JP4732877B2

JP4732877B2 - 液体吐出装置の駆動方法および圧電インクジェットヘッド

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Publication number: JP4732877B2
Application number: JP2005347292A
Authority: JP
Inventors: 歩松元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP2007152596A

Description

本発明は、液体吐出装置の駆動方法と、前記駆動方法によってインク滴を吐出させる機能を備えた圧電インクジェットヘッドとに関するものである。

図２は、オンデマンド型のインクジェットプリンタ等において、圧電インクジェットヘッドとして用いられる、液体吐出装置１の一例を示す断面図である。図３は、前記液体吐出装置１の一例の、要部を拡大した断面図である。図２、図３を参照して、この例の液体吐出装置１は、インクが充てんされる加圧室２と、前記加圧室２に連通し、加圧室２内のインクを、インク滴として吐出させるためのノズル３とを有する複数の液滴吐出部４を、面方向に配列させて形成した基板５と、前記基板５上に積層された、基板５の複数の加圧室２を覆う大きさを有する圧電セラミック層６を含む、板状の圧電アクチュエータ７とを備えている。

圧電アクチュエータ７は、個々の加圧室２に対応して配設され、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓み変形する複数の圧電変形領域８と、前記圧電変形領域８を囲んで配設され、前記基板５に固定されることで変形が防止された拘束領域９とに区画されている。また、図の例の圧電アクチュエータ７は、圧電セラミック層６の、両図において上面に、各加圧室２ごとに個別に形成されて、圧電変形領域８を区画する個別電極１０と、前記圧電セラミック層６の下面に、順に積層された、共に、複数の加圧室２を覆う大きさを有する、共通電極１１と振動板１２とを備えた、いわゆるユニモルフ型の構成を有している。各個別電極１０と、共通電極１１とは、それぞれ別個に、駆動回路１３に接続されており、駆動回路１３は、制御手段１４に接続されている。

圧電セラミック層６は、例えば、ＰＺＴ等の圧電材料によって形成されていると共に、層の厚み方向に、あらかじめ分極されて、いわゆる横振動モードの圧電変形特性が付与されており、制御手段１４からの制御信号によって、駆動回路１３が駆動されて、任意の個別電極１０と、共通電極１１との間に、前記分極方向と同方向の電圧が印加されると、両電極１０、１１間に挟まれた、圧電変形領域８に対応する活性領域１５が、図３に横向きの白矢印で示すように、層の面方向に収縮される。

しかし、圧電セラミック層６の下面は、共通電極１１を介して振動板１２に固定されているため、活性領域１５が収縮すると、それに伴って、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８が、図３に下向きの白矢印で示すように、加圧室２の方向に突出するように撓み変形して、加圧室２内に充てんされたインクを振動させ、この振動によって加圧されたインクが、ノズル３を通して、インク滴として吐出される。

特許文献１に記載されているように、液体吐出装置においては、いわゆる、引き打ち式の駆動方法が、広く一般に採用される。図７は、図２の液体吐出装置１を、従来の、引き打ち式の駆動方法によって駆動する際に、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８に印加される駆動電圧Ｖ_Pの駆動電圧波形（太線の一点鎖線で示す）の一例と、前記駆動電圧波形が印加された際の、ノズル３内における、インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、（＋）がノズル３の先端側、つまりインク滴の吐出側、（−）が加圧室２側〕との関係を簡略化して示すグラフである。

図２、図３、図７を参照して、前記液体吐出装置１の、１つの液滴吐出部４を、引き打ち式の駆動方法によって駆動させる場合を例にとって説明すると、図７中のｔ₁より左側の、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時に、制御手段１４は、駆動回路１３を駆動させて、前記液滴吐出部４に対応する圧電変形領域８に印加する駆動電圧Ｖ_PをＶ_Hに維持（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させ続けることによって、前記圧電変形領域８を、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させて、前記加圧室２の容積を減少させた状態を維持させており、この間、インクは静止状態、すなわち、ノズル３におけるインクの体積速度は０を維持し、前記ノズル３内に、インクの表面張力によって形成されるインクメニスカスは静止している。

ノズル３からインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成する際、制御手段１４は、まず、その直前のｔ₁の時点で、駆動回路１３の駆動を切り替えてて、圧電変形領域８に印加していた駆動電圧Ｖ_Pを放電（Ｖ_P＝０）させて、活性領域１５の面方向の収縮を解除させることによって、前記圧電変形領域８の撓み変形を解除させる。そうすると、加圧室２の容積が一定量だけ増加するため、ノズル３内のインクメニスカスは、その容積の増加分だけ、前記加圧室２の方向に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₁とｔ₂との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。これは、太線の実線で示す、駆動電圧パルスの印加によって、ノズル３内のインクに発生する、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁の、ほぼ半周期分に相当する。

