(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的にマトリクス配列された複数の圧力発生室がインク供給路を介して共通流路によって連結され、圧力発生手段によりインクが充填された前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせて該圧力発生室に連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドであって、
前記インクジェット記録ヘッドは、前記ノズルを形成するノズルプレートと、前記共通流路を形成する共通流路プレートと、前記インク供給路を形成する供給路プレートと、前記圧力発生室を形成する圧力発生室プレートと、を少なくとも含む複数のプレートにより積層構成され、
前記供給路プレートが前記共通流路のエアダンパを兼ね、
前記共通流路は、前記供給路プレートを介して配される前記圧力発生室プレートに設けられた前記複数の圧力発生室と重畳するように配置されているとともに、
前記共通流路は、前記圧力発生室プレートに設けられた隣り合う前記圧力発生室の間で幅が大きくなり、該圧力発生室と重畳する部分では幅が狭くなるくびれ形状を有していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
前記供給路プレートと前記圧力発生室プレートとの間に、前記共通流路に対応する部分に凹部を設けた連通路プレートを有するとともに、その通路プレートの凹部には外気と連通させるための連通路を設けることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたインクジェット記録ヘッドを搭載してなることを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルからインク滴を吐出して文字や画像の記録を行うインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力発生手段として圧電アクチュエータ等の電気機械変換機を用いて、インクが充填された圧力発生室内に圧力波（音響波）を発生させ、その圧力波によって圧力発生室に連結されたノズルからインク滴を吐出するドロップオンデマンド型のインクジェット記録ヘッドとして、例えば、特公昭５３−１２１３８号公報や特開平１０−１９３５８７号公報に開示されるものが一般に知られている。
【０００３】
図５は、従来のインクジェット記録ヘッドの概略構成を示す断面図である。
図５において、圧力発生室５１には、インクを吐出するためのノズル５２と、共通流路５３を介して不図示のインクタンクからインクを導くためのインク供給路５４が連結されている。また、圧力発生室５１の底面には振動板５５が設けられている。
【０００４】
インク滴吐出時には、圧力発生室５１の外部に設けられた圧電アクチュエータ５６によってこの振動板５５を変位させ、圧力発生室５１に体積変化を生じさせることにより、圧力発生室５１内に圧力波を発生させる。この圧力波によって、圧力発生室５１内に充填されていたインクの一部がノズル５２を通って外部に噴射され、インク滴５７となって飛翔する。飛翔したインク滴５７は、記録紙等の記録媒体上に着弾し、記録ドットを形成する。こうした記録ドットの形成を画像データに基づいて繰り返し行うことにより、記録媒体上に文字や画像が記録される。
【０００５】
上述するような従来のインクジェット記録ヘッドにおいて、記録速度を大きく左右するパラメーターはノズル数である。ノズル数が多いほど、単位時間当たりに形成できるドット数が増加するので記録速度が向上する。そのため、通常のインクジェット記録装置では、上記のようなインク吐出機構（イジェクタ）を複数連結したマルチノズル型の記録ヘッドが多く用いられている。
【０００６】
図６は、従来のマルチノズル型のインクジェット記録ヘッドの概略構成を示す斜視図である。図６において、インクタンク６７は、共通流路６３と連結しており、この共通流路６３に複数の圧力発生室６１がインク供給路（図示せず）を介して連結されている。しかし、このように共通流路６３に対してイジェクタ６８を一次元的に配列する構造では、イジェクタの数は１００個程度が上限であり、あまり増加することはできない。
【０００７】
そこで、イジェクタを２次元的にマトリクス配列させることによってイジェクタ数を増加させたインクジェット記録ヘッド（以下、マトリクスヘッド）としては、例えば、特開平１−２０８１４６号公報や特表平１０−５０８８０８号公報などが開示されている。
【０００８】
図７は、従来のマトリクスヘッドを用いたインクジェット記録ヘッドの概略構成を示す斜視図である。共通流路は、共通流路本流７３と共通流路支流７８とにより構成され、イジェクタは各支流に接続されている。このようなマトリクスヘッド構造は、イジェクタ数の増加に非常に有利である。図７には、共通流路支流７８を６本、各支流毎にイジェクタ６個、計３６個を設ける構成が示されているが、例えば、共通流路支流７８の数を２６とし、各支流毎に１０個のイジェクタを接続することにより、２６０個のイジェクタを配列させることが可能である。
