JP6079117B2

JP6079117B2 - 液体吐出装置および液体吐出方法

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Publication number: JP6079117B2
Application number: JP2012224846A
Authority: JP
Inventors: 遠藤　宏典; 宏典遠藤; 猿田　稔久; 稔久猿田; 徹松山
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2017-02-15
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Description

本発明は、液体吐出装置および液体吐出方法に関する。

印刷ヘッドに設けられた複数のノズルから印刷媒体上にインクを吐出して画像や文書を記録するインクジェットプリンターが広く普及している。このようなインクジェットプリンターでは、例えば印刷ヘッドの各ノズルに対応して設けられた圧電素子が駆動信号に従い駆動されることにより、所定のタイミングで所定量のインクがノズルから吐出される。

上記駆動信号は、例えば、アナログの基駆動信号をパルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）方式やパルス密度変調（ＰｕｌｓｅＤｅｎｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＤＭ）方式、パルス振幅変調（ＰｕｌｓｅＤｅｎｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＡＭ）等によりパルス変調してデジタルの変調基駆動信号を生成し、変調基駆動信号を増幅して変調駆動信号を生成し、変調駆動信号を平滑化してアナログ信号である駆動信号に変換することにより生成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１１４７１１号公報

上述した従来のインクジェットプリンターでは、変調駆動信号にパルス変調に起因する交流成分が含まれるため、この交流成分によってインク吐出安定性が低下する場合があると共に、消費電力の抑制の点で向上の余地があった。また、従来のインクジェットプリンターでは、駆動信号を用いたヘッドの駆動の際に、メニスカスの盛り返しによるインク滴（「孫サテライト」と呼ばれる）が発生し、画質が低下する場合があった。

なお、このような課題は、インクジェットプリンターに限らず、駆動信号に従い液体を吐出する液体吐出装置に共通の課題であった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、基駆動信号を生成する基駆動信号生成部と、前記基駆動信号を変調して変調基駆動信号を生成する信号変調部と、スイッチング素子を用いて前記変調基駆動信号を増幅して変調駆動信号を生成する信号増幅部と、前記変調駆動信号を駆動信号に変換する信号変換部と、前記駆動信号により変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形に伴って膨張および収縮する周期Ｔｃのヘルムホルツ共振周波数を有する圧力室と、前記圧力室に連通した液体を吐出するノズル開口部と、を含むヘッドと、を備える。前記駆動信号は、前記圧力室を前記Ｔｃ以下の時間で膨張させる第１区間と、前記圧力室を膨張させた状態を前記Ｔｃの１／２以下の時間保持する第２区間と、膨張状態にある前記圧力室を収縮させる第３区間と、を含む。前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数である。この形態の液体吐出装置によれば、変調駆動信号に含まれる交流成分によって区間の切り換えポイントが不明瞭となることにより、駆動信号の波形再現性が低下してインクの吐出安定性が低下することを抑制することができると共に、孫サテライトの吐出を防止することができる。

（２）上記形態の液体吐出装置において、前記第３区間の長さは、前記Ｔｃ以上、または、前記Ｔｃと実質的に同一であるとしてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、メニスカスの発振を抑制し、孫サテライトの吐出をさらに効果的に防止することができる。

（３）上記形態の液体吐出装置において、前記第１区間の長さは、前記Ｔｃの１／２以下であるとしてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、比較的小さい径の液滴を吐出する場合にも、孫サテライトの吐出を防止することができる。

（４）上記形態の液体吐出装置において、前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記スイッチング素子のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間との合計時間よりも長いとしてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、スイッチング損失による電力消費量の増大を抑制することができる。

（５）上記形態の液体吐出装置において、前記信号変調部は、前記基駆動信号と単一の波形を繰り返す三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで、前記変調基駆動信号を生成し、前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記比較信号の周期と等しいとしてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、基駆動信号と単一の波形を繰り返す三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで変調基駆動信号を生成する信号変調部を用いる場合に、駆動信号の波形再現性が低下してインクの吐出安定性が低下することを抑制することができると共に、孫サテライトの吐出を防止することができる。

（６）上記形態の液体吐出装置において、前記信号変調部は、前記基駆動信号と、前記基駆動信号の電圧に応じて周波数が変化する三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで前記変調基駆動信号を生成し、前記変調駆動信号には複数周波数の交流成分が含まれ、前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周波数の内、最も多く含まれる交流成分の周波数の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であるとしてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、基駆動信号と基駆動信号の電圧に応じて周波数が変化する三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで変調基駆動信号を生成する信号変調部を用いる場合に、駆動信号の波形再現性が低下してインクの吐出安定性が低下することを抑制することができると共に、孫サテライトの吐出を防止することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、液体吐出装置、液体吐出方法、液体吐出装置の制御方法、液体吐出装置用駆動回路等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態における印刷装置１００の概略構成を示す説明図である。印刷ヘッド１４０において用いられる各種信号の一例を示す説明図である。印刷ヘッド１４０のスイッチングコントローラー１６０の構成を示す説明図である。印刷装置１００における駆動信号ＣＯＭを生成するための構成を示す説明図である。信号変調回路８２の構成の一例を示す説明図である。パルス密度変調を用いた信号変調回路８２ａの構成の一例を示す説明図である。パルス密度変調を用いた信号変調回路８２ａの発振周波数を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の実施形態における印刷装置１００の概略構成を示す説明図である。本実施形態の印刷装置１００は、液体インクを吐出することによって印刷媒体上にインクドット群を形成し、これにより、ホストコンピューター２００から供給された画像データに応じた画像（文字、図形等を含む）を印刷するインクジェットプリンターである。

