JP4232517B2 - 液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関し、さらに詳しくは、液滴を吐出して記録媒体上に文字や画像などを記録したり、基板上に微細パターンや薄膜の形成等を行うための液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液滴吐出装置として、圧力発生室内に充填された液体に対し、圧電アクチュエータ等の圧力発生手段を用いて圧力波(音響波)を発生させ、その圧力波によって圧力発生室に連結されたノズルから液滴を吐出するものが一般によく知られている。特に、インクの滴を吐出して記録用紙上に文字や画像などの記録を行うインクジェット記録装置は広く普及しており（例えば、特許文献１や特許文献２）、最近では、インク滴体積の減少や低濃度インクの使用等によって、極めて高い品質の画像記録が可能になっている。
【０００３】
また、近年では、上記の液滴吐出方法を用いた液滴吐出装置を工業的に活用することが試みられている。主な活用例としては、
（ａ）導電性ポリマー溶液を基板上に吐出させて配線パターンやトランジスタを形成、
（ｂ）有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させてＥＬディスプレイパネルを形成、
（ｃ）溶融状態のハンダを基板上に吐出して電気実装用のバンプを形成、
（ｄ）ＵＶ硬化樹脂等の液滴を基板上で積層および硬化させることにより３次元物体を造形、
（ｅ）有機材料の溶液（レジスト溶液など）を基板上に吐出させて有機薄膜を形成、
などが挙げられる。このように、液滴吐出装置は画像記録の用途に限らず、広い領域で活用されつつあり、今後更にその活用範囲が広がっていくと予想される。
【０００４】
なお、以下では、液滴吐出ヘッドによって液滴を吐出する対象物を、「記録媒体」といい、液滴が記録媒体上に付着されることで得られる記録媒体上のドットのパターンを「画像」あるいは「記録画像」ということにする。したがって、以下に説明における「記録媒体」には、記録用紙やＯＨＰシートなどが含まれるのはもちろんであるが、これら以外にも、たとえば上記したような基板などが含まれる。また、以下の「画像」には、一般的な画像（文字、絵、写真など）のみならず、上記したような配線パターンや３次元物体、有機薄膜などが含まれる。
【０００５】
このような液滴吐出装置において、高速での画像記録を実現するためには、多ノズル化、すなわち、より多くのノズルを備える構成とすることが必要となる。そこで、例えば、特許文献１や、特許文献２などには、ノズルを２次元的にマトリクス配列させて、その数を増加させた液滴吐出ヘッド（以下、「マトリクス配列ヘッド」という）が提案されている。
【０００６】
ところで、一般に液滴吐出ヘッドでは、何らかの要因（たとえば、外部からの衝撃、ノズルの開口部に付着したミストやゴミなどの異物に起因する気泡の巻きこみ等）によって、不吐出ノズルが発生することがある。このような不吐出ノズルは、画質を低下させるおそれがあるため、従来の液滴吐出ヘッドでは、いわゆるダミージェット、バキューム、ワイピング等のリカバリー動作（あるいはメンテナンス動作）を行なって、不吐出の状態を解消するようにしている。
【０００７】
なお，この不吐出ノズルの数が少ない場合（たとえば、１つの液滴吐出ヘッドに対して１つの不吐出ノズル）には、この不吐出ノズルが画質に及ぼす影響は少ない。したがって、不吐出ノズルの数が多くなってから上記のリカバリー動作を行なうようにすれば、リカバリー動作の頻度を低く抑えることができる。
【０００８】
しかしながら，記録速度向上等の観点から、多数のノズルを高密度で配置した液滴吐出ヘッドでは、１つのノズルが不吐出状態になると、その周囲のノズルも連鎖的に不吐出状態になってしまうことがある。このような現象が発生すると、不吐出ノズルがヘッドの一部分に集中して多数発生するため、画質の低下を招くことになる。これを解消するために、不吐出ノズルが発生する度にリカバリー動作を行なうことも考えられるが、頻繁なリカバリー動作によって、インク消費量を増大させることになる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１−２０８１４６号公報
【特許文献２】
特開平９−１５６０９５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような問題点を解決すべくなされたものであり、その目的は、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像記録可能な液滴吐出ヘッドと、このような液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、液体が充填される複数の液室と、前記液室のそれぞれと連通するノズルと、画像情報に応じて前記液室に充填された液体にエネルギーを印加して前記ノズルから液滴を吐出させるエネルギー印加手段と、あらかじめ液体が貯留される液体タンクと、前記液体タンクと連通し、複数の液室に共通して設けられた液体供給系と、それぞれの前記液室に対応して、かつ前記液体供給系と連通して設けられた液体供給路と、を有する液滴吐出ヘッドであって、前記液体供給路の流路抵抗ｒsが、前記液体供給系、前記ノズル及び前記液室のそれぞれの流路抵抗をｒp、ｒn、ｒc、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスをｍT、ノズル内に形成されるメニスカスの音響容量をｃnとして、
【００１２】
【数２】
を満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
この液滴吐出ヘッドでは、液体タンクに貯留された液体が、液体供給系から液体供給路を経て液室に供給される。液室に充填された液体に、エネルギー印加手段によって、画像情報に応じたエネルギーが印加され、ノズルから液滴が吐出される。
【００１４】
ここで、本発明の液滴吐出ヘッドでは、液体供給路の流路抵抗ｒsが液体供給系の流路抵抗ｒpに対し、
【００１５】
【数３】
を満たすように設定されている。これにより、不吐出ノズルが発生した場合であっても、この連鎖的な広がりを防止できる。
【００１６】
また、液体供給路の流路抵抗ｒsは、液体供給系、ノズル及び圧力発生室のそれぞれの流路抵抗をｒp、ｒn、ｒc、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスをｍT、ノズル内に形成されるメニスカスの音響容量をｃnとして、
【００１７】
【数４】
を満たすようにも設定されている。これにより、液滴吐出後に、ノズル内に短時間で液体を再度引きこんでメニスカスを初期状態に復帰させること（以下、この動作を「リフィル」という）ができるので、高速での画像記録が可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記ノズルが２次元的に配置され、前記液体供給系が、前記液体タンクと連通する本流部と、この本流部から分岐し前記液体供給路と連通する複数の支流部と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
このように、ノズルを２次元的に配置することで、多くのノズルを高密度で配置し、より高速での画像記録が可能になる。しかも、このように高密度でノズルを配置しても、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを防止できる。
【００２０】
また、液体供給系は、本流部と支流部とで構成されているので、液体タンクの液体を、本流部、支流部、液体供給路へと順に経由させて、効率的に液室へと供給できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記液体供給路を液体の流れ方向と直交する断面で見たときの断面形状の短手方向の長さが１０〜４０μｍとされていることを特徴とする。
【００２２】
このように、液体供給路の断面形状の短手方向の長さを４０μｍ以下とすることで、イナータンスの増加を招くことなく流路抵抗を増加させることができる。したがって、リフィル時間を増加させずに、上記式（２）の条件を満足させることができる。
【００２３】
また、液体供給路の断面形状の短手方向の長さを１０μｍ以上とすることで、製造上の歩留まりを高めたり、特性を均一に維持したりすることが可能となる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発明において、前記液体供給路の前記液室との連結部における供給路径が、前記ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とされていることを特徴とする。
【００２５】
液体供給路の液室との連結部における供給路径を、ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とすると、液体供給路でのメニスカス保持力を相対的に高めることができる。したがって、不吐出ノズルにおいて、メニスカスがノズル内を後退して液室に至った場合でも、さらに液体供給路に後退することを防止でき、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを抑制できる。
