液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置
【課題】本発明の目的は、駆動電圧の大幅な上昇や飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、また、製造が容易で、ノズルから吐出する液滴の量を多段階に可変することのできる液滴吐出ヘッドの提供。
【解決手段】複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【解決手段】複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【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ヘッド及び液滴吐出装置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ヘッド（以下、単に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、圧力発生手段により圧力発生室内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】
従来、分極された圧電素子に多数の溝を形成してアクチュエータ基板を構成し、該アクチュエータ基板の上面にカバープレートを接着することにより、上記圧電素子により区画される多数の圧力発生室を形成し、隣接する圧力発生室間の圧電素子に電界を印加することにより該圧電素子を変形させて圧力発生室内のインクを前記カバープレートまたはアクチュエータ基板の底面に形成されたノズル穴から吐出させるようにした、いわゆるせん断モードタイプのインクジェット記録ヘッド（以下、せん断モードヘッドとも言う。）が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１６２７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、多段階の階調表現や、たとえば３００ｄｐｉと６００ｄｐｉの解像度変更が可能であり、高精細な印字イメージを実現でき、高品質で高機能なインクジェットプリンタが求められている。
【０００５】
特許文献１に開示されたヘッドでは、各ノズルに対して１対１に備えられた圧力室の圧電素子を駆動することによりノズルからインクを吐出するため、インク滴量を変化させる方法として、圧電素子に印加する駆動パルスの電圧値等の駆動条件に応じてインク滴の噴射する量を変えることが考えられる。しかしながら、通常、インク滴径を変化させるために駆動条件を大きく変更することは難しかった。特に、インク滴の速度を変えずにインク滴量をコントロールすることはできなかった。
【０００６】
また、小さいインク滴を吐出するヘッドを用いて、１ドットに対し複数回重ね打ちし、その回数を制御することにより、階調制御を行うことも考えられる。しかし、この方法では、安定に充分高品位な多階調画像を出力することができるが、１ドットに対して複数回インク吐出を行うため印字速度低下を招くこととなる。
【０００７】
また、インク吐出量の異なる複数のノズルを設け、これらを選択的に組み合わせて、階調表現をすることも考えられるが、この場合、階調レベルを多く取れる利点はあるが、記録ヘッドが大型化するとともに、ヘッドの製造コストが増加するという問題点がある。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、製造が容易で製造コストを低減でき、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、ノズルから吐出するインクの滴量を多段階に可変することのできる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置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】
本発明の目的は、以下のような構成により達成される。
１
複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
２
前記２つの駆動電極の各々に独立して駆動信号が印加されることを特徴とする１に記載の液滴吐出ヘッド。
３
前記２つの駆動電極の間に対応する位置に１つの前記ノズルが設けられていることを特徴とする１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
４
１乃至３のいずれか１に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、製造が容易で製造コストを低減でき、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、ノズルから吐出するインクの滴量を多段階に可変することのできる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて流路内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、流路内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インクジェットヘッド（以下ヘッドと記す場合がある）を用いて説明する。
【００１４】
また、このような液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置としてインクジェット記録装置を例に挙げて説明する。
【００１５】
なお、実施の形態における説明においては、例えば、ヘッドの個々の駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ｂ−ａ，１６Ａ−ｂ、１６Ｂ−ｂ・・・を説明するとき以外は、添え字のアルファベット等を省略して統括して説明する場合がある。ヘッドの他の構成要素についても同様である。
＜インクジェット記録装置＞
図１は、本発明の液滴吐出ヘッド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、基材である記録媒体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。
【００１６】
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と対向するようにインクジェットヘッド２が設けられている。このヘッド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、駆動回路２４Ａ、２４Ｂ（図３参照）がＦＰＣ６Ａ，６Ｂを介して本体側の制御基板１００に電気的に接続されている。
【００１７】
なお、基材としては、紙、樹脂、ガラス、金属等何でも良い。
【００１８】
ヘッド２は、インク供給管２７によりインクタンク９（図３参照）と接続されており、インクタンク９からヘッド２にインクが供給される。
【００１９】
かかるヘッド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。
【００２０】
なお、図中、７はインク受け器であり、ヘッド２が記録領域外のホームポジション等の待機位置に設けられている。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。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、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。
＜ヘッドの構成＞
インクジェットヘッド２は、複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内のインクをインク滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする。
【００２１】
ここで、流路は、インクが供給されるインク流路として機能するものと、インクが供給されない空気流路として機能するものとが交互に配置されるものでもよいし、また、空気流路を設けずに全てインク流路として機能させるようにしたものであってもよい。
【００２２】
なお、本明細書においては、ヘッド２からインクが吐出される側の面を「上面」といい、その反対側の面を「下面」という。また、ヘッド２において並設されるインク流路の両端をそれぞれ「前面（図３の右側に位置する外側面）」及び「後面（図３の左側に位置する外側面）」という。
【００２３】
図２は空気流路を設けずに全てインク流路として機能させるようにしたヘッド２の一例を示す分解斜視面、図３は、図２のヘッド２の前面と後面にそれぞれ複数のインク流路に対して共通の１つの貫通口２１を設けた配線基板１１と１つのマニホールド２０を取り付けた状態でのＤ−Ｄ線に沿うヘッドの縦断面である。なお、図２においては、配線基板とマニホールドを省略してある。
【００２４】
図中、２はヘッド、１２はヘッド２の下面に接合された下壁、１３はヘッド２の上面に接合されたノズルを有する上壁、１１は配線基板（図３）、６Ａ、６Ｂは配線基板１１に接合されるＦＰＣである。
【００２５】
本例のヘッド２は、複数のインク流路１４を区画し圧電素子で形成された隔壁２５−１、２５−２と前記複数のインク流路１４の配列方向に沿って前記インク流路１４の上面を閉鎖する上壁１３と前記インク流路の下面を閉鎖する下壁１２により形成された矩形管状のインク流路１４と、各インク流路に対応して１つずつ設けられインク流路１４内のインクをインク滴として吐出するノズル１９とを有し、前記隔壁２５−１、２５−２の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状のインク流路１４の長手方向に配置された２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂが設けられ、前記上壁１３に対して前記ノズル１９が形成されている。
【００２６】
ヘッド２は、上壁１３、下壁１２との間に、圧電素子からなる駆動壁２５−１，２５−２とインク流路１４とが交互に並設されている。インク流路１４の形状は、両隔壁が上壁１３、下壁１２に対してほぼ垂直方向に立ち上がっており、そして互いに平行である。図３に示すように、ヘッド２の前面及び後面にそれぞれ各インク流路１４の一端２２Ａと他端２２Ｂとが配設されると共に、各インク流路１４は、一端２２Ａから他端２２Ｂに亘る長さ方向で大きさと形状がほぼ変わらないストレートタイプである。このようにインク流路１４がストレートタイプであることにより、泡抜けが良く、電力効率が高く、発熱が少なく、高速応答性が良いインクジェットヘッドとすることができる。
【００２７】
このようなヘッド２を製造するには、まず、１枚の基板である下壁１２上に、２枚の圧電素子基板１２５、１２６をそれぞれエポキシ系接着剤を用いて接合する。各圧電素子基板１２５、１２６に用いられる圧電素子材料としては、電圧を加えることにより変形を生じる公知の圧電素子材料を用いることができるが、特にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。２枚の圧電素子基板１２５、１２６は互いに分極方向（矢印で示す）を反対方向に向けて積層し、下壁１２に接着剤を用いて接着する。
【００２８】
