JP2001026103A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電気力を利用したインクジェットヘッドに
おいて、安定して確実にインクを吐出することができる
構成のインクジェットヘッドを提供する。 【解決手段】 ノズル４と、該ノズル４に連通するイン
ク流路６と、該流路６の一部に設けられた振動板５と、
該振動板５に対向して設けられた電極３１とを有し、前
記振動板５と前記電極３１との間に生じる静電気力を利
用して、前記振動板５を変形させ、前記ノズル４からイ
ンク液滴を吐出する。前記インク液滴が吐出するときの
前記振動板の振動変位量をδ_j、前記インク体積が圧縮
されたときの圧力をＰ_j、前記振動板の面積をＳ、前記
インク体積が圧縮されて該インクが受けた仕事指標値を
Ｗ_pとして、該Ｗ_pを Ｗ_p＝δ_j×Ｐ_j×Ｓ で定義し、該Ｗ_pの値を１×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上、好
ましくは４×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットヘ
ッド、より詳細には、記録を必要とするときにのみイン
ク液滴を形成・吐出し、所望の記録媒体にインク記録を
行うドロップ・オン・デマンド型インクジェット記録装
置の記録ヘッドに関し、特に、静電気力を利用してイン
ク吐出を行うインクジェット記録装置の記録ヘッド（イ
ンクジェットヘッド）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、インクジェット記録装置は、
現像定着などのプロセスを必要とせず、非接触にて直接
記録ができるために、低騒音，高速高画質カラー記録が
可能で、普通紙を使用できることから低ランニングコス
トで、装置的にも安価となる等の特徴を有している。そ
の中でも記録を必要とするときにのみインク液滴を吐出
するドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）方式の記録装
置は、記録に不必要なインクの回収系がないためメンテ
ナンスが簡単で、装置構成が小型で安価となるため、近
年、大変注目されている。そのＤＯＤ記録方式の記録ヘ
ッドには、電気機械変換方式，電気熱変換方式，静電吸
引方式，放電方式等の多種多様な駆動方式が提案され、
実用化されている。中でも圧電素子であるピエゾを利用
した電気機械変換方式の記録ヘッドは古くから現在に至
るまで種々の方式が提案されている。

【０００３】例えば、米国特許第３６８３２１２号明細
書（Ｓ．Ｉ．Ｚｏｌｔａｎ）では、円筒状をしたインク
室及びピエゾ素子により、その円筒を収縮，膨張させ、
インクに生じた圧力波でインクの液滴を形成・吐出する
方式が開示されている。また、米国特許第３７４７１２
０号明細書（Ｎ．Ｇ．Ｅ．Ｓｔｅｍｍｅ）では、インク
室がピエゾ振動子を有する圧力室とインクタンクに連通
するインク供給室に分割されており、その２室と連合通
路とインク吐出口とを一直線上に並べて、ピエゾ素子に
より発生する圧力波で効率よくインク液滴を形成して、
吐出エネルギーに変換する方式が開示されている。ま
た、米国特許第３９４６３９８号明細書（Ｅ．Ｌ．Ｋｙ
ｓｅｒ）では、インク室の一部をバイモルフ型のピエゾ
素子を利用して構成し、そのピエゾ素子を振動させてイ
ンク室が収縮したときにインクに生じた圧力波でオリフ
ィスよりインクを吐出させ、膨張したときにインクをイ
ンクタンクより補給する方式が開示されている。

【０００４】また、最近では、記録ヘッドを小型高密度
にでき、高印字品質、及び長寿命が可能な駆動方式とし
て、インク室の一部を構成する振動可能な振動板を、圧
電素子を利用せず、静電気力を利用して振動させ、イン
ク側に圧力波を生じさせてインク吐出を行う方式が、例
えば、特開平５−５０６０１号公報等に開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平５−５０６
０１号公報記載の静電気力を利用した記録ヘッドでは、
１００Ｖ前後の駆動電圧でインク滴を吐出するために、
インク室の一部を構成する振動板の短辺幅を約１ｍｍ、
その長辺長を５ｍｍ、同じくその板厚を５０〜１００μ
ｍ程度と薄くし、また、その振動板を駆動するために形
成される電極との間の空隙（ギャップ）を１.０μｍ程
度と非常に狭く設計して形成している。

【０００６】ここで、この記録ヘッドの吐出圧力Ｐ_Kは
下式（１）のように表され、振動板自身が持つ復元力の
みで一義的に決定される。従って、より駆動電圧を低下
させるために、板厚ｈを薄くしたり、振動変位量δを小
さくすれば（１）式からも分かるように吐出圧力Ｐ_Kも
低下してしまい、吐出不良の原因となってしまうばかり
でなく、板厚ｈをより薄くしたことにより、振動板の耐
久性，信頼性等にも問題を生じることとなってしまう。 Ｐ_K＝Ｋ・δ・ｈ³／ａ⁴ （１） ただし、Ｋ：振動板の剛性係数、δ：振動変位量、ａ：
振動板の短辺幅、ｈ：振動板の板厚。

【０００７】また、より高画質を目的として９０ｄｐｉ
以上の高密度ノズル配列を実現しようとする場合、振動
板の短辺幅ａをより小さくする必要があるが、短辺幅ａ
を小さくすると、同じ一定の振動変位量δを得るのに駆
動電圧が上がってしまう。そこで、駆動電圧を低下させ
るために振動板の板厚ｈや振動変位量δを小さくすると
上記したような吐出不良等の問題が発生し、低い駆動電
圧で確実に安定してインクを吐出させることが困難とな
ってしまう。

【０００８】また、ヘッドをより小型化しようとして振
動板の長辺長ｂをより短くすると、加圧液室でのインク
の容積変化量が小さくなり、ノズルからインクを吐出す
るのに十分な容積変化量が得られないため、インク吐出
不良の原因となってしまうばかりでなく、振動板の面積
に比例する静電引力が小さくなって振動変位量δが小さ
くなり、（１）式より、十分な吐出圧力Ｐ_Kが得られな
いため、インク吐出が不安定となる問題を生じてしま
う。

【０００９】上述のように、従来の記録ヘッドでは、イ
ンクを安定して確実に吐出するのにヘッド寸法から決定
される最低必要な仕事量の指標値が不明確であったた
め、仕様に合ったヘッド構成を設計する際に寸法値が煩
雑となり、ひいては安定してインク吐出するヘッドを作
製するのに多大な時間を要する原因となってしまう。

【００１０】本発明は、上記問題点を解決するため、静
電気力を利用したインクジェットヘッドにおいて、安定
して確実にインクを吐出することができる構成のインク
ジェットヘッドを提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】本発明の他の目的は、より高画質（９０ｄ
ｐｉ以上の高密度ノズル配列）で、且つ、低い駆動電圧
で安定して確実にインクを吐出することができる構成の
インクジェットヘッドを提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、ヘッドの耐久性，信
頼性を確保し、且つ、低い駆動電圧でもって、より高画
質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）に安定して確
実にインクを吐出することができる構成のインクジェッ
トヘッドを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、イン
クを吐出するためのノズルと、該ノズルに連通するイン
ク流路と、該流路の一部に設けられた振動板と、該振動
板に対向して設けられた電極とを有し、前記振動板と前
記電極との間に生じる静電気力を利用して、前記振動板
を変形させて前記流路内のインクを加圧して、前記ノズ
ルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドにお
いて、前記インク液滴が吐出するときの前記振動板の振
動変位量をδ_j、前記流路内のインクが圧縮されたとき
の圧力をＰ_j、前記振動板の面積をＳ、前記インク体積
が圧縮されて該インクが受けた仕事指標値をＷ_pとし
て、該Ｗ_pを Ｗ_p＝δ_j×Ｐ_j×Ｓ で定義し、該Ｗ_pの値を１×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上、好
ましくは４×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上としたことを特徴と
し、もって、安定して確実にインクを吐出することがで
き、また、ヘッドの設計を容易として作製期間を大幅に
短縮可能としたものである。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板の短辺幅をａ、同じく長辺長をｂ、前記
振動板の吐出時の振動変位量をδ_jとして、ａ×ｂ×δ_j
²の値を８.５×１０^-23［ｍ⁴］以上、好ましくは２.５
×１０^-22［ｍ⁴］以上としたことを特徴とし、もって、
より安定して確実にインクを吐出することができるよう
にしたものである。

【００１５】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記振動板の長辺長をｂ、前記振動板の吐出時の振
動変位量をδ_jとして、ｂ×δ_j ²の値を３.１×１０^-19
［ｍ³］以上、好ましくは９.２×１０^-19［ｍ³］以上と
したことを特徴とし、もって、より高画質（９０ｄｐｉ
以上の高密度ノズル配列）においても安定して確実にイ
ンクを吐出することができるようにしたものである。

【００１６】請求項４の発明は、請求項２の発明におい
て、前記振動板の短辺幅をａ、同じく長辺長をｂとし
て、ａ×ｂの値を８.５×１０^-11［ｍ²］以上、好まし
くは２.５×１０^-10［ｍ²］以上としたことを特徴と
し、もって、より低い駆動電圧で安定して確実にインク
を吐出することができるようにしたものである。

