(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メニスカスをノズル開口部から圧力発生室方向へ引き込むための第１信号と、前記第１信号の最終電位を保持する第２信号と、圧力発生室の急激な加圧によりインク滴を吐出させる第３信号と、前記第３信号の最終電位を保持する第４信号と、前記第４信号の電位から前記第３信号と逆向きでインク滴吐出後のメニスカス残留振動を抑制する第５信号とをそれぞれ備えた第１パルスおよび第２パルスと、
第１パルスの第５信号最終電位と第２パルス第１信号開始電位との間の電位に印加され、かつ第１パルス開始電位および第２パルス終了電位に等しい中間電位と中間電位を超える電位の間で変化し、かつ前記メニスカスに実質的な移動を生じさせない電位勾配を有するタイミング調整信号とからなり、
パルス未選択の無印字状態、第１パルスによるドット形成、第２パルスによるドット形成、両パルスによる２種類のインク滴を合わせたドット形成のいずれかを1記録周期に選択するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
【請求項２】
メニスカスをノズル開口部から圧力発生室方向へ引き込むための第１信号と、前記第１信号の最終電位を保持する第２信号と、圧力発生室の急激な加圧によりインク滴を吐出させる第３信号と、前記第３信号の最終電位を保持する第４信号と、前記第４信号の電位から前記第３信号と逆向きでインク滴吐出後のメニスカス残留振動を抑制する第５信号とをそれぞれ備えた第１パルスおよび第２パルスと、
第１パルスの第５信号最終電位と第２パルス第１信号開始電位との間の電位に印加され、かつ第１パルス開始電位および第２パルス終了電位に等しい中間電位と中間電位よりも低い電位の間で変化し、かつ前記メニスカスに実質的な移動を生じさせない電位勾配を有するタイミング調整信号とからなり、
パルス未選択の無印字状態、第１パルスによるドット形成、第２パルスによるドット形成、両パルスによる２種類のインク滴を合わせたドット形成のいずれかを1記録周期に選択するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
【請求項３】
前記タイミング調整信号が前記中間電位よりも低い電位から中間電位まで変化する請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
【請求項４】
前記タイミング調整信号が前記中間電位から中間電位より低い電位まで変化する請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
【請求項５】
前記タイミング調整信号が、圧力発生室内のヘルムホルツ共振による固有振動周期Tc程度以上であることを特徴とする請求項３又は４に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一ノズルから異なる大きさのインク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同一のノズルから異なる重量のインク滴を吐出させて面積階調記録を可能とする技術は、例えば、特開平１１−２０１６５号公報に記載されているように、１つの記録周期内に２つの吐出パルスを持つ素子駆動信号を用意し、第１または第２の駆動パルス、あるいは両方のパルスの選択により、単一パルス選択による小径のインク滴の吐出、両パルス選択による大径のインク滴の吐出、パルス未選択による吐出なし、という３値以上の多値化を行うものがある。かかる技術では、第１パルスの吐出信号終了から第２パルスの吐出信号開始までのタイミングに対し、ノズル先端のインク界面（メニスカス）の挙動を考慮した設計を行うことにより、第１、第２パルス単独でインク吐出をおこなった場合の総和より両パルス同時選択で吐出した場合のインク吐出量を大きくすることができ、記録ドット径の可変範囲拡大を実現している。
【０００３】
より詳細には、前記圧力発生素子の駆動信号は前記複数のノズルから第１のインク滴を吐出させるための第１の駆動パルスと、第２のインク滴を吐出させるための第２の駆動パルスとから構成され、前記両パルスはそれぞれ、前記圧力発生室を膨張させることにより前記ノズル先端のインク界面（メニスカス）を前記ノズル内側に引き込むためのパルスP1と、メニスカスが引き込まれた状態で前記圧力発生室を急激に収縮させることにより前記ノズルからインク滴を形成し吐出させるためのパルスP2と、インク滴吐出後前記P1、P2によって発振されたメニスカスの固有振動（前記圧力発生室内のインクのヘルムホルツ共振による周期Tcの固有振動）と逆位相でメニスカスを動かすことにより前記固有振動を制振するためのパルスP3を少なくとも有しており、前記第１、第２パルスはその始まりと終わりが等しい中間電位に設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように第１および第２パルスの、終了および開始の電位が同一値である関係上第１ドット吐出後のメニスカス残留振動抑制のために必要十分な電位差や第２ドットを吐出するに際してのメニスカスの予備振動を十分に行わせる電位差を個別的に設定しようとしても中間電位で規制されてしまうという問題がある。
