(57)【要約】  直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルを用いた場合においてもサテライトの発生を抑制することができるインクジェットヘッド及びその駆動方法を提供することを目的とし、直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、駆動パルスの印加により前記圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させるアクチュエータと、を備え、前記ノズル内のメニスカスの固有振動の振動数をｆ１、前記圧力室の固有振動の振動数をｆ２としたとき、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドであって、前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるよう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。
2009107552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、駆動パルスの印加により前記圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させるアクチュエータとを備え、前記ノズル内のメニスカスの固有振動の振動数をｆ１、前記圧力室の固有振動の振動数をｆ２としたとき、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドであって、
前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるよう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。
【請求項２】
前記ノズルのイナータンス成分をＬｎ、容量成分をＣｎ、前記圧力室のイナータンス成分をＬｃ、容量成分をＣｃ、前記インレットのイナータンス成分をＬｉ、前記アクチュエータの容量成分をＣａとしたとき、以下の式（１）を満足することを特徴とする請求の範囲第１項記載のインクジェットヘッド。
【数１】
2009107552.tif 000014
【請求項３】
直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、アクチュエータとを備え、前記ノズル内のメニスカスの固有振動の振動数をｆ１、前記圧力室の固有振動の振動数をｆ２としたとき、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドの前記アクチュエータに駆動パルスを印加して前記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、前記圧力室内のインクを前記吐出口から吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法であって、
前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるよう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の駆動方法。
【請求項４】
前記ノズルのイナータンス成分をＬｎ、容量成分をＣｎ、前記圧力室のイナータンス成分をＬｃ、容量成分をＣｃ、前記インレットのイナータンス成分をＬｉ、前記アクチュエータの容量成分をＣａとしたとき、以下の式（１）を満足することを特徴とする請求の範囲第３項記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
【数２】
2009107552.tif 000015
【請求項５】
前記ｆ１の値を取得するステップを有し、取得したｆ１の値に基づいて前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求の範囲第３項または第４項記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
【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及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なインクジェットヘッドは、液滴を吐出する吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、駆動パルスの印加により前記圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させるアクチュエータとしての圧電素子と、を備えている。【０００３】
そして、例えば、圧力室の一部を変形しやすく形成してダイヤフラムとして用い、これを圧電素子によって弾性変位させることによってノズルの吐出口からインク滴を吐出する圧力を発生させている。【０００４】
このようなインクジェットヘッドの圧電素子に駆動電圧を印加すると、圧電効果によりダイヤフラムがたわみ変形を起こし流路内の流体に圧力波を励起する。入力する波形としては、圧力室内で共振するヘルムホルツ振動を励起するものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。圧電素子に引き打ち波形を入力する場合、そのパルス幅はヘルムホルツ周期の半分となる。【０００５】
