JP5428970B2 - 液体吐出装置、及び、液体吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出装置、及び、液体吐出方法に関する。

インクジェットプリンタの技術を応用して、通常用いられる水系インクよりも高い粘度の液体（便宜上、高粘度液体ともいう。）を吐出させる試みがなされている。例えば、液体を吐出させるノズルを、インクの吐出側に向かって先細りとなるテーパー部分と、このテーパー部分における吐出側の先端から連続して設けられるストレート部分とから構成した装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−９０２２３号公報

テーパー部分とストレート部分とからなるノズルから高粘度液体を吐出させる場合、液体の吐出が不安定になることがあった。例えば、液体が吐出されなかったり、吐出量が不足したりすることがあった。吐出を不安定にする要因は種々考えられる。その一つには、圧力室内の液体に与えられた圧力変化が液体の吐出に効率よく使われていなかったことが挙げられる。
また、従来の形状のヘッドで粘度の高い液体を吐出させると、液体の吐出が不安定になるという問題が生じることが判った。

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、高粘度液体を効率よく吐出させ、かつ、吐出を安定化することにある。

前記目的を達成するための主たる発明は、
液体が吐出されるノズルと、
前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する液体供給部と、
前記圧力室内の前記液体に前記圧力変化を与えるための動作をする素子と、
前記ノズルから前記液体を吐出させるべく前記素子を動作させる吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、
を備え、
前記液体の粘度は、
８ミリパスカル秒以上であり、
前記ノズルは、
前記液体の吐出側が圧力室側よりも小さい開口面積に定められる第１部分と、
前記第１部分の吐出側端部に連通する第２部分とを有し、
前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積が、
前記液体供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／９以下であり、
前記ノズルの第１部分は、テーパー角度が４０度以上の円錐台状の空間を区画し、
前記ノズルの第２部分は、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状であり、
前記吐出パルスは、
前記第２部分に位置するメニスカスを前記第１部分まで引き込むために前記液体を減圧させる減圧部分と、
前記第１部分まで引き込まれたメニスカスが前記第２部分に戻る前に、前記液体を吐出させるべく前記液体を加圧させる加圧部分と、を有する液体吐出装置である。

本発明の他の特徴は、本明細書、及び添付図面の記載により、明らかにする。

印刷システムの構成を説明するブロック図である。 ヘッドの断面図である。 ヘッドの構造を模式的に説明する図である。 駆動信号生成回路等の構成を説明するブロック図である。 駆動信号の一例を説明するための図である。 図６Ａは、加圧部分を印加した際におけるメニスカスＭの形状及び圧力分布を模式的に示す図である。図６Ｂは、加圧部分の印加後におけるメニスカスＭの形状及び圧力分布を模式的に示す図である。図６Ｃはインク圧力と色の関係を説明する図である。 ノズルとインク供給路のインピーダンスの比に起因して吐出が不安定になる場合を説明するためのシミュレーションデータである。 図８Ａは、ノズルの形状を説明する断面図である。図８Ｂは、ノズルをテーパー部分側から見た図である。 図９Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングにおける電圧を示す図である。図９Ｂは、図９Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１０Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから２．８０μｓ経過後における電圧を示す図である。図１０Ｂは、図１０Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１１Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから３．８０μｓ経過後における電圧を示す図である。図１１Ｂは、図１１Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１２Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから４．２０μｓ経過後における電圧を示す図である。図１２Ｂは、図１２Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１３Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから５．６０μｓ経過後における電圧を示す図である。図１３Ｂは、図１３Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１４Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから６．００μｓ経過後における電圧を示す図である。図１４Ｂは、図１４Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１５Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから８．００μｓ経過後における電圧を示す図である。図１５Ｂは、図１５Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１６Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから９．４０μｓ経過後における電圧を示す図である。図１６Ｂは、図１６Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 図１７Ａは、吐出パルスの印加開始タイミングから１１．４０μｓ経過後における電圧を示す図である。図１７Ｂは、図１７Ａのタイミングにおけるメニスカスの状態及び圧力の分布を模式的に示す図である。 テーパー角度に関する評価結果の一覧を示す図である。 ノズルとインク供給路のインピーダンスの比に起因して吐出が安定化する場合を説明するためのシミュレーションデータである。 図２０Ａはノズルの第１変形例を説明する図である。図２０Ｂはノズルの第２変形例を説明する図である。図２０Ｃはノズルの第３変形例を説明する図である。

本明細書の記載、及び添付図面の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。

すなわち、液体が吐出されるノズルと、前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する液体供給部と、前記圧力室内の前記液体に前記圧力変化を与えるための動作をする素子と、前記ノズルから前記液体を吐出させるべく前記素子を動作させる吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、を備え、前記液体の粘度は、８ミリパスカル秒以上であり、前記ノズルは、前記液体の吐出側が圧力室側よりも小さい開口面積に定められる第１部分と、前記第１部分の吐出側端部に連通する第２部分とを有し、前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積が、前記液体供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／９以下であり、前記吐出パルスは、前記第２部分に位置するメニスカスを前記第１部分まで引き込むために前記液体を減圧させる減圧部分と、前記第１部分まで引き込まれたメニスカスが前記第２部分に戻る前に、前記液体を吐出させるべく前記液体を加圧させる加圧部分と、を有する液体吐出装置を実現できることが明らかにされる。

このような液体吐出装置によれば、ノズルから吐出される液体の量と圧力室へ供給される液体の量が、ノズルの開口の大きさと供給部の開口の大きさとによって最適化されている。このため、圧力室への液体の供給不足が改善され、液体の吐出が安定化される。

さらに、加圧部分によって素子を動作させると、第１部分における第２部分側にて圧力が局所的に高くなる。これにより、液体に与えられた圧力を液体の吐出に効率よく使用でき、ひいては高粘度液体を効率よく吐出できる。

かかる液体吐出装置であって、前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積は、前記圧力室側の開口の面積の１／２０以上であることが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、圧力室でインクを加圧した際にノズル側でもインクの流れを生じさせることができ、安定してインク滴を確実に吐出させることができる。

かかる液体吐出装置であって、前記吐出パルスは、前記減圧部分の生成終了後から前記加圧部分の印加開始までの期間に亘って、前記減圧部分の生成終了タイミングにおける前記素子の状態を維持する維持部分を有することが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、維持部分の生成時間を定めることで加圧部分による加圧開始タイミングを定めることができる。このため、タイミングの最適化を容易に行える。

かかる液体吐出装置であって、前記ノズルのインピーダンスは、前記液体供給部のインピーダンスよりも小さいことが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、圧力室内の液体に生じた圧力振動をノズル側に効率よく伝えることができるので、高粘度液体を効率よく吐出できる。

かかる液体吐出装置であって、前記ノズルの第１部分は、テーパー角度が４０度以上の円錐台状の空間を区画することが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、液体滴の尾の部分が過度に長くなることを抑制できる。なお、４０度とあるのは、厳密な角度を示すものではなく、多少のばらつきが許容される。

かかる液体吐出装置であって、前記ノズルの第１部分は、前記液体の粘度に応じた範囲のテーパー角度に定められていることが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、液体滴の尾の部分が過度に長くなることを一層抑制できる。

かかる液体吐出装置であって、前記ノズルの第２部分は、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状であることが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、吐出された液体滴の飛行方向を安定させることができる。

かかる液体吐出装置であって、前記ノズルの第２部分は、吐出方向の長さが開口部の内径よりも短いことが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、圧力室内の液体に生じた圧力振動をノズル側に効率よく伝えることができる。

かかる液体吐出装置であって、前記ノズルの第２部分は、前記第１部分よりもテーパー角度が小さい他の円錐台状の空間を区画することが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、液体滴の飛行速度を高めることができる。

かかる液体吐出装置であって、前記素子は、印加された吐出パルスの電位に応じて変形することで前記圧力室の容積を変化させ、前記液体に圧力変化を与えるピエゾ素子であることが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、前記液体に与える圧力をきめ細かに制御できる。

かかる液体吐出装置であって、前記吐出パルスは、前記減圧部分による単位時間あたりの圧力室の容積変化度合いよりも、前記加圧部分による単位時間あたりの圧力室の容積変化度合いの方が大きく定められ、かつ、前記加圧部分よりも後に、液体の吐出後における前記メニスカスの移動を抑制するための部分を有さないことが好ましい。
このような液体吐出装置によれば、第１部分の液体により強い圧力を与えることができる。また、液体滴の高周波吐出にも適する。

