要素と、前記第２拡張要素の後に圧力室の容積を縮小させる第２収縮要素と、前記第１収縮要素印加後の２ＡＬ以上のタイミングであって前記第２収縮要素後に、圧力室の容積を拡大させる中間電圧に戻す第３拡張要素と、を有する。【選択図】 図７

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッドに関する。

近年、インクジェットプリンタなどの液体吐出装置において、高画質、高解像度、高生産性、液滴量増加等の様々な印字性能が求められている。

例えば液体吐出ヘッドとして、複数のノズルと、これらのノズルの各々に対応して設けられインクが満たされる複数の圧力室と、これらの圧力室に対応する複数の圧電部と、前記圧電部に印加する駆動信号発生部と、を有する構成が知られている。

例えば、駆動信号発生部は、圧力室内の固有振動周期λの半分の時間（ＡＬ）、圧力室を拡張させる第１の波形と、この第１の波形に続き圧力室内の固有振動周期λの半分以下の時間、圧力室を収縮及び拡張を繰り返す第２の波形と、この第２の波形に続き圧力室内の圧力室を収縮させる第３の波形と、を有する駆動波形として、第２波形の収縮及び拡張時間と第３の収縮時間を調整することで、ノズルの面から吐出するインクの流速がゼロとなるように調整する。

このような駆動波形で高粘度インク滴を吐出させる場合、圧電素子の振動パワー不足によりインク滴が吐出できないことがある。また、高粘度吐出ではインク滴の尾部が長くなる傾向があり、吐出後のメニスカスが復帰しにくいことがある。このような場合、吐出可能な駆動電圧範囲が狭められる。

そこで、インクの吐出安定性と吐出可能な駆動電圧範囲を確保できる液体吐出ヘッドが求められる。

特開２０１５－８９６４５号公報

本発明が解決しようとする課題は、インクの吐出安定性と吐出可能な駆動電圧範囲を確保できる液体吐出ヘッドを提供することである。

実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する電気信号を生成する駆動回路と、を備え、前記駆動回路が出力する駆動波形は、中間電圧から圧力室の容積を拡大させる第１拡張要素と、第１拡張要素による拡張後に圧力室の容積を縮小させてノズルからインクを吐出させる第１収縮要素と、前記圧力室にインクが充填された状態での固有振動の半周期をＡＬとして第１収縮要素印加後の０．５～２ＡＬ以内に、圧力室の容積を拡大させる第２拡張要素と、前記第２拡張要素の後に圧力室の容積を縮小させる第２収縮要素と、前記第１収縮要素印加後の２ＡＬ以上のタイミングであって前記第２収縮要素後に、圧力室の容積を拡大させる中間電圧に戻す第３拡張要素と、を有する。

第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成を示す斜視図。 同液体吐出ヘッドのヘッド本体の構成を示す平面図。 同液体吐出ヘッド本体の断面図。 同液体吐出ヘッド本体の断面図。 液体吐出装置の構成を示す説明図。 同液体吐出ヘッドのノズルにおける液体の状態を示す説明図。 実施例１及び比較例１の駆動波形を示す説明図。 同実施形態の駆動波形と液体の状態の対応を示す説明図。 実施例１の駆動波形とノズルにおける液体の状態を示す説明図。 実施例１と比較例１の吐出特性を示す説明図。 実施例２の駆動波形を示す説明図。

以下に、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッド１及び液体吐出ヘッド１を用いた液体吐出装置２について、図１乃至図１１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッド１の構成を示す斜視図である。図２は、液体吐出ヘッド１のヘッド本体１１の構成を示す平面図、図３は液体吐出ヘッド１の構成を示す断面図であり、図２のＡ－Ａ断面を示す。図４は液体吐出ヘッド１の構成を示す断面図であり、図３のＢ－Ｂ断面を示す。
図５は、液体吐出ヘッド１を用いた液体吐出装置２の構成を示す説明図である。なお、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

液体吐出ヘッド１は、例えば、図５に示すインクジェット記録装置などの液体吐出装置２に設けられるシェアモードシェアードウォール式のインクジェットヘッドである。液体吐出ヘッド１は、例えば液体吐出装置２に設けられた液体収容部としての供給タンク２１３２を含むヘッドユニット２１３０に設けられる。

液体吐出ヘッド１は、供給タンク２１３２に貯留された液体としてのインクが供給される。なお、液体吐出ヘッド１は、インクを循環させない非循環式のヘッドであってもよく、また、インクを循環させる循環式のヘッドであってもよい。本実施形態において、液体吐出ヘッド１は、非循環式のヘッドの例を用いて説明する。

図１乃至図４に示すように、液体吐出ヘッド１は、ヘッド本体１１と、マニフォールドユニット１２と、駆動回路１３と、を備える。

ヘッド本体１１は、液体を吐出する。ヘッド本体１１は、基板１１１と、枠体１１２と、圧電部材で構成され複数の圧力室１１３１を有するアクチュエータとしての圧電体１１３と、ノズルプレート１１４と、を備える。

ヘッド本体１１は、圧電体１１３の複数の圧力室１１３１と連通する共通液室１１６を有する。複数の圧力室１１３１の一次側とは、液体の流れる方向における複数の圧力室１１３１の上流側である。複数の圧力室１１３１の二次側とは、液体の流れる方向における複数の圧力室１１３１の下流側である。

