JP2004168045A - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インク吐出動作の安定性と印刷速度の高速化の両立を図る。
【解決手段】 ノズル１４と圧力発生室１６とからなる流路がインク充填状態にあるときの流路内のインクの慣性をＭ、流路内のインクの粘性抵抗をＲ、ノズルにおけるインクメニスカスの復帰力をＫとしたとき、ルート（Ｋ／Ｍ）をωとし、（Ｒ／２Ｍ）をγとすると、０．２≦γ^２／ω^２≦１．０の関係を満たすように、インクの物性及び流路の形状を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オンディマインド方式のインクジェットヘッド及びこのヘッドを搭載したインクジェット記録装置に関する。

インクが充填された圧力発生室内の圧力を圧電部材への電圧印加によって変化させて、該圧力発生室に連通したノズルの開口からインク滴を吐出させるオンディマンド方式のインクジェットヘッドが知られている。しかしながら、この方式は，インク吐出動作の安定性を高めるとともに印刷速度の高速化を図ることは困難であった。ここで、吐出動作の安定性とは、吐出するインク滴の速度や体積の変動が少ない性質のことである。この吐出動作の安定性を確保するためには、インク吐出動作の開始時に、ノズル内のインクのメニスカス位置の変動を少なくし，メニスカス位置をノズルの開口付近に安定させることが要求される。

一方、印刷速度を速めるには、インクが吐出する周波数を高めればよい。インク吐出の駆動周波数を高めるためには、インクの吐出動作によって後退したメニスカスが元の位置に復帰する速度、すなわちメニスカス復帰速度を向上させる必要がある。しかし、メニスカス復帰速度を向上させると、メニスカスの復帰に伴うインクの流れの慣性によって、メニスカスがノズルの開口よりオーバーシュートしてしまう。このため、メニスカス位置がノズルの開口付近で不安定になりやすい。メニスカス位置が不安定な状態でインク吐出動作が開始されると、吐出速度や吐出体積がばらついたり、場合によっては不吐出現象が発生したりして、吐出動作の安定性が損なわれやすい。このように、メニスカス位置の安定化と、メニスカス復帰速度の向上を互いに両立させることは難しかった。

このような問題を解決するべく、従来、インクの物性とインク流路の形状との関係を数値的に規定し、目標とする印字速度を実現させるために最大の駆動周波数を１０ｋＨｚとした場合に、環境温度が変化してもメニスカス位置の安定化とメニスカス復帰速度の向上を両立させるようにした技術が特許文献に開示されている。（例えば、特許文献１参照）
しかし、この特許文献に開示された従来技術においては、目標とする最大の駆動周波数を１０ｋＨｚよりさらに高めようとした場合、メニスカスのオーバーシュートが大きく発生することが、本発明者のシミュレーションによって判明した。

すなわち本発明者は、この従来技術に示されている数値範囲内の特性値として下記の数値を用いて、１滴のインク吐出させる動作のシミュレーションを行なった。

イナータンスの総和ｍＴ＝９．８×１０^７［ｋｇ／ｍ^４］
音響抵抗の総和ｒＴ＝６．７×１０^１２［Ｎｓ／ｍ^５］
インクの表面張力＝３０［ｍＮ／ｍ］
このシミュレーションにより、インク吐出動作終了後のメニスカス位置の変動を求めると、図１２の実線Ｐで示す結果が得られた。

なお、図１２の縦軸のメニスカス体積位置ｖ（ｔ）とは、メニスカスの位置を体積で表記したものである。なお、図１３（ａ）に示すように、インク１のメニスカスがノズル２の開口２ａより後退している場合は、ノズル２の開口２ａより内部の空気の体積Ｖｉをメニスカス体積位置の負の値とする。また、同図（ｂ）に示すように、インク１のメニスカスがノズル２の開口２ａより前進している場合は、ノズル２の開口２ａより突出している分のインク体積Ｖｏをメニスカス体積位置の正の値としたものである。

