JP2014210357A - 液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッドの駆動方法及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動信号の周波数を変化させても液滴の吐出速度のばらつきが少ない液体噴射ヘッド１を提供する。
【解決手段】駆動信号として与える単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させたときに、液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とし、更にパルス幅を増加させたときに液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂（＞Ｗ₁）として、一周期の最後に与える駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが次式（１）を満たし、一周期に含まれる複数の駆動パルスのオフ間隔Ｗ₀が次式（２）を満たす。
（Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【選択図】図３

Description

本発明は、被記録媒体に液滴を噴射して記録する液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッドの駆動方法及び液体噴射装置に関する。

近年、記録紙等にインク滴を吐出して文字や図形を記録する、或いは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜を形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、インクや液体材料などの液体を液体タンクから供給管を介して圧力室に導き、圧力室に充填される液体に圧力を印加して圧力室に連通するノズルから液体を吐出する。液体の吐出の際には、液体噴射ヘッドや被記録媒体を移動させて文字や図形を記録する、或いは所定形状の機能性薄膜を形成する。

特許文献１には、被記録媒体に階調表現を記録する液体噴射装置が記載される。階調表現は、１ドット（画素）の記録を複数の液滴を吐出して合体させ、液量を変化させて行う。例えば１ドットを３から４滴の液体を合体させて構成する大玉、２滴の液体を合体させて構成する中玉、１滴の液体から構成する標準、等のサイズの異なるドットを形成する。そして、１滴の液体は１駆動周期に１つのメインパルスＰｍを圧力室に印加して吐出させ、２滴の液体は、１駆動周期にメインパルスＰｍと同じでパルス間隔がＴｗの２つのパルスを圧力室に印加して吐出させる。大玉を構成する際の複数滴の液体は、１駆動周期にメインパルスＰｍと同じパルス幅Ｔｐを有し、同じパルス間隔Ｔｗの複数のパルスを圧力室に印加して吐出させる。なお、メインパルスＰｍのパルス幅Ｔｐ及び複数パルスのパルス間隔Ｔｗは圧力波が圧力室を片道伝搬する時間ＡＬにより決められ、例えば、１．１ＡＬ≦Ｔｐ≦１．５ＡＬ、３．５ＡＬ≦Ｔｗ≦４．５ＡＬとしている。この片道伝搬時間ＡＬは、液体流路の長さだけでなく、液体の粘性や流路を構成する各プレートの剛性などの影響を受ける。

特許文献２には、被記録媒体に階調表現を記録する他の液体噴射装置が記載される。図１１（特許文献２の図６）は駆動波形を表し、図１１（ａ）が１滴の液体を吐出する駆動波形であり、図１１（ｂ）が２滴の液体を吐出する駆動波形であり、図１１（ｃ）が３滴の液体を吐出する駆動波形を表し、図１１（ｄ）が３滴の液体を吐出する他の駆動波形を表す。図の横軸が時間を表し縦軸が駆動電圧を表す。圧力室は溝からなり、溝の側壁は圧電体からなる。この圧電体に駆動波形を印加することにより側壁が変形し圧力室の容積が増減する。パルス幅Ｔ１は、液滴の吐出速度を最大にする時間幅を表し、圧力室に充填される液体の共振周期により定まる。圧力室の側壁に電圧を印加して圧力室の容積を急激に増加させると、圧力室内の液体は負圧となって外部から液体が圧力室に取り込まれる。液体の圧力は共振周期により所定期間の経過後に反転し最大に達する。この圧力が最大になると同時に印加電圧を０ボルトに変化させて圧力室を収縮させる。この駆動方法により液滴を最大速度で吐出させることができる。従って、パルス幅Ｔ１は圧力室に充填される液体の共振周期の１／２に一致させている。

図１１に示されるすべての駆動波形において、最終駆動パルスをパルス幅Ｔ１と共通にし、最終駆動パルスとその前の初期駆動パルスの開始の時間間隔を２Ｔ１とし、同様にその前の初期駆動パルスの開始の時間間隔を等しく２Ｔ１とする。特許文献２においては、最終駆動パルスの前の初期駆動パルスのパルス幅Ｔ２、或いはその前の初期駆動パルスのパルス幅Ｔ３を最終駆動パルスと同じ時間幅Ｔ１とすると、１滴噴射する場合よりも２滴噴射するほうが吐出速度が大きく、２滴噴射するよりも３滴噴射するほうがさらに吐出速度が大きくなる。液体噴射ヘッドから液滴を吐出している間に被記録媒体は相対的に移動するので、液滴の吐出速度の相違は液滴が被記録媒体に着弾する位置が変動することを意味する。従って、液滴の数、即ち階調が変化しても液滴の速度は一定とする必要がある。

そこで、最終駆動パルスの前の初期駆動パルス或いはその前の初期駆動パルスのパルス幅Ｔ２、Ｔ３を最終駆動パルスのパルス幅Ｔ１よりも狭くして、１滴の吐出速度と２滴或いは３滴の吐出速度が等しくなるようにする。なお、図１１（ｄ）においては、最終駆動パルスの前の初期駆動パルス及びその前の初期駆動パルスのパルス幅Ｔ２ａ、Ｔ３ａをＴ１よりも長くして、吐出速度が等しくなる効果が得られることが記載されている。

