WO2015033993A1 - 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

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WO2015033993A1
WO2015033993A1 PCT/JP2014/073302 JP2014073302W WO2015033993A1 WO 2015033993 A1 WO2015033993 A1 WO 2015033993A1 JP 2014073302 W JP2014073302 W JP 2014073302W WO 2015033993 A1 WO2015033993 A1 WO 2015033993A1
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ink
nozzle
natural frequency
pressure
flow path
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PCT/JP2014/073302
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English (en)
French (fr)
Inventor
西　泰男
東野　楠
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コニカミノルタ株式会社
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    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/015—Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/04—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand
    • B41J2/045—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by pressure, e.g. electromechanical transducers
    • B41J2/04501—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits
    • B41J2/04588—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits using a specific waveform
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
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    • B41J2/045—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by pressure, e.g. electromechanical transducers
    • B41J2/04501—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits
    • B41J2/04581—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits controlling heads based on piezoelectric elements

Definitions

  • the present invention relates to an ink jet head and an ink jet recording apparatus.
  • an ink jet recording apparatus provided with an ink jet head that forms an image on a recording medium by ejecting minute ink droplets.
  • this inkjet head a plurality of nozzles are arranged at intervals corresponding to the resolution of the image that can be formed and the image forming speed, and the ejection timing of each ink is controlled.
  • Patent Document 1 discloses an electrostatic suction type inkjet head that discharges a small amount of ink by applying a voltage to the tip of a fine nozzle and sucking charged ink.
  • the ink is supplied to the nozzles from the ink chambers common to the nozzles through the ink drawing paths (inlets) to the respective nozzles and the pressure chambers for pressurizing the inks, and then discharged.
  • the ink pressure changes at the natural frequency (resonance frequency) determined according to the size (mainly length) of the inlet, the pressure chamber, and the nozzle, and the density and viscosity of the ink.
  • the liquid level position (meniscus) of the ink is pushed out or pulled back from the opening end of the nozzle.
  • the mode including a part of the nozzle is a secondary mode vibration having a higher frequency than the natural frequency of the primary mode, depending on the ejection of ink from the opening end of the nozzle.
  • Patent Document 2 discloses a technique for reducing the discharge amount by reducing the ink discharge time by applying pressure to the ink in the pressure chamber with a time width corresponding to the natural frequency of the secondary mode. .
  • the ink in order to suck ink with an electric field, the ink must be charged. Therefore, there is a problem that the types of ink that can be used are limited. In addition, there is a problem that a structure for applying a voltage in the vicinity of the opening end of the nozzle is required and the structure becomes complicated. On the other hand, the pulse width corresponding to the natural frequency of the secondary mode is much shorter than the pulse width applied conventionally, and a complicated configuration is required to apply a pulse of this width with high accuracy. There is a problem that the circuit scale becomes large.
  • An object of the present invention is to easily reduce the amount of ink discharged per time without expanding the range of ink that can be used and without increasing the size of the configuration related to ink ejection or complicating the control.
  • An object is to provide an ink jet head and an ink jet recording apparatus.
  • An ink flow path that has a nozzle that ejects ink and a pressure chamber that communicates with the nozzle, and that supplies ink supplied from the ink chamber to the nozzle;
  • a pressure unit that changes the pressure applied to the ink in the pressure chamber;
  • An inkjet head comprising: The ink flow path includes a primary mode natural frequency corresponding to a combination of the entire ink flow path and the ink, and a primary mode corresponding to a combination of a part of the ink flow path including the nozzle and the ink.
  • the pressurizing unit changes the pressure applied to the ink for a predetermined time corresponding to the primary mode natural frequency to change the ink surface level related to the pressure vibration of the ink at the primary mode natural frequency. It is characterized in that a predetermined amount of ink is ejected at least once among the timings at which the ink level movement related to the pressure vibration of the ink at the next mode natural frequency is superimposed.
  • the invention according to claim 2 is the ink jet head according to claim 1,
  • the pressurizing unit is characterized in that the pressure applied to the ink is increased for the predetermined time.
  • the invention according to claim 3 is the inkjet head according to claim 1 or 2,
  • the ink flow path is characterized in that the nozzle diameter is set to a size at which the ink is not ejected only by movement of the ink liquid level related to the pressure vibration of the ink at the primary mode natural frequency.
  • the Q value related to the pressure vibration of the ink at the primary mode natural frequency is less than 1.
  • the invention according to claim 5 is the inkjet head according to any one of claims 1 to 4,
  • the ink flow path is formed so that the secondary mode natural frequency is four times or more of the primary mode natural frequency.
  • the invention described in claim 6 is the inkjet head according to any one of claims 1 to 5,
  • the change in pressure applied to the ink by the pressurizing unit is characterized in that the rise time and fall time are changes in a substantially rectangular wave pulse shape having a period shorter than one cycle of the secondary mode natural frequency.
  • the invention according to claim 7 is the ink jet head according to any one of claims 1 to 6,
  • the pressurizing unit includes a piezoelectric member, and is configured to change a pressure applied to the ink by being deformed by applying a voltage to the piezoelectric member.
  • the invention described in claim 8 An ink jet head according to any one of claims 1 to 7; A control unit for controlling the operation of the inkjet head; With The control unit operates the pressurizing unit at a preset ink discharge interval to change the pressure applied to the ink in the pressure chamber communicating with the nozzle that discharges ink. Inkjet recording apparatus.
  • the range of ink that can be used is expanded, and the amount of ink ejected from the nozzle per time can be easily reduced without increasing the size of the ink ejection configuration or complicating the control. There is an effect that can be.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of an ink jet recording apparatus according to an embodiment. It is side surface sectional drawing which shows the structure of the inkjet head of embodiment of this invention. It is side surface sectional drawing of the part which concerns on one nozzle in a head chip. It is the figure which planarly viewed the ink flow path of the part which concerns on one nozzle in a head chip. It is a figure which shows the example of the frequency characteristic of the natural vibration which arises in the ink flow path of this embodiment. It is a figure explaining the pulse waveform voltage applied to a piezoelectric member. It is a figure explaining the pulse waveform voltage applied to a piezoelectric member. It is a figure explaining the pulse waveform voltage applied to a piezoelectric member. It is a figure explaining the pulse waveform voltage applied to a piezoelectric member. It is a figure explaining the pulse waveform voltage applied to a piezoelectric member.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an inkjet recording apparatus 10 of the present embodiment.
  • the ink jet recording apparatus 10 includes an ink jet head 100, a control unit 200, a transport unit 300, a communication unit 400, an operation display unit 500, and the like.
  • the control unit 200 includes a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a storage unit, and the like, and controls the entire operation of the inkjet recording apparatus 10 based on a print job input from the outside or the operation display unit 500. Control.
  • CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • Storage unit and the like, and controls the entire operation of the inkjet recording apparatus 10 based on a print job input from the outside or the operation display unit 500. Control.
  • the conveyance unit 300 moves the recording medium to the image forming position and sequentially discharges the recording medium from the image forming position.
  • the conveyance unit 300 includes, for example, a conveyance belt, a motor that moves the conveyance belt, a paper supply unit that supplies a recording medium, and a paper discharge unit that holds the discharged recording medium.
  • the communication unit 400 is a communication interface for performing data communication with an external print server or a computer terminal.
  • the communication unit 400 can support, for example, wired or wireless LAN (Local Area Network) connection or USB connection.
  • LAN Local Area Network
  • the operation display unit 500 accepts user input operations, and displays various menus and the status of the inkjet recording apparatus 10.
  • the operation display unit 500 is, for example, a touch panel including a liquid crystal display screen and a touch sensor.
  • the operation display unit 500 may include a push button switch, operation keys, a status display lamp, and the like.
  • the inkjet head 100 operates based on a control signal input from the control unit 200 and forms an image on a recording medium supplied from a paper feeding unit of the transport unit 300.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the inkjet head 100 according to the present embodiment as viewed from the side.
  • the inkjet head 100 according to the present embodiment includes a head chip 110, an ink supply unit 120, a frame unit 130, and the like.
  • the ink supply unit 120 includes an ink chamber 122 formed inside the housing 121, and the head chip receives ink supplied from the outside through an ink supply port 123 that passes between the inside and the outside of the housing 121. To 110.
  • the frame unit 130 is a substantially flat plate-like member, and integrally holds the head chip 110 and the ink supply unit 120.
  • the ink supply unit 120 is provided on one surface (upper surface) of the frame unit 130, and the head chip 110 is provided on the other surface (lower surface) of the frame unit 130 so as to face the ink supply unit 120. .
  • a space (not shown) is provided between the head chip 110 and the ink supply unit 120, and the head chip 110 and the ink supply unit 120 communicate with each other.
  • the frame portion 130 has protrusions 131 at both ends, and each of the protrusions 131 is provided with a hole 132.
  • the frame portion 130 is fixed at a predetermined fixing position in the ink jet recording apparatus 10 by a fixing member such as a screw or a bolt provided through the hole portion 132.
  • the head chip 110 is a plate-like member having a plurality of nozzles.
  • the head chip 110 causes ink droplets to be ejected from each nozzle at a predetermined timing based on a control signal from the control unit 200 and land on a recording medium conveyed to a position facing the nozzle.
  • a plurality of (for example, two) head chips 110 may be provided for one ink supply unit 120.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view for explaining an ink flow path for one nozzle in the head chip 110 of the inkjet head 100 of the present embodiment. This cross section is a direction perpendicular to the plate surface of the head chip 110 which is a plate-like member.
  • FIG. 3B is a plan view of the ink flow path for one nozzle in the head chip 110 of the inkjet head 100.
  • the head chip 110 ejects ink by a piezo type in a bending mode.
  • the head chip 110 is formed by sequentially laminating a nozzle substrate 111, an intermediate substrate 112, and a pressure substrate 113.
  • the nozzle substrate 111 is, for example, a silicon substrate, and the nozzle 111a is provided on one surface.
  • the nozzle 111 a communicates with the nozzle upper stage 111 b and penetrates between both surfaces of the nozzle substrate 111.
  • the specific value ⁇ of the diameter (nozzle diameter) of the opening of the nozzle 111a is sufficiently small depending on the resolution.