また、液体が吐出されるノズルと、前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する液体供給部と、前記圧力室内の前記液体に圧力変化を与えるための動作をする素子と、を備え、前記ノズルは、前記液体の吐出側が圧力室側よりも小さい開口面積に定められる第１部分と、前記第１部分の吐出側端部に連通する第２部分とを有し、前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積が、前記液体供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／９以下である液体吐出装置を用い、粘度が８ミリパスカル秒以上の前記液体を前記ノズルから吐出させる液体吐出方法であって、前記第２部分に位置するメニスカスを前記第１部分まで引き込むために前記液体を減圧させることと、前記第１部分まで引き込まれたメニスカスが前記第２部分に戻る前に、前記液体を吐出させるべく前記液体を加圧させることと、を行う液体吐出方法を実現できることも明らかにされる。

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜印刷システムについて＞
図１に例示した印刷システムは、プリンタ１と、コンピュータＣＰとを有する。プリンタ１は液体吐出装置に相当し、用紙、布、フィルム等の媒体に向けて、液体の一種であるインクを吐出する。媒体は、液体が吐出される対象となる対象物である。コンピュータＣＰは、プリンタ１と通信可能に接続されている。プリンタ１に画像を印刷させるため、コンピュータＣＰは、その画像に応じた印刷データをプリンタ１に送信する。

＝＝＝プリンタ１の概要＝＝＝
プリンタ１は、用紙搬送機構１０、キャリッジ移動機構２０、駆動信号生成回路３０、ヘッドユニット４０、検出器群５０、及び、プリンタ側コントローラ６０を有する。

用紙搬送機構１０は、用紙を搬送方向に搬送させる。キャリッジ移動機構２０は、ヘッドユニット４０が取り付けられたキャリッジを所定の移動方向（例えば紙幅方向）に移動させる。駆動信号生成回路３０は、駆動信号ＣＯＭを生成する。この駆動信号ＣＯＭは、用紙への印刷時にヘッドＨＤ（ピエゾ素子４３３，図２を参照）へ印加されるものであり、図５に一例を示すように、吐出パルスＰＳを含んでいる。ここで、吐出パルスＰＳとは、ヘッドＨＤ（ノズル４２７）から滴状のインクを吐出させるために、ピエゾ素子４３３に所定の動作を行わせる電位の変化パターンである。駆動信号ＣＯＭが吐出パルスＰＳを含むことから、駆動信号生成回路３０は、吐出パルス生成部に相当する。なお、駆動信号生成回路３０の構成や吐出パルスＰＳについては、後で説明する。ヘッドユニット４０は、ヘッドＨＤとヘッド制御部ＨＣとを有する。ヘッドＨＤは、液体状のインクを用紙に向けて吐出させるものであり、液体吐出ヘッドに相当する。ヘッド制御部ＨＣは、プリンタ側コントローラ６０からのヘッド制御信号に基づき、ヘッドＨＤを制御する。なお、ヘッドＨＤについては後で説明する。検出器群５０は、プリンタ１の状況を監視する複数の検出器によって構成される。これらの検出器による検出結果は、プリンタ側コントローラ６０に出力される。プリンタ側コントローラ６０は、プリンタ１における全体的な制御を行う。このプリンタ側コントローラ６０についても後で説明する。

＝＝＝プリンタ１の要部＝＝＝
＜ヘッドＨＤについて＞
図２に示すように、ヘッドＨＤは、ケース４１と、流路ユニット４２と、ピエゾ素子ユニット４３とを有する。ケース４１には、ピエゾ素子ユニット４３を収容して固定するための収容空部４１１が内部に設けられている。このケース４１は、例えば樹脂材によって作製される。そして、ケース４１の先端面には、流路ユニット４２が接合されている。

流路ユニット４２は、流路形成基板４２１と、ノズルプレート４２２と、振動板４２３とを有する。そして、流路形成基板４２１における一方の表面にはノズルプレート４２２が接合され、他方の表面には振動板４２３が接合されている。流路形成基板４２１には、圧力室４２４、インク供給路４２５、及び、共通インク室４２６などが設けられる。この流路形成基板４２１は、例えばシリコン基板によって作製される。圧力室４２４は、ノズル４２７の並び方向に対して直交する方向に細長い空間として形成されている。インク供給路４２５は、圧力室４２４と共通インク室４２６との間を連通する狭い流路の部分である。このインク供給路４２５は、圧力室４２４へ液体を供給するための液体供給部に相当する。共通インク室４２６は、インクカートリッジ（図示せず）から供給されたインクを一旦貯留する部分であり、共通の液体貯留室に相当する。

ノズルプレート４２２には、複数のノズル４２７が所定の並び方向に所定の間隔で設けられている。このノズルプレート４２２は、例えばステンレス板やシリコン基板によって作製されている。なお、ノズルプレート４２２に設けられるノズル４２７については、後で詳しく説明する。

振動板４２３は、例えばステンレス製の支持板４２８に樹脂製の弾性体膜４２９を積層した二重構造を採っている。振動板４２３における各圧力室４２４に対応する部分は、ステンレス板の部分が環状にエッチング加工されている。そして、環内には島部４２８ａが形成されている。この島部４２８ａと島部４２８ａの周辺の弾性体膜４２９ａとがダイヤフラム部４２３ａを構成する。このダイヤフラム部４２３ａは、ピエゾ素子ユニット４３が有するピエゾ素子４３３によって変形し、圧力室４２４の容積を可変する。

ピエゾ素子ユニット４３は、ピエゾ素子群４３１と、固定板４３２とを有する。ピエゾ素子群４３１は櫛歯状をしている。そして、櫛歯の１つ１つがピエゾ素子４３３である。各ピエゾ素子４３３の先端面は、対応する島部４２８ａに接着される。固定板４３２は、ピエゾ素子群４３１を支持するとともに、ケース４１に対する取り付け部となる。この固定板４３２は、例えばステンレス板によって構成されており、収容空部４１１の内壁に接着される。

ピエゾ素子４３３は、電気機械変換素子の一種であり、圧力室４２４内の液体に圧力変化を与えるための動作（変形動作）をする素子に相当する。図２に示すピエゾ素子４３３は、隣り合う電極同士の間に電位差を与えることにより、積層方向と直交する素子長手方向に伸縮する。即ち、上記の電極は、所定電位の共通電極４３４と、駆動信号ＣＯＭ（吐出パルスＰＳ）に応じた電位になる駆動電極４３５とを有する。そして、両電極４３４，４３５に挟まれた圧電体４３６は、共通電極４３４と駆動電極４３５との電位差に応じた度合いで変形する。ピエゾ素子４３３は、圧電体４３６の変形に伴って素子の長手方向に伸縮する。共通電極４３４は、グランド電位、若しくは、グランド電位よりも所定電位だけ高いバイアス電位に定められる。そして、ピエゾ素子４３３は、駆動電極４３５の電位が共通電極４３４の電位よりも高くなるほど収縮する。反対に、駆動電極４３５の電位が共通電極４３４の電位に近付くほど、或いは、共通電極４３４の電位よりも低くなるほど伸張する。

前述したように、ピエゾ素子ユニット４３は、固定板４３２を介してケース４１に取り付けられている。このため、ピエゾ素子４３３が収縮すると、ダイヤフラム部４２３ａは、圧力室４２４から遠ざかる方向に引っ張られる。これにより、圧力室４２４が膨張される。反対に、ピエゾ素子４３３が伸長すると、ダイヤフラム部４２３ａが圧力室４２４側に押される。これにより、圧力室４２４が収縮する。圧力室４２４内のインクには、圧力室４２４の膨張や収縮に起因して圧力変化が生じる。すなわち、圧力室４２４の収縮に伴って圧力室４２４内のインクは加圧され、圧力室４２４の膨張に伴って圧力室４２４内のインクは減圧される。ピエゾ素子４３３の伸縮状態は駆動電極４３５の電位に応じて定まるので、圧力室４２４の容積も駆動電極４３５の電位に応じて定まる。従って、圧力室４２４内のインクに対する加圧度合いや減圧度合いは、駆動電極４３５における単位時間あたりの電位変化量で定めることができる。

＜インク流路について＞
ヘッドＨＤには、共通インク室４２６からノズル４２７に至る一連のインク流路（液体で満たされる液体流路に相当する）が、ノズル４２７の数に応じて複数設けられている。このインク流路では、圧力室４２４に対して、ノズル４２７及びインク供給路４２５がそれぞれ連通している。このため、インクの流れなどの特性を解析する場合、ヘルムホルツの共鳴器の考え方が適用される。図３は、この考え方に基づくヘッドＨＤの構造を模式的に説明する図である。

