JP2012136010A - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の噴射に伴う不要な振動を抑えて駆動周波数によらず安定して液体を噴射することが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル４４におけるイナータンスをＭｎ、インク供給路４１におけるイナータンスをＭｓ、ノズルにおける流路抵抗と圧力室４２における流路抵抗と供給路における流路抵抗との合成抵抗をＲ、圧力室のインクに生じる圧力振動の固有振動周期をＴｃとしたとき、以下の式（Ａ）を満たすように記録ヘッドにおけるインク流路の寸法・形状が設計されている。
√（ＭｎＭｓ）≦ＲＴｃ…（Ａ）
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェット式プリンター等の液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッド、および、これを備えた液体噴射装置に関するものであり、特に、液体の噴射に伴う不要な振動を抑えることが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関する。

液体噴射装置は噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

この種の液体噴射装置には、液体噴射の高速化に対する強い要望がある。このため、液体噴射ヘッドが備える圧力発生手段（例えば、圧電振動子や発熱素子）をより高速で作動させることが求められている。しかしながら、駆動周波数（液体の噴射周波数）を従来の駆動周波数よりも高めた場合、液体噴射ヘッドのノズルから噴射される液体の量あるいは飛翔速度（以下、適宜、噴射特性という。）が駆動周波数に応じて変動する。これは、ノズルにおけるメニスカスの状態に起因するものと考えられる。即ち、先の液体噴射時から次の液体噴射時までの時間が短くなることで、噴射直後におけるノズルを含む圧力室内の液体（特に、メニスカス）の振動が十分に収束する前に次の噴射が行われることになり、このメニスカスの状態の違いが噴射特性の変動となる。このため、液体の噴射に伴って生じるメニスカスの振動をできるだけ抑えることが望ましい。

この点に関し、例えば、特許文献１では、圧力室の容積をＶ、ノズルの断面積をＡ、ノズルの軸方向の長さをｌ₀、液体の密度をρ、液体の粘性係数をμ、および圧力室内の液体を伝播する圧力波の伝達速度をｃとして、ｃ²／Ｖ＜１６π²μ²ｌ₀／（Ａ³ρ²）を満たすように液体噴射ヘッドの構造が設計されている。これにより、ノズルにおけるメニスカスが振動することがなく、駆動波形を印加する際、メニスカス面の固有振動が支障となることがなく、時間的制約と周期の制約が全くないため、駆動波形を印加する時間を考慮する必要がなく、効率良く駆動を行うことができるというものである。

特開２００５−１１９２９６号公報

一般的に、この種の液体噴射ヘッドでは、複数の圧力室に共通な液体室（リザーバー或いはマニホールドとも言う）が設けられ、この共通液体室と圧力室とを供給路（供給口）を介して連通させている。この供給路は、リザーバーや圧力室と比較して断面積が十分に小さく設定された流路であり、ノズルとの関係で流路抵抗およびイナータンスを調整するために設けられている。つまり、この供給路は、ノズルからの液体の噴射の特性に大きく関わる重要な部分であり、ノズルにおける流路抵抗およびイナータンスとのバランスを考慮して設計されている。

ところが、上記特許文献１に開示されている発明では、この供給路について考慮されておらず、より高い駆動周波数でノズルから液体を噴射させた場合に、共通液体室側から供給路を通じて圧力室への液体の供給が不足する等により、所望の噴射特性が得られない可能性がある。したがって、実用化する上では、上記の供給路の特性をも考慮した上で設計することが望まれる。
なお、このような問題はインクジェット式記録装置だけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射装置においても同様に存在する。

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、液体の噴射に伴う不要な振動を抑えて駆動周波数によらず安定して液体を噴射することが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、複数の圧力室に共通な共通液室と、圧力室毎に設けられ当該圧力室と前記共通液室を連通する供給路と、前記圧力室に圧力変動を付与することにより当該圧力室に連通するノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドであって、前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、前記供給路におけるイナータンスをＭｓ、前記ノズルにおける流路抵抗と前記圧力室における流路抵抗と前記供給路における流路抵抗との合成抵抗をＲ、前記圧力室の液体に生じる圧力振動の固有振動周期をＴｃとしたとき、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする。

