(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを射出する複数のノズルと、
前記ノズルに個別に連通し、内部にインクが充填される圧力室と、
前記圧力室に圧力を加えることによって、インクを吐出するための駆動源となる圧力発生手段と、
前記圧力室よりも流路が狭いくびれ部を有し、前記圧力室にインクを供給するインレットと、
前記ノズルの近傍から前記圧力室内のインクを排出可能な循環流路と、を備え、
前記循環流路の粘性抵抗は前記ノズルの粘性抵抗よりも小さく、かつ前記循環流路のインピーダンスは前記インレットのインピーダンスの０．５倍以上であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記インレットと前記循環流路の合計粘性抵抗は、前記ノズルの粘性抵抗よりも小さい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】
前記複数のノズルが形成されたノズル層と、
前記ノズル層の上面に積層されており、前記圧力室からのインクを連通する前記ノズルより穴径が大きいノズル連通路と、前記循環流路と、が形成されたノズル支持層と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記ノズル層と前記ノズル支持層とを有するノズルプレートを備え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】
前記ノズルプレートは、前記ノズル層と前記ノズル支持層との間に、前記ノズル支持層よりもエッチングレートの低い結合層を備え、
前記ノズル支持層は、前記結合層又は前記ノズル層に面した空隙部を有し、
前記循環流路は、前記空隙部により形成されていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記結合層はＳｉＯ２基板からなることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記ノズル層はＳｉ基板からなることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】
前記ノズル支持層はＳｉ基板からなることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項９】
前記圧力室が形成されたボディ層と、
前記圧力室と前記ノズル連通路を連通する中間連通路が形成された中間層と、
を備え、
前記ボディ層及び前記中間層の少なくとも一方に、前記複数のノズルの各々に対応する前記循環流路が連結された共通循環流路が形成されていることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項１１】
前記インレットから前記圧力室及び前記循環流路への循環流を発生させるためのインクの循環手段を備えることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェット記録装置。
【請求項１２】
前記循環流路から排出されるインクを貯留する循環用サブタンクを備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のインクジェット記録装置。
【請求項１３】
前記インレットにインク供給するためのインクを貯留する供給用サブタンクを備えることを特徴とする請求項１２に記載のインクジェット記録装置。
【請求項１４】
前記循環用サブタンクと前記供給用サブタンクはインク流路によって接続されていることを特徴とする請求項１３に記載のインクジェット記録装置。
【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インクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットヘッドに備えられた複数のノズルからインクの液滴を射出して記録媒体に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。【０００３】
従来のインクジェットヘッドでは、インクジェットヘッド内に発生した気泡や混入した異物等によって、ノズルが詰まり、射出不良等の問題が生じる場合がある。
また、インクの種類によっては、長時間使用しないままにしておくと、インク粒子の沈降等によってノズル付近のインク粘度が高まり、安定したインクの射出性能が得難い場合がある。【０００４】
そこで、インクジェットヘッドのヘッドチップにインクの循環流路を設けることによって、ヘッド内の気泡等をインクとともに循環流路に流すことができるインクジェット記録装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許５３８５９７５号公報
【特許文献２】特開２００５−１１９２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の循環流路は、循環流路のインピーダンスがノズルのインピーダンスよりも２〜１０倍高くなるように形成されており、インクの循環流速が最大射出時の１／１００程度（射出量１５００００（ｐＬ／ｓ）に対して循環量１５００（ｐＬ／ｓ））でインクを循環させることが可能であるものの、このような流速では、遅いため、気泡や異物等を、効果的に排出することは難しい場合がある。【０００７】