【０００９】
図８及び図９は、従来のマトリックスヘッドを用いたインクジェット記録ヘッドの概略構成を示す断面図である。例えば、このような構成は、特表平１０−５０８８０８号公報に開示されているものであり、流路Ａ８１が共通流路支流、流路Ｂ８８が共通流路本流に相当する。なお、図８において、流路プレート８９は、一体構造として図示されているが、実際には複数のプレートの積層によって構成される。
【００１０】
上述のように、イジェクタを２次元的に配列したマトリクスヘッドは、ノズル数の増加に有利であるが、実際のマトリクスヘッドにおいて安定な吐出を実現するためには、共通流路の設計を適切に行う必要がある。すなわち、マトリクスヘッドでは、図１０の等価電気回路で示すように、多数のイジェクタが共通流路の支流および本流によって連結されているため、イジェクタ間の圧力波干渉（クロストーク）や多イジェクタ同時吐出時のリフィル時間（インク滴を吐出した後にノズル内にインクを補給するための時間）の増加を抑制するためには、共通流路に大きな音響容量を確保する必要がある。なお、図１０において、ｍはイナータンス［ｋｇ／ｍ4 ］、ｒは音響抵抗［Ｎｓ／ｍ5 ］、ｃは音響容量［ｍ5 ／Ｎ］、φは圧力［Ｐａ］を表わし、添字のｄは駆動部、ｃは圧力発生室、ｉはインク供給路、ｎはノズル、ｐは共通流路支流、ｐ’は共通流路本流をそれぞれ示すものである。
【００１１】
本発明者らの調査によると、ｃp ＞１０ｃn の条件を満足するように共通流路の音響容量を設定すれば、クロストークやリフィル時間増加を抑制することが可能である。ここで、ｃp はイジェクタ１個当たりの共通流路支流の音響容量であり、ｃn はノズルの音響容量である。ノズル径をｄn ［ｍ］、インクの表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とすると、ｃn は下式により近似できる。
【００１２】
【数１】
0004075317.tif 000002
【００１３】
一般的なインクジェット記録ヘッドでは、ノズル径が約３０μｍ、インクの表面張力が３５ｍＮ／ｍ程度であるため、ｃn は１．５×１０-18 ｍ5 ／Ｎ程度の値となる。従って、共通流路の音響容量ｃp は、１．５×１０-17 ｍ5 ／Ｎ以上に設定する必要がある。しかし、こうした音響容量をマトリクスヘッドの共通流路に確保することは、決して容易ではない。
【００１４】
共通流路壁面の剛体が高い場合、音響容量ｃp は共通流路の容積をＷp ［ｍ3 ］、インクの弾性係数をκ［Ｐａ］とすると下式で表わされる。なお、Ｋは共通流路の壁面の剛性に依存する補正係数であり、通常は０．３〜０．７程度の数値をとる。
【００１５】
【数２】
0004075317.tif 000003
【００１６】
インクの弾性係数を２．２×１０9 Ｐａ、Ｋを０．５とすると、１．５×１０-17 ｍ5 ／Ｎ以上のｃp を得るためには、共通流路に９．９×１０-9ｍ3 以上の容積が必要となる。イジェクタの間隔（図７のＰｎ）を４００μｍ、共通流路の高さを１５０μｍとすると、共通流路に必要な幅は２６０ｍｍ以上となってしまう。つまり、壁面が剛体に近い共通流路では、共通流路の必要幅が非常に大きくなってしまい、イジェクタを高密度に配列することが不可能である。
【００１７】
そこで、共通流路壁の一部にエアダンパを付与し、音響容量を増加させることが必須となる（図５参照）。共通流路にエアダンパを付与することは、マトリクスヘッドとしては開示例がないが、図６に示すような、マルチノズル型インクジェット記録ヘッドとしては、例えば、特開昭５２−４９０３４号公報や特開平１０−２４５６８号公報などに開示されている。これを図８のような従来のマトリクスヘッドに適用すると、ノズルプレート８６を剛性の低い材料で形成してエアダンパとして機能させたり、図９に示すように薄肉部を有するエアダンパープレート９９を挿入する構造となる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８、９に示すような従来のインクジェット記録ヘッドの構造では、共通流路の幅を十分小さく設定することができず、結果的にイジェクタの配列密度を増加できないという問題点がある。以下、具体的な数値を挙げて説明する。
【００１９】
図８（ａ）に示した従来のヘッド構造では、ノズルプレート８６が共通流路（流路Ａ８１）のエアダンパを兼ねる。エアダンパの音響容量ｃd は、エアダンパ幅をｗd ［ｍ］、エアダンパ厚さをｔd ［ｍ］、エアダンパ長さをｌd ［ｍ］、エアダンパの弾性係数をＥd ［Ｐａ］、エアダンパのポアソン比をνd とすると次式で近似計算できる。
