JPWO2015002220A1 - インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ - Google Patents

インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ Download PDF

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Abstract

圧力式のインクジェットヘッド（２１）のインク供給口（５１）・（５２）の流路抵抗は、互いに異なる。駆動回路（４６）は、インクの非吐出時に、インク吐出用とは異なるインク循環用の駆動信号を生成してアクチュエータ（３２）に印加する。アクチュエータ（３２）は、インク循環用の駆動信号に基づく駆動により、圧力室（３１ａ）へのインクの引込時と圧力室（３１ａ）からのインクの排出時とで、各インク供給口（５１）・（５２）を流れるインクの流量を異ならせて、圧力室（３１ａ）内のインクを循環させる。

Description

本発明は、アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与して、圧力室からインクを吐出させる圧力式のインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。
従来から、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、圧力式のアクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形など）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。
圧電式のアクチュエータには、セラミックタイルのように焼成するバルク状の圧電体を用いたものと、基板に成膜する薄膜の圧電体（圧電薄膜）を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴量は大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度（小液滴で良い）で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。なお、圧電式のアクチュエータにおいて、圧電薄膜を用いるか、バルク状の圧電体を用いるかは、用途に応じて選択すればよい。
図１５は、従来の圧電式のアクチュエータ１０１を備えたインクジェットヘッド２００の概略の構成を示す平面図およびＡ−Ａ’線矢視断面図である。インクジェットヘッド２００は、圧力室１００ａを有するヘッド基板１００の一方の面側にアクチュエータ１０１を配置し、他方の面側にノズル基板１０２を配置して構成されている。ノズル基板１０２には、液滴量を制御するためのノズル孔１０２ａが形成されている。ノズル孔１０２ａは圧力室１００ａと連通している。
アクチュエータ１０１は、ヘッド基板１００側から順に、振動板（従動膜）２０１、絶縁層２０２、下部電極２０３、圧電体層２０４、上部電極２０５を積層して構成されている。下部電極２０３および上部電極２０５は、駆動回路２０６と接続されている。また、図示しない貯蔵室から圧力室１００ａにインクを供給するためのインク供給口３０１が、振動板２０１および絶縁層２０２を貫通して形成されている。このインク供給口３０１は、ヘッド基板１００において圧力室１００ａと並んで形成された副室１００ｂを介して圧力室１００ａと連通している。
上記の構成において、下部電極２０３および上部電極２０５に駆動回路２０６から電圧を印加すると、圧電体層２０４が厚さ方向に垂直な方向（ヘッド基板１００の面に平行な方向）に伸縮する。そして、圧電体層２０４と振動板２０１との長さの違いにより、振動板２０１に曲率が生じ、振動板２０１が厚さ方向に変位（湾曲）する。このようなアクチュエータ１０１の上下運動により、圧力室１００ａ内に導入したインクに圧力を加えて、ノズル孔１０２ａからインク滴を吐出することができる。
このように、アクチュエータ１０１をヘッド基板１００およびノズル基板１０２と組み合わせることで、インクチャネル（インク吐出部）を形成することができ、このようなインクチャネルを縦横に並べることで、インクジェットヘッド２００が構成される。
ところで、インクジェットヘッドの内部には、加工時や組立時に発生したゴミなどの異物が付着する場合がある。また、供給されるインクにもゴミや凝集物などの異物が含まれる場合がある。さらに、ノズル孔からインクを押し出した後は、圧力室内が負圧状態になるため、キャビテーション（空洞現象）によりインクに気泡が発生する場合がある。これらの異物や気泡が圧力室内に発生すると、ノズル詰まりや圧力損失によりインクが吐出できなくなる。
圧力室内から異物や気泡を取り除くためには、圧力室内のインクを循環させる必要がある。この点、例えば特許文献１では、ヘッドの外部に、インクを循環させるための制御機構（ポンプ、流路、コントローラを含む）を設け、この制御機構により、ヘッドの外部と内部とでインクを連続的に循環させるようにしている。
特開２００９−１０１５１６号公報（請求項１、図６、図７等参照）
ところが、特許文献１の構成では、ヘッドの外部に、インク循環用の制御機構を設けるため、ヘッドを含むプリンタ全体が大型化し、高コストとなる。また、印字の高速化に対応すべく、圧力室の数を増大させると、それに伴って外部の制御機構も大型化し、高コストとなる。さらに、印字の高解像度化（高ＤＰＩ（dot per inch）化）に対応すべく、圧力室を小さくすると、インク供給口を含む流路も小さくなるため、循環時の抵抗が大きくなって、インクの循環に必要な加圧力が増大する。加圧力が増大すると、上記の大型化、高コスト化に加えて、ヘッドや流路の故障につながる危険性がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、インクの循環専用の制御機構を別途設けることなく圧力室内のインクを循環させることができ、これによって、大型化および高コスト化を回避できるとともに、印字の高速化および高解像度化にも容易に対応できるインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。
