JP6644537B2 - 液体吐出装置及びこれを備えたインクジェット式記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出装置及びこれを備えたインクジェット式記録装置に関する。詳しくは、所謂、マルチドット方式を採用した液体吐出の制御技術に関する。

インクジェット式記録装置などに利用されている液体吐出装置は、液滴を吐出するための液体吐出ヘッドと当該液体吐出ヘッドを制御する制御装置とを備えている。例えば、インクジェット式記録装置におけるインク吐出ヘッドは、インクを一時的に貯留する圧力室と、上記圧力室に当接し圧電素子などからなるアクチュエータと、上記圧力室に連通し記録紙などの記録媒体に向けてインク滴を吐出するノズルと、を備えている。このインクジェット式記録装置では、アクチュエータに駆動信号が送信されると、当該駆動信号に基づいて圧電素子が収縮または伸長する。これにより、圧力室内が膨張収縮して、圧力室内のインクがノズルから吐出される。吐出されたインク滴が記録媒体に着弾することで、当該記録媒体に１ドット（１画素分の打滴）が形成される。

このようなインクジェット式記録装置では、１つの駆動パルスで安定的に吐出することができる１液滴の液量に限界がある。そこで、階調的な印刷を実現するために従来から様々な検討がなされている。例えば特許文献１には、マルチドット方式によってドットの大きさを調整するインク吐出ヘッドの駆動方法が開示されている。マルチドット方式では、１ドットを形成するための１液滴吐出周期内に複数の駆動パルスを含んだ駆動信号を生成する。そして、上記複数の駆動パルスの中からドットのサイズに応じて１つあるいは２つ以上の駆動パルスを選択し、インク吐出ヘッドを駆動するためのアクチュエータに供給する。例えば相対的に大きなドットは、１液滴吐出周期内で時系列的に２つ以上のインク滴を吐出させ、これらを記録媒体に着弾する前にマージ（合体）させることで形成することができる。

特開平１０−８１０１２号公報

しかしながら、上記構成のインク吐出装置では、ノズルからインク滴（主滴）を吐出した後に、主滴からノズルのインク液面を形成するメニスカスへとつながる尾引き（サテライト）が生じることがある。このサテライトが主滴から分離すると、サテライト滴となって飛翔し、記録媒体上の主滴と離れた位置に着弾することがある。また、サテライト滴の速度が遅い場合には気流や空気抵抗などの影響によって運動エネルギーが失われ、インクミスト（無秩序に浮遊する微細なインク滴）となって装置内部や記録媒体を汚すことがある。このため、スループットの向上や印刷ギャップの拡大を図るうえでは、長いサテライト滴やインクミストの発生をより良く抑制することが望まれている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、長いサテライト滴やミストの発生を低減すると共に、所望の大きさの液滴を安定的に吐出することができる液体吐出装置を提供することである。また、他の目的は、上記液体吐出装置を備えたインクジェット式記録装置を提供することである。

本発明に係る液体吐出装置は、液滴を吐出する液体吐出ヘッドと上記液体吐出ヘッドを制御する制御装置とを備える。上記液体吐出ヘッドは、開口が形成された中空のケース本体と、上記ケース本体の上記開口を覆うように上記ケース本体に取り付けられ、上記ケース本体と共に圧力室を区画する振動板と、上記振動板に連結され、上記圧力室を膨張および収縮させるように配設されている圧力発生素子と、上記ケース本体に形成され、上記圧力室と連通し、液体が流出するノズルとを備える。上記制御装置は、１液滴吐出周期内に、上記圧力室を膨張および収縮させることにより第１の液滴を吐出するための第１駆動パルスと、上記圧力室を膨張および収縮させることにより第２の液滴を吐出するための第２駆動パルスと、を含む駆動信号を生成する駆動信号生成部と、上記駆動信号を上記液体吐出ヘッドの上記圧力発生素子に供給する駆動信号供給部とを備える。上記液体吐出ヘッドのヘルムホルツ固有振動周期をＴｃとしたときに、上記第１駆動パルスは、上記圧力室の膨張している状態が（１／２）×Ｔｃの時間持続されるように構成され、上記第２駆動パルスは、上記第１駆動パルスの開始からｎ×Ｔｃ（ただし、ｎは、ｎ≧２を満たす整数である。）後のタイミングで開始され、上記圧力室の膨張している状態が（１／２）×Ｔｃの時間持続され、上記第２の液滴が上記第１の液滴以上の速さで吐出されるように構成されている。

上記液体吐出装置では、第１駆動パルスおよび第２駆動パルスにおいて、圧力室を（１／２）×Ｔｃのタイミングで膨張状態から収縮に切り替える。これにより、各駆動パルスが、圧力室のヘルムホルツ固有振動を増幅させるように作用する。その結果、液滴の吐出安定性を高めると共に、圧力室の膨張収縮量が増して、より大きな液滴を吐出することができる。上記液体吐出装置ではまた、第２駆動パルス開始のタイミングを第１駆動パルスの開始からｎ×Ｔｃ（ｎ≧２）後とする。これにより、第１の液滴吐出後のメニスカスの引き込み量が適度に低減され、液量の多い大きな第２の液滴を安定的に吐出することができる。上記液体吐出装置ではさらに、第２の液滴が第１の液滴以上の速さで吐出される。このため、第１の液滴と第２の液滴とが的確にマージされる。また、第２の液滴の吐出速度が速められることで、サテライト滴やミストの発生を高度に抑制することができる。以上により、上記液体吐出装置では、例えばスループットの向上や印刷ギャップの拡大を図る場合であっても、所望の大きさのドットを精度よく形成することができる。

また、本発明の他の側面として、上記液体供給装置を備えたインクジェット式記録装置が提供される。このインクジェット式記録装置では、マルチドット方式により、大きなサイズのドットも安定して形成することができる。したがって、例えばドット径やドットの着弾位置のバラつきが少なくなり、印刷品質を向上することができる。また、サテライト滴やミストなどに由来する記録媒体の汚れを低減することができる。

