(57)【要約】      （修正有）【課題】より高い吐出効率で液滴を吐出することのできる液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供すること。【解決手段】駆動パルスは、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の膨張パルスを有し、圧力室における圧力波の音響的共振周波数をｆ、圧力波の減衰の時定数をτとしたとき、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷが、以下の（１）式2009090649.tif 000013を満足するように設定されていることを特徴とする液滴吐出装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するためのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力室の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えた液滴吐出ヘッドを有し、駆動パルスを圧力付与手段に印加して圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力を変化させ、圧力室の液体をノズルから吐出させる液滴吐出装置であって、前記駆動パルスは、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の膨張パルスを有し、圧力室における圧力波の音響的共振周波数をｆ、圧力波の減衰の時定数をτとしたとき、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷが、以下の（１）式
【数１】
2009090649.tif 000011
を満足するように設定されていることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記減衰の時定数τが、８×１０−６（ｓｅｃ）以上１００×１０−６（ｓｅｃ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記駆動パルスは、前記膨張パルスに続いて圧力室の容積を収縮させた後、膨張させる矩形波の収縮パルスを有することを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記圧力付与手段が、せん断モード型の圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
液滴を吐出するためのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力室の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えた液滴吐出ヘッドの圧力付与手段に駆動パルスを印加して圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力を変化させ、圧力室の液体をノズルから吐出させる液滴吐出方法であって、
前記駆動パルスは、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の膨張パルスを有し、圧力室における圧力波の音響的共振周波数ｆ及び圧力波の減衰の時定数τを計測し、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷを、以下の（１）式
【数２】
2009090649.tif 000012
を満足するように設定することを特徴とする液滴吐出方法。
【請求項６】
前記減衰の時定数τが、８×１０−６（ｓｅｃ）以上１００×１０−６（ｓｅｃ）以下であることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出方法。
【請求項７】
前記駆動パルスは、前記膨張パルスに続いて圧力室の容積を収縮させた後、膨張させる矩形波の収縮パルスを有することを特徴とする請求項５または６に記載の液滴吐出方法。
【請求項８】
前記圧力付与手段が、せん断モード型の圧電素子であることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の液滴吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微小なインク滴を用いて画像を記録するためのインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという場合がある）のようにノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドでは、圧力室に圧力を付与することでノズルから液滴を吐出させ、記録紙等の記録媒体上に着弾させる。
【０００３】
圧力室に圧力を付与する圧力付与手段は様々であるが、その一つとして、例えば特許文献１に開示されているように、圧電素子を用いてインク滴の吐出圧を得るようにした方式がある。
【０００４】