一般的なヘッドＨＤにおいて、圧力室４２４の長さＬ４２４は２００μｍから２０００μｍの範囲内に定められる。圧力室４２４の幅Ｗ４２４は２０μｍから３００μｍの範囲内に定められ、圧力室４２４の高さＨ４２４は３０μｍから５００μｍの範囲内に定められる。そして、インク供給路４２５の長さＬ４２５は５０μｍから２０００μｍの範囲内に定められる。インク供給路４２５の幅Ｗ４２５は２０μｍから３００μｍの範囲内に定められ、インク供給路４２５の高さＨ４２５は３０μｍから５００μｍの範囲内に定められる。また、ノズル４２７の直径φ４２７は１０μｍから３５μｍの範囲内に定められ、ノズル４２７の長さＬ４２７は４０μｍから１００μｍの範囲内に定められる。

本実施形態のヘッドＨＤでは、ノズル４２７の吐出側端部の開口面積Ｓｎｚｌを、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐに基づいて定めており、図３に示すように、ノズル４２７の吐出側の開口面積Ｓｎｚｌが、インク供給路４２５の圧力室４２４側の開口面積Ｓｓｕｐの１／９以下になるように構成している。

なお、インク供給路４２５に関し、幅Ｗ４２５や高さＨ４２５は、圧力室４２４の幅Ｗ４２４や高さＨ４２４以下に定められる。また、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５や高さＨ４２５の一方を、圧力室４２４の幅Ｗ４２４や高さＨ４２４の一方に揃えた場合、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５や高さＨ４２５の他方は、圧力室４２４の幅Ｗ４２４や高さＨ４２４の他方よりも小さいサイズに定められる。

このようなインク流路では、圧力室４２４内のインクに圧力変化を与えることで、ノズル４２７からインクを吐出させる。このとき、圧力室４２４、インク供給路４２５、及び、ノズル４２７は、ヘルムホルツの共鳴器のように機能する。このため、圧力室４２４内のインクに加わる圧力の大きさは、ヘルムホルツ周期と呼ばれる固有の周期で変化する。すなわち、インクには圧力振動が生じる。ヘルムホルツ周期は、圧力室４２４におけるインク（液体）の固有振動周期とも呼ばれる。このヘルムホルツ周期の圧力振動により、メニスカス（ノズル４２７で露出しているインクの自由表面）がノズル４２７内で周期的に移動する。そして、このヘルムホルツ周期の圧力変化を利用することで、インクをノズル４２７から効率よく吐出させることができる。

一般的なヘッドＨＤにおいて、ヘルムホルツ周期は５μｓから１０μｓの範囲内に定められる。例えば、図３のインク流路において、圧力室４２４の幅Ｗ４２４を１００μｍ、高さＨ４２４を７０μｍ、長さＬ４２４を１０００μｍとし、インク供給路４２５の幅Ｗ４２５を５５μｍ、高さＨ４２５を８０μｍ、長さＬ４２５を６００μｍとし、ノズル４２７の直径φ４２７を２４μｍ、長さＬ４２７を１００μｍとした場合、ヘルムホルツ周期は８μｓ程度になる。なお、このヘルムホルツ周期は、隣り合う圧力室４２４同士を区画する隔壁の厚さ、弾性体膜４２９の厚さやコンプライアンス、流路形成基板４２１やノズルプレート４２２の素材によっても変化する。

＜プリンタ側コントローラ６０について＞
プリンタ側コントローラ６０は、プリンタ１における全体的な制御を行う。例えば、コンピュータＣＰから受け取った印刷データや各検出器からの検出結果に基づいて制御対象部を制御し、用紙に画像を印刷させる。図１に示すように、プリンタ側コントローラ６０は、インタフェース部６１と、ＣＰＵ６２と、メモリ６３とを有する。インタフェース部６１は、コンピュータＣＰとの間でデータの受け渡しを行う。ＣＰＵ６２は、プリンタ１の全体的な制御を行う。メモリ６３は、コンピュータプログラムを格納する領域や作業領域等を確保する。ＣＰＵ６２は、メモリ６３に記憶されているコンピュータプログラムに従い、各制御対象部を制御する。例えば、ＣＰＵ６２は、用紙搬送機構１０やキャリッジ移動機構２０を制御する。また、ＣＰＵ６２は、ヘッドＨＤの動作を制御するためのヘッド制御信号をヘッド制御部ＨＣに送信したり、駆動信号ＣＯＭを生成させるための制御信号を駆動信号生成回路３０に送信したりする。

ここで、駆動信号ＣＯＭを生成させるための制御信号はＤＡＣデータとも呼ばれ、例えば複数ビットのデジタルデータである。このＤＡＣデータは、生成される駆動信号ＣＯＭの電位の変化パターンを定める。従って、このＤＡＣデータは、駆動信号ＣＯＭや吐出パルスＰＳの電位を示すデータともいえる。このＤＡＣデータは、メモリ６３の所定領域に記憶されており、駆動信号ＣＯＭの生成時に読み出されて駆動信号生成回路３０へ出力される。

＜駆動信号生成回路３０について＞
駆動信号生成回路３０は、吐出パルス生成部として機能し、ＤＡＣデータに基づき、吐出パルスＰＳを有する駆動信号ＣＯＭを生成する。図４に示すように、駆動信号生成回路３０は、ＤＡＣ回路３１と、電圧増幅回路３２と、電流増幅回路３３とを有する。ＤＡＣ回路３１は、デジタルのＤＡＣデータをアナログ信号に変換する。電圧増幅回路３２は、ＤＡＣ回路３１で変換されたアナログ信号の電圧を、ピエゾ素子４３３を駆動できるレベルまで増幅する。このプリンタ１では、ＤＡＣ回路３１から出力されるアナログ信号は最大３．３Ｖであるのに対し、電圧増幅回路３２から出力される増幅後のアナログ信号（便宜上、波形信号ともいう。）は最大４２Ｖである。電流増幅回路３３は、電圧増幅回路３２からの波形信号について電流の増幅をし、駆動信号ＣＯＭとして出力する。この電流増幅回路３３は、例えば、プッシュプル接続されたトランジスタ対によって構成される。

＜ヘッド制御部ＨＣについて＞
ヘッド制御部ＨＣは、駆動信号生成回路３０で生成された駆動信号ＣＯＭの必要部分をヘッド制御信号に基づいて選択し、ピエゾ素子４３３へ印加する。このため、図４に示すように、ヘッド制御部ＨＣは、駆動信号ＣＯＭの供給線の途中に、ピエゾ素子４３３毎に設けられた複数のスイッチ４４を有する。そして、ヘッド制御部ＨＣは、ヘッド制御信号からスイッチ制御信号を生成する。このスイッチ制御信号によって各スイッチ４４を制御することで、駆動信号ＣＯＭの必要部分（例えば吐出パルスＰＳ）がピエゾ素子４３３へ印加される。

＜駆動信号ＣＯＭについて＞
次に、駆動信号生成回路３０によって生成される駆動信号ＣＯＭについて説明する。図５は、駆動信号ＣＯＭを説明する図であり、縦軸は駆動信号ＣＯＭの電圧を示し、横軸は時間を示す。なお、この実施形態では、駆動信号生成回路３０がグランド電位を基準とする電圧の駆動信号ＣＯＭを生成し、ピエゾ素子４３３の共通電極４３４がグランド電位に定められている。このため、駆動信号ＣＯＭの電圧は、駆動信号ＣＯＭで定められる駆動電極４３５の電位を示す。

この図に示すように、駆動信号ＣＯＭには吐出パルスＰＳが含まれている。この駆動信号ＣＯＭは駆動電極４３５に印加される。これにより、固定電位とされた共通電極４３４との間に、吐出パルスＰＳの波形（電位の変化パターンに相当する。）に応じた電位差が生じる。その結果、ピエゾ素子４３３は波形に応じて伸縮し、圧力室４２４の容積を変化させる。

この吐出パルスＰＳは所謂台形波によって構成されている。このような台形波の吐出パルスＰＳをピエゾ素子４３３（詳しくは駆動電極４３５）に印加すると、最低電位に対応する最小容積から、最高電位に対応する最大容積まで膨張する。その後、再び最小容積まで収縮する。そして、最大容積から最小容積に収縮する際に、圧力室４２４内のインクが加圧され、ノズル４２７から滴状のインク（インク滴）が吐出される。

