JP4700375B2

JP4700375B2 - インクジェットヘッド駆動方法及びインクジェット記録装置

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Publication number: JP4700375B2
Application number: JP2005060397A
Authority: JP
Inventors: 知香高野瀬; 竜太郎楠
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: JP2006240125A

Description

本発明は、アクチュエータによって圧力室の容積を変化させてノズルからインク滴の吐出を行うインクジェット駆動装置及びこの駆動装置を搭載したインクジェット記録装置に関する。

インクジェットヘッドの駆動方式として、例えば、駆動信号に応じて変形するアクチュエータによって圧力室の容積を変化させ、複数のノズルの中から選択的にインク滴を吐出させるオンディマンド方式のものが知られている。そして、このようなインクジェットヘッドの駆動方式において、階調印字を行うために大きさの異なるインク滴を連続的に吐出するものがある。

しかし、このように大きさの異なるインク滴を連続的に吐出するものでは、各大きさのインク滴は前のインク滴の残留振動により吐出速度や体積がばらつくという課題があった。このようなことから、矩形波状の第１乃至第４パルスを連続的に発生させ、圧力室の容積を拡張させる第１パルス幅と圧力室の容積を収縮させる第２パルス幅の和を一定に保ち、かつ、それぞれのパルス幅を調整し、さらに、第３、４パルスにより第１、２パルスで生じた残留振動を打ち消すことによって残留振動を低減するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−８２６９７号公報

しかし、第１パルス幅と第２パルス幅の和を一定に保つものでは、吐出体積を可変するために第１パルス又は第２パルスのパルス幅を狭くすると、圧力室の容積を変化させるアクチュエータが応答しない場合がある。

本発明は、圧力室の容積を拡大させるパルス幅と圧力室の容積を収縮させるパルス幅を狭くすることなく吐出体積を可変でき、しかも、残留振動を低減し吐出速度の変動を極力抑えることができるインクジェット駆動装置及びインクジェット記録装置を提供する。

本発明は、内部にインクを充填するとともにインク滴を吐出するノズルを設けた圧力室とこの圧力室の容積を変化させるアクチュエータとを備えたインクジェットヘッドと、このインクジェットヘッドに対し、圧力室の容積を拡大させる第１パルスと、圧力室の容積を収縮させる第２パルスと、圧力室の容積を再び拡大させる第３パルスと、圧力室の容積を再び収縮させる第４パルスとからなる駆動信号を発生し、第１パルスと前記第２パルスとの電圧振幅の比および第３パルスと前記第４パルスとの電圧振幅の比を変化させることでアクチュエータの駆動を変化させてインク滴の吐出体積を変化させる駆動手段とを具備したインクジエット駆動装置であって、前記駆動手段は、前記インクジェットヘッドの駆動信号に対するメニスカス流速振動の応答特性の測定結果とインク吐出によるメニスカスの後退を無視した仮想メニスカス振動とから演算された駆動信号の波形をもとに、前記インク滴の大きさが小さいほど、前記第１、第３パルスの電圧振幅を前記第２、第４パルスの電圧振幅より大きくし、前記インク滴の大きさが大きいほど、前記第１、第３パルスの電圧振幅を前記第２、第４パルスの電圧振幅より小さくした駆動信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、圧力室の容積を拡大させるパルス幅と圧力室の容積を収縮させるパルス幅を狭くすることなく吐出体積を可変でき、しかも、残留振動を低減し吐出速度の変動を極力抑えることができるインクジェット駆動装置およびインクジェット記録装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
この実施の形態は、シェアードウォール構造のインクジェットヘッド及びその駆動方法について述べる。

図１はインクジェットヘッド全体の構成を示す縦方向の断面図で、図に示すように、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。そして、前記圧電部材２、３及びその後方にある基板１の部分には、例えばダイヤモンドカッタによる切削加工により、一定の間隔で複数の長溝４を互いに平行に形成している。

前記基板１の上には、天板枠５とインク供給口６を有する天板蓋７を接着し、これによりインク供給路８を形成している。前記各長溝４と天板枠５とで複数の圧力室９を形成している。前記各圧電部材２、３は、圧力室９を変形駆動するアクチュエータになっている。

前記各圧力室９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を接着剤により接着固定している。前記圧力室９を形成する長溝４の側面と底面に個々に電気的に独立した電極１２を無電解メッキにより形成している。前記電極１２は圧力室９の後端から基板１の上面に延出して回路基板１３上に配置された後述する駆動回路に接続している。なお、電極１２の形成は、無電解メッキに限らず、スパッタリングや真空蒸着などで電極材を成膜後、エッチングにより所定のパターンにする方法で形成してもよい。

