特開 2024-104763 液滴吐出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104763

(43)【公開日】2024-08-06

(54)【発明の名称】液滴吐出装置

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/14 20060101AFI20240730BHJP

   B41J 2/01 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 301

B41J2/01 401

B41J2/01 501

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023009099

(22)【出願日】2023-01-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005267

【氏名又は名称】ブラザー工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】吉野 隆晃

(72)【発明者】

【氏名】垣内 徹

(72)【発明者】

【氏名】水野 泰介

【テーマコード（参考）】

2C056

2C057

【Ｆターム（参考）】

2C056EA01

2C056EC07

2C056EC42

2C056FA04

2C056FC01

2C056HA05

2C056HA20

2C057AF02

2C057AG01

2C057AG31

2C057AG44

2C057AM17

2C057BA04

2C057BA14

2C057BC09

(57)【要約】

【課題】高い駆動周波数で、記録に十分な量の液滴を安定して吐出させる。
【解決手段】ノズルの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒが、以下の要件（１）、（２）及び（３）を満たすように構成されている。
限界駆動周波数≧１００ｋＨｚ ・・・要件（１）
インク滴の体積≧１．８ｐｌ ・・・要件（２）
オーネゾルゲ数≧０．２ ・・・要件（３）
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ノズルと前記ノズルに連通する圧力室とを含む流路を有する流路部材と、
前記流路部材に固定され、前記圧力室内の液体に圧力を付与して前記ノズルから液滴を吐出させるアクチュエータと、を備え、
前記ノズルの直径、及び、前記流路の固有周波数が、以下の要件（１）、（２）及び（３）を満たすように構成されたことを特徴とする、液滴吐出装置。
前記アクチュエータの限界駆動周波数≧１００ｋＨｚ ・・・要件（１）
前記液滴の体積≧１．８ｐｌ ・・・要件（２）
オーネゾルゲ数≧０．２ ・・・要件（３）

【請求項2】

以下の式（１）、（２）及び（３）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【数1】

【数2】

【数3】

［Ｆ：前記限界駆動周波数（ｋＨｚ）、Ｖ：前記液滴の体積（ｐｌ）、Ｆｒ：前記固有周波数（ｋＨｚ）、Ｄ：前記ノズルの直径（μｍ）、Ｏｈ：オーネゾルゲ数、μ：前記液体の粘度(ｍＰａ・ｓ)、ρ：前記液体の密度（ｇ／ｍ³)）、σ：前記液体の表面張力（ｍＮ／ｍ）、］

【請求項3】

前記液体の粘度が３～１０ｍＰａ・ｓであることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項4】

前記液体の表面張力が２０～５０ｍＮ／ｍであることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項5】

前記液体の密度が０．８～１．２ｇ／ｃｍ³であることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項6】

前記アクチュエータに駆動信号を付与する制御部を備え、
前記駆動信号は、前記圧力室の容積を所定容積から増大させた後前記所定容積以下に減少させることで前記ノズルから液滴を吐出させる、引き打ち方式によるものであることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項7】

前記アクチュエータに駆動信号を付与する制御部を備え、
前記駆動信号に含まれるパルスの幅は、前記流路における圧力波の片道伝搬時間であるAcoustic Length（ＡＬ）と等しく、前記固有周波数の逆数の半分であることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項8】

前記アクチュエータが薄膜圧電素子で構成されたことを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、インクチャンネルを有するインクジェットヘッドが開示されている。インクチャンネルは、ノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧電アクチュエータとを含む。特許文献１のインクジェットヘッドにおいては、圧電アクチュエータにより圧力室内に圧力を生成させることで、ノズルから液滴を吐出させる。

【0003】

液滴吐出装置において、一般に、高速記録を実現するには、高い駆動周波数で、記録に十分な量の液滴を吐出させる必要がある。特許文献１には、圧力室内に生じる圧力共振の影響に着目し、駆動周波数を高める方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１３０９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、駆動周波数が１００ｋＨｚほどの高周波数の場合、先行の液滴のテールがノズルのメニスカスから分離する前に、後続の液滴が吐出される。その結果、先行の液滴のテールに、後続の液滴が繋がった状態となる。

