JP2007069374A - 液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴吐出直後のメニスカス隆起を抑制し、周波数特性および吐出安定性に優れた液滴吐出を可能とする。
【解決手段】液滴吐出ヘッドのノズル１０での表面張力によるメニスカス振動の固有周期Ｔｍは、図５（ｃ）の式で記述される。このリフィル振動系の固有周期Ｔｍは（ｄ）に示すように比較的ゆっくりした周期であり、液滴吐出後のメニスカス位置が０となったのちにノズル１０から隆起し、１５０μｓ程度の時間をかけてゆっくりと収束する。この振動（音響振動系）が吐出される液滴のリフィル時間や駆動周波数に対して支配的な影響力を持っている。すなわち実際のメニスカス振動は例えば音響振動系（Ｔｃ＝約１０μｓ）の影響と、リフィル振動系（Ｔｍ＝約４０μｓ）の影響を共に受けた形で、両者の振動が重畳した合成波であり、このリフィル振動系における固有周期Ｔｍを元に、メニスカス振動への対策を含む駆動波形の設計を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関し、特に圧電素子で微小インク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドおよび駆動方法、およびインクジェット記録装置に関する。

ピエゾアクチュエータ（圧電素子）などの電気機械変換素子を用いた液滴吐出ヘッドは、電気機械変換素子に駆動波形を印加することによってノズル部のメニスカス動作を高精度に制御することができ、これによって微小滴吐出、サテライト／ミスト制御などを実現できるという長所を有している。特に、液滴吐出直前にメニスカスをノズル内に引き込んでから液滴の吐出を行う、所謂「引き打ち」方式は滴体積の非常に小さい微小滴を吐出する方式として極めて有効である（例えば、特許文献１、２参照）。

しかし、上記「引き打ち」方式で液滴吐出を実行した場合、液滴を吐出した直後にノズル開口からメニスカスが大きく盛り上がるという現象（メニスカス隆起現象）が発生し、これが液滴吐出の周波数特性を悪化させ、駆動周波数が高くなると吐出が行われなかったり、吐出方向や液滴サイズなどの吐出安定性を悪化させるという問題がある。

すなわち、液滴吐出直後にメニスカス隆起現象が発生すると、図３（ａ）に示すようにノズル１０の開口部から隆起した液体がノズル面に流れ出し、ノズル１０周囲を濡らした状態（Ｆａｃｅ Ｆｌｏｏｄ状態）にしてしまう。このようなＦａｃｅ Ｆｌｏｏｄが発生すると，液滴の吐出が正常に行われなくなり（最悪の場合は不吐出となる），記録画像の品質を大幅に低下させてしまうという問題を生じる。また，図３（ａ）のようなＦａｃｅ Ｆｌｏｏｄ状態に至らなくても，図３（ｂ）に示すように，ノズル周囲の一部で液体の流れ出し（溢れ）が発生する場合もある。この場合には，液滴の吐出は可能なものの，図３（ｂ）に示すように液滴１４の尾が一方向に引かれることによる吐出方向性の悪化が生じ，出力画像の品質低下を発生させる。

特にノズル１０周囲の表面の撥液性が低い場合、すなわち「濡れ性」が高い場合には上記のような問題が発生しやすいため、ノズル表面の撥液膜に高い性能と均一性が要求され、結果的に液滴吐出ヘッドのコスト増加を招いてしまうという問題がある。

また、ノズル周囲に高い撥液性を確保し、ノズル周囲への液体の溢れを抑制できたとしても、図３（ｃ）に示すような隆起したメニスカス１２が表面張力の作用でノズル開口部まで復帰するまで次の吐出を実行することができないため、高い駆動周波数で液滴の吐出を実行することが困難となってしまうので、結果としてヘッドの駆動周波数を下げざるを得ず、装置全体の処理能力が低下してしまう。

以上のように、従来の「引き打ち」方式は、液滴吐出直後にメニスカス隆起現象を発生しやすく、そのために高画質な記録を高速に実行することが困難であるといった問題があった。

本発明の目的は上記問題を解決するため、「引き打ち」方式で液滴吐出を行う液滴吐出ヘッドにおいて、液滴吐出直後のメニスカス隆起を抑制し、周波数特性および吐出安定性に優れた液滴吐出を可能とする液滴吐出ヘッドの駆動方法を提供することである。また、加えて本発明は、滴体積の小さな液滴を高周波で安定に吐出でき、高画質な記録を高速で実行可能な液滴吐出装置を提供することを目的とする。

