WO2018047576A1 - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 Download PDF

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channel
droplet
droplet discharge
liquid
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章人 下村
東野　楠
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コニカミノルタ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a droplet discharge head and a droplet discharge device, and more specifically, by reducing the viscosity resistance of the liquid to be discharged on the discharge side of a nozzle, the tip discharge is prevented and the accuracy of the discharge angle is improved.
  • the present invention relates to a droplet discharge head and a droplet discharge device.
  • Patent Document 1 a device including a channel whose volume can be changed by a pressure generating element and a nozzle connected to the channel has been proposed.
  • this droplet discharge device when the volume of the channel is reduced by the pressure generating element, the liquid filled in the channel is discharged outward as a droplet through the nozzle.
  • the droplets are dropped on a recording medium, and an image is formed on the recording medium.
  • the liquid used in this droplet discharge device has a viscosity of 8 millipascal seconds or more, and the nozzle has a first portion (funnel portion) on the channel side that defines a frustoconical space having a taper angle of 40 degrees or more.
  • the discharge-side second portion has a shape (cylindrical shape) whose cross-sectional area is substantially unchanged on a surface orthogonal to the nozzle direction.
  • a droplet discharge device when droplets are discharged, normal droplet formation may not be performed due to point discharge from a nozzle. In this case, the amount of dripping (satellite amount) at a position deviated from the original dripping position increases, which causes a great deterioration in image quality during image formation. In addition, the discharge bend (displacement of the discharge angle) at the time of droplet discharge also causes a great deterioration of the image quality when forming the image quality.
  • Patent Document 1 there is a factor that causes image quality deterioration in the second portion on the discharge side (cylindrical shape in which the cross-sectional area is not substantially changed in a plane orthogonal to the nozzle direction) among the nozzles. I found out.
  • the above-described droplet discharge device (Patent Document 1) is different from the present invention in that it is a device that discharges a highly viscous liquid of 8 millipascal seconds or more. to differ greatly.
  • the nozzle of the above-described droplet discharge device (Patent Document 1) includes a first portion that is a funnel portion and a cylindrical second portion. In the present invention, the nozzle is compared with this droplet discharge device. The problem is solved in the nozzle consisting only of the second part. Therefore, the present invention is not realized by simply downsizing (scaling down) the nozzle of the above-described droplet discharge device (Patent Document 1).
  • the present invention provides a droplet discharge head and a droplet discharge device that prevent the peak discharge and improve the accuracy of the discharge angle by reducing the viscous resistance of the liquid to be discharged on the discharge side of the nozzle.
  • the issue is to provide.
  • a channel whose volume can be changed by a pressure generating element;
  • a nozzle that is a through hole that communicates with the channel and serves as a flow path for the liquid discharged outward from the channel;
  • the inside of the nozzle has a conical portion that gradually decreases in diameter toward the outer side, and a cylindrical portion that continues to the conical portion and communicates with the outer side,
  • the connection portion of the conical portion to the cylindrical portion and the connection portion of the cylindrical portion to the conical portion have the same opening cross-sectional shape,
  • the cylindrical portion when the inner diameter D 0, its axial length is 0.1 D 0 to 0.3D 0, It said conical portion, the axial length is at 0.6D 0 or more, the liquid droplet ejection head angle is less than 15 degrees 6 degrees or more with respect to the nozzle center axis of the generatrix of the conical surface.
  • the droplet discharge head according to any one of 1 to 5, A drive signal generator for supplying a drive signal for changing the volume of the channel to the pressure generating element of the droplet discharge head;
  • the drive signal supplied by the drive signal generator is a droplet discharge device that discharges a plurality of droplets from one nozzle within one pixel period.
  • a droplet discharge head and a droplet discharge device in which the discharge resistance of the nozzle is prevented by reducing the viscous resistance of the liquid to be discharged, thereby preventing the peak discharge and improving the accuracy of the discharge angle. It can be provided.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line iv-iv in FIG. 3B, illustrating an example of a change in channel volume.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing another example of the shape of the nozzle in the droplet discharge head of the embodiment.