【００２０】
【数３】
0004075317.tif 000004
【００２１】
上式から分かるように、エアダンパの音響容量ｃd は、厚さの３乗に反比例するので、エアダンパの容量を増加するためにはエアダンパの厚さをできるだけ薄く設定することが望ましい。
【００２２】
しかし、図８（ａ）に示すヘッド構造では、ノズルプレート８６がエアダンパを兼ねているため、エアダンパの厚さの減少はノズル長さの減少を意味し、そのためエアダンパ厚の減少には限界が生じる。すなわち、ノズルの長さが小さくなるとインク滴の吐出方向が悪化したり、気泡の巻き込みが発生するなどの問題が生じるため、一般的には２０〜５０μｍ程度がノズル長さの下限となる。よって、エアダンパの厚さも２０〜５０μｍ程度が下限となり、１．５×１０-17 ｍ5 ／Ｎ以上の音響容量を確保するためには、エアダンパに剛性の低いポリイミドフィルム（Ｅd ＝２．０ＧＰａ）などを用いたとしても、共通流路に０．７〜１．５ｍｍ程度の幅が必要となる。従って、各支流間の間隔（ｐc ）は、１〜２ｍｍ程度と大きくなり、イジェクタの配列密度をあまり大きくすることができない。
【００２３】
なお、図８（ａ）に示すヘッド構造において、エアダンパ部の厚さだけを薄くなるように加工すれば、ノズル長さを減少せずにエアダンパに大きな音響容量を確保できるが、これは製造コストの大幅増加を招くという問題点がある。
【００２４】
また、ヘッド表面（ノズル面）に剛性の非常に低い部分が露出していると、ヘッド表面をワイピングした際などに流路内に大きな圧力変化を生じ、ノズルから気泡を巻き込んだり、ヘッド自体が破損してしまうといった弊害が生じやすいという問題点がある。
【００２５】
従って、図８（ａ）に示すようなヘッド構造でエアダンパ部の厚さだけを減少させることは現実的な対策とはならず、上述したように、支流幅を大幅に低減することは非常に困難であり、その結果、イジェクタの配列密度を大きくすることが困難である。
【００２６】
一方、図９に示すヘッド構造では、ヘッドを構成するプレート数が増加するため、ヘッドの製造コストが増加してしまうという問題点がある。
【００２７】
また、従来のようにエアダンパプレートをステンレス等の金属材料で形成する場合には、やはり共通流路にかなりの幅が必要になってしまう。例えば、エアダンパプレートを厚さ１５μｍのステンレス（Ｅd ＝１９７ＧＰａ）で形成した場合、１．５×１０-17 ｍ5 ／Ｎ以上の音響容量を確保するためには、共通流路に１．８ｍｍ程度の幅が必要になる。エアダンパプレートに樹脂フィルム等を用いることも可能であるが、その場合には、さらに積層プレート数が増加し、ヘッドの製造コストが増加してしまう。従って、図９のヘッド構造でも、イジェクタの配列密度が高いヘッドを低コストで製造することは非常に困難である。
【００２８】
また、従来のマトリクスヘッドが有する別の問題点として、インク供給路の精度を確保しにくいことが挙げられる。インクジェット記録ヘッドにおいて、インク供給路の特性（イナータンス、音響抵抗など）は、吐出特性（滴体積、滴速など）を支配する重要なパラメータであり、そのためインク供給路には高い寸法精度が要求される。
【００２９】
しかし、従来のマトリクスヘッドでは、図８（ａ）に示すように、複数のプレートの貼り合わせによってインク供給路を形成しているため、インク供給路の加工には、通常、金属板のエッチングなどが用いられるが、その場合、インク供給路の幅に±５〜１０μｍ程度のばらつきが発生してしまうという問題点がある。
【００３０】
また、プレートの積層接合を接着剤によって行う場合には、インク供給路内に接着剤がはみ出し、インク供給路の断面積が大きく変化してしまうという問題点がある。
【００３１】
このように、従来のマトリクスヘッドの構造では、インク供給路の形状に高い精度を確保することが困難であり、その結果、各イジェクタから吐出されるインク滴の体積や滴速にばらつきが生じ、出力画像の品質が悪化するという問題点がある。
【００３２】
さらに、従来のマトリクスヘッドにおいては、圧力発生室内の気泡排出性が悪いという問題点がある。上述したように、インクジェット記録ヘッドでは、圧力発生室内に発生させた圧力波によってインク滴の吐出を行うが、圧力発生室内に気泡が残存していると圧力発生効率が低下するため、インク滴の体積や滴速が減少し、残存気泡が大きい場合には滴吐出が不可能になってしまう。そこで、通常のインクジェット記録装置では、ノズルからインクを吸引することによって圧力発生室内の気泡除去を行っている。
【００３３】
しかし、マトリクスヘッドでは圧力発生室底面のアスペクト比が１に近く、断面積が大きい構造であるため、インク吸引時に圧力発生室内に大きな流速を得ることが難しい。特に、図８に示したような従来のマトリクスヘッドでは、圧力発生室の中央上部にノズルが配置されているため、圧力発生室内のインク流れに淀みが生じやすく、気泡排出が非常に困難であるという問題点があった。
