JP4765491B2 - インクジェット式記録ヘッドの駆動方法及びインクジェット式記録ヘッド並びに画像記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリンタ等の画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッドや、液晶ディスプレーのカラーフィルタの製造に用いられる色材液や有機ＥＬディスプレー等の電極膜形成に用いられる電極材液などの特殊な液体を噴射するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法、及びインクジェット式記録ヘッド並びに画像記録装置に関する。

共通のインク供給部や圧力室などノズル開口穴へ至るインク流路を形成し、前記圧力室を膨張・収縮させる圧力発生手段により液滴を噴射するオンデマンドのインクジェット式ヘッドが種々開発されている。

また、近年のインクジェット式の記録装置は写真画質に匹敵するほどの高精細な画像を出力できる。これは、前記インク流路を微細化することでノズルから噴射されるインク滴が数ピコリットルと言う極めて小な液滴を記録媒体上に選択的に噴射して画像を出力している。

一方では、屋外の看板やポスターといった非常に大きな記録媒体に印刷行なう印刷装置もある。これらの印刷品質はそれほど高精細さを必要とせず比較的大きな液滴でおおきなドットを形成して印刷されている。大きな液滴を得るためには大きな前記インク流路を大きくして液滴を噴射するように構成されている。これらの小液滴と大液滴を１つの液滴で両立させるヘッドの開発は非常に困難であった。

このような小さな液滴とその数倍の大きさの液滴を１つのヘッドで実現させるために、圧力発生手段を駆動する電気パルスを工夫した種々のアイディアが提案されている。例えば、１つのドットを形成する複数のインク滴を途切れさせることなくノズル開口穴から連続的に噴射させ、飛翔中に１つの液体に合体させ、記録媒体上に着弾させるものが提案されている。つまり、複数の連続した電気パルスを圧力発生手段に付与し、先の電気パルスよりもその後続の電気パルスの傾斜や時間間隔を狭めることで、それらの電気パルス列内において先の電気パルスによって得られた液滴の速度よりも後続の液滴の方がより速くなるように噴射し、液滴群が飛翔中に合体して単一の液滴として記録媒体上にドットを形成するようにするものである（特許文献１参照）。

しかしながら、この方法を用いた場合、連続した電気パルスの形状は複雑になり、かつ変換器である圧力発生手段の駆動周期を順次変更する必要がり、クロック信号も複雑となる。また、複数の液滴を合体させて画素を形成するため、ノズルから噴射可能な小液滴をドットとして用いていないため、ヘッドが本来持っている印刷解像度を活かしきれない。

このような問題を鑑みて、単一パルスのパルス幅としてヘルムホルツ固有振動の周期を選び、そのパルス幅の１／５〜１／４あるいはそれ以下の時間を休止時間とし、単一パルスと休止時間とを交互に繰り返してマルチパルスを形成して、記録媒体上に着弾したときのドット径を可変させる方法が提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、連続した２つのパルスにより形成された液滴は飛翔中に合体するが、第３パルス以降によって形成された液滴は合体せずに記録媒体上で合体する。更には、特許文献２の図９からわかるように、後続の液滴は飛翔距離が長くなると先頭との間隔が広がるように駆動されている。これは記録速度が遅い場合は良いが、記録速度を高めるため記録ヘッドの走査速度を速める場合、あるいはヘッドを固定して記録媒体が高速で搬送する場合、後続の液滴の速度が遅いと先頭の液滴が記録媒体上に着弾後、遅れて記録媒体上に着弾するので丸いドット形状にならない。最悪の場合は、串団子状のドット形状や完全に分かれたドットになりかねない。つまり、印刷品質が悪化するため記録速度を向上させることができないという問題が生じる。

特公平７−１０８５６８号公報

特開２０００−１３５８００号公報

本発明はこのような問題を鑑みてなされたもので、本発明の目的とするところは、マルチパルス駆動によってインク滴の量を制御する駆動方法において、圧力発生手段に印加する電気パルスの全幅を極端に長くすることなく、かつ、ほぼ同じ電気パルス波形を印加することで、連続的に噴射された液滴が記録媒体上にほぼ到達する前にほぼ単一の液滴となって着弾し、安定して高い駆動周波数域でのドット諧調記録が可能な駆動方法を提供することにある。