図１２において、点線Ｓ１，Ｓ２は、次のインク吐出動作の開始時に動作の安定性に支障をきたさないメニスカス体積位置ｖ（ｔ）の許容範囲を示したものである。通常に用いられる印刷条件の場合、吐出体積に対して±５％以内であれば吐出安定性が得られる。ここで、この±５％の根拠は、当業者によって、画質が衰えない許容限界と見なされている数値範囲である。

したがって、図１２から明らかなように、この従来技術に示されたインクジェットヘッドは、インク吐出後のメニスカスのオーバーシュートが大きく、メニスカスの変動が規定の許容範囲内に収まるまでの時間、すなわちメニスカス復帰時間が長い。このため、安定な吐出動作を確保しつつ、インクを吐出させるための駆動周波数を向上させることは困難である。

ところで、階調印刷を行なう技術として、複数の小インク滴を連続的に吐出させる技術が従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。そこで本発明者は、この技術を先に述べた従来技術のインクジェットヘッドに適用し、階調印刷を行う場合における最大ドット径に相当する７滴のインク滴を連続的に吐出した場合の吐出動作のシミュレーションも行ない、インク吐出動作終了後のメニスカス位置の変動を求めた。その結果、図１２の二点鎖線Ｑで示す結果が得られた。

図１２に示されたように、複数の小インク滴を連続的に吐出させた場合には、１滴のみインクを吐出させた場合よりメニスカス復帰速度が大きくなるため、インク吐出後のメニスカスのオーバーシュートは１滴のみ吐出の場合よりさらに顕著である。したがって、複数の小インク滴を連続的に吐出させて階調印刷を行なう場合、メニスカス復帰時間の短縮はさらに困難である。
特開２０００―１１７９７２号公報 特開２００２―１９１０３号公報

このように、従来のこの種のインクジェットヘッドにおいては、インク吐出動作の安定性を高めるとともに印刷速度の高速化、すなわち高い駆動周波数でインクを吐出させることが困難であった。

本発明の目的は、インク吐出動作の安定性を高めるととともに高い駆動周波数でインクを吐出させることができるインクジェットヘッド及びこのヘッドを搭載したインクジェット記録装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決しその目的を達成するために、インクを吐出させるためのノズルとこのノズルに連通する圧力発生室とからなる複数の流路と、各流路にインクを供給する共通インク室と、各流路の圧力発生室内に充填されたインクに圧力変化を与えてノズルからインク滴を吐出させる圧力発生手段とを設けたインクジェットヘッドにおいて、流路がインク充填状態にあるときの流路内のインクの慣性をＭ、流路内のインクの粘性抵抗をＲ、ノズルにおけるインクメニスカスの復帰力をＫとしたとき、ルート（Ｋ／Ｍ）をωとし、（Ｒ／２Ｍ）をγとすると、０．２≦γ^２／ω^２≦１．０の関係を満たすように、インクの物性及び流路の形状を設定したものである。

以上詳述したように本発明によれば、インク吐出動作の安定性を高めるととともに高い駆動周波数でインクを吐出させることができ、印刷速度の高速化を図ることができるインクジェットヘッド及びこのヘッドを搭載したインクジェット記録装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。はじめに、第１の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。

図１はインクジェットヘッド１０の縦断面図、図２は図１中Ｉ―Ｉの矢視断面図である。このインクジェットヘッド１０は、図示しない基板上に圧電部材からなり圧力室の容積を拡張、収縮変化させるアクチュエータ１１が固定される。このアクチュエータ１１の上に振動板１２が取付けられる。この振動板１２の上に天板１３が固定されている。また、天板１３とアクチュエータ１１との前端に、インクを吐出させるための複数のノズル１４を形成したノズルプレート１５が貼り付けられている。

ノズル１４の詳細を図３に示す。図示するように、ノズル１４は、板厚Ｌｎのノズルプレート１５の前面側に直径Ｄｏの開口を、後面側に直径Ｄｉ（Ｄｉ＞Ｄｏ）の開口をそれぞれ形成し、両開口間を連通して形成されている。

