JP4857875B2 - 液滴吐出記録ヘッドの駆動方法及び液滴吐出記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴を吐出して画像の記録を行う液滴吐出記録ヘッドの駆動方法及び当該液滴吐出記録ヘッドを備えた液滴吐出記録装置に関する。

従来、液滴吐出記録ヘッドに設けられた吐出ノズルからインク滴等の液滴を吐出して記録媒体に画像を記録するインクジェットプリンタ等の液滴吐出記録装置が知られている。

液滴吐出方式としては、液体を急速に加熱し気泡を発生させその圧力を用いて液滴吐出するもの、圧電素子に駆動電圧波形を印加し圧力波を発生させて液滴吐出するものなどがある。

圧電素子を用いた液滴吐出記録装置では、液滴吐出記録ヘッドの複数のノズルに対応した圧電素子に対して、記録するドットの濃度に応じて異なる駆動電圧波形を画素毎に印加することにより、吐出される液滴の体積を調整して階調表現を行っており、従来は液滴吐出の制御性から上記駆動電圧波形としてアナログ駆動波形を用いているものが多い。この種の液滴吐出記録装置では、駆動電圧波形としてアナログ駆動波形を用いることにより電圧振幅や時間変化を任意に設定できるため、吐出させる液滴体積の変調範囲を大きくすることができ、所望の滴体積の液滴を吐出させることも容易である。しかし、アナログ駆動波形を用いるためには、駆動回路が大型化してしまい、消費電力も大きい、という問題点もあった。特に、高速化を狙った紙幅長尺ヘッドを用いた記録装置では、この問題が顕著となった。

そこで、近年、駆動回路の小型化・低コスト化・省エネルギー化を目的として２値のデジタル駆動波形を用いる液滴吐出記録装置がある。しかし、この２値のデジタル駆動波形は、電圧振幅が電源電圧で決まり、駆動波形の時間変化もスイッチング素子のオン・オフに応じて決まるため、駆動電圧の波形の自由度が大きく低下してしまい、広い液滴体積の変調範囲において安定した吐出を行なうことが非常に困難である。

そこで、３値のデジタル駆動波形を用いて、２値のデジタル駆動波形よりも駆動波形の自由度を増やし、液滴変調範囲を広げ、かつ安定した吐出を得ることが提案されている。
一方で、圧電素子を用いた液滴吐出記録装置では、ノズル近傍のインク液の増粘を抑制し吐出を安定化することを目的として、インク滴の吐出を実行しないノズルに対して、インク滴を吐出させないような範囲でノズルのインク液面を振動させる予備波形を圧電素子に印加し、ノズル近傍のインクを攪拌する技術がよく用いられている。特に、最近は、高画質化を狙い、顔料系で粘度の高いインクが用いられるようになり、予備波形の効果は非常に重要となっている。

特許文献１では、デジタル駆動波形において、予備波形を印加することが提案されている。

また、特許文献２では、アナログ波形を用い、インクの増粘速度や温度に応じて、予備波形を変更し、予備波形の効果を最適化することが提案されている。
特開２００４−１８１６７６公報 特開２００１−３４１３２６公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、デジタル駆動波形を用いた予備波形において、インクの温度に応じて予備波形を最適化するに至っていない。また、特許文献２に記載の技術は、アナログ波形で予備波形を最適化するために、共通の駆動波形の１吐出周期中に複数の予備波形と吐出波形を並べ、その一部を必要に応じて選択し圧電素子に印加するという方式をとっている。この場合、１吐出周期中に複数の駆動波形を並べるため1周期が長くなり、高周波数化に関して不都合である。

また、予備波形として常に同一の波形を用いた場合、インクの温度が変化するとインクの粘度が変化し、ノズル部のメニスカス振動量が変化して、振動量が大きすぎる場合は液滴の誤吐出等が生じたり、振動量が小さすぎる場合はインク攪拌効果が小さくなったりする、という問題点があった。

液滴の誤吐出が生じた場合は、画質の劣化につながり、インク攪拌効果が小さくなった場合は、液滴の吐出速度が変化してしまい、着弾位置ズレ等を引き起こし、最悪の場合は不吐出が生じることもある。よって、温度に応じた予備波形の最適化は重要であり、一方で、アナログ波形に比べて波形自由度の小さい３値のデジタル駆動波形において、吐出波形の液滴体積の変調範囲を確保しつつ、予備波形を最適化することは、非常に困難であった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、３値のデジタル駆動波形において、液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立できる液滴吐出記録ヘッドの駆動方法及び液滴吐出記録装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の本発明は、液滴を吐出するための吐出口と、前記吐出口に連通し、内部に液体が収容される圧力室と、前記圧力室に振動波を与える圧電素子と、が設けられた複数の吐出機構を備え、第１の電圧レベル、該第１の電圧レベルよりも低い第２の電圧レベル、及び前記第１の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの間にある第３の電圧レベルの何れかを選択的に組み合わせた３値のデジタル駆動波形であって、前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの電位差と、前記第３の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの電位差とが異なるように設定された該３値のデジタル駆動波形を前記圧電素子に印加して前記吐出口から液滴を吐出させる液滴吐出記録ヘッドの駆動方法であって、前記吐出機構近傍の環境温度が予め定められた閾値の温度よりも低温である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記圧力室内の液体の固有振動周期Ｔｃの２０％以下、又は８０％以上１２０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第１予備波形を前記圧電素子に印加し、前記環境温度が予め定められた閾値の温度以上である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記固有振動周期Ｔｃの４０％以上６０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第１の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第２予備波形を前記圧電素子に印加することを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、３値のデジタル駆動波形を印加して圧電素子を駆動するので、アナログ波形を印加する場合と比較すると波形に制約があるものの、２値のデジタル駆動波形を印加する場合と比較すると、広い液滴体積の変調範囲において安定した吐出を行なうことが可能になる。また、２値のデジタル駆動波形を印加する場合と比較すると駆動回路がやや大型化するものの、アナログ波形を印加する場合よりも、駆動回路を小型化、低コスト化することができる。