本発明は、電気パルスの印加により作動する圧力発生手段を有し、該圧力発生手段で以って液体を収容する圧力室と連通するノズル開口穴より液滴を吐出させるものであって、前記電気パルスは少なくとも前記圧力室の容積を膨張させる膨張工程と、前記圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程とを有するオンデマンドのインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、
少なくとも２以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には、個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にすると共に、
前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスが最下点に到達する時間をＴｍとしたとき、前記個々の電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間ＴｐをＴｍと等しくし、前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決まる固有周期をＴｃとしたとき、前記個々の電気パルスの全幅ＰＷが、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）未満で、かつ前記連続する電気パルスの繰返し周期は、前記全幅ＰＷより大きく、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）とすることを特徴とする。

そして、前記ノズル開口穴部のメニスカスが最下点に到達するまでの時間Ｔｍと、前記電気パルスの全幅ＰＷ及び前記固有振動周期Ｔｃの関係がＴｍ＜ＰＷ＜Ｔｃの時、前記連続する電気パルスの繰返し周期における前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）の変数ｎは１以上であって、Ｔｍ＞Ｔｃの時、前記連続する電気パルスの繰返し周期における前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）の変数ｎは２以上であることを特徴とする。

また、前記電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間Ｔｐは、前記ノズル開口穴のメニスカスがほぼ最下点に到達する時間Ｔｍの０．７〜１．２倍であることを特徴とする。

また、横軸を単一の電気パルスの駆動周波数をとり縦軸にそれによって噴射される液滴が所定量のギャップ間を通過する時間から算出された速度としたときを周波数特性カーブとしたときに、前記マルチパルス駆動における連続する電気パルスの繰返し周期は、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）であって、単一電気パルスの２ｋＨｚ以下の駆動における液滴の速度より大きい速度を有することを特徴とする。

また、前記電気パルスは、前記膨張行程の終了直後から前記収縮工程の間に保持工程を有することを特徴とする。

更に、本発明は、電気パルスの印加により作動する圧力発生手段を有し、該圧力発生手段で以って液体を収容する圧力室と連通するノズル開口穴より液滴を吐出させるものであって、前記電気パルスは少なくとも前記圧力室の容積を膨張させる膨張工程と、前記圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程とを有するオンデマンドのインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、少なくとも２以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にし、かつ前の電気パルスの電圧Ｖｐと次の電気パルスの電圧Ｖ（ｐ＋１)の電圧比を（Ｖｐ／Ｖ（ｐ＋１））≦１（ｐは自然数）にすると共に、前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスが最下点に到達する時間をＴｍとしたとき、前記個々の電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間ＴｐをＴｍと等しくし、前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決まる固有周期をＴｃとしたときに、前記個々の電気パルスの全幅ＰＷは、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）未満、かつ前記連続する電気パルスの繰返し周期は、前記全幅ＰＷより大きく、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）とすることを特徴とする。

そして、前記マルチパルス駆動によって噴射された複数の液滴は、記録媒体に到達する前に飛翔中に合体されることを特徴とする。さらに、前記駆動方法で液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッド、及び前記インクジェット式記録ヘッドを搭載してなる画像記録装置を特徴とする。

圧力発生手段によりインクを収容する圧力室の容積を膨張・収縮させ液滴を吐出するオ
ンデマンドのインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、少なくとも２以上の連続する電気パルスは、少なくともインクを圧力室内に取り込む膨張工程と、圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程と、を有し、個々の電気パルスの収縮工程開始直前までのパルス幅を圧力室の膨張行程で引き込まれるノズル開口部のメニスカスが最下点に到達する時間を取り、前記個々の電気パルスの全幅がノズル開口部からインク流入口のインク流路で決まる固有周期、いわゆるヘルムホルツ周期と言われる周期Ｔｃ未満であって、連続する電気パルスの繰返し周期は、前記個々の電気パルスの全幅ＰＷより大きく、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）の範囲でマルチパルスを形成するようにしたので、必要最小限の工程を要する電気パルスを繰り返して駆動しているのみで複雑な波形の制御が不要である。また、連続した電気パルスの駆動周期も常に一定であり、クロック信号も複雑にする必要がない。つまりは、駆動回路の簡素化が可能となる。

