JP2003039673A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法、インクジェット記録装置、並びにインクジェット記録ヘッドの駆動方法 - Google Patents
インクジェット記録ヘッド及びその製造方法、インクジェット記録装置、並びにインクジェット記録ヘッドの駆動方法Info
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Abstract
しつつ、同一ノズルから所要サイズの「大滴」を吐出さ
せ、且つ「ノズル密度増加」を実現して単位面積当たり
のインク滴吐出効率を高めることができるインクジェッ
ト記録ヘッドを提供する。 【解決手段】 本インクジェット記録ヘッドは、ノズル
13と、ノズル13に連通する圧力室14と、圧力室1
4の壁面の一部を形成する振動板41と、圧力室14に
対応するように振動板41と接合された圧電アクチュエ
ータ16とを備え、振動板41と圧電アクチュエータ1
6とから成る振動要素が変形して圧力室14内に充填さ
れたインク内に圧力波を発生させることにより、ノズル
13からインク滴を吐出させる。本インクジェット記録
ヘッドでは、振動要素の音響容量が2.0×10-20[m5/N]
以上に設定されている。
Description
で文字や画像の記録を行うインクジェット記録ヘッド、
このようなインクジェット記録ヘッドの製造方法及び駆
動方法、並びにこのようなインクジェット記録ヘッドを
備えたインクジェット記録装置に関する。
時の騒音が極めて小さく、また高速記録が可能である点
で関心を集めており、その中でも、インクジェット記録
方式を用いたインクジェット式プリンタは広く普及して
いる。このようなインクジェット式プリンタは、記録ヘ
ッドからインク滴を飛翔させて記録紙に付着させ、文
字、図形、写真等の印字を高速で行う構成を備え、普通
紙に特別の定着処理等を施すことなく記録することがで
きる。上記インクジェット記録方式として、圧電アクチ
ュエータ等の電気機械変換器を用い、インクが充填され
た圧力室に圧力波(音響波)を発生させることで、圧力
室に連通するノズルからインク滴を吐出するドロップオ
ンデマンド型インクジェット方式が知られている。
式を採用したインクジェット記録ヘッドが、特公昭53
−12138号公報及び特開平10−193587号公
報等に記載されている。図34は、これらの公報に記載
されるインクジェット記録装置の記録ヘッドを示す断面
図である。このインクジェット記録装置は、圧力室51
と、圧力室51に連通するノズル52と、共通流路53
を介してインクタンクからインクを導くインク供給路5
4と、圧力室51の底面に固定された振動板55とを備
えている。
滴吐出時に、圧力室51外部に設けられた圧電アクチュ
エータ56によって振動板55を変位(撓み変形)さ
せ、圧力室51内で容積変化を生じさせることで、圧力
室51内に圧力波を発生させる。この圧力波によって、
圧力室51内に充填されているインクの一部が、ノズル
52を通って外部に噴射され、インク滴57となって飛
翔する。飛翔したインク滴は、記録紙等の記録媒体上に
着弾して記録ドット(画素)を形成する。このような記
録ドットの形成動作が画像データに基づいて繰り返し行
われることにより、記録媒体上に文字や画像が記録され
る。
ット記録装置では、高速記録と高画質記録とを両立させ
るという要請がある。しかし、従来のインクジェット記
録装置においては、高速記録と高画質記録とを両立する
ことは極めて困難であった。例えば、高速記録の実現の
ために解像度を低く抑えると良好な画質が損なわれ、逆
に高画質記録の実現のために解像度を高く設定すると高
速記録が妨げられるというように、高速記録及び高画質
記録の双方の要請はトレードオフの関係にある。
「高速記録」及び「高画質記録」の双方を両立させるた
めに必要な条件について説明する。つまり、「高速記
録」を実現させる上では、 記録解像度の低下、 ノズル数の増加(ノズル密度増加)、 の二つが特に重要な条件となる。
すれば、単位面積を少ないインク滴で記録できるので、
記録に要する時間を短縮することができる。例えば、3
00dpi(ドット/インチ)の記録解像度と1200
dpiの記録解像度とを比較すると、同一面積を記録す
るのに必要なドット数は、300dpiの場合では12
00dpiの場合の1/16になる。ここで、インク滴
吐出の周波数(駆動周波数)が同一であると仮定すれ
ば、300dpiで記録する場合の方が記録速度を約1
6倍に増加することが可能となる。
品質が低下するので、記録解像度の低減には下限があ
る。人間の視覚特性から考えると、画像品質(文字や線
画の品質)を損なわずに高速記録を実現するには、記録
解像度を300〜600dpi(但し、1ドット/イン
チ=39.37ドット/メートル)程度の範囲内に設定するこ
とが最適である。つまり、現在一般的に使用されるイン
クジェット記録装置の記録解像度(700〜2400d
pi)よりも低い記録解像度に設定した方が、記録速度
を向上させる上では有利である。ただし、記録解像度を
低く設定するためには、それに応じた大きなインク滴の
吐出を実現する必要がある。
に対応した大きなドットを形成するためには、滴体積の
大きなインク滴を吐出しなければならない。記録解像度
と所要滴体積との関係は、使用するインクや記録紙種類
によって多少変化するが、従来のインクジェット記録装
置で用いられる一般的なインク及び記録用紙の場合に
は、300〜600dpiの記録解像度で十分な記録濃
度を得るためには、15〜30pl(ピコリットル)の
インク滴体積が必要となる(但し、1ピコリットル=10
-15m3)。これは、記録解像度1200dpiで必要と
されるインク滴体積(約10pl)の1.5〜3倍の値
である。
件の「ノズル数の増加」が必要である。ノズル数が多
いほど、単位時間当たりに形成できるドット数が増加し
て、記録速度が向上する。そのため、通常のインクジェ
ット記録装置では、前述したインク吐出機構(イジェク
タ)を複数連結したマルチノズル型の記録ヘッドが多く
用いられる。
に示す。この記録ヘッドでは、インクタンク67が共通
流路63と連結しており、この共通流路63に複数の圧
力室61がインク供給路(図示せず)を介して連結され
ている。このように、共通流路63に対してイジェクタ
68を1次元的に配列するヘッド構造とすることによ
り、イジェクタ数(ノズル数)を30〜100個程度ま
で増加することができる。
ド構造として、イジェクタをマトリクス状に2次元配列
したインクジェット記録ヘッド(以下、マトリクス状配
列ヘッドと呼ぶ)が、例えば特開平1−208146号
公報及び特表平10−508808号公報等に記載され
ている。図36に、これらの公報に記載されたマトリク
ス状配列ヘッドを示す。このマトリクス状配列ヘッドで
は、共通流路は主流路73と分岐流路78とから成り、
複数のイジェクタ79は分岐流路78の夫々に接続され
ている。このようなマトリクス状配列ヘッド構造は、イ
ジェクタ数(ノズル数)の増加に極めて有利である。例
えば、分岐流路78の数を26本とし、各分岐流路78
にイジェクタを10個ずつ接続すると、260個のイジ
ェクタを配列させることができる。なお、図36では、
イジェクタを36個のみ表示している。
ノズル数の増加に有利であるが、圧力室の配列密度を高
く設定しなければ、記録ヘッド全体のサイズが増大し、
ヘッド製造コストの増大、装置サイズの増大、或いは、
ヘッド搬送距離が増大して記録速度が低下するなどの種
々の問題を招くことになる。つまり、インクジェット記
録ヘッドでノズル数を増加させるという課題は、一定の
面積内に如何に多くのノズルを配置できるかであり、つ
まり、ノズル密度を如何に増加できるかという課題に置
き換えられる。図36に示したようなマトリクス状配列
ヘッドでは、イジェクタの配列密度を増加させるため
に、圧力室のサイズを小さく設定することが重要な課題
となる。
記録」を実現するためには、吐出するインク滴の径をで
きるだけ小さく設定することが望ましい。特に、写真画
像を出力する場合には、ハイライト部(低濃度部)の粒
状感が画質を大きく左右するため、極めて小さなインク
滴でハイライト部を記録することが望ましい。人間の眼
の分解能から、ドット径が40μm以下になると画像の
粒状感が大幅に低下し、更に30μm以下になると個々
のドットを目視認識することが困難になるため、画像品
質が飛躍的に向上する。従って、画像のハイライト部で
は径30μm以下の小さなドットを実現することが望ま
しく、そのためには2〜4pl程度の微小滴の吐出を実
現させなければならない。
行うための駆動方法が、例えば特開昭55−17589
号公報に記載されている。この公報に記載の駆動方法で
は、吐出直前に圧力室を一旦膨張させ、ノズル開口部の
メニスカスを圧力室側に引き込んだ状態からインク滴の
吐出を行う。この種の駆動方法で用いられる駆動波形の
一例を図37に示す。この駆動波形は、圧力室を膨張さ
せるための電圧変化プロセス83と、次いで圧力室を圧
縮し、インク滴の吐出を行うための電圧変化プロセス8
4を含んで構成されている。
のノズル91の開口部におけるメニスカス92の動きを
模式的に示した断面図である。図38(a)に示すよう
に、初期状態でメニスカス92は平坦な形状をしている
が、図37に示す電圧変化プロセス83に応答して圧力
室が膨張し始めると、メニスカス92の中央部が周辺部
よりも大きく後退することによって、メニスカス92
は、図38(b)に示すような凹曲面形状となる。
た状態から、図37に示す電圧変化プロセス84に応答
して圧力室が圧縮を開始すると、図38(c)に示すよ
うに、メニスカス92の中央部に細い液柱93が形成さ
れ、更に図38(d)に示すように、液柱93の先端部
が分離してインク滴94が形成される。このときのイン
ク滴径は、形成された液柱93の太さとほぼ等しく、ノ
ズル径よりも小さい。つまり、このような駆動方法を用
いることにより、ノズル径よりも小さなインク滴94を
吐出することができる。上記のように、吐出直前のメニ
スカス形状を制御して微小滴吐出を行う駆動方法のこと
を、本明細書では以下、「メニスカス制御方式」と呼
ぶ。
型のインクジェット記録ヘッドで「高速記録」を実現す
るためには、低解像度記録を可能とする「大滴吐出」、
及び、ノズル数増加を可能とする「ノズル密度増加」が
必要である。一方、高画質記録を実現するためには、ハ
イライト部の粒状感低減を可能とする「小滴吐出」が必
要となる。従って、「高速記録」及び「高画質記録」の
双方を1つの記録ヘッドで両立させるには、「大滴吐
出」、「ノズル密度増加」及び「小滴吐出」の3つの条
件を同時に満足させる必要がある。
現するための「大滴吐出」及び「ノズル密度増加」、並
びに高画質記録を実現するための「小滴吐出」の全てを
同時に満足させることは、従来のインクジェット記録ヘ
ッドでは極めて困難になっている。
おける別の問題点として、インク滴吐出時のメニスカス
に異常な振動が発生し、インク滴の吐出現象が不安定化
するという問題があった。異常なメニスカス振動が発生
するメカニズムについては、従来、詳しい検討は一切な
されておらず、防止方法も明らかにされていない。以下
に、本発明者らによる検討結果に沿って説明する。
たメニスカス振動の観測結果の一例を示すグラフであ
り、(a)は正常時、(b)は異常時を夫々示す。本来
は図39(a)に示すようなメニスカス振動が得られる
はずであるのに対し、実際に観察されたメニスカス振動
には、図39(b)に示すように微細な振動が重畳して
いた。このような微細な振動がメニスカスに重畳する
と、インク滴の吐出が非常に不安定になる。特に、上述
したメニスカス制御方式では、メニスカスの液面干渉を
利用して微小滴の吐出を行うため、メニスカス振動に上
記の微細な振動が重畳すると、微小滴の吐出ができなく
なり、或いは、逆に不要なインク滴が吐出されるなど、
正常な微小滴吐出が期待できなくなる。
型化やコストアップを回避しつつ、同一ノズルから所要
サイズの「大滴」を吐出させ、且つ「ノズル密度増加」
を実現して単位面積当たりのインク滴吐出効率を高める
ことができるインクジェット記録ヘッド、そのようなイ
ンクジェット記録ヘッドを搭載したインクジェット記録
装置、並びに、インクジェット記録ヘッドの製造方法及
び駆動方法を提供することを目的とする。
ズの「大滴」及び「小滴」の双方を選択的に吐出させ、
高速記録と高画質記録の両立を可能とするインクジェッ
ト記録ヘッドを提供することを目的とする。本発明は更
に、メニスカスの異常振動を防止し、吐出安定性の高い
インクジェット記録ヘッドを実現することを目的とす
る。
録ヘッドでは、同一ノズルからの「大滴吐出」及び「小
滴吐出」の実現に加えて「ノズル密度増加」という3条
件を同時に満足することは極めて困難であるが、その理
由を、以下に具体例を挙げて説明する。まず、「大滴吐
出」について考えると、インクジェット記録ヘッドで吐
出できる最大インク滴の体積は、後述するように、圧力
室に発生させる体積変化量(排除体積)ΔVにほぼ一致
する(式(2)参照)。つまり、吐出するインク滴とほぼ
同等の体積変化を圧力室内に発生させる必要がある。そ
のため、大きな滴体積を得るためには、圧電アクチュエ
ータの駆動面積(圧力室の底面積)を増加してΔVを増
大させることが必要となる。
0.1μmとした場合に、滴体積10plの吐出は1×
10-7m2程度の駆動面積で実行することができるが、
滴体積を20plに増加させようとすると、約2倍の駆
動面積(2×10-7m2)が必要になる。その結果、単
位面積当たりのノズル数(ノズル密度)が約1/2に低
減することになる。すなわち、高速記録のために低解像
度記録を実現し滴体積を大きくしようとすると、圧力室
のサイズが増大し、その結果として、ノズル密度が低下
する。このように、「大滴吐出」と「ノズル密度増加」
とはトレードオフの関係にあるので、低解像度記録とノ
ズル数増加(ノズル密度増加)とを同時に実現すること
は極めて困難である。
スカス制御方式によって微小滴吐出を行うためには、以
下に示す理由から、圧力室内に発生させる圧力波の固有
周期Tcを短く設定する必要がある。つまり、図38で
説明したように、メニスカス制御方式では、初めにメニ
スカス92を圧力室側に引き込み、メニスカス92を凹
曲形状にした後、メニスカス92をノズル外側に向かっ
