JP2010089518A - 液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】より高い周波数で液滴を吐出可能な液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】本発明は、圧電振動子（１８）を、互いに積層された上層圧電体（２４）及び下層圧電体（２５）と、これらの上層圧電体（２４）及び下層圧電体（２５）の境界に形成され、駆動信号の供給源に導通される駆動電極（２３）と、上層圧電体（２４）の表面に形成される共通上電極（２６）と、下層圧電体（２５）の表面に形成される共通下電極（２７）とを備える多層構造の圧電振動子（１８）によって構成すると共に、ノズル開口（１０）及びインク供給口（５）のイナータンスを、圧力発生部（６，１３，１６）のイナータンスよりも大きく設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電振動子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、ノズル開口から液滴として吐出させる液体噴射ヘッドに関する。

圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッドとしては、例えば、記録ヘッド、液晶噴射ヘッド、色材噴射ヘッド等がある。記録ヘッドは、プリンタやプロッタ等の画像記録装置に搭載されるものであり、インク液をインク滴として吐出させる。液晶噴射ヘッドは、液晶ディスプレイを製造するディスプレイ製造装置に用いられるものである。このディスプレイ製造装置では、多数のグリッドを有するディスプレイ基体の所定グリッドに、液晶噴射ヘッドから吐出させた液滴状の液晶を注入する。色材噴射ヘッドは、カラーフィルタを製造するフィルタ製造装置に用いられるものであり、フィルタ基体の表面に色材を吐出する。

このような液体噴射ヘッドには種々の形式があるが、その一種に、振動板の表面に形成された圧電振動子をたわみ変形させることで液滴を吐出させるようにしたものがある。この液体噴射ヘッドは、例えば、圧力室と圧電振動子とを備えたアクチュエータユニットと、ノズル開口や共通液室を備えた流路ユニットとから構成される。この液体噴射ヘッドでは、振動板上の圧電振動子を変形させることで圧力室容積を変化させ、圧力室内に貯留された液体に圧力変動を生じさせる。そして、この圧力変動を利用することでノズル開口から液滴を吐出させる。例えば、圧力室の収縮によって液体を加圧し、ノズル開口から液体を押し出す。

上記の圧電振動子としては、一般に、圧電体層と、この圧電体層の一方の表面に形成され、駆動信号の供給源に導通される駆動電極と、該圧電体層の他方の表面に形成される共通電極とを備える単層構造が一般的である。この圧電振動子の大きさは圧力室の開口面積で規定されるので、液体噴射ヘッドにおいて圧電振動子の変位量は、０．１１μｍ程度が限界であった。これは、圧電振動子の変位量を上げるべく電極間の電位差を上げると、圧電振動子と振動板との接合面に応力集中が生じ、この接合面から圧電振動子が剥離してしまう問題があったからである。剥離を生じ難くするため圧電体層を厚く構成することも考えられるが、製造に時間を要し、コストアップの原因となるので現実的ではない。

ところで、この液体噴射ヘッドには液滴の高周波吐出に対する強い要請があるが、高周波吐出を実現するためには圧力室の固有振動周期Ｔｃを短くする必要がある。これは、液滴の吐出タイミングがこの固有振動周期に依存して規定されることによる。

即ち、圧力室容積の変動によって液体には固有振動周期Ｔｃの圧力振動が生じ、メニスカス（ノズル開口で露出している液体の自由表面）もこの固有振動周期Ｔｃで振動する。即ち、メニスカスは、ノズル開口内にて吐出方向と圧力室方向とに往復移動する。そして、吐出される液滴の量や飛行速度は、圧力室収縮時点でのメニスカスの状態（位置や移動方向）に依存して変化する。このため、量と飛行速度が揃った液滴を吐出させるためには、圧力室収縮時点におけるメニスカスの状態を揃える必要がある。その結果、液滴を連続的に吐出させる場合、その吐出タイミングは固有振動周期Ｔｃのｎ倍に規定されることになり、液滴の高周波吐出を実現するためには固有振動周期Ｔｃを短くすることが必須の要件となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より高周波数での液滴の吐出を実現可能な液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、共通インク室からノズル開口までのインク流路の途中に設けられた圧力発生部と、該圧力発生部の一部を区画する振動板と、前記圧力発生部とは反対側の振動板表面に設けられた圧電振動子とを備え、共通インク室と圧力発生部との間にオリフィスとして機能する液体供給口を設け、振動板の変形によって圧力発生部内の液体を液滴としてノズル開口から吐出可能に構成した液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電振動子を、互いに積層された上層圧電体及び下層圧電体と、これらの上層圧電体及び下層圧電体の境界に形成され、駆動信号の供給源に導通される駆動電極と、上層圧電体の表面に形成される共通上電極と、下層圧電体の表面に形成される共通下電極とを備える多層構造の圧電振動子によって構成し、
前記ノズル開口及び液体供給口のイナータンスを、圧力発生部のイナータンスよりも大きく設定した。