本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与して、前記圧力室からインクを吐出させる圧力式のインクジェットヘッドであって、前記圧力室にインクを供給する複数のインク供給口と、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回路とを備え、前記複数のインク供給口の流路抵抗は、互いに異なり、前記駆動回路は、前記圧力室からのインクの非吐出時に、前記駆動信号として、インク吐出用とは異なるインク循環用の駆動信号を生成して前記アクチュエータに印加し、前記アクチュエータは、前記インク循環用の駆動信号に基づく駆動により、前記圧力室へのインクの引込時と前記圧力室からのインクの排出時とで、各インク供給口を流れるインクの流量を異ならせて、前記圧力室内のインクを循環させる。
上記構成によれば、インク非吐出時に、既存のアクチュエータ、つまり、インク吐出用のアクチュエータを利用してインクを循環させるので、インクを循環させる専用の制御機構を設ける従来の構成に比べて、ヘッドの大型化および高コスト化を回避しながら、印字の高速化や高密度化にも容易に対応することができる。
本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの概略の構成を示す説明図である。 上記インクジェットプリンタが備えるインクジェットヘッドの１つのチャネルの概略の構成を示す平面図、およびその平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。 上記インクジェットヘッドへのインクの供給経路を模式的に示す説明図である。 インク吐出用の駆動信号の波形を示す説明図である。 上記インクジェットヘッドにおけるインク吐出時のインクの流れを示す説明図である。 インク循環用の駆動信号の波形を示す説明図である。 上記インクジェットヘッドにおけるインクの引込時および排出時のインクの流れを示す説明図である。 上記インクジェットヘッドにおける動作の流れの一例を示すフローチャートである。 上記インクジェットヘッドの他の構成を示す断面図である。 上記インクジェットヘッドのさらに他の構成を示す断面図である。 上記インク循環用の駆動信号の他の波形を示す説明図である。 上記インク循環用の駆動信号のさらに他の波形を示す説明図である。 上記インク循環用の駆動信号のさらに他の波形を示す説明図である。 上記インク循環用の駆動信号のさらに他の波形を示す説明図である。 従来の圧電式のアクチュエータを備えたインクジェットヘッドの概略の構成を示す平面図およびＡ−Ａ’線矢視断面図である。
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
〔インクジェットプリンタの構成〕
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ１は、インクジェットヘッド部２において、インクジェットヘッド２１が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
インクジェットプリンタ１は、上記のインクジェットヘッド部２と、繰り出しロール３と、巻き取りロール４と、２つのバックロール５・５と、中間タンク６と、送液ポンプ７と、貯留タンク８と、定着機構９とを備えている。
インクジェットヘッド部２は、インクジェットヘッド２１から記録媒体Ｐに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成（描画）を行うものであり、一方のバックロール５の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド２１の構成については後述する。
繰り出しロール３、巻き取りロール４および各バックロール５は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール３は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Ｐを、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール３は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Ｐを図１のＸ方向へ繰り出して搬送する。
巻き取りロール４は、繰り出しロール３より繰り出されて、インクジェットヘッド部２によってインクが吐出された記録媒体Ｐを周面に巻き取る。
各バックロール５は、繰り出しロール３と巻き取りロール４との間に配設されている。記録媒体Ｐの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール５は、繰り出しロール３によって繰り出された記録媒体Ｐを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール５は、インクジェットヘッド部２との対向位置から巻き取りロール４に向けて、記録媒体Ｐを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
中間タンク６は、貯留タンク８より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク６は、複数のインクチューブ１０と接続され、各インクジェットヘッド２１におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド２１にインクを供給する。
送液ポンプ７は、貯留タンク８に貯留されたインクを中間タンク６に供給するものであり、供給管１１の途中に配設されている。貯留タンク８に貯留されたインクは、送液ポンプ７によって汲み上げられ、供給管１１を介して中間タンク６に供給される。
定着機構９は、インクジェットヘッド部２によって記録媒体Ｐに吐出されたインクを当該記録媒体Ｐに定着させる。この定着機構９は、吐出されたインクを記録媒体Ｐに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにＵＶ（紫外線）を照射することによりインクを硬化させるためのＵＶランプ等で構成されている。
