JP5234027B2 - 液滴吐出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、吐出口からインク滴等の液滴を吐出する液滴吐出装置に関する。
液滴吐出装置の一例であるインクジェット式プリンタにおいて、圧電アクチュエータの駆動により、圧力室内のインクに吐出エネルギーを付与することで、圧力室に連通するノズルの吐出口からインク滴を吐出させるという技術が知られている(特許文献1参照)。
特開2009−226676号公報
また、インクジェット式プリンタにおいて、記録品質を向上させるため、解像度や階調数を上げることが知られている。解像度を上げるには、大幅なコストアップが必要となる。階調数を上げるには、1記録周期(解像度に対応する単位距離だけ記録媒体がヘッドに対して相対移動するのに要する時間)内に1の吐出口から吐出されるインク滴の数の種類を増やすこと(例えば、0,1,2,3滴の4種類から、0,1,2,3,4滴の5種類に増やすこと)等が考えられる。これを実現するには、1記録周期内に圧電層に印加されるパルス電圧の数を増やす必要がある。しかしながら、記録周期は、例えば50μsと非常に短く、この間にパルス電圧の数を増やすのは、非常に困難である。
本発明の目的は、比較的容易に階調数を上げることができ、記録品質の向上を実現可能な液滴吐出装置を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の観点によると、液滴を吐出する吐出口を有する液体流路、及び、前記液体流路の一部分が露出する開口が設けられた表面を含む流路形成体と、前記流路形成体の前記表面に前記開口と対向して配置された積層体を含み、前記開口内の液体にエネルギーを付与するアクチュエータであって、前記積層体は前記流路形成体の前記表面に近い方から順に第1圧電層及び第2圧電層を含み、前記第1及び第2圧電層はそれぞれ前記開口と対向する部分に厚み方向に関して電極に挟まれた活性部を有する、アクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成手段であって、前記第1圧電層の前記活性部に印加される第1電圧に対応する第1駆動信号、及び、前記第2圧電層の前記活性部に印加される第2電圧に対応する第2駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、記録媒体に記録される画像に係る画像データに基づいて、前記駆動信号生成手段が生成した前記第1駆動信号に対応する前記第1電圧を前記第1圧電層の前記活性部に印加し、且つ、前記駆動信号生成手段が生成した前記第2駆動信号に対応する前記第2電圧を前記第2圧電層の前記活性部に印加する電圧印加手段であって、前記記録媒体に記録される画像の解像度に対応する単位距離だけ前記記録媒体が前記流路形成体に対して相対移動するのに要する時間を1記録周期としたとき、前記1記録周期内に前記吐出口から吐出される液滴の数毎に、前記第1及び第2電圧の組合せからなる2種類以上の電圧組から1つを選択して当該電圧組を構成する各電圧を前記第1及び第2圧電層の前記活性部に印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧組は、前記第1及び第2電圧に含まれるパルス状の電圧の時間的な重なり度合いによって分類されていることを特徴とする液滴吐出装置が提供される。
上記観点によれば、電圧印加手段が、吐出される液滴の数毎に、2種類以上の電圧組から1つを選択して電圧印加を行う。電圧組は、種類毎に、第1及び第2電圧に含まれるパルス状の電圧の時間的な重なり度合いが互いに異なる。そのため、電圧組の種類を適宜選択することで、同じ液滴数であっても、アクチュエータの変形量、ひいては、開口内の液体に付与されるエネルギーの大きさを変化させることができる。これにより、同じ液滴数であっても、液滴のサイズ・量を変化させることができることから、比較的容易に階調数を上げることができ、記録品質の向上を実現可能である。
本発明によると、比較的容易に階調数を上げることができ、記録品質の向上を実現可能である。
本発明に係る液滴吐出装置の第1実施形態としてのインクジェット式プリンタの内部構造を示す概略側面図である。 図1のプリンタに含まれるインクジェットヘッドの流路ユニット及びアクチュエータユニットを示す平面図である。 図2の一点鎖線で囲まれた領域IIIを示す拡大図である。 図3のIV−IV線に沿った部分断面図である。 インクジェットヘッドの縦断面図である。 (a)は、図2のアクチュエータユニットを示す部分断面図である。(b)は、図2のアクチュエータユニットに含まれる表面電極を示す平面図である。(c)は、図2のアクチュエータユニットに含まれる内部電極を示す平面図である。 記録時におけるアクチュエータの駆動を示す図である。 (a)は、小S・小Lの各電圧組により表面電極及び内部電極に印加される電圧を示すグラフである。(b)は、各電圧組により生じる各圧電層の電界強度を示すグラフである。(c)は、各電圧組により生じるアクチュエータの変位量を示すグラフである。 本発明に係る液滴吐出装置の第2実施形態としてのインクジェット式プリンタの説明図であって、(a)は、ある電圧組により表面電極及び内部電極に印加される電圧を示すグラフである。(b)は、当該ある電圧組により生じる各圧電層の電界強度を示すグラフである。(c)は、当該ある電圧組により生じるアクチュエータの変位量を示すグラフである。 本発明に係る液滴吐出装置の第3実施形態としてのインクジェット式プリンタの説明図であって、(a)は、ある電圧組により表面電極及び内部電極に印加される電圧を示すグラフである。(b)は、当該ある電圧組により生じる各圧電層の電界強度を示すグラフである。(c)は、当該ある電圧組により生じるアクチュエータの変位量を示すグラフである。 本発明に係る液滴吐出装置の第4実施形態としてのインクジェット式プリンタの説明図であって、(a)は、ある電圧組により表面電極及び内部電極に印加される電圧を示すグラフである。(b)は、当該ある電圧組により生じる各圧電層の電界強度を示すグラフである。(c)は、当該ある電圧組により生じるアクチュエータの変位量を示すグラフである。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
先ず、図1を参照し、本発明に係る液滴吐出装置の第1実施形態としてのインクジェット式プリンタ1の全体構成について説明する。
プリンタ1は、直方体形状の筐体1aを有する。筐体1aの天板上部には、排紙部31が設けられている。筐体1aの内部空間は、上から順に空間A,B,Cに区分できる。空間A及びBは、排紙部31に連なる用紙搬送経路が形成された空間である。空間Aでは、用紙Pの搬送と用紙Pへの画像形成が行われる。空間Bでは、給紙に係る動作が行われる。空間Cには、インク供給源としてのインクカートリッジ40が収容されている。
空間Aには、4つのインクジェットヘッド10、用紙Pを搬送する搬送ユニット21、用紙Pをガイドするガイドユニット(後述)等が配置されている。空間Aの上部には、これらの機構を含めたプリンタ1各部の動作を制御してプリンタ1全体の動作を司るコントローラ1pが配置されている。
コントローラ1pは、外部から供給された画像データに基づいて、用紙Pに画像が形成されるよう、画像形成に係わる準備動作、用紙Pの供給・搬送・排出動作、用紙Pの搬送に同期したインク吐出動作、吐出性能の回復維持動作(メンテナンス動作)等を制御する。
コントローラ1pは、演算処理装置であるCPU(Central Processing Unit)に加えて、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory:不揮発性RAMを含む)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit )、I/F(Interface)、I/O(Input/Output Port)等を有する。ROMには、CPUが実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。RAMには、プログラム実行時に必要なデータ(例えば画像データ)が一時的に記憶される。ASICでは、画像データの書き換え、並び替え等(信号処理や画像処理)が行われる。I/Fは、上位装置とのデータ送受信を行う。I/Oは、各種センサの検出信号の入力/出力を行う。コントローラ1pの各機能部は、これらハードウェア構成とROM内のプログラムとの協働により構築されている。
各ヘッド10は、主走査方向に長尺な略直方体形状を有するラインヘッドである。4つのヘッド10は、副走査方向に所定ピッチで並び、ヘッドフレーム3を介して筐体1aに支持されている。ヘッド10は、流路ユニット12、8つのアクチュエータユニット17(図2参照)、及びリザーバユニット11を含む。画像形成に際して、4つのヘッド10の下面(吐出面2a)からはそれぞれマゼンタ、シアン、イエロー、ブラックのインク滴が吐出される。ヘッド10のより具体的な構成については後に詳述する。
