(57)【要約】【課題】  設計品質／設計効率の向上および設計の迅速化、いわゆる試作レス。【解決手段】  インクジェットプリンタおよびインクジェットヘッドの３Ｄ−ＣＡＤ図面より、インクジェットプリンタ内部の空気の部分を差分演算により入手し計算用に離散化Ｍｅｓｈモデルとする。また、インクジェットヘッドの部分も同様に、離散化Ｍｅｓｈモデルとする。この二つのＭｅｓｈモデルを用いて、インクジェットヘッド部分をプリンタのシリアル移動と同様な加速度、等速度運動をさせ、インクジェットプリンタ内部で発生する気流（乱流）を発生せしめ、その中で、インクジェットヘッドより、インクジェット吐出のインク粒子と同等の体積、重量、速度ベクトルを持った仮想インク粒子を発生させて、この粒子の気流中の挙動や着弾位置を計算し求める。着弾した粒子位置よりインクジェット画像を得る。【選択図】  図８
2007199850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェットプリンターと該インクジェットプリンターに設けられたインクジェットプリントヘッドを含む空間上に仮想される仮想格子に対して前記インクジェットプリントヘッド格子を任意の移動速度、移動加速度を有する任意のプログラムに沿って移動せしめることで、インクジェットプリンター筐体として仮想される仮想格子内に気流の撹乱を発生せしめ、且つ、当該インクジェットプリントヘッドのインクジェット吐出位置に相当する空間より任意の速度ベクトルおよび任意のプロフィールで仮想インク粒子を噴出せしめ、前記気流の撹乱と前記インク粒子の空間上の移動を数理的にコンピュータによりインク粒子と空気流体の連成解析により計算せしめることで、前記インク粒子がインクジェットプリンター筐体の壁面として想定される仮想格子表面に付着する位置およびインク粒子の飛翔状況を算出し、インクジェットヘッドのノズルの大きさ又は複数のノズルで構成されるノズル列の配置間隔、インク粒子の噴出タイミングの種々の設計および動作要因を適正化して製作されたことを特徴とするインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項２】
インクジェットプリンターと該インクジェットプリンターに設けられたインクジェットプリントヘッドを含む空間上に仮想される仮想格子に対して、前記インクジェットヘッドと想定される格子を静止せしめ、前記インクジェットプリンターの紙面と想定される仮想格子壁面を任意の移動速度、移動加速度を有する任意のプログラムに沿って移動せしめることで、前記インクジェットプリンターの空気部分として仮想される仮想格子内に気流の撹乱を発生せしめ、且つ、当該インクジェットプリントヘッドのインクジェット吐出位置に相当する空間より任意の速度ベクトルおよび任意のプロフィールで仮想インク粒子を噴出せしめ、前記気流の撹乱と前記インク粒子の空間上の移動を数理的にコンピュータによりインク粒子と空気流体の連成解析により計算せしめることで、前記インク粒子がインクジェットプリンター筐体の壁面として想定される仮想格子表面に付着する位置およびインク粒子の飛翔状況を算出し、インクジェットヘッドのノズルの大きさ又は複数のノズルで構成されるノズル列の配置間隔、インク粒子の噴出タイミングの種々の設計および動作要因を適正化して製作されたことを特徴とするインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項３】
前記設計および動作要因の適正化とは、インク粒子の適正速度又は適正体積を実現するためのインクジェットヘッドのインク液室の幅又は高さ、およびノズルの直径又は長さ又はインク液室の中心位置とノズルの中心位置のズレ、およびインク液滴の発泡に投与する熱エネルギー、およびインクの粘度又は表面張力、密度というのような種々の物理的数値の設定であることを特徴とする第１項および第２項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項４】
前記設計および動作要因の適正化とは、インクジェットノズルの配置方向、および、そのノズル孔の配置間隔、さらにこれらのノズルが複数配置されることで構成されるノズル列と他のノズル列との配置間隔、更には、この複数のノズル列で構成される色違いのノズル列集団の配置間隔、またさらには、これらのノズル列のインクジェットフェイス面上でのインクジェット端部からのＸ方向、Ｙ方向からの距離又は傾きという物理的数値の設定であることを特徴とする第１項記載および第２項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項５】
前記設計および動作要因の適正化とは、インクジェットプリントヘッドと紙面との距離、および、インクジェットヘッドの角部分のＲ形状又は凹凸、又は、インクジェットプリントヘッドのフェイス面の凹凸の高さ又は間隔、さらにはその長さ、幅又は多角形形状値という物理的数値の設定であることを特徴とする第１項記載および第２項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項６】
前記設計および動作要因の適正化とは、インクジェットプリントヘッドが移動する方向において、筐体とインクジェットヘッドの隙間の寸法値および当該隙間の寸法値を有する奥行き長さ又はその隙間に配置される空気流通遮断のための抵抗フィルターのフィルター抵抗値という物理的数値の設定であることを特徴とする第１項記載および第２項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項７】
前記設計および動作要因の適正化とは、インクプリンタの縦、横、長さの寸法値、およびこれに関連した前記請求項３から６項記載の物理的寸法値又は物性値の設定であることを特徴とする第１項記載および第２項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項８】
前記インク粒子の付着するインクジェットプリンター筐体の壁面として想定される仮想格子表面の一部を紙面と想定することで、当該付着したと想定されるインク粒子によりインクジェットプリント画像を作成することを特徴とする第１項記載および第２項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項９】
