JP2022113424A - インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】吐出安定性を保ちつつインク分離を抑制し、高品質な印刷を可能にするインクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、インクジェットヘッドは、アクチュエータと、駆動回路と、を備える。アクチュエータは、駆動信号に従って変形し、ノズルに連通する圧力室の容積を変化させることで、圧力室に収容されているインクをノズルから吐出させる。駆動回路は、ノズルからインクを吐出させる主区間と、ノズルからインクを吐出させない補助区間と、を含む駆動信号をアクチュエータに印加する。主区間は、第１電圧を印加する第１パルスと、基準電位に維持する第１期間と、第１電圧とは逆極性の第２電圧を印加する第２パルスとを含む。補助区間は、第１電圧と同極性の第３電圧を印加する第３パルスと、基準電位に維持する第２期間とを含む。【選択図】図９

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置に関する。
インクを収容する圧力室の隔壁としてアクチュエータを用いるインクジェットヘッドが知られている。アクチュエータは、駆動信号に従って変形し、圧力室の容積を変化させ、インクに圧力振動を引き起こす。この圧力振動により、圧力室に連通するノズルからインク滴が吐出される。
このようなインクジェットヘッドでは、ノズルから吐出されたインク滴が分離し、主滴（メインドロップ）から分離したサテライト滴として媒体（紙など）上に着弾することがある。この現象はサテライトと呼ばれる。ノズルからインク滴が吐出される際に、霧状のインクが浮遊することもある。この現象はミストと呼ばれる。サテライトやミストは、印刷品質の低下の原因になるので、抑制することが望ましい。
サテライトやミストを抑制するために、駆動信号のタイミングを調整することが考えられる。例えば、ミストを抑制するため、１インク滴の吐出周期内に複数のインク滴を吐出させ、媒体上に着弾する前にインク滴が空中で合体するように駆動信号を調整する方法が提案されている。しかし、サテライトやミストの抑制だけを考慮して駆動信号のタイミングを調整すれば、最適な圧力振動が得られなくなり、吐出安定性や印刷品質が低下するおそれがある。
特開２０１７－１０５１３１号公報
実施形態が解決しようとする課題は、吐出安定性を保ちつつ、インク分離を抑制し、高品質な印刷を可能にするインクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置を提供しようとするものである。
実施形態によれば、インクジェットヘッドは、アクチュエータと、駆動回路と、を備える。アクチュエータは、駆動信号に従って変形し、ノズルに連通する圧力室の容積を変化させることで、圧力室に収容されているインクをノズルから吐出させる。駆動回路は、ノズルからインクを吐出させる主区間と、主区間に先立って、ノズルからインクを吐出させない補助区間と、を含む駆動信号を、アクチュエータに印加する。主区間は、アクチュエータに第１電圧を印加する第１パルスと、アクチュエータを基準電位に維持する第１期間と、アクチュエータに第１電圧とは逆極性の第２電圧を印加する第２パルスとを含む。補助区間は、アクチュエータに第１電圧と同極性の第３電圧を印加する第３パルスと、アクチュエータを基準電位に維持する第２期間とを含む。
図１は、一実施形態に係るインクジェット記録装置の構成例を示す図である。 図２は、一実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。 図３は、一実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。 図４は、図２のＦ－Ｆ線の断面図である。 図５は、一実施形態に係るインクジェット記録装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 図６は、一実施形態に係るインクジェットヘッドの圧力室の状態について説明する図である。 図７は、従来の駆動信号を用いた中粘度インクの圧力変動シミュレーション結果を示す図である。 図８は、従来の駆動信号を用いた低粘度インクの圧力変動シミュレーション結果を示す図である。 図９は、一実施形態に係るインクジェットヘッドにおいて用いられる駆動信号の波形の一例を示す図である。 図１０は、従来の駆動信号を用いた場合のインク滴の飛翔状態を説明する図である。 図１１は、図９に示した駆動信号を用いた場合のインク滴の飛翔状態を説明する図である。 図１２は、補助パルスのパルス幅によるドット分離抑制効果を説明する図である。 図１３は、補助パルスのパルス幅に応じたドット間距離の計測結果を示す図である。 図１４は、収縮パルスのパルス幅によるドット分離抑制効果を説明する図である。 図１５は、収縮パルスのパルス幅に応じたドット間距離の計測結果を示す図である。
以下、図面を参照して一実施形態について説明する。なお、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号を付し、重複する説明については基本的に省略する。例えば、複数の同一または類似の要素が存在する場合に、各要素を区別せずに説明するために共通の符号を用いることがある。
［一実施形態］
（構成）
一実施形態に係るインクジェット記録装置は、インクジェットヘッドを用いて紙などの媒体に画像を形成する。インクジェット記録装置は、インクジェットヘッドが備える圧力室内のインクをインク滴として吐出し、媒体に画像を形成する。インクジェット記録装置は、例えばオフィス用インクジェット記録装置、バーコードインクジェット記録装置、ＰＯＳ用インクジェット記録装置、産業用インクジェット記録装置、３Ｄインクジェット記録装置等である。なお、インクジェット記録装置が画像を形成する媒体は、特定の構成に限定されるものではない。
