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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025104928
(43)【公開日】2025-07-10
(54)【発明の名称】液体吐出ヘッドおよび印刷装置
(51)【国際特許分類】
B41J 2/14 20060101AFI20250703BHJP
B41J 2/18 20060101ALI20250703BHJP
【ＦＩ】
B41J2/14 605
B41J2/14 501
B41J2/18
B41J2/14 307
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023223116
(22)【出願日】2023-12-28
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】末益 智志
(72)【発明者】
【氏名】中谷 修平
(72)【発明者】
【氏名】豊福 洋介
【テーマコード（参考）】
2C056
2C057
【Ｆターム（参考）】
2C056FA04
2C056FA13
2C056HA05
2C056KB16
2C057AF40
2C057AG30
2C057AG32
2C057AG52
2C057AG72
2C057AG75
2C057AN05
2C057BA04
2C057BA14
(57)【要約】
【課題】クロストークによる吐出異常を抑制するとともに、吐出される液体の小滴化を実現できる液体吐出ヘッドおよび印刷装置を提供する。
【解決手段】本開示の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルに接続されている圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する共通流路と、前記圧力室と前記共通流路との間に配置されており、前記圧力室および前記共通流路とそれぞれ絞り流路によって接続されている中間室と、を備え、前記中間室の容積は、前記圧力室の容積よりも大きい。
【選択図】図３
【解決手段】本開示の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルに接続されている圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する共通流路と、前記圧力室と前記共通流路との間に配置されており、前記圧力室および前記共通流路とそれぞれ絞り流路によって接続されている中間室と、を備え、前記中間室の容積は、前記圧力室の容積よりも大きい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液体を吐出するノズルに接続されている圧力室と、
前記圧力室に前記液体を供給する共通流路と、
前記圧力室と前記共通流路との間に配置されており、前記圧力室および前記共通流路とそれぞれ絞り流路によって接続されている中間室と、
を備え、
前記中間室の容積は、前記圧力室の容積よりも大きい、
液体吐出ヘッド。
前記圧力室に前記液体を供給する共通流路と、
前記圧力室と前記共通流路との間に配置されており、前記圧力室および前記共通流路とそれぞれ絞り流路によって接続されている中間室と、
を備え、
前記中間室の容積は、前記圧力室の容積よりも大きい、
液体吐出ヘッド。
【請求項2】
前記中間室の容積は、前記圧力室の２倍以上である、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項3】
前記中間室は、第１ダンパーを有しており、
前記第１ダンパーの厚さは、５μｍ以下であり、
前記中間室の長手方向に沿った前記第１ダンパーの長さは、２００μｍ以上である、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
前記第１ダンパーの厚さは、５μｍ以下であり、
前記中間室の長手方向に沿った前記第１ダンパーの長さは、２００μｍ以上である、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項4】
前記第１ダンパーは、前記圧力室の容積を変化させる受圧部に接続されている前記圧力室の第１壁体と一体に形成されている、
請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項5】
前記絞り流路は、前記圧力室と前記中間室とを接続する第１絞り流路と、前記中間室と前記共通流路とを接続する第２絞り流路とを有しており、
前記第１絞り流路の流体抵抗は、前記第２絞り流路の流体抵抗よりも大きい、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
前記第１絞り流路の流体抵抗は、前記第２絞り流路の流体抵抗よりも大きい、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項6】