また、請求項１記載の発明によれば、温度変化に応じて液体の粘度が変化することに着目し、環境温度に応じて異なる予備波形を適用するようにしている。すなわち、環境温度が低いほど、液体の粘度が高くなって振動が伝わりにくくなるので、予備波形の振幅が大きい第１予備波形を印加している。また、環境温度が高いほど、液体の粘度が低くなって振動が伝わりやすくなり、予備波形を印加した場合に誤って液滴を吐出してしまう恐れがあるので、予備波形の振幅が小さい第２予備波形を印加している。

よって、請求項１記載の発明によれば、液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立できる。

また、本発明は、請求項２記載の発明のように、前記圧力室の容積は、前記圧電素子に印加される電圧レベルが高いほど収縮し、印加される電圧レベルが低いほど膨張し、前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの電位差を、前記第３の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの電位差よりも小さく設定することにより、３値のデジタル駆動波形において、広い変調範囲で安定吐出が可能な吐出波形と温度に応じた予備波形とが両立できる。

また、本発明は、請求項３記載の発明のように、前記第２の電圧レベル及び前記第１の電圧レベルを固定値とし、前記第３の電圧レベルを前記環境温度に応じて変化させるようにしてもよい。これにより、環境温度により変化する液体の粘度に応じて、吐出波形と予備波形の電圧振幅を同時に変えられるので、吐出する液滴の体積及び液体の増粘抑制効果を温度に関係なく均一にすることができる。さらに、電圧値を変化させるのは第３の電圧レベルだけであるので、他の第１の電圧レベルや第２の電圧レベルも変化させる場合に比べて、電源回路を簡単にできる。

一方、本発明は、請求項４記載の発明のように、前記第２の電圧レベルを固定値とし、前記第３の電圧レベルと前記第１の電圧レベルとの電位差が一定になるように、前記環境温度に応じて前記第３の電圧レベルと前記第１の電圧レベルとを変化させることもできる。これにより、環境温度により変化する液体の粘度に応じて、吐出波形と予備波形の電圧振幅を同時に変えられるので、吐出する液滴の体積及び液体の増粘抑制効果を温度に関係なく均一にすることができる。さらに、電圧値を変化させる際に、第３の電圧レベルと第１の電圧レベルとの電位差を一定に保つので、第３の電圧レベル及び第１の電圧レベルをそれぞれ独立して変化させる場合に比べて、電源回路を簡単にできる。

また、本発明は、請求項５記載の発明のように、前記環境温度が低いほど前記第３の電圧レベルを高くすることが好ましい。これにより、温度が低く液体の粘度が高い場合でも、吐出波形と予備波形の振幅を大きくすることにより、吐出する液滴の体積及び液体の増粘抑制効果を温度に関係なく均一にできる。

一方、上記課題を解決するために、請求項６の発明は、吐出口が設けられて内部に液体が収容される圧力室に圧電素子が設けられた複数の吐出機構を備え、所定の周期毎の吐出タイミングで、第１の電圧レベル、該第１の電圧レベルよりも低い第２の電圧レベル、及び前記第１の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの間にある第３の電圧レベルの何れかを選択的に組み合わせた３値のデジタル駆動波形を前記圧電素子に印加して、当該圧電素子を変形させることにより前記圧力室内の液体に振動波を与えて前記吐出口から液滴を吐出させる液滴吐出記録ヘッドを有する液滴吐出記録装置であって、前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの電位差と、前記第３の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの電位差とが異なるように設定する設定手段と、前記吐出機構近傍の環境温度を検出する検出手段と、前記圧力室内の液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる液体増粘抑制用の予備波形として、前記環境温度が予め定められた閾値の温度よりも低温である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記圧力室内の液体の固有振動周期Ｔｃの２０％以下、又は８０％以上１２０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第１予備波形を生成し、前記環境温度が予め定められた閾値の温度以上である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記固有振動周期Ｔｃの４０％以上６０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第１の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第２予備波形を生成する予備波形生成手段と、前記圧電素子に対して、前記予備波形生成手段により生成された前記第１予備波形又は前記第２予備波形を印加する印加手段と、を備えている。

請求項６記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様に作用するので、請求項１記載の発明と同様、液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立できる。

以上説明したように、本発明によれば、３値のデジタル駆動波形において、環境温度に応じて予備波形を最適化し、液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立できる、という優れた効果を有する。さらに、吐出波形も同時に温度に応じて最適化し、電源回路も簡単化できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。なお、本実施の形態は、本発明をインクジェット記録装置に適用したものである。

図１には、本実施の形態に係るインクジェットプリンタ（以下、単に「プリンタ」という）１００の構成が概略的に示されている。

同図に示すように、プリンタ１００には、無端状の搬送ベルト１１２が複数のローラ１１４に巻き掛けられており、図中矢印Ａで示される方向に周回するようになっている。なお、複数のローラ１１４の一部は不図示の駆動手段の駆動力を受けて回転する駆動ローラとされており、他のローラは搬送ベルト１１２の回転に追従して回転する従動ローラとされている。

一方、プリンタ１００には、用紙トレイ１２０が配設されており、当該用紙トレイ１２０には、画像を記録するための記録用紙Ｐが積み重ねられて収容される。当該用紙トレイ１２０に収容された記録用紙Ｐは、不図示のピックアップ機構により最上層から１枚ずつ持ち出されて給紙搬送路１２２に案内され、給紙搬送路１２２によって、搬送ベルト１１２上の所定位置に送り出される。なお、搬送ベルト１１２には、記録用紙Ｐを密着保持する機能が備えられている。これにより、給紙搬送路１２２により送り込まれた記録用紙Ｐは、密着保持された状態で矢印Ａ方向に搬送されることになる。