従来、駆動波形における電圧変化のタイミングは音響振動系、すなわち圧力室に発生する圧力波の固有周期（ヘルムホルツ振動周期）Ｔｃに基づいて行われていたが、吐出ヘッドには２つの振動系、すなわち上記の音響振動系とノズルでの表面張力によるメニスカス振動であるリフィル振動系が存在することが判明している。

駆動波形の印加により音響振動系と共にリフィル振動系も同時に励起されるが、問題となっているメニスカス隆起は後者のリフィル振動系に起因していることがわかっており、リフィル振動系による低周波のメニスカス振動がインク滴吐出直後にメニスカスを隆起させている。

そこで本発明ではリフィル振動系、すなわちノズルでの表面張力によるメニスカス振動の周期Ｔｍに基づいて駆動波形の設計を行い、メニスカス隆起を効果的に抑制する。
特許３２７５９６５号公報 特許３１５９１８８号公報

本発明は上記事実を考慮し、引き打ち方式で液滴吐出を行う液滴吐出ヘッドにおいて、液滴吐出直後のメニスカス隆起を抑制し、周波数特性および吐出安定性に優れた液滴吐出を可能とする液滴吐出ヘッドの駆動方法を提供し、また滴体積の小さな液滴を高周波で安定に吐出でき、高画質な記録を高速で実行可能な液滴吐出装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、圧力発生手段に駆動電圧波形を印加することで圧力室内の液体を加圧し液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、前記駆動電圧波形は前記圧力室を膨張させる第１電圧変化プロセスと、前記第１電圧変化プロセスの後で前記圧力室を収縮させる第２電圧変化プロセスと、を含み、前記第１電圧変化プロセスから前記第２電圧変化プロセスまでの時間間隔が，ノズル部における前記液体の表面張力によって支配されるメニスカス振動（リフィル振動）の固有周期Ｔｍの１／８以下であることを特徴とする。

上記構成の発明では、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させることができる。

請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、前記第１電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ１と前記第２電圧変化の電圧変化量Ｖ２の比（Ｖ１／Ｖ２）が０．８〜１．２の範囲に設定されていることを特徴とする。

上記構成の発明では、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させることができる。

請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、前記第２電圧変化プロセスの直後で前記圧力室を膨張させる第３電圧変化プロセスを有することを特徴とする。

上記構成の発明では、吐出終了時に液滴を引きちぎる動きをメニスカスに加えることで、小さな液滴の吐出が可能となる。

請求項４に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、前記第２電圧変化プロセスから前記第３電圧変化プロセスまでの時間間隔が、前記圧力発生手段により発生する圧力波の固有周期（ヘルムホルツ固有周期）Ｔｃの１／４以下に設定されていることを特徴とする。

上記構成の発明では、メニスカス隆起量の増加を抑えつつ、十分な微小滴化の効果を確保することを可能とする。

請求項５に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、前記第３電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ３と前期第２電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ２の比（Ｖ３／Ｖ２）が０．５〜０．８の範囲に設定されていることを特徴とする。

上記構成の発明では、メニスカス隆起量の増加を抑えつつ、十分な微小滴化の効果を確保することを可能とする。

請求項６に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、前記第３電圧変化プロセスの後で前記圧力室を収縮させる第４電圧変化プロセスを有し、前記第３電圧変化プロセスから前記第４電圧変化プロセスまでの時間間隔が前記メニスカス振動の固有周期Ｔｍの１／１０以下に設定されているすることを特徴とする。

上記構成の発明では、第３電圧変化および第４電圧変化プロセスで励起されるメニスカス振動を相殺させ、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を低減することができる。

請求項７に記載の前記第３電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ３と前記第４電圧変化の電圧変化量Ｖ４の比（Ｖ４／Ｖ３）が０．５〜０．８の範囲に設定されていることを特徴とする。

上記構成の発明では、メニカス隆起量の増加を抑えつつ、十分な残響抑制効果を確保することができる。

請求項８に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、前記圧力室内に発生する圧力波の固有周期Ｔｃが前記メニスカス振動の固有周期Ｔｍの１／４以下に設定され、請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の駆動方法にて駆動されることを特徴とする。

上記構成の発明では、液滴を効率的に吐出しながら液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させることができる。

請求項９に記載の液滴吐出ヘッドは、前記圧力発生手段が圧電素子であり、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の駆動方法にて駆動されることを特徴とする。

