JP2007203705A

JP2007203705A - 液体吐出ヘッドの駆動方法及び液滴吐出装置の駆動方法

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Publication number: JP2007203705A
Application number: JP2006028515A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuno; 靖史松野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】液滴の吐出に影響がない範囲で印可する駆動電圧パルスを設定し、発生するピーク電流を低減する液滴吐出ヘッドの駆動方法及び液滴吐出装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る液滴吐出ヘッド１００の駆動方法は、所定間隔で対向配置されている個別電極３１と振動板２２との間に、台形状の駆動波形を有する駆動電圧パルスを印加し、これらの電極間に発生する静電気力によって振動板２２を駆動させることにより液体圧力変動を発生させ、この液体圧力変動を利用して液滴を吐出させる液体吐出ヘッド１００の駆動方法であって、駆動電圧パルスの放電時間の設定値を変更可能にしたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電駆動方式の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの駆動方法及び液滴吐出装置の駆動方法に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、たとえばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。一般に、このインクジェットヘッドは、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル孔に連通する吐出室や、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。このようにインク滴を吐出させる手段としては、静電気力を利用する静電駆動方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等が存在する。

このうち、静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、吐出室の底部を振動板としたキャビティ基板と、この振動板に所定のギャップ（空隙）を介して対向する個別電極を形成したガラス基板とを接合させた構成となっている。この個別電極は、振動板の変位を可能とするよう所定のギャップ長を確保するために、たとえばガラス基板の表面に形成された凹部の底面にＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等をスパッタして形成されている。

そして、インク滴を吐出する際には、個別電極に駆動電圧を印加してプラスに帯電させ、対応する振動板に駆動電圧を印加してマイナスに帯電させる。そうすると、この時に生じる静電引力により振動板が個別電極側に弾性変形する。この駆動電圧をオフにすると、振動板が復元する。このとき、吐出室の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室内のインクの一部をインク滴としてノズル孔から吐出されることになる。このような静電駆動方式は、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等と比較して、消費電力が少ないという特徴を有している。

近年、このような静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、ノズル孔の高密度化及び駆動周波数の高周波化が進行している。そのようなものとして、「ノズルと、該ノズルに連通するインク流路と、該流路の一部に設けられた振動板と、該振動板に対向して設けられた電極とを有し、前記振動板と前記電極間に電気パルスを印加し、前記振動板を静電気力により変形させ、前記ノズルからインク液滴を記録紙に向け吐出し印刷を行うインクジェットヘッドの駆動方法において、前記振動板と前記電極が接触するに十分な電荷を前記振動板、前記電極間に充電する第１のステップと、前記振動板、前記電極間に蓄えられた電荷を急激に放電する第２のステップを有することを特徴とする」インクジェットヘッドの駆動方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平０７−２１４７７０号公報（第５頁、第６頁及び第１２図）

