インクジェット記録装置
【課題】吐出性能のばらつきを抑えて高画質化を図ることが可能なインクジェット記録装置を提供する。
【解決手段】ノズル孔２−１に連通する複数の加圧液室１−１−１にそれぞれ設けられた圧電素子１−４を駆動することにより各加圧液室内１−１−１に圧力を発生させ、発生した該圧力により各ノズル孔２−１からインク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッド５３を有するインクジェット記録装置５０において、各圧電素子１−４は基準電位から繰り返し出力される駆動波形の少なくとも一部をスイッチングすることにより駆動され、各圧電素子１−４の駆動回数を計数する計数手段を有し、駆動波形が基準電位にスルーアップした後の各圧電素子１−４の駆動回数を計数手段により計数し、この計数結果に応じて各圧電素子１−４の駆動状態を予め定められている何れかの形態に分類し、該形態に基づいて駆動波形のスルーダウンのタイミングを変化させる。
【解決手段】ノズル孔２−１に連通する複数の加圧液室１−１−１にそれぞれ設けられた圧電素子１−４を駆動することにより各加圧液室内１−１−１に圧力を発生させ、発生した該圧力により各ノズル孔２−１からインク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッド５３を有するインクジェット記録装置５０において、各圧電素子１−４は基準電位から繰り返し出力される駆動波形の少なくとも一部をスイッチングすることにより駆動され、各圧電素子１−４の駆動回数を計数する計数手段を有し、駆動波形が基準電位にスルーアップした後の各圧電素子１−４の駆動回数を計数手段により計数し、この計数結果に応じて各圧電素子１−４の駆動状態を予め定められている何れかの形態に分類し、該形態に基づいて駆動波形のスルーダウンのタイミングを変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタ、ＭＦＰを使用するデジタル印刷装置等のインクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できること等、多くの利点を有している。この中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないために現在では主流となってきている。
【０００３】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置あるいは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置に使用される液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室（加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生させる圧力発生手段とを備え、圧力発生手段にて発生した圧力により吐出室内のインクを加圧することによってノズルからインク液滴を吐出させる。
【０００４】
このような液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子等の電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることによりインク液滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配置した発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させインク液滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のもの等がある。ピエゾ型のものにはＤ３３方向の変形を利用した縦振動型、Ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベントモード）型、さらには剪断変形を利用したシェアモード型等がある。その中で、近年の半導体プロセスやマイクロマシニング技術の進歩により、パターニング加工技術が確立されていてかつコストの低いＳｉ基板に加圧室及びピエゾ素子を直接形成するアクチュエータ構成が考案されている。これによれば、圧電素子を振動板に貼り付ける作業が不要となり、リソグラフィ法という精密かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能となるという利点がある。
【０００５】
「特許文献１」には、印刷動作が実行されていない期間に、圧電素子を構成する両電極間の電気的接続状態を制御した状態で圧電素子を保持することにより、圧電素子の残留分極の緩和を抑えるインクジェット式記録装置が開示されている。これにより、インク吐出特性が所定範囲内に維持されるため、印刷品質を安定させることができる。また「特許文献２」には、圧電体に対して液体吐出動作時に印加する駆動波形が、圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期と、高電位期とは電位が逆極性となる電圧を印加する逆電位期とを含んでいる液体吐出装置が開示されている。これにより、残留分極の進行を抑えてインク吐出特性を安定化させている。
【０００６】
「特許文献３」には、液滴の吐出回数を測定する吐出回数測定手段と吐出回数に応じて駆動信号の電圧を補正する電圧補正情報を有すると共に、吐出回数測定手段で測定した吐出回数と電圧補正テーブルとに基づいて駆動信号の電圧を補正して液滴の重量を補正する電圧補正手段とを有する液体噴射装置が開示されている。これにより、吐出回数に応じて電圧補正することにより、インク吐出特性を安定化している。また「特許文献４」には、画像形成装置において複数種類の駆動波形を切り替えて使用するときのスルーアップあるいはスルーダウンさせる波形を生成する機能について開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のような薄膜からなる圧電素子を有するインクジェット記録ヘッドでは、圧電素子を連続的に駆動してノズル開口からインク液滴を吐出させると、インク吐出特性が徐々に低下してしまうという問題点がある。
図２２は、１００ｍｓの間２５ｋＨｚでの連続吐出（２５００滴）を行った後にそれぞれ０ｍｓ（連続）、１００μｓ、１ｍｓ、１００ｍｓの回復時間（印加電圧をＧｎｄにスルーダウン）を設けたときに、液滴速度Ｖｊがどのように変化するかを観察したものである。連続吐出を行うと、薄膜ピエゾは分極が進み振動板の変位が小さくなるので液滴速度Ｖｊが徐々に低下する。回復時間を与えると、その間に分極が緩和するので振動板の変位及び液滴速度Ｖｊも回復するので、回復時間の長さにより液滴速度Ｖｊの低下が小さくなる。この結果は、圧電素子は吐出履歴により影響を受け、吐出ばらつきが発生することを示している。このため、連続的に印刷動作を実行すると、吐出されるインク液滴の大きさにばらつきが生じ、印刷品質が安定しないという問題点がある。薄膜ピエゾではなくバルクを焼成したピエゾの場合も電圧印加による残留分極はあるが、薄膜ピエゾは膜厚が薄く強い電界強度で駆動するため、残留分極の影響が著しく顕著になる。
【０００８】
上述した「特許文献１」に開示された技術では、複数ある圧電素子の吐出履歴（駆動履歴）がヘッド内のインク吐出特性に差をもたらすことについては解決されていない。「特許文献２」に開示された技術では、駆動電圧に逆極性となる電圧を発生しなければならないため、ドライバＩＣの耐圧が高くなることや逆極性用の電源電圧を用意する必要がある等、コストアップとなる。「特許文献３」に開示された技術では、電圧補正がヘッド全体に対する補正であり、ヘッド内のインク吐出特性に差をもたらすことについては解決されていない。「特許文献４」に開示された技術では、インク吐出特性の経時変化に対する問題点は解決されない。
