JP6273830B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置に関し、特に、駆動波形を圧力発生手段に印加することにより当該圧力発生手段を駆動させて圧力室内の液体に圧力変動を生じさせてノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドを備える液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射（吐出）する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を活かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

ここで、上記の液体噴射ヘッドは、圧力発生手段を駆動することで、ノズルに連通する圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動を利用してノズルから液体を噴射させる。なお、圧力発生手段としては、駆動信号（駆動電圧）が供給されることにより変形する圧電素子が好適に用いられる。また、液体を噴射する駆動信号としては、精度よく液体を噴射することができることから、基準電位からこの基準電位よりも低い膨張電位まで変化して圧力室を膨張させる膨張要素と、この膨張電位から基準電位まで変化して圧力室を収縮させる収縮要素とを備えた、いわゆる台形波の噴射駆動パルス（駆動電圧波形）が用いられる。さらに、駆動信号としては、噴射駆動パルスの他に、液体が噴射されないノズルにおけるメニスカスの増粘を低減することを目的として、液体が噴射されない程度に圧力室内の液体を振動（いわゆる微振動動作）させる微振動駆動パルスがある（例えば、特許文献１参照。）。この微振動駆動パルスは、基準電位からの電圧変化量が噴射駆動パルスよりも小さい台形波が用いられる。このような微振動駆動パルスが圧電素子に印加されると、圧電素子が発熱し、圧力室内の液体を加熱すると共に、圧力室内の液体を攪拌する。このような微振動駆動パルスによる微振動駆動は、液体を噴射する回数が比較的多く、圧電素子の発熱により増粘が抑制されているノズルと、液体を噴射する回数が比較的少なく、増粘が進行しているノズルとの間の噴射特性（噴射される液体の量や飛翔速度等）のばらつきを抑制するべく、液体噴射処理中において液体の噴射が行われないノズルに対して行われている。

ところで、圧電素子は印加される駆動電圧に対するその変位量（変形量）が、非線形な特性（具体的には、ヒステリシス特性）を有していることが知られている。例えば、図５に例示する圧電素子の圧電特性では、駆動電圧に対する変位量の割合が大きい線形領域の上下両側（低電圧側及び高電圧側）に駆動電圧に対する変位量の割合が小さい非線形領域が存在する。このため、駆動電圧波形である台形波を用いて確実に液体を噴射するべく、圧力室内の圧力変動を可及的に大きくしたい場合、台形波の基準電位が高電圧側の非線形領域に対応する電位に設定され、膨張電位が低電圧側の非線形領域に対応する電位に設定される。このように駆動電圧の電圧変化域に線形領域を含めることで、圧電素子の変位量を大きくとることができ、例えば、紫外線（光）が照射されると硬化するＵＶインク等の高粘度の液体を精度良く噴射することが可能になる。

特開２０１０−２６４６８９号公報

しかしながら、圧電素子の変位量を大きくとるべく、基準電位を高くした場合、微振動動作によって増粘を十分に低減（抑制）できない虞がある。具体的には、微振動駆動パルスの電圧変化量は噴射駆動パルスと比べて小さいため、基準電位が高くなると線形領域を十分に利用できず、圧電素子による変位量が不十分になる。すなわち、基準電位が高くなればなるほど、微振動駆動パルスの電圧変化域に占める非線形領域の割合が大きくなり、圧電素子の変位量が小さくなる。これにより、圧力室内の液体を十分に攪拌できなくなるだけでなく、圧電素子による発熱量が低下し、圧力室内の液体を十分に加熱できなくなる。その結果、液体を噴射する回数が比較的多いノズルと、液体を噴射する回数が比較的少ないノズルとの間で、液体の粘度が異なり、ノズルから噴射される液体の量や飛翔速度等の噴射特性にばらつきが生じる。特に、ＵＶインクは、通常のインクと比べて、温度変化によって変化する粘度の割合が大きいため、上記の噴射特性のばらつきが顕著になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズル間の液体の温度差を低減して各ノズルにおける噴射特性を一定に揃えることが可能な液体噴射装置を提供することにある。

本発明の液体噴射装置は、上記目的を達成するために提案されたものであり、圧力発生手段を駆動することで圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動により当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドを備え、
前記圧力発生手段を駆動して前記ノズルから液体を噴射する第１の駆動波形と、前記ノズルから液体が噴射されない程度に前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる複数の第２の駆動波形と、を発生可能であり、
前記第１の駆動波形は、電位変化の基準となる基準電位から当該基準電位よりも低い第１の電位まで変化して前記圧力室を膨張させる第１膨張要素と、前記第１の電位から前記基準電位まで変化して前記圧力室を収縮させる第１収縮要素と、を有し、
前記第２の駆動波形は、前記基準電位よりも低い第２の電位から当該第２の電位及び前記第１の電位よりも高く、且つ前記基準電位よりも低い第３の電位まで変化して前記圧力室を収縮させる第２収縮要素と、前記第３の電位から前記第２の電位まで変化して前記圧力室を膨張させる第２膨張要素と、を備えたことを特徴とする。