本発明は、このような問題を解決することを目的としてなされ、駆動信号形成の自由度を高めることができる駆動方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は複数のノズル開口の各々に対応して設けられた圧力発生素子を作動させることにより、前記ノズル開口からインク滴を吐出させる為のインクジェット記録ヘッドの駆動方法であって、前記複数のノズルから第１のインク滴を吐出させるための第１の駆動パルスと、第２のインク滴を吐出させるための第２の駆動パルスを含んでなる駆動信号において、前記第１パルス、第２パルスの接続部にゆるやかな電位変化過程（タイミング調整信号）を設けることにより、前記第１パルスの実質的な終了電位と前記第２パルスの実質的な開始電位とを独立させることを要旨としている。
【０００６】
本発明は、上記P1、P2、P3といったメニスカス制御のためのパルス以外に、メニスカスの運動を意図しないゆるやかな充放電パルスを設けることにより、従来前記中間電位によって拘束されていた印加パルスの開始電位、終了電位の制御を一部ではあるが可能にするものである。
【０００７】
前記インクジェット記録ヘッドにおいては、インク滴吐出に際して、前記圧力発生室に急激に圧力を発生させることにより、インク通路や圧力発生室の剛性や形状に依存するとみられる流体のヘルムホルツ共振による振動が発生する。この振動が十分に減衰していない状態で次の吐出を行うと、飛行曲がりなどの吐出不良を引き起こすことになる。この振動の減衰時間や、吐出後にノズル内側まで後退したメニスカスが回復するための時間を確保する必要がある。駆動信号について言えば、一記録周期内に２つのパルスを有する前記駆動信号において、前記第１パルスと前記第２パルスの間には必然的にある程度の時間が設けられている。
【０００８】
この時間を利用して、ゆるやかな充放電パルスを設けるというのが本発明の要旨であるが、この「ゆるやか」という点が重要である。急激な電位勾配の信号では２つの問題が生じる。１つは、上述したとおりヘルムホルツ共振の振動が発生してしまうことである。この発振を防ぐためには前記タイミング調整信号の時間成分をヘルムホルツ共振の周期：Tc程度以上とするとよい。２つめは、信号による圧力発生室の容積変化に伴い、メニスカスが同調して運動してしまうことである。詳細なメカニズムは後述するが、信号の電位勾配はできるだけゆるやかにしたほうが、メニスカスの同調運動を抑えることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
１．プリンタの概略構成
プリンタは、図４に示すように紙送りモータ23によって用紙Pを搬送する機構と、キャリッジモータ24によってキャリッジ31をプラテン26の軸方向に往復動させる機構と、キャリッジ31に搭載された印字ヘッド28を駆動してインクの吐出およびドット形成を行う機構と、これらの紙送りモータ23、キャリッジモータ24、印字ヘッド28および操作パネル32との信号のやり取りを司る制御回路40と、この制御回路40からの信号を受けてピエゾ素子を駆動する駆動信号を生成するピエゾ素子駆動回路50から構成されている。
【００１０】
キャリッジ31をプラテン26の軸方向に往復動させる機構は、プラテン26の軸と平行に架設されキャリッジ31を摺動可能に保持する摺動軸34と、キャリッジモータ24との間に無端の駆動ベルト36を張設するプーリ38と、キャリッジ31の原点位置を検出する位置検出センサ39等から構成されている。
【００１１】
このキャリッジ31には、黒インク用のカートリッジ71とカラーインク用カートリッジ72が搭載可能である。キャリッジ31の下部の印字ヘッド28には計6個のインク吐出用ヘッド61ないし66が形成されており、キャリッジ31の底部にはこの各色用ヘッドにインクタンクからのインクを導く導入管67（図５参照）が立設されている。キャリッジ31に黒インク、カラーインク用カートリッジ72を上方から装着すると、各カートリッジに設けられた接続孔に導入管67が挿入され、各インクカートリッジから吐出用ヘッド61ないし66へのインクの供給が可能となる。
【００１２】
