(57)【要約】【課題】インク液滴の吐出量を低減させることなく、駆動周波数を上げることのできる静電駆動式のインクジェットヘッドを提案すること。【解決手段】インクジェットヘッド１は、インク液滴を吐出するインクノズル８と、このインクノズル８に連通していると共にインクを保持している圧力室５と、この圧力室５の一部を形成している面外方向に変位可能な振動板５１と、この振動板５１に所定の間隔Ａで対向配置した個別電極１１とを有し、振動板１１および個別電極５１の間に印加された駆動電圧パルスにより振動板１１が振動するとインクノズル８からインク液滴が吐出する。振動板１１と個別電極５１の間隔Ａは、インクノズル８から吐出するインク液滴の吐出量の最大値が得られる寸法に設定されている。【選択図】　　　図１
2004058590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク液滴を吐出するインクノズルと、このインクノズルに連通していると共にインクを保持している圧力室と、この圧力室の一部を形成している面外方向に変位可能な振動板と、この振動板に所定の間隔で対向配置した対向電極とを有し、前記振動板および前記対向電極の間に印加された駆動電圧パルスにより前記振動板が振動すると前記インクノズルからインク液滴が吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記振動板と前記対向電極の間前記振動板と前記対向電極の間隔は、前記インクノズルのノズル配列密度に応じて、前記インクノズルから吐出するインク液液の吐出量の最大値が得られる寸法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】
請求項１において、
前記インクノズルのノズル配列密度が１インチ当たり１８０〜２００であり、前記振動板の前記インクノズル配列方向の幅をＬ、前記振動板および前記個別電極の間隔をＡとした場合に、Ｌ／Ａが
６３０≦Ｌ／Ａ≦１１００
であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
請求項１において、
前記インクノズルのノズル配列密度が１インチ当たり３００〜３６０であり、前記振動板の前記インクノズル配列方向の幅をＬ、前記振動板および前記個別電極の間隔をＡとした場合に、Ｌ／Ａが
２８０≦Ｌ／Ａ≦５００
であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電駆動式のインクジェットヘッドに関し、さらに詳しくは、吐出インク質量を低減させることなくインク液滴の吐出を高い駆動周波数で行うことのできるインクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットヘッドとしては、静電気力を利用してインクを貯留している圧力室の容積を変化させて、当該圧力室に連通しているインクノズルからインク液滴を吐出させる静電気駆動式のものが知られている。例えば、特開平６−７１８８２号、同６−５５７３２号、同５−５０６０１号の各公開公報にこの形式のインクジェットヘッドが開示されている。
【０００３】
また、特開平１１−２７７７３６号公報には、連続してインク液滴を吐出して１画素を印字するために適した静電駆動式のインクジェットヘッドの駆動方法が開示されている。この公開公報に記載されているように、静電駆動式のインクジェットヘッドにおいては、圧力室の底壁部分を形成している振動板と、これに対して所定の間隔で対向配置されている個別電極との間に駆動電圧パルスを印加して、圧力室の容積変化を引き起し、これにより発生する圧力室内のインク圧力変動によって、インクノズルからインク液滴を吐出させるようにしている。また、この公開公報に開示されているように、振動板および個別電極の間に印加される駆動電圧パルスの周期は、駆動パルス通電時間とインクジェットヘッドの固有周期の合計値以上に設定する必要があり、この値よりも駆動電圧パルスの周期を短くすると、インクジェットヘッド内のインク流路の圧力振動と逆位相でインク液滴の吐出駆動が行われ、連続してインク液滴を吐出する場合に２回目以降のインク液滴の吐出が安定せず、場合によっては吐出不能を招くことになる。
【０００４】
従って、高速印字を行うためにインクジェットヘッドの駆動周波数を高めるためには、換言すると、駆動周期を短くするためには、駆動パルス通電時間を短くするか、インクジェットヘッドの固有周期を短くする必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、インクジェットヘッドの固有周期を短くするためには、インクジェットヘッドのインク流路のイナータンスやコンプライアンスを小さくすればよく、そのためには、一般に、インク流路の体積を小さくすればよい。しかしながら、インク流路のうちの大きな割合を占めている圧力室の体積を小さくすると、それに伴ってその底壁部分に形成されている振動板の面積も小さくなる。この結果、振動板の変位による圧力室の容積変動量が大幅に小さくなってしまうので、インク吐出量も大幅に少なくなってしまう。これでは、駆動周波数を高めて高速印字を行うことができるものの、印字品位が低下してしまう。