  • the nozzle diameter ⁇ is 10 ⁇ m or less, for example, 5.0 ⁇ m, as a size at which the effect of the viscosity and surface tension acting on the ink inside the nozzle 111a and the ink pushed out from the nozzle 111a appears remarkably.
  • the nozzle diameter means the diameter of the opening at the tip of the ink ejection side of the nozzle, and indicates the diameter when the opening is circular.
  • the opening shape is not limited to a circular shape, and other shapes such as a polygonal shape or a star shape may be used instead of the circular shape.
  • the opening shape is not circular, the diameter when the area is replaced with a circle having the same area is defined as the nozzle diameter.
  • the intermediate substrate 112 is, for example, a glass substrate, and is bonded and laminated to a surface of the nozzle substrate 111 opposite to the opening surface of the nozzle 111a.
  • a communication port 112a communicating with the nozzle upper stage 111b is formed.
  • the pressure substrate 113 is, for example, a silicon substrate, and is laminated by being bonded to a surface of the intermediate substrate 112 opposite to the bonding surface with the nozzle substrate 111.
  • One surface of the pressure substrate 113 is provided with a common channel 113a, an inlet 113b, and a pressure chamber 113c in order in a groove shape, and the one surface is joined to the intermediate substrate 112 to form a groove. Is covered to form a hole.
  • the pressure chamber 113c communicates with the communication port 112a in the vicinity of its end (edge).
  • a piezoelectric member 114 (pressurizing portion) that is substantially the same as the shape of the pressure chamber 113c in a plan view is provided in a portion corresponding to the pressure chamber 113c. It is provided with an electrode layer (not shown) interposed therebetween.
  • the piezoelectric member 114 is, for example, PZT (lead zirconate titanate), and is stretched and deformed by applying a predetermined voltage between electrode layers provided on both surfaces of the piezoelectric member 114.
  • the wall surface between the pressure chamber 113c and the piezoelectric member 114 functions as a vibration plate by being deformed according to the deformation of the piezoelectric member 114, and changes the pressure applied to the ink in the pressure chamber 113c. By appropriately controlling this pressure change, ink is ejected from the nozzle 111a.
  • the vibration plate may be separately joined between the pressure substrate 113 and the piezoelectric member 114 so as to cover the pressure chamber 113c provided so as to penetrate the pressure substrate 113.
  • the common flow path 113a supplies ink in common to the plurality of nozzles 111a provided in the head chip 110. Ink is sent from the common flow path 113a to the pressure chambers 113c corresponding to the respective nozzles 111a via the inlets 113b communicating with the pressure chambers 113c. With such a structure, an ink flow path to each nozzle is configured by the inlet 113b, the pressure chamber 113c, the communication port 112a, the nozzle upper stage 111b, and the nozzle 111a.
  • the sizes (particularly lengths) of the respective portions of the inlet 113b, the pressure chamber 113c, the communication port 112a, the nozzle upper stage 111b, and the nozzle 111a constituting the ink flow path are different. Therefore, when the pressure change applied to the ink in the pressure chamber 113c is transmitted through the ink in the ink flow path, a part of the change is reflected at the boundary of each part, and a plurality of modes of natural vibrations are generated. Each frequency in these modes is determined by the size of each part and the ink characteristics.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the frequency characteristic of the natural vibration generated in the ink flow path of the present embodiment. With respect to the frequency on the horizontal axis, the vertical axis represents the spectral intensity.
  • the vibration peak p1 having the lowest frequency is the primary mode vibration with respect to the entire ink flow path structure of the nozzle 111a, the nozzle upper stage 111b, the communication port 112a, the pressure chamber 113c, and the inlet 113b.
  • the vibration associated with the intermediate frequency peak p2 is vibration with respect to the structure of the pressure chamber 113c and the inlet 113b, and is a noise component that is not related to the ejection of ink from the nozzle 111a.
  • the vibration peak p3 having the highest frequency is secondary mode vibration with respect to the structure of the nozzle 111a, the nozzle upper stage 111b, the communication port 112a, and the pressure chamber 113c (that is, a part of the ink flow path including the nozzle 111a). is there.
  • 5A to 5C are diagrams illustrating the pulse waveform voltage applied to the piezoelectric member 114.
  • the positive voltage is a voltage that deforms the piezoelectric member 114 and the diaphragm in a direction in which the pressure chamber 113c is compressed (downward in FIG. 3A).
  • a substantially rectangular wave pulse shape (trapezoidal shape) that requires preset times (rise time, fall time) for the rise and fall of the voltage is used.
  • a pushing pulse waveform for changing the voltage in the positive pressure direction or a striking pulse waveform for changing the voltage in the negative pressure direction as shown in FIG. 5B is selected.
  • the pulse width T1 (predetermined time) of the pulse waveform is set to half of the natural vibration period of the primary mode.
  • This pulse waveform is closer to a rectangular wave by shortening the voltage rise time and fall time as shown in FIG. 5C.
  • the piezoelectric member 114 When the rectangular wave voltage is applied, the piezoelectric member 114 generates a vibration having an integral multiple of the vibration having a frequency with the pulse width T1 as a half cycle, and applies the vibration to the pressure chamber 113c. .
  • the natural frequency of the primary mode vibration primary mode natural frequency
  • secondary mode drive frequency the natural frequency of the secondary mode vibration
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the behavior of ink when a pulse waveform voltage is applied. Here, the behavior of ink when a striking pulse waveform voltage is applied will be described.
  • the ink pushed out length L 1 corresponding to a change amount of the ink pressure from the opening of the nozzle 111a (FIG. 6c), it takes viscous resistance Fr, hinder to tries to continue flying directly from the opening of the nozzle 111a (FIG. 6d).
  • the force Fi corresponding to the amount of work received when being pushed out
  • the force Fi corresponding to the amount of work received when being pushed out
  • the force Fi corresponding to the amount of work received when being pushed out
  • Fr corresponding to the amount of work consumed by the viscosity
  • the ratio Fi / Fr M ⁇ / R between the viscous resistance Fr and the force Fi obtained as described above is a Q value used as an index indicating the strength of resonance.
  • the Q value obtained in this way is 1 or more, the ink pushed out from the nozzle 111a can be separated from the ink in the ink flow path and ejected as droplets.
  • each part of the head chip 110 is configured so as to reduce the ink ejection volume M / ⁇ (a predetermined amount of ink) per one driving pulse from the nozzle 111a while satisfying the above-described condition relating to the Q value.
  • a combination of the size of the ink and the viscosity ⁇ of the ink is selected.
  • the ink ejection volume per drive pulse is suppressed to less than 1 pl, more preferably to 0.1 pl or less.
  • the droplets can be separated and discharged without decreasing the Q value while reducing the droplet size (volume).
  • increase in the applied voltage leads the reduction in viscosity eta, the increase in the deformation amount of the pressure chamber 113c are both leading to increased fluctuation amplitude of the maximum moving speed vmax and the liquid level position L 1 of the liquid surface. Accordingly, the size of the ejected droplets increases as the viscosity ⁇ decreases or the applied voltage increases. Therefore, when increasing or decreasing one, the other is also increased or decreased in conjunction with each other as much as possible.
  • FIG. 7 is a chart showing the size of each part of the head chip 110 used for the calculation.
  • the head chip 110 has a structure (setting 1) having the above three natural frequencies of 120 kHz (primary mode), 616 kHz (noise), and 816 kHz (secondary mode).
  • the parameter d31 of the piezoelectric member 114 is a piezoelectric constant (pm / V) in the contraction direction.
  • T 4.17 ⁇ s
  • the liquid surface position (meniscus) of the ink is pushed out after retreating from the opening surface of the nozzle 111a.
  • the movement speed of the ink liquid surface in the vicinity of the nozzle 111a changes with the period of the primary mode natural vibration and the change related to the secondary mode natural vibration with a shorter period is superimposed. It will be.
  • the phases of these changes are aligned, the amplitude increases, and when the phases are opposite, the amplitude is canceled.
  • the movement speed of the ink liquid level at this time is obtained by superimposing a change due to the natural vibration of the secondary mode with a larger amplitude on the change in the period of the primary mode natural vibration. That is, the ink is greatly accelerated in each period of the secondary mode natural vibration. In this case, the ink is ejected separately as droplets by the natural vibration of the secondary mode. However, at this time, it becomes easy to discharge with a plurality of droplets (satellite) before and after one droplet.
  • the ink droplets are separated even if the amplitude related to the natural vibration of the secondary mode is superimposed. Not discharged.
  • the amplitude related to the natural vibration of the secondary mode is larger than the amplitude related to the natural vibration of the primary mode, the ink droplets are separated a plurality of times for each natural vibration period of the secondary mode, resulting in satellites.
  • the satellite is in the form of a fine spray and is very slow compared to the present droplet, there is a possibility that the satellite drifts around the nozzle and adheres to an unintended location, which is not preferable.
  • the amplitude ratio of the natural vibration of the secondary mode to the natural vibration of the primary mode needs to be set to an appropriate value with the rise time and the fall time as appropriate lengths. Specifically, it is desirable that the rise time of the pulse voltage is shorter than the natural vibration period (here, 1.23 ⁇ s) of the secondary mode. Thereby, the natural vibration of the secondary mode is excited efficiently.
  • the Q value can be 1 or more with respect to the natural vibration of the primary mode. In this case, it is possible to reduce the ink ejection amount by appropriately canceling the amplitude by the natural vibration of the secondary mode.
  • FIG. 9 shows the calculation result of the moving speed of the ink liquid level and the liquid level position when the pressing pulse waveform voltage is applied.
  • the pulse voltage is 39.4 V
  • the rise time and the fall time are 0.7 ⁇ s
  • the pulse width is 3.8 ⁇ s (the frequency is 132 kHz)
  • the piezoelectric member 114 is applied to the piezoelectric member 114.
  • the liquid level of the ink is first pulled out from the opening surface of the nozzle 111a and then pulled back.
  • the change in the natural vibration of the secondary mode appears superimposed on the change in the period of the natural vibration of the primary mode in the moving speed of the liquid level of the ink.
  • the amplitude and the moving speed become maximum in the first secondary mode natural vibration period, and the ink droplets are separated and discharged.
  • the ink discharge volume can be suppressed to 0.20 pl.
