JP2005297557A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子に付与される駆動パルスの周波数やヘッドを使用する温度環境が様々であっても安定した吐出を実現する。
【解決手段】 インク室と圧力室との間に配置された絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比を０．４８〜１．２６、より好ましくは０．８〜１．０にする。
【選択図】 図９

Description

本発明は、記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェットヘッドに関し、より詳細には、インク室と圧力室との間に圧力室よりも流路の狭い絞り部が形成されており、圧電方式により圧力室内のインクに圧力を付与してノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに関する。

インクジェットプリンタ等に用いられるインクジェットヘッドとしては、インクを収容するインク室、インク室からインクが供給される圧力室、圧力室に連通するノズルなどが形成されており、圧力室内のインクに圧力を付与してノズルからインクを吐出させるものがある。かかるヘッドにおいて、圧力室上に圧電素子を配置し、駆動パルスを印加することで圧電素子を変形させ、これにより圧力室の容積を変化させて、圧力室内のインクに圧力を付与するという技術が知られている。

近年、高速且つ高画質の印刷が求められており、これを実現するための様々な技術が提案されてきている。例えば上記構成のインクジェットヘッドにおいて、インク流路全体の流路抵抗とインク室―圧力室間に形成された絞り部の流路抵抗とに着目し、これら流路抵抗の比を所定範囲にすることで、高速印刷を行う場合にも吐出安定性を損なわないようにするという技術がある（特許文献１参照）。
特開２００３−１９７９６号公報

しかし今日、印刷の高速化及び高画質化がさらに進んできており、さらなる高速化及び高画質化に対応できるインクジェットヘッドの開発が望まれている。上記構成のインクジェットヘッドにでは、特に、圧電素子に付与される駆動パルスの周波数やヘッドを使用する温度環境が様々であっても、安定した吐出を実現可能であることが求められている。

本発明の目的は、圧電素子に付与される駆動パルスの周波数やヘッドを使用する温度環境が様々であっても安定した吐出を実現可能なインクジェットヘッドを提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明者は、種々の条件において実験を行った上で、絞り部及びノズルの構成が吐出安定性に大きく関わり、絞り部の流路抵抗とノズルの流路抵抗との比を所定範囲にすることで上記目的を達成できることを確認した。

本発明のインクジェットヘッドは、インクを収容するインク室と、前記インク室からインクが供給される圧力室と、前記圧力室上に配置されており、駆動パルスの印加により前記圧力室内のインクに圧力変動を与える圧力付与手段と、前記インク室と前記圧力室との間に配置されており、前記圧力室よりも流路の狭い絞り部と、前記圧力室に連通しており、前記圧力室の容積変化に伴ってインクを吐出するノズルと、を備え、前記絞り部の流路抵抗Ｒａと前記ノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂが０．４８〜１．２６である。

上記構成によると、絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比が上記所定範囲にあることで、圧電素子に付与される駆動パルスの周波数やヘッドを使用する温度環境が様々であっても安定した吐出を実現することができる。

また、本発明のインクジェットヘッドでは、前記圧力付与手段が、前記駆動パルスの印加により変形して前記圧力室の容積を変化させる圧電素子であることが好ましい。

上記構成によると、圧力室の容積変化によりインクに圧力変動を与えることができるので、圧力変動を所望のタイミングで正確に付与することができる。

また、本発明のインクジェットヘッドでは、前記圧電素子が、前記駆動パルスの印加時に前記圧力室の容積を増大させるように変形し、前記駆動パルスの印加終了時に前記圧力室の容積を元に戻すように変形することが好ましい。

上記構成によると、駆動パルスの印加時間を適宜設定し、圧力室の容積の増大により発生した負の圧力波が正の圧力波に反転反射するタイミングで圧力室の容積を減少させることで、負の圧力波から反転反射した正の圧力波と圧力室の容積を減少させることで生じた正の圧力波を重畳させ圧力室内のインクに強い圧力を与えることができる。