この構成によれば、液体の噴射に伴う固有振動周期Ｔｃの振動が生じ難くなり、ノズルから噴射される液体の重量（又は飛翔速度）の周波数特性の固有振動周期Ｔｃに基づく変動を抑えることができる。これにより、低周波数域（数ｋＨｚ）から高周波数域（数十ｋＨｚ）に亘って液体を安定して噴射させることが可能となる。また、不要な振動が生じ難いため、より高い周波数で液体を噴射することができ、これにより、高周波駆動化に寄与することができる。特に、液体の粘度が高い（例えば、噴射時の粘度が６ｍＰａ・ｓ以上）場合においても、共通液室から供給路を通じた圧力室への液体の供給が不足を抑制しつつ安定して噴射を行うことができる。

上記構成において、前記ノズルにおけるイナータンスＭｎが、前記供給路におけるイナータンスＭｓよりも小さいことが望ましい。

この構成によれば、圧力室に圧力変動を付与したときに、液体がノズル側に流れ易くなるように構成されている。これにより、ノズルからインクをより効率良く噴射することができる。

また、上記構成において、以下の式（Ｂ）を満たすことが望ましい。

この構成によれば、メニスカスの振動をより抑制して、より平坦な周波数特性を得ることが可能になる。

また、上記構成において、前記ノズルからの噴射時における前記液体の粘度が６ｍＰａ・ｓ以上であることが望ましい。

そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 プリンターの電気的な構成を説明するブロック図である。 記録ヘッドの構成を説明する要部断面図である。 記録ヘッドにおけるインク流路近傍の構成を説明する図である。 噴射駆動パルスの構成を説明する波形図である。 ノズルから噴射されるインクの重量（又は飛翔速度）の周波数特性について説明するグラフである。 記録ヘッドの等価回路である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の液体噴射装置として、インクジェット式記録装置（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。

図１はプリンター１の構成を示す斜視図である。例示したプリンター１は、記録用紙、フィルム等の記録媒体（着弾対象）に向けて、液体の一種であるインクを噴射することで記録媒体に画像や文字などを記録するように構成されている。このプリンター１は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２が取り付けられると共に、液体供給源の一種であるインクカートリッジ３が着脱可能に取り付けられるキャリッジ４と、記録動作時の記録ヘッド２の下方に配設されたプラテン５と、キャリッジ４を記録用紙６の紙幅方向、即ち、主走査方向に往復移動させるキャリッジ移動機構７と、主走査方向に直交する副走査方向に記録用紙６を搬送する紙送り機構８と、を備えている。

キャリッジ４は、主走査方向に架設されたガイドロッド９に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構７の作動により、ガイドロッド９に沿って主走査方向に移動するように構成されている。キャリッジ４の主走査方向の位置は、リニアエンコーダー１０によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス（位置情報の一種）がプリンターコントローラー１４の制御部１９（図２参照）に送信される。リニアエンコーダー１０は位置情報出力手段の一種であり、記録ヘッド２の走査位置に応じたエンコーダーパルスを、主走査方向における位置情報として出力する。このため、制御部１９は、受信したエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４に搭載された記録ヘッド２の走査位置を認識できる。即ち、例えば、受信したエンコーダーパルスをカウントすることで、キャリッジ４の位置を認識することができる。これにより、制御部１９はこのリニアエンコーダー１０からのエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４（記録ヘッド２）の走査位置を認識しながら、記録ヘッド２による記録動作を制御することができる。

キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジの走査の基点となるホームポジションが設定されている。本実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル形成面（ノズルプレート３８：図３参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル形成面を払拭するためのワイパー部材１２とが配置されている。そして、プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録用紙６上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録が可能に構成されている。

図２はプリンターの電気的な構成を示すブロック図である。本実施形態におけるプリンター１は、プリンターコントローラー１４及びプリントエンジン１５を有している。プリンターコントローラー１４は、ホストコンピューター等の外部装置との間でデータの授受を行う外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）１６と、各種データ等を記憶するＲＡＭ１７と、各種データ処理のための制御ルーチン等を記憶したＲＯＭ１８と、各部の制御を行う制御部１９と、クロック信号を発生する発振回路２０と、記録ヘッド２へ供給する駆動信号を発生する駆動信号発生回路２１と、ドットパターンデータや駆動信号等を記録ヘッド２に出力するための内部インターフェース（内部Ｉ／Ｆ）２２と、を備えている。