従来、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させることで圧力室の圧力を高めノズルからインク滴を吐出させる場合に、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる膨張パルスのパルス幅は、１ＡＬ（ＡＬは、圧力室の音響的共振周期の１／２）に一致したときに最も効率良く吐出できると考えられ、用いられてきた。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１９１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、発明者らの知見によると、膨張により生じた負の圧力波は圧力室を伝播する際に時間の経過とともに減衰していくので、この圧力波の減衰を考慮すると、上記従来技術のように膨張パルスのパルス幅を１ＡＬとした場合よりも、短いパルス幅に設定した方が効率よく吐出できることが判明した。
【０００６】
即ち、上記膨張パルスの印加開始時に発生した膨張による負の圧力波は、圧力波の減衰を伴いながら圧力室を伝播して正の圧力波に反転した後、圧力が上昇し、１ＡＬ時間経過する前に極大（ピーク）の正圧となり、この時点で膨張パルスの印加解除による収縮を加えた方が吐出効率の向上を図ることができることを見出した。従来技術のように１ＡＬに設定した場合は、正圧が極大（ピーク）をすぎて低下している時点で膨張パルスの印加解除を行うことになり吐出効率は低下する。
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、より高い吐出効率で液滴を吐出することの可能な液滴吐出装置及び液滴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】
【０００８】
本発明の目的は、以下のような構成により達成される。
１．
液滴を吐出するためのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力室の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えた液滴吐出ヘッドを有し、駆動パルスを圧力付与手段に印加して圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力を変化させ、圧力室の液体をノズルから吐出させる液滴吐出装置であって、前記駆動パルスは、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の膨張パルスを有し、圧力室における圧力波の音響的共振周波数をｆ、圧力波の減衰の時定数をτとしたとき、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷが、以下の（１）式
【０００９】
【数１】
2009090649.tif 000002
【００１０】
を満足するように設定されていることを特徴とする液滴吐出装置。
２．
前記減衰の時定数τが、８×１０−６（ｓｅｃ）以上１００×１０−６（ｓｅｃ）以下であることを特徴とする１に記載の液滴吐出装置。
３．
前記駆動パルスは、前記膨張パルスに続いて圧力室の容積を収縮させた後、膨張させる矩形波の収縮パルスを有することを特徴とする１または２に記載の液滴吐出装置。
４．
前記圧力付与手段が、せん断モード型の圧電素子であることを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
５．
液滴を吐出するためのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力室の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えた液滴吐出ヘッドの圧力付与手段に駆動パルスを印加して圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力を変化させ、圧力室の液体をノズルから吐出させる液滴吐出方法であって、
前記駆動パルスは、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の膨張パルスを有し、圧力室における圧力波の音響的共振周波数ｆ及び圧力波の減衰の時定数τを計測し、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷを、以下の（１）式
【００１１】
【数２】
2009090649.tif 000003
【００１２】
を満足するように設定することを特徴とする液滴吐出方法。
６．
前記減衰の時定数τが、８×１０−６（ｓｅｃ）以上１００×１０−６（ｓｅｃ）以下であることを特徴とする５に記載の液滴吐出方法。
７．
前記駆動パルスは、前記膨張パルスに続いて圧力室の容積を収縮させた後、膨張させる矩形波の収縮パルスを有することを特徴とする５または６に記載の液滴吐出方法。
８．
前記圧力付与手段が、せん断モード型の圧電素子であることを特徴とする５乃至７の何れか１項に記載の液滴吐出方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、より高い吐出効率で液滴を吐出することのでき、インク滴の吐出速度を高くすることができたり、駆動電圧の低電圧化ができる液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明に関する実施の形態の例を示すが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る液滴吐出装置が適用されるインクジェット記録装置の概略構成を示す図である。インクジェット記録装置１において、記録媒体Ｐは、搬送機構３の搬送ローラ対３２に挟持され、更に、搬送モータ３３によって回転駆動される搬送ローラ３１により図示Ｙ方向に搬送されるようになっている。
【００１７】
