JP5659198B2 - インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。

例えばオンディマンド形のインクジェットヘッドは、記録紙に向けてインク滴を吐出させることで、記録紙の上に画像を形成する。

この種のインクジェットヘッドは、複数のノズルと、個々のノズルに対応した複数のアクチュエータと、を備えている。アクチュエータは、圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する共通電極および個別電極と、を有している。共通電極および個別電極は、夫々導体パターンを介して駆動回路に電気的に接続されている。さらに、ノズルおよびアクチュエータは、インク圧力室を間に挟んで互いに反対側に位置されている。

駆動回路から共通電極および個別電極を介して圧電素子に駆動電圧が印加されると、圧電素子が変形する。これにより、インク圧力室に供給されたインクが加圧される。加圧されたインクの一部は、インク滴となってノズルから吐出される。

特開２００７−４４９６７号公報

従来のインクジェットヘッドによると、ノズルおよびアクチュエータが互いに独立した別の要素となっている。このため、インクジェットヘッドを製造する際に、ノズルが形成された部材と、アクチュエータが形成された部材とを精度よく接着する専用の工程が必要となり、生産効率が悪くなる課題がある。

この課題を解決するため、ノズルとアクチュエータとを一体化したインクジェットヘッドが考えられている。しかしながら、ノズルとアクチュエータとを一体化した場合、アクチュエータがインク圧力室内のインクを加圧した時に、加圧されたインクがインク圧力室の外に逃げてしまうと、ノズルからインクを効率よく吐出させることができなくなる。よって、高画質の画像を得ることが困難となる。

実施形態によれば、インクジェットヘッドは、インク圧力室が形成された基板と、前記基板に積層されたノズルプレートと、前記ノズルプレートに内蔵されたアクチュエータと、を備えている。前記ノズルプレートは、前記インク圧力室に連通されたノズルと、前記インク圧力室に露出された振動板と、を有する。前記アクチュエータは、前記振動板を厚さ方向に変位させることで前記振動板を介して前記インク圧力室内のインクを加圧して前記ノズルから吐出させる。前記ノズルの長さをＬｎ、前記ノズルの開口面積をＳｎ、前記インク圧力室の長さをＬｃ、前記インク圧力室の開口面積をＳｃとした時、
Ｌｃ／Ｓｃ＞＝Ｌｎ／Ｓｎ／３
の関係を満たす。

実施形態に係るインクジェット記録装置を概略的に示す側面図。 実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図。 複数のノズル列がノズルプレートのノズル面に配列された状態を示すインクジェットヘッドの平面図。 図３のＦ４−Ｆ４線に沿う断面図。 図４のＦ５−Ｆ５線に沿う断面図。 インク圧力室の直径とアクチュエータの消費エネルギーとの関係を示す特性図。

以下、実施形態について、図１ないし図６を参照して説明する。

図１は、インクジェット記録装置１００の一例を概略的に示している。インクジェット記録装置１００は、インクジェット記録装置１００の外郭を構成する箱形の筐体１０１を備えている。図１に示すように、給紙カセット１０２、排紙トレイ１０３、搬送路１０４および保持ドラム１０５が筐体１０１の内部に収容されている。

給紙カセット１０２は、記録媒体の一例である用紙Ｓを収容する要素であって、筐体１０１の底部に配置されている。用紙Ｓとしては、例えば無地の用紙、アート紙あるいはＯＨＰシート等を用いることができる。排紙トレイ１０３は、筐体１０１の上部に設けられて、筐体１０１の外に露出されている。

搬送路１０４は、給紙カセット１０２に連続する上流部１０４ａと、排紙トレイ１０３に連続する下流部１０４ｂとを備えている。給紙カセット１０２に収容された用紙Ｓは、ローラ１０６により一枚づつ搬送路１０４の上流部１０４ａに送り出される。

保持ドラム１０５は、給紙カセット１０２と排紙トレイ１０３との間に配置されている。給紙カセット１０２から搬送路１０４の上流部１０４ａに送り出された用紙Ｓは、保持ドラム１０５の外周面１０５ａを経由して搬送路１０４の下流部１０４ｂに導かれる。具体的には、保持ドラム１０５は、その外周面１０５ａに用紙Ｓを保持した状態で周方向に一定の速度で回転するように構成されている。

