JP2009166242A - 液体噴射ヘッド及びこれを有する液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度の液体を用いた場合でも十分な吐出量を確保し得るとともに、吐出後のメニスカス挙動も良好なものとして印刷の高速化に資することができる液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】液体供給路５４を介して液体が供給されるとともに前記液体を噴射するノズル開口５６が形成されている圧力発生室５２と、この圧力発生室５２内に圧力変化を生じさせる圧電素子１１とを具備し、前記液体供給路５４のイナータンス及び流路抵抗をそれぞれＭ１，Ｒ１とし、前記ノズル開口５６のイナータンス及び流路抵抗をそれぞれＭ２，Ｒ２とするとき、Ｍ２＜Ｍ１で、且つＲ２＞２Ｒ１の関係が成立するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は液体噴射ヘッド及びこれを有する液体噴射装置に関し、特に高粘度の液体を用いる場合に適用して有用なものである。

液体噴射装置としては、例えば圧電素子からなる圧力発生手段によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、共通のリザーバから各圧力発生室に個別にインクを供給するインク供給路と、各圧力発生室に形成されてインク滴を吐出するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置がある。かかるインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズルと連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギを付与してノズル開口からインク滴を吐出させている。

この種のインクジェット式記録装置で所定の文字、図形等を印刷する印刷対象は、最近、従来からの紙だけでなく、プラスチック、ガラス等、多岐に亘ってきている。ところが、紙等を対象とした旧来のインクではプラスチック等のインク吸収性が低い印刷対象には十分対応できない。すなわち、紙を対象としたインクを用いて、例えばプラスチックに印刷した場合、紙を対象としたインクの粘度（例えば、常温で３．５（ｍＰａ・ｓ）程度）はプラスチックに印刷するインクとしては粘度が低すぎ、インク滴が印刷対象に着弾後、流れてしまうという問題を生起する。

そこで、プラスチック等、吸収性が小さい印刷対象に印刷を行なう場合には高粘度（例えば、常温で１０．０（ｍＰａ・ｓ）程度）のインクを使用していた。ただ、従来では高粘度のインクを使用するだけで、インクジェット式記録ヘッドの構造自体は何の変更もしていなかった。すなわち、この種のインクジェット式記録ヘッドにおけるインクの吐出特性に影響を及ぼす物理量であるインク供給路及びノズル開口のイナータンス及び流路抵抗はインク供給路及びノズル開口においてそれぞれ同程度の値をもつ構造のものとしていた。

なお、上述のイナータンス乃至流路抵抗を考察した従来技術として特許文献１を挙げることができる。

特開２００６−２９００００号公報（図１、〔００２２〕乃至〔００２７〕）

しかしながら、従来技術に係るインクジェット式記録ヘッドで高粘度のインクを用いて印刷を行った場合、ノズル開口から吐出されるインク滴の量が少なくなり印刷品質に悪影響を及ぼすだけでなく、吐出後のメニスカス挙動も戻りが遅いため、インクの吐出周期が長くなるという問題を生起しており、高速印刷の阻害要因となっている。

図２４は従来技術に係るインクジェット式記録ヘッドを用いて所定のインクを吐出させ、このときのメニスカス挙動をシミュレートした場合の特性図で、（ａ）はインクの粘度が５．０（ｍＰａ・ｓ）の場合、（ｂ）はインクの粘度が１０．０（ｍＰａ・ｓ）の場合をそれぞれ示している。同図中、横軸が時間（μｓ）、縦軸がインクの吐出重量（ｎｇ）である。なお、この場合のインクの粘度は、吐出時のインク温度における粘度である。

また、当該インクジェット式記録ヘッドの他の諸元は次の通りである。

ノズル開口の径＝２４μｍ、インク供給路のイナータンスＭ１＝１．５×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴）、ノズル開口のイナータンスＭ２＝１．４×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴）、インク供給路の流路抵抗Ｒ１＝２．０×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）、ノズル開口の流路抵抗Ｒ２＝２．１×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）。

