(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出するための複数の圧力室及び複数のノズルを有するキャビティプレートと、前記複数の圧力室に対応する複数の駆動電極を備え前記複数の圧力室内の圧力をそれぞれ変動せしめるアクチュエータとを有するインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドを移動させるキャリッジと、
画像情報に基づき所定の吐出周期にて前記アクチュエータの複数の駆動電極の各々に対して複数の駆動波形を選択的に出力し、前記複数のノズルの各々から種々の体積のインク滴を吐出させる駆動装置とを備えたインク吐出装置であって、
前記駆動装置は、前記所定の吐出周期にて異なる前記ノズルからそれぞれ吐出されるインク滴に関して、吐出される前記インク滴の体積が小さく、吐出速度が遅くなる前記駆動波形ほど、他の駆動波形よりも先行させて出力するとともに、先行する駆動波形とその次に出力される駆動波形の一部とを同時に出力させ、さらに、ある吐出周期に前記複数の駆動波形のうちの最も後に出力される駆動波形を出力し、次の吐出周期に前記複数の駆動波形のうちの最も先行して出力される駆動波形が出力される場合において、これら２つの駆動波形の間隔が、先の駆動波形の残留圧力波が後の駆動波形によるインクの吐出に影響しないだけの間隔となるように、前記所定の吐出周期の長さを設定することを特徴とするインク吐出装置。
【請求項２】
前記複数の駆動波形は、前記インク滴の体積が最も大きく吐出速度が最も速くなる第１の駆動波形と、この第１の駆動波形の次にインク滴の体積が大きく吐出速度が速い第２の駆動波形と、前記インク滴の体積が最も小さく吐出速度が最も遅くなる第３の駆動波形であり、
前記第１の駆動波形は、そのパルス幅が前記圧力室内の圧力波の片道伝播時間Ｔであるインク滴を前記ノズルから吐出させるための吐出パルスと、この吐出パルスによる残留圧力をキャンセルさせるキャンセルパルスとからなるものであり、
前記第２の駆動波形は、そのパルス幅が前記片道伝播時間Ｔであるインク滴を前記ノズルから吐出させるための吐出パルスと、そのインク滴の一部が前記ノズル内のインクと連続している期間にそのインク滴の一部を前記ノズル内に引き戻させる小型化パルスとからなるものであり、
前記第３の駆動波形は、そのパルス幅が前記片道伝播時間Ｔからずれたインク滴を前記ノズルから吐出させるための吐出パルスと、そのインク滴の一部が前記ノズル内のインクと連続している期間にそのインク滴の一部を前記ノズル内に引き戻させる小型化パルスとからなるものであり、
前記第３の駆動波形の吐出パルスと前記小型化パルスとの間隔は、前記第２の駆動波形の吐出パルスと前記小型化パルスとの間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載のインク吐出装置。
【請求項３】
前記第１の駆動波形と前記第３の駆動波形とが同じ吐出周期に出力されるときの時間差が、前記第１の駆動波形による吐出速度をＶ１、前記第３の駆動波形による吐出速度をＶ２、前記ノズルと記録媒体との間隙をｇとしたときに、ｇ（１／Ｖ１−１／Ｖ２）よりも小さくなることと、
一の吐出周期において前記第１の駆動波形を出力し、次の吐出周期において前記第３の駆動波形を出力する場合におけるこれらの駆動波形の時間差を、前記第３の駆動波形を用いる吐出による前記圧力室の圧力変動が、前記第１の駆動波形を用いる吐出に与える影響を所定範囲内に抑えること、
とを満たすように、前記所定の吐出周期が設定されていることを特徴とする請求項２に記載のインク吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータにより圧力室内の圧力を変動させてインク滴を吐出させるインク吐出装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタに用いられているインクジェットプリンタヘッドとして、圧電素子をキャビティプレート内の圧力室に隣接させて設けた圧電式インクジェットプリンタヘッドが知られている。
【０００３】
この圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいては、圧電素子に所定の駆動パルスを印加することで圧力室の容積を変化させ、インク滴をノズルから吐出させる。その結果、インク滴が記録紙上に着弾し、印刷が行われることになる。
【０００４】
ノズルからインク滴を吐出する際、前記駆動パルスのパルス幅、すなわち圧力室の容積変化によって生じたインクの圧力変動に対し容積をもとに戻すタイミングによって、吐出のための圧力が変わり、インク滴の体積が変わる。従って、パルス幅を変えることによって、階調を表現することが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、異なる体積のインク滴を吐出する場合、圧力室内の圧力変動と圧電素子の復帰圧力とが重畳するタイミングが異なることから、インク滴の吐出速度も異なることになる。