  • FIGS. 9d and 9e show an example in which 58.0 V is applied as the pressing pulse waveform voltage and the viscosity ⁇ of the ink is changed to 5 mPa ⁇ s. Other conditions are the same as a to c in FIG.
  • the Q value in the natural vibration of the primary mode is less than 1, and the Q value in the natural vibration of the secondary mode is 1 or more.
  • the time width during which the pulse voltage is applied is slightly shifted from the half cycle of the natural vibration of the primary mode and the rise of the pulse waveform The time and fall time are slightly shorter than those shown in FIG. 8a.
  • the pulse width can be set appropriately shifted within a range corresponding to the natural vibration frequency of the primary mode (for example, a range closer to the natural vibration frequency than the harmonics and other natural vibration frequencies).
  • FIG. 10 is a diagram for explaining ejection of ink droplets when the natural vibration of the secondary mode is excited in the ink by applying the striking pulse waveform voltage.
  • a negative drive pulse voltage of 0.61 ⁇ s ((1/818/2) kHz), which is half of the natural vibration period of the second mode of the setting 1, is set to 36V.
  • the striking pulse waveform voltage When the striking pulse waveform voltage is applied, as shown in the liquid level position in FIG. 10c, first, the ink liquid level is pulled back from the nozzle discharge surface toward the nozzle upper stage 111b, and the subsequent vibration of the ink liquid level occurs. Along with this, ink is ejected. Further, as shown by the movement speed of the liquid surface in FIG. 10b, the vibration of the liquid surface position due to the application of the striking pulse waveform voltage tends to remain without being attenuated (reverberation vibration), and the ink is pushed out a plurality of times (timing t1). To t3).
  • FIG. 11 is a diagram for explaining ejection of ink droplets in a case where the natural vibration of the secondary mode is excited in the ink by applying a pressing pulse waveform voltage to the pressure chamber 113c.
  • a positive driving pulse of 1.23 ⁇ s (1/818 kHz) equal to the natural vibration period of the secondary mode of the setting 1 is set to a rise time and a fall time of 0.05 ⁇ s, and a pulse voltage.
  • a calculation result relating to the behavior of ink having a viscosity of 3 mPa ⁇ s and a density of 980 kg / m 3 when applied to the piezoelectric member 114 at 30 V is shown.
  • the liquid surface position of the ink related to the primary mode natural vibration during each vibration cycle related to the secondary mode natural vibration can be suppressed.
  • the natural frequency of the secondary mode to 4 times or more of the natural frequency of the primary mode, the first period of the secondary mode natural vibration excited by the application of the punching pulse waveform voltage.
  • the displacement associated with the natural vibration of the primary mode can be suppressed to half or less of the natural vibration amplitude of the primary mode. Therefore, the ink can be ejected based on the change in the liquid surface position related to the natural vibration in the secondary mode without being adversely affected by the change in the liquid surface position related to the natural vibration in the primary mode.
  • this pushing pulse waveform voltage By raising and lowering this pushing pulse waveform voltage, it is possible to change the droplet flying speed and droplet volume while maintaining stable ink ejection. For example, by reducing the applied voltage to 27 V, the flying speed is reduced to 1 to 2 m / s and the droplet volume is reduced to 0.09 pl, and by increasing the applied voltage to 36 V, the flying speed is increased to 6 m / s. s, the droplet volume can be increased to 0.13 pl, respectively.
  • the pulse waveform voltage is increased to 42 V, and similarly, the ink can be stably ejected with the droplet volume set to 0.10 pl. I can do it.
  • the ink droplets ejected by applying the striking pulse waveform voltage can be stably separated and flying over a wider range of conditions than the ink droplets ejected by applying the striking pulse waveform voltage. I can do it.
  • FIG. 12 is a chart showing the influence of the secondary mode path length on the ejection of ink droplets when the secondary mode natural vibration is excited in the ink by application of the punching pulse waveform voltage.
  • the natural vibration of the secondary mode is due to the structure of the pressure chamber 113c and the nozzle. If the shape is the same, the natural frequency decreases as the total length of these components increases.
  • the natural frequency of the secondary mode is lowered.
  • the change in the moving speed of the liquid surface is reduced, and the volume of the ejected droplet is increased by a single drive pulse waveform.
  • this volume change amount is gradual compared with the change of the natural frequency of the secondary mode, and therefore, the setting of the size of the pressure chamber 113c and the nozzle can be wide.
  • FIG. 13 is a chart showing the influence of the length of the inlet 113b on the ejection of the ink droplets when the natural vibration of the secondary mode is excited in the ink by applying the punching pulse waveform voltage.
  • the length of the inlet 113b affects the natural frequency of the primary mode and the natural frequency of noise. Accordingly, the natural frequency of the secondary mode does not show a characteristic change in the settings 4 to 7 with respect to the setting 1. In this case, the volume of the droplet ejected by a single drive pulse waveform does not show a significant change.
  • the applied drive pulse waveform excites the natural vibration of the primary mode in the same manner, and the moving speed of the liquid level related to ink ejection is not only a single peak, but also one or more thereafter.
  • the waveform has a peak (reverberation vibration). That is, problems such as satellites are likely to occur.
  • the length of the inlet 113b does not greatly affect the ejection of ink related to the natural vibration of the secondary mode, and may be determined as appropriate based on the setting related to the natural frequency of the primary mode.
  • the ink flow path is formed by separating both frequencies so that the natural frequency of the secondary mode is about four times or more of the natural frequency of the primary mode, the micro liquid can be stably formed. Easy to eject drops.
  • FIG. 14 is a chart showing the influence of the diameter of the nozzle 111a on the ejection of ink droplets when the secondary mode eigenvibration is excited in the ink by applying the punching pulse waveform voltage.
  • the nozzle diameter was increased or decreased in setting 8 and setting 9 with respect to the nozzle diameter of 5.0 ⁇ m in setting 1, but the slight difference (here 4%) in the nozzle diameter ⁇ is due to the natural frequency of the secondary mode and It does not significantly affect the ink ejection volume. Therefore, it is determined to an appropriate value from the correspondence with the Q value and the like.
  • the inkjet head 100 includes the nozzle 111a and the pressure chamber 113c communicating with the nozzle 111a, the ink flow path for sending the ink supplied from the ink chamber 122 to the nozzle 111a, and the pressure chamber. And a piezoelectric member 114 that changes the pressure applied to the ink in 113c via the diaphragm.
  • the ink flow path includes a primary mode natural frequency corresponding to a combination of the overall structure of the ink flow path and ink physical properties, and a primary mode corresponding to a combination of a partial structure of the ink flow path including the nozzle 111a and the ink physical properties.
  • the second mode natural frequency is higher than the natural frequency, and is deformed by applying a voltage to the piezoelectric member 114, and the pressure applied to the ink is changed for a predetermined time corresponding to the primary mode natural frequency. At least one of the timings at which the movement of the ink liquid level related to the pressure vibration of the ink at the secondary mode natural frequency is superimposed on the movement of the ink liquid level related to the pressure vibration of the ink at the primary mode natural frequency. A predetermined amount of ink is ejected. Therefore, in the inkjet head 100, the ink ejection amount can be reduced to a minute amount related to the natural frequency of the secondary mode without greatly changing the frequency of the voltage pulse to be applied. In addition, it is not necessary to perform electrostatic attraction, and the applied voltage can be changed according to the viscosity, so that restrictions on the type of ink with respect to the ejection of minute ink droplets can be relaxed.
  • the ink is ejected using a pushing pulse waveform that changes the voltage applied to the piezoelectric member 114 to the positive side, the ink is more reliably ejected by the first pressurization related to the secondary mode natural vibration. Furthermore, since the secondary mode natural vibration excited by the pushing pulse waveform voltage is attenuated in a short time, the generation of satellites can be suppressed, and the adverse effect on the continuous discharge due to the reverberation vibration can be suppressed.
  • the primary mode natural vibration alone is not ejected with respect to the ink used, a small amount of ink can be ejected efficiently and stably according to the secondary mode natural vibration.
  • the ink related to the secondary mode natural vibration is set. Only when the liquid level movement in the ejection direction is superposed so as not to cancel out the ink level movement related to the primary mode natural vibration, a small amount of ink can be appropriately ejected in a short time.
  • the ink flow path so that the natural frequency of the secondary mode is four times or more than the natural frequency of the primary mode, the adverse effect of the change in the liquid surface position related to the natural vibration of the primary mode can be suppressed.
  • Stable ink ejection can be performed based on the change in the liquid surface position related to the natural vibration of the secondary mode.
  • the rise time and fall time of the substantially rectangular wave voltage applied to the piezoelectric member 114 is set to be shorter than one cycle of the secondary mode natural frequency and pressurizing the ink, It is possible to efficiently excite the vibration of the ink and eject the ink according to the natural vibration of the secondary mode. Therefore, a very small amount of ink droplets can be ejected more efficiently.
  • the pressure chamber 113c is configured to change the pressure applied to the ink by being deformed by applying a voltage to the piezoelectric member 114, the pressure chamber 113c applies a desired pressure to the ink with a small size and an efficient response. I can do it.
  • the ink jet recording apparatus 10 of the present embodiment includes an ink jet head 100 and a control unit 200, and the control unit 200 applies a voltage to the piezoelectric member 114 at each predetermined ink ejection cycle to thereby generate a pressure chamber.
  • the pressure in 113c is changed. That is, in the ink jet recording apparatus 10, an appropriately determined voltage corresponding to the natural frequency of the primary mode can be easily applied according to the physical properties of the ink. In addition, a minute volume of liquid droplets can be easily ejected without the strict limitation of being limited to ink that can be electrostatically attracted.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
  • the pressure chamber 113c in which the pressure is applied to the ink by the deformation of the bending mode using the piezoelectric member 114 and the vibration plate has been described as an example. As long as it can be excited, pressure may be applied to the ink by other methods.
  • the natural vibration of the primary mode and the secondary mode appears depending on the presence or absence of the inlet 113b provided between the pressure chamber 113c and the common flow path 113a on the same substrate. Not limited to.
  • the through holes and communication ports between them also affect the natural frequency of the primary mode. To do.