図１は、一実施形態に係るインクジェット記録装置１の構成の一例を示す模式図である。インクジェット記録装置１は、インクなどの記録材を用いて画像形成媒体Ｓなどに画像を形成する。インクジェット記録装置１は、一例として、複数のインク吐出部２と、インク吐出部２を移動可能に支持するヘッド支持機構３と、画像形成媒体Ｓを移動可能に支持する媒体支持機構４（支持部）と、を備える。画像形成媒体Ｓは、例えば、紙、布または樹脂などを素材とするシートである。
図１に示すように、複数のインク吐出部２が、所定の方向に並列して配置された状態でヘッド支持機構３に支持される。ヘッド支持機構３は、ローラ３３に掛けられた無端ベルト３４に取り付けられている。インクジェット記録装置１は、ローラ３３を回転させることで、ヘッド支持機構３を、画像形成媒体Ｓの搬送方向に対して直交する主走査方向Ａに移動させることが可能である。インク吐出部２は、インクジェットヘッド１０および循環装置２０を一体に備える。インク吐出部２は、インクＩをインクジェットヘッド１０から吐出させる吐出動作を行う。インクジェット記録装置１は、一例として、ヘッド支持機構３を主走査方向Ａに往復移動させながらインク吐出動作を行うことで、対向して配置される画像形成媒体Ｓに所望の画像を形成するスキャン方式である。あるいは、インクジェット記録装置１は、ヘッド支持機構３を移動させずにインク吐出動作を行うシングルパス方式であっても良い。この場合、ローラ３３および無端ベルト３４を設けるには及ばない。またこの場合、ヘッド支持機構３は、例えばインクジェット記録装置１の筐体などに固定される。
複数のインク吐出部２は、例えば、ＣＭＹＫ（cyan, magenta, yellow, and key(black)）に対応する４色のインク、すなわちシアンインク、マゼンタインク、イエローインクおよびブラックインクを、それぞれ吐出する。
以下、インクジェットヘッド１０について図２乃至図４に基づいて説明する。ここでは、インクジェットヘッド１０として、シェアモードシェアウォール方式の循環タイプのサイドシューター型インクジェットヘッドを各図に例示する。インクジェットヘッド１０は、その他の種類のインクジェットヘッドであっても良い。
図２は、インクジェットヘッド１０の構成の一例を示す斜視図である。
図３は、インクジェットヘッド１０の構成の一例を示す分解斜視図である。
図４は、図２のＦ－Ｆ線断面図である。
インクジェットヘッド１０は、インクジェット記録装置１に搭載され、チューブのような部品を介してインクタンクに接続されている。このようなインクジェットヘッド１０は、ヘッド本体１１と、ユニット部１２と、一対の回路基板１３とを備えている。
ヘッド本体１１は、インクを吐出するための装置である。ヘッド本体１１は、ユニット部１２に取り付けられている。ユニット部１２は、ヘッド本体１１とインクタンクとの間の経路の一部を形成するマニホールドおよびインクジェット記録装置１の内部に取り付けるための部材を含んでいる。一対の回路基板１３は、ヘッド本体１１にそれぞれ取り付けられている。
ヘッド本体１１は、図３および図４に示すように、ベースプレート１５と、ノズルプレート１６と、枠部材１７と、一対の駆動素子１８とを備えている。ヘッド本体１１の内部には、図４に示すように、インクが供給されるインク室１９が形成されている。
ベースプレート１５は、図３に示すように、例えばアルミナのようなセラミックスによって矩形の板状に形成されている。ベースプレート１５は、平坦な実装面２１を有している。ベースプレート１５は、実装面２１に、複数の供給孔２２と、複数の排出孔２３とが開口している。
供給孔２２は、ベースプレート１５の中央部において、ベースプレート１５の長手方向に並んで設けられている。供給孔２２は、ユニット部１２のマニホールドのインク供給部１２１に連通している。供給孔２２は、インク供給部１２１を介して循環装置２０内のインクタンクに接続されている。インクタンクのインクは、インク供給部１２１および供給孔２２を通じてインク室１９に供給される。
排出孔２３は、供給孔２２を挟むように二列に並んで設けられている。排出孔２３は、ユニット部１２のマニホールドのインク排出部１２２に連通している。排出孔２３は、インク排出部１２２を介して循環装置２０内のインクタンクに接続されている。インク室１９のインクは、インク排出部１２２および排出孔２３を通じてインクタンクに回収される。このように、インクは、インクタンクとインク室１９との間で循環する。
ノズルプレート１６は、例えば表面に撥液性機能を付与したポリイミド製の矩形状のフィルムによって形成されている。ノズルプレート１６は、ベースプレート１５の実装面２１に対向している。ノズルプレート１６に、複数のノズル２５が設けられている。複数のノズル２５は、ノズルプレート１６の長手方向に沿って二列に並んでいる。
枠部材１７は、例えばニッケル合金によって矩形の枠状に形成されている。枠部材１７は、ベースプレート１５の実装面２１とノズルプレート１６との間に介在している。枠部材１７は、実装面２１とノズルプレート１６とにそれぞれ接着されている。すなわち、ノズルプレート１６は、枠部材１７を介してベースプレート１５に取り付けられている。インク室１９は、図４に示すように、ベースプレート１５と、ノズルプレート１６と、枠部材１７とに囲まれて形成されている。
駆動素子１８は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成された板状の２つの圧電体によって形成されている。２つの圧電体は、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされている。
一対の駆動素子１８は、図３に示すように、ベースプレート１５の実装面２１に接着されている。一対の駆動素子１８は、図４に示すように、二列に並ぶノズル２５に対応して、インク室１９の中に平行に配置されている。駆動素子１８は、断面台形状に形成されている。駆動素子１８の頂部は、ノズルプレート１６に接着されている。
駆動素子１８に、複数の溝２７が設けられている。溝２７は、駆動素子１８の長手方向と交差する方向にそれぞれ延びており、駆動素子１８の長手方向に並んでいる。複数の溝２７は、ノズルプレート１６の複数のノズル２５に対向している。本実施形態の駆動素子１８は、図４に示すように、溝２７に、インクを充填する複数の圧力室５０を配置している。