上記構成の発明では、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させることができる。

請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の駆動方法で駆動されることを特徴とする。

上記構成の発明では、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させることができる。

請求項１１に記載の液滴吐出装置は、請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドを用いて液滴の吐出を行うことを特徴とする。

上記構成の発明では、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させた液滴吐出装置とすることができる。

本発明は上記構成としたので、引き打ち方式で液滴吐出を行う液滴吐出ヘッドにおいて、液滴吐出直後のメニスカス隆起を抑制し、周波数特性および吐出安定性に優れた液滴吐出を可能とする液滴吐出ヘッドの駆動方法を提供し、また滴体積の小さな液滴を高周波で安定に吐出でき、高画質な記録を高速で実行可能な液滴吐出装置とすることができた。

＜駆動波形と周波数特性＞
図１、２には本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの駆動波形および周波数特性が示されている。

図１（ａ）に示すように、本実施形態にかかる液滴吐出ヘッド駆動電圧波形は、圧力発生室を拡大する第１電圧変化Ｄ１と、次いで圧力発生室を収縮する第２電圧変化Ｄ２を含んで構成されている。ここで，本実施形態で使用した液滴吐出ヘッドのリフィル振動系の固有周期（Ｔｍ）は４０μｓ、圧力波の固有周期（ヘルムホルツ固有周期）Ｔｃは８μｓである。また、駆動波形の電圧を減少すると圧力発生室が拡大され、電圧を増加すると圧力発生室が圧縮されるものとする。

まず第１電圧変化Ｄ１と第２電圧変化Ｄ２の時間間隔ｔ１は５μｓであり、液滴吐出ヘッドのリフィル振動系における固有周期Ｔｍ（４０μｓ）の１／８以下に設定されている。また第１電圧変化Ｄ１の電圧変化量Ｖ１（１５Ｖ）と第２電圧変化Ｄ２の電圧変化量Ｖ２（１５Ｖ）の比（Ｖ２／Ｖ１）が０．８〜１．２の範囲（ここでは１．０）に設定されている。

加えて第２電圧変化Ｄ２の直後に圧力発生室を拡大する第３電圧変化Ｄ３を含んでおり、第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３（１０Ｖ）と第２電圧変化Ｄ２（１５Ｖ）の電圧変化量Ｖ２の比（Ｖ３／Ｖ２）が０．５〜０．８の範囲（ここでは０．６７）に設定されている。さらに第２電圧変化Ｄ２と第３電圧変化Ｄ３の時間間隔ｔ２（２μｓ）が、圧力波の固有周期（ヘルムホルツ固有周期）Ｔｃ（８μｓ）の１／４以下に設定されている。

また第３電圧変化Ｄ３の直後に圧力発生室を収縮する、第４電圧変化Ｄ４と第３電圧変化Ｄ３との時間間隔ｔ３（２μｓ）がＴｍ（４０μｓ）の１／１０以下に設定されている。第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３（１０Ｖ）と第４電圧変化Ｄ４の電圧変化量Ｖ４（７Ｖ）の比（Ｖ４／Ｖ３）が０．５〜０．８の範囲に設定されている（ここでは０．７）。

ここで、例えば図１（ｂ）に示したような従来の駆動波形で駆動した液滴吐出ヘッドでは、図２（ｂ）のように駆動周波数が７ｋＨｚ以上では吐出が不安定となり、１６ｋＨｚではメニスカス振動の影響で吐出不能となってしまう。

しかし上記図１（ａ）の駆動波形で液滴吐出ヘッドを駆動することによりメニスカス振動を抑え、図２（ａ）に示すように、駆動周波数１８ｋＨｚまで安定して吐出させることができる。

すなわち，本発明の実施形態である図１（ａ）の駆動波形は，第１〜第４電圧変化を有するという基本構成においては図１（ｂ）に示す従来の駆動波形と同一であるが，各電圧変化の時間間隔および各電圧変化の電圧変化量をメニスカス隆起量が小さくなるように設定している点で駆動波形の設計思想が大きく異なっており，図２に示されるように，液滴吐出の周波数特性を改善できるという顕著な効果を得ることができる。

以下に各要素の変動に伴うメニスカス隆起量について説明する。
＜音響振動系とリフィル振動系＞
図４〜６には本発明に係る液滴吐出ヘッドの音響振動系およびリフィル振動系によるメニスカス振動が示されている。

