(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク圧力室と、インクの加減圧手段を備え、その加減圧手段に電気信号を印加して、前記インク圧力室のインクの加減圧を行うことで、インク圧力室に連通するノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、発生させた第１のインク柱の先端が分離して、微小インク滴を形成する第一工程と、ノズル開口から押し出されて再びノズル開口に戻る第２のインク柱を発生させ、前記微小インク滴と分離したインク柱またはインク滴に追いついて合体し、ノズル開口内に引き戻すように、インクの圧力室のインク体積速度を制御する第二工程とからなることを特徴とする微小インク滴の吐出方法。
【請求項２】
前記第一工程は、メニスカスに跳ね返りを生じさせる程メニスカスを急激に引き込む工程からなることを特徴とする請求項１記載の微小インク滴の吐出方法。
【請求項３】
前記第一工程は、メニスカスに跳ね返りを生じさせる程メニスカスを急激に引き込む工程と、メニスカスの引き込みをさらに行う工程からなることを特徴とする請求項１記載の微小インク滴の吐出方法。
【請求項４】
前記第一工程は、メニスカスを引き込む工程と、押し出す工程と、再びメニスカスを引き込む工程からなることを特徴とする請求項１記載の微小インク滴の吐出方法。
【請求項５】
少なくともノズル開口周辺部が、インクに対して接触角３０度以下であるノズルプレートを備えたインクジェットヘッドを用いてインク滴を吐出させる事を特徴とする請求項１乃至４記載の微小インク滴の吐出方法。
【請求項６】
インク粘度の変化に応じて、前記第二工程の制御量や制御タイミングを変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微小インク滴の吐出方法。
【請求項７】
温度調節機構を設け、インクの温度をほぼ一定に保つことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微小インク滴の吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク圧力室のインクの加減圧を行うことで、インク圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法に関するものである。特に、微小なインク滴を吐出させることに適した駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドットを記録したい時にだけ圧電素子に駆動電圧波形を印加してインク滴を吐出させるドロップオンデマンド方式のインクジェット技術が知られている。このような方式によるインクジェットプリンタでは、限られた色数のインクによりメディア上に形成されるドットの集まりで、あらゆる色を表現するため、特にハイライトの部分で粒状感が目立つという欠点があった。そこで、粒状感の無い高画質のプリントを作成するため、ドットの大きさを小さくできる吐出インク滴の小インク滴化が検討されている。さらに、近年では、インクジェット技術を用いて、導電性インクによるパターニングで回路基板を作成したり、様々な種類の薄膜を形成するということも検討され、吐出インク滴の小インク滴化は、高密度配線や、極薄い均一な薄膜の形成に有効と期待されている。
【０００３】
吐出インク滴を小インク滴化するには、ノズル開口の径を小さくする方法が容易である。しかし、ノズル開口を小さくすると、高精度化で製造コストは高くなり、異物やインクの固着などでノズル開口の詰まりが発生し易くなり、不吐出の要因となる。
【０００４】
一方、ノズル開口のインク面（以下、メニスカスという）の振動制御によるインク滴の吐出方法は、ノズル開口の大きさよりも小さなインク滴を吐出させることが可能である。
【０００５】
従来、メニスカスを急激に引き込んで止めることにより、メニスカスの中心にインクの跳ね返りを生じさせ、それをそのまま吐出させることで小インク滴吐出を実現する方法がある（例えば、特許文献１参照）。また、メニスカスを大きく引き込んだ後、少し押し出すことにより、メニスカスの中心部だけから細いインク柱を生じさせ、それを吐出させることで小インク滴吐出を実現する方法がある（例えば、特許文献２参照）。さらに、メニスカスを引いた後に押し出してノズル開口からインク柱を生じさせた後、メニスカスを再び引き込むことで、吐出しようとしているインク量を減らし、吐出するインク滴を小さくする方法がある（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特公平４−３６０７１号公報
【特許文献２】特許第３４９１１８７号公報
【特許文献３】特開２０００−１４１６４２号公報
