JP4243851B2

JP4243851B2 - インク滴吐出装置

Info

Publication number: JP4243851B2
Application number: JP2004153612A
Authority: JP
Inventors: 恭裕関口
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: US7401876B2; US20050259124A1; JP2005335093A

Description

本発明は、アクチュエータを駆動して、圧力室に圧力波振動を発生させることにより、ノズルからインクを吐出するように構成したインクジェット方式によるインク滴吐出装置に関するものである。

従来より、インクが吐出されるノズルと、ノズルの背後に設けられ、インクが充填された圧力室（インク室）と、この圧力室の容積を変化させるアクチュエータを駆動して、前記圧力室に圧力波振動を発生させて、ノズルからインクを吐出する動作を行う駆動手段とを備えたインク吐出装置が知られている。

ここで、特許文献１等で開示されているように、駆動電圧の印加により弾性変形する圧電素子の原理を適用した圧電アクチュエータでは、個別電極が表面に形成された圧電シート（圧電セラミックスシート）とコモン電極（共通電極）が形成された圧電シート（圧電セラミックスシート）とを交互に積層し、その個別電極とコモン電極との間に高電圧を印加するという分極処理を施すことにより、当該個別電極とコモン電極の圧電シート部が活性部となる。後に印字指令に従って、所定の個別電極とコモン電極との間に低電圧の駆動パルスを印加すると、所定箇所の活性部が積層方向に弾性変形し、対応する圧力室の容積を変化させるというものであった。

この原理を適用したプリンタとして、オンディマンド型のインクジェットプリンタヘッドにおいては、特許文献２等に開示されているように、キャビティユニットに、複数個のノズルとそれに対応する圧力室を列状に備え、各圧力室にインクを供給するように構成する一方、キャビティユニットの背面側には、圧電セラミックス板（圧電シート）を挟んでコモン電極と個別電極とを交互に積層して構成された圧電アクチュエータであって、個別電極が圧力室の上方にて平面視で重なるように接合された構成が開示されている。

そして、特許文献２では、１回の印字指令に対して駆動パルスを繰り返し印加することにより、複数滴のインクを吐出して、用紙等の被記録媒体の表面に、多量のインクによる１ドットを形成することができ、濃色の画像を形成することが開示されている。
特開２００３−２３１２６３号公報特開２００３−１４５７５０号公報

ところで、特許文献２の従来技術に開示され、図１１に示す矩形吐出パルスのように、１回の印字指令に対して３滴のインクを吐出する場合、パルス幅Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔ、パルス間隔Ｗ１＝Ｗ２＝Ｔとしていた。ここで、Ｔは圧力室内をインクの圧力波が片道伝播する時間である。また、Ｔ１は１滴目のインクを吐出するための吐出パルスＰ１のパルス幅、Ｔ２は２滴目のインクを吐出するための吐出パルスＰ２のパルス幅、Ｔ３は３滴目のインクを吐出するための吐出パルスＰ３のパルス幅を表す。さらに、Ｗ１は吐出パルスＰ１の立ち下がり位置から吐出パルスＰ２の立ち上がり位置までの間隔であり、Ｗ２は吐出パルスＰ２の立ち下がり位置から吐出パルスＰ３の立ち上がり位置までの間隔をいう。

この場合、圧力室へのインクの圧力波の印加、除去のタイミングが圧力室内をインクの圧力波が片道伝播する周期と一致、すなわちインクの圧力波の上昇点と一致して圧力を印加し、圧力波の降下点と一致して圧力を除去していると、１滴目より２滴目、２滴目より３滴目の吐出時のインクに付与される圧力波が段々と増幅され、圧力効率の良いインク吐出が行われるという効果があった。

しかしながら、環境温度、ひいてはインクの温度が高いと当該インクの粘度が低くなる。他方、環境温度（インク温度）が低いとそのインクの粘度が高くなるから、環境温度の如何に拘らず、同じパルス幅で吐出パルスを印加すると、例えば、常温時に適正の濃度の画像形成が得られるようなパルス幅の吐出パルスに設定した場合、温度が高い状態では、インクが出過ぎる（１滴中のインク吐出体積が多過ぎる）ことになり、形成された画像の濃度が設定値より濃くなり過ぎる。

反対に温度が低い状態では１滴中のインク吐出体積が減少してしまい、形成された画像の濃度が設定値より薄くなり過ぎる、というように、季節や装置の環境温度により、画像の濃度が大きくバラツキ、画像品質が安定しないという問題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、環境温度に応じて吐出パルス信号のパルス幅を調節することにより、安定した濃度の画像形成ができるインク滴吐出装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明のインク滴吐出装置は、インクが充填された圧力室の容積を変化させてノズルからインク滴を吐出させるアクチュエータを備え、このアクチュエータに、所定の周期間隔ごとに１ドットの吐出指令を与えるとともに、その１ドットの吐出指令に対して複数の吐出パルス信号を間隔をおいて印加することにより、複数のインク滴を記録媒体上のほぼ同一位置に着弾させるインク滴吐出装置において、前記複数の吐出パルス信号は、その各波高値が同じで、且つ各パルス幅が同じであり、さらに、先行する吐出パルス信号のパルス立ち下がり位置から後行する吐出パルス信号のパルス立ち上がり位置までの間隔（パルス間隔）も、前記パルス幅と同じであるように設定され、前記複数の各吐出パルス信号を、高温環境下では、その高温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し短めになるようにその時間に対して所定の係数を乗じた値の前記パルス幅およびパルス間隔で印加し、低温環境下では、その低温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し、高温環境下での前記係数よりも大きい係数を乗じた値の前記パルス幅およびパルス間隔で印加し、前記高温環境と低温環境との間の常温環境下では、その常温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し、前記高温環境下及び低温環境下での前記各係数のほぼ間の係数を乗じた値の前記パルス幅およびパルス間隔にて印加するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインク滴吐出装置において、前記パルス幅およびパルス間隔は、高温環境下では、その高温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ_Hに対しほぼ０．６ＡＬ_Hから０．９ＡＬ_Hの範囲内に設定し、低温環境下では、その低温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ_Lに対しほぼ０．９ＡＬ_Lから１．４ＡＬ_Lの範囲内に設定したものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のインク滴吐出装置において、前記アクチュエータは、前記圧力室の容積を拡大してその圧力室内に圧力波を生じさせ、その後、前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し前記係数を乗じた時間後、復帰するものである。

