JP2000117972A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置使用時の環境温度の変化に依らず、常に
安定した状態で、高速かつ高画質の記録を得る。 【解決手段】 開示されるインクジェット記録ヘッド
は、インクが充填される圧力発生室２と、圧力発生室２
内に圧力変化を生じさせる圧電アクチュエータ４と、イ
ンク供給孔６を介して、圧力発生室２にインクを供給す
る共通インク室５と、インク滴１を吐出させるノズル７
とを備え、インク充填状態におけるノズル７とインク供
給孔６と圧力発生室２からなる流路系全体のイナータン
スｍ_Ｔ及び音響抵抗ｒ_Ｔ（温度略２０℃での値）が、そ
れぞれ式（１），（２）を満たすように、ノズル７、イ
ンク供給孔６、圧力発生室２の形状が決められている。 ０＜ｍ_Ｔ＜１．９×１０^８［ｋｇ／ｍ^４］ …（１） ４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０^１２［Ｎｓ／
ｍ^５］ …（２）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ノズルから微小
なインク滴を吐出して文字や画像の記録を行うインクジ
ェット記録ヘッド及び該ヘッドが搭載されるインクジェ
ット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の記録ヘッドの１つと
して、印字情報に応じてノズルからインク滴を吐出す
る、いわゆるオンデマンド型インクジェット記録ヘッド
が広く知られている（例えば、特公昭５３−１２１３８
号公報参照）。図１１は、オンデマンド型インクジェッ
ト記録ヘッドのうち、カイザー型と呼ばれるインクジェ
ット記録ヘッドの基本構成を概略示す断面図である。こ
のカイザー型記録ヘッドにおいては、同図に示すよう
に、インクの上流側で、圧力発生室９１と共通インク室
９２とがインク供給孔（インク供給路）９３を介して連
結され、また、インクの下流側で圧力発生室９１とノズ
ル９４とが連結されている。また、圧力発生室９１の図
中底板部が、振動板９５によって構成され、この振動板
９５の裏面には、圧電アクチュエータ９６が設けられて
いる。このような構成において、印字動作時には、印字
情報に応じて圧電アクチュエータ９６を駆動して振動板
９５を変位させ、これにより、圧力発生室９１の体積を
急激に変化させて圧力発生室９１に圧力波を発生させ
る。この圧力波によって、圧力発生室内９１に充填され
ているインクの一部がノズル９４を通って外部に噴射さ
れ、インク滴９７となって吐出する。吐出したインク滴
９８は、記録紙等の記録媒体上に着弾し、記録ドットを
形成する。このような記録ドットの形成を印字情報に基
づいて繰り返し行うことにより、記録媒体上に文字や画
像が記録されることになる。

【０００３】ここで、図１２及び図１３を参照して、メ
ニスカスの挙動と印字性能との関連性について考察す
る。図１２は、上述のインク滴吐出過程において、ノズ
ル部９４のメニスカスＭがどのように変化するかを示す
断面図、また、図１３は、インク滴吐出後におけるメニ
スカスＭ位置の時間的変動を示すグラフである。インク
滴９７の吐出前においては、図１２（ａ）に示すよう
に、メニスカスＭは、ノズル９４の開口面近傍に位置す
るように設定される。圧電アクチュエータ９６が駆動さ
れ、インク滴９７が吐出されると、同図（ｂ）に示すよ
うに、インクの排出量に応じて、メニスカスＭはノズル
９４の内部に後退する。このとき、同図（ｃ）に示すよ
うに、メニスカスＭがノズル９４の内部に後退した状態
のままで、次の吐出を実行すると、吐出状態（滴径、滴
速等）が変化したり、吐出不良を招いてしまう。したが
って、安定した連続吐出を実現するためには、同図
（ｄ）に示すように、後退したメニスカスＭが表面張力
に作用によって初期位置近傍に復帰するまで待ってか
ら、次の吐出を行うことが重要である。すなわち、図１
３に示すように、インクの吐出後リフィルされるまでに
要する時間（リフィル時間ｔ_ｒ）が経過してから次の吐
出を行うことが肝要である。

【０００４】以上の説明から、インクジェット記録ヘッ
ドの最高吐出周波数ｆ_ｅは、ヘッドのリフィル時間ｔ_ｒ
に依存することがわかる。すなわち、最高吐出周波数ｆ
_ｅで動作させて高速記録を実現するためには、ｔ_ｒ＜１
／ｆ_ｅの条件を満足できるように、リフィル時間ｔ_ｒを
短くする必要がある。具体的には、ノズル９４、圧力発
生室９３、インク供給孔（インク供給路）９１から構成
される流路系の断面積を増加したり、インクの粘度を減
少させることによって、流路抵抗を減少させれば、リフ
ィル時間ｔ_ｒを短縮できる。しかしながら、流路抵抗が
減少すれば、リフィル時間ｔ_ｒは短縮する反面、図１３
に示すように、メニスカスＭのオーバシュートＸ_ｍａｘ
が増加する、という副作用が現れる。つまり、オーバシ
ュートＸ_ｍａｘが大きければ、インク滴９７の吐出直前
のメニスカスＭの状態（位置、速度）が一定にはならな
くなるため、インク滴９７の滴径や滴速（吐出速度）に
ばらつきが生じる、という不都合な問題が起きるのであ
る。したがって、滴径や滴速の精度を確保しようとする
場合、メニスカスＭのオーバシュートＸ_ｍａｘを一定値
以下に抑えることが条件となる。特に、滴径変調による
高画質記録を実現しようとする場合、滴径・滴速には高
い精度が要求されるため、オーバシュート量Ｘ
_ｍａｘは、最大でも、１０μｍ程度でなければならな
い。オーバシュートＸ_ｍａｘを抑制するための具体的対
策としては、流路系の断面積を減少したり、インク粘度
を増加させて流路抵抗を増加させれば良いのであるが、
流路抵抗が増加すると、上記したように、リフィル時間
ｔ_ｒが長くなるので、今度は、高速記録が犠牲にされる
という、不都合が生じる。

【０００５】このように、インクジェット記録ヘッドに
おいて、滴径変調による高画質記録と高速記録とを同時
に実現するには、リフィル時間ｔ_ｒの短縮とオーバシュ
ートＸ_ｍａｘの抑制という相反する条件を同時に満足さ
せなければならないので、大変困難である。それでも、
従来では、ノズルやインク供給孔（インク供給路）等の
形状を工夫したり、インクの粘度を調整することで、リ
フィル時間短縮とオーバシュート抑制とをできるだけ両
立させて、高画質記録と高速記録とを同時に実現する試
みがなされてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の試みでは、装置の使用温度範囲の全域にわたって、
リフィル時間短縮とオーバシュート抑制とを常に両立さ
せることは、極めて困難な問題であった。なぜならば、
環境温度によってインクの物性が変化し、この結果、リ
フィル特性が大きく変化してしまうためである。後述す
るが、インクジェット記録ヘッドのリフィル特性は、ノ
ズルやインク供給孔（インク供給路）や圧力発生室等か
ら構成される流路系のイナータンス（音響質量）及び音
響抵抗、さらには、メニスカス部における音響容量によ
って支配される。このうち、イナータンスはインクの密
度に、音響抵抗はインクの粘度に、音響容量はインクの
表面張力にそれぞれ依存する。このため、環境温度によ
ってインク物性（密度、粘度、表面張力）が変わると、
流路系の特性パラメータ（イナータンス、音響抵抗、音
響容量）が変化し、結果的にリフィル特性に大きな変化
が生じてしまうのである。実際には、装置の使用温度範
囲を１０〜３５℃（室温付近）とした場合、密度及び表
面張力の温度依存性は殆ど無視できるが、インク粘度の
温度変化は無視できない。