この構成では、圧力発生部内の固有振動周期を可及的に短くすることができ、液滴の高周波駆動が実現できる。

第１図は、記録ヘッドの構成を説明する分解斜視図である。 第２図は、アクチュエータユニット及び流路ユニットを説明する断面図、並びに、ノズルプレートを説明する部分拡大図である。 第３図は、アクチュエータユニット及び流路ユニットを説明する断面図である。 第４図は、圧力室の幅方向で切断したアクチュエータユニットの拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。ここでは、液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという。）を例に挙げて説明する。この記録ヘッドは、プリンタやプロッタ等の画像記録装置に搭載されるものであり、例えば、第１図に示すように、流路ユニット２と、アクチュエータユニット３と、フィルム状の配線基板４とから概略構成されている。そして、流路ユニット２の表面には複数のアクチュエータユニット３を複数横並びに接合し、流路ユニット２とは反対側のアクチュエータユニット３の表面には配線基板４を取り付けている。

流路ユニット２は、第２図（ａ）及び第３図の断面図に示すように、インク供給口５（本発明の液体供給口の一種）となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設した供給口形成基板７と、共通インク室８となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設したインク室形成基板９と、ノズル開口１０を副走査方向に沿って開設したノズルプレート１１から構成されている。これらの供給口形成基板７、インク室形成基板９、及び、ノズルプレート１１は、例えば、ステンレス製の板材をプレス加工することで作製されている。なお、これらの各部材７，９，１１の板厚に関し、本実施形態では、供給口形成基板７が１００μｍ、インク室形成基板９が１５０μｍ、ノズルプレート１１が８０μｍである。

また、これらの図では、流路ユニット２の一部分を示している。即ち、１つのアクチュエータユニット３に対応する部分を示している。本実施形態では１つの流路ユニット２に３つのアクチュエータユニット３が接合されているので、インク供給口５、ノズル連通口６、供給口形成基板７、共通インク室８等は、アクチュエータユニット毎に合計３組形成されている。

そして、流路ユニット２は、インク室形成基板９の一方の表面（図中下側）にノズルプレート１１を、他方の表面（同上側）に供給口形成基板７をそれぞれ配置し、これらの供給口形成基板７、インク室形成基板９、及び、ノズルプレート１１を接合することで作製される。例えば、シート状の接着剤によって各部材７，９，１１を接着することで作製される。

上記のノズル開口１０は、直径が極く小さい円形状の流路であり、ノズル面（ノズルプレート１１の外表面）に向かう程に縮径したテーパー形状の流路である。本実施形態では、ノズル面側の外側開口が直径２０μｍ、流路長がノズルプレート１１の厚さと同じ８０μｍ、テーパー角度が３５°である。
このノズル開口１０は、第２図（ｂ）に示すように、所定ピッチで複数個列状に開設される。そして、列設された複数のノズル開口１０によってノズル列１２が構成される。例えば、９２個のノズル開口１０で１つのノズル列１２が構成される。また、このノズル列１２は、１つのアクチュエータユニット３に対して２列形成される。このため、本実施形態では、１つの流路ユニット２に合計６列のノズル列１２が横並びに形成される。

上記のインク供給口５は、ノズル開口１０と同様に直径が極く小さい円形状の流路であり、オリフィスとして機能する。このインク供給口５は、圧力室側（供給側連通口側）の開口径が共通インク室８側の開口径よりも大きく、共通インク室８側へ向かう程に縮径したテーパー形状の流路である。本実施形態では、共通インク室８の外側開口が直径２０μｍ、流路長が供給口形成基板７の厚さと同じ１００μｍ、テーパー角度が３５°である。

