JP2006069105A - 液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な滴径変調範囲の確保、高周波での吐出安定性の確保、意図しない吐出の防止、及び液滴の粘度増加の抑制が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法及び液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【解決手段】 電気機械変換素子に印加する駆動信号として電圧波形の電圧レベルが３値の矩形駆動波を用いる。そして、３値の電圧レベルのうち最低電圧と最大電圧の電位差をＶ１、最高電圧と中間電圧の電位差をＶ２としたときに、Ｖ１とＶ２の電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．２５〜０．４５の範囲に設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置にかかり、特に、ピエゾ素子等の圧電素子を用いて液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法、該駆動方法を用いた液滴吐出ヘッド、及び該液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に関する。

ピエゾ素子等の電気機械変換素子を用いて圧力室内に充填された液体に対して圧力波を発生させて、その圧力波によって圧力室と連通するノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドは一般的によく知られている。特に、インクの液滴を吐出して記録紙に画像を記録するインクジェット記録装置は広く普及しており、近年では高画質な画像を記録することが可能となっている。

電気機械変換素子を用いた液滴吐出ヘッドでは、例えば、特許文献１に記載の技術のように、電気機械変換素子に複雑な駆動波形（アナログ波形）を印加することによってノズル部のメニスカス動作を高精度に制御することが可能である。しかしながら、このようなアナログ波形を用いた駆動回路では、コストが高くなってしまうので、装置全体のコストが増加してしまう。

そこで、駆動波形に単純な矩形駆動波形を用いることが考えられる。例えば、特許文献２〜５には矩形駆動波形を用いたものが提案されている。このように矩形駆動波形を用いることで駆動回路のコストは大幅に減少させることができる。
特開２００１−３３４６５９号公報 特許第１４６９５３１号 特開昭５９−１７６０６０号公報 特許第３２４９７１９号 特開２００１−０１８３８８号公報

しかしながら、従来の矩形駆動波形では、パルス幅の設定等によって滴体積の変調を行っていたが、パルス幅の設定による滴体積の変調で得られる滴径変調範囲が非常に狭く（例えば、６〜１０ｐｌ）、高品位印刷と高速記録を行う場合には、広範囲な滴径変調範囲（例えば、２〜２０ｐｌ）を得ることができない、という問題がある。

また、液滴を高周波で安定して吐出するためには、液滴吐出後の残響抑制が必要であるが、従来の矩形駆動波形の場合には、残響抑制部での電圧変化量や傾きを自由に設定することができないため、適切な残響抑制を行うことができない、という問題がある。

また、サテライトやミストといった意図しない吐出の発生は、吐出直後の残響強度に依存し、残響抑制部での電圧変化量や傾きを自由に設定することができないため、サテライトやミストの発生の防止を確実に行うことができない、という問題がある。

さらに、吐出する液体としてインクを適用した場合には、インク溶媒の揮発のためノズル部のメニスカスではインクの粘度が増加する。この時、アナログ波形を用いた場合には、これを防止するためにメニスカスに微少振動を生じさせる微弱な駆動波形を印加することが可能であるが、矩形駆動波形では、アナログ波形のような微弱な駆動波形を印加することが難しく、インク粘度の増加による影響を防止することが困難であった。

本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、十分な滴径変調範囲の確保、高周波での吐出安定性の確保、意図しない吐出の防止、及び液滴の粘度増加の抑制が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、電気機械変換素子に駆動信号を印加して当該電気機械変換素子を変形させることで圧力室に圧力変化を生じさせ、圧力室内に充填された液体を圧力室と連通するノズルから液滴として吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、前記駆動信号として電圧波形の電圧レベルが３値の矩形駆動波を用い、３値の電圧レベルのうち最低電圧と最高電圧の電位差をＶ１、最高電圧と中間電圧の電位差をＶ２としたときに、Ｖ１とＶ２の電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．２５〜０．４５の範囲で設定して電気機械変換素子に印加することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、電気機械変換素子に印加する駆動信号として電圧波形の電圧レベルが３値の矩形駆動波を用いる。このように矩形駆動波を用いることによって、駆動回路を安価にすることができる。また、矩形駆動波の電圧レベルを３値にすることによって、矩形駆動波の波形設計自由度を増加させることができる。なお、本明細書中において、「矩形駆動波」とは、立ち上げ時間及び立ち下げ時間がそれぞれ１種類である駆動波形のことを意味するものとする。