【０００７】例えば、装置使用温度範囲を１０〜３５℃
とした場合、一般的な水性インクでは、インク粘度に
２．０〜２．５倍程度の変化が生じるのである。環境温
度が低い場合には、インク粘度が増加するため、流路系
の音響抵抗が増加し、所望のリフィル時間ｔ_ｒが得られ
難くなる。逆に、環境温度が高くなると、インク粘度が
減少するため、リフィル時間ｔ_ｒは短縮するが、しか
し、メニスカスのオーバシュートＸ_ｍａｘが増加してし
まう。

【０００８】具体例として、あるインクジェット記録ヘ
ッドについての実験結果の一例を示すと、室温（２０
℃）ではリフィル時間ｔ_ｒが９０μｓ、オーバシュート
Ｘ_{ｍａ ｘ}が５μｍであった。このインクジェット記録ヘ
ッドでは、目標駆動周波数が、１０ｋＨｚで、このとき
のオーバシュートＸ_ｍａｘの許容値が１０μｍであるの
で、室温（２０℃）においては、目標リフィル時間ｔ_ｒ
（１００μｓ以下）の確保とオーバシュートＸ_ｍａｘの
抑制を両立できていることになる。しかしながら、環境
温度を１０℃に低下させた場合には、オーバシュートＸ
_ｍａｘは２μｍに減少してオーバシュート条件を満たす
反面、リフィル時間ｔ_ｒは１１６μｓに増加し、目標リ
フィル時間ｔ_ｒを確保できなくなった。反対に、環境温
度を３５℃に上昇させた場合には、リフィル時間ｔ
_ｒが、７２μｓに短縮してリフィル時間条件を満たすの
であるが、オーバシュートが１４μｍに増加し、オーバ
シュートＸ_ｍａｘの抑制ができなくなることがわかっ
た。

【０００９】以上詳述したように、インク粘度が大きな
温度依存性を有するため、装置使用温度範囲の全域にわ
たって、目標リフィル時間の確保とオーバシュートの抑
制を両立させることは極めて困難である。特に、高速記
録を実現するために、吐出するインク滴径を大きく設定
した場合に、このようなインク物性の温度変化に起因す
る印字性能の劣化が顕著になる。例えば、記録解像度を
４００ｄｐｉ程度に低く設定した場合、必要となるイン
ク滴径（最大滴径）は３８〜４３μｍ程度となる。この
ように大きなインク滴を吐出した場合には、吐出直後の
メニスカスの後退量が大きくなるため、リフィル時間や
オーバシュートが増大し易くなると共に、環境温度変化
の影響も受け易くなってしまう。現実に、インク滴径
（最大滴径）約４０μｍ、吐出周期１０ｋＨｚ以上、オ
ーバシュート許容値１０μｍ、装置使用温度範囲１０〜
３５℃の条件で、リフィル時間確保とオーバシュート抑
制を完全に両立できるインクジェット記録ヘッドは従来
は存在していない。なお、この明細書において、滴径と
は、１回の吐出で排出されるインク総量を１つの球状の
滴に置き換えた場合の直径を意味する。

【００１０】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、装置使用時の環境温度が変化しても、目標リフ
ィル時間の確保とオーバシュート抑制を常に両立でき、
滴径及び滴速の精度が高い安定したインク滴を高速に吐
出できるインクジェット記録ヘッド及び該ヘッドが搭載
されるインクジェット記録装置を提供することを目的と
している。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、インクが充填される圧力発
生室と、該圧力発生室に圧力を発生させる圧力発生手段
と、上記圧力発生室にインクを供給するためのインク供
給室と、該インク供給室と上記圧力発生室とを連通させ
るためのインク供給路と、上記圧力発生室に連通される
ノズルとを備え、上記圧力発生手段によって上記圧力発
生室内に圧力変化を生じさせることにより、上記ノズル
からインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドに
係り、インク充填状態における上記ノズルと上記インク
供給路と上記圧力発生室とのイナータンスの総和ｍ_Ｔ及
び音響抵抗の総和ｒ_Ｔ（温度略２０℃での値）が、それ
ぞれ式（４），（５）を満たすように、上記ノズル、上
記インク供給路、及び上記圧力発生室の形状が設定され
ていることを特徴としている。

【００１２】

【数４】 ０＜ｍ_Ｔ＜１．９×１０^８［ｋｇ／ｍ^４］ …（４）

【００１３】

【数５】 ４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０^１２［Ｎｓ／ｍ^５］ …（５）

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載のイ
ンクジェット記録ヘッドに係り、上記ノズルが、上記圧
力発生室側に向かって径が徐々に増加するテーパ部を有
すると共に、該テーパ部のテーパ角が１０〜４５度であ
ることを特徴としている。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１記載のイ
ンクジェット記録ヘッドに係り、上記ノズルが、開口部
付近に設けられたストレート部と上記圧力発生室側に向
かって徐々に増加するテーパ部とからなると共に、該テ
ーパ部のテーパ角が１５〜４５度であることを特徴とし
ている。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１記載のイ
ンクジェット記録ヘッドに係り、上記ノズルの径が、上
記圧力発生室側に向かって徐々に増加し、上記ノズルの
縦断面が該ノズルの長さと略同等の半径を有する曲線形
状であると共に、上記ノズルの長さが５０〜１００μｍ
であることを特徴としている。

【００１７】また、請求項５記載の発明は、請求項１，
２，３又は４記載のインクジェット記録ヘッドに係り、
上記ノズルの開口径が、２５〜３２μｍであることを特
徴としている。

【００１８】請求項６記載の発明は、請求項１記載のイ
ンクジェット記録ヘッドに係り、上記インク供給路が、
上記インク供給室と上記圧力発生室とを連通させるため
のインク供給孔であることを特徴としている。

【００１９】また、請求項７記載の発明は、請求項１記
載のインクジェット記録ヘッドに係り、上記インク滴の
最大滴径が３８〜４３μｍに設定されていることを特徴
としている。

【００２０】また、請求項８記載の発明は、請求項１記
載のインクジェット記録ヘッドに係り、表面張力が、２
５〜３５ｍＮ／ｍに設定されたインクを使用することを
特徴としている。

【００２１】また、請求項９記載の発明は、請求項１記
載のインクジェット記録ヘッドに係り、インク充填状態
における上記ノズルと上記インク供給路と上記圧力発生
室との上記音響抵抗の総和ｒ_Ｔ（温度略２０℃での値）
が、式（６）を満たすように、粘度が設定されているイ
ンクを使用することを特徴としている。

【００２２】

【数６】 ４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０^１２［Ｎｓ／ｍ^５］ …（６）

【００２３】また、請求項１０記載の発明は、インクジ
ェット記録装置に係り、請求項１乃至９のいずれか１に
記載のインクジェット記録ヘッドを搭載してなることを
特徴としている。

【００２４】

【発明の理論的妥当性】集中定数系等価回路モデルを用
いて、この発明の妥当性の理論的根拠について説明す
る。図９は、リフィル動作時におけるインクジェット記
録ヘッドの等価回路図である。この等価回路から、リフ
ィル動作時におけるメニスカス運動は、式（７）の微分
方程式によって支配されることがわかる。

