JP5991179B2 - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルからインクを噴射させる液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置に関する。

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

この種の液体噴射ヘッドには、圧力室が形成された圧力室形成基板と、ノズルが開口されたノズル基板との間に、連通基板を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。これらの基板は接着剤を介して接合されている。また、連通基板には、圧力室とノズルとを連通させる連通孔が設けられている。そして、このような液体噴射ヘッドでは、圧電素子（圧力発生手段の一種）を駆動することにより圧力室内の液体に圧力変化を与え、この圧力変化を利用して圧力室内の液体を、連通孔を介してノズルから噴射させている。

ところが、連通基板とノズル基板とを接着剤を用いて接着する際に、ノズル基板からはみ出た接着剤が毛細管力により連通孔の内角部分に沿って上側（圧力室側）に進行する場合があった。このため、連通基板とノズル基板とを接着した後において、硬化した接着剤が連通孔の内面に残ることがあった。特に、圧力室中央側の内面に残った接着剤は、その先端部が圧力室内に露出するため、圧力室からノズルに向かう液体の流れによって、先端部側から剥がれる虞があった。この剥がれた接着剤が、ノズルから外側に突出すると、ノズルから噴射される液滴の噴射特性（液滴の量、飛翔速度、飛翔方向等）がばらつく虞があった。また、この接着剤がノズルを目詰まりさせる虞もあった。

そこで、図８に示すように、連通孔９２の一側（圧力室中央側）の内面に傾斜面を設け、接着剤の進行を防止する技術が開発されている。具体的には、図８に示すように、連通基板９０に設けられた連通孔９２を、圧力室側の第１の流路部９３と、この第１の流路部９３よりも幅が広いノズル９８側の第２の流路部９４と、第１の流路部９３と第２の流路部９４とを接続する傾斜面を有する中間流路部９５とから構成する。これにより、連通基板９０とノズル基板９１とを接着する際に、第２の流路部９４の内面を上側に向けて接着剤が進行したとしても、中間流路部９５の傾斜面でその進行を緩和することができる。その結果、接着剤の剥がれを抑制でき、ノズル９８から噴射される液滴の噴射特性の変化やノズル９８の目詰まりを抑えることができる。

特開平８−２５８２５８号公報

しかしながら、上記のように連通孔９２を有する液体噴射ヘッドでは、液体を流路内に充填する際（液体の初期充填時）に、連通孔９２の内部における傾斜面９６の下方に気泡が溜まる不具合があった。詳しく説明すると、液体の初期充填時において圧力室側から液体が供給されると、図８（ａ）に示すように、第１の流路部９３の上方から下方に向けて液体Ｌが進行する。ここで、この液体Ｌの液面は、その両端部が液体Ｌの連通孔９２の内面に対する接触角で、当該内面に接しながら移動するため、断面が円弧状になる。なお、図８および図９では、液体Ｌの連通孔９２の内面に対する接触角が９０度より小さい場合、すなわち、連通基板９０が親液体性の場合を示している。その後、液面の一端が中間流路部９５の傾斜面９６に差し掛かると、図８（ｂ）に示すように、液体Ｌの進行方向が斜め方向に変化する。そして、液体Ｌは、図９（ａ）に示すように、液面の他端が第２の流路部９４の下端、すなわち、ノズル基板９１に到達するまで斜め方向に進行する。液面の他端がノズル基板９１に到達すると、図９（ｂ）に示すように、この他端がノズル基板９１に沿って横方向に移動し始め、液体Ｌの進行方向が略横方向になる。この液面の他端部がノズル９８に到達すると、ノズル９８内に液体Ｌが充填され、液体Ｌの初期充填が完了する。このとき、図９（ｃ）に示すように、連通孔９２の内部の隅々まで液体Ｌが充填されず、傾斜面９６の下方に気泡が取り残される。このような、気泡ｂが連通孔９２内に残留すると、インクの噴射不良の原因となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力室からノズルに至る流路内に液体を充填する際、気泡が残留することを抑制ができる液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、圧力発生手段の駆動により容積が変化する圧力室および該圧力室の下流側の端部に連通する連通流路が形成された第１の部材と、
ノズルが形成され、該ノズルが前記連通流路と連通する状態で第１の部材の一側の面に接合されて前記連通流路の底面を区画する第２の部材と、
を備えた液体噴射ヘッドであって、
前記連通流路は、前記圧力室側の第１の流路部と、該第１の流路部よりも幅が広い前記ノズル側の第２の流路部と、前記第１の流路部と前記第２の流路部とを接続する傾斜面を有する中間流路部と、を有し、
前記第２の流路部の長さをＨ、該第２の流路の最大幅をＷ、前記連通流路の底面に平行な仮想面と前記傾斜面とのなす角をθとしたとき、
Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）≧０…（１）
を満たすことを特徴とする。

