(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが充填される複数の圧力室と、
この圧力室からインクを吐出させる吐出孔と、
前記圧力室の各々に対向して流体的に連通して前記圧力室の各々にインクを個別供給する複数の個別供給路と、
前記圧力室の各々に対向して流体的に連通して前記圧力室の各々からインクを個別排出する複数の個別排出路と、
電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記圧力室内のインクに圧力振動を生じさせ、前記吐出孔に形成したインクメニスカスからインク滴を吐出させるアクチュエータと、を有し、
前記個別供給路の断面積と前記個別排出路の断面積が略同一であり、前記個別供給路の長さと前記個別排出路の長さが略同一であり、
前記吐出孔の長さをＬ１［ｍ］とし、前記吐出孔の開口面積をＳ１［ｍ２］とし、前記個別供給路と前記個別排出路の長さをそれぞれＬ２［ｍ］とし、前記個別供給路と前記個別排出路の開口面積の和をＳ２［ｍ２］とした場合、
Ｌ２／Ｓ２＞＝Ｌ１／Ｓ１／３
が成り立つ、
インクジェットヘッド。
【請求項２】
インクが充填される圧力室と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記インクに圧力振動を生じさせるとともに、前記圧力室内のインクを吐出する吐出孔を有するアクチュエータと、を複数有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室の各々に対向して流体的に連通する個別供給路と個別排出路が複数形成され、前記アクチュエータ基板の、前記アクチュエータと反対の接合面に接合された流路基板と、を有し、
前記接合面において、前記個別供給路における前記個別排出路と最も遠い部分の外縁と前記個別排出路における前記個別供給路と最も遠い部分の外縁との距離は、前記圧力室の内径より大きい、
インクジェットヘッド。
【請求項３】
インクが充填される圧力室と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記インクに圧力振動を生じさせるとともに、前記圧力室内のインクを吐出する吐出孔を有するアクチュエータと、を複数有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室の各々に対向して流体的に連通する個別供給路と個別排出路が複数形成され、前記アクチュエータ基板の、前記アクチュエータと反対の接合面に接合された流路基板と、を有し、
前記吐出孔の長さをＬ１［ｍ］とし、前記吐出孔の開口面積をＳ１［ｍ２］とし、前記個別供給路と前記個別排出路の長さをそれぞれＬ２［ｍ］とし、前記個別供給路と前記個別排出路の開口面積の和をＳ２［ｍ２］とした場合、
Ｌ２／Ｓ２＞＝Ｌ１／Ｓ１／３
が成り立つ、
インクジェットヘッド。
【請求項４】
前記個別供給路の断面積と前記個別排出路の断面積が略同一であり、前記個別供給路の長さと前記個別排出路の長さが略同一である、
請求項２または３のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記アクチュエータ基板の厚みは、前記圧力室の直径の１／２以下である、
請求項２〜４のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インクを充填した圧力室の容積を変化させて、圧力室に設けたノズルのインクメニスカスからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紙などの媒体にインク滴を吐出して画像や文字などを形成するインクジェットプリンタが知られている。この種のインクジェットプリンタは、例えば、インクを充填した圧力室およびアクチュエータを複数組備えたインクジェットヘッドを有する。アクチュエータは、圧力室の容積を変化させて圧力室内のインクに圧力振動を生じさせることで圧力室のノズルからインク滴を吐出させる。
【０００３】
この種のインクジェットヘッドでは、インク滴の吐出により、各圧力室内のインクが減るため、各圧力室にインクを補給する必要がある。また、インク滴の吐出により、ノズルのインクメニスカスが大きく凹んで気泡が圧力室内に入るおそれがある。この気泡は、インク滴の吐出を不安定にして、ドットサイズにバラつきを生じる原因となる。このため、各圧力室にインクを循環させて気泡を除去する必要がある。
【０００４】
しかし、各圧力室にインクを供給するための供給口およびインクを排出するための排出口は、アクチュエータを駆動して圧力室内のインクに圧力振動を生じさせるとき、圧力室内のインクを流出してしまうことで、圧力室内のインクの圧力を低下させてしまう。このような圧力損失を抑制してインク滴の吐出に寄与する十分な吐出圧力を生じさせるため、各圧力室の供給口および排出口を十分に小さくしたインクジェットヘッドが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１７２３２３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、各圧力室の供給口や排出口を小さくすると、インクの供給や循環のためインクを比較的高圧にする必要があり、ポンプが大型化したり、消費電力が大きくなるなどの不具合を生じる。