【００３４】
本発明の第１の目的は、上記問題点を解消するために成されたものであり、イジェクタの配列密度の高いマトリクスヘッドを低い製造コストで実現するインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置を提供することにある。
【００３５】
また、本発明の第２の目的は、吐出特性のばらつきが小さく、高画質記録に適したインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置を提供することにある。
【００３６】
さらに、本発明の第３の目的は、気泡排出性が高く、信頼性に優れたインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置を提供することにある。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、２次元的にマトリクス配列された複数の圧力発生室がインク供給路を介して共通流路によって連結され、圧力発生手段によりインクが充填された圧力発生室内に圧力変化を生じさせて該圧力発生室に連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドであって、インクジェット記録ヘッドは、ノズルを形成するノズルプレートと、共通流路を形成する共通流路プレートと、インク供給路を形成する供給路プレートと、圧力発生室を形成する圧力発生室プレートと、を少なくとも含む複数のプレートにより積層構成され、供給路プレートが共通流路のエアダンパを兼ねることを特徴とする。
【００３８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、供給路プレートは、樹脂フィルムで構成されていることを特徴とする。
【００３９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、供給路プレートの厚さは、略３０μｍ以下であることを特徴とする。
【００４０】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、インク供給路は、供給路プレートに形成された孔であることを特徴とする。
【００４１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、インク供給路は、供給路プレートに対してレーザ加工により形成されることを特徴とする。
【００４２】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、インクジェット記録ヘッドは、供給路プレートと圧力発生室プレートとの間に、共通流路に対応する部分に凹部を設けた連通路プレートを有することを特徴とする。
【００４３】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、凹部は、共通流路の支流に対応した形状を有することを特徴とする。
【００４４】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の発明において、ノズルプレートは、共通流路のエアダンパを兼ねることを特徴とする。
【００４５】
請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の発明において、ノズルプレートは、樹脂フィルムで構成されていることを特徴とする。
【００４６】
請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の発明において、共通流路は、供給路プレートを介して配される圧力発生室プレートに設けられた複数の圧力発生室と重畳するように配置されていることを特徴とする。
【００４７】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の発明において、共通流路は、圧力発生室プレートに設けられた隣り合う圧力発生室の間で幅が大きくなり、該圧力発生室と重畳する部分では幅が狭くなるくびれ形状を有していることを特徴とする。
【００４８】
請求項１２記載の発明は、請求項１から１１のいずれか１項に記載の発明において、圧力発生室の側壁は、Ｒ形状を有していることを特徴とする。
【００４９】
請求項１３記載の発明は、請求項１から１２のいずれか１項に記載の発明において、圧力発生室は、圧力発生室プレートに対して両面エッチングにより形成されていることを特徴とする。
【００５０】
請求項１４記載の発明は、請求項１から１３のいずれか１項に記載の発明において、ノズルとインク供給路とは、圧力発生室の対角に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００５１】