また、駆動周期はヘルムホルツ周期にて連続的に駆動されているので、必要に応じて選択的に電気パルスを選ぶことで、少なくとも前記ヘルムホルツ周期以下の駆動周波数で選択的に液滴量を可変させることが可能となる。

更に、ヘルムホルツ周期を選ぶことで後続の液滴が先の液滴より速度が速くなるため、必ず先頭の液滴に追いつき単一の液滴となって飛翔できる。また、同時に電気パルスの駆動電圧を直前の電気パルスの駆動電圧より僅かに大きくなるようにすることでより速く単一の液滴が形成され、記録媒体までの距離が短くなっても複数の液滴の状態で着弾することを防止できる。これにより、記録速度の向上を図るために記録ヘッドの走査速度を高めても単一パルスとほぼ同じ液滴形状で着弾させることが可能となり、印刷品質を維持しながら記録速度向上が図れる。

従って、本発明によれば記録ヘッドの持つ最小の液滴噴射とその数倍の液滴噴射をひとつのヘッドで実現させることができると同時に記録速度の向上も図れる。

マルチパルス駆動によってインク滴の量を制御する駆動方法において、圧力発生手段に印加する電気パルスの全幅を極端に長くすることなく、かつ、ほぼ同じ電気パルス波形を印加することで、連続的に噴射された液滴が記録媒体上にほぼ到達する前にほぼ単一の液滴となって着弾させるという目的をノズル開口部のメニスカスの動きと記録ヘッドの固有周期との関係を利用することで、安定して高い駆動周波数域でのドット諧調記録ができるようにした。

図１に本発明に用いる積層型のインクジェト式記録ヘッド一実施例となる断面図を示す。本発明のインクジェット式記録ヘッド１は、複数のノズル開口穴１１を少なくとも１列を有するノズルプレート１０と、ノズル開口穴１１へ連通する連通流路２１を有するチャンバープレート２０と、リストリクタ３２と圧力発生室３１を兼ねた開口穴を有するリストリクタプレート３０と、圧力発生室３１及びリストリクタ３２を封止する薄板よりなるダイアフラムプレート４０と、圧力発生室３１に相当する部分を大きく変位させるためにダイアフラムプレート４０を振動板４１として保持する領域と、共通のインク溜まり５２の部分に開口穴を有するサポートプレート５０と、各ノズル開口穴１１までの流路への異物の進入を防止するフィルター６１を有するフィルタープレート６０よりなる流路基板５と、流路基板５を保持し、かつ外部からのインクを導入し、貯留する共通インク室７１を有する高剛性プレート７０より形成される。そして、高剛性プレート７０に開けられた開口溝７２には、支持部材８２に保持され、複数に分割された圧電振動子８１を有する圧電アクチュエータ８０が挿入されており、圧電振動子８１の先端は振動板４０に当接・固着されている。

ここで、ノズルプレート１０は、インク滴の飛翔直進性を得るために高精度に穴加工され、ニッケルのエレクトフォーミング法やステンレスの薄板を精密プレス法によって穴を加工する方法で成形される。チャンバープレート２０は、リストリクタプレート３０に開けられた穴より長手方向が短い連通流路２１が成形されている。連通流路２１の端部側にノズル開口穴１１が位置している。リストリクタプレート３０は、圧力発生室３１及びリストリクタ３２の流路となる細長い開口穴が開けられている。図１においては、ノズル開口穴１１が１列に並べられた例であるが、１つの記録ヘッド内に複数列を配置しても、ノズル開口穴１１を内側として、圧力発生室３１などの流路穴が互いに対向するように配置されていても良い。これらチャンバープレート２０とリストリクタプレート３０は、ステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工成形される。或いは、シリコンウェハーを異方性エチング法やドライエッチング法で形成しても良い。

圧力発生室３１及びリストリクタ３２を封止するダイアフラムプレート４０は、他のプレートに比べ、さらに薄板からなるステンレス製の板やエレクトフォーミング法によるニッケル材で成形されている薄膜プレートである。あるいは、薄板のプラスチックフィルムや該プラスチックフィルムと薄板の金属板を積層した後に、振動板となる領域部の金属板をエッチングして除去しても良い。また、サポートプレート５０もステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工形成することができる。

