(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通インク室、及び、前記共通インク室の出口から圧力室を経てインクの吐出口に至る個別インク流路を有する流路ユニットと、
前記圧力室の容積をＶ１とする第１の状態と前記圧力室の容積をＶ１より大きいＶ２とする第２の状態とを選択的に取ることができ、前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクを吐出させるアクチュエータとを備えており、前記圧力室と前記アクチュエータとによる一体的な振動の際の固有振動周期が、前記個別インク流路のうち前記圧力室の出口から前記吐出口までの第１の部分流路に充填されたインクの固有振動周期に近いインクジェットヘッドであって、
前記アクチュエータ及び圧力室の一体的な変形によって前記吐出口からインクを吐出させる際に、前記一体的な変形に伴って発生する前記一体的な振動における固有振動周期がＴｓであり、前記第１の部分流路に充填されたインクの固有振動周期がＴｄであるとき、０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０又は１．１≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．７を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．４８、０．６０≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０又は１．１≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．７を満たすことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記個別インク流路の全体に充填されたインクの固有振動周期がＴｃであるとき、０．００６０≦Ｔｓ＊Ｔｄ／Ｔｃ２≦０．０１４をさらに満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記第１の部分流路において、前記圧力室と接続された端部が前記圧力室との接続位置に向かって細くなっていると共に、前記吐出口と接続された端部が前記吐出口に向かって細くなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記個別インク流路のうち前記共通インク室の出口から前記圧力室までの第２の部分流路のいずれかの領域において、前記第２の部分流路の長さ方向について垂直な断面の面積が、前記第２の部分流路と前記圧力室との境界面の面積及び前記共通インク室の出口の面積のいずれよりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記アクチュエータが、前記圧力室に対向する個別電極と、前記圧力室に対向する領域を有する圧電層と、前記圧電層の前記領域を前記個別電極と共に挟む共通電極とを有しており、
前記個別電極と前記共通電極との間の電圧がゼロであるときに前記アクチュエータ及び圧力室の一体的な変形に係る振動において前記アクチュエータ及び圧力室が平衡状態を取ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記個別電極と前記共通電極との間の電圧がゼロでない第１の絶対値である場合に前記アクチュエータが前記第１の状態を取り、前記個別電極と前記共通電極との間の電圧が前記第１の絶対値より小さい第２の絶対値である場合に前記アクチュエータが前記第２の状態を取ることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】
前記個別電極及び前記共通電極との間に前記圧電層が１枚のみ挟まれていることを特徴とする請求項６又は７に記載のインクジェットヘッド。
【請求項９】
前記圧力室及び前記個別電極の両方の形状が、
平面視において一方向に沿って長尺であり、且つ、前記一方向に平行ないずれの方向についても前記一方向に関する中心から先細りの形状を有していることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１０】
前記第１の部分流路が、前記流路ユニットの厚み方向に関して前記共通インク室を跨いで延びていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１１】
前記流路ユニットは、
一表面に開口した複数の前記圧力室と、内部に形成された前記共通インク室と、前記一表面に対向する裏面に形成された複数の前記吐出口とを有し、前記圧力室が、一端で前記第１の部分流路と連通し、他端で前記共通インク室と連通していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、
前記圧力室に対向して配置された個別電極と、電界の印加によって変形する圧電層と、前記個別電極との間に前記圧電層を挟む共通電極と、電界の印加によって自発的に変形しない層とが積層された積層体であって、前記自発的に変形しない層が前記流路ユニットの一表面に固定されて前記圧力室の開口を閉塞し、前記自発的に変形する圧電層に前記電界が印加されると、前記積層体がユニモルフ変形することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる引き打ち方式が採用されたインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式によってインクを吐出するインクジェットヘッドには、インクを吐出するノズル、各ノズルから吐出させるインクを供給する共通インク室及び共通インク室からノズルに至る個別のインク流路を有するものがある。このようなインクジェットヘッドにおいてインクを吐出させる場合には、個別インク流路の一部に形成された圧力室の内部のインクに圧力を印加して共通インク室からのインクをノズルから吐出する。このとき、圧力室内に圧力が印加されることで発生する圧力波によって、個別インク流路において圧力波の固有振動が発生する。このような固有振動のピークを利用して効率的にインクを吐出するものとして、特許文献１に記載されているインクジェットヘッドがある。特許文献１においては、いったん圧力室内の容積を増加させ、所定時間の経過後に圧力室内の容積を元に戻すことによりインクに圧力を印加する、いわゆる引き打ち方式が採用されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０５８５２号公報（図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１のような引き打ち方式が採用されたインクジェットヘッドにインクを吐出させると、個別インク流路の形状によっては、インク液滴の先端がちぎれて高速なインク小滴が発生する場合がある。つまり、個別インク流路の形状によって、インク液滴が分離して本来のインク液滴と異なるタイミングで印刷用紙に着弾する場合がある。このような場合には、インクジェットヘッドによって印刷用紙に形成される画像の再現性が悪化するという問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、インク液滴の先端がちぎれにくく、良好な画像再現性を有するインクジェットヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
本発明の発明者は上記の課題を解決するため以下のように考察した。上記の課題を生じるようなインクジェットヘッドの一例として以下のものがある。このインクジェットヘッドには、インクに圧力を印加するアクチュエータには後述の圧電アクチュエータが用いられている。なお、本発明が解決しようとする課題は主にインク流路の構造によって生じるものであり、アクチュエータの種類等には特に依存しないものと解される。
【０００７】
図５に示されている圧電アクチュエータ５０は個別電極３５及び共通電極３４を有しており、共通電極３４の電位は常にグランドに保持されている。そして、個別電極３５がグランド電位以外の電位になると、圧電歪みによって圧電アクチュエータ５０が変形し、圧力室１０の容積が変化する（図４、図８参照）。このような圧力室１０の容積変化で生じた圧力波がノズルに達し、ノズルに形成されているインクのメニスカスを変形させると共に、メニスカスを形成しているインクの一部がインク液滴として吐出されることになる。吐出された分のインクは圧力室１０の上流に接続されたインク流路（例えば副マニホールド流路５ａ）から補充され、次の吐出に供される。本インクジェットヘッドにおいては、個別電極３５に所定の電圧パルス信号を供給し圧電アクチュエータ５０を変形させて引き打ちを行うことによりインクが吐出される。
【０００８】