【特許文献４】特許第３１５９１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、これらの従来方法では、１ｍｍ程度の距離を安定して飛行させるために必要なインク滴の平均速度５ｍ／ｓ程度以上が得られるインク滴量は、直径３０μｍのノズル開口で１ｐｌ（ピコリットル）程度が限度である。一方、インクジェット技術を用いた導電性インクによる高密度配線のような産業用途では、さらなるインク滴の微小化が求められている。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであり、インクジェット技術によるサブピコリットルの微小インク滴の吐出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために、インク加圧室と、インクの加減圧手段を備え、その加減圧手段に電気信号を印加して、前記インク圧力室のインクの加減圧を行うことで、インク圧力室に連通するノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、発生させた第１のインク柱の先端が分離して、微小インク滴を形成する第一工程と、ノズル開口から押し出されて再びノズル開口に戻る第２のインク柱を発生させ、前記微小インク滴と分離したインク柱またはインク滴に追いついて合体し、ノズル開口内に引き戻すように、インクの圧力室のインク体積速度を制御する第二工程とからなることを特徴とする。
【００１０】
次に、前記第一工程は、メニスカスに跳ね返りを生じさせる程メニスカスを急激に引き込む工程からなることを特徴とする。
【００１１】
そして、前記第一工程は、メニスカスに跳ね返りを生じさせる程メニスカスを急激に引き込む工程と、メニスカスの引き込みをさらに行う工程からなるものであることを特徴とする。
【００１２】
また、前記第一工程は、メニスカスを引き込む工程と、押し出す工程と、再びメニスカスを引き込む工程からなることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記第一工程で発生させたインク柱を吐出させると、先頭のインク滴よりも大きなインク滴が、少なくとも１つは連なって飛行することを特徴とする。
【００１４】
さらに、少なくともノズル開口周辺部が、インクに対して接触角３０度以下であるノズルプレートを備えたインクジェットヘッドを用いてインク滴を吐出させることを特徴とする。
【００１５】
さらに、インク粘度の変化に応じて、前記第二工程の制御量や制御タイミングを変化させることを特徴とする。
【００１６】
さらに、温度調節機構を設け、インクの温度をほぼ一定に保つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛ぼうとするインク柱またはインク滴を、第二工程で発生させたインク柱と合体させ、ノズル開口内に引き戻すため、微小なインク滴だけを飛行させることができる。そのため、サブピコリットルの微小インク滴の吐出を可能とし、導電性インクによる高密度配線などを実現できる。また、本発明による微小インク滴の吐出原理は、圧力室の固有振動周期に影響されないので、インク圧力室の容積が大きく固有振動周期が長い、大インク滴の吐出に適したインクジェットヘッドにおいても微小インク滴の吐出が可能となり、一つのヘッドで１００倍以上の体積差を持ったインク滴を打ち分けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例を適用するインクジェットヘッドの構成を示す斜視図である。インク流路形成部材１１に、インク圧力室１２が形成され、インク圧力室１２の一端は、ノズルプレート１３に開けられたノズル開口１４と連通している。インク圧力室１２の他端は、インクに加わった圧力が低下するのを抑えるためにインク流路が絞られた箇所であるリストリクタ１５を経て、共通インク流路１６に連通している。
【００２０】
インク圧力室１２のインクの加減圧手段は、積層構造の圧電素子１７による。圧電素子１７は、積層方向に設けた圧電素子支持基板１８に固定され、ｄ３３方向の圧電伸縮を利用して圧力を発生させる。圧電素子１７は、正電極１９に印加する電圧が下がって放電されれば縮んでインク圧力室を減圧し、正電極１９に印加する電圧が上がって充電されれば伸びてインク圧力室を加圧という動作をする。正電極１９は各圧電素子共通の電極となっており、圧電素子支持基板１８の片面に配され、図示していない駆動電圧発生回路に接続されている。負電極２０は、各圧電素子個別の電極となっており、圧電素子支持基板１８のもう一方の面に配され、図示していない駆動ノズル選択回路を通して接地されている。駆動ノズル選択回路には、図示していないダイオードが、図示していない駆動ノズル選択スイッチと並列に、接地方向に電流が流れるように入っており、駆動ノズルの選択状況に寄らず、圧電素子の充電だけはされる状態にある。圧電素子支持基板１８とインク流路形成部材１１とはお互い、図示していないハウジングに固定されており、相対的に殆ど動かないようになっている。
【００２１】
圧電素子１７の、圧電素子支持基板１８に固定されていない方の面は、弾性膜２１に固定されている。弾性膜２１はインク圧力室１２の壁の一部を形成しており、圧電素子１７の伸縮で弾性膜２１が変形すると、インク圧力室１２の体積が変化するような構造となっている。
【００２２】
本発明を適用したインクジェットヘッドは上記のような構造で、複数のノズル開口１４が１／１００インチ間隔で１列に並んでいる。
