(57)【要約】【課題】高速且つ高品質印刷を同時に実現することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】ノズル開口１２に連通する複数の圧力発生室１４が画成される流路形成基板１５と、流路形成基板１５の圧力発生室１４に対応する領域に振動板１６を介して設けられた圧電素子１１とを有する液体噴射ヘッド１０において、圧力発生室１４に充填された液体のコンプライアンスを振動板１６のコンプライアンスよりも小さくすることにより、高速且つ高品質印刷を同時に実現できる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた圧電素子とを有する液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力発生室の少なくとも深さを調整することにより、前記振動板のコンプライアンスに対する液体のコンプライアンスの割合を相対的に小さくしたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記液体のコンプライアンスが前記振動板のコンプライアンスの１／２より小さいことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記圧力発生室の深さが当該圧力発生室の幅の１／２より小さいことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧力発生室内に液体を供給するための液体供給路の寸法をさらに調整することにより、前記振動板のコンプライアンスに対する前記液体のコンプライアンスの割合を相対的に小さくしたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧力発生室内に液体を供給するための液体供給路が各圧力発生室の長手方向両端部にそれぞれ連通していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を噴射するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位により液体を噴射させる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、近年、さらなる印刷の高速化及び高品質化が求められている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、印刷の高速化と高品質化とを同時に実現しようとした場合、下記のような矛盾が生じるため、両者を同時に実現するのは困難であるという問題がある。
【０００８】
圧電素子を高速駆動させて印刷の高速化を図るためには、圧力発生室のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくする必要がある。一方、所定のインク吐出量を確保して良好なインク吐出特性を保持するためには、振動板のコンプライアンスを比較的大きくして振動板の変位量を確保する必要があるが、振動板のコンプライアンスを大きくすると、圧力発生室のヘルムホルツ振動周期Ｔｃも大きくなってしまう。
【０００９】
このように、印刷の高速化を図るためには圧力発生室のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくする必要があるのに対し、印刷の高品質化を図るためには圧力発生室のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを、反対にある程度大きくする必要があるという矛盾が生じるため、印刷の高速化と高品質化と同時に実現するのは難しいという問題がある。
【００１０】
なお、これら各問題は、インクジェット式記録ヘッドに限って発生するものではなく、勿論、他の液体噴射ヘッドにおいても同様に発生する。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、高速且つ高品質印刷を同時に実現することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた圧電素子とを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記圧力発生室の少なくとも深さを調整することにより、前記振動板のコンプライアンスに対する液体のコンプライアンスの割合を相対的に小さくしたことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１３】
かかる第１の態様では、振動板のコンプライアンスを確保して、圧力発生室の液体のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくできるため、高速且つ高品質印刷が可能となる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記液体のコンプライアンスが前記振動板のコンプライアンスの１／２より小さいことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１５】
かかる第２の態様では、各圧力発生室の液体のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを確実に小さくできる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記圧力発生室の深さが当該圧力発生室の幅の１／２より小さいことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１７】
かかる第３の態様では、圧力発生室のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを確実に小さくできる。
