(57)【要約】【課題】インク滴の飛翔方向の乱れや高速サテライトが原因となって、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを確実に防止しうる、新規な圧電インクジェットヘッドを提供する。【解決手段】インク滴吐出のためのノズル部３を、加圧室側の内径が大きく、かつ先端側の内径が小さい先細りになったノズル基部３ａと、このノズル基部３ａの先端側に連通し、その先端をインク滴吐出のための開口３ｃとした、内径が一定のノズル先端部３ｂとを有する形状に形成した。【選択図】  図３
2004299123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）  インクが充てんされる加圧室と、
（Ｂ）  この加圧室に連通したノズル部と、
（Ｃ）  圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズル部先端の開口を通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む駆動部と、
を備えた圧電インクジェットヘッドであって、
上記ノズル部を、加圧室側の内径が大きく、かつ先端側の内径が小さい先細りになったノズル基部と、このノズル基部の先端側に連通し、その先端をインク滴吐出のための開口とした、内径が一定のノズル先端部とを有する形状に形成したことを特徴とする圧電インクジェットヘッド。
【請求項２】
ノズル先端部の内容量を、吐出するインク滴の体積の１／２倍以上とした請求項１記載の圧電インクジェットヘッド。
【請求項３】
ノズル先端部の長さを、ノズル先端部の内径の１／３倍以上とした請求項２記載の圧電インクジェットヘッド。
【請求項４】
ノズル基部をテーパー状に形成し、かつそのテーパー角度を２０°以下とした請求項１記載の圧電インクジェットヘッド。
【請求項５】
ノズル基部をテーパー状に形成し、かつその内周面と、ノズル先端部の内周面との境界部をアール面で面取りした請求項１記載の圧電インクジェットヘッド。
【請求項６】
ノズル基部の内周面を、ノズル先端部の内周面から滑らかに連続する曲面に形成した請求項１記載の圧電インクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にプリンター、コピア、ファクシミリ、およびそれらの複合機などに好適に用いることのできる圧電インクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばオンデマンド型のインクジェットプリンタなどに用いる、圧電素子の電歪効果を駆動源とする圧電インクジェットヘッドにおいては、当該圧電素子に電圧を印加して変形させることによって振動板を撓ませて加圧室の容積を減少させることで、当該加圧室内のインクを、連通するノズル部からインク滴として吐出させて、紙面にドットを形成している。
【０００３】
上記のうちノズル部は、吐出させるインク量や、あるいは吐出させるインク滴の飛翔速度などに対応して、その先端の、インク滴吐出のための開口の開口径などを設定している。
たとえば特許文献１においては、典型的なノズル部の形状として、先端側の内径が小さく、かつ加圧室側の内径が大きいテーパー状のものが記載されているとともに、開口の開口径、テーパー角度、長さが規定されている。
【０００４】
ノズル部をテーパー状とすると、たとえば加圧室とノズル部とを繋ぐ、当該ノズル部よりも径の大きいノズル流路から、たとえば数十μｍに絞った小径のノズル部への、インクの流入をスムースに行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１４７２１２号公報（請求項１、第０００９欄、図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１のようなテーパー状のノズル部の場合、ノズル部内のインクの流速の方向が、当該ノズル部の中心軸の方向と平行にならないために、吐出するインク滴の飛翔方向が乱れやすい。
また、とくにテーパー角度、すなわちノズル部の内周面を構成する円錐の母線が中心軸となす角度が大きい場合、インク滴の形成時に、先頭に飛翔速度が速い小滴、いわゆる高速サテライトが発生する。
【０００７】
そしてこのいずれの場合にも、紙面に形成した画像に、これらのインク滴によって、いわゆるチリの不良が発生するという問題があった。
本発明の目的は、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを確実に防止しうる、新規な圧電インクジェットヘッドを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
テーパー状のノズル部であると、ノズル部内の流速は、テーパーに沿って径方向に向かう速度成分を持ったままノズル部の外に出てインク滴を形成する。そのためインク滴の飛翔方向が、外乱によって乱れやすくなってしまう。
インク滴の飛翔の直進性を向上させるためには、できる限り、ノズル部内の流速を中心軸と平行な方向にそろえてやる必要がある。そのためには、ノズル部の先端側に、中心軸と平行な、内径が一定である所定長の領域を設けてやればよい。
【０００９】
したがって請求項１記載の発明は、
（Ａ）  インクが充てんされる加圧室と、