【００１７】請求項５の発明は、請求項３または４の発
明において、前記振動板の長辺長をｂとして、ｂの値を
３.１×１０^-7［ｍ］以上、好ましくは９.２×１０
^-7［ｍ］以上としたことを特徴とし、もって、より高画
質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）となっても、
より低い駆動電圧で安定して確実にインクを吐出するこ
とができるようにしたものである。

【００１８】請求項６の発明は、インクを吐出するため
のノズルと、該ノズルに連通するインク流路と、該流路
の一部に設けられた振動板と、該振動板に対向して設け
られた電極とを有し、前記振動板と前記電極との間に生
じる静電気力を利用して、前記振動板を変形させ、前記
ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッド
において、前記インク液滴が吐出するときの前記振動板
の振動変位量をδ_j、前記振動板の単位面積当たりの剛
性係数をｋ_j、前記振動板の面積をＳ、前記振動板が変
形して該振動板に蓄えられた仕事指標値をＷ_kとして、
該Ｗ_kを Ｗ_k＝δ_j ²×ｋ_j×Ｓ で定義し、該Ｗ_kの値を４×１０^-12［Ｎ・ｍ］以上、好
ましくは１×１０^-10［Ｎ・ｍ］以上としたことを特徴
とし、もって、安定して確実にインクを吐出することが
でき、また、ヘッドの設計を容易として作製期間を大幅
に短縮可能としたものである。

【００１９】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、前記振動板の短辺幅をａ、同じく長辺長をｂ、前記
振動板の吐出時の振動変位量をδ_jとして、δ_j ²×ｂ／
ａ³の値を１.８×１０^-5以下としたことを特徴とし、も
って、ヘッドの耐久性，信頼性を確保しつつ、より低い
駆動電圧で安定して確実にインクを吐出することができ
るようにしたものである。

【００２０】請求項８の発明は、請求項６の発明におい
て、前記振動板の板厚をｈ、同じく長辺長をｂ、前記振
動板の吐出時の振動変位量をδ_jとして、ｂ×ｈ³×δ_j ²
の値を３.６×１０^-34［ｍ⁶］以下としたことを特徴と
し、もって、より高画質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズ
ル配列）となっても、より低い駆動電圧で安定して確実
にインクを吐出することができるようにしたものであ
る。

【００２１】請求項９の発明は、請求項７または８の発
明において、前記振動板の長辺長をｂ、前記振動板の吐
出時の振動変位量をδ_jとして、ｂ×δ_j ²の値を３.６×
１０ ^-16［ｍ³］以下としたことを特徴とし、もって、ヘ
ッドの耐久性，信頼性を確保しつつ、且つ、より低い駆
動電圧でもって、より高画質（９０ｄｐｉ以上の高密度
ノズル配列）に安定して確実にインクを吐出することが
できるようにしたものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】＜発明１＞ （構成）図１は、本発明を説明するための、インクジェ
ットヘッドの全体構成を示す分解斜視図であり、一部断
面図で示している。なお、図１には、インク液滴を基板
の端部に設けたノズル孔から吐出させるエッジシュータ
ータイプのインクジェットヘッドの例を示すが、本発明
は、このエッジシュータータイプのインクジェットヘッ
ドに限られるものではなく、サイドシュータータイプや
その他のタイプのインクジェットヘッドにも適用可能で
ある。図２は、図１に示したインクジェットヘッドの各
基板を組み立てた際の装置全体の側断面図であり、本発
明の動作を説明するための図である。図３は、図２のII
I−III線から見たヘッドの上面図である。

【００２３】本発明が適用されるインクジェットヘッド
の例として、以下に詳述する構造をもつ３枚の基板１，
２，３を重ねて接合した積層構造のものについて説明す
る。先ず、中間の第１の基板１はシリコンの単結晶基板
を使用したものである。シリコンの単結晶基板の使用
は、インクを吐出させるための薄い振動板（数μｍ〜数
十μｍ程度の厚さ）をエッチングで作製する際に、加工
上好適であり、また、数μｍ程度の微少ギャップを高精
度に後述する陽極接合で形成する際にも好都合な材料で
ある。更にまた、静電気力を働かせて振動板を振動させ
る際には、電極に電圧を印加して静電気力を発生させる
必要性があるが、シリコンは半導体であるため電気抵抗
を低くすることができ、振動板側の電極の代用をするこ
とができるので振動板側に個別に電極を設ける必要性が
ない等の利点を有する。この中間の第１の基板１は、複
数のノズル孔４を構成するように基板１の表面に一端よ
り平行に等間隔で形成された複数のノズル溝２１と、各
々のノズル溝２１に連通し底壁を振動板５とするインク
吐出室６を構成する凹部２２と、該凹部２２の後部に設
けられたオリフィス７を構成するインク流入口のための
細溝２３と、各々のインク吐出室６にインクを供給する
ための共通のインクキャビティ８を構成する凹部２４を
有する。また、前記振動板５の下部には後述する電極を
装着するための振動室９を構成する凹部２５が設けられ
ている。

【００２４】前記第１の基板１の下面に接合される下側
の第２の基板２はパイレックスガラス（硼珪酸系ガラ
ス）基板を使用したものである。パイレックスガラス
（硼珪酸系ガラス）基板の使用は、上記のように数μｍ
程度の微少ギャップを高精度に後述する陽極接合で形成
する際、シリコン基板に対し好都合な材料である。この
第１の基板１の下側の第２の基板2では、その表面に、
前記第１の基板１に形成された各々の振動板５に対応し
て微少なギャップを形成するための凹部２５に対向し
て、振動板５とほぼ同じ形状の電極３１が各々の位置で
形成されている。電極３１には電極リード（引き出し）
部３２と端子部３３が設けられており、例えば、金等の
金属をスパッタして形成される。更に、端子部３３を除
き電極３１及びリード部３２は、その全体を絶縁性の保
護膜３４で被覆される。また、各端子部３３にはリード
線３５がボンディングされている。

【００２５】前記第１の基板１の上面に接合される上側
の第３の基板３は、例えば、ガラス，プラスチック，ス
テンレス，コバール等の基板からなり、ステンレス基板
を使用した場合、接着剤にて第１の基板１と接合され
る。この第３の基板３の接合によって、前記ノズル孔
４，インク吐出室６，オリフィス７及びインクキャビテ
ィ８が構成される。そして、基板３ではインクキャビテ
ィ８に連通するインク供給口１４を穿設する。インク供
給口１４は接続パイプ１６及びチューブ１７を介して図
示しないインクタンクに接続される。

【００２６】次に、第１の基板１と第２の基板２との接
合方法について述べる。本発明のような静電気力を利用
したインクジェットヘッドで数μｍ程度の微少なギャッ
プを高精度に形成し、組み立てる（接合する）方法とし
ては、陽極接合法を利用するのが好適である。陽極接合
法は他の接合法（ろう接，融接）と比較して、ギャップ
の寸法精度の確保が期待でき、基板間に電圧印加（−３
００〜−５００Ｖ程度）を行うことにより比較的低温
（３００〜４００℃）で精密な接合ができる。このよう
な陽極接合を確実に行うには、基板の接合界面で基板同
士の共有結合が生じるように第１の基板１、あるいは、
第２の基板２のどちらかがアルカリイオンを多く含む基
板である必要があり、また、接合する際、熱応力による
基板同士の歪みが少なくなるように基板同士の熱膨張係
数が比較的一致している材料を選択することが好まし
い。

【００２７】本発明では、上述のように第１の基板１に
単結晶のシリコン基板を使用し、第２の基板２にＮａ等
のアルカリイオンを多く含み、シリコン基板と比較的熱
膨張係数が一致するパイレックスガラス（硼珪酸系ガラ
ス）基板を使用するため、基板同士の熱歪みの少ない確
実な接合が得られる。

【００２８】上述のようにしてインクジェットヘッドを
組み立てた後、中間の基板１と電極３１の端子部３３と
の間を配線３５により駆動電圧回路２６で接続し、イン
クジェット記録装置を構成する。インク１１は図示しな
いインクタンクよりインク供給口１４を経て中間基板１
の内部に供給され、インクキャビティ８，吐出室６がイ
ンク１１で満たされる。図２において、１３はノズル孔
４より吐出されたインク液滴、１５は記録紙である。な
お、Ｃは振動板５と電極３１との間で形成された微少な
空隙ギャップ幅を表すものである。

【００２９】図４は、本発明を説明するための振動板５
の構成を示す図であり、該振動板５は、図４（Ａ）に示
すように、短辺幅をａ、長辺長をｂとした長方形で、４
辺の周囲は壁で固定（支持）されている。図４（Ｂ）
は、図４（Ａ）に示した薄い振動板５が静電気力により
変形し、その振動板５の変位量をδ_jとして振動してい
る様子を表すものである。

【００３０】図５は、本発明を説明するための振動板５
と電極３１、及び、インク吐出室６の構成を示す図であ
り、振動板５の板厚をｈ、インク吐出室６の壁の高さを
Ｈとして、振動板５と電極３１が平行な微少空隙ギャッ
プＣで配置されている様子を表すものである。