図２はインクジェットヘッドの先端部の構成を示す横方向の断面図で、この図に基づいてインクジェットヘッドの動作を説明する。図中９ａ〜９ｋは圧力室を示し、１２ａ〜１２ｋは各圧力室９ａ〜９ｋに形成された電極を示し、１４ａ〜１４ｋは前記各圧電部材２、３によって圧力室間の隔壁として形成されたアクチュエータを示している。
このインクジェットヘッドを５分割駆動したときにおいて圧力室９ｃからインク滴を吐出させる場合について説明する。なお、圧力室９ａ〜９ｊに対応するノズルをそれぞれノズル１０ａ〜１０ｊとして述べる。

インク供給口６からインクジェットヘッド内に注入されたインクは、インク供給路８を介して圧力室９に充填される。後述する駆動信号により、電極１２ｃと電極１２ｂ及び電極１２ｃと電極１２ｄの間に電圧差が生じると、アクチュエータ１４ｃ及び１４ｄがせん断変形して圧力室９ｃ内の容積が変化し、ノズル１０ｃからインク滴が吐出する。

この実施の形態においては、インクジエットヘッドとしては、いわゆる、シェアーウオール型ヘッドを用いているので、アクチュエータ１４は、左右に隣接する圧力室９の間で共用される。このため、互いに隣接する２つの圧力室９を個別に制御することはできない。そのため、互いに隣接する圧力室９が同時に駆動されないようにするため時分割駆動が行われる。ここでは５分割駆動を行う。

さらに、このインクジエットヘッドは、互いに隣接する圧力室９が、アクチュエータ１４である隔壁を共有しているので、例えば、アクチュエータ１４ｃ及び１４ｄが変形すると、圧力振動が圧力室９ｃに生じるとともに圧力室９ｂ及び９ｄにも生じてしまう。そこで、この圧力室９ｂ及び９ｄに生じてしまう圧力振動を分散させる。すなわち、圧力室９ｃのインクを吐出させる場合に、電極１２ａ、１２ｂ間及び電極１２ｄ、１２ｅにも電位差を生じさせることにより、アクチュエータ１４ｂ及び１４ｅを、圧力室９ｂ及び９ｄに発生する圧力振動が圧力室９ａ、９ｅに分散する方向に変形させる。

このように、インクを吐出させない圧力室９ｂ、９ｄに発生する圧力振動を分散させることにより、非吐出ノズルにおけるメニスカス振動の振幅を減らすことができる。この結果、振動により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るため、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。

次に、インクジェットヘッドを駆動信号により駆動する駆動回路について述べる。
図３に示すように、駆動回路は、インクを吐出させる圧力室９に印加する駆動信号ＡＣＴ１〜５の波形情報及びインクを吐出させない圧力室９に印加する駆動信号ＩＮＡの波形情報を記憶した駆動波形メモリ２１、この駆動波形メモリ２１に記憶した駆動信号の波形情報ＡＣＴ１〜５、ＩＮＡをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２２、このＤ／Ａ変換器２２からの駆動信号を増幅する増幅器２３を設けている。そして、前記増幅器２３からの駆動信号ＡＣＴ１〜５、ＩＮＡを駆動信号選択手段２４に供給している。

また、駆動回路は、画像の各画素の階調情報を記憶した画像メモリ２５及びデコーダ２６を設け、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前記デコーダ２６がインク滴の吐出／非吐出を制御するＯＮ／ＯＦＦ信号を発生し、前記駆動信号選択手段２４に供給している。前記駆動信号選択手段２４は駆動信号を選択し、選択した駆動信号に基づいてインクジェットヘッド２７を駆動する。

ここでは、１画素につき最大で８値の階調記録を行う。すなわち、吐出体積が６ｐｌの第１ドロップ、吐出体積が１２ｐｌの第２ドロップ、吐出体積が２４ｐｌの第３ドロップの３滴のインク滴の吐出／非吐出を表１に示すように制御することにより８値の階調記録を行う。

前記駆動信号選択手段２４は、図４に示すように、アナログスイッチ２８ａ〜２８ｊを備え、前記デコーダ２６からのＯＮ／ＯＦＦ信号２９ａ〜２９ｊにより前記アナログスイッチ２８ａ〜２８ｊをそれぞれオン、オフ動作する。なお、ここでは図２の一部のヘッドの電極数に対応したアナログスイッチ数の構成になっているが、実際にはインクジェットヘッド２７の全ての圧力室９の電極１２の数に対応してアナログスイッチは設けられる。

前記アナログスイッチ２８ａ〜２８ｅはＯＮ／ＯＦＦ信号２９ａ〜２９ｅがオンのとき、前記増幅器２３から入力した駆動信号ＡＣＴ１〜５をそれぞれ選択してインクジェットヘッド２７の電極１２ａ〜１２ｅにそれぞれ供給し、ＯＮ／ＯＦＦ信号２９ａ〜２９ｅがオフのときには前記増幅器２３から入力した駆動信号ＩＮＡを選択してインクジェットヘッド２７の電極１２ａ〜１２ｅにそれぞれ供給する。