上記の構成において、繰り出しロール３から繰り出される記録媒体Ｐは、バックロール５により、インクジェットヘッド部２との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部２から記録媒体Ｐに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Ｐに吐出されたインクは定着機構９によって定着され、インク定着後の記録媒体Ｐが巻き取りロール４によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ１では、インクジェットヘッド部２を静止させた状態で、記録媒体Ｐを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Ｐに画像が形成される。
なお、インクジェットプリンタ１は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、インクジェットヘッド２１の構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド２１の１つのチャネル（インク吐出部）２１ａの概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図とを併せて示したものである。インクジェットヘッド２１は、シリコン（Ｓｉ）基板からなるヘッド基板３１の一方の面側にアクチュエータ３２を配置し、他方の面側にノズル基板３３を配置して構成されている。ヘッド基板３１には、インクを収容する圧力室３１ａが形成されている。ノズル基板３３には、液滴量を制御するためのノズル孔３３ａが形成されている。ノズル孔３３ａは圧力室３１ａと連通している。
また、ヘッド基板３１には、圧力室３１ａと連通する第１副室３１ｂおよび第２副室３１ｃが形成されている。第１副室３１ｂは、圧力室３１ａと並んで形成され、かつ、ヘッド基板３１の厚さ方向の一部に形成されている。第２副室３１ｃは、圧力室３１ａに対して第１副室３１ｂとは反対側に圧力室３１ａと並んで形成され、かつ、ヘッド基板３１の厚さ方向の一部に形成されている。第１副室３１ｂおよび第２副室３１ｃは、後述するインク供給口５１・５２よりも大きい断面形状で、かつ、圧力室３１ａよりも小さい断面形状で形成されている。
アクチュエータ３２は、ヘッド基板３１側から順に積層される、振動板（従動膜）４１、絶縁層４２、下部電極４３、圧電体層４４および上部電極４５を有している。下部電極４３および上部電極４５は、駆動回路４６と接続されているとともに、圧電体層４４を挟持するように設けられている。駆動回路４６は、アクチュエータ３２を駆動するための駆動信号を生成する。上記の駆動信号としては、インク吐出用およびインク循環用の駆動信号があるが、これらの信号の詳細については後述する。
振動板４１は、上記駆動信号の印加による圧電体層４４の変位に伴って振動することにより、圧力室３１ａ内を減圧または加圧するものであり、シリコン基板で構成されている。なお、上記したヘッド基板３１と振動板４１とは、一体化されていてもよいし（１枚のシリコン基板で構成されていてもよいし）、酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合したＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の各シリコン基板で構成されてもよい。
絶縁層４２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの熱酸化膜からなり、振動板４１またはヘッド基板３１の保護および絶縁の目的で形成されている。下部電極４３は、例えばチタン（Ｔｉ）層と白金（Ｐｔ）層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、絶縁層４２とＰｔ層との密着性を向上させるために設けられている。
圧電体層４４は、厚さ方向に垂直な方向に伸縮する駆動膜（変位膜）であり、例えばＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ3；ジルコン酸鉛）との固溶体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜で構成されている。なお、圧電体層４４は、バルクで構成されていてもよい。圧電体層４４を構成する材料としては、鉛系または非鉛系のペロブスカイト型の金属酸化物を用いることができる。
上部電極４５は、Ｔｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、圧電体層４４とＰｔ層との密着性を向上させるために設けられている。
上記の構成において、下部電極４３および上部電極４５に駆動回路４６から駆動信号を印加すると、圧電体層４４が厚さ方向に垂直な方向に伸縮する。そして、圧電体層４４と振動板４１との長さの違いにより、振動板４１に曲率が生じ、振動板４１が厚さ方向に変位（湾曲）する。このようなアクチュエータ３２（特に振動板４１）の上下運動により、圧力室３１ａ内に導入したインクに圧力が付与され、ノズル孔３３ａからインク滴が吐出される。
このように、本実施形態では、アクチュエータ３２によって圧力室３１ａ内のインクに圧力を付与して、圧力室３１ａからノズル孔３３ａを介してインクを吐出させる圧力式のインクジェットヘッド２１が構成されている。
図３は、インクジェットヘッド２１へのインクの供給経路を模式的に示す説明図である。インクジェットヘッド２１の上部には、インクを貯蔵する貯蔵室２２が設けられている。インクジェットヘッド２１の各チャネル２１ａは、２本のチューブ２３を介して貯蔵室２２と接続されている。各チューブ２３には、図示しないフィルタが設けられている。インクジェットヘッド２１の各チャネル２１ａからインクが吐出されると、貯蔵室２２内のインクがチューブ２３を介して各チャネル２１ａに供給される。なお、図１に示した貯留タンク８およびインクチューブ１０は、上記の貯蔵室２２およびチューブ２３を構成してもよい。
また、図２に示すように、インクジェットヘッド２１には、チューブ２３から圧力室３１ａにインクを供給するための複数（本実施形態では２個）のインク供給口５１・５２が設けられている。