【００２６】
なお、ここでいう「同等もしくはそれ以下」とは、ノズル開口径をｄn、液体供給路の開口径をｄsとした場合、ｄs＜１．２ｄnの関係が成り立つことをいう。
【００２７】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする。
【００２８】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有しているので、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像を記録することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基本的作用・動作について説明する。
【００３０】
図１には、液滴吐出ヘッド１１２のイジェクタ１３８の近傍が模式的に示されている。また、図２には、液滴吐出前後のノズル１４０内のメニスカス１５４の状態が、（Ａ）から（Ｆ）へと順に示されている。
【００３１】
この液滴吐出ヘッド１１２では、複数（図１では１０個）のイジェクタ１３８を備えており、これらが、５個ずつグループ化されて、全体として５×２のマトリックス状（２次元状）に配置されている。それぞれのイジェクタ１３８は、液体が充填される液室１１４と、この液室１１４のそれぞれに対応して設けられたノズル１４０とを有している。液体タンク（図１では図示省略、図５に示すインクタンク１３４参照）に貯留された液体が、液体供給系１１８の本流部１１８Ｍ及び支流部１１８Ｓを経て、それぞれの液室１１４に連通された液体供給路１２０から、液室１１４に供給される。液室１１４に液体が充填された状態では、図２（Ａ）に示すように、それぞれのノズル１４０内では、液体のメニスカス１５４が所定の形状で、かつ所定の位置に維持されている。そして、エネルギー印加手段（図１では図示省略、図６に示す圧電アクチュエータ１５０参照）によって画像情報に応じたエネルギーが印加されると、図２（Ｂ）に示すように、ノズル１４０から液滴１５６が吐出される。したがって、この構成の液滴吐出ヘッド１１２では、複数のイジェクタ１３８が、共通の支流部１１８Ｓ（プール）によって連結され、さらに、２本の支流部１１８Ｓが１本の本流部１１８Ｍと連通している。以下では、液体タンクから支流部１１８Ｓに至る液体供給系１１８の流路抵抗をｒp、液体供給路１２０の流路抵抗をｒsとする。
【００３２】
ここで、何らかの原因で、ある１つのイジェクタ１３８Ａが不吐出になると、ノズル１４０Ａ内のメニスカスが破壊され、ノズル１４０Ａのメニスカス保持力も消失あるいは減少する。
【００３３】
このとき、ｒp＞ｒsの場合には、隣接するイジェクタ１３８Ｂが、不吐出になったイジェクタ１３８Ａから液体の供給を受けるようになる。実際には、ノズル１４０Ａと連通する液体供給路１２０に空気が入り込んでいるので、この空気が、イジェクタ１３８Ｂ内に混入する。これにより、イジェクタ１３８Ａに加えて、イジェクタ１３８Ｂも不吐出になってしまう。そして、さらに隣接するイジェクタ１３８Ｃも、イジェクタ１３８Ｂから液体の供給を受けるようになるため、イジェクタ１３８Ｃも不吐出となる。このようにして、１つのイジェクタ１３８が不吐出になると、隣接するイジェクタ１３８も連鎖的に不吐出になってしまう。
【００３４】
特に、イジェクタを２次元的に多数配列した液滴吐出ヘッド（マトリックスヘッド）では、各イジェクタ１３８を連結している支流部１１８Ｓが幅狭になるため、液体供給系１１８の流路抵抗ｒpが大きくなりやすく、上記した現象（不吐出イジェクタの連鎖的な広がり）が発生しやすい。
【００３５】
また、一般に液体供給路１２０は、製造コストを低減する等の観点から、断面四角形状とされることが多いが、このような形状の液体供給路１２０では流路抵抗が小さくなりやすいため、上記した現象が発生しやすい。
【００３６】
これに対し、本発明では、液体供給系１１８の流路抵抗ｒpと、液体供給路１２０の流路抵抗ｒsとの間に、
【００３７】
【数５】
の関係が成り立つように、液体供給系１１８及び液体供給路１２０の形状等を決定している。液体供給路１２０の流路抵抗ｒsが液体供給系１１８の流路抵抗ｒpよりも大きいので、たとえ１つのイジェクタ１３８が不吐出になっても、これに隣接するイジェクタ１３８は、この不吐出のイジェクタ１３８ではなく、液体供給系１１８から液体の供給を受けつづけ、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりを防止できる。また、イジェクタの不吐出状態を解消して画質低下を防止するためのリカバリー動作（メンテナンス動作）を頻繁に行なう必要もなくなる。なお、かかる観点からは、さらに、
５ｒp＜ｒs （２）’
とすることが好ましく。
【００３８】
１０ｒp＜ｒs （２）”
とすることが特に好ましい。
【００３９】
ところで、不吐出イジェクタの連鎖的広がりを防止するためには、上記式（２）の条件を満たせば十分であるが、あまりにｒsを大きくすると、液滴吐出後に、再度液室１１４内に液体を引き込む際の抵抗が大きくなって、液体の充填に長い時間を要することとなる。
【００４０】
図２（Ｃ）に示すように、ノズル１４０から液滴１５６が吐出されると、メニスカス１５４はノズル１４０の内部に一旦後退する。後退したメニスカス１５４は、図２（Ｄ）〜（Ｆ）に示すように、メニスカス１５４の表面張力の作用によって復帰される。すなわち、メニスカス１５４の表面張力が一種のバネとして作用し、液体タンクからノズル１４０内に液体を引き込むことによって、メニスカス１５４は平坦な状態(初期状態)に復帰する。このメニスカス復帰動作のことを「リフィル」と呼ぶ。
【００４１】
図３には、リフィル時におけるメニスカス位置の変化が、液滴１５６の吐出直後からの経過時間と、メニスカスの位置変化（メニスカスの中央の位置ｙ、図２（Ｃ）参照）との関係として、グラフ化されている(リフィル曲線)。液滴吐出後（ｔ＝０）に、y0（引き込み量最大）の位置まで引き込まれたメニスカス１５４は、減衰振動しながら静止状態（初期状態、ｙ＝０）に戻る。なお、液滴吐出後に初めてメニスカスがノズル開口面に復帰する時間（ｔr）を「リフィル時間」と呼ぶことにする。
【００４２】
連続的な液滴吐出を安定的に実行するためには、次の液滴吐出が行われるまでにリフィルを完了させなければならない。すなわち、イジェクタ１３８の最大駆動周波数を大きくするためには、イジェクタのリフィル時間を小さくする必要がある。
【００４３】
液滴を吐出した後のメニスカス振動は、等価回路によると図４のように表わされる。ここで、ｒは流路抵抗、ｍはイナータンスを示しており、添え字のｓは液体供給路１２０、ｎはノズル１４０、ｃは液室１１４、ｐは液体供給系１１８を表わしている。また、ｃnはメニスカスの音響容量を示している。この回路に、液滴吐出後のメニスカス後退量に対応させたステップ関数の圧力φを入力として解き、ノズル部での体積速度ｕ3を時間ｔの関数として求めると次式が得られる。
【００４４】
【数６】
なお、一般に、流路抵抗は、円形断面の流路の場合、ｄを流路径［ｍ」、ｌを流路長［ｍ］、ηを流体の粘度［Ｐａ・ｓ］として、
【００４５】
【数７】
によって求めることができ、長方形断面の流路の場合には、Ｓを流路断面積［ｍ2］、ｚを流路断面のアスペクト比として、
【００４６】
【数８】
によって求めることができる。
【００４７】
同様に、イナータンスは、ρを液体の密度［ｋｇ／ｍ3］、ｌを流路長［ｍ］、Ｓを流路断面積［ｍ2］として、
【００４８】
【数９】
によって求めることができる。
【００４９】
また、メニスカスの音響容量ｃnは、円形ノズルの場合には、ｄnをノズル径、σを液体の表面張力として、以下の近似式によって算出できる。
【００５０】
【数１０】
ここで、メニスカスに振動（リフィル振動）が生じるのは、式（６）の平方根の中が正になる場合であり、すなわち次の条件が満たされる場合である。
【００５１】
【数１１】
上の条件式が成り立たない場合、メニスカスにはリフィル振動が発生しなくなるため、リフィル時間は非常に大きくなってしまう。従って、高速リフィルを実現する上では、上式の条件を満足することが必須となる。
【００５２】
そこで、上記の条件を満足した上で、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりの防止と、短時間でのリフィルとを達成するためにさらに望ましい条件について、実際の液滴吐出ヘッドで吐出観察を行って検討した。その結果を表１に示す。表１の「連鎖的不吐出防止」及び「高周波吐出」の評価において、「◎」は、極めて望ましい結果が得られていることを、「○」は、望ましい結果が得られていることを、「△」は、僅かに問題が生じることもあるが、実用上は全く支障がない程度であることを、「×」は、問題が生じることをそれぞれ示す。また、式（３）の条件は、満足している場合を「○」、満足していない場合を「×」で示す。「判定」では、「連鎖的不吐出防止」及び「高周波吐出」の双方において、「△」以上の評価が得られているものを「○」とし、これ以外を「×」とした。
【００５３】