また、本発明のインクジェットヘッドでは、前記絞り部の流路抵抗Ｒａと前記ノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂが０．８〜１．０であることが好ましい。

上記構成によると、設計誤差が生じたり使用設定温度外になったり、その他様々な不都合が生じても、吐出安定性を良好に保持することができる。

また、本発明のインクジェットヘッドでは、前記駆動パルスの周波数が５〜９６ｋＨｚであることが好ましい。

これは、特に駆動パルスの周波数が５〜９６ｋＨｚの範囲において、絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比を上記所定範囲にすることで、本発明による効果を確実に得られることからである。

また、本発明のインクジェットヘッドでは、前記絞り部が、ハーフエッチングにより形成されていることが好ましい。

上記構成によると、所定の流路抵抗Ｒａを有する絞り部を安価で効率よく形成することができる。

また、本発明のインクジェットヘッドは、複数の板状材料を積層することにより構成されており、 前記インク室、前記圧力室、前記絞り部、及び前記ノズルが前記複数の板状材料のいずれかに形成されていることが好ましい。

上記構成によると、インク室、圧力室、ノズル、絞り部を容易に形成でき、特に所定の流路抵抗Ｒａ，Ｒｂを有する絞り部及びノズルを安価で効率よく形成することができる。

さらに、本発明のインクジェットヘッドでは、前記絞り部が、前記圧力室が形成されたのと同じ板状材料に、ハーフエッチングにより形成されていることが好ましい。

上記構成によると、所定の流路抵抗Ｒａを有する絞り部をより安価で効率よく形成することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

先ず、図１を参照し、本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの全体構成について説明する。本実施形態のインクジェットヘッド１０１は、搬送されてきた用紙（記録媒体）にインクを吐出して記録を行うインクジェットプリンタに用いられるものであって、流路ユニット１上にアクチュエータユニット２を接着し、さらにアクチュエータユニット２上にフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）４０を接合して構成されている。ＦＰＣ４０は、インクジェットヘッド１０１の全般的な制御を行うコントローラ（図示せず）と接続されており、コントローラから出力された駆動信号をアクチュエータユニット２に伝達する。

ここで、図２及び図３を参照しつつ、流路ユニット１について詳細に説明する。

流路ユニット１は、キャビティプレート３、ベースプレート４、マニホールドプレート６・７、及びノズルプレート９の合計５枚の板状材料を積層することにより構成されている。各プレート３、４、６、７、９は、略矩形状を有する厚さ５０μｍ〜１５０μｍの４２％ニッケル合金鋼板からなり、プレス加工又はエッチング加工により形成された多数の開口又は凹部を有し、これら開口又は凹部が連通するよう各平面領域に塗布された接着剤により相互に接合されている。

キャビティプレート３には、その長手方向に沿った中心線を挟んで両側に２列に、多数の圧力室１１が互いに離隔しつつ穿設されている。各圧力室１１は、プレス加工によりキャビティプレート３の板厚方向に貫通するよう形成されており、平面視略矩形状で、その長手方向がキャビティプレート３の短手方向に平行になるよう配置されている。キャビティプレート３の長手方向に沿った中心線の両側にこれと平行な基準線３ｘ，３ｙ（図３参照）を設定すると、前記中心線より左側の列に含まれる圧力室１１の長手方向一端は前記中心線より右側の基準線３ｙに沿って配置され、前記中心線より右側の列に含まれる圧力室１１の長手方向一端は前記中心線より左側の基準線３ｘに沿って配置されており、且つ、各列に含まれる圧力室１１の長手方向中心線が交互になるよう配置されている。つまり圧力室１１は、千鳥状に配置されている。