また、特許文献２の循環流路は、空気圧で開閉する弁が設けられており、非印字中に弁を開けて供給流路を加圧し、かつ循環流路を減圧することによって、圧力室内の気泡を循環流路へ効果的に排出することが可能であるものの、印字中（インク射出時）は弁を閉じておく必要があり、インクを循環させることができないため、インク射出時に突発的に発生した気泡については排出できない。【０００８】
また、従来のヘルムホルツ共振モードを用いた方式（ベンド方式やプッシュ方式）において、チャネル内に循環経路を構成する場合、圧力が循環流路に逃げてしまうため、圧力効率が低下して射出性能が低下するという問題がある。
ここで、当該射出性能の低下を抑えるために、単に循環流路を狭くして、循環流路へ圧力が逃げ難くする構成とすることも考えられるが、循環流路を狭くすれば、循環流速が低下するため、気泡や異物等を効果的に排出することが難しくなる。【０００９】
また、循環流路は変えずに、例えば、ポンプ等を用いて循環流路の圧力を上げて循環速度を速めることもできるが、装置側に負荷をかけるとともに、ノズルのメニスカスがブレークし、インクがノズルから漏れてしまう等の恐れが生じる。【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、循環流路を設けたことによるインクの射出性能の低下を最小限に抑え、かつ装置に負荷をかけずに、ノズル近傍の気泡等を効果的に排出することができるインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題の解決のために、請求項１に記載の発明は、インクジェットヘッドであって、
インクを射出する複数のノズルと、
前記ノズルに個別に連通し、内部にインクが充填される圧力室と、
前記圧力室に圧力を加えることによって、インクを吐出するための駆動源となる圧力発生手段と、
前記圧力室よりも流路が狭いくびれ部を有し、前記圧力室にインクを供給するインレットと、
前記ノズルの近傍から前記圧力室内のインクを排出可能な循環流路と、を備え、
前記循環流路の粘性抵抗は前記ノズルの粘性抵抗よりも小さく、かつ前記循環流路のインピーダンスは前記インレットのインピーダンスの０．５倍以上であることを特徴とする。【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記インレットと前記循環流路の合計粘性抵抗は、前記ノズルの粘性抵抗よりも小さいことを特徴とする。【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記複数のノズルが形成されたノズル層と、
前記ノズル層の上面に積層されており、前記圧力室からのインクを連通する前記ノズルより穴径が大きいノズル連通路と、前記循環流路と、が形成されたノズル支持層と、
を備えることを特徴とする。【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル層と前記ノズル支持層とを有するノズルプレートを備えることを特徴とする。【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ノズル層と前記ノズル支持層との間に、前記ノズル支持層よりもエッチングレートの低い結合層を備え、
前記ノズル支持層は、前記結合層又は前記ノズル層に面した空隙部を有し、
前記循環流路は、前記空隙部により形成されていることを特徴とする。【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記結合層はＳｉＯ２基板からなることを特徴とする。【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル層はＳｉ基板からなることを特徴とする。【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項３〜７のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル支持層はＳｉ基板からなることを特徴とする。【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項３〜８のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記圧力室が形成されたボディ層と、
前記圧力室と前記ノズル連通路を連通する中間連通路が形成された中間層と、
を備え、
前記ボディ層及び前記中間層の少なくとも一方に、前記複数のノズルの各々に対応する前記循環流路が連結された共通循環流路が形成されていることを特徴とする。【００２０】
請求項１０に記載の発明は、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置である。【００２１】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のインクジェット記録装置において、
前記インレットから前記圧力室及び前記循環流路への循環流を発生させるためのインクの循環手段を備えることを特徴とする。【００２２】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は１１に記載のインクジェット記録装置において、
前記循環流路から排出されるインクを貯留する循環用サブタンクを備えることを特徴とする。【００２３】
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載のインクジェット記録装置において、
前記インレットにインク供給するためのインクを貯留する供給用サブタンクを備えることを特徴とする。【００２４】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載のインクジェット記録装置において、