インク吐出用ヘッド61〜66におけるインクジェットノズルNzからのインク吐出は、制御回路40およびピエゾ素子駆動回路50により制御されている。制御回路40の内部構成を図６に示した。図示するように、制御回路40の内部には、コンピュータからの多値階調情報を含む印字データ等を受信するインタフェース（以下Ｉ／Ｆという）43と、各種データの記憶を行うRAM44と、各種データ処理のためのルーチンプログラム等を記憶したROM45と、CPU等からなる制御部46と、発振回路47と、後述の印字ヘッド28の各ピエゾ素子への駆動信号を発生させる駆動信号発生回路48と、ドットパターンデータに展開された印字データおよび駆動信号を、紙送りモータ23、キャリッジモータ24およびピエゾ素子駆動回路50に送信するためのＩ／Ｆ49とを備えている。
【００１３】
コンピュータからは、本実施例では、プリンタドライバにより３値化処理がなされた印字データが送られてくるので、制御回路40は、この印字データを受信バッファ44Aに蓄えた後、印字ヘッドのノズルアレイの配置にしたがって一旦出力バッファ44Cにデータを展開し、これをI／F49を会して出力すれば足りる。他方、コンピュータから送信されるデータが、多値化未処理の印字データである場合には、プリンタ22は、制御回路40内で３値化の処理などを行うものとすればよい。この場合、印字データは、I／F43を介して記録装置内部の受信バッファ44Aに蓄えられる。受信バッファ44Aに蓄えられた記録データに対してコマンド解析が行われてから中間バッファ44Bへ送られる。中間バッファ44B内では、制御部46によって中間コードに変換された中間形式としての記録データが保持され、各文字の印字位置、修飾の種類、大きさ、フォントのアドレス等が付加する処理が、制御部46によって実行される。次に、制御部46は、中間バッファ44B内の記録データを解析し、階調情報応じた3値化を行い、ドットパターンデータを出力バッファ44Cに展開し、記憶させる。
【００１４】
いずれの場合でも、出力バッファ44Cには、３値化されたドットパターンが展開され、蓄えられることになる。印字ヘッドは、後述するように、各色４８個のノズルが備えられているため、ヘッドの１スキャン分に相当するドットパターンデータを出力バッファ44Cに用意した後、このドットパターンデータをI／F49を介して出力する。ドットパターンデータとして展開された印字データは、後述するように、各ノズル毎の階調データとして例えば2ビットで構成されており、「00」はドットなしに、「10」は小ドット形成に、「11」は大ドット形成に、それぞれ対応している。データの構成とドット形成の様子については、後述する。
【００１５】
２．インク吐出のメカニズム
インクの吐出およびドット形成を行う機構について説明する。図７はインク吐出用ヘッド28の概略構成を示す説明図、図８は、ピエゾ素子PEの伸縮によりインクの吐出を行う様子を示す模式図である。インクカートリッジ71、72がキャリッジ31に装着されると、図５に示すように毛細管現象を利用してインクカートリッジ内のインクが導入管67を介して吸い出され、キャリッジ31下部に設けられた印字ヘッド28の各色ヘッド61ないし66に導かれる。
【００１６】
各色のヘッド61ないし66には、後で説明する通り、各色毎に４８個のノズルNzが設けられており、各ノズル毎に圧力発生素子として、電歪素子の一つであって応答性に優れたピエゾ素子PEが配置されている。図８（A）に図示するように、ピエゾ素子PEは、ノズルNzまでインクを導くインク通路68に接する位置に設置されている。ピエゾ素子PEは、周知のように、電圧の印加により結晶構造が歪み、極めて高速に電気−機械エネルギーの変換を行う素子である。本実施例では、ピエゾ素子PEの両端に設けられた電極間に所定時間幅の電圧を印加することにより、図８（B）に示すように、ピエゾ素子PEが電圧の印加時間だけ収縮し、インク通路68の一側壁を変形させる。この結果、インク通路68の容積はピエゾ素子PEの収縮に応じて収縮し、この収縮分に相当するインクが、粒子Ipとなって、ノズルNzの先端から高速に吐出される。このインク粒子Ipがプラテン26に装着された用紙Pに着弾することにより、印刷が行われる。
【００１７】
ピエゾ素子を用いたインク滴吐出の原理について、模式図を用いて説明したが、実際のピエゾ素子PEを用いたインク吐出機構の詳細を図７に示した。図７は、記録用ヘッド61ないし66の機械的断面構造の一例を示す断面図である。図示するように、このヘッドは、大きくは、アクチュエータユニット121と流路ユニット122とから構成されている。アクチュエータユニット121は、ピエゾ素子PE、第１の蓋部材130、第２の蓋部材136、スペーサ135等から構成されている。第１の蓋部材130は、厚さ６μｍ程度のジルコニアの薄板から構成され、その表面に後述する圧力発生室132に対向するようにピエゾ素子PEが固定され、更にその表面にAu等の比較的柔軟な金属の層からなる駆動電極134が形成されている。
【００１８】
ここで、ピエゾ素子PEは、第１の蓋部材130とにより、たわみ振動型のアクチュエータを形成している。ピエゾ素子PEは、電荷が付加される収縮して圧力発生室132の容積を縮める方向に変形し、付加された電荷が放電されると伸長して圧力発生室132の容積を元に拡げる方向に変形する。