圧力波がノズルまで伝わると液柱（メニスカス）を形成し、この液柱が分離することにより液滴が吐出する。【０００６】
また、インクジェットヘッドでは、メイン液滴のほかにサテライトと呼ばれる余分な液滴が形成されることがあり、画質低下の原因となっている。【０００７】
このような問題に対する対策として、特許文献２では、吐出ユニットの共振周波数ｆ［ｋＨｚ］と液体吐出速度ｖ［ｍ／ｓ］が、ｆ＞３１×ｖ＋８０の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッドが提案されている。
【特許文献１】特開平６−１７１０８０号公報
【特許文献２】特開２００７−２２３２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
サテライトの発生メカニズムは、以下の２つが考えられる。【０００９】
（１）入力エネルギーの超過により液柱が必要以上に成長した状態で液滴が分離されると、液滴の後尾の部分でサテライトが分離する。【００１０】
（２）液柱表面に波長が液滴径より小さい表面波が発生、成長して、液柱の切れ目となり、サテライトが分離する。【００１１】
発明者は、上記（２）についてノズル内のメニスカスの挙動とサテライトの発生との関連性について鋭意研究した結果、以下のことが判明した。【００１２】
インクジェットヘッドには複数の流体振動モードがある。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である。その他には、ノズル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。）である。【００１３】
複数のモードに励起された振動がメニスカスに重畳することにより、液柱の表面波として成長し液柱の切れ目となり、その結果サテライトが発生する。特にメニスカスの固有振動がサテライトの発生に大きく関係しており、アクチュエータに励起された圧力室の固有振動に伴い、より高い振動数のメニスカスの固有振動が生じた場合に、圧力室の固有振動の半周期中にメニスカスの固有振動が重畳し、これが吐出の際のサテライト発生の原因になる。【００１４】
特許文献１、２のように従来のヘッドでは、ノズルにおける吐出口の径が１０μｍより大きいものであり、このようにノズル径が大きい場合には、ノズルのインピーダンスが小さくなり、メニスカスの固有振動の振動数が低くなる。これにより、メニスカスの固有振動の振動数が、圧力室の固有振動の振動数に比べて低くなる傾向になるため、上記（２）に起因するサテライトが発生しにくい。【００１５】
すなわち、特許文献２に開示された技術は、液滴吐出速度を制限することにより液柱が必要以上に成長し分離することを抑制し、上記（１）に起因するサテライトの発生を防止するものであると考えられる。特許文献２では、液体吐出速度が吐出ユニットの共振周波数により制限されるため、例えば、共振周波数が低いヘッドでは液滴吐出速度が低下して画質低下の原因となる等の問題もある。【００１６】
これに対して、吐出口の径が小さい場合には、ノズルのインピーダンスが急激に増大し、メニスカスの固有振動の振動数が高くなる。これにより、メニスカスの固有振動の振動数が、圧力室の固有振動の振動数に比べて高くなる傾向になるため、上記（２）に起因するサテライトが発生しやすくなる。【００１７】
このようなインクジェットヘッドに対して、特許文献１に開示されているような圧力波の固有周期（ヘルムホルツ周期）に基づいた従来の駆動波形を入力すると、アクチュエータに励起された圧力室の固有振動に伴い、より高い振動数のメニスカスの固有振動が生じサテライト発生の原因になる。【００１８】
また、エネルギーの収支を見た場合、吐出口の径が大きい場合には、液滴の運動エネルギーが表面エネルギーを大きく上回り支配的となる。それ故、メニスカスの運動エネルギーはほとんど液滴の運動エネルギーに変換され、液柱から液滴を分離し易かった。【００１９】
これに対し、吐出口の径が小さくなってくると、エネルギーのバランスは逆転し、液滴を形成するための運動エネルギーよりも余分にメニスカスの運動エネルギーを供給する必要がある。例えば、表面張力５０×１０―３［Ｎ／ｍ］、粘度３×１０−3［Ｐａ・ｓ］のインクを用いて液滴初速度１０ｍ／ｓで吐出口径相当のインクを吐出したときのエネルギーのグラフは、図９に示すようになる。図９より、吐出口の直径が１０μｍ付近から小さくなるにしたがって差が小さくなり、６μｍ付近で運動エネルギーと表面エネルギーが逆転しているのが判る。【００２０】
この場合、液滴を形成、吐出するにはメニスカスに余分にエネルギーを供給しなければならない。それには、メニスカスの流速度を増加させねばならず、結果として吐出口径に対して液柱を大きく成長させることになり、サテライトが発生しやすくなる。【００２１】
近年、高画質化のためインク滴により形成されるドットの径を小さくする要求が高まっている、ドットの微少化には、ノズルにおける吐出口の径を小さくする事が有効であり、このようなヘッドにおいてサテライトの発生を抑制する対策が必要になった。【００２２】
本発明は従来技術におけるこれらの問題を解決することを目的とし、吐出口の直径が１０μｍ以下であり、メニスカスの固有振動の振動数が圧力室の固有振動の振動数よりも高い場合においてもサテライトの発生を抑制することができるインクジェットヘッド及びその駆動方法を提供することを目的とする。【００２３】
本発明ではメニスカスの固有振動の半周期１／（２ｆ１）に基づいて駆動波形の設計を行うことでサテライトを効果的に抑制する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記目的は下記の発明により達成される。【００２５】
