液滴吐出ヘッド
【課題】流体クロストークとリフィルの特性を改善する液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】ノズル１８０と連通する圧力室２２２と、液体に圧力を付与する駆動素子２２７と、圧力室に液体を供給する個別供給路２２１と、圧力室内の液体を回収する個別回収路２２４とを備えた液滴吐出部と個別供給路２２１に連通し、共通供給路２１２と、個別回収路２２４に連通し、液体を回収する共通回収路２１４とを有する液滴吐出ヘッドであって、個別供給路２２１の流路抵抗Ｒ１（Ｎｓ／ｍ５）と、個別回収路２２４の流路抵抗Ｒ２（Ｎｓ／ｍ５）と、ノズル１８０の径Ｄｎ（μｍ）が以下の関係式を満たす。3.247×1015exp(-0.1717Dn)≦R1≦3.278×1015exp(-0.1456Dn)、3.247×1015exp(-0.1717Dn)≦R2≦3.278×1015exp(-0.1456Dn)
【解決手段】ノズル１８０と連通する圧力室２２２と、液体に圧力を付与する駆動素子２２７と、圧力室に液体を供給する個別供給路２２１と、圧力室内の液体を回収する個別回収路２２４とを備えた液滴吐出部と個別供給路２２１に連通し、共通供給路２１２と、個別回収路２２４に連通し、液体を回収する共通回収路２１４とを有する液滴吐出ヘッドであって、個別供給路２２１の流路抵抗Ｒ１（Ｎｓ／ｍ５）と、個別回収路２２４の流路抵抗Ｒ２（Ｎｓ／ｍ５）と、ノズル１８０の径Ｄｎ（μｍ）が以下の関係式を満たす。3.247×1015exp(-0.1717Dn)≦R1≦3.278×1015exp(-0.1456Dn)、3.247×1015exp(-0.1717Dn)≦R2≦3.278×1015exp(-0.1456Dn)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド関して、特に、流体クロストーク、リフィル特性の改善技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式の記録装置は、多数のノズルが形成されたインクジェットヘッドの各ノズルからそれぞれインクを記録媒体上に吐出することにより、記録媒体上に画像を形成する装置である。インクジェット記録装置は、静音性にすぐれ、ランニングコストが安く、多種多様な記録媒体に対して高品位な画像を記録できることなどから幅広く利用される。
【０００３】
インクジェットヘッドとして、圧力発生素子を利用するものが知られている。インクジェットヘッドは、インクが貯留される共通流路、共通流路と連通する複数の個別供給路、各個別供給路に連通する圧力室、圧力室を変形させる圧力発生素子、圧力室に連通するノズルを有する。インクジェットヘッドは、インクが貯留される共通流路から複数の圧力室にそのインクを供給し、圧力発生素子を駆動することにより圧力室内のインクを加圧し、圧力室に連通するノズルからインクを吐出する。
【０００４】
このようなインクジェットヘッドでは、圧力の変動により流路を介して隣接するノズル（特にメニスカス）に影響を与える流体クロストークと呼ばれる現象が発生しやすい。その問題を解決するため、流路内にダンパーを設け、隣接ノズルに圧力を伝わりにくくする構造が広く採用されている。しかしながら、近年は、ヘッドが高密度化しているため、ダンパーを導入することが困難になってきている。また、流路を絞ることにより圧力の伝わりを制限した場合には流体クロストークの影響と、単独のリフィル特性とのかね合いが重要となる。
【０００５】
特許文献１は、流路を構成する隔壁の両端側にインク溜を有する循環型ヘッドにおいて、インク供給穴の開口部の面積の総和と、インク回収穴の開口部の面積の総和を、流路をその長手方向に垂直な平面にて切断したときの切断面の面積の総和とを所定の関係にすることを開示する。この構成により気泡の混入、インク凝集を防止する。
【０００６】
しかしながら、開口部の面積と流路の面積とを所定の関係にするだけでは、流体クロストークや、単独のリフィルを制御することはできない。流体クロストーク、単独でのリフィル現象は流路抵抗によって大きく支配される。流路抵抗は断面積のみならず長さ、粘度を考慮しなければならないからである。
【０００７】
特許文献２は、インクを供給する第１インク通路と気泡を排出する第２インク通路を有するインクジェットプリントヘッドにおいて、第２インク通路の流路抵抗値を第１インク通路の流路抵抗値の１〜２倍の範囲に設定することを開示する。この構成によりインクジェットプリントヘッドの気泡排出機構を改善する。
【０００８】
しかしながら、第２インク通路は循環路ではなく気泡排出用に設けられたダミーノズルに通ずるものであって、クロストークを抑制する効果はあるものの、気泡排出性に着目した流路抵抗比率となっており、流体クロストークや、単独のリフィルを考慮したものになっていない。
【０００９】
特許文献３は、液滴吐出装置において、ノズル軸に対して循環路を対称となる位置に２つ以上設置することを開示する。この構成により、連通路内に発生するインク流にも対称性を持たせ、吐出不良を防止する。
【００１０】
インクを吐出する場合、循環路だけでなく供給路にもインクの流れが発生する。したがって、循環路を対称となる位置に設置しても、連通路内に発生するインク流にも対称性を持たせ、吐出不良を防止することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３２１３６１号公報
【特許文献２】特開平４−２７５４８７号公報
【特許文献３】特開２００９−５６７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、流体クロストークとリフィルの特性の改善を両立することができる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によると、液滴吐出ヘッドであって、液滴を吐出する複数のノズルと、前記複数のノズルに個々に連通し、液体で満たされる複数の圧力室と、前記複数の圧力室に対応して配置された複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子は対応する前記圧力室内の液体に圧力を付与し、前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別供給路と、前記液体が前記複数の個別供給路を介して前記複数の圧力室に供給され、前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別回収路と、前記液体が前記複数の個別回収路を介して前記複数の圧力室から回収され、前記複数の個別供給路に連通し、前記液体を供給する複数の共通供給路と、前記複数の個別回収路に連通し、前記液体を回収する複数の共通回収路と、を有し、前記液滴吐出ヘッドは、複数の液滴吐出部を備え、各前記液滴吐出部は、前記ノズルの一つと、前記ノズルの一つと連通する前記圧力室の一つと、前記圧力室の一つに対応して配置された前記駆動素子の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別供給路の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別回収路の一つとを有し、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１（Ｎｓ／ｍ５）と、前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２（Ｎｓ／ｍ５）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす。
