JP2014148089A

JP2014148089A - 液体吐出装置

Info

Publication number: JP2014148089A
Application number: JP2013018079A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Ochi; 法彦越智; Hidehiko Fujimura; 秀彦藤村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP6157129B2

Abstract

【課題】液滴の吐出速度の制御性が向上する液体吐出装置を提供する。
【解決手段】電極対１３は、隔壁部を、ノズル側の部分においてせん断変形させる電界を印加する可動領域Ｒ１と共通液室側の部分において電界を印加しない非可動領域Ｒ２とに２分割するよう配置されている。圧力室１の第２端部１ｂにおける長手方向Ａ２に垂直な面に沿う断面の断面積をＳ２とする。可動領域Ｒ１と非可動領域Ｒ２との境界Ｘ上の第１端部１ａに最も近い第１境界点Ｐ１における長手方向Ａ２に垂直な面に沿う断面の断面積をＳ１とする。圧力室１の断面の断面積Ｓ２が、断面積Ｓ１よりも広くなるように形成されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、圧電体からなる隔壁部で仕切られて圧力室が形成された液体吐出装置に関する。

液体吐出装置である液体吐出ヘッドとして、圧力室内のインクの圧力を変化させ、インクに流れを発生させ、ノズルからインクを吐出させることにより液滴を噴射するものが普及している。特にドロップオンデマンド型のヘッドが最も一般的に普及している。また、インクに圧力を印加する方式には大きく２つの方式がある。それは、圧電素子への駆動信号により圧力室内の圧力を変化させることによりインクの圧力を変化させる方式と、抵抗体への駆動信号により圧力室内に気泡を発生させインクに圧力を加える方式である。

圧電素子を用いた液体吐出ヘッドは、バルクの圧電材料を機械加工することにより、比較的容易に作製することも可能である。また、比較的インクの制約も少なく幅広い材料のインクを記録媒体に選択的に塗布できる利点も有している。このような観点から近年、液体吐出ヘッドをカラーフィルターの製造、配線形成等の工業用に利用する試みも多くなっている。

工業用に利用する圧電方式の液体吐出ヘッドの中でもシェアモード方式が多く採用されている。シェアモード方式は分極処理された圧電体に直交方向に電界を印加することによりせん断変形することを利用している。変形させる圧電体は分極処理されたバルクの圧電材料にダイシングブレードによりインク溝等を加工して形成させる隔壁部である。その隔壁部の両側面には、圧電体を駆動するための電極対が形成され、ノズルが形成されたノズルプレート及びインク供給系を形成することにより液体吐出ヘッドが構成される（特許文献１参照）。

シェアモード方式の液体吐出ヘッドは比較的容易に製造可能であるが、所望の吐出速度を得るためには、圧電体からなる隔壁部の両側に加える電圧（電位差）によって圧電体をせん断変形させ、圧力室内の液体に加わる圧力を制御する必要がある。

圧電方式の液体吐出ヘッドの吐出性能は、一般的に電圧と吐出速度との関係で表され、吐出速度は電圧に対して比例することが知られている。低消費電力で吐出速度の制御性の良い液体吐出ヘッドを得るためには、低電圧で液滴を吐出でき、且つ、電圧に対する吐出速度の変化の割合（以下、「電圧感度」という）を小さくすることが必要である。

吐出速度は、圧力室内の液体に加わる圧力に比例することから、圧電体の材料、隔壁部や圧力室の幅や高さによって液体に加わる圧力を調整することで制御できる。例えば、液体に加わる圧力を高めるためには、圧力室の幅を狭くしたり、圧力室の高さを高くしたりすることで、圧力室の変位体積を大きくすることが有効である。

一方、変位体積と隔壁部や圧力室の構造の関係は、変位体積ΔＶｏｌ、圧電定数ｄ_１５、圧力室の高さＨ、隔壁部の幅Ｔ、電圧Ｖ、圧力室の長さｚ、に対して、ΔＶｏｌ＝（ｄ_１５×Ｈ×ｚ×Ｖ）÷（４×Ｔ）の関係式で表される。

特公平６−６３７５号公報

しかし、長手方向全体に亘って、隔壁部の幅や圧力室の高さを変えて圧力室の変位体積を大きくしようとすると、上記関係式より電圧に対する変位体積の変化の割合が大きくなる。変位体積と液体に加わる圧力とは比例関係にあるので、結果として、液体に加わる圧力に対する電圧の変化の割合も大きくなる。つまり、低電圧で液滴を吐出させるために、単純に圧力室の幅や圧力室の高さを調整して圧力室内の液体に加わる圧力を高めようとすると、吐出速度の電圧感度が上昇し、液滴の吐出速度の制御性が低下する。

特に、微小液滴を吐出させるために、ノズルの径を例えば５［μｍ］〜１５［μｍ］にまで小さくすると、ノズルの壁面とノズルの中心との距離が近くなるので、粘性抵抗や表面張力の影響が大きくなり、液体の流速がノズルの中心に集中し易くなる。このことから、ノズルから吐出方向に対して形成された液柱が千切れにくくなる。したがって、液柱が千切れて液滴が形成される際には、ノズルの中心部に蓄えられた運動エネルギーが大きく、そのため液滴の吐出速度が大きくなる。つまり、ノズルの径を小さくすることで、圧力室の液体に加わる圧力、即ち電極対に印加する電圧に対する液滴の吐出速度の変化の割合（電圧感度）がより急峻になり、液滴の吐出速度の制御性が更に低下する。