インクを吐出させるために個別電極３５に供給される電圧パルス信号の波形は、個別電極３５の電位が所定の期間に所定の電位となるように設定される。図７は、このような電圧パルス信号が供給された際の個別電極３５における電位の変化を示している。図７に示されているように、時刻ｔ１までの期間及び時刻ｔ４からの期間において個別電極３５の電位はグランド電位でないＵ０である。時刻ｔ２〜ｔ３の期間において個別電極３５の電位はグランド電位である。時刻ｔ１〜ｔ２の期間及び時刻ｔ３〜ｔ４の期間においては、個別電極３５の電位はグランド電位とＵ０との間で過渡的に変化する。また、時刻ｔ１〜ｔ２の期間及び時刻ｔ３〜ｔ４の期間の長さは共にＴｖに調節され、時刻ｔ１〜ｔ３の期間はパルス幅Ｔｏに調節されている。
【０００９】
図９（ａ）は、上記のような条件でＴｏ＝ＡＬ（Acoustic length；後述）に調節された電圧パルスに対してインクジェットヘッドからインクが吐出された際に、ノズルから吐出されたあるインク液滴の様子を示している。画像データに基づいて形成される印刷画像の再現性を確保するためには、画像データに対応する適切な位置に適切な量のインク液滴を着弾させる必要がある。そのためには、全てのノズルにおいて１回のインク吐出ごとに所望の吐出速さを有する所望の数のインク液滴が吐出されることが理想的である。本インクジェットヘッドにおいては、図９（ａ）に示されているように、２つのインク液滴Ｌ１及びＬ２が１回の吐出において所定の速さで連続して吐出されることが理想的な条件である。
【００１０】
一方で、図９（ｂ）及び（ｃ）は、同じ条件で吐出された別のインク液滴の様子を示している。図９（ｂ）において、理想的な２つのインク液滴と異なるもう１つのインク液滴Ｌ４が生じている。また、図９（ｃ）においても３つのインク液滴Ｌ５、Ｌ６及びＬ７が生じている。このように全部で３つのインク液滴が生じるのは、本来の２つのインク液滴から一部のインク液滴がちぎれて分離することによる。このように理想的な２つのインク液滴とは異なるインク液滴が発生した場合には、画像データの各ドットと異なる位置に所望の体積と異なるインク液滴が着弾することになる。したがって、インクジェットヘッドによって形成される画像の再現性が低下する。
【００１１】
発明者は、このように所望の液滴からインク液滴が分離するのは以下のような原因によるものと考えた。
【００１２】
いわゆる引き打ち式を利用したインク吐出においては、圧力室１０内のインクにまず負圧の圧力が印加される。これによって発生した負圧の圧力波がアパーチャ１２で反射して正圧の圧力波となる。そして、このような正圧の圧力波が圧力室１０に戻ってきたタイミングに合わせて圧力室１０に正圧の圧力が印加される（図４参照）。このように、個別インク流路３２に充填されたインクに発生する圧力波が重なり合うことにより、効率的にインク吐出がなされる。
【００１３】
一方で、圧電アクチュエータ５０による圧力の印加によって、個別インク流路３２のインクに進行波が発生するのみならず、個別インク流路３２において一部の領域に局所的なインクの固有振動が発生する場合があると考えられる。本発明者は、このような局所的な固有振動によって上記のようなインク液滴の分離が生じるものと考えた。つまり、ノズル８において上記のような進行波のピークに局所的な固有振動によって生じた圧力波のピークが重なることにより、局所的な固有振動がない場合と比べてインクの吐出速さが高速化する。これによってインク液滴の先端が分離し、高速な小液滴が発生する。
【００１４】
上記のような現象のさらに詳しいメカニズムは以下のとおりである。インク吐出の際に、圧電アクチュエータ５０の変形によって圧力室１０内に充填されたインクに圧力波が発生すると、この圧力波は圧力室１０に関してその上流側と下流側とに伝播する。引き打ちにおいては、圧力室１０の容積を一旦増加させ、その後でパルス幅Ｔｏに相当する時間を置いて再びもとの容積に戻すことでノズルからインクが吐出される。まず、圧力室１０の容積を増加させる際には圧力室１０内のインクに負圧の圧力波（以下、第１の圧力波とする）が発生し、これに続けて容積を減少させる際には正圧の圧力波（以下、第２の圧力波とする）が発生する。
【００１５】
これらの圧力波の一部は、上記のように下流側のディセンダ３３へ伝播する。例えば、ディセンダ３３へと伝播した第１の圧力波は、ディセンダ３３の両端、つまり圧力室１０とディセンダ３３との境界及びノズル８付近で反射する。このような反射波によってディセンダ３３内に充填されたインクには固有振動が励起される。ここで、このようなディセンダ３３で発生する固有振動は、上記の局所的な固有振動の一例である。
【００１６】
一方で、第1の圧力波の一部は、圧力室１０の上流側の副マニホールド流路５ａに向かって伝播する。そして、流路の途中のアパーチャ１２において反射し、圧力の正負が反転した圧力波となって圧力室１０及びディセンダ３３を伝播しノズル８へと向かう。つまり、第１の圧力波は、アパーチャ１２で反射する際に圧力が反転して正圧の圧力波（以下、第３の圧力波とする）となって、圧力室１０に戻ってくる。そして、圧電アクチュエータ５０によって圧力室１０内のインクに第２の圧力波が発生する。第２の圧力波と第３の圧力波とが重なり合った合成波が進行波としてノズル８に到達した際に、ノズル８からインクが吐出される。
【００１７】
さらに、第２及び第３の圧力波の一部は、第１の圧力波によって発生したディセンダ３３の固有振動に重畳する。つまりディセンダ３３の固有振動には、第１、第２及び第３の各圧力波が寄与する。したがって、第２及び第３の圧力波が進行波としてノズル８に到達した時には、１）当該進行波そのものによる寄与、２）第１の圧力波によるディセンダ３３の固有振動への寄与、及び、３）第２及び第３の圧力波の一部によるディセンダ３３の固有振動への寄与の全てが重畳した振動がノズル８において観測される。
【００１８】
このようにノズル８において重畳した振動によって、ノズル８から吐出されるインクの吐出速さが大きくなり、インク液滴の先端がちぎれると考えられる。したがって、ディセンダ３３に充填されたインクの固有振動が抑制されればノズル８における振動の重畳が発生せず、インクの吐出速さが大きくなることがない。
【００１９】
一方で、ディセンダ３３内のインクに励起される固有振動は、圧電アクチュエータ５０が圧力室１０内のインクに印加する圧力によって励起される。このため、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０が一体となって変形する際の振動における固有振動周期に応じてディセンダ３３内に固有振動が励起されやすいか否かが変化するものと期待される。つまり、圧電アクチュエータ５０と圧力室１０とが一体的に振動する際の固有振動周期がディセンダ３３の固有振動周期に近いようなインクジェットヘッドにおいてインクが吐出される際には、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０の一体的な変形によって生じる圧力波がディセンダ３３の固有振動を励起（共振）させやすい。逆に、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０が一体的に振動する際の固有振動周期とディセンダ３３の固有振動周期との違いが大きいと、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０の一体的な変形によって生じる圧力波がディセンダ３３の固有振動を励起させにくい。
【００２０】
＜解析＞
このことを確かめるため、発明者は下記のような数値解析を実施した。図１０は本数値解析の内容を示す図である。
【００２１】
本数値解析に当たっては、図４に示されているような個別インク流路３２、つまり、副マニホールド流路５ａからのインクの流入口からノズル８に至る流路を音響的に等価変換した回路に見立てた上で、このような等価回路について音響解析を行った。図１０（ａ）はこのような等価回路を示している。
【００２２】
なお、以下の等価回路は図４、図５等に示されているインク流路やアクチュエータに相当するものである。したがって、下記の説明に当たって図４、図５等に示されたディセンダ３３や圧電アクチュエータ５０等の語句が使用されている。しかし、例えば図５に示されているアクチュエータに係る情報として本数値解析に必要なものはコンプライアンスである。したがって、同様のコンプライアンスを有し、圧力室内のインクに圧力を印加するアクチュエータであれば本数値解析の結果も同様のものとなる。つまり、下記の数値解析によって得られた結果は、図４、図５等に示された流路ユニット４や圧電アクチュエータ５０のみに適用されるものではなく、数値解析において用いられた条件を満たすあらゆるインクジェットヘッドに適用され得る。
【００２３】
個別インク流路３２を構成するアパーチャ１２、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０は、図１０（ａ）の回路においてコイル２１２ａ及び抵抗２１２ｂ、コンデンサー２５０並びにコンデンサー２１０に相当する。一方で、ディセンダ３３及びノズル８はこの回路において流体解析部２３３に相当する。流体解析部２３３は回路中の単なるコンデンサーや抵抗等とはみなされず、別途後述の流体解析によって数値解析される。
【００２４】