（Ｂ）  この加圧室に連通したノズル部と、
（Ｃ）  圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズル部先端の開口を通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む駆動部と、
を備えた圧電インクジェットヘッドであって、
上記ノズル部を、加圧室側の内径が大きく、かつ先端側の内径が小さい先細りになったノズル基部と、このノズル基部の先端側に連通し、その先端をインク滴吐出のための開口とした、内径が一定のノズル先端部とを有する形状に形成したことを特徴とする圧電インクジェットヘッドである。
【００１０】
圧電インクジェットヘッドの駆動方法として、ドット形成の直前に加圧室の容量を拡大させる方向に圧電素子を変形させて、ノズル部内のインクメニスカスを引き込み、その後、加圧室の容量を縮小させる方向に圧電素子を変形させることでインク滴をノズル部から吐出させる、いわゆる引き打ち方式が用いられることが多い。
かかる引き打ち方式の駆動方法においては、インクメニスカスの引き込み時に、引き込まれたインクメニスカスがノズル先端部内にとどまっておれば、インク滴の飛翔の直進性をさらに向上することができる。そのためには、メニスカスの引き込み量が通常、吐出されるインク滴の体積の半分以下であるため、ノズル先端部の内容量を、吐出するインク滴の体積の１／２倍以上に設定するのが好ましい。
【００１１】
したがって請求項２記載の発明は、ノズル先端部の内容量を、吐出するインク滴の体積の１／２倍以上とした請求項１記載の圧電インクジェットヘッドである。
なお実際に吐出されるインク滴の体積は、圧電インクジェットヘッドの駆動条件などによっても異なってくるので、ここでは、圧電インクジェットヘッドの、設計上の理想的なインク滴の体積を基準として、上述したノズル先端部の内容積を規定することとする。
【００１２】
また、ノズル先端部の内容積を規定するためには、まず理想的なインク滴の体積と同等の体積の球を仮定し、その直径と同等になるようにノズル先端部の内径を規定する。理想的なインク滴の体積をＶ、ノズル先端部の内径をφとすると、式（ｉ）：
πφ３／６＝Ｖ      （ｉ）
により、ノズル先端部の内径φを決定できる。
【００１３】
次に、ノズル先端部の長さをＬとすると、ノズル先端部の内容量をインク滴の体積の１／２倍以上に設定するためには、式（ｉｉ）：
πφ２Ｌ／４≧Ｖ／２      （ｉｉ）
を満たすようにＬを決定すればよい。そしてこれらの式から、Ｌ≧φ／３を満たすように、φに対してＬを決定すれば、上記のようにノズル先端部の内容積を、吐出する理想的なインク滴の体積の１／２倍以上に規定できることがわかる。
【００１４】
したがって請求項３記載の発明は、ノズル先端部の長さを、ノズル先端部の内径の１／３倍以上とした請求項２記載の圧電インクジェットヘッドである。
ノズル基部を、従来のテーパー状のノズル部と同様に先端側の内径が小さく、かつ加圧室側の内径が大きいテーパー状に形成した場合、そのテーパー角度が大きいと、ノズル部の径方向に向かう速度成分が大きくなり、ノズル先端に向かうにつれて、中心軸の近傍の流速が周囲の流速に比べて極端に速くなる。そして、こうした流速の影響を受けて、開口から吐出されたインクによって形成されるインク柱の先端が先鋭になり、その先端から高速の小滴が分離して、前述した高速サテライトを発生する場合がある。
【００１５】
こうした高速サテライトの発生をより確実に防ぐためには、ノズル部の径方向に向かう速度成分をできるだけ小さくするべく、ノズル基部のテーパー角度を２０°以下にするのが好ましい。
したがって請求項４記載の発明は、ノズル基部をテーパー状に形成し、かつそのテーパー角度を２０°以下とした請求項１記載の圧電インクジェットヘッドである。
【００１６】
またノズル基部内のインクの流れを、ノズル先端部との境界部で、できるだけスムースに、中心軸と平行になるよう案内してやることによって、上記と同様に高速サテライトの発生をより確実に防止することができる。そのためには、テーパー状に形成したノズル基部の内周面と、ノズル先端部の内周面との境界部をアール面で面取りするのが好ましい。
したがって請求項５記載の発明は、ノズル基部をテーパー状に形成し、かつその内周面と、ノズル先端部の内周面との境界部をアール面で面取りした請求項１記載の圧電インクジェットヘッドである。
【００１７】
またノズル基部をテーパー状ではなく、その内周面が、ノズル先端部の内周面から滑らかに連続する曲面となるように形成しても、同様の効果が得られる。
したがって請求項６記載の発明は、ノズル基部の内周面を、ノズル先端部の内周面から滑らかに連続する曲面に形成した請求項１記載の圧電インクジェットヘッドである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
図１は、本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。
図の例の圧電インクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル部３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
【００１９】