特許文献１に記載のインクジェットヘッドの駆動方法は、振動板と電極との間に蓄えられた電荷が急速に放電されてインク等の液滴が吐出するようになっている。このような静電駆動方式では、インクの吐出時に電荷が急速に放電されるために、この瞬間にのみ急激な電流が流れることになる。この急激な電流は、ピーク電流と呼ばれ、ドライバＩＣ等の駆動回路内にも流れることになる。このピーク電流は、吐出時において瞬間的にのみ流れるために、流れる頻度によっては駆動回路が破壊されることはない。しかしながら、ピーク電流が繰り返し駆動回路内を流れることになると、経時的に駆動回路を破壊してしまうことがある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、液滴の吐出に影響がない範囲で印加する駆動電圧パルスを設定し、発生するピーク電流を低減する液滴吐出ヘッドの駆動方法及び液滴吐出装置の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、所定間隔で対向配置されている個別電極と振動板との間に、台形状の駆動波形を有する駆動電圧パルスを印加し、これらの電極間に発生する静電気力によって振動板を駆動させることにより液体圧力変動を発生させ、この液体圧力変動を利用して液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、駆動電圧パルスの放電時間の設定値を変更可能にしたことを特徴とする。したがって、電荷が急速に放電されることにより発生するピーク電流を、液体吐出性能に影響を与えない範囲で小さくすることが可能となる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、放電時間を、駆動電圧パルスの印加時間よりも長く設定することを特徴とする。このように、放電時間を長くすると、急速に電荷が放電されずに、放電時に発生していたピーク電流を、液体吐出性能に影響を与えない範囲で小さくすることが可能となる。また、ピーク電流の発生頻度を低減することが可能になる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、放電時間を、該放電時間と液滴吐出ヘッドが有する固有振動数との関係に基づいて設定することを特徴とする。こうすることによって、液滴吐出ヘッドの有する固有振動数に基づいて、個々の液滴吐出ヘッドに応じた最適な放電時間が設定でき、放電時に発生していたピーク電流を、液体吐出性能に影響を与えない範囲で小さくすることが可能となる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、放電時間と固有振動数との関係をβ＝放電時間／固有振動数で表し、このβの値が、０．１５より大きく、０．３５より小さい範囲となるように該放電時間を設定することを特徴とする。このように放電時間を設定するので、ピーク電流と吐出性能との均衡を図ることができ、個々の液滴吐出ヘッドに応じた最適な放電時間が設定でき、放電時に発生していたピーク電流を、液体吐出性能に影響を与えない範囲で小さくすることが可能となる。

本発明に係る液滴吐出装置の駆動方法は、上記の液滴吐出ヘッドの駆動方法を用いたことを特徴とする。したがって、上述した液滴吐出ヘッドの駆動方法が有する効果を同様に有することになる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る静電駆動方式の液滴吐出ヘッド１００を備えたインクジェットプリンタ１５０を示す概略構成図である。図１に基づいて、インクジェットプリンタ１５０の構成について説明する。ここでは、静電駆動方式で駆動する静電アクチュエータを搭載したデバイスの代表としてインクジェットプリンタを例に説明するものとする。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

インクジェットプリンタ１５０は、被印刷物である記録紙１５１を副走査方向Ｙに向けて搬送するプラテン１５２と、このプラテン１５２にインクノズル面が対峙し、記録紙１５１にインクを吐出する液滴吐出ヘッド１００と、この液滴吐出ヘッド１００を主走査方向Ｘに向けて往復移動させるためのキャリッジ１５３と、液滴吐出ヘッド１００の各インクノズルにインクを供給するインクタンク１５４とを有している。プラテン１５２から主走査方向Ｘに外れた位置には、ノズルキャップ１５５が配置されており、このノズルキャップ１５５はインクポンプ１５６を介して廃インク回収部１５７に連通している。

そして、図示省略の送りネジが回転することによって液滴吐出ヘッド１００がプラテン１５２の主走査方向Ｘに移動する。一方、プラテン１５２は、図示省略のモータ等により回転駆動されるようになっている。ここでは、液体をインクとして記録紙１５１に吐出するようにしている場合を例に説明したが、これ限定するものではない。たとえば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体であってもよい。また、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ等）の基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体であってもよい。さらに、基板上に配線する用途においては、導電性金属を含む液体であってもよい。

図２は、液滴吐出ヘッド１００の概略構成を示す断面図である。ここでは、この液滴吐出ヘッド１００が、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプである場合を例に説明するものとする。図２に示すように、この液滴吐出ヘッド１００は、ノズル基板１０、キャビティ基板２０及び電極ガラス基板３０の３つの基板が順に積層されるように接合された３層構造で構成されている。このキャビティ基板２０の一方の面（上面）にはノズル基板１０が接合されており、他方の面（下面）には電極ガラス基板３０が接合されている。すなわち、キャビティ基板２０を電極ガラス基板３０とノズル基板１０とが上下から挟む構造となっている。

各基板の接合は、たとえば、電極ガラス基板３０とキャビティ基板２０とは陽極接合により行い、キャビティ基板２０とノズル基板１０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて行うとよい。また、液滴吐出ヘッド１００の電極ガラス基板３０に形成する個別電極３１は、図示省略のドライバＩＣ等の駆動回路を有する電力供給手段５０によって駆動信号（パルス電圧）が供給されるようになっている。なお、実施の形態では、３層構造の液滴吐出ヘッド１００を例に説明するが、これに限定するものではない。つまり、本発明は、静電駆動方式のアクチュエータであれば適用可能である。