請求項１５記載の発明は、請求項１から１４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを搭載してなることを特徴とする。
【００５２】
〈作用〉
本発明は、２次元的にマトリクス配列された複数の圧力発生室がインク供給路を介して共通流路によって連結され、圧力発生手段によって、インクが充填された圧力発生室内に圧力変化を生じさせることにより、この圧力発生室に連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドであり、当該インクジェット記録ヘッドが、ノズルプレートと、共通流路プレートと、供給路プレートと、圧力発生室プレートとを少なくとも含む複数のプレートの積層によって構成され、供給路プレートが共通流路のエアダンパを兼ねるものである。
【００５３】
すなわち、従来のインクジェット記録ヘッドでは、共通流路のエアダンパをノズルプレートや専用のエアダンパプレートによって形成していたのに対し、本発明のインクジェット記録ヘッドでは、供給路プレートによってエアダンパを形成する点に最大の特徴がある。これにより、少ない積層枚数でエアダンパに大きな音響容量を確保することができ、小型・低コストでイジェクタ数の多いマトリクスヘッドを実現することが可能となる。
【００５４】
また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、インク供給プレートに設けた孔によってインク供給路を形成するため、インク供給路に高い精度を確保することができ、各イジェクタの吐出特性を均一化することが可能となる。
【００５５】
さらに、本発明のインクジェット記録ヘッドでは、インク供給路とノズルを圧力発生室の対角に配置することが可能となるため、圧力発生室内の気泡排出性を向上することが可能となる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の実施形態であるインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置を詳細に説明する。図１から図４に、本発明に係るインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置の実施の形態を示す。
【００５７】
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドのプレート構成を示す斜視図である。図１において、本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路は、ノズルプレート１と、共通流路プレート２と、供給路プレート３と、連通路プレート４と、圧力発生室プレート５と、振動板６と、による計６枚のプレートを接着剤によって積層接合することにより形成されている。
【００５８】
共通流路は、１本の共通流路本流７と５本の共通流路支流８によって構成されている。共通流路本流７は、インク供給孔９を介してインクタンク（図示せず）と連結されており、各共通流路支流８にインクを供給する役割をしている。各共通流路支流８には、それぞれ５個の圧力発生室１２が連結されている。すなわち、本発明の第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドは、２５個のイジェクタを有するものであるが、例えば、共通流路支流８を２６本、各共通流路に連結される圧力発生室１２を１０個とした場合には、２６０個のイジェクタを有するものであり、特にその数量を限定するものではない。
【００５９】
図２は、本発明の第１の実施形態におけるイジェクタの構成を示す断面図である。図２（ａ）において、圧力発生室１２は、インク供給孔１１を介して共通流路支流８に連結されており、圧力発生室１２内にインクが充填される。圧力発生室１２には、インク滴を吐出するためのノズル１０が連結されている。また、圧力発生室１２の底面には振動板６が形成されており、振動板６には圧力発生手段としての圧電アクチュエータ（圧電振動子）１４が取り付けられている。この圧電アクチュエータ１４は、駆動電圧波形が印加されると撓み変形し、圧力発生室１２を膨張または圧縮させる。圧力発生室１２に体積変化が生じると、当該圧力発生室１２内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってノズル部のインクが運動し、ノズル１０から外部へ排出されることによりインク滴が飛翔する。
【００６０】
本発明の第１の実施形態では、ノズルプレート１に厚さ６０μｍのステンレス板を用い、プレス加工によって開口径２５μｍのノズル１０を形成した。
【００６１】
