JPH08336965A - インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド

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JPH08336965A
JPH08336965A JP14731695A JP14731695A JPH08336965A JP H08336965 A JPH08336965 A JP H08336965A JP 14731695 A JP14731695 A JP 14731695A JP 14731695 A JP14731695 A JP 14731695A JP H08336965 A JPH08336965 A JP H08336965A
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JP
Japan
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plate
ink
buckling
buckling plate
wall surface
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Application number
JP14731695A
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English (en)
Inventor
Shingo Abe
新吾 阿部
Tetsuya Inui
哲也 乾
Koji Matoba
宏次 的場
Susumu Hirata
進 平田
Masaharu Kimura
正治 木村
Yorishige Ishii
頼成 石井
Masaru Horinaka
大 堀中
Yutaka Onda
裕 恩田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2002/14346—Ejection by pressure produced by thermal deformation of ink chamber, e.g. buckling

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インク室６ａ内に圧力を発生させて、インク
液１００をインク吐出口７ａを通して室外へ吐出させる
インクジェットヘッドであって、小型に構成でき、イン
クの吐出力や吐出速度を大きくすることができ、しかも
長寿命のものを提供する。 【構成】 インク室６ａはインク吐出口７ａと対向する
壁面４に窓開口４ａを有する。可撓性材料からなり、窓
開口４ａを実質的に液密に塞ぐ圧力発生板２を備える。
圧力発生板２は、周縁部２ｃのうち少なくとも一方向に
関して両端をなす部分が壁面４に取り付けられている。
この圧力発生板２に、平坦な無変位状態と、壁面４に取
り付けられた両端の間の中央部２ａが壁面４に垂直な方
向に変位した変位状態とを取らせる変形手段１を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、インク滴を吐出、飛
翔させて記録を行うインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、インクジェットヘッドの形式とし
て、種々の液滴吐出原理に基づくものが製品化されてい
る。例えば、圧電素子に電圧を印加したときの機械的な
変形によってインク室のノズル穴からインクを吐出させ
るようにしたもの（圧電素子方式)、ヒータ加熱によっ
てインクを沸騰させて泡を形成し、この泡発生による圧
力変化でノズル穴からインクを吐出させるようにしたも
の(バブルジェット方式)がある。
【０００３】また、通電により発熱して変形する圧力発
生部材を用いたインクジェットヘッドが提案されている
(特公平２−３０５４３号公報)。このインクジェットヘ
ッドは、ノズル開口を有するノズルプレートの両端にそ
れぞれ電極を設け、これらの電極に板状の圧力発生部材
を架け渡して接続し、これらを収容するようにインク室
を構成するカバー部材を設けたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
電素子方式のインクジェットヘッドは、圧電素子の変形
が比較的小さいため、圧電素子を積層したり、形状の大
きいバイモルフ型の圧電アクチュエータを形成し、変形
量を大きくしてインク滴を吐出させる必要がある。その
ため、圧電素子およびインク室が大寸法となり、例えば
複数のノズルを一体に集積化したマルチノズルヘッドを
作製するのが難しいという問題がある。
【０００５】また、上記バブルジェット方式のインクジ
ェットヘッドは、ヒータ加熱によるインク沸騰時の泡を
利用するので、ヒータの小型化によりノズルの集積化が
比較的容易で、記録時間も短縮できる利点がある反面、
きれいな泡を得るためにヒータを短時間に１０００℃近
くまで加熱せねばならず、その結果、ヒータが劣化しや
すく、インクジェットヘッドの寿命が短くなるという問
題がある。
【０００６】また、特公平２−３０５４３号公報で開示
されたインクジェットヘッドは、加圧時にインクが圧力
発生部材の背面に回り込み、圧力が低下してインクの吐
出力や吐出速度が不足するという問題がある。
【０００７】そこで、この発明の目的は、小型に構成で
き、インクの吐出力や吐出速度を大きくすることがで
き、しかも長寿命のインクジェットヘッドを提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載のインクジェットヘッドは、インク
室内に圧力を発生させて、上記インク室内のインク液を
インク吐出口を通して室外へ吐出させるインクジェット
ヘッドであって、上記インク室は上記インク吐出口と対
向する壁面に窓開口を有し、可撓性材料からなり、上記
窓開口を実質的に液密に塞ぐ状態で、周縁部のうち少な
くとも一方向に関して両端をなす部分が上記壁面に取り
付けられた圧力発生板と、この圧力発生板に、平坦な無
変位状態と、上記壁面に取り付けられた両端の間の中央
部が上記壁面に垂直な方向に変位した変位状態とを取ら
せる変形手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】また、請求項２に記載のインクジェットヘ
ッドは、インク室内に圧力を発生させて、上記インク室
内のインク液をインク吐出口を通して室外へ吐出させる
インクジェットヘッドであって、上記インク室は上記イ
ンク吐出口と対向する壁面に窓開口を有し、上記窓開口
を実質的に液密に塞ぐ状態で、周縁部のうち少なくとも
一方向に関して両端をなす部分が上記壁面に取り付けら
れ、実質的に熱応力がない無変位状態と、熱膨張して座
屈した座屈状態とを取り得る座屈板を備え、上記座屈板
の板面に沿って又は上記座屈板の内部に板面と平行に、
通電により発熱するヒータ層が設けられていることを特
徴としている。
【００１０】また、請求項３に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項２に記載のインクジェットヘッドにおい
て、上記座屈板の形状は楕円板状であることを特徴とし
ている。
【００１１】また、請求項４に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項２に記載のインクジェットヘッドにおい
て、上記座屈板の厚さは、少なくとも上記両端をなす部
分の間で、部分的に薄くなっていることを特徴としてい
る。
【００１２】また、請求項５に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項２に記載のインクジェットヘッドにおい
て、上記座屈板の形状は円板状であり、上記座屈板の周
縁部が全周にわたって上記壁面に取り付けられており、
上記ヒータ層は上記座屈板の中央部から周縁部まで実質
的に放射状に延びるパターンに形成され、上記座屈板の
うち上記ヒータ層のパターン間に存する扇状部分の厚さ
が、上記座屈板の残りの部分の厚さよりも薄くなってい
ることを特徴としている。
【００１３】また、請求項６に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項２乃至５のいずれか一つに記載のインク
ジェットヘッドにおいて、上記座屈板は金属材料からな