【表１】
この表１から分かるように、高周波（１５ｋＨｚ以上）で安定した吐出を実行するためには、ｒTは以下の条件を満足する必要があることが明らかになった。
【００５４】
【数１２】
すなわち、１５ｋＨｚ以上の高周波での液滴吐出に対応して高速リフィルを実現するためには、液体供給路の流路抵抗ｒsは以下の条件を満足することが必要となる。
【００５５】
【数１３】
したがって、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりの防止と、短時間でのリフィル達成による高周波での液滴吐出（高速での画像記録）とを両立する観点からは、
【００５６】
【数１４】
の条件を満足していればよいと言える。
【００５７】
なお、ノズルが円形以外の場合には、開口面積が同一となる円形ノズルを想定し、式（９）によって音響容量を求めればよい。
【００５８】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、以下において、上記と同一の名称を付した構成要素、部材等については、上記と基本的に同様の作用を奏する。
【００５９】
図５及び図６には、本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２が示されている。また、図７には、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２が示されている。本実施形態の液滴吐出ヘッド１１２はいわゆるインクジェット記録ヘッドとされており、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２は、インクジェット記録装置とされている。液滴吐出装置１０２は、記録媒体である記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出し、この液滴によるドットで画像を記録するために使用される。
【００６０】
図７に示すように、液滴吐出装置１０２は、液滴吐出ヘッド１１２が搭載されるキャリッジ１０４と、キャリッジ１０４を記録用紙Ｐの記録面に沿った所定の主走査方向方向に移動（主走査）させる主走査機構１０６、および、記録用紙Ｐを主走査方向と交差（好ましくは直交）する所定の副走査方向に搬送（副走査）させるための副走査機構１０８を含んで構成されている。なお、図面において主走査方向を矢印Ｍで、副走査方向を矢印Ｓでそれぞれ示す。
【００６１】
液滴吐出ヘッド１１２は、ノズル１４０が形成されたノズル面が記録用紙Ｐと対向するようにキャリッジ１０４上に搭載されており、主走査機構１０６によって主走査方向に移動されながら記録用紙Ｐに対して液滴を吐出することにより、一定のバンド領域ＢＥに対して画像の記録を行う。主走査方向への１回の移動が終了すると、副走査機構１０８によって記録用紙Ｐが副走査方向に搬送され、再びキャリッジ１０４を主走査方向に移動させながら次のバンド領域を記録する。こうした動作を複数回繰り返すことにより、記録用紙Ｐの全面にわたって画像記録を行うことができる。
【００６２】
図５に示すように、この液滴吐出ヘッド１１２は、複数（本実施形態では６４個、そのうち図５では７個のみ示す）のイジェクタ１３８を有しており、これらのイジェクタ１３８が、個別インク流路１４６（図６参照。図1の液体供給路１２２に相当）を介して、共通インク流路１２４によって互いに連結されている。共通インク流路１２４は、インク管路１２５、フィルタ１２６、インク管路１２８、サブタンク１３０及びインクチューブ１３２を介してインクタンク１３４に連結されており、インクタンク１３４にあらかじめ貯留されたインク（液体）が、イジェクタ１３８のそれぞれの圧力発生室１４２（図１に示す液室１１４に相当）に供給される。本実施形態では、共通インク流路１２４、インク管路１２５、フィルタ１２６、インク管路１２８、サブタンク１３０、インクチューブ１３２及びインクタンク１３４によって、本発明の液体供給系１１８が構成されている。なお、第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２では、イジェクタ１３８が一列に配置されたいわゆるラインヘッドとされている。したがって、液体供給系１１８には、図１に示す本流部１１８Ｍ及び支流部１１８Ｓとが特に区別されていない。
【００６３】
図６に示すように、液滴吐出ヘッド１１２は、エッチング等によって穿孔加工された複数のプレートを接着剤によって積層接合することにより構成されている。それぞれの圧力発生室１４２は、インク供給路１４６（図１に示す個別インク流路１２２に相当）を介して共通インク流路１２４と連通しており、圧力発生室１４２には、供給されたインクが充填されるようになっている。また、それぞれの圧力発生室１４２には、インク滴を吐出するためのノズル１４０が設けられている。
【００６４】
圧力発生室１４２の底面は振動板１４８を有しており、圧力発生室１４２の一面は、この振動板１４８で構成されている。振動板１４８には、圧力発生室１４２の反対側の面に、圧力発生手段としての圧電アクチュエータ１５０が取り付けられている。画像情報に対応した駆動信号を圧電アクチュエータ１５０に印加すると、圧電アクチュエータ１５０は振動板１４８を介して、圧力発生室１４２を膨張又は圧縮させる。これによって圧力発生室１４２内に生じた圧力波でノズル１４０内のインクを運動させ、ノズル１４０から液滴１５６を吐出することができる。なお、圧電アクチュエータ１５０に印加する駆動信号の電圧波形としては、たとえば、図８に示すものを挙げることができる。この駆動電圧１４２の電圧波形は、圧力発生室１４２を圧縮する方向に電圧を変化させる第１電圧変化プロセス１６２（所要時間ｔ1）と、変化された電圧（高電圧）を一定時間維持する電圧維持プロセス１６４（所要時間ｔ2）、印加電圧を元のバイアス電圧（Ｖb）に戻すための第２電圧変化プロセス１６６（所要時間ｔ3）により構成されている。
【００６５】
そして、本実施形態では、上記式（１）を満たすように、各構成要素の形状や位置などが決められている。したがって、１つのイジェクタ１３８が何らかの原因で不吐出となった場合でも、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを確実に防止できる。不吐出ノズルを解消するためのリカバリー動作を頻繁に行なわなくても画質を維持することができ、インク消費量が多くなることもない。また、リフィル速度の低下が防止されているので、高い吐出周波数（たとえば１５ｋＨｚ以上）に対応して、確実にインクを圧力発生室１４２に充填して、インク滴を吐出できる。
【００６６】
なお、本発明では、上記の条件を満たせば、インク供給路１４６の具体的構成は特に限定されないが、一般的には、低コストで液滴吐出ヘッド１１２を製造するために、インク供給路１４６は、その断面（インクの流れ方向を法線とする断面）の形状が四角形となるように形成されることが多い。この場合、断面形状の短手方向の長さ（以下、これを「高さ」という）を４０μｍ以下とすると、イナータンスｍsを増加させることなく、流路抵抗ｒsを増加させることができるので、リフィル時間を増加させることなく、上記式（２）の条件を満足させることができる。
【００６７】
図９には、インク供給路１４６の断面の高さ（供給路高さ）と、流路抵抗／イナータンスの関係が示されている。このグラフからも、インク供給路１４６の高さを４０μｍ以下とすると、イナータンスに対して流路抵抗が相対的に大きくなっていることが分かる。かかる効果を得るためには、インク供給路１４６の高さを３０μｍ以下にすることがより好ましく、２０μｍ以下にすることが特に好ましい。特に、粘度の高いインク（たとえば２ｃＰ以上）を使用した液滴吐出ヘッドの場合には、イナータンスｍTを増加させることなく、流路抵抗ｒsを増加させることが好ましい。なお、このグラフでは、同一の供給路高さで、複数の（流路抵抗／イナータンス）の値がプロットされているが、これは、インク供給路１４６の長手方向の長さ（幅）を６０〜２００μｍの範囲で変化させて（流路抵抗／イナータンス）の値を得たものである。インク供給路１４６の幅を変化させても、（流路抵抗／イナータンス）の値は大きく変化しておらず、インク供給路１４６の幅に対する依存性は小さいことが分かる。
【００６８】
ただし、インク供給路１４６の高さをあまりに小さく（低く）すると、製造上の歩留まりが低下したり、特性の均一性が確保されなかったりするおそれがある。すなわち、インク供給路を形成するプレートが非常に薄くなると、ヘッド製造を行う際のハンドリング性が悪化すると共に、高い寸法精度を得ることも困難となってしまう。したがって、製造上の歩留まりを高めたり、特性の均一性を維持したりする観点からは、インク供給路１４６の高さを１０μｍ以上とすることが好ましい。
【００６９】