【０００７】
よって、小型で消費電力が少なくインク滴を安定して吐出させることができるインクジェットヘッドの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係るインクジェットヘッドは、インクが充填される複数の圧力室と、この圧力室からインクを吐出させる吐出孔と、圧力室の各々に対向して流体的に連通して圧力室の各々にインクを個別供給する複数の個別供給路と、圧力室の各々に対向して流体的に連通して圧力室の各々からインクを個別排出する複数の個別排出路と、電気信号に応じて圧力室の容積を変化させて圧力室内のインクに圧力振動を生じさせ、吐出孔に形成したインクメニスカスからインク滴を吐出させるアクチュエータと、を有する。個別供給路の断面積と個別排出路の断面積は略同一であり、個別供給路の長さと個別排出路の長さは略同一であり、吐出孔の長さをＬ１［ｍ］とし、吐出孔の開口面積をＳ１［ｍ２］とし、個別供給路と個別排出路の長さをそれぞれＬ２［ｍ］とし、個別供給路と個別排出路の開口面積の和をＳ２［ｍ２］とした場合、Ｌ２／Ｓ２＞＝Ｌ１／Ｓ１／３が成り立つ。
実施形態に係るインクジェットヘッドは、インクが充填される圧力室と、電気信号に応じて圧力室の容積を変化させてインクに圧力振動を生じさせるとともに、圧力室内のインクを吐出する吐出孔を有するアクチュエータと、を複数有するアクチュエータ基板と、圧力室の各々に対向して流体的に連通する個別供給路と個別排出路が複数形成され、アクチュエータ基板の、アクチュエータと反対の接合面に接合された流路基板と、を有する。接合面において、個別供給路における個別排出路と最も遠い部分の外縁と個別排出路における個別供給路と最も遠い部分の外縁との距離は、圧力室の内径より大きい。
実施形態に係るインクジェットヘッドは、インクが充填される圧力室と、電気信号に応じて圧力室の容積を変化させてインクに圧力振動を生じさせるとともに、圧力室内のインクを吐出する吐出孔を有するアクチュエータと、を複数有するアクチュエータ基板と、圧力室の各々に対向して流体的に連通する個別供給路と個別排出路が複数形成され、アクチュエータ基板の、アクチュエータと反対の接合面に接合された流路基板と、を有する。吐出孔の長さをＬ１［ｍ］とし、吐出孔の開口面積をＳ１［ｍ２］とし、個別供給路と個別排出路の長さをそれぞれＬ２［ｍ］とし、個別供給路と個別排出路の開口面積の和をＳ２［ｍ２］とした場合、Ｌ２／Ｓ２＞＝Ｌ１／Ｓ１／３が成り立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のインクジェットヘッドのアクチュエータ基板を示す平面図である。
【図３】図３は、図２のアクチュエータ基板の一部を拡大した部分拡大平面図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶに沿った部分拡大断面図である。
【図５】図５は、図３のＶ−Ｖに沿った部分拡大断面図である。
【図６】図６は、図１のインクジェットヘッドの流路基板をインク供給部材側から見た底面図である。
【図７】図７は、図６の流路基板の底面を部分的に拡大した部分拡大底面図である。
【図８】図８は、図１のインクジェットヘッドのインク供給部材を流路基板側から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。  
図１は、インクジェットヘッド１を示す外観斜視図である。このインクジェットヘッド１は、アクチュエータ基板２と、流路基板３と、インク供給部材４と、を積層した構造を有する。また、インクジェットヘッド１は、ドライバＩＣ５を備えている。
【００１１】
アクチュエータ基板２と流路基板３とインク供給部材４は、例えばエポキシ系接着剤などにより互いに接合されている。アクチュエータ基板２とドライバＩＣ５は、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）により電気的に接続されている。
【００１２】
アクチュエータ基板２には、多数のアクチュエータ６がアレイ状に形成されている。各々のアクチュエータ６にはインク滴を吐出するためのノズル７（吐出孔）が形成されている。
【００１３】
インク供給部材４は、インクジェットヘッド１へインクを供給するためのインク供給パイプ８と、ノズル７から吐出されなかったインクを回収するためのインク排出パイプ９と、を備えている。インク供給パイプ８およびインク排出パイプ９には、図示しない送液のためのチューブが接続されている。
【００１４】
