WO2007116699A1

WO2007116699A1 - 液体吐出装置

Info

Publication number: WO2007116699A1
Application number: PCT/JP2007/056247
Authority: WO
Inventors: Ayumu Matsumoto; Manabu Hibi
Original assignee: Brother Industries Ltd; Kyocera Corp
Current assignee: Brother Industries Ltd; Kyocera Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2008-09-29
Also published as: EP2006111A9; EP2006111A4; JPWO2007116699A1; CN101415560B; US20100001095A1; EP2006111A2; JP5232640B2; CN101415560A; EP2006111B1; US8028931B2

Abstract

　圧力室３とノズル４とを繋ぐ連通路５の、圧力室３との境界位置８から、ノズル４の方向へ向かう一定長Ｌ１の領域を、前記領域よりノズル４側の領域の開口面積Ｓ０に対して、開口面積Ｓ１の小さい狭隘部９とした液体吐出装置１であり、前記液体吐出装置１によれば、前記狭隘部９の機能によって、連通路５内の液体に発生する微小振動を減衰させて、基板２上の全てのノズル４から、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができる。

Description

明細書

液体吐出装置

技術分野

[0001] 本発明は、液体吐出装置に関するものである。

背景技術

[0002] 液体が充てんされる圧力室を、基板の片面に、面方向に複数個、配列させて形成し、かつ、前記基板の反対面に、各圧力室ごとに対応させて、前記液体を、液滴として吐出させるためのノズルを形成すると共に、それぞれの圧力室とノズノレとを、個別に、液体が充てんされる連通路で繋ぎ、さらに、基板の、圧力室を形成した片面側に、圧電素子を含む圧電ァクチユエータを配設した液体吐出装置が、インクジェットプリンタゃインクジェットプロッタ等の、インクジェット記録方式を利用した記録装置において、圧電インクジェットヘッドとして、広く用いられている。

[0003] 前記液体吐出装置においては、圧力室と連通路に液体を充てんした状態で、圧電素子に所定の駆動電圧パルスを印加して、圧電ァクチユエータを、厚み方向に橈み変形した状態と、前記橈み変形を解除した状態とを繰り返すように振動させると、それに伴って圧力室の容積が増減されて、前記圧力室内の液体が振動し、前記振動が、連通路内の液体を通してノズルに伝えられて、前記ノズル内に形成される液体のメニスカスが振動し、この振動に伴って、メニスカスを形成する液体の一部が液滴として分離されて、ノズルから吐出される。そして、圧電インクジェットヘッドの場合は、ノズルから吐出された液滴 (インク滴）が、前記ノズルと対向させて配設した紙面まで飛翔し、紙面に到達して、前記紙面にドットが形成される。

[0004] 前記各部のうち、連通路は、従来、圧力室内の液体の振動を、できるだけスムースに、ノズル内のメニスカスに伝えることを考慮して、ほぼ一定の開口面積に形成されるのが一般的である。例えば特許文献 1には、連通路が、圧力室側の開口からノズルとの接続位置まで一定の開口面積に形成され、かつ、ノズノレ力連通路との接続位置から先端へ向けて、開口面積が徐々に小さくなるようにテーパー状に形成された液体吐出装置が記載されてレ、る。 [0005] ところが、発明者の検討によると、前記特許文献 1に記載されたもののように、連通路の開口面積がほぼ一定に形成された従来の液体吐出装置では、圧電ァクチユエータを駆動させて、先に説明したメカニズムによって、ノズルから液滴を吐出させる際に、連通路内の液体に微小振動が発生し、前記微小振動が、圧力室内の液体の振動に重ね合わされることで、形成される液滴の体積や飛翔速度が変動するため、ノズルから、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができないという問題を生じることが判明した。

[0006] この原因として、発明者は、連通路の開口面積がノズルの開口面積よりも大きいために、前記連通路内の液体に伝えられた振動の一部は、先に説明したように、ノズノレ内の、液体のメニスカスに伝えられるものの、残部は、ノズルの入口付近で、圧力室の方向に反射されるためと考えている。つまり、ノズノレの入口付近で反射された振動の残部が、圧力室の内壁面のうち、連通路の入り口と対向する面との間で繰り返し反射されることによって定常波を生じて、連通路内の液体を微小振動させるのである。