【００１９】
第１の蓋部材130の下部に設けられたスペーサ135は、圧力発生室132を形成するのに適した厚さ、例えば１００μｍのジルコニアなどのセラミック板に通孔を穿設して構成されており、後述する第２の蓋部材136と第１の蓋部材130により両面を封止されて前述の圧力発生室132を形成している。
【００２０】
スペーサ135の他端に固定された第２の蓋部材136は、スペーサ135と同様、ジルコニア等のセラミックを材質として構成されている。この第２の蓋部材136には、圧力発生室132との間でインク流路を構成する二つの連通孔138、139が穿設されている。連通孔138は、後述するインク供給口137と圧力発生室132とを接続するものであり、連通孔139は、ノズル開口Nzと圧力発生室132の他端とを接続するものである。
【００２１】
これら各部材130、135、136は、粘土状のセラミックス材料を所定の形状に成形し、これを積層して焼成することにより接着剤を使用することなくアクチュエータユニット121として纏められている。
【００２２】
次に流路ユニット122について説明する。流路ユニット122は、インク供給口形成基板140、インク室形成基板143、ノズルプレート145などから構成されている。インク供給口形成基板140は、アクチュエータユニット121の固定基板を兼ねるとともに圧力発生室132側の一端側にインク供給口137が、圧力発生室132の他端側にはノズル開口Nzが、それぞれ設けられている。インク供給口137は、各ノズル共通のインク室141と圧力発生室132などと比べて十分に小さくされ、オリフィスとして機能するよう設計されている。
【００２３】
インク室形成基板143は、他方の面をノズルプレート145により封止されて、インク供給口形成基板140と共に、インク室141を形成する部材であり、ノズル開口123と接続するノズル連通孔144が設けられている。インク室141は、図示しないインクタンクからインクが流入するよう、インクカートリッジ７１、72に連なる図示しないインク流路に接続されている。
【００２４】
これらインク供給口形成基板140、インク室形成基板143、及びノズルプレート145は、各々の間に熱溶着フィルムや接着剤等の接着層146、147により固定されており、全体として流路ユニット122を構成している。
【００２５】
この流路ユニット122と前述のアクチュエータユニット121とは、熱溶着フィルムや接着剤等の接着層148により固定されており、記録用の各ヘッド61ないし66を構成している。
【００２６】
上記の構成により、ピエゾ素子PEの駆動電極131、134間に電圧を印加して電荷を付加すると、ピエゾ素子PEは、収縮して圧力発生室132の容積は縮小し、逆に電荷を放電すると、ピエゾ素子PEは、伸長して圧力発生室132の容積は増大する。圧力発生室132が膨張すると、圧力発生室132内の圧力は低下して共通のインク室141から圧力発生室132内にインクが流入する。ピエゾ素子PEに電荷を付加すると、圧力発生室132の容積は縮小し、圧力発生室132ないの圧力が短時間に上昇して圧力発生室132内のインクがノズル開口Nzを介して外部に吐出される。このとき、インク滴Ipが外部に吐出される。
【００２７】
ところで、このように構成されたインクジェット記録用の印字ヘッド28のノズルNzに至る流路に存在するインクは、圧力発生室132の圧力の変化に伴って、流体として振動現象を起こす。この振動には、少なくとも2種類の固有振動が存在する。ひとつは、インク滴を吐出した後、インク界面であるメニスカスが往復動する比較的長い周期の振動である。これを固有振動（周期Tm）と呼ぶ。もう一つは、圧力発生室132の存在により流体に生じるヘルムホルツ共振と呼ばれる振動であり、固有振動と比べると比較的周期の短い振動（周期Tc）である。
【００２８】
３．大小ドットの形成の概略
本実施例のプリンタに備えられた各色48個のノズルNzは、その内径を等しく形成されている。かかるノズルNzを用いて径の異なる2種類のドットを形成することができる。この原理について説明する。
【００２９】
図９は、インクが吐出される際のノズルNzの駆動波形と吐出されるインクIpとの関係を模式的に示した説明図である。図９（Ａ）において破線で示した駆動波形が通常のドットを吐出する際の波形である。区間ｄ１において、適当な電圧をピエゾ素子PEに印加すると、圧力発生室132の容積を増大する方向にピエゾ素子PEが変形するため、図９（Ｂ）の状態Aに示した通り、メニスカスMeは、ノズルNzの内側にへこんだ状態となる。一方、図９（Ａ）の実線で示す駆動波形を用い、区間ｄ２に示すように適当な電圧を急激に印加すると、図９（Ｂ）の状態ａで示す通りメニスカスMeは図９（Ｂ）の状態Aに比べて大きく内側にへこんだ状態となる。