請求項１に記載の発明によれば、アクチュエータに、所定の周期間隔ごとに１ドットの吐出指令を与えるとともに、その１ドットの吐出指令に対して複数の吐出パルス信号を間隔をおいて印加することにより、複数のインク滴を記録媒体上のほぼ同一位置に着弾させるようなインク吐出装置において、前記複数の吐出パルス信号は、その各波高値が同じで、且つ各パルス幅が同じであり、さらに、先行する吐出パルス信号のパルス立ち下がり位置から後行する吐出パルス信号のパルス立ち上がり位置までの間隔（パルス間隔）も、前記パルス幅と同じであるように設定され、吐出パルス信号を、高温環境下では、その高温環境下で圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ_Hに対し短めになるようにその時間に対して所定の係数を乗じた値のパルス幅およびパルス間隔で印加し、低温環境下では、その低温環境下で圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ_Lに対し、高温環境下での前記係数よりも大きい係数を乗じたパルス幅およびパルス間隔で印加する。

このように制御することにより、高温及び低温環境下で複数のインク滴からなる１ドット分の吐出インク体積を一定になるようにして、記録画像の濃度が一定、ひいては記録画像の品質が良好、且つ安定するという効果を奏する。

そして、請求項１に記載の発明によれば、前記高温環境と低温環境との間の常温環境下では、その常温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し、前記高温環境下及び低温環境下での前記各係数のほぼ間の係数を乗じたパルス幅およびパルス間隔にて印加するものであるから、高温、常温及び低温の各環境下で、複数のインク滴からなる１ドット分の吐出インク体積をほぼ一定にすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記パルス幅およびパルス間隔は、高温環境下では、その高温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ _H に対しほぼ０．６ＡＬ _H から０．９ＡＬ _H の範囲内に設定し、低温環境下では、その低温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ _L に対しほぼ０．９ＡＬ _L から１．４ＡＬ _L の範囲内に設定したものである。従って、環境温度に応じた片道伝播時間ＡＬと適正な係数とのファクターにより、吐出パルス信号のパルス幅及びパルス間隔を決定することで、高温及び低温環境下で複数のインク滴からなる１ドット分の吐出インク体積の一定化、ひいては記録画像の濃度の安定化を果たせるという効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば、アクチュエータにて印加する吐出パルス信号により、先に前記圧力室の容積を拡大してその圧力室内に圧力波を生じさせ、その後、前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し前記係数を乗じた時間後、復帰するものであるから、圧力室の変位に対してほぼ高い効率のインク吐出を維持しながら、高温及び低温環境下で吐出インク体積をほぼ一定にすることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明のインク滴吐出装置の一例としてのインクジェット記録ヘッドのヘッドユニット１におけるキャビティユニット１１と圧電アクチュエータ１２との斜視図、図２はキャビティユニットの各プレートの分解斜視図、図３はキャビティプレートとその下面側に隣接する第３スペーサプレート２１、第２スペーサプレート２０の一部切欠き拡大斜視図、図４は圧電アクチュエータ一部切欠き斜視図、図５は活性部を示す一部切欠き平面図、図６は図５のVI−VI線矢視拡大断面図、図７は図５のVII −VII 線矢視拡大断面図、図８はインク滴吐出装置の駆動回路を示す図、図９は本発明の液滴を形成するための吐出パルス信号（駆動波形）を示す図、図１０は環境温度に応じて吐出パルス信号のパルス幅を変化させた場合の実験結果を示す図、図１１は従来のインク滴吐出装置によるパルス波形（駆動波形）を示す図である。

本発明に係るカラー記録用のヘッドユニット１は、図示しないが、用紙の搬送方向（副走査方向、以下第２の方向またはＹ方向という）と直交する方向（主走査方向、以下第１の方向またはＸ方向という）に往復移動するキャリッジに搭載されるものである。このヘッドユニット１上には、例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色のカラーインクがぞれぞれ充填されたインクカートリッジが着脱可能に搭載されるか、または画像形成装置の本体に静置されたインクカートリッジから図示しない供給パイプ及びキャリッジに搭載されたダンパー室（図示せず）を介して各色のインクが供給されるように構成されている。

ヘッドユニット１は、図２に示すように、前面（図２における下面）にＹ方向（第２の方向）に複数個のノズル１１ａ（図２参照）が列状に配置され、且つそのノズル列がＸ方向に適宜間隔で複数列（実施形態では５列）を備えたキャビティユニット１０と、その上面に対して接着剤または接着シートを介して接着し積層されるプレート型の圧電アクチュエータ１２と、その背面（上面）に外部機器との電気的接続のために重ね接合された配線基板の１例としてのフレキシブルフラットケーブル４０とにより構成されている。