て押し出すことによって細い液柱93を形成する。本発
明者らは、液柱93の形成メカニズムについて詳細に検
討を行い、その結果、形成される液柱の太さはメニスカ
スを押し出す際の液面速度に依存することを明らかにし
た。
のメニスカスの挙動を模式的に示した断面図である。す
なわち、凹曲面形状のメニスカス92に対して、外部に
押し出す方向に圧力を加えると、メニスカス92の各部
は、図32(a)に示すように、液面の法線方向に移動
しようとする。その結果、ノズル中央部に多量のインク
が集中し、この局所的な体積増加によってノズル91の
中央部に液柱93が形成される。このとき、液面の移動
速度が速いほどノズル中央部での体積増加速度も大きく
なるため、非常に細い液柱93が速い成長速度で形成さ
れる。逆に、液面の移動速度が遅い場合には、図32
(b)に示すように、体積増加の速度も小さくなるた
め、液柱93が太くなり、成長速度が小さくなる。
94の滴径は、形成される液柱93の太さとほぼ一致す
る。また、インク滴の飛翔速度(滴速)は、液柱93の
成長速度とほぼ一致する。従って、微小なインク滴94
を高速で飛翔させるためには、上記液面移動速度を増加
させ、ノズル中央部で急激な体積増加を生じさせること
が重要な条件となる。ここで、液面移動速度を支配して
いるのが圧力波の固有周期Tcである。つまり、インク
滴吐出時におけるメニスカス92の振動速度は圧力波の
固有周期Tcに依存しており、固有周期Tcが短いほどメ
ニスカスの振動速度、即ち、液面移動速度が増加する。
従って、メニスカス制御方式によって微小滴を吐出する
場合に、圧力波の固有周期Tcが短いほど有利となる。
最小滴径と、圧力波の固有周期Tcとの関係を調べた結
果を示すグラフである。このグラフから、固有周期が短
くなるほど最小滴径が減少することが判る。得られる最
小のインク滴体積は、ノズル径やインク粘度などにも依
存するが、ノズル径が20〜30μmで、使用するイン
クの粘度が2〜5cpsである一般的なインクジェット
記録ヘッドでは、高画質記録に適した2〜4plの微小
滴を吐出可能とするためには、固有周期Tcを15μs
以下、更に望ましくは12μs以下に設定する必要があ
る。
た「大滴吐出」と相反関係にある。すなわち、「大滴吐
出」を実現するために圧力室のサイズを大きく設定する
と、圧力波の固有周期が非常に長くなる。これは、圧力
波の固有周期Tcは圧力室及び振動要素(振動板+圧電
アクチュエータ)の音響容量和(c0+c1)に依存し、
「大滴吐出」に適したサイズの大きな圧力室及び振動要
素では、固有周期Tcが長くなるためである。例えば、
大滴体積が10pl、固有周期が10μsのインクジェ
ット記録ヘッドを実現することは容易であるが、大滴体
積を20plに増加しようとすると、固有周期Tcも約
2倍の20μs程度になってしまう。
に関わる多数のパラメータを試行錯誤的に組み合わせて
滴体積及び固有周期Tcの調整を行っていたのに対し、
種々の実験結果から、撓み変形する圧電アクチュエータ
を用いたインクジェット記録ヘッドでは、滴体積及び固
有周期Tcを支配する実質的なパラメータは振動要素の
音響容量のみであることを見出し、振動要素の音響容量
の適正な範囲を規定することにより、所要サイズの「大
滴吐出」及び「小滴吐出」の両立と「ノズル密度増加」
とを実現する本発明を発明するに至った。
インクジェット記録ヘッドは、ノズルと、該ノズルに連
通する圧力室と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動
板と、前記圧力室に対応するように前記振動板と接合さ
れた圧電アクチュエータとを備え、前記振動板と前記圧
電アクチュエータとから成る振動要素が変形して前記圧
力室内に充填されたインク内に圧力波を発生させること
により、前記ノズルからインク滴が吐出するインクジェ
ット記録ヘッドであって、前記振動要素の音響容量が、
2.0×10-20m5/N以上であることを特徴とする。
の剛性を表わすパラメータであり、c0が大きいという
ことは、振動要素が撓み易い、即ち圧力室の大きな排除
体積が発生し易いということを意味する。後述する種々
の実験結果及び構造解析結果から、2.0×10-20m5/Nとい
う値は、600dpi以下の低解像度記録に必要な15
pl以上の「大滴」の吐出を実現できるという観点か
ら、音響容量c0の下限値として最適な値と言える。
振動板の厚さtv、及び圧力室幅Wを種々変更した例に
ついて夫々に特性評価を実施した。その結果、 音響容量c0≧2.0×10-20[m5/N] の条件下では、15pl以上の「大滴」を吐出すること
ができたが、 音響容量c0<2.0×10-20[m5/N] の条件下では、15pl以上の「大滴」を吐出すること
ができず、十分な画像濃度を得ることができなかった。
c0を2.0×10-20m5/N以上に規定したことにより、振動
要素による15pl以上の排除体積を得て、一つのノズル
から15pl以上の大滴を吐出することができる。
ドでは、振動要素の音響容量の上限を5.5×10-19m5/Nに
設定することが望ましい。本発明者らは、音響容量c0
を2.0×10-20m5/N以上の値に設定することで「大滴吐
出」を実現できるが、音響容量c0が大き過ぎると圧力
室内に発生する圧力波の固有周期が増加し,「小滴吐
出」が実行できなくなるという弊害が発生することを確
かめた。そして、後述する種々の実験結果に基づき、音
響容量c0の上限を5.5×10-19m5/Nに設定することによ
って、上記弊害の発生を防止することに想到した。
条件下で吐出実験を行ったところ、15pl以上の「大
滴」は吐出できたが、4pl以下の「小滴」を吐出する
ことはできなかった。この結果から、15pl以上の大
滴体積を確保し、且つ4pl以下の小滴体積を得るため
には、振動要素の音響容量c0を2.0×10-20m5/N以上、
且つ5.5×10-19m5/N以下に設定するのが最適であると確
認した。
ドでは、前記振動要素に印加される駆動電圧波形の制御
に応答して、前記ノズルから吐出するインク滴の滴体積
が多段階に変化する。この場合、大滴による低解像度記
録と、小滴による高画質記録を同時に実現することがで
きるため、高速記録と高画質記録を両立できるという効
果が得られる。
最大滴体積が15pl以上に設定されることが好まし
い。この場合、記録解像度を600dpi以下に設定す
ることが可能となるため,記録速度を増加できるという
効果が得られる。15pl以上のインク滴の吐出時に印
加される駆動電圧波形は、前記圧力室の体積を収縮させ
る方向に電圧を印加してインク滴を吐出させる第1電圧
変化プロセスと、前記圧力室の体積を膨張させる方向に
電圧を印加する第2電圧変化プロセスとを少なくとも含
み構成したものとすることができる。
滴の最小滴体積が4pl以下であることも好ましい態様
である。この場合、ハイライト部において粒状性の低い
滑らかな画像記録が可能となり、高画質記録を実現でき
るという効果が得られる。4pl以下のインク滴の吐出
時に印加される駆動電圧波形は、前記圧力室の体積を膨
張させる方向に電圧を印加する第1電圧変化プロセス
と、前記圧力室の体積を圧縮する方向に電圧を印加し前
記ノズル内に前記ノズルの開口径よりも小さな径を有す
る液柱を形成し該液柱の先端からインク滴を分離させる
ことによって微小なインク滴の吐出を行うための第2電
圧変化プロセスとを少なくとも含み構成したものとする
ことができる。
チュエータの各平面形状におけるアスペクト比が夫々略
1に設定される。本発明における「アスペクト比」は、
振動要素の平面形状における最も長い幅と最も短い幅と
の比を意味する。アスペクト比が略1に設定されると、
単位面積当たりの吐出効率が最大化でき、ノズル密度の
高いインクジェット記録ヘッドを実現することが可能と
なる。振動要素の平面形状として、略正三角形、略正方
形、略正六角形、略円形の何れかを選択することができ
る。
0.09〜0.5mm2に設定し、振動板及び圧電アク
チュエータの厚みを夫々、5〜20μm及び15〜40
μmに設定することが好ましい。これにより、アスペク
ト比が略1の圧力室を有するインクジェット記録ヘッド
において、振動要素の音響容量c0を2.0×10-20 m5/N以
上、且つ5.5×10-19 m5/N以下に設定することができ、
「大滴吐出」と「小滴吐出」を両立できるという効果が
得られる。
響容量よりも大きく設定されることが好ましい。この場
合、メニスカスの異常振動を抑制し、メニスカスの振動
を正常化し、インク滴吐出の安定性を向上できるという
効果を得ることができる。
有周期をTc、前記振動要素及び圧力室の合成音響容量
をcc、前記振動要素のイナータンスをm0とすると、次
式 m0<2.5×10-4Tc2/cc[kg/m4] を満足することも好ましい態様である。これにより、イ
ンクジェット記録ヘッドに内在する振動系の励起を抑制
することができ、上記メニスカス異常振動の影響を更に
抑制でき、吐出安定性に優れたインクジェット記録ヘッ
ドを実現することが可能となる。
前記圧電アクチュエータの駆動部の中心との位置ずれ量
をδ、前記圧電アクチュエータの幅をWpとすると、次
式 Wp≦(W−2δ)又はWp≧(W+2δ) を満足することが好ましい。この場合、圧電アクチュエ
ータ端部の支持条件が常に一定となり、圧電アクチュエ
ータの位置ずれに対するロバスト性(鈍感さ)が向上す
る。
中心と前記圧電アクチュエータの駆動部の中心との位置
ずれ量をδ、前記圧電アクチュエータの幅をWpとする
と、次式 0.9(W−2δ)≦Wp≦(W−2δ) を満足することも好ましい態様である。これにより、圧
電アクチュエータと圧力室との間に接合位置ズレが発生
した場合でも、吐出効率に大きな変化が生じることを防
止でき、更に高い吐出効率を確保することが可能とな
る。
0dpi以下の記録解像度で記録媒体上に着弾されるこ
とが好ましい。この場合、記録に必要となるドットの数
を少なくでき、高速記録に有利になると同時に、記録さ
れる文字等の品質も確保できるため、高速記録と高画質
記録の両立が可能になるという効果が得られる。また、
前記圧力室内に発生する圧力波の固有周期Tcが15μ
s以下に設定されることも好ましい態様である。この場
合、メニスカス制御方式によって径の小さなインク滴を
吐出することが可能となり、写真画像等の出力におい
て、画像品質を向上できるという効果が得られる。
力室に相当する領域に配置された駆動部と、前記圧力室
の外壁に相当する領域に配置された電極パッド部と、前
記駆動部及び前記電極パッド部の双方を連結するブリッ
ジ部とを備えることも好ましい態様である。これによ
り、圧電アクチュエータの変形が電極パッド部によって
妨げられる現象を抑制でき、吐出効率の高いインクジェ
ット記録ヘッドを実現することが可能となる。前記ブリ
ッジ部が、前記駆動部の中心から離れた位置に連結され
ると、前記駆動部の変形に対する拘束力を最小化でき、
ヘッドの吐出効率を増加できるという効果を得ることが
できる。
配列されていることも好ましい態様である。この場合、
ヘッド内のノズル数を増加することが可能となるため、
記録速度を大幅に増加できるという効果が得られる。
列された圧電アクチュエータ領域の外周部を取り囲むよ
うにダミーパターンが配設される。これにより、圧電ア
クチュエータの加工をサンドブラスト加工法によって行
う際に、サイドエッチングに起因した加工精度の悪化を
防止することができ、吐出特性の均一性が高いインクジ
ェット記録ヘッドを実現できるという効果が得られる。
ダミーパターンは、圧電アクチュエータ領域の内部にお
ける圧電アクチュエータの相互間にも配設することがで
きる。この場合、上記のサイドエッチングの影響を更に
抑制できるという効果が得られる。
ドでは、信号ラインが形成された配線基板を有し、該配
線基板が、2次元的にマトリクス配置された前記圧電ア
クチュエータの上方を覆う位置に配置され、前記圧電ア
クチュエータと前記配線基板とがバンプを介して電気的
に接続されている。これにより、高密度配列したマトリ
クス状配列ヘッドにおいても個々の圧電アクチュエータ
に対して確実な電気接続が可能となる。つまり、信号線
を振動要素とは別の平面状に配置できるので、信号線の
配置が圧力室の高密度配列を損なうことがなく、圧力室
の高密度配列が可能となる。
該コア材の外周部に被膜した接合材とによって構成され
ていることが好ましい。この場合、電気接続後において
圧電アクチュエータと配線基板との間に間隙を形成する
ことが可能となるため、圧電アクチュエータと配線基板
との接触に起因する圧電アクチュエータの特性不良が防
止でき、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを実現
できる。更に、前記コア材が半球状に形成されているこ
とが好ましい。この場合、圧電アクチュエータとバンプ
との接触状態を均一化することができ、安定した電気接
続が可能になると同時に、電気接続時における圧電アク
チュエータの破壊を防止することができるという効果が
得られる。前記配線基板は、樹脂基材及び金属導体を含
むことが好ましい。この場合、圧電アクチュエータとバ
ンプとの接触状態をより一層均一化することができる。
製造方法は、前記インクジェット記録ヘッドを製造する
製造方法であって、前記圧電アクチュエータのサンドブ
ラスト加工でパターニングすることを特徴とする。
製造方法では、圧電アクチュエータのパターニングをサ
ンドブラスト加工で行うので、吐出効率の最大化及び電
気接続に適した複雑形状の圧電アクチュエータを、高い
寸法精度及び低い製造コストで実現することができる。
前記インクジェット記録ヘッドを備えていることを特徴
とする。このようなインクジェット記録装置によると、
高い記録速度と高い画品質を両立可能なインクジェット
記録装置を実現することができる。
録ヘッドの駆動方法は、ノズルと、該ノズルに連通する
圧力室と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、
前記圧力室に対応するように前記振動板と接合された圧
電アクチュエータとを備え、前記振動板と前記圧電アク
チュエータとから成る振動要素が変形して前記圧力室内
に充填されたインクを圧縮することにより、前記ノズル
からインク滴が吐出するインクジェット記録ヘッドを駆
動する駆動方法において、前記振動要素の音響容量を2.