本数値解析における音響解析では、後述の実施形態で説明されている圧電アクチュエータ５０の厚さ、圧力室１０の面積と積層方向に関する深さ、アパーチャ１２の幅、長さ、積層方向に関する深さ等が用いられている。また、圧電アクチュエータ５０のコンプライアンス（音響容量：等価回路中のコンデンサー２５０の容量）や発生圧力定数は、上記の圧電アクチュエータ５０等の諸元から、有限要素法によってあらかじめ求められている。さらに、圧電定数は圧電素子のインピーダンスを測定する共振法を用いて求められている。
【００２５】
上記のとおり流体解析部２３３はディセンダ３３に相当する。図１０（ｂ）は流体解析部２３３における流体解析で用いられるディセンダ３３の全体の構成を示している（図４参照）。図１０（ｃ）はディセンダ３３のうちのノズルプレート３０に形成された部分の構成を示している。図１０（ｂ）の向かって左端部が圧力室１０に連通する部分である。
【００２６】
本流体解析では、ディセンダ３３の内径と長さ、及び振動板（圧電アクチュエータ５０）の厚みのそれぞれが異なる６つのインクジェットヘッドが想定されている。これらのインクジェットヘッドａ〜ｆにおいて、ディセンダ３３の各部の内径Ｄ１及びＤ２並びに長さＬ１、Ｌ２及びＬ３は表１及び表２のとおりである。内径Ｄ１はディセンダ３３のノズルプレート３０以外に形成された部分の径に相当し、内径Ｄ２はノズル８の径に相当する。本数値解析においては、図１０（ｂ）に示されているように、ディセンダ３３のノズルプレート３０以外に形成された部分の径はどの位置においても同じである。また、ノズルプレート３０に形成された部分は、図１０（ｃ）に示されているように、ノズル８へ向かって先細りのテーパー構造を有しており、ノズル８付近において長さＬ３の部分の内径はどの位置においても同じでＤ２である。テーパー構造を有する部分の内表面とノズル８付近の内表面とのなす角度は、表１に示されているように図１０（ｃ）の断面において８度である。
【００２７】
また、インクジェットヘッドａ〜ｆにおいてそれぞれの振動板の厚みは表１に示されている。なお、振動板とは図５において圧電層４２〜４４に該当する。そして、このような振動板の厚みから求められる、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０の一体的な振動における固有振動周期Ｔｓ（単位：μｓｅｃ）は表１に示されているとおりである。さらに、各インクジェットヘッドにおいて、Ｌ１の長さが２００、４００、６００、８００、１０００μｍ（マイクロメートル；１μｍ＝１０−６メートル）の場合の解析が行われた。表３は、各Ｌ１に対するディセンダ３３に充填されているインクの固有振動周期Ｔｄ（単位：μｓｅｃ）を示している。
【００２８】
また、インクジェットヘッドａ〜ｆのそれぞれは、表１に示される駆動電圧でインク吐出が行われるものとされた。ここで、駆動電圧とは、圧電アクチュエータ５０の個別電極３５に供給される電圧パルスの電圧の高低差に相当する。つまり、駆動電圧は、個別電極３５と共通電極３４との電位差が最大となるときの電位差Ｕ０を示している（図７参照）。
【００２９】
【表１】
0004680805.tif 000002
【００３０】
【表２】
0004680805.tif 000003
【００３１】
【表３】
0004680805.tif 000004
【００３２】
表４は、各インクジェットヘッド及び各Ｌ１に対するＴｓ／Ｔｄを示している。表５は、各インクジェットヘッドにおける各Ｌ１に対する個別インク流路３２に充填されたインク全体の固有振動周期Ｔｃを示している。
【００３３】
【表４】
0004680805.tif 000005
【００３４】
【表５】
0004680805.tif 000006
【００３５】
流体解析部２３３における流体解析は、上記のようなディセンダ３３の構成を用い、擬似圧縮性により定式化された流体解析である擬似圧縮法（擬似的に密度の時間変化を表す項を加えた連続の式に、Navier-Stokes方程式を連立させて速度と圧力とを求める方法）によって行われた。
【００３６】
さらに、圧力室１０のコンプライアンス（音響容量Ｃ：等価回路中のコンデンサ２１０の容量）は関係式Ｃ＝Ｗ／Ｅｖによって求められた。ここで、Ｗは圧力室１０の容積、Ｅｖはインクの体積弾性率である。
【００３７】
また、アパーチャ１２におけるイナータンス（等価回路中のコイル２１２ａのインダクタンス）は関係式ｍ＝ρ＊ｌ／Ａによって求められた。ここで、ρはインクの密度、Ａはアパーチャ１２におけるアパーチャの延在方向（図４の左右方向）に垂直な断面の面積であり、ｌは図４に向かって左右方向に関するアパーチャ１２の長さである。
【００３８】
さらに、アパーチャ１２の流路抵抗（抵抗２１２ｂの抵抗値Ｒ）は、以下のように求められた。後述の実施形態においては、アパーチャ１２は、アパーチャの延在方向（図４の左右方向）に垂直な断面について各辺の長さが２ａ及び２ｂである長方形の形状を有している。この場合には、アパーチャを流れるインクの量は下記の数式１を用いて表される。そして、アパーチャ１２に加えられる圧力Δｐ（圧力波の強度）とアパーチャ１２を流れるインクの量Ｑとの関係はＱ＝Δｐ／Ｒと表される。これと数式１とにより抵抗値Ｒが算出される。なお、ｌは上記の通り、アパーチャ１２の長さである。
【００３９】
[式１]
0004680805.tif 000007
【００４０】
また、流体解析部２３３における流体解析では、流体解析部２３３を通過するインクの体積速度が求められる。さらに、圧電アクチュエータ５０において個別電極３５と共通電極３４との間に加えられる電圧に相当する条件として、電圧の大きさに対応する圧力Ｐが回路中の圧力源２９９によって加えられるものとする。これらの条件下で、圧力Ｐ、音響容量、イナータンス及び抵抗値、並びに、別途数値解析された流体解析部における解析結果に基づいて、回路を流れるインクの体積速度が数値解析によって求められた。表６は数値解析の結果である。
【００４１】
【表６】
0004680805.tif 000008
【００４２】
表６には、表４に示される各Ｔｓ／Ｔｄに相当するインクジェットヘッドにおいて吐出されたインクの吐出速さ（単位：ｍ／ｓｅｃ）が示されている。表６に示されているように、Ｔｓ／Ｔｄの値によって２滴のインク液滴が吐出される場合と３滴のインク液滴が吐出される場合との２つの異なる結果が生じている。
【００４３】
図１１は、表６の結果を示すグラフである。図１１の横軸はＴｓ／Ｔｄを示し、縦軸はインク液滴の吐出速さ（単位：ｍ／ｓｅｃ）を示している。図１１のグラフにプロットされている点８１、８２及び８３のそれぞれは、１滴目、２滴目及び３滴目のインク液滴に相当する。
【００４４】
図１１の点８１ａに示されているように、Ｔｓ／Ｔｄが０．９０から１．１までの範囲においては全部で３滴のインク液滴が発生しており、他のいずれの範囲と比べても１滴目の吐出速さがかなり大きい。つまり、点８１ａは、図９（ｂ）に示されている、本来のインク液滴の先端がちぎれて生じた高速なインク液滴を示している。
【００４５】
上記の解析から、本発明のインクジェットヘッドは以下のように構成された。まず、本発明は、共通インク室、及び、前記共通インク室の出口から圧力室を経てインクの吐出口に至る個別インク流路を有する流路ユニットを有している。また、前記圧力室の容積をＶ１とする第１の状態と前記圧力室の容積をＶ１より大きいＶ２とする第２の状態とを選択的に取ることができ、前記第１の状態から前記第２の状態を経て前記第１の状態に戻る際に前記吐出口からインクを吐出させるアクチュエータを有している。そして、本発明のインクジェットヘッドは、ＴｓとＴｄが互いに近く、０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０又は１．１≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．７を満たすように構成されている。ここで、Ｔｓは、前記アクチュエータ及び圧力室の一体的な変形によって前記吐出口からインクを吐出させる際に、前記一体的な変形に伴って発生する前記一体的な振動における固有振動周期である。また、Ｔｄは、前記個別インク流路のうち前記圧力室の出口から前記吐出口までの第１の部分流路に充填されたインクの固有振動周期である。
【００４６】
アクチュエータ及び圧力室の一体的な変形に係る振動とは、以下のようなものである。アクチュエータが駆動されることにより、アクチュエータと圧力室とは一体的に変形する。このとき、アクチュエータの状態が第１の状態と第２の状態との間をステップ的に短時間で変化すると、アクチュエータ及び圧力室の弾性により、アクチュエータ及び圧力室は一体的に振動しながら減衰していく。
【００４７】
そして、このような振動における平衡状態は、振動の減衰が完了してアクチュエータ及び圧力室が変形していない状態、つまり、アクチュエータが変形していない状態に相当する。例えば、図５に示されているような圧電アクチュエータ５０の場合には、振動における平衡状態とは、個別電極３５と共通電極３４との間の電位差がゼロの状態（図８（ｂ）の状態）に相当する。上記の間の電位差がゼロのときに圧電アクチュエータ５０には圧電歪が生じず、圧電アクチュエータ５０が変形しないからである。
【００４８】