図３に示すように、各圧力室１１におけるキャビティプレート３中央側の一端１１ａは、ベースプレート４及びマニホールドプレート６・７にそれぞれ千鳥状に穿設された微小径の孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して、ノズルプレート９に同じく千鳥状に穿設されたノズル１０に連通している。一方、各圧力室１１の他端は、キャビティプレート３の下面側にのみ開口するようにハーフエッチングにより凹み形成された絞り部１１ｂ及び凹部１１ｃ、並びに、ベースプレート４に穿設された孔１３を介して、マニホールドプレート６・７に形成されたマニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂに連通している。

絞り部１１ｂは、図３に示すように、圧力室１１の幅より小さい幅を有し、圧力室１１よりも流路が狭くなるよう形成されている。また後に詳述するが、絞り部１１ｂの流路抵抗Ｒａとノズル１０の流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂは０．４８〜１．２６、好ましくは０．６３〜１．０５、より好ましくは０．８〜１．０である。ここで、絞り部１１ｂが上述のようにハーフエッチングにより形成されていることで、上記所定の流路抵抗Ｒａを有する絞り部１１ｂを安価で効率よく形成することができるようになっている。

図２に示すように、キャビティプレート３の長手方向一端近傍には、平面視においてキャビティプレート３の短手方向に細長い楕円形状の凹部１７が形成されている。そして凹部１７の底部に、キャビティプレート３の短手方向に並んだ２つのインク供給孔１５ａ，１５ｂが穿設されている。各インク供給孔１５ａ，１５ｂの上面には、インクタンク（図示せず）から供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ（図示せず）が張設されている。

ベースプレート４には、その長手方向に沿った中心線を挟んで両側に２列に、多数の孔１２ａが穿設されている。孔１２ａは、上記圧力室１１と同様に、千鳥状に配置されている。ベースプレート４の短手方向両端近傍にはそれぞれ、長手方向に沿って１列に、多数の孔１３が穿設されている。ベースプレート４において、キャビティプレート３のインク供給孔１５ａ，１５ｂと対応する位置には、インク供給孔１５ａ，１５ｂより一回り大きな２つのインク供給孔１６ａ，１６ｂが穿設されている。

マニホールドプレート６には、その長手方向に沿った中心線を挟んで両側に２列に、上記ベースプレート４に形成された孔１２ａと対応する多数の孔１２ｂが穿設されている。また、マニホールドプレート６の短手方向両側近傍にはそれぞれ、マニホールド６ａ，６ｂが長手方向に沿って延在するように穿設されている。

マニホールドプレート７は、上記マニホールドプレート６に形成された孔１２ｂと同様の孔１２ｃ、及び、上記マニホールドプレート６に形成されたマニホールド６ａ，６ｂと同様の位置及び平面形状で且つマニホールドプレート７の上面側にのみ開口するようにハーフエッチングにより凹み形成されたマニホールド７ａ，７ｂを有する。

マニホールド６ａ・７ａの一端は平面視でベースプレート４のインク供給孔１６ａに重なる位置に配置され、同様に、マニホールド６ｂ・７ｂの一端は平面視でベースプレート４のインク供給孔１６ｂに重なる位置に配置されている。また、マニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂは、ベースプレート４に形成された２列の孔１３の各列に対応する領域を含むように延在している。そしてマニホールドプレート６・７が上下に重ねられて接合されることにより、２つのインク室としてのマニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂが構成されている（図４参照）。

ノズルプレート９には、図２に示すように、マニホールドプレート７に形成された各孔１２ｃに対応する位置に、ノズル１０が穿設されている。ノズル１０は、例えばポリイミド等の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより、インクが吐出される吐出方向に向かって徐々に小径となるテーパ状に形成されている（図７参照）。

インクタンク（図示せず）からキャビティプレート３のインク供給孔１５ａ，１５ｂに供給されたインクは、ベースプレート４に形成されたインク供給孔１６ａ，１６ｂを介して、左右両マニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂ内に流入する。マニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂ内に流入したインクは、ベースプレート４に形成された孔１３、各圧力室１１の他端に形成された凹部１１ｃ及び絞り部１１ｂ（共に図３及び図４参照）を介して、各圧力室１１内に分配される。そして各圧力室１１内のインクは、その一端１１ａから、ベースプレート４及びマニホールドプレート６・７にそれぞれ穿設された孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して、ノズルプレート１０に形成されたノズル１０に至る。

