JP7001195B1 - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置の提供。【解決手段】圧力発生素子により容積を変化させられるチャネル２８と、チャネル２８に連通されたノズル２３とを備え、ノズル２３内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分２３ａと、円錐状部分２３ａに連続し外方側に連通する円筒状部分２３ｂとを有し、円錐状部分２３ａの円筒状部分２３ｂへの接続部と、円筒状部分２３ｂの円錐状部分２３ａへの接続部とは、開口断面形状が一致しており、円筒状部分２３ｂは、その内径をＤ０としたとき、その軸方向長さが０．１Ｄ０乃至０．３Ｄ０であり、円錐状部分２３ａは、その軸方向長さが０．６Ｄ０以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が６度以上１５度以下であることにより解決される。【選択図】図５

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関し、詳しくは、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。
従来、液滴吐出装置として、圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、このチャネルに連通されたノズルとを備えたものが提案されている（特許文献１）。
この液滴吐出装置においては、圧力発生素子によりチャネルの容積が縮小されると、チャネル内に充填された液体が、ノズルを通して液滴として外方に吐出される。この液滴は、記録媒体上に滴下され、この記録媒体上に画像形成を行う。
この液滴吐出装置において用いられる液体の粘度は、８ミリパスカル秒以上であり、ノズルは、テーパー角度が４０度以上の円錐台状の空間を区画するチャネル側の第１部分（ロート部）と、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状（円筒状）である吐出側の第２部分とから構成されている。
特許第５４２８９７０号公報
液滴吐出装置においては、液滴を吐出するときに、ノズルからの尖頭吐出により正常な液滴形成が行われない場合がある。この場合、本来の滴下位置からずれた位置への滴下量（サテライト量）が多くなり、画像形成の際に大きな画質劣化を招く要因になる。また、液滴吐出時の吐出曲がり（吐出角度のずれ）も、同じく画質形成の際に大きな画質劣化を招く。
本発明者らは、このような画質劣化を招く要因は、ノズルの形状にあるという知見を得た。そして、前述した液滴吐出装置（特許文献１）においては、ノズルのうち、吐出側の第２部分（断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない円筒状）に画質劣化を招く要因があることがわかった。
なお、前述した液滴吐出装置（特許文献１）は、８ミリパスカル秒以上という高粘度の液体を吐出する装置である点で、本発明とは異なるため、ノズルの形状、内径及び長さが大きく異なる。また、前述した液滴吐出装置（特許文献１）のノズルは、ロート部である第１部分と円筒状の第２部分とからなるが、本発明においては、この液滴吐出装置と対比すれば、第２部分のみからなるノズルにおいて課題を解決しようとするものである。したがって、本発明は、前述した液滴吐出装置（特許文献１）のノズルを単に小型化（スケールダウン）することによって成立するものではない。
そこで、本発明は、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
１．
圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、
前記チャネルに連通され、前記チャネル内から外方に吐出される液体の流路となる透孔であるノズルとを備え、
前記ノズル内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状部分とを有し、
前記円錐状部分の前記円筒状部分への接続部と、前記円筒状部分の前記円錐状部分への接続部とは、開口断面形状が一致しており、
前記円筒状部分は、その内径をＤ０としたとき、その軸方向長さが０．１Ｄ０乃至０．３Ｄ０であり、
前記円錐状部分は、その軸方向長さが０．６Ｄ０以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が６度以上１５度以下である液滴吐出ヘッド。
２．
前記ノズルは、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に、母線のノズル中心軸に対する角度が１５度以上５０度以下である錐状部分を有する前記１記載の液滴吐出ヘッド。
３．
前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔である前記１又は２記載の液滴射出ヘッド。