特開２００７−７９５５号公報 特開２００８−２７２９５２号公報

液体噴射ヘッドは搭載する液体噴射装置の機種に応じて駆動周波数が異なる。そのため、階調表現を記録する液体噴射ヘッドに求められる性能として、駆動周波数が異なっても液滴の吐出速度が一定となることである。即ち、吐出速度の周波数依存性を全階調表現の記録において少なくすることである。

図１２は、従来公知の液体噴射ヘッドの駆動周波数と液滴の吐出速度との関係を表す図である。図１２（ａ）は駆動波形（イ）〜（ホ）の形状を表し、図１２（ｂ）は、駆動波形（イ）〜（ホ）について、駆動周波数を変化させたときの液滴の吐出速度の変化を表す。例えば、波形（イ）は、最終駆動パルスのパルス幅Ｗｚが７．６μｓであり、最終駆動パルスの前の初期駆動パルスのパルス幅Ｗｙが３．８μｓ（Ｗｙ＝Ｗｚ／２）であり、最終駆動パルスと初期駆動パルスのオフ期間の間隔Ｗ₀（以下、オフ期間Ｗ₀という。）が１１．４μｓである。なお、液体噴射ヘッドの共振周期は２Ｗｚ＝１５．２μｓであり、１滴の液体を吐出させるときに吐出速度が最大となる駆動パルスのパルス幅は７．６μｓであり、このパルス幅を最終駆動パルスのパルス幅Ｗｚとしている。

駆動波形（イ）〜（ホ）において、初期駆動パルスのパルス幅Ｗｙと、最終駆動パルスと初期駆動パルスの間のオフ期間Ｗ₀とを加えた（Ｗｙ＋Ｗ₀）＝１５．２μｓであり共振周期である２Ｗｚに固定され、最終駆動パルスはパルス幅Ｗｚ＝７．６μｓに固定されている。また、駆動電圧Ｖは、基準速度を５．０ｍ／ｓとしたときに、その吐出速度を得るための電圧である。波形（イ）から（ホ）では初期駆動パルスのパルス幅を次第に増加させている。なお、ここで示す基準速度５．０ｍ／ｓは連続的に吐出した際に、前周期パルスの最終パルス吐出の影響が次周期パルスでの吐出に影響がないほど時間経過した時に得られる吐出速度である。

図１２（ｂ）から容易に理解できるように、駆動周波数が５ｋＨｚ近傍ではどの駆動波形もねらい値である５．０ｍ／ｓのほぼ一定の吐出速度となっているが、駆動周波数１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚでは吐出速度が４．０ｍ／ｓを下回るようになり、駆動周波数１５ｋＨｚではどの駆動波形でも吐出速度が約４．０ｍ／ｓと低下し、駆動周波数１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚでもねらい値である５．０ｍ／ｓの吐出速度から離れている。

すなわち、最終駆動パルスのパルス幅Ｗｚを吐出速度が最大となるパルス幅に設定すると、初期駆動パルスのパルス幅Ｗｙを変化させても、駆動周波数に対する吐出速度のばらつきが改善されないことが理解できる。

本発明の液体噴射ヘッドは、駆動壁を含む壁により囲まれ液体が充填される圧力室と、前記圧力室に連通するノズルと、前記駆動壁に駆動信号を供給する駆動部とを備え、前記駆動信号の一周期に含まれる駆動パルスの数に応じて前記ノズルから吐出される液滴の吐出量が制御され、前記駆動信号として与える単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させたときに、前記液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とし、更にパルス幅を増加させたときに前記液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂（＞Ｗ₁）として、前記一周期の最後に与える駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが次式（１）を満たし、前記一周期に含まれ、前記駆動パルスＰｚの前に与える駆動パルスＰｙとの間のオフ期間の間隔Ｗ₀が次式（２）を満たすこととした。
（Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）

また、前記駆動パルスＰｙのパルス幅をＷｙとして次式（３）を満たすこととした。
Ｗｚ＝Ｗｙ・・・・・（３）

また、前記駆動パルスＰｙの前に与える駆動パルスＰｘのパルス幅をＷｘとして次式（３’）を満たすこととした。
Ｗｚ＝Ｗｙ＝Ｗｘ・・（３’）

また、前記駆動パルスＰｙの前に与えるパルスを駆動パルスＰｘとして、前記一周期に前記駆動パルスＰｚのみが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ₁と、前記一周期に前記駆動パルスＰｚ及び前記駆動パルスＰｙのみが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ₂と、前記一周期に、少なくとも前記駆動パルスＰｚ、前記駆動パルスＰｙ及び前記駆動パルスＰｘが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ₃として、Ｗｚ₁、Ｗｚ₂及びＷｚ₃はいずれも式（１）を満たし、かつ、次式（４）を満たすこととした。
Ｗｚ₁＜Ｗｚ₂＜Ｗｚ₃・・・（４）