次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ₂の時点で、制御手段１４は、駆動回路１３の駆動を再び切り替えて、駆動電圧Ｖ_Pを、再度、Ｖ_Hまで充電（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。そうすると、ノズル３内のインクは、インクメニスカスが加圧室２の側に最も大きく引き込まれた状態（ｔ₂の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、ノズル３の先端方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８を撓み変形させて、加圧室２の容積を減少させることによって、前記加圧室２から押し出されたインクの圧力が加わることになるため、ノズル３の先端側の方向へ加速されて、前記ノズル３の外方へ大きく突出する。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図７のｔ₂とｔ₃との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。ノズル３の外方へ突出したインクが略円柱状に見えることから、この突出状態のインクを、一般に、インク柱と称する。

そして、ノズル３の外方に突出したインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点（図７のｔ₃の時点）以降、インクの振動の速度が、加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきったインク柱が切り離されて、１つまたは２つ以上のインク滴が生成され、生成されたインク滴が、ノズル３の先端に対向させて配設した紙面まで飛翔して、前記紙面に付着することで、ドットが形成される。前記一連の動作は、図７に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅Ｔ₂が固有振動周期Ｔ₁の約１／２倍である駆動電圧パルスを含む駆動電圧Ｖ_Pを、圧電変形領域８に印加していることに相当する。

近年の、インクジェットプリンタに対する高画質化の要求に対応するため、紙面に形成するドットの大きさを、できるだけ小さくすることが求められ、それに対応して、ノズルから吐出させるインク滴の大きさを、できるだけ小さくするために、液体吐出装置１の駆動方法について、種々、検討されている。
例えば、特許文献２には、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８に、所定の駆動電圧パルスを印加して、液体吐出装置１のノズル３から、インク滴を吐出させる操作を行うと共に、前記インク滴が吐出される直前の、前記圧電変領域８に、インクの一部を加圧室側に引き戻すための、前記駆動電圧パルスと同じ波高を有する引き戻しパルスを印加することで、ノズル３から吐出させるインク滴を、通常よりも小さくすることが記載されている。また、特許文献２には、圧電変形領域８に、前記引き戻しパルスを印加するかしないかを選択することで、ノズル３から吐出させるインク滴の大きさを、設定された解像度に応じた大きさに調節することや、駆動電圧パルスを印加してから、引き戻しパルスを印加するまでの間の時間差、および引き戻しパルスのパルス幅を可変制御することで、ノズル３から吐出させるインク滴の大きさを、任意に調整することも記載されている。
特開平２−１９２９４７号公報（第３頁左上欄第１９行〜同頁右上欄第６行、第３頁右上欄第１４行〜同頁左下欄第２行、第１６図(b)）特開２００４−１５５２０９号公報（請求項１〜３、第００１０欄〜第００１４欄、第００１７欄〜第００１９欄）

発明者は、特許文献２に記載された駆動方法について検討した結果、前記特許文献２に記載されているように、引き戻しパルスを１回、印加しただけでは、ノズルから吐出されるインク滴の大きさを、十分に小さくできないことを見出した。
例えば、先に説明した、図７の、引き打ち式の駆動方法の場合を例にとって説明すると、引き戻しパルスの印加は、図中に太線の破線で示すように、駆動電圧パルスの印加を終了したｔ₂以降で、かつ、ノズル３からインク滴が吐出される以前（好ましくはｔ₃以前）の、駆動電圧を印加し続けて（Ｖ_P＝Ｖ_H）、圧電変形領域８を、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させ続けている待機状態において、一旦、駆動電圧を放電して（Ｖ_P＝０）、前記圧電変形領域８の撓み変形を解除した後、再び、駆動電圧を印加して（Ｖ_P＝Ｖ_H）、圧電変形領域８を、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させた待機状態に戻す操作を、１回だけ行うことで実施される。

そして、前記のうち、駆動電圧を放電して（Ｖ_P＝０）、圧電変形領域８の撓み変形を解除することで、加圧室２の容積を増加させた時点、つまり、引き戻しパルスの印加開始時点で、ノズル３から吐出される直前のインク柱の、根元付近のインクが、前記加圧室２側へ引き戻される。しかし、その直後の、圧電変形領域８を待機状態に戻すべく、再び、駆動電圧を印加して（Ｖ_P＝Ｖ_H）、圧電変形領域８を撓み変形させることで、加圧室２の容積を、再び、減少させた時点、つまり、引き戻しパルスの印加終了時点で、加圧室２側へ引き戻されつつあったインクの大部分が、再び、吐出方向に押し出されて、分離前のインク柱、または分離後のインク滴に追加されるため、前記インク滴の大きさを、十分に小さくすることができないのである。