印刷装置１００は、印刷ヘッド１４０と、フレキシブルフラットケーブル１３９を介して印刷ヘッド１４０と接続された制御ユニット１１０とを備えている。制御ユニット１１０は、ホストコンピューター２００から画像データ等を入力するためのホストインターフェイス（ＩＦ）１１２と、ホストインターフェイス１１２を介して入力された画像データに基づいて画像の印刷のための所定の演算処理を実行するメイン制御部１２０と、印刷媒体の搬送のための紙送りモーター１７２を駆動制御する紙送りモータードライバー１１４と、印刷ヘッド１４０を駆動制御するヘッドドライバー１１６と、各ドライバー１１４、１１６と紙送りモーター１７２、印刷ヘッド１４０とをそれぞれ接続するメインインターフェイス（ＩＦ）１１９と、を有している。ヘッドドライバー１１６は、メイン側駆動回路８０を含んでいる。

メイン制御部１２０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ１２２と、プログラムやデータを一時的に格納・展開するＲＡＭ１２４と、ＣＰＵ１２２が実行するプログラム等を格納するＲＯＭ１２６と、を含んでいる。メイン制御部１２０の各種の機能は、ＣＰＵ１２２がＲＯＭ１２６に格納されたプログラムをＲＡＭ１２４上に読み出して実行することによって実現される。なお、メイン制御部１２０は電気回路を備えていてもよく、メイン制御部１２０の機能の少なくとも一部はメイン制御部１２０が備える電気回路がその回路構成に基づいて動作することによって実現されてもよい。

メイン制御部１２０は、ホストコンピューター２００からホストインターフェイス１１２を介して画像データを取得すると、画像データに基づいて画像展開処理、色変換処理、インク色分版処理、ハーフトーン処理といった印刷実行のための演算処理を行うことにより、印刷ヘッド１４０の何れのノズルからインクを吐出するか、あるいは、どの程度の量のインクを吐出するかを規定するノズル選択データ（駆動信号選択データ）を生成し、駆動信号選択データ等に基づいて各ドライバー１１４、１１６に制御信号を出力する。なお、メイン制御部１２０が実行する印刷実行のための各演算処理の内容は、印刷装置の技術分野において周知の事項であるため、ここでは説明を省略する。各ドライバー１１４、１１６は、それぞれ紙送りモーター１７２、印刷ヘッド１４０の動作を制御するための信号を出力する。例えば、ヘッドドライバー１１６は、印刷ヘッド１４０に対して、後述する基準クロック信号ＳＣＫとラッチ信号ＬＡＴと駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰとチャンネル信号ＣＨとを供給する。

印刷ヘッド１４０には、図示しない１つまたは複数のインク容器から１色または複数色のインクが供給される。印刷ヘッド１４０は、ヘッドインターフェイス（ＩＦ）１４２と、ヘッド側駆動回路９０と、スイッチングコントローラー１６０と、吐出部１５０と、を有している。ヘッド側駆動回路９０およびスイッチングコントローラー１６０は、ヘッドインターフェイス１４２を介して制御ユニット１１０から入力される各種信号に基づき動作する。吐出部１５０は、インクを吐出する複数のノズル開口部１５２と、複数のノズル開口部１５２に対応して設けられた複数の圧電素子１５６とを有している。本実施形態では、圧電素子１５６としてピエゾ素子が用いられる。ノズル開口部１５２は、インクが供給される圧力室１５４と連通している。圧電素子１５６は、ヘッド側駆動回路９０およびスイッチングコントローラー１６０を介して供給される駆動信号ＣＯＭ（後述）に従い変形することによって、圧力室１５４を膨張および収縮させる。圧力室１５４が膨張または収縮して圧力室１５４内に圧力変化が発生すると、その圧力変化によって対応するノズル開口部１５２からインクが吐出される。圧電素子１５６の駆動に用いられる駆動信号ＣＯＭの波高値や電圧増減傾きを調整することで、インクの吐出量（すなわち形成するドットの大きさ）を調整することができる。

ここで、圧力室１５４のインクの圧縮性に起因する流体コンプライアンスをＣｉとし、圧力室１５４を形成している材料自体（例えば、弾性板やノズルプレート）による剛性コンプライアンスをＣｖとし、ノズル開口部１５２のイナータンスをＭｎとし、圧力室１５４にインクを供給するインク供給口のイナータンスをＭｓとすると、圧力室１５４のヘルムホルツ共振周波数ｆは、次式で示される。
ｆ＝１／２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｓ）／（Ｍｎ×Ｍｓ）（Ｃｉ＋Ｃｖ）｝

また、メニスカスのコンプライアンスをＣｎとすると、メニスカスの固有振動周期Ｔｍは次式で示される。
Ｔｍ＝２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｓ）Ｃｎ｝