また、上記構成において、複数の前記第２の駆動波形の組からなる第２の駆動波形群を発生可能であり、
当該第２の駆動波形群の前に、前記基準電位から前記第２の電位まで変化させる前側変化要素を発生することが望ましい。

さらに、上記構成において、前記第２の駆動波形群の後に、前記第２の電位から前記基準電位まで変化させる後側変化要素を発生することが望ましい。

また、上記各構成において、前記液体は、光を照射することで硬化する光硬化型液体であることが望ましい。

本発明によれば、第２の駆動波形は、基準電位よりも低い第２の電位と、第１の電位及び第２の電位よりも高く、且つ基準電位よりも低い第３の電位との間で電圧が変化するので、圧力発生手段の一種である圧電素子（圧電体）の圧電特性における変位量（変形量）の大きい領域で圧電素子を駆動することができる。これにより、液体が噴射されないノズルに対応する圧力室内の液体を微振動させる際において、圧電素子による発熱量を高めることができる。その結果、液体が噴射されるノズルと液体が噴射されないノズルとの間における液体の温度差を低減することができ、ノズル間の液体の噴射特性のばらつきを抑制することが可能となる。また、印刷動作間に行われるメンテナンス動作（圧力室内の液体を微振動させる微振動動作）において、圧電素子による発熱量を高めることができるため、液体の増粘を抑制する効果を高めることができる。その結果、メンテナンス動作の時間を短くすることができる。特に、ＵＶインク等の光硬化型液体は、通常のインクと比べて、揮発によって増粘し難い代わりに、温度変化によって変化する粘度の割合が大きいため、メンテナンス動作時間の短縮による粘度の上昇よりも、圧電素子の発熱による粘度の低下の方が顕著になる。その結果、光硬化型液体を用いた液体噴射装置における微振動動作の時間を一層短くすることができる。さらに、第２の駆動波形は、基準電位よりも低い第２の電位及び第３の電位の間で圧電素子を駆動するので、第１の駆動波形と比べて圧電素子の変位量を抑えることができる。これにより、隣り合う圧力室同士を区画する隔壁に張力が発生することによる当該隔壁の撓みを抑制することができ、これに起因する噴射特性の変化、所謂クロストークを抑制することができる。
また、上記目的を達成するために提案される本発明の液体噴射装置は、以下の構成を備えたものであってもよい。
すなわち、圧力発生手段を駆動することで圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動により当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドを備え、
前記圧力発生手段は、第１の電極と、前記第１の電極との間に圧電体層を挟んで設けられた第２の電極と、を有し、
前記圧力発生手段の前記第１の電極に印加されて前記ノズルから液体を噴射する第１の駆動波形と、前記圧力発生手段の前記第１の電極に印加されて前記ノズルから液体が噴射されない程度に前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる複数の第２の駆動波形と、前記第２の電極に印加される直流電圧であるバイアス電位と、を発生可能であり、
前記第１の駆動波形は、電位変化の基準となる基準電位から当該基準電位及び前記バイアス電位よりも低い第１の電位まで変化して前記圧力室を膨張させる第１膨張要素と、前記第１の電位から前記基準電位まで変化して前記圧力室を収縮させる第１収縮要素と、を有し、
前記第２の駆動波形は、前記基準電位及び前記バイアス電位よりも低く、且つ、前記第１の電位よりも高い第２の電位から当該第２の電位及び前記バイアス電位よりも高く、且つ前記基準電位よりも低い第３の電位まで変化して前記圧力室を収縮させる第２収縮要素と、前記第３の電位から前記第２の電位まで変化して前記圧力室を膨張させる第２膨張要素と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、第２の駆動波形は、基準電位及びバイアス電位よりも低く、且つ、第１の電位よりも高い第２の電位と、第２の電位及びバイアス電位よりも高く、且つ基準電位よりも低い第３の電位との間で電圧が変化するので、圧力発生手段の一種である圧電素子（圧電体）の圧電特性における変位量（変形量）の大きい領域で圧電素子を駆動することができる。これにより、液体が噴射されないノズルに対応する圧力室内の液体を微振動させる際において、圧電素子による発熱量を高めることができる。その結果、液体が噴射されるノズルと液体が噴射されないノズルとの間における液体の温度差を低減することができ、ノズル間の液体の噴射特性のばらつきを抑制することが可能となる。また、印刷動作間に行われるメンテナンス動作（圧力室内の液体を微振動させる微振動動作）において、圧電素子による発熱量を高めることができるため、液体の増粘を抑制する効果を高めることができる。その結果、メンテナンス動作の時間を短くすることができる。特に、ＵＶインク等の光硬化型液体は、通常のインクと比べて、揮発によって増粘し難い代わりに、温度変化によって変化する粘度の割合が大きいため、メンテナンス動作時間の短縮による粘度の上昇よりも、圧電素子の発熱による粘度の低下の方が顕著になる。その結果、光硬化型液体を用いた液体噴射装置における微振動動作の時間を一層短くすることができる。さらに、第２の駆動波形は、基準電位よりも低い第２の電位及び第３の電位の間で圧電素子を駆動するので、第１の駆動波形と比べて圧電素子の変位量を抑えることができる。これにより、隣り合う圧力室同士を区画する隔壁に張力が発生することによる当該隔壁の撓みを抑制することができ、これに起因する噴射特性の変化、所謂クロストークを抑制することができる。