本実施形態では、流路ユニット１が５枚のプレート３、４、６、７、９を積層することにより構成されており、且つ、マニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂがマニホールドプレート６，７に、圧力室１１及び絞り部１１ｂがキャビティプレート３に、そしてノズル１０がノズルプレート９に、それぞれ形成されている。このような構成により、マニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂ、圧力室１１、ノズル１０、絞り部１１ｂを容易に形成でき、特に所定の流路抵抗Ｒａ，Ｒｂを有する絞り部１１ｂ及びノズル１０を安価で効率よく形成することができるようになっている。

特に本実施形態においては、絞り部１１ｂが、圧力室１１が形成されたのと同じプレート３に、ハーフエッチングにより形成されている。これにより、所定の流路抵抗Ｒａを有する絞り部１１ｂをより安価で効率よく形成することができるようになっている。

次に、図４を参照しつつ、アクチュエータユニット２について詳細に説明する。

アクチュエータユニット２は、表面に個別電極２８が形成された２枚の圧電シート２１，２３と、表面に共通電極２９が形成された２枚の圧電シート２２，２４とを１枚ずつ交互に積層し、さらにその上に、表面電極２６，２７（図１参照）が形成された圧電シート２５を積層することにより、構成されている。これら計５枚の圧電シート２１〜２５は、圧電素子を構成するもので、共に強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、平面視で流路ユニット１よりも一回り小さい略矩形状を有する（図１参照）。

表面電極２６は、図１に示すように、圧電シート２５の短手方向両端近傍に、長手方向に沿って一列に、多数形成されている。表面電極２７は、表面電極２６の各列のさらに長手方向両端側に、１つずつ形成されている。

個別電極２８は、図４には図１の手前側の列の表面電極２６に対応するもののみが描かれているが、上記表面電極２６と同様に、圧電シート２１，２３の短手方向両端近傍に、長手方向（図４では紙面垂直方向）に沿って一列に、多数形成されている。より詳細には、個別電極２８は、各圧力室１１に対向するよう、圧電シート２１，２３の短手方向中央近傍にまで延在している（図４参照）。

共通電極２９は、全ての圧力室１１に対向する領域を含むように、圧電シート２２，２４表面のほぼ全面に形成されている。

図４に示すように、２枚の圧電シート２１，２３の表面において上下に対向する２つの個別電極２８は、最下層以外の圧電シート２２，２３，２４，２５に形成されたスルーホール３０を介して、圧電シート２５上のそれぞれ対応する表面電極２６と電気的に接続されている。また、２枚の圧電シート２２，２４の表面において上下に対向する２つの共通電極２９は、上から三層の圧電シート２３，２４，２５に形成されたスルーホール（図示せず）を介して、圧電シート２５上の表面電極２７（図１参照）と電気的に接続されている。

各表面電極２６，２７は、ＦＰＣ４０を介してコントローラ（図示せず）と接続され、表面電極２６はそれぞれ独立して電位制御されるのに対し、表面電極２７は常にグランド電位に保持される。これにより、表面電極２６と接続されている個別電極２８はそれぞれ独立して電位制御され、表面電極２７と接続されている共通電極２９は常にグランド電位に保持されるようになっている。

圧電シート２１〜２５は厚み方向に分極処理されており、最下層及び最上層の圧電シート２１，２５を除く３枚の圧電シート２２，２３，２４における個別電極２８と共通電極２９とで挟まれた部分が活性部として働く。この場合、個別電極２８を共通電極２９と異なる電位にすることにより圧電シート２２，２３，２４の活性部に対して分極方向に電界を印加すると、活性部は厚み方向に伸長又は収縮し、また圧電横効果により面方向に収縮又は伸長する。一方、最下層及び最上層の圧電シート２１，２５は、個別電極２８と共通電極２９とで挟まれた部分をもたない非活性層で、自発的に変形することができない。