本発明に係る液体吐出装置では、長いサテライト滴やミストの発生を低減すると共に、所望の大きさのドットを安定的に形成することが可能である。このため、例えば大きな液滴を形成する場合の吐出安定性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るインクジェットプリンタの正面図である。 インク吐出装置の構成を示すブロック図である。 インク吐出ヘッドのノズル近傍における部分断面図である。 制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る共通駆動信号である。 第１駆動パルスと、それに対応する圧力室及びノズル近傍のメニスカスの状態を示す説明図である。 実施例に係る共通駆動信号である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る液体吐出装置及びインクジェット式記録装置の実施形態について説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。

まず、インクジェット式記録装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る大判インクジェットプリンタ（以下、プリンタという。）１０の正面図である。プリンタ１０は、インクジェット式記録装置の一例である。なお、図１などにおいて、符号ＬおよびＲは、それぞれ左および右を示している。また、図１において、手前側および奥側は、それぞれ前側および後側である。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、プリンタ１０の設置態様を何ら限定するものではない。

プリンタ１０は、記録媒体である記録紙５に印刷を行うためのものである。なお、記録媒体には、普通紙などの紙類はもちろんのこと、ポリ塩化ビニル（polyvinyl chloride、PVC）やポリエステルなどの樹脂材料、アルミニウム、鉄、木材などの各種の材料からなる記録媒体が含まれる。

プリンタ１０は、プリンタ本体２と、プリンタ本体２に固定されたガイドレール３とを備えている。ガイドレール３は、左右方向に延びている。ガイドレール３には、ダンパー装置１４およびインク吐出ヘッド１５が設けられたキャリッジ１が係合している。キャリッジ１は、キャリッジ移動機構８によって、ガイドレール３に沿って左右方向（走査方向）に往復移動する。キャリッジ移動機構８は、ガイドレール３の左端側および右端側に配置されたローラ１９ｂ、１９ａを有している。ローラ１９ａにはキャリッジモータ８ａが連結されている。なお、キャリッジモータ８ａはローラ１９ｂに連結されていてもよい。ローラ１９ａは、キャリッジモータ８ａによって回転駆動される。両ローラ１９ａ、１９ｂには、それぞれ無端状のベルト６が巻き掛けられている。キャリッジ１はベルト６に固定されている。上記ローラ１９ａ，１９ｂが回転してベルト６が走行すると、キャリッジ１が左右方向に移動する。

プリンタ１０は、例えば家庭用の卓上型プリンタと比べて大きい。このため、解像度との兼ね合いもあるが、スループットを向上する観点から、キャリッジ１の走査速度が速めに設定されることがある。例えば通常の走査速度は、駆動周波数１４ｋＨｚ程度で、概ね６００〜９００ｍｍ／ｓ程度に設定され得る。また、例えば高速動作時には、駆動周波数２０ｋＨｚ程度で、走査速度が、概ね１０００ｍｍ／ｓ以上、例えば１１００〜１２００ｍｍ／ｓに設定され得る。かかる場合、インク滴の吐出間隔がとりわけ短くなる。そのため、ここに開示される技術の適用が殊に効果的である。

記録紙５は、紙送り機構（図示せず）によって、紙送り方向に搬送される。ここでは、紙送り方向は前後方向のことである。プリンタ本体２には、記録紙５を支持するプラテン４が設けられている。プラテン４にはグリッドローラ（図示せず）が設けられている。グリッドローラの上方にはピンチローラ（図示せず）が設けられている。グリッドローラはフィードモータ（図示せず）に連結されている。グリッドローラはフィードモータによって回転駆動される。グリッドローラとピンチローラとの間に記録紙５が挟まれた状態でグリッドローラが回転すると、記録紙５は前後方向に搬送される。

プリンタ本体２は、インクカートリッジ１１を備えている。インクカートリッジ１１はインクを貯留するタンクである。図１に示す態様では、複数のインクカートリッジ１１Ｃ、１１Ｍ、１１Ｙ、１１Ｋ、１１Ｗが、プリンタ本体２に着脱自在に装着されている。インクカートリッジ１１Ｃには、シアンインクが貯留されている。インクカートリッジ１１Ｍには、マゼンタインクが貯留されている。インクカートリッジ１１Ｙには、イエローインクが貯留されている。インクカートリッジ１１Ｋには、ブラックインクが貯留されている。インクカートリッジ１１Ｗには、ホワイトインクが貯留されている。

プリンタ１０は、各色のインクカートリッジ１１Ｃ、１１Ｍ、１１Ｙ、１１Ｋ、１１Ｗごとに、インク供給システムを備えている。以下では、インクカートリッジ１１Ｃに設けられたインク供給システムを例に、その構成を具体的に説明する。インクカートリッジ１１Ｃのインク供給システムは、インク供給路１２と、送液ポンプ１３と、ダンパー装置１４と、インク吐出ヘッド１５と、制御装置１８とを備えている。インク供給路１２は、インクカートリッジ１１Ｃからインク吐出ヘッド１５へインクを導くインク流路である。インク供給路１２は、例えば樹脂製の変形容易なチューブである。送液ポンプ１３は、インクカートリッジ１１Ｃからインク吐出ヘッド１５に向かってインクを供給する送液装置の一例である。送液ポンプ１３は、インク供給路１２に設けられている。送液ポンプ１３は、例えばトロコイドポンプ式の、所謂、チューブポンプである。送液ポンプ１３は制御装置１８に接続されている。ダンパー装置１４はインク吐出ヘッド１５に連通し、インク吐出ヘッド１５へインクを補給する役割を担う。ダンパー装置１４はまた、インクの圧力変動を緩和して、インク吐出ヘッド１５のインク吐出動作を安定化する役割を担う。