そして、３値の電圧レベルのうち最低電圧と最高電圧の電位差をＶ１、最高電圧と中間電圧の電位差をＶ２としたときに、Ｖ１とＶ２の電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．２５〜０．４５の範囲に設定することで、十分な滴径変調範囲、高周波吐出安定性、サテライトやミストなどの意図しない吐出の抑制、及び液滴の粘度増加の抑制の全ての要求範囲を満足することが可能となる。

この時、請求項２に記載の発明のように、矩形駆動波の立上げ時間及び立ち下げ時間を液滴吐出ヘッドの固有周期の１／４以下に設定して電気機械変換素子に印加することによって、微小液滴を吐出する際に、高画質記録が可能な滴体積でノズルから液滴を吐出することが可能となる。

なお、矩形駆動波形としては、請求項３に記載の発明のように、第１の滴径の液滴を吐出するための第１駆動波形、第１の滴径よりも小さい第２の滴径の液滴を吐出するための第２駆動波形、及び液滴を吐出せずに液面を振動させて液滴の粘度増加を抑制するための第３の駆動波形とすることが可能である。

この時、請求項４に記載の発明のように、第１駆動波形としては、印加する電圧を中間電圧から最低電圧に変化させてメニスカスを圧力室側に引き込む第１電圧変化プロセスと、印加する電圧を最低電圧から最高電圧に変化させて圧力室の体積を収縮させて液滴を吐出させる第２電圧変化プロセスと、印加する電圧を最高電圧から中間電圧に変化させて圧力室内の残響を調整する第３電圧変化プロセスと、を含んだ駆動波形とすることができ、これによって第２の滴径よりも大きな滴体積を有する第１の滴径の液滴を吐出することが可能となる。

また、第２駆動波形としては、、印加する電圧を中間電圧から最低電圧に変化させてメニスカスを圧力室側に引き込む第１電圧変化プロセスと、印加する電圧を最低電圧から中間電圧に変化させて液柱を形成する第４電圧変化プロセスと、印加する電圧を中間電圧から最低電圧に変化させてメニスカスを圧力室側に引き込んで液滴を吐出する第５電圧変化プロセスと、印加する電圧を最低電圧から中間電圧に変化させて圧力室内の残響を調整する第６電圧変化プロセスと、を含んだ駆動波形とすることができ、これによって第１の滴径よりも小さい第２の滴径の液滴を吐出することが可能となる。

更に、第３駆動波形としては、印加する電圧を中間電圧から最高電圧に変化させてメニスカスに微小振動を発生開始させる第７電圧変化プロセスと、印加する電圧を最高電圧から中間電圧に変化させて圧力室内の残響を調整する第３電圧変化プロセスと、を含んだ駆動波形とすることができ、これによって液滴を吐出せずに液面を振動させて、液滴の粘度増加を抑制することが可能となる。

そして、請求項５に記載の発明のように、第１駆動波形の第１電圧変化プロセス開始から第２電圧変化プロセス開始までの時間及び第２駆動波形の第１電圧変化プロセス開始から第４電圧変化プロセス開始までの時間をそれぞれ液滴吐出ヘッドの固有周期の１／２に設定することによって、各電圧変化プロセスで発生した固有振動が重畳するので、液滴を効率的に吐出することが可能となる。また、第３駆動波形の第７電圧変化プロセス開始から第８電圧変化プロセス開始までの時間を液滴吐出ヘッドの固有周期に一致させることによって、各電圧変化プロセスによる振動が相殺されるので、圧力室内の残響を効果的に抑制することが可能となり、サテライトやミストなどの意図しない吐出を防止することができる。