プリンターの電気的な構成を説明するブロック図である。 プリンターの内部構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する断面図である。 駆動信号の構成を説明する波形図である。 圧電素子の駆動電圧と変位量との関係を示した特性図である。 前側変化要素または後側変化要素において誤ってインクが噴射されない電圧勾配の大きさを調べた表である。 （ａ）は噴射駆動パルスを圧電素子に連続印加した場合の波形図であり、（ｂ）は微振動駆動パルスを圧電素子に連続印加した場合の波形図である。 圧電素子の動きを説明する模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の液体噴射装置として、インクジェット式記録装置（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。

図１は、プリンター１の電気的な構成を説明するブロック図、図２は、プリンター１の内部構成を説明する斜視図である。外部装置２は、例えばコンピューター、デジタルカメラ、携帯電話機、携帯情報端末機などの電子機器である。この外部装置２は、プリンター１と無線又は有線で電気的に接続されており、プリンター１において記録紙等の記録媒体Ｓに画像やテキストを印刷させるため、その画像等に応じた印刷データをプリンター１に送信する。

本実施形態におけるプリンター１は、紙送り機構３、キャリッジ移動機構４、リニアエンコーダー５、および記録ヘッド６等のプリントエンジン１３と、プリンターコントローラー７とを有する。記録ヘッド６は、インクカートリッジ１７（液体供給源）を搭載したキャリッジ１６の底面側に取り付けられている。そして、当該キャリッジ１６は、キャリッジ移動機構４によってガイドロッド１８に沿って往復移動可能に構成されている。すなわち、プリンター１は、紙送り機構３によって記録紙等の記録媒体Ｓ（着弾対象の一種）を順次搬送すると共に、記録媒体に対して記録ヘッド６を記録媒体Ｓの幅方向（主走査方向）に相対移動させながら当該記録ヘッド６のノズル２５（図３参照）からインクを噴射させて、記録媒体Ｓ上に当該インクを着弾させることにより画像等を記録する。なお、インクカートリッジ１７がプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジ１７のインクが供給チューブを通じて記録ヘッド６側に送られる構成を採用することもできる。

本実施形態のインクは、紫外線（光）が照射されると硬化するＵＶインク（本発明における光硬化型液体の一種）が用いられている。このＵＶインクは、光重合開始剤が含有されたインクであり、通常のインク（例えば、水系のインク）に比べて、粘度が高いことが知られている（例えば、常温で８ｍＰａ・ｓ以上）。また、ＵＶインクは、通常のインクに比べて、揮発し難く、温度変化によって変化する粘度の割合が大きいことも知られている。すなわち、ＵＶインクは、通常のインクに比べて、高温での低粘度化が顕著になっている。なお、記録媒体Ｓに向けて紫外線を照射するＵＶランプ１２は、例えば、キャリッジ１６の底面側であって記録媒体Ｓの搬送方向における記録ヘッド６よりも下流側に取り付けられる。そして、下流側に送られてきた記録媒体Ｓ上に対して往復移動しながら紫外線を照射する。これにより、記録媒体Ｓ上に着弾したインクが硬化し、記録媒体Ｓ上に定着する。なお、記録媒体Ｓの搬送方向における下流側において、ＵＶランプを記録領域に亘って配置する構成を採用することもできる。

プリンターコントローラー７は、プリンターの各部の制御を行う制御ユニットである。本実施形態におけるプリンターコントローラー７は、インターフェース（Ｉ／Ｆ）部８と、制御部９と、記憶部１０と、駆動信号生成部１１と、を有する。インターフェース部８は、外部装置２からプリンター１へ印刷データや印刷命令を送ったり、プリンター１の状態情報を外部装置２側に出力したりする際にプリンターの状態データの送受信を行う。制御部９は、プリンター全体の制御を行うための演算処理装置である。記憶部１０は、制御部９のプログラムや各種制御に用いられるデータを記憶する素子であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＮＶＲＡＭ（不揮発性記憶素子）を含む。制御部９は、記憶部１０に記憶されているプログラムに従って、各ユニットを制御する。また、本実施形態における制御部９は、外部装置２からの印刷データに基づき、記録動作時にどのノズル２５からどのタイミングでインクを噴射させるかを示す噴射データを生成し、当該噴射データを記録ヘッド６のヘッド制御部に送信する。駆動信号生成部１１（駆動波形生成手段の一種）は、駆動信号の波形に関する波形データに基づいて、アナログの信号を生成し、当該信号を増幅して図４に示すような駆動信号ＣＯＭ（ＣＯＭ１，ＣＯＭ２）を生成する。

