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JP2018161750A - インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及び吐出方法 - Google Patents

インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及び吐出方法 Download PDF

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洋之 渡邊
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Abstract

【課題】1回の吐出動作で複数のドロップを吐出することができるインクジェットヘッド、インクジェット記録装置及び吐出方法を提供する。【解決手段】インクジェットヘッドは、アクチュエータと、制御部とを備える。アクチュエータは、インクを充填する圧力室を拡張又は収縮する。制御部は、アクチュエータに、圧力室を拡張する拡張信号を印加してから圧力室を収縮する収縮信号を印加し、収縮信号を印加している間に収縮信号によって収縮される体積よりも小さい体積を収縮させる中間信号を印加する。【選択図】図7

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及び吐出方法に関する。
画像形成装置のインクジェットヘッドには、インクを充填した圧力室を拡張し収縮することでインクを吐出するものがある。そのようなインクジェットヘッドは、連続してインクを吐出し画像を形成する。
インクジェットヘッドは、1回の吐出動作(一回の収縮及び拡張動作)で1ドロップのインクを吐出する。
従来、インクジェットヘッドは、1回の吐出動作で複数のドロップを吐出することができないという課題がある。
特開2016−185685号公報
上記の課題を解決するため、1回の吐出動作で複数のドロップを吐出することができるインクジェットヘッド、インクジェット記録装置及び吐出方法を提供する。
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、制御部と、を備える。アクチュエータは、前記インクを充填する圧力室を拡張又は収縮する。制御部は、前記アクチュエータに、前記圧力室を拡張する拡張信号を印加してから前記圧力室を収縮する収縮信号を印加し、前記収縮信号を印加している間に前記収縮信号によって収縮される体積よりも小さい体積を収縮させる中間信号を印加する。
図1は、実施形態に係るインクジェットプリンタのハードウェア構成を示すブロック図である。 図2は、実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図の例を示す。 図3は、実施形態に係るインクジェットヘッドの横断面図である。 図4は、実施形態に係るインクジェットヘッドの縦断面図である。 図5は、実施形態に係るヘッド駆動回路の構成例を示すブロック図である。 図6は、実施形態に係るインクジェットヘッドの動作例を示す図である。 図7は、実施形態に係るアクチュエータに印加されるパルスのタイミングチャートの例である。
以下、実施形態に係るインクジェットプリンタ(インクジェット記録装置)について、図面を用いて説明する。インクジェットプリンタ200(以下、プリンタ200と略称する)の構成について、図1を用いて説明する。図1は、プリンタ200のハードウェア構成を示すブロック図である。プリンタ200は、例えばオフィス用プリンタ、バーコードプリンタ、POS用プリンタ、産業用プリンタ等に適用される。
プリンタ200は、CPU(Central Processing Unit)201、ROM(Read Only Memory)202、RAM(Random Access Memory)203、操作パネル204、通信インターフェース205、搬送モータ(搬送部)206、モータ駆動回路207、ポンプ208、ポンプ駆動回路209及びインクジェットヘッド100を備える。またプリンタ200は、アドレスバス、データバスなどのバスライン211を含む。そしてプリンタ200は、このバスライン211に、CPU201、ROM202、RAM203、操作パネル204、通信インターフェース205、モータ駆動回路207、ポンプ駆動回路209及びインクジェットヘッド100のヘッド駆動回路101をそれぞれ直接あるいは入出力回路を介して接続する。