プリンタ１００には、上記搬送ベルト１１２上に記録用紙Ｐが送り込まれる所定位置の搬送方向下流側に、上記記録用紙Ｐの搬送経路に沿って記録ヘッドユニット１３７が配設されている。この記録ヘッドユニット１３７には、搬送ベルト１１２による記録用紙Ｐの搬送方向上流側から、シアン（Ｃ）色インク吐出用、マゼンタ（Ｍ）色インク吐出用、イエロー（Ｙ）色インク吐出用、ブラック（Ｋ）色吐出用の４つの記録ヘッド１３６が設けられており、搬送される記録用紙Ｐは、各色の記録ヘッド１３６に順次対向される。

各色の記録ヘッド１３６は、多数の吐出機構１０（図１では図示省略、図２参照）が上記矢印Ａ方向と直交する搬送ベルト１１２の幅方向全域にわたって配列されているＦＷＡ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ）型のものとされている。

各記録ヘッド１３６は、記録ヘッド制御部１５０によりそれぞれ駆動され、画像データに基づいて各色のインク滴が各記録ヘッド１３６に設けられた吐出機構１０から吐出されるようになっている。これにより、搬送ベルト１１２に密着された記録用紙Ｐには、順次対向する各記録ヘッド１３６によりインク滴が吐出されてフルカラー画像が記録される。

また、本実施の形態では、記録ヘッドユニット１３７近傍に、環境温度センサ１４０が配設されており、記録ヘッドユニット１３７の環境温度を検出して、記録ヘッド制御部１５０に出力する。

さらに、搬送ベルト１１２による記録用紙Ｐの搬送経路上であって記録ヘッドユニット１３７の下流側には、搬送経路が屈曲される位置に設けられたローラ１１４の配設位置に対応するようにスクレーパ１２６が設けられており、画像記録が終了した記録用紙Ｐを搬送ベルト１１２から分離させて、排出路１２８を介して排紙トレイ１３０に送り出すようになっている。

図２は、本発明の実施の形態に係わるインクジェットプリンタ１００の吐出機構１０の構成を示す図である。

吐出機構１０は、インクタンク１２、供給路１４、圧力室１６、ノズル１８、及び電気機械変換素子としての圧電素子２０を有している。

インクタンク１２には、インクが充填され、インクタンク１２に充填されたインクは、供給路１４を介して圧力室１６に充填され、圧力室１６に連通したノズル１８にインクが供給される。

圧力室１６の壁面の一部は振動板１６Ａからなり、該振動板１６Ａにピエゾ素子等の圧電素子２０が設けられており、圧電素子２０によって振動板１６Ａを変形させて振動させることで、圧力室１６内に圧力波が発生する。すなわち、圧電素子２０の振動によって発生する圧力波によって、圧力室１６内に充填されたインクがノズル１８から吐出され、圧力室１６には供給路１４を介してインクタンク１２からインクが補充されるようになっている。

ノズル１８は、例えば、記録紙幅方向に複数配列した記録ヘッドとすることで、記録紙幅方向の画像を記録し、記録紙と記録ヘッドとを相対的に移動することで記録紙に画像を記録することができる。

図３は、本発明の実施の形態に係わるインクジェットプリンタ１００のヘッドを駆動する記録ヘッド制御部１５０の概略構成を示す図である。

同図に示すように、記録ヘッド制御部１５０は、コントローラ２２と、駆動回路３０と、を含んで構成されている。

駆動回路３０は、シフトレジスタ４２と、ラッチ回路４４と、セレクタ４６と、レベルシフタ４８と、ドライバ５０と、を含んで構成されている。

コントローラ２２から出力されたクロック信号と、第１駆動波形信号〜第１６駆動波形信号（詳細は後述する）を選択するための選択信号とは、シフトレジスタ４２に入力され、ラッチ信号はラッチ回路４４に入力される。

なお、以下では、１つの圧電素子２０に駆動波形を供給する場合について説明するが、他の圧電素子２０についても同様であるので、説明を省略する。

シフトレジスタ４２は、入力された選択信号をパラレルデータに変換してラッチ回路４４へ出力する。ラッチ回路４４は、シフトレジスタ４２から出力されたパラレルデータをラッチ信号の入力に応じてラッチする。

セレクタ４６には、コントローラ２２から第１駆動波形信号〜第１６駆動波形信号が選択対象信号として入力されると共に、ラッチ回路４４によってラッチされた選択信号のパラレルデータがセレクト端子に入力される。従って、セレクタ４６は、第１駆動波形信号〜第１６駆動波形信号から選択信号によって選択が指示されたものを選択して出力することになる。

セレクタ４６の駆動波形信号の出力端子はレベルシフタ４８に接続されており、セレクタ４６から出力された波形信号はレベルシフタ４８によってレベル変換されて出力される。なお、レベルシフタ４８には、図示しない第３電源から所定電圧レベルＨＶＤＤの電力が供給されており、レベルシフタ４８では、選択信号によって選択された波形信号を、電圧レベルＨＶＤＤに応じた電圧レベルまでレベル変換して、ドライバ５０に入力する。

ここで、上記第１〜第１６駆動波形信号は、それぞれ一対の波形信号Ｓ１、Ｓ２により構成されており、当該一対の波形信号Ｓ１、Ｓ２に基づいてドライバ５０により３値の駆動波形信号を生成する。

ドライバ５０は、第１信号生成回路５２と、第２信号生成回路５４とが備えられている。本実施の形態に係わる第１信号生成回路５２は、ＰＭＯＳ５２ＡとＮＭＯＳ５２Ｂを直列に接続して構成したインバータ回路として構成されており、同様に、第２信号生成回路５４もまた、ＰＭＯＳ５４ＡとＮＭＯＳ５４Ｂを直列接続して構成したインバータ回路として構成されている。