前記アナログスイッチ２８ｆ〜２８ｊはＯＮ／ＯＦＦ信号２９ｆ〜２９ｊがオンのとき、前記増幅器２３から入力した駆動信号ＡＣＴ１〜５をそれぞれ選択してインクジェットヘッド２７の電極１２ｆ〜１２ｊにそれぞれ供給し、ＯＮ／ＯＦＦ信号２９ｆ〜２９ｊがオフのときには前記増幅器２３から入力した駆動信号ＩＮＡを選択してインクジェットヘッド２７の電極１２ｆ〜１２ｊにそれぞれ供給する。

なお、駆動信号ＡＣＴ１〜５は５分割駆動の第１〜第５サイクルに対応している。例えば、あるタイミングにおいて、圧力室９ｃからインク滴を吐出させ、同じ動作タイミングにある圧力室９ｈからはインクを吐出させない場合、圧力室９ｃに対応するＯＮ／ＯＦＦ信号２９ｃと、その両側２つずつのＯＮ／ＯＦＦ信号２９ａ、２９ｂ、２９ｄ、２９ｅをＯＮとし、圧力室９ｈに対応するＯＮ／ＯＦＦ信号２９ｈと、その両側２つずつのＯＮ／ＯＦＦ信号２９ｆ、２９ｇ、２９ｉ、２９ｊをＯＦＦとすることにより、インク滴を吐出させる圧力室９ｃとその両側２つずつの圧力室９ａ、９ｂ、９ｄ、９ｅにはＡＣＴ３、ＡＣＴ１、ＡＣＴ２、ＡＣＴ４、ＡＣＴ５の各信号を供給し、インクを吐出させない圧力室９ｈとその両側２つずつの圧力室９ｆ、９ｇ、９ｉ、９ｊにはＩＮＡ信号を供給する。

次に、前記駆動信号選択手段２４に供給されるインク吐出用の駆動信号ＡＣＴ１〜５及び非インク吐出用の駆動信号ＩＮＡについて述べる。
図５に、駆動信号ＡＣＴ１〜５と、駆動信号ＩＮＡの１印字周期分、すなわち、５サイクル分を示す。駆動信号ＡＣＴ１〜５は、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の３つの駆動信号から構成され、駆動信号ＩＮＡは駆動信号Ｗ４から構成される。駆動信号Ｗ１はインク滴を吐出する圧力室９の電極１２に印加される駆動信号である。

駆動信号ＡＣＴ１〜５は、各々時分割された時間だけ位相が異なる。例えば、図２における圧力室９ｃからインク滴を吐出させる場合は第３サイクルであり、この第３サイクルにおいてＯＮ／ＯＦＦ信号２９ａ〜２９ｅをＯＮにすることにより、圧力室９ａと圧力室９ｅの電極１２ａと１２ｅには駆動信号Ｗ３が印加され、圧力室９ｂと圧力室９ｄの電極１２ｂと１２ｄには駆動信号Ｗ２が印加され、圧力室９ｃの電極１２ｃには駆動信号Ｗ１が印加される。

次に、駆動信号Ｗ１〜Ｗ４について述べる。
駆動信号Ｗ１〜Ｗ４は、図６に示す駆動信号からなり、それぞれ、体積が６ｐｌの第１ドロップを吐出させる期間にある駆動信号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駆動信号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駆動信号Ｗ1c、Ｗ2c、Ｗ3c、Ｗ4cとで構成されている。

例えば、図２における圧力室９ｃから第１ドロップを吐出させ、圧力室９ｈからは第１ドロップを吐出させない場合、図５に示す第３サイクルの第１ドロップの期間にＯＮ／ＯＦＦ信号２９ａ〜２９ｅをＯＮにし、ＯＮ／ＯＦＦ信号２９ｆ〜２９ｊをＯＦＦにする。その結果、電極１２ｃには駆動信号Ｗ1aが印加され、電極１２ｂ，１２ｄには駆動信号Ｗ2aが印加され、電極１２ａ，１２ｅには駆動信号Ｗ3aが印加され、電極１２ｆ〜１２ｊには駆動信号Ｗ4aが印加される。

