JP2009255513A - 液体吐出方法、液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度液体の吐出を安定化させる。
【解決手段】この液体吐出方法に用いる液体吐出ヘッドは、液体が吐出されるノズルと、液体を前記ノズルから吐出させるために液体に圧力変化を与える圧力室と、圧力室に連通し、圧力室に液体を供給する供給部とを有する。液体の粘度は、６ミリパスカル秒以上であって２０ミリパスカル秒以下の範囲内である。液体が吐出される側のノズル開口の面積は、供給部の開口であって圧力室側の開口の面積の１／１０以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出方法、液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置に関する。

インクジェットプリンタ等の液体吐出装置には、液体が吐出されるノズルと、ノズルから液体を吐出させるべく、液体に圧力変化を与える圧力室と、リザーバに貯留された液体を圧力室に供給するための供給部とを有する液体吐出ヘッドを有するものがある。この液体吐出ヘッドでは、粘度が水の粘度に近い液体を対象にして、ヘッド内の液体流路における大きさが定められている。
特開２００５−３４９９８号公報

近年、インクジェット技術を利用して、一般的なインクよりも粘度の高い液体を吐出する試みがなされている。そして、従来の形状のヘッドでこのような粘度の高い液体を吐出させると、液体の吐出が不安定になるという問題が生じることが判った。例えば、液体の飛行曲がりが生じたり、吐出量の不足が生じたりする場合があることが判った。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、一般的なインクよりも粘度の高い液体について、吐出を安定化することにある。

前記目的を達成するための主たる発明は、
液体吐出方法であって、
液体吐出ヘッドから液体を吐出させることを有し、
前記液体の粘度は、
６ミリパスカル秒以上であって２０ミリパスカル秒以下の範囲内であり、
前記液体吐出ヘッドは、
前記液体が吐出されるノズルと、
前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部と、を有し、
前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積は、
前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下である、液体吐出方法である。

本発明の他の特徴は、本明細書、及び添付図面の記載により、明らかにする。

本明細書の記載、及び添付図面の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。

すなわち、液体吐出方法であって、液体吐出ヘッドから液体を吐出させることを有し、前記液体の粘度は、６ミリパスカル秒以上であって２０ミリパスカル秒以下の範囲内であり、前記液体吐出ヘッドは、前記液体が吐出されるノズルと、前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部と、を有し、前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積は、前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下である、液体吐出方法を実現できることが明らかにされる。
このような液体吐出方法によれば、ノズルから吐出される液体の量と圧力室へ供給される液体の量を、ノズルの開口の大きさと供給部の開口の大きさとによって最適化できる。このため、圧力室への液体の供給不足が改善され、液体の吐出を安定化できる。

かかる液体吐出方法であって、前記液体が吐出される側の前記ノズルの開口の面積は、前記供給部の前記開口の面積の１／２０以上であることが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、液体の吐出を安定化できる。

かかる液体吐出方法であって、前記ノズルの長さは、４０μｍ以上であって１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、液体の吐出を安定化できる。

かかる液体吐出方法であって、前記供給部の前記開口は矩形状であり、当該開口が有する一方の辺の長さは、３０μｍ以上であって５００μｍ以下の範囲内であり、当該開口が有する他方の辺の長さは、２０μｍ以上であって３００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、粘度が６ミリパスカル秒以上であって２０ミリパスカル秒以下の液体を、圧力室へ確実に供給することができる。

かかる液体吐出方法であって、前記供給部の前記開口の外縁は、前記圧力室を区画する面であって前記供給部と連通する面の外縁よりも小さいことが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、液体に与えた圧力振動を供給部で減衰させることができる。これにより、液体の吐出周波数を高めることができる。

かかる液体吐出方法であって、前記ノズルのイナータンスは、前記供給部のイナータンスよりも小さいことが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、液体に与えた圧力振動によって液体を効率よく吐出することができる。

かかる液体吐出方法であって、前記圧力室は、前記圧力室の一部を区画し、変形によって前記液体に圧力変化を与える区画部を有することが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、圧力室内の液体に効率よく圧力変化を与えることができる。

かかる液体吐出方法であって、前記液体吐出ヘッドは、印加された吐出パルスにおける電位の変化パターンに応じた度合いで、前記区画部を変形させる素子を有することが好ましい。
このような液体吐出方法によれば、圧力室内の液体の圧力を精度良く制御できる。

また、次の液体吐出ヘッドを実現できることも明らかにされる。
すなわち、液体が吐出されるノズルと、前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部とを有し、前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積は、前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下である液体吐出ヘッドを実現できることも明らかにされる。

また、次の液体吐出装置を実現できることも明らかにされる。
すなわち、吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、ノズルから液体を吐出させる液体吐出ヘッドであって、前記液体を前記ノズルから吐出させるために、区画部を変形させることで前記液体に圧力変化を与える圧力室と、印加された前記吐出パルスにおける電位の変化パターンに応じた度合いで、前記区画部を変形させる素子と、前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部とを有し、前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積が、前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下に定められた液体吐出ヘッドとを有する液体吐出装置を実現できることも明らかにされる。

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜印刷システムについて＞
図１に例示した印刷システムは、プリンタ１と、コンピュータＣＰとを有する。プリンタ１は液体吐出装置に相当し、用紙、布、フィルム等の媒体に向けて、液体の一種であるインクを吐出する。媒体は、液体が吐出される対象となる対象物である。コンピュータＣＰは、プリンタ１と通信可能に接続されている。プリンタ１に画像を印刷させるため、コンピュータＣＰは、その画像に応じた印刷データをプリンタ１に送信する。

＝＝＝プリンタ１の概要＝＝＝
プリンタ１は、用紙搬送機構１０、キャリッジ移動機構２０、駆動信号生成回路３０、ヘッドユニット４０、検出器群５０、及び、プリンタ側コントローラ６０を有する。
用紙搬送機構１０は、用紙を搬送方向に搬送させる。キャリッジ移動機構２０は、ヘッドユニット４０が取り付けられたキャリッジを所定の移動方向（例えば紙幅方向）に移動させる。駆動信号生成回路３０は、駆動信号ＣＯＭを生成する。この駆動信号ＣＯＭは、用紙への印刷時にヘッドＨＤ（ピエゾ素子４３３，図２Ａを参照）へ印加されるものであり、図４に一例を示すように、吐出パルスＰＳを含む一連の信号である。ここで、吐出パルスＰＳとは、ヘッドＨＤから滴状のインクを吐出させるために、ピエゾ素子４３３に所定の動作を行わせるものである。駆動信号ＣＯＭが吐出パルスＰＳを含むことから、駆動信号生成回路３０は、吐出パルス生成部に相当する。なお、駆動信号生成回路３０の構成や吐出パルスＰＳについては、後で説明する。ヘッドユニット４０は、ヘッドＨＤとヘッド制御部ＨＣとを有する。ヘッドＨＤは液体吐出ヘッドの一種であり、インクを用紙に向けて吐出させる。ヘッド制御部ＨＣは、プリンタ側コントローラ６０からのヘッド制御信号に基づき、ヘッドＨＤを制御する。なお、ヘッドＨＤについては後で説明する。検出器群５０は、プリンタ１の状況を監視する複数の検出器によって構成される。これらの検出器による検出結果は、プリンタ側コントローラ６０に出力される。プリンタ側コントローラ６０は、プリンタ１における全体的な制御を行う。このプリンタ側コントローラ６０についても後で説明する。

＝＝＝プリンタ１の要部＝＝＝
＜ヘッドＨＤについて＞
図２Ａに示すように、ヘッドＨＤは、ケース４１と、流路ユニット４２と、ピエゾ素子ユニット４３とを有する。ケース４１は、ピエゾ素子ユニット４３を収容して固定するための収容空部４１１が内部に設けられた部材である。このケース４１は、例えば樹脂材によって作製される。そして、ケース４１の先端面には、流路ユニット４２が接合されている。

