(57)【要約】【課題】固有振動周期を可及的に小さくして液滴の高周波吐出に適した液体噴射ヘッドを提供する。【解決手段】細長い形状の圧力室空部２５を有する流路形成基板と、圧力室空部２５の開口を封止して圧力室の一部を区画する弾性板と、圧力室空部２５の長手方向一端部であって弾性板とは反対側に開設されたノズル開口２４と、圧力室空部２５の長手方向他端部に連通したインク供給口とを備え、圧電振動子によって弾性板の変位部分３４，３５を変位させることでノズル開口２４からインク滴を吐出可能な記録ヘッドにおいて、圧力室空部２５は、ノズル開口２４が臨む吐出端空部３３と、弾性板の変位によって容積が変化する中央圧力発生空部３６とを備え、吐出端空部３３の幅を中央圧力発生空部３６の幅よりも狭めた。【選択図】      図５
2004195719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い形状の圧力室空部を有する流路形成基板と、前記圧力室空部の開口を封止して圧力室の一部を区画する弾性板と、前記圧力室空部の長手方向一端部であって弾性板とは反対側に開設されたノズル開口と、圧力室空部の長手方向他端部に連通した液体供給口とを備え、圧力発生素子によって弾性板を部分的に変位させることで前記ノズル開口から液滴を吐出可能な液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力室空部は、前記ノズル開口の少なくとも一部分が臨む吐出端空部と、弾性板の変位によって容積が変化する中央圧力発生空部とを備え、
前記吐出端空部の幅を前記中央圧力発生空部の幅よりも狭めたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記弾性板は、
中央圧力発生空部の開口形状よりも一回り小さい形状に設けられて、前記圧力発生素子によって変位可能な島部、及び該島部を囲う状態で島部近傍に形成された薄肉弾性部を備え、中央圧力発生空部に臨む変位部分と、
前記吐出端空部の開口面を封止する薄肉封止部と、
前記薄肉弾性部及び薄肉封止部を囲う状態で形成される厚肉部とを備え、
前記薄肉封止部のコンプライアンスを薄肉弾性部のコンプライアンスよりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記中央圧力発生空部は、ノズル開口側端部に、吐出端空部に向かって次第に縮幅する吐出側絞り部を有することを特徴とする請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記液体供給口となる供給溝部を前記流路形成基板に形成すると共に、該供給溝部の一面を前記弾性板で封止する構成とし、
前記供給溝部の幅を前記中央圧力発生空部の幅よりも狭めたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記中央圧力発生空部は、その供給側端部に、供給溝部側から次第に拡開する供給側拡開部を有することを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
前記供給溝部は、溝幅方向の途中に溝長手方向へ延設された中洲部を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項７】
前記中洲部を、前記中央圧力発生空部よりも外側に設けたことを特徴とする請求項６に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項８】
前記中洲部を、前記供給側拡開部よりも供給溝部側に設けたことを特徴とする請求項６に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項９】
前記流路形成基板が、シリコンウェハーの異方性エッチングにより作製されていることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項１０】
前記厚肉部の縁を圧力室空部の開口縁よりも外側に形成し、前記薄肉弾性部及び薄肉封止部を圧力室空部の開口縁から島部の間に設けたことを特徴とする請求項２から９の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項１１】
前記弾性板は、金属製の支持基板に樹脂フイルム製の弾性体膜をラミネートした複合板材によって作製されていることを特徴とする請求項１０に記載の液体噴射ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット式記録装置、ディスプレー製造装置、電極形成装置、或いは、バイオチップ製造装置等に用いられ、各種の液体を液滴として吐出可能な液体噴射ヘッドに関し、特に、液滴の高周波吐出に適した圧力室の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体を液滴の状態で吐出可能な液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置としては、例えば、インク滴を吐出して記録紙上に画像等を記録する画像記録装置、液状の電極材を基板上に吐出して電極を形成する電極形成装置、生体試料を吐出してバイオチップを製造するバイオチップ製造装置、或いは、所定量の試料を容器に吐出するマイクロピペットが提案されている。
【０００３】
上記の液体噴射ヘッドは、種々の構成が提案されているが、その中の一種に、液体を貯留可能な圧力室と、この圧力室に連通したノズル開口及び液体供給口と、圧力室の一部を区画する弾性板と、弾性板を部分的に変位させる圧力発生素子とを備えたものがある。図１０に例示した液体噴射ヘッドでは、流路形成基板１に圧力室空部１ａ、及び、供給溝部１ｂを形成し、この流路形成基板１の一方の表面に弾性板２を接合すると共に、他方の表面にノズルプレート３を接合することで、圧力室４や液体供給口５を形成している。
【０００４】
