JP3589236B2

JP3589236B2 - インクジェット式記録ヘッド及びこれを用いた画像記録装置

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Publication number: JP3589236B2
Application number: JP2003103297A
Authority: JP
Inventors: 智明高橋; 聡細野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2003260796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタ或はインクジェットプロッタなどとして用いられるインクジェット式画像記録装置及びインクジェット式記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の記録ヘッドは、ノズル開口を有する圧力発生室を複数並べて形成するとともに、これら圧力発生室の配列方向に沿って細長い共通インク室を形成し、この共通インク室と各圧力発生室との間をインク供給路により連通し、各圧力発生室に振動板を介して圧力発生素子を設け、この圧力発生素子による圧力発生室内の圧力変動によりノズル開口からインク滴を吐出させる構成を採る。そして、共通インク室は、ここにインクを供給するインク供給管から最も遠い左右の端部で流路幅を絞って先細りな形状にしているが、これは断面積を減少させることによりインクの流速を高め、これによりインクを充填する際やノズル開口から吸引するクリーニング時に残留気泡をなくすためである。
【０００３】
また、共通インク室の一面を弾性フィルムで区画することにより大きなコンプライアンスを与えている。これは、インク吐出時にインク供給路から逆流するインクの圧力を吸収し、また、各圧力発生室に素早くインクを供給するためである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２９７７０１号公報
【特許文献２】
特開平９−０５７９６１号公報
【特許文献３】
特開平９−０９９５５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の記録ヘッドでは、同一条件で圧力発生素子を駆動しても、共通インク室の端部（インク供給管から遠い端部）で連通している圧力発生室のノズル開口から吐出されるインク滴の吐出特性が他のノズル開口の吐出特性とは異なる現象が発生し、そのばらつき範囲は目標値に対して＋−１５％程度となる。この様な現象は共通インク室の端部で圧力損失が生じてインク供給路の入口に負圧が生ずると推測される。そして、これを解消するには、共通インク室のコンプライアンスを大きくすることが考えられるが、共通インク室の端部は、気泡排除性を高めるために先細りにする必要があるので、単にコンプライアンス部を拡張することは困難である。また、画像記録速度の高速化、記録対象物の大型化などの要求から一列当たりのノズル数を増加させる傾向にあるが、クリーニング用ポンプを大型化して気泡排出能力を高めると排除するインクの量が増加してしまうので、共通インク室の先端部分を先細りにすることは避けられない。
【０００６】
本発明は上記した事情に鑑みなされたもので、その目的は、複数のノズル開口を有し、これらノズル開口のそれぞれの吐出特性の均一化を図ることができるインクジェット式記録ヘッド、及びこの記録ヘッドを用いた画像記録装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口と連通する圧力発生室を複数並べて形成し、該複数の圧力発生室の体積を全て揃えるとともに、これら圧力発生室の一側に共通インク室を形成し、共通インク室と各圧力発生室とをインク供給路によりそれぞれ連通し、各圧力発生室に対応して圧力発生素子を設け、共通インク室にはインク供給管を接続し、圧力発生素子による圧力発生室内の圧力変動により当該圧力発生室内のインクをノズル開口から吐出するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記インク供給管の接続部から離れた前記共通インク室の端部近傍に、他の部分よりも断面積を減少させた絞り領域を有し、
前記共通インク室の絞り領域近傍で連通するインク供給路のイナータンスが、前記絞り領域近傍以外で連通する複数の同一形状のインク供給路のイナータンスに比較して小さくなる様にインク供給路の断面積あるいは長さの少なくとも一方を異ならせて形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド１という。）を用いた画像記録装置２の斜視図である。この画像記録装置２は、スキャナ（図示せず）などと共にコンピュータ（図示せず）に接続された状態で使用される。このコンピュータには、所定のプログラムがロードされ、実行されることにより、これらの装置全体が一体で記録装置として機能する。コンピュータでは、所定のオペレーティングの下でアプリケーションプログラムが動作し、スキャナから読み込んだ画像などに対して所定の処理を行ないつつＣＲＴディスプレイ（図示せず）に画像を表示する。また、コンピュータは、アプリケーションプログラムが印刷命令を発すると、スキャナを介して読み込んだ画像データやキーボードを介して入力された文字データなどを画像記録装置２に出力する。
