JP4261846B2 - 液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷だけでなく、カラーフィルタ、薄膜トランジスタ、発光素子、ＤＮＡ素子などの作製にも用いることができる液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
液体吐出装置は、印刷物の作製だけでなく、カラーフィルタ、薄膜トランジスタ、発光素子、DNA素子などの作製におけるパターニング工程にも用いられるようになってきている。
このような、産業用のパターニング方法としては、フォトリソ工程が広く採用されている。しかし、フォトリソ工程は工程数が多くしかも装置コストが莫大であるとともに材料の使用効率が極めて低い。また、オフセット印刷は精度の点で産業用のパターニング技術としては用途が限定されている。
【０００３】
そこで、液体吐出ヘッドを用いたパターニング方法は、インクジェット方法とも呼ばれ、脚光を浴びるようになってきた。インクジェット方法はパターニング個所に直接描画するため材料の使用効率が極めて高いとともに工程数も少なくて済むので、ランニングコストの安さを持ち合わせた有望なパターニング技術である。
【０００４】
インクジェットの方式としては特公昭５３−１２１３８号公報に記載されているカイザー型、あるいは特公昭６１−５９９１４号公報（米国特許第５,７５４,１９４号明細書）に開示されているサーマルジェット型が広く知られている。
また、特開昭６３−２４７０５１号公報（米国特許第４,８７９,５６８号明細書）には圧電セラミックスを利用したせん断モード型のインクジェット方法が記載されている。
【０００５】
図９に示すように、せん断モード型の圧力発生素子を備えたインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）５００は、底壁５０１、天壁５０２及びそのせん断モードアクチュエータ壁５０３からなる。そのアクチュエータ壁５０３は、底壁５０１に接着され、且つ矢印５１１方向に分極された下部壁５０７と、天壁５０２に接着され、且つ矢印５０９方向に分極された上部壁５０５とからなっている。隣接する２個のアクチュエータ壁５０３は一対となって、そのインク流路（圧力作用部）５０６を形成している。さらに、インク流路の間にはインクが存在しない空隙部分からなる空気室５０８が形成されている。
【０００６】
各インク流路５０６の一端には、ノズル５１０を有するオリフィスプレート５１２が接着されて、各アクチュエータ壁５０３の両側面には電極５１３、５１４が金属化層として設けられている。具体的にはインク流路５０６側のアクチュエータ壁には電極５１４が設けられ、空気室５０８側のアクチュエータ壁には電極５１３が設けられている。空気室５０８に面している電極５１３はアクチュエータ駆動信号を与える制御回路５２０に接続され、インク流路５０６内に設けられている電極５１４はアースに接続されている。
【０００７】
各空気室５０８の電極５１４に制御回路５２０が電圧を印加することによって、各アクチュエータ壁５０３がインク流路５０６の容積を増加する方向にせん断ひずみ変形を起こす。例えば、図１０に示すように空気室５０８の電極５１３に駆動電圧が印加されると、アクチュエータ壁５０５、５０７にそれぞれ分極方向と直交する矢印方向に電界が発生し、アクチュエータ壁５０５、５０７がインク流路５０６の容積を増加する方向にせん断ひずみ変形を起こす。このときノズル５１０付近を含むインク流路内の圧力が減少し、インク供給側のインク共通流路（不図示）からインクが供給される。
【０００８】
このとき、インク流路内の流体力学的共振周波数をＦｒとし、その逆数をＴｒ（＝１／Ｆｒ）としたとき、電圧印加時間をＴｒ／２とすることにより元々せん断ひずみとして得られる変形量（非共振）に比べて系の共振を利用するために変形量を増大することが可能となる。流体力学的共振周波数Ｆｒは、周知のインピーダンス測定器を用いた電気的測定によって求めることができる。図１１は、インピーダンス測定器による測定データ（インピーダンスの周波数依存性）と流体力学的共振周波数Ｆｒとの関係を示している。
【０００９】
電圧印加時間Ｔｒ／２後に空気室５０８の電極５１３に印加されている電圧を０Ｖに戻す。すると、アクチュエータ５０５、５０７が変形前の（真っ直ぐな）状態よりもさらにインク流路が縮まるように変形し、インクに圧力が加えられる。これにより、インクがノズル方向に流れを生じインク液滴がノズルから噴射される。
【００１０】
従来、この種のインク噴射装置では、前記インク流路の形状や駆動電圧等により、噴射されるインク液滴の体積が決まる。そのため目的とするインク液滴を得るために、インク流路の形状及び駆動電圧が決定される。しかし、産業用の描画装置としてインクジェットを利用することを考えると、インクジェットの性能としてはより高精細化が求められてきているとともにその描画時間の短縮が望まれている。描画時間の短縮に関しては、描画にかかるパルス数をできるだけ少なくする必要がある。高精細化に関しては、インク流路のピッチを狭くすることにより、高精細化が可能となる。インク流路のピッチを狭くするということは加工上の制約からインク流路の体積を変形させる圧電セラミックスであるＰＺＴ（ジルコン酸−チタン酸鉛）の壁の厚さを狭くしさらにインク流路の深さも浅くする必要がある。そのため、駆動電圧の制約も発生することとなってしまう。結局、高精細化用ヘッドはＰＺＴの変形体積量が小さくなってしまうために、１ドット当たりの吐出量が小さくなってしまう。
【００１１】
一方、特公平３−３０５０６号公報（米国特許第４,５６３,６８９号）には、主パルスが印加される前に、ノズル内のメニスカスの先端位置を決めるための付加パルスを印加することで、インク液滴の体積を制御することが記載されている。これによれば、付加パルスを印加することによりインク液滴の体積をやや増加させることが可能であるが十分な体積増加は困難である。
【００１２】
また、特開２０００−２８０４６３公報には、主噴射（第２噴射）パルスが印加される前に、付加噴射（第１噴射）パルスとして主噴射パルスのパルス幅Ｔに対し０．３０Ｔ〜１．１０Ｔの幅を有するパルスを設けることによるインク体積の増加を試みが記載されている。この方式によれば、１ドットを形成するにあたり２個の液滴を吐出させることにより、最大でインク液滴の体積は１．５程度まで増加させることが可能となる。しかし、これ以上の吐出量増加は困難である。
【００１３】
さらに、吐出量の増加を試みる手段として、特公平６−５５５１３号公報（米国特許第５,２０２,６５９号明細書）には、共振周波数を利用して連続して噴射した複数のインク液滴を空中で合体させ、インク液滴の体積を制御することが提案されている。これによれば十分な体積増加が望まれる。しかし、産業用のインクジェットではその着弾精度を上げるためにノズルと描画基体との距離を極端に短くする場合に、複数の液滴が空中で合体せず、個々に基体に着弾してしまう。つまり、１ドットの描画に対して着弾の時間のずれが発生して、着弾状態が真円状にならず着弾精度不良が発生してしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、液滴の体積を増加させ且つヘッドノズルと描画基体との距離が短い場合であっても高精度に着弾させることが可能な液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置を提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、産業用パターニング装置としても好適に用いることができる液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の骨子は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と、前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための、液体吐出ヘッドの駆動方法において、１ドットの吐出命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する工程を含み、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積よりも大きく、且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の別の骨子は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と、前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための、液体吐出ヘッドの駆動装置において、１ドットの吐出命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する駆動回路を有し、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積よりも大きく、且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の更に別の骨子は、液体を吐出するための吐出口と該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドと、１ドットの描画命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する駆動回路と、前記液体を受容するための液体受容部材を支持する支持体と、前記液体吐出ヘッドと前記支持体とを相対的に位置決めする手段と、を有し、前記駆動回路においては、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積より大きく、且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められ、前記位置決め手段は、前記第１の液体と前記第２の液体とが合体して前記液体受容部材に付与されるように、前記液体吐出ヘッドと前記支持体とを位置決めすることを特徴とする。
【００１８】
これらの発明によれば、第１及び第２の液滴が短い吐出距離内で合体するので、合体された大きな液滴を、液体受容部材等に高精度に着弾させることができる。
【００２０】
本発明においては、前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記式
Ｋ１２＝ｋ３×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ３≦１．１