なお、イナータンスＭ１，Ｍ２及び流路抵抗Ｒ１，Ｒ２は何れもインクの粘度が５．０（ｍＰａ・ｓ）の場合のものである。

図２４を参照すれば、同図（ａ）に示すインクの粘度が５．０（ｍＰａ・ｓ）の場合、１２（ｎｇ）のインク滴を吐出し、吐出後の戻りも十分速いが、同図（ｂ）に示すインクの粘度が１０．０（ｍＰａ・ｓ）の場合、１０（ｎｇ）のインク滴しか吐出できず、吐出後の戻りも非常に遅いことが分かる。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。特に印刷以外の工業用途に用いられる液体ヘッドでは、高粘度の液体を噴射させる機会が多く、上記問題が顕在化する。

本発明は、上記従来技術に鑑み、高粘度の液体を用いた場合でも十分な吐出量を確保し得るとともに、吐出後のメニスカス挙動も良好なものとして印刷の高速化に資することができる液体噴射ヘッド及びこれを有する液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の態様は、
液体供給路を介して液体が供給されるとともに前記液体を噴射するノズル開口が形成されている圧力発生室と、この圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備し、
前記液体供給路のイナータンス及び流路抵抗をそれぞれＭ１，Ｒ１とし、前記ノズル開口のイナータンス及び流路抵抗をそれぞれＭ２，Ｒ２とするとき、
Ｍ２＜Ｍ１で、且つＲ２＞２・Ｒ１の関係が成立するように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
本態様によれば、液体の吐出特性が液体供給路のイナータンスとノズル開口のイナータンスとの比率に基づいて変化するという周知の知見に加え、さらに両者の流路抵抗を適正な関係として液体供給路及びノズル開口の構造を決定しているので、高粘度の液体を用いた場合でも十分な液体の吐出量を確保し得るとともに、吐出後のメニスカスの戻りも良好なものとすることができる。この結果、高粘度液体を用いた場合の印刷の印刷品質を良好に保持するとともに、印刷の高速化にも資することができる。

ここで、上記液体噴射ヘッドは、その液体の粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）以上のものを使用した場合にさらに好適なものとなる。この場合には、表面が平滑で吸収性のないプラスチック等にも所望の良好な印刷を行うことができる。特に、前記液体は、その粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）以上且つ２０．０（ｍＰａ・ｓ）以下であることが望ましい。この場合には、十分な液体の吐出量を確保し得るとともに、吐出後のメニスカスの戻りも良好なものとすることができるからである。また、前記流路抵抗Ｒ１、Ｒ２の関係は、３・Ｒ１≦Ｒ２≦２０・Ｒ１であることが望ましい。同様に、十分な液体の吐出量を確保し得るとともに、吐出後のメニスカスの戻りも良好なものとすることができるからである。

さらに、上記液体噴射ヘッドは、前記液体供給路の断面積をＳ１とし、前記ノズル開口の液体吐出口の断面積をＳ２とするとき、Ｓ２＜Ｓ１の関係が成立するように構成することが好ましい。この場合には、前記イナータンスＭ１，Ｍ２及び流路抵抗Ｒ１，Ｒ２を容易に上述の如き所定の関係にすることができる。

本発明の他の態様は、上述のごとき各液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置にある。
本態様によれば、表面が平滑で吸収性のないプラスチック等に所望の印刷を行う印刷装置として特に有用なものとなる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の短手方向の断面図であり、図１（ｂ）は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向断面図である。両図に示すように、流路形成基板５０はシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、複数の隔壁５１によって画成された圧力発生室５２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、各圧力発生室５２の長手方向一端部側には、各圧力発生室５２に液体の一種であるインクを供給するためのリザーバ５３が液体供給路の一種であるインク供給路５４を介して連通されている。また、流路形成基板５０の圧力発生室５２の開口面側は振動板５５で封止され、他方面側にはノズル開口５６が穿設されたノズルプレート５７が接着剤や熱溶着フィルムを介して接着されている。