【００１８】
画像記録装置２は、キャリッジ３がタイミングベルト４を介してキャリッジモータ５に接続され、ガイド部材６に案内されて記録用紙７の紙幅方向に往復動するように構成されている。また、この画像記録装置２には、紙送りローラ７′を用いた紙送り機構も設けられている。キャリッジ３には記録用紙７と対向する面、すなわち本実施形態では下面に記録ヘッド１が取り付けられており、記録ヘッド１は、キャリッジ３の上部に取り付けられたホルダ８にセットされているインクカートリッジ９からインクの供給を受けて、キャリッジ３の移動に合わせて記録用紙７にインク滴を吐出することにより画像や文字等を印刷する。
【００１９】
また、記録用紙７から外れた非印刷領域（非記録領域）には、キャッピング装置１０が配設され、印刷の休止中に記録ヘッド１のノズル開口を封止する。したがって、印刷の休止中、キャッピング装置１０によるノズル開口の封止によりインクが増粘あるいはインク膜を形成することを抑制することができる。また、キャッピング装置１０は、図面には示していないが吸引パイプを介してポンプに接続しており、インクを充填する際やクリーニング時にノズル開口から吸引して記録ヘッド１内のインク流路内にある気泡を排除する。そして、キャッピング装置１０の近傍に配置されたワイピング装置１１により、記録ヘッド１の表面（ノズル開口のある下面）を払拭して、そこに付着したインク滓や紙粉等を除去するように構成されている。
【００２０】
図２は、図１に示すインクジェット式画像記録装置２の記録ヘッド１の分解斜視図、図３は記録ヘッド１のアクチュエータの断面図、図４は、前記記録ヘッド１の流路形成板１２の平面図である。図２及び図３に示す記録ヘッド１を製造するには、複数の列にノズル開口１３が形成されたノズルプレート１４、ノズル開口１３のそれぞれに連通する圧力発生室２０が形成された流路形成板１２、および圧力発生室２０のそれぞれに重なる振動領域が島状に形成された弾性板２１をこの順に積層して流路ユニット２２を構成した後、流路ユニット２２を圧力発生素子２３が支持されたヘッドケース２４に重ね合わせて、各圧力発生素子２３の先端部分を弾性板２１の各振動領域にそれぞれ当接して接着し、ノズルプレート１４側に縁カバー２５を被せる。
【００２１】
ノズルプレート１４は、ステンレス板などの薄板に直径２０μｍから３０μｍのノズル開口１３がドット形成密度に対応したピッチで形成されたものである。また、流路形成板１２は、図４に示すように、厚さが４００μｍ程度のシリコン基板に対してウエットエッチングなどによって貫通穴を形成したものであり、この貫通穴により、共通インク室２６、この共通インク室２６からノズルプレート１４のノズル開口１３と重なる位置まで細長く形成されたインク供給路２７、および圧力発生室２０が構成される。
【００２２】
弾性板２１は、ステンレス板２９と樹脂フィルム３０からなる複合板に対して、圧力発生室２０と重なる領域にステンレス部分が島状の振動領域（アイランド部）３１として残され、この振動領域３１の周りは樹脂フィルム３０だけが残されている。また、この弾性板２１には、共通インク室２６に重なる領域にインク供給穴３２が形成されている。
【００２３】
ヘッドケース２４には、その先端面に窓３３が開設され、このヘッドケース２４内に、ステンレス製固定基板３４に基端を固定して複数本櫛歯状に形成された圧力発生素子２３を差し込むと、窓３３の内側に圧力発生素子２３の先端部分が入り込む。なお、ヘッドケース２４にはインク供給管３５が形成されている。
【００２４】
この様に構成された記録ヘッド１において、電圧パルスが圧力発生素子２３に印加されると、圧力発生素子２３は圧力発生室２０の容積を膨張させる方に撓み、すなわち収縮し、圧力発生室２０に負圧を発生させる。その結果、インクのメニスカスはノズル開口１３の内部に引き込まれ、共通インク室２６からは各インク供給路２７を介して各圧力発生室２０にインクが流れ込む。一方、放電パルスを印加すると、圧力発生素子２３は圧力発生室２０の容積を収縮させる方向に撓み、すなわち伸長し、圧力発生室２０に正圧が発生する。その結果、ノズル開口１３からインク滴が吐出される。この様な動作はいずれも、圧力発生素子２３の伸長、収縮が弾性板２１の振動領域３１を介して伝達される。
【００２５】
図４に示す流路形成板１２の実施形態における特徴は、インク供給管３５が共通インク室２６の一方の端部に連通しているので、このインク供給管３５から遠く離隔した他方の端部の領域で連通しているインク供給路２７の幅がノズル番号＃４から＃１の方向に徐々に広げられていることにある。換言すると、共通インク室２６中央側から先端に位置するものほどその幅が徐々に広げられている。
【００２６】
流路形成板１２に形成される共通インク室２６の深さは均一であるので、インク供給路２７の入口（＃１〜＃４に対応する供給口）の断面積が徐々に大きくなり、ノズル番号＃４〜＃１にかけて生じるインク速度とインク量の変動を抑制することができる。
【００２７】