【００２５】

【数７】

【００２６】式（７）において、ｍ_Ｔは、インク充填状
態におけるノズル、インク供給路及び圧力発生室のイナ
ータンス（音響質量）の総和である。各部におけるイナ
ータンスｍは、管路断面積をＳ［ｍ^２］、管路長さをｌ
［ｍ］、インク密度をρ［ｋｇ／ｍ^３］とすると、式
（８）で与えられる。

【００２７】

【数８】

【００２８】また、式（７）において、ｒ_Ｔは、インク
充填状態におけるノズル、インク供給路及び圧力発生室
の音響抵抗の総和である。各部における音響抵抗ｒは、
管路断面が円形の部分では、インク粘度をη［Ｐａ・
ｓ］、管路径をｄ［ｍ］とすると、式（９）で与えら
れ、管路断面が長方形の部分では、断面のアスペクト比
（縦横比）をｚとすると、式（１０）で与えられる。

【００２９】

【数９】

【００３０】

【数１０】

【００３１】また、式（７）において、Ｃ_３は、メニス
カスの音響容量［ｍ^５／Ｎ］であり、ノズル開口径をｄ
_３［ｍ］、インクの表面張力をσ［Ｎ／ｍ］、メニスカ
スの後退量をｘ［ｍ］とすると、式（１１）で与えられ
る。

【００３２】

【数１１】

【００３３】なお、式（７）からメニスカス位置の時間
変化を求めるには、リフィル開始時におけるメニスカス
の初期位置ｘ_０を与える必要がある（図１２（ｂ）及び
図１３参照）が、滴径をｄ_ｄ［ｍ］とした場合、メニス
カスの初期位置ｘ_０は、式（１２）で与えられる。係数
κは、ノズルの形状等によって多少変化するが、通常
０．５〜０．７程度の値となる。この出願に係る発明者
等の計算では、実験結果に基づいてκ＝０．６７とし
た。

【００３４】

【数１２】

【００３５】式（７）〜式（１２）からわかるように、
ノズル開口径ｄ_３（図１２（ａ））、インクの表面張力
σ及びインクの滴径ｄ_ｄが決まると、リフィル動作を支
配するパラメータはイナータンスｍ_Ｔ及び音響抵抗ｒ_Ｔ
の２つだけとなる。すなわち、イナータンスｍ_Ｔ及び音
響抵抗ｒ_Ｔの組み合わせによって、リフィル特性（リフ
ィル時間、オーバシュート量）が決まることになる。こ
こで、イナータンスｍ _Ｔをある値に設定すれば、目標リ
フィル時間を実現するための音響抵抗ｒ_Ｔの上限及びオ
ーバシュート量を許容値以下に納めるための音響抵抗ｒ
_Ｔの下限が決まる。それを実際に求めた例が、図１０に
示すグラフである（ｄ_３＝３０μｍ、σ＝３３ｍＮ／
ｍ、ｄ_ｄ＝４０μｍ、吐出周波数ｆ_ｅ＝１０ｋＨｚの条
件で計算）。図１０のグラフは、イナータンスｍ_Ｔを
０．５〜４．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４の範囲で変化させ、
それぞれのイナータンスｍ_Ｔに対応した音響抵抗ｒ_Ｔの
上限／下限をプロットしたものである。

【００３６】図１０において、□プロットは、目標リフ
ィル時間（１００μｓ）を確保するための音響抵抗ｒ_Ｔ
の上限を表している。音響抵抗ｒ_Ｔがこの上限を越える
と、目標吐出周波数を得られなくなってしまう。また、
◇プロットは、オーバシュート量を許容値（１０μｍ）
以下に納めるための音響抵抗ｒ_Ｔの下限を表している。
したがって、音響抵抗ｒ_Ｔが上限と下限の間（斜線部領
域）に入るようにイナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔとを
設定すれば、目標リフィル時間の確保とオーバシュート
の抑制を両立できることになる。例えば、あるインクジ
ェット記録ヘッドにおいて、環境温度が室温（２０℃）
のときは、イナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔ（２０℃の
インク粘度２．９ｍＰａ・ｓを用いて計算）の組み合わ
せが図１０の○プロットの位置にあったとする。室温
（２０℃）の環境温度では、音響抵抗ｒ_Ｔは、上限と下
限の間に位置しているため、目標リフィル時間の確保と
オーバシュートの抑制を両立できる。しかし、環境温度
が１０〜３５℃の範囲で変化すると、インク粘度ηが
１．８〜３．８ｍＰａ・ｓの範囲で変化し、これによっ
て、音響抵抗ｒ_Ｔは、同図の矢印で示した範囲で変化し
てしまう。すなわち、低温時には、音響抵抗ｒ_Ｔが上限
を越えてしまうために、リフィルが間に合わなくなり、
また、高温時には音響抵抗ｒ_Ｔが下限を越えてしまうた
め、オーバシュート量が許容値を越えてしまう。つま
り、このインクジェット記録ヘッドは、環境温度変化に
対応できないヘッド構造ということになる。

【００３７】次に、環境温度が室温（２０℃）のとき、
イナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔとの組み合わせが、同
図の△プロットの位置にあるインクジェット記録ヘッド
を考える。このインクジェット記録ヘッドでは、環境温
度が１０〜３５℃の範囲で変化しても、同図から明らか
なように、常に、上限と下限の間に位置している。した
がって、このヘッドは、１０〜３５℃の範囲で常に目標
リフィル時間の確保とオーバシュートの抑制を両立で
き、環境温度変化に対応できる。つまり、インクジェッ
ト記録ヘッドを環境温度変化に対応可能とするために
は、装置使用温度範囲内で、常に音響抵抗ｒ_Ｔが上限と
下限の間に位置するように、イナータンスｍ _Ｔ及び音響
抵抗ｒ_Ｔを設定することが重要なポイントとなる。とこ
ろが、従来では、イナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔとの
バランスを最適化するという観点に立脚した設計思想が
知られていなかったため、この出願に係る発明者等の分
析結果によれば、インク滴径が３８〜４３μｍに設定さ
れ、かつ、１０〜３５℃の環境温度の全域で、音響抵抗
ｒ_Ｔが常に許容範囲（上限値と下限値の間）に入るよう
に設計されているヘッドは存在しない。

【００３８】なお、式（７）〜式（１２）からわかるよ
うに、イナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔの許容範囲は、
本来、インク滴径ｄ_ｄ、ノズル開口径ｄ_３、インクの表
面張力σ、最大吐出周波数及びオーバシュート許容値の
５つのパラメータに依存する関数として表される。しか
し、この発明は、環境温度の影響が特に顕著になる低解
像度記録時（４００ｄｐｉ程度）の大滴をも対象として
いるため、イナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔの許容範囲
を次のように数値的に規定することができる。

