JP2008168532A - 液体吐出方法および液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によらず、液滴の微細化を達成し得る適切かつ液体吐出ヘッドの駆動を実現する。
【解決手段】単に駆動波形を選択したり、あるいは液低吐出ヘッドの固有周期に基いて液体吐出ヘッドの駆動条件を定めるのではなく、液体吐出を行わせるための圧力を発生する個別液室の容積の増減、ないしは、その増減に直接関わる容積制御手段の変位の時間推移に基いて液体吐出ヘッドの駆動条件を定める。
【選択図】図６

Description

本発明は、液体吐出方法および液体吐出装置に関し、特に液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し、容積の増減によって吐出口から液体を吐出させる個別液室とを有する液体吐出ヘッドを用いるものである。そして本発明は、紙，布，皮革，不織布，ＯＨＰ用プラスチックフィルム等の記録媒体に記録を行う機器だけでなく、基板，板材，固体物等に液体を付着させることでパターニングや加工を行う装置、さらには塗装装置等にも適用可能なものである。

液体吐出ヘッドとして、個別液室に液体と接する振動板を備え、電圧の印加に応じて変形する圧電素子により振動板を変位させることで、個別液室の容積を増減させて、インクを吐出させるものがある。かかる構成の液体吐出ヘッドから吐出される液体は、柱状に伸びた後に途中で分離され、これにより分離した液滴が記録媒体などの受容体に到達する。

液体吐出ヘッド、例えば記録剤としてのインクを吐出する液体吐出ヘッドにおいては、記録の高精細化を図る上で液滴を微細化することが重要な課題となっている。また、吐出口の小径化によって吐出液滴の微細化を図る場合には、目詰まりが発生しやすくなるので、例えば特許文献１においては、吐出口を小径化することなくインク滴を微細化する（１ｐｌ台の微小液滴を吐出する）技術が開示されている。

この特許文献１には肝心の吐出口寸法が明記されていないが、同一出願人および同一発明者になる特許文献２にも同一の表１が記載されており、特許文献２に記載されている数値から、特許文献１で用いている吐出口径は２０μｍと推定される。なお、特許文献２には、あたかも吐出口径１０μｍ〜３５μｍのノズルから１ｐｌ台の小液滴が吐出できるかのように記載されているが、本発明者らが検討したところ、吐出口径３０μｍの場合には３ｐｌ台の大きい液滴を吐出できるのみであった。

かかる特許文献１および特許文献２においては、微細なインク滴の吐出を行うためにアクチュエータ（圧電素子）に投入する駆動波形を、そのアクチュエータの固有周期に基いて規定するものとなっている。そして、そのアクチュエータの固有周期の算出方法として特許文献３に開示の技術を挙げている。

しかしながら、特許文献３に開示の方法は、電気回路のヘルムホルツ周期を算出するにはともかく、液体を含むインクジェットヘッドの固有周期算出に適用するのには疑問がある。なぜなら、ヘッドの構造（形状特徴や寸法など）および液体の物性（粘性など）を表す恣意的なパラメータを固有周期算出に導入するからである。そして、これらのパラメータを適用する上での統一的な基準もない。このように、固有周期算出方法は考慮すべきパラメータから理論的に独立していないので、ある特定の場合での固有周期算出方法が、形状の違うすべてのインクジェットヘッドに対して正確な固有周期を計算する保証はない。また、特許文献１および特許文献２には、計算精度を確認した測定に関する記述もないが、そもそも確認する測定方法があれば上記のような計算の必要性がない。つまり特許文献１および特許文献２に開示の技術は、固有周期の計算対象としたインクジェットヘッドにしか適用できないものである。

一方、特許文献４には、吐出速度のピーク間の時間を固有周期と評価するとした測定装置に関する技術が開示されている。この際圧電素子に投入される駆動電圧波形としては台形型のものが採用されている。