［電極ガラス基板３０］
電極ガラス基板３０は、たとえば、厚さ１ｍｍのホウ珪酸ガラス等のガラスを主要な材料として形成するとよい。ここでは、電極ガラス基板３０がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、電極ガラス基板３０を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極ガラス基板３０の表面には、後述するキャビティ基板２０の吐出室２１の形状に合わせて複数のガラス溝３２が形成されている。

また、このガラス溝３２の内部（特に底部）には、固定電極となる個別電極３１が、一定の間隔を有してキャビティ基板２０の各吐出室２１（振動板２２）と対向するように作製されている。そして、このガラス溝３２は、その一部が個別電極３１を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成されている。この個別電極３１は、たとえばＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製するとよい。

さらに、個別電極３１は、その一端が電力供給手段５０と接続されており、その電力供給手段５０から個別電極３１に駆動信号が供給されるようになっている。この液滴吐出ヘッド１００は、複数の個別電極３１が長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この個別電極３１が、互いの長辺が平行になるように配置されている。なお、個別電極３１の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極３１が細長い平行四辺形状になっている場合には、長辺方向に直角方向に伸びる電極列を形成するようにすればよい。

［キャビティ基板２０］
キャビティ基板２０は、たとえば厚さ約５０μｍ（マイクロメートル）のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板と称する）を主要な材料として構成されている。このキャビティ基板２０には、底壁が振動板２２となる吐出室（または、圧力室）２１が複数形成されている。この吐出室２１は、個別電極３１の電極列に対応して形成されるようになっている。

また、キャビティ基板２０には、各吐出室２１にインク等の液滴を供給するためのリザーバ２３が形成されている。このリザーバ２３の底面には、リザーバ２３の底面を貫通する図示省略の液体取り入れ口が形成されている。このリザーバ２３から各吐出室２１に液滴を移送するために、リザーバ２３と各吐出室２１とを連通するオリフィス２４が、キャビティ基板２０とノズル基板１０との間に形成されている。

さらに、キャビティ基板２０の下面（電極ガラス基板３０と対向する面）には、振動板２２と個別電極３１との間を電気的に絶縁するためのＴＥＯＳ膜（ここでは、ＴｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅＴｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン（珪酸エチル）を用いてできるＳｉＯ₂膜をいう）からなる絶縁膜をプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１μｍ成膜している。これは、振動板２２の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止するためと、インク等の液滴によるキャビティ基板２０のエッチングを防止するためのものである。

ここでは、絶縁膜がＴＥＯＳ膜である場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、絶縁性能が向上する物質であればよい。たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））を用いてもよい。また、キャビティ基板２０には、電力供給手段５０から振動板２２に個別電極３１と反対の極性の電荷を供給する際の端子となる共通電極端子２７が設けられている。

なお、振動板２２は、高濃度のボロンドープ層で形成するようにしてもよい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板２２の部分を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによって吐出室２１を形成する際に、ボロンドープ層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板２２を所望の厚さに形成することができる。

［ノズル基板１０］
ノズル基板１０は、たとえば厚さ約１００μｍのシリコン基板を主要な材料として構成されている。そして、キャビティ基板２０の上面（電極ガラス基板３０を接合する面の反対面）と接合している。ノズル基板１０の上面には、吐出室２１と連通するノズル孔１１が複数形成されている。各ノズル孔１１は、吐出室２１から移送されたインク液滴１２を外部に吐出するようになっている。なお、ノズル孔１１を複数段状（たとえば、２段）やテーパ状で形成すると、インク液滴１２を吐出する際の直進性の向上が期待できる。

