JP4829613B2 - 液体吐出装置の駆動方法および液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出装置の駆動方法と、前記駆動方法によって駆動される液体吐出装置に関するものである。

図５は、オンデマンド型のインクジェットプリンタにおいて、圧電インクジェットヘッドとして用いられる液体吐出装置１の一例を示す断面図である。また、図６は、前記液体吐出装置１の一例の、要部を拡大した断面図である。図５、図６を参照して、この例の液体吐出装置１は、液体としてのインクが充てんされる加圧室２と、前記加圧室２に連通し、加圧室２内のインクを、インク滴として吐出させるためのノズル３とを有する複数の液滴吐出部４を、面方向に配列させて形成した基板５と、前記基板５の、複数の加圧室２を覆う大きさを有する、１層の圧電セラミック層６を含み、前記基板５上に積層された、板状の圧電アクチュエータ７とを備えている。

圧電アクチュエータ７は、個々の加圧室２に対応して配設され、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓み変形する複数の圧電変形領域８と、前記圧電変形領域８を囲んで配設され、前記基板５に固定されることで変形が防止された拘束領域９とに区画されている。また、図の例の圧電アクチュエータ７は、圧電セラミック層６の、両図において上面に、加圧室２ごとに個別に形成されて、圧電変形領域８を区画する個別電極１０と、前記圧電セラミック層６の下面に、順に積層された、共に、複数の加圧室２を覆う大きさを有する、共通電極１１と振動板１２とを備えた、いわゆるユニモルフ型の構成を有している。各個別電極１０と、共通電極１１とは、それぞれ別個に、駆動回路１３に接続されており、駆動回路１３は、制御手段１４に接続されている。

圧電セラミック層６は、例えば、ＰＺＴ等の圧電材料によって形成されていると共に、層の厚み方向に、あらかじめ分極されて、いわゆる横振動モードの圧電変形特性が付与されており、制御手段１４からの制御信号によって、駆動回路１３が駆動されて、任意の個別電極１０と、共通電極１１との間に、前記分極方向と同方向の電圧が印加されると、両電極１０、１１間に挟まれた、圧電変形領域８に対応する活性領域１５が、図６に横向きの白矢印で示すように、層の面方向に収縮される。

しかし、圧電セラミック層６の下面は、共通電極１１を介して振動板１２に固定されているため、活性領域１５が収縮すると、それに伴って、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８が、図６に下向きの白矢印で示すように、加圧室２の方向に突出するように撓み変形して、加圧室２内に充てんされたインクを振動させ、この振動によって加圧されたインクが、ノズル３を通して、インク滴として吐出される。

特許文献１に記載されているように、液体吐出装置においては、いわゆる引き打ち式の駆動方法が、広く一般に採用される。図７は、図５の液体吐出装置１を、引き打ち式の駆動方法によって駆動する際に、圧電変形領域８に印加される駆動電圧Ｖ_Pの駆動電圧波形（太線の一点鎖線で示す）の一例と、この駆動電圧波形が印加された際の、ノズル３内における、インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、（＋）がノズル３の先端側、つまりインク滴の吐出側、（−）が加圧室２側〕との関係を簡略化して示すグラフである。

図５〜図７を参照して、まず、図７中のｔ₁より左側の、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時には、駆動電圧Ｖ_PをＶ_Hに維持（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させ続けることによって、圧電変形領域８を、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させて、前記加圧室２の容積を減少させた状態を維持しており、この間、インクは停止状態、すなわち、ノズル３におけるインクの体積速度は０を維持し、前記ノズル３内に、インクの表面張力によって形成されるインクメニスカスは静止している。

ノズル３からインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成するには、まず、その直前のｔ₁の時点で、圧電変形領域８に印加していた駆動電圧Ｖ_Pを放電（Ｖ_P＝０）して、活性領域１５の、面方向の収縮を解除させることによって、圧電変形領域８の撓み変形を解除させる。そうすると、加圧室２の容積が一定量だけ増加するため、ノズル３内のインクメニスカスは、その容積の増加分だけ、前記加圧室２の方向に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₁とｔ₂の間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。これは、太線の実線で示す、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁の、ほぼ半周期分に相当する。

次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ₂の時点で、駆動電圧Ｖ_Pを、再びＶ_Hまで充電（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を、面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。そうすると、ノズル３内のインクは、インクメニスカスが、加圧室２の側に最も大きく引き込まれた状態（ｔ₂の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、ノズル３の先端方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８を撓み変形させて、加圧室２の容積を減少させることによって、前記加圧室２から押し出されたインクの圧力が加わることになるため、ノズル３の先端側の方向へ加速されて、前記ノズル３の外方へ大きく突出する。

その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₂とｔ₃の間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。ノズル３の外方へ突出したインクが略円柱状に見えることから、この突出状態のインクを、一般に、インク柱と称する。
次に、ノズル３の外方に突出したインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点（図７のｔ₃の時点）で、駆動電圧Ｖ_Pを、再び、放電（Ｖ_P＝０）して、活性領域１５の面方向の収縮を解除させることによって、圧電変形領域８の撓み変形を解除させる。そうすると、インクが、ノズル３の外方に最も大きく突出した状態（ｔ₃の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、加圧室２の方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８の撓み変形を解除させて、加圧室２の容積を再び増加させたことによる、マイナスの圧力が加わることによって、ノズル３の外方へ伸びきったインク柱が切り離されて、１滴目のインク滴が生成される。