を満たすとよい。こうすれば、第１の液滴に比べて、第２の液滴の体積を若干小さくしつつその吐出速度を速めることができるので、短い吐出距離内で２つの液滴を合体させることができる。
【００２１】
そして、これらの発明においては、前記第２の吐出パルスに続いて液体を吐出しない非吐出パルスを印加し、このとき、前記非吐出パルスのパルス幅をＴ３、前記第２の吐出パルスと前記非吐出パルスとの間の休止時間をＫ２３としたときに、下記式
Ｔ３＝ｋ４×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ４≦０．５
Ｋ２３＝ｋ５×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ５≦１．１
を全て満たすことが好ましい。
この場合、従来より大きくなりがちな液滴吐出後の振動を早く抑えることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１、図２は本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドの駆動方法を説明するための図である。本発明においても、液体吐出ヘッドとしては、図９、図１０に示したものと同じ構成のヘッドを用いることができる。
図１のａ）は、液体を吐出するための吐出口と該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と前記圧力を発生する圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための駆動信号（１ドットの吐出命令）を示している。図１のｂ）は、上記液体吐出ヘッドの圧力発生素子の振動状態を示しており、図中正（＋）方向が圧力作用部の容積が定常状態より増大する方向の変位に対応し、負（−）方向が圧力作用部の容積が定常状態より減少する方向の変位に対応している。図２は、図１の駆動波形の時間軸に対応させた吐出液の状態を示す。
【００２７】
時刻ｔ0において、駆動パルス（第１の吐出パルスVA）が立ち上がり電圧Vopとなると、圧力発生素子がせん断ひずみ変形を起こし始め、圧力作用部の容積が増大し、そこに液体が上流から導入される。時刻ｔ1において、駆動パルスが立ち下がると、圧力発生素子のせん断ひずみ変形は解除されるので、圧力発生素子の変形を元に戻そうとする力により圧力作用部の容積が小さくなり、中の液体が加圧され始める。こうして、後には、振動によって、時刻ｔ0の時よりも圧力作用部の容積は小さくなり、液体は加圧され、吐出口から吐出される。すなわち、時刻ｔ2において、再び駆動パルス（第２の吐出パルスVB）が立ち上がる頃に、吐出された液体は大きな液滴２２となる。その後、第２の吐出パルスVBによって、圧力作用部は再び拡がる。時刻ｔ3において、第２の吐出パルスVBが立ち下がる時には、圧力発生素子の振動振幅が最大となる。そして、再び圧力作用部は収縮し、第２の液滴２３となる液体の吐出を始める。すなわち、時刻ｔ4の頃には吐出された液体は第２の液滴２３となり吐出口から離れる。第２の液滴２３は時刻ｔ3の時の振動振幅が大きいために、第１の液滴２２よりも早い速度で吐出される。
【００２８】
以上要するに、１ドットの吐出命令に対し２つの吐出パルスにより２つの液滴が噴射される。その際、第１の吐出パルスにより吐出される第１の液滴２２の吐出速度は第２の吐出パルスにより吐出される第２の液滴２３の吐出速度よりも１５％〜２０％程度遅くすることができる。このため、吐出口と描画基体（液体受容部材）との間の距離が５００μｍ以下のように短い距離であっても、第１の液滴２２が液体受容部材に着弾する前に、第２の液滴２３と空中で合体し大きな液滴２４となる。しかも、第１の液滴２２の体積は第２の液滴２３と同じか或いは若干小さい程度の大きさとなる。
よって、１ドットの吐出命令に対し第１又は第２の吐出パルスのみで駆動した場合に比べて、１ドットの吐出命令に対して第１及び第２の吐出パルスで駆動した場合には、１．８〜２．０倍の体積を持つ液滴を同一ドットとして着弾させることが可能となる。尚、各液滴の体積は、図２のように、平面に液滴を投影し、液滴を円又は楕円で近似して求めることができる。
【００２９】
また、本発明実施の形態においては、第２の吐出パルスに続いて非吐出パルスである第３のパルスを時刻ｔ５付近で印加することも好ましいものである。これにより、吐出後、圧力作用部内の液体の振動を効果的に減少し、比較的粘度の低いインクの高周波数での噴射も可能となる。
【００３０】
上述した液滴の形成を可能にするためには、駆動パルス列を以下のように設定するとよい。Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒ、前記第１の吐出パルスのパルス幅をＴ１、前記第２の吐出パルスのパルス幅をＴ２、前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記３つの式
Ｔ１＞Ｔｒ
Ｔ2＝Ｔ１／Ｎ
Ｋ12＝３Ｔ１／２Ｎ−Ｔ２／２
を満たすことが好ましい。
【００３１】
より好ましくは、前記第２の吐出パルスに続いて液体を吐出しない非吐出パルスを印加し、このとき、前記非吐出パルスのパルス幅をＴ３、前記第２の吐出パルスと前記非吐出パルスとの間の休止時間をＫ２３としたとき、
Ｔ３＜Ｔｒ／２
Ｋ２３＝３Ｔ１／Ｎ−Ｔ２／２−Ｔ３／２
を全て満たすことが好ましい。
ここでは、流体力学的共振周波数に基づいて、Ｔ１をＴｒ／２のＮ倍とすることが好ましいものである。
図１では、N＝３の例を挙げたが、N＝５、７、９・・・でもよい。
【００３２】
以下、図３、図４を例に挙げて、本発明の好適な液体吐出ヘッドの駆動方法について、より詳しく説明する。
図３のａ）、ｂ）はパルス幅Ｔｒ／２の吐出パルスVA’のみを印加した時の圧力発生素子の振動の様子を示している。周期Ｔｒにて、振幅を減少させながら振動を繰り返し、振動ゼロに収束していく。この周期Ｔｒは実際には圧力発生素子のみならず、吐出口の形状や大きさ、圧力作用部の形状や大きさ、ヘッド内にある液体の体積や密度などに基づいて決まる液体吐出ヘッドの流体力学的共振周波数Ｆｒによって決まる。つまり、Ｔｒ＝1／Ｆｒである。特に多数の液体吐出ヘッドを集合させた液体吐出ヘッド集合体の場合には、各吐出口、つまり各ヘッド毎にＦｒがばらつくこともある。この流体力学的共振周波数Ｆｒは、圧力発生素子に周知のインピーダンス測定器を接続して、そのインピーダンスの周波数依存性から求めることができる（図１１参照）。
【００３３】
このような特性をもつ液体吐出ヘッドに対して、N＝３として、パルス幅T１＝N×Ｔｒ／２の吐出パルスVAを印加すると、図３のｃ）、ｄ）に示すような振動が得られる。Nを３以上の奇数とすれば、共振を利用して、効率よく液滴を吐出することができる。
図３のｃ）と同じ第１の吐出パルスVAを引加した後、続いて、第２の吐出パルスを印加する場合には、図３のｅ）に示すようなタイミングにする。第２の吐出パルスVBのパルス幅T２としては、吐出効率のよいパルス幅Ｔｒ／２を選択する。第２の吐出パルスVBの印加タイミングとしては、液体を加圧する方向に圧力発生素子が変位してから逆方向に変位する期間において、その速度が最も速くなる時とする。つまり、その時とは、時刻ｔ１から時間M１２が経過した時刻となる。この時間M１２はＴｒ／２の３／２倍の期間である。よって、時刻ｔ1〜時刻ｔ２までの期間（休止期間）はＫ12＝３Ｔ１／２Ｎ−Ｔ２／２、換言すれば、Ｋ12＝３Ｔｒ／４−Ｔ２／２となる。
【００３４】
こうすると、時刻ｔ３における最大振幅により、第２の液滴は第１の液滴より早い速度で吐出され、その体積もほぼ同じような値になる。
そして、液体吐出ヘッド集合体を駆動する場合には、製造ばらつきなどにより、正確には各ヘッド毎に、流体力学的共振周波数Ｆｒが異なることが多い。これに対応して、ヘッド毎に、各パルス幅と休止期間を最適化しようとすると、駆動回路が複雑になってしまう。液体吐出ヘッド集合体の特性ばらつきを考慮すると、上述した作用が得られる範囲内の条件として、最適値の０．９倍〜１．１倍くらいの許容度（ｋ1，ｋ2，ｋ3）をもつ範囲内に、各パルス幅と休止期間を設定すればよい。こうして、選択範囲として、
Ｔ1＝ｋ1×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ1≦１．１
Ｔ2＝ｋ2×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ2≦１．１
Ｋ12＝ｋ3×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ3≦１．１
を定める。
【００３５】
図４は、図３のｅ）に示した駆動信号に非吐出パルスを付加した時の液体吐出ヘッドの圧力発生素子の振動状態を示している。
パルスVBの中間タイミング、即ち立ち上がり時刻ｔ2と立ち下がり時刻ｔ3との中間時点から期間M23が経過した時刻ｔ5に非吐出パルスVCを印加する。M23＝３×Ｔｒ／２であることが好ましい。
図３のｄ）やｆ）に示したとおり、時刻ｔ5においては、圧力発生素子により圧力作用部内の容積が膨張から収縮に向かう時期、即ち液体と吐出口から押し出そうとする力が加わる時期であって、且つ、理論的にはその速度が最も速い時刻である。したがって、この時刻ｔ5付近において、逆向きの力を圧力発生素子に加えれば、圧力発生素子の振動は抑制され、液体を吐出させようとする力はより一層弱まる。
特に、図３のｅ）、ｆ）の場合には、吐出パルスVBにより、第２の液滴２３の吐出後の振動が増幅されるので、図４のｇ）、ｈ）に示すように非吐出パルスを印加することが有効である。
【００３６】
第２の吐出パルスVBに続いて印加される非吐出パルスVCのパルス幅をＴ３とすると、Ｔ３＜Ｔｒ／２、より好ましくは、Ｔ３≦０．５×Ｔｒ／２であり、特に、複数の吐出口を有する液体吐出ヘッド集合体の場合には、Ｔ３＝ｋ4×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ4≦０．５、とすることが好ましいものである。ここでｋ4は許容度を意味する。
第２の吐出パルスＶＢの立下り時刻ｔ３から非吐出パルスＶＣの立ち上がり時刻までの間、即ち第２の吐出パルスＶＢと非吐出パルスＶＣとの間の休止時間をＫ２３とすると、
Ｋ２３＝３Ｔ１／Ｎ−Ｔ２／２−Ｔ３／２
とすることが好ましい。
より好ましくは、M23から第２の吐出パルスのパルス幅の半分と、非吐出パルスのパルス幅の半分を引いた値、即ち、Ｋ２３＝３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２を基にして、
Ｋ２３＝ｋ5×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ5≦１．１