0×10-20m5/N以上に設定し、前記振動要素に、前記圧力
室の体積を収縮させる方向に電圧を印加してインク滴を
吐出させる第1電圧変化プロセスと、前記圧力室の体積
を膨張させる方向に電圧を印加する第2電圧変化プロセ
スとを含む駆動電圧波形を印加することによって15p
l以上のインク滴を吐出することを特徴とする。
ッドの駆動方法では、600dpi以下の低解像度記録
に必要となる滴体積の大きなインク滴の吐出を良好に実
現できるという効果が得られる。
録ヘッドの駆動方法は、ノズルと、該ノズルに連通する
圧力室と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、
前記圧力室に対応するように前記振動板と接合された圧
電アクチュエータとを備え、前記振動板と前記圧電アク
チュエータとから成る振動要素が変形して前記圧力室内
に充填されたインクを圧縮することにより、前記ノズル
からインク滴が吐出するインクジェット記録ヘッドを駆
動する駆動方法において、前記振動要素の音響容量を2.
0×10-20m5/N以上且つ5.5×10-19 m5/N以下に設定し、
前記振動要素に、前記圧力室の体積を膨張させる方向に
電圧を印加する第1電圧変化プロセスと、前記圧力室の
体積を圧縮する方向に電圧を印加し前記ノズル内に該ノ
ズルの開口径よりも小さな径の液柱を形成し該液柱の先
端からインク滴を分離させて微小なインク滴の吐出を行
うための第2電圧変化プロセスとを含む駆動電圧波形を
印加することによって4pl以下のインク滴を吐出する
ことを特徴とする。
ッドの駆動方法では、粒状性の低い高い画品質をもった
画像記録を実現できるという効果が得られる。
ヘッドの実施形態例を説明するに先立ち、先ず、振動要
素の動作特性とインク滴体積との関係について説明す
る。つまり、振動要素は、現象的に見た際に物理的な振
動を発生するので、機械系であるが、インクジェット記
録ヘッドは、機械系以外にも、インク流路の音響系や、
駆動回路の電気系を混在して備えている。これら3系
は、その微分方程式記述が同一形式であるので、相互に
等価変換することができる。従って、ここでは全て音響
系に統一し、記録ヘッドの動作を一つの音響回路として
考える。
の動作特性は、機械系では質量[kg]、コンプライアン
ス[m/N]、及び減衰[Ns/m]の3つのパラメータだけ
で表わすことができる。これらを音響系に等価変換する
と、振動要素の動作特性はイナータンスm0[kg/m4]、
音響容量c0[m5/N]、及び音響抵抗r0[Ns/m5]の3
つのパラメータだけで表わすことができる。
振動要素は図1に示す等価回路(音響回路)として表わ
すことができる。ここで、ψは圧力[Pa]を表わす。
また、図2(a)は、振動要素と流路系を連結した等価
回路であり、図34に示したインクジェット記録ヘッド
を等価回路に置き換えたものである。
の0は振動要素、1は圧力室、2はインク供給路、3は
ノズルをそれぞれ意味している。この回路を、回路シミ
ュレータ等を用いて解析し、ノズル部の体積速度u3の
変化を調べることによって、インク滴体積、滴速、圧力
波の固有周期などのヘッド特性を求めることができる。
響容量c0、イナータンスm0、及び音響抵抗r0と排除
体積ΔVの関係を、図2(a)の等価回路を用いて調べ
た結果である。なお、排除体積ΔVは、後述するように
滴体積qとほぼ一致するパラメータである。この結果か
ら、m0とr0は排除体積ΔV(滴体積q)にはほとんど
影響を及ぼさないのに対し、c0はΔVに大きく影響
し、c0が大きいほどΔVが増加する傾向が明らかにな
った。つまり、振動要素の音響容量c0、イナータンス
m0、及び音響抵抗r0のうち、吐出特性(滴体積q)に
影響するのはc0のみであることが明らかになった。
r0が吐出特性(滴体積)に大きな影響を及ぼさず、ま
た、ノズルの音響容量c3も振動要素の音響容量c0及び
圧力室の音響容量c1に対して無視することができるこ
とから、図2(a)の回路は、図2(b)のように簡略
化できる。ここで、ノズル及び供給路におけるイナータ
ンス及び音響抵抗に、 m2=k・m3、r2=k・r3 の関係が成り立つと仮定し、ステップ関数的な圧力ψを
入力した場合について理論解析を行うと、ノズル部での
体積速度u3は次式のように表わされる。
体積q[m3]は、図39(a)に示した斜線部の面積
にほぼ等しいため、qは次式によって表わされる。
ψ/V)であり、単位電圧当たりに発生する圧力の大き
さを表わすパラメータである。撓み変形する圧電アクチ
ュエータを用いたインクジェット記録ヘッドでは、この
電気音響変換係数φは、滴体積(吐出効率)を左右する
極めて重要なパラメータである。しかしながら、ヘッド
構造とφとの関係については、過去に詳しく調べられた
例はない。そこで本発明者らは、有限要素法を用いた構
造解析によって、ヘッド構造とφとの関係について調査
を行った。
うな方法を用いればよい。まず、振動要素をモデル化
し、印加電圧Vを印加した際の振動要素の変形状態を求
める。次に、振動要素に圧力を加え、振動要素の変形量
をゼロに戻すために必要な圧力pを求める。このpの値
をもとに、φ=p/Vとしてφの値を求める。また、同
様に振動要素の音響容量c0は、圧力pを加えて振動要
素を変形させたときに発生する排除体積ΔVを求めるこ
とにより、c0=ΔV/pとして算出する。
メータを広い範囲で変化させて構造解析を行い、c0と
φの値を求めた結果を示すグラフである。具体的には、
圧力室及び圧電アクチュエータの平面視における面積を
9×10-8〜1×10-6m2の範囲で、圧力室及び圧電
アクチュエータ夫々の平面形状におけるアスペクト比を
1〜20の範囲で変化させた。また、振動板厚を、ステ
ンレス等の金属板では5〜20μmの範囲で、ポリイミ
ドフィルムでは20〜100μmの範囲で変化させた。
更に、圧電アクチュエータ厚を10〜50μmの範囲
で、圧電定数を1×10-10〜3×10-10m/Vの範囲
で夫々変化させ、様々な組み合わせに対して構造解析を
行い、φとc0の値を求めた。その結果、音響容量c0は
1×10-21〜5×10-18m5/N、φは4×103〜4
×104Pa/Vの範囲で変化することが判明した。
圧当たりの滴体積を決定するパラメータ;前記式(2)
参照)とc0との関係を調べた結果を図4(b)に示
す。この結果から、c0とφ・c0との関係は、グラフ中
の斜線部の範囲内に分散するが、一般論として、大きな
滴体積(大きなφ・c0)を得るためには、 c0≧2.0×10-20[m5/N] と設定する必要があることが明らかになった。
タを利用したインクジェット記録ヘッドにおいて大きな
滴体積(吐出効率)を確保するためには、 c0≧2.0×10-20[m5/N] が重要な条件となる。音響容量c0は振動要素の剛性を
表わすパラメータであり、c0が大きいということは、
振動要素が撓み易い、即ち大きな排除体積ΔVを発生し
易いということを意味している。また、2.0×10
-20m5/Nという値は、以下に述べるように、600d
pi以下の低解像度記録を可能とする15pl以上の大
滴を得るという観点からも、音響容量c0の下限値とし
て適した値と言える。
る上で最も適切、且つ一般的な条件として、振動板を金
属材料(ステンレス、ニッケル等)で構成し、圧電定数
を約3×10-10m/Vとすると、c0とφ・c0との関
係は、図5及び図6に示すようになる。
ラフ、図6は図5の一部を拡大したグラフである。つま
り、振動板材質や圧電定数を固定すると、振動板厚、圧
電アクチュエータ厚、アスペクト比などの値を変えて
も、c0とφ・c0との関係は、ほぼ一本の曲線上にプロ
ットされることが明らかになった。これは即ち、滴体積
qを支配するパラメータのうち、φはc0の関数として
扱えることを意味している。
的なインクジェット記録ヘッドでは、後述するようにm
2≒m3と設定される。また、印加電圧Vも駆動回路や電
源コストを考えると、40V程度が上限となる。従っ
て、式(2)のパラメータのうち、m2/(m2+m3)
及び印加電圧Vは、実際には任意に変えることのできな
いパラメータであり、また、φはc0に依存するパラメ
ータであるため、滴体積qを支配しているパラメータは
実質的にc0のみであると言える。
体積を得るのに必要なc0を求めてみる。上記のよう
に、m2/(m2+m3)≒1/2、V≦40[V]と置
くことができるので、15pl以上の滴体積を確保する
ためには、φ・c0を4×10- 16m3/V以上に設定す
る必要がある。これを、図6のグラフに当てはめると、
c0≧2.0×10-20m5/Nの条件となる。つまり、
撓み変形する圧電アクチュエータを利用したインクジェ
ット記録ヘッドで低解像度記録に適した15pl以上の
滴体積を得るという観点からも、c0≧2.0×10-20
m5/Nは重要な条件となる。
チュエータを用いたインクジェット記録ヘッドにおい
て、滴体積を支配する実質的なパラメータがc0のみで
あることを見出し、c0の適正な下限値を規定した点
が、本発明の特徴の一つである。従来は、ヘッド構造に
関わる多数のパラメータを試行錯誤的に組み合わせて滴
体積の調整を行っていたのに対し、上記のように支配パ
ラメータをc0の一つだけに整理し、その最適範囲を明
らかにしたことは、ヘッドの最適化設計を行う上で極め
て有効である。
とを両立させる圧力室形状について考える。上述したよ
うに、滴体積を実質的に支配しているパラメータがc0
だけであることから、「大滴吐出」と「ノズル密度増
加」とを両立させるためには、単位面積当たりのc0を
最大化することが重要である。
存する。そこで、単位面積当たりのc0を最大化できる
振動要素形状について調査を行った。図7は、四角形の
圧力室に関し、面積が同一でアスペクト比(縦横比)が
異なる各形状に対してc0を求めた結果である。図7か
ら、圧力室の平面形状のアスペクト比が1に近づくほ
ど、即ち、正方形に近い形状であるほど音響容量c0は
増加することが判る。つまり、アスペクト比が1に近い
平面形状の圧力室を用いれば、小さい占有面積で大きな
音響容量c0を得ることが可能となり、ノズル密度の向
上に有利となる。
吐出効率を高く設定するためには、圧力室のアスペクト
比を少なくとも0.3〜3の間に設定することが必要で
ある。更に好ましいのはアスペクト比を0.8〜1.2
の間に設定することである。この場合、アスペクト比=
1の最適条件と比較して吐出効率の低下を30%以下に
納めることができる。
ト比の定義を説明する図8(a)〜(d)に示すよう
に、圧力室の平面形状における最も長い幅(A)と最も
短い幅(B)との比(B/A)を示す値を意味する。ま
た、圧力室の平面形状のアスペクト比を略1に設定した
場合、通常、振動要素のアスペクト比も略1となる。す
なわち、振動要素は振動板と圧電アクチュエータの駆動
部(後述)から構成されており、圧電アクチュエータの
駆動部は圧力室の平面形状とほぼ一致する形状とされる
ため、振動要素のアスペクト比も略1となる。
果であるが、それ以外の三角形、五角形及び六角形を含
む多角形や、楕円形についても、 アスペクト比=1 でc0が最大になるという同様の結果が得られている。
従って、 アスペクト比=1 が最適であるという結論は、四角形以外の他の形状の圧
力室についても一般的に当てはめることができる。
カス振動の原因について述べる。図9は、図2(a)の
等価電気回路の周波数応答を調べた結果を示すグラフで
ある。このグラフで、130kHz及び1.3MHzに
ピークが存在していることから、本回路は二つの共振周
波数を有していることが判る。図10は、図2(a)の
等価電気回路を書き換えた、1個のイジェクタの等価電
気回路を示す回路図である。回路をこのように書き換え
た場合、本回路にはA、Bという二つの振動系が含まれ
ていることが判る。
数は、振動系A及びBの各共振周波数に対応していると
考えることができる。インク滴吐出に用いられる本来の
メニスカス振動は振動系Aによって発生し、これに振動
系Bによる周期の短い振動が重畳していると考えれば、
図39(b)のようなメニスカス振動の発生が理解でき
る。振動系Aの固有周期Tcは、次式のように表わされ
る。
っている点が特徴的であり、そのため、メニスカス振動
の固有周期Tcは c(=c0+c1) によって支配される。一方、振動系Bの固有周期T
Bは、次式のように表わされる。
c0と圧力室の音響容量c1を直列接続した際の合成音響
容量であり、次式で表わされる。
成音響容量ccによって支配されるという点が、振動系
Bの特徴である。この振動系Bは、特開平6-171080号公
報等に記載される縦振動型圧電アクチュエータを用いた
インクジェット記録ヘッドで見られる振動要素自体の固
有振動とは異なるものである。振動系Bは、振動要素自
体の固有振動系ではなく、あくまでも振動要素と流路系
(圧力室)とを連結することによって形成される振動系
の一つである。
エータでは、記録ヘッド内に二つの振動系が存在するの