流路ユニット４２は、流路形成基板４２１と、ノズルプレート４２２と、振動板４２３とを有する。そして、流路形成基板４２１における一方の表面にはノズルプレート４２２が接合され、他方の表面には振動板４２３が接合されている。流路形成基板４２１には、圧力室４２４となる溝部、インク供給路４２５となる溝部、及び、共通インク室４２６となる開口部などが形成されている。この流路形成基板４２１は、例えばシリコン基板によって作製されている。圧力室４２４は、ノズル４２７の並び方向に対して直交する方向に細長い室として形成されている。インク供給路４２５は、圧力室４２４と共通インク室４２６との間を連通する。このインク供給路４２５は、共通インク室４２６に貯留されたインク（液体の一種）を圧力室４２４に供給する。従って、インク供給路４２５は、液体を圧力室に供給するための供給部の一種である。共通インク室４２６は、インクカートリッジ（図示せず）から供給されたインクを一旦貯留する部分であり、共通の液体貯留室に相当する。

ノズルプレート４２２には、複数のノズル４２７が、所定の並び方向に所定の間隔で設けられている。インクは、これらのノズル４２７を通じてヘッドＨＤの外に吐出される。このノズルプレート４２２は、例えばステンレス板やシリコン基板によって作製されている。

振動板４２３は、例えばステンレス製の支持板４２８に樹脂製の弾性体膜４２９を積層した二重構造を採っている。振動板４２３における各圧力室４２４に対応する部分は、支持板４２８が環状にエッチング加工されている。そして、環内には島部４２８ａが形成されている。この島部４２８ａと島部周辺の弾性体膜４２９ａとがダイヤフラム部４２３ａを構成する。このダイヤフラム部４２３ａは、ピエゾ素子ユニット４３が有するピエゾ素子４３３によって変形し、圧力室４２４の容積を可変する。すなわち、ダイヤフラム部４２３ａは、圧力室４２４の一部を区画し、変形によって圧力室４２４内のインク（液体）に圧力変化を与える区画部に相当する。

ピエゾ素子ユニット４３は、ピエゾ素子群４３１と、固定板４３２とを有する。ピエゾ素子群４３１は櫛歯状をしている。そして、櫛歯の１つ１つがピエゾ素子４３３である。各ピエゾ素子４３３の先端面は、対応する島部４２８ａに接着される。固定板４３２は、ピエゾ素子群４３１を支持するとともに、ケース４１に対する取り付け部となる。この固定板４３２は、例えばステンレス板によって構成されており、収容空部４１１の内壁に接着される。

ピエゾ素子４３３は、電気機械変換素子の一種であり、圧力室４２４内の液体に圧力変化を与えるための動作（変形動作）をする素子に相当する。図２Ａに示すピエゾ素子４３３は、隣り合う電極同士の間に電位差を与えることにより、積層方向と直交する素子長手方向に伸縮する。即ち、上記の電極は、所定電位の共通電極４３４と、駆動信号ＣＯＭ（吐出パルスＰＳ）に応じた電位になる駆動電極４３５とを有する。そして、両電極４３４，４３５に挟まれた圧電体４３６は、共通電極４３４と駆動電極４３５との電位差に応じた度合いで変形する。ピエゾ素子４３３は、圧電体４３６の変形に伴って素子の長手方向に伸縮する。本実施形態において、共通電極４３４は、グランド電位、若しくは、グランド電位よりも所定電位だけ高いバイアス電位に定められる。そして、ピエゾ素子４３３は、駆動電極４３５の電位が共通電極４３４の電位よりも高くなるほど収縮する。反対に、駆動電極４３５の電位が共通電極４３４の電位に近付くほど、或いは、共通電極４３４の電位よりも低くなるほど伸張する。

前述したように、ピエゾ素子ユニット４３は、固定板４３２を介してケース４１に取り付けられている。このため、ピエゾ素子４３３が収縮すると、ダイヤフラム部４２３ａは、圧力室４２４から遠ざかる方向に引っ張られる。これにより、圧力室４２４が膨張される。反対に、ピエゾ素子４３３が伸長すると、ダイヤフラム部４２３ａが圧力室４２４側に押される。これにより、圧力室４２４が収縮する。圧力室４２４内のインクには、圧力室４２４の膨張や収縮に起因して圧力変化が生じる。すなわち、圧力室４２４の収縮に伴って圧力室４２４内のインクは加圧され、圧力室４２４の膨張に伴って圧力室４２４内のインクは減圧される。ピエゾ素子４３３の伸縮状態は駆動電極４３５の電位に応じて定まるので、圧力室４２４の容積も駆動電極４３５の電位に応じて定まる。従って、ピエゾ素子４３３は、印加された吐出パルスＰＳにおける電位の変化パターンに応じた度合いで、ダイヤフラム部４２３ａ（区画部）を変形させる素子といえる。そして、圧力室４２４内のインクに対する加圧度合いや減圧度合いは、駆動電極４３５における単位時間あたりの電位変化量等によって定めることができる。

＜インク流路について＞
ヘッドＨＤには、共通インク室４２６からノズル４２７に至る一連のインク流路（液体で満たされる液体流路に相当する）が、ノズル４２７の数に応じた複数設けられている。このインク流路では、太い流路の圧力室４２４に対して、細い流路のノズル４２７及びインク供給路４２５がそれぞれ連通している。このため、インクの流れなどの特性を解析する場合、ヘルムホルツの共鳴器の考え方が適用される。図２Ｂは、この考え方に基づくヘッドＨＤの構造を模式的に説明する図である。

一般的なヘッドＨＤにおいて、圧力室４２４の長さＬ４２４は２００μｍから２０００μｍの範囲内に定められる。圧力室４２４の幅Ｗ４２４は２０μｍから３００μｍの範囲内に定められ、圧力室４２４の高さＨ４２４は３０μｍから５００μｍの範囲内に定められる。そして、インク供給路４２５の長さＬ４２５は５０μｍから２０００μｍの範囲内に定められる。インク供給路４２５の幅Ｗ４２５は２０μｍから３００μｍの範囲内に定められ、インク供給路４２５の高さＨ４２５は３０μｍから５００μｍの範囲内に定められる。また、ノズル４２７の直径φ４２７は１０μｍから４０μｍの範囲内に定められ、ノズル４２７の長さＬ４２７は４０μｍから１００μｍの範囲内に定められる。

なお、インク供給路４２５に関し、幅Ｗ４２５や高さＨ４２５は、圧力室４２４の幅Ｗ４２４や高さＨ４２４以下に定められる。また、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５や高さＨ４２５の一方を、圧力室４２４の幅Ｗ４２４や高さＨ４２４の一方に揃えた場合、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５や高さＨ４２５の他方は、圧力室４２４の幅Ｗ４２４や高さＨ４２４の他方よりも小さいサイズに定められる。

また、図２Ｂはインク流路を模式的に説明する図である。このため、インク流路は、実際とは異なる形状で示されている。しかし、インク供給路４２５に関しては、実際も矩形状の開口を有する直方体状の空間として構成されている。従って、インク供給路４２５の開口の大きさは、圧力室４２４を区画する面であってインク供給路４２５と連通する面の外縁よりも小さく定められている。

このようなインク流路では、圧力室４２４内のインクに圧力変化を与えることで、ノズル４２７からインクを吐出させる。このとき、圧力室４２４、インク供給路４２５、及び、ノズル４２７は、ヘルムホルツの共鳴器のように機能する。このため、圧力室４２４内のインクに圧力が加わると、この圧力の大きさはヘルムホルツ周期と呼ばれる固有の周期で変化する。すなわち、インクには圧力振動が生じる。