本実施形態の例においては、ヘッド本体１１が圧電体１１３を２つ有し、共通液室１１６は、１つの第１共通液室１１６１、及び、２つの第２共通液室１１６２を有する例を用いて説明する。共通液室１１６は、例えば、圧電体１１３の複数の圧力室１１３１の一次側の開口（圧力室１１３１の入口）と連通する第１共通液室１１６１と、圧電体１１３の複数の圧力室１１３１の二次側の開口（圧力室１１３１の出口）と連通する第２共通液室１１６２と、を有する。

基板１１１は、例えばセラミックス材料により一方向に長い板状に形成される。基板１１１には、電極１１９が形成されている。基板１１１の電極１１９は、例えばニッケル薄膜によって形成される。電極１１９は、圧電体１１３に形成される電極１１８と接続される所定のパターン形状を有する。例えば電極１１９は、圧電体１１３の電極１１８と同時に一体に形成される。

基板１１１の短手方向に並んで一対の圧電体１１３が設けられる。基板１１１は、複数の供給口１１１１と、複数の排出口１１１３と、を有する。供給口１１１１及び排出口１１１３は、基板１１１の両主面間を貫通する貫通孔である。

供給口１１１１は、インクを第１共通液室１１６１に供給する入口である。供給口１１１１は、基板１１１の短手方向の中央に形成される貫通孔である。複数の供給口１１１１は、基板１１１の長手方向に沿って並んで配置される。供給口１１１１は、一対の圧電体１１３の間に設けられ、第１共通液室１１６１と対向する位置に開口する。

排出口１１１３は、インクを第２共通液室１１６２から排出する出口である。排出口１１１３は、基板１１１の短手方向の両端部に形成される貫通孔である。例えば、２つの２共通液室１１６２に対向する位置にそれぞれ複数個の排出口１１１３が基板１１１の長手方向に沿って並んで配置される。

枠体１１２は、基板１１１の一方の主面に接着剤等により固定される。枠体１１２は、基板１１１に設けられた複数の供給口１１１１、複数の排出口１１１３、及び、圧電体１１３を囲む。

例えば、枠体１１２は、矩形枠状に形成されることで、枠体１１２の長手方向に沿って一方向に長い開口を形成する。枠体１１２の開口には、一対の圧電体１１３、複数の供給口１１１１及び複数の排出口１１１３が配置される。

一対の圧電体１１３は、基板１１１の一方の主面に接着される。一対の圧電体１１３は供給口１１１１を挟んで二列に並んで基板１１１に設けられる。圧電体１１３は、例えば、極性が逆向きの２枚の圧電部材が積層されて接着により接合される。圧電体１１３は、一方向に長い板状に形成される。圧電体１１３は、枠体１１２の開口内に配置され、基板１１１の主面に接着される。

圧電体１１３は、例えば、短手方向の幅が、頂部側から基板１１１側に向かって漸次大きくなる。圧電体１１３の長手方向に直交する方向（短手方向）に沿った断面の断面形状は、台形状に形成される。即ち、圧電体１１３は、短手方向の側面部に傾斜する傾斜面を有する。

図３に示すように、圧電体１１３は、長手方向の中央側に、長手方向に等間隔に配置された複数の圧力室１１３１を有する。換言すると、圧電体１１３には、長手方向に沿って、複数の圧力室１１３１が配置される。

圧電体１１３は、基板１１１と反対側の面である頂面部においてノズルプレート１１４に接着される。圧電体１１３は、長手方向に直交する方向に沿う複数の長溝１１３５が形成される。複数の長溝１１３５は、長手方向に等間隔に並んで配置され、複数の圧力室１１３１を形成する。換言すると、圧電体１１３は、長手方向に等間隔に並んで配置された、間に長溝１１３５を形成する壁を構成する圧電素子としての複数の圧電柱１１３３を有する。複数の圧電柱１１３３は、隣り合う圧電柱１１３３の間に複数の圧力室１１３１を形成する。

圧力室１１３１は、入口が第１共通液室１１６１に開口し、出口が第２共通液室１１６２に開口する。圧力室１１３１は、第１共通液室１１６１に連通する入口からインクが流入し、第２共通液室１１６２に連通する出口からインクが流出する。なお、圧力室１１３１の両側の開口を入口及び出口として説明したが、両開口からインクが流入する構成であってもよい。

複数の圧力室１１３１の内壁面、すなわち各圧電柱１１３３の表面には、電極１１８がそれぞれ形成される。電極１１８は、例えば、各圧電柱１１３３の両側の側面である圧力室１１３１の内側面や長溝１１３５の底面に形成される。電極１１８は、複数の圧電柱１１３３に個別に駆動電圧を印加する。例えば電極１１８は、各圧力室１１３１を個別に変形させる個別電極や、複数の圧力室１１３１に共通して形成される共通電極である。

電極１１８は、例えば駆動回路１３に接続される。例えば、電極１１８は、基板１１１上の電極１１９により駆動回路１３の後述するドライバを介して、駆動部としての制御部２１１８に接続される。すなわち、圧電体１１３は、プロセッサ２０１による制御によって駆動制御可能に構成される。

圧電体１１３は、各圧力室１１３１に形成される電極１１８に駆動電圧が印加されることで、圧力室１１３１の容積を変化させる。すなわち、圧電体１１３は、電気信号に応じて圧力室１１３１の容積を増減させる。

