(57)【要約】【課題】液体吐出ヘッドのノズル径を小さくし、液滴量を低下させる場合に於いて、実用的な液滴速度でかつ主滴の前に微小液滴が分離生成せず安定に吐出できるような液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、ノズルの内径が１５μｍ以下の領域のノズル内壁に、ノズル内壁面よりもくぼんだくぼみ部を設けたことを特徴とする液体吐出ヘッド【選択図】図３
2015033848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの内径が１５μｍ以下の領域のノズル内壁に、ノズル内壁面よりもくぼんだくぼみ部を設けたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記ノズルの最小内径からその２倍の内径を有する領域のノズル内壁に前記くぼみ部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記くぼみ部が凹形状もしくは溝形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記凹形状は、凹部の開口部の最大面積が０．８μｍ２以上２０μｍ２以下であることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記溝形状は、溝幅が１μｍから６μｍ、深さが０．５μｍから６μｍであることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記ノズルは、
メッキにより、凸形状部を有するＣｕを含む金属による部材に、Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいはＮｉ−Ｂを含む金属を付着させて前記凸形状部を覆う工程と、
前記部材とエッチャントとを接触させて前記凸形状部をエッチングにより除去することにより、前記凸形状部を覆っていた前記Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいは前記Ｎｉ−Ｂを含む金属を露出させて孔部を形成するとともに、前記孔部の表面に前記Ｃｕの残渣を付着させる工程と、
前記Ｃｕの残渣を付着させた前記孔部の表面に硫酸を含む溶液を接触させることで、前記孔部の表面に凹形状によるくぼみ部を形成する工程と、
を有する方法により製造されることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記凸形状部を有するＣｕを含む金属による部材は、Ｃｕを含む金属部材をエンドミルによって加工することにより前記凸形状部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記エッチャントはアルカリ系溶剤であることを特徴とする請求項６または７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項９】
前記孔部の表面に前記エッチャントを残して乾燥させることにより、前記孔部の表面に前記Ｃｕの残渣を付着させることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記ノズルは、
凸形状部を有するＣｕを含む金属による部材の、前記凸形状部に凸部を形成する工程と、
メッキにより、前記凸部が形成された凸形状部を有する部材に、Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいはＮｉ−Ｂを含む金属を付着させて前記凸形状部を覆う工程と、
前記部材とエッチャントとを接触させて前記凸形状部をエッチングにより除去することにより、前記凸形状部を覆っていた前記Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいは前記Ｎｉ−Ｂを含む金属を露出させて、溝形状によるくぼみ部が形成された孔部を形成する工程と、
を有する方法により製造されることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
前記凸形状部に凸部を形成する工程は、Ｃｕを含む金属部材をエンドミルによって削ることで、前記凸形状部および凸部を形成することを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１２】
前記エッチャントはアルカリ系溶剤であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドは圧力室内のインク圧力を変化させ、インクに流れを発生させ吐出口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である。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。
【０００３】
圧電素子を用いたインクジェット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が可能である。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、インクジェットヘッドをカラーフィルターの製造、配線形成等の工業用途に利用する試みも多くなっている。
【０００４】