ここで、ヘルムホルツ周期（インクの固有振動周期）Ｔｃは、一般的には次式（１）で表すことができる。
Ｔｃ＝１／ｆ
ｆ＝１／２π√〔（Ｍｎ＋Ｍｓ）／（Ｍｎ×Ｍｓ×（Ｃｃ＋Ｃｉ））〕・・・（１）
式（１）において、Ｍｎはノズル４２７のイナータンス（単位断面積あたりのインクの質量、後述する。）、Ｍｓはインク供給路４２５のイナータンス、Ｃｃは圧力室４２４のコンプライアンス（単位圧力あたりの容積変化、柔らかさの度合いを示す。）、Ｃｉはインクのコンプライアンス（Ｃｉ＝体積Ｖ／〔密度ρ×音速ｃ²〕）である。
この圧力振動の振幅は、インク流路をインクが流れることで次第に小さくなる。例えば、ノズル４２７やインク供給路４２５における損失、及び、圧力室４２４を区画する壁部等における損失により、圧力振動は減衰する。

一般的なヘッドＨＤにおいて、圧力室４２４におけるヘルムホルツ周期は５μｓから１０μｓの範囲内に定められる。例えば、図２Ｂのインク流路において、圧力室４２４の幅Ｗ４２４を１００μｍ、高さＨ４２４を７０μｍ、長さＬ４２４を１０００μｍとし、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５を５０μｍ、高さＨ４２５を７０μｍ、長さＬ４２５を５００μｍとし、ノズル４２７の直径φ４２７を３０μｍ、長さＬ４２７を１００μｍとした場合、ヘルムホルツ周期は８μｓ程度になる。なお、このヘルムホルツ周期は、隣り合う圧力室４２４同士を区画する壁部の厚さ、弾性体膜４２９の厚さやコンプライアンス、流路形成基板４２１やノズルプレート４２２の素材によっても変化する。

＜プリンタ側コントローラ６０について＞
プリンタ側コントローラ６０は、プリンタ１における全体的な制御を行う。例えば、コンピュータＣＰから受け取った印刷データや各検出器からの検出結果に基づいて制御対象部を制御し、用紙に画像を印刷させる。図１に示すように、プリンタ側コントローラ６０は、インタフェース部６１と、ＣＰＵ６２と、メモリ６３とを有する。インタフェース部６１は、コンピュータＣＰとの間でデータの受け渡しを行う。ＣＰＵ６２は、プリンタ１の全体的な制御を行う。メモリ６３は、コンピュータプログラムを格納する領域や作業領域等を確保する。ＣＰＵ６２は、メモリ６３に記憶されているコンピュータプログラムに従い、各制御対象部を制御する。例えば、ＣＰＵ６２は、用紙搬送機構１０やキャリッジ移動機構２０を制御する。また、ＣＰＵ６２は、ヘッドＨＤの動作を制御するためのヘッド制御信号をヘッド制御部ＨＣに送信したり、駆動信号ＣＯＭを生成させるための制御信号を駆動信号生成回路３０に送信したりする。

ここで、駆動信号ＣＯＭを生成させるための制御信号はＤＡＣデータとも呼ばれ、例えば複数ビットのデジタルデータである。このＤＡＣデータは、生成される駆動信号ＣＯＭの電位の変化パターンを定める。従って、このＤＡＣデータは、駆動信号ＣＯＭや吐出パルスＰＳの電位を示すデータともいえる。このＤＡＣデータは、メモリ６３の所定領域に記憶されており、駆動信号ＣＯＭの生成時に読み出されて駆動信号生成回路３０へ出力される。

＜駆動信号生成回路３０について＞
駆動信号生成回路３０は、吐出パルス生成部として機能し、ＤＡＣデータに基づき、吐出パルスＰＳを有する駆動信号ＣＯＭを生成する。図３に示すように、駆動信号生成回路３０は、ＤＡＣ回路３１と、電圧増幅回路３２と、電流増幅回路３３とを有する。ＤＡＣ回路３１は、デジタルのＤＡＣデータをアナログ信号に変換する。電圧増幅回路３２は、ＤＡＣ回路３１で変換されたアナログ信号の電圧を、ピエゾ素子４３３を駆動できるレベルまで増幅する。このプリンタ１では、ＤＡＣ回路３１から出力されるアナログ信号は最大３．３Ｖであるのに対し、電圧増幅回路３２から出力される増幅後のアナログ信号（便宜上、波形信号ともいう。）は最大４２Ｖである。電流増幅回路３３は、電圧増幅回路３２からの波形信号について電流の増幅をし、駆動信号ＣＯＭとして出力する。この電流増幅回路３３は、例えば、プッシュプル接続されたトランジスタ対によって構成される。

＜ヘッド制御部ＨＣについて＞
ヘッド制御部ＨＣは、駆動信号生成回路３０で生成された駆動信号ＣＯＭの必要部分をヘッド制御信号に基づいて選択し、ピエゾ素子４３３へ印加する。このため、図３に示すように、ヘッド制御部ＨＣは、駆動信号ＣＯＭの供給線の途中に、ピエゾ素子４３３毎に設けられた複数のスイッチ４４を有する。そして、ヘッド制御部ＨＣは、ヘッド制御信号からスイッチ制御信号を生成する。このスイッチ制御信号によって各スイッチ４４を制御することで、駆動信号ＣＯＭの必要部分（例えば吐出パルスＰＳ）がピエゾ素子４３３へ印加される。このとき、必要部分の選択の仕方次第で、ノズル４２７からのインクの吐出を制御できる。

＜駆動信号ＣＯＭについて＞
次に、駆動信号生成回路３０によって生成される駆動信号ＣＯＭについて説明する。図４に示すように、駆動信号ＣＯＭには、繰り返し生成される複数の吐出パルスＰＳが含まれている。これらの吐出パルスＰＳは、いずれも同じ波形をしている。すなわち、電位の変化パターンが同じである。前述したように、この駆動信号ＣＯＭは、ピエゾ素子４３３が有する駆動電極４３５に印加される。これにより、固定電位とされた共通電極４３４との間に、電位の変化パターンに応じた電位差が生じる。その結果、ピエゾ素子４３３は、電位の変化パターンに応じて伸縮し、圧力室４２４の容積を変化させる。

例示した吐出パルスＰＳの電位は、基準電位としての中間電位ＶＢから最高電位ＶＨまで上昇した後に、最低電位ＶＬまで下降する。そして、中間電位ＶＢまで上昇する。前述したように、ピエゾ素子４３３は、駆動電極４３５の電位が共通電極４３４の電位よりも高いほど収縮して、圧力室４２４の容積を拡大させる。

従って、この吐出パルスＰＳがピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は、中間電位ＶＢに対応する基準容積から、最高電位ＶＨに対応する最大容積まで膨張する。その後、最低電位ＶＬに対応する最小容積まで収縮し、基準容積まで膨張する。そして、最大容積から最小容積に収縮する際に、圧力室４２４内のインクが加圧され、ノズル４２７からインク滴が吐出される。従って、この吐出パルスＰＳにおける最高電位ＶＨから最低電位ＶＬまで変化する部分が、インクを吐出させるための吐出部分に相当する。

インク滴の吐出周波数は、相前後して生成される吐出部分の間隔によって定められる。例えば、図４の例において、実線の駆動信号ＣＯＭではインク滴が期間Ｔａ毎に吐出され、一点鎖線の駆動信号ＣＯＭではインク滴が期間Ｔｂ毎に吐出されている。このため、実線の駆動信号ＣＯＭによる吐出周波数は、一点鎖線の駆動信号ＣＯＭによる吐出周波数よりも高いといえる。

＝＝＝吐出動作について＝＝＝
＜概要＞
この種のプリンタでは、インクの吐出を安定化させたいという要望がある。例えば、低い周波数でインク滴を吐出させた場合と、高い周波数でインク滴を吐出させた場合とで、インク滴の量や飛行方向、或いは、飛行速度等を同じにしたいという要望がある。しかし、一般的なインクの粘度（約１ミリパスカル秒）よりも十分に高い粘度のインク、具体的には粘度が６〜２０ミリパスカル秒のインク（便宜上、高粘度インクともいう。）を、従来のヘッドで吐出させた場合には、インクの吐出が不安定になってしまうという問題があった。図５Ａは、高粘度インクが安定な状態で吐出されている様子を示している。これに対し、図５Ｂは、高粘度インクが不安定な状態で吐出されている様子を示している。これらの図を比較すると、不安定な状態では、飛行速度が不足しているインク滴や吐出曲がりが生じているインク滴があることが判る。