１．
直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、駆動パルスの印加により前記圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させるアクチュエータとを備え、前記ノズル内のメニスカスの固有振動の振動数をｆ１、前記圧力室の固有振動の振動数をｆ２としたとき、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドであって、
前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるよう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。【００２６】
２．
前記ノズルのイナータンス成分をＬｎ、容量成分をＣｎ、前記圧力室のイナータンス成分をＬｃ、容量成分をＣｃ、前記インレットのイナータンス成分をＬｉ、前記アクチュエータの容量成分をＣａとしたとき、以下の式（１）を満足することを特徴とする１記載のインクジェットヘッド。【００２７】
【数１】
2009107552.tif 000003
【００２８】
３．
直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、アクチュエータとを備え、前記ノズル内のメニスカスの固有振動の振動数をｆ１、前記圧力室の固有振動の振動数をｆ２としたとき、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドの前記アクチュエータに駆動パルスを印加して前記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、前記圧力室内のインクを前記吐出口から吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法であって、
前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるよう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の駆動方法。【００２９】
４．
前記ノズルのイナータンス成分をＬｎ、容量成分をＣｎ、前記圧力室のイナータンス成分をＬｃ、容量成分をＣｃ、前記インレットのイナータンス成分をＬｉ、前記アクチュエータの容量成分をＣａとしたとき、以下の式（１）を満足することを特徴とする３記載のインクジェットヘッドの駆動方法。【００３０】
【数２】
2009107552.tif 000004
【００３１】
５．
前記ｆ１の値を取得するステップを有し、取得したｆ１の値に基づいて前記駆動パルスのパルス幅が１／（２ｆ１）よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする３または４記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
【発明の効果】
【００３２】
本発明では、ノズル内のメニスカスの固有振動（モード１の振動）の振動数をｆ１、圧力室の固有振動（モード２の振動）の振動数をｆ２としたとき、インクジェットヘッドのアクチュエータに対して印加する駆動パルスのパルス幅が、１／（２ｆ１）より小さくなるように設定されているので、駆動パルスの印加開始時に励起されたメニスカス振動が印加解除時に励起されたメニスカス振動によって効率的に相殺されてメニスカスの固有振動を抑制できるため、吐出口の直径が１０μｍ以下で、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドにおいてもサテライトの発生を抑制することができる。これにより高画質の記録物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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模式的に示す図である。
【図２】インクジェットヘッドの等価回路である。
【図３】特性に影響を及ぼさない要素を省略した等価回路である。
【図４】２つの振動モードに分離した等価回路である。
【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６】ノズルプレートとボディプレートとの接合工程を示す図である。
【図７】圧電素子の接着工程を示す図である。
【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駆動パルスを示す図である。
【図９】吐出口の直径とエネルギーの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  ノズルプレート
１０１  ノズル
１１０  硼珪酸ガラス厚膜
２  ボディプレート
２０１  インク供給口
２０２  共通インク室
２０３  インレット
２０４  圧力室
３  圧電素子
４  直流高圧電源
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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。【００３６】