【００１８】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧力発生室内に液体を供給するための液体供給路の寸法をさらに調整することにより、前記振動板のコンプライアンスに対する前記液体のコンプライアンスの割合を相対的に小さくしたことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、液体供給路の寸法によりイナータンス及び流路抵抗を調整して、各圧力発生室の液体のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくできる。
【００２０】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧力発生室内に液体を供給するための液体供給路が各圧力発生室の長手方向両端部にそれぞれ連通していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２１】
かかる第５の態様では、各圧力発生室に２つの液体供給路が連通しているため、圧力発生室内に液体を良好に供給できる。
【００２２】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
【００２３】
かかる第６の態様では、振動板のコンプライアンスを確保して、圧力発生室の液体のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくできるため、高速且つ高品質印刷が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの一例を示す分解斜視図である。また、図２は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大平面図である。さらに、図３は、図２のＡ−Ａ′断面図である。
【００２６】
図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１０は、縦振動型の圧電素子１１を有するタイプであり、複数のノズル開口１２が並設されたノズルプレート１３と、ノズル開口１２に連通する圧力発生室１４が形成される流路形成基板１５と、この流路形成基板１５の圧力発生室１４に対応する領域に振動板１６を介して設けられた圧電素子１１と、この圧電素子１１を有するヘッドフレーム１７とから構成されている。
【００２７】
流路形成基板１５は、本実施形態では、シリコン単結晶基板からなり、隔壁１８によって区画された複数の圧力発生室１４が、この流路形成基板１５を貫通して設けられている。また、詳しくは後述するが、各圧力発生室１４は、その深さを調整、すなわち流路形成基板１５の厚さを調整することにより、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスが、振動板１６のコンプライアンスよりも小さくなるようにしている。
【００２８】
また、これら複数の圧力発生室１４の周囲には、各圧力発生室１４にインクを供給するためのリザーバ１９が設けられ、インク供給路２０を介して各圧力発生室１４の長手方向両端部とそれぞれ連通されている。そして、リザーバ１９に充填されたインクが各インク供給路２０を介して圧力発生室１４に供給されるようになっている。なお、このようなインク供給路２０及び圧力発生室１４は、本実施形態では、それぞれ同じ幅に形成されており、インク供給路２０の深さは圧力発生室１４よりも浅く形成されている。
【００２９】
ここで、このような流路形成基板１５は、本実施形態では、シリコン単結晶基板であり、この流路形成基板１５に設けられる各圧力発生室１４及びリザーバ１９は、例えば、異方性エッチングにより形成される。また、この各圧力発生室１４の長手方向両側のインク供給路２０は、流路形成基板１５を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３０】
また、流路形成基板１５の一方面側は各圧力発生室１４に対応する領域にノズル開口１２を有するノズルプレート１３によって封止されている。本実施形態では、圧力発生室１４の長手方向両端部からインク供給路２０を介して圧力発生室１４内にインクが供給されるため、ノズル開口１２は、各圧力発生室１４の略中央部に対向する領域に設けられている。これにより、インクの流れがスムーズになりノズル開口１２からインク滴が良好に吐出することができる。
【００３１】
なお、このような流路形成基板１５のリザーバ１９には、本実施形態では、図示しないインクカートリッジに連通するインク供給管２１が連通しており、このインク供給管２１を介してインクカートリッジのインクが供給されるようになっている。
【００３２】
また、流路形成基板１５の他方面側は、振動板１６によって封止されている（図３参照）。そして、この振動板１６の圧力発生室１４とは反対側の面には、各圧力発生室１４に対応する領域に各圧電素子１１の先端が島部２２を介してそれぞれ当接されている。これらの圧電素子１１は、圧電材料１０１と、電極形成材料１０２及び１０３とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層され、振動に寄与しない不活性領域が固定基板２３に固着されている。そして、この固定基板２３の圧電素子１１側とは反対側は、ヘッドフレーム１７に固定されている。
【００３３】
さらに、この振動板１６上には、圧電素子１１の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でその空間を密封可能な圧電素子保持部２４を有するヘッドフレーム１７が固定され、この圧電素子保持部２４は、ヘッドフレーム１７に接合された封止板２５によって封止されている。
【００３４】