４．
前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔であり、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に正四角錐状部分を有し、
前記正四角錐状部分は、異方性エッチングにより形成され、
前記正四角錐状部分の斜面部のノズル中心軸に対する角度は、シリコン結晶の（１１０）面と（１１１）面とがなす角度であって、約３５．２６度である前記１記載の液滴吐出ヘッド。
５．
前記円筒状部分には、スキャロップ条がある前記１～４の何れかに記載の液滴吐出ヘッド。
６．
前記１～５の何れかに記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドの前記圧力発生素子に、前記チャネルの容積を変化させる駆動信号を供給する駆動信号生成部とを備え、
駆動信号生成部が供給する駆動信号は、一画素周期内に一つのノズルから複数の液滴を吐出させる信号である液滴吐出装置。
本発明によれば、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することができるものである。
ライン型の液滴吐出装置の要部の構成を示す斜視図 駆動信号生成部の一例を説明するブロック図 シアーモード型の液滴吐出ヘッドの一例を示す図 図３（ｂ）におけるiｖ－iｖ線断面図であり、チャネルの容積変化の一例を説明する図 実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるノズルの形状を示す縦断面図 円錐状部分の軸方向長さと吐出曲がり（吐出角度のずれ）との関係を示すグラフである。 円錐状部分の円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度と液滴の形状との関係を示すグラフ 液滴吐出ヘッドから吐出される液滴の形状を示す模式図 液滴吐出ヘッドから吐出された後の液滴の形状を示す模式図である。 円筒状部分２３ｂの軸方向長さＬ２と吐出曲がり（吐出角度のずれ）との関係を示すグラフ 実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるノズルの形状の他の例を示す縦断面図 いわゆるＭＥＭＳタイプの液滴吐出ヘッドの一例を示す図
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
〔液滴吐出装置の構成〕
本発明は、インクなどの液体が充填されたチャネル（圧力室）の容積を圧力発生素子により膨張及び収縮させることにより、ノズルを介して液体を吐出させる液滴吐出ヘッドに適用され、また、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に適用される。チャネルの容積を圧力発生素子により変化させるには、駆動信号生成部より、駆動パルスを圧力発生素子に入力する。
なお、本発明において、チャネル内の液体に吐出圧力を付与するための具体的な手段は問わず、公知の種々の手段を採用することができる。また、本発明が適用される液滴吐出装置は、ライン型、シリアル型等、公知の種々の方式のものであってよく、いずれにも限定されないが、以下の実施形態では、主にライン型の液滴吐出装置を例として本発明を説明する。
図１は、ライン型の液滴吐出装置の要部の構成を示す斜視図である。
この液滴吐出装置は、図１に示すように、複数の液滴吐出ヘッド３１により構成された液滴吐出ヘッドユニット３０を備えている。液滴吐出ヘッドユニット３０は、記録媒体の幅方向に吐出幅に対応した複数の液滴吐出ヘッド３１が配列されて構成されている。必要な吐出幅が単一の液滴吐出ヘッド３１により確保できれば、液滴吐出ヘッド３１は１個でもよい。各液滴吐出ヘッド３１は、液滴を吐出する方向であるノズル面側が記録媒体１０の記録面に対向するように配置されている。各液滴吐出ヘッド３１には、図示しない液体タンクから複数のチューブを介して液体が供給される。
図２は、駆動信号生成部の一例を説明するブロック図である。
各液滴吐出ヘッド３１には、図２に示すように、駆動信号生成部５１から駆動信号（駆動パルス）が供給される。駆動信号生成部５１は、メモリ５２に格納された画像データを読取り、この画像データに基づいて駆動信号（駆動パルス）を生成し、各液滴吐出ヘッド３１に供給する。
この液滴吐出装置において、図１に示すように、記録媒体１０は長尺状であり、図示しない駆動手段により巻き出しロール１０Ａから図中矢印Ｘ方向に繰り出され搬送される。なお、矢印Ｘ方向は、以下の各図においても、すべて記録媒体１０の搬送方向を示している。長尺状の記録媒体１０は、バックロール２０に巻回され支持されて搬送される。