ることを特徴としている。
【００１４】また、請求項７に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項２に記載のインクジェットヘッドにおい
て、上記座屈板の形状は円板状であり、上記座屈板の周
縁部が全周にわたって上記壁面に取り付けられており、
上記座屈板を構成する材料のヤング率をＥ、ポアソン比
をν、線膨張係数をαとし、上記座屈板の直径をＤ、上
記ヒータ層の発熱による上記座屈板の温度変化をtとす
るとき、上記座屈板の厚さhは、上記座屈板が上記イン
ク室内のインク液を加圧するための座屈エネルギを発生
するように、 ０＜h＜{３αtＤ2(１＋ν)／π2＋４c}1/2 （ただ
し、cは定数） なる範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１５】また、請求項８に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項７に記載のインクジェットヘッドにおい
て、上記インク吐出口から吐出されるべきインク滴の質
量をm、吐出速度をv、表面積をＳ、上記インク液の表面
張力をσ、粘性係数をμ、密度をρとし、インク吐出口
の長さをl、内径をd、損失係数をζとするとき、上記座
屈エネルギが上記インク滴を室外へ吐出させるのに必要
なエネルギを超えるように、上記座屈板の厚さhは、 ２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−ν2)＞mv2／２＋σＳ＋３２mvl
μ／d2ρ＋ζmv2／２（ただし、Ｃ2＝π2{h2(π2＋４c)
−３αtＤ2(１＋ν)}／１２Ｄ2） なる関係式を満たす範囲に設定されていることを特徴と
している。
【００１６】また、請求項９に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項７または８に記載のインクジェットヘッ
ドにおいて、上記座屈板の厚さhは、上記座屈エネルギ
を最大にするように、 hS＝{３αtＤ2(１＋ν)／５(π＋４c)}1/2 なる最適値に設定されていることを特徴としている。
【００１７】
【作用】請求項１に記載のインクジェットヘッドは次の
ように駆動される。すなわち、動作時には予めインク室
をインクで満たす。圧力発生板は平坦な無変位状態にあ
るものとする。まず、変形手段が上記圧力発生板に、上
記壁面に取り付けられた両端の間の中央部が上記壁面に
垂直な方向に変位した変位状態とを取らせる。これによ
りインク室内に圧力が発生し、この圧力により、インク
室内のインク液がインク吐出口を通して室外へ吐出す
る。続いて、変形手段が上記圧力発生板の変位状態を解
除して平坦な無変位状態に復帰させる。このような圧力
発生板の変位と復帰との繰り返しによって印刷が行われ
る。
【００１８】このインクジェットヘッドでは、変形手段
が圧力発生板を上記壁面に垂直な方向へ変形させるの
で、圧力発生板の中央部は比較的大きく変位することが
できる。したがって、従来の圧電素子方式のものと異な
り、圧力発生板やインク室の寸法を小さく設定すること
ができ、インクジェットヘッドが小型に構成され得る。
しかも、圧力発生板が上記壁面の窓開口を実質的に液密
に塞ぎ、上記壁面の一部としても働くので、インクジェ
ットヘッドの構造が極めて簡素になる。また、このイン
クジェットヘッドでは、圧力発生板が上記壁面の窓開口
を実質的に液密に塞ぐ状態にあり（圧力発生板の中央部
が上記壁面に垂直な方向に変位したときも液密に保たれ
る）、インクが圧力発生板の裏側（インク吐出口と反対
の側）に回り込むことがないので、インクの吐出力や吐
出速度が大きくなる。また、変形手段としては圧力発生
板を加熱して熱膨張力により変形させるもの、圧力発生
板を静電力や電磁力により変形させる手段などが考えら
れるが、圧力発生板を静電力や電磁力により変形させる
手段を採用した場合は当然ながら加熱を行う必要はな
く、また上記圧力発生板を加熱して熱膨張力により変形
させる手段を採用したとしても、実施例の欄で述べるよ
うに加熱温度は高々１００℃程度で済む。つまり、従来
のバブルジェット方式のものと異なり、極端な高温（１
０００℃）に加熱する必要はない。したがって、信頼性
が良好となり、インクジェットヘッドの寿命が長くな
る。
【００１９】請求項２に記載のインクジェットヘッドは
次のように駆動される。すなわち、動作時には予めイン
ク室をインクで満たす。座屈板は平坦な無変位状態にあ
るものとする。まず、ヒータ層に通電して発熱させる。
座屈板がこのヒータ層の熱を受けて、無変位状態から熱
膨張して座屈した座屈状態となる。これによりインク室
内に圧力が発生する。この圧力により、インク室内のイ
ンク液がインク吐出口を通して室外へ吐出する。続い
て、上記ヒータ層の通電を停止する。これにより、座屈
板が無変位状態に復帰する。このような座屈板の変位と
復帰との繰り返しによって印刷が行われる。
【００２０】このインクジェットヘッドでは、ヒータ層
の発熱によって座屈板を上記壁面に垂直な方向へ座屈さ
せるので、座屈板の中央部は比較的大きく変位すること
ができる。したがって、従来の圧電素子方式のものと異
なり、座屈板やインク室を小さく設定することによって
インクジェットヘッドが小型に構成され得る。しかも、
座屈板が上記壁面の窓開口を実質的に液密に塞ぎ、上記
壁面の一部としても働くので、インクジェットヘッドの
構造が極めて簡素になる。また、このインクジェットヘ
ッドでは、座屈板がインク室の窓開口を実質的に液密に
塞ぐ状態にあり（座屈板の中央部が上記壁面に垂直な方
向に変位したときも液密に保たれる）、インクが座屈板
の裏側（インク吐出口と反対の側）に回り込むことがな
いので、インクの吐出力や吐出速度が大きくなる。ま
た、実施例の欄で述べるようにヒータ層による加熱温度
は高々１００℃程度で済み、従来のバブルジェット方式
のような極端な高温（１０００℃）に加熱する必要はな
い。したがって、消費電力が少なくて済む上、信頼性が
良好となり、インクジェットヘッドの寿命が長くなる。
【００２１】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈板の形状が楕円板状であるので、矩形板である
場合に比して、壁面に垂直な方向に一定の変位を起こさ
せるために必要な座屈エネルギが少なくて済む。したが
って、少ない消費電力で大きな吐出力や吐出速度を得る
ことができる。また、矩形板である場合と異なり、座屈
状態で座屈板内に応力集中が生じない。したがって、座
屈板やヒータ層の疲労が軽減され、インクジェットヘッ
ドがさらに長寿命となる。
【００２２】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈板が少なくとも壁面に取り付けられた両端をな
す部分の間で部分的に薄くなっているため、均一な厚さ
を持つ場合に比して、座屈板の体積が小さくなってい
る。したがって、座屈板を一定の温度に上昇させための
消費電力が少なくて済む。この結果、少ない消費電力で
大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。また、均
一な厚さを持つ場合に比して容易に変形するので、座屈
板やヒータ層に対する応力が緩和される。したがって、
座屈板やヒータ層の疲労が軽減され、インクジェットヘ
ッドの寿命が長くなる。
【００２３】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、上記座屈板の形状が円板状であり、厚さについても
回転対称となっているので、楕円板状である場合に比し
て、壁面に垂直な方向に一定の変位を起こさせるために
必要な座屈エネルギがさらに少なくて済む。しかも、座
屈板のうち上記ヒータ層のパターン間に存する扇状部分
の厚さが残りの部分の厚さよりも薄くなっており、均一
な厚さを持つ場合に比して座屈板の体積が小さくなって
いるので、座屈板を一定の温度に上昇させための消費電
力が少なくて済む。これらの結果として、少ない消費電
力で大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。
【００２４】また、上記座屈板の形状は円板状であるか
ら、楕円板状である場合と同様に、座屈状態で応力集中
が生じない。しかも、上記座屈板の厚さは部分的に薄く
なっているため、均一な厚さを持つ場合に比して容易に