本実施形態では、アクチュエータユニット２に対して図５（ａ）に示すような矩形状の波形を有する駆動パルスを印加するものとする。

図５（ａ）に示す駆動パルスにおいて、時間（ｉ），（ｉｉｉ）の範囲では電圧０、時間（ｉｉ）の範囲では電圧Ｅ１となる。そしてこの（ｉｉ）の時間Ｔ１が、当該駆動パルスのパルス幅であり、Ｔ１＝Ｔ０（Ｔ０：圧力室１１の長手方向に沿って圧力波が片道伝播する時間）である。

ここで、駆動パルスの印加によるアクチュエータユニット２の状態変化について説明する。

先ず、駆動パルスを印加する前（図５（ａ）の時間（ｉ））、全ての個別電極２８が共通電極２９と同じくグランド電位に保持されている。このとき、圧電シート２１〜２５は全領域において図４に示すようにほぼ平坦であって、各ノズル１０先端からはインクのメニスカスが突出したりインクが吐出されたりしていない。

その後適切なタイミングで、インク吐出動作を行うべき圧力室１１に対応する個別電極２８に駆動パルスを印加する（図５（ａ）の時間（ｉｉ））。このとき当該個別電極２８は電圧Ｅ１となり、これに対応する圧電シート２１〜２５各部分が全体として圧力室１１と反対側（即ち上方に）に凸になるように変形する。これにより、その下側にある圧力室１１の容積は上記時間（ｉ）のときよりも増大し、圧力室１１内にマニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂ側に進行する負の圧力波が生じると共に、マニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂ側から圧力室１１内にインクが吸い込まれる。

駆動パルスの印加は時間Ｔ１の間維持され、その後個別電極２８は再び電位０に戻る（図５（ａ）の時間（ｉｉｉ））。このとき時間（ｉ）と同様に、全ての個別電極２８が共通電極２９と同じくグランド電位に保持され、圧電シート２１〜２５は全領域においてほぼ平坦になる。

駆動パルスの印加終了時（図５における時間（ｉｉ）から（ｉｉｉ）の境界の時点）には、圧力室１１の容積が増大した状態から元の状態へと急変するため、圧力室１１内にノズル１０側に進行する正の圧力波が生じる。この正の圧力波は、先に駆動パルスの印加によって発生した負の圧力波が流路ユニット１内のインク流路端部（本実施形態では図４に示す絞り部１１ｂの圧力室１１側端部）で反転反射して正の圧力波となったものと重なる。このように圧力波が重畳されることにより圧力室１１内のインクに強い圧力が与えられ、インクは圧力室１１の一端１１ａから孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃを通り、ノズル１０先端から吐出される。

なお、図５（ａ）に示す駆動パルスは１つのインク滴に対応するものであって、インクジェットヘッド１０１は、当該駆動パルスの印加により１つのドットに対して１つのインク滴を吐出する他、階調印字を行うため、１つのドットに対して複数（例えば、２〜４）のインク滴を吐出することが可能である。図５（ｂ）は１つのドットに対して４つのインク滴を吐出する場合を示し、４つの駆動パルスがアクチュエータユニット２に連続して印加される。

[実施例]
本発明に係るインクジェットヘッドの効果について検討するため、流路ユニット１内のインク流路の構成、アクチュエータユニット２に付与する駆動パルスの周波数、ヘッドを使用する温度環境など、様々なパラメータを変化させて実験を行った。

温度環境については５〜４５℃とし、５℃ずつ変化させた。表１に、各温度条件におけるインクの粘度μを示す。

圧力室１１については、幅ｂ・高さｈ（図６参照）をそれぞれ２５０μｍ・４０μｍと統一し、流路長ｌを１４６０μｍ、１９６０μｍ、２４６０μｍと変化させて、それぞれをタイプ（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）とした。表２に、圧力室の各タイプ（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）における流路抵抗Ｒを示す。