そして、各液滴吐出ヘッド３１より、記録媒体１０に向けて液滴が吐出され、画像データに基づいた画像形成が行われる。液滴吐出ヘッド３１は、静止した状態で、記録媒体１０が所定の搬送方向に搬送されることにより画像記録を行う。記録媒体１０の搬送中、一画素周期ごとに画像データに基づく駆動信号が供給されて液滴の吐出が行われ、画像形成が行われる。画像が形成された記録媒体１０は、乾燥され、図示しない巻き取りロールに巻き取られる。
〔液滴吐出ヘッドの構成〕
図３は、液滴吐出装置が備えるシアーモード（Ｓｈｅａｒ ｍｏｄｅ）型の液滴吐出ヘッド３１の一例を示す図であり、図３（ａ）は外観を断面で示す斜視図、図３（ｂ）は側面から見た断面図である。
図中、３１０はヘッドチップ、２２はヘッドチップ３１０の前面に接合されたノズルプレートである。
なお、本明細書においては、ヘッドチップ３１０から液滴が吐出される側の面を「前面」といい、その反対側の面を「後面」という。また、ヘッドチップ３１０において並設されるチャネルを挟んで図示上下に位置する外側面をそれぞれ「上面」及び「下面」という。
ヘッドチップ３１０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、隔壁２７で仕切られた複数のチャネル２８が並設されたチャネル列を有している。チャネル列を構成するチャネル２８の数は何ら限定されないが、例えば、５１２個のチャネル２８からチャネル列が構成される。
各隔壁２７は、圧力発生素子として、電気・機械変換手段であるＰＺＴ等の圧電素子からなる。本実施形態では、各隔壁２７は、分極方向が異なる２枚の圧電素子２７ａ、２７ｂによって構成されている。ただし、圧電素子２７ａ、２７ｂは、各隔壁２７の少なくとも一部に備えられていればよく、各隔壁２７を変形できるように配置されていればよい。
圧電素子２７ａ、２７ｂとして使用される圧電材料としては、電圧の印加により変形を生じるものであれば特に限定されず、公知のものが用いられる。圧電材料としては、有機材料からなる基板であってもよいが、圧電性非金属材料からなる基板が好ましい。圧電性非金属材料からなる基板として、例えば成形、焼成等の工程を経て形成されるセラミックス基板、又は塗布や積層の工程を経て形成される基板等がある。有機材料としては、有機ポリマー、有機ポリマーと無機物とのハイブリッド材料が挙げられる。
セラミックス基板としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）や、第三成分添加ＰＺＴがあり、第三成分としてはＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３等がある。さらに、ＢａＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等を用いて形成することもできる。
本実施形態では、２枚の圧電素子２７ａ、２７ｂを分極方向が互いに反対方向になるように接着して使用している。これにより、１枚の圧電素子を用いる場合に対してせん断変形量が２倍になり、また、同じせん断変形量を得るには、駆動電圧が１／２以下で済む。
ヘッドチップ３１０の前面及び後面には、それぞれ各チャネル２８の前面側の開口部と後面側の開口部とが開口している。各チャネル２８は、後面側の開口部から前面側の開口部に至る長さ方向について開口断面積及び断面形状がほぼ変わらないストレートタイプである。
チャネル２８の前端は、ノズルプレート２２に形成されたノズル２３に連通されており、後端は、共通液体室７１、液体供給口２５を経て、液体チューブ４３に接続されている。ノズル２３は、ノズルプレート２２に形成された透孔であって、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状（テーパ状）部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状（ストレート）部分とを有している。ノズル２３の内径は、チャネル２８の内寸よりもずっと小さく、チャネル２８からノズル２３への接続部は段差状になっている。
ノズルプレート２２は、単結晶シリコン材料から構成することもできる。この場合には、ノズル２３は、単結晶シリコン材料に透孔を穿孔することにより形成することができる。単結晶シリコン材料の穿孔は、ドライエッチング（例えば、反応性ガスエッチングや反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザビームエッチングなど）やウェットエッチングによって行うことができる。
各チャネル２８の内面には、全面に亘って金属膜からなる電極２９が密着形成されている。チャネル２８内の電極２９は、接続電極３００、異方性導電フィルム７９及びフレキシブルケーブル６を介して、駆動信号生成部５１に電気的に接続されている。
チャネル２８内の電極２９に、駆動信号生成部５１からの駆動信号が供給されると、隔壁２７は、各圧電素子２７ａ、２７ｂの接合面を境にして屈曲変形する。このような隔壁２７の屈曲変形によってチャネル２８内に圧力波が発生し、該チャネル２８内の液体にノズル２３を介して吐出するための圧力が付与される。