  • the ink flow path when the structure of the ink flow path is complicated, there may be a natural vibration in the third-order mode and other noises related to other noises. However, there is a natural vibration in a frequency range that is inappropriate for ink ejection. It is desirable that the ink flow path be formed so as not to be excited as much as possible, and that the pulse waveform of the applied voltage be determined.
  • the natural vibration of the tertiary mode is in the frequency range that can be used for ink ejection
  • the present invention is applied in the same manner as in the above embodiment while adjusting the amplitude and phase of the secondary mode, Ink can be ejected.
  • the generation of satellite droplets is not necessarily suppressed if the landing amount and landing position can be controlled appropriately.
  • the secondary mode natural vibration frequency associated with the ejection of the droplet according to the ratio (frequency ratio) of the secondary mode natural frequency to the primary mode natural frequency is determined.
  • the phase range of the primary mode natural vibration during the period changes.
  • the amplitude of the secondary mode natural vibration when the droplet is ejected varies depending on the attenuation rate. Therefore, the frequency ratio is preferably set to 4: 1 or larger.
  • the ink jet recording apparatus may be a line head or a serial head, and the recording medium on which an image is to be formed and its size can be set as appropriate.
  • specific details such as configurations, structures, processes, numerical values, and the like described in the above embodiments can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
  • the head has an ink flow path with a nozzle diameter of 5.5 ⁇ m and 128 nozzles each having a natural frequency of 120 kHz as the primary mode and 816 kHz as the secondary mode.
  • a chip was produced.
  • Ink ejection was performed by applying a pushing pulse waveform voltage having a drive pulse width of 4.1 ⁇ s corresponding to the primary mode to the piezoelectric member with a rise time and a fall time of 0.9 ⁇ s.
  • a dummy ink having a viscosity resistance of 3 mPa ⁇ s, a surface tension of 3.0 ⁇ 10 ⁇ 2 N / m, and a density of 9.80 ⁇ 10 2 kg / m 3 was supplied to the ink flow path. . Then, the ink ejected from the nozzles was intermittently photographed and observed with a droplet observation device (drop watcher).
  • the present invention can be used for an inkjet head and an inkjet recording apparatus.
  • Inkjet recording device 100 Inkjet head 110 Head chip 111 Nozzle substrate 111a Nozzle 111b Nozzle upper stage 112 Intermediate substrate 112a Communication port 113 Pressure substrate 113a Common flow path 113b Inlet 113c Pressure chamber 114 Piezoelectric member 120 Ink supply part 121 Case 122 Ink chamber 123 Ink supply port 130 Frame portion 131 Projection portion 132 Hole portion 200 Control portion 300 Transport portion 400 Communication portion 500 Operation display portion

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Ink Jet (AREA)

Abstract

　インクの種類の制約を減らし、且つ、構成の大型化や制御の複雑化をせずに容易に一回当たりのインク吐出量を少なくす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。ノズル及びノズルに連通する圧力室を有し、インクをインク室からノズルに送るインク流路と、圧力室内のインクに加える圧力を変化させる加圧部と、を備え、インク流路は、インク流路全体及びインクに応じた一次モード固有振動数と、ノズルを含むインク流路の一部及びインクに応じた二次モード固有振動数とを有し、加圧部は、一次モード固有振動数に対応する所定の時間インクに加える圧力を変化させて、一次モード固有振動数でのインクの圧力振動に係るインク液面移動に二次モード固有振動数でのインクの圧力振動に係るインク液面移動が重畳されたタイミングのうち少なくとも一回で所定量のインクを吐出させる。

Description

インクジェットヘッド、及び、インクジェット記録装置
　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関する。
　従来、微小なインク液滴を吐出させて記録媒体上に画像を形成するインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。このインクジェットヘッドには、形成可能な画像の解像度や画像形成速度に応じた間隔で複数のノズルが配列され、各々インクの吐出タイミングが制御されている。
　このようなインクジェットヘッドでは、インク流路内のインクを加圧してノズルの先端から液滴を吐出させるピエゾ方式やサーマル方式が広く用いられている。近年、形成画像の解像度の上昇に伴い、一回当たりのインク吐出量が少なくなってきている。このような少量のインクを吐出させるには、ノズルの開口面積を小さくしたり、加圧時間を短縮したりする必要がある。しかしながら、ノズル断面積を縮小すると、インクとノズル壁面との摩擦や、インクの粘性及び表面張力の影響が大きくなり、所望の量のインクがインク流路内のインクから安定して液滴として分離して吐出されないという問題がある。
　これに対し、特許文献１には、微細ノズルの先端に電圧を印加して、帯電したインクを吸引することで微少量のインクを吐出させる静電吸引方式のインクジェットヘッドについて開示されている。
　一方、インクは、各ノズルに共通のインク室からそれぞれのノズルに対するインクの引き込み路（インレット）及びインクを加圧する圧力室を経てノズルに供給されて吐出される。このとき、インク圧は、インレット、圧力室、及びノズルのサイズ（主に長さ）、並びにインクの密度及び粘度などに応じて定まる固有振動数（共振周波数）で変化し、この固有振動数に係る周期でインクの液面位置（メニスカス）がノズルの開口端から押し出されたり引き戻されたりする。この固有振動には、インレット、圧力室、及びノズルの構造（形状）の違いにより、これら全体に係る固有モード（一次モード）振動に加えて、構造の一部における他の一又は複数の固有モードが存在する。
　これらの固有モードのうち、ノズルを含む一部によるモードは、ノズルの開口端からのインクの押し出しに係り、一次モードの固有振動数より高い振動数の二次モード振動となる。特許文献２には、この二次モードの固有振動数に対応した時間幅で圧力室内のインクに圧力を印加することにより、インクの吐出時間を短縮して吐出量を抑える技術について開示されている。
特開２００４－１３６６５５号公報 国際公開第２００９／１０７５５２号
　しかしながら、インクを電界で吸引するためには、インクを帯電させなければならない。従って、使用可能なインクの種類が限られるという課題がある。また、ノズルの開口端付近に電圧を印加するための構成が必要となって構造が複雑化するという課題がある。一方で、二次モードの固有振動数に対応するパルス幅は、従来印加されているパルス幅に比して非常に短く、この幅のパルスを精度良く印加するには、複雑な構成を要したり、回路規模が大きくなったりするという課題がある。
　この発明の目的は、使用可能なインクの範囲を広げ、且つ、インク吐出に係る構成を大型化したり制御を複雑化させたりせずに、容易に一回当たりのインク吐出量を少なくすることが出来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。
　本発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