複数の溝２７のそれぞれに、電極２８が設けられている。電極２８は、例えばニッケル薄膜をフォトレジストエッチング加工することによって形成されている。電極２８は、溝２７の内面を覆っている。
図３に示すように、ベースプレート１５の実装面２１から駆動素子１８にわたって、複数の配線パターン３５が設けられている。これらの配線パターン３５は、例えばニッケル薄膜をフォトレジストエッチング加工することによって形成されている。
配線パターン３５は、実装面２１の１つの側端部２１１および他方の側端部２１２からそれぞれ延びている。なお、側端部２１１および側端部２１２は、実装面２１の縁のみならずその周辺の領域を含む。このため、配線パターン３５は、実装面２１の縁よりも内側に設けられても良い。
以下、１つの側端部２１１から延びる配線パターン３５について代表して説明する。なお、他方の側端部２１２の配線パターン３５の基本的な構成は、１つの側端部２１１の配線パターン３５と同様である。
配線パターン３５は、図３および図４に示すように、第１の部分３５１と、第２の部分３５２とを有している。配線パターン３５の第１の部分３５１は、実装面２１の側端部２１１から駆動素子１８に向かって直線状に延びている部分である。第１の部分３５１は、互いに平行に延びている。配線パターン３５の第２の部分３５２は、第１の部分３５１の端部と、電極２８とに跨る部分である。第２の部分３５２は、電極２８にそれぞれ電気的に接続されている。
１つの駆動素子１８において、複数の電極２８のうち幾つかの電極２８は、第１の電極群３１を構成する。複数の電極２８のうち他の幾つかの電極２８は、第２の電極群３２を構成する。
第１の電極群３１と第２の電極群３２とは、駆動素子１８の長手方向の中央部を境に分かれている。第２の電極群３２は、第１の電極群３１と隣り合っている。第１および第２の電極群３１，３２は、例えば１５９個の電極２８をそれぞれ含んでいる。
図２に示すように、一対の回路基板１３のそれぞれは、基板本体４４と、一対のフィルムキャリアパッケージ（ＦＣＰ）４５とをそれぞれ有している。なお、ＦＣＰは、テープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）とも称される。
基板本体４４は、矩形状に形成された剛性を有するプリント配線板である。基板本体４４に、種々の電子部品やコネクタが実装される。また、基板本体４４に、一対のＦＣＰ４５がそれぞれ取り付けられている。
一対のＦＣＰ４５は、複数の配線が形成されるとともに柔軟性を有する樹脂製のフィルム４６と、複数の配線に接続されたヘッド駆動回路４７とをそれぞれ有している。フィルム４６は、テープオートメーテッドボンディング（ＴＡＢ）である。ヘッド駆動回路４７は、電極２８に電圧を印加するためのＩＣ（integrated circuit）である。ヘッド駆動回路４７は、樹脂によってフィルム４６に固定されている。
一方のＦＣＰ４５の端部は、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）４８によって、配線パターン３５の第１の部分３５１に、熱圧着接続されている。これにより、ＦＣＰ４５の複数の配線は、配線パターン３５に電気的に接続される。
ＦＣＰ４５が配線パターン３５に接続されることで、ヘッド駆動回路４７が、ＦＣＰ４５の配線を介して電極２８に電気的に接続される。ヘッド駆動回路４７は、フィルム４６の配線を介して電極２８に電圧を印加する。
ヘッド駆動回路４７が電極２８に電圧を印加すると、駆動素子１８がシェアモード変形することにより、当該電極２８が設けられた圧力室５０の容積が増減させられる。これにより、圧力室５０の中のインクの圧力が変化し、当該インクがノズル２５から吐出される。このように、圧力室５０を隔てる駆動素子１８は、圧力室５０の内部に圧力振動を与えるためのアクチュエータとなる。
図１に示す循環装置２０は、金属製などの連結部品によりインクジェットヘッド１０の上部に一体に連結されている。循環装置２０は、インクタンクおよびインクジェットヘッド１０を通りインクが循環可能に構成された所定の循環路を備える。循環装置２０は、インクを循環させるためのポンプを備える。当該インクは、ポンプの働きにより循環装置２０からインク供給部１２１を通じてインクジェットヘッド１０内に供給され、所定の流路を通った後、インク排出部１２２を通じてインクジェットヘッド１０内から循環装置２０へと送られる。
また、循環装置２０は、循環路の外部に設けられる補給タンクとしてのカートリッジから循環路にインクを補給する。
インクジェット記録装置１の要部回路構成について説明する。
図５は、実施形態に係るインクジェット記録装置１の要部回路構成の一例を示すブロック図である。
インクジェット記録装置１は、プロセッサ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、通信インターフェース１０４、表示部１０５、操作部１０６、ヘッドインターフェース１０７、バス１０８およびインクジェットヘッド１０を含む。
プロセッサ１０１は、インクジェット記録装置１の動作に必要な処理および制御を行うコンピュータの中枢部分に相当する。プロセッサ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶されたシステムソフトウェア、アプリケーションソフトウェアまたはファームウェアなどのプログラムに基づいて、インクジェット記録装置１の各種の機能を実現するべく各部を制御する。プロセッサ１０１は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）、ＭＰＵ（micro processing unit）、ＳｏＣ（system on a chip）、ＤＳＰ（digital signal processor）またはＧＰＵ（graphics processing unit）などである。あるいは、プロセッサ１０１は、これらの組み合わせである。