で、正常なメニスカス振動を得るには、上記振動系Bの
影響を抑制することが必要である。この実現のために
は、振動系Bの振動振幅を小さくする(条件1)、及
び、TB≪Tcとする(条件2)の二つの条件を満たす必
要がある。以下、二つの条件を満たすための具体的な対
策について述べる。
振動系Bの応答は次式のように表すことができる。
度uBの振幅はccの1/2乗に比例するため、振動系B
の振幅を小さくするためには(条件1)、ccを小さく
設定する必要がある。ただし、本来のメニスカス振動
(振動系A)の振幅や固有周期に影響を及ぼさないよう
にするため、 c(=c0+c1) は一定の条件下でccを最小化する必要がある。
グラフである。このグラフでは、c 0+c1=10として
計算した。このグラフから、ccを小さくするためには
c0とc1とをアンバランス(不均衡)に設定、つまり、
c0>c1又はc0<c1と設定すればよいことが分かる。
ただし、c0を小さくすると、前述したように滴体積q
が減少するのでので、滴体積の確保、及び振動系Bの振
幅減少の双方を両立させるために、c0>c1とする必要
がある。
c1は、圧力室の体積W1に比例する。ただし、κはイン
クの体積弾性率[Pa]、αは補正係数(0<α<1)
である。
ェット記録ヘッドでは、圧力室の底面積の下限は約9×
10-8m2であり、圧力室高さの下限は、インクの流動
性を確保するために50μm程度にされる。そのため、
圧力室の音響容量c1は、2×10-20m5/N以上の値
となる。従って、振動系Bの振動振幅を小さく抑制する
には、c0≧2×10-20m5/Nと設定する必要があ
る。すなわち、振動系Bの影響を防止し、安定したメニ
スカス振動を得るという観点からも、 c0≧2×10-20[m5/N] は重要な条件となる。
低減するためには、TB≪Tcとすること(条件2)も重
要である。すなわち、振動系Bの固有周期TBをTcに比
べて十分小さく設定できれば、メニスカス挙動への実質
的な影響を小さく抑えることが可能となる。振動系Bの
固有周期TBは式(4)で表わされることから、TBを小
さくするためには、cc及びm0を小さくする必要があ
る。
の結果から、正常なインク滴吐出を行うためには、TB
<Tc/10とすることが望ましいことが明らかになっ
た。従って、下式の条件が成立するようにm0を設定す
る必要がある。
メニスカスの異常振動が、ヘッド内に含有される第2の
振動系(振動系B)の影響によるものであることを明ら
かにし、更に、振動系Bによる悪影響を抑制できる条件
を明らかにした点も、本発明の特徴の一つである。な
お、撓み変形する圧電アクチュエータを用いたインクジ
ェット記録ヘッドにおいて上記振動系Bの存在及びその
影響について言及した開示例は、本発明者らが知る限り
存在していない。
及び「メニスカス振動の正常化(振動系Bの影響抑
制)」の観点からは、c0は大きいほど有利であること
が判った。しかしその一方で、式(3)から判るよう
に、c0を大きくすると固有周期Tcも増加してしま
う。前述したように、メニスカス制御方式によって微小
滴を吐出するためには、固有周期Tcは一定以下に抑え
る必要がある。具体的には、Tcを15μs以下に設定
する必要がある。そこで次に、固有周期Tcを小さく設
定するという観点から、c0の上限値について考える。
3/(m2+m3)の1/2乗に比例する。イナータンス
mは、次式のように管路断面積A[m2]及び管路長さ
l[m]によって決まるパラメータである。ただし、ρ
はインクの密度[kg/m3]である。
ノズルのイナータンスm3と供給路のイナータンスm2と
がほぼ等しく設定される。なぜならば、m3≫m2である
と、滴吐出後のインク補充速度であるリフィル速度は大
きくなるが、吐出効率が低下することになる(式2を参
照)。一方、m3≪m2であると、吐出効率は増加する
が、リフィル速度が低下することになる。従って、一般
的なインクジェット記録ヘッドでは、吐出効率確保とリ
フィル速度増加との両立を図るため、m2≒m3と設定さ
れる。
30μm以下、長さ20μm以上、テーパー角15°以
下としたノズル形状から考えると、m3は2×107kg
/m 4以上の値となる。従って、m2・m3/(m2+
m3)は約1×107kg/m4が下限値となる。
c1は約2×10-20m5/Nが下限となる。従って、式
(3)から、15μs以下の固有周期Tcを得るために
は、音響容量c0を5.5×10-19m5/N以下に設定
する必要がある。つまり、固有周期Tcについても、滴
体積qの場合と同様、いくつかの決定因子(パラメー
タ)が存在しているが、Tcを小さく設定しようとした
場合には、実質的にc0のみが支配パラメータとなる。
そして、小滴吐出に適した15μs以下の固有周期Tc
を得るためには、音響容量c0を5.5×10-19m5/
N以下に設定することが必要条件となる。
電アクチュエータを用いたインクジェット記録ヘッドで
は、滴体積q及び固有周期Tcは、振動要素の音響容量
c0によって支配され、その他のパラメータの上限/下
限値を考慮すると、c0に最適範囲が存在する。すなわ
ち、音響容量c0を次式の条件を満足するように設定す
ることにより、「大滴吐出」と「小滴吐出」とを両立さ
せることができる。 2.0×10-20≦c0≦5.5×10-19[m5/N] (10)
することにより、ヘッド内に形成される第2の振動系
(振動系B)の影響を抑制することができ、吐出安定性
及び信頼性に優れたインクジェット記録ヘッドを実現す
ることができる。更に、圧力室のアスペクト比を略1に
設定することにより、単位面積当たりのc0を最大化で
き、ノズル密度の高いインクジェット記録ヘッドを実現
することができる。
づいて本発明を更に詳細に説明する。本実施形態例で
は、c≧2.0×10-20m5/Nの条件を満たす振動要素の具体
的構成を調査、試作し、インク滴吐出実験を行った結果
として示す。図12は、本実施形態例のインクジェット
記録ヘッドを展開した状態で示す斜視図である。
ス状(行列状)に複数のノズル13が形成されたノズル
プレート29上に、インクプールプレート38と、イン
ク供給プレート39と、複数の圧力室14が形成された
圧力室プレート40と、圧力室14の壁面の一部を成す
振動板41とがこの順に接合されている。振動板41に
は、各圧力室14に対向するように複数の圧電アクチュ
エータ16が接合されている。
態で示す平面図である。本実施形態例のノズル配置は、
8行×8列のマトリクス状の配列とされている。行方向
でのノズルピッチは、解像度600dpiに対応する42.3μm
である。従って、行ピッチは、42.3μm×8列=338μmで
あり、圧力室14の行方向での幅は、そのピッチに収ま
る328μmとされる。
4の列方向での幅はそのピッチに収まる328μmとされ
る。つまり、圧力室14の平面形状は正方形である。振
動要素の平面形状も、圧力室14の平面形状と同一であ
り、その平面積は0.108mm2と、従来の構造よりも大幅に
面積が小さくされている。振動要素の平面寸法が決まる
と、音響容量を決める構造パラメータは、その構成部材
である振動板41と圧電アクチュエータ16の材質と厚
さのみである。ここでは、振動板41の材質をステンレ
ス鋼(SUS304)、圧電アクチュエータ16の材質をチタ
ン酸ジルコン酸鉛系セラミクスに決めた。従って、残る
構造パラメータは、これら二つの部材の厚さである。
さと音響容量c0との関係を調査した。音響容量c0の算
出には有限要素解析を用い、構造モデル化した振動要素
に均一圧力pを印加した際の排除体積ΔVを計算し、 c0=ΔV/p とした。
に示す。グラフでは、横軸に振動板41の厚さを、縦軸
に圧電アクチュエータ16の厚さをとり、それらの組み
合わせに対する音響容量c0を解析調査し、 c0≧2.0×10-20[m5/N] の条件を満たす組み合わせの領域を塗り潰して表した。
その領域内のどの厚さ組み合わせでも、振動要素の排除
体積は15pl以上を得ることができる。従って、これを用
いたインクジェット記録ヘッドでは15pl以上のインク滴
を吐出することができる。
振動板41の厚さを5μm、圧電アクチュエータ16の
厚さを10μmにした試作を行い、更に、インク流路と
組み合わせてインク滴吐出実験を行った。その具体例を
以下に示す。
ルプレート38、供給路プレート39、圧力室プレート
40、及び振動板41は、その外形寸法が全て同一であ
り、ヘッド走査方向での幅が4mm、ヘッド走査方向と直
交する方向での幅が4mmとされている。また、材質も全
てステンレス鋼(SUS304)とされている。
あり、上述のレイアウトに従い、直径25μmのマトリ
クス状のノズル13がプレス加工で貫通・形成されてい
る。インクプールプレート38の厚さは200μmであり、
ノズル13に連通する直径28μmの連通孔38aがプ
レス加工で形成され、インクプール38bがエッチング
加工で形成されている。
あり、プレス加工によって、ノズル13に連通する直径
28μmの連通孔39aと、インクプール38bに連通
する直径25μmのインク供給路39bとが形成されて
いる。圧力室プレート40は、厚さが80μmであり、
上述の平面形状に従い、エッチング加工で、複数の圧力
室14が形成されている。振動板41は、既に述べたよ
うに厚さが5μmとされ、導電性を有し、圧電アクチュ
エータ16の駆動電圧波形を印加するための共通電極と
しても機能する。以上の5種類のプレートには、相互に
位置決め接合するためのアライメントマーカ(図示せ
ず)が付与されている。
うに厚さが10μmとされる。各圧電アクチュエータ1
6は、各圧力室14に対応して振動板41上に個別に設
けられており、その平面形状は圧力室14の外形と同一
である。
膜が夫々形成されている。電気配線パターンを有するフ
レキシブルケーブル(図示せず)と、圧電アクチュエー
タ16の自由表面側の電極膜(個別電極)とは、ワイヤ
ボンディングを介して電気的に接続されている。
ヘッドの製造方法について説明する。図15は、この製
造方法を示す斜視図であり、(a)〜(d)は各工程を
段階的に示す。まず、図15(a)に示すように、円柱
状の圧電材料ブロック(図示せず)にラップ研磨加工を
施し、圧電材料プレート42を作製する。研磨加工は、
厚さが圧電アクチュエータ16の設計厚さと同じになる
ように行う。この圧電材料プレート42の両面に夫々、
スパッタリングで電極膜43を形成する。本実施形態例
では、電極膜43の電極材料として金(Au)を用いた。
時に粘着力が無くなる性質を有する粘着発泡テープ44
を介して、スパッタリング済みの圧電材料プレート42
を固定板45に仮固定する。この固定板45には、ノズ
ルプレート29、圧力室プレート40及び振動板41等
のSUSプレートとの接合位置決めを行うためのアライメ
ントマーカ(図示せず)が設けられている。
した圧電材料プレート42上に、感光性を有するフィル
ムマスク46を貼りつける。本実施形態例では、フィル
ムマスク46として、厚さ10μmのウレタン系フィル
ムマスクを使用している。この後、圧電アクチュエータ
16として残す部分のみに紫外線(UV)を透過させるパ
ターンに形成した露光マスク47を別途準備する。この
フィルムマスク46は、固定板45のアライメントマー
カを基準にしてパターニングされている。
ムマスク46で被覆した圧電材料プレート42にUV露光
を行い、更に、フィルムマスク46にエッチングを行
う。エッチング液には、フィルムマスク46のUV照射さ
れた部分を除去せず、それ以外の部分を確実に除去でき
る特性を有するものを選択する。本実施形態例では、炭
酸ナトリウム溶液を用いた。
タ16として残したい部分のみにフィルムマスク46を
被覆し、それ以外の部分からはフィルムマスク46を除
去する。続いて、この構造に対してサンドブラスト加工
を行う。このサンドブラスト加工は、フィルムマスク4
6が除去されて露出した部分の圧電材料プレート42を
確実に研削除去し、フィルムマスク46が残った部分を
研削しないような条件下で行う。
存したフィルムマスク46を除去し、洗浄する。以上の
工程によって、図15(d)に示すように、両面に電極
膜31を備え、小片化された圧電アクチュエータ16を
固定板45上に粘着発泡テープ44で貼りつけた構造の
圧電材料を得ることができる。
つける工程を行う。まず、図15(d)に示す圧電材料
の表面に、接着剤(図示せず)を塗布する。本実施形態
例では、振動板41を共通電極として兼用するので、塗
布する接着剤には導電性を有する接着剤を用いる。これ
を塗布した後に、振動板41と固定板45とのアライメ
ントマーカを位置決め基準として、圧電材料と振動板4
1とを重ね合わせ、1平方センチメートルあたり2kgの
加圧を行い、200℃の温度下で熱硬化性の接着剤を硬化
させ、双方を接合する。なお、この加熱時に圧電材料と
固定板45とを仮固定するために用いた粘着発泡テープ
44は、熱で粘着力を失うので、容易に剥離される。
としその上に小片化された圧電アクチュエータ16を備