図１に示すように、保持ドラム１０５の周囲に、用紙押圧装置１０８、画像形成装置１０９、除電装置１１０およびクリーニング装置１１１が配置されている。用紙押圧装置１０８、画像形成装置１０９、除電装置１１０およびクリーニング装置１１１は、保持ドラム１０５の回転方向に沿う上流から下流に向けて順番に並んでいる。

用紙押圧装置１０８は、搬送路１０４の上流部１０４ａから保持ドラム１０５の外周面１０５ａに供給された用紙Ｓを保持ドラム１０５の外周面１０５ａに押し付ける。保持ドラム１０５の外周面１０５ａに押し付けられた用紙Ｓは、静電力により保持ドラム１０５の外周面１０５ａに吸着される。

画像形成装置１０９は、保持ドラム１０５の外周面１０５ａに吸着された用紙Ｓに画像を形成するための要素である。本実施形態の画像形成装置１０９は、例えばシアン画像を形成する第１のインクジェットヘッド１Ａ、マゼンダ画像を形成する第２のインクジェットヘッド１Ｂ，イエロー画像を形成する第３のインクジェットヘッド１Ｃおよびブラック画像を形成する第４のインクジェットヘッド１Ｄを備えている。第１ないし第４のインクジェットヘッド１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、保持ドラム１０５の回転方向に間隔を存して配列されている。保持ドラム１０５の回転方向は、保持ドラム１０５の外周面１０５ａに沿って搬送される用紙Ｓの搬送方向と言い換えることができる。

除電装置１１０は、所望の画像が形成された用紙Ｓの除電を行うとともに、除電後に用紙Ｓを保持ドラム１０５の外周面１０５ａから剥離させる機能を有する。保持ドラム１０５の外周面１０５ａから剥離された用紙Ｓは、搬送路１０４の下流部１０４ｂを通って排紙トレイ１０３に導かれる。

クリーニング装置１１１は、用紙Ｓが剥離された保持ドラム１０５の外周面１０５ａを清掃する機能を有する。クリーニング装置１１１は、除電装置１１０よりも保持ドラム１０５の回転方向に沿う下流側において、保持ドラム１０５の外周面１０５ａに接する位置と、保持ドラム１０５の外周面１０５ａから離脱する位置との間で移動可能となっている。

さらに、本実施形態のインクジェット記録装置１００は、用紙Ｓの表と裏を反転させる反転装置１１２を備えている。反転装置１１２は、除電装置１１０により保持ドラム１０５の外周面１０５ａから剥離された用紙Ｓを反転させて搬送路１０４の上流部１０４ａに戻す。これにより、用紙Ｓは、表と裏が反転された状態で再び保持ドラム１０５の外周面１０５ａに供給される。よって、用紙Ｓの表と裏の両面に所望の画像を形成することができる。

画像形成装置１０９を構成する第１ないし第４のインクジェットヘッド１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、基本的に共通の構成を有している。そのため、本実施形態では、第１のインクジェットヘッド１Ａの構成を代表して説明する。

図２に示すように、第１のインクジェットヘッド１Ａは、用紙Ｓの搬送方向と直交する方向に延びる細長い形状を有している。第１のインクジェットヘッド１Ａは、ノズルプレート２とヘッド本体３とで構成されている。図４に示すように、ノズルプレート２は、振動板４、保護層５および撥液膜６を有する三層構造である。

振動板４は、例えば電気絶縁性を有するシリコン酸化膜で形成されている。振動板４の厚さは、概ね６μｍ以下である。本実施形態では、シリコン酸化膜は、熱酸化により基板温度を約１０００℃として形成した。シリコン酸化膜の製法としては、ＣＶＤ（化学的気相成長法）、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いることができる。

保護層５は、振動板４に積層されている。保護層５は、例えばポリイミドのような樹脂材料で形成されている。保護層５の厚さは、概ね４μｍである。本実施形態では、保護層５は、例えばスピンコーティングにより形成されている。保護層５の材料としては、例えばポリ尿素のような樹脂材料、ＳｉＯ_２のような酸化膜を用いることも可能である。この場合、保護層５の膜厚は、概ね３〜２０μｍである。

