JP2011194857A - 液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度液体を噴射する場合に尾曳を抑えることが可能な液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル３７は、ノズルプレート３１における噴射側の面に一端が開口し且つ内径が一定な第１のストレート部３７ａと、ノズルプレートにおける圧力室側の面に他端が開口し且つ内径が第１のストレート部よりも大きく一定な第２のストレート部３７ｂと、第１のストレート部及び第２のストレート部の間に形成され且つ内径が第１のストレート部の他端側から第２のストレート部の一端側に向けて拡大するテーパー部３７ｃと、を有し、当該ノズルの噴射時の流路抵抗が、液体の粘度が１０ｍＰａ・ｓのとき、３．０×１０^１３〔Ｐａ・ｓ／ｍ^３〕以下である。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェット式プリンター等の液体噴射装置に関するものであり、特に、８ｍＰａ・ｓ以上粘度の液体を噴射する際の尾曳等を抑制することが可能な液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は、液体を噴射可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから液体を噴射して着弾対象に着弾させる装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッドの一種。以下、単に記録ヘッドという）を備え、この記録ヘッドのノズルから液体状のインクを噴射させて、記録紙や光ディスクの印刷面等の印刷媒体（着弾対象物の一種）に着弾させることで画像やテキスト等の記録を行うインクジェット式プリンター（以下、単にプリンターという。）等の画像記録装置を挙げることができる。また、近年においては、この画像記録装置に限らず、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造装置や電極形成装置等、各種の製造装置にも液体噴射装置のインクジェット技術が応用されている。

上記液体噴射装置は、噴射するときの粘度がいわゆる高粘度領域の液体、例えば、８ｍＰａ・ｓ以上の液体（以下、高粘度液体）を噴射する用途にも用いられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。このような高粘度の液体、たとえば、高粘度のインクは、たとえばフィルムなど被噴射媒体中に着弾した液体が浸透しにくいものに対して利用される。高粘度のインクは、粘度の低いインク（例えば、５ｍＰａ・ｓ）と比較して被噴射媒体上で滲みに難いため被噴射画像の濃度にムラが生じ難く乾燥も早いという利点がある。上記液体噴射装置では、記録媒体の所定の範囲をインクで埋める所謂ベタ印刷や文字等のテキスト印刷をより高速化するべく大きいインク滴も噴射することが望まれる一方で、記録画像等の高精細化の要請に応じるべくできるだけ小さいインク滴を噴射することも望まれる。

特開２００９−２５５５１３号公報

ところで、液体噴射装置で上記の高粘度液体を噴射する場合、低粘度の液体を噴射する場合と比較して、噴射された液滴の進行方向後端部分が尾のように伸びる現象（以下、適宜、尾曳と言う。）が生じ易い傾向にある。特に、例えば数ｎｇ以下の微小液滴を噴射する場合に、上記の尾曳が生じやすい。即ち、上記特許文献１の構成のようにノズルの内径よりも微小な液滴を噴射しようとする場合、まず圧力室内の圧力を低下させてノズルにおけるメニスカスを圧力室側に一旦引き込んでから圧力室内の圧力を急激に増加させてメニスカスの中央部を噴射側に突出させることにより、中央部分だけをメニスカスから分断させる制御が行われる。高粘度液体で微小な液滴を噴射する場合においてはより強い力でメニスカスをノズル内で移動させる必要があるため、上記の尾曳が長くなりやすい。ノズル内でメニスカスが移動する際、ノズル内周面から離れたメニスカスの中央部は、圧力変化に追従して高速に移動する一方、ノズル内周面に近い部分（以下、この部分を境界層と呼ぶ）ほどその粘性が影響して圧力変化に追従し難いため移動速度が中央部よりも遅くなる。このメニスカスの中央部の移動する高速に移動する速度と境界層のメニスカスの移動する速度の差は、低粘度のインクよりも高粘度のインクの方が大きい。これにより、高粘度の液体（たとえば、インク）では、メニスカス中央部と境界層との間で剪断力が生じ、液体を噴射したときに尾曳が生じやすくなる。