前記循環用サブタンクと前記供給用サブタンクはインク流路によって接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、循環流路を設けたことによるインクの射出性能の低下を最小限に抑え、かつ装置に負荷をかけずに、ノズル近傍の気泡等を効果的に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】インクジェット記録装置の概略構成を示す斜視図
【図２】インクジェットヘッドの分解斜視図
【図３】図２中の（III）−（III）線に沿う部分で切断した断面図
【図４】ヘッドチップの平面図
【図５】図４中の（V）−（V）線に沿う部分で切断した断面図
【図６】図２中の（VI）−（VI）線に沿う部分で切断した断面図
【図７】インクの循環機構の構成を説明する模式図
【図８Ａ】インクの液滴の射出液滴量３．５ｐＬで射出速度７ｍ／ｓとした場合に、循環流路とインレットのインピーダンスの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）に対する、アクチュエータの駆動電圧（Ｖ）の関係を表すグラフである。
【図８Ｂ】インクの液滴の射出液滴量３．５ｐＬで射出速度７ｍ／ｓとした場合に、循環流路とインレットのインピーダンスの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）に対する、射出負圧（ｋＰａ）の関係を表すグラフである。
【図９Ａ】インクの液滴の射出液滴量１．０ｐＬで射出速度７ｍ／ｓとした場合に、循環流路とインレットのインピーダンスの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）に対する、アクチュエータの駆動電圧（Ｖ）の関係を表すグラフである。
【図９Ｂ】インクの液滴の射出液滴量１．０ｐＬで射出速度７ｍ／ｓとした場合に、循環流路とインレットのインピーダンスの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）に対する、射出負圧（ｋＰａ）の関係を表すグラフである。
【図１０】変形例に係るヘッドチップの平面図
【図１１】図１０中の（XI）−（XI）線に沿う部分で切断した断面図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、発明の範囲は図示例に限定されない。また、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、以下の説明では、ラインヘッドを用いた記録媒体の搬送のみで描画を行う１パス描画方式での実施形態を例にして説明するが、適宜の描画方式に適用可能であり、例えば、スキャン方式やドラム方式を用いた描画方式を採用しても良い。
また、以下の説明では、記録媒体Ｋの搬送方向を前後方向、記録媒体Ｋの搬送面において当該搬送方向に直交する方向を左右方向とし、前後方向及び左右方向に垂直な方向を上下方向として説明する。
【００２８】
［インクジェット記録装置の概略］
インクジェット記録装置１００は、プラテン１０１、搬送ローラー１０２、ラインヘッド１０３，１０４，１０５，１０６、及びインクの循環機構等を備える（図１及び図７参照）。
プラテン１０１は、上面に記録媒体Ｋを支持しており、搬送ローラー１０２が駆動されると、記録媒体Ｋを搬送方向（前後方向）に搬送する。
ラインヘッド１０３，１０４，１０５，１０６は、記録媒体Ｋの搬送方向（前後方向）の上流側から下流側にかけて、搬送方向に直交する幅方向（左右方向）に並列して設けられている。そして、ラインヘッド１０３，１０４，１０５，１０６の内部には、後述するインクジェットヘッド１が少なくとも一つ設けられており、例えば、シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ），黒（Ｋ）のインクを記録媒体Ｋに向けて吐出する。
なお、インクの循環機構については、後述する（図７参照）。
【００２９】
［インクジェットヘッドの概略構成］
インクジェットヘッド１は、ヘッドチップ２、保持板３、接続部材４、インク流路部材５等を備える（図２及び図３等参照）。
【００３０】
ヘッドチップ２は、複数の基板が積層されて構成されており、最下層には、インクを射出するノズル２１１が設けられている。また、ヘッドチップ２の上面には、圧力発生手段としての圧電素子２４が設けられており、圧電素子２４の変位によって、ヘッドチップ２の内部の圧力室２３１に充填されたインクが加圧され、ノズル２１１からインクの液滴が射出される。
【００３１】
保持板３は、ヘッドチップ２の強度保持のために、ヘッドチップ２上面に接着剤を用いて接合されている。また、保持板３は、中央部に開口部３１を有しており、ヘッドチップ２の上面の圧電素子２４が開口部３１の内部に格納されるように構成されている。
【００３２】
接続部材４は、例えばＦＰＣ等からなる配線部材であり、その幅方向が保持板３の左右方向に沿って保持板３の上面の後側付近に接着され、保持板３の中央に設けられた開口部３１を通して、ボンディングワイヤ４１によって圧電素子２４と電気的に接続している。また、接続部材４は、駆動部（図示省略）に接続しており、当該駆動部から、接続部材４とボンディングワイヤ４１を通じて、圧電素子２４に給電することができる。
【００３３】
インク流路部材５は、保持板３上面の左右方向の両端部にそれぞれ１つ接合されている。また、インク流路部材５は、ヘッドチップ２の内部にインクを供給するために利用するインク供給流路５０１，５０２と、ヘッドチップ２の内部からインクを排出するために利用するインク循環流路５０３，５０４とをそれぞれ１つずつ備える。