次いで、その２枚の圧電素子基板１２５、１２６に亘って、ダイシングブレード等を用いて複数の平行な溝を研削する。これにより、下壁１２上に高さ方向で分極方向が反対となる圧電素子からなる隔壁２５−１、２５−２を並設する。各溝は圧電素子基板１２５、１２６の一方の端から他方の端に亘ってほぼ同じ一定の深さで研削することで、長さ方向で大きさと形状がほぼ変わらないストレート状のインク流路１４となる。２枚の圧電素子基板１２５、１２６は分極方向が反対に向いているので、この圧電素子基板１２５、１２６によって形成される隔壁２５−１，２５−２全体が効率良く、大きな変形量でせん断変形するため、インク流路１４内のインクに高い圧力を付与することができ、低電圧で駆動でき、また、インクの着弾ずれを抑えて画質の向上を図ることができる。
【００２９】
また、図示しないが、下壁１２を用いる代わりに圧電素子基板１２５を厚手のものとし、薄手の圧電素子基板１２６側から厚手の圧電素子基板１２５の中途部にまで至る複数の平行な溝を研削することにより、高さ方向で分極方向が反対となる隔壁２５−１，２５−２の形成と同時に下壁１２の部分が圧電素子基板１２５によって一体に形成されるようにしてもよい。
【００３０】
次いで、このようにして形成した各インク流路１４の内面に駆動電極１６を形成する。駆動電極１６を形成する金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｌ等があり、電気抵抗の面からはＡｌやＣｕを用いることが好ましいが、腐食や強度、コストの面からＮｉが好ましく用いられる。また、Ａｌの上に更にＡｕを積層した積層構造としてもよい。
【００３１】
駆動電極１６の形成は、蒸着法、スパッタリング法、めっき法、ＣＶＤ（化学気相反応法）等の真空装置を用いた方法等によって金属被膜を形成する方法が挙げられるが、めっき法によるものが好ましく、特に無電解めっきにより形成することが好ましい。無電解めっきによれば、均一且つピンホールフリーの金属被膜を形成することができる。めっき膜の厚みは０．５〜５μｍの範囲が好ましい。
【００３２】
また、駆動電極１６はインク流路１４毎に独立させる必要があるため、隔壁２５−１の上面や後述する引き出し部を除いたヘッドの前面、後面には金属被膜が形成されないようにすることが好ましい。さらに、駆動電極１６は、隔壁２５−１，２５−２の壁面にそれぞれ独立に形成され矩形管状のインク流路１４の長手方向に配置された２つの駆動電極１６Ａ（長さＬ２）、１６Ｂ（長さＬ１）として独立させる必要があるため、インク流路１４の長手方向のほぼ中央部分（長さＬ３）には金属被膜が形成されないようにする必要がある。このため、例えば各隔壁２５−１の上面、引き出し部を除いたヘッドの前面、後面、及びインク流路の長手方向のほぼ中央部分に予めドライフィルムを貼着したり、レジストを形成しておき、金属被膜を形成した後に除去することで、引き出し部、各隔壁２５−１，２５−２の側面及び各インク流路１４の底面に選択的にインク流路の中央で分離された駆動電極１６Ａ，１６Ｂを形成するとよい。なお、全体に金属被膜を形成後、不要部分の金属被膜をレーザー光やエッチングで除去するようにしてもよい。
【００３３】
本例においては、Ｌ１＝Ｌ２としているが、Ｌ１とＬ２を異ならせても良い。
【００３４】
以下、駆動電極１６Ａに対応した部分をインク流路１４Ａ、隔壁２５Ａとし、駆動電極１６Ｂに対応した部分をインク流路１４Ｂ、隔壁２５Ｂとして説明する。
【００３５】
このようにして駆動電極１６Ａ，１６Ｂを形成した後、隔壁２５−１の上面に１枚の基板である上壁１３をエポキシ系接着剤を用いて接合する。上壁１３には、各インク流路１４に対応する位置にノズル１９が開設されている。
【００３６】
下壁１２及び上壁１３の材料は、下壁１２及び上壁１３は、隔壁の頂面に接合し、かつ隔壁の頂面を拘束する必要があるため、剛性の高い材質にて形成することが望ましく、非圧電性非金属材料からなる基板が好ましい。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。また、この下壁１２及び上壁１３に用いられる材料は、その熱膨張係数が隔壁に通常用いられる圧電材料であるＰＺＴの熱膨張係数と近いことが好ましく、窒化アルミニウムあるいは分極されていないＰＺＴが特に好ましい。その理由は、下壁１２及び上壁１３を分極されたＰＺＴと接着する際、熱硬化型接着剤が使用されるが、下壁１２及び上壁１３の熱膨張係数が圧電材料のそれとかけ離れていると、冷却時に歪みが生じたり、材料間で剥離が生じる問題があるためである。また、圧電材料の駆動の発熱によって下壁や上壁との間に上記同様の歪みや剥離が発生する事態を抑えることもできる。なお、上記で例示した窒化アルミニウムとしては、（株）住金セラミックス社製のＡｌＮ−ＢＮ（ＢＮは窒化ボロン）を用いることができる。
【００３７】
また、本発明のヘッドは、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成される。上述のアルミナ、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の基板に形状の整ったノズル孔を形成することは容易ではないため、図３に示すように、下壁１３をノズルの形成されたノズルプレート１３ａと支持部材１３ｂを積層した複合部材として構成することが好ましい。
【００３８】
ノズルプレート１３ａの材料としては、ポリイミド樹脂等の樹脂かステンレス等の金属を用いることができる。ノズルの穿孔方法としては、樹脂の場合はレーザー加工、金属の場合はプレス加工が実施可能であり、いずれの方法においても形状の整ったノズルを穿孔できるが、生産性の観点で、レーザー加工、特にエキシマレーザーによる加工が好ましい。ノズルの穿孔方向としては、支持部材側からでも、ノズルプレート側からでも良いが、ノズル形状がノズル出口側（ヘッドのインク吐出口側）に向けて小さくなるテーパ形状とすることが良好な吐出特性を得るために好ましく、穿孔する側を接着面とすることによりノズル出口に向けて小さくなるテーパ形状とすることができる。本発明においては、複合部材の支持部材側からレーザー加工にて穿孔し、支持部材側を圧電部材との接着面とする事が、生産性、加工精度の観点から、更には各種形状を得ることが可能となり、好ましい。
【００３９】
支持部材１３ｂとしては、窒化アルミニウムあるいは分極されていないＰＺＴを用いることが好ましい。支持部材１３ｂには、ノズル孔に対応したインク導入口として、ノズルの入口の直径より大きな直径を有する円筒形状の貫通口が設けられている。支持部材１３ｂを剛性の高い材質で構成することにより前述の効果が得られる。
【００４０】
例えば、先ずノズルを穿孔していないポリイミド樹脂で構成されたノズルプレート１３ａを、窒化アルミニウムあるいは分極されていないＰＺＴで構成されノズル孔に対応した貫通口を有する支持部材１３ｂに予め加熱接着して複合部材とした後、常温でノズルプレートに支持部材側からエキシマレーザーを照射してノズル孔を形成し、該ノズル孔の形成された複合部材を圧電部材に加熱接着することにより、複合部材とＰＺＴの熱膨張係数が近似していることから、前述の効果が得られるとともに圧電部材のインク流路溝に対するノズル孔の位置ずれが生じることを低減した接着が可能となる。また、ノズル孔の形状としてインク流路側が広く、外側に向かって小さいテーパを有するノズル孔となる方向で接着をすることが容易となるものである。
【００４１】
このようにして作成されたヘッド２は、上壁１３における１つの前記矩形管状のインク流路１４の長手方向に配置された２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂの間に対応する位置に１つの前記ノズル１９が設けられている。この様な構成にすることにより、ノズル１９に近接して２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂを設けることが可能になり、駆動電極１６Ａ，１６Ｂにより形成されるインク流路１４Ａ、１４Ｂからの圧力波をエネルギーロスを抑えた状態でノズル１９のインクに伝播させることができ、好ましい態様である。
【００４２】
このようにして作成されたヘッド２の前面には、駆動電極１６Ａのうちのインク流路１４の底面に形成された部分（インク流路１４内に臨む下壁１２の表面）から下壁１２の前端面にかけて引き出された駆動電極１６Ａが形成されている。
【００４３】
同様に、ヘッド２の後面には、駆動電極１６Ｂのうちのインク流路１４の底面に形成された部分（インク流路１４内に臨む下壁１２の表面）から下壁１２の後端面にかけて引き出された駆動電極１６Ｂが形成されている。
【００４４】
さらにヘッド２の前面には、配線基板１１Ａとマニホールド２０Ａが接合され、ヘッド２の後面には、配線基板１１Ｂとマニホールド２０Ｂが接合され、各マニホールドとインクタンク９をインク供給管２７で接続する。
【００４５】
配線基板１１は、ヘッド２の幅方向（図２左右方向）と同一の幅を有すると共に、ヘッド２のインク流路１４の並び方向と直交する方向（図２における下方向）に延び、ヘッド２の下面から大きく張り出した張り出し部を有している。
【００４６】
また、配線基板１１には、その幅方向に亘って延びる貫通口２１が形成されている。貫通口２１は、ヘッド２のインク流路列方向に沿って全てのインク流路１４の開口２２を覆うことができる大きさに加工されて共通インク室を形成している。
【００４７】
また、配線基板１１Ａ，１１Ｂの張り出し部は、各々ＦＰＣ６Ａ，６Ｂの接合部位として機能しており、ヘッド２との接合面側となる表面に、ヘッド２の前面、後面に形成された駆動電極１６Ａ，１６Ｂと同数及び同ピッチで、配線電極２３Ａ、２３Ｂが形成されている。
【００４８】
また、配線基板１１Ａ，１１Ｂ上に、圧電素子からなる隔壁２５Ａ，２５Ｂを駆動するための駆動回路２４Ａ，２４Ｂが実装されており、駆動回路２４Ａ、２４Ｂと配線電極２３Ａ，２３Ｂは各々電気的に接続されている。
【００４９】
この配線電極２３Ａ，２３Ｂは、ＦＰＣ６Ａ，６Ｂが接合される際、装置本体の制御基板と電気的に接続されるＦＰＣ６Ａ、６Ｂの配線６６Ａ、６６Ｂと電気的に接続される。このような構成により、制御基板からの制御信号に基づいて、駆動回路２４Ａは、隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに，２４Ｂは、隔壁２５Ｂを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ｂにそれぞれ印加する。即ち、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａの駆動と第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂの駆動は、独立に制御されるように構成されている。そして、後述するように、隔壁２５Ａに印加される駆動信号に含まれる駆動パルスと隔壁２５Ｂに印加される駆動信号に含まれる駆動パルスの形状やタイミングを変更することにより吐出されるインク適量を変化させる。
＜インク滴吐出時のヘッドの駆動方法＞
まず、制御基板からの制御信号に基づいて、駆動回路２４Ａが、隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに印加し、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる場合について説明する。
【００５０】
図４はインク吐出時の作動を示す図である。なお、図４ではノズルは省略してある。
【００５１】