第１信号生成回路５２は、ＰＭＯＳ５２ＡとＮＭＯＳ５２Ｂのドレイン同士が接続されると共に、ＰＭＯＳ５２ＡとＮＭＯＳ５２Ｂのゲートが接続されている。同様に、第２信号生成回路５４も、ＰＭＯＳ５４ＡとＮＭＯＳ５４Ｂのドレイン同士が接続されると共に、ＰＭＯＳ５４ＡとＮＭＯＳ５４Ｂのゲートが接続されている。

また、第１信号生成回路５２におけるＰＭＯＳ５２Ａのソースには、供給する電力の電圧レベルが可変である図示しない第一電源からの所定電圧レベルＨＶ１とされた電力が供給されると共に、ＮＭＯＳ５２Ｂのソースは接地されてグランドレベルとされている。また、ＰＭＯＳ５２Ａ及びＮＭＯＳ５２Ｂの各ゲートにはレベルシフタ４８の一方の出力端子が接続されており、セレクタ４６によって選択された一対の波形信号の一方で、かつレベルシフタ４８によってレベル変換された波形信号Ｓ１が入力される。

従って、第１信号生成回路５２では、レベルシフタ４８から入力された波形信号Ｓ１の信号レベルがハイレベルである場合はＰＭＯＳ５２Ａがオフ状態でＮＭＯＳ５２Ｂがオン状態となるため、出力される電圧の電圧レベルはグランドレベルとなる。これに対して、レベルシフタ４８から入力された波形信号Ｓ１の信号レベルがローレベルである場合はＰＭＯＳ５２Ａがオン状態でＮＭＯＳ５２Ｂがオフ状態となるため、出力される電圧の電圧レベルは電圧レベルＨＶ１となる。この結果、第１信号生成回路５２から出力される電圧は、波形がレベルシフタ４８から入力された波形信号Ｓ１の反転波形と同一で、かつ電圧レベルとしてグランドレベル及び電圧レベルＨＶ１の２つを有するものとなる。

一方、第２信号生成回路５４におけるＰＭＯＳ５４Ａのソースには、図示しない第二電源からの所定電圧レベルＨＶ２とされた電力が供給されると共に、ＮＭＯＳ５４Ｂのソースには、第１信号生成回路５２におけるＰＭＯＳ５２Ａ及びＮＭＯＳ５２Ｂの接続点（ドレイン）が接続されている。従って、ＮＭＯＳ５４Ｂのソースには、第１信号生成回路５２のインバータ出力が印加されることになる。更に、ＰＭＯＳ５４Ａ及びＮＭＯＳ５４Ｂの各ゲートにはレベルシフタ４８の他方の出力端子が接続されており、セレクタ４６によって選択された一対の波形信号の他方で、かつレベルシフタ４８によってレベル変換された波形信号Ｓ２が入力される。

従って、第２信号生成回路５４では、レベルシフタ４８から入力された波形信号Ｓ２の信号レベルがハイレベルである場合はＰＭＯＳ５４Ａがオフ状態でＮＭＯＳ５４Ｂがオン状態となるため、出力される電圧の電圧レベルは第１信号生成回路５２から出力された電圧と同様のもの（波形がレベルシフタ４８から入力されている波形信号の反転波形と同一で、かつ電圧レベルがグランドレベル及び電圧レベルＨＶ１の２つを有するもの）となる。これに対し、レベルシフタ４８から入力された波形信号Ｓ２の信号レベルがローレベルである場合はＰＭＯＳ５４Ａがオン状態でＮＭＯＳ５４Ｂがオフ状態となるため、出力される電圧の電圧レベルは電圧レベルＨＶ２となる。この結果、第２信号生成回路５４から出力される電圧は、レベルシフタ４８から入力された一対の波形信号Ｓ１、Ｓ２に応じて第１信号生成回路５２及び第２信号生成回路５４から各々出力される電圧を組み合わせた、電圧レベルとしてグランドレベル、電圧レベルＨＶ１、及び電圧レベルＨＶ２の３値となる。

例えば、駆動波形の電圧レベルを電圧レベルＨＶ２としたい場合は、第２信号生成回路５４からの出力波形の電圧レベルを電圧レベルＨＶ２にするようにする。従って、この場合には、第２信号生成回路５４に入力する波形信号Ｓ２をローレベルとすればよい。なお、この場合は第１信号生成回路５２の出力は第２信号生成回路５４の出力に影響を与えることはないので、第１信号生成回路５２に入力する波形信号Ｓ１のレベルは制限されない。

一方、駆動波形の電圧レベルを電圧レベルＨＶ１としたい場合は、第１信号生成回路５２からの出力波形の電圧レベルを電圧レベルＨＶ１にすると共に、第２信号生成回路５４からの出力波形の電圧レベルも電圧レベルＨＶ１にする必要がある。従って、この場合には、第１信号生成回路５２に入力する波形信号Ｓ１をローレベルにすると共に、第２信号生成回路５４に入力する波形信号Ｓ２をハイレベルにする必要がある。

更に、駆動波形の電圧レベルをグランドレベルとしたい場合は、第１信号生成回路５２からの出力波形の電圧レベルをグランドレベルにすると共に、第２信号生成回路５４からの出力波形の電圧レベルもグランドレベルにする必要がある。従って、この場合には、第１信号生成回路５２に入力する波形信号Ｓ１をハイレベルにすると共に、第２信号生成回路５４に入力する波形信号Ｓ２もハイレベルにする必要がある。

表１には、上記波形信号Ｓ１及びＳ２と、駆動波形の電圧レベルとの関係が示されている。なお、同表におけるＳ１は第１信号生成回路５２に入力される波形信号を示し、Ｓ２は第２信号生成回路５４に入力される波形信号を示し、ＯＵＴは第２信号生成回路５４から対応する圧電素子２０に供給される駆動波形の電圧レベルを示す。