工業用に利用する圧電方式のインクジェットヘッドは、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材料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。変形させる圧電部は、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分である。その隔壁の両側に圧電素子を駆動する為に電極を形成し、さらにノズルが形成させたノズルプレート、インク供給系を形成することによりインクジェットヘッドが形成される。
【０００５】
シェアモード方式のインクジェットヘッドには、特開平０５−３１８７３０号公報（特許文献１）に記載してあるように、インクを収納するインク溝とインク溝と隣接するインクを収納しない空気溝で構成されたインクジェットヘッドがある。インク溝側の電極はグランドに接地し、空気溝側の電極は信号電圧を印加することにより、インク溝と空気溝間の隔壁を変形させる。この方式は、インクと接触しているインク溝がグランドであるため、インクとして導電性の高いインクを用いることが可能である（特許文献１参照）。
【０００６】
近年液体吐出装置として、高精細のパターニングが求められている。そのため、吐出液滴の微小化が必要になる。求められている液滴量はサブｐＬから数ｐＬ程度である。液滴の大きさは通常ノズル径の大きさ程度になる。そこで、ノズル径よりも小さな液滴を形成するために、メニスカスを高速で制御するメニスカス駆動による方法が考えられている。例えば、特開２００３−１６５２２０号公報（特許文献２）に記載しているようにノズル径φ２０μｍ以下に対して、１ｐＬ以下の液滴を形成するためのメニスカスの制御方法に関する記載がある。具体的には、メニスカスの引き込み量を制御するように電圧変化プロセスの電圧変化量及び電圧変化時間を規定している。
【０００７】
シェアモード方式の液体吐出装置に関して、吐出量と液体吐出ヘッドのパラメータに関し、文献「高速シェアモードヘッドの開発」コニカミノルタテクノロジーセンター（株）西眞一他（非特許文献１）に記載されているように液室の共振を利用した吐出において、最も単純な駆動（押し打ち）方法では吐出量＝π×ノズル径＾２×液滴速度／２／Ｆｒ（液室の共振周波数）となる。また、液滴を小さくするための駆動（引き打ち）方法を行うと、吐出量＝π×ノズル径＾２×液滴速度／４／Ｆｒ（液室の共振周波数）となり、液滴量を半分程度まで減らすことが可能である。さらに、上記の駆動波形にパルスを印加制御することで吐出量を３割程度まで減らすことが可能である。このように、吐出量を数ｐＬ程度に低減させ安定に制御するためには、駆動方法である程度は制御することは可能である。
【０００８】
しかし、ピエゾ駆動による液体吐出装置においてノズル径をφ２０μｍ程度でサブｐＬから２ｐＬ程度の液滴を駆動方法により安定に吐出させることは非常に困難である。例えば特開２００７−３８６５４号公報（特許文献３）に記載してあるように、駆動波形によっては主滴液滴の速度をある速度以上にすると主滴の前に微小な液滴が高速分離してしまう現象が発生するなど制御が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０５−３１８７３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５２２０号公報
【特許文献３】特開２００７−３８６５４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「高効率シェアモードヘッドの開発」コニカミノルタテクノロジーセンター（株）西眞一他  日本画像学会年次大会  通産９３回  ２００４年  ６月  ３日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これまで述べてきたように、シェアモード方式の液体吐出装置において、ノズル径をφ１５μｍ以下にした場合、液滴速度をある速度以上にすると主滴の前に微小な液滴が高速分離してしまう。このように微小な液滴が主滴の前に形成され、しかも高速な場合には主滴が画像形成用の基板に着弾する前に付着する。その後に主滴が着弾するため、描画ドットが歪んでしまう問題が発生する。あるいは、主滴の前に分離した液滴は極めて微小であるため空気抵抗による減速の影響が大きく基板に着弾する前に外乱の影響により浮遊してしまう可能性が高い。このように、主滴の前に微小な液滴が形成されると高精細な画像形成を形成することができなくなる問題点がある。
【００１２】
これは、ノズル径がφ１５μｍ以下のごく微小な径ではノズル壁面とノズル中心の距離が近くなることから、粘性抵抗の影響が大きくなり中心部の流速が速くなり、このノズル中心部の流速がノズル壁面部の流速に対して大きくなりすぎると、主滴が形成されるより早いタイミングで中心部の一部のみが分離する現象である。
【００１３】
また、この中央部の液滴分離は、液滴が低速の場合は発生せず、液滴速度を上げると発生する。
【００１４】
一方、正常なパターンを得るためにはおおよそ５ｍ／ｓ以上の液滴速度が必要となる。
【００１５】
こうしたことから、正常なパターンを得られる実用的な速度領域において、ノズル壁面部の流速とノズル中央部の流速の差を低減させ、この中央部の液滴分離を抑制することが重要となる。つまり、液滴分離が発生する速度閾値を実用的な速度領域以上にあげることが必要である。
【００１６】