【００１４】
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R1 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R2 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
本発明者は、循環経路をもつ液滴吐出ヘッドにおいて、流体クロストークとリフィルの特性改善について鋭意検討した。その結果、個別供給路の流路抵抗と、個別回収路の流路抵抗と、ノズル径とを所定の関係とすることで、流体クロストークとリフィルの特性を改善できることを見出し、本発明に至った。
【００１５】
本発明によれば、流体クロストークを抑制することができる、また、リフィルを安定的、かつ遅滞なく完了することができる。これにより液体を高い周波数で液滴を吐出することができる。
【００１６】
ここでノズルの径Ｄｎは、開口部面積を円形に換算したときの直径を意味する。
【００１７】
本発明の他の態様によると、好ましくは、前記複数の共通供給路は並列に配置され、かつ前記複数の共通供給路は一方端で結合され供給マニホールドを構成し、前記複数の共通回収路は並列に配置され、かつ前記複数の共通回収路は一方端で結合され回収マニホールドを構成する。
【００１８】
本発明の他の態様によると、好ましくは、前記供給マニホールドと前記回収マニホールドが前記液滴吐出部を介してのみ連通する。
【００１９】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１が前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２と実質的に等しい。個別供給路の流路抵抗と個別回収路の流路抵抗とを等しくすることにより、流体クロストークにより発生するインク流を全ノズルに分散できる。インクの流れに偏りがなく、ある特定領域のノズルにクロストークの影響が集中するのを防止できる。全体としてクロストークの影響を平均化することで、クロストークを抑制することができる。
【００２０】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の断面積、及び長さが前記個別回収路の断面積、及び長さと実質的に等しい。より効果的に、流体クロストークにより発生するインク流を全ノズルに分散できる。
【００２１】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１（ｋｇ／ｍ４）と、前記個別回収路の流路イナータンスＭ２（ｋｇ／ｍ４）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす。
【００２２】
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M1 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M2 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
個別供給路の流路イナータンスＭ１と、個別回収路の流路イナータンスＭ２と、ノズル径Ｄｎとを上記の式を満たす範囲とすることにより、リフィル速度を最適化することができる。
【００２３】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１と前記個別回収路の流路イナータンスＭ２とが実質的に等しい。これにより、リフィル速度を調整することができる。流路イナータンスを変化させることにより、クロストークのタイミングをずらすことができる。また、単独のリフィルに関しても同様にタイミングが変化するので、吐出周波数に合わせて調整することができる。
【００２４】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記液滴吐出部は前記圧力室の一つと前記ノズルの一つとを連通する連通路を有する。
【００２５】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記圧力室の一つ、前記個別供給路の一つ、及び前記個別回収路の一つの配置が、前記ノズルの中心軸に対して、線対称、又は点対称である。これにより、液滴の吐出曲がりを防止することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の液滴吐出ヘッドによれば、流体クロストークとリフィルの特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの斜視図。
【図２】基板の底部表面（ノズル配列）を示す図。
【図３】基板内の液体の流れを示す平面透視図（ａ）、及び、その一部拡大図（ｂ）。
【図４】基板の一例の要部断面図。
【図５】基板の他の例の要部断面図。
【図６】液滴吐出後の時間と液滴のメニスカスの変位を示すグラフ。
【図７】液滴吐出後の時間と液滴のメニスカスの変位を示すグラフ。
【図８】ノズル径と流路抵抗の関係を示すグラフ。
【図９】ノズル径と流路イナータンスの関係を示すグラフ。
【図１０】基板の他の例の要部断面図。
【図１１】基板の他の例の要部断面図。
【図１２】個別供給路、又は個別回収路の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱することなく、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。
【００２９】
図１は液滴吐出ヘッドの斜視図を示す。液滴吐出ヘッド１００は、ケーシング１１０と、取り付け部品１２２を含む取り付け部１２０と、ケーシング１１０の底部に取り付けられる基板１３０を有する。基板１３０は、シリコン、例えば、単結晶シリコンから構成される。内部に微細加工された流体通路が、基板１３０に形成される。供給管１５０、及び回収管１６０は、一方端において液滴吐出ヘッド１００に接続される。供給管１５０、及び回収管１６０は、他方端において液体タンク（不図示）に接続される。
【００３０】
図２に、基板１３０の底部表面を示す。基板１３０はノズル層１３２を有する。ノズル層１３２は、ノズル面１３５を有する。ノズル面１３５は、複数のノズル１８０で構成される複数のノズル列１７０を有する。ノズル面１３５は、長い端面と短い端面を持ち、実質的に四角形状を有する。長い端面はＸ方向に対して角度γを有するＶ方向に延び、短い端面はＹ方向に対して角度αを有するＷ方向に延びる。Ｗ方向は、基板１３０の幅に関して、他の方向に傾けることもできる。ノズル面１３５は、分離したノズル層１３２の表面として形成されることもできる。また、ノズル面１３５とノズル層１３２とは基板１３０と同一部材として形成することもできる。
【００３１】