そして、このような尾曳が生じると、着弾対象物における着弾形状（ドット形状）が乱れる可能性がある。即ち、着弾形状は、画質上またはデバイスの性能上目標とする大きさの円形や楕円形であることが望ましいが、尾の部分が液滴本体の着弾部分に対して突出する状態で着弾すると、着弾形状が円形或いは楕円形ではなく歪になってしまう問題があった。また、尾の全体又は一部分が液滴本体から分離して飛翔した場合には、着弾対象物において液滴本体とは別の位置に着弾する可能性もある。このような着弾形状の乱れは、例えばプリンターで記録紙に画像を記録したときの画質の劣化の原因となる。なお、このような問題はインクジェット式記録装置だけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射装置においても同様に存在する。さらに、この課題は、高粘度の液体（特に、噴射時の前記ノズルにおける液体の粘度が８ｍＰａｓ以上の液体）にて顕著になることが経験則上分かっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高粘度液体を噴射する場合に尾曳を抑えることが可能な液体噴射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に提案されたものであり、ノズルが開設されたノズル形成部材を有し、ノズルに連通する圧力室に圧力変動を付与することにより前記ノズルから液滴を噴射可能な液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
前記ノズルは、前記ノズル形成部材における噴射側の面に一端が開口し且つ内径が一定な第１のストレート部と、前記ノズル形成部材における圧力室側の面に他端が開口し且つ内径が前記第１のストレート部よりも大きく一定な第２のストレート部と、前記第１のストレート部及び前記第２のストレート部の間に形成され且つ内径が前記第１のストレート部の他端側から前記第２のストレート部の一端側に向けて拡大する拡径部と、を有し、
当該ノズルの液体噴射時の流路抵抗が、当該ノズルの液体噴射時の液体の粘度が１０ｍＰａ・ｓのとき、３．０×１０^１３〔Ｐａ・ｓ／ｍ^３〕以下であることを特徴とする。

この構成によれば、ノズルにおける流路抵抗が可及的に低減されてメニスカスが動きやすくなり、メニスカス中央部とノズル内壁側のメニスカス外周部（境界層）との間に生じる剪断力が抑制されるので、粘度が高粘度の液体をノズルから液滴として噴射する際に、噴射される液滴の量や飛翔速度が設計上の理想値から著しく低下することを抑制することができる。また、噴射された液滴の進行方向後端部分が尾のように伸びる尾曳を抑制することができる。その結果、着弾対象における液体の着弾形状をより理想的な状態に近づけることが可能となる。

上記構成において、前記拡径部のノズル軸方向の寸法が、前記ノズル形成部材の厚みの１／３以上であることが望ましい。

また、複数の圧力室に対して共通の液室である共通液室と、当該共通液室と各圧力室との間を連通する液体供給口と、を有し、
前記ノズルの流体インピーダンスＺｎと前記液体供給口の流体インピーダンスＺｓとの関係が、Ｚｎ＜Ｚｓであることが望ましい。

また、上記構成において、前記拡径部においてノズル軸を間に挟んで対向する内壁同士の成す角度が、３０°以上１８０°以下であることが望ましい。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 プリンターの電気的な構成を説明するブロック図である。 記録ヘッドの構成を説明する要部断面図である。 ノズルの構成を説明する要部断面図である。 噴射駆動パルスの構成を説明する波形図である。 （ａ）〜（ｄ）は、インク滴を噴射する際のメニスカスの動きを示す模式図である。 ノズルの寸法・形状を変えてインクを噴射したときの合否を示す表である。 ノズルの変形例の構成を説明する断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の液体噴射装置として、インクジェット式記録装置（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。

図１はプリンターの内部構成を説明する斜視図、図２はプリンターの電気的な構成を示すブロック図である。例示したプリンターは、キャリッジ１１に記録ヘッド１０（液体噴射ヘッドの一種）を搭載すると共に、このキャリッジ１１にインク（液体の一種）を貯留したインクカートリッジ１１′（液体供給源の一種）が着脱可能に装着され、当該インクカートリッジ１１′内のインクが記録ヘッド１０に供給される。そして、記録ヘッド１０の下方に送られてくる記録紙等の記録媒体２１に対して、記録ヘッド１０からインクを噴射して当該記録媒体２１の記録面に文字や画像等を記録するように構成されている。また、このプリンターは、プリンターコントローラー１及びプリントエンジン２を有している。プリンターコントローラー１は、ホストコンピューター等の外部装置との間でデータの授受を行う外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）３と、各種データ等を記憶するＲＡＭ４と、各種データ処理のための制御ルーチン等を記憶したＲＯＭ５と、各部の制御を行う制御部６と、クロック信号を発生する発振回路７と、記録ヘッド１０へ供給する駆動信号を発生する駆動信号発生回路８と、ドットパターンデータや駆動信号等を記録ヘッド１０に出力するための内部インターフェース（内部Ｉ／Ｆ）９と、を備えている。

制御部６は、各部の制御を行うほか、外部装置から外部Ｉ／Ｆ３を通じて受信した印刷データを、ドットパターンデータに変換し、このドットパターンデータを内部Ｉ／Ｆ９を通じて記録ヘッド１０側に出力する。このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成されている。また、制御部６は、発振回路７からのクロック信号に基づいて記録ヘッド１０に対してラッチ信号やチャンネル信号等を供給する。これらのラッチ信号やチャンネル信号に含まれるラッチパルスやチャンネルパルスは、駆動信号を構成する各パルスの供給タイミングを規定する。