前記第１ダンパーと前記第１壁体との間に、前記圧力室と前記中間室とを隔てる第１隔壁と対向して突出する凸部が設けられている、
請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項7】
前記中間室は、前記第１ダンパーと対向する位置に第２ダンパーを有しており、
前記第２ダンパーは、前記第１ダンパーと異なる固有振動数を有する、
請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記第２ダンパーは、前記第１ダンパーと異なる固有振動数を有する、
請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項8】
前記共通流路は、第３ダンパーを有しており、
前記第３ダンパーの厚さは、前記第１ダンパーより大きく、
前記第３ダンパーの長手方向に沿った長さは、前記第１ダンパーの長手方向に沿った長さの５倍以上である、
請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記第３ダンパーの厚さは、前記第１ダンパーより大きく、
前記第３ダンパーの長手方向に沿った長さは、前記第１ダンパーの長手方向に沿った長さの５倍以上である、
請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項9】
前記ノズルの最小径は１５μｍ以上であり、前記ノズルから吐出される液滴の体積は２．５ｐＬ以下である、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項10】
前記ノズルの最小径は１２μｍ以上であり、前記ノズルから吐出される液滴の体積は１．５ｐＬ以下である、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項11】
前記共通流路、前記絞り流路、および前記中間室は、前記圧力室から見て前記液体の流れ方向における上流側および下流側に１つずつ設けられている、
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項12】
前記中間室の容積は、前記上流側と前記下流側とで互いに異なる、
請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項13】
前記中間室は、前記上流側と前記下流側とで前記流れ方向に沿った長さが互いに異なる第１ダンパーをそれぞれ有している、
請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項14】
前記流れ方向における前記ノズルの位置は、前記液体の流れ方向における前記圧力室の中心部から前記上流側または前記下流側にずれて配置されており、
前記流れ方向において前記ノズルに近い前記第１ダンパーの長さは、前記ノズルから遠い前記第１ダンパーの長さより短い、
請求項１３に記載の液体吐出ヘッド。
前記流れ方向において前記ノズルに近い前記第１ダンパーの長さは、前記ノズルから遠い前記第１ダンパーの長さより短い、
請求項１３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項15】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対して被印刷物を相対的に移動させる移動機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
を備える、印刷装置。
前記液体吐出ヘッドに対して被印刷物を相対的に移動させる移動機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
を備える、印刷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、インクなどの液体を吐出して印刷を行う液体吐出ヘッドおよび当該液体吐出ヘッドを有する印刷装置に関する。
【背景技術】
【0002】
必要なときに必要な量のインクを吐出するドロップオンデマンド型のインクジェットヘッド知られている。ドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドの例として、圧電方式のインクジェットヘッドがある。圧電方式のインクジェットヘッドは、インク供給流路と、ノズルおよびインク供給流路に接続されている複数の圧力室と、圧力室内に充填されたインクに圧力を加える圧電素子と、を有する。
【0003】
圧電方式のインクジェットヘッドにおいて、予めインクのメニスカスを振動させておき、共振周期の位相に合わせて圧力室を収縮させることにより、インクを効率的に吐出する制御方法が知られている（例えば、特許文献１）。メニスカス振動の周期は、圧力室の形状や容量、圧力室に接続される絞り流路の抵抗などによって定まる。
【0004】