キャビティユニット１０は図２に示すように構成されている。すなわち、下層から順にノズルプレート１１、カバープレート１５、ダンパープレート１６、二枚のマニホールドプレート１７，１８、２枚のスペーサプレート１９，２０及び圧力室２３が形成されているベースプレート２１の合計８枚の扁平な板をそれぞれ接着剤にて重ね接合して積層した構成である。合成樹脂製のノズルプレート１１を除き、各プレート１５〜２１は、４２％ニッケル合金鋼板製であり、それらの板厚さを５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する。

前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）の多数のインク噴出用のノズル１１ａが、当該ノズルプレート１１における第２の方向（キャビティユニット１０の長辺方向であり、図２において、Ｙ方向、副走査方向）に沿って千鳥配列状に設けられている。また各ノズル列ＮはＸ方向（主走査方向）に適宜間隔で５列（個別の列には、符号Ｎ１〜Ｎ５を付する、但し、Ｎ４，Ｎ５は図示せず）に配列されている。実施形態では、第１列〜第５列の各々のノズル列Ｎの長さは１インチ、各々のノズル１１ａの数は７５個で、つまり配列密度は７５（ｄｐｉ［ドット・パー・インチ］）である。

そして、図２において、右から順番にノズル列Ｎ１〜Ｎ５（但し、Ｎ４，Ｎ５は図示せず）とするとき、ノズル列Ｎ１はシアンインク（Ｃ）用であり、ノズル列Ｎ２はイエローインク（Ｙ）用であり、ノズル列Ｎ３はマゼンタインク（Ｍ）用であり、ノズル列Ｎ４及びＮ５はブラックインク（ＢＫ）用とする。

上下マニホールドプレート１７，１８には、Ｙ方向に長いインク通路が各ノズル列Ｎ１〜Ｎ５に対応して板厚方向に貫通するように形成され、上側の第１スペーサプレート１９と下側のダンパープレート１６とに挟まれて積層されることにより、前記インク通路が５列の共通インク室（マニホールド室）２６となる。そして、図２において、右から順に共通インク室２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅとするとき、共通インク室２６ａはシアンインク（Ｃ）用であり、共通インク室２６ｂはイエローインク（Ｙ）用であり、共通インク室２６ｃはマゼンタインク（Ｍ）用であり、第４番目と第５番目の共通インク室２６ｄ，２６ｅの対はブラックインク（ＢＫ）用となる。

図２において、ベースプレート２１のＹ方向の一端部にＸ方向に適宜間隔で穿設された４つのインク供給口を右から順に符号３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとするとき、インク供給口３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、右端から順の共通インク室２６ａ，２６ｂ，２６ｃに対応し、右から４番目のインク供給口３１ｄは、２つの共通インク室２６ｄ，２６ｅの互いに近接した端部に共通に対応している。そして、図２に示すように、インク供給口３１ａ，３１ｂ，３１ｃの位置に対応して、第２スペーサプレート２０及び第１スペーサプレート１９の一端部に穿設されたインク供給通路３２が対応する共通インク室２６ａ，２６ｂ，２６ｃの一端部に連通している。

また、下側のマニホールドプレート１７の下面に接着されるダンパープレート１６の下面側には、各共通インク室２６に対応する位置にＹ方向に長いダンパー室２７が下面方向にのみ開放するように凹み形成され、その下面側のカバープレート１５にて塞がれて完全な密閉状のダンパー室２７が構成される。

この構成により、後に詳述する圧電アクチュエータ１２の駆動で圧力室２３に作用する圧力波のうち、インクにより伝播されて共通インク室２６の方向に向かう後退成分を、板厚の薄いダンパー室２７の天井部の振動により吸収し、いわゆるクロストークが発生することを防止するのである。

第１スペーサプレート１９には、各ノズル列Ｎ１〜Ｎ５のノズル１１ａに対応する絞り部２８がＸ方向に若干長く、Ｙ方向に細幅の凹溝状に形成されている。この各絞り部２８の一端は対応するマニホールドプレート１８における共通インク室２６ａ〜２６ｅに連通し、各絞り部２８の他端は後述するように、上側の第２スペーサプレート２０における上下貫通する連通孔２９に連通するように形成されている（図３、図７参照）。

カバープレート１５、ダンパープレート１６、２枚のマニホールド１７，１８、第１及び第２スペーサプレート１９，２０には、それぞれ、各ノズル列Ｎ１〜Ｎ５毎にノズル１１ａに連通する連通路２５が、共通インク室２６及びダンパー室２７と上下に重ならない位置で上下に貫通するように形成されている。

また、ベースプレート２１には、各ノズル列Ｎ毎に、Ｘ方向に沿って延びる細幅の圧力室２３（各圧力室の列を符合２３−１，２３−２，２３−３，２３−４，２３−５とする）がノズル１１ａの個数に対応してベースプレート２１を厚さ方向に貫通して形成されている。そして、各圧力室２３の長手方向（Ｘ方向）の一端は、第２スペーサプレート２０に穿設された連通孔２９を介して第１スペーサプレート１９における各絞り部２８の他端に連通しており、各圧力室２３の長手方向の他端は、第２スペーサプレート２０に穿設された各連通路２５に連通している。各列の圧力室２３は隔壁２４を介してＹ方向に配置され、圧力室２３は隣接する列の圧力室２３に対してＹ方向に半ピッチずれ、いわゆる千鳥状に配列されている。