【0006】

上記のような液滴の繋がりが生じないようにするには、ピンチオフタイム（Pinch-Off-Time）を短くすることが好ましい。ピンチオフタイムとは、液滴吐出に係る駆動信号がアクチュエータに印加された時点から、当該液滴のテールがノズルのメニスカスから分離される時点まで、の時間をいう。本願発明者は、ピンチオフタイムを短くする手段として、ノズルの直径を小さくすること、及び、流路の固有周波数を高めることが有効であることを見出した。

【0007】

しかしながら、ノズルの直径が小さくなるにつれて、ノズルから吐出される液滴の量が減少する。固有周波数を高めるには、アクチュエータの剛性を大きくする必要がある。アクチュエータの剛性が大きいと、所望量の液滴を吐出するために、アクチュエータの変形に大きなエネルギーが必要となる。アクチュエータの耐久性を維持するためには、所定値を超えるような大きなエネルギーをアクチュエータに付与することができない。

【0008】

また、安定した吐出を実現するには、上記のような液滴の繋がりが生じないようにするのみでなく、サテライト滴が生じないようにする必要もある。サテライト滴は、液滴のテールが液滴のメイン滴から分離することで生じるものであり、メイン滴よりも体積が小さい。

【0009】

本発明の目的は、高い駆動周波数で、記録に十分な量の液滴を安定して吐出させることができる、液滴吐出装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る液滴吐出装置は、ノズルと前記ノズルに連通する圧力室とを含む流路を有する流路部材と、前記流路部材に固定され、前記圧力室内の液体に圧力を付与して前記ノズルから液滴を吐出させるアクチュエータと、を備え、前記ノズルの直径、及び、前記流路の固有周波数が、以下の要件（１）、（２）及び（３）を満たすように構成されたことを特徴とする。
前記アクチュエータの限界駆動周波数≧１００ｋＨｚ ・・・要件（１）
前記液滴の体積≧１．８ｐｌ ・・・要件（２）
オーネゾルゲ数≧０．２ ・・・要件（３）

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、要件（１）及び（２）を満たすことで、高い駆動周波数で、記録に十分な量の液滴を吐出させることができる。また、限界駆動周波数は、ピンチオフタイムと反比例する。限界駆動周波数が高くなるにつれて、ピンチオフタイムは短くなる。そのため、要件（１）において限界駆動周波数が１００ｋＨｚ以上のときのピンチオフタイムは、液滴の繋がりが生じない値である。さらに、要件（３）を満たすことで、液滴のテールがメイン滴から分離せず、サテライト滴が生じない。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係るプリンタ１００の平面図である。

【図2】図２は、プリンタ１００の電気的構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、プリンタ１００に含まれるヘッド１の断面図である。

【図4A】図４Ａは、先行のインク滴９０のテール９２がノズル１２Ｎのメニスカス９５から分離した後に、後続のインク滴９０が吐出された状態を示す。

【図4B】図４Ｂは、先行のインク滴９０のテール９２に後続のインク滴９０が繋がった状態を示す。

【図5】図５は、アクチュエータ１３Ｘに付与される駆動信号と、ノズル１２Ｎから吐出されるインク滴の状態とを示す。

【図6】図６は、ノズルの直径Ｄ、固有周波数Ｆｒ及びピンチオフタイムＴｐの関係を示すグラフである。

【図7】図７は、ノズルの直径Ｄ、固有周波数Ｆｒ、ピンチオフタイムＴｐ、インク滴の体積及び限界駆動周波数の関係を示す表である。

【図8】図８は、インクの粘度、インクの表面張力、インクの密度、ノズルの直径Ｄ、及び、オーネゾルゲ数Ｏｈの関係を示す表である。

【図9】図９は、ノズルの直径Ｄ、固有周波数Ｆｒ、限界駆動周波数及びインク滴の体積の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜プリンタ１００の全体構成＞
本発明の一実施形態に係るプリンタ１００は、図１に示すように、筐体１００Ａと、ヘッド１と、プラテン３と、搬送機構４と、制御部５とを備えている。ヘッド１、プラテン３、搬送機構４及び制御部５は、筐体１００Ａ内に配置されている。プリンタ１００は、さらに、筐体１００Ａの外面に配置されたボタンで構成される、入力部を備えている。