また、前記駆動パルスＰｙの前に与える駆動パルスＰｘのパルス幅をＷｘとして、前記一周期に前記駆動パルスＰｚのみが含まれるときのパルス幅をＷｚ₁とし、前記一周期に前記駆動パルスＰｚ及び前記駆動パルスＰｙのみが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅をＷｚ₂とし、前記一周期に、少なくとも前記駆動パルスＰｚ、前記駆動パルスＰｙ及び前記駆動パルスＰｘが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅をＷｚ₃として、Ｗｚ₁、Ｗｚ₂及びＷｚ₃はいずれも式（１）を満たし、かつ、次式（５）、（６）及び（７）を満たすこととした。
Ｗｘ＝Ｗｙ・・・・・・・（５）
Ｗｚ₁＜Ｗｚ₂・・・・・・（６）
Ｗｚ₁＜Ｗｚ₃・・・・・・（７）

本発明の液体噴射ヘッドの駆動方法は、駆動壁を含む壁により囲まれ液体が充填される圧力室と、前記圧力室に連通するノズルと、前記駆動壁に駆動信号を供給する駆動部とを備え、前記駆動信号の一周期に含まれる駆動パルスの数に応じて前記ノズルから吐出される液滴の吐出量が制御され、前記駆動信号として与える単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させたときに、前記液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とし、更にパルス幅を増加させたときに前記液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂（＞Ｗ₁）として、前記駆動部は、前記駆動壁に、前記一周期の最後に与える駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが次式（１）を満たし、前記一周期に前記駆動パルスＰｚの前に与える駆動パルスＰｙとの間のオフ期間の間隔Ｗ₀が次式（２）を満たす駆動信号を供給することとした。
（Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）

本発明の液体噴射装置は、上記の液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備えることとした。

本発明の液体噴射ヘッドは、駆動壁を含む壁により囲まれ液体が充填される圧力室と、圧力室に連通するノズルと、駆動壁に駆動信号を供給する駆動部とを備え、駆動信号の一周期に含まれる駆動パルスの数に応じてノズルから吐出される液滴の吐出量が制御され、駆動信号として与える単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させたときに、液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とし、更にパルス幅を増加させたときに液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂（＞Ｗ₁）として、一周期の最後に与える駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが次式（１）を満たし、一周期に含まれる複数の駆動パルスのオフ期間Ｗ₀が次式（２）を満たす。
（Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
これにより、駆動周波数を変化させたときに液滴の吐出速度のばらつきを低減させることができる。

本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成を表す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドのヘッド部の駆動を説明するための模式図である。 本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの駆動波形の説明図である。 本発明に係る液体噴射ヘッドの特徴を説明するための図である。 本発明に係る液体噴射ヘッドの特徴を説明するための図である。 本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッドの一周期の駆動波形の説明図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの一周期の駆動波形を表す図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの一周期の駆動波形を表す図である。 本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッドのヘッド部の分解模式図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射装置の模式的な斜視図である。 従来公知の液体噴射装置に使用される駆動波形を表す図である。 従来公知の液体噴射ヘッドの駆動周波数と液滴の吐出速度との関係を表す図である。

（第一実施形態）
図１〜図５は本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド１を説明するための図である。図１は液体噴射ヘッド１の構成を表す模式図である。図２はヘッド部２の駆動を説明するための模式図である。図１に示すように、液体噴射ヘッド１は、液体を吐出するヘッド部２と、ヘッド部２の駆動壁５に駆動信号を供給する駆動部７とを備える。ヘッド部２は、駆動壁５を含む壁４により囲まれ液体が充填される圧力室３と、圧力室３に連通するノズル６を備える。

ヘッド部２の動作について、図２を用いて説明する。例えば、駆動壁５をＰＺＴセラミックス等からなる圧電体材料により形成し、電界方向に直交する方向に分極処理を施しておく。駆動壁５にはその上半分に駆動壁５を挟むように駆動電極８が形成される。駆動壁５を挟む２つの駆動電極８にスイッチＳをｏｎ側に倒して電圧を印加する。駆動壁５は圧力室３の容積を増加させる方向に厚みすべり変形し、圧力室３に液体が引き込まれる。次に、スイッチＳをｏｆｆ側に倒して駆動壁５を挟む２つの駆動電極８を短絡する。すると、駆動壁５は元の形状に戻り、圧力室３の液体が圧縮され、ノズル６から液滴が吐出される。

図３は本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの駆動波形の説明図である。図３（ａ）は、駆動信号として単一の駆動パルスを与えたときのパルス幅と液滴の吐出速度との間の関係を表す。横軸がパルス幅を表し、縦軸がノズル６から吐出される液滴の吐出速度を表す。図３（ａ）に示すように、単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させると液滴の吐出速度が次第に大きくなり、吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とする。更にパルス幅を増加させたときに液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂とする。パルス幅Ｗ₁は圧力室３に充填される液体の固有振動に基づく共振周期の１／２の期間と考えられ、パルス幅Ｗ₂は共振周期であると考えられる。従って、一般的にはＷ₂＝２Ｗ₁の関係を有する。固有周期は圧力室３の形状、液体の粘性、温度等により変化する。

図３（ｂ）は、本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド１の一周期の駆動波形の説明図である。図３（ｂ）の上段は、一周期の期間に駆動部７から駆動壁５に与える最後の駆動パルスを表し、下段は一周期の期間に駆動部７から駆動壁５に与える最後の駆動パルスとその前に与える駆動パルスの形状を表す。駆動パルスのパルス数を選択することにより、液体の吐出量を変化させ、階調表現を記録することができる。従って、一周期の期間に３以上のパルス数により諧調表現を記録することができる。図３（ｂ）では、これら複数パルスの内の最後に与える駆動パルスと、その前に与える駆動パルスを表している。