流路抵抗Ｒは、下記式（１）（２）から算出した（ここで、ΔＰ：圧力損失、Ｑ：流量、ｒ：等価半径）。式（２）はいわゆる“ポアズイユの法則”によるものである。なお、表２には一例として温度２０℃のとき（即ち、インクの粘度μ＝３．２ｃｐｓのとき。表１参照）の流路抵抗Ｒが示されており、以下に示す表３、表４、表５においてもこれと同様である。

圧力室１１からノズル１０（図４参照）に至る手前までのインク流路、即ち各プレート４，６，７の孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃによって形成されるインク流路（圧力室―ノズル間連絡通路）については、プレート厚を変化させることで、流路長ｌを変化させた。表３に、圧力室―ノズル間連絡通路の各タイプ（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）における流路抵抗Ｒを示す。

ノズル１０については、図７に示すように、テーパ角度θ・流路長ｌ（プレート９の厚み）をそれぞれ８°・７５μｍと統一し、吐出口の径ｄを変化させて、それぞれをタイプ（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）（ｉｖ）（ｖ）とした。表４に、ノズルの各タイプ（ｉ）〜（ｖ）における吐出口の径ｄと流路抵抗Ｒｂとを示す。

絞り部１１ｂについては、図８（ａ），（ｂ）に示すように、流路長ｌを５５０μｍと統一し、幅ｂ・高さｈを互いに一定の関係を持たせつつ変化させた。表５に、絞り部の各タイプ（ｉ）〜（ｉｖ）における幅ｂ・高さｈと流路抵抗Ｒａとを示す。

アクチュエータユニット２に付与する駆動パルスの波形については、図５に示すように、パルス幅Ｔ１＝Ｔ０（Ｔ０：圧力室１１の長手方向に沿って圧力波が片道伝播する時間）とした。また、電圧Ｅ１については各温度にてインク吐出速度が９ｍ／ｓとなる値とし、周波数については５〜９６ｋＨｚの範囲で変化させた。

以上のように流路ユニット１内のインク流路の各要素をそれぞれ流路抵抗Ｒが異なるようにタイプ分けし、それら各タイプの組み合わせにより形成されるヘッドについてそれぞれ吐出安定性を調べた。表６に、一例として、圧力室のタイプ（ｉ）と圧力室―ノズル間連絡通路のタイプ（ｉ）との組み合わせに関する実験結果を示す。当該表において“不安定”とは、インクが霧状に（即ち所望の吐出方向以外の方向を含む多方向に）吐出されたり、吐出速度が著しく低い又は吐出不能であったりすることを意味する。

表６から、〇（温度５〜４５℃・駆動パルスの周波数２４，１２，６ｋＨｚ各場合全てにおいて安定）が帯状に分布しているのがわかる。つまり、絞り部及びノズルの構成が吐出安定性に大きく関わっていることがわかる。ここで、表６に各場合に対応する、絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂを表７に示す。

表７から、この例（圧力室のタイプ（ｉ）と圧力室―ノズル間連絡通路のタイプ（ｉ）との組み合わせ）では、絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂが０．４８〜１．２６である場合に、駆動パルスの周波数やヘッドを使用する温度環境が上記所定範囲の全てにおいて、安定した吐出を実現可能であることがわかる。

さらに表８及び図９に、５〜９６ｋＨｚの範囲で任意に変化させた駆動パルスの周波数の各場合における、安定した吐出が実現可能な絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂの上限及び下限を示す。

表８及び図９から、駆動パルスの周波数が１２ｋＨｚのときに、Ｒａ／Ｒｂの上限及び下限がそれぞれ最低値（０．４８）及び最高値（１．２６）であるのがわかる。

なお、表６〜表８及び図９には、圧力室のタイプ（ｉ）と圧力室―ノズル間連絡通路のタイプ（ｉ）との組み合わせに係るデータを示したが、これら２つの要素の他の組み合わせにおいてもほぼ同様のデータが得られた。つまり、圧力室のタイプ（ｉ）〜（ｉｉｉ）及び連絡通路のタイプ（ｉ）〜（ｉｉｉ）の全ての組み合わせにおいて、安定した吐出が実現可能なＲａ／Ｒｂの値はほぼ同じであった。