本発明は上述の問題点を解消し、吐出性能のばらつきを抑えて高画質化を図ることが可能なインクジェット記録装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、ノズル孔に連通する複数の加圧液室にそれぞれ設けられた圧電素子を駆動することにより前記各加圧液室内に圧力を発生させ、発生した該圧力により前記各ノズル孔からインク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット記録装置において、前記各圧電素子は基準電位から繰り返し出力される駆動波形の少なくとも一部をスイッチングすることにより駆動され、前記各圧電素子の駆動回数を計数する計数手段を有し、前記駆動波形が前記基準電位にスルーアップした後の前記各圧電素子の駆動回数を前記計数手段により計数し、この計数結果に応じて前記各圧電素子の駆動状態を予め定められている何れかの形態に分類し、該形態に基づいて前記駆動波形のスルーダウンのタイミングを変化させることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のインクジェット記録装置において、さらに前記各圧電素子は前記加圧液室の少なくとも一面を構成する振動板に圧電材層を成膜した薄膜ピエゾであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェット記録装置において、さらに前記インクジェット式記録ヘッドを走査しつつ画像形成を行うシリアル型であり、前記駆動波形のスルーアップ及びスルーダウンは走査毎に行われることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、さらに前記計数結果に応じて前記駆動波形をスルーダウンする際に、少なくとも一部の前記圧電素子の駆動状態の形態は一旦スルーアップした後にスルーダウンすることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のインクジェット記録装置において、さらに前記スルーアップは前記駆動波形の最大値まで行われることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、さらに前記計数手段は前記圧電素子の駆動の有無を分類する手段であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、残留分極が影響する吐出履歴における吐出ばらつきを小さくすることが可能となり、これにより形成される画像品質を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット記録装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット記録装置の概略側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの３面断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図８】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図９】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１４】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態に用いられる制御ブロック図である。
【図１６】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図１７】本発明の第１の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図２０】本発明の第４の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図２１】本発明の第５の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図２２】連続吐出を行った後にそれぞれ所定の回復時間を設けたときに液滴速度Ｖｊがどのように変化するかを観察した結果を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット式記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の概略斜視図を、図２は同概略側面図をそれぞれ示している。このインクジェット記録装置５０は、主走査方向への移動が可能なキャリッジ５２、キャリッジ５２に搭載された本発明を実施したインクジェット式記録ヘッドである記録ヘッド５３、記録ヘッド５３にインクを供給するインクカートリッジ５４等により構成される印字機構部５５を装置本体５１の内部に収納しており、装置本体５１の下部には前方側から多数枚の用紙５６を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）５７が着脱可能に取り付けられている。また、装置本体５１の図２において左方である前面側には、用紙５６を手差しにより給紙する際に使用される手差しトレイ５８が設けられている。手差しトレイ５８は、不使用時において図２に示すように装置本体５１に対して密着する態位と、使用時には用紙５６を載置可能となるように倒される態位とに変位自在に設けられている。インクジェット記録装置５０は、給紙カセット５７または手差しトレイ５８から送られる用紙５６を取り込み、印字機構部５５によって所望の画像を伊５６上に記録した後、画像記録後の用紙５６を装置本体５１の後面側に設けられた排紙トレイ５９に排出する。
【００１８】
印字機構部５５は、図示しない左右の側板に掛け渡された主ガイドロッド６０及び従ガイドロッド６１によってキャリッジ５２を移動自在に保持しており、キャリッジ５２にはイエロ（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色インク液滴を吐出する記録ヘッド５３を、複数のインク吐出口（ノズル）が主走査方向と交差する方向となるように配列した上で、インク液滴吐出方向が下方となるように装着している。また、キャリッジ５２には記録ヘッド５３に各色インクを供給するための各色に対応したインクカートリッジ５４をそれぞれ交換可能に装着している。インクカートリッジ５４は、上方に大気と連通する大気口を、下方に記録ヘッド５３にインクを供給する供給口を、内部にインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛細管現象により記録ヘッド５３に供給されるインクを僅かな負圧に維持している。また、ここでは各色毎に記録ヘッド５３を設けているが、各色のインク液滴を吐出可能なノズルを有する単一の記録ヘッドを用いる構成でもよい。
【００１９】
キャリッジ５２は、その用紙搬送方向下流側である後方側を主ガイドロッド６０に摺動自在に支持されており、その用紙搬送方向上流側である前方側を従ガイドロッド６１上に載置している。そして、キャリッジ５２を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ６２によって回転駆動される駆動プーリ６３と従動プーリ６４との間にキャリッジ５２に固定されたタイミングベルト６５を掛け渡している。この構成により、主走査モータ６２が正逆回転することによりキャリッジ５２が往復移動される。
【００２０】
一方、給紙カセット５７に積載した用紙５６を記録ヘッド５３の下方へと搬送するため、給紙カセット５７から用紙５６を分離給送する給紙ローラ６６及びフリクションパッド６７と、用紙５６を案内するガイド部材６８と、給紙された用紙５６を反転させて搬送する搬送ローラ６９と、搬送ローラ６９の周面に押圧される搬送コロ７０と、搬送ローラ６９からの用紙５６の送り出し角度を規定する先端コロ７１とを設けている。搬送ローラ６９は、副走査モータ７２によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００２１】
キャリッジ５２の主走査方向の移動範囲に対応して、搬送ローラ６９から送り出された用紙５６を記録ヘッド５３の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材７３が設けられており、この用紙搬送方向下流側には用紙５６を排紙方向へと送り出すために回転駆動される搬送ローラ７４及び拍車７５、用紙５６を排紙トレイ５９に送り出す排紙ローラ７６及び拍車７７、各ローラ７４，７６間に設けられ排紙経路を形成するガイド部材７８，７９が設けられている。
【００２２】
上述の構成よりインクジェット記録装置５０は、記録時にはキャリッジ５２を移動させつつ画像信号に応じて記録ヘッド５３を駆動することにより停止している用紙５６にインクを吐出して１行分の記録を行い、用紙５６を所定量搬送した後に次の行の記録を行う。そしてインクジェット記録装置５０は、記録終了信号または用紙５６の後端が記録領域に到達した信号を受け取ることにより、記録動作を終了させて用紙５６を排紙トレイ５９に排出させる。
【００２３】
キャリッジ５２の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド５３の吐出不良を回復させるためのキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有する回復装置８０が設けられている。キャリッジ５２は、印字待機中において回復装置８０側に移動されてキャップ手段によって記録ヘッド５３をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥に起因する吐出不良を防止している。また、記録途中等に記録とは関係しないインクを吐出する（空吐出）ことにより、全ての吐出口のインク粘度を一定とさせ、安定した吐出性能を維持している。吐出不良が発生した場合等には、キャップ手段によって記録ヘッド５３の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段により吐出口からインクと共に気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやごみ等をクリーニング手段により除去し、これにより吐出不良が回復する。また吸引されたインクは、本体下部に設けられた図示しない廃インク溜まりに排出され、廃インク溜まり内部に設けられたインク吸収体に吸収保持される。