[0007] 微小振動の周期は、主に、振動を繰り返し反射する、対向する面間の距離等によつて規定され、圧電ァクチユエータの駆動によって発生する液体の振動の周期と比べて、数十分の一から数分の一という小さい値である。しかし、前記微小振動が、圧電ァクチユエータの駆動によって発生する液体の振動に重ね合わされると、両振動の位相のずれ量に応じて、ノズノレ内の液体のメニスカスに加えられる、吐出のための圧力が過多となったり、逆に過少となったりするため、先に説明したように、形成される液滴の体積や飛翔速度が変動する。

[0008] 例えば、圧電ァクチユエータの駆動によって発生する液体の振動に、微小振動が重ね合わされることで、ノズノレ内の液体のメニスカスに加えられる、吐出のための圧力が、正常値よりも過多になる場合には、圧電ァクチユエータを駆動させて、ノズルから液滴を吐出させると、その始めに、所定の液滴よりも微小で、しかも飛翔速度の高い、いわゆる先頭高速小滴が吐出されやすくなる。

[0009] 圧電ァクチユエータの駆動によって発生する液体の振動と、微小振動との位相のずれ量は、主として、連通路の長さ等によって決まるため、 1つのノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度が、液体吐出装置の使用途中で急激に変動することはない。しかし、加工精度のばらつき等によって、液体吐出装置の、 1つの基板上に形成された複数のノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度は、各ノズノレごとにばらつきを生じやすい。そして、圧電インクジェットヘッドの場合には、前記先頭高速小滴が発生したり、複数のノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度がばらついたりすることによって、形成画像の画質が低下するという問題を生じる。

特許文献 1 :特開 2005— 144917号公報 (段落 [0029]、図 1、図 2)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 本発明の目的は、連通路内の液体に発生する微小振動を減衰させて、基板上の全てのノズルから、あらかじめ、設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができる液体吐出装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0011] 本発明は、

(A) 液体が充てんされる圧力室、

(B) 液体を、液滴として吐出させるためのノズル、

(C) 圧力室とノズノレとを繋ぎ、液体が充てんされる連通路、および

(D) 圧電素子を含み、前記圧電素子の変形によって振動して圧力室の容積を増減させることで、前記圧力室内の液体を振動させ、前記振動を、連通路内の液体を通してノズノレに伝えて、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電ァクチユエータ、を備えると共に、連通路の、圧力室との境界位置から、ノズル方向へ向かう一定長の領域を、前記領域よりノズノレ側の領域に対して開口面積の小さい狭隘部としたことを特徴とする液体吐出装置である。

[0012] 前記本発明によれば、液体の振動を、連通路の、圧力室との境界位置に設けた、開口面積が小さぐ流路抵抗の大きい狭隘部を通過させて、圧力室と連通路との間で伝達させることによって、特に、連通路内で発生する液体の微小振動を減衰することができる。そのため、先に説明したように、基板の全ての連通路について、前記狭隘部を設けることによって、前記連通路に連通する全てのノズルから、あら力、じめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることが可能となる。 [0013] し力も、本発明によれば、圧力室には、流路抵抗となる抵抗部分を設ける必要がないため、液体吐出装置を構成する基板を、例えば、圧力室等となる開口が形成された板材と、連通路となる開口が形成された板材と、ノズルが形成された板材とを積層して形成する際に、各板材を、従来の加工精度で加工し、位置合わせして積層しても、十分な寸法精度を確保して、特に、圧力室と連通路との接続部分での開口面積が変動するのを防止することができる。そのため、前記開口面積の変動によって、微小振動を減衰する効果に違いが生じて、液体吐出装置の、 1つの基板上に形成された複数のノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度が、各ノズルごとにばらつくのを防止することも可能となる。

[0014] なお、狭隘部による、微小振動を減衰させる効果を良好なレベルに維持しながら、圧電ァクチユエータを駆動させることで発生させた圧力室内の液体の振動を、前記狭隘部を通して、できるだけ効率よぐ連通路内の液体に伝達することを考慮すると、前記狭隘部の開口面積は、狭隘部よりノズノレ側の領域の開口面積の 20〜60%であるのが好ましい。また、同じ理由で、狭隘部の、連通路の長さ方向の長さは、連通路の全長の 10〜20%であるのが好ましい。