ここでは、ノズル孔１１を有するノズル基板１０を上面とし、電極ガラス基板３０を下面として説明しているが、実際に用いられる場合には、ノズル基板１０の方が電極ガラス基板３０よりも下面となることが多い。なお、実施の形態では、キャビティ基板２０にオリフィス２４を形成した場合を例に示したが、ノズル基板１０にオリフィス２４を形成するようにしてもよい。また、ノズル基板１０には、振動板２２によりリザーバ２３側の液体に加わる圧力を緩衝するためのダイヤフラムを設けるとよい。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成される空隙（ギャップ）は、湿気や埃等が侵入しないようエポキシ樹脂等の封止材４０で気密に封止されている。

ここで、液滴吐出ヘッド１００の動作について説明する。リザーバ２３には、図示省略のインク供給穴を介して外部からインク等の液滴が供給されている。また、吐出室２１には、オリフィス２４を介してリザーバ２３から液滴が供給されている。そして、ドライバＩＣ等の電力供給手段５０によって選択された個別電極３１には０Ｖ〜４０Ｖ程度のパルス電圧が印加され、その個別電極３１を正に帯電させる。

このとき、共通電極端子２７を介してキャビティ基板２０には負の極性を有する電荷が供給され、正に帯電された個別電極３１に対応する振動板２２を相対的に負に帯電させる。そのため、選択された個別電極３１と振動板２２との間では静電気力が発生することになる。そうすると、振動板２２は、静電気力によって個別電極３１側に引き寄せられて撓むことになる。これによって吐出室２１の容積が増大する。

その後、個別電極３１への電荷の供給を止めると、振動板２２と個別電極３１との間の静電気力がなくなり、振動板２２はその弾性力により元の状態に復元する。振動板２２に電荷の供給を止めたときから、振動板２２が元の状態に復元するまでに要する時間は、放電時間や立下がり時間等（図５参照）と称されている。このとき、吐出室２１の容積が急激に減少するため、吐出室２１内部の圧力が急激に上昇する。これにより、吐出室２１内のインクの一部がインク液滴１２としてノズル孔１１より吐出されることになる。このインク液滴１２が、たとえば記録紙１５１に着弾することによって印刷等が行われるようになっている。その後、新たな液滴がリザーバ２３から吐出室２１内に補給され、初期状態に戻る。

図３は、インクジェットプリンタ１５０の制御系を示す概略ブロック図である。図３に基づいて、液滴吐出ヘッド１００を備えたインクジェットプリンタ１５０の制御系について説明する。インクジェットプリンタ１５０は、液滴吐出ヘッド１００を駆動制御するための駆動制御装置１１０を有している。この駆動制御装置１１０は、ＣＰＵ６１を中心に構成された制御部６０を備えている。

ＣＰＵ６１には、パーソナルコンピュータや遠隔制御装置（リモコン）、操作部等の外部装置７０から印刷情報が入力されるようになっている。この印刷情報は、バス７１を介して入力されたり、赤外線信号等の無線信号で入力されたりするようになっている。また、ＣＰＵ６１には、内部バス６５を介してＲＯＭ６２、ＲＡＭ６３、キャラクタジェネレータ６４及び論理ゲートアレイ６６が接続されている。

ＣＰＵ６１では、ＲＡＭ６３内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ６２内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタジェネレータ６４から発生するキャラクタ情報に基づき、液滴吐出ヘッド１００を駆動するための制御信号を生成する。制御信号は、論理ゲートアレイ６６及び駆動パルス発生回路６７を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ７５を経由して液滴吐出ヘッド１００に内蔵された電力供給手段５０に供給されるほか、ＣＯＭ発生回路６８にも供給される。

また、ドライバＩＣ等の電力供給手段５０には、印字用の駆動パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶ等（図４参照）も供給されるようになっている。なお、ＣＯＭ発生回路６８は、たとえば駆動パルスを発生するための共通電極ＩＣ等で構成するとよい。ＣＯＭ発生回路６８では、供給された各信号に基づき、液滴吐出ヘッド１００の共通電極端子２７、すなわち各振動板２２に印加すべき駆動信号をその図示省略の共通出力端子ＣＯＭから出力するようになっている。