【００２３】
次に、インクジェットヘッドのインク滴吐出原理について説明する。
【００２４】
圧電素子１７の負電極２０に接続されている図示していない駆動ノズル選択回路によって、インク滴を吐出させるノズルのみ接地され、正電極１９に印加された電圧により、圧電素子の充放電が行われる。接地されていない圧電素子は放電が行われない。非駆動時には、正電極１９に直流電圧が印加され、圧電素子１７は充電されて自然長よりも積層方向に延びた状態となり、弾性膜２１をインク圧力室１２に押し込む。駆動時に正電極１９の印加電圧が低下すると、接地している圧電素子のみ放電が行われ、積層方向に縮む。その結果、弾性膜２１は引っ張られて圧力室１２が減圧し、共通インク流路１６からリストリクタ１５を通ってインクがインク圧力室１２に供給される。続いて正電極１９の印加している電圧が上昇すると、接地されて放電していた圧電素子が充電され、積層方向に伸びて、弾性膜２１をインク圧力室１２に押し込む。それにより圧力室１２のインクが加圧され、圧力室１２に連通したノズル１４よりインクが押し出され、インク滴２２となる。
【００２５】
なお、本発明を適用したインクジェットヘッドでは、ノズル開口１４の流体抵抗がリストリクタ１５の流体抵抗よりも大きく、ノズル開口１４のイナータンス（液体の慣性成分）がリストリクタ１５のイナータンスよりも小さくなるように設計されている。よって、インク圧力室１２内の流体の体積加速度（変化率）が小さくなるように圧電素子１７を放電して、インク圧力室１２の体積をゆっくりと変化させると、流体抵抗が支配的となり、ノズル開口１４が外部から空気を引き込むよりも、相対的に流体抵抗の小さいリストリクタ１５からインク圧力室１２にインクが流れ易くなる。逆に、インク圧力室１２内の流体の体積加速度（変化率）が大きくなるように圧電素子１７を充電して、インク圧力室１２の体積を急激に変化させると、イナータンスが支配的となり、リストリクタ１５から共通インク流路１６にインクが戻るよりも、イナータンスの小さいノズル開口１４からインク滴が吐出し易くなる。また、ノズル開口１４はインク滴２２が吐出される側（外部）の口径に比べてインク圧力室１２側の口径が広くなるように作られているため、インク圧力室１２が減圧過程である場合には、加圧過程である場合よりも、メニスカスに作用する表面張力が大きくなり、インク圧力室１２の減圧過程では空気を引き込み難く、インク圧力室１２の加圧過程ではインク滴を吐出し易くなっている。
【００２６】
圧電素子の正電極１９に印加する駆動電圧を、短い時間で上下させたり、同じ時間でも大きく上下させると、インク圧力室１２のインク体積速度は速くなり、吐出するインク滴の速度が速くなる。圧電素子の正電極１９に印加する駆動電圧を、長い時間で上下させたり、同じ時間でも小さく上下させると、インク圧力室１２のインク体積速度は遅くなり、吐出するインク滴の速度が遅くなる。このように、圧電素子の正電極１９に印加する駆動電圧波形により、インク圧力室のインク体積速度の制御を行うことができる。
【００２７】
図１０は、小インク滴を吐出させることを目的とした本発明を検討する過程で、発明者らが実施した圧電素子の正電極１９に印加する駆動電圧波形の検討例である。工程Ａ乃至工程Ｅが第一工程であり、工程Ｆ乃至工程Ｇが第二工程である。工程Ａにおいてメニスカスを引き込み、工程Ｂで一定期間電圧を保持し、工程Ｃでメニスカスを押し出してインク柱を発生させる。工程Ｄで一定期間電圧を保持し、工程Ｅでメニスカスを引き込み、吐出しようとするインク柱の量を減らして極細インク柱とし、小インク滴を吐出させる。工程Ｆで一定期間電圧を保持し、工程Ｇで、工程Ｅにより低下した電圧を元の電圧まで上昇させる。
【００２８】
上記駆動電圧波形により、図５に示すように、第一工程によって発生させた極細インク柱（図５（２））は、時間の経過と共に先頭が微小インク滴に分離され、分離された微小インク滴は飛行を開始する（図５（３））。一方、微小インク滴よりもノズル開口１４側に存在するインク柱は、小インク滴あるいは小インク滴や微小インク滴の複数インク滴となって飛行を開始する（図５（４）、（５））。飛行を開始した複数のインク滴の集まりが小インク滴であり、記録メディアのほぼ同じ位置に着弾し、小ドットを形成する。
【００２９】
工程Ｇは、工程Ｇの時間Ｇｔを長くしたり、工程Ｇの電圧Ｇｖを小さくしたりすることで、工程Ｇによって多くのインクがノズルより押し出されることのないようにしたり、工程Ｇを第一工程で生じた残留振動と逆位相の振動が生じるようなタイミングで印加するなど、残留振動を打ち消すように設定する。そのため、メニスカスの振動は抑えられ、従来の方式では、第二工程によって、先に発生させたインク柱やインク滴と合体してノズル開口に引き戻す程大きなインク柱が生じることはない。
【００３０】
