JP4019199B2

JP4019199B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置

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Publication number: JP4019199B2
Application number: JP2005257758A
Authority: JP
Inventors: 裕司又木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2025-09-06
Also published as: JP2006096042A

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に係り、特に、インクジェット記録装置などに用いられる液体吐出ヘッドの構造に関する。

画像形成装置の一例として、多数のノズル（吐出素子）を配列させたインクジェットヘッド（吐出ヘッド）を有し、このインクジェットヘッドとメディア（被吐出媒体）を相対的に移動させながら、ノズルからインクを吐出することによりメディア上に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。

このようなインクジェット記録装置のインクジェットヘッドにおけるインク吐出方式には、圧電素子の変形によって圧力室の一部を構成する振動板（加圧板）を変形させて圧力室の容積を変化させ、圧力室の容積増大時にインク供給路から圧力室内にインクを導入し、圧力室の容積減少時に圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出する圧電方式や、インク室（圧力室）内のインクを加熱して気泡を発生させ、この気泡が成長する際の膨張エネルギーでインクを吐出させるサーマルインクジェット方式などが知られている。

インクジェット記録装置ではインクの吐出性能が得られる画像の品質や印字効率を左右するので、高速で安定したインク吐出を実現するために、インクジェットヘッドには様々な工夫がなされている。例えば、圧電方式では、圧力室部分の圧縮性（コンプライアンス）とノズル部分の慣性（イナータンス）との共振を利用して引き打ちを行う手法など、高速で安定したインクの吐出を行う技術が提案されている。

特許文献１に記載されたオンデマンド型インクジェットヘッドの駆動方法では、圧電素子から発生させた噴出圧力を用いてノズルからインクを噴出させるオンデマンド型インクジェットヘッドにおいて、インク噴出前の待機状態で予め圧電素子を充電して圧力室の体積を減少させておき、インク噴出時には圧電素子を徐々に放電させて圧力室の体積を増大させた後、再び圧電素子を急速に充電して圧力室の体積を減少させることによりノズルからインクを噴出させるように構成されている。

また、特許文献２に記載されたインクジェット式記録装置による記録方法、及び前記記録方法に適したヘッドでは、ノズル開口に静止しているメニスカスｍを急激に引き込んで、メニスカスの中央領域ｍｃを相対的に大きく圧力発生室側に変位させ、メニスカスの中央領域の圧力発生室への移動が反転するころ、圧力発生室側に近いメニスカス中央領域が収縮して慣性流を発生させ、中央領域だけを大きな速度で押し出してノズル開口の直径よりも細いインク滴を印字に適した速度で安定に吐出させるように構成されている。
特公平２−２４２１８号公報特開平９−３２７９０９号公報

しかしながら、上述した技術では、インクの粘度が高くなると粘度による振動の減衰が大きくなることから、更に高い周波数領域（共振点）での共振を利用する必要がある。共振点を高くするためには圧力室サイズの縮小、ノズル径の拡大、ノズル長さの縮小などを行う必要がある。

圧力室サイズを縮小させると圧力室に備えられるアクチュエータのサイズも小さくなり、アクチュエータの能力低下が懸念される。また、ノズル径を拡大させると高密度化が困難になり、高速印字に向かないといった欠点がある。更に、現在では、相当短い長さを持ったノズルが実用化されており、これを更に短くすると吐出面の剛性が低くなり、吐出安定性が低下するといったことが懸念される。また、インクの粘度が高くなった場合には、ある圧力よりも大きな圧力を付与しないとインクを吐出させることができなくなるので、その圧力に対応したインク滴量よりも少ないインク滴を吐出させることができないので、吐出可能なインク滴のサイズが制限される。

特許文献１に記載されたオンデマンド型インクジェットヘッドの駆動方法では、圧力室の壁、電気機械変換素子、インクからなる振動系の減衰振動（共振）を積極的に利用するように電気パルスを変更する技術について開示されているが、インクの粘度が高くなると所定の吐出周波数を維持できない恐れがある。

また、特許文献２に記載されたインクジェット式記録装置による記録方法、及び前記記録方法に適したヘッドでは、圧力発生室とインクとの共振現象を用いることで、メニスカス中央部に圧力を集中させてノズル径よりも小さいサイズのインク滴を吐出させているが、吐出周波数の高速化については開示されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高粘度液を用いる場合にも低粘度液と同様の吐出周波数を維持することができ、小サイズ液滴の吐出が可能な液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１記載の発明は、液体を吐出させるノズルと、前記ノズルから吐出させる液体を収容する圧力室と、前記圧力室を変形させて前記圧力室内に収容されている液体を加圧する加圧手段と、前記圧力室と連通する供給口及び前記供給口を介して前記圧力室と連通する共通流路を含み、前記ノズルのイナータンスＭｎとの関係が、次式Ｍｎ＞Ｍｓを満たすイナータンスＭｓを有する供給側流路と、前記供給口に設けられ、圧力を受けないときは前記供給側流路の最小断面積Ａｓより小さい面積を有する開口部を備え、前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受けると、当該圧力を受けないときに比べて前記開口部の面積を広げるように変形する弾性部材と、を備え、前記弾性部材は、前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受けると前記供給側流路側へ変形し、前記供給側流路側から前記圧力室側に圧力を受けると変形しないか、或いは前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受ける場合に比べて変形量が小さくなるように変形する異方性を有し、前記供給側流路側から前記圧力室側に圧力を受けて前記供給側流路から前記圧力室へ液体が移動するときの前記供給側流路の最小断面積Ａｓ、前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受けて前記圧力室から前記供給側流路へ液体が移動するときの前記供給側流路の最小断面積Ａｓ’が、次式Ａｓ＜Ａｓ’を満たすように前記供給側流路の最小断面積を可変させることを特徴とする。