搬送ローラ３１と搬送ローラ対３２の間には、記録媒体Ｐの記録面ＰＳと対向するように記録ヘッド２が設けられている。この記録ヘッド２は、記録媒体Ｐの幅方向に亘って掛け渡されたガイドレール４に沿って、不図示の駆動手段によって、上記記録媒体Ｐの搬送方向（副走査方向）と略直交する図示Ｘ−Ｘ’方向（主走査方向）に沿って往復移動可能に設けられたキャリッジ５に、ノズル面側が記録媒体Ｐの記録面ＰＳと対向するように配置されて搭載されており、フレキシケーブル６を介して、駆動パルスを生成するための回路が設けられる駆動パルス発生手段１００（図３参照）に電気的に接続されている。
【００１８】
また、インクジェット記録装置１は、制御部、記憶部（図示せず）を含んで構成される。制御部は、インクジェット記録装置１全体を制御する部位であり、たとえば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、プログラムを格納するメモリと、処理に必要な情報を一時的に格納するためのメモリとから構成されるマイクロコンピュータであり、メモリに格納されているプログラムを実行することによって所定の処理を行う。
【００１９】
駆動パルス発生手段１００は、制御部からの指示によって、ノズルから液滴を吐出するために、記録ヘッド２の各圧力室にある圧電素子などの圧力付与手段に、駆動パルスを与えて駆動する。
【００２０】
駆動パルスは、圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の膨張パルスと膨張パルスに続いて圧力室の容積を収縮させた後、膨張させる矩形波の収縮パルスとから構成され（図４（ａ）参照）、圧力室における圧力波の音響的共振周波数をｆ、圧力波の減衰の時定数をτとしたとき、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷが、以下の（１）式
【００２１】
【数３】
2009090649.tif 000004
【００２２】
を満足するように設定されている。
【００２３】
記憶部は、前記膨張パルスのパルス幅ＰＷなどのデータを記憶する記憶媒体であり、半導体メモリなどで構成される読み取り書き込み可能なメモリでもよいし、磁気ディスク装置などの記憶装置であってもよく、その形態は問わない。
【００２４】
かかる記録ヘッド２は、キャリッジ５の移動に伴って記録媒体Ｐの記録面ＰＳを図示Ｘ−Ｘ’方向に移動し、この移動過程でインク滴を吐出することによって所望のインクジェット画像を記録するようになっている。
【００２５】
なお、図中、７はインク受け器であり、記録ヘッド２が非記録時のホームポジション等の待機位置に設けられている。記録ヘッド２がこの待機位置にある時、このインク受け器７に向けてインク滴を少量はき捨てるようにする。記録ヘッド２がこの待機位置において長期間作動停止している時は、図示しないが、記録ヘッド２のノズル面にキャップを被せることにより保護するようになっている。また、８は記録媒体Ｐを挟んで上記インク受け器７の反対位置に設けられたインク受け器であり、往復両方向で記録するとき、往動から復動に切り替えるときに、上記同様にはき捨てられたインク滴を受け入れる。
【００２６】
本発明に係る液滴吐出装置及び液滴吐出方法は、液滴を吐出するためのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を膨張又は収縮させることにより圧力室の圧力を変化させる圧力付与手段とを備えた液滴吐出ヘッドであれば、どのようなタイプの液滴吐出ヘッドにも適用でき、また、圧力室に満たされる液体はどのような液体であっても良い。以下の説明では、圧力室に満たされる液体としてインクを使用した液滴吐出ヘッドであるせん断モード（シェアモード）タイプの記録ヘッド２を用いて説明する。
【００２７】
せん断モードタイプの記録ヘッドでは、圧力室の隔壁を圧力付与手段である圧電素子により構成し、この圧電素子をせん断変形させることによりノズルからインク滴を吐出する。
【００２８】
図２は、液滴吐出ヘッドの一態様であるせん断モードタイプの記録ヘッドの概略構成を示す図であり、（ａ）は一部断面で示す斜視図、（ｂ）はインク供給部を備えた状態の断面図である。
【００２９】
なお、以下、圧力室に関する構成は、全圧力室で共通なので、個々の圧力室に関する構成を表示するアルファベットの添え字は省略して、総括的に表記する場合がある。
【００３０】
図３（ａ）〜（ｂ）はその動作を示す図である。
【００３１】
図２及び図３において１００は駆動パルス発生手段、２は記録ヘッド、２１はインクチューブ、２２はノズル形成部材、２３はノズル、２４はカバープレート、２５はインク供給口、２６は基板、２７は隔壁、Ｌは圧力室の長さ、Ｄは圧力室の深さ、Ｗは圧力室の幅である。そして、圧力室２８が隔壁２７、カバープレート２４及び基板２６によって形成されている。
【００３２】
記録ヘッド２は、図３に示すように、カバープレート２４と基板２６の間に、ＰＺＴ等の圧電材料からなる複数の隔壁２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄで隔てられた圧力室２８が多数並設されたせん断モードタイプの記録ヘッドである。図３では多数の圧力室２８の一部である３本（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ）が示されている。圧力室２８の一端（以下、これをノズル端という場合がある）はノズル形成部材２２に形成されたノズル２３につながり、他端（以下、これをマニホールド端という場合がある）はインク供給口２５を経て、インクチューブ２１によって図示されていないインクタンクに接続されている。そして、各圧力室２８内の隔壁２７表面には両隔壁２７の上方から基板２６の底面に亘って繋がる電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃが密着形成され、各電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃは駆動パルス発生手段１００に接続している。