撥液膜６は、保護層５に積層されている。撥液膜６は、例えばフッ素樹脂のようなインクをはじく特性を有する材料で形成されている。本実施形態では、撥液膜６は、例えばスピンコーティングにより形成されている。撥液膜６の膜厚は、概ね０．１〜５μｍ、好ましくは１μｍである。撥液膜６は、ノズルプレート２の表面となるノズル面７を構成する。ノズル面７は、用紙Ｓの被印字面と向かい合うように第１のインクジェットヘッド１Ａの外に露出されている。

図２および図３に示すように、複数のノズル列１０がノズルプレート２に形成されている。ノズル列１０は、矢印Ｘで示す第１のインクジェットヘッド１Ａの長手方向に間隔を存して一列に並んでいる。第１のインクジェットヘッド１Ａの長手方向とは、矢印Ｙで示す用紙Ｓの搬送方向と直交する方向のことであり、用紙Ｓの幅方向と一致する。

各ノズル列１０は、複数のノズル１１を有している。ノズル１１は、ノズルプレート２を厚み方向に貫通するとともに、互いに間隔を存して直線状に規則的に配列されている。ノズル１１は、例えば直径が２０μｍ、全長が６μｍである。ノズル１１は、ノズルプレート２のノズル面７およびノズル面７の反対側に位置された振動板４の表面４ａに開口されている。

さらに、ノズル面７に開口されたノズル１１は、所望の解像度を得るために、ノズルプレート２の長手方向（Ｘ方向）に一定のピッチで並べられている。
ヘッド本体３は、第１の基板１２および第２の基板１３を有している。第１の基板１２は、例えば単一のシリコン基板で形成されている。第１の基板１２の厚さは、例えば４００μｍである。第１の基板１２は、振動板４の表面４ａに積層されて、振動板４と一体化されている。

ノズル１１と同数のインク圧力室１４が第１の基板１２に形成されている。インク圧力室１４は、例えば直径が１９０μｍの円筒状であり、第１の基板１２を厚さ方向に貫通している。インク圧力室１４の一方の開口端は、振動板４によって塞がれている。

言い換えると、振動板４は、インク圧力室１４に露出されている。インク圧力室１４は、ノズル１１に対応するように設けられているとともに、各インク圧力室１４の中央に各ノズル１１が開口されている。

第２の基板１３は、ステンレスのような金属材料で構成されている。第２の基板１３の厚さは、例えば４ｍｍである。第２の基板１３は、第１の基板１２に積層されているとともに、例えばエポキシ系の接着剤を用いて第１の基板１２に固定されている。

複数のインク流路１５が第２の基板１３の内部に形成されている。インク流路１５は、第２の基板１３の厚さ方向に沿う深さが例えば２ｍｍの長溝状である。インク流路１５は、インク圧力室１４に対しノズル１１の反対側に位置されている。画像形成用のインクは、第１のインクジェットヘッド１Ａの外部からインク供給口１６を通じてインク流路１５に分配される。

インク流路１５は、絞り孔１７を通じてインク圧力室１４に通じている。絞り孔１７は、ノズル１１と同軸となるように第２の基板１３に形成されている。絞り孔１７は、例えば直径が１００μｍ、全長が５０μｍである。インク供給口１６からインク流路１５に分配されたインクは、絞り孔１７を通じて複数のインク圧力室１４に供給される。

本実施形態では、インク圧力室１４とインク流路１５との間が絞り孔１７を介して互いに連通されているが、絞り孔１７は無くてもよい。具体的には、例えばインク流路１５を第２の基板１３の上面に全面的に開口させて、インク流路１５をインク圧力室１４の底に直に連通させてもよい。

第２の基板１３は、ステンレスに限らず、例えばアルミニウム合金、チタンのようなその他の金属材料で形成してもよい。加えて、第２の基板１３を形成する材料は金属に限らない。例えば、ノズルプレート２および第１の基板１２との膨張係数の差異を考慮して、インク吐出圧力に影響を及ぼさない範囲内で他の材料を用いることができる。

具体的には、セラミック材料としてのアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウムなどの窒化物・酸化物を用いることができる。さらに、例えばＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォンのようなプラスチック材料を用いることができる。