図４（ａ）に示すような液滴吐出ヘッドの圧力室に発生する圧力波の固有周期（ヘルムホルツ振動周期）Ｔｃは、液滴吐出ヘッド全体を図４（ｂ）に示す回路としたとき、図４（ｃ）の式で記述される。ここで，ｍはイナータンス，ｒは音響抵抗，ｃは音響容量を表しており，添え字の０は圧電アクチュエータ（ＰＡ），１は圧力室，２は供給路，３はノズルを表している。また，φｅａは電気機械変換係数を表している。

すなわち、圧力波によってノズル１０内に生じる体積速度の変化（図中黒矢印）は図４（ｂ）に示すｕ３（図中黒矢印）であり、時間ｔの関数として図４（ｃ）に示した式で記述される。

体積速度ｕ３の周期Ｔｃは例えば図４（ｄ）に示すように約１０μｓ程度と比較的短く、周期Ｔｃをもって減衰しながら続くサイン波の形態をとり、この振動（音響振動系）が吐出される液滴の体積や速度に対して支配的な影響力を持っている。

従来はこの音響振動系における圧力波の固有周期Ｔｃを元に、メニスカス振動への対策を含む駆動波形の設計を行っていたので、前述のようにメニスカス隆起を適切に防ぐことができず、液滴の吐出方向性悪化や駆動周波数が制限されるなどの影響があった。

これに対して図５（ａ）に示すような液滴吐出ヘッドのノズル１０での表面張力によって支配されるメニスカス振動の固有周期Ｔｍは、液滴吐出ヘッド全体を図４（ｂ）に示す回路としたとき、図５（ｃ）の式で記述される。

すなわち、図５（ａ）のノズル１０のメニスカス振動（図中黒矢印）は図５（ｂ）に示すｕ３（図中黒矢印）であり、図５（ｃ）に示した式で記述される。

このリフィル振動系の固有周期Ｔｍは例えば図５（ｄ）に示すように比較的ゆっくりした周期であり、液滴吐出後のメニスカス位置が０となった（リフィル時間）のちにノズル１０から隆起し（オーバーシュート）、例えば図５（ｄ）のように１５０μｓ程度の時間をかけてゆっくりと収束する。この振動（音響振動系）が吐出される液滴のリフィル（再充填）時間や駆動周波数に対して支配的な影響力を持っている。

本発明では、このリフィル振動系における固有周期Ｔｍを元に、メニスカス振動への対策を含む駆動波形の設計を行うことでメニスカス隆起を適切に防ぎ、従来の駆動波形では困難だった液滴の吐出方向性悪化や駆動周波数が制限されるなどの影響を排除する。

すなわち実際のメニスカス振動は例えば図６（ａ）に示すような音響振動系（Ｔｃ＝約１０μｓ）の影響と、図６（ｂ）に示すようなリフィル振動系（Ｔｍ＝約４０μｓ）の影響を共に受けた形で、図６（ｃ）のように両者の振動が重畳した合成波となる。従って，リフィル振動系によるメニスカス振動の振幅が大きいと，図中Ａの部分で大きなメニスカス隆起が発生し，前述のように不吐出が発生したり，吐出方向や液滴サイズなどの吐出安定性を悪化させるという問題が発生する。

続いて、以下に上記各パラメータの影響を個別に説明する。
＜パルス幅ｔ１とＴｍ＞
図７〜９には本発明に係るパルス幅とメニスカス隆起量の関係が示されている。

図７〜９は単純な１パルスによる「引き打ち」駆動方式において、パルス幅、すなわち第１電圧変化Ｄ１と第２電圧変化Ｄ２の時間間隔ｔ１の設定がメニスカス隆起量をどのように変化させるかを示した図である。

図７（ｂ）、８（ｂ）、９（ｂ）は、駆動波形の各電圧変化部Ｄ１とＤ２において発生されるメニスカス振動の変位振幅を示しており、黒太線はそれらを足し合わせた実際のメニスカス振動の変位振幅を表している。また前述のように液滴を吐出する際の圧力波、すなわち音響振動系によるメニスカス振動がこれに重畳する。

つまり、黒太線の振幅（図中上下方向）が小さいほど、液滴吐出直後のメニスカス隆起は小さく抑えられることになる。

図７はパルス幅ｔ１を２μｓとして、リフィル振動系における固有周期Ｔｍに対して
ｔ１／Ｔｍを１／２０とした場合であり、メニスカス振動の変位振幅を示す黒太線は元々のＤ１とＤ２による振幅変位が互いに打ち消しあう結果、それぞれの変位に比較して半分以下の振幅に抑えられている。