搬送ユニット21は、図1に示すように、ベルトローラ6,7及び両ローラ6,7間に巻回されたエンドレスの搬送ベルト8に加え、搬送ベルト8の外側に配置されたニップローラ4及び剥離プレート5、搬送ベルト8の内側に配置されたプラテン9等を有する。
ベルトローラ7は、駆動ローラであって、搬送モータ(図示せず)の駆動により回転し、図1中時計回りに回転する。ベルトローラ7の回転に伴い、搬送ベルト8が図1中の太矢印方向に走行する。ベルトローラ6は、従動ローラであって、搬送ベルト8が走行するのに伴って、図1中時計回りに回転する。ニップローラ4は、ベルトローラ6に対向配置され、上流側ガイド部(後述)から供給された用紙Pを搬送ベルト8の外周面8aに押さえつける。剥離プレート5は、ベルトローラ7に対向配置され、用紙Pを外周面8aから剥離して下流側ガイド部(後述)へと導く。プラテン9は、4つのヘッド10に対向配置され、搬送ベルト8の上側ループを内側から支える。これにより、外周面8aとヘッド10の吐出面2aとの間に、画像形成に適した所定の間隙が形成される。
ガイドユニットは、搬送ユニット21を挟んで配置された、上流側ガイド部及び下流側ガイド部を含む。上流側ガイド部は、2つのガイド27a,27b及び一対の送りローラ26を有する。当該ガイド部は、給紙ユニット1b(後述)と搬送ユニット21とを繋ぐ。下流側ガイド部は、2つのガイド29a,29b及び二対の送りローラ28を有する。当該ガイド部は、搬送ユニット21と排紙部31とを繋ぐ。
空間Bには、給紙ユニット1bが筐体1aに対して着脱可能に配置されている。給紙ユニット1bは、給紙トレイ23及び給紙ローラ25を有する。給紙トレイ23は、上方に開口する箱であり、複数種類のサイズの用紙Pを収納可能である。給紙ローラ25は、給紙トレイ23内で最も上方にある用紙Pを送り出し、上流側ガイド部に供給する。
上述したように、空間A及びBに、給紙ユニット1bから搬送ユニット21を介して排紙部31に至る用紙搬送経路が形成されている。記録指令に基づいて、コントローラ1pは、給紙ローラ25用の給紙モータ(図示せず)、各ガイド部の送りローラ用の送りモータ(図示せず)、搬送モータ等を駆動する。給紙トレイ23から送り出された用紙Pは、送りローラ26によって、搬送ユニット21に供給される。用紙Pが各ヘッド10の真下を副走査方向に通過する際、順に吐出面2aからインク滴が吐出されて、用紙P上にカラー画像が形成される。インク滴の吐出動作は、用紙センサ32からの検出信号に基づいて行われる。用紙Pは、その後剥離プレート5により剥離され、2つの送りローラ28によって上方に搬送される。さらに用紙Pは、上方の開口30から排紙部31に排出される。
ここで、副走査方向とは、搬送ユニット21による用紙Pの搬送方向と平行な方向であり、主走査方向とは、水平面に平行且つ副走査方向に直交する方向である。
空間Cには、インクユニット1cが筐体1aに対して着脱可能に配置されている。インクユニット1cは、カートリッジトレイ35、及び、トレイ35内に並んで収納された4つのカートリッジ40を有する。各カートリッジ40は、インクチューブ(図示せず)を介して、対応するヘッド10にインクを供給する。
次に、図2〜図5を参照し、ヘッド10の構成についてより詳細に説明する。なお、図3では、アクチュエータユニット17の下側にあって点線で示すべき圧力室16及びアパーチャ15を実線で示している。
図5に示すように、ヘッド10は、流路ユニット12、アクチュエータユニット17、リザーバユニット11、及び基板64が積層した積層体である。このうち、アクチュエータユニット17、リザーバユニット11、及び基板64が、流路ユニット12の上面12xとカバー65とにより形成される空間に、収容されている。当該空間内に、FPC(平型柔軟基板)50は、アクチュエータユニット17と基板64とを電気的に接続している。FPC50には、ドライバIC57が実装されている。
カバー65は、図5に示すように、トップカバー65a及びサイドカバー65bを含む。カバー65は、下方に開口する箱であり、流路ユニット12の上面12xに固定されている。両カバー65a,65bの境界及びサイドカバー65bと上面12xとの境界には、シリコン剤が充填されている。サイドカバー65bは、アルミ製の板からなり、放熱板としても機能する。ドライバIC57は、サイドカバー65bの内面に当接し、カバー65bと熱的に結合している。なお、当該熱的結合を確実にするため、ドライバIC57は、リザーバユニット11の側面に固定された弾性部材(例えばスポンジ)58によってサイドカバー65b側に付勢されている。
リザーバユニット11は、貫通孔や凹部がそれぞれ形成された4枚の金属プレート11a〜11dを互いに接着した積層体である。リザーバユニット11の内部には、インク流路が形成されている。プレート11cに、インクを一時的に貯留するリザーバ72が形成されている。当該インク流路の一端はチューブ等を介してカートリッジ40に接続し、他端はリザーバユニット11下面に開口している。プレート11dの下面には、図5に示すように、凹凸が形成されており、凹部によってプレート11dと上面12xとの間に空間が形成されている。アクチュエータユニット17は、当該空間内で上面12xに固定されている。プレート11dの下面の凹部と、アクチュエータユニット17上のFPC50との間には、若干の間隙が形成されている。プレート11dには、リザーバ72に連通するインク流出流路73(リザーバユニット11のインク流路の一部)が形成されている。当該流路73は、プレート11dの下面の凸部の先端面(即ち、上面12xとの接合面)に開口している。
流路ユニット12は、略同一サイズの矩形状の9枚の金属プレート12a,12b,12c,12d,12e,12f,12g,12h,12i(図4参照)を互いに接着した積層体である。図2に示すように、流路ユニット12の上面12xには、インク流出流路73の開口73aに対向する開口12yが形成されている。流路ユニット12の内部には、開口12yから吐出口14aに繋がるインク流路が形成されている。当該インク流路は、図2、図3、及び図4に示すように、開口12yを一端に有するマニホールド流路13、マニホールド流路13から分岐した副マニホールド流路13a、及び、副マニホールド流路13aの出口から圧力室16を介して吐出口14aに至る個別インク流路14を含む。個別インク流路14は、図4に示すように、吐出口14a毎に形成されており、流路抵抗調整用の絞りとして機能するアパーチャ15を含む。さらに、上面12xには、多数の圧力室16が開口している。圧力室16の開口は、それぞれ略菱形形状であり、マトリクス状に配置されることで、平面視で略台形領域を占める計8つの圧力室群を構成している。吐出面2aに開口した吐出口14aも、圧力室16と同様、マトリクス状に配置されることで、平面視で略台形領域を占める計8つの吐出口群を構成している。
アクチュエータユニット17は、図2に示すように、それぞれ台形の平面形状を有し、流路ユニット12の上面12xにおいて2列の千鳥状に配置されている。また、図3に示すように、各アクチュエータユニット17は、圧力室群(吐出口群)の占める台形領域上に配置されている。いずれのアクチュエータユニット17も、その長辺のうち台形の下底部分が、流路ユニット12の副走査方向端部に近接している。アクチュエータユニット17は、リザーバユニット下面の凸部を避けて配置され、その台形の下底部分が、主走査方向に関して両側から開口12y(開口73a)によって挟まれている。
FPC50は、アクチュエータユニット17毎に設けられており、アクチュエータユニット17の各電極に対応する配線がドライバIC57の出力端子にそれぞれ接続されている。FPC50は、コントローラ1p(図1参照)による制御の下、基板64で調整された各種駆動信号をドライバIC57に伝達し、ドライバIC57で生成された各駆動電位をアクチュエータユニット17に伝達する。駆動電位は、アクチュエータユニット17の各電極に対し、選択的に印加される。
次に、図6を参照し、アクチュエータユニット17の構成について説明する。
アクチュエータユニット17は、図6(a)に示すように、2つの圧電層17a,17bの積層体、及び、当該積層体と流路ユニット12との間に配置された振動板17cを有する。圧電層17a,17b及び振動板17cは共に、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミック材料からなるシート状部材である。圧電層17a,17b及び振動板17cは、圧電層17a,17bの厚み方向(圧電層17a,17bの積層方向)から見て、同一のサイズ及び形状(台形形状)を有する。振動板17が、流路ユニット12の上面12xに形成された圧力室群(多数の圧力室16)の開口を塞いでいる。最も外側の圧電層17aの厚みは、圧電層17bの厚みと振動板17cの厚みとの和以上である。圧電層17a,17bは、積層方向に沿って互いに同じ方向に分極されている。