図３および図４に示すように、ノズルプレート２は、インクを加圧する複数のアクチュエータ２０を内蔵している。アクチュエータ２０は、ノズル１１毎に設けられている。

アクチュエータ２０は、ノズル１１を同軸状に取り囲むように振動板４の上にリング状に形成されているとともに、保護層５で覆われている。各アクチュエータ２０は、圧電体層２１、第１の電極２２および第２の電極２３を備えている。

圧電体層２１は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されている。圧電体層２１の材料としては、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＺｎＯ、ＡＩＮ等を用いることも可能である。

圧電体層２１は、例えばＲＦマグネトロンスパッタリング法により基板温度３５０℃で形成されている。圧電体層２１は、その膜厚が２μｍ、直径が１３３μｍである。本実施形態では、圧電体層２１を形成した後、圧電体層２１に圧電性を付与するために、５００℃で３時間に亘る熱処理を施している。これにより、圧電体層２１は、良好な圧電性能を得ることができる。圧電体層２１が形成されると、圧電体層２１の厚さ方向に沿う分極が発生する。

圧電体層２１の他の製法としては、ＣＶＤ（化学的気相成長法）、ゾルゲル法、ＡＤ法（エアロゾルデポジション法）、水熱合成法等を用いることができる。この場合、圧電体層２１の厚さは、概ね０．１μｍから１０μｍの範囲となる。

第１の電極２２および第２の電極２３は、圧電体層２１を駆動するための信号を伝送するための要素であって、例えばＰｔ（白金）／Ｔｉ（チタン）の薄膜で形成されている。薄膜は、例えばスパッタリング法により形成され、その膜厚が０．５μｍである。

第１の電極２２および第２の電極２３を形成する他の材料としては、Ｎｉ（ニッケル）、ＣＵ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）を用いることができるとともに、前記各種の金属を積層することも可能である。
第１の電極２２および第２の電極２３を形成する方法としては、例えば蒸着、鍍金を用いることも可能である。この場合、第１の電極２２および第２の電極２３の望ましい膜厚は、０．０１〜１μｍである。

図４に示すように、第１の電極２２は、振動板４の裏面４ｂに形成されている。第１の電極２２は、夫々電極部分２４を備えている。電極部分２４は、圧電体層２１よりも小径のリング形である。電極部分２４は、圧電体層２１で同軸状に覆われているとともに、圧電体層２１に電気的に接続されている。さらに、ノズル１１は、電極部分２４の中央部および圧電体層２１の中央部を同軸状に貫通している。

図３に示すように、アクチュエータ２０の第１の電極２２は、基幹配線２５から分岐された複数の中継配線２６を介して電気的に接続されている。したがって、第１の電極２２は、全ての圧電体層２１に共通して繋がっており、全ての圧電体層２１に一定の電圧を印加する共通電極として作用する。本実施形態によると、基幹配線２５および中継配線２６は、振動板４の裏面４ｂに形成されて保護層５で覆われている。基幹配線２５の配線幅は、概ね１００μｍである。

図４に示すように、第２の電極２３は、夫々電極部分２８と配線部２９とを備えている。電極部分２８は、圧電体層２１よりも小径のリング形である。電極部分２８は、圧電体層２１に同軸状に積層されて、圧電体層２１に電気的に接続されている。したがって、圧電体層２１は、第１の電極２２の電極部分２４と第２の電極２３の電極部分２８との間で挟み込まれている。さらに、ノズル１１は、電極部分２８の中央部を貫通している。

第２の電極２３の配線部２９は、電極部分２８の外周縁から振動板４の裏面４ｂに沿ってアクチュエータ２０の外に互いに間隔を存して引き出されている。

そのため、第２の電極２３は、圧電体層２１に個別に繋がっており、個々の圧電体層２１を独立して動作させる個別電極として作用する。本実施形態によると、第２の電極２３の配線部２９は、電極部分２８と一緒に保護層５で覆われている。配線部２９は、アクチュエータ２０の周囲を通して配線するため、その配線幅が概ね１５μｍである。