ここでその原理を図５を参照して説明する。Ｍｎ、Ｍｓ、Ｍａは、それぞれノズル開口１３、インク供給路２７および圧力発生素子２３のイナータンスである。Ｒｎ、Ｒｓ、Ｒａは、それぞれノズル開口１３、インク供給路２７および圧力発生素子２３のレジスタンスである。Ｃｎ、Ｃｃ、Ｃａは、それぞれノズル開口１３、圧力発生室２０，及び圧力発生素子２３のコンプライアンスである。Ｕｓ、Ｕｎは、それぞれノズル開口１３側、インク供給路２７側に流れるインクの体積速度である。Ｕａは、圧力発生素子２３が動作したときに圧力発生室２０の内部に生じる単位時間当たりのインクの体積速度である。したがって、体積速度ＵｎとＵｓの和がＵａとなる。
【００２８】
圧力発生室２０の中を流れるインクの振動周波数（Ｆｉｎｋ）は次式で表される。
Ｆｉｎｋ＝１／２π・√（Ｍｎ・Ｍｓ）／√｛Ｃｃ（Ｍｎ＋ｍｓ）｝
本実施形態においては、Ｍｎ＝１．２７×１０^８（ｋｇ／ｍ^４）、Ｍｓ＝１．５０×１０^８（ｋｇ／ｍ^４）、Ｃｃ＝２．４４×１０^−２０（ｍ^５／Ｎ）であるから、Ｆｉｎｋは約１２３ｋＨｚと導かれる。
【００２９】
ＵｎとＵｓの比率は、ノズル側のインピーダンスＺｎ、インク供給側のインピーダンスＺｓとの比率によって決定されるが、Ｆｉｎｋが非常に高速であるため、Ｚｎ≒Ｍｎ、Ｚｓ≒Ｍｓと考えることができる。
【００３０】
したがって、Ｕｎ／Ｕｓ≒Ｍｎ／Ｍｓとなり、インク供給口のＭｓを調整することによりＵｎ／Ｕｓをコントロールすることができる。ノズル開口１３から吐出するインク速度は、体積速度Ｕｎ（ｍ^３／ｓ）／ノズル開口面積（ｍ^２）と考えることができるので、Ｕｎを小さくすればインク速度を減少させることができる。インク量においても同様にＵｎを小さくすれば減少させることができる。
【００３１】
Ｍｓは次式で表すことができる。
Ｍｓ＝ρ×１／Ｓ
ここで、
ρ：インクの比重
ｌ：インク供給路２７の長さ
Ｓ：インク供給路２７の断面積
である。
【００３２】
よって、インク供給路２７の断面積Ｓを大きくすることによりＭｓは小さくなり、インク速度、インク量をコントロールすることが可能である。また、インク供給路２７の長さを短くしても同様な効果を得ることができるのは上述の通りである。
【００３３】
次に、図６に示す第２の実施形態について説明する。この第２実施形態の特徴は、インク供給管３５が共通インク室２６の長手方向に対して略中央に位置することである。この様な構成にすると、インク供給管３５から共通インク室２６の端部までの長さを、前記第１実施形態の約半分にすることが可能となり、共通インク室２６の長さと断面積による損失水頭の問題をノズル列が長くなっても回避することが可能となる。なお、本実施形態においては、インク供給管３５から共通インク室２６の端部までの距離が両方とも同じになるので、両方の端部を、断面積が次第に減少する先細り形状とし、この先細りにした端部の領域（絞り領域３６）で連通しているインク供給路２７の幅を中央側から先端に向かうにしたがって、すなわち＃４から＃１になるにしたがって徐々に広くしてある。
【００３４】
次に、図７に示す第３の実施形態について説明する。この第３実施形態の特徴は、インク供給路２７が１つの圧力発生室２０に対して複数形成されていることである。第１の実施形態の説明で、気泡排出性に優れた共通インク室２６であって、かつ、端部におけるインク量、インク速度を補正できることを説明したが、記録速度を更に高速化しようとする場合、圧力発生室２０内でのインクの振動を効率良く減衰させる必要がある。
【００３５】
一般に、減衰係数はＭｓ／Ｒｓで表すことができる。
ここで、Ｒｓは次式で表すことができる。
Ｒｓ＝１２×η×ｌ／（Ｗ×ｔ^３）
η：インクの粘度（Ｐａ×ｓ）
ｌ：供給口（インク供給路２７）の長さ（ｍ）
Ｗ：供給口断面の長辺（供給口が長方形断面の時）
ｔ：供給口断面の短辺（供給口が長方形断面の時）
である。
【００３６】
本実施形態において、流路形成板１２の厚さは２００〜５００μｍであり、インク供給路２７の幅は１０〜５０μｍであるため、第１の実施形態で示したように、インク供給路２７の幅でＭｓを小さくしようとすると、Ｒｓはその幅の３乗に比例して小さくなってしまう。
【００３７】
減衰係数Ｍｎ／Ｒｎは小さいほど速くインクの振動を減衰させることができるが、インク供給路２７の幅により、インク速度、インク量を小さくすることができても減衰が悪くなり、高速印字実現への障害となる。
【００３８】
しかしながら、第３の実施形態においては、１つの圧力発生室２０に対して複数のインク供給路２７を備えることを特徴としているので、Ｍｎを並列に考えることが可能となり、インク供給路２７の長さｌと幅Ｗと深さｔを調整することにより減衰係数Ｍｎ／Ｒｎを補正しないインク供給路２７と同等にしながら端部におけるＭｎを小さく調整することが可能となる。
【００３９】
なお、前記実施形態ではインク供給路２７の内部に仕切りなどが形成されていない構成であったが、一つのインク供給路２７内が上下、あるいは左右に分かれて圧力発生室２０で合流するように構成してもよい。
【００４０】