この結果、アクチュエータ１４ｃ、１４ｄは駆動信号Ｗ１ａとＷ２ａの電圧差により大きく変形して、圧力室９ｃから体積６ｐｌのインク滴が吐出する。アクチュエータ１４ｂと１４ｅは、駆動信号Ｗ２ａとＷ３ａの電圧差により圧力室９ｂ，９ｄに発生する圧力振動を圧力室９ａ，９ｅに分散させる方向に変形する。また、アクチュエータ１４ｆには駆動信号Ｗ３ａとＷ４ａの電位差により、圧力室９ｅに発生する圧力によりアクチュエータ１４ｆが変形しようとする力に抗する力が発生し、アクチュエータ１４ｆは実質的に変形しなくなる。そのため、圧力室９ｃで吐出動作を行った際に圧力室９ｅに発生する圧力振動がアクチュエータ１４ｆを介して圧力室９ｆに漏洩する現象が遮断され、実質的にアクチュエータ１４ｆを介するクロストークを０にすることができる。また、アクチュエータ１４ｇ〜１４ｊは、各アクチュエータを挟む電極１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊに同じ駆動信号Ｗ４ａが印加されるため、変形しない。そのため、圧力室９ｈからはインクが吐出しない。

次に、駆動信号Ｗ１〜Ｗ４の決定方法について述べる。
駆動信号Ｗ１〜Ｗ４は、インクジェットヘッド２７の駆動信号に対するメニスカス流速の応答特性と、インク吐出によるメニスカス後退を無視した仮想メニスカス振動とから、駆動信号を逆算することによって求めることができる。仮想メニスカス振動は、駆動信号を逆算するために定義されたメニスカス振動のことである。また、以下、メニスカス流速を単に流速と称する。

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もので、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７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充分に制御することが可能である。従って、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。

まず、インクジェットヘッド２７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。
最初に、テスト駆動信号ＶＴに対するノズル内の流速振動ＵＴを求める。具体的には、圧力室９ａ〜９ｊに印加する駆動信号をそれぞれＶＴ_１〜ＶＴ_１０としたとき、駆動信号ＶＴ_１としては図８の(a)に示すように低電圧の周期Ｔ_Ｃのノイズ波形の駆動信号を使用する。また、駆動信号ＶＴ_２〜ＶＴ_１０としては図８の(b)に示すように０Ｖの電圧を使用する。さらに、圧力室９ｋに対しては圧力室９ａと同じ駆動信号ＶＴ_１を印加し、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インクジェットヘッド２７を駆動すると、ノズル１０ａ〜１０ｊ内のメニスカスの流速をそれぞれＵＴ_１〜ＵＴ_１０としたとき、図９に示すような流速振動が周期的に発生する。このような流速振動は、実際のインクジェットヘッドにおいて、市販のレーザードップラー振動計、例えば（株）小野測器のＬＶ−１７１０を用い、ノズル１０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。
続いて、下記の(1)式と(2)式を用いて、テスト駆動信号ＶＴと流速振動ＵＴをフーリエ変換し、それぞれＦＶＴとＦＵＴに変換する。

ここで、ｍは、レーザードップラー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。レーザードップラー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１２ａ〜１２ｊ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。

次に電圧スペクトルＦＶＴと流速スペクトルＦＵＴから、下記(3)式により応答特性Ｒを求める。

Ｒ_ｉ，ｋ＝ＦＵＴ_ｉ，ｋ／ＦＶＴ_１，ｋ …(3)
Ｒ_ｉ，ｋは、ある周波数の駆動信号に対する流速ＵＴ_ｉの周波数応答を示している。Ｒ_１〜Ｒ_１０の絶対値を図１０に示し、位相角を図１１に示す。図１０のｆｍａｘは、ノズル１０内のメニスカスが、駆動信号に対して低周波領域から連続して応答可能な周波数領域の上限の周波数である。

ここでは、テスト駆動信号ＶＴとしてノイズ波形の駆動信号を用いる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、各周波数におけるメニスカス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を求めても良い。

次に、上記方法で求めた応答特性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は仮想メニスカス振動の変位Ｘを示す波形図である。例えば、圧力室９ｃから第１〜第３ドロップを吐出させ、圧力室９ｈからはインクを吐出させない場合、ノズル１０ａ〜１０ｊの仮想メニスカス変位はそれぞれＸ1〜Ｘ10となる。仮想メニスカス変位のプラス側の山のピークが各ドロップのインクの吐出体積に相当する。
次に、仮想メニスカス変位Ｘに対応する流速振動を求める。流速振動Ｕは、下記(4)式により求めることができる。

Ｕ_ｉ＝ｄ／ｄｔ・Ｘ_ｉ …(4)
図１３に、上記(4)式により求めた流速振動Ｕ_１〜Ｕ_１０を示す。
次に、下記(5)を用いて流速Ｕ_ｉのフーリエ変換を行う。

ここで、Ｕ_ｉは時間間隔ｄｔで長さｍの時系列データであり、ＵＴ_ｉ，ｊは、ＵＴ_ｉの先頭からｊ番目のデータである。また、ＦＵ_ｉは周波数間隔１／（ｍ dt）おきの周波数系列データである。このようにして得られた周波数系列の流速スペクトルＦＵのうち、ＦＵ_３の絶対値を図１４に示す。図１４に示すこの流速スペクトルの周波数成分の大部分は、前述のｆmaxより低い周波数に含まれることが望ましい。