CPU201は、コンピュータの中枢部分に相当する。CPU201は、オペレーティングシステムやアプリケーションプログラムに従って、プリンタ200としての各種の機能を実現するべく各部を制御する。
ROM202は、上記コンピュータの主記憶部分に相当する。ROM202は、上記のオペレーティングシステムやアプリケーションプログラムを記憶する。ROM202は、CPU201が各部を制御するための処理を実行する上で必要なデータを記憶する場合もある。
RAM203は、上記コンピュータの主記憶部分に相当する。RAM203は、CPU201が処理を実行する上で必要なデータを記憶する。またRAM203は、CPU201によって情報が適宜書き換えられるワークエリアとしても利用される。ワークエリアは、印刷データが展開される画像メモリを含む。
操作パネル204は、操作部と表示部とを有する。操作部は、電源キー、用紙フィードキー、エラー解除キー等のファンクションキーを配置したものである。表示部は、プリンタ200の種々の状態を表示可能なものである。
通信インターフェース205は、LAN(Local Area Network)等のネットワークを介して接続されるクライアント端末から印刷データを受信する。通信インターフェース205は、例えばプリンタ200にエラーが発生したとき、エラーを通知する信号をクライアント端末に送信する。
モータ駆動回路207は、搬送モータ206の駆動を制御する。搬送モータ206は、印刷用紙などの記録媒体を搬送する搬送機構の駆動源として機能する。搬送モータ206が駆動すると、搬送機構が記録媒体の搬送を開始する。搬送機構は、記録媒体をインクジェットヘッド100による印刷位置まで搬送する。搬送機構は、印刷を終えた記録媒体を図示しない排出口からプリンタ200の外部に排出する。
ポンプ駆動回路209は、ポンプ208の駆動を制御する。ポンプ208が駆動すると、図示しないインクタンク内のインクがインクジェットヘッド100に供給される。
ヘッド駆動回路101は、印刷データに基づきインクジェットヘッド100のチャネル群102を駆動する。
以下、実施形態に係るインクジェットヘッドについて、図面を用いて説明する。実施形態においては、シェアモードタイプのインクジェットヘッド100(図2を参照)を例示する。インクジェットヘッド100は、用紙にインクを吐出するものとして説明する。なお、インクジェットヘッド100がインクを吐出する印刷媒体は、特定の構成に限定されるものではない。
次に、インクジェットヘッド100の構成について、図2乃至図4を用いて説明する。図2は、インクジェットヘッド100の一部を分解して示す斜視図である。図3は、インクジェットヘッド100の横断面図である。図4は、インクジェットヘッド100の縦断面図である。
インクジェットヘッド100は、ベース基板9を有する。インクジェットヘッド100は、ベース基板9の前方側の上面に第1の圧電部材1を接合し、第1の圧電部材1の上に第2の圧電部材2を接合する。接合された第1の圧電部材1と第2の圧電部材2とは、図3の矢印で示すように、板厚方向に沿って互いに相反する方向に分極する。
ベース基板9は、誘電率が小さく、かつ第1の圧電部材1及び第2の圧電部材2との熱膨張率の差が小さい材料を用いて形成する。ベース基板9の材料としては、例えばアルミナ(Al203)、窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)、窒化アルミニウム(AlN)又はチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等がよい。第1の圧電部材1及び第2の圧電部材2の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)又はタンタル酸リチウム(LiTaO3)等が用いられる。
インクジェットヘッド100は、接合された第1の圧電部材1及び第2の圧電部材2の先端側から後端側に向けて、多数の長尺な溝3を設ける。各溝3は、間隔が一定でありかつ平行である。各溝3は、先端が開口し、後端が上方に傾斜する。