また、電力供給手段５０では、供給された各信号及び電源回路８０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、各個別電極３１に印加すべき駆動信号を、各個別電極３１に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力するようになっている。そして、共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が、各振動板２２とそれに対向する個別電極３１との間に印加されるようになっている。振動板２２の駆動時（液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。

図４は、電力供給手段５０及びＣＯＭ発生回路６８の内部構成の一例を示す概略ブロック図である。なお、電力供給手段５０及びＣＯＭ発生回路６８は、１組で６４個の個別電極３１及び振動板２２に駆動信号を供給するものとする。また、電力供給手段５０が、電源回路８０から高電圧系の駆動電圧Ｖｐ及び論理回路系の駆動電圧Ｖｃｃが供給されて動作するＣＭＯＳの６４ビット出力の高耐圧ドライバである場合を例に示している。

電力供給手段５０は、供給された駆動制御信号に応じて、駆動電圧パルスとＧＮＤ電位の一方を、個別電極３１に印加する。電力供給手段は、６４ビットのシフトレジスタ８１を有し、シフトレジスタ８１はシリアルデータとして論理ゲートアレイ６６より送信された６４ビット長のＤＩ信号入力を、ＤＩ信号に同期する基本クロックパルスであるＸＳＣＬパルス信号入力によりデータをシフトアップし、シフトレジスタ８１内のレジスタに格納するスタティクシフトレジスタとなっている。ＤＩ信号は、６４個の個別電極３１のそれぞれを選択するための選択情報をオン／オフにより示す制御信号であり、この信号がシリアルデータとして送信される。

また、電力供給手段５０は、６４ビットのラッチ回路８２を有し、ラッチ回路８２はシフトレジスタ８１内に格納された６４ビットデータを制御信号（ラッチパルス）ＬＰによりラッチしてデータを格納し、格納されたデータを６４ビット反転回路８３に信号出力するスタティクラッチである。ラッチ回路８２では、シリアルデータのＤＩ信号が各振動板２２の駆動を行うための６４セグメント出力を行うための６４ビットのパラレル信号へと変換される。

反転回路８３では、ラッチ回路８２から入力される信号と、ＲＥＶ信号との排他的論理和をレベルシフタ８４へ出力する。レベルシフタ８４は、反転回路８３からの信号の電圧レベルをロジック系の電圧レベル（５Ｖレベル又は３．３Ｖレベル）からヘッド駆動系の電圧レベル（０〜４５Ｖレベル）に変換するレベルインターフェイス回路である。ＳＥＧドライバ８５は、６４チャンネルのトランスミッションゲート出力となっていて、レベルシフタ８４の入力によりＳＥＧ１〜ＳＥＧ６４のセグメント出力に対して、駆動電圧パルス入力か又はＧＮＤ入力のいずれかを出力する。ＣＯＭ発生回路６８に内蔵されたＣＯＭドライバ８７は、ＲＥＶ入力に対して駆動電圧パルスか又はＧＮＤ入力のいずれかをＣＯＭへ出力する。

ＸＳＣＬ、ＤＩ、ＬＰ及びＲＥＶの各信号は、ロジック系の電圧レベルの信号であり、論理ゲートアレイ６６より電力供給手段５０に送信される信号である。このように、電力供給手段５０及びＣＯＭ発生回路６８を構成することにより、駆動するセグメント数（振動板２２の数）が増加した場合においても容易に液滴吐出ヘッド１００の振動板２２の駆動する駆動電圧パルスとＧＮＤとを切り替えることが可能となる。

図５は、駆動パルス発生回路６７で生成される駆動電圧パルス波形を説明するための説明図である。図５に基づいて、個別電極３１及び共通電極端子２７に印加される駆動電圧の波形について説明する。この駆動パルス発生回路６７は、図５に示すような台形状の駆動波形を生成して電力供給手段５０に出力するようになっている。つまり、個別電極２２及び共通電極端子２７に台形状の駆動波形を有する駆動電圧パルスが印加されると（印加電圧Ｖ_a）、その個別電極３１と振動板２２との間に静電気力が発生し、振動板２２が個別電極３１側に撓むことになる。その後、電圧の印加を止めると、振動板２２と個別電極３１との間の静電気力がなくなり、振動板２２はその弾性力により元の状態に復元する。

