JP4672423B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力室の容積を駆動信号に応じて可変させるインクジェット記録装置に関する。

駆動信号に応じて変形する圧電アクチュエータによってインクが充填された圧力室の容積を可変させるインクジェットヘッドにより、吐出させるインク滴の体積を可変して階調制御を行う技術がある。このような階調制御を行う場合、吐出体積を変化させても吐出速度の変化が小さいことが望まれる。

例えば特許文献１には、吐出体積を変化させても吐出速度の変化が小さい階調技術として、メニスカスの引き込み量を変えるものと、インクの吐出時間を変えるものが開示されている。

このうち、インク滴吐出前のメニスカスの引き込み量を変えるものについては、インク滴の体積の可変量が大きいという利点があるが、小液滴を吐出させる場合も大液滴を吐出させる場合と同じ長さの駆動信号を必要とするため、吐出体積が異なる駆動信号を時系列に並べた場合に駆動時間の短縮が困難であった。

一方、インクの吐出時間を変えるものでは、小液滴用の駆動信号は大液滴用の駆動信号より駆動時間が短いが、選択できる体積の種類は２種類に限られる。

また、他の階調制御を行う技術として、特許文献２に開示されているものがある。この従来技術は、大、中、小３種類の吐出体積を選択でき、小液滴用の駆動信号は大液滴用の駆動信号より短い駆動時間を有する。しかし、特許文献２には、吐出体積を変化させたときの吐出速度の変化に関する開示はみあたらない。また、特許文献２の技術は残留圧力振動が残ることが記載されており、吐出体積が異なる駆動信号を時系列に並べることは困難である。
特開２００４−８２６９７号公報 特開２０００−４３２５１号公報

本発明は、多種類の吐出体積が選択でき、駆動時間が短く、残留圧力振動が十分に抑制された階調制御技術を提供することを目的とする。

本発明は、インクを吐出させるノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室にインクを供給するインク供給手段と、圧力室の容積を駆動信号に応じて可変させるアクチュエータを有し、駆動信号に応じてノズルよりインクを吐出させるインクジェットヘッドと、駆動信号を発生させる駆動信号発生手段を有し、駆動信号発生手段は複数種類の駆動信号を選択的に前記インクジェットヘッドに供給することによって体積の異なるインク滴を吐出させるインクジェット記録装置において、駆動信号は、インクジェットヘッドの駆動信号に対するメニスカス振動の応答特性を測定し、応答特性に基づいて、インク吐出のためのメニスカスの前進開始から前記メニスカスの後退開始までのメニスカス振幅と前記メニスカスの前進開始からメニスカスの後退開始までのインク吐出時間との比が実質的に一定であるように演算された波形を基に定められていることにある。

本発明は、多種類の吐出体積が選択でき、駆動時間が短く、残留圧力振動が十分に抑制された階調制御技術を提供できる。

本発明の第１の実施例を、図面を参照して説明する。図中の同じ番号の構成要素は、特段の説明がない限り他の図面中においても同じ構成要素を示している。

インクジェットヘッドの構造について述べる。図１及び図２はアクチュエータが隣接する圧力室間で共有されたせん断モード型のインクジェットヘッド１０１の構成を示す断面図である。インクジェトヘッド１０１は、低誘電率の基板１、圧電部材２、３、天板枠４、天板蓋５、ノズルプレート１１、駆動回路と接続されたケーブル１６で構成されている。

低誘電率の基板１の先端部には、分極方向が互いに板厚方向に対して内側に向かって反対になるように貼り合わせた圧電部材２、３が埋め込まれている。圧電部材２、３及びその後方にある基板１の部分には、ダイヤモンドカッタを用いた切削加工によって一定の間隔で複数の長溝６が互いに平行に形成されている。基板１の上部に天板枠４とインク供給口１５を有する天板蓋５を接着して、インク供給路１４が形成されている。各長溝６と天板枠４とで、複数の圧力室７が形成されている。各圧電部材２、３は、電圧印加によって圧力室７を変形させるアクチュエータ１３（１３ａ〜１３ｋ）になっている。各圧電部材２、３の先端にインク滴を吐出するためのノズル１０を形成したノズルプレート１１が接着剤により固定されている。ノズル１０は、各圧力室７の先端部に位置し、所定の大きさの内径で形成されている。圧力室７を形成するそれぞれの長溝６の側面と底面には、他の長溝６とは電気的に独立した電極８が無電解メッキにより形成されている。電極８は圧力室７の後端から基板１の上面に延出し後述する駆動回路に接続されている。なお、無電解メッキに限らず、電極８はスパッタリングや真空蒸着などで電極材料を成膜した後、エッチングにより所定のパターンに形成する方法も可能である。

図２の圧力室７ｃからインクを吐出させる場合を例として、インクジェットヘッドの動作を説明する。圧力室７ａ〜７ｊに対応する電極を８ａ〜８ｊとし、ノズルを各々ノズル１０ａ〜１０ｊとする。インク供給口１５からインクジェットヘッド内に供給されたインク１２は、インク供給路１４を通して圧力室７に充填される。後述する駆動信号により、電極８ｃと電極８ｂ、及び電極８ｃと電極８ｄの間に電位差が生じると、アクチュエータ１３ｃ及び１３ｄがせん断変形して圧力室７ｃ内の容積が変化し、ノズル１０ｃからインクが吐出する。

アクチュエータ１３は左右に隣接する圧力室７の間で共用されているため、本インクジェットヘッドは互いに隣接する２つの圧力室７からそれぞれ独立にインクを吐出させることはできない。互いに隣接する圧力室７が同時に駆動されないように、本インクジェットヘッドは時分割駆動してインク吐出させている。

