(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(A)  液体が充てんされる圧力室、
(B)  液体を、液滴として吐出させるためのノズル、
(C)  前記圧力室と前記ノズルとを繋ぎ、液体が充てんされる連通路、および
(D)  圧電素子を含み、前記圧電素子の変形によって振動して前記圧力室の容積を増減させることで、前記圧力室内の液体を振動させ、前記振動を、前記連通路内の液体を通して前記ノズルに伝えて、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電アクチュエータ、
を備えると共に、前記連通路の、前記圧力室との境界位置から、前記ノズル方向へ向かう一定長の領域を、前記領域より前記ノズル側の領域における液体の流通方向に対する断面積に対して、液体の流通方向に対する断面積の小さい狭隘部とし、かつ前記狭隘部における液体の流通方向に対する断面積を、前記狭隘部より前記ノズル側の領域における液体の流通方向に対する断面積の２０〜６０％としたことを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
前記狭隘部の、前記連通路の長さ方向の長さが、前記連通路の全長の１０〜２０％である請求項１記載の液体吐出装置。
【請求項３】
(A)  液体が充てんされる圧力室、
(B)  液体を、液滴として吐出させるためのノズル、
(C)  前記圧力室と前記ノズルとを繋ぎ、液体が充てんされる連通路、および
(D)  圧電素子を含み、前記圧電素子の変形によって振動して前記圧力室の容積を増減させることで、前記圧力室内の液体を振動させ、前記振動を、前記連通路内の液体を通して前記ノズルに伝えて、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電アクチュエータ、
を備えると共に、前記連通路の、前記圧力室との境界位置から、前記ノズル方向へ向かう一定長の領域を、前記領域より前記ノズル側の領域における液体の流通方向に対する断面積に対して、液体の流通方向に対する断面積の小さい狭隘部とし、かつ前記狭隘部の、前記連通路の長さ方向の長さを、前記連通路の全長の１０〜２０％したことを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体が充てんされる圧力室を、基板の片面に、面方向に複数個、配列させて形成し、かつ、前記基板の反対面に、各圧力室ごとに対応させて、前記液体を、液滴として吐出させるためのノズルを形成すると共に、それぞれの圧力室とノズルとを、個別に、液体が充てんされる連通路で繋ぎ、さらに、基板の、圧力室を形成した片面側に、圧電素子を含む圧電アクチュエータを配設した液体吐出装置が、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタ等の、インクジェット記録方式を利用した記録装置において、圧電インクジェットヘッドとして、広く用いられている。
【０００３】
前記液体吐出装置においては、圧力室と連通路に液体を充てんした状態で、圧電素子に所定の駆動電圧パルスを印加して、圧電アクチュエータを、厚み方向に撓み変形した状態と、前記撓み変形を解除した状態とを繰り返すように振動させると、それに伴って圧力室の容積が増減されて、前記圧力室内の液体が振動し、前記振動が、連通路内の液体を通してノズルに伝えられて、前記ノズル内に形成される液体のメニスカスが振動し、この振動に伴って、メニスカスを形成する液体の一部が液滴として分離されて、ノズルから吐出される。そして、圧電インクジェットヘッドの場合は、ノズルから吐出された液滴（インク滴）が、前記ノズルと対向させて配設した紙面まで飛翔し、紙面に到達して、前記紙面にドットが形成される。
【０００４】
前記各部のうち、連通路は、従来、圧力室内の液体の振動を、できるだけスムースに、ノズル内のメニスカスに伝えることを考慮して、液体の流通方向に対する断面積がほぼ一定に形成されるのが一般的である。例えば特許文献１には、連通路が、圧力室側の開口からノズルとの接続位置まで一定の断面積に形成され、かつ、ノズルが、連通路との接続位置から先端へ向けて、断面積が徐々に小さくなるようにテーパー状に形成された液体吐出装置が記載されている。
【０００５】
ところが、発明者の検討によると、前記特許文献１に記載されたもののように、連通路の、液体の流通方向に対する断面積がほぼ一定に形成された従来の液体吐出装置では、圧電アクチュエータを駆動させて、先に説明したメカニズムによって、ノズルから液滴を吐出させる際に、連通路内の液体に微小振動が発生し、前記微小振動が、圧力室内の液体の振動に重ね合わされることで、形成される液滴の体積や飛翔速度が変動するため、ノズルから、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができないという問題を生じることが判明した。