図３（ａ）は、基板１３０の液体の流れを示す平面透視図であり、図３（ｂ）は、その一部拡大図である。図３に示すように、基板１３０に、第１主流路２１１が形成される。第１主流路２１１は供給管１５０に連通する。複数の共通供給路２１２が第１主流路２１１と所定角度を成すよう形成される。複数の共通供給路２１２と第１主流路２１１とにより供給マニホールドが構成される。液滴を吐出するノズル１８０を備える複数の液滴吐出部が共通供給路２１２に沿って配置される。液体を回収する共通回収路２１４が液滴吐出部を挟んで共通供給路２１２と対向する位置に配置される。複数の共通回収路２１４と所定角度を成すように第２主流路２１５が形成される。複数の共通回収路２１４と第２主流路２１５とにより液体回収マニホールドが構成される。第２主流路２１５は回収管１６０に連通する。
【００３２】
液体タンクと、液体タンクに接続される供給管と、供給管に接続される供給マニホールドと、供給マニホールドと接続される液滴吐出部と、液滴吐出部と接続される回収マニホールドと、回収マニホールドと接続される回収管と、回収管に接続される液体タンクと、により液体の循環経路が形成される。
【００３３】
図３（ｂ）に示すように、共通供給路２１２と共通回収路２１４とが交互に配置される。ノズル１８０を含む複数の液滴吐出部が、共通供給路２１２と共通回収路２１４との間で、共通供給路２１２と共通回収路２１４とに沿うように配置される。ノズル１８０は図示しない圧力室と連通する。各圧力室は個別供給路２２１を介して共通供給路２１２と連通される。また、各圧力室は個別回収路２２４を介して共通回収路２１４と連通される。
【００３４】
図４は、図３に示す基板１３０の一例の要部断面図である。共通供給路２１２、及び共通回収路２１４が基板１３０に形成される。基板１３０の内部に、個別供給路２２１と、圧力室２２２と、個別回収路２２４とが形成される。基板１３０はノズル層１３２を有する。ノズル層１３２には、ノズル１８０が圧力室２２２に対応する位置に形成される。圧力室２２２に隣接する位置に、圧力室２２２内の液体へ圧力を付与するアクチュエーター２２５が形成される。アクチュエーター２２５は、板状の振動板２２６と駆動素子２２７とを含む。駆動素子２２７は、例えば圧電素子である。共通供給路２１２と圧力室２２２とは個別供給路２２１を介して連通する。共通回収路２１４と圧力室２２２とは個別回収路２２４を介して連通する。図４においては、液滴吐出部は、液滴を吐出するノズル１８０と、ノズル１８０と連通する圧力室２２２と、圧力室２２２内の液体に圧力を付与する駆動素子２２７と、圧力室２２２に接続され圧力室２２２に液体を供給する個別供給路２２１と、圧力室２２２に接続され圧力室内の液体を回収する個別回収路２２４と、を含む。図４では、基板１３０とノズル層１３２を有する構成を示したが、これに限定されない。例えば、基板１３０が複数の層で構成されてもよい。基板１３０とノズル層１３２とが一体的に構成されるものであってもよい。
【００３５】
図５は、図３に示す基板１３０の他の例の要部断面図である。共通供給路２１２、及び共通回収路２１４が基板１３０に形成される。基板１３０の内部に、個別供給路２２１と、圧力室２２２と、個別回収路２２４とが形成される。基板１３０はノズル層１３２を有する。圧力室２２２に隣接する位置に、圧力室２２２内の液体へ圧力を付与するアクチュエーター２２５が形成される。アクチュエーター２２５は、板状の振動板２２６と駆動素子２２７とを含む。駆動素子２２７は、例えば圧電素子である。共通供給路２１２と圧力室２２２とは個別供給路２２１を介して連通する。共通回収路２１４と圧力室２２２とは個別回収路２２４を介して連通する。圧力室２２２が連通路２２３と連通する。ノズル層１３２には、ノズル１８０が連通路２２３に対応する位置に形成される。つまり、ノズル１８０と圧力室２２２とが連通路２２３を介して連通される。図５においては、液滴吐出部は、液滴を吐出するノズル１８０と、ノズル１８０と連通する連通路２２３と、連通路２２３と連通する圧力室２２２と、圧力室２２２内の液体に圧力を付与する駆動素子２２７と、圧力室２２２に接続され圧力室２２２に液体を供給する個別供給路２２１と、圧力室２２２に接続され圧力室内の液体を回収する個別回収路２２４と、を含む。
【００３６】
図４、及び図５に示すように、複数の液滴吐出部は共通供給路２１２及び共通回収路２１４を介して間接的に連通される。複数の液滴吐出部、共通供給路２１２、共通回収路２１４、供給管、回収管、液体タンクにより循環経路が形成される。そのため、一つの液滴吐出部の圧力の変動が、共通供給路、共通回収路を介して隣接するノズル（特にメニスカス）に影響を与える、いわゆる、流体クロストークと呼ばれる現象が発生しやすい。
【００３７】
本発明者は、循環経路をもつ液滴吐出ヘッドにおいて、個別供給路と個別回収路の流路抵抗と、ノズル径を所定の関係とすることで、流体クロストークとリフィルの特性を改善できることを見出した。
【００３８】
循環経路をもつインクジェットヘッドにおいて、個別供給路２２１の流路抵抗Ｒ１と個別回収路２２４の流路抵抗Ｒ２とを所定範囲内とすることで、流体クロストークが抑制される。これは以下の理由によるものである。流体クロストークは個別供給路２２１、個別回収路２２４を介して伝搬する。そのため、両者の流路抵抗を所定範囲とすることにより、流体クロストークにより発生するインク流を全ノズルに分散させることができるからである。
【００３９】
一方、流体クロストークを抑えるために個別供給路の流路抵抗と個別回収路の流路抵抗とを所定の範囲内としても、リフィル特性は必ずしも改善されない。１ノズル単位でのリフィル特性は、液滴吐出部の個別供給路、個別回収路、ノズル径の３つ要因により支配される。本発明者は、リフィル特性に関し、集中定数系等価回路解析を実施することにより、個別供給路、個別回収路、ノズル径の関係を見出した。集中定数系等価回路解析に際し、以下を満たすことを条件とした。
【００４０】
（１）液滴吐出後のメニスカス隆起高さを、定常時のメニスカスに対し２μｍ以下、（２）リフィルの完了時間を３０μｓｅｃ以下、（３）同一体積を吐出すること前提に、ノズル径、個別供給路及び個別回収路の流路抵抗、流路イナータンス、流路幅、流路高さ、流路長、の各値を決定した。図１２は、個別供給路又は個別回収路の流路幅Ｗ、流路高さＨ、及び流路長Ｌを示す。
【００４１】
表１は（１）の条件を満たす各数値をまとめたものである。表２は（２）の条件を満たす各数値をまとめたものである。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
なお、流路抵抗、流路イナータンス成分は以下の数式にて決定される。
【００４５】
流体の密度ρ、個別供給路又は個別回収路の長さｌ、その断面積をＳとすると、流路イナータンスは以下の式により決定される。
【００４６】
【数１】
【００４７】
一方、断面積が一定でない場合、流路イナータンスは以下の式により決定される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
流路抵抗は、個別供給路又は個別回収路が長方形断面流路の場合、流体の粘度η、個別供給路又は個別回収路の長さｌ、その断面積をＳ、流路の断面のアスペクト比Ｚ，但しＺ＞１とすると、以下の式により決定される。（Kyserらの近似モデル(E.L.Kyser, et al., “Design of Impulse Ink Jet”, J. Appl. Photographic Engineering, 7(3),(1981)73.)