また図２（ａ）は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部を取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図２（ｂ）は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
各ドット形成部のノズル部３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉであって、圧電インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。
【００２０】
各ドット形成部は、基板１の、図２（ａ）において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル部３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋ぐとともに、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。
【００２１】
また上記各部は、図の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズル部３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。
また第１基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。
【００２２】
さらに各基板１ａ〜１ｄは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７と、少なくとも各ドット形成部を覆う大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８と、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子９と、各圧電素子９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とを、この順に積層することで駆動部を構成してある。
【００２３】
なお圧電素子９を、いくつかのドット形成部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
上記のうち振動板７は、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また振動板７には、先の基板１の通孔１１ａとともにジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。
【００２４】
共通電極８、個別電極１０は、ともに金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、例えば白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
圧電素子９を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【００２５】
薄板状の圧電素子９は、従来と同様にして形成することができる。
例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法（またはＭＯＤ法）によって、共通電極８上に、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、圧電素子９を形成することができる。
【００２６】
圧電素子９を、例えば横振動モードとして駆動するためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子９をエージング処理してもよい。
圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電素子９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から正の駆動電圧ＶＰを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電素子９と振動板７とが加圧室方向に撓むことになる。
【００２７】
このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル部３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル部３の外に向かうことによって、ノズル部３内のインクメニスカスが外部へと押し出されて、インク柱が形成される。
インク柱は、やがて振動の速度がノズル部内方向に向かうことによってノズル部３内のインクメニスカスに吸収されるが、その際、前記のようにインク柱の先端部が切り離されて、インク滴となって紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【００２８】
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル部３内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル部３に再充てんされる。