【００３４】
以下、ヘッドチップ２、保持板３及びインク流路部材５について詳細に説明する。
なお、図４は、説明の便宜のため、ヘッドチップ２内部の構成については破線で示している。また、共通供給流路２５から連通孔（中間連通路）２２１，・・・までのインク流路については、網点で示している。
【００３５】
［ヘッドチップ］
ヘッドチップ２は、上面に、左右方向沿って一列に並んで設けられた圧電素子２４と、インク流路部材５からヘッドチップ２の内部にインクを供給するためのインク供給口２０１，２０２と、ヘッドチップ２の内部からインク流路部材５にインクを排出するためのインク循環口２０３，２０４等を備える（図４等参照）。
また、以下において、循環流路２１３をノズルプレート２１に形成する実施例を示すが、循環流路２１３は圧力室２３１が形成されるボディプレート２３よりもノズル側に配置されれば良く、例えば中間プレート２２に設けても良い。従って、ノズル近傍とは、圧力室２３１が形成されるボディプレート２３よりもノズル側であることを示す。なお、上述した様にノズル近傍に循環流路２１３を設けることにより、気泡や異物による吐出不良等の問題を抑制することができるが、より吐出不良につながりやすいノズル２１１に近い位置の気泡や異物を除去する観点から、循環流路２１３はノズルプレート２１に設けることが好ましい。したがって、以下においては、循環流路２１３をノズルプレート２１に設ける場合を詳述する。
【００３６】
ヘッドチップ２は、内部に、下側から順にノズルプレート２１、中間プレート２２、ボディプレート２３の３枚の基板が積層一体化されることによって構成されている（図５）。
【００３７】
ノズルプレート２１は、ヘッドチップ２の最下層に位置した基板であり、例えば、ノズル層２１ａ、結合層２１ｂ、ノズル支持層２１ｃの３層から構成されるＳＯＩウエハからなる。
ノズル層２１ａは、インクの液滴を射出するためのノズル２１１が形成された層であり、厚さ、例えば、１０〜２０μｍのＳｉ基板からなる。ノズル層２１ａの下面であるノズル面２１４には、撥インク膜（図示省略）が形成されている。
結合層２１ｂは、例えば、厚さ０．３〜１．０μｍのＳｉＯ２基板からなる。
ノズル支持層２１ｃは、ノズル２１１と連通しノズル２１１よりも径の大きな大径部（ノズル連通路）２１２と、大径部２１２に連通しインクの循環に使用される循環流路２１３とが形成され、例えば、厚さ１００〜３００μｍのＳｉ基板からなる。
【００３８】
ここで、ノズル層２１ａ及びノズル支持層２１ｃは、それぞれＳｉ基板で構成されているため、ノズル層２１ａとノズル支持層２１ｃは、ドライエッチングやウェットエッチングによって容易に加工することが可能である。また、結合層２１ｂは、Ｓｉ基板よりも薄くてエッチングレートの非常に低いＳｉＯ２基板であるため、ノズル層２１ａとノズル支持層２１ｃをそれぞれ結合層２１ｂに向かって加工した場合、例えノズル層２１ａとノズル支持層２１ｃに加工ムラがあった場合であっても、結合層２１ｂで加工を制御することが可能である。
ここで、循環流路２１３は、結合層２１ｂに面した空隙部によって形成されているため、高精度に加工されて製造されている。なお、結合層２１ｂに面した空隙部を形成した後に、バッファード・フッ酸（ＢＨＦ）等を用いたウェットエッチング処理で結合層２１ｂを除去することによって、循環流路２１３をノズル層２１ａに面した空隙部によって形成しても良い。
【００３９】
中間プレート２２は、例えば、１００〜３００μｍ程度のガラス基板からなり、ノズルプレート２１の大径部２１２に対応する位置に、中間プレート２２を貫通し、インクの射出時にインク流路となる連通孔（中間連通路）２２１が形成されている。
連通孔２２１は、インクが通過する経路の径を絞る形状とする等、インクの流路の形状を調整し、インクの射出においてインクに加えられる運動エネルギーを調整している。
また、中間プレート２２のガラス基板としては、ホウケイ酸ガラス（例えば、テンパックスガラス）が好ましく用いられる。
【００４０】
ボディプレート２３は、圧力室層２３ａと、振動層２３ｂから構成されている。
圧力室層２３ａは、例えば、１００〜３００μｍ程度のＳｉ基板からなり、中間プレート２２の連通孔２２１に連通し、平面視で略円形状である複数の圧力室２３１と、複数の圧力室２３１に対して共通にインクを供給するための共通供給流路２５と、共通供給流路２５と各圧力室２３１とを個別に連通し、共通供給流路２５内のインクを圧力室２３１に供給するためのインレット２３２と、が形成されている。インレット２３２は、圧力室２３１よりも流路が狭いくびれ部を有しており、圧力室２３１に加えられた圧力が、インレット２３２側から逃げ難くなっている。なお、くびれ部は、圧力室２３１よりも狭い流路であれば良く、形状は適宜変更可能である。
【００４１】
振動層２３ｂは、例えば、２０〜３０μｍ程度の薄い弾性変形可能なＳｉ基板であり、圧力室層２３ａの上面に積層されている。また、振動層２３ｂにおいて、圧力室２３１の上面は振動板２３３として機能し、振動板２３３の上面に設けられた圧電素子２４の動作に応じて振動板２３３が振動し、圧力室２３１内のインクに圧力を加えることができる。
【００４２】
また、中間プレート２２及び圧力室層２３ａには、ノズル支持層２１ｃに形成された複数の循環流路２１３から流れてきたインクが合流する共通循環流路２６が設けられている。