駆動信号発生回路８（駆動信号発生手段の一種）は、制御部６によって制御され、圧電振動子２０を駆動するための駆動信号を発生する。本実施形態における駆動信号発生回路８は、ノズル３７からインクをインク滴（液滴の一種）として噴射させて記録紙等の記録媒体２１（着弾対象の一種）上にドットを形成させるための噴射駆動パルスや、ノズル３７に露出したインクの自由表面、即ち、メニスカスを微振動させてインクを攪拌するための微振動パルス等を含む駆動信号ＣＯＭを発生するように構成されている。

次に、プリントエンジン２側の構成について説明する。プリントエンジン２は、記録ヘッド１０と、キャリッジ用移動機構１２と、紙送り機構１３と、リニアエンコーダー１４と、から概略構成されている。
キャリッジ用移動機構１２は、駆動ベルトや駆動モーター等から成り、キャリッジ１１を、記録媒体２１の搬送方向に直交する方向に往復移動させるための機構である。紙送り機構１３は、駆動モーターや紙送りローラー等により構成され、印刷動作時に記録ヘッド１０とプラテンの間に記録媒体２１を通過させ、画像等が印刷された記録紙を排出トレイ側に排出する機構である。リニアエンコーダー１４は、キャリッジ１１の移動に伴ってエンコーダーパルスを出力する。このリニアエンコーダー１４から出力されたエンコーダーパルスは、制御部６に出力される。制御部６は、エンコーダーパルスに基づいてキャリッジ１１（記録ヘッド１０）の走査位置を認識できる。

記録ヘッド１０は、シフトレジスター（ＳＲ）１５、ラッチ１６、デコーダー１７、レベルシフター（ＬＳ）１８、スイッチ１９、及び圧電振動子２０を備えている。プリンターコントローラー１からのドットパターンデータＳＩは、発振回路７からのクロック信号ＣＫに同期して、シフトレジスター１５にシリアル伝送される。このドットパターンデータは、２ビットのデータであり、例えば、非記録（微振動）、小ドット、中ドット、大ドットからなる４階調の記録階調（噴射階調）を表す階調情報によって構成されている。具体的には、非記録は階調情報「００」、小ドットは階調情報「０１」、中ドットが階調情報「１０」、大ドットが階調情報「１１」と表される。

シフトレジスター１５には、ラッチ１６が電気的に接続されており、プリンターコントローラー１からのラッチ信号（ＬＡＴ）がラッチ１６に入力されると、シフトレジスター１５のドットパターンデータをラッチする。このラッチ１６にラッチされたドットパターンデータは、デコーダー１７に入力される。このデコーダー１７は、２ビットのドットパターンデータを翻訳してパルス選択データを生成する。このパルス選択データは、駆動信号ＣＯＭを構成する各パルスに各ビットを夫々対応させることで構成されている。そして、各ビットの内容、例えば、「０」，「１」に応じて圧電振動子２０に対する噴射駆動パルスの供給又は非供給が選択される。

そして、デコーダー１７は、ラッチ信号（ＬＡＴ）又はチャンネル信号（ＣＨ）の受信を契機にパルス選択データをレベルシフター１８に出力する。この場合、パルス選択データは、上位ビットから順にレベルシフター１８に入力される。このレベルシフター１８は、電圧増幅器として機能し、パルス選択データが「１」の場合、スイッチ１９を駆動できる電圧、例えば数十ボルト程度の電圧に昇圧された電気信号を出力する。レベルシフター１８で昇圧された「１」のパルス選択データは、スイッチ１９に供給される。このスイッチ１９の入力側には、駆動信号発生回路８からの駆動信号ＣＯＭが供給されており、スイッチ１９の出力側には、圧電振動子２０が接続されている。

そして、パルス選択データは、スイッチ１９の作動、つまり、駆動信号中の駆動パルスの圧電振動子２０への供給を制御する。例えば、スイッチ１９に入力されるパルス選択データが「１」である期間中は、スイッチ１９が接続状態になって、対応する噴射駆動パルスが圧電振動子２０に供給され、この噴射駆動パルスの波形に倣って圧電振動子２０の電位レベルが変化する。一方、パルス選択データが「０」である期間中は、レベルシフター１８からはスイッチ１９を作動させるための電気信号が出力されない。このため、スイッチ１９は切断状態となり、圧電振動子２０へは噴射駆動パルスが供給されない。