圧力室内のインクには、アクチュエータが第１の状態と第２の状態との間で変化することによって圧力が印加される。そして、インク吐出の際には上記のようなアクチュエータ及び圧力室の一体的な振動が発生する。このため、圧力室内のインクに印加される圧力は、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動から強い影響を受ける。また、第１の部分流路内のインクの固有振動は圧力室内のインクに発生した圧力波によって励起される。このため、第１の部分流路内のインクの固有振動も、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動から強い影響を受けることになる。つまり、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動周期Ｔｓが第１の部分流路内のインクの固有振動周期Ｔｄに近いものであれば、第１の部分流路内のインクの固有振動が発生しやすくなり、ノズルから吐出されるインク液滴がちぎれて分離する原因が生じやすい。
【００４９】
本発明のインクジェットヘッドによると、上記の解析に基づいて、本来のインク液滴の先端がちぎれて生じた高速なインク液滴を示す点８１ａを含む範囲が除かれた範囲７１（０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０）又は範囲７２（１．１≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．７）の範囲内にＴｓ／Ｔｄが調節されている。したがって、インクジェットヘッドによって形成された画像の再現性が向上する。
【００５０】
なお、範囲７１の下限値を下回る場合には、第１の部分流路内のインクの固有振動における３次以上のモードが問題となる。しかし、第１の部分流路の固有振動における３次以上のモードが問題となるのは、アクチュエータのコンプライアンスが著しく低い場合かディセンダが著しく長い場合である。このように範囲７１を下回ると加圧効率が悪化し、設計上好ましくない。また、図１１の点８３ｃが示しているように範囲７１を下回ると、第１の部分流路内のインクの固有振動における３次以上のモードによって発生したと考えられる３滴目のインク液滴が発生する。したがって、このような範囲が本発明の範囲から除かれている。
【００５１】
また、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動周期が第１の部分流路の固有振動周期の１．７倍を上回ると、第１の部分流路の容積が十分に確保されず、第１の部分流路内の振動がメニスカスに影響しやすい。一方で、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動周期が第１の部分流路の固有振動周期の１．７倍を下回る場合には、第１の部分流路内で振動が減衰することによって、振動がメニスカスに直接影響するのが防止される。このため、本発明の範囲は、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動周期が第１の部分流路の固有振動周期の１．７倍を下回る範囲とされている。
【００５２】
なお、本発明においては、Ｔｓ／Ｔｄが０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０又は１．２６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．５（図１１の範囲７５）を満たすように構成されていることが好ましい。この構成によると、図１１に示されているように、より確実に２滴のインク液滴が吐出される範囲に限定される。
【００５３】
また、本発明のインクジェットヘッドにおいては、０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．４８、０．６０≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０又は１．１≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．７を満たすように構成されていることが好ましい。図１１の点８３ｂは、範囲７３（０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．４８）と範囲７４（０．６０≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０）とに挟まれた範囲において本来のインク液滴から分離したインク液滴が生じていることを示している。つまり、範囲７３と範囲７４とに挟まれた範囲においては、図９（ｃ）に示される全部で３滴のインク液滴が吐出される。Ｔｓ／Ｔｄが上記の範囲内に調節されていることにより、このような３滴のインク液滴が吐出されるのが防止される。したがって、インクジェットヘッドによって形成された画像の再現性が向上する。
【００５４】
ところで、インクジェットヘッドから吐出されるインクが分離せず、画像の再現性が良好になるようなインクジェットヘッドであっても、第１の部分流路の設計上インク吐出に必要なエネルギーの効率が悪くなる場合がある。例えば、個別インク流路のインク全体における固有振動周期Ｔｃに対して第１の部分流路内のインクの固有振動周期Ｔｄが小さいほど、第１の部分流路内を圧力波が伝播することによるエネルギーのロスが小さい。一方で、アクチュエータ及び圧力室の一体的な振動における固有振動周期ＴｓがＴｃに対して小さいほどアクチュエータの剛性がエネルギーの効率の点で効果的になる。
【００５５】
以上の考察から、本発明者は、（Ｔｄ／Ｔｃ）＊（Ｔｓ／Ｔｃ）に応じてインクの吐出速さがどのように変化するかという観点で表６の結果をまとめ直した。表８は、上記の観点で表６がまとめ直された結果である。なお、表７は各インクジェットヘッドにおける各Ｌ１に対するＴｄ＊Ｔｓ／（Ｔｃ＾２）を示している。表７の数値は、表１、表３及び表５から求められている。
【００５６】
表８においては、表６のＴｓ／Ｔｄに該当するＴｄ＊Ｔｓ／（Ｔｃ＾２）のそれぞれについて、１滴目及び２滴目のインク液滴の吐出速さがまとめられている。また、表８においては、１滴目の吐出速さと２滴目の吐出速さとの差が示されている。なお、表８において、全部で３滴のインク液滴が吐出されるようなデータは除かれている。
【００５７】
【表７】
0004680805.tif 000009
【００５８】
【表８】
0004680805.tif 000010
【００５９】
図１２は、表８の結果を示すグラフである。図１２において横軸はＴｄ＊Ｔｓ／（Ｔｃ＾２）を示し、縦軸は１滴目及び２滴目のインク液滴の吐出速さ、又は、これらの吐出速さの差を示している。図１２のグラフにプロットされた点８４、８５及び８６のそれぞれは、１滴目の吐出速さ、２滴目の吐出速さ及びこれらの差に相当する。
【００６０】
図１２において、線分８４ａは範囲７７に含まれる点８４が示す吐出速さの平均値を表している。線分８４ａ及び点８４が示しているように、範囲７７においては１滴目の吐出速さはほぼ一定である。一方で、範囲７７の上限値であるＴｄ＊Ｔｓ／（Ｔｃ＾２）＝０．０１４を上回る範囲においては、線分８４ｂが示しているように、急激に１滴目の吐出速さが低下している。したがって、Ｔｄ＊Ｔｓ／（Ｔｃ＾２）＞０．０１４となる範囲においては、投入されたエネルギーに対してインク吐出に消費されるエネルギーの効率が悪い。
【００６１】
また、範囲７７の下限値であるＴｄ＊Ｔｓ／（Ｔｃ＾２）＝０．００６を下回る範囲においては、点８６ａが示しているように、その他の範囲と比べて１滴目と２滴目との吐出速さの差がかなり大きい。つまり、２滴目のインク液滴に比べて１滴目のインク液滴の吐出速さが大きすぎるため、インクが印刷用紙に着弾するタイミングがずれ、印刷用紙に形成される画像の品質が低下する。
【００６２】
以上の解析によると、本発明は、さらに０．００６０≦Ｔｓ＊Ｔｄ／Ｔｃ２≦０．０１４を満たすように構成されていることが好ましい。なお、Ｔｃは、前記個別インク流路の全体に充填されたインクの固有振動周期である。この構成によると、上記の解析から、インク吐出に必要なエネルギーの効率が良くなると共に、インクが印刷用紙に着弾するタイミングがずれるのが防止され、印刷用紙に形成される画像の品質が向上する。
【００６３】
また、本発明は、前記第１の部分流路において、前記圧力室と接続された端部が前記圧力室との接続位置に向かって細くなっていると共に、前記吐出口と接続された端部が前記吐出口に向かって細くなっていてもよい。第１の部分流路において両端部が細くなっている場合には、第１の部分流路内に局所的な固有振動が発生しやすくなる。したがって、このような場合に本発明が適用されると、そもそも固有振動が発生しにくい構造を有するインクジェットヘッドに適用される場合と比べて効果が大きい。
【００６４】