また、圧力室１５４の体積をＶとし、インクの密度をρとし、インク中での音速をｃとすると、流体コンプライアンスＣｉは次式で示される。
Ｃｉ＝Ｖ／ρｃ²

さらに圧力室１５４の剛性コンプライアンスＣｖは、圧力室１５４に単位圧力を印加したときの圧力室１５４の静的な変形率に一致する。

圧電素子１５６の伸長および収縮によりメニスカスに生じる振動の周期Ｔｃはヘルムホルツ共振周波数ｆの逆数で得られる周期と実質的に同一である。具体例を挙げると、流体コンプライアンスＣｉが５×１０^-21ｍ⁵ Ｎ^-1 、剛性コンプライアンスＣｖが５×１０^-21 ｍ⁵Ｎ^-1 、ノズル開口部１５２のイナータンスＭｎが１×１０⁸ ｋｇｍ^-4 、インク供給口のイナータンスＭｓが１×１０⁸ ｋｇｍ^-4 のときのヘルムホルツ共振周波数ｆは２２５ｋＨｚであり、周期Ｔｃは４.４μｓとなる。

図２は、印刷ヘッド１４０において用いられる各種信号の一例を示す説明図である。図２（ａ）には、駆動信号ＣＯＭと、ラッチ信号ＬＡＴと、チャンネル信号ＣＨと、駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰとの一例を示している。駆動信号ＣＯＭは、印刷ヘッド１４０の吐出部１５０に設けられた圧電素子１５６を駆動するための信号である。駆動信号ＣＯＭは、圧電素子１５６を駆動する駆動信号の最小単位（単位駆動信号）としての駆動パルスＰＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ１ないしＰＣＯＭ４）が時系列的に連続した信号である。駆動信号ＣＯＭの各周期Ｔｃｏｍ内に含まれる駆動パルスＰＣＯＭ１、ＰＣＯＭ２、ＰＣＯＭ３およびＰＣＯＭ４の４つの駆動パルスＰＣＯＭの組は、１つの画素（印刷画素）に対応している。

図２（ｂ）には、駆動パルスＰＣＯＭ２の一例を拡大して示している。駆動パルスＰＣＯＭ２は、第１区間の信号である膨張要素Ｅ１と、第１区間に続く第２区間の信号である膨張保持要素Ｅ２と、第２区間に続く第３区間の信号である吐出要素Ｅ３とを含んでいる。駆動パルスＰＣＯＭ３およびＰＣＯＭ４についても同様である。各駆動パルスＰＣＯＭの膨張要素Ｅ１は、圧電素子１５６の定常状態に相当する中間電位Ｖｍから膨張電位（最大電圧）Ｖｈまで電位を上昇させて圧電素子１５６を変形させることにより圧力室１５４の体積を膨張させ、インクを引き込む（インクの吐出面で考えればメニスカスを引き込むとも言える）ための部分である。膨張保持要素Ｅ２は、膨張電位Ｖｈを保持して圧力室１５４の膨張状態を維持する部分である。吐出要素Ｅ３は、膨張電位Ｖｈから中間電位Ｖｍまで電位を下降させて圧電素子１５６を変形させることにより圧力室１５４の体積を収縮させ、インクを押し出す（インクの吐出面で考えればメニスカスを押し出すとも言える）ための部分である。なお、図２（ｂ）には、本実施形態の駆動パルスＰＣＯＭ２に加えて、変調基駆動信号ＭＳおよび比較例の駆動パルス（ＰＣＯＭ２）も示しているが、これらについては後述する。圧電素子１５６は、各駆動パルスＰＣＯＭの各要素に従って、定常状態と、圧力室１５４の体積を膨張させる膨張状態と、膨張した圧力室１５４の体積を保持する膨張ホールド状態と、圧力室１５４の体積を収縮させる収縮状態とを順に遷移する。駆動パルスＰＣＯＭ２、ＰＣＯＭ３およびＰＣＯＭ４の中から１つまたは複数の駆動パルスＰＣＯＭを選択して圧電素子１５６に供給することにより、種々の大きさのインクドットを形成することができる。なお、本実施形態では、駆動信号ＣＯＭに、微振動と呼ばれる駆動パルスＰＣＯＭ１が含まれる。駆動パルスＰＣＯＭ１は、インクを引き込むのみで押し出しを行わない場合、例えばノズル開口部１５２の増粘を抑制する場合に用いられる。また、後述するように、駆動信号ＣＯＭは基駆動信号ＷＣＯＭを増幅することにより生成されるのであり、基駆動信号ＷＣＯＭの信号波形も図２（ａ）に示した駆動信号ＣＯＭの波形と同様である。

駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰは、インクを吐出するノズル開口部１５２を選択すると共に、圧電素子１５６を駆動信号ＣＯＭへ接続させるタイミングを決定する信号である。ラッチ信号ＬＡＴおよびチャンネル信号ＣＨは、全てのノズル開口部１５２分のノズル選択データが入力された後、駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰに基づいて駆動信号ＣＯＭと印刷ヘッド１４０の圧電素子１５６とを接続させる信号である。図２（ａ）に示すように、ラッチ信号ＬＡＴおよびチャンネル信号ＣＨは、駆動信号ＣＯＭに同期した信号である。すなわち、ラッチ信号ＬＡＴは、駆動信号ＣＯＭの開始タイミングに対応してハイレベルとなる信号であり、チャンネル信号ＣＨは、駆動信号ＣＯＭを構成する各駆動パルスＰＣＯＭの開始タイミングに対応してハイレベルとなる信号である。ラッチ信号ＬＡＴに応じて一連の駆動信号ＣＯＭの出力が開始され、チャンネル信号ＣＨに応じて各駆動パルスＰＣＯＭが出力される。また、基準クロック信号ＳＣＫは、駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰをシリアル信号として印刷ヘッド１４０に送信するための信号である。すなわち、基準クロック信号ＳＣＫは、印刷ヘッド１４０のノズル開口部１５２からインクを吐出するタイミングの決定に使用される信号である。

図３は、印刷ヘッド１４０のスイッチングコントローラー１６０（図１）の構成を示す説明図である。スイッチングコントローラー１６０は、駆動信号ＣＯＭを圧電素子１５６に選択的に供給する。スイッチングコントローラー１６０は、駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰを保存するシフトレジスター１６２と、シフトレジスター１６２のデータを一時的に保存するラッチ回路１６４と、ラッチ回路１６４の出力をレベル変換して選択スイッチ１６８に供給するレベルシフター１６６と、駆動信号ＣＯＭを圧電素子１５６に接続する選択スイッチ１６８とを有している。

シフトレジスター１６２には、駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰが順次入力され、基準クロック信号ＳＣＫの入力パルスに応じて記憶される領域が順次後段にシフトする。ラッチ回路１６４は、ノズル数分の駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰがシフトレジスター１６２に格納された後、入力されるラッチ信号ＬＡＴに従いシフトレジスター１６２の各出力信号をラッチする。ラッチ回路１６４に保存された信号は、レベルシフター１６６によって次段の選択スイッチ１６８を切り替え（オン／オフ）できる電圧レベルに変換される。レベルシフター１６６の出力信号により閉じられる（接続状態となる）選択スイッチ１６８に対応する圧電素子１５６は、駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰの接続タイミングで駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）に接続される。これにより、圧電素子１５６が変形し、駆動信号ＣＯＭに応じた量のインクがノズルから吐出される。また、シフトレジスター１６２に入力された駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰがラッチ回路１６４にラッチされた後、次の駆動信号選択信号ＳＩ＆ＳＰがシフトレジスター１６２に入力され、インクの吐出タイミングに合わせてラッチ回路１６４の保存データを順次更新する。この選択スイッチ１６８によれば、圧電素子１５６を駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）から切り離した後も、当該圧電素子１５６の入力電圧は切り離す直前の電圧に維持される。なお、図３中の符号ＨＧＮＤは、圧電素子１５６のグランド端である。

図４は、印刷装置１００における駆動信号ＣＯＭを生成するための構成を示す説明図である。図４では、印刷装置１００の構成の内、駆動信号ＣＯＭの生成に直接関係のない構成の図示を適宜省略している。本実施形態では、駆動信号ＣＯＭは、制御ユニット１１０のメイン側駆動回路８０と印刷ヘッド１４０のヘッド側駆動回路９０とによって生成される。メイン側駆動回路８０は、基駆動信号生成回路８１と、信号変調回路８２と、信号増幅回路８３と、を含んでいる。また、ヘッド側駆動回路９０は、信号変換回路９１を含んでいる。

基駆動信号生成回路８１は、上述した駆動信号ＣＯＭの基となるアナログ信号である基駆動信号ＷＣＯＭを生成する回路である。基駆動信号生成回路８１は、例えば、特開２０１１−２０７２３４号公報に記載されているように、メイン制御部１２０から入力される波形形成用データを所定のアドレスに対応する記憶素子に記憶する波形メモリーと、波形メモリーから読出された波形形成用データを第１のクロック信号によってラッチする第１のラッチ回路と、第１のラッチ回路の出力と後述する第２のラッチ回路から出力される波形生成データＷとを加算する加算器と、加算器の加算出力を第２のクロック信号によってラチする第２のラッチ回路と、第２のラッチ回路から出力される波形生成データをアナログ信号である基駆動信号ＷＣＯＭに変換するＤ／Ａ変換器と、を含むように構成される。

信号変調回路８２は、基駆動信号生成回路８１から基駆動信号ＷＣＯＭを受け取り、基駆動信号ＷＣＯＭに対するパルス変調を行ってデジタル信号である変調基駆動信号ＭＳを生成する回路である。本実施形態では、信号変調回路８２における変調方式として、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いている。図５は、信号変調回路８２の構成の一例を示す説明図である。図５（ａ）に示すように、信号変調回路８２は、単一の波形を所定の周波数で繰り返す三角波（または鋸波）からなる比較信号を出力する比較信号生成回路５１と、基駆動信号ＷＣＯＭと比較信号とを比較する電圧比較器５２とを含んでいる。図５（ｂ）には、比較信号生成回路５１の構成の一例を示している。この信号変調回路８２によれば、基駆動信号ＷＣＯＭが比較信号以上であるときにＨｉとなり、基駆動信号ＷＣＯＭが比較信号未満であるときにＬｏとなる変調基駆動信号ＭＳが生成される。