また、インク供給路１４６の開口径は、ノズル１４０（インク吐出口１５２）の開口径と同等あるいはそれ以下とすると、インク供給路１４６でのメニスカス保持力が大きくなり、これによっても不吐出イジェクタの連鎖的な広がりを防止できるので、好ましい。すなわち、図１０（Ａ）に示すように、不吐出のイジェクタ１３８では、ノズル１４０内を後退してきたメニスカス１５４が圧力発生室１４２に達し（図１０（Ａ）〜（Ｂ）参照）、さらに、インク供給路１４６内を後退することがある。これに対し、インク供給路１４６の開口径をノズル１４０の開口径と同等あるいはそれ以下とすると、図１０（Ｃ）に示すように、メニスカス１５４の後退が、インク供給路１４６の圧力発生室１４２との接続部分１４６Ｃでの表面張力によって止められる。これにより、不吐出イジェクタが連鎖的に発生する現象を防止することが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００７１】
図１１には、本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２が示されている。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。また、第２実施形態の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出ヘッドの構成が第１実施形態と異なっているのみであるので、図示を省略する。
【００７２】
第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２では、イジェクタ１３８（ノズル１４０）が２次元的にマトリクス状に配置された、いわゆるマトリクスヘッドとされている。これらのイジェクタ１３８は、所定数（図１１では６個）ごとにグループ化されており、それぞれのグループが、共通インク流路１２４の支流部１２４Ｓによって連結されている。さらに、支流部１２４Ｓは所定数（図１１では６本）ごとに、おなじく共通インク流路１２４の本流部１２４Ｍによって連結されている。
【００７３】
なお、第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２においても、第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２と同様に、共通インク流路１２４と圧力発生室１４２とは、個別インク流路１２２によって連結されているが、図１１では、個別インク流路１２２の図示を省略している。
【００７４】
このように、イジェクタ１３８を２次元的にマトリクス状に配置した構成では、より多くのノズル１４０を高密度で配置することができるので、高速での画像記録が可能となる。
【００７５】
そして、第２実施形態においても第１実施形態と同様、前述の式（１）の条件を満たすように、各構成要素の形状や位置などが決められている。したがって、不吐出のイジェクタ１３８が発生しても、その連鎖的な広がりを確実に防止できると共に、高い吐出周波数でも確実にインクを圧力発生室１４２に充填可能となる。
【００７６】
特に、イジェクタ１３８マトリクス配置にすると、それぞれのイジェクタ１３８が幅狭の支流部１１８Ｓを介して連結されていることになるので、液体供給系の流路抵抗が大きくなりやすく、不吐出のイジェクタ１３８が連鎖的に周囲に広がりやすい。しかし、式（２）の条件を満たすように液体供給系を構成することで、不吐出イジェクタの連鎖的発生をを確実に防止できる。例えば、支流部１１８Ｓでの流路抵抗増加を補うように、フィルタ１２６やサブタンク１３０の流路抵抗を減少させることにより、不吐出イジェクタの連鎖的発生を武士することが可能となる。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明に好適な実施形態を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。すなわち、本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形、改良、修正、簡略化などを、上記実施形態に加えてもよい。
【００７８】
例えば、上記各実施形態では、圧力発生手段として圧電アクチュエータを用いたが、静電力や磁力を利用した電気機械変換素子や、沸騰現象を利用して圧力を発生させるための電気熱変換素子など、他の圧力発生手段を用いてもかまわない。圧電アクチュエータとしても、本実施形態で使用した単板型の圧電アクチュエータの他に、縦振動タイプの積層型圧電アクチュエータなど、別の形態のアクチュエータを用いてもかまわない。
【００７９】
また、上記実施形態では、液体供給系を図５や図１１に示すような構成としたが、他の構成の液体供給系を用いることも可能である。例えば、インクタンク１３４が共通インク流路１２４に直結される構成や、記録時にはインクタンク１３４とサブタンク１３０が分断されており、必要に応じてインクタンク１３４からサブタンク１３０へ液体が供給されるような構成など、様々な構成の液体供給系を有する液滴吐出ヘッドに対して本発明は適用可能である。
【００８０】
また、上記実施形態では、圧電アクチュエータ１５０の駆動を図８のような単純な電圧波形によって行ったが、さらに複雑な駆動電圧波形を用いる場合においても本発明が適用可能であることは明白である。
【００８１】
また、上記実施形態では、記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出して文字や画像などの記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を例に挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置としては、このようなインクジェット記録、すなわち、記録用紙上への文字や画像の記録に用いられるものに限定されない。また、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、吐出する液体も着色インクに限定されるわけではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出して行うディスプレイ用のカラーフィルターの作製、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う部品実装用のバンプの形成、有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させて行うＥＬディスプレイパネルの形成、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う電気実装用のバンプの形成など、様々な工業的用途を対象とした液滴噴射装置一般に対して、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を適用することも可能である。
【００８２】
また、液滴吐出装置として、上記では液滴吐出ヘッドをキャリッジによって移動させながら液滴吐出を行う形態としたが、インク吐出口１５２を記録媒体の全幅にわたって配置したライン型の液滴吐出ヘッドドを用い、このライン型ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬送しながら記録を行う（この場合は主走査のみとなる）など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像を記録可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 液滴吐出ヘッドの構成を概念的に示す説明図である。
【図２】 液滴吐出ヘッドにおいてノズルから液滴が吐出されるときのメニスカスの変化を（Ａ）から（Ｆ）へと順に示す説明図である。
【図３】 液滴吐出ヘッドのリフィル時における経過時間とメニスカス中央の位置との関係の一例を示すグラフである。本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドのイジェクタを示す断面図である。
【図４】 図１に示す液滴吐出ヘッドと等価な電気回路を示す回路図である。
【図５】 本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図６】 本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドを示す断面図である。
【図７】 本発明の第１実施形態の液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図８】 本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の電圧波形一例を示すグラフである。
【図９】 液滴吐出ヘッドにおける供給路高さと、（流路抵抗／イナータンス）の関係を示すグラフである。
【図１０】 不吐出のイジェクタが発生した場合のノズル内のメニスカスの様子の一例を（Ａ）〜（Ｃ）へと順に示す説明図である。
【図１１】 本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０２ 液滴吐出装置
１１２ 液滴吐出ヘッド
１１４ 液室
１１８ 液体供給系
１１８Ｓ 支流部
１１８Ｍ 本流部
１２０ 液体供給路
１２２ 個別インク流路
１２５ インク管路（液体供給系）
１２４ 共通インク流路（液体供給系）
１２４Ｓ 支流部
１２４Ｍ 本流部
１２８ インク管路（液体供給系）
１３０ サブタンク（液体供給系）
１３２ インクチューブ（液体供給系）
