(57)【要約】  駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制し得るインクジェットヘッドを提供することを目的とし、複数のインク吐出口と、各インク吐出口に連通する複数の圧力室と、各圧力室の容積を変化させることによりインクに圧力を発生させる圧電素子と、を備え、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、前記インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないことを特徴とするインクジェットヘッド。
2010146945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のインク吐出口と、
各インク吐出口に連通する複数の圧力室と、
各圧力室の容積を変化させることによりインクに圧力を発生させる圧電素子と、を備え、
インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、前記インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
複数の前記インク吐出口が貫通形成された第１のシリコン基板と、
一方の面に前記インク吐出口にそれぞれ対応する複数の前記圧力室が溝加工されると共に、他方の面に該圧力室内の容積を変化させるための前記圧電素子がそれぞれ設けられ、
前記一方の面側に設けられた該圧力室の形成面が前記第１のシリコン基板の一方の面に面するように接合された第２のシリコン基板と、を有し、
前記圧電素子の駆動によって前記圧力室内のインクを前記インク吐出口から吐出させることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
複数の前記インク吐出口が貫通形成された第１のシリコン基板と、
前記第１のシリコン基板の一方の面に接合され、前記インク吐出口にそれぞれ対応する複数のインク流路孔が貫通形成されたガラス基板と、
一方の面に前記インク流路孔にそれぞれ対応する複数の前記圧力室が溝加工されると共に、他方の面に該圧力室内の容積を変化させるための前記圧電素子がそれぞれ設けられ、
前記一方の面側に設けられた該圧力室の形成面が前記ガラス基板に対して前記第１のシリコン基板とは反対面に面するように接合された第２のシリコン基板と、を有し、
前記圧電素子の駆動によって前記圧力室内のインクを前記インク吐出口から吐出させることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記第１のシリコン基板、前記ガラス基板、前記第２のシリコン基板の接合面がいずれも陽極接合されていることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記第２のシリコン基板における前記圧力室の形成面の反対面に、該第２のシリコン基板に剛性を付与するための補強部材が接合されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を利用した方式のインクジェットヘッドには、縦振動モードを利用したものとたわみ振動モードを利用したものとがあるが、後者はヘッド全体を薄くすることが可能であり、ヘッドの製造工程に薄膜プロセスを多く取り入れることができ、集積化に向いているという特長がある。【０００３】
しかるに、後者のインクジェットヘッドにおいては、記録動作時に、駆動している圧力室以外でも変形が起こるという問題があり、特に、多数のインク吐出口を同時駆動するときに、クロストークなどが顕著になる。【０００４】
このために、
・圧力室の変位ロスが発生し、駆動効率が低下する
・駆動していない隣接圧力室の体積も変化するクロストークが起こる
・駆動するインク吐出口数によってインク吐出特性が変化する
等の望ましくない現象が起こる。【０００５】
このような問題に対する対策として、特許文献１では、圧力室を形成するなどのヘッド基板の処理時に、補強部材を形成し、圧力室を隔てる隔壁に補強部材を設けることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１１８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように、補強部材を取り付けて上記隔壁の剛性を向上させることにより、クロストークを低減することは可能である。【０００８】
しかしながら、上記従来のヘッドでは、圧電素子を駆動してインクを吐出させる際、インクジェッドヘッドの構造的な共振周波数が、インクジェットヘッドの駆動周波数（圧電素子の駆動周波数）と一致または近接すると、インクジェッドヘッド全体が共振し、所謂クロストークが発生し不安定な吐出状態になるという問題がある。【０００９】
また、圧電素子を駆動し、圧力室に体積変化を生じさせると、圧力室内に圧力波が発生する。この圧力波によってインク吐出口内のインクメニスカスが振動し、インク吐出口から排出されることでインク滴が形成される。この際、圧力室内のインク（流体）に圧力波が励起され、複数の流体的な共振が生じる。そのうちの１つは、従来よりヘルムホルツ振動と呼ばれている圧力室の固有振動である。その他には、インク吐出口内のメニスカス自由表面に起因する固有振動である。インクジェッドヘッドの構造的な共振周波数が、この流体的な共振周波数と一致または近接すると、インクジェッドヘッド全体が共振し、所謂クロストークが発生し不安定な吐出状態になるという問題がある。【００１０】