これに対して図８ではｔ１を５μｓとしてｔ１／Ｔｍを１／８としたところ両者の位相のズレが減少するため合成波の振幅も図７に比較すると大きく、さらに図９ではｔ１を２０μｓとしてｔ１／Ｔｍを１／２としたため位相のズレはなくなり、合成波の振幅は両者の振幅を合わせた大きさとなってしまう（図中矢印）。

以上、図７〜９からわかるように、パルス幅（ｔ１）が小さいほどメニスカス隆起量は減少する。これは、ｔ１が小さいほど、「引き」（第１電圧変化Ｄ１）で励起されたメニスカス振動が「押し」（第２電圧変化Ｄ２）で励起されたメニスカス振動によって効率的に相殺されるためである。逆に、図８のようにｔ１をＴｍの１／２に設定し、「引き」と「押し」のメニスカス振動の位相が揃うと、振動が増幅されるため、メニスカスの隆起量が増加してしまう。

両者の位相が逆転するタイミングは、これ以降のｔ１においても存在するが、ｔ１を大きくすれば当然ながら吐出の周波数を高くとれなくなる（一回の吐出に時間がかかるため）ので、これよりｔ１を大きくするのは現実的ではない。

つまり、「引き打ち」駆動方式においてメニスカス隆起量を低減するためには、パルス幅ｔ１とできるだけ小さく設定することが望ましい。本発明の駆動方法では、パルス幅ｔ１をＴｍの１／８以下に設定することにより、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能であり、そのため液滴吐出の周波数特性や安定性を向上させることが可能となる。
＜Ｖ１とＶ２＞
図１０〜１３には本発明に係る電圧の比とメニスカス隆起量の関係が示されている。

図１０〜１３は、パルス幅（ｔ１）を４μｓ（Ｔｍの１／１０）に固定し、「引き」の電圧変化量Ｖ１と「押し」の電圧変化量Ｖ２の比を変化させてメニスカス隆起量の変化を調べた結果である。

図１０ではＶ１（２０Ｖ）とＶ２（１０Ｖ）の比（Ｖ２／Ｖ１）が０．５、図１１ではＶ１（１５Ｖ）とＶ２（１５Ｖ）の比が０．８、図１２ではＶ１（１５Ｖ）とＶ２（１５Ｖ）の比が１．０、図１３ではＶ１（１０Ｖ）とＶ２（２０Ｖ）の比が２．０の場合についてのメニスカス隆起量を示している。

上記の結果からわかるように、Ｖ１とＶ２をほぼ同一（Ｖ２／Ｖ１＝１．０）に設定した場合、すなわち図１１の場合にメニスカス隆起を有効に低減することが可能となることがわかった。

これは、Ｖ１とＶ２を同一（Ｖ２／Ｖ１＝１．０）に設定した場合に、「引き」で励起されたメニスカス振動と「押し」で励起されたメニスカス振動がもっとも効率的に相殺され、結果として合成波のメニスカス隆起量が小さくなるためである。本発明の駆動方法では、Ｖ１とＶ２の比（Ｖ２／Ｖ１）を０．８〜１．２、より好ましくは０．９〜１．１の間に設定することにより、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を小さくすることが可能となる。
＜Ｖ１とＶ３＞
図１４〜１８には本発明に係る電圧の比とメニスカス隆起量の関係が示されている。

図１４〜１８は、「引き打ち」駆動方式を利用した微小滴吐出用駆動波形の実施例を示す図である。図７〜１３のような１パルス形状の駆動波形でも微小滴の吐出は実行可能であるが、図１４のように、第２電圧変化Ｄ２の直後に圧力発生室を再び拡大する第３電圧変化Ｄ３を付加し、「引き→押し→引き」とすると、より一層小さな液滴の吐出が可能となる。

しかしこのとき、第３電圧変化Ｄ３を付加することによって、この電圧変化によってもリフィル振動系のメニスカス振動が励起されてしまうため、液滴吐出直後のメニスカス隆起が増加してしまうという問題がある。例えば、図１８に示すように第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３を第２電圧変化Ｄ２の電圧変化量Ｖ２と等しく（Ｖ１：Ｖ３＝１：１）すれば、図１８（ｂ）のようにメニスカス隆起が発生する。