【０００６】
従って、インクジェットプリンタヘッドと記録紙とを相対移動しながら、一定のタイミングクロック信号にもとづいて、体積の異なるインク滴を吐出した場合には、インク滴の体積によって紙面上の着弾位置がずれるという問題があった。
【０００７】
本発明は、この問題に鑑みてなされたもので、異なる体積のインク滴を吐出する場合でも、着弾位置のずれを少なくすることができるインク吐出装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のインク吐出装置は、前記課題を解決するために、インク滴を吐出するための複数の圧力室及び複数のノズルを有するキャビティプレートと、前記複数の圧力室に対応する複数の駆動電極を備え前記複数の圧力室内の圧力をそれぞれ変動せしめるアクチュエータとを有するインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドを移動させるキャリッジと、画像情報に基づき所定の吐出周期にて前記アクチュエータの複数の駆動電極の各々に対して複数の駆動波形を選択的に出力し、前記複数のノズルの各々から種々の体積のインク滴を吐出させる駆動装置とを備えたインク吐出装置であって、前記駆動装置は、前記所定の吐出周期にて異なる前記ノズルからそれぞれ吐出されるインク滴に関して、吐出される前記インク滴の体積が小さく、吐出速度が遅くなる前記駆動波形ほど、他の駆動波形よりも先行させて出力するとともに、先行する駆動波形とその次に出力される駆動波形の一部とを同時に出力させ、さらに、ある吐出周期に前記複数の駆動波形のうちの最も後に出力される駆動波形を出力し、次の吐出周期に前記複数の駆動波形のうちの最も先行して出力される駆動波形が出力される場合において、これら２つの駆動波形の間隔が、先の駆動波形の残留圧力波が後の駆動波形によるインクの吐出に影響しないだけの間隔となるように、前記所定の吐出周期の長さを設定することを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載のインク吐出装置によれば、アクチュエータに出力される駆動波形に応じて、ノズルから吐出されるインク滴の体積が変動し、吐出速度もそれに伴って変動することになる。但し、駆動波形の出力タイミングは一定ではなく、吐出されるインク滴の体積が小さく、吐出速度が遅くなるようなインク滴の吐出に用いられる駆動波形ほど、他の駆動波形よりも先行させて出力するとともに、先行する駆動波形とその次に出力される駆動波形の一部とを同時に出力させる。従って、インク滴の体積による着弾位置のずれが抑えられる。
【００１０】
請求項２記載のインク吐出装置は、前記課題を解決するために、請求項１に記載のインク吐出装置において、前記複数の駆動波形は、前記インク滴の体積が最も大きく吐出速度が最も速くなる第１の駆動波形と、この第１の駆動波形の次にインク滴の体積が大きく吐出速度が速い第２の駆動波形と、前記インク滴の体積が最も小さく吐出速度が最も遅くなる第３の駆動波形であり、前記第１の駆動波形は、そのパルス幅が前記圧力室内の圧力波の片道伝播時間Ｔであるインク滴を前記ノズルから吐出させるための吐出パルスと、この吐出パルスによる残留圧力をキャンセルさせるキャンセルパルスとからなるものであり、前記第２の駆動波形は、そのパルス幅が前記片道伝播時間Ｔであるインク滴を前記ノズルから吐出させるための吐出パルスと、そのインク滴の一部が前記ノズル内のインクと連続している期間にそのインク滴の一部を前記ノズル内に引き戻させる小型化パルスとからなるものであり、前記第３の駆動波形は、そのパルス幅が前記片道伝播時間Ｔからずれたインク滴を前記ノズルから吐出させるための吐出パルスと、そのインク滴の一部が前記ノズル内のインクと連続している期間にそのインク滴の一部を前記ノズル内に引き戻させる小型化パルスとからなるものであり、前記第３の駆動波形の吐出パルスと前記小型化パルスとの間隔は、前記第２の駆動波形の吐出パルスと前記小型化パルスとの間隔よりも狭いことを特徴とする。
【００１１】
【００１２】
請求項３記載のインク吐出装置は、前記課題を解決するために、請求項２に記載のインク吐出装置において、前記第１の駆動波形と前記第３の駆動波形とが同じ吐出周期に出力されるときの時間差が、前記第１の駆動波形による吐出速度をＶ１、前記第３の駆動波形による吐出速度をＶ２、前記ノズルと記録媒体との間隙をｇとしたときに、ｇ（１／Ｖ１−１／Ｖ２）よりも小さくなることと、一の吐出周期において前記第１の駆動波形を出力し、次の吐出周期において前記第３の駆動波形を出力する場合におけるこれらの駆動波形の時間差を、前記第３の駆動波形を用いる吐出による前記圧力室の圧力変動が、前記第１の駆動波形を用いる吐出に与える影響を所定範囲内に抑えること、とを満たすように、前記所定の吐出周期が設定されていることを特徴とする。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。以下の説明は、圧電式インクジェットヘッドに対して本発明を適用した場合の実施形態である。