この記録ヘッドでは、液体供給口５側から供給された液体で圧力室４内、及び、ノズル開口７内を満たす。そして、ノズル開口７から液体を吐出させる場合には、圧力発生素子６に駆動パルスを供給することで弾性板を部分的に変位させ、圧力室の容積を変化させる。例えば、圧力室４が基準容積よりも膨張する方向に弾性板２を変位させ、その後、弾性板２を上記とは反対側に変位させて圧力室４を急激に収縮する。この圧力室４の急激な収縮によって圧力室４内の液体が急激に加圧され、液体の一部がノズル開口７から液滴として吐出される（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０２８７５号公報（第４頁，第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の液体噴射ヘッドでは、圧力変動に伴って圧力室４内の液体には圧力室４が恰も音響管であるかのように振る舞う圧力振動が励起される。この圧力振動の周期は、液体噴射ヘッドの圧力室形状等に応じて定まるので、固有振動周期とも呼ばれる。そして、液滴を高い周波数で安定して吐出させるためには、固有振動周期を可及的に短くすることが求められる。
【０００７】
これは、駆動信号に含まれる駆動パルスの波形形状を固有振動周期に応じて定めていることによる。例えば、圧力室４を膨張させて固有振動を発振させ、圧力室内の液体圧力が負圧から正圧に転じるタイミングで圧力室４を収縮させると、液滴を効率よく吐出させることができる。また、液滴の吐出直後において、圧力室内の液体圧力が正圧に転じるタイミングで圧力室４を膨張させると、圧力室内の液体圧力（正圧）と圧力室４の膨張によって生じる新たな圧力（負圧）とが打ち消しあう。これにより、液体の圧力変動（圧力振動）を速やかに収束させることができる。このように、圧力室４を膨張させるタイミングや収縮させるタイミングは、液体の圧力状態によって規定されるため、固有振動周期を短くすることで周波数を高めても液滴を安定して吐出させることができる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固有振動周期を可及的に小さくして液滴の高周波吐出に適した液体噴射ヘッドを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、細長い形状の圧力室空部を有する流路形成基板と、前記圧力室空部の開口を封止して圧力室の一部を区画する弾性板と、前記圧力室空部の長手方向一端部であって弾性板とは反対側に開設されたノズル開口と、圧力室空部の長手方向他端部に連通した液体供給口とを備え、圧力発生素子によって弾性板を部分的に変位させることで前記ノズル開口から液滴を吐出可能な液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力室空部は、前記ノズル開口の少なくとも一部分が臨む吐出端空部と、弾性板の変位によって容積が変化する中央圧力発生空部とを備え、
前記吐出端空部の幅を前記中央圧力発生空部の幅よりも狭めたことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、吐出端空部を封止する弾性板の狭幅部分に関し、単位長さ当たりの面積が、中央圧力発生空部を封止する広幅部分の面積よりも小さくなる。これにより、狭幅部分のコンプライアンスを広幅部分のコンプライアンスよりも小さくすることができ、その分だけ圧力室のコンプライアンスを小さくすることができる。また、広幅部分については、容積変化に必要な幅を確保することができるので、液滴の吐出を良好に行うことができる。
さらに、吐出端空部の幅を狭めることで、この吐出端空部を必要最小限の容積にすることができる。そして、この吐出端空部については、可動部分の変位に与える影響が少ない。このため、液滴の吐出に必要な弾性板の変位量を確保しつつも圧力室容積を可及的に少なくすることができる。即ち、圧力室に貯留された液体のコンプライアンスを小さくできる。
このように、圧力室の構造に起因するコンプライアンス及び圧力室に貯留された液体のコンプライアンスを小さくできるので、固有振動周期を短くでき、高い周波数であっても液体を良好に吐出させることができる。
【００１１】
また、上記発明において、前記弾性板は、中央圧力発生空部の開口形状よりも一回り小さい形状に設けられて、前記圧力発生素子によって変位可能な島部、及び該島部を囲う状態で島部近傍に形成された薄肉弾性部を備え、中央圧力発生空部に臨む変位部分と、前記吐出端空部の開口面を封止する薄肉封止部と、前記薄肉弾性部及び薄肉封止部を囲う状態で形成される厚肉部とを備え、前記薄肉封止部のコンプライアンスを薄肉弾性部のコンプライアンスよりも小さくする構成が好ましい。さらに、この弾性板は、金属製の支持基板に樹脂フイルム製の弾性体膜をラミネートした複合板材によって作製されることが好ましい。
【００１２】
また、上記発明において、前記中央圧力発生空部は、ノズル開口側端部に、吐出端空部に向かって次第に縮幅する吐出側絞り部を有する構成が好ましい。
この発明によれば、吐出絞り部によって圧力室内の液体が淀みなく流れる。これにより、圧力室内に入り込んだ気泡の排出性を向上させることができる。
【００１３】
また、上記発明において、前記液体供給口となる供給溝部を前記流路形成基板に形成すると共に、該供給溝部を部分的に前記弾性板で封止し、前記供給溝部の幅を前記中央圧力発生空部の幅よりも狭める構成が好ましい。
この発明によれば、弾性板に関し、供給溝部を封止する狭幅部分の面積が中央圧力発生空部を封止する広幅部分の面積よりも小さくなる。これにより、その分だけ圧力室のコンプライアンスを小さくすることができ、液滴の吐出を良好に行うことができる。その結果、液滴を高い周波数で良好に吐出させることができる。
【００１４】
また、上記発明において、前記中央圧力発生空部は、その供給側端部に、供給溝部側から次第に拡開する供給側拡開部を有する構成が好ましい。