【００５０】
【数３】
【００５１】
流路抵抗は、個別供給路又は個別回収路が円形流路の場合、流路の直径をｄとすると以下の式により決定される。
【００５２】
【数４】
【００５３】
流路抵抗は、個別供給路又は個別回収路の断面積が一定でない場合、以下の式により決定される。
【００５４】
【数５】
【００５５】
図６は、集中定数系等価回路解析により得られたリフィルの状況を示し、ノズル径Ｄｎを変化させたときにメニスカス位置が最大２μｍになるように、流路抵抗Ｒと流路イナータンスＭとを調整したものである。
【００５６】
図６のグラフは、横軸に時間、縦軸にメニスカスの変位量を示す。時間（０）は、液滴の吐出を開始した時間である。その後、時間の経過に伴いメニスカスが変位する。表１のノズル径Ｄｎ（μｍ）、流路抵抗Ｒ（Ｎｓ／ｍ５）、流路イナータンスＭ（ｋｇ／ｍ４）、流路幅Ｗ（μｍ）、流路高さＨ（μｍ）、流路長Ｌ（μｍ）を満たす場合、図６に示すように最大メニスカスの隆起高さ２μｍ以下を満たす。
【００５７】
図７は、集中定数系等価回路解析により得られたリフィルの状況を示し、ノズル径Ｄｎを変化させたときにリフィル完了時間（メニスカス位置が０に戻る時間）が３０μｓになるように流路抵抗Ｒと流路イナータンスＭとを調整したものである。
【００５８】
図７のグラフは、横軸に時間、縦軸にメニスカスの変位量を示す。時間（０）は、液滴の吐出を開始した時間である。その後、時間の経過に伴いメニスカスが変位する。表２のノズル径Ｄｎ（μｍ）、流路抵抗Ｒ（Ｎｓ／ｍ５）、流路イナータンスＭ（ｋｇ／ｍ４）、流路幅Ｗ（μｍ）、流路高さＨ（μｍ）、流路長Ｌ（μｍ）を満たす場合、図７に示すようにリフィル時間３０μｓｅｃ以下を満たす。
【００５９】
図８のグラフは、横軸にノズル径Ｄｎ（μｍ）、縦軸に流路抵抗Ｒ（Ｎｓ／ｍ５）を示す。表１に示されるノズル径Ｄｎと流路抵抗Ｒに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、最大あふれ高さ２μｍとして表示される。
【００６０】
表２に示されるノズル径Ｄｎと流路抵抗Ｒに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、リフィル完了時間３０μｓとして表示される。表１の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。同様に、表２の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。表１の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ａの近似式：R=3.247×1015 exp(-0.1717 Dn)を得た。表２の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ｂの近似式：R=3.2781015exp(-0.1456 Dn)を得た。したがって、個別供給路の流路抵抗Ｒ１、個別回収路の流路抵抗Ｒ２、及びノズル径Ｄｎとして、曲線Ａと曲線Ｂで囲まれる範囲の値を選択することで、流体クロストークを抑制でき、リフィル特性を改善することができる。
【００６１】
図９のグラフは、横軸にノズル径Ｄｎ（μｍ）、縦軸に流路イナータンスＭ（ｋｇ／ｍ４）を示す。表１に示されるノズル径Ｄｎと流路イナータンスＭに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、最大あふれ高さ２μｍとして表示される。表２に示されるノズル径Ｄｎと流路イナータンスＭに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、リフィル完了時間３０μｓとして表示される。表１の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。同様に、表２の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。表１の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ｃの近似式：M=2.075×109 exp(-8.369×10-2 Dn)を得た。表２の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ｄの近似式：M=1.838×109exp(-6.475×10-2Dn)を得た。したがって、個別供給路の流路イナータンスＭ１、個別回収路の流路イナータンスＭ２、及びノズル径として、曲線Ｃと曲線Ｄで囲まれる範囲の値を選択することで、リフィル特性を改善することができる。
【００６２】
リフィルは大きくは抵抗に支配される。しかしながら、流路イナータンスの寄与もあり、望ましくは流路イナータンスも所定の値にすることで特性を改善することができる。
【００６３】
図４に示す液滴吐出ヘッドに関して、液滴の吐出曲がりを防止するため、好ましくは、ノズルの中心軸に対して対称性を保つことである。図１０、及び図１１は、液滴吐出部のノズル、圧力室、個別供給路、個別回収路の位置関係を示す。図１０に示すように、圧力室２２２、個別供給路２２１、個別回収路２２４がノズル１８０の中心軸に対して点対称に配置される。図１１に示すように圧力室２２２、個別供給路２２１、個別回収路２２４がノズル１８０の中心軸に対して線対称に配置される。
【符号の説明】
【００６４】
１００…液滴吐出ヘッド、１１０…ケーシング、１２０…取り付け部、１２２…取り付け部品、１３０…基板、１３２…ノズル層、１３５…ノズル面、１５０…供給管、１６０…回収管、１７０…ノズル列、１８０…ノズル、２１１…第１主流路、２１２…共通供給路、２１４…共通回収路、２１５…第２主流路、２２１…個別供給路、２２２…圧力室、２２３…連通路、２２４…個別回収路、２２５…アクチュエーター、２２６…振動板、２２７…駆動素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド関して、特に、流体クロストーク、リフィル特性の改善技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式の記録装置は、多数のノズルが形成されたインクジェットヘッドの各ノズルからそれぞれインクを記録媒体上に吐出することにより、記録媒体上に画像を形成する装置である。インクジェット記録装置は、静音性にすぐれ、ランニングコストが安く、多種多様な記録媒体に対して高品位な画像を記録できることなどから幅広く利用される。
【０００３】
インクジェットヘッドとして、圧力発生素子を利用するものが知られている。インクジェットヘッドは、インクが貯留される共通流路、共通流路と連通する複数の個別供給路、各個別供給路に連通する圧力室、圧力室を変形させる圧力発生素子、圧力室に連通するノズルを有する。インクジェットヘッドは、インクが貯留される共通流路から複数の圧力室にそのインクを供給し、圧力発生素子を駆動することにより圧力室内のインクを加圧し、圧力室に連通するノズルからインクを吐出する。
【０００４】
このようなインクジェットヘッドでは、圧力の変動により流路を介して隣接するノズル（特にメニスカス）に影響を与える流体クロストークと呼ばれる現象が発生しやすい。その問題を解決するため、流路内にダンパーを設け、隣接ノズルに圧力を伝わりにくくする構造が広く採用されている。しかしながら、近年は、ヘッドが高密度化しているため、ダンパーを導入することが困難になってきている。また、流路を絞ることにより圧力の伝わりを制限した場合には流体クロストークの影響と、単独のリフィル特性とのかね合いが重要となる。
【０００５】
特許文献１は、流路を構成する隔壁の両端側にインク溜を有する循環型ヘッドにおいて、インク供給穴の開口部の面積の総和と、インク回収穴の開口部の面積の総和を、流路をその長手方向に垂直な平面にて切断したときの切断面の面積の総和とを所定の関係にすることを開示する。この構成により気泡の混入、インク凝集を防止する。
【０００６】
しかしながら、開口部の面積と流路の面積とを所定の関係にするだけでは、流体クロストークや、単独のリフィルを制御することはできない。流体クロストーク、単独でのリフィル現象は流路抵抗によって大きく支配される。流路抵抗は断面積のみならず長さ、粘度を考慮しなければならないからである。
【０００７】