  • the present invention is applied to a droplet discharge head that discharges liquid through a nozzle by expanding and contracting a volume of a channel (pressure chamber) filled with liquid such as ink by a pressure generating element.
  • the present invention is applied to a droplet discharge device provided with a droplet discharge head.
  • a driving pulse is input to the pressure generating element from the driving signal generating unit.
  • liquid droplet ejection apparatus to which the present invention is applied may be of various known types such as a line type and a serial type, and is not limited to any of them, but in the following embodiments, the line type is mainly used.
  • the present invention will be described by taking as an example a liquid droplet ejection apparatus.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a main part of a line-type droplet discharge device.
  • This droplet discharge apparatus includes a droplet discharge head unit 30 including a plurality of droplet discharge heads 31 as shown in FIG.
  • the droplet discharge head unit 30 is configured by arranging a plurality of droplet discharge heads 31 corresponding to the discharge width in the width direction of the recording medium. If the required ejection width can be secured by the single droplet ejection head 31, the number of droplet ejection heads 31 may be one.
  • Each droplet discharge head 31 is arranged so that the nozzle surface side, which is the direction in which droplets are discharged, faces the recording surface of the recording medium 10.
  • Each droplet discharge head 31 is supplied with liquid from a liquid tank (not shown) via a plurality of tubes.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of the drive signal generation unit.
  • a drive signal (drive pulse) is supplied from each drive signal generation unit 51 to each droplet discharge head 31.
  • the drive signal generator 51 reads the image data stored in the memory 52, generates a drive signal (drive pulse) based on the image data, and supplies it to each droplet discharge head 31.
  • the recording medium 10 is long, and is fed from the unwinding roll 10A in the direction of the arrow X in the figure by a driving means (not shown).
  • the arrow X direction also indicates the conveyance direction of the recording medium 10 in all the following drawings.
  • the long recording medium 10 is wound around a back roll 20 and supported and conveyed.
  • droplets are ejected from each droplet ejection head 31 toward the recording medium 10, and image formation based on image data is performed.
  • the droplet discharge head 31 performs image recording when the recording medium 10 is conveyed in a predetermined conveyance direction in a stationary state. While the recording medium 10 is being transported, a drive signal based on image data is supplied for each pixel period, droplets are ejected, and image formation is performed.
  • the recording medium 10 on which the image is formed is dried and wound on a winding roll (not shown).
  • FIG. 3 is a view showing an example of a shear mode type droplet discharge head 31 provided in the droplet discharge device.
  • FIG. 3A is a perspective view showing a cross section of the appearance, and
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view seen from the side.
  • 310 is a head chip
  • 22 is a nozzle plate bonded to the front surface of the head chip 310.
  • the surface on the side from which the droplets are ejected from the head chip 310 is referred to as “front surface”, and the opposite surface is referred to as “rear surface”.
  • the outer surfaces located above and below in the figure across the channels arranged in parallel in the head chip 310 are referred to as “upper surface” and “lower surface”, respectively.
  • the head chip 310 has a channel row in which a plurality of channels 28 partitioned by a partition wall 27 are arranged in parallel.
  • the number of channels 28 constituting the channel string is not limited at all.
  • a channel string is composed of 512 channels 28.
  • Each partition wall 27 is made of a piezoelectric element such as PZT which is an electric / mechanical conversion means as a pressure generating element.
  • each partition wall 27 is constituted by two piezoelectric elements 27a and 27b having different polarization directions.
  • the piezoelectric elements 27a and 27b are only required to be provided in at least a part of each partition wall 27 and may be arranged so that each partition wall 27 can be deformed.
  • the piezoelectric material used as the piezoelectric elements 27a and 27b is not particularly limited as long as it is deformed by application of voltage, and a known material is used.
  • the piezoelectric material may be a substrate made of an organic material, but a substrate made of a piezoelectric non-metallic material is preferable.
  • the substrate made of a piezoelectric non-metallic material include a ceramic substrate formed through processes such as molding and firing, and a substrate formed through coating and lamination processes.