また、本発明は、前記個別インク流路のうち前記共通インク室の出口から前記圧力室までの第２の部分流路のいずれかの領域において、前記第２の部分流路の長さ方向について垂直な断面の面積が、前記第２の部分流路と前記圧力室との境界面の面積及び前記共通インク室の出口の面積のいずれよりも小さい場合に適用されてもよい。第２の部分流路において圧力室との境界の近傍及び共通インク室の近傍より、第２の部分流路の長さ方向について中央の近傍が狭くなっていることにより、第２の部分流路のいずれかの位置を一方の反射端とする固有振動が生じやすくなる。したがって、引き打ちによるインク吐出に適した構造を有するインクジェットヘッドが実現する。
【００６５】
また、本発明は、前記アクチュエータが、前記圧力室に対向する個別電極と、前記圧力室に対向する領域を有する圧電層と、前記圧電層の前記領域を前記個別電極と共に挟む共通電極とを有している場合に適用されてもよい。上記の数値解析の結果は、特にアクチュエータの方式に限定されるものではない。したがって、本発明は図５に示されているような圧電アクチュエータに適用されてもよいし、他の方式のアクチュエータに適用されてもよい。本発明がこのような圧電アクチュエータに適用される場合には、前記個別電極と前記共通電極との間の電圧がゼロであるときに前記アクチュエータ及び圧力室の一体的な変形に係る振動において前記アクチュエータ及び圧力室が平衡状態を取ることになる。
【００６６】
また、本発明が圧電アクチュエータに適用される場合には、前記個別電極と前記共通電極との間の電圧がゼロでない第１の絶対値である場合に前記アクチュエータが前記第１の状態を取り、前記個別電極と前記共通電極との間の電圧が前記第１の絶対値より小さい第２の絶対値である場合に前記アクチュエータが前記第２の状態を取ることになる。
【００６７】
また、本発明は、前記個別電極及び前記共通電極との間に前記圧電層が１枚のみ挟まれている場合に適用されてもよい。引き打ちによるインク吐出におけるいわゆるユニモルフ方式のインクジェットヘッドが実現する。
【００６８】
また、本発明は、前記圧力室及び前記個別電極の両方の形状が、平面視において一方向に沿って長尺であり、且つ、前記一方向に平行ないずれの方向についても前記一方向に関する中心から先細りの形状を有している場合に適用されてもよい。圧力室及び個別電極が上記の一方向に平行ないずれの方向についても先細りの形状を有していることにより、多数の圧力室及び個別電極を平面上に密に配列することが可能である。したがって、解像度の大きいインクジェットヘッドが実現する。また、前記第１の部分流路が、前記流路ユニットの厚み方向に関して前記共通インク室を跨いで延びていてもよい。また、前記流路ユニットは、一表面に開口した複数の前記圧力室と、内部に形成された前記共通インク室と、前記一表面に対向する裏面に形成された複数の前記吐出口とを有し、前記圧力室が、一端で前記第１の部分流路と連通し、他端で前記共通インク室と連通していてもよい。また、前記アクチュエータは、前記圧力室に対向して配置された個別電極と、電界の印加によって変形する圧電層と、前記個別電極との間に前記圧電層を挟む共通電極と、電界の印加によって自発的に変形しない層とが積層された積層体であって、前記自発的に変形しない層が前記流路ユニットの一表面に固定されて前記圧力室の開口を閉塞し、前記自発的に変形する圧電層に前記電界が印加されると、前記積層体がユニモルフ変形してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
以下は、本発明の好適な実施の形態である。
【００７０】
＜プリンタ概略＞
図１は、本発明の一実施形態によるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つのインクジェットヘッド２を有している。これらのインクジェットヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。インクジェットヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。
【００７１】
プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０及び紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、インクジェットヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。
【００７２】
給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。
【００７３】
給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａ及び１１８ｂ、並びに、１１９ａ及び１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。
【００７４】
搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６及び１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６及び１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、インクジェットヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。
【００７５】
ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。従って、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。
【００７６】
ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。
【００７７】
給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、インクジェットヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。
【００７８】
４つのインクジェットヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各インクジェットヘッド２は、下端にヘッド本体１３を有している。ヘッド本体１３の下面には、インクを吐出する多数のノズル８が設けられている（図３参照）。１つのインクジェットヘッド２に設けられたノズル８からは、同じ色のインクが吐出されるようになっている。各インクジェットヘッド２から吐出されるインクの色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｋ）である。各インクジェットヘッド２は、ヘッド本体１３の下面と搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。
【００７９】
搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、インクジェットヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、ヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けてインクが吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。
【００８０】
搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａ及び１２１ｂ並びに１２２ａ及び１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。
【００８１】
なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にあるインクジェットヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子及び受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、インクジェットヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。
【００８２】
＜ヘッド本体＞
ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体１３の上面図である。
【００８３】
ヘッド本体１３は、流路ユニット４と、流路ユニット４上に接着されたアクチュエータユニット２１とを有している。アクチュエータユニット２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路ユニット４の長手方向に平行になるように流路ユニット４の上面に配置されている。また、流路ユニット４の長手方向に平行な２本の直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つのアクチュエータユニット２１が、全体として千鳥状に流路ユニット４上に配列されている。流路ユニット４上で隣接し合うアクチュエータユニット２１の斜辺同士は、流路ユニット４の幅方向について部分的にオーバーラップしている。
【００８４】