天板１３には、ノズルプレート１５に形成された各ノズル１４にそれぞれ対応して、長さＬｃ，幅Ｗｃ，高さＨで示される複数の圧力発生室１６が形成されている。各圧力発生室１６の先端はそれに対応する各ノズル１４の後端に連通している。また天板１３には、各圧力発生室１６にインクを供給するための共通インク室１７が形成されており、各圧力発生室１６の後端は共通インク室１７と連通している。共通インク室１７には、インク補給口１８が形成されている。このインク補給口１８を通って図示しないインク補給手段によりインクが供給されるようになっている。

前記アクチュエータ１１には、電極１９ａ，１９ｂが設けられている。この電極１９ａ，１９ｂに印加される電圧によってアクチュエータ１１が伸縮する。アクチュエータ１１が伸縮すると、振動板１２を介して圧力発生室１６の容積が拡張、収縮変化する。圧力室１６の容積が拡張した後に収縮する変化すると、圧力発生室１６内に充填されているインクの圧力が変化してノズル１４からインク滴が吐出される。ここに、ノズル１４とそれに対応する圧力発生室１６とは、共通インク室１７から供給されるインクの流路となっている。

図４はかかる構成のインクジェットヘッド１０を搭載したインクジェット記録装置２０の要部構成を示すブロック図である。インクジェット記録装置２０は、各部を制御するプリンタコントローラ２１と、このプリンタコントローラ２１からの印刷データを記憶する画像メモリ２２と、前記プリンタコントローラ２１によって制御され、画像メモリ２２に記憶された印刷データを読み出してヘッド駆動回路２４に転送する印刷データ転送回路２３とを備えている。ヘッド駆動回路２４は、印刷データ転送回路２３から転送される印刷データに基づいてインクジェットヘッド１０を駆動するようになっている。ヘッド駆動回路２４がインクジェットヘッド１０を駆動するときの駆動波形は、駆動波形制御回路２６によって制御される。駆動波形制御回路２６は、プリンタコントローラ２１によって制御されるようになっている。また、このプリンタコントローラ２１によって、記録媒体（図示しない）の搬送制御がされる。

第１の実施の形態において、インクジェットヘッド１０に印加される駆動波形を図５に示す。この駆動波形は、インクジェットヘッド１０の圧力発生室１６を拡張させる拡張パルス３１と、圧力発生室１６を収縮させる収縮パルス３２とからなり、インクジェットヘッド１０の電極１９ａ，１９ｂに印加されることによって、１個のインク滴の吐出動作が行なわれるようになっている。

ここで、拡張パルス３１の中心と収縮パルス３２の中心との時間差は、インクの主音響共振周期Ｔｃに合わせられている。また、拡張パルス３１のパルス幅と収縮パルス３２のパルス幅との比は、音響的な残留振動がほとんど相殺されるように調整されている。こうすることによって、インク吐出動作後のメニスカス位置の変動が残留圧力振動に乱されることがなくなり、メニスカス位置の変動は、インクの表面張力による比較的低速度の運動だけとなる。

このような構成のインクジェット記録装置に搭載されたインクジェットヘッド１０において、インク滴が吐出された後、メニスカスが復帰するまでのメニスカスの運動について、以下に説明する。

時刻ｔにおけるメニスカスの体積位置をｖ（ｔ）とすると、ｖ（ｔ）に係わる運動方程式は、次式（１）で表わされる。

ここで、メニスカス体積位置とは、図１３（ａ），（ｂ）で説明したように、インク１のメニスカスがノズル２の開口２ａより後退している場合はノズル２の開口２ａより内部の空気の体積Ｖｉをメニスカス体積位置の負の値とし、インク１のメニスカスがノズル２の開口２ａより前進している場合はノズル２の開口２ａより突出している分のインク体積Ｖｏをメニスカス体積位置の正の値としている。

式（１）において、Ｍは流路内のインクの慣性を示す。Ｍの値は、ρをインクの密度、Ｌｃを圧力発生室１６の長さ、Ｌｎをノズル１４の長さ、Ｓ（ｘ）を位置ｘにおける流路の断面積とすると、次式（２）で与えられる。