請求項６に記載の液滴吐出ヘッドは、液体が充填される圧力室と、前記圧力室と連通するノズルと、駆動信号が印加されると変形して、前記圧力室に圧力波を発生させ、充填された液体を前記ノズルから液滴として吐出させる電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子を請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法で駆動信号を印加する駆動回路と、を含むことを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、電気機械変換素子に駆動信号を印加して変形させることで、圧力室に圧力波を発生させ、圧力室に充填された液体をノズルから液滴として吐出される。

この時、電気機械変換素子は、駆動回路によって、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法で駆動信号が印加されるので、上述したように、十分な滴径変調範囲の確保、高周波での吐出安定性の確保、意図しない吐出の防止、及び液滴の粘度増加の抑制が可能となる。

請求項７に記載の液滴吐出装置は、請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えているので、上述したように、十分な滴径変調範囲の確保、高周波での吐出安定性の確保、意図しない吐出の防止、及び液滴の粘度増加の抑制が可能となる。

以上説明したように本発明によれば、電気機械変換素子に印加する駆動信号として電圧波形の電圧レベルが３値の矩形駆動波を用い、最低電圧と最高電圧の電位差をＶ１、最高電圧と中間電圧の電位差をＶ２としたときに、Ｖ１とＶ２の電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．２５〜０．４５の範囲で設定して電気機械変換素子に印加することで、特に、Ｖ１とＶ２の電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．３０〜０．３５の範囲に設定することで、十分な滴径変調範囲の確保、高周波での吐出安定性の確保、意図しない吐出の防止、及び液滴の粘度増加の抑制が可能となる、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。なお、本実施の形態は、本発明をインクジェット記録装置に適用したものである。

図１は、本発明の実施の形態に係わるインクジェット記録装置の１ノズルあたりのヘッド構造を示す図である。

ヘッド１０は、インクタンク１２、供給路１４、圧力室１６、ノズル１８、及び電気機械変換素子としての圧電素子２０を有している。

インクタンク１２には、インクが蓄えられ、インクタンク１２に蓄えられたインクは、供給路１４を介して圧力室１６に充填され、圧力室１６に連通したノズル１８にインクが供給される。

圧力室１６の壁面の一部は振動板１６Ａからなり、該振動板１６Ａにピエゾ素子等の圧電素子２０が設けられており、圧電素子２０によって振動板１６Ａを変形させて振動させることで、圧力室１６内に圧力波が発生する。すなわち、圧電素子２０の振動によって発生する圧力波によって、圧力室１６内に蓄えられたインクがノズル１８から吐出され、圧力室１６には供給路１４を介してインクタンク１２からインクが補給されるようになっている。

ノズル１８は、例えば、記録紙幅方向に複数配列した記録ヘッドすることで、記録紙幅方向の画像を記録し、記録紙と記録ヘッドとを相対的に移動することで記録紙に画像を記録することができる。

図２は、本発明の実施の形態に係わるインクジェット記録装置のヘッドを駆動する駆動回路を示す図である。

本実施の形態では、複数のノズルを配列することで記録ヘッドが構成される。すなわち、圧電素子２０を複数有しており、駆動回路３０によって圧電素子２０が駆動される。

駆動回路３０は、図２に示すように、複数の圧電素子２０と圧電素子２０への電圧の印加を制御するためのスイッチング回路２２を含んで構成されており、各圧電素子２０は、一端が接地されており、他端がスイッチング回路２２に接続されている。

各スイッチング回路２２は、３つのスイッチング素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを含んで構成されており、図示しないコントローラから入力される制御信号に応じて各スイッチング素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのオンオフが制御されるようになっている。