１３４ インクタンク（液体タンク）
１３８ イジェクタ
１４０ ノズル
１４２ 圧力発生室（液室）
１４６ インク供給路
１４８ 振動板
１５０ 圧電アクチュエータ
１５４ メニスカス
１５６ 液滴
２１２ 液滴吐出ヘッド
Ｐ 記録用紙
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関し、さらに詳しくは、液滴を吐出して記録媒体上に文字や画像などを記録したり、基板上に微細パターンや薄膜の形成等を行うための液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液滴吐出装置として、圧力発生室内に充填された液体に対し、圧電アクチュエータ等の圧力発生手段を用いて圧力波(音響波)を発生させ、その圧力波によって圧力発生室に連結されたノズルから液滴を吐出するものが一般によく知られている。特に、インクの滴を吐出して記録用紙上に文字や画像などの記録を行うインクジェット記録装置は広く普及しており（例えば、特許文献１や特許文献２）、最近では、インク滴体積の減少や低濃度インクの使用等によって、極めて高い品質の画像記録が可能になっている。
【０００３】
また、近年では、上記の液滴吐出方法を用いた液滴吐出装置を工業的に活用することが試みられている。主な活用例としては、
（ａ）導電性ポリマー溶液を基板上に吐出させて配線パターンやトランジスタを形成、
（ｂ）有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させてＥＬディスプレイパネルを形成、
（ｃ）溶融状態のハンダを基板上に吐出して電気実装用のバンプを形成、
（ｄ）ＵＶ硬化樹脂等の液滴を基板上で積層および硬化させることにより３次元物体を造形、
（ｅ）有機材料の溶液（レジスト溶液など）を基板上に吐出させて有機薄膜を形成、
などが挙げられる。このように、液滴吐出装置は画像記録の用途に限らず、広い領域で活用されつつあり、今後更にその活用範囲が広がっていくと予想される。
【０００４】
なお、以下では、液滴吐出ヘッドによって液滴を吐出する対象物を、「記録媒体」といい、液滴が記録媒体上に付着されることで得られる記録媒体上のドットのパターンを「画像」あるいは「記録画像」ということにする。したがって、以下に説明における「記録媒体」には、記録用紙やＯＨＰシートなどが含まれるのはもちろんであるが、これら以外にも、たとえば上記したような基板などが含まれる。また、以下の「画像」には、一般的な画像（文字、絵、写真など）のみならず、上記したような配線パターンや３次元物体、有機薄膜などが含まれる。
【０００５】
このような液滴吐出装置において、高速での画像記録を実現するためには、多ノズル化、すなわち、より多くのノズルを備える構成とすることが必要となる。そこで、例えば、特許文献１や、特許文献２などには、ノズルを２次元的にマトリクス配列させて、その数を増加させた液滴吐出ヘッド（以下、「マトリクス配列ヘッド」という）が提案されている。
【０００６】
ところで、一般に液滴吐出ヘッドでは、何らかの要因（たとえば、外部からの衝撃、ノズルの開口部に付着したミストやゴミなどの異物に起因する気泡の巻きこみ等）によって、不吐出ノズルが発生することがある。このような不吐出ノズルは、画質を低下させるおそれがあるため、従来の液滴吐出ヘッドでは、いわゆるダミージェット、バキューム、ワイピング等のリカバリー動作（あるいはメンテナンス動作）を行なって、不吐出の状態を解消するようにしている。
【０００７】
なお，この不吐出ノズルの数が少ない場合（たとえば、１つの液滴吐出ヘッドに対して１つの不吐出ノズル）には、この不吐出ノズルが画質に及ぼす影響は少ない。したがって、不吐出ノズルの数が多くなってから上記のリカバリー動作を行なうようにすれば、リカバリー動作の頻度を低く抑えることができる。
【０００８】
しかしながら，記録速度向上等の観点から、多数のノズルを高密度で配置した液滴吐出ヘッドでは、１つのノズルが不吐出状態になると、その周囲のノズルも連鎖的に不吐出状態になってしまうことがある。このような現象が発生すると、不吐出ノズルがヘッドの一部分に集中して多数発生するため、画質の低下を招くことになる。これを解消するために、不吐出ノズルが発生する度にリカバリー動作を行なうことも考えられるが、頻繁なリカバリー動作によって、インク消費量を増大させることになる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１−２０８１４６号公報
【特許文献２】
特開平９−１５６０９５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような問題点を解決すべくなされたものであり、その目的は、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像記録可能な液滴吐出ヘッドと、このような液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、液体が充填される複数の液室と、前記液室のそれぞれと連通するノズルと、画像情報に応じて前記液室に充填された液体にエネルギーを印加して前記ノズルから液滴を吐出させるエネルギー印加手段と、あらかじめ液体が貯留される液体タンクと、前記液体タンクと連通し、複数の液室に共通して設けられた液体供給系と、それぞれの前記液室に対応して、かつ前記液体供給系と連通して設けられた液体供給路と、を有する液滴吐出ヘッドであって、前記液体供給路の流路抵抗ｒsが、前記液体供給系、前記ノズル及び前記液室のそれぞれの流路抵抗をｒp、ｒn、ｒc、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスをｍT、ノズル内に形成されるメニスカスの音響容量をｃnとして、
【００１２】
【数２】
【００１３】
この液滴吐出ヘッドでは、液体タンクに貯留された液体が、液体供給系から液体供給路を経て液室に供給される。液室に充填された液体に、エネルギー印加手段によって、画像情報に応じたエネルギーが印加され、ノズルから液滴が吐出される。
【００１４】
ここで、本発明の液滴吐出ヘッドでは、液体供給路の流路抵抗ｒsが液体供給系の流路抵抗ｒpに対し、
【００１５】
【数３】
【００１６】
また、液体供給路の流路抵抗ｒsは、液体供給系、ノズル及び圧力発生室のそれぞれの流路抵抗をｒp、ｒn、ｒc、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスをｍT、ノズル内に形成されるメニスカスの音響容量をｃnとして、
【００１７】
【数４】
【００１８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記ノズルが２次元的に配置され、前記液体供給系が、前記液体タンクと連通する本流部と、この本流部から分岐し前記液体供給路と連通する複数の支流部と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
このように、ノズルを２次元的に配置することで、多くのノズルを高密度で配置し、より高速での画像記録が可能になる。しかも、このように高密度でノズルを配置しても、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを防止できる。
【００２０】
また、液体供給系は、本流部と支流部とで構成されているので、液体タンクの液体を、本流部、支流部、液体供給路へと順に経由させて、効率的に液室へと供給できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記液体供給路を液体の流れ方向と直交する断面で見たときの断面形状の短手方向の長さが１０〜４０μｍとされていることを特徴とする。
【００２２】
このように、液体供給路の断面形状の短手方向の長さを４０μｍ以下とすることで、イナータンスの増加を招くことなく流路抵抗を増加させることができる。したがって、リフィル時間を増加させずに、上記式（２）の条件を満足させることができる。
【００２３】
また、液体供給路の断面形状の短手方向の長さを１０μｍ以上とすることで、製造上の歩留まりを高めたり、特性を均一に維持したりすることが可能となる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発明において、前記液体供給路の前記液室との連結部における供給路径が、前記ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とされていることを特徴とする。
【００２５】
液体供給路の液室との連結部における供給路径を、ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とすると、液体供給路でのメニスカス保持力を相対的に高めることができる。したがって、不吐出ノズルにおいて、メニスカスがノズル内を後退して液室に至った場合でも、さらに液体供給路に後退することを防止でき、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを抑制できる。
【００２６】