【０００６】
そこで、他方のパラメータである駆動パルス通電時間を短くすることが考えられる。この通電時間は振動板が個別電極に当接するまでの時間に大きく依存しているので、この時間を短くするためには振動板および個別電極間に作用する静電吸引力を大きくすればよい。静電吸引力はこれら振動板および個別電極の間隔の二乗に逆比例するので、間隔を狭くすることが有効な手段である。しかしながら、間隔を狭くすると、振動板の変位量が少なくなり、圧力室の体積変動量（インク排除体積）も小さくなってしまう。このため、上記のインクジェットヘッドの固有周期を短くする方法と同様に、インク液滴の吐出量が少なくなってしまい、高速印字は実現できるものの、充分なインク吐出重量を得ることができないので、所望の印字品位を得ることができない。
【０００７】
なお、特開２０００−５２５４８号公報には静電駆動式のインクジェットヘッドにおける振動板と個別電極の間隔について考察した発明が開示されている。しかし、ここにおいては、低電圧駆動を行うことを目的として、振動板の厚さ、個別電極を覆う絶縁膜の厚さ、および振動板と個別電極の間隔の最適化を図ることを内容としており、高い駆動周波数によるインクジェットヘッドの駆動については何ら考察されていない。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、所定のインク吐出量を確保しつつ、高い駆動周波数で駆動可能な静電駆動式のインクジェットヘッドを提案することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、インク液滴を吐出するインクノズルと、このインクノズルに連通していると共にインクを保持している圧力室と、この圧力室の一部を形成している面外方向に変位可能な振動板と、この振動板に所定の間隔で対向配置した対向電極とを有し、前記振動板および前記対向電極の間に印加された駆動電圧パルスにより前記振動板が振動すると前記インクノズルからインク液滴が吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記インクノズルのノズル配列密度に応じて、前記振動板と前記対向電極の間隔は、前記インクノズルから吐出するインク液液の吐出量の最大値が得られる寸法に設定されていることを特徴としている。
【００１０】
ここで、前記インクノズルのノズル配列密度が１インチ当たり１８０〜２００の場合には、前記振動板の前記インクノズル配列方向の幅をＬ、前記振動板および前記個別電極の間隔をＡとした場合に、Ｌ／Ａが
６３０≦Ｌ／Ａ≦１１００
であることが望ましい。
【００１１】
また、前記インクノズルのノズル配列密度が１インチ当たり３００〜３６０の場合には、前記振動板の前記インクノズル配列方向の幅をＬ、前記振動板および前記個別電極の間隔をＡとした場合に、Ｌ／Ａが
２８０≦Ｌ／Ａ≦５００
であることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１３】
（インクジェットヘッド）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明を適用可能な静電駆動式のインクジェットヘッドを示す縦断面図およびｂ−ｂ線で切断した部分の部分横断面図である。これらの図を参照して説明すると、インクジェッドヘッド１は、シリコン基板２を挟み、上側に同じくシリコン製のノズルプレート３、下側にシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板４がそれぞれ積層された３層構造となっている。中央のシリコン基板２には、その表面からエッチングを施すことにより、独立した複数の圧力室５と、１つの共通インク室６と、この共通インク室６を各圧力室５に連通しているインク供給路７としてそれぞれ機能する溝が加工されている。これらの溝がノズルプレート３によって塞がれて、各部分５、６、７が区画形成されている。
【００１４】
ノズルプレート３には、細長い長方形をした各圧力室５の長辺方向の先端側の端部分に対応する位置に、インクノズル８が形成されており、これらが各圧力室５に連通している。また、共通インク室６が形成されているシリコン基板２の部分には当該共通インク室６の底壁部分を貫通するインク供給口９が形成されている。インクは、外部のインクタンク（図示せず）から、インク供給口９を通って共通インク室６に供給される。共通インク室６に供給されたインクは、各インク供給路７を通って、独立した各圧力室５に供給される。