これに対して、図２は、本発明による、圧電素子１７の正電極１９に印加する駆動電圧波形の一実施例である。工程Ａ又は工程Ａ乃至工程Ｃが第一工程であり、工程Ｄ乃至工程Ｅが第二工程である。工程Ａにおいてメニスカスを急激に引き込み、工程Ｂで引き込みを止めることでメニスカスの跳ね返りにより極細インク柱を発生させる。工程Ｃで、工程Ｅに必要な電位差が得られるまで電圧を下げる。工程Ｃにより、第一工程で発生させる極細インク柱をより細いものにするには、工程Ｂの時間Ｂｔを０．５μｓ〜４μｓ程度とすることで、吐出しようとするインク柱のインク量を減らすことができる。工程Ｄで一定期間電圧を保持し、工程Ｅで、ノズル開口１４から押し出されて再びノズルに戻るインク柱を発生させる。
【００３１】
上記駆動電圧波形により、図６に示すように、第一工程によって発生させた極細インク柱（図６（２））は、時間の経過と共に先頭が微小インク滴に分離され、分離された微小インク滴８０は飛行を開始する（図６（３））。一方、微小インク滴８０よりもノズル開口１４側に存在するインク柱８１は、小インク滴あるいは小インク滴や微小インク滴の複数インク滴となって飛行を開始しようとするが、第二工程によって発生させたインク柱８２で、飛行しようとする、先頭の微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱８１に追いついて合体し（図６（４））、一緒にノズル開口内に引き戻す（図６（５））ことにより、極細インク柱の先頭から分離した微小インク滴のみを飛行させることが可能となる（図６（６））。
【００３２】
一方、上記駆動電圧波形はインクの物性（粘度や表面張力）によって図７に示す挙動を示すこともある。すなわち、第一工程によって発生させた極細インク柱９０（図７（３））は、時間の経過と共に先頭が微小インク滴９１に分離され（図７（４））、分離された微小インク滴９１は飛行を開始する（図７（５））。一方、微小インク滴９１よりもノズル開口１４側に存在するインク柱９２は、小インク滴あるいは小インク滴９３や微小インク滴９４の複数インク滴となって飛行を開始するが、第二工程によって発生させたインク柱９５で、飛行しようとする、先頭の微小インク滴９１よりもノズル側に存在する小インク滴９３、微小インク滴９４に追いついて合体し（図７（７）〜（８））、一緒にノズル開口内に引き戻す（図７（９））ことにより、極細インク柱の先頭から分離した微小インク滴のみを飛行させることが可能となる（図７（１０））。
【００３３】
ここで、工程Ｃは、図６及び図７のいずれの場合であっても、極細インク柱の先頭から微小インク滴が分離される位置を、ノズル開口１４に近い位置とし、第二工程によって発生させたインク柱が、微小インク滴の後ろから飛ぼうとするインク滴と合体しやすくする役割も担っている。
【００３４】
工程Ｄの時間Ｄｔと、工程Ｅの時間Ｅｔと、工程Ｅの電圧Ｅｖは、第二工程によって発生させるインク柱が、第一工程によって発生させる極細インク柱の先頭から分離される微小インク滴に追いつかない程度に、Ｄｔを長くして第二工程によって発生させるインク柱の発生タイミングを遅くしたり、Ｅｔを長く、Ｅｖを小さくして第二工程によって発生させるインク柱の体積速度を遅くする。なおかつ、第一工程によって発生させた極細インク柱の先頭が微小インク滴に分離した後の、微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱又はインク滴に追いついて合体し、ノズル開口内に引き戻せる程に、Ｄｔを短くして第二工程によって発生させるインク柱の発生タイミングを早くしたり、Ｅｔを短く、Ｅｖを大きくして第二工程によって発生させるインク柱の体積速度を速くする。これら双方の条件を満たすＤｔ、Ｅｔ、Ｅｖに設定することにより、本発明が成立する。
【００３５】
図８は、工程Ｅの時間Ｅｔと、工程Ｅの電圧Ｅｖの関係を示す図である。時間Ｅｔが長過ぎると、第二工程で発生させるインク柱は、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴に追いつけなくなり、ノズル開口内に引き戻すことが出来ないで、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴が小インク滴になって飛行してしまう。時間Ｅｔが短過ぎると、第二工程で発生させたインク柱も飛行して大インク滴となるか、第一工程で発生させる極細インク柱の先頭にまで追いついて合体してノズル開口内に引き戻してしまい、インク滴が飛行しなくなる。電圧Ｅｖが小さ過ぎると、第二工程で発生させるインク柱は、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴に追いつけなくなり、ノズル開口内に引き戻すことができないで、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴が小インク滴になって飛行してしまう。電圧Ｅｖが大き過ぎると、第二工程で発生させたインク柱も飛行してしまい大インク滴となるか、第一工程で発生させる極細インク柱の先頭にまで追いついて合体し、ノズル開口内に引き戻してしまい、インク滴が飛行しなくなる。図８の斜線部分は適正領域を示す。工程Ｅの時間Ｅｔと電圧Ｅｖを適正に設定することで、第一工程で発生させる極細インク柱の先頭が微小インク滴に分離した後の、微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱又はインク滴に、第二工程で発生させたインク柱が追いついて合体し、一緒にノズル開口内に引き戻すため、微小インク滴だけを飛行させることが可能となる。