ここで、一周期の最後に与える駆動パルスをＰｚとし（以下、最終駆動パルスＰｚという。）、最終駆動パルスＰｚの前に与える駆動パルスをＰｙとする（以下、単に駆動パルスＰｙという。）。そして、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚは式（１）を満たし、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのオフ期間Ｗ₀は式（２）を満たす。
（Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
なお、式（１）及び式（２）は最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙの関係を規定し、一周期に２以上の複数パルスが存在する駆動波形の場合にも適用される。

式（１）の領域を図３（ａ）の斜線により表す。従って、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚは、圧力室３の共振周期の１／２と共振周期との間であり、最大吐出速度よりも遅くなるように設定されている。Ｗ₂＝２Ｗ₁とすれば、パルス幅ＷｚはＷ₁の１．２５倍〜１．７５倍の期間となる。駆動波形をこのように設定することにより、駆動信号の周波数を変化させたときに液滴の吐出速度のばらつきを低減させることができ、汎用性のある液体噴射ヘッド１を提供することができる。

図４及び図５を用いて本発明に係る液体噴射ヘッド１の特徴を説明する。図４（ａ）は駆動波形［１］〜［６］の形状を表す。図４（ｂ）は、駆動波形［１］〜［６］を用いたときの駆動周波数と液滴の吐出速度の関係を表し、実測値である。駆動波形［１］〜［５］は上記式（１）及び式（２）を満たし本発明の範囲に含まれ、駆動波形［６］はパルス幅Ｗｚが式（１）の上限を超えて本発明の範囲に含まれない。本実施形態において、ヘッド部２は、パルス幅を漸次増大させたときに液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅Ｗ₁が７．６μｓであり、液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅Ｗ₂は１５．２μｓである。

駆動波形［１］〜［５］は、最終駆動パルスＰｚのパルス幅をＷｚ＝１１．４μｓに固定し、駆動パルスＰｙのパルス幅Ｗｙと、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙの間のオフ期間Ｗ₀との合計（Ｗｙ＋Ｗ₀）をＷ₂＝１５．２μｓに固定する。そして、駆動波形［１］から［５］に従い、駆動パルスＰｙのパルス幅Ｗｙを次第に広くしている。また、各駆動波形［１］〜［６］のパルス電圧Ｖは、液滴の吐出速度が５．０ｍ／ｓとなる電圧である。なお、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ＝１１．４μｓは、図３においてＷ₂とＷ₁の中間の値である。

複数の液滴を吐出して階調表現の記録を行うためには、駆動パルスＰｙにより吐出される液滴と最終駆動パルスＰｚにより吐出される液滴とが結合する必要がある。駆動波形［１］〜［３］は、駆動パルスＰｙにより吐出される液滴に最終駆動パルスＰｚにより吐出される液滴が追い付かず、２つの液滴が結合することなく飛翔し、階調表現には適さない。これに対して、駆動波形［４］〜［６］により吐出される液滴は結合し、かつ、図４（ｂ）に示されるように、吐出速度のばらつきが全体として少なく、周波数依存による速度低下が顕著に改善される。駆動波形［６］は、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが、吐出速度が最初に最小となるパルス幅Ｗ₂に近く、吐出速度が遅くなる。そのため、駆動電圧を高くして吐出速度を早くするので駆動電圧が高くなり、駆動効率が低下する。

従来例においては、図１２（ｂ）に示されるように、駆動周波数が１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚで吐出速度が４．０ｍ／ｓ以下と低く、駆動周波数１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚでは吐出速度の駆動波形でもねらい値の５．０ｍ／ｓに達しない。これに対して本発明の範囲に含まれる駆動波形［４］及び［５］では、図４（ｂ）に示すように、駆動周波数１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚで吐出速度が４．０ｍ／ｓ以上となり、更に、駆動周波数１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚでは吐出速度が平均して５．０ｍ／ｓとなり、従来例よりも顕著に改善されることが理解できる。

図５（ａ）は各駆動波形［７］〜［１５］の形状を表す。図５（ｂ）は、駆動波形［７］〜［１５］を用いたときの駆動周波数と液滴の吐出速度の関係を表し、実測値である。駆動波形［７］〜［１５］はいずれも最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚと駆動パルスＰｙのパルス幅Ｗｙが等しい。また、駆動波形［７］〜［１１］は、最終駆動パルスＰｚのパルス幅がＷ₁以下であり、本発明の範囲に含まれない。駆動波形［１２］〜［１４］は上記式（１）及び式（２）を満たし、本発明の範囲に含まれる。駆動波形［１５］は上記式（１）の上限を超えて本発明の範囲に含まれない。その他、ヘッド部２の特性や、駆動パルスＰｙのパルス幅Ｗｙと、駆動パルスＰｙと最終駆動パルスＰｚの間のオフ期間の間隔Ｗ₀との合計（Ｗｙ＋Ｗ₀）をＷ₂＝１５．２μｓとすることは図４の場合と同様である。