この発明によれば、供給側拡開部によって圧力室内の液体が淀みなく流れる。これにより、圧力室内に入り込んだ気泡の排出性を向上させることができる。
【００１５】
また、上記発明において、前記供給溝部は、溝幅方向の途中に溝長手方向に沿って形成された中洲部を有する構成が好ましい。
また、この中洲部を、前記中央圧力発生空部よりも外側に設ける構成が好ましい。ここで、「外側」とは、弾性板における面内方向の外側を意味する。そして、この構成では、圧力室を収縮させた際に、弾性板と中洲部との当接部において応力の集中が緩和され、弾性板の破損を防止することができる。さらに、中洲部を供給側拡開部より外側に設けることで、より確実に応力の集中を緩和できる。
【００１６】
また、上記発明において、前記流路形成基板が、シリコンウェハーの異方性エッチングにより作製されていることが好ましい。
この構成では、圧力室空部を高い寸法精度で作製することができ、所望の吐出特性が得られる。
【００１７】
また、上記発明において、前記厚肉部の縁を圧力室空部の開口縁よりも外側に形成し、前記薄肉弾性部及び薄肉封止部を圧力室空部の開口縁から島部の間に設ける構成が好ましい。
この構成では、薄肉弾性部及び薄肉封止部の面積が圧力室空部及び島部の形状で規定されるので、当該部分を寸法精度良く作製することができる。これにより、各圧力室毎の吐出特性を高い精度で揃えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、インクジェット式プリンタ、プロッタ、ファクシミリ等の画像記録装置（液体噴射装置の一種）に用いられる記録ヘッドを例に挙げることにする。この記録ヘッドは、本発明の液体噴射ヘッドの一種であり、液体状のインク（本発明の液体の一種）を、ノズル開口から液滴の状態で吐出させるものである。
【００１９】
図１に例示した記録ヘッド１１は、ケース１２、流路ユニット１３、振動子ユニット１４、配線基板１５、及び、供給針ユニット１６等を備えている。
【００２０】
上記のケース１２は、振動子ユニット１４を収納するための収納空部１７を有するブロック状部材であり、例えば樹脂（エポキシ樹脂等）を成型することで作製される。このケース１２の先端面には流路ユニット１３が取り付けられている。また、先端面とは反対側となるケース１２の取付面側には、配線基板１５及び供給針ユニット１６が取り付けられている。
【００２１】
上記の振動子ユニット１４は、櫛歯状に形成した複数の圧電振動子１８からなる振動子群１９と、この振動子群１９が接合される固定板２０と、振動子群１９に駆動信号等を供給するためのフレキシブルケーブル２１とを備えている。
【００２２】
上記の圧電振動子１８は、本発明における圧力発生素子の一種である。本実施形態の圧電振動子１８は、例えば、圧電体層と電極層とを交互に積層した圧電板を櫛歯状に切り分けることで作製された積層型の圧電振動子であって、積層方向に直交する方向に伸縮可能な縦振動モードの圧電振動子である。
この圧電振動子１８を作製するには、まず、圧電板の基端側部分を固定板２０の表面に接合する。即ち、圧電板の一部を固定板２０の縁よりも外側に突出した片持ち梁の状態で、圧電板と固定板２０とを接合する。その後、圧電板の突出部分に対し、ワイヤーソー等によって切り込みを入れ、当該部分を個別に切り分ける。これにより、櫛歯状の圧電振動子１８が得られる。
【００２３】
上記の固定板２０は、厚さが１ミリ程度の板状部材であり、圧電振動子１８からの反力を受け止める部材である。このため、固定板２０には高い剛性が要求される。この観点から、本実施形態では、固定板２０を、金属材料の一種であるステンレスによって作製している。
【００２４】
上記のフレキシブルケーブル２１は、可撓性を有するフィルム状の配線部材であり、その途中には制御用ＩＣが実装されている。そして、フレキシブルケーブル２１の一端部は、圧電体層の基端側部分であって固定板２０の接合面とは反対側の表面にて半田付けされている。また、フレキシブルケーブル２１の他端部は、配線挿通口を通って配線基板１５における反対側の表面に位置し、半田付けされている。
【００２５】
この圧電振動子１８を構成する圧電体層に電界を作用させると、即ち、フレキシブルケーブル２１を介して駆動信号を供給すると、上記の自由端部分が素子長手方向（積層方向とは直交する方向）に伸縮する。例えば、充電によって振動子電位を上昇させると圧電振動子１８は素子長手方向に収縮し、放電によって振動子電位を下降させると圧電振動子１８は素子長手方向に伸長する。
【００２６】
上記の流路ユニット１３は、インク供給口２２（本発明の液体供給口の一種）から圧力室２３を経てノズル開口２４に至る一連の個別インク流路（液体流路の一種）を有する板状の部材である。この流路ユニット１３は、圧力室２３となる圧力室空部２５やインク供給口２２となる供給溝部（供給端空部）２６等を有する流路形成基板２７と、これらの圧力室空部２５や供給溝部２６の開口を封止して圧力室２３やインク供給口２２の一部を区画する弾性板２８と、ノズル開口２４が複数穿設されたノズルプレート２９を備えている。そして、流路形成基板２７の一方の表面、即ち、ケース１２側の表面に弾性板２８を接合し、流路形成基板２７の他方の表面、即ち、弾性板接合面とは反対側の表面にノズルプレート２９を接合している。
【００２７】
上記の流路形成基板２７は、上記の圧力室空部２５や供給溝部２６の他に、リザーバ３１（共通液室の一種）となる貯留空部３２を設けた板状部材であり、本実施形態ではニッケル等の金属を用いている。
【００２８】
上記の圧力室空部２５は、図２及び図３に示すように、ノズル開口２４が臨む吐出端空部３３と、弾性板２８の変位部分（島部３４及び薄肉弾性部３５）が臨む中央圧力発生空部３６とを有し、ノズル開口２４の列設方向（ノズル列方向）とは直交する方向に細長い溝部として作製されている。本実施形態では、吐出端空部３３を板厚方向に貫通する貫通口として形成すると共に、中央圧力発生空部３６を扁平な空部として形成している。即ち、中央圧力発生空部３６を上げ底部３７の表面に形成することで、この中央圧力発生空部３６を扁平な空部としている。そして、この圧力室空部２５は、ノズル列方向にノズル開口２４と同じピッチで複数形成されている。また、隣り合う圧力室空部２５同士の間は、隔壁部３８によって区画されている。