制御部１９は、各部の制御を行うほか、外部装置から外部Ｉ／Ｆ１６を通じて受信した印刷データを、ドットパターンデータに変換し、このドットパターンデータを内部Ｉ／Ｆ２２を通じて記録ヘッド２側に出力する。このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成されている。また、制御部１９は、発振回路２０からのクロック信号に基づいて記録ヘッド２に対してラッチ信号やチャンネル信号等を供給する。これらのラッチ信号やチャンネル信号に含まれるラッチパルスやチャンネルパルスは、駆動信号を構成する各パルスの供給タイミングを規定する。

駆動信号発生回路２１（駆動信号発生手段の一種）は、制御部１９によって制御され、圧電振動子２８を駆動するための駆動信号を発生する。本実施形態における駆動信号発生回路２１は、ノズル４４からインクをインク滴として噴射させて記録用紙６等の記録媒体上にドットを形成させるための噴射駆動パルスや、ノズル４４に露出したインクの自由表面、即ち、メニスカスを微振動させてインクを攪拌するための微振動パルス等を含む駆動信号ＣＯＭを発生するように構成されている。

次に、プリントエンジン１５側の構成について説明する。プリントエンジン１５は、記録ヘッド２と、キャリッジ移動機構７と、紙送り機構８と、リニアエンコーダー１０と、を備えている。
記録ヘッド２は、シフトレジスター（ＳＲ）２３、ラッチ２４、デコーダー２５、レベルシフター（ＬＳ）２６、スイッチ２７、及び圧電振動子２８を備えている。プリンターコントローラー１４からのドットパターンデータＳＩは、発振回路２０からのクロック信号ＣＫに同期して、シフトレジスター２３にシリアル伝送される。このドットパターンデータは、２ビットのデータであり、例えば、非記録（微振動）、小ドット、中ドット、大ドットからなる４階調の記録階調（噴射階調）を表す階調情報によって構成されている。具体的には、非記録は階調情報「００」、小ドットは階調情報「０１」、中ドットが階調情報「１０」、大ドットが階調情報「１１」と表される。

シフトレジスター２３には、ラッチ２４が電気的に接続されており、プリンターコントローラー１４からのラッチ信号（ＬＡＴ）がラッチ２４に入力されると、シフトレジスター２３のドットパターンデータをラッチする。このラッチ２４にラッチされたドットパターンデータは、デコーダー２５に入力される。このデコーダー２５は、２ビットのドットパターンデータを翻訳してパルス選択データを生成する。このパルス選択データは、駆動信号ＣＯＭを構成する各パルスに各ビットを夫々対応させることで構成されている。そして、各ビットの内容、例えば、「０」，「１」に応じて圧電振動子２８に対する噴射駆動パルスの供給又は非供給が選択される。

そして、デコーダー２５は、ラッチ信号（ＬＡＴ）又はチャンネル信号（ＣＨ）の受信を契機にパルス選択データをレベルシフター２６に出力する。この場合、パルス選択データは、上位ビットから順にレベルシフター２６に入力される。このレベルシフター２６は、電圧増幅器として機能し、パルス選択データが「１」の場合、スイッチ２７を駆動できる電圧、例えば数十ボルト程度の電圧に昇圧された電気信号を出力する。レベルシフター２６で昇圧された「１」のパルス選択データは、スイッチ２７に供給される。このスイッチ２７の入力側には、駆動信号発生回路２１からの駆動信号ＣＯＭが供給されており、スイッチ２７の出力側には、圧電振動子２８が接続されている。

そして、パルス選択データは、スイッチ２７の作動、つまり、駆動信号中の駆動パルスの圧電振動子２８への供給を制御する。例えば、スイッチ２７に入力されるパルス選択データが「１」である期間中は、スイッチ２７が接続状態になって、対応する噴射駆動パルスが圧電振動子２８に供給され、この噴射駆動パルスの波形に倣って圧電振動子２８の電位レベルが変化する。一方、パルス選択データが「０」である期間中は、レベルシフター２６からはスイッチ２７を作動させるための電気信号が出力されない。このため、スイッチ２７は切断状態となり、圧電振動子２８へは噴射駆動パルスが供給されない。