これに対して、図１４に示すように第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３を小さく（Ｖ１：Ｖ３＝３：１）設定すれば、図１４（ｂ）に示すようにメニスカス隆起の増加は防ぐことができるが、この場合は吐出される液滴の微小滴化に対して十分な効果を得ることが困難となってしまう。

本発明は、第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３を第２電圧変化Ｄ２の電圧変化量Ｖ２の０．５倍（図１５）〜０．８倍（図１７）に設定することにより、メニスカス隆起量の増加を抑えつつ、十分な微小滴化の効果を確保することを可能とする。

すなわち図１６に示すように第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３をＶ２に対して０．５〜０．８倍に（ここではＶ１：Ｖ３＝３：２）設定すれば、図１６（ｂ）に示すようにメニスカス隆起の増加を防ぐことができ、かつ吐出される液滴の微小滴化に対して十分な効果を得ることもできる。
＜パルス間隔とＴｍ＞
図１９〜２１には本発明に係るパルス間隔とメニスカス隆起量の関係が示されている。

図１９〜２１は、「引き打ち」駆動方式を利用した微小滴吐出用駆動波形の別の実施例を示す図である。微小滴化を目的とした第３電圧変化Ｄ３の後に、圧力発生室を圧縮する第４電圧変化Ｄ４を有している点が特徴である。この第４電圧変化Ｄ４は、液滴吐出時に発生した圧力波の残響を抑制することが目的であり、これにより高周波吐出時の吐出安定性を改善することができる。

しかし、この第４電圧変化Ｄ４を付加すると、この第４電圧変化Ｄ４によってもリフィル振動系のメニスカス振動が励起されてしまうため、液滴吐出直後のメニスカス隆起が増加してしまうという問題がある。

特に、図２１に示すように、第３電圧変化Ｄ３と第４電圧変化Ｄ４の間隔ｔ３を大きくすると（ここでは１０μｓ）、リフィル振動系のメニスカス振動が増幅され、液滴吐出直後に大きなメニスカス隆起が発生してしまう。

本発明は、第３電圧変化と第４電圧変化の間隔をリフィル振動系における固有周期Ｔｍの１／１０以下に設定することにより、第３電圧変化Ｄ３および第４電圧変化Ｄ４で励起されるメニスカス振動を相殺させ、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を低減することを可能とする。

すなわち、図２１に示すようにｔ３を大きく（ｔ３／Ｔｍ＝１／４）とれば、第３電圧変化Ｄ３までの間に発生したリフィル振動系のメニスカス振動に、さらにこの第４電圧変化Ｄ４によって励起されたリフィル振動系のメニスカス振動が合成されることで、液滴吐出直後のメニスカス隆起量がさらに大きくなってしまう。

図２０に示すようにｔ３を小さく（ｔ３／Ｔｍ＝１／１０）とることで、第４電圧変化Ｄ４によって励起されたリフィル振動系のメニスカス振動が合成された後の液滴吐出直後のメニスカス隆起量は第１／第２電圧変化によるメニスカス振動と同程度にまで抑制される。

さらに図１９に示すようにｔ３をより小さく（ｔ３／Ｔｍ＝１／２０）とることで、第４電圧変化Ｄ４によって励起されたリフィル振動系のメニスカス振動が合成された後の液滴吐出直後のメニスカス隆起量は第１／第２電圧変化によるメニスカス振動よりも低いレベルにまで抑制される。

上記のように、第３電圧変化Ｄ３と第４電圧変化Ｄ４の間隔ｔ３をリフィル振動系における固有周期Ｔｍの１／１０以下に設定することにより、第３電圧変化Ｄ３および第４電圧変化Ｄ４で励起されるメニスカス振動を相殺させ、液滴吐出直後のメニスカス隆起量を低減しながら、液滴吐出時に発生した圧力波の残響を抑制し、これにより高周波吐出時の吐出安定性を改善することができる。
＜Ｖ３とＶ４＞
図２２〜２６には本発明に係る電圧の比とメニスカス隆起量の関係が示されている。

図２２〜２６は、「引き打ち」駆動方式を利用した微小滴吐出用駆動波形の別の実施例を示す図である。図１９〜２１に示した例と同様、微小滴化を目的とした第３電圧変化Ｄ３の後に、圧力発生室を圧縮する第４電圧変化Ｄ４を有している点が特徴である。この第４電圧変化Ｄ４は、液滴吐出時に発生した圧力波の残響を抑制することが目的であり、これにより高周波吐出時の吐出安定性を改善することができることは前述の通りである。