アクチュエータユニット３は、ヘッドチップとも呼ばれ、圧電アクチュエータの一種である。このアクチュエータユニット３は、第２図（ａ）に示すように、圧力室１３となる通孔を開設した圧力室形成基板１４と、圧力室１３の一部を区画する振動板１５と、供給側連通口１６となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設した蓋部材１７と、圧電振動子１８とによって構成される。これら各部材１４，１５，１７の板厚に関し、圧力室形成基板１４、及び、蓋部材１７は、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上である。本実施形態では、圧力室形成基板１４の厚さを８０μｍとし、蓋部材１７の厚さを１５０μｍとしている。また、振動板１５は、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３〜１２μｍ程度である。本実施形態では振動板１５の厚さを６μｍとしている。

そして、このアクチュエータユニット３は、圧力室形成基板１４の一方の表面に蓋部材１７を、他方の表面に振動板１５をそれぞれ配置し、これらの各部材１４，１５，１７を一体化することで作製される。即ち、これらの圧力室形成基板１４、振動板１５、及び、蓋部材１７は、アルミナや酸化ジルコニウム等のセラミックスで作製されており、焼成によって一体化される。

例えば、グリーンシート（未焼成のシート材）に対して切削や打ち抜き等の加工を施して必要な通孔等を形成し、圧力室形成基板１４、振動板１５、及び、蓋部材１７の各シート状前駆体を形成する。そして、各シート状前駆体を積層及び焼成することにより、各シート状前駆体は一体化されて１枚のセラミックスシートとなる。この場合、各シート状前駆体は一体焼成されるので、特別な接着処理が不要である。また、各シート状前駆体の接合面において高いシール性を得ることもできる。

なお、１枚のセラミックスシートには、複数ユニット分の圧力室１３やノズル連通口６等が形成されている。換言すれば、１枚のセラミックスシートから複数のアクチュエータユニット３（ヘッドチップ）を作製する。例えば、１つのアクチュエータユニット３となるチップ領域を、１枚のセラミックスシート内にマトリクス状に複数設定する。そして、圧電振動子１８等の必要な部材を各チップ領域内に形成した後、このセラミックスシートをチップ領域毎に切断することで、複数のアクチュエータユニット３を得る。

上記の圧力室１３は、ノズル列１２とは直交する方向に細長い直方体状の空部であり、ノズル開口１０に対応する複数形成されている。即ち、第２図（ｂ）に示すように、ノズル列方向に列設されている。本実施形態の圧力室１３は、第３図及び第４図に示すように、高さｈｃが８０μｍ、幅ｗｃが１６０μｍ、長さＬｃが１．１ｍｍである。言い換えると、高さと幅と長さの比を、約１：２：１４に設定している。ここで、圧力室１３の長さＬｃを１．１ｍｍに設定したのは、圧電振動子１８の変位量が０．１７μｍであることによる。即ち、圧電振動子１８の変位量が０．１７μｍに規定されたことに伴い、吐出させるインク滴の量（３ｐＬ以下。後述する。）との兼ね合いで長さＬｃを１．１ｍｍに設定している。そして、各圧力室１３における長手方向一端は、ノズル連通口６を通じて対応するノズル開口１０に連通する。一方、各圧力室１３における長手方向他端は、供給側連通口１６及びインク供給口５を通じて共通インク室８に連通している。さらに、この圧力室１３の一部（上側表面）は、振動板１５によって区画されている。

上記の圧電振動子１８は、所謂撓み振動モードの圧電振動子１８であり、圧力室１３とは反対側の振動板表面に圧力室１３毎に形成されている。この圧電振動子１８は、第３図及び第４図に示すように、圧力室長手方向に細長いブロック状であり、その幅は圧力室１３の幅と略等しく、本実施形態では１６０μｍである。また、圧電振動子１８の長さは圧力室１３の長さよりも多少長く、その両端部が圧力室１３の長手方向端部を越えるように配設されている。

本実施形態における圧電振動子１８は、第４図に示すように、圧電体層２１と共通電極２２と駆動電極２３（個別電極）等によって構成され、共通電極２２と駆動電極２３とによって圧電体層２１を挟んでいる。駆動電極２３には個別端子を通じて駆動信号の供給源（図示せず）が導通され、共通電極２２は例えば接地電位に調整される。そして、駆動電極２３に駆動信号が供給されると、駆動電極２３と共通電極２２との間には電位差に応じた強さの電場が発生される。この電場を圧電体層２１に付与すると、圧電体層２１は電場の強さに応じて変形する。