【００３０】
ピエゾ素子PEに印加する適当な電圧のパルス波形によりメニスカスの形状が異なるのは、次の理由による。ピエゾ素子は、印加された電圧のパルス形状に応じて変形し、圧力発生室132の容積が増大する場合、その変化が極めてゆっくりとしたものであれば、圧力発生室132の容積の増大に伴い、インクは共通のインク室141から供給され、メニスカスはほとんど変化しない。一方、ピエゾ素子PEの伸縮が短時間に行われ、圧力発生室132の容積の変化が急激に生じると、インク室141からのインクの供給は、インク供給口137により制限されていることから間に合わず、メニスカスは圧力発生室132の容積の変化により影響を受けることになる。ピエゾ素子PEに印加する電圧の変化が緩やかな場合にはメニスカスの後退は小さく、印加電圧の変化が急激な場合には、メニスカスの後退が大きくなるのは、かかるインク供給のバランスに依存している。
【００３１】
メニスカスが後退した状態から、次に、ピエゾ素子に適当な電圧を印加すると（図９（Ａ）区間ｄ３）、先に図８を用いて説明した原理に基づいてインクが吐出される。このとき、メニスカスがあまり内側にへこんでいない状態（図９（Ｂ）状態A）からは図９（Ｂ）状態B及びCに示すごとく大きなインク滴が吐出され、メニスカスが大きくへこんだ状態（図９（Ｂ）状態ａ）からは図９（Ｂ）状態ｂ及びｃに示すごとく小さなインク滴が吐出される。
【００３２】
印加電圧の変化率は吐出スピードにも影響する。電圧変化、即ち圧力発生室の容積変化が急激な場合、それに伴うメニスカスの運動が速くなり、吐出スピードは上昇する。これは、放電信号によるメニスカスのノズル内への引き込みの場合にも言えることで、この場合、引き込みの反動の影響で吐出スピードは上昇する。
【００３３】
図９（Ａ）区間ｄ１、ｄ２の電圧変化率が大きい場合は、インク滴は小さく、速くなる。例えば、図９（Ａ）区間ｄ３の電圧変化率が大きい場合、インク滴は大きく、速くなる。駆動信号の設計においては、この２つの信号の大きさ（電位勾配）のバランスによって、要求される大きさとスピードのインク滴を得る。
【００３４】
４．ピエゾ素子駆動回路
本実施例では、駆動波形とドット径との間のこのような関係に基づいて、ドット径の小さい小ドットを形成するための駆動波形と、ドット径の大きな大ドットを形成するための駆動波形の2種類を用意している（図１０参照）駆動信号の違いによる大小のインク滴の形成の様子については、駆動信号の生成の詳細と共に後述する。
【００３５】
まず、図１０に示した波形の駆動信号を生成する構成について説明する。図１０に示した駆動信号は、ピエゾ素子駆動回路50により生成される。図１１は、このピエゾ素子駆動回路の内部構成を示すブロック図である。図示するように、このピエゾ素子駆動回路50の内部には、制御回路40からの信号を受け取って記憶するメモリ51、このメモリ51の内容を読み出して一時的に保持するラッチ52、このラッチ52の出力と後述するもう一つのラッチ54の出力とを加算する加算器53、ラッチ54の出力をアナログデータに変換するD／A変換機56、変換されたアナログ信号をピエゾ素子PE駆動用の電圧振幅まで増幅する電圧増幅部57、増幅された電圧信号に対応した電流供給を行うための電流増幅部58とから構成されている。ここで、メモリ51は、駆動信号の波形を決める所定のパラメータにより決定される。ピエゾ素子駆動回路50は、図１１に示したように、制御回路40から、クロック信号１、２、３、データ信号０ないし３およびリセット信号を受け取る。
【００３６】
図１２は、上述したピエゾ素子駆動回路50の構成により、駆動信号の波形が決定される様子を示す説明図である。まず、駆動信号の生成に先立って、制御回路40から、駆動信号のスルーレートを示すいくつかのデータ信号とそのデータ信号のアドレス信号とが、クロック信号１に同期して、ピエゾ素子駆動回路50のメモリ51に出力される。データ信号は１ビットしか存在しないが、図１３に示すように、クロック信号１を同期信号とするシリアル転送により、データをやり取りする構成となっている。即ち、制御回路40から所定のスルーレートを転送する場合には、まずクロック信号１に同期して複数ビットのデータ信号を出力し、その後、このデータを格納するアドレスをクロック信号２に同期してアドレス信号０ないし３として出力する。メモリ51は、このクロック信号２が出力されたタイミングでアドレス信号を読み取り、受け取ったデータをそのアドレスに書き込む。アドレス信号は０ないし３の合計４ビットの信号なので、最大１６種類のスルーレートをメモリ51に記憶することができる。なお、データの最上位のビットは、符号として用いられている。
【００３７】