変形する。したがって、インクジェットヘッドがさらに
長寿命となる。なお、座屈板のうち厚さが薄くなってい
る扇状部分はヒータ層のパターン間に存するので、その
扇状部分はヒータ層によって直接加熱されるわけではな
く、その扇状部分に対する熱応力は比較的小さい。した
がって、その扇状部分が疲労によってインクジェットヘ
ッド全体の寿命を短くすることはない。
【００２５】請求項６に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板が金属材料からなる。金属は一般に、他
の材料に比して、ヤング率、線膨張係数、熱伝導率が大
きく、延性に富んでいる。したがって、この金属材料か
らなる座屈板によって、大きな吐出力や吐出速度を得る
ことができ、周波数応答を向上させることができる。ま
た、インクジェットヘッドの寿命が長くなる。
【００２６】請求項７に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板の形状は円板状であり、上記座屈板の周
縁部が全周にわたって上記壁面に取り付けられており、
しかも上記座屈板の厚さhが ０＜h＜{３αtＤ2(１＋ν)／π2＋４c}1/2 （ただ
し、cは定数） なる範囲に設定されているので、実施例の欄で述べるよ
うに、上記座屈板が上記インク室内のインク液を加圧す
るための座屈エネルギを発生することができる。
【００２７】請求項８に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板の厚さhは、 ２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−ν2)＞mv2／２＋σＳ＋３２mvl
μ／d2ρ＋ζmv2／２（ただし、Ｃ2＝π2{h2(π2＋４c)
−３αtＤ2(１＋ν)}／１２Ｄ2） なる関係式を満たす範囲に設定されているので、実施例
の欄で述べるように、上記座屈エネルギが上記インク滴
を室外へ吐出させるのに必要なエネルギを超えることが
できる。なお、上記式の左辺（２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−
ν2)）は上記座屈エネルギを表している。また、右辺の
第１項（mv2／２）はインク滴の運動エネルギ、右辺の
第２項（σＳ）はインク滴を表面張力から解放するため
に必要なエネルギ、右辺の第３項（３２mvlμ／d2ρ）
はインクがインク吐出口を通過する際の摩擦損失エネル
ギ、右辺の第４項（ζmv2／２）はインクがインク吐出
口を通過する際の断面積急収縮による損失エネルギを示
している。
【００２８】請求項９に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板の厚さhが hS＝{３αtＤ2(１＋ν)／５(π＋４c)}1/2 なる最適値ｈSに設定されているので、実施例の欄で述
べるように、上記座屈エネルギを最大にすることができ
る。
【００２９】
【実施例】以下、この発明のインクジェットヘッドを実
施例により詳細に説明する。
【００３０】（第１実施例）図１(a)はこの発明の一実
施例のインクジェットヘッドをインク吐出方向から見た
ところを模式的に示し、同図(b)は同図(a)におけるＸ−
Ｘ線矢視断面を示している。このインクジェットヘッド
１０は、矩形の底板５Ｅと側板５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ
を有する枡状のケーシング５と、このケーシング５の蓋
をなす平板状のノズルプレート７を備えている。ケーシ
ング５内には、矩形の窓開口４ａを有するフランジ板４
が底板５Ｅと平行に設けられている。このフランジ板４
には、窓開口４ａを液密に塞ぐ状態で、圧力発生板とし
ての座屈板２が取り付けられている。上記ノズルプレー
ト７と、フランジ板４および座屈板２と、ケーシング５
の側壁５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄのうちフランジ板４より
も上の部分とでインク室６ａを構成している。ケーシン
グ５の内部のうちフランジ板４および座屈板２よりも下
側の部分は空間６ｂである。
【００３１】上記ノズルプレート７の略中央にはインク
吐出口７ａが設けられている（図１(a)では、簡単のた
めノズルプレート７を省略し、インク吐出口７ａのみ示
している。）。このインク吐出口７ａは、ノズルプレー
ト７を貫通する断面円形状の穴であり、その内径はイン
ク室の内側から外側へ向かって次第に小さくなるように
設定されている。一方、ケーシング５の側壁５Ｄのうち
フランジ板４よりも上の部分に、外部からインク室内に
インクを供給するためのインク供給口５ａが設けられて
いる。このインク供給口５ａは側壁５Ｄを貫通する断面
円形状の穴であり、その内径はインク室の外側から内側
へ向かって次第に小さくなるように設定されている。
【００３２】上記座屈板２は、この例では均一な厚さ
で、窓開口４ａの寸法よりも少し大きい寸法を持つ矩形
の板である。座屈板２の周縁部（すなわちフランジ板４
と重なっている部分）２ｃは、全周にわたってフランジ
板４に接着され、固定されている。この座屈板２は、実
質的に熱応力がない無変位状態と、加熱により熱膨張し
てフランジ板４に垂直な方向に座屈した座屈状態とを取
り得る材料、例えばアルミナからなっている。この座屈
板２は、インク室６ａと下部空間６ｂとを仕切るダイア
フラム（仕切板）の役割を果たしている。
【００３３】上記座屈板２の内部に板面と平行に、通電
により発熱するヒータ層１が設けられている。このヒー
タ層１は、有限な導電性（電気抵抗）を有する金属材
料、例えばＴａからなり、座屈板２のうち窓開口４ａ内
の部分を帯状に蛇行して座屈板２の長手方向に延びるパ
ターンに形成されている。なお、ヒータ層１のパターン
の蛇行の振幅は、窓開口４ａの幅に対応して一定になっ
ている。図１(a)においてヒータ層１の右端には電極パ
ッド１ａ，左端には電極パッド１ｂがそれぞれ設けられ
ている。右端の電極パッド１ａはスイッチ８に接続され
ている。このスイッチ８は電源９と接地との切り替えを
行うようになっている。左端の電極パッド１ｂは接地さ
れている。
【００３４】このインクジェットヘッド１０は次のよう
に駆動される。
【００３５】動作時には、予めインク室６ａ内にイン
ク供給口５ａを経てインク液１００を注入する。これに
より、インク室６ａがインクで満たされる。
【００３６】次に、図２(a)に示すようにスイッチ８
を電源９側に切り替えて、電源９の電圧を電極１ａ,１
ｂ間に印加し、ヒータ層１に通電して発熱させる。座屈
板２はこの熱を受けて、無変位状態から、熱膨張して板
面に平行な面内で拡張しようとする。しかし、座屈板２
の周縁部が全周にわたってフランジ板４に固定されてい
るため、板面に平行な面内で拡張することができず、座
屈板２の内部にその反作用として圧縮力が蓄積される。
この圧縮力が座屈板２の材質、形状、寸法で決まる座屈
荷重を超えたとき、図２(b)に示すように、座屈板２は
フランジ板４に垂直な方向に座屈し、中央部２ａがノズ
ルプレート７側へ変位した座屈状態となる。このように
座屈板２が座屈する結果、インク室６ａ内に圧力が発生
する。この圧力により、上記インク室６ａ内のインク液
１００がノズルプレート７のインク吐出口７ａを通して
インク滴１００ａとして室外へ吐出される。
【００３７】次に、図１(a)に示したようにスイッチ
８を接地側に戻して、上記ヒータ層１に対する通電を停
止する。すると、座屈板２は冷却されて収縮し、元の無
変位状態に復帰する。このような、座屈板２の変位と復
帰との繰り返しによって、記録紙に印字が行われる。
【００３８】このインクジェットヘッド１０では、ヒー
タ層１の発熱によって座屈板２をフランジ板４に垂直な
方向へ座屈させるので、座屈板２の中央部２ａはノズル
プレート７側へ比較的大きく変位することができる。し
たがって、従来の圧電素子方式のものと異なり、座屈板
２やインク室６ａを小さく設定することによってインク
ジェットヘッドを小型に構成することができる。しか
も、座屈板２がフランジ板４の窓開口４ａを液密に塞
ぎ、インク室６ａの壁面の一部としても働くので、イン
クジェットヘッドの構造を極めて簡素化することができ
る。また、このインクジェットヘッドでは、座屈板２が
フランジ板４の窓開口４ａを液密に塞ぐ状態にあり（座