さらに、圧力室７ｃのインクを吐出させる場合、電極８ａと８ｂ間にも電位差を生じさせることにより、圧力室７ｂに発生する圧力振動が圧力室７ａに分散するようにアクチュエータ１３ｂを圧力室７ａ方向に変形させている。アクチュエータ１３ｂを変形させると同時に電極８ｄと８ｅ間にも電位差を生じさせ、圧力室７ｄに発生する圧力振動が圧力室７ｅに分散するようにアクチュエータ１３ｅを圧力室７ｅ方向に変形させている。図２は５分割駆動の各アクチュエータの変形例を強調して示している。このように、ある圧力室からインクを吐出させる場合、隣接している圧力室に発生する圧力振動を他の圧力室へ分散させることにより、非吐出ノズル内のメニスカス振動の振幅を減らすことができる。非吐出ノズル内のメニスカス振動が減少すると、ノズル面からメニスカスが盛り上がる現象も減少し、そのノズルから次にインクを吐出させる時にメニスカス位置のばらつきが小さくなる。メニスカス位置が安定することで、インク滴の吐出速度や吐出体積のばらつきが抑制されて印字品質が向上する。

図３を用いて、インクジェットヘッドの駆動回路のブロック図を説明する。駆動回路は、駆動波形メモリ２１、Ｄ／Ａ変換機２２、増幅器２３、駆動信号選択手段２４、画像メモリ２５、デコーダ２６で構成されている。

駆動波形メモリ２１には、インクを吐出させる圧力室に印加する駆動信号ＡＣＴと、インクを吐出させない圧力室に印加する駆動信号ＩＮＡを発生するための波形情報が記憶されている。これらの駆動信号ＡＣＴとＩＮＡの波形情報は、各々Ｄ／Ａ変換機２２でアナログ信号に変換される。さらに、これらのアナログ信号は、増幅器２３で増幅された後、駆動信号選択手段２４に入力される。

画像メモリ２５に記録された画像の各画素の階調情報に基づき、デコーダ２６がインク滴の吐出／非吐出を制御するＯＮ／ＯＦＦ信号２７を発生させる。インクジェットヘッドは、１画素につき、吐出体積が各々６ｐｌ、１２ｐｌ、２４ｐｌの３種類のインク滴を選択的に吐出または非吐出させることができる。階調データに合わせてインク滴体積を組み合わせることで、図４に示すように最大で８値の階調記録を行うことができる。

図５は駆動信号選択手段２４の回路図を示している。デコーダ２６は圧力室数に対応するだけＯＮ／ＯＦＦ信号の出力数を有している。図５では、図２に示した一部のヘッドの電極に対応したＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜２７ｊとアナログスイッチ３０ａ〜３０ｊについて示しているが、実際にはインクジェットヘッド１０１の全ての圧力室７の電極８に対応してＯＮ／ＯＦＦ信号２７とアナログスイッチ３０は設けられる。駆動信号選択手段２４は、アナログスイッチ３０ａ〜３０ｊを備え、ＯＮ／ＯＦＦ信号出力２７ａ〜２７ｊがＯＮの場合は駆動信号ＡＣＴを選択し、ＯＦＦの場合は駆動信号ＩＮＡを選択して、電極８ａ〜８ｊに分配する。駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ５は、各々時分割駆動における第１〜第５サイクルに対応している。

圧力室７ｃからインクを吐出させ、同じ動作タイミングにある圧力室７ｈからはインクを吐出させない例を説明する。圧力室７ｃに対応するＯＮ／ＯＦＦ信号２７ｃと、その両側の２つずつのＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ、２７ｂ、２７ｄ、２７ｅをＯＮとする。このとき、圧力室７ｈに対応するＯＮ／ＯＦＦ信号２７ｈと、その両側の２つずつのＯＮ／ＯＦＦ信号２７ｆ、２７ｇ、２７ｉ、２７ｊをＯＦＦとする。これらＯＮ／ＯＦＦ信号の印加によって、インクを吐出させる圧力室７ｃとその両側の２つずつの圧力室７ａ、７ｂ、７ｄ、７ｅにはＡＣＴ信号による駆動信号を供給し、インクを吐出させない圧力室７ｈとその両側の２つずつの圧力室７ｆ、７ｇ、７ｉ、７ｊにはＩＮＡ信号による駆動信号を供給する。

駆動波形選択手段に供給される駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ５及びＩＮＡについて説明する。インク吐出用の駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ５と、非インク吐出用の駆動信号ＩＮＡの１印字周期分を図６に示す。駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ５はＷ１、Ｗ２、Ｗ３の３種の駆動信号で構成され、ＩＮＡはＷ４の駆動信号で構成されている。駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ５は、各々時分割された時間だけ位相が異なっている。例えば、圧力室７ｃからインクを吐出させる場合、第３サイクルにおいてＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜２７ｅをＯＮにすることにより、圧力室７ａと７ｅにはＷ３の駆動信号、圧力室７ｂと７ｄにはＷ２の駆動信号、圧力室７ｃにはＷ１の駆動信号が供給される。

図７を用いて駆動信号Ｗ１〜Ｗ４について述べる。Ｗ１〜Ｗ４の各々は、体積が６ｐｌの第１ドロップを吐出させる期間にあるＷ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ３ａ、Ｗ４ａと、体積が１２ｐｌの第２ドロップを吐出させる期間にあるＷ１ｂ、Ｗ２ｂ、Ｗ３ｂ、Ｗ４ｂと、体積が２４ｐｌの第３ドロップを吐出させる期間にあるＷ１ｃ、Ｗ２ｃ、Ｗ３ｃ、Ｗ４ｃとで構成されている。各ドロップの期間は、第１、第２、第３の順に長くなっている。すなわち、吐出体積に応じて駆動信号の電圧印加時間が長くなっている。