  • Examples of the organic material include organic polymers and hybrid materials of organic polymers and inorganic materials.
  • Ceramic substrates include PZT (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) and third component added PZT, and the third component includes Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Mn 1/3 Sb 2). / 3 ) O 3 , Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 and the like. Further, it can be formed using BaTiO 3 , ZnO, LiNbO 3 , LiTaO 3 or the like.
  • the two piezoelectric elements 27a and 27b are bonded and used so that the polarization directions are opposite to each other.
  • the amount of shear deformation is doubled compared to the case where one piezoelectric element is used, and the drive voltage can be 1 ⁇ 2 or less in order to obtain the same amount of shear deformation.
  • each channel 28 An opening on the front surface side and an opening on the rear surface side of each channel 28 are opened on the front surface and the rear surface of the head chip 310, respectively.
  • Each channel 28 is a straight type in which the opening cross-sectional area and the cross-sectional shape are not substantially changed in the length direction from the opening on the rear surface side to the opening on the front surface side.
  • the front end of the channel 28 communicates with the nozzle 23 formed in the nozzle plate 22, and the rear end is connected to the liquid tube 43 through the common liquid chamber 71 and the liquid supply port 25.
  • the nozzle 23 is a through hole formed in the nozzle plate 22, and has a conical (tapered) portion that gradually decreases in diameter toward the outer side, and continues to the conical portion and communicates with the outer side. And a cylindrical (straight) portion.
  • the inner diameter of the nozzle 23 is much smaller than the inner dimension of the channel 28, and the connecting portion from the channel 28 to the nozzle 23 has a stepped shape.
  • the nozzle plate 22 can also be composed of a single crystal silicon material.
  • the nozzle 23 can be formed by drilling a through hole in a single crystal silicon material.
  • the drilling of the single crystal silicon material can be performed by dry etching (for example, reactive gas etching, reactive ion etching, reactive ion beam etching, ion beam etching, reactive laser beam etching, or the like) or wet etching.
  • An electrode 29 made of a metal film is formed in close contact with the inner surface of each channel 28 over the entire surface.
  • the electrode 29 in the channel 28 is electrically connected to the drive signal generation unit 51 via the connection electrode 300, the anisotropic conductive film 79 and the flexible cable 6.
  • the partition wall 27 When the drive signal from the drive signal generation unit 51 is supplied to the electrode 29 in the channel 28, the partition wall 27 is bent and deformed with the joint surfaces of the piezoelectric elements 27a and 27b as a boundary. Such a bending deformation of the partition wall 27 generates a pressure wave in the channel 28, and a pressure for discharging the liquid in the channel 28 through the nozzle 23 is applied.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line iv-iv in FIG. 3B, and is a diagram illustrating an example of a change in the volume of the channel.
  • an expansion pulse (+ V) is used as a drive signal.
  • the electrodes 29A and 29C of the channels 28A and 28C adjacent to the channel 28B to be expanded are grounded and the expansion pulse (+ V) from the drive signal generating unit 51 is applied to the electrode 29B of the channel 28B to be expanded, the channel 28B to be expanded
  • Both the partition walls 27B and 27C are deformed in the joint surfaces of the respective piezoelectric elements 27a and 27b.
  • both the partition walls 27B and 27C are bent and deformed toward the outside of the channel 28B to expand the volume of the channel 28B to be expanded. Due to such bending deformation, a negative pressure wave is generated in the channel 28 ⁇ / b> B, and the liquid in the nozzle 23 is drawn to the vicinity of the front end portion of the channel 28 behind the nozzle 23.
  • the expansion pulse is a pulse for expanding the volume of the channel 28 from the volume in the steady state.
  • the expansion pulse changes the voltage from the reference voltage GND to the peak voltage + V, holds the peak voltage + V for a predetermined time, and then changes the voltage to the reference voltage GND again.
  • a contraction pulse ( ⁇ V) is used as a drive signal.