供給路プレート３には、厚さ１２．５μｍのポリイミドフィルムを用い（Ｅd ＝２．０ＧＰａ、νd ＝０．４）、エキシマレーザ加工によりインク供給路として機能する開口径２６μｍのインク供給孔１１を形成した。この供給路プレート３は、後述するように、共通流路支流８のエアダンパとして機能する。なお、エアダンパに大きな容量を確保するために、供給路プレート３の厚さは３０μｍ以下とすることが望ましい。
【００６２】
共通流路プレート２、連通路プレート４及び圧力発生室プレート５には、厚さ１５０μｍのステンレス板を用い、エッチングによって流路パターンを形成した。
【００６３】
圧力発生室１２は、一辺の長さが３００μｍで、縦横比が１に近い四角形とし、気泡排出性を良くするために、角部（隅部）にはＲを付与した（Ｒ加工を施した）。
【００６４】
連通路プレート４には、共通流路部に対応した部分にハーフエッチングによって凹部１３を形成した。この凹部１３は、供給路プレート３と連通路プレート４とを積層した際に両者の間に空洞部を形成するためのもので、当該凹部１３により供給路プレート３がエアダンパとして機能できるようになる。
【００６５】
なお、連通路プレート４に凹部１３を設けずに、図２（ｂ）に示すように、別にプレート１６を設けて貼り合わせることにより同様の構造を得ることも可能である。しかし、本発明の第１の実施形態のように連通路プレート４をハーフエッチングして凹部１３を形成した場合、ヘッドを構成するプレート数を削減できるので、ヘッドの製造コスト低減に有利となる。また、図１では図示していないが、凹部１３には外気と連通させるための連通路１５が設けられている。これにより、凹部１３によって形成される空洞内の空気は常に外気と同一圧力となるため、エアダンパ機能を向上できると共に、ヘッド製造時におけるプレート積層接合を容易とすることができる（密閉空間がなくなるため）。
【００６６】
共通流路支流８は、図２に示すように、圧力発生室１２と重なり合うように配置されている。このように、共通流路支流８を圧力発生室１２と重なり合うように配置すると、共通流路と圧力発生室を同一平面内に配置した場合に比べ、共通流路の幅を大きく設定しやすくなり、ヘッドの小型化（イジェクタの高密度配列）に有利となる。
【００６７】
図３は、本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの断面図であり、図３（ａ）には、図２のＡ−Ａ間での断面図が示され、図３（ｂ）には、図２のＢ−Ｂ間での断面図が示されている。図３（ａ）に示すように、共通流路支流８の幅は、隣り合う圧力発生室の間で幅が最大（Ｗ1 ）となり、各圧力発生室と重なり合う部分で幅が最小（Ｗ2 ）となるようなくびれ形状をしている。共通流路支流８をこのようなくびれ形状にすると、共通流路の音響容量を最大化できるため、ヘッドの小型化（イジェクタの高密度配列）に有利となる。なお、連通路プレート４に形成した凹部１３の形状も、図３（ｂ）に示すように、共通流路支流８の形状に対応したくびれ形状となっている。
【００６８】
本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドでは、共通流路支流８の最大幅（Ｗ1 ）を４２０μｍ、最小幅（Ｗ2 ）を１８０μｍ、イジェクタ間の長さＰｎを４００μｍに設定している。共通流路の底面は、剛性の低い供給路プレート３で構成されており、この部分がエアダンパとして機能する。上述の（３）式から、１イジェクタ当たりの共通流路（エアダンパ）の音響容量ｃp （≒ｃd ）は１．９×１０-17 ｍ5 ／Ｎとなる。ノズルの音響容量ｃn は７．３×１０-19 ｍ5 ／Ｎ（ｄn ＝２５μｍ、σ＝３５ｍＮ／ｍ）であるため、ｃp はｃn の２６倍となり、共通流路には十分な音響容量が確保できている。なお、本発明の第１の実施形態では、ノズルプレート１を厚さ６０μｍのステンレス（Ｅd ＝１９７ＧＰａ）としているため、エアダンパとしてはほとんど機能しない（音響容量は１．７×１０-21 ｍ5 ／Ｎ）。
【００６９】
振動板６には、厚さ１０μｍのステンレス板を用いた。また、圧電アクチュエータ１４には厚さ３０μｍの単板状圧電セラミクスを用いた。
【００７０】
本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドを、吐出周波数および同時吐出イジェクタ数を変化させながら、滴体積、滴速、およびリフィル時間を調べた結果、滴体積および滴速は±２％、リフィル時間は±２μｓ以内の範囲で一致し、クロストークやリフィル時間増加が良好に抑制できることが確認された。
【００７１】
以上のように、本発明の第１の実施形態では、供給路プレート３を剛性の低い樹脂材料とし、これを共通流路のエアダンパとして機能させることにより、最大幅４２０μｍの狭い共通流路で必要十分な音響容量を確保することが可能である。また、共通流路を圧力発生室と重なり合うように配置し、かつ、共通流路をくびれ形状としたことにより、各支流間の距離（Ｐc ）を６５０μｍと小さく設定することができた。その結果、４×１７ｍｍ2 という小さな面積の中に２６０個のイジェクタを配列することができた。これは、図８、９に示した従来のマルチノズルヘッドと比較すると、１．５〜３倍のイジェクタ密度となる。
