JP7775985B2 - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関する。

従来、インクジェットヘッドを短周期（高速）で駆動して低粘度のインク吐出する場合、メニスカスの突出によるインクの溢れ出しが発生する。また、クロストークが発生して液滴速度変動が起こる。その結果、ノズルからのインクの吐出が不安定になる。

これに関して、特許文献１には、流路抵抗（粘性抵抗）を大きくするために圧力室（インク流路）の断面形状のアスペクト比を規定し、クロストークを軽減するためにアクチュエータ（隔壁）の共振周波数を規定したインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）が記載されている。

特開２０１３－１１６５７１号公報

しかしながら、インクジェットヘッドをより高速に駆動させ、より低粘度インクを吐出する場合、流路抵抗をより大きくすることが必要となるが、特許文献１に記載された圧力室の断面形状のアスペクト比を規定することだけでは不十分であった。また、流路抵抗を大きくするために圧力室の断面形状を小さくしすぎると、インク流路の音響的共振周期が大きくなり高速駆動できなくなるという問題があった。

この発明の目的は、インクジェットヘッドをより高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、安定な吐出を行うことができるインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載のインクジェットヘッドは、
インクを射出する複数のノズルと、
内部に貯留された前記インクの圧力を変動させる複数の圧力室と、
前記複数の圧力室に供給する前記インクを貯留するインク室と、
前記ノズルと前記圧力室とを個別に連通させる第１流路と、
前記圧力室と前記インク室とを個別に連通させる第２流路と、
を備え、
前記第１流路のインクの射出方向に垂直な平面における断面積は、前記圧力室の前記平面における断面積より大きく、
前記ノズルの流路抵抗Ｒ_Ｎと、前記圧力室の流路抵抗Ｒ_Ｃと、前記第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、前記第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（１）を満たす。
式（１）：Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３

また、請求項２に記載のインクジェットヘッドは、
インクを射出する複数のノズルと、
内部に貯留された前記インクの圧力を変動させる複数の圧力室と、
前記複数の圧力室に供給する前記インクを貯留するインク室と、
前記ノズルと前記圧力室とを個別に連通させる第１流路と、
前記圧力室と前記インク室とを個別に連通させる第２流路と、
を備え、
前記第１流路のインクの射出方向に垂直な平面における断面積は、前記圧力室の前記平面における断面積より大きく、
前記ノズルの流路抵抗Ｒ_Ｎと、前記圧力室の流路抵抗Ｒ_Ｃと、前記第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、前記第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（２）を満たす。
式（２）：（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３

請求項３に記載のインクジェットヘッドは、
インクを射出する複数のノズルと、
内部に貯留された前記インクの圧力を変動させる複数の圧力室と、
前記複数の圧力室に供給する前記インクを貯留するインク室と、
前記ノズルと前記圧力室とを個別に連通させる第１流路と、
前記圧力室と前記インク室とを個別に連通させる第２流路と、
を備え、
前記第１流路のインクの射出方向に垂直な平面における断面積は、前記圧力室の前記平面における断面積より大きく、
前記ノズルの流路抵抗Ｒ_Ｎと、前記圧力室の流路抵抗Ｒ_Ｃと、前記第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、前記第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（１）及び式（２）を満たす。
式（１）：Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
式（２）：（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記インクの粘度は、５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第２流路は、流路断面積が前記第２流路内の他の部分よりも小さい絞り部を有する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第２流路は、前記絞り部を含む二段階の絞りを有する。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第２流路は、テーパー形状であるテーパー部を備える。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記テーパー部において、流路断面積が大きい側が前記インク室側に位置し、流路断面積が小さい側が前記圧力室側に位置する。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記絞り部における流路断面積に対する前記ノズルの吐出口の面積の比は、０．４４以上である。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記圧力室のヘルムホルツ共振周期は、３μｓ以上３．６μｓ以下である。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
隣接する前記圧力室間に圧電材料からなる共通の隔壁を備え、
前記隔壁をせん断変形させて、前記圧力室の容積を変化させるせん断モード型のインクジェットヘッドである。

請求項１２に記載のインクジェット記録装置は、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備える。

本発明に従うと、インクジェットヘッドをより高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、安定な吐出を行うことができる。

インクジェット記録装置の概略構成を示す図である。 ヘッドユニットの構成を示す模式図である。 インクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの主要部の分解斜視図である。 図４のＡ－Ａ線を通りＹ方向に垂直なヘッドチップの断面を示す図である。 インク吐出流路の断面図である。 インク供給流路の斜視図である。 圧力室と貫通流路の接続部の斜視図である。 ノズルの斜視図である。 インクジェットヘッドの駆動における規格化した液滴速度と駆動周期の特性の例を示す図である。 ノズルから見たインク吐出流路における等価回路モデルの例を示す図である。 第１合成抵抗と液滴速度ａの低下率の関係を示す図である。 圧力室の中心から見たインク吐出流路における等価回路モデルの例を示す図である。 第２合成抵抗と各圧力室間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれの関係を示す図である。 第１絞り部における流路断面積に対するノズルの吐出口の面積の比と各圧力室間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれの関係を示す図である。