振動板５５上には、図示しない複数のインクカートリッジに接続されるインク供給路を有するヘッドケース５８が固定されており、且つこのヘッドケース５８には、圧電素子ユニット１０が高精度に位置決めされて固定されている。すなわち、ヘッドケース５８は、貫通した収容部５８ａが設けられており、この収容部５８ａの一方の内面に圧電素子ユニット１０が、各圧電素子１１の先端が振動板５５上の各圧力発生室５２に対応する領域に設けられた各アイランド部５９に当接させて固定されている。

かかるインクジェット式記録ヘッドでは、駆動信号の供給に伴う圧電素子１１の変位により、振動板５５を介して圧力発生室５２に圧力変動を生起させ、この圧力変動により圧力発生室５２内に充填されているインクをノズル開口５６から吐出させる。ここで、インクはリザーバ５３から各インク供給路５４を介して各圧力発生室５２に供給される。そして、このときのインクの吐出特性は、インク供給路５４及びノズル開口５６のイナータンス及び流路抵抗により規定される。

本形態では、インク供給路５４及びノズル開口５６のイナータンスをそれぞれＭ１，Ｍ２とし、インク供給路５４及びノズル開口５６の流路抵抗をそれぞれＲ１，Ｒ２とするとき、Ｍ２＜Ｍ１で、且つＲ２＞２Ｒ１の関係が成立するように構成してある。また、使用するインクの粘度は、８．０（ｍＰａ・ｓ）以上、さらに好ましくは１０．０（ｍＰａ・ｓ）以上の高粘度のものを使用する。また、インク供給路５４及びノズル開口５６等の寸法は図２に示す通りである。ここで、図２（ａ）はインク供給路５４、圧力発生室５２及びノズル開口５６部分を抽出して示す模式図、図２（ｂ）はノズル開口５６部分を拡大して示す断面図である。図２（ａ）に示すように、インク供給路５４は、その長さが６００μｍ、幅が５５μｍ、高さが８０μｍである。また、圧力発生室５２の長さは１０００μｍである。ノズルは、図２（ｂ）に示すように、先端に向けて径が徐徐に小さくなる８０μｍのテーパ部を有しており、このテーパ部の先端に連続させて円筒形状のノズル開口５６が形成されている。このノズル開口５６の径が２５μｍである。また、前記ノズル開口５６部分の高さが２０μｍ、前記円筒形状部分とテーパ部とを合わせたノズル部の厚さが８０μｍである。

ここで、代表的なイナータンス及び流路抵抗の求め方を説明しておく。図３（ａ）に示すように、流路が中空直方体である場合、そのイナータンスＭ_直＝（ρｌ／ｗｈ）、流路抵抗Ｒ_直＝（１２μｌ／ｗｈ³）となる。また、図３（ｂ）に示すように、流路が円筒体である場合、そのイナータンスＭ_円＝（ρｌ／πｒ²）、流路抵抗Ｒ_円＝（８μｌ／πｒ⁴）となる。なお、上式中、μはインクの粘度、ρはインクの密度である。

したがって、インク供給路５４の形状が中空直方体で近似できる場合は、前記イナータンスＭ_直及び流路抵抗Ｒ_直を求める式を利用してそのイナータンスＭ１及び流路抵抗Ｒ１を求めることができ、またノズル開口５６の形状が円筒体で近似できる場合は、前記イナータンスＭ_円及び流路抵抗Ｒ_円を求める式を利用してそのイナータンスＭ２及び流路抵抗Ｒ２を求めることができる。なお、このような近似ができない場合でも、積分を利用することにより同様の演算で所望のイナータンスＭ１，Ｍ２及び流路抵抗Ｒ１，Ｒ２を求めることができる。

なお、上述の如き所定の関係は、インク供給路５４の流路断面積をＳ１とし、ノズル開口５６のインク吐出口の流路断面積をＳ２とするとき、Ｓ２＜Ｓ１の関係が成立するように構成することで容易に実現し得る。