【００２４】
次に、本発明の一実施形態に用いられる上述した記録ヘッド５３の構成を、３方向からの断面図である図３を用いて説明する。記録ヘッド５３はアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドであり、インク液滴を基板の一面に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータ方式を採用している。記録ヘッド５３は、インク液滴を吐出するノズル孔２−１を有するノズル基板２と、加圧液室１−１−１、流体抵抗部１−１−２、インク流路となる溝部、振動板１−２、圧電層である層間絶縁膜１−６等のアクチュエータ部を有する液室基板１と、圧電素子保護空間３−１を有する保護基板（サブフレーム）３との３枚の基板を重ね合わせた積層構造を呈している。
【００２５】
第１の基板である液室基板１は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコンが張り合わされたＳＯＩ基板を用いている。振動板１−２は、ＳＯＩ基板のシリコン層表面にパイロ酸化法を適用してシリコン酸化膜を形成し、その上に下電極となる白金膜１−３、圧電素子を構成する圧電材（ＰＺＴ）１−４、上電極となる白金膜１−５の多層構造からなるアクチュエータが、シリコンをエッチングすることにより形成された加圧液室１−１−１に対向する領域に形成されている。さらに、各電極である各膜１−３，１−５と配線材料１−７との層間に層間絶縁膜１−６が、またアクチュエータの上面及び側面を覆うように配線材料１−７を保護するためのパッシベーション膜１−８がそれぞれ配置されている。
【００２６】
第２の基板であるノズル基板２は、厚さ３０〜５０μｍのステンレス基板にプレス加工と研磨加工とによりノズル孔２−１を設けており、液室基板１の一面に加圧液室１−１−１と連通するようにノズル孔２−１が配置される。第３の基板である保護基板３は、共通液室３−３として、インク流路となる溝部と、圧電素子の保護及び変位を妨げないための圧電素子保護空間３−１と、及び流路隔壁１−１−５の剛性を高めて液室全体を支えるための柱３−２とを有している。
【００２７】
次に、本実施形態で示す記録ヘッド５３の作製方法を説明する。
本実施形態では、シリコン基板である液室基板１に振動板材料及び圧電素子材料を成膜することによりアクチュエータを作成する。先ず、厚み４００μｍの＜１００＞シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を０．２μｍ、シリコンを２．０μｍそれぞれ貼り合わせたＳＯＩ基板を用い、この表面にパイロ（Ｗｅｔ）酸化法によりシリコン酸化膜を０．３μｍ形成し、図４に示すようにこれを振動板１−２とする。その後、図５に示すように圧電素子の下電極となる白金膜（層）１−３をスパッタ法により０．２μｍ成膜してパターニングし、さらにゾルゲル法により圧電材１−４を２μｍ成膜し、さらに上電極となる白金膜（層）１−５を０．１μｍ成膜する。ここでは、圧電材１−４を２μｍ成膜しているが、１〜３μｍの範囲で圧電材１−４の厚みを変えても駆動による液滴速度Ｖｊの低下は確認されている。なお、圧電材１−４の厚さを変えると駆動条件は変わるので、各厚さに対して液滴速度Ｖｊがノズル孔２−１から１ｍｍ先の位置でＶｊ＝７ｍ／ｓになる駆動条件に揃えた場合の結果である。
【００２８】
その後、図６に示すようにリソエッチ法により白金膜１−５及び圧電材１−４をパターニングする。次に、プラズマＣＶＤ法により層間絶縁膜１−６を０．３μｍ成膜し、リソエッチ法により配線コンタクトを取るためのビアホールを形成する。層間絶縁膜１−６は、図７に示すように、次に形成する配線材料１−７と白金膜１−５との導通部１−６−２、バイパス配線１−１０への導通部１−６−３、及びインク供給孔となる貫通部１−６−４をそれぞれパターニングしており、さらに図８に示すようにアルミ材料からなる配線材料１−７によって引き出し電極を形成する。この引き出し電極は、圧電材１−４の駆動による振動板１−２の振動による応力を受けるため、振動により断線しないように軟らかいアルミ材料を用いて１μｍ程度厚く積んでいる。
【００２９】
次に、図９に示すように、アルミ配線保護のためのパッシベーション膜１−８としてプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜を２μｍ成膜してパターニングする。その後、図１０に示すように、振動板１−２の貫通口１−２−１となる部分を事前にエッチングする。さらに図１１に示すように、金をメッキ法により積層し、個別電極のパッド部１−９及びバイパス配線１−１０を同時に形成する。パッド部１−９を金で形成することにより、図示しないドライバＩＣとの電気的接続を低温のワイヤボンディングで接続することが可能となると共に、金は抵抗値が低いことからバイパス配線１−１０として共通電極抵抗値を下げる効果が大きいという利点がある。なお、パッド部１−９とは形成工程を分け、バイパス配線１−１０の材料として銅やアルミ等を使用することも可能である。この場合、バイパス配線１−１０を腐食から保護するための保護層が必要となる場合もある。
【００３０】
その後、図１２に示すように、別途ガラス基板にブラスト加工法により柱３−２を形成した保護基板３を液室基板１に接合し、液室基板１の保護基板３が接合された面とは反対側の面を所望の厚さまで研磨する。保護基板３はシリコン基板にリソエッチ法で凹部を形成したもの、＜１１０＞シリコン基板をＴＭＡＨ、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでもよく、さらに樹脂モールドやメタルインジェクションモールド等の成型部品でもよい。また、ドライバ回路をアクチュエータ基板である液室基板１上に一体成形する際に、パイロ酸化法により形成した酸化膜をＬＯＣＯＳ酸化法で形成し、酸化膜の形成領域を選択することにより駆動回路を同一基板上に形成することも可能である。
【００３１】
その後図１３に示すように、液室基板１の研磨面にＩＣＰドライエッチングにより加圧液室１−１−１、流体抵抗部１−１−２、及び供給部１−１−３となる凹部を形成する。そして最後に、図１４に示すように、別途厚さ３０〜５０μｍのステンレス基板にプレス加工と研磨加工とによりノズル孔２−１を形成したノズル基板２を液室基板１の流路隔壁１−１−５形成面に圧着し、圧電素子の各白金膜１−３．１−５に接続されたアルミ配線部を駆動回路に接続することにより、液滴吐出ヘッドである記録ヘッド５３が完成する。
【００３２】
図１５は、記録ヘッド５３を駆動する駆動回路のブロック図である。本実施形態では、２ビットの階調信号（画像データ）をそれぞれシリアルに本体から記録ヘッド５３へと転送し、２個のシフトレジスタにより各ビットをシリアルからパラレルに変換している。そして、印字周期の始めにデータをラッチし、その階調データに基づいて制御信号ＭＮ０〜ＭＮ３の何れかを選択する。印字周期内のアナログスイッチのオンオフは、制御信号ＭＮ０〜ＭＮ３に基づいて選択される。
【００３３】
このような回路構成とすることにより、データの転送は１印字周期内に１度ですみ、またオンオフの切替が外部より入力される制御信号ＭＮ０〜ＭＮ３に基づくので切替時間の変更等が容易である。ただし、階調信号に基づき１印字周期内でアナログスイッチを切り替える回路構成はこれには限定されない。本発明では、所望のオンオフの切替が可能であれば、回路構成を限定するものではない。駆動電圧波形は記録装置本体のＤ／Ａ回路からＲＯＭに記憶された波形を出力し、オペアンプ及びトランジスタの電圧電力増幅回路を介して記録ヘッド５３に供給される。
【００３４】
次に、図１６を用いて記録ヘッド５３の駆動波形について説明する。記録ヘッド５３は図１６に示すように、キャリッジ５２の動きに合わせて画像データに基づいて共通の駆動波形をスイッチングすることにより、各ノズルに対応する各圧電素子に電圧を印加することで横振動モードで変形する圧電素子である圧電材１−４が縮み、これと密着している振動板１−２の全体が加圧液室１−１−１側に向けて凸形状となるように変形する。この加圧液室１−１−１の体積変化により、加圧液室１−１−１内の圧力を制御してノズル孔２−１よりインク液滴を用紙５６に向けて吐出する。加圧液室１−１−１内の圧力変動周期に合わせた駆動波形を連続的に印加することを繰り返すことにより、ノズル孔２−１からインクを連続的に吐出することができる。
【００３５】
圧電材１−４の駆動では、一旦加圧液室１−１−１内の圧力を下げた後に再び圧力を上げて吐出を行う、いわゆる引き打ちが行われることが多い。これは連続吐出を行い易いためであるが、このときの駆動波形としては基準電位まで持ち上げて（スルーアップして）おいてそこから吐出するときの波形を繰り返すこととなる。本発明のように、記録ヘッド５３をキャリッジ５２に搭載し、キャリッジ５２を走査しつつ作像を行うシリアル型のインクジェット記録装置５０の場合には、キャリッジ５２の加速区間あるいはその前に各圧電素子にスルーアップ電圧を印加し、各圧電素子の電位を基準電位まで上昇させる。印字終了時には各圧電素子の電位を基準電位からスルーダウンするが、キャリッジ５２の折り返し時において毎回スルーダウンする方式もある。