特許文献２は、インクを供給する第１インク通路と気泡を排出する第２インク通路を有するインクジェットプリントヘッドにおいて、第２インク通路の流路抵抗値を第１インク通路の流路抵抗値の１〜２倍の範囲に設定することを開示する。この構成によりインクジェットプリントヘッドの気泡排出機構を改善する。
【０００８】
しかしながら、第２インク通路は循環路ではなく気泡排出用に設けられたダミーノズルに通ずるものであって、クロストークを抑制する効果はあるものの、気泡排出性に着目した流路抵抗比率となっており、流体クロストークや、単独のリフィルを考慮したものになっていない。
【０００９】
特許文献３は、液滴吐出装置において、ノズル軸に対して循環路を対称となる位置に２つ以上設置することを開示する。この構成により、連通路内に発生するインク流にも対称性を持たせ、吐出不良を防止する。
【００１０】
インクを吐出する場合、循環路だけでなく供給路にもインクの流れが発生する。したがって、循環路を対称となる位置に設置しても、連通路内に発生するインク流にも対称性を持たせ、吐出不良を防止することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３２１３６１号公報
【特許文献２】特開平４−２７５４８７号公報
【特許文献３】特開２００９−５６７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、流体クロストークとリフィルの特性の改善を両立することができる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によると、液滴吐出ヘッドであって、液滴を吐出する複数のノズルと、前記複数のノズルに個々に連通し、液体で満たされる複数の圧力室と、前記複数の圧力室に対応して配置された複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子は対応する前記圧力室内の液体に圧力を付与し、前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別供給路と、前記液体が前記複数の個別供給路を介して前記複数の圧力室に供給され、前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別回収路と、前記液体が前記複数の個別回収路を介して前記複数の圧力室から回収され、前記複数の個別供給路に連通し、前記液体を供給する複数の共通供給路と、前記複数の個別回収路に連通し、前記液体を回収する複数の共通回収路と、を有し、前記液滴吐出ヘッドは、複数の液滴吐出部を備え、各前記液滴吐出部は、前記ノズルの一つと、前記ノズルの一つと連通する前記圧力室の一つと、前記圧力室の一つに対応して配置された前記駆動素子の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別供給路の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別回収路の一つとを有し、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１（Ｎｓ／ｍ５）と、前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２（Ｎｓ／ｍ５）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす。
【００１４】
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R1 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R2 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
本発明者は、循環経路をもつ液滴吐出ヘッドにおいて、流体クロストークとリフィルの特性改善について鋭意検討した。その結果、個別供給路の流路抵抗と、個別回収路の流路抵抗と、ノズル径とを所定の関係とすることで、流体クロストークとリフィルの特性を改善できることを見出し、本発明に至った。
【００１５】
本発明によれば、流体クロストークを抑制することができる、また、リフィルを安定的、かつ遅滞なく完了することができる。これにより液体を高い周波数で液滴を吐出することができる。
【００１６】
ここでノズルの径Ｄｎは、開口部面積を円形に換算したときの直径を意味する。
【００１７】
本発明の他の態様によると、好ましくは、前記複数の共通供給路は並列に配置され、かつ前記複数の共通供給路は一方端で結合され供給マニホールドを構成し、前記複数の共通回収路は並列に配置され、かつ前記複数の共通回収路は一方端で結合され回収マニホールドを構成する。
【００１８】
本発明の他の態様によると、好ましくは、前記供給マニホールドと前記回収マニホールドが前記液滴吐出部を介してのみ連通する。
【００１９】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１が前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２と実質的に等しい。個別供給路の流路抵抗と個別回収路の流路抵抗とを等しくすることにより、流体クロストークにより発生するインク流を全ノズルに分散できる。インクの流れに偏りがなく、ある特定領域のノズルにクロストークの影響が集中するのを防止できる。全体としてクロストークの影響を平均化することで、クロストークを抑制することができる。
【００２０】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の断面積、及び長さが前記個別回収路の断面積、及び長さと実質的に等しい。より効果的に、流体クロストークにより発生するインク流を全ノズルに分散できる。
【００２１】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１（ｋｇ／ｍ４）と、前記個別回収路の流路イナータンスＭ２（ｋｇ／ｍ４）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす。
【００２２】
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M1 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M2 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
個別供給路の流路イナータンスＭ１と、個別回収路の流路イナータンスＭ２と、ノズル径Ｄｎとを上記の式を満たす範囲とすることにより、リフィル速度を最適化することができる。
【００２３】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１と前記個別回収路の流路イナータンスＭ２とが実質的に等しい。これにより、リフィル速度を調整することができる。流路イナータンスを変化させることにより、クロストークのタイミングをずらすことができる。また、単独のリフィルに関しても同様にタイミングが変化するので、吐出周波数に合わせて調整することができる。
【００２４】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記液滴吐出部は前記圧力室の一つと前記ノズルの一つとを連通する連通路を有する。
【００２５】
本発明の他の態様によると、好ましくは、各前記液滴吐出部において、前記圧力室の一つ、前記個別供給路の一つ、及び前記個別回収路の一つの配置が、前記ノズルの中心軸に対して、線対称、又は点対称である。これにより、液滴の吐出曲がりを防止することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の液滴吐出ヘッドによれば、流体クロストークとリフィルの特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの斜視図。
【図２】基板の底部表面（ノズル配列）を示す図。
【図３】基板内の液体の流れを示す平面透視図（ａ）、及び、その一部拡大図（ｂ）。
【図４】基板の一例の要部断面図。
【図５】基板の他の例の要部断面図。
【図６】液滴吐出後の時間と液滴のメニスカスの変位を示すグラフ。