これまで説明した各実施形態は、共通インク室２６に連通しているインク供給路２７のうち、共通インク室２６の端部に連通しているインク供給路２７について、当該共通インク室２６に前記端部以外の他の部分で連通している同一形状の複数のインク供給路２７に比較して、断面積あるいは長さの少なくとも一方を異ならせ、これにより各ノズル開口１３から吐出されるインク滴の吐出特性を揃えるように構成した。すなわち、インク供給量、およびインク滴の速度を揃えて記録品位を高めるようにしたものであるが、これは、共通インク室２６に個々に連通し、インク供給路２７からそれに連通する圧力発生室２０を介してそのノズル開口１３に至るインク経路のうち、前記絞り領域３６で連通しているインク経路については、形状と長さと断面積との少なくとも一つを、絞り領域３６以外で当該共通インク室２６に連通しているインク経路のものと異ならせることにより、各ノズル開口１３から吐出されるインク滴の速度が揃うようにしたということである。そして、以下に説明する各実施形態ではさらに記録品位を高めようとするものである。なお、理解を容易にするために、説明が前記実施形態と一部重複するが、詳しく説明する。
【００４１】
図８及び図９に示す記録へッド１は、前記実施形態と同様に、ヘッドケース２４の収納室４０内に圧電振動子４１を圧力発生素子として一方の開口から挿入して櫛歯状先端を他方の開口（窓３３）に臨ませ、この開口側のヘッドケース２４の表面（下面）に流路ユニット２２を接合するとともに、圧電振動子４１の櫛歯状先端をそれぞれ流路ユニット２２の所定部位に当接固定することにより概略構成されている。
【００４２】
流路ユニット２２は、前記実施形態と同様に、流路形成板１２を間に挟んでノズルプレート１４と弾性板２１を両側に積層することにより構成されている。
【００４３】
ノズルプレート１４は、ドット形成密度に対応したピッチで複数のノズル開口１３を列状に開設したステンレス製の薄いプレートであり、本実施形態では０．１４１ｍｍのピッチ（１８０ｄｐｉ）で１列９６個のノズル開口１３を５列開設してある。なお、このノズルプレート１４は、流路形成板１２など他の部材と一体に成形してもよい。
【００４４】
ノズルプレート１４の一方の面に積層する流路形成板１２は、厚さが４００μｍ程度のシリコン基板に対してウエットエッチングなどにより、ノズルプレート１４のノズル開口１３に対応して圧力発生室２０となる空部を隔壁で区画した状態で複数並べて形成するとともに、これら圧力発生室２０の配列方向に沿って共通インク室２６となる空部を形成し、この共通インク室２６と各圧力発生室２０とをそれぞれ連通するインク供給路２７となる空部を形成した板状の部材である。
【００４５】
共通インク室２６は、インクカートリッジ９に貯留されたインクを各圧力発生室２０に供給するための室であり、長手方向のほぼ中央にインク供給管３５が連通し、このインク供給管３５から遠い端の部分（左右端部）に、図１０に示すように、流路幅を狭く絞って断面積を他の部分よりも減少させた絞り領域３６を設定する。この絞り領域３６を形成するには、圧力発生室２０側の辺を直線状としたまま、圧力発生室２０とは反対側に位置する辺を屈曲或は彎曲させて圧力発生室２０側に近付けることにより形成する。なお、インク供給管３５の左右近傍部分（即ち、中央部分）と上記絞り領域３６との間は適宜傾斜させて接続するが、本実施形態では絞り領域３６の手前部分の辺を他の部分よりも急な角度で圧力発生室２０側に傾斜させることにより複数段に分けて形成している。
【００４６】
圧力発生室２０は、ノズル開口１３の列に対して直交する方向に細長い室であり、その一部（ノズル開口１３側）が、流路形成板１２の厚さ方向に貫通した矩形の貫通孔２０ａにより構成され、残りの部分は、流路形成板１２の厚さ方向の中央に形成した上下室隔壁４２で上下に区画された偏平な凹室で構成されている。そして、本発明における圧力発生室２０は、９６個すべて同じ体積になるように形成してある。
【００４７】
インク供給路２７は、共通インク室２６と各圧力発生室２０とを連通する流路であり、図１１に示す実施形態では、共通インク室２６側に開口した入口２７ａと圧力発生室２０側に開口した出口２７ｂとの間に仕切り（中州部）４３を形成し、該中州部４３の寸法により流路幅と流路長さを調整し、これにより個々のイナータンスを調整している。特に、本実施形態では前記絞り領域３６で連通しているインク供給路２７の入口２７ａと出口２７ｂとの間におけるそれぞれのイナータンスを、絞り領域３６以外で共通インク室２６に連通している他のインク供給路２７のイナータンスに比較して小さく設定するとともに、共通インク室２６の上記先端側に位置するインク供給路２７ほど小さく設定し、尚且つ、イナータンスを小さく設定した上記インク供給路２７に連通した圧力発生室２０の体積を、上記絞り領域３６以外で当該共通インク室２６に連通している他の圧力発生室２０の体積に揃えている。
【００４８】
具体的に説明すると、図１１に示す絞り領域３６で連通している３つの圧力発生室２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃのうち、最も端のインク供給路２７Ａの中州部４３Ａの幅を最小にするとともに、長さも最短に設定し、これにより当該インク供給路２７Ａのイナータンスを最小に設定し、このインク供給路２７Ａの隣りに位置する端から２番目の中州部４３Ｂの幅を上記中州部４３Ａよりも少し幅広（標準幅）にするとともに、長さを最短に設定し、これにより当該インク供給路２７Ｂのイナータンスを２番目に小さく設定し、このインク供給路２７Ｂの隣りに位置する端から３番目の中州部４３Ｃの幅を標準幅にするとともに、長さを１番目や２番目よりも少し長く（中間長さ）に設定し、これにより当該インク供給路２７Ｃのイナータンスを３番目に小さく設定してある。