なお、ここでいう「同等もしくはそれ以下」とは、ノズル開口径をｄn、液体供給路の開口径をｄsとした場合、ｄs＜１．２ｄnの関係が成り立つことをいう。
【００２７】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする。
【００２８】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有しているので、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像を記録することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基本的作用・動作について説明する。
【００３０】
図１には、液滴吐出ヘッド１１２のイジェクタ１３８の近傍が模式的に示されている。また、図２には、液滴吐出前後のノズル１４０内のメニスカス１５４の状態が、（Ａ）から（Ｆ）へと順に示されている。
【００３１】
この液滴吐出ヘッド１１２では、複数（図１では１０個）のイジェクタ１３８を備えており、これらが、５個ずつグループ化されて、全体として５×２のマトリックス状（２次元状）に配置されている。それぞれのイジェクタ１３８は、液体が充填される液室１１４と、この液室１１４のそれぞれに対応して設けられたノズル１４０とを有している。液体タンク（図１では図示省略、図５に示すインクタンク１３４参照）に貯留された液体が、液体供給系１１８の本流部１１８Ｍ及び支流部１１８Ｓを経て、それぞれの液室１１４に連通された液体供給路１２０から、液室１１４に供給される。液室１１４に液体が充填された状態では、図２（Ａ）に示すように、それぞれのノズル１４０内では、液体のメニスカス１５４が所定の形状で、かつ所定の位置に維持されている。そして、エネルギー印加手段（図１では図示省略、図６に示す圧電アクチュエータ１５０参照）によって画像情報に応じたエネルギーが印加されると、図２（Ｂ）に示すように、ノズル１４０から液滴１５６が吐出される。したがって、この構成の液滴吐出ヘッド１１２では、複数のイジェクタ１３８が、共通の支流部１１８Ｓ（プール）によって連結され、さらに、２本の支流部１１８Ｓが１本の本流部１１８Ｍと連通している。以下では、液体タンクから支流部１１８Ｓに至る液体供給系１１８の流路抵抗をｒp、液体供給路１２０の流路抵抗をｒsとする。
【００３２】
ここで、何らかの原因で、ある１つのイジェクタ１３８Ａが不吐出になると、ノズル１４０Ａ内のメニスカスが破壊され、ノズル１４０Ａのメニスカス保持力も消失あるいは減少する。
【００３３】
このとき、ｒp＞ｒsの場合には、隣接するイジェクタ１３８Ｂが、不吐出になったイジェクタ１３８Ａから液体の供給を受けるようになる。実際には、ノズル１４０Ａと連通する液体供給路１２０に空気が入り込んでいるので、この空気が、イジェクタ１３８Ｂ内に混入する。これにより、イジェクタ１３８Ａに加えて、イジェクタ１３８Ｂも不吐出になってしまう。そして、さらに隣接するイジェクタ１３８Ｃも、イジェクタ１３８Ｂから液体の供給を受けるようになるため、イジェクタ１３８Ｃも不吐出となる。このようにして、１つのイジェクタ１３８が不吐出になると、隣接するイジェクタ１３８も連鎖的に不吐出になってしまう。
【００３４】
特に、イジェクタを２次元的に多数配列した液滴吐出ヘッド（マトリックスヘッド）では、各イジェクタ１３８を連結している支流部１１８Ｓが幅狭になるため、液体供給系１１８の流路抵抗ｒpが大きくなりやすく、上記した現象（不吐出イジェクタの連鎖的な広がり）が発生しやすい。
【００３５】
また、一般に液体供給路１２０は、製造コストを低減する等の観点から、断面四角形状とされることが多いが、このような形状の液体供給路１２０では流路抵抗が小さくなりやすいため、上記した現象が発生しやすい。
【００３６】
これに対し、本発明では、液体供給系１１８の流路抵抗ｒpと、液体供給路１２０の流路抵抗ｒsとの間に、
【００３７】
【数５】
５ｒp＜ｒs （２）’
とすることが好ましく。
【００３８】
１０ｒp＜ｒs （２）”
とすることが特に好ましい。
【００３９】
ところで、不吐出イジェクタの連鎖的広がりを防止するためには、上記式（２）の条件を満たせば十分であるが、あまりにｒsを大きくすると、液滴吐出後に、再度液室１１４内に液体を引き込む際の抵抗が大きくなって、液体の充填に長い時間を要することとなる。
【００４０】
図２（Ｃ）に示すように、ノズル１４０から液滴１５６が吐出されると、メニスカス１５４はノズル１４０の内部に一旦後退する。後退したメニスカス１５４は、図２（Ｄ）〜（Ｆ）に示すように、メニスカス１５４の表面張力の作用によって復帰される。すなわち、メニスカス１５４の表面張力が一種のバネとして作用し、液体タンクからノズル１４０内に液体を引き込むことによって、メニスカス１５４は平坦な状態(初期状態)に復帰する。このメニスカス復帰動作のことを「リフィル」と呼ぶ。
【００４１】
図３には、リフィル時におけるメニスカス位置の変化が、液滴１５６の吐出直後からの経過時間と、メニスカスの位置変化（メニスカスの中央の位置ｙ、図２（Ｃ）参照）との関係として、グラフ化されている(リフィル曲線)。液滴吐出後（ｔ＝０）に、y0（引き込み量最大）の位置まで引き込まれたメニスカス１５４は、減衰振動しながら静止状態（初期状態、ｙ＝０）に戻る。なお、液滴吐出後に初めてメニスカスがノズル開口面に復帰する時間（ｔr）を「リフィル時間」と呼ぶことにする。
【００４２】
連続的な液滴吐出を安定的に実行するためには、次の液滴吐出が行われるまでにリフィルを完了させなければならない。すなわち、イジェクタ１３８の最大駆動周波数を大きくするためには、イジェクタのリフィル時間を小さくする必要がある。
【００４３】
液滴を吐出した後のメニスカス振動は、等価回路によると図４のように表わされる。ここで、ｒは流路抵抗、ｍはイナータンスを示しており、添え字のｓは液体供給路１２０、ｎはノズル１４０、ｃは液室１１４、ｐは液体供給系１１８を表わしている。また、ｃnはメニスカスの音響容量を示している。この回路に、液滴吐出後のメニスカス後退量に対応させたステップ関数の圧力φを入力として解き、ノズル部での体積速度ｕ3を時間ｔの関数として求めると次式が得られる。
【００４４】
【数６】
【００４５】
【数７】
【００４６】
【数８】
【００４７】
同様に、イナータンスは、ρを液体の密度［ｋｇ／ｍ3］、ｌを流路長［ｍ］、Ｓを流路断面積［ｍ2］として、
【００４８】
【数９】
【００４９】
また、メニスカスの音響容量ｃnは、円形ノズルの場合には、ｄnをノズル径、σを液体の表面張力として、以下の近似式によって算出できる。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
【数１１】
【００５２】
そこで、上記の条件を満足した上で、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりの防止と、短時間でのリフィルとを達成するためにさらに望ましい条件について、実際の液滴吐出ヘッドで吐出観察を行って検討した。その結果を表１に示す。表１の「連鎖的不吐出防止」及び「高周波吐出」の評価において、「◎」は、極めて望ましい結果が得られていることを、「○」は、望ましい結果が得られていることを、「△」は、僅かに問題が生じることもあるが、実用上は全く支障がない程度であることを、「×」は、問題が生じることをそれぞれ示す。また、式（３）の条件は、満足している場合を「○」、満足していない場合を「×」で示す。「判定」では、「連鎖的不吐出防止」及び「高周波吐出」の双方において、「△」以上の評価が得られているものを「○」とし、これ以外を「×」とした。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【数１２】
【００５５】
【数１３】
【００５６】
【数１４】
【００５７】
なお、ノズルが円形以外の場合には、開口面積が同一となる円形ノズルを想定し、式（９）によって音響容量を求めればよい。
【００５８】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、以下において、上記と同一の名称を付した構成要素、部材等については、上記と基本的に同様の作用を奏する。
【００５９】
図５及び図６には、本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２が示されている。また、図７には、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２が示されている。本実施形態の液滴吐出ヘッド１１２はいわゆるインクジェット記録ヘッドとされており、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２は、インクジェット記録装置とされている。液滴吐出装置１０２は、記録媒体である記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出し、この液滴によるドットで画像を記録するために使用される。
【００６０】