次に、プリントエンジン１３について説明する。このプリントエンジン１３は、図１に示すように、紙送り機構３、キャリッジ移動機構４、リニアエンコーダー５、ＵＶランプ１２、及び、記録ヘッド６等を備えている。キャリッジ移動機構４は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド６が取り付けられたキャリッジ１６と、このキャリッジ１６を、タイミングベルト等を介して走行させる駆動モーター（例えば、ＤＣモーター）等からなり（図示せず）、キャリッジ１６に搭載された記録ヘッド６を主走査方向に移動させる。紙送り機構３は、紙送りモーター及び紙送りローラー等からなり、記録媒体Ｓをプラテン上に順次送り出して副走査を行う。また、リニアエンコーダー５は、キャリッジ１６に搭載された記録ヘッド６の走査位置に応じたエンコーダーパルスを、主走査方向における位置情報としてプリンターコントローラー７に出力する。プリンターコントローラー７の制御部９は、リニアエンコーダー５側から受信したエンコーダーパルスに基づいて記録ヘッド６の走査位置（現在位置）を把握することができる。また、制御部９は、当該エンコーダーパルスに基づいて、後述する駆動信号ＣＯＭの発生タイミングを規定するタイミング信号（ラッチ信号ＬＡＴ）を発生させる。

図３は、記録ヘッド６の内部構成を説明する要部断面図である。
本実施形態における記録ヘッド６は、ノズルプレート２１、流路基板２２、および、圧電素子２３等から構成され、これらの部材を積層した状態でケース２４に取り付けられている。ノズルプレート２１は、所定のピッチで複数のノズル２５が列状に開設された板状の部材である。本実施形態では、並設された複数のノズル２５から構成されるノズル列がノズルプレート２１に２つ並設されている。

この流路基板２２には、複数の圧力室２６がノズル列方向に並べて形成され、これらの圧力室２６により圧力室列（圧力室群）が構成されている。本実施形態における圧力室２６は、圧力室並設方向に対して交差する方向に長尺な空部である。各圧力室２６は、ノズルプレート２１の各ノズル２５に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室２６の形成ピッチは、ノズル２５の形成ピッチに対応している。また、流路基板２２において、圧力室２６に対して当該圧力室長手方向の側方（ノズル２５との連通側とは反対側）に外れた領域には、流路基板２２を貫通するリザーバー３０が、圧力室群毎に圧力室２６の並設方向に沿って形成されている。このリザーバー３０は、同一の圧力室群に属する各圧力室２６に共通な空部である。このリザーバー３０と各圧力室２６とは、インク供給口２７を介してそれぞれ連通されている。インク供給口２７は、圧力室２６よりも狭い幅で形成されており、リザーバー３０から圧力室２６に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。また、リザーバー３０には、インクカートリッジ１７側からのインクがケース２４のインク供給路３１を通じて導入される。

流路基板２２の下面（ケース２４とは反対側の面）には、ノズルプレート２１が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。ノズルプレート２１は、所定のピッチで複数のノズル２５が列状に開設された板材である。本実施形態では、３６０ｄｐｉに対応するピッチで３６０個のノズル２５を列設することでノズル列が構成されている。各ノズル２５は、圧力室２６に対してインク供給口２７とは反対側の端部で連通する。なお、ノズルプレート２１は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、又はステンレス鋼などからなる。本実施形態における記録ヘッド６には、ノズル列が合計２列設けられており、各ノズル列に対応する液体流路がノズル２５側を内側にして左右対称に設けられている。

流路基板２２のノズルプレート２１側とは反対側の上面には、弾性膜３３を介して圧電素子２３が形成されている。すなわち、各圧力室２６の上部開口が弾性膜３３で塞がれ、さらにその上に圧電素子２３が形成されている。この圧電素子２３は、金属製の下電極膜と、圧電体を薄膜状に形成した圧電体層（圧電体膜）と、金属からなる上電極膜（何れも図示せず）とを順次積層することで形成されている。この圧電体層としては、結晶が配向していることが好ましい。結晶が配向している圧電体層は、例えば、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成される。圧電体層の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。また、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。

何れにしても、このように成膜された圧電体層は、いわゆるバルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向している。本実施形態の圧電体層は、結晶が優先配向し、且つ、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．５〜５μｍである。