図５に例示した吐出パルスＰＳでは、最低電圧から最高電圧まで変化する部分が圧力室４２４内のインクを減圧させる減圧部分Ｐ１に相当し、最高電圧から最低電圧まで変化する部分が、インクを吐出させるためにインクを加圧させる加圧部分Ｐ３に相当する。また、最高電圧で一定の部分が、減圧部分Ｐ１の印加終了タイミングにおけるピエゾ素子４３３の状態を維持する維持部分Ｐ２に相当する。従って、この吐出パルスＰＳでは、インク滴の吐出後においてメニスカスの過度な往復移動を抑制するための部分（制振部分ともいう）を有していない。その理由は、このプリンタ１で使用する高粘度インク（高粘度液体の一種）では、インクの粘性抵抗等によってインク滴の吐出後におけるメニスカスの移動が、一般的に普及している水系インクよりも早期に収束するという知見に基づく。そして、制振部分を有さないことから、吐出パルスＰＳの生成に必要な期間をその分短くでき、インク滴を高い周波数で吐出させることができる。

この吐出パルスＰＳにおいて、減圧部分Ｐ１の生成期間Ｔ１は２．８μｓ、最低電圧は０Ｖ、最高電圧が２３Ｖである。また、維持部分Ｐ２の生成期間Ｔ２は２．８μｓであり、加圧部分Ｐ３の生成期間Ｔ３は２．４μｓである。駆動信号生成回路３０は、吐出パルスＰＳに続いて最低電圧で一定の部分Ｐ４を生成する。この部分Ｐ４は、次の吐出パルスＰＳの生成開始までの期間Ｔ４に亘って生成され、接続部分に相当する。駆動信号生成回路３０は、吐出パルスＰＳを含んだ駆動信号ＣＯＭを繰り返し周期Ｔ毎に繰り返し生成する。

吐出パルスＰＳが有する各部分Ｐ１〜Ｐ３の生成期間、最低電圧、最高電圧は、吐出対象となるインク（液体）の種類、必要とされるインク滴の飛行速度、インク滴における尾の部分の長さ等によって適宜調整される。そして、減圧部分Ｐ１と加圧部分Ｐ３とに関し、減圧部分Ｐ１によってもたらされる単位時間あたりの圧力室４２４の容積変化度合いよりも、加圧部分Ｐ３によってもたらされる単位時間あたりの圧力室４２４の容積変化度合いの方が大きいことが好ましい。これは、減圧部分Ｐ１が圧力室４２４内にインクを充填する作用を有し、加圧部分Ｐ３がノズル４２７からインク滴を吐出させる作用を有することによる。このように定めることで、圧力室４２４内にインクを十分充填した状態で、このインクを加圧できる。その結果、インク滴を吐出させるに際して、ノズル４２７付近のインクにより強い圧力を与えることができるようになる。

＜参考例について＞
この種のプリンタにおけるノズルには、テーパー部分（円錐台状の空間を区画する部分）とストレート部分（円柱状の空間を区画する部分）とを有するものが提案されている。しかしながら、このような形状のノズルを用いてもインク滴の吐出が不安定になることがあった。その要因の一つに、圧力室内の液体に与えられた圧力変化が液体の吐出に効率よく使われていなかったことが挙げられる。例えば、ストレート部分の範囲内でメニスカスを移動させてインク滴を吐出させた場合、ストレート部分における内壁からの粘性力がストレート部分の中心部分に存在する液体の慣性力に勝るため、インク滴の吐出を妨げたり、吐出量を不足させたりすると考えられる。

図６Ａ〜図６Ｃは、加圧タイミングに起因して吐出が不安定になる場合を説明する図である。図６Ａは、加圧部分を印加した際におけるメニスカスＭの形状及び圧力分布を模式的に示す図である。図６Ｂは、加圧部分の印加後におけるメニスカスＭの形状及び圧力分布を模式的に示す図である。図６Ｃはインク圧力と色の関係を説明する図である。

図６Ａでは、吐出パルスが有する減圧部分及び維持部分をピエゾ素子に印加することで、メニスカスＭをストレート部分を越えないように引き込んだ後、加圧部分を印加した状態を示している。この図において、青や赤等の色は液体の圧力を示している。すなわち、図６Ｃに示すように、この図では圧力の低い側を青系の色で示し、高い側を赤系の色で示している。具体的には、圧力の低い側から順に、青、水、緑、黄緑、黄、橙、赤を用いて７段階で示している。そして、各圧力の境界に等圧線を引くことで圧力の分布を表している。

なお、各色は絶対的な圧力の大きさを示すものではなく、相対的な圧力の差を示している。すなわち、その時点における圧力の最も低い領域を青で示し、青の領域を基準に色分けをしている。このような色に基づく圧力の表現は、他の図（図９Ｂ、図１０Ｂ、…、図１７Ｂ）において同じである。

図６Ａでは、最も圧力の高い赤の領域がメニスカスＭにおける底の部分に存在している。赤の領域は、メニスカスＭにおける底の部分から圧力室側（図において下方）向かって半楕円形状に分布している。赤の領域の周辺には２番目に圧力の高い橙の領域が弓状に分布している。また、橙の領域の周辺には３番目に圧力の高い黄の領域が略Ｙ字状に分布している。そして、黄の領域の側方には黄緑の領域や緑の領域が分布し、緑の領域の側方には水の領域や青の領域が分布している。この図から、圧力の高い赤、橙、黄の領域に関し、圧力室側に延びた状態で分布していることが判る。このように、圧力の高い部分が延びた状態で分布した結果、図６Ｂに示すように、インク柱の先端部分における圧力が不足し、インク滴が吐出されなかったり、吐出量の不足が生じたりすると考えられる。

図７は、ノズルとインク供給路のインピーダンスの比に起因して吐出が不安定になる場合を説明するためのシミュレーションデータである。図７において、縦軸はメニスカスＭの状態をインクの量で示しており、横軸は時間である。縦軸に関し、０ｎｇは、定常状態におけるメニスカスＭの位置を示す。そして、正側に値が大きくなるほどメニスカスＭが吐出方向に押し出された状態を示し、負側に値が大きくなるほどメニスカスＭが圧力室側に引き込まれた状態を示す。

図７のシミュレーションデータにおいて、ノズルのインピーダンスはインク供給路のインピーダンスよりも大きく定められている。具体的には、ノズルにおけるストレート部分の直径が２８μｍ、ストレート部分の長さが２０μｍ、ノズルの長さが６０μｍ、テーパー角度が２５度にそれぞれ定められ、インク供給路の幅が１００μｍ、高さが１００μｍ、長さが５００μｍにそれぞれ定められている。これにより、粘度３０ｍＰａ・ｓのインクにおいて、ノズルのインピーダンスが１．５９×１０^１４Ωとなり、インク供給路のインピーダンスが１．２７×１０^１４Ωとなる。なお、各インピーダンスは、例えばコンプライアンス、抵抗、イナータンスの各要素を、電気回路の値と対応させて計算することで求められる。

このように、ノズルのインピーダンスがインク供給路のインピーダンスよりも大きい場合、圧力室内のインクに与えた圧力変化がインクの吐出に有効に使われないという問題が生じる。すなわち、圧力室内のインクに与えた圧力変化の多くがインク供給路を通じて共通インク室側に伝播する。これにより、インクの圧力変化に対するメニスカスＭの移動度合いが小さくなり、インク滴が吐出されなかったり、吐出量の不足が生じたりする。また、インク滴が吐出された後において、メニスカスＭが定常状態に戻るまでに時間を要してしまう。これは、ノズルのインピーダンスが大きい場合、ノズル面の粘性力が過度に大きくなるためと考えられる。また、メニスカスＭが圧力室側に引き込まれた状態であっても、圧力室内のインク圧力と共通インク室内のインク圧力との差が小さくなり、共通インク室側から圧力室側へのインク流れが弱いためとも考えられる。言い換えれば、メニスカスＭの表面張力が支配的になっているからとも考えられる。