しかし、この第４電圧変化Ｄ４を付加すると、この第４電圧変化Ｄ４によってもリフィル振動系のメニスカス振動が励起されてしまうため、液滴吐出直後のメニスカス隆起が増加してしまうという問題がある。

例えば図２６に示すように第４電圧変化Ｄ４の電圧変化量Ｖ４を大きく（Ｖ３：Ｖ４＝１０：１５）設定すれば、リフィル振動系のメニスカス振動が増幅され、液滴吐出直後に大きなメニスカス隆起が発生してしまう。

これに対して、図２２に示すように第４電圧変化Ｄ４の電圧変化量Ｖ４を小さく（Ｖ３：Ｖ４＝１０：３）設定すれば、図２２（ｂ）に示すようにメニスカス隆起の増加は防ぐことができるが、Ｖ４を過度に小さく設定すると、圧力波残響抑制の効果を得ることができなくなってしまう。

本発明は、本発明は、第４電圧変化Ｄ４の電圧変化量Ｖ４を第３電圧変化Ｄ３の電圧変化量Ｖ３の０．５倍（図２３）〜０．８倍（図２５）に設定することにより、メニスカス隆起量の増加を抑えつつ、十分な残響抑制効果を確保することを可能とする。

すなわち図２４に示すように第３電圧変化Ｄ４の電圧変化量Ｖ４をＶ３に対して０．５〜０．８倍に（ここではＶ３：Ｖ４＝１０：７）設定すれば、図２４（ｂ）に示すようにメニスカス隆起の増加を防ぐことができ、かつ圧力波残響抑制の効果を得ることができる。
＜ＴｍとＴｃ＞
上記のように、滴体積の小さな微小液滴を安定かつ高周波に吐出するためには、図２４（ａ）（＝図１（ａ））に示すような駆動波形が最も適している。

ところで、上記の説明では、各電圧変化Ｄ１〜Ｄ４の時間間隔をリフィル振動系の固有周期Ｔｍに基づいて規定してきたが、液滴を効率的に吐出するという液滴吐出ヘッド本来の機能を実現するためには、各電圧変化Ｄ１〜Ｄ４の時間間隔を圧力波の固有周期Ｔｃとも適切な関係に保つ必要がある。

具体的には、第１電圧変化Ｄ１（引き）と第２電圧変化Ｄ２（押し）の時間間隔はＴｃの略１／２に設定することが、吐出効率を向上させるために重要である。そこで本発明の液滴吐出ヘッドでは、ＴｃをＴｍの１／４以下に設定する。これにより、メニスカス隆起の抑制と吐出効率の確保を同時に実現することが可能となる。

すなわち、第１電圧変化Ｄ１（引き）と第２電圧変化Ｄ２（押し）の時間間隔ｔ１を、ｔ１＜１／８・Ｔｍ および ｔ１≒１／２・Ｔｃ の２つの条件を同時に満足させることが可能となる。
＜駆動波形の設計＞
図１（ａ）に示した駆動波形は、基本的な形状としては従来開示された駆動波形と類似しているが、各電圧変化Ｄ１〜Ｄ４間の時間間隔をリフィル振動系の固有周期Ｔｍを基準として設定しているという点において、従来開示された駆動波形とは設計思想が大きく異なっている。

なお、リフィル振動系の固有周期Ｔｍは、図２７に示すような駆動波形を印加し、ノズル開口部１０からメニスカス１２が最も隆起する時刻（ｔｍａｘ）をストロボ観察等によって調べることにより、Ｔｍ＝４／３・ｔｍａｘとして求めることができる。また、圧力波の固有周期Ｔｃは、図２７に示すような駆動波形を印加し、メニスカスの振動をレーザードップラー計等で計測することにより求めることが可能である。
＜まとめ＞
上述したように、本発明の駆動波形を用いた場合、液滴吐出直後のメニスカス隆起を非常に小さく抑えることができる。例えば、図１（ａ）に示した駆動波形では、第１〜第４電圧変化Ｄ１〜Ｄ４を有する複雑な形状の駆動波形であるにも拘らず、液滴吐出後のメニスカス隆起量は約５ｕｍに抑えられた。従来の駆動波形では、図２８（ｂ）に示すように１０ｕｍ以上のメニスカス隆起量が発生しており、これと比較すると、本発明の駆動波形によって液滴吐出直後のメニスカス隆起量を大幅に低減できていることがわかる。