特許文献１では、補強部材を取り付けて上記隔壁の剛性を向上させることにしか注目しておらず、液滴を吐出させる際のインクジェットヘッドの共振によるクロストークの発生について考慮されていない。【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制し得るインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的は、下記の発明により達成される。【００１３】
１．複数のインク吐出口と、各インク吐出口に連通する複数の圧力室と、各圧力室の容積を変化させることによりインクに圧力を発生させる圧電素子と、を備え、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、前記インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないことを特徴とするインクジェットヘッド。【００１４】
２．複数の前記インク吐出口が貫通形成された第１のシリコン基板と、
一方の面に前記インク吐出口にそれぞれ対応する複数の前記圧力室が溝加工されると共に、他方の面に該圧力室内の容積を変化させるための前記圧電素子がそれぞれ設けられ、
前記一方の面側に設けられた該圧力室の形成面が前記第１のシリコン基板の一方の面に面するように接合された第２のシリコン基板と、を有し、
前記圧電素子の駆動によって前記圧力室内のインクを前記インク吐出口から吐出させることを特徴とする前記１に記載のインクジェットヘッド。【００１５】
３．複数の前記インク吐出口が貫通形成された第１のシリコン基板と、
前記第１のシリコン基板の一方の面に接合され、前記インク吐出口にそれぞれ対応する複数のインク流路孔が貫通形成されたガラス基板と、
一方の面に前記インク流路孔にそれぞれ対応する複数の前記圧力室が溝加工されると共に、他方の面に該圧力室内の容積を変化させるための前記圧電素子がそれぞれ設けられ、
前記一方の面側に設けられた該圧力室の形成面が前記ガラス基板に対して前記第１のシリコン基板とは反対面に面するように接合された第２のシリコン基板と、を有し、
前記圧電素子の駆動によって前記圧力室内のインクを前記インク吐出口から吐出させることを特徴とする前記１に記載のインクジェットヘッド。【００１６】
４．前記第１のシリコン基板、前記ガラス基板、前記第２のシリコン基板の接合面がいずれも陽極接合されていることを特徴とする前記３に記載のインクジェットヘッド。【００１７】
５．前記第２のシリコン基板における前記圧力室の形成面の反対面に、該第２のシリコン基板に剛性を付与するための補強部材が接合されていることを特徴とする前記２〜４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、インクジェットヘッドの駆動周波数及流体的な共振周波数が、前記インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないようにすることにより、インクジェットヘッドの構造的な共振を抑制することで、駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制し得るインクジェットヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの一例を構成要素毎に分解して模式的に示す図である。
【図２】図１に示すインクジェットヘッドの平面図である。
【図３】図２における線Ｘに沿った拡大断面図である。
【図４】第１のシリコン基板と第２のシリコン基板との接合工程を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドＨＤの他の例の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドＨＤの更に他の例を模式的に示す図である。
【図７】図６に示す実施の形態のインク吐出口を拡大して示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの更に他の例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの更に他の例を示す図である。
【図１０】厚みを調整した補強部材を設けたヘッドの変形量（変形量を測定したときの速度）と周波数の関係を示すグラフである。
【図１１】厚みを調整していない補強部材を設けたヘッドの変形量（変形量を測定したときの速度）と周波数の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図示の実施の形態により本発明を説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの一例を構成要素毎に分解して模式的に示し、インクジェットヘッドＨＤは第１のシリコン基板１、第２のシリコン基板２、圧電素子３及び補強部材５を有する。
【００２２】
第１のシリコン基板１には、複数のインク吐出口１０１が貫通形成されている。
【００２３】
第２のシリコン基板２には、これに第１のシリコン基板１を被せて接合することで、圧力室となる圧力室溝２０４、インク供給路となるインク供給路溝２０３、共通圧力室となる共通圧力室溝２０２、及びインク供給口２０１が形成されている。
【００２４】
そして、第１のシリコン基板１のインク吐出口１０１と第２のシリコン基板２の圧力室溝２０４とが一対一で対応するように第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２とが接合される。
【００２５】