インク柱が切り離されたノズル３内のインクは、再び、加圧室２の方向に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₃とｔ₄の間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。これは、先に説明したように、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁の、ほぼ半周期分に相当する。

次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ₄の時点で、駆動電圧Ｖ_Pを、再びＶ_Hまで充電（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。そうすると、先の、ｔ₂からｔ₃の間でのインクの挙動と同じメカニズムによって、インクが、再び、ノズル３の外方へ大きく突出して、インク柱が形成される。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₄とｔ₅の間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。

次に、ノズル３の外方に突出したインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点（図７のｔ₅の時点）で、駆動電圧Ｖ_Pを、再び、放電（Ｖ_P＝０）して、活性領域１５の面方向の収縮を解除させることによって、圧電変形領域８の撓み変形を解除させると、インクが、ノズル３の外方に最も大きく突出した状態（ｔ₅の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、加圧室２の方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８の撓み変形を解除させて、加圧室２の容積を再び増加させたことによる、マイナスの圧力が加わることによって、ノズル３の外方へ伸びきったインク柱が切り離されて、２滴目のインク滴が生成される。

インク柱が切り離されたノズル３内のインクは、再び、加圧室２の方向に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、先に説明したように、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁の、ほぼ半周期分に相当し、図７のｔ₅とｔ₆の間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。
次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ₆の時点で、駆動電圧Ｖ_Pを、再びＶ_Hまで充電（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。そうすると、先の、ｔ₂からｔ₃の間、およびｔ₄からｔ₅の間でのインクの挙動と同じメカニズムによって、インクが、再び、ノズル３の外方へ大きく突出して、インク柱が形成される。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₆とｔ₇の間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。

そして、ノズル３でのインクの体積速度が０になった時点（図７のｔ₇の時点）以降、インクの振動の速度が、加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきったインク柱が切り離されて、３滴目のインク滴が生成される。生成された１滴目から３滴目までのインク滴は、それぞれ、ノズル３の先端に対向させて配設した紙面まで飛翔して、１つのドットを形成する。

前記一連の動作は、図７に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅Ｔ₂が固有振動周期Ｔ₁の約１／２倍であるパルスを３回、含む駆動電圧波形を有する駆動電圧Ｖ_Pを、圧電変形領域８に印加していることに相当する。１つのドットを、１滴のみのインク滴で形成する場合は、前記パルスを、１回のみとすればよい。また、１つのドットを、２滴のインクで形成する場合は、前記パルスを、２回にすればよい。さらに、１つのドットを、４滴以上のインク滴で形成する場合は、パルスを、インク滴の数に応じた回数、発生させればよい。

図８は、図５の液体吐出装置１の、１つの圧電アクチュエータ７上の、個々の圧電変形領域８に、個別に、駆動電圧Ｖ_Pを印加して、各圧電変形領域８を、個別に駆動制御する駆動方法の一例を示すグラフである。なお、図では、１つの圧電アクチュエータ７上の、３つの圧電変形領域８(1)〜８(3)に印加する駆動電圧についてのみ、示しているが、実際には、圧電アクチュエータ７上の、全ての圧電変形領域８が、図の、３つの圧電変形領域８(1)〜８(3)と同様に、個別に、駆動電圧Ｖ_Pの印加によって駆動される。

図５、図８を参照して、前記駆動方法においては、１つの圧電アクチュエータ７上の各圧電変形領域８について、図８中に破線で区切った駆動周期Ｐ₁…ごとに、駆動電圧Ｖ_Pを印加して駆動させるか、待機状態を維持するかが選択されると共に、駆動させることが選択された圧電変形領域８が、同期させて、一斉に駆動される。すなわち、駆動させることが選択された圧電変形領域８の全てに、図７で説明した駆動電圧Ｖ_Pが、同期させて印加され、それによって、各圧電変形領域８が、同時に駆動されて、対応する液滴吐出部４のノズル３から、一斉に、インク滴が吐出される。

例えば、図８の一番左の駆動周期Ｐ₁では、圧電変形領域８(1)、８(3)に、同期させた駆動電圧Ｖ_Pが印加されて、前記２つの圧電変形領域８(1)、８(3)が、同時に駆動され、それに対応する液滴吐出部４のノズル３から、同時に、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。また、前記駆動周期Ｐ₁に続く駆動周期Ｐ₂〜Ｐ₄では、圧電変形領域８(1)にのみ、駆動電圧Ｖ_Pが印加されて、前記圧電変形領域８(1)が駆動され、それに対応する液滴吐出部４のノズル３から、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。