ドライバＩＣ５は、インクジェットプリンタからの制御信号に応じて各々のアクチュエータ６に対し駆動信号を発生する。各アクチュエータ６は、この駆動信号に応じてノズル７を介してインク滴を吐出させる。
【００１５】
インク供給パイプ８を介してインク供給部材４へ供給されたインクは、流路基板３を経てアクチュエータ基板２へ供給される。ドライバＩＣ５が発生する駆動信号に応じて、ノズル７からインク滴が吐出する。ノズル７から吐出しなかったインクは、流路基板３を経てインク供給部材４へ回収され、インク排出パイプ９を介して排出される。
【００１６】
図２は、アクチュエータ基板２をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。アクチュエータ基板２には、複数個のアクチュエータ６と、複数本の引出し電極３１と、が設けられている。複数本の引出し電極３１は、導電性の材料によって形成されており、各引出し電極３１の一端（図示下端）には、実装パッド１０が設けられている。これら複数本の引出し電極３１は、各アクチュエータ６から個別に引き出された複数本の個別電極１１と、一直線状に配置した複数個（本実施形態では８個）のアクチュエータ６を接続した複数本の共通電極１２と、を含む。
【００１７】
個別電極１１は、各々のアクチュエータ６の後述する下部電極１４と実装パッド１０を電気的に接続している。個別電極１１同士は、互いに電気的に独立している。また、共通電極１２は、複数のアクチュエータ６の後述する上部電極１６同士を直列に接続し且つ実装パッド１０と電気的に接続している。
【００１８】
そして、複数本の引出し電極３１に設けた複数個の実装パッド１０は、ドライバＩＣ５に電気的に接続している。実装パッド１０とドライバＩＣ５との接続には、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）を用いることができる。他に、実装パッド１０は、ワイヤボンディングなどの方法により、ドライバＩＣ５と接続しても良い。
【００１９】
図３は、アクチュエータ６をさらに拡大して示す部分拡大平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶに沿ったアクチュエータ基板２の断面図である。  
アクチュエータ６は、振動板１３、下部電極１４、圧電体１５、上部電極１６、絶縁層１７、共通電極１２、保護層１８、および撥液層１９を有する。アクチュエータ６の中心には、ノズル７が設けられている。ノズル７は、振動板１３を貫通した円形の吐出孔である。下部電極１４、圧電体１５、および上部電極１６は、ノズル７を囲む略円環形状を有する。
【００２０】
振動板１３は、アクチュエータ基板２によって支持されている。本実施形態では、振動板１３をアクチュエータ基板２に積層した状態で、アクチュエータ基板２の構成材料を裏面側からエッチングすることで、アクチュエータ基板２内に圧力室２０を形成した。すなわち、アクチュエータ６の裏面側には、圧力室２０として機能する円柱状の内部空間が設けられている。振動板１３に設けたノズル７は、圧力室２０の内部空間に連通している。
【００２１】
ノズル７の内径、および圧力室２０の内径は、所望のインク吐出体積や駆動周波数や駆動電圧を考慮して決められる。本実施例では、ノズル７の内径を２０μｍとし、圧力室２０の内径を２００μｍとした。なお、ノズル７と圧力室２０は、中心軸Ｃに沿って同心に配置されている。
【００２２】
アクチュエータ基板２は、厚みが５０μｍの単結晶シリコンにより形成されている。アクチュエータ基板２の厚みは、圧力室２０の直径の１／２以下であることが望ましい。それにより、後述する個別インク供給路２１から流入したインクが後述する個別インク排出路２２に流出するとき、圧力室２０内のインク全体が流動し、圧力室２０内の気泡を排出しやすくできる。
【００２３】
反面、アクチュエータ基板２の厚みを圧力室２０の直径の１／２より大きくすると、振動板１３の裏面近くでインクの流れが悪くなり、ノズル７から入った気泡を除去し難くなる。
【００２４】
振動板１３は、圧力室２０の上面を覆うように、アクチュエータ基板２と一体に積層されている。振動板１３の材質はＳｉＯ２であり、アクチュエータ基板２となるシリコンウエハを高温で加熱することにより形成可能である。本実施形態では、振動板１３の厚みを４μｍにした。
【００２５】
振動板１３の表面側には、下部電極１４、圧電体１５、および上部電極１６が、ノズル７を中心にドーナッツ状に積層して形成されている。圧電体１５および上部電極１６の内径は３０μｍとし、圧電体１５および上部電極１６の外径は１４０μｍとした。下部電極１４と上部電極１６は導電性材料で形成されている。本実施例では、Ｐｔをスパッタ法により成膜して下部電極１４と上部電極１６を形成している。
【００２６】