【０００６】
この原因として、発明者は、連通路の、液体の流通方向に対する断面積がノズルの、液体の流通方向に対する断面積よりも大きいために、前記連通路内の液体に伝えられた振動の一部は、先に説明したように、ノズル内の、液体のメニスカスに伝えられるものの、残部は、ノズルの入口付近で、圧力室の方向に反射されるためと考えている。つまり、ノズルの入口付近で反射された振動の残部が、圧力室の内壁面のうち、連通路の入り口と対向する面との間で繰り返し反射されることによって定常波を生じて、連通路内の液体を微小振動させるのである。
【０００７】
微小振動の周期は、主に、振動を繰り返し反射する、対向する面間の距離等によって規定され、圧電アクチュエータの駆動によって発生する液体の振動の周期と比べて、数十分の一から数分の一という小さい値である。しかし、前記微小振動が、圧電アクチュエータの駆動によって発生する液体の振動に重ね合わされると、両振動の位相のずれ量に応じて、ノズル内の液体のメニスカスに加えられる、吐出のための圧力が過多となったり、逆に過少となったりするため、先に説明したように、形成される液滴の体積や飛翔速度が変動する。
【０００８】
例えば、圧電アクチュエータの駆動によって発生する液体の振動に、微小振動が重ね合わされることで、ノズル内の液体のメニスカスに加えられる、吐出のための圧力が、正常値よりも過多になる場合には、圧電アクチュエータを駆動させて、ノズルから液滴を吐出させると、その始めに、所定の液滴よりも微小で、しかも飛翔速度の高い、いわゆる先頭高速小滴が吐出されやすくなる。
【０００９】
圧電アクチュエータの駆動によって発生する液体の振動と、微小振動との位相のずれ量は、主として、連通路の長さ等によって決まるため、１つのノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度が、液体吐出装置の使用途中で急激に変動することはない。しかし、加工精度のばらつき等によって、液体吐出装置の、１つの基板上に形成された複数のノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度は、各ノズルごとにばらつきを生じやすい。そして、圧電インクジェットヘッドの場合には、前記先頭高速小滴が発生したり、複数のノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度がばらついたりすることによって、形成画像の画質が低下するという問題を生じる。
【特許文献１】特開２００５−１４４９１７号公報（段落[００２９]、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、連通路内の液体に発生する微小振動を減衰させて、基板上の全てのノズルから、あらかじめ、設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができる液体吐出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、
(A)  液体が充てんされる圧力室、
(B)  液体を、液滴として吐出させるためのノズル、
(C)  前記圧力室と前記ノズルとを繋ぎ、液体が充てんされる連通路、および
(D)  圧電素子を含み、前記圧電素子の変形によって振動して前記圧力室の容積を増減させることで、前記圧力室内の液体を振動させ、前記振動を、前記連通路内の液体を通して前記ノズルに伝えて、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電アクチュエータ、
を備えると共に、前記連通路の、前記圧力室との境界位置から、前記ノズル方向へ向かう一定長の領域を、前記領域より前記ノズル側の領域における液体の流通方向に対する断面積に対して、液体の流通方向に対する断面積の小さい狭隘部とし、かつ前記狭隘部における液体の流通方向に対する断面積を、前記狭隘部より前記ノズル側の領域における液体の流通方向に対する断面積の２０〜６０％としたことを特徴とする液体吐出装置である。
前記液体吐出装置においては、前記狭隘部の、前記連通路の長さ方向の長さが、前記連通路の全長の１０〜２０％であるのが好ましい。
【００１２】
また本発明は、
(A)  液体が充てんされる圧力室、
(B)  液体を、液滴として吐出させるためのノズル、
(C)  前記圧力室と前記ノズルとを繋ぎ、液体が充てんされる連通路、および
(D)  圧電素子を含み、前記圧電素子の変形によって振動して前記圧力室の容積を増減させることで、前記圧力室内の液体を振動させ、前記振動を、前記連通路内の液体を通して前記ノズルに伝えて、前記ノズルから液滴を吐出させるための圧電アクチュエータ、
を備えると共に、前記連通路の、前記圧力室との境界位置から、前記ノズル方向へ向かう一定長の領域を、前記領域より前記ノズル側の領域における液体の流通方向に対する断面積に対して、液体の流通方向に対する断面積の小さい狭隘部とし、かつ前記狭隘部の、前記連通路の長さ方向の長さを、前記連通路の全長の１０〜２０％したことを特徴とする液体吐出装置である。