即ち、圧力室への液体供給時及び圧力室からの液体排出時の供給側流路の最小断面積となる供給口の断面積を可変可能に構成したので、圧力室から供給側流路へ液体が排出されるときの供給側流路のイナータンスＭｓを更に小さくすることが可能になり、供給側流路から圧力室へ液体が供給されるリフィル時には、圧力室から供給側流路へ液体が排出される吐出動作時に比べて供給側流路の最小断面積をＡｓ＜Ａｓ’となるＡｓにすることで、リフィル時に圧力室へ気泡や異物の混入を防ぐことができる。また、ノズルのイナータンスＭｎと供給側流路のイナータンスＭｓとの関係が、Ｍｎ＞Ｍｓを満たすように構成され、圧力室の圧縮性とノズル及び供給側流路の慣性との共振周波数を高くすることができるので、圧力室の圧縮性とノズルの慣性との共振が早く減衰してしまう高粘度液体を用いる場合に圧力室の圧縮性とノズルの慣性との共振を利用した液体吐出を行うことが可能になる。

また、供給側流路のイナータンスＭ_ｓをノズルのイナータンスＭ_ｎよりも小さくすることでリフィル時間の短縮が可能であり、吐出周期の高速化に寄与する。

更に、加圧手段から液体に与える力を大きくしても微少量の液体を吐出させることができるので、液体の飛翔速度を高速化することができる。

なお、ノズルとは、液体が吐出される開口部を示してもよいし、該開口部と圧力室とを連通される液体流路（管路）を含んでいてもよい。また、この液体流路は複数の流路から成る構造を有していてもよい。

供給側流路とは、液体タンク等によって構成される液体貯蔵部から圧力室への液体流路を示し、ノズルから液体が吐出された後に液体貯蔵部に蓄えられている液体は供給側流路を経由して圧力室へ供給される。

供給側流路には、複数の圧力室へ供給される液体が流れる共通流路（本流）や、各圧力室へ供給される液体が流れる個別流路（支流）などが含まれていてもよい。

また、供給側流路の断面形状は、略円形状や略だ円形状でもよい。もちろん、三角形や四角形などの多角形形状を適用してもよい。

ノズル及び供給側流路が複数の流路から成る場合には、ノズルのイナータンスＭ_ｎ及び供給側流路のイナータンスＭ_ｓは各流路のイナータンスを合成したイナータンスとなる。

吐出ヘッドの構成例として、被吐出媒体の全幅に対応する長さにわたってインク吐出用の複数のノズルを配列させたノズル列を有するフルライン型のヘッドを用いることができる。

この場合、被吐出媒体の全幅に対応する長さに満たないノズル列を有する比較的短尺の吐出ヘッドブロックを複数個組み合わせ、これらを繋ぎ合わせることで全体として被吐出媒体の全幅に対応する長さのノズル列を構成する態様がある。

フルライン型のヘッドは、通常、被吐出媒体の相対的な送り方向（相対的搬送方向）と直交する方向に沿って配置されるが、搬送方向と直交する方向に対して、ある所定の角度を持たせた斜め方向に沿ってインクジェットヘッドを配置する態様もあり得る。

「吐出ヘッド」には、インクジェット記録装置などの画像形成装置に用いられるインクジェットヘッド、印字ヘッドなどと呼ばれ得るものを含んでいてもよい。

加圧手段は電気信号を圧力に変化する電気機械変換素子を含み、電気機械変換素子には駆動信号に応じた変位を発生させるアクチュエータがある。また、該アクチュエータは、駆動信号に応じて歪みを発生させる電歪素子と、該電歪素子の歪みに応じて変位する振動板と、を含む構成がある。

また、吐出時には弾性部材が有する開口部を広げ、リフィル時には該開口部を元の大きさに戻すように弾性部材を変形させると、吐出時には供給側流路の断面積を大きく維持し、リフィル時には供給側流路の断面積を小さくすることができる。弾性部材に備えられた開口部は穴、スリットなどの態様があり、この開口部の形状は丸や四角形などの多角形、これ以外の様々な形状を適用可能である。なお、弾性部材にはゴム、シリコンなどが適用可能である。請求項２記載の発明は、請求項１記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記弾性部材は、前記開口部を前記供給口の略中心位置に対応する位置に有するとともに、前記開口部から放射状に切り込みが形成された構造を有することを特徴とする。請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記ノズルの最小断面積Ａｎ、前記供給側流路の最小断面積Ａｓが、次式Ａｎ＜Ａｓを満たす構造を有することを特徴とする。

一般に、液体流路のイナータンスは該流路の断面積に反比例する。ノズルの最小断面積Ａn と供給側流路の最小断面積Ａ_ｓとの関係がＡ_ｎ＜Ａ_ｓを満たすように構成することで、ノズルのイナータンスＭ_ｎよりも供給側流路のイナータンスＭ_ｓが小さくなる構造を実現することができる。

ノズルに含まれる液体流路（管路）のうち、その断面積が最も小さくなる部分は吐出側の絞りとして機能し、供給側流路のうち、その断面積が最も小さくなる部分は供給側の絞りとして機能する。なお、ノズルに含まれる液体流路及び供給側流路は断面積が均一であってもよい。

ノズルのイナータンスＭ_ｎ及び供給側流路のイナータンスＭ_ｓは、圧力室に接合される部分から絞りとして機能する部分までの流路について算出される。したがって、ノズル及び供給側流路が複数の流路から構成される場合には、ノズルのイナータンスＭ_ｎ及び供給側流路のイナータンスＭ_ｓはそれを構成する流路のイナータンスの合成イナータンスとして求められる。

請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記圧力室の前記供給側流路との接合面の面積Ａ、前記供給側流路の最小断面積Ａｓの関係が、次式Ａ＞Ａｓを満たす構造を有することを特徴とする。

圧力室と供給側流路とを接合する接合面は供給側流路の断面積が最小となる供給口が形成される。この供給口が供給側流路の絞りとして機能する。

請求項５記載の発明は、請求項１、２又は３記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記圧力室の前記供給側流路との接合面の面積Ａ、前記供給側流路の最小断面積Ａｓの関係が、次式Ａ＝Ａｓを満たす構造を備えたことを特徴とする。

即ち、前記圧力室は前記供給側流路と接合される面の壁面が取り除かれた構造を有し、圧力室には供給側流路が直に接合される。

一般に、供給側流路のイナータンスＭ_ｓは供給側流路の流路長（即ち、供給口の長さ）Ｌ_ｓと比例する関係にあり、この供給側流路の流路長Ｌ_ｓを短くすると供給側のイナータンスＭ_ｓを小さくすることができる。したがって、圧力室と供給側流路を直に接合させると供給側流路の流路長Ｌ_ｓがゼロと等しくなり、供給側流路のイナータンスＭ_ｓを最も小さくすることができる。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記加圧手段は、圧電素子を含むことを特徴とする。