ヘッド２は、ここでは図４に示すように、上壁１３と下壁１２の間に、ＰＺＴ等の圧電材料からなる複数の隔壁２５Ａ−ａ、２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃで隔てられたインク流路１４が多数構成されたせん断モード（シェアモード）タイプのヘッドを示している。図４では多数のインク流路１４Ａの一部である３本（１４Ａ−ａ、１４Ａ−ｂ、１４Ａ−ｃ）が示されている。そして、各インク流路１４Ａ内の隔壁２５表面には両隔壁２５の上方から下壁１２の底面に亘って繋がる駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃが密着形成され、各駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃは駆動回路２４Ａに接続している。
【００５２】
各隔壁２５は、ここでは図４の矢印で示すように分極方向が異なる２枚の圧電材料２５Ａ−１、２５Ａ−２によって構成されているが、圧電材料は例えば符号２５Ａ−１の部分のみであってもよく、隔壁２５の少なくとも一部にあればよい。
【００５３】
各隔壁２５表面に密着形成された駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃに駆動回路２４Ａの制御により吐出信号が印加されると、以下に例示する動作によってインク滴をノズル１９から吐出する。なお、駆動電極１６Ｂの駆動電極はすべて接地されている。
【００５４】
まず、駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃのいずれにも吐出信号が印加されない時は、隔壁２５Ａ−ａ、２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃのいずれも変形しないが、図４（ａ）に示す状態において、駆動電極１６Ａ−ａ及び１６Ａ−ｃを接地すると共に駆動電極１６Ａ−ｂに吐出信号を印加すると、隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃを構成する圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じ、各隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃ共に、それぞれ隔壁２５Ａ−１、２５Ａ−２の接合面にズリ変形を生じ、図４（ｂ）に示すように隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃは互いに外側に向けて変形し、インク流路１４Ａ−ｂの容積を拡大してインク流路１４Ａ−ｂ内に負の圧力が生じてインクが流れ込む。
【００５５】
また、この状態から電位を０に戻すと、隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃは図４（ｂ）に示す膨張位置から図４（ａ）に示す中立位置に戻り、インク流路１４Ａ−ｂ内のインクに高い圧力が掛かる。次いで、図４（ｃ）に示すように、隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃを互いに逆方向に変形するように吐出信号を印加して、インク流路１４Ａ−ｂの容積を縮小すると、インク流路１４Ａ−ｂ内に正の圧力が生じる。これによりインク流路１４Ａ−ｂを満たしているインクの一部によるノズル内のインクメニスカスがノズルから押し出される方向に変化する。この正の圧力がインク滴をノズルから吐出する程に大きくなると、インク滴はノズルから吐出する。他の各インク流路１４Ａも吐出信号の印加によって上記と同様に動作する。
【００５６】
このように少なくとも一部が圧電材料で構成された隔壁２５によって隔てられた複数のインク流路１４を有するヘッド２を駆動する場合、一つのインク流路の隔壁が吐出の動作をすると、隣のインク流路が影響を受けるため、通常、複数のインク流路１４のうち、互いに１本以上のインク流路１４を挟んで離れているインク流路１４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。例えば、全インク流路１４を駆動してベタ画像を出力する場合には、インク流路を２流路おきに選んで３相に分けて吐出する、いわゆる３サイクル吐出法が行われる。
【００５７】
かかる３サイクル吐出動作について図５を用いて更に説明する。図５に示す例では、ヘッドはインク流路がａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２、ｂ２、ｃ２、ａ３、ｂ３、ｃ３の９つのインク流路１４Ａで構成されているとして説明する。また、このときのａ，ｂ、ｃの各組のインク流路１４Ａに印加される駆動信号のタイミングチャートを図６に示す。図６において、横軸はＡＬ時間、縦軸は駆動電圧を表す。
【００５８】
インク吐出時には、まずａ組（ａ１、ａ２、ａ３）の各インク流路の駆動電極に電圧を掛け、その両隣のインク流路の駆動電極を接地する。例えばａ組のインク流路に１ＡＬ幅の正電圧（Ｖｏｎ）の矩形波の膨張パルスを掛けると、膨張パルスの最初の立ち上がり部分で吐出したいａ組のインク流路の隔壁が外側に変形し、そのインク流路１４Ａ内に負圧が発生する。この負圧により、インクタンク９からａ組のインク流路１４Ａにインクが流れ込む。この圧力波は、共通インク室２１Ａとインク流路１４Ｂの２つの方向に伝播していく。０．５ＡＬ経過後には共通インク室２１Ａのほうに進んだ圧力波は共通インク室２１Ａとの境界（２２Ａ）で符号が反転してインク流路１４Ａに戻る。このときインクは共通インク室２１Ａからインク流路１４Ａに流入する。またインク流路１４Ｂに進んだ圧力波は１４Ｂに到達しインク流路内を負圧とする。
【００５９】
なお、ＡＬ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｌｅｎｇｔｈ）とは、インク流路１４の音響的共振周期の１／２である。実際のヘッドのＡＬは、圧電材料により構成される隔壁２５に矩形波のパルスを印加して出射するインク滴の速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、インク滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。
【００６０】
また、本例におけるパルスは、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。
【００６１】
この状態を１ＡＬ時間保つと、圧力が正圧に反転するので、このタイミングで電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、高い圧力がａ組のインク流路１４Ａ内のインクに掛かる。更に、同じタイミングでａ組の各インク流路の電極に２ＡＬ幅の負電圧（Ｖｏｆｆ）の矩形波の収縮パルスを掛けると、収縮パルスの最初の立ち下がり部分で隔壁が内側に変形し、更に高い圧力がインクに掛かり、ノズルからインク柱が押し出される。１ＡＬ後、圧力が反転してインク流路１４Ａ内が負圧になり、更に１ＡＬ経過すると、インク流路１４Ａ内の圧力が反転して正圧になるので、このタイミングで電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、残留する圧力波をキャンセルできる。
【００６２】
続いてｂ組（ｂ１、ｂ２、ｂ３）の各インク流路１４Ａ、更に続いてｃ組（ｃ１、ｃ２、ｃ３）の各インク流路１４Ａへと上記同様に動作する。
【００６３】
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、インク吐出を行うインク流路の電極に負電圧を掛ける代わりに、図７に示すように、インク吐出を行うインク流路の電極を接地して、その両隣のインク流路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させることができるため、好ましい態様である。
【００６４】
膨張パルスのパルス幅Ｄは、効率よくインク滴を吐出する観点から０．７ＡＬ〜１．３ＡＬが好ましく、収縮パルスのパルス幅Ｒは、残留する圧力波のキャンセルが容易になる観点から１．７ＡＬ〜２．３ＡＬが好ましい。
【００６５】
また、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）は｜Ｖｏｎ｜≧｜Ｖｏｆｆ｜の関係にすると、インク流路内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。
【００６６】
なお、この電圧Ｖｏｎ（Ｖ）と電圧Ｖｏｆｆ（Ｖ）の基準電圧は０とは限らない。この電圧Ｖｏｎと電圧Ｖｏｆｆは、それぞれ差分の電圧である。
【００６７】
そして、図４〜図７では、駆動回路２４Ａから隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに印加し、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる場合について説明したが、駆動回路２４Ｂから隔壁２５Ｂを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ｂに印加し、第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる場合についても同様の原理にて吐出させることができる。
【００６８】
次に、２つ同時に駆動する場合において、各駆動電極に印加する駆動パルスのタイミングを調節することにより以下に示すようにインク滴量をさらに多段階に変調できる。また、一方のみを駆動する場合に比較して駆動電圧を下げられるという効果も得られる。
【００６９】
制御基板からの制御信号に基づいて、駆動回路２４Ａが、隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに印加し、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａを変形させ、駆動回路２４Ｂが、隔壁２５Ｂを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ｂに印加し、第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる。
【００７０】
図８は駆動信号のタイミングチャートを示す図である。駆動信号として、インク流路１４Ａの駆動電極１６Ａにはパルス幅Ｄ１の矩形波の膨張パルスとそれに続くパルス幅Ｒ１の矩形波の収縮パルスが印加され、インク流路１４Ｂの駆動電極１６Ｂにはパルス幅Ｄ２の矩形波の膨張パルスとそれに続くパルス幅Ｒ２の矩形波の収縮パルスが印加される。
【００７１】
２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂに印加される駆動信号は、膨張パルスの立ち上がりのタイミングが同一で、膨張パルスの立ち下がり及び収縮パルスの立ち下がりのタイミングを時間差Δｔを持たせるように構成されている。このΔｔを変化させることにより、膨張パルスの立ち下がり及び収縮パルスの立ち下がりにおける隔壁２５Ａの変形による圧力波と隔壁２５Ｂの変形による圧力波の位相が同じ場合にはそれぞれの隔壁の変形による圧力波が加算され大きな圧力でノズルからインクを吐出させることができ、また、隔壁２５Ａによる圧力波と隔壁２５Ｂによる圧力波の位相が異なる場合にはそれぞれの隔壁の変形による圧力波が減算されノズルに加わる圧力の持続時間を実効的に変化させることができるため、ノズルから１回に吐出するインク滴の大きさを複数段階に可変できる。
【００７２】
膨張パルスのパルス幅Ｄ１は、効率よくインク滴を吐出する観点から０．７ＡＬ〜１．３ＡＬが好ましく、時間差Δｔは、長すぎると駆動電極１６Ｂに膨張パルスの立ち下がり及び収縮パルスの立ち下がりを印加するタイミングにおいて圧力波の減衰が大きくなるので、効率よくインク滴を吐出する観点から０≦Δｔ≦２ＡＬが好ましい。