屈板２の中央部２ａがノズルプレート７側へ変位したと
きも液密に保たれる）、インク液１００が座屈板２の裏
側６ｂに回り込むことがないので、インクの吐出力や吐
出速度が大きくなる。また、ヒータ層１による加熱温度
は後述する設計例で示すように高々１００℃程度で済
み、従来のバブルジェット方式のような極端な高温（１
０００℃）に加熱する必要はない。したがって、消費電
力が少なくて済む上、信頼性が良好となり、インクジェ
ットヘッドの寿命を延ばすことができる。
【００３９】（第２実施例）図３〜図５は、４つのイン
クジェットヘッドを集積化して構成したマルチ型インク
ジェットヘッド２０を示している。図３は上記インクジ
ェットヘッド２０を分解状態で斜めから見たところを示
している。また、図４(a)は上記インクジェットヘッド
２０をインク吐出方向から見たところを模式的に示し、
同図(b)は同図(a)におけるＹ−Ｙ線矢視断面を示してい
る。
【００４０】図３に示すように、このインクジェットヘ
ッド２０は、圧力発生部材１５と、この圧力発生部材１
５上に載置されて４つのインク室１６ａの側壁をなすス
ペーサ１６と、各インク室１６ａの蓋をなすノズルプレ
ート１７を備えている。
【００４１】上記圧力発生部材１５は、表面保護膜１３
が形成された基板１８上に、座屈板１２ｂ，１２ｔと、
座屈板１２ｂ，１２ｔの間に板面に沿って形成されたヒ
ータ層１１を一体に有している。
【００４２】基板１８は、この例では面方位(１００)の
単結晶シリコンからなっている。基板１８の外形は略矩
形板状であり、図４(a)，(b)に示すように、基板１８
（および表面保護膜１３）の中央には矩形の窓開口１８
ａが設けられている。なお、窓開口１８は、基板の裏面
側から表面側へ向かって次第に寸法が小さくなるように
形成されている。
【００４３】座屈板１２ｂ,１２ｔは、この例ではアル
ミナからなっている。図３で最も良く分かるように、座
屈板１２ｂ，１２ｔの形状は、それぞれ均一な厚さを持
つ矩形板状になっている。座屈板１２ｂは基板１８上の
全域を占めているが、座屈板１２ｔは、次に述べる電極
パッド１１ａ，１１ｂを露出させるために、基板１８上
で手前側（図３において）の辺１８Ｃに沿った帯状領域
１８Ｅ上の部分が取り除かれている。
【００４４】ヒータ層１１は、有限な導電性（電気抵
抗）を持つ金属材料、例えばＴａからなっている。この
ヒータ層１１は、各インク室１６ａに対応する領域内で
帯状に蛇行するパターンを持つ４つの発熱部１１ｃと、
各発熱部１１ｃの一端につながる短冊状の独立配線部１
３ｄと、各発熱部１１ｃの他端につながり座屈板１２ｂ
の三辺１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｄに沿って配置されたコの
字状の共通配線部１３ｅとを有している。独立配線部１
３ｄ，共通配線部１３ａのうち帯状領域１８Ｅに存する
部分は、座屈板１２ｔがそこで部分的に取り除かれてい
るお陰で、それぞれ操作電極パッド１１ａ，共通電極パ
ッド１１ｂとして露出している。
【００４５】スペーサ１６は、例えば１０〜５０μmの
厚みを有するステンレス鋼板からなっている。このスペ
ーサ１６には、例えば打ち抜き加工により、インク室の
側壁を構成する４つの矩形の開口１６ａと、各開口１６
ａに連通するインク供給口１６ｂが設けられている。
【００４６】ノズルプレート１７は、例えば０．２mm程
度のガラス材からなっている。このノズルプレート１７
には、例えばふっ酸によるエッチングによって、４つの
インク吐出口１７ａが形成されている。このインク吐出
口１７ａは、ノズルプレート１７を貫通する断面円形状
の穴であり、その内径はノズルプレート１７の裏側から
表側へ向かって次第に小さくなるように設定されてい
る。
【００４７】図４(a)，(b)に示すように、完成状態で
は、圧力発生部材１５上に、スペーサ１６と、ノズルプ
レート１７が接着剤によって取り付けられる。これによ
り、スペーサ１６の各開口１６ａの上下がノズルプレー
ト１７と、座屈板１２ｂ，１２ｔとで実質的に液密に塞
がれて、４つのインク室が構成される。なお、座屈板１
２ｔ（および１２ｂ）のうち各開口１６ａの周縁と重な
る部分は、全周にわたってスペーサ１６に接着され、固
定された状態となる。結果として、各インク室１６ａ毎
にこの発明に係るインクジェットヘッドが構成される。
【００４８】また、基板１８上の帯状領域１８Ｅに露出
している操作電極パッド１１ａは個々にスイッチ１４を
介して電源１９の（＋）端子に接続され、共通電極パッ
ド１１ｂは電源１９の（一）端子に接続される。
【００４９】動作時には、各スイッチ１４を切り替える
ことによって、ヒータ層１１のうち各インク室１６ａに
対応した発熱部１１ｃが独立に通電され得る。したがっ
て、各ヘッドは互いに独立に駆動され得る。各ヘッドは
それぞれ図１に示したインクジェットヘッド１０と同様
に動作し、同様の作用効果を奏することができる。
【００５０】上記圧力発生部材１５は、詳しくは次のよ
うな手順で製造される。
【００５１】まず、図５(a)に示すように、面方位(１０
０)の単結晶シリコン基板１８の両面に、ＬＰＣＶＤ
（減圧化学気相成長）法により、６〜８％のリン(Ｐ)を
含む例えば厚さ２μmの酸化シリコン(ＳiＯ2)層(以下
「ＰＳＧ層」という。）を成膜する。
【００５２】次に、図５(b)に示すように、基板表面の
ＰＳＧ層１３上に、座屈板１２ｂとして例えば厚さ３μ
ｍのアルミナを成膜する。
【００５３】次に、図５(c)に示すように、座屈板１２
ｂ上に、ヒータ層１１の材料として例えば厚さ０．１μ
ｍのＴａを成膜し、このＴａ膜を上述のヒータ層１１の
パターン（図３参照）に加工する。
【００５４】次に、図５(d)に示すように、座屈板１２
ｂの表面上に、ヒータ層１１を挟み込むように、座屈板
１２ｔの材料として厚さ３μmのアルミナを成膜し、こ
のアルミナ膜をヒータ層１１の電極部を露出させるパタ
ーンに加工する。
【００５５】次に、図６(e)に示すように、基板裏面の
ＰＳＧ層１３に、窓開口１８ａに対応する開口１３ａを
形成する。
【００５６】次に、図６(f)に示すように、このＰＳＧ
層１３をマスクとして、水酸化カリウム(ＫＯＨ)水溶液
を用いて異方性エッチングを行って、基板１８を貫通す
るテーパ形状の窓開口１８ａを形成する。
【００５７】最後に、図６(g)に示すように、基板１８
をマスクとしてエッチングを行って、基板裏面側のＰＳ
Ｇ層１３と、窓開口１８ａ内に露出した基板表面側のＰ
ＳＧ層１３を除去する。これにより、上記圧力発生部材
１５が得られる。
【００５８】この圧力発生部材１５上にスペーサ１６と
ノズルプレート１７を一体に取り付けることによって、
マルチ型インクジェットヘッドを小型かつ安価に作製す
ることができる。
【００５９】なお、この例では、説明の簡略化のため、
ヘッド数が４つの場合について述べたが、当然ながらヘ
ッド数はこれに限定されるものではなく、任意に設定で
きるものである。
【００６０】また、この例では、座屈板１２ｂ,１２ｔ
の材料としてアルミナを採用したが、後述の理由より、
座屈板１２ｂ,１２ｔの材料としては金属が望ましい。
ただし、座屈板１２ｂ,１２ｔの材料として金属を用い
る場合は、ヒータ層１１との界面に絶縁層を設ける必要
がある。
【００６１】（第３実施例）上記各例では、座屈板とし
て矩形板状のものを採用したが、座屈板の形状はそれに
限られるわけではない。
【００６２】例えば図７に示すように、座屈板の形状
を、均一な厚さを持つ楕円板状にしても良い。図７(a)
はそのような座屈板２２を有するインクジェットヘッド
３０をインク吐出方向から見たところを模式的に示し、
同図(b)は同図(a)におけるＸ−Ｘ線矢視断面を示してい
る。このインクジェットヘッド３０は、図１のインクジ
ェットヘッドを変形したものであり、対応する構成要素
には図１中の参照数字に２０を加えた参照数字を付して
いる。
【００６３】このインクジェットヘッド３０は、座屈板
２２の形状に対応して、楕円板状の底板２５Ｅと、楕円
筒状の側壁２５Ｂを有するケーシング２５と、このケー
シング２５の蓋をなす平板状のノズルプレート２７を備
えている。ケーシング２５内には、楕円形の窓開口２４
ａを有するフランジ板２４が底板２５Ｅと平行に設けら
れている。このフランジ板２４には、窓開口２４ａを液
密に塞ぐ状態で、圧力発生板としての座屈板２２が取り
付けられている。上記ノズルプレート２７と、フランジ
板２４および座屈板２２と、ケーシング２５の側壁２５