スイッチング回路２２のスイッチング素子２２Ａは接地（ＧＮＤ）され、スイッチング素子２２Ｂは基準電圧Ｖ０（図３におけるＶ２−Ｖ１）が印加され、スイッチング素子２２Ｃは電圧Ｖ１が印加されるようになっている。すなわち、それぞれ制御信号を用いてスイッチング素子２２ＡをオンすることによってＧＮＤが圧電素子２０に印加され、スイッチング素子２２Ｂをオンすることによって基準電圧Ｖ０が圧電素子２０に印加され、スイッチング素子２２Ｃをオンすることによって電圧Ｖ１が印加される。従って、制御信号に応じてスイッチング素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのオンオフを制御することで、圧電素子２０に３値の電圧レベルが印加されるようになっている。なお、各電圧は、Ｖ１＞Ｖ０＞ＧＮＤとする。

本実施の形態の駆動回路３０では、３値の電圧レベルを用いてノズル１８から吐出するインクの滴径を変更している。詳細には、大滴と小滴を吐出すると共に、インク粘度の増加を防止するために吐出しない程度に圧電素子２０に電圧を印加するようになっている。

図３には、上述の駆動回路３０によって圧電素子２０に印加される駆動信号の電圧波形の一例を示す。図３（Ａ）は大滴を吐出するための大滴吐出用駆動波形を示し、図３（Ｂ）は小滴を吐出するための小滴吐出用駆動波形を示し、図３（Ｃ）は液滴を吐出せずにメニスカスに適度な微振動を発生させてインクの粘度増加を防止するための増粘防止用の予備波形を示す。

本実施の形態では、矩形駆動波の立ち上がり時間ｔｒ及び立ち下がり時間ｔｆをそれぞれ１種類として、選択できる電圧レベルを３値に固定した駆動波形を用いており、電圧レベルを３値に設定することにより波形の設計自由度を増加している。なお、選択できる電圧レベルを４値以上に設定すれば、波形の設計自由度は更に増加するが、電圧レベルを４値以上に設定すると駆動回路コストが増加し、従来のアナログ波形に対してコスト的なメリットが損なわれてしまう。従って、駆動回路コストを低く抑え、かつ波形の設計自由度を確保するには、選択できる電圧レベルを３値とすることが最も有効となる。

具体的には、大滴吐出用駆動波形は、図３（Ａ）に示すように、（１）の電圧変化プロセスで、中間電圧であるＶ０から最低電圧ＧＮＤに電圧を変化させて、圧力室１６を膨張させることで、ノズル１８内部にメニスカスの引き込みを行う。次に（２）の電圧変化プロセスで、最低電圧から最高電圧Ｖ１に電圧を変化させて、圧力室１６を収縮させることで、ノズル１８からインク滴の吐出を行う。そして、（３）の電圧変化プロセスで、最高電圧Ｖ１から中間電圧Ｖ０に電圧を変化させて、インク滴吐出後の圧力室１６内の残響を調整するようになっている。

小滴吐出用駆動波形は、図３（Ｂ）に示すように、（１）の電圧変化プロセスで、中間電圧Ｖ０から最低電圧ＧＮＤに電圧を変化させて、圧力室１６を膨張させることで、ノズル１８内部にメニスカスの引き込みを行う。次に（２）の電圧変化プロセスで、最低電圧ＧＮＤから中間電圧Ｖ０に電圧を変化させて、ノズル中央部に細い液柱を形成する。そして、（３）の電圧変化プロセスで、中間電圧Ｖ０から最低電圧ＧＮＤに電圧を変化させて、メニスカスを急激に引き戻すことにより微小液滴の吐出を行う。また、（４）の電圧変化プロセスで、最低電圧ＧＮＤから中間電圧Ｖ０に電圧を変化させて、液滴吐出後の圧力室１６の残響を調整するようになっている。