第１信号生成回路５２及び第２信号生成回路５４の各々に入力すべき波形信号Ｓ１、Ｓ２を生成させる際には、表１に示される真理値表に基づき、最終的に所望の駆動波形が得られるような一対の駆動波形を生成し、ドライバ５０に供給すればよい。

なお、本実施の形態に係るインクジェット記録装置では、図示しない第３電源から供給される電力の電圧レベルＨＶＤＤと第二電源から供給される電力の電圧レベルＨＶ２との関係を（電圧レベルＨＶＤＤ≧電圧レベルＨＶ２）とし、電圧レベルＨＶ２と図示しない第一電源から供給される電力の電圧レベルＨＶ１との関係を（電圧レベルＨＶ２＞電圧レベルＨＶ１）としている。

ここで、本実施の形態に係るインクジェット記録装置では、圧電素子２０の駆動によって吐出されるインク滴の吐出量の種類として、「大滴」、「中滴」及び「小滴」の３種類が適用されており、コントローラ２２では、当該３種類の吐出量の各々に対応する駆動波形を生成することができる一対の波形信号として、以下の表２に示される第１〜第１６駆動波形信号が生成され、駆動回路３０に入力されるように構成されている。

表２に示されるように、大滴用駆動波形、中滴用駆動波形及び小滴用駆動波形は、各吐出機構１０の吐出特性のばらつきに応じてそれぞれ５種類ずつ設定されるようになっている。さらに、インクを吐出させることなく攪拌し、インクの増粘によるノズル目詰まりを防止する予備波形も設定される。

なお、各吐出機構１０の吐出特性のばらつきを示す補正情報は、各ノズル毎に予めコントローラ２２に設けられたメモリ等に格納されている。コントローラ２２は、画像データにより示される各画素の濃度に基づいて記録する画素の濃度レベルを高濃度、中濃度、低濃度、記録なしの何れかに分類し、補正情報に基づいて当該画素を記録する際に用いる駆動波形信号を指定する駆動波形指定信号を出力する。なお、記録する画素の濃度レベルが高濃度であれば大滴用駆動波形の何れかが、中濃度であれば中滴用駆動波形の何れかが、低濃度であれば小滴用駆動波形の何れかが、それぞれ選択される。

ここで、圧電素子２０を用いたインク吐出では、圧電素子２０に１つのパルスを印加することによって、パルスの立ち下がりで圧力室１６が膨張され、パルスの立ち上がりで圧力室１６が収縮される。この時、パルスの立ち下がりで圧力波Ｗａが発生し、パルスの立ち上がりで圧力波Ｗａに対して位相が１８０度ずれた圧力波Ｗｂが発生する。そして、圧力波Ｗｂが発生する時点で残響として圧力波Ｗａが残っているので、双方の合成波Ｗによって吐出のエネルギーが決定されることになる。

すなわち、圧力波Ｗａと圧力波Ｗｂの発生タイミングは、圧電素子２０に印加するパルス幅によって制御される。また、圧力波Ｗａと圧力波Ｗｂとは共に、圧力室１６の容積や剛性などで決定される固有周期Ｔｃの振動波であるので、圧電素子２０に印加するパルス幅を制御することで吐出エネルギーを制御することができる。

例えば、パルス幅Ｔｗが固有周期Ｔｃの１／２であるとすると、図４に示すように、圧力波Ｗａと圧力波Ｗｂの位相が等しくなるため合成波Ｗは大きくなり、吐出エネルギーが大きくなる。一方、パルス幅Ｔｗが固有周期Ｔｃに等しい場合には、図５に示すように、圧力波Ｗａと圧力波Ｗｂの位相は逆になるため合成波Ｗは打ち消され、吐出エネルギーが小さくなる。

そこで、本実施の形態では、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示されるような駆動波形をそれぞれ大滴用駆動波形、中滴用駆動波形、小滴用駆動波形として設定している。なお、各図において、噴射パルスのパルス幅Ｔ１はそれぞれ固有周期Ｔｃの１／２とされており、インク滴速度が最大となるように設定されている。

図６（Ａ）に示されるように、大滴用駆動波形は、噴射パルスの印加終了による圧力室１６の収縮時に、駆動波形信号を低電圧値ＧＮＤから高電圧値ＨＶ２に一気に変化させることにより、吐出するインク滴体積を増加させている。したがって、圧力室１６は、収縮時に急激に膨張前の状態よりも収縮することになり、圧力室１６内部に急激に引き込まれるインク液からノズル近傍のインク液が分離してインク滴としてノズル１８から吐出される。これにより、当該大滴用駆動波形信号を圧電素子２０に印加することにより約９ｐｌのインク滴を吐出させる。

また、インク滴吐出後に高電圧値ＨＶ２から中間電圧値ＨＶ１に戻るタイミングを、インク滴吐出後の圧力波の残留振動を抑制するように設定している。

一方、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、中滴用駆動波形及び小滴用駆動波形は、圧電素子２０に印加する電圧を中間電圧値ＨＶ１からパルス幅Ｔ１だけ低電圧値ＧＮＤに変化させた後、再び中間電圧値ＨＶ１に復帰させ、更に噴射パルスのパルス幅Ｔ１よりも小さいパルス幅Ｔ３の非噴射パルスを印加して、吐出直後に印加する電圧をパルス幅Ｔ３だけ低電圧値ＧＮＤに変化させている。

これにより、噴射パルスにより吐出したインク液面を非噴射パルスの印加により圧力室１６内に引き込んで吐出するインク滴体積を小さくするようにしている。

なお、中滴用駆動波形（図６（Ｂ）参照）の噴射パルス印加後、非噴射パルス印加までのインターバルＴ２よりも小滴用駆動波形（図６（Ｃ）参照）のインターバルＴ２を短くしている。これにより、中滴用駆動波形信号を圧電素子２０に印加することにより４ｐｌのインク滴が吐出され、小滴用駆動波形信号を圧電素子２０に印加することにより２ｐｌのインク滴が吐出される。