圧電層17aの上面には圧力室16にそれぞれ対応する多数の表面電極18、圧電層17aとその下側の圧電層17bとの間には内部電極19、圧電層17bとその下側の振動板17cとの間には共通電極20がそれぞれ形成されている。振動板17cの下面に電極は形成されていない。本実施形態では、内部電極19が圧電層17bの上面、共通電極20が振動板17cの上面に、それぞれ形成されている。
各表面電極18は、図6(b)に示すように、略菱形形状の主電極領域18a、主電極領域18aの一方の鋭角部から延出した延出部18b、及び、延出部18b上に形成されたランド18cを含む。主電極領域18aの形状は圧力室16の開口と相似であり、サイズは圧力室16の開口よりも一回り小さい。平面視で、主電極領域18aは、圧力室16の開口内に配置されている。延出部18bは、圧力室16との開口の外側領域まで延び、先端にランド18cが配置されている。ランド18cは、平面視で、円形の外形を有し、圧力室16とは対向していない。ランド18cは、圧電層17aの上面から50μm程の高さを有し、FPC50の配線の端子と電気的に接続されている。圧電層17aとFPC50とは、当該接続点以外で、略50μmの間隙を介して対向している。これにより、アクチュエータユニット17の自由な変形が確保される。
内部電極19は、階調制御用の電極である。内部電極19は、図6(c)に示すように、圧力室16の開口にそれぞれ対向する多数の個別電極19a、及び、個別電極19a同士を互いに接続する多数の接続電極19bを含む。
各個別電極19aの形状は、圧電層17a,17bの積層方向から見て、圧力室16の開口と相似であり、サイズは圧力室16の開口よりも一回り大きい。個別電極19aは、平面視で、圧力室16の開口を内包している。
個別電極19aは、圧電層17bの上面において、ヘッド10の長手方向(主走査方向)に沿って等間隔に配置されており、複数の個別電極列を構成している。これら個別電極列は互いに平行である。個別電極19aは主走査方向に沿って千鳥状に配置され、16の個別電極列を形成している。
接続電極19bは、複数の個別電極19aを互いに接続している。図3に示すように、圧力室16は、主走査方向に沿った複数の圧力室列を構成しており、4つの圧力室列が、1の副マニホールド流路13aを共有している。そして、14つの圧力室列に対応した複数の個別電極19aが、接続電極19bによって、互いに接続されている。接続電極19bは、図6(c)に示すように、個別電極列に沿って個別電極19a同士を接続している。また、接続電極19bは、菱形の斜辺に沿って個別電極列に跨って個別電極19a同士を接続している。接続電極19bは、直線状の電極である。
共通電極20は、1のアクチュエータユニット17に対応する全圧力室16に共通の電極であり、振動板17cの全面に亘って形成されている。これにより、各圧電層17a,17bに生じる電界が圧力室16側に対して遮断される。共通電極20は、常に接地電位に保持される。
圧電層17aの上面には、表面電極用ランド18cに加え、内部電極用ランド(図示せず)及び共通電極用ランド(図示せず)が形成されている。内部電極用ランドは、圧電層17aのスルーホールを介して内部電極19と電気的に接続され、共通電極用ランドは、圧電層の17a,17bを貫通するスルーホールを介して共通電極20と電気的に接続されている。圧電層17aの上面において、内部電極用ランドは台形の各辺の略中央に、共通電極用ランドは台形の各角部付近に、それぞれ配置されている。各ランドは、FPC50の端子と接続されている。このうち、共通電極用ランドは接地された配線と、内部電極用ランドはドライバIC57の出力端子から延びた配線と、それぞれ接続されている。
各圧電層17a,17bの電極18,19,20に挟まれた部分が、活性部として機能する。アクチュエータユニット17は、対応する圧力室群の各圧力室16の開口に対向し且つ上下に積層された圧電層17a,17bの活性部の変形によって圧力室16内のインクにエネルギーを付与する。上下に積層された活性部は、圧力室16毎に設けられており、圧力室16毎に独立して変形可能である。即ち、アクチュエータユニット17は、圧力室16毎の圧電型アクチュエータを含む。各活性部は、d31、d33、d15から選らばれる少なくとも1つの振動モード(本実施形態ではd31)で変位する。振動板17cにおいて積層方向に関して活性部に対向した部分(非活性部)は、電界を印加しても自発的に変形しない。このように、本実施形態のアクチュエータは、2の活性部及び1の非活性部を積層した、所謂ユニモルフタイプの圧電アクチュエータである。例えば、最上層の圧電層17aのみに注目したとき、分極方向と同じ方向に電界が印加されると、圧電層17aの活性部は、圧電横効果により面方向に収縮するが、圧電層17b及び振動板17cは、自発的に変形せず、圧電層17aの活性部の変位を制限する層として機能する。このとき両者間(圧電層17aと、圧電層17b及び振動板との間)に歪み差が生じることで、アクチュエータは全体として圧力室16に向かって凸となるよう変形する。各アクチュエータは、振動板17cを共有する2つのユニモルフ型圧電素子の積層体であるともいえる。
次に、図7及び図8を参照し、記録時におけるアクチュエータユニット17の各アクチュエータの駆動制御について説明する。
本実施形態では、画像形成に際して、圧電層17aがd31の振動モードで変位することを前提とし、インク滴の吐出前に圧力室16内へのインク補給を行う、所謂「引き打ち法」を採用している。先ず、これについて、以下に具体的に説明する。
コントローラ1pが記録指令を受信する前、全表面電極18の電位はハイレベル(例えば15V)、内部電極19及び共通電極20の電位はローレベル(接地電位:0V)に保持されている。これにより、アクチュエータユニット17の全アクチュエータは、圧力室16に向かって凸となるように変形し、圧力室16の容積をV1とした状態で保持されている(図7(a)参照)。記録指令を受信すると、コントローラ1pは、画像データに基づく電圧印加を開始する。先ず、一旦、表面電極18を共通電極20と同じ接地電位にする。このとき圧力室16の容積がV1からV2に増加し(図7(a),(b)参照)、副マニホールド流路13aから圧力室16へのインク補給が開始される。その後、補給用インクが圧力室16に到達した時点で、再び表面電極18を共通電極20と異なる電位(例えば15V)に戻す。このときアクチュエータは圧力室16に向かって凸に変形する(図7(c)参照)。これにより、圧力室16の容積がV2からV1に減少し、圧力室16内のインクに圧力が付与されことで、当該インクが吐出口14aからインク滴として吐出される。
上記のような圧力室16内へのインク補給と吐出口14aからのインク滴吐出とを含む一連の動作が、1記録周期(用紙Pに記録される画像の解像度に対応する単位距離だけ用紙Pがヘッド10に対して相対移動するのに要する時間)内で、吐出されるインク滴の数と同じ回数だけ繰り返される。記録周期は、例えば、駆動周波数20kHzの場合、50μs程度である。
続いて、上記のような引き打ち法を用いた階調制御について説明する。
アクチュエータユニット17を駆動するための駆動信号は、画像データに基づいて、コントローラ1pが生成する。駆動信号は、吐出駆動信号及び不吐出駆動信号を含む。吐出駆動信号は、所定の電圧に増幅すれば、これのみで吐出口14aからインク滴を吐出させることが可能な信号である。不吐出駆動信号は、所定の電圧に増幅しても、これのみでは吐出口14aからインク滴を吐出させることが不可能であり、吐出口14aからインク滴を吐出させない範囲で吐出口14aに形成されたメニスカスを振動させる信号である。
ドライバIC57は、上記のように生成した吐出駆動信号及び不吐出駆動信号をそれぞれ増幅し、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧を生成する。そして、ドライバIC57は、吐出駆動電圧を表面電極18に、不吐出駆動電圧を内部電極19にそれぞれ印加する。共通電極20は常に接地電位(0V)に保持される。これにより、吐出駆動電圧は圧電層17aの活性部(表面電極18と内部電極19との間)、不吐出駆動電圧は圧電層17bの活性部(内部電極19と共通電極20との間)にそれぞれ印加される。