これにより、各インク供給口３１ａ〜３１ｄから各共通インク通路２６内に流入したインクは、絞り部２８、連通孔２９を通って各圧力室２３内に分配されたのち、この各圧力室２３内から連通路２５を通って、この圧力室２３に対応するノズル１１ａに至るという構成になっている。

次に、圧電アクチュエータ１２の構成について説明する。圧電アクチュエータ１２は、後に詳述するように、圧電シートを積層方向に挟んで形成されている個別電極３６とコモン電極３７の積層方向に対向する両電極３６、３７間の圧電シートを活性部として有する。なお、活性部は公知のように個別電極３６とコモン電極３７との間に高電圧を印加してその電極間の圧電シートを分極することで形成される。任意の個別電極３６とコモン電極３７との間に、分極方向と平行に電圧を印加することにより、その印加された個別電極３６に対応した圧電シートの活性部に、当該積層方向に圧電縦効果による歪みを発生する。該活性部は、圧力室２３の数と同一の数で同一の列にてその対応する位置に形成されている。

即ち、前記活性部は、ノズル１１ａ（圧力室２３）の列方向（第２の方向、Ｙ方向）にそれぞれ列をなし、且つ前記ノズルの列の数（５つ）と同じ列数だけ、第１の方向（Ｘ方向）に並べられている。また、各活性部は、第１の方向（キャビティユニット１０の幅方向、Ｘ方向）に圧力室２３の長手方向に沿って長く形成され、且つＹ方向に隣接する活性部の配置間隔（ピッチＰ）も後述する圧力室２３の配置と同様であって、千鳥状配列されることになる。

圧電アクチュエータ１２は、図４に示すように、１枚の厚さが３０μｍ程度の圧電セラミックス板からなる複数枚（実施形態では７枚）の圧電シート３３，３４とが交互に積層された群と、この群の上面に１枚のシート４６からなる拘束層を積層し、さらにその上面に表面シートとしてのトップシート３５を積層した構造である。拘束層のシ−ト及びトップシ−トは圧電セラミックス板でも良いし、他の材料でも良く、電気的絶縁性を有すれば良い。

下から数えて偶数番目の圧電シート３３の上面（平板面）には、図４〜図７に示すように、前記キャビティユニット１１における各圧力室２３に対応した真上箇所ごとに細幅の個別電極３６が、第２の方向（圧電シート３３の長辺方向、図２のＹ方向、各ノズル１１ａの列方向）に沿ってそれぞれ列状に且つＸ方向に５列、スクリーン印刷形成される。

図４及び図５に示すように、圧電シート３３の上面には、前述した第１列〜第５列の圧力室列２３−１，２３−２，２３−３に対応して第１列〜第５列の個別電極３６（各列に対して、図４で符号３６−１、３６−２、３６−３、３６−４、３６−５を付する）が形成されている。各個別電極３６のパターンは、その直線部３６ｂを、前記各圧力室２３（図５の一点鎖線参照）とほぼ同じ長さで、且つ各圧力室よりもやや狭い幅の直線状、つまり、Ｘ方向に長くＹ方向にそれよりも短いほぼ矩形状とし、平面視で圧力室２３と重複して配置されている。

各個別電極３６における一端部３６ａ（即ち端子）は、図４及び図５に示すように、それぞれ平面視で直線部３６ｂに対して屈曲形成されて、圧力室２３の外に延びている。なお、第３列目の個別電極３６−３における一端部３６ａは、個別電極３６の列方向（Ｙ方向）において交互に圧力室２３から反対方向へ延びている。

さらに、圧電シート３３には、圧電シート３４におけるコモン電極３７と平面視で一部重複する個所であって、圧電シート３３の広幅面における短辺及び長辺に沿う外周部位等にダミーコモン電極４３が形成されている（図４、図５参照）。

コモン電極３７は、最下層の圧電シート３４とそれから上方へ数えて奇数番目の圧電シート３４の各表面（上面）にスクリーン印刷形成されるものである（図４参照）。最下層の圧電シート３４におけるコモン電極３７は当該圧電シート３４の上面全体に形成されている。それより上層の各圧電シート３４におけるコモン電極３７は、各圧力室列２３−１〜２３−５に対応する各個別電極列３６−１〜３６−５の配置位置と平面視で重複し、且つ圧電シート３４の長辺に沿ってＹ方向に長い帯状の第１電気導通部分３７ａと、圧電シート３４の短辺に沿ってＸ方向に長く、第１電気導通部分３７ａの両端に連結する第２電気導通部分３７ｂとからなる（図４参照）。そして、実施形態では、帯状の第１電気導通部分３７ａは個別電極３６の列の数と同じく５列配置されている。そして、図５に示すように、各第１電気導通部分３７ａは各個別電極３６の矩形形状のうち長辺と直交するように延びる一対の縁辺４７ａ、４７ｂを備える。

なお、実施形態では、図４に示すように、コモン電極３７におけるＸ方向に並列された複数の第１電気導通部分３７ａのうち、圧電シート３４のＹ方向に延びる両辺に近接した位置に細幅帯状（平面視矩形状）の空白部分４９（導電性ペーストが印刷されない区域）が形成される。また、その複数の第１電気導通部分３７ａに挟まれる領域では、同じくやや広い幅の平面視矩形状の３つの空白部分５０が、空白部分４９と平行状に形成されている。そして、空白部分５０内には、島状の複数のダミー個別電極３８が個別電極３６における端子３６ａと平面視で重なる位置に列状に形成されている。従って、各第１電気導通部分３７ａの一対の縁辺４７ａ、４７ｂは、前記空白部分４９におけるＹ方向に延びる縁（境界線）や空白部分５０におけるＹ方向に延びる縁（境界線）により形成されることになる。