このように形成された圧電体層（圧電素子２３）は、配線部材を通じて駆動信号ＣＯＭが印加されることにより変形する。具体的には、共通電極に一定の共通電位が印加されると共に、個別電極に振動波形が印加されると、これらの電極の間には電位差に応じた電場が生じる。この電場の強さに応じて圧電体層が撓み変形する。図５に、圧電体層（圧電素子２３）の圧電特性の一例を示す。なお、図５の横軸は、圧電体層に印加される駆動電圧（上電極膜と下電極膜との間の電位差）であり、縦軸は、圧電体層の基準位置からの変位量（変形量）である。本実施形態における圧電体層には、図５に示すように、特性がほぼ直線状に変化する線形領域が存在する。この線形領域の両側の駆動電圧領域（線形領域よりもマイナス側およびプラス側の駆動電圧の領域）は、駆動電圧に対する変位量の割合が徐々に少なくなる非線形領域になる。

圧電体層、すなわち圧電素子２３は、このような圧電特性に従って撓み変形する。すなわち、駆動電圧（印加電圧）を高くする程、圧電素子２３の中央部がノズルプレート２１に近づく側に撓み、圧力室２６の容積を減少させるように弾性膜３３を変形させる。一方、駆動電圧を低くする程、圧電素子２３の中央部がノズルプレート２１から離れる側に撓み、圧力室２６の容積を増加させるように弾性膜３３を変形させる。このように、圧電素子２３を駆動すると圧力室２６の容積が変化するので、これに伴って当該圧力室２６内部のインクの圧力が変化する。そして、このインクの圧力変化（圧力変動）を制御することによりノズル２５からインク滴を噴射させることができる。

次に、記録ヘッド６の電気的な構成について説明する。
図１に示すように、記録ヘッド６は、ラッチ回路３６、デコーダー３７、スイッチ３８、および圧電素子２３を有している。これらのラッチ回路３６、デコーダー３７、およびスイッチ３８は、ヘッド制御部１５を構成し、当該ヘッド制御部１５は、圧電素子２３毎、すなわち、ノズル２５毎に設けられている。ラッチ回路３６は、印刷データに基づく噴射データをラッチする。この噴射データは、各ノズルからのインクの噴射・非噴射を制御するデータである。デコーダー３７は、ラッチ回路３６にラッチされている噴射データに基づき、スイッチ３８を制御するスイッチ制御信号を出力する。デコーダー３７から出力されたスイッチ制御信号は、スイッチ３８へ入力される。このスイッチ３８は、スイッチ制御信号に応じてオン・オフされるスイッチである。

図４は、駆動信号生成部１１が発生させる駆動信号の一例を説明する波形図であり、（ａ）は第１駆動信号ＣＯＭ１を示し、（ｂ）は第２駆動信号ＣＯＭ２を示している。本実施形態において、これらの駆動信号ＣＯＭ１，ＣＯＭ２の繰り返し周期である単位周期Ｔは、記録ヘッド６が記録媒体Ｓに対して相対的に移動しながらインクの噴射を行う際に、画像の構成単位である画素の幅に対応する距離だけノズル２５が移動する時間に相当する。これらの駆動信号ＣＯＭ１，ＣＯＭ２は、記録ヘッド６の走査位置に応じたエンコーダーパルスに基づいて生成されるタイミング信号であるラッチ信号ＬＡＴに応じて発生される。したがって、駆動信号ＣＯＭ１，ＣＯＭ２は、ラッチ信号ＬＡＴで規定される周期で発生される信号である。なお、同図において実線で示す波形は、圧電素子２３の個別電極（上電極膜）と共通電極（下電極膜）との間の電位差である。また、破線で示すＶｂｓは、共通電極に印加される直流電圧（バイアス電位）である。

本実施形態におけるプリンター１は、大きさの異なるドットを記録媒体Ｓに形成する多階調記録が可能であり、本実施形態においては、大ドット、中ドット、小ドット、及び非噴射（微振動）の合計４階調での記録動作が可能に構成されている。そして、本実施形態における第１駆動信号ＣＯＭ１は、単位周期Ｔ内に、合計３つの噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３（本発明における第１の駆動波形の一種）が発生される信号である。また、本実施形態における第２駆動信号ＣＯＭ２は、合計３つの微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３（本発明における第２の駆動波形の一種）が発生される信号である。なお、これら３つの微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３の組からなる微振動駆動パルス群（本発明における第２の駆動波形群）の前には前側変化要素ｐ４が発生され、微振動駆動パルス群の後には後側変化要素ｐ８が発生される。そして、印刷処理中において記録ヘッド２が記録媒体Ｓ上の記録領域に対応する区間で移動しているとき、各圧力室２６に設けられている圧電素子２３には、駆動信号ＣＯＭ１，ＣＯＭ２の駆動パルスのうち少なくとも何れか１つが選択的に圧電素子２３に印加される。具体的には、記録ヘッド２が上記の記録領域に対応する区間で移動している際に、所定の周期でインクが噴射されるノズル２５に対応する圧電素子２３には、第1駆動信号ＣＯＭ１の何れか１つあるいは複数の駆動パルスが選択されて印加される。一方、記録領域に対応する区間における所定の周期でインクが噴射されないノズル２５に対応する圧電素子２３には、第２駆動信号ＣＯＭ２の各微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３が順次印加される。

噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３は、ノズル２５からインクを噴射させるべく波形や電圧が定められた駆動パルスである。具体的には、図４（ａ）に示すように、噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３は、第１膨張要素ｐ１、第１膨張維持要素ｐ２および第１収縮要素ｐ３から構成される、いわゆる台形波である。第１膨張要素ｐ１は、電位変化の基準となる基準電位Ｖ４から当該基準電位Ｖ４よりも低い第１の電位Ｖ１（最低電位）まで変化して圧力室２６を基準容積から膨張させる要素である。本実施形態の第１の電位Ｖ１は、生成される駆動信号ＣＯＭ１，ＣＯＭ２やその他の駆動信号の基準となるバイアス電位Ｖｂｓよりも低い電位に設定されている。第１膨張維持要素ｐ２は、第１の電位Ｖ１を維持して膨張した圧力室２６を一定時間維持する要素である。第１収縮要素ｐ３は、第１の電位Ｖ１から基準電位Ｖ４まで変化して膨張した圧力室２６を収縮させる要素である。このような噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３のうち１つのパルスが圧電素子２３に印加されると、小ドットに対応するインク滴をノズル２５から噴射する。具体的には、まず、第１膨張要素ｐ１が印加されると、ノズル２５に露出しているメニスカスが圧力室２６側に引き込まれる。この状態は、第１膨張維持要素ｐ２によって維持される。その後、第１収縮要素ｐ３が印加されると、圧力室２６が急激に収縮され、圧力室２６内のインクが加圧される。これにより、ノズル２５からインク滴が噴射される。

なお、基準容積は、圧力室２６の膨張あるいは収縮の起点となる容積（初期容積）であり、圧電素子２３に基準電位Ｖ４が印加されているときの容積である。本実施形態における基準電位Ｖ４は、接地電位ＧＮＤ及びバイアス電位Ｖｂｓよりも十分高い電位に設定されており、例えば、圧電素子２３が圧力室２６の内側（すなわち、ノズル２５に近接する側）に最大限あるいはそれに近い程度まで撓んだ状態に対応する電位である。すなわち、基準電位Ｖ４は、図５に示す圧電特性において圧電素子２３の変位量が最大限あるいはそれに近い程度になる非線形領域に設定される。一方、第１の電位Ｖ１は、駆動電圧に対する変位量の割合が大きい線形領域を最大限に利用するべく、線形領域の下端側（低電圧側）に対応する電位よりも低い電位に設定される。これにより、圧電素子２３の変位量を大きくとることができ、高粘度のＵＶインクを精度良く噴射することが可能になる。本実施形態では、線形領域の下端と非線形領域との境界近傍に対応する電位に第１の電位Ｖ１が設定されている。また、本実施形態のバイアス電位Ｖｂｓは、線形領域の途中に対応する電位に設定されている。なお、噴射駆動パルスの波形や、単位周期Ｔあたりに発生される数等については、本実施形態で例示したものには限られず、種々の構成のものを採用することができる。

第２駆動信号ＣＯＭ２に含まれる前側変化要素ｐ４は、図４（ｂ）に示すように、基準電位Ｖ４から微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３の電位変化の基準となる第２の電位Ｖ２まで変化させる電位である。本実施形態の第２の電位Ｖ２は、基準電位Ｖ４およびバイアス電位Ｖｂｓよりも低い電位、且つ、第１の電位Ｖ１よりも高い電位であって、図５に示す圧電特性において線形領域の下端側に対応する電位に設定されている。また、後側変化要素ｐ８は、図４（ｂ）に示すように、第２の電位Ｖ２から基準電位Ｖ４まで変化させる電位である。すなわち、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３より前の前側変化要素ｐ４によって、噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３の電位変化の基準となる基準電位Ｖ４から微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３の電位変化の基準となる第２の電位Ｖ２に変化させ、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３より後の後側変化要素ｐ８によって、第２の電位Ｖ２から基準電位Ｖ４に復帰させている。