前記画像の作成において、付着したインク粒子の３次元的空間位置、もしくは、同一平面内での２次元空間位置をインク粒子の位置データとして採取し、当該位置データに、当該インク粒子に相当した色調、発色領域を与えることで、肉眼で視認可能な画像を形成することを特徴とする第８項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１０】
前記付着したインク粒子の発色の順番は、前記インク粒子が壁面と想定される紙面に付着した順番にて、発色させるアルゴリズムもしくは、この順番を任意に変更可能なアルゴリズムを有することを特徴とする第９項記載のインクジェットヘッド又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１１】
前記発色又は発色領域、色調は、パラメータにより調節可能であることを有する第１０項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１２】
前記インクジェットヘッドの移動又はインクジェットヘッドが静止せしめる場合は紙と想定される壁面の移動は、片道、もしくは往復運動であり、且つ、加速領域、定速度領域、減速領域を有することを特徴とする第１１項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１３】
前記インク粒子の初期の移動速度は、１ｍ／秒以上20ｍ／秒以下であることを特徴とする第１２項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１４】
インク粒子を噴出する１ノズル数は、１個もしくは２個以上の複数個であり、且つ複数列であっても良く、仮想的に噴出せしめる前記インク粒子数は、１個以上100個未満であることを特徴とする第１３項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１５】
前記インク粒子の粒子直径は、0.05μｍ以上40μｍ以下であることを特徴とする第１４項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１６】
前記インク粒子においてインクジェット吐出に伴う主滴と複数のサテライト液滴の挙動を取り扱う場合は、主滴が５μｍ以上40μｍ以下であり、サテライト液滴が0.05μｍ以上μｍ10μｍ以下の範囲であることを特徴とする第１５項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１７】
前記インク粒子の初期の直径および体積、又は、その初期位置又は速度ベクトルは、画像観察装置より入手したデータを基にするか、もしくは、インクジェット吐出シミュレーションソフトウェアから得たれたデータを基にして、計算された数値および位置を用いることを特徴とする第1６項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１８】
前記インク粒子の初期の直径および体積、又は、その初期位置又は速度ベクトルは、複数のノズル噴出孔同志の共振又は干渉といったクロストーク現象を考慮して、プログラミングされることを特徴とする第１７項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項１９】
前記インクジェットプリンター筐体、もしくは、インクジェットヘッドモデルの一部は、流体の強制流入又は強制流出、あるいは圧力境界、もしくは、その複数の組み合わせがあることを特徴とする第１８項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項２０】
前記インク粒子の粒子数、および各々の粒子の色調、発生位置、初速度ベクトル、発生時刻、体積を任意にプログラミングすることで、紙面と想定される壁面に前記インク粒子の付着位置を算出することで、さらに、付着したインク粒子に相当した色調、にじみ又は浸透を考慮した画像発色領域、又は、混合色調を与えることで、グラフィック調又は写真調の画像をインクジェットプリンター又はインクジェットプリントヘッド又はその他の実製作物を作ること無しに得ることで、インクジェットプリントヘッド又はインクジェットプリンターを製作することを特徴とする第１項乃至第1９項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項２１】
前記データの算出においては、ネットワークを経由して、計算インプットデータをコンピュータで送致し、計算解析を始動せしめた後に、前記ネットワークを経由して、計算されたインク粒子の位置又は、それより作成した画像データを得ることを特徴とする第２０項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項２２】
前記計算は、複数の演算素子（CPU）を用いて、並列計算を行うことを特徴とする第１項乃至第２１項記載のインクジェットプリントヘッド、又はインクジェットプリンターの製作方法。
【請求項２３】
少なくとも前記請求項１乃至第２２項の一つ以上を用いることを特徴とするインクジェットプリントの画像の形成方法。
【請求項２４】
少なくとも前記請求項１乃至第２３項の一つ以上を用いて製作されたことを特徴とするインクジェットプリントヘッド、およびそれを用いたインクジェットプリンター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータ処理計算データの出力用印刷機、コピーやFaxなどの画像出力機、昨今のデジタル画像撮像機の画像出力機などに広く使用されているインクジェットプリントヘッドやインクジェットプリンターの製作方法、およびこれらのプリンターを用いて作成する画像に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンターはオンデマンド方式のプリント形態がバブルジェット（登録商標）方式やピエゾ方式により実現されて以来、急速に、市場に普及している。その過程で、急激な価格の低下や能力の向上が著しく、その最たるものは写真までもA４版サイズで１枚／分という高速に印刷するレベルに達している。しかしながら、これらのプリンターの設計や製作においては、実際にインクジェットプリンターやインクジェットプリントヘッドならびに、それにインクを供給すインクタンクやインク供給系、さらに、プリント画像を作り出すために、当該インクジェットプリンターの駆動用のモーターや電気回路、電源、その他諸々の機構を構成する必要がある。また、インクジェットプリントヘッドにおいても、同様であり、インクジェット液滴をインクジェット吐出するためのインクジェット吐出素子の製作たるものはミクロンオーダーの精度が必要となり、１月やそこらで製作できるものではない。新しい構成のインクジェット吐出素子を製作しようとすれば、1年〜2年は必要となる。つまり、実験的にも新しいインクジェットプリンターを試作し、これを起動させ、インクジェットプリント画像を得るまでには、２〜３年の期間を必要とする。要するに、実験生産という開発試作においてこのような状況であれば当然ながら実際の製品生産となれば、さらにその発売されるまでの期間は延びることとなることは言うまでもない。