更に、第２のシリコン基板２の第１のシリコン基板１と接合する面と反対側の面の各圧力室２０４に対応した位置に圧電素子３が接着される。圧電素子３はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなり、インクをインク吐出口１０１から吐出させるアクチュエータである。
【００２６】
更に、第２のシリコン基板２の第１のシリコン基板１が接合された面と反対側の面に補強部材５が接着される。
【００２７】
なお、以下の説明において、圧力室溝２０４と第１のシリコン基板１とにより形成された部屋を圧力室２０４と言い、インク供給路溝２０３と第１のシリコン基板１とにより形成された部屋をインク供給路２０３と言い、共通圧力室溝２０２と第１のシリコン基板１とにより形成された部屋を共通圧力室２０２と言う。
【００２８】
図２は図１に示すインクジェットヘッドの平面図である。図３は図２における線Ｘに沿った拡大断面図である。
【００２９】
図３に示すように、上から補強部材５、第２のシリコン基板２、第１のシリコン基板１の順に配置され、インク滴が吐出される第１のシリコン基板１のインク吐出面１ａ（下面）は平面に形成される。
【００３０】
各圧力室２０４は、第１のシリコン基板１に形成されているインク吐出口１０１よりも大きな開口面積を有しており、第１のシリコン基板１との接合面（圧力室の形成面）から所定の深さで凹設されている。各圧力室２０４の背面側、すなわち第２のシリコン基板２における第１のシリコン基板１との接合面の反対面側には、圧電素子３が個別に接着されている。
【００３１】
また、各圧電素子は、上下両面に設けられた電極（不図示）を経て駆動パルス発生手段（不図示）に接続されている。駆動パルス発生手段より、これらの電極間に電圧が印加されると、圧電素子が変形し、この圧電素子３の電気−機械変換作用によって各圧力室２０４の底面２５を振動させ、圧力室２０４内の容積を変化させることにより、圧力室２０４内のインクに圧力波が発生する。この圧力波によってインク吐出口１０１内のインクメニスカスが振動し、インク吐出口１０１から排出されることでインク滴が形成され、図示下方向に吐出される。
【００３２】
このように、各圧力室２０４の底面２５は振動板として機能する。このため、各圧力室２０４の底面２５の厚みは、好ましくは１〜２０μｍとなるように、第２のシリコン基板２に各圧力室２０４をドライエッチングする際の凹設深さが調節されている。
【００３３】
図２に示すように、補強部材５は圧力室２０４及び圧電素子３が配置された領域、並びに個々の圧力室２０４を隔てる隔壁が配置された領域を包含する第１領域Ｒ１を開放する開口５０１を有し、第１領域Ｒ１を囲む第２領域Ｒ２を覆う枠状の部材として形成される。
【００３４】
補強部材５は、第２のシリコン基板２に剛性を付与し、振動板が圧電素子３によって振動する際に第２のシリコン基板２全体が振動することを抑制することで、クロストークを抑制する効果を高めるためのものであり、例えば、厚さ２００〜５００μｍを有するアルミ、ステンレス、ガラス等高い剛性を有する材料によって形成され、第２のシリコン基板２の下面に接着剤を用いて接着されている。また、補強部材５は板材料から機械加工により所望のサイズに成型されるとともに、開口５０１も機械加工により形成される。
【００３５】
次に、インクジェットヘッドＨＤの作成について説明する。
【００３６】
第１のシリコン基板１の作製方法は、基材として厚みが１５０μｍ〜５００μｍ程度のシリコン基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることでインク吐出口１０１を貫通形成するという手順により行われる。このインク吐出口１０１の穴径は、概ねφ１μｍ〜φ３０μｍ程度である。
【００３７】
第２のシリコン基板２は、第１のシリコン基板１の作製方法と同様に、基材として厚みが１５０μｍ〜５００μｍ程度のシリコン基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることで、第１のシリコン基板１のインク吐出口１０１にそれぞれ連通する複数の圧力室となる圧力室溝２０４、圧力室にそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給路溝２０３、及びインク供給路に連通する共通圧力室となる共通圧力室溝２０２、並びにインク供給口２０１とを形成する。
【００３８】
ここで形成する溝の大きさは、適宜に決められるが、本実施の形態の一例であるインクジェットヘッドでは、例えば、圧力室溝２０４は幅１５０μｍ〜３５０μｍ程度、深さ５０μｍ〜２００μｍ程度、インク供給路溝２０３は幅５０μｍ〜１５０μｍ程度、深さ３０μｍ〜１５０μｍ程度、共通圧力室溝は幅４００μｍ〜１０００μｍ程度、深さ５０μｍ〜２００μｍ程度、インク供給口２０１は直径φ４００μｍ〜１５００μｍ程度の貫通した穴である。
【００３９】
シリコン基板に対するエッチング加工方法は、第２のシリコン基板の面に対して垂直にエッチング加工ができるシリコン（Ｓｉ）異方性ドライエッチング法が好ましい。シリコン（Ｓｉ）異方性ドライエッチング法に関しては、産業図書株式会社「半導体ドライエッチング技術」等を参照することが出来る。
【００４０】
次に、これまで説明した方法で加工されている第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２とを陽極接合技術を用いて接合する。以下に、これに関して説明する。
【００４１】
図４は、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２との接合工程を示す図であり、図４（ａ）は、シリコン基板を基材として、インク吐出口（図示してない。）が加工された第１のシリコン基板１及び圧力室溝２０４等の溝が前記に説明した加工により形成された第２のシリコン基板２を示している。