図４は圧電素子ユニットを抽出して示す斜視図、図５は、図４の平面図及びそのＡ−Ａ線断面図である。ここで、圧電素子ユニット１０について、図４及び図５を追加してさらに詳細に説明する。

図４及び図５に示すように、当該圧電素子ユニット１０は、複数の圧電素子１１がその幅方向に並設された列１２を有する圧電素子形成部材１３と、圧電素子形成部材１３の先端部（一端部）側が自由端となるようにその基端部（他端部）側が接合される固定基板１４とを有する。ここで、圧電素子形成部材１３は、圧電材料層１５と、圧電素子１１の２つの極を構成する内部電極、すなわち隣接する圧電素子１１と電気的に独立する個別電極を構成する個別内部電極１６と、隣接する圧電素子１１と電気的に共通する共通電極を構成する共通内部電極１７とを交互に挟んで積層することにより形成されている。

また、圧電素子形成部材１３には、例えばワイヤソー等によって複数のスリット１８が形成され、その先端部側が櫛歯状に切り分けられて圧電素子１１の列１２が形成されている。なお、圧電素子１１の列１２の両外側には、各圧電素子１１よりも広い幅を有する位置決め部１９が設けられている。この位置決め部１９は、圧電素子ユニット１０をインクジェット式記録ヘッドに組み込む際に、圧電素子ユニット１０を高精度に位置決めするためのものである。

ここで、各圧電素子１１の個別電極となる個別内部電極１６は、基本的には圧電素子形成部材１３の略全面に亘って設けられているが、固定基板１４の端面近傍に対向する領域で先端部側と基端部側とに分離してある。一方、共通電極となる共通内部電極１７も基本的に圧電素子形成部材１３の略全面に亘って設けられているが、個別内部電極１６と同様に、圧電素子１１の先端部近傍で分離してある。すなわち、圧電素子１１の固定基板１４に接合される領域は、振動に寄与しない不活性領域となっており、圧電素子１１を構成する個別内部電極１６及び共通内部電極１７間に電圧を印加すると、固定基板１４に接合されていない先端部側の領域のみが振動する。

また、圧電素子形成部材１３の外表面には、個別内部電極１６及び共通内部電極１７と接続される外部電極２０が形成されている。また、圧電素子形成部材１３の少なくとも圧電素子１１の列１２に対応する領域の基端部側には、外部電極２０が存在しない電極非形成部２１が存在する。

そして、複数のスリット１８は、この電極非形成部２１に対向する領域に達する長さで形成され、外部電極２０が、このスリット１８及び電極非形成部２１によって分離され、隣接する圧電素子１１と電気的に独立する個別外部電極２２と、隣接する圧電素子と電気的に共通する共通外部電極２３とを構成している。

具体的には、外部電極２０は、各圧電素子１１に対向する部分と位置決め部１９に対向する部分とに分離され、各圧電素子１１に対向する領域の外部電極２０が、圧電素子形成部材１３の先端部で圧電素子１１の個別電極を構成する個別内部電極１６と電気的に接続される個別外部電極２２を構成している。一方、圧電素子１１の列１２の両側に設けられた位置決め部１９上の外部電極２０が、圧電素子形成部材１３の基端部側の端面で各圧電素子１１の共通電極を構成する共通内部電極１７と接続される共通外部電極２３を構成している。

すなわち、圧電素子ユニット１０では、圧電素子形成部材１３の固定基板１４に接合された部分の反対側の面に、個別外部電極２２が並設されると共に、個別外部電極２２の並設方向両側で位置決め部１９に対向する領域に共通外部電極２３が存在する。これにより、圧電素子ユニット１０と後述する配線基板とを比較的容易に接続することができ、且つ圧電素子ユニット１０の小型化を図ることができる。