また、Ｋはメニスカスの復帰力を示し、メニスカスの体積位置をｖ、インクの表面張力によりメニスカスの表面に発生する圧力をＰｓとしたとき、次式（３）で定義される。

圧力Ｐｓは、インクの表面張力をσとし、メニスカスの曲率半径をｒとしたとき、次式（４）で計算される。

メニスカスの曲率半径ｒは、ノズルの出口径をＤｏとすると、メニスカス体積位置ｖの関数として、次式（５）で計算される。

ただし、ξは次式（６）で表わされる。

以上の式（３）〜（６）より、メニスカス復帰力Ｋは次式（７）として計算することができる。

さらに、Ｒは流路内のインクの粘性抵抗を示す。Ｒの値は、位置ｘにおける単位流量あたりの粘性圧力勾配をｒ（ｘ）とすると、次式（８）で与えられる。

インクジェットヘッド１０において、式（２）及び式（８）の右辺を具体的に計算する。先ず、位置ｘが０からＬｃの範囲、すなわち流路の圧力発生室１６の部分では、式（２）の右辺は次式（９）で表わされ、式（８）の右辺は次式（１０）で表わされる。

また、位置ｘがＬｃからＬｃ＋Ｌｎの範囲、すなわち流路のノズル１４の部分では、式（２）の右辺は次式（１１）で表わされ、式（８）の右辺は次式（１２）で表わされる。

以上の式（９），（１０），（１１）及び（１２）により、式（２）のインクの慣性Ｍは次式（１３）で表わされ、式（８）のインクの粘性抵抗Ｒは次式（１４）で表わされる。

さて、以上のようにして定まるインクの慣性Ｍ、インクメニスカスの復帰力Ｋ及びインクの粘性抵抗Ｒを基に、係数ωを次式（１５）のように定義し、係数γを次式（１６）のように定義する。

そうすると、メニスカスの運動方程式である前記式（１）は、次式（１７）と表わすことができる。

この式（１７）のメニスカス体積位置ｖ（ｔ）についての解は、次式（１８）となる。ただし、式（１８）において、Ａ及びＢは任意定数である。

この式（１８）により、γ^２−ω^２＜０の場合、メニスカス体積位置ｖ（ｔ）は振動する解が得られるので、メニスカスがオーバーシュートすることがわかる。

γ^２−ω^２＜０の一例として、γ^２／ω^２＝０．１とした場合において、１滴のインクを吐出させる動作のシミュレーションを行ったときのインク吐出動作終了後のメニスカス位置の変動を求めると、図６（ａ）の実線Ｐ１で示す結果が得られた。また、γ^２−ω^２＜０の他の例として、γ^２／ω^２＝０．５とした場合において、同様のシミュレーションを行ったときのインク吐出動作終了後のメニスカス位置の変動を求めると、図６（ｂ）の実線Ｐ２で示す結果が得られた。また、γ^２＝ω^２、つまりγ^２／ω^２＝１．０とした場合において、同様のシミュレーションを行ったときのインク吐出動作終了後のメニスカス位置の変動を求めると、図６（ｃ）の実線Ｐ３で示す結果が得られた。さらに、γ^２−ω^２＞０の一例として、γ^２／ω^２＝２．０とした場合において、同様のシミュレーションを行ったときのインク吐出動作終了後のメニスカス位置の変動を求めると、図６（ｄ）の実線Ｐ４で示す結果が得られた。

なお、図６中の点線Ｓ１，Ｓ２は、インク吐出動作開始時に動作の安定性に支障をきたさないメニスカス変動の許容範囲を示したものであり、その範囲は吐出体積に対して±５％以下としている。これは、その許容範囲として、吐出体積に対して±５％以内であれば、通常に用いられる印刷条件で吐出安定性が得られるからである。

図６（ｄ）に示されるように、γ^２−ω^２＞０、すなわちγ^２／ω^２＞１の場合には、メニスカス体積位置ｖ（ｔ）は過減衰状態となり、メニスカスのオーバーシュートはないものの、メニスカスの復帰速度が遅い。また、図６（ａ），（ｂ）に示されるように、γ^２−ω^２＜０、すなわちγ^２／ω^２＜１の場合は、メニスカス体積位置ｖ（ｔ）は減衰振動状態となり、メニスカスの復帰速度は速いものの、メニスカスはオーバーシュートする。これに対して、γ^２＝ω^２、すなわちγ^２／ω^２＝１の場合は、メニスカス体積位置ｖ（ｔ）は臨界減衰状態となり、メニスカスがオーバーシュートしない条件では、メニスカスの復帰速度が最速になる。