【００３６】
図８の適正領域は、工程Ｄの時間Ｄｔが短くなるとグラフ下方に下がり、工程Ｄの時間Ｄｔが長くなるとグラフ上方に上がる。また、工程Ｄの時間Ｄｔの値により適正領域の幅も変化し、適正領域はＤｔが長過ぎても短過ぎても消失する場合がある。
【００３７】
気温の変化等でインクの温度が変化すると、インクの粘度は変化し、図８に示した適正領域の値が変化するため、適正領域内となるように工程Ｄの時間Ｄｔと、工程Ｅの時間Ｅｔと、工程Ｅの電圧Ｅｖのうち何れかひとつの値、もしくは複数の値を変えるか、インクの粘度変化を一定範囲内に保つ必要がある。そのため、温度変化やインクの粘度変化によって、設定値が適性領域から外れることのないようにＤｔやＥｔやＥｖの値を変化させる電気回路や、インクの粘度を一定範囲内に保つ温度調節機構を設けることが望ましい。
【００３８】
本発明において、工程Ａの電圧Ａｖ＝２３．６Ｖ、工程Ａの時間Ａｔ＝０．２μｓ、工程Ｂの時間Ｂｔ＝３μｓ、工程Ｃの時間Ｃｔ＝１μｓ、工程Ｄの時間Ｄｔ＝２０μｓ、工程Ｅの電圧Ｅｖ＝３９．４Ｖ、工程Ｅの時間Ｅｔ＝２０μｓという駆動電圧波形で、粘度１０ｍＰａ・ｓ、表面張力３１ｍＮ／ｍというインクを用いた場合、図６の挙動を示し、これによって直径３８μｍのノズル開口から、０．４ｐｌの微小インク滴を、７ｍ／ｓでノズル開口面から１．５ｍｍ程度、安定して飛行させることができた。また、０．５ｐｌの微小インク滴を、１４ｍ／ｓもの高速で、ノズル開口面から２ｍｍ程度の距離を安定して飛行させることもできた。なお、工程Ｅの時間Ｅｔを短くすることで、工程Ｃを無くしても本発明は実施可能である。工程Ｃを設ける利点は、第一工程によって発生させる極細インク柱をより細いものにすることが可能となる点や、工程Ｅの電圧Ｅｖを大きく出来るため工程Ｅの時間Ｅｔをヘルムホルツ振動周期に合わせてインク滴吐出後の残留振動を少なくすることが可能となる点である。また、インクの物性を変更することで、図７の挙動を示すようにもできる。
【実施例２】
【００３９】
図３は、本発明による、圧電素子の正電極１９に印加する駆動電圧波形の、他の実施例である。工程Ａ乃至工程Ｅが第一工程であり、工程Ｆ乃至工程Ｇが第二工程である。工程Ａにおいてメニスカスを引き込み、工程Ｂで一定期間電圧を保持し、工程Ｃでメニスカスを押し出してインク柱を発生させる。工程Ｄで一定期間電圧を保持し、工程Ｅでメニスカスを引き込み、吐出しようとするインク柱の量を減らして極細インク柱とする。極細インク柱とするためには、工程Ｄの時間Ｄｔは、４μｓ程度以下であることが望ましい。工程Ｆで一定期間電圧を保持し、工程Ｇで、ノズルから押し出されて再びノズルに戻るインク柱を発生させる。
【００４０】
第一工程によって発生させた極細インク柱（図６（２）、図７（３））は、時間の経過と共に先頭が微小インク滴に分離され（図７（４））、分離された微小インク滴は飛行を開始する（図６（３）、図７（５））。一方、微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱は、小インク滴あるいは小インク滴や微小インク滴の複数インク滴となって飛行を開始しようとするが、第二工程によって発生させたインク柱で、飛行しようとする、先頭の微小インク滴よりもノズル開口１４側に存在するインク柱又はインク滴に追いついて合体し（図６（４）、図７（７）〜（８））、一緒にノズル開口１４内に引き戻す（図６（５）、図７（９））ことにより、極細インク柱の先頭から分離した微小インク滴のみを飛行させることが可能となる（図６（６）、図７（１０））。
【００４１】
工程Ｆの時間Ｆｔと、工程Ｇの時間Ｇｔと、工程Ｇの電圧Ｇｖは、第二工程によって発生させるインク柱が、第一工程によって発生させる極細インク柱の先頭から分離される微小インク滴に追いつかない程に、Ｆｔを長くして第二工程によって発生させるインク柱の発生タイミングを遅くしたり、Ｇｔを長く、Ｇｖを小さくして第二工程によって発生させるインク柱の体積速度を遅くする。なおかつ、第一工程によって発生させた極細インク柱の先頭が微小インク滴に分離した後の、微小インク滴よりもノズル開口１４側に存在するインク柱又はインク滴に追い着いて合体し、ノズル開口内に引き戻せる程に、Ｆｔを短くして第二工程によって発生させるインク柱の発生タイミングを早くしたり、Ｇｔを短く、Ｇｖを大きくして第二工程によって発生させるインク柱の体積速度を速くする。これら双方の条件を満たすＦｔ、Ｇｔ、Ｇｖに設定することにより、本発明が成立する。
【００４２】