信号増幅回路８３は、信号変調回路８２から変調基駆動信号ＭＳを受け取り、変調基駆動信号ＭＳを電力増幅して変調駆動信号ＭＡＳを生成する回路（いわゆるＤ級アンプ）である。信号増幅回路８３は、実質的に電力を増幅するための２つのスイッチング素子（ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１およびローサイド側スイッチング素子Ｑ２）からなるハーフブリッジ出力段８５と、信号変調回路８２からの変調基駆動信号ＭＳに基づいてスイッチング素子Ｑ１およびＱ２のゲート−ソース間信号ＧＨおよびＧＬを調整するゲート駆動回路８４とを含んでいる。信号増幅回路８３では、変調基駆動信号ＭＳがハイレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１はゲート−ソース間信号ＧＨがハイレベルとなってオン状態となり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２はゲート−ソース間信号ＧＬがローレベルとなってオフ状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段８５の出力は供給電圧ＶＤＤとなる。一方、変調基駆動信号ＭＳがローレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１はゲート−ソース間信号ＧＨがローレベルとなってオフ状態となり、ローサイド側スイッチング素子Ｑ２はゲート−ソース間信号ＧＬがハイレベルとなってオン状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段８５の出力は０となる。このように、信号増幅回路８３では、変調基駆動信号ＭＳに基づくハイサイド側スイッチング素子Ｑ１およびローサイド側スイッチング素子Ｑ２のスイッチング動作により電力増幅が行われ、変調駆動信号ＭＡＳが生成される。

信号変換回路９１は、信号増幅回路８３から変調駆動信号ＭＡＳを受け取り、変調駆動信号ＭＡＳを平滑化してアナログ信号である駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）を生成する回路（いわゆる平滑フィルター）である。本実施形態では、信号変換回路９１として、コンデンサＣとコイルＬとの組み合わせを用いたローパスフィルター（低域通過フィルター）を用いている。信号変換回路９１は、信号変調回路８２で生じた変調周波数成分を減衰させて、上述したような波形特性の駆動信号ＣＯＭを出力する。信号変換回路９１により生成された駆動信号ＣＯＭは、スイッチングコントローラー１６０の選択スイッチ１６８を介して吐出部１５０の圧電素子１５６に供給される。

ここで、信号増幅回路８３から出力される変調駆動信号ＭＡＳには、信号変調回路８２によるパルス変調に由来する交流成分（リップルノイズとも呼ばれる）が含まれる。本実施形態では、信号変調回路８２における変調方式としてパルス幅変調（ＰＷＭ）が用いられているため、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周波数は、比較信号生成回路５１から出力される比較信号の周波数に等しい。換言すれば、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期は、比較信号生成回路５１から出力される比較信号の周期（図２（ｂ）の周期Ｔｐ）に等しい。

本実施形態では、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期（Ｔｐ）は、図２（ｂ）に示した駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）における第１区間（膨張要素Ｅ１）の長さと、第２区間膨（張保持要素Ｅ２）の長さと、第３区間（吐出要素Ｅ３）の長さと、の公約数である。すなわち、第１区間の長さと第２区間の長さと第３区間の長さとは、いずれも、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期（Ｔｐ）の整数倍である。本実施形態では、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期（Ｔｐ）が、第１区間の長さと第２区間の長さと第３区間の長さとの公約数となるように、基駆動信号ＷＣＯＭの波形と比較信号生成回路５１から出力される比較信号の周期との少なくとも一方を調整するものとしている。

駆動信号ＣＯＭは信号変調回路８２における変調周波数に依存する、すなわち、駆動信号ＣＯＭのある区間から別の区間への切り替えタイミングは、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の各周期のいずれかの切り換えタイミングに限定される。そのため、図２（ｂ）に示す比較例の駆動パルス（ＰＣＯＭ２）のように、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期（Ｔｐ）が、駆動信号ＣＯＭの第１区間の長さと第２区間の長さと第３区間の長さとのいずれかの約数ではない場合、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分によって区間（要素）の切り換えポイントが不明瞭となり、駆動信号ＣＯＭの波形再現性が低下してインクの吐出安定性が低下する場合がある。本実施形態では、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期が、第１区間の長さと第２区間の長さと第３区間の長さとの公約数となっているため、駆動信号ＣＯＭの波形再現性が低下してインクの吐出安定性が低下することを抑制することができる。

また、本実施形態では、駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）の第１区間（膨張要素Ｅ１）の長さを圧力室１５４のヘルムホルツ共振周波数ｆに対応する周期Ｔｃ以下とし、第２区間（膨張保持要素Ｅ２）の長さを周期Ｔｃの１／２以下としている。