【００１７】
図１は、本実施形態におけるインクジェットヘッド１及び駆動装置３０を示す概略図である。
【００１８】
図１に示すように、インクジェットヘッド１は、キャビティプレート１０と、圧電アクチュエータ２０とから構成されている。
【００１９】
また、キャビティプレート１０には、インク供給源と接続するインク供給口１１、マニホールド１２、そのマニホールド１２に絞り部１３を介して連通する複数の圧力室１４、及びその圧力室１４にディセンダ孔１５を介して連通する複数のノズル１６が形成されている。
【００２０】
このキャビティプレート１０は、例えば４２％ニッケル合金鋼板（４２合金）製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する金属板を複数枚形成し、それぞれを接着剤にて重ね接合して積層した構造となっている。但し、金属に限らず、例えば、樹脂により形成してもよい。
【００２１】
圧電アクチュエータ２０は、例えば、特開平３−２７４１５９号公報に記載されたものと同様に、圧電シートと圧力室１４に対応する駆動電極が積層された構成となっており、圧力室１４に対応する個々の圧電シートの部分が変形するようになっている。
【００２２】
駆動装置３０は、インク滴の体積が異なる複数種類の波形信号を記憶した波形発生回路３１と、インクジェットプリンタヘッドと記録紙との相対移動にもとづいて吐出タイミングを決定するためのクロック信号を発生するクロック信号発生回路３２と、波形発生回路３１から出力した波形信号にもとづいた駆動パルスをクロック信号にのせて圧電アクチュエータ２０に出力する出力回路３３とからなる。
【００２３】
このような構成において、圧電アクチュエータ２０における駆動電極に電圧を印加すると、圧電効果による積層方向の伸張歪みが発生する。常態では、圧電アクチュエータ２０における全駆動電極に電圧を印加して、全圧力室１４の容積を縮小した状態にある。吐出しようとする圧力室１４に対応する駆動電極に、駆動回路３０から駆動パルスを供給すると、その駆動パルスの立ち下がりにより、駆動電極に対する電圧の印加が解除され、圧力室１４に対応する圧電シートが伸張状態から復帰し、圧力室１４の容積が拡大される。
このとき圧力室１４内の圧力が減少する。この状態を、このとき生じた圧力波の圧力室１４内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間マニホールド１２からインクが供給される。なお、上記片道伝播時間Ｔは圧力室１４内の圧力波が、圧力室１４の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、圧力室１４の長さＬとこの圧力室１４内部のインク中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加解除からほぼＴ時間がたつと圧力室１４内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせて駆動パルスを立ち上げると、圧力室１４に対応する電圧シートが伸張し、圧力室１４内のインクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、圧電シートが伸張することにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力が圧力室１４に連通するノズル１６付近の部分に生じて、インク滴がそのノズル１６から吐出される。
上記駆動パルスの幅は、上記片道伝播時間Ｔでなくてもその奇数倍であれば、上記と同様の効果を得ることができる。しかし、上記片道伝播時間Ｔまたはその奇数倍に対してずれると、上記のように加え合わされる圧力が減少し、インク滴の体積が小さくなるとともに吐出速度も下がることになる。
【００２４】
次に、駆動装置３０から圧電アクチュエータ２０に対して供給される駆動パルスについて詳しく説明する。
【００２５】
本実施形態では、上述したインクジェットヘッド１をインクジェットプリンタのキャリッジに取り付け、このキャリッジを７６２ｍｍ／ｓの速度で移動させ、ノズルと紙面間のギャップを１．２ｍｍに設定して、同一のノズルから異なる体積のインク滴の吐出を行う例について説明する。
【００２６】