【００３１】図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、本発明の請求
項１に対応する概念を説明するためのインク吐出と仕事
指標値Ｗ_pとの関係を表す測定値の散布図である。図６
（Ａ）は振動板５の面積Ｓに対する測定した仕事指標値
Ｗ_pとの関係を示し、図６（Ｂ）はインク体積が圧縮さ
れたときの圧力Ｐ_jに対する測定した仕事指標値Ｗ_pとの
関係を示し、図６（Ｃ）はインク吐出時の振動板５の振
動変位量δ_jに対する測定した仕事指標値Ｗ_pとの関係を
示すものである。

【００３２】図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の各関係図におい
て、図６（Ａ）の面積Ｓ、図６（Ｂ）の圧力Ｐ_j、図６
（Ｃ）の振動変位量δ_jの各値の変化に応じて、各々の
仕事指標値Ｗ_pの値も変化し、その仕事指標値Ｗ_pの値に
応じて、インク吐出しない領域Ｉ、インク吐出が不安定
であるが吐出する領域II、安定してインク吐出する領域
IIIの３領域に分けることができる。その各領域を分け
る仕事指標値Ｗ_pのしきい値は、領域Ｉと領域IIとの間
で約１×１０^-8［Ｎ・ｍ］、領域IIと領域IIIとの間で
約４×１０^-8［Ｎ・ｍ］という値で分割することができ
る。

【００３３】図７は、本発明の請求項２に対応する概念
を説明するための図で、図５で示した吐出室６の壁の高
さＨと短辺幅（ａ）×長辺長（ｂ）×振動変位量
（δ_j）²の値との関係を示す図であり、吐出室６の壁の
高さＨの増加に伴い、インク吐出可能な短辺幅（ａ）×
長辺長（ｂ）×振動変位量（δ_j）²の値も比例して増加
することを示している。その短辺幅（ａ）×長辺長
（ｂ）×振動変位量（δ_j）²の値は、より確実に安定し
てインク吐出を行うことができるように吐出室６の壁の
高さＨの値によって、前記したようなインク吐出しない
領域Ｉ、インク吐出が不安定であるが吐出する領域II、
安定してインク吐出する領域IIIの３領域に分けること
ができる。その各領域を分ける短辺幅（ａ）×長辺長
（ｂ）×振動変位量（δ_j）²のしきい値は、領域Iと領
域IIとの間で約８.５×１０^-23［ｍ⁴］、領域IIと領域I
IIとの間で約２.５×１０^-22［ｍ⁴］という値で分割す
ることができる。

【００３４】図８は、本発明の請求項３に対応する概念
を説明するための図で、振動板５の短辺幅（ａ）と長辺
長（ｂ）×振動変位量（δ_j）²の値との関係を示す図で
あり、短辺幅ａの増加に伴い、インク吐出可能な長辺長
（ｂ）×振動変位量（δ_j）²の値が反比例で減少するこ
とを示している。その長辺長（ｂ）×振動変位量
（δ _j）²の値は前記壁の高さＨの値（Ｈ１０線とＨ３０
線）によって、前記同様にインク吐出しない領域Ｉ、イ
ンク吐出が不安定であるが吐出する領域II、安定してイ
ンク吐出する領域IIIの３領域に分けることができる。
更に、また、領域IIIは、より高画質（９０ｄｐｉ以上
の高密度ノズル配列）とすることができる領域IVに分け
ることができる。その、より高画質（９０ｄｐｉ以上の
高密度ノズル配列）とすることができる長辺長（ｂ）×
振動変位量（δ_j）²のしきい値は、Ｈ１０線上で約３.
１×１０^-19［ｍ³］、Ｈ３０線上で約９.２×１０
^-19［ｍ³］という値で分割することができる。

【００３５】図９は、本発明の請求項４に対応する概念
を説明するための振動変位量（δ_j）²と短辺幅（ａ）×
長辺長（ｂ）の値との関係を示す図であり、振動変位量
（δ_j）²の増加に伴い、インク吐出可能な短辺幅（ａ）
×長辺長（ｂ）の値が反比例で減少することを示してい
る。その短辺幅（ａ）×長辺長（ｂ）の値は前記壁の高
さＨの値（Ｈ１０線とＨ３０線）によって、前記同様に
インク吐出しない領域Ｉ、インク吐出が不安定であるが
吐出する領域II、安定してインク吐出する領域IIIの３
領域に分けることができる。更に、また、領域IIIは、
より低い駆動電圧でインク吐出することができる領域Ｖ
に分けることができる。その、より低い駆動電圧でイン
ク吐出することができる短辺幅（ａ）×長辺長（ｂ）の
しきい値は、Ｈ１０線上で約８.５×１０^-11［ｍ²］、
Ｈ３０線上で約２.５×１０^-10［ｍ²］という値で分割
することができる。

【００３６】図１０は、本発明の請求項５に対応する概
念を説明するための短辺幅（ａ）×振動変位量（δ_j）²
の値と長辺長ｂとの関係を示す図であり、短辺幅（ａ）
×振動変位量（δ_j）²の値の増加に伴い、インク吐出可
能な長辺長ｂの値が反比例で減少することを示してい
る。その長辺長ｂの値は前記壁の高さＨの値（Ｈ１０線
とＨ３０線）によって、前記同様にインク吐出しない領
域Ｉ、インク吐出が不安定であるが吐出する領域II、安
定してインク吐出する領域IIIの３領域に分けることが
できる。更に、また、領域IIIは、より高画質（９０ｄ
ｐｉ以上の高密度ノズル配列）とすることができ、且
つ、より低い駆動電圧でインク吐出することができる領
域VIに分けることができる。その、より高画質（９０ｄ
ｐｉ以上の高密度ノズル配列）とすることができ、且
つ、より低い駆動電圧でインク吐出することができる長
辺長ｂのしきい値は、Ｈ１０線上で約３.１×１０
^-7［ｍ］、Ｈ３０線上で約９.２×１０^-7［ｍ］という
値で分割することができる。

【００３７】（動作）次に、上述のようにして構成した
本発明（発明１）のヘッドの動作について説明する。先
ず、静電気力を利用した本インクジェットヘッドでは、
図１に示した端子部３３とリード部３２を通して電極３
１に駆動電圧回路２６より正のパルス電圧を印加する
と、電極３１の表面がプラス電位に帯電し、対向する振
動板５の下面がマイナス電位に帯電して、振動板５が静
電気の吸引作用により下方へ撓む。ここで、振動板５に
発生する静電吸引力の大きさＦ_sは、次の（２）式のよ
うに表される。 Ｆ_s＝１／２・ε₀・Ｓ₀（Ｖ／ｄ₀）² ＝１／２・Ｃ₀・Ｖ²／ｄ₀（∴Ｃ₀＝ε₀・Ｓ₀／ｄ₀） （２） 但し、（２）式において、ε₀は振動板５と電極３１と
の間の誘電率、Ｓ₀は振動板５と電極３１との間に働く
静電気力の有効面積、Ｖは電極３１に印加する駆動電
圧、ｄ₀は振動板５と電極３１との間のギャップ距離、
Ｃ₀は振動板５と電極３１との間の静電容量を示す。従
って、（２）式に示されるように、静電吸引力Ｆ_sは、
振動板５と電極３１との間のギャップ距離ｄ₀が狭いほ
ど振動板５に大きな静電引力が働くことが分かる。

【００３８】次に、電極３１へのパルス電圧の印加をＯ
ＦＦすると、撓んだ振動板５は（１）式で示されるよう
に、撓み量（変位量）に応じて振動板自身に蓄えられた
復元力により自然に復元し、その結果、吐出室６内の圧
力が急激に上昇し、ノズル孔４よりインク液滴１３が形
成され、記録紙１５に向けてインク吐出が行われる。

【００３９】しかしながら、より駆動電圧を低下させよ
うとして、振動板５の板厚ｈを薄くしたり、振動変位量
δ_jを小さくすれば、前述のように、（１）式によりイ
ンク吐出圧力が低下して吐出不良となってしまったり、
振動板５の板厚ｈをより薄くしたことにより、振動板５
の耐久性や信頼性に問題が発生するために、安定して確
実にインクを吐出させることが困難となる。このように
振動板５の復元力のみを利用してインクを吐出する場合
には、インクを安定して確実に吐出するのにヘッド寸法
から決定される最低必要なヘッドの仕事量を明確にして
おく必要があり、そうすれば仕様に合ったヘッド構成を
設計する際に寸法値が煩雑とならないため、ひいてはイ
ンクジェットヘッドを短時間で設計・作製することが可
能となる。

【００４０】そこで、本発明（発明１）では、インクジ
ェットヘッドの振動板５を変形させ、ヘッド内のインク
体積が圧縮されてインクが圧力を受けたときの仕事量の
指標値Ｗ_pを以下のように定義し、その指標値Ｗ_pでもっ
てインクを確実に吐出するのに最低必要なしきい値を実
験的に求めることにより、インクを安定して確実に吐出
することができ、仕様に合ったヘッドを容易に設計でき
るようにしたものである。即ち、本発明での仕事量の指
標値Ｗ_pは、（３）式のように定義される。 Ｗ_p＝δ_j×Ｐ_j×Ｓ （３） 但し、δ_jはインク吐出時の振動板５の振動変位量、Ｐ_j
はインク体積が圧縮されたときの圧力、Ｓは振動板５の
面積（＝短辺幅（ａ）×長辺長（ｂ））を意味する。