発明の効果

[0015] 本発明によれば、連通路内で発生する微小振動を減衰して、基板上の全てのノズルから、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができる液体吐出装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明の液体吐出装置の、実施の形態の一例の、一部を拡大して示す断面図である。

[図 2]前記例の液体吐出装置の要部である連通路の部分を、さらに拡大した断面図である。

[図 3]前記連通路の部分を、さらに拡大した平面図である。

[図 4]ノズノレの全体形状を示す斜視図である。

[図 5]比較例 1で形成した連通部を拡大した断面図である。

[図 6]比較例 2で形成した連通部を拡大した断面図である。 [図 7]比較例 3で形成した連通部を拡大した断面図である。

[図 8]実施例、比較例の圧電インクジェットヘッドを解析するために用いた解析モデルを示す回路図である。

園 9]実施例 1の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズノレとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。

園 10]比較例 1の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズノレとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。

園 11]比較例 2の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズノレとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。

園 12]比較例 3の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズノレとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。

符号の説明

1 液体吐出装置

2 基板

3 圧力室

4 ノズル

5 連通路

6 圧電素子

7 圧電ァクチユエータ

8

9 狭隘部

10 供給路

11 絞り部

12 接続部

13 第 1の板材

14 糸冗 B

15 第 2の板材

16 第 3の板材 17 糸冗 B

18 第 4の板材

19 第 5の板材

20 第 6の板材

21 第 7の板材

22 振動板

23 共通電極

24 個別電極

25 円錐テーパー部

26 ストレート部

発明の実施の形態

[0018] 図 1は、本発明の液体吐出装置の、実施の形態の一例の、一部を拡大して示す断面図である。図 2は、前記例の液体吐出装置の要部である連通路の部分を、さらに拡大した断面図である。図 1、図 2を参照して、この例の液体吐出装置 1は、基板 2の、図において上面に圧力室 3を形成し、下面に、前記圧力室 3に対応させて、ノズル 4を形成すると共に、前記圧力室 3とノズル 4とを、基板 2を貫通させて形成した連通路 5で繋ぎ、さらに、基板 2の、圧力室 3を形成した上面に、横振動モードの薄板状の圧電素子 6を含む圧電ァクチユエータ 7を積層したものである。前記各部のうち、圧力室 3、ノズノレ 4、および連通路 5は、図示していないが、 1つの基板 2上に、面方向に複数個、配列させて形成されている。

[0019] 連通路 5の、圧力室 3との境界位置 8から、ノズノレ 4の方向へ向力一定長 L の領域

1 は、前記領域よりノズル 4側の領域に対して開口面積を小さくして流路抵抗を大きくした狭隘部 9とされており、液体の振動は、必ず、前記狭隘部 9を通過して、圧力室 3と連通路 5との間で伝達される。そのため、特に、連通路 5内で発生する液体の微小振動を減衰することができ、前記微小振動を除いた、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を、ノズル 4から吐出させることが可能となる。

[0020] つまり、圧力室 3と連通路 5の境界位置 8は、通常、圧力室 3内の液体の振動と、連通路 5内の液体の振動の、振動波形の節に相当するが、前記境界位置 8に、前記連通路 5の長さ方向に一定の長さを有する、開口面積の小さい狭隘部 9を設けた場合には、前記狭隘部 9の内壁面が、特に、微小振動の波形の腹を抑える作用をするため、微小振動を減衰することができるのである。

[0021] 狭隘部 9の開口面積 Sは、連通路 5の、前記狭隘部 9よりノズル側の領域の開口面積 S の 20〜60。/o、特に 30〜50。/oであるのが好ましい。開口面積 Sが前記範囲未

0 1

満では、微小振動をより有効に減衰できるものの、圧電ァクチユエータ 7の駆動によつて発生して、圧力室 3内の液体から、連通路 5内の液体に伝達される、液滴吐出のための振動の減衰量も増加して、却って、ノズル 4から吐出される液滴の体積が小さくなったり、飛翔速度が低下したりするおそれがある。また、前記範囲を超える場合には、狭隘部 9による、液体の微小振動を減衰する効果が、不十分になるおそれがある

