説明

インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置

【課題】インク圧力室内のインクをノズルから効率よく吐出させることができるインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】インクジェットヘッドは、インク圧力室14が形成された基板12と、基板12に積層されたノズルプレート2と、ノズルプレート2に内蔵されたアクチュエータ20と、を備えている。ノズルプレート2は、インク圧力室14に連通されたノズル11と、インク圧力室14に露出された振動板4と、を有する。アクチュエータ20は、振動板4を厚さ方向に変位させることで振動板4を介してインク圧力室内のインクを加圧してノズル11から吐出させる。インク圧力室14は、基板12の厚さ方向に沿う第1の寸法と、基板12の厚さ方向と直交する方向に沿う第2の寸法と、を有し、前記第1の寸法が前記第2の寸法よりも大きく形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−44967号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。前記インク圧力室は、前記基板の厚さ方向に沿う第1の寸法と、前記基板の厚さ方向と直交する方向に沿う第2の寸法と、を有し、前記第1の寸法が前記第2の寸法よりも大きく形成されている。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】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。
【図2】実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図。
【図3】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4】図3のF4−F4線に沿う断面図。
【図5】図4のF5−F5線に沿う断面図。
【図6】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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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:チタン酸鉛)、PMNT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O−PbTiO)、PZNT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O−PbTiO)、ZnO、AIN等を用いることも可能である。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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)、π(Dc/2)、π(Dm/2)となる。
【0062】
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。
【0063】
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。
【数1】

【0064】
【数2】

【0065】
【数3】

【0066】
【数4】

【0067】
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。
【数5】

【0068】
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。
【数6】

【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【数7】

【0073】
式(7)を整理すると、式(8)が得られる。
【数8】

【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【数9】

【0079】
ここで、ssはインクの音速である。
【0080】
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。
【数10】

【0081】
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。
【数11】

【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
この結果、式(8)の左辺の値は2.05×10[1/m]、式(8)の右辺の値は6.37×10[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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【符号の説明】
【0095】
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。

【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記インク圧力室は、前記基板の厚さ方向に沿う第1の寸法と、前記基板の厚さ方向と直交する方向に沿う第2の寸法と、を有し、前記第1の寸法が前記第2の寸法よりも大きいインクジェットヘッド。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項5】
請求項1の記載において、前記インク圧力室の前記第2の寸法が前記ノズルプレートの厚さ寸法に基づいて定められたインクジットヘッド。
【請求項6】
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開口されたノズルと、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、を備え、
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。
【請求項7】
請求項6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。
【請求項8】
請求項1ないし請求項7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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2013−75511(P2013−75511A)
【公開日】平成25年4月25日(2013.4.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−170043(P2012−170043)
【出願日】平成24年7月31日(2012.7.31)
【出願人】(000003562)東芝テック株式会社 (5,631)
【Fターム(参考)】