【００１３】
前記本発明によれば、液体の振動を、連通路の、圧力室との境界位置に設けた、液体の流通方向に対する断面積が小さく、流路抵抗の大きい狭隘部を通過させて、圧力室と連通路との間で伝達させることによって、特に、連通路内で発生する液体の微小振動を減衰することができる。そのため、先に説明したように、基板の全ての連通路について、前記狭隘部を設けることによって、前記連通路に連通する全てのノズルから、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることが可能となる。
【００１４】
しかも、本発明によれば、圧力室には、流路抵抗となる抵抗部分を設ける必要がないため、液体吐出装置を構成する基板を、例えば、圧力室等となる開口が形成された板材と、連通路となる開口が形成された板材と、ノズルが形成された板材とを積層して形成する際に、各板材を、従来の加工精度で加工し、位置合わせして積層しても、十分な寸法精度を確保して、特に、圧力室と連通路との接続部分での、液体の流通方向に対する断面積が変動するのを防止することができる。そのため、前記断面積の変動によって、微小振動を減衰する効果に違いが生じて、液体吐出装置の、１つの基板上に形成された複数のノズルから吐出される液滴の体積や飛翔速度が、各ノズルごとにばらつくのを防止することも可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、連通路内で発生する微小振動を減衰して、基板上の全てのノズルから、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を吐出させることができる液体吐出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の液体吐出装置の、実施の形態の一例の、一部を拡大して示す断面図である。図２は、前記例の液体吐出装置の要部である連通路の部分を、さらに拡大した断面図である。図１、図２を参照して、この例の液体吐出装置１は、基板２の、図において上面に圧力室３を形成し、下面に、前記圧力室３に対応させて、ノズル４を形成すると共に、前記圧力室３とノズル４とを、基板２を貫通させて形成した連通路５で繋ぎ、さらに、基板２の、圧力室３を形成した上面に、横振動モードの薄板状の圧電素子６を含む圧電アクチュエータ７を積層したものである。前記各部のうち、圧力室３、ノズル４、および連通路５は、図示していないが、１つの基板２上に、面方向に複数個、配列させて形成されている。
【００１７】
連通路５の、圧力室３との境界位置８から、ノズル４の方向へ向かう一定長Ｌ１の領域は、前記領域よりノズル４側の領域に対して、液体の流通方向に対する断面積を小さくして流路抵抗を大きくした狭隘部９とされており、液体の振動は、必ず、前記狭隘部９を通過して、圧力室３と連通路５との間で伝達される。そのため、特に、連通路５内で発生する液体の微小振動を減衰することができ、前記微小振動を除いた、あらかじめ設計された体積や飛翔速度を有する液滴を、ノズル４から吐出させることが可能となる。
【００１８】
つまり、圧力室３と連通路５の境界位置８は、通常、圧力室３内の液体の振動と、連通路５内の液体の振動の、振動波形の節に相当するが、前記境界位置８に、前記連通路５の長さ方向に一定の長さを有する、液体の流通方向に対する断面積の小さい狭隘部９を設けた場合には、前記狭隘部９の内壁面が、特に、微小振動の波形の腹を抑える作用をするため、微小振動を減衰することができるのである。
【００１９】
狭隘部９の、液体の流通方向に対する断面積Ｓ１は、連通路５の、前記狭隘部９よりノズル側の領域の、液体の流通方向に対する断面積Ｓ０の２０〜６０％、特に３０〜５０％であるのが好ましい。断面積Ｓ１が前記範囲未満では、微小振動をより有効に減衰できるものの、圧電アクチュエータ７の駆動によって発生して、圧力室３内の液体から、連通路５内の液体に伝達される、液滴吐出のための振動の減衰量も増加して、却って、ノズル４から吐出される液滴の体積が小さくなったり、飛翔速度が低下したりするおそれがある。また、前記範囲を超える場合には、狭隘部９による、液体の微小振動を減衰する効果が、不十分になるおそれがある。
【００２０】
狭隘部９の、連通路５の長さ方向の長さＬ１は、連通路５の全長Ｌ０の１０〜２０％、特に１２〜１８％であるのが好ましい。長さＬ１が前記範囲未満では、狭隘部９による、液体の微小振動を減衰する効果が、不十分になるおそれがある。また、前記範囲を超える場合には、微小振動をより有効に減衰できるものの、圧電アクチュエータ７の駆動によって発生して、圧力室３内の液体から、連通路５内の液体に伝達される、液滴吐出のための振動の減衰量も増加して、却って、ノズル４から吐出される液滴の体積が小さくなったり、飛翔速度が低下したりするおそれがある。