ＲＯＭ１０２は、プロセッサ１０１を中枢とするコンピュータの主記憶部分に相当する、専らデータの読み出しに用いられる不揮発性メモリである。ＲＯＭ１０２は、上記のプログラムを記憶する。また、ＲＯＭ１０２は、プロセッサ１０１が各種の処理を行う上で使用するデータまたは各種の設定値などを記憶する。
ＲＡＭ１０３は、プロセッサ１０１を中枢とするコンピュータの主記憶部分に相当する、データの読み書きに用いられるメモリである。ＲＡＭ１０３は、プロセッサ１０１が各種の処理を行う上で一時的に使用するデータを記憶しておく、いわゆるワークエリアなどとして利用される。
通信インターフェース１０４は、インクジェット記録装置１がネットワークまたは通信ケーブルなどを介してホストコンピュータなどと通信するためのインターフェースである。
表示部１０５は、インクジェット記録装置１の操作者に各種情報を通知するための画面を表示する。表示部１０５は、例えば、液晶ディスプレイまたは有機ＥＬ（electro-luminescence）ディスプレイなどのディスプレイである。
操作部１０６は、インクジェット記録装置１の操作者による操作を受け付ける。操作部１０６は、例えば、キーボード、キーパッド、タッチパッドまたはマウスなどである。また、操作部１０６としては、表示部１０５の表示パネルに重ねて配置されたタッチパッドを用いることもできる。すなわち、タッチパネルが備える表示パネルを表示部１０５として、タッチパネルが備えるタッチパッドを操作部１０６として用いることができる。
ヘッドインターフェース１０７は、プロセッサ１０１がインクジェットヘッド１０と通信するために設けられる。ヘッドインターフェース１０７は、プロセッサ１０１の制御のもと、階調データなどをインクジェットヘッド１０へ送信する。
バス１０８は、コントロールバス、アドレスバスおよびデータバスなどを含み、インクジェット記録装置１の各部で授受される信号を伝送する。
インクジェットヘッド１０は、ヘッドドライバ１００を備える。
ヘッドドライバ１００（制御部）は、インクジェットヘッド１０を動作させるための駆動回路である。ヘッドドライバ１００は、ヘッド駆動回路４７などから構成される。ヘッドドライバ１００は、例えばラインドライバである。ヘッドドライバ１００は、波形データＷＤを記憶する。
ヘッドドライバ１００は、波形データＷＤに基づいて単一の駆動信号を繰り返し生成する。そして、ヘッドドライバ１００は、階調データに基づき、画像形成媒体Ｓ上の画素それぞれに対してインクを吐出する回数を制御する。単一の駆動信号の印加ごとに、ノズル２５からは１発のインク（主滴）が吐出される。したがって、インクジェット記録装置１は、例えば、何発のインクをそれぞれの画素に吐出するかによって濃淡を表現する。すなわち、１つの画素に対して多くのセットのインクを吐出するほど、当該画素における対応する色の濃さが濃くなる。
一例として、ヘッドドライバ１００は、波形データＷＤが記憶された状態でヘッドドライバ１００の管理者などへと譲渡される。なお、ヘッドドライバ１００は、波形データＷＤがヘッドドライバ１００に記憶されない状態で当該管理者などに譲渡されても良い。また、ヘッドドライバ１００は、別の波形データが記憶された状態で当該管理者などに譲渡されても良い。そして、波形データＷＤが別途に当該管理者などへと譲渡され、当該管理者またはサービスマンなどによる操作の下にヘッドドライバ１００へと書き込まれても良い。このときの波形データＷＤの譲渡は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスクまたは半導体メモリなどのようなリムーバブルな記憶媒体に記録して、あるいはネットワークなどを介したダウンロードにより実現できる。
駆動信号が印加されることで、圧電体である駆動素子１８は、シェアモード変形する。この変形により、圧力室５０の容積が変化する。
駆動信号の電位を印加しない（０Ｖ）ときの圧力室５０は、通常状態であるとする。駆動信号の電位が正のとき、圧力室５０は収縮して圧力室５０の容積は通常状態に比べて減少する。また、駆動信号の電位が負のとき、圧力室５０は拡張して圧力室５０の容積は通常状態に比べて増加する。以上のような圧力室５０の容積変化に伴い、圧力室５０内のインクの圧力が変化する。インクジェットヘッド１０は、特定の波形を有する駆動信号が印加されることによって、インクを吐出させる。
次に、上記の如く構成された圧力室５０の状態例について、図６を用いて説明する。
図６は、インクジェットヘッド１０の圧力室５０２の状態について説明する図である。圧力室５０２は、待機状態、ＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）、ＰＵＬＬ（Ｆｕｌｌ）、ＰＵＳＨ（Ｈａｌｆ）およびＰＵＳＨ（Ｆｕｌｌ）の状態に変化する。
待機状態は、圧力室５０２が通常の状態である。図６が示すように、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０２内に形成されている電極２８２と、圧力室５０２に隣接する両隣の圧力室５０１および５０３内に形成されている電極２８１および２８３との電位をいずれも基準電位０Ｖ（またはグラウンド電位ＧＮＤ）とする。この状態では、圧力室５０１と圧力室５０２とで挟まれた駆動素子１８１、および圧力室５０２と圧力室５０３とで挟まれた駆動素子１８２は、いずれも何ら歪みを生じない。
ＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）は、圧力室５０２が拡張した状態である。図６が示すように、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０２の電極２８２を電位０Ｖとし、圧力室５０１および５０３の電極２８１および２８３に電圧＋Ｖを印加する。この状態では、各駆動素子１８１および１８２に対して、駆動素子１８の分極方向と直交する方向に電圧Ｖの電界が作用する。この作用により、各駆動素子１８１および１８２は、圧力室５０２を拡張させるようにそれぞれ外側に変形する。