各アドレスＡ、Ｂ、…へのスルーレートの設定が完了した後、アドレスＢがアドレス信号０ないし３に出力されると、最初のクロック信号２により、このアドレスＢに対応したスルーレートが第１のラッチ52により保持される。この状態で、次にクロック信号３が出力されると、第２のラッチ54の出力に第１のラッチ52の出力が加算された値が、第２のラッチ54に保持される。即ち、図１２に示したように、一旦アドレス信号に対応したスルーレートが選択されると、その後、クロック信号３を受ける度に、第２のラッチ54の出力は、そのスルーレートに従って増減する。アドレスＢに格納されたスルーレートは、単位時間ΔＴあたり電圧ΔＶ１だけ電圧を上昇することに対応した値となっている。なお、増加か減少かは、各アドレスに格納されたデータの符号により決定される。
【００３８】
図１２に示した例では、アドレスＡには、スルーレートとして値０、即ち電圧を維持する場合の値が格納されている。したがって、クロック信号２によりアドレスＡが有効となると、駆動信号の波形は、増減のない状態、即ちフラットな状態に保たれる。また、アドレスＣには、単位時間ΔＴ当たり電圧をΔＶ２だけ低下することに対応したスルーレートが格納されている。したがって、クロック信号２によりアドレスＣが有効となった後は、この電圧ΔＶ２ずつ電圧は低下し行くことになる。
【００３９】
以上のような手法により制御回路40からアドレス信号とクロック信号２とを出力するだけで、駆動信号の波形を自由に制御することができる。
【００４０】
５．概要の説明
実施例における駆動信号について、構成する各パルスとその役割を図１０を用いて説明する。駆動信号は一つの記録画素に対応した記録周期において、大きく分けて第１パルスと第２パルスとから構成されている。ここでは説明を簡単にするため、上記タイミング調整信号は電位保持の信号であるとする。
【００４１】
第１パルスは中間電位Vmからスタートし（T11）、信号T12が印加される。このとき、ピエゾ素子PEは圧力発生室132の容積を縮小させる方向にたわみ、圧力発生室には正圧が発生する。その結果、メニスカスはノズル開口123から盛り上がる。この期間の電位勾配はインクが吐出しないように、また、ヘルムホルツ共振（周期Tc）を励起しないように、緩く（Tc以上）設定されている。充電パルスT12で盛り上がったメニスカスはホールドパルスT13が印加されている間、インクの表面張力により周期Tmの振動でノズル開口123内へと戻る動きに転ずる。放電パルスT14を印加するとピエゾ素子PEは圧力発生室132を膨張させる方向にたわみ、圧力発生室内に負圧が発生する。この負圧によるノズル開口123内部へのメニスカスの動きは、上記の周期Tmの振動に重畳されて、メニスカスはノズル開口123の内部に大きく引き込まれる。
【００４２】
このように、メニスカスがノズル開口123の内部に向かうタイミングで放電パルスT14を印加することで、比較的小さな放電パルスT14の電位差でもメニスカスをノズル開口123の内部に大きく引き込むことができる。メニスカスが引き込まれた状態から充電パルスT16が印加されると圧力発生室132に正圧が発生してメニスカスがノズル開口132から盛り上がり、インク滴となって吐出される。前述したように、メニスカスがノズル開口から大きく引き込まれた状態から吐出されているので、インク滴は小さくなる。
【００４３】
放電パルスT18は、放電パルスT14および充電パルスT16で励起されたメニスカスのヘルムホルツ共振による振動振幅の増大を抑える為の放電パルスであり、周期Tcの固有振動がノズル開口123の出口に向かうタイミングで、メニスカスを逆方向であるノズル内部へと向かわせる為の放電パルスを印加する。このタイミングはT17の時間により設定する。この結果、周期Tcの固有振動は速く減衰することになる。T18は中間電位Vmで終了し、中間電位をもって第１パルスは終了する。
【００４４】
次に第２パルスについて説明する。第２パルスもまた中間電位Vmからスタートする（T19）。次いで放電パルスT21により圧力発生室132に負圧が発生し、メニスカスはノズル開口123の内部に引き込まれる。この放電パルスT21は第１パルスの放電パルスT14より電位差が小さく設定され、メニスカスの引き込み量も第１パルスのそれと比べて小さくなる。この状態で充電パルスT23を印加すると、圧力発生室132に正圧が発生してメニスカスがノズル開口123がら盛り上がり、インク滴となって吐出される。吐出前のメニスカスの引き込み量が第１パルスの場合に比べて小さいので、吐出されたインク滴の大きさは第１パルスによるそれに比べて小さい。最後のT25の放電パルスはT21及びT23によって励起されたメニスカスのヘルムホルツ共振による振動を抑える為の放電パルスであり、第１パルスにおけるT18と同じ役割を果たす。T25は中間電位Vmで終了し、中間電位をもって第２パルスは終了する。
【００４５】