しかし駆動電圧波形が台形波形でなければならない理由はないし、ＪＩＳその他の工業規格により定められたものでもない。そこで本発明者らは、個別液室の容積を増大させた後に減少させて液滴を吐出させる矩形波を用い、容積を増大させる電位変化を投入した時刻と、容積を減少させる電位変化を投入する時刻との差の時間を種々変更することで、吐出速度の変化を整理した。ここで本発明者らは、いわゆるベンダー型の圧電素子を用いた液体吐出ヘッドにステップ状の電圧を加え、圧電膜の上に形成されている電極表面（制御手段表面）の変位をレーザー・ドップラー方式により測定し、鋭意検討を重ねた。圧電膜層および電極層ともに薄い構成を取っている場合、電極表面の面外変位はほぼ等しく振動板の面外変位を示していると解釈でき、電極表面の面外変位の時間推移によって液体を含めたピエゾヘッドの全体系の振動周期が観察できると考えられる。

その結果、レーザー・ドップラー方式による圧電素子の電極の面外変位の時間推移から評価される振動の周期と、特許文献４開示の方法のように吐出速度のピーク間の時間から評価される周期とがほぼ一致することを確認した（但し特許文献４では台形波が使用されている）。

次に、レーザー・ドップラー方式による圧電素子の電極の面外変位の時間推移から評価される周期に普遍性があるか否かの検討を行った。すなわち、個別液室の容積を増大させる電位変化の傾きを種々変えて、電極の面外変位の時間推移から評価される周期を整理した。

図９はこの際の種々の電位変化の説明図であり、Ｖ_ＨからＶ_Ｌまでの電位変化において、ａ、ｂおよびｃの電位変化（傾きがこの順で小さくなる）が示されている。図１０（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、電位変化ａ、ｂおよびｃに対する圧電素子の電極の初期位置からの面外変位の応答曲線を示している。これらの図から明らかなように、電位変化の傾きを緩やかにするにつれて電極の面外変位の時間推移から評価される周期ｔ_Ｈが長くなることが確認された（ｔ_Ｈｃ＞ｔ_Ｈｂ＞ｔ_Ｈａ）。つまり、投入する電圧波形の形状によって、評価される周期ｔ_Ｈは変化してしまうことが確認されたのである。

特開２００１−２４６７４６号公報 特開２００２−１９１０５号公報 米国特許第４，６９７，１９３号明細書 特開２００３−２０２２６１号公報 特開平１０−１９３５８７号公報

以上のとおり、本発明者らは、特許文献１および特許文献２に開示されるような、固有周期に基いて規定した駆動電圧波形の投入によって達成される液滴微細化は限定された条件下でのみ有効なものに過ぎず、普遍的な解決方法とはなり得ないことを認識した。

また、レーザー・ドップラー方式による電極の面外変位の時間推移から系の固有周期を評価する方法も、特許文献４に示された方法も、世界的に統一された規格で定めた波形を、規格統一された方法にて評価するものでない限り、誰が測定しても同じ結果を得ることにはならない。上記各特許文献でそれぞれに記載される多義的な「固有周期」が存在しているのが現状であり、従って本発明者らは、吐出液滴の微細化を達成する駆動波形決定の基準に固有周期を導入すること自体がそもそも不適当であるという考えに至った。

よって本発明は、普遍的な指針に基づき、吐出液滴の微細化を有効に達成し得る液体吐出ヘッドの駆動を実現することを目的とする。ここで、液体吐出ヘッドは、記録装置だけでなくパターニング装置や塗布装置など様々な分野に応用され、様々な物性の液体や様々なヘッド構造が用いられることが考えられる。従って、適切かつ普遍的な液体吐出ヘッドの駆動制御の指針を与え、応用分野を拡大する上でも、本発明は好ましいものである。

そのために、本発明は、吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、振動板と、を具え、前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、前記電極に信号を入力して該圧電膜を変形させることで、前記振動板を変位させて、前記吐出口から液体を吐出して、該液体を媒体に到達させる液体吐出装置であって、
前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される振動板面に垂直な方向における変位の時間推移おいて、当該変位の時間推移で最も早く出現する第１極大部δ_Ｕ１と、２番目に出現する第２極大部δ_Ｕ２
との関係が、
δ_Ｕ１×１．２≧δ_Ｕ２≧δ_Ｕ１×０．９
となるように制御する手段を有することを特徴とする。