【００２９】
上記の貯留空部３２は、ノズル列方向に延設された有底溝部であり、開口面を封止する弾性板２８と共にリザーバ３１を区画する。供給溝部２６は、圧力室空部２５の長手方向端部と貯留空部３２との間を連通する溝部であり、上げ底部３７の表面に隔壁部３８によって区画された状態で形成されている。そして、この供給溝部２６には、溝幅方向の途中に溝長手方向（圧力室空部２５の長手方向）へ延設された中洲部３９を設けている。この中洲部３９は、インク供給口２２を複数に分けるための隔壁として機能するものであり、上げ底部３７と一体に設けられている。
【００３０】
上記のノズルプレート２９は、ドット形成密度に対応したピッチで複数のノズル開口２４を列状に穿設した金属製の薄いプレートである。本実施形態では、このノズルプレート２９をステンレス製の板材によって構成している。
【００３１】
上記の弾性板２８は、支持板４０の表面に弾性体膜４１を積層した二重構造である。本実施形態では、金属板の一種であるステンレス板を支持板４０とし、この支持板４０の表面にＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＩ（ポリイミド）製の樹脂フィルムを弾性体膜４１としてラミネートした複合板材を用いてこの弾性板２８を作製している。この弾性板２８には、圧力室空部２５の開口面を封止し、圧力室容積を変化させる変位部分３４、３５が設けられている。また、この弾性板２８には、貯留空部３２の開口面を封止するダンパー部分４３が設けられている。
【００３２】
上記の変位部分は、エッチング加工等によって支持板４０を部分的に除去することで作製される。即ち、この変位部分は、上記したように、圧電振動子１８の先端面が接合される島部３４と、この島部３４を囲うように弾性体膜４１のみによって形成された薄肉弾性部３５（コンプライアンス部）とからなる。そして、島部３４は、中央圧力発生空部３６の開口形状よりも一回り小さい形状に設けられており、圧電振動子１８によって圧力室２３側或いは圧力室２３から離隔する側に変位（移動）される。また、この変位部分に隣接して薄肉封止部４２が設けられている。この薄肉封止部４２は、上記の吐出端空部３３を封止する部分である。そして、この薄肉封止部４２も、エッチング加工等によって支持板４０を部分的に除去し、弾性体膜４１だけにすることで作製される。
【００３３】
上記のダンパー部分４３は、リザーバ３１に貯留されたインクの圧力変動を吸収するための部分である。このダンパー部分４３もまた、貯留空部３２の開口面に対向する領域の支持板４０をエッチング加工等によって除去し、弾性体膜４１のみにすることで作製される。
【００３４】
そして、上記の島部３４には圧電振動子１８の先端面が接合されているので、自由端部を伸縮させることで圧力室容積を変化させることができる。例えば、圧電振動子１８を充電して自由端部を素子長手方向に収縮させると島部３４が引っ張られる。これにより変位部分が移動し、圧電振動子１８の放電状態と比べて、圧力室容積を増大させることができる。また、充電状態の圧電振動子１８を放電して自由端部を素子長手方向に伸長させると、島部３４が圧力室２３側に押される。これにより、圧電振動子１８の充電状態に比べて、圧力室容積を減少させることができる。
【００３５】
図１に示す配線基板１５は、図示しない制御装置と電気的に接続される部材であり、導体パターンが形成されると共に、サーミスタやコネクタが実装されている。そして、制御装置からの配線部材は、その先端部分がコネクタに挿入される（図示せず）。これにより、制御装置と記録ヘッド１１とが電気的に接続されることになる。
【００３６】
上記の供給針ユニット１６は、インクを貯留したカートリッジ（以下、インクカートリッジという。図示せず。）が接続される部分であり、インク供給針４６（液体供給針の一種）と針ホルダ４７とから構成される。インク供給針４６は、インクカートリッジ内に挿入される部材であり、インクカートリッジ内に貯留されたインクを針内部に導入する。このインク供給針４６の先端部は円錐状に尖っており、針内外を連通するインク導入孔が複数穿設されている。針ホルダ４７は、インク供給針４６を取り付けるための部材であり、その表面にはインク供給針４６の根本部分を止着するための台座４８を形成している。そして、台座底面の略中心には、針ホルダ４７の板厚方向を貫通する漏斗形状の第１インク供給路４９を設けている。また、台座４８内にはフィルタ５０を配設している。このフィルタ５０は、埃や成型時のバリといったインク内の異物の通過を阻止する部材であり、例えば、目の細かな金属網によって構成される。
【００３７】
この供給針ユニット１６は、ケース１２の取付面上に配設される。この配設状態において、第１インク供給路４９の出口とケース１２の接続突起とは、パッキン５１を介して液密状態で連通される。そして、接続突起の内側には、ケース１２内を貫通する第２インク供給路５３が形成されている。この第２インク供給路５３は、流路ユニット１３のリザーバ３１に連通している。従って、インクカートリッジ内に貯留されたインクは、インク供給針４６を通じてカートリッジ外部に流出し、第１インク供給路４９及び第２インク供給路５３を通じてリザーバ３１に流入する。
【００３８】
上記構成の記録ヘッド１１では、インク供給針４６からリザーバ３１及び圧力室２３を通ってノズル開口２４に至る一連のインク流路が形成されている。そして、圧電振動子１８を作動させると、上記したように、圧力室容積を変化させることができ、圧力室２３内のインク圧力を変化させることができる。このインク圧力を利用することで、ノズル開口２４からインク滴を吐出させることができる。例えば、圧電振動子１８を充電して圧力室２３を膨張させ、その後、圧電振動子１８を急激に放電して圧力室２３を収縮させると、圧力室２３の膨張によって圧力室２３内に流入したインクが急激に加圧され、ノズル開口２４からインク滴が吐出される。