以上は第１、第２の各パルスの一方だけが一記録周期で単独選択された場合の説明である。次に、両パルスが選択され、一記録周期で連続して吐出が行われる場合について図１４を用いて説明する。第１パルスによる吐出後、メニスカスはノズル開口123から大きく後退し（700）、その後、メニスカスの表面張力によりノズル開口123へ向かって戻り始める。やがて、開口面に達したメニスカスは（701）、固有振動周期Tmによって振動を始め、開口面外側へ盛り上がる（この間電位変化のないホールドパルスT19が印加されている）。第２パルスの放電パルスT21は時間702あたりで印加され、圧力発生室132の負圧によりメニスカスをノズル内に引き込む作用をするが、固有振動によるメニスカスの盛り上がり運動によってお互いが相殺される。また、もともとのメニスカス変位もノズル外向きに飛び出ている為、結果、メニスカスの引き込みは小さくとどまることになる。ここで充電パルスT23によりインク滴が吐出されるが、形成されるインク滴は、第２パルス単独で吐出した場合に比べ大きくなる。このように、第１パルスによる吐出で誘起された固有振動と第２パルスによる吐出とのタイミングにより、インク滴を大きくする。具体的には、第１パルスが終了してから、第２パルス第１信号T21までの時間を、メニスカスの戻り時間TR＋固有振動周期Tmの３／８程度である。
【００４６】
６．本発明の実施例１
図１は、本発明の駆動方法の一実施例を、駆動信号の波形で示すものであって、その特徴とするところは第1パルスの終了時、より詳細にはインク滴吐出後の残留振動を抑制する信号S17の、終了電位を中間電位VmよりもΔVだけ低く、かつヘルムホルツ共振振動の周期Tcの2倍以上の間継続し、その後第２パルスの印加開始電位まで、メニスカスに運動を生じさせない程度の電位勾配で中間電位Vmまで上昇する信号SC2を印加する点にある。
【００４７】
第1パルスでは、信号S11〜S13により大きくメニスカスを引き込み、最低電位VLからV2までの吐出信号S15を印加することにより小径のインク滴が吐出され、その後電位保持信号S16を経て電位V2から中間電位VmからΔVだけ低い電位V3まで信号S17を印加することで吐出後の残留振動を抑制し、第１のインク滴形成が完了する。
【００４８】
第１パルスによる吐出が完了した後、メニスカスの残留振動の減衰及びメニスカスのノズル開口部への回復を待つ間、タイミング調整信号SC2により電位V3から中間電位Vmへの回復を行う。信号SC2の電位勾配は十分ゆるやかに設定しているため、圧力発生室の容積変化によるインク流入はほとんど共通のインク室141から行われ、かつ、ヘルムホルツ共振の励起も起らない。結果、メニスカス運動を生じさせることなく電位回復を行うことができるが、逆に、この信号によりメニスカス運動を意図的に起こさせた設計を行ってもよい。本実施例ではSC2の印加時間はTcの２倍以上としている。
【００４９】
第２パルスは中間電位Vmから始まり、引き込み信号S21を電位V5まで印加し、S22を経て吐出信号S23により大径のインク滴が吐出され、S24を経て残留振動抑制信号S25により第２のインク滴形成が完了する。
【００５０】
この実施例によれば、S17の終了電位として中間電位VmからΔVのオフセットを行う為V2を低く設定でき、その結果第１パルスの吐出信号S15を小さく印加することで吐出されるインク滴を小さくすることができる。また、このオフセットにより、第２パルスの引き込み信号の開始電位となる中間電位Vmを高く設定でき、その結果第２パルスの引き込み信号S21を大きく印加することで吐出速度を上昇させ吐出の安定性と着弾精度の向上を図ることができる。
【００５１】
７．本発明の実施例２
図２は、本発明の駆動方法の一実施例を、駆動信号の波形で示すものであって、この実施例においては、第１パルスが中間電位Vmで終了した後、メニスカスの残留振動の減衰及びメニスカスのノズル開口部への回復を待つ間、タイミング調整信号SC2により中間電位VmからVmよりΔV'だけ低い電位V4までの降下を行う。実施例１と同様、信号SC2の電位勾配は十分ゆるやかに設定しているため、圧力発生室の容積変化によるインク流入はほとんど共通のインク室141から行われ、かつ、ヘルムホルツ共振の励起も起らない。結果、メニスカス運動を生じさせることなく電位回復を行うことができる。本実施例ではSC2の印加時間はTcの２倍以上としている。
【００５２】
第２パルスの引き込み信号S21'は電位V4からV5まで印加し、S22'を経て電位V5から最高電位となるV6'まで吐出信号S23'を印加することにより大きな径のインク滴を吐出させ、S24'を経て残留振動抑制信号S25'を電位V6から中間電位Vmまで印加することで第２インク滴の形成は完了する。
【００５３】