  • the electrodes 29A and 29C of the channels 28A and 28C adjacent to the channel 28B to be contracted are grounded and the contraction pulse ( ⁇ V) from the drive signal generation unit 51 is applied to the electrode 29B of the channel 28B to be contracted, the channel 28B to be contracted
  • the joint surfaces of the respective piezoelectric elements 27a and 27b are displaced in the opposite direction to the above-described expansion.
  • both the partition walls 27B and 27C are bent and deformed toward the inside of the channel 28B to contract the volume of the channel 28B to be contracted. Due to this bending deformation, a positive pressure wave is generated in the channel 28 ⁇ / b> B, and a droplet is ejected through the corresponding nozzle 23.
  • the contraction pulse is a pulse for contracting the volume of the channel 28 from the volume in the steady state.
  • the voltage is changed from the reference voltage GND to the peak voltage ⁇ V, the peak voltage ⁇ V is held for a predetermined time, and then the reference is again performed.
  • the voltage is changed to the voltage GND.
  • the pulse is a rectangular wave having a constant voltage peak value, where the reference voltage GND is 0% and the peak voltage is 100%, the rise time between 10% and 90% of the voltage,
  • any of the fall times indicates a waveform that is within 1 ⁇ 2, preferably within 1 ⁇ 4 of AL (Acoustic Length).
  • AL is an abbreviation of Acoustic length, and is 1/2 of the acoustic resonance period of the pressure wave in the straight channel 28.
  • AL measures the flying speed of a droplet discharged when a rectangular wave driving signal is applied to the driving electrode, and changes the pulse width of the rectangular wave while keeping the rectangular wave voltage value constant. It is determined as the pulse width that maximizes the droplet flight speed.
  • the pulse width is defined as the time between 10% rise from the reference voltage GND and 10% fall from the peak voltage.
  • the drive signal is not limited to a rectangular wave, and may be a trapezoidal wave or the like.
  • the channels 28A, 28B, and 28C shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C it is preferable to perform so-called three-cycle driving because adjacent channels cannot be expanded or contracted simultaneously.
  • the 3-cycle drive all channels are divided into three groups and adjacent channels are time-division controlled.
  • the present invention can also be applied to a so-called independent type droplet discharge head in which discharge channels and channels that do not discharge (dummy channels) are alternately arranged.
  • adjacent channels can be expanded or contracted simultaneously, so that it is not necessary to perform three-cycle driving, and independent driving can be performed.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the shape of the nozzle in this droplet discharge head.
  • the inside of the nozzle 23 is gradually reduced in diameter toward the outer side from the front end of the channel 28, and the front is continuous with the conical portion 23a. It is comprised from the cylindrical part 23b connected to the side outward.
  • the internal capacity of the nozzle 23 is increased, the pumping capacity is improved, and pressure can be applied to the meniscus drawn into the nozzle 23 from a plurality of directions, so that the viscosity resistance of the liquid is reduced. It is possible to prevent point discharge.
  • the connecting portion of the conical portion 23a to the cylindrical portion 23b and the connecting portion of the cylindrical portion 23b to the conical portion 23a have the same opening cross-sectional shape, and the conical portion 23a and the cylindrical portion 23b. Are connected smoothly and continuously without any step.
  • Conical section 23a when the inner diameter of the cylindrical portion 23b and a D 0, the axial length L1 is in the 0.6D 0 or more. Further, in the conical portion 23a, an angle ⁇ (taper angle) with respect to the nozzle central axis of the generatrix of the conical surface is 6 degrees or more and 15 degrees or less.
  • the length L2 of the cylindrical portion 23b has a 0.1 D 0 to 0.3D 0.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the axial length L1 of the conical portion 23a and the discharge bending (displacement of the discharge angle).
  • the length L1 of the conical portion 23a and 0.6D 0 or more is shorter than this, it is easy to induce discharge bending, discharge bending angle is 0. This is because it exceeds 2 °. It is desirable that the discharge bend angle is 0.2 ° or less because the influence on the image quality is small.
  • FIG. 6 shows the following.