1記録周期内に印加される吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧の組(電圧組)は、階調数に応じた数だけ存在する。階調数は、1画素を構成する(1記録周期内に1の吐出口14aから吐出される)インク滴の量の種類数を意味し、本実施形態では、インク滴量が0、小S、小L、中S、中L、大S、大Lの7種類、即ち7階調である。ここで、0,小,中,大は、1画素を構成するインク滴の数(以下、単に「画素滴数」と称す。)が0,1,2,3であること、Sは1滴のサイズが小さいこと、Lは1滴のサイズが大きいことを意味する。つまり、本実施形態では、画素滴数=1,2,3(0を除く)毎に2種類(S・L)の電圧組が存在し、計7つの電圧組が存在する。コントローラ1pは、記録周期毎に、上記7つの電圧組から1つを選択し、当該電圧組を構成する吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧を電極18,19にそれぞれ印加する。
これら電圧組に関する情報は、コントローラ1pのROMに記憶されている。
画素滴数毎に設けられたS・Lの2種類の電圧組(小S・小L、中S・中L、大S・大Lの電圧組)はそれぞれ、当該組を構成する各電圧に含まれるパルス状の電圧(時間幅(パルス幅)を介した電圧の立上りと立下りとで区画された矩形状且つパルス状の電圧変化部分をいい、以下「パルス電圧」と称す。)の時間的な重なり度合いによって分類されている。これについて、画素滴数=1に対して設けられた小S・小Lの電圧組を例にして説明する。
図8(a)左側に示されている小Sの電圧組は、不吐出駆動電圧P1及び吐出駆動電圧P2の組合せからなる。図8(a)右側に示されている小Lの電圧組は、不吐出駆動電圧P1及び吐出駆動電圧P2’の組合せからなる。小S・小Lの電圧組において、不吐出駆動電圧P1が共通し、吐出駆動電圧P2,P2’が互いに異なっている。不吐出駆動電圧P1は、所定のパルス幅を介してローレベル(0V:接地電位)とハイレベル(例えば5V)との間で変化する3つのパルス電圧を含む(図8(a)は当該3つのパルス電圧のうち時間的に最も先に印加される1つ目のパルス電圧のみを示す)。吐出駆動電圧P2,P2’は、所定のパルス幅を介してハイレベル(例えば15V)とローレベル(0V:接地電位)との間で変化する1のパルス電圧を含む。
小Sの電圧組において、不吐出駆動電圧P1の1つ目のパルス電圧と吐出駆動電圧P2のパルス電圧とは、それぞれのハイレベルに関して、時点t1と時点T1との間及び時点T2と時点t2との間で重なっている。小Lの電圧組において、不吐出駆動電圧P1の1つ目のパルス電圧と吐出駆動電圧P2’のパルス電圧とは、ハイレベル同士が、時点t1と時点T1’との間及び時点T2’と時点t2との間で重なっている。
本実施形態では、図6(a)に示すように、2つの駆動電源PS1,PS2を有する。駆動電源PS1は、15Vのパルス電圧を出力するドライバIC57の一部を含み、一端が接地されている。駆動電源PS2は、5Vのパルス電圧を出力するドライバIC57の一部を含み、一端が接地されている。そのため、当該パルス電圧同士の時間的な重なりの部分、即ち時点t1から時点T1,T1’までの時間及び時点T2,T2’から時点t2までの時間、図8の例では、圧電層17aに10(=15−5)Vの電圧による電界強度が生じる(図8(b)参照)。
なお、小S・小Lの電圧組において、不吐出駆動電圧P1に含まれる上記1つ目のパルス電圧以外の2つのパルス電圧は、図示を省略するが、記録周期内における時点t2よりも後の、吐出駆動電圧P2,P2’が印加されていない期間に、印加される。
時点t1は、不吐出駆動電圧のパルス電圧の立上りの時点であり、圧電層117bの活性部が変形して圧力室16の容積が減少するよう変化を開始する時点である。この時点で、表面電極18の電位(ここでは、接地電位に対して15V)は変化しない。しかし、内部電極19の電位の上昇(ここでは、接地電位から5Vの上昇)に伴い、圧電層17aの活性部にかかる電圧(表面電極18と内部電極19との電位差)が、圧電層17bにかかる電圧分(ここでは、5V)だけ下がる。つまり、この時点は、圧電層17aが圧力室16の容積を増加させるよう変化を開始する時点でもある。このとき、圧電層17aの変化が優勢であり、図8(c)に示すように、圧力室16の容積が増加する。このときの容積変化は、不吐出駆動電圧のパルス電圧の変化(増加)に伴う変化である。なお、表面電極18及び内部電極19の電位に対応して、図8(b)に示すように、両圧電層17a,17bには分極方向と同じ方向の電界が生じている。
時点T1,T1’は、吐出駆動電圧のパルス電圧の立下りの時点であり、吐出駆動電圧に基づきアクチュエータ(圧電層17aの活性部)が変形して圧力室16の容積が増加するよう変化を開始する時点である。この時点で、内部電極19の電位(ここでは、接地電位に対して5V)は変化せず、圧電層17bにかかる電圧は5Vに維持されている。一方、表面電極18は、接地電位となる。このときに圧電層17aにかかる電圧の変化分だけ、圧力室16の容積が変化し、図8(c)に示すように、圧力室16の容積は増加する。このときの容積変化は、吐出駆動電圧のパルス電圧の変化(減少)に伴う変化である。本実施形態では、内部電極19の電位に対応して、圧電層17aに分極方向と逆方向の電界が生じ、圧電層17bに分極方向と同じ方向の電界が生じる。両者にかかる電圧は、同じ5Vである。このとき、圧電層17aの変化が優勢であり、図8(c)に示すように、いずれの圧電層17a,17bにも電圧がかからない場合に比べ、圧力室16の容積は若干増加する。
時点T2,T2’は、吐出駆動電圧のパルス電圧の立上りの時点であり、吐出駆動電圧に基づき圧電層17aの活性部が変形して圧力室16の容積が減少するよう変化を開始する時点である。この時点で、内部電極19の電位は変化せず、圧電層17bにかかる電圧は5Vに維持されている。一方、表面電極18は、15Vの電位となる。このとき、表面電極18及び内部電極19の電位に対応して、両圧電層17a,17bには分極方向と同じ方向の電界が生じる。圧電層17aには、電圧(表面電極18と内部電極19との電位差)10Vがかかり、図8(c)に示すように、圧力室16の容積が減少する。このときの容積変化は、吐出駆動電圧のパルス電圧の変化(増加)に伴う変化である。圧力室16の容積は、時点t1で不吐出駆動電圧のパルス電圧が印加されたときと同じである。
時点t2は、不吐出駆動電圧のパルス電圧の立下りの時点であり、不吐出駆動電圧に基づき圧電層17bの活性部が変形して圧力室16の容積が増加するよう変化を開始する時点である。この時点で、表面電極18の電位は変化しない。一方、内部電極19の電位は接地電位となる。圧電層17aの活性部には、図8(b)に示すように、ちょうど電圧(表面電極18と内部電極19との電位差)15Vがかかる。つまり、この時点は、圧電層17aが圧力室16の容積を減少させるよう変化を開始する時点でもある。このとき、圧電層17aの変化が優勢であり、図8(c)に示すように、圧力室16の容積は減少する。このときの容積変化は、不吐出駆動電圧のパルス電圧の変化(減少)に伴う変化である。
時点t1までは圧力室16が容積V1(図7(a)参照)、時点T1(T1’)から時点T2(T2’)までは圧力室16が容積V2(図7(b)参照)、時点t2以降は圧力室16が容積V1(図7(a)参照)の状態に対応する。時点t1から時点T1,T1’までの電圧変化によって、圧力室16内へのインク補給が行われ、時点T2,T2’から時点t2までの電圧変化によって、インク滴の吐出が行われる(図8(c)参照)。
なお、圧力室16の容積変化(容積V1から容積V2への変化、又は、容積V1から容積V2への変化)は、一気に行われるのではない。図8(c)に示すように、時点t1から時点T1,T1’の間、及び、時点T2,T2’から時点t2の間、圧力室16の容積は、容積V1と容積V2との間の大きさとなる。この間、図8(b)に示すように、圧電層17aには電圧10(=15−5)Vに対応した電界が印加され、圧電層17bには電圧5Vに対応した電界が印加される。アクチュエータ全体の変形に対しては、圧電層17bの変化よりも圧電層17aの変化の影響の方が優勢である。そのため、この間の圧力室16の容積は、電圧10(=15−5)Vによる電界が圧電層17aの活性部に印加されたときの容積に略等しい。また、時点T1,T1’から時点T2,T2’の間、圧電層17aには分極方向と逆の方向に電圧5Vに対応した電界が印加され、圧電層17bには分極方向と同じ方向に電圧5Vに対応した電界が印加される。そのため、アクチュエータは、圧力室16に対して若干凹に変形している。
小S・小Lの電圧組では、時点T1と時点T1’及び時点T2と時点T2’が互いに異なり、時点T1の方が時点T1’よりも遅い時点、時点T2の方が時点T2’よりも早い時点である。そのため、小Sの電圧組における時点t1と時点T1との時間差δaよりも小Lの電圧組における時点t1と時点T1’との時間差δa’の方が小さく、小Sの電圧組における時点T2と時点t2との時間差δbよりも小Lの電圧組における時点T2’と時点t2との時間差δb’の方が小さい。