また、振動層２３ｂは、共通供給流路２５の上面に形成されたダンパ２３４と、共通循環流路２６の上面に形成されたダンパ２３５と、を有している。ダンパ２３４，２３５は、例えば、圧力室２３１に一度に圧力が加えられて共通循環流路２６に一度にインクが流れてきた場合に、わずかに弾性変形できるようになっており、インク流路における急激な圧力変化を防ぐことができる。
【００４３】
次に、インクの循環経路について説明する。インクは、まずインク供給口２０１，２０２から共通供給流路２５に供給される。次に、インクは共通供給流路２５から分岐して各ノズル２１１，・・・に対応するインレット２３２，・・・、圧力室２３１，・・・、連通孔２２１，・・・、大径部２１２，・・・、及び循環流路２１３，・・・に順々に流れる。次に、各循環流路２１３，・・・からのインクが共通循環流路２６で合流し、インク循環口２０３，２０４からインクが排出され、インク循環流路５０４を通って循環用サブタンク６３に戻される（図４、図５及び図７等参照）。
【００４４】
［保持板］
保持板３は、ヘッドチップ２の上面に接着剤で接合されており、例えば、厚みが０．５〜３．０ｍｍ程度のＳｉ基板又はガラス基板からなる基板である。また、保持板３にＳｉ基板又はガラス基板を用いることで、ヘッドチップ２を構成する基板と線膨張率が近づくため、接着剤として熱硬化性接着剤等の加熱を伴う接合方法を用いた場合でも、保持板３とヘッドチップ２との間の反りは抑制される。
【００４５】
保持板３の平面視形状は、前後方向及び左右方向のいずれにおいても、ヘッドチップ２よりも大きく形成されている。特に、保持板３の左右方向の両端部は、ヘッドチップ２よりも大きく張り出している。
保持板３の中央部には、ヘッドチップ２と接合された際に、当該ヘッドチップ２の上面に配列されている全ての圧電素子２４を取り囲むことができる大きさの開口部３１が貫通形成されている。
【００４６】
開口部３１は、左右方向に沿って延びる矩形状に形成されており、開口部３１の内部には、ヘッドチップ２上面の圧電素子２４を全て取り囲むことはできるが、ヘッドチップ２の上面の両端部に設けられたインク供給口２０１，２０２及びインク循環口２０３，２０４の位置までは至らない大きさに形成されている。また、保持板３を平面視した場合、ノズルプレート２１に形成された各ノズル２１１は、開口部３１の設けられた前後左右方向の領域内に配置されている。
【００４７】
保持板３の開口部３１の下側は、上側よりも空間が大きくなるように形成されており、開口部３１の領域は上に凸となるように構成されている。そして、開口部３１の下側は、保持板３とヘッドチップ２が接合された際に、圧電素子２４及び圧電素子２４の前後方向に設けられた共通供給流路２５及び共通循環流路２６を含み得る大きさに形成されている。
【００４８】
保持板３の左右方向の両端部近傍には、ヘッドチップ２の上面に設けられたインク供給口２０１，２０２及びインク循環口２０３，２０４をそれぞれ１つずつ取り囲むことのできる大きさの貫通孔３０１，３０２，３０３，３０４が形成されている。貫通孔３０１，３０２，３０３，３０４は、それぞれインク流路部材５とヘッドチップ２の間を連通するインク流路として用いられる。
【００４９】
［インク流路部材］
インク流路部材５は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の合成樹脂によって、下面が開口する箱状形状に形成されており、保持板３上面の左右方向の両端部に１つずつ配置されている。
以下、左右に設けられたインク流路部材５は、同様の構成であるため、右側のインク流路部材５の概略構成についてのみ説明し、左側のインク流路部材５の説明は省略する。
【００５０】
インク流路部材５は、インク供給用の流路として機能するインク供給流路５０１と、インクを排出用の流路として機能するインク循環流路５０４が設けられている。
【００５１】
インク流路部材５の内部には、インク供給流路５０１及びインク循環流路５０４のそれぞれに対して、インク流路部材５の内部を通過するインク中のごみや気泡等の不純物を取り除くためのフィルタ５１が設けられている。フィルタ５１は、例えば、ステンレス鋼等の金属製メッシュが用いられ、インク流路部材５内の樹脂に対して接着されている。
【００５２】
［インク循環機構］
インクの循環手段としてのインク循環機構について説明する。インク流路部材５は、インク供給流路５０１をインク流路７２によって供給用サブタンク６２に接続しており、供給用サブタンク６２からインク流路部材５の内部にインクを供給し、貫通孔３０１及びインク供給口２０１を通してヘッドチップ２の内部にインクを供給する（図６及び７等参照）。
【００５３】
また、インク流路部材５は、インク循環流路５０４をインク流路７３によって循環用サブタンク６３に接続しており、ヘッドチップ２のインク供給口２０１から貫通孔３０４を通してインク流路部材５内部に排出されたインクを、循環用サブタンク６３に排出することができる。
【００５４】
供給用サブタンク６２及び循環用サブタンク６３は、ヘッドチップ２内部の共通供給流路２５及び共通循環流路２６が設けられた位置基準面に対して、上下方向（重力方向）に異なる位置に設けられている。そして、当該位置基準面に対して、供給用サブタンク６２との水頭差による圧力Ｐ１及び循環用サブタンク６３との水頭差による圧力Ｐ２によって、ヘッドチップ２の内部のインクを循環させることができる。
【００５５】
また、供給用サブタンク６２は、インク流路７４によって循環用サブタンク６３に繋がっており、ポンプ８２によって、循環用サブタンク６３から供給用サブタンク６２にインクを戻すことができる。