以下、本発明のインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。

＜インクジェット記録装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態であるインクジェット記録装置１の概略構成を示す図である。
インクジェット記録装置１は、搬送部２と、ヘッドユニット３などを備える。

搬送部２は、図１のＸ方向に延びる回転軸を中心に回転する２本の搬送ローラー２ａ、２ｂにより内側が支持された輪状の搬送ベルト２ｃを備える。搬送部２は、搬送ベルト２ｃの搬送面上に記録媒体Ｍが載置された状態で搬送ローラー２ａが図示略の搬送モーターの動作に応じて回転して搬送ベルト２ｃが周回移動することで記録媒体Ｍを搬送ベルト２ｃの移動方向（搬送方向；図１のＹ方向）に搬送する。

記録媒体Ｍは、一定の寸法に裁断された枚葉紙とすることができる。記録媒体Ｍは、図示略の給紙装置により搬送ベルト２ｃ上に供給され、ヘッドユニット３からインクが吐出されて画像が記録された後に搬送ベルト２ｃから所定の排紙部に排出される。なお、記録媒体Ｍとしては、ロール紙や連帳用紙といった長尺な記録媒体が用いられてもよい。また、記録媒体Ｍとしては、普通紙や塗工紙といった紙のほか、布帛又はシート状の樹脂等、表面に着弾したインクを定着させることが可能な種々の媒体を用いることができる。

ヘッドユニット３は、搬送部２により搬送される記録媒体Ｍに対して画像データに基づいて適切なタイミングでインクを吐出して画像を記録する。本実施形態のインクジェット記録装置１では、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のインクにそれぞれ対応する４つのヘッドユニット３が記録媒体Ｍの搬送方向上流側からＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの色の順に所定の間隔で並ぶように配列されている。なお、ヘッドユニット３の数は３つ以下又は５つ以上であってもよい。

図２は、ヘッドユニット３の構成を示す模式図であり、ヘッドユニット３を搬送ベルト２ｃの搬送面に相対する側から見た平面図である。ヘッドユニット３は、板状の基部３ａと、基部３ａに設けられた貫通孔に篏合した状態で基部３ａに固定された複数の（ここでは８つの）インクジェットヘッド１００とを有する。インクジェットヘッド１００は、ノズル１１１の開口部が設けられたノズル開口面１１２が基部３ａの貫通孔から－Ｚ方向に向けて露出した状態で基部３ａに固定されている。

インクジェットヘッド１００では、複数のノズル１１１が記録媒体Ｍの搬送方向と交差する方向（本実施形態では搬送方向と直交する幅方向、すなわちＸ方向）に等間隔にそれぞれ配列されている。すなわち、各インクジェットヘッド１００は、Ｘ方向に等間隔に一次元配列されたノズル１１１の列（ノズル列）を有している。
なお、インクジェットヘッド１００は、ノズル列を複数有していても良い。この場合には、複数のノズル列は、ノズル１１１のＸ方向についての位置が重ならないようにＸ方向の位置が互いにずらされて配置される。

ヘッドユニット３における８つのインクジェットヘッド１００は、ノズル１１１のＸ方向についての配置範囲が連続するように千鳥格子状に配置されている。ヘッドユニット３に含まれるノズル１１１のＸ方向についての配置範囲は、搬送ベルト２ｃにより搬送される記録媒体Ｍのうち画像が記録可能な領域のＸ方向の幅をカバーしている。ヘッドユニット３は、画像の記録時には位置が固定されて用いられ、記録媒体Ｍの搬送に応じて搬送方向についての所定間隔（搬送方向間隔）の各位置に対してノズル１１１からインクを吐出することで、シングルパス方式で画像を記録する。

＜インクジェットヘッドの構成＞
図３は、インクジェットヘッド１００の斜視図である。
インクジェットヘッド１００は、筐体１０１と、筐体１０１の下端で筐体１０１と篏合する外装部材１０２とを備え、筐体１０１及び外装部材１０２の内部に主要な構成要素が収容されている。このうち外装部材１０２には、外部からインクが供給されるインレット１０３ａ、及びインクが外部に排出されるアウトレット１０３ｂ、１０３ｃが設けられている。また、外装部材１０２の内部には、インレット１０３ａに接続されたインク室３００（図５参照）が設けられている。また、外装部材１０２には、インクジェットヘッド１００をヘッドユニット３の基部３ａに取り付けるための複数の取付穴１０４が設けられている。

次に、インクジェットヘッド１００の詳細な構成について説明する。
図４は、インクジェットヘッド１００の主要部の分解斜視図である。
図４では、インクジェットヘッド１００の構成部材のうち、外装部材１０２の内部に収容されている主要な構成部材が示されている。具体的には、図４では、ノズル基板１１と、流路基板１２と、圧力室基板１３と、配線基板１４を有するヘッドチップ１０と、配線基板１４に電気的に接続されたＦＰＣ２０（Flexible Printed Circuit）とが示されている。
図４では、インクジェットヘッド１００のノズル開口面１１２が上方となるように、すなわち図３とは上下が反転されるように各部材が描かれている。

図４に示されるように、ヘッドチップ１０は、ノズル基板１１と、流路基板１２と、圧力室基板１３と、配線基板１４が積層された構造を有している。
ノズル基板１１、流路基板１２、圧力室基板１３、及び配線基板１４は、いずれもＸ方向に長尺な略四角柱状の板状部材である。