本実施形態において、小Lの電圧組における時点T1’と時点T2’との時間差(パルス幅)は、小Sの電圧組における時点T1と時点T2との時間差(パルス幅)よりも、AL(Acoustic Length:個別インク流路14における圧力波の片道伝搬時間長さ)に近い。したがって、小Lの電圧組の方がより大きなインク滴を吐出し易い。さらに、時間差δa’が時間差δaより小さいことからも、小Lの電圧組の方がより大きなインク滴を吐出し易い。このように、パルス幅とパルス電圧の変位時間の両面から、小Sの電圧組よりも小Lの電圧組の方がより大きなインク滴を吐出し易く設定されている。
小S・小Lの電圧組では、このような時間差δa,δa’;δb,δb’(パルス電圧の時間的な重なり度合い)の違いによって、図8に示すように、圧電層17aに生じる電界強度E2,E2’(図8(b)の実線参照)及びアクチュエータの変位量(図8(c)参照)の経時的な変化パターンが互いに異なる。なお、小S・小Lの電圧組では、不吐出駆動電圧P1が共通しているため、圧電層17bに生じる電界強度E1の経時的な変化パターンは互いに同じである。
アクチュエータの変位量の変化パターンの違いについて、具体的に説明する。小S・小Lの電圧組では、時間差δa,δa’;δb,δb’の違いに伴い、インク補給時及び吐出時それぞれにおけるアクチュエータの実効的な変位速度(図8(c)に示す角度θa,θa’;θb,θb’)が互いに異なる。角度θaは角度θa’よりも小さく、角度θbは角度θb’よりも小さい。このように、小Sの電圧組の方が、小Lの電圧組よりも、インク補給時及び吐出時におけるアクチュエータの変位速度が小さく、吐出されるインク滴のサイズが小さくなる。
以上は、画素滴数毎に設けられた2種類の電圧組の違いについて、画素滴数=1の小S・小Lの電圧組を例にして説明したが、画素滴数=2,3(中S・中L及び大S・大L)の電圧組についても同様である。即ち、中S・中Lの電圧組及び大S・大Lの電圧組もそれぞれ不吐出駆動電圧P1及び吐出駆動電圧の組合せからなる。不吐出駆動電圧P1は、7つの電圧組(0、小S、小L、中S、中L、大S、大Lの電圧組)の全てにおいて、共通している。吐出駆動電圧は、中S・中Lの電圧組、及び、大S・大Lの電圧組のそれぞれにおいて、互いに異なる。吐出駆動電圧に含まれるパルス電圧の数は画素滴数と同じである。つまり、画素滴数=2(中S・中L)の場合は2つ、画素滴数=3(大S・大L)の場合は3つのパルス電圧が、吐出駆動電圧に含まれている。画素滴数=2(中S・中L)の各電圧組において、吐出駆動電圧に含まれる2つのパルス電圧は、不吐出駆動電圧P1に含まれる1つ目及び2つ目のパルス電圧のそれぞれと、時間的な重なりを有する。画素滴数=3(大S・大L)の各電圧組において、吐出駆動電圧に含まれる3つのパルス電圧は、不吐出駆動電圧P1に含まれる3つのパルス電圧のそれぞれと、時間的な重なりを有する。そして、当該時間的な重なりの度合いによって、画素滴数毎に電圧組が分類されている。
本実施形態において中Sの電圧組は、電圧P2のパルス電圧を2つ含む電圧と電圧P1との組み合わせであり、中Lの電圧組は、電圧P’のパルス電圧を2つ含む電圧と電圧P1との組み合わせである。大Sの電圧組は、電圧P2のパルス電圧を3つ含む電圧と電圧P1との組み合わせであり、大Lの電圧組は、電圧P2’のパルス電圧を3つ含む電圧と電圧P1との組み合わせである。電圧P1は、いずれの電圧組にも共通である。
各電圧組を構成する吐出駆動電圧がキャンセルパルスを含んでよい。キャンセルパルスとは、今回の記録周期におけるインク滴吐出によりインク流路内に生じた残留圧力波を減衰させるためのパルス電圧である。キャンセルパルスの印加により、次の記録周期でのインク滴吐出を安定化することができる。例えば、各電圧組において、不吐出駆動電圧P1の3つのパルス電圧の印加後、所定の時間を置いて、キャンセルパルスを印加してよい。キャンセルパルスは、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のいずれに含まれてもよい。
以上に述べたように、本実施形態に係るプリンタ1によると、コントローラ1pは、画素滴数毎に2種類の電圧組から1つを選択し、電圧印加を行う。電圧組は、種類毎に、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧に含まれるパルス電圧の時間的な重なり度合いが互いに異なる。そのため、電圧組の種類を適宜選択することで、同じ画素滴数であっても、アクチュエータの変形量、ひいては、圧力室16の開口内のインクに付与されるエネルギーの大きさを変化させることができる。これにより、同じ画素滴数であっても、インク滴のサイズ・量を変化させることができることから、比較的容易に階調数を上げることができ、記録品質の向上を実現可能である。
しかも、圧電層17a,17bを積層することで高集積を実現しつつ、上記効果を得ることができる。
各電圧組において、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のそれぞれに、矩形状のパルス電圧が含まれている。この場合、パルス電圧が複雑な形状(例えば、段階的に電位を上昇又は下降させる段部を含む形状)の場合と比較して、制御が容易である。
各電圧組において、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のそれぞれが示す電位が2値を超える場合(各電圧に含まれる複数のパルス電圧間で、ハイレベル又はローレベルが互いに異なる場合)、電源の数を増やすといった構造的・経済的な不都合や、制御が困難になるといった制御的な不都合が生じ得る。これに対し、本実施形態では、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のそれぞれが示す電位が2値であるため、上記のような種々の不都合を回避することができる。具体的には、7階調に対応する全ての電圧組において、吐出駆動電圧が示す電位は0V,15Vの2値、不吐出駆動電圧が示す電位は0V,5Vの2値である。
各電圧組に、不吐出駆動電圧P1が含まれる。したがって、不吐出駆動電圧P1の印加により、メニスカスを振動させ(即ち、不吐出フラッシングが行われることで)、記録品質を良好に保つことが可能である。しかも、例えばメニスカス振動用(不吐出フラッシング用)として設けられた圧電層17bを用いて階調数の増加を図れることから、非常に有益である。
不吐出駆動電圧P1は、アクチュエータユニット17の全アクチュエータに対して、吐出駆動電圧の印加の有無によらず(即ち、画素滴数=0のアクチュエータに対しても)、印加される。したがって、インク滴の吐出が行われない吐出口14aにおいても、不吐出駆動電圧P1の印加によって、メニスカスを振動させる(即ち、不吐出フラッシングを行う)ことができる。これにより、吐出口14aにおけるインクの増粘が抑制される。
本実施形態では、画素滴数=0の場合は不吐出駆動電圧P1に含まれる3つのパルス電圧、画素滴数=1又は2(小S・小L又は中S・中L)の場合は不吐出駆動電圧P1の後半に含まれる2又は1つのパルス電圧によって、メニスカスの振動が生じる(即ち、不吐出フラッシングが行われる)。画素滴数=1又は2の場合、1記録周期内で、吐出駆動電圧の印加終了後、即ちインク滴の吐出が完了した後、続いてメニスカス振動(不吐出フラッシング)が行われる。このように、インク滴の吐出が行われる吐出口14aにおいても、不吐出駆動電圧P1の印加によって、メニスカスを振動させる(即ち、不吐出フラッシングを行う)ことができる。
上記の時間差δa,δa’(図8(a)参照)に応じて、アクチュエータの変形時間に差が生じ、圧力室16に発生する圧力波の負圧値が変化する。これにより、インク滴の吐出時(吐出駆動電圧の印加によって圧力室16の容積が減少する時点)において、副マニホールド流路13aの出口近傍で極性反転して圧力室16に帰ってくる圧力波の正圧値に、比較的大きな変化が生じ、吐出されるインク滴のサイズ・量も変化する。そこで、画素滴数毎に、当該時間差δa,δa’により分類された電圧組の種類を適宜選択することで、階調制御をより容易に行うことができる。
上記の時間差δb,δb’(図8(a)参照)に応じて、アクチュエータの変形時間に差が生じ、圧力室16に発生する圧力波の正圧値が変化する。これにより、インク滴の吐出時(吐出駆動電圧の印加によって圧力室16の容積が減少する時点)において、インク滴の吐出速度が変化し、吐出されるインク滴のサイズ・量も変化する。そこで、画素滴数毎に、当該時間差δb,δb’により分類された電圧組の種類を適宜選択することで、階調制御をより容易に行うことができる。
圧電層17bには、複数の個別電極19a、及び、個別電極19aを互いに接続する接続電極19bが形成されている。これにより、個別電極19aに対する配線構造及び信号供給構成の簡素化を実現することができる。