インク供給口５１は、絶縁層４２、振動板４１、および第１副室３１ｂの上方のヘッド基板３１を貫通して設けられたインク流路であり、第１副室３１ｂを介して圧力室３１ａと連通している。また、インク供給口５２は、絶縁層４２、振動板４１、および第２副室３１ｃの上方のヘッド基板３１を貫通して設けられたインク流路であり、第２副室３１ｃを介して圧力室３１ａと連通している。
インク供給口５１・５２の大きさは、プリンタの仕様やインクの粘度などによって適宜設定されるが、本実施形態では、インク供給口５１・５２の開口径は、互いに異なっている。より具体的には、インク供給口５１の開口径（直径）は例えば３０μｍであり、インク供給口５２の開口径（直径）は例えば１０μｍとなっている。なお、インク供給口５１・５２の流路の長さ（ヘッド基板３１の厚さ方向に平行な方向の長さ）は同じとなっている。
このようにインク供給口５１・５２の開口径が互いに異なっているので、インク供給口５１・５２の流路抵抗は互いに異なることになる。なお、上記の流路抵抗とは、インク供給口５１・５２を流れる物質（インク）の流れにくさを指す。つまり、インク供給口５１・５２の開口径が小さくなるほど、または、流路の長さが長くなるほど、インクが流れにくくなるので、流路抵抗は大きくなる。また、インク供給口５１・５２の流路抵抗は、アクチュエータ３２による圧力室３１ａ内の減圧または加圧の速度（圧力室３１ａの容積変化率）に応じてそれぞれ変化し、減圧または加圧の速度が大きいほど（圧力室３１ａの容積変化率が大きいほど）、流路抵抗は大きくなる。本実施形態では、減圧または加圧の速度の変化に対する流路抵抗の変化の割合（流路抵抗の変化率）は、インク供給口５１・５２で互いに異なっており、開口径がより大きいインク供給口５１のほうが、開口径がより小さいインク供給口５２よりも、流路抵抗の変化率が小さい（減圧または加圧の速度の変化に対する流路抵抗の変化が小さい）。なお、インクジェットヘッドではないが、アクチュエータから付与される圧力の変化によって流路抵抗が変化することは、例えば特開２００１−３２２０９９号公報（ＵＳＰ６７１５００２）に記載されており、これを参照することができる。
本実施形態では、駆動回路４６が、圧力室３１ａからのインクの非吐出時に、駆動信号として、インク吐出用とは異なるインク循環用の駆動信号を生成してアクチュエータ３２に印加し、アクチュエータ３２を駆動して圧力室３１ａ内のインクを循環させる。このようなインクの循環により、圧力室３１ａ内に気泡や異物がたまるのを低減して、ノズル詰まりや圧力損失によってインクが吐出できなくなる事態を回避することができる。以下、インク吐出用の駆動信号およびインク循環用の駆動信号の詳細について説明するとともに、各駆動信号に基づくインク吐出動作およびインク循環動作について説明する。
（インク吐出動作）
図４は、駆動回路４６が生成するインク吐出用の駆動信号の波形を示し、図５は、インク吐出時におけるインクの流れを示している。インク吐出時には、駆動回路４６は、アクチュエータ３２にパルス状の上記駆動信号を印加する。上記駆動信号におけるパルスの電位（印加電圧）、パルス幅（印加時間）、パルスの周波数は、プリンタの仕様やアクチュエータの性能により異なるが、本実施形態では、例えば、印加電圧：２０Ｖ（上部電極への印加電圧Ｖ２＝２０Ｖ、下部電極への印加電圧Ｖ１＝０Ｖ）、パルス幅：１０μｓｅｃ（ｔ２−ｔ１＝１０μｓｅｃ）、周波数：１０ｋＨｚ（ｔ３−ｔ１＝１００μｓｅｃ）である。
時刻ｔ１で電圧Ｖ２をアクチュエータ３２に印加することにより、圧電体層４４が厚さ方向に垂直な方向に伸び、振動板４１が上に凸となるように湾曲する。これにより、圧力室３１内が負圧になるため、インク供給口５１・５２を介してインクが圧力室３１ａ内に引き込まれる。
このとき、上記駆動信号におけるパルスの立ち上がり時間がゼロに近く、振動板４１の変形速度が速いため、圧力室３１ａ内の減圧の速度が速くなる。この場合、流路抵抗の増大の仕方がインク供給口５１よりもインク供給口５２のほうが大きくなり、インク供給口５１・５２間での流路抵抗の差が大きくなる。このため、インク供給口５１・５２間でインクの流速の差が大きくなり（インク供給口５１で流速（大）、インク供給口５２で流速（小））、インク供給口５１を流れるインクの流量が、インク供給口５２を流れるインクの流量よりも多くなる。
そして、時刻ｔ２で電圧をＶ１に下げることにより、圧電体層４４が元の長さに戻り、振動板４１が平らに戻る。これにより、圧力室３１ａ内が加圧されるため、圧力室３１ａ内のインクがノズル孔３３ａを介して外部に液滴として吐出される。時刻ｔ３、ｔ４においても、上記パルスがアクチュエータ３２に印加されることにより、インクの引込、吐出が行われる。以降、上記パルスがアクチュエータに繰り返し印加されることにより、インクの引込、吐出が繰り返し行われる。
（インク循環動作）
図６は、駆動回路４６が生成するインク循環用の駆動信号の波形を示し、図７は、インク循環時（引込時および排出時）におけるインクの流れを示している。インク循環時には、駆動回路４６は、アクチュエータ３２に三角波状の上記駆動信号を印加する。上記駆動信号は、圧力室３１ａ内のインクを循環させる際の繰り返し単位となる１つのパルスの印加期間Ｔ（μｓｅｃ）において、圧力室３１ａ内の減圧開始に対応する印加期間Ｔの開始側と、圧力室３１ａ内の加圧終了に対応する印加期間Ｔの終了側とで非対称な波形である。より具体的には、上記駆動信号は、上記パルスの立ち上がり時間（ｔ２−ｔ１）と立ち下がり時間（≒０）とが異なる波形であり、（ｔ１＋ｔ２）／２の時点を基準にして、印加期間Ｔの開始側と終了側とで非対称な波形となっている。
上記駆動信号におけるパルスの電位（印加電圧）、パルス幅（印加時間）、パルスの周波数は、インクの物性やアクチュエータの性能により異なるが、インクを吐出しない値に設定されている。本実施形態では、例えば、印加電圧：１５Ｖ（上部電極への印加電圧Ｖ３＝１５Ｖ、下部電極への印加電圧Ｖ１＝０Ｖ）、パルス幅：１００μｓｅｃ（ｔ２−ｔ１＝１００μｓｅｃ）、周波数：１ｋＨｚ（ｔ３−ｔ１＝１０００μｓｅｃ）である。
時刻ｔ１からｔ２にかけて電圧がＶ１からＶ３に連続的に増加するような電圧をアクチュエータ３２に印加すると、圧電体層４４が厚さ方向に垂直な方向に伸び、振動板４１が上に凸となるように湾曲する。これにより、圧力室３１内が負圧になるため、インク供給口５１・５２を介してインクが圧力室３１ａ内に引き込まれる。