【０００３】
さらに、製作したプリンターやヘッドがまともに動作し、そのようなインクジェット吐出画像が得られるまでには更なる月日を要することが度々であり、このような理由で、新規な画像特色を有するインクジェットプリンターは中々世の中に出て来ず、仕様を少し変えたマイナーチェンジ（派生商品）ばかり上市されるものである。つまり、ユーザーが必要とするインクジェットプリント画像を得るために、実際のプリント工程を何らかの試作機によって、実現し、その時に発生する種々の問題点を、逐次解決していくのにあまりにも時間を必要としている。それは、ユーザーが必要とするインクジェットプリント画像を作成するのに、あまりにも、途中の工程の期間がかかりすぎるからである。
【０００４】
（従来の問題点）
以上のように、従来の技術の問題点は、ユーザーが必要とするインクジェットプリント画像を得るために、実際のプリント工程を何らかの試作機によって、実現し、その時に発生する種々の問題点を、逐次解決していくのにあまりにも時間を必要としている。それは、ユーザーが必要とするインクジェットプリント画像を作成するのに、あまりにも、途中の工程の期間がかかりすぎるからである。過去にこのような技術の紹介が無いかどうかを本発明者等は調査した結果、以下のような技術の紹介があった。その結果は、我々が必要とするレベルの技術とは程遠いが以下に挙げるようなものである。
【０００５】
（１）従来技術の一例としては、特開平１０-２３７６８９に電解液噴流による工作物の作成における噴流の流れによる電位分布を、Navie-stokesの式に基づいて求め検討する技術が紹介されている。
【０００６】
（２）また別な例としては、文献２にピエゾインクジェットヘッドからの噴出の体積や速度を電気的等価回路を用いて、計算する技術が紹介されている。
【０００７】
（３）特開平１０-１５４７９には、塗付液の自由表面を粒子モデルを用いて計算し、塗布液の噴出から紙への付着までの現象を計算により求める技術が紹介されている。
【０００８】
（４）また、特開２００１-１５０６５４には、ピエゾインクジェットヘッドからの大、小の液滴の飛行をインク柱が有する運動量一定という仮定のもとに計算する技術が紹介されている。また、液滴粒子に働く空気の抵抗は無限平面としてヘッド面を考慮し、一定の流れ場を与えることで計算するように仮定している。
【０００９】
しかしながら、我々が求めているような技術を前記の従来技術は提示してくれてはいない。前記、特開平１０-２３７６８９では、液滴の飛翔などはまったく考慮されていない。さらに、文献２も同様にインクジェット吐出液滴の体積は求められても、空気中を飛行する液滴の挙動などは求められないレベルのものである。
【００１０】
特開平１０-１５４７９も同様に、空気という液体中をインク液滴粒子が飛行する場合の計算は全くできない状況である。特開２００１-１５０６５４は、液滴の大小の飛行を計算することはできても、空気の抵抗を一定の速度場として与えているだけなので、インク液滴が発生する空気の乱流状況を考慮できるようには全くできていない。従って、従来の技術では全く必要とされる正確なインクジェット液滴の飛行や着張できないものである。ましてや、インクジェットプリンターやインクジェットプリントヘッドを製作せずともユーザーが求めるようなプリント画像を得ることや、プリント中のインクジェット吐出粒子の挙動を推測可視化することというような問題を解決するには程遠い技術である。
【００１１】
（従来の問題点の解決手段）
そこで、本発明者等は、根本的にこのような工程を見直すことで、何らかの手段でインクジェットプリント画像を作成できないかどうか、鋭意検討した。その結果、ある解決方法を見出した。その方法とは、インクジェットプリンターにおいて、インクジェット液滴の紙面上の位置を正確に算出し、そして、この位置にニジミ率、浸透率、混合時の色調変化率などを考慮して、インクの色調領域を製作すれば、インクジェットプリント画像を得られることを見出した。なぜなら、インクジェットプリンターは、インクジェット吐出ノズルより、所定量のインクジェット液滴を空中に噴射し、これを紙などの記録媒体に吹き付けてプリントすることで、画像を得ているからである。付着したインク粒子は、紙表面で、その紙に応じた浸透やニジミを発生させながら、色発現領域を形成し、肉眼で画像として見える仕組みである。
【特許文献１】特開平１０−２３７６８９号公報
【特許文献２】特ＷＯ０１／０７４５９３号公報
【特許文献３】特開平１０−１５４７９号公報
【特許文献４】特開２００１−１５０６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、今までにこのような考えで、インクジェットプリント画像を得ることが出来なかった。それは、インクジェットプリントの液滴は、数ｎL（ナノリットル：10の12乗分の１立方メートル）〜１ｐL（ピコリットル：10の15乗分の１立方メートル）という微細粒子であり、且つ、そのインク液滴数が無数に多いために、なかなか計算できなかったためである。さらに、実は、ほとんどのインクジェットプリンターがシリアルスキャン（ヘッド部分が移動して印字スキャン）であるために、インクジェットプリンター筐体内部で空気の撹乱を発生させ、インクジェット吐出ノズルから紙面までのインク粒子の飛翔および付着を良好に計算できなかったためである。
【００１３】