流路ユニット４の内部にはインク流路の一部であるマニホールド流路５が形成されている。流路ユニット４の上面にはマニホールド流路５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路ユニット４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つのアクチュエータユニット２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド流路５には開口５ｂを通じて図示されていないインクタンクからインクが供給されるようになっている。
【００８５】
図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大上面図である。なお、説明の都合上、図３にはアクチュエータユニット２１が二点鎖線で示されている。また、本来破線で示されるべき流路ユニット４の内部や下面に形成されているアパーチャ１２やノズル８などが実線で示されている。
【００８６】
流路ユニット４内に形成されたマニホールド流路５からは、複数本の副マニホールド流路５ａが分岐している。マニホールド流路５は、アクチュエータユニット２１の斜辺に沿うように延在しており、流路ユニット４の長手方向と交差して配置されている。二つのアクチュエータユニット２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド流路５が、隣接するアクチュエータユニット２１に共有されており、副マニホールド流路５ａがマニホールド流路５の両側から分岐している。これらの副マニホールド流路５ａは、流路ユニット４の内部であって各アクチュエータユニット２１に対向する領域に互いに隣接して延在している。
【００８７】
流路ユニット４は、複数の圧力室１０がマトリクス状に形成されている圧力室群９を有している。圧力室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。圧力室１０は流路ユニット４の上面に開口するように形成されている。これらの圧力室１０は、流路ユニット４の上面におけるアクチュエータユニット２１に対向する領域のほぼ全面に亘って配列されている。従って、これらの圧力室１０によって形成された各圧力室群９はアクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさ及び形状の領域を占有している。また、各圧力室１０の開口は、流路ユニット４の上面にアクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。本実施形態では、図３に示されているように、等間隔に流路ユニット４の長手方向に並ぶ圧力室１０の列が、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各圧力室列に含まれる圧力室１０の数は、圧電アクチュエータ５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。ノズル８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。
【００８８】
アクチュエータユニット２１の上面における各圧力室１０に対向する位置には後述のような個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は圧力室１０より一回り小さく、圧力室１０とほぼ相似な形状を有しており、アクチュエータユニット２１の上面における圧力室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。
【００８９】
圧力室１０及び個別電極３５のいずれも、図３の上下方向に沿って長尺な形状を有している。そして、図３の上下方向に関する中心から上方向及び下方向のいずれに向かう方向にも先細りの形状を有している。これによって多数の圧力室１０及び個別電極３５が平面上に密に配列されている。
【００９０】
流路ユニット４には多数のノズル８（吐出口）が形成されている。これらのノズル８は、流路ユニット４の下面における副マニホールド流路５ａと対向する領域を避ける位置に配置されている。また、これらのノズル８は、流路ユニット４の下面におけるアクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。そして、それぞれの領域内のノズル８は、流路ユニット４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。
【００９１】
なお、これらのノズル８は、流路ユニット４の長手方向に平行な仮想直線上にこの仮想直線と垂直な方向から各ノズル８の形成位置を射影した射影点が、印字の解像度に対応した間隔で等間隔に途切れずに並ぶような位置に形成されている。これによって、インクジェットヘッド２は、流路ユニット４におけるノズルが形成された領域の長手方向についてのほぼ全領域に亘って、印字の解像度に対応した間隔で途切れずに印字できるようになっている。
【００９２】
流路ユニット４の内部には、多数のアパーチャ（しぼり）１２が形成されている。これらのアパーチャ１２は、圧力室群９と対向する領域内に配置されている。本実施形態のアパーチャ１２は、水平面に平行な１方向に沿って延在している。
【００９３】
流路ユニット４の内部には、各アパーチャ１２、圧力室１０及びノズル８を互いに連通させるような連通孔が形成されている。これらの連通孔は、互いに連通し、個別インク流路３２を構成している（図４参照）。各個別インク流路３２は副マニホールド流路５ａと連通している。マニホールド流路５に供給されたインクは副マニホールド流路５ａを通じて各個別インク流路３２へと供給され、ノズル８から吐出される。
【００９４】
＜個別インク流路＞
ヘッド本体１３の断面構造について説明する。図４は、図３のＩＶ―ＩＶ線に沿った縦断面図である。
【００９５】
ヘッド本体１３に含まれる流路ユニット４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路ユニット４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャプレート２４、サプライプレート２５、マニホールドプレート２６、２７、２８、カバープレート２９及びノズルプレート３０である。これらのプレートには多数の連通孔が形成されている。各プレートは、これらの連通孔が互いに連通して個別インク流路３２及び副マニホールド流路５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体１３は、図４に示されているように、圧力室１０は流路ユニット４の上面に、副マニホールド流路５ａは内側中央部に、ノズル８は下面にと、個別インク流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、圧力室１０を介して副マニホールド流路５ａとノズル８とが連通孔により連通される構成を有している。
【００９６】
各プレートに形成された連通孔について説明する。これらの連通孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された圧力室１０である。第２に、圧力室１０の一端から副マニホールド流路５ａへと連通する流路を構成する連通孔Ａ（第２のインク流路）である。連通孔Ａは、ベースプレート２３（圧力室１０の入り口）からサプライプレート２５（副マニホールド流路５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、連通孔Ａには、アパーチャプレート２４に形成されたアパーチャ１２が含まれている。
【００９７】
第３に、圧力室１０の他端からノズル８へと連通する流路を構成する連通孔Ｂ（第２の部分流路）である。連通孔Ｂは、ベースプレート２３（圧力室１０の出口）からノズルプレート２９までの各プレートに形成されている。なお、以下の記載において連通孔Ｂはディセンダ３３と呼称される。第４に、ノズルプレート３０に形成されたノズル８であり、ノズル８は連通孔Ｂと共にディセンダ３３（第１の部分流路）を構成している。第５に、副マニホールド流路５ａを構成する連通孔Ｃである。連通孔Ｃは、マニホールドプレート２６〜２８に形成されている。
【００９８】
このような連通孔が相互に連通し、副マニホールド流路５ａからのインクの流入口（副マニホールド流路５ａの出口）からノズル８に至る個別インク流路３２を構成している。副マニホールド流路５ａに供給されたインクは、以下の経路でノズル８へと流出する。まず、副マニホールド流路５ａから上方向に向かって、アパーチャ１２の一端部に至る。次に、アパーチャ１２の延在方向に沿って水平に進み、アパーチャ１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、圧力室１０の一端部に至る。さらに、圧力室１０の延在方向に沿って水平に進み、圧力室１０の他端部に至る。そこから３枚のプレートを経由して斜め下方に向かい、さらに直下のノズル８へと進む。
【００９９】