【００７２】
また、本発明の第１の実施形態では、インク供給孔をポリイミドフィルムに対するエキシマレーザ加工によって行っているため、インク供給路の精度を確保しやすい。すなわち、レーザ加工されたインク供給孔には±０．５〜１μｍの精度を確保することが十分可能である。また、プレートの積層に接着剤を用いても、はみ出した接着剤に十分な逃げ場（図２のＣ部）が確保できるため、接着剤によってインク供給孔の断面積が変化することがない。本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドで、全イジェクタの滴体積および滴速のばらつきを調査した結果、それぞれ±３％以下であることが確認された。図８、９に示した従来のヘッド構造では、±１０〜２０％の滴体積・滴速ばらつきが発生していたことと比較すると、本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドは、各イジェクタの吐出特性を均一化するのに極めて有利であると言える。
【００７３】
また、本発明の第１の実施形態では、図２に示すように、インク供給孔１１とノズル１０を圧力発生室１２の対角に配置している。これにより、インク吸引時における圧力発生室１２内のインク流れが一方向となり、圧力発生室１２内で淀みが発生しなくなるため、気泡排出性を格段に向上することができる。実際のインク充填評価においても、２００ｍｍＨｇの吸引圧力で５秒間インク吸引することによって、全ての圧力発生室から気泡を排出することができた。
【００７４】
一方、図８に示した従来ヘッド構造では、２００ｍｍＨｇの吸引圧力では吸引時間を長くしても残存気泡を排除し切れず、３５０ｍｍＨｇで約３分間吸引することによって初めて全ての気泡を排出することができた。このように、本発明のインクジェット記録ヘッドは、インク供給路とノズルを圧力発生室の対角に配置することが容易であるため、高い気泡排出性の確保が可能となる。
【００７５】
〈第２の実施形態〉
図４は、本発明の第２の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの概略構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの基本構造は、上述の本発明の第１の実施形態と略同様であるが、ノズルプレート１に剛性の低い樹脂フィルムを用いている点、インク流路の側壁をＲ形状にしている点が異なっている。
【００７６】
本発明の第２の実施形態において、ノズルプレート１に剛性の低い材料を適用すると、ノズルプレート１も共通流路のエアダンパとして機能させることができる。そのため、共通流路支流８の上面および底面の両方にエアダンパが付与されることになり、共通流路の音響容量を一層確保しやすくなる。本発明の第２の実施形態では、ノズルプレートに厚さ２０μｍのポリイミドを用いており、ノズルはエキシマレーザ加工によって形成した。
【００７７】
本発明の第２の実施形態では、共通流路の最大幅（Ｗ1 ）を４００μｍ、最小幅（Ｗ2 ）を１８０μｍに設定した。そのため、底面のエアダンパ（供給路プレート）により１．７×１０-17 ｍ5 ／Ｎ、上面のエアダンパ（ノズルプレート１）により２．０×１０-18 ｍ5 ／Ｎの音響容量が得られ、合計１．９×１０-17 ｍ5 ／Ｎの音響容量が確保できている。すなわち、本発明の第１の実施形態よりも２０μｍ小さい幅で同等の音響容量を確保できている。
【００７８】
共通流路の幅を減少できたことにより、本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、各支流間の距離を６４０μｍに減少することができ、イジェクタの配列密度を第１実施例より更に約３％増加することが可能となった。
【００７９】
本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドを、吐出周波数および同時吐出イジェクタ数を変化させながら、滴体積、滴速、およびリフィル時間を調べた結果、第１実施例の場合と同様、滴体積および滴速のばらつきは±２％以下、リフィル時間のばらつきは±２μｓ以下であることが確認され、共通流路に十分な音響容量が確保されていることが確かめられた。
【００８０】
また、本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、圧力発生室プレート５、共通流路プレート２、および連通路プレート４を両面エッチングによって加工することにより、図４に示すように、流路側壁形状を意図的にＲ形状としている。このように流路側壁をＲ形状とすることにより、流路内の流れを一層スムーズにすることができ、気泡排出性を更に向上させることができる。実際のインク充填評価においても、１５０ｍｍＨｇの吸引圧力で５秒間インク吸引することによって、全ての圧力発生室から気泡を排出することができ、気泡排出性が高いことが確認できた。