【００４２】
第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２とは陽極接合により結合される。陽極接合技術を用いて２つの基材を接合する場合、基材の一方を構成する材料としてシリコンを用い、他方を可動イオン、例えば代表的にはナトリウムイオン（Ｎａ＋）を含むガラス材でシリコン（Ｓｉ）と比較的類似した線膨張係数（シリコンの線膨張係数は、４．２×１０−６／℃程度である。）を有するものを用いることが好ましく、例えば、硼珪酸ガラスが用いられる。
【００４３】
ここで、可動イオンを含む硼珪酸ガラス（以下、硼珪酸ガラスと称する。）としては、パイレックス（登録商標）、コーニング社（米国）またはテンパックス  フロート（登録商標）、日本以外はＢＯＲＯＦＬＯＡＴ（登録商標）、ショット日本（株）がこれらの線膨張係数｛パイレックス（登録商標）及びテンパックス  フロート（登録商標）の線膨張係数は共に３．２×１０−６／℃程度である。｝の観点からより好ましい。
【００４４】
また、硼珪酸ガラスよりシリコンの方が微細な加工が容易であることから、基材として硼珪酸ガラスではなく、シリコン基板を用いるようにする。そして、基材であるシリコン基板の接合面に硼珪酸ガラスを成膜して硼珪酸ガラス面とする。この場合の膜厚は、陽極接合にて強固に接合される膜厚であれば良く、膜の密度や均一性及び後述する陽極接合時に必要な接合面の加熱や印加電圧の観点から０．５μｍ〜３μｍの範囲が好ましく、更には１μｍ〜２μｍの範囲がより好ましい。
【００４５】
更に、この場合硼珪酸ガラスの成膜方法は、真空蒸着法や高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法のいずれでも良く、また成膜時に基板の温度を緻密な膜が形成しやすいように２５０℃以上となるように加熱することが好ましい。この温度の上限は特に定めないが、基板の取り付け治具や成膜時の基板の温度制御装置等の観点から４００℃程度が好ましい。
【００４６】
本実施の形態の一例であるインクジェットヘッドでは、微細な加工の容易さから第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２の基材はいずれもシリコン基板としている。よって、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２との接合面のいずれか一方を上記で示した硼珪酸ガラスの面にする必要がある。
【００４７】
仮に、第２のシリコン基板２側に硼珪酸ガラス膜を設けた場合、その硼珪酸ガラスの面を成す膜厚により、既に形成されている微細形状に膜の堆積による変形が発生することが予測される。また、この膜により圧力室２０４の底２５（振動板）が厚くなることで圧力室２０４自体の構造が強固になり圧電素子３による歪みが十分発生できなくなり、その結果、インクの吐出が十分できない又は圧電素子３の駆動電力を大きくしなければならいといった問題が発生する恐れがある。
【００４８】
従って、図４（ｂ）に示す第１のシリコン基板１の第２のシリコン基板に被さる面側を硼珪酸ガラスの面としており、第１のシリコン基板１を基板とし、この基板の第２のシリコン基板に被さる面側に０．５μｍ〜３μｍの範囲の比較的厚い膜厚の硼珪酸ガラス厚膜１１０を設ける。
【００４９】
次に、上記で説明した硼珪酸ガラスが所定の膜厚で成膜された第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２とを、図４（ｃ）で示す通りに、適切な位置関係にして重ね合わせて固定し、接合部の温度を高温状態にして、直流高圧電源４を用いて電圧を印加して陽極接合する。以下に、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２を陽極接合することに関して具体的に説明する。
【００５０】
陽極接合を行う場合に印加する電圧の極性は、シリコンの基材側をプラス（＋）、硼珪酸ガラスの基材側をマイナス（−）とする。このようにすると、静電引力によって接合界面が密着すると同時に電流が流れ、両基板が強固に陽極接合される。
【００５１】
本実施の形態の一例であるインクジェットヘッドにおいては、第２のシリコン基板２はプラス（＋）、硼珪酸ガラス厚膜１１０を有する第１のシリコン基板１はマイナス（−）とする電圧を印加すれば良い。
【００５２】
接合時の高温状態とは、３００℃〜５５０℃の範囲であって、このような雰囲気温度を維持できる恒温漕や簡便な方法ではセラミックヒーター等を内蔵する絶縁性の良いホットプレート等を用いて第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２との接合部を加熱すれば良い。
【００５３】
上記の温度範囲を超えて接合を行う場合、接合ができない又は接合が十分でないといった不都合が生じやすくなる。例えば、５５０℃以上では、印加電圧にもよるが、可動イオンが一気に流れ出して、硼珪酸ガラス膜が白濁したり膜密度が粗くなったりといった劣化が生じ、結果的に強固な接合ができない場合がある。また、３００℃以下では、可動イオンが移動しにくい状態であり、これを移動しやすくするためには、印加電圧を大きくすることが必要である。印加電圧を大きくする結果、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２との間での短絡が発生し、結果として陽極接合が十分できない場合がある。
【００５４】
