(57)【要約】【課題】  個別液室の膨張収縮により発生する正負の圧力波を微小液滴が発生するメニスカス中央部へ液滴の吐出方向に収束して効率的に伝えることにより、精密なメニスカス制御を可能とし、  （１）小液滴吐出  （２）高速で液滴が吐出ができる液体吐出装置として特にインクジェット記録装置、パターニング装置および塗装装置等を提供する。【解決手段】  個別液室に連通する吐出口の入り口若しくは該吐出口の入り口から出口の間で最小となる口径を有する吐出口および該個別液室に連通する共通液室および該個別液室を膨張収縮させる液室容積制御手段を有し、該最小口径部分よりも吐出口の出口側で該個別液室の膨張収縮による液体のメニスカスを変形させて液体吐出が行われる。【選択図】  図１
2007136887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個別液室に連通する吐出口の入り口若しくは該吐出口の入り口から出口の間で最小となる口径を有する吐出口及び該個別液室に連通する共通液室及び該個別液室を膨張収縮させる液室容積制御手段を有し、該最小口径部分よりも吐出口の出口側で該個別液室の膨張収縮による液体のメニスカスを変形させて液体吐出が行われることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
該最小口径部分の径が吐出口の出口の口径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出する吐出口とこれに連通する個別液室を備え、液室容積制御手段によりこの個別液室の少なくとも一部を構成する部分を時間とともに推移するように変形させて液滴を吐出させる液体吐出装置に関する。
【０００２】
本発明は、紙、布、革、不織布、ＯＨＰ等に色材を含有した液体を付着させて印刷する機器や、基板、板材、固体物等に機能性材料を含有した液体を付着させるパターニング装置や塗装装置、更には別の液体に微少な液体を供給するピペット、ディスペンサー、及び経口吸入して喘息治療等に用いられる霧状の液滴を発生させる装置等に適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
近年、パソコンなどの出力装置として液体吐出装置を用いたいわゆるインクジェットプリンタは、印字性能がよく取り扱いが簡単でかつ低コストである等の理由から広く普及している。このような液体吐出装置には、熱エネルギーによってインク等の液体中に気泡を発生させ、その気泡による体積変化により液滴を吐出させるもの、静電力により液滴を吸引吐出させるもの、圧電/電歪素子、静電素子、磁気素子のような振動子を利用したもの等、種々の方式がある。
【０００４】
一般に、圧電/電歪素子を用いた液体吐出装置（以下液体吐出ヘッドと記載）としては、例えば共通液室に連通した個別液室とこの個別液室に連通した吐出口とを備え、その個別液室の一部として設けられた振動板に液室容積制御手段となる圧電/電歪素子が形成されたものや、個別液室の少なくとも壁面が圧電/電歪素子材料よりなるものが多く用いられている。これらは前記した圧電/電歪素子に所定の電圧を印加して圧電/電歪素子を伸縮させることにより、振動板若しくは個別液室の壁面にたわみ振動を発生させて個別液室内の容積を変化させて吐出口から液滴を吐出させる。
【０００５】
近年、このような液体吐出ヘッドに関する高性能化の課題として、
（１）微小液滴化
（２）吐出させた液滴の尾引き（サテライト）が少ない
（３）吐出される液滴の高速度化
（４）駆動周波数の高速化
等が求められ、液体吐出ヘッドの形状や液室容積制御手段に印加される電圧波形の提案等が多くなされている。
【０００６】