そこで、本発明は、液滴の吐出速度の制御性が向上する液体吐出装置を提供する。

本発明は、互いに対向する第１基板及び第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に高さ方向に対して直交する幅方向に間隔をあけて並設され、長手方向に延びる複数の圧力室を形成する、圧電体で構成された複数の隔壁部と、前記各圧力室の長手方向の第１端部の側に配置され、前記各圧力室に接続される各ノズルが形成されたノズル部材と、前記各圧力室の長手方向の前記第１端部に対して反対の第２端部の側に配置され、前記複数の圧力室に接続される共通液室を形成する共通液室形成部材と、前記各隔壁部を、ノズル側の部分においてせん断変形させる電界を印加する可動領域と共通液室側の部分において前記電界を印加しない非可動領域とに分割するように、前記各隔壁部の両側面に前記可動領域を挟んで対向して配置された複数の電極対と、を備え、前記各圧力室は、前記第２端部における前記長手方向に垂直な面に沿う断面の断面積が、前記可動領域と前記非可動領域との境界上の前記第１端部に最も近い第１境界点における前記長手方向に垂直な面に沿う断面の断面積よりも広くなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、液体吐出時に圧力室から共通液室へ向かう液体の流れが大きくなるので、ノズルへ向かう液体の流れが抑制され、液体に加わる圧力に対する液滴の吐出速度の変化の割合を低減することができ、液滴の吐出速度の制御性が向上する。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出装置である液体吐出ヘッドの一例としてインクジェットヘッドを示す分解模式図である。インクジェットヘッドにおけるインクの流れを示すインク流路の断面模式図である。吐出ユニットの部分斜視図である。吐出ユニットの部分断面図である。吐出ユニットの一部分を示す部分斜視図である。各電極に電圧を印加した際の隔壁部の変位及び圧力室の変形を説明するための模式図である。吐出ユニットにおいて第１基板を除いた部分の模式図である。圧力室の模式図である。インクの吐出時のインクジェットヘッドの動作を説明するための摸式図である。インクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。インクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。インクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。インクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。インクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。本発明の第２実施形態の圧力室の模式図である。本発明の第３実施形態の圧力室の模式図である。本発明の第４実施形態の圧力室の模式図である。吐出ユニットの断面を示す模式図である。実施例、比較例１及び比較例２のインクジェットヘッドにおける印加電圧と液滴の吐出速度との関係を示すグラフである。実施例、比較例１及び比較例２のインクジェットヘッドにおけるノズルの径と電圧感度との関係を示すグラフである。実施例におけるインクジェットヘッドの圧力室を示す模式図である。圧力室の断面積比と電圧感度との関係を示すグラフである。長さの比と電圧感度との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る液体吐出装置である液体吐出ヘッドの一例としてインクジェットヘッドを示す分解模式図である。図１に示すインクジェットヘッド１００は、液体吐出方向Ａ１と平行な長手方向Ａ２に対して直交する幅方向Ｂに一列に並設された複数の圧力室１及び複数のダミー室２が形成された吐出ユニット１０を備えている。吐出ユニット１０の液体吐出側の面（前面）には、各圧力室１に対応して各ノズル３０ａが形成されたノズル部材としてのノズルプレート３０が配置されている。吐出ユニット１０とノズルプレート３０とは、圧力室１とノズル３０ａとの位置が一致するよう（即ち、圧力室１とノズル３０ａとが連通するよう）アラインメントされて接着されている。これにより、各ノズル３０ａが各圧力室１に接続される。圧力室１は、前面から液体供給面（背面）に向けて突き抜けている。ダミー室２は、前面側には突き抜けているが、液体供給面（背面）側には突き抜けていない空気室である。

吐出ユニット１０の背面側には、インクタンク（不図示）と連通するインク供給口４１とインク回収口４２が設けられた、共通液室形成部材としてのマニホールド４０が接合されている。また、吐出ユニット１０の前面側には、各ダミー室２に連通する複数の前面溝７が形成されている。吐出ユニット１０の上面には、フレキシブル基板５０が接合されている。

図２は、インクジェットヘッド１００におけるインクの流れを示すインク流路の断面模式図である。図３は、吐出ユニット１０の部分斜視図であり、図４は、吐出ユニット１０の部分断面図である。

吐出ユニット１０は、図３に示すように、互いに対向する２つの基板１１，１２（第１基板１１及び第２基板１２）と、第１基板１１と第２基板１２との間に高さ方向Ｃに対して直交する幅方向Ｂに間隔をあけて並設された複数の隔壁部３と、を有している。

これら隔壁部３は、長尺に形成されており、複数の隔壁部３により、長手方向Ａ２に延びる複数の圧力室１及び複数のダミー室２が形成されている。各隔壁部３は、高さ方向Ｃに分極された圧電体で構成されている。

また、吐出ユニット１０は、図４に示すように、各隔壁部３の幅方向Ｂの両側面に配置され、各隔壁部３をせん断変形させる複数の電極対（一対の電極）１３を有している。つまり、各隔壁部３には、それぞれ電極対１３が設けられている。具体的には、各隔壁部３には、液体吐出方向Ａ１（長手方向Ａ２）と直交する方向、即ち、幅方向Ｂの両側面に、信号電極１４及び信号電極１５からなる電極対１３がそれぞれ設けられている。信号電極１４は、ダミー室側に、信号電極１５は、圧力室側に配置されている。