具体的には、圧電体１１３は、液体吐出ヘッド１による印字等の動作時に、電極１１８に電圧が印加されて圧電柱１１３３が変形することで、インクをノズル１１４１から噴射させる。

ノズルプレート１１４は、板状に形成される。ノズルプレート１１４は、枠体１１２の基板１１１とは反対側の主面に接着剤等により固定される。ノズルプレート１１４は、複数の圧力室１１３１と対向する位置に形成された複数のノズル１１４１を有する。本実施形態において、ノズルプレート１１４には、所定のパターンでノズル１１４１が配列される。例えばノズルプレート１１４には所定のパターンで配列されるノズル列が２列形成される。

第１共通液室１１６１は、一対の圧電体１１３の両端部を除く中央側の間に形成され、供給口１１１１から各圧電体１１３の複数の圧力室１１３１の一次側の開口（入口）へのインクの流路を構成する。第１共通液室１１６１は、圧電体１１３の長手方向に沿って延びる。

第２共通液室１１６２は、各圧電体１１３と枠体１１２との間にそれぞれ形成される。第２共通液室１１６２は、複数の圧力室１１３１の二次側の開口（出口）から排出口１１１３へのインクの流路を形成する。第２共通液室１１６２は、圧電体１１３の長手方向に沿って延びる。

図１に示すように、マニフォールドユニット１２は、マニフォールド１２１と、インク供給管１２３と、インク排出管１２４と、を備える。なお、インク供給管１２３、インク排出管１２４の数は適宜設定できる。

マニフォールド１２１は、板状又はブロック状に形成される。マニフォールド１２１は、基板１１１の供給口１１１１と連続し、液体供給流路を形成する供給流路と、基板１１１の排出口１１１３と連続し、液体排出流路を形成する排出流路と、を備える。

マニフォールド１２１の一方の主面は、基板１１１の主面に固定される。また、マニフォールド１２１には、例えば、インク供給管１２３、インク排出管１２４が固定される。

供給流路は、孔や溝によってマニフォールド１２１に形成される流路である。供給流路は、インク供給管１２３及び基板１１１の供給口１１１１を流体的に接続する。

排出流路は、孔や溝によってマニフォールド１２１に形成される流路である。排出流路は、インク排出管１２４及び基板１１１の排出口１１１３を流体的に接続する。

インク供給管１２３は、供給流路に接続される。インク排出管１２４は、排出流路に接続される。

駆動回路１３は、一端が基板１１１に接続される配線フィルム１３１と、配線フィルム１３１に搭載されたドライバＩＣ１３２と、配線フィルム１３１の他端に実装されたプリント配線基板１３３と、を備える。例えば本実施形態において駆動回路１３は、配線フィルム１３１及びドライバＩＣ１３２をそれぞれ２つ備える。

駆動回路１３は、ドライバＩＣ１３２により駆動電圧を圧電体１１３の電極１１８に印加することで圧電体１１３を駆動し、圧力室１１３１の容積を増減させて、ノズル１１４１から液滴を吐出させる。本実施形態において、駆動回路１３は、例えば各圧力室１１３１を２つおきに３つの組に分けて分割駆動する、いわゆる３分割駆動により圧電体１１３を駆動する。

配線フィルム１３１は、基板１１１上の電極１１９に接続される。例えば、配線フィルム１３１は、基板１１１の接続部に熱圧着等により固定されるＡＣＦ（異方導電性フィルム）である。接続される配線フィルム１３１は、例えば、一つのヘッド本体１１に対して複数設けられる。本実施形態においては、配線フィルム１３１は、１つの圧電体１１３に２つ連結される。配線フィルム１３１は、例えば、ドライバＩＣ１３２が実装されたＣＯＦ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｆｉｌｍ）である。

ドライバＩＣ１３２は、配線フィルム１３１を介して電極１１８に接続される。なお、ドライバＩＣ１３２は、配線フィルム１３１ではなく、ＡＣＰ（異方導電ペースト）、ＮＣＦ（非導電性フィルム）、及びＮＣＰ（非導電性ペースト）のような他の手段によって、電極１１８に接続されても良い。

ドライバＩＣ１３２は、各駆動素子となる圧電柱１１３３を動作させるための制御信号及び駆動信号を生成する。ドライバＩＣ１３２は、液体吐出装置２の制御部２１１８から入力された画像信号に従い、インクを吐出させるタイミング及びインクを吐出させる圧電柱１１３３を選択するなどの制御のための制御信号を生成する。また、ドライバＩＣ１３２は、制御信号に従って圧電柱１１３３に印加する電圧、すなわち駆動信号（電気信号）を生成する。ドライバＩＣ１３２が圧電柱１１３３に駆動信号を印加すると、圧電柱１１３３は圧力室１１３１の容積を変化させるように駆動する。これにより、圧力室１１３１に充填されたインクが圧力室１１３１に連通するノズル１１４１から吐出する。

例えば、ドライバＩＣ１３２は、データバッファ、デコーダ、ドライバを備えている。データバッファは、印字データを圧電柱１１３３毎に時系列に保存する。デコーダは、圧電柱１１３３毎に、データバッファに保存された印字データに基づいて、ドライバを制御する。ドライバは、デコーダの制御に基づき、各圧電柱１１３３を動作させる駆動信号を出力する。駆動信号は、各圧電柱１１３３に印加する電圧である。