なお、ディセンダ３３と圧力室１０との境界面２３ｂを含む連通孔２３ａと、ノズル８とは、ディセンダ３３の他の部分よりも細くなっている。つまり、ディセンダ３３の長さ方向（個別インク流路を示す図４の矢印に沿った方向）に垂直な断面について、連通孔２３ａ及びノズル８の断面積は、ディセンダ３３の他の部分の断面積より小さい。したがって、ディセンダ３３に充填されたインクにノズル８及び連通孔２３ａの近傍を両端とする固有振動が比較的発生しやすい構造となっている。
【０１００】
また、アパーチャ１２の長さ方向（個別インク流路を示す図４の矢印に沿った方向）に垂直なアパーチャ１２の断面の面積は、連通孔Ａにおける圧力室１０との境界面２３ｃの面積及び副マニホールド流路５ａの出口２５ａの面積のいずれよりも小さい。したがって、アパーチャ１２のしぼりとしての機能が発揮され、引き打ちによるインク吐出に適した構造が実現されている。
【０１０１】
＜アクチュエータユニット＞
アクチュエータユニット２１は、図５に示されるように、４枚の圧電層４１、４２、４３、４４からなる積層構造を有している。これらの圧電層４１〜４４はそれぞれ１５μｍ程度の厚みを有している。アクチュエータユニット２１全体の厚みは６０μｍ程度である。圧電層４１〜４４のいずれの層も複数の圧力室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電層４１〜４４は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。
【０１０２】
アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる個別電極３５及び共通電極３４を有している。個別電極３５は上述のようにアクチュエータユニット２１の上面における圧力室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、圧力室１０と対向する領域外に引き出されてランド３６が形成されている。このランド３６は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚みが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、ランド３６は、図示されていないＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられたコンタクトと電気的に接合されている。制御部１００は、後述のように、ＦＰＣを通じて個別電極３５に電圧パルスを供給する。
【０１０３】
共通電極３４は圧電層４１と圧電層４２との間の領域に面方向のほぼ全面に亘って介在している。すなわち、共通電極３４は、アクチュエータユニット２１に対向する領域内の全ての圧力室１０に跨るように延在している。共通電極３４の厚さは２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電層４１上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、圧電層４１の内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されていると共に、多数の個別電極３５と同様に、ＦＰＣ５０上の別のコンタクト及び配線と接続されている。
【０１０４】
図５に示されるように、上記の２つの電極は、最上層の圧電層４１のみを挟むように配置されている。圧電層における個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称される。本実施形態のアクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電層４１のみ活性部を含んでおり、その他の圧電層４２〜４４は活性部を含んでいない。すなわち、このアクチュエータユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。
【０１０５】
なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の電圧パルスが供給されることにより、この個別電極３５に対応する圧力室１０内のインクに圧力が加えられる。これによって、個別インク流路３２を通じて、対応するノズル８からインクが吐出される。すなわち、アクチュエータユニット２１における各圧力室１０に対向する部分は、各圧力室１０及びノズル８に対応する個別の圧電アクチュエータ５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、４枚の圧電層からなる積層体中には、図５に示されているような構造を単位構造とするアクチュエータが圧力室１０ごとに作り込まれており、これによってアクチュエータユニット２１が構成されている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によってノズル８から吐出されるインクの量は５〜７ｐｌ（ピコリットル）程度である。
【０１０６】
＜圧電アクチュエータ及び個別インク流路の設計＞
圧電アクチュエータ５０及び個別インク流路３２は、上記のような構造に基づいて、圧電アクチュエータ５０及び圧力室１０の一体的な変形に係る振動における固有振動周期Ｔｓ、ディセンダ３３に充填されたインクの固有振動周期Ｔｄ及び個別インク流路３２の全体に充填されたインクの固有振動周期Ｔｃが以下を満たすように設計されている。つまり、０．３６≦Ｔｓ／Ｔｄ≦０．９０又は１．１≦Ｔｓ／Ｔｄ≦１．７の範囲であって、０．００６０≦Ｔｓ＊Ｔｄ／Ｔｃ２≦０．０１４の範囲を満たすように設計されている。
【０１０７】
ここで、Ｔｓは、個別電極３５の面積、厚み、材質、共通電極３４の厚み、材質や、圧電層４１〜４４のそれぞれの材質、厚み、圧力室１０や個別電極３５に対向する領域の面積等のパラメータに依存する。また、Ｔｄはディセンダ３３の形状、長さ、断面積等のパラメータに依存する。さらに、Ｔｃは個別インク流路３２の形状、長さ、断面積等のパラメータに依存する。個別インク流路３２の設計においては、例えば、これらのパラメータについて適当な数値が設定された上で流体解析等を利用してＴｓ、Ｔｄ、Ｔｃが算出され、これらが上記の範囲を満たすかどうかが判断される。そして、このような解析が繰り返されることにより、上記の範囲を満たす最適な個別インク流路３２、ディセンダ３３及び圧電アクチュエータ５０の仕様が決定される。このように決定された仕様に基づいて、本実施形態の個別インク流路３２、ディセンダ３３及び圧電アクチュエータ５０が作製されている。なお、本実施形態では、流体解析において、ディセンダ３３を上述のようにストレート管として扱ったが、実際の形状に合わせた異なる内径を有する管の組み合わせとして扱ってもよい。
【０１０８】
＜アクチュエータユニットの制御＞
以下は、アクチュエータユニット２１の制御についての説明である。アクチュエータユニット２１の制御のために、プリンタ１は制御部１００及びドライバＩＣ８０を有している。なお、プリンタ１は、演算処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵが実行するプログラム及びプログラムに使用されるデータが記憶されているＲＯＭ（Read Only Memory）、及び、プログラム実行時にデータを一時記憶するためのＲＡＭ（Random Access Memory）を有しており、これらによって以下に説明する機能を有する制御部１００が構築されている。
【０１０９】
制御部１００は、図６に示されているように、印刷制御部１０１及び動作制御部１０５を有している。印刷制御部１０１は、画像データ記憶部１０２、波形パターン記憶部１０３及び印刷信号生成部１０４を有している。画像データ記憶部１０２は、ＰＣ１３３などから送信された印刷に係る画像データを記憶している。
【０１１０】
波形パターン記憶部１０３は複数の吐出パルス列波形に対応する波形データを記憶している。各吐出パルス列波形は画像の階調等に応じた基本の波形に相当する。このような波形に対応した電圧パルス信号がドライバＩＣ８０を介して個別電極３５に供給されることにより、それぞれの階調等に対応した量のインクがインクジェットヘッド２から吐出される。
【０１１１】
印刷信号生成部１０４は、画像データ記憶部１０２に記憶された画像データに基づき、シリアルの印刷データを生成する。このような印刷データは、波形パターン記憶部１０３に記憶された複数の吐出パルス列波形に対応するデータのいずれかに対応しており、各個別電極３５に所定のタイミングで各吐出パルス列波形が供給されるよう指示するデータである。印刷信号生成部１０４は、画像データ記憶部１０２が記憶している画像データに基づき、画像データに対応するタイミング、波形及び個別電極に応じた印刷データを作成する。そして、印刷信号生成部１０４は、生成した印刷データをドライバＩＣ８０に出力する。
【０１１２】
ドライバＩＣ８０はアクチュエータユニット２１ごとに設けられており、シフトレジスタ、マルチプレクサ及びドライブバッファ（共に図示されず）を有している。
【０１１３】