そして、圧電シート３３と３４とを積層するとき、図示しないが、各個別電極３６と各コモン電極３７における各第１電気導通部分３７ａとが積層方向に重なって位置し、個別電極３６における第１の方向（Ｘ方向）の両端が第１電気導通部分３７ａにおける一対の縁辺４７ａ、４７ｂよりも外方（Ｘ方向）へ突出して位置し、その一対の縁辺４７ａ、４７ｂ間の寸法にて各活性部の第１方向の長さを決定する（定める）ように構成されている。

拘束層としての上層シート４６の上面には、図４に示すように、平面視で略矩形型の接続用パターン５３が前記圧電シート３４における各ダミー個別電極３８の少なくとも一部と平面視で重複するように一定間隔で配置形成されている。また、上層シート４６の上面の短辺に沿う部位等には、圧電シ−ト３４におけるコモン電極３７の一部及び圧電シ−ト３３におけるダミーコモン電極４３の一部にそれぞれ平面視で重複する位置にコモン導通部としての連絡用パターン５４が形成されている。

そして、最下層の圧電シート３４を除き、それより上層の圧電シート３４、３３及び上層シート４６には、コモン電極３７とダミーコモン電極４３との複数箇所を上下方向に電気的に接続するために、第２電気導通部分３７ｂ、ダミーコモン電極４３の位置において、各圧電シート３４、３３の板厚さを貫通するように穿設された複数のスルーホール内にそれぞれ充填した導電部材（導電性ペースト）にて内部導通電極（図示せず）を形成する。

同様に、複数枚の圧電シート３３における各個別電極３６の端部３６ａと、圧電シート３４における各ダミー個別電極３８と、上層シート４６における連絡用パターン５４には、それぞれを上下方向に電気的に接続するために、各圧電シート３３、３４、４６の板厚さを貫通するように穿設された複数のスルーホール内にそれぞれ充填した導電部材（導電性ペースト）にて内部導通電極４２が形成されている。その場合、各内部導通電極４２は、上下に隣接する圧電シート３３、３４、４６の箇所で平面視で上下に重複しない位置に適宜距離だけ隔てて形成されている（図６、図７参照）。

図４及び図６に示すように、圧電アクチュエータ１２の最上層である表面シートとしてのトップシ−ト３５の上面（表面）には、フレキシブルフラットケーブル４０の下面のコモン電極接続用のバンプ電極及び個別電極接続用のバンプ電極（共に図示せず）とそれぞれ接合させるためのコモン電極接続用の接合端子（接合電極）９０及び個別電極接続用の接合端子（接合電極）９１とがそれぞれ島状に形成されている。

接合端子９０及び接合端子９１は、それぞれ、トップシ−ト３５の表面上に形成される層厚さの薄い表面電極９２（９３）と、その表面電極９２（９３）の表面上に形成される層厚さの厚い外部電極９４（９５）とからなる（但し、図６では表面電極９３についてのみ示す）。トップシ−ト３５の接合端子９０及び接合端子９１と、対応する上層シート４６の連絡用パターン５４及び接続用パターン５３とそれぞれ上下方向に電気的に接続するためには、前記と同様に、トップシ−ト３５の板厚さを貫通するように穿設された複数のスルーホール内にそれぞれ充填した導電部材（導電性ペースト）にて内部導通電極４４が形成されている。

なお、コモン接続用の接合端子９０における層厚さの薄い表面電極９２は、上層シ−ト４６における連絡用パターン５４の少なくとも一部に平面視で重複するように配置され、且つトップシ−ト３５の上面のうち外周縁寄り部位に帯状等にて形成されている（図４参照）また、表面電極９２の表面に後付けとしての層厚さの厚い外部電極９４が適宜形状にて配置されている。

表面電極９２（９３）、個別電極３６、コモン電極３７、ダミー個別電極３８、ダミーコモン電極４３、スルーホール内に充填する内部導通電極４２，４４、接続用パターン５３及び連絡用パターン５４は、それぞれ銀−パラジュウム系導電部材（導電性ペースト）を用いて圧電シート３３、３４、上層シート４６及びトップシート３５の元材料であるグリーンシートの表面にスクリーン印刷形成した後、圧電シート３３、３４、上層シート４６及びトップシート３５を所定の順に積層し，さらに焼成して形成される。銀−パラジュウム系導電部材は融点が高いため、焼成温度が高温となるグリーンシートの焼成が行われても蒸発することがないが、半田合金との接合性は良くない。

外部電極９４（９５）は銀−ガラスフリット系の厚膜用の導電性ペーストを用いて前記焼成後に表面電極９２（９３）の表面に印刷形成した後に前記焼成温度より低い温度で焼成して形成される。銀−ガラスフリット系の導電部材は、銀−パラジュウム系導電部材に比べると、融点は低いが半田合金との接合性は良好である。従って、接合端子９０，９１は、表面電極９２（９３）の表面上に外部電極９４（９５）が形成されることによって、外部電極９４（９５）が形成されない場合に比べて、フレキシブルフラットケーブル４０におけるバンプ電極との接合性が向上するのである。