【００４９】
この様に中州部４３の寸法を変化させてインク供給路２７の入口２７ａと出口２７ｂとの間の流路断面積を変化させることによりそれぞれのイナータンスを端部（絞り領域３６の先端）ほど小さく設定したが、インク供給路２７の出口２７ｂの位置、すなわち中州部４３の圧力室側端部の位置を、圧力発生室２０の配列方向に沿った仮想直線Ｌ１上に揃えることにより各圧力発生室２０の体積を揃えている。なお、絞り領域３６以外で連通している圧力発生室２０Ｄ，２０Ｅ…のインク供給路２７の中州部４３は、幅を、前記２番目や３番目の中州部４３Ｂ，４３Ｃと同じ標準幅とし、長さを、前記３番目の中州部４３Ｃと同じ標準長としてある。したがって、これらインク供給路２７のイナータンスは、絞り領域３６で連通している３つの圧力発生室２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃのイナータンスよりも大きい値で揃っている。
【００５０】
弾性板２１は、本実施形態では図８に示すように、ノズルプレート１４とは反対側に位置する流路形成板１２の他方の面に積層され、上記圧力発生室２０の一方の開口面を封止する封止板と、同じく流路形成板１２の他方の面に積層され、共通インク室２６の一方の開口面を封止する弾性体膜（薄膜部）とを兼ねており、ステンレス板２９上にＰＰＳ等の高分子体フィルム３０をラミネート加工した二重構造である。そして、同一材により封止板と弾性体膜とを構成するので、封止板として機能する部分、すなわち圧力発生室２０に重なる部分のステンレス板２９をエッチング加工して圧電振動子４１の先端を当接固定するための厚肉部（アイランド部３１）を島状に形成し、また、弾性体膜として機能する部分、すなわち共通インク室２６に重なる部分のステンレス板２９をエッチング加工で除去してフィルム３０（弾性体膜）だけにする。そして、共通インク室２６に重なる領域に、インク供給管３５と連通してインクを共通インク室２６内に供給するインク供給穴３２（図１０参照）を開設する。
【００５１】
上記の構成を有する記録ヘッド１では、圧電振動子４１を振動子長手方向に伸長させることにより、アイランド部３１がノズルプレート１４側に押圧され、アイランド部３１周辺のフィルム（弾性体膜）３０が変形して圧力発生室２０が収縮する。また、圧電振動子４１を振動子長手方向に収縮させると、弾性体膜３２の弾性により圧力発生室２０が膨張する。そして、圧力発生室２０の膨張・収縮を制御することによりノズル開口１３からインク滴が吐出される。
【００５２】
そして、インクを充填する際やクリーニング時にキャッピング装置１０の作動によりノズル開口１３から吸引すると、共通インク室２６においては左右の端部に絞り領域３６を形成してあるので、この部分のインク流速が高められ、これにより気泡が引っ掛かることなく排除され、残留気泡をなくすことができる。
【００５３】
この様に、本実施形態では共通インク室２６の端部を絞って残留気泡の減少を図っており、また、共通インク室２６の端部を絞っても、インク供給路２７のイナータンスを調整（補正）することにより各ノズル開口１３の吐出特性の均一化を図っている。以下、この吐出特性について説明する。
【００５４】
この記録ヘッド１２における振動系は、図５に示す等価回路によって表すことができる。図５において、記号Ｍは媒質の慣性成分であるイナータンス〔Ｋｇ／ｍ^４〕であり、Ｍａは圧電振動子４１におけるイナータンス、Ｍｎはノズル開口１３におけるイナータンス、Ｍｓはインク供給路２７におけるイナータンスである。記号Ｒは媒質の内部損失であるレジスタンス〔Ｎ・ｓ／ｍ^５〕であり、Ｒｎはノズル開口１３におけるレジスタンス、Ｒｓはインク供給路２７におけるレジスタンスである。記号Ｃは単位圧力あたりの容積変化であるコンプライアンス〔ｍ^５／Ｎ〕であり、Ｃｃは圧力発生室２０のコンプライアンス、Ｃａは圧電振動子４１におけるコンプライアンス、Ｃｎはノズルプレート１４のコンプライアンスである。また、記号Ｐは圧電振動子４１が経時的に発生する圧力、換言すれば、圧電振動子４１に印加する電圧パルスを等価圧力に変換したものである。
【００５５】
そして、圧力発生室２０のコンプライアンスＣｃは、主に弾性板２１のコンプライアンスＣｓとインクのコンプライアンスＣ．ｉｎｋとからなる。圧力発生室２０の容積をＶ、インク密度をρ、インク中の音速をｃとすると、インクのコンプライアンスＣ．ｉｎｋは、次式（１）のように表すことができる。
Ｃ．ｉｎｋ＝Ｖ／ρ・ｃ^２・・・（１）
ここで、ρおよびｃは一定であるから、
Ｃ．ｉｎｋ＝ｋ・Ｖ（ｋ；定数）・・・（２）
とも表すことができる。
【００５６】
また、圧力発生室２０のコンプライアンスＣｃは、圧力発生室２０を構成している、すなわち圧力発生室２０の内壁面として機能する流路形成板１２の隔壁、弾性板２１、ノズルプレート１４の各コンプライアンスに関係し、これら圧力発生室２０構成部材のコンプライアンスをＣ．ｓｔｒとすると、このＣ．ｓｔｒは圧力変化ΔＰに対する容積変化ΔＶであり、次式（３）のように表すことができる。
Ｃ．ｓｔｒ＝ΔＶ／ΔＰ・・・（３）