ＰＵＬＬ（Ｆｕｌｌ）は、圧力室５０２がＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）よりも拡張した状態である。図６が示すように、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０２の電極２８２に負極性の電圧－Ｖを印加し、圧力室５０１および５０３の電極２８１および２８３に電圧＋Ｖを印加する。この状態では、各駆動素子１８１および１８２に対して、駆動素子１８の分極方向と直交する方向に電圧２Ｖの電界が作用する。この作用により、各駆動素子１８１および１８２は、圧力室５０２をＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）よりもさらに拡張させるようにそれぞれ外側に変形する。
ＰＵＳＨ（Ｈａｌｆ）は、圧力室５０２が収縮した状態である。図６が示すように、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０２の電極２８２を電位０Ｖとし、圧力室５０１および５０３の電極２８１および２８３に電圧－Ｖを印加する。この状態では、各駆動素子１８１および１８２に対して、ＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）またはＰＵＬＬ（Ｆｕｌｌ）の駆動電圧と逆方向に電圧Ｖの電界が作用する。この作用により、各駆動素子１８１および１８２は、圧力室５０２を収縮させるようにそれぞれ内側に変形する。
ＰＵＳＨ（Ｆｕｌｌ）は、圧力室５０２がＰＵＳＨ（Ｈａｌｆ）よりも収縮した状態である。図６が示すように、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０２の電極２８２に電圧＋Ｖを印加し、圧力室５０１および５０３の電極２８１および２８３に電圧－Ｖを印加する。この状態では、各駆動素子１８１および１８２に対して、ＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）またはＰＵＬＬ（Ｆｕｌｌ）の駆動電圧と逆方向に電圧２Ｖの電界が作用する。この作用により、各駆動素子１８１および１８２は、圧力室５０２をＰＵＳＨ（Ｈａｌｆ）よりもさらに収縮させるようにそれぞれ内側に変形する。
圧力室５０２の容積が拡張または収縮された場合、圧力室５０２内に圧力振動が発生する。この圧力振動により、圧力室５０２内の圧力が高まり、圧力室５０２に連通するノズル２５からインク滴が吐出される。
このように、各圧力室５０１、５０２および５０３を隔てる駆動素子１８１および１８２は、駆動素子１８１および１８２を壁面とする圧力室５０２の内部に圧力振動を与えるためのアクチュエータとなる。即ち、圧力室５０は、駆動素子１８の動作によって拡張または収縮される。
なお、各圧力室５０は、それぞれ隣接する圧力室５０と駆動素子１８（隔壁）を共有する。このため、ヘッドドライバ１００は、各圧力室５０を個別に駆動することができない。ヘッドドライバ１００は、各圧力室５０をｎ（ｎは２以上の整数）個おきに（ｎ＋１）個のグループに分割して駆動し得る。ここでは、ヘッドドライバ１００が各圧力室５０を２つおきに３つの組に分けて分割駆動する３分割駆動の場合を例示する。３分割駆動はあくまでも一例であり、４分割駆動または５分割駆動などであってもよい。
図７は、従来の駆動信号を用いた中粘度インクの圧力変動シミュレーション結果を示す図である。ここでは中粘度インクとは、５ｃｐｓ以上のインクを指す。シミュレーションは、インクジェットヘッドを模擬したＬＣＲ等価回路（図示省略）を用いて行った。図７において、横軸は時間経過を表す。図７の太い実線「駆動電圧」は、駆動信号の電圧変化を表す波形である。駆動信号は、パルスＰＤとパルスＰＰとを含む。パルスＰＤは基準電位である０Ｖから負電圧（－１．０Ｖ）を印加することで圧力室５０を拡張させた後、０Ｖを印加し、圧力室５０を収縮させる波形である。パルスＰＤにおいて、負電圧（－１．０Ｖ）を印加することで圧力室５０を拡張させた後、０Ｖを印加し、圧力室５０を収縮させることで、圧力室５０内の圧力が上がり、ノズル２５からインク滴を吐出させる。パルスＰＰはパルスＰＤの後に印加する波形である。パルスＰＰは、基準電位である０Ｖから正電圧（＋１．０Ｖ）を印加することで圧力室５０を収縮させた後、０Ｖを印加し、圧力室５０を拡張させる波形である。パルスＰＰは、パルスＰＤの印加後に一定時間経過してから印加する。図７の粗い破線「圧力」は、ノズル近傍のインクの圧力の変化を表す波形である。図７の一点鎖線「流速」は、ノズルに流入するインクの流速の変化を表す波形である。図７の細い実線「メニスカス」は、インクの液面の形状の変化を表す波形である。メニスカスの変化は、ノズル近傍のインクの体積変化に対応する。図７の細かい破線「推進力」は、インクを押し出そうとする力の変化を表す波形である。推進力は、圧力とメニスカスとの両方に比例する。パルスＰＤとパルスＰＰの間の区間は、駆動信号の電位は０Ｖに保たれるが、その間も圧力変動が生じ、流速、メニスカスおよび推進力も大きく変動する。パルスＰＰの後、駆動信号の電位は再び０Ｖに保たれるが、圧力、流速、メニスカスおよび推進力に残留振動が生じている。
図８は、図７と同じ駆動信号を用いた低粘度インクの圧力変動シミュレーション結果を示す図である。ここでは低粘度インクとは、５ｃｐｓ未満のインクを指す。図８の各波形は図７に関して説明した各波形に対応する。
図７と図８とを対比すると、パルスＰＰの後、圧力、流速、メニスカスおよび推進力のすべてについて、中粘度インクに比べて低粘度インクで吐出した場合に、より大きな残留振動が生じることが観察される。このような残留振動は、インク吐出時にドット分離やばらけを引き起こし、印刷品質を低下させる。このように、従来の駆動信号では、中粘度インクを用いた場合には残留振動をある程度抑制できたとしても、低粘度インクを用いた場合には残留振動を抑制できなくなり、印刷品質の低下をまねいていた。そのため、高品質の印刷のためには、一般的に、中粘度インクが推奨される。