本実施形態の圧電振動子１８において、圧電体層２１は、互いに積層された上層圧電体（外側圧電体）２４及び下層圧電体（内側圧電体）２５から構成される。また、共通電極２２は、共通上電極（共通外電極）２６及び共通下電極（共通内電極）２７から構成される。そして、この共通電極２２と駆動電極２３（個別電極）とが電極層を構成する。

なお、ここでいう「上（外）」或いは「下（内）」とは、振動板１５を基準とした位置関係を示している。即ち、「上（外）」とあるのは振動板１５から遠い側を示し、「下（内）」とあるのは振動板１５に近い側を示している。

上記の駆動電極２３は、上層圧電体２４と下層圧電体２５の境界に形成され、共通下電極２７は下層圧電体２５と振動板１５との間に形成される。また、共通上電極２６は下層圧電体２５とは反対側の上層圧電体２４の表面に形成される。即ち、この圧電振動子１８は、振動板１５側から、共通下電極２７、下層圧電体２５、駆動電極２３、上層圧電体２４、共通上電極２６の順で積層された多層構造である。

そして、圧電体層２１の厚さに関し、上層圧電体２４及び下層圧電体２５の厚さを何れも１０μｍ以下に設定している。本実施形態では、上層圧電体２４の厚さを８μｍに、下層圧電体２５の厚さを９μｍに設定して合計の厚さを１７μｍに設定している。さらに、共通電極２２を含めた圧電振動子１８の全体の厚さを約２０μｍにしている。このように圧電振動子１８の厚さを設定できることから必要な剛性が得られ、振動板１５のコンプライアンスを小さくできる。

上記の共通上電極２６と共通下電極２７は、駆動信号に拘わらず一定の電位に調整される。本実施形態において、これらの共通上電極２６と共通下電極２７は互いに導通され、接地電位に調整される。上記の駆動電極２３は、駆動信号の供給源に導通され、供給された駆動信号に応じて電位を変化させる。従って、駆動信号の供給によって、駆動電極２３と共通上電極２６との間、及び、駆動電極２３と共通下電極２７との間には、それぞれ向きが反対の電場が生じる。

そして、これらの各電極２３，２６，２７を構成する材料としては、例えば、金属単体、合金、電気絶縁性セラミックスと金属との混合物等の各種導体が選択されるが、焼成温度において変質等の不具合が生じないことが要求される。本実施形態では、共通上電極２６に金を用い、共通下電極２７及び駆動電極２３に白金を用いている。

上記の上層圧電体２４と下層圧電体２５は共に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料によって作製されている。そして、上層圧電体２４と下層圧電体２５とは分極方向が反対である。このため、駆動信号印加時の伸縮方向が上層圧電体２４と下層圧電体２５とで揃い、支障なく変形することができる。即ち、上層圧電体２４及び下層圧電体２５は、駆動電極２３の電位を高くする程に圧力室１３の容積を少なくするように振動板１５を変形させ、駆動電極２３の電位を低くする程に圧力室１３の容積を増やすように振動板１５を変形させる。

そして、このような多層構造の圧電振動子１８を用いることにより、駆動信号の供給に伴う圧電振動子１８の変位量を０．１６μｍ以上としている。本実施形態では、変位量を０．１７μｍとしている。この構成により、記録に必要な量のインク滴をノズル開口１０から吐出可能に構成している。

また、多層構造の圧電振動子１８を用いることにより、圧電振動子１８のコンプライアンスをインクのコンプライアンス（後述するＣｉ）以下に設定している。これにより、製造に起因する圧電振動子１８のコンプライアンスばらつきの影響を低減することができ、飛行速度や量を各圧力室１３の間で揃えてインク滴を吐出させることができる。

さらに、多層構造の圧電振動子１８を用いた場合、各層の圧電体２４，２５には、駆動電極２３から各共通電極２６，２７までの間隔（即ち、各層圧電体の厚さ）と、駆動電極２３と各共通電極２６，２７の電位差とによって定まる強さの電場が付与される。このため、駆動電極と共通電極とで単層の圧電体を挟んだ単層構造の圧電振動子と比べた場合、各層の圧電体２４，２５については単層の圧電体よりも薄く構成でき、さらに圧電振動子全体の厚さを多少厚くして変形部分のコンプライアンスを小さくしても、同じ駆動電圧で大きく変形させることができる。また、各層圧電体２４，２５が単層の圧電体よりも薄く構成できることから、応力を低減することもできる。