ここで、記録ヘッド１のコンプライアンス成分のうち、圧力発生室２０内のインクのコンプライアンスＣ．ｉｎｋの割合を、圧力発生室２０を構成している上記隔壁、弾性板２１などの圧力発生室２０構成部材のコンプライアンスＣ．ｓｔｒの割合よりも大きくする（Ｃ．ｉｎｋ＞Ｃ．ｓｔｒ）と、流路形成板１２の隔壁、弾性板２１など圧力発生構成部材の加工精度、特に弾性板２１のアイランド部３１の加工具合やフィルム３０の厚さの誤差に影響され難くなる。換言すれば、記録ヘッド１のコンプライアンスを決定する要素のうち、圧力発生室２０内のインクのコンプライアンスに依存する割合を相対的に増大すれば、記録ヘッド１の機械加工精度に依存する割合が相対的に低下し、これにより記録ヘッド１のコンプライアンスの変動を少なくすることができる。
【００５７】
また、共通インク室２６の絞り領域３６に接続した圧力発生室２０のノズル開口１３の吐出特性を他の領域に接続した圧力発生室２０のノズル開口１３の吐出特性に揃えることは、圧力発生室２０の体積を一定にすると、個々の圧力発生室２０内のインク圧力共振周期を揃えることによりなし得る。そして、このインク圧力共振周期Ｔｃは次式（４）で表すことができる。また、インク供給路２７のイナータンスＭｓは、インク密度をρ、インク供給路２７の断面積をＳ、インク供給口２４の並列な流路本数をｎとすると、式（５）で表すことができ、イナータンスＭｎ、Ｍｓの並列計算は式（６）で表すことができる。
Ｔｃ＝２π√（ＭＣｃ）・・・（４）
Ｍｓ＝ρ・Ｌ／ｎ・Ｓ・・・・（５）
Ｍ＝（Ｍｎ＋Ｍｓ）／（Ｍｎ・Ｍｓ）・・・（６）
インク圧力共振周期Ｔｃを揃えるには、上記（４）式から、イナータンスと圧力を揃えることが必要であることが分かる。この点において、本実施形態では、共通インク室２６の絞り領域３６に接続したインク供給路２７については、前記したように、インク供給路２７の入口２７ａと出口２７ｂとの間におけるイナータンスを、中州部４３の寸法を調整することにより、共通インク室２６の端部に配置されたものほど小さくなるように補正している。
【００５８】
このため、共通インク室２６の絞り（先細り）により、この部分で付加されたイナータンス分をインク供給路２７のイナータンスを小さく補正することで実質的なイナータンスを同一としている。さらに、インク供給路２７の出口２７ｂの位置を揃えてあるので、圧力発生室２０のコンプライアンスＣｃも同一である。したがって、上記補正により共通インク室２６の絞り領域３６で接続しているインク供給路２７のインク圧力共振周期が、絞り領域３６以外の領域で接続しているインク供給路２７のインク圧力共振周期と同等になる。そして、これにより個々のノズル開口１３の吐出特性を揃えることができ、良質な画像が期待できる。
【００５９】
さらに詳細な吐出特性の均一化のためには、共通インク室２６の絞り領域３６でそれぞれ連通しているインク供給路２７の入口２７ａと出口２７ｂとの間の流路に上記絞り領域３６の絞り始端から各入口２７ａまでの長さを加えた流路をそれぞれのインク供給路２７の仮想流路とし、これら仮想流路におけるそれぞれのイナータンスを、絞り領域３６以外で共通インク室２６に連通している他のインク供給路２７の入口２７ａから出口２７ｂまでの流路におけるイナータンスに揃えるようにする。
【００６０】
この様に構成すると、共通インク室２６の端部を絞って絞り領域３６を形成したことにより付加されるイナータンスを含めて調整することができ、残留気泡の低減と各ノズル開口１３の吐出特性の一定化を両立することができる。
【００６１】
また、共通インク室２６のコンプライアンスについては、共通インク室２６の端部を絞ると、絞り領域３６で接続しているインク供給路２７近傍のフィルム３０（コンプライアンス領域５０）の幅が狭められるので、これらインク供給路２７近傍においてはコンプライアンスが局部的に低減している。このため、共通インク室２６の端部において、インク吐出時にインク供給路２７から逆流するインクの圧力を吸収する能力が減少し、端部においてインク吐出特性が変化する一因となっていた。これを補う目的で、例えば図１２に示すように、中州部４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの共通インク室２６側の端部（入口２７ａ側の端部）が圧力発生室２０側に後退している分（長さが短い分）、これに応じて共通インク室２６のコンプライアンス領域５０をインク供給路２７の短縮長さに応じてインク供給路２７側に拡大してもよい。
【００６２】
この様に、コンプライアンス補充領域５０ａを増加する構成を採ると、共通インク室２６の絞り領域３６のコンプライアンスが補充され、絞り領域３６の付加イナータンスを実質的に低減し、絞り領域３６に接続したインク供給路２７の補正量を減らすことができる。
【００６３】
なお、流路形成板１２の加工の都合で、図１３に示すように、共通インク室２６の絞り領域３６の先端が圧力発生室２０から離隔する方向に斜めに形成される場合があるが、この場合には、フィルム３０（コンプライアンス領域５０）の圧力発生室２０側の辺を端部まで一直線にしたり、あるいは圧力発生室２０側に拡大してコンプライアンス補充領域５０ａを増加してもよい。
【００６４】