【００３３】
次に、記録ヘッド２の製造方法と構成材料について説明する。
【００３４】
基板２６上に互いに分極方向が異なる２枚の圧電材料２７ａ、２７ｂを接着剤を介して上下に貼り合わせ、その上側の圧電材料２７ａからダイヤモンドブレード等により、圧力室２８となる複数の溝が全て同じ形状で平行に切削加工される。これにより隣接する圧力室２８は、矢印の方向に分極された側壁２７によって区画される。また、圧力室２８は、圧力室２８の出口側（図２における左側）の深溝部２８ａと、該深溝部２８ａから圧力室２８の入口側（図２における右側）に行くに従って徐々に浅くなる浅溝部２８ｂとを有している。
【００３５】
各隔壁２７は、ここでは図３の矢印で示すように分極方向が異なる２枚の圧電材料２７ａ、２７ｂによって構成されているが、圧電材料は例えば符号２７ａの部分のみであってもよく、隔壁２７の少なくとも一部にあればよい。
【００３６】
圧電材料２７ａ，２７ｂに使用される圧電材料としては、電圧を加えることにより変形を生じるものであれば特に限定されず、公知のものが用いられ、有機材料からなる基板であっても良いが、圧電性非金属材料からなる基板が好ましく、この圧電性非金属材料からなる基板として、例えば成形、焼成等の工程を経て形成されるセラミックス基板、又は塗布や積層の工程を経て形成される基板等がある。有機材料としては、有機ポリマー、有機ポリマーと無機物とのハイブリッド材料が挙げられる。
【００３７】
セラミックス基板としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）、第三成分添加ＰＺＴがあり、第三成分としてはＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３等があり、さらにＢａＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等を用いて形成することができる。
【００３８】
また、塗布や積層の工程を経て形成される基板として、例えば、ゾル−ゲル法、積層基板コーティング等で形成することができる。
【００３９】
圧電材料２７ａの上面には、全圧力室２８に亘って深溝部２８ａ上を覆うようにカバープレート２４が接着剤を介して接着されると共に、各圧力室２８の浅溝部２８ｂ上に、圧力室２８内へのインク流入口７７が形成されている。
【００４０】
カバープレート２４の接着後、ノズル２３が開設された１枚のノズル形成部材２２が接着剤を介して接着される。本実施形態のノズル２３は、図２（ｂ）に示すようにノズルのインク入口側の径よりも出口側の径が小さいテーパー形状をなしている。尚、ノズルのテーパー角は頂角の１／２である。
【００４１】
ノズル径とは、ノズルのインク出口側の先端の開口部の径を意味し、開口部の断面が円形の場合は、その直径をさす。なお、ノズルの断面形状は円形状に限定されることはなく、円形形状の代わりに、断面多角形状や断面星形状等としてもよい。尚、断面形状が円でない場合、その断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径をノズル径とする。
【００４２】
ノズルの長さとは、インク吐出方向におけるノズルの長さを意味し、本実施形態においては、ノズル形成部材２２の厚さがノズル２３の長さに相当する。
【００４３】
カバープレート２４及び基板２６の材料は、特に限定されず、有機材料からなる基板であっても良いが、非圧電性非金属材料からなる基板が好ましく、この非圧電性非金属材料からなる基板として、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイド、石英、分極されていないＰＺＴの少なくとも１つから選ばれることが好ましい。有機材料としては、有機ポリマー、有機ポリマーと有機物とのハイブリッド材料が挙げられる。
【００４４】
また、ノズル形成部材２２の材料としては、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、液晶ポリマー、アロマティックポリアミド樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリサルフォン樹脂等の合成樹脂のほか、ステンレス等の金属材料を用いることもできる。
【００４５】
各圧力室２８内には、その両側面から底面にかけて金属電極２９が形成されており、この金属電極２９は、浅溝部２８ｂを通って圧電材料２７ａの後部側表面まで延びている。各金属電極２９には、この後部側表面において異方導電性フィルム７８を介してフレキシブルケーブル６が接着されており、駆動パルス発生手段１００から各金属電極２９に駆動パルスを印加することにより側壁２７をせん断変形させ、その変形時の圧力により圧力室２８内のインクをノズルプレート２２に形成されたノズル２３から吐出するようになっている。
【００４６】
金属電極２９に用いられる金属としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、パラジウム、ニッケル、タンタル、チタンを用いることができ、特に、電気的特性、加工性の点から、金、アルミニウム、銅、ニッケルが好ましく、めっき、蒸着、スパッタで形成される。