プリント配線基板１３３は、各種電子部品やコネクタが搭載されたＰＷＡ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｗｉｒｉｎｇ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）である。

さらに液体吐出ヘッド１は、ヘッド本体１１のノズルプレート１１４側の一部を覆うマスクプレートを備えてもよい。例えばマスクプレートは、一対のヘッド本体１１のうち、複数のノズル１１４１及びノズルプレート１１４の複数のノズル１１４１の周囲を除く部位を覆う。

以上のように構成された液体吐出ヘッド１において駆動時に圧力室１１３１の容積が拡張または収縮された場合、圧力室１１３１内に圧力振動が発生する。この圧力振動により、圧力室１１３１内の圧力が高まり、圧力室１１３１に連通するノズル１１４１からインク滴が吐出する。例えば液体吐出装置２の制御部２１１８から入力された信号によって、ドライバＩＣ１３２が電極１１９を介して圧力室１１３１の電極１１８に駆動電圧を印加することにより、複数の圧電柱１１３３に電位差を生じさせることで、圧電柱１１３３を選択的にシェアモード変形させ、圧力室１１３１の容積を変化させる。例えば拡張要素となる電位を印加すると、圧電柱１１３３がシェアモード変形することにより、当該電極１１８が設けられた圧力室１１３１の容積が増加し、圧力が減少する。これにより、当該圧力室１１３１に共通液室１１６のインクが流入する。そして圧力室１１３１の容積が増加した状態で、ドライバＩＣ１３２が圧電柱１１３３の電極１１８に逆電位の駆動電圧を印加する。これにより、圧電柱１１３３がシェアモード変形して圧力室１１３１の容積が減少し、圧力が増加する。このため、圧力室１１３１の中のインクが加圧され、ノズル１１４１から吐出される。

例えば液体吐出ヘッド１において各圧力室１１３１をｎ（ｎは２以上の整数）個おきに（ｎ＋１）個のグループに分割して駆動する。本実施形態では、各圧力室１１３１を２つおきに３つの組に分けて分割駆動する、いわゆる３分割駆動の場合を例示する。なお、３分割駆動はあくまでも一例であり、４分割駆動または５分割駆動などであってもよい。

以下、液体吐出ヘッド１を有する液体吐出装置２について、図５を参照して説明する。液体吐出装置２は、筐体２１１１と、媒体供給部２１１２と、画像形成部２１１３と、媒体排出部２１１４と、支持装置である搬送装置２１１５と、メンテナンス装置２１１７と、制御部２１１８と、を備える。

また、液体吐出装置２は、さらに、操作部及び表示部を有する操作パネルや、各種センサを適宜備える。操作部は、例えば電源キー、用紙フィードキー、エラー解除キー等のファンクションキーを備える。表示部は、液体吐出装置２の種々の状態を表示可能なディスプレイを備える。

液体吐出装置２は、媒体供給部２１１２から画像形成部２１１３を通って媒体排出部２１１４に至る所定の搬送路２００１に沿って、吐出対象物である記録媒体として例えば用紙Ｐを搬送しながらインク等の液体を吐出することで、用紙Ｐに画像形成処理を行うインクジェットプリンタである。

媒体供給部２１１２は複数の給紙カセット２１１２１を備える。画像形成部２１１３は、用紙を支持する支持部２１２０と、支持部２１２０の上方に対向配置された複数のヘッドユニット２１３０と、を備える。媒体排出部２１１４は、排紙トレイ２１１４１を備える。

支持部２１２０は、画像形成を行う所定領域にループ状に備えられる搬送ベルト２１２０１と、搬送ベルト２１２０１を裏側から支持する支持プレート２１２０２と、搬送ベルト２１２０１の裏側に備えられた複数のベルトローラ２１２０３と、を備える。

ヘッドユニット２１３０は、複数のインクジェットヘッドである液体吐出ヘッド１と、各液体吐出ヘッド１上にそれぞれ搭載された液体タンクとしての複数の供給タンク２１３２と、インクを供給するポンプ２１３４と、液体吐出ヘッド１と供給タンク２１３２とを接続する接続流路２１３５と、を備える。

本実施形態において、液体吐出ヘッド１としてシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色の液体吐出ヘッド１と、これらの各色のインクをそれぞれ収容する４色の供給タンク２１３２を備える。供給タンク２１３２は接続流路２１３５によって液体吐出ヘッド１に接続される。

ポンプ２１３４は、例えば圧電ポンプで構成される送液ポンプである。ポンプ２１３４は、制御部２１１８に接続され、制御部２１１８により駆動制御される。

接続流路２１３５は、液体吐出ヘッド１のインク供給管１２３に接続される供給流路を備える。また、接続流路２１３５は、液体吐出ヘッド１のインク排出管１２４に接続される回収流路を備える。例えば、液体吐出ヘッド１が非循環式の場合には、回収流路は、メンテナンス装置２１１７に接続され、液体吐出ヘッド１が循環式の場合には、回収流路は、供給タンク２１３２に接続される。