さらに、インクジェットプリントする上で、インク粒子を１個のノズルからインクジェット吐出するにあたり、通常は１個の粒子が飛び出すと想像するものであるが、われわれが検討した結果、複数のインク粒子が飛び出していることが判明した。このような複数の粒子が飛び出してきた場合、これらの体積や速度ベクトルを得る必要があるが、この具体的な数値は直接観察が困難で今までにほとんど知られていなかったものである。これらの複数のインク粒子の前記の撹乱された空気の乱れと相互関係を見出しながら、計算してインク粒子の紙面への付着を計算することなどは到底不可能であった。ちなみに、キヤノン製インクジェットプリンターの１機種に用いられているインクジェットヘッドのノズル数は少なく見積もっても、1列256ノズルで、それが相対して合計512ノズルで、1色のインクジェット吐出列を形成している。インクジェットプリントの色の３原色（黄色、マゼンダ、シアン）を考慮すると、512個X３種類＝1536個のインク粒子が飛び出し、さらにこれに加えて、複数の微少インクジェット液滴（以後、サテライトと称す。また、インクジェット吐出液滴の中で最大のものを主滴と称す。）を考慮すると、1536個の複数倍ということになり、さらに、１秒間に15KHzの周波数でインクジェット吐出されるので、少なくとも2300万個の複数倍／秒のインク液滴粒子と前記かき乱された撹乱流体とを連動して計算するなど不可能である。このような新たな問題点が発生した。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、鋭意検討した結果、ある解決方法を見出した。それは、メモリー空間を広く取り、且つ、微少空間および微少インク粒子を小さくするために、６４Bit系の計算マシーンを導入し、且つ、並列計算を用いて計算する方法である。さらに、インクジェットヘッドがプリンター筐体内部で移動する状態を有限体積法を用いて解析すると同時に、インクジェットヘッドの移動するインクジェット吐出部分に、インク粒子と想定される粒子に初速度ベクトル、体積、密度を与えて計算させるものである。ヘッドがインクジェット吐出とともに移動するので、その移動を考慮してその部分よりインクジェット吐出粒子を空間へ飛翔させることとした。さらに、インクジェット吐出観察より得た複数のサテライト粒子を含むインク液滴粒子をインクジェット吐出させ計算し、乱れた撹乱空気との関係をコンピュ−タにて計算せた。このようにして、インクジェットヘッドの移動と、インク粒子と撹乱流体とを連動させる解析を適用することでインクジェット液滴の紙面への付着の計算を可能とした。しかし、更なる複数の問題点が発生したが、これらについては、具体的な実施例の項で詳しく説明する。次に、インク粒子が紙面と想定される壁面に付着した結果を、出力データとして採取した。このデータは、各インク粒子に整理番号を逐次配置し、下６桁まで採取し、３次元空間の3次元座標系で、ＡＳＣＩＩテキストコードで入手した。つまり、全てのインクジェット液滴粒子の位置が判明するものである。また、インクジェット吐出粒子はその整理番号（以後、粒子番号と称す。）より、インクの色調、直径、密度などが判明する配置とした。このデータを、画像作成ソフトへ投入し、且つ、実験より得られているインクのニジミ率、色調発色領域率を係数考慮して処理し、且つ、同じ位置にもしくはオーバーラップする領域に発色が発生する場合は、インク粒子の時刻暦の付着順番を考慮してインクが混ざり合った場合の混合発色率を適用して、インクジェットプリント画像を得ることを可能とした。
【００１５】
このようにすることで、インクジェットプリンターやインクジェットプリントヘッドを製作すること無しに、インクジェットプリント画像を得ることを実現した。これにより、製作に長い年月を要するインクジェット吐出素子や、インクジェットプリンタ制御素子（通称：ＡＳＩＣ）、その他電気回路、およびその他のインクジェットプリンターの駆動部品やその他諸々の諸部品、パーツなどを製作する手番と経費と時間を削除して、直接、インクジェットプリント画像を得ることで、膨大な実験試作費用、開発費用、およびそれらの期間を削減することが可能となった。
【００１６】
また、インク粒子の空気中での挙動を計算する数式、およびインクジェットヘッドにより乱される空気の挙動を計算する式は、以下の物理方程式を用いたソフトウェアを用いた。
【００１７】
しかし類似の派生式が多く有り、どれを用いるかは、使用者の任意の判断に依存する。
【００１８】
また、ユーザー独自の式をユーザーサブルーチンか、ユーザーデファインの式をFortranかC言語などで定義して用いても良い。
【００１９】
式（１）は一般に、質量保存の式と言われるものである。式（２）は運動量保存の方程式を流体計算に当てはめるために、ナビエ・ストークスの式を用いて展開したものである。また、式（３）は、エネルギー保存の方程式である。式中
ρ：物体の密度      uｊ：ｊ方向成分速度                μ：粘性係数
p：圧力            Ｍｊ：単位体積あたりの外力          T：温度
ｈ：エンタルピー    Sｈ：エンタルピーソース（熱源）    κ：熱伝導率
を意味する。
【００２０】
【数１】
2007199850.tif 000003
上記の方程式の差分離散化式が、前記の離散化モデル（Ｍｅｓｈモデル）のノード番号より構成される各要素部分に適用されて、逐次前後、および、全体の釣り合い計算が安定するまで繰り返し安定化計算が行われることで、微小なタイムステップ毎の正確な数値が求められるものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上述べて来たように、インクジェットヘッドやインクジェットプリンターを試作せずとも、インクジェット液滴の飛翔状況や、また、紙に付着した場合の画像を得ることが可能となる。つまり、膨大な時間と工数を掛けて、実際のインクジェットヘッドやインクジェットプリンターを製作し、さらに、これを駆動させるための電気回路やさらに駆動制御用のプログラムやドライバーソフトを内蔵ハードウェアにインストールしなくとも、インクジェット画像を得ることができるものである。これにより、膨大な試作時間や試作費用を節減でき、且つ、実際のプリント試験をする時間や工数も削減できるものである。さらには、インクジェットヘッドやインクジェットプリンターに必要な設計寸法やその他の構成値を簡単に得ることが出来て、設計の迅速化を可能とするものである。さらには、実際に目に見えない数十μ秒や数μ秒の時間でのインクジェット粒子の挙動をインクジェットヘッドの任意の加速度、速度を変えて自由に可視化することが可能となる。これにより、どのような現象が発生しているのかが判断できることで、設計の理論化、迅速化、効率化が実現できるという効果がある。当然ながら、試作実験する場合でも、闇雲に多くの実験を行い、実験計画法や多変量解析などの手段を用いてデータ整理をするという多くの手間を省くことが可能となるという効果もある。