上記のように、本発明の駆動波形では液滴吐出直後のメニスカス隆起量を低減できるため、結果的に液滴吐出の周波数特性や吐出安定性を改善することが可能となる。

例えば、図１（ａ）に示した駆動波形では、滴体積２ｐｌの微小滴を２０ｋＨｚの高周波で安定吐出できることが実験的に確認された。ここで言う安定吐出とは、液滴の体積／速度、吐出方向、およびサテライト（液滴周辺の微小液滴）の発生状態に、画品質に影響を及ぼすような大きな変化が発生しないことを意味している。例えば、 １〜２０ｋＨｚの周波数範囲での滴速変化量は±０．５ｍ／ｓと小さかった。

一方、図２８の従来駆動波形を用いた場合には、７ｋＨｚ以上の周波数領域において、滴体積、滴速、およびサテライトの発生状態に大きな変化が発生し、１６ｋＨｚ以上の周波数では、ノズル表面の濡れ（Ｆａｃｅ Ｆｌｏｏｄ）により不吐出が生じてしまった。

以上のように、本発明に係る駆動波形は、液滴吐出直後のメニスカス隆起を抑制することができるため、液滴吐出（特に微小滴吐出）の周波数特性および安定性を大幅に改善することが可能となる。これにより安定した吐出性能を維持しながら駆動周波数を高く設定することが可能となるので、機器全体の処理能力を効率的に向上させることができる。
＜その他＞
以上、本発明の実施例について記述したが、本発明は上記の実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。

例えば吐出される液はインクに限定されず、例えば、高分子フィルムやガラス上に液滴を吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明の液滴吐出ヘッド駆動波形を利用することが可能である。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動波形を示す図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの周波数特性を示す図である。 従来の液滴吐出ヘッドのメニスカス隆起を示す図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの音響振動系を示す図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドのリフィル振動系を示す図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドのメニスカス隆起を示す図である。 本発明に係る駆動波形のパルス幅とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形のパルス幅とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形のパルス幅とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形のパルス間隔とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形のパルス間隔とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形のパルス間隔とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係る駆動波形の電圧の比とメニスカス隆起量の関係を示す図である。 本発明に係るリフィル振動系の固有周期算出法を示す図である。 従来の液滴吐出ヘッドの駆動波形を示す図である。

符号の説明

１０ ノズル
１２ メニスカス
１４ 液滴

Claims (11)

1. 圧力発生手段に駆動電圧波形を印加することで圧力室内の液体を加圧し液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
   前記駆動電圧波形は
   前記圧力室を膨張させる第１電圧変化プロセスと、
   前記第１電圧変化プロセスの後で前記圧力室を収縮させる第２電圧変化プロセスと、
   を含み、
   前記第１電圧変化プロセスから前記第２電圧変化プロセスまでの時間間隔が，ノズル部における前記液体の表面張力によって支配されるメニスカス振動（リフィル振動）の固有周期Ｔｍの１／８以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
2. 前記第１電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ１と前記第２電圧変化の電圧変化量Ｖ２の比（Ｖ１／Ｖ２）が０．８〜１．２の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
3. 前記第２電圧変化プロセスの直後で前記圧力室を膨張させる第３電圧変化プロセスを有することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
4. 前記第２電圧変化プロセスから前記第３電圧変化プロセスまでの時間間隔が、前記圧力発生手段により発生する圧力波の固有周期（ヘルムホルツ固有周期）Ｔｃの１／４以下に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
5. 前記第３電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ３と前期第２電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ２の比（Ｖ３／Ｖ２）が０．５〜０．８の範囲に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
6. 前記第３電圧変化プロセスの後で前記圧力室を収縮させる第４電圧変化プロセスを有し、前記第３電圧変化プロセスから前記第４電圧変化プロセスまでの時間間隔が前記メニスカス振動の固有周期Ｔｍの１／１０以下に設定されていることを特徴とする請求項４乃至請求項５の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
7. 前記第３電圧変化プロセスの電圧変化量Ｖ３と前記第４電圧変化の電圧変化量Ｖ４の比（Ｖ４／Ｖ３）が０．５〜０．８の範囲に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
8. 前記圧力室内に発生する圧力波の固有周期Ｔｃが前記メニスカス振動の固有周期Ｔｍの１／４以下に設定され、請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の駆動方法にて駆動されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 前記圧力発生手段が圧電素子であり、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の駆動方法にて駆動されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の駆動方法で駆動されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
11. 請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドを用いて液滴の吐出を行うことを特徴とする液滴吐出装置。

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