ノズル基板１１は、厚さ方向（Ｚ方向）に貫通する孔であるノズル１１１がＸ方向に沿って列をなすように設けられているポリイミドの基板である。ノズル基板１１の－Ｚ方向側の面は、インクジェットヘッド１００のノズル開口面１１２をなす。

流路基板１２には、ノズル１１１に連通する貫通流路１２１（第１流路）と、貫通流路１２１から分岐する個別排出流路１２２とが設けられている。
また、圧力室基板１３には、貫通流路１２１に連通する圧力室１３１と、個別排出流路１２２に連通する共通排出流路１３２と、共通排出流路１３２に連通する垂直排出流路１３３と、が設けられている。
また、配線基板１４には、第２開口部１４１２を介して圧力室１３１に連通するインク供給流路１４１（第２流路）と、垂直排出流路１３３に連通する排出孔１４２と、が設けられている。

流路基板１２及び圧力室基板１３は、Ｚ方向から見た形状がノズル基板１１とほぼ同一である直方体形状の板状部材である。
流路基板１２は、例えばシリコン基板からなる。流路基板１２の－Ｚ方向側の面にはノズル基板１１が、また＋Ｚ方向側の面には圧力室基板１３が、それぞれ接着剤を介して接着（固着）されている。
圧力室基板１３の材質は、セラミックスの圧電体（電圧の印加に応じて変形する部材）である。このような圧電体の例としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などが挙げられる。本実施形態の圧力室基板１３では、ＰＺＴが用いられている。
配線基板１４は、圧力室基板１３の面積よりも大きな面積を有する平板状の基板であり、接着剤を介して圧力室基板１３の＋Ｚ方向側の面に接着されている。配線基板１４としては、例えばガラス、セラミックス、シリコン、プラスチックなどの基板を用いることができる。

図５は、インクジェットヘッド１００の構成を示す断面図である。
図５は、図４のＡ－Ａ線の位置でのＹ方向に垂直な断面を示す図である。以下では、＋Ｚ方向を上方、－Ｚ方向を下方とも記す。
流路基板１２、圧力室基板１３及び配線基板１４が接合された状態では、貫通流路１２１、圧力室１３１及びインク供給流路１４１が一繋がりとなって、インクチャネル１５を構成する。インクチャネル１５は、Ｚ方向から見てノズル１１１と重なる位置に設けられており、ノズル１１１に連通している。インクチャネル１５及びノズル１１１によりインク吐出流路１６が構成される。
また、図５に示すように、ヘッドチップ１０のうち第１開口部１４１１が形成されている開口形成面１０ａの上方側（＋Ｚ方向側）に、インク室３００が配置されている。
インク室３００は、開口形成面１０ａに形成されている第１開口部１４１１を介してインクチャネル１５に連通している。これにより、インク室３００内のインクが複数のインクチャネル１５に共通に供給され、ノズル１１１から吐出される。

インクチャネル１５の内壁面には、図示しない電極が形成されている。隣り合うインクチャネル１５の電極に印加される駆動信号の電位差に応じて、インクチャネル１５間の壁面（詳しくは、壁面のうち圧力室基板１３の圧電体からなる部分（隔壁１７））が変位する。この壁面がせん断モード型（シアモード型）の変位を繰り返すことで、インクチャネル１５内のインクの圧力が変動し、この圧力の変動に応じて圧力室の容積が変化し、インクチャネル１５内のインクがノズル１１１から吐出される。すなわち、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、せん断モード型のインク吐出を行う。

また、図４に示すように、流路基板１２では、複数の貫通流路１２１（インクチャネル１５）の各々から＋Ｙ方向に第１個別流路１２２１が分岐しており、第１個別流路１２２１の＋Ｙ方向側の端部に、＋Ｚ方向に延びて流路基板１２を貫通する第２個別流路１２２２が接続されている。この第１個別流路１２２１及び第２個別流路１２２２により、個別排出流路１２２が構成される。
圧力室基板１３のうち流路基板１２との接合面には、Ｚ方向から見て複数の第２個別流路１２２２と重なる範囲に、Ｘ方向に延びる共通排出流路１３２をなす溝が設けられている。共通排出流路１３２は、流路基板１２と圧力室基板１３とが接合された状態において、圧力室基板１３に設けられた上記の溝の開口が流路基板１２によって塞がれることで形成される。また、流路基板１２と圧力室基板１３とが接合された状態において、共通排出流路１３２は、複数の個別排出流路１２２と接続される。
また、共通排出流路１３２の＋Ｘ方向側の端部には、圧力室基板１３をＺ方向に貫通する垂直排出流路１３３が接続されている。
配線基板１４には、Ｚ方向から見て垂直排出流路１３３と重なる位置に、配線基板１４を貫通する排出孔１４２が設けられている。排出孔１４２の開口部１４２１は、アウトレット１０３ｂ（又はアウトレット１０３ｃ）に連通している。

