(57)【要約】【課題】所望の位置に液滴を着弾させ、吐出安定性を向上させることができる液体噴射ヘッドを提供する。【解決手段】本発明に係る液体噴射ヘッド１００は、ノズルプレート３０と、ノズルプレート３０の上方に形成された圧力室４０と、圧力室４０の上方に形成された振動板５０と、振動板５０の上方に形成された圧電素子６０と、を含み、ノズルプレート３０は、圧力室４０と連通しているノズル孔１２が設けられた第１基板１０と、第１基板１０の下方に形成され、ノズル孔１２と連通している開口部２２が設けられた第２基板２０と、を有し、開口部２２の開口径２２Ｗは、ノズル孔１２の第１基板１０の下面１０ｂの開口径１２Ｗより大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルプレートと、
前記ノズルプレートの上方に形成された圧力室と、
前記圧力室の上方に形成された振動板と、
前記振動板の上方に形成された圧電素子と、
を含み、
前記ノズルプレートは、
前記圧力室と連通しているノズル孔が設けられた第１基板と、
前記第１基板の下方に形成され、前記ノズル孔と連通している開口部が設けられた第２基板と、
を有し、
前記開口部の開口径は、前記ノズル孔の前記第１基板の下面の開口径より大きい、液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記ノズル孔から吐出された液体は、前記開口部の内壁と離間する、液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記ノズル孔から吐出された液体は、前記ノズル孔内の液体と連続している液柱形状である、液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項３において、
前記第２基板の厚みは、前記ノズル孔から吐出された液体の長さ以上である、液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記液体の粘度は、１０ｍＰａ・ｓ以上である、液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記液体の粘度は、２０ｍＰａ・ｓ以上である、液体噴射ヘッド。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記第２基板の少なくとも下方側の端部は、テーパ形状である、液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを有する、プリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッド、およびプリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット技術は、家庭用のプリンタのみならず、工業用、産業用など様々な分野に用いられている。これらの分野に応じて、インクジェット技術では、様々な組成のインクを吐出する必要がある。そのなかでも、特に高分子ポリマーなどからなる高粘度インクは、ノズル孔から吐出されたインク液柱が切れ難く、液滴状を形成し難いなど、吐出安定性を確保することが困難である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２３０８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなインクは、例えば、インクジェットプリンタのキャリッジに搭載されたインクジェット式記録ヘッドから吐出される。より具体的には、キャリッジは、タイミングベルトの一部に固定されており、タイミングベルトの走行によりインクジェット式記録ヘッドが往復動する。その際に、インクジェット式記録ヘッドからインクが吐出され、例えば記録用紙への印刷が行われる。
【０００４】
しかしながら、上述のように高粘度インクは、ノズル孔から吐出された時点では、液滴形状に比べて長い液柱形状であるため、その分、インクジェット式記録ヘッドの往復動による空気抵抗を受けやすい。そのため、往復動中にインク液柱が曲がってしまい、所望の位置にインク液滴を着弾できないという問題が生じる。すなわち、いわゆる「飛行曲がり」が発生し、吐出安定性が低下してしまう場合がある。
【０００５】
本発明の目的の１つは、所望の位置に液滴を着弾させ、吐出安定性を向上させることができる液体噴射ヘッド、およびプリンタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
ノズルプレートと、
前記ノズルプレートの上方に形成された圧力室と、
前記圧力室の上方に形成された振動板と、
前記振動板の上方に形成された圧電素子と、
を含み、
前記ノズルプレートは、
前記圧力室と連通しているノズル孔が設けられた第１基板と、
前記第１基板の下方に形成され、前記ノズル孔と連通している開口部が設けられた第２基板と、
を有し、
前記開口部の開口径は、前記ノズル孔の前記第１基板の下面の開口径より大きい。
【０００７】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、所望の位置に液滴を着弾させ、吐出安定性を向上させることができる。
【０００８】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
【０００９】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記ノズル孔から吐出された液体は、前記開口部の内壁と離間することができる。
【００１０】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記ノズル孔から吐出された液体は、前記ノズル孔内の液体と連続している液柱形状であることができる。