圧電体１５は、圧電性材料により形成されている。本実施例では、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をスパッタ法で成膜することで圧電体１５を形成した。ＰＺＴは、ゾルゲル法などにより成膜してもよい。また、圧電体１５の材質はＰＺＴに限らず、ＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）などを用いても良い。上部電極１６と下部電極１４の厚みは０．１〜０．２μｍである。圧電体１５の厚みは、２μｍとした。
【００２７】
下部電極１４と上部電極１６との間に電圧が印加されると、圧電体１５に電界が作用し、逆圧電効果により圧電体１５が膜厚方向に伸長し、その結果、膜厚方向と直交する方向に収縮する。圧電体１５の収縮により、振動板１３の上面が収縮し、アクチュエータ６の可動領域、すなわち振動板１３が圧力室２０に対向する領域において、アクチュエータ６が圧力室２０に向けて突出する方向に変形する。これにより、振動板１３が変形して圧力室２０内のインクに圧力変動を生じさせ、ノズル７を介してインク滴が吐出される。
【００２８】
上部電極１６の表面上には、絶縁性の無機材料により形成された絶縁層１７が設けられている。絶縁層１７は、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を成膜して形成可能である。本実施形態では、絶縁層１７の厚みを０．５μｍにした。絶縁層１７は、圧電体１５の外周部において、下部電極１４と共通電極１２との間の絶縁を確保するため、下部電極１４と共通電極１２の間に設けられている。
【００２９】
アクチュエータ６の可動領域に絶縁層１７があると、アクチュエータ６の動作が阻害される。そのため、アクチュエータ６の可動領域に重なる絶縁層１７の部分をできるだけ小さくすることが望ましい。よって、本実施形態では、アクチュエータ６の可動領域内の大部分には絶縁層１７を形成していない。
【００３０】
絶縁層１７の存在は、アクチュエータ６が変形する際の形状に影響を与える。つまり、絶縁層１７が重なった部分でアクチュエータ６の変形が少なく、それ以外の部分で変形が大きくなる。よって、絶縁層１７がアクチュエータ６の可動領域に重ねてノズル７の中心に対して非対称な形状で形成されていると、アクチュエータ６の変形がノズル７の中心に対して非対称になり、ノズル７から吐出するインク滴の飛翔方向が傾く可能性がある。そのため、絶縁層１７は、アクチュエータ６の可動領域内において、ノズル７の中心に対して対称な形状で重なるように配置する必要がある。
【００３１】
本実施形態では、図３に示すように、共通電極１２に沿って隣接する２つのアクチュエータ６の間に絶縁層１７を配置し、各アクチュエータ６の中心に対して対称な位置で絶縁層１７を各アクチュエータ６に重ねた。このようなレイアウトの対称性を確保するため、例えばアクチュエータ６の列の端部に配置されたアクチュエータ６ａに重ねて電流を流さないダミーの絶縁層１７ａを設けた。
【００３２】
また、本実施形態では、隣接する２つのアクチュエータ６の間の絶縁層１７を、切れ目なく連続的に形成した。これにより、絶縁層１７の上に形成される共通電極１２に生じる段差を少なくでき、共通電極１２が絶縁層１７の切れ目の段差の部分で断線する不具合を低減することができ、歩留りの高いインクジェットヘッドを提供できる。
【００３３】
振動板１３、上部電極１６、絶縁層１７の上には、導電性材料の共通電極１２が形成されている。共通電極１２の一端には実装パッド１０が設けられている。共通電極１２は、同じ列にある複数のアクチュエータ６の上部電極１６を実装パッド１０と電気的に接続している。なお、共通電極１２は、各アクチュエータ６の下部電極１４とは絶縁層１７を介して電気的に絶縁されている。
【００３４】
一方、振動板１３及び下部電極１４の上には導電性を有する個別電極１１が形成されている。個別電極１１の一端には、実装パッド１０が設けられている。個別電極１１は、各アクチュエータ６の下部電極１４を実装パッド１０に電気的に接続している。個別電極１１同士は、互いに電気的に絶縁されている。
【００３５】
本実施形態では、個別電極１１と共通電極１２を、スパッタ法により金を成膜して形成した。個別電極１１と共通電極１２それぞれの厚みは、０．１μｍないし０．５μｍである。
【００３６】
振動板１３、下部電極１４、圧電体１５、上部電極１６、絶縁層１７、個別電極１１、共通電極１２の上には、絶縁性の無機材料により形成した保護層１８が設けられている。保護層１８は、実装パッド１０が形成された領域を除くアクチュエータ基板２の全面に設けられている。保護層１８は、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を成膜して形成した。保護層１８の厚みは、０．１μｍ〜１μｍであることが望ましく、本実施形態では保護層１８の厚みを０．５μｍとした。
【００３７】