インクジェットヘッド100は、各溝3の側壁及び底面に電極4を設ける。電極4は、ニッケル(Ni)と金(Au)との二層構造である。電極4は、例えばメッキ法によって各溝3内に均一に成膜される。電極4の形成方法は、メッキ法に限定されない。他に、スパッタ法や蒸着法等を用いることもできる。
インクジェットヘッド100は、各溝3の後端から第2の圧電部材2の後部上面に向けて引出し電極10を設ける。引出し電極10は、前記電極4から延出する。
インクジェットヘッド100は、天板6とオリフィスプレート7とを備える。天板6は、各溝3の上部を塞ぐ。オリフィスプレート7は、各溝3の先端を塞ぐ。インクジェットヘッド100は、天板6とオリフィスプレート7とで囲まれた各溝3によって、複数の圧力室15を形成する。圧力室15は、例えば深さが300μmで幅が80μmの形状を有し、169μmのピッチで平行に配列される。このような圧力室15は、インク室とも称される。
天板6は、その内側後方に共通インク室5を備える。オリフィスプレート7は、各溝3と対向する位置にノズル8を穿設する。ノズル8は、対向する溝3つまりは圧力室15と連通する。ノズル8は、圧力室15側から反対側のインク吐出側に向けて先細りの形状である。ノズル8は、隣り合う3つの圧力室15に対応したものを1セットとし、溝3の高さ方向(図3の紙面の上下方向)に一定の間隔でずれて形成される。
圧力室15の隔壁を構成する圧電部材は、各圧力室15に設けた電極4によって挟まれ、アクチュエータ16を形成する。
インクジェットヘッド100は、ベース基板9の後方側の上面に、導電パターン13が形成されたプリント基板11を接合する。インクジェットヘッド100は、プリント基板11に、後述するヘッド駆動回路101(制御部)を実装したドライブIC12を搭載する。ドライブIC12は、導電パターン13に接続する。導電パターン13は、各引出し電極10とワイヤボンディングにより導線14で結合する。
インクジェットヘッド100が有する圧力室15、電極4及びノズル8の組をチャネルと称する。すなわちインクジェットヘッド100は、溝3の数Nだけチャネルch.1,ch.2,…,ch.Nを有する。
次に、ヘッド駆動回路101について説明する。
図5は、ヘッド駆動回路101の構成例について説明するためのブロック図である。前述の通り、ヘッド駆動回路101は、ドライブIC12内に配置される。
ヘッド駆動回路101は、印刷データに基づきインクジェットヘッド100のチャネル群(ch.1,ch.2,…,ch.N)102を駆動する。
チャネル群102は、圧力室15、電極4及びノズル8などを含むチャネルから構成される。即ち、チャネル群102は、ヘッド駆動回路101からの制御信号に基づいて、アクチュエータ16が拡張収縮する各圧力室15の動作によりインクを吐出する。
図5が示すように、ヘッド駆動回路101は、パターンジェネレータ301、周波数設定部302、駆動信号生成部303及びスイッチ回路304などを含む。
パターンジェネレータ301は、圧力室15の容積を拡張させる拡張パルス信号(拡張信号)の波形パターンと、圧力室15の容積をリリースさせる(戻す)休止時間と、圧力室15の容積を収縮させる収縮パルス信号(収縮信号)の波形パターンと、収縮パルス信号の半分の電圧の中間電位パルス信号(中間信号)の波形パターンとを用いて、種々の波形パターンを生成する。
拡張パルス信号、休止時間、収縮パルス信号及び中間電位パルス信号については、後述する。
周波数設定部302は、インクジェットヘッド100の駆動周波数を設定する。駆動周波数は、駆動信号生成部303が生成する駆動パルスの周波数である。ヘッド駆動回路101は、駆動パルスに従って動作する。
駆動信号生成部303は、バスラインから入力される印刷データに従い、パターンジェネレータ301で生成される波形パターンと、周波数設定部302で設定される駆動周波数とを基に、チャネル毎のパルス信号を生成する。チャネル毎のパルス信号は、駆動信号生成部303からスイッチ回路304に出力される。
スイッチ回路304は、駆動信号生成部303から出力されるチャネル毎のパルス信号に応じて、各チャネルの電極4に印加する電圧を切り替える。即ち、スイッチ回路304は、パターンジェネレータ301が設定する拡張パルス信号の通電時間などに基づいて、各チャネルのアクチュエータ16に電圧を印加する。