図９は、工程Ｇの時間Ｇｔと、工程Ｇの電圧Ｇｖの関係を示す図である。時間Ｇｔが長過ぎると、第二工程で発生させるインク柱は、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴に追いつけなくなり、ノズル開口内に引き戻すことが出来ないで、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴が小インク滴になって飛行してしまう。時間Ｇｔが短過ぎると、第二工程で発生させたインク柱も飛行して大インク滴となるか、第一工程で発生させる極細インク柱の先頭にまで追いついて合体してノズル開口内に引き戻してしまい、インク滴が吐出しなくなる。電圧Ｇｖが小さ過ぎると、第二工程で発生させるインク柱は、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴に追いつけなくなり、ノズル開口内に引き戻すことができないで、第一工程で形成した微小インク滴の後ろから飛行しようとするインク柱又はインク滴が小インク滴になって飛行してしまう。電圧Ｇｖが大き過ぎると、第二工程で発生させたインク柱も飛行してしまい大インク滴となるか、第一工程で発生させる極細インク柱の先頭にまで追いついて合体し、ノズル開口内に引き戻してしまい、インク滴が飛行しなくなる。図９の斜線部分は適正領域を示す。工程Ｇの時間Ｇｔと電圧Ｇｖを適正に設定することで、第一工程で発生させる極細インク柱の先頭が微小インク滴に分離した後の、微小インク滴よりもノズル開口１４側に存在するインク柱又はインク滴に、第二工程で発生させたインク柱が追いついて合体し、一緒にノズル開口１４内に引き戻すため、微小インク滴だけを飛行させることが可能となる。
【００４３】
図９の適正領域は、工程Ｆの時間Ｆｔが短くなるとグラフ下方に下がり、工程Ｆの時間Ｆｔが長くなるとグラフ上方に上がる。また、工程Ｆの時間Ｆｔの値により適正領域の幅も変化し、適正領域はＦｔが長過ぎると消失する場合がある。
【００４４】
本発明では、工程Ａの時間Ａｔ＝２．８μｓ、工程Ｂの時間Ｂｔ＝２．２μｓ、工程Ｃの電圧Ｃｖ＝２３Ｖ、工程Ｃの時間Ｃｔ＝２．２μｓ、工程Ｄの時間Ｄｔ＝０μｓ、工程Ｅの時間Ｅｔ＝２μｓ、工程Ｆの時間Ｆｔ＝０μｓ、工程Ｇの電圧Ｇｖ＝２３Ｖ、工程Ｇの時間Ｇｔ＝２μｓという駆動電圧波形で、粘度１０ｍＰａ・ｓ、表面張力３１ｍＮ／ｍというインクを用いて、直径２８μｍのノズルから、０．２ｐｌの微小インク滴を、７ｍ／ｓで、ノズル面から１．５ｍｍの距離を安定して飛行させることができた。
【実施例３】
【００４５】
図４は、本発明による、圧電素子の正電極１９に印加する駆動電圧波形のさらに他の実施例である。工程Ａ乃至工程Ｃが第一工程であり、工程Ｄ乃至工程Ｅが第二工程である。工程Ａにおいてメニスカスを引き込み、工程Ｂで一定期間電圧を保持し、工程Ｃでメニスカスを押し出して細いインク柱を発生させる。工程Ｄで一定期間電圧を保持し、工程Ｅで、ノズル開口１４から押し出されて再びノズル開口１４に戻るインク柱を発生させる。
【００４６】
第一工程で発生させた細いインク柱（図６（２）、図７（３））は、時間の経過と共に先頭が微小インク滴に分離され（図７（４））、分離された微小インク滴は飛行を開始する（図６（３）、図７（５））。一方、微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱は、中インク滴あるいは中インク滴や小インク滴の複数インク滴となって飛行を開始しようとするが、第二工程で発生させたインク柱で、飛行しようとする、微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱又はインク滴に追いついて合体し（図６（４）、図７（７）〜（８））、一緒にノズル開口１４内に引き戻す（図６（５）、図７（９））ことにより、極細インク柱の先頭から分離した微小インク滴のみを飛行させることが可能となる（図６（６）、図７（１０））。
【００４７】
工程Dの時間Ｄｔと、工程Ｅの時間Ｅｔと、工程Ｅの電圧Ｅｖは、第二工程によって発生させるインク柱が、第一工程によって発生させる極細インク柱の先頭から分離される微小インク滴に追いつかない程度に、Ｄｔを長くして第二工程によって発生させるインク柱の発生タイミングを遅くしたり、Ｅｔを長く、Ｅｖを小さくして第二工程によって発生させるインク柱の体積速度を遅くする。尚且つ、第一工程によって発生させた極細インク柱の先頭が微小インク滴に分離した後の、微小インク滴よりもノズル側に存在するインク柱又はインク滴に追い着いて合体し、ノズル開口内に引き戻せる程に、Ｄｔを短くして第二工程によって発生させるインク柱の発生タイミングを早くしたり、Ｅｔを短く、Ｅｖを大きくして第二工程によって発生させるインク柱の体積速度を速くする。これら双方の条件を満たすＤｔ、Ｅｔ、Ｅｖに設定することにより、本発明が成立する。
【００４８】
図８は、工程Ｅの時間Ｅｔと、工程Ｅの電圧Ｅｖの関係を示す図である。実施例１と同様に、図８の適正領域内となるように、工程Ｅの時間Ｅｔと電圧Ｅｖを設定する。
【００４９】
図８の適正領域は、工程Ｄの時間Ｄｔが短くなるとグラフ下方に下がり、工程Ｄの時間Ｄｔが長くなるとグラフ上方に上がる。また、工程Ｄの時間Ｄｔの値により適正領域の幅も変化し、Ｄｔが長過ぎると適正領域は無くなり、短過ぎると適正領域は無くなる場合がある。
【実施例４】
【００５０】
本発明は、ノズルプレート１３面の少なくともノズル開口１４周辺部を、インクに対する接触角が３０度以下となるように、濡れ性の高いインクを用いたり、ノズル面に親インク処理を行う等し、ノズル開口１４の周辺にインクを溜まらせた方が実施し易い。その理由について、以下説明する。