え、各圧電アクチュエータ16上に個別電極が設けられ
たユニットが得られる。このユニットを、別途位置決め
接着・接合しておいた振動板41以外のノズルプレート
29、インクプールプレート38、供給路プレート39
及び圧力室プレート40の接合品であるプレートユニッ
トと接着・接合する。これにより、インクジェット記録
ヘッドを得ることができる。
電圧波形を印加するための電気接続を行う。本実施形態
例では、インクジェット記録ヘッドの外周にFPCケーブ
ル(図示せず)を貼り付け、その電極端子と各圧電アク
チュエータ16の個別電極とをワイヤボンディングで接
続した。
る。つまり、上述のように試作したインクジェット記録
ヘッドに対し、図12に示すインクプール38bからイ
ンク供給路39bを経由して各圧力室14にインクを充
填する。引き続き、各圧電アクチュエータ16の個別電
極と振動板41(共通電極)との間に駆動電圧を印加す
ると、振動板41と圧電アクチュエータ16とから成る
振動要素が撓み変形して、圧力室14内に充填されたイ
ンクを圧縮することにより、対応するノズル13からイ
ンク滴が吐出する。
インク滴の吐出実験を行った。図16は、この実験で用
いた駆動電圧波形を示すグラフである。グラフでは、縦
軸に電圧[V]を、横軸に時間[μs]をとっている。
要素に個別に入力する。その結果、各ノズル13から20
plのインク滴が安定して吐出することを確認した。更
に、同時に駆動する振動要素の数を変化させて同様の実
験を行った。その結果、駆動する個数に拘わらず、同じ
滴量のインク滴を安定して吐出できることを確認した。
また、駆動する場所による吐出特性(吐出滴体積、吐出
滴速度、吐出方向)の差異も確認されなかった。
では、振動要素の音響容量c0は、有限要素法による構
造解析及び実測評価により3.2×10-20m5/Nと求
められた。すなわち、本実施形態例のインクジェット記
録ヘッドは、 c0≧2.0×10-20[m5/N] の条件を満たしている。
せば、15pl以上の大滴吐出が可能となることが、本実施
形態例の実験結果よって確認された。
展開した斜視図である。このインクジェット記録ヘッド
では、インク流路は、ノズルプレート1、共通流路プレ
ート2、供給路プレート4、圧力室プレート5、及び振
動板6の合計5枚のプレートを接着剤によって積層接合
することにより形成されている。
17では5本のみ表示)の分岐流路8とによって構成さ
れている。主流路7は、供給口9を介してインクタンク
(図示せず)に連通しており、各分岐流路にインクを供
給する機能を有する。各分岐流路8には夫々、10個ず
つの圧力室14が連結されている(図17では5個のみ
表示)。つまり、本実施形態例のインクジェット記録ヘ
ッドは、260個のイジェクタを有するマトリクス状配
列ヘッドとして構成されている。
である。圧力室12は、インク供給孔11を介して分岐
流路8に連結されており、圧力室12内にインクが充填
される。各圧力室12には、インク滴を吐出するための
ノズル10が連結されている。また、圧力室12の底面
には振動板6が設けられており、振動板6には圧電アク
チュエータ27が取り付けられている。この圧電アクチ
ュエータ27に駆動電圧波形を印加すると、圧電アクチ
ュエータ27が撓み変形し、圧力室12を膨張又は圧縮
させる。圧力室12に体積変化が生じると、圧力室12
内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってノズ
ル部のインクが運動し、ノズル10から外部へ排出され
てインク滴が形成される。なお、24は連通路を示す。
さ25μmのポリイミドフィルムを用い、エキシマレー
ザ加工によって、開口径25μmのノズル10を形成し
た。本実施形態例のように、ノズルを形成する部材(ノ
ズルプレート1)に樹脂フィルムを用いると、ノズルプ
レート1を分岐流路8のエアダンパとして機能させるこ
とができ、多ノズル同時吐出時の吐出安定性を向上させ
ることができる。すなわち、図18に示したようなヘッ
ド構造において、ノズル10が形成されるノズルプレー
トを樹脂フィルムで形成すると、分岐流路8の壁面の一
部(上面)も樹脂フィルムとなる。分岐流路の壁面を剛
性の低い樹脂フィルムで構成すると、分岐流路の音響容
量が大幅に増加し、分岐流路を介した音響波の伝播(ク
ロストーク)等の発生を防止することができ、多ノズル
同時吐出時の吐出安定性を向上させることができる。な
お、分岐流路に十分な音響容量を確保し、且つノズル部
にノズルとしての機能(吐出方向性向上、気泡巻き込み
防止など)を付与するためには、樹脂フィルムの厚さは
20〜70μmの範囲内であることが好適である。但
し、この好適範囲以外であっても、同様の作用効果を不
十分ながら得ることは可能である。供給路プレート4に
は、厚さ75μmのステンレス板を用い、プレスによっ
て開口径26μmのインク供給孔11を形成した。
には、厚さ100μmのステンレス板を用い、ウェット
エッチングによって流路パターンを形成した。圧力室1
2は、一辺の長さが500μm、アスペクト比1の四角
形とし、圧力室12の角部には、図19(a)に示すよ
うに、インク流れの淀みを防止するためにR形状を付与
した。振動板6には、厚さ10μmのステンレス板(E
v=197GPa)を用いた。図19(a)におけるP
xは主走査方向428(図42参照)のノズルピッチ、
Pyは副走査方向429のノズルピッチを夫々示してい
る。
電アクチュエータ27の形状を示した図である。圧電ア
クチュエータ27には厚さ30μmの単板状圧電セラミ
クス(チタン酸ジルコン酸鉛系セラミクス)(Ep=2
00GPa)を用いた。圧電アクチュエータの幅Wpは
圧力室幅Wとほぼ等しい490μmとし、加工にはサン
ドブラスト加工法を用いた。なお、37は電極パッド
部、38は駆動部を夫々示す。
結果、本実施形態例のインクジェット記録ヘッドでは、
振動要素の音響容量c0は3.2×10-20m5/N、イ
ナータンスm0は1.3×106kg/m4と求められ
た。また、圧力室12の音響容量は2.0×10-20m5
/Nであった(cc=1.2×10-20m5/N)。つま
り、本実施形態例のインクジェット記録ヘッドは、式
(8)及び式(10)の条件を満たしている。
圧波形を示す。図40(c)に示す大滴用駆動電圧波形
は、比較的緩やかな立ち上げ時間で圧力室を圧縮するた
めの第1電圧変化プロセス402”、及び、一定期間電
圧を保持した後に印加電圧を基準電圧(オフセット電圧
Vb)に戻すための第2電圧変化プロセス404”によっ
て構成されている。この駆動電圧波形が圧電アクチュエ
ータに印加されると、第1電圧変化プロセス402”が
印加されたタイミングで圧力室内に大きな圧力が発生
し、ノズル内のインクが記録紙に向けて噴射される。区
間t3”=5μs、区間t4”=10μs、区間t7”=
15μs、電圧変化量V2”=30V、バイアス電圧Vb
=20Vに夫々設定した。
波形は、吐出直前に圧力室を膨張させるための第1電圧
変化プロセス401、圧力室を急激な速度で圧縮するた
めの第2電圧変化プロセス402、圧力室を急激な速度
で膨張させるための第3電圧変化プロセス403、及び
印加電圧を基準電圧に戻すための第4電圧変化プロセス
404によって構成されている。この駆動電圧波形が圧
電アクチュエータに印加されると、第1電圧変化プロセ
ス401によってノズル開口部のメニスカスが一旦圧力
発生室側に引き込まれ、凹形状のメニスカスを形成す
る。
えられると、ノズル中央部に細い液柱が形成され、更に
第3電圧変化プロセス403によって液柱が早期に分断
されることにより、ノズル径よりも小さなインク滴が吐
出される。すなわち、本駆動電圧波形はメニスカス制御
方式によって微小滴を吐出するための駆動波形である。
区間t1=2μs、区間t2=2μs、区間t3=2μ
s、区間t4=0.5μs、区間t5=2μs、区間t6
=5μs、区間t7=15μs、電圧変化量V1=15
V、電圧変化量V2=12V、電圧変化量V3=17V、
バイアス電圧Vb=20Vに夫々設定した。
は、小滴と同様にメニスカス制御を利用したもので、吐
出直前に圧力室を膨張させるための第1電圧変化プロセ
ス401’、圧力室を急激な速度で圧縮するための第2
電圧変化プロセス402’、及び印加電圧を基準電圧に
戻すための第3電圧変化プロセス404’によって構成
されている。小滴用駆動電圧波形の第3電圧変化プロセ
ス403のように液柱の早期分断を行わなず、第2電圧
変化プロセス402’の後に一定期間電圧を保持するた
め、小滴よりも若干大きなインク滴が吐出される。区間
t1’=2μs、区間t2’=2μs、区間t3’=2μ
s、区間t4’=10μs、区間t7=15μs、電圧変
化量V1’=15V、電圧変化量V2’=20V、バイア
ス電圧Vb=20Vに夫々設定した。
のインクジェット記録ヘッドの駆動方法を示す一例であ
り、その他の形状の駆動波形を用いることも可能であ
る。すなわち、大滴吐出用の波形としては、圧力室の体
積を収縮させる方向に電圧を印加してインク滴を吐出さ
せる第1電圧変化プロセスと、前記圧力室の体積を膨張
させる方向に電圧を印加する第2電圧変化プロセスとを
少なくとも含めば、図40(c)と異なる形状の駆動波
形を用いてもかまわない。
直前に、メニスカスをノズル内部に僅かに引き込むため
の電圧変化プロセスを加えたり、第2電圧変化プロセス
404”の後に別の電圧変化プロセスを加えてもかまわ
ない。同様に、小滴吐出用の波形としては、前記圧力室
の体積を膨張させる方向に電圧を印加する第1電圧変化
プロセスと、前記圧力室の体積を圧縮する方向に電圧を
印加する第2電圧変化プロセスとを少なくとも含めば、
図40(a)と異なる形状の駆動波形を用いてもかまわ
ない。例えば、第3電圧変化プロセス403及び第4電
圧変化プロセス404を有しない駆動波形としたり、第
1電圧変化プロセス401の直前に、メニスカスの初期
状態を制御するための別の電圧変化プロセスを加えたり
してもかまわない。
の基本構成を示した図である。滴径変調方式による画像
記録を実行する際には、各圧力室に対応した圧電アクチ
ュエータに、図40に示した駆動電圧波形を各圧力室毎
に切り替えながら印加し、吐出させるインク滴の滴径を
変化させる。本実施形態例では、図40(a)〜(c)
に示した3種の駆動電圧波形を発生させるために3種類
の波形発生回路411、411’、411”を備えてお
り、各波形は増幅回路412、412’、412”によ
って増幅される。記録時には、画像データに基づいて、
圧電アクチュエータ414、414’、 414”に印
加される駆動電圧波形がスイッチング回路413、41
3’、 413”によって切り替えられ、所望滴径のイ
ンク滴が吐出される。
記録ヘッドを用いてインク滴の吐出実験を行った。図4
0(c)に示した駆動波形(V1”=30V)を圧電ア
クチュエータ27に印加した結果、各ノズル10から滴
体積20plのインク滴が安定して吐出されることが確
認された。すなわち、音響容量c0≧2.0×10-20 m
5/Nの条件を満たす圧電アクチュエータ27を用いる
ことによって、15plを超える大滴の吐出が可能とな
ることが実験的に確認できた。また、リフィル時間も約
40μsと短かく、18kHzの高速駆動が可能であっ
た。
を用いて記録紙上に画像記録を行った結果、600dp
iの低い記録解像度でも、十分な画像濃度(OD値1.
3)を得ることができた。すなわち、本実施形態例のイ
ンクジェット記録ヘッドでは、滴体積20plの大滴吐
出が可能であることから、600dpiという低い記録
解像度でも十分な画像濃度を得ることができ、高速記録
に極めて有利なインクジェット記録ヘッドであると言え
る。なお、駆動波形の印加電圧をV1”=40Vに増加
させた場合には、27plの滴体積が得られ、300d
piの記録解像度でも十分な画像濃度(OD値1.2)
を得ることができた。
記録ヘッドのメニスカス振動をレーザードップラー計に
よって観測した結果である。圧力波の固有周期Tcは
9.5μsと小さく抑えられていることが確認された。
すなわち、音響容量c0≦5.5×10-19m5/Nの条件を満た
す振動要素を用いることによって、微小滴吐出に適した
15μs以下の固有周期Tcを得ることができた。
るように、本実施形態例のインクジェット記録ヘッドで
は、メニスカス振動に細かい振動が重畳せず、極めて良
好なメニスカス振動を得ることができた。これは、本実
施形態例のインクジェット記録ヘッドが、式(8)及び
c0>c1の条件を満たしており、前述した振動系Bの振
幅を小さく抑えられているためである。メニスカスにこ
のような安定した振動が得られているため、本実施形態
例のインクジェット記録ヘッドでは極めて高い吐出安定
性を得ることができた。
吐出を行ったところ、滴体積2plの微小インク滴を安
定に吐出できることが確認された。すなわち、本実施形
態例のインクジェット記録ヘッドでは、固有周期が9.