【００４１】図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の結果に示される
ように、何れの関係図でも各々の仕事指標値Ｗ_pの値に
インクが吐出できるしきい値が存在しており、約１×１
０^-8［Ｎ・ｍ］以上でインク吐出が不安定ではあるが吐
出する状態（領域II）となり、その値未満ではインクは
吐出しない状態（領域Ｉ）である。また、約４×１０ ^-8
［Ｎ・ｍ］以上で安定してインクが吐出する状態（領域
III）となり得る。ここで、Ｐ_jはインクの容積変化が小
さい場合には、（４）式のように表される。 Ｐ_j＝Ｂ×ΔＷ／Ｗ （４） 但し、Ｂはインクの体積弾性率を表すものであり、通
常、２.２×１０⁹［Ｐａ］程度の値である。

【００４２】また、（４）式におけるＷは図５で示され
る吐出室の体積を意味するものであり、振動板５の短辺
幅をａ、同じく長辺長をｂ、吐出室６の壁の高さをＨと
して、（５）式で表される。 Ｗ＝ａ×ｂ×Ｈ （５）

【００４３】また、ΔＷは振動板５が図４（Ｂ）で示さ
れるように変形した場合の吐出室６での体積変化量を意
味するものであり、インク吐出時の振動板５の振動変位
量をδ_jとすれば、近似的な解析解として（６）式のよ
うに表すことができる。 ΔＷ＝８／１５×ａ×ｂ×δ_j （６）

【００４４】従って、圧力Ｐ_jは（５），（６）式より
（７）式のように表せられ、また、本発明での仕事量の
指標値Ｗ_pは、（３），（７）式より（８）式のように
表すことができる。 Ｐ_j＝８／１５×Ｂ×δ_j／Ｈ （７） Ｗ_p＝８／１５×Ｂ×ａ×ｂ／Ｈ×δ_j ² （８）

【００４５】図７は（８）式におけるＨとａ×ｂ×δ_j ²
の値との関係を示す図である。図７に見られるように、
吐出室の壁の高さＨの値を小さくすればするほど、振動
板のａ×ｂ×δ_j ²の値を小さくすることは可能である
が、Ｈを小さくしすぎると、吐出室６での流体（イン
ク）の抵抗成分（Ｒ）とイナータンス成分（Ｍ）がオリ
フィス７部やノズル孔４部でのそれらよりも大きくなる
ために、インクが吐出しない問題が発生する。通常、オ
リフィス７部やノズル孔４部での溝高さ（フェイスイン
クジェットタイプの場合は、孔の直径の大きさ）は、１
０〜１００μｍ程度で形成されるので、吐出室６での流
体（インク）のＲ成分やＭ成分がオリフィス７部やノズ
ル孔４部でのそれらよりも大きくならないようにして、
確実にインクが吐出するようにするためには、吐出室６
の壁の高さＨを少なくとも１０μｍ以上としておく必要
がある。また、より確実にインクを吐出することができ
るように、Ｈの値を３０μｍ以上としておく方が好まし
い。

【００４６】従って、インクを吐出できる仕事指標値Ｗ
_pの値を考慮すると、ａ×ｂ×δ_j ²の値は、図７に示さ
れるように、約８.５×１０^-23［ｍ⁴］未満の値ではイ
ンクは吐出しない状態（領域Ｉ）であり、その値以上で
インク吐出が不安定ではあるが確実に吐出する状態（領
域II）となる。更に、また、約２.５×１０^-22［ｍ⁴］
以上の値で、より確実に安定してインクが吐出する状態
（領域III）となる。

【００４７】図８は、前記ａ×ｂ×δ_j ²の値において、
ａ×ｂ×δ_j ²の値との関係を示す図である。図８におい
て、Ｈ１０の線は前記Ｈの値をＨ＝１０μｍとしたとき
の関係線であり、また、Ｈ３０の線は前記Ｈの値をＨ＝
３０μｍとしたときの関係線を表すものである。図８に
見られるように、どちらのＨの値の場合でもａの値を大
きくすればするほど、ｂ×δ_j ²の値を小さくすることは
可能であるが、より高画質な印字（例えば、９０ｄｐｉ
以上の高密度ノズル配列）をしようとした場合、隣接す
る吐出室６との間の隔壁の厚さを１０μｍ程度として
も、ａの値は２７０μｍ以下である必要がある。

【００４８】従って、ｂ×δ_j ²の値は、図８に示される
ように、Ｈ１０の線上未満の値ではインクは吐出しない
状態（領域Ｉ）であり、その値以上でインク吐出が不安
定ではあるが確実に吐出する状態（領域II）となる。ま
た、Ｈ３０線上以上の値で、より確実に安定してインク
が吐出する状態（領域III）となる。更に、また、９０
ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列での高画質印字にて確実
にインクを吐出しようとする場合には、インクが吐出で
きる前記ａ×ｂ×δ_j ²のしきい値の値を考慮すると、ｂ
×δ_j ²の値はＨ１０線上で約３.１×１０^-19［ｍ³］以
上、Ｈ３０線上で約９.２×１０^-19［ｍ³］以上の値
（領域IV）とすることが望ましい。

【００４９】図９は、前記ａ×ｂ×δ_j ²の値において、
δ_j ²とａ×ｂの値との関係を示す図である。図９におい
て、Ｈ１０の線は前記Ｈの値をＨ＝１０μｍとしたとき
の関係線であり、また、Ｈ３０の線は前記Ｈの値をＨ＝
３０μｍとしたときの関係線を表すものである。図９に
見られるように、どちらのＨの値の場合でもδ_j ²の値を
大きくすればするほど、ａ×ｂの値を小さくすることが
可能であるが、δ_j ²の値を大きくするには駆動電圧Ｖ_a
を大きくする必要がある。１００Ｖ以下の駆動電圧Ｖ_a
で得られる振動変位量δ_jは、振動板５と電極３１とを
接触させて駆動する方法（当接駆動方法）を考慮して
も、高々１μｍ程度の変位量δ_jであるため、より駆動
電圧を低下させてインクを確実に吐出しようとする場合
では、δ_j ²の値は１.０μｍ²以下の値で十分である。

【００５０】従って、ａ×ｂの値は、図９に示されるよ
うに、Ｈ１０の線上未満の値ではインクは吐出しない状
態（領域Ｉ）であり、その値以上でインク吐出が不安定
ではあるが確実に吐出する状態（領域II）となる。ま
た、Ｈ３０線以上の値で、より確実に安定してインクが
吐出する状態（領域III）となる。更に、また、より駆
動電圧Ｖ_aを低下させて確実にインクを吐出しようとす
る場合には、インクが吐出できる前記ａ×ｂ×δ_j ²のし
きい値の値を考慮すると、ａ×ｂの値はＨ１０線上で約
８.５×１０^-11［ｍ²］以上、Ｈ３０線上で約２.５×１
０^-10［ｍ²］以上の値（領域Ｖ）とすることが望まし
い。

【００５１】図１０は、前記ａ×ｂ×δ_j ²の値におい
て、ａ×δ_j ²の値とｂの値との関係を示す図である。図
１０において、Ｈ１０の線は前記Ｈの値をＨ＝１０μｍ
としたときの関係線であり、また、Ｈ３０の線は前記Ｈ
の値をＨ＝３０μｍとしたときの関係線を表すものであ
る。図１０に見られるように、どちらのＨの値の場合で
もａ×δ_j ²の値を大きくすればするほど、ｂの値を小さ
くすることが可能である。ａ×δ_j ²の値を大きくするに
は、ａの値かδ_j ²の値を大きくする必要があるが、前記
したように、δ_j ²の値を大きくするには駆動電圧Ｖ_aを
大きくする必要があるが、より低い駆動電圧（１００Ｖ
以下）で得られる駆動変位量δ_jの値は、高々１μｍ程
度である。また、９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列
で、より高画質な印字をしようとする場合には、ａの値
は２７０μｍ以下である必要がある。故に、より高画質
（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）で、且つ、より
低い駆動電圧で確実にインクを吐出しようとする場合に
は、ａ×δ_j ²の値は２７０μｍ ³以下である必要があ
る。

【００５２】従って、ｂの値は、図１０に示されるよう
に、Ｈ１０の線上未満の値ではインクは吐出しない状態
（領域Ｉ）であり、その値以上でインク吐出が不安定で
はあるが確実に吐出する状態（領域II）となる。また、
Ｈ３０線上以上の値で、より確実に安定してインクが吐
出する状態（領域III）となる。更に、また、より高画
質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）で、且つ、よ
り低い駆動電圧で確実にインクを吐出しようとする場合
には、インクが吐出できる前記ａ×ｂ×δ_j ²のしきい値
の値を考慮すると、ｂの値はＨ１０線上で約約３.１×
１０^-7［ｍ］以上、Ｈ３０線上で約９.２×１０
^-7［ｍ］以上の値（領域VI）とすることが望ましいとい
うことになる。実際には、長辺長ｂは短辺幅ａよりも短
くなることはあり得ないので、言い換えれば短辺幅ａ以
上の長さとすることが望ましいということになる。