加圧手段に圧電素子を用いることで、好ましい液体吐出を実現することができる。

圧電素子には、PZT と呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ, Ｔｉ）Ｏ₃）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）などのセラミック系圧電体や、PVDFと呼ばれるポリフッ化ビニリデン（Polyvinylidene fluoride ）などのフッ化樹脂系圧電体がある。

また、圧電素子には、複数の圧電体層を積層させた構造を有する積層圧電素子を適用してもよい。

また、前記目的を達成するために請求項７記載の発明は、被吐出媒体上に液滴を吐出させる吐出ヘッドを備え、前記吐出ヘッドは、請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の液体吐出ヘッドを含むことを特徴とする。

吐出ヘッドから吐出される液体には、インクジェット記録装置に用いられるインクや、ディスペンサーなどの塗布装置などによってメディア上に吐出される処理液、薬液、水などがある。

本発明によれば、ノズルのイナータンスＭ_ｎと供給側流路のイナータンスＭ_ｓとの関係がＭ_ｎ＞Ｍ_ｓを満たすようにノズル及び供給側流路を構成し、圧力室の圧縮性とノズル及び供給側流路の慣性の共振を利用して液体を吐出させる制御を行うので、共振周波数を高くすることができ、この共振が早く減衰してしまう高粘度液を用いる場合にも好ましい液体吐出を実現することができる。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔インクジェット記録装置の全体構成〕
図１は本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示したように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色ごとに設けられた複数の印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６と、を備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコード或いは無線タグなどの情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター（第１のカッター）２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置される。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラ３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。図１に示したとおり、ローラ３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ３４が設けられており、この吸着チャンバ３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（図１中不図示，図７中符号８８として記載）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１上の時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、或いはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラ線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラ・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラ・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラが接触するので画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面を接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。詳細な構造例は後述するが（図３乃至図５）、各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙは、図２に示したように、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の送り方向（以下、副走査方向という。）に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色ごとに設けられてなる印字部１２によれば、副走査方向について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち１回の副走査で）、記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが主走査方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお、本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは不図示の管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサを含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列と、からなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が２次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定などで構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

多孔質のペーパーに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパーの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして生成されたプリント物は排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成される。

また、図１には示さないが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられる。

〔ヘッドの構造〕
次に、印字ヘッドの構造について説明する。インク色ごとに設けられている各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッドを示すものとする。

図３(a) は印字ヘッド５０の構造例を示す平面透視図であり、図３(b) はその一部の拡大図である。また、図３(c) は印字ヘッド５０の他の構造例を示す平面透視図、図４はインク室ユニットの立体的構成を示す断面図（図３(a) 中の４−４線に沿う断面図）である。記録紙面上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、印字ヘッド５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例の印字ヘッド５０は、図３(a) 〜(c) 及び図４に示したように、インク滴が吐出するノズル５１と、各ノズル５１に対応する圧力室５２等からなる複数のインク室ユニット５３を千鳥でマトリックス状に配置させた構造を有し、これにより見かけ上のノズルピッチの高密度化を達成している。

即ち、本実施形態における印字ヘッド５０は、図３(a) ，(b) に示すように、インクを吐出する複数のノズル５１が印字媒体（記録紙１６）送り方向と略直交する方向に印字媒体の全幅に対応する長さにわたって配列された１列以上のノズル列を有するフルラインヘッドである。

また、図３(c) に示すように、短尺の２次元に配列された印字ヘッド５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、印字媒体の全幅に対応する長さとしてもよい。

各ノズル５１に対応して設けられている圧力室５２は、その平面形状が概略正方形となっており、その底面の隅部のうち１つの隅部にはノズル５１が設けられている。また、ノズル５１が設けられている隅部の対角線上の隅部を含む一辺には、圧力室５２と略同一幅を有し、共通流路（液体供給路）５５の上部に位置する供給口５４が設けられている。各圧力室５２は供給口５４を介して共通流路５５と連通されている。

なお、圧力室５２の平面形状は概略正方形に限定されず、例えば、長方形やひし形、平行四辺形でもよいし、四角形以外の多角形や円、だ円などでもよい。

圧力室５２の天面を構成している加圧板（共通電極と兼用される振動板）５６には個別電極５７を備えたアクチュエータ５８（加圧手段）が接合されている。個別電極５７に駆動電圧を印加することによってアクチュエータ５８が変形して圧力室５２の容積が変化し、これに伴う圧力変化によりノズル５１からインクが吐出される。なお、アクチュエータ５８には、ピエゾ素子などの圧電体が好適に用いられる。インク吐出後、共通流路５５から供給口５４を通って新しいインクが圧力室５２に供給される。

図４に示すように、本例のノズル５１は、ノズル開口部５１Ａの近傍に位置し、ノズル開口部５１Ａと同一直径を持つ管路を含んだノズル細管部５１Ｂと、ノズル細管部５１Ｂよりも管路の直径が大きくノズル細管部５１Ｂと圧力室５２との間に位置するノズル太管部５１Ｃと、を有している。

図４に示す符号のうち、Ｌ_ｎ１はノズル太管部５１Ｃの流路長、Ｌ_ｎ２はノズル細管部５１Ｂの流路長、Ｌ_ｓは供給口５４の流路長を表している。また、Ｄ_ｎ１はノズル太管部５１Ｃの直径、Ｄ_ｎ２はノズル細管部５１Ｂの直径、Ｄ_ｓは供給口５４の幅方向の一辺の長さを表している。なお、供給口５４のインク流の方向と直交する面の断面形状が円の場合には、Ｄ_ｓは供給口５４の直径を表す。

詳細は後述するが、インク室ユニット５３は、ノズル５１の断面積Ａ_ｎ（ノズル開口部５１Ａの断面積或いは、ノズル細管部５１Ｂの断面積Ａ_ｎ２、ノズル太管部５１Ｃの断面積Ａ_ｎ１、但し、ここで言う断面積はインク流方向に略直交する面の断面積）よりも供給口５４の断面積Ａ_ｓ（図９中、斜線で図示、但し、ここで言う断面積はインク流方向に略直交する面の断面積）が大きい構造（即ち、Ａ_ｎ＜Ａ_ｓの関係を満たす構造）を有している。図４に示す態様では、供給口５４の断面積Ａ_ｓは圧力室５２の底面の面積の略１／２となっている。