そこで本発明では、液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、ノズル径がφ５μｍ〜φ１５μｍ程度と小さい場合に、液滴速度を５ｍ／ｓ程度確保し、さらにノズル壁面部の流速とノズル中央部の流速の差を低減させ、主滴の前に微小な液滴が分離吐出せず安定に吐出できる液体吐出ヘッドの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの内径が１５μｍ以下の領域の内壁に、ノズル内壁面よりもくぼんだくぼみ部を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、液体を吐出するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、実用レベルの吐出速度を確保し、さらに主滴の前に微小液滴が分離生成されることなく微小液滴を安定的に吐出制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの模式図である。
【図３】（ａ）は、入射側から出射側にかけて直線状のテーパーと出射径と同一径のストレート形状をもったノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルの内壁に凹状のくぼみを有するノズル断面の模式図である。
【図４】（ａ）は、入射側から出射側にかけて内径が一定のノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルの内壁に凹状のくぼみを有するノズル断面の模式図である。
【図５】（ａ）は、入射側から出射側にかけて曲線形状をもったノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルの内壁に凹状のくぼみを有するノズル断面の模式図である。
【図６】（ａ）は、入射側から出射側にかけて直線状のテーパー形状をもったノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルの内壁に凹状のくぼみを有するノズル断面の模式図である。
【図７】（ａ）は、入射側から出射側にかけて直線状のテーパーと出射径と同一径のストレート形状をもったノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルの内壁に溝形状を有するノズル断面の模式図である。（ｃ）は、（ｂ）のノズルを電鋳等により製作する際のノズル孔型の模式図である。
【図８】（ａ）は、入射側から出射側にかけて直線状のテーパーと出射径と同一径のストレート形状をもったノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルのストレート部の内壁に溝形状を有するノズル断面の模式図である。（ｃ）は、（ａ）のノズルのストレート部から出射径の２倍の内径までにかけてのテーパー部内壁に溝形状を有するノズル断面の模式図である。（ｄ）は、（ａ）のノズルの内壁全体に溝形状を有するノズル断面の模式図である。
【図９】（ａ）は、入射側から出射側にかけて直線状のテーパーと出射径と同一径のストレート形状をもったノズル断面の模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のノズルのストレート部内壁に溝形状を１ケ有するノズル断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係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Ａと直交する幅方向Ｂに一列に並んで形成された複数の圧力室１及び複数のダミー室２を有する吐出ユニット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、液体を吐出するノズルとして各圧力室１に対応して形成された複数の吐出口３０ａを有するノズルプレート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と吐出口３０ａとの位置が一致するよう（即ち、圧力室１と吐出口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。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おり、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。
【００２２】
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が設けられたマニュホールド４０が接合されている。また、吐出ユニットの前面側には、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。
【００２３】
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。インクタンク（不図示）から供給されるインクＩは、インク供給口４１及びマニュホールド４０内部の共通液室４３を介して各圧力室１へ充填され、各吐出口３０ａより適宜吐出される。
【００２４】
吐出ユニット１０の各圧力室１は、図１に示すように、分極された圧電材料からなる互いに隣り合う２つの隔壁３によって仕切られて形成されている。各隔壁３は、ノズルプレート３０が取り付けられる前面から共通液室背面に向かって延びる形状になっている。
【００２５】
各隔壁３には、両側面に後述する電極が設けられており、電極間に分極方向と直交する方向に電圧を印加することにより、隔壁３をせん断変形させ、圧力室１の体積を変化させることで、液体であるインクＩを吐出口３０ａから吐出させる。