　インクを吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室とを有し、インク室から供給されるインクを前記ノズルに送るインク流路と、
　前記圧力室内のインクに加える圧力を変化させる加圧部と、
　を備えたインクジェットヘッドであって、
　前記インク流路は、前記インク流路全体と前記インクとの組み合わせに応じた一次モード固有振動数と、前記ノズルを含む前記インク流路の一部と前記インクとの組み合わせに応じた前記一次モード固有振動数より高い二次モード固有振動数とを有し、
　前記加圧部は、前記一次モード固有振動数に対応する所定の時間前記インクに加える圧力を変化させて、前記一次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るインク液面移動に前記二次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るインク液面移動が重畳されたタイミングのうち少なくとも一回で所定量のインクを吐出させる
　ことを特徴としている。
　請求項２記載の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、
　前記加圧部は、前記所定の時間、前記インクに加える圧力を上昇させた状態とすることを特徴としている。
　請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のインクジェットヘッドにおいて、
　前記インク流路は、前記一次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るインク液面移動のみでは前記インクが吐出されないサイズに前記ノズル径が設定されていることを特徴としている。
　請求項４記載の発明は、請求項１～３の何れか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
　前記一次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るＱ値は、１未満であることを特徴としている。
　請求項５記載の発明は、請求項１～４の何れか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
　前記インク流路は、前記二次モード固有振動数が前記一次モード固有振動数の４倍以上であるように形成されていることを特徴としている。
　請求項６記載の発明は、請求項１～５の何れか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
　前記加圧部により前記インクに加えられる圧力の変化は、立上がり時間及び立下がり時間が前記二次モード固有振動数の一周期よりも短い略矩形波パルス状の変化であることを特徴としている。
　請求項７記載の発明は、請求項１～６の何れか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
　前記加圧部は、圧電部材を有し、当該圧電部材に電圧が印加されることで変形されて前記インクに加える圧力を変化させる構成であることを特徴としている。
　請求項８記載の発明は、
　請求項１～７の何れか一項に記載のインクジェットヘッドと、
　前記インクジェットヘッドの動作を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、予め設定されたインク吐出間隔ごとに前記加圧部を動作させて、インクを吐出させる前記ノズルに連通する前記圧力室内の前記インクに対して加える圧力を変化させる
　ことを特徴とするインクジェット記録装置である。
　本発明に従うと、使用可能なインクの範囲を広げ、且つ、インク吐出に係る構成を大型化したり制御を複雑化させたりせずに、容易に一回当たりのノズルからのインク吐出量を少なくすることが出来るという効果がある。
本実施形態のインクジェット記録装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態のインクジェットヘッドの構造を示す側面断面図である。 ヘッドチップにおける一のノズルに係る部分の側面断面図である。 ヘッドチップにおける一のノズルに係る部分のインク流路を平面視した図である。 本実施形態のインク流路で生じる固有振動の振動数特性の例を示す図である。 圧電部材に印加されるパルス波形電圧を説明する図である。 圧電部材に印加されるパルス波形電圧を説明する図である。 圧電部材に印加されるパルス波形電圧を説明する図である。 パルス波形電圧が印加された場合のインクの振る舞いを説明する図である。 計算に用いられたヘッドチップの各部位のサイズを示す図表である。 一次モードに対応した引き打ちパルス波形電圧が圧電部材に印加された場合におけるインク液面の移動速度及び液面位置を計算した例を示す図である。 一次モードに対応した押し打ちパルス波形電圧が圧電部材に印加された場合におけるインク液面の移動速度及び液面位置を計算した例を示す図である。 圧力室に引き打ちパルス波形電圧で二次モードの固有振動を与えた場合におけるインク液滴の吐出について説明する図である。 圧力室に押し打ちパルス波形電圧で二次モードの固有振動を与えた場合におけるインク液滴の吐出について説明する図である。 インク液滴の吐出に対する二次モード経路長の影響を示す図表である。 インク液滴の吐出に対するインレットの長さの影響を示す図表である。 インク液滴の吐出に対するノズルの直径の影響を示す図表である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施形態のインクジェット記録装置１０の全体構成を示すブロック図である。
　このインクジェット記録装置１０は、インクジェットヘッド１００と、制御部２００と、搬送部３００と、通信部４００と、操作表示部５００などを備える。
　制御部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）や記憶部などを備え、外部や操作表示部５００から入力されたプリントジョブなどに基づいてインクジェット記録装置１０の全体動作を統轄制御する。
　搬送部３００は、記録媒体を画像形成位置に移動させ、また、当該画像形成位置から順次排出する動作を行う。搬送部３００は、例えば、搬送ベルト、当該搬送ベルトを移動させるモータ、記録媒体を供給する給紙部及び排出された記録媒体を保持する排紙部などを備える。
　通信部４００は、外部のプリントサーバーやコンピューター端末などとデータ通信を行うための通信インターフェイスである。この通信部４００は、例えば、有線又は無線ＬＡＮ（Local Area Network）接続や、ＵＳＢ接続に対応することが可能である。
　操作表示部５００は、ユーザーの入力操作を受け付け、また、各種メニューやインクジェット記録装置１０のステータスを表示させる。この操作表示部５００は、例えば、液晶表示画面とタッチセンサーを備えたタッチパネルである。また、この操作表示部５００は、押しボタンスイッチ、操作キーや状態表示ランプなどを備えていても良い。
　インクジェットヘッド１００は、制御部２００から入力される制御信号に基づいて動作して、搬送部３００の給紙部から供給された記録媒体上に画像形成を行う。
　図２は、本実施形態のインクジェットヘッド１００を側面から見た断面図である。
　本実施形態のインクジェットヘッド１００は、ヘッドチップ１１０と、インク供給部１２０と、フレーム部１３０などを備えている。
　インク供給部１２０は、筐体１２１の内部にインク室１２２が形成されてなり、筐体１２１の内部と外部との間を貫通するインク供給口１２３を介して外部から供給されたインクをヘッドチップ１１０に排出する。
　フレーム部１３０は、略平面板状の部材であり、ヘッドチップ１１０及びインク供給部１２０を一体的に保持する。インク供給部１２０は、フレーム部１３０の一の面（上面）に設けられ、また、ヘッドチップ１１０は、フレーム部１３０の他の面（下面）にインク供給部１２０と対向して設けられている。フレーム部１３０には、ヘッドチップ１１０とインク供給部１２０との間に図示略の空間が設けられており、ヘッドチップ１１０とインク供給部１２０との間が連通されている。
　フレーム部１３０は、両端に突起部１３１を有し、この突起部１３１には、それぞれ孔部１３２が設けられている。フレーム部１３０は、この孔部１３２を通して設けられるネジやボルトなどの固定部材によりインクジェット記録装置１０における所定の固定位置に固定される。
　ヘッドチップ１１０は、複数のノズルを有する板状部材である。ヘッドチップ１１０は、制御部２００からの制御信号に基づく所定のタイミングで各ノズルからインク液滴を吐出させて、当該ノズルに対向する位置に搬送された記録媒体上に着弾させる。ヘッドチップ１１０は、一のインク供給部１２０に対して複数（例えば、ここでは２枚）設けられていても良い。
　図３Ａは、本実施形態のインクジェットヘッド１００のヘッドチップ１１０におけるノズル一本分のインク流路を説明するための断面図である。この断面は、板状部材であるヘッドチップ１１０の板面に垂直な方向である。また、図３Ｂは、このインクジェットヘッド１００のヘッドチップ１１０におけるノズル一本分のインク流路を平面視した図である。
　図３Ａに示すように、このヘッドチップ１１０は、撓みモードのピエゾ式でインクの吐出を行うものである。ヘッドチップ１１０は、ノズル基板１１１、中間基板１１２及び圧力基板１１３が順に積層されて形成される。
　ノズル基板１１１は、例えば、シリコン製の基板であり、ノズル１１１ａが一の面に開口されて設けられている。ノズル１１１ａは、ノズル上段１１１ｂに連通してノズル基板１１１の両面の間を貫通している。このノズル１１１ａの開口部の直径（ノズル径）の具体的な値φは、解像度に応じて十分に小さく形成される。ここでは、ノズル径φは、当該ノズル１１１ａの内部及びノズル１１１ａから押し出された状態のインクに働く粘性や表面張力の効果が顕著に現れるサイズとして１０μｍ以下、例えば、５．０μｍである。
　ノズル径とは、ノズルにおけるインク吐出側の先端の開口の直径を意味し、開口が円形の場合には、その直径を指す。なお、開口形状は、円形形状に限定されるものではなく、円形形状の代わりに他の形状、例えば、多角形状や星型形状などとしても良い。なお、開口形状が円形形状ではない場合、その面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径をノズル径とする。
　中間基板１１２は、例えば、ガラス製の基板であり、ノズル基板１１１におけるノズル１１１ａの開口面とは反対側の面に接合されて積層されている。中間基板１１２には、ノズル上段１１１ｂに連通する連通口１１２ａが形成されている。
　圧力基板１１３は、例えば、シリコン製の基板であり、中間基板１１２におけるノズル基板１１１との接合面とは反対側の面に接合されて積層されている。圧力基板１１３の一の面には、溝状にインクの共通流路１１３ａ、インレット１１３ｂ及び圧力室１１３ｃが順番に連通して設けられ、当該一の面が中間基板１１２に接合されることで溝が覆われて孔部が形成されている。圧力室１１３ｃは、その端部（縁部）付近で連通口１１２ａと連通している。