言い換えると、インク室ユニット５３は、ノズル５１のイナータンスＭ_ｎと供給口５４のイナータンスＭ_ｓとの関係が、Ｍ_ｎ＞Ｍ_ｓを満たすような構造を有している。このような構造を持つことで、一般的なインクよりも高い粘度を持った高粘度インクを用いる場合にも所定の吐出周波数を維持することができ、安定したインク滴吐出が可能になる。

本例では、ノズル細管部５１Ｂの太さ（直径）が均一な態様を示したが、ノズル細管部５１Ｂの管路径が圧力室５２側からノズル開口部５１Ａ側に向かって一定の割合で小さくなるテーパ形状を有していてもよいし、ノズル細管部５１Ｂとノズル太管部５１Ｃとの太さが同一でもよい。更に、ノズル細管部５１Ｂ及びノズル太管部５１Ｃの太さと異なる太さの流路を備えてもよい。

なお、本実施形態では、ノズル開口部５１Ａや細管部５１Ｂを単にノズル５１と呼ぶことがある。また、ノズル開口部５１Ａから太管部５１Ｃまでを含めて、ノズル開口部５１Ａから圧力室５２までの流路全体をノズル５１と呼ぶこともある。

本例で言う供給口５４は、単に圧力室５２と供給側の境界面に設けられた開口部だけでなく、供給側流路の断面積が最小となる部分を示している。この供給側流路の断面積が最小となる部分には、供給側の絞りとして機能するインク供給側流路（管路）が含まれている。なお、供給側流路の詳細は後述する。

即ち、ノズル５１や供給口５４は、それぞれ吐出側流路及び供給側流路の絞りとして機能する開口部、管路、溝など流体抵抗やイナータンス算出の基礎となる流路を意味する。この絞り機能を有する流路は複数の流路から構成されていてもよいし、１つの流路の一部であってもよい。

かかる構造を有する多数のインク室ユニット５３を図５に示す如く、主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンで格子状に配列させた構造になっている。主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ× cosθとなる。

すなわち、主走査方向については、各ノズル５１が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。以下、説明の便宜上、ヘッドの長手方向（主走査方向）に沿って各ノズル５１が一定の間隔（ピッチＰ）で直線状に配列されているものとして説明する。

なお、用紙の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、用紙の幅方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを主走査と定義する。

特に、図５に示すようなマトリクス状に配置されたノズル５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。即ち、ノズル５１-11 、５１-12 、５１-13 、５１-14 、５１-15 、５１-16 を１つのブロックとし（他にはノズル５１-21 、…、５１-26 を１つのブロック、ノズル５１-31 、…、５１-36 を１つのブロック、…として）、記録紙１６の搬送速度に応じてノズル５１-11 、５１-12 、…、５１-16 を順次駆動することで記録紙１６の幅方向に１ラインを印字する。

一方、上述したフルラインヘッドと用紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。

本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、主走査方向に沿う行方向及び副走査方向に沿う列方向にノズルを並べる配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。

本実施形態では、印字媒体送り方向と略直交する方向に印字媒体の全幅に対応する長さにわたって配列された１列以上のノズル列を有するフルラインヘッドを示したが、本発明適用範囲はこれに限定されず、印字媒体の全幅よりも短い長さの短尺ヘッドを印字媒体の送り方向と直交する主操作方向に移動しながら、印字媒体の幅方向に沿ったドット列を形成するシリアル型（シャトルスキャン型）ヘッドにも適用可能である。

また、本実施形態では１層の圧電体層を有する単層圧電素子を示したが、本発明は２層以上の圧電体層が積層された多層圧電素子に適用してもよい。

本実施形態では、加圧板５６と共通電極が兼用される態様を示したが、加圧板５６と共通電極とを別々に備えてもよい。加圧板５６と共通電極とを別々に備える態様では、加圧板５６に金属材料などの導電性材料を用いる場合には加圧板５６と共通電極との間に絶縁層が設けられる。

〔インク供給系の構成〕
図６はインクジェット記録装置１０におけるインク供給系の構成を示した概要図である。

インク供給タンク６０はインクを供給するための基タンクであり、図１で説明したインク貯蔵／装填部１４に設置される。インク供給タンク６０の形態には、インク残量が少な
くなった場合に、不図示の補充口からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を変える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じた吐出制御を行うことが好ましい。なお、図６のインク供給タンク６０は、先に記載した図１のインク貯蔵／装填部１４と等価のものである。

図６に示したように、インク供給タンク６０と印字ヘッド５０の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ６２が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは、ノズル径と同等若しくはノズル径以下（一般的には、２０μｍ程度）とすることが好ましい。

なお、図６には示さないが、印字ヘッド５０の近傍又は印字ヘッド５０と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。

また、インクジェット記録装置１０には、ノズル５１の乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ６４と、ノズル面の清掃手段としてのクリーニングブレード６６とが設けられている。

これらキャップ６４及びクリーニングブレード６６を含むメンテナンスユニットは、不図示の移動機構によって印字ヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置から印字ヘッド５０下方のメンテナンス位置に移動される。

キャップ６４は、図示せぬ昇降機構によって印字ヘッド５０に対して相対的に昇降変位される。電源ＯＦＦ時や印刷待機時にキャップ６４を所定の上昇位置まで上昇させ、印字ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面をキャップ６４で覆う。

印字中又は待機中において、特定のノズル５１の使用頻度が低くなり、ある時間以上インクが吐出されない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してインク粘度が高くなってしまう。このような状態になると、アクチュエータ５８が動作してもノズル５１からインクを吐出できなくなってしまう。

このような状態になる前に（アクチュエータ５８の動作により吐出が可能な粘度の範囲内で）アクチュエータ５８を動作させ、その劣化インク（粘度が上昇したノズル近傍のインク）を排出すべくキャップ６４（インク受け）に向かって予備吐出（パージ、空吐出、つば吐き、ダミー吐出）が行われる。