図４は、図３（ｂ）におけるiｖ－iｖ線断面図であり、チャネルの容積変化の一例を説明する図である。
図４（ａ）に示すように、互いに隣り合うチャネル２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ内の電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃのいずれにも駆動信号が供給されない定常状態においては、隔壁２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄは、いずれも変形してしない。
チャネル２８内の容積を膨張させる際には、駆動信号として膨張パルス（＋Ｖ）が用いられる。膨張させるチャネル２８Ｂに隣接するチャネル２８Ａ，２８Ｃの電極２９Ａ，２９Ｃを接地させるとともに、膨張させるチャネル２８Ｂの電極２９Ｂに駆動信号生成部５１からの膨張パルス（＋Ｖ）を印加すると、膨張させるチャネル２８Ｂの両隔壁２７Ｂ、２７Ｃがともに、それぞれの各圧電素子２７ａ、２７ｂの接合面にズリ変形が生じる。その結果、図４（ｂ）に示すように、両隔壁２７Ｂ、２７Ｃはそれぞれチャネル２８Ｂの外側に向けて屈曲変形し、膨張させるチャネル２８Ｂの容積を膨張させる。このような屈曲変形により、チャネル２８Ｂ内に負の圧力波が発生し、ノズル２３内の液体がノズル２３後方のチャネル２８前端部近傍まで引き込まれる。
膨張パルスは、チャネル２８の容積を、定常状態における容積から膨張させるパルスである。膨張パルスは、基準電圧ＧＮＤから波高値電圧＋Ｖまで電圧を変化させ、波高値電圧＋Ｖを所定時間保持した後、再び基準電圧ＧＮＤまで電圧を変化させる。
そして、チャネル２８内の容積を収縮させる際には、駆動信号として収縮パルス（－Ｖ）が用いられる。収縮させるチャネル２８Ｂに隣接するチャネル２８Ａ，２８Ｃの電極２９Ａ，２９Ｃを接地させると共に、収縮させるチャネル２８Ｂの電極２９Ｂに駆動信号生成部５１からの収縮パルス（－Ｖ）を印加すると、収縮させるチャネル２８Ｂの両隔壁２７Ｂ、２７Ｃ共に、それぞれの各圧電素子２７ａ、２７ｂの接合面に、上述した膨張時とは反対方向にズリ変形が生じる。その結果、図４（ｃ）に示すように、両隔壁２７Ｂ、２７Ｃはそれぞれチャネル２８Ｂの内側に向けて屈曲変形し、収縮させるチャネル２８Ｂの容積を収縮させる。この屈曲変形により、チャネル２８Ｂ内に正の圧力波が発生し、対応するノズル２３を介して液滴が吐出される。
収縮パルスは、チャネル２８の容積を、定常状態における容積から収縮させるパルスであり、基準電圧ＧＮＤから波高値電圧－Ｖまで電圧を変化させ、波高値電圧－Ｖを所定時間保持した後、再び基準電圧ＧＮＤまで電圧を変化させる。
なお、ここでパルスとは、一定電圧波高値の矩形波であり、基準電圧ＧＮＤを０％、波高値電圧を１００％とした場合に、電圧の１０％と９０％との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもが、チャネル２８が本実施形態のようにストレート形状である場合において、ＡＬ（Acoustic Length）の１／２以内、好ましくは１／４以内であるような波形を指す。ＡＬとは、Acoustic Lengthの略であり、ストレート形状であるチャネル２８における圧力波の音響的共振周期の１／２のことである。ＡＬは、駆動電極に矩形波の駆動信号を印加した際に吐出される液滴の飛翔速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、液滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。パルス幅は、基準電圧ＧＮＤからの立ち上がり１０％と波高値電圧からの立ち下がり１０％との間の時間として定義する。ただし、本発明において、駆動信号は、矩形波に限定されず、台形波等であってもよい。
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したチャネル２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃにおいては、隣接するチャネルを同時に膨張又は収縮させることはできないため、いわゆる３サイクル駆動を行うことが好ましい。３サイクル駆動は、すべてのチャネルを３つの群に分けて隣接するチャネルを時分割制御するものである。また、本発明は、吐出チャネル及び吐出を行わないチャネル（ダミーチャネル）を交互に配置した、いわゆる独立タイプの液滴吐出ヘッドにも適用することができる。独立タイプの液滴吐出ヘッドでは、隣接するチャネルを同時に膨張又は収縮させることができるため、３サイクル駆動を行う必要はなく、独立駆動を行うことができる。
〔ノズルの構成（形状）〕