高精細な印刷のために、ノズルから吐出されるインクの小滴化が要望されている。インクを小滴化するためには、吐出速度を小さくする、ノズルの断面積を小さくする、または共振周期を短くする、の少なくともいずれかが効果的である。
【0005】
吐出速度を小さくすると、気流の影響を受けやすくなり、インクの着弾精度が乱れたり、ミストが増加したり、インクの液滴がまっすぐに飛びにくくなったりする。ノズルの断面積を小さくすると、ノズル先端部でインクが乾燥して詰まったりインクの吐出角度が変化したりすることがある。また、共振周期を短くするためには、圧力室の容積を小さくしたり絞り流路の断面積を大きくしたりする方法があるが、このような方法を採用した場合、副作用として、メニスカス振動の圧力波が共通流路を通じて隣接するノズルまで伝わり、隣接ノズルの動作に悪影響が生じることがある。このような隣接ノズルへの悪影響はクロストークなどと呼ばれる。
【0006】
ノズル断面積を不必要に小さくせず、共振周期を小さくすることでインクを小滴化するインクジェットヘッドであって、共振周期を小さくしたことによるクロストークの悪化を抑制することができるインクジェットヘッドが、特許文献２に開示されている。
【0007】
特許文献２のインクジェットヘッドは、圧力室と共通流路との間に中間室と２つの絞り流路とを設けることにより、圧力室内のインクの圧力変動の影響が共通流路まで伝わりにくくなるため、吐出インクの小滴化とクロストークの抑制とを両立することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】国際公開第２０１０／１４６９４５号
【特許文献2】特許第６９９０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献２に開示された技術をより発展させ、クロストークによる吐出異常をさらに抑制するとともに、吐出される液体の小滴化を実現させることが要望されている。
【0010】
本開示は、吐出される液体の小滴化と、クロストークの抑制とを両立させることができる液体吐出ヘッドおよび印刷装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本開示の一態様に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルに接続されている圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する共通流路と、前記圧力室と前記共通流路との間に配置されており、前記圧力室および前記共通流路とそれぞれ絞り流路によって接続されている中間室と、を備え、前記中間室の容積は、前記圧力室の容積よりも大きい。
【0012】
本開示の一態様に係る印刷装置は、上記の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドに対して被印刷物を相対的に移動させる移動機構と、前記液体吐出ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、吐出される液体の小滴化と、クロストークの抑制とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本開示の実施の形態に係る印刷装置の構成の一例を説明するための図
【図2】液体吐出ヘッドの分解斜視図
【図3】液体吐出ヘッドの内部構成を示す断面図
【図4】ノズルプレートの平面図
【図5】流路プレートを構成する複数の積層体の平面図
【図6】振動プレートの平面図
【図7】液体吐出ヘッドにおけるノズルの直径、液体吐出ヘッド全体の共振周期、および液滴体積の関係を示す図
【図8】圧電素子の加圧により液体の共振により液体を吐出させる際の液体表面の変位量の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明などは省略する場合がある。
【0016】
［印刷装置２００］
図１は、印刷装置２００の上面図である。なお、本実施の形態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用して説明する。以下において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿う方向を、それぞれ「Ｘ軸方向」、「Ｙ軸方向」および「Ｚ軸方向」と称する。図１に示す例では、印刷装置２００の設置面がＸＹ平面、設置面に垂直な方向がＺ軸方向である。図１において、例えばＸ軸およびＹ軸は水平面に含まれており、Ｚ軸は鉛直方向に沿って設定されている。ただし、本開示では、印刷装置は必ずしも水平面に設置される必要はなく、微小な傾きは許容されてもよい。