次に、周波数系列の電圧スペクトルＦＶＡを求める。行列［Ｒ］を下記(6)式、列ベクトル｛ＦＶＡ｝を下記(7)式、列ベクトル｛ＦＵ｝を下記(8)式としたとき、下記(9)式により周波数系列の電圧スペクトルＦＶＡを求めることができる。

次に、時系列の駆動信号ＶＡを求める。時系列の駆動信号ＶＡは、周波数系列の電圧スペクトルＦＶＡを下記(10)式により逆フーリエ変換することにより求めることができる。ここで、［Ｒ］_ｋ ^−１は、［Ｒ］_ｋの逆行列である。逆行列の演算は、ＷＯＬＦＲＡＭＲＥＳＥＡＲＣＨ社のＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡなどの数式解析ソフトウェアにより行うことができる。

ここで、ｍ′は、
ｍ′≦ｆmax・Ｔｃ
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。このように、駆動信号の波形を仮想メニスカス振動からフーリエ変換を用いて逆算する場合、演算を行う周波数の範囲をインクジェットヘッドが応答する周波数の範囲である０〜ｆｍａｘに制限することにより、計算結果が発散することを防止できる。計算の結果得られた波形の駆動信号が十分な精度で仮想メニスカス振動を再現するためには、ｆｍａｘが流速スペクトルＦＵの周波数成分の大部分を含んでいることが望ましい。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９の長さＬに応じて変化する。圧力室９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_１〜ＶＡ_１０を図１５に示す。このようにして得られた駆動信号ＶＡは、駆動信号の始まりと終わりの電圧が一致しない場合があるため、それぞれ図中点線で示すような基準駆動信号ＶＲＥＦ_１〜ＶＲＥＦ_１０を設定し、駆動信号ＶＡ_１〜ＶＡ_１０からそれぞれ基準駆動信号ＶＲＥＦ_１〜ＶＲＥＦ_１０を差し引いて図１６に示す駆動信号ＶＢ_１〜ＶＢ_１０を得る。
最後に、下記(11)式により、駆動信号ＶＢの電圧振幅を小さくした駆動信号ＶＤを得る。図１７に駆動信号ＶＤ_１〜ＶＤ_１０を示す。

ＶＤ_ｉ，ｊ＝ＶＢ_ｉ，ｊ−ＭＩＮ［ＶＢ_１，ｊ、ＶＢ_２，ｊ、…、ＶＢ_１０，ｊ］ …(11)
但し、ＭＩＮ［ＶＢ_１，ｊ、ＶＢ_２，ｊ、…、ＶＢ_１０，ｊ］は、［］内の値のうち、最小の値を示す関数である。

以上のようにして求められた駆動信号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。

こうして、インクを吐出する圧力室９ｃの電極１２ｃには駆動信号Ｗ1が印加され、隣接した圧力室９ｂ、９ｄの電極１２ｂ、１２ｄには駆動信号Ｗ2が印加される。その結果、インクを吐出する圧力室９ｃを駆動するアクチュエータ１４ｃ，１４ｄに印加される駆動信号ＶＥは、ＶＤ_３−ＶＤ_２によって算出され、図１８に示す駆動信号となる。すなわち、第１ドロップ時は駆動信号ＶＥaが印加され、第２ドロップ時は駆動信号ＶＥbが印加され、第３ドロップ時は駆動信号ＶＥcが印加される。

このような駆動信号の作成方法を実際のインクジェットヘッドに適用するには、まず、ノイズ波形あるいは正弦波などの適当なテスト駆動信号を用い、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流速の応答特性Ｒを測定する。次に、駆動信号に対するメニスカス流速の応答特性と予め定められた仮想メニスカス振動を基に、上記(4)式〜(10)式により駆動信号を演算により作成する。

次に、必要に応じて駆動信号の波形を修正する。最後に、得られた駆動信号の波形を前記駆動波形メモリ２１に記憶させる。なお、駆動信号の波形を記憶する代わりに、測定された応答特性Ｒと仮想メニスカス振動をメモリに記憶するようにしてもよい。この場合は、記憶した応答特性Ｒと仮想メニスカス振動から駆動信号を演算により求め、この求めた駆動信号を使用することになる。
このように、駆動信号は予め定めたメニスカス振動を再現するように設定されるため、ヘッドの主音響共振周波数等がばらついても、吐出速度や体積がばらつく課題を解決できる。