このような液滴吐出ヘッドにおいてノズル２３を介して液滴を吐出するとき、ノズル２３からの尖頭吐出により液滴形成が正常に行われないと、本来の滴下位置からずれた位置への滴下量（サテライト量）が多くなったり、液滴吐出時の吐出曲がり（吐出角度のずれ）が生じて、形成される画像に大きな画質劣化が招来されることがある。
図５は、この液滴吐出ヘッドにおけるノズルの形状を示す縦断面図である。
この液滴吐出ヘッドにおいては、図５に示すように、ノズル２３内を、チャネル２８前端より外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分２３ａと、この円錐状部分２３ａに連続し前方側外方に連通する円筒状部分２３ｂとから構成されている。これにより、ノズル２３の内容積が増大されてポンプ能力が向上されるとともに、ノズル２３内に引き込んだメニスカスに対して複数の方向から圧力を加えることができるため、液体の粘性抵抗を下げることができ、尖頭吐出を防止している。
円錐状部分２３ａの円筒状部分２３ｂへの接続部と、円筒状部分２３ｂの円錐状部分２３ａへの接続部とは、開口断面形状が一致しており、これら円錐状部分２３ａ及び円筒状部分２３ｂは、段差を経ることなく滑らかに連続して接続されている。
円錐状部分２３ａは、円筒状部分２３ｂの内径をＤ０としたとき、軸方向長さＬ１が０．６Ｄ０以上となっている。また、円錐状部分２３ａは、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θ（テーパー角）が６度以上１５度以下となっている。そして、円筒状部分２３ｂの長さＬ２は、０．１Ｄ０乃至０．３Ｄ０となっている。
以下、図６乃至図１０を用いて、円錐状部分２３ａの軸方向長さＬ１、円錐状部分２３ａの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度（テーパー角）θ、及び、円筒状部分２３ｂの軸方向長さＬ２を上記範囲とすることについての技術的意義を示す。
図６は、円錐状部分２３ａの軸方向長さＬ１と吐出曲がり（吐出角度のずれ）との関係を示すグラフである。
円錐状部分２３ａの軸方向長さＬ１を０．６Ｄ０以上とするのは、図６に示すように、長さＬ１がこれより短いと、吐出曲がりを誘発しやすく、吐出曲がり角度が０．２°を超えてしまうからである。吐出曲がり角度は、０．２°以下であれば画質への影響が少ないため望ましい。図６は、以下を示している。
（１）（▲で示す）長さＬ１が０．４Ｄ０、長さＬ２が０で、角度θが０度～５０度での吐出曲がり角度
（２）（△で示す）長さＬ１が０．４Ｄ０、長さＬ２が０．２Ｄ０で、角度θが０度～５０度での吐出曲がり角度
（３）（■で示す）長さＬ１が０．６Ｄ０、長さＬ２が０で、角度θが０度～５０度での吐出曲がり角度
（４）（□で示す）長さＬ１が０．６Ｄ０、長さＬ２が０．２Ｄ０で、角度θが０度～５０度での吐出曲がり角度
（５）（●で示す）長さＬ１が１．０Ｄ０、長さＬ２が０で、角度θが０度～５０度での吐出曲がり角度
（６）（○で示す）長さＬ１が１．０Ｄ０、長さＬ２が０．２Ｄ０で、角度θが０度～５０度での吐出曲がり角度
図６より、吐出曲がり角度が０．２°以下となるのは、角度θが０度～１５度であって、長さＬ２が０．２Ｄ０であり、長さＬ１が０．６Ｄ０以上である場合である。
図７は、円錐状部分２３ａの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θと液滴の形状との関係を示すグラフである。
円錐状部分２３ａの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θを６度以上とするのは、図７に示すように、吐出される液滴をなす液体が、該液滴の先端側に集中するようにするためである。図７における液体の液滴先端側への集中とは、液滴をなす液体のうちの液滴先端から８０％が通過する箇所の液滴先端からの距離Ｚで示すものである。
図８は、液滴吐出ヘッドから吐出される液滴の形状を示す模式図である。
図８（ａ）に示すように、液滴をなす液体のうちの液滴先端から８０％が通過する箇所の液滴先端からの距離Ｚが、液滴全体の長さ（１００％）に対して、４５％以下であれば、液滴中の液体が液滴先端側へ十分に集中しているといえる。一方、図８（ｂ）に示すように、液滴をなす液体のうちの液滴先端から８０％が通過する箇所の液滴先端からの距離Ｚが、液滴全体の長さ（１００％）に対する４５％を超えていると、液滴中の液体の液滴先端側への集中は不十分といえる。
図９は、液滴吐出ヘッドから吐出された後の液滴の形状を示す模式図である。
液滴中の液体が液滴先端側へ十分に集中している場合には、図９（ａ）に示すように、液滴が記録媒体に向けて飛翔する過程で、液体全体が１つの主液滴に集合し、このまま記録媒体に到達する。この場合、画質劣化のない良好な画像が形成される。一方、液滴中の液体の液滴先端側への集中が不十分である場合には、図９（ｂ）に示すように、液滴が記録媒体に向けて飛翔する過程で、液体は１つの主液滴を含む複数の液滴に分離してしまい、主液滴及びサテライトとなって記録媒体に到達する。この場合、記録媒体上において、サテライトは主液滴とは異なる場所に到達するので、画質劣化が生ずる。