ＳｉＯ２は無機材料による比較的硬い膜であるので、保護層１８で下部電極１４と圧電体１５と上部電極１６を覆うことにより、アクチュエータ６の駆動に伴う応力によってこれら部材１４、１５、１６の結晶構造がずれてクラックが入ることを防止できる。反面、保護層１８を厚くし過ぎると、アクチュエータ６の変形動作が妨げられてしまい、インク滴の吐出動作に不具合を生じる。
【００３８】
また、保護層１８は、インクや空気中の水分などから、アクチュエータ６の内部の電極１４、１６や圧電体１５を保護している。しかし、保護層１８の厚みをアクチュエータ６の動作を妨げることのない厚みにすると、アクチュエータ６の内部を水分から保護する作用は、必ずしも十分にできない。よって、本実施形態では、保護層１８を薄くした上で、保護層１８の上に、樹脂製の比較的柔らかい撥液層１９を設けて、保護層１８に水分が吸収されないようにしている。
【００３９】
保護層１８の材質として、ＳｉＯ２の他に、例えばＳｉＮなどの無機材料を用いることができる。ＳｉＮはＳｉＯ２より吸湿性が小さいので、水分に対する保護作用が高い。しかし、ＳｉＯ２の方がＳｉＮよりヤング率が小さいため、アクチュエータ６の変形動作を阻害しにくい。よって、保護層１８の材質は、要求に応じて適宜選択される。
【００４０】
保護層１８の上の全面には、撥液性を有する樹脂により形成した撥液層１９が設けられている。撥液層１９は、スピンコート法によりアモルファス系フッ素樹脂を成膜して形成した。アモルファス系フッ素樹脂として、例えば、旭硝子製のサイトップ（登録商標）を用いた。撥液層１９の水に対する接触角は９０度以上である。撥液層１９の厚みは０．５μｍないし５μｍである。本実施例では、撥液層１９の厚みを１μｍとした。
【００４１】
撥液層１９は、アクチュエータ６にインクが付着することを防止することができ、保護層１８が水分を吸収することを抑制できる。また、撥液層１９は樹脂製であるためヤング率が比較的小さく、アクチュエータ６の変形動作を阻害しにくい。また、撥液層１９は、アクチュエータ６にインクが付着することを防止して、アクチュエータ６の表面に付着したインクによりノズル７が塞がれてインクの吐出が阻害される不具合を防止できる。
【００４２】
図５は、図３のＶ−Ｖに沿ったアクチュエータ基板２と流路基板３とインク供給部材４の断面図である。図６は、流路基板３をインク供給部材４側から見た底面図である。図７は、流路基板３の底面を部分的に拡大した部分拡大底面図である。図８は、インク供給部材４を流路基板３側から見た平面図である。
【００４３】
流路基板３は、アクチュエータ基板２の複数の圧力室２０にそれぞれ対応した複数組の個別インク供給路２１（供給路）および複数の個別インク排出路２２（排出路）を有する。これら複数組の個別インク供給路２１および個別インク排出路２２は、それぞれ略半円形の断面形状を有し、流路基板３を貫通して設けられている。よって、これら複数組の個別インク供給路２１および個別インク排出路２２は、複数の圧力室２０と同じパターンでアレイ状に配置されている。
【００４４】
各圧力室２０に対向した一対の個別インク供給路２１および個別インク排出路２２に着目すると、これら一対の流路２１、２２は、その全長にわたって流路基板３の厚み方向に沿った高さを有する隔壁２９によって区画されている。隔壁２９は、複数の圧力室２０に対向して個別に設けられておらず、各組の流路２１、２２の間を通ってミアンダ状に連続して配置されている。隔壁２９の高さ方向の両端は、流路基板３の両面に配置されている。
【００４５】
また、流路基板３のインク供給部材４側の底面には、複数の個別インク供給路２１に連通した共有インク供給路２３、および複数の個別インク排出路２２に連通した共有インク排出路２４が設けられている。これら共有インク供給路２３および共有インク排出路２４は、流路基板３の厚みの１／２未満の深さを有する。共有インク供給路２３および共有インク排出路２４は、それぞれ、櫛歯状の入り組んだ形状を有し、ミアンダ状の隔壁２９を間に挟んで対向している。
【００４６】
共有インク供給路２３は、流路基板３の長手方向に延びた基幹インク供給路２５を含む。共有インク排出路２４は、流路基板３の長手方向に延びた基幹インク排出路２６を含む。
【００４７】
１つの圧力室２０に着目すると、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の断面積は、両者を合計して圧力室２０の断面積と同程度にしている。また、個別インク供給路２１の断面積と、個別インク排出路２２の断面積を同じにすることにより、インクの流通が最も効率よく行われるようにしている。仮に、個別インク供給路２１の断面積と、個別インク排出路２２の断面積が大きく異なると、断面積が狭い方にインクの流通の効率が律速される。さらに、個別インク供給路２１の長さと、個別インク排出路２２の長さを同じにすることにより、インクの流通が最も効率よく行われるようにしている。仮に、個別インク供給路２１の長さと、個別インク排出路２２の長さが大きく異なると、長い方にインクの流通の効率が律速される。つまり、本実施形態では、各圧力室２０に連通する個別インク供給路２１および個別インク排出路２２の断面積を十分に大きく設計しており、各圧力室２０にインクを容易に流通させることができるため、ポンプ（図示せず）を大型化する必要がなく、消費電力を抑えることができる。