そして、このアクチュエータユニット３と上記の流路ユニット２とは、互いに接合される。例えば、供給口形成基板７と蓋部材１７との間にシート状接着剤を介在させ、この状態でアクチュエータユニット３を流路ユニット２側に加圧することで接着される。

この接着によって圧力室１３の一端とノズル開口１０との間がノズル連通口６によって連通される。また、圧力室１３の他端とインク供給口５との間が供給側連通口１６によって連通される。これらのノズル連通口６及び供給側連通口１６は、断面円形状の流路によって構成されている。本実施形態のノズル連通口６は、直径が１２５μｍであって流路長が４００μｍの流路によって構成されている。また、供給側連通口１６は直径が１２５μｍで流路長が１５０μｍの流路によって構成されている。

上記構成の記録ヘッド１は、共通インク室８からインク供給口５、供給側連通口１６、圧力室１３、及び、ノズル連通口６を通じてノズル開口１０に至る一連のインク流路がノズル開口１０毎に形成されている。使用時においてこのインク流路内はインクで満たされており、圧電振動子１８を変形させることで対応する圧力室１３が収縮或いは膨張し、圧力室１３内のインクに圧力変動が生じる。このインク圧力を制御することで、ノズル開口１０からインク滴を吐出させることができる。例えば、定常容積の圧力室１３を一旦膨張させた後に急激に収縮させると、圧力室１３の膨張に伴ってインクが充填され、その後の急激な収縮によって圧力室１３内のインクが加圧されてインク滴が吐出される。さらに、ノズル開口１０からインク滴が吐出されると、共通インク室８からインク流路内に新たなインクが供給されるので、続けてインク滴を吐出できる。

このように圧力室１３内のインクに圧力変動を生じさせることでノズル開口１０からインク滴を吐出させるようにした記録ヘッド１において、圧力室１３内のインクには、その圧力変動に伴って圧力室１３内が恰も音響管であるかのように振る舞う圧力振動（インクの固有振動）が励起される。

ここで、記録を高速化するためには、より多くのインク滴を短時間で吐出させる必要がある。この要求に応えるためには、圧力室１３内のインクの固有振動周期Ｔｃを可及的に短く設定する必要がある。そして、この固有振動周期Ｔｃは式（１）で表すことができる。
Ｔｃ＝２π√｛（Ｃｉ＋Ｃｖ）×（Ｍｕ＋１／２×Ｍｃ）×（Ｍｓ＋１／２×Ｍｃ）／（Ｍｕ＋Ｍｓ＋Ｍｃ）｝…（１）
なお、Ｃｉ：圧力発生部内のインクのコンプライアンス，Ｃｖ：圧力室形成基板１４の剛性コンプライアンス，Ｍｎ：ノズル開口１０のイナータンス，Ｍｓ：インク供給口５のイナータンス，Ｍｃ：圧力発生部のイナータンスである。

ここで、圧力発生部とは、ノズル開口１０とインク供給口５との間の一連の空部であり、この例では圧力室１３とノズル連通口６と供給側連通口１６とからなる一連の空部を意味する。本実施形態では、圧力室１３の断面積、ノズル連通口６の断面積、及び、供給側連通口１６の断面積が略等しいので、圧力発生部のイナータンスＭｃは式（２）で表すことができる。
Ｍｃ≒ρ×Ｌｃ／Ｓｃ…（２）
なお、ρ：インク密度，Ｌｃ：圧力室１３の長さ，Ｓｃ：圧力室１３の断面積である。

また、インク供給口５のイナータンスＭｓは式（３）で表すことができる。
Ｍｓ＝ρ×Ｌｓ／Ｓｓ…（３）
なお、ρ：インク密度，Ｌｓ：インク供給口５の長さ，Ｓｓ：インク供給口５の断面積である。

同様に、ノズル開口１０のイナータンスＭｎは式（４）で表すことができる。
Ｍｎ＝ρ×Ｌｎ／Ｓｎ…（４）
なお）ρ：インク密度，Ｌｎ：ノズル開口１０の長さ，Ｓｎ：ノズル開口１０の断面積である。