【図７】液滴吐出後の時間と液滴のメニスカスの変位を示すグラフ。
【図８】ノズル径と流路抵抗の関係を示すグラフ。
【図９】ノズル径と流路イナータンスの関係を示すグラフ。
【図１０】基板の他の例の要部断面図。
【図１１】基板の他の例の要部断面図。
【図１２】個別供給路、又は個別回収路の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱することなく、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。
【００２９】
図１は液滴吐出ヘッドの斜視図を示す。液滴吐出ヘッド１００は、ケーシング１１０と、取り付け部品１２２を含む取り付け部１２０と、ケーシング１１０の底部に取り付けられる基板１３０を有する。基板１３０は、シリコン、例えば、単結晶シリコンから構成される。内部に微細加工された流体通路が、基板１３０に形成される。供給管１５０、及び回収管１６０は、一方端において液滴吐出ヘッド１００に接続される。供給管１５０、及び回収管１６０は、他方端において液体タンク（不図示）に接続される。
【００３０】
図２に、基板１３０の底部表面を示す。基板１３０はノズル層１３２を有する。ノズル層１３２は、ノズル面１３５を有する。ノズル面１３５は、複数のノズル１８０で構成される複数のノズル列１７０を有する。ノズル面１３５は、長い端面と短い端面を持ち、実質的に四角形状を有する。長い端面はＸ方向に対して角度γを有するＶ方向に延び、短い端面はＹ方向に対して角度αを有するＷ方向に延びる。Ｗ方向は、基板１３０の幅に関して、他の方向に傾けることもできる。ノズル面１３５は、分離したノズル層１３２の表面として形成されることもできる。また、ノズル面１３５とノズル層１３２とは基板１３０と同一部材として形成することもできる。
【００３１】
図３（ａ）は、基板１３０の液体の流れを示す平面透視図であり、図３（ｂ）は、その一部拡大図である。図３に示すように、基板１３０に、第１主流路２１１が形成される。第１主流路２１１は供給管１５０に連通する。複数の共通供給路２１２が第１主流路２１１と所定角度を成すよう形成される。複数の共通供給路２１２と第１主流路２１１とにより供給マニホールドが構成される。液滴を吐出するノズル１８０を備える複数の液滴吐出部が共通供給路２１２に沿って配置される。液体を回収する共通回収路２１４が液滴吐出部を挟んで共通供給路２１２と対向する位置に配置される。複数の共通回収路２１４と所定角度を成すように第２主流路２１５が形成される。複数の共通回収路２１４と第２主流路２１５とにより液体回収マニホールドが構成される。第２主流路２１５は回収管１６０に連通する。
【００３２】
液体タンクと、液体タンクに接続される供給管と、供給管に接続される供給マニホールドと、供給マニホールドと接続される液滴吐出部と、液滴吐出部と接続される回収マニホールドと、回収マニホールドと接続される回収管と、回収管に接続される液体タンクと、により液体の循環経路が形成される。
【００３３】
図３（ｂ）に示すように、共通供給路２１２と共通回収路２１４とが交互に配置される。ノズル１８０を含む複数の液滴吐出部が、共通供給路２１２と共通回収路２１４との間で、共通供給路２１２と共通回収路２１４とに沿うように配置される。ノズル１８０は図示しない圧力室と連通する。各圧力室は個別供給路２２１を介して共通供給路２１２と連通される。また、各圧力室は個別回収路２２４を介して共通回収路２１４と連通される。
【００３４】
図４は、図３に示す基板１３０の一例の要部断面図である。共通供給路２１２、及び共通回収路２１４が基板１３０に形成される。基板１３０の内部に、個別供給路２２１と、圧力室２２２と、個別回収路２２４とが形成される。基板１３０はノズル層１３２を有する。ノズル層１３２には、ノズル１８０が圧力室２２２に対応する位置に形成される。圧力室２２２に隣接する位置に、圧力室２２２内の液体へ圧力を付与するアクチュエーター２２５が形成される。アクチュエーター２２５は、板状の振動板２２６と駆動素子２２７とを含む。駆動素子２２７は、例えば圧電素子である。共通供給路２１２と圧力室２２２とは個別供給路２２１を介して連通する。共通回収路２１４と圧力室２２２とは個別回収路２２４を介して連通する。図４においては、液滴吐出部は、液滴を吐出するノズル１８０と、ノズル１８０と連通する圧力室２２２と、圧力室２２２内の液体に圧力を付与する駆動素子２２７と、圧力室２２２に接続され圧力室２２２に液体を供給する個別供給路２２１と、圧力室２２２に接続され圧力室内の液体を回収する個別回収路２２４と、を含む。図４では、基板１３０とノズル層１３２を有する構成を示したが、これに限定されない。例えば、基板１３０が複数の層で構成されてもよい。基板１３０とノズル層１３２とが一体的に構成されるものであってもよい。
【００３５】
図５は、図３に示す基板１３０の他の例の要部断面図である。共通供給路２１２、及び共通回収路２１４が基板１３０に形成される。基板１３０の内部に、個別供給路２２１と、圧力室２２２と、個別回収路２２４とが形成される。基板１３０はノズル層１３２を有する。圧力室２２２に隣接する位置に、圧力室２２２内の液体へ圧力を付与するアクチュエーター２２５が形成される。アクチュエーター２２５は、板状の振動板２２６と駆動素子２２７とを含む。駆動素子２２７は、例えば圧電素子である。共通供給路２１２と圧力室２２２とは個別供給路２２１を介して連通する。共通回収路２１４と圧力室２２２とは個別回収路２２４を介して連通する。圧力室２２２が連通路２２３と連通する。ノズル層１３２には、ノズル１８０が連通路２２３に対応する位置に形成される。つまり、ノズル１８０と圧力室２２２とが連通路２２３を介して連通される。図５においては、液滴吐出部は、液滴を吐出するノズル１８０と、ノズル１８０と連通する連通路２２３と、連通路２２３と連通する圧力室２２２と、圧力室２２２内の液体に圧力を付与する駆動素子２２７と、圧力室２２２に接続され圧力室２２２に液体を供給する個別供給路２２１と、圧力室２２２に接続され圧力室内の液体を回収する個別回収路２２４と、を含む。
【００３６】
図４、及び図５に示すように、複数の液滴吐出部は共通供給路２１２及び共通回収路２１４を介して間接的に連通される。複数の液滴吐出部、共通供給路２１２、共通回収路２１４、供給管、回収管、液体タンクにより循環経路が形成される。そのため、一つの液滴吐出部の圧力の変動が、共通供給路、共通回収路を介して隣接するノズル（特にメニスカス）に影響を与える、いわゆる、流体クロストークと呼ばれる現象が発生しやすい。
【００３７】
本発明者は、循環経路をもつ液滴吐出ヘッドにおいて、個別供給路と個別回収路の流路抵抗と、ノズル径を所定の関係とすることで、流体クロストークとリフィルの特性を改善できることを見出した。
【００３８】
循環経路をもつインクジェットヘッドにおいて、個別供給路２２１の流路抵抗Ｒ１と個別回収路２２４の流路抵抗Ｒ２とを所定範囲内とすることで、流体クロストークが抑制される。これは以下の理由によるものである。流体クロストークは個別供給路２２１、個別回収路２２４を介して伝搬する。そのため、両者の流路抵抗を所定範囲とすることにより、流体クロストークにより発生するインク流を全ノズルに分散させることができるからである。
【００３９】
一方、流体クロストークを抑えるために個別供給路の流路抵抗と個別回収路の流路抵抗とを所定の範囲内としても、リフィル特性は必ずしも改善されない。１ノズル単位でのリフィル特性は、液滴吐出部の個別供給路、個別回収路、ノズル径の３つ要因により支配される。本発明者は、リフィル特性に関し、集中定数系等価回路解析を実施することにより、個別供給路、個別回収路、ノズル径の関係を見出した。集中定数系等価回路解析に際し、以下を満たすことを条件とした。
【００４０】
（１）液滴吐出後のメニスカス隆起高さを、定常時のメニスカスに対し２μｍ以下、（２）リフィルの完了時間を３０μｓｅｃ以下、（３）同一体積を吐出すること前提に、ノズル径、個別供給路及び個別回収路の流路抵抗、流路イナータンス、流路幅、流路高さ、流路長、の各値を決定した。図１２は、個別供給路又は個別回収路の流路幅Ｗ、流路高さＨ、及び流路長Ｌを示す。
【００４１】
表１は（１）の条件を満たす各数値をまとめたものである。表２は（２）の条件を満たす各数値をまとめたものである。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