図８及び図９に示すように、インク供給路２７を、ノズル開口１３側（ノズルプレート１４側）の流路２７ｄｎと弾性板２１側の流路２７ｕｐとに分けて形成する場合、アイランド部３１との干渉を回避するために、弾性板２１側の流路２７ｕｐに設ける中州部４３の位置に規制を受ける。そこで、図９に示すように、弾性板２１側の中州部４３ｕｐを共通インク室２６側に後退させた分、ノズル開口１３側の中州部４３ｄｎを圧力発生室２０側に前進させ、これにより圧力発生室２０の体積を一定に揃えてもよい。そして、弾性板２１側のインク供給路２７ｕｐの入口と出口の間のイナータンスと、ノズル開口１３側のインク供給路２７ｄｎの入口と出口の間のイナータンスを、それぞれの中州部４３ｕｐ，４３ｄｎの幅や長さの寸法を調整することにより補正してもよい。したがって、弾性板２１側のインク供給路２７ｕｐのイナータンスと、ノズル開口１３側のインク供給路２７ｄｎのイナータンスとが異なってもよく、設計の自由度が拡大する。
【００６５】
前記した実施形態では、インク供給路２７の途中に中州部４３を設けてインク供給流路を分けたが、本発明におけるインク供給路２７はこれに限定されるものではなく、インク供給路２７の入口２７ａと出口２７ｂとの間におけるイナータンスを補正する構成できればよい。例えば、図１４に示すように、インク供給路２７の流路幅を変化させることにより、すなわち、絞り領域３６の先端に配置された流路ほど幅広に設定することにより補正してもよい。この様に、インク供給路２７の流路幅を変えると、前記式（５）から分かるように、イナータンスを補正することができる。
【００６６】
また、これまで説明した各実施形態では、インク供給路２７の入口２７ａと出口２７ｂとの間におけるイナータンスを補正したが、本願発明ではこれに限らず、共通インク室２６の絞り領域３６まで含めた範囲におけるイナータンスを調整してもよい。なお、各実施形態では、圧力発生素子２３として圧電振動子４１を例に挙げて説明したが、本発明の圧力発生素子２３はこれに限定されるものでない。例えば、発熱素子を設けてインク中に気泡を発生させることにより圧力発生室２０内の圧力を変動させてもよい。
【００６７】
また、１列のノズル開口１３に対して共通インク室２６を１つ設けたが、図１５に示すように、１列のノズル開口１３を複数のグループに区分けして、各グループ毎に共通インク室を設けてもよい。すなわち、１列のノズル開口に対して、共通インク室を複数（本実施形態では３つ）設け、１列のノズル開口で複数の色彩のインクが吐出されるように構成してもよい。この実施形態においても、前記実施形態と同様に、インク供給管３５から遠い方の共通インク室２６の端部に絞り領域３６を形成し、この絞り領域３６に連通しているインク供給路２７の断面積や長さを、絞り領域３６以外で供給インク室２６に連通しているインク供給路２７のそれとは異ならせて、各ノズル開口１３から吐出するインク滴の速度や量が均一になるように構成してある。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一列当たりのノズル数を増加させて共通インク室の長さが長くなっても気泡排出性に優れる共通インク室の理想形状のままで端部のノズル開口におけるインク速度、インク量の均等化を図ることができ、且つ、インクの振動を効率良く減衰させることができ、これにより記録品位に優れ、且つ、高速な画像記録を可能とすることができる。すなわち、共通インク室については、インク供給管から遠い端の部分に、他の部分よりも断面積を減少させた絞り領域を設定して、インクを充填する際やノズル開口から吸引するクリーニング時に気泡が残留することを防止することができると共に、記録品質の向上を図ることができる。そして、上記絞り領域で連通しているインク供給路に関するイナータンスを、絞り領域以外で共通インク室に連通している他のインク供給路のイナータンスに比較して小さく設定するとともに、共通インク室の先端に位置するインク供給路２７ほど小さく設定し、尚且つ、イナータンスを小さく設定した上記インク供給路２７に連通した圧力発生室の体積を、絞り領域以外で共通インク室に連通している他の圧力発生室の体積に揃えると、個々の圧力発生室内のインク圧力共振周期を揃えることができる。したがって、端部に位置するノズル開口の吐出特性と中央部分のノズル開口の吐出特性を揃えることができる。このため、画質が一層向上し、記録対象の大型化や高速化にも応えることができる。この様に、本発明によれば、共通インク室の端部の気泡排出性と吐出特性の均一性を両立することができる。特に圧力発生室を加圧部で実質的に同一の駆動信号を使って前記圧力室を加圧した際に、前記ノズル開口からのインク滴の吐出速度を目標値に対して＋−５％の範囲内に収めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェット式記録ヘッドを用いた画像記録装置の斜視図である。
【図２】記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】記録ヘッドに形成されているアクチュエータの断面図である。
【図４】流路形成板の第１実施形態の平面図である。
【図５】等価回路の説明図である。
【図６】流路形成板の第２実施形態の平面図である。
【図７】流路形成板の第３実施形態の平面図である。
【図８】記録ヘッドの要部を示す図１０Ｘ矢視での断面図である。
【図９】記録ヘッドの要部を示す図１０Ｙ矢視での断面図である。
【図１０】流路形成板の第４実施形態の平面図である。
【図１１】共通インク室の絞り領域近傍の拡大図である。
【図１２】インク供給路の短縮に応じてコンプライアンス補充領域を形成した実施形態の要部の説明図である。