特許文献２の駆動方法によって、現状よりも大幅に、体積の小さいインク滴を吐出させるためには、例えば、圧電変形領域８に印加する駆動電圧パルスの電圧値（波高、図７のＶ_H）を小さくして、前記圧電変形領域８の、撓み変形の変形量を小さくする等の対策を講じる必要がある。ところが、その場合には、ノズル３から吐出させるインク滴の飛翔速度が低下するため、インク滴が、紙面の、正しい到達位置からずれた位置に到達して、形成画像の解像度が低下したり、インク滴が紙面に到達せずに、形成画像の画素が抜けたりするといった不良が生じやすい。

また、複数の圧電変形領域８を、個別に駆動制御する必要のある、液体吐出装置１の駆動回路１３は、インクジェットプリンタに対する高画質化の要求に伴う、ノズル数、すなわち圧電変形領域８の増加と、それと相反する、液体吐出装置１の更なる小型化の要求とを、共に満足するために、近年、これまでよりもさらに高集積化されつつある傾向にあり、そこへ、圧電変形領域８に印加する駆動電圧パルスの電圧値を変化させるための、新たな回路を、圧電変形領域８の数だけ追加することは、実質的に不可能である。

本発明の目的は、ノズルから吐出させる液滴（インク滴）の飛翔速度を低下させることなく、また、液体吐出装置の駆動回路を複雑化させることなしに、前記液滴を、現状よりも大幅に小さくすることができる液体吐出装置の駆動方法と、それを用いた圧電インクジェットヘッドとを提供することにある。

請求項１記載の発明は、
(A) 液体が充てんされる加圧室と、
(B) 前記加圧室に連通し、前記加圧室内の液体を、液滴として吐出させるノズルと、
(C) 駆動電圧パルスが印加されることによって変形して、前記加圧室の容積を増減させることで、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
を有する液体吐出装置の、前記圧電変形領域に、駆動電圧パルスを印加後、前記駆動電圧パルスの印加によって、前記ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間に、液体の一部を加圧室側に引き戻すための、駆動電圧パルスと同じ波高を有する引き戻しパルスを、連続して２回以上、印加することを特徴とする液体吐出装置の駆動方法である。

請求項２記載の発明は、前記圧電アクチュエータが、駆動電圧がオンされることによって変形して、前記加圧室の容積を減少させ、前記駆動電圧がオフされることによって変形が解除されて、前記加圧室の容積を増加させる圧電変形領域を備えており、前記圧電変形領域を、待機時に、駆動電圧を継続的にオンにして変形させ続けることで、前記加圧室の容積を減少させた状態を維持しておき、液滴の吐出時に、
(i) 駆動電圧をオフにして、前記圧電変形領域の変形を解除して、前記加圧室の容積を増加させた後、
(ii) 再び駆動電圧をオンにして、前記圧電変形領域を変形させて、前記加圧室の容積を減少させて待機状態に戻す駆動電圧パルスを印加することで、
前記加圧室内の液体を振動させて、連通する前記ノズルを通して、液滴として吐出させると共に、駆動電圧パルスを印加後、前記駆動電圧パルスの印加によって、前記ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間の、前記圧電変形領域に、一定時間、駆動電圧をオフにして、前記圧電変形領域の変形を解除して、前記加圧室の容積を増加させることで、液体を、加圧室側に引き戻すための引き戻しパルスを、連続して２回以上、印加する請求項１記載の液体吐出装置の駆動方法である。

請求項３記載の発明は、
(A) インクが充てんされる加圧室と、
(B) 前記加圧室に連通し、前記加圧室内のインクを、インク滴として吐出させるノズルと、
(C) 駆動電圧パルスが印加されることによって変形して、前記加圧室の容積を増減させることで、前記ノズルからインク滴を吐出させるための圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
(D) 前記圧電アクチュエータの圧電変形領域に駆動電圧を印加するための電源と、
(E) 前記圧電変形領域を、請求項１または２記載の駆動方法で駆動させるために、前記電源から出力される駆動電圧波形を駆動制御する制御手段と、
を有することを特徴とする圧電インクジェットヘッドである。

前記課題を解決するため、発明者は、引き戻しパルスを印加した際の、インク等の液体の挙動について、さらに検討した。その結果、圧電アクチュエータの圧電変形領域に、所定の駆動電圧パルスを印加後、前記駆動電圧パルスの印加によって、ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間の、前記圧電変形領域に、前記駆動電圧パルスと波高が同じ引き戻しパルスを、２回以上の複数回、連続して印加すると、ノズルから吐出させる液滴を、現状よりも、大幅に、小さくできることを見出した。