高剛性プレート７０は、ステンレスの棒材等を切削加工で容易に形成することができる。圧電アクチュエータ８０は、導電材料と圧電材料が交互に積層されたバルク状態の圧電素子を支持部材８２の一端側に固着し、バルク状の圧電素子を個々の圧力発生室３１に対応するように複数の圧電振動子８１に分割され、圧電振動子８１の端面が振動板４１に当接固着される。本例に挙げた圧電素子は、積層方向にもっとも変位するｄ３３タイプのものであるが、積層した鉛直方向に変位するｄ３１タイプのものであっても良く、あるいは、薄板の圧電体を利用した方式であっても良い。または、前記圧電アクチュエータ８１の変わりに変位変換手段として静電方式であっても良い。

次に、このように構成されたインクジェット式記録ヘッド１からインク滴が吐出する動作過程について、図２を用いて説明する。図２は、もっとも単純な薄板積層構造で構成さてインクジェット式記録ヘッドの１例である。また、図３はノズル開口穴１１より液滴を吐出するために用いられる電気パルスの一例を示す図である。インク流路内にインク６が充填された状態で圧電振動子８１に所定の電位差Ｖを持って電気パルス７が印加されると（図３のＴｆに相当）、圧電振動子８１は収縮し、ダイアフラムプレート４０の振動板４１が変形する。これによって圧力室発生室３１の容積が膨張し、共通のインク室７１より夫々のリストリクタ３２を経由してインク６が圧力室発生室３１に供給される（図２（ｂ）矢印Ｂ）。同時にノズル開口穴１１のインクメニスカスも圧力発生室３１側へ引き戻される（図２（ｂ）矢印Ａ）。このような過程を、以下、膨張行程と呼び、その時間をＴｆとする。そのまま電圧をホールドするとメニスカスの引き込みが終了し、再度、メニスカスはノズル開口穴部１１の出口側へ戻ろうとする。このような過程を保持工程と呼び、その時間をＴｐとする。そして、メニスカスがノズル開口穴部１１の出口側に戻ろうとするほぼその時点で、今度は圧電振動子８１が伸長する方向に収縮時よりも短時間で電圧を開放する。この工程を収縮工程と呼び、その時間をＴｒとする。そうすると、膨張工程によって圧力発生室内３１に充填されたインク６が圧縮され、圧力発生室３１内は高い気圧状態となり、インク６の圧力が上昇する（図２（ｃ）の状態）。この圧力によってノズル開口穴１１よりインク滴８となって飛翔する（図２（ｄ）の状態）。

図４は、本発明となるインクジェット式記録ヘッド１にインク滴が吐出しない程度の弱い電気パルス９を印加した時の、ノズル開口穴部１１のインク表面であるメニスカスの動きをレーザードップラー装置によって観測したものである。観測に用いた記録ヘッド１は、ノズル開口穴１１が３８μｍでノズルピッチが０．３３８ｍｍであるものを用いた。電気パルス９は、圧力発生室３１を膨張させる信号９ａを印加し、その状態を保持し続け、メニスカスがほぼ元に位置に復元したら膨張を開放する信号を与えて観測する。メニスカス動きは、圧力発生室３１の膨張により大きく引き込まれる。電圧信号９ａを印加直後からメニスカスが引き込まれて再び戻り始める直前までの時間Ｔｍ、いわゆるメニスカスの引き込み最下点までの時間Ｔｍは約９μｓである。その後、膨張が保持されたままにしておくと、メニスカスはノズル開口穴１１側へ振動をしながら戻り始める。その周期Ｔｃはおよそ１４〜１５μｓである。この振動は、この記録ヘッドの固有周期を示していることが既にわかっている。

次に、本発明となるインク滴の量をコントロールするためのマルチパルス駆動方法について詳述する。図６は、図４のメニスカスを観測した記録ヘッド１に電気パルスを２回連続して印加したときの例を示す。夫々の電気パルス１００ａと１００ｂの膨張行程となる時間Ｔ１（Ｔｆ）は約３μｓ、保持工程となる時間Ｔ２（Ｔｐ）が６μｓ、収縮工程となる時間Ｔ３（Ｔｒ）が約３μｓで構成され、膨張行程と保持工程の合計時間Ｔｗは、メニスカスの引き込み時間Ｔｍをであるおよそ９μｓとし、１つの電気パルスの合計時間ＰＷは、１２μｓとしている。そして、連続した電気パルスの周期は記録ヘッド１の固有周期Ｔｃである１４．５μｓ、つまりは、約６８ｋＨｚの駆動周期とした。