＜このプリンタ１の特徴について＞
このような事情に鑑み、このプリンタ１では、インク滴の吐出特性を改善するため、次の構成を採った。まず、ノズル４２７に関し、インクの吐出側が圧力室４２４側よりも小さい開口面積に定められるテーパー部分４２７ａと、このテーパー部分４２７ａの吐出側端部に連通するストレート部分４２７ｂとを有する構成とした（図８Ａ等を参照）。また、吐出パルスＰＳに関し、圧力室４２４内のインクを減圧させる減圧部分Ｐ１によって、ストレート部分４２７ｂに位置するメニスカスＭをテーパー部分４２７ａまで引き込むようにし、インクを吐出させる目的でインクを加圧させる加圧部分Ｐ３の印加開始タイミングを、テーパー部分４２７ａまで引き込まれたメニスカスＭがストレート部分４２７ｂに戻る前に定めた。この構成によれば、加圧部分Ｐ３をピエゾ素子４３３に印加して圧力室４２４内のインクを加圧した際に、テーパー部分４２７ａにおけるストレート部分４２７ｂ側のインク圧力を局所的に高くできる。言い換えれば、インクにおける圧力の高い部分をメニスカスＭの近傍に集中させることができる。このため、インクに与えられた圧力変化をインク滴の吐出に効率よく使用することができる。その結果、高粘度のインクであっても吐出を効率的に行うことができる。加えて、ストレート部分４２７ｂを設けていることから、インク滴の飛行方向を許容範囲内に収めることができる。すなわち、飛行方向を安定させることができる。さらに、減圧部分Ｐ１と加圧部分Ｐ３の間に維持部分Ｐ２を生成しているため、この維持部分Ｐ２の生成期間を定めることで、加圧部分Ｐ３によるインクの加圧タイミングを容易に定めることができる。

また、このプリンタ１では、ヘッドＨＤにおいて次の構成を採っている。すなわち、ノズル４２７とインク供給路４２５に関し、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７をインク供給路４２５（液体供給部）のインピーダンスＺ４２５よりも小さくした。この構成によれば、ダイヤフラム部４２３ａをピエゾ素子４３３で変形させて圧力室４２４内のインクに圧力変化を与えた場合において、この圧力変化のうちのメニスカスＭの移動に寄与する比率を従来よりも増やすことができる。これにより、ノズル４２７のテーパー部分４２７ａにおけるストレート部分４２７ｂ側に、圧力の高い部分を集中させ易くできる。従って、インクに与えられた圧力変化をインク滴の吐出に効率よく使用することができる。その結果、高粘度のインクであっても吐出を効率的に行うことができる。

＜ノズル４２７の形状等について＞
以下、これらの特徴について詳細に説明する。まず、ノズル４２７の形状及びインク供給路４２５の形状について説明する。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、ノズル４２７は漏斗状をしており、テーパー形状のテーパー部分４２７ａと、このテーパー部分４２７ａにおける吐出側端部に連通するストレート部分４２７ｂとを有する。テーパー部分４２７ａは、円錐台状の空間を区画する部分であり、ノズル４２７における第１部分に相当する。ストレート部分４２７ｂは、ノズル４２７における第２部分に相当し、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状であって円柱状の空間を区画する部分である。言い換えれば、吐出方向と直交する方向の断面形状が、吐出方向における何れの場所においても一定の円形である部分である。テーパー部分４２７ａは、圧力室４２４側（図８Ａにおける下側）に向かうほど開口面積が大きくなっている。言い換えれば、インク滴の吐出側における開口面積が圧力室４２４側における開口面積よりも小さく定められている。例えば、テーパー部分４２７ａにおける中間位置の直径φ４２７ｂは圧力室４２４側の端部の直径φ４２７ａよりも小さい。また、吐出側端部（ストレート部分４２７ｂ側の端部）の直径φ４２７ｃは中間位置の直径φ４２７ｂよりも小さい。

この実施形態において、吐出側端部の直径φ４２７ｃはストレート部分４２７ｂの直径に相当しており、２４μｍに定められている。ストレート部分４２７ｂの長さＬ４２７ｂ、すなわち吐出方向の長さは２０μｍに定められ、テーパー部分４２７ａの長さＬ４２７ａは８０μｍに定められている。このためノズル４２７の長さＬ４２７は１００μｍになる。そして、テーパー角度θ４２７は５０度に定められている。一方、インク供給路４２５については、幅Ｗ４２５が５５μｍ、高さＨ４２５が８０μｍ、長さＬ４２５が６００μｍにそれぞれ定められている。その結果、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７はインク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５よりも小さくなる。具体的に示すと、粘度３０ｍＰａ・ｓのインクにおいて、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７は１．０×１０^１４Ωになり、インク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５は１．２７×１０^１４Ωになる。

＜インク流路とノズルとの関係について＞
この種のプリンタでは、上述したようにインクを効率よく吐出させるばかりでなく、インクの吐出を安定化させたいという要望もある。例えば、低い周波数でインク滴を吐出させた場合と、高い周波数でインク滴を吐出させた場合とで、インク滴の量や飛行方向、或いは、飛行速度等を同じにしたいという要望がある。しかし、一般的なインクの粘度（約１ミリパスカル秒）よりも十分に高い粘度のインク、具体的には粘度が６〜２０ミリパスカル秒のインク（便宜上、高粘度インクともいう。）を、従来のヘッドで吐出させた場合には、インクの吐出が不安定になってしまうという問題がある。

インクの吐出を不安定にする要因は種々考えられるが、その要因の一つにインクの供給不足があると考えられる。高粘度インクは、通常のインクよりもインク供給路４２５を通過しにくい特性を有する。このため、圧力室４２４へのインクの供給が追いつかず、インクが不足した状態でインクの吐出動作が行われると、インクの吐出が不安定になると考えられる。

このため、本実施形態のヘッドＨＤでは、ノズル４２７の開口面積を、インク供給路４２５の開口面積に基づいて定めている。すなわち、図３に示すように、ノズル４２７の吐出側の開口面積Ｓｎｚｌが、インク供給路４２５の圧力室４２４側の開口面積Ｓｓｕｐの１／９以下になるように構成している。これにより、ノズル４２７からのインク滴の吐出量を制限しつつ、圧力室４２４へのインクの供給量を確保している。その結果、圧力室４２４へのインクの供給不足を解消でき、インクの吐出を安定化できる。

さらに、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌを、インク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐに対して小さくするほど、ノズル４２７の内部でインクが流れ難くなる。このため、圧力室４２４内で加圧されたインクは、インク供給路４２５の側へ多く流れることなる。さらに、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌを過度に小さくしてしまうと、圧力室４２４でインクを加圧してもノズル４２７からはインク滴が吐出されなくなってしまう。

このようなインク滴の吐出不良を防止するためには、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／２０以上に定めればよい。このように定めることで、圧力室４２４でインクを加圧した際にノズル４２７側でもインクの流れを生じさせることができ、インク滴を確実に吐出させることができる。

ノズル４２７の開口面積については、インクの粘度と開口面積とをパラメータとしてインク滴の吐出安定性を評価する実験を本願の発明者が行っている。表１は、インク滴の吐出安定性評価の実験結果を示すものである。本評価実験において開口面積は、圧力室４２４側の開口面積Ｓｓｕｐに対するノズル４２７の吐出側の開口面積Ｓｎｚｌの比を表している。

表１において、「○」は、飛行速度の不足或いはインク滴の吐出曲がり等が発生せず吐出が安定していることを示し、「△」は、飛行速度の不足或いはインク滴の吐出曲がり等が時々生じ吐出の安定性が不十分であることを示し、「×」は、飛行速度の不足或いはインク滴の吐出曲がり等の発生頻度が高く吐出がとても不安定であることを示している。

＜インクの吐出制御について＞
次にインクの吐出制御について説明する。図９〜図１７は、インク滴の吐出時におけるノズル４２７付近のインクの状態を、吐出パルスＰＳの印加開始からの経過時間毎に示している。すなわち、図９Ａ、図１０Ａ、…、図１７Ａは、吐出パルスＰＳの印加開始からの経過時間とその時間における電圧を示している。また、図９Ｂ、図１０Ｂ、…、図１７Ｂは、図９Ａ、図１０Ａ、…、図１７Ａの各時間におけるメニスカスＭの状態と圧力の分布を模式的に示している。なお、このシミュレーションは粘度３０ｍＰａ・ｓのインクで行っている。