本実施形態のようなタイプのインクジェットヘッドでは、１つのインク滴を吐出させると、吐出されたインク滴が飛翔中に分離することがある。ここではこの現象をドット分離と呼んでいる。インク滴の分離は多様な形で起こり得るが、概して、メインドロップと、前方ドロップと、後方ドロップとに分離する。メインドロップは、便宜上、飛翔中に分離したインク滴のうち最大のものを言う。前方ドロップは、メインドロップに対して画像形成媒体Ｓ側に分離したインク滴を言う。後方ドロップは、メインドロップに対してノズル側に分離したインク滴を言う。分離したドロップは、画像形成媒体Ｓ上の離れた位置に着弾することがあり、分離の程度が大きいと印刷品質が低下する。ばらけは、そもそもメインドロップが飛ばない、またはメインドロップが定義できないような誤吐出を指す。インクの粘度が低いほどドット分離やばらけが起こりやすいことが知られている。また、ドット分離やばらけを抑制すれば印刷品質が向上することも知られている。
図９は、一実施形態に係るインクジェットヘッド１０において用いられる駆動信号の波形の一例を示す図である。以下では、簡単のため、インクジェットヘッド１０が、１つのインク滴で媒体に１つのドットを形成するシングルドロップ方式で動作するものとし、１インク滴を吐出させる周期（以下、「１周期」と称する）の駆動信号について説明する。ヘッドドライバ１００は、図９のような駆動信号を駆動素子１８に印加することによって、１周期ごとにノズル２５から所定の量のインク滴を吐出させる。
一実施形態では、駆動信号は、１周期Ｔ内に、補助区間ＴＡと、主区間ＴＭとを含む。
主区間ＴＭは、ノズル２５からインク滴を吐出させる区間である。主区間ＴＭは、拡張パルス（Ｄｒａｗ）と、保持期間（Ｒｅｌｅａｓｅ）と、収縮パルス（Ｐｕｓｈ）と、を含む。
拡張パルス（Ｄｒａｗ）は、第１パルスである。拡張パルス（Ｄｒａｗ）は、アクチュエータとしての駆動素子１８に第１電圧Ｖｄを印加する。実施形態では、第１電圧Ｖｄは負電圧（例えば－１．０Ｖ）である。拡張パルスが印加されると、駆動素子１８は、シェアモード変形して、圧力室５０を拡張させる。
本実施形態において、拡張パルスのパルス幅Ｗｄは、基準電位０Ｖから、－０．５Ｖを経て、－１．０Ｖに達し、再び－０．５Ｖを経てから基準電位０Ｖに戻るまでの時間幅に対応する。拡張パルスのパルス幅Ｗｄは、例えば１．５２μｓである。パルスの立ち下がりおよび立ち上がりの途中で中間電圧（－０．５Ｖ）に維持する時間は、いずれも約０．２μｓである。途中で中間電圧を印加するのは電力効率を考慮したものであるが、このようなステップ状のパルスは本実施形態に必須ではない。拡張パルスが０Ｖに復帰する時、圧力室５０内の圧力が上がり、ノズル２５からインクが吐出される。拡張パルスは吐出パルスとも呼ばれる。
保持期間（Ｒｅｌｅａｓｅ）は、第１期間として、拡張パルス後に駆動素子１８を、駆動素子１８の変形を引き起こさない基準電位（例えば０Ｖ）に維持する。図７および図８に示したのと同様に、保持期間中も圧力変動が生じる。
収縮パルス（Ｐｕｓｈ）は、第２パルスとして、保持期間後に第１電圧Ｖｄとは逆極性の第２電圧Ｖｐを駆動素子１８に印加する。実施形態では、第２電圧Ｖｐは正電圧（例えば＋１．０Ｖ）である。収縮パルスが印加されると、駆動素子１８は、シェアモード変形して、圧力室５０を収縮させる。収縮パルスは、キャンセルパルスとも呼ばれ、拡張パルスによって生じた圧力振動をキャンセルする向きの圧力振動を発生させる。
本実施形態において、収縮パルスのパルス幅Ｗｐは、基準電位０Ｖから、＋０．５Ｖを経て、＋１．０Ｖに達し、再び＋０．５Ｖを経てから基準電位０Ｖに戻るまでの時間幅に対応する。圧力室５０の圧力の固有振動周期２ＡＬの半分の時間をＡＬ（acoustic length）と定義する。収縮パルスのパルス幅Ｗｐは、最大で約ＡＬまでの時間幅を有する。パルス幅Ｗｐは、例えば１．２０μｓである。パルスの立ち上がりおよび立ち下がりの途中で＋０．５Ｖに維持する時間は、いずれも約０．２μｓである。ステップ状のパルスは、電力効率を考慮したものであり、本実施形態に必須ではない。
保持期間（Ｒｅｌｅａｓｅ）の長さは、拡張パルスのパルス幅Ｗｄの中心と、収縮パルスのパルス幅Ｗｐの中心との間の距離が２ＡＬを維持するように設定される。すなわち、保持期間（Ｒｅｌｅａｓｅ）の長さは、圧力室５０の圧力の固有振動周期に等しい。保持期間（Ｒｅｌｅａｓｅ）の長さは、収縮パルスのパルス幅Ｗｐが決定された後に決まる長さである。保持期間（Ｒｅｌｅａｓｅ）の長さは、例えば１．６８μｓである。なお、この例では、２ＡＬ≒３．０４μｓである。
補助区間ＴＡは、１周期Ｔ内で、主区間ＴＭに先立って設けられる。補助区間ＴＡは、ノズル２５からインク滴を吐出させない区間である。補助区間は、補助パルス（ｄｅＢｓｔ）と、休止期間（Ｒｅｓｔ）と、を含む。
補助パルス（ｄｅＢｓｔ）は、第３パルスとして、駆動素子１８に拡張パルスと同極性の第３電圧Ｖａを印加する。一実施形態では、補助パルスの振幅（補助パルスが印加する電圧）は、拡張パルスの振幅（拡張パルスが印加する電圧）の１／２であり、例えば、－０．５Ｖである。補助パルスのパルス幅Ｗａは、最大でＡＬ×１／３の時間幅を有する。すなわち、補助パルスのパルス幅Ｗａは、圧力室５０の圧力の固有振動周期の１／６以下である。補助パルスのパルス幅Ｗａは、例えば０．５μｓである。
休止期間（Ｒｅｓｔ）は、補助パルス後に駆動素子１８を基準電位に維持する。休止期間は２ＡＬの時間長に維持される。すなわち、休止期間（Ｒｅｓｔ）の長さは、圧力室５０の圧力の固有振動周期に等しい。
補助区間ＴＡにおいて、補助パルス（ｄｅＢｓｔ）は、駆動素子１８に負電圧を印加することにより、駆動素子１８が形成する圧力室５０を拡張させる。すなわち、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０を待機状態から、ＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）の状態にする。圧力室５０が拡張すると、圧力室５０内の圧力が低下し、その結果、圧力室５０に共通インク室５からインクが供給される。休止期間には、駆動素子１８を基準電位に維持することにより、圧力室５０はＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）から待機状態に戻る。待機状態に戻ると、圧力室５０が収縮し、圧力室５０内の圧力は上昇するが、この圧力変動は、駆動信号の電圧によってインク滴を吐出しない程度に設定されている。すなわち、補助区間ＴＡにおいて、圧力室５０は、拡張し、復元するが、インク滴は吐出されない。