駆動波形［７］〜［１１］は、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚの幅を２μｓ〜７．６μｓに変化させた場合である。図５（ｂ）に示すように、駆動波形［７］は吐出速度のばらつきが著しく大きく、駆動電圧も高いので採用できない。駆動波形［８］〜［１１］は、駆動周波数１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚで吐出速度が約４．０ｍ／ｓ又はそれ以下となり、駆動周波数１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの間でも吐出速度が５．０ｍ／ｓに達しない。つまり、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚを吐出速度が最大となるパルス幅Ｗ₁と同じ、又はパルス幅Ｗ₁よりも狭くすると、駆動周波数を変化させたときの吐出速度のばらつきが大きくなり、駆動周波数による速度低下が顕著に現れる。

これに対して、本発明の範囲に含まれる駆動波形［１２］〜［１５］は、駆動周波数５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲においていずれも吐出速度が約５．０ｍ／ｓであり、駆動波形［７］〜［１１］よりもばらつきが少ない。また、駆動波形［１５］は、駆動周波数に対する吐出速度のばらつきが最も少ないが、上記駆動波形［６］と同様に、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが、吐出速度が最初に最小となるパルス幅Ｗ₂に近く、吐出速度が遅くなる。そのため、駆動電圧を高くして吐出速度を早くするので駆動電圧が高くなる。なお、図４（ａ）及び図５（ａ）に示す駆動電圧Ｖは、前周期の駆動パルスの影響を受けない状態で、基準速度５．０ｍ／ｓを得るための電圧である。

以上のとおり、上記式（１）及び（２）を満たす駆動波形は、駆動部７からヘッド部２に与える駆動信号の周波数を変化させても吐出速度のばらつきが少なく、汎用性のある液体噴射ヘッド１を構成することができる。

（第二実施形態）
図６は、本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド１の一周期の駆動波形の説明図である。横軸が時間であり、縦軸が電圧である。すでに第一実施形態において説明したように、駆動パルスのパルス数を選択することにより、液体の吐出量を変化させ、諧調表現を記録することができる。従って、一周期の期間に２以上のパルス数により諧調表現を記録することができ、図６では、これら複数パルスの内の最後に与える３つのパルスを表している。即ち、パルス幅Ｗｚの最終駆動パルスＰｚの前に、パルス幅Ｗｙの駆動パルスＰｙが与えられる。更に、駆動パルスＰｙの前にパルス幅Ｗｘの駆動パルスＰｘが与えられる。そして、最終駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚは式（１）を満たし、かつ、各駆動パルスは次式（３）又は（３’）を満たす。
Ｗｚ＝Ｗｙ・・・・・・（３）
Ｗｚ＝Ｗｙ＝Ｗｘ・・・（３’）
なお、式（３）は２以上のパルスの内の最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙの関係を表し、一周期に３以上の複数パルスが存在する駆動波形の場合も含まれる。同様に、式（３’）は３以上のパルスの内の最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙと駆動パルスＰｘの関係を表し、一周期に４以上の複数パルスが存在する駆動波形の場合も含まれる。

図６に示す駆動波形においては、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙの間のオフ期間Ｗ₀、及び駆動パルスＰｙと駆動パルスＰｘの間のオフ期間Ｗ₀を、Ｗ₀＝（Ｗ₂−Ｗｙ）＝（Ｗ₂−Ｗｘ）とし、式（２）を満たす。つまり、各駆動パルスＰｚ、Ｐｙ、Ｐｘの開始のタイミングをヘッド部２の固有周期に一致させている。

図４及び図５に示すように、駆動波形［４］、［１２］〜［１４］はいずれも上式（３）を満たし、駆動周波数を変化させても液滴の吐出速度のばらつきが少ないことが明らかである。このように、式（１）〜（３）を満たす駆動波形は、駆動周波数が変化しても液滴の吐出速度のばらつきが極めて少なく、汎用性のある液体噴射ヘッド１を構成することができる。

（第三実施形態）
図７は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド１の一周期の駆動波形を表す図である。図７（ａ）は、一周期に最終駆動パルスＰｚのみが含まれる駆動波形を表す。図７（ｂ）は、一周期に、最終駆動パルスＰｚと、最終駆動パルスＰｚの前の駆動パルスＰｙのみが含まれる駆動波形を表す。図７（ｃ）は、一周期に、少なくとも最終駆動パルスＰｚと、最終駆動パルスＰｚの前の駆動パルスＰｙと、駆動パルスＰｙの前の駆動パルスＰｘとの３つのパルスが含まれる駆動波形を表す。各図において横軸が時間であり縦軸が電圧である。図７（ａ）が１滴の吐出に、（ｂ）が２滴の吐出に、（ｃ）が３滴又は３滴以上の吐出にそれぞれ対応する。

そして、一周期に最終駆動パルスＰｚのみが含まれるときの最終駆動パルスＰｚのパルス幅をパルス幅Ｗｚ₁、一周期に最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのみが含まれるときの最終駆動パルスＰｚのパルス幅をパルス幅Ｗｚ₂、一周期に、少なくとも最終駆動パルスＰｚ、駆動パルスＰｙ及び駆動パルスＰｘが含まれるときの最終駆動パルスＰｚのパルス幅をパルス幅Ｗｚ₃として、式（４）を満たす。
Ｗｚ₁＜Ｗｚ₂＜Ｗｚ₃・・・（４）