【００２６】
吐出口であるノズルは、例えば図３〜図９に示すような形状を持ち、ノズルの入射側よりインクが流れ込み出射側より吐出され液滴となり飛翔する。
【００２７】
ノズルを有するノズルプレートは使用するインクの種類、耐久性、加工精度等を考慮し、金属、樹脂、セラミックス材料等が用いられる。ノズル孔の形成方法は、レーザー加工、ポンチを用いたプレス加工、ノズル孔の原型となる型形成後に電鋳さらに型エッチングによる形成方法などがあげられる。
【００２８】
本発明の液体吐出ヘッドのノズルの内壁に設けるノズル内壁面よりもくぼんだくぼみ部の形状は、凹形状や溝形状があげられるが、本発明の効果が得られればこれらの形状に限られるものではない。
【００２９】
本発明のノズル内壁への凹形状や溝形状のノズル内壁面よりもくぼんだくぼみ部の加工は、元になるノズル孔を予め形成しておき後からこうした形状を付ける方法でも、またノズル孔と同時にくぼみ形状を作製する方法でも良い。
【００３０】
例えば、複数の物質からなる材料でノズルプレート、さらにノズル孔を形成した後に、これを構成した物質のエッチング選択比の差を利用し特定物質のみをエッチングし、凹形状や溝形状を形成する方法や、ノズル内壁にノズル材料と溶液中で反応しノズル材料を溶出させる材料やそのイオンを含む材料を塗布、乾燥等で固定配置し、溶液中でこれらを反応させ凹形状や溝形状を得る方法、またノズル孔の元形状となる型自体に凸形状を設けておき、この型に対し電鋳、研削研磨、型エッチングを行い凹形状や溝形状を得る方法等が挙げられる。
【００３１】
また、凹形状や溝形状の付いていないノズルの元となる形状は、図３（ａ）に示すように入射側が出射側に対して広く出射側にストレートの形状を持つ形状、図４（ａ）に示すように入射側から出射側にかけて一定の径を持つ形状、図５（ａ）に示すように入射側から出射側にかけて滑らかなテーパーを持つ形状、図６（ａ）に示すように入射側から出射側にかけて直線的なテーパーを持つ形状等を挙げたが、本図面だけに限定されるものではない。
【００３２】
ノズル内壁に設ける凹形状や溝形状のくぼみ部は、ノズル内径が１５μｍ以下の領域、さらに、ノズルの最小内径からその２倍の領域に設けることが好ましい。この領域にくぼみ部を設けることで、大きな効果が得られる。この領域に凹形状や溝形状を形成する方法としては、ノズル孔の原型となる型自体にこれを転写する形状を加工しておき、電鋳、研削研磨、型エッチングと加工するプロセスが容易である。
【００３３】
凹形状や溝形状のくぼみ部のサイズは、小さすぎても効果が薄く、凹形状であれば凹開口部の最大面積が０．８μｍ２以上２０μｍ２以下、溝形状であれば幅１μｍ以上、深さ０．５μｍ以上、幅６μｍ以下、深さ３μｍ以下が好ましい。
【００３４】
凹形状のサイズ制御には、ノズル孔の基本形状を予め形成しておき、ノズル材料と溶液中で反応しノズル材料を溶出させる材料やそのイオンを含む材料を塗布、乾燥等で配置固定し、反応させる時間等で制御する方法が比較的容易である。また、複数の物質からなる材料でノズルを形成し後から特定物質のみ選択エッチングする方法でも、当初の材料中の物質の混合比を制御しておけば比較的容易に形成可能である。
【００３５】
溝形状のサイズ制御は、ノズル孔の原型となる型自体に予め制御した凸形状を加工しておき、電鋳、研削研磨、型エッチングと加工するプロセスが容易である。
【００３６】
このようにノズル孔を加工した後に、ノズルプレートの吐出口側に撥水機能を持つ膜を真空蒸着等で形成することで、液滴吐出後の方向性を安定させる。
【００３７】
次にノズルプレートを吐出ユニットと接着し、これに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとする。
次に、より具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００３８】
初めに吐出ユニット１０（図１）を以下のように形成した。
圧電体及びその材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰｂＴｉＺｒＯ３）を使用し、これに分極処理を行い、板厚を研磨で調整した。次にこれをエポキシ系接着剤で分極方向でない側どうしを接着硬化させた後、ダイシングで個別液室１を形成した（図１）。
【００３９】
次に同様にダイシングにて図１のようにダミー室２を形成した。
次にダイシングにて空気溝側の引きだし電極溝７（図１）をダイシングにより形成した。
【００４０】
なお、電圧を印加する為の電極は無電解メッキにより形成した。ノズルプレートを接着する面や隔壁の上部等のメッキ膜の不要な面は、研磨によりメッキ膜を除去している。
【００４１】
次に、一つの個別液室に対し個別の隔壁を駆動させるために、ダミー室の底部において電極を分断する分断溝をダイシングにより形成した。
【００４２】
また、電極分断溝加工に加え、引きだし電極溝を横断するように前面の個別液室の開口部の下側に接着剤の逃げ溝を分断溝と同一のブレードを用いて加工した。
【００４３】
次に、ノズルプレートの加工方法について述べる。
【００４４】
