JP2012179720A - 液体吐出ヘッド用ノズルプレート、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴の吐出速度を速くできる液体吐出ヘッド用ノズルプレート、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに記録装置を提供する。
【解決手段】ノズル８となる貫通孔を有する液体吐出ヘッド用ノズルプレート３１であって、前記貫通孔は、液体吐出ヘッド用ノズルプレート３１の一方主面から内部に向かって断面積が小さくなっていく、テーパー角度が１５〜４５度の順テーパー部８ａと、液体吐出ヘッド用ノズルプレート３１の他方主面から内部に向かって断面積が小さくなっていく、テーパー角度が６０度以上の逆テーパー部８ｂとからなっている液体吐出ヘッド用ノズルプレート３１を用いる。
【選択図】図５

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに用いられるノズルプレート、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに記録装置に関するものである。

近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。

このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

また、このような液体吐出ヘッドには、記録媒体の搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および記録媒体より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる記録媒体に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。

シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する吐出孔の密度を高くする必要がある。

そこで液体吐出ヘッドを、マニホールドおよびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した流路部材と、前記複数の加圧室を覆うように設けられた、複数の個別電極と複数の個別電極に対向している共通電極とそれらに挟まれている圧電セラミック層とを含む複数の変位素子を有する圧電アクチュエータユニットとを積層して構成したものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この液体吐出ヘッドでは、個別電極は、加圧室に重ならない位置に引き出された、外部に電気的に接続される。また、複数の吐出孔にそれぞれ繋がった加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられたアクチュエータユニットの変位素子を圧電体の変形により変位させることで、各吐出孔からインクを吐出させ、主走査方向に６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。

また、特許文献２には、液体吐出ヘッドのノズルとして、液体吐出ヘッドの内部から外に向かう際に、径が小さくなっていくテーパー部の後に、径が一定のストレート部があるノズルが記載されている。

特開２００３−３０５８５２号公報 特開２００３−１１２４２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような液体吐出ヘッドのノズルとして、引用文献２に記載されているノズルを用いると、液滴の吐出速度が遅くなるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、液滴の吐出速度を速くできる液体吐出ヘッド用ノズルプレート、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに記録装置を提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッド用ノズルプレートは、ノズルとなる貫通孔を有する液体吐出ヘッド用ノズルプレートであって、前記貫通孔は、前記液体吐出ヘッド用ノズルプレートの一方主面から内部に向かって断面積が小さくなっていくテーパー角度が１５〜４５度の順テーパー部と、前記ノズルプレートの他方主面から内部に向かって断面積が小さくなっていくテーパー角度が６０度以上の逆テーパー部とからなっていることを特徴とする。

前記逆テーパー部の長さが２０μｍ以上であることが好ましい。

また、本発明の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの前記一方主面に、加圧室を有する流路基板が、前記加圧室と前記貫通孔とが繋がるように積層されている流路部材と、前記加圧室に圧力を加える加圧部とを備えていることを特徴とする。

本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して相対的に搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッド用ノズルプレートによれば、液体吐出ヘッドに用いた際に、順テーパー部側から送られ、逆テーパー部側から吐出される液体が、順テーパー部を通りすぎた後から吐出されるまでの間が逆テーパー状になっていることにより、逆テーパー部が液体を減速させる抵抗になり難いので、吐出される液滴の速度を速くすることができる。

本発明の一実施の形態に係る記録装置であるプリンタの概略構成図である。 図１の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体を示す平面図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図である、説明のため一部の流路を省略した図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 （ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のノズル８の拡大断面図である。

図１は、本発明の一実施形態である記録装置であるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つの液体吐出ヘッド２を有している。これらの液体吐出ヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。液体吐出ヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。

プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０および紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、液体吐出ヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。

給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。

給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａおよび１１８ｂ、ならびに、１１９ａおよび１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。

搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６および１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６および１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、液体吐出ヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。

ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。したがって、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。

ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。

給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、液体吐出ヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。