【００３９】
この場合において、圧力室２３内のインクには圧力室２３内が恰も音響管であるかのように振る舞う圧力振動が励起される。この圧力振動は、圧力室２３、ノズル開口２４、及び、インク供給口２２の形状等によって定まる固有振動周期で変動する。そして、インク滴をより高い周波数で吐出させるには、この固有振動周期をできるだけ短くすることが求められる。これは、固有振動周期を短くすると、圧電振動子１８の駆動周波数（インク滴の吐出周波数）を高めてもインク滴を安定して吐出させることができるからである。
【００４０】
以下、圧力室２３の固有振動周期について説明する。
【００４１】
この種の記録ヘッド１１において、圧力室２３内のインク（液体）の挙動は、電気回路に置き換えて考えることができる。このため、圧力室２３内におけるインクの固有振動周期は、次式（１）によって表すことができる。
Ｔｃ = ２π×{(Mn＋Ms)／[(Ci＋Cv)×(Mn×Ms)]}１／２  …  （１）
なお、この式（１）において、Ｔｃは圧力室２３内におけるインクの固有振動周期，Ｍｎはノズル開口２４のイナータンス，Ｍｓはインク供給口２２のイナータンス，Ｃｉはインクのコンプライアンス，Ｃｖは圧力室２３を取り囲む壁のコンプライアンスである。
【００４２】
また、上記のイナータンスＭ（Ｍｎ，Ｍｓ）は、次式（２）によって表すことができる。
Ｍ＝ρ×Ｌ／Ｓ  …  （２）
なお、この式において、ρは液体の密度，Ｌは流路の長さ，Ｓは流路の断面積である。
【００４３】
上記各式より、固有振動周期Ｔｃを短くするためには、上記のコンプライアンス、及び、イナータンスを小さくすれば良いことが判る。ここで、イナータンスは、ノズル開口２４やインク供給口２２の形状（断面積や長さ）等によって決まる。一方、コンプライアンスは、インクの圧縮性、圧力室２３同士を区画する隔壁部３８の柔らかさ、弾性板２８の柔らかさなどによって決まる。そして、ノズル開口２４やインク供給口２２の形状を変更することは、液体の流路抵抗が変動したりするので、別の影響が生じる可能性があるので好ましくない。このため、コンプライアンスを小さくする方が好ましい。
【００４４】
そして、コンプライアンスを小さくするためには、圧縮可能なインクの量を減らすこと、即ち、圧力室容積を減らすことが考えられる。また、流路形成基板２７（隔壁部３８）の剛性を高めること、或いは、弾性板２８のコンプライアンスを小さくすることが考えられる。
【００４５】
ここで、圧力室容積を減らした場合には、弾性板２８（変位部分）を十分に押し込むことができなくなってしまう。これは、島部３４を囲う薄肉弾性部３５の面積が不足することによる。即ち、圧力室２３内におけるインクの排除体積（弾性板２８を押し込む前の圧力室容積と弾性板２８を押し込んだ状態の圧力室容積の差）が不足してしまうからである。これにより、インク滴の吐出量が不足したり、インク滴の飛行速度が低下したりしてしまう。従って、圧力室容積をむやみに小さくすることは好ましくない。
また、流路形成基板２７は、微細な圧力室空部２５や供給溝部２６等を高い寸法精度で作製する必要がある一方で、圧電振動子１８からの外力に対抗し得る程度の剛性が求められる。このため、流路形成基板２７の素材をむやみに変更することも困難である。
【００４６】
このような事情から本発明では、弾性板２８のコンプライアンスを小さくすることで、固有振動周期を短くすることにした。そして、弾性板２８のコンプライアンスを小さくするために、上記した吐出端空部３３の幅を中央圧力発生空部３６の幅よりも狭める構成にした。以下、詳細に説明する。
【００４７】
まず、圧力室空部２５及び供給溝部２６の構造について説明する。ここで、図５は流路形成基板２７の部分拡大図、図６（ａ）は流路形成基板２７における吐出端空部３３の拡大図、図６（ｂ）は流路形成基板２７における供給溝部２６の拡大図である。
【００４８】
上記したように、圧力室空部２５は、ノズル列方向とは直交する方向に細長い溝状空部であり、溝長手方向の一端部（図５における左端部）はノズル開口２４が臨む吐出端空部３３として構成されている。この吐出端空部３３は、流路形成基板２７の板厚方向を貫通する貫通口として形成されている。この吐出端空部３３に隣接して中央圧力発生空部３６が形成されている。本実施形態では、上げ底部３７上の空間であって供給溝部２６との境界までの範囲（図５に符号Ｂで示す範囲）が中央圧力発生空部３６として機能する。そして、この圧力室空部２５における溝長手方向の他端部（図５における右端部）に隣接して、供給溝部２６が設けられている。この供給溝部２６は、中洲部３９の長手方向の範囲（図５に符号Ｃで示す範囲）に亘って形成されている。
【００４９】
中央圧力発生空部３６は、その長手方向の一端部（ノズル開口側端部）に、上記の吐出端空部３３へ向かって次第に縮幅する吐出側絞り部６１を有している。また、長手方向の他端部（供給端側空部）に、上記の供給溝部２６側から次第に拡開する供給側拡開部６２を有している。そして、これらの吐出側絞り部６１と供給側拡開部６２とに挟まれた部分が一定幅のストレート部６３となる。本実施形態において、この中央圧力発生空部３６の長手方向の長さ（符号Ｂで示す範囲の長さ）は約５５０μｍである。また、ストレート部６３の幅（符号Ｗ６３で示す範囲の長さ）は約１１０μｍであり、ストレート部６３の長さ（符号６３で示す範囲の長さ）は約４５０μｍである。そして、中央圧力発生空部３６の深さ、即ち、流路形成基板２７における弾性板接合面から上げ底部３７の表面までの距離は約８０μｍである。
【００５０】