第２基板１２の一方の面１２ａには、信号電極１４に連続して接続され、信号電極１４に電気的に導通する底面電極１７と、信号電極１５に連続して接続され、信号電極１５に電気的に導通する底面電極１８とが形成されている。ダミー室２において、両側に形成された底面電極１７，１７同士は、溝部１９により分断されて電気的に絶縁されている。

信号電極１４は、図１に示す前面溝７内に形成された前面電極を介して、取り出し電極４に電気的に接続されている。また、信号電極１５は接地されている。これら電極対１３に電圧が印加されることにより、隔壁部３には、分極方向と直交する方向（幅方向Ｂ）に電界が印加され、隔壁部３は、幅方向Ｂにせん断変形する圧電素子として機能する。具体的には、信号電極１５をグラウンド電位とし、この信号電極１５に対して信号電極１４に電圧を印加する。圧力室１内の電極１５はグラウンド電位であるため、導電性を有する液体を用いることができる。

図２に示すように、圧力室１の液体吐出側である長手方向Ａ２の第１端部１ａの側には、ノズルプレート３０が配置されている。一方、圧力室１の液体供給側である、第１端部１ａに対して反対側の長手方向Ａ２の第２端部１ｂの側には、マニホールド４０が配置され、共通液室４３が形成されている。この共通液室４３は、各圧力室１に接続されている。共通液室４３には、不図示のインクタンクから、インク供給口４１を介してインクＩが供給される。共通液室４３に供給されたインクＩは、各圧力室１へ充填される。そして、電極対１３によって分極方向と直交する方向に電界が印加されることにより、隔壁部３がせん断変形し、圧力室１の体積が変化する。これにより、液体（液滴）であるインク（インク滴）Ｉがノズル３０ａから吐出される。

本実施形態では、図４に示すように、複数の隔壁部３は、第２基板１２の一方の面１２ａから突出するように互いに幅方向Ｂに間隔をあけて形成されている。即ち、複数の隔壁部３は、一方の面１２ａに、幅方向Ｂに間隔をあけて突設されている。そして、各隔壁部３の先端部３ａと、第１基板１１の一方の面１１ａとが接着剤１６によって接合されて、圧力室１とダミー室２とが隔壁部３で仕切られて幅方向Ｂに交互に形成される。つまり、複数の圧力室１のうち隣り合う２つの圧力室１，１の間には、各隔壁部３で仕切られたダミー室２が形成されている。ダミー室２は、共通液室４３に非接続となる空気室である。換言すると、圧力室１及びダミー室２は、隔壁部３で仕切られた空間、即ち、隔壁部３、第２基板１２及び第１基板１１で囲まれた空間である。

圧力室１の長手方向Ａ２に垂直な面に沿う断面の断面積は、図４に示すように、圧力室１の高さをＨ、圧力室１の幅をＷとすると、Ｈ×Ｗとなっている。圧力室１の高さＨは、隔壁部３の高さ方向Ｃの全体の高さと、接着剤１６の厚さＤとの和である。圧力室１の幅Ｗは、底面電極１８の幅であり、隔壁部３の幅Ｔは、信号電極１４と信号電極１５との間の幅である。

図３に示すように、第２基板１２の他方の面１２ｂには、取り出し電極４が、各圧力室１に対応して個別に形成されている。第２基板１２に形成された取り出し電極４には、図１に示すように、フレキシブル基板５０の信号配線５１が接合される。この際、取り出し電極４と信号配線５１は、それぞれアラインメント接合されている。

隔壁部３は、図４中の矢印で示すように、第２基板１２の一方の面１２ａから突出し、高さ方向Ｃと平行方向に分極された基端側圧電体３Ａと、それとは逆方向に分極された先端側圧電体３Ｂとが接着剤３Ｃによって接合された、シェブロン構造となっている。

次に、各電極１４，１５への電圧印加の方法について説明する。図５は、吐出ユニット１０の一部分を示す部分斜視図である。図５（ａ）は吐出ユニット１０の前面側から見た斜視図であり、図５（ｂ）は吐出ユニット１０を背面側から見た斜視図である。なお、図５においては、吐出ユニット１０に、１つの圧力室１及び２つのダミー室２が形成されているものとしている。

図５（ａ）に示すように、第２基板１２の他方の面１２ｂ上には複数の取り出し電極４_１，４_２，４_３及び共通電極２２が形成されており、フレキシブル基板５０（図１）の信号配線５１に電気的に接続されている。

前面溝７の内部には、図５（ａ）に示すように、信号電極１４に連続して接続され、信号電極１４に電気的に導通する前面電極２０が形成されており、この前面電極２０が取り出し電極４_２に電気的に導通するように接続されている。次に、図５（ｂ）に示すように、信号電極１５に連続して接続され、信号電極１５に電気的に導通する背面電極２１が形成されており、この背面電極２１が、共通電極２２を介して取り出し電極４_１，４_３に電気的に導通するように接続されている。

以上の電極構成で、フレキシブル基板５０（図１）から取り出し電極４_２に電圧ＶＡを印加すると、前面電極２０を介して信号電極１４に電圧ＶＡが印加される。また同様に、図５（ｂ）に示すように、フレキシブル基板５０（図１）から取り出し電極４_１または４_３のいずれかに電圧ＶＢを印加すると、背面電極２１を介して信号電極１５に電圧ＶＢが印加される。なお、本実施形態では、電圧ＶＢは、グラウンド電位である。