このとき、印加期間Ｔにおけるパルスの立ち上がり時間が吐出時よりも長いため、振動板４１の変形速度が遅くなり、圧力室３１ａ内の減圧の速度が遅くなる。この場合、インク供給口５２の流路抵抗は、吐出時ほど増大しないため、インク供給口５１・５２間での流路抵抗の差は小さく、インク供給口５１・５２間でのインクの流速の差も小さくなる（インク供給口５１での流速（中）、インク供給口５２での流速（中））。このようにして、インク供給口５１・５２の双方から圧力室３１ａ内にインクが引き込まれる。
そして、時刻ｔ２で電圧をＶ１に下げることにより、圧電体層４４が元の長さに戻り、振動板４１が平らに戻って、圧力室３１ａ内が加圧される。このとき、時刻ｔ２でのパルスの立ち下がり時間がゼロに近いため、振動板４１の変形速度が速くなり、圧力室３１ａ内の加圧の速度が速くなる。この場合、流路抵抗の増大の仕方がインク供給口５１よりもインク供給口５２のほうが大きくなり、インク供給口５１・５２間での流路抵抗の差が大きくなる。このため、インク供給口５１・５２間でインクの流速の差が大きくなり（インク供給口５１で流速（大）、インク供給口５２で流速（小））、インク供給口５１を流れるインクの流量が、インク供給口５２を流れるインクの流量よりも多くなる。つまり、インク供給口５１からより多くのインクが排出される。時刻ｔ３、ｔ４においても、上記駆動波形がアクチュエータ３２に印加されることにより、上記と同様のインクの引込、排出が行われる。以降、上記の動作を周期的に行うことにより、インクの引込、排出が繰り返され、これによって、圧力室３１ａ内のインクが貯蔵室２２に還流し、循環する。
例えば、圧力室３１ａ内へのインク引込時に、インク供給口５１から引き込まれるインクの流量と、インク供給口５２から引き込まれるインクの流量との比が６：４であり、圧力室３１ａからのインク排出時に、インク供給口５１から排出されるインクの流量と、インク供給口５２から排出されるインクの流量との比が８：２である場合、差し引き２（８−６＝２）に相当する量だけ、インク供給口５１を介してインクが圧力室３１ａから排出され、差し引き２（４−２＝２）に相当する量だけ、インク供給口５２を介してインクが圧力室３１ａ内に引き込まれる。つまり、１回の引込と排出とにより、インク供給口５２側から圧力室３１ａを介してインク供給口５１側にインクが流れる。したがって、このような引込と排出とを繰り返すことにより、圧力室３１ａ内のインクを貯蔵室２２との間で循環させることができる。
なお、上記の例では、インク引込時に、インク供給口５１を流れるインクの流量と、インク供給口５２を流れるインクの流量との差は、６−４＝２であり、インク排出時に、インク供給口５１を流れるインクの流量と、インク供給口５２を流れるインクの流量との差は、８−２＝６であることから、引込時と排出時とで流量差が変化していることがわかる。したがって、引込時と排出時とで、インク供給口５１・５２を流れるインクの流量差が変化することにより、インク供給口５１・５２を介してインクが循環するとも言える。
なお、図６では、インク循環用の駆動信号におけるパルスの立ち上がり時間が、立ち下がり時間よりも長くなっているが、パルスの立ち上がり時間が立ち下がり時間よりも短い駆動信号をアクチュエータ３２に印加してもよい。この場合は、インクの循環の向きを上記と逆にすることができる（インク供給口５１から圧力室３１ａを介してインク供給口５２に向かう方向にインクを循環させることができる）。
上述したインク循環動作は、例えば以下のタイミングで行うことができる。図８は、本実施形態のインクジェットヘッド２１における動作の流れの一例を示すフローチャートである。
まず、インクジェットプリンタ１の電源をＯＮにすると（Ｓ１）、上述したインク循環動作が行われ（Ｓ２）、続いて、印字枚数ＮをＮ＝１とし（Ｓ３）、上述したインク吐出動作が行われる（Ｓ４）。その後、Ｎ＝Ｎ＋１とし（Ｓ５）、印字が最後のページまで終了したかどうかが制御部（図示せず）により判断される（Ｓ６）。Ｓ６にて、印字が終了している場合は、インク循環動作を再度行って（Ｓ７）、一連の動作を終了させる。
一方、Ｓ６にて、印字が終了していない場合は、ｎを自然数とし、Ａを所定枚数（例えば５０枚）として、印字枚数ＮがＮ＝ｎ・Ａであるか否かが判断される（Ｓ８）。Ｓ８にて、Ｎ＝ｎ・Ａでなければ（印字枚数が所定枚数に到達していなければ）、インク循環を行う必要はないとして、Ｓ４以降の動作を繰り返す。一方、Ｓ８にて、Ｎ＝ｎ・Ａである場合（印字枚数が所定枚数に到達した場合）、所定枚数の印字によって気泡や異物を取り除く必要であるとして、インク循環動作を行い（Ｓ９）、その後、Ｓ４以降の動作を繰り返す。
以上のように、本実施形態では、インクジェットヘッド２１のインク供給口５１・５２の流路抵抗は互いに異なり、アクチュエータ３２による圧力室３１ａの減圧または加圧の速度に応じて流路抵抗がそれぞれ変化するため、圧力室３１ａからのインクの非吐出時に、アクチュエータ３２がインク循環用の駆動信号に基づいて圧力室３１ａ内の減圧と加圧とを異なる速度で繰り返すことにより、圧力室３１ａ内の減圧によるインクの引込時と、圧力室３１ａ内の加圧によるインクの排出時とで、インク供給口５１・５２におけるインクの流れにくさを変化させて、インク供給口５１・５２を流れるインクの流量（および流量差）を変化させることができる。したがって、このようなインクの引込と排出とを繰り返すことにより、圧力室３１ａ内のインクをインク供給口５１・５２を介して循環させることができる。
このように、インクの非吐出時に、既存のアクチュエータ３２を利用して、圧力室３１ａ内のインクを循環させることができるので、圧力室３１ａ内から異物や気泡を取り除くために、アクチュエータ３２とは別に、インクを循環させる専用の制御機構を設ける必要がなくなる。その結果、ヘッドの大型化および高コスト化を回避することができる。また、印字の高速化に対応すべく、ヘッドにおける圧力室３１ａの数を増大させる場合でも、上記の制御機構が不要なため、上記の制御機構の大型化や高コスト化の問題は生じない。これにより、圧力室３１ａの数を増大させて、印字の高速化にも容易に対応することができる。