したがって、γ^２＝ω^２となるようにすれば、メニスカスのオーバーシュートが発生しない範囲でメニスカスの復帰速度を最速にできることがわかる。しかし実際には、γ^２／ω^２＝０．５の場合のように、オーバーシュートがわずかの場合は、それを許容することができ、その方がさらにメニスカス変動が許容値に収まるまでの時間、すなわちメニスカス復帰時間を短縮できる。

そこで、図７の曲線Ｃ１のようにインクの粘度を変えることによってγ^２／ω^２の値を変化させ、メニスカス復帰時間を調べて見ると、図８の記号“○”で示す値を取る。この値から、第１の実施の形態では、γ^２／ω^２が０．４のときメニスカスの復帰時間が最短になることがわかる。

したがって、第１の実施の形態では、γ^２／ω^２＝０．４となるべく、インク慣性Ｍ、インク粘性抵抗Ｒ及びインクメニスカス復帰力Ｋがそれぞれ下記の値となるようにインクの物性及び流路の形状を設定してインクジェットヘッド１０を構成することによって、メニスカスの復帰時間を短縮することができる。

インク慣性Ｍ＝ ９．８２×１０^７ｋｇ／ｍ^４
インク粘性抵抗Ｒ＝１．９０×１０^１３Ｎｓ／ｍ^５
メニスカス復帰力Ｋ＝２．３０×１０^１８Ｎ／ｍ^５
その結果、インク吐出動作の安定性と駆動周波数の向上すなわち印刷速度の高速化とを両立させることができる。

つまり、本発明は従来では考慮されていなかったメニスカスの復帰力Ｋを、インク慣性Ｍとインク粘性抵抗Ｒを最適化するためのパラメータとして用いることにより，インク吐出動作の安定性と駆動周波数の向上すなわち印刷速度の高速化とを両立させることができるインクの物性及び流路の関係を導きだすことができた。

なお、上記した従来の技術において開示されている数値を用いてシュミレションを行った結果では、
インク慣性M=９．８２×１０^７ｋｇ／ｍ^４
インク粘性抵抗Ｒ＝６．９４×１０^１２Ｎｓ／ｍ^５
メニスカス復帰力Ｋ＝２．３０×１０^１８Ｎ／ｍ^５
が得られた。これらの数値により
γ^２／ω^２＝０．０５ が得られる。

この値は、インクを吐出させた場合のメニスカスの復帰時間は、図８の実施形態１の系列においてγ^２／ω^２＝０．０５の場合に相当する。

従って、図８からわかるように、本発明において、γ^２／ω^２を０．２〜１．０と設定した範囲は、従来技術より大幅にメニスカス復帰時間を短縮できることが明らかであり、その結果、吐出動作の安定性を確保しつつ印刷速度を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、この第２の実施の形態において、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置の構造は第１の実施の形態と同一であるので、図１〜図４を用いてその説明を省略する。

第２の実施の形態においては、駆動信号発生手段である駆動波形制御回路２６の制御によってインクジェットヘッド１０に印加される駆動波形を図９に示す波形とする。この波形は、第１の実施の形態で用いた駆動波形を７つ連続的につなげたものである。つまり、拡張パルス３１-1〜３１-7は圧力発生室１６を拡張させ、収縮パルス３２-1〜３２-7は圧力発生室１６を収縮させる。この駆動波形がインクジェットヘッド１０の電極１９ａ，１９ｂに印加されることによって、７個の小インク滴が連続的にノズル１４から吐出動作され、記録媒体上の同一画素内に付着される。このときの小インク滴の数を変化させて、記録媒体上の同一画素内に付着するインクの量を変化させることによって、階調印刷を行なうことができる。