なお、前側変化要素ｐ４および後側変化要素ｐ８は、圧力室が急激に膨張あるいは収縮することによって誤ってインクが噴射されることがないように、前側変化要素ｐ４または後側変化要素ｐ８の電圧勾配の大きさ（単位時間当たりの電圧の変化量の絶対値）をＡとしたとき、以下の式（１）を満たすことが望ましい。
２．８≦Ａ≦３．３ …（１）
図６は、前側変化要素ｐ４または後側変化要素ｐ８において、誤ってインクが噴射されない電圧勾配の大きさを調べた表である。表において、電圧（Ｖ）は、変化要素ｐ４，ｐ８の電圧の変化量であり、時間（μｓ）は、変化要素ｐ４，ｐ８の時間幅である。そして、傾き（Ｖ／μｓ）は、変化要素ｐ４，ｐ８の電圧勾配である。この表から分かるように、電圧の大きさによらず電圧勾配の大きさが２．９〜３．２（Ｖ／μｓ）の間では、インクが噴射されない。このため、前側変化要素ｐ４または後側変化要素ｐ８の電圧勾配の大きさは、少なくともこの範囲内に収まることが望ましい。

微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３は、記録動作中あるいは待機中のノズル２５におけるインクの増粘を抑制するべく、ノズル２５からインクが噴射されない程度にメニスカスを振動（微振動）させ得る波形に設定された駆動パルスである。この微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３は、第２の電位Ｖ２を基準として高電位側に変化する台形波に設定される。具体的には、図４（ｂ）に示すように、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３は、第２収縮要素ｐ５、第２収縮維持要素ｐ６および第２膨張要素ｐ７から構成される。第２収縮要素ｐ５は、第２の電位Ｖ２から当該第２の電位Ｖ２及び第１の電位Ｖ１よりも高く、且つ基準電位Ｖ４よりも低い第３の電位Ｖ３まで変化して圧力室２６を比較的小さく収縮させる要素である。本実施形態の第３の電位Ｖ３は、バイアス電位Ｖｂｓよりも高い電位であって、図５に示す圧電特性において線形領域の上端（高電圧側）と非線形領域との境界近傍に対応する電位に設定されている。第２収縮維持要素ｐ６は、第３の電位Ｖ３を維持して第２収縮要素ｐ５によって収縮した圧力室２６を一定時間維持する要素である。第２膨張要素ｐ７は、第３の電位Ｖ３から第２の電位Ｖ２まで変化して収縮した圧力室２６を膨張させる要素である。このような微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３が圧電素子２３に印加されると、圧力室２６の容積は噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３が印加された場合よりも小さく変動する。そして、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３が順次印加ことにより、すなわち、第２収縮要素ｐ５及び第２膨張要素ｐ７が繰り返し印加されることにより、メニスカスが微振動する。

なお、第２収縮要素ｐ５および第２膨張要素ｐ７は、第２収縮要素ｐ５または第２膨張要素ｐ７の電圧勾配の大きさ（単位時間当たりの電圧の変化量の絶対値）をＢとしたとき、以下の式（２）を満たすことが望ましい。
Ａ≦２Ｂ …（２）

このように、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３は、基準電位Ｖ４よりも低い第２の電位Ｖ２と、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも高く、且つ基準電位Ｖ４よりも低い第３の電位Ｖ３との間で電圧が変化するので、圧電素子２３（圧電体）の圧電特性における変位量（変形量）の大きい領域（線形領域）で圧電素子２３を駆動することができる（図５参照）。これにより、ＵＶインクが噴射されないノズル２５に対応する圧力室２６内のＵＶインクを微振動させる際において、圧電素子２３による発熱量を高めることができる。その結果、ＵＶインクが噴射されるノズル２５とＵＶインクが噴射されないノズル２５との間におけるＵＶインクの温度差を低減することができ、ノズル２５間のＵＶインクの噴射特性のばらつきを抑制することが可能となる。また、印刷動作間に行われるメンテナンス動作（圧力室２６内のＵＶインクを微振動させる微振動動作）において、圧電素子２３による発熱量を高めることができるため、ＵＶインクの増粘を抑制する効果を高めることができる。その結果、メンテナンス動作の時間を短くすることができる。特に、ＵＶインク等の光硬化型液体は、通常のインクと比べて、揮発によって増粘し難い代わりに、温度変化によって変化する粘度の割合が大きいため、メンテナンス動作時間の短縮による粘度の上昇よりも、圧電素子２３の発熱による粘度の低下の方が顕著になる。その結果、ＵＶインクを用いたプリンター１における微振動動作の時間を一層短くすることができる。

さらに、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３は、基準電位Ｖ４よりも低い第２の電位Ｖ２及び第３の電位Ｖ３の間で圧電素子２３を駆動するので、圧力室２６同士を区画する隔壁２６ａの撓みに起因する噴射特性の変化、所謂クロストークを抑制することができる。この点について、図７および図８を用いて説明する。図７（ａ）は噴射駆動パルスを圧電素子２３に連続印加した場合の波形図であり、図７（ｂ）は微振動駆動パルスを圧電素子２３に連続印加した場合の波形図である。また、図８は圧力室２６の短尺方向（圧力室並設方向）の断面模式図であり、図８（ａ）は基準電位Ｖ４が印加された圧電素子２３の状態、図８（ｂ）は第２の電位Ｖ２が印加された圧電素子２３の状態、図８（ｃ）は第３の電位Ｖ３が印加された圧電素子２３の状態をそれぞれ示している。