【００１１】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記第２基板の厚みは、前記ノズル孔から吐出された液体の長さ以上であることができる。
【００１２】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記液体の粘度は、１０ｍＰａ・ｓ以上であることができる。
【００１３】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記液体の粘度は、２０ｍＰａ・ｓ以上であることができる。
【００１４】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記第２基板の少なくとも下方側の端部は、テーパ形状であることができる。
【００１５】
本発明に係るプリンタは、
本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１．  液体噴射ヘッド
（１）まず、本実施形態に係る液体噴射ヘッドについて説明する。図１は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の要部を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
【００１７】
液体噴射ヘッド１００は、図１および図２に示すように、ノズルプレート３０と、圧力室４０と、振動板５０と、圧電素子６０と、を有する。ノズルプレート３０は、図１に示すように、第１基板１０と、第２基板２０と、を有する。さらに、液体噴射ヘッド１００は、図２に示すように、筐体８０を有することができる。
【００１８】
第１基板１０は、例えば、ニッケル、銅、シリコンからなる。第１基板１０には、ノズル孔１２が設けられている。
【００１９】
ノズル孔１２は、複数設けられていることができ、その数は特に限定されない。ノズル孔１２は、図１に示すように、圧力室４０と連通している。ノズル孔１２は、第１基板１０の圧力室４０側の面１０ａ（上面１０ａ）に設けられた第１開口１２ａと、第１基板１０の上面１０ａと反対側の面１０ｂ（下面１０ｂ）に設けられた第２開口１２ｂと、を有する。第１開口１２ａの開口径は、例えば、第２開口１２ｂの開口径より大きい。ノズル孔１２は、液体７０を下方（−Ｙ方向）に吐出することができる。より具体的には、第１開口１２ａから液体７０が供給され、第２開口１２ｂから液体７０が吐出される。液体７０は、第１基板１０の上面１０ａから下面１０ｂの方向に吐出されるともいえる。
【００２０】
ノズル孔１２から吐出された液体７０ａは、ノズル孔１２内および圧力室４０内の液体７０と連続している液柱形状であることができる。これは、液体７０の粘度が、例えば、２５℃で、１０ｍＰａ・ｓ以上、さらには、２０ｍＰａ・ｓ以上と、高いためである。ここで、図３は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の要部を模式的に示す断面図である。図３は、図１に示した状態から所定時間、経過した状態を示している。図３に示すように、ノズル孔１２から吐出された液体７０ａ（液柱７０ａ）は、液体７０から分離して液滴７２となり、−Ｙ方向に飛行することができる。
【００２１】
第２基板２０は、図１に示すように、第１基板１０の下に形成されている。すなわち、第２基板２０は、第１基板１０の下面１０ｂ側に形成されている。第２基板２０は、例えば、ニッケル、銅、シリコンからなる。第２基板２０の厚み（Ｙ方向の長さ）２０Ｌは、吐出された液柱７０ａの長さ７０Ｌ以上である。第２基板２０の厚み２０Ｌは、例えば、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度である。第２基板２０には、開口部２２が設けられている。
【００２２】
開口部２２は、ノズル孔１２と連通している。開口部２２の開口径２２Ｗは、ノズル孔１２の第２開口１２ｂの開口径１２Ｗより大きい。さらに、開口部２２の開口径２２Ｗは、吐出された液柱７０ａの最大幅７０Ｗより大きい。そのため、液柱７０ａは、開口部２２の内壁と離間している。すなわち、液柱７０ａは、第２基板２０と接しない。開口部２２の開口径２２Ｗは、例えば、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。
【００２３】
圧力室４０は、図１に示すように、第１基板１０上（図２では下）に形成されている。圧力室４０は、第３基板４２によって区画されている。第３基板４２は、例えば、ニッケル、銅、シリコンからなる。圧力室４０は、図２に示すように、供給路４４を介してリザーバ４６と連通していることができる。リザーバ４６は、供給路４４を介して圧力室４０に液体を供給することができる。リザーバ４６には、貫通孔４８が形成されており、貫通孔４８を通って外部からリザーバ４６内に液体が供給される。
【００２４】
振動板５０は、図１に示すように、圧力室４０および第３基板４２上（図２では下）に形成されている。振動板５０は、例えば、ニッケルなどの金属膜、ポリイミドなどの高分子材料膜、二酸化ジルコニウムや二酸化シリコンなどの酸化膜からなる。振動板５０は、圧電素子６０によって振動（変位）することができる。
【００２５】
圧電素子６０は、図１に示すように、圧力室４０の上方であって、振動板５０上（図２では下）に形成されている。圧電素子６０は、図示はしないが、ダイヤフラムや接着剤などを介して、振動板５０上に形成されていてもよい。圧電素子６０は、与えられる電気信号にしたがって、振動板５０を上下方向（Ｙ方向）に振動させることができる。圧電素子６０は、圧電体を電極で挟んだ構造を有する。圧電素子６０の電極の延びる方向は、振動板５０の振動方向に対して垂直（縦モード）であってもよいし、平行（横モード）であってもよい。縦モードの場合は、圧電素子６０の上部は、固定基板（図示せず）に固定されている。圧電素子６０の電極は、例えばケーブル（図示せず）によって、外部駆動回路と接続されている。圧電素子６０の圧電体は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）からなる。圧電素子６０の電極は、例えば、白金、イリジウムからなる。