この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様なシミュレーションを行ない、図７の曲線Ｃ１のようにインクの粘度を変えることによってγ^２／ω^２の値を変化させ、メニスカス復帰時間を調べて見ると、図８の記号“□”で示す値を取る。この値から、第２の実施の形態では、γ^２／ω^２が０．５のときメニスカスの復帰時間が最短になることがわかる。

したがって、第２の実施の形態では、γ^２／ω^２＝０．５となるべく、インク慣性Ｍ、インク粘性抵抗Ｒ及びインクメニスカス復帰力Ｋがそれぞれ下記の値となるようにインクの物性及び流路の形状を設定してインクジェットヘッド１０を構成することによってメニスカスの復帰時間を短縮でき、インク吐出動作の安定性と印刷速度の高速化の両立を図ることができる。

インク慣性Ｍ＝ ９．８２×１０^７ｋｇ／ｍ^４
インク粘性抵抗Ｒ＝２．１３×１０^１３Ｎｓ／ｍ^５
メニスカス復帰力Ｋ＝２．３０×１０^１８Ｎ／ｍ^５
このように、ノズル１４から複数のインク滴を連続的に吐出させる第２の実施の形態においては、１滴のインクを吐出させる第１の実施の形態よりメニスカスの復帰時間を短縮することができる。これは、連続的に複数のインク滴を吐出させる場合、メニスカスの復帰速度が１滴のみの吐出の場合より大きくなる性質があるためである。従来技術ではメニスカス復帰速度が大きすぎてオーバーシュートが大きくなり、メニスカス復帰時間は１滴のみ吐出の場合より長かったのであるが、本実施の形態によりメニスカスのオーバーシュートが抑制されたことで、メニスカス復帰時間が１滴のみ吐出の場合より短くなるという相乗効果が得られた。

なお、上記した従来の技術において開示されている数値を用いてシュミレションを行ったった結果では、第１の実施例の説明でも述べたように、γ^２／ω^２＝０．０５ が得られる。このインクジェットヘッドで複数のインク滴を連続的に吐出させた場合のメニスカスの復帰時間は、図８の実施形態２の系列においてγ^２／ω^２＝０．０５の場合となる。

従って、図８からわかるように、本発明において、γ^２／ω^２を０．２〜１．０と設定した範囲は、従来技術より大幅にメニスカス復帰時間を短縮できることが明らかであり、その結果、吐出動作の安定性を確保しつつ印刷速度を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図１０は第３の実施の形態におけるインクジェットヘッド１００の縦断面図であり、図１と同一機能を有する部分には同一符号を付している。なお、このインクジェットヘッド１００の図１０中Ｉ−Ｉ矢視断面図は第１及び第２の実施の形態のインクジェットヘッド１０と同じなので、図２を用いてその説明を省略する。

インクジェットヘッド１００は、図示しない基板上に圧電部材からなるアクチュエータ１１が固定され、アクチュエータ１１の上に振動板１２が取付けられ、振動板１２の上に天板１３が固定されている。また、天板１３とアクチュエータ１１との前端に、インクを吐出させるための複数のノズル１４を形成したノズルプレート１５が貼り付けられている。天板１３には、ノズルプレート１５に形成された各ノズル１４にそれぞれ対応して複数の圧力発生室１６が形成されており、各圧力発生室１６の先端とそれに対応する各ノズル１４の後端とが連通している。

天板１３とアクチュエータ１１との後端には、オリフィスプレート４１を介して側板４２が固定されている。オリフィスプレート４１には、各圧力発生室１６と対応する位置に小孔を有するオリフィス４３が穿設されている。オリフィス４３の詳細を図１１に示す。図示するように、オリフィス４３は、板厚Ｌｍのオリフィスプレートの後面側から前面側に一定の直径Ｄｍで貫通するように形成されている。

側板４２には、各圧力発生室１６にインクを供給するための共通インク室１７が形成されており、各圧力発生室１６の後端はそれぞれオリフィス４３を介して共通インク室１７と連通している。共通インク室１７には、インク補給口１８が形成されており、このインク補給口１８を通って図示しないインク補給手段によりインクが供給されるようになっている。ここに、オリフィス４３は、共通インク室１７から供給されるインク流路の一部を形成し、流体抵抗体として作用する。