そして、図の一番右の駆動周期Ｐ₅では、圧電変形領域８(1)〜８(3)の全てに、同期させた駆動電圧Ｖ_Pが印加されて、前記３つの圧電変形領域８(1)〜８(3)が、同時に駆動され、それに対応する液滴吐出部４のノズル３から、同時に、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。なお、図では、前記Ｐ₁〜Ｐ₅の５つの駆動周期についてのみ、示しているが、実際には、例えば、印刷する用紙の長さ分、駆動周期が連続される。
特開平２−１９２９４７号公報（第３頁左上欄第１９行〜同頁右上欄第６行、第３頁右上欄第１４行〜同頁左下欄第２行、第１６図(b)）

前記駆動の、任意の駆動周期において、駆動電圧Ｖ_Pを印加せずに待機状態を維持することが選択された圧電変形領域８には、先に説明した引き打ち式の駆動では、その駆動周期の間、一定の電圧Ｖ_Hが印加し続けられる。
ところが、紙面に形成する画像によっては、例えば、圧電変形領域８(2)、８(3)のように、複数の駆動周期に跨って、待機状態を維持し続けることが求められる圧電変形領域８が発生し、前記圧電変形領域８には、長期間に亘って、電圧Ｖ_Hが印加し続けられることから、圧電セラミック層６の、活性領域１５を囲む非活性領域１６が、電圧Ｖ_Hの印加による、活性領域１５の、面方向の収縮によって、図６に黒矢印で示す方向に、長時間に亘って、引張応力を受けて伸び続けることになる。

そして、非活性領域１６は、引張応力を受けて伸びている時間が長くなるほど、その内部で、応力を緩和するようにドメインが回転することによって、前記引張方向に、徐々にクリープ変形して行き、それに伴って、活性領域１５が、クリープ変形した非活性領域１６からの圧縮応力を受けて、収縮を解除させても、もとの静止状態まで伸びきることができなくなる度合いが大きくなる。

そのため、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８は、撓みを解除させた静止状態において、図６に示したように、十分に、まっすぐに伸びきることが、徐々にできなくなり、同図に下向きの白矢印で示した方向に撓み変形させた状態と、この撓み変形を解除させた静止状態との間での、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなって行く結果、インク滴の吐出性能が低下するという問題を生じる。また、前記駆動方法では、待機状態の圧電変形領域８に、電圧Ｖ_Hを印加し続けなければならないため、圧電アクチュエータ７の消費電力が大きいという問題もある。

そこで、特に、複数の駆動周期に跨って駆動されない圧電変形領域８について、従来のように、撓み変形し続ける待機状態を維持するのではなく、図８に一点鎖線で示すように、駆動電圧Ｖ_Pを放電（Ｖ_P＝０）させた静止状態を維持することで、非活性領域１６のクリープ変形を防止すると共に、圧電アクチュエータ７の消費電力を低減することが検討された。

ところが、前記駆動方法では、静止状態の圧電変形領域８を再び駆動させるため、それに先立って、圧電変形領域８を、再び、撓み変形させた待機状態に復帰させる際に、ノズル３からインク滴が吐出されて、吐出されたインク滴によって、紙面の、本来、ドットを形成する予定のない位置にドットが形成されて、形成画像の画質が低下するという問題がある。

すなわち、前記復帰の際に、例えば、図８に一点鎖線で示すように、圧電変形領域８(2)、８(3)の、実際にインク滴を吐出させる駆動周期Ｐ₅に先立つ駆動周期Ｐ₄において、駆動電圧Ｖ_Pを、放電（Ｖ_P＝０）状態から、再び、充電（Ｖ_P＝Ｖ_H）させると、それまで静止状態にあった圧電変形領域８が、急速に、加圧室２の方向に突出するように撓み変形して、加圧室２内のインクが加圧されるため、ノズル３から、インク滴が吐出されてしまうのである。

本発明の目的は、圧電アクチュエータの、例えば、比較的、長期間に亘って駆動されない圧電変形領域を、撓み変形を解除させるか、もしくは、駆動電圧を、待機状態より低い一定の値に保持して撓み変形を緩和させた静止状態に維持することで、前記圧電変形領域の、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなるのを防止して、液滴（インク滴）の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持すると共に、圧電アクチュエータの消費電力を低減することができる上、前記圧電変形領域を、静止状態から、撓み変形させた待機状態に復帰させる際に、ノズルから、液滴が吐出されるのを防止することができる、液体吐出装置の駆動方法と、前記駆動方法によって駆動される液体吐出装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、
(A) 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室と連通して配設され、前記加圧室内の液体が、液滴として吐出されるノズルとを有する複数の液滴吐出部と、
(B) 前記複数の液滴吐出部の、複数の前記加圧室を覆う大きさを有する圧電セラミック層を含むと共に、駆動電圧が個別にオン−オフされることによって、個々の前記加圧室に対応して個別に変形される複数の圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
を有する液体吐出装置の、前記圧電アクチュエータの任意の圧電変形領域に、駆動電圧をオンにした待機状態から、液滴を吐出させる直前に、一旦、オフにした後、再びオンにする駆動電圧波形を印加して、対応する前記液滴吐出部の前記加圧室の容積を変化させて、連通する前記ノズルを通して液滴を吐出させると共に、それ以外の他の前記圧電変形領域は、駆動電圧をオフに保持した静止状態を維持し、液滴を吐出させる際には、前記ノズルの先端における液体の固有振動周期をＴ _１ とするとき、駆動電圧をオンにしてからＴ _１ ／４以内でオフにした後、前記駆動電圧をオンにしてからＴ _１ ／２以内に再びオンにする、非吐出の昇圧波形を経由することで、途中で液滴を吐出させることなしに、前記静止状態から、駆動電圧をオンにした待機状態に移行させることを特徴とする液体吐出装置の駆動方法である。