搬送装置２１１５は、媒体供給部２１１２の給紙カセット２１１２１から画像形成部２１１３を通って媒体排出部２１１４の排紙トレイ２１１４１に至る搬送路２００１に沿って、用紙Ｐを搬送する。搬送装置２１１５は、搬送路２００１に沿って配置される複数のガイドプレート対２１２１１～２１２１８と、複数の搬送用ローラ２１２２１～２１２２８と、を備えている。搬送装置２１１５は、用紙Ｐを液体吐出ヘッド１に相対移動可能に支持する。

メンテナンス装置２１１７は、例えば、メンテナンス時にノズルプレート１１４の外面に残存するインクを吸引し、回収する。また、液体吐出ヘッド１が非循環式である場合には、メンテナンス装置２１１７は、メンテナンス時に、ヘッド本体１１内のインクを回収する。このようなメンテナンス装置２１１７は、回収したインクを貯留するトレイやタンク等を有する。

制御部２１１８は、例えば、制御基板であり、プロセッサ２０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０３、入出力ポートであるＩ／Ｏポート２０４、を備える。

プロセッサ２０１は、コントローラであるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の処理回路である。プロセッサ２０１は、コンピュータの中枢部分に相当する。プロセッサ２０１は、オペレーティングシステムやアプリケーションプログラムに従って、プリンタとしての各種の機能を実現するべく各部を制御する。例えばプロセッサ２０１は、液体吐出装置２に設けられるヘッドユニット２１３０、駆動モータ、操作部、表示部、及び各種センサ等を制御する。例えばプロセッサ２０１は、画像メモリに保存された印字データを描画順に駆動回路１３に送信する。

ＲＯＭ２０２は、上記コンピュータの読み出し専用の主記憶部分に相当する。ＲＯＭ２０２は、上記のオペレーティングシステムやアプリケーションプログラムを記憶する。ＲＯＭ２０２は、プロセッサ２０１が各部を制御するための処理を実行する上で必要なデータを記憶する場合もある。

ＲＡＭ２０３は、上記コンピュータの書換え自在な主記憶部分に相当する。ＲＡＭ２０３は、プロセッサ２０１が処理を実行する上で必要なデータを記憶する。またＲＡＭ２０３は、プロセッサ２０１によって情報が適宜書き換えられるワークエリアとしても利用される。ワークエリアは、印刷データが展開される画像メモリを含む。

Ｉ／Ｏポート２０４は、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部である。外部接続機器からの印字データは、Ｉ／Ｏポート２０４を通じて制御部へ送信され、画像メモリに保存される。

以下、実施形態に係る液体吐出ヘッド１の駆動回路１３で生成される駆動信号による駆動波形について説明する。

図６は液体吐出ヘッド１のノズル１１４１における液体の状態を示す説明図である。図７は実施例１及び比較例１の駆動波形を示す説明図である。図８は駆動波形における吐出波形部とノズル１１４１における液体の状態の対応を示す説明図である。図７及び図８の駆動波形において、縦軸は電位、横軸は時間を示す。図７及び図８の駆動波形において、実質波形として隣接する圧力室との電位差を示す。図９は実施例１の駆動波形とノズルにおける液体の状態を示す説明図である。図１０は実施例１と比較例１の吐出特性を示す説明図である。

図６は、吐出特性とインクの粘性の対応を示す説明図である。図６に示すように、インクの粘性によって、液滴の形成が異なることがわかる。すなわち、インクの粘度が高いと、液滴が切れずに、尾が長くなる傾向にある。

図７は、実施例１にかかる駆動波形を示す。この駆動波形は、マルチドロップ駆動であり、複数回の吐出波形部を備える。例えば実施例１は、３ドロップの波形であり、それぞれ拡張要素と収縮要素を含む３つの吐出波形部、すなわち１ドロップ目の吐出波形部Ｐａと２ドロップ目の吐出波形部Ｐａと３ドロップ目の吐出波形部Ｐａとが、一定の周期で並んでいる。例えば実施例１に示す駆動波形は、複数の吐出波形部Ｐａの時間幅はそれぞれ４ＡＬで、４ＡＬ毎に３つの吐出波形部Ｐａが並び、第１の吐出波形部Ｐａの直前にブースト波形部Ｐｄを有する。

図８は各吐出波形部Ｐａと、これに対するノズル１１４１の開口のメニスカスの動きを示している。図８に示すように、各吐出波形部Ｐａは、中間電圧である第１電位Ｖｂを基準として、圧力室の容積を拡大させる第１拡張要素Ｑａと、拡張後に圧力室の容積を縮小させる１収縮要素Ｓａと、を備える。

第１拡張要素Ｑａでは、中間電圧である第１電位Ｖｂから、中間電圧よりも低い第２電位Ｖａを下げ、第２電位Ｖａを１ＡＬ保持し、第１収縮要素Ｓａにおいて第２電位Ｖａから第１電位Ｖｂよりも高い第３電位Ｖｃまで上げる。

また、吐出波形部Ｐａは、圧力室にインクが充填された状態での液体吐出ヘッド１の圧力室１１３１の固有振動周期λの半分の時間である半周期をＡＬ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｌｅｎｇｔｈ）として、第１収縮要素Ｓａ印加後の０．５～２ＡＬ以内において、圧力室の容積を拡大させる第２拡張要素Ｑｂと、圧力室の容積を縮小させる第２収縮要素Ｓｂと、を有する。第１収縮要素Ｓａ印加後、第３電位Ｖｃを時間ｔａ保持する。第２拡張要素Ｑｂ印加後、第１電位Ｖｂを時間ｔｂ保持する。