図７に示すように、液滴をなす液体のうちの液滴先端から８０％が通過する箇所の液滴先端からの距離Ｚを液滴全体の長さ（１００％）に対して４５％以下にするには、円錐状部分２３ａの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θを６度以上としなければならない。
そして、図６に示すように、角度θが１５度を超えてしまうと、長さＬ１、Ｌ２に拘わらず、吐出曲がり角度が０．２°を超えてしまう。したがって、角度θは、１５度以下としなければならない。
図１０は、円筒状部分２３ｂの軸方向長さＬ２と吐出曲がり（吐出角度のずれ）との関係を示すグラフである。
円筒状部分２３ｂの長さＬ２を０．１Ｄ０以上とするのは、図１０に示すように、長さＬ２が０．１Ｄ０未満になると、吐出曲がり角度が０．２°を超えてしまうからである。なお、図１０は、長さＬ１が０．６Ｄ０で、角度θが１５度である場合を示している。
図１０においては、円筒状部分２３ｂの内径Ｄ０が２５μｍの場合の円筒状部分２３ｂの長さＬ２の実寸法を、参考寸法として示している。この場合には、円筒状部分２３ｂの長さＬ２は、２．５μｍ以上７．５μｍ以下ということになる。
円筒状部分２３ｂの長さＬ２を０．３Ｄ０以下とするのは、以下の表１に示すように、長さＬ２が０．３Ｄ０を超えると、吐出される液滴の尾が長くなり、サテライトが発生する可能性が高くなるからである。なお、表１は、角度θが６度及び１５度である場合において、サテライトが発生する可能性を「○、△、×」により示している。「○」は、サテライトが発生する可能性が十分に低いことを示す。「△」は、サテライトが発生する可能性があることを示す。「×」は、サテライトが発生する可能性が高いことを示す。
Figure 0007001195000002
上述の通り、円錐状部分２３ａの軸方向長さＬ１の下限（０．６Ｄ０以上）は、図６により技術的意義が明らかにされている。また、円錐状部分２３ａの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度（テーパー角）θの下限（６°以上）は図７により、上限（１５°以下）は図６により技術的意義が明らかにされている。さらに、円筒状部分２３ｂの軸方向長さＬ２の下限（０．１Ｄ０以上）は図１０により、上限（０．３Ｄ０以下）は表１により技術的意義が明らかにされている。
このようにして、本発明の液滴吐出ヘッドにおいては、ノズル２３内が円錐状部分２３ａ及び円筒状部分２３ｂとから構成されていることにより、ヘッドのポンプ能力を向上させるとともに、尖頭吐出が防止され、また、液滴吐出時の吐出曲がり（吐出角度のずれ）が少なくなり、画質劣化のない良好な画像を形成することができる。
また、この液滴吐出ヘッドにおいては、ノズル２３の前端側に円筒状部分２３ｂを設けることにより、特にシリコン材料によりノズルプレート２２を形成する場合において、ノズル２３の内径の寸法精度を向上させることができる。円筒状部分２３ｂを設けず、円錐状部分２３ａがノズルプレート２２の表面（前面）に到達するようにすると、円錐状部分２３ａの僅かな傾きやテーパー角の僅かな誤差がノズル２３の前端開口部の内径寸法に影響することになり、この内径寸法の精度を維持することが困難である。
〔液滴吐出ヘッドの他の実施形態〕
図１１は、実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるノズル２３の形状の他の例を示す縦断面図である。
ノズル２３は、図１１に示すように、チャネル２８前端と円錐状部分２３ａ後端部との間に、錐状部分（ロート部）２３ｃを有していてもよい。この錐状部分２３ｃは、チャネル２８の前端から前方端に向けて徐々に縮径され、チャネル２８と円錐状部分２３ａとを滑らかに接続させる。この錐状部分２３ｃは、母線のノズル中心軸に対する角度φが１５度以上５０度以下であることが好ましい。
また、ノズル２３が単結晶シリコン材料からなるノズルプレート２２に穿孔された透孔である場合には、チャネル２８と円錐状部分２３ａとの間の錐状部分２３ｃは、正四角錐状部分２３ｃとしてもよい。この正四角錐状部分２３ｃは、単結晶シリコン材料の異方性エッチングにより、シリコン結晶の（１１０）面と（１１１）面とを用いることにより形成することができる。したがって、正四角錐状部分２３ｃは、斜面部のノズル中心軸に対する角度φが、シリコン結晶の（１１０）面と（１１１）面とがなす角度である約３５．２６度となる。
さらに、ノズル２３の円筒状部分２３ｂの内側面には、スキャロップ条が存在していてもよい。ノズル２３の円筒状部分２３ｂの内側面に存在するスキャロップ条は、スキャロップ加工により形成することができる。スキャロップ加工とは、単結晶シリコン材料のドライエッチング加工において、マスキング工程及びエッチング工程を繰り返して所望形状の穿孔を行う加工である。このスキャロップ加工においては、マスキングの位置が工程ごとに変わることにより、微細な凹凸であるスキャロップ条が形成される。このようなキャロップ条は微細な凹凸であるので、円筒状部分２３ｂの内側面は、スキャロップ条が存在していても平坦面と見做すことができ、円筒状部分２３ｂの作用には影響しない。