例えば特公平04-036071においては小液滴の吐出手段として、「液室容積制御手段を急速に収縮するように操作し、液室容積を急激に膨張させるとインクが吐出口の出口から個別液室内に急速に引き戻されることが見出され、このようなメニスカスの急速な引き戻しは突出した波動をインクのメニスカス上に形成し、これによつて小さなインク小滴が形成され、吐出口の出口から射出される。この急速な引き戻しはメニスカス上に表面共振を励起し、波動を形成し小滴を射出するものと思われる。」としている。
【０００７】
更に特開平09-327909では、「吐出口の開口部に静止しているメニスカスを急激に引込んで、メニスカスの中央領域を相対的に大きく個別液室側に変位させ、メニスカスの中央領域の個別液室への移動が反転するころに、個別液室を収縮して慣性流を発生させ、個別液室側に近いメニスカスの中央領域に慣性流を集中的に作用させて、中央領域だけを大きな速度で押し出して吐出口の開口の直径よりも細いインク滴を印字に適した速度で安定に吐出させる。」としている。
【０００８】
ここで、「個別液室の収縮により個別液室で加圧されたインクの流れ、つまり慣性流は、個別液室側に近いメニスカスの中央領域に集中的に作用し、メニスカスの中央領域だけを選択的に非常に大きな速度で押し出す。このようにメニスカス自体の運動だけに頼ること無く、中央領域を積極的に加圧するため、吐出口の開口の直径よりも細いインク滴を印字に適した速度で安定に吐出口の開口から吐出させることができる。」としている。
【０００９】
更に特開2001-150672では、「駆動パルスとして、メニスカスを大きく引き込む充電要素Ｐｗｃ１と、メニスカスを少し押し出す放電要素Ｐｗｄ１と、メニスカスを小さく引き込む充電要素Ｐｗｃ２とを順に接続して構成する。」ことにより、更なる微小液滴の吐出が可能でかつ微小液滴を吐出させながらリフィル時間を可能な限り短縮する方法が提案されている。
【００１０】
これらの提案においては、液室容積制御手段となる圧電/電歪素子への駆動電圧の波形等によりメニスカスを制御するのが一般的である。
【００１１】
本発明者らはこのような駆動電圧の時間推移Ｖ(t)ではなく、個別液室の一部を形成する例えば振動板のz方向変位量の時間推移δ(x,y,t)を測定し、その時の吐出性能（吐出量Ｖｄ，吐出速度ｖ，リフィル時間Ｔｒ）との関係を整理する中で、個別液室の容積が初期容積よりも膨張する動作をしているときには吐出口付近の液体は必ず個別液室方向に引き込まれ、個別液室の容積が初期容積よりも収縮する動作をしているときは吐出口付近の液体は必ず外界方法に押されることから、液滴の吐出性能（吐出量Ｖｄ，吐出速度ｖ）を決定するメニスカス挙動を説明する指標としては駆動電圧波形Ｖ(t)よりも、個別液室の容積変動Ｖｃ(t)の方が良いという考えに至っている。
【００１２】
いずれにしろ液体吐出ヘッドの性能を向上させるためには、個別液室の容積変動によるメニスカスの動作がより効果的に制御されることが必要となる。
【特許文献１】特公平04-036071号公報
【特許文献２】特開平09-327909号公報
【特許文献３】特開2001-150672号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明者らは前述したような、吐出口内の液体のメニスカスを急激に引込んで、メニスカスの中央領域を相対的に大きく個別液室側に変位させる個別液室の膨張工程と、個別液室側に近いメニスカスの中央領域だけを大きな速度で押し出す為の個別液室の収縮工程と、必要に応じて押し出された中央領域の液柱を引きちぎる為に再度個別液室を膨張させる工程とにより更なる微小液滴吐出を実現する為に、吐出口内の液体のメニスカスに対する個別液室の膨張収縮により印加される圧力の分布に注目した。
【００１４】
図５は、ドリルやテーパーリーマーにより作製した吐出口入り口から吐出口出口に対して先細る断面形状を有する従来公知の吐出口内での液体のメニスカス断面形状の時間推移と液体の吐出状況を示す。