【図１３】インク供給路の短縮に応じてコンプライアンス補充領域を形成した他の実施形態の要部の説明図である。
【図１４】インク供給路の流路幅を変えることによりインク供給路のコンプライアンスを補正した実施形態の説明図である。
【図１５】１列のノズル開口を複数のグループに区分けして各グループ毎に共通インク室を設けた実施形態の平面図である。
【符号の説明】
１インクジェット式記録ヘッド
２画像記録装置
３キャリッジ
４タイミングベルト
５キャリッジモータ
６ガイド部材
７記録用紙
７′紙送りローラ
８ホルダ
９インクカートリッジ
１０キャッピング装置
１１ワイピング装置
１２流路形成板
１３ノズル開口
１４ノズルプレート
２０圧力発生室
２１弾性板
２２流路ユニット
２３圧力発生素子
２４ヘッドケース
２５縁カバー
２６共通インク室
２７インク供給路
２７ａ入口
２７ｂ出口
２９ステンレス板
３０樹脂フィルム
３１振動領域（アイランド部）
３２インク供給穴
３３窓
３４固定基板
３５インク供給管
３６絞り領域
４０収納室
４１圧電振動子
４２上下室隔壁
４３中州部
５０コンプライアンス領域
５０ａコンプライアンス補充領域

Claims

ノズル開口と連通する圧力発生室を複数並べて形成し、該複数の圧力発生室の体積を全て揃えるとともに、これら圧力発生室の一側に共通インク室を形成し、共通インク室と各圧力発生室とをインク供給路によりそれぞれ連通し、各圧力発生室に対応して圧力発生素子を設け、共通インク室にはインク供給管を接続し、圧力発生素子による圧力発生室内の圧力変動により当該圧力発生室内のインクをノズル開口から吐出するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記インク供給管の接続部から離れた前記共通インク室の端部近傍に、他の部分よりも断面積を減少させた絞り領域を有し、
前記共通インク室の絞り領域近傍で連通するインク供給路のイナータンスが、前記絞り領域近傍以外で連通する複数の同一形状のインク供給路のイナータンスに比較して小さくなる様にインク供給路の断面積あるいは長さの少なくとも一方を異ならせて形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
前記共通インク室は、圧力発生室の配列方向を長手方向として形成され、この長手方向の略中央にインク供給管が連通し、前記共通インク室の両方の端部近傍に連通するインク供給路のイナータンスが、当該共通インク室の他の部分に連通するインク供給路のイナータンスに比較して小さくなる様に、インク供給路の断面積あるいは長さの少なくとも一方を異ならせて形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記共通インク室の端部近傍に連通するインク供給路の減衰係数Ｍｎ／Ｒｎの値と当該共通インク室の他の部分に連通するインク供給路の減衰係数Ｍｎ／Ｒｎの値とを揃えたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記絞り領域は、複数段で先細りとなるように絞ったことを特徴とする請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記インク供給路が一つの圧力発生室に対して複数備えられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインクジェット式記録ヘッド。
インク供給路を、ノズル開口側の流路とその反対側の流路とに分けて形成したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインクジェット式記録ヘッド。
ノズル開口側に位置する流路のインク供給路の出口の位置を調整することにより各圧力発生室の体積を揃えたことを特徴とする請求項６に記載のインクジェット式記録ヘッド。
ノズル開口側の流路のイナータンスとその反対側の流路のイナータンスとをそれぞれ分けて設定したことを特徴とする請求項６または７に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記共通インク室の両方の端部近傍に連通するインク供給路は、当該共通インク室の他の部分に連通するインク供給路と比較して、断面積が広く、又は長さが短くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録装置。
前記インク供給路は、前記共通インク室側に開口した入り口と前記圧力発生室側に開口した出口との間に中州部を有し、該中州部の寸法を調整することにより、前記共通インク室の絞り領域近傍で連通するインク供給路のイナータンスが小さくなる様に前記インク供給路の断面積あるいは長さの少なくとも一方を異ならせることを特徴とする請求項１または６記載のインクジェット式記録装置。
前記インク供給路の流路幅を変化させることにより、前記インク供給路の断面積を異ならせて形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録装置。
請求項１から１１のいずれかに記載のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とする画像記録装置。