本実施形態に係るインクジェットヘッドは、図１に示すように液滴を吐出する吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室にインクを導入するためのインレットと、駆動パルスの印加により前記圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させるアクチュエータとしての圧電素子と、各チャネルに導入されるインクを蓄えておく共通インク室と、を備える。【００３７】
吐出口とは、ノズルにおけるインク吐出側の先端の開口を意味し、吐出口の直径は、開口が円形の場合は、その直径をさす。なお、開口形状は円形形状に限定されることはなく、円形形状の代わりに、多角形状や星形状等としてもよい。尚、形状が円でない場合、その面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径を吐出口の直径とする。【００３８】
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、圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させる。【００３９】
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振動数ｆ１、圧力室の固有振動の振動数ｆ２は、数値計算または実験により取得することができる。【００４０】
実験により求める場合は、圧力発生装置（アクチュエータ）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。正弦波の振動数対隆起量（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振動数が共振点となり、固有振動の振動数となる。【００４１】
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。【００４２】
ここで、等価回路法を用いた計算方法を説明する。【００４３】
図１に示すインクジェットヘッドにおける１チャネルを、等価回路に置き換えると図２のようになる。図２において、記号Ｌはイナータンス成分〔ｋｇ／ｍ４〕であり、Ｌａはアクチュエータにおけるイナータンス成分、Ｌｎはノズルにおけるイナータンス成分、Ｌｉはインレット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はアクチュエータにおける抵抗成分、Ｒｎはノズルにおける抵抗成分、Ｒｉはインレットにおける抵抗成分、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はアクチュエータにおける容量成分、Ｃｎはノズルにおける容量成分、Ｃｉはインレットにおける容量成分、Ｃｃは圧力室における容量成分である。【００４４】
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（２）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。【００４５】
【数３】
2009107552.tif 000005
【００４６】
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（３）で与えられる。【００４７】
【数４】
2009107552.tif 000006
【００４８】
そして、各部における容量成分Ｃは以下のようになる。【００４９】
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（４）で与えられる。【００５０】
【数５】
2009107552.tif 000007
【００５１】
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］、吐出口の直径をｄ［ｍ］とすると、式（５）で与えられる。【００５２】
【数６】
2009107552.tif 000008
【００５３】
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図３に示すような回路となる。【００５４】
図３の回路から振動モードを分離すると図４（ａ）、（ｂ）の２つに分離される。【００５５】
（ａ）の振動モードをモード１、共振点をｆ１、（ｂ）の振動モードをモード２、共振点をｆ２とする。【００５６】
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、これがノズル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。【００５７】
メニスカスの固有振動の振動数ｆ１は、以下の（６）式により表される。【００５８】
【数７】
2009107552.tif 000009
【００５９】
圧力室の固有振動の振動数ｆ２は、以下の（７）式により表される。【００６０】
【数８】
2009107552.tif 000010
【００６１】
このとき、ｆ１とｆ２の大小関係により液滴吐出時の挙動が異なってくる。【００６２】
ｆ１＞ｆ２のときは、アクチュエータに励起されたモード２の圧力室の固有振動に伴い、より高い振動数のモード１のメニスカスの固有振動が生じる。そして、圧力室の固有振動の半周期中にメニスカスの固有振動が重畳し、これが吐出の際のサテライト発生の原因になる。【００６３】