すなわち、１回目の引き戻しパルスの印加開始時点で、加圧室側へ引き戻されつつあった液体の大部分は、先に説明したように、前記１回目の引き戻しパルスの印加終了時点で、再び、吐出方向に押し出されるが、その直後に、２回目の引き戻しパルスが印加されることで、再び、加圧室側へ引き戻される。つまり、２回以上の引き戻しパルスを、圧電変形領域に、連続して、繰り返し、印加することで、インク柱の根元付近の液体を、ノズル内に滞留させ続けることができる。ところが、その間も、インク柱の先端部分は、紙面の方向に向かって移動し続けるため、結果的に、前記インク柱が分離されて生成される液滴を、現状よりも、大幅に、小さくすることができるのである。

また、前記インク柱の挙動から明らかなように、生成される液滴の飛翔速度は、圧電変形領域に、最初に印加された駆動電圧パルスに基づく、前記圧電変形領域の変位量によって規定され、引き戻しパルスの印加による影響を殆ど受けない。しかも、請求項１記載の発明では、前記メカニズムにより、圧電変形領域に印加する駆動電圧パルスの電圧値を小さくしなくても、液滴を、十分に、小さくできるため、前記駆動電圧パルスの電圧値を、通常と同等レベルに維持することによって、ノズルから吐出させる液滴の飛翔速度が低下するのを防止することもできる。

その上、引き戻しパルスの追加と、その印加回数の変更とは、純粋に、駆動回路に入力する制御信号の操作のみによって行うことができるため、液体吐出装置の駆動回路に、新たな回路を追加する必要もない。したがって、請求項１記載の発明の液体吐出装置の駆動方法によれば、ノズルから吐出させる液滴の飛翔速度を低下させることなく、また、液体吐出装置の駆動回路を複雑化させることなしに、前記液滴を、現状よりも大幅に小さくすることが可能となる。

しかも、請求項１記載の発明では、引き戻しパルスを、駆動電圧パルスの印加によって、ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間に印加することで、ノズル内の液体の振動を速やかに減衰させて、次の液滴の吐出を、液体を静止させた状態で行うことができ、吐出される液滴の形状を、常に安定させることができる。
請求項２記載の発明によれば、圧電変形領域に、先に説明した引き打ち式の駆動方法を実施するための駆動電圧パルスを印加後、前記駆動電圧パルスの印加によって、ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間の、前記圧電変形領域に、一定時間、駆動電圧をオフにして、圧電変形領域の変形を解除して、加圧室の容積を増加させることで、液体を、加圧室側に引き戻すための引き戻しパルスを、連続して２回以上、印加することで、先に説明したメカニズムにより、ノズルから吐出させる液滴の飛翔速度を低下させることなく、また、液体吐出装置の駆動回路を複雑化させることなしに、前記液滴を、現状よりも大幅に小さくすることができる。

請求項３記載の発明によれば、インクジェットヘッドを、前記本発明の駆動方法によって駆動することで、ノズルから吐出させるインク滴を、現状よりも、大幅に、小さくして、これまでに比べて高解像度の画像を得ることが可能となる。また、インク滴の飛翔速度が低下するのを防止できるため、前記インク滴が、紙面の、正しい到達位置からずれた位置に到達して、形成画像の解像度が低下したり、インク滴が紙面に到達せずに、形成画像の画素が抜けたりするといった不良が生じるのを防止して、これらの不良のない、良好な画像を形成することも可能となる。

しかも、請求項３記載の発明によれば、引き戻しパルスを印加するかしないかを、各圧電変形領域ごとに選択することで、ノズルから吐出させる液滴のサイズを、２段階に切り替えることができる。そのため、従来は、同色で濃度の違うインクの種類を選択したり、紙面に形成するドットの密度を変更したりすることでしか表現できなかった色濃度の違いを、さらに、ドットの大きさの違いでも表現できるようになるため、階調表現に優れた画像を形成することも可能となる。

図１は、図２の液体吐出装置１を、本発明の駆動方法によって駆動する際に、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８に印加される駆動電圧Ｖ_Pの駆動電圧波形（太線の一点鎖線で示す）の一例と、前記駆動電圧波形が印加された際の、ノズル３内における、インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、（＋）がノズル３の先端側、つまりインク滴の吐出側、（−）が加圧室２側〕との関係を簡略化して示すグラフである。図２は、オンデマンド型のインクジェットプリンタ等において、圧電インクジェットヘッドとして用いられる、液体吐出装置１の一例を示す断面図である。図３は、前記液体吐出装置１の一例の、要部を拡大した断面図である。