また、本発明は、吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、振動板と、を具え、前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、該圧電膜を変形させることで、前記振動板を変位させて、前記吐出口から液体を吐出して、該液体を媒体に到達させる液体吐出方法であって、
前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される振動板面に垂直な方向における変位の時間推移おいて、当該変位の時間推移で最も早く出現する第１極大部δ_Ｕ１と、２番目に出現する第２極大部δ_Ｕ２
との関係が、
δ_Ｕ１×１．２≧δ_Ｕ２≧δ_Ｕ１×０．９
であることを特徴とする。

本発明によれば、個別液室の容積の増減に基づいて液滴微細化の駆動条件が定められる。これによって、室内に現に存在する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によらず、吐出液滴の微細化を有効に達成することができるようになる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

１．本発明の基本概念
本発明者らは、上述した様々な実験および検討を通じ、吐出口の小径化を伴うことなく吐出液滴の微細化を有効に達成するための普遍的な指針を定めるにあたっては、固有周期ではなく、他の視点をもってより汎用的なメカニズムを論じるべきであると考察した。

ここで、個別液室の容積の増減を生じさせる機械的な駆動源である圧電素子には、投入電圧と変位量とがほぼ線形に動作する範囲が存在しているが、まず本発明者らは、既存の液体吐出方法はこの性質を前提として成立していることに着目した。

しかるに、特許文献５には、その図３に関して、駆動電圧をゼロに戻しても、機械的な駆動源であるアクチュエータの変位がゼロにならないことが示されている。また、同じくその図４には、アクチュエータの変位は、電圧の絶対値が大きい、先行するパルス状駆動波形付加時よりも、電圧の絶対値が小さい、後続のステップ状駆動波形電圧付加時の方が大きくなることが示されている。

つまり圧電素子においては、電圧が静的に印加されている状態や、時間軸に対してある程度ゆっくりと電圧を変化させたときには、印加電圧に対し変位量がほぼ線形となる。しかし液体を吐出させるために、数十μｓ程度の時間幅内で変化する駆動電圧波形が投入される場合には、その波形と変位量との間に相似性がないことを特許文献５は教示している。

以上のように、圧電膜の変形やたわみを利用した液体吐出ヘッドでは、必ずしも電圧変化とアクチュエータないしは振動板の変位がそのまま一致するわけではない。また、電圧を一定に保持していてもそれまでの電圧変化の仕方によって振動板に変位が発生することもある。従って、駆動波形決定の基準に固有周期を導入すること自体がそもそも不適であるし、またそのように決定された駆動波形にて、吐出液滴の微細化を達成する直接的かつ汎用的な条件や因果関係を求めることは困難であり、かつ不十分であることがわかる。

液体の運動は、駆動波形の投入に伴う個別液室の容積の増減により生じる。しかし駆動波形の入力に対する容積の増減の応答特性は、室内に現に存在する液体の物性や、ヘッド構造などの諸条件によって異なってくる。従って、限定された条件下での固有周期に基いて駆動波形を規定しても、液体の吐出性能（吐出量および吐出速度など）や液体の挙動（液柱の発生、液滴の分離および吐出口付近のメニスカスの状態など）を制御する普遍的な解決方法とはなり得ないのである。

これに対し、個別液室の容積が初期容積よりも増大する動作をしているときには、吐出口付近の液体は必ず内方に引き込まれ、個別液室の容積が初期容積よりも減少する動作をしているときは吐出口付近の液体は必ず外方に押し出される。

そこで本発明者らは、吐出性能や液体挙動を制御する指標としては、固有周期ではなく、個別液室の容積の増減の推移に着目すべきであると考えるに至った。そして、
・個別液室の容積を初期容積から増大させ、減少させ、再度増大させ、再度減少させて初期容積に戻すよう変化させることで液体吐出を行わせること、および、
・この過程に応じた初期容積からの容積の変化曲線において、最初に現れる第１極大値、２番目に現れる第２極大値、およびこれらの極大値間にある極小値の関係を好ましく規定すること、
によって、所期の目的を達成するものである。

ここで、個別液室の容積の増減は、該室内に配置される振動板の変位によって生じ、振動板はアクチュエータ５の変形もしくは撓みに応動する。従って、具体的には、振動板４に接合するアクチュエータ５すなわち圧電膜層およびその上に配置される電極が十分に薄ければ、電極の変位の時間推移を、個別液室の容積の増減により好ましい吐出性能および液体挙動を得るための指標とすることができる。