【0014】

搬送方向は、搬送機構４が用紙Ｐを搬送する方向である。紙幅方向は、用紙９の幅に沿った方向である。搬送方向及び紙幅方向は、互いに直交する。搬送方向及び紙幅方向は、鉛直方向と直交する。

【0015】

ヘッド１の紙幅方向の長さは、ヘッド１の搬送方向の長さよりも長い。ヘッド１は、ライン式の構成を有する。つまり、ヘッド１の位置が筐体１００Ａに対して固定された状態で、用紙９に対してヘッド１からインクが吐出される。

【0016】

プラテン３は、ヘッド１の下方に配置されている。プラテン３の上面に用紙９が支持される。

【0017】

搬送機構４は、ローラ対４１，４２と、図２に示す搬送モータ４３とを含む。搬送方向において、ヘッド１とプラテン３との間に、ローラ対４１，４２が配置されている。制御部５の制御により搬送モータ４３が駆動されると、ローラ対４１，４２が回転する。ローラ対４１が用紙９を挟持しかつローラ対４２が用紙９を挟持した状態で、ローラ対４１，４２が回転することによって、用紙９が搬送方向に搬送される。

【0018】

制御部５は、図２に示すように、ＣＰＵ５１と、ＲＯＭ５２と、ＲＡＭ５３とを含む。

【0019】

ＣＰＵ５１は、外部装置や入力部から入力されたデータに基づいて、ＲＯＭ５２やＲＡＭ５３に記憶されているプログラム及びデータにしたがい、各種制御を実行する。外部装置は、例えばＰＣである。

【0020】

ＲＯＭ５２には、ＣＰＵ５１が各種制御を行うためのプログラム及びデータが格納されている。ＲＡＭ５３は、ＣＰＵ５１がプログラムを実行する際に用いるデータを一時的に記憶する。

【0021】

＜ヘッド１の構成＞
ヘッド１は、図３に示すように、流路部材１２と、アクチュエータ部材１３とを含む。

【0022】

流路部材１２は、共通流路１２Ａと、個別流路１２Ｂとを有する。共通流路１２Ａは、インクタンクと、個別流路１２Ｂとに連通している。個別流路１２Ｂは、ノズル１２Ｎと、ノズル１２Ｎに連通する圧力室１２Ｐとを含む。個別流路１２Ｂは、本発明の「流路」に該当する。

【0023】

インクは、共通流路１２Ａから個別流路１２Ｂに流入し、個別流路１２Ｂにおいて、圧力室１２Ｐからノズル１２Ｎに向かい、ノズル１２Ｎからインク滴として吐出される。

【0024】

流路部材１２の下面にノズル１２Ｎが開口し、流路部材１２の上面に圧力室１２Ｐが開口している。鉛直方向と直交する平面において、ノズル１２Ｎの開口は略円形状であり、圧力室１２Ｐの開口は略矩形状である。

【0025】

個別流路１２Ｂは複数あってもよい。

【0026】

アクチュエータ部材１３は、図４に示すように、流路部材１２の上面に固定されている。アクチュエータ部材１３は、薄膜圧電素子、いわゆるmicro electro mechanical systems（ＭＥＭＳ)である。アクチュエータ部材１３は、金属製の振動板１３Ａと、圧電層１３Ｂと、個別電極１３Ｃとを含む。アクチュエータ部材１３は、振動板１３Ａの上面に圧電層１３Ｂとして機能する薄膜を有し、圧電層１３Ｂの上面に個別電極１３Ｃとして機能する薄膜を有する。