ダンパー装置１４およびインク吐出ヘッド１５はキャリッジ１に搭載され、左右方向に往復移動する。一方、インクカートリッジ１１Ｃはキャリッジ１に搭載されておらず、左右方向に往復移動しない。そのため、キャリッジ１が左右方向に移動した場合にもインク供給路１２が破損しないように、インク供給路１２の大部分は、左右方向に延びた状態で配置されている。なお、本実施形態では５種類のインクを利用しているため、合計５本のインク供給路１２が設けられている。インク供給路１２は、ケーブル類保護案内装置７で覆われている。ケーブル類保護案内装置７とは、例えばケーブルベア（登録商標）である。

プリンタ１０は、インク吐出機構としてのインク吐出装置２０を備えている。図２は、インク吐出装置の構成を示すブロック図である。インク吐出装置２０は、インクを吐出するインク吐出ヘッド１５と、インク吐出ヘッド１５の動作を制御する制御装置１８とを備えている。

インク吐出ヘッド１５は、記録紙５に印刷を行うためのものである。具体的には、インク吐出ヘッド１５は、記録紙５に向かって所定の大きさのインク滴を吐出して、記録紙５上にドットを形成するものである。インク吐出ヘッド１５は、記録紙５と対向する側の面に、インクを吐出するための複数のノズル２５（図３参照）を備えている。複数のノズル２５は、ドット形成密度に対応した所定のピッチ（例えば３６０ｄｐｉ）で配列されている。インク吐出ヘッド１５は、液体吐出ヘッドの一例である。

図３は、インク吐出ヘッド１５の１つのノズル２５近傍における部分断面図である。図３に示すように、インク吐出ヘッド１５は、開口２１ａを有する中空構造のケース本体２１と、当該開口２１ａを覆うようにケース本体２１に取り付けられた振動板２２とを備えている。ケース本体２１と振動板２２とに囲まれた領域が圧力室２３である。振動板２２は、圧力室２３の一部を仕切っている。ケース本体２１は、典型的には樹脂製である。振動板２２は、圧力室２３の内側および外側に弾性変形可能なものであればよい。なお、ここで圧力室２３の内側、外側とは、図３の上側、下側をそれぞれ意味する。振動板２２は、典型的には樹脂フィルムである。

ケース本体２１の一面（図３の左側の面）には、インクが流入するインク流入口２４が形成されている。なお、インク流入口２４は圧力室２３とつながっていればよく、インク流入口２４の位置は何ら限定されない。インク流入口２４は、インクカートリッジ１１Ｃと連通されている。圧力室２３には、インク流入口２４を通じてインクが供給され、一時的に所定量のインクが貯留される。ケース本体２１の下面２１ｂには、インクを吐出するノズル２５が形成されている。ノズル２５は記録紙５に向かってインク滴を吐出する。ノズル２５内部のインクの液面（自由表面）がメニスカス２５ａを形成している。

圧力室２３は、ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃを有している。ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃは、圧力室２３を構成する各構成要素、例えばケース本体２１や振動板２２の材質や大きさ、形状、構成部材の配置位置、ノズル２５の開口面積、インクの物性（例えば粘度）などによって一義的に特定される。ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃは、インク吐出時のインク吐出ヘッド１５に固有の振動周期である。ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃは、例えば数μｓ〜数十μｓ程度の振動周期である。インク滴を吐出した後の圧力室２３には、この振動周期をもった残留振動が生じることとなる。

振動板２２の圧力室２３と反対側の面には、圧電素子２６が当接されている。圧電素子２６の一端は、固定部材２９に固定されている。圧電素子２６は、アクチュエータの一種である。圧電素子２６は、フレキシブルケーブル２７を介して制御装置１８に接続されている。圧電素子２６には、フレキシブルケーブル２７を介して駆動信号などが供給される。本実施形態において、圧電素子２６は、圧電材料と導電層を交互に積層した積層体である。圧電素子２６は、制御装置１８から与えられる駆動信号に基づいて膨張および収縮し、振動板２２を圧力室２３の外側および内側に弾性変形させるように機能する。ここでは、縦振動モードのピエゾ素子（ＰＺＴ）を採用している。縦振動モードのＰＺＴは、上記積層方向に伸縮自在であり、例えば放電すると収縮し、充電すると伸長するようになっている。ただし、圧電素子２６の形式は特に限定されない。また、アクチュエータは圧電素子２６に限定されない。

このような構成のインク吐出ヘッド１５では、例えば圧電素子２６の電位を中間電位から下降させることによって、圧電素子２６が収縮する。すると、これに追従して振動板２２が初期位置から圧力室２３の外側に弾性変形し、圧力室２３が膨張する。なお、圧力室２３が膨張するとは、振動板２２の変形により圧力室２３の容積が大きくなることをいう。次いで、圧電素子２６の電位を上昇させることによって、圧電素子２６が積層方向に伸長する。これにより、振動板２２が圧力室２３の内側に弾性変形し、圧力室２３が収縮する。なお、圧力室２３が収縮するとは、振動板２２の変形により圧力室２３の容積が小さくなることをいう。このような圧力室２３の膨張および収縮により、圧力室２３内の圧力が変動する。この圧力室２３内の圧力変動によって圧力室２３内のインクが加圧され、インク滴となってノズル２５から吐出される。その後、圧電素子２６の電位を中間電位に戻すことにより、振動板２２が初期位置に復帰して、圧力室２３が膨張する。このとき、インク流入口２４から圧力室２３内にインクが流入する。本実施形態では、図３のような圧電素子２６を備えるインク吐出ヘッド１５において、１つのドットを形成するために予め設定された単位周期（１液滴吐出周期）内で２つのインク滴（第１インク滴と第２インク滴）を連続的に吐出する。

制御装置１８は、キャリッジ移動機構８のキャリッジモータ８ａと、紙送り機構のフィードモータと、送液ポンプ１３と、インク吐出ヘッド１５とに接続されている。制御装置１８は、これらの動作を制御している。制御装置１８は、典型的にはコンピュータである。制御装置１８は、例えば、ホストコンピュータ等の外部機器からの印刷データ等を受信するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）と、制御プログラムの命令を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵが実行するプログラムを格納したＲＯＭと、プログラムを展開するワーキングエリアとして使用されるＲＡＭと、上記プログラムや各種データを格納するメモリなどの記憶装置（記録媒体）とを備えている。