なお、以下の実施形態では、個別液室の容積をまず増大させ、減少させ、再度増大させ、再度減少させるようアクチュエータを駆動することで液滴を吐出させるようにしている。ここで、「増大」とは、駆動開始前の個別液室の初期容積から容積が増大するよう変化させることを言い、「減少」とは、増大している個別液室の容積が初期容積に向けて変化するようにすることを言うものとする。

２．液体吐出装置およびヘッドの実施形態
図１は、本発明が適用可能な液体吐出装置の一例として、インクジェット記録装置形態のものを示す概略斜視図である。液体吐出装置に挿入された記録媒体Ｐは、送りローラ１０７，１０８；１０９，１１０によって液体吐出ヘッドユニット１００の記録可能領域へ搬送される。液体吐出ヘッドユニット１００は、ガイド軸１０２によって、その延在方向（主走査方向）に沿って移動可能に支持されている。そして、モータ１０３の駆動によってプーリ１０５，１０６に架けられたベルト１０４が移動し、液体吐出ヘッドユニット１００が記録領域を往復走査する。液体吐出ヘッドユニット１００の走査方向（Ａ方向）が主走査方向であり、記録媒体Ｐの搬送方向（Ｂ方向）が副走査方向となる。

液体吐出ヘッドユニット１００には、複数色のインク液滴を吐出するため液体吐出ヘッド１０３と、それぞれの液体吐出ヘッド１０３にインクを供給するためのインクタンク１０１が搭載されている。この例の液体吐出装置における複数色のインクは、ブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色である。各色の位置は特に限定されるものではなく、また、用いる色調（色および濃度）の種類およびその数についても限定されるものではない。

また、本例の場合、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色インク（Ｂｋ，Ｃ，Ｍ，Ｙ）のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。液体吐出ヘッドユニット１００には、Ｂｋ，Ｃ，Ｍ，Ｙの各色液滴を吐出する液体吐出ヘッドの群と、Ｂｋ用インクタンク１０１Ｂ、Ｃ用インクタンク１０１Ｃ、Ｍ用インクタンク１０１Ｍ、Ｙ用インクタンク１０１Ｙが搭載される。各インクタンクは対応する液体吐出ヘッドと接続され、その液体吐出ヘッドの吐出口に連通する個別液室内にインクを供給する。この例以外にも、例えば、各色用のインクタンクと液体吐出ヘッドとが分離不能に一体となった構造としてもよい。また、液体吐出ヘッドユニットには液体吐出ヘッドのみを搭載し、装置の固定部位に設けたインクタンクから可撓性チューブ等を介してインクが供給されるものでもよい。

液体吐出ヘッドユニット１００が移動可能な主走査領域の一端（図では右端）の下部には、回復系ユニット１１２が配備されている。回復系ユニット１１２は、液体吐出ヘッドの吐出口形成面をキャッピングし、非記録動作時などにおいてはその保護を行ったり、あるいは吸引回復を行ったりするためのキャップや、吐出口形成面を払拭するワイパブレードなどを有したものとすることができる。

図２および図３は本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構成例であり、それぞれ、吐出口形成面側から見た模式的正面図およびそのＣ−Ｃ線断面図を示している。

この例の液体吐出ヘッドは、インクを吐出する複数の吐出口２が設けられたオリフィスプレート１と、各吐出口に対応する個別液室３の複数およびこれらに共通に連通してインクを供給する共通液室１１を画成する壁部が配置された基体６とを有する。個別液室３は、連通路７を介して吐出口２に連通している。

個別液室３の側面の一部には変位可能な振動板４が設けられ、この振動板４に対して、個別液室の容積制御手段である圧電膜および電極を含むアクチュエータ５が配置されている。そのアクチュエータ５に、記録情報に対応して駆動電圧信号を印加することにより振動板４を変位させ、個別液室３の容積を変化させることで、吐出口２から液滴を吐出させることが可能である。アクチュエータ５は、これに印加される駆動電圧が下降する場合には個別液室の容積を増大させるよう、また駆動電圧が上昇する場合に個別液室の容積を減少させるよう、それぞれ厚み方向に変形するものとする。すなわち、本実施形態では、アクチュエータである圧電膜の変形を利用し、これに固定される振動板の、その面外方向の変位によって個別液室の容積の増減を行わせる形態の液体吐出ヘッドを用いている。