また、印字ヘッド５０内のインク（圧力室５２内）に気泡が混入した場合、アクチュエータ５８が動作してもノズルからインクを吐出させることができなくなる。このような場合には印字ヘッド５０にキャップ６４を当て、吸引ポンプ６７で圧力室５２内のインク（気泡が混入したインク）を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク６８へ送液する。

この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも粘度上昇（固化）した劣化インクの吸い出しが行われる。なお、吸引動作は圧力室５２内のインク全体に対して行われるので、インク消費量が大きくなる。したがって、インクの粘度上昇が小さい場合には予備吐出を行う態様が好ましい。

クリーニングブレード６６は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示せぬブレード移動機構（ワイパー）により印字ヘッド５０のインク吐出面（ノズル板表面）に摺動可能である。ノズル板にインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード６６を
ノズル板に摺動させることでノズル板表面を拭き取り、ノズル板表面を清浄する。なお、該ブレード機構によりインク吐出面の汚れを清掃した際に、該ブレードによってノズル５１内に異物が混入することを防止するために予備吐出が行われる。

〔制御系の説明〕
図７はインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース７０、システムコントローラ７２、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８、プリント制御部（駆動制御手段）８０、画像バッファメモリ８２、ヘッドドライバ８４等を備えている。

通信インターフェース７０は、ホストコンピュータ８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース７０にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（不図示）を搭載してもよい。ホストコンピュータ８６から送出された画像データは通信インターフェース７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦画像メモリ７４に記憶される。

画像メモリ７４は、通信インターフェース７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従ってインクジェット記録装置１０の全体を制御する制御装置として機能するとともに、各種演算を行う演算装置として機能する。即ち、システムコントローラ７２は、通信インターフェース７０、画像メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８等の各部を制御し、ホストコンピュータ８６との間の通信制御、画像メモリ７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ８８やヒータ８９を制御する制御信号を生成する。

画像メモリ７４には、システムコントローラ７２のＣＰＵが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。なお、画像メモリ７４は、書換不能な記憶手段であってもよいし、ＥＥＰＲＯＭのような書換可能な記憶手段であってもよい。画像メモリ７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。

モータドライバ７６は、システムコントローラ７２からの指示にしたがってモータ８８を駆動するドライバである。ヒータドライバ７８は、システムコントローラ７２からの指示にしたがって後乾燥部４２等のヒータ８９を駆動するドライバである。

プリント制御部８０は、システムコントローラ７２の制御に従い、画像メモリ７４内の画像データから印字制御用の信号（駆動信号）を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字データ（ドットデータ）をヘッドドライバ８４に供給する制御部である。プリント制御部８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ８４を介して印字ヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部８０には画像バッファメモリ８２が備えられており、プリント制御部８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ８２に一時的に格納される。なお、図７において画像バッファメモリ８２はプリント制御部８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部８０とシステムコントローラ７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８４はプリント制御部８０から与えられる印字データに基づいて各色のヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの圧電素子を駆動する。ヘッドドライバ８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

印刷すべき画像のデータは、通信インターフェース７０を介して外部から入力され、画像メモリ７４に蓄えられる。この段階では、ＲＧＢの画像データが画像メモリ７４に記憶される。

画像メモリ７４に蓄えられた画像データは、システムコントローラ７２を介してプリント制御部８０に送られ、該プリント制御部８０においてインク色ごとのドットデータに変換される。即ち、プリント制御部８０は、入力されたＲＧＢ画像データをＫＣＭＹの４色のドットデータに変換する処理を行う。プリント制御部８０で生成されたドットデータは、画像バッファメモリ８２に蓄えられる。

ヘッドドライバ８４はプリント制御部８０から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙのアクチュエータを駆動する。ヘッドドライバ８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

プログラム格納部（不図示）には各種制御プログラムが格納されており、システムコントローラ７２の指令に応じて、制御プログラムが読み出され、実行される。前記プログラム格納部はＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリを用いてもよいし、磁気ディスクなどを用いてもよい。外部インターフェースを備え、メモリカードやＰＣカードを用いてもよい。もちろん、これらの記録媒体のうち、複数の記録媒体を備えてもよい。

なお、前記プログラム格納部は動作パラメータ等の記録手段（不図示）と兼用してもよい。

印字検出部２４は、図１で説明したように、ラインセンサを含むブロックであり、記録紙１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部８０に提供する。

プリント制御部８０は、必要に応じて印字検出部２４から得られる情報に基づいて印字ヘッド５０に対する各種補正を行う。

なお、図１に示した例では、印字検出部２４が印字面側に設けられており、ラインセンサの近傍に配置された冷陰極管などの光源（不図示）によって印字面を照明し、その反射光をラインセンサで読み取る構成になっているが、本発明の実施に際しては他の構成でもよい。

〔インク室ユニットの詳細構造〕
次に、図４に示したインク室ユニット５３の構造について詳説する。

印字ヘッド５０は、圧力室５２の圧縮性（コンプライアンス）とノズル５１及び供給口５４を含む供給側流路の慣性（イナータンス）との共振を利用して引き打ちを行うことで、所定の吐出周波数が得られるように構成されている。

一般的に用いられるインクよりも高い粘度持った高粘度インクを吐出させるときには、上述した共振が早く減衰してしまうので、共振が減衰しないうちに引き押し吐出を行うように共振周波数を高くする必要がある。

また、高粘度インクを用いる際に、安定した吐出を得るために吐出時にインクに与える圧力を大きくすることがある。吐出時にインクに与える圧力を大きくすると圧力室５２の体積変化量が大きくなり、吐出されるインク滴サイズが大きくなる。したがって、このように吐出圧力だけを大きくする必要がある場合には、吐出させるインク滴サイズを小さくすることができなくなる。

本例に示すインク室ユニット５３は高粘度インクを用いる場合にも所定の吐出周波数が得られる構造を有し、アクチュエータ５８を吐出方向に駆動させると、ノズル５１から吐出されるインクの量よりも供給口５４を介して共通流路５５へ排出されるインクの量の方が大きくなるように構成されるので、高粘度インクを用いる場合でも小さいサイズのインク滴を吐出させることが可能になる。