第２拡張要素Ｑｂでは１収縮要素Ｓａの第３電位Ｖｃから第１電位Ｖｂまで下げる。第２収縮要素Ｓｂは第１電位Ｖｂから、再び第３電位Ｖｃまで上げる。

さらに、各吐出波形部Ｐａは、第１収縮要素Ｓａ印加後の２ＡＬ以上のタイミングで、圧力室の容積を拡大させる第１電位に戻す第３拡張要素Ｑｃを備える。第３拡張要素Ｑｃのタイミングは、第２拡張要素Ｑｂ及び第２収縮要素Ｓｂよりも後のタイミングであり、言い換えると、第１収縮要素Ｓａの後、第３拡張要素Ｑｃまでの３ＡＬの間に、第２拡張要素Ｑｂ及び第２収縮要素Ｓｂによる電圧印加を行う。一例として、第１収縮要素Ｓａ印加後の３ＡＬのタイミングで、圧力室の容積を拡大させる第１電位に戻す第３拡張要素Ｑｃを備え、第１収縮要素Ｓａの後、第３拡張要素Ｑｃまでの間、例えば３ＡＬの間に、第２拡張要素Ｑｂ及び第２収縮要素Ｓｂによる電圧印加を行う。

第２拡張要素Ｑｂにおいて第３電位Ｖｃで収縮した状態から、第１電位Ｖｂまで下げ、短いスパンで再び第２収縮要素Ｓｂにより第３電位Ｖｃまで上げる。ここで、第１収縮要素Ｓａ後、第３拡張要素Ｑｃまでの時間において、収縮時間は拡張時間よりも短く、第２拡張要素Ｑｂから第２収縮要素Ｓｂまでの時間ｔｂは、第１収縮要素Ｓａから第２拡張要素Ｑｂまでの時間ｔａよりも短い。例えば第２収縮要素Ｓｂは、第２拡張要素Ｑｂ印加後の０．０５～０．２ＡＬのタイミングで印加される。

例えば本実施例１の駆動波形は、第１収縮要素Ｓａから第３拡張要素Ｑｃまでの間に、拡張と収縮を定期的に複数回行う。すなわち、本実施例１の吐出波形部Ｐａは第２拡張要素Ｑｂと第２収縮要素Ｓｂの後、所定のタイミングでさらに圧力室１１３１を拡張する第４拡張要素Ｑｄと圧力室１１３１を収縮する第４収縮要素Ｓｄと、を有する。第４拡張要素Ｑｄでは、第３電位Ｖｃで収縮した状態から、第１電位Ｖｂまで下げ、第４収縮要素Ｓｄにより短いスパンで再び第３電位Ｖｃまで上げる。第２収縮要素Ｓｂ印加後、第３電位Ｖｃを時間ｔｃ保持する。第４拡張要素Ｑｄ印加後、第１電位Ｖｂを時間ｔｄ保持する。ここで、第４拡張要素Ｑｄから第４収縮要素Ｓｄまでの時間ｔｄは、第２収縮要素Ｓｂから第４拡張要素Ｑｄまでの時間ｔｃよりも短い。例えば時間ｔｄは時間ｔｃの１／４以下である。例えば第４収縮要素Ｓｄは、第４拡張要素Ｑｄ印加後の０．０５～０．２ＡＬのタイミングで印加される。

なお、第４拡張要素Ｑｄと第４収縮要素Ｓｄは、第２拡張要素Ｑｂと第２収縮要素Ｓｂと、電位やパルス幅が同じ条件であってもよく、異なる条件であってもよい。例えば本実施例においては第４拡張要素Ｑｄと第４収縮要素Ｓｄは、第２拡張要素Ｑｂと第２収縮要素Ｓｂと同じパルス幅及び電位とする。一例として、ＡＬは２．５μｓ、ｔａ＝ｔｃ＝２．３μｓ、ｔｂ＝ｔｄ＝０．２μｓである。

ここで、第２拡張要素Ｑｂと第２収縮要素Ｓｂとによる補助振動、及び第４拡張要素Ｑｄと第４収縮要素Ｓｄとによる補助振動は、第１収縮要素印加後の、０．５～２ＡＬの時間内に印加される。例えばこれらの補助振動の波形は、周期ＡＬ毎に設けられる。すなわち、例えば第２収縮要素Ｓｂは第１収縮要素Ｓａ後ＡＬのタイミングで、第４収縮要素Ｓｄは第２収縮要素Ｓｂ印加後ＡＬのタイミングで、印加される。

第２拡張要素Ｑｂと第２収縮要素Ｓｂの印加で残留振動が発生した場合、第２収縮要素Ｓｂの印加後に短いスパンを有する第４拡張要素Ｑｄと第４収縮要素Ｓｄにより残留振動が低減する。このような構成をとることにより、十分多量の高粘度インクを安定的に吐出しつつ、インク滴吐出後のメニスカス安定性を高め、吐出可能な駆動電圧範囲を確保できる。

図９は、図７の駆動波形の各時点に対応する、液滴またはメニスカスの形状を示す説明図である。図９に示すＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６、ＳＴ７、ＳＴ８、ＳＴ９の順でメニスカスの形状が変化し、ノズル１１４１から液滴が吐出される。