４つの液体吐出ヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各液体吐出ヘッド２は、下端に液体吐出ヘッド本体１３を有している。液体吐出ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の吐出孔８ｃが設けられている（図３参照）。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた吐出孔８ｃからは、同じ色の液滴（インク）が吐出されるようになっている。各液体吐出ヘッド２の吐出孔８ｃは一方方向（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐ搬送方向に直交する方向であり、液体吐出ヘッド２の長手方向）に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。各液体吐出ヘッド２から吐出される液体の色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。各液体吐出ヘッド２は、液体吐出ヘッド本体１３の下面と搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。

搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド２を構成する液体吐出ヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。

搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａおよび１２１ｂならびに１２２ａおよび１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。

なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にある液体吐出ヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子および受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、液体吐出ヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。

次に本発明の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示された液体吐出ヘッド本体１３を示す上面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大上面図であり、液体吐出ヘッド本体１３の一部である。図４は、図３と同じ位置の拡大透視図で、吐出孔８ｃの位置が分かりやすいように、一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かりやすくするために、圧電アクチュエータユニット２１の下方にあって破線で描くべき加圧室１０（加圧室群９）、しぼり１２および吐出孔８ｃを実線で描いている。図５（ａ）は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、図５（ｂ）はノズル８の拡大断面図である。

液体吐出ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、アクチュエータユニットである圧電アクチュエータユニット２１とを有している。流路部材４は、ノズル８を有するノズルプレート３１と、プレート２２〜３０が積層された流路基板とが積層されて成っている。圧電アクチュエータユニット２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータユニット２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータユニット２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータユニット２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる。

流路部材４の内部には液体流路の一部であるマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つの圧電アクチュエータユニット２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には開口５ｂを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。

流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド５ａということがある）。開口５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータユニット２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。２つの圧電アクチュエータユニット２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド５が、隣接する圧電アクチュエータユニット２１に共有されており、副マニホールド５ａがマニホールド５の両側から分岐している。これらの副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域に互いに隣接して液体吐出ヘッド本体１３の長手方向に延在している。

流路部材４は、複数の加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に形成されている４つの加圧室群９を有している。加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの加圧室１０によって形成された各加圧室群９は圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有している。また、各加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。

本実施形態では、図３に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。

全体では、マニホールド５から繋がる加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各加圧室列に含まれる加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。吐出孔８ｃもこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。すなわち、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の吐出孔８ｃを４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されているということである。

圧電アクチュエータユニット２１の上面における各加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は加圧室１０より一回り小さく、加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータユニット２１の上面における加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。

流路部材４の下面には多数の吐出孔８ｃが形成されている。これらの吐出孔８ｃは、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの吐出孔８ｃは、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔群は圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータユニット２１の変位素子５０を変位させることにより吐出孔８ｃから液滴が吐出できる。吐出孔８ｃの配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の吐出孔８ｃは、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。

液体吐出ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。液体吐出ヘッド本体１３は、図５に示されているように、加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、吐出孔８ｃは下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、加圧室１０を介して副マニホールド５ａと吐出孔８ｃとが繋がる構成を有している。別の言い方をすれば、流路部材４は、ノズル８が形成されているノズルプレート３１に、プレート２２〜３０からなり、加圧室１０が形成された流路基板が積層されて構成されている。

各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された加圧室１０である。第２に、加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。

第３に、加圧室１０の他端から吐出孔８ｃへと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には吐出孔８ｃ）までの各プレートに形成されている。ディセンダの吐出孔８ｃ側は特に断面積が小さい、ノズルプレート３１に形成されたノズル８となっている。ノズル８は、中間で断面積が最も小さくなっており、流路部材４側から断面積が減少していく順テーパー部８ａと、その後断面積が増えていく逆テーパー部８ｂからなっている。ノズル８の形状については、後述する。第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜３０に形成されている。

このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホールド５ａの出口）から吐出孔８ｃに至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で吐出孔８ｃから吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔８ｃへと進む。

圧電アクチュエータユニット２１は、図５に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ２０μｍ程度の厚さを有している。圧電アクチュエータユニット２１の変異する部分（変位素子５０）の厚さは４０μｍ程度であり、１００μｍ以下であることにより、変位量を大きくすることができる。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の加圧室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。

圧電アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極３４、Ａｕ系などの金属材料からなる個別電極３５を有している。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータユニット２１の上面における加圧室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、加圧室１０と対向している個別電極本体３５ａと、加圧室１０と対向している領域外に引き出されて引出電極３５ｂからなっている。