図１は、印刷装置２００の上面図である。なお、本実施の形態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用して説明する。以下において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿う方向を、それぞれ「Ｘ軸方向」、「Ｙ軸方向」および「Ｚ軸方向」と称する。図１に示す例では、印刷装置２００の設置面がＸＹ平面、設置面に垂直な方向がＺ軸方向である。図１において、例えばＸ軸およびＹ軸は水平面に含まれており、Ｚ軸は鉛直方向に沿って設定されている。ただし、本開示では、印刷装置は必ずしも水平面に設置される必要はなく、微小な傾きは許容されてもよい。
【0017】
印刷装置２００は、基台１、ガイド２、搬送テーブル３、ガントリー４、液体吐出ヘッド１０、駆動部７を備えている。
【0018】
基台１は、印刷装置２００の各構成を指示する台部材である。
【0019】
ガントリー４は、液体吐出ヘッド１０を支持している。
【0020】
ガイド２は、基台１の長手方向すなわちＸ軸方向に沿って、基台１の上面に固定されている。ガイド２は、搬送テーブル３の移動を案内する。
【0021】
搬送テーブル３は、基板などの印刷対象物６が保持する。搬送テーブル３は、駆動部７により、ガイド２に沿って印刷対象物６とともに移動する。印刷対象物６の移動に合わせて液体吐出ヘッド１０がインクなどの液体を吐出することにより、印刷対象物６の印刷が行われる。
【0022】
図１に示す例では、Ｘ軸方向に沿ってガントリー４の両側に２つの液体吐出ヘッド１０がそれぞれ配置されているが、液体吐出ヘッド５は、ガントリー４の片側のみに配置されていてもよい。また、ガントリー４が複数設けられてもよい。
【0023】
［液体吐出ヘッド１０］
液体吐出ヘッド１０は、インク循環型のインクジェットヘッドの一例である。図２は、液体吐出ヘッド１０の分解斜視図である。図２において、Ｚ軸の負方向が液体吐出ヘッド１０におけるインクの吐出方向、Ｙ軸に沿う方向がノズル１０１の配列方向、Ｘ軸に沿う方向が圧力室１０３に対するインクの流動方向である。
液体吐出ヘッド１０は、インク循環型のインクジェットヘッドの一例である。図２は、液体吐出ヘッド１０の分解斜視図である。図２において、Ｚ軸の負方向が液体吐出ヘッド１０におけるインクの吐出方向、Ｙ軸に沿う方向がノズル１０１の配列方向、Ｘ軸に沿う方向が圧力室１０３に対するインクの流動方向である。
【0024】
液体吐出ヘッド１０は、ノズルプレート１１、流路プレート１２、振動プレート１３、ハウジング１４、および圧力変動部１５により構成される。
【0025】
ノズルプレート１１は、板面がＺ軸に直交するように配置される。ノズルプレート１１は、例えば、エッチングやプレス加工によって成型されたステンレス（ＳＵＳ）材、シリコン材、またはガラス材などで形成される。ノズルプレート１１の厚さは、ステンレス板で形成される場合、例えば１００μｍである。ノズルプレート１１には、複数のノズル１０１がＹ軸に沿って穿設されている。図１では、Ｙ軸方向に沿ったノズル１０１の配列がＸ軸方向に沿って２列設けられている例が示されているが、本開示においてノズルの配列が１列設けられてもよいし、３列以上設けられてもよい。
【0026】
流路プレート１２は、直方体形状であり、Ｚ軸方向においてノズルプレート１１の正側に、板面がＺ軸と直交するように配置される。流路プレート１２は、振動プレート１３およびノズルプレート１１によって挟持される。流路プレート１２は、例えば、エッチングやプレス加工によって成型された複数のステンレス板の積層体である。それぞれのステンレス板の厚さは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、積層数は、例えば、３層以上１０層以下である。
【0027】
振動プレート１３は、Ｚ軸方向において流路プレート１２の正側に、板面がＺ軸と直交するように配置される。振動プレート１３は、ハウジング１４および流路プレート１２によって挟持される。振動プレート１３は、例えば、厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の薄膜であり、例えば、ポリイミド（Ｐｉ）、ＳＵＳ、または電鋳工法で形成されるニッケル（Ｎｉ）により形成される。
【0028】
また、振動プレート１３は、圧電素子１１２からの圧力を受ける受圧部１１３を有する。受圧部１１３は、複数の圧力室１０３のそれぞれに対応して設けられる。受圧部１１３は、例えば、圧力室１０３のＺ軸方向における正側の壁体である第１壁体１１４から、Ｚ軸方向における正側に突出して形成される。
【0029】
ハウジング１４は、直方体形状を有し、振動プレート１３のＺ軸方向正側に配置される。Ｚ軸方向に沿ったハウジング１４の厚さは、例えば、１ｃｍである。ハウジング１４は、例えば、ステンレス鋼などの合金鋼を切削加工することにより形成される。
【0030】
圧力変動部１５は、ハウジング１４の一部（収容室）に配置されており、圧力室１０３に貯留されているインクに加圧して圧力変動を発生させる。圧力変動部１５は、圧電素子１１２を有する。圧電素子１１２の動作は、例えば、制御ＩＣが実装されたフレキシブルプリント基板などの制御基板により制御される。制御ＩＣは、複数の圧電素子１１２への印加電圧を個別に制御する。