インクの吐出を不安定にする要因は種々考えられるが、その要因の一つにインクの供給不足があると考えられる。高粘度インクは、通常のインクよりもインク供給路４２５を通過しにくい特性を有する。このため、圧力室４２４へのインクの供給が追いつかず、インクが不足した状態でインクの吐出動作が行われると、インクの吐出が不安定になると考えられる。

このような事情に鑑み、本実施形態のヘッドＨＤでは、ノズル４２７の開口面積を、インク供給路４２５の開口面積に基づいて定めている。すなわち、図２Ｂに示すように、ノズル４２７の吐出側の開口面積Ｓｎｚｌが、インク供給路４２５の圧力室４２４側の開口面積Ｓｓｕｐの１／１０以下になるように構成している。これにより、ノズル４２７からのインク滴の吐出量を制限しつつ、圧力室４２４へのインクの供給量を確保している。その結果、圧力室４２４へのインクの供給不足を解消でき、インクの吐出を安定化できる。以下、詳細に説明する。

＜吐出パルスＰＳについて＞
まず、評価に用いた吐出パルスＰＳ１について説明する。図６はこの吐出パルスＰＳ１を説明する図である。なお、図６において、縦軸は駆動信号の電位であり、基準電位としての中間電位ＶＢを０Ｖにしている。また、横軸は時間である。

図６に示す吐出パルスＰＳ１は、符号Ｐ１から符号Ｐ５で示される複数の部分を有する。すなわち、吐出パルスＰＳ１は、第１減圧部分Ｐ１と、第１電位保持部分Ｐ２と、加圧部分Ｐ３と、第２電位保持部分Ｐ４と、第２減圧部分Ｐ５とを有する。

第１減圧部分Ｐ１は、タイミングｔ０からタイミングｔ１ａに亘って生成される部分である。この第１減圧部分Ｐ１は、タイミングｔ０における電位（始端電位に相当する）が中間電位ＶＢであり、タイミングｔ１ａにおける電位（終端電位に相当する）が最高電位ＶＨである。このため、第１減圧部分Ｐ１がピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は、基準容積から最大容積まで、第１減圧部分Ｐ１の生成期間に亘って膨張する。この第１減圧部分Ｐ１は、インク滴を吐出させるための準備動作として圧力室４２４を膨張させている。

この吐出パルスＰＳ１における中間電位ＶＢは、吐出パルスＰＳ１における最低電位ＶＬよりも、吐出パルスＰＳ１における最高電位ＶＨから最低電位ＶＬまでの差（以下、駆動電圧Ｖｈともいう）の３０％分高い電位に定められている。そして、この吐出パルスＰＳ１における駆動電圧Ｖｈは２５Ｖである。このため、中間電位ＶＢは最低電位ＶＬよりも７．５Ｖ高く、最高電位ＶＨは中間電位ＶＢよりも１７．５Ｖ高い。また、第１減圧部分Ｐ１の生成期間は３．５μｓである。

第１電位保持部分Ｐ２は、タイミングｔ１ａからタイミングｔ２ａに亘って生成される部分である。この第１電位保持部分Ｐ２は、最高電位ＶＨで一定である。このため、第１電位保持部分Ｐ２がピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は、第１電位保持部分Ｐ２の生成期間に亘って最大容積が維持される。この吐出パルスＰＳ１において、第１電位保持部分Ｐ２の生成期間は２μｓである。

加圧部分Ｐ３は、タイミングｔ２ａからタイミングｔ３ａに亘って生成される部分である。この加圧部分Ｐ３は、始端電位が最高電位ＶＨであり、終端電位が最低電位ＶＬである。このため、加圧部分Ｐ３がピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は、最大容積から最小容積まで加圧部分Ｐ３の生成期間に亘って収縮する。この圧力室４２４の収縮に伴ってインクが吐出されるので、加圧部分Ｐ３はインク滴を吐出させるための部分に相当する。なお、この吐出パルスＰＳ１において、加圧部分Ｐ３の生成期間は３μｓである。

第２電位保持部分Ｐ４は、タイミングｔ３ａからタイミングｔ４ａに亘って生成される部分である。第２電位保持部分Ｐ４は、最低電位ＶＬで一定である。このため、第２電位保持部分Ｐ４がピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は、第２電位保持部分Ｐ４の生成期間に亘って、最小容積が維持される。この吐出パルスＰＳ１において、第２電位保持部分Ｐ４の生成期間は５μｓである。

第２減圧部分Ｐ５は、タイミングｔ４ａからタイミングｔ５ａに亘って生成される部分である。この第２減圧部分Ｐ５は、始端電位が最低電位ＶＬであり、終端電位が中間電位ＶＢである。このため、第２減圧部分Ｐ５がピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は、最小容積から基準容積まで、第２減圧部分Ｐ５の生成期間に亘って膨張する。この第２減圧部分Ｐ５は、インク滴の吐出後において収縮状態の圧力室４２４を基準容積まで膨張させるための動作をピエゾ素子４３３に行わせる。この吐出パルスＰＳ１において、第２減圧部分Ｐ５の生成期間は３．５μｓである。

＜粘度が２０ミリパスカル秒のインクについて＞
図７は、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの約１／１０に定めたヘッドＨＤによる、インク滴の吐出を説明する図である。図２Ｂに示すように、開口面積Ｓｎｚｌは、ノズル４２７におけるインク滴が吐出される側に位置する開口の面積である。また、開口面積Ｓｓｕｐは、インク供給路４２５が有する２つの開口のうち、圧力室４２４と連通する方の開口の面積である。

図７において、縦軸はメニスカス（ノズル４２７で露出しているインクの自由表面）の状態をインクの量で示しており、横軸は時間である。縦軸に関し、０ｎｇは、定常状態におけるメニスカスの位置を示す。そして、正側に値が大きくなるほどメニスカスが吐出方向に押し出された状態を示し、負側に値が大きくなるほどメニスカスが圧力室４２４側に引き込まれた状態を示す。なお、この図７は、シミュレーションによって得られたものである。そして、インク滴の吐出を説明する他の図も、シミュレーションによって得られたものである。

このヘッドＨＤにおいて、圧力室４２４の幅Ｗ４２４は１００μｍであり、高さＨ４２４は７０μｍであり、長さＬ４２４は１０００μｍである。ノズル４２７の直径φ４２７は２５μｍであり、ノズル４２７の長さは１００μｍである。インク供給路４２５の幅Ｗ４２５は１００μｍであり、高さＨ４２５は５５μｍであり、長さＬ４２５は５００μｍである。このため、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌは約５００μｍ^２（より正確には４９１μｍ^２）となり、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐは５５００μｍ^２となる。従って、ノズル４２７の開口面積はインク供給路４２５の開口面積の約１／１０（より正確には１／１１）である。

このようなインクの流路を有するヘッドＨＤにおいて、図６の吐出パルスＰＳ１をピエゾ素子４３３へ印加すると、ノズル４２７からはインク滴が吐出される。その際、メニスカスは図７のように移動する。まず、第１減圧部分Ｐ１がピエゾ素子４３３に印加されると、圧力室４２４は基準容積から最大容積まで膨張する。この膨張に伴い圧力室４２４内のインクが負圧となり、インクがインク供給路４２５を通じて圧力室４２４側に流入する。また、インクが負圧になったことに伴って、メニスカスがノズル４２７内で圧力室４２４側に引き込まれる。