【００２２】
また、インクジェット吐出を数値計算するソフトウェアを用いてインクジェット吐出の状況と主滴、サテライトなどの副滴の大きさ、位置、および速度ベクトルを計算し、これを用いて、インクジェット吐出および、ヘッドの移動と気流の発生とインクジェット粒子の着弾の位置を数値的に求めこれを設計に用いることで、試作低減、観測低減、評価低減ならびに、設計時間の大幅な効率化、短縮化を実現できるという大きな効果がある。
【００２３】
このように本発明は、インクジェットプリンターの設計、製作上、非常に優れたものであることは言及するまでもないことである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施例１）
インクジェットプリンターおよびヘッド、さらにそれらの空間的な位置座標、つまり３次元モデルを３D-CADを用いて製作した。図１がそのインクジェットプリンター100の概略斜視図である。外観的にはインクジェットプリンター100はプリンターカバー101とインプリンター本体部筐体102とで構成されている。次に、プリンターカバー101を開いた場合の概略斜視図が図２である。図2に示すように、プリンターカバー101を開くと、内部にはインクジェットヘッド１とそれに着脱自在に配置されたインクタンク２がシリアル移動用シャフト５に保持されて配置されている。また、インクジェットプリンター100が駆動しているプリント時には画像を記録するための紙４が配置されている。その他、小さな部品が数十点配置されているがここでは省略した。また、解析時にはあまり影響しないと判断される構成部品は解析モデルから排除しても構わない。このようなモデルを作成するのに使用したソフトウェアは市販の３次元作成ソフト、I-DEAS-8、10（I-DEASは商標です）を用いた。３次元モデルの作成は、基準点となる節点を形成し、これらの点間に線分を形成した。さらに、この線分を連続した線として形成し、閉じた線分（つまり、４つの線分で正方形や長方形を形成するような手段）を用いて、多角形を形成した。これを必要な長さや任意の角度に押し出しすることで、一つの３次元物体を形成した。さらに、このような方法を用いて、多くの物体を形成し、これらを結合させることで図１や図２に示すようなインクジェットヘッド１（注意：インクタンク２なども含めて）やインクジェットプリンター100のモデルを形成した。このようにすることで、インクジェットプリンター100の内部に、何も無い空間３が発生する。つまり、この空間３が、インクジェットプリンターヘッド１がシリアル移動する際に、掻き乱す空気の領域であることになる。
【００２５】
当然ながら、線分を円弧や楕円弧、その他の任意の曲線とすることで、曲面体も形成できることは言うまでもない。また３次元物体の形成は、前述した押し出しばかりでなく、回転させて形成することも可能である。さらに、多角形で形成された面を結合させることで、３次元物体を形成することも可能である。従って、これらの物体を結合させることで、任意の寸法の、任意の曲面、平面を有する３次元モデルを形成することが可能であった。
【００２６】
この手法を用いて、インクジェットプリンターとインクジェットヘッドの３次元モデルを形成した。
【００２７】
次に、今回解析するモデルはインクジェットプリンター内部の空気3の部分であるので、差分演算により、インクジェットプリンターの筐体100の大きさの３次元空間よりインクジェットプリンターの構造体部分101，102を除去した部分を得ることで、図3に示すようなインクジェットプリンター100内部の空気領域10を得た。この時の差分演算に、インクジェットヘッド１やシャフト５を含めるかどうかはモデル設計者や計算設計者の任意である。
【００２８】
また、インクジェットヘッドの部分はヘッドの部分のみ前記の手法で形成し、前記の流体のモデルと空間的な位置の整合性を形成した。その状況を透視的表示にて、図４に示した。図4中において、シャフト５の部分が除去されてシャフト除去部12となっている。また、インクジェットヘッド部1は、別のモデル11として配置されている。
【００２９】
次に、これらの３次元モデルを解析するための離散化要素とするための処理を行った。これは、シミュレーション計算を行うための各格子点の位置を得るために、３次元モデルをある区間で空間的に分割するものである。離散化には、６面体要素と４面体要素があるが、計算の安定性と効率性を考慮して、６面体要素とすることにした。また、６面体要素で離散化するためには、要素の連続性を考慮する必要があるために、前記３次元空間モデルを複数の部位に分割した。いわゆるパーティション処理を行った。そのようにして離散化した概略斜視状態のMeshモデルの一例を図５、図６に示す。図５は、インクタンク２を含むインクジェットヘッド１部分のMeshモデルである。
【００３０】
これらの分割されたモデルはI-DEAS（I-DEASは商標です）のMapped Meshや、日立製CADASを用いて６面体要素に分割した。特に、インクジェットヘッド１が移動する領域の要素の分割は、移動方向に９０度の層で、且つ、要素数、節点数を各層同一とした。さらに、特に節点番号については、インクジェットヘッド１の移動方向に対して、各離散層において、節点番号の増分は常に一定の数値とした。この処理は、離散化処理を行った後に、節点番号に並べ換えを行って処理した。
【００３１】
このようにして、形成された３次元モデルの離散化データを流体／粒子解析ソフトウェアのあるコンピューターへネットワークを用いて送信した。前記３次元モデルの離散化データは、ASCIIコードで形成されているので、ASCIIモードで送信した。同じコンピュータ内で行う場合は、その計算用ディレクトリに配置することで対応できるものである。
【００３２】
流体解析ソフトウェアは、多くのメモリーを必要とし、高度な計算とくに、流体などの非常に精度の必要とされる計算は、３２Bit計算ではなく、６４Bit計算の方が望ましい。
【００３３】
３次元モデル13，14などは、このようにして３次元の離散化された格子点データとして、流体解析ソフトウェアにて認識される。
【００３４】