ここで、図４（Ａ）〜（Ｄ）に小滴吐出用駆動波形が印加された場合の、ノズル１８内での液体の挙動（特に、メニスカスの変化）を示す。小滴吐出用駆動波形が印加されると、図４（Ａ）に示すように、当初はノズル１８の開口部に位置していた略平坦状のメニスカスが、（１）の電圧変化プロセスによる圧力室１６の容積増大によって圧力室１６側へ引き込まれ、メニスカスの中央部がメニスカスの周辺部よりも大きく後退して、凹型のメニスカスが形成される（図４Ｂ）。この状態で、（２）の電圧変化プロセスによって圧力室１６の容積が減少されると、図４（Ｃ）に示すように、メニスカスの中央部に、ノズル１８（インク吐出口の内径）よりも細い液柱３２が形成され、次いで、液柱３２の先端部が分離して液滴３４が形成される（図４（Ｄ）。この時の液滴の滴径は、形成された液柱３２の太さとほぼ等しく、ノズル径よりも小さい。すなわち、こうした駆動方法（「メニスカス制御方式」あるいは「引き打ち方式」）を用いることにより、ノズル径よりも小さな液滴を吐出することが可能となる。

予備波形は、図３（Ｃ）に示すように、（１）の電圧変化プロセスで、中間電圧Ｖ０から最高電圧Ｖ１に電圧を変化させて、メニスカスに適度な微振動を発生させる。そして、（２）の電圧変化プロセスで最高電圧Ｖ１から中間電圧Ｖ０に電圧を変化させて、圧力室１６内の不必要な残響を抑制するようになっている。

ここで、上述の大滴吐出用駆動波形、小滴吐出用駆動波形、及び予備波形の各駆動波形における各電圧レベルの印加時間の各種設定について説明する。

大滴吐出用駆動波形及び小滴吐出用駆動波形では、（１）の電圧変化プロセス時にヘッド１０に発生する固有振動と、（２）の電圧変化プロセス時にヘッド１０に発生する固有振動とが干渉して、メニスカスに大きな影響を及ぼす。

そこで、大滴吐出用駆動波形及び小滴吐出用駆動波形では、それぞれ（１）の電圧変化プロセスの開始時から（２）の電圧変化プロセスを開始するまでの時間、すなわちパルス幅をそれぞれヘッド１０の固有周期Ｔｃの１／２としている。

このように、大滴吐出用駆動波形及び小滴吐出用駆動波形のパルス幅をヘッド１０の固有周期Ｔｃの１／２とすることで、大滴吐出用駆動波形では、（１）の電圧変化プロセスによって発生したヘッド１０の振動と、（２）の電圧変化プロセスで発生したヘッド１０の振動とが重畳されるので、液滴を吐出させやすくすることができ、大滴の吐出効率を向上することができる。そして、小滴吐出用駆動波形も同様に、（１）の電圧変化プロセスによって発生したヘッド１０の振動と、（２）の電圧変化プロセスで発生したヘッド１０の振動とが重畳されるので、これによって小滴吐出用駆動波形では、細い液柱の発生に有利となり、微小滴を効率的に吐出することができる。

また、予備波形では、（１）の電圧変化プロセスの開始時から（２）の電圧変化プロセスを開始するまでの時間、すなわち、パルス幅がヘッド１０の固有周期Ｔｃとしている。

このように、予備波形のパルス幅を固有周期Ｔｃとすることで、（１）の電圧変化プロセスによって発生したヘッド１０の振動と、（２）の電圧変動プロセスで発生したヘッド１０の振動とが相殺されて、圧力室１６内の残響を効果的に抑制することができる。

また、上述の大滴吐出用駆動波形、小滴吐出用駆動波形、及び予備波形の各波形では、最高電圧Ｖ１と最低電圧ＧＮＤの振幅である電位差Ｖ１と、最高電圧Ｖ１と基準電圧となる中間電圧Ｖ０との電位差Ｖ２との電圧比Ｖ２／Ｖ１を変化させることによって、滴径変調範囲、高周波吐出安定性、サテライト／ミストの発生状態、及びインク増粘防止効果が変化する。