例えば、圧力室７ｃから第１ドロップを吐出させ、圧力室７ｈからは第１ドロップを吐出させない場合、第３サイクルの第１ドロップの期間にＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜２７ｅをＯＮにし、ＯＮ／ＯＦＦ信号２７ｆ〜２７ｊをＯＦＦにする。そのＯＮ／ＯＦＦ信号によって、電極８ｃにはＷ１ａの駆動信号が印加され、電極８ｂと８ｄにはＷ２ａの駆動信号が印加され、電極８ａと８ｅにはＷ３ａの駆動信号が印加され、電極８ｆ〜８ｊにはＷ４ａの駆動信号が印加される。この結果、アクチュエータ１３ｃ、１３ｄは駆動信号Ｗ１ａとＷ２ａの電位差により大きく変形して、圧力室７ｃから６ｐｌのインク滴が吐出する。アクチュエータ１３ｂは、駆動信号Ｗ２ａとＷ３ａの電位差により圧力室７ｂに発生する圧力振動を圧力室７ａに分散させる方向に変形する。同様に、アクチュエータ１３ｅは、圧力室７ｄに発生する圧力振動を圧力室７ｅに分散させる方向に変形する。そのアクチュエータ１３ｅの変形によって圧力室７ｅ内のインクの圧力が上昇しアクチュエータ１３ｆを圧力室７ｆの方向に変形させる力が発生するが、アクチュエータ１３ｆは駆動信号Ｗ３ａとＷ４ａの電位差によりその力とは逆方向の力が発生し、実質的に変形しなくなる。そのため、圧力室７ｃで吐出動作を行った際に圧力室７ｅに発生する圧力振動がアクチュエータ１３ｆを介して圧力室７ｆに漏洩する現象が遮断され、実質的にアクチュエータを介するクロストークを０にすることができる。アクチュエータ１３ｇ〜１３ｊには各アクチュエータを挟む電極に同じ駆動信号Ｗ４ａが印加されるため、変形しないので、圧力室７ｈからインクは吐出しない。

駆動信号Ｗ１〜Ｗ４の決定方法について説明する。駆動信号Ｗ１〜Ｗ４は、残留圧力振動の抑制、クロストークの防止、階調制御、アクチュエータの固有振動の抑制などの観点から望ましいメニスカス振動を定義しておき、この望ましい振動をメニスカスに生じさせる駆動信号を、インクジェットヘッドの駆動信号に対するメニスカスの流速振動の応答特性を利用して逆算することによって求めている。以下、駆動信号を逆算するために定義されたメニスカス振動を仮想メニスカス振動と称する。メニスカスの流速振動を単に流速振動と称する。

仮想メニスカス振動は、実際のインクジェットヘッドの吐出動作において生じるメニスカス振動から、ノズルからのインク吐出に伴うメニスカスの前進や、ノズルからインクが排出された後に発生するメニスカスの後退や、インクの表面張力等によるインクリフィル作用に伴うメニスカスの前進などの非線形な成分を除去した、駆動信号に対して線形なメニスカス振動である。このようなメニスカス振動は、インクが吐出しない程度に振幅を縮小した駆動信号をインクジェットヘッドに与えた場合に発生するメニスカス振動の振幅を拡大したものと考えることができる。図８を用いて実際のメニスカス振動と仮想メニスカス振動の相違を示す。

このような仮想メニスカス振動は、実際のインクジェットヘッドの吐出動作において生じるメニスカス振動とは異なるが、インクの吐出速度や吐出体積、インク吐出動作後の残留振動、ノズル間のクロストーク、アクチュエータの固有振動によるメニスカスの微振動など、インクジェットヘッドの吐出動作に重要な特性を反映している。また、実際のメニスカス振動は、非線形振動なことに加え、インクリフィル作用など駆動信号とは無関係な要因の影響を受けるので、実際のメニスカス振動を駆動信号により制御することには限界がある。しかし、仮想メニスカス振動は、駆動信号とは無関係な要因の影響を受けないので、駆動信号で仮想メニスカス振動を十分に制御することが可能である。したがって、望ましい仮想メニスカス振動を定義し、それを生じさせる駆動信号をアクチュエータに与えることにより、インクの吐出速度や吐出体積、インク吐出動作後の残留振動、ノズル間のクロストーク、アクチュエータの固有振動によるメニスカスの微振動などに関して望ましい特性を得ることができる。

仮想メニスカス振動から駆動信号の波形を逆算する過程で必要となる、インクジェットヘッドの駆動信号に対する流速振動の応答特性Ｒの求め方について述べる。応答特性Ｒは、テスト駆動信号ＶＴに対するノズル内の流速振動ＵＴから求める。具体的には、テスト駆動信号ＶＴ_１〜ＶＴ_１０を各々の電極８ａ〜８ｊに印加する。ＶＴ_１は図９に示す低電圧の周期Ｔｃのノイズ波形であり、ＶＴ_２〜ＶＴ_１０は０Ｖとする。Ｔｃは、インク吐出動作の時間より十分長くすることが望ましい。さらに、電極８ｋに対しては電極８ａと同じＶＴ_１を印加して、なるべく多数の圧力室に対して１０チャンネルおきの駆動パターンを適用する。そのような駆動パターンでヘッドを駆動するとき、ノズル１０ａ〜１０ｊ内のメニスカスの流速を各々ＵＴ_１〜ＵＴ_１０としたとき、図１０に示すような周期Ｔｃの流速振動が発生する。この流速振動は、市販のレーザドップラ振動計、例えば（株）小野測器のＬＶ−１７１０を用い、インクジェットヘッドのノズル内のメニスカスに測定用レーザビームを照射することによって観測することができる。

下記の数式〔数１〕および数式〔数２〕を用いて、テスト駆動信号ＶＴと、流速振動ＵＴをフーリエ変換し、各々電圧スペクトルＦＶＴと流速スペクトルＦＵＴに変換する。

ここで、ｍは、レーザドップラ振動計で観測された時系列流速データのデータ数である。レーザドップラ振動計で観測された流速データのサンプリング時間をｄｔとすれば、ｍはＴｃ／ｄｔの値となる。添字のｉは、チャンネル番号を示す１から１０までの整数であり、この番号は電極８ａ〜８ｊまたはノズル１０ａ〜１０ｊに対応している。また、添字のｊは、時系列データにおいて先頭からｊ番目のデータを示す１〜ｍまでの整数である。ｊ番目のデータは、時刻ｊ×ｄｔのデータを示している。添字のｋは、周波数系列データにおいて先頭からｋ番目のデータを示す１〜ｍまでの整数である。ｋ番目のデータは、周波数（ｋ−１）／Ｔｃのデータを示している。Ｉは虚数単位である。ここで述べた添字の記法は以下の説明においても用いることとする。