本発明におけるインクジェットヘッドは、直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルを用いている。ノズルの吐出口の径が小さくなると、式（２）、式（３）から明らかなようにノズルのイナータンス成分Ｌｎ及び抵抗成分Ｒｎが増大するため、ノズルのインピーダンスが増大し、また、メニスカスの固有振動の振動数ｆ１が高くなる。これにより、ｆ１＞ｆ２となる傾向にあるため、サテライトが発生しやすくなる。【００６４】
式（６）、式（７）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。【００６５】
ここで、式（２）、式（４）、式（５）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。【００６６】
つまり、直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルを用いたヘッドにおいて、使用するインクに対して、ｆ１＞ｆ２となるように、すなわち、式（１）を満足するように、各部の形状を設定されている場合に発生するサテライトを抑制することが重要なポイントとなる。【００６７】
【数９】
2009107552.tif 000011
【００６８】
図８（ａ）には本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの駆動パルスが示されている。【００６９】
図８（ａ）に示すように、本実施形態にかかる駆動パルスは、圧力室の容積を拡大する第１電圧変化Ｄ１と、圧力室の容積を縮小する第２電圧変化Ｄ２を含んで構成された矩形波の駆動パルスである。Ｄ１とＤ２の間は、駆動電圧−ＶＤで一定に保持している。また、駆動パルスの電圧を減少すると圧力室の容積が拡大され、電圧を増加すると圧力室の容積が縮小されるものとする。【００７０】
ここで、第１電圧変化Ｄ１と第２電圧変化Ｄ２の時間間隔ｔ１、即ち、パルス幅ＰＷはメニスカスの固有振動の半周期である１／（２ｆ１）より小さい値に設定されている。このような駆動パルスでインクジェットヘッドを駆動することにより、複数のモードに励起された振動がメニスカスに重畳することなく、液柱の表面波として成長することがない。そのため直径が１０μｍ以下の吐出口を有するノズルを用い、ｆ１＞ｆ２を満足するインクジェットヘッドにおいても、サテライトの発生を抑制させることができる。これにより高画質の記録物を得ることができる。【００７１】
すなわち，本発明の実施形態である図１（ａ）の駆動パルスは、第１、第２電圧変化を有するという基本構成においては従来の駆動パルスと同一であるが，各電圧変化の時間間隔をメニスカスの固有振動が小さくなるように設定している点で駆動パルスの設計思想が大きく異なっており、サテライト発生を抑制できるという顕著な効果を得ることができる。【００７２】
従来は、各電圧変化の時間間隔を、圧力室の固有振動の周期を元に、具体的には図８（ａ）の駆動パルスでは、１／（２ｆ２）に等しくなるように設計を行っていたので、メニスカスの固有振動を適切に防ぐことができず、サテライトが発生してしまうという大きな問題があった。【００７３】
本発明では、このメニスカスの固有振動における周期を元に、メニスカス振動への対策を含む駆動パルスの設計を行うことでメニスカスの固有振動を適切に防ぎ、従来の駆動パルスでは困難だったサテライトの発生の影響を排除する。【００７４】
なお、ここで説明した図８（ａ）の駆動パルスは一例であり、本発明はこのタイプの駆動パルスに限定されるものではない。駆動パルスとしては、図８（ｂ）に示すように、圧力室の容積が縮小する方向に電圧が変化する第１電圧変化プロセスＤ１と、第１電圧変化プロセスの後で圧力室の容積が拡大する方向に電圧が変化する第２電圧変化プロセスＤ２とを含む駆動パルスでもよい。また、矩形波に限らず、図８（ｃ）に示すように、台形波であってもよい。【００７５】
いずれの駆動パルスにおいても、第１電圧変化プロセスから第２電圧変化プロセスまでの時間間隔ｔ１をパルス幅ＰＷとして、パルス幅ＰＷをメニスカスの固有振動の半周期である１／（２ｆ１）より小さく設定することにより、複数のモードに励起された振動がメニスカスに重畳することなく、サテライトを低減できる。【００７６】
また、圧力室の固有振動の周期に基づく駆動パルスを用いる従来の駆動方法によると、流速度が遅く、液滴を引きちぎるためのエネルギーを質量で補うため液滴径が大きくなり、液滴の初速度も低下する。【００７７】
これに対して、メニスカスの固有振動の周期に基づく駆動パルスを用いる本発明の駆動方法によると、流速度が速く、液滴径が小さくでき、液滴の初速度も増大させることができる。【００７８】
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はノズルプレート１、ボディプレート２及び圧電素子３を有する。【００７９】
ノズルプレート１には、インク吐出のためのノズル１０１を複数配列してある。【００８０】
ボディプレート２には、これにノズルプレート１を被せて接合することで、圧力室となる圧力室溝２０４、インレットとなるインレット溝２０３、共通インク室となる共通インク室溝２０２、及びインク供給口２０１が形成されている。【００８１】
そして、ノズルプレート１のノズル１０１とボディプレート２の圧力室溝２０４とが一対一で対応するようにノズルプレート１とボディプレート２とが接合される。【００８２】