一般に、圧力室３に充填される液体に圧力波を発生させると、その圧力波により圧力室３内の液体に固有振動が誘起され、その共振周期で振動が残存する。上記第一及び第二実施形態においては、パルス幅Ｗ₂が共振周期に相当するものと考えられる。従って、特にパルス幅Ｗｙとオフ期間の間隔Ｗ₀との合計（Ｗｙ＋Ｗ₀）が共振周期となる設定の場合には、駆動パルスＰｙを印加した後に最終駆動パルスＰｚを印加すると、最終駆動パルスＰｚのみを印加して液滴を吐出する場合よりも液滴の吐出速度が大きくなる。更に、最終駆動パルスＰｚの前に駆動パルスＰｙを印加し、駆動パルスＰｙの前に駆動パルスＰｘを印加すると、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのみ印加する場合よりも、液滴の吐出速度が大きくなる。

そこで、最終駆動パルスＰｚのみを印加する場合のパルス幅Ｗｚ₁よりも、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのみを印加する場合のパルス幅Ｗｚ₂を広く設定して液滴の吐出速度を低下させる。同様に、少なくとも最終駆動パルスＰｚ、駆動パルスＰｙ及び駆動パルスＰｘを印加する場合のパルス幅Ｗｚ₃をパルス幅Ｗｚ₂よりも広く設定して液滴の吐出速度を低下させる。これにより、一周期内のパルス数を変化させても液滴の吐出速度が一定となるように設定することができる。なお、パルス幅Ｗｚ₁、Ｗｚ₂、Ｗｚ₃はいずれも式（１）を満たす範囲であり、オフ期間の間隔Ｗ₀は式（２）を満たす範囲である。一周期内のパルス数により最終駆動パルスＰｚによる液滴の吐出速度が最も大きく影響されるのは、（Ｗｙ＋Ｗ₀）や（Ｗｘ＋Ｗ₀）が共振周期に設定される場合であり、オフ期間の間隔Ｗ₀が式（１）の範囲内となる。

なお、図７（ａ）〜（ｃ）においては、理解を容易にするために、最終駆動パルスＰｚの始端のタイミングを一致させ、終端のタイミングをずらして記載したが、本発明は式（１）、式（２）、及び式（４）を満たす駆動波形であればよい。従って、各駆動波形において最終駆動パルスＰｚの始端のタイミングをずらしてもよいし、任意のタイミングとしてもよい。

（第四実施形態）
図８は、本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッド１の一周期の駆動波形を表す図である。図８（ａ）は、一周期に最終駆動パルスＰｚのみが含まれる駆動波形を表す。図８（ｂ）は、一周期に、最終駆動パルスＰｚと、最終駆動パルスＰｚの前の駆動パルスＰｙのみが含まれる駆動波形を表す。図８（ｃ）は、一周期に、少なくとも最終駆動パルスＰｚと、最終駆動パルスＰｚの前の駆動パルスＰｙと、駆動パルスＰｙの前の駆動パルスＰｘとの３つのパルスが含まれる駆動波形を表す。各図において横軸が時間であり縦軸が電圧である。図８（ａ）が１滴の吐出に、（ｂ）が２滴の吐出に、（ｃ）が３滴又は３滴以上の吐出にそれぞれ対応する。

一周期に最終駆動パルスＰｚのみが含まれるときの最終駆動パルスＰｚのパルス幅をパルス幅Ｗｚ₁、一周期に最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのみが含まれるときの最終駆動パルスＰｚのパルス幅をパルス幅Ｗｚ₂、一周期に、少なくとも最終駆動パルスＰｚ、駆動パルスＰｙ及び駆動パルスＰｘが含まれるときの最終駆動パルスＰｚのパルス幅をパルス幅Ｗｚ₃として、式（５）、（６）及び（７）を満たす。
Ｗｘ＝Ｗｙ・・・・・・・（５）
Ｗｚ₁＜Ｗｚ₂・・・・・・（６）
Ｗｚ₁＜Ｗｚ₃・・・・・・（７）

第三実施形態において既に説明したように、圧力室３に充填される液体に圧力波を発生させると液体に共振周期の振動が誘起されて残存し、共振周期で複数のパルスを印加するとパルス数が増加するにつれて液滴の吐出速度が大きくなる。本実施形態では、最終駆動パルスＰｚのみを印加する場合のパルス幅Ｗｚ₁よりも、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのみを印加する場合のパルス幅Ｗｚ₂を広く設定して液滴の吐出速度を低下させる。同様に、少なくとも最終駆動パルスＰｚ、駆動パルスＰｙ及び駆動パルスＰｘを印加する場合のパルス幅Ｗｚ₃をパルス幅Ｗｚ₁よりも広く設定して液滴の吐出速度を低下させる。

駆動パルスＰｘは最終駆動パルスＰｚとの間の時間間隔が駆動パルスＰｙよりも広いので、最終駆動パルスＰｚの吐出速度に与える影響が駆動パルスＰｙよりも少ない。そこで、最終駆動パルスＰｚと駆動パルスＰｙのみが存在するときのＷｚ₁に対するＷｚ₂の条件と、少なくとも最終駆動パルスＰｚ、駆動パルスＰｙ及び駆動パルスＰｘが存在するときのＷｚ₁に対するＷｚ₃の条件とを等しくした。更に、駆動パルスＰｙのパルス幅Ｗｙと駆動パルスＰｘのパルス幅Ｗｘを等しくする。これにより、一周期内のパルス数を変化させても液滴の吐出速度が一定となるように設定することができる。なお、パルス幅Ｗｚ₁、Ｗｚ₂、Ｗｚ₃はいずれも式（１）を満たす範囲であり、オフ期間の間隔Ｗ₀は式（２）を満たす範囲である。