[0022] 狭隘部 9の、連通路 5の長さ方向の長さ Lは、連通路 5の全長 Lの 10〜20%、特

1 0

に 12〜： 18%であるのが好ましい。長さしが前記範囲未満では、狭隘部 9による、液

1

体の微小振動を減衰する効果が、不十分になるおそれがある。また、前記範囲を超える場合には、微小振動をより有効に減衰できるものの、圧電ァクチユエータ 7の駆動によって発生して、圧力室 3内の液体から、連通路 5内の液体に伝達される、液滴吐出のための振動の減衰量も増加して、却って、ノズノレ 4から吐出される液滴の体積が小さくなつたり、飛翔速度が低下したりするおそれがある。

[0023] なお、本発明の構成は、先に説明した、狭隘部 9を設けることによる効果を、より一層、有効に発揮させることを考慮すると、連通路 5の、前記狭隘部 9よりノズノレ側の領域の開口面積 S力 SO . 00785—0. 0490625mm² (開口径 100 /i m〜250 /i m)、

0

特に 0. 011304〜0. 0314mm²

力 ® 通路 5の全長しカ 400〜1400 111、特に 500〜1200 μ mの範囲内である場合に、

0

特に好適に採用される。すなわち、開口面積 Sが前記範囲内で、かつ狭隘部 9の開

0

口面積 S力前記開口面積 S の 20〜60%であるとき、あるいは、連通路 5の全長 L

1 0 0 が前記範囲内で、かつ狭隘部の長さ L力前記全長 Lの 10〜20%であるとき、より

1 0

一層、効果的に、微小振動を減衰することが可能である。

[0024] 図において符号 10は、基板 2上に配列された複数の圧力室 3に、図示しない供給源 (タンク等)から液体を供給するための供給路である。供給路 10と、圧力室 3とは、前記圧力室 3内の液体の振動が、供給路 10を介して他の圧力室 3内の液体に伝達されるのを防止するため、ごく薄い絞り部 11を介して接続されている。また、連通路 5 の、ノズル 4側の端部は、圧力室 3内の液体から伝達された振動を、開口面積の大きい連通路 5内の液体から、開口面積の小さレ、ノズノレ 4内の、液体のメニスカスに、集中させて伝達させることで、前記メニスカスに伝えられずに、両者の接続部で反射される振動の割合を低減するため、開口面積が、連通路 5より小さくノズル 4より大きい接続部 12とされている。

[0025] 前記各部を備えた基板 2は、圧力室 3となる通孔が形成された第 1の板材 13と、連通路 5のうち狭隘部 9となる通孔と、圧力室 3と絞り部 11とを繋ぐ接続部 14となる通孔とが形成された第 2の板材 15と、連通路 5のうち狭隘部 9に続く領域の上端部となる通孔と、絞り部 11となる通孔とが形成された第 3の板材 16と、連通路 5のうち、前記上端部に続く部分となる通孔と、絞り部 11と供給路 10とを繋ぐ接続部 17となる通孔とが形成された第 4の板材 18と、連通路 5の残部となる通孔と、供給路 10となる通孔とが形成された第 5の板材 19と、接続部 12となる通孔が形成された第 6の板材 20と、ノズノレ 4が形成された第 7の板材 21とを、順に、位置合わせしながら積層し、一体化させて形成される。

[0026] 各板材としては、それぞれ、金属やセラミック、樹脂等によって、厚みが一定な平板状に形成されていると共に、例えば、フォトリソグラフ法を利用したエッチング等によつて、前記各部となる、所定の平面形状を有する通孔が、所定の位置に形成されたものを用いることができる。連通路 5の全長 Lや、狭隘部 9の長さ Lは、前記各板材の

0 1

厚みを変更することで、先に説明した範囲内に調整することができる。そのため、連通路 5の全長 Lや、狭隘部 9の長さ Lを、 1つの圧電ァクチユエータ 7上の全ての連

0 1

通路 5において、精度良ぐ均一化することができる。また、連通路 5の開口面積 Sや

0

、狭隘部 9の開口面積 Sは、エッチング等によって板材に形成する通孔の開口面積を変更することで、先に説明した範囲内に調整することができる。

[0027] 板材を金属で形成する場合、前記金属としては、 Fe_Cr系合金、 Fe_Ni系合金、 WC_TiC系合金等が挙げられ、特に、インク等の液体に対する耐食性と、加工性とを考慮すると、 Fe— Ni系合金、 Fe— Cr系合金（f列免ば、 SUS430、 SUS316, SU S— 316L等）が好ましい。