次いで、主区間ＴＭにおいて、拡張パルスは、駆動素子１８に再び負電圧を印加することにより、圧力室５０を再拡張させる。すなわち、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０を待機状態から、ＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）を経てＰＵＬＬ（Ｆｕｌｌ）の状態にする。再び圧力室５０が拡張し、圧力室５０内の圧力が低下する。拡張パルスは、補助パルスの２倍の電圧を駆動素子１８に印加するので、圧力室５０をより拡張させる。
保持期間には、駆動素子１８を基準電位に維持することにより、圧力室５０は再びＰＵＬＬ（Ｈａｌｆ）を経て待機状態に戻る。駆動素子１８に印加される電圧変化が補助区間における電圧変化よりも大きいため、圧力室５０内に収容されたインクにはより大きな圧力変動が生じる。
収縮パルスは、駆動素子１８に正電圧を印加することにより、圧力室５０を収縮させる。すなわち、ヘッドドライバ１００は、圧力室５０を待機状態から、ＰＵＳＨ（Ｈａｌｆ）を経てＰＵＳＨ（Ｆｕｌｌ）の状態にする。
すなわち、主区間において、圧力室５０は、拡張し、復元し、収縮し、復元する。
この過程で、圧力室５０内の圧力が上昇するにつれ、ノズル２５に形成されるメニスカスの速度は、インク滴が吐出される閾値を超える。メニスカスの速度が吐出閾値を超えたタイミングで、圧力室５０のノズル２５からインク滴が吐出される。
なお、図９に示した具体的な電圧の値は、一例にすぎず、他の値が使用されてもよい。同様に、本明細書で例示する各時間長は一例にすぎず、具体的な動作条件に応じて最適に決定されてよい。
本実施形態のように、インクを吐出させる主区間の前に補助区間を設け、インクを吐出させない程度に圧力室５０を拡張させることによって、前の周期に起因する残留圧力振動を抑制できると考えられる。これにより、事前に振動を抑制した上で安定した吐出を行うことができ、印刷品質を向上させることができる。また後述するように、補助パルスのパルス幅Ｗａを変えると、前方ドロップの分離の程度が変化し、収縮パルスのパルス幅Ｗｐを変えると、後方ドロップの分離の程度が変化する。したがって、使用環境に応じてパルス幅ＷａおよびＷｐの最適値を決定することによって、印刷品質をさらに向上させることができる。パルス幅の最適値の決定例については後述する。
図１０は、例えば図７に示した従来の駆動信号を用いたときの、インク滴の飛翔状態を説明する図である。図１０において、横軸はノズル面からの距離（ＧＡＰ＝０．０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ）を表し、最上段（ｐａ）から、（ｐｂ）、（ｐｃ）、（ｐｄ）、（ｐｅ）へと時間経過を表す。インク滴は、吐出直後にドット分離を生じ（ｐａ）、時間が経過してノズル面を離れるにつれ、分離の度合い（インク滴間の距離）が広がっていくことがわかる（ｐｅ）。
図１１は、図９に示した駆動信号を用いたときの、インク滴の飛翔状態を説明する図である。図１１において、駆動信号以外は図１０と同じ条件を用いている。図１１において、横軸はノズル面からの距離を表し、最上段（ａ）から、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）へと時間経過を表す。インク滴は、吐出直後にはドット分離を生じているが（ａ）、飛翔中に分離したインク滴が合体し、（ｂ）～（ｅ）ではほとんど分離が見られないことが観察される。
次いで、一実施形態に係るインクジェットヘッド１０におけるパルス幅の最適値を決定する一例を説明する。
まず、図１２および図１３を参照して、補助パルスｄｅＢｓｔのパルス幅Ｗａに関して最適値の決定例を説明する。
図１２は、補助パルスｄｅＢｓｔのパルス幅Ｗａによるドット分離抑制効果を説明する図である。試験では、図９の駆動信号において、パルス幅Ｗａ（ｄｅＢｓｔ）を変えて（ｄｅＢｓｔ＝０．２μｓ，０．３μｓ，０．４μｓ，０．５μｓ）、インクジェットヘッド１０のノズル２５からインクを吐出させた。パルス幅Ｗａ以外の条件は一定とした。ノズルからの距離ＧＡＰ＝０．５ｍｍの位置でインクの飛翔状態を撮影し、メインドロップＭＤと前方ドロップＦＤとの間の距離を計測することによって評価を行った。
ｄｅＢｓｔ＝０．２μｓではメインドロップＭＤと前方ドロップＦＤとの分離が観察されたが、ｄｅＢｓｔ＝０．５μｓでは分離はほとんど観察されなくなった。後方ドロップＢＤは、ｄｅＢｓｔを変化させてもあまり変化が見られなかった。
図１３は、補助パルスのパルス幅Ｗａ（ｄｅＢｓｔ）に応じたドット間距離の計測結果を示す図である。「ドット間距離」列内の数値は、図１２の目盛位置に対応し、メインドロップの位置「５」はＧＡＰ＝０．５ｍｍを指す。したがって、メインドロップと前方ドロップとの間の距離（差Δ）「２．６」は、Δ＝２．６×１０－１ｍｍを示す。「安定性」は、目視判断による３段階評価であり、曲がりやばらけなどの誤吐出がないものを「安定性＝○」、曲がりやばらけなどの誤吐出があるものを「安定性＝×」とし、それらの中間を「安定性＝△」としている。
Ｗａ＝０．２μｓでは、Δ＝２．６×１０－１ｍｍであった。Ｗａを大きくするにつれてΔは小さくなり、Ｗａ＝０．５μｓではΔ＝０となった。Ｗａ＝０．６μｓでは、前方ドロップの分離は見られなかったものの、安定性が低下した。したがってこの例では、補助パルスの最適なパルス幅Ｗａ＝０．５μｓと得られた。
次に、図１４および図１５を参照して、収縮パルスＰｕｓｈのパルス幅Ｗｐに関して最適値の決定例を説明する。