【００３６】
本発明の第１の実施形態では、各圧電素子の駆動回数である吐出回数を計数する計数手段を有し、吐出回数に応じて記録ヘッド５３の駆動状体を吐出回数小、中、大の３段階に分類し、この分類に応じて図１７に示すようにスルーダウンのタイミングを変化させ、このスルーダウンをキャリッジ５２のスキャン毎（折り返し毎）に実施している。計数手段による計数はスルーアップしてからスルーダウンを始めるまで実施しているので、本実施形態ではスキャン毎（往路と復路とは別のスキャンとしている）に各ノズルの吐出回数を計数、具体的にはインクジェット記録装置５０本体において画像データから直接的に計数している。
【００３７】
本実施形態のような薄膜ピエゾの場合には圧電素子を基準電位に保持するだけでも分極を進めるため、できる限り頻繁に回復時間を設ける構成が望ましい。このため、駆動波形のスルーアップ及びスルーダウンをスキャン毎に実施している。また、スキャン毎に計数を行うことにより分極状態を均一にさせるための補正を詳細に実施することができ、残留分極が影響する吐出履歴における吐出ばらつきを小さくすることが可能となり、これにより形成される画像品質を安定化することができる。
【００３８】
また、薄膜ピエゾのインクジェット記録ヘッドでは、圧電材１−４の厚みが薄いため（本実施形態では２μｍ）に電界強度が高く、どうしても分極が進んでしまう。電圧印加を止めれば分極は回復するが、時間遅れがあるためにどうしても吐出履歴により吐出体積Ｍｊ及び吐出速度Ｖｊが変化する。本発明では、吐出履歴（吐出回数）に応じてスルーダウンするタイミングを変えることにより、分極を揃えて各ノズルの吐出ばらつきの発生を抑制している。具体的には、図１７に示すように吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類した圧電素子について、吐出動作と同様に駆動波形をスイッチングすることによりスルーダウンのタイミングを変化させている。ここで電圧印加を揃えるため、吐出回数が少ない圧電素子のグループはスルーダウンするまでの時間を長く設定し、吐出回数が多い圧電素子のグループはスルーダウンするまでの時間を短く設定している。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から基準電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００３９】
次に、図１８を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態では、スルーダウンの際に一旦吐出しない電圧の傾きを持って圧電素子に印加される電圧をスルーアップしている。この構成により短い時間で残留分極を進めることができるので、各圧電素子の分極状態を揃えることができる。本実施形態では、図１８に示すように、吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類した圧電素子について、各分類に応じてスルーアップ後の電圧保持時間を変化させている。ここで、吐出回数が少ない圧電素子のグループから順に電圧保持時間を長くすることにより、各圧電素子の分極状態を揃えて各ノズルの吐出ばらつきを抑制することができる。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から最大電圧電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００４０】
次に、図１９を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。この第３の実施形態では、スルーダウンの際に一旦吐出しない電圧の傾きを持って吐出波形の最大電圧まで電圧をスルーアップしている。この構成により、吐出による電圧印加とより近い状態を作ることができるので、各圧電素子の分極状態を揃えることができる。本実施形態では、図１９に示すように、吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類した圧電素子について、各分類に応じて最大電圧での保持時間を変化させている。ここで、吐出回数が少ない圧電素子のグループは、さらに最大電圧での保持時間を長くした後にスルーダウンすることにより、各圧電素子の分極状態を揃えて各ノズルの吐出ばらつきを抑制することができる。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から最大電圧電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００４１】
次に、図２０を用いて本発明の第４の実施形態を説明する。この第４の実施形態では、スルーダウンの際に一旦吐出しない電圧の傾きを持って吐出波形の最大電圧まで電圧を上げている。この構成により、吐出による電圧印加とより近い状態を作ることができるので、各圧電素子の分極状態を揃えることができる。本実施形態では、図２０に示すように、吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類している。ここで、吐出回数が多い圧電素子のグループは、印刷区間終了後に基準電位よりスルーダウンし、吐出回数が中の圧電素子のグループは、基準電位から吐出波形の最大電圧まで一旦スルーアップした後にスルーダウンする。また吐出回数が少ない圧電素子のグループは、基準電位から吐出波形の最大電圧まで一旦スルーアップした後、最大電圧の印加時間を中グループよりも長く維持した後にスルーダウンする。この構成により、各圧電素子の分極状態を揃えて各ノズルの吐出ばらつきを抑制することができる。本実施形態のように、最大電圧まで一旦スルーアップする場合とすぐにスルーダウンする場合とを使い分ける方式であってもよい。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から基準電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００４２】
次に、図２１を用いて本発明の第５の実施形態を説明する。この第５の実施形態では、吐出回数の分類を０回と１回以上との２種類に、すなわち駆動電圧をスルーアップした後にスルーダウンするまでの間に吐出を行ったか否かで分類している。この構成により、分類を含めた計数は各圧電素子毎にフラグを立てればよく、計数するためのカウンタが不要であるので簡単な手段で吐出履歴による吐出ばらつきを補正することができる。本実施形態では分類が２種類であるため、スローダウンも２種類である。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から基準電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。
【符号の説明】
【００４３】
１−１−１ 加圧液室
１−２ 振動板
１−４ 圧電材（圧電素子）
２−１ ノズル孔
５０ インクジェット記録装置
５３ インクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特開２００３−２６６６８２号公報
【特許文献２】特開２００６−２３１９２８号公報
【特許文献３】特開２００９−６６９４８号公報
【特許文献４】特開２００９−２９０３８号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタ、ＭＦＰを使用するデジタル印刷装置等のインクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できること等、多くの利点を有している。この中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないために現在では主流となってきている。
【０００３】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置あるいは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置に使用される液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室（加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生させる圧力発生手段とを備え、圧力発生手段にて発生した圧力により吐出室内のインクを加圧することによってノズルからインク液滴を吐出させる。
【０００４】