【００４８】
個別インク供給路２１と個別インク排出路２２は、２００μｍ〜１０００μｍの長さを有する。それにより、個別インク供給路２１内を満たしたインクに慣性抵抗を付与することができ、個別インク排出路２２内を満たしたインクに慣性抵抗を付与することができる。このため、本実施形態によると、アクチュエータ６が圧力室２０内部のインクに圧力振動を発生させた時に、この圧力振動が個別インク供給路２１や個別インク排出路２２を介して圧力室２０から逃げることを抑制でき、ノズル７からインクが噴射しやすいようにできる。本実施例では、個別インク供給路２１および個別インク排出路２２の長さをそれぞれ４００μｍとした。
【００４９】
個別インク供給路２１および個別インク排出路２２内のインクに慣性抵抗を持たせるため、個別インク供給路２１、圧力室２０、および個別インク排出路２２をつなぐ流路がインクで満たされている必要がある。この場合、インク滴の吐出によって圧力室２０内に発生する僅かな気泡はインクに含まれていてもよい。つまり、特許請求の範囲および発明の詳細な説明における「個別インク供給路２１（供給路）の長さ」および「個別インク排出路２２（排出路）の長さ」とは、“インクで満たされた部分”の長さを意味する。
【００５０】
慣性抵抗を持たせるための個別インク供給路２１または個別インク排出路２２に必要な長さは、日本国特許５６５９１９８号に開示されている理論を本実施形態に適用することにより求められる。すなわち、インク滴を吐出するノズル７の長さをＬ１とし、ノズル７の開口面積をＳ１とし、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の長さをそれぞれＬ２とし、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の開口面積の和をＳ２とした場合、
（式１）    Ｌ２／Ｓ２＞＝Ｌ１／Ｓ１／３
を満たすように個別インク供給路２１および個別インク排出路２２の長さＬ２や開口面積の和Ｓ２を設定すればよい。
【００５１】
例えば、Ｌ１を５．５×１０−６［ｍ］とし、Ｓ１を３．１４×１０−１０［ｍ２］とし、Ｌ２を４×１０−４［ｍ］とし、Ｓ２を３．１４×１０−８［ｍ２］とした場合、Ｌ１／Ｓ１／３は５．８４×１０３［１／ｍ］であり、Ｌ２／Ｓ２は１．２７×１０４［１／ｍ］であり、式１を満たす。この場合、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２内のインクに十分な慣性抵抗を持たせることができ、インク滴を吐出させる際に圧力室２０内のインクが個別インク供給路２１や個別インク排出路２２に流れることを防止でき、インク滴の吐出を安定させることができる。
【００５２】
個別インク供給路２１と個別インク排出路２２との間を隔壁２９によって区画した上で、個別インク供給路２１の開口面積と個別インク排出路２２の開口面積の和を圧力室２０の断面積と略同じにするため、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２を合わせた略円形の孔の開口径Ｄ（図７）は、圧力室２０の内径より大きい。また、隔壁２９は、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２を合わせた略円形の中心を通るように形成されている。本実施例では、圧力室２０の内径が２００μｍであるのに対して、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２を合わせた略円形の開口径Ｄを２２０μｍとした。つまり、この場合、隔壁２９の幅は２０μｍとなる。
【００５３】
これにより、アクチュエータ基板２と流路基板３との間の接合面に沿って１０μｍまでの位置ずれを許容でき、圧力室２０の開口面積の変化を抑えることができ、開口面積の変化に伴うインク吐出特性のバラつきを抑えられ、印字品質の低下を防止できる。
【００５４】
また、本実施形態のように、複数の個別インク供給路２１を共有インク供給路２３でつなぎ、複数の個別インク排出路２２を共有インク排出路２４でつなぎ、共有インク供給路２３の基幹インク供給路２５とインク供給部材４のインク供給溝２７を対向させ、且つ、共有インク排出路２４の基幹インク排出路２６とインク供給部材４のインク排出溝２８を対向させることにより、流路基板３とインク供給部材４との間の接合面にずれを生じた場合であっても、各個別インク供給路２１および各個別インク排出路２２を流れるインクの流量を一定にできる。これにより、個別インク供給路２１および個別インク排出路２２を流れるインクの流量のバラつきを抑えることができ、インク吐出特性のバラつきを抑えることができ、印字品質の低下を防止できる。