【００５１】
図１１及び図１２はインク溜まり５５の有無によるインクの挙動の相違を示す説明図である。図１１はノズル開口１４の周辺にインク溜まり５５がある場合を示し、図１２はノズル開口１４の周辺にインク溜まりがない場合を示す。そして、図１１及び図１２のいずれも、本発明の第1工程の駆動波形のみを印加した場合のノズル開口１４近傍の様子を示している。
【００５２】
図１１の（ａ）〜（ｅ）及び図１２の（ａ）〜（ｅ）に示したように、第一工程で形成する微小インク滴５０、６０は、ノズル開口１４内に引っ張り込んだメニスカスの中心部から吐出が起こる（図１１（ｃ）、（ｄ）、図１２（ｃ）、（ｄ））ため、ノズル開口１４の周辺のインク溜まりの有無にかかわらず、微小インク滴５０、６０として吐出される。すなわち、微小インク滴５０、６０は溜まっているインクの影響を殆ど受けず、インク溜まり５５が存在していても、インク溜まりが存在していない場合と同じように飛んで行く。
【００５３】
一方、第一工程で形成した微小インク滴５０、６０の後ろから飛ぼうとするインク柱、インク溜まり５５の有無によって、その挙動が大きく相違する。インク溜まり５５が存在していると、図１１の（ｆ）〜（ｈ）に示したように、溜まっているインクから、インク柱５１に対しインクが供給される上に、溜まっているインクの粘性により引っ張られるため、インク柱５１はノズル開口１４側のインクから切り離されにくく、結果的にインク滴として吐出されにくくなる。これに対して、インク溜まりが存在していない場合は、図１２の（ｆ）〜（ｈ）に示すように、インク柱６１はノズル開口１４側のインクと容易に切り離され、吐出してしまう。よって、インク溜まり５５が存在すると、インク溜まりが存在しない場合に比べて、第二工程で発生させるインク柱によって引き戻せる限界点（図８、９に示した適正領域の範囲）が広くなる。すなわち、インク溜まりが存在している場合に、微小液滴の後ろから飛ぼうとするインク柱又はインク滴を、第二工程で引き戻すことが可能な限界点を図１１（ｈ）、インク溜まりが存在していない場合に、微小液滴の後ろから飛ぼうとするインク柱又はインク滴を、第二工程で引き戻す事が可能な限界点を図１２（ｇ）とし、それぞれノズル開口から、引き戻そうとしているインク柱又はインク滴の頭までの距離をｈ及びｈ’とすると、ｈ＞ｈ’であり、インク溜まりが存在している方がより遠くまで引き戻すことができる。時間経過に関しても、図１１（ｈ）＞図１２（ｇ）であり、インク溜まりが存在している方がより遅くまで引き戻す機会がある。
【００５４】
以上説明したように、ノズル開口１４の周辺部をインクに対して接触角３０度以下としてノズル開口１４の周辺にインク溜まりを設けることにより、飛行させたい微小液滴は問題なく吐出させ、なおかつ後から飛行しようとするインク柱又はインク滴は第二工程により引き戻し易くなる。なお、接触角が３０度以上である場合には、本発明に好適なインク溜まりが生じない。すなわち、接触角が大きいとインク溜まりに偏りが生じてインク滴の吐出方向が曲がったり、不吐出になったりする。
【００５５】
上述したように、ノズル開口１４の周辺部がインクに対して接触角３０度以下になるように連続吐出を行うと、どんどんインクが滲み出して、吐出不良に至る程インクが溜まることがある。これを回避するため、図１３に示したように、ノズル開口１４の周りに障壁７０を設け、インク溜まりＡもしくはインク溜まりＢのようにして、インクの濡れ広がりを抑えるようにすると良い。
【００５６】
なお、上述した各実施例においては、電極垂直方向の圧電素子の変位（ｄ３３モード）を吐出に用いる駆動電圧波形について述べたが、電極水平方向の圧電素子の変位（ｄ３１モード）を吐出に用いるインクジェットヘッドや、たわみモード（シェアーモードやベンドモードなど）の変位を吐出に用いるインクジェットヘッドに対しても本発明は適用可能である。
【００５７】
また、本発明は、圧電素子の伸縮で圧力を発生させてインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法について述べたが、気泡の膨張力、静電気力、磁力などの方法で、インク体をインク滴にして飛行させるインク滴吐出装置全般に適用可能である。
【００５８】
更に、本発明では、インクの粘度等の物性が変化した際には、前記第二工程の制御量や制御タイミングを変化させる機構を設け、常に適正領域に入るように制御を行うか、インクの粘度等の物性があまり変化しないように、温度調節機構を設け、インクの温度をほぼ一定に保つことが望ましい。
【００５９】
例えば、インクの物性が変化すると、同じ駆動波形を使用しても図８で示した適正領域から外れる可能性がある。これを防ぐために、図１４に示すように、インクの粘度変化に応じて駆動電圧波形を変化させる構成を付加してもよい。具体的には、プリンタ側の印刷制御を行うプリントコントロール部の駆動電圧発生回路内のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）に波形テーブルを設けておき、この波形テーブルには、所定の温度毎のインクの物性及び駆動電圧波形の関係を規定したデータを予め格納しておく（波形テーブルはROMに格納しておいてもよい）。なお、駆動電圧波形は波形テーブル内でデジタル化されて保存されている。上位装置にて展開された印刷データは、プリントコントロール部の駆動電圧発生回路内にあるＦＰＧＡへ入力される。ＦＰＧＡにおいて、印刷データのうち駆動波形に関しては後述する駆動電圧発生回路を経てプリントヘッド部の圧電素子の正電極１９に出力される。一方、印刷の要否にかかるプリントデータはＦＰＧＡから直接、駆動ノズル選択回路へ出力される。これによって、最適な駆動波形に制御してインクを吐出することができる。