このように、パルス幅Ｗｚ₂とパルス幅Ｗｚ₃との間に大小の制約を設けず、駆動パルスＰｙ及び駆動パルスＰｘのパルス幅を等しく設定することにより、第三実施形態よりも駆動波形の条件が簡素化され、駆動部７の負荷が緩和される。

（第五実施形態）
図９は、本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッド１のヘッド部２の分解模式図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。図９に示すように、ヘッド部２は、圧電プレート９と、圧電プレート９の上面ＵＳに接合されるカバープレート１０と、圧電プレート９の側面ＳＳに接合されるノズルプレート１１と、圧電プレート９のノズルプレート１１とは反対側の後方側の上面ＵＳに接着されるフレキシブル基板１２とを備える。圧電プレート９は、その上面ＵＳに交互に配列する吐出溝９ａとダミー溝９ｂを備える。吐出溝９ａとダミー溝９ｂは、一方側が側面ＳＳに開口し他方側は上面ＵＳにおいて終端する。吐出溝９ａとダミー溝９ｂは側壁９ｅにより分離される。側壁９ｅの両側面には上面ＵＳから溝の深さの略１／２まで駆動電極８が設置される。吐出溝９ａ側の側面に形成される駆動電極８は、圧電プレート９の後方側の上面ＵＳに形成されるコモン端子９ｃに電気的に接続する。ダミー溝９ｂ側の側面に形成される駆動電極８は、圧電プレート９の後方側の上面ＵＳに形成されるアクティブ端子９ｄに電気的に接続される。カバープレート１０は、スリット１０ｂを介して吐出溝９ａに液体を供給する液体供給室１０ａを備える。カバープレート１０は圧電プレート９の上面ＵＳに接合されて吐出溝９ａ及びダミー溝９ｂの上部開口を覆う。ノズルプレート１１は、複数のノズル６を備え、各ノズル６が各吐出溝９ａに連通して圧電プレート９の側面ＳＳに接合される。吐出溝９ａは、上部開口がカバープレート１０により覆われ、側面ＳＳの開口がノズルプレート１１により塞がれて、圧力室３を構成する。

圧電プレート９は圧電体セラミックス、例えばＰＺＴセラミックスが使用される。圧電プレート９は、上面ＵＳの垂直方向に予め分極処理が施される。液体は液体供給室１０ａに供給され、スリット１０ｂを介して各吐出溝９ａに供給される。図示しない駆動部７から第一〜第四実施形態において説明した駆動波形がフレキシブル基板１２を介してコモン端子９ｃとアクティブ端子９ｄに与えられる。すると、吐出溝９ａの両側壁９ｅが厚みすべり変形して内部に充填される液体に圧力波を誘起し、ノズル６から液滴が吐出される。なお、本発明において、ヘッド部２は図９に示す構造に限定されない。

（第六実施形態）
図１０は本発明の第六実施形態に係る液体噴射装置３０の模式的な斜視図である。液体噴射装置３０は、液体噴射ヘッド１、１’を往復移動させる移動機構４０と、液体噴射ヘッド１、１’に液体を供給し、液体噴射ヘッド１、１’から液体を排出する流路部３５、３５’と、流路部３５、３５’に連通する液体ポンプ３３、３３’及び液体タンク３４、３４’とを備えている。各液体噴射ヘッド１、１’は、液体噴射ヘッド１と、圧電プレートと、ノズルプレートと、流路部材とを備える。液体ポンプ３３、３３’として、流路部３５、３５’に液体を供給する供給ポンプとそれ以外に液体を排出する排出ポンプのいずれかもしくは両方を設置し、液体を循環させる。また、図示しない圧力センサーや流量センサーを設置し、液体の流量を制御することもある。液体噴射ヘッド１、１’は、第一〜第四実施形態において説明した駆動波形により駆動され、例えば第五実施形態において説明したヘッド部２を使用することができる。

液体噴射装置３０は、紙等の被記録媒体４４を主走査方向に搬送する一対の搬送手段４１、４２と、被記録媒体４４に液体を吐出する液体噴射ヘッド１、１’と、液体噴射ヘッド１、１’を載置するキャリッジユニット４３と、液体タンク３４、３４’に貯留した液体を流路部３５、３５’に押圧して供給する液体ポンプ３３、３３’と、液体噴射ヘッド１、１’を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構４０とを備えている。図示しない制御部は液体噴射ヘッド１、１’、移動機構４０、搬送手段４１、４２を制御して駆動する。

一対の搬送手段４１、４２は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに移転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体４４を主走査方向に搬送する。移動機構４０は、副走査方向に延びた一対のガイドレール３６、３７と、一対のガイドレール３６、３７に沿って摺動可能なキャリッジユニット４３と、キャリッジユニット４３を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト３８と、この無端ベルト３８を図示しないプーリを介して周回させるモータ３９とを備えている。