そこで、まず、表１に示すように、電圧比Ｖ２／Ｖ１を変化させて、滴径変調範囲、高周波吐出安定性、サテライト／ミストの発生状態、及びインク増粘防止効果についてそれぞれ調べた。

表１の大滴吐出の「滴体積」は、１５ｐｌ以上を「◎」、１０ｐｌから１５ｐｌまでを「○」、１０ｐｌ以下を「×」として評価した。これは、画像記録装置で一般的に用いられる４００〜６００ｄｐｉ程度の記録解像度に対応するには、通常、１５ｐｌ以上の滴体積が必要とされるためである。また、小滴吐出の「滴体積」は、２ｐｌ以下を「◎」、２ｐｌから５ｐｌまでを「○」、５ｐｌ以上を「×」として評価した。これは、２ｐｌ以下の液滴で形成した記録ドットは人間の肉眼で認識することが困難となり、粒状感の低い高画質な記録が可能となるためである。また、大滴吐出及び小滴吐出の「高周波吐出」及び「サテライト」は、２０ｋＨｚでの吐出状態の観察、着弾位置精度、及びドット形状測定等を行うことによって３段階に評価し、「増粘防止」は、予備波形の印加によって液滴の吐出が発生してしまう場合を「×」、適度なメニスカス振動が発生し、十分な増粘防止効果が得られる場合を「◎」とし、液滴の吐出はないが、増粘防止効果が少ない場合、或いは問題にならない程度の液滴（サテライトやミスト）の吐出があるものの増粘防止効果を得られる場合を「○」としてそれぞれ評価した。

このように、表１から、電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．２５〜０．４５の範囲内に設定することにより、滴径変調範囲、高周波吐出安定性、サテライト／ミストの発生状態、及びインク増粘防止効果の全ての要求を満足することが可能となることがわかる。また、さらに好ましい条件として、電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．３〜０．３５の範囲に設定することが望ましい。

従って、大滴吐出用駆動波形、小滴吐出用駆動波形、及び予備波形のそれぞれに対して、上述の電圧比Ｖ２／Ｖ１が０．２５〜０．４５の範囲内となるように各駆動波形を設定することによって、滴径変調範囲、高周波吐出安定性、サテライト／ミストの発生状態、及びインク増粘防止効果の全ての要求範囲を満足したインク吐出を行うことができる。

すなわち、大滴を吐出する際には、大きな滴体積の確保が可能となると同時に、圧力室１６内の残響強度を適正化できると共に、高周波での吐出安定性を確保することができ、サテライトやミストの発生も防止することが可能となる。

また、小滴吐出する際には、微小滴の吐出が可能となると同時に、圧力室１６内の残響強度を適正化できると共に、高周波での吐出安定性を確保することができ、サテライトやミストの発生も防止することが可能となる。

さらに、予備波形を用いて増粘防止を行う際には、インクを吐出することなく、メニスカスに微小振動を加えることができ、効果的に増粘防止を行うことが可能となる。

一方、上述のような大滴吐出用駆動波形、小滴吐出用駆動波形、及び予備波形は、上述の電圧比Ｖ２／Ｖ１の他に、各電圧変化プロセス時の電圧の立上げ時間ｔｒ及び立ち下げ時間ｔｆによって、滴体積が変化する。特に、小滴吐出によって高精細な画像を記録する場合には、各電圧変化プロセス時の電圧の立上げ時間ｔｆ及び立ち下げ時間ｔｆの影響が大きい。

そこで、小滴吐出時に電圧の立上げ時間ｔｒ及び立ち下げ時間ｔｆを変化させて、小滴の滴体積を測定した。

図５は、電圧の立上げ時間ｔｒ及び立ち下げ時間ｔｆの変化に伴う微小滴の滴体積の変化を測定した結果を示すグラフである。なお、図５では、ヘッド１０の固有周期Ｔｃが１０μｓのものを一例として測定した結果を示す。