ここでは、電圧の印加を止めたときを０（以下の説明における時間の起点とする）とし、静電気力がなくなるまでの立ち下がり時間を放電時間ｔ_dとして示している。この放電開始直後に、電荷が急激に放電されるために、この瞬間にのみ急激な電流が流れることになる。この電流は、ピーク電流と呼ばれ、電力供給手段５０にも流れることになる。このピーク電流は、瞬間的に流れるので、発生頻度が低い場合は特に問題とならない。しかしながら、発生頻度が高くなる場合には、経時的に電力供給手段５０を破壊することになる。

そこで、インク液滴１２の吐出に影響を与えずに、ピーク電流を小さくすることが望ましい。このピーク電流を小さくするには、放電時間ｔ_dの設定値を長くするように設定すればよい（詳細については、図６で説明する）。ただし、ピーク電流を小さくするには、単に放電時間ｔ_d長くすればよいということではなく、放電時間ｔ_dと液滴吐出ヘッド１００の有する固有振動数との関係も考慮しなければならない（詳細については、図７で説明する）。

図６は、放電時間ｔ_dと液滴吐出ヘッド１００の固有振動数との関係を変化させたときの放電時電流の波形を示す説明図である。ここで、（放電時間ｔ_d）／（液滴吐出ヘッド１００の固有振動数）をβとして、放電時間ｔ_dと液滴吐出装置１００の固有振動数との割合を定義して以下の説明で使用する。放電時間が開始したとき（つまり、図５で示す０）より、振動板２２は自由振動により振動する。その振動の値は、式（１）により算出できる。

ｘ（ｔ）は振動板２２の変位（自由振動）を、ｇはギャップ量（つまり、当接時の振動板２２の変位量）を、ω₀は液滴吐出ヘッド１００の固有振動数を、ｔは時間をそれぞれ表している。

次に、平行平板（つまり、振動板２２及び個別電極３１）に蓄えられる静電気容量は、式（２）により算出できる。

Ｃ（ｔ）は静電気容量を、Ｓは振動板２２の平面面積を、ε₀はギャップ内の空気の誘電率を、ｔ_sは絶縁膜の厚みを、ε₁は絶縁膜の比誘電率をそれぞれ表している。

また、台形状の放電電圧は、式（３）により算出できる。

Ｖ（ｔ）は放電電圧を、Ｖ_aは上述した印加電圧をそれぞれ表している。そして、駆動回路内を流れる電荷は、式（４）により算出できる。

Ｑ（ｔ）は回路内電荷を、Ｃ（ｔ）は上述した静電気容量を、Ｖ（ｔ）は上述した台形状の放電電圧をそれぞれ表している。

以上の式から、回路内を流れる電流は、式（５）により算出できる。

ここで、放電時間ｔ_dと、液滴吐出ヘッド１００の固有周期Ｔ₀の関係を以下のとおりにする。

この図６に示すグラフは、ある諸元寸法によって製造された液滴吐出ヘッド１００に対して、放電時間ｔ_dを変動させたとき、つまりβの値を変動させたときの放電時電流（縦軸）を放電開始から時間（横軸）に対して計算したものである。このβの値を、（ａ）が０．０１、（ｂ）が０．０２、（ｃ）が０．０３、（ｄ）が０．０４、（ｅ）が０．０５、（ｆ）が０．１、（ｇ）が０．１５、（ｈ）が０．２、（ｉ）が０．２５、（ｊ）が０．３、（ｋ）が０．４、（ｌ）が０．５とした場合の放電時電流の波形を表している。図６に示すとおり、βの値を変化させたとしても放電開始からある時間においての電流値が最大となることがわかる。そして、この電流の最大値がピーク電流である。