この例では、上記各部のうちノズル部３を、図２（ａ）（ｂ）および図３（ａ）（ｂ）に示すように、加圧室２側の内径が大きく、かつ先端側の内径が小さい先細りになったテーパー状のノズル基部３ａと、このノズル基部３ａの先端側に連通し、その先端をインク滴吐出のための開口３ｃとした、内径がノズル基部３ａの先端側の内径と等しい一定値であるノズル先端部３ｂとを有する形状に形成してある。そしてこれにより、先に述べたようにインク滴の飛翔の直進性を向上させて、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを防止することができる。
【００２９】
なお、圧電インクジェットヘッドの駆動方法が、先に述べた引き打ち方式である場合には、上記ノズル先端部３ｂの内容量を、吐出するインク滴の体積の１／２倍以上とする。そうすると、これも前述したように、インク滴の飛翔の直進性をさらに向上して、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのをさらに確実に防止することができる。
ノズル先端部３ｂの内容量を調整するためには、開口３ｃの開口径と一致するノズル先端部３ｂの内径は、インク滴の体積との関係で数十μｍ前後に規定されるため、中心軸ＣＬ方向の長さを調整してやればよい。
【００３０】
具体的には、理想的なインク滴の体積と同等体積の球の直径と同等になるように、ノズル先端部３ｂの内径を規定した場合、ノズル先端部３ｂの内容量を理想的なインク滴の体積の１／２倍以上に設定するためには、ノズル先端部３ｂの中心軸ＣＬ方向の長さを、上記内径の１／３倍以上としてやればよい。
ただし、ノズル先端部３ｂの長さがあまりに長すぎる場合にはインク滴の飛翔の妨げになる上、ノズル部３を形成した第４基板１ｄの厚みが大きくなりすぎるなどのデメリットが多い。このため、当該長さを規定するノズル先端部３ｂの内容量は、吐出するインク滴の体積の２倍以下であるのがさらに好ましい。
【００３１】
具体的には、理想的なインク滴の体積と同等体積の球の直径と同等になるように、ノズル先端部３ｂの内径を規定した場合、ノズル先端部３ｂの内容量を理想的なインク滴の体積の２倍以下に設定するためには、ノズル先端部３ｂの中心軸ＣＬ方向の長さを、上記内径の４／３倍以下としてやればよい。
また上記のノズル部３において、ノズル基部３ａのテーパー角度、つまりノズル基部３ａの内周面を構成する円錐の母線が中心軸ＣＬとなす角度（図３（ａ）中のθ１）は、先に述べたように２０°以下であるのが好ましい。
【００３２】
テーパー角度θ１が２０°以下であれば、やはり先に述べたように、ノズル部３の径方向に向かう速度成分をできるだけ小さくして、開口３ｃから吐出されたインクによって形成されるインク柱の先端が先鋭になるのを防止して、高速サテライトが発生するのを防止することができる。したがって、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのをさらに確実に防止することができる。
なおテーパー角度θ１は、上記の範囲内でもとくに１０°以上であるのがさらに好ましい。テーパー角度θ１がこの範囲未満では、ノズル基部３ａの加圧室２側の内径、つまりノズル流路４に臨む開口の径が小さくなり過ぎて、当該ノズル基部３ａをテーパー状にしたことによる、ノズル流路４からノズル部３への、インクの流入をスムースに行う効果が得られなくなるおそれがある。
【００３３】
図４（ａ）は、ノズル部３の変形例を示しており、図の例では、テーパー状に形成したノズル基部３ａの内周面と、ノズル先端部３ｂの内周面との境界部をアール面３ｄで面取りしてある。そしてこれにより、ノズル基部３ａ内のインクの流れを、ノズル先端部３ｂとの境界部のアール面３ｄによって、スムースに、中心軸ＣＬと平行になるよう案内してやることができる。
また図４（ｂ）は、ノズル部３の別の変形例を示しており、図の例では、ノズル基部３ａ内周面を、テーパー状ではなく、ノズル先端部３ｂの内周面から滑らかに連続する曲面３ｅに形成してある。そしてこれにより、ノズル基部３ａ内のインクの流れを、上記曲面３ｅによって、スムースに、中心軸ＣＬと平行になるよう案内してやることができる。
【００３４】
このため、このいずれの例においても、やはり先に述べたように、ノズル部３の径方向に向かう速度成分をできるだけ小さくして、開口３ｃから吐出されたインクによって形成されるインク柱の先端が先鋭になるのを防止して、高速サテライトが発生するのを防止し、それによって紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのをさらに確実に防止することができる。
ノズル部３を、以上で説明した各例の形状に形成するためには、たとえばその形状に対応した外形を有するパンチを用いて、第４基板１ｄを打ち抜き加工する方法などを挙げることができる。
【００３５】
本発明の圧電インクジェットヘッドは、前述した引き打ち方式、および押し打ち方式のいずれの駆動方法によって駆動してもよい。
【００３６】
【実施例】
以下に本発明を、実施例に基づいて説明する。
圧電インクジェットヘッドの作製Ｉ
図１および図２（ａ）（ｂ）に示す構造を有し、なおかつ加圧室２の面積が０．２ｍｍ２、幅が２００μｍ、深さが１００μｍ、ノズル流路４の直径が２００μｍ、長さが８００μｍ、供給口５の直径が３０μｍ、長さが４０μｍであるとともに、下記のいずれかのノズル部３を有する３種の圧電インクジェットヘッドを作製した。