請求項１記載の発明によれば、例えば、比較的、長期間に亘って駆動されない圧電変形領域を、駆動電圧をオフにして撓み変形を解除させた静止状態に維持することによって、圧電セラミック層の非活性領域がクリープ変形するのを抑制し、それによって、圧電変形領域の、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなるのを防止して、液滴（インク滴）の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持すると共に、圧電アクチュエータの消費電力を低減することが可能となる。

それと共に、請求項１記載の発明によれば、圧電変形領域を、前記静止状態から、駆動電圧をオンにして、撓み変形させた待機状態に復帰させる際に、ノズルの先端における液体の固有振動周期をＴ _１ とするとき、まず、駆動電圧をオンにしてからＴ _１ ／４以内でオフにすることで、吐出方向へ向かう液体の振動を、加圧室の方向へ引き戻した後、前記駆動電圧をオンにしてからＴ _１ ／２以内に再びオンにする、非吐出の昇圧波形を経由することで、前記復帰時に、ノズルから、液滴が吐出されるのを防止することもできる。そのため、例えば、本発明の駆動方法を、インクジェットプリンタに適用した場合には、紙面の、本来、ドットを形成する予定のない位置にドットが形成されるのを防止して、形成画像の画質を向上させることも可能となる。

しかも、非吐出の昇圧波形は、純粋に、駆動回路に入力する制御信号の操作のみによって行うことができるため、液体吐出装置の駆動回路に、新たな回路を追加する必要がない。したがって、請求項１記載の発明によれば、液体吐出回路を複雑化させるおそれもない。
請求項２記載の発明は、前記非吐出の昇圧波形を経由して駆動電圧をオンにした後、液滴を吐出させるのに先立って、前記非吐出の昇圧波形の印加によって発生した液体の振動を減衰させるために、一定時間、駆動電圧をオンにした待機状態を維持する請求項１に記載の液体吐出装置の駆動方法である。

請求項２記載の発明によれば、静止状態から待機状態に移行する際の、昇圧波形の印加による圧電変形領域の変形に伴って発生した液体の振動を、前記待機状態の間に減衰させて、液体を静止させることができるため、圧電変形領域を駆動させて、ノズルから液滴を吐出させる際の、液体の状態を常に安定させて、各ノズルから吐出される液滴の形状、サイズ、および速度がばらつくのを防止することができる。そのため、例えば、本発明の駆動方法を、インクジェットプリンタに適用した場合には、形成画像の画質を、さらに向上させることができる。

請求項３記載の発明は、前記非吐出の昇圧波形を経由して駆動電圧をオンにした後から、液滴を吐出させる際に駆動電圧をオフにするまでの、待機状態の期間中の、駆動電圧がオン状態の時間の総和Ｔ_ＯＮと、オフ状態の時間の総和Ｔ_ＯＦＦとが、Ｔ_ＯＦＦ≧Ｔ_ＯＮとなるように、前記待機状態において、ノズルから液滴が吐出されない周期で、少なくとも１回、駆動電圧のオン−オフを繰り返す請求項２記載の液体吐出装置の駆動方法である。

請求項３記載の発明によれば、静止状態から待機状態に復帰させた圧電変形領域に印加する駆動電圧を、前記条件でオン−オフさせることにより、前記待機状態の間に、ノズルから液滴が吐出されるのを防止しながら、圧電セラミック層の非活性領域がクリープ変形するのを抑制することで、圧電変形領域の、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなるのを防止して、液滴の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持すると共に、圧電アクチュエータの消費電力を低減する効果を、さらに向上させることができる。

請求項４記載の発明は、
(A) 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室と連通して配設され、加圧室内の液体が、液滴として吐出されるノズルとを有する複数の液滴吐出部と、
(B) 前記複数の液滴吐出部の、複数の加圧室を覆う大きさを有する圧電セラミック層を含むと共に、駆動電圧が個別にオン−オフされることによって、個々の加圧室に対応して個別に変形される複数の圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
(C) 前記圧電アクチュエータの複数の圧電変形領域に駆動電圧を印加するための駆動回路と、
(D) 前記複数の圧電変形領域を、請求項１〜３のいずれかに記載の駆動方法で駆動させるために、前記駆動回路から出力される駆動電圧波形をオン−オフで制御する制御手段と、
を有することを特徴とする液体吐出装置である。

請求項４記載の発明の液体吐出装置は、前記本発明の駆動方法によって駆動されるため、例えば、インクジェットプリンタに適用した際に、形成画像の画質を向上させることができる。