図９Ａ，Ｂに示すように、吐出パルスＰＳの印加開始直前（０．００μｓ）においてメニスカスＭは定常状態にあり、インク圧力は最も低い状態（青）で安定している。図１０Ａ，Ｂに示すように、減圧部分Ｐ１の印加終了タイミング（２．８０μｓ）では、メニスカスＭが多少圧力室４２４側に湾曲し、赤の領域がメニスカスＭの底の部分から圧力室４２４側に分布している。赤の領域は略長方形状に分布し、ストレート部分４２７ｂにおける多くの部分を占める。前述したように、圧力の色分けは相対的な圧力の差を示している。このため、この赤の領域は、周りのインクの圧力が低くなったことに起因して、相対的に圧力が高くなったことを示している。赤の領域の周囲には、この赤の領域を覆うように橙の領域が分布し、橙の領域を覆うように黄の領域が分布している。これらの領域は、薄い層のように分布している。黄の領域の外側には緑の領域が分布している。緑の領域における圧力室４２４側の部分（底の部分）は、橙の領域や黄の領域における圧力室４２４側の部分に比べて厚くなっている。すなわち、圧力室４２４側に広く分布している。緑の領域の外側には水の領域が分布している。水の領域の分布範囲は、緑の領域の分布範囲よりも広くなっている。特に、圧力室４２４側の部分において広くなっている。そして、水の領域よりも外側には、青の領域が分布している。この状態では、橙の領域と黄色の領域が薄いので（等圧線の間隔が狭いので）、赤の領域とその近傍に圧力の高い領域が集中しているといえる。このことから、圧力室４２４側へ移動させようとする強い力が、メニスカスＭに与えられていることが判る。

図１１Ａ，Ｂに示すように、維持部分Ｐ２の印加期間中（３．８０μｓ）において、メニスカスＭの中心部分はストレート部分４２７ｂを越えてテーパー部分４２７ａにまで達している。このとき、最も圧力の高い赤の領域は、テーパー部分４２７ａにおいてマッチ棒の先端の様な楕円球状に分布している。そして、赤の領域を覆うように橙の領域が分布し、橙の領域を覆うように黄色の領域が分布している。他の領域も同様に、内側の領域を覆うように分布している。この状態では、赤の領域が分布している範囲の周辺に橙の領域や黄の領域が薄く分布していることから、圧力室４２４側へ移動させようとする強い力が、依然としてメニスカスＭに与えられていることが判る。

図１２Ａ，Ｂに示すように、維持部分Ｐ２の印加期間中（４．２０μｓ）において、メニスカスＭの中心部分は、テーパー部分４２７ａにおける中間部分まで引き込まれている。そして、メニスカスＭの周囲には主に水の領域が分布し、一部に緑の領域が見られる。このように、高い圧力を示す赤の領域や橙の領域がなくなっているのは、メニスカスＭが引き込まれたことでエネルギーが消費され、圧力の差が小さくなったからと考えられる。これにより、メニスカスＭは圧力室４２４側への移動を止め、その後は吐出方向へ移動を開始する。吐出方向へ移動を開始するのは、圧力室４２４の減圧に起因してインク供給路４２５からインクが流入すること、及び、メニスカスＭが表面張力によって定常状態に戻ろうとすることが理由と考えられる。

図１３Ａ，Ｂに示すように、加圧部分Ｐ３の印加開始タイミング（５．６０μｓ）において、メニスカスＭの中心部分は、テーパー部分４２７ａにおけるストレート部分４２７ｂの近傍（絞り側の端部）に位置している。このタイミングは、テーパー部分４２７ａまで引き込まれたメニスカスＭがストレート部分４２７ｂに戻る前のタイミングに相当する。図１４Ａ，Ｂに示すように、加圧部分Ｐ３の印加開始直後のタイミング（６．００μｓ）において、メニスカスＭの中心部分（底の部分）は、ストレート部分４２７ｂにおける圧力室４２４側の端部に位置する。このタイミングは、テーパー部分４２７ａまで引き込まれたメニスカスＭがストレート部分４２７ｂに戻ったタイミングに相当する。そして、メニスカスＭの底の部分よりも圧力室４２４側には、赤の領域が略台形状に分布している。また、赤の領域を覆うように橙の領域が分布し、橙の領域を覆うように黄の領域が分布している。加えて、黄の領域の外側には緑の領域が分布している。ここで、橙の領域と黄の領域は、狭い範囲に分布している。すなわち、等圧線が密な状態で分布している。このことは、メニスカスＭの近くに圧力の高い部分が集中していることを意味する。図１５Ａ，Ｂに示すように、加圧部分Ｐ３の印加終了タイミング（８．００μｓ）において、赤の領域は、ストレート部分４２７ｂ内に存在するインクの大半とノズル４２７よりも外側に飛び出した部分に亘って分布している。この赤の領域の周囲を覆うように橙の領域が分布し、橙の領域を覆うように黄色の領域が分布し、黄色の領域を覆うように黄緑の領域が分布している。そして、これらの領域も図１４Ｂと同様に狭い範囲に分布している。従って、加圧部分Ｐ３の印加終了タイミングにおいて、ノズル４２７のストレート部分４２７ｂのインク及びノズル４２７から飛び出して柱状になっている部分のインクは、他の部分のインクに比べて高い圧力になっている。

ここで、圧力の高い部分を集中させることができた理由について説明する。これは、テーパー部分４２７ａの作用と考えられる。すなわち、圧力室４２４を収縮してインクを加圧すると、その力はノズル４２７内のインクにも作用する。この力（吐出方向への押圧力）を受けると、テーパー部分４２７ａに沿って移動する。テーパー部分４２７ａはインクが流れる流路を絞っているので、インクに与えられる力はより大きなものとなって応力が集中する。これにより、テーパー部分４２７ａにおけるストレート部分４２７ｂとの境界部分に、圧力の高い部分を集中させることができる。そして、インクを加圧するタイミングを、テーパー部分４２７ａまで引き込まれたメニスカスＭがストレート部分４２７ｂに戻る直前に定めている。言い換えれば、ストレート部分４２７ｂのインクが極力少ない状態でインクを加圧している。これにより、テーパー部分４２７ａの吐出側端部に存在するインクに加圧力を集中させることができ、インクを局所的に強く加圧できる。この点も、圧力の高い部分を集中させることに寄与している。なお、テーパー部分４２７ａの作用を利用していることから、メニスカスＭの最大引き込み度合いは、テーパー部分４２７ａを越えない程度に定めることが望ましい。

このような制御を行った結果、図１６Ａ，Ｂに示すように、ストレート部分４２７ｂよりも吐出側のインクについて圧力を高めることができ、インク滴を吐出させるために十分な速度で移動するインク柱を生成できる。さらに、図１７Ａ，Ｂに示すように、インク柱における先端側の部分をインク滴として吐出させることができる。すなわち、インク柱がくびれている部分に青の楕円領域があるが、この部分でインク柱がちぎれる。そして、楕円領域よりも先端側の部分がインク滴として吐出される。インク滴として吐出される部分の多くが赤の領域であることから、圧力室４２４内のインクに与えられた圧力変化が、インク滴の吐出に効率よく使用されていることが判る。これに伴い、インク滴における尾の部分が過度に長くなる現象を抑制できる。なお、楕円領域よりも圧力室４２４側の部分は、新たなメニスカスＭを形成する。

＜テーパー角度θ４２７について＞
前述のデータは、テーパー角度θ４２７が５０度のものであった。応力集中の生じる理由がテーパー部分４２７ａにおけるインクの挙動にあると考えられることから、テーパー角度θ４２７についての検討をした。ここでは、テーパー角度θ４２７を２０度、２５度、３０度、４０度、５０度、６０度、８０度に定め、それぞれのテーパー角度のノズル４２７から粘度８ｍＰａ・ｓ、１０ｍＰａ・ｓ、１５ｍＰａ・ｓ、２０ｍＰａ・ｓ、３０ｍＰａ・ｓ、４０ｍＰａ・ｓのインクを吐出させて評価を行った。なお、ここに挙げた以外のデータは、前述したものと同様である。この評価においても、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７がインク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５よりも小さくなるようにノズル４２７の形状を定めている。また、テーパー角度θ４２７が８０度以上のノズル４２７については評価の対象から外している。これは、８０度以上であれば（要するに、鋭角にならない角度範囲のテーパー面が設けられていれば）テーパー面に沿ってインクが流れるので、圧力集中の効果が得られるからである。この場合、テーパーの最大角度は圧力室４２４の幅、ノズル４２７ピッチ、ノズル４２７の長さ等によって決まる。