なお、流路抵抗、流路イナータンス成分は以下の数式にて決定される。
【００４５】
流体の密度ρ、個別供給路又は個別回収路の長さｌ、その断面積をＳとすると、流路イナータンスは以下の式により決定される。
【００４６】
【数１】
【００４７】
一方、断面積が一定でない場合、流路イナータンスは以下の式により決定される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
流路抵抗は、個別供給路又は個別回収路が長方形断面流路の場合、流体の粘度η、個別供給路又は個別回収路の長さｌ、その断面積をＳ、流路の断面のアスペクト比Ｚ，但しＺ＞１とすると、以下の式により決定される。（Kyserらの近似モデル(E.L.Kyser, et al., “Design of Impulse Ink Jet”, J. Appl. Photographic Engineering, 7(3),(1981)73.)
【００５０】
【数３】
【００５１】
流路抵抗は、個別供給路又は個別回収路が円形流路の場合、流路の直径をｄとすると以下の式により決定される。
【００５２】
【数４】
【００５３】
流路抵抗は、個別供給路又は個別回収路の断面積が一定でない場合、以下の式により決定される。
【００５４】
【数５】
【００５５】
図６は、集中定数系等価回路解析により得られたリフィルの状況を示し、ノズル径Ｄｎを変化させたときにメニスカス位置が最大２μｍになるように、流路抵抗Ｒと流路イナータンスＭとを調整したものである。
【００５６】
図６のグラフは、横軸に時間、縦軸にメニスカスの変位量を示す。時間（０）は、液滴の吐出を開始した時間である。その後、時間の経過に伴いメニスカスが変位する。表１のノズル径Ｄｎ（μｍ）、流路抵抗Ｒ（Ｎｓ／ｍ５）、流路イナータンスＭ（ｋｇ／ｍ４）、流路幅Ｗ（μｍ）、流路高さＨ（μｍ）、流路長Ｌ（μｍ）を満たす場合、図６に示すように最大メニスカスの隆起高さ２μｍ以下を満たす。
【００５７】
図７は、集中定数系等価回路解析により得られたリフィルの状況を示し、ノズル径Ｄｎを変化させたときにリフィル完了時間（メニスカス位置が０に戻る時間）が３０μｓになるように流路抵抗Ｒと流路イナータンスＭとを調整したものである。
【００５８】
図７のグラフは、横軸に時間、縦軸にメニスカスの変位量を示す。時間（０）は、液滴の吐出を開始した時間である。その後、時間の経過に伴いメニスカスが変位する。表２のノズル径Ｄｎ（μｍ）、流路抵抗Ｒ（Ｎｓ／ｍ５）、流路イナータンスＭ（ｋｇ／ｍ４）、流路幅Ｗ（μｍ）、流路高さＨ（μｍ）、流路長Ｌ（μｍ）を満たす場合、図７に示すようにリフィル時間３０μｓｅｃ以下を満たす。
【００５９】
図８のグラフは、横軸にノズル径Ｄｎ（μｍ）、縦軸に流路抵抗Ｒ（Ｎｓ／ｍ５）を示す。表１に示されるノズル径Ｄｎと流路抵抗Ｒに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、最大あふれ高さ２μｍとして表示される。
【００６０】
表２に示されるノズル径Ｄｎと流路抵抗Ｒに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、リフィル完了時間３０μｓとして表示される。表１の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。同様に、表２の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。表１の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ａの近似式：R=3.247×1015 exp(-0.1717 Dn)を得た。表２の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ｂの近似式：R=3.2781015exp(-0.1456 Dn)を得た。したがって、個別供給路の流路抵抗Ｒ１、個別回収路の流路抵抗Ｒ２、及びノズル径Ｄｎとして、曲線Ａと曲線Ｂで囲まれる範囲の値を選択することで、流体クロストークを抑制でき、リフィル特性を改善することができる。
【００６１】
図９のグラフは、横軸にノズル径Ｄｎ（μｍ）、縦軸に流路イナータンスＭ（ｋｇ／ｍ４）を示す。表１に示されるノズル径Ｄｎと流路イナータンスＭに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、最大あふれ高さ２μｍとして表示される。表２に示されるノズル径Ｄｎと流路イナータンスＭに応答する値がグラフに示されている。これらの値は、リフィル完了時間３０μｓとして表示される。表１の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。同様に、表２の値をプロットした点を通る曲線を指数関数近似曲線から導出した。表１の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ｃの近似式：M=2.075×109 exp(-8.369×10-2 Dn)を得た。表２の値から、指数関数近似曲線より、曲線Ｄの近似式：M=1.838×109exp(-6.475×10-2Dn)を得た。したがって、個別供給路の流路イナータンスＭ１、個別回収路の流路イナータンスＭ２、及びノズル径として、曲線Ｃと曲線Ｄで囲まれる範囲の値を選択することで、リフィル特性を改善することができる。
【００６２】
リフィルは大きくは抵抗に支配される。しかしながら、流路イナータンスの寄与もあり、望ましくは流路イナータンスも所定の値にすることで特性を改善することができる。
【００６３】
図４に示す液滴吐出ヘッドに関して、液滴の吐出曲がりを防止するため、好ましくは、ノズルの中心軸に対して対称性を保つことである。図１０、及び図１１は、液滴吐出部のノズル、圧力室、個別供給路、個別回収路の位置関係を示す。図１０に示すように、圧力室２２２、個別供給路２２１、個別回収路２２４がノズル１８０の中心軸に対して点対称に配置される。図１１に示すように圧力室２２２、個別供給路２２１、個別回収路２２４がノズル１８０の中心軸に対して線対称に配置される。
【符号の説明】
【００６４】
１００…液滴吐出ヘッド、１１０…ケーシング、１２０…取り付け部、１２２…取り付け部品、１３０…基板、１３２…ノズル層、１３５…ノズル面、１５０…供給管、１６０…回収管、１７０…ノズル列、１８０…ノズル、２１１…第１主流路、２１２…共通供給路、２１４…共通回収路、２１５…第２主流路、２２１…個別供給路、２２２…圧力室、２２３…連通路、２２４…個別回収路、２２５…アクチュエーター、２２６…振動板、２２７…駆動素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴吐出ヘッドであって、
液滴を吐出する複数のノズルと、
前記複数のノズルに個々に連通し、液体で満たされる複数の圧力室と、
前記複数の圧力室に対応して配置された複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子は対応する前記圧力室内の液体に圧力を付与し、
前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別供給路と、前記液体が前記複数の個別供給路を介して前記複数の圧力室に供給され、
前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別回収路と、前記液体が前記複数の個別回収路を介して前記複数の圧力室から回収され、
前記複数の個別供給路に連通し、前記液体を供給する複数の共通供給路と、
前記複数の個別回収路に連通し、前記液体を回収する複数の共通回収路と、を有し、
前記液滴吐出ヘッドは、複数の液滴吐出部を備え、各前記液滴吐出部は、前記ノズルの一つと、前記ノズルの一つと連通する前記圧力室の一つと、前記圧力室の一つに対応して配置された前記駆動素子の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別供給路の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別回収路の一つとを有し、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１（Ｎｓ／ｍ５）と、前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２（Ｎｓ／ｍ５）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす液滴吐出ヘッド。