【００１５】
独立した各圧力室５は、その底壁部分５１が薄肉とされて、面外方向、すなわち、図において上下方向に弾性変位可能な振動板として機能するように設定されている。したがって、この底壁５１の部分を、以後の説明の都合上、振動板と称して説明する。
【００１６】
次に、シリコン基板２の下側に位置しているガラス基板４においては、その上面であるシリコン基板２との接合面には、シリコン基板２の各圧力室５に対応した位置に、浅くエッチングされた凹部４１が形成されている。したがって、各圧力室５の振動板（底壁）５１は、非常に僅かの隙間を隔てて凹部４１が形成されたガラス基板表面に対峙している。
【００１７】
各圧力室５の振動板５１は各圧力室側の共通電極として機能する。この共通電極としての各振動板５１に対向する位置に形成されているガラス基板４の各凹部底面には、個別電極１１が形成されている。各個別電極１１はシール材１２によるシール部分を通って外部に引き出されてリード端子１３を形成している。また、導電性のあるシリコン基板２には共通電極端子１４形成されており、この共通電極端子１４と各個別電極１１のリード端子１３との間に、駆動制御装置１５によって駆動電圧パルスが印加される。
【００１８】
この構成のインクジェットヘッド１において、共通電極である振動板５１と個別電極１１の間に駆動電圧パルスが印加されると、対向電極間に充電された電荷による静電気力が発生し、振動板５１は個別電極１１の側へ撓み、圧力室５の容積が拡大する。次に、電極間の駆動電圧を解除して電極間の電荷を放電すると、振動板５１はその弾性復帰力によって復帰し、圧力室５の容積が急激に収縮する。この時発生するインク圧力により、圧力室５を満たすインクの一部が、この圧力室５に連通しているインクノズル８からインク液滴として吐出する。
【００１９】
ここで、図２には、共通電極である振動板５１と個別電極１１の間に印加される駆動電圧パルスの波形を示してある。この図に示すように、駆動電圧パルスＰの周期Ｔは、駆動パルス通電時間Ｔｐとインクジェットヘッド１の固有周期の合計値以上に設定されている。この値よりも駆動電圧パルスｐの周期Ｔを短くすると、前述のようにインク液滴の吐出不良などが発生する。
【００２０】
（実施例１）
本発明による実施例１においては、上記構成のインクジェットヘッド１において、その駆動周波数を高めるために、駆動パルス通電時間Ｔｐが短くなるように設定されている。駆動パルス通電時間Ｔｐを短くするためには振動板５１と個別電極１１の間隔Ａを小さくすればよい。すなわち、図３に示すように、電極間間隔Ａと駆動パルス通電時間Ｔｐとの関係を用いて、駆動パルス通電時間Ｔｐが短くなるように設定されている。この図のグラフではある点を規準として相対の割合で変化率を示してある。
【００２１】
しかし、本発明者等は、電極間間隔Ａと吐出インク質量の関係について考察したところ、図４に示すような定性的な関係が得られることを確認した。図４の折れ線グラフは、電極間間隔Ａの変化率に対する吐出インク質量の変化率を示すものであり、ある点を規準として相対の割合で変化率を示したものである。このグラフから分かるように、電極間間隔と吐出インク質量の関係は、単純な比例関係ではなく山形の関係となる。電極間間隔を基準点位置（１００％の点）から狭くしていくと、変化率が８０％を下回る点までの領域ａでは、吐出インク質量が増加する。これは電極間に作用する静電吸引力が増加することによる影響が優位であるためと考えられる。しかるに、それよりも電極間間隔を狭くすると、吐出インク質量が徐々に少なくなっていく。この領域ｂでは、電極間間隔が狭くなったことにより振動板の変位量が少なくなりインク排除体積が減少した影響が優位であるためと考えられる。
【００２２】
本発明による実施例１においては、かかる特性に着目して、上記構成のインクジェットヘッド１において、インク液滴の吐出量の最大値が得られる電極間間隔となるように、振動板５１と個別電極１１の間隔を設定した構造となっている。この構成によれば、インク液滴の吐出量を低下させることなく、駆動周波数を高めることが可能になる。
【００２３】
（実施例２）
本発明による実施例２においては、図１に示す構成のインクジェットヘッド１において、インクノズル８の配列密度を１８０ｎｐｉ（ｎｏｚｚｌｅ　ｐｅｒ　ｉｎｃｈ）〜２００ｎｐｉの範囲内となるように設定し、各振動板５１のインクノズル配列方向の幅、すなわち短辺方向の幅Ｌと電極間間隔Ａとの関係を、
６３０≦Ｌ／Ａ≦１１００
となるように設定してある。例えば、Ｌ／Ａ＝７４０に設定してある。
【００２４】
この関係を満足するようにインクジェットヘッド１を構成すると、インク液滴の吐出特性を低下させることなく、高い駆動周波数で駆動することが可能になることが確認された。