図４は、制御装置１８の構成を示すブロック図である。制御装置１８は、キャリッジ移動機構８のキャリッジモータ８ａや紙送り機構のフィードモータなどを制御するモータ制御部４０と、送液ポンプ１３の起動と停止などを制御するポンプ制御部４２と、インク吐出ヘッド１５の圧電素子２６への駆動信号の供給制御などを行うヘッド制御部４４とを備えている。各制御部４０、４２、４４は、相互に連携して動作する。

ヘッド制御部４４は、駆動信号生成部５０と、駆動信号供給部６０とを備えている。駆動信号生成部５０は、印刷データに基づいて階調データを生成する。駆動信号供給部６０は、駆動信号生成部５０で生成された階調データに基づいて、複数の駆動パルスを含む共通駆動信号のなかから１つまたは２つ以上の駆動パルスを選択して圧電素子２６に供給する。このとき、駆動パルスの全部又は一部を選択することによって、例えば、大ドット、中ドット、小ドットなど、大きさの異なるドットを印刷することができる。

駆動信号生成部５０は、メイン生成回路５２と、駆動信号発生回路５４と、発振回路５６とを有する。発振回路５６は、転送クロック信号ＣＫを発生させる。駆動信号発生回路５４は、１液滴吐出周期Ｐａに複数の駆動パルスを含んだ所定の共通駆動信号ＣＯＭを発生させる。共通駆動信号ＣＯＭは、ＲＯＭに格納されている駆動波形のパターンデータである。駆動パルスは、インク吐出ヘッド１５のノズル２５から所定量のインク滴を吐出させるためのパルス波形、あるいはノズル２５からインク滴を吐出させない程度にメニスカス２５ａを微小振動させるためのパルス波形である。なお、共通駆動信号ＣＯＭの詳細については後述する。駆動信号発生回路５４は、１液滴吐出周期Ｐａ毎に共通駆動信号ＣＯＭを繰り返し発生させる。

メイン生成回路５２には、外部機器から印刷データが入力される。印刷データは、例えば、キャラクタコード、グラフィック関数、イメージデータなどで表されるものである。入力された印刷データは、ＣＰＵによってドットパターンに対応した階調データに展開される。展開された階調データはＲＡＭに一時的に記憶される。１走査に相当する１行分の階調データＳＩが得られると、当該階調データＳＩは、クロック信号ＣＫと共に駆動信号供給部６０に出力される。

駆動信号供給部６０は、シフトレジスタ回路６２と、ラッチ回路６４と、レベルシフタ６６と、スイッチ回路６８とを有する。シフトレジスタ回路６２には、クロック信号ＣＫと同期した階調データＳＩが入力される。ラッチ回路６４には、１液滴吐出周期Ｐａの開始のタイミングΔＴを規定するラッチ信号ＬＡＴが入力される。ラッチ信号ＬＡＴが入力されると、ラッチ回路６４は階調データＳＩをラッチする。ラッチされた階調データＳＩは、例えば「１」「０」の２ビットの階調データとしてレベルシフタ６６に入力される。レベルシフタ６６は、電圧増幅器として機能するものである。レベルシフタ６６は、例えば階調データが「１」の場合には、数十ボルト程度に昇圧された電気信号をスイッチ回路６８に出力する。スイッチ回路６８には、共通駆動信号ＣＯＭが入力される。スイッチ回路６８が作動されると、共通駆動信号ＣＯＭ中の任意の駆動パルスが選択され、圧電素子２６に供給される。スイッチ回路６８は、圧電素子２６と連結されている。圧電素子２６は上記駆動パルスの波形に応じて膨張または収縮し、この動きに基づいてノズル２５からインク滴が吐出される。一方、階調データが「０」の場合には、レベルシフタ６６からスイッチ回路６８を作動させる電気信号が遮断される。このため、圧電素子２６には駆動パルスが供給されない。あるいは、インク滴を吐出させない程度の微小振動のパルスを供給するようにしてもよい。

次に、共通駆動信号ＣＯＭについて説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る共通駆動信号である。図５の共通駆動信号は、１液滴吐出周期Ｐａにおいて、第１駆動パルスＰ１と、第２駆動パルスＰ２とを含んでいる。各駆動パルスＰ１、Ｐ２は、それぞれ、圧電素子２６の電位を降下させて圧力室２３を膨張させる放電波形Ｔ１１、Ｔ２１と、降下させた電位を所定の時間維持して圧力室２３の膨張している状態を保持する放電維持波形Ｔ１２、Ｔ２２と、圧電素子２６の電位を上昇させて圧力室２３を収縮させる充電波形Ｔ１３、Ｔ２３と、を含む台形状の波形を有している。

本実施形態では、（１）各駆動パルスＰ１、Ｐ２の放電時間（放電と放電維持の合計時間）が、それぞれ、インク吐出ヘッド１５のヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃの１／２に設定され、（２）第２駆動パルスＰ２の駆動の開始タイミングΔＴが、第１駆動パルスＰ１の開始からｎ×Ｔｃ（ｎ≧２）後に設定され、且つ、（３）第２駆動パルスＰ２によって吐出される第２インク滴が第１駆動パルスＰ１によって吐出される第１インク滴以上の速さになるように設定されている。これについて、以下に詳しく説明する。

第１駆動パルスＰ１は、中間電位Ｖｃの状態からスタートし、第１最小電位Ｖｌまで一定の勾配で下降し（放電波形Ｔ１１参照）、第１最小電位Ｖｌを所定の時間維持する（放電維持波形Ｔ１２参照）。ここで、放電波形Ｔ１１の開始時間をｔ０とし、放電維持波形Ｔ１２の終了時間をｔ１としたときに、ｔ０とｔ１とは、次式（１）：ｔ１−ｔ０＝（１／２）×Ｔｃ；を満たすように設定されている。第１駆動パルスＰ１の電位は、その後、中間電位Ｖｃまで一定の勾配で上昇し（充電波形Ｔ１３参照）、これによってノズル２５から第１インク滴が吐出される。第１駆動パルスＰ１の後、中間電位Ｖｃは、所定の時間維持される（中間電位維持波形Ｔ１４参照）。