また、直流高圧電源４にて第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２との間に印加する直流電圧の電界強度は、３０ｋＶ／ｍｍ〜２００ｋＶ／ｍｍの範囲が好ましい。例えば、硼珪酸ガラスの膜厚が０．５μｍであれば、印加電圧の範囲は、１５Ｖ〜１００Ｖ、また、３μｍであれば９０Ｖ〜６００Ｖとなる。
【００５５】
通常、１ｋＶを超える電圧を使用する場合、電圧を発生する直流高圧電源４の容量や電圧印加に関連する附帯装置の絶縁耐圧を確保することが必要となるなどから、直流高圧電源４を含めた装置が高価かつ煩雑になる。従って、適当な膜厚を設定することで陽極接合時に印加する電圧を扱いやすい１ｋＶ未満とするのが好ましい。
【００５６】
本例では、これら各接合面はいずれも陽極接合することによって、全ての接合部位に接着剤が介在せず、インクジェットヘッド全体に剛性を付与し、振動板が圧電素子３によって振動する際に第２のシリコン基板２からインクジェットヘッド全体が振動することを抑制することで、クロストークを抑制する効果を高めることができる。
【００５７】
このように陽極接合により接合された第１のシリコン基板１及び第２のシリコン基板２の結合体Ａに圧電素子３が接着され、インクジェットヘッドができあがる。
【００５８】
上記インクジェットヘッドＨＤは、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないように設計されている。
【００５９】
インクジェットヘッドの構造的な共振周波数は、数値計算または実験により求めることができる。
【００６０】
実験により求める場合は、例えば、１つの圧力室の圧電素子に駆動周波数をスイープさせた駆動電圧波形を入力してインクを吐出させ、そのときのヘッドの変形量、例えばインク吐出面の変形量から算出できる。駆動周波数対変形量をプロットしたときに、変形量が極大値をとる周波数が共振点となり、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数となる。
【００６１】
数値計算の場合には、汎用の数値解析ソフトで解析を行うか、簡単なモデルに近似できる場合はソフトを用いずに容易に計算できる。
【００６２】
インクジェットヘッドＨＤの構造的な共振周波数は、上記インクジェットヘッドＨＤの全体の厚みや補強部材５の開口５０１の面積等を調整することにより変更できる。例えば、全体の厚みを薄くするか、あるいは補強部材５の開口５０１の面積を大きくすることで剛性が低下するので構造的な共振周波数は低くなる。インクジェットヘッドＨＤの全体の厚みを薄くするには、第１のシリコン基板１、第２のシリコン基板２及び補強部材５の少なくとも１つの厚みを薄くするか、あるいは補強部材５をなくせばよい。
【００６３】
また、インクジェットヘッドの駆動周波数は、圧電素子３の駆動周波数を調整することにより変更できる。
【００６４】
インクジェットヘッドの流体的な共振周波数は、圧電素子３を駆動する際、圧力室２０４内のインク（流体）に圧力波が励起されることにより生じる複数の流体振動モードの共振周波数である。そのうちの１つは、従来よりヘルムホルツ振動と呼ばれている圧力室の固有振動の共振周波数である。その他には、インク吐出口内のメニスカス自由表面に起因する固有振動（以下、メニスカスの固有振動と称する。）の共振周波数である。
【００６５】
複数の振動モード及びその共振点、即ち、本発明におけるノズル内のメニスカスの固有振動の共振周波数ｆ１、圧力室の固有振動の共振周波数ｆ２は、数値計算または実験により求めることができる。
【００６６】
実験により求める場合は、圧電素子に正弦波の駆動電圧波形をスイープさせて入力し、そのときのメニスカス隆起量から算出できる。正弦波の周波数対隆起量（もしくは流量）をプロットしたときに、隆起量が極大値をとる周波数が共振点となり、固有振動の共振周波数となる。
【００６７】
数値計算の場合には、汎用の数値解析ソフトで解析を行うか、簡単なモデルに近似できる場合はソフトを用いずに容易に計算できる。
【００６８】
ここで、等価回路法を用いた計算方法を説明する。
【００６９】
以下の説明において、記号Ｌはイナータンス成分〔ｋｇ／ｍ４〕であり、Ｌａは圧電素子におけるイナータンス成分、Ｌｎはインク吐出口におけるイナータンス成分、Ｌｉはインク供給路におけるイナータンス成分、Ｌｃは圧力室におけるイナータンス成分である。記号Ｒは抵抗成分〔Ｎ・ｓ／ｍ５〕であり、Ｒａは圧電素子における抵抗成分、Ｒｎはインク吐出口における抵抗成分、Ｒｉはインク供給路における抵抗成分、Ｒｃは圧力室における抵抗成分である。記号Ｃは容量成分〔ｍ５／Ｎ〕であり、Ｃａは圧電素子における容量成分、Ｃｎはインク吐出口における容量成分、Ｃｉはインク供給路における容量成分、Ｃｃは圧力室における容量成分である。
【００７０】
ここで、各部におけるイナータンス成分Ｌは、流路断面積をＳ［ｍ２］、流路長さをｌ［ｍ］、インク密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とすると、式（１）で与えられる。ここで、αは、流路の断面形状により決まる形状係数で、断面が円形または長方形の場合は約１．３になる。
【００７１】
【数１】
2010146945.tif 000003
【００７２】
また、各部における抵抗成分Ｒは、流路断面が円形の場合は、インク粘度をη［Ｐａ・ｓ］、直径をｄ［ｍ］とすると、式（２）で与えられる。
【００７３】
【数２】
2010146945.tif 000004
【００７４】
そして、各部における容量成分Ｃは以下のようになる。
【００７５】