【００３７】
ノズル部その１：図２（ａ）（ｂ）および図３（ａ）（ｂ）に示す形状を有し、このうちノズル基部３ａの、先端側の内径が３０μｍ、中心軸ＣＬ方向の長さが５０μｍ、テーパー角度が２０°であるとともに、ノズル先端部３ｂの内径が３０μｍ、中心軸ＣＬの方向の長さが３０μｍ、内容積が、上記内径から計算される理想的なインク滴としての球の体積〔＝１４ｐｌ（ピコリットル）〕の１．５倍であるノズル部３。
【００３８】
ノズル部その２：図２（ａ）（ｂ）および図３（ａ）（ｂ）に示す形状を有し、このうちノズル基部３ａの、先端側の内径が３０μｍ、中心軸ＣＬ方向の長さが５０μｍ、テーパー角度が２５°であるとともに、ノズル先端部３ｂの内径が３０μｍ、中心軸ＣＬの方向の長さが３０μｍで、かつ内容積が上記と同じであるノズル部３。
ノズル部Ｃ：図２（ａ）（ｂ）および図３（ａ）（ｂ）に示す形状を有し、このうちノズル基部３ａの、先端側の内径が３０μｍ、中心軸ＣＬ方向の長さが５０μｍ、テーパー角度が３０°であるとともに、ノズル先端部３ｂの内径が３０μｍ、中心軸ＣＬの方向の長さが３０μｍで、かつ内容積が上記と同じであるノズル部３。
【００３９】
インク滴の形成状態の観察
上記３種の圧電インクジェットヘッドを、引き打ち式の駆動電圧波形を有する２０Ｖの駆動電圧を印加して駆動した際の、インク滴の飛翔状態を観察した。
結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2004299123.tif 000003
【００４１】
電気等価回路の作成
上記３種の圧電インクジェットヘッドについて、上記各部を集中定数で近似して、図５に示す音響系の電気等価回路を作成した。
図の電気等価回路において駆動部は、等価的に音響容量ＣａとイナータンスＭａと音響抵抗Ｒａで表すことができ、加圧室２は音響容量Ｃｃで表すことができる。
【００４２】
また供給口５は、イナータンスＭｓと音響抵抗Ｒｓで表すことができるとともに、ノズル部３のインクメニスカスの液面と、図示しないインクカートリッジ内のインクの液面との高低差に基づく水頭圧が作用している。
さらにノズル部３は、イナータンスＭｎと音響抵抗Ｒｎで表すことができるとともに、当該ノズル部３のインクメニスカスの表面張力が作用している。
上記の電気等価回路においては、駆動部に駆動電圧ＶＰを印加して圧を発生させると、ノズル部３に、図中に矢印で示す方向のインクの流れが発生する。そしてその体積速度を求めることができる。また求めた体積速度と、ノズル部３の直径やインクの表面張力などから、インク滴の飛翔速度と、インク滴の体積とを、演算により求めることができる。
【００４３】
また上記の電気等価回路と、ノズル部を差分法でモデル化したものとを連成解析することでインク滴の形状を演算することができる。なお自由表面の表現にはＶＯＦ法を利用することとする。
インク滴の飛翔速度、および形状の演算
前記３種の圧電インクジェットヘッドを、引き打ち式の駆動電圧波形を有する２０Ｖの駆動電圧を印加して駆動した際の、１滴目と２滴目のインク滴の飛翔速度、体積、およびインク滴の形状を、前記の電気等価回路、およびノズル部の差分法でのモデルを用いて演算した。
【００４４】
結果を表２および図６〜８に示す。
【００４５】
【表２】
2004299123.tif 000004
【００４６】
結論その１
表１、２および図６〜８より、テーパー状のノズル基部３ａと、内径が一定であるノズル先端部３ｂとを有するノズル部３を備えた圧電インクジェットヘッドにおいては、主にノズル先端部３ｂの機能によって、インク滴の飛翔方向の乱れを無くして、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを防止できることが確認された。また、ノズル基部３ａのテーパー角度を小さくするほど、高速サテライトの発生を抑制して、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを、さらに確実に防止できることも確認された。
【００４７】
圧電インクジェットヘッドの作製ＩＩ
図１および図２（ａ）（ｂ）に示す構造を有し、なおかつ加圧室２の面積が０．２ｍｍ２、幅が２００μｍ、深さが１００μｍ、ノズル流路４の直径が２００μｍ、長さが８００μｍ、供給口５の直径が３０μｍ、長さが４０μｍであるとともに、下記のいずれかのノズル部３を有する３種の圧電インクジェットヘッドを作製した。
【００４８】
ノズル部その４：図４（ｂ）に示すようにノズル基部３ａの内周面を、ノズル先端部４ｂの内周面から滑らかに連続する曲面としたノズル部３であって、このうちノズル基部３ａの、ノズル流路４側の開口の内径が９０μｍ、先端側の内径が３０μｍ、中心軸ＣＬ方向の長さが５０μｍであるとともに、ノズル先端部３ｂの内径が３０μｍ、中心軸ＣＬの方向の長さが３０μｍで、かつ内容積が前記と同じであるノズル部３。
【００４９】
ノズル部その５：図３（ａ）（ｂ）に示すようにノズル基部３ａをテーパー状としたノズル部３であって、このうちノズル基部３ａの、先端側の内径が３０μｍ、中心軸ＣＬ方向の長さが５０μｍ、テーパー角度が３０°であるとともに、ノズル先端部３ｂの内径が３０μｍ、中心軸ＣＬの方向の長さが３０μｍで、かつ内容積が前記と同じであるノズル部３。
インク滴の形成状態の観察