5μsと短く、また、メニスカスの異常振動が抑制され
ているため、メニスカス制御方式による微小滴吐出を良
好に実行することができた。つまり、本実施形態例のイ
ンクジェット記録ヘッドでは「大滴吐出」と「小滴吐
出」との両立が可能であり、図40に示した駆動電圧波
形を画像パターンに応じて切り替えながら各圧電アクチ
ュエータに印加することにより、2〜20plの広い滴
径範囲で滴径変調記録を実行することができた。
tp、振動板の厚さtv、及び圧力室幅Wを変化させ
て、同様の特性評価を実施した。その結果、滴体積につ
いては図6の○プロットで示したように、構造解析結果
と良好に一致する結果が得られた。つまり、c0≧2.
0×10-20m5/Nの範囲では15pl以上の滴体積が
得られたが、c0<2.0×10-20m5/Nの条件では
15pl未満の滴体積しか得られず、十分な画像濃度を
得ることができなかった。なお、c0<2.0×10-20
m5/Nとなる条件は、W=500μm、tv=10μ
m、tp=45μmや、W=400μm、tv=5μm、
tp=35μmなどの組み合わせである。
には、15pl以上の滴体積は得られたが、固有周期T
cが15μs以上となり、4pl以下の小滴吐出を実行
できなくなった。c0>5.5×10-19m5/Nとなる条件は、
W=700μm、tv=10μm、tp=15μmや、W
=1000μm、tv=10μm、tp=35μmなどの
組み合わせである。
確保し、かつ15μs以下の固有周期Tcを得るための
条件として、式(10)が妥当であることが実験的に確
認できた。なお、アスペクト比が略1の圧力室を用いた
場合、振動要素の音響容量を2.0×10-20≦c0≦5.5×10
-19 m5/Nの範囲に設定するためには、圧力室幅を300
〜700μm(平面積0.09〜0.5mm2)、振動
板及び圧電アクチュエータの厚みを夫々、5〜20μm
及び15〜40μmの範囲に設定することが望ましい。
圧力室についてもヘッドの試作評価を行った。その結
果、長方形の圧力室においても、式(10)の条件を満
たせば、15pl以上の滴体積及び15μs以下の固有
周期を確保できることが確認できた。ただし、同じ滴体
積を得るのに、2〜5倍の駆動面積(圧力室の底面積)
が必要となった。
録ヘッドと同じ滴体積(20pl)を得るためには、ア
スペクト比5のインクジェット記録ヘッドでは圧力室サ
イズを300×1500μm2とする必要があった。こ
れは、本実施形態例のインクジェット記録ヘッドと比較
すると約2倍の圧力室面積であり、従って、ノズルの配
列密度が1/2に低下したことになる。つまり、長方形
形状の圧力室でも、式(10)の条件を満たせば目標と
する特性は得られるが、高いノズル密度と両立させるた
めには、圧力室のアスペクト比を略1に設定することが
最適であることが確かめられた。
ンクジェット記録ヘッドでは、振動要素の平面形状を略
正三角形、略正方形又は略正六角形とすることができる
が、これら振動要素は、相互に隣接する各2辺の接合部
分が曲線状に形成されることが望ましい。つまり、図1
9(a)に示すように、圧力室12の角部(隅)にR形
状を付与することができる。これは、圧力室内において
インクの淀み点が発生することを防止し、気泡の排出性
を向上させるためである。
は、圧力室内に発生させた圧力波によってインク滴の吐
出を行うが、圧力室内に気泡が残存していると圧力発生
効率が低下し、インク滴の体積や滴速が減少してしま
う。残存気泡が大きいと、滴吐出が不可能になる場合も
ある。そこで、通常のインクジェット記録装置では、ノ
ズルからインクを吸引することによって圧力室内の気泡
除去を行っている。しかし、圧力室のアスペクト比が1
に近く、且つ圧力室に角が存在する場合には、圧力室内
にインクの淀み点(流速が遅い部分)が発生するため、
気泡排出が困難になる。
録ヘッドでは、圧力室の角部にR形状を付与することに
より、淀み点の発生を防止し、気泡排出性を向上させ
た。実際、一定の条件(ノズルから200mmHgの圧
力で5秒間インクを吸引)でインク吸引を行った後にお
ける圧力室内の気泡残存率を調べた結果、R形状(曲線
形状)を付加した本実施形態例のインクジェット記録ヘ
ッドでは気泡残存率が0であったのに対し、R形状を付
与しない場合には15%の圧力室で気泡残存が確認され
た。
では、多数の圧力室及び圧電アクチュエータがマトリク
ス状に高密度配列されているため、夫々の圧電アクチュ
エータに電気接続を行うことが極めて困難となる。すな
わち、図35に示すように、圧力室が1次元的に配列さ
れている場合や、第1実施形態例のように2次元配列で
も圧力室の数が少ない場合には、従来の電気接続方法
(ワイヤボンディング等)によって容易に電気接続を行
うことが可能であるが、本実施形態例のように多数の圧
力室を2次元的に高密度配列した場合には、従来の電気
接続方法を適用することは不可能である。
23に示すような電気接続方法を用いた。すなわち、圧
電アクチュエータに電極パッド部37(図19(b)参
照)を設け、図22に示すように、この電極パッド部と
配線基板(FPC基板)311とを半田バンプを介して
電気接続することにより、各圧電アクチュエータに電圧
を印加した。以下、本実施形態例の電気接続方法につい
て更に詳しく説明する。
/後の斜視図、図23(a)及び(b)は夫々、図22
(a)のA−A線に沿った断面図、及び図22(b)の
B−B線に沿った断面図である。マトリクス状に配列さ
れた圧電アクチュエータ312の対向する2面には、共
通信号用電極321と個別信号用電極322とが夫々形
成されており、共通信号用電極321は、導電性の振動
板313と電気的及び機械的に接合されている。共通信
号用電極321はCr(0.2μm)とAu(0.2μ
m)との二層構造、個別信号用電極322はCr(0.
2μm)とNi(0.6μm)とAu(0.2μm)と
の三層構造とした。
レキシブルプリント配線基板(FPC基板)311は、
樹脂材からなるベースフィルム323、金属導体からな
る配線パターン324、カバーレイヤ325の三層から
構成されている。また、圧電アクチュエータの電極パッ
ド部326と対応する位置には個別信号用電極327が
形成されており、この電極327上には、導電性のコア
材328及び導電性の接合材329で構成される半球状
のバンプ330が形成されている。本実施形態例では、
コア材328としてCuを用い、コア材328の表面
に、電解メッキ法により接合材としてハンダを形成して
バンプを作製した。本実施形態例では、バンプの径をφ
150μm 、高さを60μmに設定した。
アクチュエータ312を相互に対向させ、電極パッド部
とバンプとの位置が一致するようにアライメントを取っ
た状態で加圧・加熱を行い、接合材を電極パッド上で溶
融・流動させることにより、電極パッドとバンプ330
を電気的及び機械的に接合する。振動板313及びFP
C基板311上の電気接合用パッド327は制御回路
(図示せず)と電気的に接合されており、個別信号線を
介して圧電アクチュエータ312に駆動電圧が印加され
る。
では、バンプ330を半球状に形成している。これは、
電極パッド部とバンプとのコンタクト状態を確実に且つ
均一にするためである。すなわち、FPC基板311と
圧電アクチュエータ312との平行度にズレが生じた場
合でも、バンプを半球状としておくことで、電極パッド
部とバンプ330との接触状態を均一化することがで
き、安定した電気接続が可能になると同時に、電気接続
時における圧電アクチュエータ312の破壊を防止する
ことができる。
ヘッドでは、配線基板に柔軟性の高いFPC基板311
を用いているが、これも、電極パッド部とバンプ330
との間で確実なコンタクトを確保するためである。つま
り、配線基板を柔軟性の低い剛体材料で構成すると、圧
電アクチュエータが接合された流路板の反りや圧電アク
チュエータの厚さのバラツキによって、部分的に電極パ
ッド部とバンプ330との間にコンタクト不良が発生し
易い。一方、配線基板を柔軟性の高い材料で構成する
と、配線基板の変形によって上記の反りや厚さばらつき
を吸収することができ、全ての電気接続部分で均一なコ
ンタクトを確保することができる。
ると、圧電アクチュエータ312を駆動した際に、バン
プ330と配線基板311との間に発生する応力を低減
することができる。すなわち、圧電アクチュエータ31
2を駆動すると、電極パッド部も多少変位するため、電
極パッド部上のバンプ330も一緒に変位する。このと
き、配線基板に剛性の高い基板を用いていると、電極パ
ッド部、バンプ、及び配線基板の夫々の間で大きな応力
が発生し、電気接続部の破断を生じさせるなど、電気接
続部の信頼性を大きく低下させる原因となる。これに対
し、本実施形態例のように配線基板に柔軟性の高い材料
を用いれば、バンプの変位に応じて配線基板が変形でき
るため、応力の発生を抑制することができ、信頼性の高
いインクジェット記録ヘッドを実現することが可能とな
る。
ヘッドでは、バンプ440の内部にコア材328を挿入
している。これにより、電気接続後において圧電アクチ
ュエータ312とFPC基板311との間に間隙を形成
することが可能になるので、圧電アクチュエータ312
がFPC基板に拘束されることなく自由に撓み変形する
ことが可能となる。つまり、圧電アクチュエータ312
と配線基板311との接触に起因する圧電アクチュエー
タ312の特性不良を防止することができ、信頼性の高
いインクジェット記録ヘッドを実現することが可能とな
る。また、圧電アクチュエータ312とFPC基板31
1との間に間隙が存在すると、圧電アクチュエータ31
2の駆動によって発生した熱を自然空冷又は強制空冷す
ることが可能となり、温度上昇による圧電アクチュエー
タ特性の変化を抑制することも可能となる。
より、2次元的に高密度配列された圧電アクチュエータ
312に対しても確実な電気接続を可能とすることがで
きる。すなわち、配線基板311は圧電アクチュエータ
312の上方に配置されるため、信号線を配置するスペ
ースを最大限に確保することができ、結果的にノズルの
配列密度を高く設定することが可能となる。
圧電アクチュエータ312を10×10でマトリクス状
に配列する場合、FPC基板311上に50μmピッチ
の配線パターンを形成することは容易であるため、57
5μmピッチまで圧電アクチュエータ312の配列ピッ
チを小さく設定することができる。これは、図24
(a)及び(b)に示すようなマトリクス状配列ヘッド
における従来の電気接続方法では実現できない数値であ
る。
アクチュエータ331と同一平面に個別信号線335を
形成するような従来の電気接続技術では、スクリーン印
刷による最小配線ピッチが一般的に0.3mm程度であ
るため、圧電アクチュエータ331の配列ピッチは約
3.6mmが下限となる。つまり、本実施形態例のよう
な電気接続方法は、マトリクス状配列ヘッドにおけるノ
ズル密度を向上させる上で極めて有効な方法と言える。
図中の333、336は夫々、配線基板を示している。
図である。本実施形態例のインクジェット記録ヘッド
は、基本構造は第1実施形態例とほぼ同じであるが、圧
電アクチュエータ241の幅Wpを圧力室242の幅W
よりも小さく設定している点に特徴を有する。すなわ
ち、圧電アクチュエータ241の幅Wpを圧力室幅Wよ
りも小さく設定することにより、圧電アクチュエータを
振動板上に接合する際に位置ずれが発生しても、振動要
素の音響容量c0が大きく変動するのを防ぐことがで
き、滴体積及び固有周期の変化を最小に抑えることが可
能となる。
ータ241の駆動部243(実際に撓み変形する部分)
の中心位置ずれをδ[μm]としたときに、圧電アクチ
ュエータ241の幅Wpによって音響容量c0にどれだけ
の変化が発生するかを調べた結果である。この結果よ
り、Wpを以下の条件(式(11))を満足するように設定
すれば、滴体積の変化を小さく抑制できることが明らか
になった。 Wp≦(W−2δ) 又は Wp≧(W+2δ) (11)
ずれに対するロバスト性(鈍感さ)が向上する理由は、
圧電アクチュエータ端部の支持条件が常に一定となるた
めである。すなわち、図25(a)のように、Wp≦
(W−2δ)の条件を満たすように圧電アクチュエータ
幅を圧力室幅よりも小さく設定すれば、±δの位置ずれ
が発生しても圧電アクチュエータの駆動部243が圧力
室242の隔壁上に重なることはない。そのため、駆動
部243の端部は常に回転支持条件として保たれるた
め、位置ずれが発生しても圧電アクチュエータの変形の
しやすさが大きく変化することがなく、音響容量c0は
ほぼ一定の値となる。
+2δ)の条件を満たすように圧電アクチュエータ幅を
圧力室幅よりも大きく設定すれば、位置ずれが発生して
も駆動部243が圧力室242の隔壁上に常に重なって
いるため、駆動部端部は常に固定支持条件として保た
れ、位置ずれが発生しても音響容量c0が大きく変化す
ることはない。
部端部の支持条件が一定に保たれるように、圧電アクチ
ュエータ241の幅Wpを式(11)の条件を満足する
ように設定すれば、位置ずれによる音響容量c0の変動
を最小限に抑えることができ、位置ずれに対するロバス
ト性を向上させることが可能となる。
端部を固定支持条件とすると、圧電アクチュエータの変
形が端部によって拘束されるため、回転支持条件の場合
と比較するとc0が大幅に減少する。また、Wp≦(W−
2δ)の場合にも、Wpが小さすぎると吐出効率が低下
してしまう(実質的な駆動面積が低下してしまうた
め)。
調べた結果である(δ=20μm)。この結果から、位
置ずれに対するロバスト性を確保し、且つ高い吐出効率
を得るためには、以下の条件式を満足する必要があるこ
とが判った。 0.9(W−2δ)≦Wp≦(W−2δ) (12)
接合時に発生する最大位置ずれ量δが20μmであった
ため、Wpを460μmに設定した(圧力室幅Wは50
0μm)。すなわち、±20μmの位置ずれが発生して
も、吐出効率に大きな影響が発生しないように設定し
た。
率(インク滴体積)のばらつきを調べた結果、δ=20
μmの位置ずれが発生したヘッド間においても、吐出効
率の差が5%以下に収まることが確認された。また、位
置ずれを故意に30μm以上に増加させて評価を行った
ところ、吐出効率に10%以上の差が発生することが確
認された。つまり、式(12)の条件を満足することに