【００３９】すなわち、最大吐出周波数を１０ｋＨｚ
Ｍ、オーバシュート許容値を１０μｍとした場合、この
発明が対象とする範囲（インク滴の最大滴径ｄ_ｄ＝３８
〜４３μｍ、ノズル開口径ｄ_３＝２５〜３２μｍ、イン
クの表面張力σ＝２５〜３５ｍＮ／ｍ）でイナータンス
ｍ_Ｔの上限値及び音響抵抗ｒ_Ｔの最適値が最も大きくな
るのは、インク滴径ｄ_ｄ＝３８μｍ、ノズル開口径ｄ_３
＝２５μｍ、インクの表面張力σ＝３５ｍＮ／ｍの場合
である。環境温度の変動範囲を１０〜３５℃程度とする
と、好ましいイナータンスｍ_Ｔの上限値は略１．９×１
０^８ｋｇ／ｍ^４となり、音響抵抗ｒ_Ｔ（２０℃）の許容
範囲は９．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０
^１２［Ｎｓ／ｍ^５］となる。また、逆に、イナータンス
ｍ_Ｔの上限値及び音響抵抗ｒの_Ｔ最適値が最も小さくな
るのは、インク滴径ｄ_ｄ＝４３μｍ、ノズル開口径ｄ_３
＝３２μｍ、インクの表面張力σ＝２８ｍＮ／ｍの場合
であり、このときのイナータンスｍ_Ｔの上限値は略０．
９×１０^８ｋｇ／ｍ^４となり、音響抵抗ｒ_Ｔ（２０℃）
の許容範囲は４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜５．０×１０
^１２［Ｎｓ／ｍ^５］となる。それゆえ、この発明が対象
とする範囲（インク滴の最大滴径ｄ_ｄ＝３８〜４３μ
ｍ、ノズル開口径ｄ_３＝２５〜３２μｍ、インクの表面
張力σ＝２５〜３５ｍＮ／ｍ）に設定されたインクジェ
ット記録ヘッドが、１０〜３５℃程度の環境温度範囲の
全域で、最大吐出周波数１０ｋＨｚ以上、オーバシュー
ト許容値１０μｍを実現するには、少なくとも、式（１
３），（１４）の条件を満たすことが必要要件になるの
である。

【００４０】

【数１３】 ０＜ｍ_Ｔ＜１．９×１０^８［ｋｇ／ｍ^４］ …（１３）

【００４１】

【数１４】 ４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０^１２［Ｎｓ／ｍ^５］ …（１４）

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。 ◇第１実施例 図１（ａ）は、この発明の第１実施例であるインクジェ
ット記録装置に搭載されるインクジェット記録ヘッドの
構成を示す断面図、同図（ｂ）は、同インクジェット記
録ヘッドを分解して示す分解断面図、同図２は、同イン
クジェット記録ヘッドを駆動する滴径非変調型駆動回路
の電気的構成を示すブロック図、また、図３は、同イン
クジェット記録ヘッドを駆動する滴径変調型駆動回路の
電気的構成を示すブロック図である。この例のインクジ
ェット記録ヘッドは、図１（ａ）に示すように、必要に
応じてインク滴１を吐出させて、記録紙上に文字や画像
を印字するオンデマンド・カイザー型マルチノズル式記
録ヘッドに係り、図１に示すように、細長立方体形状に
それぞれ形成され、かつ、図中紙面垂直方向に並べられ
た複数の圧力発生室２と、各圧力発生室２の図中底面を
構成する振動板３と、この振動板３の裏面に、かつ、各
圧力発生室２に対応して並設された、積層型圧電セラミ
ックスからなる複数の圧電アクチュエータ４と、図示せ
ぬインクタンクと連結されて、各圧力発生室２にインク
を供給するための共通インク室（インクプール）５と、
この共通インク室５と各圧力発生室２とを１対１に連通
させるための複数のインク供給孔（連通孔）６と、各圧
力発生室２と１対１に設けられ、各圧力発生室２の屈曲
上方に突起した先端部からインク滴１を吐出させる複数
のノズル７とから概略構成されている。ここで、共通イ
ンク室５、インク供給路６、圧力発生室２及びノズル７
によって、インクがこの順に移動する流路系が形成さ
れ、圧電アクチュエータ４と振動板３とから、圧力発生
室２内のインクに圧力波を加える振動系が構成され、流
路系と振動系との接点が、圧力発生室２の底面（すなわ
ち、振動板３の図中上面）となっている。

【００４３】この実施例のヘッド製造工程では、図１
（ｂ）に示すように、複数のノズル７が列状に又は千鳥
状に配列穿孔されたノズルプレート７ａと、共通インク
室５の空間部が形成されたプールプレート５ａと、イン
ク供給孔６が穿孔された供給孔プレート６ａと、複数の
圧力発生室２の空間部が形成された圧力発生室プレート
２ａと、複数の振動板３を構成する振動プレート３ａと
を予め用意した後、これらのプレート２ａ，３ａ，５ａ
〜７ａを厚さ約２０μｍの図示せぬエポキシ系接着剤層
を用いて接着接合して積層プレートを作成し、次に、作
成された積層プレートと圧電アクチュエータ４とをエポ
キシ系接着剤層を用いて接合することで、上記構成のイ
ンクジェット記録ヘッドを製造することが行われる。な
お、この例では、振動プレート３ａには、電鋳（エレク
トロフォーミング）で成形された厚さ５０〜７５μｍの
ニッケル板が用いられるのに対し、他のプレート２ａ，
５ａ〜７ａには、厚さ５０〜７５μｍのステンレス板が
用いられる。

【００４４】次に、図２及び図３を参照して、この例の
インクジェット記録装置を構成して、上記構成のインク
ジェット記録ヘッドを駆動する駆動回路の電気的構成に
ついて説明する。この例のインクジェット記録装置は、
図示せぬＣＰＵ（中央処理装置）やＲＯＭやＲＡＭ等の
メモリを有している。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプ
ログラムを実行して、ＲＡＭに確保された各種レジスタ
やフラグを用いて、インターフェイスを介してパーソナ
ル・コンピュータ等の上位装置から供給された印字情報
に基づいて、記録紙上に文字や画像を印刷するために、
装置各部を制御する。

【００４５】まず、図２の駆動回路は、所定の駆動波形
信号を発生して電力増幅した後、印字情報に対応する所
定の圧電アクチュエータ４，４，…に供給して駆動する
ことにより、滴径が常に略同じインク滴１を吐出させ
て、記録紙上に文字や画像を印字させるもので、波形発
生回路２１と、電力増幅回路２２と、圧電アクチュエー
タ４，４，…と１対１に接続された複数個のスイッチン
グ回路２３，２３，…とから概略構成されている。波形
発生回路２１は、デジタル・アナログ変換回路と積分回
路とから構成され、ＣＰＵによりＲＯＭの所定の記憶エ
リアから読み出された駆動波形データをアナログ変換し
た後、積分処理して駆動波形信号を生成する。電力増幅
回路２２は、波形発生回路２１から供給された駆動波形
信号を電力増幅して電圧波形信号として出力する。スイ
ッチング回路２３は、入力端が電力増幅回路２２の出力
端に接続され、出力端が対応する圧電アクチュエータ４
の一端に接続され、制御端に、図示せぬ駆動制御回路か
ら出力される印字情報に対応する制御信号が入力される
と、スイッチオンとなって、対応する電力増幅回路２２
から出力される電圧波形信号を圧電アクチュエータ４に
印加する。圧電アクチュエータ４は、このとき、印加さ
れる電圧波形信号に応じた変位を振動板３に与え、振動
板３の変位により、圧力発生室２に体積変化を生じさせ
て、インクが充填された圧力発生室２に所定の圧力波を
発生させ、この圧力波によってノズル７から所定の滴径
のインク滴１を吐出させる。吐出したインク滴は、記録
紙等の記録媒体上に着弾し、記録ドットを形成する。こ
のような記録ドットの形成を印字情報に基づいて繰り返
し行うことにより、記録紙上に文字や画像が２値記録さ
れる。