インクジェットヘッド１００を搭載したインクジェット記録装置２０の要部構成は、図４と同じである。この第３の実施の形態においては、第２の実施の形態と同様に、図９に示す駆動波形をインクジェットヘッド１００に印加して、７個の小インク滴を連続的にノズル１４から吐出動作させて、階調印刷を行なうものとする。

この場合、インクの慣性Ｍとインクの粘性抵抗Ｒを計算する際に、オリフィス４３による抵抗成分も加味する必要がある。すなわち、オリフィス４３の長さをＬｍとすると、インクの慣性Ｍは、前記式（２）の代わりに次式（１９）で与えられる。

また、インクの粘性抵抗Ｒは、前記式（８）の代わりに次式（２０）で与えられる。

インクジェットヘッド１００において、式（１９）及び式（２０）の右辺を具体的に計算する。先ず、位置ｘが０からＬｍの範囲、すなわち流路のオリフィス４３の部分では、オリフィス４３の穴径をＤｍとすると、式（１９）の右辺は次式（２１）で表わされ、式（２０）の右辺は次式（２２）で表わされる。

また、位置ｘがＬｍからＬｍ＋Ｌｃの範囲、すなわち流路の圧力発生室１６の部分と、Ｌｍ＋ＬｃからＬｍ＋Ｌｃ＋Ｌｎの範囲、すなわち流路のノズル１４の部分では、第１の実施の形態と同じなので、式（１９）（ｘ＝Ｌm〜Ｌm＋Ｌc＋Ｌn）の右辺はそれぞれ前記式（９）及び式（１１）で表わされ、式（２０）（ｘ＝Ｌm〜Ｌm＋Ｌc＋Ｌn）の右辺はそれぞれ前記式（１０）及び式（１２）で表わされる。

以上の式（２１），（２２），（９），（１０），（１１）及び（１２）により、式（１９）のインク慣性Ｍは次式（２３）で表わされ、式（２０）のインク粘性抵抗Ｒは次式（２４）で表わされる。

なお、インクメニスカスの復帰力Ｋは、前記式（７）を用いることができる。

この第３の実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様なシミュレーションを行ない、図７の曲線Ｃ２のようにインクの粘度を変えることによってγ^２／ω^２の値を変化させ、メニスカス復帰時間を調べて見ると、図８の記号“△”で示す値を取る。この値から、第３の実施の形態では、γ^２／ω^２が０．５のときメニスカスの復帰時間が最短になることがわかる。

したがって、第３の実施の形態では、γ^２／ω^２＝０．５となるべく、インク慣性Ｍ、インク粘性抵抗Ｒ及びインクメニスカス復帰力Ｋがそれぞれ下記の値となるようにインクの物性及び流路の形状を設定してインクジェットヘッド１００を構成することによってメニスカスの復帰時間をさらに短縮でき、インク吐出動作の安定性と印刷速度の高速化の両立を図ることができる。

インク慣性Ｍ＝ １．１３×１０^８ｋｇ／ｍ^４
インク粘性抵抗Ｒ＝２．２８×１０^１３Ｎｓ／ｍ^５
メニスカス復帰力Ｋ＝２．３０×１０^１８Ｎ／ｍ^５
このように、共通インク室１７と圧力発生室１６とを連通する流路に流体抵抗体として作用するオリフィス４３を介在させた第３の実施の形態においては、第１及び第２の各実施の形態よりメニスカスの復帰時間を短縮することができる。これは、オリフィス４３の作用によりインク慣性Ｍをあまり大きくしなくてもインクの粘性抵抗Ｒを大きくすることができ、比較的容易にγの値を大きくすることができるためである。したがって、オリフィス４３が設けられていない第１及び第２の実施の形態より、低粘度のインクで最適なγ^２／ω^２を得ることができる。