図１８は、評価結果の一覧を示している。この図において縦の項目はインクの粘度であり、横の項目はテーパー角度θ４２７である。そして、評価結果に関し、記号×は、インクが滴状にならず吐出されなかったことを意味する。また、記号△は、インク滴における飛行方向の後側に生じる尾の部分が、プリンタ１として支障が生じうる長さであることを意味する。この評価では、尾の部分が５００μｍよりも長い場合に、△の評価としている。従って、記号○は、尾の部分がプリンタ１として支障が生じない程度の長さであることを示している。

この評価結果から次のことがいえる。すなわち、テーパー角度θ４２７とインクの粘度との間には相関関係があり、粘度が高いインクほどテーパー角度θ４２７を大きくすることが好ましいといえる。このことは、インクを吐出できない評価×に着目すると理解できる。例えば、テーパー角度が２０度の場合には、粘度２０ｍＰａ・ｓ以上のインクで評価×になっており、テーパー角度が２５度及び３０度の場合には粘度３０ｍＰａ・ｓ以上のインクで評価×になっている。そして、テーパー角度が４０度以上６０度以下の場合には粘度４０ｍＰａ・ｓのインクで評価×になっている。また、テーパー角度が８０度以上の場合には粘度４０ｍＰａ・ｓのインクで評価△になっている。

評価○に着目すると、テーパー角度θ４２７にはインクの粘度に応じた適正範囲があることが判る。例えば、粘度が８ｍＰａ・ｓ以上であって１５ｍＰａ・ｓ以下のインクを吐出させるのであれば、テーパー角度θ４２７は４０度以上であればよいことが判る。また、粘度が８ｍＰａ・ｓ以上であって３０ｍＰａ・ｓ以下のインクを吐出させるのであれば、テーパー角度θ４２７は５０度以上であればよいことが判る。

次に、テーパー部分４２７ａの長さＬ４２７ａについて検討する。応力をテーパー部分４２７ａにおけるストレート部分４２７ｂ側に集中させるという作用効果からすれば、テーパー部分４２７ａが設けられていればこの作用効果を得られる。従って、長さは問わないといえる。そして、高粘度インクをより安定的に吐出させるという観点からすれば、長さＬ４２７ａはストレート部分４２７ｂ以上の長さ（ノズル４２７長さＬ４２７の１／２）を有することが好ましいといえる。加えて、前述のシミュレーションでは、ノズル４２７長さＬ４２７が１００μｍであり、そのうちの８０μｍがテーパー部分４２７ａの長さＬ４２７ａである。そうすると、テーパー部分４２７ａの長さＬ４２７ａは、ノズル４２７長さＬ４２７の４／５を有することがより好ましいといえる。このように、ノズル４２７長さＬ４２７におけるテーパー部分４２７ａの比率を増やすと、圧力の高い部分を容易に得ることができる。

＜インピーダンスについて＞
前述したように、シミュレーションに用いたヘッドＨＤでは、粘度３０ｍＰａ・ｓのインクにおいてノズル４２７のインピーダンスＺ４２７は１．０×１０^１４Ωであり、インク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５は１．２７×１０^１４Ωである。すなわち、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７は、インク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５よりも小さい。ここで、インピーダンスはインクの粘度に応じて値が変わる。このため、他の粘度のインクを用いると各インピーダンスの数値は変化する。しかし、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７がインク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５よりも小さいという関係は、インクの粘度に関わらず成立する。

このように、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７をインク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５よりも小さくすると、圧力室４２４内のインクに圧力変化を与えた場合において、インピーダンスの大きいインク供給路４２５側についてはインクが流れ難くなり（音響的に重くなり）、インピーダンスの小さいノズル４２７側についてはインクが流れ易くなる（音響的に軽くなる）。これにより、インクに与えられた圧力変化によってメニスカスＭを効率よく移動させることができる。また、インク滴の吐出後に生じる残留振動（圧力室４２４内のインクに与えられる圧力振動）が圧力室４２４内に残り易くなり、共通インク室４２６から圧力室４２４へインクを流入しやすくする。これにより、メニスカスＭを早期に定常状態に戻すことができ、インク滴を高い周波で吐出させることができる。

図１９は、このことを説明するための図であり、図７に対応するシミュレーションデータである。このシミュレーションデータを取得するに際し、ノズル４２７やインク供給路４２５の形状データは、先に述べた通りである。すなわち、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７は１．０×１０^１４Ωであり、インク供給路４２５のインピーダンスＺ４２５は１．２７×１０^１４Ωである。図１９に示すように、メニスカスＭは、吐出パルスＰＳの印加開始から１００μｓを経過した時点で、ほぼ定常状態の位置に戻っている。本実施形態では、吐出パルスＰＳの印加開始から１００μｓを経過した時点でメニスカスＭが定常状態の位置に戻っていることを、４０ｋＨｚ程度の高い周波数であっても、インク滴を安定的に吐出できることの判断基準にしている。ここで、図１９の結果では、インク滴の吐出間隔が最短でも１００μｓであるため、吐出周波数は、最高でも１０ｋＨｚ程度になってしまうとも考えられる。しかし、吐出周波数を高めた場合、インク滴が次々と吐出されることから、インク流路（共通インク室４２６からノズル４２７に至る一連の流路）には、共通インク室４２６側からノズル４２７側に向かうインクの流れが生じると考えられる。このインクの流れは、吐出周波数を高めるほど速くなり、圧力室４２４へのインクの供給を補助すると考えられる。以上より、上記の判断基準が定められている。そして、１０ｎｇ以上のインク滴を４０ｋＨｚ程度の周波数で吐出できれば、高粘度インクであっても、既存の水系インクを吐出させるプリンタと同等の性能を発揮し得る。

そして、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７を小さくするためには、ストレート部分４２７ｂの長さＬ４２７ｂを直径φ４２７ｂよりも短くすることがよい。このように構成すると、イナータンスや流路抵抗を小さくできるからである。すなわち、イナータンスは、ストレート部分４２７ｂの長さＬ４２７ｂにインク密度を乗じ、それを開口面積で除して求められるので、開口面積が大きいほど（直径φ４２７ｂが大きいほど）、値が小さくなる。また、流路抵抗は、ストレート部分４２７ｂの長さＬ４２７ｂが短いほど、かつ、開口面積が大きいほど小さくなる。従って、ストレート部分４２７ｂの長さＬ４２７ｂを直径φ４２７ｂよりも短くすることは、ノズル４２７のインピーダンスＺ４２７を小さくするために有効な手段といえる。

＜まとめ＞
以上の説明から次のことが判る。すなわち、ノズル４２７は、インクの吐出側が圧力室４２４側よりも小さい開口面積に定められるテーパー部分４２７ａ（第１部分）と、テーパー部分４２７ａの吐出側端部に連通するストレート部分４２７ｂ（第２部分）とを有しており、このノズル４２７のインピーダンスＺ４２７は、インク供給路４２５（液体供給部）のインピーダンスＺ４２５よりも小さく定められている。このため、圧力室４２４内のインクに生じた圧力振動をノズル４２７側に効率よく伝えることができ、高粘度のインクを効率よく吐出させることができる。

また、テーパー部分４２７ａは、テーパー角度が４０度以上の円錐台状の空間を区画しているので、インク滴の尾の部分が過度に長くなることを抑制できる。そして、テーパー部分４２７ａは、インクの粘度に応じた範囲の角度に定められているので、その効果をより高めることができる。このテーパー部分４２７ａに連通するストレート部分４２７ｂに関し、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状としたことにより、吐出されたインク滴の飛行方向を安定させることができる。加えて、ストレート部分４２７ｂの長さ（吐出方向の長さ）は、ストレート部分４２７ｂの直径φ４２７ｂ（開口部の内径）よりも短いので、圧力室４２４内のインクに与えられた圧力振動をノズル４２７側に効率よく伝えることができる。

また、ノズル４２７の吐出側の開口面積Ｓｎｚｌを、インク供給路４２５の圧力室４２４側の開口面積Ｓｓｕｐの１／９以下になるように構成することにより、ノズル４２７からのインク滴の吐出量を制限しつつ、圧力室４２４へのインクの供給量を確保することができる。その結果、圧力室４２４へのインクの供給不足を解消でき、インクの吐出を安定化できる。

さらに、ノズル４２７の開口面積Ｓｎｚｌをインク供給路４２５の開口面積Ｓｓｕｐの１／２０以上になるように構成することにより、圧力室４２４でインクを加圧した際にノズル４２７側でもインクの流れを生じさせることができ、インク滴を確実に吐出させることができる。