このような圧電素子ユニット１０は、図１に示すように、固定基板１４が、圧電素子形成部材１３が固定された面とは反対側の面がヘッドケース５８の収容部５８ａに固定される。そして圧電素子ユニット１０には、各圧電素子１１を駆動するための信号を供給するフィルム状の配線基板３０が接続されている。

配線基板３０は、圧電素子１１の個別外部電極２２と共通外部電極２３とに接続される接続配線３３を有している。各圧電素子１１を駆動する駆動信号を供給する駆動ＩＣ３１は、配線基板３０上に実装されている。配線基板３０としては、例えばＴＡＢテープなどのテープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）などを好適に適用し得る。すなわち、配線基板３０は、ポリイミド等のベースフィルム３２の表面に銅箔等で所定パターンの導電層を形成し、導電層をメッキすることで接続配線３３を形成した後、接続配線３３の圧電素子１１及び後述する端子部と接続される領域及び駆動ＩＣ３１の端子が接続される領域以外をレジスト等の絶縁膜３４で覆ったものとして構成することができる。ここで、駆動ＩＣ３１は、配線基板３０に実装された後、接続配線３３を覆う絶縁膜３４で覆われている。

かかる配線基板３０は、駆動ＩＣ３１が固定基板１４に相対向する面側となり、且つ駆動ＩＣ３１が配線基板３０の幅方向の中央領域となるように配置されている。そして、接続配線３３の一端部と、圧電素子１１の固定基板１４が固定された端部側の個別外部電極２２及び共通外部電極２３とは、例えば接続配線３３の表面及び個別外部電極２２及び共通外部電極２３の表面にスズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）合金等の金属を形成後、両者を当接させた状態で加熱することで形成された金属層３５を介して電気的に接続されている。

また、配線基板３０の接続配線３３の圧電素子１１と接続された一端部とは反対側の他端部は、ヘッドケース５８の振動板５５とは反対側の面に設けられた入力配線基板６０の入力配線６１の端子部６１ａに屈曲されて接続されている。

ここで、ヘッドケース５８に設けられた入力配線基板６０は、外部から駆動ＩＣ３１及び圧電素子１１に駆動電圧及び印刷信号等を供給するためのものである。そして、このような入力配線基板６０は、ヘッドケース５８の振動板５５とは反対側の面に設けられているため、収容部５８ａに固定された圧電素子１１に接続された配線基板３０は、入力配線基板６０の入力配線６１の端子部６１ａと接続される部分が約９０度に屈曲されて、接続配線３３の端部が端子部６１ａと接続されている。そして、接続配線３３と端子部６１ａとは、例えば、入力配線６１の端子部６１ａの表面にスズ−リン銅合金等の金属を形成後、両者を当接させた状態で加熱することで形成された金属層３６を介して電気的に接続されている。また、配線基板３０は、固定基板１４に紫外線硬化型接着剤（ＵＶ接着剤）４０，４１，４２を介して接着されている。

かかるインクジェット式記録ヘッドでは、インクカートリッジに連通されるインク供給路を介してリザーバ５３にインクが供給され、インク供給路５４を介して各圧力発生室５２に分配される。このとき圧電素子１１に電圧を印加することにより圧電素子１１を収縮させると、振動板５５が圧電素子１１と共に引き上げられて圧力発生室５２の容積が広げられ、圧力発生室５２内にインクが引き込まれる。そして、ノズル開口５６に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ３１からの記録信号に従い、圧電素子１１に印加していた電圧を解除すると、圧電素子１１が伸張されて元の状態に戻る。これにより、振動板５５も変位して元の状態に戻るため圧力発生室５２が収縮され、内部圧力が高まりノズル開口５６からインク滴が吐出される。

本形態では、このときのインクの吐出特性を支配するインク供給路５４、ノズル開口５６のイナータンスＭ１，Ｍ２及び流路抵抗Ｒ１，Ｒ２が前述の如き所定の関係となるように構成されているので、高粘度のインクを使用した場合でも良好な吐出特性を得ることができる。