ここで、一般的なインクジェット記録装置の印字ヘッド（インクジェットヘッド）の形状の一例を挙げると、圧力室５２は、たて７００μｍ、横７００μｍ、高さ１５０μｍ、ノズルは、直径３０μｍ、管路長４０μｍ、供給口は、４０μｍ×４０μｍの正方形の断面形状を有し、供給口５４の流路長１００μｍである。なお、ここでは、説明を簡単にするために、ノズルは、図４に示した、太管部５１Ｃと細管部５１Ｂとの直径及び流路長が等しい構造とする。

インクの粘性によってノズル５１におけるインクの振動が静定した状態から駆動させた際の時間を０とし、駆動させた後に他の駆動がかからないような際に１／ｃ間で振幅が減衰するまでの時間をＴ_ｄ、共振周期の半分（引き押し吐出効果が最も大きい引き押し吐出の時間間隔）をＴ_ｍとすると、Ｔ_ｄ＞Ｔ_ｍの条件を満足する場合に引き押し吐出の効果がある。

上記形状を有する一般的なインク室ユニットでは、インクの粘度が１８ｃＰ（１．８×１０^-2Ｐａ・ｓ）以下のときのこの関係が成り立つことになる（引き押し吐出の効果を得ることができる）。

言い換えると、インクの粘度が１８ｃＰを超える場合には、上記の形状を有するインク室ユニットでは引き押し吐出の効果を得ることは難しい。

本インクジェット記録装置１０では、２０〜５０ｃＰの粘度を有する高粘度インクを用いる場合にも、引き押し吐出の効果を得られるようにインク室ユニット５３の形状が決められている。更に、本インクジェット記録装置１０では、インクの粘度が２０〜３０ｃＰの場合に、引き押し吐出の効果が最大限に発揮される。

図８は、図４に示したインク室ユニット５３の機能 (特性）を電気回路に置き換えたときの集中定数モデル (集中定数回路）１００を示している。

図８に示す集中定数モデルでは、Ｍ_ｎはノズル５１のイナータンス、Ｒ_ｎはノズル５１の流体抵抗、Ｍ_ｓは供給口５４のイナータンス、Ｒ_ｓは供給口５４の流体抵抗、Ｃ_ｉは圧力室５２の持つコンプライアンス、Ｃ_ａはアクチュエータ５８の持つコンプライアンス、Φは圧力差を表している。また、ｕ_ｎはノズル５１内のインクの体積速度、ｕ_ｉは圧力室５２内のインクの体積速度、ｕ_ｓは供給口５４内のインクの体積速度を示している。

この集中定数モデル１００の微分方程式は以下の連立方程式で表される。

ここで、インクの密度ρ、インクの粘度ν、インクの表面張力σ、ノズル太管部５１Ｃの長さＬ_ｎ１、ノズル太管部５１Ｃの断面積Ａ_ｎ１、ノズル太管部５１Ｃの半径ｒ_ｎ１（＝Ｄ_ｎ１／２）、ノズル細管部５１Ｂ長さＬ_ｎ２、ノズル細管部５１Ｂの断面積Ａ_ｎ２、ノズル細管部５１Ｂの半径ｒ_ｎ２（＝Ｄ_ｎ２／２）、供給口５４の長さＬ_ｓ、供給口５４の断面積Ａ_ｓ、圧力室５２の体積Ｖ、インク中の音速ｃ、アクチュエータ５８を駆動したときに体積Ｘ（排除体積）だけ変化させるために必要な発生圧力Ｐのとき、ノズル５１のイナータンスＭ_ｎ、ノズル５１の抵抗Ｒ_ｎ、ノズル５１の表面張力によるコンプライアンスＣ_ｎ、供給口５４のイナータンスＭ_ｓ、供給口５４の抵抗Ｒ_ｓ、圧力室５２の持つコンプライアンスＣ_ｉ、アクチュエータ５８の持つコンプライアンスＣ_ａは以下の式で表される。

なお、上記（６）に示したノズル５１の表面張力によるコンプライアンスＣ_ｎはノズル５１のイナータンスの容量成分とノズル５１の抵抗の容量成分との和である。しかし、図８に示した集中定数モデル１００に示す系では、これらの影響はほとんど無視できる程度に小さいので、図８に示した、集中定数モデル１００ではＣ_ｎが省略されている。

また、ここで言う排除体積Ｘはノズル５１から外部に吐出されるインクの体積と、供給側に戻るインクの体積と、加圧されることによって圧縮されたインクの体積と、の合計である。

ここで、上記（４）に示すように、複数の流路から成る流路のイナータンスを算出するには、各流路のイナータンスを求めた後に合成イナータンスを求めればよい。また、複数の流路から成る流路の抵抗及びコンプライアンスを算出する場合にも各流路について抵抗、コンプライアンスを求め、それらを合成すればよい。

上記（１）〜（３）に示した集中定数モデル１００の連立微分方程式を解いて圧力室５２の圧縮性とノズル５１の慣性との共振周波数ｆを求めると、上記（４）〜（１０）を用いて以下の式で表される。

但し、上記（１１）に示したイナータンスＭ、抵抗Ｒ、コンプライアンスＣは以下の式で表される。

即ち、上記（１１）に示す共振周波数ｆを高くするには、上記（１２）に示すイナータンスＭを小さくすればよい。しかしながら、上述した〔発明が解決しようとする課題〕に示すように、ノズル５１のイナータンスＭ_ｎ及び上記（１４）に示したコンプライアンスＣを小さくすることは非常に困難であり、本発明に係る印字ヘッド５０では、供給口５４のイナータンスＭ_ｓを小さくすることによって共振周波数ｆを高くし、アクチュエータ５８を引き押し出し駆動することで、好ましい高粘度インクの吐出を実現している。

また、上記（７）によれば、供給口５４のイナータンスＭ_ｓを小さくするには供給口５４の断面積を大きくしてもよいし、供給口５４の流路長を小さくしてもよい。

図９は、図４にその断面を示したインク室ユニット５３の構造を示す透視斜視図である。図９に示すインク室ユニット５３は印字ヘッド５０に備えられた多数のインク室ユニットのうち１つを取り出した図である。