本発明の液体吐出装置の駆動方法によれば、圧電アクチュエータの、例えば、比較的、長期間に亘って駆動されない圧電変形領域を、撓み変形を解除させるか、もしくは、駆動電圧を、待機状態より低い一定の値に保持して撓み変形を緩和させた静止状態に維持することで、圧電セラミック層の比活性領域がクリープ変形するのを抑制し、それによって、前記圧電変形領域の、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなるのを防止して、液滴（インク滴）の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持すると共に、圧電アクチュエータの消費電力を低減することができる上、前記圧電変形領域を、静止状態から、撓み変形させた待機状態に復帰させる際に、ノズルから、液滴が吐出されるのを防止することができる。また本発明の液体吐出装置は、前記本発明の駆動方法によって駆動されるため、例えば、インクジェットプリンタに適用した際に、形成画像の画質を向上させることができる。

図５は、オンデマンド型のインクジェットプリンタにおいて、圧電インクジェットヘッドとして用いられる液体吐出装置１の一例を示す断面図である。また、図６は、前記液体吐出装置１の一例の、要部を拡大した断面図である。図５、図６を参照して、この例の液体吐出装置１は、先に説明したように、液体としてのインクが充てんされる加圧室２と、前記加圧室２に連通し、加圧室２内のインクを、インク滴として吐出させるためのノズル３とを有する複数の液滴吐出部４を、面方向に配列させて形成した基板５と、前記基板５の、複数の加圧室２を覆う大きさを有する、１層の圧電セラミック層６を含み、前記基板５上に積層された、板状の圧電アクチュエータ７とを備えている。

圧電アクチュエータ７は、個々の加圧室２に対応して配設され、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓み変形する複数の圧電変形領域８と、前記圧電変形領域８を囲んで配設され、前記基板５に固定されることで変形が防止された拘束領域９とに区画されている。また、図の例の圧電アクチュエータ７は、圧電セラミック層６の、両図において上面に、加圧室２ごとに個別に形成されて、圧電変形領域８を区画する個別電極１０と、前記圧電セラミック層６の下面に、順に積層された、共に、複数の加圧室２を覆う大きさを有する、共通電極１１と振動板１２とを備えた、いわゆるユニモルフ型の構成を有している。各個別電極１０と、共通電極１１とは、それぞれ別個に、駆動回路１３に接続されており、駆動回路１３は、制御手段１４に接続されている。

圧電セラミック層６は、例えば、ＰＺＴ等の圧電材料によって形成されていると共に、層の厚み方向に、あらかじめ分極されて、いわゆる横振動モードの圧電変形特性が付与されており、制御手段１４からの制御信号によって、駆動回路１３が駆動されて、任意の個別電極１０と、共通電極１１との間に、前記分極方向と同方向の電圧が印加されると、両電極１０、１１間に挟まれた、圧電変形領域８に対応する活性領域１５が、図６に横向きの白矢印で示すように、層の面方向に収縮される。

しかし、圧電セラミック層６の下面は、共通電極１１を介して振動板１２に固定されているため、活性領域１５が収縮すると、それに伴って、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８が、図６に下向きの白矢印で示すように、加圧室２の方向に突出するように撓み変形して、加圧室２内に充てんされたインクを振動させ、この振動によって加圧されたインクが、ノズル３を通して、インク滴として吐出される。

図１は、本発明の駆動方法の、実施の形態の一例において、図５の液体吐出装置１の、１つの圧電アクチュエータ７上の、個々の圧電変形領域８に、個別に印加されて、各圧電変形領域８を、個別に駆動制御するための、駆動電圧Ｖ_Pの波形を示すグラフである。なお、図では、１つの圧電アクチュエータ７上の、３つの圧電変形領域８(1)〜８(3)に印加する駆動電圧Ｖ_Pの波形についてのみ、示しているが、実際には、圧電アクチュエータ７上の、全ての圧電変形領域８が、駆動電圧Ｖ_Pの印加によって、図の、３つの圧電変形領域８(1)〜８(3)と同様に、個別に駆動される。

図１、図５を参照して、前記駆動方法を実施するに際し、制御手段１４は、入力された、形成する画像のデータに応じて、１つの圧電アクチュエータ７上の各圧電変形領域８について、図１中に破線で区切った駆動周期Ｐ₁…ごとに、駆動電圧Ｖ_Pを印加して駆動させるか、待機状態を維持するかを選択すると共に、駆動させることを選択した全ての圧電変形領域８に、駆動回路１３から、同期させた駆動電圧Ｖ_Pを入力して、前記圧電変形領域８を、一斉に駆動させる。

すなわち、制御手段１４は、駆動させることが選択された圧電変形領域８の全てに、駆動回路１３から、先の、図７で説明した駆動電圧Ｖ_Pを、同期させて印加させ、それによって、各圧電変形領域８が、同時に駆動されて、対応する液滴吐出部４のノズル３から、一斉に、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。
例えば、図１の一番左の駆動周期Ｐ₁では、圧電変形領域８(1)、８(3)に、同期させた駆動電圧Ｖ_Pが印加されて、前記２つの圧電変形領域８(1)、８(3)が、同時に駆動されることで、対応する液滴吐出部４のノズル３から、同時に、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。また、前記駆動周期Ｐ₁に続く駆動周期Ｐ₂〜Ｐ₄では、圧電変形領域８(1)にのみ、駆動電圧Ｖ_Pが印加されて、圧電変形領域８(1)が駆動されることで、対応する液滴吐出部４のノズル３から、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。