さらに、圧力室３１ａ内の減圧時および加圧時の速度差（引込時と排出時とで各インク供給口５１・５２を流れるインクの流量差）を利用してインクを循環させるため、印字の高解像度化を図るべく、圧力室３１ａを小さく形成する場合でも、インクを一方向に加圧して循環させる場合のような高い加圧力は不要である。したがって、高い加圧力を付与してインクを循環させる場合に生じやすいヘッドや流路の故障を低減でき、その結果、圧力室３１ａを小さく形成して印字の高解像度化を容易に図ることができる。
また、インク循環用の駆動信号は、印加期間Ｔの開始側（引込側）と終了側（排出側）とで非対称な波形であるので、このような駆動信号をアクチュエータ３２に印加し、圧力室３１ａ内を減圧または加圧することにより、減圧の速度と加圧の速度とを異ならせることができる。これにより、減圧によるインクの引込時と、加圧によるインクの排出時とで、インク供給口５１・５２の流路抵抗が確実に変化するため、インク供給口５１・５２を流れるインクの流量を確実に変化させて、圧力室内のインクを各インク供給口を介して確実に循環させることができる。
また、インク循環用の駆動信号の印加期間Ｔにおけるパルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間とが異なることにより、印加期間Ｔにおいて時間軸方向に確実に非対称な駆動波形を実現することができる。このため、上記駆動信号に基づいてアクチュエータ３２を駆動することにより、圧力室３１ａ内の減圧および加圧の速度を異ならせて、圧力室３１ａ内のインクを確実に循環させることができる。
また、インク供給口５１・５２の開口径が互いに異なっているので、非対称な駆動信号によってインクを循環させるための前提となる構成、つまり、インク供給口５１・５２の流路抵抗が互いに異なる構成を確実に実現でき、また、アクチュエータ３２による圧力室３１ａ内の減圧または加圧の速度に応じて流路抵抗がそれぞれ変化する構成も確実に実現できる。
また、アクチュエータ３２は、振動板４１、下部電極４３、圧電体層４４および上部電極４５を有する圧電式のアクチュエータであるので、そのような圧電式のアクチュエータを用いた構成で本実施形態の効果を得ることができる。また、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、応答性が高いなどの利点を有しているので、高性能なインクジェットヘッド２１を実現することができる。
〔インクジェットヘッドの他の構成〕
図９は、本実施形態のインクジェットヘッド２１の他の構成を示す断面図である。インクジェットヘッド２１のインク供給口５１・５２は、開口径が同じで、流路の長さが異なっていてもよい。図９では、インク供給口５２よりもインク供給口５１のほうが、流路が短いため、流路抵抗が小さくなる。また、流路の長さがより短いインク供給口５１のほうが、インク供給口５２よりも、減圧または加圧の速度の変化に対する流路抵抗の変化率が小さくなる。
このように、インク供給口５１・５２の流路の長さが互いに異なる場合であっても、インク供給口５１・５２の流路抵抗が互いに異なる構成を実現でき、また、アクチュエータ３２による圧力室３１ａ内の減圧または加圧の速度に応じて流路抵抗をそれぞれ変化させる構成も確実に実現できる。
図１０は、本実施形態のインクジェットヘッド２１のさらに他の構成を示す断面図である。同図に示すように、インク供給口５１・５２の開口径と流路の長さとを両方とも異ならせることによって、流路抵抗を互いに異ならせてもよい。また、より流路抵抗が大きいインク供給口（図１０の例ではインク供給口５２）を、ヘッド基板３１の厚さ方向全体にわたって貫通して設けるとともに、ヘッド基板３１を、中間基板３４を介してノズル基板３３と接合するようにしてもよい。なお、上記の中間基板３４には、圧力室３１ａとノズル孔３３ａとを連通するための、圧力室３１ａと同じ断面形状の開口部３４ａが形成されているとともに、開口部３４ａとインク供給口５２とを連通する連通路３４ｂが形成されている。
図１０の構成では、インク循環動作の際に、流路抵抗のより小さいインク供給口５１側がインクの排出側となり、流路抵抗のより大きいインク供給口５２側がインクの引込側となるが、引込側のインク供給口５２の先端（貯蔵室２２側とは反対側の端部）が、ノズル基板３３のノズル孔３３ａの近くに位置するため、インク循環時に、ノズル孔３３ａの周囲のインクを効率よく循環させて、ノズル孔３３ａの周囲の気泡や異物を効率よく除去することができる。
〔インク循環用の駆動信号の他の波形〕
図１１は、インク循環用の駆動信号の他の波形を示す説明図であり、図１２は、インク循環用の駆動信号のさらに他の波形を示す説明図である。上記駆動信号の印加期間Ｔにパルスが１つのみ含まれる場合において、パルスの立ち上がり時間ｄ１（μｓｅｃ）と立ち下がり時間ｄ２（μｓｅｃ）とが異なる波形であれば（パルスが立ち上がり側と立ち下がり側とで非対称な波形であれば）、上記パルスは、図１１に示すような三角波であってもよいし、図１２に示すような台形波であってもよい。
また、図１３および図１４は、インク循環用の駆動信号のさらに他の波形をそれぞれ示す説明図である。上記駆動信号の印加期間Ｔに複数のパルスが含まれていてもよい。この場合、上記駆動信号は、印加期間Ｔ内の複数のパルス間で、パルス幅が異なる波形であってもよいし、印加期間Ｔ内の複数のパルス間で、パルスの電位が異なる波形であってもよい。例えば、図１３では、印加期間Ｔに２つのパルスが含まれている場合に、これらのパルスの幅がＷ１とＷ２とで異なっている（例えばＷ１＞Ｗ２）。一方、図１４では、印加期間Ｔに２つのパルスが含まれている場合に、これらのパルスの電位がＶ３とＶ３’とで異なっている（例えばＶ３＞Ｖ３’）。なお、図１４では、印加期間Ｔ内の２つのパルスの幅はどちらもＷで同じであるが、図１３のように異なっていてもよい。
これらの場合でも、印加期間Ｔ全体で見れば、（ｔ１＋ｔ２）／２の時点を基準にして、印加期間Ｔの開始側（引込側）と終了側（排出側）とで非対称な波形となる。したがって、そのような駆動信号に基づいてアクチュエータ３２を駆動することによっても、圧力室３１ａ内のインクを循環させることができる。