図６は本形態に係るインクジェット式記録ヘッドを用いて高粘度（粘度が１０．０（ｍＰａ・ｓ））のインクを吐出させ、このときのメニスカス挙動をシミュレートした場合の図２４（ｂ）に対応する特性図である。同図中、横軸が時間（μｓ）、縦軸がインクの吐出重量（ｎｇ）である。

また、当該インクジェット式記録ヘッドの他の諸元は次の通りである。

ノズル開口５６の径＝２４μｍ、インク供給路５４のイナータンスＭ１＝１．９×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴）、ノズル開口５６のイナータンスＭ２＝１．４×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴）、インク供給路５４の流路抵抗Ｒ１＝０．６９×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）、ノズル開口５６の流路抵抗Ｒ２＝４．３×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）。

ちなみに、Ｍ２（＝１．４×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴））＜Ｍ１（＝１．９×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴））及びＲ２（＝４．３×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³））＞２・Ｒ１（＝２×０．６９×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）の関係は成立している。同時に、３・Ｒ１≦Ｒ２≦２０・Ｒ１の関係も成立している。

図６を参照すれば、粘度が１０．０（ｍＰａ・ｓ）の場合でも１２（ｎｇ）のインク滴を吐出し、吐出後の戻りも十分速いことが分かる。

＜液体噴射ヘッドに関する他の実施の形態＞
本形態に係る液体噴射ヘッドは、図１に示す前記実施の形態と同様のインクジェット式記録ヘッドであるが、各諸元が異なっている。すなわち、本形態に係るインクジェット式記録ヘッドのノズル開口５６の径＝２５μｍ、インク供給路５４のイナータンスＭ１＝２．０×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴）、ノズル開口５６のイナータンスＭ２＝１．５×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴）、インク供給路５４の流路抵抗Ｒ１＝１．５×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）、ノズル開口５６の流路抵抗Ｒ２＝６．８×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）である。ちなみに、Ｍ２（＝１．５×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴））＜Ｍ１（＝２．０×１０⁸（ｋｇ／ｍ⁴））及びＲ２（＝６．８×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³））＞２Ｒ１（＝２×１．５×１０¹³（Ｐａ・ｓ／ｍ³）の関係は成立している。同時に、３・Ｒ１＜Ｒ２＜２０・Ｒ１の関係も成立している。ちなみに、本形態に係るインクジェット式記録ヘッドでは、（Ｒ２／Ｒ１）≒５である。

図７乃至図１１は本形態に係るインクジェット式記録ヘッドにおいてインクの粘度乃至駆動波形をそれぞれ変えた場合のインクの吐出特性を示す図６と同様の特性図である。ここで、駆動波形は図１２に示すものと、図１３に示すものの２種類を用いた。図１２に示す駆動波形Ｉは、最大電圧の３０％の電圧を初期値として印加している圧電素子１１（図１参照）に、所定の各期間（順に２．０μｓ、２．５μｓ、２．５μｓ、３．０μｓ、３．０μｓ）、所定の電圧を印加するものである。図１３に示す駆動波形IIは、最大電圧の１０％の電圧を初期値として印加している圧電素子１１（図１参照）に、所定の各期間（順に２．０μｓ、２．０μｓ、２．０μｓ、３．０μｓ、３．０μｓ）、所定の電圧を印加するものである。ここで、駆動波形IIは、初期値から最大電圧までの差が、駆動電圧Ｉよりも大きいので、その分大きく圧電素子１１を歪ませて圧力発生室５２（図１参照）を膨張させることができる。この結果、駆動波形IIを印加した場合の方がインクの供給が円滑に行われる。