電圧スペクトルＦＶＴ_ｉ，ｋは、駆動信号ＶＴ_ｉの周波数（ｋ−１）／Ｔｃにおける電圧振幅と位相を複素数の形で表している。また、流速スペクトルＦＵＴ_ｉ，ｋは、流速振動ＵＴ_ｉの周波数（ｋ−１）／Ｔｃにおける流速振幅と位相を複素数の形で表している。

電圧スペクトルＦＶＴと流速スペクトルＦＵＴから、次の数式〔数３〕により応答特性Ｒを求める。

Ｒ_ｉ，ｋは、テスト駆動信号ＶＴ_１に対するノズル内のメニスカス流速Ｕ_ｉの周波数（ｋ−１）／Ｔｃにおける振幅と位相の変化を複素数の形で示している。Ｒ_ｉをチャンネルｉの応答特性としたとき、Ｒ_１〜Ｒ_１０の絶対値と位相角を図１１に示す。以上、テスト駆動信号としてノイズ波形を用いた場合について説明したが、テスト駆動信号として周波数可変の正弦波や余弦波を用い、各周波数における流速振動の振幅と位相を測定することによって応答特性Ｒを求めことも可能である。

その応答特性Ｒを用い、仮想メニスカス振動から駆動信号を決定する方法について述べる。図１２に本実施例の仮想メニスカス振動の変位Ｘを示す。例えば、圧力室７ｃから第１〜第３ドロップを吐出させ、圧力室７ｈからはインクを吐出させない場合、ノズル１０ａ〜１０ｊの仮想メニスカス振動の変位は各々Ｘ_１〜Ｘ_１０となる。仮想メニスカス振動の変位の＋側の山のピークの変位にノズルの開口径を乗じたものが各ドロップのインクの吐出体積に相当する。

仮想メニスカス振動の変位は、下記に述べる演算を行う都合上、始点と終点が実質的に連続で、始点から終点まで微分した結果が連続であり、なおかつ微分した結果の始点と終点も実質的に連続であるとしている。

仮想メニスカス振動の変位Ｘに対応する仮想メニスカス振動の流速を求める。仮想メニスカス振動の流速Ｕは、次の数式〔数４〕により求められる。

上記数式〔数４〕により求められた仮想メニスカス振動の流速Ｕ_１〜Ｕ_１０を、図１３に示す。図１３に、数式４により求められた仮想メニスカス振動の流速Ｕ_１〜Ｕ_１０を示す。

仮想メニスカス振動の流速Ｕは始点から終点まで実質的に連続な時系列データで、また始点と終点も実質的に連続である。仮想メニスカス振動の流速を仮想メニスカス振動の変位から演算するかわりに、最初から仮想メニスカス振動の流速を定義しても良い。

下記の数式〔数５〕を用いて仮想メニスカス振動の流速Ｕのフーリエ変換を行い、仮想メニスカス振動の流速Ｕの流速スペクトルＦＵを得る。

流速スペクトルＦＵ_ｉ，ｋは、仮想メニスカス振動の流速Ｕ_ｉの周波数（ｋ−１）／Ｔｃにおける流速振幅と位相を複素数の形で表している。このようにして得られた流速スペクトルＦＵのうち、ＦＵ_３の絶対値を図１４に示す。ここで、ｆｍａｘは、その周波数以下に大部分の周波数成分が含まれる周波数であり、後述するように、駆動信号ＶＡの周波数成分の上限を定めるために用いられる。

次に、インクジェットヘッドの応答特性Ｒと仮想メニスカス振動の流速スペクトルＦＵとから、駆動信号の電圧スペクトルＦＶＡを求める。応答特性行列［Ｒ］_ｋを数式〔数６〕、電圧ベクトル｛ＦＶＡ｝_ｋを数式〔数７〕、仮想メニスカス振動の流速ベクトル｛ＦＵ｝_ｋを数式〔数８〕としたとき、数式〔数９〕により周波数（ｋ−１）／Ｔｃにおける電圧ベクトルＦＶＡ_ｋが求められる。

上記の数式〔数７〕および数式〔数９〕で得られた電圧スペクトルＦＶＡ_ｉ，ｋは、仮想メニスカス振動の流速Ｕ_ｉを発生させる駆動信号ＶＡ_ｉの、周波数（ｋ−１）／Ｔｃにおける電圧振幅と位相を複素数の形で表している。また、上記数式〔数６〕で得られる［Ｒ］_ｋのａ行ｂ列目の要素は、ｂ番目のチャンネルの周波数（ｋ−１）／Ｔｃの電圧振動に対するａ番目のノズル内のメニスカス流速振動の振幅と位相の変化を複素数の形で表している。［Ｒ］_ｋ ^−１は［Ｒ］_ｋの逆行列である。逆行列の演算は、ＷＯＬＦＲＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ社のＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡ（登録商標）などの数式解析ソフトウエアにより行うことができる。

駆動信号ＶＡは、電圧スペクトルＦＶＡを下記数式〔数１０〕で逆フーリエ変換することにより得られる。

ここで、Ｒｅ［ｚ］は、複素数ｚ＝ａ＋ｂＩの実数部ａを得る関数である。ＶＡ_ｉ，ｊは、仮想メニスカス振動の流速Ｕを発生させる駆動信号ＶＡの、ｉ番目のチャンネルの時刻ｊ×ｄｔにおける電圧値である。
このように得られた駆動信号ＶＡ_ｉ、すなわちＶＡ_１〜ＶＡ_１０は、各々電極８ａ〜８ｊに印加された場合、ノズル１０ａ〜１０ｊ内のメニスカスに仮想メニスカス振動の変位Ｘ_１〜Ｘ_１０を生じさせる駆動信号になる。
また、ｍ’は、次の数式〔数１１〕のとおりとなる最も大きい整数である。