Ｂのうちフランジ板２４よりも上の部分とでインク室２
６ａを構成している。ケーシング２５の内部のうちフラ
ンジ板２４および座屈板２２よりも下側の部分は空間２
６ｂである。
【００６４】上記ノズルプレート２７の略中央にはイン
ク吐出口２７ａが設けられている（図７(a)では、簡単
のためノズルプレート２７を省略し、インク吐出口２７
ａのみ示している。）。このインク吐出口２７ａは、ノ
ズルプレート２７を貫通する断面円形状の穴であり、そ
の内径はインク室の内側から外側へ向かって次第に小さ
くなるように設定されている。一方、ケーシング２５の
側壁２５Ｂのうちフランジ板２４よりも上の部分に、外
部からインク室内にインクを供給するためのインク供給
口２５ａが設けられている。このインク供給口２５ａは
側壁２５Ｂを貫通する断面円形状の穴であり、その内径
はインク室の外側から内側へ向かって次第に小さくなる
ように設定されている。
【００６５】上記座屈板２２は、上述のように、均一な
厚さで、窓開口２４ａの寸法よりも少し大きい寸法を持
つ楕円形の板である。座屈板２２の周縁部（すなわちフ
ランジ板２４と重なっている部分）２２ｃは、全周にわ
たってフランジ板２４に接着され、固定されている。こ
の座屈板２２は、実質的に熱応力がない無変位状態と、
加熱により熱膨張してフランジ板２４に垂直な方向に座
屈した座屈状態とを取り得る材料、例えばアルミナから
なっている。この座屈板２２は、インク室２６ａと下部
空間２６ｂとを仕切るダイアフラム（仕切板）の役割を
果たしている。
【００６６】上記座屈板２２の内部に板面と平行に、通
電により発熱するヒータ層２１が設けられている。この
ヒータ層２１は、有限な導電性（電気抵抗）を有する金
属材料、例えばＴａからなり、座屈板２２のうち窓開口
２４ａ内の部分を帯状に蛇行して座屈板２２の長手方向
に延びるパターンに形成されている。なお、ヒータ層２
１のパターンの蛇行の振幅は、窓開口２４ａの寸法に対
応して、中央部で大きく、両端で小さく設定されてい
る。図７(a)においてヒータ層２１の右端には電極パッ
ド２１ａ，左端には電極パッド２１ｂがそれぞれ設けら
れている。右端の電極パッド２１ａはスイッチ２８に接
続されている。このスイッチ２８は電源２９と接地との
切り替えを行うようになっている。左端の電極パッド２
１ｂは接地されている。
【００６７】このインクジェットヘッド３０は、図１に
示したインクジェットヘッド１０と同様に動作し、同様
の作用効果を奏することができる。
【００６８】しかも、座屈板２２の形状が楕円板状であ
るので、矩形板である場合に比して、フランジ板２４に
垂直な方向に一定の変位を起こさせるために必要な座屈
エネルギが少なくて済む。したがって、少ない消費電力
でさらに大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。
【００６９】また、座屈板２２の形状が楕円板状である
ので、矩形板である場合と異なり、座屈状態で応力集中
が生じない。したがって、インクジェットヘッドの寿命
をさらに延ばすことができる。例えば、図８に示すよう
に、座屈板として、縦方向および横方向の寸法が等しい
矩形板２と楕円板２２とを想定する（矩形板２の短辺，
長辺の寸法と楕円板２２の短軸方向，長軸方向の寸法と
がそれぞれ等しい。）。この場合において、矩形板２，
楕円板２２の中央部２ａ，２２ａがそれぞれ図８の面に
垂直な方向に変位したとき、矩形板２のコーナー部２ｄ
では大きな応力集中が生じるが、楕円板２２ではコーナ
ー部がないのでそのような応力集中は生じない。したが
って、座屈板やヒータ層の疲労を軽減でき、インクジェ
ットヘッドの寿命をさらに延ばすことができる。
【００７０】（第４実施例）上記各例では、座屈板とし
て均一な厚さを持つものを採用したが、座屈板の厚さは
均一なものに限られるわけではない。
【００７１】例えば図９に示すように、座屈板の厚さを
部分的に薄くしても良い。図９(a)はそのような座屈板
３２を有するインクジェットヘッド４０をインク吐出方
向から見たところ、同図(b)は上記インクジェットヘッ
ド４０の縦断面をそれぞれ模式的に示している。このイ
ンクジェットヘッド４０は、図１のインクジェットヘッ
ドを変形したものであり、対応する構成要素には図１中
の参照数字に３０を加えた参照数字を付している。
【００７２】このインクジェットヘッド４０は、図１中
に示したケーシング５、ノズルプレート７と全く同一の
ケーシング３５、ノズルプレート３７を備えている。ケ
ーシング３５内には、矩形の窓開口３４ａを有するフラ
ンジ板３４が底板３５Ｅと平行に設けられている。この
フランジ板３４には、窓開口３４ａを液密に塞ぐ状態
で、圧力発生板としての座屈板３２が取り付けられてい
る。この座屈板３２は、窓開口３４ａの寸法よりも少し
大きい寸法を持つ矩形の板であり、各コーナー部に、残
りの領域よりも厚さが薄い矩形の領域３２ｂが設けられ
ている。座屈板３２の周縁部（すなわちフランジ板３４
と重なっている部分）３２ｃは、全周にわたってフラン
ジ板３４に接着され、固定されている。この座屈板３２
の材料、ヒータ層３１の材料やパターン、その他の構成
は図１のインクジェットヘッド１０の構成と同じであ
る。
【００７３】このインクジェットヘッド３０は、図１に
示したインクジェットヘッド１０と同様に動作し、同様
の作用効果を奏することができる。
【００７４】しかも、座屈板３２の厚さが各コーナー領
域３２ｂで部分的に薄くなっているので、均一な厚さを
持つ場合に比して、座屈板３２の体積が小さくなってい
る。したがって、座屈板３２を一定の温度に上昇させた
めの消費電力が少なくて済む。この結果、少ない消費電
力で大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。
【００７５】また、座屈板３２は均一な厚さを持つ場合
に比して容易に変形するので、座屈板３２やヒータ層３
１に対する応力が緩和される。したがって、座屈板やヒ
ータ層の疲労を軽減でき、インクジェットヘッドの寿命
を延ばすことができる。
【００７６】（第５実施例）図１０は、円板状で厚さが
部分的に薄くなっている座屈板４２を有するインクジェ
ットヘッド５０を例示している。
【００７７】図１０(a)はそのような座屈板４２を有す
るインクジェットヘッド５０をインク吐出方向から見た
ところを模式的に示し、同図(b)は同図(a)におけるＸ−
Ｘ線矢視断面を示している。このインクジェットヘッド
５０は、図１のインクジェットヘッドを変形したもので
あり、対応する構成要素には図１中の参照数字に４０を
加えた参照数字を付している。
【００７８】このインクジェットヘッド５０は、座屈板
４２の形状に対応して、円板状の底板４５Ｅと、円筒状
の側壁４５Ｂを有するケーシング４５と、このケーシン
グ４５の蓋をなす平板状のノズルプレート４７を備えて
いる。ケーシング４５内には、円形の窓開口４４ａを有
するフランジ板４４が底板４５Ｅと平行に設けられてい
る。このフランジ板４４には、窓開口４４ａを液密に塞
ぐ状態で、圧力発生板としての座屈板４２が取り付けら
れている。上記ノズルプレート４７と、フランジ板４４
および座屈板４２と、ケーシング４５の側壁４５Ｂのう
ちフランジ板４４よりも上の部分とでインク室４６ａを
構成している。ケーシング４５の内部のうちフランジ板
４４および座屈板４２よりも下側の部分は空間４６ｂで
ある。
【００７９】上記ノズルプレート４７の略中央にはイン
ク吐出口４７ａが設けられている（図１０(a)では、簡
単のためノズルプレート４７を省略し、インク吐出口４
７ａのみ示している。）。このインク吐出口４７ａは、
ノズルプレート４７を貫通する断面円形状の穴であり、
その内径はインク室の内側から外側へ向かって次第に小
さくなるように設定されている。一方、ケーシング４５
の側壁４５Ｂのうちフランジ板４４よりも上の部分に、
外部からインク室内にインクを供給するためのインク供
給口４５ａが設けられている。このインク供給口４５ａ
は側壁４５Ｂを貫通する断面円形状の穴であり、その内
径はインク室の外側から内側へ向かって次第に小さくな
るように設定されている。
【００８０】上記座屈板４２は、窓開口４４ａの寸法よ
りも少し大きい寸法を持つ円形の板である。座屈板４２
の周縁部（すなわちフランジ板４４と重なっている部
分）４２ｃは、全周にわたってフランジ板４４に接着さ
れ、固定されている。この座屈板４２は、実質的に熱応