このような動作を行うデコーダー１７、レベルシフター１８、スイッチ１９、制御部６、及び駆動信号発生回路８は、噴射制御手段として機能し、ドットパターンデータに基づき、駆動信号の中から噴射駆動パルスを選択して圧電振動子２０に印加（供給）する。その結果、噴射駆動パルスの電圧変化に応じて圧電振動子２０が伸張又は収縮し、この圧電振動子２０の伸縮に伴って圧力室３５（図３参照）が膨張又は収縮することにより、ドットパターンデータを構成する階調情報に応じた量のインク滴がノズル３７から噴射される。

図３は、上記記録ヘッド１０（液体噴射ヘッドの一種）の構成を説明する要部断面図である。この記録ヘッド１０は、ケース２３、振動子ユニット２４、及び流路ユニット２５等を備えている。上記のケース２３の内部には振動子ユニット２４を収納するための収納空部２６が形成されている。振動子ユニット２４は、圧力発生手段の一種として機能する圧電振動子２０と、この圧電振動子２０が接合される固定板２８と、圧電振動子２０に駆動信号を供給するためのフレキシブルケーブル２９とを備えている。この圧電振動子２０は、圧電体層と電極層とを交互に積層した圧電板を櫛歯状に切り分けることで作製された積層型であって、積層方向（電界方向）に直交する方向に伸縮可能（電界横効果型）な縦振動モードの圧電振動子である。

流路ユニット２５は、流路形成基板３０の一方の面にノズルプレート３１を、流路形成基板３０の他方の面に振動板３２をそれぞれ接合して構成されている。この流路ユニット２５には、リザーバー３３（共通液室の一種。マニホールドとも言う。）、インク供給口３４（液体供給口の一種）、圧力室３５、ノズル連通口３６、及びノズル３７が設けられている。そして、インク供給口３４から圧力室３５及びノズル連通口３６を経てノズル３７に至る一連のインク流路が、各ノズル３７に対応して形成されている。

上記ノズルプレート３１（本発明におけるノズル形成部材の一種）は、ドット形成密度に対応したピッチ（例えば１８０ｄｐｉ）で複数のノズル３７が列状に開設された板状部材であり、本実施形態ではステンレス鋼により作製されている。このノズルプレート３１には、ノズル３７を列設してノズル列（ノズル群）が複数設けられており、１つのノズル列は、例えば１８０個のノズル３７によって構成される。本発明に係るプリンターは、ノズル３７の形状及び寸法に特徴を有している。この点については後述する。

上記振動板３２は、支持板３８の表面に可撓性を有する弾性体膜３９を積層した二重構造である。本実施形態では、ステンレス板を支持板３８とし、この支持板３８の表面に樹脂フィルムが弾性体膜３９としてラミネートされた複合板材により振動板３２が作製されている。この振動板３２には、圧力室３５の容積を変化させるダイヤフラム部４０が設けられている。また、この振動板３２には、リザーバー３３の一部を封止するコンプライアンス部４１が設けられている。

上記のダイヤフラム部４０は、エッチング加工等によって支持板３８を部分的に除去することで作製される。即ち、このダイヤフラム部４０は、圧電振動子２０の自由端部の先端面が接合される島部４２と、この島部４２を囲う薄肉弾性部４３とから成る。上記のコンプライアンス部４１は、リザーバー３３の開口面に対向する領域の支持板３８がエッチング加工等によって除去されることにより作製される。このコンプライアンス部４１は、リザーバー３３に貯留された液体の圧力変動を吸収するダンパーとして機能する。

そして、上記の島部４２には圧電振動子２０の先端面が接合されているので、この圧電振動子２０の自由端部が伸縮することで圧力室３５の容積が変動する。この容積変動に伴って圧力室３５内のインクに圧力変動が生じる。そして、記録ヘッド１０は、この圧力変動を利用してノズル３７からインク滴を噴射させる。

次に、上記プリンターにおいて、光硬化型インク等の高粘度のインク（高粘度液体の一種）を噴射するための構成について説明する。
上記プリンターで高粘度の液体を噴射する場合、比較的低粘度（例えば、５ｍＰａ・ｓ）の液体を噴射する場合と比較して、噴射された液滴の後の部分が尾のように伸びる尾曳が生じ易い傾向にある。このような尾曳が生じると、記録紙等の着弾対象物における着弾形状（ドット形状）が乱れる可能性がある。このような着弾形状の乱れは、プリンターで記録紙に画像を記録したときには画質の劣化の原因となる。これに対し、本発明に係るプリンターでは、ノズル３７の形状を工夫することによりノズル３７における流路抵抗を低減し、これにより尾曳を抑制するようにしている。