【００４６】次に、図３の駆動回路は、ノズルから吐出
するインク滴の径を多段階（この例では、滴径４０μｍ
程度の大滴、３０μｍ程度の中滴、２０μｍ程度の小滴
の３段階）に切り替えて、多階調で記録紙上に文字や画
像を印字させる、いわゆる滴径変調型の駆動回路であ
り、滴径に応じた３種類の波形発生回路３１ａ，３１
ｂ，３１ｃと、これらの波形発生回路３１ａ，３１ｂ，
３１ｃと１対１に接続された電力増幅回路３２ａ，３２
ｂ，３２ｃと、圧電アクチュエータ４，４，…と１対１
に接続された複数個のスイッチング回路３３，３３，…
とから概略構成されている。波形発生回路３１ａ〜３１
ｃは、いずれも、デジタル・アナログ変換回路と積分回
路とから構成され、これらの波形発生回路３１ａ〜３１
ｃのうち、波形発生回路３１ａは、ＣＰＵによりＲＯＭ
の所定の記憶エリアから読み出された大滴吐出用の駆動
波形データをアナログ変換した後、積分処理して大滴吐
出用の駆動波形信号を生成する。波形発生回路３１ｂ
は、ＣＰＵによりＲＯＭの所定の記憶エリアから読み出
された中滴吐出用の駆動波形データをアナログ変換した
後、積分処理して中滴吐出用の駆動波形信号を生成す
る。また、波形発生回路３１ｃは、ＣＰＵによりＲＯＭ
の所定の記憶エリアから読み出された小滴吐出用の駆動
波形データをアナログ変換した後、積分処理して小滴吐
出用の駆動波形信号を生成する。電力増幅回路３２ａ
は、波形発生回路３１ａから供給された大滴吐出用の駆
動波形信号を電力増幅して大滴吐出用の電圧波形信号と
して出力する。電力増幅回路３２ｂは、波形発生回路３
１ｂから供給された中滴吐出用の駆動波形信号を電力増
幅して中滴吐出用の電圧波形信号として出力する。ま
た、電力増幅回路３２ｃは、波形発生回路３１ｃから供
給された小滴吐出用の駆動波形信号を電力増幅して小滴
吐出用の電圧波形信号として出力する。

【００４７】また、スイッチング回路３３は、図示せぬ
第１，第２，第３のトランスファ・ゲートから構成さ
れ、第１のトランスファ・ゲートの入力端が電力増幅回
路３２ａの出力端に接続され、第２のトランスファ・ゲ
ートの入力端が電力増幅回路３２ｂの出力端に接続さ
れ、第３のトランスファ・ゲートの入力端が電力増幅回
路３２ｃの出力端に接続され、第１，第２，第３のトラ
ンスファ・ゲートの出力端が対応する共通の圧電アクチ
ュエータ４の一端に接続されている。そして、図示せぬ
駆動制御回路から出力される印字情報に対応する階調制
御信号が第１のトランスファ・ゲートの制御端に入力さ
れると、第１のトランスファ・ゲートがオンとなって、
電力増幅回路３２ａから出力される大滴吐出用の電圧波
形信号を圧電アクチュエータ４に印加する。圧電アクチ
ュエータ４は、このとき、印加される電圧波形信号に応
じた変位を振動板３に与え、この振動板３の変位によ
り、圧力発生室２を急激に体積変化（増加・減少）させ
て、インクが充填された圧力発生室２に所定の圧力波を
発生させ、この圧力波によってノズル７から大滴のイン
ク滴１を吐出させる。駆動制御回路から出力される印字
情報に対応する階調制御信号が第２のトランスファ・ゲ
ートの制御端に入力されると、第２のトランスファ・ゲ
ートが、オンとなって電力増幅回路３２ｂから出力され
る中滴吐出用の電圧波形信号を圧電アクチュエータ４に
印加する。圧電アクチュエータ４は、このとき、印加さ
れる電圧波形信号に応じた変位を振動板３に与え、振動
板３の変位により、圧力発生室２を体積変化させて、イ
ンクが充填された圧力発生室２に所定の圧力波を発生さ
せ、この圧力波によってノズル７から中滴のインク滴１
を吐出させる。また、駆動制御回路から出力される印字
情報に対応する階調制御信号が第３のトランスファ・ゲ
ートの制御端に入力されると、第３のトランスファ・ゲ
ートがオンとなって電力増幅回路３２ｃから出力される
小滴吐出用の電圧波形信号を圧電アクチュエータ４に印
加する。圧電アクチュエータ４は、このとき、印加され
る電圧波形信号に応じた変位を振動板３に与え、振動板
３の変位により、圧力発生室２に体積変化を生じさせ
て、インクが充填された圧力発生室２内に所定の圧力波
を発生させ、この圧力波によってノズル７から小滴のイ
ンク滴１を吐出させる。吐出したインク滴は、記録紙等
の記録媒体上に着弾し、記録ドットを形成する。このよ
うな記録ドットの形成を印字情報に基づいて繰り返し行
うことにより、記録紙上に文字や画像が多階調記録され
る。この実施例では、２値記録専用のインクジェット記
録装置には、図２の駆動回路が組み込まれ、階調記録も
行うインクジェット記録装置には、図３の駆動回路が組
みまれる。

【００４８】図４は、この実施例のノズル７の形状（イ
ンク供給孔６も同一形状）を示す断面図、また、図５及
び図６は、同実施例における流路径全体のイナータンス
ｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔとの関係を示すグラフで、図６は、
縦軸に流路径全体の音響抵抗ｒ_Ｔの上限／下限の比をと
って、図５を書き直したものである。ここで、流路系全
体のイナータンスｍ_Ｔとは、インク充填状態におけるノ
ズル７とインク供給路６と圧力発生室２とのイナータン
スの総和のことであり、同様に、流路径全体の音響抵抗
とは、インク充填状態におけるノズル７とインク供給路
６と圧力発生室２との音響抵抗の総和のことである。こ
の例のノズル７は、厚さ略７０μｍのステンレス板に精
密プレス加工により穿孔して、開口径略３０μｍの円形
開口とされ、かつ、図４に示すように、内部形状が、テ
ーパ角略１５度、裾径略６７μｍ、長さ略７０μｍのテ
ーパ形状とされている。また、インク供給孔６も、ノズ
ル７と同一形状とされている。なお、この実施例では、
表面張力が３３ｍＮ／ｍ、粘度が２０℃において４．５
ｍＰａ・ｓとなるように調整されたインクが用いられ
る。このインクは、１０〜３５℃の環境温度変化で約
２．１倍の粘度変化が生じる。

【００４９】この例のインクジェット記録ヘッドは、環
境温度が室温（２０℃）のときは、図５に示すように、
ヘッド流路径全体のイナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔと
の組み合わせが○プロットの位置を占め、環境温度が１
０〜３５℃の範囲で変化しても、音響抵抗の総和ｒ_Ｔが
常に上限値と下限値の間に位置するように設定されてい
る。したがって、同図からわかるように、１０〜３５℃
の温度範囲全域にわたって、目標リフィル時間（１００
μｓ以下）の確保とオーバーシュートの抑制（１０μｍ
以下）とを両立させることができる。