ここで、図７乃至図９は駆動波形Ｉを印加するとともに、粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）、１０．０（ｍＰａ・ｓ），１５．０（ｍＰａ・ｓ）のインクをそれぞれ用いた場合の特性図である。図７の特性は、粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）のインクの場合で、１３（ｎｇ）のインク滴を吐出し、吐出後は若干の盛り上がりを生起しているが、実用的には問題のない戻り特性であることを示している。図８の特性は、粘度が１０．０（ｍＰａ・ｓ）のインクの場合で、１２（ｎｇ）のインク滴を吐出し、吐出後の戻りも十分速い。すなわち、この場合の吐出量及び戻り特性はきわめて良好なものとなる。図９の特性は、粘度が１５．０（ｍＰａ・ｓ）のインクの場合で、１１（ｎｇ）のインク滴を吐出し、吐出後の戻りが若干遅れることを示している。

図１０はインクの粘度が１５．０（ｍＰａ・ｓ）であるが、駆動波形IIを印加した場合の特性図である。この場合には、１２（ｎｇ）のインク滴を吐出し、図９の場合に較べ吐出後の戻りも十分早くすることができる。

なお、図１１は本形態において粘度が５．０（ｍＰａ・ｓ）のインクを用い、駆動波形Ｉで駆動した場合の特性図である。この場合には、吐出後の盛り上がりが大きくなりすぎる（すなわち、メニスカスがノズル面より盛り上がっている）結果、吐出が不安定になることを示している。

図１４は本形態において、（ノズル開口５６の流路抵抗Ｒ２）／（インク供給路５４の流路抵抗Ｒ１）＝３とし、粘度８．０（ｍＰａ・ｓ）のインクを用いて駆動波形Ｉで駆動した場合の特性図である。これはＲ２＞２Ｒ１の要件を満足した上で、Ｒ２／Ｒ１の比を適切に選定することで、粘度が同様（８．０（ｍＰａ・ｓ））のインクを用いた場合である図７に示す場合に較べてインク吐出後の盛り上がりを抑制することができることを示している。

図１５及び図１６は本形態において、（ノズル開口５６の流路抵抗Ｒ２）／（インク供給路５４の流路抵抗Ｒ１）＝２０とし、粘度１５．０（ｍＰａ・ｓ）（図１５）、２０．０（ｍＰａ・ｓ）（図１６）のインクを用いて駆動波形Ｉで駆動した場合の特性図である。これもＲ２＞２Ｒ１及び３・Ｒ１≦Ｒ２≦２０・Ｒ１の要件を満足している。図１５を参照すれば、Ｒ２／Ｒ１以外の条件が同じである図９に示す特性に較べ、戻り特性の遅れが顕著に改善されていることが分かる。すなわち、インクが高粘度になるほどＲ２／Ｒ１を大きくするのが望ましい。

また、図１７はＲ２／Ｒ１＝２０とし、粘度２０．０（ｍＰａ・ｓ）のインクを用いて駆動波形IIで駆動した場合の特性図である。同図に示すように、駆動電圧の初期値が低い駆動波形IIで駆動することにより、駆動波形Ｉのみが異なる図１６の場合に較べて吐出後の戻り特性が顕著に改善されていることが分かる。すなわち、インクが高粘度になるほど駆動波形IIで駆動するのが望ましい。

図１８乃至図２１は、本形態に係るインクジェット式記録ヘッドの吐出特性と比較するため、Ｒ２／Ｒ１＝１とした従来構造のインクジェット式記録ヘッドの吐出特性を示すもので、駆動波形Ｉを印加するとともに、粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）、１０．０（ｍＰａ・ｓ）、１５．０（ｍＰａ・ｓ），２０．０（ｍＰａ・ｓ）のインクをそれぞれ用いた場合の特性図である。これらの図を参照すれば粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）の場合を除き、それ以上に高粘度のインクを用いた場合には吐出後の戻りが遅く、この傾向が高粘度になればそれだけ顕著なものとなることを示している。ただ、Ｒ２／Ｒ１＝１のインクジェット式記録ヘッドで粘度１０．０（ｍＰａ・ｓ）のインクを用いた場合であっても、駆動波形IIを用いれば、図２２に示すように、実用上問題のない程度にまで戻り特性が改善はされる。ただし、粘度が１５（ｍＰａ・ｓ）以上ともなれば実用上問題のない戻り特性は得られない。