  • the discharge bending angle (2) (shown by ⁇ ) is 0 when the length L1 (shown by ⁇ ) is 0.4D 0 , the length L2 is 0, and the angle ⁇ is 0 ° to 50 °. .4D 0, length L2 is at 0.2D 0, the angle ⁇ is discharged bending angle of 0 degrees to 50 degrees (3) (indicated by ⁇ ) length L1 is 0.6D 0, the length L2 is 0 , the angle ⁇ is 0 ° to 50 ° in the discharge bending angle (4) (indicated by ⁇ ) length L1 is 0.6D 0, the length L2 is 0.2D 0, the angle ⁇ is 0 ° to 50 ° Discharge bend angle (5) (shown by ⁇ ) Length L1 is 1.0D 0 , length L2 is 0, and discharge bend angle is 6 ° (shown by ⁇ ) when angle ⁇ is 0 ° to 50 ° Discharge bending angle when length L1 is 1.0D 0 , length L2 is
  • the discharge bending angle becomes 0.2 ° or less, an angle ⁇ is 0 degrees to 15 degrees, the length L2 is 0.2D 0, the length L1 is 0.6D 0 or more This is the case.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ of the conical surface of the conical portion 23a with respect to the nozzle central axis and the shape of the droplet.
  • the angle ⁇ with respect to the nozzle central axis of the conical surface of the conical portion 23a is set to 6 ° or more, as shown in FIG. 7, the liquid forming the discharged liquid is concentrated on the tip side of the liquid This is to make it happen.
  • the concentration of the liquid on the liquid droplet front end side is indicated by a distance Z from the liquid droplet front end where 80% of the liquid forming the liquid droplet passes from the liquid droplet front end.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the shape of a droplet discharged from the droplet discharge head.
  • the distance Z from the tip of the droplet at a location where 80% of the liquid forming the droplet passes from the tip of the droplet is the length (100%) of the entire droplet.
  • the distance Z from the tip of the droplet where 80% of the liquid forming the droplet passes from the tip of the droplet is the length (100%) of the entire droplet. If it exceeds 45%, the concentration of the liquid in the droplets on the droplet tip side is insufficient.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the shape of the droplet after being ejected from the droplet ejection head.
  • the entire liquid is one main component in the process of flying the droplet toward the recording medium. It collects in droplets and reaches the recording medium as it is. In this case, a good image without image quality deterioration is formed.
  • the concentration of the liquid in the droplet is insufficient on the tip side of the droplet, as shown in FIG. 9B, the liquid is 1 in the process of flying toward the recording medium.
  • the droplets are separated into a plurality of droplets including one main droplet, and reach the recording medium as main droplets and satellites. In this case, on the recording medium, the satellite reaches a place different from the main droplet, so that the image quality is deteriorated.
  • the distance Z from the liquid droplet tip at a location where 80% of the liquid forming the liquid droplet passes from the liquid droplet tip is 45% or less with respect to the entire droplet length (100%).
  • the angle ⁇ of the generatrix of the conical surface of the conical portion 23a with respect to the nozzle center axis must be 6 degrees or more.
  • the angle ⁇ when the angle ⁇ exceeds 15 degrees, the discharge bending angle exceeds 0.2 ° regardless of the lengths L1 and L2. Therefore, the angle ⁇ must be 15 degrees or less.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the axial length L2 of the cylindrical portion 23b and the discharge bending (displacement of the discharge angle).
  • FIG. 10 the length L1 is in 0.6D 0, shows a case where the angle ⁇ is 15 degrees.
  • the inner diameter D 0 of the cylindrical portion 23b is actual dimensions of the length L2 of the cylindrical portion 23b of the case 25 [mu] m, shown as reference dimensions.
  • the length L2 of the cylindrical portion 23b is 2.5 ⁇ m or more and 7.5 ⁇ m or less.
  • the length L2 of the cylindrical portion 23b and 0.3D 0 or less as shown in Table 1 below, the length L2 is more than 0.3D 0, the tail of the droplet is increased to be ejected This is because there is a high possibility that satellites are generated.
  • Table 1 shows the possibility of satellite generation by “ ⁇ , ⁇ , x” when the angle ⁇ is 6 degrees and 15 degrees. “ ⁇ ” indicates that the possibility of satellite generation is sufficiently low. “ ⁇ ” indicates that satellites may be generated. “X” indicates that there is a high possibility that satellites are generated.