一般に、インク粘度が高いと、インク吐出時にインクミストが発生しやすくなる傾向がある。インクミストの発生は、ノズル１４の周囲や記録媒体を汚すので、望ましくない。したがって、第３の実施の形態のように流体抵抗体を設けることによって、印刷時にインクミストの発生を低減させることができる。

なお、前記第１〜第３の各実施の形態では、それぞれメニスカスの復帰時間が最短となるようにγ^２／ω^２を選択したが、インクジェットヘッド１０，１００が動作する環境温度の変化によって、インクの粘度が変化し、γ^２／ω^２が変動する場合がある。あるいは、インクジェットヘッド１０，１００の設計上の都合から、必ずしもメニスカス復帰時間を最小化するγ^２／ω^２を選択できない場合もあり得る。そのような場合でも、図８に示されるように、γ^２／ω^２が０．２〜１．０の範囲内であればメニスカス復帰時間を短縮することができ、インクの吐出安定性と印刷速度の高速化を両立することができる。

また、各実施の形態では、インク慣性Ｍとインク粘性抵抗Ｒの算出に比較的簡単な数式を用いたが、インク流路の形状によっては、これらの値の算出が難しい場合がある。その場合でも市販の数値流体解析プログラムを用いることによって、インク慣性Ｍやインク粘性抵抗Ｒを求めることができる。

数値流体解析プログラムを用いてインク慣性Ｍやインク粘性抵抗Ｒを求める方法は、例えば、Sung-Cheon Jung et al. がA Study on the Improvement of the Performance in Ink Jet Head ( Final Program and Proceedings of IS & T's NIP15: International Conference on Digital Printing Technologies, 1999 )の中で開示している。

また、各実施の形態では、流体抵抗体として小孔を有するオリフィス４３を用いたが、そのほかに共通インク室１７から各圧力発生室１６にインクが流入する部位に網状の物、多孔質の物など、様々な物を流体抵抗体として適用することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるインクジェットヘッドの縦断面図。 図１におけるＩ−Ｉ矢視断面図。 図１におけるノズル部分の詳細図。 第１の実施の形態におけるインクジェット記録装置の要部構成を示すブロック図。 第１の実施の形態においてインクジェットヘッドに印加される駆動波形を示す波形図。 第１の実施の形態においてγ^２／ω^２の値とメニスカス復帰運動との関係を示す図。 インク粘度とγ^２／ω^２の値との関係を示す図。 γ^２／ω^２の値とメニスカス復帰時間との関係を示す図。 本発明の第２の実施の形態においてインクジェットヘッドに印加される駆動波形を示す波形図。 本発明の第３の実施の形態におけるインクジェットヘッドの縦断面図。 図１０におけるオリフィス部分の詳細図。 従来のインクジェットヘッドのメニスカス復帰運動を示す図。 メニスカス体積位置を説明するための模式図。

符号の説明

１１…アクチュエータ、１２…振動板、１４…ノズル
１６…圧力発生室１７…共通インク室１９ａ…電極
２１…プリンタコントローラ
２５…駆動波形制御回路
２６…ヘッド駆動回路
４３…オリフィス

Claims (3)

1. インクを吐出させるためのノズルとこのノズルに連通する圧力発生室とからなる複数の流路と、前記各流路にインクを供給する共通インク室と、前記各流路の圧力発生室内に充填されたインクに圧力変化を与えて前記ノズルからインク滴を吐出させる圧力発生手段とを設けたインクジェットヘッドにおいて、
   前記流路がインク充填状態にあるときの前記流路内のインクの慣性をＭ、前記流路内のインクの粘性抵抗をＲ、前記ノズルにおけるインクメニスカスの復帰力をＫとしたとき、ルート（Ｋ／Ｍ）をωとし、（Ｒ／２Ｍ）をγとすると、０．２≦γ^２／ω^２≦１．０の関係を満たす物性の前記インク及び前記流路を有したことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記流路は、前記共通インク室と圧力発生室との間に流体抵抗体を介在させたもの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ヘッド。
3. 請求項1または請求項２に記載のインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置であって、
   前記ノズルから複数のインク滴を連続的に吐出させる駆動信号発生手段を具備したことを特徴とするインクジェット記録装置。

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