【0027】

振動板１３Ａは、流路部材１２の上面に、圧力室１２Ｐを覆うように配置されている。圧電層１３Ｂは、振動板１３Ａの上面に配置されている。個別電極１３Ｃは、圧電層１３Ｂの上面に、圧力室１２Ｐと鉛直方向に重なるように配置されている。

【0028】

振動板１３Ａ及び圧電層１３Ｂにおいて個別電極１３Ｃと圧力室１２Ｐとで挟まれた部分が、アクチュエータ１３Ｘとして機能する。アクチュエータ１３Ｘは、個別電極１３Ｃに付与される電位に応じて独立して変形可能である。

【0029】

アクチュエータ１３Ｘは複数あってもよい。

【0030】

振動板１３Ａ及び個別電極１３Ｃは、ドライバＩＣ１４と電気的に接続されている。ドライバＩＣ１４は、振動板１３Ａの電位をグランド電位に維持する一方、個別電極１３Ｃの電位を変化させる。振動板１３Ａは、複数のアクチュエータ１３Ｘに共通の電極である共通電極として機能する。

【0031】

ドライバＩＣ１４は、制御部５からの制御信号に基づいて図５に示す駆動信号を生成し、当該駆動信号を個別電極１３Ｃに供給する。駆動信号は、個別電極１３Ｃの電位を所定の駆動電位とグランド電位との間で変化させる。

【0032】

＜アクチュエータ１３Ｘの駆動方式＞
本実施形態では、アクチュエータ１３Ｘの駆動方式として、「引き打ち方式」を採用している。「引き打ち方式」では、圧力室１２Ｐの容積を所定容積から増大させた後、所定容積以下に減少させることで、ノズル１２Ｎからインク滴を吐出させる。

【0033】

吐出周期における、アクチュエータ１３Ｘの変形について説明する。吐出周期とは、所定サイズのインク滴をノズル１２Ｎから１滴吐出させるための駆動信号の周期である。以下の説明において、面内方向とは、振動板１３Ａの上面と平行な方向をいう。

【0034】

初期状態では、個別電極１３Ｃに駆動電位が付与されている。このとき、アクチュエータ１３Ｘは、面内方向に収縮することで、圧力室１２Ｐに向かって凸に変形している。そして、個別電極１３Ｃにグランド電位が付与されたタイミングで、アクチュエータ１３Ｘは、面内方向の収縮が解除されて平坦になる。このとき、圧力室１２Ｐの容積が初期状態よりも増大することで、圧力室１２Ｐ内が負圧となり、共通流路１２Ａから個別流路１２Ｂにインクが吸い込まれる。

【0035】

さらにその後、個別電極１３Ｃに駆動電位が付与されると、アクチュエータ１３Ｘは、再び面内方向に収縮して圧力室１２Ｐに向かって凸に変形する。このとき、圧力室１２Ｐの容積が減少することで、圧力室１２Ｐ内が正圧となり、圧力室１２Ｐ内のインクへの圧力が上昇し、ノズル１２Ｎからインク滴が吐出される。

【0036】

「引き打ち方式」では、個別電極１３Ｃの電位が駆動電位からグランド電位に切り替わって圧力室１２Ｐの容積が増大するタイミングで、圧力室１２Ｐ内に負の圧力波が生じる。その後、負の圧力波が反転して正の圧力波として圧力室１２Ｐに戻ってきたタイミングで、個別電極１３Ｃの電位をグランド電位から駆動電位に切り替える。このとき、圧力室１２Ｐの容積が減少することで、圧力室１２Ｐ内に正の圧力波が生じ、これら圧力波が重畳する。このような圧力波の重畳により、圧力室１２Ｐ内のインクに大きな圧力が付与される。