上記式（１）を満たすことの効果について説明する。図６（ａ），（ｂ）には、第１駆動パルスＰ１と、それに対応する圧力室２３の状態を示している。図６（ａ）に示すように、圧電素子２６は、放電によって電圧値が下降すると収縮し、充電によって電圧値が上昇すると伸長する。圧力室２３は、圧電素子２６が収縮すると膨張し、圧電素子２６が伸長すると収縮する。このため、上記式（１）におけるｔ１−ｔ０は、圧力室２３の膨張状態を維持する時間を表している。圧電素子２６の収縮によって、圧力室２３には、図６（ｂ）に破線で示すような固有振動周期Ｔｃのヘルムホルツ固有振動が生じる。ここで、上記式（１）を満たすタイミングで圧電素子２６を収縮状態から伸長状態へと切り替えることにより、図６（ｂ）に実線で示すように、圧力室２３のヘルムホルツ固有振動の振幅を増大させることができる。このように圧力室２３の膨張収縮をヘルムホルツ固有振動に同期させることで、インク吐出を安定化させると共に、より小さい駆動電圧で相対的に大きなインク滴を吐出することができる。その結果、記録紙５上に大きなドットを精度よく形成することができる。

第２駆動パルスＰ２は、第１駆動パルスＰ１の開始からｎ×Ｔｃ後（ただし、ｎ≧２）のタイミングΔＴで開始される。これにより、第２駆動パルスＰ２の動作をヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃに同期させることができ、インク吐出を安定化させることができる。つまり、第２駆動パルスＰ２の開始のタイミングを、例えば｛ｎ＋（１／２）｝×Ｔｃとした場合には、ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃで圧力室２３が収縮し始めるタイミングで圧力室２３の膨張が開始されることになる。すると、第２駆動パルスＰ２の駆動信号とヘルムホルツ固有振動の位相に背反を生じ、第２駆動パルスＰ２の駆動信号が、ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃで膨張している圧力室２３の振動を打ち消す（キャンセルする）ような動作となる。このため、メニスカス２５ａが不安定となる。その結果、第２インク滴は十分な飛翔速度が得られず、また、液滴を形成するほどの十分な液量も得られず、ミストが発生し易くなる。そこで、ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃで振動している圧力室２３が膨張し始めるタイミングで第２駆動パルスＰ２を開始する。これにより、ヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃで膨張している圧力室２３の振動を打ち消す（キャンセルする）動作が防止され、吐出安定性を向上することができる。その結果、記録紙５上の所定の位置に安定した大きさのドットを形成することができる。したがって、高品質の画像記録を実現することができる。

なお、本明細書において「ｎ×Ｔｃ」とは、理論上のｎ×Ｔｃに厳密に一致する場合に限らず、Ｔｃの揺らぎや誤差などを許容し得るものである。例えば、「ｎ×Ｔｃ」は、理論上のｎ×Ｔｃ−（１／８）×Ｔｃ〜ｎ×Ｔｃ＋（１／８）×Ｔｃの範囲内の値であってよく、好ましくは理論上のｎ×Ｔｃ−（１／１０）×Ｔｃ〜ｎ×Ｔｃ＋（１／１０）×Ｔｃの範囲内の値である。

上記第２駆動パルスＰ２の開始のタイミングを、第１駆動パルスＰ１の開始から２Ｔｃ以降、つまり、ｎ≧２とする効果について説明する。第１インク滴を吐出した後の圧力室２３には、圧電素子２６の圧力変動が残留する。これにより、ノズル２５のメニスカス２５ａは、圧力室２３の側に大きく引き込まれた状態となる。メニスカス２５ａは、ノズル２５の開口部の側へ継時的に回復し、上記引き込み量が少しずつ減少する。図６（ｃ）には、第１駆動パルスＰ１の開始からＴｃ経過後および２Ｔｃ経過後のメニスカス２５ａの状態を示している。ここで、メニスカス２５ａの引き込み量が大きなＴｃ後の状態で第２駆動パルスＰ２を開始すると、第１インク滴吐出後から第２インク吐出開始までの時間間隔が短いため、所謂、引きうちの状態となり、第２インク滴の液量が少なくなってしまう。また、ノズル２５近傍の流路抵抗が増大して、第２インク滴の吐出後にサテライトの速度が低下し易くなる。その結果、ミストが発生し易くなる。

第２駆動パルスＰ２の開始を２Ｔｃ以降（つまりｎ≧２）とすることで、メニスカス２５ａがノズル２５の開口部の側に所定量以上回復した状態で、第２インク滴を吐出することができる。したがって、Ｔｃ経過後に第２駆動パルスＰ２を開始する場合と比べて、第２インク滴の液量を大きくすることができる。また、第１駆動パルスＰ１と第２駆動パルスＰ２との間隔が広がり、第１駆動パルスＰ１によって増大した圧力室２３のヘルムホルツ振動が時間経過により収束してゆく。このため、圧力室２３の収縮度合いが小さくなり、ノズル２５を通過する単位時間当たりのインク量が減る。その結果、ノズル２５近傍の流路抵抗も小さくなり、サテライトの速度を上昇させることができる。これにより、サテライト滴やミストの発生を抑制すると共に、第１インク滴と同等かそれ以上の吐出量で第２インク滴を安定的に吐出することができる。