また、本発明は、圧力発生手段の駆動により容積が変化する圧力室および該圧力室の下流側の端部に連通する連通流路が形成された第１の部材と、
ノズルが形成され、該ノズルが前記連通流路と連通する状態で第１の部材の一側の面に接合されて前記連通流路の底面を区画する第２の部材と、
を備えた液体噴射ヘッドであって、
前記連通流路は、前記圧力室側の第１の流路部と、該第１の流路部よりも幅が広い前記ノズル側の第２の流路部と、前記第１の流路部と前記第２の流路部とを接続する傾斜面を有する中間流路部と、を有し、
前記第２の流路部の長さをＨ、該第２の流路の最大幅をＷ、前記中間流路部の長さをｈ、該中間流路部の幅の変化長をｗとしたとき、
ｈ／ｗ≧（Ｗ^２−Ｈ^２）／（２ＨＷ）…（２）
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、連通流路が上記（１）式または（２）式を満たすので、圧力室からノズルに至る流路内に液体を充填する際に、当該流路内に気泡が残留することを抑制できる。

上記構成において、前記連通流路内を流れる液体の当該連通流路の内面に対する接触角をφ、前記第２の流路の最大幅方向と交差する方向の最小幅をＴとしたとき、
Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）≧（Ｔ／２）×（１／ｃｏｓφ−ｔａｎφ）…（３）
を満たすことが望ましい。

この構成によれば、連通流路が上記（３）式を満たすので、圧力室からノズルに至る流路内に液体を充填する際に、当該流路内に気泡が残留することをより確実に防止できる。

そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの要部断面図である。 （ａ）は図２における領域Ａの拡大図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。 連通孔内に液体が充填される様子を説明する模式図。 連通孔内に液体が充填される様子を説明する模式図。 他の実施形態における連通孔内に液体が充填される様子を説明する模式図。 他の実施形態における連通孔内に液体が充填される様子を説明する模式図。 従来の液体噴射ヘッドにおける連通孔内に液体が充填される様子を説明する模式図。 従来の液体噴射ヘッドにおける連通孔内に液体が充填される様子を説明する模式図。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明では、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を搭載したインクジェット式プリンター（以下、プリンター）を例に挙げる。

プリンター１の構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２（着弾対象の一種）の表面に対して液体状のインクを噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送する搬送機構６等を備えている。ここで、上記のインクは、有機溶剤を主成分とする溶剤系インクや水を主成分とする水系インク等があり、液体供給源としてのインクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３（後述するホルダ１４）に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジ７がプリンター１の本体側に配置され、当該インクカートリッジ７からインク供給チューブを通じて記録ヘッド３に供給される構成を採用することもできる。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。従ってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。キャリッジ４の主走査方向の位置は、位置情報検出手段の一種であるリニアエンコーダー１１によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス（位置情報の一種）をプリンター１の制御部（図示せず）に送信する。キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジ４の走査の基点となるホームポジションが設定されている。プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録紙５上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録を行う。

次に記録ヘッド２について説明する。図２は、記録ヘッド２の要部断面図である。本実施形態における記録ヘッド２は、ヘッドケース１５、コンプライアンス基板１６、保護基板１７、圧電素子１８（圧力発生手段の一種）、振動板１９、流路基板２０、連通基板２１およびノズル基板２２を積層して構成されている。なお、以下の説明では、便宜上、ヘッドケース１５側を上、ノズル基板２２側を下として説明する。また、各基板は、接着剤によって接合（接着）されている。