【0037】

駆動信号に含まれるパルスの幅は、図５に示すように、Acoustic Length（ＡＬ）と等しい。ＡＬは、個別流路１２Ｂにおける圧力波の片道伝搬時間である。また、パルスの幅は、個別流路１２Ｂの固有周波数の逆数の半分となるように設定されている。固有周波数は、例えば１０１．６～３４０．５ｋＨｚとなるように設定されている。

【0038】

＜ノズル１２Ｎから吐出されるインク滴９０の状態＞
インク滴９０は、図４Ａに示すように、球状のメイン滴９１と、メイン滴９１から延びる細い柱状のテール９２とを含む。テール９２は、個別電極１３Ｃにパルスが印加されてからある程度時間が経過した後、ノズル１２Ｎのメニスカス９５から分離する。

【0039】

図４Ａでは、先行のインク滴９０のテール９２がメニスカス９５から分離した後に、後続のインク滴９０が吐出されている。この場合、先行のインク滴９０は後続のインク滴９０と分離している。

【0040】

図４Ｂでは、先行のインク滴９０のテール９２がメニスカス９５から分離する前に、後続のインク滴９０が吐出されている。その結果、先行のインク滴９０のテール９２に後続のインク滴９０が繋がっている。

【0041】

用紙９上に着弾したインク滴９０により形成されるドットのサイズは、先行のインク滴９０が後続のインク滴９０と分離していることを想定して設計される。用紙９へのインク滴９０の着弾位置も、同様に、先行のインク滴９０が後続のインク滴９０と分離していることを想定して設計される。

【0042】

図４Ｂの場合、先行のインク滴９０と後続のインク滴９０とが繋がった状態で用紙９に着弾する。そのため、ドットのサイズが設計値よりも大きくなってしまう。

【0043】

また、図４Ｂの場合、図４Ａの場合に比べ、ドットを構成するインク滴９０の重量が大きいため、インク滴９０の飛翔速度が高い。そのため、着弾位置が設計位置からずれてしまう。

【0044】

図４Ａの場合、先行のインク滴９０が後続のインク滴９０と分離しているため、ドットのサイズ及び着弾位置が設計値通りになる。

【0045】

ここで、吐出周期において、駆動信号がアクチュエータ１３Ｘに印加された時点から、テール９２がメニスカス９５から分離される時点まで、の時間を「ピンチオフタイム」という。駆動信号がアクチュエータ１３Ｘに印加された時点とは、駆動信号の電位が初期状態の駆動電位からグランド電位に切り替わる時点をいう。

【0046】

図５の例では、駆動信号の電位が初期状態の駆動電位からグランド電位に切り替わる時点を０μｓとして、時点５μｓに駆動信号の電位がグランド電位から駆動電位に切り替わる。即ち、駆動信号のパルス幅は５μｓである。そして、時点２２．５μｓにおいて、ノズル１２Ｎから吐出されたインク滴９０のテール９２がメニスカス９５から分離する。即ち、ピンチオフタイムＴｐは２２．５μｓである。

【0047】

例えばインク滴をノズル１２Ｎから２滴連続して吐出させる場合、先行の吐出周期の後、後続の吐出周期が出現する。

【0048】

後続の吐出周期において駆動信号の電位がグランド電位から駆動電位に切り替わるタイミングが、先行の吐出周期のピンチオフタイムの終了時点より前であると、図４Ｂのようにインク滴９０が繋がってしまう。後続の吐出周期において駆動信号の電位がグランド電位から駆動電位に切り替わるタイミングが、先行の吐出周期のピンチオフタイムの終了時点以降であると、図４Ａのようにインク滴９０が繋がらない。

【0049】

ここで、図５に破線で示すように、前の吐出周期のピンチオフタイムＴｐの終了時点（２２．５μｓ）と、後続の吐出周期において駆動信号の電位がグランド電位から駆動電位に切り替わる時点と、を一致させる。これにより、後続のインク滴９０を最も早く吐出することができ、駆動信号の周波数である駆動周波数を高めることができる。このとき、駆動信号の周期Ｔは、ピンチオフタイムＴｐからパルス幅であるＡＬを減じた値となる。即ち、上記のようなインク滴９０の繋がりが生じないようにできる駆動周波数のうち、最も高い駆動周波数である限界駆動周波数は、１／（Ｔｐ－ＡＬ）である。