このような動作を行うデコーダー２５、レベルシフター２６、スイッチ２７、制御部１９、及び駆動信号発生回路２１は、噴射制御手段として機能し、ドットパターンデータに基づき、駆動信号の中から噴射駆動パルスを選択して圧電振動子２８に印加（供給）する。その結果、噴射駆動パルスの電圧変化に応じて圧電振動子２８が伸張又は収縮し、この圧電振動子２８の伸縮に伴って圧力室４２（図３参照）が膨張又は収縮することにより、ドットパターンデータを構成する階調情報に応じた量のインク滴がノズル４４から噴射される。

図３は、上記記録ヘッド２の構成を説明する要部断面図である。また、図４（ａ）は共通液室４０から圧力室４２を通ってノズル４４に至るまでのインク流路周辺の拡大断面図、図４（ｂ）は当該インク流路の平面図である。
本実施形態における記録ヘッド２は、ケース３０、振動子ユニット３１、及び流路ユニット３２等を備えている。上記のケース３０の内部には振動子ユニット３１を収納するための収納空部３３が形成されている。振動子ユニット３１は、圧力発生手段の一種として機能する圧電振動子２８と、この圧電振動子２８が接合される固定板３５と、圧電振動子２８に駆動信号を供給するためのフレキシブルケーブル３６とを備えている。この圧電振動子２８は、圧電体層と電極層とを交互に積層した圧電板を櫛歯状に切り分けることで作製された積層型であって、積層方向（電界方向）に直交する方向に伸縮可能（電界横効果型）な縦振動モードの圧電振動子である。

流路ユニット３２は、流路形成基板３７の一方の面にノズルプレート３８を、流路形成基板３７の他方の面に振動板３９をそれぞれ接合して構成されている。この流路ユニット３２には、共通液室４０（リザーバーまたはマニホールドとも言う。）、インク供給路４１（供給路の一種）、圧力室４２、ノズル連通口４３、及びノズル４４が設けられている。そして、流路形成基板３７には、インク供給路４１から圧力室４２及びノズル連通口４３を経てノズル４４に至る一連のインク流路が、各ノズル４４に対応して複数形成されている。

上記ノズルプレート３８（ノズル形成部材の一種）は、ドット形成密度に対応したピッチ（例えば１８０ｄｐｉ）で複数のノズル４４が列状に開設された板状部材であり、本実施形態ではステンレス鋼により作製されている。このノズルプレート３８には、ノズル４４を列設してノズル列（ノズル群）が複数設けられており、１つのノズル列は、例えば１８０個のノズル４４によって構成される。

上記振動板３９は、支持板４５の表面に可撓性を有する弾性体膜４６を積層した二重構造である。本実施形態では、ステンレス板を支持板４５とし、この支持板４５の表面に樹脂フィルムが弾性体膜４６としてラミネートされた複合板材により振動板３９が作製されている。この振動板３９には、圧力室４２の容積を変化させるダイヤフラム部４７が設けられている。また、この振動板３９には、共通液室４０の一部を封止するコンプライアンス部４８が設けられている。

上記のダイヤフラム部４７は、エッチング加工等によって支持板４５を部分的に除去することで作製される。即ち、このダイヤフラム部４７は、圧電振動子２８の自由端部の先端面が接合される島部４９と、この島部４９を囲む薄肉弾性部５０とから成る。上記のコンプライアンス部４８は、共通液室４０の開口面に対向する領域の支持板４５がエッチング加工等によって除去されることにより作製される。このコンプライアンス部４８は、共通液室４０に貯留された液体の圧力変動を吸収するダンパーとして機能する。

そして、上記の島部４９には圧電振動子２８の先端面が接合されているので、この圧電振動子２８の自由端部が伸縮することで圧力室４２の容積が変動する。この容積変動に伴って圧力室４２内のインクに圧力変動が生じる。そして、記録ヘッド２は、この圧力変動を利用してノズル４４からインク滴を噴射させる。