このように逆フーリエ変換の周波数の上限をｆｍａｘとすることにより、駆動信号ＶＡの周波数成分の上限値がｆｍａｘに定められる。仮想メニスカス振動が実際のインクジェットヘッドがほとんど応答しない周波数成分を有している場合に、ｆｍａｘを定めることによって、駆動信号ＶＡの電圧振幅が異常に大きくなる事態を防止できる。ｆｍａｘはＦＵの周波数成分の大部分がｆｍａｘ以内に含まれることが望ましい。駆動信号ＶＡの電圧変動が現れる期間や電圧振幅は、圧力室の長さＬに応じて変化する。圧力室の長さＬは、電圧変動が現れる期間が最小限になる範囲内で、電圧振幅が最も小さくなる値に定められることが望ましい。以上のようにして得られた駆動信号ＶＡ（ＶＡ_１〜ＶＡ_１０）を、図１５に示す。

以上のようにして得られた駆動信号ＶＡは、そのままインクジェットヘッドの駆動信号として用いることが可能であるが、駆動信号ＶＡから図１５の点線で示すような基準電圧ＶＲＥＦ（ＶＲＥＦ_１〜ＶＲＥＦ_１０）との差を計算して、図１６に示す駆動信号ＶＢ（ＶＢ_１〜ＶＢ_１０）を得ることにより、駆動信号の長さを短縮できる。このことにより、インクジェットヘッドの駆動周期を短縮でき、印刷速度を向上させることができる。

以上のようにして得られた駆動信号ＶＢは、そのままインクジェットヘッドの駆動信号として用いることが可能であるが、さらに下記の数式〔数１２〕で示される駆動信号ＶＤを得ることにより、駆動信号の電圧振幅を小さくできる。このことにより、駆動回路のコストを低減でき、安価なインクジェット記録装置を提供できる。図１７に、駆動信号ＶＤ_１〜ＶＤ_１０を示す。

ここで、ＭＩＮ［ＶＢ_１，ｊ，ＶＢ_２，ｊ，．．．］は、［ ］内の値のうち最小値を示す関数である。

上述の計算で求めた駆動信号ＶＤ_３は駆動信号Ｗ１になり、駆動信号ＶＤ_２またはＶＤ_４は駆動信号Ｗ２になり、駆動信号ＶＤ_１またはＶＤ_５は駆動信号Ｗ３になり、駆動信号ＶＤ_６〜ＶＤ_１０のいずれかは駆動信号Ｗ４になる。

インクジェットヘッドがせん断モード型でなく、各々独立して圧力室の制御が可能な場合や、せん断モード型構造であっても圧力室間のクロストークを無視して良い場合は、以下の手順で駆動信号の波形を計算できる。

本実施例と同様の方法で、１つのチャンネルについてのみ応答特性Ｒを求めるとともに、１つのチャンネルについてのみ仮想メニスカス振動の流速Ｕを定義して、仮想メニスカス振動の流速の流速スペクトルＦＵを求める。そして、下記の数式〔数１３〕により、駆動信号の電圧スペクトルＦＶを求め、最後に、本実施例と同様の方法で電圧スペクトルＦＶを逆フーリエ変換することにより、駆動信号Ｖが求められる。

この例において、インクを吐出する圧力室７ｃを駆動するアクチュエータ１３ｃ、１３ｄに印加される駆動信号ＶＥは「ＶＥ＝ＶＤ_３−ＶＤ_２」により算出され、図１８に示す駆動信号となる。

上述の波形情報生成方法を用いて得られた駆動信号によって動作するインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置について説明する。

図１９は、インクジェット記録装置の構成を示している。用紙１０４が無端搬送ベルト１０３によって矢印方向に搬送される。インク吐出方向が用紙面に向くように、同じ４個のインクジェットヘッド１０１が基板１０２上に装着されている。搬送されている用紙上に画像データに合わせてインクを吐出させ、所望の画像を形成するようになっている。このインクジェット記録装置では、４個のインクジェットヘッドを１列に配置して、用紙幅に相当する印字幅で記録するので、高速に印字可能になっている。

インクジェットヘッド１０１を動作させる駆動信号を生成する場合は、上述したように、始にノイズ波形あるいは正弦波などの適当なテスト波形を用い、製造されたインクジェットヘッドの駆動信号に対するメニスカスの応答特性Ｒを測定する。次に、測定した応答特性とあらかじめ定められた仮想メニスカス振動を元に、前述の数式〔数４〕〜数式〔数１０〕を用いて駆動信号の波形を演算により作成する。得られた駆動信号の波形をインクジェット記録装置の駆動波形メモリに記憶させる。このメモリに記憶したデータは駆動信号生成のための波形情報に相当する。

図２０に示すように、測定された応答特性Ｒと仮想メニスカス振動をインクジェット記録装置に記憶させておき、インクジェット記録装置内で上述した方法により駆動信号の波形を演算することも可能である。その場合、演算手段２７でｆｍａｘ以上の駆動信号ＶＡの波形の周波数成分をカットするか、あらかじめ仮想メニスカス振動メモリ２８に記憶される仮想メニスカス振動あるいは応答特性メモリ２９に記憶される応答特性のｆｍａｘ以上の周波数成分をカットしておくことが望ましい。

従来のインクジェット記録装置では、製造時にインクジェットヘッドの特性のばらつきに応じた駆動信号のタイミングの調整と電圧振幅の調整が行われていたが、インクジェットヘッドの主音響共振周波数のばらつきに伴いインクの吐出時間が変化するため、インクの吐出速度や体積がばらつくという課題があった。しかし、本発明では、駆動信号はあらかじめ定められたメニスカス振動を再現するように設定されるため、インクジェットヘッドヘッドの主音響共振周波数がばらついてもインクの吐出速度や体積がばらつく課題を解決できる。また、本発明のインクジェット記録装置を製造する場合、駆動信号のタイミングの調整と電圧振幅の調整を省略することができるので、安価なインクジェット記録装置を提供できる。