【００４７】
せん断モードタイプの記録ヘッド２は、以上のように圧電材料２７ａ，２７ｂに圧力室２８を形成して、その側壁２７に金属電極２９を形成するだけで、ヘッドの主要部分を構成できるので、製造が簡単で、多数の圧力室２８を高密度に配置できるために、高精細な画像記録を行う上で好ましい態様である。
【００４８】
次に、吐出動作について説明する。
【００４９】
各隔壁２７表面に密着形成された電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃに駆動パルス発生手段１００から駆動パルスが印加されると、以下に例示する動作によってインク滴をノズル２３から吐出する。なお、図３ではノズルは省略してある。
【００５０】
なお、かかる記録ヘッド２では、以上のように、隔壁２７の変形によって圧力室２８内のインクに正負の圧力が付与されるものであり、この隔壁２７は圧力付与手段を構成している。
【００５１】
図４（ａ）は、本発明に係る実施の形態の液滴吐出方法における駆動パルスを示している。図４（ａ）において、横軸は時間、縦軸は駆動電圧を表す。図４（ｂ）は図４（ａ）の膨張パルスを印加したときの圧力室の圧力変化を示す波形図である。図４（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は圧力を表す。
【００５２】
（１）かかるヘッド２は、図３（ａ）に示す状態において、電極２９Ａ及び２９Ｃをアースに接続すると共に電極２９Ｂに、パルス幅ＰＷが前記（１）式を満たすように設定された矩形波の膨張パルス（正電圧）を印加すると、まず、パルスの最初の立ち上がり（Ｐ１）によって、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを構成する圧電材料２７ａ、２７ｂの分極方向に直角な方向の電界が生じ、２７ａ、２７ｂともに隔壁の接合面にズリ変形を生じ、図３（ｂ）に示すように隔壁２７Ｂ及び隔壁２７Ｃは互いに外側に向けて変形し、圧力室２８Ｂの容積が膨張する。これにより圧力室２８Ｂ内のインクに通常圧力より低い負の圧力−Ｐが生じてインクが流れ込む（Ｄｒａｗ）。
【００５３】
なお、ＡＬ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ）とは、上述したように、圧力室の音響的共振周期Ｔｃの１／２である。このＡＬは、圧力室における圧力波の音響的共振周波数ｆを測定し、１／（２ｆ）として求められる。圧力波の音響的共振周波数ｆの測定方法は後述する。
【００５４】
また、パルスとは、一定電圧波高値の矩形波であり、０Ｖを０％、波高値電圧を１００％とした場合に、パルス幅とは、電圧の０Ｖからの電圧の立ち上がり始め又は立ち下がり始めの１０％から波高値電圧からの立ち下がり始め又は立ち上がり始めの１０％との間の時間として定義する。更に、ここで矩形波とは、電圧の１０％と９０％との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもがＡＬの１／２以内、好ましくは１／４以内であるような波形を指す。
【００５５】
（２）負の圧力は減衰を伴いながら圧力室を伝播し、通常圧力に戻った後、正圧に反転し、この最初のＰ１の印加から１ＡＬ時間経過する前のｔｍａｘにて極大（ピーク）の正圧となるので、この時点で電位を０に戻す（Ｐ２）と、隔壁２７Ｂ，２７Ｃは膨張位置から図３（ａ）に示す中立位置に戻り、圧力室２８Ｂ内のインクに高い圧力が掛かる。
【００５６】
引き続いて、矩形波からなる収縮パルス（負電圧）を印加する。まず収縮パルスの立ち下がり（Ｐ３）によって、図３（ｃ）に示すように、隔壁２７Ｂ及び２７Ｃは互いに逆方向に変形し、圧力室２８Ｂの容積が収縮する。この収縮により圧力室２８Ｂ内のインクに更に高い圧力を掛け（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ）、ノズル２３の開口からインク柱を突出させる。
【００５７】
（３）１ＡＬ時間経過すると、圧力室２８Ｂ内のインクの圧力波は負圧に反転する。
【００５８】
（４）更に１ＡＬ時間経過すると、圧力波が反転して正圧となるので、電位を０に戻し（Ｐ４）、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを収縮位置から中立位置に戻すと、圧力室２８Ｂの容積が膨張する。この膨張の負圧による圧力波と前記正圧の圧力波は、位相が１８０°ずれているので、相殺してキャンセルし合い、圧力波は早期に減衰することになる。その後、インク柱は、分離してインク滴として飛翔する。
【００５９】
これらの一連の動作により圧力室２８Ｂ内のインクの一部がインク滴としてノズル２３から飛翔する。
【００６０】
上述の如く（１）式を満たすように膨張パルスのパルス幅ＰＷを設定することにより、膨張パルスの立ち上がり時（Ｐ１）に発生した負の圧力波が、圧力室を伝播して正圧に反転した後、ｔｍａｘ（＜１ＡＬ）で極大の正圧になると同時に、膨張パルスの立ち下がり（Ｐ２）及び収縮パルスの立ち下がり（Ｐ３）による圧力室の収縮により発生した正圧が加わり、これらが相俟って効率の良い吐出力が得られる。よって、インク滴の吐出速度が速くなるという利点を有する。
【００６１】
従来技術のように膨張パルスのパルス幅を１ＡＬに設定した場合は、正圧が極大（ピーク）をすぎて低下している領域（図４（ｂ）の点線）で膨張パルスの立ち下がり（Ｐ２）による収縮が加わることになり吐出効率は低下する。