【００５０】次に、上記のように、ノズル７及びインク
供給孔６の形状、及びインクの粘度が決定されるに到っ
た具体的手順について述べる。図５は、滴径４０μｍ、
吐出周波数１０ｋＨｚ，許容オーバーシュート量１０μ
ｍ、インク表面張力３３ｍＮ／ｍ、ノズル開口径３０μ
ｍの条件で、流路径全体の音響抵抗及びイナータンスｍ
_Ｔの許容範囲を求めた結果を示している。上記したよう
に、この例で使用するインクは、１０〜３５℃の環境温
度変化で約２．１倍の粘度変化が生じるので、これに伴
い、流路径全体の音響抵抗ｒ_Ｔも１０〜３５℃の環境温
度変化で２．１倍変化することになる。したがって、流
路径全体の音響抵抗ｒ_Ｔの許容範囲（上限と下限の比）
がこの２．１倍の変化を許容できなければ、環境温度変
化に対応できない、ということになる。図６から明らか
なように、流路径全体のイナータンスｍ_Ｔが減少するほ
ど、上限と下限の比は大きくなる傾向にあり、流路径全
体のイナータンスｍ_Ｔ＜１．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４で上
限と下限の比は２．１以上となる。それゆえ、流路径全
体の音響抵抗ｒ_Ｔの２．１倍の変化を許容できるように
するためには、流路径全体のイナータンスｍ _Ｔを１．５
×１０^８ｋｇ／ｍ^４以下に設定すれば良いことがわか
る。

【００５１】次に、このように決定された流路径全体の
イナータンスｍ_Ｔを、ノズル７、インク供給孔６、及び
圧力発生室２の三つに分配する。まず、圧力発生室２の
イナータンスは、圧力発生室２の形状によって変化する
が、最大インク滴径を３８〜４３μｍ、圧力波の固有周
期を１０〜２０μｓ程度に設定しようとした場合、圧力
発生室２のイナータンスは、通常０．４〜０．６×１０
^８ｋｇ／ｍ^４程度となる。この実施例の場合、圧力発生
室２の形状は幅３２０μｍ、高さ１４０μｍ、長さ２．
５ｍｍであるため、圧力発生室２のイナータンスは０．
５６×１０^８ｋｇ／ｍ^４となる。したがって、流路径全
体のイナータンスｍ_Ｔを１．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４とす
るためには、ノズル７のイナータンスとインク供給孔６
のイナータンスの和を、０．９４×１０^８ｋｇ／ｍ^４と
する必要があるが、ノズル７とインク供給孔６とは略同
一形状であるので、両者のイナータンスは略同等に設定
されるべきであり、それゆえ、それぞれのイナータンス
の上限値は０．４７×１０ ^８ｋｇ／ｍ^４と決定される。

【００５２】ところで、ノズル７及びインク供給孔６の
イナータンスを減少させるには、流路径（流路断面積）
の増加及び流路長さの減少が有効である。しかし、ノズ
ル７の開口径が増加すれば、滴速の低下や微小滴吐出時
の安定性低下等の悪影響が生じやすくなるため、ノズル
開口径を極端に増加させることは好ましくない。また、
ノズル長さが短ければ、吐出直後にヘッド内部に気泡を
巻き込みやすくなるため、ノズル長さを極端に短く設定
することも好ましくない。一方、滴径約３８〜４３μｍ
のインク滴を滴速６〜１０ｍ／ｓ程度で安定吐出させる
には、ノズル開口径は、２５〜３２μｍ程度、ノズル長
さは７０〜１００μｍ程度が最適であることがわかって
いる。こうした条件のもとで、ノズル７のイナータンス
を減少させるためには、テーパ角を増加させることが最
も有効な手段となる。そこで、この実施例では、ノズル
径を３０μｍ、ノズル長さを７０μｍ、テーパ角を１５
度とすることによって、ノズル７のイナータンスを目標
値の０．４４×１０^８ｋｇ／ｍ^４とした。

【００５３】なお、テーパ角の最適値はノズル径、ノズ
ル長さ、圧力発生室のイナータンス等によって変化する
が、上述のように、ノズル開口径は２５〜３２μｍ程
度、ノズル長さは、７０〜１００μｍ程度が最適であ
り、また、圧力発生室２のイナータンスも大幅に増減す
ることは困難であることを考えると、最適なテーパ角は
１０度以上である。しかしながら、テーパ角が４５度を
越えるのは、気泡の巻き込み及びノズル強度の観点から
好ましくない。なお、この実施例では、インク供給孔６
についても、ノズル７と同等のイナータンスとなるよう
に、ノズル７と同一形状としたことは上述した通りであ
る。

【００５４】流路径全体のイナータンスｍ_Ｔ設定が終わ
ったら、次にインク粘度の設定を行う。具体的には、イ
ナータンスｍ_Ｔ＝１．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４での音響抵
抗ｒ _Ｔの下限値（４．９×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５）に音響
抵抗ｒ_Ｔが設定されるように、環境温度３５℃における
インク粘度を算出する。この実施例では、インク粘度を
３．０ｍＰａ・ｓに設定すると、音響抵抗ｒ_Ｔが下限値
（４．９×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５）と略一致し、これが最
高温度(３５℃)時における最適なインク粘度となる。し
たがって、最低温度（１０℃）時のインク粘度は、最高
温度時の粘度の２．１倍、すなわち６．３ｍＰａ・ｓと
なり、その際の音響抵抗ｒ_Ｔは１０．１×１０^１２Ｎｓ
／ｍ^５となる。これは、音響抵抗ｒ_Ｔの上限値以下であ
り、最低温度時にも目標リフィル時間の確保が可能とな
る。なお、この場合、室温（２０℃）でのインク粘度は
略４．５ｍＰａ・ｓとなり（２０℃の粘度は１０℃の粘
度の約１．５倍）、２０℃における音響抵抗ｒ_Ｔは７．
２×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５となる。

【００５５】このように、ノズル７及びインク供給孔６
をテーパ角１５度のテーパ形状に設定し、インク粘度を
略４．５ｍＰａ・ｓ（２０℃）に設定することにより、
装置使用温度範囲の全域にわたってリフィル時間の確保
とオーバーシュート抑制が可能になる。実際に、この実
施例のインクジェット記録ヘッドのリフィル特性評価を
実施したところ、最低温度（１０℃）時にはリフィル時
間が９８μｓ、オーバーシュート量が２．１μｍであ
り、最高温度（３５℃）時にはリフィル時間が、６４μ
ｓ、オーバーシュート量が９．７μｍであった。すなわ
ち、装置使用温度範囲の全域にわたって、オーバーシュ
ートを抑制（１０μｍ以下）でき、同時に、目標駆動周
波数（１０ｋＨｚ）も実現できることが確認できた。

【００５６】◇第２実施例 図７は、この発明の第２実施例であるノズルの形状（イ
ンク供給孔も同一形状）を示す断面図である。この第２
実施例の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異な
るところは、第１実施例のノズル７及びインク供給孔６
（図４）が、内部形状全体がテーパ形状になされている
のに対して、この第２実施例のノズル７ａ及びインク供
給孔６ａでは、図７に示すように、圧力発生室２側に向
かって徐々に増加するテーパ部７１ａ，６１ａのほか、
開口部付近にストレート部７１ｂ，６１ｂを設けるよう
にした点、及びテーパ角を、１０度以上に変えて、１５
〜４５度に設定するようにした点である。