【００２１】
なお、本発明の構成は、先に説明した、狭隘部９を設けることによる効果を、より一層、有効に発揮させることを考慮すると、連通路５の、前記狭隘部９よりノズル側の領域の、液体の流通方向に対する断面積Ｓ０が０．００７８５〜０．０４９０６２５ｍｍ２（開口径１００μｍ〜２５０μｍ）、特に０．０１１３０４〜０．０３１４ｍｍ２（開口径１２０μｍ〜２００μｍ）の範囲内で、かつ連通路５の全長Ｌ０が４００〜１４００μｍ、特に５００〜１２００μｍの範囲内である場合に、特に好適に採用される。すなわち、断面積Ｓ０が前記範囲内で、かつ狭隘部９の、液体の流通方向に対する断面積Ｓ１が、前記断面積Ｓ０の２０〜６０％であるとき、あるいは、連通路５の全長Ｌ０が前記範囲内で、かつ狭隘部の長さＬ１が、前記全長Ｌ０の１０〜２０％であるとき、より一層、効果的に、微小振動を減衰することが可能である。
【００２２】
図において符号１０は、基板２上に配列された複数の圧力室３に、図示しない供給源（タンク等）から液体を供給するための供給路である。供給路１０と、圧力室３とは、前記圧力室３内の液体の振動が、供給路１０を介して他の圧力室３内の液体に伝達されるのを防止するため、ごく薄い絞り部１１を介して接続されている。また、連通路５の、ノズル４側の端部は、圧力室３内の液体から伝達された振動を、液体の流通方向に対する断面積の大きい連通路５内の液体から、液体の流通方向に対する断面積の小さいノズル４内の、液体のメニスカスに、集中させて伝達させることで、前記メニスカスに伝えられずに、両者の接続部で反射される振動の割合を低減するため、前記断面積が、連通路５より小さくノズル４より大きい接続部１２とされている。
【００２３】
前記各部を備えた基板２は、圧力室３となる通孔が形成された第１の板材１３と、連通路５のうち狭隘部９となる通孔と、圧力室３と絞り部１１とを繋ぐ接続部１４となる通孔とが形成された第２の板材１５と、連通路５のうち狭隘部９に続く領域の上端部となる通孔と、絞り部１１となる通孔とが形成された第３の板材１６と、連通路５のうち、前記上端部に続く部分となる通孔と、絞り部１１と供給路１０とを繋ぐ接続部１７となる通孔とが形成された第４の板材１８と、連通路５の残部となる通孔と、供給路１０となる通孔とが形成された第５の板材１９と、接続部１２となる通孔が形成された第６の板材２０と、ノズル４が形成された第７の板材２１とを、順に、位置合わせしながら積層し、一体化させて形成される。
【００２４】
各板材としては、それぞれ、金属やセラミック、樹脂等によって、厚みが一定な平板状に形成されていると共に、例えば、フォトリソグラフ法を利用したエッチング等によって、前記各部となる、所定の平面形状を有する通孔が、所定の位置に形成されたものを用いることができる。連通路５の全長Ｌ０や、狭隘部９の長さＬ１は、前記各板材の厚みを変更することで、先に説明した範囲内に調整することができる。そのため、連通路５の全長Ｌ０や、狭隘部９の長さＬ１を、１つの圧電アクチュエータ７上の全ての連通路５において、精度良く、均一化することができる。また、連通路５の、液体の流通方向に対する断面積Ｓ０や、狭隘部９の、液体の流通方向に対する断面積Ｓ１は、エッチング等によって板材に形成する通孔の断面積を変更することで、先に説明した範囲内に調整することができる。
【００２５】
板材を金属で形成する場合、前記金属としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ系合金等が挙げられ、特に、インク等の液体に対する耐食性と、加工性とを考慮すると、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ系合金（例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ−３１６Ｌ等）が好ましい。
【００２６】
連通路５や狭隘部９、接続部１２の、前記連通路５の長さ方向と直交する、基板２の面方向の断面形状は、狭隘部９を通して、連通路５内の液体に伝達された振動を、接続部１２を通して、ノズル４内の液体のメニスカスに、効率よく伝達することを考慮すると、前記ノズル４の、同方向の断面形状が、図３、図４に示すように、通常は円形に形成されることから、いずれも、同図に示すように、円形に形成するのが好ましい。また、図示していないが、各板材は、それぞれ、より厚みの薄い板材に、所定の通孔を形成したものを、複数枚、積層して構成することもできる。
【００２７】
圧電アクチュエータ７は、基板２上に、順に積層された、それぞれが、前記基板２上の複数の圧力室３を覆う大きさを有する、薄板状の振動板２２、層状の共通電極２３、および横振動モードの薄板状の圧電素子６と、前記圧電素子６上に、各圧力室３に対応させて個別に、所定の平面形状にパターン形成された、層状の個別電極２４とを備えている。
【００２８】