駆動信号ＣＯＭの第１区間（膨張要素Ｅ１）の長さを周期Ｔｃ以下とする、つまり、メニスカスを急速に引き込むようにすると、メニスカス面に周期Ｔｃの振動が生ずる。このＴｃ振動は、周期Ｔｍのメニスカス固有振動に乗ったかたちで振動するため、Ｔｍ振動がノズル開口部１５２に近づいたＴｃ振動ピークで、ノズル開口部１５２から大きく盛り上がったメニスカスが分離し、非常にスピードの遅い孫サテライトとして吐出されるおそれがある。この孫サテライトは、スピードが遅い上に狙った吐出タイミングに対し遅れて吐出することから印字品質を大きく低下するため、吐出されないことが望ましい。本実施形態では、駆動信号ＣＯＭの第２区間（膨張保持要素Ｅ２）の長さを周期Ｔｃの１／２以下とすることにより、以下に説明するように、この孫サテライトの吐出を防いでいる。

特開平９−２２６１０６号公報にも記載されているように、駆動信号ＣＯＭの第２区間（膨張保持要素Ｅ２）の長さを周期Ｔｃの１／２以下とすると、インクスピードは所望のインクスピードより速くなる。本実施形態では、第２区間（膨張保持要素Ｅ２）の長さを周期Ｔｃの１／２以下とすることにより、圧電素子１５６に印加する電圧を低くしても所望のインクスピードを達成することができ、メニスカスの残留振動を必要最小限に抑えて孫サテライトの吐出を防止することができる。

また、本実施形態の吐出方法によるインク飛翔形態はサテライト（球状のインク滴がメニスカスから分離する際に生ずミスト状のインク滴）の尾引き（サテライトの棒状の飛翔）が短いため、印刷媒体に着弾したインク滴の形状が円形に近くなり印字品質が向上する。これは、圧力室１５４を収縮しインク滴に押し出す方向の力を加えることでサテライトも加速されスピードが上がるためである。また、本実施形態の滴吐出方法では、吐出後のメニスカス残留振動が小さいため、メニスカスの減衰が短時間で済み、次のインク滴を吐出する時点でのメニスカスを常に一定の状態に保つことができ、メニスカスのばらつきによるインク飛翔方向の曲がりを防ぐことができる。

また、本実施形態において、駆動信号ＣＯＭの第３区間（吐出要素Ｅ３）の長さを、周期Ｔｃ以上、または、周期Ｔｃと実質的に同一とすることが好ましい。このようにすれば、メニスカスの発振を抑制し、孫サテライトの吐出をさらに効果的に防止することができる。

また、本実施形態において、駆動信号ＣＯＭの第１区間（膨張要素Ｅ１）の長さを、周期Ｔｃの１／２以下とすることが好ましい。このようにすれば、比較的小さい径のインク滴を吐出する場合にも、孫サテライトの吐出を防止することができる。

また、本実施形態において、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期は、信号増幅回路８３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間との合計時間より長いことが好ましい。なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン遅延時間およびターンオフ遅延時間は、使用するスイッチング素子の種類（品番）に応じて一意に決定される。信号増幅回路８３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間との合計時間が長いと、スイッチング損失が増大する。特に、例えば高速高画質印刷を実現するために、印刷ヘッド１４０に多くのノズル開口部１５２を設けると、圧電素子１５６の数も多くなるために印刷ヘッド１４０の総静電容量が増大し、印刷ヘッド１４０の駆動のために要する電流量も増大して、スイッチング損失が増大しやすい。変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期を、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間との合計時間より長くすると（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間との合計時間を、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周期より短くすると）、スイッチング損失による電力消費量の増大を抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態における印刷装置１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、信号変調回路８２における変調方式としてパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いているが、代わりにパルス密度変調（ＰＤＭ）を用いるとしてもよい。図６は、パルス密度変調を用いた信号変調回路８２ａの構成の一例を示す説明図である。図６（ａ）に示すように、信号変調回路８２ａは、基駆動信号ＷＣＯＭと、基駆動信号ＷＣＯＭの電圧に応じて周波数が変化する三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで、変調基駆動信号ＭＳを生成する。一般に、パルス密度変調は、入力信号と所定値とを比較して入力信号が所定値以上であるときにハイレベルとなる信号を出力する比較器と、比較器の入力信号と出力信号との誤差を算出する減算器と、誤差を遅延する遅延器と、遅延された誤差を原信号に加算または減算する加減算器と、を備えるいわゆるΔΣ変調回路を用いて実行される。しかし、図６に示した例では、パルス密度変調を用いた信号変調回路８２ａは、遅延器を有していない。信号変換回路９１として構成されたローパスフィルターは表現を変えれば遅延器でもあるので、図６にＶＦＢとして示すように、遅延器の代わりにＬＣローパスフィルター出力（ＣＯＭ）を遅延信号として用いている。また、図６に示す変形例では、高域成分を強調する回路（ハイパスフィルタ（ＨＰ−Ｆ）および高域ブースト（Ｇ））と、高域成分を帰還する回路（「ＩＦＢ」として示す）とが追加されている。すなわち、この例では、信号変調回路８２ａは、信号増幅回路８３による増幅後の変調信号を帰還信号として受け取り、生成する変調基駆動信号ＭＳを補正する。なお、信号変調回路８２ａは、ΔΣ変調回路を用いた回路を含め、パルス密度変調を行うことができる他の回路を用いて構成するとしてもよい。