このように構成されたインクジェット式記録ヘッド１０では、インク吐出の際に、圧電素子１１、流路形成基板１５及び振動板１６の各部材の変形によって各圧力発生室１４の容積を変化させて所定のノズル開口１２からインク滴を吐出させるようになっている。
【００３５】
具体的には、インクジェット式記録ヘッド１０では、図示しないインクカートリッジに連通されるインク供給管２１を介してリザーバ１９にインクが供給され、インク供給路２０を介して各圧力発生室１４に分配される。実際には、圧電素子１１に電圧を印加することにより圧電素子１１を収縮させる。これにより、振動板１６が圧電素子１１と共に変形されて（図３中下方向に引き下げられて）圧力発生室１４の容積が広げられ、圧力発生室１４内にインクが引き込まれる。そして、ノズル開口１２に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路からの記録信号に従い、圧電素子１１の電極形成材料１０２及び１０３に印加していた電圧を解除すると、圧電素子１１が伸張されて元の状態に戻る。これにより、振動板１６も変位して元の状態に戻るため圧力発生室１４が収縮され、内部圧力が高まりノズル開口１２からインク滴が吐出される。
【００３６】
このような本実施形態のインクジェト式記録ヘッド１０では、上述したように、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスが振動板１６のコンプライアンスよりも小さくなっているため、所定量のインク滴をノズル開口１２から高速で吐出させることができる。
【００３７】
ここで、インク滴の吐出量は、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスによって決まる。すなわち、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスが大きいほど、インク滴の吐出量を増加させることができる。また、このインクのコンプライアンスは、一般的には、インク自体のコンプライアンスに加えて、例えば、圧電素子１１、振動板１６及び隔壁１８等の各部材のコンプライアンス等によって決まるが、インク滴の吐出量には、特に、振動板１６のコンプライアンスが大きく起因する。
【００３８】
また、圧電素子１１の駆動周期は、圧力発生室１４のヘルムホルツ振動周期Ｔｃに大きく起因する。すなわち、圧力発生室１４のヘルムホルツ振動周期Ｔｃが小さいほど、圧電素子１１の駆動周期を短くすることができる。そして、この圧力発生室１４のヘルムホルツ振動周期Ｔｃは、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスに大きく起因する。
【００３９】
ここで、本発明でいうインクのコンプライアンスは、圧力発生室１４の容積によって実質的に決まるものである。一方、振動板１６のコンプライアンスは、圧力発生室の開口を封止する封止面積により実質的に決まるものである。
【００４０】
また、インクのコンプライアンスは、例えば、振動板１６の封止面積、すなわち、圧力発生室１４の振動板１６側の開口面積を所定値とした場合、圧力発生室１４を深くすると大きくなり浅くすると小さくなる。
【００４１】
そして、本実施形態では、圧力発生室１４の振動板１６側の開口面積を所定値としつつ、圧力発生室１４の深さを浅くすることにより、振動板１６のコンプライアンスに対する圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスを相対的に小さくしている。これは、圧力発生室１４の深さを浅くすると、圧力発生室１４の隔壁１８がインクのコンプライアンスに与える影響が小さくなるためである。
【００４２】
このように、本実施形態では、圧力発生室１４の深さを調整し、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスが振動板１６のコンプライアンスよりも小さくなるようにすることで、高速且つ高品質印刷を実現した。
【００４３】
以下、図４を参照して、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１０の圧力発生室１４の形状について詳細に説明する。なお、図４は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大断面図であって、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が横断面図である。
【００４４】
図４に示すように、圧力発生室１４は、深さ寸法Ｘが幅寸法Ｙよりも小さくなるように形成されている。すなわち、振動板１６の封止面積（圧力発生室の開口面積）は所定面積だけ確保して、圧力発生室１４の深さを比較的浅くすることにより、振動板１６のコンプライアンスに対する圧力発生室１４に充填されるインクのコンプライアンスの割合を相対的に小さくするようにした。例えば、本実施形態では、圧力発生室１４を、その深さ寸法Ｘが幅寸法Ｙの１／２よりも小さくなるように形成した。これにより、圧力発生室１４内に充填されるインクのコンプライアンスが、振動板１６のコンプライアンスよりも確実に小さくなる。
【００４５】
このような構成では、圧電素子１１の駆動による振動板１６の所定の変位量を確保した状態で、圧力発生室１４のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくすることができる。したがって、ノズル開口１２から所定量のインク滴を確実に吐出することができ、且つ圧電素子１１を高周波数で駆動させることができる。
【００４６】