以上のシミュレーション結果から、本形態によれば高粘度のインクであっても確実に良好な戻り特性が得られるように容易に調整することができることが分かる。したがって、使用時の外気温により粘度が増減した場合でも安定した吐出特性を得ることができる。これに対し、従来構造（Ｒ２／Ｒ１＝１）の場合、粘度が８．０程度でも他の条件によっては十分な戻り特性が得られる場合があるが、使用環境の温度変化等、粘度を変動させる要素を併せて考慮すれば追従し得る温度変化の幅が狭くなり、その分吐出特性が不安定になってしまう。結局、従来よりも高粘度のインクを用いる場合は、本形態に係るインクジェット式記録ヘッドの方がより安定的な吐出特性を得ることができ、確実に印刷の高速化に資することができる。

＜液体噴射ヘッドに関する他の実施の形態＞
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限るものでは勿論ない。例えば、上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型アクチュエータを有するヘッドであるが、圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として薄膜型のアクチュエータである圧電素子を有するヘッド、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエータである圧電素子を有するヘッド等にも同様に適用できる。さらに、圧力発生手段として、圧力発生室内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズル開口から液滴を吐出させるいわゆるバブル式アクチュエータや、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエータなどにも適用することもできる。要するに、圧力発生室に液体供給路から液体を供給するとともに、圧力発生室に発生する圧力によりノズル開口を介して液体を吐出するものであれば良い。この及び場合には、何れの形式であっても図１に示すものと同様の液体吐出特性が得られる。

さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えばプリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

＜上記実施の形態に係る液体噴射ヘッドを有する液体ジェット式記録装置＞
上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図２３は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。同図に示すように、上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

実施の形態に係る記録ヘッドの断面図である。 図１に示す記録ヘッドの各部の寸法を示す説明図である。 イナータンス及び流路抵抗の求め方を示す説明図である。 図１における圧電素子ユニットの斜視図である。 図１における圧電素子ユニットの平面図及び断面図である。 上記実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 駆動波形の一例を示す波形図である。 駆動波形の他の例を示す波形図である。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 他の実施の形態に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。 図１に示す記録ヘッドを搭載する記録装置を示す概略図である。 従来技術に係る記録ヘッドのインク吐出特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 圧電素子ユニット、 １１ 圧電素子、 １３ 圧電素子形成部材、 １４ 固定基板、 １５ 圧電材料層、 １６ 個別内部電極、 １７ 共通内部電極、 ２１ 電極非形成部、 ２２ 個別外部電極、 ２３ 共通外部電極、 ３０ 配線基板、 ３１ 駆動ＩＣ、 ３３ 接続配線、 ５０ 流路形成基板、 ５２ 圧力発生室、 ５３ リザーバ、 ５４ インク供給路、 ５５ 振動板、 ５６ ノズル開口

Claims (6)

1. 液体供給路を介して液体が供給されるとともに前記液体を噴射するノズル開口が形成されている圧力発生室と、この圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備し、
   前記液体供給路のイナータンス及び流路抵抗をそれぞれＭ１，Ｒ１とし、前記ノズル開口のイナータンス及び流路抵抗をそれぞれＭ２，Ｒ２とするとき、
   Ｍ２＜Ｍ１で、且つＲ２＞２・Ｒ１の関係が成立するように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記液体は、その粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）以上であることを特徴とする請求項１に記載する液体噴射ヘッド。
3. 前記液体は、その粘度が８．０（ｍＰａ・ｓ）以上且つ２０．０（ｍＰａ・ｓ）以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する液体噴射ヘッド。
4. 前記流路抵抗Ｒ１、Ｒ２の関係が、３・Ｒ１≦Ｒ２≦２０・Ｒ１であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載する液体噴射ヘッド。
5. 前記液体供給路の断面積をＳ１とし、前記ノズル開口の液体吐出口の断面積をＳ２とするとき、
   Ｓ２＜Ｓ１の関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載する液体噴射ヘッド。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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