なお、インク液面の残留振動を抑制するためには、Ｔ２を異ならせた場合、これに応じてＴ３についても調整して、Ｔ２とＴ３の和を一定にすることが好ましい。

ところで、インクの粘度は環境温度に応じて変化するので、環境温度に関係なくインク滴量を均一化するためには、環境温度の変化に応じて駆動波形を調節する必要がある。通常、環境温度が低温であるほどインク液の粘度が高くなり、環境温度が高温であるほどインク液の粘度が低くなる。

図７には、３種類の環境温度下において、印加する駆動波形と高電圧値ＨＶ２及び低電圧値ＧＮＤを固定して中間電圧値ＨＶ１だけを変化させたときのインク滴体積の測定結果がそれぞれ示されている。なお、図７（Ａ）は大滴用駆動波形によるインク滴体積の測定結果を、図７（Ｂ）は中滴用駆動波形によるインク滴体積の測定結果を、図７（Ｃ）は小滴用駆動波形によるインク滴体積の測定結果を、それぞれ示す。

同図（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、駆動波形が同じ場合は、環境温度が低いほどインク滴体積は小さくなり、環境温度が高いほど、インク滴体積は大きくなる。

また、図７（Ａ）に示されるように、環境温度が１０℃の場合はＨＶ１＝２２（Ｖ）のときに、環境温度が２５℃の場合はＨＶ１＝１８（Ｖ）のときに、環境温度が３０℃の場合はＨＶ＝１４（Ｖ）のときに、それぞれ大滴のインク滴体積がほぼ９（ｐｌ）となる。

図７（Ｂ）に示されるように、環境温度が１０℃の場合はＨＶ１＝２２（Ｖ）のときに、環境温度が２５℃の場合はＨＶ１＝１８（Ｖ）のときに、環境温度が３０℃の場合はＨＶ＝１４（Ｖ）のときに、それぞれ中滴のインク滴体積がほぼ４（ｐｌ）となる。

図７（Ｃ）に示されるように、環境温度が１０℃の場合はＨＶ１＝２２（Ｖ）のときに、環境温度が２５℃の場合はＨＶ１＝１８（Ｖ）のときに、環境温度が３０℃の場合はＨＶ＝１４（Ｖ）のときに、それぞれ小滴のインク滴体積がほぼ２（ｐｌ）となる。

したがって、以下の表３に示すように、環境温度に応じてＨＶ１を設定することにより、環境温度変化によるインク滴体積誤差を補正することができる。

なお、本実施の形態では、上記中間電圧値ＨＶ１は、コントローラ２２により、前記前記環境温度センサ１４０から入力される環境温度に応じて、適宜変更指示を電源回路に出力することにより変更している。

一方、本実施の形態では、予備駆動波形信号として、図８（Ａ）に示される第１予備波形及び図８（Ｂ）に示される第２予備波形を選択的に適用するようにしている。

図８（Ａ）に示される第１予備波形は、圧電素子２０に印加する電圧を、上記噴射パルスのパルス幅Ｔ１よりも短いパルス幅Ｔ５だけ、中間電圧値ＨＶ１から低電圧値ＧＮＤに変化させた後、再び中間電圧値ＨＶ１に復帰させる駆動波形である。すなわち、圧力室１６は、膨張した状態に保持され、その後に元の状態まで収縮される。

一方、図（Ｂ）に示される第２予備波形は、圧電素子２０に印加する電圧を中間電圧値ＨＶ１から高電圧値ＨＶ２に変化させた後、上記第１予備波形のパルス幅Ｔ５よりも長いパルス幅Ｔ６経過後に、再び中間電圧値ＨＶ１に復帰させる駆動波形である。これにより、圧力室１６は、わずかに収縮した状態に保持され、その後に元の状態まで膨張される。

なお、第１予備波形よりも第２予備波形の方が省電力であるものの、インク液面の振動も第２予備波形の方が小さくなる。

ここで、上述したように、予備波形は、インク滴を吐出させない程度にインク液面を振動させて、ノズル近傍のインクを攪拌してインクの増粘を抑制し、吐出を安定させるためのものであり、非印字時には全てのノズルに対して、印字時には非選択ノズルに対して、それぞれ印加される。

また、予備波形は、インク増粘抑制効果を発揮することと、かつ誤吐出を防止することの双方を両立させることが重要であり、環境温度変化によりインク粘度が変化した場合には、予備波形についても補正が必要となる。

そこで、本実施の形態では、上記第１予備波形及び第２予備波形を、環境温度の変化に応じて、選択すると共に、そのパルス幅Ｔ５又はＴ６についても、最適な値を設定するようにしている。

この予備波形の設定を、省電力でかつ十分に効果を発揮できるように設定すべく、出願人は、誤吐出の有無及びインク増粘抑制効果の有無に関する実験を行なった。

ここで、実験においては、低電圧値ＧＮＤ及び高電圧値ＨＶ２を環境温度にかかわらず固定として、中間電圧値ＨＶ１のみを環境温度に応じて上記表３に示すように設定し、環境温度１０℃、２５℃、３５℃のそれぞれの条件において、予備波形１又は予備波形２をそのパルス幅Ｔ５又はＴ６を０．１Ｔｃ〜１．５Ｔｃまで変更した。

第１予備波形による誤吐出の有無の実験結果を以下の表４に、第２予備波形による誤吐出の有無の実験結果を表５に、それぞれ示す。

なお、表４及び表５において、丸印は誤吐出がなかったことを、バツ印は誤吐出があったことを、それぞれ示している。

また、予備波形を印加して、ヘッド内の１つでも誤吐出があった場合にはバツとし、全く誤吐出がない場合には丸とした。

さらに、表６には、表４で丸印が付された（誤吐出がない）予備波形について行ったインク増粘抑制効果に関する実験結果を、表７には、表５で丸印が付された（誤吐出がない）予備波形について行ったインク増粘抑制効果に関する実験を、それぞれ示す。