【００６２】
また、本実施形態において、収縮パルスのパルス幅を２ＡＬとしているので、圧力波をキャンセルし、より短周期での駆動が可能になる。
【００６３】
駆動パルスの周期ｔｐは、図４（ａ）に示すように、膨張パルスの時間をＰＷ、その後の収縮パルスの時間を２ＡＬ、そして次の駆動パルスまでのアース電位の時間を２ＡＬとして、全体をＰＷ＋（２＋２）ＡＬの時間で１駆動パルス、即ち１周期が終了する。なお、アース電位の時間は２ＡＬに限定されるものではなく、任意に設定される。
【００６４】
また、図４（ａ）の駆動パルスでは、膨張パルスの駆動電圧Ｖｏｎ（Ｖ）と収縮パルスの駆動電圧Ｖｏｆｆ（Ｖ）の比を｜Ｖｏｎ｜≧｜Ｖｏｆｆ｜とすることが好ましい。このように｜Ｖｏｎ｜≧｜Ｖｏｆｆ｜の関係とすると、圧力室へのインクの供給を促進する効果があり、特に、高粘度インクで高周波駆動を行う場合に好ましい。なお、この電圧Ｖｏｎと電圧Ｖｏｆｆの基準電圧は０とは限らない。この電圧Ｖｏｎと電圧Ｖｏｆｆは、それぞれ基準電圧からの差分の電圧である。
【００６５】
かかるせん断モードタイプのインクジェットヘッドでは、隔壁２７の変形は壁の両側に設けられる電極に掛かる電圧差で起こるので、インク吐出を行う圧力室の電極に負電圧を掛ける代わりに、インク吐出を行う圧力室の電極を接地して、その両隣の圧力室の電極に正電圧を掛けるようにしても同様に動作させることができる。この後者の方法によれば、正電圧だけで駆動できるため、電源コストの点で好ましい態様である。
【００６６】
次に、本発明の実施形態に係わる液滴吐出方法の１例である時分割駆動について説明する。
【００６７】
前述のような少なくとも一部が圧電材料で構成された隔壁２７によって隔てられた複数の圧力室２８を有するヘッド２を駆動する場合、一つの圧力室２８の隔壁が吐出の動作をすると、隣の圧力室２８が影響を受けるため、通常、複数の圧力室２８のうち、互いに１本以上の圧力室２８を挟んで離れている圧力室２８をまとめて１つの組となすようにして、２つ以上の組に分割し、各組毎にインク吐出動作を時分割で順次行うように駆動制御される。
【００６８】
即ち、ｎ個の圧力室を所定の複数を単位としてｍの単位に区分し、各単位の１圧力室を時間間隔ｔｐの周期で駆動して、ｍ周期でｎ個の圧力室を駆動する。そして、エンコーダパルスＤにより基本周期Ｔを形成し、基本周期Ｔを繰り返すことにより、キャリッジを往復移動させて記録媒体に画像を記録する。
【００６９】
ここで、ｍ＝３、ｎ＝９とした吐出動作について図５〜図６を用いて更に説明する。図５に示す例では、ヘッドは圧力室がＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ａ３、Ｂ３、Ｃ３の９つの圧力室２８で構成されているとし、図４（ａ）の駆動パルスで駆動する場合について説明する。また、このときのＡ、Ｂ、Ｃの各組の圧力室２８の電極に印加される駆動パルスのタイミングチャートを図６に示す。図６は縦軸には圧力室Ａ１〜Ｃ３を、また、横軸には時間をとってある。
【００７０】
図６に示すように、初め第１周期ｔ１の駆動パルスＰａをＡ１、Ａ２、Ａ３の３圧力室に同時に印加し駆動すると、これらＡ１、Ａ２、Ａ３の３圧力室の側壁が同時に変化し、各ノズルからインク滴が吐出する。前記のようにインク滴を吐出する圧力室は初め容積を膨張した後、急激に容積を収縮する。図５には、各圧力室が収縮した時の状態を示してある。以下同様に、図６に示すように、第２周期ｔ２の駆動パルスＰｂをＢ１、Ｂ２、Ｂ３の３圧力室に同時に印加して駆動した後、更に第３周期ｔ３の駆動パルスＰｃをＣ１、Ｃ２、Ｃ３の３圧力室に同時に印加して駆動すると、各側壁が逐次変形し、ｔ１、ｔ２、ｔ３の３周期で、各圧力室の駆動が一巡し、９個の圧力室全てが駆動されてインク滴を吐出することになる。ここで、Ｐａ，Ｐｂ、Ｐｃは、同一の駆動パルスであり図４（ａ）に示した駆動パルスを用い、ｔ１、ｔ２、ｔ３は図４（ａ）の周期ｔｐに等しく設定される。
【００７１】
ここで、実際には前記のように常に、全ての圧力室が駆動されるとは限らず、画像データに従って、選択された圧力室のみ駆動し、インク滴を吐出させて画像を形成する。
【００７２】
以上のように、発明者らは、圧力室における圧力波の音響的共振周波数をｆ、圧力室における圧力波の減衰の時定数をτとしたとき、膨張パルスのパルス幅ＰＷが、前述の（１）式を満足するように設定することにより、より効率的な駆動により液滴を吐出することの可能な液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することができることを見出した。詳細を以下に説明する。
【００７３】
前述のように、膨張パルスの立ち上がり（Ｐ１）により圧力室に生じる負の圧力−Ｐは、時間の経過と共に圧力が上昇し、通常圧力に戻った後、正圧に反転し、そして、通常圧力より上昇し、極大の正圧になった後、圧力が低下し、通常圧力に戻り、この圧力変化が繰り返される。このとき、圧力変化を表す波形の振幅が、時間ｔの関数としてｅ−ｔ／τの形（ｅは自然対数の底）で減衰し、この関数の係数τが圧力波の減衰の時定数となる。
【００７４】
圧力室における圧力波の音響的共振周波数をｆ（１／ｓｅｃ）、圧力室における圧力波の減衰の時定数をτ（ｓｅｃ）、時間をｔ（ｓｅｃ）、円周率をπとすると、この圧力変化Ｐ（ｔ）は（２）式で表される。
【００７５】
【数４】
2009090649.tif 000005
【００７６】
なお、圧力室における圧力波の音響的共振周波数ｆは、市販のインピーダンスアナライザーによって、インクが充填された記録ヘッドの圧電素子のインピーダンスを測定し、圧力室内のインクの共振によって圧電素子のインピーダンスが低下する周波数から求めることができる。