この構成において、圧電アクチュエータ１２における全個別電極３６とコモン電極３７との間に分極用の高電圧を印加することで、各個別電極３６とコモン電極３７との間に挟まれた圧電シート３３、３４の部分を分極処理する。これにより、各個別電極３６とコモン電極３７との間に挟まれた圧電シート３３、３４の部分を活性部とする。そして、本実施の形態では、常態において全ての個別電極３６とコモン電極３７との間に駆動電圧を印加して、全ての活性部の分極方向に電界を発生させ、その活性部を積層方向に伸長し、全ての圧力室２３の内容積を縮小した状態にある。この状態から、任意の個別電極に対し、後で詳述する吐出パルス信号を立ち下げると、前記駆動電圧による活性部の伸張状態が解除され、対応する圧力室２３が縮小状態から内容積を拡大する。その拡大にともない圧力室２３内のインクに発生した圧力波は、圧力室２３を含むインク流路（実施形態では、このインク流路とは、絞り部２８−連通路２９−圧力室２３−ノズル１１ａへの連通路２５のインクの流れ方向に沿う流路をいう）を片道伝播する時間後、正に反転するので、そのほぼ反転するタイミングに合わせて、前記吐出パルス信号を立ち上げる。即ち駆動電圧を再び前記個別電極３６に印加すると、活性部が伸張する。すると、正に反転したインクの圧力波と活性部の伸張による圧力とが重畳され、圧力室２３内のインクが、ノズル１１から液滴状に吐出される。

さらに、その後、インクに発生した圧力波がインク流路を片道伝播する時間後、ほぼ負に反転したタイミングで、再び吐出パルス信号を立ち下げると、圧力室の拡大による負圧と、負に転じたインクの圧力波とが重畳される。そして、さらに圧力波の片道伝播時間後、吐出パルス信号を立ち上げるという動作を繰り返すと、圧力波の振幅が次第に増幅され、先行して吐出されたインク滴よりも後続のインク滴の吐出速度が速くなり、複数のインク滴が飛翔中に合体しまたは記録媒体上のほぼ同一点に重なって着弾する。

次に、画像記録のために任意の個別電極３６及びコモン電極３７に印加する駆動制御装置１００について説明する。

図８に示す駆動制御装置１００はパルスコントロール回路１２０と充電回路１２１と放電回路１２２とから構成されている。圧電アクチュエータ１２の各活性部（個別電極３６とコモン電極３７を含む）は、等価的にコンデンサ１４０で表される。１４０Ａと１４０Ｂはその端子である。

入力端子１３１と１３３は、それぞれ電極に与える電圧をＥ（Ｖ）、０（Ｖ）にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路１２１は、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、Ｒ１０４、Ｒ１０５、トランジスタＴＲ１０１、ＴＲ１０２から構成されている。

入力端子１３１にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０１を介して、トランジスタＴＲ１０１が導通し、正の電源１８７から抵抗Ｒ１０３を介して電流がトランジスタＴＲ１０１のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源１３７に接続されている抵抗Ｒ１０４及びＲ１０５にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタＴＲ１０２のベースに流れる電流が増加し、トランジスタＴＲ１０２のエミッタとコレクタ間が導通する。正の電源１３７からの２０（Ｖ）の電圧がトランジスタＴＲ１０２のコレクタ及びエミッタ、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１４０に印加され、コンデンサ１４０の静電容量に対応した電荷が端子１４０Ａに蓄積される。

次に、放電用回路１２２について説明する。放電用回路１２２は抵抗Ｒ１０６、Ｒ１０７、トランジスタＴＲ１０３から構成される。入力端子１３３にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０６と抵抗Ｒ１０７とで分圧された電圧がトランジスタＴＲ１０３に印加されることになる。これにより、抵抗Ｒ１０６を介してトランジスタＴＲ１０３が導通し、抵抗Ｒ１２０を介してコンデンサ１４０の端子１４０Ａがアースされる。したがって、個別電極３６及びコモン電極３７に印加されていた電荷は放電される。

次に、充電回路１２１の入力端子１３１及び放電用回路１２２の入力端子１３３に入力されるパルス信号を発生するパルスコントロール回路１２０について説明する。パルスコントロール回路１２０には、各種の演算処理を行うＣＰＵ１２３が設けられ、ＣＰＵ１２３には、印字データや各種のデータを記憶するＲＡＭ１２４とパルスコントロール回路１２０の制御プログラム及び所定のタイミングでオン、オフ信号を発生するシーケンスデータを記憶しているＲＯＭ１２５が接続されている。ここで、ＲＯＭ１２５には、インク滴吐出制御プログラム記憶エリアと、吐出パルス信号の波形データ記憶エリアとが設けられている（共に図示せず）。このうち、後に詳述する吐出パルス信号のシーケンスデータ及び各温度毎（低温域、常温域、高温）のパルス幅Ｔａ、パルス間隔Ｗａは、波形データ記憶エリアに記憶されている。

駆動制御装置１００は図示しないが、ヘッドユニット１の周囲温度等のインクに係る温度（環境温度）を検出する手段を備えている。制御プログラム記憶エリアには、ＣＰＵ１２３が、検出された環境温度を所定の複数の範囲（低温域、常温域、高温域）にあるか否かを判断し、その判断結果に基づいて、波形データ記憶エリアに記憶された各パルス幅Ｔａ、パルス間隔Ｗａの値を選択するプログラムが記憶されている。