【００５３】上述のように、本発明（発明１）のインク
ジェットヘッドでは、インクを安定して確実に吐出させ
るために最低必要なヘッドの仕事指標値や寸法値が明確
となるため、仕様に合ったヘッドを容易に設計できるよ
うになり、ひいては、インクジェットヘッドを短期間で
設計・作製することが可能となる。

【００５４】（実施例）先ず、第１の基板１として、厚
さ２００μｍの両面研磨された（１００）面方位のｎ型
単結晶シリコンウェハを使用し、そのウェハの両面に厚
さ１μｍのＳｉＯ₂膜を形成した。そのＳｉＯ₂膜を耐エ
ッチング用のマスク材として、先ず、表面側よりそのマ
スクに振動室９の形状に相当するパターンをフォトリソ
により形成し、次いで、アルカリ液によりシリコンウェ
ハの異方性エッチングを施し、振動室９に相当する凹部
２５を形成した。次に、前記同様に形成したＳｉＯ₂膜
を耐エッチング用のマスク材として、裏面側よりそのマ
スクにノズル孔４，吐出室６，オリフィス７、及びイン
クキャビティ８の形状に相当するパターンをフォトリソ
により形成し、次いで、アルカリ液により、再度、シリ
コンウェハの異方性エッチングを施し、各パターンに相
当する凹部２１〜２４を形成した。最後に、シリコンウ
ェハの両面に残留しているＳｉＯ₂膜を全面除去するこ
とにより、図１に示したような第１の基板１を作製し
た。

【００５５】次に、第２の基板２として、厚さ１ｍｍの
両面研磨されたパイレックスガラス基板（コーニング社
製＃７７４０）を使用した。その上面に電極３１，電極
リード３２，電極の端子部３３を形成するために、Ａｕ
電極をスパッタリング成膜法により製膜、パターニング
を行い、次に、電極部３１，電極リード部３２の絶縁保
護膜３４としてＳｉＯ₂膜を同様にスパッタリング成膜
法により製膜、パターニングを行い、端子部３３を除い
た電極部３１，３２全体に被覆を施し、図１に示したよ
うな第２の基板２を作製した。

【００５６】上記のようにして第１の基板１，第２の基
板２を作製した後、アライメントを行い、前記陽極接合
法により、基板接合を行った。その際の接合条件は、空
気中大気圧において、接合電圧−５００Ｖ、接合温度４
００℃、接合時間１０分間にて行い、接合電極としてＰ
ｔを利用し、接合を行った。更に、図１に示すように、
第１の基板１の上側にインク供給口１４が形成されたス
テンレス製の第３の基板３をエポキシ系接着剤にて接合
し、駆動電圧回路２６を基板１と端子部３３との間に接
続し、端子部３３のに正のパルス電圧を印加した。そし
て、図２に示すように、作製したインクジェットヘッド
のインク吐出試験を行った。

【００５７】表１及び表２は、上記のインク吐出試験の
結果を示すものである。インクジェットヘッドの振動板
５の短辺幅ａ、同じく長辺長ｂ、吐出室６の壁の高さ
Ｈ、振動板５の振動変位量δ_jを種々変化させ、上記の
ようにして作製した各インクジェットヘッド（ヘッドＡ
〜Ｍ）のインクの吐出可否と吐出安定性、及びインクが
吐出し始めたときの駆動電圧値Ｖ_aと本発明で定義した
ヘッドの仕事指標値Ｗ_pとを測定評価し、ヘッド寸法値
との関係を調べた結果である。なお、各ヘッドによって
振動板５の板厚ｈや振動板５と電極３１との間のギャッ
プ距離ｄ₀は異なっている。また、表１，表２におい
て、○は吐出可、×は吐出不可を示す。

【００５８】

【表１】

【００５９】

【表２】

【００６０】表１の結果から分かるように、ヘッドＡで
は前記仕事指標値Ｗ_pの値が４×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上
であるので安定してインクを吐出することが可能であっ
たが、ヘッドＣでは前記仕事指標値Ｗ_pの値が１×１０
^-8［Ｎ・ｍ］未満であるためにインクを吐出することが
不可能であった。また、ヘッドＢではインクを吐出する
ことは可能であったが、前記仕事指標値Ｗ_pの値が４×
１０^-8［Ｎ・ｍ］未満であるためにインクの吐出が不安
定であった。また、ヘッドＤ〜Ｆでは、振動板５を電極
３１へ接触させる当接駆動とすることにより、振動板５
の振動変位量δ _jを１.０μｍ程度と大きくすることがで
きるため、ヘッドＥやヘッドＦではヘッドＢやヘッドＣ
と同じ短辺幅ａとなっても前記仕事指標値Ｗ_pが４×１
０^-8［Ｎ・ｍ］の値を越えているので安定してインクを
吐出することが可能となっている。

【００６１】また、表２のヘッドＧ〜Ｉでは、吐出室６
の壁の高さＨを２００μｍ程度とし、振動板５の振動変
位量δ_jを非当接駆動で０.２〜０.２７μｍ程度とする
ことにより、同じ短辺幅ａであるヘッドＢやヘッドＣに
おいてインクが不安定な吐出をしていたり、吐出してい
なかったりしていたものが、安定な吐出をしだしたり、
インクが吐出するようになったりすることを確認でき
た。また、ヘッドＫで、壁の高さＨを５μｍとした場合
では、仕事指標値Ｗ_pは４×１０^-8［Ｎ・ｍ］の値を越
えているので安定したインク吐出が期待できるはずであ
るが、吐出室６でのインクの流体抵抗成分が大きいため
に、インクを吐出することは不可能であった。また、ヘ
ッドＬ，ヘッドＭでは、壁の高さＨを各々１０μｍ，３
０μｍとした場合であり、ヘッドＬでは仕事指標値Ｗ_p
の値が４×１０^-8［Ｎ・ｍ］の値を越えているので安定
したインク吐出が期待できるはずであるが、結果は不安
定なインク吐出しか得られなかった。また、ヘッドＭで
は仕事指標値Ｗ_pの値が４×１０^-8［Ｎ・ｍ］未満であ
ったために、壁の高さＨが３０μｍであってもインク吐
出は不安定であった。また、ヘッドＨ，Ｉ，Ｊ，Ｌ，Ｍ
においては、全て９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列が
可能な振動板５の短辺幅ａ（２７０μｍ以下の幅）であ
り、ｂ×δ_j ²の値，ａ×ｂの値ともにインクが吐出する
しきい値以上の値となっているので、全て駆動電圧１０
０Ｖ以下の電圧でインク吐出が確認されている。特に、
ヘッドＨでは、１００ｄｐｉ相当のノズル密度におい
て、４５Ｖ程度の低い駆動電圧で、安定したインク吐出
が確認された。

【００６２】＜発明２＞ （構成）図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、本発明の請求
項６に対応する概念（発明２）を説明するためのインク
吐出と仕事指標値Ｗ_kとの関係を表す測定値の散布図で
ある。図１１（Ａ）は振動板５の面積Ｓに対する測定し
た仕事指標値Ｗ_kとの関係を示し、図１１（Ｂ）は振動
板５の単位面積当たりの剛性係数ｋ_jに対する測定した
仕事指標値Ｗ_kとの関係を示し、図１１（Ｃ）はインク
吐出時の振動板５の振動変位量δ_jに対する測定した仕
事指標値Ｗ_kとの関係を示すものである。

【００６３】図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）の各関係図に
おいて、図１１（Ａ）の面積Ｓ、図１１（Ｂ）の剛性係
数ｋ_j、図１１（Ｃ）の振動変位量δ_jの各値の変化に応
じて、各々の仕事指標値Ｗ_kの値も変化し、その仕事指
標値Ｗ_kの値に応じて、インク吐出しない領域Ｉ、イン
ク吐出が不安定であるが吐出する領域II、安定してイン
ク吐出する領域IIIの３領域に分けることができる。そ
の各領域を分ける仕事指標値Ｗ_kのしきい値は、領域Ｉ
と領域IIとの間で約４×１０^-12［Ｎ・ｍ］、領域IIと
領域IIIとの間で約１×１０^-10［Ｎ・ｍ］という値で分
割することができる。

【００６４】図１２は、本発明の請求項７に対応する概
念を説明するための図で、図５で示した振動板５の板厚
ｈの３乗（ｈ³）の値と長辺長（ｂ）×振動変位量
（δ_j）²／短辺幅（ａ）³の値との関係を示す図であ
り、板厚ｈ³の増加に伴い、インク吐出可能な長辺長
（ｂ）×振動変位量（δ_j）²／短辺幅（ａ）³の値が反
比例で減少することを示している。その長辺長（ｂ）×
振動変位量（δ_j）²／短辺幅（ａ）³の値は、ヘッドの
耐久性・信頼性を確保でき、より確実に安定してインク
吐出を行うことができるように振動板５の板厚ｈの値に
よって、前記したようなインク吐出しない領域Ｉ、イン
ク吐出が不安定であるが吐出する領域II、安定してイン
ク吐出する領域IIIに分けることができる。更に、ま
た、領域IIIは、より低い駆動電圧で確実に安定してイ
ンク吐出することができる領域VIIに分けることができ
る。その、より低い駆動電圧で確実にインクを吐出する
ことができる長辺長（ｂ）×振動変位量（δ_j）²／短辺
幅（ａ）³のしきい値は、領域IIIと領域VIIとの間で約
１.８×１０^-5という値で分割することができる。