〔液滴吐出装置の他の実施形態（１）〕
本発明の液滴吐出装置においては、駆動信号生成部５１が供給する駆動信号は、一画素周期内に、各一つのノズル２３から複数の液滴を吐出させる信号（マルチドロップ信号）としてもよい。
本発明の液滴吐出装置においては、円錐状部分２３ａを有することにより、ノズル２３の内容積が増大されてポンプ能力が向上されるとともに、ノズル２３内に引き込んだメニスカスに対して複数の方向から圧力を加えることができ、液体の粘性抵抗を下げることができる。そのため、本発明は、一画素周期内に一つのノズル２３から複数の液滴を吐出させ、いわゆる階調表現を可能とした場合に、特に効果が顕著であり、このような場合における有用性が高い。
〔液滴吐出装置の他の実施形態（２）〕
以上の説明では、ライン型の液滴吐出装置について説明したが、本発明はこれに限定されず、記録媒体の搬送方向と直交した方向に往復移動運動（シャトル運動）しながら記録するシリアル型（シャトル型ともいう）の液滴吐出装置にも好ましく適用できる。
また、以上の説明では、液滴吐出装置が備える液滴吐出ヘッドが、シアーモード（Ｓｈｅａｒ ｍｏｄｅ）型である場合について説明したが、本発明において、液滴吐出ヘッドにおける圧電素子の歪み形態は格別限定されず、シアーモード型の他に、例えば、撓みモード（Ｂｅｎｄ ｍｏｄｅ）型、縦モード（Ｐｕｓｈ ｍｏｄｅ、あるいはＤｉｒｅｃｔ ｍｏｄｅともいう）型等に好ましく適用できる。本発明は、液体が充填されたチャネルの容積を変化させることでノズルから液体を吐出する液滴吐出装置であれば、圧電素子の歪み形態や、チャネルの容積・形状などによらず、種々の液滴吐出装置に適用可能である。
また、本発明は、いわゆる独立タイプの液滴吐出ヘッドにも適用することができる。独立タイプの液滴吐出ヘッドでは、隣接するチャネルを同時に膨張又は収縮させることができ、独立駆動を行うことができる。
〔液滴吐出装置の他の実施形態（３）〕
図１２は、複数のチャネルを２次元状に配置した、いわゆるＭＥＭＳタイプの液滴吐出ヘッドの一例を示す図であり、図１２（ａ）は側面から見た断面図、図１２（ｂ）は底面からノズル面を見た底面図である。
本発明は、いわゆるＭＥＭＳの液滴吐出ヘッドにも適用することができる。いわゆるＭＥＭＳタイプの液滴吐出ヘッドは、図１２（ａ）に示すように、共通液体室７１を構成する液体マニホールド７０を有して構成される。液体マニホールド７０の開放された底部は、上側基板７５によって閉蓋されている。共通液体室７１内は、液体が供給されて充填される。
上基板７５の下方には、この上側基板７５に平行に下側基板７６が配置されている。上側基板７５及び下側基板７６の間には、複数の圧電素子７８が配置されている。これら圧電素子７８には、上側基板７５の下面に形成された図示しない配線パターンを介して、駆動信号が印加される。これら圧電素子７８にそれぞれ対応して、複数のチャネル７３が設けられている。これらチャネル７３は、下側基板７６に形成された透孔であって、上部を対応する圧電素子７８に閉蓋され、底部をノズルプレート７７によって閉蓋されている。ノズルプレート７７は、下側基板７６の下面に接着されている。
各チャネル７３は、各チャネル７３に対応して上側基板７５及び下側基板７６を貫通して形成された注入孔７２及びノズルプレート７７の上面に形成された溝を介して、それぞれの底部が共通液体室７１に連通している。共通液体室７１内の液体は、注入孔７２及びノズルプレート７７の上面に形成された溝を介して、各チャネル７３内に供給される。また、各チャネル７３は、各チャネル７３に対応してノズルプレート７７に形成されたノズル７４を介して、それぞれ外方（下方）に連通している。
この液滴吐出ヘッドにおいては、圧電素子７８に駆動信号が印加されると、対応するチャネル７３の容積が変化（膨張及び収縮）し、このチャネル７３内の液体が、ノズル７４を介して外方（下方）に吐出される。
この液滴吐出ヘッドにおいては、図１２（ｂ）に示すように、ノズル７４は、ノズルプレート７７の下面において２次元状に配置されている。圧電素子７８も、ノズル７４に対応して２次元状に配置されている。