第１の電極２２に電気的に接続された基幹配線２５および第２の電極２３の配線部２９は、第１のインクジェットヘッド１Ａの外部に導かれて、複数のテープキャリアパッケージ３０に電気的に接続されている。テープキャリアパッケージ３０は、第１のインクジェットヘッド１Ａを駆動するための駆動回路を実装している。

駆動回路は、各アクチュエータ２０の第１の電極２２および第２の電極２３に駆動電圧を供給する。圧電体層２１の分極の方向と同じ向きの電界が第１の電極２２および第２の電極２３から圧電体層２１に印加されると、アクチュエータ２０が電界の向きと直交する方向に伸縮を繰り返そうとする。ここで、電界の向きと直交する方向とは、振動板４の表面４ａに沿う方向のことを指している。

アクチュエータ２０は、振動板４の上に形成されているので、振動板４がアクチュエータ２０の伸縮を妨げる働きをする。このため、アクチュエータ２０と振動板４との接触部分に応力が発生し、発生した応力は振動板４を厚さ方向に撓むように変形させる。

この結果、アクチュエータ２０が電界の向きと直交する方向に伸縮を繰り返すことで、インク圧力室１４に露出された振動板４が厚さ方向に振動し、インク圧力室１４に充填されたインクの圧力を高める。したがって、インク圧力室１４内で加圧されたインクの一部がインク滴となってノズル１１から用紙Ｓに向けて吐出される。

本実施形態では、インクが充填されるインク圧力室１４は、第１の基板１２の厚さ方向に沿う第１の寸法Ｌｃと、第１の基板１２の厚さ方向と直交する方向に沿う第２の寸法Ｄｃと、を有している。第１の寸法Ｌｃは、インク圧力室１４の長さ（深さ）と言い換えることができ、本実施形態の場合は、第１の基板１２の厚さと合致する４００μｍである。同様に、第２の寸法Ｓ２は、インク圧力室１４の直径と言い換えることができ、本実施形態の場合は、１９０μｍである。

したがって、インク圧力室１４の第１の寸法Ｌｃは、第２の寸法Ｄｃよりも格段に大きく設定されている。これにより、インク圧力室１４の長さ（深さ）がインク圧力室１４の直径を大きく上回っている。

振動板４がインク圧力室１４の容積を小さくする方向に撓んでインクを加圧する時、インク圧力室１４に充填されたインクは、ノズル１１と反対側のインク流路１５に向かう圧力を受ける。このため、インクが絞り孔１７からインク流路１５に逃げようとするので、ノズル１１からインクを効率よく吐出させることができなくなる虞があり得る。

本実施形態の第１のインクジェットヘッド１Ａによると、インク圧力室１４の第１の寸法Ｌｃが第２の寸法Ｄｃの倍以上に大きく設定されている。このため、ノズル１１が開口されたインク圧力室１４の一端からインク流路１５に接続されたインク圧力室１４の他端までの距離を十分に確保することができる。インク圧力室１４の第１の寸法Ｌｃが第２の寸法Ｄｃに対して十分に大きい場合、絞り孔１７は不要である。

したがって、振動板４がインク圧力室１４の容積を小さくする方向に撓んでも、圧力室１４内のインクがインク流路１５に逃げる以前に、インク圧力室１４内のインクをノズル１１から用紙Ｓに向けて効率よく吐出させることができる。よって、ノズル１１から吐出されるインクの圧力、インクの量が共に適正となり、用紙Ｓの上に高画質な画像を形成できる。

インク圧力室１４の第１の寸法Ｌｃが本実施形態よりも小さい場合、絞り孔１７の直径Ｄｍが十分に小さいか、絞り孔１７の長さＬｍが十分に長ければ、インク圧力室１４内のインクが絞り孔１７からインク流路１５に逃げる以前に、インク圧力室１４内のインクをノズル１１から用紙Ｓに向けて効率よく吐出させることができる。

次に、インク圧力室１４内のインクがインク流路１５に逃げるのを防止できるノズル１１、インク圧力室１４および絞り孔１７の相互の寸法関係について、下記の式（１）ないし式（１１）を加えて説明する。