図５は、駆動信号発生回路２１が発生する駆動信号ＣＯＭに含まれる噴射駆動パルスＤＰの構成を説明する波形図である。例示した噴射駆動パルスＤＰは、圧力室４２の膨張又は収縮の基準となる容積（基準容積）に対応する基準電位ＶＢから最高電位ＶＨまで比較的穏やかな勾配で電位を上昇させる第１充電要素ＰＥ１（膨張要素）と、最高電位ＶＨを一定の時間維持する第１ホールド要素ＰＥ２（膨張維持要素）と、最高電位ＶＨから最低電位ＶＬまで、第１充電要素ＰＥ１の勾配よりも急峻な勾配で電位を降下させる放電要素ＰＥ３（収縮要素）と、最低電位ＶＬを短い時間維持する第２ホールド要素ＰＥ４（収縮維持要素）と、最低電位ＶＬから基準電位ＶＢまで電位を復帰させる第２充電要素ＰＥ５（復帰要素）と、を順に接続して構成された電圧波形である。

この噴射駆動パルスＤＰが圧電振動子２８に印加されると、次のようにしてノズル４４からインク滴が噴射される。即ち、第１充電要素ＰＥ１が供給されると、圧電振動子２８が収縮して、基準電位ＶＢに対応する基準容積から最高電位ＶＨに対応する膨張容積まで圧力室４２が膨張する（膨張工程）。これに伴って、ノズル４４におけるメニスカスが圧力室４２側に引き込まれる。また、共通液室４０側からのインクがインク供給路４１を通じて圧力室４２側に供給される。この圧力室４２の膨張状態は、第１ホールド要素ＰＥ２が圧電振動子２８に印加されることによって、ごく短い間（例えば、数μｓ）維持される（膨張維持工程）。その後、メニスカスが圧力室４２側から噴射側に移動方向が変換されたタイミングで放電要素ＰＥ３が印加されて圧電振動子２８が急激に伸長する。これに伴って、圧力室４２の容積が、最低電位ＶＬに対応する収縮容積まで収縮し、メニスカスが圧力室４２とは反対側に向けて急激に加圧される（収縮工程）。これにより、ノズル４４からは、数ｎｇ程度の液量のインク滴が噴射される。その後、第２ホールド要素ＰＥ４、及び、第２充電要素ＰＥ５が圧電振動子２８に順次印加され、インク滴の吐出に伴うメニスカスの振動を短時間で収束させるべく、圧力室４２が基準容積に復帰する（復帰工程）。

ここで、上記記録ヘッド２のノズル４４から噴射されるインクの重量（又は飛翔速度）の周波数特性について説明する。
図６は、当該周波数特性の例を示すグラフであり、所定の範囲（数ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）で駆動周波数を変えてノズル４４からインクを連続的に噴射して、各駆動周波数でのインク重量Ｉｗを測定したときの結果をプロットしたものである。同図では、横軸がインクの噴射周波数（駆動周波数）Ｆ（ｋＨｚ）で縦軸がインク重量Ｉｗである。
この種の記録ヘッドでノズルから連続的にインクを噴射する場合、ノズルから噴射されるインク重量Ｉｗあるいは飛翔速度（以下、適宜、噴射特性という。）が駆動周波数Ｆに応じて変動する。これは、連続する噴射における先のインクの噴射時で生じた圧力室内のインクの圧力振動が、次のインクの噴射に対して影響を与えるからである。即ち、先のインク噴射の直後における圧力室４２内のインク（特に、メニスカス）の振動が十分に収束する前に次の噴射が行われることになり、このメニスカスの状態の違いが噴射特性の変動となる。そして、この噴射特性の変動は、液体噴射ヘッド内の液体流路の特性に依存している。従来の記録ヘッドでは、図６におけるＡ，Ｂのグラフのように、駆動周波数Ｆが高くなるにつれて、上下に細かく振動しながら全体的にインク重量Ｉｗが低下する傾向を示す。この振動の周期は、圧力室内のインクに生じる圧力振動の固有振動周期Ｔｃに概ね一致している。なお、この固有振動周期Ｔｃは、以下の式（１）で表される。

但し、式（１）において、Ｍｎはノズルにおけるイナータンス〔ｋｇ/ｍ⁴〕、Ｍｓはインク供給路におけるイナータンス、Ｃｃは圧力室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。）〔ｍ⁵／Ｎ〕である。また、上記式（１）において、イナータンスＭとは、インク流路におけるインクの移動し易さを示し、単位断面積あたりのインクの質量である。そして、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（２）で近似して表すことができる。
Ｍ＝（ρ×Ｌ）／Ｓ ・・・ （２）
なお、Ｔｃは、上記式（１）で定まるものに限らず、圧力室内のインクに生じる圧力振動の固有振動周期を表すものであればよい。