力がない無変位状態と、加熱により熱膨張してフランジ
板４４に垂直な方向に座屈した座屈状態とを取り得る材
料、例えばアルミナからなっている。この座屈板４２
は、インク室４６ａと下部空間４６ｂとを仕切るダイア
フラム（仕切板）の役割を果たしている。
【００８１】上記座屈板４２の内部に板面と平行に、通
電により発熱するヒータ層４１が設けられている。この
ヒータ層４１は、有限な導電性（電気抵抗）を有する金
属材料、例えばＴａからなり、座屈板４２の中央部４２
ａから実質的に放射状に延びるパターンに形成されてい
る。詳しくは、ヒータ層４１は、座屈板４２の中央部４
２ａから座屈板４２の周縁部４２ｃまで一定の振幅で蛇
行するパターンを持つ８つの発熱部４１ｃを有してい
る。隣り合う発熱部４１ｃの間の角度は等しく４５°に
設定されている。各発熱部４１ｃの外端にはそれぞれ電
極パッド４１ａが設けられている。各発熱部４１ｃの内
端４１ｂは共通に接続されている。図１０(a)において
右側の４つの電極パッド４１ａはスイッチ４８に接続さ
れている。このスイッチ４８は電源４９と接地との切り
替えを行うようになっている。図１０(a)において左側
の４つの電極パッド４１ｂは接地されている。
【００８２】上記座屈板４２のうちヒータ層１１の発熱
部４１ｃ間に存する扇状部分４２ｂの厚さは、座屈板４
２の残りの部分の厚さよりも薄くなっている。
【００８３】このインクジェットヘッド５０は、図１に
示したインクジェットヘッド１０と同様に動作し、同様
の作用効果を奏することができる。
【００８４】しかも、座屈板４２の形状が円板状であ
り、厚さについても回転対称となっているので、楕円板
状である場合に比して、フランジ板４４に垂直な方向に
一定の変位を起こさせるために必要な座屈エネルギがさ
らに少なくて済む。また、座屈板４２のうちヒータ層４
１のパターン間に存する扇状部分４２ｂの厚さが残りの
部分の厚さよりも薄くなっており、均一な厚さを持つ場
合に比して座屈板４２の体積が小さくなっているので、
座屈板４２を一定の温度に上昇させるための消費電力が
少なくて済む。これらの結果として、少ない消費電力で
大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。
【００８５】また、座屈板４２の形状が円板状であるの
で、楕円板状である場合と同様に、座屈状態で座屈板４
２内に応力集中が生じない。しかも、座屈板４２の厚さ
は部分的に薄くなっているため、均一な厚さを持つ場合
に比して容易に変形し、応力が緩和される。したがっ
て、インクジェットヘッドの寿命をさらに延ばすことが
できる。なお、座屈板４２のうち厚さが薄くなっている
扇状部分４２ｂはヒータ層４１の発熱部分４１ｃ間に存
するので、その扇状部分４２ｂは発熱部分４１ｃによっ
て直接加熱されるわけではなく、その扇状部分４２ｂに
対する熱応力は比較的小さい。したがって、その扇状部
分４２ｂが疲労によってインクジェットヘッド全体の寿
命を短くすることはない。
【００８６】（第６実施例）次に、円板状の座屈板が温
度変化を受けたときの、座屈のメカニズムを定量的に解
析する。
【００８７】図１１(a)，(b)は、解析のための円板状の
座屈板のモデルを示している（同図(a)は座屈板５２の
板面に垂直な方向から見たところを示し、同図(b)は同
図(a)におけるＸ−Ｘ線断面を示している。）。この座
屈板５２は均一な厚さを持つ円板であり、座屈板５２の
周縁部５２ｃは支持部材５４に固定されている。この座
屈板５２に図示しないヒータ層によって温度変化（温度
上昇）tが与えられると、図１２に示すように、座屈板
５２は中央部５２ａが最も大きく変位した状態に変形す
る（以下、この座屈板５２の中央部５２ａの変位量を単
に「座屈板の変位量」という。）。このとき、変形した
座屈板のポテンシャルエネルギＵは次式(１)で表され
る。
【００８８】 Ｕ＝πＥh(Ｃ1δ4＋Ｃ2δ2＋Ｃ3)／４(１−ν2) …(１） ただし、Ｃ１＝π4／３２Ｄ2 Ｃ2＝π2{h2(π2＋４c)−３αtＤ2(１＋ν)}／１２Ｄ2 Ｃ3＝α2t2Ｄ2(１＋ν) であり、Ｅは座屈板のヤング率、νは座屈板のポアソン
比、Ｄは座屈板の直径、hは座屈板の厚さ、αは座屈板
の線膨張係数、δは座屈板の変位量、cは定数(＝１．２
２)である。
【００８９】式(１)において、座屈板の変位量δを変化
させたとき、ポテンシャルエネルギＵは、典型的には図
１３に示す態様で変化する。この図１３に示す態様で
は、δが或る有限な値δCをとるとき、ポテンシャルエ
ネルギＵは最小値Ｕ2をとる。座屈板はこの最小値Ｕ2を
とる状態に落ち着く。このときの座屈板の変位量δ
Cは、Ｕのδに関する微分係数を０とおくことで得ら
れ、次式(２)で表される。
【００９０】 δC＝４(−Ｄ2Ｃ2／π)1/2 …(２) この右辺の根号の中は必ず正でなければならないので、
座屈板の厚さhに関して次式(３)が成立することが要求
される。
【００９１】 ０＜h＜{αtＤ2(１＋ν)／π2＋４c}1/2 …(３) ここで、この式(３)は、インク吐出を行う前提条件とし
て座屈エネルギを得るための座屈板の厚さhの範囲を示
している。座屈板の変位量δが０のときポテンシャルエ
ネルギをＵ1とすると、座屈エネルギは（Ｕ1−Ｕ2）で
表され、これがインクに与えられるエネルギとなるから
である。この座屈エネルギ（Ｕ1−Ｕ2）は次式(４)で表
される。
【００９２】 Ｕ1−Ｕ2＝２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−ν2) …(４) この式(４)において、座屈板の厚さhを変化させたと
き、座屈エネルギ（Ｕ1−Ｕ2）は図１４に示す態様で変
化する。この図１４で座屈エネルギ（Ｕ1−Ｕ2）が正に
なるhの範囲が、上式(３)で示された範囲である。
【００９３】また図１４から分かるように、上式(３)で
示されたhの範囲内で座屈エネルギ（Ｕ1−Ｕ2）を最大
にする最適値hSが存在する。この最適値hSは、式(４)の
hに関する微分係数を０とおくことで得られ、次式(５)
で表される。
【００９４】 hS＝{３αtＤ2(１＋ν)／５(π2＋４c)}1/2 …(５) 一方、インク滴を吐出させるのに実際に必要なエネルギ
ＵTは、インク滴の運動エネルギ、インク滴を表面張力
から解放するために必要な表面エネルギ、インクがイン
ク吐出口を通過する際の摩擦損失エネルギ、およびイン
クがインク吐出口を通過する際の断面積急収縮による損
失エネルギの和として次式(６)で与えられる。
【００９５】 ＵT＝mv2／２＋σＳ＋３２mvlμ／d2ρ＋ζmv2／２ …(６) ただし、mはインク滴の質量、vはインク滴の吐出速度、
Ｓはインク滴の表面積、σはインクの表面張力、μはイ
ンクの粘性係数、ρはインクの密度、lはインク吐出口
の長さ、dはインク吐出口の内径、ζは損失係数であ
る。
【００９６】ここで、インク滴をインク吐出口から吐出
するためには、インクに与えられたエネルギ（Ｕ1−
Ｕ2）が必要なエネルギＵTよりも大きいこと、すなわち （Ｕ1−Ｕ2）＞ＵT …(７) が要求される。この式(７)に式(４)，(６)を代入して、 ２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−ν2)＞mv2／２＋σＳ＋３２mvlμ／d2ρ＋ζmv2／２ …(８) が得られる。この式（８）を満たす範囲に座屈板の厚さ
hを設定することによって、実際にインク滴をインク吐
出口から吐出することができる。
【００９７】また、上の式(４)より、座屈エネルギを大
きくするためには、座屈板の材料として、ヤング率、線
膨張係数の大きい材料を用いると良いことがわかる。さ
らに、座屈板の加熱、冷却速度を速くして周波数応答特
性を良くするためには、熱伝導率が大きい材料を用いる
ことが望ましい。また、座屈板の変位量を大きく取り、
疲労による破壊を起こりにくくするためには、延性に富
む材料を用いることが望ましい。以上の条件を総合的に
勘案すると、座屈板の材料として金属を用いるのが望ま
しい。
【００９８】次に、上述の各式に基づいて、インク吐出
に適した座屈板の厚さhを実際に求めてみる。座屈板の
材質をニッケルとし、温度変化tは１００℃とする。ま
た、各パラメータの値を σ＝６０×１０-3Ｎ／m μ＝２cＰ＝２mＰa・s ρ＝１０５０kg／m3 l＝１００μm d＝３０μm ζ＝０．５ α＝１３．４×１０-6／℃ Ｅ＝２１０ＧＰａ ν＝０．３０６ Ｄ＝２５０μｍ とする。