[0028] 連通路 5や狭隘部 9、接続部 12の、前記連通路 5の長さ方向と直交する、基板 2の面方向の断面形状は、狭隘部 9を通して、連通路 5内の液体に伝達された振動を、接続部 12を通して、ノズル 4内の液体のメニスカスに、効率よく伝達することを考慮すると、前記ノズル 4の、同方向の断面形状が、図 3、図 4に示すように、通常は円形に形成されることから、いずれも、同図に示すように、円形に形成するのが好ましい。また、図示していないが、各板材は、それぞれ、より厚みの薄い板材に、所定の通孔を形成したものを、複数枚、積層して構成することもできる。

[0029] 圧電ァクチユエータ 7は、基板 2上に、順に積層された、それぞれが、前記基板 2上の複数の圧力室 3を覆う大きさを有する、薄板状の振動板 22、層状の共通電極 23、および横振動モードの薄板状の圧電素子 6と、前記圧電素子 6上に、各圧力室 3に対応させて個別に、所定の平面形状にパターン形成された、層状の個別電極 24とを備えている。

[0030] 前記のうち、圧電素子 6は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛 (PZT)や、前記 PZTに、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケノレ、マンガン等の酸化物の 1種または 2種以上を添加した、 PLZT等の、 PZT系の圧電セラミックによって、薄板状に形成すること力 Sできる。また、圧電素子 6は、マグネシウムニオブ酸鉛（PMN)、ニッケルニオブ酸鉛（PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸ノくリウム等を主成分とする圧電セラミックによって形成することもできる

[0031] 振動板 22は、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケノレ等の金属や、前記金属の合金、あるいはステンレス鋼等によって、所定の厚みを有する板状に形成することができる他、圧電素子 6と同じ圧電セラミックによって形成することもできる。また、振動板 22を、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属によって形成して、共通電極 23を省略することもできる。

[0032] 共通電極 23、および個別電極 24は、それぞれ、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属からなる箔、めっき被膜、真空蒸着被膜等によって形成することができる他、前記各金属の微粒子を含む導電性ペーストを塗布し、乾燥させた後、さらに必要に応じて焼成して形成することもできる。

[0033] 個別電極 24をパターン形成するためには、例えば、めっき被膜や真空蒸着被膜の場合、圧電素子 6の表面の、個別電極 24を形成する領域のみを選択的に露出させ、それ以外の領域を、めっきマスクで被覆した状態で、前記露出させた領域に、選択的に、被膜を成膜する方法や、圧電素子 6の表面の全面に、被膜を成膜後、前記被膜の、個別電極 24に対応する領域のみをエッチングマスクで被覆し、それ以外の領域を露出させた状態で、前記露出させた領域の被膜を、選択的にエッチングして除去する方法等が挙げられる。また、導電性ペーストからなる塗膜の場合は、前記導電性ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷方法によって、圧電素子の表面に、直接に

、パターン形成すればよい。

[0034] 圧電セラミックからなる圧電素子 6や振動板 22は、焼成によって、先に説明した圧電セラミックとなる化合物を含むグリーンシートを、所定の平面形状に形成後、焼成して形成すること力できる。特に、圧電素子 6と振動板 22が、共に、圧電セラミックによつて形成される場合は、それぞれの層のもとになるグリーンシートの間に、焼成によつて共通電極 23となる導電性ペーストの層を挟んだ積層体を作製し、前記積層体を、一度に焼成することで、圧電素子 6と、共通電極 23と、振動板 22とが積層された積層体を得ること力 Sできる。

[0035] 前記積層体の、圧電素子 6の表面に、先に説明した方法で、個別電極 24をパターン形成すれば、圧電ァクチユエータ 7が形成される。そして、前記圧電ァクチユエータ 7を、先に説明した基板 2の、圧力室 3を形成した側の面上に、接着剤を用いて接着する等して固定することで、液体吐出装置 1が構成される。接着剤としては、液体吐出装置 1に要求される耐熱性や、インク等の液体に対する耐性等を考慮すると、熱硬化温度が 100〜250°Cであるエポキシ樹脂系、フエノール樹脂系、ポリフエ二レンェ一テル樹脂系等の、熱硬化性樹脂系の接着剤が好ましい。