１画素を形成するために吐出体積が異なる複数のインクドロップを選択的に吐出させる場合の仮想メニスカス振動について、図１２を用いて詳細に述べる。吐出体積が異なるインクドロップ間でインクの吐出速度が各々大きく異なる場合、吐出速度が低すぎるインク滴は着弾位置精度が悪く、インク吐出速度が大きすぎる場合にはインク吐出動作が不安定となる。インクの吐出時間をｓｔとし、インク吐出時のメニスカス変位をａとするとき、インクの吐出速度はおおむねａ／ｓｔとなる。本実施例では、インクを吐出させるノズルの仮想メニスカス振動の変位Ｘ_３において、第１ドロップ、第２ドロップ、第３ドロップ吐出時の吐出時間を各々ｓｔ１、ｓｔ２、ｓｔ３とし、インク吐出時の仮想メニスカス振動の変位をａ１、ａ２、ａ３とするとき、下記数式〔数１４〕のとおりとして、各ドロップの吐出速度がおおむね一定になるように仮想メニスカス振動を定義している。

このため、各ドロップの吐出体積に応じて吐出時間ｓｔを可変している。各ドロップの吐出体積は、図１２のｂ１、ｂ２、ｂ３に比例する。また、各ドロップの仮想メニスカス振動の変位の終端に、変位が０でありかつ変位の時間微分で表される流速が０となる条件を設定することにより、各ドロップの吐出動作終了後の残留振動を実質的に０にしている。その結果、例えば第２ドロップを吐出させる場合、第１ドロップを吐出させたか否かによるインク吐出速度の変動を防止でき、各ドロップの吐出速度を均一化できる。

以上のような仮想メニスカス振動は、吐出体積が各々異なり、吐出速度が概ね一定で、なおかつ残留振動が実質的に０となることから、階調印字性能に優れ、残留圧力振動による吐出するインク滴の速度や体積のばらつきが少ない、印字品質に優れたインク吐出動作を可能にするといえる。

また、図１３において、吐出ノズル１０ｃに隣接するノズル１０ｂ、１０ｄの流速振動Ｕ２、Ｕ４は、ノズル１０ｃの流速振動Ｕ３の−１／４になっている。このような構成において、ノズル１０ｃ、１０ｈからインクを同時に吐出させる場合に、非吐出ノズル１０ｄ〜１０ｇの流速振動は吐出ノズル１０ｃ、１０ｈの−１／４になる。すなわち、吐出ノズル１０ｃ、１０ｈのインク吐出に伴う非吐出ノズル１０ｄ、１０ｇの流速振動を、非吐出ノズル１０ｅ、１０ｆに対して分散させて、ノズル１０ｄ〜１０ｇに発生する流速振動の振幅を均一にする。これは、流速振動の振幅は圧力振動の振幅に比例するので、インクを吐出させる圧力室７ｃ、７ｈのインク吐出動作に伴う、インクを吐出させない圧力室７ｄ、７ｇの圧力振動を、インクを吐出させない圧力室７ｅ、７ｆに対して分散させて、圧力室７ｄ〜７ｇに発生する圧力振動の振幅を均一にすると表現しても良い。非吐出ノズルにおいて、メニスカスの盛り上がりを生じさせる力は、おおむね各ノズルの流速の２乗に比例する。非吐出ノズル全体としてメニスカスの盛り上がりを生じさせる力を最小にするにためには、非吐出ノズルに対してインク吐出動作に伴う流速振動を均一に分散させればよいことは明らかである。流速振動を均一に分散させることで、メニスカスがノズル面から盛り上がる現象を抑制することができ、インク吐出時のメニスカスの位置のばらつきが小さくなり、インク滴の吐出速度のばらつきが抑制されて印字品質が向上する。

本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、４分割駆動で、インクが吐出するノズル内の仮想メニスカス振動は第１の実施例と同じである。４分割駆動では、駆動信号選択手段２４が５分割駆動と異なっている。

図２１に駆動信号選択手段２４の回路図を示す。駆動信号選択手段２４では、デコーダ出力にしたがってＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜２７ｊがＯＮの場合はアナログスイッチ３０ａ〜３０ｊによりＡＣＴ信号を選択し、ＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜２７ｊがＯＦＦの場合はアナログスイッチ３０ａ〜３０ｊによりＩＮＡ信号の選択して、駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４及びＩＮＡ１〜ＩＮＡ４を電極８に印加する。ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４は、各々時分割駆動における第１〜第４サイクルに対応している。例として、あるタイミングにおいて、圧力室７ｃからインクを吐出させ、同じ動作タイミングにある圧力室７ｇからインクを吐出させない場合の動作を説明する。圧力室７ｃからインクを吐出させるために、ＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄをＯＮにする。これらのＯＮ／ＯＦＦ信号は、圧力室７ｃとその片側２つ（圧力室７ａ、７ｂ）とその反対側１つ（圧力室７ｄ）に対応している。圧力室７ｇからインクを吐出させないために、ＯＮ／ＯＦＦ信号２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈをＯＦＦにする。これらのＯＮ／ＯＦＦ信号は、圧力室７ｇとその片側２つ（圧力室７ｅ、７ｆ）とその反対側１つ（圧力室７ｈ）に対応している。これらのＯＮ／ＯＦＦ信号の印加によって、インクを吐出させる圧力室７ｃとそのその片側２つと反対側１つの圧力室７ａ、７ｂ、７ｄにはＡＣＴ信号を供給し、インクを吐出させない圧力室７ｇと、その片側２つと反対側１つの圧力室７ｅ、７ｆ、７ｈにはＩＮＡ信号を供給する。

駆動信号選択手段に供給される駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４及びＩＮＡ１〜ＩＮＡ４について述べる。図２２に、インク吐出用の駆動信号ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４と、非インク吐出用の駆動信号ＩＮＡ１〜ＩＮＡ４の１印字周期分を示す。ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４はＷ１、Ｗ２、Ｗ３の３つの駆動信号で、ＩＮＡ１〜ＩＮＡ４は駆動信号Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５の３つの駆動信号で構成されている。ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４は、各々時分割された時間だけ位相が異なっている。例えば、圧力室７ｃからインクを吐出させる場合、第３サイクルにおいてＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜ｄをＯＮにすることにより、圧力室７ａにはＷ３の駆動信号、圧力室７ｂと７ｄにはＷ２、圧力室７ｃにはＷ１の駆動信号が、各々供給される。