そして、図の一番右の駆動周期Ｐ₅では、圧電変形領域８(1)〜８(3)の全てに、同期させた駆動電圧Ｖ_Pが印加されて、前記３つの圧電変形領域８(1)〜８(3)が、同時に駆動されることで、対応する液滴吐出部４のノズル３から、同時に、インク滴が吐出されて、紙面にドットが形成される。なお、図では、前記Ｐ₁〜Ｐ₅の５つの駆動周期についてのみ、示しているが、実際には、例えば、印刷する用紙の長さ分、駆動周期が連続される。

一方、制御手段１４は、例えば、２つ以上の、複数の駆動周期に跨って、比較的、長期間に亘って駆動されない圧電変形領域８〔図１の圧電変形領域８(2)、８(3)〕を、駆動電圧Ｖ_Pを放電（Ｖ_P＝０）させて、圧電セラミック層６の活性領域１５の、面方向の収縮を解除させることで、その撓み変形を解除させた静止状態とする。
これにより、圧電セラミック層６の非活性領域１６がクリープ変形するのを抑制して、圧電変形領域８の、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなるのを防止することで、インク滴の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持すると共に、圧電アクチュエータ７の消費電力を低減することが可能となる。

また、制御手段１４は、静止状態の圧電変形領域８を再び駆動させるために、駆動電圧をオン（Ｖ_P＝Ｖ_H）にして、圧電セラミック層６の活性領域１５を面方向に収縮させて、前記圧電変形領域８を撓み変形させた待機状態に復帰させるに際し、圧電変形領域８を実際に駆動させる駆動周期Ｐ₅に２つ先立つ駆動周期Ｐ₃において、駆動電圧Ｖ_Pを、放電（Ｖ_P＝０）状態から、オン（Ｖ_P＝Ｖ_H）にした直後にオフ（Ｖ_P＝０）にした後、再びオン（Ｖ_P＝Ｖ_H）にする、非吐出の昇圧波形を経由して、静止状態から待機状態に移行させる。

そうすると、ノズル３から、インク滴を吐出させることなしに、前記圧電変形領域８を、静止状態から待機状態に復帰させることができ、紙面の、本来、ドットを形成する予定のない位置にドットが形成されるのを防止して、形成画像の画質を向上させることが可能となる。
図２は、前記非吐出の昇圧波形と、圧電変形領域８に、前記昇圧波形が印加された際の、ノズル３内における、インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、（＋）がノズル３の先端側、つまりインク滴の吐出側、（−）が加圧室２側〕との関係を簡略化して示すグラフである。

図２を参照して、まず、図２中のｔ₈より左側の静止状態においては、駆動電圧Ｖ_Pをオフ（Ｖ_P＝０）の状態に維持し続けることによって、活性領域１５の、面方向の収縮を解除させて、圧電変形領域８の撓み変形を解除させた状態を維持しており、この間、インクは停止状態、すなわち、ノズル３におけるインクの体積速度は０を維持し、前記ノズル３内に、インクの表面張力によって形成されるインクメニスカスは静止している。

次に、前記ｔ₈の時点で、駆動電圧Ｖ_Pをオン（Ｖ_P＝Ｖ_H）にして、活性領域１５を、面方向に収縮させることで、圧電変形領域８を、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させると、前記加圧室２の容積が減少するため、加圧室２内のインクが、吐出方向へ向かって振動を始めるが、その直後のｔ₉の時点で、再び、駆動電圧Ｖ_Pをオフ（Ｖ_P＝０）にすることで、活性領域１５の、面方向の収縮と、それによる、圧電変形領域８の撓み変形が解除されて、加圧室２の容積が増加するため、吐出方向へ向かって振動を始めたインクは、加圧室２の方向へ引き戻される。

そのため、ノズル３におけるインクの体積速度は、先に説明した、体積速度の固有振動周期Ｔ₁に基づいて、その半周期分に相当する、図２の、ｔ₈とｔ₁₀の間の部分に示すように、一旦、（＋）の側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく経過を辿るものの、ピークの速度は、ノズル３からインク滴が吐出されない程度に抑制されており、前記ノズル３から、インク滴が吐出されるのが防止される。

次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ₁₀の時点で、駆動電圧Ｖ_Pを、再びオン（Ｖ_P＝Ｖ_H）にして、活性領域１５を、面方向に収縮させることで、圧電変形領域８を、再び、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させる。そうすると、ノズル３内のインクは、インクメニスカスが、加圧室２の側に引き込まれようとするところに、圧電変形領域８を撓み変形させて、加圧室２の容積を減少させることによって、前記加圧室２から押し出されたインクの圧力が加わることになるため、インクの振動が減速されて、ｔ₁₀の時点以降、前記振動が徐々に減衰されて、やがて静止状態に落ち着く。