[0036] 薄板状の圧電素子 6を、横振動モードとするためには、圧電セラミックの分極方向を、前記圧電素子 6の厚み方向、例えば、個別電極 24から共通電極 23に向力方向に配向させる。そのためには、例えば、高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法等の分極方法が採用される。圧電セラミックの分極方向を前記方向に配向させた、横振動モードの圧電素子 6は、例えば、共通電極 23を接地した状態で、任意の個別電極 24に正の駆動電圧を印加すると、圧電素子 6の、両電極 23、 24 で挟まれた領域（「駆動領域」とする）が、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし、圧電素子 6は、共通電極 23を介して、振動板 22に固定されているため、結果的に、圧電ァクチユエータ 7の、前記駆動領域に対応する領域が、圧力室 3の方向に突出するように橈んで、前記圧力室 3内の液体に圧力を加えた状態となる。

[0037] そのため、両電極 23、 24力、ら、圧電素子 6の駆動領域に、所定の駆動電圧パルスを印加して、前記状態と、電圧が印加されず、圧電ァクチユエータ 7の橈み変形が解除された状態とを所定のタイミングで繰り返させることで、前記圧電ァクチユエータ 7を振動させると、それに伴って圧力室 3の容積が増減されて、前記圧力室 3内の液体が振動し、前記振動が、連通路 5内の液体を通してノズル 4に伝えられて、前記ノズル 4 内に形成される液体のメニスカスが振動し、この振動に伴って、メニスカスを形成する液体の一部が、液滴として分離されて、ノズル 4から吐出される。

実施例

[0038] 《実施例 1》

〈基板 2〉

図 1に示す断面形状を有する各部を複数個、備えると共に、各部の寸法が下記に示す値である基板 2を、先に説明したように、 SUS316からなる複数の板材を順に積層して、一体化させることによって形成した。

(圧力室 3)

基板 2の面方向の面積： 0. 273mm²

厚み方向の深さ： 100 x m

(ノズル 4)

ノズノレ 4は、図 4に示すように、圧力室 3側（図において上側）から吐出側（下側）へ向けて、内径が徐々に小さくなる円錐テーパー部 25と、前記円錐テーパー部 25の、吐出側の先端に設けられた、断面形状が円形で、かつ内径が一定のストレート部 26 とを有する立体形状とした。各部の寸法は、下記のとおりとした。ノズル 4の全長 L =50μηι

3

円錐テーパー部 25のテーパー角度： 8°

ストレート部 26の長さ L =5μτη

4

ストレート部 26の開口径 d =20μπι (開口面積： 0. 00031mm²)

[0039] (連通路 5)

図 3に示すように、狭隘部 9と、連通路 5の、前記狭隘部 9よりノズル 4側の領域と、接続部 12の、連通路 5の長さ方向と直交する、基板 2の面方向の断面形状は、いずれも円形とした。各部の寸法は、下記のとおりとした。

狭隘部 9の内径： 120 xm (開口面積 S =0. 01131mm²)

連通路 5の、狭隘部 9よりノズノレ 4側の領域の内径： 180 zm (開口面積 S =0. 02

0

545mm j

接続部 12の内径： 150 zm (開口面積： 0. 01767mm²)

連通路 5の全長 L =830 μΐη

0

狭隘部 9の長さ L =100 /im

接続部 12の長さ L =60 /im

2

(絞り部 11)

絞り部 11は、液体の、供給路 10から圧力室 3への、液体の流通方向の長さを 302 /im、前記流通方向と直交する、基板の面方向の幅を 39· 5μΐη、基板の厚み方向の高さを 20 /imとした。

[0040] 〈圧電ァクチユエータ 7〉

図 1に示す順に積層された、横振動モードの薄板状の圧電素子 6を含む下記の各層を備え、全体の厚みが 41. 5 zmである圧電ァクチユエータ 7を用意した。前記圧電ァクチユエータ 7の特性は、下記のとおりであり、共通電極 23と個別電極 24との間に 20Vの駆動電圧を印加した際の、圧電素子 6の駆動領域に対応する領域の、厚み方向の変位量は 84. 3nmであった。

圧電定数 d =177pm/V

31

コンプライアンス： 26.324X10— ²¹m5ZN

発生圧力定数： 17. 925kPa/V [0041] (振動板 22)

振動板 22は、 PZTにより、基板 2上の複数の圧力室 3を覆う大きさを有する薄板状に形成した。

厚み： 14 zm

(共通電極 23)

共通電極 23は、導電材料としての Ag_Pdにより、振動板 22と略同じ大きさを有する膜状に形成した。

厚み： 10 zm

(圧電素子 6)