シフトレジスタは、印刷信号生成部１０４から出力されたシリアルの印刷データをパラレルデータに変換する。つまり、シフトレジスタは印刷データの指示に従って、各圧力室１０及びノズル８に対応する圧電アクチュエータ５０に対する個別のデータを出力する。
【０１１４】
マルチプレクサは、シフトレジスタから出力された各データに基づいて、波形パターン記憶部１０３が記憶している波形データの中から適切なものを選択する。そして、マルチプレクサは選択したデータをドライブバッファに出力する。
【０１１５】
ドライブバッファは、マルチプレクサから出力された波形データに基づいて、所定のレベルを有する吐出電圧パルス列信号を生成する。そして、ドライブバッファは、各圧電アクチュエータ５０に対応する個別電極３５に上記の吐出電圧パルス列信号を、ＦＰＣを介して供給する。
【０１１６】
＜インク吐出時の電位変化＞
吐出電圧パルス列信号及びこの信号の供給を受けた個別電極３５における電位の変化について説明する。
【０１１７】
吐出電圧パルス列信号に含まれる各時刻の電圧について説明する。図７は、吐出電圧パルス列信号が供給された個別電極３５における電位の変化の一例を示している。なお、図７に示す吐出電圧パルス列信号の波形６１は、１滴のインクをノズル８から吐出させるための波形の一例である。
【０１１８】
時刻ｔ１は、個別電極３５に吐出電圧パルス列信号が供給され始める時刻である。時刻ｔ１は、この個別電極３５に対応するノズル８からインクを吐出させるタイミングに合わせて調節される。吐出電圧パルス列信号の波形６１において、時刻ｔ１までの期間及び時刻ｔ４以降の期間には、電圧はＵ０（≠０）に保持されている。そして、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間には電圧はグランド電位に保持されている。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は、個別電極３５の電位がＵ０からグランド電位になるまでの過渡期間である。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は、個別電極３５の電位がグランド電位からＵ０になるまでの過渡期間である。図５に示されているとおり、圧電アクチュエータ５０はコンデンサーと同様の構成を有しているため、個別電極３５の電位が変化する際には、電荷の充放電に対応して上記のような過渡期間が生じる。
【０１１９】
＜インク吐出時のアクチュエータの駆動＞
以下は、上記のような吐出電圧パルス列信号が個別電極３５に供給されることにより、圧電アクチュエータ５０がどのように駆動されるかについての説明である。
【０１２０】
本実施形態におけるアクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電層４１だけが個別電極３５から共通電極３４に向かう方向に分極されている。従って、個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電層４１に対してその分極方向と同じ方向に、具体的には個別電極３５から共通電極３４に向かう方向に電界を印加すると、この電界が印加された部分、すなわち活性部が、厚み方向、すなわち積層方向に伸長しようとする。また、このとき、活性部は積層方向と垂直な方向、すなわち面方向には収縮しようとする。これに対し、残りの３枚の圧電層４２〜４４は分極されておらず、電界を印加したとしても自発的には変形しない。
【０１２１】
このように、圧電層４１と圧電層４２〜４４との間で歪み方に差が生じるので、全体として各圧電アクチュエータ５０は圧力室１０側（圧電層４２〜４４側）へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。
【０１２２】
以下は、個別電極３５に波形６１に対応する電圧パルス信号を供給したときの圧電アクチュエータ５０の駆動についての説明である。図８（ａ）〜（ｃ）は、この場合の圧電アクチュエータ５０の経時変化を示す図である。
【０１２３】
図８（ａ）は、図７に示される時刻ｔ１までの期間での圧電アクチュエータ５０の様子を示している。このとき、個別電極３５の電位はＵ０である。圧電アクチュエータ５０は、上記のようなユニモルフ変形により、圧力室１０内に突出している。このときの圧力室１０の容積はｖ１となっている。この状態を圧力室１０における第１の状態とする。
【０１２４】
図８（ｂ）は、図７に示される時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間での圧電アクチュエータ５０の様子を示している。このとき、個別電極３５の電位はグランド電位である。従って、圧電層４１における活性部に印加されていた電界が解除され、圧電アクチュエータ５０のユニモルフ変形も解除されている。このときの圧力室１０の容積Ｖ２は、図８（ａ）に示される圧力室１０の容積Ｖ１より大きい。この状態を圧力室１０における第２の状態とする。このように圧力室１０の容積が増大した結果、インクが副マニホールド流路５ａから圧力室１０に吸い込まれる。
【０１２５】
図８（ｃ）は、図７に示される時刻ｔ４からの期間での圧電アクチュエータ５０の様子を示している。このとき、個別電極３５の電位はＵ０である。従って、圧電アクチュエータ５０は、再び第１の状態に戻っている。このように、圧電アクチュエータ５０が圧力室１０を第２の状態から第１の状態に変化させることで、圧力室１０内のインクに圧力が加えられる。これによって、ノズル８からインク滴が吐出される。インク滴は印刷用紙Ｐの印刷面に着弾し、ドットを形成する。
【０１２６】
このように、本実施形態の圧電アクチュエータ５０の駆動においては、まず、一旦圧力室１０の容積を増大させて、圧力室１０内のインクに負の圧力波を発生させる（図８（ａ）から図８（ｂ）へ）。すると、この圧力波が流路ユニット４内のインク流路端部で反射して、ノズル８側に進行する正の圧力波として帰ってくる。この正の圧力波が圧力室１０内に到達したタイミングを見計らって、再び圧力室１０の容積を減少させる（図８（ｂ）から図８（ｃ）へ）。これはいわゆる「引き打ち(fill before fire)」と呼ばれる手法である。
【０１２７】
上記のような引き打ちによるインク吐出が行われるように、インク吐出に係る波形６１を有する電圧パルスのパルス幅Ｔｏ（図７参照）は、ＡＬに調節されている。本実施形態では、個別インク流路３２の全長のほぼ中央近傍に圧力室１０が配設されており、ＡＬとは圧力室１０内で発生した圧力波がアパーチャ１２からノズル８まで伝播する時間の長さである。これによると、上記のようにして反射してきた正の圧力波と、圧電アクチュエータ５０の変形により生じた正の圧力波とを重畳させ、より大きい圧力がインクに付与される。そのため、単に圧力室１０の容積を１回減少させるだけでインクを押し出す場合より、同じ量のインクを吐出する際の圧電アクチュエータ５０の駆動電圧が低く抑えられる。したがって、引き打ち方式は圧力室１０の高集積化、インクジェットヘッド２のコンパクト化、及び、インクジェットヘッド２を駆動する際のランニングコストの点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明によるインクジェット記録装置の一実施形態であるプリンタの概略構成図である。
【図２】図１に示されるヘッド本体の上面図である。
【図３】図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断面図である。
【図５】図４に示される圧電アクチュエータ周辺の部分拡大図である。
【図６】図１に示されるプリンタが有する制御部について説明する図である。
【図７】インク吐出の際に図５に示される個別電極に供給される電圧パルスの波形を示す図である。
【図８】図７に示される電圧パルスが個別電極に供給された際の、アクチュエータユニットの駆動を示す図である。
【図９】図７に示される電圧パルスが個別電極に供給された際にノズルから吐出されるインク液滴を示す図である。
【図１０】本発明がなされるにあたって行われた数値解析において図４に示されるインク流路のモデルとして用いられたものの一例を示す図である。
【図１１】図１０のモデルを用いて行われた数値解析の結果を示すグラフである。
【図１２】図１０のモデルを用いて行われた数値解析の結果を示す別のグラフである。
【符号の説明】
【０１２９】
１  プリンタ
２  インクジェットヘッド
４  流路ユニット
５ａ  副マニホールド流路
８  ノズル
１０  圧力室
１２  アパーチャ
２１  アクチュエータユニット
３２  個別インク流路
３３  ディセンダ
３４  共通電極
３５  個別電極
４１-４４  圧電層
５０  圧電アクチュエータ
【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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【図１１】
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【図１２】
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