この中央圧力発生空部３６を封止する変位部分、即ち、島部３４及び薄肉弾性部３５に関し、島部３４は、その溝長手方向の長さがストレート部６３と等しい約４５０μｍに形成され、その幅が約４０μｍに形成されている。この島部３４の周囲に形成される薄肉弾性部３５は、膜厚が約７μｍであり、幅が約３５μｍ〜７０μｍ程度の環状領域として形成される。即ち、この薄肉弾性部３５において、島部３４の縁から隔壁部３８までの距離（符号Ｗ３５で示す範囲の距離）が最も狭く約３５μｍである。また、島部３４の縁から中洲部３９までの距離（符号６２で示す範囲の距離）が最も広く約７０μｍである。
【００５１】
このように、本実施形態の変位部分では、島部３４と同程度の幅に設定された環状の薄肉弾性部３５が島部３４の全周に亘って形成されている。従って、島部３４を圧力室２３側に押し込んだり反対方向に引っ張ったりした際に十分な変位量が得られる。また、薄肉弾性部３５からの反力も適度に抑えることができるので、圧電振動子１８の伸縮により、変位部分を支障無く変位させることができる。その結果、インク滴の吐出量や飛行速度に関し、必要十分な吐出量や飛行速度を得ることができる。
【００５２】
吐出端空部３３は、ノズル開口２４の圧力室２３側を丁度囲える大きさに形成された貫通口である。この吐出端空部３３の幅（図６に符号Ｗ３３で示す範囲の幅）は、中央圧力発生空部３６におけるストレート部６３の幅よりも狭い。これは、吐出端空部３３の開口面を区画する薄肉封止部４２の面積を可及的に少なくし、当該部分のコンプライアンスを可及的に小さくするためである。
本実施形態では、ストレート部６３の幅が約１１０μｍであってノズル開口２４の圧力室２３側の直径が約４０μｍであるので、吐出端空部３３の幅を約８０μｍに設定し、溝長手方向の長さ（符号Ｌ３３で示す長さ）を約６０μｍに設定している。さらに、この吐出端空部３３は、流路形成基板２７を厚さ方向に貫通しているので、その深さは流路形成基板２７の厚さと等しくなる。本実施形態では、流路形成基板２７の厚さが約４００μｍであるので、吐出端空部３３の深さも約４００μｍになる。
【００５３】
この構成により、弾性板２８に関し、吐出端空部３３を封止する薄肉封止部４２（狭幅部分）の面積、即ち、長手方向の単位長さ当たりの面積が中央圧力発生空部３６を封止する変位部分（広幅部分）の面積よりも小さくなる。これにより、薄肉封止部４２のコンプライアンスが薄肉弾性部３５のコンプライアンスよりも小さくなる。従って、弾性板２８のコンプライアンスを小さくでき、圧力室２３内のインクの固有振動周期を短くすることができる。
【００５４】
また、吐出端空部３３の幅を狭めることで、この吐出端空部３３がノズル開口２４を丁度囲う程度の大きさに形成される。これにより、この吐出端空部３３を必要最小限の容積にすることができ、図１０に示した従来の構成に比べて、圧力室２３の容積を小さくすることができる。これによって、圧力室２３におけるインクの貯留量が少なくなり、インクの圧縮性に起因するコンプライアンスも小さくできる。従って、この点でも固有振動周期を短くできる。加えて、この吐出端空部３３については、変位部分の変位に関与し難く、影響が少ない。このため、インク滴の吐出に必要な弾性板２８の変位量を確保しつつも圧力室２３の容積を少なくすることができる。
【００５５】
また、圧力室空部２５には、上記の吐出側絞り部６１を設けているので、ストレート部６３の幅と吐出端空部３３の幅とに差を設けても、インク流路を角のない滑らかな壁面で区画できる。これにより、インクの流れに淀みが生じ難くなり、万一、インク内に気泡が入り込んでしまったとしても、この気泡を引っ掛かり難くすることができる。このため、入り込んだ気泡をノズル開口２４側からの吸引クリーニングにより、インクの流れに乗せてノズル開口２４から確実に排出することができる。
【００５６】
また、気泡の停滞を防止する観点から、吐出端空部３３の隅角部を面取りして曲面Ｒで形成している。同様に、吐出側絞り部６１と吐出端空部３３との境界部分、及び、吐出側絞り部６１とストレート部６３との境界部分についても面取りして曲面としている。このように構成することで、より一層気泡を引っ掛かり難くすることができ、気泡を確実に排出させることができる。さらに、インクの流れも円滑になるので、インク滴の吐出効率も向上する。
【００５７】
また、図２及び図３に示すように、本実施形態では、薄肉封止部４２及び上記の薄肉弾性部３５を囲う厚肉部６４に関し、圧力室空部２５の開口縁よりも外側（弾性板２８の面内方向の外側）に後退させた状態で形成し、薄肉封止部４２と薄肉弾性部３５とを圧力室空部２５の開口縁から島部３４の間に設けている。
これにより、薄肉封止部４２及び薄肉弾性部３５の形状（面積）は、圧力室空部２５及び島部３４の形状で規定される。このため、薄肉弾性部３５及び薄肉封止部４２を寸法精度良く作製することができる。これにより、各圧力室２３毎の吐出特性を高い精度で揃えることができる。
さらに、この厚肉部６４に関し、厚肉部６４の端面をケース１２の端面よりも奥側にずらして配置し、ケース底面と厚肉部端面との間にギャップＧを設けている。このギャップＧは、接着剤保持部として機能するものであり、振動子ユニット１４をケース１２に接着する際において、余剰の接着剤を毛細管力によって保持し、薄肉弾性部３５の表面に拡がらないようにしている。
【００５８】
上記の供給溝部２６は、上記したようにインク供給口２２の一部を構成する部分である。この供給溝部２６の幅（図６に符号Ｗ２６で示す範囲の幅）も、吐出端空部３３と同様に中央圧力発生空部３６におけるストレート部６３の幅よりも狭い。これは、圧力室２３の容積変化に対する寄与度の低い弾性体膜４１を可及的に少なくするためである。即ち、このように構成すると、島部３４からの距離が所定範囲内とされた環状の弾性体膜４１が形成される。これにより、圧力室２３の膨張時や収縮時において変形に関与し難いデッドスペースを減らすことができる。