また、供給用サブタンク６２は、インク流路７１によってメインタンク６１に繋がっており、ポンプ８１によって、メインタンク６１から供給用サブタンク６２にインクを供給することができる。
したがって、供給用サブタンク６２及び循環用サブタンク６３の水頭差、及び各サブタンクの上下方向（重力方向）の位置を適宜調整することによって、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２を調整し、適宜の循環流速でヘッドチップ２内部のインクを循環させることができる。
【００５６】
［ヘッドチップ内部へのインクの充填］
上述した右側のインク流路部材５と同様の構成を左側に設けることとしても良いが、左側のインク流路部材５を以下のような構成にすることによって、ヘッドチップ２の内部へインクを充填する際に、各ノズル２１１に均等な圧をかけて、安定したインクの充填が可能となる。
【００５７】
左側のインク流路部材５において、インク供給流路５０２及びインク循環流路５０３は、バルブを介してチューブで接続されている（図示省略）。そして、インクをヘッドチップ２の内部に充填する際には、当該バルブを開放し、右側のインク流路部材５のインク供給流路５０１からインク循環流路５０４に向かって加圧することによって、ヘッドチップ２の共通供給流路２５にインクを充填することができる。
次に、インク供給流路５０２及びインク循環流路５０３間のバルブを閉じて、インク供給流路５０１から更に加圧することで、共通供給流路２５に充填されたインクを各インレット２３２，・・・から各ノズル２１１，・・・近傍までインクに充填し、さらに、各循環流路２１３，・・・から共通循環流路２６にインクを流すことができる。
【００５８】
また、循環流路２１３の粘性抵抗はノズル２１１の粘性抵抗よりも十分に低くしている。そのため、ノズル２１１のメニスカスがブレークすることなく、インクを吐き捨てずに、ノズルにインクを充填することができる。
【００５９】
そして、インクの充填後、ノズル２１１近傍の圧力と、循環流速の速度が所定値になるように、上述した圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２を適宜調整することで、インクを循環させることができる。
【００６０】
［インクの射出性能］
上述した通り、インクの射出は、圧電素子２４による圧力室２３１への加圧によってノズル２１１から射出できるように構成されている。ここで、圧力室２３１はインレット２３２からインクが供給されており、ノズル２１１の近傍にはインクの循環流路２１３が設けられている。
そのため、インクの射出性能は、ノズル２１１のインピーダンスＺｎ、インレット２３２のインピーダンスＺｉ、及び循環流路２１３のインピーダンスＺｃによって定めることができる。
【００６１】
各インピーダンスＺは、流路の粘性抵抗ＲとイナータンスＭとによって定めることができる値であり、次に説明するように、電気等価回路定数として計算することができ、電気回路シミュレータによって、圧力室の共振周波数や液滴速度、射出負圧、駆動電圧などの各射出特性を計算することが可能である。
具体的には、インレット２３２及び循環流路２１３においては、流路形状が直方体であるとして、流路の幅（前後方向）をｗ（μｍ）、流路の高さ（上下方向）をｈ（μｍ）、流路の長さ（左右方向）をｌ（μｍ）、インクの流体粘度をη（Ｐａ／ｓ）、インク密度をρ（ｋｇ／ｍ３）、駆動パルス周波数（駆動パルス長の逆数）をｆ（Ｈｚ）とした場合、イナータンスはＭ＝ρｌ／ｈｗ、粘性抵抗はＲ＝８ηｌ（ｈ＋ｗ）２／（ｈｗ）３、インピーダンスはＺ＝（Ｒ２＋２πｆＭ２）１／２と計算することができる。
また、ノズル２１１においては、ノズル２１１が円柱形状であるとして、流路の直径をｄ（μｍ）、流路の高さ（上下方向）をｌ（μｍ）、インクの流体粘度をη（Ｐａ／ｓ）、インク密度をρ（ｋｇ／ｍ３）、駆動パルス周波数（駆動パルス長の逆数）をｆ（Ｈｚ）とした場合、イナータンスはＭ＝４ρｌ／πｄ２、粘性抵抗はＲ＝１２８ηｌ／πｄ４、インピーダンスはＺ＝（Ｒ２＋２πｆＭ２）１／２と計算することができる。
なお、直方体形状と円柱形状についての説明をしたが、その他の形状の場合、例えば、テーパ形状の場合は、テーパ形状の長さ方向に直方体として細分化して積分することによって計算することができる。
【００６２】
本発明における循環流路２１３のインピーダンスＺｃの設定値について、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂの実験値を用いて説明する。
図８Ａ及び図８Ｂには、インクの液滴の射出液滴量３．５ｐＬで射出速度７ｍ／ｓとした場合に、循環流路２１３のインピーダンスＺｃとインレット２３２のインピーダンスＺｉの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）を横軸とし、圧電素子２４の駆動電圧（Ｖ）を縦軸とした場合の関係を図８Ａ、循環流路２１３のインピーダンスＺｃとインレット２３２のインピーダンスＺｉの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）を横軸とし、インクの射出負圧（ｋＰａ）を縦軸とした場合の値の関係を図８Ｂに示す。ここで、射出負圧とは、射出時に生じるノズル近傍の圧力のことで、この値が低くなりすぎると、キャビテーションにより気泡が発生するので、所定値以上にする必要がある。
また、図９Ａ及び図９Ｂには、インクの液滴の射出液滴量１．０ｐＬで射出速度７ｍ／ｓとした場合に、図８Ａ及び図８Ｂと同様に、インピーダンス比率（Ｚｃ／Ｚｉ）を横軸とし、圧電素子２４の駆動電圧（Ｖ）を縦軸とした場合の値の関係を図９Ａ、インピーダンス比率（Ｚｃ／Ｚｉ）を横軸とし、インクの射出負圧（ｋＰａ）を縦軸とした場合の値の関係を図９Ｂ示す。