このように、周波数特性がＴｃに応じた周期で変動する構成では、プリンター１の本来の用途である記録媒体に対する画像等の印刷（記録）に適した（設計上、目標とするインク重量Ｉｗが得られる）駆動周波数を選択する必要があり、使用可能な駆動周波数が制限されてしまうという問題がある。特に周波数特性の振動の極大部分では、インク重量Ｉｗについては比較的多く得られるものの、飛翔方向が曲がったりする等、噴射が安定しない可能性があり、やむを得ず、駆動周波数をこれよりも低い値に設定せざるを得ない場合がある。

そこで、本発明に係るプリンターでは、ノズル４４における流路抵抗とイナータンス、インク供給路４１における流路抵抗とイナータンスと、圧力室４２におけるインクに生じる圧力振動の固有振動周期Ｔｃとの関係を以下の式（Ａ）で規定することで、ノズル４４から噴射されるインクの噴射特性についての周波数特性を安定させている。つまり、上記記録ヘッド２では、式（Ａ）を満たすように、各インク流路の形状や寸法が設計されている。

以下、上記式（Ａ）の導出について説明する。
ここで、図７は、記録ヘッド２を電気的に置き換えた等価回路を示す図である。同図において、コンプライアンスＣおよびイナータンスＭについては上述した通りであり、また、Ｒ〔Ｎｓ／ｍ⁵〕は流路抵抗を示している。例えば、流路が中空直方体（幅ｗ、高さｈ、長さｌ）である場合、流路抵抗Ｒ_直＝１２μｌ／ｗｈ³、円筒体（半径ｒ）である場合は、流路抵抗Ｒ_円＝８μｌ／πｒとなる。ただし、μは液体（インク）の粘性係数である。また、図７における添字に関し、ｃは圧力室４２、ｓはインク供給路４１、添字ｎはノズル４４をそれぞれ意味している。この等価回路の振動系は、以下の式（３）で表すことができる。

上記式（３）において、ｑ（ｔ）は圧力室４２におけるインクの体積変位、Ｐ（ｔ）は圧力室４２内のインクに生じる圧力、Ｃはこの振動系における全コンプライアンスである。また、Ｍ_T＝Ｍｎ＋Ｍｓ＋Ｍｃ、Ｒ＝Ｒｎ＋Ｒｓ＋Ｒｃである。

ここで、ｑ（ｔ）＝Ａｅ^iαt，Ｐ（ｔ）＝０と仮定すると、上記式（３）は、以下の式（４）のようになる。

上記（４）を満たすためには、Ａ＝０または｛ ｝内が０となる必要がある。このことから、以下の式（５）が導き出される。

上記式（５）からαを求めると、以下のようになる。

ここで、γ＝Ｒ／Ｍ_T、ω²＝１／（ＭＴＣ）である。

ｑ（ｔ）Ａｅ^iαtに上記α₊，α_-をそれぞれ代入すると以下の式（７）のようになる。

このｑ（ｔ）は、根号を含むので、根号内の値に応じて実数になったり複素数になったりする。ｑ（ｔ）が複素数解となると振動することになってしまうため、振動しない条件は、ω²−γ²／４≦０である。この場合、