図１４は、収縮パルスＰｕｓｈのパルス幅Ｗｐによるドット分離抑制効果を説明する図である。試験では、図９の駆動信号において、パルス幅Ｗｐ（Ｐｕｓｈ）を変えて（Ｐｕｓｈ＝０．９μｓ，１．０μｓ，１．１μｓ，１．２μｓ）、インクジェットヘッド１０のノズル２５からインクを吐出させた。パルス幅Ｗｐ以外の条件は一定とした。図１２の例と同様に、ノズルからの距離ＧＡＰ＝０．５ｍｍの位置でインクの飛翔状態を撮影し、メインドロップＭＤと後方ドロップＢＤとの間の距離を計測することによって評価を行った。
Ｐｕｓｈ＝０．９μｓではメインドロップＭＤと後方ドロップＢＤとの分離が観察されたが、Ｐｕｓｈ＝１．１μｓでは分離はほとんど観察されなくなった。
図１５は、収縮パルスのパルス幅Ｗｐ（Ｐｕｓｈ）に応じたドット間距離の計測結果を示す図である。図１３と同様に、「ドット間距離」列内の数値は、図１４の目盛位置に対応し、メインドロップの位置「５」はＧＡＰ＝０．５ｍｍを指す。したがって、メインドロップと後方ドロップとの間の距離（差Δ）「０．５」は、Δ＝０．５×１０－１ｍｍを示す。「安定性」は、図１３と同様に目視判断による３段階評価である。
Ｗｐ＝０．５μｓでは、Δ＝０．５×１０－１ｍｍであった。Ｗｐ＝０．７μｓではΔ＝１×１０－１ｍｍに広がったが、Ｗｐ＝１．１μｓおよびＷｐ＝１．２μｓではΔ＝０が得られた。Ｗｐをさらに大きくしていくと、Ｗｐ＝１．３μｓのとき安定性が低下し、Ｗｐ＝１．５２μｓでは、ばらけに近い現象が生じて差Δが拡大した。したがってこの例では、収縮パルスの最適なパルス幅Ｗｐ＝１．１μｓまたは１．２μｓが最適と得られた。
このように、拡張パルスＤｒａｗの前に、圧力振動を抑制する補助パルスｄｅＢｓｔおよび一定時間休止させるＲｅｓｔ期間を設けることにより、前方ドロップの分離を抑制することができる。また、拡張パルスＤｒａｗで発生した圧力振動を抑制する収縮パルスＰｕｓｈにより、後方ドロップの分離も抑えることができる。補助パルスｄｅＢｓｔおよび収縮パルスＰｕｓｈのパルス幅を適切に選択することにより、ドット分離抑制効果を高めることができる。このような分離抑制効果は、５ｃｐｓ未満の低粘度インクを用いた場合にも得られることが確認された。
一実施形態に係るインクジェットヘッド１０および当該インクジェットヘッド１０を備えるインクジェット記録装置１は、以上で説明したような駆動信号を用い、アクチュエータとしての駆動素子１８に印加することによって、ドット分離のないまとまったインク滴の吐出を実現することができる。したがって、実施形態によれば、吐出の安定性を保ちつつインクのドット分離やばらけを抑制し、高品質の印刷を可能にする、インクジェットヘッド１０およびインクジェット記録装置１を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…インクジェット記録装置、２…インク吐出部、３…ヘッド支持機構、３３…ローラ、３４…無端ベルト、４…媒体支持機構、５…共通インク室、１０…インクジェットヘッド、１１…ヘッド本体、１２…ユニット部、１２１…インク供給部、１２２…インク排出部、１３…回路基板、１５…ベースプレート、１６…ノズルプレート、１７…枠部材、１８（１８１および１８２）…駆動素子、１９…インク室、２０…循環装置、２１…実装面、２１１…側端部、２１２…側端部、２２…供給孔、２３…排出孔、２５…ノズル、２７…溝、２８（２８１乃至２８３）…電極、３１…第１の電極群、３２…第２の電極群、３５…配線パターン、３５１…第１の部分、３５２…第２の部分、４４…基板本体、４５…フィルムキャリアパッケージ（ＦＣＰ）、４６…フィルム、４７…ヘッド駆動回路、４８…異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）、５０（５０１乃至５０３）…圧力室、１００…ヘッドドライバ、１０１…プロセッサ、１０２…ＲＯＭ、１０３…ＲＡＭ、１０４…通信インターフェース、１０５…表示部、１０６…操作部、１０７…ヘッドインターフェース、１０８…バス。

Claims (5)

  1. 駆動信号に従って変形し、ノズルに連通する圧力室の容積を変化させることで、前記圧力室に収容されているインクを前記ノズルから吐出させるアクチュエータと、
    前記アクチュエータに前記駆動信号を印加する駆動回路と
    を備えるインクジェットヘッドであって、
    前記駆動回路は、
    前記アクチュエータに第１電圧を印加する第１パルスと、前記アクチュエータを基準電位に維持する第１期間と、前記アクチュエータに前記第１電圧とは逆極性の第２電圧を印加する第２パルスとを含む、前記ノズルから前記インクを吐出させる主区間と、
    前記主区間に先立って、前記アクチュエータに前記第１電圧と同極性の第３電圧を印加する第３パルスと、前記アクチュエータを基準電位に維持する第２期間とを含む、前記ノズルから前記インクを吐出させない補助区間と
    を含む駆動信号を前記アクチュエータに印加する、インクジェットヘッド。
  2. 前記第３電圧は、前記第１電圧の１／２の値を有する、
    請求項１に記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記第１パルスのパルス幅の中心と前記第２パルスのパルス幅の中心との間の時間幅は、前記圧力室の圧力の固有振動周期に等しく、
    前記第２パルスのパルス幅は、前記固有振動周期の1／２以下である、
    請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記第３パルスのパルス幅は、前記圧力室の圧力の固有振動周期の１／６以下であり、
    前記第２期間の長さは、前記固有振動周期に等しい、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
  5. 媒体にインクを吐出するインクジェット記録装置であって、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドに対向して前記媒体を支持する支持部と
    を備えるインクジェット記録装置。
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