なお、ノズル開口１２から吐出されるインク量は、圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスと共に、インクのイナータンス及び流路抵抗等によっても変化する。これらインクのイナータンス及び流路抵抗は、インク供給路２０の寸法、特に流路面積を変化させることにより比較的容易に調整することができる。そして、圧力発生室１４の深さ寸法の調整と共にインク供給路２０のイナータンス及び流路抵抗を調整すれば、振動板１６のコンプライアンスに対するインクのコンプライアンスの割合を比較的容易に小さくできる。
【００４７】
また、圧力発生室１４の深さを比較的浅くする場合には、本実施形態のように、圧力発生室１４の長手方向両端部からインクを供給する構造とすることが好ましい。これにより、圧力発生室１４の深さが比較的浅くても２つのインク供給路２０を介して圧力発生室１４内に良好にインクを供給することができる。また、各インク供給路２０のイナータンス及び流路抵抗の調整も容易となる。
【００４８】
このように、本実施形態では、圧力発生室１４の深さを調整することにより、振動板１６のコンプライアンスに対する圧力発生室１４内のインクのコンプライアンスの割合を相対的に小さくすることにより、圧力発生室１４のヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくでき、高速且つ高品質印刷を実現できる。
【００４９】
ここで、図５を参照して、上述したインクジェット式記録ヘッドを搭載したインクジェット式記録装置の一例について説明する。なお、図５は、実施形態１に係るインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００５０】
図５に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット３１Ａ，３１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ３２Ａ及び３２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット３１Ａ，３１Ｂを搭載したキャリッジ３３は、装置本体３４に取り付けられたキャリッジ軸３５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット３１Ａ及び３１Ｂは、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００５１】
そして、駆動モータ３６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト３７を介してキャリッジ３３に伝達されることで、記録ヘッドユニット３１Ａ及び３１Ｂを搭載したキャリッジ３３はキャリッジ軸３５に沿って移動される。一方、装置本体３４にはキャリッジ３３に沿ってプラテン３８が設けられている。また、このプラテン３８の近傍には排紙ローラ３９が設けられ、図示しない紙送りモータの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送されるようになっている。
【００５２】
このようなインクジェット式記録装置では、キャリッジ３３がキャリッジ軸３５に沿って移動されると共にインクジェット式記録ヘッドによってインクが吐出されて記録シートＳに印刷される。
【００５３】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、勿論、本発明は上述したものに限定されるものではない。
【００５４】
例えば、上述した実施形態では、圧力発生室１４内へその長手方向両側にある各インク供給路２０からインクを供給する、いわゆる両側供給の構造を例示したが、これに限定されず、片側供給の構造であってもよい。
【００５５】
また、例えば、上述の実施形態では、圧電素子１１の軸方向に伸長、収縮する縦振動型の圧電アクチュエータを使用した縦振動型インクジェット式記録ヘッド１０を例示したが、これに限定されず、たわみ変形型圧電アクチュエータによるインクジェット式記録ヘッドであってもよい。勿論、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００５６】
ここで、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも適用することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、圧力発生室の少なくとも深さを調整することにより、圧力発生室に充填された液体のコンプライアンスを振動板のコンプライアンスよりも小さくすることにより、ヘルムホルツ振動周期Ｔｃを小さくでき、高速且つ高品質印刷を同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大平面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る図２のＡ−Ａ′断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大断面図であって、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が横断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０　インクジェット式記録ヘッド
１１　圧電素子
１２　ノズル開口
１３　ノズルプレート
１４　圧力発生室
１５　流路形成基板
１６　振動板
１７　ヘッドフレーム
１８　隔壁
１９　リザーバ
２０　インク供給路
２１　インク供給管
２２　島部
２３　固定基板
２４　圧電素子保持部
２５　封止板
【図１】
2004017612.tif 000003
【図２】
2004017612.tif 000004
【図３】
2004017612.tif 000005
【図４】
2004017612.tif 000006
【図５】
2004017612.tif 000007