流体内部の圧縮に関わる項であるＣｃ、Ｃａは、圧力室の容積をＶ［ｍ３］、インク密度をρ［ｋｇ／ｍ３］、インクの音速度をｃ［ｍ／ｓ］とすると、式（３）で与えられる。
【００７６】
【数３】
2010146945.tif 000005
【００７７】
流体自由表面に関わる項であるＣｎは、インクの表面張力σ［Ｎ／ｍ］、インク吐出口の直径をｄ［ｍ］とすると、式（４）で与えられる。
【００７８】
【数４】
2010146945.tif 000006
【００７９】
通常の設計範囲においては、特性にほとんど影響を及ぼさない要素Ｃｉ、Ｒａ、Ｌａを近似的に０とし、残った要素を合成することにより、振動モードを分離すると２つに分離される。
【００８０】
第１の振動モードをモード１、共振点をｆ１、第２の振動モードをモード２、共振点をｆ２とする。
【００８１】
振動モード１は、メニスカスの表面に起こるメニスカスの固有振動である。振動モード２は、圧力室内の圧力変動に起因する圧力室の固有振動であり、これがインク吐出口まで伝わることによってメニスカスが隆起する。従来よりヘルムホルツ振動と呼ばれているものである。
【００８２】
メニスカスの固有振動の共振周波数ｆ１は、以下の式（５）により表される。
【００８３】
【数５】
2010146945.tif 000007
【００８４】
圧力室の固有振動の共振周波数ｆ２は、以下の式（６）により表される。
【００８５】
【数６】
2010146945.tif 000008
【００８６】
式（５）、式（６）からわかるように、ｆ１、ｆ２を支配するパラメータは、各部のイナータンス成分、容量成分だけとなる。すなわち、各部のイナータンス成分、容量成分の組み合わせによって、ｆ１、ｆ２が決まることになる。
【００８７】
ここで、式（１）、式（３）、式（４）からわかるように、使用するインクの密度ρ及びインクの音速度ｃ及び表面張力σが決まると、ｆ１、ｆ２を支配するパラメータは、各部の形状だけとなる。
【００８８】
つまり、上記インクジェットヘッドＨＤのインク吐出口１０１、圧力室２０４、インク供給路２０３の大きさや形状等を調整することにより、上記インクジェットヘッドＨＤの流体振動モードの共振周波数を調整できる。
【００８９】
上記インクジェットヘッドＨＤは、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないように設計されている。このため、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数を、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域から離すことができ、インクジェットヘッドの構造的な共振を抑制することで、駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制することができ、クロストーク等の不安定な吐出状態が生じにくく、吐出特性が安定化する。
【００９０】
図５は本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドＨＤの他の例の平面図である。
【００９１】
本例においては、補強部材５は共通圧力室２０２の領域を含む第１領域Ｒ１を開放する開口５０１を有する。即ち、圧力室２０４及び圧電素子３が配置された領域、インク供給路２０３が配置された領域、共通圧力室２０２が配置された領域及び個々の圧力室２０４を隔てる隔壁等の隔壁が配置された領域を包含する第１領域Ｒ１を開放する開口５０１を有し、第１領域Ｒ１を囲む第２領域Ｒ２を覆う枠部材として補強部材５が形成される。
【００９２】
本例のインクジェットヘッドＨＤは、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないように設計されている。このため、インクジェットヘッドの構造的な共振を抑制することで、駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制することができ、クロストーク等の不安定な吐出状態が生じにくく、吐出特性が安定化する。
【００９３】
図５に示すように、本例においては共通圧力室２０２が配置された領域も開放されている。記録動作時には、共通圧力室２０２を介して圧力波が非駆動の圧力室にも伝達される流路クロストークが発生するが、本例のように共通圧力室が配置された領域を開放することにより、共通圧力室を形成する壁の振動により共通圧力室内の圧力波を吸収し、流路クロストークを抑制することができる。
【００９４】
図６は本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドＨＤの更に他の例を模式的に示す図である。
【００９５】
本例においては、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２との間にガラス基板６を有する。ガラス基板６はインク吐出口１０１に対応し位置にインク流路孔６０１を有する。
【００９６】
インク流路孔６０１は図７に示すように、第１のシリコン基板１のインク吐出口１０１よりも大きな径を有する。また、ガラス基板６は第２のシリコン基板２及び第１のシリコン基板１に陽極接合により結合される。従って、ガラス基板６の材料としては硼珪酸ガラスが好ましい。
【００９７】
本例のインクジェットヘッドＨＤは、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないように設計されている。このため、インクジェットヘッドの構造的な共振を抑制することで、駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制することができ、クロストーク等の不安定な吐出状態が生じにくく、吐出特性が安定化する。