スイッチ回路304は、この電圧の切り替えにより、各チャネルの圧力室15の容積を膨張させ、または収縮させて、各チャネルのノズル8からインク滴を階調数分吐出させる。
次に、上記の如く構成されたインクジェットヘッド100の動作原理について、図6を用いて説明する。
図6(a)は、休止時間における圧力室15bの状態を示す。休止時間は、圧力室15bが拡張も収縮もしていない自然な状態となる時間である。図6(a)が示すように、ヘッド駆動回路101は、圧力室15bと、圧力室15bに隣接する両隣の圧力室15a及び15cとの各壁面にそれぞれ配設された電極4の電位をいずれもグラウンド電位GNDとする。この状態では、圧力室15aと圧力室15bとで挟まれた隔壁16a及び圧力室15bと圧力室15cとで挟まれた隔壁16bは、いずれも何ら歪みを生じない。
図6(b)は、ヘッド駆動回路101が拡張パルス信号を圧力室15bのアクチュエータ16に印加した状態の例を示す。
拡張パルス信号は、所定の幅の矩形に形成される。拡張パルス信号は、圧力室15bを拡張させる。図6(b)が示すように、ヘッド駆動回路101は、圧力室15bの電極4に負極性の電圧−Vを印加し、圧力室15bの両隣の圧力室15a及び15cの電極4に正極性の電圧+Vを印加する。この状態では、各隔壁16a及び16bに対して、第1の圧電部材1及び第2の圧電部材2の分極方向と直交する方向に電圧Vの2倍の電界が作用する。この作用により、各隔壁16a及び16bは、圧力室15bの容積を拡張するようにそれぞれ外側に変形する。
図6(c)は、ヘッド駆動回路101が収縮パルス信号を圧力室15bのアクチュエータ16に印加した状態の例を示す。
収縮パルス信号は、所定の幅の矩形に形成される。収縮パルス信号は、圧力室15bを収縮させる。図6(c)が示すように、ヘッド駆動回路101は、圧力室15bの電極4に正極性の電圧+Vを印加し、圧力室15bの両隣の圧力室15a及び15cの電極4に負極性の電圧−Vを印加する。この状態では、各隔壁16a及び16bに対して、図6(b)の状態とは逆の方向に電圧Vの2倍の電界が作用する。この作用により、各隔壁16a及び16bは、圧力室15bの容積を収縮するようにそれぞれ内側に変形する。
図6(d)は、ヘッド駆動回路101が中間電位パルス信号を圧力室15bのアクチュエータ16に印加した状態の例を示す。
中間電位パルス信号は、所定の幅の矩形に形成される。中間電位パルス信号は、圧力室15を収縮させる。中間電位パルス信号は、収縮パルス信号による収縮よりも弱く圧力室15を収縮させる。即ち、中間電位パルス信号は、収縮パルス信号によって収縮された圧力室15の体積よりも小さい体積を収縮させる。
図6(d)が示すように、ヘッド駆動回路101は、圧力室15bの電極4をグラウンド電位GNDとし、圧力室15bの両隣の圧力室15a及び15cの電極4に負極性の電圧−Vを印加する。この状態では、各隔壁16a及び16bに対して、図6(c)の状態と同様の方向に電圧Vの電界が作用する。この作用により、各隔壁16a及び16bは、圧力室15bの容積を収縮するようにそれぞれ内側に変形する。図6(d)が示すように、隔壁16a及び16bは、図6(c)が示す状態よりも内側に変形しない。
なお、ヘッド駆動回路101は、中間電位パルス信号として、圧力室15bの電極4に正電極の電圧Vを印加し、圧力室15bの両隣の圧力室15a及び15cの電極4をグラウンド電位GNDとしてもよい。
このように、各圧力室15a、15b及び15cを隔てる隔壁16a及び16bは、当該隔壁16a及び16bを壁面とする圧力室15bの内部に圧力振動を与えるためのアクチュエータ16となる。即ち、圧力室15は、アクチュエータ16の動作によって収縮/拡張される。
また、各圧力室15は、それぞれ隣接する圧力室15とアクチュエータ16(隔壁)を共有する。このため、ヘッド駆動回路101は、各圧力室15を個別に駆動することができない。ヘッド駆動回路101は、各圧力室15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する。本実施形態では、ヘッド駆動回路101が、各圧力室15を2つおきに3つの組に分けて分割駆動する、いわゆる3分割駆動の場合を例示する。なお、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。
次に、ヘッド駆動回路101が圧力室15のアクチュエータ16(隔壁16a及び16b)に印加する信号の例について説明する。