本発明が好適に実施されるヘッドの個別液室の長さは２０００μｍ以上１２０００μｍ以下、吐出口直径は２０μm以上５０μｍ以下である。また、アクチュエータ５（上電極、圧電膜、下電極）、および振動板４はこれら自体の変形を容易にするために、それぞれ、１０μｍ以下の厚みとすることが好ましい。より好ましくは、振動板が３μm以上６μm以下であり、振動板とアクチュエータとをあわせても１０μm以下の薄膜形状がよい。このような薄膜形状のアクチュエータであれば、個別液室の容積の増減を示す指標となる、振動板の変位の時間推移δ（ｔ）を、アクチュエータ５の表面（上電極位置）の変位（面外変位）で近似・代用する事ができる。この変位は、振動板が形成されている面（振動板面）に対して垂直な方向の変位を指し、例えばレーザー・ドップラー速度計によって測定することができる。このようなヘッドを用い、図５に示す個別液室の容積変化が生じるよう、圧電膜の変形、つまり撓みに応動する振動板の変位を行なうことで、液体吐出が好適に行なわれる。

図４はアクチュエータ５の駆動部の構成例を示す。アクチュエータ５は電力を供給するための電極配線を介して駆動回路５１に接続されている。駆動回路５１は、記録情報に対応する駆動データ（吐出の有無を定めるためのデータ）に応じ、駆動波形設定部５３に規定される駆動波形にて、アクチュエータ５を作動させることができる。

駆動波形設定部５３は、好ましい液体の挙動を生じさせる個別液室の容積増減の時間推移（振動板の面外変位の時間推移）が生じるような駆動波形を設定する。

３．実施例
以下、本発明の規定に従う液体吐出ヘッドの駆動態様および効果について、具体的な実施例および比較例を説明する。

３．１ 実施例１
まず、図２および図３に示す液体吐出ヘッドを作製した。ここで、吐出口は直径３０μｍの丸穴とし、個別液室３の長さ（図３の横方向寸法）は６０００μｍ、幅（図３の図面直交方向の寸法）は１００μｍとした。また、アクチュエータ５の厚みは３μｍ、振動板４の厚みは６μｍである。

なお、上記液体吐出ヘッドは、アクチュエータである圧電膜の変形を利用し、これに固定される振動板の、その面に垂直な方向の変位（面外変位）によって個別液室の容積の増減を行わせる形態のものである。かかる形態のヘッドでは、振動板４が変形することで排除する／流動させる液体の体積量（制御液体量Ｖ_ＣＯＮ）は、個別液室の長さと、個別液室の幅と、振動板変位の時間推移δ（ｔ）とにより定まる。そして、これらの３つの積に、制御液体量Ｖ_ＣＯＮは概ね比例する。従って、個別液室の長さが半分となって幅が２倍となった構成などにおいても同様の効果が得られる。

次に、上記液体吐出ヘッドに液体を供給して吐出動作を行った。ここでは、液体として、密度１．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３，粘性３．３×１０^−３Ｐａ・ｓ，表面張力３．３×１０^−２Ｎ／ｍのシアンインクを用いた。

ここで、まず吐出口径が３０μｍと大きいため、メニスカスが静定している状態から単に個別液室の容積を減少させて吐出動作を行わせても、２８ｐｌ以上の大きな液滴しか吐出できない。そこで、このように口径が大きい吐出口から１ｐｌ台の小液滴吐出を実現するために、細い液柱を形成するようにした。

図５（ａ）〜（ｂ）はその具体的な方法の説明図である。まずメニスカスを一旦引き込ませてから（図５（ａ））、メニスカスの中心底部に圧力を付加してこの部分に隆起部が形成されるようにした（図５（ｂ））。これは、個別液室の容積を初期容積から増大させるプロセス（以下、第１膨張プロセスという）を実行してから、減少させるプロセス（以下、第１収縮プロセスという）を実行すればよい。つまり、図５（ｂ）の状態は、第１膨張プロセスによっておよそ放物曲面状に引き込まれたメニスカスに対して個別液室側から加圧を行えば実現できる。当該加圧に応じ、必然的にメニスカスの中心底部に高圧部が発生してこの部分のみを隆起できるからである。飛行するロケットの先端部に最も高圧部が形成されるのと同じ理由である。