これらの個別排出流路１２２、共通排出流路１３２、垂直排出流路１３３及び排出孔１４２により、インク排出流路が構成される。インク排出流路が設けられていることで、インク室３００からインクチャネル１５に供給されたインクの一部を、インク排出流路を介してインクジェットヘッド１００の外部に排出させることができるようになっている。これにより、インクチャネル１５内の気泡や異物をインクとともにヘッドチップ１０の外部に排出することができる。

配線基板１４の圧力室基板１３との接着面には、インクチャネル１５の電極にそれぞれ接続される複数の配線１４３が設けられている。また、配線基板１４のうち配線１４３が設けられている端部には、ＦＰＣ２０が、例えばＡＣＦ（異方性導電フィルム）を介して接続される。ＦＰＣ２０上の配線２１と、配線１４３とを介して、図示しない駆動回路から出力された駆動信号がインクチャネル１５の電極に供給される。

図６に、インク吐出流路１６のＹ方向に垂直な断面図を示す。
図５、図６に示すように、インク室３００内のインクは、第１開口部１４１１を介してインク供給流路１４１に供給され、インク供給流路１４１内のインクが第２開口部１４１２を介して圧力室１３１に供給される。

図７に、インク供給流路１４１の斜視図を示す。
図６、図７に示すように、インク供給流路１４１は、第１開口部１４１１と第２開口部１４１２の間に、Ｚ方向に垂直なＸＹ平面における断面積が第１開口部１４１１より小さい第１絞り部１４１３（絞り部）と、ＸＹ平面における断面積が第２開口部１４１２より小さい第２絞り部１４１４を備える。また、インク供給流路１４１は、第１絞り部１４１３と第２絞り部１４１４の間に、ＸＹ平面における断面積が第１絞り部１４１３及び第２絞り部１４１４より大きい拡大部１４１５を備える。
また、第１開口部１４１１の形状、及びＸＹ平面における第１絞り部１４１３の断面形状は円形であり、インク供給流路１４１は、第１開口部１４１１から第１絞り部１４１３までにおいてテーパー形状の流路（テーパー部１４１６）を備える。なお、テーパー部１４１６は、円錐台形状に限らず、テーパー形状であればよい。
また、ＸＹ平面における拡大部１４１５の断面形状、第２絞り部１４１４の断面形状は長円形（又は楕円形）であり、インク供給流路１４１は、拡大部１４１５から第２絞り部１４１４までにおいて長円錐台形状（又は楕円錐台形状）の流路を備える。
また、第２開口部１４１２の形状は長円形（又は楕円形）であり、インク供給流路１４１は、第２絞り部１４１４から第２開口部１４１２までにおいて長円錐台形状（又は楕円錐台形状）の流路を備える。
図６、図７に示すように、インク供給流路１４１に、第１絞り部１４１３及び第２絞り部１４１４の二段階の絞りを設けることで、より高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、イナータンスを大きくすることなく流路抵抗を十分に大きくすることができる。

図８に、圧力室１３１と貫通流路１２１の接続部の斜視図を示す。
図６、図８に示すように、圧力室１３１及び貫通流路１２１の形状は、直方体である。貫通流路１２１のＸＹ平面における断面積は、圧力室１３１のＸＹ平面における断面積よりも大きい。
また、本実施形態における圧力室１３１のヘルムホルツ共振周期は、３μｓ以上３．６μｓ以下である。

図９に、ノズル１１１の斜視図を示す。
図９に示すように、ノズル１１１において貫通流路１２１と接続する接続部１１１１のＸＹ平面における断面形状は、長円形（又は楕円形）であり、インクを吐出する吐出口１１１２のＸＹ平面における断面形状は、円形である。

＜インクジェットヘッドの駆動＞
ここで、図１０に、インクジェットヘッドの駆動における規格化した液滴速度（規格化速度）と駆動周期の特性の例を示す。
図１０に示す例においては、第１絞り部１４１３は、直径３０［μｍ］である。
図１０に示すように、液滴速度の変動周期が長い、所謂うねりの様子が見られる。これは、ノズルにおけるメニスカス（インクと空気の界面）に発生する毛管力を復元力とした振動モードＡである。当該振動モードＡにおいて、長周期（例えば１５～３０［／ＡＬ］）駆動時と短周期（例えば３～１５［／ＡＬ］）駆動時における液滴速度の差が大きくなり、吐出が不安定になる。ここで、ＡＬ（Acoustic Length）とは、圧力室１３１における圧力波の音響的共振周期の１／２であり、単純引き打ち波形の波高値を一定にして、パルス幅を変化させた際の速度変化を測定し、当該速度が最大になるパルス幅である。
また、例えば、駆動周期が７［／ＡＬ］以下（破線で囲まれた領域）では、短い変動周期で液滴速度が変動している様子が見られる。これは、圧力室１３１の弾性成分であるコンプライアンスを中心とした振動モードＢである。当該振動モードＢにおいて、各圧力室１３１間のヘルムホルツ共振周期のばらつきの影響が大きいなるため、液滴速度の速度分布が悪化し、各圧力室１３１間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれが発生することで、吐出が不安定になる。