なお、インク増粘抑制効果の実験は、連続吐出を行なって連続吐出時のインク滴速度Ａを測定した後に１０秒間予備波形を印加し、その後最初に吐出させたインク滴速度Ｂを測定することにより行なった。

また、インク増粘抑制効果の評価は、インク滴速度Ａとインク滴速度Ｂとの比較により行い、予備波形印加後のインク滴速度Ｂの低下度合いが１０％未満なら丸印、１０％以上３０％未満なら三角印、３０％以上ならバツ印とした。

以上の結果と、消費電力低減のためには予備波形の電圧振幅は小さい方がよいことに基づいて、例えば以下の表８に示すように、環境温度に応じた予備波形を設定することができる。

このようにして、コントローラ２２では、環境温度センサ１４０から入力される環境温度に応じて、適宜表２に示す第１６駆動波形信号として、第１予備波形及び第２予備波形を選択的に適用して駆動回路３０に出力する。

なお、表８には、最も消費電力が低減できる予備波形のパルス幅をそれぞれ設定した場合の例であり、第１予備波形のパルス幅としては、インク液の固有振動周期Ｔｃの２０％以下、又は８０％以上１２０％以下の範囲であれば液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立させるように設定できる。また、第２予備波形のパルス幅としては、インク液固有振動周期Ｔｃの４０％以上６０％以下の範囲であれば液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立させるように設定できる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、ノズル１８が設けられて内部に液体が収容される圧力室１６に圧電素子２０が設けられた複数の吐出機構１０を備え、所定の周期毎の吐出タイミングで、前記圧電素子２０に、電圧値が異なる３つの電源端子の何れかを選択的に接続することにより、高電圧値ＨＶ２、低電圧値ＧＮＤ及び中間電圧値ＨＶ１の３値のデジタル駆動波形を圧電素子２０に印加して、当該圧電素子２０を変形させることにより前記圧力室１６内の液体に振動波を与えて前記ノズル１８から液滴を吐出させ、前記高電圧値ＨＶ２と前記中間電圧値ＨＶ１との電位差が、前記中間電圧値ＨＶ１と前記低電圧値ＧＮＤとの電位差よりも小さくなるように設定しておき、前記吐出タイミングで前記液滴の吐出を実行しない吐出機構１０の前記圧電素子２０に対して、液滴を吐出させることなく前記圧力室１６内の液体を振動させる液体増粘抑制用の予備波形を印加するに際し、前記吐出機構１０近傍の環境温度を検出し、検出された環境温度に応じて、前記環境温度が予め定められた閾値の温度よりも低温である場合には、前記圧電素子２０に接続する電源端子を、中間電圧値ＨＶ１の電源端子、低電圧値ＧＮＤの電源端子、中間電圧値ＨＶ１の電源端子の順に切り替える第１予備波形を、前記環境温度が予め定められた閾値の温度以上である場合には、前記圧電素子に接続する電源端子を、中間電圧値ＨＶ１の電源端子、高電圧値ＨＶ２の電源端子、中間電圧値ＨＶ１の電源端子の順に切り替える第２予備波形を、それぞれ印加するので、液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立できる。

また、本実施の形態によれば、前記第１予備波形のパルス幅を、前記圧力室内における前記液体の固有振動周期Ｔｃの２０％（０．２Ｔｃ）とし、前記第２予備波形のパルス幅を、前記固有振動周期Ｔｃの４０％〜５０％（０．４Ｔｃ、０．５Ｔｃ）としているので、液体の増粘抑制効果と液滴の誤吐出防止とを両立できる。

なお、本実施の形態では、高電圧値ＨＶ２と低電圧値ＧＮＤを固定として、中間電圧値ＨＶ１のみを環境温度に応じて変化させる形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、中間電圧値ＨＶ１と高電圧値ＨＶ２との差を一定に保ちながら、中間電圧値ＨＶ１及び高電圧値ＨＶ２を環境温度に応じて変化させるようにしてもよい。

このようにした場合に、環境温度１０℃、２５℃、３５℃のそれぞれの条件において、予備波形１又は予備波形２をそのパルス幅Ｔ５又はＴ６を０．１Ｔｃ〜１．５Ｔｃまで変更した実験の結果は、次の表９及び表１０に示されるようになる。

なお、第１予備波形による誤吐出の有無の実験結果を以下の表９に、第２予備波形による誤吐出の有無の実験結果を表１０に、それぞれ示す。

なお、表９及び表１０において、丸印は誤吐出がなかったことを、バツ印は誤吐出があったことを、それぞれ示している。

また、予備波形を印加して、ヘッド内の１つでも誤吐出があった場合にはバツとし、全く誤吐出がない場合には丸とした。

さらに、表１１には、表９で丸印が付された（誤吐出がない）予備波形について行ったインク増粘抑制効果に関する実験結果を、表１２には、表１０で丸印が付された（誤吐出がない）予備波形について行ったインク増粘抑制効果に関する実験を、それぞれ示す。

なお、インク増粘抑制効果の実験は、連続吐出を行なって連続吐出時のインク滴速度Ａを測定した後に１０秒間予備波形を印加し、その後最初に吐出させたインク滴速度Ｂを測定することにより行なった。

また、インク増粘抑制効果の評価は、インク滴速度Ａとインク滴速度Ｂとの比較により行い、予備波形印加後のインク滴速度Ｂの低下度合いが１０％未満なら丸印、１０％以上３０％未満なら三角印、３０％以上ならバツ印とした。

以上の結果と、消費電力低減のためには予備波形の電圧振幅は小さい方がよいことに基づいて、例えば以下の表１３に示すように、環境温度に応じた予備波形を設定することができる。