この第１収縮プロセスの後には、個別液室の容積を再度増大させるプロセス（以下、第２膨張プロセスという）と、さらに個別液室の容積を再度減少させて初期容積に戻すプロセス（以下、第２収縮プロセスという）とを実行する。これらによって、生成させる細い液柱のサイズ（太さ、長さ）の制御と、液柱サイズ（長さ）のリサイズ（短化および分断（液滴分離））制御との２段階制御が行われ、より広範かつ確実に微細化された液滴吐出を実現できる（図５（ｃ））。すなわち、第２膨張プロセスでは、液柱は慣性によって吐出方向に前進する一方、メニスカス外縁部の前進は一時的に抑制され、これによりメニスカス外縁部までもが吐出されることを防止し、第１収縮プロセスと相俟って所望サイズの液柱を形成できるからである。

なお、特許文献１には、個別液室を必ずしも減圧側にする必要はない旨の記載があるが、より広範かつ確実な吐出量制御を実現するためには、本実施例のような積極的に個別液室の容積を増大させる第１膨張プロセスは有用である。また、特許文献１には、慣性力によって液柱先端部の一部が分断されることに依存する方法が記載されているが、これでは温度変化によってインクの物性が変化した場合等には吐出量が簡単に変動してしまうことになる。

本実施例において、容積制御手段の表面（圧電素子の電極）の面外変位量の時間推移δ（ｔ）を、好ましい吐出性能および液体挙動を得るための指標とする。

図６は圧電素子の電極の面外変位量の時間推移をレーザー・ドップラー方式の変位測定装置にて測定した線図である。ここで、測定位置は、個別液室幅方向中央かつ長手方向中央とした。この面外変位は、個別液室の容積の第１膨張プロセス、第１収縮プロセス、第２膨張プロセスおよび第２収縮プロセスを生じさせるものである。

本実施例では、測定された変位量の時間推移δ（ｔ）において、時間軸上最も早く出現する第１極大部δ_Ｕ１と、２番目に早く出現する第２極大部δ_Ｕ２
と、これら極大部間に存在する極小部δ_Ｌ１との関係が、
δ_Ｕ１＝δ_Ｕ２ かつ δ_Ｌ１＝δ_Ｕ１×０．８５
となる条件で吐出動作を行わせた。

この動作で吐出される液滴を画像ピクセル幅が０．７５μｍなる分解能の画面に表示し、そこから液滴直径を求め、これをもとに吐出量を計算したところ、０．９ｐｌであった。また、このときのδ_Ｕ１となった時刻とδ_Ｕ２となった時刻との差ｔ_ｐ−ｐは２μｓであった（図１）。これに対してこの時刻差が１μｓの場合には、アクチュエータ５の動作によって吐出口付近のメニスカスを有効に制御できず、不安定な吐出となった。

図７は、図６のような面外変位の時間推移を得るために印加した駆動電圧の波形である。これは基本的に次の波形部分からなっている。すなわち、
・個別液室の容積を増大させるべく初期電圧Ｅ_０から第１電圧Ｅ_１まで変化する波形部分Ｌ_１、
・第１電圧Ｅ_１に保持する波形部分Ｌ_２、
・増大した個別液室の容積を減少させるべく第１電圧Ｅ_１から第２電圧Ｅ_２まで変化する波形部分Ｌ_３、
・第２電圧Ｅ２に保持する波形部分Ｌ_４、
・個別液室の容積を増大させるべく第２電圧Ｅ_２から第１電圧Ｅ_１まで変化する波形部分Ｌ_５、
・第１電圧Ｅ_１に保持する波形部分Ｌ_６、
・個別液室の容積を初期容積に戻すべく第１電圧Ｅ_１から初期電圧Ｅ_０まで変化する波形部分Ｌ_７、および
・初期電圧Ｅ_０に保持する波形部分Ｌ_８、
である。なお、波形部分Ｌ_２とＬ_６とは異なる電圧レベルを保持するものであっても構わないし、また波形部分Ｌ_４とＬ_８とは同一電圧レベルであっても、Ｌ_４＞Ｌ_８であっても構わない。