吐出させるインク滴は、図４に示すように、体積が大きい順に、インク滴４０、インク滴４１、及びインク滴４２の３種類を用いる。これらのインク滴を発生するための波形は、図２に示す。（Ａ）の波形１がインク滴４０、（Ｂ）の波形２がインク滴４１、（Ｃ）の波形３がインク滴４２のための波形である。
波形１は、パルス幅が６μｓの吐出パルスと、そこから９μｓの間隔をおいて幅９μｓのキャンセルパルスとからなる。吐出パルスの幅６μｓは、上記片道伝播時間Ｔと一致するものである。キャンセルパルスは、インク滴の吐出後の圧力室内の残留圧力が正に転じようとするタイミングで、圧力室１４の圧力を下げるようにパルスを立ち下げ、また残留圧力が低いタイミングで、圧力室１４の圧力を上げるようにパルスを立ち上げることで、残留圧力をほぼ打ち消すものである。
波形２は、幅が６μｓの吐出パルスと、そこから３μｓの間隔をおいて幅３μｓの小型化パルスとからなる。小型化パルスは、インク滴がノズル１６から飛び出したが未だノズル１６に連動している状態で、圧力室１４の容積を拡大してその負圧により、飛び出したインク滴の一部を引き戻すことで、インク滴の体積を小さくするものである。また、その際、飛び出したインク滴に負圧が作用することで、吐出速度も下がる。
波形３は、幅が６．４μｓの吐出パルスと、そこから２．６μｓの間隔をおいて幅２．６μｓの小型化パルスとからなる。小型化パルスは、上記波形２と同様に、飛び出したインク滴の一部を引き戻すことで、インク滴の体積を小さくするものである。吐出パルスが上記片道伝播時間Ｔからずれていることで、インク滴の体積を小さくしているとともに吐出速度も下げている。さらに、波形２よりも吐出パルスと小型化パルスとの間隔が狭くなっていることで、飛び出したインク滴の一部をより早く引き戻してインク滴の体積をより小さくし、吐出速度もより下げている。
これらのインク滴の液滴体積は、インク滴４０が１０ｐｌ（ピコリットル）、インク滴４１が６ｐｌ、及びインク滴４２が４ｐｌである。また、これらのインク滴の吐出速度は、インク滴４０が７．０ｍ／ｓ、インク滴４１が６．５ｍ／ｓ、及びインク滴４２が６．０ｍ／ｓである。
【００２７】
このように、インク滴の吐出速度は、インク滴の体積によって異なっている。そこで、本実施形態では、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、最も体積が大きいインク滴４０の駆動パルスを基準にして、吐出しようとするインク滴の体積がインク滴４０の体積よりも小さい場合には、インク滴４０の駆動パルスよりも所定時間早く駆動パルスを出力するように構成した。
【００２８】
ノズルと紙面間のギャップをｇ（ｍｍ）、体積が小さいインク滴の吐出速度をＶ１（ｍ／ｓ）、及び体積が大きいインク滴の吐出速度をＶ２（ｍ／ｓ）とすると、これらのインク滴が着弾する時間の差ｔ（μｓ）は、次式で表すことができる。
【００２９】
【数３】
ｔ＝ｇ（１／Ｖ１−１／Ｖ２）ｘ１０００
【００３０】
従って、吐出速度が６．５ｍ／ｓのインク滴４１と、吐出速度が７．０ｍ／ｓのインク滴４０との時間差は、上式より１３μｓと算出され、図２に示すインク滴４０用の駆動パルスである波形１よりも、インク滴４１用の駆動パルスである波形２を、１３μｓ先行させて出力することにより、着弾ずれは最も小さくなる。
【００３１】
また、同様に、吐出速度が６．０ｍ／ｓのインク滴４２と、吐出速度が７．０ｍ／ｓのインク滴４０との時間差は、上式より２９μｓと算出され、図２に示すインク滴４０用の駆動パルスである波形１よりも、インク滴４２用の駆動パルスである波形３を、２９μｓ先行させて出力することにより、着弾ずれは最も小さくなる。
【００３２】
但し、図４において、マトリックス状の印字位置のうち位置Ｌに大きな体積のインク滴を吐出した直後、次の位置Ｌ＋１に同一ノズルで最も小さい体積のインク滴４２を吐出する場合、そのインク滴４２は、位置Ｌ＋１に吐出するためのタイミングよりも先行したタイミング例えばＬａで駆動パルスを出力しなければならない。高速印字のために短い周期でクロック信号を出力する場合、波形１と波形３の間隔が狭くなってくると、波形１で発生した残留圧力波が、波形３によるインク滴の吐出に影響してしまう。
従って、クロック信号の周期は、波形１のあとに波形３が続く場合でも、波形１と波形３とが干渉することがなく、かつ波形１で発生した残留圧力波が、波形３によるインク滴の吐出に影響しないだけの間隔を波形１と波形３との間に置くことができる大きさにしている。また、印字品質に影響しない範囲で着弾ずれを許容すれば、波形２，３の先行時間を短くでき、クロック信号の周期を短くし、高速印字を可能にできる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、前記式により算出した値よりも小さい値で、着弾ずれが許容できる範囲で、波形を先行させる時間を定めた。
【００３４】