前記のうち、圧電素子６は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、前記ＰＺＴに、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物の１種または２種以上を添加した、ＰＬＺＴ等の、ＰＺＴ系の圧電セラミックによって、薄板状に形成することができる。また、圧電素子６は、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム等を主成分とする圧電セラミックによって形成することもできる。
【００２９】
振動板２２は、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケル等の金属や、前記金属の合金、あるいはステンレス鋼等によって、所定の厚みを有する板状に形成することができる他、圧電素子６と同じ圧電セラミックによって形成することもできる。また、振動板２２を、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属によって形成して、共通電極２３を省略することもできる。
【００３０】
共通電極２３、および個別電極２４は、それぞれ、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属からなる箔、めっき被膜、真空蒸着被膜等によって形成することができる他、前記各金属の微粒子を含む導電性ペーストを塗布し、乾燥させた後、さらに必要に応じて焼成して形成することもできる。
【００３１】
個別電極２４をパターン形成するためには、例えば、めっき被膜や真空蒸着被膜の場合、圧電素子６の表面の、個別電極２４を形成する領域のみを選択的に露出させ、それ以外の領域を、めっきマスクで被覆した状態で、前記露出させた領域に、選択的に、被膜を成膜する方法や、圧電素子６の表面の全面に、被膜を成膜後、前記被膜の、個別電極２４に対応する領域のみをエッチングマスクで被覆し、それ以外の領域を露出させた状態で、前記露出させた領域の被膜を、選択的にエッチングして除去する方法等が挙げられる。また、導電性ペーストからなる塗膜の場合は、前記導電性ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷方法によって、圧電素子の表面に、直接に、パターン形成すればよい。
【００３２】
圧電セラミックからなる圧電素子６や振動板２２は、焼成によって、先に説明した圧電セラミックとなる化合物を含むグリーンシートを、所定の平面形状に形成後、焼成して形成することができる。特に、圧電素子６と振動板２２が、共に、圧電セラミックによって形成される場合は、それぞれの層のもとになるグリーンシートの間に、焼成によって共通電極２３となる導電性ペーストの層を挟んだ積層体を作製し、前記積層体を、一度に焼成することで、圧電素子６と、共通電極２３と、振動板２２とが積層された積層体を得ることができる。
【００３３】
前記積層体の、圧電素子６の表面に、先に説明した方法で、個別電極２４をパターン形成すれば、圧電アクチュエータ７が形成される。そして、前記圧電アクチュエータ７を、先に説明した基板２の、圧力室３を形成した側の面上に、接着剤を用いて接着する等して固定することで、液体吐出装置１が構成される。接着剤としては、液体吐出装置１に要求される耐熱性や、インク等の液体に対する耐性等を考慮すると、熱硬化温度が１００〜２５０℃であるエポキシ樹脂系、フェノール樹脂系、ポリフェニレンエーテル樹脂系等の、熱硬化性樹脂系の接着剤が好ましい。
【００３４】
薄板状の圧電素子６を、横振動モードとするためには、圧電セラミックの分極方向を、前記圧電素子６の厚み方向、例えば、個別電極２４から共通電極２３に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば、高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法等の分極方法が採用される。圧電セラミックの分極方向を前記方向に配向させた、横振動モードの圧電素子６は、例えば、共通電極２３を接地した状態で、任意の個別電極２４に正の駆動電圧を印加すると、圧電素子６の、両電極２３、２４で挟まれた領域（「駆動領域」とする）が、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし、圧電素子６は、共通電極２３を介して、振動板２２に固定されているため、結果的に、圧電アクチュエータ７の、前記駆動領域に対応する領域が、圧力室３の方向に突出するように撓んで、前記圧力室３内の液体に圧力を加えた状態となる。
【００３５】
そのため、両電極２３、２４から、圧電素子６の駆動領域に、所定の駆動電圧パルスを印加して、前記状態と、電圧が印加されず、圧電アクチュエータ７の撓み変形が解除された状態とを所定のタイミングで繰り返させることで、前記圧電アクチュエータ７を振動させると、それに伴って圧力室３の容積が増減されて、前記圧力室３内の液体が振動し、前記振動が、連通路５内の液体を通してノズル４に伝えられて、前記ノズル４内に形成される液体のメニスカスが振動し、この振動に伴って、メニスカスを形成する液体の一部が、液滴として分離されて、ノズル４から吐出される。