次に、本実施形態に係るインクジェットヘッド１００の動作について説明する。図６は、各電極に電圧を印加した際の隔壁部３の変位及び圧力室１の変形を説明するための模式図である。ここで説明のため、信号電極１４には電圧ＶＡが印加され、同様に信号電極１５にはそれぞれ電圧ＶＢが印加されるものとする。

図６（ａ）は、印加電圧ＶＡ＝ＶＢのいわゆる基底状態を示しており、この状態において隔壁部３は変位していない。

次に、図６（ｂ）は、印加電圧ＶＡ＞ＶＢであるときの隔壁部３の変位及び圧力室１の変形の様子を示している。電圧ＶＡ，ＶＢは、分極方向と直交する方向に印加されており、隔壁部３は、せん断変形する。この場合、各隔壁部３は、圧力室１の断面積が拡大する方向へ、くの字に変位する。各隔壁部３に対して、このように電圧を印加することで、圧力室１の内部にインクを充填することができる。

次に、図６（ｃ）は、印加電圧ＶＡ＜ＶＢであるときの隔壁部３の変位及び圧力室１の変形の様子を示している。この場合、各隔壁部３は、圧力室１の断面積が縮小する方向へ、くの字に変位する。各隔壁部３に対して、このように電圧を印加することで、圧力室１の内部のインクを加圧し、ノズル３０ａ（図１）からインクを吐出させることができる。

図７は、吐出ユニット１０において第１基板１１を除いた部分の模式図である。図７（ａ）は、吐出ユニット１０において第１基板１１を除いた部分の斜視図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）における圧力室１の長手方向Ａ２に平行な面に沿う断面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）におけるダミー室２の長手方向Ａ２に平行な面に沿う断面図である。各圧力室１の高さは、ノズル側の第１端部１ａから長手方向Ａ２に共通液室側の第２端部１ｂに向かって高くなっている。一方、各ダミー室２の高さは、ノズル側の端部２ａから長手方向Ａ２に共通液室側の端部２ｂに向かって低くなっており、共通液室４３（図２）には連通していない。

図８は、圧力室の模式図である。図８（ａ）は、圧力室１とダミー室２とを幅方向Ｂから見て重ね合わせたときの模式図である。図８（ｂ）は、圧力室１の斜視図である。

各隔壁部３において、各電極対１３は、ノズル側の部分でせん断変形させる電界を印加する可動領域Ｒ１と、共通液室側の部分で電界を印加しない非可動領域Ｒ２とに２分割するように、各隔壁部３の両側面に可動領域Ｒ１を挟んで対向して配置されている。

なお、本実施形態では、隔壁部３の両側面において、圧力室１側の側面全体、及びダミー室２の側面全体に導体が形成されているが、幅方向Ｂから見て互いに重なる部分のみが、電極１４，１５となる。

ここで、幅方向Ｂから見て、可動領域Ｒ１と非可動領域Ｒ２との境界Ｘ上の第１端部１ａに最も近い第１境界点をＰ１、境界Ｘ上の第２端部１ｂに最も近い第２境界点をＰ２とする。また、第１境界点Ｐ１における長手方向Ａ２に垂直な面に沿う圧力室１の断面の断面積をＳ１とし、第２端部１ｂにおける長手方向Ａ２に垂直な面に沿う圧力室１の断面の断面積をＳ２とする。

各圧力室１は、断面積Ｓ２が断面積Ｓ１よりも広くなるように形成されている。本実施形態では、圧力室１の幅は、第１端部１ａから第２端部１ｂに亘って一定の長さに形成されている。したがって、本実施形態では、第２端部１ｂにおける各圧力室１の高さＨ２が、第１境界点Ｐ１における各圧力室１の高さＨ１よりも高い。

より具体的には、図８（ｂ）に示すように、圧力室１において、ノズル側の第１端部１ａから長手方向Ａ２の途中までが、一定の高さＨ３（一定の断面積）の圧力室平坦部２０７となっている。そして、圧力室１において、第１端部１ａから境界点Ｐ１までの長手方向Ａ２の長さが、圧力室平坦部２０７の長手方向Ａ２の長さより長くなっている。境界点Ｐ１における圧力室１の高さＨ１は、圧力室平坦部２０７における高さＨ３よりも高い。

このとき、圧力室１において、長手方向Ａ２に垂直な面に沿う断面の断面積をＳとしたとき、断面積Ｓは、境界点Ｐ１から長手方向Ａ２に共通液室４３に向かって大きくなっており、共通液室４３に接する面の断面積Ｓ２は、断面積Ｓにおいて最大面積である。

本実施形態では、各圧力室１は、各圧力室１の長手方向Ａ２に垂直な面に沿う断面の断面積Ｓが、第１境界点Ｐ１から第２端部１ｂに向かうに連れて連続的に広くなるように形成されている。なお、断面積Ｓが連続的に変化するものとしたが、段階的に広くなるように形成してもよい。

本実施形態において、圧力室１の長手方向Ａ２の全長Ｌは、第１端部１ａから第２境界点Ｐ２までの長さＬ１と、第２境界点Ｐ２から第２端部１ｂまでの長さＬ２の和であり、６［ｍｍ］〜１４［ｍｍ］の範囲である。