メニスカスの圧力室４２４側への移動は、第１減圧部分Ｐ１の印加終了後も継続される。すなわち、圧力室４２４を区画する壁部や振動板４２３のコンプライアンス等により、メニスカスは第１電位保持部分Ｐ２の印加期間中も圧力室４２４側へ移動する。その後、メニスカスの移動方向は、圧力室４２４から遠ざかる方向に反転する（図７中に符号Ａ１で示すタイミング）。このとき、加圧部分Ｐ３の印加に伴う圧力室４２４の収縮も加わるため、メニスカスの移動速度は速い。加圧部分Ｐ３の印加に伴って移動したメニスカスは柱状になる。そして、第２電位保持部分Ｐ４のピエゾ素子４３３への印加が終了するまでに、柱状になったメニスカスの先端側の一部分が切れ、滴状になって吐出される（図７中に符号Ｂ１で示すタイミング）。

吐出の反動で、メニスカスは圧力室４２４側に速い速度で戻る。このとき、ピエゾ素子４３３には第２減圧部分Ｐ５が印加される。この第２減圧部分Ｐ５の印加に伴って圧力室４２４が膨張する。この膨張に伴い圧力室４２４内のインクが負圧となり、インクがインク供給路４２５を通じて圧力室４２４側に流入する。

第２減圧部分Ｐ５が印加された後、メニスカスは、移動方向を吐出側と圧力室４２４側とに切り替えながら（例えば、図７中に符号Ｃ１，Ｄ１で示すタイミング）、徐々に定常状態（インク量０ｎｇ）の位置へ近付く。メニスカスが定常状態の位置に近付く理由は、圧力室４２４内のインクが増えているからと考えられる。このため、メニスカスが定常状態の位置に近付いている間は、インク供給路４２５から圧力室４２４内にインクが供給されているといえる。そして、メニスカスが定常状態の位置まで戻ったということは、圧力室４２４内に十分な量のインクが供給されたことを意味する。従って、この時点以降に吐出パルスＰＳ１をピエゾ素子４３３に印加すれば、インクの供給不足に起因するインクの吐出不良は防止できる。図７の例において、メニスカスは、第１減圧部分Ｐ１のピエゾ素子４３３への印加開始から１００μｓを経過した時点で、ほぼ定常状態の位置まで戻っている。

なお、本実施形態では、第１減圧部分Ｐ１の印加開始から１００μｓを経過した時点でメニスカスが定常状態の位置に戻っていることを、４０ｋＨｚ以上の高い周波数であっても安定した吐出が行えることの判断基準にしている。１００μｓという時間だけで考えると、吐出周波数は、最高でも１０ｋＨｚ程度になってしまうとも思われる。しかし、吐出周波数を高めた場合、インク滴が次々と吐出されることから、インク流路（共通インク室４２６からノズル４２７に至る一連の流路）には、共通インク室４２６側からノズル４２７側に向かうインクの流れが生じると考えられる。このインクの流れは吐出周波数を高めるほど速くなる。そして、この流れによっても圧力室４２４内にインクが供給されることから、上記の判断基準が定められている。

メニスカスが速やかに定常状態の位置に戻る理由の１つに、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌとインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの比率があると考えられる。すなわち、このヘッドＨＤでは、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの約１／１０に定めている。これにより、圧力室４２４内のインクの圧力を変化させた際のインクの流れやすさを、ノズル４２７の内部とインク供給路４２５の内部とで異ならせることができる。すなわち、インク供給路４２５の方をノズル４２７よりも、インクが流れやすいようにしていると考えられる。また、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐよりも十分に小さくしているので、インク滴の吐出能力を抑えているともいえる。

これにより、圧力室４２４内のインクが減圧された場合において、インク供給路４２５から圧力室４２４へインクが供給されやすくなり、インクの供給不足が改善される。このことは、図７のタイミングＣ１とタイミングＤ１との間でメニスカスが大きく移動していることからも理解できる。すなわち、タイミングＣ１にてインクが大きく減圧された反動でインク供給路４２５からインクが圧力室４２４側に流れ込み、タイミングＤ１ではメニスカスが定常状態の位置に近付いたと考えられる。

図８は、比較例のヘッドＨＤによるインク滴の吐出を説明する図である。比較例のヘッドＨＤでは、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌを、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの約１／６．７（比率０．１５）に定めた点で、図７で用いたヘッドＨＤと相違している。図８と図７とを比較すると、比較例のヘッドＨＤの方がインクを多く吐出していることが判る。すなわち、タイミングＢ２におけるインク量が１２ｎｇであるのに対し、タイミングＢ１におけるインク量は７ｎｇである。また、メニスカスの引き込み量に関しても、比較例のヘッドＨＤの方が大きいことが判る。すなわち、タイミングＣ２におけるインク量は−１５ｎｇであるのに対し、タイミングＣ１におけるインク量は−１０．５ｎｇである。これらは、比較例のヘッドＨＤの方が図７で用いたヘッドＨＤよりも、ノズル４２７の内部でインクが流れやすくなっているためと考えられる。そして、メニスカスの引き込み量が十分大きいことから、比較例のヘッドＨＤでも、第２減圧部分Ｐ５のピエゾ素子４３３への印加に伴って、圧力室４２４内のインクが十分に減圧されていることが判る。

しかしながら、この減圧後において、比較例のヘッドＨＤでは図７で用いたヘッドＨＤよりもメニスカスの戻り量が少ない。具体的には、タイミングＤ２におけるインク量は−６ｎｇであるのに対し、タイミングＤ１におけるインク量は−２ｎｇである。前述したように、メニスカスの戻り量は、圧力室４２４内へのインクの供給量に関連している。すなわち、圧力室４２４にインクが供給されるほど、メニスカスは定常状態の位置に近付く。従って、図７で用いたヘッドＨＤでは、インク滴の吐出後において、インク供給路４２５を通じて十分な量のインクが速やかに圧力室４２４に供給されているといえる。これに対し、比較例のヘッドＨＤでは、インク滴の吐出後において、圧力室４２４に供給されるインクの量が、図７で用いたヘッドＨＤよりも少なくなっているといえる。これに伴って、メニスカスが定常状態の位置に戻るまでの時間が長くなっている。このことは、比較例のヘッドＨＤは、図７で用いたヘッドＨＤに比べてインクの供給不足が生じやすいことを示しているといえる。

＜圧力室４２４の面積との関係について＞
次に、圧力室４２４の面積Ｓｃａｖとインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐとの関係について説明する。図２Ｂに示すように、圧力室４２４の面積Ｓｃａｖとは、インクの流れ方向と交差する面の断面積、要するに圧力室４２４の太さである。以下の説明において、単に圧力室４２４の面積Ｓｃａｖと記載されている場合、インクの流れ方向と交差する面の断面積を意味する。

図９は、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐを圧力室４２４の面積Ｓｃａｖの０．３４倍にしたヘッドＨＤによるインク滴の吐出を説明する図である。図１０は、インク供給路４２５の開口面積を圧力室４２４の面積の０．３２倍にしたヘッドＨＤによるインク滴の吐出を説明する図である。図９で用いたヘッドＨＤは、Ｓｃａｖ＜３×Ｓｓｕｐの条件を満たし、かつ、この条件における境界のヘッドといえる。一方、図１０で用いたヘッドＨＤは、Ｓｃａｖ＜３×Ｓｓｕｐの条件を満たさず、かつ、この条件の境界のヘッドといえる。なお、これらの図において、吐出対象のインクの粘度は２０ミリパスカル秒である。

図９と図１０とを比較すると、インク滴が吐出されて圧力室４２４内のインクが減圧されるまでのメニスカスの動きについては、図９で用いたヘッドＨＤと図１０で用いたヘッドＨＤとで大きな違いはないといえる。例えば、タイミングＢ３におけるインク量が１１ｎｇ弱であるのに対し、タイミングＢ４におけるインク量は１１ｎｇ強である。また、タイミングＣ３におけるインク量が−１５ｎｇ強であるのに対し、タイミングＣ４におけるインク量は−１５ｎｇ弱である。