本実施例では、板厚８０μｍ、ノズル孔サイズがインク入射側径φ５０μｍ、出射側径はφ３μｍ、φ５μｍ、φ１０μｍ、φ１５μｍ、φ２０μｍ、φ３０μｍでストレート長が５μｍの図３に示すような形状のノズルを製作した。初めにＣｕを含む金属部材をエンドミルで加工し、先端がφ３μｍ、φ５μｍ、φ１０μｍ、φ１５μｍ、φ２０μｍ、φ３０μｍで、ストレートがおおよそ１０μｍ、底面部はφ５０μｍとなるノズル孔の型となる凸形状部を１つのＣｕブロック内に作製した。つまり、凸形状部を有するＣｕを含む金属による部材を準備した。次にこれに、メッキにより、Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいはＮｉ−Ｂを含む金属を付着させて前記凸形状部を覆った。つまりＮｉ−ＰメッキあるいはＮｉ−Ｂメッキを施した。その後、切削加工でメッキ膜がほぼ平坦になるまで削り、最後にＣｕ型先端のストレート部ごと板厚が８０μｍになるまで研磨した。
【００４５】
次に、型のＣｕの凸形状部とエッチャント（例えばアルカリ系溶剤）とを接触させて、エッチングし、凸形状部を除去することにより、前記凸形状部を覆っていた前記Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいは前記Ｎｉ−Ｂを含む金属を露出させて孔部を形成した。つまり元となるノズルプレートを作製した（図３（ａ））。この後、ノズル内部（孔部）にエッチャントが残ったままの状態で乾燥させノズル内部（孔部）にエッチャント中のＣｕ残渣を付着させた状態とし、次に硫酸を含む溶液（たとえば硫酸を１重量％含む硫酸溶液）に孔部（ノズルプレート）を２４時間浸すことで、ノズル内（孔部）に残ったエッチャント中のＣｕ残渣とメッキのＮｉを反応させ、Ｎｉ表面に凹形状のくぼみ（くぼみ部）を作製した。
最後に純水で洗浄しノズルプレートとして完成させた。
【００４６】
こうして得たノズル内（孔部）の凹形状（くぼみ部）の開口部面積は、中心値でおおよそ１〜１０μｍ２程度である。
【００４７】
また、比較の為に、ノズル内（孔部）に凹形状（くぼみ部）を形成していないノズルも同様にヘッドとして製作した。
【００４８】
次に、このノズルプレートに出射側から真空蒸着でフッ素系撥水膜を成膜した。
【００４９】
この後、このノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【００５０】
次に、液体吐出ヘッドのインクとしてはエチレングリコール８５％、水１５％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。インクはマニュホールドの供給口からタイゴンチューブを経由し導入した。
【００５１】
吐出する為の駆動条件としては、１７Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。評価はナノパルス光源を利用した顕微鏡観察で行い、液滴の飛翔状態及び液滴速度を評価した。
【００５２】
表１にノズル内（孔部）の凹形状（くぼみ部）有無による吐出状態及び液滴速度を示す。
【００５３】
凹形状（くぼみ部）がないノズルでは、出射径がφ５〜φ１５μｍの場合、液滴が分離する現象が発生した。φ３μｍの出射径のノズルでは吐出自体がおこらなかった。また、φ２０μｍ以上では正常な吐出であった。
【００５４】
一方、凹形状（くぼみ部）のあるノズルではφ５μｍ〜φ１５μｍの出射径でも液滴分離が生じず、また吐出量も１．５ｐＬ程度で正常な吐出であった。逆にφ２０μｍ以上では液滴速度が低下する結果となった。
【００５５】
こうしたことから、ノズル出射径が１５μｍ以下の場合では、ノズル内壁が平滑である場合、出射径の小さい部分で壁面抵抗の影響度合いが大きくなることで壁面側の流速とノズル中央部の流速の差が大きくなり、流速の速い中央部のみが液滴吐出後に分離する現象が発生していると考えられる。一方、ノズル内壁に凹形状を設けたものでは凹部でインクの流れが層流から乱流に変わり、ノズル壁面側の流れに中央に近い流れが混ざりノズル壁面側の流速が上昇し、その結果、中央部と壁面側の流速差が縮まり液滴の分離が抑制できたものと考えられる。
【００５６】
また、出射径φ２０μｍ以上では凹形状があると逆に液滴速度が低下することから、凹部で生じた乱流が抵抗となり液滴全体の速度を低下させているものと考えられる。
【００５７】
【表１】
2015033848.tif 000003
【実施例２】
【００５８】
実施例１と同様に、吐出ユニットを作製した。
ノズルプレートは、出射側の径が最小となるストレートの領域に溝形状を付けたものとした（図７（ｂ））。本実施例のノズル形状は、ノズルプレート板厚８０μｍ、ノズル出射側径φ１０μｍ、出射側のストレート領域の長さ２０μｍ、入射側径φ５０μｍとし、ストレート領域に幅３．６μｍ、深さ１．８μｍの溝形状を持つ形状とした。
製法は以下に示す。
【００５９】
実施例１と同様に初めにＣｕをエンドミルで削り出しノズルプレートのノズル孔に相当する形状（凸形状部）を有する型を作製した。
【００６０】
型の底部はφ５０μｍ、先端ストレート部はφ１０μｍで長さ２５μｍ、さらに先端ストレート部に幅３．６μｍ、出っ張り高さ１．８μｍのリング状の凸部を５本形成した（図７（ｃ））。具体的には、Ｃｕを含む金属部材をエンドミルによって削ることで、前記凸形状部および凸部を形成し、凸部が形成された凸形状部を有するＣｕを含む金属による部材を準備した。これを形成したストレート部での位置は、この後の工程の研磨で削られない位置である。比較の為に、このリング状の凸部のないものも同時に製作した。
【００６１】