また、隔壁部３（図４）の幅Ｔは、３０［μｍ］〜１００［μｍ］の範囲内であり、圧力室１の幅Ｗは、３０［μｍ］〜１００［μｍ］の範囲内である。

第１境界点Ｐ１における圧力室１の高さＨ１は、１００［μｍ］〜４００［μｍ］の範囲内であり、圧力室１における共通液室４３と接する面の圧力室１の高さＨ２は、４００［μｍ］〜１５００［μｍ］である。

本実施形態のインクジェットヘッド１００の動作について説明する。図９は、本第１実施形態におけるインクの吐出時のインクジェットヘッド１００の動作を説明するための摸式図である。

図９（ａ）は、インクジェットヘッド１００の断面図であり、駆動電圧ＶＡ＝ＶＢ（図６（ａ））の状態である。基底状態にあり、圧力室１のインクには流れがない。

図９（ｂ）は、ＶＡ＞ＶＢ（図６（ｂ））のとき、可動領域Ｒ１において、隔壁部３が圧力室１の断面積を拡大する方向へせん断変形する。ノズル３０ａ内のインクが圧力室１側に向かって流れることで、メニスカス２８がノズル３０ａの内部に引き込まれ、同時に共通液室４３から圧力室１に向かってインクが流れるため、圧力室１の長手方向Ａ２の中央部付近におけるインク圧力が上昇する。このとき、断面積Ｓ２が断面積Ｓ１よりも広く、圧力室１における流路抵抗が低くなっているので、圧力室１の可動領域Ｒ１に対応する部分に効率よくインクが供給される。

図９（ｃ）は、ＶＡ＜ＶＢ（図６（ｃ））のとき、可動領域Ｒ１において、隔壁部３が圧力室１の断面積を縮小する方向へ変位する。このとき圧力室１のインクに発生する圧力は最大となり、長手方向Ａ２においてノズル３０ａ側及び共通液室４３側へのインク流れが発生する。

このとき、圧力室１における断面積Ｓが境界点Ｐ１（図９（ａ））から長手方向Ａ２に共通液室４３に向かって大きくなっているので、共通液室４３に向かうインクの流れを大きくすることができる。つまり、圧力室１の非可動領域Ｒ２に対応する部分の流路抵抗が、圧力室１の可動領域Ｒ１に対応する部分の流路抵抗よりも小さく、圧力室１の圧縮時に第２端部１ｂ側にインクが流れやすくなっている。その結果、ノズル３０ａ側へ向かうインクの流れが低減され、圧力室１内のインクに加わる圧力に対する吐出速度の変化の割合、即ち電圧感度を小さくすることができる。これにより、ノズル３０ａから吐出される液滴の吐出速度の制御性が向上する。

また、断面積Ｓが、第１境界点Ｐ１から第２端部１ｂに向かうに連れて連続的（又は段階的）に広くなるようにしているので、更に効果的にインクが流れやすくなる。したがって、ノズル３０ａから吐出される液滴の吐出速度の制御性がより向上する。

このように、電圧感度を下げるためには、圧力室１において可動領域Ｒ１に対応する部分対する非可動領域Ｒ２に対応する部分の占める割合を大きくし、共通液室４３に向かうインクの流れを制御することが効果的である。

一方、電極対１３に印加する電圧を低電圧として液滴をノズル３０ａから吐出させるためには、可動領域Ｒ１における単位電圧あたりの変位体積を大きくし、インクに加わる圧力を高めることが効果的である。

これらを鑑みて、圧力室１における、可動領域Ｒ１に対応する部分の断面積と非可動領域Ｒ２に対応する部分の断面積との断面積比や、可動領域Ｒ１に対応する部分の長さと非可動領域Ｒ２に対応する部分の長さとの比を調整するのがよい。これらの比を調整することで、所望の電圧感度で液滴をノズル３０ａから吐出させることが可能となる。

次に、本実施形態におけるインクジェットヘッド１００の製造方法について説明する。まず、図１０に示すように、分極処理した２枚の圧電板２３，２３を、分極方向が互いに反対方向となるように反転して貼り合わせ、その後に研削などの加工により所望の寸法に加工し、圧電基板２４とする。

続いて、圧電基板２４に、図１１に示すように隔壁溝２５を加工することで、圧電体（アクチュエータ）からなる複数の隔壁部３を形成する。また、圧電基板２４に、前面溝７を加工する。これらの溝加工については加工時に圧電基板２４がキュリー温度以上とならないような、例えばダイヤモンドブレードによる切削加工などを用いることが好ましい。ただし、前面溝７については、後にアクチュエータとして動作する領域ではないため、圧電基板２４のキュリー温度を考慮しない、例えばレーザー加工などを用いることができる。

次に図１２に示すように、隔壁溝２５の加工が施された圧電基板２４の、隔壁溝２５の内部も含めた全面に、導電層２６を付与する。これは無電解めっきなどによって容易に実現できる。

続いて、図１３に示すように、隔壁部３の上面（先端部）３ａ上の導電層２６を研磨などにより選択除去し、更に隔壁溝２５内に導電層２６を分断するよう、溝部１９を加工する。なおここで加工される溝部１９について、レーザー加工やダイヤモンドブレードによる切削加工で形成されれば良い。

次に、図１４に示すように、隔壁部３の先端部３ａに接着剤１６を塗布し、第１基板１１の一方の面１１ａと貼り合わせることで吐出ユニット１０を得る。

接着剤１６の塗布方法は、スクリーン印刷やバーコーターといった厚みを調整できる手段を用いて、隔壁部３の先端部３ａに直接塗布しても良いし、フィルムやガラス基板に一旦塗布した後に、転写しても良い。接着剤１６としては例えば、エポキシ系、フェノール系、ポリミイド系を用いることができる。