図7は、ヘッド駆動回路101が圧力室15のアクチュエータ16に印加する信号の例を示すタイミングチャートである。図7は、グラフ51乃至53を示す。ここでは、横軸は、共通して時間を示す。
グラフ51は、アクチュエータ16に印加する駆動電圧を示す。縦軸は、電圧を示す。縦軸は、圧力室15を拡張する方向にアクチュエータ16を駆動する電圧を負電圧とし、圧力室15を収縮する方向にアクチュエータ16を駆動する電圧を正電圧とする。
グラフ52は、圧力室15内の圧力を示す。縦軸は、圧力の大きさを示す。
グラフ53は、圧力室15に連通するノズル8に形成されるメニスカス面の速度を示す。縦軸は、メニスカス面の速度の大きさを示す。
以下、グラフに沿ってヘッド駆動回路101が印加する信号について説明する。
ヘッド駆動回路101は、インクを吐出する吐出パルス信号をアクチュエータ16に印加する。図7が示すように、吐出パルス信号は、順にDraw期間、Release期間及びPush期間から構成される。また、圧力室15内の圧力が所定の閾値(吐出閾値)を超えると、圧力室15からインクが吐出するものとする。
Draw期間は、圧力室15を拡張して圧力室15内にインクを充填する期間である。ヘッド駆動回路101は、Draw期間において、拡張パルス信号をアクチュエータ16に印加する。たとえば、ヘッド駆動回路101は、1.6μs程度の幅の拡張パルス信号をアクチュエータ16に印加する。
なお、ヘッド駆動回路101は、Draw期間において、段階的に圧力室15を拡張してもよい。たとえば、ヘッド駆動回路101は、拡張パルス信号の電圧の半分の電圧を所定の期間印加した後に拡張パルス信号を印加してもよい。また、ヘッド駆動回路101は、拡張パルス信号を印加した後に拡張パルス信号の電圧の半分の電圧を印加してからDrawを終えてもよい。
Draw期間が終了すると、ヘッド駆動回路101は、Release期間に進む。
Release期間は、圧力室15を拡張又は収縮していない状態に戻す期間である。ヘッド駆動回路101は、Release期間において休止時間を設定する。たとえば、ヘッド駆動回路101は、Release期間を0.2μs程度の休止時間に設定する。
Release期間が終了すると、ヘッド駆動回路101は、Push期間に進む。
Push期間は、圧力室15を収縮する期間である。まず、ヘッド駆動回路101は、Push期間において、収縮パルス信号をアクチュエータ16に印加する。たとえば、Push期間は、Draw期間の5から7倍程度である。
ヘッド駆動回路101が収縮パルス信号をアクチュエータ16に印加した後の所定のタイミングで、圧力室15の圧力が吐出閾値を超える。その結果、ノズル8からインクが吐出する。
ヘッド駆動回路101は、Push期間において所定のタイミングで中間電位パルス信号をアクチュエータ16に印加する。即ち、ヘッド駆動回路101は、所定の幅の収縮パルス信号をアクチュエータ16に印加した後に、所定の幅の中間電位パルス信号をアクチュエータ16に印加する。所定の幅の中間電位パルス信号を印加すると、ヘッド駆動回路101は、再度、収縮パルス信号をアクチュエータ16に印加する。
ヘッド駆動回路101が収縮パルス信号を印加した状態から中間電位パルス信号を印加すると、圧力室15が拡張する(リリース状態に近づく)。ヘッド駆動回路101は、中間電位パルス信号を印可後に収縮パルス信号を印加すると、圧力室15は、収縮する。即ち、ヘッド駆動回路101は、収縮パルス信号を印可している間に中間電位パルス信号を印加することで、再度、圧力室15を収縮させることができる。
たとえば、中間電位パルス信号の幅は、1.7μsから1.8μs程度である。
ヘッド駆動回路101は、圧力室15の圧力が上昇するタイミングに合わせて中間電位パルス信号をアクチュエータ16に印加する。たとえば、ヘッド駆動回路101は、インクを吐出し圧力室15の圧力が低下して再び上昇する期間において、中間電位パルス信号の印加を終了するように中間電位パルス信号を印加する。即ち、ヘッド駆動回路101は、圧力室15の圧力が再び上昇する期間において中間電位パルス信号から収縮パルス信号に電圧が上昇するようなタイミングで中間電位パルス信号をアクチュエータ16に印加する。