【0050】

また、上記のようなインク滴９０の繋がりが生じないようにするには、ピンチオフタイムＴｐを短くすることが好ましい。本願発明者は、ピンチオフタイムＴｐが、ノズル１２Ｎの直径Ｄと、個別流路１２Ｂの固有周波数Ｆｒとに依存することを見出した。固有周波数Ｆｒは、少なくとも、アクチュエータ１３Ｘの剛性、圧力室１２Ｐの形状及びサイズによって定まる。

【0051】

図６中のプロットは、ノズル１２Ｎの直径Ｄが１４μｍ、１８μｍ、２２μｍの３つのモデルについて、固有周波数Ｆｒを変化させ、ピンチオフタイムＴｐを算出した値である。図６から、ピンチオフタイムＴｐは、直径Ｄが減少するにつれて短くなり、固有周波数Ｆｒが高くなるにつれて短くなることがわかる。

【0052】

図７は、図６の結果と、以下の条件とに基づいて、ノズル１２Ｎの直径Ｄ、固有周波数Ｆｒ、ピンチオフタイムＴｐ、インク滴９０の体積及び限界駆動周波数の関係を導出したものである。インク滴９０の体積は、１吐出周期で吐出されるインクの体積であり、シミュレーションによる計算値である。Ｎｏ．１～１５のモデル毎に駆動電位を変化させ、インク滴９０の吐出初速度が１０ｍ／ｓの駆動電位での近似を行った。

【0053】

条件は、以下のとおりである。インクの粘度は、約４ｍＰａ・ｓである。インクの表面張力は、約３４ｍＮ／ｍである。ノズル１２Ｎの直径Ｄは、１４μｍ、１８μｍ、２２μｍの３つのモデルがある。３つのモデルのピンチオフタイムＴｐは、図６を参照されたい。固有周波数Ｆｒは、１０１．６～３４０．５ｋＨｚである。駆動信号は、図５に示す引き打ち方式である。駆動信号のパルス幅ＡＬは、１／（２×Ｆｒ）である。限界駆動周波数は、１／（Ｔｐ－ＡＬ）である。

【0054】

図８は、インクの粘度を４．３ｍＰａ・ｓ、インクの表面張力を２４ｍＮ／ｍ、インクの密度を１ｇ／ｃｍ³として、ノズル１２Ｎの直径Ｄを１５～１９．５μｍに変化させたときの、オーネゾルゲ数Ｏｈを示す。オーネゾルゲ数Ｏｈが大きくなるにつれて、レイリー不安定性により、ミストが生じ易くなる。オーネゾルゲ数Ｏｈが小さくなるにつれて、サテライト滴が生じ易くなる。具体的には、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．２未満であると、サテライト滴が生じ易くなる。図８から、ノズル１２Ｎの直径Ｄが１９μｍを超えると、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．２未満であり、サテライト滴が生じ易くなることがわかる。

【0055】

図９は、図７の計算結果に基づいて、ノズル１２Ｎの直径Ｄと固有周波数Ｆｒとに対する限界駆動周波数（ｋＨｚ）とインク滴９０の体積（ｐｌ）との計算結果をグラフ化したものである。図９において、限界駆動周波数はグレーの等高線、インク滴９０の体積は白の等高線で示されている。