【0031】
ノズルプレート１１と流路プレート１２、流路プレート１２と振動プレート１３、振動プレート１３とハウジング１４、および振動プレート１３と圧力変動部１５は、それぞれ、接着剤により接着固定される。接着剤には、例えば、熱硬化特性を有するエポキシ系接着剤が用いられる。なお、それぞれの構成要素を接着する接着剤は、同一の接着剤であってもよいし、異なる接着剤であってもよい。例えば、ゴム系の接着剤とエポキシ系の接着剤を組み合わせて使用してもよい。
【0032】
ノズルプレート１１、流路プレート１２、振動プレート１３、ハウジング１４および圧力変動部１５の内部に、またはこれらが結合されることにより、液体吐出ヘッド１０の各要素が形成される。
【0033】
【0034】
液体吐出ヘッド１０は、ノズル１０１、サイロ１０２、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、中間室１０５、第１ダンパー１０６、第２ダンパー１０７、第２絞り流路１０８、共通流路１０９、第３ダンパー１１０、フィルター１１１、圧電素子１１２、および凸部１１５を有している。なお、本明細書では、第１絞り流路１０４と第２絞り流路１０８とをまとめて、単に絞り流路１１６と記載することがある。なお、本明細書において絞り流路とは、液体の流れ方向において、周囲の構造よりも断面積が小さく形成された流路を意味している。本実施の形態において、絞り流路１１６は、断面が四角形状となるように形成されており、当該四角形状の最短辺はＺ軸方向であることが望ましく、当該最短辺の長さは３０μｍ以下、望ましくは２０μｍ以下であることが望ましい。
【0035】
液体吐出ヘッド１０は、圧力室１０３内の液体を圧電素子１１２により加圧することにより、ノズル１０１から液体を吐出させる。
【0036】
ノズル１０１は、ノズルプレート１１をＺ軸方向に貫通するように穿たれた穴である。
【0037】
ノズル１０１の径は、液体に含まれうるパーティクルによる詰まり、ノズル１０１の先端部から外部に露出する液体の液面が乾燥することによって生じうる詰まりなどを防止しやすい大きさに設定される。また、ノズル１０１の径は、吐出する液体の滴（液滴）が大きくなりすぎたり、液滴の吐出後にノズル１０１内に残る液体の残留振動が収まりにくかったりする不具合を防止しやすい大きさに設定される。
【0038】
一例として、ノズル１０１の直径（最小径）は、５μｍ以上５０μｍである。好ましくは、ノズル１０１の直径は、１２μｍ以上である。さらに好ましくは、ノズル１０１の直径は、１５μｍ以上２０μｍ以下である。ノズル１０１の断面形状は、図３に示されるようにテーパー形状であってもよいし、長方形の形状であってもよい。また、ノズル１０１の壁面は断面が直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。
【0039】
【0040】
ノズル１０１の配列がＸ軸方向に沿って複数列設けられる場合、サイロ１０２、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、中間室１０５、第１ダンパー１０６、第２ダンパー１０７、および第２絞り流路１０８が、それぞれのノズル１０１の配列に対応して、複数列形成される。共通流路１０９および第３ダンパー１１０は、それぞれ、ノズル１０１の配列毎に設けられてもよいし、複数のノズル１０１の配列によって共用されてもよい。
【0041】
圧力室１０３およびサイロ１０２は、複数個のノズル１０１のそれぞれに対して設けられる。圧力室１０３は、サイロ１０２を介してノズル１０１と接続されている。ノズル１０１およびサイロ１０２を介して、圧力室１０３内の液体が外部に吐出される。
【0042】
圧力室１０３は、流路プレート１２および振動プレート１３によって形成される液体貯留空間である。圧力室１０３は、サイロ１０２を介して、液体を吐出するノズル１０１に接続されている。本実施の形態では、圧力室１０３は、流路プレート１２に形成された凹部が振動プレート１３によって閉塞されることにより、形成されている。圧力室１０３は、例えば、Ｘ軸に沿って延びる直方体形状を有する。圧力室１０３の内面には、段差が形成されていてもよい。ただし、本開示において、圧力室の形状はどのようなものであってもよい。
【0043】
圧力室１０３のＺ軸方向における正側の壁体である第１壁体１１４には、圧電素子１１２からの圧力を圧力室１０３内に伝達する受圧部１１３が設けられている。圧電素子１１２の動作により第１壁体１１４が撓むと、圧力室１０３の容積が減少して圧力室１０３内の液体の圧力が上昇するため、サイロ１０２およびノズル１０１を介して液体が外部に吐出される。
【0044】
サイロ１０２は、Ｚ軸方向に沿って形成され、圧力室１０３とノズル１０１とを接続する。サイロ１０２は、圧力室１０３ととともに液体貯留空間を形成する。サイロ１０２は、例えば、円柱形状または四角柱形状を有している。なお、本開示において、圧力室とサイロとを接続するサイロは形成されていなくてもよく、例えば圧力室の壁体の一部にノズルが直接形成されてもよい。