図２、図３を参照して、この例の液体吐出装置１は、インクが充てんされる加圧室２と、前記加圧室２に連通し、加圧室２内のインクを、インク滴として吐出させるためのノズル３とを有する複数の液滴吐出部４を、面方向に配列させて形成した基板５と、前記基板５上に積層された、基板５の複数の加圧室２を覆う大きさを有する圧電セラミック層６を含む、板状の圧電アクチュエータ７とを備えている。

図１〜図３を参照して、前記液体吐出装置１の、１つの液滴吐出部４を、引き打ち式の駆動方法によって駆動させる場合を例にとって説明すると、図１中のｔ₁より左側の、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時に、制御手段１４は、駆動回路１３を駆動させて、前記液滴吐出部４に対応する圧電変形領域８に印加する駆動電圧Ｖ_PをＶ_Hに維持（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させ続けることによって、前記圧電変形領域８を、加圧室２の方向に突出するように撓み変形させて、前記加圧室２の容積を減少させた状態を維持させており、この間、インクは静止状態、すなわち、ノズル３におけるインクの体積速度は０を維持し、前記ノズル３内に、インクの表面張力によって形成されるインクメニスカスは静止している。

ノズル３からインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成する際、制御手段１４は、まず、その直前のｔ₁の時点で、駆動回路１３の駆動を切り替えて、圧電変形領域８に印加していた駆動電圧Ｖ_Pを放電（Ｖ_P＝０）させて、活性領域１５の面方向の収縮を解除させることによって、前記圧電変形領域８の撓み変形を解除させる。そうすると、加圧室２の容積が一定量だけ増加するため、ノズル３内のインクメニスカスは、その容積の増加分だけ、前記加圧室２の方向に引き込まれる。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図１のｔ₁とｔ₂との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。これは、太線の実線で示す、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁の、ほぼ半周期分に相当する。つまり、前記一連の動作は、図１に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅Ｔ₂が固有振動周期Ｔ₁の約１／２倍である駆動電圧パルスを含む駆動電圧Ｖ_Pを、圧電変形領域８に印加していることに相当する。

次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ₂の時点で、制御手段１４は、駆動回路１３の駆動を再び切り替えて、駆動電圧Ｖ_Pを、再度、Ｖ_Hまで充電（Ｖ_P＝Ｖ_H）して、活性領域１５を面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。そうすると、ノズル３内のインクは、インクメニスカスが加圧室２の側に最も大きく引き込まれた状態（ｔ₂の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、ノズル３の先端方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８を撓み変形させて、加圧室２の容積を減少させることによって、前記加圧室２から押し出されたインクの圧力が加わることになるため、ノズル３の先端側の方向へ加速されて、前記ノズル３の外方へ大きく突出して、先に説明したインク柱が形成される。その際の、ノズル３内でのインクの体積速度は、図１のｔ₂とｔ₇との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、やがて０に近づく。

そして、ノズル３の外方に突出したインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点（図１のｔ₇の時点）以降、インクの振動の速度が、加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきったインク柱が切り離されて、インク滴が生成されるのであるが、本発明では、先に説明したように、生成されるインク滴を、できるだけ小さくするため、制御手段１４は、駆動回路１３の駆動を間欠的に切り替えることで、駆動電圧パルスの印加を終了したｔ₂の時点から、固有振動周期Ｔ₁の１周期分以内、つまりｔ₇の時点までの間の、圧電変形領域８に、インクを、加圧室２側に引き戻すための引き戻しパルスを、連続して複数回、印加させる。例えば、図の例では、前記ｔ₂の直後の、ｔ₃からｔ₄までの間と、ｔ₄の直後の、ｔ₅からｔ₆までの間の２回にわたって、連続して、パルス幅Ｔ₃、Ｔ₄に相当する一定時間の間、駆動電圧をオフにし、圧電変形領域８の変形を解除して、加圧室２の容積を増加させることで、インクを、加圧室２側に引き戻すための引き戻しパルスを印加する。

そうすると、先に説明したように、インク柱の先端部分が、紙面の方向に向かって移動し続けている間も、インク柱の根元付近のインクを、ノズル３内に滞留させ続けることができるため、結果的に、前記インク柱が分離されて生成されるインク滴を、大幅に、小さくすることができる。そのため、図の例の液体吐出装置１を圧電インクジェットヘッドとして組み込んだインクジェットプリンタを用いれば、これまでに比べて、高解像度の画像を得ることが可能となる。