しかし、これらのヘッドＨＤでは、インクの減圧後におけるメニスカスの戻り方に違いがある。例えば、タイミングＤ３におけるインク量が−３ｎｇであるのに対し、タイミングＤ４におけるインク量は−４ｎｇである。また、タイミングＥ３におけるインク量が−１ｎｇであるのに対し、タイミングＥ４におけるインク量は−３ｎｇである。そして、図９で用いたヘッドＨＤの方が図１０で用いたヘッドＨＤよりも、メニスカスが定常状態の位置に近づくまでに要する時間が短くなっている。この特性から、図９で用いたヘッドＨＤの方が図１０で用いたヘッドＨＤよりも、インク滴の吐出後におけるインクの供給量が多いことが理解できる。

従って、Ｓｃａｖ＜３×Ｓｓｕｐの条件を満たすヘッドＨＤを用いることで圧力室４２４へのインクの供給不足が生じ難くなり、高粘度インクに対する吐出安定性をより高めることができるといえる。

＜考察＞
前述の結果より、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌ（インク滴が吐出される側の開口の面積）を、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐ（圧力室４２４側の開口の面積）の１／１０以下に定めることで、ノズル４２７から吐出されるインクの量と圧力室４２４へ供給されるインクの量とのバランスを最適化でき、圧力室４２４へのインクの供給不足が改善できることが判った。その結果、高粘度インクであってもインクの供給不足を抑制でき、インク滴の吐出を安定化できることが判った。

ところで、前述したように、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌや長さＬ４２７、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐや長さＬ４２５は、種々の値を取り得る。そして、これらの値を変化させることで、ノズル４２７側におけるインクの流れやすさとインク供給路４２５側におけるインクの流れやすさのバランスを変えられるとも考えられる。

ここで、圧力室４２４へのインクの供給不足を抑制し、吐出を安定化するという効果を考慮すると、ノズル４２７側において最もインクが流れやすく、インク供給路４２５側において最もインクが流れ難い状態（ワースト状態）であってもインクの供給不足が生じなければ、ノズル４２７の長さＬ４２７やインク供給路４２５の長さＬ４２５といった他の要素に関わらず、上記の効果が得られると解される。

この観点に基づき、ワースト状態において、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／１０に定めたヘッドＨＤを用いてシミュレーションを行った。図１１は、このシミュレーション結果、すなわち、ワースト状態のヘッドＨＤによるインク滴の吐出を説明する図である。

図１１で用いたヘッドＨＤは、ノズル４２７の直径φ４２７が５０μｍ（開口面積Ｓｎｚｌ：約１９６３μｍ^２）、ノズル４２７の長さＬ４２７が４０μｍ、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５が２００μｍ、高さＨ４２５が１００μｍ（開口面積Ｓｓｕｐ：２００００μｍ^２）、インク供給路４２５の長さＬ４２５が２０００μｍである。また、圧力室４２４に関し、幅Ｗ４２４が３００μｍ、高さＨ４２４が１００μｍ、長さＬ４２４が８００μｍである。すなわち、このヘッドＨＤは、ノズル４２７の直径φ４２７が最も大きく、ノズル４２７の長さＬ４２７が最も短く、インク供給路４２５の長さＬ４２５が最も長く、かつ、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌがインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐのほぼ１／１０になっている。なお、吐出対象のインクの粘度は２０ミリパスカル秒である。

このヘッドＨＤでは、前述の各ヘッドＨＤに比べてインクの吐出量が多くなっている。すなわち、タイミングＢ５におけるインク量は３０ｎｇである。これは、ノズル４２７の直径φ４２７を一般的なヘッドＨＤが採りうる最大値に定め、かつ、ノズル４２７の長さＬ４２７を一般的なヘッドＨＤが採りうる最小値に定めたことが影響していると考えられる。

インク滴の吐出後のタイミングＤ５やタイミングＥ５にて、インク量は−１１ｎｇ程度であるが、その後メニスカスは定常状態の位置に近づき、第１減圧部分Ｐ１の印加開始から７５μｓ経過後のタイミングでほぼ定常状態の位置まで戻っている。このことから、インク滴の吐出後において、圧力室４２４へインクが速やかに供給されていることが判る。従って、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／１０以下に定めることで、高粘度インクを吐出させてもインクの圧力室４２４への供給不足を抑制でき、インク滴の吐出を安定化できるといえる。

＜粘度の違いについて＞
上記の実施形態は、粘度が２０ミリパスカル秒の高粘度インクについての実験結果（シミュレーション結果）であるが、高粘度インクの粘度には幅がある。そこで、インクの粘度の違いよる影響について検討する。図１２は、粘度が５ミリパスカル秒のインクを吐出させた場合における、インク滴の吐出を説明する図である。図１３は、粘度が６ミリパスカル秒のインクを吐出させた場合における、インク滴の吐出を説明する図である。なお、これらの図で用いたヘッドＨＤは、図７で用いたヘッドＨＤと同じものである。

図１２を参照すると、インク滴の吐出後における期間Ｘ１においてインク量が正側に凸となっている。これは、インクの圧力室４２４への供給が過多になり、メニスカスがノズル４２７の開口縁よりも吐出側に位置していることを意味する。このようなメニスカスの凸側への移動は、インクの吐出を不安定にする一因となるので、好ましくない。一方、図１３を参照すると、インク滴の吐出後における期間Ｘ２においてインク量は正側になっているが、ほぼ定常状態の位置に近い。このことは、メニスカスは定常状態の位置に近いところでわずかに振動していることを意味する。つまり、メニスカスは、定常状態の位置で安定しているといえる。

従って、インクの粘度に関しては、６ミリパスカル秒以上であって２０ミリ以下の範囲であれば、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／１０以下に定めることで、インク滴の吐出を安定化できるといえる。

＜ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌについて＞
前述したように、インク滴の吐出の安定化という観点では、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／１０以下に定めればよいといえる。ここで、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌを、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐに対して小さくするほど、ノズル４２７の内部でインクが流れ難くなる。このため、圧力室４２４内で加圧されたインクは、インク供給路４２５の側へ多く流れることなる。さらに、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌを過度に小さくしてしまうと、圧力室４２４でインクを加圧してもノズル４２７からはインク滴が吐出されなくなってしまう。

このようなインク滴の吐出不良を防止するためには、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／２０以上に定めればよい。このように定めることで、圧力室４２４でインクを加圧した際にノズル４２７側でもインクの流れを生じさせることができ、インク滴を確実に吐出させることができる。

なお、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌがインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／２０以上であっても、ノズル４２７の直径φ４２７は、その最小値よりも小さくすることはできない。すなわち、ノズル４２７の直径φ４２７は１０μｍよりも小さくできない。これは、構造的に必要な量のインクを吐出できなくなってしまうからである。

＜インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐについて＞
前述の説明から、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐは、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌの１０倍以上であって２０倍以下の範囲に定めればよいといえる。加えて、圧力室４２４の面積Ｓｃａｖ（太さ）との関係では、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐは、圧力室４２４の面積Ｓｃａｖ（圧力室４２４を区画する面であってインク供給路４２５と連通する面の面積に相当する。）の１／３よりも大きく定めることがより好ましいといえる。ここで、インク供給路４２５は、共通インク室４２６から圧力室４２４へインクを供給するという機能に加え、インク滴の吐出後におけるインクの圧力振動を減衰させるという機能をも有する。この機能に着目した場合、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐは、圧力室４２４の面積Ｓｃａｖよりも小さいことが求められる。これは、開口面積を小さくすることで、流路抵抗が大きくなることによる。

ここで、流路抵抗とは、媒質の内部損失である。本実施形態では、インク流路を流れるインクが受ける力であって、インクの流れる方向とは逆向きの力である。この流路抵抗は、次式（２），（３）で表すことができる。すなわち、圧力室４２４やインク供給路４２５のように、略直方体状の流路における流路抵抗Ｒ_直は、次式（２）で表すことができる。また、ノズル４２７のように、円形状断面の流路における流路抵抗Ｒ_円は、次式（３）にて近似して表すことができる。
流路抵抗Ｒ_直＝（１２×粘度μ×長さＬ）／（幅Ｗ×高さＨ^３）・・・（２）
流路抵抗Ｒ_円＝（８×粘度μ×長さＬ）／（π×半径ｒ^４） ・・・（３）
これらの式（２），（３）において、粘度μはインクの粘度、Ｌは流路の長さ、Ｗは流路の幅、Ｈは流路の高さ、ｒは円形状断面を有する流路の半径をそれぞれ表している。