とすることが好ましいものである。
【００３７】
（液体吐出ヘッド）
本発明に用いられる液体吐出ヘッドとしては、電気信号の印加に応じて、少なくとも一部分が変位して、圧力作用部に導入された液体に圧力を加えることができる圧力発生素子が設けられ、該圧力作用部に連通する吐出口を有する構成が好ましく用いられる。とりわけ、一極性の電圧の印加により変位して液体を減圧し、その電圧の解除とともに変位が戻り液体を吐出させる圧力を生じさせる圧電素子アクチュエータが好ましく用いられる。
【００３８】
その一例を図９を参照して説明する。本発明に用いられる液体吐出ヘッド（インクジェットヘッドの一例は、図９に示したものと同様に、底壁５０１、天壁５０２及びその間のせん断モードアクチュエータ壁（圧力発生素子）５０３からなる。そのアクチュエータ壁５０３は、底壁５０１に接着され、且つ矢印５１１方向に分極された下部壁５０７と、天壁５０２に接着され、且つ矢印５０９方向に分極された上部壁５０５とからなっている。隣接する２個のアクチュエータ壁は一対となって、そのインク流路（圧力作用部）５０６を形成している。さらに、インク流路の間にはインクが存在しない空隙部分からなる空気室５０８が形成されている。
【００３９】
各インク流路５０６の一端には、ノズル（吐出口）５１０を有するオリフィスプレート５１２が接着されて、各アクチュエータ壁５０３の両側面には電極５１３、５１４が金属化層として設けられている。具体的にはインク流路５０６側のアクチュエータ壁には電極５１４が設けられ、空気室５０８側のアクチュエータ壁には電極５１３が設けられている。空気室５０８に面している電極５１３はアクチュエータ駆動信号を与える制御回路（駆動回路）５２０に接続され、インク流路５０６内に設けられている電極５１４はアースに接続されている。
【００４０】
（駆動回路）
本発明に用いられる駆動回路は、図１や図４に示したような駆動信号を、１ドットの吐出命令に応じて、ヘッドに供給できる回路であればよい。
図５は、本発明に用いられる駆動回路５２０の具体例を示す。本発明において、図９の液体吐出ヘッドを用いる場合、図５の駆動回路５２０は、図９における従来の駆動回路５２０に代えて用いられる。図５に示す回路５２０は充電回路２０１と放電回路２０２とパルスコントロール回路２０３から構成されている。入力端子２０４と２０５は、それぞれ空気室５０８（図９）内の電極５１３に与える電圧をＥ（Ｖ）及び０（Ｖ）にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路２０１は、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、Ｒ１０４及びＲ１０５と、トランジスタＴＲ１０１及びＴｒ１０２から構成されている。
【００４１】
入力端子２０４にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０１を介し、トランジスタＴＲ１０１が導通し、正の電源１０１から抵抗Ｒ１０３を介し電流がトランジスタＴＲ１０１のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源１０１に接続されている抵抗Ｒ１０４及びＲ１０５にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタＴＲ１０２のベースに流れる電流が増加し、トランジスタＴＲ１０２のエミッタとコレクタ間が導通する。これにより、正の電源１０１から＋２０Ｖの電圧がトランジスタＴＲ１０２のコレクタ及びエミッタ、抵抗Ｒ１２０を介して空気室５０８内の電極５１３に印加される。このタイミングが、図６に示すタイミングチャートにおけるＴｍ１、Ｔｍ３及びＴｍ５である。
【００４２】
図６は、制御回路５２０の入力端子２０４、２０５に印加される入力信号のタイミングチャートを示す。充電回路２０１の入力端子２０４に入力される信号は、図６に示すタイミングチャート（ａ）のように、通常オフ状態であり、インクを噴射するための所定のタイミングＴｍ１にてオンされ、タイミングＴｍ２にてオフされる。その後のタイミングＴｍ３にて再びオンされタイミングＴｍ４にてオフ状態に戻る。さらに、タイミングＴｍ５にて再びオンされＴｍ６にてオフ状態に戻る。図５の放電回路２０２の入力端子２０５に入力される信号は、図６に示すタイミングチャート（ｂ）に示すように、充電回路２０１への入力信号がオン状態の時にはオフ状態となり、オフのときにオン状態となる。放電回路は圧電素子に蓄電された電荷を素早く放電させるための機構回路である。
【００４３】
次に、充電回路２０１の入力端子２０４及び放電回路２０２の入力端子２０５に入力される上記タイミングＴｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４、Ｔｍ５、Ｔｍ６を有するパルス信号を発生するパルスコントロール回路２０３について説明する。実際に印加される電圧を示したものが図６のタイミングチャート（ｃ）であり、電圧の立ち上がり時間と立ち下がり時間に波形のなまりが発生してしまう。だが、波形のなまりが３μｓ以下となるように回路の時定数を設計すれば、コントロールすると波形のなまりの影響（吐出効率の減少）は少なくなってくる。制御上は、この波形のなまりを３μｓ以下に制御し、かつ駆動電圧の１／２の電圧でパルス幅を制御するようにタイミングを設定することが好ましい。
【００４４】
図５において、パルスコントロール回路２０３には、各種の演算処理を実施するＣＰＵ２１０が設けられ、ＣＰＵ２１０には描画データや各種のデータを記録するＲＡＭ２１１とパルスコントロール回路２０３の制御プログラム及び前記Ｔｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４、Ｔｍ５、Ｔｍ６のタイミングでオンあるいはオフ信号を発生するシーケンスデータを記録しているＲＯＭ２１２が接続されている。また、ＣＰＵ２１０は各種のデータのやりとりを実行するためのＩ／Ｏバス２１３に接続され、当該Ｉ／Ｏバス２１３には、描画データ受信回路２１４とパルスジェネレータ２１５及び２１６が接続されている。パルスジェネレータ２１５の出力は充電回路２０１の入力端子に、パルスジェネレータ２１６の出力は放電回路２０２の入力端子に接続されている。
【００４５】
例えば、パルスジェネレータ２１５、２１６は、それぞれレジスタ３１、３３とカウンタ３２、３４とを有しており、パルスＶＡ、ＶＢ、ＶＣの立ち上がり及び立ち下りタイミングに対応したカウンタ値がROM２１２からレジスタ３１、３３に格納され、カウンタ３２、３４がそのカウンタ値まで基準クロックに基づいてカウントすると、入力端子２０４、２０５に上述したタイミングで信号が供給される。
【００４６】
ここで、パルスジェネレータ２１５及び２１６ならびに充電回路２０１及び放電回路２０２はインクジェットヘッドのノズル数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、一つのノズルについて説明しているが、他のノズルに対しても同様の制御を行うものとする。
パルスＶＡ、VB、VCの電圧値は、それぞれ独自に定めてもよいし、上述したように同じ値に統一してもよい。パルスVBの電圧値をパルスVAのそれより大きくすれば、より吐出速度が高まるし、パルスVCの電圧値をパルスVA、VBのそれより小さくすることもできる。
【００４７】
（液体吐出装置）
本発明の液体吐出ヘッドの駆動装置を有する液体吐出装置について説明する。図７は、液体吐出装置の構成を説明するための模式的斜視図である。
１は液体吐出ヘッド集合体であり、前述した充電回路や放電回路を有している。２は液体吐出ヘッドに供給する液体を収容する容器、３はヘッド集合体１のX方向への移動を案内するガイド部材、４は容器２のX方向への移動を案内するガイド部材である。５は、ガイド部材３、４をX方向と直交するY方向に案内するリニアガイドである。６は、ヘッド集合体１の駆動装置であり、前述したようなパルスコントロール回路を有し、フレキシブルケーブルにてヘッドに接続されている。
７は液体受容部材１０を支持する支持体としての基板ステージ、８はヘッド集合体1をX方向に往復動させる駆動手段としてのステッピングモーター、９は容器２をX方向に往復動させる駆動手段としてのステッピングモーターである。
【００４８】
基板ステージ７に液体受容部材１０を載置する。ヘッド集合体１はX方向に移動しながら、上述した方法により液体を吐出し、ドットパターンを形成する。一行のドットパターン形成が終了したら、Y方向に一行分移動し、次の行のドットパターンを形成する。このような動作を繰り返し、液体受容部材１０にドットパターンによる描画を行う。ヘッド集合体１のみが固定された基板ステージに対して移動する例を説明したが、これらは相対的に移動すればよく、例えば、X方向はヘッド集合体の移動、Y方向は基板ステージの移動によるものであっても良い。
液体受容部材１０としては、半導体ウエハ、ガラス基板、プラスティック基板、織物、などであり、液体受容層をそれらの上にコートしたものであってもよい。
本発明は、有機トランジスタのソース、ドレイン、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極など、又は、有機EL素子の発光層、アノード電極、カソード電極など、或いは、カラーフィルタの着色層、遮光層など、又は、発光素子の電極、電子放出層など、の作製に用いられ、更には、DNAチップの作製などにも適用できる。勿論、通常の紙などへの印刷にも適用できる。
【００４９】
（実施例１）
せん断モードのアクチュエータを有する図９に示したような構成のヘッド集合体を用意した。インク流路５０６の長さＬ1は８．０ｍｍである。ノズル５１０の寸法は、インク噴射側の径φ1が２５μｍ、インク流路側の径φ2が４０μｍ、長さ（オリフィスプレート５１２の厚み）L２が５０μｍである。また、実験に使用したインクの粘度は２５℃における粘度が６ｍＰａ・ｓ、表面張力が５０ｍＮ／ｍであった。このインク流路内のインクと加圧手段との連成系における流体力学的共振周波数Ｆｒをインピーダンス測定器により測定し、その逆数Ｔｒを求めるとＴｒ＝２０μｓｅｃであった。
基板ステージに液体受容部材を置き、その表面とヘッドのオリフィスプレート表面との距離を３００μｍに設定した。
【００５０】