ヘッドケース１５は、インクカートリッジ３からのインクを後述するリザーバー３２に供給するケース流路２４が形成された部材である。ケース流路２４は、下端側がリザーバー３２の上部（天井部分）と連通され、上端側がインクカートリッジ３に接続されるインク導入針（図示せず）と連通されている。また、ヘッドケース１５の下面のうちコンプライアンス基板１６の封止部２９（後述）に対向する部分には、封止膜２６の可撓変形を阻害しない程度の封止空間２５が備えられている。

コンプライアンス基板１６は、可撓性を有する封止膜２６と金属等の硬質の部材からなる固定基板２７とを積層した基板であり、ヘッドケース１５の下面に接合（接着）されている。このコンプライアンス基板１６には、リザーバー３２にインクを導入するインク導入口２８が厚さ方向に貫通して形成されている。また、コンプライアンス基板１６のリザーバー３２に対向する領域のうちインク導入口２８以外の領域は、固定基板２７が除去された封止膜２６のみからなる封止部２９となっている。これにより、リザーバー３２は可撓性を有する封止部２９により封止され、コンプライアンスが得られることになる。

保護基板１７は、圧電素子１８に対向する領域にその変位を阻害しない程度の大きさの圧電素子保持空間３０が形成された基板であり、コンプライアンス基板１６の下面に接合（接着）されている。この保護基板１７には、後述する流路基板２０の連通空部３７に対向する位置に、厚さ方向に貫通した導入空部３１が設けられている。導入空部３１は連通空部３７と連通し、圧力室３５にインクを供給するリザーバー３２（共通液室）を構成する。

振動板１９は、弾性膜および絶縁体膜が積層された弾性基板であり、保護基板１７の下面に接合（接着）されている。この振動板１９の導入空部３１に対応する部分は上下に貫通しており、導入空部３１と連通空部３７とを連通させている。また、振動板１９（絶縁体膜）上であって、後述する流路基板２０の圧力室３５に対向する部分には、下電極膜、圧電体層及び上電極膜が順次積層された圧電素子１８が形成されている。圧電素子１８には、図示しない配線部材が接続されており、この配線部材を通じて制御部からの駆動信号（駆動電圧）が印加される。この駆動信号の印加によって、圧電素子１８が撓み変形し、圧力室３５内の容積を変化させる。

流路基板２０は、振動板１９（弾性膜）の下面に接合（接着）された、シリコン単結晶またはステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる基板である。この流路基板２０には、連通空部３７、圧力室３５、およびインク供給路３６が板厚方向に貫通した状態で形成されている。連通空部３７は、導入空部３１に対応する部分に形成された空部であり、導入空部３１と共にリザーバー３２を構成している。また、圧力室３５は、ノズル列方向に直交する方向に延在した長尺な空部であり、各ノズル４４に対応して複数形成されている。そして、圧力室３５は、この圧力室３５よりも狭い幅で形成されたインク供給路３６を介して連通空部３７（リザーバー３２）と連通している。

連通基板２１は、流路基板２０の下面に接合（接着）された、シリコン単結晶またはステンレス鋼（ＳＵＳ）からからなる基板である。連通基板２１の圧力室３５に対向する部分のうちインク供給路３６（リザーバー３２）とは反対側（下流側）の端部には、圧力室３５とノズル４４とを連通させる連通孔３９（本発明における連通流路に相当）が板厚方向を貫通した状態で形成されている。本実施形態の連通孔３９は、流路基板２０と連通板２１との接合面側から見て角形状に形成されており、圧力室３５の延在方向（ノズル列方向に直交する方向）の幅が圧力室３５の延在方向に直交する方向（ノズル列方向）の幅よりも大きくなるように設定されている。そして、この連通孔３９の圧力室３５の延在方向における幅が、上方から下方に向けて広がるように、圧力室３５の中央側（図２における左側）の内面の途中に傾斜面４３を形成している。なお、連通孔３９の詳しい構成は、後述する。また、流路基板２０と連通基板２１とが接合された部材が本発明の第１の部材に相当する。