次に、実施例１と同様に、メッキにより、Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいはＮｉ−Ｂを含む金属を付着させて前記凸形状部を覆った。つまりＮｉ−ＰメッキあるいはＮｉ−Ｂメッキを施した。さらに研削・研磨で板厚を８０μｍとし、Ｃｕ型をエッチングにより除去した。そののちに、出射面側に撥水膜を蒸着しノズルプレートを完成させた。つまり、前記部材とエッチャント（例えばアルカリ系溶剤）とを接触させて前記凸形状部をエッチングにより除去した。凸形状部を除去することにより、前記凸形状部を覆っていた前記Ｎｉ−Ｐを含む金属あるいは前記Ｎｉ−Ｂを含む金属を露出させて、溝形状が形成された孔部を形成した。
【００６２】
図７（ａ）はこうして形成した出射側のストレート部に溝形状の無いノズル、図７（ｂ）は出射側のストレート部に溝形状を付けたノズル断面の模式図である。
【００６３】
最後にノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【００６４】
こうして作製したインクジェットヘッドにおいて、インクとしてエチレングリコール８５％、水１５％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。
【００６５】
吐出する為の駆動条件としては、１５〜１８Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。評価は実施例１と同様に、ナノパルス光源を利用した顕微鏡観察で行い液滴の飛翔状態及び液滴速度を評価した。
表２に結果を示す。
【００６６】
溝の無いノズルでは液滴分離が発生する速度閾値が２．２ｍ／ｓであるが、溝を付けることで速度閾値を少なくとも９ｍ／ｓ以上にあげることができた。つまり、実用上必要である５ｍ／ｓの速度で液滴分離を抑制できた。
また、液滴吐出量はいずれも１．５ｐＬ以下であった。
【００６７】
このように、出射側のノズル開口径が小さくなっている部分に溝形状を付けても、凹形状と同様に溝部で流れが乱流となり、中央部に近い流速の速い領域の流れと混ざりあい、壁面部の流速も速くなったものと考えられる。
【００６８】
【表２】
2015033848.tif 000004
【実施例３】
【００６９】
実施例１、２と同様に、吐出ユニットを作製した。
また、ノズルプレートは図５（ａ）に示した断面模式図のようななだらかなテーパーを持った形状であり、板厚８０μｍ、ノズル出射側径φ１０μｍ、入射側径φ５０μｍの形状を元とし、内壁の凹径を変えてノズルを作製した（図５（ｂ））。凹の形成には、実施例１、２と同様にウエットエッチングを用いている為、等方エッチングとなっており、凹の深さは凹長径の１／２と同程度である。
【００７０】
ノズルプレートの作製は、初めに孔の型となる形状をエンドミルで作製した。次にＮｉ−Ｐメッキを施した後、研削、研磨を行いＮｉ−Ｐを８０μｍにそろえた。最後に、型のＣｕをアルカリ系エッチャントで除去しノズルプレートとした。凹形状の無いノズルプレートはＣｕエッチング後純水超音波で洗浄することでノズルプレートの完成とした。凹形状を持つノズルプレートは、Ｃｕ型をエッチングした後、ノズル内にエッチャントが残ったまま乾燥させノズル内壁にエッチャント中のＣｕ残渣を付着させたまま希硫酸に浸漬する時間を変えることで、そのサイズを調整した。希硫酸に長時間浸漬させた方が、ＣｕとＮｉの反応が進み凹の大きさ、深さともに増大する。こうして凹サイズを調整したノズルプレートは純水超音波で洗浄し反応を止めた後乾燥させた。
【００７１】
最後にノズルプレートの出射側より撥水膜を成膜し、ノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【００７２】
こうして製作したインクジェットヘッドに対し、インクとしてエチレングリコール９２％、水８％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。
【００７３】
吐出状態の評価方法は、実施例１、２と同様であり、吐出する為の駆動条件は、１３〜１７Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。
【００７４】
表３に各ノズルの凹部開口面積の最大値と各電圧における吐出状態、吐出速度を示した。凹サイズは、ＳＥＭ像で評価したノズル内壁の凹形状を画像解析により二値化することで凹開口部の面積を求めた。
【００７５】
これより、凹開口部の最大面積が０．８μｍ２に満たないノズルでは、凹形状の無いノズルと同様の挙動であり、電圧上昇により速度を上げていくと、２．５ｍ／ｓが液滴分離の速度閾値であることが分かる。また、凹開口部の最大面積が０．８μｍ２より大きくなると液滴分離の閾値が少なくとも２．５ｍ／ｓより上昇していることが分かる。また、凹開口部の最大面積がおおよそ２０μｍ２以上では効果はほぼ飽和している。
【００７６】
また、凹開口部の最大面積が２０μｍ２までのノズルでも吐出した液滴量はいずれも１．５ｐＬ以下であったが、凹開口部の最大面積が４０μｍ２のノズルは液滴量が２ｐＬ程度と若干多くなっていた。
【００７７】
したがって、凹部の開口部の最大面積は０．８μｍ２から２０μｍ２が本発明の目的に対し効果の大きい範囲と言える。
【００７８】
【表３】
2015033848.tif 000005
【実施例４】
【００７９】
ノズルプレート内壁に溝形状を付ける領域を変え、その形成される位置と吐出性能の関係を調べた。
吐出ユニットは実施例１〜３と同様に作製した。
【００８０】