かかる駆動電圧波形を投入することで、微小液滴すなわち吐出口の等価円直径より小さい直径を持つ主滴の吐出が可能となる。本実施例では、微小液滴の吐出のためにかかる駆動電圧波形を用いているが、ここで注意すべきことは、始めに波形の設定があるのでもなければ、固有周期に基く駆動波形の設定があるのでもない。あくまでも、吐出液滴を微細化する上で普遍的な基準となる個別液室の容積増減、より具体的にはこれと強く相関のある容積制御手段表面（圧電素子の電極表面）の面外変位量の時間推移が生じるように、駆動波形が選択され、設定されることである。
すなわち、図７に示すような基本波形に対し、電圧や各波形部分の傾きおよび形状などを、好ましい吐出性能や液体の挙動に照らして適宜定めることができる。

３．２ 実施例２
実施例２においては、ｔ_ｐ−ｐを５μｓとなる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、１．８ｐｌであった。

３．３ 比較例１
比較例１においては、ｔ_ｐ−ｐを６μｓとなる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、２．４ｐｌであった。

３．３ 実施例３
実施例３においては、
δ_Ｕ２＝δ_Ｕ１×１．２
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、０．６ｐｌであった。これは、第２膨張行程において個別液室の容積を大きく増大させることにより、液柱サイズ（長さ）のリサイズ（短化および液柱分断）制御の効果が大きくなり、これにって吐出量をさらに減少させることができたものと考えられる。

３．４ 比較例２
比較例２においては、
δ_Ｕ２＝δ_Ｕ１×１．２５
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、実施例３と同じ０．６ｐｌであった。しかし、実施例３と比較して、第２膨張行程において個別液室の容積をさらに大きく増大させたことにより、その後の残留振動が長い間継続し、駆動周波数の低下を招いた。

３．５ 実施例４
実施例４においては、
δ_Ｕ２＝δ_Ｕ１×０．９
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、１．８ｐｌであった。これは、第２膨張行程において個別液室の容積を増大させることによる液柱サイズ（長さ）のリサイズ（短化および液柱分断）制御の効果が小さくなったために吐出量が増加したと考える。

これに関連して、δ_Ｕ２＜δ_Ｕ１×０．９となる場合について実験を行ったところ、吐出量が増えてしまい、１ｐｌ台に収められないことが確認された。

３．６ 比較例３
比較例３においては、
δ_Ｕ１＝δ_Ｕ２ かつ δ_Ｌ１＝δ_Ｕ１×０．９
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、３．９ｐｌであった。これは、上記２段階制御による効果が減殺され、充分細い液柱が形成されなかったことによるものと考えられる。すなわち、δ_Ｌ１とδ_Ｕ１との差が小さくなったため単一の膨張プロセスと単一の収縮プロセスとの２工程からなる吐出形態のようになって、吐出量が３ｐｌ台にまで増加したものと思われる。

３．６ 実施例５
実施例５においては、
δ_Ｕ１＝δ_Ｕ２ かつ δ_Ｌ１＝δ_Ｕ１×０．７
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、０．９ｐｌであった。

３．７ 実施例６
実施例６においては、
δ_Ｕ１＝δ_Ｕ２ かつ δ_Ｌ１＝δ_Ｕ１×０．５
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。そして実施例１と同様にして吐出量を計算したところ、１．３ｐｌであった。

３．８ 比較例４
比較例４においては、
δ_Ｕ１＝δ_Ｕ２ かつ δ_Ｌ１＝δ_Ｕ１×０．４
となる条件で吐出させた。他の条件は実施例１と同じである。液柱は細いものが形成されたが、これが長くなり過ぎ、主滴以外にサテライトと称される副次的な液滴が液柱から多数分離して、画質不良を起こした。

３．９ 比較例５
比較例５においては、第１膨張プロセスに要する時間を短縮する目的で、当該プロセスに関与する駆動電圧波形部分の傾きを実施例１に比べて急峻にした。

図３はこのときの圧電素子の電極の面外変位量の時間推移をレーザー・ドップラー方式の変位測定装置にて測定した線図である。同図に示すように、測定されたδ（ｔ）には段差Ｓｔが観測され、吐出状態は実施例１に比べて安定しなくなった。これは、第１膨張プロセスが円滑に行なわれないために、その後の各プロセスに悪影響を与えたためと考えられる。