【００１５】
図５において（Ａ）はメニスカスが静止状態にある初期状態、（Ｂ）は個別液室の膨張に伴いメニスカスが個別液室側に引き込まれている状態、（Ｃ）は更に大きく引き込まれ個別液室の膨張行程が終了直後の状態（矢印に示すように個別液室の膨張行程が終了していても慣性によりメニスカスはさらに引き込まれる）、（Ｄ）は個別液室の収縮によりメニスカスの中央領域が押し出され始めたときの状態、（Ｅ）は個別液室の収縮工程が終了直後の状態（矢印に示すように個別液室の膨張行程終了時と同様に慣性によりメニスカスの中央部分は特に押し出される）、（Ｆ）は再度個別液室を膨張させてメニスカス中央部分を個別液室側に引き込むことにより（Ｅ）で突出したメニスカス中央部分の柱状突起部を引き千切り、液滴が形成され始めている状態、（Ｇ）はメニスカスから完全に引き千切られた液滴が飛翔している状態（ここでは個別液室の膨張は終了している）、（Ｈ）はメニスカスが安定し始め、（Ａ）の初期状態になる直前の状態をそれぞれ示している。
【００１６】
本発明者らが注目したのは個別液室の膨張収縮により発生する正負の圧力分布を微小液滴が発生するメニスカス中央部形状に対して液滴の吐出方向に収束して如何に効率的に伝える方法であり、例えば図５の場合、吐出口の断面形状がテーパを有する為メニスカス中央部形状に対して傾斜した正負の圧力分布が伝わり特に引き込む時の効率が低下する。結果として（Ｅ）、（Ｆ）で形成されたメニスカス中央部分の柱状突起の引き千切りに難を残し、液滴の大型化、液滴サイズのばらつき、柱状突起が数箇所で千切れ、目的の液滴を追うようにサテライトと呼ばれる微小液滴の発生といった問題を残す。
【００１７】
そこで本発明の目的は、個別液室の膨張収縮により発生する正負の圧力分布を微小液滴が発生するメニスカス中央部形状に対して液滴の吐出方向に収束して効率的に伝えることにより、精密なメニスカス制御を可能とし、
（１）微小液滴吐出
（２）高速で液滴が吐出
ができる液体吐出装置として特にインクジェット記録装置、パターニング装置および塗装装置等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明による液体吐出装置は、個別液室に連通する吐出口の入り口若しくは該吐出口の入り口から出口の間で最小となる口径を有する吐出口および該個別液室に連通する共通液室および該個別液室を膨張収縮させる液室容積制御手段を有し、該最小口径部分よりも吐出口の出口側で該個別液室の膨張収縮による液体のメニスカスを変形させて液体吐出が行われることにより上記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１９】
個別液室の膨張収縮により発生する正負の圧力分布を微小液滴が発生するメニスカス中央部へ液滴の吐出方向に収束して効率的に伝えられることにより、精密なメニスカス制御を可能とし、
（１）小液滴吐出
（２）高速で液滴が吐出
が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図６は、本発明が適用可能なインクジェット記録装置の斜視図である。記録装置に挿入された被記録媒体Ｐは、送りローラ１０９，１１０によって液体吐出ヘッドとなる記録ヘッドユニット１００の記録可能領域へ搬送される。記録ヘッドユニット１００は、２つのガイド軸１０７，１０２によって、それらの延在方向（主走査方向）に沿って移動可能にガイドされており、記録領域を往復走査する。記録ヘッドユニット１００の走査方向が主走査方向であり、被記録媒体Ｐの搬送方向が副走査方向となる。記録ヘッドユニット１００には、複数色のインク液滴を吐出するため記録ヘッドと、それぞれの記録ヘッドにインクを供給するためのインクタンク１０１が搭載されている。この例のインクジェット記録装置における複数色のインクは、ブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色である。各色の位置は順不同である。