次に流体解析ソフトウェアの内部で、前記離散化データを読み込んで、流体解析ソフトウェアが認識できる３次元モデルとした。直接ながら、流体解析ソフトウェア内部でモデルを形成し、これを離散化して、解析用モデルにしても良いが、構造が複雑で、且つ、モデルに曲面を有する場合は、前記流体解析ソフトウェア内部で離散させたり、３次元モデル自体を構築するのがたいへん困難である。それで、別のI-DEAS（I-DEASは商標です）等の３次元CADといわれるソフトウェアでモデルを形成したものである。また、インクジェットの部分のみ別なソフトウェアを用いて別なコンピューター内でモデルをインクジェットプリンターおよびヘッド、さらにそれらの空間的な位置座標、つまり３次元モデルを３D-CADを用いて製作した。使用したソフトウェアは市販の３次元作成ソフト、I-DEAS-8、10（I-DEASは商標です）を用いた。３次元モデルの作成は、基準点となる節点を形成し、これらの点間に線分を形成した。さらに、この線分を連続した線として形成し、閉じた線分（つまり、４つの線分で正方形や長方形を形成するような手段）を用いて、多角形を形成した。これを必要な長さや任意の角度に押し出しすることで、一つの３次元物体を形成した。さらに、このような方法を用いて、多くの物体を形成し、これらを結合させることでインクジェットヘッドやインクジェットプリンターのモデルを形成した。
【００３５】
また、インクジェットの部分のみ別なソフトウェアを用いて別なコンピューター内でモデルを作成してもかまわない。それを前記のような流体解析ソフトウェア内部で、解析用モデルとして構築できればよい。また流体ソフトウェアは、前記の離散化された８つ、もしくは４つ格子点より構成される解析要素を用いても良い。
【００３６】
インクジェットプリンター筐体100内の空気3の要素13と、インクジェットヘッド1の要素14とを良好に組み合わせ、２重節点や２重要素が発生しないように調整した。また、このような２重節点や２重要素が発生した場合は、２重節点（格子点）や２重要素を消去した。
【００３７】
次に、インクジェットヘッド1のシリアル移動を実現するように、時系列的にインクジェットヘッド1の格子点位置や前記筐体内の空気の格子点位置を移動せしめることで、時間とともにヘッドが移動することを実現できる。
【００３８】
さらに、この格子点より構成される各要素の持つ速度、圧力、温度等のデータを、時系列的に別のデータから補充し、このデータを初期値として計算することでヘッドの移動に伴う流体の流れを計算解析することが可能となる。
【００３９】
また速度は、空間的にある定義された座標系において、X、Y、Zの方向へのベクトルとしてデータを補完し計算するのは当然のことである。また、この計算の手法においては、一般的な陰解法を用いて計算することが望ましく、各時間ステップ毎の格子の変化位置において、収束計算させることが望ましい。
【００４０】
収束計算においては、一次風上差分法やその他の風下差分方法や、その他最も最適な手法を用いてもよい。
【００４１】
次に、このような流体の計算においては、当然ながら乱流が発生し、流体の撹乱が発生する。この乱流モデルを直接計算することは困難なので、適時、入手可能な乱流モデルを用いても良い。また、解析モデルの構築にはインクジェットヘッド移動の前記の空間モデルを用いることで、該ヘッドの移動に伴い、移動方向の前方方向の格子点や要素が削除され、ヘッドの移動後方の方向の格子や要素が追加される追加削除モデルや、前記移動方向前方の格子点間隔や要素が収縮し、前記ヘッド移動後方方向の格子点間隔や要素が伸長する解析モデルを用いて、陰解法計算を行って流体の時系列的な解析値を求めても良い。
【００４２】
次に、インクジェットの吐出インク粒子の計算であるが、該粒子は１μ秒毎の超高速撮影により、インク粒子の大きさや吐出方向ベクトルなどが観測されているので、このインク粒子を前記流体の解析モデル中に配置し、この粒子の直径、密度等の物性値、重力加速度等を用いて空気との相互問題を含めて計算することで可能となる。
【００４３】
つまり、既値の空気の物性値や、流体特有の物性値を用いてエネルギー保存則、運動量保存則、ナビエストークスの式、ベルヌーイの定理などの方程式を用いて、理論的に計算する方法である。すなわち、前記の乱流の流体状況を発生しているモデル中に、所定の空間位置にインクの粒子を所定の初期値をもった状態で出現せしめ、次のわずかな時間（ΔT）後の状況を流体の解析ソフトウェアを用いて、粒子の空間的な影響および、粒子が流体より受ける影響を含めて計算することで、インク粒子と流体の相互的な関連性をも含めて計算することが可能となる。
【００４４】
また、次第に順次、微少な時間（ΔT）毎に計算を進めて行き、次のインクジェットの吐出時刻に至ったらインク粒子を空間的に初期吐出ベクトルを持った状態で出現せしめれば良い。これを繰り返して、インクジェットヘッドの紙の左端もしくは右端からのシリアルプリントや、また往復運動を仮想的に計算せしめることが可能となる。
【００４５】
このようにすれば、インク液滴の空間的な移動をインクジェットヘッドの移動および、インクジェットプリンター筐体内の乱流状態の空気の流れを含めて、正確に計算することが可能となる。
【００４６】
特に、インクジェット吐出粒子の飛び出し位置と、紙面と想定される空気壁面との距離はわずかに０.５〜２.０mm程度であるが、この空間を高速にインク粒子は飛翔するのであるが、この空間内はわずかな隙間であり、ここで乱流が発生するために、この解析空間の要素数は非常に小さい間隔で、離散化させねばならなかった。
【００４７】
図７に、解析全体モデル13の部分から、インクジェット吐出が行われる紙間の空間の部分３の一部を切り出した側面概略図を示す。図７中において、インクジェットヘッド１が移動方向Aに示すように移動しながら2列のインク粒子50を所定の速度ベクトルでインクジェット吐出を行うと空気３の抵抗により減速しながら紙と想定される壁面に付着する。図７中において、このようにしてインクジェット吐出されたインク粒子50が紙と想定される壁面に付着したものが付着インク粒子５１である。それをわかり易く示した斜視図が図８である。図８中の紙４はあくまでも理解し易くするために仮想的に配置したものである。したがって、紙と想定される壁面に付着したインク粒子５１の状況を見るだけで、すでに、どのような位置に付着しているかで、そのときのインクジェットプリントの状況をおおよそ把握することが可能である。この時点でも、これらのデータより設計に反映させてもよく、実際はこの段階で設計検討を行っているのが実情である。この場合は、一列に吐出されるインク粒子50は256個であり、2列あるので実際は５１２個である。さらに、空間や壁面には、この５１２個の整数倍のインク粒子50，51が存在している。実際、図７では、２列目の着弾間近いインク粒子列がわずかに乱れていることがわかる。これは、インクジェット吐出により、気流の流れが均一では無く、乱流的乱れを発生しているためである。