このときのインク滴の飛翔状態を観測した結果を図７に示す。図７の（ａ）〜（ｄ）は、インク滴がノズルから飛び出す直前から徐々に時間をずらして観測した図である。図に示されるように最初の電気パルス１００ａによって噴射されたインク滴１０８ａに対して、２発目に印加された電気パルス１００ｂによって噴射されたインク滴１０８ｂが先のインク滴８ａに追いつき、空中で合体する様子がわかる。これは、先の電気パルス１００ａによって発生した圧力発生室３１内の内部圧力の振動（固有周期による振動）が、第二の電気パルス１００ｂによって共振し、圧力発生室３１内の圧力が更に高まり、第二のインク滴１０８ｂのインク滴速度が速くなるからである。

上述した現象を検証するため、圧力発生室内３１の圧力変動をシミュレーションで分析した結果を図８に示す。図８（ａ）が、インク流路をモデル化し、WolframResearch社の計算ソフトMathematica（登録商標）を使用して、線形計算にて算出したノズル開口穴１１の入り口近傍の圧力変化を示す。図８（ｂ）は、アイネス社のＦＬＯＷ−３Ｄ（登録商標）を用いて圧力発生室３１の圧力変化の解析を行なった結果である。圧力振動波形の形状は、僅かなモデルの差により多少異なるが、どちらの場合も電気パルス１００ａによって発生した圧力発生室３１の内部圧力が電気パルス１００ｂによって更に高くなっている様子がわかった。これにより、後続のインク滴８ｂの液滴速度が速くなることが理解できる。

図５は、電気パルス９の信号９ａの時間Ｔｆを変えたときのメニスカスの動きを見た図である。これからわかるように信号９ａの時間が変わるとメニスカスの引き込み最下点までの時間Ｔｍも変化することがわかる。当然、その後の戻り過程での振動周期Ｔｃは同じである。つまり、時間Ｔｆに応じて膨張行程時間Ｔｆと保持工程時間Ｔｐの合計であるＴｗも変えることで安定した駆動が実現できることは理解できる。また、実験結果によればＴｐは、（０．７〜１．２）×Ｔｍで後続のインク滴が直前のインク滴に追いつくことが確認できた。

次に、本発明を利用し、もっと多くの電気パルスを連続的に印加したときのインク吐出の観測結果を図９に示す。図９は、電気パルスを連続５パルスで駆動した時の観測結果で、全て固有周期である約６８ｋＨｚで連続駆動した結果である。なお、（ａ）〜（ｇ）の観測結果は時系列になっている。ここに示すように、噴射されたインク滴は印加されたパルスの数によって時間差があるが、全て後続のインク滴が前のインク滴に必ず追いついていく様子がわかる。本例の場合、ノズル開口穴１１からおよそ２．５ｍｍ離れた地点で、ほぼ一体となることがわかった（（７）の状態）。従って、これ以下の連続したマルチパルス駆動においても必ず後続のインク滴は、直前のインク滴に追いつくことは容易に判断できる。また、最終的な液滴の形状は、電気パルスを１つ印加した時の液滴形状にほぼ同じ形状となる。従って、記録媒体上に着地した時のドット液状はほぼ丸い形状を示す。つまり、電気パルスを固有周期の約６８ｋＨｚで連続的に電気パルスを印加し、必要に応じて選択的に電気パルスを１つ、あるいは３つ、５つなどを必要に応じて選択することでドットサイズを制御でき、階調表現が可能となる。従って、高い駆動周波数、つまりは印刷速度が速く、かつ多値諧調表現によりグラデーションなどのグラフィック印刷での印刷品質を向上させることができる。

図１０は、連続する電気パルスの駆動周期を記録ヘッド１の持つ固有周期Ｔｃのおよそ２倍とした場合のインク吐出の観測結果を示す。（ａ）〜（ｈ）の観測結果は時系列になっている。電気パルスの形状は、１００ａや１００ｂと同じ形状であって、駆動周期を２６μｓ、およそ３５ｋＨｚで連続した５つの電気パルスを印加した。図１０からもわかるように、インク滴の飛翔距離が長くなれば、後続のインク滴が追いついていく様子がわかる。しかし本例の場合、５発目のインク滴は、直前のインク滴に近づいていくものの１０ｍｍの距離を飛翔させても追いつくことができなかった。これは、圧力発生室３１内の圧力が徐々に平衡化していくことと、飛翔距離が長くなり運動エネルギーが失われ追いつくことができなかったためである。