ノズルは、ノズルプレート板厚８０μｍ、ノズル出射側径φ１０μｍ、出射側のストレート領域２０μｍ、入射側径φ４０μｍを基本形状とし、これにストレート領域に幅２μｍ、溝深さ１μｍのリング状の溝形状を形成した（図８（ｂ））もの、ストレート領域に加え出射径の２倍の径であるφ２０μｍまでのテーパー部に幅２μｍ、溝深さ１μｍのリング状の溝形状を形成した（図８（ｃ））もの、内壁全体に幅２μｍ、溝深さ１μｍのリング状の溝形状を形成した（図８（ｄ））ものを製作した。また比較の為に、こうしたリング状の溝形状のないもの（図８（ａ））も同時に製作した。
【００８１】
初めに上記リング状の溝を持ったノズル孔に対応したそれぞれの型をエンドミルでＣｕを用い加工した。
【００８２】
次に、実施例１〜３と同様に、Ｎｉ−Ｐメッキを施し、研削・研磨を行い板厚を８０μｍとし、Ｃｕ型をエッチングにより除去した。エッチング終了後純水超音波洗浄でエッチャントを完全に除去、乾燥させ、さらに、出射面側に撥水膜を蒸着しノズルプレートを完成させた。
【００８３】
最後にノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【００８４】
こうして作製したインクジェットヘッドにおいて、インクとしてエチレングリコール９２％、水８％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。
【００８５】
吐出する為の駆動条件は、１５〜１８Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。評価は実施例１と同様に、ナノパルス光源を利用した顕微鏡観察で行い液滴の飛翔状態及び液滴速度を評価した。
【００８６】
表４にこのようにして作製した各ノズルの吐出結果を示す。表中、（ａ）は溝形状のないリファレンスノズル（図８（ａ））、（ｂ）は出射径と同じ径のストレート部だけに溝形状を設けたもの（図８（ｂ））、（ｃ）は出射径と同じ径のストレート部と出射径の２倍であるφ２０μｍの径以下のテーパーの付いた領域に溝形状を設けたもの（図８（ｃ））、（ｄ）はノズル内壁全体に溝形状を設けたもの（図８（ｄ））を示している。
【００８７】
これより、（ａ）の溝形状を付けていないものは２ｍ／ｓに液滴が分離する速度閾値を持つが、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のように溝形状を付けることでこの速度閾値を上げることができ、実用的な液滴速度で液滴分離を抑制できていることが分かる。特に溝形状を付ける領域を（ｂ）、（ｃ）のように出射側のノズル内径の小さい領域だけにした方がより効果が大きいことが分かる。これは、径が小さい領域では溝形状や凹形状の部分で乱流となり、壁面側と中央に近い領域での流れの交換が起こり壁面側の速度が上がるが、径が大きい領域での溝形状や凹形状はそこで生ずる乱流が抵抗になっていることによるものと考えられ、特に最も細い部分の２倍の径までに凹や溝形状があると効果が大きいことが分かる。
また、いずれのノズルでも吐出した液滴量はいずれも１．５ｐＬ以下であった。
【００８８】
【表４】
2015033848.tif 000006
【実施例５】
【００８９】
ノズルプレート内壁の溝形状のサイズ影響を調べる為、ノズル出射側の最も径が細い領域にサイズを変えてリング状の溝形状を１ケ形成し、ヘッド化した後に吐出性能を調べた。
吐出ユニットは実施例１〜４と同様に作製した。
【００９０】
ノズルは、ノズルプレート板厚８０μｍ、ノズル出射側径φ１０μｍ、出射側のストレート領域の長さ１５μｍ、入射側径φ４０μｍとし、これに１５μｍストレート領域に幅０．８μｍから８μｍ、溝深さ０．４μｍから８μｍのリング状の溝を１周分のみ形成した。また比較の為に、このミクロンサイズのリング状溝形状のないものも同時に製作した。初めに上記リング状の溝形状を持つノズル孔に対応したそれぞれの型をエンドミルの切削条件を変えることでＣｕに加工した。
【００９１】
次に、実施例１〜４と同様に、Ｎｉ−Ｐメッキを施し、研削・研磨を行い板厚を８０μｍとし、Ｃｕ型をエッチングにより除去した。エッチング終了後純水超音波洗浄でエッチャントを完全に除去、乾燥させ、さらに、出射面側に撥水膜を蒸着しノズルプレートを完成させた。最後にノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【００９２】
こうして作製したインクジェットヘッドにおいて、インクとしてエチレングリコール９２％、水８％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。
【００９３】
吐出する為の駆動条件は、１５〜１７Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。評価は実施例１と同様に、ナノパルス光源を利用した顕微鏡観察で行い液滴の飛翔状態及び液滴速度を評価した。
表５に結果を示す。
【００９４】
溝形状のないリファレンスノズル、溝幅や溝深さの小さいノズルでは液滴分離閾値が２ｍ／ｓであるが、溝幅１μｍ以上、深さ０．５μｍ以上の溝形状を付けたものは液滴分離閾値を少なくとも５ｍ／ｓ以上にあげることができた。また、溝幅を大きく、溝深さを深くしていくことで液滴量は１．５ｐＬ以下で、さらに液滴分離の速度閾値を上昇させることができた。ただし、溝幅８μｍになると液滴量が２ｐＬを超えるようになる。
これより、溝形状の幅は１μｍから６μｍ、溝深さは０．５μｍから６μｍが本発明の目的に対し効果が大きい範囲と言える。
【００９５】
【表５】