そして、インク供給路４２５の流路抵抗を圧力室４２４の流路抵抗よりも大きくすることにより、圧力室４２４におけるインクの圧力振動をインク供給路４２５で効果的に減衰させることができる。その結果、インク滴の吐出後において、メニスカスを早期に安定させることができる。すなわち、インク滴の高い周波数での吐出に適する。

＜イナータンスについて＞
ノズル４２７もインク供給路４２５もインク（媒質）が流れる管と考えることができる。このため、管の外部から圧力を加えた場合において、管の直径が大きいほど管内のインクは移動し易く、管内のインクの質量が大きいほど管内のインクは移動し難いといえる。このような特性を有することから、管内におけるインクの移動し易さについては、音響回路におけるイナータンスで表されている。ここで、インクの密度をρ、流路のインク流れ方向と直交する面の断面積をＳ、流路の長さをＬとしたとき、イナータンスＭは次式（４）で近似して表すことができる。図２Ｂに示すように、ここでの流路の長さＬや断面積Ｓは、モデル化したインク流路における各部の長さや断面積を示している。長さＬは、インクの流れ方向の長さである。また、断面積Ｓに関しては、インクの流れ方向とほぼ直交する面の面積である。
イナータンスＭ＝（密度ρ×長さＬ）／断面積Ｓ ・・・ （４）
この式（４）から、イナータンスは、単位断面積あたりのインクの質量と考えることができる。そして、イナータンスが大きいほど、インクは圧力室４２４内のインク圧力に応じて移動し難くなり、イナータンスが小さいほど、インクは圧力室４２４内の圧力に応じて移動しやすくなることが判る。
高粘度インクを吐出させる場合、ノズル４２７のイナータンスをインク供給路４２５のイナータンスよりも小さくすることが好ましい。これは、圧力室４２４内のインクに与えられた圧力振動に基づき、メニスカスの移動を効率よく行えるからである。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
前述した実施形態は、主として、液体吐出装置としてのプリンタを有する印刷システムについて記載されているが、その中には、液体吐出方法、液体吐出システム、吐出パルスの設定方法等の開示が含まれている。また、この実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

＜他のヘッドＨＤ´について＞
前述した実施形態のヘッドＨＤでは、ピエゾ素子４３３として、吐出パルスＰＳ１で与えられる電位が高いほど、圧力室４２４の容積を大きくするための動作をするタイプのものを用いていた。ヘッドに関し、他のタイプのものを用いてもよい。図１４に示した他のヘッドＨＤ´は、ピエゾ素子７５として、吐出パルスＰＳ２（図１５を参照）で与えられる電位が高いほど、圧力室７３の容積を小さくするための動作をするタイプのものを用いている。

簡単に説明すると、他のヘッドＨＤ´は、共通インク室７１と、インク供給口７２と、圧力室７３と、ノズル７４とを有する。そして、共通インク室７１から圧力室７３を通ってノズル７４に至る一連のインク流路をノズル７４に対応する複数有している。他のヘッドＨＤ´でも圧力室７３は、その容積がピエゾ素子７５の動作によって変化される。すなわち、圧力室７３の一部は振動板７６によって区画され、圧力室７３とは反対側となる振動板７６の表面にはピエゾ素子７５が設けられている。

ピエゾ素子７５はそれぞれの圧力室７３に対応して複数設けられている。各ピエゾ素子７５は、例えば圧電体を上電極と下電極とで挟んだ構成であり（何れも図示せず。）、これらの電極間に電位差を与えることにより変形する。この例では、上電極の電位を上昇させると圧電体が充電され、これに伴ってピエゾ素子７５は圧力室７３側に凸となるように撓む。これにより圧力室７３が収縮される。なお、他のヘッドＨＤ´では、振動板７６における圧力室７３を区画している部分が区画部に相当する。

他のヘッドＨＤ´用の吐出パルスＰＳ２は、例えば図１５に示す波形のものである。簡単に説明すると、この吐出パルスＰＳ２は、前述した吐出パルスＰＳ２を電位方向（高低方向）に反転させた波形をしている。従って、この吐出パルスＰＳ２は、第１減圧部分Ｐ１１と、第１電位保持部分Ｐ１２と、加圧部分Ｐ１３と、第２電位保持部分Ｐ１４と、第２減圧部分Ｐ１５とを有する。

第１減圧部分Ｐ１１は、始端電位が中間電位ＶＢ、終端電位が最低電位ＶＬであり、タイミングｔ０からタイミングｔ１ｂに亘って生成される。第１電位保持部分Ｐ１２は、最低電位ＶＬで一定であり、タイミングｔ１ｂからタイミングｔ２ｂに亘って生成される。加圧部分Ｐ１３は、始端電位が最低電位ＶＬ、終端電位が最高電位ＶＨであり、タイミングｔ２ｂからタイミングｔ３ｂに亘って生成される。第２電位保持部分Ｐ１４は、最高電位ＶＨで一定であり、タイミングｔ３ｂからタイミングｔ４ｂに亘って生成される。第２減圧部分Ｐ１５は、始端電位が最高電位ＶＨ、終端電位が中間電位ＶＢであり、タイミングｔ４ｂからタイミングｔ５ｂに亘って生成される。

他のヘッドＨＤ´用の吐出パルスＰＳ２が有する各部分Ｐ１１〜Ｐ１５の機能は、前述した吐出パルスＰＳ１が有する各部分Ｐ１〜Ｐ５の機能と同じである。そして、中間電位ＶＢは、吐出パルスＰＳ２における最高電位ＶＨよりも、駆動電圧Ｖｈの３０％だけ低い電位に定められている。

このような構成の他のヘッドＨＤ´でも、インクの粘度が６ミリパスカル秒以上であって２０ミリ以下の範囲であれば、ノズル７４の吐出側の開口面積をインク供給口７２の圧力室７３側の開口面積の１／１０以下に定めることで、インク滴の吐出を安定化できる。

＜吐出パルスＰＳについて＞
前述した各吐出パルスＰＳ１，ＰＳ２はあくまで一例である。吐出パルスＰＳの波形（電位の変化パターン）は、インクの吐出量やインクの粘度に応じて適宜定められる。

＜吐出動作をする素子について＞
このプリンタ１では、インクを吐出させるための動作（吐出動作）をする素子として、ピエゾ素子４３３，７５を用いている。ここで、吐出動作をする素子は、前述したピエゾ素子４３３，７５に限定されるものではない。例えば、発熱素子であってもよいし、磁歪素子であってもよい。そして、この素子として、前述の実施形態のようにピエゾ素子４３３，７５を用いた場合には、圧力室４２４，７３の容積を吐出パルスＰＳの電位に基づいて精度良く制御できる。

＜ノズル４２７やインク供給路４２５等の形状について＞
前述の実施形態において、ノズル４２７は、円形の開口形状を有し、ノズルプレート４２２の厚さ方向を貫通する孔によって構成されていた。言い換えれば、円柱状の空間を区画する貫通孔によって構成されていた。また、インク供給路４２５は、矩形の開口形状を有し、圧力室４２４と共通インク室４２６とを連通する孔によって構成されていた。言い換えれば、角柱状の空間を区画する連通孔によって構成されていた。

ここで、ノズル４２７やインク供給路４２５は種々の形状を採り得る。例えば、ノズル４２７に関し、図１６Ａに示すように、略漏斗状の貫通孔によって構成してもよい。例示したノズル４２７は、テーパー部分４２７ａとストレート部分４２７ｂとを有する。テーパー部分４２７ａは、円錐台状の空間を区画する部分であり、圧力室４２４から離れる程に開口面積が小さくなっている。すなわち、先細り形状に設けられている。ストレート部分４２７ｂは、テーパー部分４２７ａにおける小径側の端部に連続して設けられている。このストレート部分４２７ｂは、円柱状の空間を区画する部分であり、ノズル方向と直交する面で、断面積がほぼ一定の部分である。