【００６５】図１３は、本発明の請求項８に対応する概
念を説明するための図で、短辺幅ａと長辺長（ｂ）×板
厚（ｈ）³×振動変位量（δ_j）²の値との関係を示す図
であり、短辺幅ａの増加に伴い、インク吐出可能な長辺
長（ｂ）×板厚（ｈ）³×振動変位量（δ_j）²の値も短
辺幅ａの３乗に比例して増加することを示している。そ
の長辺長（ｂ）×板厚（ｈ）³×振動変位量（δ_j）²の
値は振動板５の短辺幅ａの値によって、前記同様にイン
ク吐出しない領域Ｉ、安定してインク吐出する領域II
I、及び、より低い駆動電圧で、より高画質（９０ｄｐ
ｉ以上の高密度ノズル配列）とすることができる領域VI
に分けることができる。その、より低い駆動電圧で、よ
り高画質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）とする
ことができる長辺長（ｂ）×板厚（ｈ）³×振動変位量
（δ_j）²のしきい値は、領域IIIと領域VIとの間で約３.
６×１０^-34［ｍ⁶］という値で分割することができる。

【００６６】図１４は、本発明の請求項９に対応する概
念を説明するための図で、板厚（ｈ）³／短辺幅（ａ）³
の値と長辺長（ｂ）×振動変位量（δ_j）²の値との関係
を示す図であり、板厚（ｈ）³／短辺幅（ａ）³の値の増
加に伴い、インク吐出可能な長辺長（ｂ）×振動変位量
（δ_j）²の値が反比例で減少することを示している。そ
の長辺長（ｂ）×振動変位量（δ_j）²の値は板厚（ｈ）
³／短辺幅（ａ）³の値によって、前記同様にインク吐出
しない領域Ｉ、安定してインク吐出する領域III、及
び、ヘッドの耐久性・信頼性を確保でき、且つ、より高
画質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）とすること
ができ、且つ、より低い駆動電圧でインク吐出すること
ができる領域VIIIに分けることができる。そのヘッドの
耐久性・信頼性を確保でき、且つ、より高画質（９０ｄ
ｐｉ以上の高密度ノズル配列）とすることができ、且
つ、より低い駆動電圧でインク吐出することができる長
辺長（ｂ）×振動変位量（δ_j）²のしきい値は、領域II
Iと領域VIIIとの間で約３.６×１０^-16［ｍ³］という値
で分割することができる。

【００６７】（動作）次に、上述のようにして構成した
本発明（発明２）のヘッドの動作について説明する。静
電気力を利用した本インクジェットヘッドのインク吐出
動作については、前記＜発明１＞で記述した内容と同様
であるので、ここではその詳細は省略する。本発明（発
明２）ではインクジェットヘッドの振動板５が変形して
振動板５に蓄えられた仕事量の指標値Ｗ_kを以下のよう
に定義して、その指標値Ｗ_kでもってインクを確実に吐
出するのに最低必要なしきい値を実験的に求めることに
より、インクを安定して確実に吐出することができ、仕
様に合ったヘッドを容易に設計できるようにしたもので
ある。即ち、本発明での仕事量の指標値Ｗ_kは、（９）
式のように定義される。 Ｗ_k＝（δ_j）²×ｋ_j×Ｓ （９） 但し、δ_jはインク吐出時の振動板５の振動変位量、ｋ_j
は単位面積当たりの振動板５の剛性係数、Ｓは振動板５
の面積（＝短辺幅（ａ）×長辺長（ｂ））を意味する。

【００６８】図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）の結果に示さ
れるように、何れの関係図でも各々の仕事指標値Ｗ_kの
値にインクが吐出できるしきい値が存在しており、約４
×１０^-12［Ｎ・ｍ］以上でインク吐出が不安定ではあ
るが吐出する状態（領域II）となり、その値未満ではイ
ンクは吐出しない状態（領域Ｉ）である。また、約１×
１０^-10［Ｎ・ｍ］以上で安定してインクが吐出する状
態（領域III）となり得る。ここで、振動板５が図４
（Ａ）に示されるようにその４辺が固定され、短辺幅
（ａ）＜長辺長（ｂ）の場合、振動板５の単位面積当た
りのｋ_jは近似的に（１０）式のように表される。 ｋ_j＝３２×Ｅ／（１−υ²）×ｈ³／ａ⁴ （１０） 但し、Ｅ、及びυは振動板５の材料のヤング率、及びポ
アソン比を表すものであり、例えば、前記＜発明１＞の
ようにその材料としてし（１００）基板を使用した場
合、ヤング率Ｅの値は１.３×１０¹¹から１.９×１０¹¹
［Ｐａ］程度であり、ポアソン比υの値は０.０６４程
度である。また、ａとｈは前記と同様に振動板５の短辺
幅、及び板厚を表すものである。従って、本発明での仕
事量の指標値Ｗ_kは（９）式，（１０）式より（１１）
式のように表すことができる。 Ｗ_k＝３２×Ｅ／（１−υ²）×ｂ×ｈ³×δ_j ²／ａ³ （１１）

【００６９】図１２は、（１１）式におけるｈ³とｂ×
δ_j ²／ａ³の値との関係を示す図である。図１２に見ら
れるように板厚ｈの値を大きくすればするほど（厚くす
ればするほど）、ｂ×δ_j ²／ａ³の値をより小さくして
インクを吐出することができる。しかし、より高画質
（高密度ノズル配列）としたい場合には振動板５の短辺
幅ａをより小さく（狭く）する必要があり、ａを小さく
すると必然的に駆動電圧も上昇する。そこで、駆動電圧
を低下させながら同じ振動変位量δ_jを得るためには、
板厚ｈをより小さく（薄く）する必要性がある。しか
し、例えば、その振動板５を前記＜発明１＞のようなＳ
ｉ基板で作製した場合、その板厚ｈの値を１μｍより薄
くしすぎると、振動板５を繰り返し振動させている間に
振動板５内にクラック等が発生し、振動板５の耐久性・
信頼性が確保できなくなるという問題が発生する。故
に、振動板５の耐久性・信頼性を確保しつつ、安定して
確実にインクを吐出するようにするためには、振動板５
の板厚ｈを少なくとも１μｍ以上としておく必要があ
る。

【００７０】従って、ｂ×δ_j ²／ａ³の値は、図１２で
示されるｈ³とｂ×δ_j ²／ａ³の値との関係線未満の値で
はインクは吐出しない状態（領域Ｉ）であり、その値以
上でインクが確実に吐出する状態となる。また、インク
が確実に吐出する状態においても、ｈの値が１μｍ未満
のときにはインク吐出が不安定ではあるが確実に吐出す
る状態（領域II）となり、ｈの値が１μｍ以上のときに
安定して確実にインクが吐出する状態（領域III）とな
る。また、板厚ｈが１μｍ以上のときには図１２に見ら
れるようにｂ×δ_j ²／ａ³の値は必然的により小さい値
でインク吐出することが可能となり、より低い駆動電圧
で確実にインクを吐出することが可能となる。その場
合、ｂ×δ_j ²／ａ³の値のしきい値は、インクが吐出で
きる仕事指標値Ｗ_kの値を考慮すると、約１.８×１０^-5
以下の値（領域VII）となり、その値以下でも、十分、
安定して確実にインクを吐出することができる。

【００７１】図１３は、前記（１１）式におけるａとｂ
×ｈ³×δ_j ²の値との関係を示す図である。図１３に見
られるように短辺幅ａの値を小さくすればするほど（幅
を狭くすればするほど）、ｂ×ｈ³×δ_j ²の値をより小
さくしてインクを吐出することができる。例えば、９０
ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列によって、より高画質な
印字をしようとした場合、隣接する吐出室６との間の隔
壁の厚さを１０μｍ程度としても、短辺幅ａの値を２７
０μｍ以下でインクを吐出することができる。

【００７２】従って、ｂ×ｈ³×δ_j ²の値は、図１３で
示されるａとｂ×ｈ³×δ_j ²の値との関係線未満の値で
はインクは吐出しない状態（領域Ｉ）であり、その値以
上でインクが確実に吐出する状態（領域III）となる。
また、短辺幅ａの値が２７０μｍ以下のときには図１３
に見られるようにｂ×ｈ³×δ_j ²の値は必然的により小
さい値でインク吐出することが可能となり、より低い駆
動電圧で確実にインクを吐出することが可能となる。そ
の場合、ｂ×ｈ³×δ_j ²の値のしきい値は、インクが吐
出できる仕事指標値Ｗ_kの値を考慮すると、約３.６×１
０^-34［ｍ⁶］以下の値（領域VI）となり、その値以下で
も、十分、安定して確実にインクを吐出することができ
る。