なお、本実施の形態に係るインクジェットプリンタの構成（図１乃至図３参照）は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能であることは言うまでもない。

また、測定値等（図７及び表３乃至表１３参照）も一例であり、各値は実際の記録ヘッドの仕様や吐出させる液体の流路における固有振動周期等に応じて適宜設定し得る。

また、本実施の形態では、インク液を吐出して、記録媒体上へ画像（文字を含む）を記録するインクジェットプリンタに本発明を適用した形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば半導体や液晶表示器等のパターン形成のためにシート状の基板に液滴を吐出するパターン形成装置等の他の液滴吐出装置にも適用することができる。

実施の形態に係るＦＷＡ型インクジェットプリンタの構成を示す概略図である。 実施の形態に係る記録ヘッドの構成を示す断面図である。 実施の形態に係る記録ヘッド制御部の構成を示すブロック図である。 圧力室膨張時の圧力波と収縮時の圧力波が合成されたそれぞれの圧力波よりも大きな合成波ができる場合を説明するための図である。 圧力室膨張時の圧力波と収縮時の圧力波が合成されてそれぞれが打ち消し合ってそれぞれの圧力波よりも小さな合成波ができる場合を説明するための図である。 （Ａ）は大滴用駆動波形、（Ｂ）は中滴用駆動波形、（Ｃ）は小滴用駆動波形をそれぞれ示す図である。 ３種類の環境温度下において、中間電圧値ＨＶ１を変化させて同一の駆動波形を印加したときのインク滴体積を示す図であり、（Ａ）は大滴のインク滴体積を、（Ｂ）は中滴のインク滴体積を、（Ｃ）は小滴のインク滴体積を、それぞれ示している。 （Ａ）は第１予備波形を、（Ｂ）は第２予備波形を、それぞれ示す図である。

符号の説明

１０ 吐出機構
１６ 圧力室（圧力室）
１８ ノズル（吐出口）
２０ 圧電素子
２２ コントローラ（設定手段、予備波形生成手段）
３０ 駆動回路（印加手段）
１００ インクジェットプリンタ
１３６ 記録ヘッド
１３７ 記録ヘッドユニット
１４０ 環境温度センサ（温度検出手段）
１５０ 記録ヘッド制御部

Claims (6)

1. 液滴を吐出するための吐出口と、前記吐出口に連通し、内部に液体が収容される圧力室と、前記圧力室に振動波を与える圧電素子と、が設けられた複数の吐出機構を備え、第１の電圧レベル、該第１の電圧レベルよりも低い第２の電圧レベル、及び前記第１の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの間にある第３の電圧レベルの何れかを選択的に組み合わせた３値のデジタル駆動波形であって、前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの電位差と、前記第３の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの電位差とが異なるように設定された該３値のデジタル駆動波形を前記圧電素子に印加して前記吐出口から液滴を吐出させる液滴吐出記録ヘッドの駆動方法であって、
   前記吐出機構近傍の環境温度が予め定められた閾値の温度よりも低温である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記圧力室内の液体の固有振動周期Ｔｃの２０％以下、又は８０％以上１２０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第１予備波形を前記圧電素子に印加し、
   前記環境温度が予め定められた閾値の温度以上である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記固有振動周期Ｔｃの４０％以上６０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第１の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第２予備波形を前記圧電素子に印加することを特徴とする液滴吐出記録ヘッドの駆動方法。
2. 前記圧力室の容積は、前記圧電素子に印加される電圧レベルが高いほど収縮し、印加される電圧レベルが低いほど膨張するように設定されており、
   前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの電位差を、前記第３の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの電位差よりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載の液滴吐出記録ヘッドの駆動方法。
3. 前記第２の電圧レベル及び前記第１の電圧レベルを固定値とし、前記第３の電圧レベルを前記環境温度に応じて変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液滴吐出記録ヘッドの駆動方法。
4. 前記第２の電圧レベルを固定値とし、前記第３の電圧レベルと前記第１の電圧レベルとの電位差が一定になるように、前記環境温度に応じて前記第３の電圧レベルと前記第１の電圧レベルとを変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液滴吐出記録ヘッドの駆動方法。
5. 前記環境温度が低いほど前記第３の電圧レベルを高くすることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の液滴吐出記録ヘッドの駆動方法。
6. 吐出口が設けられて内部に液体が収容される圧力室に圧電素子が設けられた複数の吐出機構を備え、所定の周期毎の吐出タイミングで、第１の電圧レベル、該第１の電圧レベルよりも低い第２の電圧レベル、及び前記第１の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの間にある第３の電圧レベルの何れかを選択的に組み合わせた３値のデジタル駆動波形を前記圧電素子に印加して、当該圧電素子を変形させることにより前記圧力室内の液体に振動波を与えて前記吐出口から液滴を吐出させる液滴吐出記録ヘッドを有する液滴吐出記録装置であって、
   前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの電位差と、前記第３の電圧レベルと前記第２の電圧レベルとの電位差とが異なるように設定する設定手段と、
   前記吐出機構近傍の環境温度を検出する検出手段と、
   前記圧力室内の液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる液体増粘抑制用の予備波形として、前記環境温度が予め定められた閾値の温度よりも低温である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記圧力室内の液体の固有振動周期Ｔｃの２０％以下、又は８０％以上１２０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第１予備波形を生成し、前記環境温度が予め定められた閾値の温度以上である場合には、前記液滴を吐出させることなく前記圧力室内の液体を振動させる予備波形として、前記固有振動周期Ｔｃの４０％以上６０％以下となるパルス幅分、前記第３の電圧レベルから前記第１の電圧レベルに変化させた後、再び該第３の電圧レベルに復帰させた第２予備波形を生成する予備波形生成手段と、
   前記圧電素子に対して、前記予備波形生成手段により生成された前記第１予備波形又は前記第２予備波形を印加する印加手段と、
   を備えた液滴吐出記録ヘッドの駆動装置。

Images