ここで、圧力発生部の流路長に関し、各基板の厚さは概ね所定厚さに定められてしまうことから、供給側連通口１６の長さ及びノズル連通口６の長さは略一定値となる。このため、圧力発生部のイナータンスＭｃは、実質的に圧力室１３の長さＬｃによって支配されることになる。

また、圧力室形成基板１４の剛性コンプライアンスＣｖは、圧力室１３のコンプライアンスを支配的に規定する要素である。この剛性コンプライアンスＣｖは圧力変化ΔＰに対する容積変化ΔＶであり、次式（５）のように表すことができる。
Ｃｖ＝ΔＶ／ΔＰ…（５）

ここで、圧力室１３のコンプライアンスばらつきを少なくする観点から、本実施形態では、剛性コンプライアンスＣｖをインクのコンプライアンスＣｉ以下に設定している。このように、剛性コンプライアンスＣｖをインクのコンプライアンスＣｉ以下に設定すると、圧力室１３のコンプライアンスに占めるインクのコンプライアンスＣｉの割合が剛性コンプライアンスＣｖの割合よりも相対的に大きくなるので、隣り合う圧力室１３，１３同士を区画する隔壁や振動板１５など圧力室構成部材の加工精度のばらつきがインク滴の吐出特性に影響し難くなる。

そして、固有振動周期Ｔｃを可及的に短くする観点から、ノズル開口１０及びインク供給口５のイナータンスＭｎ，Ｍｓを、圧力発生部のイナータンスＭｃよりも大きく設定している。また、上記したように、圧力室１３の長さＬｃを可及的に短くして圧力発生部のイナータンスＭｃをノズル開口１０のイナータンスＭｎやインク供給口５のイナータンスＭｓよりも小さくしている。このように、イナータンスＭｃが小さくなると、インクのコンプライアンスＣｉ及び剛性コンプライアンスＣｖは圧力室１３の長さＬｃに正比例して変化するため、同時にインクのコンプライアンスＣｉ及び剛性コンプライアンスＣｖも小さくなる。その結果、固有振動周期Ｔｃを短くすることができる。なお、イナータンスＭｃを小さくするために圧力室１３の断面積Ｓｃを従来よりも広げる構成も考えられるが、この場合、インクのコンプライアンスＣｉ及び剛性コンプライアンスＣｖが大きくなってしまうので、固有振動周期Ｔｃを短くすることはできない。

また、圧力室１３の長さＬｃを短くしてイナータンスＭｃを小さくしているため、圧電振動子１８の変位量（変形量）がその分減り、インク滴の量が少なくなる。このため極く小さいドットを記録することができる。そして、本実施形態では、上記したように、ノズル開口１０の直径を２０μｍと従来（例えば２５μｍ）よりも小さく設定してノズル開口１０のイナータンスＭｎを大きくしているので、このインク滴を高速で吐出することができる。

さらに、本実施形態では、ノズル開口１０及びインク供給口５のイナータンスＭｎ，Ｍｓを、圧力発生部のイナータンスＭｃの２倍以上に設定している。これは、圧力発生部に起因する固有振動周期Ｔｃの影響を確実に無効化するためである。

即ち、Ｍｎ≧２×ＭｃおよびＭｓ≧２×Ｍｃの関係が成立するように、圧力室１３の長さを設定すると、具体的には、１．１ｍｍ以下の長さに設定すると、固有振動周期Ｔｃの値は、ノズル開口１０及びインク供給口５のイナータンスＭｎ，Ｍｓに依存して規定される。

このため、圧力室１３に形状ばらつきが生じたとしても、ノズル開口１０やノズル連通口６を寸法精度良く作製することにより、固有振動周期Ｔｃのばらつきを極く少なくすることができる。これにより、圧力室１３毎のインク滴の特性ばらつきを極めて低くすることができる。

ところで、上記した様に、圧力室１３の長さＬｃを短くしてイナータンスＭｃを小さくしているため、圧電振動子１８の変位量（変形量）はその分減る。この点に鑑み、本実施形態では、上記した様に多層構造の圧電振動子１８を用い、圧電振動子１８から発生される力を強くしている。この点でも、極く少量のインク滴（例えば６ｐＬ〜３ｐＬのインク滴）を高速で吐出させることができる。