以上の実験結果から、絞り部１１ｂの流路抵抗Ｒａとノズル１０の流路抵抗Ｒｂとの比を０．４８〜１．２６とすることによって、アクチュエータユニット２に付与される駆動パルスの周波数やヘッドを使用する温度環境が様々であっても安定した吐出が実現可能であることがわかった。さらに、設計誤差が生じたり使用設定温度外になったり、その他様々な不都合が生じても、吐出安定性を良好に保持することができるという観点からは、Ｒａ／Ｒｂが０．６３〜１．０５であることが好ましく、０．８〜１．０であればより好ましい。

なお、Ｒａ／Ｒｂが上記所定範囲以外であるときに吐出安定性が損なわれるのは、絞り部１１ｂを介した圧力室１１へのインクの供給とノズル１０からのインクの吐出とのバランスが崩れることが原因であると推察される。より具体的には、以下のような現象が起こると考えられる。絞り部１１ｂを介してマニホールド６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂから圧力室１１内へと供給されるインクの量は、Ｒａ／Ｒｂが上限値１．２６を上回る場合は不足し、逆にＲａ／Ｒｂが下限値０．４８を下回る場合は過剰になる。圧力室１１内へのインク供給が過剰な場合、ノズル１０先端において形成されるメニスカスが突出しすぎて、余分なインクが霧状に吐出されるなどの不都合が生じ得る。一方、圧力室１１内へのインク供給が不足する場合、メニスカスがノズル１０内に引き込まれた形状となると共に圧力室１１内に余分な空気が巻き込まれて、吐出に必要となる圧力が当該空気に吸収されることにより、インクの吐出速度が著しく低くなったり吐出不能となったりするなどの不都合が生じ得る。

以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。つまり、本発明は、インクを収容するインク室と、インク室からインクが供給される圧力室と、圧力室上に配置されており、駆動パルスの印加により変形して前記圧力室の容積を変化させる圧電素子と、インク室と前記圧力室との間に配置されており、前記圧力室よりも流路の狭い絞り部と、前記圧力室に連通しており、前記圧力室の容積変化に伴ってインクを吐出するノズルと、を備えている限り、上述の実施形態に限定されず、その他様々な構成のインクジェットヘッドに適用可能である。例えば、以下のような変形例が考えられる。

絞り部１１ｂは、ハーフエッチングにより形成されていなくてよい。

ヘッドの流路ユニット１は、板状材料であるプレート３，４，６，７，９を積層して構成されなくてもよく、例えば単一の固体内にインク流路を構成する空間（即ち、インク室、圧力室、絞り部、及びノズルを含む空間）を形成してもよい。

ノズル１０にテーパを付けない（θ＝０）など、ヘッド内に形成されるインク流路の形状・サイズなどを様々に変更可能である。

最上層の圧電シート２５の材料は、表面電極２６，２７に電圧が印加されても不要な変位を起こさないという観点から、強誘電性を有するＰＺＴではなく、低誘電率又は絶縁性を有する材料からなってよい。しかし一体形成を行えるという観点からは、他の圧電シート２１〜２４と同じＰＺＴからなることが好ましい。