＜インク吐出流路の合成抵抗＞
本実施形態では、上記振動モードＡ及び振動モードＢの影響を抑制するために、インク吐出流路１６を以下のように構成する。
図６～図９に示すように構成されたインク吐出流路１６において、インク供給流路１４１の流路抵抗をＲ_Ｕ、圧力室１３１の流路抵抗をＲ_Ｃ、貫通流路１２１の流路抵抗をＲ_Ｄ、ノズル１１１の流路抵抗をＲ_Ｎとする。また、インク供給流路１４１のイナータンスをＬ_Ｕ、圧力室１３１のイナータンスをＬ_Ｃ、貫通流路１２１のイナータンスをＬ_Ｄ、ノズル１１１のイナータンスをＬ_Ｎとする。また、ノズル１１１におけるメニスカスのコンプライアンスをＣ_Ｎとする。

ここで、流路抵抗Ｒ［Ｐａ・ｓ／ｍ^３］は、一般的に下記式（Ａ１）で表される。
η：流体の粘度［Ｐａ・ｓ］
Ｓ（ｘ）：インクの流れに垂直な断面積［ｍ^２］
φ（ｘ）：流路に垂直な等価長さ［ｍ］
したがって、円筒型流路の流路抵抗Ｒ［Ｐａ・ｓ／ｍ^３］は、下記式（Ａ２）で表される。
Ｌ：流路の長さ［ｍ］
ｄ：断面に当たる円の直径［ｍ］
また、四角柱流路の流路抵抗Ｒ［Ｐａ・ｓ／ｍ^３］は、下記式（Ａ３）で表される。
ａ：流れに垂直な断面における長方形の短辺の長さ［ｍ］
ｂ：流れに垂直な断面における長方形の長辺の長さ［ｍ］
また、円錐台流路の流路抵抗Ｒ［Ｐａ・ｓ／ｍ^３］は、下記式（Ａ４）で表される。
ｄ_１：円錐台の上面の直径［ｍ］
ｄ_２：円錐台の上面の直径［ｍ］
また、流路の形が複雑の場合の流路抵抗は、有限要素法などによる流体の数値計算で算出してもよい。その場合の流路抵抗Ｒ［Ｐａ・ｓ／ｍ^３］を下記式（Ａ５）で表す。
Ｐ：流路の入口側にかける圧力
Ｑ：定常状態における出口側での流量
上記式（Ａ５）において、印加する圧力Ｐによって流路抵抗Ｒの値が変化するが、圧力Ｐとして、例えば１ Ｐａ等の小さな値を用いた場合、流路抵抗Ｒの計算値が上記式（Ａ１）による計算値とよく一致する。

図１１に、ノズル１１１から見たインク吐出流路１６の等価回路モデルの例を示す。
図１１に示す例における、インク吐出流路１６の第１合成抵抗Ｒ_Ｍは、下記式（１）で表される。
式（１）：Ｒ_Ｍ＝Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ

図１２に、第１合成抵抗Ｒ_Ｍと、吐出が安定する液滴速度に対する、最小の液滴速度である液滴速度ａの低下率の関係を示す。図１２に示す例において、インクの粘度は、５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である。
図１２に示す例において、上記振動モードＡの影響を抑制し、液滴速度ａの低下率を、液滴速度６ ｍ／ｓを基準として－１６％以上にするために、インク吐出流路１６を、下記式（２）を満たすように構成する。
式（２）：Ｒ_Ｍ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
これにより、インクジェットヘッド１００を高周波数駆動させた場合に、低周波駆動させた場合よりも、液滴速度が低下することを抑制できる。
具体的には、Ｒ_Ｍ＝４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、解像度：６００［ｄｐｉ］、駆動周波数：３０［ｋＨｚ］、記録媒体Ｍとノズル１１１の吐出口１１１２との距離：１［ｍｍ］、記録媒体Ｍの搬送速度：１．２７［ｍ／ｓ］である場合、液滴速度６ ｍ／ｓの液滴と、液滴速度６ ｍ／ｓから－１６％だけ速度が低下した液滴の着弾ずれは４２．２３３［μｍ］であり、これは解像度６００［ｄｐｉ］の場合の１画素に相当する。そのため、式（２）を満たすインク吐出流路１６における液滴の着弾ずれは最大で４２．２３３［μｍ］であり、インクを安定して吐出することができる。

より好ましくは、液滴速度ａの低下率を、液滴速度６ ｍ／ｓを基準として－１３％以上にするために、インク吐出流路１６を、下記式（３）を満たすように構成する。
式（３）：Ｒ_Ｍ≧５．８×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
Ｒ_Ｍ＝５．８×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、解像度：６００［ｄｐｉ］、駆動周波数：３０［ｋＨｚ］、記録媒体Ｍとノズル１１１の吐出口１１１２との距離：１［ｍｍ］、記録媒体Ｍの搬送速度：１．２７［ｍ／ｓ］である場合、液滴速度６ ｍ／ｓの液滴と、液滴速度６ ｍ／ｓから－１３％だけ速度が低下した液滴の着弾ずれは０．７５画素である。そのため、式（３）を満たすインク吐出流路１６における液滴の着弾ずれは最大で０．７５画素であり、インクをより安定して吐出することができる。