【0056】

図９では、限界駆動周波数１２０ｋＨｚにおいて、固有周波数を２４０ｋＨｚ、ノズル１２Ｎの直径Ｄを１８．２μｍとすると、インク滴９０の体積は約２ｐｌである。限界駆動周波数１００ｋＨｚにおいて、固有周波数を２００ｋＨｚ、ノズル１２Ｎの直径Ｄを１９．２μｍとすると、インク滴９０の体積は約２．５ｐｌである。限界駆動周波数８０ｋＨｚにおいて、固有周波数を１５０ｋＨｚ、ノズル１２Ｎの直径Ｄを２１μｍとすると、インク滴９０の体積は約３．５ｐｌである。このように、限界駆動周波数、インク滴９０の体積、固有周波数Ｆｒ及びノズル１２Ｎの直径Ｄには、相関関係があることがわかる。インク滴９０の体積を最大とする目的は、記録に十分な量のインク滴９０をノズル１２Ｎから吐出させるためである。

【0057】

ただし、上述のように、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．２未満であると、サテライト滴が生じ易くなる。したがって、サテライト滴の生じないようにするには、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．２以上であること、即ちノズル１２Ｎの直径Ｄが１９μｍ以下であることが好ましい。

【0058】

以上の解析結果を踏まえ、本実施形態のプリンタ１００は、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒが、以下の要件（１）、（２）及び（３）を満たすように構成されている。要件（１）は、限界駆動周波数≧１００ｋＨｚである。要件（２）は、インク滴９０の体積≧１．８ｐｌである。要件（３）は、オーネゾルゲ数Ｏｈ≧０．２である。

【0059】

図９において、要件（１）、（２）及び（３）を満たす範囲をハッチングで示している。

【0060】

限界駆動周波数、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒは、以下の式（１）を満たす。

【数1】

［Ｆ：限界駆動周波数（ｋＨｚ）、Ｄ：ノズル１２Ｎの直径（μｍ）、Ｆｒ：固有周波数（ｋＨｚ）］

【0061】

インク滴９０の体積、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒは、以下の式（２）を満たす。

【数2】

［Ｖ：インク滴の体積（ｐｌ）、Ｄ：ノズル１２Ｎの直径（μｍ）、Ｆｒ：固有周波数（ｋＨｚ）］

【0062】

上記式（１）及び（２）は、本願発明者が解析により導出したものである。

【0063】

オーネゾルゲ数Ｏｈ、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及びインクの物性は、以下の式（３）を満たす。物性は、粘度、密度及び表面張力を含む。

【数3】

［Ｏｈ：オーネゾルゲ数、μ：インクの粘度(ｍＰａ・ｓ)、ρ：インクの密度（ｇ／ｍ³)）、σ：インクの表面張力（ｍＮ／ｍ）、Ｄ：ノズル１２Ｎの直径（μｍ）］

【0064】

＜本実施形態の効果＞
以上に述べたように、本実施形態によれば、要件（１）及び（２）を満たすことで、高い駆動周波数で、記録に十分な量のインク滴９０を吐出させることができる。また、限界駆動周波数はピンチオフタイムＴｐと反比例し、限界駆動周波数が高くなるにつれて、ピンチオフタイムＴｐは短くなる。そのため、要件（１）において限界駆動周波数が１００ｋＨｚ以上のときのピンチオフタイムＴｐは、インク滴９０の繋がりが生じない値である。さらに、要件（３）を満たすことで、インク滴９０のテール９２がメイン滴９１から分離せず、サテライト滴が生じない。

【0065】

要件（１）に係る限界駆動周波数、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒは、上記式（１）を満たす。要件（２）に係るインク滴９０の体積、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒは、上記式（２）を満たす。要件（３）に係るオーネゾルゲ数Ｏｈ、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及びインクの物性（粘度、密度、表面張力）は、上記式（３）を満たす。この場合、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒが要件（１）、（２）及び（３）を満たすというプリンタ１００の構成を、より確実に実現できる。

【0066】

本実施形態では、インクの粘度が３～１０ｍＰａ・ｓである。当該数値は、水系インク及びＵＶインクの粘度の一般的な数値である。この場合、図８の解析条件に合致し、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒが要件（１）、（２）及び（３）を満たす構成を、より確実に実現できる。