接続電極19bは、1の副マニホールド流路13aを共有する4つの圧力室列に対応した複数の個別電極19aを、互いに接続している。これにより、列毎の時分割駆動に対応した階調制御を行うことができる。また、副マニホールド流路13aを共有する圧力室16の列毎に、遅延時間等を取り入れた階調制御を行うことで、構造的クロストーク(副マニホールド流路13aを介しての残存圧力波の相互伝播が発生する現象)を抑制することができる。
画素滴数毎に設けられた2種類の電圧組(小S・小L、中S・中L、大S・大Lの電圧組)において、不吐出駆動電圧P1の波形パターンが共通している。これにより、制御が容易になる。
不吐出駆動電圧P1は、7つの電圧組(0、小S、小L、中S、中L、大S、大Lの電圧組)の全てにおいて、共通している。即ち、異なる画素滴数に対して設けられた電圧組において、不吐出駆動電圧P1の波形パターンが共通している。これにより、さらに制御が容易になる。
最外層であって変形効率の良い圧電層17aに、各電圧組を構成する吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のうち、比較的大きな吐出駆動電圧を付与することで、記録に係る吐出が効率よく行われ、記録品質の向上が実現される。
アクチュエータユニット17は、圧電層17a,17bと流路ユニット12との間において圧力室16の開口を封止するよう配置された振動板17cを有する。これにより、アクチュエータユニット17において、振動板17cを用いたユニモルフ型、バイモルフ型、マルチモルフ型等の変形を実現可能である。さらに、圧電層17a,17bと流路ユニット12との間に振動板17cを介在したことで、各圧電層17a,17bへの電圧印加時に圧力室16内のインク成分が移行すること(マイグレーション)による短絡等の電気的不具合を防止することができる。
アクチュエータユニット17において、流路ユニット12の上面12xに最も近い共通電極20が接地電極である。共通電極20が電気的に接地されていない場合、圧力室16内のインクと共通電極20との間に電位差が生じ、圧力室16内のインク成分の移行により短絡が生じ得るが、本実施形態によれば、このような問題を回避することができる。
共通電極20が、圧電層17b及び振動板17cの表面の全体に亘って延在している。これにより、漏れ電界に起因した電気的不具合(例えば、圧力室16の開口内のインク成分の電気浸透による電気的短絡)が防止される。
圧電層17a,17bが、厚み方向に沿って互いに同じ方向に分極されている。圧電層17a,17bにおいて積層方向の分極方向が互いに逆の場合、圧電層17a,17bを同じ方向に変位させるには、共通電極20以外に、遮断電極を新たに追加する必要がある。遮断電極は、共通電極20と同様に接地された電極であり、共通電極20とで圧電層17a,17bを挟む表面電極18や内部電極19が及ぼす電界をインクに対して遮断する。この場合、追加された遮断電極が剛体として機能し、アクチュエータの変形を阻害する要因となる。これに対し、本実施形態によれば、接地電極を共通電極20の1つのみとすることができ、アクチュエータの変形効率の悪化が抑制される。
次いで、図9を参照し、本発明に係る液滴吐出装置の第2実施形態としてのインクジェット式プリンタについて説明する。第2実施形態に係るプリンタは、吐出駆動電圧の構成のみが第1実施形態と異なり、他の構成は第1実施形態と同じである。
第2実施形態において、階調数は、第1実施形態と同様、7階調である。また、各階調に対応する電圧組が吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧の組合せからなる点、全ての電圧組において不吐出駆動電圧が共通する点、画素滴数毎にS・Lの2種類の電圧組が設けられている点、当該2種類の電圧組が当該組を構成する各電圧に含まれるパルス電圧の時間的な重なり度合いによって分類されている点等において、第1実施形態と共通している。しかし、各電圧組を構成する吐出駆動電圧において、各パルス電圧のローレベルが、0V(接地電位)ではなく、不吐出駆動電圧P1のハイレベルと同じ5Vである点で、第1実施形態と異なる。各電圧組を構成する不吐出駆動電圧P1は第1実施形態と同じである。
図9(a)に、画素滴数=1に対して設けられた2種類の電圧組のうちの1つが例示されている。当該電圧組を構成する吐出駆動電圧P22は、所定のパルス幅を介してハイレベル(例えば15V)とローレベル(5V)との間で変化する1のパルス電圧を含む。このローレベルの電位値は、不吐出駆動電圧P1のハイレベルと同じ電位値である。これにより、画像データに基づく電圧印加の間、圧電層17aの活性部に生じる電界強度E22(図9(b)の実線参照)が負の値にならず、圧電層17aの活性部に分極方向と逆方向のる電界が生じない。
図9(a)は1の電圧組を例示しているが、これ以外の電圧組においても、吐出駆動電圧に含まれる各パルス電圧は、吐出駆動電圧P22と同様、ローレベルが5Vである。
以上に述べたように、第2実施形態に係るプリンタによると、第1実施形態と同様の効果に加え、以下の効果を得ることができる。即ち、画像データに基づく電圧印加の間、圧電層17aの活性部に生じる電界の向きが途中で反転しないので、アクチュエータの駆動の信頼性を向上させることができる。
次いで、図10を参照し、本発明に係る液滴吐出装置の第3実施形態としてのインクジェット式プリンタについて説明する。第3実施形態に係るプリンタは、吐出駆動電圧の構成のみが第1実施形態と異なり、他の構成は第1実施形態と同じである。
第3実施形態において、階調数は、第1実施形態と同様、7階調である。また、各階調に対応する電圧組が吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧の組合せからなる点、画素滴数毎にS・Lの2種類の電圧組が設けられている点、当該2種類の電圧組が当該組を構成する各電圧に含まれるパルス電圧の時間的な重なり度合いによって分類されている点等において、第1実施形態と共通している。しかし、画素滴数=2,3の各電圧組において、吐出駆動電圧が示す電位が3値である点で、第1実施形態と異なる。つまり、吐出駆動電圧が複数のパルス電圧を含む場合において、当該複数のパルス電圧の間で、ローレベルの値が互いに異なっている。
図10(a)に、画素滴数=2に対して設けられた2種類の電圧組のうちの1つが例示されている。当該電圧組を構成する吐出駆動電圧P32は、所定のパルス幅を介してハイレベル(例えば15V)とローレベル(0V)との間で変化する1のパルス電圧と、所定のパルス幅を介してハイレベル(例えば15V)とローレベル(5V)との間で変化する1のパルス電圧とを含む。このように、2つのパルス電圧において、ローレベルの電位値が互いに異なっている。これにより、1つ目のパルス電圧と2つ目のパルス電圧とにおいて、アクチュエータの変位量(図10(c)参照)の経時的な変化パターンが互いに異なり、インク補給時及び吐出時におけるアクチュエータの変位速度が互いに異なることから、吐出されるインク滴のサイズも異なる。
画素滴数=3の各電圧組を構成する吐出駆動電圧は、図10(a)の吐出駆動電圧P32の2つ目のパルス電圧の後に、当該2つ目のパルス電圧と同じパルス電圧を含む。
以上に述べたように、第3実施形態に係るプリンタによると、第1実施形態による効果のうち、吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のそれぞれが示す電位が2値であることによる効果以外の効果を得ることができる。また、第3実施形態の場合、アクチュエータの変位速度に加え、アクチュエータの変位量も調整可能であることから、より細かな階調制御が可能である。
次いで、図11を参照し、本発明に係る液滴吐出装置の第4実施形態としてのインクジェット式プリンタについて説明する。第4実施形態に係るプリンタは、吐出駆動電圧の構成のみが第1実施形態と異なり、他の構成は第1実施形態と同じである。
第4実施形態において、階調数は、第1実施形態と同様、7階調である。また、各階調に対応する電圧組が吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧の組合せからなる点、画素滴数毎にS・Lの2種類の電圧組が設けられている点、当該2種類の電圧組が当該組を構成する各電圧に含まれるパルス電圧の時間的な重なり度合いによって分類されている点等において、第1実施形態と共通している。しかし、ある電圧組(例えば図11(a)に示す画素滴数=1の電圧組)を構成する吐出駆動電圧P42が、矩形状ではなく段階的に電位を上昇させたパルス電圧を含む点、即ちパルス電圧の立上り部分に段部P42sが形成されている点において、第1実施形態と異なる。