【００７３】図１４は、前記（１１）式におけるｈ³／
ａ³の値とｂ×δ_j ²の値との関係を示す図である。図１
４に見られるように、ｈ³／ａ³の値を大きくすればする
ほど、ｂ×δ_j ²の値をより小さくしてインクを吐出する
ことができる。しかしながら、前記したように９０ｄｐ
ｉ以上の高密度ノズル配列によって、より高画質な印字
をするためには、短辺幅ａの値は２７０μｍ以下である
必要があり、また、振動板５の耐久性・信頼性を確保す
るためには、振動板５の板厚ｈは少なくとも１μｍ以上
としておく必要がある。故に、より高画質（９０ｄｐｉ
以上の高密度ノズル配列）で、且つ、振動板５の耐久性
・信頼性を確保しつつ、安定して確実にインクを吐出す
るようにするためには、ｈ³／ａ³の値を少なくとも１／
２７０³（＝１／１９.６８３×１０⁶）以上としておく
必要がある。

【００７４】従って、ｂ×δ_j ²の値は、図１４で示され
るｈ³／ａ³の値とｂ×δ_j ²の値との関係線未満の値では
インクは吐出しない状態（領域Ｉ）であり、その値以上
でインクが確実に吐出する状態（領域III）となる。ま
た、ｈ³／ａ³の値が１／２７０³（＝１／１９.６８３×
１０⁶）以上のときには、図１４に見られるように、ｂ
×δ_j ²の値は必然的により小さい値でインク吐出するこ
とが可能となり、より低い駆動電圧で確実にインクを吐
出することが可能となる。その場合、ｂ×δ_j ²のしきい
値は、インクが吐出できる仕事指標値Ｗ_kの値を考慮す
ると、約３.６×１０^-16［ｍ³］以下の値（領域VIII）
となり、その値以下でも、十分、安定して確実にインク
を吐出することができる。

【００７５】上述のように、本発明（発明２）の構成の
インクジェットヘッドでも、インクを安定して確実に吐
出させるために最低必要なヘッドの仕事指標値や寸法値
が明確となるため、仕様に合ったヘッドを容易に設計で
きるようになり、ひいてはインクジェットヘッドを短時
間で設計・作製することが可能となる。

【００７６】（実施例）先ず、第１の基板１として、厚
さ２００μｍの両面研磨された（１００）面方位のｎ型
単結晶シリコンウェハを使用し、そのウェハの両面に厚
さ１μｍのＳｉＯ₂膜を形成した。そのＳｉＯ₂膜を耐エ
ッチング用のマスク材として、先ず、表面側よりそのマ
スクに振動室９の形状に相当するパターンをフォトリソ
により形成し、次いで、アルカリ液によりシリコンウェ
ハの異方性エッチングを施し、振動室９に相当する凹部
２５を形成した。次に、前記同様に形成したＳｉＯ₂膜
を耐エッチング用のマスク材として、裏面側よりそのマ
スクにノズル孔４，吐出室６，オリフィス７、及びイン
クキャビティ８の形状に相当するパターンをフォトリソ
により形成し、次いで、アルカリ液により、再度、シリ
コンウェハの異方性エッチングを施し、各パターンに相
当する凹部２１〜２４を形成した。最後に、シリコウェ
ハの両面に残留しているＳｉＯ₂膜を全面除去すること
により、図１に示したような第１の基板１を作製した。

【００７７】次に、第２の基板２として、厚さ１ｍｍの
両面研磨されたパイレックスガラス基板（コーニング社
製＃７７４０）を使用した。その上面に電極３１，電極
リード部３２，電極の端子部３３を形成するために、Ａ
ｕ電極をスパッタリング成膜法により成膜、パターニン
グを行い、次に、電極部３１，電極リード部３２の絶縁
保護膜３４としてＳｉＯ₂膜を同様にスパッタリング成
膜法により成膜、パターニングを行い、端子部３３を除
いた電極部３１，３２全体に被覆を施し、図１に示した
ような第２の基板２を作製した。

【００７８】上述のようにして、第１の基板１，第２の
基板２を作製した後、アライメントを行い、前記陽極接
合法により、基板接合を行った。その際の接合条件は、
空気中大気圧において、接合電圧−５００Ｖ、接合温度
４００℃、接合時間１０分間にて行い、接合電極として
Ｐｔを利用し、接合を行った。更に、図１に示すよう
に、第１の基板１の上側にインク供給口１４が形成され
たステンレス製の第３の基板３をエポキシ系接着剤にて
接合し、駆動電圧回路２６を基板１と端子部３３との間
に接続し、端子部３３に正のパルス電圧を印加した。そ
して、図２に示すように、作製したインクジェットヘッ
ドのインク吐出試験を行った。

【００７９】表３、及び、表４は、上記のインク吐出試
験の結果を示すものである。インクジェットヘッドの振
動板５の短辺幅ａ、同じく長辺長ｂ、同じく板厚ｈ、及
び振動板５の振動変位量δ_jを種々変化させ、上記のよ
うにして作製したインクジェットヘッド（ヘッドＮ〜
Ｚ）のインクの吐出可否と吐出安定性、及び、インクが
吐出し始めたときの駆動電圧Ｖ_ａと本発明（発明２）で
定義したヘッドの仕事指標値Ｗ_kとを測定評価し、ヘッ
ド寸法値との関係を調べた結果である。なお、各ヘッド
によって振動板５と電極３１との間のギャップ距離ｄ₀
は異なっている。

【００８０】

【表３】

【００８１】

【表４】

【００８２】表３の結果から分かるように、ヘッドＯで
は前記仕事指標値Ｗ_kの値が１×１０^-10［Ｎ・ｍ］以上
であるので安定してインクを吐出することが可能であっ
たが、ヘッドＰでは振動板５の長辺長ｂ，板厚ｈ、及び
振動変位量δ_jが減少したために前記の仕事指標値Ｗ_kの
値が４×１０^-12［Ｎ・ｍ］未満となり、インクを吐出
することが不可能であった。また、ヘッドＮではヘッド
Ｏに比べて振動板５の振動変位量δ_jが約１／３に減少
したためにインクを吐出することは可能であったが、前
記仕事指標値Ｗ_kの値が１×１０^-10［Ｎ・ｍ］未満とな
ったためにインクの吐出が不安定となった。また、ヘッ
ドＱではヘッドＰに比べて振動板５の短辺幅ａを約１／
３の長さに減少させたことにより、前記仕事指標値Ｗ_k
の値が４×１０^-12［Ｎ・ｍ］以上となり、不安定では
あるがインクを吐出することが可能となった。また、ヘ
ッドＲではヘッドＱよりも更に振動板５の短辺幅ａを減
少（ヘッドＰに比べて約１／５の長さに減少）させたこ
とにより、前記仕事指標値Ｗ_kの値が１×１０^-10［Ｎ・
ｍ］以上となり、安定してインクを吐出することができ
るようになった。また、ヘッドＳではヘッドＱに対して
振動板５の板厚ｈを２倍厚くしたことにより、前記仕事
指標値Ｗ_kの値が１×１０^-10［Ｎ・ｍ］以上となり、安
定してインクを吐出することが可能となっている。

【００８３】また、表４のヘッドＴ〜Ｗでは振動板５の
長辺長ｂを２０００μｍ、その板厚ｈを２μｍ程度とし
て、振動板５の短辺幅ａを変化させてインク吐出試験を
行った結果である。何れのヘッドも前記仕事指標値Ｗ_k
の値が１×１０^-10［Ｎ・ｍ］以上であるので、安定し
てインクを吐出することが可能となっている。また、ヘ
ッドＴ，ヘッドＵはｂ×δ_j ²／ａ³の値が１.８×１０^-5
以下の値となっており、他のヘッドＶやヘッドＷに比べ
て１００Ｖ以下のより低い駆動電圧Ｖ_aでもって、十
分、安定してインクを吐出することが可能となってい
る。しかしながら、より高画質とするためにはよりノズ
ル密度を高める必要があり、そのため振動板５の短辺幅
ａの長さを３１９μｍ（ヘッドＴのノズル密度：７５ｄ
ｐｉ相当）から６５μｍ（ヘッドＷのノズル密度：３０
０ｄｐｉ相当）へ減少させるに従い、インク吐出時の駆
動電圧Ｖ_aも１９Ｖ（ヘッドＴ）から３５５Ｖ（ヘッド
Ｗ）へと必然的に上昇してしまう。そこで、ヘッドＸで
はヘッドＷに対して同じ振動変位量δ_jでもって駆動電
圧Ｖ_aだけを１００Ｖ以下に低下させるために振動板５
の板厚ｈを２.０μｍから０.８μｍへと薄くした結果、
駆動電圧Ｖ_aを３５５Ｖから９０Ｖへと約１／４程度に
低下させることができた。しかしながら、ヘッドＸを１
００時間程度連続的に駆動させた結果、振動板５にクラ
ックが発生し、インクが吐出したりしなかったりして、
インク吐出が不安定となった。