　圧力基板１１３の中間基板１１２との接合面とは反対側の面において、圧力室１１３ｃに対応する部分には、当該圧力室１１３ｃの平面視形状と略同一の圧電部材１１４（加圧部）が図示略の電極層を挟んで設けられている。この圧電部材１１４は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）であり、圧電部材１１４の両面に設けられた電極層間に所定の電圧を印加することで伸縮変形する。圧力室１１３ｃと圧電部材１１４の間の壁面は、圧電部材１１４の変形に応じて変形することで振動板として機能し、圧力室１１３ｃ内のインクに加える圧力を変化させる。この圧力変化を適切に制御することで、ノズル１１１ａからインクを吐出させる。
　或いは、振動板は、圧力基板１１３を貫通するように設けられた圧力室１１３ｃを覆うように別途圧力基板１１３と圧電部材１１４との間に接合されて設けられても良い。
　共通流路１１３ａは、ヘッドチップ１１０に設けられた複数のノズル１１１ａに対して共通にインクを供給する。共通流路１１３ａからは、各ノズル１１１ａにそれぞれ対応する圧力室１１３ｃへと、当該圧力室１１３ｃにそれぞれ連通するインレット１１３ｂを介してインクが送られる。
　このような構造により、インレット１１３ｂ、圧力室１１３ｃ、連通口１１２ａ、ノズル上段１１１ｂ及びノズル１１１ａにより各ノズルへのインク流路が構成される。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すように、インク流路を構成するインレット１１３ｂ、圧力室１１３ｃ、連通口１１２ａ、ノズル上段１１１ｂ及びノズル１１１ａの各部位の大きさ（特に、長さ）は、それぞれ異なる。従って、圧力室１１３ｃでインクに加えられた圧力変化がインク流路内のインク中を伝わる際に、その一部は、各部位の境界で反射されて複数のモードの固有振動が生じる。これらのモードの各振動数は、各部位のサイズ及びインクの特性で定まる。
　図４には、本実施形態のインク流路で生じる固有振動の振動数特性の例を示す図である。横軸の振動数に対して、縦軸は、スペクトル強度を示している。
　ここでは、スペクトル強度のピークｐ１～ｐ３が３つ現れている。即ち、このインク流路では、３つのモードの振動が励起される。これらのうち一番振動数の低い振動のピークｐ１は、ノズル１１１ａ、ノズル上段１１１ｂ、連通口１１２ａ、圧力室１１３ｃ及びインレット１１３ｂのインク流路全体の構造に対する一次モード振動である。中間の振動数のピークｐ２に係る振動は、圧力室１１３ｃ及びインレット１１３ｂの構造に対する振動であり、ノズル１１１ａからのインクの吐出に係らないノイズ成分である。また、一番振動数の高い振動のピークｐ３は、ノズル１１１ａ、ノズル上段１１１ｂ、連通口１１２ａ及び圧力室１１３ｃの構造（即ち、ノズル１１１ａを含むインク流路の一部）に対する二次モード振動である。
　次に、インクの吐出動作について説明する。
　図５Ａ～図５Ｃは、圧電部材１１４に印加されるパルス波形電圧を説明する図である。
　ここで、正の電圧は、圧力室１１３ｃを圧縮する方向（図３Ａで下向き）に圧電部材１１４及び振動板を変形させる電圧である。
　圧電部材１１４に印加される電圧の波形としては、電圧の立上がり及び立下がりにそれぞれ予め設定された時間（立上がり時間、立下がり時間）を要する略矩形波パルス状（台形状）のものが用いられ、図５Ａに示すように正圧方向に電圧を変化させる押し打ちパルス波形と、図５Ｂに示すように負圧方向に電圧を変化させる引き打ちパルス波形とのうち、何れかが選択される。ここでは、パルス波形のパルス幅Ｔ１（所定の時間）は、一次モードの固有振動周期の半分に設定される。圧電部材１１４に引き打ちパルス波形の電圧が印加されると、圧力室１１３ｃは、当初拡張し、その後、収縮する方向に変形する。一方、圧電部材１１４に押し打ちパルス波形の電圧が印加されると、圧力室１１３ｃは、当初収縮し、その後、拡張する。
　このパルス波形は、図５Ｃに示すように、電圧の立上がり時間及び立下がり時間を短くすることで、より矩形波に近づく。矩形波電圧が印加されると、圧電部材１１４は、パルス幅Ｔ１を半周期とする振動数の振動に加えて、その整数倍の振動数の振動を発生して圧力室１１３ｃに与えることになる。これらの振動数と、一次モード振動の固有振動数（一次モード固有振動数）や二次モード振動の固有振動数（二次モード駆動振動数）との差の大きさによってその固有振動数でのインク圧の振動の振幅が変化し、同一振動数の場合には、振動が強く励起される。
　図６は、パルス波形電圧が印加された場合のインクの振る舞いを説明する図である。
　ここでは、引き打ちパルス波形電圧が印加された場合のインクの振る舞いについて説明する。
　引き打ちパルス波形電圧が圧電部材１１４に印加されて最初に圧力室１１３ｃが拡張すると、ノズル１１１ａ内のインクにかかる圧力が低下して、インクには、ノズル上段１１１ｂの側に引き込む力が働いて液面が後退する（図６ａ）。すると、インクは、圧力の増加や引き戻し速度に応じた粘性抵抗などにより減速されて、今度はノズル１１１ａの先端方向に押され、最大移動速度ｖｍａｘでノズル１１１ａの先端（開口）から押し出される（図６ｂ）。
　ノズル１１１ａの開口からインク圧の変化量に応じた長さＬ１押し出されたインクには（図６ｃ）、粘性抵抗Ｆｒがかかり、ノズル１１１ａの開口からそのまま飛び続けようとするのを妨げる（図６ｄ）。ノズル１１１ａの開口から飛び出したインクがそのまま飛び続けようとする慣性に相当する力Ｆｉ（押し出される際に受けた仕事量に相当）の方が粘性抵抗Ｆｒ（粘性により消費する仕事量に相当）よりも大きい場合には、この押し出されたインクは、インク流路内に引き戻されるインクから分離して液滴となり、最大移動速度ｖｍａｘより小さい速度ｖｄで吐出される（図６ｅ）。
　即ち、ノズル１１１ａの開口から押し出されたインクが液滴としてインク流路内のインクから分離して吐出されるか否かは、表面張力などの他の力を無視して近似的に、インクがノズル１１１ａから押し出される際に受けた力Ｆｉと、当該インクの引き戻しに係る粘性抵抗Ｆｒとにより算出される。
　粘性抵抗Ｆｒに係るせん断応力τは、ノズル１１１ａのノズル軸に垂直な面内方向をｙ方向として、インクの液面のノズル軸方向への移動速度ｖとインクの粘度η（粘性係数）とを用いて、τ＝η・ｄｖ／ｄｙと表される。この値は、ノズル１１１ａを流れる層流の速度で近似をすると、τ＝η・（ｖ／（φ／４））となる。
　また、ノズル１１１ａの先端から押し出されて液滴として分離しようとする（せん断される）インク部分のインク柱の長さをＬ２とすると、その表側面積Ｓ２は、円柱形状に近似して、Ｓ２＝πφＬ２と求められる。せん断応力τは、粘性抵抗Ｆｒの単位面積当たりの力なので、τ＝Ｆｒ／Ｓ２であり、即ち、τ＝Ｆｒ／（πφＬ２）である。
　これらの関係式に基づいて、粘性抵抗Ｆｒは、Ｆｒ＝４πＬ２ηｖと求められる。即ち、速度ｖに対する比例係数である粘性抵抗係数Ｒは、Ｒ＝４πＬ２ηとなる。
　一方、ノズル１１１ａから押し出されるインクが受けた力Ｆｉは、押し出されたインクの質量Ｍ、インクの押し出しに係る固有振動の角速度ω、及び速度ｖにより、Ｆｉ＝Ｍωｖである。質量Ｍは、インクの密度ρとノズル１１１ａの先端から押し出されたインク柱の長さＬ１とにより、Ｍ＝πρ（φ／２）２Ｌ１となる。従って、固有振動数をｆとして、力Ｆｉは、Ｆｉ＝２π２ｆρｖ（φ／２）２Ｌ１と求められる。
　以上のように求められた粘性抵抗Ｆｒと力Ｆｉとの比Ｆｉ／Ｆｒ＝Ｍω／Ｒは、共振の強さを示す指標として用いられているＱ値である。ここでは、このＱ値は、Ｑ＝（Ｌ１／Ｌ２）πｆρφ２／（８η）となる。Ｌ１＝Ｌ２であると仮定をすると、Ｑ＝πｆρφ２／（８η）となる。このようにして求められたＱ値が１以上の場合には、ノズル１１１ａから押し出されたインクは、インク流路内のインクから分離して液滴として吐出され得る。
　即ち、このインクジェットヘッド１００では、Ｑ値に係る上記の条件を満たしながらノズル１１１ａから駆動パルス１回あたりのインク吐出体積Ｍ／ρ（所定量のインク）を減少させるようにヘッドチップ１１０の各部位のサイズやインクの粘度ηなどの組み合わせが選択される。具体的には、駆動パルス１回当たりのインク吐出体積を１ｐｌ未満、より好ましくは、０．１ｐｌ以下に抑える。
　このとき、ノズル径φを小さくする一方で、固有振動数ｆを大きくすることで、液滴サイズ（体積）を小さくしながらＱ値を下げずに液滴を分離、吐出させることが出来る。
　一方、粘度ηの低下と、圧力室１１３ｃの変形量の増加に繋がる印加電圧の上昇は、何れも液面の最大移動速度ｖｍａｘ及び液面位置Ｌ１の変動振幅の増大に繋がる。従って、粘度ηの低下や印加電圧の上昇により、吐出される液滴サイズが増加することになる。そこで、一方を増大又は減少させる場合には、可能な範囲で連動して他方も増大又は減少させる。
　次に、上記条件を満たすヘッドチップ１１０におけるインクの吐出動作の計算例について示す。
　図７は、計算に用いられたヘッドチップ１１０の各部位のサイズを示す図表である。
　ここでは、ヘッドチップ１１０は、上記３つの固有振動数として、１２０ｋＨｚ（一次モード）、６１６ｋＨｚ（ノイズ）、８１６ｋＨｚ（二次モード））を有する構造（設定１）である。インレット１１３ｂの長さを他の部位と比較して大きく取ることで、一次モードと二次モードの固有振動数の差が大きくなるように設定されている。圧電部材１１４のパラメーターｄ３１は、収縮方向の圧電定数（ｐｍ／Ｖ）である。
　図８及び図９は、上記サイズのヘッドチップ１１０において、一次モードの固有振動周期に対応した長さのパルス波形電圧が圧電部材１１４に印加された場合におけるインク液面の移動速度及び液面位置を計算した例を示す図である。ここでは、密度ρが９８０ｋｇ／ｍ３、粘度ηが３ｍＰａ・ｓ（３ｃｐ）であるインクに圧力室１１３ｃの変形により圧力変化を与えた場合の算出値を示す。また、ここでは、定性的な性質の違いを示すため、縦軸の具体的な数値に係る表記を省略する。
　図８ａに示すように、引き打ちパルス波形電圧が、立上がり時間及び立下がり時間を０．９μｓとして、１２０ｋＨｚの一次モード固有振動の半周期長であるＴ＝４．１７μｓのパルス幅で印加された場合には、図８ｃに示すように、インクの液面位置（メニスカス）は、当初ノズル１１１ａの開口面から後退した後に押し出される。このとき、図８ｂに示すように、ノズル１１１ａ付近におけるインクの液面の移動速度は、この一次モード固有振動の周期で変化すると共に、より周期の短い二次モード固有振動に係る変化が重畳されたものとなる。これらの変化の位相が揃った場合には、振幅が増大し、位相が反対となった場合には、振幅が相殺される。
　ここで、上記インクの密度ρ、粘度η、及びノズル径φでは、一次モードの固有振動数でのＱ値は、１より小さく（Ｑ＝０．３８）、二次モードの固有振動数でのＱ値は、１より大きい（Ｑ＝２．６２）。従って、一次モードの固有振動のみでは、インクは、液滴として分離して吐出されない。
　この例では、二次モードの固有振動が十分に励起されていないので、一次モードの固有振動に係るパルス波形電圧の印加で二次モードの固有振動によるインクの吐出がなされない。そこで、図８ｄに示すように、印加電圧の引き打ちパルス波形を、立上がり時間及び立下がり時間が無視可能な程度に速い矩形波として、Ｔ＝４．１７μｓの幅で印加する。その結果、図８ｆに示すように、インクの液面位置は、一次モードの固有振動に従ってノズル１１１ａの開口面から一度後退した後に押し出されるが、図８ｃに示した例と比較してより大きな細かい変動を伴う。また、図８ｅに示すように、このときのインクの液面の移動速度は、一次モード固有振動の周期での変化に対して二次モードの固有振動による変化がより大きい振幅で重畳されたものとなり、即ち、二次モード固有振動の各周期でインクが大きく加速される。この場合、インクは、二次モードの固有振動により液滴として分離して吐出される。但し、このとき、一の液滴に加えて前後に複数の液滴（サテライト）を伴って吐出され易くなる。