さらに、より好ましくは、液滴速度ａの低下率を、液滴速度６ ｍ／ｓを基準として－９％以上にするために、インク吐出流路１６を、下記式（４）を満たすように構成する。
式（４）：Ｒ_Ｍ≧６．７×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
Ｒ_Ｍ＝６．７×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、解像度：６００［ｄｐｉ］、駆動周波数：３０［ｋＨｚ］、記録媒体Ｍとノズル１１１の吐出口１１１２との距離：１［ｍｍ］、記録媒体Ｍの搬送速度：１．２７［ｍ／ｓ］である場合、液滴速度６ ｍ／ｓの液滴と、液滴速度６ ｍ／ｓから－９％だけ速度が低下した液滴の着弾ずれは０．５画素である。そのため、式（４）を満たすインク吐出流路１６における液滴の着弾ずれは最大で０．５画素であり、インクをさらにより安定して吐出することができる。

また、インク吐出流路１６へのインクの供給不足（リフィル不足）を防ぐために、インク吐出流路１６を、下記式（５）を満たすように構成することが好ましい。
式（５）：Ｒ_Ｍ≦２．２×１０^１４ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
Ｒ_Ｍ＝２．２×１０^１４ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、解像度：６００［ｄｐｉ］、駆動周波数：３０［ｋＨｚ］、記録媒体Ｍとノズル１１１の吐出口１１１２との距離：１［ｍｍ］、記録媒体Ｍの搬送速度：１．２７［ｍ／ｓ］である場合の液滴速度ａの低下率は１１％であり、液滴の着弾ずれは－０．５画素である。この場合においても、インクを安定して吐出することができる。

また、圧力室１３１のコンプライアンスをＣ_Ｃとして、図１３に圧力室１３１の中心から見たインク吐出流路１６の等価回路モデルの例を示す。
図１３に示す例における、インク吐出流路１６の第２合成抵抗Ｒ_Ｔは、下記式（６）で表される。
式（６）：Ｒ_Ｔ＝（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）

図１４に、第２合成抵抗Ｒ_Ｔと、上記振動モードＢにおける各圧力室１３１間のインク（液滴）の着弾位置のばらつきによる画素ずれの関係を示す。図１４に示す例において、インクの粘度は、５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である。また、解像度：６００［ｄｐｉ］、駆動周波数：３０［ｋＨｚ］、記録媒体Ｍとノズル１１１の吐出口１１１２との距離：１［ｍｍ］、記録媒体Ｍの搬送速度：１．２７［ｍ／ｓ］の場合である。
図１４に示す例において、上記振動モードＢの影響を抑制するために、インク吐出流路１６を、下記式（７）を満たすように構成する。
式（７）：Ｒ_Ｔ≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
これにより、各圧力室１３１間のヘルムホルツ共振周期のばらつきによって生じるクロストークの影響による、高周波駆動時の圧力室ごとの速度変動を抑制でき、各圧力室１３１間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれを０．２画素以下に抑えることができる。

より好ましくは、インク吐出流路１６を、下記式（８）を満たすように構成する。
式（８）：Ｒ_Ｔ≧１．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
これにより、各圧力室１３１間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれを０．１画素以下に抑えることができる。

図１５に、第１絞り部１４１３における流路断面積に対するノズル１１１の吐出口１１１２の面積の比と、各圧力室１３１間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれの関係を示す。図１５に示す例において、インクの粘度は、５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である。また、解像度：６００［ｄｐｉ］、駆動周波数：３０［ｋＨｚ］、記録媒体Ｍとノズル１１１の吐出口１１１２との距離：１［ｍｍ］、記録媒体Ｍの搬送速度：１．２７［ｍ／ｓ］の場合である。
図１５に示すように、各圧力室１３１間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれを０．２画素以下に抑えるように構成されたインク吐出流路１６において、第１絞り部１４１３における流路断面積に対するノズル１１１の吐出口１１１２の面積の比は、０．４４以上である。
なお、第１絞り部１４１３における流路断面積に対するノズル１１１の吐出口１１１２の面積の比は、大きければ大きいほど画素ずれは小さくなるが、大きすぎるとインクの吐出効率が低下するため、０．７０以下にしておくことが望ましい。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、インク吐出流路１６を、上記式（２）且つ上記式（７）を満たすように構成するとしたがこれに限らない。インク吐出流路１６を、上記式（２）または上記式（７）を満たすように構成してもよい。

また、上記実施形態では、せん断モードのインクジェットヘッド１００を例に挙げて説明したが、これに限られず、インク貯留部としての圧力室の壁面に固着された圧電素子（圧力変動手段）を変形させることで圧力室内のインクの圧力を変動させてインクを吐出させる、ベントモードのインクジェットヘッドに対して本発明を適用しても良い。
しかし、せん断モードのインクジェットヘッドの圧力室は、生産技術上イナータンスが増加することを抑制しつつ、流路抵抗を大きく増加させる形状にすることが難しいため、本発明は、せん断モードのインクジェットヘッドにおいてより有効である。