次に空気室５０８内の電極５１３に図８に示した駆動波形を印加した。この駆動波形は図４に示したもの同じであり、インク液滴を噴射するための噴射パルス信号Ａ、Ｂと前記インク流路５０６内の残留振動を減少させるための非噴射パルス信号Ｃからなり、噴射パルス信号Ａ、Ｂと非噴射パルス信号Ｃのどちらも電圧値は同じである。噴射パルス信号Ａの幅Ｔ１は、Ｔ１＝３×Ｔｒ／２＝３０μｓｅｃとした。第２の噴射パルス信号Ｂの幅Ｔ２は、Ｔ２＝Ｔｒ／２＝１０μｓｅｃとした。また、噴射パルスＡの立ち下がりタイミングから噴射パルスＢの立ち上がりタイミングまでの時間間隔Ｋ１２は、Ｋ１２＝Ｔｒ／２＝１０μｓｅｃとした。非噴射パルス信号Ｃの幅Ｔ３は、Ｔ３＝０．４×Ｔｒ／２＝４μｓｅｃとした。噴射パルス信号Ｂの立ち下がりタイミングから非噴射パルス信号Ｃの立ち上がりまでの時間間隔Ｋ２３とし、Ｋ２３＝３×Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２＝２３μｓｅｃとした。
【００５１】
こうして、１ドットの噴射信号に対して、噴射パルス信号Ａ、Ｂと非噴射パルス信号Ｃが続いて、アクチュエータに印加されるようにし。複数のドットが液体受容部材の同じ位置に付与されないように、ヘッド集合体を移動しながら描画を行った。噴射パルスＡにより大きな液滴を噴射し、噴射パルスＢにより大きさは若干小さくなることもあるが速度が早い液滴を噴射することで、体積の大きな液滴が１ドットとして付与された。また、非噴射パルス信号Ｃを、噴射パルス信号によるインク流路内の残留振動による圧電素子が拡大状態から縮小状態に移行する定常位置のタイミングで印加したので、圧電素子に拡大方向の力が加わり、これにより、圧電素子の縮小方向の変形と拡大方向の変形を相殺し、圧電素子の残留振動を減少させることができた。
【００５２】
（実施例２）
上記した実施例１と同様の形態にてヘッド集合体を駆動し、噴射テストを行った。その結果を表１を参照して説明する。表１は、図８に図示している駆動波形のうち第１の噴射パルスと第２の噴射パルスを印加した場合の結果を示しており、パラメータとして噴射パルスＡのパルス幅を取っている。また、使用したインクとしては２５℃における粘度が６ｍＰａ・ｓ、表面張力が５０ｍＮ／ｍであり、インク粘度としては比較的粘度の高い液体を使用した。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１には、駆動電圧が２４Ｖであり、噴射パルスＡ、Ｂに対応し２つのインク液滴が噴射され、２つのインク液滴の合計吐出量およびインクが空中で合体した後の主滴の吐出速度およびその着弾精度を示している。ここで、着弾評価の指標としては、着弾液滴の位置精度のばらつき（揺らぎ）およびその着弾インクの真円度を評価している。
噴射パルス幅依存性について、すべての評価に対して良好であったのは２７μｓ〜３３μｓであった。本実施例では、インク流路内のインクと加圧手段との連成系における流体力学的共振周波数をＦｒとし、Ｔｒ＝１／Ｆｒとしたとき、Ｔｒ＝２０μｓであったので、良好なパルス幅は、０．９×３×Ｔｒ／２≦T１≦１．１×３×Ｔｒ／２に対応することがわかった。
【００５５】
（実施例３）
実施例２と同様にして、噴射パルスＢのパルス幅を変動パラメータとして、同様の評価を実施した。他のパラメータはT1＝３０μｓとし、他は実施例２と同様である。本例の場合に、良好な結果を得られたパルス幅T2は、９μｓ≦Ｔ２≦１１μｓであった。つまり、Ｔ2＝ｋ2×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ2≦１．１を満たしていた。
【００５６】
（比較例）
比較として、図４に図示していないが、単一噴射パルス（基準波形：パルス幅１０μｓ）一つのみで駆動した場合には、液滴の吐出量は１５ｐｌ、吐出速度は８．２ｍ／ｓであった。よって、噴射パルスＡ、Ｂを印加した場合には、単一噴射パルス（１０μｓ）一つのみで駆動した場合に比べて約２倍の吐出量増加が達成可能であることがわかった。
【００５７】
（実施例４）
次に、低粘度インクを用いて実施例２と同様の実験を行ったところ、実施例２と同様の結果が得られた。また、噴射パルスA、Bのみで駆動を行ったところ、実施例２（高粘度インク使用）に比べて、駆動周波数を上げた場合（例えば１０ｋＨｚ以上）では、吐出状態が不安定になることがわかった。そこで、図８のとおり非噴射パルスＣを付加させたところ、高周波数（１５ｋＨｚ）でも安定に吐出させることができた。
良好なパルス幅Ｔ３は、２μｓ〜５μｓであり、良好な休止期間Ｋ２３は、２０．７μｓ〜２５．３μｓであった。つまり、Ｔ３＝ｋ4×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ4≦０．５、Ｋ２３＝ｋ5×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ5≦１．１を満たしていた。
【００５８】
以上の実施形態および実施例で述べられているように、インク流路内のインクと加圧手段との連成系における流体力学的共振周波数をＦｒとし、Ｔｒ＝１／Ｆｒとした時、１ドット当たりの描画に対する最初に印加する駆動パルスの第１のパルス幅Ｔ１をＴｒ／２とするのではなく（つまり、圧電素子にパルスを印加したときに圧電素子が最初にその振幅が最大となるタイミングで圧電素子を収縮方向に戻すのではなく）、第１のパルス幅Ｔ１を３×Ｔｒ／２とする（つまり、２回目に圧電素子の振幅が最大となるタイミングにて、圧電素子を収縮方向に戻す）ことにより、第１の噴射パルスによる液滴の吐出における吐出量の低下を起こすことなく、吐出速度を低下させることができる。そのため、第１の噴射液滴と第２の噴射液滴が液体受容部材に着弾する前に液滴が合体する。液滴が空中で合体した場合には、合体後に液滴が球状に変形するまで任意の楕円体の変形形態の振動をしばらく繰り返しながら、球状に安定化する。本実施形態では、合体後の振動も収まり、球状液滴となり基体に着弾する。なお、空中での合体の振動を早く収めるためには、第１の液滴と第２の液滴の運動量の差をできるだけ少なくする必要がある。本実施形態では、第１の液滴と第２の液滴の運動量の差を少なくすることが可能となり、合体後の振動をすばやく減少させることができた。
【００５９】
以上、一実施の形態を詳細に説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。また、上記実施の形態では、正の電源を使用したが、圧電素子の分極方向を逆にし、負の電源を使用しても良い。また、圧電素子の分極方向を逆にし、インク室側を正の電源を接続し、空気室側をアースに接続してもかまわない。さらに、インクへの加圧部をインク流路の一部に設ける構造でもよい。つまり、本発明は、インクへの加圧構造や加圧の電源供給構造等限定されるものではない。
【００６０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、１ドットの吐出命令に対して所定のタイミングで２つの吐出パルスを印加することにより、必要な吐出量が得られる。さらに、着弾状態も極めて良好であり、特に産業用の描画に適した液体の噴射が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドの駆動方法を説明するための図である。
【図２】 本発明の一実施形態による液体吐出の様子を説明するための模式図である。
【図３】 液体吐出ヘッドの各種駆動方法とそれに対応した圧力発生素子の変位を説明するための図である。
【図４】 液体吐出ヘッドの別の駆動方法とそれに対応した圧力発生素子の変位を説明するための図である。
【図５】 本発明に用いられる液体吐出ヘッドの駆動回路を示す図である。
【図６】 図５の駆動回路の駆動タイミングチャートを示す図である。
【図７】 本発明の一実施形態による液体吐出装置を示す模式的斜視図である。
【図８】 本発明の一実施の形態に係るインク噴射装置の駆動波形を示す図である。
【図９】 液体吐出ヘッドを示す図である。
【図１０】 液体吐出ヘッドの動作を説明するための模式図である。
【図１１】 流体力学的共振周波数を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１：液体吐出ヘッド集合体、２：液体容器、６：駆動装置、７：基板ステージ、１０：液体受容部材、５００：インクジェットヘッド、５０３、：アクチュエータ壁、５０６：インク流路、５０８：空気室、５２０：制御回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷だけでなく、カラーフィルタ、薄膜トランジスタ、発光素子、ＤＮＡ素子などの作製にも用いることができる液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
液体吐出装置は、印刷物の作製だけでなく、カラーフィルタ、薄膜トランジスタ、発光素子、DNA素子などの作製におけるパターニング工程にも用いられるようになってきている。
このような、産業用のパターニング方法としては、フォトリソ工程が広く採用されている。しかし、フォトリソ工程は工程数が多くしかも装置コストが莫大であるとともに材料の使用効率が極めて低い。また、オフセット印刷は精度の点で産業用のパターニング技術としては用途が限定されている。
【０００３】
そこで、液体吐出ヘッドを用いたパターニング方法は、インクジェット方法とも呼ばれ、脚光を浴びるようになってきた。インクジェット方法はパターニング個所に直接描画するため材料の使用効率が極めて高いとともに工程数も少なくて済むので、ランニングコストの安さを持ち合わせた有望なパターニング技術である。
【０００４】
インクジェットの方式としては特公昭５３−１２１３８号公報に記載されているカイザー型、あるいは特公昭６１−５９９１４号公報（米国特許第５,７５４,１９４号明細書）に開示されているサーマルジェット型が広く知られている。
また、特開昭６３−２４７０５１号公報（米国特許第４,８７９,５６８号明細書）には圧電セラミックスを利用したせん断モード型のインクジェット方法が記載されている。
【０００５】
図９に示すように、せん断モード型の圧力発生素子を備えたインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）５００は、底壁５０１、天壁５０２及びそのせん断モードアクチュエータ壁５０３からなる。そのアクチュエータ壁５０３は、底壁５０１に接着され、且つ矢印５１１方向に分極された下部壁５０７と、天壁５０２に接着され、且つ矢印５０９方向に分極された上部壁５０５とからなっている。隣接する２個のアクチュエータ壁５０３は一対となって、そのインク流路（圧力作用部）５０６を形成している。さらに、インク流路の間にはインクが存在しない空隙部分からなる空気室５０８が形成されている。
【０００６】