本実施形態では、供給溝部２６の幅を約７０μｍに形成し、中洲部３９の幅を約３０μｍに形成している。また、中洲部３９は、供給溝部２６の幅方向中央に形成されている。そして、これらの供給溝部２６及び中洲部３９の長さ（符号Ｃで示す長さ）を約３００μｍに、深さを約８０μｍに設定している。従って、中洲部３９と隔壁部３８とによって区画された２本の空部が、圧力室２３とリザーバ３１との間を連通する細長いインク供給口２２となる。
【００５９】
そして、圧力室空部２５には、上記の供給側拡開部６２を設けているので、供給溝部２６の幅とストレート部６３の幅とに差を設けても、インク流路を段差のない滑らかな壁面で区画できる。これにより、インク内に入り込んだ気泡の停滞を防止でき、この気泡をノズル開口２４から確実に排出させることができる。また、この供給側拡開部６２と供給溝部２６との境界部分、及び、供給側拡開部６２とストレート部６３との境界部分についても、上記の吐出側絞り部６１と同様に、面取りして円弧曲面としている。この構成により、気泡を確実に排出させることができ、インク滴の吐出効率を向上させることができる。
【００６０】
このような構成を採ることにより、図７に示す様にコンプライアンス成分を小さくすることができ、固有振動周期を短くすることができた。この図７は、コンプライアンスの分布（各要素が占める割合）を示しており、従来の構造（図１０の記録ヘッド）と本実施形態の構造とを比較している。
なお、比較対象となる従来の記録ヘッドに関し、特徴となる部分を除き上記記録ヘッド１１と寸法や材質が揃えられている。例えば、圧力室の幅、中央圧力発生空部の深さ、流路形成基板の厚さ、島部の幅等は、両方とも同じである。
【００６１】
この図７において、従来の構造における全体のコンプライアンスを１００としている。そして、このコンプライアンスを基準として、全体のコンプライアンスにおけるインクの占める割合と、弾性体膜の占める割合とを示している。さらに、弾性体膜のコンプライアンスに関しては、長手方向端部と幅方向側部とに分けて示している。ここで、長手方向端部とは、上記記録ヘッド１１を例に挙げると、吐出端空部３３、吐出側絞り部６１及び供給側拡開部６２によって区画される部分である。また、幅方向側部とは、ストレート部６３に属する部分である。
【００６２】
この図７から判るように、本実施形態の記録ヘッド１１では、全体のコンプライアンスを従来の５０％まで小さくすることができた。特に弾性体膜４１の溝長手方向両端部のコンプライアンスに関しては、従来２１であった値（比率）を５まで小さくすることができた。これは、吐出端空部３３、吐出側絞り部６１及び供給側拡開部６２を設け、圧力室容積の変化に対する寄与度が低い部分については、隔壁部３８で区画し、弾性体膜４１によって区画される面積を最低限にしたことが大きい。また、弾性体膜４１の幅方向両側部のコンプライアンスに関しては、従来２６であった値が１４に減っている。これは、ストレート部６３の長さを短くしたことに起因すると考えられる。
この他に、インクのコンプライアンスに関しては、従来５３であった値が３１に減っている。これは、吐出端空部３３、吐出側絞り部６１及び供給側拡開部６２を設けたこと、並びにストレート部６３の長さを短くしたことによる圧力室容積（貯留インク量）の減少に伴うものと考えられる。
その結果、従来の記録ヘッド１１において７．２μｓであったインクの固有振動周期を、４．９μｓまで短くすることができた。
【００６３】
ところで、本発明は、上記実施形態に限らず、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。
【００６４】
例えば、上記実施形態では、ノズル開口２４の全体を吐出端空部３３内に形成していたが、この構成に限定されるものではない。即ち、ノズル開口２４の一部分を吐出端空部３３内に形成した構成であってもよい。以下、このように構成した第２実施形態について説明する。
【００６５】
図８は、この第２実施形態を説明する図であり、流路形成基板２７における圧力室空部７１の構造を説明する部分拡大図である。本実施形態の流路形成基板２７は、シリコンウェハーの異方性エッチングによって作製されている。この方法では、圧力室空部７１がシリコンウェハーの結晶面で区画されるので、面の形成方向に制約があるものの高い寸法精度で微細な空部を作製できる。従って、インク滴の吐出特性を高いレベルで揃えることができる。
【００６６】
この圧力室空部７１も、基本的な構造は第１実施形態の圧力室空部２５と同様である。即ち、この圧力室空部７１は、吐出端空部７２及び中央圧力発生空部７３を有している。そして、この圧力室空部７１に隣接して供給溝部７４が形成されている。そして、中央圧力発生空部７３は、吐出側絞り部７５、ストレート部７６及び供給側拡開部７７から構成される。また、供給溝部７４には、その溝幅方向の中央に中洲部７８が形成されている。なお、この実施形態では、吐出端空部７２と吐出側絞り部７５の一部分が板厚方向を貫通する貫通口として形成される。なお、この実施形態においても、厚肉部６４は、圧力室空部７１の開口縁よりも外側に後退させた状態で形成している。
【００６７】
この実施形態では、ノズル開口２４の片半部分が吐出端空部７２内に臨み、残りの片半部分が吐出側絞り部７５内に臨んでいる点に上記実施形態との相違があるが、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。
即ち、吐出端空部７２の幅をストレート部７６の幅よりも狭く設定しているので、吐出端空部７２の開口面を区画する薄肉封止部４２のコンプライアンスを小さくできる。また、吐出端空部７２を狭幅に構成している分だけ圧力室容積を低減でき、インクのコンプライアンスを小さくできる。同様に、供給溝部７４の幅をストレート部７６の幅よりも狭く設定しているので、変形に関与し難いデッドスペースを減らすことができる。
さらに、吐出側絞り部７５及び供給側拡開部７７を設けているので、気泡の停留を効果的に防止することができる。
【００６８】