図７に示すように、液滴吐出装置１０２は、液滴吐出ヘッド１１２が搭載されるキャリッジ１０４と、キャリッジ１０４を記録用紙Ｐの記録面に沿った所定の主走査方向方向に移動（主走査）させる主走査機構１０６、および、記録用紙Ｐを主走査方向と交差（好ましくは直交）する所定の副走査方向に搬送（副走査）させるための副走査機構１０８を含んで構成されている。なお、図面において主走査方向を矢印Ｍで、副走査方向を矢印Ｓでそれぞれ示す。
【００６１】
液滴吐出ヘッド１１２は、ノズル１４０が形成されたノズル面が記録用紙Ｐと対向するようにキャリッジ１０４上に搭載されており、主走査機構１０６によって主走査方向に移動されながら記録用紙Ｐに対して液滴を吐出することにより、一定のバンド領域ＢＥに対して画像の記録を行う。主走査方向への１回の移動が終了すると、副走査機構１０８によって記録用紙Ｐが副走査方向に搬送され、再びキャリッジ１０４を主走査方向に移動させながら次のバンド領域を記録する。こうした動作を複数回繰り返すことにより、記録用紙Ｐの全面にわたって画像記録を行うことができる。
【００６２】
図５に示すように、この液滴吐出ヘッド１１２は、複数（本実施形態では６４個、そのうち図５では７個のみ示す）のイジェクタ１３８を有しており、これらのイジェクタ１３８が、個別インク流路１４６（図６参照。図1の液体供給路１２２に相当）を介して、共通インク流路１２４によって互いに連結されている。共通インク流路１２４は、インク管路１２５、フィルタ１２６、インク管路１２８、サブタンク１３０及びインクチューブ１３２を介してインクタンク１３４に連結されており、インクタンク１３４にあらかじめ貯留されたインク（液体）が、イジェクタ１３８のそれぞれの圧力発生室１４２（図１に示す液室１１４に相当）に供給される。本実施形態では、共通インク流路１２４、インク管路１２５、フィルタ１２６、インク管路１２８、サブタンク１３０、インクチューブ１３２及びインクタンク１３４によって、本発明の液体供給系１１８が構成されている。なお、第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２では、イジェクタ１３８が一列に配置されたいわゆるラインヘッドとされている。したがって、液体供給系１１８には、図１に示す本流部１１８Ｍ及び支流部１１８Ｓとが特に区別されていない。
【００６３】
図６に示すように、液滴吐出ヘッド１１２は、エッチング等によって穿孔加工された複数のプレートを接着剤によって積層接合することにより構成されている。それぞれの圧力発生室１４２は、インク供給路１４６（図１に示す個別インク流路１２２に相当）を介して共通インク流路１２４と連通しており、圧力発生室１４２には、供給されたインクが充填されるようになっている。また、それぞれの圧力発生室１４２には、インク滴を吐出するためのノズル１４０が設けられている。
【００６４】
圧力発生室１４２の底面は振動板１４８を有しており、圧力発生室１４２の一面は、この振動板１４８で構成されている。振動板１４８には、圧力発生室１４２の反対側の面に、圧力発生手段としての圧電アクチュエータ１５０が取り付けられている。画像情報に対応した駆動信号を圧電アクチュエータ１５０に印加すると、圧電アクチュエータ１５０は振動板１４８を介して、圧力発生室１４２を膨張又は圧縮させる。これによって圧力発生室１４２内に生じた圧力波でノズル１４０内のインクを運動させ、ノズル１４０から液滴１５６を吐出することができる。なお、圧電アクチュエータ１５０に印加する駆動信号の電圧波形としては、たとえば、図８に示すものを挙げることができる。この駆動電圧１４２の電圧波形は、圧力発生室１４２を圧縮する方向に電圧を変化させる第１電圧変化プロセス１６２（所要時間ｔ1）と、変化された電圧（高電圧）を一定時間維持する電圧維持プロセス１６４（所要時間ｔ2）、印加電圧を元のバイアス電圧（Ｖb）に戻すための第２電圧変化プロセス１６６（所要時間ｔ3）により構成されている。
【００６５】
そして、本実施形態では、上記式（１）を満たすように、各構成要素の形状や位置などが決められている。したがって、１つのイジェクタ１３８が何らかの原因で不吐出となった場合でも、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを確実に防止できる。不吐出ノズルを解消するためのリカバリー動作を頻繁に行なわなくても画質を維持することができ、インク消費量が多くなることもない。また、リフィル速度の低下が防止されているので、高い吐出周波数（たとえば１５ｋＨｚ以上）に対応して、確実にインクを圧力発生室１４２に充填して、インク滴を吐出できる。
【００６６】
なお、本発明では、上記の条件を満たせば、インク供給路１４６の具体的構成は特に限定されないが、一般的には、低コストで液滴吐出ヘッド１１２を製造するために、インク供給路１４６は、その断面（インクの流れ方向を法線とする断面）の形状が四角形となるように形成されることが多い。この場合、断面形状の短手方向の長さ（以下、これを「高さ」という）を４０μｍ以下とすると、イナータンスｍsを増加させることなく、流路抵抗ｒsを増加させることができるので、リフィル時間を増加させることなく、上記式（２）の条件を満足させることができる。
【００６７】
図９には、インク供給路１４６の断面の高さ（供給路高さ）と、流路抵抗／イナータンスの関係が示されている。このグラフからも、インク供給路１４６の高さを４０μｍ以下とすると、イナータンスに対して流路抵抗が相対的に大きくなっていることが分かる。かかる効果を得るためには、インク供給路１４６の高さを３０μｍ以下にすることがより好ましく、２０μｍ以下にすることが特に好ましい。特に、粘度の高いインク（たとえば２ｃＰ以上）を使用した液滴吐出ヘッドの場合には、イナータンスｍTを増加させることなく、流路抵抗ｒsを増加させることが好ましい。なお、このグラフでは、同一の供給路高さで、複数の（流路抵抗／イナータンス）の値がプロットされているが、これは、インク供給路１４６の長手方向の長さ（幅）を６０〜２００μｍの範囲で変化させて（流路抵抗／イナータンス）の値を得たものである。インク供給路１４６の幅を変化させても、（流路抵抗／イナータンス）の値は大きく変化しておらず、インク供給路１４６の幅に対する依存性は小さいことが分かる。
【００６８】
ただし、インク供給路１４６の高さをあまりに小さく（低く）すると、製造上の歩留まりが低下したり、特性の均一性が確保されなかったりするおそれがある。すなわち、インク供給路を形成するプレートが非常に薄くなると、ヘッド製造を行う際のハンドリング性が悪化すると共に、高い寸法精度を得ることも困難となってしまう。したがって、製造上の歩留まりを高めたり、特性の均一性を維持したりする観点からは、インク供給路１４６の高さを１０μｍ以上とすることが好ましい。
【００６９】
また、インク供給路１４６の開口径は、ノズル１４０（インク吐出口１５２）の開口径と同等あるいはそれ以下とすると、インク供給路１４６でのメニスカス保持力が大きくなり、これによっても不吐出イジェクタの連鎖的な広がりを防止できるので、好ましい。すなわち、図１０（Ａ）に示すように、不吐出のイジェクタ１３８では、ノズル１４０内を後退してきたメニスカス１５４が圧力発生室１４２に達し（図１０（Ａ）〜（Ｂ）参照）、さらに、インク供給路１４６内を後退することがある。これに対し、インク供給路１４６の開口径をノズル１４０の開口径と同等あるいはそれ以下とすると、図１０（Ｃ）に示すように、メニスカス１５４の後退が、インク供給路１４６の圧力発生室１４２との接続部分１４６Ｃでの表面張力によって止められる。これにより、不吐出イジェクタが連鎖的に発生する現象を防止することが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００７１】
図１１には、本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２が示されている。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。また、第２実施形態の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出ヘッドの構成が第１実施形態と異なっているのみであるので、図示を省略する。
【００７２】
第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２では、イジェクタ１３８（ノズル１４０）が２次元的にマトリクス状に配置された、いわゆるマトリクスヘッドとされている。これらのイジェクタ１３８は、所定数（図１１では６個）ごとにグループ化されており、それぞれのグループが、共通インク流路１２４の支流部１２４Ｓによって連結されている。さらに、支流部１２４Ｓは所定数（図１１では６本）ごとに、おなじく共通インク流路１２４の本流部１２４Ｍによって連結されている。
【００７３】
なお、第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２においても、第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２と同様に、共通インク流路１２４と圧力発生室１４２とは、個別インク流路１２２によって連結されているが、図１１では、個別インク流路１２２の図示を省略している。