各インク流路５０６の一端には、ノズル５１０を有するオリフィスプレート５１２が接着されて、各アクチュエータ壁５０３の両側面には電極５１３、５１４が金属化層として設けられている。具体的にはインク流路５０６側のアクチュエータ壁には電極５１４が設けられ、空気室５０８側のアクチュエータ壁には電極５１３が設けられている。空気室５０８に面している電極５１３はアクチュエータ駆動信号を与える制御回路５２０に接続され、インク流路５０６内に設けられている電極５１４はアースに接続されている。
【０００７】
各空気室５０８の電極５１４に制御回路５２０が電圧を印加することによって、各アクチュエータ壁５０３がインク流路５０６の容積を増加する方向にせん断ひずみ変形を起こす。例えば、図１０に示すように空気室５０８の電極５１３に駆動電圧が印加されると、アクチュエータ壁５０５、５０７にそれぞれ分極方向と直交する矢印方向に電界が発生し、アクチュエータ壁５０５、５０７がインク流路５０６の容積を増加する方向にせん断ひずみ変形を起こす。このときノズル５１０付近を含むインク流路内の圧力が減少し、インク供給側のインク共通流路（不図示）からインクが供給される。
【０００８】
このとき、インク流路内の流体力学的共振周波数をＦｒとし、その逆数をＴｒ（＝１／Ｆｒ）としたとき、電圧印加時間をＴｒ／２とすることにより元々せん断ひずみとして得られる変形量（非共振）に比べて系の共振を利用するために変形量を増大することが可能となる。流体力学的共振周波数Ｆｒは、周知のインピーダンス測定器を用いた電気的測定によって求めることができる。図１１は、インピーダンス測定器による測定データ（インピーダンスの周波数依存性）と流体力学的共振周波数Ｆｒとの関係を示している。
【０００９】
電圧印加時間Ｔｒ／２後に空気室５０８の電極５１３に印加されている電圧を０Ｖに戻す。すると、アクチュエータ５０５、５０７が変形前の（真っ直ぐな）状態よりもさらにインク流路が縮まるように変形し、インクに圧力が加えられる。これにより、インクがノズル方向に流れを生じインク液滴がノズルから噴射される。
【００１０】
従来、この種のインク噴射装置では、前記インク流路の形状や駆動電圧等により、噴射されるインク液滴の体積が決まる。そのため目的とするインク液滴を得るために、インク流路の形状及び駆動電圧が決定される。しかし、産業用の描画装置としてインクジェットを利用することを考えると、インクジェットの性能としてはより高精細化が求められてきているとともにその描画時間の短縮が望まれている。描画時間の短縮に関しては、描画にかかるパルス数をできるだけ少なくする必要がある。高精細化に関しては、インク流路のピッチを狭くすることにより、高精細化が可能となる。インク流路のピッチを狭くするということは加工上の制約からインク流路の体積を変形させる圧電セラミックスであるＰＺＴ（ジルコン酸−チタン酸鉛）の壁の厚さを狭くしさらにインク流路の深さも浅くする必要がある。そのため、駆動電圧の制約も発生することとなってしまう。結局、高精細化用ヘッドはＰＺＴの変形体積量が小さくなってしまうために、１ドット当たりの吐出量が小さくなってしまう。
【００１１】
一方、特公平３−３０５０６号公報（米国特許第４,５６３,６８９号）には、主パルスが印加される前に、ノズル内のメニスカスの先端位置を決めるための付加パルスを印加することで、インク液滴の体積を制御することが記載されている。これによれば、付加パルスを印加することによりインク液滴の体積をやや増加させることが可能であるが十分な体積増加は困難である。
【００１２】
また、特開２０００−２８０４６３公報には、主噴射（第２噴射）パルスが印加される前に、付加噴射（第１噴射）パルスとして主噴射パルスのパルス幅Ｔに対し０．３０Ｔ〜１．１０Ｔの幅を有するパルスを設けることによるインク体積の増加を試みが記載されている。この方式によれば、１ドットを形成するにあたり２個の液滴を吐出させることにより、最大でインク液滴の体積は１．５程度まで増加させることが可能となる。しかし、これ以上の吐出量増加は困難である。
【００１３】
さらに、吐出量の増加を試みる手段として、特公平６−５５５１３号公報（米国特許第５,２０２,６５９号明細書）には、共振周波数を利用して連続して噴射した複数のインク液滴を空中で合体させ、インク液滴の体積を制御することが提案されている。これによれば十分な体積増加が望まれる。しかし、産業用のインクジェットではその着弾精度を上げるためにノズルと描画基体との距離を極端に短くする場合に、複数の液滴が空中で合体せず、個々に基体に着弾してしまう。つまり、１ドットの描画に対して着弾の時間のずれが発生して、着弾状態が真円状にならず着弾精度不良が発生してしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、液滴の体積を増加させ且つヘッドノズルと描画基体との距離が短い場合であっても高精度に着弾させることが可能な液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置を提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、産業用パターニング装置としても好適に用いることができる液体吐出ヘッドの駆動方法及び駆動装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の骨子は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と、前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための、液体吐出ヘッドの駆動方法において、１ドットの吐出命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する工程を含み、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積よりも大きく、且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の別の骨子は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と、前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための、液体吐出ヘッドの駆動装置において、１ドットの吐出命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する駆動回路を有し、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積よりも大きく、且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の更に別の骨子は、液体を吐出するための吐出口と該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドと、１ドットの描画命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する駆動回路と、前記液体を受容するための液体受容部材を支持する支持体と、前記液体吐出ヘッドと前記支持体とを相対的に位置決めする手段と、を有し、前記駆動回路においては、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積より大きく、且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められ、前記位置決め手段は、前記第１の液体と前記第２の液体とが合体して前記液体受容部材に付与されるように、前記液体吐出ヘッドと前記支持体とを位置決めすることを特徴とする。
【００１８】
これらの発明によれば、第１及び第２の液滴が短い吐出距離内で合体するので、合体された大きな液滴を、液体受容部材等に高精度に着弾させることができる。
【００２０】
本発明においては、前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記式
Ｋ１２＝ｋ３×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ３≦１．１
を満たすとよい。こうすれば、第１の液滴に比べて、第２の液滴の体積を若干小さくしつつその吐出速度を速めることができるので、短い吐出距離内で２つの液滴を合体させることができる。
【００２１】
そして、これらの発明においては、前記第２の吐出パルスに続いて液体を吐出しない非吐出パルスを印加し、このとき、前記非吐出パルスのパルス幅をＴ３、前記第２の吐出パルスと前記非吐出パルスとの間の休止時間をＫ２３としたときに、下記式
Ｔ３＝ｋ４×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ４≦０．５
Ｋ２３＝ｋ５×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ５≦１．１
を全て満たすことが好ましい。
この場合、従来より大きくなりがちな液滴吐出後の振動を早く抑えることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１、図２は本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドの駆動方法を説明するための図である。本発明においても、液体吐出ヘッドとしては、図９、図１０に示したものと同じ構成のヘッドを用いることができる。
図１のａ）は、液体を吐出するための吐出口と該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と前記圧力を発生する圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための駆動信号（１ドットの吐出命令）を示している。図１のｂ）は、上記液体吐出ヘッドの圧力発生素子の振動状態を示しており、図中正（＋）方向が圧力作用部の容積が定常状態より増大する方向の変位に対応し、負（−）方向が圧力作用部の容積が定常状態より減少する方向の変位に対応している。図２は、図１の駆動波形の時間軸に対応させた吐出液の状態を示す。
【００２７】