図４は、ノズル３７の構成を説明するノズル軸方向の断面図である。なお、同図において、上側がインクが噴射される側（記録ヘッド１０の外側）であり、下側が圧力室３５側である。このノズル３７は、第１のストレート部３７ａと、第２のストレート部３７ｂと、テーパー部３７ｃ（本発明における拡径部の一種）と、から構成されている。第１のストレート部３７ａは、一端（噴射側。以下、同様。）がノズルプレート３１における噴射側の面に開口し、他端（圧力室側。以下同様。）がテーパー部３７ｃと連通した、内径がＤａで一定な円筒状の空部である。第２のストレート部３７ｂは、一端がテーパー部３７ｃと連通し、他端がノズルプレート３１における圧力室側の面に開口した、内径Ｄｂが第１のストレート部３７ａの内径Ｄａよりも大きく一定な円筒状の空部である。テーパー部３７ｃは、第１のストレート部３７ａ及び第２のストレート部３７ｂの間に形成され、内径が第１のストレート部３７ａの他端側から第２のストレート部３７ｂの一端側に向けて拡大する空部である。即ち、ノズル３７は、噴射側と圧力室側にそれぞれストレート部を１つずつ合計２つのストレート部３７ａ，３７ｂを有し、これらをテーパー部３７ｃで連続させている。

第１のストレート部３７ａは、主に、ノズル３７から噴射されるインク滴の量や飛翔方向の安定性に関与する部分である。この第１のストレート部３７ａの直径Ｄａ及びノズル軸方向（ノズルプレート３１の厚み方向）の長さＬａは、プリンターの仕様、具体的には噴射するインク滴の量（重量・体積）に基づいて設計される。本実施形態において、直径Ｄａが３０μｍに設定され、長さＬａが２０μｍに設定されている。テーパー部３７ｃは、ノズル３７全体の流路抵抗を低下させて、圧力室３５内の圧力変動に応じたメニスカスの移動を円滑にするために重要な部分である。このテーパー部３７ｃの一端側の直径は、第１のストレート部３７ａの直径Ｄａに揃えられている一方、他端側の直径は、第２のストレート部３７ｂの直径Ｄｂに揃えられている。本実施形態におけるテーパー部３７ｃの内径は、上述したように第１のストレート部３７ａの他端側から第２のストレート部３７ｂの一端側に向けて一定の割合で拡径しているので、図４の断面において、ノズル軸を間に挟んで対向する内壁同士（テーパー内壁４５ａ，４５ｂ）は、所定の角度（以下、テーパー角θ）を成している。このテーパー角θは、３０°以上１８０°以下に設定される。また、このテーパー部３７ｃのノズル軸方向の寸法Ｌｃは、ノズルプレート３１の厚さの１／３以上に設定される。本実施形態においては、ノズルプレート３１の厚さ１００μｍに対して、４０μｍ〜５０μｍに設定される。なお、Ｌｃに関し、ノズル３７が少なくとも第１のストレート部３７ａ、テーパー部３７ｃ、及び第２のストレート部３７ｂを有することを前提として設定される。

第２のストレート部３７ｂは、圧力室３５側からノズル３７内にインクが流入する際に当該インクを整流することで、インク滴の飛翔曲がりを抑制する作用を奏する。即ち、第２のストレート部３７ｂを設けない構成（つまり、テーパー部３７ｃの他端側がノズルプレート３１の圧力室側の面に開口する構成）では、圧力室３５側からノズル３７内（テーパー部３７ｃ内）にインクが流入する際に、ノズルプレート３１の圧力室側の面とテーパー部３７ｃとの境界部でインクの流れに渦が生じ、この渦がテーパー部３７ｃにおけるインクの流れを乱す虞があり、これによりノズル３７から噴射されたインク滴の飛翔方向が安定しない可能性がある。これに対し、第２のストレート部３７ｂを設ける構成では、ノズルプレート３１の圧力室側の面と第２のストレート部３７ｂとの境界部でインクの流れに渦が生じるものの、テーパー部３７ｃに流入するまでの間にインクの流れが第２のストレート部３７ｂの内周面に沿って全体的にノズル軸方向に整流されるので、上記の渦に起因する飛翔方向の不安定さが抑制される。

また、第２のストレート部３７ｂは、隣り合うノズル３７同士が干渉する（ノズルプレート３１の肉厚内で連通する）ことを抑制する。即ち、ノズル３７の流路抵抗を低減する上では上記テーパー部３７ｃのテーパー角θをできるだけ大きくすることが望ましいが、これを広げすぎると隣り合うノズル３７同士が干渉してしまう虞がある。そこで、第２のストレート部３７ｂを設けることで、ノズル３７同士が干渉せずにテーパー角θを広げることができる範囲をより広く確保することができる。したがって、第２のストレート部３７ｂの内径Ｄｂは、第１のストレート部の内径Ｄａよりも大きく且つ隣り合うノズル３７同士が干渉しない程度の範囲内に設定される。また、第２のストレート部３７ｂのノズル軸方向の寸法Ｌｂは、ノズルプレート３１の厚さに対し、第１のストレート部３７ａの寸法Ｌａとテーパー部３７ｃの寸法Ｌｃが定められた上での残りの部分の厚さに対応する。上記の整流効果を発揮させる観点では、寸法Ｌｂをできるだけ大きくすることが望ましい。