以上に述べたように、第4実施形態に係るプリンタによると、第1実施形態による効果のうち、パルス電圧が矩形状であることによる効果及び吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧のそれぞれが示す電位が2値であることによる効果以外の効果を得ることができる。また、第4実施形態では、吐出駆動電圧P42に段部P42sを設け、電圧の立上りを段階的にしたことで、インク滴吐出時におけるアクチュエータの変位量の経時的な変化を滑らかにできるという利点がある(図11(c)参照)。滑らかな変化によって、圧力室16内に無駄な圧力波が発生し難くなり、高効率の吐出を実現することができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
上述の各実施形態では、画素滴数毎に、S・Lの2種類の電圧組が設けられているが、3種類以上の電圧組が設けられてもよい。例えば、第1実施形態の7階調にそれぞれ対応する7つの電圧組に加えて、第2、第3、第4実施形態等で示した電圧組を適宜追加することで、階調数の増加を図ることも可能である。
電圧組を構成する吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧において、全てのパルス電圧が互いに時間的な重なりを有することに限定されず、互いに時間的な重なりを有さないパルス電圧があってもよい。例えば、上述の第1実施形態において、中L・大Lの各電圧組を構成する吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧に、互いに時間的な重なりを有さないパルス電圧があってもよい。
また、ある電圧組を構成する吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧において、パルス電圧の時間的な重なりが全くなくてもよい。例えば、上述の第1実施形態の小L・中L・大Lの各電圧組を構成する吐出駆動電圧及び不吐出駆動電圧において、パルス電圧の時間的な重なりが全くなくてもよい。
パルス電圧の重なりの開始・終了時点、重なりの期間等は、特に限定されない。
上述の実施形態では、アクチュエータユニット17の全アクチュエータに対して、吐出駆動電圧の印加の有無によらず、不吐出駆動電圧を印加しているが、これに限定されない。不吐出駆動電圧は、吐出駆動電圧の印加が行われるアクチュエータのみに印加されてよい。
不吐出駆動電圧の印加によるメニスカス振動(不吐出フラッシング)は、吐出駆動電圧の印加が行われるアクチュエータにおいて行われなくてもよい。例えば、上述の第1実施形態において、画素滴数=1の電圧組に含まれる不吐出駆動電圧が、吐出駆動電圧との時間的な重なりを有する1のパルス電圧のみを含んでよい。
不吐出駆動電圧は、画素滴数毎に設けられた2種類以上の電圧組において、共通せず、異なってもよい。また、不吐出駆動電圧は、全ての階調に対応する電圧組において、共通せず、異なってもよい。
電圧組を構成する第1及び第2電圧は、不吐出及び吐出駆動電圧であることに限定されない。つまり、各電圧を特徴付ける波形、パルス幅、立上り及び立下りのタイミング、ローレベル及びハイレベルの電位値等は、環境温度やインクの粘度、その他様々な条件に応じて適宜変更可能である。例えば、各電圧に含まれるパルス電圧は、矩形状であることに限定されず、第4実施形態のような段部P42sを含む形状であってもよい。また、各パルス電圧が示す電位は、第3及び第4実施形態のように3値、或いは4以上の値であってもよい。
吐出駆動電圧に含まれる各パルス電圧のローレベルの値について、第2実施形態では、不吐出駆動電圧P1のハイレベルと同じ電位値(5V)であるとしているが、不吐出駆動電圧P1のハイレベルの電位値以上であれば、圧電層17aの活性部に生じる電界の向きが反転せず、上述した第2実施形態による効果を得ることができる。
表面電極18及び内部電極19が、通常(記録、不吐出フラッシング等が行われる時以外の時)、フロート電位に保持さてもよい。
アクチュエータに含まれる圧電層及び電極の配置や形状、さらにアクチュエータの変形形式は、上述の実施形態に限定されず、様々に変更可能である。
アクチュエータの変形形式は、ユニモルフ型に限定されず、モノモルフ型、バイモルフ型、マルチモルフ型、モノモルフ型等の変形形式であってよい。
アクチュエータユニット17において、圧電層17aの上層にさらに圧電層を積層したり、圧電層17a,17bの間に1又は複数の圧電層を介在させたりしてよい。また、振動板17cを省略してよい。
上述の実施形態では、圧電層17aの厚みが圧電層17bの厚みと振動板17cの厚みとの和以上であり、記録吐出動作用の圧電層17aの厚みを比較的大きくしたことで、記録吐出動作に係るアクチュエータユニットの変形効率を向上させることができるようになっている。しかしながら、これに限定されず、アクチュエータに含まれる各圧電層の厚みを適宜変更してよい。例えば、圧電層17a及び圧電層17bの厚みの和が、振動板17cの厚みと同じでもよいし、振動板17cの厚みより大きくてもよい。
上述の実施形態では、上側の圧電層17aに吐出駆動電圧、下側の圧電層17bに不吐出駆動電圧をそれぞれ印加するが、これに限定されない。例えば、上側の圧電層17aに不吐出駆動電圧、下側の圧電層17bに吐出駆動電圧をそれぞれ印加してもよい。
圧電層17a,17bが、積層方向に沿って互いに逆の方向に分極されてもよい。
表面電極18は、圧力室16に対向配置される限りは、圧電層17a,17bの積層方向から見て、圧力室16の開口と相似な形状及び当該開口よりも小さなサイズを有することに限定されず、様々な形状及びサイズを有してよい。
内部電極19の各個別部19aは、図6(c)に示すように、圧電層17a,17bの積層方向から見て、圧力室16の開口と相似な形状を有するが、これに限定されない。例えば、個別部19aが、圧力室16の開口と相似でなくとも、当該開口よりも大きなサイズである限りは、内部電極19が形成された圧電層17a,17bが焼成により収縮した場合に、開口に対する個別部19aの位置合わせを高精度且つ容易に行うことができる。また、内部電極19の各個別部19aは、圧力室16の開口よりも大きなサイズを有さなくてもよい。さらに、内部電極19は、圧力室16の開口にそれぞれ対向する個別部19a及び個別部19aを互いに接続する接続部19bを含むことに限定されず、例えば表面電極18のように、圧力室16の開口にそれぞれ対向する個別部が接続部により接続されることなく互いに離隔していてもよい。
接続電極19bは、上述の実施形態では、副マニホールド流路13aを単位として、1の副マニホールド流路13aを共有する圧力室16に対応する個別電極19aを互いに接続しているが、これに限定されない。例えば、副マニホールド流路13aを単位とせず、圧力室列毎に、接続電極19bが各列に対応する個別電極19aを互いに接続してもよいし、或いは、接続電極19bが1のアクチュエータユニット17に含まれる全ての個別電極19aを互いに接続してもよい。接続電極19bが1のアクチュエータユニット17に含まれる全ての個別電極19aを互いに接続する場合、個別電極19a又は接続電極19bの一箇所にのみ配線を施せばよく、配線構造が簡素化されると共に、信号供給構成の簡素化も実現される。
内部電極19は、個別電極19a及び接続電極19bを含むパターンで形成されることに限定されず、共通電極20のように圧電層17bの全面に亘って形成されてもよい。
アクチュエータユニット17において流路ユニット12の上面12xに最も近い位置に配置される電極(上述の実施形態の共通電極20)が接地電極でなくてもよい。また、当該電極は、表面全体に亘って延在することに限定されず、例えば内部電極19と同じパターンで形成してもよい。
上述の実施形態では多数の圧力室16にそれぞれ対応する多数の活性部を含むアクチュエータユニット17について説明したが、本発明に係るアクチュエータは、これに限定されず、ヘッド10の圧力室16毎に個別の(即ち、圧電層が複数の圧力室16に跨らず、1の圧力室16のみに対向配置された)アクチュエータであってよい。
圧電層17aの振動モード、アクチュエータの変形形式等は、特に限定されない。例えば、上述の実施形態では圧電層17aの振動モードをd31として「引き打ち法」を採用しているが、圧電層17aの振動モードをd31として「押し打ち法」を採用してもよい。また圧電層17aの振動モードをd33として「押し打ち法」又は「引き打ち法」を採用してもよい。「押し打ち法」を採用する場合、吐出駆動電圧は、例えば所定のパルス幅を介してローレベル(0V:接地電位)とハイレベル(例えば15V)との間で変化する1以上のパルス電圧を含む。パルス電圧の立上りのタイミングでインク滴が吐出口14aから吐出され、パルス電圧の立下りのタイミングで圧力室16内にインクが補給される。また、この場合、不吐出駆動電圧は、例えば所定のパルス幅を介してハイレベル(例えば5V)とローレベル(0V:接地電位)との間で変化する1以上のパルス電圧を含んでよい。