パルス密度変調を用いた信号変調回路８２ａでは、図７に示すように、発振周波数が、基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベル（パルスデューティ比）に応じて変動する。具体的には、信号変調回路８２ａにおける発振周波数は、基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベルが中間値である場合に最も高くなり、基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベルが中間値から大きくあるいは小さくなるにつれて低くなる。すなわち、信号変調回路８２ａにおける発振特性は、基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベルが所定のレベルＬｔ以下の範囲では基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベル増加に伴い発振周波数が増加し、基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベルが所定のレベルＬｔ以上の範囲では基駆動信号ＷＣＯＭの電圧レベル増加に伴い発振周波数が減少する特性である。

図６に示した変形例では、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周波数は、信号変調回路８２ａの発振周波数に相当するため、変調駆動信号ＭＡＳには複数周波数の交流成分が含まれることとなる。図６に示した変形例では、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分の周波数の内、最も多く含まれる交流成分の周波数の周期が、駆動信号ＣＯＭの第１区間（膨張要素Ｅ１）の長さと、第２区間（膨張保持要素Ｅ２）の長さと、第３区間（吐出要素Ｅ３）の長さと、の公約数となっている。そのため、図６に示した変形例では、上記実施形態と同様に、変調駆動信号ＭＡＳに含まれる交流成分によって区間（要素）の切り換えポイントが不明瞭となり、駆動信号ＣＯＭの波形再現性が低下してインクの吐出安定性が低下することを抑制することができる。

また、上記実施形態において例示した各種信号は、あくまで一例である、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、駆動信号ＣＯＭの各駆動パルスＰＣＯＭは、第１区間の膨張要素Ｅ１と第２区間の膨張保持要素Ｅ２と第３区間の吐出要素Ｅ３との３つの要素から構成されているが、各駆動パルスＰＣＯＭが、これらの３つの要素の他に他の要素を含むとしてもよい。また、上記実施形態では、駆動信号ＣＯＭは複数の台形状の波形から構成された信号であるとしているが、駆動信号ＣＯＭは、複数の矩形状の波形から構成された信号であるとしてもよいし、曲線状の波形を含む信号であるとしてもよい。

また、上記実施形態では、信号増幅回路８３が制御ユニット１１０のメイン側駆動回路８０内に配置されるとしているが、信号増幅回路８３が印刷ヘッド１４０のヘッド側駆動回路９０内に配置されるとしてもよい。また、上記実施形態では、信号変換回路９１が印刷ヘッド１４０のヘッド側駆動回路９０内に配置されるとしているが、信号変換回路９１が制御ユニット１１０と印刷ヘッド１４０とを結ぶフレキシブルフラットケーブル１３９上に配置されるとしてもよい。

また、上記実施形態では、印刷装置１００は、ホストコンピューター２００から画像データを受信して印刷処理を行うとしているが、これに代えて、印刷装置１００は、例えば、メモリーカードから取得した画像データや所定のインターフェイスを介してデジタルカメラから取得した画像データ、スキャナーによって取得した画像データ等に基づき印刷処理を行うものとしてもよい。また、上記実施形態では、画像データを受信した印刷装置１００のメイン制御部１２０が、画像展開処理、色変換処理、インク色分版処理、ハーフトーン処理といった印刷実行のための演算処理を行うものとしているが、これらの演算処理はホストコンピューター２００により実行されるとしてもよい。この場合には、印刷装置１００は、ホストコンピューター２００による演算処理によって生成された印刷コマンドを受信して、印刷コマンドに従った印刷処理を実行する。また、本発明は、印刷の際に印刷ヘッド１４０を搭載するキャリッジが往復移動するシリアルプリンタにも適用可能であるし、そのような往復移動を伴わないラインプリンタにも適用可能である。また、本発明は、インク容器がキャリッジと共に往復移動するオンキャリッジ方式のプリンターにも適用可能であるし、インク容器を装着するホルダーがキャリッジとは別の場所に設けられ、インク容器から可撓性チューブ等を介して印刷ヘッド１４０にインクを供給するオフキャリッジ方式のプリンターにも適用することが可能である。また、本発明は、インク以外の液体（機能材料の粒子が分散された液状体やジェルなどの流状体を含む）を用いて印刷媒体に画像を形成する印刷装置にも適用可能である。

また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータープログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。この発明において、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。

５１…比較信号生成回路
５２…電圧比較器
８０…メイン側駆動回路
８１…基駆動信号生成回路
８２…信号変調回路
８３…信号増幅回路
８４…ゲート駆動回路
８５…ハーフブリッジ出力段
９０…ヘッド側駆動回路
９１…信号変換回路
１００…印刷装置
１１０…制御ユニット
１１２…ホストインターフェイス
１１４…紙送りモータードライバー
１１６…ヘッドドライバー
１２０…メイン制御部
１２２…ＣＰＵ
１２４…ＲＡＭ
１２６…ＲＯＭ
１３９…フレキシブルフラットケーブル
１４０…印刷ヘッド
１４２…ヘッドインターフェイス
１５０…吐出部
１５２…ノズル開口部
１５４…圧力室
１５６…圧電素子
１６０…スイッチングコントローラー
１６２…シフトレジスター
１６４…ラッチ回路
１６６…レベルシフター
１６８…選択スイッチ
１７２…紙送りモーター
２００…ホストコンピューター