駆動信号Ｗ１〜Ｗ５について図２３を用いて述べる。Ｗ１〜Ｗ５は、各々体積が６ｐｌの第１ドロップを吐出させる期間にあるＷ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ３ａ、Ｗ４ａ、Ｗ５ａと、体積が１２ｐｌの第２ドロップを吐出させる期間にあるＷ１ｂ、Ｗ２ｂ、Ｗ３ｂ、Ｗ４ｂ、Ｗ５ｂと、体積が２４ｐｌの第３ドロップを吐出させる期間にあるＷ１ｃ、Ｗ２ｃ、Ｗ３ｃ、Ｗ４ｃ、Ｗ５ｃとで構成されている。

圧力室７ｃから第１ドロップを吐出させ、圧力室７ｇからは第１ドロップを吐出させない場合を例示する。第１サイクルから第４サイクルの順で圧力室７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄから順にインクを吐出させている。圧力室７ｃからインク吐出させるために第３サイクルの第１ドロップの期間にＯＮ／ＯＦＦ信号２７ａ〜２７ｄをＯＮにし、ＯＮ／ＯＦＦ信号２７ｅ〜２７ｈをＯＦＦにする。このＯＮ／ＯＦＦ信号の印加によって、電極８ｃにはＷ１ａ、電極８ｂと８ｄにはＷ２ａ、電極８ａと８ｅにはＷ３ａ、電極８ｆと８ｈにはＷ４ａ、電極８ｇにはＷ５ａの駆動信号がそれぞれ印加される。この結果、図２４に示すように、アクチュエータ１３ｃ、１３ｄは駆動信号Ｗ１ａとＷ２ａの電位差により大きく変形して圧力室８ｃから６ｐｌのインク滴が吐出する。アクチュエータ１３ｂと１３ｅは駆動信号Ｗ２ａとＷ３ａの電位差により圧力室７ｂ、７ｄに発生する圧力振動を圧力室７ａ、７ｅに分散させる方向に変形する。アクチュエータ１３ｆは、駆動信号Ｗ３ａとＷ４ａの電位差により、圧力室８ｇから第１ドロップを吐出させる場合と同じように変形する。そのため、圧力室７ｃで吐出動作を行った際に圧力室７ｅに発生する圧力振動が、圧力室７ｇの吐出動作を行った場合と同じになり、実質的にクロストークを０にすることができる。アクチュエータ１３ｇ、１３ｈは、駆動信号Ｗ４ａとＷ５ａの電位差により、圧力室７ｆで発生する圧力振動を分散させるように変形する。このようにすることにより、圧力室７ｆから７ｈに発生する圧力振動は微小になり、非吐出ノズル１０ｆ〜１０ｉにおけるメニスカスが盛り上がる現象などを抑制できるので、印字品質に対する悪影響を低減できる。

本実施例においても駆動信号の作成方法は第１の実施例と同様である。図２５に仮想メニスカス振動の変位Ｘを示す。例えば、圧力室７ｃから第１〜第３ドロップを吐出させ、圧力室７ｇからはインクを吐出させない場合、ノズル１０ａ〜１０ｈの仮想メニスカス振動の変位は各々Ｘ_１〜Ｘ_８となる。その仮想メニスカス振動の変位に対応する流速振動Ｕを図２６に、駆動信号ＶＡを図２７に、駆動信号ＶＢを図２８に、駆動信号ＶＤを図２９に、各々示す。

図２６において、吐出ノズル１０ｃに隣接するノズル１０ｂ、１０ｄの流速振動Ｕ_２、Ｕ_４は、ノズル１０ｃの流速振動Ｕ_３の−１／３になっている。このような構成において、ノズル１０ｃ、１０ｇからインクを同時に吐出させる場合に、非吐出ノズル１０ｄ〜１０ｆの流速振動は、吐出ノズル１０ｃ、１０ｇの−１／３になる。すなわち、吐出ノズル１０ｃ、１０ｇのインク吐出に伴う、非吐出ノズル１０ｄと１０ｆの流速振動を、非吐出ノズル１０ｄ〜１０ｆに対して均一に分散させる。

これは、流速振動の振幅が圧力振動の振幅に比例することから、インクを吐出させる圧力室７ｃと７ｇのインク吐出動作に伴う、インクを吐出させない圧力室７ｄと７ｆの圧力振動を、インクを吐出させない圧力室７ｄ〜７ｆに対して均一に分散させると表現しても良い。非吐出ノズルにおいて、メニスカスの盛り上がりを生じさせる力は、おおむね各ノズルの流速の２乗に比例する。そのため、非吐出ノズル全体としてメニスカスの盛り上がりを生じさせる力を最小にするには、非吐出ノズルに対してインク吐出動作に伴う流速振動を均一に分散させればよいことは明らかである。流速振動を均一に分散させることで、メニスカスがノズル面から盛り上がる現象を抑制することができ、インク吐出時のメニスカスの位置のばらつきが小さくなる。よって、インク滴の吐出速度のばらつきが抑制されて印字品質が向上する。

圧力室７ｃと７ｇから同時にインクを吐出させ、続けて順次圧力室７ｄと７ｈ、７ｅと７ｉ、７ｆと７ｊから同時にインクを吐出させた場合の、ノズル１０ｃ〜１０ｆのメニスカス変位を数値解析シミュレーションした結果を図３０に示す。実線は非吐出ノズルにおいてインク吐出動作に伴う流速振動を均一に分散させた場合である。それに対して、破線は非吐出ノズルにおいてインク吐出動作に伴う流速振動を不均一に分散させた場合である。不均一に分散させた場合の例は、圧力室７ｃと７ｇから同時にインクを吐出させ、圧力室７ｄ、７ｅ、７ｆの圧力の比を各々１／４：１／４：１／２として計算している。矢印は各ノズルにおいてインク吐出が開始されるタイミングを示している。各吐出開始タイミングにおける不均一に分散させた場合のメニスカスの盛り上がりは、特にノズル１０ｃの２番目の吐出タイミングにおいて最も大きくなり、均一に分散させた場合のメニスカスの盛り上がりはいずれの吐出開始タイミングにおいてもこれを下回っている。