【００２１】
記録ヘッドユニット１００が移動可能な領域の右端の下部には、回復系ユニット１１２が配備されており、非記録動作時に記録ヘッドの吐出口部を回復処理する。
【００２２】
本例の場合、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色インク（Ｂｋ，Ｃ，Ｍ，Ｙ）のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。記録ヘッドユニット１００には、Ｂｋのインク液滴，Ｃのインク液滴，Ｍのインク液滴，Ｙのインク液滴を吐出する記録ヘッド群と、Ｂｋ用インクタンク１０１Ｂ、Ｃ用インクタンク１０１Ｃ、Ｍ用インクタンク１０１Ｍ、Ｙ用インクタンク１０１Ｙが搭載される。各インクタンクは記録ヘッド群と接続され、記録ヘッド群の吐出口に連通する吐出口流路内にインクを供給する。この例以外にも例えば、各色用のインクタンクを任意の組み合わせで一体構造としてもよい。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係る実施例１について図をもとに説明する。図２は記録ヘッド１００の一部の投影拡大図、図９は記録ヘッド１００内の図２中の一点鎖線Ｃ−Ｃ位置での断面拡大図である。
【００２４】
記録ヘッド１００は、以下のような構成となる。厚さ１５０μｍのSi基板上にドライエッチングにより、配列ピッチ２００ｄｐｉで後述するような断面形状を有する吐出口１２１を設けたオリフィスプレート１２９が、個別液室１２２、共通液室１２３、液体供給口１２４をドライエッチングにより設けた厚さ１００μｍのＳＯＩ基板１３０に陽極接合される。ここでＳＯＩ基板１３０上の２.５μｍ厚のＳｉＯ２層が振動板１２５とエッチングストップ層の役割を果たす。更にこのように形成された個別液室１２２に対向するように個別液室１２２の容積を膨張収縮させる液室容積制御手段１２０である下電極１２６、圧電／電歪材料１２７、上電極１２８がパターニングされて設けられている。
【００２５】
この液室容積制御手段１２０に駆動信号供給手段Ｓにより記録情報に対応する駆動信号を印加することにより振動板１２５をＺ方向に撓ませることにより個別液室１２２の容積を膨張収縮させ、吐出口１２１から液滴Ｄを吐出させる。
【００２６】
図１は本実施例の吐出口の断面形状を示す。吐出口１２１はオリフィスプレート１２９にDeep−RIE（ボッシュプロセス）により吐出口１２１内で最小径部分Rminをもつように加工される。したがって吐出口１２１の出口径Routに対して、
Rmin ＜ Rout
であり、本実施例では
Rmin  ：  ２０μｍφ
Rout  ：  ３０μｍφ
となっている。また、吐出口１２１の出口径Routと最小径部分Rminの距離Ｌは５０μｍとしている。
【００２７】
オリフィスプレート１２９の作製法としては、上述したDeep−RIE（ボッシュプロセス）法以外にも、樹脂成型法、異なる口径を有する金属板等の貼り合わせ法、テーパーリーマーによるパンチングにより吐出口を形成し、大口径側を吐出口出口側として個別液室１２２、共通液室１２３、液体供給口１２４を設けた基板に接合する方法、ウエットエッチングによる加工法等により作製することができる。
【００２８】
オリフィスプレートの少なくとも吐出口１２１出口近傍には吐出される液体に対して撥水性を有する撥水材により撥水処理されることが好ましい。本実施例では撥水材として、フッ素系材料を用いた。
【００２９】