Claims

液体吐出装置であって、
基駆動信号を生成する基駆動信号生成部と、
前記基駆動信号を変調して変調基駆動信号を生成する信号変調部と、
スイッチング素子を用いて前記変調基駆動信号を増幅して変調駆動信号を生成する信号増幅部と、
前記変調駆動信号を駆動信号に変換する信号変換部と、
前記駆動信号により変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形に伴って膨張および収縮する周期Ｔｃのヘルムホルツ共振周波数を有する圧力室と、前記圧力室に連通した液体を吐出するノズル開口部と、を含むヘッドと、
を備え、
前記駆動信号は、
前記圧力室を前記Ｔｃ以下の時間で膨張させる第１区間と、
前記圧力室を膨張させた状態を前記Ｔｃの１／２以下の時間保持する第２区間と、
膨張状態にある前記圧力室を収縮させる第３区間と、を含み、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であり、
前記信号変調部は、前記基駆動信号と単一の波形を繰り返す三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで、前記変調基駆動信号を生成し、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記比較信号の周期と等しいことを特徴とする液体吐出装置。
液体吐出装置であって、
基駆動信号を生成する基駆動信号生成部と、
前記基駆動信号を変調して変調基駆動信号を生成する信号変調部と、
スイッチング素子を用いて前記変調基駆動信号を増幅して変調駆動信号を生成する信号増幅部と、
前記変調駆動信号を駆動信号に変換する信号変換部と、
前記駆動信号により変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形に伴って膨張および収縮する周期Ｔｃのヘルムホルツ共振周波数を有する圧力室と、前記圧力室に連通した液体を吐出するノズル開口部と、を含むヘッドと、
を備え、
前記駆動信号は、
前記圧力室を前記Ｔｃ以下の時間で膨張させる第１区間と、
前記圧力室を膨張させた状態を前記Ｔｃの１／２以下の時間保持する第２区間と、
膨張状態にある前記圧力室を収縮させる第３区間と、を含み、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であり、
前記信号変調部は、前記基駆動信号と、前記基駆動信号の電圧に応じて周波数が変化する三角波または鋸波からなる比較信号とを電圧比較器に入力することで前記変調基駆動信号を生成し、
前記変調駆動信号には複数周波数の交流成分が含まれ、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周波数の内、最も多く含まれる交流成分の周波数の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であることを特徴とする液体吐出装置。
請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置であって、
前記第３区間の長さは、前記Ｔｃ以上、または、前記Ｔｃと実質的に同一であることを特徴とする液体吐出装置。
請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置であって、
前記第１区間の長さは、前記Ｔｃの１／２以下であることを特徴とする液体吐出装置。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記スイッチング素子のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間との合計時間よりも長いことを特徴とする液体吐出装置。
液体吐出方法であって、
基駆動信号を生成する工程と、
前記基駆動信号を変調して変調基駆動信号を生成する工程と、
スイッチング素子を用いて前記変調基駆動信号を増幅して変調駆動信号を生成する工程と、
前記変調駆動信号を駆動信号に変換する工程と、
前記駆動信号によって圧電素子を変形させることにより、前記圧電素子の変形によって膨張および収縮する周期Ｔｃのヘルムホルツ共振周波数を有する圧力室に連通したノズル開口部から液体を吐出する工程と、
を備え、
前記駆動信号は、
前記圧力発生室を前記Ｔｃ以下の時間で膨張させる第１区間と、
前記圧力室を膨張させた状態を前記Ｔｃの１／２以下の時間保持する第２区間と、
膨張状態にある前記圧力発生室を収縮させる第３区間と、を含み、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であり、
前記変調基駆動信号を生成する工程は、前記基駆動信号と単一の波形を繰り返す三角波または鋸波からなる比較信号とに基づいて、前記変調基駆動信号を生成し、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記比較信号の周期と等しいことを特徴とする液体吐出方法。
液体吐出方法であって、
基駆動信号を生成する工程と、
前記基駆動信号を変調して変調基駆動信号を生成する工程と、
スイッチング素子を用いて前記変調基駆動信号を増幅して変調駆動信号を生成する工程と、
前記変調駆動信号を駆動信号に変換する工程と、
前記駆動信号によって圧電素子を変形させることにより、前記圧電素子の変形によって膨張および収縮する周期Ｔｃのヘルムホルツ共振周波数を有する圧力室に連通したノズル開口部から液体を吐出する工程と、
を備え、
前記駆動信号は、
前記圧力発生室を前記Ｔｃ以下の時間で膨張させる第１区間と、
前記圧力室を膨張させた状態を前記Ｔｃの１／２以下の時間保持する第２区間と、
膨張状態にある前記圧力発生室を収縮させる第３区間と、を含み、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であり、
前記変調基駆動信号を生成する工程は、前記基駆動信号と、前記基駆動信号の電圧に応じて周波数が変化する三角波または鋸波からなる比較信号とに基づいて、前記変調基駆動信号を生成し、
前記変調駆動信号には複数周波数の交流成分が含まれ、
前記変調駆動信号に含まれる交流成分の周波数の内、最も多く含まれる交流成分の周波数の周期は、前記第１区間の長さと、前記第２区間の長さと、前記第３区間の長さと、の公約数であることを特徴とする液体吐出方法。