次に、記録ヘッド１の固有周期Ｔｃが短い（高周波数）場合について述べる。固有周期Ｔｃが短い記録ヘッドでもメニスカスの引き込み最下点までの時間Ｔｍが、固有周期Ｔｃよりも長くなる場合がある。例えば、ノズル開口穴１１の直径が２５μｍで、ノズルピッチが０.２５ｍｍの記録ヘッドを用いた場合、記録ヘッドの固有周期Ｔｃが、８μｓ（１２５ｋＨｚ）の振動周期で、メニスカスの引き込み時間Ｔｍが約９μｓであった。このようなときは、電気パルスの膨張行程と保持時間の合計をほぼメニスカスの引き込み時間Ｔｍとし、連続した電気パルスの周期を固有周期Ｔｃの２倍以上（但し、整数倍）とすれば良い。

図１１は前述した記録ヘッド１の固有周期Ｔｃが短い（高周波数）場合における圧力発生室３１内の圧力変化をシミュレーションした図である。圧力発生室３１の圧力変化は、図８で示した結果と同様に２発目の圧力が高くなっていることがわかる。これは、後続のインク滴が、直前のインク滴に追いつくことを示している。図示はしていないが、図９に示すような観測方法でインク滴が直前のインク滴に追いつく様子を確認することもできた。この場合は、連続した５つの電気パルスを印加しても固有周期Ｔｃが長い記録ヘッドのように後続の液滴が追いつく時間は短かった。これは、本記録ヘッドの固有周期が短いので圧力発生室３１内の容積は小さくなり、これにより内部圧力の上昇が固有周期の長い記録ヘッドに対して大きくなるため、連続した電気パルスの後半での圧力低下が小さくなることによる。このように、記録ヘッド１の固有周期Ｔｃの２倍の時間で連続駆動することでも、図９に示すような記録ヘッドと同じ効果を得ることができる。

図１２は、横軸に電気パルスの駆動周波数、縦軸にインク滴が飛翔距離１ｍｍに到達するまでの時間から算出したインク滴の平均速度をプロットしたインク滴の周波数特性カーブを示す。インク滴の速度は、駆動周波数に応じて変化している様子がわかる。速度変化カーブのピークとピーク間から算出される時間は、記録ヘッド１の持つ固有周期Ｔｃとほぼ同じ時間をあらわしている。この速度カーブにおける（１）、（２）、（３）、（４）及び（５）に示したポイントで２連続のマルチパルス駆動を実施した。図１３の（１）から（５）は、図１２の（１）から（５）に対応した駆動周期におけるインク滴の噴射開始直後から所定量飛翔した時の状態を示す。これからわかるように、図１２で示したインク滴の周波数特性を見ると２ｋＨｚでのインク滴速度は約８ｍ／ｓ、それに対して（３）から（５）での速度は８ｍ／ｓより速く、（１）及び（２）が８ｍ／ｓ以下となっている。観測結果、図１２中の（３）から（５）までは確実に直前のインク滴に追いつく様子がわかる。（２）の場合は、追いついてはいないものの、インク滴間の距離が詰まっていることから、いずれ追いつくものと思われる。そして、（１）の場合は、確実に追いつかないことがわかった。

図１４は、図１２の（５）の周波数で連続５パルスを印加した状態を、ＦＬＯＷ−３Ｄを用いてインク滴の吐出状態を解析した結果を示す。連続するパルスの数を増やしても後続のインク滴が追いつく様子が検証された。つまり、マルチパルス駆動において、液滴を空中で合体、あるいはほぼ記録媒体上に到達する直前で合体させるためには、マルチパルス駆動の駆動周期をほぼ固有周期Ｔｃ近傍をとり、かつ単一の電気パルスでの周波数特性カーブの低周波数域でのインク滴速度より早い領域でのＴｃの整数倍近傍の時間をとり連続駆動することで、後続の電気パルスによるインク滴が直前のインク滴に追いつくことがわかった。但し、この効果は固有周期Ｔｃの整数倍の周期が長いほどマルチパルスによる周期が長くなり直前のインク滴に追いつく効果は薄れるので、２から３倍程度までが良い。