圧電素子 6は、圧電セラミックとしての PZTにより、振動板 22および共通電極 23と略同じ大きさを有する薄板状に形成した。

厚み： 14 zm

(個別電極 24)

個別電極 24は、導電材料としての Auにより、各圧力室 3ごとに個別に、それぞれの圧力室 3の平面形状に対応する形状を有する膜状にパターン形成した。

厚み： 3· 5μΐη

[0042] 〈液体吐出装置 1〉

先に説明した基板 2の、圧力室 3を形成した面に、エポキシ樹脂系接着剤を介して、圧電ァクチユエータ 7を積層し、加圧下で加熱してエポキシ樹脂を硬化させることで、液体吐出装置 1としての圧電インクジェットヘッドを製造した。

[0043] 《実施例 2〜7》

狭隘部 9の内径を 70 xm (開口面積 S =0.00385mm²,実施例 2)、 80 zm (開

1

口面積 S =0.00503mm²,実施例 3)、 90 zm (開口面積 S =0.00636mm²,実施例 4)、 lOO xm (開口面積 S =0.00785mm²,実施例 5)、 140 zm (開口面積 S

1

=0.01539mm²,実施例 6)、および 160 μ m (開口面積 S =0.0201 lmm²、実施例 7)としたこと以外は、実施例 1と同様にして、液体吐出装置 1としての圧電インクジェットヘッドを製造した。

[0044] 《実施例 8〜： 15》狭隘部 9の内径を ΙΟΟμΐη (開口面積 S =0.00785mm²)とすると共に、前記狭

1

隘部 9の長さ Lを 40 μΐη (実施例 8)、 80 /im (実施例 9)、 90 /i m (実施例 10)、 110 / m (実施例 11)、 130/im (実施例 12)、 150 /i m (実施例 13)、 170μΐη (実施例 1 4)、および 190 xm (実施例 15)としたこと以外は、実施例 1と同様にして、液体吐出装置 1としての圧電インクジェットヘッドを製造した。

[0045] 《比較例 1》

図 5に示すように、連通路 5に、狭隘部 9を設けなかったこと以外は、実施例 1と同様にして、液体吐出装置 1としての圧電インクジェットヘッドを製造した。各部の寸法は、下記のとおりとした。

連通路 5の内径： 180 xm (開口面積 S =0.0254mm²)

0

接続部 12の内径： 150 zm (開口面積：0.0177mm²)

連通路 5の全長 L =830 xm

0

接続部 12の長さ L =60 /im

2

[0046] 《比較例 2》

図 6に示すように、狭隘部 9を、連通路 5の、圧力室 3との境界位置 8ではなぐ前記連通路 5の途中の位置に設けたこと以外は、実施例 1と同様にして、液体吐出装置 1 としての圧電インクジェットヘッドを製造した。各部の寸法は、下記のとおりとした。狭隘部 9の内径： 120μΐη (開口面積 S =0.0113mm²)

連通路 5の、狭隘部 9より圧力室 3側およびノズル 4側の領域の内径： 180μ m (開口面積 S =0.0254mm²)

0

接続部 12の内径： 150 /i m (開口面積： 0· 0177mm²)

連通路 5の全長 L =830 xm

狭隘部 9の長さ L

境界位置 8から狭隘部 9の上端までの長さ L =340μ m

5

接続部 12の長さ L =60 zm

2

[0047] 《比較例 3》

図 7に示すように、狭隘部 9を連通路 5のノズル 4側の、接続部 12と接する位置に設けたこと以外は、実施例 1と同様にして、液体吐出装置 1としての圧電インクジェットへッドを製造した。各部の寸法は、下記のとおりとした。

狭隘部 9の内径： 120μΐη (開口面積 S =0.0113mm²)

連通路 5の、狭隘部 9より圧力室 3側の領域の内径： 180 / m (開口面積 S =0.02

0

54mm )

接続部 12の内径： 150 zm (開口面積：0.0177mm²)

連通路 5の全長 L =830 xm

0

狭隘部 9の長さ L =100μΐΆ

接続部 12の長さ L =60 zm

2

[0048] 《比較例 4》

狭隘部 9の位置に、逆に、連通路 5よりも内径の大きい拡大部〔内径： 200 zm (開口面積 S =0.03142mm²)、長さ L = 100 μ m〕を設けたこと以外は、実施例 1と同様にして、液体吐出装置 1としての圧電インクジェットヘッドを製造した。