ここで、ノズル３７における流体インピーダンスＺｎと、インク供給口３４における流体インピーダンスＺｓとの関係が、Ｚｎ＜Ｚｓとなるように、それぞれの寸法形状を定めることが望ましい。ここで、Ｚｎ及びＺｓは、それぞれ以下の式（１），（２）で表される。
Ｚｎ＝√｛Ｒｎ^２＋（ωＭｎ−１／ωＣｎ）^２｝ …（１）
Ｚｓ＝√｛Ｒｓ^２＋（ωＭｓ−１／ωＣｓ）^２｝ …（２）
なお、Ｍｎ〔ｋｇ/ｍ^４〕はノズル３７におけるイナータンス、Ｃｎ〔ｍ^５／Ｎ〕はノズル３７における音響容量（コンプライアンス）、Ｒｎ〔Ｎｓ／ｍ^５〕はノズル３７の流路抵抗である。同様に、Ｍｓ〔ｋｇ/ｍ^４〕はインク供給口３４におけるイナータンス、Ｃｓ〔ｍ^５／Ｎ〕はインク供給口３４における音響容量（コンプライアンス）、Ｒｓ〔Ｎｓ／ｍ^５〕はインク供給口３４の流路抵抗である。このようにノズル３７における流体インピーダンスＺｎと、インク供給口３４における流体インピーダンスＺｓとの関係が設定されることで、圧力室３５に圧力変動を付与したときに、インクがノズル３７側に流れやすくなる。

以上のようにノズル３７の形状及び寸法が定められることで、噴射する時点でのインクの粘度が１０ｍＰａ・ｓ、当該表面張力が２５ｍＮ／ｍである場合にノズル３７における流路抵抗が３．０×１０^１３〔Ｐａ・ｓ／ｍ^３〕以下に抑えられる。なお、この流路抵抗は、噴射する時点におけるインクの粘度の値に比して変化する。
記録ヘッド１０の流路の中では最も流路抵抗の大きい部分であるノズル３７における流路抵抗が低減されることで、圧力室３５内部の圧力変動に応じてメニスカスが動きやすくなり、メニスカス中央部とノズル内壁側のメニスカス外周部の境界層との間に生じる剪断力が抑制される。これにより、粘度が８ｍＰａｓ以上の高粘度のインクをノズル３７からインク滴として噴射する際に、噴射されるインク滴の量や飛翔速度が設計・仕様上の理想値から著しく低下することが抑制される。また、ノズル３７から噴射されたインク滴の進行方向後端部分が尾のように伸びる尾曳を抑制することができる。その結果、記録媒体（着弾対象）におけるインクの着弾形状をより理想的な状態に近づけることが可能となる。

次に、上記構成のプリンターにおいて、ノズル３７からインクを噴射する制御について説明する。
図５は、駆動信号発生回路８が発生する駆動信号ＣＯＭに含まれる噴射駆動パルスＤＰの構成を説明する波形図である。例示した噴射駆動パルスＤＰは、圧力室３５の膨張又は収縮の基準となる容積（基準容積）に対応する基準電位ＶＢから最高電位ＶＨまで比較的穏やかな勾配で電位を上昇させる第１充電要素ＰＥ１（膨張要素）と、最高電位ＶＨを一定の時間維持する第１ホールド要素ＰＥ２（膨張維持要素）と、最高電位ＶＨから最低電位ＶＬまで、第１充電要素ＰＥ１の勾配よりも急峻な勾配で電位を降下させる放電要素ＰＥ３（収縮要素）と、最低電位ＶＬを短い時間維持する第２ホールド要素ＰＥ４（収縮維持要素）と、最低電位ＶＬから基準電位ＶＢまで電位を復帰させる第２充電要素ＰＥ５（復帰要素）と、を順に接続して構成された電圧波形である。