ノズル基板２２（本発明における第２の部材に相当）は、連通基板２１の下面に接合（接着）された、シリコン単結晶またはステンレス鋼（ＳＵＳ）からからなる基板である。このノズル基板２２によって、連通孔３９の底面は区画されている。また、この連通孔３９の底面を区画する部分のうち略中央には、ノズル４４が開設されている。このノズル４４は、ドット形成密度に対応したピッチで列状に開設されている。例えば、３６０ｄｐｉに対応するピッチで３６０個のノズル４４を列設することでノズル列（ノズル群の一種）が構成されている。

なお、連通基板２１とノズル基板２２とを接着する接着剤は、液体状のエポキシ系接着剤が使用される。この接着剤は、転写印刷等の方法により連通基板２１の下面に塗布される。そして、従来の構成では、ノズル基板２２と連通基板２１とを接着する際に、連通孔３９からはみ出した接着剤が、連通孔３９の内角部分に沿って上昇する虞がある。ここで、連通孔３９の圧力室３５の中央側（図２における左側）の内面の上部は、圧力室３５の底面と直交しており、接着剤がこの内面に沿って上昇した場合、その上端が圧力室３５の底面部分に露出することになる。その後、接着剤が硬化すると、この露出した部分の接着剤がインクの流れによって剥がれ易くなる。しかしながら、本発明では、上記したように連通孔３９の圧力室３５の中央側の内面の途中に傾斜面４３を設けているため、接着剤がこの内面に沿って上昇し難くなっている。これにより、連通孔３９における接着剤の剥がれが抑制されている。一方、連通孔３９の傾斜面４３とは反対側（図２における右側）の内面は、圧力室３５のインク供給路３６とは反対側（下流側）の壁面と揃えられており、この内面に沿って上昇した接着剤は流路基板２０と連通基板２１とを接着する接着剤と接続される。このため、この部分の接着剤は剥がれ難くなっている。

そして、上記のような記録ヘッド２では、製造時やインクカートリッジ３の交換時等によって、インクカートリッジ３が接続されると、このインクカートリッジ３内に貯留されたインクが、ケース流路２４、インク導入口２８、リザーバー３２、インク供給路３６、圧力室３５、連通孔３９、及びノズル４４内に供給される。この状態で圧電素子１８を駆動させると、圧力室３５内のインクに圧力変動（容積の変化）が生じる。この圧力変動を利用することで連通孔３９を介してノズル４４からインクを噴射している。

次に、本発明の連通孔３９について詳しく説明する。図３（ａ）は図２における領域Ａの拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。なお、図３（ｂ）は説明の都合上、インクＩｎが充填される途中の図を表わしている。

連通孔３９は、圧力室３５側の第１の流路部４０と、該第１の流路部４０よりも圧力室３５の延在方向（ノズル列に直交する方向）における幅が広いノズル４４側の第２の流路部４１と、第１の流路部４０と第２の流路部４１とを接続する傾斜面４３を有する中間流路部４２と、から構成されている。第１の流路部４０は、圧力室３５側から連通基板２１の途中まで、連通基板２１（ノズル基板２２）の表面に対して垂直な方向に延在した部分である。すなわち、第１の流路部４０を区画する内面は、連通基板２１の表面に対して垂直に形成されている。第２の流路部４１は、ノズル４４側から連通基板２１の途中まで、連通基板２１（ノズル基板２２）の表面に対して垂直な方向に延在した部分である。すなわち、第２の流路部４１を区画する内面は、連通基板２１の表面に対して垂直に形成されている。一方、中間流路部４２は、圧力室３５の中央側（図３における左側）の内面が斜めに傾斜した傾斜面４３となっており、その他の面が連通基板２１の表面に対して垂直に形成されている。この傾斜面４３は、圧力室３５の中央側における第１の流路部４０の内面と、第２の流路部４１の内面とを接続する面であり、圧力室３５の中央側に向けて下り傾斜している。また、第１の流路部４０の傾斜面４３側以外の内面、中間流路部４２の傾斜面４３以外の内面、および第２の流路部４１の傾斜面４３側以外の内面は、連通基板２１の平面内における位置が揃えられており、段差なく接続されている。このため、各流路部の圧力室３５の延在方向に直交する方向（ノズル列方向）における幅は、図３（ｂ）に示すように、同じ幅に揃えられている。なお、この幅は、角流路部４０〜４２の圧力室３５の延在方向における幅よりも狭くなっている。