このノズル４２７では、例えば図１６Ｂに示すように、テーパー部分４２７ａを、直径が段階的に小さくなっている複数の円盤状空間を区画する部分と定義することで、解析をすることができる。また、図１６Ａに示すように、漏斗状のノズル４２７と等価な、ノズル方向と直交する面の断面積が一定のノズル４２７を定義することでも、解析をすることができる。

また、インク供給路４２５に関し、例えば図１６Ｃに示すように、縦方向に長い長円状（半径の等しい二つの半円を共通外接線でつないだ形状）の開口を有する流路で構成してもよい。この場合、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐは、斜線で示す長円状部分の面積が該当する。そして、この長円状開口を有するインク供給路４２５についても、これと等価な矩形状開口を有する流路を定義して、解析してもよい。この場合、インク供給路４２５の高さＨ４２５は、実際のインク供給路４２５の最大高さよりも多少低くなる。なお、インク供給路４２５の開口が楕円状であっても同様である。

さらに、圧力室４２４についても同様である。例えば図１６Ｃに示すように、圧力室４２４における長手方向と直交する面が、横長の六角形状をしていた場合には、これと等価な矩形状断面を有する流路を定義して、解析してもよい。すなわち、高さがＨ４２４であり、幅が圧力室４２４の最大幅よりも多少小さいＷ４２４である矩形状断面の流路を定義して、解析してもよい。

＜他の応用例について＞
また、前述の実施形態では、液体吐出装置としてプリンタが説明されていたが、これに限られるものではない。例えば、カラーフィルタ製造装置、染色装置、微細加工装置、半導体製造装置、表面加工装置、三次元造形機、液体気化装置、有機ＥＬ製造装置（特に高分子ＥＬ製造装置）、ディスプレイ製造装置、成膜装置、ＤＮＡチップ製造装置などのインクジェット技術を応用した各種の液体吐出装置に、本実施形態と同様の技術を適用しても良い。また、これらの方法や製造方法も応用範囲の範疇である。

印刷システムの構成を説明するブロック図である。 図２Ａは、ヘッドの断面図である。図２Ｂは、ヘッドの構造を模式的に説明する図である。 駆動信号生成回路等の構成を説明するブロック図である。 駆動信号の一例を説明するための図である。 図５Ａは、高粘度インクが安定して吐出されている様子を示す図である。図５Ｂは、高粘度インクが不安定な状態で吐出されている様子を示す図である。 評価に用いた吐出パルスについて説明する図である。 ノズルの開口面積をインク供給路における圧力室側の開口面積の約１／１０に定めたヘッドによる、インク滴の吐出を説明する図である。 比較例のヘッドによるインク滴の吐出を説明する図である。 インク供給路の開口面積を圧力室の面積の０．３４倍にしたヘッドによるインク滴の吐出を説明する図である。 インク供給路の開口面積を圧力室７３の面積の０．３２倍にしたヘッドによるインク滴の吐出を説明する図である。 ワースト状態のヘッドによるインク滴の吐出を説明する図である。 粘度が５ミリパスカル秒のインクを吐出させた場合における、インク滴の吐出を説明する図である。 粘度が６ミリパスカル秒のインクを吐出させた場合における、インク滴の吐出を説明する図である。 他のヘッドを説明する断面図である。 他のヘッド用の吐出パルスを説明する図である。 図１６Ａは、略漏斗状のノズルを説明する図である。図１６Ｂは、略漏斗状のノズルの解析用のモデルを説明する図である。図１６Ｃは、インク供給路と圧力室の変形例を説明する図である。

符号の説明

１ プリンタ，１０ 用紙搬送機構，２０ キャリッジ移動機構，
３０ 駆動信号生成回路，３１ ＤＡＣ回路，３２ 電圧増幅回路，
３３ 電流増幅回路，４０ ヘッドユニット，４１ ケース，
４１１ 収容空部，４２ 流路ユニット，４２１ 流路形成基板，
４２２ ノズルプレート，４２３ 振動板，４２３ａ ダイヤフラム部，
４２４ 圧力室，４２５ インク供給路，４２６ 共通インク室，
４２７ ノズル，４２８ 支持板，４２８ａ 島部，４２９ 弾性体膜，
４３ ピエゾ素子ユニット，４３１ ピエゾ素子群，４３２ 固定板，
４３３ ピエゾ素子，４３４ 共通電極，４３５ 駆動電極，
４３６ 圧電体，４４ スイッチ，５０ 検出器群，
６０ プリンタ側コントローラ，６１ インタフェース部，６２ ＣＰＵ，
６３ メモリ，７１ 共通インク室，７２ インク供給口，７３ 圧力室，
７４ ノズル，７５ ピエゾ素子，７６ 振動板，ＣＰ コンピュータ，
ＨＤ ヘッド，ＨＤ´ 他のヘッド，ＨＣ ヘッド制御部，
ＣＯＭ 駆動信号，ＰＳ１ 吐出パルス，ＰＳ２ 吐出パルス，
Ｐ１ 第１減圧部分，Ｐ２ 第１電位保持部分，Ｐ３ 加圧部分，
Ｐ４ 第２電位保持部分，Ｐ５ 第２減圧部分，
Ｐ１１ 第１減圧部分，Ｐ１２ 第１電位保持部分，Ｐ１３ 加圧部分，
Ｐ１４ 第２電位保持部分，Ｐ１５ 第２減圧部分

Claims (10)

1. 液体吐出方法であって、
   液体吐出ヘッドから液体を吐出させることを有し、
   前記液体の粘度は、
   ６ミリパスカル秒以上であって２０ミリパスカル秒以下の範囲内であり、
   前記液体吐出ヘッドは、
   前記液体が吐出されるノズルと、
   前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部と、を有し、
   前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積は、
   前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下である、液体吐出方法。
2. 請求項１に記載の液体吐出方法であって、
   前記液体が吐出される側の前記ノズルの開口の面積は、
   前記供給部の前記開口の面積の１／２０以上である、液体吐出方法。
3. 請求項１又は２に記載の液体吐出方法であって、
   前記ノズルの長さは、
   ４０μｍ以上であって１００μｍ以下の範囲内である、液体吐出方法。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の液体吐出方法であって、
   前記供給部の前記開口は矩形状であり、
   当該開口が有する一方の辺の長さは、
   ３０μｍ以上であって５００μｍ以下の範囲内であり、
   当該開口が有する他方の辺の長さは、
   ２０μｍ以上であって３００μｍ以下の範囲内である、液体吐出方法。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の液体吐出方法であって、
   前記供給部の前記開口の外縁は、
   前記圧力室を区画する面であって前記供給部と連通する面の外縁よりも小さい、液体吐出方法。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の液体吐出方法であって、
   前記ノズルのイナータンスは、
   前記供給部のイナータンスよりも小さい、液体吐出方法。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の液体吐出方法であって、
   前記圧力室は、
   前記圧力室の一部を区画し、変形によって前記液体に圧力変化を与える区画部を有する、液体吐出方法。
8. 請求項７に記載の液体吐出方法であって、
   前記液体吐出ヘッドは、
   印加された吐出パルスにおける電位の変化パターンに応じた度合いで、前記区画部を変形させる素子を有する、液体吐出方法。
9. 液体が吐出されるノズルと、
   前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部と、
   を有し、
   前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積は、
   前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下である、液体吐出ヘッド。
10. 吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、
    ノズルから液体を吐出させる液体吐出ヘッドであって、
    前記液体を前記ノズルから吐出させるために、区画部を変形させることで前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
    印加された前記吐出パルスにおける電位の変化パターンに応じた度合いで、前記区画部を変形させる素子と、
    前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する供給部と、を有し、
    前記液体が吐出される側の前記ノズル開口の面積が、前記供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／１０以下に定められた、液体吐出ヘッドと、
    を有する、液体吐出装置。

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