この実施例２では、実施例１にくらべ第２パルスによる形成インク滴径をより大きくすることをねらっている。引き込み信号S21'の開始電位は中間電位からΔVだけ低くオフセットされているため、吐出信号S23'の最終電位でかつ最高電位である電位V6'を無用に上昇させることなく、信号S23'を大きく印加し、インク滴を大きくすることができる。これに対して破線に示したような従来の駆動方法、つまり第２パルスの開始電位が中間電位Vmである場合には、インク滴吐出のための信号の最高電位V7'が高くなり、駆動回路を構成する電子部品に耐圧性の高いものが必要となり、コストが上昇する。さらには、電位V7'と中間電位との電位差が大きくなり、インク滴吐出後のメニスカス残留振動を抑制する信号S25'が過剰抑制、つまり逆発振を引き起こし、不安定吐出を招く可能性がある。
【００５４】
８．本発明の実施例３
図３は、本発明の駆動方法の一実施例を、駆動信号の波形で示すものであって、第１実施例の駆動信号とは、第１パルスの予備充電パルスＳ１１とその後の電位保持パルスＳ１２に相当するパルスを持たない点が異なる。S13''は高く設定された中間電位からV1''まで変化してメニスカスの引き込みを行い、S14''を経てS15''で小径のインク滴を吐出し、S16''を経てS17''で中間電位をΔVだけ超えてV3''まで残留振動の制振を行い、SC2''により中間電位までの回復を行って第1パルスが完了する。続く第２パルスでは吐出前の引き込み信号S21''をS13''に比べ小さく、吐出信号S23''をS15''に比べ大きく設定することで、第1インク滴に比べ大径のインク滴を形成している。この実施例では、中間電位を高く設定することでS13''の前の予備パルスを省略し、駆動周波数の上昇を図っている。
【００５５】
以上本発明の実施例を説明したが、、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において、種々の態様で実施可能である。例えば、上記の実施例において、ピエゾ素子はたわみ振動子型のPZTを採用したが、縦振動効果型のPZTであっても積層型のPZTであってもよい。ただしこの場合、たわみ振動子型のPZTに対して、充電と放電が入れ替わることになる。また、圧力発生素子としては、ピエゾ素子に限らず、例えば磁歪素子等の他の変位素子を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動方法の第1実施例を示す駆動信号の波形図である。
【図２】本発明の駆動方法の第２実施例を示す駆動信号の波形図である。
【図３】本発明の駆動方法の第３実施例を示す駆動信号の波形図である。
【図４】プリンタの内部構成を駆動系を中心に示す説明図である。
【図５】印字ヘッドの導入管まわりの概略構成を示す構成図である。
【図６】同上プリンタの制御装置の一実施例を示すブロック図である。
【図７】記録ヘッドの一実施例を示す断面図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、ピエゾ素子の伸縮によりインク滴が吐出される原理を示す説明図である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、ピエゾ素子に加える駆動信号とメニスカスの運動との関係を示す模式図である。
【図１０】駆動信号の各波形について説明する説明図である。
【図１１】ピエゾ素子駆動回路の一実施例を示すブロック図である。
【図１２】駆動パルスの生成の過程を示す説明図である。
【図１３】データ信号を用いてメモリにスルーレートを設定する場合の各信号のタイミングチャートである。
【図１４】単独の駆動パルスによりインクの吐出を行なった場合のメニスカスの変位の一例を示す線図である。
【符号の説明】
22…プリンタ
23…紙送りモータ
24…キャリッジモータ
26…プラテン
28…インク吐出用ヘッド
31…キャリッジ
32…操作パネル
34…摺動軸
36…駆動ベルト
38…プーリ
39…位置検出センサ
40…制御回路
43…I／F
44…RAM
44A…受信バッファ
44B…中間バッファ
44C…出力バッファ
45…ROM
46…制御部
47…発振回路
48…駆動信号発生回路
49…I／F
50…ピエゾ素子駆動回路
51…メモリ
52…第1のラッチ
53…加算器
54…第2のラッチ
55…レベルシフタ
56…D／A変換機
57…電圧増幅部
58…電流増幅部
61〜66…インク吐出用ヘッド
67…導入管
68…インク通路
71,72…インクカートリッジ
121…アクチュエータユニット
122…流路ユニット
123…ノズル開口
130…第1の蓋部材
132…圧力発生室
134…駆動電極
135…スペーサ
136…第2の蓋部材
137…インク供給口
138,139…連通孔
140…インク供給口形成基板
141…インク室
143…インク室形成基板
144…ノズル連通孔
145…ノズルプレート
146,147,148…接着層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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