その後、吐出ユニット１０の前面を研削及び研磨し、導電層２６を除去すると共に所望の寸法形状に整える。また更に吐出ユニット１０の上面に対し取り出し電極分断溝２７を加工し、それぞれ電気的に分断された個別の電極４を得る。

上記一連の工程により、吐出ユニット１０を形成した後、図１に示したようにノズルプレート３０、マニホールド４０、フレキシブル基板５０などの貼り合わせを行い、本実施形態に係るインクジェットヘッド１００を得るに至る。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る液体吐出装置について説明する。本実施形態においても、液体吐出装置は、インクジェットヘッドである。図１５は、本発明の第２実施形態の圧力室の模式図である。図１５（ａ）は、圧力室とダミー室とを幅方向から見て重ね合わせたときの模式図である。図１５（ｂ）は、圧力室の斜視図である。

上記第１実施形態と同様、図１５（ａ）より、圧力室１を形成する隔壁部３において、電極対１３で挟まれた部分は、せん断変形することから、可動領域Ｒ１とし、可動領域Ｒ１以外の領域は非可動領域Ｒ２とする。また、上記第１実施形態と同様、可動領域Ｒ１と非可動領域Ｒ２の境界上において長手方向Ａ２のノズル側の端点を第１境界点Ｐ１とし、長手方向Ａ２の共通液室側の端点を第２境界点Ｐ２としている。

図１５（ｂ）より、長手方向Ａ２に垂直な面に沿う圧力室１の断面の面積を、断面積Ｓとしたとき、断面積Ｓは、境界点Ｐ１から長手方向Ａ２に共通液室側の第２端部１ｂに向かって大きくなっている。そして、共通液室に接する面の圧力室１の断面積Ｓ２は断面積Ｓにおいて最大面積である。

また、圧力室１において、長手方向Ａ２にノズル側の第１端部１ａから共通液室側の第２端部１ｂに向かう途中まで断面積Ｓが一定の平坦部となっており、可動領域Ｒ１で挟まれた部分を可動領域平坦部２０６、平坦部全体を圧力室平坦部２０７とする。圧力室平坦部２０７の長手方向Ａ２の長さは、可動領域平坦部２０６の長さよりも長い。

圧力室１の断面積Ｓ１と断面積Ｓ２とを比較したとき、断面積Ｓ２が断面積Ｓ１よりも広くなっている。具体的には、圧力室１の幅Ｗが一定で、圧力室１の高さＨ２が高さＨ１よりも高くなっている。

そして、圧力室１の断面積Ｓは、第１境界点Ｐ１から第２端部１ｂに向かって途中まで一定であり、その途中から第２端部１ｂに近づくに連れて連続的に広くなっている。

以上の構成であっても、上記第１実施形態と同様、圧力室１における断面積Ｓが境界点Ｐ１から長手方向Ａ２に共通液室４３に向かって大きくなっているので、共通液室４３に向かうインクの流れを大きくすることができる。つまり、圧力室１の非可動領域Ｒ２に対応する部分の流路抵抗が、圧力室１の可動領域Ｒ１に対応する部分の流路抵抗よりも小さく、圧力室１の圧縮時に第２端部１ｂ側にインクが流れやすくなっている。その結果、液滴吐出時に、ノズル３０ａ側へ向かうインクの流れが低減され、圧力室１内のインクに加わる圧力に対する吐出速度の変化の割合、即ち電圧感度を小さくすることができる。これにより、ノズル３０ａから吐出される液滴の吐出速度の制御性が向上する。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る液体吐出装置について説明する。本実施形態においても、液体吐出装置は、インクジェットヘッドである。図１６は、本発明の第３実施形態の圧力室の模式図である。図１６（ａ）は、圧力室とダミー室とを幅方向から見て重ね合わせたときの模式図である。図１６（ｂ）は、圧力室の斜視図である。

本第３実施形態では、圧力室１の高さが長手方向Ａ２に共通液室に向かって高くなっている領域に対応する部分にまで、隔壁部３の可動領域Ｒ１が延伸した構造である。より具体的には、図１６（ｂ）に示すように、圧力室１における可動領域平坦部２０６の長さが、圧力室平坦部２０７よりも長くなっている。

このとき、圧力室１の断面積Ｓは、第１境界点Ｐ１から長手方向Ａ２に共通液室に向かって大きくなっており、共通液室に接する面の圧力室１の断面積Ｓ２は断面積Ｓにおいて最大面積である。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る液体吐出装置について説明する。本実施形態においても、液体吐出装置は、インクジェットヘッドである。図１７は、本発明の第４実施形態の圧力室の模式図である。図１７（ａ）は、圧力室とダミー室とを幅方向から見て重ね合わせたときの模式図である。図１７（ｂ）は、圧力室の斜視図である。

本第４実施形態では、ノズル側の第１端部１ａから長手方向Ａ２に第１境界点Ｐ１に向かって圧力室１の高さが段階的に大きくなっている。また、図１７（ｂ）に示すように、圧力室１の断面積Ｓは、第１境界点Ｐ１から長手方向Ａ２に共通液室に向かって大きくなっており、共通液室に接する面の圧力室１の断面積Ｓ２は断面積Ｓにおいて最大面積である。