よって、位置ずれに対するロバスト性を向上できること
が確認できた。
は、圧電アクチュエータの接合時のアライメント方法に
依存するが、アライメントマークを基準とした一般的な
アライメント方法を用いた場合、±10〜±30μm程
度となる。従って、駆動部の幅Wpは、圧力室幅Wより
も±10〜±30μm程度小さく設定することが最適で
ある。
が500μmであるのに対し、Wpを540μmに設定
した圧電アクチュエータについても評価を行った。この
場合には、±20μmの位置ずれが発生しても、駆動部
の境界条件が常に固定端となるため、音響容量c0の変
動を抑制することができる。実際に、位置ずれによる滴
体積の変化を調べた結果、吐出効率の差が5%以下と小
さいことが確認された。ただし、駆動部の境界条件が固
定端のため、図25(a)の構造に比べると吐出効率が
1/5以下であり、大滴吐出には不利な構造であると言
える。
では、振動要素の音響容量c0は3.5×10-20m5/
N、イナータンスm0は1.0×106kg/m4と求め
られた。つまり、本実施形態例のインクジェット記録ヘ
ッドも式(8)及び式(10)の条件を満足しており、
その結果、滴体積19pl(V1=30V)、固有周期
9.8μsを得ることができた。
る。本実施形態例のインクジェット記録ヘッドは、基本
構造は第3実施形態例とほぼ同様であるが、圧電アクチ
ュエータの形状を、駆動部273、電極パッド部27
4、及びブリッジ部275から構成している点に特徴が
ある。
貫通穴278の形成により駆動部273と電極パッド部
274とに分離され、駆動部273の変位の小さい部分
でブリッジ部275を介して接続されている。これによ
り、圧電アクチュエータ271の電極パッド部274に
よる変位拘束が低減されるので、吐出効率の高いインク
ジェット記録ヘッドを実現することができる。
アスペクト比が1に近い圧力室272に撓み変形する圧
電アクチュエータ271を取り付けた場合、振動要素は
球面に近い形状に変形する。そのため、振動部の中心か
ら離れた部分ほど変位量が小さくなる。圧電アクチュエ
ータ271が多角形(四角形、六角形など)の場合、中
心から離れた部分とは振動部273の角の領域となる。
従って、本実施形態例のように、振動部273の角部に
ブリッジ部275を連結することにより、圧電アクチュ
エータ271の変位拘束を最小化しながら駆動部273
への電圧印加(電気接続)を可能にすることができる。
録ヘッドを吐出評価した結果、図25の構造に比べ、吐
出効率を20%増加することができた。すなわち、V1
=30Vで23plの滴体積を得ることができた。な
お、本実施形態例のインクジェット記録ヘッドでは、振
動要素の音響容量c0は3.7×10-20m5/N、イナ
ータンスm0は1.0×106kg/m4であり、本実施
形態例のインクジェット記録ヘッドも式(8)及び式
(10)の条件を満足している。
との関係を、構造解析及び実際の吐出評価によって調べ
た結果である。ブリッジ部の幅が小さいほど変位拘束力
が小さくなり、吐出効率が増加する傾向が見て取れる。
ただし、ブリッジ部の幅を過小とすると、製造時又は使
用時においてブリッジ部にクラックが発生し、正常なイ
ンク滴吐出を実行できなくなる恐れがある。従って、ブ
リッジ部の幅Wbは駆動部の幅Wpに対して1/2以
下、1/4以上に設定することが望ましい。
8のような形状に限定されるものではなく、図30
(a)〜(d)に示すように、種々の形状を適用するこ
とが可能である。つまり、ブリッジ部275が駆動部2
73の中心から離れた部分に連結されていれば、ブリッ
ジ部275や電極パッド部274の形状はいかなる形状
であってもよく、また、ブリッジ部275の個数も1本
又は複数であってもよい。
ュエータ271の駆動部273と電極パッド部274と
を分離することは、圧電アクチュエータ271の電気接
続を行う上でも有利である。すなわち、図25に示した
ような圧電アクチュエータ241の形状では、駆動部2
43と電極パッド部244が分離されていないため、図
22及び図23に示したFPC基板を使用した電気接続
方法を用いた際に、図23(a)、(b)に示す接合材
329が駆動部領域に流入し、接合材が圧電アクチュエ
ータの変形を拘束する恐れがある。特に、圧力室242
を高密度配列した場合には、駆動部と電極パッド部の距
離が短くなるため、そうした接合材流入の問題が発生し
やすくなる。
極パッド部を分離した形状にすると、駆動部への接合材
流入を有効に抑制することができるため、信頼性の高い
インクジェット記録ヘッドを実現することが可能とな
る。
71の形状が、図28及び図30に示すような複雑な形
状となる。そこで、本実施形態例では、圧電アクチュエ
ータの加工にサンドブラスト加工を用いた。これによ
り、複雑な形状の圧電アクチュエータを簡易的かつ短時
間で精密に加工を行い、低コストで高密度のインクジェ
ットを製造することが可能となる。
では、図28に示すように、隣り合う圧電アクチュエー
タ271の間にダミーパターン277を配設した。これ
は、サンドブラスト加工時に発生するサイドエッチング
の影響を防止し、圧電アクチュエータ271に高い寸法
均一性を確保するためのものである。
ンドブラスト加工すると、圧電アクチュエータ271の
厚さ方向に対する加工(エッチング)の進行と並行し
て、圧電アクチュエータ271の幅方向へも加工が進行
する(以下、サイドエッチングと呼ぶ)。このサイドエ
ッチングは、サンドブラスト加工を行う際に、ブラスト
粒子が圧電プレートの側面に対しても衝突するために発
生する。そして、このサイドエッチングの加工速度(加
工レート)は、圧電プレートに形成する加工溝の幅に依
存している。つまり、圧電アクチュエータ271の脇に
形成される加工溝の幅が大きいと、サイドエッチングが
速い速度で進行しやすく、逆に加工溝の幅が小さいとサ
イドエッチングは発生し難くなる。
が加工溝幅によって変化するため、個々の圧電アクチュ
エータ271を取り囲む加工溝幅が一定でなければ、サ
イドエッチングの進行速度にバラツキが生じ、その結
果、圧電アクチュエータ271のサイズが不揃いとなっ
てしまう。圧電アクチュエータ271のサイズは、吐出
特性に大きく影響を及ぼすため、上記のような不均一な
サイドエッチングは防止する必要がある。
録ヘッドでは、相互に隣接する圧電アクチュエータ27
1の間にもダミーパターン277を形成し、各圧電アク
チュエータ271を取り囲む加工溝279の幅がほぼ一
定(約80μm)になるようにした。この構成により、
全ての圧電アクチュエータ271を同じ条件で加工する
ことができ、寸法均一性の高い圧電アクチュエータ27
1を実現することができた。具体的には、圧電アクチュ
エータ271の幅Wpの精度を±5μm以下に抑えるこ
とができた。ダミーパターン277を設けないでサンド
ブラスト加工した場合には、圧電アクチュエータ277
の幅Wpには±20μm以上のばらつきが発生したこと
と比較すると、ダミーパターン277を設けることの効
果は非常に高いと言える。
うに、複数の圧電アクチュエータ231が配列された領
域の外周部にもダミーパターン232を配設した。すな
わち、多数の圧電アクチュエータ231が配列された領
域の外周部に位置した圧電アクチュエータ231では、
サイドエッチングが著しく発生するため、圧電アクチュ
エータとしての寸法精度が特に得にくい。そのため、配
列された圧電アクチュエータ群を取り囲むようにダミー
パーン232を配設することにより、外周部に位置した
圧電アクチュエータ231においても高い寸法均一性を
確保することが可能となる。なお、本実施形態例のイン
クジェット記録ヘッドでは、外周部のダミーパターン2
32を図31のように一体構造としたが、細分化された
ダミーパターンを並べる形態としてもかまわない。
施形態例のインクジェット記録ヘッドでは、ヘッド内の
260個のイジェクタにおいて、吐出特性(滴体積、滴
速)のばらつきを±5%以下に抑えることが可能になっ
た。また、複数の記録ヘッド間で特性比較をした結果、
記録ヘッド間での特性バラツキも±6%以下に収まるこ
とが確認され、ダミーパターン232を用いた上記圧電
アクチュエータ構造が、ヘッド特性の均一化に極めて有
効であることが実証された。
形態例を示す図である。本実施形態例のインクジェット
記録装置420は、インクジェット記録ヘッドを搭載す
るキャリッジ421、矢印428で示す主走査方向にキ
ャリッジ421を走査するための主走査機構422、及
び、記録媒体としての記録用紙424を、矢印429で
示す副走査方向に搬送するための副走査機構423を含
み構成されている。
成された面が記録用紙424と対向するようにキャリッ
ジ421上に搭載され、主走査方向428に搬送されな
がら記録用紙424に対してインク滴を吐出することに
より、一定のバンド領域427に対して記録を行う。次
いで、記録用紙424を副走査方向429に搬送し、再
びキャリッジ421を主走査方向428に搬送しながら
次のバンド領域を記録する。こうした動作を複数回繰り
返すことにより、記録用紙424の全面にわたって画像
記録を行うことができる。
録装置を用いて画像記録を行い、記録速度及び画像品質
の評価を行った。インクジェット記録ヘッドには、上記
第4実施形態例で述べたヘッド構造のものを使用した。
イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの4色に対応さ
せて、1色あたり260個のイジェクタを有するマトリ
クス状配列ヘッドをキャリッジ421上に並べて配置
し、記録用紙424上で4色のドットを重ねあわせるこ
とにより、フルカラーの画像記録を行った。
解像度は600dpi、吐出周波数は18kHzに設定
して記録を行った結果、A4サイズ(210mm×29
7mm)の画像を約5秒の時間で印刷することができ、
極めて高い記録速度を実現できることが実証された。ま
た、小滴体積が2plと小さいため、ハイライト部でも
粒状性が低く抑えられ、画品質の極めて高い画像記録を
実現することができた。
ヘッドを用いて、同様の画像出力実験を行った。吐出可
能な大滴体積は10plが上限であったため、記録解像
度は1200dpiに設定した。小滴体積は6pl、吐
出周波数は18kHzに夫々設定した。記録速度を評価
した結果、A4サイズ(210mm×297mm)の画
像を記録するのに約85秒の時間を要した。また、小滴
体積が6plと大きいため、ハイライト部で粒状性が目
立ち、画像品質は本実施形態例と比較すると低かった。
ット記録装置では、記録ヘッドにおける振動要素の音響
容量c0がc0≧2.0×10-20m5/Nに設定されているため、低
解像度に有利な大滴吐出が可能であり、また、吐出効率
の高い正方形型の圧力室をマトリクス状に配列している
ため、ノズル数を大きく設定できる。そのため、従来の
インクジェット記録装置と比較すると、記録速度を大幅
に増加することが可能となる。また、本実施形態例のイ
ンクジェット記録装置では、記録ヘッドにおける振動要
素の音響容量c0がc0≦5.5×10-19m5/Nに設定されている
ため、メニスカス制御方式による小滴吐出を良好に実行
することができ、高い画像品質を得ることができる。す
なわち、本実施形態例のインクジェット記録装置では、
高速記録と高画質記録を両立することが可能である。
ッジ421によって搬送しながら記録を行う形態とした
が、ノズルを記録媒体の全幅にわたって配置したライン
型ヘッドを用い、ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬
送しながら記録を行うなど、別の装置形態に本発明を適
用することも可能である。
本発明は、上記実施形態例の構成に限定されるものでは
ない。例えば、上記実施形態例では、共通流路や圧力室
をステンレス板によって形成しているが、セラミックス
やガラスなど、他の材料を用いることも可能である。ま
た、ヘッドの基本構造、即ち、ノズル、供給路、共通流
路の構造や配置などは、図17及び図18に示した形態
に限定されるものではなく、他の形態を用いることも可
能である。
をすべて四角形としたが、その他の多角形(三角形、五
角形、六角形など)や略円形の形状を用いても同様の効
果が得られる。上記実施形態例は、全てマトリクス状配
列ヘッドを対象としたが、圧力室を1次元的に配列した
ヘッド構造など、他のヘッド構造に対しても本発明は同
様に適用することができる。更に、上記実施形態例で
は、圧電アクチュエータの加工方法(製造方法)にサン
ドブラスト加工を用いたが、ダイシング加工や、圧電材
料を印刷によって振動板上に形成する方法など、他の加
工法を用いることもできる。また、振動板と圧電アクチ
ュエータは一体構造として成型することもできる。
色インクを吐出して文字や画像などの記録を行うインク
ジェット記録装置を例にとったが、本明細書におけるイ
ンクジェット記録とは、記録紙上への文字や画像の記録
に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に
限定されるわけではなく、また、吐出する液体も着色イ
ンクに限定されるわけではない。例えば、高分子フィル
ムやガラス上に着色インクを吐出してディスプレイ用の
カラーフィルタを作製したり、溶融状態のハンダを基板
上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするな
ど、工業的に用いられる液滴噴射装置一般に対して、本
発明を利用することも可能である。
正方形の振動要素以外にも、平面形状に接する外接円の
径d1と内接円の径d2との比d1/d2をAとすると、 1≦A≦2 を満たすような平面形状の振動要素を用いることができ
る。つまり、正方形ではA=√2(≒1.4)であるが、正
三角形ではA=2、正六角形ではA=2/√3(≒1.2)、
及び真円ではA=1である。これらの平面形状を有する
振動要素は、その最小幅が大きく撓み易いので、その平
面積をできる限り小さくしても排除体積を維持すること
ができる。従って、ヘッドを小型・低コスト化すること
が可能となる。
は、本実施形態例で試作したものに限定されることはな
く、2.0×10-20≦音響容量c0≦5.5×10-19 m5/Nの条件
を満たす構造であれば、その他の組み合わせであっても
本発明に係る効果を得ることができる。