ここで、連通孔３９は、図３（ａ）に示すように、第２の流路部４１の長さ（高さ）をＨ、該第２の流路の最大幅（すなわち圧力室３５の延在方向における幅）をＷ、連通流路の底面に平行な仮想面Ｓ（中間流路部４２と第２の流路部４１との境界面）と傾斜面４３とのなす角をθとしたとき、下記の（１）式を満たすように構成されている。
Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）≧０…（１）
なお、中間流路部４２の長さをｈ、該中間流路部４２の幅の変化長（第２の流路の最大幅と第１の流路の最大幅の差）をｗとして、上記（１）式と同等の条件を求めると下記の（２）式になる。このため、連通孔３９は（２）式も満たすように構成されている。
ｈ／ｗ≧（Ｗ^２−Ｈ^２）／（２ＨＷ）…（２）
これにより、ノズル４４に至るまでの流路内に最初にインクを充填する際（インクの初期充填時）に、連通孔３９内に気泡が残留することを抑制できる。特に、連通孔３９は、図３（ｂ）に示すように、内部を流れるインクの当該連通孔３９の内面に対する接触角をφ、第２の流路の最大幅方向と交差する方向の最小幅（すなわち圧力室３５の延在方向に直交する方向における幅）をＴとしたとき、下記の（３）式を満たすように構成されることが望ましい。
Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）≧（Ｔ／２）×（１／ｃｏｓφ−ｔａｎφ）…（３）
これにより、インクの初期充填時に、連通孔３９内に気泡が残留することをより確実に抑制できる。

これら（１）式〜（３）式の根拠および導出について以下に説明する。はじめに、図３〜図７を用いて上記（１）式の導出を説明する。なお、図３〜図７に示す実施形態では、インクＩｎの連通孔３９の内面に対する接触角が９０度より小さい場合、すなわち、連通基板２１が親インク性の場合を示している。まず、図４および図５に示す実施形態について説明する。この実施形態では、連通孔３９が上記（１）式〜（３）式を満たすように設定されている。インクＩｎの初期充填時において、インクＩｎが記録ヘッド２内の流路の上流側から順次充填され、連通孔３９内に至ると、図４（ａ）に示すように、第１の流路部４０を下方に向けて移動し始める。このインクＩｎの液面（空気との境界面）は、インクＩｎの連通孔３９の内面に対する接触角で、その両端部が当該内面に接しながら移動するため、断面が上に凸の円弧状になる。ここで、連通孔３９の断面において、インクＩｎの液面の一側（図４（ａ）における左側）の端部と連通孔３９の内面との交点をＰ、インクＩｎの液面の他側（図４（ａ）における右側）の端部と連通孔３９の内面との交点をＰ′とすると、点Ｐにおける接触角と点Ｐ′における接触角とが等しくなるため、インクＩｎの液面は（第１の流路部４０の両側の内面の中心を通る線に対して）左右対称になる。また、ＰとＰ′を結ぶ仮想線は、ノズル基板２２に対して平行になる。