より詳しくは、駆動信号が図１３の場合でも図１４の場合でも、印加期間Ｔに含まれる２つのパルスは全体として、時刻ｔ１でパルスが急激に立ち上がり、印加期間Ｔの途中から時刻ｔ２までの期間で、パルスが緩やかに立ち下がるような１つのパルスと実質的に同じと考えることができる。したがって、このような駆動信号に基づいてアクチュエータ３２を駆動した場合でも、印加期間Ｔの開始側の減圧の速度と、印加期間Ｔの終了側の加圧の速度とが異なるため、インクの引込時と排出時とで、インク供給口５１・５２間でインクの流量を変化させて、圧力室３１ａ内のインクをインク供給口５１・５２を介して循環させることができる。
なお、印加期間Ｔに３つ以上のパルスを含ませる場合でも、パルス幅またはパルスの電位を互いに異ならせることにより、印加期間の開始側と終了側とで非対称な波形を実現できる。
なお、本実施形態のインクジェットヘッドは、以下のように表現することもできる。すなわち、本実施形態のインクジェットは、アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与して、前記圧力室からインクを吐出させる圧力式のインクジェットヘッドであって、前記圧力室にインクを供給する複数のインク供給口と、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回路とを備え、前記複数のインク供給口の流路抵抗は、互いに異なるとともに、前記アクチュエータによる前記圧力室内の減圧または加圧の速度に応じてそれぞれ変化し、前記駆動回路は、前記圧力室からのインクの非吐出時に、前記駆動信号として、インク吐出用とは異なるインク循環用の駆動信号を生成して前記アクチュエータに印加し、前記アクチュエータは、前記インク循環用の駆動信号に基づいて前記圧力室内の減圧と加圧とを異なる速度で繰り返すことにより、前記減圧によるインクの引込時と前記加圧によるインクの排出時とで、各インク供給口を流れるインクの流量を異ならせて、前記圧力室内のインクを循環させる構成である。
〔その他〕
本実施形態では、複数のインク供給口５１・５２の開口径や流路の長さを異ならせることによって、流路抵抗を互いに異ならせているが、例えば一方のインク供給口にフィルタなどの障害物を配置することにより、流路抵抗を互いに異ならせるようにしてもよい。
本実施形態では、１つの圧力室３１ａと連通するインク供給口の数が２つの場合について説明したが、３つ以上の場合でも、少なくとも２つについて流路抵抗を互いに異ならせることにより、圧力室３１ａ内のインクを循環させることは可能である。
本実施形態では、少なくとも、印字を開始する直前および全ての印字を終了した後にインクを循環し、これに加えて、印字枚数が所定枚数に到達したときにも（所定枚数の印字終了後で次の用紙の印字の開始前の非印字区間でも）インクを循環させているが、１枚の用紙内の非印字画素区間でインクを循環させてもよい。
本実施形態では、圧力式のアクチュエータの例として、圧電式のアクチュエータを用いた場合について説明したが、その他、静電方式、電磁方式、熱変形などの他の圧力式のアクチュエータを用いた場合でも、本実施形態の駆動方法を適用して、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上で説明した本実施形態のインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタは、以下のように表現することができ、これによって以下の作用効果を奏する。
本実施形態のインクジェットヘッドは、アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与して、前記圧力室からインクを吐出させる圧力式のインクジェットヘッドであって、前記圧力室にインクを供給する複数のインク供給口と、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回路とを備え、前記複数のインク供給口の流路抵抗は、互いに異なり、前記駆動回路は、前記圧力室からのインクの非吐出時に、前記駆動信号として、インク吐出用とは異なるインク循環用の駆動信号を生成して前記アクチュエータに印加し、前記アクチュエータは、前記インク循環用の駆動信号に基づく駆動により、前記圧力室へのインクの引込時と前記圧力室からのインクの排出時とで、各インク供給口を流れるインクの流量を異ならせて、前記圧力室内のインクを循環させる。
各インク供給口の流路抵抗は互いに異なるため、圧力室からのインクの非吐出時に、アクチュエータがインク循環用の駆動信号に基づいて駆動されることにより、圧力室へのインクの引込時と、圧力室からのインクの排出時とで、各インク供給口におけるインクの流れにくさが変わる。これにより、インクの引込時と排出時とで、各インク供給口を流れるインクの流量を変化させて、圧力室内のインクを各インク供給口を介して循環させることができる。
このように、インクの非吐出時に、インク吐出用のアクチュエータを駆動（利用）してインクを循環させるので、圧力室内から異物や気泡を取り除くために、ヘッドの外部にインクを循環させる専用の制御機構を別途設ける必要がなくなる。したがって、上記の制御機構を設ける従来の構成に比べて、ヘッドの大型化および高コスト化を回避することができる。また、上記の制御機構が不要なため、印字の高速化に対応すべく、圧力室の数を増加させる場合でも、制御機構の大型化、高コスト化の問題も生じない。これにより、圧力室の数を増加させて、印字の高速化に容易に対応することができる。
また、インクの引込時と排出時とにおける各インク供給口の流量差を利用してインクを循環させるため、インクを一方向に加圧して循環させる場合のような高い加圧力は不要である。これにより、印字の高解像度化を図るべく、圧力室を小さく形成する場合でも、高い加圧力を付与してインクを循環させる場合に生じやすいヘッドや流路の故障を低減できる。よって、圧力室を小さく形成して、印字の高解像度化を容易に図ることができる。
前記インク循環用の駆動信号は、前記圧力室内のインクを循環させる際の繰り返し単位となる、少なくとも１つのパルスの印加期間において、前記圧力室内の減圧の開始に対応する前記印加期間の開始側と、前記圧力室内の加圧の終了に対応する前記印加期間の終了側とで非対称な波形であることが望ましい。