図９に示すように、供給口５４は供給口プレート２００に形成された略長方形の開口２０２から成り、その断面積Ａ_ｓは圧力室５２の底面２０４の略１／２である。また、供給口５４の流路長Ｌ_ｓは供給口プレート２００の厚みに等しい。

本例では、インク流の方向と略直交する面の断面形状が略長方形形状である供給口５４を示したが、この断面形状は長方形形状に限定されず、円形、だ円形、四角形以外の多角形形状など様々な形状を適用可能である。

また、本例では、圧力室５２の底面２０４（ノズル５１と連通させる開口が形成される面）に供給口５４を備える態様を例示したが、もちろん、供給口５４を側面（例えば、図９の符号２０６等）に備えてもよい。なお、図９中、一点破線の符号５８はアクチュエータ５８を示している。

図１０及び図１１には、圧力室５２の側面側に供給口（５４）が設けられた態様を示す。図１０は、インク室ユニット５３の立体構造及び圧力室５２と共通流路５５との配置関係を示す斜視図であり、圧力室５２の天面（加圧板５６）側から見た透視図となっている。なお、図１０では、圧力室５２の天面を形成する部材と共通流路５５の天面を形成する部材が取り除かれた状態を示している。また、図１０中、一点破線の符号５８は、図４に示すアクチュエータ５８を示している。

また、図１１は、図１０の断面構造を示す断面図（図４に相当）である。

図１０及び図１１に示す態様では、圧力室５２は、図９に示した圧力室５２の側面２０６が取り除かれた構造を有し、この側壁が取り除かれた面が共通流路５５の圧力室側の側壁２１０に接合されている。即ち、図９に示した圧力室５２の側面２０６に相当する面は共通流路５５との接合面になっている。

また、共通流路５５の圧力室側の側壁２１０には、圧力室５２が接合される部分に切り欠き部２１２が設けられ、この切り欠き部２１２を介して圧力室５２と共通流路５５とが連通される。即ち、共通流路５５の側壁２１０に設けられた切り欠き部２１２はインク室ユニット５３の供給口（５４）として機能する。

なお、図１０に示すように、供給口として機能する切り欠き部２１２の幅が図４に示した供給口５４の幅方向の一辺の長さＤ_ｓに相当し、この切り欠き部２１２の幅Ｄ_ｓが圧力室５２の共通流路との接合部分の幅Ｄよりも小さい態様を示したが、供給口（即ち、切り欠き部２１２）のイナータンスＭ_ｎを小さくするために該切り欠き部２１２の幅Ｄ_ｓを大きくするとよい。即ち、切り欠き部２１２は圧力室５２の共通流路との接合面と略同一サイズ、略同一形状を有する態様（即ち、Ｄ_ｓ＝Ｄ及び、切り欠き部２１２の高さｈ_ｓと圧力室５２の高さｈがｈ_ｓ＝ｈの関係を満たす態様）好ましい。

一方、上記（７）に示すように、供給口５４のイナータンスＭ_ｓを小さくするためには、供給口５４の流路長Ｌ_ｓを短くしてもよい。供給口５４の流路長Ｌ_ｓを短くするには、図９に示す態様では供給口プレート２００の厚みを薄くすればよく、図１０に示す態様では共通流路５５の側壁２１０のうち、切り欠き部２１２（圧力室５２が接合される部分）の厚みを薄くすればよい。

但し、図９に示す態様では、供給口プレート２００は圧力室５２の底面となっている。したがって、供給口プレートは圧力室５２の底面として機能する剛性を有する必要があり、ある厚みよりも薄くすることができない。一方、図１０及び図１１に示す態様では、側壁２１０の厚みを薄くすることで供給口５４の流路長Ｌ_ｓを短くすることができるので、供給口５４の流路長Ｌ_ｓをゼロにすることも可能である。

図１２には、圧力室５２を共通流路５５に直に接合させ、切り欠き部２１２の厚みをゼロにした態様を示す。図１２に示す態様は、供給口の断面積Ａ_ｓが最大、供給口の流路長Ｌ_ｓが最小となる態様であり、より好ましい。

ここで、本発明において供給口とは、単に圧力室５２と共通流路５５（共通流路から分岐した支流を含む）とを連通させるインク流路ではなく、圧力室５２との接合部分からインクの吐出動作及びリフィル動作時に絞りとして機能する部分までの供給側流路の一部又は全部を示す。

例えば、図１３に示す態様では、供給口５４の断面積Ａ_ｓ（＝Ｄs ×ｈ_ｓ）と共通流路５５の断面積Ａ（図１３に斜線で示す部分の断面積）との関係がＡ_ｓ＞Ａとなるときには、共通流路５５が絞りとして機能することになる。

同様に、本発明においてノズルとは、圧力室５２との接合部分から絞り機能を有する部分までの吐出側流路を含んでいる。

図１０乃至図１２には、供給口５４の高さｈ_ｓと圧力室５２の高さｈとが略同一（即ち、ｈ_ｓ＝ｈ）である態様を示したが、図１３及び図１４に示すように、供給口５４の高さｈ_ｓと圧力室５２の高さｈとが異なるように（即ち、ｈ_ｓ＜ｈ）構成されてもよい。

〔応用例〕
次に、上述した印字ヘッド５０に備えられたインク室ユニット５３の応用例を説明する。

図１５は本実施形態の応用例に係るインク室ユニット５３の立体構造を示す断面図である。

図１５に示すように、供給口５４には弾性部材３００が備えられている。弾性部材３００は供給口５４と略同一サイズを有し、その略中心部には供給口５４の幅Ｄ_ｓよりも十分に小さい直径Ｄ_ｓ’の開口（穴）３０２が設けられている。また、弾性部材３００には開口３０２から放射状に切り込みが形成され、圧力を受けると開口３０２の断面積を広げるように構成されている。

弾性部材３００は、矢印線Ｋに示す方向に圧力を受けると共通流路５５側へ変形し、矢印線Ｋと反対の方向に圧力を受けると変形しない（或いは、矢印線Ｋの方向に圧力を受けるときに比べて変形量が少ない）異方性を有している。

即ち、アクチュエータ５８を駆動して、圧力室５２からインクを吐出させる方向へ圧力室５２を変形させると、弾性部材３００は矢印線Ｋで示す方向に圧力を受けて共通流路５５側へ変形し、その幅が略Ｄ_ｓとなる供給口５４を介して共通流路５５へインクが排出される。