【００７３】
また、収縮パルスの幅Ｒ１，Ｒ２は、圧力変動の位相と振幅に応じて、その変動を打ち消すように適宜設定される。
【００７４】
また、前述のように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、インク吐出を行うインク流路の電極に負電圧を掛ける代わりに、図９に示すように、インク吐出を行うインク流路の電極を接地して、その両隣のインク流路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させることができるため、好ましい態様である。
【００７５】
以上は、ベタ画像（フル駆動）の場合であるが、実際は、各画素の画像データに応じて、駆動パルスを変化させる。
【００７６】
制御基板１００は、画像データの解像度や画素毎の階調データにより各画素を埋めるのに適したインク適量を決める。そして内部のインク滴量テーブルを参照して所望のインク滴を得るのにもっとも適した駆動パルスで各画素に対応したノズルのインク流路を駆動するようにして、選択された駆動パルスが各駆動回路から各駆動電極１６に印加されて所望の量のインク滴が吐出される。後述の実施例の表１で具体例を示すが、Δｔを調節することにより、インク滴量を可変できる。
【００７７】
また、インク滴の大きさを可変する場合でも、インクの着弾位置を一定とするためにインク滴の飛翔速度は、小さなインク滴を吐出する場合と、大きなインク滴を吐出する場合とで変化させてはならない。本願のヘッドを用いたインクジェット記録装置においては、実施例で示すように駆動パルスの駆動電圧を調整することにより、飛翔速度を所定の値に調整している。
【００７８】
膨張パルスあるいは収縮パルスの少なくともどちらか一方の電圧を調整すればよいが、前述のように、収縮パルスの立ち上がりのエッジは、液滴の吐出後にインク流路内に残った圧力波の残響をキャンセルする作用があり、膨張パルスの駆動電圧Ｖｏｎに対する収縮パルスの駆動電圧Ｖｏｆｆの比を一定に保つことにより、飛翔速度を揃えるために駆動パルスの電圧を変化させても、圧力波の残響を適正にキャンセルすることができる。
【００７９】
なお、以上説明した駆動パルスは一例であり、本発明はこのタイプの駆動パルスに限定されるものではない。駆動パルスとしては、インク流路の容積を膨張させ一定時間保持した後に元の容積に戻す矩形波の膨張パルスのみから構成される駆動パルスでもよく、矩形波に限らず、スロープ波形および任意のアナログ波形であってもよい。
【００８０】
以上、本発明のヘッドは、１つのインク流路の隔壁に独立して形成した２つ駆動用電極が設けられているので、２つ駆動用電極に通電して隔壁を変位させた時に発生する圧力波の干渉を有効に利用して、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、インク滴量を変調することが可能になる。
【００８１】
また、第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂは第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａと同じ工程で、且つ同一の部材で形成できるので、駆動電極を分離することにより容易に製造でき、製造コストを低減できる。
【００８２】
上記実施形態では、空気流路を設けずに全てインク流路として機能させるヘッドの例を示したが、流路は、インクが供給されるインク流路として機能するものと、インクが供給されない空気流路として機能するものとが交互に配置されるものでもよい。配線基板１１の貫通口２１を、流路１４の１流路おきの開口２２に対応して形成されればよい。すなわち、１流路おきにインクが供給されインク流路になり、その間の流路はインク供給がされずに空気流路となるので、インク流路と空気流路（ダミー流路）が交互に形成された独立流路ヘッドとすることができる。インク流路に対応してノズル１９を設けることにより、ノズル１９からインクが吐出される。この場合、インク流路の隔壁がせん断変形しても、隣接した他のインク流路に影響することがなく、隔壁の駆動が容易である。
【００８３】
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なうことができる。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す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。さらに、２つ駆動用電極に通電して隔壁を変位させた時に発生する圧力波の干渉を有効に利用して、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、インク滴量を変調することが可能になる。
【００８４】
また、本発明のヘッドは、圧力発生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インク流路の隔壁に用いている。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、インク滴を吐出の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。
【００８５】
また、以上の説明では、本発明に係る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インクジェットヘッドを用いたが、本発明は、これに限定されるものではなく、複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置として広く適用可能である。特に１ドットに打ち込む液適量を変調することを必要とする産業用途において有効である。
【実施例】
【００８６】
（本発明）
図３に示すシェアモードタイプのヘッド（ノズル数：２５６）の各インク流路１４Ａのみを図７に示す駆動信号（電圧、パルス幅等は表１参照）を用いて３群に分け、３サイクル駆動を行った。また、同様に各インク流路１４Ａ、１４Ｂを図９に示す駆動信号（電圧、パルス幅、時間差等は表１参照）を用いて３群に分け、以下の条件で３サイクル駆動を行った。
【００８７】
なおヘッドのＡＬは、１４Ａのみを駆動した場合は、ＡＬ＝７．４（μｓｅｃ）であり、１４Ａ、１４Ｂを両方駆動した場合は、ＡＬ＝７．８（μｓｅｃ）であった。
【００８８】
インクは水性染料インクを用いた。
【００８９】
本実験にあたり、圧電素子基板１２５，１２６として、分極されたＰＺＴを用い、下壁１２として、窒化アルミニウム基板（（株）住金セラミックス社製のＡｌＮ−ＢＮ）を用いた。また、上壁１３を構成するノズルプレート１３ａは、厚さ７５μｍのポリイミド樹脂シートを用いエキシマレーザーによりノズル孔を穿孔した。支持部材１３ｂとして厚さ１００μｍの上記と同様の窒化アルミニウム基板を用いた。
【００９０】
図３において、インク流路１４全体の長さを６ｍｍ、インク流路１４の中央部分から図示左右方向に０．５ｍｍ幅で駆動電極が形成されていない部分を設け、その長さＬ３を１ｍｍとし、駆動電極１６Ａの長さＬ２を２．５ｍｍ、駆動電極１６Ｂの長さＬ１を２．５ｍｍとした。またインク流路１４の中央部分に対応する位置にノズルと円筒開口部の中心が位置している。
【００９１】
なお、ヘッドのサイズは、インク流路１４Ａ、１４Ｂの高さが３１０μｍ、幅が８２μｍ、長さが２．５ｍｍとした。ノズルプレート１３ａのノズル１９は、断面が円形でノズルの出口の直径２７μｍ、テーパー角６．３°、支持部材１３ｂの円筒開口部の直径を６０μｍとした。
【００９２】
任意の１ノズルについて、駆動電圧（Ｖｏｎ、Ｖｏｆｆ）を変化させながら（｜Ｖｏｎ｜／｜Ｖｏｆｆ｜は１／１に固定）、インク滴の飛翔速度を測定した。各駆動信号において、飛翔速度が８ｍ／ｓになるときの駆動電圧に駆動電圧を固定し、このときのインク滴量を測定した。その結果を表１に示す。
【００９３】
飛翔速度測定：ＣＣＤカメラを用いたストロボ測定により、インク滴がノズル出口から約１ｍｍ飛翔した時点でのインク滴速度を測定した。
（比較例）
Ｌ３＝０として、インク流路１４の全長に駆動電極１６を設けて、各インク流路１４を図７に示す駆動信号（電圧、パルス幅等は表１参照）を用いて３群に分け、３サイクル駆動を行なった以外は、実施例と同様にして駆動した。なお、このヘッドのＡＬは７．３（μｓｅｃ）であった。
【００９４】
任意の１ノズルについて、駆動電圧（Ｖｏｎ、Ｖｏｆｆ）を変化させながら（｜Ｖｏｎ｜／｜Ｖｏｆｆ｜は１／１に固定）、インク滴の飛翔速度とインク滴量を測定した。その結果を表１に示す。
【００９５】
【表１】
【００９６】
表１に示す通り、比較例では、飛翔速度を変化させずにインク滴量を変化させることは限界があり、駆動電圧を増大させてインク滴量を増加させると飛翔速度の上昇が見られる。本発明では、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなくインク滴量を変化させることが可能となる。また、時間差Δｔが０〜０．５ＡＬまでは、隔壁２５Ａの変形による圧力波と隔壁２５Ｂの変形による圧力波の位相が同じであるので、それぞれの隔壁の変形による圧力波が加算され大きな圧力でノズルから大きなインク滴を吐出させることができ、また、０．５〜１ＡＬまでは、隔壁２５Ａによる圧力波と隔壁２５Ｂによる圧力波の位相が異なるので、それぞれの隔壁の変形による圧力波が減算されノズルに加わる圧力の持続時間を実効的に変化させることができるため、ノズルから１回に吐出するインク滴の大きさを複数段階に可変できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【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）タイプのインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図３】図２のヘッドの配線基板、マニホールドを備えた状態の断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はインク滴吐出時のヘッドの動作を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）はヘッドの時分割動作の説明図である。
【図６】ａ、ｂ、ｃの各組のインク流路に印加される駆動信号のタイミングチャートである。
【図７】正電圧のみを用いた場合の駆動信号のタイミングチャートである。
【図８】ａ、ｂ、ｃの各組のインク流路に印加される駆動信号のタイミングチャートである。
【図９】正電圧のみを用いた場合の駆動信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１ インクジェット記録装置
２ ヘッド
４ ガイドレール
５ キャリッジ
６、６Ａ，６Ｂ ＦＰＣ
７、８ インク受け器
１２ 下壁
１３ 上壁
１４，１４Ａ、１４Ｂ インク流路
１９ ノズル
２４Ａ、２４Ｂ 駆動回路
２５Ａ 隔壁、第１の圧力発生手段
２５Ｂ 隔壁、第２の圧力発生手段
３１ 搬送ローラ
３２ 搬送ローラ対
３３ 搬送モータ
Ｐ 記録媒体
ＰＳ 記録面
【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ヘッド及び液滴吐出装置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ヘッド（以下、単に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、圧力発生手段により圧力発生室内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】