【００５７】この第２実施例のノズル７ａ及びインク供
給孔６ａでは、開口径を３０μｍ、ストレート部７１
ｂ，６１ｂの長さを１０μｍ、全長を７０μｍ、テーパ
角を２５度に設定され、これにより、これら各部のイナ
ータンスが０．４４×１０^８ｋｇ／ｍ^４に調整されてい
る。したがって、圧力発生室２のイナータンス（０．５
６×１０^８ｋｇ／ｍ^４）を加えると、流路径全体のイナ
ータンスｍ_Ｔは１．４３×１０^８ｋｇ／ｍ^４となり、図
６から得られる流路径全体のイナータンスｍ_Ｔの上限値
（１．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４）以下の数値に収まる。な
お、テーパ角の最適値は、上記したように、ストレート
部長さ、ノズル径、ノズル長さ等に依存するが、最適ノ
ズル開口径やノズル強度や気泡の巻き込み防止等を考慮
すると、実用的な形状（ストレート部長さ１０〜２０μ
ｍ程度）では、最適なテーパ角は１５度以上４５度以下
となる。

【００５８】次に、環境温度３５℃におけるインク粘度
を、２．３ｍＰａ・ｓに調整すれば、流路径全体のイナ
ータンスｍ_Ｔ＝１．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４での音響抵抗
ｒ_Ｔの下限値（４．９×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５）に一致さ
せることができ、これが最高温度（３５℃）時における
最適インク粘度となる。したがって、最低温度（１０
℃）でのインク粘度は４．８ｍＰａ・ｓとなる。また、
室温（２０℃）でのインク粘度は約３．５ｍＰａ・ｓと
なり、音響抵抗ｒ_Ｔは７．３×１０^１２Ｎｓ／ｍ ^５とな
る。

【００５９】このように、ノズル７ａ及びインク供給孔
６ａの開口径を３０μｍ、ストレート部７１ｂ，６１ｂ
の長さを１０μｍ、テーパ角を２５度とし、インク粘度
を略３．５ｍＰａ・ｓ（２０℃）に設定することによ
り、装置使用温度範囲の全域にわたって目標リフィル時
間（１００μｓ）を確保でき、同時に、オーバーシュー
ト抑制（１０μｍ以下）も達成できる。また、ノズル７
ａ及びインク供給孔６ａに、ストレート部７１ｂ，６１
ｂを設けるようにしたので、製造時における開口径のば
らつきを低減でき、ひいては、各ノズル間やヘッド間で
の特性のばらつきを抑制できる。

【００６０】実際に、この第２実施例のインクジェット
記録ヘッドのリフィル特性評価を実施したところ、最低
温度（１０℃）時にはリフィル時間が９６μｓ、オーバ
ーシュート量が２．５μｍであり、最高温度（３５℃）
時にはリフィル時間が６２μｓ、オーバーシュート量が
９．８μｍであった。すなわち、装置使用温度範囲の全
域にわたって、過度のオーバシュートが発生することな
く、目標駆動周波数（１０ｋＨｚ）で安定して動作する
ことを確認できた。

【００６１】◇第３実施例 図８は、この発明の第３実施例であるノズルの形状（イ
ンク供給孔も同一形状）を示す断面図である。この第３
実施例では、ノズル７ｂ及びインク供給孔６ｂの径が、
圧力発生室２側に向かって徐々に増加し、ノズル７ｂ及
びインク供給孔６ｂの縦断面が、該ノズル７ｂ及びイン
ク供給孔６ｂの長さと略同等の半径を有するＲ形状とさ
れていると共に、ノズル７ｂ及びインク供給孔６ｂの長
さが５０〜１００μｍ（好ましくは、７０〜１００μ
ｍ）に設定されているのが特徴である。この例のノズル
７ｂ及びインク供給孔６ｂは、電鋳（エレクトロフォー
ミング）によって作成される。

【００６２】この例のノズル７ｂ及びインク供給孔６ｂ
では、開口径が３０μｍ、長さが７０μｍに設定され
て、これら各部のイナータンスが共に０．４４×１０^８
ｋｇ／ｍ^４となっている。したがって、圧力発生室２の
イナータンス（０．５６×１０ ^８ｋｇ／ｍ^４）を加える
と、流路系全体のイナータンスｍＴは１．４３×１０^８
ｋｇ／ｍ^４となり、図６から明らかなように、流路系全
体のイナータンスｍ_Ｔの上限値以下の数値に収まる。な
お、ノズルの開口径を２５〜３２μｍとした場合、必要
なイナータンスを得るためには、ノズル長さを１００μ
ｍ以下に設定する必要がある。

【００６３】次に、環境温度３５℃におけるインク粘度
を、２．２ｍＰａ・ｓに調整すれば、流路径全体のイナ
ータンスｍ_Ｔ＝１．５×１０^８ｋｇ／ｍ^４での音響抵抗
ｒ_Ｔの下限値（４．９×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５）に一致さ
せることができ、これが最高温度（３５℃）時における
最適インク粘度となる。したがって、最低温度（１０
℃）でのインク粘度は最高温度時の粘度の２．１倍、す
なわち４．６ｍＰａ・ｓとなり、その際の音響抵抗ｒ_Ｔ
は１０．０×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５となる。これは、音響
抵抗ｒ_Ｔの上限値以下であり、最低温度時にも目標リフ
ィル時間の確保が可能となる。なお、この場合、室温
（２０℃）でのインク粘度は略３．３ｍＰａ・ｓとな
り、その際の音響抵抗ｒ_Ｔは７．２×１０^１２Ｎｓ／ｍ
^５となる。

【００６４】このように、ノズル７ｂ及びインク供給孔
６ｂの開口径を３０μｍ、長さ７０μｍのＲ形状とし、
インク粘度を約３．３ｍＰａ・ｓ（２０℃）に設定する
ことにより、装置使用温度範囲の全域にわたって目標リ
フィル時間（１００μｓ）を確保でき、同時に、オーバ
ーシュート抑制（１０μｍ以下）も達成できる。

【００６５】実際に、この第３実施例のインクジェット
記録ヘッドのリフィル特性評価を実施したところ、最低
温度（１０℃）時にはリフィル時間が９８μｓ、オーバ
ーシュート量が２．０μｍであり、最高温度（３５℃）
時にはリフィル時間が６５μｓ、オーバーシュート量が
９．６μｍであった。すなわち、装置使用温度範囲の全
域にわたって、過度のオーバシュートが発生することな
く、目標駆動周波数（１０ｋＨｚ）で安定して動作する
ことを確認できた。

【００６６】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、ノズルや
インク供給孔の形状は、テーパ形状やＲ形状に限らな
い。同様に、開口形状は、円形形状に限らず、長方形や
三角形やその他の形状でも良い。また、共通インク供給
室にプールされているインクを圧力発生室に移動させる
インク供給路としては、板体に穿孔されたインク供給孔
に限らず、筒状の又は管状のインク供給路でも良い。ま
た、ノズル、圧力発生室、インク供給孔のそれぞれの位
置関係も、この実施例で示した構造に限定されるもので
はなく、例えば、ノズルを圧力発生室の中央部等に配置
しても勿論良い。