式（１）ないし式（１１）において、
ｔは、時刻、
Ｅ（ｔ）は、第１の電極２２と第２の電極２３との間に生じる駆動電圧の時間関数、
Ｐ（ｔ）は、インク圧力室１４内で振動板４に臨むインクの圧力の時間関数、
Ｖａ（ｔ）は、振動板４の体積変位の時間関数、
Ａは、駆動電圧によって変形する振動板４の単位電圧あたりの体積変位、
Ｃは、インク圧力室１４内のインク圧力により変形する振動板４の単位圧力あたりの体積変位、
Ｓｎは、ノズル１１の開口面積、
Ｕｎ（ｔ）は、ノズル１１内を通過するインクの流速の時間関数、
Ｓｃは、インク圧力室１４の開口面積、
Ｕｃ（ｔ）は、インク圧力室１４内で加圧されるインクの流速の時間関数、
ρは、インクの密度、
Ｌｎは、ノズル１１の長さ、
Ｌｃは、インク圧力室１４の長さ（第１の寸法）、
Ｓｍは、絞り孔１７の開口面積、
Ｌｍは、絞り孔１７の長さ、を夫々示している。

ノズル１１の直径をＤｎ、インク圧力室１４の直径をＤｃ、絞り孔１７の直径をＤｍとした時、Ｓｎ、Ｓｃ、Ｓｍは、各々π（Ｄｎ／２)^２、π（Ｄｃ／２)^２、π（Ｄｍ／２)^２となる。

インク圧力室１４内でインクの圧力が伝搬する速度、すなわちインクの音速を考慮しない場合、下記の式（１）〜式（４）の関係が成立する。

式（１）は、インク圧力室１４内でインク圧力を受ける振動板４の変形量と駆動電圧との関係を示している。式（２）は、振動板４の変形量の時間変化がノズル１１内のインクの流量とインク圧力室１４内のインクの流量との和に等しいことを示している。式（３）は、インク圧力室１４内のインク圧力によるノズル１１内のインクの流速変化を示している。式（４）はインク圧力室１４内のインク圧力によるインク圧力室１４内のインクの流速変化を示している。

前記式（１）〜式（４）を、駆動電圧の時間関数Ｅ（ｔ）がステップ波形、すなわち、ｔ＝０においてＥ（ｔ）＝０、ｔ＞０においてＥ（ｔ）＝１として、ノズル１１内のインクの流速Ｕｎ（ｔ）について解くと、式（５）が得られる。

ここで、ωは、ノズル１１内で振動するインクの角速度であって、式（６）で示すことができる。

式（５）は、インクの角速度ωが小さいほどノズル１１内のインクの流速が大きいことを示している。ノズル１１内のインクの振動周波数ｆｃは２π／ωである。インクの振動とは、インク圧力により生じる振動板４の変形に由来する振動のことであり、この振動を利用してノズル１１内のインクを吐出する。

駆動電圧がステップ波形以外の場合、その波形を微小なステップ波形の重ね合わせで表現し、式（５）の結果を重ね合わせる。これにより、駆動電圧の波形が任意の場合についても、ノズル１１内のインクは角速度ωで振動する。角速度ωが小さいほどノズル１１内のインクの流速は大きくなる。

式（６）は、Ｌｃ＋Ｓｃ Lm／Ｓｍが大きい、すなわちインク圧力室１４の長さＬｃが大きいか、絞り孔１７の長さＬｍが大きいか、絞り孔１７の開口面積Ｓｍが小さいと、角速度ωが小さくなることを示している。Ｌｃ＋Ｓｃ Lm／Ｓｍが無限大の大きさの場合、理論上、角速度ωが最も小さくなる。これにより、駆動電圧の入力によるノズル１１内のインクの流速が最大となり、最低の駆動電圧でインクを吐出できる。

理論上の最低の駆動電圧に対して、駆動電圧を２倍以内に抑えるためには、角速度ωを理論上の最低値に対して２倍以内に抑えればよい。したがって、以下の不等式（７）が理論上の最低の駆動電圧に対して駆動電圧を２倍以内に抑えるための条件となる。