づいて説明したが、本発明に係るインクジェット記録ヘ
ッド及びその製造方法、インクジェット記録装置、並び
にインクジェット記録ヘッドの駆動方法は、上記実施形
態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形
態例の構成から種々の修正及び変更を施したインクジェ
ット記録ヘッド及びその製造方法、インクジェット記録
装置、並びにインクジェット記録ヘッドの駆動方法も、
本発明の範囲に含まれる。
ヘッドサイズの大型化やコストアップを回避しつつ、同
一ノズルから所要サイズの「大滴」を吐出させ、且つ
「ノズル密度増加」を実現して単位面積当たりのインク
滴吐出効率を高めることができるインクジェット記録ヘ
ッド、このようなインクジェット記録ヘッドを搭載した
インクジェット記録装置、並びに、インクジェット記録
ヘッドの製造方法及び駆動方法を得ることができる。ま
た、同一ノズルから所要サイズの「大滴」及び「小滴」
の双方を選択的に吐出させ、高速記録と高画質記録の両
立を可能とするインクジェット記録ヘッドを得ることが
できる。更に、メニスカスの異常振動を防止し、吐出安
定性の高いインクジェット記録ヘッドを実現することが
できる。
ヘッドに用いられる振動要素の音響回路図である。
る。
積と音響パラメータとの関係を示すグラフであり、
(a)は排除体積とイナータンス、(b)は排除体積と
音響容量、(c)は排除体積と音響抵抗との関係を夫々
示す。
る。
ある。
る。
ある。
ある。
c1の適正バランスを説明するための図である。
ト記録ヘッドを展開した状態で示す斜視図である。
図である。
容量との関係を示すグラフである。
の製造方法を示す斜視図であり、(a)〜(d)は各工
程を段階的に示す。
示すグラフである。
ト記録ヘッドのプレート構成を示す斜視図である。
の断面図である。
の平面形状を示す図である。
る。
カス振動を示す図である。
続方法を示す図である。
続方法を示す断面図である。
接続方法を示す図である。
ト記録ヘッドの圧電アクチュエータの平面形状を示す図
である。
ずれによるc0の変化を示す図である。
ずれによる吐出効率と滴体積ばらつきの変化を示す図で
ある。
ト記録ヘッドにおける圧電アクチュエータの平面形状を
示す図である。
係を示す図である。
ータ形状の一例を示す図である。
における圧電アクチュエータのブラスト加工パターンの
一例を示す図である。
の挙動を説明するための第2の模式図である。
係を示す図である。
を示す断面図である。
基本構造を示す図である。
ドの基本構造を示す図である。
る。
の挙動を説明するための模式図である。
常)を示す図である。
波形を示す図である。
の構成を示す図である。
施形態例を示す図である。
Claims (33)
- 【請求項1】 ノズルと、該ノズルに連通する圧力室
と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記圧
力室に対応するように前記振動板と接合された圧電アク
チュエータとを備え、前記振動板と前記圧電アクチュエ
ータとから成る振動要素が変形して前記圧力室内に充填
されたインク内に圧力波を発生させることにより、前記
ノズルからインク滴が吐出するインクジェット記録ヘッ
ドであって、 前記振動要素の音響容量が、2.0×10-20m5/N以上である
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項2】 前記振動要素の音響容量が5.5×10-19m5
/N以下に設定されることを特徴とする、請求項1記載の
インクジェット記録ヘッド。 - 【請求項3】 前記振動要素に印加される駆動電圧波形
の制御に応答して、前記ノズルから吐出するインク滴の
滴体積が多段階に変化することを特徴とする、請求項1
又は2に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項4】 前記ノズルから吐出されるインク滴の最
大滴体積が15pl以上であることを特徴とする、請求
項1乃至3の内の何れか1項に記載のインクジェット記
録ヘッド。 - 【請求項5】 前記15pl以上のインク滴の吐出時に
印加される前記駆動電圧波形が、前記圧力室の体積を収
縮させる方向に電圧を印加してインク滴を吐出させる第
1電圧変化プロセスと、前記圧力室の体積を膨張させる
方向に電圧を印加する第2電圧変化プロセスとを含むこ
とを特徴とする、請求項4に記載のインクジェット記録
ヘッド。 - 【請求項6】 前記ノズルから吐出されるインク滴の最
小滴体積が4pl以下であることを特徴とする、請求項
1乃至5の内の何れか1項に記載のインクジェット記録
ヘッド。 - 【請求項7】 前記4pl以下のインク滴の吐出時に印
加される前記駆動電圧波形が、前記圧力室の体積を膨張
させる方向に電圧を印加する第1電圧変化プロセスと、
前記圧力室の体積を圧縮する方向に電圧を印加し前記ノ
ズル内に該ノズルの開口径よりも小さな径の液柱を形成
し該液柱の先端からインク滴を分離させて微小なインク
滴の吐出を行うための第2電圧変化プロセスとを含むこ
とを特徴とする、請求項6に記載のインクジェット記録
ヘッド。 - 【請求項8】 前記圧力室及び圧電アクチュエータの各
平面形状におけるアスペクト比が夫々略1に設定される
ことを特徴とする、請求項1乃至7の内の何れか1項に
記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項9】 前記圧力室の平面寸法(平面積)が0.
09〜0.5mm2に設定され、前記振動板及び圧電ア
クチュエータの厚みが夫々、5〜20μm及び15〜4
0μmに設定されていることを特徴とする、請求項8に
記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項10】 前記振動要素の平面形状が、略正三角
形、略正方形、略正六角形又は略円形であることを特徴
とする、請求項1乃至9の内の何れか1項に記載のイン
クジェット記録ヘッド。 - 【請求項11】 前記略正三角形、略正方形又は略正六
角形の平面形状を有する振動要素は、相互に隣接する各
2辺の接合部分が曲線状に形成されていることを特徴と
する、請求項10に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項12】 前記圧力室の幅をW、前記圧力室の中
心と前記圧電アクチュエータの駆動部の中心との位置ず
れ量をδ、前記圧電アクチュエータの幅をW pとする
と、次式 Wp≦(W−2δ)又はWp≧(W+2δ) を満足することを特徴とする、請求項8乃至11の内の
何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項13】 前記圧力室の幅をW、前記圧力室の中
心と前記圧電アクチュエータの駆動部の中心との位置ず
れ量をδ、前記圧電アクチュエータの幅をW pとする
と、次式 0.9(W−2δ)≦Wp≦(W−2δ) を満足することを特徴とする、請求項8乃至11の内の
何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項14】 前記振動要素の音響容量が前記圧力室
の音響容量より大きく設定されることを特徴とする、請
求項1乃至13の内の何れか1項に記載のインクジェッ
ト記録ヘッド。 - 【請求項15】 前記圧力室内で発生する圧力波の固有
周期をTc、前記振動要素及び圧力室の合成音響容量を
cc、前記振動要素のイナータンスをm0とすると、次式 m0<2.5×10-4Tc 2/cc[kg/m4] を満足することを特徴とする、請求項1乃至14の内の
何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項16】 前記ノズルから吐出したインク滴が、
600dpi以下の記録解像度で記録媒体上に着弾する
ことを特徴とする、請求項1乃至15の内の何れか1項
に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項17】 前記圧力室内に発生する圧力波の固有
周期が15μs以下に設定されることを特徴とする、請
求項1乃至16の内の何れか1項に記載のインクジェッ
ト記録ヘッド。 - 【請求項18】 前記圧電アクチュエータが、前記圧力
室に相当する領域に配置された駆動部と、前記圧力室の
外壁に相当する領域に配置された電極パッド部と、前記
駆動部及び電極パッド部の双方を連結するブリッジ部と
を備えることを特徴とする、請求項1乃至17の内の何
れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項19】 前記ブリッジ部が、前記駆動部の中心
から離れた位置に連結されることを特徴とする、請求項
18に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項20】 前記ノズルがマトリクス状に2次元配
列されることを特徴とする、請求項1乃至19の内の何
れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項21】 前記圧力室及び振動要素がマトリクス
状に2次元配列されることを特徴とする、請求項1乃至
20の内の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッ
ド。 - 【請求項22】 前記圧電アクチュエータが複数配列さ
れた圧電アクチュエータ領域の外周部を取り囲むように
ダミーパターンが配設されることを特徴とする、請求項
21に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項23】 前記ダミーパターンが、前記圧電アク
チュエータ領域の内部における前記圧電アクチュエータ
の相互間に配設されることを特徴とする、請求項21又
は22に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項24】 前記圧電アクチュエータの周囲を取り
囲む溝を有し、該溝の幅が、全ての圧電アクチュエータ
の周囲で略同じに設定されることを特徴とする、請求項
21乃至23の内の何れか1項に記載のインクジェット
記録ヘッド。 - 【請求項25】 信号ラインが形成された配線基板を有
し、該配線基板が、マトリクス状に2次元配列された前
記圧電アクチュエータの上方を覆う位置に配置され、前
記圧電アクチュエータと配線基板とがバンプを介して電
気的に接続されることを特徴とする、請求項20乃至2
4の内の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッ
ド。 - 【請求項26】 前記バンプが、導電性のコア材と、該
コア材の外周部に被膜した接合材とによって構成される
ことを特徴とする、請求項25に記載のインクジェット
記録ヘッド。 - 【請求項27】 前記コア材が半球状に形成されること
を特徴とする、請求項26に記載のインクジェット記録
ヘッド。 - 【請求項28】 前記配線基板が樹脂基材及び金属導体
を含むことを特徴とする、請求項25乃至27の内の何
れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項29】 前記ノズルを形成する部材が樹脂フィ
ルムで構成されていることを特徴とする、請求項1乃至
28の内の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッ
ド。 - 【請求項30】 請求項1乃至29の内の何れか1項に
記載のインクジェット記録ヘッドを製造する製造方法で
あって、 前記圧電アクチュエータを、サンドブラスト加工でパタ
ーニングすることを特徴とするインクジェット記録ヘッ
ドの製造方法。 - 【請求項31】 請求項1乃至29の内の何れか1項に
記載のインクジェット記録ヘッドを備えていることを特
徴とするインクジェット記録装置。 - 【請求項32】 ノズルと、該ノズルに連通する圧力室
と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記圧
力室に対応するように前記振動板と接合された圧電アク
チュエータとを備え、前記振動板と前記圧電アクチュエ
ータとから成る振動要素が変形して前記圧力室内に充填
されたインクを圧縮することにより、前記ノズルからイ
ンク滴が吐出するインクジェット記録ヘッドを駆動する
駆動方法において、 前記振動要素の音響容量を2.0×10-20m5/N以上に設定
し、 前記振動要素に、前記圧力室の体積を収縮させる方向に
電圧を印加してインク滴を吐出させる第1電圧変化プロ
セスと、前記圧力室の体積を膨張させる方向に電圧を印
加する第2電圧変化プロセスとを含む駆動電圧波形を印
加することによって15pl以上のインク滴を吐出する
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの駆動方
法。 - 【請求項33】 ノズルと、該ノズルに連通する圧力室
と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記圧
力室に対応するように前記振動板と接合された圧電アク
チュエータとを備え、前記振動板と前記圧電アクチュエ
ータとから成る振動要素が変形して前記圧力室内に充填
されたインクを圧縮することにより、前記ノズルからイ
ンク滴が吐出するインクジェット記録ヘッドを駆動する
駆動方法において、 前記振動要素の音響容量を2.0×10-20m5/N以上且つ5.5
×10-19 m5/N以下に設定し、 前記振動要素に、前記圧力室の体積を膨張させる方向に
電圧を印加する第1電圧変化プロセスと、前記圧力室の
体積を圧縮する方向に電圧を印加し前記ノズル内に該ノ
ズルの開口径よりも小さな径の液柱を形成し該液柱の先
端からインク滴を分離させて微小なインク滴の吐出を行
うための第2電圧変化プロセスとを含む駆動電圧波形を
印加することによって4pl以下のインク滴を吐出する
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの駆動方
法。
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