また、引き戻しパルスを印加するかしないかを、各圧電変形領域８ごとに選択することで、ノズル３から吐出させる液滴のサイズを、２段階に切り替えることができる。そのため、従来は、同色で濃度の違うインクの種類を選択したり、紙面に形成するドットの密度を変更したりすることでしか表現できなかった色濃度の違いを、さらに、ドットの大きさの違いでも表現できるようになるため、階調表現に優れた画像を形成することも可能となる。

また、前記インク柱の挙動から明らかなように、生成されるインク滴の飛翔速度は、圧電変形領域８に、最初に印加された駆動電圧パルスに基づく、前記圧電変形領域８の変位量によって規定され、引き戻しパルスの印加による影響を殆ど受けない。しかも、前記メカニズムによって、圧電変形領域８に印加する駆動電圧パルスの電圧値を小さくしなくても、インク滴を、十分に、小さくできるため、前記駆動電圧パルスの電圧値を、通常と同等レベルに維持することによって、ノズル３から吐出させるインク滴の飛翔速度が低下するのを防止することもできる。

そのため、インク滴が、紙面の、正しい到達位置からずれた位置に到達して、形成画像の解像度が低下したり、インク滴が紙面に到達せずに、形成画像の画素が抜けたりするといった不良が生じるのを防止して、これらの不良のない、良好な画像を形成することも可能となる。その上、引き戻しパルスの追加と、その印加回数の変更とは、純粋に、駆動回路１３に入力する制御信号の操作のみによって行うことができるため、液体吐出装置１の駆動回路１３に、新たな回路を追加する必要もなくなる。

しかも、前記２回の引き戻しパルスを、駆動電圧パルスの印加によって、ノズル内のインクに発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間に印加すると、先に説明したように、インク柱の根元付近の、吐出方向に向かっているインクに、反対方向に引き戻す力を加えることになるため、ノズル内のインクの振動を、速やかに減衰させることができる。そのため、次の液滴の吐出を、液体を静止させた状態で行うことができ、吐出される液滴の形状を、常に安定させることができる。

圧電変形領域８に印加する引き戻しパルスのパルス幅Ｔ₃、Ｔ₄や、駆動電圧パルスの印加を終了したｔ₂の時点から、１回目の引き戻しパルスの印加を開始するｔ₃の時点までの間の、インターバルの長さ、および、１回目の引き戻しパルスの印加を終了したｔ₄の時点から、２回目の引き戻しパルスの印加を開始するｔ₅の時点までの間の、インターバルの長さは、前記２回の引き戻しパルスの印加が、いずれも、駆動電圧パルスの印加を終了したｔ₂の時点から、固有振動周期Ｔ₁の１周期分以内、つまりｔ₇の時点までの間に収まる範囲内で、任意に設定することができる。

なお、本発明では、圧電変形領域８に対して、引き戻しパルスを、３回以上、連続して印加してもよい。その際には、全ての引き戻しパルスの印加が、いずれも、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁の１周期分以内に収まるように、前記パルス幅や、インターバルの長さを設定すればよい。
本発明の構成は、以上で説明した各図の例に限定されるものではない。例えば、本発明の駆動方法は、前記ユニモルフ型の圧電アクチュエータを備えた液体吐出装置だけでなく、バイモルフ型やモノモルフ型等の、種々のタイプの圧電アクチュエータを備えた液体吐出装置の駆動に適用することができ、そのいずれの場合にも、先に説明した種々の作用効果を得ることができる。また、本発明の駆動方法が適用される液体吐出装置は、圧電インクジェットヘッドには限定されず、ポンプその他にも適用することができる。

以下、実施例を挙げて、本発明を、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
〈圧電インクジェットヘッドの作製〉
圧電セラミック材料としての、チタン酸ジルコン酸鉛の粉末（純度９９．９％以上）を、直径φ２ｍｍのジルコニアボールを用いてミル粉砕して、平均粒子径が０．３〜０．５μｍとなるように調整し、乾燥後、メッシュパスして原料粉末を得、前記原料粉末を成形して、圧電セラミック層６、振動板１２のもとになる２枚のグリーンシートを作製した。

次に、共通電極１１のもとになる導電ペーストを、１枚のグリーンシートの表面に、厚み４μｍとなるように印刷し、その上に、もう１枚のグリーンシートを積層して、加圧プレスした後、焼成して、圧電セラミック層６と、共通電極１１と、振動板１２の積層体を得た。
次に、前記積層体のうち、圧電セラミック層６の表面に、スクリーン印刷法によって、Ａｕペーストを、個別電極１０の平面形状に対応した形状に印刷した後、全体を、大気中で、８００〜９００℃で焼付けて、個別電極１０を形成することで、図２および図３に示す構造を有する圧電アクチュエータ７を得た。