従来、分極された圧電素子に多数の溝を形成してアクチュエータ基板を構成し、該アクチュエータ基板の上面にカバープレートを接着することにより、上記圧電素子により区画される多数の圧力発生室を形成し、隣接する圧力発生室間の圧電素子に電界を印加することにより該圧電素子を変形させて圧力発生室内のインクを前記カバープレートまたはアクチュエータ基板の底面に形成されたノズル穴から吐出させるようにした、いわゆるせん断モードタイプのインクジェット記録ヘッド（以下、せん断モードヘッドとも言う。）が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１６２７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、多段階の階調表現や、たとえば３００ｄｐｉと６００ｄｐｉの解像度変更が可能であり、高精細な印字イメージを実現でき、高品質で高機能なインクジェットプリンタが求められている。
【０００５】
特許文献１に開示されたヘッドでは、各ノズルに対して１対１に備えられた圧力室の圧電素子を駆動することによりノズルからインクを吐出するため、インク滴量を変化させる方法として、圧電素子に印加する駆動パルスの電圧値等の駆動条件に応じてインク滴の噴射する量を変えることが考えられる。しかしながら、通常、インク滴径を変化させるために駆動条件を大きく変更することは難しかった。特に、インク滴の速度を変えずにインク滴量をコントロールすることはできなかった。
【０００６】
また、小さいインク滴を吐出するヘッドを用いて、１ドットに対し複数回重ね打ちし、その回数を制御することにより、階調制御を行うことも考えられる。しかし、この方法では、安定に充分高品位な多階調画像を出力することができるが、１ドットに対して複数回インク吐出を行うため印字速度低下を招くこととなる。
【０００７】
また、インク吐出量の異なる複数のノズルを設け、これらを選択的に組み合わせて、階調表現をすることも考えられるが、この場合、階調レベルを多く取れる利点はあるが、記録ヘッドが大型化するとともに、ヘッドの製造コストが増加するという問題点がある。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、製造が容易で製造コストを低減でき、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、ノズルから吐出するインクの滴量を多段階に可変することのできる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置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】
本発明の目的は、以下のような構成により達成される。
１
複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
２
前記２つの駆動電極の各々に独立して駆動信号が印加されることを特徴とする１に記載の液滴吐出ヘッド。
３
前記２つの駆動電極の間に対応する位置に１つの前記ノズルが設けられていることを特徴とする１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
４
１乃至３のいずれか１に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、製造が容易で製造コストを低減でき、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、ノズルから吐出するインクの滴量を多段階に可変することのできる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて流路内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、流路内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インクジェットヘッド（以下ヘッドと記す場合がある）を用いて説明する。
【００１４】
また、このような液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置としてインクジェット記録装置を例に挙げて説明する。
【００１５】
なお、実施の形態における説明においては、例えば、ヘッドの個々の駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ｂ−ａ，１６Ａ−ｂ、１６Ｂ−ｂ・・・を説明するとき以外は、添え字のアルファベット等を省略して統括して説明する場合がある。ヘッドの他の構成要素についても同様である。
＜インクジェット記録装置＞
図１は、本発明の液滴吐出ヘッド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、基材である記録媒体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。
【００１６】
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と対向するようにインクジェットヘッド２が設けられている。このヘッド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、駆動回路２４Ａ、２４Ｂ（図３参照）がＦＰＣ６Ａ，６Ｂを介して本体側の制御基板１００に電気的に接続されている。
【００１７】
なお、基材としては、紙、樹脂、ガラス、金属等何でも良い。
【００１８】
ヘッド２は、インク供給管２７によりインクタンク９（図３参照）と接続されており、インクタンク９からヘッド２にインクが供給される。
【００１９】
かかるヘッド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。
【００２０】
なお、図中、７はインク受け器であり、ヘッド２が記録領域外のホームポジション等の待機位置に設けられている。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。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、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。
＜ヘッドの構成＞
インクジェットヘッド２は、複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内のインクをインク滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする。
【００２１】
ここで、流路は、インクが供給されるインク流路として機能するものと、インクが供給されない空気流路として機能するものとが交互に配置されるものでもよいし、また、空気流路を設けずに全てインク流路として機能させるようにしたものであってもよい。
【００２２】
なお、本明細書においては、ヘッド２からインクが吐出される側の面を「上面」といい、その反対側の面を「下面」という。また、ヘッド２において並設されるインク流路の両端をそれぞれ「前面（図３の右側に位置する外側面）」及び「後面（図３の左側に位置する外側面）」という。
【００２３】
図２は空気流路を設けずに全てインク流路として機能させるようにしたヘッド２の一例を示す分解斜視面、図３は、図２のヘッド２の前面と後面にそれぞれ複数のインク流路に対して共通の１つの貫通口２１を設けた配線基板１１と１つのマニホールド２０を取り付けた状態でのＤ−Ｄ線に沿うヘッドの縦断面である。なお、図２においては、配線基板とマニホールドを省略してある。
【００２４】
図中、２はヘッド、１２はヘッド２の下面に接合された下壁、１３はヘッド２の上面に接合されたノズルを有する上壁、１１は配線基板（図３）、６Ａ、６Ｂは配線基板１１に接合されるＦＰＣである。
【００２５】
本例のヘッド２は、複数のインク流路１４を区画し圧電素子で形成された隔壁２５−１、２５−２と前記複数のインク流路１４の配列方向に沿って前記インク流路１４の上面を閉鎖する上壁１３と前記インク流路の下面を閉鎖する下壁１２により形成された矩形管状のインク流路１４と、各インク流路に対応して１つずつ設けられインク流路１４内のインクをインク滴として吐出するノズル１９とを有し、前記隔壁２５−１、２５−２の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状のインク流路１４の長手方向に配置された２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂが設けられ、前記上壁１３に対して前記ノズル１９が形成されている。
【００２６】
ヘッド２は、上壁１３、下壁１２との間に、圧電素子からなる駆動壁２５−１，２５−２とインク流路１４とが交互に並設されている。インク流路１４の形状は、両隔壁が上壁１３、下壁１２に対してほぼ垂直方向に立ち上がっており、そして互いに平行である。図３に示すように、ヘッド２の前面及び後面にそれぞれ各インク流路１４の一端２２Ａと他端２２Ｂとが配設されると共に、各インク流路１４は、一端２２Ａから他端２２Ｂに亘る長さ方向で大きさと形状がほぼ変わらないストレートタイプである。このようにインク流路１４がストレートタイプであることにより、泡抜けが良く、電力効率が高く、発熱が少なく、高速応答性が良いインクジェットヘッドとすることができる。
【００２７】
このようなヘッド２を製造するには、まず、１枚の基板である下壁１２上に、２枚の圧電素子基板１２５、１２６をそれぞれエポキシ系接着剤を用いて接合する。各圧電素子基板１２５、１２６に用いられる圧電素子材料としては、電圧を加えることにより変形を生じる公知の圧電素子材料を用いることができるが、特にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。２枚の圧電素子基板１２５、１２６は互いに分極方向（矢印で示す）を反対方向に向けて積層し、下壁１２に接着剤を用いて接着する。
【００２８】
次いで、その２枚の圧電素子基板１２５、１２６に亘って、ダイシングブレード等を用いて複数の平行な溝を研削する。これにより、下壁１２上に高さ方向で分極方向が反対となる圧電素子からなる隔壁２５−１、２５−２を並設する。各溝は圧電素子基板１２５、１２６の一方の端から他方の端に亘ってほぼ同じ一定の深さで研削することで、長さ方向で大きさと形状がほぼ変わらないストレート状のインク流路１４となる。２枚の圧電素子基板１２５、１２６は分極方向が反対に向いているので、この圧電素子基板１２５、１２６によって形成される隔壁２５−１，２５−２全体が効率良く、大きな変形量でせん断変形するため、インク流路１４内のインクに高い圧力を付与することができ、低電圧で駆動でき、また、インクの着弾ずれを抑えて画質の向上を図ることができる。
【００２９】
また、図示しないが、下壁１２を用いる代わりに圧電素子基板１２５を厚手のものとし、薄手の圧電素子基板１２６側から厚手の圧電素子基板１２５の中途部にまで至る複数の平行な溝を研削することにより、高さ方向で分極方向が反対となる隔壁２５−１，２５−２の形成と同時に下壁１２の部分が圧電素子基板１２５によって一体に形成されるようにしてもよい。
【００３０】