【００６７】また、上述の実施例では、互いに同一形状
のノズル７とインク供給孔６とを用たが、必ずしも、同
一形状である必要はなく、インク供給孔の形状はいかな
る形状でもかまわない。インク供給孔では径や長さに大
きな制約がないため、ノズルに比べると形状の自由度は
高い。例えば、インク供給孔を径４５μｍのストレート
形状（テーパ角０度）とし、長さを７０μｍとしても、
上述の第１実施例において目標とするイナータンス０．
４４×１０^８ｋｇ／ｍ^４を得ることができる。

【００６８】また、上述の実施例では、インク供給孔の
イナータンスを、ノズルのそれと同等に設定したが、こ
れに限らず、流路径全体として、目標のイナータンスが
得られれば良いのであるから、吐出効率の面から考える
と、ノズル７のイナータンスをインク供給孔６のイナー
タンスよりも小さく設定することが望ましい。何故な
ら、ノズル７のイナータンスがインク供給孔６よりも大
きければ、圧力波のエネルギーがインク供給孔６側に逃
げる量が増大し、吐出効率が低下してしまうからであ
る。しかし、製造上の便宜を考慮するなら、上述の実施
例で述べたと同様に、両者のイナータンスを略同等に設
定するようにしても良い。

【００６９】また、上述の実施例では、この発明を、カ
イザー型インクジェット記録ヘッドに適用した場合につ
いて述べたが、圧力発生手段によって圧力発生室内に圧
力変化を生じさせることにより、ノズルからインク滴を
吐出させるインクジェット記録ヘッドである限り、カイ
ザー型インクジェット記録ヘッドに限定されない。同様
に、圧力発生手段として、圧電アクチュエータのほか、
別種の電気機械変換素子や磁歪素子や電気熱変換素子を
用いても良い。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の構成に
よれば、装置使用時の環境温度が、１０〜３５℃程度の
範囲で変化しても、常に、目標リフィル時間（約１００
μｓ）を確保できると共に、オーバーシュートも約１０
μｍ以下に抑制できるので、高速動作時でも、インク滴
径に高い精度及び安定性を確保できる。それゆえ、高
速、かつ（滴径変調による）高画質のインクジェット階
調記録を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、この発明の第１実施例で用いられる
インクジェット記録ヘッドの構成を示す断面図、（ｂ）
は、同インクジェット記録ヘッドを分解して示す分解断
面図である。

【図２】同インクジェット記録ヘッドを２値で駆動する
滴径非変調型駆動回路の電気的構成を示すブロック図で
ある。

【図３】同インクジェット記録ヘッドを多階調で駆動す
る滴径変調型駆動回路の電気的構成を示すブロック図で
ある。

【図４】同インクジェット記録ヘッドを構成するノズル
の形状（インク供給孔も同一形状）を示す断面図であ
る。

【図５】同実施例における流路径全体のイナータンスｍ
_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔとの関係を示すグラフである。

【図６】同実施例における流路径全体のイナータンスｍ
_Ｔと音響抵抗ｒ_Ｔとの関係を示すグラフである。

【図７】この発明の第２実施例であるノズルの形状（イ
ンク供給孔も同一形状）を示す断面図である。

【図８】この発明の第３実施例であるノズルの形状（イ
ンク供給孔も同一形状）を示す断面図である。

【図９】図９は、この発明の理論的妥当性について説明
するための図で、リフィル動作時におけるインクジェッ
ト記録ヘッドの等価回路図である。

【図１０】この発明の理論的妥当性について説明するた
めの図で、流路径全体のイナータンスｍ_Ｔと音響抵抗ｒ
_Ｔとの関係を示すグラフである。

【図１１】従来技術を説明するための図で、オンデマン
ド型インクジェット記録ヘッドのうち、カイザー型と呼
ばれるインクジェット記録ヘッドの基本構成を概略示す
断面図である。

【図１２】従来技術を説明するための図で、上述のイン
ク滴吐出過程において、ノズル部のメニスカスがどのよ
うに変化するかを示す断面図である。

【図１３】従来技術を説明するための図で、インク滴吐
出後におけるメニスカス位置の時間的変動を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ インク滴 ２ 圧力発生室 ３ 振動板 ４ 圧電アクチュエータ（圧力発生手段） ５ 共通インク室（インク供給室） ６，６ａ，６ｂ インク供給孔（インク供給路） ７，７ａ，７ｂ ノズル ６１ａ，７１ａ テーパ部 ６１ｂ，７１ｂ ストレート部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが充填される圧力発生室と、該圧
   力発生室に圧力を発生させる圧力発生手段と、前記圧力
   発生室にインクを供給するためのインク供給室と、該イ
   ンク供給室と前記圧力発生室とを連通させるためのイン
   ク供給路と、前記圧力発生室に連通されるノズルとを備
   え、前記圧力発生手段によって前記圧力発生室内に圧力
   変化を生じさせることにより、前記ノズルからインク滴
   を吐出させるインクジェット記録ヘッドであって、イン
   ク充填状態における前記ノズルと前記インク供給路と前
   記圧力発生室とのイナータンスの総和ｍ_Ｔ及び音響抵抗
   の総和ｒ_Ｔ（温度略２０℃での値）が、それぞれ式
   （１），（２）を満たすように、前記ノズル、前記イン
   ク供給路、及び前記圧力発生室の形状が設定されている
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 【数１】 ０＜ｍ_Ｔ＜１．９×１０^８［ｋｇ／ｍ^４］ …（１） 【数２】 ４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０^１２［Ｎｓ／ｍ^５］ …（２）
2. 【請求項２】 前記ノズルが、前記圧力発生室側に向か
   って径が徐々に増加するテーパ部を有すると共に、該テ
   ーパ部のテーパ角が１０〜４５度であることを特徴とす
   る請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 前記ノズルが、開口部付近に設けられた
   ストレート部と前記圧力発生室側に向かって徐々に増加
   するテーパ部とからなると共に、該テーパ部のテーパ角
   が１５〜４５度であることを特徴とする請求項１記載の
   インクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】 前記ノズルの径が、前記圧力発生室側に
   向かって徐々に増加し、前記ノズルの縦断面が該ノズル
   の長さと略同等の半径を有する曲線形状であると共に、
   前記ノズルの長さが５０〜１００μｍであることを特徴
   とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 【請求項５】 前記ノズルの開口径が、２５〜３２μｍ
   であることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の
   インクジェット記録ヘッド。
6. 【請求項６】 前記インク供給路は、前記インク供給室
   と前記圧力発生室とを連通させるためのインク供給孔で
   あることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記
   録ヘッド。
7. 【請求項７】 前記インク滴の最大滴径が３８〜４３μ
   ｍに設定されていることを特徴とする請求項１記載のイ
   ンクジェット記録ヘッド。
8. 【請求項８】 表面張力が、２５〜３５ｍＮ／ｍに設定
   されたインクを使用することを特徴とする請求項１記載
   のインクジェット記録ヘッド。
9. 【請求項９】 インク充填状態における前記ノズルと前
   記インク供給路と前記圧力発生室との前記音響抵抗の総
   和ｒ_Ｔ（温度略２０℃での値）が、式（３）を満たすよ
   うに、粘度が設定されているインクを使用することを特
   徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。 【数３】 ４．０×１０^１２＜ｒ_Ｔ＜１１．０×１０^１２［Ｎｓ／ｍ^５］ …（３）
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１に記載の
    インクジェット記録ヘッドを搭載してなることを特徴と
    するインクジェット記録装置。