さらに、ＣＰＵ１２３は各種のデータをやりとりするＩ／Ｏバス１２６に接続され、当該Ｉ／Ｏバス１２６には、印字データ受信回路１２７とパルスジェネレータ１２８及び１２９が接続されている。パルスジェネレータ１２８の出力は充電回路１２１の入力端子１３１に接続され、パルスジェネレータ１２９の出力は放電用回路１２２の入力端子１３３に接続されている。

ＣＰＵ１２３はＲＯＭ１２５の波形データ記録エリアに記憶されているシーケンスデータにしたがって、パルスジェネレータ１２８及び１２９を制御する。したがって、吐出パルス信号の駆動波形の各種パターンを予めＲＯＭ１２５内の波形データ記憶エリアに記憶させておくことによって、所定の駆動波形の吐出パルス信号を与えることができる。

なお、パルスジェネレータ１２８、１２９及び充電回路１２１及び放電回路１２２はノズル数と同じ数だけ設けられている。上記説明では、代表して一つのノズル１１ａの制御について説明したが、他のノズル１１ａの制御についても同様に行われる。

画像記録のために任意の個別電極３６及びコモン電極３７に印加する吐出パルス信号を図面を参照して説明する。図９のパルス波形は、１ドット分の画像記録（印字）のための矩形パルスであり、１ドットの吐出指令につき４滴を吐出するため、４つの同じ吐出パルス信号Ｐａを印加する。各パルスＰａの波高値（電圧値）は同じ（例えば２０Ｖ）であり、各パルスＰａのパルス幅Ｔａはすべて同じであり、隣接するパルスＰａのパルス間隔Ｗａ（先行するパルスＰａのパルス立ち下がり位置から後行するパルスＰａのパルス立ち上がり位置までの間隔）も、パルス幅Ｔａと同じである。

ここで、パルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａは、圧力室２３を含む前記インク流路内のインクに生じた圧力波が片道伝播する時間（以下、単に片道伝播時間という）ＡＬに対して所定の係数を乗じた値に設定される。

片道伝播時間ＡＬは、圧力室２３を含むインク流路内をインクが流れるときの抵抗の大きさ、インクの粘性、インク流路を構成するプレート１１、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１の剛性（または縦弾性率）やインク流路内壁面の粗さのファクターを有するが、インクの粘性に大きく影響される。一般的には、インクの粘性は高温では低く、低温になる程高くなる傾向を有する。

実施形態では、環境温度が低温域（１５℃未満）のときには、片道伝播時間ＡＬ_L＝5.5 μｓ（マイクロ秒）を採用し、常温域（１５℃〜３０℃の範囲）のときには、片道伝播時間ＡＬ_R＝5.4 μｓ（マイクロ秒）、高温域（３０℃より高い温度域）のときには、片道伝播時間ＡＬ_H＝5.2 μｓ（マイクロ秒）の値を採用する。吐出パルス信号Ｐａのパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを、各環境温度における片道伝播時間ＡＬに一致させたとき、ノズル１１からのインク滴の吐出速度が最大になるが、高温環境下では、インクの粘度が低下するため、吐出されるインク滴の体積が増加し、低温環境下では、インクの粘度が高くなるため、吐出されるインク滴の体積が減少して、記録画像の濃度が一定にならない。

本発明者の実験によれば、吐出パルス信号Ｐａのパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを、片道伝播時間ＡＬに対してわずか短めにしたとき、インク滴の体積が減少し、ＡＬに対してわずか長めにすると、吐出速度がわずか減少するもののインク滴の体積が増加することが判明した。ただし、前述のとおり、インクに生じた圧力波とアクチュエータにより圧力が加えられるタイミングとがほぼ重畳することで、効率のよいインク吐出を行うので、インク滴の体積をコントロールする目的において、片道伝播時間ＡＬに対するパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａのずれ量は、後で詳述するように所定範囲に設定される。

本発明では、吐出パルス信号Ｐａのパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを、高温環境下では、その高温環境下での片道伝播時間（圧力室２３を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間）ＡＬ_Hに対し短めになるようにその時間ＡＬ_Hに対して所定の係数を乗じた値に設定し、低温環境下では、その低温環境下での片道伝播時間ＡＬ_Lに対し、高温環境下での前記係数よりも大きい係数を乗じた値に設定し、前記高温環境と低温環境との間の常温環境下では、その常温環境下での片道伝播時間ＡＬ_Rに対して前記高温環境下及び低温環境下での前記各係数のほぼ間の係数、好ましくはほぼ１に近い係数を乗じた値に設定するのである。

このように設定することにより、高温環境下では、１ドット分の吐出インク体積が多過ぎるのを抑制し、逆に低温環境下での１ドット分の吐出インク体積が少な過ぎるのを防止して、種々の温度環境下での１ドット分の吐出インク体積を一定の適正な値になるようにして、記録画像の濃度が一定、ひいては記録画像の品質を安定化させることができるという効果を奏する。

上記形態のヘッドユニット１を使用して実験を行った結果を図１０に示す。この実験では、図９に示す吐出パルス信号であり、駆動周波数を２０ｋＨｚとし、被記録媒体（用紙）の表面に４つのインク滴からなる１ドットをマトリクス状に配置して広い面積を一様に塗りつぶすパターンに対してＴａ，Ｗａを値を種々に変更して画像記録（印字）を行い、その記録画像の濃度を測定した。図１０において、○印は記録画像の濃度が所定の濃度に対して±５％以内で良好であるものを示す。△印は記録画像の濃度が所定の濃度に対して±１０％以内のものを示し、×印は記録画像の濃度が所定の濃度に対して±１０％以上であって、濃度のムラ（バラツキ）が大きいものを示す。