アクチュエータユニット２に付与される駆動パルスの波形は、図５（ａ），（ｂ）に描かれたものと上下逆の形状であってもよい。

インク吐出に係るアクチュエータユニット２の駆動方法については、上述のように、常態において圧電シートを平坦とし、駆動パルスの印加に応じて圧電シートの活性部を圧力室と反対側に凸に変形させ、その後シートを平坦に戻すことでインクを吐出させるのに限定されない。例えば、常態において圧電シートを平坦とし、駆動パルスの印加に応じて圧電シートの活性部を圧力室側に凸に変形させることで圧力室の容積を小さくしてインクを吐出させ、その後シートを平坦に戻して圧力室内にインクを供給するという方法や、常態において圧電シートの活性部を圧力室側に凸に変形させておき、駆動パルスの印加に応じて圧電シートを平坦にして圧力室の容積を増大させ、その後再び活性部を圧力室側に凸に変形させることで圧力室の容積を元のように小さくしてインクを吐出させるという方法などを採用してもよい。

駆動パルスの周波数は、５〜９６ｋＨｚであることに限定されない。

上述した実施の形態では共通電極の電位を常に０（Ｖ）としているが、これに限定されない。

また、上述した実施の形態では、圧電素子からなるアクチュエータユニット２によって圧力室１１内のインクに圧力波を付与したが、これに限られることはなく、電気−熱変換素子や静電方式のアクチュエータによって圧力波を付与するようにしてもよい。
また、本発明のインクジェットヘッドは、プリンタに限定されず、インクジェット式のファクシミリやコピー機にも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。 図１に示すインクジェットヘッドに含まれる流路ユニットの分解斜視図である。 図２に示す流路ユニットの部分拡大斜視図である。 図１のＩＶ―ＩＶ線断面図である。 アクチュエータユニットに供給される駆動パルスを示す概略図であり、（ａ）は１つのインク滴を吐出する場合、（ｂ）は４つのインク滴を吐出する場合を示す。 圧力室の空間形状を示す概略図である。 ノズルプレートに形成されたノズルを示す断面図である。 （ａ）は、図４における絞り部近傍の部分拡大図である。（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 ５〜９６ｋＨｚの範囲で任意に変化させた駆動パルスの周波数の各場合における、安定した吐出が実現可能な絞り部の流路抵抗Ｒａとノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂの上限及び下限を示すグラフである。

符号の説明

１ 流路ユニット
２ アクチュエータユニット
３ キャビティプレート（板状材料）
４ ベースプレート（板状材料）
６，７ マニホールドプレート（板状材料）
６ａ・７ａ，６ｂ・７ｂ マニホールド（インク室）
９ ノズルプレート（板状材料）
１０ ノズル
１１ 圧力室
１１ｂ 絞り部
２１，２２，２３，２４，２５ 圧電シート（圧電素子）
２８ 個別電極
２９ 共通電極
４０ フレキシブルプリント配線板
１０１ インクジェットヘッド

Claims (8)

1. インクを収容するインク室と、
   前記インク室からインクが供給される圧力室と、
   前記圧力室上に配置されており、駆動パルスの印加により前記圧力室内のインクに圧力変動を与える圧力付与手段と、
   前記インク室と前記圧力室との間に配置されており、前記圧力室よりも流路の狭い絞り部と、
   前記圧力室に連通しており、前記圧力室の容積変化に伴ってインクを吐出するノズルと、を備え、
   前記絞り部の流路抵抗Ｒａと前記ノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂが０．４８〜１．２６であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記圧力付与手段が、前記駆動パルスの印加により変形して前記圧力室の容積を変化させる圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記圧電素子が、前記駆動パルスの印加時に前記圧力室の容積を増大させるように変形し、前記駆動パルスの印加終了時に前記圧力室の容積を元に戻すように変形することを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記絞り部の流路抵抗Ｒａと前記ノズルの流路抵抗Ｒｂとの比Ｒａ／Ｒｂが０．８〜１．０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記駆動パルスの周波数が５〜９６ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記絞り部が、ハーフエッチングにより形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
7. 複数の板状材料を積層することにより構成されており、
   前記インク室、前記圧力室、前記絞り部、及び前記ノズルが前記複数の板状材料のいずれかに形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記絞り部が、前記圧力室が形成されたのと同じ板状材料に、ハーフエッチングにより形成されていることを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッド。
   

Images