次いで、このようにして形成した各インク流路１４の内面に駆動電極１６を形成する。駆動電極１６を形成する金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｌ等があり、電気抵抗の面からはＡｌやＣｕを用いることが好ましいが、腐食や強度、コストの面からＮｉが好ましく用いられる。また、Ａｌの上に更にＡｕを積層した積層構造としてもよい。
【００３１】
駆動電極１６の形成は、蒸着法、スパッタリング法、めっき法、ＣＶＤ（化学気相反応法）等の真空装置を用いた方法等によって金属被膜を形成する方法が挙げられるが、めっき法によるものが好ましく、特に無電解めっきにより形成することが好ましい。無電解めっきによれば、均一且つピンホールフリーの金属被膜を形成することができる。めっき膜の厚みは０．５〜５μｍの範囲が好ましい。
【００３２】
また、駆動電極１６はインク流路１４毎に独立させる必要があるため、隔壁２５−１の上面や後述する引き出し部を除いたヘッドの前面、後面には金属被膜が形成されないようにすることが好ましい。さらに、駆動電極１６は、隔壁２５−１，２５−２の壁面にそれぞれ独立に形成され矩形管状のインク流路１４の長手方向に配置された２つの駆動電極１６Ａ（長さＬ２）、１６Ｂ（長さＬ１）として独立させる必要があるため、インク流路１４の長手方向のほぼ中央部分（長さＬ３）には金属被膜が形成されないようにする必要がある。このため、例えば各隔壁２５−１の上面、引き出し部を除いたヘッドの前面、後面、及びインク流路の長手方向のほぼ中央部分に予めドライフィルムを貼着したり、レジストを形成しておき、金属被膜を形成した後に除去することで、引き出し部、各隔壁２５−１，２５−２の側面及び各インク流路１４の底面に選択的にインク流路の中央で分離された駆動電極１６Ａ，１６Ｂを形成するとよい。なお、全体に金属被膜を形成後、不要部分の金属被膜をレーザー光やエッチングで除去するようにしてもよい。
【００３３】
本例においては、Ｌ１＝Ｌ２としているが、Ｌ１とＬ２を異ならせても良い。
【００３４】
以下、駆動電極１６Ａに対応した部分をインク流路１４Ａ、隔壁２５Ａとし、駆動電極１６Ｂに対応した部分をインク流路１４Ｂ、隔壁２５Ｂとして説明する。
【００３５】
このようにして駆動電極１６Ａ，１６Ｂを形成した後、隔壁２５−１の上面に１枚の基板である上壁１３をエポキシ系接着剤を用いて接合する。上壁１３には、各インク流路１４に対応する位置にノズル１９が開設されている。
【００３６】
下壁１２及び上壁１３の材料は、下壁１２及び上壁１３は、隔壁の頂面に接合し、かつ隔壁の頂面を拘束する必要があるため、剛性の高い材質にて形成することが望ましく、非圧電性非金属材料からなる基板が好ましい。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。また、この下壁１２及び上壁１３に用いられる材料は、その熱膨張係数が隔壁に通常用いられる圧電材料であるＰＺＴの熱膨張係数と近いことが好ましく、窒化アルミニウムあるいは分極されていないＰＺＴが特に好ましい。その理由は、下壁１２及び上壁１３を分極されたＰＺＴと接着する際、熱硬化型接着剤が使用されるが、下壁１２及び上壁１３の熱膨張係数が圧電材料のそれとかけ離れていると、冷却時に歪みが生じたり、材料間で剥離が生じる問題があるためである。また、圧電材料の駆動の発熱によって下壁や上壁との間に上記同様の歪みや剥離が発生する事態を抑えることもできる。なお、上記で例示した窒化アルミニウムとしては、（株）住金セラミックス社製のＡｌＮ−ＢＮ（ＢＮは窒化ボロン）を用いることができる。
【００３７】
また、本発明のヘッドは、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成される。上述のアルミナ、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の基板に形状の整ったノズル孔を形成することは容易ではないため、図３に示すように、下壁１３をノズルの形成されたノズルプレート１３ａと支持部材１３ｂを積層した複合部材として構成することが好ましい。
【００３８】
ノズルプレート１３ａの材料としては、ポリイミド樹脂等の樹脂かステンレス等の金属を用いることができる。ノズルの穿孔方法としては、樹脂の場合はレーザー加工、金属の場合はプレス加工が実施可能であり、いずれの方法においても形状の整ったノズルを穿孔できるが、生産性の観点で、レーザー加工、特にエキシマレーザーによる加工が好ましい。ノズルの穿孔方向としては、支持部材側からでも、ノズルプレート側からでも良いが、ノズル形状がノズル出口側（ヘッドのインク吐出口側）に向けて小さくなるテーパ形状とすることが良好な吐出特性を得るために好ましく、穿孔する側を接着面とすることによりノズル出口に向けて小さくなるテーパ形状とすることができる。本発明においては、複合部材の支持部材側からレーザー加工にて穿孔し、支持部材側を圧電部材との接着面とする事が、生産性、加工精度の観点から、更には各種形状を得ることが可能となり、好ましい。
【００３９】
支持部材１３ｂとしては、窒化アルミニウムあるいは分極されていないＰＺＴを用いることが好ましい。支持部材１３ｂには、ノズル孔に対応したインク導入口として、ノズルの入口の直径より大きな直径を有する円筒形状の貫通口が設けられている。支持部材１３ｂを剛性の高い材質で構成することにより前述の効果が得られる。
【００４０】
例えば、先ずノズルを穿孔していないポリイミド樹脂で構成されたノズルプレート１３ａを、窒化アルミニウムあるいは分極されていないＰＺＴで構成されノズル孔に対応した貫通口を有する支持部材１３ｂに予め加熱接着して複合部材とした後、常温でノズルプレートに支持部材側からエキシマレーザーを照射してノズル孔を形成し、該ノズル孔の形成された複合部材を圧電部材に加熱接着することにより、複合部材とＰＺＴの熱膨張係数が近似していることから、前述の効果が得られるとともに圧電部材のインク流路溝に対するノズル孔の位置ずれが生じることを低減した接着が可能となる。また、ノズル孔の形状としてインク流路側が広く、外側に向かって小さいテーパを有するノズル孔となる方向で接着をすることが容易となるものである。
【００４１】
このようにして作成されたヘッド２は、上壁１３における１つの前記矩形管状のインク流路１４の長手方向に配置された２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂの間に対応する位置に１つの前記ノズル１９が設けられている。この様な構成にすることにより、ノズル１９に近接して２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂを設けることが可能になり、駆動電極１６Ａ，１６Ｂにより形成されるインク流路１４Ａ、１４Ｂからの圧力波をエネルギーロスを抑えた状態でノズル１９のインクに伝播させることができ、好ましい態様である。
【００４２】
このようにして作成されたヘッド２の前面には、駆動電極１６Ａのうちのインク流路１４の底面に形成された部分（インク流路１４内に臨む下壁１２の表面）から下壁１２の前端面にかけて引き出された駆動電極１６Ａが形成されている。
【００４３】
同様に、ヘッド２の後面には、駆動電極１６Ｂのうちのインク流路１４の底面に形成された部分（インク流路１４内に臨む下壁１２の表面）から下壁１２の後端面にかけて引き出された駆動電極１６Ｂが形成されている。
【００４４】
さらにヘッド２の前面には、配線基板１１Ａとマニホールド２０Ａが接合され、ヘッド２の後面には、配線基板１１Ｂとマニホールド２０Ｂが接合され、各マニホールドとインクタンク９をインク供給管２７で接続する。
【００４５】
配線基板１１は、ヘッド２の幅方向（図２左右方向）と同一の幅を有すると共に、ヘッド２のインク流路１４の並び方向と直交する方向（図２における下方向）に延び、ヘッド２の下面から大きく張り出した張り出し部を有している。
【００４６】
また、配線基板１１には、その幅方向に亘って延びる貫通口２１が形成されている。貫通口２１は、ヘッド２のインク流路列方向に沿って全てのインク流路１４の開口２２を覆うことができる大きさに加工されて共通インク室を形成している。
【００４７】
また、配線基板１１Ａ，１１Ｂの張り出し部は、各々ＦＰＣ６Ａ，６Ｂの接合部位として機能しており、ヘッド２との接合面側となる表面に、ヘッド２の前面、後面に形成された駆動電極１６Ａ，１６Ｂと同数及び同ピッチで、配線電極２３Ａ、２３Ｂが形成されている。
【００４８】
また、配線基板１１Ａ，１１Ｂ上に、圧電素子からなる隔壁２５Ａ，２５Ｂを駆動するための駆動回路２４Ａ，２４Ｂが実装されており、駆動回路２４Ａ、２４Ｂと配線電極２３Ａ，２３Ｂは各々電気的に接続されている。
【００４９】
この配線電極２３Ａ，２３Ｂは、ＦＰＣ６Ａ，６Ｂが接合される際、装置本体の制御基板と電気的に接続されるＦＰＣ６Ａ、６Ｂの配線６６Ａ、６６Ｂと電気的に接続される。このような構成により、制御基板からの制御信号に基づいて、駆動回路２４Ａは、隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに，２４Ｂは、隔壁２５Ｂを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ｂにそれぞれ印加する。即ち、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａの駆動と第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂの駆動は、独立に制御されるように構成されている。そして、後述するように、隔壁２５Ａに印加される駆動信号に含まれる駆動パルスと隔壁２５Ｂに印加される駆動信号に含まれる駆動パルスの形状やタイミングを変更することにより吐出されるインク適量を変化させる。
＜インク滴吐出時のヘッドの駆動方法＞
まず、制御基板からの制御信号に基づいて、駆動回路２４Ａが、隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに印加し、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる場合について説明する。
【００５０】
図４はインク吐出時の作動を示す図である。なお、図４ではノズルは省略してある。
【００５１】
ヘッド２は、ここでは図４に示すように、上壁１３と下壁１２の間に、ＰＺＴ等の圧電材料からなる複数の隔壁２５Ａ−ａ、２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃで隔てられたインク流路１４が多数構成されたせん断モード（シェアモード）タイプのヘッドを示している。図４では多数のインク流路１４Ａの一部である３本（１４Ａ−ａ、１４Ａ−ｂ、１４Ａ−ｃ）が示されている。そして、各インク流路１４Ａ内の隔壁２５表面には両隔壁２５の上方から下壁１２の底面に亘って繋がる駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃが密着形成され、各駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃは駆動回路２４Ａに接続している。
【００５２】
各隔壁２５は、ここでは図４の矢印で示すように分極方向が異なる２枚の圧電材料２５Ａ−１、２５Ａ−２によって構成されているが、圧電材料は例えば符号２５Ａ−１の部分のみであってもよく、隔壁２５の少なくとも一部にあればよい。
【００５３】