【００６３】
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂから分かる通り、射出液滴量３．５ｐＬの場合（図８Ａ及び図８Ｂ）であっても、射出液滴量１．０ｐＬの場合（図９Ａ及び図９Ｂ）の場合であっても、圧電素子２４の駆動電圧（Ｖ）はＺｃ／Ｚｉが０．５以上でほぼ一定となり、射出負圧（ｋＰａ）も０．５以上で増加の傾きが緩やかになることが分かった。
【００６４】
以上の通り、循環流路２１３のインピーダンスＺｃとインレット２３２のインピーダンスＺｉの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）は、０．５以上となるときに、圧電素子２４の駆動電圧（Ｖ）の上昇を抑え、かつ射出負圧を抑えて気泡の発生を抑えることが可能となるため、インクの射出性能が高いといえる。なお、インピーダンスＺｉの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）は、射出性能的には上限なく設計可能であるが、インピーダンスＺｉの比率（Ｚｃ／Ｚｉ）が上昇すると粘性抵抗も同時に上昇するため、０．５以上でノズルの粘性抵抗より低くなる範囲で設計している。
【００６５】
また、循環流路２１３の粘性抵抗Ｒｃがノズル２１１の粘性抵抗Ｒｎよりも大きくなると、インク充填時やインク循環時にノズル２１１のメニスカスがブレークする恐れがあるため、循環流路２１３の粘性抵抗Ｒｃがノズル２１１の粘性抵抗Ｒｎよりも小さくする必要がある。
【００６６】
また、本発明の構成では、電気回路シミュレーションの結果より、インクの循環流速が最大射出時（射出液滴量（ｐＬ）×射出周波数（Ｈｚ））と同等以上の速さとすることができ、気泡等の異物を効果的に除去することが可能である。なお、電気回路シミュレーションは、上述した射出特性の場合と同様に、流路を電気等価回路に置き換えて、インとアウトの圧力から求めている。
また、循環流速をより速めるために、インレット２３２の粘性抵抗Ｒｉと循環流路２１３の粘性抵抗Ｒｃの合計粘性抵抗であるＲｓ（Ｒｓ＝Ｒｉ＋Ｒｃ）を、ノズル２１１の粘性抵抗Ｒｎよりも小さくすることが好ましい。
【００６７】
なお、循環流路２１３のインピーダンスＺｃとインレット２３２のインピーダンスＺｉの値は適宜設定可能であるが、循環流路２１３のインピーダンスＺｃを大きくすると、循環流路２１３への圧力損失が少なくなるため、射出性能を循環流路２１３なしの場合に近づく。
【００６８】
［変形例］
循環流路２１３を設けたヘッドチップ２の変形例について、図１０及び図１１を用いて説明する。
なお、図１０は、説明の便宜のため、ヘッドチップ２内部の構成については破線で示している。また、共通供給流路２５から連通孔２２１，・・・までのインク流路については、網点で示している。
また、本実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【００６９】
ヘッドチップ２は、上面に、左右方向沿って千鳥配列となるように並列して２列に並んで設けられた圧電素子２４と、インク流路部材５からヘッドチップ２の内部にインクを供給するためのインク供給口２０１，２０２と、ヘッドチップ２の内部からインク流路部材５にインクを排出するインク循環口２０３，２０４等を備える（図１０）。
【００７０】
ヘッドチップ２は、内部に、下側から順にノズルプレート２１、中間プレート２２、ボディプレート２３の３枚の基板が積層一体化されることによって構成されている（図１１）。そして、千鳥配列となるように２列に並んで設けられた圧電素子２４の下側の圧力室層２３ａに、それぞれの圧電素子２４に対応して圧力室２３１が形成されている。
【００７１】
共通供給流路２５は、ボディプレート２３の圧力室層２３ａのみに形成されており、圧電素子２４が配列された位置を挟んで、ヘッドチップ２の前側付近と後側付近の２列に左右方向に沿って設けられている。
また、圧力室層２３ａの上面にはわずかに弾性変形可能な振動層２３ｂが形成されており、共通供給流路２５の上面の振動層２３ｂは、ダンパ２３４として機能している。
【００７２】
共通循環流路２６は、共通供給流路２５が形成されたボディプレート２３の下側に配置されるように、中間プレート２２の中間プレート層２２ａのみに形成されている。
また、中間プレート２２の中間プレート層２２ａの上面にはわずかに弾性変形可能な振動層２２ｂが形成されており、共通循環流路２６の上面の振動層２２ｂは、ダンパ２３６として機能している。
【００７３】
インクの循環経路は、まずインク供給口２０１，２０２から、ヘッドチップ２の前側付近及び後側付近に並列して形成された共通供給流路２５に供給される。次に、千鳥配列に並んだ圧電素子２４の下側に設けられたそれぞれの圧力室２３１，・・・に対して、距離の短い前側又は後側の共通供給流路２５から、インレット２３２，・・・を介して供給される。次に、連通孔２２１，・・・、大径部２１２，・・・、及び循環流路２１３，・・・に順々に流れる。次に、各循環流路２１３，・・・からのインクが前側又は後側の共通循環流路２６で合流し、インク循環口２０３，２０４からインクが排出され、インク循環流路５０４を通って循環用サブタンク６３に戻される（図７、図１０及び図１１参照）。
【００７４】
［本発明の技術的効果］
以上のように、本発明のインクジェットヘッド１は、循環流路２１３の粘性抵抗Ｒｃをノズル２１１の粘性抵抗Ｒｎよりも小さくし、かつ循環流路２１３のインピーダンスＺｃをインレットのインピーダンスＺｉの０．５倍以上とすることによって、インクの射出性能の低下を最小限に抑え、かつ装置に負荷をかけずに、ノズル近傍の気泡等を効果的に排出することができる。