次に、図１２に示した仮想メニスカス振動Ｘについて詳しく述べる。
１画素に吐出体積が異なる複数のドロップ（インク滴）を選択的に吐出させる場合、各ドロップの吐出速度が大きく異なると、各ドロップの吐出速度を適当な範囲内におさめることが困難になる。吐出速度が低過ぎると着弾位置精度の悪化を招き、吐出速度が高過ぎると動作安定性の悪化を招く。吐出速度は、インクの吐出時間をｓｔ、インク吐出時のメニスカス変位をａとすると、概ねａ／ｓｔによって定まる。メニスカス変位ａと吐出時間ｓｔは各ドロップとも概ね一定であり、各吐出速度が略一定になる。

一方、インク吐出前のメニスカス引き込み量ｂは各ドロップによって異なり、それによりインクの吐出体積を可変している。ｂ1は大ドロップ、ｂ2は中ドロップ、ｂ3は小ドロップを吐出するときのメニスカス引きこみ量を示している。また、各ドロップの仮想メニスカス変位の終端に、変位が０で、かつ変位の時間微分、すなわち流速が０となるタイミングを設けることにより、各ドロップの吐出動作終了後の残留振動を実質的に０にする。このことにより、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。

インクを吐出する圧力室９ｃを駆動するアクチュエータ１４ｃ，１４ｄに印加する駆動信号ＶＥは、図１８に示すように、第１ドロップ時は駆動信号ＶＥaが印加され、第２ドロップ時は駆動信号ＶＥbが印加され、第３ドロップ時は駆動信号ＶＥcが印加されるが、ＶＥa、ＶＥb、ＶＥcはそれぞれ２周期の電圧振動を有し、かつ、プラス側、すなわち圧力室９ｃの容積を拡大させる側の電圧振幅と、マイナス側、すなわち圧力室９ｃの容積を収縮させる側の電圧振幅とが各ドロップに応じて異なっている。

第１ドロップ時の駆動信号ＶＥaは、圧力室の容積を拡大させる第１パルスＰ11と、圧力室の容積を収縮させる第２パルスＰ12と、圧力室の容積を再び拡大させる第３パルスＰ13と、圧力室の容積を再び収縮させる第４パルスＰ14とからなる。また、第２ドロップ時の駆動信号ＶＥbは、圧力室の容積を拡大させる第１パルスＰ21と、圧力室の容積を収縮させる第２パルスＰ22と、圧力室の容積を再び拡大させる第３パルスＰ23と、圧力室の容積を再び収縮させる第４パルスＰ24とからなる。また、第３ドロップ時の駆動信号ＶＥcは、圧力室の容積を拡大させる第１パルスＰ31と、圧力室の容積を収縮させる第２パルスＰ32と、圧力室の容積を再び拡大させる第３パルスＰ33と、圧力室の容積を再び収縮させる第４パルスＰ34とからなる。

そして、第１ドロップのようにドロップの大きさが小さいほど、圧力室の容積を拡大させる側の電圧振幅（第１パルスＰ11、第３パルスＰ13の電圧振幅）は大きく、その容積を収縮させる側の電圧振幅（第２パルスＰ12、第４パルスＰ14の電圧振幅）は小さい。また、第３ドロップのようにドロップの大きさが大きいほど、圧力室の容積を拡大させる側の電圧振幅（第１パルスＰ31、第３パルスＰ33の電圧振幅）は小さく、その容積を収縮させる側の電圧振幅（第２パルスＰ32、第４パルスＰ34の電圧振幅）は大きい。

すなわち、駆動信号において第１パルスと第２パルスとの電圧振幅の比および第３パルスと第４パルスとの電圧振幅の比を変化させることでドロップの大きさ、すなわちインクの吐出体積を可変できる。換言すれば、ドロップの大きさに応じて圧力室の容積を拡大させる側と収縮させる側との電圧振幅の比を変化させればよい。

このような制御を行うことで、圧力室の容積を拡大させるパルス幅と圧力室の容積を収縮させるパルス幅を狭くすることなく吐出体積を可変でき、しかも、残留振動を低減し吐出速度の変動を極力抑えることができる。

また、各駆動信号ＶＥa、ＶＥb、ＶＥcの電圧の最大値と最小値の差は略同じである。駆動信号ＶＥa、ＶＥb、ＶＥcは、吐出体積がそれぞれ異なり、吐出速度が概ね一定で、なおかつ、残留振動が実質的に０となる仮想メニスカス振動から逆算されたものであるから、上記の特徴を有する駆動信号ＶＥa〜ＶＥcは階調印字に適した性質を有している。