上述の実施形態において、パルス電圧同士の時間的な重なりの形態は、不吐出駆動電圧のパルス電圧の印加期間中に吐出駆動電圧のパルス電圧の印加期間が内包される関係であったが、これに限定されず、逆の関係でもよい。或いは、一方のパルス電圧が他方のパルス電圧と部分的に重なる関係であってもよい。例えば、経時的に、時点t1、時点T1(時点T1’)、時点t2、時点T2(時点T2')の順で出現してもよい。また、時点T1(時点T1’)、時点t1、時点T2(時点T2’)、時点t2の順であってもよい。さらに、一方のパルス電圧の立ち下がりタイミングが、他方のパルス電圧の立ち上がりタイミングと一致してもよい。
記録周期の定義における相対移動とは、定位置にあるヘッド10に対して用紙Pが移動する場合のみならず、定位置にある用紙Pに対してヘッド10が移動する場合も含む。
本発明は、ライン式・シリアル式のいずれにも適用可能であり、または、プリンタに限定されず、ファクシミリやコピー機等にも適用可能である。さらに、インク滴以外の液滴を吐出するものであってもよい。
1 インクジェット式プリンタ(液滴吐出装置)
1p コントローラ(駆動信号生成手段,電圧印加手段)
10 インクジェットヘッド
12 流路ユニット(流路形成体)
12x 上面(流路形成体の表面)
14 個別インク流路(液体流路)
14a 吐出口
17 アクチュエータユニット(アクチュエータ)
17a 圧電層(積層体,第2圧電層)
17b 圧電層(積層体,第1圧電層)
17c 振動板
18 表面電極
19 内部電極
19a 個別電極
19b 接続電極
20 共通電極(接地電極)
P 用紙(記録媒体)
P1 不吐出駆動電圧(第1電圧)
P2,P2’;P22;P32;P42 吐出駆動電圧(第2電圧)
δa,δa’;δb,δb’ 時間差

Claims (18)

  1. 液滴を吐出する吐出口を有する液体流路、及び、前記液体流路の一部分が露出する開口が設けられた表面を含む流路形成体と、
    前記流路形成体の前記表面に前記開口と対向して配置された積層体を含み、前記開口内の液体にエネルギーを付与するアクチュエータであって、前記積層体は前記流路形成体の前記表面に近い方から順に第1圧電層及び第2圧電層を含み、前記第1及び第2圧電層はそれぞれ前記開口と対向する部分に厚み方向に関して電極に挟まれた活性部を有する、アクチュエータと、
    前記アクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成手段であって、前記第1圧電層の前記活性部に印加される第1電圧に対応する第1駆動信号、及び、前記第2圧電層の前記活性部に印加される第2電圧に対応する第2駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
    記録媒体に記録される画像に係る画像データに基づいて、前記駆動信号生成手段が生成した前記第1駆動信号に対応する前記第1電圧を前記第1圧電層の前記活性部に印加し、且つ、前記駆動信号生成手段が生成した前記第2駆動信号に対応する前記第2電圧を前記第2圧電層の前記活性部に印加する電圧印加手段であって、前記記録媒体に記録される画像の解像度に対応する単位距離だけ前記記録媒体が前記流路形成体に対して相対移動するのに要する時間を1記録周期としたとき、前記1記録周期内に前記吐出口から吐出される液滴の数毎に、前記第1及び第2電圧の組合せからなる2種類以上の電圧組から1つを選択して当該電圧組を構成する各電圧を前記第1及び第2圧電層の前記活性部に印加する電圧印加手段とを備え、
    前記電圧組は、前記第1及び第2電圧に含まれるパルス状の電圧の時間的な重なり度合いによって分類されていることを特徴とする液滴吐出装置。
  2. 前記第1及び第2電圧に、矩形状のパルス電圧が含まれていることを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出装置。
  3. 前記第1及び第2電圧がそれぞれ示す電位が2値であることを特徴とする請求項2に記載の液滴吐出装置。
  4. 前記第1及び第2駆動信号の一方が、これのみで前記吐出口から液滴を吐出させることが可能な吐出駆動信号であり、
    前記第1及び第2駆動信号の他方が、これのみでは前記吐出口から液滴を吐出させることが不可能であり、前記吐出口から液滴を吐出させない範囲で前記吐出口に形成されたメニスカスを振動させる不吐出駆動信号であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  5. 前記電圧印加手段が、前記第1及び第2圧電層の一方における複数の前記活性部に、前記吐出駆動信号に対応する吐出パルス電圧を選択的に印加し、且つ、前記第1及び第2圧電層の他方における複数の前記活性部に、当該活性部に対向する前記一方の前記活性部への前記吐出パルス電圧の印加に関わらず、前記不吐出駆動信号に対応する不吐出パルス電圧を印加することを特徴とする請求項4に記載の液滴吐出装置。
  6. 前記電圧印加手段は、前記吐出駆動信号に対応する吐出パルス電圧が印加されないいずれかの期間に、前記不吐出駆動信号に対応する不吐出パルス電圧を印加することを特徴とする請求項4又は5に記載の液滴吐出装置。
  7. 前記電圧組は、前記吐出駆動信号に基づき前記アクチュエータが変形して前記液体流路の一部分の容積が容積V1から当該容積V1より大きい容積V2に変化を開始する時点T1と、当該時点T1に時間的に一番近い前記不吐出駆動信号に基づき前記アクチュエータが変形して前記液体流路の一部分の容積が容積v2から当該容積v2より小さい容積v1に変化を開始する時点t1との時間差によって、分類されていることを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  8. 前記電圧組は、前記吐出駆動信号に基づき前記アクチュエータが変形して前記液体流路の一部分の容積が容積V2から当該容積V2より小さい容積V1に変化を開始する時点T2と、当該時点T2に時間的に一番近い前記不吐出駆動信号に基づき前記アクチュエータが変形して前記液体流路の一部分の容積が容積v1から当該容積v1より大きい容積v2に変化を開始する時点t2との時間差によって、分類されていることを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  9. 前記不吐出駆動信号が印加される前記第1及び第2圧電層の一方には、互いに離隔し且つ複数の前記活性部をそれぞれ形成する複数の個別電極、及び、前記複数の個別電極を互いに接続する接続電極が形成されていることを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  10. 前記液体流路は、それぞれ前記開口を含む前記一部分であって、前記表面に沿った一方向に配列されて複数の列を構成する、複数の圧力室を有し、
    前記接続電極は、1又は複数の前記列毎に対応した複数の前記個別電極を互いに接続していることを特徴とする請求項9に記載の液滴吐出装置。
  11. 前記1記録周期内に前記吐出口から吐出される液滴の数毎に設けられた前記2種類以上の電圧組において、前記第1及び第2電圧の一方の波形パターンが共通していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  12. 異なる前記液滴の数に対して設けられた前記電圧組において、前記一方の波形パターンが共通していることを特徴とする請求項11に記載の液滴吐出装置。
  13. 前記第2圧電層が、前記積層体に含まれる圧電層のうち前記流路形成体の前記表面から最も離隔した最外層であり、
    前記第2駆動信号が、これのみで前記吐出口から液滴を吐出させることが可能な吐出駆動信号であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  14. 前記アクチュエータが、前記積層体と前記流路形成体との間において前記開口を封止するよう配置された振動板をさらに有することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  15. 前記アクチュエータに含まれる前記流路形成体の前記表面に最も近い電極が接地電極であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
  16. 前記接地電極が、当該接地電極が形成された表面の全体に亘って延在していることを特徴とする請求項15に記載の液滴吐出装置。
  17. 前記第1及び第2圧電層が、厚み方向に沿って互いに同じ方向に分極されていることを特徴とする請求項15又は16に記載の液滴吐出装置。
  18. 前記電圧印加手段は、前記画像データに基づいて前記第1及び第2圧電層の前記活性部に各電圧が印加される間、前記活性部に生じる電界の向きが反転しないよう、電圧印加を行うことを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
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