前記非吐出の昇圧波形のうち、ｔ_８の時点で駆動電圧Ｖ_Ｐをオンにした後、ｔ_９の時点でオフにするまでの間のパルス幅Ｔ_３は、前記ｔ_８の時点で駆動電圧Ｖ_Ｐをオンにした際に発生する、インクの、吐出方向への振動を、より効率よく抑制するため、前記インクの、体積速度の固有振動周期Ｔ_１の半周期の、さらに半分以下、すなわちＴ _１ ／４以下である必要があり、特に１／３以下、すなわちＴ _１ ／３以下であるのが好ましい。

また、ｔ_９の時点で駆動電圧Ｖ_Ｐをオフにした後、ｔ_１０の時点でオンにするまでの間のパルス幅Ｔ_４は、その後のインクの振動を、より効率よく減衰させるため、非吐出の昇圧波形のパルス幅Ｔ_３、Ｔ_４の合計、つまりＴ_３＋Ｔ_４が、前記体積速度の固有振動周期Ｔ_１の２／３以上で、かつ、ほぼ半周期分以内、つまりＴ _１ ／２以下の範囲に相当するように、設定する。

図１を参照して、非吐出の昇圧波形を印加した後、制御手段１４は、次の駆動周期Ｐ₄の間、圧電変形領域８に印加する駆動電圧Ｖ_Pをオン（Ｖ_P＝Ｖ_H）状態に維持して、活性領域１５を、面方向に収縮させつつけることで、前記圧電変形領域８を撓み変形させた状態を維持する。
これにより、前記待機状態の間に、インクの振動を完全に減衰させて、前記インクを、静止状態として、次の駆動周期Ｐ₅において、圧電変形領域８を駆動させて、ノズル３からインク滴を吐出させることができる。そのため、インクの状態を常に安定させて、ノズル３から吐出されるインク滴の形状、サイズ、および速度がばらつくのを防止して、形成画像の画質を、さらに向上させることが可能となる。

図３は、本発明の駆動方法の、実施の形態の他の例において、図５の液体吐出装置１の、１つの圧電アクチュエータ７上の、個々の圧電変形領域８に、個別に印加されて、各圧電変形領域８を、個別に駆動制御するための、駆動電圧Ｖ_Pの波形を示すグラフである。また、図４は、図３の駆動電圧Ｖ_Pの波形の、要部を拡大したグラフである。
図３、図４を参照して、この例では、制御手段１４が、２つ以上の、複数の駆動周期に跨って、比較的、長期間に亘って駆動されない圧電変形領域８〔図３の圧電変形領域８(2)、８(3)〕を、その間、静止状態に維持させると共に、実際に駆動させる駆動周期Ｐ₅に２つ先立つ駆動周期Ｐ₃において、前記静止状態から、非吐出の昇圧波形を経由して待機状態に移行させるまでの経過は、先の、図１の例と同様である。非吐出の昇圧波形自体も同じである。

図の例の駆動方法の、先の例との相違点は、制御手段１４が、待機状態の期間中、つまり、非吐出の昇圧波形の印加による昇圧が終了したｔ₁₀の時点から、圧電変形領域８の駆動が開始されるｔ₁の時点までの間、駆動回路１３を駆動制御して、前記圧電変形領域８に印加する駆動電圧Ｖ_Pを、駆動電圧Ｖ_Pがオン状態の時間の総和Ｔ_ONと、オフ状態の時間の総和Ｔ_OFFとが、Ｔ_OFF≧Ｔ_ONとなるように、前記待機状態において、ノズル３からインク滴が吐出されない周期で、少なくとも１回、繰り返し、オン−オフさせる点にある。

これにより、前記待機状態の間に、ノズル３からインク滴が吐出されるのを防止しながら、圧電セラミック層６の非活性領域１６がクリープ変形するのを抑制することで、圧電変形領域８の、厚み方向の変位量の差が徐々に小さくなるのを防止して、インク滴の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持すると共に、圧電アクチュエータ７の消費電力を低減する効果を、さらに向上させることができる。

図４を参照して、待機状態においてオン−オフされる駆動電圧Ｖ_Pの、オン時のパルスのパルス幅Ｔ₅と、オフ時のパルスのパルス幅Ｔ₆は、ノズル３からインク滴を吐出させないために、共に、インクの、体積速度の固有振動周期Ｔ₁の半周期の、さらに半分以下、特に１／３以下、より望ましくは１／４以下、さらには１／６以下に設定するのが好ましい。

また、両パルスは、先に説明したように、駆動電圧Ｖ_Pがオン状態の時間の総和Ｔ_ONと、オフ状態の時間の総和Ｔ_OFFとが、Ｔ_OFF≧Ｔ_ONとなるように、そのパルス幅Ｔ₅、Ｔ₆と、パルス数とが設定されるのが好ましい。詳しくは、オン時のパルスのパルス数をｎとすると、オフ時のパルス数はｎ−１に規定されることから、先に説明したように、両パルス幅Ｔ₅、Ｔ₆が、共に固有振動周期Ｔ₁の半周期の、さらに半分以下、特に１／３以下、より望ましくは１／４以下、さらには１／６以下で、かつ、下記の各式を満足するように、パルス幅とパルス数とを設定すればよい。
Ｔ_OFF≧Ｔ_ON
Ｔ_ON＝ｎ×Ｔ₅
Ｔ_OFF＝（ｎ−１）×Ｔ₆