【００６０】
以下、駆動電圧発生回路内の制御について説明する。インクの粘度はインクの温度により変化するため、インクジェットヘッドにはサーミスタを装着して、インクジェットヘッドの温度、すなわちインクの温度に関するデータをＦＰＧＡへ入力する。ＦＰＧＡでは、サーミスタから入力された温度データと、予め保持している波形テーブルとを照らし合わせ、当該波形テーブルから駆動電圧波形を決定し、数ビットのデジタルパラレルデータとして、Ｄ／Ａコンバータへ出力する。Ｄ／Ａコンバータでは、入力されたデジタルパラレルデータを連続する電流変化に変換して、電流／電圧コンバータへ出力する。更に、電流／電圧コンバータにて電流変化を電圧変化に変換し、電圧変化をアンプで所望の電圧と電流にまで増幅した上で、プリントヘッド部へ出力する。
【００６１】
以上説明した制御回路において、駆動電圧波形は、インクの温度が下がった場合に電圧変化量を大きくし、インクの温度が上がった場合は電圧変化量を小さくするように制御するとよい。
【００６２】
あるいは、図１５に示すように、インクの物性を変化させないように、インクジェットヘッドの温度変化を小さくするよう制御して、図８に示す適正領域から外れないようにする方法もある。基本的な制御回路は図１４の構成と同様であるが、図１５ではＦＰＧＡの波形テーブルを温度比較器に替え、プリントヘッド部にペルチェ素子を装着している。そして、インクジェットヘッドに取り付けられたサーミスタで得た温度データを、温度比較器で設定温度と比較し、設定よりも高ければ、インクジェットプリントヘッドに取り付けられたペルチェ素子を、ヘッドが冷却する方向に温度移動が起こるように動作させ、設定温度よりも低ければヘッドが加熱する方向に温度移動が起こるように動作させ、インクジェットヘッドの温度、ひいてはインクの物性が一定となるようにコントロールする。
【００６３】
なお、本発明は、インク柱の先頭から微小インク滴が分離した（図５（３））後、後ろに少なくとも１つは、先頭部分から分離された微小インク滴よりも大きいインク滴が飛行するような（図５（４）、（５））飛び方をする場合に適用すると、大きいインク滴がノズル開口１４内に回収でき、飛行するインク滴は小さいものとなるため、微小インク滴化の効果を高めることができる。そのような飛び方をさせるには、第一工程で発生させるインク柱を細くすることが有効である。その理由は、単位体積当たりの表面積が大きいため、インク柱が球になりやすく、インク柱の先頭で微小インク滴が分離されるからである。また、インクの粘度や表面張力を大きくすると、インク柱が途中で切れずに延び、インク柱の先端では球になり易くなるため、そのような飛び方が得られ易い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドの構造を示す斜視図。
【図２】本発明の一例となる駆動電圧波形を示す図。
【図３】本発明の他の例となる駆動電圧波形を示す図。
【図４】本発明の他の例となる駆動電圧波形を示す図。
【図５】図１のインクジェットヘッドに従来の駆動電圧波形を適用した場合のインク滴吐出の様子を示した説明図。
【図６】図１のインクジェットヘッドに本発明の駆動電圧波形を適用した場合のインク滴吐出の様子を示した説明図。
【図７】図１のインクジェットヘッドに本発明の駆動電圧波形を適用した場合のインク滴吐出の様子を示した他の例となる説明図。
【図８】実施例１及び３で本発明を適用した場合の駆動電圧と時間の設定領域例を示した図。
【図９】実施例２で本発明を適用した場合の駆動電圧と時間の設定領域例を示した図。
【図１０】従来の駆動電圧波形を示す図。
【図１１】ノズル開口の周辺にインク溜まりがある場合のインクの挙動を示す説明図。
【図１２】ノズル開口の周辺にインク溜まりがない場合のインクの挙動を示す説明図。
【図１３】本発明のノズル開口近傍の構成の変形例を示す断面の斜視図。
【図１４】圧電素子の制御タイミングを変える機構の一例を示す制御ブロック図。
【図１５】温度調節機構を設けた場合の構成をしめす制御ブロック図。
【符号の説明】
【００６５】
１１  インク流路形成部材
１２  インク圧力室
１３  ノズルプレート
１４  ノズル開口
１５  リストリクタ
１６  共通インク流路
１７  圧電素子
１８  圧電素子支持基板
１９  正電極
２０  負電極
２１  弾性膜
２２  インク滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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