【００５５】
図８に示すように、インク供給部材４の流路基板３側の面には、インク供給溝２７およびインク排出溝２８が設けられている。インク供給溝２７およびインク排出溝２８は、インク供給部材４の長手方向に沿って延びている。これらインク供給溝２７およびインク排出溝２８は、流路基板３とインク供給部材４を接合した状態で、流路基板３の基幹インク供給路２５と基幹インク排出路２６に各々流体的に接続する。インク供給溝２７の一端にはインク供給パイプ８が流体的に接続し、インク排出溝２８の一端にはインク排出パイプ９が流体的に接続している。
【００５６】
本実施形態では、流路基板３に基幹インク供給路２５及び基幹インク排出路２６を設け、インク供給部材４にインク供給溝２７及びインク排出溝２８を設けたが、流路基板３の基幹インク供給路２５及び基幹インク排出路２６、或いはインク供給部材４のインク供給溝２７及びインク排出溝２８を省略することもできる。例えば、インク供給部材４のインク供給溝２７及びインク排出溝２８を無くして、インク供給パイプ８を基幹インク供給路２５に接続し、インク排出パイプ９を基幹インク排出路２６に接続してもよい。
【００５７】
続いて、本実施形態のインクジェットヘッド１の動作について説明する。  
インク供給パイプ８からインクが注入されると、インク供給溝２７、基幹インク供給路２５、共有インク供給路２３、および個別インク供給路２１を経て、圧力室２０にインクが充填される。さらに、個別インク排出路２２、共有インク排出路２４、基幹インク排出路２６、インク排出溝２８を経て、インク排出パイプ９からインクが排出される。
【００５８】
インク供給パイプ８を流れるインクの圧力をインク排出パイプ９を流れるインクの圧力より高くし、なおかつ両者の圧力の平均値を大気圧よりー１０００Ｐａ程度低く調整することにより、ノズル７の内部にインクメニスカスが形成される。この状態で、ノズル７からインクが漏れたりノズル７を介して外気が吸い込まれたりすることなしに（インクメニスカス形状を安定させた状態で）、インク供給パイプ８からインク排出パイプ９に至る上述した流路を通してインクを安定して循環させることができる。
【００５９】
この状態で、ドライバＩＣ５が駆動信号を発生させると、個別電極１１と共通電極１２の間の電圧が変化する。それにより下部電極１４と上部電極１６との間の電圧が変化して、アクチュエータ６が変位する。アクチュエータ６が変位することにより、圧力室２０内のインクに圧力振動が発生し、ノズル７からインク滴が吐出する。その際、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の中のインクは慣性抵抗を有しているので、圧力振動によってインクが圧力室２０から流出することを抑制でき、ノズル７からインク滴を効率的に吐出できる。
【００６０】
インク吐出動作中に、ノズル７から圧力室２０に気泡が入り込むことがある。圧力室２０に気泡が入ると、アクチュエータ６が変位しても、インクに十分な圧力振動を与えられなくなり、インクがノズル７から吐出しなくなる。しかし、インクジェットヘッド１内部のインクは定常的に流動しているので、圧力室２０の中に入った気泡は、個別インク排出路２２を経て共有インク排出路２４に排出される。
【００６１】
共有インク排出路２４に排出された気泡は、基幹インク排出路２６、インク排出溝２８、およびインク排出パイプ９を通ってインクジェットヘッド１の外に排出される。つまり、１つの圧力室２０の中に入った気泡は、他の圧力室２０に入ることなく、インクジェットヘッド１の外に排出される。このように、本実施形態のインクジェットヘッド１は、圧力室２０に入った気泡を自動的且つ効果的に排出することができるので、信頼性の高いインクジェットヘッド１を提供できる。
【００６２】
続いて、本実施形態の効果について説明する。  
本実施形態のインクジェットヘッド１によると、アクチュエータ基板２とインク供給部材４の間に設けた流路基板３が、各圧力室２０に接続した個別インク供給路２１と個別インク排出路２２を有するため、インクで満たされた個別インク供給路２１および個別インク排出路２２が慣性抵抗を有する。
【００６３】
すなわち、本実施形態によると、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の断面積は、両者を合計して圧力室２０の断面積と同程度にしている。また、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２は、３００μｍ〜１０００μｍの長さを有する。これにより、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の内部を満たすインクに十分に大きな慣性抵抗が付与される。
【００６４】