図１８は、吐出ユニット１０の断面を示す模式図である。図１８（ａ）は本実施例に係る吐出ユニット１０の構造であり、圧力室１の長さＬは１２［ｍｍ］である。

圧力室１の長手方向Ａ２における長さＬは１２［ｍｍ］であり、長手方向Ａ２において第１境界点Ｐ１から共通液室４３に向かって圧力室１の断面積Ｓは大きくなっている。一方、共通液室４３に接する圧力室１の断面積Ｓ２は、第１境界点Ｐ１における圧力室１の断面積Ｓ１より大きくなっており、断面積Ｓ１は圧力室１における最大断面積である。より具体的には、第１境界点Ｐ１における圧力室１の高さＨ１は２４０［μｍ］、共通液室４３に接する面の圧力室１の高さＨ２は６５０［μｍ］で、圧力室１の幅Ｗ（図８参照）は６０［μｍ］である。

また、第１端部１ａ（ノズル３０ａ）と第２境界点Ｐ２との間の長手方向Ａ２の長さＬ１は７．３［ｍｍ］、第２境界点Ｐ２と第２端部１ｂ（共通液室４３）との間の長手方向Ａ２の長さＬ２は４．７［ｍｍ］である。

断面積Ｓは、圧力室１の高さＨと圧力室１の幅Ｗの積で表され、断面積Ｓ１と断面積Ｓ２との比をＲ１１（＝Ｓ１／Ｓ２）とすると、圧力室１における断面積の比Ｒ１１は２．７である。また、長さＬ１と長さＬ２の比をＲ１２（＝Ｌ２／Ｌ１）とすると、長さの比Ｒ１２は０．６４である。

図１８（ｂ）は、比較例１の吐出ユニットの構造であり、断面積Ｓは長手方向Ａ２において一定の高さ及び一定の幅である。即ち、第１境界点Ｐ１を交差する圧力室の断面積Ｓ１から共通液室に接する圧力室の断面積Ｓ２まで同じ断面積である。

より具体的には、圧力室の長さＬは、実施例と同様、１２［ｍｍ］である。長さＬ１は１１［ｍｍ］、長さＬ２は１［ｍｍ］、圧力室の幅Ｗは６０［μｍ］である。

また、第１境界点Ｐ１における圧力室の高さＨ１は２４０［μｍ］、共通液室に接する面の圧力室の高さＨ２も２４０［μｍ］である。断面積Ｓ１と断面積Ｓ２との比Ｒ１１は１．０である。また、長さＬ１と長さＬ２の比Ｒ１２は０．０９である。

図１８（ｃ）は、比較例２の吐出ユニットの構造であり、比較例１（図１８（ｂ））に対して、圧力室の長さＬを８［ｍｍ］に短くしたものである。第１境界点Ｐ１における圧力室の高さＨ１は２４０［μｍ］、共通液室に接する面の圧力室の高さＨ２は２４０［μｍ］、圧力室の幅Ｗは６０［μｍ］である。

また、長さＬ１は実施例と同様、７．３［ｍｍ］である。長さＬ２は０．７［ｍｍ］である。断面積Ｓ１と断面積Ｓ２との比Ｒ１１は１．０である。また、長さＬ１と長さＬ２の比Ｒ１２は０．０９である。

その他、実施例（図１８（ａ））、比較例１（図１８（ｂ））、比較例２（図１８（ｃ））共に隔壁部の幅Ｔは７０［μｍ］、ノズルの径は１０［μｍ］である。

図１９は、実施例、比較例１及び比較例２のインクジェットヘッドにおける印加電圧と液滴の吐出速度との関係を示すグラフである。この特性を比較した結果を表１に示す。

比較例１は電圧感度が２．０［ｍ／ｓ／Ｖ］と高いのに対し、比較例１と比較して圧力室の全長Ｌを短くした比較例２の電圧感度は、１．４［ｍ／ｓ／Ｖ］となり、比較例１よりも電圧感度を低減できる。しかし、比較例２では、液滴を吐出させるための電圧の閾値が比較例１に比べて上がっている。一方、本実施例では、比較例１に対して吐出させるための電圧の閾値を上げることなく、比較例１，２よりも電圧感度を下げることができている。

図２０は、実施例、比較例１及び比較例２のインクジェットヘッドにおけるノズルの径と電圧感度との関係を示すグラフである。

ノズルの径を小さくしていくほど、電圧感度が大きくなっていくことが分かる。望ましい電圧感度０．５［Ｖ／ｍ／ｓ］〜１．０［Ｖ／ｍ／ｓ］にするためには、比較例１であればノズルの径は、少なくとも３０［μｍ］必要である。比較例２ではノズルの径は、少なくとも２０［μｍ］必要であることがわかる。一方、本実施例では、ノズルの径が、５［μｍ］〜１５［μｍ］の範囲内である場合に効果的であることがわかる。

図２１は、本実施例におけるインクジェットヘッドの圧力室を示す模式図である。図２１（ａ）は、インクジェットヘッドの圧力室の断面図、図２１（ｂ）は、インクジェットヘッドの圧力室の斜視図である。この図２１の構成で、共通液室４３に接する面の圧力室１の高さＨ２を２５０［μｍ］〜６５０［μｍ］の範囲まで変えることで、圧力室１の断面積Ｓ１と圧力室１の断面積Ｓ２の比Ｒ１１＝Ｓ２／Ｓ１を変えて評価した。