図６から明らかなように、βの値が大きくなると、ピーク電流も小さくなる。すなわち、βの値が０．０１の場合ではピーク電流が大きく、βの値が０．０２、０．０３、０．０４、０．０５と大きくなるにしたがってピーク電流が小さくなっていることがわかる。このβの値を大きくするには、液滴吐出ヘッド１００の固有振動数に対しての放電時間ｔ_dを長くすればよいことになる。このように、βの値を設定することにより、液滴吐出ヘッド１００が有する固有振動数に対応して、液滴吐出ヘッド１００毎に放電時間ｔ_dを設定できる。

しかしながら、放電時間ｔ_dを長くすると、放電開始直後での静電吸引力が大きいため、振動板２２が自由振動しながら個別電極３１から離脱しなくなるという現象が発生する。このような場合は、振動板２２の復元力が吐出室２１内のインクに対して効果的に圧力を発生させることができずに、吐出するインク液滴１２の速度が低下したり、吐出するインク液滴１２の量が少なくなったりすることになる。このため、インクジェットプリンタ１５０の印刷性能が低下し、適正な印刷ができなくなってしまうことになる。

したがって、放電時間ｔ_dを一定以上に長くすることはできないということがわかる。そこで、放電時間ｔ_dの長さは、放電時間ｔ_dの長さと、ピーク電流の大きさとの関係からを決定するとよい。実験を重ねた結果、βの値を概ね０．３５より大きく（β＞０．３５）すると、上述したような問題が発生することがわかった。そうすると、βの値は、０．３５よりも小さくなるように（β＜０．３５）設定することが望ましい。

図７は、βの値と放電時におけるピーク電流との関係を示す説明図である。図７では、液滴吐出ヘッド１００のヘッド構成及び印加電圧Ｖ_aを種々変化、つまり条件を種々変化させた場合（ここでは、条件１〜条件７として表している）におけるβの値とピーク電流との関係を示している。図７では、βの値を０．０２５に対して規格化している場合を表している。また、縦軸が放電時におけるピーク電流の割合を、横軸がβの値として示している。

ここでは、条件１〜条件７までしか示していないが、これ以上の条件でβの値とピーク電流との関係を計測しても、この７つの条件の範囲内に収束することがわかった。つまり、ヘッド構成及び印加電圧Ｖ_aを種々変化させても、図７に示す７つの条件の範囲内に該当することになる。そして、図７に示す通り、放電時のピーク電流は、βの値が大きくなると急激に小さくなる。すなわち、いずれの条件においてもβの値を大きくすればピーク電流が小さくなる。

しかしながら、βの値を所定の値より大きくしたとしても、その値以降、ピーク電流にはほとんど変化がなくなってしまう。そこで、βの値は、液滴吐出ヘッド１００の構成と印加電圧Ｖ_aとの関係からを決定するとよい。実験を重ねた結果、βの値を概ね０．１５より大きく（β＞０．１５）すると、ピーク電流がそれ以上小さくならないということがわかった。そこで、βの値は、β＞０．１５の範囲で設定すればよい。

図６及び図７の関係から、β（（放電時間ｔ_d）／（ヘッド固有振動数））は、０．１５＜β＜０．３５の範囲に設定することが最適である。つまり、駆動パルス発生回路６７は、βの値がこの範囲となるように台形状の駆動波形を生成、詳細には放電時間ｔ_dを調整して電力供給手段５０に出力するとよい。そうすれば、インク液滴１２の吐出に影響を与えることなく、放電時に発生するピーク電流の値を小さくすることが可能になる。

なお、更に詳細なβの値は、上記に示す範囲の中から、抵抗値（抵抗成分の影響）等を考慮して実機で調整するとよい。また、βの値は、放電時間ｔ_dと、液滴吐出ヘッド１００の有するヘッド固有の振動数との関係によって設定可能なので、液滴吐出ヘッド１００毎に最適なβの値を設定することができる。さらに、実施の形態では、静電駆動方式のアクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド１００を例に説明したが、静電駆動方式のアクチュエータを備えたものであればよい。