【００２５】
図５は、本例のインクジェットヘッド１（Ｌ／Ａ＝７４０）と従来において一般的に使用されているＬ／Ａ＝５８０のインクジェットヘッドにおける駆動電圧パルスの間隔Ｔの変化に対する吐出インク質量の変化を示すグラフである。
【００２６】
このグラフから分かるように、本例のインクジェットヘッド１の吐出インク質量は、従来のインクジェットヘッドの場合に比べていずれの駆動パルス間隔においても上回っている。従って、高い周波数（駆動周期を短くして）で駆動する場合に、従来に比べて吐出インク質量を大きくできることが分かる。
【００２７】
また、基準となる１００％の吐出インク質量を得ることのできる最も短い駆動周期（限界駆動周期）も、従来のインクジェットヘッドでは８０％を下回ることができないが、本例のインクジェットヘッド１によれば、それよりも１０％程度短くできることが分かる。
【００２８】
よって、本例のインクジェットヘッド１によれば、ノズル密度に対して最適な電極間間隔を設定でき、従来に比べて、インク液滴の吐出量を低減することなく、駆動周波数を大幅に高めることができる。
【００２９】
（実施例３）
次に、本発明による実施例３においては、図１に示す構成のインクジェットヘッド１において、インクノズル８の密度を３００ｎｐｉ〜３６０ｎｐｉの範囲内となるように設定し、各振動板５１のインクノズル配列方向の幅、すなわち短辺方向の幅Ｌと電極間間隔Ａとの関係を、
２８０≦Ｌ／Ａ≦５００
となるように設定してある。
【００３０】
この関係を満足するようにインクジェットヘッド１を構成すると、実施例２の場合と同様な効果が得られ、インク液滴の吐出特性を低下させることなく、高い駆動周波数で駆動することが可能になることが確認された。
【００３１】
よって、本例のインクジェットヘッド１によれば、ノズル密度に対して最適な電極間間隔を設定でき、従来に比べて、インク液滴の吐出量を低減することなく、駆動周波数を大幅に高めることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドにおいては、振動板と対向電極の間隔を、インクノズルから吐出するインク液液の吐出量の最大値が得られる寸法に設定してある。この構成によれば、インク液滴の吐出量を低減させることなく、駆動周波数を高くすることができる。
【００３３】
また、本発明のインクジェットヘッドにおいては、インクノズルのノズル密度が１インチ当たり１８０〜２００の場合に、振動板のインクノズル配列方向の幅をＬ、振動板および個別電極の間隔をＡとした場合に、Ｌ／Ａが
６３０≦Ｌ／Ａ≦１１００
となるように各部の寸法を設定してある。この構成によれば、ノズル配列密度に対して最適な電極間間隔を設定することができ、吐出インク量を低減させることなく高駆動周波数で駆動可能なインクジェットヘッドを実現できる。
【００３４】
さらに、本発明のインクジェットヘッドにおいては、インクノズルのノズル密度が１インチ当たり３００〜３６０の場合に、振動板のインクノズル配列方向の幅をＬ、振動板および個別電極の間隔をＡとした場合に、Ｌ／Ａが
２８０≦Ｌ／Ａ≦５００
となるように各部の寸法を設定してある。この構成によっても、ノズル配列密度に対して最適な電極間間隔を設定することができ、吐出インク量を低減させることなく高駆動周波数で駆動可能なインクジェットヘッドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な静電駆動式のインクジェットヘッドの一例を示す縦断面図および部分横断面図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドの駆動電圧パルス波形を示す波形図である。
【図３】図１のインクジェットヘッドにおける電極間間隔と駆動パルス幅との関係を示すグラフである。
【図４】図１のインクジェットヘッドにおける電極間間隔とインク質量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明によるインクジェットヘッドおよび従来構成のインクジェットヘッドにおける、駆動パルス間隔とインク質量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　インクジェットヘッド
２　　シリコン基板
３　　ノズル基板
４　　ガラス基板
５　　圧力室
６　　共通インク室
７　　インク供給口
８　　インクノズル
１１　個別電極（対向電極）
５１　振動板（共通電極）
Ａ　　電極間間隔
Ｌ　　振動板の幅
【図１】
2004058590.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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