次に、前記圧電アクチュエータ７を、個別電極１０が、加圧室２に対応する位置に配置されるように位置合わせをした状態で、基板５上に、エポキシ系接着剤の層を介して積層した後、１５０℃、４時間の加熱処理を行ってエポキシ系接着剤を硬化させることで接着して、圧電インクジェットヘッド１を作製した。
作製した圧電インクジェットヘッド１のうち、加圧室２の、基板５の面方向の面積は０．２ｍｍ²、幅は２００μｍ、基板５の厚み方向の深さは８００μｍ、ノズル３の直径は２５μｍ、長さは３０μｍ、図示しない、インクの共通供給路と加圧室２とを繋ぐ供給口の直径は２５μｍ、長さは３０μｍとした。また、ノズル３内の、インクの体積速度の固有振動周期Ｔ₁は１０μｓｅｃであった。

基板５としては、圧延法によって得られたＳＵＳ３１６鋼製の薄板に、エッチングによって、前記加圧室２、ノズル３等を、前記基板５の厚み方向にスライスした形状を有する通孔を形成した複数種の薄板を、順に、エポキシ系接着剤の層を介して積層し、エポキシ系接着剤を硬化させて、接着したものを用いた。
〈圧電インクジェットヘッドの駆動〉
（駆動１）
図１に示す引き打ち式の駆動で、かつ、駆動電圧パルスの印加後に、引き戻しパルスを印加しない、通常の駆動パターンを駆動１とした。インク滴を連続的に吐出する際に、先のインク滴の吐出から、次のインク滴の吐出までの間のインターバルを規定する駆動周波数は２０ｋＨｚ、駆動電圧Ｖ_Pのうち、充電時の電圧ＶＨは＋２５Ｖ、駆動電圧パルスのパルス幅Ｔ₂は、５．０μｓｅｃとした。

（駆動２）
図１に示す引き打ち式の駆動で、かつ、駆動電圧パルスの印加後に、引き戻しパルスを１回だけ、印加する駆動パターンを駆動２とした。駆動電圧パルスの印加を終了したｔ₂の時点から、引き戻しパルスの印加を開始するｔ₃の時点までのインターバルの長さは３．５μｓｅｃ、引き戻しパルスのパルス幅Ｔ₃は１．５μｓｅｃとした。他は、駆動１と同じに設定した。

（駆動３）
図１に示す引き打ち式の駆動で、かつ、駆動電圧パルスの印加後に、引き戻しパルスを２回、印加する本発明の駆動パターンを駆動３とした。駆動電圧パルスの印加を終了したｔ₂の時点から、１回目の引き戻しパルスの印加を開始するｔ₃の時点までのインターバルの長さは２．０μｓｅｃ、引き戻しパルスのパルス幅Ｔ₃は１．０μｓｅｃ、１回目の引き戻しパルスの印加を終了したｔ₄の時点から、２回目の引き戻しパルスの印加を開始するｔ₅の時点までのインターバルの長さは１．０μｓｅｃ、引き戻しパルスのパルス幅Ｔ₄は１．０μｓｅｃとした。他は、駆動１と同じに設定した。

〈インク滴の撮影〉
圧電インクジェットヘッド１を、ノズル３が、カメラに装着した高倍率レンズの視野内に収まる位置に配置すると共に、ストロボを、カメラと対向させて、同一光軸上に配置した。
次いで、前記駆動１〜３のいずれかの駆動電圧波形を、圧電インクジェットヘッド１の圧電アクチュエータ７に入力するのと同時に、波形出力トリガ信号Ａを遅延回路に入力して、前記遅延回路によって発生させた、所定の遅延時間分だけ遅延させた遅延トリガ信号Ｂを、ストロボ駆動回路およびカメラ制御回路に入力して、ストロボを発光させると共に、カメラによってインク滴を撮影した。

撮影された画像は、駆動電圧波形の印加開始から、遅延回路において設定された遅延時間後の状態であり、前記遅延時間の設定を変更することにより、ノズルから吐出された直後の状態から、飛翔中の状態までの、任意の状態のインク滴を撮影することができる。ここでは、遅延時間の設定を調整して、ノズル３から０．５ｍｍ離れた位置の飛翔状態を撮影している。

駆動１の駆動電圧波形を印加した際に、ノズル３から吐出されたインク滴の画像を図４、駆動２の駆動電圧波形を印加した際に、ノズル３から吐出されたインク滴の画像を図５、そして、駆動３の駆動電圧波形を印加した際に、ノズル３から吐出されたインク滴の画像を図６に、それぞれ示す。各図より、本発明の駆動方法である駆動３の駆動を行うことで、インク滴の大きさを、大幅に、小さくできることが確認された。