このような液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子等の電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることによりインク液滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配置した発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させインク液滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のもの等がある。ピエゾ型のものにはＤ３３方向の変形を利用した縦振動型、Ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベントモード）型、さらには剪断変形を利用したシェアモード型等がある。その中で、近年の半導体プロセスやマイクロマシニング技術の進歩により、パターニング加工技術が確立されていてかつコストの低いＳｉ基板に加圧室及びピエゾ素子を直接形成するアクチュエータ構成が考案されている。これによれば、圧電素子を振動板に貼り付ける作業が不要となり、リソグラフィ法という精密かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能となるという利点がある。
【０００５】
「特許文献１」には、印刷動作が実行されていない期間に、圧電素子を構成する両電極間の電気的接続状態を制御した状態で圧電素子を保持することにより、圧電素子の残留分極の緩和を抑えるインクジェット式記録装置が開示されている。これにより、インク吐出特性が所定範囲内に維持されるため、印刷品質を安定させることができる。また「特許文献２」には、圧電体に対して液体吐出動作時に印加する駆動波形が、圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期と、高電位期とは電位が逆極性となる電圧を印加する逆電位期とを含んでいる液体吐出装置が開示されている。これにより、残留分極の進行を抑えてインク吐出特性を安定化させている。
【０００６】
「特許文献３」には、液滴の吐出回数を測定する吐出回数測定手段と吐出回数に応じて駆動信号の電圧を補正する電圧補正情報を有すると共に、吐出回数測定手段で測定した吐出回数と電圧補正テーブルとに基づいて駆動信号の電圧を補正して液滴の重量を補正する電圧補正手段とを有する液体噴射装置が開示されている。これにより、吐出回数に応じて電圧補正することにより、インク吐出特性を安定化している。また「特許文献４」には、画像形成装置において複数種類の駆動波形を切り替えて使用するときのスルーアップあるいはスルーダウンさせる波形を生成する機能について開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のような薄膜からなる圧電素子を有するインクジェット記録ヘッドでは、圧電素子を連続的に駆動してノズル開口からインク液滴を吐出させると、インク吐出特性が徐々に低下してしまうという問題点がある。
図２２は、１００ｍｓの間２５ｋＨｚでの連続吐出（２５００滴）を行った後にそれぞれ０ｍｓ（連続）、１００μｓ、１ｍｓ、１００ｍｓの回復時間（印加電圧をＧｎｄにスルーダウン）を設けたときに、液滴速度Ｖｊがどのように変化するかを観察したものである。連続吐出を行うと、薄膜ピエゾは分極が進み振動板の変位が小さくなるので液滴速度Ｖｊが徐々に低下する。回復時間を与えると、その間に分極が緩和するので振動板の変位及び液滴速度Ｖｊも回復するので、回復時間の長さにより液滴速度Ｖｊの低下が小さくなる。この結果は、圧電素子は吐出履歴により影響を受け、吐出ばらつきが発生することを示している。このため、連続的に印刷動作を実行すると、吐出されるインク液滴の大きさにばらつきが生じ、印刷品質が安定しないという問題点がある。薄膜ピエゾではなくバルクを焼成したピエゾの場合も電圧印加による残留分極はあるが、薄膜ピエゾは膜厚が薄く強い電界強度で駆動するため、残留分極の影響が著しく顕著になる。
【０００８】
上述した「特許文献１」に開示された技術では、複数ある圧電素子の吐出履歴（駆動履歴）がヘッド内のインク吐出特性に差をもたらすことについては解決されていない。「特許文献２」に開示された技術では、駆動電圧に逆極性となる電圧を発生しなければならないため、ドライバＩＣの耐圧が高くなることや逆極性用の電源電圧を用意する必要がある等、コストアップとなる。「特許文献３」に開示された技術では、電圧補正がヘッド全体に対する補正であり、ヘッド内のインク吐出特性に差をもたらすことについては解決されていない。「特許文献４」に開示された技術では、インク吐出特性の経時変化に対する問題点は解決されない。
本発明は上述の問題点を解消し、吐出性能のばらつきを抑えて高画質化を図ることが可能なインクジェット記録装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、ノズル孔に連通する複数の加圧液室にそれぞれ設けられた圧電素子を駆動することにより前記各加圧液室内に圧力を発生させ、発生した該圧力により前記各ノズル孔からインク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット記録装置において、前記各圧電素子は基準電位から繰り返し出力される駆動波形の少なくとも一部をスイッチングすることにより駆動され、前記各圧電素子の駆動回数を計数する計数手段を有し、前記駆動波形が前記基準電位にスルーアップした後の前記各圧電素子の駆動回数を前記計数手段により計数し、この計数結果に応じて前記各圧電素子の駆動状態を予め定められている何れかの形態に分類し、該形態に基づいて前記駆動波形のスルーダウンのタイミングを変化させることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のインクジェット記録装置において、さらに前記各圧電素子は前記加圧液室の少なくとも一面を構成する振動板に圧電材層を成膜した薄膜ピエゾであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェット記録装置において、さらに前記インクジェット式記録ヘッドを走査しつつ画像形成を行うシリアル型であり、前記駆動波形のスルーアップ及びスルーダウンは走査毎に行われることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、さらに前記計数結果に応じて前記駆動波形をスルーダウンする際に、少なくとも一部の前記圧電素子の駆動状態の形態は一旦スルーアップした後にスルーダウンすることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のインクジェット記録装置において、さらに前記スルーアップは前記駆動波形の最大値まで行われることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、さらに前記計数手段は前記圧電素子の駆動の有無を分類する手段であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、残留分極が影響する吐出履歴における吐出ばらつきを小さくすることが可能となり、これにより形成される画像品質を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット記録装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット記録装置の概略側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの３面断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図８】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図９】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１４】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態に用いられる制御ブロック図である。
【図１６】本発明の一実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図１７】本発明の第１の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図２０】本発明の第４の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図２１】本発明の第５の実施形態に用いられる記録ヘッドの駆動波形を説明する概略図である。