キャリッジユニット４３は、複数の液体噴射ヘッド１、１’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４種類の液滴を吐出する。液体タンク３４、３４’は対応する色の液体を貯留し、液体ポンプ３３、３３’、流路部３５、３５’を介して液体噴射ヘッド１、１’に供給する。各液体噴射ヘッド１、１’は駆動信号に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド１、１’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット４３を駆動するモータ３９の回転及び被記録媒体４４の搬送速度を制御することにより、被記録媒体４４上に任意のパターンを記録することできる。

なお、本実施形態は、移動機構４０がキャリッジユニット４３と被記録媒体４４を移動させて記録する液体噴射装置３０であるが、これに代えて、キャリッジユニットを固定し、移動機構が被記録媒体を２次元的に移動させて記録する液体噴射装置であってもよい。つまり、移動機構は液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させるものであればよい。

１ 液体噴射ヘッド
２ ヘッド部
３ 圧力室
４ 壁
５ 駆動壁
６ ノズル
７ 駆動部
８ 駆動電極
Ｐｚ 最終駆動パルス、Ｐｙ、Ｐｘ 駆動パルス
Ｗ₁ 吐出速度が最初に最大となるパルス幅
Ｗ₂ 吐出速度が最初に最小となるパルス幅
Ｗ₀ オフ期間

Claims (7)

1. 駆動壁を含む壁により囲まれ液体が充填される圧力室と、前記圧力室に連通するノズルと、前記駆動壁に駆動信号を供給する駆動部とを備え、前記駆動信号の一周期に含まれる駆動パルスの数に応じて前記ノズルから吐出される液滴の吐出量が制御され、
   前記駆動信号として与える単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させたときに、前記液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とし、更にパルス幅を増加させたときに前記液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂（＞Ｗ₁）として、
   前記一周期の最後に与える駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが次式（１）を満たし、前記一周期に含まれ、前記駆動パルスＰｚの前に与える駆動パルスＰｙとの間のオフ期間の間隔Ｗ₀が次式（２）を満たす液体噴射ヘッド。
   （Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
   ０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
2. 前記駆動パルスＰｙのパルス幅をＷｙとして次式（３）を満たす請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
   Ｗｚ＝Ｗｙ・・・・・（３）
3. 前記駆動パルスＰｙの前に与える駆動パルスＰｘのパルス幅をＷｘとして次式（３’）を満たす請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
   Ｗｚ＝Ｗｙ＝Ｗｘ・・（３’）
4. 前記駆動パルスＰｙの前に与えるパルスを駆動パルスＰｘとして、
   前記一周期に前記駆動パルスＰｚのみが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ₁と、
   前記一周期に前記駆動パルスＰｚ及び前記駆動パルスＰｙのみが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ₂と、
   前記一周期に、少なくとも前記駆動パルスＰｚ、前記駆動パルスＰｙ及び前記駆動パルスＰｘが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚ₃として、Ｗｚ₁、Ｗｚ₂及びＷｚ₃はいずれも式（１）を満たし、かつ、次式（４）を満たす請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
   Ｗｚ₁＜Ｗｚ₂＜Ｗｚ₃・・・（４）
5. 前記駆動パルスＰｙの前に与える駆動パルスＰｘのパルス幅をＷｘとして、
   前記一周期に前記駆動パルスＰｚのみが含まれるときのパルス幅をＷｚ₁とし、
   前記一周期に前記駆動パルスＰｚ及び前記駆動パルスＰｙのみが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅をＷｚ₂とし、
   前記一周期に、少なくとも前記駆動パルスＰｚ、前記駆動パルスＰｙ及び前記駆動パルスＰｘが含まれるときの前記駆動パルスＰｚのパルス幅をＷｚ₃として、Ｗｚ₁、Ｗｚ₂及びＷｚ₃はいずれも式（１）を満たし、かつ、次式（５）、（６）及び（７）を満たす請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
   Ｗｘ＝Ｗｙ・・・・・・・（５）
   Ｗｚ₁＜Ｗｚ₂・・・・・・（６）
   Ｗｚ₁＜Ｗｚ₃・・・・・・（７）
6. 駆動壁を含む壁により囲まれ液体が充填される圧力室と、前記圧力室に連通するノズルと、前記駆動壁に駆動信号を供給する駆動部とを備え、前記駆動信号の一周期に含まれる駆動パルスの数に応じて前記ノズルから吐出される液滴の吐出量が制御され、
   前記駆動信号として与える単一の駆動パルスのパルス幅を漸次増加させたときに、前記液滴の吐出速度が最初に最大となるパルス幅をＷ₁とし、更にパルス幅を増加させたときに前記液滴の吐出速度が最初に最小となるパルス幅をＷ₂（＞Ｗ₁）として、
   前記駆動部は、前記駆動壁に、前記一周期の最後に与える駆動パルスＰｚのパルス幅Ｗｚが次式（１）を満たし、前記一周期に前記駆動パルスＰｚの前に与える駆動パルスＰｙとの間のオフ期間の間隔Ｗ₀が次式（２）を満たす駆動信号を供給する液体噴射ヘッドの駆動方法。
   （Ｗ₂＋３Ｗ₁）／４≦Ｗｚ≦（３Ｗ₂＋Ｗ₁）／４・・・（１）
   ０＜Ｗ₀＜Ｗ₂・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
7. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドと、
   前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、
   前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、
   前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える液体噴射装置。

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