式（７）を整理すると、式（８）が得られる。

以上のことから、ノズル１１の長さＬｎ、インク圧力室１４の長さＬｃ、絞り孔１７の長さＬｍ、ノズル１１の開口面積Ｓｎ、インク圧力室１４の開口面積Ｓｃおよび絞り孔１７の開口面積Ｓｍの相互の関係を式（８）の関係とすることで、駆動電圧を理論上の最低の駆動電圧に対して２倍以内に抑えることができる。

言い換えると、振動板４がインク圧力室１４の体積を小さくする方向に撓んでインクを加圧する際に、インク圧力室１４内のインクがインク流路１５の方向に逃げないうちにインクをノズル１１から吐出させることができる。

絞り孔１７が無く、インク流路１５がインク圧力室１４に直に開口されている場合、絞り孔１７の長さＬｍを０とすることで、式（８）を適用できる。

以上の説明は、インク内でインク圧力が伝搬する速度（インクの音速）を無限大であると仮定した場合の説明であるが、実際のインクは有限の音速を有する。このため、インク圧力室１４内にインクの音速に由来する振動現象が発生する。インクの音速に由来する振動周波数ｆｓがノズル１１内のインクの振動周波数ｆｃより小さくなると、インクの音速に由来する振動現象が支配的となる。この結果、振動板４が変形してインク圧力室１４内のインクに圧力変化が生じる。したがって、インク圧力室１４内のインクがノズル１１から吐出されてしまい、本来のインク吐出動作が阻害される。

これを避けるためには、インクの音速に由来する振動周波数ｆｓがノズル１１内のインクの振動周波数ｆｃより大きくなければならない。振動周波数ｆｓは、式（９）で算出することができる。

ここで、ｓｓはインクの音速である。

したがって、振動周波数ｆｃが振動周波数ｆｓより大きくなる条件は、式（１０）で表すことができる。

インク圧力室１４の長さＬｃは、式（８）で規定される長さより長く、式（１０）で規定される長さより短い必要がある。インク圧力室１４内のインク圧力により変形する振動板４の単位圧力あたりの体積変位Ｃは、インク圧力室１４にインクがない状態で振動板４の共振周波数ｆａを測定することで、式（１１）により算出することができる。

ここで、Ｍはノズルプレート２の可動部の質量である。共振周波数ｆａは、第１の電極２２と第２の電極２３との間の電気的インピーダンスを測定することにより、周知の方法で測定できる。

本実施形態では、図４に示すように、第１の基板１２が厚さ４００μmのシリコン基板で構成され、当該シリコン基板に直径Ｄｃが１９０μmのインク圧力室１４が形成されている。インク圧力室１４の中心に開口されたノズル１１は、長さＬｎが６μｍ、直径Ｄｎが２０μｍである。さらに、絞り孔１７は、直径Ｄｍが１００μｍ、長さＬｍが５０μｍである。

この結果、式（８）の左辺の値は２．０５×１０^４［１／ｍ］、式（８）の右辺の値は６．３７×１０^３［１／ｍ］となり、式（８）の関係を満たす。それとともに、式（１０）の不等式の左辺は２２６［ｋＨｚ］、式（１０）の不等式の右辺は８４４［ｋＨｚ］となる。したがって、理論的に最も低い駆動電圧に対して２倍以内の低い駆動電圧でインクを吐出できる。加えて、インクの音速に由来する振動現象によりインク吐出動作が阻害されることもなく、正常なインク吐出動作が行える。

なお、インクの音速ｓｓは１３５０［ｍ／ｓ］、インク圧力により変形する振動板４の単位圧力あたりの体積変位は５×１０^−２０［ｍ３／Ｐａ］とした。

一方、本実施形態の第１のインクジェットヘッド１Ａでは、ノズルプレート２に振動板４を変位させるアクチュエータ２０が一体的に組み込まれている。アクチュエータ２０の圧電体層２１に第１の電極２２および第２の電極２３から駆動電圧が印加されると、圧電体層２１に電流が流れて電気的なエネルギーが発生する。このエネルギーのことをアクチュエータ２０の消費エネルギーと称している。

第１のインクジェットヘッド１Ａの開発に携わった発明者は、ノズルプレート２の厚さおよびインク圧力室１４の直径（第２の寸法Ｓ２）が振動板４を変位させる際のアクチュエータ２０の消費エネルギーに大きな影響を及ぼすことを見出した。