時刻ｔ0において、駆動パルス（第１の吐出パルスVA）が立ち上がり電圧Vopとなると、圧力発生素子がせん断ひずみ変形を起こし始め、圧力作用部の容積が増大し、そこに液体が上流から導入される。時刻ｔ1において、駆動パルスが立ち下がると、圧力発生素子のせん断ひずみ変形は解除されるので、圧力発生素子の変形を元に戻そうとする力により圧力作用部の容積が小さくなり、中の液体が加圧され始める。こうして、後には、振動によって、時刻ｔ0の時よりも圧力作用部の容積は小さくなり、液体は加圧され、吐出口から吐出される。すなわち、時刻ｔ2において、再び駆動パルス（第２の吐出パルスVB）が立ち上がる頃に、吐出された液体は大きな液滴２２となる。その後、第２の吐出パルスVBによって、圧力作用部は再び拡がる。時刻ｔ3において、第２の吐出パルスVBが立ち下がる時には、圧力発生素子の振動振幅が最大となる。そして、再び圧力作用部は収縮し、第２の液滴２３となる液体の吐出を始める。すなわち、時刻ｔ4の頃には吐出された液体は第２の液滴２３となり吐出口から離れる。第２の液滴２３は時刻ｔ3の時の振動振幅が大きいために、第１の液滴２２よりも早い速度で吐出される。
【００２８】
以上要するに、１ドットの吐出命令に対し２つの吐出パルスにより２つの液滴が噴射される。その際、第１の吐出パルスにより吐出される第１の液滴２２の吐出速度は第２の吐出パルスにより吐出される第２の液滴２３の吐出速度よりも１５％〜２０％程度遅くすることができる。このため、吐出口と描画基体（液体受容部材）との間の距離が５００μｍ以下のように短い距離であっても、第１の液滴２２が液体受容部材に着弾する前に、第２の液滴２３と空中で合体し大きな液滴２４となる。しかも、第１の液滴２２の体積は第２の液滴２３と同じか或いは若干小さい程度の大きさとなる。
よって、１ドットの吐出命令に対し第１又は第２の吐出パルスのみで駆動した場合に比べて、１ドットの吐出命令に対して第１及び第２の吐出パルスで駆動した場合には、１．８〜２．０倍の体積を持つ液滴を同一ドットとして着弾させることが可能となる。尚、各液滴の体積は、図２のように、平面に液滴を投影し、液滴を円又は楕円で近似して求めることができる。
【００２９】
また、本発明実施の形態においては、第２の吐出パルスに続いて非吐出パルスである第３のパルスを時刻ｔ５付近で印加することも好ましいものである。これにより、吐出後、圧力作用部内の液体の振動を効果的に減少し、比較的粘度の低いインクの高周波数での噴射も可能となる。
【００３０】
上述した液滴の形成を可能にするためには、駆動パルス列を以下のように設定するとよい。Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒ、前記第１の吐出パルスのパルス幅をＴ１、前記第２の吐出パルスのパルス幅をＴ２、前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記３つの式
Ｔ１＞Ｔｒ
Ｔ2＝Ｔ１／Ｎ
Ｋ12＝３Ｔ１／２Ｎ−Ｔ２／２
を満たすことが好ましい。
【００３１】
より好ましくは、前記第２の吐出パルスに続いて液体を吐出しない非吐出パルスを印加し、このとき、前記非吐出パルスのパルス幅をＴ３、前記第２の吐出パルスと前記非吐出パルスとの間の休止時間をＫ２３としたとき、
Ｔ３＜Ｔｒ／２
Ｋ２３＝３Ｔ１／Ｎ−Ｔ２／２−Ｔ３／２
を全て満たすことが好ましい。
ここでは、流体力学的共振周波数に基づいて、Ｔ１をＴｒ／２のＮ倍とすることが好ましいものである。
図１では、N＝３の例を挙げたが、N＝５、７、９・・・でもよい。
【００３２】
以下、図３、図４を例に挙げて、本発明の好適な液体吐出ヘッドの駆動方法について、より詳しく説明する。
図３のａ）、ｂ）はパルス幅Ｔｒ／２の吐出パルスVA’のみを印加した時の圧力発生素子の振動の様子を示している。周期Ｔｒにて、振幅を減少させながら振動を繰り返し、振動ゼロに収束していく。この周期Ｔｒは実際には圧力発生素子のみならず、吐出口の形状や大きさ、圧力作用部の形状や大きさ、ヘッド内にある液体の体積や密度などに基づいて決まる液体吐出ヘッドの流体力学的共振周波数Ｆｒによって決まる。つまり、Ｔｒ＝1／Ｆｒである。特に多数の液体吐出ヘッドを集合させた液体吐出ヘッド集合体の場合には、各吐出口、つまり各ヘッド毎にＦｒがばらつくこともある。この流体力学的共振周波数Ｆｒは、圧力発生素子に周知のインピーダンス測定器を接続して、そのインピーダンスの周波数依存性から求めることができる（図１１参照）。
【００３３】
このような特性をもつ液体吐出ヘッドに対して、N＝３として、パルス幅T１＝N×Ｔｒ／２の吐出パルスVAを印加すると、図３のｃ）、ｄ）に示すような振動が得られる。Nを３以上の奇数とすれば、共振を利用して、効率よく液滴を吐出することができる。
図３のｃ）と同じ第１の吐出パルスVAを引加した後、続いて、第２の吐出パルスを印加する場合には、図３のｅ）に示すようなタイミングにする。第２の吐出パルスVBのパルス幅T２としては、吐出効率のよいパルス幅Ｔｒ／２を選択する。第２の吐出パルスVBの印加タイミングとしては、液体を加圧する方向に圧力発生素子が変位してから逆方向に変位する期間において、その速度が最も速くなる時とする。つまり、その時とは、時刻ｔ１から時間M１２が経過した時刻となる。この時間M１２はＴｒ／２の３／２倍の期間である。よって、時刻ｔ1〜時刻ｔ２までの期間（休止期間）はＫ12＝３Ｔ１／２Ｎ−Ｔ２／２、換言すれば、Ｋ12＝３Ｔｒ／４−Ｔ２／２となる。
【００３４】
こうすると、時刻ｔ３における最大振幅により、第２の液滴は第１の液滴より早い速度で吐出され、その体積もほぼ同じような値になる。
そして、液体吐出ヘッド集合体を駆動する場合には、製造ばらつきなどにより、正確には各ヘッド毎に、流体力学的共振周波数Ｆｒが異なることが多い。これに対応して、ヘッド毎に、各パルス幅と休止期間を最適化しようとすると、駆動回路が複雑になってしまう。液体吐出ヘッド集合体の特性ばらつきを考慮すると、上述した作用が得られる範囲内の条件として、最適値の０．９倍〜１．１倍くらいの許容度（ｋ1，ｋ2，ｋ3）をもつ範囲内に、各パルス幅と休止期間を設定すればよい。こうして、選択範囲として、
Ｔ1＝ｋ1×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ1≦１．１
Ｔ2＝ｋ2×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ2≦１．１
Ｋ12＝ｋ3×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ3≦１．１
を定める。
【００３５】
図４は、図３のｅ）に示した駆動信号に非吐出パルスを付加した時の液体吐出ヘッドの圧力発生素子の振動状態を示している。
パルスVBの中間タイミング、即ち立ち上がり時刻ｔ2と立ち下がり時刻ｔ3との中間時点から期間M23が経過した時刻ｔ5に非吐出パルスVCを印加する。M23＝３×Ｔｒ／２であることが好ましい。
図３のｄ）やｆ）に示したとおり、時刻ｔ5においては、圧力発生素子により圧力作用部内の容積が膨張から収縮に向かう時期、即ち液体と吐出口から押し出そうとする力が加わる時期であって、且つ、理論的にはその速度が最も速い時刻である。したがって、この時刻ｔ5付近において、逆向きの力を圧力発生素子に加えれば、圧力発生素子の振動は抑制され、液体を吐出させようとする力はより一層弱まる。
特に、図３のｅ）、ｆ）の場合には、吐出パルスVBにより、第２の液滴２３の吐出後の振動が増幅されるので、図４のｇ）、ｈ）に示すように非吐出パルスを印加することが有効である。
【００３６】
第２の吐出パルスVBに続いて印加される非吐出パルスVCのパルス幅をＴ３とすると、Ｔ３＜Ｔｒ／２、より好ましくは、Ｔ３≦０．５×Ｔｒ／２であり、特に、複数の吐出口を有する液体吐出ヘッド集合体の場合には、Ｔ３＝ｋ4×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ4≦０．５、とすることが好ましいものである。ここでｋ4は許容度を意味する。
第２の吐出パルスＶＢの立下り時刻ｔ３から非吐出パルスＶＣの立ち上がり時刻までの間、即ち第２の吐出パルスＶＢと非吐出パルスＶＣとの間の休止時間をＫ２３とすると、
Ｋ２３＝３Ｔ１／Ｎ−Ｔ２／２−Ｔ３／２
とすることが好ましい。
より好ましくは、M23から第２の吐出パルスのパルス幅の半分と、非吐出パルスのパルス幅の半分を引いた値、即ち、Ｋ２３＝３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２を基にして、
Ｋ２３＝ｋ5×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ5≦１．１
とすることが好ましいものである。
【００３７】
（液体吐出ヘッド）
本発明に用いられる液体吐出ヘッドとしては、電気信号の印加に応じて、少なくとも一部分が変位して、圧力作用部に導入された液体に圧力を加えることができる圧力発生素子が設けられ、該圧力作用部に連通する吐出口を有する構成が好ましく用いられる。とりわけ、一極性の電圧の印加により変位して液体を減圧し、その電圧の解除とともに変位が戻り液体を吐出させる圧力を生じさせる圧電素子アクチュエータが好ましく用いられる。
【００３８】
その一例を図９を参照して説明する。本発明に用いられる液体吐出ヘッド（インクジェットヘッドの一例は、図９に示したものと同様に、底壁５０１、天壁５０２及びその間のせん断モードアクチュエータ壁（圧力発生素子）５０３からなる。そのアクチュエータ壁５０３は、底壁５０１に接着され、且つ矢印５１１方向に分極された下部壁５０７と、天壁５０２に接着され、且つ矢印５０９方向に分極された上部壁５０５とからなっている。隣接する２個のアクチュエータ壁は一対となって、そのインク流路（圧力作用部）５０６を形成している。さらに、インク流路の間にはインクが存在しない空隙部分からなる空気室５０８が形成されている。
【００３９】
各インク流路５０６の一端には、ノズル（吐出口）５１０を有するオリフィスプレート５１２が接着されて、各アクチュエータ壁５０３の両側面には電極５１３、５１４が金属化層として設けられている。具体的にはインク流路５０６側のアクチュエータ壁には電極５１４が設けられ、空気室５０８側のアクチュエータ壁には電極５１３が設けられている。空気室５０８に面している電極５１３はアクチュエータ駆動信号を与える制御回路（駆動回路）５２０に接続され、インク流路５０６内に設けられている電極５１４はアースに接続されている。
【００４０】
（駆動回路）
本発明に用いられる駆動回路は、図１や図４に示したような駆動信号を、１ドットの吐出命令に応じて、ヘッドに供給できる回路であればよい。
図５は、本発明に用いられる駆動回路５２０の具体例を示す。本発明において、図９の液体吐出ヘッドを用いる場合、図５の駆動回路５２０は、図９における従来の駆動回路５２０に代えて用いられる。図５に示す回路５２０は充電回路２０１と放電回路２０２とパルスコントロール回路２０３から構成されている。入力端子２０４と２０５は、それぞれ空気室５０８（図９）内の電極５１３に与える電圧をＥ（Ｖ）及び０（Ｖ）にするためのパルス信号を入力する入力端子である。充電回路２０１は、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、Ｒ１０４及びＲ１０５と、トランジスタＴＲ１０１及びＴｒ１０２から構成されている。