この噴射駆動パルスＤＰが圧電振動子２０に印加されると、次のようにしてノズル３７からインク滴が噴射される。即ち、第１充電要素ＰＥ１が供給されると、圧電振動子２０が収縮して、基準電位ＶＢに対応する基準容積から最高電位ＶＨに対応する膨張容積まで圧力室３５が膨張する（膨張工程）。これに伴って、図６（ａ）に示すように、ノズル３７におけるメニスカスが圧力室３５側に引き込まれる。なお、同図における矢印はメニスカスの移動方向を示し、その大きさ（長さ）は移動速度の大きさを概ね示している。ここで、ノズル内周面から比較的遠いメニスカスの中央部は、圧力変動に追従し易く比較的速い速度で圧力室３５側に移動する一方、ノズル内周面に近い部分（境界層）はその粘性が影響して圧力変化に追従し難いため移動速度が中央部よりも遅くなる。しかしながら、図６（ｂ）に示すように、メニスカス全体がテーパー部３７ｃまで移動すると、テーパー部３７ｃの流路抵抗が第１のストレート部３７ａにおける流路抵抗よりも低くなっているので、メニスカスの中央部と境界層との速度差が低減される。これにより、境界層を追従させながらメニスカス全体を大きく引き込むことができる。

この圧力室３５の膨張状態は、第１ホールド要素ＰＥ２が圧電振動子２０に印加されることによって、ごく短い間（例えば、数μｓ）維持される（膨張維持工程）。その後、メニスカスが圧力室３５側から噴射側に移動方向が変換されたタイミングで放電要素ＰＥ３が印加されて圧電振動子２０が急激に伸長する。これに伴って、圧力室３５の容積が、最低電位ＶＬに対応する収縮容積まで収縮し、図６（ｃ）に示すように、メニスカスが圧力室３５とは反対側に向けて急激に加圧される（収縮工程）。これにより、図６（ｄ）に示すように、ノズル３７からは、数ｎｇ程度の液量のインク滴が噴射される。その後、第２ホールド要素ＰＥ４、及び、第２充電要素ＰＥ５が圧電振動子２０に順次印加され、インク滴の吐出に伴うメニスカスの振動を短時間で収束させるべく、圧力室３５が基準容積に復帰する（復帰工程）。ここで、テーパー部３７ｃでは、メニスカスの中央部と境界層との速度差が低減されるので、ノズル３７からインクが噴射される際のメニスカス中央部と境界層との間で生じる剪断力が抑制される。これにより、噴射されたインク滴の後端部の尾のように伸びる尾曳が抑制される。その結果、記録媒体におけるインク滴の着弾形状をより理想的な状態（設計・仕様上理想的なドット形状）に近づけることが可能となる。これにより、本発明に係るプリンターでは、記録媒体に記録された画像の低下を防止することができる。なお、膨張工程および収縮工程は、間に電位が一定な区間を入れて複数回に分けて行うようにしても良い。或いは、膨張工程および収縮工程の途中において変化速度を変えるようにすることも可能である。

図７は、噴射時のノズル３７におけるインクの表面張力が２５ｍＮ／ｍ、その粘度が１０ｍＰａ・ｓを噴射することを前提として、ノズル３７の寸法・形状（ノズルプレート３１の厚さを含む。）を変えつつインクの噴射を行い、各場合でインクが良好に噴射されているか否かを示す表である。噴射性については、尾曳の有無或いはその長さ、及び記録媒体のインク着弾面における着弾形状（着弾面に対して垂直な方向から観たときのドットの形状）で判断される。この例では、ノズル３７の寸法・形状を変更してそれに伴って流路抵抗をそれぞれ異ならせたＡ〜Ｆの６通りを検証した結果を示している。なお、第１のストレート部３７ａの内径Ｄａ（表におけるノズル内径）は３０μｍで一定である。また、表の下には、噴射良好性の可否を表す記号が表記されている。「◎」はインクを噴射したときの尾曳が殆ど生じず、着弾形状も真円に近く最も理想な形状であることを示す。したがって、記録画像の画質がこの中で最も高い状態である。「○」は尾曳が生じ、この尾曳により着弾形状も「◎」の場合よりも多少いびつになるが、記録画像の画質上問題無い形状であることを示す。「△」は「○」の場合よりも尾曳が長くなり、これにより着弾形状が画質に悪影響を及ぼす程度にいびつであることを示す。「×」は「△」の場合よりもさらに尾曳が長くなり、これにより記録画像の画質に著しく悪影響を及ぼすことを示す。これらの記号のうち、「◎」及び「○」の場合は合格とされ、「△」及び「×」の場合は不合格とされる。

図７に示すＡ〜Ｆのうち、本発明における主たる条件である「ノズル３７の流路抵抗が３．０×１０^１３〔Ｐａ・ｓ／ｍ^３〕以下」を満たしているのは、Ｃ〜Ｅの３つの場合である。これらのＣ〜Ｅについては、いずれも噴射良好性が「◎」若しくは「○」で合格となっている。これに対し、条件外となっているＡ，Ｂ，及びＦの場合は、噴射良好性が「△」若しくは「×」で不合格となっている。即ち、これらのＡ，Ｂ，及びＦの場合、本発明の他の条件である「ノズルプレート３１の板厚に対するテーパー部３７ｃの割合が１／３以上」及び「テーパー角θが３０°以上１８０°以下」を満たしていないため、ノズル３７全体の流路抵抗が３．０×１０^１３〔Ｐａ・ｓ／ｍ^３〕よりも高まってしまい、噴射安定性が確保できない結果となっている。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。
例えば、本発明は、上記実施形態で例示した高粘度インクには限らず、液晶や電極材などの高粘度液体を噴射する場合にも好適である。