【００７７】
減衰の時定数τは、時間の変化に対する圧力の変化Ｐ（ｔ）を計測し、（２）式に基づいて算出することができる。圧力の変化Ｐ（ｔ）を計測するには、レーザー変位計等によりメニスカスの変位を計測すればよい。また、減衰の時定数τはインピーダンスアナライザーによる共振測定時のＱ値から求めることもできる。
【００７８】
圧力波の減衰による位相シフト量をα（ｒａｄ）とすると、上式を微分したＰ’（ｔ）は（３）式で表される。
【００７９】
【数５】
2009090649.tif 000006
【００８０】
ここで、αは、（４）式で表される。
【００８１】
【数６】
2009090649.tif 000007
【００８２】
圧力波が極大の正圧になるときは、（５）式
【００８３】
【数７】
2009090649.tif 000008
【００８４】
を満たすことになるので、この時の時間ｔｍａｘ、即ち、パルス幅ＰＷは、（６）式で表される。
【００８５】
【数８】
2009090649.tif 000009
【００８６】
このようにパルス幅ＰＷは、圧力室における圧力波の減衰の時定数τと圧力波の音響的共振周波数ｆに応じて決められる値である。圧力波の減衰が全くない場合は、α＝０となるので、（６）式から明らかなように、ＰＷ＝１／（２ｆ）＝１ＡＬとなり、膨張パルス幅を１ＡＬに設定している従来技術で何ら問題はない。しかしながら、圧力波の減衰の時定数τは、記録ヘッドの流路やノズルの寸法とインクの物性によって決まる固有の値であり、圧力波が圧力室を伝播する際は必ず減衰を伴う。（６）式から明らかなように，減衰が大きいほど、即ち、減衰の時定数τが小さいほどパルス幅ＰＷは短くなり、１ＡＬからのずれが甚だしくなる。その結果、インクの吐出効率がより低下する。このため、減衰の時定数τが小さい方が本発明の効果が大きくなるということになるが、８×１０−６（ｓｅｃ）より小さいと減衰の時定数τの影響が大きすぎて駆動電圧の上昇を招く恐れがあり、減衰の時定数τが、８×１０−６（ｓｅｃ）以上１００×１０−６（ｓｅｃ）以下である場合に本発明の効果が顕著となる。１００×１０−６（ｓｅｃ）より大きくなるとＰＷが１ＡＬとほとんど同じ値になってしまう。
【００８７】
このように、膨張パルスのパルス幅を１ＡＬに設定している従来技術よりインクの吐出効率を高めるためには、（１）式を満足するようにパルス幅ＰＷを設定すればよい。
【００８８】
このようにして設定されたパルス幅ＰＷは、インクジェット記録装置１の記憶部に記憶させる。インクジェット記録装置１の制御部は、記憶部からパルス幅ＰＷの値を読み出して、このパルス幅で膨張パルスを発生させて記録ヘッド２の圧電素子に印加して記録媒体Ｐに液滴を吐出させるように、駆動パルス発生手段１００及び記録ヘッド２を制御する。
【００８９】
なお、本発明の液滴吐出方法及び液滴吐出装置は、吐出時のインク温度におけるインクの粘度が１０ｍＰａ・ｓｅｃ以上５０ｍＰａ・ｓｅｃ以下である場合に顕著な効果を発揮する。このようなインクは粘度が高く、減衰の時定数τが小さくなるからである。
【００９０】
また、粘度が高すぎると、ノズルからインクを円滑に吐出させることが容易ではなく、駆動電圧が上昇してしまうため、インク粘度は５０ｍＰａ・ｓｅｃ以下が好ましい。
【００９１】
粘度の測定は、振動式粘度計Ｍｏｄｅｌ  ＶＭ−１Ａ−Ｌ（山一電機工業株式会社）を用いて測定できる。
【００９２】
以上の実施形態では、駆動パルスは、パルス幅ＰＷが（１）式を満たすように設定されている矩形波の膨張パルスと圧力室の容積を膨張させた後、収縮させる矩形波の収縮パルスとを連続して印加している。本発明における駆動パルスは、これに限定されるものではなく、パルス幅ＰＷが（１）式を満たすように設定されている矩形波の膨張パルスを有していればよい。
【００９３】
以上の実施形態では、圧力付与手段（隔壁）が圧電素子により構成されるものを示した。本発明の液滴吐出装置及び液滴吐出方法は、このように圧力付与手段が圧電素子により構成されるものである場合に、圧力室の容積を膨張させる制御が容易にできるために好ましい。
【００９４】
また、上記実施形態では、ＡＬに比べて十分に短い立ち上がり時間及び立ち下がり時間を持った矩形波の駆動パルスを圧電素子に印加している。矩形波を用いることで、圧力波の音響的共振をより有効に利用した駆動を行うことができる。台形波を使用する方法に比べてインク滴を吐出させる効率が良く、低い駆動電圧で駆動させることができる上に、簡単なデジタル回路で駆動回路を設計できる効果がある。また、パルス幅の設定が容易になるという利点を有する。
【００９５】
また、上記実施形態例では、圧力付与手段として電界を印加することによりせん断モードで変形するせん断モード型の圧電素子を用いた。せん断モード型の圧電素子では、矩形波の駆動パルスをより効果的に利用することができ、駆動電圧が下げられ、より効率的な駆動が可能となるため好ましい。
【００９６】
但し、本発明はこれらに限られるものではなく、例えば、圧電素子を単板型の圧電アクチュエータや縦振動タイプの積層型圧電素子等、別の形態の圧電素子を用いてもかまわない。また、静電力や磁力を利用した電気機械変換素子等、他の圧力付与手段を用いてもかまわない。
【００９７】
また、以上の説明では、液滴吐出装置としてインクジェット記録装置の適用例を示し、液滴吐出ヘッドとして画像記録を行うための記録ヘッドを用いたが、本発明は、これに限定されるものではなく、液滴を吐出するためのノズルと、このノズルに連通する圧力室と、この圧力室の圧力を変化させる圧力付与手段とを備え、圧力室の液体を液滴としてノズルから吐出させる液滴吐出装置及び液滴吐出方法として広く適用可能である。