液室容積制御手段１２０としては、上述したような下電極１２６、圧電／電歪材料１２７、上電極１２８を振動板上に構成させたいわゆるユニモルフ型（ベンドモード）の構成以外にも、従来公知のピストン型（PUSHモード）の構成、個別液室の側壁を圧電/電歪材料で構成するSHEARモードのような構成等に用いることができる。更に静電素子、磁気素子等により振動板１２５を変位させることも可能である。
【００３０】
次にこの液体吐出ヘッド１００から液体吐出するときの吐出口１２１内のメニスカス制御方法について個別液室１２２の容積Ｖｃの時間変化を示す図３と、吐出口１２１内のメニスカスの時間変化による液滴の吐出状況を示す図４を用いて説明する。本実施例において吐出させた液体はシアンインクで、密度1.0 × 103 kg/m3 ，粘性 3.3 × 10−3 Pa・s ，表面張力3.3 × 10−2 N/m のものを用いた。
【００３１】
液室容積制御手段１２０により振動板１２５を変位させて個別液室１２２の容積Ｖｃが図３のような推移をする電圧波形（不図示）を入力した。電圧波形は、圧電/電歪材料１２７の厚みや振動板１２５の厚み等を変えるごとに種々違うものを選ばなければ図３の容積推移を達成しなかった。
【００３２】
まずメニスカスを引き込むために個別液室１２２の容積を初期容積Ｖ0（図４（Ａ））から膨張させて（図４（Ｂ））、第１容積Ｖ１とする第１容積形成プロセスＰ１を実行する（図４（Ｃ））。つぎに液柱を形成するために第１容積Ｖ１から収縮させて、第２容積Ｖ２とする第２容積形成プロセスＰ２を実行する（図４（Ｄ））。次に所望体積の液滴を形成するために第２容積Ｖ２が初期容積よりも大である時点（図４（Ｅ））で液柱を引き千切るべく膨張を開始（図４（Ｆ））して第３容積Ｖ３とする第３容積形成プロセスＰ３を実行する（図４（Ｇ））。液柱が分離した後（図４（Ｈ））インクのリフィルが完了し、初期容積Ｖ0の安定状態に戻る。（図４（Ａ））
本実施例ではメニスカスの最大引き込み位置lmaxを吐出口１２１の出口から３０μｍの位置とすることにより個別液室の膨張収縮により発生する正負の圧力分布を微小液滴が発生するメニスカス中央部へ液滴の吐出方向に収束して効率的に伝えることができている。したがって（Ｅ）、（Ｆ）で形成されるメニスカス中央部分の柱状突起の発生及び引き千切りが適正に実施でき、液滴の吐出性能として、吐出量Ｖｄ：１.２pl，吐出速度ｖ：８ｍ/sで液滴サイズのばらつきがない微小液滴の吐出ができた。
【００３３】
（比較例１）
本発明に係る比較例１について図５をもとに説明する。液体吐出ヘッドの構成は、オリフィスプレートにテーパーリーマーにより作製した吐出口入り口から吐出口出口に対して先細る断面形状を有する吐出口を用いた以外は実施例１と同じである。この液体吐出ヘッドの振動板を変位させて個別液室容積Ｖｃが図３のような推移をする電圧波形（不図示）を入力した。電圧波形は、圧電/電歪材料の厚みや振動板の厚み等を変えるごとに種々違うものを選ばなければ図３の容積推移を達成しなかった。
【００３４】
まずメニスカスを引き込むために個別液室の容積を初期容積から膨張させて第１容積Ｖ１とする第１容積形成プロセスを実行する。つぎに液柱を形成するために第１容積Ｖ１から収縮させて第２容積Ｖ２とする第２容積形成プロセスを実行する。つぎに所望体積の液滴を形成するために第２容積Ｖ２が初期容積よりも大である時点で液柱を引き千切るべく膨張を開始して第３容積Ｖ３とする第３容積形成プロセスを実行する。
【００３５】
本比較例１では、吐出口の断面形状がテーパを有する為メニスカス中央部に対して傾斜した正負の圧力波が伝わり特に引き込む時の効率が低下している。結果として第３容積形成プロセス実行時にメニスカス中央部分の柱状突起の引き千切りに難を残し、液滴の吐出性能としては、吐出量Ｖｄ：１.８pl，吐出速度ｖ：６ｍ/sで液滴の大型化、液滴サイズのばらつき、サテライトの発生がみられた。
【実施例２】
【００３６】