その他、圧力室１の長さＬは１２［ｍｍ］、ノズル３０ａから第２境界点Ｐ２までの長手方向Ａ２の長さＬ１は７．３［ｍｍ］、第２境界点Ｐ２から共通液室４３までの長手方向Ａ２の長さＬ２は４．７［ｍｍ］とした。圧力室１の高さＨ１は２４０［μｍ］、圧力室１の幅Ｗは６０［μｍ］、隔壁部の幅Ｔは７０［μｍ］とした。

図２２は、圧力室１の断面積比Ｒ１１と電圧感度との関係を示すグラフである。圧力室１の断面積比Ｒ１１を大きくすることで、電圧感度を下げることができることができる。

望ましい電圧感度０．５［Ｖ／ｍ／ｓ］〜１．０［Ｖ／ｍ／ｓ］にするためには、圧力室１の断面積比Ｒ１１が１．８〜３．５の範囲内とするのがよいことがわかる。

図２３は、長さの比Ｒ１２と電圧感度との関係を示すグラフである。圧力室１の長さＬは１２［ｍｍ］で一定であり、ノズル３０ａから第２境界点Ｐ２までの長さＬ１を４［ｍｍ］〜１０［ｍｍ］の範囲にすることで、圧力室１における長さの比Ｒ１２を０．６〜１．７の範囲に設定し、電圧感度との関係を評価した。その他、第１境界点Ｐ１における圧力室１の高さＨ１は２５０［μｍ］、共通液室４３に接する面の圧力室１の高さＨ２は４００［μｍ］、圧力室１の幅Ｗは６０［μｍ］、隔壁部の幅Ｔは７０［μｍ］とした。

図２３より、圧力室１における可動領域と非可動領域の長さの比Ｒ１２を大きくすることで、電圧感度を下げることができる。望ましい電圧感度０．５〜１．０［Ｖ／ｍ／ｓ］にするためには、Ｒ１２が０．６〜１．７の範囲内とするのがよいことがわかる。

つまり、圧力室１を形成する隔壁部３全体を可動領域とすると、電圧感度が下がりすぎでしまう。これに対し、隔壁部３を、ノズル側の部分においてせん断変形させる電界を印加する可動領域と共通液室側の部分において電界を印加しない非可動領域とに２分割することで、電圧感度を適正な値にすることができる。そして、比Ｒ１２を０．６〜１．７の範囲内とすることで、より適正な電圧感度に設定することができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記実施形態では、液体吐出ヘッドとして、プリンタ等に用いられるインクジェットヘッドについて説明したが、これに限定するものではない。例えば、液体として、金属配線を形成する際に用いられる、金属微粒子を含有させた液体を吐出するヘッドであってもよいし、レジストパターニングに用いられる、レジストインクであっても良い。

また、上記実施形態では、隔壁部が、高さ方向に分極された基端圧電体と基端圧電体とは反対方向に分極された先端圧電体とを接合して構成された圧電体である場合について説明したが、高さ方向に一方向に分極された圧電体で構成されていてもよい。

１…圧力室、１ａ…第１端部、１ｂ…第２端部、３…隔壁部、１１…第１基板、１２…第２基板、１３…電極対、３０…ノズルプレート（ノズル部材）、３０ａ…ノズル、４０…マニホールド（共通液室形成部材）、４３…共通液室、１００…インクジェットヘッド（液体吐出装置）、Ｐ１…第１境界点、Ｐ２…第２境界点、Ｒ１…可動領域、Ｒ２…非可動領域

Claims

互いに対向する第１基板及び第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に高さ方向に対して直交する幅方向に間隔をあけて並設され、長手方向に延びる複数の圧力室を形成する、圧電体で構成された複数の隔壁部と、
前記各圧力室の長手方向の第１端部の側に配置され、前記各圧力室に接続される各ノズルが形成されたノズル部材と、
前記各圧力室の長手方向の前記第１端部に対して反対の第２端部の側に配置され、前記複数の圧力室に接続される共通液室を形成する共通液室形成部材と、
前記各隔壁部を、ノズル側の部分においてせん断変形させる電界を印加する可動領域と共通液室側の部分において前記電界を印加しない非可動領域とに分割するように、前記各隔壁部の両側面に前記可動領域を挟んで対向して配置された複数の電極対と、を備え、
前記各圧力室は、前記第２端部における前記長手方向に垂直な面に沿う断面の断面積が、前記可動領域と前記非可動領域との境界上の前記第１端部に最も近い第１境界点における前記長手方向に垂直な面に沿う断面の断面積よりも広くなるように形成されていることを特徴とする液体吐出装置。
前記第２端部における前記各圧力室の高さが、前記第１境界点における前記各圧力室の高さよりも高いことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
前記各圧力室は、前記各圧力室の前記長手方向に垂直な面に沿う断面の断面積が、前記第１境界点から前記第２端部に向かうに連れて連続的又は段階的に広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出装置。
前記複数の圧力室のうち隣り合う２つの圧力室の間には、前記共通液室に非接続となり、前記各隔壁部で仕切られた空気室が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
前記ノズルの径が、５［μｍ］〜１５［μｍ］の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
前記第１境界点における断面積をＳ１とし、前記第２端部における断面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１が１．８〜３．５の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
前記可動領域と前記非可動領域との境界上の前記第２端部に最も近い第２境界点から前記第１端部までの前記長手方向の長さをＬ１とし、前記第２境界点から前記第２端部までの前記長手方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１が０．６〜１．７の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出装置。