【実施例】
【００３６】
《実施例１》
〈基板２〉
図１に示す断面形状を有する各部を複数個、備えると共に、各部の寸法が下記に示す値である基板２を、先に説明したように、ＳＵＳ３１６からなる複数の板材を順に積層して、一体化させることによって形成した。
（圧力室３）
基板２の面方向の面積：０．２７３ｍｍ２
厚み方向の深さ：１００μｍ
（ノズル４）
ノズル４は、図４に示すように、圧力室３側（図において上側）から吐出側（下側）へ向けて、内径が徐々に小さくなる円錐テーパー部２５と、前記円錐テーパー部２５の、吐出側の先端に設けられた、断面形状が円形で、かつ内径が一定のストレート部２６とを有する立体形状とした。各部の寸法は、下記のとおりとした。
ノズル４の全長Ｌ３＝５０μｍ
円錐テーパー部２５のテーパー角度：８°
ストレート部２６の長さＬ４＝５μｍ
ストレート部２６の開口径ｄ１＝２０μｍ（液体の流通方向に対する断面積：０．０００３１ｍｍ２）
【００３７】
（連通路５）
図３に示すように、狭隘部９と、連通路５の、前記狭隘部９よりノズル４側の領域と、接続部１２の、連通路５の長さ方向と直交する、基板２の面方向の断面形状は、いずれも円形とした。各部の寸法は、下記のとおりとした。
狭隘部９の内径：１２０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．０１１３１ｍｍ２）
連通路５の、狭隘部９よりノズル４側の領域の内径：１８０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ０＝０．０２５４５ｍｍ２）
接続部１２の内径：１５０μｍ（液体の流通方向に対する断面積：０．０１７６７ｍｍ２）
連通路５の全長Ｌ０＝８３０μｍ
狭隘部９の長さＬ１＝１００μｍ
接続部１２の長さＬ２＝６０μｍ
（絞り部１１）
絞り部１１は、液体の、供給路１０から圧力室３への、液体の流通方向の長さを３０２μｍ、前記流通方向と直交する、基板の面方向の幅を３９．５μｍ、基板の厚み方向の高さを２０μｍとした。
【００３８】
〈圧電アクチュエータ７〉
図１に示す順に積層された、横振動モードの薄板状の圧電素子６を含む下記の各層を備え、全体の厚みが４１．５μｍである圧電アクチュエータ７を用意した。前記圧電アクチュエータ７の特性は、下記のとおりであり、共通電極２３と個別電極２４との間に２０Ｖの駆動電圧を印加した際の、圧電素子６の駆動領域に対応する領域の、厚み方向の変位量は８４．３ｎｍであった。
圧電定数ｄ３１＝１７７ｐｍ／Ｖ
コンプライアンス：２６．３２４×１０−２１ｍ５／Ｎ
発生圧力定数：１７．９２５ｋＰａ／Ｖ
【００３９】
（振動板２２）
振動板２２は、ＰＺＴにより、基板２上の複数の圧力室３を覆う大きさを有する薄板状に形成した。
厚み：１４μｍ
（共通電極２３）
共通電極２３は、導電材料としてのＡｇ−Ｐｄにより、振動板２２と略同じ大きさを有する膜状に形成した。
厚み：１０μｍ
（圧電素子６）
圧電素子６は、圧電セラミックとしてのＰＺＴにより、振動板２２および共通電極２３と略同じ大きさを有する薄板状に形成した。
厚み：１４μｍ
（個別電極２４）
個別電極２４は、導電材料としてのＡｕにより、各圧力室３ごとに個別に、それぞれの圧力室３の平面形状に対応する形状を有する膜状にパターン形成した。
厚み：３．５μｍ
【００４０】
〈液体吐出装置１〉
先に説明した基板２の、圧力室３を形成した面に、エポキシ樹脂系接着剤を介して、圧電アクチュエータ７を積層し、加圧下で加熱してエポキシ樹脂を硬化させることで、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。
【００４１】
《実施例２〜７》
狭隘部９の内径を７０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．００３８５ｍｍ２、実施例２）、８０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．００５０３ｍｍ２、実施例３）、９０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．００６３６ｍｍ２、実施例４）、１００μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．００７８５ｍｍ２、実施例５）、１４０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．０１５３９ｍｍ２、実施例６）、および１６０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．０２０１１ｍｍ２、実施例７）としたこと以外は、実施例１と同様にして、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。