インクＩｎが進行し、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が傾斜面４３に到達すると、図４（ｂ）に示すように、この液面の進行方向が斜めに変化する。すなわち、点Ｐにおける接触角と点Ｐ′における接触角が等しくなるように液面が移動し、ＰとＰ′を結ぶ仮想線は、ノズル基板２２に対して斜めになる。このとき、インクＩｎの液面は、連通孔３９の断面において、傾斜面４３とこれに対向する内面（第１の流路部４０の内面から第２の流路部４１の内面まで連続する面）との中心を通る線に対して左右対称になる。そして、図４（ｂ）に示すように、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が傾斜面４３の下端に到達すると、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）はノズル基板２２の上面（連通孔３９の底面）から距離ｈ２だけ離れた第２の流路部４１の途中に位置する。このため、その後、図５（ａ）に示すように、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が第２の流路部４１の内面に到達した際に、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）は連通孔３９の底面に到達せずに、第２の流路部４１の内面に位置することになる。すなわち、インクＩｎの液面が第１の流路部４０に位置していたときと同様に、連通孔３９の断面において、点Ｐにおける接触角と点Ｐ′における接触角とが等しくなるため、インクＩｎの液面が（第２の流路部４１の両側の内面の中心を通る線に対して）左右対称になり、ＰとＰ′を結ぶ仮想線がノズル基板２２に対して平行になる。

その後、インクＩｎの液面が下方に進行すると、インクＩｎの液面の端部側が先に連通孔３９の底面に到達し、図５（ｂ）に示すように、ノズル４４から空気を排出しながら、この底面の端部から中央部に向けてインクＩｎを満たしていく。そして、図５（ｃ）に示すように、このノズル４４から連通孔３９内の略全部の空気を排出すると、インクＩｎの充填が完了する。なお、インクＩｎは、ノズル４４内の途中まで進行し、メニスカスを形成する。

このように、図８および図９に示す従来の液体噴射ヘッドと異なり、連通孔３９の断面において、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が傾斜面４３の下端に到達した際に、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）がノズル基板２２の上面（連通孔３９の底面）から距離ｈ２だけ離れているため、すなわち、連通孔３９の底面に到達していないため、連通孔３９内に気泡が残留することを抑制できる。このことから、気泡が残留することを抑制する条件はｈ２＞０となる。

次にｈ２＝０の場合を考察する。図６および図７に示す連通孔３９では、図６（ｂ）に示すように、ｈ２＝０になるように設定している。すなわち、インクＩｎが進行し、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が傾斜面４３の下端に到達すると同時に、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）が連通孔３９の底面に到達するように設定されている。この場合、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が第２の流路部４１の内面に沿って下方に移動すると共に、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）が底面に沿って移動する。このため、図７（ａ）に示すように、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）が先にノズル４４に到達する。そして、ノズル４４内の途中までインクＩｎが進行し、インクＩｎの充填が完了する。この場合、図７（ｂ）に示すように、僅かな空気が気泡ｂとして連通孔３９内に取り残される可能性がある。しかしながら、気泡ｂが連通孔３９内に取り残されたとしても、この場合の気泡ｂは従来の液体噴射ヘッドの初期充填時に残る気泡ｂと比べて少量であるため、その後のフラッシング動作等のメンテナンス処理において、インクＩｎを噴射（吐出）する際に容易に排出することができる。

これらのことから、ｈ２≧０となるように、連通孔３９を構成すれば、気泡ｂが残留することを抑制ができることが分かった。ここで、図３（ａ）を参照しながら、ｈ２の算出方法について説明する。連通孔３９の断面において、傾斜面４３の下端の点（傾斜面４３と第２の流路部４１の内面とが交差する点）をＣ、傾斜面４３の延長線上と傾斜面４３と対向する連通孔３９（第１の流路部４０）の内面との交点をＤ、このＤを頂点とし、辺ＣＤを等辺の１つとする二等辺三角形の残りの点をＥとする。また、点Ｃを通る連通孔３９の底面（ノズル基板２２）に平行な仮想面Ｓと、傾斜面４３とは反対側の連通孔３９の内面との交点をＦとする。ここで、連通孔３９の断面において、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が傾斜面４３に位置する場合、インクＩｎの液面は、傾斜面４３とこれに対向する内面との中心を通る線、すなわち、二等辺三角形ＣＤＥの等辺ＤＣと等辺ＤＥとの間の中線に対して左右対称になる。このため、インクＩｎの液面の一側端部（点Ｐ）が傾斜面４３の下端（点Ｃ）に到達すると、インクＩｎの液面の他側端部（点Ｐ′）が点Ｅに到達することになり、連通孔３９の底面から点Ｅまでの距離がｈ２になる。