すなわち、ノズル１１から効率よくインクを吐出させるためには、インク圧力室１４に充填されたインクを所望の圧力まで加圧してノズル１１から押し出せるように振動板４を変位させることが必要となる。このため、振動板４を変位させるアクチュエータ２０は、振動板４からインク圧力室１４内のインクに付与される圧力が適正となるように、振動板４を駆動しなくてはならない。

この際、ノズルプレート２の厚さを考慮することなく、インク圧力室１４の直径を決定すると、ノズル１１の長さとインク圧力室１４の直径との関係が不適切なものとなって、アクチュエータ２０の消費エネルギーが増大することがあり得る。消費エネルギーが増大すると、振動板４を効率よく駆動することができなくなる。

そこで、発明者は、ノズルプレート２の厚さ寸法が１０μｍのインクジェットヘッドにおいて、インク圧力室１４の直径を変化させた時のアクチュエータ２０の消費エネルギーを検証した。

図６は、インク圧力室１４の直径とアクチュエータ２０の消費エネルギーとの関係を示している。図６から明らかなように、インク圧力室１４の直径が１００μｍおよび５００μｍでは、アクチュエータ２０の消費エネルギーが２．５[ｕＪ]を上回るように急上昇する傾向にあることが認められる。

これに対し、インク圧力室１４の直径が２００μｍ〜３００μｍの範囲では、アクチュエータ２０の消費エネルギーが０．１[ｕＪ]〜０．２[ｕＪ]となり、消費エネルギーが大幅に低く抑えられている。

このため、例えばノズルプレート２の厚さ寸法が１０μｍのインクジェットヘッドでは、インク圧力室１４の直径を２００μ〜３００μｍとなるように設定することで、アクチュエータ２０の消費エネルギーを低減することができる。そのため、振動板４をアクチュエータ２０で効率よく駆動して、インクに付与される圧力を適正に保つことができる。

なお、上記した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ａ…インクジェットヘッド（第１のインクジェットヘッド）、２…ノズルプレート、４…振動板、１１…ノズル、１２…基板（第１の基板）、１４…インク圧力室、２０…アクチュエータ、Ｌｃ…第１の寸法、Ｄｃ…第２の寸法。

Claims (6)

1. インクが充填されるインク圧力室が形成された基板と、
   前記基板に積層され、前記インク圧力室に連通されたノズルと、前記インク圧力室に露出された振動板と、を有するノズルプレートと、
   前記ノズルプレートに内蔵され、前記振動板を厚さ方向に変位させることで前記振動板を介して前記インク圧力室内のインクを加圧して前記ノズルから吐出させるアクチュエータと、を具備し、
   前記ノズルの長さをＬｎ、前記ノズルの開口面積をＳｎ、前記インク圧力室の長さをＬｃ、前記インク圧力室の開口面積をＳｃとした時、
   Ｌｃ／Ｓｃ＞＝Ｌｎ／Ｓｎ／３
   の関係を満たすインクジェットヘッド。
2. 請求項１の記載において、前記アクチュエータは、前記ノズルを取り囲むように前記ノズルプレートに内蔵され、前記インク圧力室は、前記ノズルと同軸の筒状であるインクジェットヘッド。
3. 請求項２の記載において、前記アクチュエータは、前記ノズルプレートに設けられた圧電素子と、前記圧電素子に電気的に接続された第１の電極と、前記圧電素子に電気的に接続されるとともに前記第１の電極と協働して前記圧電素子を挟み込んだ第２の電極と、を含むインクジェットヘッド。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項の記載において、前記インク圧力室にインクを供給するインク供給路をさらに備えたインクジェットヘッド。
5. 請求項１の記載において、前記インク圧力室に対し前記ノズルの反対側に設けられたインク流路と、前記インク流路と前記インク圧力室との間を連通させる絞り孔と、をさらに備えており、
   前記絞り孔の開口面積をＳｍ、前記絞り孔の長さをＬｍとした時、
   （Ｌｃ＋Ｓｃ Ｌｍ／Ｓｍ）／Ｓｃ＞＝Ｌｎ／Ｓｎ／３
   の関係を満たすインクジェットヘッド。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載されたインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置。

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