以上から、マルチパルス駆動において、インク滴の量をコントロールし、ドットサイズの可変コントロールをする場合、連続する電気パルスの駆動周期は、記録ヘッド１の持つ固有周期Ｔｃ近傍をとり、かつ単一電気パルスにおけるインク滴速度より大きい領域でマルチ駆動することで、高い周波数で駆動可能となり印刷速度を低下せることなくマルチパルス駆動ができるインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。

上述したように、マルチパルス駆動でのパルス数が多くなると、また、駆動周期が長くなると合体するまでの時間と距離が伸びることがわかっている。図１５は、インク滴が吐出しない程度に駆動電圧を下げ、電気パルスを連続的に５パルスを印加した時のノズル開口穴１１内のインクのメニスカスを観測した図である。図からわかるように連続した電気パルスの４発目以降のメニスカス出張り量がそれほど上昇していないことがわかる。つまり、連続する電気パルスの数が多くなると圧力発生室３１内の圧力が平衡状態となってくるためである。

そこで、図１６に示すように、連続した電気パルスの駆動電圧を後続になるに従って徐々に大きくしていくことで、より速く直前のインク滴に追いつかせることが可能となる。また、例えば、最初の電気パルスの電圧をＶ１としたとき、２番目をＶ２＝Ｖ１×１．１、３番目をＶ３＝Ｖ×１．２、四番目をＶ４＝Ｖ１×１．３、というように連続して大きくする必要はなく、直前の電気パルスの駆動電圧に対して、Ｖ（ｐ＋１）≧Ｖ（ｐ）、電圧比で言えば（Ｖｐ／Ｖ（ｐ＋１））≦１（ｐは自然数）であれば良い。例えば、図１５のような例をとれば、４発目の電気パルスの駆動電圧を直前の電気パルスの駆動電圧より高くすることで、より速く直前に噴射されたインク滴に追いつく。また、マルチパルス駆動の周期を、図１２で示した周波数特性カーブで示された固有周期Ｔｃの整数倍近傍で単一電気パルスの低周波数域での速度より早い領域の範囲で、徐々に前記マルチパルスの駆動周期を短くしても、後続のインク滴が直前のインク滴に追いつくことは理解できる。このように、後続のインク滴の速度を大きくすることで、空中でのインク滴の合体を早めることが可能となり、記録媒体までの距離を長く取らずとも良い。その結果、飛翔中の風なので外乱によるインク滴の直進性を悪くする要因が少なくなり、インク滴の着地位置精度が高まり、印刷品質を向上させることができる。

なお、以上説明した発明においては、電気パルスの形状を図１７に示すように、圧力発生室３１を膨張させる工程と、保持工程と、圧力発生室３１を収縮させる（または、復元させる）工程とで構成し、このうち収縮工程に、定常時の位置よりもさらに収縮させるようにした後に、再び元に位置に復元させる復元工程を追加しても同じ効果を得ることができる。

本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、ひとつのノズルから、小液滴から大液滴を高い駆動周波数でコントロールすることができ、高速印刷が可能で、かつ高精細な印刷品質を得ることができ、オフィスユースの印刷装置から産業用の印刷分野への用途拡大が可能となる。

本発明で用いる記録ヘッドを示した断面図である。 本発明においてインク滴の吐出時の動作過程を示すモデル図である。 単一のインク滴のための電気パルスの一例である。 ノズル開口穴のインクメニスカスの変位を観測した結果を示すグラフである。 電気パルスの時間Ｔｆを変えた時のメニスカスを観測したグラフである。 本発明において用いられる連続した電気パルスの一例である。 図６の電気パルスで駆動した時の記録ヘッドから噴射されたインク滴の様子を観察した図である。 記録ヘッドの圧力発生室内の圧力変動をシミュレーション計算した結果を示すグラフである。 記録ヘッドにて５連続の電気パルスで駆動した時のインク滴の噴射様子を観察した図である。 記録ヘッドにて５連続の電気パルスでかつ駆動周波数を固有周期のおよそ２倍で駆動した時のインク滴の噴射様子を観察した図である 他の実施例となる連続パルス駆動時の圧力発生室内の圧力変動を計算したグラフである。 記録ヘッドの周波数特性をあらわす図である。 図１２に示す各ポイントでのインク滴の噴射の様子を観察した図である。 ５連続マルチ駆動のインク滴の噴射の様子を計算に照らし合わせた図である。 ５連続マルチ駆動をノズル開口穴内のメニスカスの様子を観察したグラフである。 連続した電気パルスの他の実施例となる例を示す図である。 マルチ駆動における単一の電気パルスの他の実施を示す図である。