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R1 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R2 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
【請求項２】
請求項１記載の液滴吐出ヘッドであって、
前記複数の共通供給路は並列に配置され、かつ前記複数の共通供給路は一方端で結合され供給マニホールドを構成し、
前記複数の共通回収路は並列に配置され、かつ前記複数の共通回収路は一方端で結合され回収マニホールドを構成する液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項２記載の液滴吐出ヘッドであって、
前記供給マニホールドと前記回収マニホールドが前記液滴吐出部を介してのみ連通する液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１が前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２と実質的に等しい液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の断面積、及び長さが前記個別回収路の断面積、及び長さと実質的に等しい液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１（ｋｇ／ｍ４）と、前記個別回収路の流路イナータンスＭ２（ｋｇ／ｍ４）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす液滴吐出ヘッド。
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M1 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M2 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
【請求項７】
請求項６記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１と前記個別回収路の流路イナータンスＭ２とが実質的に等しい液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記液滴吐出部は前記圧力室の一つと前記ノズルの一つとを連通する連通路を有する液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
請求項５記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記圧力室の一つ、前記個別供給路の一つ、及び前記個別回収路の一つの配置が、前記ノズルの中心軸に対して、線対称、又は点対称である液滴吐出ヘッド。
【請求項１】
液滴吐出ヘッドであって、
液滴を吐出する複数のノズルと、
前記複数のノズルに個々に連通し、液体で満たされる複数の圧力室と、
前記複数の圧力室に対応して配置された複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子は対応する前記圧力室内の液体に圧力を付与し、
前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別供給路と、前記液体が前記複数の個別供給路を介して前記複数の圧力室に供給され、
前記複数の圧力室に個々に接続される複数の個別回収路と、前記液体が前記複数の個別回収路を介して前記複数の圧力室から回収され、
前記複数の個別供給路に連通し、前記液体を供給する複数の共通供給路と、
前記複数の個別回収路に連通し、前記液体を回収する複数の共通回収路と、を有し、
前記液滴吐出ヘッドは、複数の液滴吐出部を備え、各前記液滴吐出部は、前記ノズルの一つと、前記ノズルの一つと連通する前記圧力室の一つと、前記圧力室の一つに対応して配置された前記駆動素子の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別供給路の一つと、前記圧力室の一つと連通する前記個別回収路の一つとを有し、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１（Ｎｓ／ｍ５）と、前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２（Ｎｓ／ｍ５）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす液滴吐出ヘッド。
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R1 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
3.247×1015exp(-0.1717 Dn) ≦ R2 ≦ 3.278×1015 exp(-0.1456 Dn)
【請求項２】
請求項１記載の液滴吐出ヘッドであって、
前記複数の共通供給路は並列に配置され、かつ前記複数の共通供給路は一方端で結合され供給マニホールドを構成し、
前記複数の共通回収路は並列に配置され、かつ前記複数の共通回収路は一方端で結合され回収マニホールドを構成する液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項２記載の液滴吐出ヘッドであって、
前記供給マニホールドと前記回収マニホールドが前記液滴吐出部を介してのみ連通する液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路抵抗Ｒ１が前記個別回収路の流路抵抗Ｒ２と実質的に等しい液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の断面積、及び長さが前記個別回収路の断面積、及び長さと実質的に等しい液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１（ｋｇ／ｍ４）と、前記個別回収路の流路イナータンスＭ２（ｋｇ／ｍ４）と、前記ノズルの径Ｄｎ（μｍ）とが以下の関係式を満たす液滴吐出ヘッド。
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M1 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
2.075×109exp(-8.369×10-2 Dn) ≦ M2 ≦ 1.838×109 exp(-6.475×10-2Dn)
【請求項７】
請求項６記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記個別供給路の流路イナータンスＭ１と前記個別回収路の流路イナータンスＭ２とが実質的に等しい液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記液滴吐出部は前記圧力室の一つと前記ノズルの一つとを連通する連通路を有する液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
請求項５記載の液滴吐出ヘッドであって、
各前記液滴吐出部において、前記圧力室の一つ、前記個別供給路の一つ、及び前記個別回収路の一つの配置が、前記ノズルの中心軸に対して、線対称、又は点対称である液滴吐出ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−３０５８２（Ｐ２０１２−３０５８２Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０７２６（Ｐ２０１１−１４０７２６）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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