【００９９】このとき、直径５０μmのインク滴を１０m
／sの速度で吐出させる場合に必要なエネルギＵTは、式
(６)より略１０nＪとなる。
【０１００】また、座屈エネルギを得るための座屈板の
厚さhの範囲（図１５において座屈エネルギ（Ｕ1−
Ｕ2）が正となる範囲）は、式(３)より ０＜h＜４．７２μm となる。上記インク滴の吐出に必要なエネルギＵTの値
の２倍、即ち２０nＪ以上にするためには、座屈板の厚
さhの範囲は、式(８)より １．３７μm＜h＜２．８３μm でなければならない。さらに、座屈板の厚さhの最適値h
Sは、式(５)より hS＝２．１１μm と求められる。座屈板の厚さhはこの最適値hS近傍に設
計するのが望ましい。
【０１０１】逆に言えば、このように座屈板の厚さhの
最適値hSが求められるということは、座屈板の温度変化
（加熱温度）tは高々１００℃程度で済み、従来のバブ
ルジェット方式のような極端な高温（１０００℃）に加
熱する必要はないことを意味している。したがって、消
費電力が少なくて済む上、信頼性が良好となり、インク
ジェットヘッドの寿命が長くなる。
【０１０２】なお、上述の各実施例では、圧力発生板と
して座屈板、変形手段として通電により発熱するヒータ
層を採用し、座屈板をヒータ層によって加熱して座屈変
形させる場合についてのみ説明した。しかし、圧力発生
板、変形手段はこれに限定されるものではない。例えば
圧力発生板として線膨張係数の異なる材料を２種類以上
積層したもの、変形手段として上と同様のヒータ層を採
用し、圧力発生板を線膨張係数の相異による曲げモーメ
ントを利用して変形させるようにしても良い。また、圧
力発生板として単に可撓性を有する材料からなるもの、
変形手段として機械的押圧力、静電力、電磁力などを印
加できるものを採用し、圧力発生板を変形手段による外
力によって変形させるようにしても良い。また、圧力発
生板は化学的性質、結晶構造を変化させて変形するもの
であっても良い。
【０１０３】
【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に記
載のインクジェットヘッドは、変形手段が圧力発生板を
インク室の壁面に垂直な方向へ変形させるので、圧力発
生板の中央部は比較的大きく変位することができる。し
たがって、従来の圧電素子方式のものと異なり、圧力発
生板やインク室の寸法を小さく設定することができ、イ
ンクジェットヘッドを小型に構成することができる。し
かも、圧力発生板が上記壁面の窓開口を実質的に液密に
塞ぎ、上記壁面の一部としても働くので、インクジェッ
トヘッドの構造を極めて簡素化できる。また、このイン
クジェットヘッドでは、圧力発生板が上記壁面の窓開口
を実質的に液密に塞ぐ状態にあり（圧力発生板の中央部
が上記壁面に垂直な方向に変位したときも液密に保たれ
る）、インクが圧力発生板の裏側（インク吐出口と反対
の側）に回り込むことがないので、インクの吐出力や吐
出速度を大きくすることができる。また、変形手段とし
ては圧力発生板を加熱して熱膨張力により変形させるも
の、圧力発生板を静電力や電磁力により変形させる手段
などが考えられるが、圧力発生板を静電力や電磁力によ
り変形させる手段を採用した場合は当然ながら加熱を行
う必要はなく、また上記圧力発生板を加熱して熱膨張力
により変形させる手段を採用したとしても、加熱温度は
高々１００℃程度で済む。つまり、従来のバブルジェッ
ト方式のものと異なり、極端な高温（１０００℃）に加
熱する必要はない。したがって、信頼性を高めて、イン
クジェットヘッドの寿命を延ばすことができる。
【０１０４】請求項２に記載のインクジェットヘッド
は、ヒータ層の発熱によって座屈板をインク室の壁面に
垂直な方向へ座屈させるので、座屈板の中央部は比較的
大きく変位することができる。したがって、従来の圧電
素子方式のものと異なり、座屈板やインク室を小さく設
定することによってインクジェットヘッドを小型に構成
することができる。しかも、座屈板が上記壁面の窓開口
を実質的に液密に塞ぎ、上記壁面の一部としても働くの
で、インクジェットヘッドの構造を極めて簡素化でき
る。また、このインクジェットヘッドでは、座屈板がイ
ンク室の窓開口を実質的に液密に塞ぐ状態にあり（座屈
板の中央部が上記壁面に垂直な方向に変位したときも液
密に保たれる）、インクが座屈板の裏側（インク吐出口
と反対の側）に回り込むことがないので、インクの吐出
力や吐出速度を大きくすることができる。また、ヒータ
層による加熱温度は高々１００℃程度で済み、従来のバ
ブルジェット方式のような極端な高温（１０００℃）に
加熱する必要はない。したがって、消費電力を低減でき
る上、信頼性を高めて、インクジェットヘッドの寿命を
延ばすことができる。
【０１０５】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈板の形状が楕円板状であるので、矩形板である
場合に比して、壁面に垂直な方向に一定の変位を起こさ
せるために必要な座屈エネルギが少なくて済む。したが
って、少ない消費電力で大きな吐出力や吐出速度を得る
ことができる。また、矩形板である場合と異なり、座屈
状態で座屈板内に応力集中が生じない。したがって、座
屈板やヒータ層の疲労を軽減でき、インクジェットヘッ
ドの寿命をさらに延ばすことができる。
【０１０６】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈板が少なくとも壁面に取り付けられた両端をな
す部分の間で部分的に薄くなっているため、均一な厚さ
を持つ場合に比して、座屈板の体積が小さくなってい
る。したがって、座屈板を一定の温度に上昇させための
消費電力が少なくて済む。この結果、少ない消費電力で
大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。また、均
一な厚さを持つ場合に比して容易に変形するので、座屈
板やヒータ層に対する応力が緩和される。したがって、
座屈板やヒータ層の疲労を軽減でき、インクジェットヘ
ッドの寿命を延ばすことができる。
【０１０７】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、 上記座屈板の形状が円板状であり、厚さについて
も回転対称となっているので、楕円板状である場合に比
して、壁面に垂直な方向に一定の変位を起こさせるため
に必要な座屈エネルギがさらに少なくて済む。しかも、
座屈板のうち上記ヒータ層のパターン間に存する扇状部
分の厚さが残りの部分の厚さよりも薄くなっており、均
一な厚さを持つ場合に比して座屈板の体積が小さくなっ
ているので、座屈板を一定の温度に上昇させための消費
電力が少なくて済む。これらの結果として、少ない消費
電力で大きな吐出力や吐出速度を得ることができる。
【０１０８】また、上記座屈板の形状は円板状であるか
ら、楕円板状である場合と同様に、座屈状態で応力集中
が生じない。しかも、上記座屈板の厚さは部分的に薄く
なっているため、均一な厚さを持つ場合に比して容易に
変形する。したがって、インクジェットヘッドの寿命を
さらに延ばすことができる。
【０１０９】請求項６に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板が金属材料からなる。金属は一般に、他
の材料に比して、ヤング率、線膨張係数、熱伝導率が大
きく、延性に富んでいる。したがって、この金属材料か
らなる座屈板によって、大きな吐出力や吐出速度を得る
ことができ、周波数応答を向上させることができる。ま
た、インクジェットヘッドの寿命を延ばすことができ
る。
【０１１０】請求項７に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板の形状は円板状であり、上記座屈板の周
縁部が全周にわたって上記壁面に取り付けられており、
しかも上記座屈板の厚さhが ０＜h＜{３αtＤ2(１＋ν)／π2＋４c}1/2 （ただ
し、cは定数） なる範囲に設定されているので、上記座屈板が上記イン
ク室内のインク液を加圧するための座屈エネルギを発生
することができる。
【０１１１】請求項８に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板の厚さhは、 ２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−ν2)＞mv2／２＋σＳ＋３２mvl