更に、ボディプレート２のノズルプレート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）からなるアクチュエータであり、前述のように、上下両面に設けられた電極を経て接続された駆動パルス発生手段（不図示）からの駆動パルスの印加を受けると変形して圧力室の体積を変化させることにより圧力を発生させ、圧力室内部のインクをノズル１０１から吐出させるようになっている。駆動パルスは、第１電圧変化プロセスから第２電圧変化プロセスまでの時間間隔ｔ１をパルス幅ＰＷとして、パルス幅ＰＷをメニスカスの固有振動の半周期である１／（２ｆ１）より小さく設定された図８（ａ）〜（ｃ）に示すような駆動パルスが印加される。【００８３】
なお、以下の説明において、圧力室溝２０４とノズルプレート１とにより形成された部屋を圧力室２０４と言い、インレット溝２０３とノズルプレート１とにより形成された部屋をインレット２０３と言い、共通インク室溝２０２とノズルプレート１とにより形成された部屋を共通インク室２０２と言う。【００８４】
次に、インクジェットヘッドＨＤの作成について説明する。【００８５】
ノズルプレート１の作製方法は、基材として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ノズル１０１を形成するという手順により行われる。このノズル１０１の吐出口の直径は、１０μｍ以下である。【００８６】
ボディプレート２は、ノズルプレート１の作製方法と同様に、基材として厚みが２００〜５００μｍ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、先に述べたノズルプレート１とで形成する、ノズルプレート１に有するノズル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レットとなるインレット溝２０３、及びインレットに連通する共通インク室となる共通インク室溝２０２、インク供給口２０１を形成する。【００８７】
ここで形成する溝の大きさは、ヘッド完成後の各部の形状が前述の式（１）を満足する範囲内で適宜に設定されている。本実施の形態の一例であるヘッドでは、例えば、圧力室溝２０４は幅５０μｍ〜３５０μｍ程度、高さ１０μｍ〜２００μｍ程度、長さ５０μｍ〜３０００μｍ程度、インレット溝２０３は幅１０μｍ〜１５０μｍ程度、高さ１０μｍ〜２００μｍ程度、長さ１０μｍ〜３００μｍ程度、共通インク室溝２０２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。また、ノズルについても同様に、例えば、インク吐出口の直径は１μｍ〜１０μｍ、ノズルの長さは１μｍ〜１００μｍ程度とされる。【００８８】
シリコン基板に対するエッチング加工方法は、ボディプレート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。【００８９】
次に、これまで説明した方法で加工されているノズルプレート１とボディプレート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。【００９０】
図６は、ノズルプレート１とボディプレート２との接合工程を示す図であり、図６（ａ）は、シリコン基板を基材として、ノズル（図示してない。）が加工されたノズルプレート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ボディプレート２を示している。【００９１】
ノズルプレート１とボディプレート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。【００９２】
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。【００９３】
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。【００９４】
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。【００９５】
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ノズルプレート１とボディプレート２の基材はいずれもシリコン基板としている。よって、ノズルプレート１とボディプレート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。【００９６】
仮に、ボディプレート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。【００９７】
従って、図６（ｂ）に示すノズルプレート１のボディプレートに被さる面側を硼珪酸ガラスの面としており、ノズルプレート１を基板とし、この基板のボディプレートに被さる面側に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。【００９８】
次に、上記で説明した硼珪酸ガラス成膜されたノズルプレート１とボディプレート２とを、図６（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、ノズルプレート１とボディプレート２を陽極接合することに関して具体的に説明する。【００９９】
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。【０１００】
本実施の形態の一例である記録ヘッドにおいては、ボディプレート２はプラス（＋）、硼珪酸ガラス厚膜１１０を有するノズルプレート１はマイナス（−）とする電圧を印加すれば良い。【０１０１】
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ノズルプレート１とボディプレート２との接合部を加熱すれば良い。【０１０２】