【0067】

本実施形態では、インクの表面張力が２０～５０ｍＮ／ｍである。当該数値は、水系インク及びＵＶインクの表面張力の一般的な数値である。この場合、図８の解析条件に合致し、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒが要件（１）、（２）及び（３）を満たすというプリンタ１００の構成を、より確実に実現できる。

【0068】

本実施形態では、インクの密度が０．８～１．２ｇ／ｃｍ³である。当該数値は、水系インク及びＵＶインクの密度の一般的な数値である。この場合、図８の解析条件に合致し、ノズル１２Ｎの直径Ｄ及び固有周波数Ｆｒが要件（１）、（２）及び（３）を満たすというプリンタ１００の構成を、より確実に実現できる。

【0069】

駆動信号は、図５に示すように、「引き打ち方式」に適したものである。「引き打ち方式」では、圧力室１２Ｐの容積を所定容積から増大させた後、所定容積以下に減少させることで、ノズル１２Ｎからインク滴を吐出させる。駆動信号が「引き打ち方式」に適したものであるの場合、駆動信号が「押し打ち方式」に適したものである場合に比べ、個別流路１２Ｂ内に効率的に圧力波が生成され、小さなエネルギーで所望量のインク滴が吐出される。なお、「押し打ち方式」では、初期状態で平坦なアクチュエータ１３Ｘを、所定のタイミングで圧力室１２Ｐに向かって凸に変形させる。これにより、圧力室１２Ｐの容積を減少させることで、ノズル１２Ｎからインク滴を吐出させる。

【0070】

駆動信号に含まれるパルスの幅は、ＡＬと等しく、固有周波数Ｆｒの逆数の半分である。この場合、インク滴９０の吐出速度が最大であり、ピンチオフタイムが短いため、高周波駆動を実現できる。

【0071】

アクチュエータ１３Ｘは、薄膜圧電素子で構成されている。薄膜圧電素子で構成されたアクチュエータ１３Ｘは、厚みが薄いため変形し易く、圧力室１２Ｐが小さくても十分に変形できる。したがって、この場合、圧力室１２Ｐを小さくすることで固有周波数Ｆｒを高めて要件（１）を実現すると共に、アクチュエータ１３Ｘを十分に変形させることができる。

【0072】

＜変形例＞
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

【0073】

上述の実施形態において、アクチュエータを構成する電極は、個別電極及び共通電極を含む２層構成であるが、３層構成であってもよい。例えば、３層構成とは、高電位及び低電位が選択的に付与される駆動電極と、高電位に保持される高電位電極と、低電位に保持される低電位電極とを含む構成である。

【0074】

ノズルの開口は、上述の実施形態では略円形状であるが、矩形状であってもよい。ノズルの開口が正方形の場合、正方形の一辺を直径とする円をノズルの開口とみなし、当該一辺の長さをノズルの直径Ｄとする。ノズルの開口が長方形の場合、長方形の短辺を直径とする円をノズルの開口とみなし、当該短辺の長さをノズルの直径Ｄとする。

【0075】

ヘッドは、ライン式に限定されず、シリアル式であってもよい。

【0076】

液滴を吐出する対象は、用紙に限定されない。例えば、液滴を吐出する対象は、布、基板又はプラスチックであってもよい。

【0077】

ノズルから吐出される液滴は、インク滴に限定されない。例えば、液滴は、インク中の成分を凝集又は析出させる処理液の液滴であってもよい。

【0078】

本発明は、プリンタに限定されず、ファクシミリ、コピー機及び複合機にも適用可能である。また、本発明は、画像の記録以外の用途で使用される液滴吐出装置にも適用可能である。例えば、本発明は、基板に導電性の液体を吐出して導電パターンを形成する液滴吐出装置に適用可能である。

【符号の説明】

【0079】

１ ヘッド
５ 制御部
１２ 流路部材
１２Ｂ 個別流路（流路）
１２Ｎ ノズル
１２Ｐ 圧力室
１３Ｘ アクチュエータ
９０ インク滴（液滴）
１００ プリンタ（液滴吐出装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】