以上のように、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、インクを射出する複数のノズル１１１と、内部に貯留されたインクの圧力を変動させる複数の圧力室１３１と、複数の圧力室１３１に供給するインクを貯留するインク室３００と、ノズル１１１と圧力室１３１とを個別に連通させる第１流路（貫通流路１２１）と、圧力室１３１とインク室３００とを個別に連通させる第２流路（インク供給流路１４１）と、を備え、ノズル１１１の流路抵抗Ｒ_Ｎと、圧力室１３１の流路抵抗Ｒ_Ｃと、第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（１）を満たす。
式（１）：Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
従って、インクジェットヘッド１００をより高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、上記振動モードＡの影響を抑制することができるため、安定な吐出を行うことができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、インクを射出する複数のノズル１１１と、内部に貯留されたインクの圧力を変動させる複数の圧力室１３１と、複数の圧力室１３１に供給するインクを貯留するインク室３００と、ノズル１１１と圧力室１３１とを個別に連通させる第１流路（貫通流路１２１）と、圧力室１３１とインク室３００とを個別に連通させる第２流路（インク供給流路１４１）と、を備え、ノズル１１１の流路抵抗Ｒ_Ｎと、圧力室１３１の流路抵抗Ｒ_Ｃと、第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（２）を満たす。
式（２）：（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
従って、インクジェットヘッド１００をより高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、上記振動モードＢの影響を抑制することができるため、安定な吐出を行うことができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、インクを射出する複数のノズル１１１と、内部に貯留されたインクの圧力を変動させる複数の圧力室１３１と、複数の圧力室１３１に供給するインクを貯留するインク室３００と、ノズル１１１と圧力室１３１とを個別に連通させる第１流路（貫通流路１２１）と、圧力室１３１とインク室３００とを個別に連通させる第２流路（インク供給流路１４１）と、を備え、ノズル１１１の流路抵抗Ｒ_Ｎと、圧力室１３１の流路抵抗Ｒ_Ｃと、第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（１）及び式（２）を満たす。
式（１）：Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
式（２）：（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
従って、インクジェットヘッド１００をより高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、上記振動モードＡ及び振動モードＢの影響を抑制することができるため、安定な吐出を行うことができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００において、インクの粘度は、５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である。
従って、インクの粘度が上記の値である場合においても、上記振動モードＡ及び振動モードＢの影響を抑制することができるため、安定な吐出を行うことができる。
また、インクの粘度が５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下の値以外の場合においても、インク吐出流路１６を上記式（１）、及び式（２）のいずれかまたは両方を満たすように構成することで、安定な吐出を行うことができるという効果を得ることができる。
しかし、インク粘度が７ ｍＰａ・ｓより大きい場合に、インク吐出流路１６を上記式（１）、及び式（２）のいずれかまたは両方を満たすようにすると、インク吐出流路１６の断面積が大きくなりすぎる。
また、インクの粘度が５ ｍＰａ・ｓ未満の場合に、インク吐出流路１６を上記式（１）、及び式（２）のいずれかまたは両方を満たすようにすると、インク吐出流路１６の断面積が小さくなりすぎて、インク吐出流路１６の目詰まりが生じやすい。
したがって、本発明は、インクの粘度が５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である場合に特に有効である。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００において、第２流路は、流路断面積が第２流路内の他の部分よりも小さい絞り部（第１絞り部１４１３）を有し、テーパー形状であるテーパー部１４１６を備える。そして、テーパー部１４１６において、流路断面積が大きい側がインク室３００側に位置し、流路断面積が小さい側が圧力室１３１側に位置する。
従って、より高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、イナータンスを大きくすることなく第２流路の流路抵抗を十分に大きくすることができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００において、第２流路は、絞り部含む二段階の絞りを有する。
従って、より高速駆動し、より低粘度のインクを吐出する場合においても、イナータンスを大きくすることなく流路抵抗を十分に大きくすることができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００において、絞り部における流路断面積に対するノズル１１１の吐出口１１１２の面積の比は、０．４４以上である。
この場合に、各圧力室１３１間のインクの着弾位置のばらつきによる画素ずれを０．２画素以下に抑えることができるため、安定な吐出を行うことができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００において、圧力室１３１のヘルムホルツ共振周期は、３μｓ以上３．６μｓ以下である。
従って、圧力室１３１のヘルムホルツ共振周期は、３μｓ以上３．６μｓ以下であるインクジェットヘッド１００においても、安定な吐出を行うことができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、隣接する圧力室１３１間に圧電材料からなる共通の隔壁１７を備え、隔壁１７をせん断変形させて、圧力室１３１の容積を変化させるせん断モード型のインクジェットヘッドである。
せん断モードのインクジェットヘッドの圧力室は、生産技術上イナータンスが増加することを抑制しつつ、流路抵抗を大きく増加させる形状にすることが難しいため、本発明は、せん断モードのインクジェットヘッドにおいてより有効である。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、共通排出流路１３２の一方側の端部に垂直排出流路１３３を設けて当該一方側の端部のみからインクを排出させる例を挙げて説明したが、これに限られず、共通排出流路１３２の両端に排出流路を設けて共通排出流路１３２の両端からインクを排出させても良い。

また、上記実施形態では、共通排出流路１３２が、圧力室基板１３の流路基板１２側の面に設けられた溝により構成される例を挙げて説明したが、これに限られない。例えば、共通排出流路１３２は、流路基板１２と圧力室基板１３とに亘って形成されていても良い。