ここで、角ＤＣＦがθであるため、幾何学的関係から、角ＥＣＦは（π／４−θ／２）であることが分かる。また直角三角形ＥＣＦの底辺ＣＦの長さがＷであるため、辺ＥＦの長さがＷｔａｎ（π／４−θ／２）となることが分かる。そして、連通孔３９の底面から点Ｆまでの距離、すなわち第２の流路部４１の長さＨと、辺ＥＦの長さとの差をとることで距離ｈ２を求めることができる。すなわち、距離ｈ２は下記式になる。
ｈ２＝Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）
これに気泡が残留することを抑制ができる条件ｈ２≧０をあてはめると上記（１）式を導出することができる。

また、ｈ２＝０となる境界条件を算出すると、幾何学的関係から下記式になる。
ｈ／ｗ＝（Ｗ^２−Ｈ^２）／（２ＨＷ）
このため、気泡が残留することを抑制ができる条件は、下記（２）式になる。
ｈ／ｗ≧（Ｗ^２−Ｈ^２）／（２ＨＷ）…（２）

ここで、上記したように距離ｈ２が０の場合や小さい場合には、少量の気泡が連通孔３９内に残留する可能性がある。このため、距離ｈ２は、ある程度の長さを有することが望ましい。ここで、シミュレーションの結果によれば、圧力室３５の延在方向に直交する断面（図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面）において、第２の流路部４１におけるインクＩｎの液面の端部と中央（最も上に凸の部分）との距離をｈ３としたとき（図３（ｂ）参照）、ｈ２≧ｈ３を満たしていれば、気泡が残留することをより確実に防止できることが分かった。この条件に付いて、図３（ｂ）を参照しながら説明する。圧力室３５の延在方向に直交する断面において、第２の流路部４１まで進行したインクＩｎの液面は、（第２の流路部４１の両側の内面の中心を通る線に対して）左右対称な、上に凸の円弧状になる。このため、圧力室３５の延在方向に直交する断面からみれば、液面が上下方向に距離ｈ３の広がりを持つことになる。この広がりをマージンとして取っておけば、図４（ｂ）のようにインクＩｎの液面の一側端部が傾斜面４３の下端に到達した場合において、他側端部が連通孔３９の底面に到達しない状態に確実にすることができる。すなわち、ｈ２≧ｈ３を満たしていれば、気泡が残留することをより確実に防止できる。

次にｈ３について、算出する。圧力室３５の延在方向に直交する断面において、インクＩｎの液面を円弧とする仮想円の中心をＯとし、インクＩｎの液面の一側（図３（ｂ）における左側）の端部と第２の流路部４１の内面との交点をＱ、インクＩｎの液面の他側（図３（ｂ）における右側）の端部と第２の流路部４１の内面との交点をＱ′とする。また、点Ｏから線分ＱＱ′に下ろした垂線と線分ＱＱ′との交点をＧとする。インクＩｎの連通孔３９の内面に対する接触角φとすると、幾何学的関係から、角ＯＱＧはφであることが分かる。また、線分ＱＱ′の長さは、圧力室３５の延在方向に直交する方向における第２の流路の幅（第２の流路の最小幅）Ｔであるので、辺ＱＧの長さは（Ｔ／２）となる。そして、直角三角形ＯＱＧの辺ＯＱの長さ（すなわち仮想円の半径）は、（Ｔ／２）×（１／ｃｏｓφ）になる。また、辺ＯＧの長さは、（Ｔ／２）×（ｔａｎφ）になる。ここで、仮想円の半径と、辺ＯＧの長さとの差をとると、距離ｈ３を求めることができる。すなわち、ｈ３は下記式になる。
ｈ３＝（Ｔ／２）×（１／ｃｏｓφ−ｔａｎφ）
この式に上記した条件ｈ２≧ｈ３をあてはめると上記した（３）式を導出することができる。すなわち、上記（３）式を満たせば、連通孔３９内に気泡が残留することをより確実に防止できる。