【００７５】
具体的には、循環流路２１３を形成した場合には、循環流路２１３に圧力が逃げてしまうため、圧力損失しやすくなるが、本発明の構成では、圧力損失を最低限に抑えることができ、より低い電圧で駆動させることができる。
また、射出負圧を抑えることができるため、気泡の発生を抑えることができる。
また、インクの循環流速を最大射出時（射出液滴量（ｐＬ）×射出周波数（Ｈｚ））と同等以上の速さとすることができ、気泡等の異物を効果的に除去することができる。
【００７６】
また、ノズル２１１の近傍に循環流路２１３が形成されているため、ノズル近傍の気泡等の異物を除去することができる。
また、インレット２３２を圧力室２３１よりも流路が狭いくびれ部を有する構成であるため、圧力室２３１の圧力を効果的に高めることができる。
【００７７】
また、インレット２３２と循環流路２１３の合計粘性抵抗をノズル２１１の粘性抵抗よりも小さくすることによって、循環流速をより速めることができる。
また、ノズル２１１が形成されたノズル層２１ａの上面に積層されたノズル支持層２１ｃに、圧力室２３１からのインクを連通するノズル２１１より穴径が大きいノズル連通路（大径部２１２）と、循環流路２１３と、を形成することによって、循環流路２１３をノズルの直上に形成することができるため、ノズル近傍の気泡等を効果的に除去し、ノズル２１１の詰まりを防ぐことができる。
【００７８】
また、ノズル層２１ａとノズル支持層２１ｃとの間に、ノズル支持層２１ｃよりもエッチングレートの低い結合層２１ｂを備え、ノズル支持層２１ｃは結合層２１ｂ又はノズル層２１ａに面した空隙部を有し、循環流路２１３は当該空隙部により形成されている構成とすることによって、製造誤差を極力減らして循環流路２１３を製造することができる。
【００７９】
また、ボディプレート（ボディ層）２３及び中間プレート（中間層）２２の少なくとも一方に、複数のノズル２１１の各々に対応する循環流路２１３が連結された共通循環流路２６を形成することによって、安定して共通循環流路２６を設けることができ、製造誤差を極力減らして製造することができる。
【００８０】
また、本発明のインクジェットヘッド１は、循環流を発生させるためのインクの循環手段（インク循環機構）を別途設けることによって、インクジェット記録装置１００に搭載して利用することができる。
【００８１】
［その他］
本発明の今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した詳細な説明に限定されるものではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００８２】
例えば、本発明のインク流路部材５は、インク供給流路及びインク循環流路を備えるインク流路部材５を左右方向に１つずつ設ける構成としたが、インクの循環ができる構成であれば適宜構成は変更可能であり、片側に１つ設ける構成としても良い。また、例えば、左側のインク流路部材５には、インク供給流路のみを設け、右側のインク流路部材５には、インク循環流路のみを設ける構成としても良い。
【００８３】
また、循環流を発生させるためのインクの循環手段として、水頭差による圧力よって制御する方法を説明したが、本発明のように循環流を発生させることができる構成であれば、当然適宜変更可能である。
【００８４】
また、インクジェットヘッド１は、圧電素子を使用してインク等の液滴を吐出する構成としたが、液滴を吐出できる機構を備えていれば良く、例えば、サーマル（電気熱変換素子）を使用することとしても良い。
【００８５】
更に、本発明の範囲は上記に限られることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、インクジェットヘッド、及びインクジェットヘッドと循環流を発生させるためのインクの循環手段等とを備えたインクジェット記録装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１  インクジェットヘッド
２１  ノズルプレート
２１ａ  ノズル層
２１ｂ  結合層
２１ｃ  ノズル支持層
２１１  ノズル
２１２  大径部（ノズル連通路）
２１３  循環流路
２２  中間プレート（中間層）
２２１  連通孔（中間連通路）
２３  ボディプレート（ボディ層）
２３１  圧力室
２３２  インレット
２４  圧電素子（圧力発生手段）
２５  共通供給流路
２６  共通循環流路
１００  インクジェット記録装置
【図１】
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【図２】
0006607197.tif 000003
【図３】
0006607197.tif 000004
【図４】
0006607197.tif 000005
【図５】
0006607197.tif 000006
【図６】
0006607197.tif 000007
【図７】
0006607197.tif 000008
【図８Ａ】
0006607197.tif 000009
【図８Ｂ】
0006607197.tif 000010
【図９Ａ】
0006607197.tif 000011
【図９Ｂ】
0006607197.tif 000012
【図１０】
0006607197.tif 000013
【図１１】
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