【００９８】
本例では、これら各接合面はいずれも陽極接合することによって、全ての接合部位に接着剤が介在せず、インクジェットヘッド全体に剛性を付与し、振動板が圧電素子３によって振動する際に第２のシリコン基板２からインクジェットヘッド全体が振動することを抑制することで、クロストークを抑制する効果を高めることができる。
【００９９】
また、高度な微細化が要求されるインク吐出口１０１や圧力室２０４は、いずれもシリコン基板１及び２に加工形成できるので、半導体集積回路の製造技術を利用した微細で高密度なパターン形成が可能である。
【０１００】
更に、ガラス基板６には、単純な貫通孔を形成するだけであり、ドライエッチング時の加工作業も極めて簡単で済む。
【０１０１】
図８、図９は本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの更に他の例を示し、圧力室、圧電素子及びインク吐出口を２列に配置した例である。
【０１０２】
図８では、圧電素子群３Ａと圧電素子群３Ｂと、圧力室群２０４Ａと２０４Ｂとが上下２列に配置されており、図示しないが、これらに対応したインク吐出口が配置される。上段の圧力室群２０４Ａに対応した共通圧力室２０２Ａが圧力室群２０４ａの上方に配置され、下段の圧力室群２０４Ｂの下方に対応の共通圧力室２０２Ｂが配置される。
【０１０３】
補強部材５は圧力室群２０４Ａ、２０４Ｂ、共通圧力室群２０２Ａ、２０２Ｂを含む領域Ｒ１を開口し、領域Ｒ１を囲む領域Ｒ２を覆う枠状部材として形成される。
【０１０４】
図９では、圧力室群、圧電素子群及びインク吐出口群の配置は図８と同一であるが、補強部材５の形状が図８と異なっており、上段の圧力室群２０４Ａ及び圧電素子群３Ａを含む領域Ｒ１１、下段の圧力室群２０４Ｂ、及び圧電素子群３Ｂを含む領域Ｒ１２、上段の共通圧力室２０２Ａを含む領域Ｒ１３並びに、下段の共通圧力室２０２Ｂを含む領域Ｒ１４を開口し、これら領域を囲む領域を覆う枠状部材として補強部材５が形成される。
【０１０５】
図９の例では、上段の圧力室群２０４Ａと上段の共通圧力室２０２Ａとの間の領域Ｒ２１、上段の圧力室群２０４Ａ及び圧電素子群３Ａと、下段の圧力室群２０４Ｂ及び圧電素子群３Ｂとの間の領域Ｒ２２、及び下段の圧力室群２０４Ｂと下段の共通圧力室２０２Ｂとの間の領域Ｒ２３が補強部材５により覆われる領域となっている。
【０１０６】
本例のインクジェットヘッドＨＤは、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないように設計されている。このため、インクジェットヘッドの構造的な共振を抑制することで、駆動時に発生するヘッドの振動やクロストークの発生を抑制することができ、クロストーク等の不安定な吐出状態が生じにくく、吐出特性が安定化する。
【０１０７】
図１０、図１１に上記の実施形態のヘッドの構造的な振動の周波数特性の一例を示す。
【０１０８】
図１０、図１１における縦軸は、正弦波入力による１つの圧力室の駆動時におけるヘッドの変形量をレーザードップラー計で測定したときの速度（変位の微分値）を示し、横軸は駆動の周波数を示す。縦軸の速度の数値はヘッドの変形量に対応しており、この数値が大きいほどヘッドの変形量、即ち振動の振幅が大きいということになる。また、図１０は厚みを調整した補強部材を設けた場合のヘッド変形量を、図１１は厚みを調整していない補強部材を設けた場合のヘッド変形量を示す。
【０１０９】
また、各記号は以下を意味する。
【０１１０】
Ｌｎ（ｎ＝１〜６）：ヘッドのｎ次の構造的な共振スペクトル
Ｆｎ（ｎ＝１〜６）：ヘッドのｎ次の構造的な共振周波数（ピーク値）
ΔＦｎ；ヘッドのｎ次の共振におけるスペクトルの半値幅（Ｘ２／Ｘ１＝１／２）の周波数領域
図１０から求めた各数値は以下の通りである。
【０１１１】
Ｆ１＝２７．５ｋＨｚ、ΔＦ１＝２５．５ｋＨｚ〜２９．５ｋＨｚ、Ｆ２＝４５．１ｋＨｚ、ΔＦ２＝４２．９ｋＨｚ〜４７．３ｋＨｚ、Ｆ３＝５６．８ｋＨｚ、ΔＦ３＝５４．２ｋＨｚ〜５９．４ｋＨｚ、Ｆ４＝１３１．５ｋＨｚ、ΔＦ４＝１２８．６ｋＨｚ〜１３４．４ｋＨｚ、Ｆ５＝３１０．２ｋＨｚ、ΔＦ５＝３０６．３ｋＨｚ〜３１４．１ｋＨｚ、Ｆ６＝３２３．９ｋＨｚ、ΔＦ６＝３２０ｋＨｚ〜３２７．８ｋＨｚである。
【０１１２】
図１１から求めた各数値は以下の通りである。
【０１１３】
Ｆ１＝２８．４ｋＨｚ、ΔＦ１＝２７．３ｋＨｚ〜２９．５ｋＨｚ、Ｆ２＝４６．１ｋＨｚ、ΔＦ２＝４５．０ｋＨｚ〜４７．２ｋＨｚ、Ｆ３＝６０．２ｋＨｚ、ΔＦ３＝５９．０ｋＨｚ〜６１．４ｋＨｚ、Ｆ４＝１３８．４ｋＨｚ、ΔＦ４＝１３６．１ｋＨｚ〜１４０．７ｋＨｚ、Ｆ５＝３２４．０ｋＨｚ、ΔＦ５＝３２１．４ｋＨｚ〜３２６．６ｋＨｚ、Ｆ６＝３３７．４ｋＨｚ、ΔＦ６＝３３３．２ｋＨｚ〜３４１．６ｋＨｚである。
【０１１４】
このような各共振スペクトルの共振周波数（ピーク値）の何れかがインクジェットヘッドの駆動周波数や流体的な共振周波数に一致あるいは近接していれば、ヘッドの構造的共振が生じ、吐出安定性に悪影響を及ぼす。
【０１１５】
ヘッドからインクを吐出させるときに、ヘッドの構造的共振を抑えるために、インクジェットヘッドの駆動周波数及び流体的な共振周波数が、インクジェットヘッドの構造的な共振周波数に対する半値幅内の周波数領域に含まれないように設定する必要がある。
【０１１６】
このような設定は、例えば、図１における補強部材５の厚みを調整することにより行われる。インクジェットヘッド本体側で調整すると吐出特性が変化してしまう場合があるので、補強部材５により構造的な共振周波数を調整するのが得策である。