また、この駆動信号がアクチュエータ１４ｃ、１４ｄに印加されることにより、圧力室９ｃは以下に述べるインク吐出動作を行う。最初に圧力室９ｃの容積を拡張し、次に圧力室９ｃ容積を収縮し、再び圧力室９ｃの容積を拡張し、再び圧力室９ｃの容積を収縮した後に、インク吐出動作前の容積に戻すことにより、インク滴を吐出させるとともに圧力室９ｃの容積の拡張量と圧力室９ｃの容積の収縮量を吐出体積に応じて異ならせる。すなわち、吐出体積が小さいほど圧力室９ｃの容積を拡大量は大きくし、その収縮量は小さくする。また、各吐出動作における圧力室９ｃの容積の最大値と最小値の差は実質的に同じである。このようなインクの吐出方法は、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、階調印字に適した性質を有している。

なお、ここでは、仮想メニスカス振動を生じさせる駆動信号を逆算する方法について述べたが、駆動信号ＶＡや駆動信号ＶＢを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も可能である。

なお、この実施の形態は、インクジェットヘッドとしてシェアードウォール構造のインクジェットヘッドを使用した場合について述べたが、シェアードウォール構造でなく、それぞれ独立して圧力室の制御が可能なインクジェットヘッドについても適用できる。このタイプのインクジェットヘッドは、以下の手順で駆動信号を計算する。

まず、上述したシェアードウォール構造のインクジェットヘッドと同様の方法で駆動信号に対するメニスカス流速の応答特性Ｒを求める。次に、同様の方法で周波数系列のメニスカススペクトルＦＵ求める。そして、ＦＶ＝Ｒ^−１・ＦＵ、により、駆動信号の周波数系列の電圧スペクトルＦＶを求める。最後に、同様の方法で周波数系列の電圧スペクトルＦＶを逆フーリエ変換することで駆動信号を求める。このようにして求めた駆動信号により、独立して圧力室の制御が可能なインクジェットヘッドを駆動することにより、シェアードウォール構造のインクジェットヘッドの場合と同様の作用効果が得られる。

（第２の実施の形態）
この実施の形態は、第１の実施の形態におけるインクジェットヘッドとこのヘッドの駆動方法を使用したインクジェット記録装置について述べる。
図１９はインクジェット記録装置の要部外観を示す斜視図で、基板３１の両面に、複数のインクジェットヘッド３２を交互にかつ位置も交互となるようにずらして配置して１つのラインヘッド３０を構成している。

前記ラインヘッド３０は媒体搬送ベルト３３から所定の隙間だけ離れた位置に設置されている。前記媒体搬送ベルト３３は搬送ローラ３４によって矢印の方向に駆動するもので、用紙などの記録媒体３５を上面に密着した状態で搬送する。記録媒体３５がラインヘッド３０の下を通過するとき、各インクジェットヘッド３２から下向きにインク滴を吐出し、このインク滴を記録媒体３５に付着させて印刷を行う。なお、記録媒体３５を媒体搬送ベルト３３に密着させる方法としては、静電気や空気流により吸着させる方法や、記録用紙の端を部材で押さえる方法など、周知の方法を用いることができる。

前記ラインヘッド３０の各インクジェットヘッド３２は圧力室のノズルから吐出するインク滴のタイミングをインクジェットヘッド間で調整することで、各インクジェットヘッド３２により記録媒体３５に対して同一ラインを印刷できるようになっている。前記各インクジェットヘッド３２の構成及びこのヘッドを駆動する駆動回路の構成は前述した第１の実施の形態と同じである。

これにより、このインクジェット記録装置に使用する各インクジェットヘッド３２は、圧力室の容積を拡大させるパルス幅と圧力室の容積を収縮させるパルス幅を狭くすることなく吐出体積を可変でき、しかも、残留振動を低減し吐出速度の変動を極力抑えることができる。

本発明の、第１の実施の形態に係るインクジェットヘッド全体の構成を示す縦方向の断面図。同実施の形態に係るインクジェットヘッドの先端部の構成を示す横方向の断面図。同実施の形態に係るインクジェットヘッドの駆動回路を示すブロック図。図３の駆動信号選択手段の回路構成を示す図。図３の駆動信号選択手段に入力する駆動信号を示す波形図。図５の駆動信号を構成する各駆動信号の構成を示す波形図。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図。同実施の形態におけるテスト駆動信号の例を示す波形図。図８のテスト駆動信号印加時のインクジェットヘッドの各ノズルにおける流速を示す図。図８のテスト駆動信号印加時のインクジェットヘッドの各ノズル内のメニスカス流速の周波数応答特性の絶対値を示す図。図８のテスト駆動信号印加時のインクジェットヘッドの各ノズル内のメニスカス流速の周波数応答特性の位相角を示す図。同実施の形態で使用する仮想メニスカス変位を示す図。同実施の形態における仮想メニスカス変位に対応する流速を示す図。同実施の形態において求めた周波数系列の流速振動のうちの１つの流速振動の絶対値を示す図。同実施の形態において求めた駆動信号を示す図。図１５の駆動信号から基準駆動信号を差し引いた駆動信号を示す図。図１６の駆動信号に他の駆動信号を加えた駆動信号を示す図。圧力室を駆動するアクチュエータに印加する駆動信号例を示す図。本発明の、第２の実施の形態に係るインクジェット記録装置の要部外観を示す斜視図。