上記ｎの数の上限は、例えば印刷速度等にも依るため特に限定されない。ここで、印刷速度とは、単位時間あたりに印刷する記録紙５の領域の面積を意味し、例えばキャリッジ１の走査速度などに依存するものである。印刷速度は、プリンタ１０が実現可能な最高速度であってもよいし、通常印刷時の速度などであってもよい。例えば高速印刷モードでは、印刷速度の遅い場合に比べて、短いリードタイムで圧力室２３の膨張収縮が行われる。このため、印刷速度を速めてスループットを向上する点からは、ｎの数は小さい方が好ましいが、一方、第２インク滴の吐出速度を確保して吐出を安定化させるためには、メニスカス２５ａが圧力室２３の側に大きく引き込まれていない状態で第２インク滴を吐出させることが好ましい。したがって、例えば図１に示すような業務用の大判プリンタの場合にあっては、ｎの数は、概ね１０以下、典型的には７以下、好ましくは５以下、より好ましくは３以下、特にはｎ＝２であるとよい。

第２駆動パルスＰ２は、中間電位Ｖｃの状態からスタートし、第１最小電位Ｖｌまで一定の勾配で下降し（放電波形Ｔ２１参照）、第１最小電位Ｖｌを所定の時間維持する（放電維持波形Ｔ２２参照）。本実施形態では、放電波形Ｔ１１と放電波形Ｔ２１とは等しく、放電維持波形Ｔ１２と放電維持波形Ｔ２２とは等しい。つまり、第１駆動パルスＰ１と第２駆動パルスＰ２とは、放電時間と放電到達電位と放電維持時間とが、それぞれ等しく設定されている。ここで、放電波形Ｔ２１の開始時間をｔ２とし、放電維持波形Ｔ２２の終了時間をｔ３としたときに、ｔ２とｔ３とは、次式（２）：ｔ３−ｔ２＝（１／２）×Ｔｃ；を満たすように設定されている。この効果については、上記式（１）の場合と同じである。その結果、第２駆動パルスＰ２では、第１駆動パルスＰ１に比べて一層効率的に圧力室２３を膨張させることができる。第２駆動パルスＰ２の電位は、その後、第１最大電位Ｖｈ１まで一定の勾配で上昇し（充電波形Ｔ２３参照）、これによって第２インク滴が吐出される。この第１最大電位Ｖｈ１は所定の時間維持される（第１最大電位維持波形Ｔ２４参照）。

第２駆動パルスＰ２の充電波形Ｔ２３における電位の変化量（Ｖｈ１−Ｖｌ）は、第１駆動パルスＰ１の充電波形Ｔ１３における電位の変化量（Ｖｃ−Ｖｌ）よりも大きく設定されている。これにより、第２インク滴は、第１インク滴と同等以上のスピードで吐出されるようになっている。例えばインク吐出ヘッド１５と記録紙５との間の距離やキャリッジ１の走査速度などにも依るため特に限定されないが、本実施形態では、（Ｖｈ１−Ｖｌ）＝１．５（Ｖｃ−Ｖｌ）程度に設定され、第２インク滴が第１インク滴の概ね１．２倍程度のスピードで吐出されるようになっている。これにより、第１インク滴と第２インク滴とを記録紙５上に着弾する前に（言い換えると飛翔中に）的確にマージする。また、長いサテライト滴やミストの発生をより良く抑制することもできる。特に限定されないが、メニスカス２５ａの振動を小さく抑える観点からは、（Ｖｈ１−Ｖｌ）が、概ね（Ｖｃ−Ｖｌ）の３倍以下、例えば２倍以下であるとよい。

本実施形態では、第２駆動パルスＰ２の電位がさらに第２最大電位Ｖｈ２まで一定の勾配で上昇し（充電波形Ｔ２５参照）、第２最大電位Ｖｈ２を所定の時間維持した後（充電維持波形Ｔ２６参照）、中間電位Ｖｃまで一定の勾配で下降する（放電波形Ｔ２７参照）。波形Ｔ２５〜Ｔ２７による台形状の波形は、ヘルムホルツ振動と逆位相の波形を有する。このため、メニスカス２５ａの運動エネルギーを低減して、第２インク滴吐出後の残留振動を効果的に減衰させることができる。その結果、次の液滴吐出周期Ｐａにおける第１駆動パルスＰ１が開始される前に、圧力室２３およびメニスカス２５ａを安定化させることができる。これにより、吐出されるインク滴の大きさや速度をより良く均質化することができ、より品質の高い（つまり、ドットのバラつきが少ない）印刷を実現することができる。

次に、プリンタ１０の動作について説明する。ユーザーによってプリンタ１０が起動されると、制御装置１８は印刷開始準備を行う。具体的には、制御装置１８のＲＯＭからインク吐出ヘッド１５の特性を表す各種データ（例えばヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃ）が読み出される。制御装置１８はまた、圧電素子２６の電位を中間電位まで降下させて、圧力室２３を微小に膨張させる。インク吐出ヘッド１５は、この状態で制御装置１８から駆動信号が送られるまで待機する。

ユーザーによってプリンタ１０の印刷動作が指示されると、制御装置１８のモータ制御部４０が紙送り機構のフィードモータを駆動する。これにより、記録紙５が搬送され、所定の印刷位置に配置される。制御装置１８のモータ制御部４０は、キャリッジ移動機構８のキャリッジモータ８ａを駆動する。制御装置１８は、キャリッジ１を走査方向（図１の左右方向）に移動させながらインク吐出ヘッド１５を駆動する。より詳しくは、インク吐出ヘッド１５の圧電素子２６に駆動パルスを入力する。これにより、圧電素子２６が駆動パルスに応じた膨張収縮を引き起こし、圧力室２３内に圧力変化が生じる。その結果、所定の液量をもったインク滴がノズル２５から所定の速度で吐出される。例えば１液滴吐出周期内に第１駆動パルスと第２駆動パルスとを含む駆動信号が圧電素子２６に供給されると、まず第１駆動パルスによって第１インク滴が吐出され、次に第２駆動パルスによって第２インク滴が吐出される。２つのインク滴は記録紙５に着弾する前に空中でマージし、マージ滴の状態で記録紙５上に着弾して１ドットを形成する。