ＳＴ１において、第１拡張要素Ｑａにより、ノズル１１４１の開口のメニスカスは、圧力室１１３１側に大きく引き込まれる。

続いて、ＳＴ２において、第１収縮要素Ｓａにより、圧力室１１３１の容積が急激に収縮されることで、圧力室１１３１内のインクの加圧により、メニスカスの中央部分が吐出側に押し出され、ノズル１１４１の開口から１ドロップ目のインク滴の吐出が開始される。

ＳＴ３において、第１収縮要素Ｓａに続く０．５～２ＡＬのタイミングで、図８に示すように吐出直後のメニスカスが後退する際、圧力室１１３１の容積を拡大させる第２拡張要素Ｑｂが印加されると、１ドロップ目吐出によるインク液柱の尾部を細くなるように切り、吐出後のメニスカス復帰性を高める。また、短いスパンで第１収縮要素Ｓａに続く０．５～２ＡＬのタイミング以内に、圧力室の容積を縮小させる第２収縮要素Ｓｂが印加されると、比較例の波形と同程度の吐出体積が得られる。そして第２拡張要素Ｑｂと第２収縮要素Ｓｂの印加で発生された残留振動は、第２収縮要素Ｓｂ印加後に短いスパンを有する第４拡張要素Ｑｄと第４収縮要素Ｓｄにより低減する。

ＳＴ４において、ノズル１１４１の開口のメニスカスは、再び圧力室１１３１側に大きく引き込まれる。

ＳＴ５において、ノズル１１４１の開口から２ドロップ目のインク滴の吐出が開始される。

ＳＴ６において、吐出直後にメニスカスが後退する際、圧力室１１３１の容積を拡大させる拡張要素が印加されると、２ドロップ目の吐出によるインク液柱の尾部を細くなるように切り、メニスカス復帰性を高める。

ＳＴ７において、吐出直後のメニスカスが後退する際、圧力室１１３１の容積を拡大させる拡張要素が印加されると、３ドロップ目吐出によるインク液柱の尾部を細くなるように切り、メニスカス復帰性を高める。

ＳＴ８において、吐出した３ドロップのインク滴が合体する。

このように構成された液体吐出ヘッド１及び液体吐出装置において、第１収縮要素印加後の０．５～２ＡＬ以内に、圧力室の容積を拡大させる第２拡張要素と、第２拡張要素の後に圧力室の容積を縮小させる第２収縮要素と、第１収縮要素印加後の２ＡＬ以上のタイミングであって前記第２収縮要素後に、圧力室の容積を拡大させる中間電圧に戻す第３拡張要素と、を有することにより、インクの吐出安定性と吐出可能な駆動電圧範囲を確保できる。

すなわち、第１収縮要素Ｓａと第３拡張要素Ｑｃの間のタイミングで、圧力室１１３１を拡張及び収縮することにより、メニスカスに振動を与えてインク液柱の尾部を細くなるように切ることで、メニスカス復帰性を高めることができ、吐出可能な駆動電圧範囲の範囲確保と吐出安定性とを両立できる。

比較例の駆動波形は、第１電位Ｖｂから、第３電位Ｖｃまで上げ、第３電位Ｖｃを１ＡＬ保持し、その後第３電位Ｖｃから第２電位Ｖａまで下げ、第２電位Ｖａを１ＡＬ保持し、第２電位Ｖａから第３電位Ｖｃへ上げ、第３電位Ｖｃを３ＡＬ保持する。さらに、比較例の駆動波形は、第３電位Ｖｃから第２電位Ｖａまで下げ、第２電位Ｖａを１ＡＬ保持し、第２電位Ｖａから第３電位Ｖｃへ上げ、第３電位Ｖｃを３ＡＬ保持する波形要素を２回繰り返し、第１電位Ｖｂへ戻す。

図１０は、実施例１と比較例１の吐出特性を示す説明図である。図１０は、比較例１と実施例１の各ドロップにおける、１秒間安定吐出可能な駆動電圧（Ｖ）と、吐出体積（ｐＬ／周期）とを、比較して示す。実験条件は、インク粘度５０ｍＰａ・ｓ（２６．４℃）、ノズル径２２μｍ、ノズル圧－３．１ｋＰａ駆動周波数４．４ｋＨｚとした。設備の駆動電圧上限は３１Ｖである。粘度５０ｍＰａ・ｓのインクでの評価結果として、実施例１では、吐出体積が多く、一方で１秒間安定吐出可能駆動電圧の範囲は広いことが判る。すなわち、図１０によれば、実施例１では、２～３ドロップ目の吐出でも、吐出体積が低減せず、吐出可能な駆動電圧範囲が向上できることが確認できる。すなわち、実施例１は第２拡張要素及び第２収縮要素がない比較例１の駆動波形と比べて、メニスカスに振動を与えて、インク液柱の尾部を細くなるように切ることで、吐出可能な駆動電圧範囲の確保と吐出安定性とを両立できる。