【００４８】
さらに、画像にまでして見ようと考えれば、付着したインク粒子５１の位置データより付着位置を入手しこれを画像形成ソフトウェアにインプットして実際に近い画像として入手することが可能であるのは当然である。
【００４９】
飛翔方向の離散層数は約２０〜８０とした。層数は多ければ多い程、計算の安定性は向上するが、解析時間が非常に長くなるので、適時必要な層数にした方が良い。
【００５０】
インクジェットヘッドからのインクの吐出は、ヘッドが加速状態から脱して、定速度領域に入ってから実施される。そこで、加速度領域および、定速度領域においては、インクジェットヘッドからのインクの吐出は行われないので、インク粒子の出現もあり得ないから、インク粒子の出現は考慮しない。しかし、インク粒子の吐出が開始される時刻歴になった段階で、インク粒子の出現をサブルーチンより時間の関数で定義して出現せしめる。
【００５１】
出現時は、インク粒子の空間位置（X、Y、Z）、それと空間での粒子の速度ベクトル（U、V、W）、さらに、インク粒子の直径、密度を基本的に用いた。速度によるインク液滴の変形等も考慮する場合は、粘度や表面張力をも用いる必要がある。
【００５２】
さらに、インク粒子が壁面に衝突した場合は、付着するのが通常であるので、粒子の移動はその時点で計算停止する処置を行う。さらに、ある時間間隔ごとにすべての流体データと粒子データを画像ファイルとして、且つ、壁面に付着（衝突）した粒子の粒子番号と粒子の空間位置（X、Y、Z）をASCIIファイルとして書き出すこととした。
【００５３】
このようにすることで、インク粒子の吐出から付着までの時刻歴ごとの位置を追うことが可能となると伴に、インク粒子の付着した粒子番号と付着位置を入手することが可能となった。
【００５４】
次に、この書き出されたASCIIファイルにある粒子番号と位置を用いて、データ加工することで、画像を得ることが可能となる。
【００５５】
粒子番号を用いると、その番号数値より粒子の属性データを入手することが可能となる。それは、吐出させる順番をこの粒子番号で制御しているために、その属性（つまり、色や直径などの関連属性データ）を得ることは当然可能である。
【００５６】
この属性データによりインクの物性を付与させることが可能となる。つまり、色およびインク特性よりその紙面上でのニジミ率やプリントドットとしての広がり率用いて、表現される画像情報を計算表示する。さらに時刻データより、どの粒子がどの順番で付着したのかもデータとして処理可能となるために、このデータを用いて、さらに実際的なインクジェット画像を構成することが可能となった。
【００５７】
また、インクや紙によりその浸透度やニジミ率は変化するので、実際のプリントを行わずとも、仮想で任意の特性のにじみ率や色調を持つ画像の形成が可能となった。
【００５８】
このようにすることで、インクジェットプリンタを作成しなくともインクジェット画像を得ることが可能となった。その画像は実際のインクジェット画像と同一であった。
【００５９】
（実施例２）
インクジェットヘッドの形状を流線形にしてインクジェットプリンター内で撹乱作用を低減することを実験した。つまり、インクジェットヘッドの先端を、R=3.0でコーナーを曲面処理した。そこで、実際のプリンターを試作する前に、実施例―１の方法で計算し、画像を形成してみた。その結果、インクの付着位置が乱れて、４角形形状であった画像が、一辺がわずかに歪んだ画像が形成された。
【００６０】
また、両端部分が最初は濃く、プリントが進むにつれて中央部分が濃くなるようになっていた。このような画像が得られた。
【００６１】
また、プリント画像にするまでもなく、インクジェット粒子１個づつの挙動を数十万個という単位でアニメーションとして仮想的に可視化することで、このようなインクジェット粒子の移動から直ぐに判断できるものであった。
【００６２】
流体の流れをスムーズにするために、ヘッドの先端を曲面にしたにもかかわらず、画像が乱れるという予期しない計算結果となった。そこで、実際のプリンターヘッドの先端にコーナーR３の曲面を作成して行ったところ、同様な画像が得られた。
【００６３】
つまり、計算は正しかったことが証明された。この理由は、流体と粒子の流れを計算データより引き出してみると、コーナーRが大きくなるほど紙とヘッドの間の流れが速くなり、その中で、流体の流れが乱れるためであることが判明した。
【００６４】
つまり、インクジェットヘッドと紙の間は極力、空気の流れが発生しない構造であることが、計算結果より想定された。このようなデータを元に、インクジェットプリンターはインクジェットヘッドと紙間を極力狭め、且つ、インクジェットヘッドのフェイス面を広く取り、さらに、インクジェット吐出ノズルの位置は極力インクジェットヘッドのエッジから遠い中央付近が印字画像の乱れに対しては効果があることが容易に判断され、直ちに、設計内容を変更することが可能となった。
【００６５】
（実施例３）
インクジェット液滴には、インクの主滴とそれに付随して発生する副滴が発生する。この副滴の数は、インクジェットヘッドのノズルの長さや形状、および液室や発熱体の大きさや発熱量によっても変化する。この副滴（通称：サテライト）が、どのように挙動するかがインクジェット画像の濃度ムラや、微妙な画質に影響する。インクジェット液滴の主滴は確実に紙に着弾する。しかし、副滴はその大きさや速度ベクトルにより、気流の影響により必ずしも着弾するとは限らない。つまり、気流によって流されていたるところに付着するか、しないかも状況次第である。どのようなヘッドの移動速度ヘッド形状やプリンターの空気閉放孔や、到達する紙までの距離などの因子と、インクジェット副流の密度、大きさ、速度ベクトルの因子を含めて、考慮するなどは到底できるものではない。ましてや、５１２本ノズルや７６８０本ノズルから吐出されるすべての液滴についてである。従って、実際にプリンターを製作して実験、確認を行う必要があった。しかしながら、本発明によれば、すべてのインクジェット粒子の付着位置や飛翔状況を確認できるので、そのようなプリンターの試作や印字動作や、観察も行わなくて良い。そこで、インクジェット液滴が噴出される位置に主滴と副滴数個を大きさや速度ベクトルを変えて配慮し、インクジェットヘッドの移動と伴にインクジェット吐出する状況で計算を開始した。