【００４２】
《実施例８〜１５》
狭隘部９の内径を１００μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．００７８５ｍｍ２）とすると共に、前記狭隘部９の長さＬ１を４０μｍ（実施例８）、８０μｍ（実施例９）、９０μｍ（実施例１０）、１１０μｍ（実施例１１）、１３０μｍ（実施例１２）、１５０μｍ（実施例１３）、１７０μｍ（実施例１４）、および１９０μｍ（実施例１５）としたこと以外は、実施例１と同様にして、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。
【００４３】
《比較例１》
図５に示すように、連通路５に、狭隘部９を設けなかったこと以外は、実施例１と同様にして、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。各部の寸法は、下記のとおりとした。
連通路５の内径：１８０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ０＝０．０２５４ｍｍ２）
接続部１２の内径：１５０μｍ（液体の流通方向に対する断面積：０．０１７７ｍｍ２）
連通路５の全長Ｌ０＝８３０μｍ
接続部１２の長さＬ２＝６０μｍ
【００４４】
《比較例２》
図６に示すように、狭隘部９を、連通路５の、圧力室３との境界位置８ではなく、前記連通路５の途中の位置に設けたこと以外は、実施例１と同様にして、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。各部の寸法は、下記のとおりとした。
狭隘部９の内径：１２０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．０１１３ｍｍ２）
連通路５の、狭隘部９より圧力室３側およびノズル４側の領域の内径：１８０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ０＝０．０２５４ｍｍ２）
接続部１２の内径：１５０μｍ（液体の流通方向に対する断面積：０．０１７７ｍｍ２）
連通路５の全長Ｌ０＝８３０μｍ
狭隘部９の長さＬ１＝１００μｍ
境界位置８から狭隘部９の上端までの長さＬ５＝３４０μｍ
接続部１２の長さＬ２＝６０μｍ
【００４５】
《比較例３》
図７に示すように、狭隘部９を連通路５のノズル４側の、接続部１２と接する位置に設けたこと以外は、実施例１と同様にして、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。各部の寸法は、下記のとおりとした。
狭隘部９の内径：１２０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．０１１３ｍｍ２）
連通路５の、狭隘部９より圧力室３側の領域の内径：１８０μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ０＝０．０２５４ｍｍ２）
接続部１２の内径：１５０μｍ（液体の流通方向に対する断面積：０．０１７７ｍｍ２）
連通路５の全長Ｌ０＝８３０μｍ
狭隘部９の長さＬ１＝１００μｍ
接続部１２の長さＬ２＝６０μｍ
【００４６】
《比較例４》
狭隘部９の位置に、逆に、連通路５よりも内径の大きい拡大部〔内径：２００μｍ（液体の流通方向に対する断面積Ｓ１＝０．０３１４２ｍｍ２）、長さＬ１＝１００μｍ〕を設けたこと以外は、実施例１と同様にして、液体吐出装置１としての圧電インクジェットヘッドを製造した。
【００４７】
《流体解析Ｉ》
実施例１、比較例１〜３の圧電インクジェットヘッドを、待機時に、圧電素子６の駆動領域に駆動電圧を印加し続けて、圧電アクチュエータ７の、前記駆動領域に対応する領域を、圧力室３の方向に突出するように撓ませた状態を維持し、液滴の吐出時に、一旦、駆動電圧をゼロにして、たわみを解除させた後、再び駆動電圧を印加して待機状態に戻す、いわゆる引き打ち式の駆動方法で駆動させた際の、連通路５とノズル４との境界位置での、液体の圧力と流速の変化を、図８の解析モデルを用いて、擬似圧縮法によって流体解析した。
【００４８】
解析モデルの計算格子幅は、ノズル４の部分が０．７μｍ×０．７μｍ、狭隘部９および接続部１２を含む連通路５の部分が２μｍ×２μｍとした。また、引き打ち式の駆動方法に用いる駆動電圧パルスの波形は、待機時の電圧値を１５Ｖ、駆動電圧をゼロにするパルスのパルス幅を６．２μｓｅｃとした。実施例１の結果を図９、比較例１の結果を図１０、比較例２の結果を図１１、そして比較例３の結果を図１２に示す。各図より、連通路５の、圧力室３との境界位置８に、狭隘部９を形成したときにのみ、前記連通路５内で発生する微小振動を、有効に減衰できることが確認された。