圧電セラミック層２１ａ、ｂおよび共通電極３４は、それぞれ略同じ形状であることにより、これらを同時焼成により作製する場合に、反りを小さくできる。１００μｍ以下の圧電アクチュエータユニット２１は焼成過程で反りが生じやすく、その量も大きくなる。また、反りが生じていると、流路部材４に積層した際に、その反りを変形させて接合することになり、その際の変形が変位素子５０の特性変動に影響し、ひいては液体吐出特性のばらつきにつながるため、反りは、圧電アクチュエータユニット２１の厚さと同程度以下に小さいことが望ましい。そして、内部電極のある場所とない場所の焼成収縮挙動の差による反りを少なくするために内部電極３４は内部にパターンのないベタで形成される。なお、ここで略同じ形状であると、外周の寸法の差がその部分の幅の１％以内であることを言う。圧電セラミック層２１ａ、ｂの外周は、基本的に焼成前に重ねられた状態で切断して形成されるので、加工精度の範囲内で同じ位置になる。内部電極３４も、ベタ印刷した後に、圧電セラミック層２１ａ、ｂと同時に切断することで形成されると反りが生じ難いが、圧電セラミック層２１ａ、ｂと相似形状で少し小さいパターンで印刷することにより、圧電アクチュエータ２１の側面に内部電極３４が露出しなくなるため、電気的信頼性が高くなる。

詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部１００から外部配線であるＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）を通じて駆動信号（駆動電圧）が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。共通電極３４は、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極３４は、圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域内の全ての加圧室１０を覆うように延在している。共通電極３４の厚さは２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電セラミック層２１ｂ上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、圧電セラミック層２１ｂの内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されているとともに、多数の個別電極３５と同様に外部配線と接続されている。

なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する吐出孔８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータユニット２１における各加圧室１０に対向する部分は、各加圧室１０および吐出孔８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図５に示されているような構造を単位構造とする変
位素子５０が加圧室１０毎に、加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータユニット２１には変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって吐出孔８から吐出される液体の量は５〜７ｐＬ（ピコリットル）程度である。

圧電悪クエータユニット２１を平面視したとき、個別電極本体３５ａは加圧室１０と重なるように配置されており、加圧室１０の中央に位置している部位の、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれている圧電セラミック層２１ｂは、圧電アクチュエータユニット２１の積層方向に分極されている。分極の向きは上下どちらに向かっていてもよく、その方向に対応し駆動信号を与えることで駆動できる。

図５に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。

本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極３５を共通電極３４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが加圧室１０側へ凸となるように変形し、加圧室１０の容積減少により加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から吐出孔８ｃまで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である
。これによると、加圧室１０内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。

上述したように、ノズル４は、流路部材４の中から外の向かうに、断面積が減少していく順テーパー部８ａと、断面積が増加していく逆テーパー部８ｂから成っている。ノズル８の断面形状は、円形であることが好ましいが、楕円形や多角形状など、回転対称性のある他の形状でもよい。ノズル８の開口の中心を通る縦断面における順テーパー部８ａの傾斜角θ１が、１５〜４５度であることにより、液滴の吐出速度を大きくできる。逆テーパー部８ｂの傾斜角θ２は、６０度以上であり、逆テーパー部は逆テーパー形状をしているものであり、θ２は９０度を含まないので、θ２は、６０度以上９０度未満である。断面形状が円形でない場合、傾斜角θ１、θ２は、縦断面のとり方により、異なる数値になるが、それらの数値範囲が上述の角度の範囲内に収まるものであれば良い。順テーパー部８ａと逆テーパー部８ｂとの長さ（厚さ）の比は、９：１〜１：１とするのが好ましい。ノズル８の長さは、例えば、２０〜１００μｍである。

ノズルを形成する方法としては、金属のプレートに、所定形状の金型（ピン）を押し付けてプレスし、反対側に飛び出した突起、あるいはバリを研磨して取り除いて貫通孔を形成する方法が知られている。この方法を用いて、漸次断面積が減っていくノズル、いうな
れば順テーパー部だけからなるノズルを作製すると、金属プレートの厚みがばらついた場合に、プレス時の金属プレートへの金型の侵入状態が一定にならず、開口の面積がばらつくことになった。液体吐出ヘッドにした際に、外部に開口した状態になる、径が小さい側の開口の面積のばらつきは、吐出される液滴の速度をばらつかせることになるので、ばらつきを少なくする必要があった。