符号の説明

９，９ａ〜９ｋ…圧力室、１０…ノズル、１２ａ〜１２ｋ…電極、１４ａ〜１４ｋ…アクチュエータ、２１…駆動波形メモリ、２４…駆動信号選択手段、２７…インクジェットヘッド。

Claims

内部にインクを充填するとともにインク滴を吐出するノズルを設けた圧力室とこの圧力室の容積を変化させるアクチュエータとを備えたインクジェットヘッドと、このインクジェットヘッドに対し、前記圧力室の容積を拡大させる第１パルスと、前記圧力室の容積を収縮させる第２パルスと、前記圧力室の容積を再び拡大させる第３パルスと、前記圧力室の容積を再び収縮させる第４パルスとからなる駆動信号を発生し、前記第１パルスと前記第２パルスとの電圧振幅の比および前記第３パルスと前記第４パルスとの電圧振幅の比を変化させることで前記アクチュエータの駆動を変化させてインク滴の吐出体積を変化させる駆動手段とを具備したインクジエット駆動装置であって、
前記駆動手段は、前記インクジェットヘッドの駆動信号に対するメニスカス流速振動の応答特性の測定結果とインク吐出によるメニスカスの後退を無視した仮想メニスカス振動とから演算された駆動信号の波形をもとに、前記インク滴の大きさが小さいほど、前記第１、第３パルスの電圧振幅を前記第２、第４パルスの電圧振幅より大きくし、前記インク滴の大きさが大きいほど、前記第１、第３パルスの電圧振幅を前記第２、第４パルスの電圧振幅より小さくした駆動信号を生成することを特徴とするインクジエット駆動装置。
前記仮想メニスカス振動は、１回のインク吐出行程が終了した時点の変位がインク吐出行程前の変位と同じで、かつ、１回のインク吐出行程が終了した時点の流速が略ゼロとなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載のインクジエット駆動装置。
前記メニスカス流速振動の応答特性の測定結果と仮想メニスカス振動とから駆動信号の波形を求める演算は、仮想メニスカスの流速振動をＵ、この流速振動Ｕのフーリエ変換結果をＦＵ、インクジェットヘッドの駆動信号に対するノズル内のメニスカス流速の周波数応答特性をＲとしたとき、ＦＶ＝Ｒ^−１ＦＵとして、ＦＶを逆フーリエ変換する過程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のインクジエット駆動装置。
前記メニスカス流速振動の応答特性の測定結果と仮想メニスカス振動とから駆動信号の波形を求める演算は、複数のノズルにおける仮想メニスカス振動の流速ベクトルを｛Ｕ｝、このベクトル｛Ｕ｝のフーリエ変換結果のベクトルを｛ＦＵ｝、インクジェットヘッドの駆動信号に対する前記各ノズル内のメニスカス流速の周波数応答特性の行列を［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する請求項１または２に記載のインクジエット駆動装置。
前記メニスカス流速振動の応答特性の測定結果と仮想メニスカス振動とから駆動信号の波形を求める演算は、所定の周波数以上の周波数成分をカットして行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジエット駆動装置。
内部にインクを充填するとともにインク滴を吐出するノズルを設けた圧力室とこの圧力室の容積を変化させるアクチュエータとを備えたインクジェットヘッドと、このインクジェットヘッドに対し、前記圧力室の容積を拡大させる第１パルスと、前記圧力室の容積を収縮させる第２パルスと、前記圧力室の容積を再び拡大させる第３パルスと、前記圧力室の容積を再び収縮させる第４パルスとからなる駆動信号を発生し、前記第１パルスと前記第２パルスとの電圧振幅の比および前記第３パルスと前記第４パルスとの電圧振幅の比を変化させることで前記アクチュエータの駆動を変化させてインク滴の吐出体積を変化させる駆動手段とを具備して記録媒体に記録を行うインクジエット記録装置であって、
前記駆動手段は、前記インクジェットヘッドの駆動信号に対するメニスカス流速振動の応答特性の測定結果とインク吐出によるメニスカスの後退を無視した仮想メニスカス振動とから演算された駆動信号の波形をもとに、前記インク滴の大きさが小さいほど、前記第１、第３パルスの電圧振幅を前記第２、第４パルスの電圧振幅より大きくし、前記インク滴の大きさが大きいほど、前記第１、第３パルスの電圧振幅を前記第２、第４パルスの電圧振幅より小さくした駆動信号を生成することを特徴とするインクジエット記録装置。