この実施の形態によれば、液滴吐出ヘッド１００の駆動時における放電時のピーク電流を、インク液滴１２の吐出に影響の無い範囲で最小とすることができる。これにより、多ノズル化した液滴吐出ヘッド１００や駆動周波数を高周波で駆動した場合においても、ドライバＩＣ等の駆動回路を有する電力供給手段５０に流れるピーク電流を小さくすることが可能となる。したがって、ピーク電流による経時的な電力供給手段５０の破壊の発生を低減することが可能となる。また、安価な電力供給手段５０を選定することが可能となり、インクジェットプリンタ１５０全体に要するコストを低減できる。

実施の形態では、液滴吐出ヘッド１００が電極ガラス基板３０、キャビティ基板２０及びノズル基板１０の３つの基板が積層されて構成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。たとえば、リザーバ基板を追加して４つの基板が積層されて構成される４層構造の液滴吐出ヘッドについても適用することができる。また、液滴吐出ヘッド１００は、ノズル基板１０の上面に設けたノズル孔１１からインク液滴１２を吐出させるフェイスエジェクトタイプである場合を例に説明したが、インク液滴１２を基板の端部に設けたノズル孔から吐出させるエッジエジェクトタイプでもよい。

さらに、実施の形態では、液体をインクとしてプリント紙１１０に吐出するようにしている場合を例に説明したが、液滴吐出ヘッド１００をディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いてもよい。この場合では、ＤＮＡ（ＤｅｏｘｙｒｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸）や、ＲＮＡ（ＲｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄ：リボ核酸）、ＰＮＡ（ＰｅｐｔｉｄｅＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：ペプチド核酸）等のタンパク質プローブを含む液体を吐出させるようにするとよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。

実施の形態に係る静電駆動方式の液滴吐出ヘッドを備えたインクジェットプリンタを示す概略構成図である。液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図である。インクジェットプリンタの制御系を示す概略ブロック図である。ドライバＩＣ及びＣＯＭ発生回路の内部構成の一例を示す概略ブロック図である。駆動パルス発生回路で生成される駆動電圧パルス波形を説明するための説明図である。放電時間と液滴吐出ヘッドの固有振動数との関係を変化させたときの放電時電流の波形を示す説明図である。 βの値とピーク電流との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０ノズル基板、１１ノズル孔、１２インク液滴、２０キャビティ基板、２１吐出室（圧力室）、２２振動板、２３リザーバ、２４オリフィス、２７共通電極端子、３０電極ガラス基板、３１個別電極、３２ガラス溝、４０封止材、５０電力供給手段、６０制御部、６１ＣＰＵ、６２ＲＯＭ、６３ＲＡＭ、６４キャラクタジェネレータ、６５内部バス、６６論理ゲートアレイ、６７駆動パルス発生回路、６８ＣＯＭ発生回路、７０外部装置、７１バス、７５コネクタ、８０電源回路、８１シフトレジスタ、８２ラッチ回路、８３反転回路、８４レベルシフタ、８５ＳＥＧドライバ、８６ＣＯＭ発生回路、８７ＣＯＭドライバ、１００液滴吐出ヘッド、１１０駆動制御装置、１５０インクジェットプリンタ、１５１記録紙、１５２プラテン、１５３キャリッジ、１５４インクタンク、１５５ノズルキャップ、１５６インクポンプ、１５７廃インク回収部。

Claims

所定間隔で対向配置されている個別電極と振動板との間に、台形状の駆動波形を有する駆動電圧パルスを印加し、これらの電極間に発生する静電気力によって前記振動板を駆動させることにより液体圧力変動を発生させ、この液体圧力変動を利用して液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、
前記駆動電圧パルスの放電時間の設定値を変更可能にしている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
前記放電時間を、前記駆動電圧パルスの印加時間よりも長く設定する
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。
前記放電時間を、該放電時間と前記液滴吐出ヘッドが有する固有振動数との関係に基づいて設定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
前記放電時間と前記固有振動数との関係をβ＝放電時間／固有振動数で表し、
このβの値が、０．１５より大きく、０．３５より小さい範囲となるように該放電時間を設定する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法を用いた
ことを特徴とする液滴吐出装置の駆動方法。