１行分の印刷がなされると、紙送り機構のフィードモータが駆動され、記録紙５が次の行の印刷位置に配置される。このような動作を繰り返し、プリンタ１０は所定の印刷を終える。圧電素子２６に駆動パルスに入力されなくなると、制御装置１８は圧電素子２６の電位を０とする。

以下、図７を参照しながら、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。

図７に示す駆動信号は、１液滴吐出周期Ｐａ内に、液滴を吐出させる駆動パルスＰ１、Ｐ２を時系列で生成し、第１駆動パルスＰ１と第２駆動パルスＰ２との間に、微小振動のパルスＰｍを挟んだ駆動波形である。この実施態様において、各設定値は以下の通りである。

・インク吐出ヘッドのヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃ＝６μｓ
・第１駆動パルスＰ１：Ｔｆｌ＝Ｔｒｌ＝１μｓ、Ｐｗ１＝２．２５μｓ、Ｔｆｌ＋Ｐｗ１＝３．２５μｓ（＝０．５４Ｔｃ）
・第２駆動パルスＰ２：Ｔｆ２＝Ｔｒ２＝Ｔｆ３＝Ｔｒ３＝１μｓ、Ｐｗ２＝２．２５μｓ、Ｐｗ３＝Ｐｗ４＝３μｓ、Ｔｆ２＋Ｐｗ２＝３．２５μｓ（＝０．５４Ｔｃ）
・ΔＴ：第１駆動パルスＰ１の開始から２Ｔｃ後（１２μｓ後）
・Ｖｌ＝Ｔｆ１の放電到達電位＝Ｔｆ２の放電到達電位
・微小振動の駆動パルスＰｍ：Ｔｆｍ＝Ｔｒｍ＝１μｓ、Ｐｗｍ＝０．５μｓ

このとき、駆動周波数２１．０ｋＨｚで、キャリッジ１の走査速度を１１８５ｍｍ／ｓとすると、インク吐出時には、１画素あたり凡そ１０ｎｇのドットを形成することができる。一方、インク非吐出時には、インク滴を吐出させない程度にメニスカス２５ａを微小振動させて、圧力室２３内のインクを撹拌することができる。

以上、本実施形態のプリンタ１０では、１液滴吐出周期Ｐａ内に含まれる２つの駆動パルスＰ１，Ｐ２の放電時間（圧力室２３を膨張させる期間）を、インク吐出ヘッド１５のヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃの１／２に設定している。これにより、各駆動パルスＰ１、Ｐ２が圧力室２３の膨張収縮振動を増幅させることができる。その結果、インク滴の吐出を安定化すると共に、大きなインク滴を吐出することができる。プリンタ１０ではまた、第２駆動パルスＰ２の駆動の開始タイミングΔＴを、第１駆動パルスＰ１の開始からｎ×Ｔｃ（ｎ≧２）後に設定している。これにより、第１インク滴吐出後の圧力室２３の残留振動を抑えて、メニスカスを安定させた状態で第２インク滴を吐出することができる。プリンタ１０ではさらに、第２インク滴が第１インク滴以上の速さで吐出される。これにより、第２インク滴吐出後のサテライトを短くすることができる。その結果、印刷品質の低下につながるサテライト滴やミストの発生を抑制することができる。したがって、プリンタ１０では、インクの吐出安定性が向上し、印刷品質を向上することができる。

本実施形態では、第１駆動パルスＰ１が、中間電位Ｖｃから所定の第１最小電位Ｖｌまで下降する放電波形Ｔ１１と、第１最小電位Ｖｌを所定の時間維持する放電維持波形Ｔ１２とを含み、放電波形Ｔ１１と放電維持波形Ｔ１２との合計時間（ｔ１−ｔ０）が、（１／２）×Ｔｃと等しくなっている。第２駆動パルスＰ２も同様に、中間電位Ｖｃから所定の第１最小電位Ｖｌまで下降する放電波形Ｔ２１と、第１最小電位Ｖｌを所定の時間維持する放電維持波形Ｔ２２とを含み、放電波形Ｔ２１と放電維持波形Ｔ２２との合計時間（ｔ３−ｔ２）が、（１／２）×Ｔｃと等しくなっている。このように放電維持波形を含むことにより、圧力室２３を安定的に膨張収縮させることができる。

本実施形態では、第１駆動パルスＰ１が、第１最小電位Ｖｌから中間電位Ｖｃまで上昇する充電波形Ｔ１３を含む。また、第２駆動パルスＰ２が、第１最小電位Ｖｌから中間電位Ｖｃを超えて所定の第１最大電位Ｖｈ１まで上昇する充電波形Ｔ２３を含む。つまり、電位の変化量が、充電波形Ｔ２３＞充電波形Ｔ１３である。これにより、第２インク滴が第１インク滴よりも速い速度で吐出され、第１インク滴と第２インク滴とが飛翔中にマージする。また、印刷品質の低下につながるサテライト滴やミストの発生を、より良く抑制することができる。

本実施形態では、第２駆動パルスＰ２が、さらに、第１最大電位Ｖｈ１から所定の第２最大電位Ｖｈ２まで上昇する充電波形Ｔ２５と、上記第２最小電位を所定の時間維持する充電維持波形Ｔ２６と、第２最大電位から中間電位Ｖｃまで下降する放電波形Ｔ２７とを含む。これにより、圧力室２３内の残留振動を効果的に減衰させることができる。したがって、圧力室２３を安定化させた状態で、次の液滴吐出周期Ｐａにおける第１駆動パルスＰ１を吐出することができる。

本実施形態では、第２駆動パルスＰ２の駆動の開始タイミングΔＴを、第１駆動パルスＰ１の開始からｎ×Ｔｃ（ｎは、好ましくはｎ＝２〜５、特にはｎ＝２）後に設定している。これにより、印刷速度を速めてスループットを向上することができる。また、インク滴の吐出速度を確保して、吐出を一層安定化させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明した。しかし、上述の実施形態は例示に過ぎず、本発明は他の種々の形態で実施することができる。