各隔壁２５表面に密着形成された駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃに駆動回路２４Ａの制御により吐出信号が印加されると、以下に例示する動作によってインク滴をノズル１９から吐出する。なお、駆動電極１６Ｂの駆動電極はすべて接地されている。
【００５４】
まず、駆動電極１６Ａ−ａ、１６Ａ−ｂ、１６Ａ−ｃのいずれにも吐出信号が印加されない時は、隔壁２５Ａ−ａ、２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃのいずれも変形しないが、図４（ａ）に示す状態において、駆動電極１６Ａ−ａ及び１６Ａ−ｃを接地すると共に駆動電極１６Ａ−ｂに吐出信号を印加すると、隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃを構成する圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じ、各隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃ共に、それぞれ隔壁２５Ａ−１、２５Ａ−２の接合面にズリ変形を生じ、図４（ｂ）に示すように隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃは互いに外側に向けて変形し、インク流路１４Ａ−ｂの容積を拡大してインク流路１４Ａ−ｂ内に負の圧力が生じてインクが流れ込む。
【００５５】
また、この状態から電位を０に戻すと、隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃは図４（ｂ）に示す膨張位置から図４（ａ）に示す中立位置に戻り、インク流路１４Ａ−ｂ内のインクに高い圧力が掛かる。次いで、図４（ｃ）に示すように、隔壁２５Ａ−ｂ、２５Ａ−ｃを互いに逆方向に変形するように吐出信号を印加して、インク流路１４Ａ−ｂの容積を縮小すると、インク流路１４Ａ−ｂ内に正の圧力が生じる。これによりインク流路１４Ａ−ｂを満たしているインクの一部によるノズル内のインクメニスカスがノズルから押し出される方向に変化する。この正の圧力がインク滴をノズルから吐出する程に大きくなると、インク滴はノズルから吐出する。他の各インク流路１４Ａも吐出信号の印加によって上記と同様に動作する。
【００５６】
このように少なくとも一部が圧電材料で構成された隔壁２５によって隔てられた複数のインク流路１４を有するヘッド２を駆動する場合、一つのインク流路の隔壁が吐出の動作をすると、隣のインク流路が影響を受けるため、通常、複数のインク流路１４のうち、互いに１本以上のインク流路１４を挟んで離れているインク流路１４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。例えば、全インク流路１４を駆動してベタ画像を出力する場合には、インク流路を２流路おきに選んで３相に分けて吐出する、いわゆる３サイクル吐出法が行われる。
【００５７】
かかる３サイクル吐出動作について図５を用いて更に説明する。図５に示す例では、ヘッドはインク流路がａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２、ｂ２、ｃ２、ａ３、ｂ３、ｃ３の９つのインク流路１４Ａで構成されているとして説明する。また、このときのａ，ｂ、ｃの各組のインク流路１４Ａに印加される駆動信号のタイミングチャートを図６に示す。図６において、横軸はＡＬ時間、縦軸は駆動電圧を表す。
【００５８】
インク吐出時には、まずａ組（ａ１、ａ２、ａ３）の各インク流路の駆動電極に電圧を掛け、その両隣のインク流路の駆動電極を接地する。例えばａ組のインク流路に１ＡＬ幅の正電圧（Ｖｏｎ）の矩形波の膨張パルスを掛けると、膨張パルスの最初の立ち上がり部分で吐出したいａ組のインク流路の隔壁が外側に変形し、そのインク流路１４Ａ内に負圧が発生する。この負圧により、インクタンク９からａ組のインク流路１４Ａにインクが流れ込む。この圧力波は、共通インク室２１Ａとインク流路１４Ｂの２つの方向に伝播していく。０．５ＡＬ経過後には共通インク室２１Ａのほうに進んだ圧力波は共通インク室２１Ａとの境界（２２Ａ）で符号が反転してインク流路１４Ａに戻る。このときインクは共通インク室２１Ａからインク流路１４Ａに流入する。またインク流路１４Ｂに進んだ圧力波は１４Ｂに到達しインク流路内を負圧とする。
【００５９】
なお、ＡＬ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｌｅｎｇｔｈ）とは、インク流路１４の音響的共振周期の１／２である。実際のヘッドのＡＬは、圧電材料により構成される隔壁２５に矩形波のパルスを印加して出射するインク滴の速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、インク滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。
【００６０】
また、本例におけるパルスは、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。
【００６１】
この状態を１ＡＬ時間保つと、圧力が正圧に反転するので、このタイミングで電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、高い圧力がａ組のインク流路１４Ａ内のインクに掛かる。更に、同じタイミングでａ組の各インク流路の電極に２ＡＬ幅の負電圧（Ｖｏｆｆ）の矩形波の収縮パルスを掛けると、収縮パルスの最初の立ち下がり部分で隔壁が内側に変形し、更に高い圧力がインクに掛かり、ノズルからインク柱が押し出される。１ＡＬ後、圧力が反転してインク流路１４Ａ内が負圧になり、更に１ＡＬ経過すると、インク流路１４Ａ内の圧力が反転して正圧になるので、このタイミングで電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、残留する圧力波をキャンセルできる。
【００６２】
続いてｂ組（ｂ１、ｂ２、ｂ３）の各インク流路１４Ａ、更に続いてｃ組（ｃ１、ｃ２、ｃ３）の各インク流路１４Ａへと上記同様に動作する。
【００６３】
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、インク吐出を行うインク流路の電極に負電圧を掛ける代わりに、図７に示すように、インク吐出を行うインク流路の電極を接地して、その両隣のインク流路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させることができるため、好ましい態様である。
【００６４】
膨張パルスのパルス幅Ｄは、効率よくインク滴を吐出する観点から０．７ＡＬ〜１．３ＡＬが好ましく、収縮パルスのパルス幅Ｒは、残留する圧力波のキャンセルが容易になる観点から１．７ＡＬ〜２．３ＡＬが好ましい。
【００６５】
また、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）は｜Ｖｏｎ｜≧｜Ｖｏｆｆ｜の関係にすると、インク流路内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。
【００６６】
なお、この電圧Ｖｏｎ（Ｖ）と電圧Ｖｏｆｆ（Ｖ）の基準電圧は０とは限らない。この電圧Ｖｏｎと電圧Ｖｏｆｆは、それぞれ差分の電圧である。
【００６７】
そして、図４〜図７では、駆動回路２４Ａから隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに印加し、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる場合について説明したが、駆動回路２４Ｂから隔壁２５Ｂを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ｂに印加し、第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる場合についても同様の原理にて吐出させることができる。
【００６８】
次に、２つ同時に駆動する場合において、各駆動電極に印加する駆動パルスのタイミングを調節することにより以下に示すようにインク滴量をさらに多段階に変調できる。また、一方のみを駆動する場合に比較して駆動電圧を下げられるという効果も得られる。
【００６９】
制御基板からの制御信号に基づいて、駆動回路２４Ａが、隔壁２５Ａを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ａに印加し、第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａを変形させ、駆動回路２４Ｂが、隔壁２５Ｂを駆動するための駆動信号を駆動電極１６Ｂに印加し、第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂを変形させてノズル１９からインク滴を吐出させる。
【００７０】
図８は駆動信号のタイミングチャートを示す図である。駆動信号として、インク流路１４Ａの駆動電極１６Ａにはパルス幅Ｄ１の矩形波の膨張パルスとそれに続くパルス幅Ｒ１の矩形波の収縮パルスが印加され、インク流路１４Ｂの駆動電極１６Ｂにはパルス幅Ｄ２の矩形波の膨張パルスとそれに続くパルス幅Ｒ２の矩形波の収縮パルスが印加される。
【００７１】
２つの駆動電極１６Ａ，１６Ｂに印加される駆動信号は、膨張パルスの立ち上がりのタイミングが同一で、膨張パルスの立ち下がり及び収縮パルスの立ち下がりのタイミングを時間差Δｔを持たせるように構成されている。このΔｔを変化させることにより、膨張パルスの立ち下がり及び収縮パルスの立ち下がりにおける隔壁２５Ａの変形による圧力波と隔壁２５Ｂの変形による圧力波の位相が同じ場合にはそれぞれの隔壁の変形による圧力波が加算され大きな圧力でノズルからインクを吐出させることができ、また、隔壁２５Ａによる圧力波と隔壁２５Ｂによる圧力波の位相が異なる場合にはそれぞれの隔壁の変形による圧力波が減算されノズルに加わる圧力の持続時間を実効的に変化させることができるため、ノズルから１回に吐出するインク滴の大きさを複数段階に可変できる。
【００７２】
膨張パルスのパルス幅Ｄ１は、効率よくインク滴を吐出する観点から０．７ＡＬ〜１．３ＡＬが好ましく、時間差Δｔは、長すぎると駆動電極１６Ｂに膨張パルスの立ち下がり及び収縮パルスの立ち下がりを印加するタイミングにおいて圧力波の減衰が大きくなるので、効率よくインク滴を吐出する観点から０≦Δｔ≦２ＡＬが好ましい。
【００７３】
また、収縮パルスの幅Ｒ１，Ｒ２は、圧力変動の位相と振幅に応じて、その変動を打ち消すように適宜設定される。
【００７４】
また、前述のように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、インク吐出を行うインク流路の電極に負電圧を掛ける代わりに、図９に示すように、インク吐出を行うインク流路の電極を接地して、その両隣のインク流路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させることができるため、好ましい態様である。
【００７５】
以上は、ベタ画像（フル駆動）の場合であるが、実際は、各画素の画像データに応じて、駆動パルスを変化させる。
【００７６】
制御基板１００は、画像データの解像度や画素毎の階調データにより各画素を埋めるのに適したインク適量を決める。そして内部のインク滴量テーブルを参照して所望のインク滴を得るのにもっとも適した駆動パルスで各画素に対応したノズルのインク流路を駆動するようにして、選択された駆動パルスが各駆動回路から各駆動電極１６に印加されて所望の量のインク滴が吐出される。後述の実施例の表１で具体例を示すが、Δｔを調節することにより、インク滴量を可変できる。