図７（ａ）に示すように、例えば、噴射駆動パルスＤＰ１〜ＤＰ３のうち噴射駆動パルスＤＰ１、ＤＰ２を連続印加する場合、圧電素子２３には、主として基準電位Ｖ４が印加された状態になる。このため、圧電素子２３は、図８（ａ）に示すように、下側（圧力室２６側）に最大限に変位した状態が比較的多くなる。この変位した圧電素子２３によって、圧力室２６を区画する隔壁２６ａを内側に引っ張る張力が発生し、隔壁２６ａが撓みやすい。一方、図７（ｂ）に示すように、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３を連続印加する場合、圧電素子２３には、基準電位Ｖ４よりも低い第２の電位Ｖ２及び第３の電位Ｖ３が印加された状態になる。このため、圧電素子２３は、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、基準電位Ｖ４が印加される場合より、変位が小さくなる。このため、圧電素子２３が隔壁２６ａを内側に引っ張る張力が小さくなり、隔壁２６ａの撓みを抑制することができる。その結果、隔壁２６ａの撓みに起因するインクの噴射特性の変化、所謂クロストークを抑制することができる。要するに、本発明の構成を採用することで、発熱量アップのほかに、圧電素子２３にかかる電位が低電位にシフトすることによって隔壁２６ａに張力が発生しないので、クロストークを抑制する効果が得られる。

なお、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３の形態は上記実施形態に限られず、圧電素子２３の圧電特性等によって、任意に設定される。例えば、上記実施形態では、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３の基準となる第２の電位Ｖ２が基準電位Ｖ４よりも低く設定されていたが、これには限られず、基準電位Ｖ４よりも高く設定してもよい。要は、圧電素子の圧電特性に合わせて、基準電位と異なる電位に、微振動駆動パルスの基準となる第２の電位が設定されていればよい。また、上記実施形態では、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３は、第２の電位Ｖ２を基準として高電位側に変化する台形波に設定されたが、これには限られず、低電位側に変化する台形波に設定することもできる。さらに、上記実施形態では、微振動駆動パルスＶＰ１〜ＶＰ３を単位周期Ｔ内に３つ備えていたが、これには限られず、単位周期Ｔ内に含まれる微振動駆動パルスの数は任意に変更し得る。

また、上記実施形態では、圧電素子として、所謂撓み振動型の圧電素子２３を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電素子を採用することも可能である。また、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせると共に、ヒステリシス特性を有する圧力発生手段であれば、圧電素子には限られず、例えば、発熱素子や静電アクチュエーター等を採用することも可能である。

そして、本発明は、メンテナンス駆動波形の印加により圧電素子を駆動して液体の振動制御を行う液体噴射装置であれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置にも適用することができる。

１…プリンター，６…記録ヘッド，９…制御部，１１…駆動信号生成部，２３…圧電素子，２５…ノズル，２６…圧力室

Claims (4)

1. 圧力発生手段を駆動することで圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動により当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドを備え、
   前記圧力発生手段は、第１の電極と、前記第１の電極との間に圧電体層を挟んで設けられた第２の電極と、を有し、
   前記圧力発生手段の前記第１の電極に印加されて前記ノズルから液体を噴射する第１の駆動波形と、前記圧力発生手段の前記第１の電極に印加されて前記ノズルから液体が噴射されない程度に前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる複数の第２の駆動波形と、前記第２の電極に印加される直流電圧であるバイアス電位と、を発生可能であり、
   前記第１の駆動波形は、電位変化の基準となる基準電位から当該基準電位及び前記バイアス電位よりも低い第１の電位まで変化して前記圧力室を膨張させる第１膨張要素と、前記第１の電位から前記基準電位まで変化して前記圧力室を収縮させる第１収縮要素と、を有し、
   前記第２の駆動波形は、前記基準電位及び前記バイアス電位よりも低く、且つ、前記第１の電位よりも高い第２の電位から当該第２の電位及び前記バイアス電位よりも高く、且つ前記基準電位よりも低い第３の電位まで変化して前記圧力室を収縮させる第２収縮要素と、前記第３の電位から前記第２の電位まで変化して前記圧力室を膨張させる第２膨張要素と、を備えたことを特徴とする液体噴射装置。
2. 複数の前記第２の駆動波形の組からなる第２の駆動波形群を発生可能であり、
   当該第２の駆動波形群の前に、前記基準電位から前記第２の電位まで変化させる前側変化要素を発生することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 前記第２の駆動波形群の後に、前記第２の電位から前記基準電位まで変化させる後側変化要素を発生することを特徴とする請求項２に記載の液体噴射装置。
4. 前記液体は、光を照射することで硬化する光硬化型液体であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射装置。

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