その結果、圧力室15の圧力が再び上昇する期間において、圧力室15は、再度収縮し内部の圧力が上昇する。そのため、圧力室15内の圧力が吐出閾値を超え、ノズル8からインクが吐出する。
その後、圧力室15内の圧力が低下して再度上昇する。再度の上昇の結果、圧力室15内の圧力が再度吐出閾値を超え、ノズル8からインクが吐出する。
従って、ヘッド駆動回路101は、1つの吐出パルス信号において、3回のインクを吐出することができる。
なお、ヘッド駆動回路101は、Push期間において、段階的に圧力室15を収縮してもよい。たとえば、ヘッド駆動回路101は、所定の幅の中間電位パルス信号を印加した後に収縮パルス信号を印加してもよい。また、ヘッド駆動回路101は、収縮パルス信号を印加した後に所定の幅の中間電位パルス信号を印加してからPush期間を終えてもよい。
また、ヘッド駆動回路101は、連続して吐出パルス信号をアクチュエータ16に印加してもよい。
また、ヘッド駆動回路101は、Push期間において中間電位パルス信号をアクチュエータ16に複数回印加してもよい。
また、ヘッド駆動回路101は、インクを吐出してから2回目の圧力上昇のタイミングに合わせて中間電位パルス信号をアクチュエータ16に印加してもよい。
また、ヘッド駆動回路101は、圧力室15から2回インクをドロップさせてもよい。また、ヘッド駆動回路101は、圧力室15から4回以上インクをドロップさせてもよい。
また、中間電位パルス信号の電圧は、収縮パルス信号の電圧の半分でなくともよい。中間電位パルス信号の電圧は、収縮パルス信号より圧力室を収縮させない電圧であればよく、特定の値に限定されるものではない。
以上のように構成されたインクジェットヘッドは、Draw期間、Release期間及びPush期間から構成される吐出パルス信号をアクチュエータ16に印加する。インクジェットヘッドは、Push期間において、圧力室を再度収縮するための中間電位パルス信号をアクチュエータ16に印加する。そのため、圧力室内の圧力が再度上昇し、インクジェットヘッドは、インクを吐出することができる。
その結果、インクジェットヘッドは、一つの吐出パルス信号でインクを複数回吐出することができる。
また、インクジェットヘッドは、ドロップあたりに必要な電力を抑制することができる。
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…第1の圧電部材、2…第2の圧電部材、4…電極、8…ノズル、12…ドライブIC、15(15a乃至15c)…圧力室、16…アクチュエータ、16a及び16b…隔壁、100…インクジェットヘッド、101…ヘッド駆動回路、102…チャネル群、200…インクジェットプリンタ、206…搬送モータ、301…パターンジェネレータ、303…駆動信号生成部、304…スイッチ回路。

Claims (5)

  1. インクを充填する圧力室を拡張又は収縮するアクチュエータと、
    前記アクチュエータに、前記圧力室を拡張する拡張信号を印加してから前記圧力室を収縮する収縮信号を印加し、前記収縮信号を印加している間に前記収縮信号によって収縮される体積よりも小さい体積を収縮させる中間信号を印加する制御部と、
    を備えるインクジェットヘッド。
  2. 前記制御部は、前記圧力室の圧力が上昇する期間において前記中間信号の印加を終了する、
    請求項1に記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記収縮信号は、矩形に形成され、
    前記中間信号は、矩形に形成され、前記収縮信号の半分の電圧を有する、
    請求項1または2に記載のインクジェットヘッド。
  4. 記録媒体を搬送する搬送部と、
    前記記録媒体にインクを吐出する前記請求項1乃至前記請求項3のいずれか1項に記載のインクジェットヘッドと、
    を備えるインクジェット記録装置。
  5. インクを吐出する吐出方法であって、
    前記インクを充填する圧力室を拡張又は収縮するアクチュエータに、前記圧力室を拡張する拡張信号を印加し、
    前記アクチュエータに、前記圧力室を収縮する収縮信号を印加し、
    前記アクチュエータに、前記収縮信号を印加している間に前記圧力室を再度収縮させる中間信号を印加する、
    吐出方法。
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