このため、アクチュエータ６が圧力室２０内部のインクに圧力振動を発生させた時に、この圧力振動に基づいて圧力室２０内のインクが個別インク供給路２１や個別インク排出路２２へ流れることを抑制することができ、ノズル７からインク滴が吐出しやすいようにしている。また、個別インク供給路２１と個別インク排出路２２の断面積は、両者を合計して圧力室２０の断面積と同程度で良いので、インクが流れる経路の開口面積を大幅に小さくする必要がなくなり、圧力室２０にインクを定常的に流動させるためのインク供給パイプ８とインク排出パイプ９との間の圧力差を小さくでき、圧力差を生じさせるためのポンプを小型化でき、消費電力も低減できる。
【００６５】
以上述べた実施形態のインクジェットヘッド１によれば、各圧力室２０に接続した個別インク供給路２１および個別インク排出路２２内のインクに十分な大きさの慣性抵抗を与えたため、インク滴の吐出時に圧力室２０の圧力低下を抑制でき、インク滴を安定して吐出させることができる。また、本実施形態によると、各圧力室２０に接続した個別インク供給路２１および個別インク排出路２２の断面積を十分に大きくすることができ、流路抵抗を小さくでき、小型で消費電力が少ないインクジェットヘッドを提供できる。
【００６６】
上述した実施形態は、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。上述した実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要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。上述した実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
インクが充填される圧力室と、
この圧力室からインクを吐出させる吐出孔と、
前記圧力室の各々に対応して流体的に連通して前記圧力室にインクを供給する供給路と、
前記圧力室の各々に対応して流体的に連通して前記圧力室からインクを排出する排出路と、
電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記圧力室内のインクに圧力振動を生じさせ、前記吐出孔に形成したインクメニスカスからインク滴を吐出させるアクチュエータと、を有し、
前記供給路の断面積と前記排出路の断面積が略同一であり、前記供給路の長さと前記排出路の長さが略同一である、
インクジェットヘッド。
［２］
インクが充填される圧力室と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記インクに圧力振動を生じさせるとともに、前記圧力室内のインクを吐出する吐出孔を有するアクチュエータと、を有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室の各々に対応して流体的に連通する供給路と排出路が形成され、前記アクチュエータ基板の、前記アクチュエータと反対の接合面に接合された流路基板と、
前記供給路に流体的に接続し、前記インクが供給されるインク供給口と、
前記排出路に流体的に接続し、前記インクを排出するインク排出口と、
を有するインクジェットヘッド。
［３］
前記供給路の断面積と前記排出路の断面積が略同一であり、前記供給路の長さと前記排出路の長さが略同一である、
［２］のインクジェットヘッド。
［４］
前記接合面において、前記供給路と前記排出路の外縁の距離は、前記圧力室の外縁の距離より大きいことを特徴とする、
［２］または［３］のインクジェットヘッド。
［５］
前記吐出孔の長さをＬ１［ｍ］とし、前記吐出孔の開口面積をＳ１［ｍ２］とし、前記供給路と前記排出路の長さをそれぞれＬ２［ｍ］とし、前記供給路と前記排出路の開口面積の和をＳ２［ｍ２］とした場合、
Ｌ２／Ｓ２＞＝Ｌ１／Ｓ１／３
が成り立つ、
［１］〜［４］のインクジェットヘッド。
【符号の説明】
【００６７】
１…インクジェットヘッド、２…アクチュエータ基板、３…流路基板、４…インク供給部材、５…ドライバＩＣ、６…アクチュエータ、７…ノズル、８…インク供給パイプ、９…インク排出パイプ、１０…実装パッド、１１…個別電極、１２…共通電極、１３…振動板、１４…下部電極、１５…圧電体、１６…上部電極、１７…絶縁層、１８…保護層、１９…撥液層、２０…圧力室、２１…個別インク供給路、２２…個別インク排出路、２３…共有インク供給路、２４…共有インク排出路、２５…基幹インク供給路、２６…基幹インク排出路、２７…インク供給溝、２８…インク排出溝、２９…隔壁、３１…引出し電極。
【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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【図７】
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【図８】
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