  • the lower limit of the axial length L1 of the conical portion 23a (0.6D 0 or more), the technical significance is clarified by Figure 6. Further, the technical significance of the lower limit (6 ° or more) of the angle (taper angle) ⁇ of the conical surface of the conical portion 23a to the nozzle center axis is shown in FIG. 7, and the upper limit (15 ° or less) is shown in FIG. Has been. Further, the technical significance of the lower limit (0.1D 0 or more) of the axial length L2 of the cylindrical portion 23b is clarified in FIG. 10 and the upper limit (0.3D 0 or less) is shown in Table 1.
  • the inside of the nozzle 23 is composed of the conical portion 23a and the cylindrical portion 23b, so that the pumping capability of the head is improved and the peak discharge is performed.
  • the discharge bend (displacement of the discharge angle) at the time of droplet discharge is reduced, and a good image without image quality deterioration can be formed.
  • the dimensional accuracy of the inner diameter of the nozzle 23 can be improved particularly when the nozzle plate 22 is formed of a silicon material. it can. If the cylindrical portion 23 b is not provided and the conical portion 23 a reaches the surface (front surface) of the nozzle plate 22, a slight inclination of the conical portion 23 a and a slight error in the taper angle may cause the front end opening of the nozzle 23. It is difficult to maintain the accuracy of the inner diameter dimension.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing another example of the shape of the nozzle 23 in the droplet discharge head of the embodiment.
  • the nozzle 23 may have a conical portion (funnel portion) 23c between the front end of the channel 28 and the rear end portion of the conical portion 23a.
  • the conical portion 23c is gradually reduced in diameter from the front end to the front end of the channel 28, and smoothly connects the channel 28 and the conical portion 23a.
  • the conical portion 23c preferably has an angle ⁇ of 15 ° to 50 ° with respect to the nozzle central axis of the bus.
  • the conical portion 23c between the channel 28 and the conical portion 23a may be a regular quadrangular pyramid portion 23c.
  • This regular quadrangular pyramidal portion 23c can be formed by using the (110) plane and the (111) plane of silicon crystal by anisotropic etching of a single crystal silicon material. Accordingly, in the regular quadrangular pyramidal portion 23c, the angle ⁇ with respect to the nozzle center axis of the inclined surface portion is about 35.26 degrees that is an angle formed by the (110) plane and the (111) plane of the silicon crystal.
  • a scallop may be present on the inner surface of the cylindrical portion 23b of the nozzle 23.
  • the scallop strip existing on the inner surface of the cylindrical portion 23b of the nozzle 23 can be formed by scalloping.
  • the scalloping process is a process of drilling a desired shape by repeating a masking process and an etching process in a dry etching process of a single crystal silicon material.
  • corrugation is formed by the masking position changing for every process. Since such a carop strip is fine unevenness, the inner surface of the cylindrical portion 23b can be regarded as a flat surface even if the scallop strip is present, and does not affect the action of the cylindrical portion 23b. .
  • the drive signal supplied by the drive signal generation unit 51 may be a signal (multidrop signal) for discharging a plurality of droplets from each nozzle 23 within one pixel period. .
  • the present invention is particularly effective when a plurality of droplets are ejected from one nozzle 23 within one pixel period to enable so-called gradation expression. high.
  • the droplet discharge head included in the droplet discharge device is a shear mode type
  • the distortion form of the piezoelectric element in the droplet discharge head is exceptional.
  • the present invention is preferably applicable to, for example, a bending mode type, a vertical mode type (also referred to as push mode or direct mode) type, and the like.
  • the present invention can be applied to various droplet discharge devices that discharge liquid from a nozzle by changing the volume of a channel filled with liquid, regardless of the distortion form of the piezoelectric element, the volume and shape of the channel, etc. It can be applied to a droplet discharge device.
  • the present invention can also be applied to a so-called independent type droplet discharge head.