【００４９】
《流体解析II》
実施例１〜１５、比較例１〜４の圧電インクジェットヘッドを、先に説明したのと同じ波形の駆動電圧パルスを印加して駆動させた際に、ノズル４から吐出される液滴の個数、体積および飛翔速度を、前記解析モデルを用いて解析したところ、表１、２に示す結果が得られた。
【００５０】
【表１】
0005232640.tif 000002
【００５１】
【表２】
0005232640.tif 000003
【００５２】
両表より、連通路５内に狭隘部９を設けない比較例１では、微小振動の影響で、１滴目に、所定の液滴よりも微小で、しかも飛翔速度の高い、画像不良の原因となる先頭高速小滴が吐出されることが判った。また、狭隘部９を、圧力室３との境界位置８以外の位置に設けた比較例２、３では、微小振動の影響で、ノズル４から、所定の液滴のあとに、微小で、飛翔速度の低い、多数の、画像不良の原因となる液滴が吐出されることが判った。さらに、前記狭隘部９の位置に、逆に、連通路５よりも内径の大きい拡大部を設けた比較例４では、やはり微小振動の影響で、ノズル４から、所定の液滴のあとに、微小で、飛翔速度の低い、多数の、画像不良の原因となる液滴が吐出されることが判った。
【００５３】
これに対し、実施例１〜１５では、所定の体積と飛翔速度とを有し、画像不良を生じるおそれのない２滴の液滴のみを、吐出できることが確認された。また、各実施例を比較すると、実施例１〜７の結果より、狭隘部９の、液体の流通方向に対する断面積が、前記狭隘部９よりノズル４側の領域の、液体の流通方向に対する断面積の２０〜６０％であるのが好ましいこと、実施例１、８〜１５の結果より、狭隘部９の、連通路５の長さ方向の長さが、前記連通路５の全長の１０〜２０％であるのが好ましいことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の液体吐出装置の、実施の形態の一例の、一部を拡大して示す断面図である。
【図２】前記例の液体吐出装置の要部である連通路の部分を、さらに拡大した断面図である。
【図３】前記連通路の部分を、さらに拡大した平面図である。
【図４】ノズルの全体形状を示す斜視図である。
【図５】比較例１で形成した連通部を拡大した断面図である。
【図６】比較例２で形成した連通部を拡大した断面図である。
【図７】比較例３で形成した連通部を拡大した断面図である。
【図８】実施例、比較例の圧電インクジェットヘッドを解析するために用いた解析モデルを示す回路図である。
【図９】実施例１の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズルとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。
【図１０】比較例１の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズルとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。
【図１１】比較例２の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズルとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。
【図１２】比較例３の圧電インクジェットヘッドを駆動させた際の、連通路とノズルとの境界位置での、液体の圧力と流速の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１     液体吐出装置
２     基板
３     圧力室
４     ノズル
５     連通路
６     圧電素子
７     圧電アクチュエータ
８     境界位置
９     狭隘部
１０   供給路
１１   絞り部
１２   接続部
１３   第１の板材
１４   接続部
１５   第２の板材
１６   第３の板材
１７   接続部
１８   第４の板材
１９   第５の板材
２０   第６の板材
２１   第７の板材
２２   振動板
２３   共通電極
２４   個別電極
２５   円錐テーパー部
２６   ストレート部
【図１】
0005232640.tif 000004
【図２】
0005232640.tif 000005
【図３】
0005232640.tif 000006
【図４】
0005232640.tif 000007
【図５】
0005232640.tif 000008
【図６】
0005232640.tif 000009
【図７】
0005232640.tif 000010
【図８】
0005232640.tif 000011
【図９】
0005232640.tif 000012
【図１０】
0005232640.tif 000013
【図１１】
0005232640.tif 000014
【図１２】
0005232640.tif 000015