以上の実施例および比較例を通じ、圧電素子の電極の面外変位の時間推移δ（ｔ）において、時間軸上最も早く出現する第１極大部δ_Ｕ１と、２番目に早く出現する第２極大部δ_Ｕ２
との関係が、
δ_Ｕ１×１．２≧δ_Ｕ２≧δ_Ｕ１×０．９
を満たせば小液滴の好ましい吐出動作を行うことができることが確認された。

また、第１極大部δ_Ｕ１と第２極大部δ_Ｕ２との時間差が２μｓ以上５μｓであれば好ましく、さらに、両極大部間に存在する極小部δ_Ｌ１と第１極大部δ_Ｕ１との関係において、
δ_Ｕ１×０．８５≧δ_Ｌ１≧δ_Ｕ１×０．５
を満たせばより好ましいことが確認された。

４．その他
上例ではインクジェット記録装置形態の液体吐出装置およびヘッドに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、記録装置だけでなくパターニング装置や塗布装置など様々な液体吐出装置に好ましく適用可能である。装置に応じて様々な物性の液体や様々なヘッド構造が用いられることに対して、吐出口を小径化せずに吐出液滴の微細化を達成し得る適切かつ普遍的な液体吐出ヘッドの駆動制御の指針を与えることができるからである。

本発明が適用可能な液体吐出装置の一例として、インクジェット記録装置形態のものを示す概略斜視図である。 本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構成例であり、吐出口形成面側から見た模式的正面図を示している。 本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構成例であり、図２のＣ−Ｃ線断面図を示している。 アクチュエータ（圧電素子）の駆動部の構成例を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は実施例１における液体吐出状態の説明図である。 実施例１における圧電素子の電極の面外変位量の時間推移を示す線図である。 図６のような面外変位量の時間推移を得るために印加した駆動電圧の基本的な波形の例を示す図である。 比較例における圧電素子の電極の面外変位量の時間推移を示す線図である。 圧電素子の電極の面外変位から評価される液体吐出ヘッドの固有周期に普遍性があるか否かを検討するために、個別液室の容積を増大させる電位変化の傾きを変えた状態を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図９に示す傾きの違いによる面外変位の応答曲線の違いを説明するための説明図である。

符号の説明

２ 吐出口
３ 個別液室
４ 振動板
５ 容積制御手段（アクチュエータ）

Claims (5)

1. 吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、振動板と、を具え、前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、前記電極に信号を入力して該圧電膜を変形させることで、前記振動板を変位させて、前記吐出口から液体を吐出して、該液体を媒体に到達させる液体吐出装置であって、
   前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される振動板面に垂直な方向における変位の時間推移おいて、当該変位の時間推移で最も早く出現する第１極大部δ_Ｕ１と、２番目に出現する第２極大部δ_Ｕ２
   との関係が、
   δ_Ｕ１×１．２≧δ_Ｕ２≧δ_Ｕ１×０．９
   となるように制御する手段を有することを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記第１極大部δ_Ｕ１と前記第２極大部δ_Ｕ２との時間差が２μｓ以上５μｓあることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 第１極大部δ_Ｕ１と第２極大部δ_Ｕ２との間に存在する極小部δ_Ｌ１と前記第１極大部δ_Ｕ１との関係が、
   δ_Ｕ１×０．８５≧δ_Ｌ１≧δ_Ｕ１×０．５
   あることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 前記第１極大部δ_Ｕ１が出現するまでの前記変位の時間推移において段差が生じないように制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液体吐出装置。
5. 吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室の容積の増減を行なう容積制御手段と、振動板と、を具え、前記容積制御手段は圧電膜と電極とを含み、該圧電膜を変形させることで、前記振動板を変位させて、前記吐出口から液体を吐出して、該液体を媒体に到達させる液体吐出方法であって、
   前記容積制御手段の、該容積制御手段が形成される振動板面に垂直な方向における変位の時間推移おいて、当該変位の時間推移で最も早く出現する第１極大部δ_Ｕ１と、２番目に出現する第２極大部δ_Ｕ２
   との関係が、
   δ_Ｕ１×１．２≧δ_Ｕ２≧δ_Ｕ１×０．９
   であることを特徴とする液体吐出方法。

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