【実施例】
【００９８】
以下、実施例に基づいて本発明の効果を例証する。
（実施例１）
まず、記録ヘッドを次の条件で作製した。図１〜図３に示したように、ＰＺＴからなる基板に多数の溝を研削して側壁を形成し、各側壁の側面にはアルミ蒸着電極を形成した。各側壁の上面には接着剤を用いてカバープレートを接着すると共に前端にノズル径φ２０μｍ、ノズルの長さ７５μｍでテーパー角６．３°のノズルを開設したノズル形成部材（厚さ：７５μｍ）を接着することにより記録ヘッドを構成した。
【００９９】
圧力室の密度は１８０ｄｐｉ（１４１μｍピッチ）とし、各圧力室の幅Ｗは８５μｍ、長さＬは５ｍｍ、深さＤは２００μｍとし、インクには水系インク（粘度：３ｍＰａ・ｓｅｃ（２５℃における測定値）、表面張力：４０ｄｙｎｅ／ｃｍ（２５℃における測定値））を使用した。
【０１００】
記録ヘッドの圧力室における圧力波の音響的共振周波数ｆ（ｋＨｚ）が８１．３（ｋＨｚ）＝８１．３×１０３（１／ｓｅｃ）、減衰の時定数τが２７．５×１０−６（ｓｅｃ）であった。これらの測定は、前記した方法により行った。
【０１０１】
以上より、圧力波の音響的共振周期Ｔｃが１２．４×１０−６（ｓｅｃ）、ＡＬが６．２×１０−６（ｓｅｃ）となる。
【０１０２】
また、前述の（４）式より、α＝０．０８５（ｒａｄ）、（６）式よりＰＷ＝ｔｍａｘ＝６．０×１０−６（ｓｅｃ）となる。
【０１０３】
記録ヘッドの評価は、図４（ａ）に示すように、電極に膨張パルスの駆動電圧Ｖｏｎと収縮パルスの駆動電圧Ｖｏｆｆの比（｜Ｖｏｎ｜／｜Ｖｏｆｆ｜）を１とし、駆動電圧（Ｖｏｎ）を６．２Ｖになる電圧で、収縮パルスのパルス幅及びアース電位の長さを各々２ＡＬ＝１２．４×１０−６（ｓｅｃ）に設定し、膨張パルスのパルス幅を表１に示す通りＰＷ＝ｔｍａｘ＝６．０×１０−６（ｓｅｃ）（本発明）、ＰＷ＝ＡＬ＝６．２×１０−６（ｓｅｃ）（比較例）の２通りに変化させた駆動パルスを印加して記録ヘッドを時分割で３周期（圧力室２本おきに）駆動させることによりインク滴を吐出させ、任意の１ノズルについてその吐出速度（液滴速度）を下記の方法を用いて評価することによって行った。
【０１０４】
インク滴は、連続して２０発のインク滴を吐出させ、２０発目のインク滴について評価した。
【０１０５】
吐出速度測定：ＣＣＤカメラを用いたストロボ測定により、インク滴がノズル開口から約１ｍｍ飛翔した時点でのインク滴速度を測定した。
（実施例２〜６）
圧力室の長さ、ノズルの長さ、インク粘度、ＡＬ等を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同一として記録ヘッド、インクを作製し、それぞれ、膨張パルスのパルス幅をＰＷ＝ｔｍａｘ（本発明）、ＰＷ＝ＡＬ（比較例）の２通りに変化させ、同様の評価を行った。なお、表１に示されるように、減衰の時定数τは、インク粘度が大きいほど小さくなり（実施例１〜４）、圧力室の長さやノズルの長さが短いほど小さくなる（実施例３、５、６）傾向にある。
【０１０６】
評価結果を表１に示す。
【０１０７】
【表１】
2009090649.tif 000010
【０１０８】
表１に示されるように、実施例１〜６のいずれの条件においても、膨張パルスのパルス幅をＰＷ＝ｔｍａｘに設定した本発明のインク滴の吐出速度（液滴速度）が、ＰＷ＝ＡＬに設定した比較例のインク滴の吐出速度（液滴速度）よりも大きくなっており、本発明の効果が確認できた。
【０１０９】
本発明では、比較例に比べて、同一の駆動電圧でのインク滴の吐出速度が大きく、インク滴の吐出効率が向上していることがわかる。また、逆に同一の吐出速度になるように、駆動電圧を調整することにより、駆動電圧の低電圧化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】インクジェット記録装置の概略構成を示す図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの一態様であるせん断モード（シェアモード）タイプの記録ヘッドの概略構成を示す図であり、（ａ）は一部断面で示す斜視図、（ｂ）はインク供給部を備えた状態の断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッドの動作を示す図である。
【図４】（ａ）は駆動パルスの波形を示す図、（ｂ）は膨張パルスを印加したときの圧力室の圧力変化を示す波形図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッドの時分割駆動の説明図である。
【図６】Ａ、Ｂ、Ｃの各組の圧力室の電極に印加される駆動パルスのタイミングチャートである。
【符号の説明】
【０１１１】
１  インクジェット記録装置
２  記録ヘッド
２１  インクチューブ
２２  ノズル形成部材
２３  ノズル
２４  カバープレート
２５  インク供給口
２６  基板
２７  隔壁
２８  圧力室
３  搬送機構
３１  搬送ローラ
３２  搬送ローラ対
３３  搬送モータ
４  ガイドレール
５  キャリッジ
６  フレキシケーブル
７、８  インク受け器
１００  駆動パルス発生手段
Ｐ  記録媒体
ＰＳ  記録面
【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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