上記印加期間で非対称な波形となるインク循環用の駆動信号をアクチュエータに印加し、圧力室内を減圧または加圧すると、上記印加期間において、圧力室内の減圧の速度と加圧の速度とが異なるため、圧力室内の減圧によるインクの引込時と、圧力室内の加圧によるインクの排出時とで、各インク供給口の流路抵抗が確実に変化し、各インク供給口を流れるインクの流量を確実に変化させることができる。これにより、圧力室内のインクを各インク供給口を介して確実に循環させることができる。
前記印加期間にパルスが１つのみ含まれる場合において、前記インク循環用の駆動信号は、前記パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間とが異なる波形であってもよい。
この場合、上記の印加期間に含まれるパルスが立ち上がりと立ち下がりとで非対称な波形となるため、そのような駆動信号に基づいてアクチュエータを駆動することにより、圧力室内の減圧および加圧の速度を異ならせて、圧力室内のインクを循環させることができる。
前記印加期間にパルスが複数含まれる場合において、前記インク循環用の駆動信号は、前記印加期間内の複数のパルス間で、パルス幅またはパルスの電位が異なる波形であってもよい。
インク循環用の駆動信号において、上記の印加期間にパルスが複数含まれる場合であっても、パルス幅または電位が各パルス間で異なることにより、印加期間全体では、印加期間の開始側と終了側とで非対称な波形となる。したがって、上記駆動信号に基づいてアクチュエータを駆動することによっても、圧力室内の減圧および加圧の速度を異ならせて、圧力室内のインクを循環させることができる。
前記複数のインク供給口の開口径が互いに異なっていてもよい。この場合、複数のインク供給口の流路抵抗が互いに異なる構成を確実に実現できる。
前記複数のインク供給口の流路の長さが互いに異なっていてもよい。この場合でも、複数のインク供給口の流路抵抗が互いに異なる構成を確実に実現できる。
前記アクチュエータは、圧電体層と、前記圧電体層を挟持するように設けられ、前記圧電体層にインク吐出用またはインク循環用の駆動信号を印加するための２つの電極と、前記駆動信号の印加による前記圧電体層の変位に伴って振動することにより、前記圧力室内を減圧または加圧する振動板とを有していてもよい。このような圧電式のアクチュエータを用いた構成において、上述の効果を得ることができる。
本実施形態のインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備えている。ヘッドの圧力室内から異物や気泡を取り除くために、インクを循環させる専用の制御機構をヘッド外部に設けなくても済むため、大型化および高コスト化を回避できる。また、印字の高速化や高解像度化にも容易に対応可能なインクジェットプリンタを実現できる。
本発明の圧力式のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。
１ インクジェットプリンタ
２１ インクジェットヘッド
３１ａ 圧力室
３２ アクチュエータ
４１ 振動板
４３ 下部電極
４４ 圧電体層
４５ 上部電極
４６ 駆動回路
５１ インク供給口
５２ インク供給口

Claims (8)

  1. アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与して、前記圧力室からインクを吐出させる圧力式のインクジェットヘッドであって、
    前記圧力室にインクを供給する複数のインク供給口と、
    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回路とを備え、
    前記複数のインク供給口の流路抵抗は、互いに異なり、
    前記駆動回路は、前記圧力室からのインクの非吐出時に、前記駆動信号として、インク吐出用とは異なるインク循環用の駆動信号を生成して前記アクチュエータに印加し、
    前記アクチュエータは、前記インク循環用の駆動信号に基づく駆動により、前記圧力室へのインクの引込時と前記圧力室からのインクの排出時とで、各インク供給口を流れるインクの流量を異ならせて、前記圧力室内のインクを循環させることを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 前記インク循環用の駆動信号は、前記圧力室内のインクを循環させる際の繰り返し単位となる、少なくとも１つのパルスの印加期間において、前記圧力室内の減圧の開始に対応する前記印加期間の開始側と、前記圧力室内の加圧の終了に対応する前記印加期間の終了側とで非対称な波形であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記印加期間にパルスが１つのみ含まれる場合において、
    前記インク循環用の駆動信号は、前記パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間とが異なる波形であることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記印加期間にパルスが複数含まれる場合において、
    前記インク循環用の駆動信号は、前記印加期間内の複数のパルス間で、パルス幅またはパルスの電位が異なる波形であることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
  5. 前記複数のインク供給口の開口径が互いに異なっていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  6. 前記複数のインク供給口の流路の長さが互いに異なっていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  7. 前記アクチュエータは、
    圧電体層と、
    前記圧電体層を挟持するように設けられ、前記圧電体層にインク吐出用またはインク循環用の駆動信号を印加するための２つの電極と、
    前記駆動信号の印加による前記圧電体層の変位に伴って振動することにより、前記圧力室内を減圧または加圧する振動板とを有していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタ。
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