μ／d2ρ＋ζmv2／２（ただし、Ｃ2＝π2{h2(π2＋４c)
−３αtＤ2(１＋ν)}／１２Ｄ2） なる関係式を満たす範囲に設定されているので、上記座
屈エネルギが上記インク滴を室外へ吐出させるのに必要
なエネルギを超えることができる。
【０１１２】請求項９に記載のインクジェットヘッド
は、上記座屈板の厚さhが hS＝{３αtＤ2(１＋ν)／５(π＋４c)}1/2 なる最適値ｈSに設定されているので、上記座屈エネル
ギを最大にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１実施例のインクジェットヘッ
ドの構成を示す図である。
【図２】 上記インクジェットヘッドの座屈板が座屈し
た状態を示す図である。
【図３】 この発明の第２実施例のインクジェットヘッ
ドを分解状態で示す斜視図である。
【図４】 上記インクジェットヘッドの完成状態を示す
図である。
【図５】 上記インクジェットヘッドの製造過程を示す
図である。
【図６】 上記インクジェットヘッドの製造過程を示す
図である。
【図７】 この発明の第３実施例のインクジェットヘッ
ドの構成を示す図である。
【図８】 矩形の座屈板と楕円の座屈板の座屈に伴う応
力集中を説明する図である。
【図９】 この発明の第４実施例のインクジェットヘッ
ドの構成を示す図である。
【図１０】 この発明の第５実施例のインクジェットヘ
ッドの構成を示す図である。
【図１１】 座屈板の座屈動作を解析するためのモデル
を示す図である。
【図１２】 図１１の座屈板が座屈した状態を示す図で
ある。
【図１３】 座屈板の変位量を変化させたときのポテン
シャルエネルギの理論的変化を示す図である。
【図１４】 座屈板の厚さを変化させたときの座屈エネ
ルギの理論的変化を示す図である。
【図１５】 座屈板の厚さの最適値を求める仕方を説明
する図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，４１ ヒータ層 １ａ,１ｂ，１１ａ，１１ｂ，…，４１ａ，４１ｂ 電
極パッド ２，１２，２２，３２，４２，５２ 座屈板 ４，２４，３４，４４ フランジ板 ５，２５，３５，４５ ケーシング ６ａ，１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ インク室 ７，１７，２７，３７，４７ ノズルプレート ７ａ，１７ａ，２７ａ，３７ａ，４７ａ インク吐出口 １０，２０，３０，４０，５０ インクジェットヘッド １７ スペーサ １８ 単結晶シリコン基板 １００，１１０，１２０，１３０，１４０ インク液
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平田 進 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 木村 正治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 石井 頼成 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 堀中 大 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 恩田 裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インク室内に圧力を発生させて、上記イ
    ンク室内のインク液をインク吐出口を通して室外へ吐出
    させるインクジェットヘッドであって、 上記インク室は上記インク吐出口と対向する壁面に窓開
    口を有し、 可撓性材料からなり、上記窓開口を実質的に液密に塞ぐ
    状態で、周縁部のうち少なくとも一方向に関して両端を
    なす部分が上記壁面に取り付けられた圧力発生板と、 この圧力発生板に、平坦な無変位状態と、上記壁面に取
    り付けられた両端の間の中央部が上記壁面に垂直な方向
    に変位した変位状態とを取らせる変形手段を備えたこと
    を特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 【請求項２】 インク室内に圧力を発生させて、上記イ
    ンク室内のインク液をインク吐出口を通して室外へ吐出
    させるインクジェットヘッドであって、 上記インク室は上記インク吐出口と対向する壁面に窓開
    口を有し、 上記窓開口を実質的に液密に塞ぐ状態で、周縁部のうち
    少なくとも一方向に関して両端をなす部分が上記壁面に
    取り付けられ、実質的に熱応力がない無変位状態と、熱
    膨張して座屈した座屈状態とを取り得る座屈板を備え、 上記座屈板の板面に沿って又は上記座屈板の内部に板面
    と平行に、通電により発熱するヒータ層が設けられてい
    ることを特徴とするインクジェットヘッド。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のインクジェットヘッド
    において、 上記座屈板の形状は楕円板状であることを特徴とするイ
    ンクジェットヘッド。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載のインクジェットヘッド
    において、 上記座屈板の厚さは、少なくとも上記両端をなす部分の
    間で、部分的に薄くなっていることを特徴とするインク
    ジェットヘッド。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載のインクジェットヘッド
    において、 上記座屈板の形状は円板状であり、上記座屈板の周縁部
    が全周にわたって上記壁面に取り付けられており、 上記ヒータ層は上記座屈板の中央部から周縁部まで実質
    的に放射状に延びるパターンに形成され、 上記座屈板のうち上記ヒータ層のパターン間に存する扇
    状部分の厚さが、上記座屈板の残りの部分の厚さよりも
    薄くなっていることを特徴とするインクジェットヘッ
    ド。
  6. 【請求項６】 請求項２乃至５のいずれか一つに記載の
    インクジェットヘッドにおいて、 上記座屈板は金属材料からなることを特徴とするインク
    ジェットヘッド。
  7. 【請求項７】 請求項２に記載のインクジェットヘッド
    において、 上記座屈板の形状は円板状であり、上記座屈板の周縁部
    が全周にわたって上記壁面に取り付けられており、 上記座屈板を構成する材料のヤング率をＥ、ポアソン比
    をν、線膨張係数をαとし、上記座屈板の直径をＤ、上
    記ヒータ層の発熱による上記座屈板の温度変化をtとす
    るとき、上記座屈板の厚さhは、上記座屈板が上記イン
    ク室内のインク液を加圧するための座屈エネルギを発生
    するように、 ０＜h＜{３αtＤ2(１＋ν)／π2＋４c}1/2 （ただ
    し、cは定数） なる範囲に設定されていることを特徴とするインクジェ
    ットヘッド。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のインクジェットヘッド
    において、 上記インク吐出口から吐出されるべきインク滴の質量を
    m、吐出速度をv、表面積をＳ、上記インク液の表面張力
    をσ、粘性係数をμ、密度をρとし、インク吐出口の長
    さをl、内径をd、損失係数をζとするとき、上記座屈エ
    ネルギが上記インク滴を室外へ吐出させるのに必要なエ
    ネルギを超えるように、上記座屈板の厚さhは、 ２ＥhＤ2Ｃ2 2／π3(１−ν2)＞mv2／２＋σＳ＋３２mvl
    μ／d2ρ＋ζmv2／２（ただし、Ｃ2＝π2{h2(π2＋４c)
    −３αtＤ2(１＋ν)}／１２Ｄ2） なる関係式を満たす範囲に設定されていることを特徴と
    するインクジェットヘッド。
  9. 【請求項９】 請求項７または８に記載のインクジェッ
    トヘッドにおいて、上記座屈板の厚さhは、上記座屈エネ
    ルギを最大にするように、 hS＝{３αtＤ2(１＋ν)／５(π＋４ｃ）｝１／２ なる最適値に設定されていることを特徴とするインクジ
    ェットヘッド。
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