なお、本実施形態においては、流路形成基板２７をシリコンウェハーの異方性エッチングで作製していることから、中洲部７８が溝長手方向に細長い六角形状に作製されてしまう。このため、中洲部７８の長手方向両端は三角形状に尖ってしまう。従って、仮に、この尖った部分（便宜上、中洲部一端という。）が、島部３４の押し込み時に変位する領域内（即ち、島部周囲の薄肉弾性部３５内）に位置した場合には、島部３４を押し込んで圧力室２３を収縮させた際に弾性体膜４１が中洲部一端に強く当接してしまう。これにより、当接部分に応力集中が生じ、弾性体膜４１の破断が生じる虞がある。
【００６９】
この点を考慮して本実施形態では、中洲部７８を中央圧力発生空部７３よりも溝長手方向の外側に設けている。具体的には、中洲部７８における中央圧力発生空部７３側の先端を、供給側拡開部７７と供給溝部７４の境界よりも、図８中に符号Ｓで示す分だけ供給溝部７４側に位置させている。
このように構成すると、中洲部一端は、薄肉弾性部３５よりも外側に外れる。このため、島部３４を押し込んで圧力室２３を収縮させても、弾性体膜４１は、中洲部一端に対し比較的弱い力で当接する。このため、弾性体膜４１の破断を確実に防止できる。
【００７０】
また、上記した第１実施形態及び第２実施形態では、吐出端空部３３，７２及び供給溝部２６，７４の両方についてその幅を、中央圧力発生空部３６，７３（ストレート部６３，７６）の幅よりも狭く構成したものを例示したが、この構成に限定されるものではない。例えば、図９の第３実施形態に示すように、吐出端空部７２の幅が中央圧力発生空部７３の幅よりも狭められていれば、その分だけ弾性体膜４１のコンプライアンスを低減でき、圧力室容積を少なくできるので、固有振動周期を短くすることができる。
【００７１】
また、圧力発生素子に関し、上記実施形態では、所謂縦振動モードの圧電振動子１８を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、所謂撓み振動モードの圧電振動子を用いてもよいし、静電アクチュエータを用いてもよい。
【００７２】
また、上記各実施形態では、流路形成基板２７とノズルプレート２９とを別部材によって構成したものを例示したが、流路形成基板とノズルプレートとを一体に構成してもよい。
【００７３】
なお、本発明は、プリンタに限らず、プロッタ、ファクシミリ装置、コピー機等、各種の記録装置にも適用可能である。
また、本発明は、記録装置以外の液体噴射装置にも適用することができる。例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタを製造するディスプレー製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレーやＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極を形成する電極製造装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置，極く少量の試料溶液を正確な量供給するマイクロピペットにも適用することができる。
そして、ディスプレー製造装置では、色材噴射ヘッドからＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を吐出する。また、電極製造装置では、電極材噴射ヘッドから液状の電極材料を吐出する。チップ製造装置では、生体有機物噴射ヘッドから生体有機物の溶液を吐出する。
【図面の簡単な説明】
【図１】記録ヘッドの構造を説明する断面図である。
【図２】流路ユニットの部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】流路ユニットを島部側から見た拡大図である。
【図４】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図５】圧力室空部及び供給溝部を説明する図である。
【図６】（ａ）は吐出端空部を説明する拡大図、（ｂ）は供給溝部を説明する拡大図である。
【図７】コンプライアンスの分布を説明する図である。
【図８】第２実施形態を説明する図である。
【図９】第３実施形態を説明する図である。
【図１０】従来技術を説明する図であり、（ａ）は圧力室空部及び供給溝部を説明する図、（ｂ）は流路ユニットの部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１１…記録ヘッド，１２…ケース，１３…流路ユニット，１４…振動子ユニット，１５…配線基板，１６…供給針ユニット，１７…収納空部，１８…圧電振動子，１９…振動子群，２０…固定板，２１…フレキシブルケーブル，２２…インク供給口，２３…圧力室，２４…ノズル開口，２５…圧力室空部，２６…供給溝部，２７…流路形成基板，２８…弾性板，２９…ノズルプレート，３１…リザーバ，３２…貯留空部，３３…吐出端空部，３４…島部，３５…薄肉弾性部，３６…中央圧力発生空部，３７…上げ底部，３８…隔壁部，３９…中洲部，４０…支持板，４１…弾性体膜，４２…薄肉封止部，４３…ダンパー部分，４６…インク供給針，４７…針ホルダ，４８…台座，４９…第１インク供給路，５０…フィルタ，５１…パッキン，５２…第２インク供給路，６１…吐出側絞り部，６２…供給側拡開部，６３…ストレート部，６４…厚肉部，７１…圧力室空部，７２…吐出端空部，７３…中央圧力発生空部，７４…供給溝部，７５…吐出側絞り部，７６…ストレート部，７７…供給側拡開部，７８…中洲部
【図１】
2004195719.tif 000003
【図２】
2004195719.tif 000004
【図３】
2004195719.tif 000005
【図４】
2004195719.tif 000006
【図５】
2004195719.tif 000007
【図６】
2004195719.tif 000008
【図７】
2004195719.tif 000009
【図８】
2004195719.tif 000010
【図９】
2004195719.tif 000011
【図１０】
2004195719.tif 000012