上記実施形態では、本発明における駆動信号の一例として、図５に示す噴射駆動パルスＤＰを含む駆動信号を挙げて説明したが、これには限られない。要は、少なくとも、圧力室を膨張させてノズルにおけるメニスカスを圧力室側に引き込む膨張要素と、当該膨張要素によって膨張された圧力室を収縮させてメニスカスを噴射側に押し出す収縮要素と、を含む構成の駆動パルスであれば、任意の波形のものを用いることができる。

また、上記実施形態では、圧力発生手段として、所謂縦振動型の圧電振動子２０を例示したが、これには限られず、例えば、所謂撓み振動型の圧電振動子を採用することも可能である。この場合、例示した駆動信号に関し、電位の変化方向、つまり上下が反転した波形となる。

さらに、ノズルプレート３１の材料に関し、上記実施形態では、ステンレス鋼を用いる構成を例示したが、これには限られない。例えば、シリコン単結晶基板を採用することも可能である。なお、ノズルにおける流路抵抗は、噴射する液体の粘度とノズルの寸法及び形状に主に影響されるものであり、ノズルプレート３１の材料の違いによる表面粗さの違い等の影響は少ない。したがって、ノズルプレート３１の材料が変更された場合においても、上記実施形態で例示した条件に従えば、高粘度液体を噴射する際の尾曳等を抑制することができる。

また、ノズル３７におけるテーパー部３７ｃに関し、上記実施形態では、第１のストレート部３７ａの他端側から第２のストレート部３７ｂの一端側に向けて一定の割合で拡径する構成を例示したが、これには限られない。例えば、図８に示す変形例のノズル３７′のように、内径が変化する割合が一定でなくても良い。即ち、このノズル３７′の場合、テーパー部３７ｃ′の内径が、第１のストレート部３７ａの他端側から第２のストレート部３７ｂの一端側に向けて二次曲線的に変化することで、テーパー部３７ｃの内壁が彎曲した構成となっている。この構成では、同断面図に示すように、ノズル軸を挟んで対向する、第１のストレート部３７ａの他端開口との境界点および第２のストレート部３７ｂの一端開口との境界点とを結ぶ仮想線同士が、３０°以上１８０°以下で交差するように設定されれば良い。なお、テーパー部３７ｃ以外の構成は、上記実施形態と同様である。

そして、本発明は、液体噴射装置であれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体噴射装置、例えば、ディスプレイ製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等の他の機器にも適用することができる。

１…プリンターコントローラー，２…プリントエンジン，６…制御部，８…駆動信号発生回路，１０…記録ヘッド，２０…圧電振動子，３３…リザーバー，３４…インク供給口，３５…圧力室，３７…ノズル，３７ａ…第１のストレート部，３７ｂ…第２のストレート部，３７ｃ…テーパー部

Claims (4)

1. ノズルが開設されたノズル形成部材を有し、ノズルに連通する圧力室に圧力変動を付与することにより前記ノズルから液滴を噴射可能な液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
   前記ノズルは、前記ノズル形成部材における噴射側の面に一端が開口し且つ内径が一定な第１のストレート部と、前記ノズル形成部材における圧力室側の面に他端が開口し且つ内径が前記第１のストレート部よりも大きく一定な第２のストレート部と、前記第１のストレート部及び前記第２のストレート部の間に形成され且つ内径が前記第１のストレート部の他端側から前記第２のストレート部の一端側に向けて拡大する拡径部と、を有し、
   当該ノズルの液体噴射時の流路抵抗が、当該ノズルの液体噴射時の液体の粘度が１０ｍＰａ・ｓのとき、３．０×１０^１３〔Ｐａ・ｓ／ｍ^３〕以下であることを特徴とする液体噴射装置。
2. 前記拡径部のノズル軸方向の寸法が、前記ノズル形成部材の厚みの１／３以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 複数の圧力室に対して共通の液室である共通液室と、当該共通液室と各圧力室との間を連通する液体供給口と、を有し、
   前記ノズルの流体インピーダンスＺｎと前記液体供給口の流体インピーダンスＺｓとの関係が、Ｚｎ＜Ｚｓであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体噴射装置。
4. 前記拡径部においてノズル軸を間に挟んで対向する内壁同士の成す角度が、３０°以上１８０°以下であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射装置。

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