[0049] 《流体解析 I》

実施例 1、比較例 1〜3の圧電インクジェットヘッドを、待機時に、圧電素子 6の駆動領域に駆動電圧を印加し続けて、圧電ァクチユエータ 7の、前記駆動領域に対応する領域を、圧力室 3の方向に突出するように撓ませた状態を維持し、液滴の吐出時に、一旦、駆動電圧をゼロにして、たわみを解除させた後、再び駆動電圧を印加して待機状態に戻す、いわゆる引き打ち式の駆動方法で駆動させた際の、連通路 5とノズル 4との境界位置での、液体の圧力と流速の変化を、図 8の解析モデルを用いて、擬似圧縮法によって流体解析した。

[0050] 解析モデルの計算格子幅は、ノズノレ 4の部分が 0.7 μ m X 0.7 μ m、狭隘部 9および接続部 12を含む連通路 5の部分が 2 xmX2 xmとした。また、引き打ち式の駆動方法に用いる駆動電圧パルスの波形は、待機時の電圧値を 15V、駆動電圧をゼロにするパルスのパルス幅を 6.2 μ secとした。実施例 1の結果を図 9、比較例 1の結果を図 10、比較例 2の結果を図 11、そして比較例 3の結果を図 12に示す。各図より、連通路 5の、圧力室 3との境界位置 8に、狭隘部 9を形成したときにのみ、前記連通路 5内で発生する微小振動を、有効に減衰できることが確認された。

[0051] 《流体解析 II》実施例:!〜 15、比較例 1〜4の圧電インクジェットヘッドを、先に説明したのと同じ波形の駆動電圧ノ^レスを印加して駆動させた際に、ノズル 4から吐出される液滴の個数、体積および飛翔速度を、前記解析モデルを用いて解析したところ、表 1、 2に示す結果が得られた。

[表 1]

[表 2]

両表より、連通路 5内に狭隘部 9を設けない比較例 1では、微小振動の影響で、 1滴目に、所定の液滴よりも微小で、しかも飛翔速度の高い、画像不良の原因となる先頭高速小滴が吐出されることが判った。また、狭隘部 9を、圧力室 3との境界位置 8以外の位置に設けた比較例 2、 3では、微小振動の影響で、ノズル 4から、所定の液滴のあとに、微小で、飛翔速度の低い、多数の、画像不良の原因となる液滴が吐出されることが判った。さらに、前記狭隘部 9の位置に、逆に、連通路 5よりも内径の大きい拡大部を設けた比較例 4では、やはり微小振動の影響で、ノズル 4から、所定の液滴のあとに、微小で、飛翔速度の低い、多数の、画像不良の原因となる液滴が吐出されることが半 IJつた。

これに対し、実施例:!〜 15では、所定の体積と飛翔速度とを有し、画像不良を生じるおそれのなレ、 2滴の液滴のみを、吐出できることが確認された。また、各実施例を比較すると、実施例:!〜 7の結果より、狭隘部 9の開口面積が、前記狭隘部 9よりノズル 4側の領域の開口面積の 20〜60%であるのが好ましいこと、実施例 1、 8〜： 15の結果より、狭隘部 9の、連通路 5の長さ方向の長さ力前記連通路 5の全長の 10〜2 0%であるのが好ましレ、ことが確認された。

Claims

請求の範囲

[1] (A) 液体が充てんされる圧力室、

(B) 液体を、液滴として吐出させるためのノズル、

(D) 圧電素子を含み、前記圧電素子の変形によって振動して圧力室の容積を増減させることで、前記圧力室内の液体を振動させ、前記振動を、連通路内の液体を通してノズノレに伝えて、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電ァクチユエータ、を備えると共に、連通路の、圧力室との境界位置から、ノズル方向へ向かう一定長の領域を、前記領域よりノズノレ側の領域に対して開口面積の小さい狭隘部としたことを特徴とする液体吐出装置。

[2] 狭隘部の開口面積が、前記狭隘部よりノズル側の領域の開口面積の 20〜60%である請求項 1記載の液体吐出装置。

[3] 狭隘部の、連通路の長さ方向の長さ力連通路の全長の 10〜20%である請求項 1 記載の液体吐出装置。