【００７７】
また、インク滴の大きさを可変する場合でも、インクの着弾位置を一定とするためにインク滴の飛翔速度は、小さなインク滴を吐出する場合と、大きなインク滴を吐出する場合とで変化させてはならない。本願のヘッドを用いたインクジェット記録装置においては、実施例で示すように駆動パルスの駆動電圧を調整することにより、飛翔速度を所定の値に調整している。
【００７８】
膨張パルスあるいは収縮パルスの少なくともどちらか一方の電圧を調整すればよいが、前述のように、収縮パルスの立ち上がりのエッジは、液滴の吐出後にインク流路内に残った圧力波の残響をキャンセルする作用があり、膨張パルスの駆動電圧Ｖｏｎに対する収縮パルスの駆動電圧Ｖｏｆｆの比を一定に保つことにより、飛翔速度を揃えるために駆動パルスの電圧を変化させても、圧力波の残響を適正にキャンセルすることができる。
【００７９】
なお、以上説明した駆動パルスは一例であり、本発明はこのタイプの駆動パルスに限定されるものではない。駆動パルスとしては、インク流路の容積を膨張させ一定時間保持した後に元の容積に戻す矩形波の膨張パルスのみから構成される駆動パルスでもよく、矩形波に限らず、スロープ波形および任意のアナログ波形であってもよい。
【００８０】
以上、本発明のヘッドは、１つのインク流路の隔壁に独立して形成した２つ駆動用電極が設けられているので、２つ駆動用電極に通電して隔壁を変位させた時に発生する圧力波の干渉を有効に利用して、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、インク滴量を変調することが可能になる。
【００８１】
また、第２の圧力発生手段である隔壁２５Ｂは第１の圧力発生手段である隔壁２５Ａと同じ工程で、且つ同一の部材で形成できるので、駆動電極を分離することにより容易に製造でき、製造コストを低減できる。
【００８２】
上記実施形態では、空気流路を設けずに全てインク流路として機能させるヘッドの例を示したが、流路は、インクが供給されるインク流路として機能するものと、インクが供給されない空気流路として機能するものとが交互に配置されるものでもよい。配線基板１１の貫通口２１を、流路１４の１流路おきの開口２２に対応して形成されればよい。すなわち、１流路おきにインクが供給されインク流路になり、その間の流路はインク供給がされずに空気流路となるので、インク流路と空気流路（ダミー流路）が交互に形成された独立流路ヘッドとすることができる。インク流路に対応してノズル１９を設けることにより、ノズル１９からインクが吐出される。この場合、インク流路の隔壁がせん断変形しても、隣接した他のインク流路に影響することがなく、隔壁の駆動が容易である。
【００８３】
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なうことができる。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す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。さらに、２つ駆動用電極に通電して隔壁を変位させた時に発生する圧力波の干渉を有効に利用して、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなく、インク滴量を変調することが可能になる。
【００８４】
また、本発明のヘッドは、圧力発生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インク流路の隔壁に用いている。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、インク滴を吐出の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。
【００８５】
また、以上の説明では、本発明に係る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インクジェットヘッドを用いたが、本発明は、これに限定されるものではなく、複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置として広く適用可能である。特に１ドットに打ち込む液適量を変調することを必要とする産業用途において有効である。
【実施例】
【００８６】
（本発明）
図３に示すシェアモードタイプのヘッド（ノズル数：２５６）の各インク流路１４Ａのみを図７に示す駆動信号（電圧、パルス幅等は表１参照）を用いて３群に分け、３サイクル駆動を行った。また、同様に各インク流路１４Ａ、１４Ｂを図９に示す駆動信号（電圧、パルス幅、時間差等は表１参照）を用いて３群に分け、以下の条件で３サイクル駆動を行った。
【００８７】
なおヘッドのＡＬは、１４Ａのみを駆動した場合は、ＡＬ＝７．４（μｓｅｃ）であり、１４Ａ、１４Ｂを両方駆動した場合は、ＡＬ＝７．８（μｓｅｃ）であった。
【００８８】
インクは水性染料インクを用いた。
【００８９】
本実験にあたり、圧電素子基板１２５，１２６として、分極されたＰＺＴを用い、下壁１２として、窒化アルミニウム基板（（株）住金セラミックス社製のＡｌＮ−ＢＮ）を用いた。また、上壁１３を構成するノズルプレート１３ａは、厚さ７５μｍのポリイミド樹脂シートを用いエキシマレーザーによりノズル孔を穿孔した。支持部材１３ｂとして厚さ１００μｍの上記と同様の窒化アルミニウム基板を用いた。
【００９０】
図３において、インク流路１４全体の長さを６ｍｍ、インク流路１４の中央部分から図示左右方向に０．５ｍｍ幅で駆動電極が形成されていない部分を設け、その長さＬ３を１ｍｍとし、駆動電極１６Ａの長さＬ２を２．５ｍｍ、駆動電極１６Ｂの長さＬ１を２．５ｍｍとした。またインク流路１４の中央部分に対応する位置にノズルと円筒開口部の中心が位置している。
【００９１】
なお、ヘッドのサイズは、インク流路１４Ａ、１４Ｂの高さが３１０μｍ、幅が８２μｍ、長さが２．５ｍｍとした。ノズルプレート１３ａのノズル１９は、断面が円形でノズルの出口の直径２７μｍ、テーパー角６．３°、支持部材１３ｂの円筒開口部の直径を６０μｍとした。
【００９２】
任意の１ノズルについて、駆動電圧（Ｖｏｎ、Ｖｏｆｆ）を変化させながら（｜Ｖｏｎ｜／｜Ｖｏｆｆ｜は１／１に固定）、インク滴の飛翔速度を測定した。各駆動信号において、飛翔速度が８ｍ／ｓになるときの駆動電圧に駆動電圧を固定し、このときのインク滴量を測定した。その結果を表１に示す。
【００９３】
飛翔速度測定：ＣＣＤカメラを用いたストロボ測定により、インク滴がノズル出口から約１ｍｍ飛翔した時点でのインク滴速度を測定した。
（比較例）
Ｌ３＝０として、インク流路１４の全長に駆動電極１６を設けて、各インク流路１４を図７に示す駆動信号（電圧、パルス幅等は表１参照）を用いて３群に分け、３サイクル駆動を行なった以外は、実施例と同様にして駆動した。なお、このヘッドのＡＬは７．３（μｓｅｃ）であった。
【００９４】
任意の１ノズルについて、駆動電圧（Ｖｏｎ、Ｖｏｆｆ）を変化させながら（｜Ｖｏｎ｜／｜Ｖｏｆｆ｜は１／１に固定）、インク滴の飛翔速度とインク滴量を測定した。その結果を表１に示す。
【００９５】
【表１】
【００９６】
表１に示す通り、比較例では、飛翔速度を変化させずにインク滴量を変化させることは限界があり、駆動電圧を増大させてインク滴量を増加させると飛翔速度の上昇が見られる。本発明では、飛翔速度の変動等の副作用を起こすことなくインク滴量を変化させることが可能となる。また、時間差Δｔが０〜０．５ＡＬまでは、隔壁２５Ａの変形による圧力波と隔壁２５Ｂの変形による圧力波の位相が同じであるので、それぞれの隔壁の変形による圧力波が加算され大きな圧力でノズルから大きなインク滴を吐出させることができ、また、０．５〜１ＡＬまでは、隔壁２５Ａによる圧力波と隔壁２５Ｂによる圧力波の位相が異なるので、それぞれの隔壁の変形による圧力波が減算されノズルに加わる圧力の持続時間を実効的に変化させることができるため、ノズルから１回に吐出するインク滴の大きさを複数段階に可変できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【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）タイプのインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図３】図２のヘッドの配線基板、マニホールドを備えた状態の断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はインク滴吐出時のヘッドの動作を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）はヘッドの時分割動作の説明図である。
【図６】ａ、ｂ、ｃの各組のインク流路に印加される駆動信号のタイミングチャートである。
【図７】正電圧のみを用いた場合の駆動信号のタイミングチャートである。
【図８】ａ、ｂ、ｃの各組のインク流路に印加される駆動信号のタイミングチャートである。
【図９】正電圧のみを用いた場合の駆動信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１ インクジェット記録装置
２ ヘッド
４ ガイドレール
５ キャリッジ
６、６Ａ，６Ｂ ＦＰＣ
７、８ インク受け器
１２ 下壁
１３ 上壁
１４，１４Ａ、１４Ｂ インク流路
１９ ノズル
２４Ａ、２４Ｂ 駆動回路
２５Ａ 隔壁、第１の圧力発生手段
２５Ｂ 隔壁、第２の圧力発生手段
３１ 搬送ローラ
３２ 搬送ローラ対
３３ 搬送モータ
Ｐ 記録媒体
ＰＳ 記録面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記２つの駆動電極の各々に独立して駆動信号が印加されることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記２つの駆動電極の間に対応する位置に１つの前記ノズルが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項１】
複数の流路を区画し少なくとも一部が圧電素子で形成された隔壁と前記複数の流路の配列方向に沿って前記流路の上面を閉鎖する上壁と前記流路の下面を閉鎖する下壁により形成された矩形管状の流路と、流路内の液体を液滴として吐出するノズルとを有し、前記隔壁の壁面にそれぞれ独立に形成され前記矩形管状の流路の長手方向に配置された２つの駆動電極が設けられ、前記上壁または前記下壁のいずれかに対して前記ノズルが形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記２つの駆動電極の各々に独立して駆動信号が印加されることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記２つの駆動電極の間に対応する位置に１つの前記ノズルが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２０３６１０（Ｐ２００７−２０３６１０Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５５３８（Ｐ２００６−２５５３８）
【出願日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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