となって、これにより上記式（７）は次式（９）のようになる。

上記式（９）は、体積変位ｑ（ｔ）が振動することなく一様に減衰していくことを表している。

ｑ（ｔ）が振動しない条件ω２−γ２／４≦０から、以下の式（１０）が導き出される。

そして、以下のように、上記式（１０）とＴｃとの関係について導く。

上記式（１）から

これを式（１１）に代入して、

この式（１３）から以下の式（Ａ）が導き出される。

即ち、上記式（Ａ）を満たすように、インク供給路４１、圧力室４２、及びノズル４４を設計することで、インクの噴射に伴う固有振動周期Ｔｃの振動が生じ難くなり、図６におけるＣのグラフに示すように、上記のノズル４４から噴射されるインクの重量（又は飛翔速度）の周波数特性の固有振動周期Ｔｃに基づく変動を抑えることができる。これにより、低周波数域（数ｋＨｚ）から高周波数域（数十ｋＨｚ）に亘ってインクを安定して噴射させることが可能となる。また、不要な振動が生じ難いため、より高い周波数でインクを噴射することができ、これにより、高周波駆動化に寄与することができる。特に、インクの粘度が高い（例えば、噴射時の粘度が６ｍＰａ・ｓ以上）場合においても、メニスカスの振動を抑制し、共通液室４０からインク供給路４１を通じた圧力室４２へのインクの供給が不足を抑制しつつ安定して噴射を行うことができる。下記の表１に噴射時のインク粘度と吐出安定性の確認結果を示す。
なお、「安定した噴射」とは、どの周波数でもだいたい同じくらいのＩｗが得られる場合とする。

また、より発明効果を挙げるため、以下の式（Ｂ）を満たすことが好ましい。この条件を満たすことにより、メニスカスの振動をより抑制して、よりフラットな周波数特性を得ることが可能になる。

本実施形態では、さらにノズル４４におけるイナータンスＭｎを、インク供給路４１におけるイナータンスＭｓよりも小さく設定される（Ｍｎ＜Ｍｓ）ことで、圧力室４２に圧力変動を付与したときに、インクがノズル４４側に流れ易くなるように構成されている。これにより、効率良くノズル４４からインクを噴射することができる。このため、上記の高粘度のインクを噴射する場合に好適である。この条件を満たすことにより高周波駆動の条件でノズル４４へのインクのリフィル性がよくなり、つまり、ノズル４４へのインクの充填が円滑となり、周波数特性をより平坦化することができる。
なお、本実施形態における記録ヘッド２では、例えば、ノズルの最小径部分（噴射側の開口部）の断面積Ｄｎが２５μｍ、インク供給路４１の幅Ｓｗが５５μｍ、インク供給路４１の長さＳｌが６００μｍ、インク供給路４１の高さＳｈが８０μｍ、圧力室４２の断面積が１００００μｍ²とされ、常温（２０℃）における粘度が１５ｍＰａ・ｓのインクを、図示しない加熱手段によって粘度を１０ｍＰａ・ｓ程度に低下させてから噴射する構成となっている。また、Ｍｎ＜Ｍｓとすることに応じて、ノズル４４における流路抵抗とインク供給路４１における流路抵抗とのバランスが最適な状態に調整される。具体的には、例えば、インク供給路４１の流路長をより長くすることでイナータンスＭｓを高めた構成では、当該インク供給路４１の流路幅をより広げることで、イナータンスＭｓを高めたことに伴う流路抵抗の上昇分を調整する。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、圧力発生手段として、所謂縦振動型の圧電振動子２８を例示したが、これには限られず、例えば、所謂撓み振動型の圧電振動子を採用することも可能である。この場合、図５で例示した駆動パルスに関し、電位の変化方向、つまり上下が反転した波形となる。その他、熱を利用した発熱素子や静電気を利用した静電アクチュエーターなどを採用することも可能である。

そして、本発明は、上記実施形態で例示した記録ヘッドおよびこれを搭載したプリンターには限られず、液晶や電極材などの他の液体を噴射する場合にも好適である。要するに、共通液室から供給路を通じて圧力室に液体が導入され、圧力発生手段によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、この圧力振動を利用してノズルから液体を噴射する液体噴射装置であれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体噴射装置、例えば、ディスプレイ製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等の他の機器にも適用することができる。

１…プリンター，２…記録ヘッド，２８…圧電振動子，４０…共通液室，４１…インク供給路，４２…圧力室，４４…ノズル。

Claims (5)

1. 複数の圧力室に共通な共通液室と、圧力室毎に設けられ当該圧力室と前記共通液室を連通する供給路と、前記圧力室に圧力変動を付与することにより当該圧力室に連通するノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドであって、
   前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、前記供給路におけるイナータンスをＭｓ、前記ノズルにおける流路抵抗と前記圧力室における流路抵抗と前記供給路における流路抵抗との合成抵抗をＲ、前記圧力室の液体に生じる圧力振動の固有振動周期をＴｃとしたとき、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッド。
   

   
2. 前記ノズルにおけるイナータンスＭｎが、前記供給路におけるイナータンスＭｓよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 以下の式（Ｂ）を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
   

   
4. 前記ノズルからの噴射時における前記液体の粘度が６ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。

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