　これらの結果により、一次モードの固有振動に係る振幅に対して二次モードの固有振動に係る振幅が小さい場合には、二次モードの固有振動に係る振幅が重畳されてもインク液滴が分離されずに吐出されない。一方、一次モードの固有振動に係る振幅に対して二次モードの固有振動に係る振幅が大きい場合には、二次モードの固有振動周期ごとにインク液滴が複数回分離されて、サテライトが生じる。ここで、サテライトが細かい噴霧状になり、本液滴と比較して非常に低速な場合には、ノズル周囲を漂って意図しない場所に付着する虞があり、好ましくない。従って、この立上がり時間及び立下がり時間を適宜な長さとして、一次モードの固有振動に対する二次モードの固有振動の振幅比が適切な値に設定される必要がある。具体的には、パルス電圧の立上がり時間は、二次モードの固有振動周期（ここでは、１．２３μｓ）よりも短いことが望ましい。これにより、二次モードの固有振動が効率良く励起される。
　なお、粘度ηを低下させることで（例えば、１．０ｍＰａ・ｓ）、一次モードの固有振動に対してもＱ値を１以上とすることが出来る。この場合には、二次モードの固有振動により振幅を適宜相殺することで、インクの吐出量を低減させることが可能である。
　次に、図９には、押し打ちパルス波形電圧を印加した場合におけるインクの液面の移動速度及び液面位置の計算結果を示す。図９ａに示すように、パルス電圧が３９．４Ｖ、立上がり時間及び立下がり時間を０．７μｓとして、３．８μｓのパルス幅（振動数は、１３２ｋＨｚ）で圧電部材１１４に印加されている。図９ｃに示すように、インクの液面位置は、最初にノズル１１１ａの開口面から押し出された後に引き戻されていく。このとき、図９ｂに示すように、インクの液面の移動速度には、一次モードの固有振動の周期での変化に対して二次モードの固有振動に係る変化が重畳されて現れる。そして、最初の二次モード固有振動周期において振幅及び移動速度が最大となって、インク液滴が分離して吐出される。この場合のインク吐出体積は、０．２０ｐｌまで抑えることが出来る。
　図９ｄ、ｅには、押し打ちパルス波形電圧として５８．０Ｖを印加し、また、インクの粘度ηを５ｍＰａ・ｓに変更して算出した場合の例を示す。その他の条件は、図９のａ～ｃと同一である。
　粘度ηが高くなってＱ値が下がると（Ｑ値は、１．５７）、上述したように、インクは、液滴として分離し難くなるが、力Ｆｉが粘性抵抗Ｆｒより大きい場合には、印加電圧を上昇させることでインクの液面位置の振動を増大させてインク液滴を吐出させることが可能になる。インクの液面の移動速度は、図９ｄに示すように図９ｂに示したものと同様となり、また、インクの液面位置の変化も、図９ｅに示すように図９ｃに示したものと同様となる。この場合に吐出されたインクの体積は、０．２１ｐｌである。
　この図９に示した場合でも、一次モードの固有振動でのＱ値は１未満であり、二次モードの固有振動でのＱ値は１以上である。ここでは、二次モードの固有振動に基づいてインクを適切に分離して吐出させるために、パルス電圧が印加される時間幅を一次モードの固有振動の半周期から若干ずらすと共に、パルス波形の立上がり時間及び立下がり時間を図８ａに示したものと比較して若干短くしている。即ち、パルス幅としては、一次モードの固有振動周波数に対応する範囲（例えば、高調波や他の固有振動周波数よりもこの固有振動周波数に近い範囲）で適宜ずらして設定することも可能である。これらの設定により、二次モードの固有振動を効果的に励起させることで、一次モードの固有振動数に対応する印加電圧波形を用いながら二次モードの固有振動に対応して微少量のインクを吐出させることが出来る。
　次に、押し打ちパルス波形の場合と引き打ちパルス波形の場合の違いについて、詳しく説明する。
　図１０は、引き打ちパルス波形電圧の印加によりインクに二次モードの固有振動を励起させた場合におけるインク液滴の吐出について説明する図である。ここでは、図１０ａに示すように、上記設定１の二次モードの固有振動周期の半分である０．６１μｓ（（１／８１８／２）ｋＨｚ）の負の駆動パルス電圧を大きさ３６Ｖで圧電部材１１４に印加した場合における粘度η＝３ｍＰａ・ｓ、密度ρ＝９８０ｋｇ／ｍ３のインクの振る舞いに係る計算結果を示す。
　引き打ちパルス波形電圧が印加されると、図１０ｃの液面位置に示すように、先ず、インク液面がノズルの吐出面からノズル上段１１１ｂ方向に引き戻されて、その後のインク液面の振動に伴ってインクが吐出される。また、図１０ｂの液面の移動速度に示すように、引き打ちパルス波形電圧の印加による液面位置の振動は、減衰せずに残りやすく（残響振動）、複数回インクが押し出される（タイミングｔ１～ｔ３）。
　即ち、この引き打ちパルス波形電圧が印加された場合には、複数回のインクの押し出しの途中でそれぞれインク液滴が分離するので、吐出されたインク液滴の飛翔速度を安定に制御するのが難しい。また、図１０ｄの模式図に示すように、これらのピークに伴い、本来のインク吐出に係る液滴の前又は後にサテライトｓが形成されやすい。また、印加電圧の値を上げていくと（例えば、３９Ｖ）、分離、吐出されたインク液滴が途中で分裂して、２滴のインクが吐出されることも示された。更に、この振動が次周期のパルス波形電圧に係る一次モードの振動にまで重なることにより、複数の位相の振動が混在して相殺され、連続的なインクの吐出を行い難くなる場合が生じ得る。
　図１１は、圧力室１１３ｃに押し打ちパルス波形電圧の印加によりインクに二次モードの固有振動を励起させた場合におけるインク液滴の吐出について説明する図である。ここでは、図１１ａに示すように、上記設定１の二次モードの固有振動周期と等しい１．２３μｓ（１／８１８ｋＨｚ）の正圧の駆動パルスを立ち上がり時間及び立下がり時間０．０５μｓ、パルス電圧３０Ｖで圧電部材１１４に印加した場合における粘度が３ｍＰａ・ｓ、密度が９８０ｋｇ／ｍ３のインクの振る舞いに係る計算結果を示す。
　押し打ちパルス波形電圧が印加された場合には、二次モードの振動における最初のインクの押し出しの際に強い押し出し速度が生じてインクが吐出される。即ち、この押し打ちパルス波形電圧の印加では、最初の液面移動速度のピークに伴って効率良くインクが吐出される。このときのインク液滴の体積は、０．１０ｐｌとなった。そして、図１１ｂに示すように、押し打ちパルス波形電圧が印加された場合における液面位置の振動は、引き打ち波形電圧が印加された場合と比較して速やかに減衰する。その結果、押し打ちパルス波形電圧が印加された場合には、一次モードの振動が加えられるごとにその先頭のタイミングで一度明確にインクを吐出させた後にノイズとなる残響振動を残さないので、サテライトの発生や連続吐出への悪影響が少なく安定した連続吐出を行うことが出来る。
　このとき、二次モード固有振動数と一次モード固有振動数の比を所定の値以上とすることで、二次モード固有振動に係る各振動周期中に一次モード固有振動に係るインクの液面位置の変化を抑えることが出来る。具体的には、二次モードの固有振動数を一次モードの固有振動数の４倍以上とすることで、押し打ちパルス波形電圧の印加により励起される二次モード固有振動の最初の一周期の間に一次モードの固有振動に係る変位を、当該一次モードの固有振動振幅の半分以下に抑えることが出来る。従って、一次モードの固有振動に係る液面位置変化の悪影響を受けず、二次モードの固有振動に係る液面位置変化に基づいてインクを吐出させることが出来る。
　この押し打ちパルス波形電圧を上下させることで、インクの吐出を安定に保ったまま液滴の飛翔速度及び液滴体積を変化させることが出来る。例えば、印加電圧を２７Ｖに低下させることで、飛翔速度が１～２ｍ／ｓ、液滴体積が０．０９ｐｌにそれぞれ減少し、また、印加電圧を３６Ｖに上昇させることで、飛翔速度を６ｍ／ｓ、液滴体積を０．１３ｐｌにそれぞれ増加させることが出来る。
　また、インクの粘度ηを５ｍＰａ・ｓに変更した場合には、パルス波形電圧を４２Ｖに上昇させることで、同様に、液滴の体積を０．１０ｐｌとしたインクの吐出を安定に行わせることが出来る。
　以上のように、押し打ちパルス波形電圧の印加により吐出されるインク液滴は、引き打ちパルス波形電圧の印加により吐出されるインク液滴と比較して広い条件範囲で安定に分離、飛翔させることが出来る。
　図１２は、押し打ちパルス波形電圧の印加でインクに二次モードの固有振動を励起させた場合におけるインク液滴の吐出に対する二次モード経路長の影響を示す図表である。
　上述したように、二次モードの固有振動は、圧力室１１３ｃ及びノズルの構造によるものであり、同一形状であれば、これらの構成の合計長が長くなるに従って固有振動数が低下する。ここでは、設定１に対して連通口１１２ａやノズル上段１１１ｂの長さが延長されると（設定２、設定３）、二次モードの固有振動数が低下する。この結果、液面の移動速度の変化が小さくなり、一度の駆動パルス波形により吐出される液滴の体積が増加する。但し、この体積変化量は、二次モードの固有振動数の変化と比較して緩やかであり、従って、圧力室１１３ｃ及びノズルのサイズの設定には、幅を持たせることが出来る。
　図１３は、押し打ちパルス波形電圧の印加でインクに二次モードの固有振動を励起させた場合におけるインク液滴の吐出に対するインレット１１３ｂの長さの影響を示す図表である。
　上述したように、インレット１１３ｂの長さは、一次モードの固有振動数及びノイズの固有振動数に影響する。従って、二次モードの固有振動数は、設定１に対して設定４～７において特徴的な変化を示さない。この場合において、一度の駆動パルス波形により吐出される液滴の体積は、顕著な変化を示さない。
　ここで、インレット１１３ｂの長さが短くなると、一次モードの固有振動に係る構造と二次モードの固有振動に係る構成がより類似していくことになる。従って、一次モードの固有振動数が上昇して二次モードの固有振動数に近づく。その結果、印加される駆動パルス波形は、一次モードの固有振動を同様に励起することになって、インクの吐出に係る液面の移動速度が単独のピークだけでなく、その後にも１又は複数のピークを持つ波形（残響振動）となる。即ち、サテライトが生じやすくなるなどの問題が生じ得る。
　このように、インレット１１３ｂの長さは、二次モードの固有振動に係るインクの吐出には大きく影響しないので、一次モードの固有振動数に係る設定に基づいて適宜定められれば良い。上述のように、二次モードの固有振動数が一次モードの固有振動数の４倍以上程度になるように両振動数を離してインク流路を形成されている場合には、安定に微小液滴を吐出させ易い。
　図１４は、押し打ちパルス波形電圧の印加でインクに二次モードの固有振動を励起させた場合におけるインク液滴の吐出に対するノズル１１１ａの直径の影響を示す図表である。
　設定１におけるノズル径５．０μｍに対して、設定８、設定９でそれぞれノズル径を増減させたが、若干（ここでは４％）のノズル径φの違いは、二次モードの固有振動数やインクの吐出体積に大きな影響を与えるものではない。従って、Ｑ値などとの対応から適宜な値に決められる。
　以上のように、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、ノズル１１１ａ及びこのノズル１１１ａに連通する圧力室１１３ｃを有し、インク室１２２から供給されるインクをノズル１１１ａに送るインク流路と、圧力室１１３ｃ内のインクに振動板を介して加える圧力を変化させる圧電部材１１４と、を備える。インク流路は、このインク流路の全体構造とインク物性との組み合わせに応じた一次モード固有振動数と、ノズル１１１ａを含むインク流路の一部構造とインク物性との組み合わせに応じた一次モード固有振動数より高い二次モード固有振動数とを有し、圧電部材１１４に電圧が印加されることで変形されて一次モード固有振動数に対応する所定の時間、インクに加える圧力を変化させて、一次モード固有振動数でのインクの圧力振動に係るインク液面の移動に二次モード固有振動数でのインクの圧力振動に係るインク液面の移動が重畳されたタイミングのうち少なくとも一回で所定量のインクを吐出させる。