【００６６】
その結果、主滴はほぼ真っ直ぐに飛行し、紙に着弾することは確かめられていた。しかし、副滴はその大きさにより、付着したり付着しなかったりした。また、ある大きさ以上の副流で、ある速度以上になると紙へ付着するが、気流の影響である部分に付着して濃度ムラが発生することが計算された。これは、実際のプリンターでも発生しており、本発明の計算方式が正しいことを証明している。
【００６７】
その実用的問題への対応が実際としては概略を説明すると以下のようであった。
【００６８】
インクジェットプリンターヘッドのフェイス面がプリント中に汚れ易く、頻繁にフェイス面をワイパー洗浄する必要があるという問題に対して、当計算手法を用いた設計対応では、インクジェットプリントノズルより噴出される液滴の種類を、インクジェット主滴以外に、微小な副滴を同時に噴出させて、且つ、同時に空気の気流やインクジェットヘッドの移動を含めて連成計算した。その結果、インクジェットプリントヘッドの紙間の距離が長い場合と短い場合を計算して見ることで、原因はこの副滴が紙へ付着することが出来ずに、紙間を長期間漂い、紙間で発生する乱流により搬送されて最終的にインクジェットヘッドに付着するためであることが計算結果より得られた。そこで、紙間を狭めることで、インクジェットヘッドの汚れは解消された。また、インクジェットヘッドとの紙間をいくらにしたら良いのかを検討する場合でも、当手法により、種々の直径のインクジェット液滴を噴出させてみて、紙間に漂わないインクジェット液滴の直径を算出することが可能となった。このことは、逆に言えば、インクジェットヘッドのノズルの直径や液室の形状の寸法を変更することになるので、インクジェットヘッド自体を設計することに繋がるものとなった。
【００６９】
さらに、インクジェットヘッドの液室形状やノズル寸法を変えて実際にインクジェット吐出を行い観察するにはこれもまた膨大な時間を必要とするが、これを短縮するために、我々はインクジェット吐出を数値計算するソフトウェアを用いてインクジェット吐出の状況と主滴、サテライトなどの副滴の大きさ、位置、および速度ベクトルを計算し、これを用いて、インクジェット吐出および、ヘッドの移動と気流の発生とインクジェット粒子の着弾の位置を数値的に求め、これを設計に用いた。このような設計手法を用いることで、試作低減、観測低減、評価低減ならびに、設計時間の大幅な効率化、短縮化を実現した。
【００７０】
その他、本数値計算方式を用いれば、ある特定の数種類の数値を設定もしくは、実測した場合、逆説的に、インク粒子の速度や直径や密度（つまり体積と重量）を算出することができるということである。たとえば、紙間が１．５mmで、インクジェットの移動速度が1.0ｍ/秒で、サテライトの発生が主滴の体積に対して1／10で1個しか存在しないとした場合、インクの密度を1.05ｋｇ/立法ｍとした場合、端ヨレを発生しない主滴の最低体積は６PL以上であるということが計算可能である。当然ながら、画像の鮮明度を上げるには液滴の体積は小さければ小さい方がよいので、最適体積は６PLということとなる。各ノズルからの吐出体積のバラツキが５％以下という経験数値があれば、最適液滴の体積は6.03PLとなる。この数値を基に、ノズルの直径の長さ、液室の幅、高さ、奥行きなどの設計寸法値を算出し、設計することが可能となる。
【００７１】
さらに、インクジェットプリントヘッドが静止しており、紙が移動してプリントするタイプのプリンターにおいては、本発明の対応において、インクジェットヘッドを移動させず、紙と想定される格子面のみを任意の加速度や任意の速度プロフィールを有するプログラムに沿って移動せしめればよい。当然ながら、移動する格子面に、黒やシアンやイエローなどのインクジェットノズルから次々とインクが吐出されて当該格子面に付着して行くものである。この格子面の移動は、サブルーチンの設定により任意の時間に対するプロフィールとして設定することが可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一例に掛かるインクジェットプリンター本体の斜視概略図である。
【図２】上記の図１のインクジェットプリンターのプリンターカバーを開いた場合の内部構造の概略斜視図である。
【図３】前記プリンターの筐体内部の空気の領域を概略示した概略斜視図である。
【図４】前記図３の内部構造をわかり易く示した透視的概略斜視図である。
【図５】本発明の一例に掛かる移動領域であるインクジェットプリントヘッドの部分の離散化されたMeshモデルの概略斜視図である。
【図６】プリンター内部の空気領域部分の離散化されたMeshモデルの概略斜視図である。
【図７】インクジェットヘッドと紙と想定される壁面の間にインクジェット吐出されたインク粒子の挙動を計算解析した場合の概略側面図である。
【図８】図７に示したインク粒子の部分のみの概略斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  インクジェットヘッド
２  インクタンク
３  インクジェットプリンタ−内空気領域
４  紙
５  シャフト
10  差分演算されたインクジェットプリンタ−内空気領域
11  差分演算されたインクジェットヘッド領域、もしくは、新規に構築されたインクジェットヘッド領域（移動物体領域）
12  差分演算されたシャフト領域（流体空間としては存在しない。）
13  空気（流体）領域の離散化Meshモデル
14  インクジェットヘッド（シリアル移動物体領域）の離散化Meshモデル
50  インク粒子
51  付着したインク粒子
100  インクジェットプリンター本体
101  インクジェットプリンターカバー
102  インクジェットプリンターベース筐体
A  インクジェットヘッドの移動方向ベクトル
【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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