【００７４】
このように、イジェクタ１３８を２次元的にマトリクス状に配置した構成では、より多くのノズル１４０を高密度で配置することができるので、高速での画像記録が可能となる。
【００７５】
そして、第２実施形態においても第１実施形態と同様、前述の式（１）の条件を満たすように、各構成要素の形状や位置などが決められている。したがって、不吐出のイジェクタ１３８が発生しても、その連鎖的な広がりを確実に防止できると共に、高い吐出周波数でも確実にインクを圧力発生室１４２に充填可能となる。
【００７６】
特に、イジェクタ１３８マトリクス配置にすると、それぞれのイジェクタ１３８が幅狭の支流部１１８Ｓを介して連結されていることになるので、液体供給系の流路抵抗が大きくなりやすく、不吐出のイジェクタ１３８が連鎖的に周囲に広がりやすい。しかし、式（２）の条件を満たすように液体供給系を構成することで、不吐出イジェクタの連鎖的発生をを確実に防止できる。例えば、支流部１１８Ｓでの流路抵抗増加を補うように、フィルタ１２６やサブタンク１３０の流路抵抗を減少させることにより、不吐出イジェクタの連鎖的発生を武士することが可能となる。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明に好適な実施形態を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。すなわち、本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形、改良、修正、簡略化などを、上記実施形態に加えてもよい。
【００７８】
例えば、上記各実施形態では、圧力発生手段として圧電アクチュエータを用いたが、静電力や磁力を利用した電気機械変換素子や、沸騰現象を利用して圧力を発生させるための電気熱変換素子など、他の圧力発生手段を用いてもかまわない。圧電アクチュエータとしても、本実施形態で使用した単板型の圧電アクチュエータの他に、縦振動タイプの積層型圧電アクチュエータなど、別の形態のアクチュエータを用いてもかまわない。
【００７９】
また、上記実施形態では、液体供給系を図５や図１１に示すような構成としたが、他の構成の液体供給系を用いることも可能である。例えば、インクタンク１３４が共通インク流路１２４に直結される構成や、記録時にはインクタンク１３４とサブタンク１３０が分断されており、必要に応じてインクタンク１３４からサブタンク１３０へ液体が供給されるような構成など、様々な構成の液体供給系を有する液滴吐出ヘッドに対して本発明は適用可能である。
【００８０】
また、上記実施形態では、圧電アクチュエータ１５０の駆動を図８のような単純な電圧波形によって行ったが、さらに複雑な駆動電圧波形を用いる場合においても本発明が適用可能であることは明白である。
【００８１】
また、上記実施形態では、記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出して文字や画像などの記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を例に挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置としては、このようなインクジェット記録、すなわち、記録用紙上への文字や画像の記録に用いられるものに限定されない。また、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、吐出する液体も着色インクに限定されるわけではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出して行うディスプレイ用のカラーフィルターの作製、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う部品実装用のバンプの形成、有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させて行うＥＬディスプレイパネルの形成、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う電気実装用のバンプの形成など、様々な工業的用途を対象とした液滴噴射装置一般に対して、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を適用することも可能である。
【００８２】
また、液滴吐出装置として、上記では液滴吐出ヘッドをキャリッジによって移動させながら液滴吐出を行う形態としたが、インク吐出口１５２を記録媒体の全幅にわたって配置したライン型の液滴吐出ヘッドドを用い、このライン型ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬送しながら記録を行う（この場合は主走査のみとなる）など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像を記録可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 液滴吐出ヘッドの構成を概念的に示す説明図である。
【図２】 液滴吐出ヘッドにおいてノズルから液滴が吐出されるときのメニスカスの変化を（Ａ）から（Ｆ）へと順に示す説明図である。
【図３】 液滴吐出ヘッドのリフィル時における経過時間とメニスカス中央の位置との関係の一例を示すグラフである。本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドのイジェクタを示す断面図である。
【図４】 図１に示す液滴吐出ヘッドと等価な電気回路を示す回路図である。
【図５】 本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図６】 本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドを示す断面図である。
【図７】 本発明の第１実施形態の液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図８】 本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の電圧波形一例を示すグラフである。
【図９】 液滴吐出ヘッドにおける供給路高さと、（流路抵抗／イナータンス）の関係を示すグラフである。
【図１０】 不吐出のイジェクタが発生した場合のノズル内のメニスカスの様子の一例を（Ａ）〜（Ｃ）へと順に示す説明図である。
【図１１】 本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０２ 液滴吐出装置
１１２ 液滴吐出ヘッド
１１４ 液室
１１８ 液体供給系
１１８Ｓ 支流部
１１８Ｍ 本流部
１２０ 液体供給路
１２２ 個別インク流路
１２５ インク管路（液体供給系）
１２４ 共通インク流路（液体供給系）
１２４Ｓ 支流部
１２４Ｍ 本流部
１２８ インク管路（液体供給系）
１３０ サブタンク（液体供給系）
１３２ インクチューブ（液体供給系）
１３４ インクタンク（液体タンク）
１３８ イジェクタ
１４０ ノズル
１４２ 圧力発生室（液室）
１４６ インク供給路
１４８ 振動板
１５０ 圧電アクチュエータ
１５４ メニスカス
１５６ 液滴
２１２ 液滴吐出ヘッド
Ｐ 記録用紙
Claims (5)
- 液体が充填される複数の液室と、
前記液室のそれぞれと連通するノズルと、
画像情報に応じて前記液室に充填された液体にエネルギーを印加して前記ノズルから液滴を吐出させるエネルギー印加手段と、
あらかじめ液体が貯留される液体タンクと、
前記液体タンクと連通し、複数の液室に共通して設けられた液体供給系と、
それぞれの前記液室に対応して、かつ前記液体供給系と連通して設けられた液体供給路と、
を有する液滴吐出ヘッドであって、
前記液体供給路の流路抵抗ｒsが、前記液体供給系、前記ノズル及び前記液室のそれぞれの流路抵抗をｒp、ｒn、ｒc、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスをｍT、ノズル内に形成されるメニスカスの音響容量をｃnとして、
- 前記ノズルが２次元的に配置され、
前記液体供給系が、前記液体タンクと連通する本流部と、この本流部から分岐し前記液体供給路と連通する複数の支流部と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。 - 前記液体供給路を液体の流れ方向と直交する断面で見たときの断面形状の短手方向の長さが１０〜４０μｍとされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記液体供給路の前記液室との連結部における供給路径が、前記ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
- 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする液滴吐出装置。
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