　従って、このインクジェットヘッド１００では、印加する電圧パルスの周波数を従来と大きく変化させることなく、インクの吐出量を二次モード固有振動数に係る微小量に低減させることが出来る。また、静電吸引を行う必要が無く、且つ、粘度に応じて印加電圧を変化させることが出来るので、微小インク液滴の吐出に関してインクの種類に係る制約を緩和することが出来る。
　また、圧電部材１１４に印加する電圧を正側に変化させる押し打ちパルス波形を用いてインクを吐出させるので、二次モード固有振動に係る最初の加圧により、より確実にインクが吐出される。更に、押し打ちパルス波形電圧により励起される二次モード固有振動が短時間で減衰することから、サテライトの発生を抑え、また、残響振動による連続吐出への悪影響を抑えることが出来る。
　また、使用されるインクに対して、一次モード固有振動単独ではインクを吐出させない構成となっているので、二次モード固有振動に応じて効率良く安定に少量のインクを吐出させることが出来る。
　また、特に、一次モード固有振動数でのインクの圧力振動に係るＱ値を１未満となるようにインク流路の構造やインクの特性を設定することで、二次モード固有振動に係るインクの吐出方向への液面移動が一次モード固有振動に係るインクの液面移動に相殺されないように重畳されたタイミングでのみ、適切にインクを短時間で微少量吐出させることが出来る。
　また、二次モードの固有振動数が一次モードの固有振動数の４倍以上となるようにインク流路を形成することで、一次モードの固有振動に係る液面位置の変化の悪影響を抑えて二次モードの固有振動に係る液面位置の変化に基づく安定したインクの吐出を行わせることが出来る。
　また、圧電部材１１４に印加される略矩形波電圧の立上がり時間及び立下がり時間を二次モード固有振動数の一周期よりも短く定めてインクを加圧することで、二次モード固有振動数でのインクの振動を効率良く励起させて当該二次モードの固有振動に応じてインクを吐出させることが出来る。従って、微少量のインク液滴をより効率良く吐出させることが出来る。
　また、圧力室１１３ｃは、圧電部材１１４に電圧が印加されることで変形されてインクに加える圧力を変化させる構成であるので、小型で効率良く、且つ、応答精度良くインクに所望の圧力を加えることが出来る。
　また、本実施形態のインクジェット記録装置１０は、インクジェットヘッド１００と、制御部２００とを備え、制御部２００は、予め定められたインクの吐出周期毎に圧電部材１１４に電圧を印加させて圧力室１１３ｃ内の圧力を変化させる。即ち、このインクジェット記録装置１０では、容易にインクの物性に応じて一次モードの固有振動数に対応する適切に定められた電圧を印加することが出来るので、構成を大型化したり駆動制御を複雑化したりせず、且つ、静電吸引可能なインクに限定されるといった厳しい制約を加えずとも、容易に微小容量の液滴を吐出することが出来る。
　なお、本発明は、上記実施の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、上記実施の形態では、圧電部材１１４と振動板とを用いた撓みモードの変形がなされてインクに圧力が加えられる圧力室１１３ｃを例に挙げて説明したが、複数のモードの固有振動を励起可能な方法であれば、他の方法でインクに圧力が加えられても良い。
　また、上記実施の形態では、圧力室１１３ｃと同一の基板上で共通流路１１３ａとの間に設けられたインレット１１３ｂの有無によって一次モードと二次モードの固有振動が現れる構造としたが、これに限られない。更に複数の層が積層されて、これらの層を介して共通流路１１３ａと圧力室１１３ｃとが連通される場合には、これらの間の貫通孔や連通口も一次モードの固有振動数に影響する。
　また、インク流路の構造が複雑な場合には、三次モードの固有振動や他のノイズに係る固有振動が存在し得るが、インクの吐出に用いるには不適切な振動数範囲の固有振動が出来るだけ励起されないようにインク流路が形成され、また、印加電圧のパルス波形が定められることが望ましい。一方で、三次モードの固有振動がインクの吐出に用いることが可能な振動数範囲の場合には、二次モードの振幅や位相と調整しながら上記実施形態と同様に本発明を適用して、インクを吐出させることが出来る。
　また、サテライト液滴は、着弾量と着弾位置が適切に制御出来るのであれば、発生を必ず抑制しなければならない訳ではない。
　また、引き打ちパルス波形電圧が印加される場合には、二次モード固有振動数の一次モード固有振動数に対する比（振動数比）に応じて本液滴の吐出に係る二次モード固有振動周期間の一次モード固有振動の位相範囲が変わる。また、本液滴を吐出する際の二次モード固有振動の振幅は、その減衰率にも応じて変化する。従って、振動数比は、４：１またはこれよりも大きく設定されると良い。
　また、上記実施の形態では、表面張力の影響を無視したが、効果を含めて同様に二次モードの固有振動の設定を適切に行うことが出来る。
　また、本発明に係るインクジェット記録装置は、ラインヘッドであってもシリアルヘッドであっても良く、また、画像を形成する対象の記録媒体やそのサイズなどは、適宜設定可能である。その他、上記実施の形態で示した構成、構造、処理や数値などの具体的な細部は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
［実施例］
　以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
［ヘッドチップの作製］
　図７に示したパラメーターに基づき、ノズルの直径を５．５μｍとしたインク流路を有し、一次モードとして１２０ｋＨｚ、二次モードとして８１６ｋＨｚの固有振動数をそれぞれ持つノズルが１２８本配列されたヘッドチップを作製した。
［動作結果］
　一次モードに対応する駆動パルス幅４．１μｓの押し打ちパルス波形電圧を立上がり時間及び立下がり時間を０．９μｓとして圧電部材に印加してインクの吐出を行わせた。インクには、粘性抵抗が３ｍＰａ・ｓ、表面張力が３．０×１０－２Ｎ／ｍ、密度が９．８０×１０２ｋｇ／ｍ３のダミーインクを用いて、インク流路に供給した。そして、ノズルから吐出されるインクを液滴観測装置（ドロップウォッチャー）で断続的に撮影し、観察した。
　その結果、パルス波形電圧を３４Ｖとした場合に、１回のパルス波形電圧の印加ごとに、０．１ｐｌの液滴が液滴速度４．５ｍ／ｓで各ノズルから安定に飛翔することが確認された。
　次に、駆動パルス幅４．１μｓの引き打ちパルス波形電圧を立上がり時間及び立下がり時間を０．９μｓとして圧電部材に印加してインクの吐出を行わせた。
　その結果、３４Ｖのパルス波形電圧を印加した場合に、０．１ｐｌの液滴が吐出されることが確認された。但し、連続的に吐出を続けると、ノズルごとにミストの発生や着弾位置のずれ、又は、吐出の欠損が生じる場合があるとの結果が得られた。
　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利用することが出来る。
１０   インクジェット記録装置
１００ インクジェットヘッド
１１０ ヘッドチップ
１１１ ノズル基板
１１１ａ      ノズル
１１１ｂ      ノズル上段
１１２ 中間基板
１１２ａ      連通口
１１３ 圧力基板
１１３ａ      共通流路
１１３ｂ      インレット
１１３ｃ      圧力室
１１４ 圧電部材
１２０ インク供給部
１２１ 筐体
１２２ インク室
１２３ インク供給口
１３０ フレーム部
１３１ 突起部
１３２ 孔部
２００ 制御部
３００ 搬送部
４００ 通信部
５００ 操作表示部

Claims (8)

  1. 　インクを吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室とを有し、インク室から供給されるインクを前記ノズルに送るインク流路と、
    　前記圧力室内のインクに加える圧力を変化させる加圧部と、
    　を備えたインクジェットヘッドであって、
    　前記インク流路は、前記インク流路全体と前記インクとの組み合わせに応じた一次モード固有振動数と、前記ノズルを含む前記インク流路の一部と前記インクとの組み合わせに応じた前記一次モード固有振動数より高い二次モード固有振動数とを有し、
    　前記加圧部は、前記一次モード固有振動数に対応する所定の時間前記インクに加える圧力を変化させて、前記一次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るインク液面移動に前記二次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るインク液面移動が重畳されたタイミングのうち少なくとも一回で所定量のインクを吐出させる
    　ことを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 　前記加圧部は、前記所定の時間、前記インクに加える圧力を上昇させた状態とすることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
  3. 　前記インク流路は、前記一次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るインク液面移動のみでは前記インクが吐出されないサイズに前記ノズル径が設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェットヘッド。
  4. 　前記一次モード固有振動数での前記インクの圧力振動に係るＱ値は、１未満であることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
  5. 　前記インク流路は、前記二次モード固有振動数が前記一次モード固有振動数の４倍以上であるように形成されていることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
  6. 　前記加圧部により前記インクに加えられる圧力の変化は、立上がり時間及び立下がり時間が前記二次モード固有振動数の一周期よりも短い略矩形波パルス状の変化であることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
  7. 　前記加圧部は、圧電部材を有し、当該圧電部材に電圧が印加されることで変形されて前記インクに加える圧力を変化させる構成であることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
  8. 　請求項１～７の何れか一項に記載のインクジェットヘッドと、
    　前記インクジェットヘッドの動作を制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、予め設定されたインク吐出間隔ごとに前記加圧部を動作させて、インクを吐出させる前記ノズルに連通する前記圧力室内の前記インクに対して加える圧力を変化させる
    　ことを特徴とするインクジェット記録装置。
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