一方、圧力室５２へインクを引き込む方向へ圧力室５２を変形させると、弾性部材３００は変形せずに、弾性部材３００に設けられた開口３０２を介して共通流路５５から圧力室５２へインクが供給される。

言い換えると、供給口５４の断面積をインク吐出時とリフィル時とで切り替える（可変させる）ことができ、吐出時には供給口５４の面積Ａ_ｓを大きくして吐出性能を維持し、リフィル時には供給口５４の断面積Ａ_ｓを小さくして、圧力室５２への気泡や異物の混入を防止する。なお、弾性部材３００にはゴムやシリコンなどを用いるとよい。

上記の如く構成された印字ヘッド５０では、ノズル５１のイナータンス（吐出側のイナータンス）Ｍ_ｎと、供給口５４のイナータンス（供給側のイナータンス）Ｍ_ｓと、の関係がＭ_ｎ＞Ｍ_ｓとなるように、供給口５４（供給側流路）の断面積Ａ_ｓ、供給口５４（供給側流路）の流路長Ｌ_ｓが決められる構造を有している。したがって、一般的な粘度を持ったインクよりも粘度が高い高粘度インクを用いる場合にも、圧力室５２のコンプライアンスとノズルのイナータンスとの共振を利用した引き打ちを行って好ましいインク滴の吐出を実現することができる。

上述した吐出駆動では、微小量のインク滴を早い吐出周期で吐出させることができ、更に、供給側流路のイナータンスＭ_ｓ及び供給側流路の抵抗Ｒ_ｓが小さくなるために、リフィル時間を短くすることができ、吐出効率の向上が見込まれる。

また、図１２に示す態様では、供給口５４の流路長がゼロとなり、供給口５４を取り除くことができる。したがって、印字ヘッド５０の構造がシンプルになり、複数の薄板状部材を積層させる積層構造を有する印字ヘッドでは、供給口５４が形成される層を省略でき、層数を減らすことができる。

本例では、アクチュエータ５８の反対側（図４等で下側）に広がるように共通流路５５が形成される態様を示したが、アクチュエータ５８の側（図４等で上側）に広がるように共通流路５５を形成してもよい。

また、共通流路の５５の長手方向（インク流方向）と略直交する方向に圧力室５２を配置する態様を示したが、共通流路の長手方向に圧力室５２を配置してもよい。

上述の説明では、液吐出装置の一例としてインクジェット記録装置を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、被吐出媒体上に液を吐出させて被吐出媒体上に立体形状を形成する様々な画像形成装置や液吐出装置に適用可能である。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の全体構成図図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図図１に示したインクジェット記録装置の印字ヘッドの構成を示す平面透視図図３に示した印字ヘッドの立体構造を示す図図３に示した印字ヘッドのノズル配列を示す拡大図本例のインクジェット記録装置におけるインク供給系の構成を示した概要図本例のインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図図３に示した印字ヘッドの集中定数モデルを示す図図４に示したインク室ユニットの構造を示す透視斜視図図９に示したインク室ユニットの他の態様を示す透視斜視図図１０に示したインク室ユニットの立体構造を示す断面図図９に示したインク室ユニットの他の態様を示す透視斜視図図９に示したインク室ユニットの他の態様を示す透視斜視図図１３に示したインク室ユニットの立体構造を示す断面図図９に示したインク室ユニットの応用例の立体構造を示す断面図

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、５０…ヘッド、５１、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ…ノズル、５２…圧力室、５４，２１２…供給口、５５…共通流路、５８…アクチュエータ、１００…圧力室の集中定数モデル

Claims

液体を吐出させるノズルと、
前記ノズルから吐出させる液体を収容する圧力室と、
前記圧力室を変形させて前記圧力室内に収容されている液体を加圧する加圧手段と、
前記圧力室と連通する供給口及び前記供給口を介して前記圧力室と連通する共通流路を含み、前記ノズルのイナータンスＭｎとの関係が、次式
Ｍｎ＞Ｍｓ
を満たすイナータンスＭｓを有する供給側流路と、
前記供給口に設けられ、圧力を受けないときは前記供給側流路の最小断面積Ａｓより小さい面積を有する開口部を備え、前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受けると、当該圧力を受けないときに比べて前記開口部の面積を広げるように変形する弾性部材と、
を備え、
前記弾性部材は、前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受けると前記供給側流路側へ変形し、前記供給側流路側から前記圧力室側に圧力を受けると変形しないか、或いは前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受ける場合に比べて変形量が小さくなるように変形する異方性を有し、前記供給側流路側から前記圧力室側に圧力を受けて前記供給側流路から前記圧力室へ液体が移動するときの前記供給側流路の最小断面積Ａｓ、前記圧力室側から前記供給側流路側に圧力を受けて前記圧力室から前記供給側流路へ液体が移動するときの前記供給側流路の最小断面積Ａｓ’が、次式
Ａｓ＜Ａｓ’
を満たすように前記供給側流路の最小断面積を可変させることを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記弾性部材は、前記開口部を前記供給口の略中心位置に対応する位置に有するとともに、前記開口部から放射状に切り込みが形成された構造を有することを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
前記ノズルの最小断面積Ａｎ、前記供給側流路の最小断面積Ａｓが、次式
Ａｎ＜Ａｓ
を満たす構造を有することを特徴とする請求項１又は２記載の液体吐出ヘッド。
前記圧力室の前記供給側流路との接合面の面積Ａ、前記供給側流路の最小断面積Ａｓの関係が、次式
Ａ＞Ａｓ
を満たす構造を有することを特徴とする請求項１、２又は３記載の液体吐出ヘッド。
前記圧力室の前記供給側流路との接合面の面積Ａ、前記供給側流路の最小断面積Ａｓの関係が、次式
Ａ＝Ａｓ
を満たす構造を備えたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の液体吐出ヘッド。
前記加圧手段は、圧電素子を含むことを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
被吐出媒体上に液滴を吐出させる吐出ヘッドを備え、
前記吐出ヘッドは、請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の液体吐出ヘッドを含むことを特徴とする液体吐出装置。