また、流路基板１２を設けず、圧力室基板１３及びノズル基板１１を直接接合しても良い。この場合には、圧力室基板１３に個別排出流路及び共通排出流路が設けられる。この構成では、例えば圧力室基板１３のノズル基板１１側の面に設けられた溝により共通排出流路を構成することができる。

また、上記各実施形態では、搬送ベルト２ｃを備える搬送部２により記録媒体Ｍを搬送する例を用いて説明したが、これに限定する趣旨ではなく、搬送部２は、例えば回転する搬送ドラムの外周面上で記録媒体Ｍを保持して搬送するものであっても良い。

また、上記各実施形態では、シングルパス形式のインクジェット記録装置１を例に挙げて説明したが、インクジェットヘッド１００を走査させながら画像の記録を行うインクジェット記録装置に本発明を適用しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。

この発明は、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に利用することができる。

１ インクジェット記録装置
２ 搬送部
３ ヘッドユニット
１０ ヘッドチップ
１１ ノズル基板
１１１ ノズル
１１１１ 接続部
１１１２ 吐出口
１１２ ノズル開口面
１２ 流路基板
１２１ 貫通流路（第１流路）
１２２ 個別排出流路
１２２１ 第１個別流路
１２２２ 第２個別流路
１３ 圧力室基板
１３１ 圧力室
１３２ 共通排出流路
１３３ 垂直排出流路
１４ 配線基板
１４１ インク供給流路（第２流路）
１４１１ 第１開口部
１４１２ 第２開口部
１４１３ 第１絞り部（絞り部）
１４１４ 第２絞り部
１４１５ 拡大部
１４１６ テーパー部
１５ インクチャネル
１６ インク吐出流路
１７ 隔壁
１００ インクジェットヘッド
１０１ 筐体
１０２ 外装部材
１０３ａ インレット
１０３ｂ、１０３ｃ アウトレット
Ｍ 記録媒体

Claims (12)

1. インクを射出する複数のノズルと、
   内部に貯留された前記インクの圧力を変動させる複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に供給する前記インクを貯留するインク室と、
   前記ノズルと前記圧力室とを個別に連通させる第１流路と、
   前記圧力室と前記インク室とを個別に連通させる第２流路と、
   を備え、
   前記第１流路のインクの射出方向に垂直な平面における断面積は、前記圧力室の前記平面における断面積より大きく、
   前記ノズルの流路抵抗Ｒ_Ｎと、前記圧力室の流路抵抗Ｒ_Ｃと、前記第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、前記第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（１）を満たすインクジェットヘッド。
   式（１）：Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
2. インクを射出する複数のノズルと、
   内部に貯留された前記インクの圧力を変動させる複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に供給する前記インクを貯留するインク室と、
   前記ノズルと前記圧力室とを個別に連通させる第１流路と、
   前記圧力室と前記インク室とを個別に連通させる第２流路と、
   を備え、
   前記第１流路のインクの射出方向に垂直な平面における断面積は、前記圧力室の前記平面における断面積より大きく、
   前記ノズルの流路抵抗Ｒ_Ｎと、前記圧力室の流路抵抗Ｒ_Ｃと、前記第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、前記第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（２）を満たすインクジェットヘッド。
   式（２）：（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
3. インクを射出する複数のノズルと、
   内部に貯留された前記インクの圧力を変動させる複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に供給する前記インクを貯留するインク室と、
   前記ノズルと前記圧力室とを個別に連通させる第１流路と、
   前記圧力室と前記インク室とを個別に連通させる第２流路と、
   を備え、
   前記第１流路のインクの射出方向に垂直な平面における断面積は、前記圧力室の前記平面における断面積より大きく、
   前記ノズルの流路抵抗Ｒ_Ｎと、前記圧力室の流路抵抗Ｒ_Ｃと、前記第１流路の流路抵抗Ｒ_Ｄと、前記第２流路の流路抵抗Ｒ_Ｕが、下記式（１）及び式（２）を満たすインクジェットヘッド。
   式（１）：Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ≧４．９×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
   式（２）：（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ／２）×（Ｒ_Ｃ／２＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）／（Ｒ_Ｕ＋Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ＋Ｒ_Ｎ）≧１．１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３
4. 前記インクの粘度は、５ ｍＰａ・ｓ以上且つ７ ｍＰａ・ｓ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記第２流路は、流路断面積が前記第２流路内の他の部分よりも小さい絞り部を有する請求項１から４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記第２流路は、前記絞り部を含む二段階の絞りを有する請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記第２流路は、テーパー形状であるテーパー部を備える請求項５または６に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記テーパー部において、流路断面積が大きい側が前記インク室側に位置し、流路断面積が小さい側が前記圧力室側に位置する請求項７に記載のインクジェットヘッド。
9. 前記絞り部における流路断面積に対する前記ノズルの吐出口の面積の比は、０．４４以上である請求項７または８に記載のインクジェットヘッド。
10. 前記圧力室のヘルムホルツ共振周期は、３μｓ以上３．６μｓ以下である請求項１から９のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
11. 隣接する前記圧力室間に圧電材料からなる共通の隔壁を備え、
    前記隔壁をせん断変形させて、前記圧力室の容積を変化させるせん断モード型のインクジェットヘッドである請求項１から１０のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備えるインクジェット記録装置。