その結果、固有振動周期Ｔｃを７μｓ以下（本実施形態では６．５μｓ）に短縮することができる。これにより、６ｐＬ以上のインク滴を５０ｋＨｚ以上の周波数で吐出することができる。また、３ｐＬ以下のインク滴を３０ｋＨｚ以上の周波数で吐出することができる。従って、１滴のインク量については従来よりも少なくすることができる一方、インク滴の吐出周波数については従来よりも高めることができるので、記録画像の高画質化と記録の高速化とを高いレベルで両立させることができる。

また、圧力室１３の長さを従来よりも短くできたことから、コストダウンを図ることもできる。即ち、圧力室１３の長さが従来よりも短いので、１枚のセラミックスシート内にレイアウトできるアクチュエータユニット３の数を増やすことができ、同じ製造工程（作業内容）であっても、従来よりも多くのアクチュエータユニット３を作製できる。また、同じ量の原材料から従来よりも多くのアクチュエータユニット３を作製できる。このように、製造効率の向上が図れ、原材料費の節約も図れることから、記録ヘッド１のコストダウンを実現することができる。

さらに、圧力室１３の寸法精度を従来よりもラフに設定しても固有振動周期Ｔｃを高い精度で揃えることができることから、歩留まりの向上も図れる。この点でも、記録ヘッド１のコストダウンが図れる。

産業上の利用の可能性

本発明は、上記したように、インク滴を吐出可能な記録ヘッドに適用することができる。また、液晶噴射ヘッドや色材噴射ヘッド等といった他の液体噴射ヘッドにも適用できる。

１ インクジェット式記録ヘッド、２ 流路ユニット、３ アクチュエータユニット、４ 配線基板、５ インク供給口、６ ノズル連通口、７ 供給口形成基板、８ 共通インク室、９ インク室形成基板、１０ ノズル開口、１１ ノズルプレート、１２ ノズル列、１３ 圧力室、１４ 圧力室形成基板、１５ 振動板、１６ 供給側連通口、１７ 蓋部材、１８ 圧電振動子、２１ 圧電体層、２２ 共通電極、２３ 駆動電極、２４ 上層圧電体、２５ 下層圧電体、２６ 共通上電極、２７ 共通下電極。

Claims (9)

1. 共通インク室からノズル開口までのインク流路の途中に設けられた圧力発生部と、該圧力発生部の一部を区画する振動板と、前記圧力発生部とは反対側の振動板表面に設けられた圧電振動子とを備え、共通インク室と圧力発生部との間にオリフィスとして機能する液体供給口を設け、振動板の変形によって圧力発生部内の液体を液滴としてノズル開口から吐出可能に構成した液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧電振動子を、互いに積層された上層圧電体及び下層圧電体と、これらの上層圧電体及び下層圧電体の境界に形成され、駆動信号の供給源に導通される駆動電極と、上層圧電体の表面に形成される共通上電極と、下層圧電体の表面に形成される共通下電極とを備える多層構造の圧電振動子によって構成し、
   前記ノズル開口及び液体供給口のイナータンスを、圧力発生部のイナータンスよりも大きく設定したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記上層圧電体及び下層圧電体の厚さを、１０μｍ以下に設定したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記ノズル開口及び液体供給口のイナータンスを、圧力発生部におけるイナータンスの２倍よりも大きく設定したことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記圧力発生部を、弾性板によって一面が区画され圧電振動子の変形によって容積が変化する直方体状の圧力室と、該圧力室の一端とノズル開口との間を連通するノズル連通口と、前記圧力室の他端と液体供給口との間を連通する供給側連通口とから構成し、
   前記圧力室の長さを１．１ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記圧電振動子の変位量を、０．１６μｍ以上に設定したことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
6. 圧電振動子のコンプライアンスを液体のコンプライアンス以下に設定したことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記ノズル開口から吐出される液滴を６ｐＬ以上とし、該液滴の吐出周波数を５０ｋＨｚ以上としたことを特徴とする請求の範囲第１項から第６項の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
8. 前記ノズル開口から吐出される液滴を３ｐＬ以下とし、該液滴の吐出周波数を３０ｋＨｚ以上としたことを特徴とする請求の範囲第１項から第６項の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
9. 前記圧力発生部の固有振動周期を７μｓ以下に設定したことを特徴とする請求の範囲第１項から第８項の何れかに記載の液体噴射ヘッド。

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