本発明の構成は、以上で説明した各図の例に限定されるものではない。例えば、本発明の駆動方法が適用される液体吐出装置は、圧電インクジェットヘッドには限定されず、ポンプその他にも適用することができる。

図１は、本発明の駆動方法の、実施の形態の一例において、図５の液体吐出装置の、１つの圧電アクチュエータ上の、個々の圧電変形領域に、個別に印加されて、各圧電変形領域を、個別に駆動制御するための、駆動電圧Ｖ_Pの波形を示すグラフである。 図２は、前記非吐出の昇圧波形と、圧電変形領域に、前記昇圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との関係を簡略化して示すグラフである。 図３は、本発明の駆動方法の、実施の形態の他の例において、図５の液体吐出装置の、１つの圧電アクチュエータ上の、個々の圧電変形領域に、個別に印加されて、各圧電変形領域を、個別に駆動制御するための、駆動電圧Ｖ_Pの波形を示すグラフである。 図４は、図３の駆動電圧Ｖ_Pの波形の、要部を拡大したグラフである。 図５は、オンデマンド型のインクジェットプリンタにおいて、圧電インクジェットヘッドとして用いられる液体吐出装置の一例を示す断面図である。 図６は、前記液体吐出装置の一例の、要部を拡大した断面図である。 図７は、図５の液体吐出装置を、引き打ち式の駆動方法によって駆動する際に、圧電変形領域に印加される駆動電圧Ｖ_Pの駆動電圧波形の一例と、この駆動電圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との関係を簡略化して示すグラフである。 図８は、図５の液体吐出装置の、１つの圧電アクチュエータ上の、個々の圧電変形領域に、個別に、駆動電圧Ｖ_Pを印加して、各圧電変形領域を、個別に駆動制御する駆動方法の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 液体吐出装置
２ 加圧室
３ ノズル
４ 液滴吐出部
５ 基板
６ 圧電セラミック層
７ 圧電アクチュエータ
８ 圧電変形領域
９ 拘束領域
１０ 個別電極
１１ 共通電極
１２ 振動板
１３ 駆動回路
１４ 制御手段
１５ 活性領域
１６ 非活性領域
Ｖ_P 駆動電圧

Claims (4)

1. (A) 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室と連通して配設され、前記加圧室内の液体が、液滴として吐出されるノズルとを有する複数の液滴吐出部と、
   (B) 前記複数の液滴吐出部の、複数の前記加圧室を覆う大きさを有する圧電セラミック層を含むと共に、駆動電圧が個別にオン−オフされることによって、個々の前記加圧室に対応して個別に変形される複数の圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
   を有する液体吐出装置の、前記圧電アクチュエータの任意の圧電変形領域に、駆動電圧をオンにした待機状態から、液滴を吐出させる直前に、一旦、オフにした後、再びオンにする駆動電圧波形を印加して、対応する前記液滴吐出部の前記加圧室の容積を変化させて、連通する前記ノズルを通して液滴を吐出させると共に、それ以外の他の前記圧電変形領域は、駆動電圧をオフに保持した静止状態を維持し、液滴を吐出させる際には、前記ノズルの先端における液体の固有振動周期をＴ _１ とするとき、駆動電圧をオンにしてからＴ _１ ／４以内でオフにした後、前記駆動電圧をオンにしてからＴ _１ ／２以内に再びオンにする、非吐出の昇圧波形を経由することで、途中で液滴を吐出させることなしに、前記静止状態から、駆動電圧をオンにした待機状態に移行させることを特徴とする液体吐出装置の駆動方法。
2. 前記非吐出の昇圧波形を経由して駆動電圧をオンにした後、液滴を吐出させるのに先立って、前記非吐出の昇圧波形の印加によって発生した液体の振動を減衰させるために、一定時間、駆動電圧をオンにした待機状態を維持する請求項１に記載の液体吐出装置の駆動方法。
3. 前記非吐出の昇圧波形を経由して駆動電圧をオンにした後から、液滴を吐出させる際に駆動電圧をオフにするまでの、待機状態の期間中の、駆動電圧がオン状態の時間の総和Ｔ_ＯＮと、オフ状態の時間の総和Ｔ_ＯＦＦとが、Ｔ_ＯＦＦ≧Ｔ_ＯＮとなるように、前記待機状態において、ノズルから液滴が吐出されない周期で、少なくとも１回、駆動電圧のオン−オフを繰り返す請求項２記載の液体吐出装置の駆動方法。
4. (A) 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室と連通して配設され、加圧室内の液体が、液滴として吐出されるノズルとを有する複数の液滴吐出部と、
   (B) 前記複数の液滴吐出部の、複数の加圧室を覆う大きさを有する圧電セラミック層を含むと共に、駆動電圧が個別にオン−オフされることによって、個々の加圧室に対応して個別に変形される複数の圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
   (C) 前記圧電アクチュエータの複数の圧電変形領域に駆動電圧を印加するための駆動回路と、
   (D) 前記複数の圧電変形領域を、請求項１〜３のいずれかに記載の駆動方法で駆動させるために、前記駆動回路から出力される駆動電圧波形をオン−オフで制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする液体吐出装置。

Images