  • an independent type droplet discharge head adjacent channels can be expanded or contracted simultaneously, and independent driving can be performed.
  • FIG. 12 is a view showing an example of a so-called MEMS type droplet discharge head in which a plurality of channels are two-dimensionally arranged.
  • FIG. 12A is a cross-sectional view seen from the side, and FIG. It is the bottom view which looked at the nozzle surface from the bottom.
  • a so-called MEMS type droplet discharge head is configured to have a liquid manifold 70 that constitutes a common liquid chamber 71 as shown in FIG. The opened bottom of the liquid manifold 70 is closed by the upper substrate 75. The common liquid chamber 71 is filled with liquid.
  • a lower substrate 76 is disposed below the upper substrate 75 in parallel with the upper substrate 75.
  • a plurality of piezoelectric elements 78 are arranged between the upper substrate 75 and the lower substrate 76.
  • a drive signal is applied to these piezoelectric elements 78 via a wiring pattern (not shown) formed on the lower surface of the upper substrate 75.
  • a plurality of channels 73 are provided corresponding to each of these piezoelectric elements 78. These channels 73 are through holes formed in the lower substrate 76, and the upper portion is closed by a corresponding piezoelectric element 78 and the bottom portion is closed by a nozzle plate 77.
  • the nozzle plate 77 is bonded to the lower surface of the lower substrate 76.
  • Each channel 73 has a common bottom through an injection hole 72 formed through the upper substrate 75 and the lower substrate 76 corresponding to each channel 73 and a groove formed in the upper surface of the nozzle plate 77. It communicates with the liquid chamber 71. The liquid in the common liquid chamber 71 is supplied into each channel 73 through a groove formed in the upper surface of the injection hole 72 and the nozzle plate 77. Each channel 73 communicates outward (downward) via a nozzle 74 formed on the nozzle plate 77 corresponding to each channel 73.
  • the nozzles 74 are two-dimensionally arranged on the lower surface of the nozzle plate 77 as shown in FIG.
  • the piezoelectric elements 78 are also two-dimensionally arranged corresponding to the nozzles 74.
  • the droplet discharge device may be a droplet discharge device that discharges liquid other than ink.
  • the liquid here may be any material that can be discharged from the droplet discharge device.
  • it may be in a state in which the substance is in a liquid phase, such as a liquid with high or low viscosity, sol, gel water, other inorganic solvents, organic solvents, solutions, liquid resins, liquid metals (metal melts ).
  • a liquid as one state of a substance but also a substance in which particles of a functional material made of a solid such as a pigment or a metal particle are dissolved, dispersed or mixed in a solvent is included.
  • the liquid include ink and liquid crystal as described in the above embodiment.
  • the ink includes general water-based inks and oil-based inks, and various liquid compositions such as gel inks and hot melt inks.
  • Specific examples of the droplet discharge device include, for example, a material such as a liquid crystal display, an EL (electroluminescence) display, a surface emitting display, and an electrode material and a color material used for manufacturing a color filter in a dispersed or dissolved form.
  • a droplet discharge device that discharges liquid as droplets.
  • a droplet discharge device that discharges bio-organic matter used for biochip manufacturing
  • a droplet discharge device that discharges a liquid that is used as a precision pipette, and serves as a sample.
  • a transparent resin liquid such as UV curable resin is used to form a droplet ejection device that ejects lubricating oil pinpoint to precision machines such as watches and cameras, and hemispherical lenses (optical lenses) used in optical communication elements.
  • a droplet discharge device that discharges the liquid onto the substrate.
  • a droplet discharge device that discharges an etching solution such as an acid or an alkali to etch a substrate or the like may be used.
  • Nozzle plate 23 Nozzle 23a: Conical portion 23b: Cylindrical portion 27: Partition 27a: Piezoelectric element 27b: Piezoelectric element 28: Channel 29: Electrode 31: Droplet ejection head 300: Connection electrode 310: Head chip 52: Memory 51: Drive signal generation unit 6: Flexible cable 74: Nozzle

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Abstract

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の提供を課題とし、上記課題は、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。

Description

液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置
　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 JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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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