【図２２】連続吐出を行った後にそれぞれ所定の回復時間を設けたときに液滴速度Ｖｊがどのように変化するかを観察した結果を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット式記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の概略斜視図を、図２は同概略側面図をそれぞれ示している。このインクジェット記録装置５０は、主走査方向への移動が可能なキャリッジ５２、キャリッジ５２に搭載された本発明を実施したインクジェット式記録ヘッドである記録ヘッド５３、記録ヘッド５３にインクを供給するインクカートリッジ５４等により構成される印字機構部５５を装置本体５１の内部に収納しており、装置本体５１の下部には前方側から多数枚の用紙５６を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）５７が着脱可能に取り付けられている。また、装置本体５１の図２において左方である前面側には、用紙５６を手差しにより給紙する際に使用される手差しトレイ５８が設けられている。手差しトレイ５８は、不使用時において図２に示すように装置本体５１に対して密着する態位と、使用時には用紙５６を載置可能となるように倒される態位とに変位自在に設けられている。インクジェット記録装置５０は、給紙カセット５７または手差しトレイ５８から送られる用紙５６を取り込み、印字機構部５５によって所望の画像を伊５６上に記録した後、画像記録後の用紙５６を装置本体５１の後面側に設けられた排紙トレイ５９に排出する。
【００１８】
印字機構部５５は、図示しない左右の側板に掛け渡された主ガイドロッド６０及び従ガイドロッド６１によってキャリッジ５２を移動自在に保持しており、キャリッジ５２にはイエロ（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色インク液滴を吐出する記録ヘッド５３を、複数のインク吐出口（ノズル）が主走査方向と交差する方向となるように配列した上で、インク液滴吐出方向が下方となるように装着している。また、キャリッジ５２には記録ヘッド５３に各色インクを供給するための各色に対応したインクカートリッジ５４をそれぞれ交換可能に装着している。インクカートリッジ５４は、上方に大気と連通する大気口を、下方に記録ヘッド５３にインクを供給する供給口を、内部にインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛細管現象により記録ヘッド５３に供給されるインクを僅かな負圧に維持している。また、ここでは各色毎に記録ヘッド５３を設けているが、各色のインク液滴を吐出可能なノズルを有する単一の記録ヘッドを用いる構成でもよい。
【００１９】
キャリッジ５２は、その用紙搬送方向下流側である後方側を主ガイドロッド６０に摺動自在に支持されており、その用紙搬送方向上流側である前方側を従ガイドロッド６１上に載置している。そして、キャリッジ５２を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ６２によって回転駆動される駆動プーリ６３と従動プーリ６４との間にキャリッジ５２に固定されたタイミングベルト６５を掛け渡している。この構成により、主走査モータ６２が正逆回転することによりキャリッジ５２が往復移動される。
【００２０】
一方、給紙カセット５７に積載した用紙５６を記録ヘッド５３の下方へと搬送するため、給紙カセット５７から用紙５６を分離給送する給紙ローラ６６及びフリクションパッド６７と、用紙５６を案内するガイド部材６８と、給紙された用紙５６を反転させて搬送する搬送ローラ６９と、搬送ローラ６９の周面に押圧される搬送コロ７０と、搬送ローラ６９からの用紙５６の送り出し角度を規定する先端コロ７１とを設けている。搬送ローラ６９は、副走査モータ７２によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００２１】
キャリッジ５２の主走査方向の移動範囲に対応して、搬送ローラ６９から送り出された用紙５６を記録ヘッド５３の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材７３が設けられており、この用紙搬送方向下流側には用紙５６を排紙方向へと送り出すために回転駆動される搬送ローラ７４及び拍車７５、用紙５６を排紙トレイ５９に送り出す排紙ローラ７６及び拍車７７、各ローラ７４，７６間に設けられ排紙経路を形成するガイド部材７８，７９が設けられている。
【００２２】
上述の構成よりインクジェット記録装置５０は、記録時にはキャリッジ５２を移動させつつ画像信号に応じて記録ヘッド５３を駆動することにより停止している用紙５６にインクを吐出して１行分の記録を行い、用紙５６を所定量搬送した後に次の行の記録を行う。そしてインクジェット記録装置５０は、記録終了信号または用紙５６の後端が記録領域に到達した信号を受け取ることにより、記録動作を終了させて用紙５６を排紙トレイ５９に排出させる。
【００２３】
キャリッジ５２の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド５３の吐出不良を回復させるためのキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有する回復装置８０が設けられている。キャリッジ５２は、印字待機中において回復装置８０側に移動されてキャップ手段によって記録ヘッド５３をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥に起因する吐出不良を防止している。また、記録途中等に記録とは関係しないインクを吐出する（空吐出）ことにより、全ての吐出口のインク粘度を一定とさせ、安定した吐出性能を維持している。吐出不良が発生した場合等には、キャップ手段によって記録ヘッド５３の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段により吐出口からインクと共に気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやごみ等をクリーニング手段により除去し、これにより吐出不良が回復する。また吸引されたインクは、本体下部に設けられた図示しない廃インク溜まりに排出され、廃インク溜まり内部に設けられたインク吸収体に吸収保持される。
【００２４】
次に、本発明の一実施形態に用いられる上述した記録ヘッド５３の構成を、３方向からの断面図である図３を用いて説明する。記録ヘッド５３はアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドであり、インク液滴を基板の一面に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータ方式を採用している。記録ヘッド５３は、インク液滴を吐出するノズル孔２−１を有するノズル基板２と、加圧液室１−１−１、流体抵抗部１−１−２、インク流路となる溝部、振動板１−２、圧電層である層間絶縁膜１−６等のアクチュエータ部を有する液室基板１と、圧電素子保護空間３−１を有する保護基板（サブフレーム）３との３枚の基板を重ね合わせた積層構造を呈している。
【００２５】
第１の基板である液室基板１は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコンが張り合わされたＳＯＩ基板を用いている。振動板１−２は、ＳＯＩ基板のシリコン層表面にパイロ酸化法を適用してシリコン酸化膜を形成し、その上に下電極となる白金膜１−３、圧電素子を構成する圧電材（ＰＺＴ）１−４、上電極となる白金膜１−５の多層構造からなるアクチュエータが、シリコンをエッチングすることにより形成された加圧液室１−１−１に対向する領域に形成されている。さらに、各電極である各膜１−３，１−５と配線材料１−７との層間に層間絶縁膜１−６が、またアクチュエータの上面及び側面を覆うように配線材料１−７を保護するためのパッシベーション膜１−８がそれぞれ配置されている。
【００２６】
第２の基板であるノズル基板２は、厚さ３０〜５０μｍのステンレス基板にプレス加工と研磨加工とによりノズル孔２−１を設けており、液室基板１の一面に加圧液室１−１−１と連通するようにノズル孔２−１が配置される。第３の基板である保護基板３は、共通液室３−３として、インク流路となる溝部と、圧電素子の保護及び変位を妨げないための圧電素子保護空間３−１と、及び流路隔壁１−１−５の剛性を高めて液室全体を支えるための柱３−２とを有している。
【００２７】
次に、本実施形態で示す記録ヘッド５３の作製方法を説明する。
本実施形態では、シリコン基板である液室基板１に振動板材料及び圧電素子材料を成膜することによりアクチュエータを作成する。先ず、厚み４００μｍの＜１００＞シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を０．２μｍ、シリコンを２．０μｍそれぞれ貼り合わせたＳＯＩ基板を用い、この表面にパイロ（Ｗｅｔ）酸化法によりシリコン酸化膜を０．３μｍ形成し、図４に示すようにこれを振動板１−２とする。その後、図５に示すように圧電素子の下電極となる白金膜（層）１−３をスパッタ法により０．２μｍ成膜してパターニングし、さらにゾルゲル法により圧電材１−４を２μｍ成膜し、さらに上電極となる白金膜（層）１−５を０．１μｍ成膜する。ここでは、圧電材１−４を２μｍ成膜しているが、１〜３μｍの範囲で圧電材１−４の厚みを変えても駆動による液滴速度Ｖｊの低下は確認されている。なお、圧電材１−４の厚さを変えると駆動条件は変わるので、各厚さに対して液滴速度Ｖｊがノズル孔２−１から１ｍｍ先の位置でＶｊ＝７ｍ／ｓになる駆動条件に揃えた場合の結果である。
【００２８】