本発明に係る実施例２について説明する。液体吐出ヘッドの構成は、オリフィスプレートに形成した吐出口形状を変えた以外は実施例１と同じである。図７は本実施例の吐出口の断面形状を示す。吐出口２２１はオリフィスプレート２２９にテーパリーマーにより吐出口１２１内で最小径部分Rminをもつように加工される。この最小径部分Rminが個別液室側になるように個別液室等が形成された厚さ１００μｍのＳＯＩ基板１３０に陽極接合する。したがって吐出口２２１の出口径Routに対して、
Rmin ＜ Rout
であり、本実施例では
Rmin  ：  ２０μｍφ
Rout  ：  ３５μｍφ
となっている。また、吐出口２２１の出口径Routと最小径部分Rminの距離Ｌは６０μｍとしている。
【００３７】
またオリフィスプレートの少なくとも吐出口２２１出口近傍には吐出される液滴に対して撥水性を有する撥水材により撥水処理されることが好ましく、本実施例では撥水材として、フッ素系材料を用いた。
【００３８】
この液体吐出ヘッドの振動板を変位させて個別液室容積Ｖｃが図８のような推移をする電圧波形（不図示）を入力した。電圧波形は、圧電/電歪材料の厚みや振動板の厚みを変えるごとに種々違うものを選ばなければ図８の容積推移を達成しなかった。
【００３９】
まずメニスカスを引き込むために個別液室の容積を初期容積Ｖ0（図８（Ａ））から膨張させて（図８（Ｂ））、第１容積Ｖ１とする第１容積形成プロセスＰ１を実行する（図８（Ｃ））。つぎに液滴となる液柱を形成するために第１容積Ｖ１から収縮させて、第２容積Ｖ２とする第２容積形成プロセスＰ２を実行する（図８（Ｄ））。本実施例においては比較的大きな体積の液滴を形成するために液柱を引き千切るための膨張工程は加えず、第２容積Ｖ２付近（図８（Ｅ））で液滴の吐出を終了し、初期容積Ｖ0の安定状態に戻る。
【００４０】
本実施例ではメニスカスの最大引き込み位置lmaxを吐出口２２１の出口から３０μｍの位置とすることにより個別液室の膨張収縮により発生する正負の圧力分布を液滴が発生するメニスカス中央部へ液滴の吐出方向に収束して効率的に伝えることができている。本実施例においては、液滴の吐出性能として、吐出量Ｖｄ：１２pl，吐出速度ｖ：１０ｍ/sで高速な液滴の吐出ができた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明における吐出口の断面形状を説明する図。
【図２】本発明における記録ヘッドの一部の投影拡大図。
【図３】本発明における個別液室の容積Ｖｃの時間変化を示す図。
【図４】本発明における吐出口内のメニスカスの時間変化による液滴の吐出状況を示す図。
【図５】従来技術における吐出口内での液体のメニスカス断面形状の時間推移と液体の吐出状況を示す図。
【図６】本発明が適用可能なインクジェット記録装置の斜視図。
【図７】本発明の他の実施例における吐出口の断面形状を示す図。
【図８】本発明の他の実施例における個別液室の容積Ｖｃの時間変化を示す図。
【図９】本発明における記録ヘッド内の図２中の一点鎖線Ｃ−Ｃ位置での断面拡大図。
【符号の説明】
【００４２】
１００  記録ヘッドユニット
１０１  インクタンク
１０２  ガイド軸
１０６  被記録媒体
１０７  ガイド軸
１０９  送りローラ
１１０  送りローラ
１１２  回復系ユニット
１２０  液室容積制御手段
１２１  吐出口
１２２  個別液室
１２３  共通液室
１２４  液体供給口
１２５  振動板
１２６  下電極
１２７  圧電／電歪材料
１２８  上電極
１２９  オリフィスプレート
１３０  ＳＯＩ基板
Ｓ  駆動信号供給手段
Ｄ  液滴
【図１】
2007136887.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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