上記２種の圧電インクジェットヘッドを、引き打ち式の駆動電圧波形を有する２０Ｖの駆動電圧を印加して駆動した際の、インク滴の飛翔状態を観察した。
【００５０】
結果を表３に示す。
【００５１】
【表３】
2004299123.tif 000005
【００５２】
電気等価回路の作成
上記２種の圧電インクジェットヘッドについて、前記と同様にして、図５に示す電気等価回路と、そして今回はノズル部、およびノズル流路のノズル部と繋がる段差部の、差分法によるモデルとを作成した。
インク滴の飛翔速度、および形状の演算
上記２種の圧電インクジェットヘッドを、引き打ち式の駆動電圧波形を有する２０Ｖの駆動電圧を印加して駆動した際の、１滴目と２滴目のインク滴の飛翔速度、体積、および全インク滴の形状を、上記の電気等価回路と、ノズル部、およびノズル流路の段差部の、差分法によるモデルとを用いて演算した。
【００５３】
結果を表４および図９、１０に示す。
【００５４】
【表４】
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【００５５】
結論その２
表３、４および図９、１０より、ノズル基部３ａの内周面を、ノズル先端部３ｂの内周面から滑らかに連続する曲面３ｅに形成したノズル部３を備えた圧電インクジェットヘッドは、ノズル基部３ａをテーパー状に形成したノズル部３を備えたものと同様に、やはり内径が一定であるノズル先端部３ｂの機能によって、インク滴の飛翔方向の乱れを無くして、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを防止できることが確認された。また前者の圧電インクジェットヘッドは、ノズル基部３ａの内周面を、上記のようにノズル先端部３ｂの内周面から滑らかに連続する曲面３ｅに形成したことによって高速サテライトの発生を抑制して、紙面に形成した画像にチリの不良が発生するのを、さらに確実に防止できることも確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電インクジェットヘッドの一例における、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。
【図２】同図（ａ）は、図１の例の圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部を取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図（ｂ）は、１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【図３】同図（ａ）は、上記例の圧電インクジェットヘッドのうちノズル部の付近を拡大した拡大断面図、同図（ｂ）は、ノズル部とノズル流路の立体形状を透視した斜視図である。
【図４】同図（ａ）（ｂ）はそれぞれ、ノズル部の変形例を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の、実施例で作製した圧電インクジェットヘッドを構成する各部を集中定数で近似して作成した電気等価回路を示す回路図である。
【図６】本発明の実施例で作製した、ノズル基部のテーパー角度が２０°である圧電インクジェットヘッドに駆動電圧波形を印加してインクを吐出させた際の、インク滴の形状変化を、図５の電気等価回路と、ノズル部の、差分法でのモデルとを用いて演算した結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例で作製した、ノズル基部のテーパー角度が２５°である圧電インクジェットヘッドに駆動電圧波形を印加してインクを吐出させた際の、インク滴の形状変化を、図５の電気等価回路と、ノズル部の、差分法でのモデルとを用いて演算した結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例で作製した、ノズル基部のテーパー角度が３０°である圧電インクジェットヘッドに駆動電圧波形を印加してインクを吐出させた際の、インク滴の形状変化を、図５の電気等価回路と、ノズル部の、差分法でのモデルとを用いて演算した結果を示す図である。
【図９】本発明の実施例で作製した、ノズル基部の内周面を、ノズル先端部の内周面から滑らかに連続する曲面に形成した圧電インクジェットヘッドに駆動電圧波形を印加してインクを吐出させた際の、インク滴の形状変化を、図５の電気等価回路と、ノズル部、およびノズル流路のノズル部と繋がる段差部の、差分法でのモデルとを用いて演算した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施例で作製した、ノズル基部を、テーパー角度が３０°であるテーパー状に形成した圧電インクジェットヘッドに駆動電圧波形を印加してインクを吐出させた際の、インク滴の形状変化を、図５の電気等価回路と、ノズル部、およびノズル流路のノズル部と繋がる段差部の、差分法でのモデルとを用いて演算した結果を示す図である。
【符号の説明】
２  加圧室
３  ノズル部
７  振動板
９  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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