2015033848.tif 000007
【実施例６】
【００９６】
くぼみ形状の適正な密度を調べることを目的とし、以下のように吐出ユニットを作製した。
ノズルプレートは図５（ａ）に示した断面模式図のようななだらかなテーパーを持った形状であり、板厚８０μｍ、ノズル出射側径φ１０μｍ、入射側径φ５０μｍの形状を元とし、内壁の凹径を変えてノズルを作製した（図５（ｂ））。凹の形成には、実施例１、２と同様にウエットエッチングを用いている為、等方エッチングとなっており、凹の深さは凹長径の１／２と同程度である。
【００９７】
ノズルプレートの作製は、初めに孔の型となる形状をエンドミルで作製した。次にＮｉ−Ｐメッキを施した後、研削、研磨を行いＮｉ−Ｐを８０μｍにそろえた。最後に、型のＣｕをアルカリ系エッチャントで除去しノズルプレートとした。リファレンスとしての凹形状の無いノズルプレートはＣｕエッチング後純水超音波でＣｕ残渣を完全に洗浄することでノズルプレートの完成とした。凹形状を持つノズルプレートは、Ｃｕ型をエッチングした後、純水超音波洗浄でエッチャントを純水に置換することなく、純水に浸漬させただけの状態でノズル内のエッチャントが残ったまま乾燥させノズル内壁にエッチャント中のＣｕ残渣を付着させたまま希硫酸に浸漬させた。このとき純水に浸漬させる時間を変えることでエッチャント残量を変え、凹部の密度を制御した。また、凹サイズは最大面積が３μｍとなるように希硫酸への浸漬時間を調整した。
【００９８】
最後にノズルプレートの出射側より撥水膜を成膜し、ノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【００９９】
こうして製作したインクジェットヘッドに対し、インクとしてエチレングリコール９２％、水８％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。
吐出状態の評価方法は、実施例１〜３と同様であり、吐出する為の駆動条件は、１５Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。
【０１００】
表６に各ノズルの凹密度と吐出速度を示した。なお凹密度は、吐出速度評価後にノズル断面ＳＥＭ像から評価したものである。
【０１０１】
凹形状のないノズルに対し、凹密度が１０％以上となると効果があることがわかった。凹密度が８０％と増加すると若干吐出速度が低下するが、これはノズル径の大きい領域での凹形状が流体の抵抗になっているためと思われるが、凹形状のないノズルに比較し十分効果があることがわかる。
【０１０２】
【表６】
2015033848.tif 000008
【実施例７】
【０１０３】
溝形状の適正な密度を調べることを目的とし、以下のように吐出ユニットを作製した。
ノズルは、ノズルプレート板厚８０μｍ、ノズル出射側径φ１０μｍ、出射側のストレート領域の長さ１５μｍ、入射側径φ４０μｍとし、これに１５μｍストレート領域に幅１μｍ、溝深さ０．５μｍのリング状の溝を１〜１５本の複数本形成した。また比較の為に、リング状溝形状のないものも同時に製作した。
【０１０４】
初めに上記リング状の溝形状を持つノズル孔に対応したそれぞれの型をエンドミルの切削条件を変えることでＣｕに加工した。
【０１０５】
ノズルプレートの作製は、初めに孔の型となる形状をそれぞれエンドミルで作製した。次にＮｉ−Ｐメッキを施した後、研削、研磨を行いＮｉ−Ｐを８０μｍにそろえた。最後に、型のＣｕをアルカリ系エッチャントで除去しノズルプレートとした。
最後にノズルプレートの出射側より撥水膜を成膜し、ノズルプレートと吐出ユニットを接着し、さらに給電用のフレキケーブル、インク供給用マニュホールド等を装着しインクジェットヘッドとして完成させた。
【０１０６】
こうして製作したインクジェットヘッドに対し、インクとしてエチレングリコール９２％、水８％の混合液を用い、インク吐出状態の評価を行った。
吐出状態の評価方法は、実施例１〜５と同様であり、吐出する為の駆動条件は、１５Ｖ、パルス幅８μｓの矩形波を印加した。吐出周波数は５０００Ｈｚとした。
【０１０７】
表７に各ノズルの溝形状本数と吐出速度を示した。溝形状のないノズルに対し、ストレート部の溝密度が６％以上となると効果があることがわかった。
【０１０８】
【表７】
2015033848.tif 000009
【符号の説明】
【０１０９】
１      圧力室
２      ダミー室
３      隔壁
７      電極分断溝
１０    吐出ユニット
１１    天板
１２    基板本体
１３    圧電素子
３０    ノズルプレート
３０ａ  ノズル孔
４０    マニュホールド
４１    インク供給口
４２    インク排出口
４３    共通流路
５０    フレキシブル基板
５１    信号配線
１００  インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）
【図１】
2015033848.tif 000010
【図２】
2015033848.tif 000011
【図３】
2015033848.tif 000012
【図４】
2015033848.tif 000013
【図５】
2015033848.tif 000014
【図６】
2015033848.tif 000015
【図７】
2015033848.tif 000016
【図８】
2015033848.tif 000017
【図９】
2015033848.tif 000018