【００４１】
入力端子２０４にオン信号（＋５Ｖ）が入力されると、抵抗Ｒ１０１を介し、トランジスタＴＲ１０１が導通し、正の電源１０１から抵抗Ｒ１０３を介し電流がトランジスタＴＲ１０１のコレクタからエミッタ方向に流れる。したがって、正の電源１０１に接続されている抵抗Ｒ１０４及びＲ１０５にかかる電圧の分圧が上昇し、トランジスタＴＲ１０２のベースに流れる電流が増加し、トランジスタＴＲ１０２のエミッタとコレクタ間が導通する。これにより、正の電源１０１から＋２０Ｖの電圧がトランジスタＴＲ１０２のコレクタ及びエミッタ、抵抗Ｒ１２０を介して空気室５０８内の電極５１３に印加される。このタイミングが、図６に示すタイミングチャートにおけるＴｍ１、Ｔｍ３及びＴｍ５である。
【００４２】
図６は、制御回路５２０の入力端子２０４、２０５に印加される入力信号のタイミングチャートを示す。充電回路２０１の入力端子２０４に入力される信号は、図６に示すタイミングチャート（ａ）のように、通常オフ状態であり、インクを噴射するための所定のタイミングＴｍ１にてオンされ、タイミングＴｍ２にてオフされる。その後のタイミングＴｍ３にて再びオンされタイミングＴｍ４にてオフ状態に戻る。さらに、タイミングＴｍ５にて再びオンされＴｍ６にてオフ状態に戻る。図５の放電回路２０２の入力端子２０５に入力される信号は、図６に示すタイミングチャート（ｂ）に示すように、充電回路２０１への入力信号がオン状態の時にはオフ状態となり、オフのときにオン状態となる。放電回路は圧電素子に蓄電された電荷を素早く放電させるための機構回路である。
【００４３】
次に、充電回路２０１の入力端子２０４及び放電回路２０２の入力端子２０５に入力される上記タイミングＴｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４、Ｔｍ５、Ｔｍ６を有するパルス信号を発生するパルスコントロール回路２０３について説明する。実際に印加される電圧を示したものが図６のタイミングチャート（ｃ）であり、電圧の立ち上がり時間と立ち下がり時間に波形のなまりが発生してしまう。だが、波形のなまりが３μｓ以下となるように回路の時定数を設計すれば、コントロールすると波形のなまりの影響（吐出効率の減少）は少なくなってくる。制御上は、この波形のなまりを３μｓ以下に制御し、かつ駆動電圧の１／２の電圧でパルス幅を制御するようにタイミングを設定することが好ましい。
【００４４】
図５において、パルスコントロール回路２０３には、各種の演算処理を実施するＣＰＵ２１０が設けられ、ＣＰＵ２１０には描画データや各種のデータを記録するＲＡＭ２１１とパルスコントロール回路２０３の制御プログラム及び前記Ｔｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４、Ｔｍ５、Ｔｍ６のタイミングでオンあるいはオフ信号を発生するシーケンスデータを記録しているＲＯＭ２１２が接続されている。また、ＣＰＵ２１０は各種のデータのやりとりを実行するためのＩ／Ｏバス２１３に接続され、当該Ｉ／Ｏバス２１３には、描画データ受信回路２１４とパルスジェネレータ２１５及び２１６が接続されている。パルスジェネレータ２１５の出力は充電回路２０１の入力端子に、パルスジェネレータ２１６の出力は放電回路２０２の入力端子に接続されている。
【００４５】
例えば、パルスジェネレータ２１５、２１６は、それぞれレジスタ３１、３３とカウンタ３２、３４とを有しており、パルスＶＡ、ＶＢ、ＶＣの立ち上がり及び立ち下りタイミングに対応したカウンタ値がROM２１２からレジスタ３１、３３に格納され、カウンタ３２、３４がそのカウンタ値まで基準クロックに基づいてカウントすると、入力端子２０４、２０５に上述したタイミングで信号が供給される。
【００４６】
ここで、パルスジェネレータ２１５及び２１６ならびに充電回路２０１及び放電回路２０２はインクジェットヘッドのノズル数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、一つのノズルについて説明しているが、他のノズルに対しても同様の制御を行うものとする。
パルスＶＡ、VB、VCの電圧値は、それぞれ独自に定めてもよいし、上述したように同じ値に統一してもよい。パルスVBの電圧値をパルスVAのそれより大きくすれば、より吐出速度が高まるし、パルスVCの電圧値をパルスVA、VBのそれより小さくすることもできる。
【００４７】
（液体吐出装置）
本発明の液体吐出ヘッドの駆動装置を有する液体吐出装置について説明する。図７は、液体吐出装置の構成を説明するための模式的斜視図である。
１は液体吐出ヘッド集合体であり、前述した充電回路や放電回路を有している。２は液体吐出ヘッドに供給する液体を収容する容器、３はヘッド集合体１のX方向への移動を案内するガイド部材、４は容器２のX方向への移動を案内するガイド部材である。５は、ガイド部材３、４をX方向と直交するY方向に案内するリニアガイドである。６は、ヘッド集合体１の駆動装置であり、前述したようなパルスコントロール回路を有し、フレキシブルケーブルにてヘッドに接続されている。
７は液体受容部材１０を支持する支持体としての基板ステージ、８はヘッド集合体1をX方向に往復動させる駆動手段としてのステッピングモーター、９は容器２をX方向に往復動させる駆動手段としてのステッピングモーターである。
【００４８】
基板ステージ７に液体受容部材１０を載置する。ヘッド集合体１はX方向に移動しながら、上述した方法により液体を吐出し、ドットパターンを形成する。一行のドットパターン形成が終了したら、Y方向に一行分移動し、次の行のドットパターンを形成する。このような動作を繰り返し、液体受容部材１０にドットパターンによる描画を行う。ヘッド集合体１のみが固定された基板ステージに対して移動する例を説明したが、これらは相対的に移動すればよく、例えば、X方向はヘッド集合体の移動、Y方向は基板ステージの移動によるものであっても良い。
液体受容部材１０としては、半導体ウエハ、ガラス基板、プラスティック基板、織物、などであり、液体受容層をそれらの上にコートしたものであってもよい。
本発明は、有機トランジスタのソース、ドレイン、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極など、又は、有機EL素子の発光層、アノード電極、カソード電極など、或いは、カラーフィルタの着色層、遮光層など、又は、発光素子の電極、電子放出層など、の作製に用いられ、更には、DNAチップの作製などにも適用できる。勿論、通常の紙などへの印刷にも適用できる。
【００４９】
（実施例１）
せん断モードのアクチュエータを有する図９に示したような構成のヘッド集合体を用意した。インク流路５０６の長さＬ1は８．０ｍｍである。ノズル５１０の寸法は、インク噴射側の径φ1が２５μｍ、インク流路側の径φ2が４０μｍ、長さ（オリフィスプレート５１２の厚み）L２が５０μｍである。また、実験に使用したインクの粘度は２５℃における粘度が６ｍＰａ・ｓ、表面張力が５０ｍＮ／ｍであった。このインク流路内のインクと加圧手段との連成系における流体力学的共振周波数Ｆｒをインピーダンス測定器により測定し、その逆数Ｔｒを求めるとＴｒ＝２０μｓｅｃであった。
基板ステージに液体受容部材を置き、その表面とヘッドのオリフィスプレート表面との距離を３００μｍに設定した。
【００５０】
次に空気室５０８内の電極５１３に図８に示した駆動波形を印加した。この駆動波形は図４に示したもの同じであり、インク液滴を噴射するための噴射パルス信号Ａ、Ｂと前記インク流路５０６内の残留振動を減少させるための非噴射パルス信号Ｃからなり、噴射パルス信号Ａ、Ｂと非噴射パルス信号Ｃのどちらも電圧値は同じである。噴射パルス信号Ａの幅Ｔ１は、Ｔ１＝３×Ｔｒ／２＝３０μｓｅｃとした。第２の噴射パルス信号Ｂの幅Ｔ２は、Ｔ２＝Ｔｒ／２＝１０μｓｅｃとした。また、噴射パルスＡの立ち下がりタイミングから噴射パルスＢの立ち上がりタイミングまでの時間間隔Ｋ１２は、Ｋ１２＝Ｔｒ／２＝１０μｓｅｃとした。非噴射パルス信号Ｃの幅Ｔ３は、Ｔ３＝０．４×Ｔｒ／２＝４μｓｅｃとした。噴射パルス信号Ｂの立ち下がりタイミングから非噴射パルス信号Ｃの立ち上がりまでの時間間隔Ｋ２３とし、Ｋ２３＝３×Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２＝２３μｓｅｃとした。
【００５１】
こうして、１ドットの噴射信号に対して、噴射パルス信号Ａ、Ｂと非噴射パルス信号Ｃが続いて、アクチュエータに印加されるようにし。複数のドットが液体受容部材の同じ位置に付与されないように、ヘッド集合体を移動しながら描画を行った。噴射パルスＡにより大きな液滴を噴射し、噴射パルスＢにより大きさは若干小さくなることもあるが速度が早い液滴を噴射することで、体積の大きな液滴が１ドットとして付与された。また、非噴射パルス信号Ｃを、噴射パルス信号によるインク流路内の残留振動による圧電素子が拡大状態から縮小状態に移行する定常位置のタイミングで印加したので、圧電素子に拡大方向の力が加わり、これにより、圧電素子の縮小方向の変形と拡大方向の変形を相殺し、圧電素子の残留振動を減少させることができた。
【００５２】
（実施例２）
上記した実施例１と同様の形態にてヘッド集合体を駆動し、噴射テストを行った。その結果を表１を参照して説明する。表１は、図８に図示している駆動波形のうち第１の噴射パルスと第２の噴射パルスを印加した場合の結果を示しており、パラメータとして噴射パルスＡのパルス幅を取っている。また、使用したインクとしては２５℃における粘度が６ｍＰａ・ｓ、表面張力が５０ｍＮ／ｍであり、インク粘度としては比較的粘度の高い液体を使用した。
【００５３】
【表１】
表１には、駆動電圧が２４Ｖであり、噴射パルスＡ、Ｂに対応し２つのインク液滴が噴射され、２つのインク液滴の合計吐出量およびインクが空中で合体した後の主滴の吐出速度およびその着弾精度を示している。ここで、着弾評価の指標としては、着弾液滴の位置精度のばらつき（揺らぎ）およびその着弾インクの真円度を評価している。
噴射パルス幅依存性について、すべての評価に対して良好であったのは２７μｓ〜３３μｓであった。本実施例では、インク流路内のインクと加圧手段との連成系における流体力学的共振周波数をＦｒとし、Ｔｒ＝１／Ｆｒとしたとき、Ｔｒ＝２０μｓであったので、良好なパルス幅は、０．９×３×Ｔｒ／２≦T１≦１．１×３×Ｔｒ／２に対応することがわかった。
【００５５】
（実施例３）