その後、図６に示すようにリソエッチ法により白金膜１−５及び圧電材１−４をパターニングする。次に、プラズマＣＶＤ法により層間絶縁膜１−６を０．３μｍ成膜し、リソエッチ法により配線コンタクトを取るためのビアホールを形成する。層間絶縁膜１−６は、図７に示すように、次に形成する配線材料１−７と白金膜１−５との導通部１−６−２、バイパス配線１−１０への導通部１−６−３、及びインク供給孔となる貫通部１−６−４をそれぞれパターニングしており、さらに図８に示すようにアルミ材料からなる配線材料１−７によって引き出し電極を形成する。この引き出し電極は、圧電材１−４の駆動による振動板１−２の振動による応力を受けるため、振動により断線しないように軟らかいアルミ材料を用いて１μｍ程度厚く積んでいる。
【００２９】
次に、図９に示すように、アルミ配線保護のためのパッシベーション膜１−８としてプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜を２μｍ成膜してパターニングする。その後、図１０に示すように、振動板１−２の貫通口１−２−１となる部分を事前にエッチングする。さらに図１１に示すように、金をメッキ法により積層し、個別電極のパッド部１−９及びバイパス配線１−１０を同時に形成する。パッド部１−９を金で形成することにより、図示しないドライバＩＣとの電気的接続を低温のワイヤボンディングで接続することが可能となると共に、金は抵抗値が低いことからバイパス配線１−１０として共通電極抵抗値を下げる効果が大きいという利点がある。なお、パッド部１−９とは形成工程を分け、バイパス配線１−１０の材料として銅やアルミ等を使用することも可能である。この場合、バイパス配線１−１０を腐食から保護するための保護層が必要となる場合もある。
【００３０】
その後、図１２に示すように、別途ガラス基板にブラスト加工法により柱３−２を形成した保護基板３を液室基板１に接合し、液室基板１の保護基板３が接合された面とは反対側の面を所望の厚さまで研磨する。保護基板３はシリコン基板にリソエッチ法で凹部を形成したもの、＜１１０＞シリコン基板をＴＭＡＨ、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでもよく、さらに樹脂モールドやメタルインジェクションモールド等の成型部品でもよい。また、ドライバ回路をアクチュエータ基板である液室基板１上に一体成形する際に、パイロ酸化法により形成した酸化膜をＬＯＣＯＳ酸化法で形成し、酸化膜の形成領域を選択することにより駆動回路を同一基板上に形成することも可能である。
【００３１】
その後図１３に示すように、液室基板１の研磨面にＩＣＰドライエッチングにより加圧液室１−１−１、流体抵抗部１−１−２、及び供給部１−１−３となる凹部を形成する。そして最後に、図１４に示すように、別途厚さ３０〜５０μｍのステンレス基板にプレス加工と研磨加工とによりノズル孔２−１を形成したノズル基板２を液室基板１の流路隔壁１−１−５形成面に圧着し、圧電素子の各白金膜１−３．１−５に接続されたアルミ配線部を駆動回路に接続することにより、液滴吐出ヘッドである記録ヘッド５３が完成する。
【００３２】
図１５は、記録ヘッド５３を駆動する駆動回路のブロック図である。本実施形態では、２ビットの階調信号（画像データ）をそれぞれシリアルに本体から記録ヘッド５３へと転送し、２個のシフトレジスタにより各ビットをシリアルからパラレルに変換している。そして、印字周期の始めにデータをラッチし、その階調データに基づいて制御信号ＭＮ０〜ＭＮ３の何れかを選択する。印字周期内のアナログスイッチのオンオフは、制御信号ＭＮ０〜ＭＮ３に基づいて選択される。
【００３３】
このような回路構成とすることにより、データの転送は１印字周期内に１度ですみ、またオンオフの切替が外部より入力される制御信号ＭＮ０〜ＭＮ３に基づくので切替時間の変更等が容易である。ただし、階調信号に基づき１印字周期内でアナログスイッチを切り替える回路構成はこれには限定されない。本発明では、所望のオンオフの切替が可能であれば、回路構成を限定するものではない。駆動電圧波形は記録装置本体のＤ／Ａ回路からＲＯＭに記憶された波形を出力し、オペアンプ及びトランジスタの電圧電力増幅回路を介して記録ヘッド５３に供給される。
【００３４】
次に、図１６を用いて記録ヘッド５３の駆動波形について説明する。記録ヘッド５３は図１６に示すように、キャリッジ５２の動きに合わせて画像データに基づいて共通の駆動波形をスイッチングすることにより、各ノズルに対応する各圧電素子に電圧を印加することで横振動モードで変形する圧電素子である圧電材１−４が縮み、これと密着している振動板１−２の全体が加圧液室１−１−１側に向けて凸形状となるように変形する。この加圧液室１−１−１の体積変化により、加圧液室１−１−１内の圧力を制御してノズル孔２−１よりインク液滴を用紙５６に向けて吐出する。加圧液室１−１−１内の圧力変動周期に合わせた駆動波形を連続的に印加することを繰り返すことにより、ノズル孔２−１からインクを連続的に吐出することができる。
【００３５】
圧電材１−４の駆動では、一旦加圧液室１−１−１内の圧力を下げた後に再び圧力を上げて吐出を行う、いわゆる引き打ちが行われることが多い。これは連続吐出を行い易いためであるが、このときの駆動波形としては基準電位まで持ち上げて（スルーアップして）おいてそこから吐出するときの波形を繰り返すこととなる。本発明のように、記録ヘッド５３をキャリッジ５２に搭載し、キャリッジ５２を走査しつつ作像を行うシリアル型のインクジェット記録装置５０の場合には、キャリッジ５２の加速区間あるいはその前に各圧電素子にスルーアップ電圧を印加し、各圧電素子の電位を基準電位まで上昇させる。印字終了時には各圧電素子の電位を基準電位からスルーダウンするが、キャリッジ５２の折り返し時において毎回スルーダウンする方式もある。
【００３６】
本発明の第１の実施形態では、各圧電素子の駆動回数である吐出回数を計数する計数手段を有し、吐出回数に応じて記録ヘッド５３の駆動状体を吐出回数小、中、大の３段階に分類し、この分類に応じて図１７に示すようにスルーダウンのタイミングを変化させ、このスルーダウンをキャリッジ５２のスキャン毎（折り返し毎）に実施している。計数手段による計数はスルーアップしてからスルーダウンを始めるまで実施しているので、本実施形態ではスキャン毎（往路と復路とは別のスキャンとしている）に各ノズルの吐出回数を計数、具体的にはインクジェット記録装置５０本体において画像データから直接的に計数している。
【００３７】
本実施形態のような薄膜ピエゾの場合には圧電素子を基準電位に保持するだけでも分極を進めるため、できる限り頻繁に回復時間を設ける構成が望ましい。このため、駆動波形のスルーアップ及びスルーダウンをスキャン毎に実施している。また、スキャン毎に計数を行うことにより分極状態を均一にさせるための補正を詳細に実施することができ、残留分極が影響する吐出履歴における吐出ばらつきを小さくすることが可能となり、これにより形成される画像品質を安定化することができる。
【００３８】
また、薄膜ピエゾのインクジェット記録ヘッドでは、圧電材１−４の厚みが薄いため（本実施形態では２μｍ）に電界強度が高く、どうしても分極が進んでしまう。電圧印加を止めれば分極は回復するが、時間遅れがあるためにどうしても吐出履歴により吐出体積Ｍｊ及び吐出速度Ｖｊが変化する。本発明では、吐出履歴（吐出回数）に応じてスルーダウンするタイミングを変えることにより、分極を揃えて各ノズルの吐出ばらつきの発生を抑制している。具体的には、図１７に示すように吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類した圧電素子について、吐出動作と同様に駆動波形をスイッチングすることによりスルーダウンのタイミングを変化させている。ここで電圧印加を揃えるため、吐出回数が少ない圧電素子のグループはスルーダウンするまでの時間を長く設定し、吐出回数が多い圧電素子のグループはスルーダウンするまでの時間を短く設定している。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から基準電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００３９】
次に、図１８を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態では、スルーダウンの際に一旦吐出しない電圧の傾きを持って圧電素子に印加される電圧をスルーアップしている。この構成により短い時間で残留分極を進めることができるので、各圧電素子の分極状態を揃えることができる。本実施形態では、図１８に示すように、吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類した圧電素子について、各分類に応じてスルーアップ後の電圧保持時間を変化させている。ここで、吐出回数が少ない圧電素子のグループから順に電圧保持時間を長くすることにより、各圧電素子の分極状態を揃えて各ノズルの吐出ばらつきを抑制することができる。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から最大電圧電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００４０】