本実施例において、圧力室７ｇからインクを吐出させるか否かにかかわらず圧力室７ｃのインク吐出動作を一定にするために、圧力室７ｇからインクを吐出しない場合においてもアクチュエータ１３ｆを変形させて、圧力室７ｇからインクが吐出する時に圧力室７ｅに生じる圧力振動と、圧力室７ｇからインクが吐出しない時に圧力室７ｅに生じる圧力振動とを同じにしている。この場合、ノズル１０ｆ〜１０ｈの流速振動Ｕ_６〜Ｕ_８を、ノズル１０ｃの流速振動Ｕ_３の１／９にすることで、非吐出ノズル１０ｆ〜１０ｈのメニスカス盛り上がりを最小化できる。これは、任意の時刻におけるＵ_１〜Ｕ_８の合計が実質的に０になるというシェアードウォールヘッドの性質を用いて導かれる。すなわち、Ｕ_１〜Ｕ_８は、下記の数式〔数１５〕のとおりとなる。

このとき、Ｕ_１〜Ｕ_５は、圧力分散により下記の数式〔数１６〕のとおりとなる。

したがって、上記数式〔数１５〕および〔数１６〕より、次の数式〔数１７〕に示すとおりとなる。

ゆえに、メニスカス盛り上がりの力が流速の２乗に比例することを考慮すれば、下記の数式〔数１８〕のとおりであるのが最適なのは、明らかである。

本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す縦断面図。 第１の実施例のアクチュエータの動作を示す図。 同実施の形態に係るインクジェットヘッドを駆動する駆動回路の構成を示すブロック図。 第１の実施例の階調制御方法を示す図。 第１の実施例の駆動信号選択手段を示す回路図。 第１の実施例の駆動信号の一例を示す図。 第１の実施例の駆動信号の詳細を示す図。 実際のメニスカス振動と仮想メニスカス振動を示す図。 第１の実施例のヘッド応答特性測定用の駆動信号を示す図。 第１の実施例のヘッド応答特性測定用の駆動信号に対する流速振動を示す図。 第１の実施例のヘッド応答特性を示す図。 第１の実施例の仮想メニスカス振動の変位を示す図。 第１の実施例の仮想メニスカス振動の流速を示す図。 第１の実施例の仮想メニスカス振動の流速の周波数成分を示す図。 第１の実施例の仮想メニスカス振動の流速とヘッド応答特性から演算された駆動信号の波形を示す図。 図１５の駆動信号を補正した駆動信号を示す図。 図１５の駆動信号を変形した駆動信号を示す図。 第１の実施例のインクを吐出する圧力室を駆動するアクチュエータに印加される駆動信号を示す図。 本発明のインクジェット記録装置を示す図。 同実施の形態に係るインクジェットヘッドを駆動する駆動回路の構成を示すブロック図。 第２の実施例の駆動信号選択手段を示す回路図。 第２の実施例の駆動信号の一例を示す図。 第２の実施例の駆動信号の詳細を示す図。 第２の実施例のアクチュエータの動作を示す図。 第２の実施例の仮想メニスカス振動の変位を示す図。 第２の実施例の仮想メニスカス振動の流速を示す図。 第２の実施例の仮想メニスカス振動の流速とヘッド応答特性から演算された駆動信号の波形を示す図。 図２７の駆動信号を補正した駆動信号を示す図。 図２８の駆動信号を変形した駆動信号を示す図。 第２の実施例の吐出動作時のメニスカス変位を示す図。

符号の説明

１ 基板
２、３ 圧電部材
４ 天板枠
５ 天板蓋
７ 圧力室
８ 電極
１１ ノズルプレート
１３ アクチュエータ
１４ インク供給路
１５ インク供給口
１０１ インクジェットヘッド

Claims (5)

1. インクを吐出させるノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを供給するインク供給手段と、前記圧力室の容積を駆動信号に応じて可変させるアクチュエータを有し、前記駆動信号に応じて前記ノズルよりインクを吐出させるインクジェットヘッドと、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段を有し、前記駆動信号発生手段は複数種類の駆動信号を選択的に前記インクジェットヘッドに供給することによって体積の異なるインク滴を吐出させるインクジェット記録装置において、
   前記駆動信号は、前記インクジェットヘッドの駆動信号に対する前記ノズル内のメニスカス流速振動の応答特性を測定し、前記応答特性に基づいて、インク吐出のための前記メニスカスの前進開始から前記メニスカスの後退開始までのメニスカス振幅と前記メニスカスの前進開始から前記メニスカスの後退開始までのインク吐出時間との比が実質的に一定であるように演算された波形を基に定められていることを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記波形の演算は、メニスカス流速振動をＵ、前記Ｕのフーリエ変換結果をＦＵ、前記インクジェットヘッドの駆動信号に対する前記ノズル内のメニスカス流速の応答特性をＲとしたとき、ＦＶ＝Ｒ^−１ＦＵとして、ＦＶを逆フーリエ変換することを含むことを特徴とした請求項１記載のインクジェット記録装置。
3. 前記インクジェットヘッドの前記アクチュエータが隣接する前記圧力室に共有される構造の場合において、前記波形の演算は、複数のノズルのメニスカス流速振動ベクトルを｛Ｕ｝、前記ベクトル｛Ｕ｝のフーリエ変換結果のベクトルを｛ＦＵ｝、前記インクジェットヘッドの駆動信号に対する複数の前記ノズル内のメニスカス流速の応答特性の行列を［Ｒ］としたとき、｛ＦＶ｝＝［Ｒ］^−１｛ＦＵ｝とした複数の電圧ベクトルを求め、｛ＦＶ｝を逆フーリエ変換する過程を含むことを特徴とした請求項１記載のインクジェット記録装置。
4. 前記メニスカス流速振動は、１回のインク吐出行程が終了した時の変位がインク吐出行程前の変位と実質的に同じで、１回のインク吐出行程が終了した時の流速が実質的に０であることを特徴とした請求項２または３記載のインクジェット記録装置。
5. 前記波形の演算は所定の周波数以上の周波数成分をカットする過程を含むことを特徴とした請求項１記載のインクジェット記録装置。

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