また、吐出パルスＰＳを用いた吐出制御において、この吐出パルスＰＳは、吐出パルスＰＳは、ストレート部分４２７ｂに位置するメニスカスＭをテーパー部分４２７ａまで引き込むためにインクを減圧させる減圧部分Ｐ１と、テーパー部分４２７ａまで引き込まれたメニスカスＭがストレート部分４２７ｂまで戻る前に、インクを吐出させるべくインクを加圧させる加圧部分Ｐ３とを有するので、インクに与えられた圧力をインクの吐出に効率よく使用できる。加えて、減圧部分Ｐ１と加圧部分Ｐ３の間に維持部分Ｐ２を生成しているので、タイミングの最適化を容易に行える。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
前述した実施形態は、主として、液体吐出装置としてのプリンタ１を有する印刷システムについて記載されているが、その中には、液体吐出方法や液体吐出システムの開示が含まれている。また、液体吐出ヘッドや液体吐出ヘッドの制御方法の開示も含まれている。また、この実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

＜ノズル４２７の形状について＞
前述の実施形態においてノズル４２７は、円錐台状の空間（流路）を区画するテーパー部分４２７ａと、円柱状の空間を区画するストレート部分４２７ｂとを有していた。しかし、ノズル４２７はこの形状に限定されるものではない。液体の吐出側が圧力室４２４側よりも小さい開口面積に定められていればよい。例えば、図２０Ａに示すノズル４２７Ａのように、テーパー部分４２７ａ´及びストレート部分４２７ｂ´を楕円形状に変形してもよい。また、図２０Ｂに示すノズル４２７Ｂのように、テーパー部分４２７ａに変えて四角錐状部分４２７ａ″を設けてもよい。これらのノズル４２７Ａ，Ｂであっても、同様の作用効果を奏する。また、図２０Ｃに示すノズル４２７Ｃのように、圧力室４２４側の第１テーパー部分４２７ａと吐出側の第２テーパー部分４２７ｂ″を設けてもよい。このノズル４２７Ｃでは、第２テーパー部分４２７ｂ″は、第１テーパー部分４２７ａで区画される円錐台状の部分よりもテーパー角度の小さい他の円錐台状の空間を区画する部分に相当する。このノズル４２７Ｃでは、インク滴の飛行速度を高めることができる。

＜吐出動作をする素子について＞
このプリンタ１では、インクを吐出させるための動作をする素子として、ピエゾ素子４３３を用いている。ここで、吐出動作をする素子は、前述したピエゾ素子４３３に限定されるものではない。印加された電位に応じて動作をし、圧力室４２４内の液体に圧力変化を与える素子であればよい。例えば、磁歪素子であってもよい。そして、この素子として、前述の実施形態のようにピエゾ素子４３３を用いた場合には、圧力室４２４の容積を吐出パルスＰＳの電圧に基づいて精度良く制御できる。すなわち、圧力室４２４内のインクに与える圧力をきめ細かに制御できる。

＜他の応用例について＞
また、前述の実施形態では、液体吐出装置としてプリンタ１が説明されていたが、これに限られるものではない。例えば、カラーフィルタ製造装置、染色装置、微細加工装置、半導体製造装置、表面加工装置、三次元造形機、液体気化装置、有機ＥＬ製造装置（特に高分子ＥＬ製造装置）、ディスプレイ製造装置、成膜装置、ＤＮＡチップ製造装置などのインクジェット技術を応用した各種の液体吐出装置に、本実施形態と同様の技術を適用しても良い。また、これらの方法や製造方法も応用範囲の範疇である。

１ プリンタ，１０ 用紙搬送機構，２０ キャリッジ移動機構，
３０ 駆動信号生成回路，３１ ＤＡＣ回路，３２ 電圧増幅回路，
３３ 電流増幅回路，４０ ヘッドユニット，４１ ケース，
４１１ 収容空部，４２ 流路ユニット，４２１ 流路形成基板，
４２２ ノズルプレート，４２３ 振動板，４２３ａ ダイヤフラム部，
４２４ 圧力室，４２５ インク供給路，４２６ 共通インク室，
４２７ ノズル，４２７ａ テーパー部分，４２７ｂ ストレート部分，
４２８ 支持板，４２８ａ 島部，４２９ 弾性体膜，
４３ ピエゾ素子ユニット，４３１ ピエゾ素子群，４３２ 固定板，
４３３ ピエゾ素子，４３４ 共通電極，４３５ 駆動電極，
４３６ 圧電体，４４ スイッチ，５０ 検出器群，
６０ プリンタ側コントローラ，６１ インタフェース部，
６２ ＣＰＵ，６３ メモリ，ＣＰ コンピュータ，
ＨＤ ヘッド，ＨＣ ヘッド制御部，ＣＯＭ 駆動信号，
ＰＳ 吐出パルス，Ｐ１ 減圧部分，Ｐ２ 維持部分，Ｐ３ 加圧部分

Claims (7)

1. 液体が吐出されるノズルと、
   前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する液体供給部と、
   前記圧力室内の前記液体に前記圧力変化を与えるための動作をする素子と、
   前記ノズルから前記液体を吐出させるべく前記素子を動作させる吐出パルスを生成する吐出パルス生成部と、
   を備え、
   前記液体の粘度は、
   ８ミリパスカル秒以上であり、
   前記ノズルは、
   前記液体の吐出側が圧力室側よりも小さい開口面積に定められる第１部分と、
   前記第１部分の吐出側端部に連通する第２部分とを有し、
   前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積が、
   前記液体供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／９以下であり、
   前記ノズルの第１部分は、テーパー角度が４０度以上の円錐台状の空間を区画し、
   前記ノズルの第２部分は、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状であり、
   前記吐出パルスは、
   前記第２部分に位置するメニスカスを前記第１部分まで引き込むために前記液体を減圧させる減圧部分と、
   前記第１部分まで引き込まれたメニスカスが前記第２部分に戻る前に、前記液体を吐出させるべく前記液体を加圧させる加圧部分と、を有する液体吐出装置。
2. 前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積は、
   前記圧力室側の開口の面積の１／２０以上である、請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記吐出パルスは、
   前記減圧部分の生成終了後から前記加圧部分の印加開始までの期間に亘って、前記減圧部分の生成終了タイミングにおける前記素子の状態を維持する維持部分を有する、請求項１又は２に記載の液体吐出装置。
4. 前記ノズルのインピーダンスは、
   前記液体供給部のインピーダンスよりも小さい、請求項１から３の何れか１項に記載の液体吐出装置。
5. 前記素子は、
   印加された吐出パルスの電位に応じて変形することで前記圧力室の容積を変化させ、前記液体に圧力変化を与えるピエゾ素子である、請求項１から４の何れか１項に記載の液体吐出装置。
6. 前記吐出パルスは、
   前記減圧部分による単位時間あたりの圧力室の容積変化度合いよりも、前記加圧部分による単位時間あたりの圧力室の容積変化度合いの方が大きく定められ、かつ、前記加圧部分よりも後に、液体の吐出後における前記メニスカスの移動を抑制するための部分を有さない、請求項５に記載の液体吐出装置。
7. 液体が吐出されるノズルと、
   前記液体を前記ノズルから吐出させるために前記液体に圧力変化を与える圧力室と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室に前記液体を供給する液体供給部と、
   前記圧力室内の前記液体に圧力変化を与えるための動作をする素子と、
   を備え、
   前記ノズルは、
   前記液体の吐出側が圧力室側よりも小さい開口面積に定められる第１部分と、
   前記第１部分の吐出側端部に連通する第２部分とを有し、
   前記第２部分の吐出側端部の前記開口面積が、
   前記液体供給部の開口であって前記圧力室側の開口の面積の１／９以下であり、
   前記ノズルの第１部分は、テーパー角度が４０度以上の円錐台状の空間を区画し、
   前記ノズルの第２部分は、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状である液体吐出装置を用い、
   粘度が８ミリパスカル秒以上の前記液体を前記ノズルから吐出させる液体吐出方法であって、
   前記第２部分に位置するメニスカスを前記第１部分まで引き込むために前記液体を減圧させることと、
   前記第１部分まで引き込まれたメニスカスが前記第２部分に戻る前に、前記液体を吐出させるべく前記液体を加圧させることと、
   を行う液体吐出方法。

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