【０１１７】
前述のようにヘッドには流路形状・インク物性に対して流体的な共振周波数ｆ１、ｆ２が決定する。
【０１１８】
このヘッドの流体的な共振点はそれぞれ圧力室の固有振動の共振周波数ｆ２が９８ｋＨｚ、メニスカスの固有振動の共振周波数ｆ１が３３５ｋＨｚであり、それぞれのモードで異なる径の液滴を形成することができる。
【０１１９】
図１１は、補強部材５の厚みを調整していない場合のもので、第１次〜第６次の各共振スペクトルは、圧力室の固有振動の共振周波数ｆ２である９８ｋＨｚとは離れており、このｆ２は第１次〜第６次の各共振スペクトルの各半値幅内の周波数領域ΔＦ１〜ΔＦ６のいずれにも含まれていない。一方、メニスカスの固有振動の共振周波数ｆ１である３３５ｋＨｚは、第６次の構造的な共振周波数Ｆ６＝３３７．４ｋＨｚと共振周波数が近接しており、このｆ１は半値幅内の周波数領域ΔＦ６＝３３３．２ｋＨｚ〜３４１．６ｋＨｚに含まれている。
【０１２０】
次に、このヘッドを用いて実際の吐出を行った。先ずこのインクジェットヘッドの各圧電素子に対して、駆動パルス発生手段より駆動周波数＝２０ｋＨｚにて下記に示すパルス幅の信号を印加して各ノズルから連続的にインク滴の吐出を行った。尚、ノズルよりインクを吐出して印字を行うインクジェットヘッドを用いたプリンタにおいて、実際の印字においては同一ノズルからの吐出はあるときは間欠的にあるときは連続的に行われる。
【０１２１】
このヘッドで圧力室の固有振動の共振周波数ｆ２の９８ｋＨｚの低周波モードで、即ち、例えば、圧電素子に引き打ち波形を入力する場合、そのパルス幅を圧力室の固有振動の周期の半分（１／（２ｆ２）＝５．１μｓ）として、吐出を行うと安定吐出が実現できたが、３３５ｋＨｚの共振点を利用した高周波モードで、即ち、例えば、圧電素子に引き打ち波形を入力する場合、そのパルス幅をメニスカスの固有振動の周期の半分（１／（２ｆ１）＝１．５μｓ）として、吐出を行うと、吐出が不安定になり、着弾のずれを生じた。
【０１２２】
一方、図１０の共振特性は、補強部材５の厚みの調整（図１１よりも厚みを薄くした）により共振周波数をずらしたもので、第６次の構造的な共振周波数Ｆ６は、その共振周波数がＦ６＝３２３．９ｋＨｚであり、メニスカスの固有振動の共振周波数ｆ１である３３５ｋＨｚから離れた特性となっており、ｆ１は、半値幅内の周波数領域ΔＦ６＝３２０ｋＨｚ〜３２７．８ｋＨｚに含まれていない。
【０１２３】
このように、補強部材の厚みを薄くなるほうに調整し、３３７．４ｋＨｚのピークをやや低周波よりにずらしてやることによって、高周波モードでも安定吐出が行えた。
【０１２４】
なお、以上の実験において、インクジェットヘッドの駆動周波数は２５ｋＨｚ未満で吐出させており、駆動周波数が全ての共振周波数Ｆに対する半値幅内の周波数領域ΔＦ内に含まれておらず、吐出安定性が良好であることが確認された。
【０１２５】
また、補強部材を設けてない、数ｋＨｚの低周波にヘッドの構造的な共振周波数（ピーク値）を持つ構成のヘッドで吐出を行うと、数ｋＨｚの駆動周波数に対して吐出性の変化が大きかった。即ち、駆動周波数が何れかの共振周波数Ｆに対する半値幅内の周波数領域ΔＦ内に含まれている場合、吐出が不安定になることが確認された。
【０１２６】
さらに、補強部材の厚みを種々変更して構造的な共振周波数を変更した各ヘッドについて、インクジェットヘッドの駆動周波数を変更しながらその吐出安定性を調べた結果、インクジェットヘッドの駆動周波数やｆ１またはｆ２が何れかの共振周波数Ｆに対する半値幅内の周波数領域ΔＦ内に含まれる場合は吐出安定性が悪く、インクジェットヘッドの駆動周波数やｆ１またはｆ２が全ての共振周波数Ｆに対する半値幅内の周波数領域ΔＦ内に含まれない場合は吐出安定性が良好であることが確認された。
【０１２７】
このように、インクジェットヘッドの駆動周波数や流体的な共振周波数と構造的な共振周波数が一致または近接して干渉すると吐出が安定しなくなったり、吐出条件の変化に対して意図しない変化が起こってしまう。単純にヘッドを補強するだけでなく、インクジェットヘッドの駆動周波数や共振周波数を考慮した補強の設計を行うことで、これらの干渉を防ぐことが出来る。
【０１２８】
以上、説明したように、インクジェットヘッドＨＤは、インクを吐出させる際のインクジェットヘッドの共振によるクロストークの発生が抑制されているので、吐出特性が安定化する。
【符号の説明】
【０１２９】
１  第１のシリコン基板
１０１  インク吐出口
１１０  硼珪酸ガラス厚膜
２  第２のシリコン基板
２０１  インク供給口
２０２  共通圧力室
２０３  インク供給路
２０４  圧力室
３  圧電素子
４  直流高圧電源
５  補強部材
６  ガラス基板
【図１】
2010146945.tif 000009
【図２】
2010146945.tif 000010
【図３】
2010146945.tif 000011
【図４】
2010146945.tif 000012
【図５】
2010146945.tif 000013
【図６】
2010146945.tif 000014
【図７】
2010146945.tif 000015
【図８】
2010146945.tif 000016
【図９】
2010146945.tif 000017
【図１０】
2010146945.tif 000018
【図１１】
2010146945.tif 000019
【国際調査報告】
2010146945.tif 000020
2010146945.tif 000021
2010146945.tif 000022
2010146945.tif 000023