例えば、図３に示すように、波形２を波形１よりも４μｓ先行させた時には、インク滴４１のインク滴４０に対する着弾ずれは、７μｍであった。また、波形３を波形１よりも１０μｓ先行させた時には、インク滴４２のインク滴４０に対する着弾ずれは、１４μｍであった。
【００３５】
これに対し、図３に示すように、波形２を波形１よりも８μｓ先行させた時には、インク滴４１のインク滴４０に対する着弾ずれは、４μｍであった。また、波形３を波形１よりも１５μｓ先行させた時には、インク滴４２のインク滴４０に対する着弾ずれは、１０μｍであった。
【００３６】
インク滴４１のインク滴４０に対する着弾ずれが４μｍ、インク滴４２のインク滴４０に対する着弾ずれが１０μｍの時の着弾したインク滴の関係は、図４に示すようになる。この程度の着弾ずれであれば、実用上問題ないので、本実施形態では、波形２を波形１よりも８μｓ先行させ、波形３を波形１よりも１５μｓ先行させることにした。なお、上述した着弾ずれの値は、図４に示すインク滴４０の中心を通る線から、各インク滴の中心までの距離として表したものである。
【００３７】
つまり、本実施形態では、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、まずインク滴４２用の駆動パルスである波形３を、インク滴４０の駆動パルスである波形１よりも１５μｓ先行させて出力する。また、インク滴４１の駆動パルスである波形２を、インク滴４０の駆動パルスである波形１よりも８μｓ先行させて出力するように構成した。
【００３８】
その結果、図３及び図４に示すように、各インク滴の着弾ずれは小さくなり、良好な階調表現を行うことが可能となった。
【００３９】
なお、上記実施の形態では、波形１の出力タイミングに対して、波形２，３の出力を先行させるように説明したが、出力回路３３において、最も先行して出力する波形３を基準に、波形１，２をそれぞれ所定時間遅延させて出力するように制御する構成としてもよい。また、１つ前の位置Ｌ−１に吐出するためのタイミングを基準に、波形１，２，３をそれぞれ遅延させるようにしてもよい。さらに、波形発生回路３１において、各波形をそれぞれ遅延分を含む状態で記録しておき、クロック信号の所定のタイミングで、遅延分を含む波形を出力することもできる。
【００４０】
これに対し、図５に示す従来例のように、各波形を同一タイミングで出力した場合には、図６及び図７に示すように、インク滴４１のインク滴４０に対する着弾ずれは１０μｍ、また、インク滴４２のインク滴４０に対する着弾ずれ２２μｍと非常に大きな値になってしまう。
【００４１】
従って、本実施形態によれば、異なる体積のインク滴を吐出させる場合でも、着弾ずれを著しく減少させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吐出されるインク滴の体積が小さく、吐出速度が遅くなるようなインク滴の吐出に用いられる駆動波形ほど、他の駆動波形よりも先行させて出力するとともに、先行する駆動波形とその次に出力される駆動波形の一部とを同時に出力させるようにしたので、階調表現のために異なる体積のインク滴を吐出させる場合でも、着弾ずれを著しく減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態における圧電式インクジェットヘッドの断面図である。
【図２】  図１の圧電式インクジェットヘッドにおける駆動パルスを示す図であり、（Ａ）は最も体積が大きいインク滴の駆動パルスである波形１、（Ｂ）は中程度の体積のインク滴の駆動パルスである波形２、（Ｃ）は最も体積が小さいインク滴の駆動パルスである波形３を示す図である。
【図３】  図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示す波形２及び波形３を、波形１に対して先行させる時間を変えた場合の着弾ずれの結果を示す図である。
【図４】  図２に示すタイミングで各駆動パルスを出力した場合の紙面上の着弾結果を示す図である。
【図５】  本発明と比較される従来例の圧電式インクジェットヘッドにおける駆動パルスを示す図であり、（Ａ）は最も体積が大きいインク滴の駆動パルスである波形１、（Ｂ）は中程度の体積のインク滴の駆動パルスである波形２、（Ｃ）は最も体積が小さいインク滴の駆動パルスである波形３を示す図である。
【図６】  図５に示す波形１、波形２、及び波形３のそれぞれの吐出速度、液滴体積、及び着弾ずれを示す図である。
【図７】  図５に示すタイミングで各駆動パルスを出力した場合の紙面上の着弾結果を示す図である。
【符号の説明】
１０  キャビティプレート
１６  ノズル
２０  圧電アクチュエータ
３０  駆動装置
【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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