【００８４】また、ヘッドＵ，Ｖ，Ｗ，Ｙ，Ｚにおいて
は、全て９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列が可能な振
動板５の短辺幅ａ（２７０μｍ以下の幅）での安定した
インク吐出が確認されており、特に、ヘッドＹ，ヘッド
Ｚでは、ｂ×δ_j ²／ａ³の値、及びｂ×ｈ³×δ_j ²の値と
もにより低い駆動電圧でインクを吐出できるしきい値以
下の値となっており、両ヘッドとも９０ｄｐｉ以上のノ
ズル密度において駆動電圧１００Ｖ以下の電圧でインク
吐出が確認されている。ヘッドＹでは同じ短辺幅ａ（ノ
ズル密度：１００ｄｐｉ相当）のヘッドＵに対して振動
板５の板厚ｈを２μｍから１.５μｍへ薄くすることに
より、ｂ×ｈ³×δ_j ²の値を８.５×１０^-34［ｍ⁶］から
３.６×１０^-34［ｍ⁶］の値へとしきい値以下に低下さ
せ、ヘッドＵ（３２Ｖ）に比べてより低い駆動電圧Ｖ_a
（２１Ｖ）でも、十分、安定してインクを吐出できるこ
とが確認された。また、ヘッドＺではより低い駆動電圧
でノズル密度を高めるために、同じ短辺幅ａ（ノズル密
度：２００ｄｐｉ相当）のヘッドＶに対して振動板５の
板厚ｈを２μｍから１μｍへ薄くし、また、長辺長ｂの
長さを２０００μｍから１０００μｍへと短くすること
により、ｂ×δ_j ²／ａ³の値を６.５×１０^-5から１.８
×１０^-5の値へ、ｂ×ｈ³×δ_j ²の値を６.４×１０^-34
［ｍ⁶］から２.３×１０^-34［ｍ⁶］の値へとしきい値以
下に低下させ、２００ｄｐｉ相当の高ノズル密度におい
て、ヘッドＶ（１４２Ｖ）に比べてより低い駆動電圧Ｖ
_a（４４Ｖ程度）で、十分、安定したインク吐出を確認
することができた。

【００８５】

【発明の効果】（１）請求項１，６記載の発明によれ
ば、安定して確実にインクを吐出することができ、ま
た、ヘッド設計が容易となるために作製期間を大幅に短
縮することが可能なインクジェットヘッドが提供でき
る。

【００８６】（２）請求項２記載の発明によれば、より
安定して確実にインクを吐出することができるインクジ
ェットヘッドが提供される。

【００８７】（３）請求項３記載の発明によれば、より
高画質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）において
も安定して確実にインクを吐出することができるインク
ジェットヘッドが提供される。

【００８８】（４）請求項４記載の発明によれば、より
低い駆動電圧で安定して確実にインクを吐出することが
できるインクジェットヘッドが提供される。

【００８９】（５）請求項５，８記載の発明によれば、
より高画質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノズル配列）とな
っても、より低い駆動電圧で安定して確実にインクを吐
出することができるインクジェットヘッドが提供され
る。

【００９０】（６）請求項７記載の発明によれば、ヘッ
ドの耐久性，信頼性を確保しつつ、より低い駆動電圧で
安定して確実にインクを吐出することができるインクジ
ェットヘッドが提供される。

【００９１】（７）請求項９記載の発明によれば、ヘッ
ドの耐久性，信頼性を確保しつつ、且つ、より低い駆動
電圧でもって、より高画質（９０ｄｐｉ以上の高密度ノ
ズル配列）に安定して確実にインクを吐出することがで
きるインクジェットヘッドが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を説明するためのヘッドの全体構成を
表す分解斜視図である。

【図２】 本発明の動作を説明するための図１のヘッド
を組み立てた装置全体の断面側面図である。

【図３】 図２のIII−III線から見たヘッドの上面図で
ある。

【図４】 本発明を説明するためのヘッドの振動板を表
す構成図である。

【図５】 本発明を説明するためのヘッドの振動板とイ
ンク吐出室を表す構成図である。

【図６】 請求項１に対応するインク吐出と仕事指標値
との関係を説明するための散布図である。

【図７】 請求項２に対応するインク吐出の関係を説明
するための関係図である。

【図８】 請求項３に対応するインク吐出の関係を説明
するための関係図である。

【図９】 請求項４に対応するインク吐出の関係を説明
するための関係図である。

【図１０】 請求項５に対応するインク吐出の関係を説
明するための関係図である。

【図１１】 請求項６に対応するインク吐出と仕事指標
値との関係を説明するための散布図である。

【図１２】 請求項７に対応するインク吐出の関係を説
明するための関係図である。

【図１３】 請求項８に対応するインク吐出の関係を説
明するための関係図である。

【図１４】 請求項９に対応するインク吐出の関係を説
明するための関係図である。

【符号の説明】

１…第１の基板、２…第２の基板、３…第３の基板、４
…ノズル孔、５…振動板、６…吐出室（インク流路）、
７…オリフィス、８…インクキャビティ、９…振動室、
２１…ノズル溝、２２，２４，２５…凹部、２３…細
溝、３１…電極、３２…電極リード（引き出し）部、３
３…端子部、３４…保護膜、３５…リード線。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出するためのノズルと、該ノ
   ズルに連通するインク流路と、該流路の一部に設けられ
   た振動板と、該振動板に対向して設けられた電極とを有
   し、前記振動板と前記電極との間に生じる静電気力を利
   用して、前記振動板を変形させて、前記流路内のインク
   を加圧して前記ノズルからインク液滴を吐出するインク
   ジェットヘッドにおいて、前記インク液滴が吐出すると
   きの前記振動板の振動変位量をδ_j、前記流路内のイン
   クが圧縮されたときの圧力をＰ_j、前記振動板の面積を
   Ｓ、前記流路内のインクが圧縮されて該インクが受けた
   仕事指標値をＷ_pとして、該Ｗ_pを Ｗ_p＝δ_j×Ｐ_j×Ｓ で定義し、該Ｗ_pの値を１×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上、好
   ましくは４×１０^-8［Ｎ・ｍ］以上としたことを特徴と
   するインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記振動板の短辺幅をａ、同じく長辺長
   をｂ、前記振動板の吐出時の振動変位量をδ_jとして、
   ａ×ｂ×δ_j ²の値を８.５×１０^-23［ｍ⁴］以上、好ま
   しくは２.５×１０^-22［ｍ⁴］以上としたことを特徴と
   する請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記振動板の長辺長をｂ、前記振動板の
   吐出時の振動変位量をδ_jとして、ｂ×δ_j ²の値を３.１
   ×１０^-19［ｍ³］以上、好ましくは９.２×１０^-19［ｍ
   ³］以上としたことを特徴とする請求項２記載のインク
   ジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記振動板の短辺幅をａ、同じく長辺長
   をｂとして、ａ×ｂの値を８.５×１０^-11［ｍ²］以
   上、好ましくは２.５×１０^-10［ｍ²］以上としたこと
   を特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッド。
5. 【請求項５】 前記振動板の長辺長をｂとして、ｂの値
   を３.１×１０^-7［ｍ］以上、好ましくは９.２×１０^-7
   ［ｍ］以上としたことを特徴とする請求項３または４記
   載のインクジェットヘッド。
6. 【請求項６】 インクを吐出するためのノズルと、該ノ
   ズルに連通するインク流路と、該流路の一部に設けられ
   た振動板と、該振動板に対向して設けられた電極とを有
   し、前記振動板と前記電極との間に生じる静電気力を利
   用して、前記振動板を変形させ、前記ノズルからインク
   液滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記イ
   ンク液滴が吐出するときの前記振動板の振動変位量をδ
   _j、前記振動板の単位面積当たりの剛性係数をｋ_j、前記
   振動板の面積をＳ、前記振動板が変形して該振動板に蓄
   えられた仕事指標値をＷ_kとして、該Ｗ_kを Ｗ_k＝δ_j ²×ｋ_j×Ｓ で定義し、該Ｗ_kの値を４×１０^-12［Ｎ・ｍ］以上、好
   ましくは１×１０^-10［Ｎ・ｍ］以上としたことを特徴
   とするインクジェットヘッド。
7. 【請求項７】 前記振動板の短辺幅をａ、同じく長辺長
   をｂ、前記振動板の吐出時の振動変位量をδ_jとして、
   δ_j ²×ｂ／ａ³の値を１.８×１０^-5以下としたことを特
   徴とする請求項６記載のインクジェットヘッド。
8. 【請求項８】 前記振動板の板厚をｈ、同じく長辺長を
   ｂ、前記振動板の吐出時の振動変位量をδ_jとして、ｂ
   ×ｈ³×δ_j ²の値を３.６×１０^-34［ｍ⁶］以下としたこ
   とを特徴とする請求項６記載のインクジェットヘッド。
9. 【請求項９】 前記振動板の長辺長をｂ、前記振動板の
   吐出時の振動変位量をδ_jとして、ｂ×δ_j ²の値を３.６
   ×１０^-16［ｍ³］以下としたことを特徴とする請求項７
   または８記載のインクジェットヘッド。