高画質な画像記録を行うためには、微小滴の滴体積を少なくとも４ｐｌ以下にする必要がある。すなわち、図５から分かるように、４ｐｌ以下にするためには、電圧の立上げ時間ｔｒ及び立ち下げ時間ｔｆを約２．５μｓ以下に設定する必要がある。ここで、図５では、ヘッド１０の固有周期Ｔｃが１０μｓであるので、他の固有周期のヘッドを用いた場合を考えると、電圧の立上げ時間ｔｒ及び立ち下げ時間ｔｆを固有周期Ｔｃの１／４に設定することで、微小滴の滴体積を４ｐｌ以下にすることができる。

従って、電圧の立上げ時間ｔｒ及び立ち下げ時間ｔｆをヘッド１０の固有周期Ｔｃの１／４とすることによって、微小滴の吐出を行うことができ、高画質な画像を記録することが可能となる。

ここで、上述のヘッド１０を搭載した液滴吐出装置としてのインクジェット記録装置の一例について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係わるインクジェット記録装置の一例を示す図である。

インクジェット記録装置は、上述のヘッド１０を搭載するキャリッジ３６、キャリッジ３６を主走査方向Ｘに走査するための主走査機構３８、記録媒体としての記録用紙４０を副走査方向Ｙに搬送するための副走査機構４２を含んで構成されている。

ヘッドはノズル面が記録用紙４０と対向するようにキャリッジ３６上に搭載され、主走査方向Ｘに搬送されながら記録用紙４０に対して液滴としてインク滴を吐出することにより、一定のバンド領域４４に対して記録を行う。次いで、記録用紙４０を副走査方向Ｙに搬送し、再びキャリッジ３６を主走査方向Ｘに搬送しながら次のバンド領域を記録する。

実際に、このようなインクジェット記録装置を用いて画像記録を行い、画像品質の評価を行った。インク滴を吐出する液滴吐出制御には、上記の実施の形態で述べた駆動方法を使用した。イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色のインクに対応させて、１色あたり２６０個のイジェクタを有するマトリクス状配列ヘッドをキャリッジ３６上に並べて配置し、記録用紙有る上で４色のドットを重ね合わせることにより、フルカラー画像記録を行った。その結果、各イジェクタから安定した吐出を実現でき、極めて高い品質の画像記録を記録用紙全面にわたって実行することができた。

なお、液滴吐出装置として説明した上記インクジェット記録装置では、ヘッド１０をキャリッジ３６によって搬送しながら記録を行う形態を説明したが、ノズルを記録媒体の全幅にわたって配置したライン型ヘッドを用いて、ヘッドを固定して記録媒体のみを搬送しながら記録を行う（この場合には、主走査のみとなる）など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。

また、上記の実施の形態では、インクジェット記録装置のヘッド１０に本発明を適用した例を説明したが、これに限るものではなく、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドあれば、他の装置に適用することも可能である。

例えば、上記実施の形態では、圧力発生手段として圧電アクチュエータを用いたが、静電力や磁気力を利用した電気機械変換素子や、沸騰現象を利用して圧力を発生させるための電気熱変換素子など、他の圧力発生手段を用いてもかまわない。また、圧電アクチュエータとしても、本実施の形態で使用した単板型の圧電アクチュエータの他に、縦振動タイプの積層型圧電アクチュエータなど、別の形態のアクチュエータを用いてもかまわない。

また、上記の実施の形態では、記録紙上に着色インクを吐出して文字や画像などの記録を行うインクジェット記録装置を例に挙げて説明したが、本明細書におけるインクジェット記録装置とは、記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、また、吐出する液体も着色インクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出してディスプレイ用のカラーフィルタを作製したり、溶融状態のハンダを基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業的に用いられる液的噴射装置一般に対して、本発明を利用することも可能である。