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、ノズルプレート１とボディプレート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。【０１０３】
また、直流高圧電源４にてノズルプレート１とボディプレート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。【０１０４】
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。【０１０５】
このように陽極接合により接合されたノズルプレート１及びボディプレート２の結合体Ａに圧電素子３が接着される。【０１０６】
図７はＰＺＴからなる圧電素子３をボディプレート２に接着する工程を示す。【０１０７】
圧電素子３はボディプレート２に次に説明するように転写接着により接着される。【０１０８】
ガラスプレート３０に発泡剥離シート３１及びＰＺＴバルクプレート３２がこの順に接着されたもの（図７ａに示す）に、図７ｂに示すように、ドライフィルム３３をラミネートし、公知のフォトリソグラフィー技術により、発泡剥離シート３１、ＰＺＴバルクプレート３２及びドライフィルム３３をパターンニングして、圧電素子群３００を形成する（図７ｃ）。圧電素子群３００の表面をサンドブラスト処理した後に、ドライフィルム３３を剥離する（図７ｄ）。【０１０９】
次に、接着剤層３５を有する樹脂シート３４を圧電素子群３００に接着し（図７ｅ、７ｆ）、樹脂シート３４を隔離し（図７ｇ）、接着剤層３５の側から圧電素子群３００を治具４０に保持されたボディプレート２に接着し、ガラスプレート３０及び圧電素子群３００をホットプレートで加熱する（図７ｈ）。【０１１０】
加熱により発泡剥離シート３１が溶融して除去され、ガラスプレート３０がボディプレート２及び圧電素子群３００から離れ、インクジェットヘッドができあがる。【０１１１】
以上の実施形態例では、本発明を、カイザー型インクジェットヘッドに適用した場合について述べたが、アクチュエータによって圧力室の容積を変化させてインクに圧力を発生させることにより、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドである限り、カイザー型インクジェットヘッドに限定されない。【０１１２】
また、複数の圧力室、ノズル、インレットを備えたインクジェットヘッドを用いたが、１個の圧力室、ノズル、インレットを備えたインクジェットヘッドを用いた場合でも，本発明はその効果を損なうものではない。
【実施例】
【０１１３】
本実施例では、上記実施形態中で示したインクジェットヘッドＨＤと同様のインクジェットヘッドを上記製造方法に従いながら製造し、当該インクジェットヘッドの吐出口からインク滴を吐出した際のサテライトの発生状況を観察した。【０１１４】
まず、ノズルプレートとボディプレートとをともにシリコンで構成し、圧力室、インレット、ノズルの形状を種々変更した複数のインクジェットヘッドを作製した。具体的には、圧力室、インレットは、直方体状とし、表１に示すように幅、長さ、高さを変更した。ノズルは、円筒状とし、表２に示すように吐出口の直径、ノズルの長さを変更した。なお、１つのインクジェットヘッドにおける各チャネル間の圧力室、インレット、ノズルの形状は同一とした。【０１１５】
【表１】
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【０１１６】
その後、圧電素子に表２に示す通りのパルス幅からなる駆動パルスを印加して下記表２に示す表面張力が異なる２種類のインクをそれぞれ吐出した。なお、各インクの密度ρは１０3［ｋｇ／ｍ3］、粘度ηは３×１０−3［Ｐａ・ｓ］であった。吐出の際のサテライトの発生状況を顕微鏡で観察し、サテライトはあるが少ない場合を○、サテライトが多い場合を×として評価した。【０１１７】
なお、駆動パルスは、図８（ａ）に示すように、圧力室の容積を拡大させ所定時間ｔ１後に圧力室の容積を縮小して元の容積に戻す矩形波からなる駆動パルスであり、所定時間ｔ１がパルス幅である。 【０１１８】
吐出口の直径、ノズルの長さ、流路形状、パルス幅とサテライトの発生との関係を下記表２に示す。表２における、ノズル内のメニスカスの固有振動の振動数ｆ１、前記圧力室の固有振動の振動数ｆ２はそれぞれ前述のように式（６）、式（７）より算出した。【０１１９】
【表２】
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【０１２０】
表２に示す通り、吐出口の直径が１０μｍ以下で、ｆ１＞ｆ２であるインクジェットヘッドにおいて、パルス幅が１／（２ｆ２）に等しい場合は、いずれのインクでもサテライトが多いが、パルス幅が１／（２ｆ１）より小さい場合（０は含まず）には、いずれのインクでもサテライトが少なく、サテライトの発生が抑制できることがわかる。
【図５】
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【図７】
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【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６】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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