これに対して、ノズルの断面形状を、順テーパー部と、径が一定のストレート部とからなる形状にすることで、金型の侵入状態がばらついても、ストレート部の径が一定になり、外部に開口した状態になる、径が小さい側の開口の面積を一定にすることが考えられる。このような形状は、開口径のばらつきを小さくする点では効果があるが、ストレート部では断面積が小さく、その中を進む液体に大きな抵抗となるため、液滴の吐出速度が遅くなってしまう。

これらの解決策として、金属プレートに対して、まず、順テーパー部８ａとなる貫通孔を形成し、金属プレートの逆側から逆テーパー部８ｂを形成する金型でプレスすることで、順テーパー部８ａを延長した形状に開口している、ノズル８の狭い側の径を押し広げて逆テーパー部８ｂを形成する。逆テーパー部８ｂを形成する際も、金属プレートの厚みばらつきの影響を受けるが、逆テーパー部８ｂを形成する際に加工する部分の量が、順テーパー部８ａを形成する際に加工する量に比べて少ないため、加工ばらつきを少なくでき、外部に開口した状態になる、逆テーパー部８ｂの径が大きい側の開口の面積のばらつきを少なくできる。さらに、逆テーパー部８ｂの角度が６０度以上になっているので、ストレート部になっている場合と比較して、液体の抵抗が少なくなり、液滴の吐出速度を速くできる。上述のようなストレート部による吐出速度の低下は、断面の面積の最も狭い場所の面積が、直径２２μｍの円相当の面積以下になると大きくなり、直径１８μｍの円相当の面積以下になると顕著である。したがって、逆テーパ部８ｂを設けるのは、最も狭い断面の面積が上述の面積以下の場合に行なうことが特に好ましい。

ここまで外部への開口面積のばらつきが液滴の吐出速度のばらつきに影響を与える説明したが、実際には開口から内側の部分の断面積も、ある程度、吐出速度のばらつきに影響を与える。その影響度合いは、内部にいくほど少なくなっていくので、逆テーパー部８ｂの長さを２０μｍ以上にすることで、逆テーパー部８ｂと順テーパー部８ａとの境界で径が最も小さくなる部分の径のばらつきが、吐出速度に与える影響を少なくできる。

逆テーパー部８ｂと順テーパー部８ａとの間にストレート部があると、そのストレート部で液体の減速が生じるので、逆テーパー部８ｂと順テーパー部８ａとの間にストレート部が実質的にないことが好ましく、逆テーパー部８ｂと順テーパー部８ａとの境界は、加工可能な範囲でできるだけ短くし、ノズル８の長さの１／１０以下にするのが好ましい。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
５・・・マニホールド
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・マニホールドの開口
６・・・個別供給流路
８・・・ノズル
８ａ・・・順テーパー部
８ｂ・・・逆テーパー部
８ｃ・・・吐出孔
９・・・加圧室群
１０、１１０、２１０、３１０・・・加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータユニット
２１ａ・・・圧電セラミック層（セラミック振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３０・・・プレート
３１・・・プレート（ノズルプレート）
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・引出電極
３６・・・接続電極
５０・・・変位素子

Claims (4)

1. ノズルとなる貫通孔を有する液体吐出ヘッド用ノズルプレートであって、前記貫通孔は、前記液体吐出ヘッド用ノズルプレートの一方主面から内部に向かって断面積が小さくなっていく、テーパー角度が１５〜４５度の順テーパー部と、前記液体吐出ヘッド用ノズルプレートの他方主面から内部に向かって断面積が小さくなっていく、テーパー角度が６０度以上の逆テーパー部とからなっていることを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
2. 前記逆テーパー部の長さが２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
3. 請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの前記一方主面に、加圧室を有する流路基板が、前記加圧室と前記貫通孔とが繋がるように積層されている流路部材と、前記加圧室に圧力を加える加圧部とを備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 請求項３に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して相対的に搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。

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