符号の説明

１ 記録ヘッド
５ 流路基板
７ 電気パルス
８ インク滴
９ 電気パルス
１０ ノズルプレート
１１ ノズル開口穴
２０ チャンバープレート
２１ 連通流路
３０ リストリクタプレート
３１ 圧力発生室
３２ リストリクタ
４０ ダイアフラムプレート
４１ 振動板
５０ サポートプレート
５２ 共通のインク溜まり
６０ フィルタープレート
６１ フィルター
７０ 高剛性プレート
７１ 共通インク室
７２ 開口溝
８０ 圧電アクチュエータ
８１ 圧電振動子

Claims (9)

1. 電気パルスの印加により作動する圧力発生手段を有し、該圧力発生手段で以って液体を収容する圧力室と連通するノズル開口穴より液滴を吐出させるものであって、前記電気パルスは少なくとも前記圧力室の容積を膨張させる膨張工程と、前記圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程とを有するオンデマンドのインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、
   少なくとも２以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には、個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にすると共に、
   前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスが最下点に到達する時間をＴｍとしたとき、前記個々の電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間ＴｐをＴｍと等しくし、
   前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決まる固有周期をＴｃとしたとき、前記個々の電気パルスの全幅ＰＷが、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）未満で、かつ
   前記連続する電気パルスの繰返し周期は、前記全幅ＰＷより大きく、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）とすることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
2. 前記時間Ｔｍと、前記全幅ＰＷ及び前記固有周期Ｔｃの関係が
   Ｔｍ＜ＰＷ＜Ｔｃの時、前記連続する電気パルスの繰返し周期における前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）の変数ｎは１以上であって、
   Ｔｍ＞Ｔｃの時、前記連続する電気パルスの繰返し周期における前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）の変数ｎは２以上であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
3. 前記時間Ｔｐは、前記時間Ｔｍの０．７〜１．２倍であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
4. 少なくとも２以上の前記連続する電気パルスの繰返し周期は、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）であって、単一電気パルスの２ｋＨｚ以下の駆動における液滴の速度より大きい速度を有することを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
5. 前記個々の電気パルスは、前記膨張行程の終了直後から前記収縮工程の間に保持工程を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
6. 電気パルスの印加により作動する圧力発生手段を有し、該圧力発生手段で以って液体を収容する圧力室と連通するノズル開口穴より液滴を吐出させるものであって、前記電気パルスは少なくとも前記圧力室の容積を膨張させる膨張工程と、前記圧力室を収縮し液滴を吐出させる収縮工程とを有するオンデマンドのインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、
   少なくとも２以上の連続する電気パルスを用いて液滴を吐出する場合には個々の電気パルスを夫々同じ波形形状にし、かつ
   前の電気パルスの電圧Ｖｐと次の電気パルスの電圧Ｖ（ｐ＋１)の電圧比を（Ｖｐ／Ｖ（ｐ＋１））≦１（ｐは自然数）にすると共に、
   前記圧力室の膨張工程で引き込まれる前記ノズル開口穴のメニスカスが最下点に到達する時間をＴｍとしたとき、前記個々の電気パルスの膨張工程の開始時から収縮工程の開始直前までの時間ＴｐをＴｍと等しくし、
   前記ノズル開口穴から前記圧力室までのインク流路で決まる固有周期をＴｃとしたときに、前記個々の電気パルスの全幅ＰＷは、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）未満、かつ
   前記連続する電気パルスの繰返し周期は、前記全幅ＰＷより大きく、前記固有周期Ｔｃ×ｎ（ｎは自然数）とすることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
7. 少なくとも２以上の前記連続する電気パルスを用いて複数の液滴が吐出される場合には、記録媒体に到達する前に、前記複数の液滴が飛翔中に合体されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法で液滴を吐出することを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
9. 請求項８に記載のインクジェット式記録ヘッドを搭載してなることを特徴とする画像記録装置。

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