【００８１】
なお、本発明は、上述される各実施形態の構成に限定されるものでなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。例えば、圧力発生手段として圧電アクチュエータを用いているが、静電力や磁力を利用した電気機械変換素子や沸騰現象を利用して圧力を発生させるための電気熱変換素子などの他の圧力発生手段を用いても構わない。また、圧電アクチュエータとしても、上述する各実施形態で使用した単板型の圧電アクチュエータの他にも、縦振動タイプの積層型圧電アクチュエータや別の形態のアクチュエータを用いても構わない。
【００８２】
また、上述する各実施形態では、共通流路や圧力発生室をステンレス板によって形成しているが、セラミックスやガラスなどの他の材料を用いることも可能である。
【００８３】
また、上述する各実施形態では、圧力発生室の形状を四角形としているが、円形や六角形など、他の形状でも構わない。
【００８４】
また、上述する各実施形態では、共通流路支流がヘッドの走査方向と垂直となり、共通流路本流がヘッド走査方向と平行になるように共通流路を配したが、共通流路の配置はこうした形態に限られるものではない。例えば、共通流路本流がヘッド走査方向と垂直になり、共通流路支流がヘッド走査方向と平行になるように共通流路を配しても構わない。また、上記実施形態では、１本の本流に複数の支流が全て連結させているが、共通流路本流や共通流路支流を複数に分割したような流路構成にしても、本発明は同様に適用することが可能である。
【００８５】
さらに、上述される実施形態では、記録紙上に着色インクを吐出して文字や画像などの記録を行うインクジェット記録装置を例にとったが、本明細書におけるインクジェット記録とは、記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体も着色インクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出してディスプレイ用のカラーフィルタを作製したり、溶融状態のハンダを基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業的に用いられる液滴噴射装置一般に対して、本発明を適用することも可能である。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、イジェクタの配列密度が高いマトリクスヘッドを実現することができ、高速記録対応のインクジェット記録装置を小型・低コストで実現することが可能となる。
【００８７】
また、本発明によれば、インク供給路に高い寸法精度を確保することができ、吐出特性の均一性に優れたマトリクスヘッドを実現することが可能となる。
【００８８】
さらに、本発明によれば、高い気泡排出性を得ることができるため、信頼性の高いマトリクスヘッドを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドのプレート構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ間、Ｂ−Ｂ間の切断面を示す平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの構成を示す断面図である。
【図５】従来のインクジェット記録ヘッドの基本構造を示す断面図である。
【図６】マルチノズル型のインクジェット記録ヘッドの基本構造を示す図である。
【図７】マトリクス配列型のインクジェット記録ヘッドの基本構造を示す図である。
【図８】従来のマトリクスヘッドの基本構造を示す第１の図である。
【図９】従来のマトリクスヘッドの基本構造を示す第２の図である。
【図１０】マトリクスヘッドの等価電気回路を示す図である。
【符号の説明】
１  ノズルプレート
２  共通流路プレート
３  供給路プレート
４  連通路プレート
５  圧力発生室プレート
６  振動板
７  共通流路本流
８  共通流路支流
９  インク供給孔
１０  ノズル
１１  インク供給孔
１２  圧力発生室
１３  凹部
【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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【図９】
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【図１０】
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