前述した各実施形態において、液滴吐出装置は、インク以外の他の液体を吐出する液滴吐出装置であってもよい。また、ここでいう液体は、液滴吐出装置から吐出させることができるような材料であればよい。例えば、物質が液相であるときの状態のものであればよく、粘性の高い又は低い液状体、ゾル、ゲル水、その他の無機溶剤、有機溶剤、溶液、液状樹脂、液状金属（金属融液）のような流状体を含むものとする。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散又は混合されたものなども含むものとする。液体の代表的な例としては上記実施形態で説明したようなインクや液晶等が挙げられる。ここで、インクとは一般的な水性インク及び油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種液体組成物を包含するものとする。液滴吐出装置の具体例としては、例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルターの製造等に用いられる電極材や色材等の材料を分散又は溶解のかたちで含む液体を液滴にして吐出する液滴吐出装置がある。また、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出装置、精密ピペットとして用いられ試料となる液体を吐出する液滴吐出装置等であってもよい。さらに、時計やカメラ等の精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出装置、光通信素子等に用いられる半球レンズ（光学レンズ）などを形成するために紫外線硬化樹脂等の透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出装置であってもよい。また、基板などをエッチングするために酸又はアルカリ等のエッチング液を吐出する液滴吐出装置であってもよい。
以上のように、上述した液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置によれば、ノズル７４の吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上される。
２２：ノズルプレート
２３：ノズル
２３ａ：円錐状部分
２３ｂ：円筒状部分
２７：隔壁
２７ａ：圧電素子
２７ｂ：圧電素子
２８：チャネル
２９：電極
３１：液滴吐出ヘッド
３００：接続電極
３１０：ヘッドチップ
５２：メモリ
５１：駆動信号生成部
６：フレキシブルケーブル
７４：ノズル

Claims (6)

  1. 圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、
    前記チャネルに連通され、前記チャネル内から外方に吐出される液体の流路となる透孔であるノズルとを備え、
    前記ノズル内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状部分とを有し、
    前記円錐状部分の前記円筒状部分への接続部と、前記円筒状部分の前記円錐状部分への接続部とは、開口断面形状が一致しており、
    前記円筒状部分は、その内径をＤ０としたとき、その軸方向長さが０．１Ｄ０乃至０．３Ｄ０であり、
    前記円錐状部分は、その軸方向長さが０．６Ｄ０以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が６度以上１５度以下であり、
    前記ノズルは、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に、前記円錐状部分側に向けて徐々に縮径される部分を有する液滴吐出ヘッド。
  2. 前記円錐状部分側に向けて徐々に縮径される部分は錐状であり、前記錐状は母線のノズル中心軸に対する角度が１５度以上５０度以下である請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
  3. 前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔である請求項１又は２記載の液滴射出ヘッド。
  4. 前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔であり、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に正四角錐状部分を有し、
    前記正四角錐状部分は、異方性エッチングにより形成され、
    前記正四角錐状部分の斜面部のノズル中心軸に対する角度は、シリコン結晶の（１１０）面と（１１１）面とがなす角度であって、約３５．２６度である請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
  5. 前記円筒状部分には、スキャロップ条がある請求項１～４の何れかに記載の液滴吐出ヘッド。
  6. 請求項１～５の何れかに記載の液滴吐出ヘッドと、
    前記液滴吐出ヘッドの前記圧力発生素子に、前記チャネルの容積を変化させる駆動信号を供給する駆動信号生成部とを備え、
    駆動信号生成部が供給する駆動信号は、一画素周期内に一つのノズルから複数の液滴を吐出させる信号である液滴吐出装置。
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