〈インク滴の体積の測定〉
駆動１〜３の、いずれかの駆動電圧波形を、先に説明した駆動周波数２０ｋＨｚで、１０万回、繰り返し、圧電アクチュエータ７に印加することで、１０万滴のインク滴を吐出させた後、吐出されて減ったインクの重量を、精密天秤で秤量して、インクの比重から、１滴のインク滴の体積を求めたところ、駆動１では８ピコリットル、駆動２では４ピコリットル、駆動３では１．５ピコリットルであって、本発明の駆動方法である駆動３の駆動を行うことで、インク滴の大きさを、大幅に、小さくできることが、液滴の体積の点でも確認された。

図１は、図２の液体吐出装置を、本発明の駆動方法によって駆動する際に、圧電アクチュエータの圧電変形領域に印加される駆動電圧Ｖ_Pの駆動電圧波形の一例と、前記駆動電圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との関係を簡略化して示すグラフである。図２は、オンデマンド型のインクジェットプリンタ等において、圧電インクジェットヘッドとして用いられる、液体吐出装置の一例を示す断面図である。図３は、前記液体吐出装置の一例の、要部を拡大した断面図である。図４は、実施例で作製した液体吐出装置を用いて、駆動電圧パルスの印加後に、引き戻しパルスを印加しなかった際に、ノズルから吐出されたインク滴の形状を示す写真である。図５は、前記液体吐出装置を用いて、駆動電圧パルスの印加後に、引き戻しパルスを１回だけ印加した際に、ノズルから吐出されたインク滴の形状を示す写真である。図６は、前記液体吐出装置を用いて、駆動電圧パルスの印加後に、引き戻しパルスを２回、印加した際に、ノズルから吐出されたインク滴の形状を示す写真である。図７は、図２の液体吐出装置を、従来の、引き打ち式の駆動方法によって駆動する際に、圧電アクチュエータの圧電変形領域に印加される駆動電圧Ｖ_Pの駆動電圧波形の一例と、前記駆動電圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との関係を簡略化して示すグラフである。

符号の説明

１液体吐出装置
２加圧室
３ノズル
７圧電アクチュエータ
８圧電変形領域

Claims

(A) 液体が充てんされる加圧室と、
(B) 前記加圧室に連通し、前記加圧室内の液体を、液滴として吐出させるノズルと、
(C) 駆動電圧パルスが印加されることによって変形して、前記加圧室の容積を増減させることで、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
を有する液体吐出装置の、前記圧電変形領域に、駆動電圧パルスを印加後、前記駆動電圧パルスの印加によって、前記ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間に、液体の一部を加圧室側に引き戻すための、駆動電圧パルスと同じ波高を有する引き戻しパルスを、連続して２回以上、印加することを特徴とする液体吐出装置の駆動方法。
前記圧電アクチュエータが、駆動電圧がオンされることによって変形して、前記加圧室の容積を減少させ、前記駆動電圧がオフされることによって変形が解除されて、前記加圧室の容積を増加させる圧電変形領域を備えており、前記圧電変形領域を、待機時に、駆動電圧を継続的にオンにして変形させ続けることで、前記加圧室の容積を減少させた状態を維持しておき、液滴の吐出時に、
(i) 駆動電圧をオフにして、前記圧電変形領域の変形を解除して、前記加圧室の容積を増加させた後、
(ii) 再び駆動電圧をオンにして、前記圧電変形領域を変形させて、前記加圧室の容積を減少させて待機状態に戻す駆動電圧パルスを印加することで、
前記加圧室内の液体を振動させて、連通する前記ノズルを通して、液滴として吐出させると共に、駆動電圧パルスを印加後、前記駆動電圧パルスの印加によって、前記ノズル内の液体に発生する、体積速度の固有振動周期の１周期分以内の間の、前記圧電変形領域に、一定時間、駆動電圧をオフにして、前記圧電変形領域の変形を解除して、前記加圧室の容積を増加させることで、液体を、加圧室側に引き戻すための引き戻しパルスを、連続して２回以上、印加する請求項１記載の液体吐出装置の駆動方法。
(A) インクが充てんされる加圧室と、
(B) 前記加圧室に連通し、前記加圧室内のインクを、インク滴として吐出させるノズルと、
(C) 駆動電圧パルスが印加されることによって変形して、前記加圧室の容積を増減させることで、前記ノズルからインク滴を吐出させるための圧電変形領域を備える圧電アクチュエータと、
(D) 前記圧電アクチュエータの圧電変形領域に駆動電圧を印加するための電源と、
(E) 前記圧電変形領域を、請求項１または２記載の駆動方法で駆動させるために、前記電源から出力される駆動電圧波形を駆動制御する制御手段と、
を有することを特徴とする圧電インクジェットヘッド。