なお、本発明の実施形態は上述した構成に限定されない。例えば実施例２として図１１に示すように、駆動波形は、各要素を段階的に行うステップ波形を有していてもよい。例えば実施例２の吐出波形部は第１拡張要素、及び第３拡張要素において、圧力室１１３１を拡張する際には、一度中間電圧である第１電位Ｖｂとしてから、段階的に、第１電位Ｖｂよりも低い第２電位Ｖａにまで変化させる。また、実施例２の吐出波形部は、第１収縮要素において、圧力室１１３１を収縮する際には、一度第１電位Ｖｂとしてから、段階的に、第１電位Ｖｂよりも高い第３電位Ｖｃにまで変化させる。その他の波形については実施例１と同様である。本実施例２においても、インク液滴の吐出を安定化と、の範囲拡大が両立できる。

本発明の実施形態は、３ドロップを吐出する駆動波形で説明したがこれに限られず、例えば４ドロップ以上吐出する駆動波形であってもよい。さらにその場合には、収縮要素の電位は、２段階に限らず、３段階以上に設定してもよい。

また、本発明の実施形態は、３分割駆動で説明したがこれに限られるものではない。例えば４分割駆動または５分割駆動などであってもよい。駆動波形の各電位は適宜変更可能であり、各圧電柱に印加する電圧値は各種条件に応じて適宜調整可能である。例えば隣接する圧電柱の一方を接地して他方に電圧を印加することで電位差を発生してもよく、あるいは両方に電圧をそれぞれ印加して電位差を発生させてもよい。

また、上記実施形態において、第１収縮から第３拡張との間に、補助振動を２回発生させる例を示したが、これに限られるものではない。例えば第２拡張要素及び第２収縮要素による補助振動と、第４拡張要素及び第４収縮要素による補助振動の他に、さらに拡張要素及び収縮要素が設けられていてもよい。また、第１収縮要素Ｓａ印加後の２ＡＬ以上のタイミングで、第３拡張要素Ｑｃを備える例を示したが、例えば３ＡＬ以上であってもよい。

例えば、液体吐出ヘッド１の構成は上記の例に限られるものではなく、他のタイプのヘッドに用いてもよい。例えば液体吐出ヘッドは、圧力室と駆動素子部との間に設けられる振動板を駆動素子部の変形によって振動させることで、液体吐出部を駆動する構成であってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、インク液滴の吐出を安定化と、階調性の範囲拡大が両立できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。

１…液体吐出ヘッド、２…液体吐出装置、１１…ヘッド本体、１２…マニフォールドユニット、１３…駆動回路、１１１…基板、１１２…枠体、１１３…圧電体、１１４…ノズルプレート、１１６…共通液室、１１８…電極、１１９…電極、１２１…マニフォールド、１２３…インク供給管、１２４…インク排出管、１３１…配線フィルム、１３３…プリント配線基板、２０１…プロセッサ、２０２…ＲＯＭ、２０３…ＲＡＭ、２０４…Ｉ／Ｏポート、１１１１…供給口、１１１３…排出口、１１３１…圧力室、１１３３…圧電柱、１１３５…長溝、１１４１…ノズル、１１６１…共通液室、１１６２…共通液室、２００１…搬送路、２１１１…筐体、２１１２…媒体供給部、２１１３…画像形成部、２１１４…媒体排出部、２１１５…搬送装置、２１１７…メンテナンス装置、２１１８…制御部、２１２０…支持部、２１３０…ヘッドユニット、２１３２…供給タンク、２１３４…ポンプ、２１３５…接続流路、２１１２１…給紙カセット、２１１４１…排紙トレイ、２１２０１…搬送ベルト、２１２０２…支持プレート、２１２０３…ベルトローラ、２１２１１～２１２１８…ガイドプレート対、２１２２１～２１２２８…搬送用ローラ、１３２…ドライバＩＣ、Ｐａ…吐出波形部。

Claims (5)

1. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルに連通する圧力室と、
   電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを駆動する電気信号を生成する駆動回路と、を備え、
   前記駆動回路が出力する駆動波形は、
   中間電圧から前記圧力室の容積を拡大させる第１拡張要素と、
   第１拡張要素による拡張後に前記圧力室の容積を縮小させて前記ノズルからインクを吐出させる第１収縮要素と、
   前記圧力室にインクが充填された状態での固有振動の半周期をＡＬとして第１収縮要素印加後の０．５～２ＡＬ以内に、前記圧力室の容積を拡大させる第２拡張要素と、
   前記第２拡張要素の後に前記圧力室の容積を縮小させる第２収縮要素と、
   前記第１収縮要素印加後の２ＡＬ以上のタイミングであって前記第２収縮要素後に、前記圧力室の容積を拡大させる中間電圧に戻す第３拡張要素と、
   を有する、液体吐出ヘッド。
2. 前記第１収縮要素及び前記第１拡張要素は、中間電圧を介して段階的に収縮または拡張するステップ波形を有する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記駆動波形は、前記第２拡張要素印加後０．０５～０．２ＡＬの間に、前記第２収縮要素を有し、
   前記第１収縮要素後、前記第３拡張要素までの時間において、収縮時間は拡張時間よりも短い、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記駆動波形は、前記第２収縮要素と前記第３拡張要素の間に、前記圧力室の容積を拡大させる第４拡張要素と、前記４拡張要素印加後０．０５～０．２ＡＬの間に前記圧力室の容積を縮小させる第４収縮要素と、をさらに備える、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記液体の粘度が、２０ｍＰａ・ｓ以上であ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吐出ヘッド。