【００２６】
筐体８０は、図２に示すように、圧電素子６０やノズルプレート３０などを収納することができる。筐体８０は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料からなる。
【００２７】
本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００２８】
液体噴射ヘッド１００では、ノズル孔１２が設けられた第１基板１０の下に第２基板２０が形成されている。第２基板２０の厚み２０Ｌは、ノズル孔１２から吐出された液柱７０ａの長さ７０Ｌ以上であることができる。そのため、液柱７０ａは、上述のように、液体噴射ヘッド１００がプリンタのキャリッジに搭載され、例えばＸ方向に往復動したときでも、空気抵抗を受けない。したがって、液柱７０ａは、往復動時にＸ方向に曲がることはない。すなわち、第２基板２０は、往復動時の空気抵抗防止する機能を有することができる。これにより、液柱７０ａが液体７０から分離して液滴７２となった後、液滴７２は所望の位置に着弾されることができ、吐出安定性を向上させることができる。
【００２９】
液体噴射ヘッド１００では、開口部２２の開口径２２Ｗは、ノズル孔１２の第２開口１２ｂの開口径１２Ｗより大きい。さらに、開口部２２の開口径２２Ｗは、吐出された液柱７０ａの最大幅７０Ｗより大きい。そのため、液柱７０ａは、開口部２２の内壁と離間している。したがって、ノズル孔１２から吐出された液柱７０ａ（液柱７２）は、−Ｙ方向へ安定して飛行することができる。
【００３０】
（２）次に、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４および図５は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００３１】
図４に示すように、母型基板１上に第２基板２０を形成する。第２基板２０は、例えば、電鋳法、ＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）プロセスにより形成される。具体的には、母型基板１上に所定の形状を有するレジスト層Ｒ１を形成し、めっきを行うことにより、第２基板２０を形成する。なお、母型基板１は、例えば、ステンレスからなる。
【００３２】
図４に示すように、第２基板２０上およびレジスト層Ｒ１上に、第１基板１０を形成する。第１基板１０は、レジスト層Ｒ１上に所定の形状を有するレジスト層Ｒ２，Ｒ３を形成して、例えば第２基板２０と同じ方法で形成される。レジスト層Ｒ２，Ｒ３の形状によって、ノズル孔１２の形状が決定される。
【００３３】
図５に示すように、第１基板１０上に第３基板４２を形成する。第３基板４２は、第１基板１０上およびレジスト層Ｒ３上に所定の形状を有するレジスト層Ｒ４形成して、例えば第２基板２０と同じ方法で形成される。レジスト層Ｒ４の形状によって、圧力室４０の形状が決定される。
【００３４】
図１に示すように、レジスト層Ｒ１〜Ｒ４を除去し、母型基板１を剥離する。これにより、開口部２２、ノズル孔１２および圧力室４０を形成することができる。
【００３５】
図１に示すように、圧力室４０上および第３基板４２上に振動板５０を形成する。振動板５０は、例えば、めっき法により形成された金属膜を、接着することにより形成される。次に、振動板５０上に圧電素子６０を形成する。圧電素子６０は、例えば、公知の方法で形成された後、振動板５０上に接着される。
【００３６】
なお、図示はしないが、第１基板１０、第２基板２０および第３基板４２を独自に形成した後に、それぞれを接着させることもできる。この場合には、第３基板４２上に予め、振動板５０と、圧電素子６０と、を接着させておくこともできる。
【００３７】
（３）次に、本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド２００について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド２００の要部を模式的に示す断面図である。以下、本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド２００において、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
液体噴射ヘッド２００では、図６に示すように、第２基板２０の少なくとも下方側（第２基板２０の第１基板１０が形成されている側の面と反対側の面の側、すなわち−Ｙ方向側）の端部２０ａは、テーパ形状である。より具体的には、端部２０ａは、−Ｙ方向に向けて徐々にその幅が小さくなっているテーパ形状である。逆にいうと、開口部２２の下方側の端部は、−Ｙ方向に向けて徐々にその開口径が大きくなっている。なお、図示はしないが、第２基板２０は端部２０ａのみならず、その全体がテーパ形状であることもできる。
【００３９】
ここで、液柱７０ａは、例えば、下方側でその幅が最大となる。したがって、液体噴射ヘッド２００では、上述のように、第２基板２０の少なくとも下方側の端部２０ａは、テーパ形状であるため、確実に液柱７０ａと開口部２２の内壁との接触を防止することができる。
【００４０】
２．  プリンタ
次に、本実施形態に係るプリンタについて説明する。本実施形態に係るプリンタは、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。ここでは、本実施形態に係るプリンタ３００がインクジェットプリンタである場合について説明する。図７は、本実施形態に係るプリンタ３００を模式的に示す斜視図である。