次に、図１９を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。この第３の実施形態では、スルーダウンの際に一旦吐出しない電圧の傾きを持って吐出波形の最大電圧まで電圧をスルーアップしている。この構成により、吐出による電圧印加とより近い状態を作ることができるので、各圧電素子の分極状態を揃えることができる。本実施形態では、図１９に示すように、吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類した圧電素子について、各分類に応じて最大電圧での保持時間を変化させている。ここで、吐出回数が少ない圧電素子のグループは、さらに最大電圧での保持時間を長くした後にスルーダウンすることにより、各圧電素子の分極状態を揃えて各ノズルの吐出ばらつきを抑制することができる。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から最大電圧電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００４１】
次に、図２０を用いて本発明の第４の実施形態を説明する。この第４の実施形態では、スルーダウンの際に一旦吐出しない電圧の傾きを持って吐出波形の最大電圧まで電圧を上げている。この構成により、吐出による電圧印加とより近い状態を作ることができるので、各圧電素子の分極状態を揃えることができる。本実施形態では、図２０に示すように、吐出回数に応じて３段階（吐出回数小、中、大）に分類している。ここで、吐出回数が多い圧電素子のグループは、印刷区間終了後に基準電位よりスルーダウンし、吐出回数が中の圧電素子のグループは、基準電位から吐出波形の最大電圧まで一旦スルーアップした後にスルーダウンする。また吐出回数が少ない圧電素子のグループは、基準電位から吐出波形の最大電圧まで一旦スルーアップした後、最大電圧の印加時間を中グループよりも長く維持した後にスルーダウンする。この構成により、各圧電素子の分極状態を揃えて各ノズルの吐出ばらつきを抑制することができる。本実施形態のように、最大電圧まで一旦スルーアップする場合とすぐにスルーダウンする場合とを使い分ける方式であってもよい。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から基準電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。また、本実施形態では駆動状態である吐出回数を３段階に分類する構成としたが、分類は３段階以外であってもよい。
【００４２】
次に、図２１を用いて本発明の第５の実施形態を説明する。この第５の実施形態では、吐出回数の分類を０回と１回以上との２種類に、すなわち駆動電圧をスルーアップした後にスルーダウンするまでの間に吐出を行ったか否かで分類している。この構成により、分類を含めた計数は各圧電素子毎にフラグを立てればよく、計数するためのカウンタが不要であるので簡単な手段で吐出履歴による吐出ばらつきを補正することができる。本実施形態では分類が２種類であるため、スローダウンも２種類である。なお駆動波形は共通であるため、グランドにスルーダウンした状態から基準電位まで駆動波形を戻す時間は、駆動波形が圧電素子に印加されないように全てをオフとしている。
【符号の説明】
【００４３】
１−１−１ 加圧液室
１−２ 振動板
１−４ 圧電材（圧電素子）
２−１ ノズル孔
５０ インクジェット記録装置
５３ インクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特開２００３−２６６６８２号公報
【特許文献２】特開２００６−２３１９２８号公報
【特許文献３】特開２００９−６６９４８号公報
【特許文献４】特開２００９−２９０３８号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル孔に連通する複数の加圧液室にそれぞれ設けられた圧電素子を駆動することにより前記各加圧液室内に圧力を発生させ、発生した該圧力により前記各ノズル孔からインク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット記録装置において、
前記各圧電素子は基準電位から繰り返し出力される駆動波形の少なくとも一部をスイッチングすることにより駆動され、前記各圧電素子の駆動回数を計数する計数手段を有し、前記駆動波形が前記基準電位にスルーアップした後の前記各圧電素子の駆動回数を前記計数手段により計数し、この計数結果に応じて前記各圧電素子の駆動状態を予め定められている何れかの形態に分類し、該形態に基づいて前記駆動波形のスルーダウンのタイミングを変化させることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
請求項１記載のインクジェット記録装置において、
前記各圧電素子は前記加圧液室の少なくとも一面を構成する振動板に圧電材層を成膜した薄膜ピエゾであることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のインクジェット記録装置において、
前記インクジェット式記録ヘッドを走査しつつ画像形成を行うシリアル型であり、前記駆動波形のスルーアップ及びスルーダウンは走査毎に行われることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、
前記計数結果に応じて前記駆動波形をスルーダウンする際に、少なくとも一部の前記圧電素子の駆動状態の形態は一旦スルーアップした後にスルーダウンすることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項５】
請求項４記載のインクジェット記録装置において、
前記スルーアップは前記駆動波形の最大値まで行われることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、
前記計数手段は前記圧電素子の駆動の有無を分類する手段であることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項１】
ノズル孔に連通する複数の加圧液室にそれぞれ設けられた圧電素子を駆動することにより前記各加圧液室内に圧力を発生させ、発生した該圧力により前記各ノズル孔からインク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット記録装置において、
前記各圧電素子は基準電位から繰り返し出力される駆動波形の少なくとも一部をスイッチングすることにより駆動され、前記各圧電素子の駆動回数を計数する計数手段を有し、前記駆動波形が前記基準電位にスルーアップした後の前記各圧電素子の駆動回数を前記計数手段により計数し、この計数結果に応じて前記各圧電素子の駆動状態を予め定められている何れかの形態に分類し、該形態に基づいて前記駆動波形のスルーダウンのタイミングを変化させることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
請求項１記載のインクジェット記録装置において、
前記各圧電素子は前記加圧液室の少なくとも一面を構成する振動板に圧電材層を成膜した薄膜ピエゾであることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のインクジェット記録装置において、
前記インクジェット式記録ヘッドを走査しつつ画像形成を行うシリアル型であり、前記駆動波形のスルーアップ及びスルーダウンは走査毎に行われることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、
前記計数結果に応じて前記駆動波形をスルーダウンする際に、少なくとも一部の前記圧電素子の駆動状態の形態は一旦スルーアップした後にスルーダウンすることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項５】
請求項４記載のインクジェット記録装置において、
前記スルーアップは前記駆動波形の最大値まで行われることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１つに記載のインクジェット記録装置において、
前記計数手段は前記圧電素子の駆動の有無を分類する手段であることを特徴とするインクジェット記録装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−１４１２１（Ｐ２０１３−１４１２１Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５０４００（Ｐ２０１１−１５０４００）
【出願日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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