この実験結果から、理解できるように、
低温環境下では、0.90ＡＬ_L＜Ｔａ，（Ｗａ）＜1.40ＡＬ_L
常温環境下では、0.80ＡＬ_R＜Ｔａ，（Ｗａ）＜1.10ＡＬ_R
高温環境下では、0.60ＡＬ_H＜Ｔａ，（Ｗａ）＜ 0.90 ＡＬ_H
の範囲で記録画像の濃度が所定の濃度の範囲内であって画像の品質が良好であった。

例えば、低温環境下では、その低温環境下での片道伝播時間（圧力室２３を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間）ＡＬ_Lに対しほぼ０．９０ＡＬ_Lから１．４０ＡＬ_Lの範囲内になるようにパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを設定する。高温環境下では、その高温環境下での片道伝播時間ＡＬ_Hに対しほぼ０．６０ＡＬ_Hから０．９０ＡＬ_Hの範囲内になるようにパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを設定する。また、常温環境下では、その常温環境下での片道伝播時間ＡＬ_Rに対してほぼ０．８０ＡＬ_Rから１．１０ＡＬ_Rの範囲内になるようにパルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを設定する。

実験結果からも理解できるように、種々の温度環境下での１ドット分の吐出インク体積を一定の適正な値になるようにして、記録画像の濃度が一定、ひいては記録画像の品質が良好、且つ安定するという効果を奏する。

なお、前記実施形態では、１ドットの吐出指令に対して４個の吐出パルス信号Ｐａからなるように設定したが、本発明は、１ドットの吐出指令に対して任意の複数の吐出パルス信号Ｐａにて構成する場合も含む。この場合においても、種々の温度環境下での１ドット分の吐出インク体積を一定の適正な値になるようにして、記録画像の濃度が一定、ひいては記録画像の品質が良好、且つ安定するという効果を奏する。

また、パルス幅Ｔａ及びパルス間隔Ｗａを波形データ記憶エリアに直接記憶しておいても良いが、各温度における片道伝播時間と係数とを外部から適宜書き換え可能に記憶しておいて、記録動作にそれらにもとづいてパルス幅及びパルス間隔を演算により求めるようにしても良い。さらに、所定温度における片道伝播時間と係数のみを記憶しておいて、検出された環境温度にもとづいて、対応する片道伝播時間と係数を演算により求めるようにしても良い。

本発明のインクジェット式のヘッドユニットのキャビティユニットと圧電アクチュエータと、フラットケーブルとを分離して示す斜視図である。キャビティユニットの分解斜視図である。キャビティユニットの一部分解斜視図である。圧電アクチュエータの部分拡大断面図である。個別電極とコモン電極との重なり状態を示す部分拡大平面図である。図５のVI−VI線矢視拡大断面図である。図５のVII −VII 線矢視拡大断面図である。インク滴吐出装置の駆動制御装置のブロック図である。本発明における液滴を形成するための吐出パルス信号（駆動波形）を示す図である。低温、常温、高温の各温度における種々の片道伝播時間に対する記録画像の品質の良否を示す実験結果である。従来の技術における液滴を形成するための吐出パルス信号（駆動波形）を示す図である。

符号の説明

１ヘッドユニット
１０キャビティユニット
１１ノズルプレート
１１ａノズル
１２圧電アクチュエータ
２３圧力室
３３、３４圧電シート
３６個別電極
３７コモン電極
１００駆動制御装置
１２０パルスコントロール回路
１２１充電回路
１２２放電回路

Claims

インクが充填された圧力室の容積を変化させてノズルからインク滴を吐出させるアクチュエータを備え、このアクチュエータに、所定の周期間隔ごとに１ドットの吐出指令を与えるとともに、その１ドットの吐出指令に対して複数の吐出パルス信号を間隔をおいて印加することにより、複数のインク滴を記録媒体上のほぼ同一位置に着弾させるインク滴吐出装置において、
前記複数の吐出パルス信号は、その各波高値が同じで、且つ各パルス幅が同じであり、さらに、先行する吐出パルス信号のパルス立ち下がり位置から後行する吐出パルス信号のパルス立ち上がり位置までの間隔（パルス間隔）も、前記パルス幅と同じであるように設定され、
前記複数の各吐出パルス信号を、高温環境下では、その高温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し短めになるようにその時間に対して所定の係数を乗じた値の前記パルス幅およびパルス間隔で印加し、低温環境下では、その低温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し、高温環境下での前記係数よりも大きい係数を乗じた値の前記パルス幅およびパルス間隔で印加し、前記高温環境と低温環境との間の常温環境下では、その常温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し、前記高温環境下及び低温環境下での前記各係数のほぼ間の係数を乗じた値の前記パルス幅およびパルス間隔にて印加することを特徴とするインク滴吐出装置。
前記パルス幅およびパルス間隔は、高温環境下では、その高温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ_Hに対しほぼ０．６ＡＬ_Hから０．９ＡＬ_Hの範囲内に設定し、低温環境下では、その低温環境下で前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間ＡＬ_Lに対しほぼ０．９ＡＬ_Lから１．４ＡＬ_Lの範囲内に設定したことを特徴とする請求項１に記載のインク滴吐出装置。
前記アクチュエータは、前記圧力室の容積を拡大してその圧力室内に圧力波を生じさせ、その後、前記圧力室を含むインク流路内を圧力波が片道伝播する時間に対し前記係数を乗じた時間後、復帰することを特徴とする請求項１または２に記載のインク滴吐出装置。