本発明の実施の形態に係わるインクジェット記録装置の１ノズルあたりのヘッド構造を示す図である。 本発明の実施の形態に係わるインクジェット記録装置のヘッドを駆動する駆動回路を示す図である。 駆動回路によって圧電素子に印加される駆動信号の電圧波形の一例を示す。 小滴吐出用駆動波形が印加された場合の、ノズル内での液体の挙動を示す図である。 ヘッドの固有周期Ｔｃが１０μｓの時の電圧の立上げ時間及び立ち下げ時間の変化に伴う微小滴の滴体積の変化を測定した結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係わるインクジェット記録装置の一例を示す図である。

符号の説明

１０ ヘッド
１２ インクタンク
１４ 供給路
１６ 圧力室
１８ ノズル
２０ 圧電素子
２２ スイッチング回路
３０ 駆動回路

Claims (7)

1. 電気機械変換素子に駆動信号を印加して当該電気機械変換素子を変形させることで圧力室に圧力変化を生じさせ、圧力室内に充填された液体を圧力室と連通するノズルから液滴として吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
   前記駆動信号として電圧波形の電圧レベルが３値の矩形駆動波を用い、
   ３値の電圧レベルのうち最低電圧と最高電圧の電位差をＶ１、最高電圧と中間電圧の電位差をＶ２としたときに、Ｖ１とＶ２の電圧比Ｖ２／Ｖ１を０．２５〜０．４５の範囲で設定して電気機械変換素子に印加することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
2. 前記矩形駆動波の立上げ時間及び立ち下がり時間を前記液滴吐出ヘッドの固有周期の１／４以下に設定して電気機械変換素子に印加することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
3. 前記矩形駆動波は、第１の滴径の液滴を吐出するための第１駆動波形、第１の滴径よりも小さい第２の滴径の液滴を吐出するための第２駆動波形、及び液滴を吐出せずに液面を振動させるための第３駆動波形からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
4. 前記第１駆動波形は、印加する電圧を中間電圧から最低電圧に変化させてメニスカスを前記圧力室側に引き込む第１電圧変化プロセスと、印加する電圧を最低電圧から最高電圧に変化させて前記圧力室の体積を収縮させて液滴を吐出させる第２電圧変化プロセスと、印加する電圧を最高電圧から中間電圧に変化させて前記圧力室内の残響を調整する第３電圧変化プロセスと、を含んで構成し、
   前記第２駆動波形は、前記第１電圧変化プロセスと、印加する電圧を最低電圧から中間電圧に変化させて液柱を形成する第４電圧変化プロセスと、印加する電圧を中間電圧から最低電圧に変化させて前記メニスカスを前記圧力室側に引き込んで液滴を吐出する第５電圧変化プロセスと、印加する電圧を最低電圧から中間電圧に変化させて前記圧力室内の残響を調整する第６電圧変化プロセスと、を含んで構成し、
   前記第３駆動波形は、印加する電圧を中間電圧から最高電圧に変化させてメニスカスに微少振動を発生開始させる第７電圧変化プロセスと、前記第３電圧変化プロセスと、を含んで構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
5. 前記第１駆動波形は、前記第１電圧変化プロセス開始から前記第２電圧変化プロセス開始までの時間、及び前記第２電圧変化プロセス開始から前記第３電圧変化プロセス開始までの時間を前記液滴吐出ヘッドの固有周期の１／２に設定し、
   前記第２駆動波形は、前記第１電圧変化プロセス開始から前記第４電圧変化プロセス開始までの時間を前記固有周期の１／２に設定し、
   前記第３駆動波形は、前記第７電圧変化プロセス開始から前記第８電圧変化プロセス開始までの時間を前記固有周期と一致するように設定することを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
6. 液体が充填される圧力室と、
   前記圧力室と連通するノズルと、
   駆動信号が印加されると変形して、前記圧力室に圧力波を発生させ、充填された液体を前記ノズルから液滴として吐出させる電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子を請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法で駆動信号を印加する駆動回路と、
   を含む液滴吐出ヘッド。
7. 請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。

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