なお、上記のような連通孔３９は、連通基板２１がステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる場合、先端側を根元部分よりも径を小さくし、途中に傾斜面４３に対応した面を設けたパンチを用いて、連通基板２１の一側（第２の流路部４１側）の面から打ち抜くことで作成できる。また、連通基板２１がシリコン単結晶からなる場合、エッチング処理によって作成できる。この場合、例えば、基板表面が結晶方位面（１１０）面であるシリコンウェハーを用い、エッチング処理により各流路部を作成すると共に、基板表面に対して約３０度傾斜した（１１１）面を連通孔３９内の傾斜面４３の位置に残すことで、上記のような連通孔３９を作成することができる。この場合、結晶方位面（１１１）面を傾斜面４３として利用することができるため、上記のような連通孔３９の作成が容易になる。

ところで、上記した実施形態では、圧力発生手段として、所謂撓み振動型の圧電素子１８を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電素子を採用することも可能である。その他、圧力発生手段としては、発熱によりインクを突沸させることで圧力変動を生じさせる発熱素子や、静電気力により圧力室の区画壁を変位させることで圧力変動を生じさせる静電アクチュエーターなどの圧力発生手段を採用する構成においても本発明を適用することが可能である。

そして、以上では、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド２を備えたプリンター１を例に挙げて説明したが、本発明は、他の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用することができる。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を備えた液体噴射装置にも本発明を適用することができる。

１…プリンター，４…キャリッジ，７…インクカートリッジ，１５…ヘッドケース，１６…コンプライアンス基板，１７…保護基板，１８…圧電素子，１９…振動板，２０…流路基板，２１…連通基板，２２…ノズル基板，２４…ケース流路，２５…封止空間，２６…封止膜，２７…固定基板，２８…インク導入口，２９…封止部，３０…圧電素子保持空間，３１…導入空部，３２…リザーバー，３５…圧力室，３６…インク供給路，３７…連通空部，３９…連通孔，４０…第１の流路部，４１…第２の流路部，４２…中間流路部，４３…傾斜面，４４…ノズル，４５…アクチュエーターユニット

Claims (4)

1. 圧力発生手段の駆動により容積が変化する圧力室および該圧力室の下流側の端部に連通する連通流路が形成された第１の部材と、
   ノズルが形成され、該ノズルが前記連通流路と連通する状態で第１の部材の一側の面に接合されて前記連通流路の底面を区画する第２の部材と、
   を備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記連通流路は、前記圧力室側の第１の流路部と、該第１の流路部よりも幅が広い前記ノズル側の第２の流路部と、前記第１の流路部と前記第２の流路部とを接続する傾斜面を有する中間流路部と、を有し、
   前記第２の流路部の長さをＨ、該第２の流路の最大幅をＷ、前記連通流路の底面に平行な仮想面と前記傾斜面とのなす角をθとしたとき、
   Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）≧０
   を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 圧力発生手段の駆動により容積が変化する圧力室および該圧力室の下流側の端部に連通する連通流路が形成された第１の部材と、
   ノズルが形成され、該ノズルが前記連通流路と連通する状態で第１の部材の一側の面に接合されて前記連通流路の底面を区画する第２の部材と、
   を備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記連通流路は、前記圧力室側の第１の流路部と、該第１の流路部よりも幅が広い前記ノズル側の第２の流路部と、前記第１の流路部と前記第２の流路部とを接続する傾斜面を有する中間流路部と、を有し、
   前記第２の流路部の長さをＨ、該第２の流路の最大幅をＷ、前記中間流路部の長さをｈ、該中間流路部の幅の変化長をｗとしたとき、
   ｈ／ｗ≧（Ｗ^２−Ｈ^２）／（２ＨＷ）
   を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 前記連通流路内を流れる液体の当該連通流路の内面に対する接触角をφ、前記第２の流路の最大幅方向と交差する方向の最小幅をＴとしたとき、
   Ｈ−Ｗｔａｎ（π／４−θ／２）≧（Ｔ／２）×（１／ｃｏｓφ−ｔａｎφ）
   を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 請求項1から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。

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