【００４１】
プリンタ３００は、ヘッドユニット３３０と、駆動部３１０と、制御部３６０と、を含む。また、プリンタ３００は、装置本体３２０と、給紙部３５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ３２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口３２２と、装置本体３２０の上面に配置された操作パネル３７０と、を含むことができる。
【００４２】
ヘッドユニット３３０は、例えば、上述した液体噴射ヘッド１００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット３３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ３３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ３３１を搭載した運搬部（キャリッジ）３３２と、を備える。
【００４３】
駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０を往復動させることができる。駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０の駆動源となるキャリッジモータ３４１と、キャリッジモータ３４１の回転を受けて、ヘッドユニット３３０を往復動させる往復動機構３４２と、を有する。
【００４４】
往復動機構３４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸３４４と、キャリッジガイド軸３４４と平行に延在するタイミングベルト３４３と、を備える。キャリッジガイド軸３４４は、キャリッジ３３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ３３２を支持している。さらに、キャリッジ３３２は、タイミングベルト３４３の一部に固定されている。キャリッジモータ３４１の作動により、タイミングベルト３４３を走行させると、キャリッジガイド軸３４４に導かれて、ヘッドユニット３３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
【００４５】
制御部３６０は、ヘッドユニット３３０、駆動部３１０および給紙部３５０を制御することができる。
【００４６】
給紙部３５０は、記録用紙Ｐをトレイ３２１からヘッドユニット３３０側へ送り込むことができる。給紙部３５０は、その駆動源となる給紙モータ３５１と、給紙モータ３５１の作動により回転する給紙ローラ３５２と、を備える。給紙ローラ３５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ３５２ａおよび駆動ローラ３５２ｂを備える。駆動ローラ３５２ｂは、給紙モータ３５１に連結されている。制御部３６０によって供紙部３５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット３３０の下方を通過するように送られる。
【００４７】
ヘッドユニット３３０、駆動部３１０、制御部３６０および給紙部３５０は、装置本体３２０の内部に設けられている。
【００４８】
プリンタ３００では、本発明に係る液体噴射ヘッドを有することができる。本発明に係る液体噴射ヘッドは、上述のように、所望の位置に液滴を着弾させ、吐出安定性を向上させることができる。そのため、所望の位置に液滴を着弾させ、吐出安定性を向上させることができるプリンタ３００を得ることができる。
【００４９】
なお、上述した例では、プリンタ３００がインクジェットプリンタである場合について説明したが、本発明のプリンタは、工業的な液体吐出装置として用いられることもできる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。
【００５０】
なお、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【００５１】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図３】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係るプリンタを模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
【００５３】
１  母型基板、１０  第１基板、１０ａ  上面、１０ｂ  下面、１２  ノズル孔、
１２ａ  第１開口、１２ｂ  第２開口、２０  第２基板、２０ａ  端部、２２  開口部、
３０  ノズルプレート、４０  圧力室、４２  第３基板、４４  供給路、
４６  リザーバ、４８  貫通孔、５０  振動板、６０  圧電素子、７０  液体、
７０ａ  液柱、７２  液滴、８０  筐体、１００  液体噴射ヘッド、
２００  液体噴射ヘッド、３００  プリンタ、３１０  駆動部、３２０  装置本体、
３２１  トレイ、３２２  排出口、３３０  ヘッドユニット、
３３１  インクカートリッジ、３３２  キャリッジ、３４１  キャリッジモータ、
３４２  往復動機構、３４３  タイミングベルト、３４４  キャリッジガイド軸、
３５０  給紙部、３５１  給紙モータ、３５２  給紙ローラ、３６０  制御部、
３７０  操作パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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