実施例２と同様にして、噴射パルスＢのパルス幅を変動パラメータとして、同様の評価を実施した。他のパラメータはT1＝３０μｓとし、他は実施例２と同様である。本例の場合に、良好な結果を得られたパルス幅T2は、９μｓ≦Ｔ２≦１１μｓであった。つまり、Ｔ2＝ｋ2×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ2≦１．１を満たしていた。
【００５６】
（比較例）
比較として、図４に図示していないが、単一噴射パルス（基準波形：パルス幅１０μｓ）一つのみで駆動した場合には、液滴の吐出量は１５ｐｌ、吐出速度は８．２ｍ／ｓであった。よって、噴射パルスＡ、Ｂを印加した場合には、単一噴射パルス（１０μｓ）一つのみで駆動した場合に比べて約２倍の吐出量増加が達成可能であることがわかった。
【００５７】
（実施例４）
次に、低粘度インクを用いて実施例２と同様の実験を行ったところ、実施例２と同様の結果が得られた。また、噴射パルスA、Bのみで駆動を行ったところ、実施例２（高粘度インク使用）に比べて、駆動周波数を上げた場合（例えば１０ｋＨｚ以上）では、吐出状態が不安定になることがわかった。そこで、図８のとおり非噴射パルスＣを付加させたところ、高周波数（１５ｋＨｚ）でも安定に吐出させることができた。
良好なパルス幅Ｔ３は、２μｓ〜５μｓであり、良好な休止期間Ｋ２３は、２０．７μｓ〜２５．３μｓであった。つまり、Ｔ３＝ｋ4×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ4≦０．５、Ｋ２３＝ｋ5×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ5≦１．１を満たしていた。
【００５８】
以上の実施形態および実施例で述べられているように、インク流路内のインクと加圧手段との連成系における流体力学的共振周波数をＦｒとし、Ｔｒ＝１／Ｆｒとした時、１ドット当たりの描画に対する最初に印加する駆動パルスの第１のパルス幅Ｔ１をＴｒ／２とするのではなく（つまり、圧電素子にパルスを印加したときに圧電素子が最初にその振幅が最大となるタイミングで圧電素子を収縮方向に戻すのではなく）、第１のパルス幅Ｔ１を３×Ｔｒ／２とする（つまり、２回目に圧電素子の振幅が最大となるタイミングにて、圧電素子を収縮方向に戻す）ことにより、第１の噴射パルスによる液滴の吐出における吐出量の低下を起こすことなく、吐出速度を低下させることができる。そのため、第１の噴射液滴と第２の噴射液滴が液体受容部材に着弾する前に液滴が合体する。液滴が空中で合体した場合には、合体後に液滴が球状に変形するまで任意の楕円体の変形形態の振動をしばらく繰り返しながら、球状に安定化する。本実施形態では、合体後の振動も収まり、球状液滴となり基体に着弾する。なお、空中での合体の振動を早く収めるためには、第１の液滴と第２の液滴の運動量の差をできるだけ少なくする必要がある。本実施形態では、第１の液滴と第２の液滴の運動量の差を少なくすることが可能となり、合体後の振動をすばやく減少させることができた。
【００５９】
以上、一実施の形態を詳細に説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。また、上記実施の形態では、正の電源を使用したが、圧電素子の分極方向を逆にし、負の電源を使用しても良い。また、圧電素子の分極方向を逆にし、インク室側を正の電源を接続し、空気室側をアースに接続してもかまわない。さらに、インクへの加圧部をインク流路の一部に設ける構造でもよい。つまり、本発明は、インクへの加圧構造や加圧の電源供給構造等限定されるものではない。
【００６０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、１ドットの吐出命令に対して所定のタイミングで２つの吐出パルスを印加することにより、必要な吐出量が得られる。さらに、着弾状態も極めて良好であり、特に産業用の描画に適した液体の噴射が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドの駆動方法を説明するための図である。
【図２】 本発明の一実施形態による液体吐出の様子を説明するための模式図である。
【図３】 液体吐出ヘッドの各種駆動方法とそれに対応した圧力発生素子の変位を説明するための図である。
【図４】 液体吐出ヘッドの別の駆動方法とそれに対応した圧力発生素子の変位を説明するための図である。
【図５】 本発明に用いられる液体吐出ヘッドの駆動回路を示す図である。
【図６】 図５の駆動回路の駆動タイミングチャートを示す図である。
【図７】 本発明の一実施形態による液体吐出装置を示す模式的斜視図である。
【図８】 本発明の一実施の形態に係るインク噴射装置の駆動波形を示す図である。
【図９】 液体吐出ヘッドを示す図である。
【図１０】 液体吐出ヘッドの動作を説明するための模式図である。
【図１１】 流体力学的共振周波数を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１：液体吐出ヘッド集合体、２：液体容器、６：駆動装置、７：基板ステージ、１０：液体受容部材、５００：インクジェットヘッド、５０３、：アクチュエータ壁、５０６：インク流路、５０８：空気室、５２０：制御回路。
Claims (7)
- 液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と、前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための、液体吐出ヘッドの駆動方法において、
１ドットの吐出命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する工程を含み、
前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積よりも大きく、
且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、
前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、
Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められていることを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法。 - 前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記式
Ｋ１２＝ｋ３×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ３≦１．１
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。 - 前記第２の吐出パルスに続いて液体を吐出しない非吐出パルスを印加し、
このとき、前記非吐出パルスのパルス幅をＴ３、前記第２の吐出パルスと前記非吐出パルスとの間の休止時間をＫ２３としたときに、下記式
Ｔ３＝ｋ４×Ｔｒ／２、０．２≦ｋ４≦０．５
Ｋ２３＝ｋ５×（３Ｔｒ／２−Ｔ２／２−Ｔ３／２）、０．９≦ｋ５≦１．１
を全て満たす請求項２に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。 - 液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と、前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドを駆動するための、液体吐出ヘッドの駆動装置において、
１ドットの吐出命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する駆動回路を有し、
前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積よりも大きく、
且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、
前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、
Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められていることを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動装置。 - 前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記式
Ｋ１２＝ｋ３×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ３≦１．１
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッドの駆動装置。 - 液体を吐出するための吐出口と該吐出口に連通し液体を吐出するための圧力が液体に作用する圧力作用部と前記圧力を発生するせん断モード型の圧力発生素子とを有する液体吐出ヘッドと、
１ドットの描画命令に対して、液体を吐出できる第１の吐出パルスと液体を吐出できる第２の吐出パルスとを続けて前記圧力発生素子に印加する駆動回路と、
前記液体を受容するための液体受容部材を支持する支持体と、
前記液体吐出ヘッドと前記支持体とを相対的に位置決めする手段と、を有し、
前記駆動回路においては、前記第１の吐出パルスにより吐出される第１の液体の体積が、前記第２の吐出パルスにより吐出される第２の液体の体積より大きく、
且つ、前記第１の液体の吐出速度が、前記第２の液体の吐出速度より小さくなるように、
前記第１の吐出パルスのパルス幅Ｔ１と、前記第２の吐出パルスのパルス幅Ｔ２とを、Ｎを３以上の奇数、前記液体吐出ヘッドにおける流体力学的共振周波数の逆数をＴｒとしたときに、下記式
Ｔ１＝ｋ１×Ｎ×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ１≦１．１
Ｔ２＝ｋ２×Ｔｒ／２、０．９≦ｋ２≦１．１
を満たすように定められ、
前記位置決め手段は、前記第１の液体と前記第２の液体とが合体して前記液体受容部材に付与されるように、前記液体吐出ヘッドと前記支持体とを位置決めすることを特徴とする液体吐出装置。 - 前記第１の吐出パルスと前記第２の吐出パルスとの間の休止時間をＫ１２としたときに、下記式
Ｋ１２＝ｋ３×（３Ｔｒ／４−Ｔ２／２）、０．９≦ｋ３≦１．１
を満たすことを特徴とする請求項６に記載の液体吐出装置。
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