例えば、上記した実施形態では、圧力発生素子が縦振動モードの圧電素子であったが、これには限定されない。圧力発生素子は例えば磁歪素子等であってもよい。また、圧電素子は横振動モードであってもよい。

また、各駆動パルスの充放電時間や充放電到達電位の値は、放電時間（圧力室２３を膨張させる期間。つまり、放電時間と放電維持時間との合計。）がヘルムホルツ固有振動周期Ｔｃのほぼ１／２であり、且つ、第２の液滴が第１の液滴以上の速さで吐出される限りにおいて、任意に設定することができる。例えば、上記した実施形態において、第１駆動パルスＰ１および第２駆動パルスＰ２は、放電時間と放電到達電位と放電維持時間とが、それぞれ等しく設定されていたが、これには限定されない。放電時間は、Ｐ１の方が長くてもよく、Ｐ２の方が長くてもよい。また、放電到達電位は、Ｐ１の方が低くてもよく、Ｐ２の方が低くてもよい。典型的には、放電時間が長いほど放電維持時間は短くなる傾向にある。また、上記した実施形態では、第２駆動パルスＰ２がヘルムホルツ振動と逆位相の波形Ｔ２５〜Ｔ２７を含んでいたが、これらは含んでいなくてもよい。

また、上記した実施形態では、液体がインクであったが、これには限定されない。液体は、例えば樹脂材料や、溶質と溶媒とを含む各種液状組成物（例えば洗浄液）などであってもよい。

また、上記した実施形態では、液体吐出ヘッドがインクジェット式記録装置に搭載されるインク吐出ヘッド１５であったが、これには限定されない。液体吐出ヘッドは、例えばインクジェット方式を採用する種々の製造装置や、マイクロピペットなどの計測器具などに搭載し、各種用途で使用可能である。

１５ インク吐出ヘッド（液体吐出ヘッド）
１８ 制御装置
２０ インク吐出装置（液体吐出装置）
２１ ケース本体
２２ 振動板
２３ 圧力室
２４ インク流入口
２５ ノズル
２５ａ メニスカス
２６ 圧電素子（圧力発生素子）
２７ フレキシブルケーブル

Claims (7)

1. 液滴を吐出する液体吐出ヘッドと前記液体吐出ヘッドを制御する制御装置とを備える液体吐出装置であって、
   前記液体吐出ヘッドは、
   開口が形成された中空のケース本体と、
   前記ケース本体の前記開口を覆うように前記ケース本体に取り付けられ、前記ケース本体と共に圧力室を区画する振動板と、
   前記振動板に連結され、前記圧力室を膨張および収縮させるように配設されている圧力発生素子と、
   前記ケース本体に形成され、前記圧力室と連通し、液体が流出するノズルと、
   を備え、
   前記制御装置は、
   １液滴吐出周期内に、前記圧力室を膨張および収縮させることにより第１の液滴を吐出するための第１駆動パルスと、前記圧力室を膨張および収縮させることにより第２の液滴を吐出するための第２駆動パルスと、を含む駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記駆動信号を前記液体吐出ヘッドの前記圧力発生素子に供給する駆動信号供給部と、
   を備え、
   前記第１駆動パルスは、中間電位Ｖｃから第１最小電位Ｖｌまで一度に下降する第１電位下降波形と、前記第１最小電位Ｖｌから前記中間電位Ｖｃまで一度に上昇する電位復帰波形と、を含み、
   前記第２駆動パルスは、前記第１電位下降波形と、前記第１最小電位Ｖｌから前記中間電位Ｖｃを超えて第１最大電位Ｖｈ１まで一度に上昇する第１電位上昇波形と、を含み、
   前記第１最大電位Ｖｈ１と、前記第１最小電位Ｖｌと、前記中間電位Ｖｃとが、次の関係：（Ｖｈ１−Ｖｌ）＝１．５（Ｖｃ−Ｖｌ）；を満たし、
   前記液体吐出ヘッドのヘルムホルツ固有振動周期をＴｃとしたときに、
   前記第１駆動パルスは、前記圧力室の膨張している状態が（１／２）×Ｔｃの時間持続されるように構成され、
   前記第２駆動パルスは、前記第１駆動パルスの開始からｎ×Ｔｃ（ただし、ｎは、ｎ≧２を満たす整数である。）後のタイミングで開始され、前記圧力室の膨張している状態が（１／２）×Ｔｃの時間持続され、前記第２の液滴が前記第１の液滴以上の速さで吐出されるように構成されている、液体吐出装置。
2. 前記第１駆動パルスおよび前記第２駆動パルスは、それぞれ、前記第１最小電位Ｖｌを第２の時間維持する第１最小電位維持波形をさらに含み、
   前記第１電位下降波形の時間を第１の時間としたときに、前記第１の時間と前記第２の時間との合計時間が、（１／２）×Ｔｃと等しいように構成されている、請求項１に記載された液体吐出装置。
3. 前記第２駆動パルスは、さらに、
   前記第１最大電位Ｖｈ１を所定の時間維持する第１最大電位維持波形と、
   前記第１最大電位Ｖｈ１から第２最大電位Ｖｈ２まで上昇する第２電位上昇波形と、
   前記第２最大電位Ｖｈ２を所定の時間維持する第２最大電位維持波形と、
   前記第２最大電位Ｖｈ２から前記中間電位Ｖｃまで下降する電位復帰波形と、
   を含む、請求項１または２に記載された液体吐出装置。
4. 前記第２の液滴が前記第１の液滴よりも速く吐出されるように構成されている、請求項１から３までの何れか一つに記載された液体吐出装置。
5. 前記ｎは、ｎ≦５を満たすように構成されている、請求項１から４までの何れか一つに記載された液体吐出装置。
6. 前記ｎは２である、請求項５に記載された液体吐出装置。
7. 請求項１から６までの何れか一つに記載された液体吐出装置を備えたインクジェット式記録装置。

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