【0045】
本実施の形態では、１つのノズル１０１、サイロ１０２、圧力室１０３、および圧電素子１１２に対して、Ｘ軸方向における両側に第１絞り流路１０４、中間室１０５、第１ダンパー１０６、第２ダンパー１０７、第２絞り流路１０８、共通流路１０９、第３ダンパー１１０、フィルター１１１、および凸部１１５が設けられている。本実施の形態では、ノズル１０１から液体を吐出していないとき、圧力室１０３よりＸ軸方向における正側の共通流路１０９を流れる液体が、圧力室１０３よりＸ軸方向における正側に設けられている第２絞り流路１０８、中間室１０５、および第２絞り流路１０８を介して圧力室１０３に供給され、圧力室１０３よりＸ軸方向における負側の第１絞り流路１０４、中間室１０５、および第２絞り流路１０８を介して圧力室１０３よりＸ軸方向における負側の共通流路１０９に流れ出る。図３には、本実施の形態における液体吐出ヘッド１０の内部を流れる液体の流れ方向が破線矢印で示されている。
【0046】
本開示において、液体の流れ方向は、図３に示される例には限られない。例えば、図３に示される例とは反対方向に液体が流れてもよい。また、本開示の液体吐出ヘッドがノズルの配列を複数列有している場合、それぞれの配列における液体の流れ方向は同じ方向でなくてもよい。また、フィルター１１１は、上流側にのみ配置されてもよく、この場合、下流側には単なる開口部が設けられてもよい。
【0047】
第１絞り流路１０４は、圧力室１０３と中間室１０５を接続する流路である。
【0048】
第１絞り流路１０４のＺ軸方向に沿った厚さは、例えば、２０μｍ以下である。第１絞り流路１０４のＹ軸方向に沿った幅は、例えば、５０μｍ以上７００μｍ以下である。第１絞り流路１０４のＸ軸方向に沿った長さは５０μｍ以上５００μｍ以下である。
【0049】
図３に示される例では、圧力室１０３よりＸ軸方向における正側の第１絞り流路１０４の長さと、圧力室１０３よりＸ軸方向における負側の第１絞り流路１０４の長さとを、互いに異なる長さとしている。具体的には、Ｘ軸方向における負側の第１絞り流路１０４の長さを、Ｘ軸方向における正側の第１絞り流路１０４の長さの方よりも短くしている。また、Ｘ軸方向におけるノズル１０１の位置を、圧力室１０３のＸ軸方向における中心位置よりも負側にずらして配置している。
【0050】
これにより、ノズル１０１から液体が吐出されて圧力室１０３内の液体の圧力が低下したとき、ノズル１０１が中心位置から負側に寄っていることにより、圧力室１０３内部の第１絞り流路１０４近傍における液体の圧力は、ノズル１０１が寄っている負側の方が、ノズル１０１が寄っていない正側より小さくなる。液体の圧力が小さくなる負側の第１絞り流路１０４の長さを、正側の第１絞り流路１０４の長さの方よりも短くすることにより、正負両側の第１絞り流路１０４近傍における液体の圧力を均等に維持しやすくなる。
【0051】
中間室１０５は、圧力室１０３と共通流路１０９との間に配置されており、圧力室１０３および共通流路１０９と絞り流路１１６（第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８）によって接続されている。中間室１０５は、共通流路１０９または圧力室１０３から流入した液体を一時的に貯留する液体貯留部である。中間室１０５において液体を貯留することにより、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系で液体の共振を生じさせることができる。これにより、比較的短い共振周期を実現するとともに、圧力室１０３において圧電素子１１２から液体に加えられた圧力が、隣接したノズル１０１に伝わるのを抑制する効果が得られる。
【0052】
本実施の形態において、中間室１０５の容積は、圧力室１０３の容積よりも大きい。好ましくは、中間室１０５の容積は、圧力室１０３の容積の２倍以上である。このような構成により、本実施の形態の液体吐出ヘッド１０は、共振周期を比較的短くすることでノズル１０１から吐出される液体を小滴化できるとともに、クロストークによる吐出異常の発生を抑制できる。中間室１０５の容積を圧力室１０３の容積よりも大きくすることで、共振周期を比較的短くすることで吐出液滴を小滴化できるとともにクロストークによる吐出異常の発生を抑制できるメカニズムについては、後段で詳細に説明する。
【0053】
なお、図３に示される例では、Ｘ軸方向における長さとＺ軸方向における長さの両方において、圧力室１０３よりも中間室１０５の方が大きく形成されることで、中間室１０５の容積が圧力室１０３の容積よりも大きくなっている。液体吐出ヘッド１０の小型化のために、中間室１０５をＸ軸方向に沿って拡張するよりも、Ｚ軸方向に沿って拡張しても良い。
【0054】
中間室１０５は、第１ダンパー１０６、および、第１ダンパー１０６と対向する位置に第２ダンパー１０７を有している。第１ダンパー１０６は、中間室１０５のＺ軸方向における正側に設けられている。第２ダンパー１０７は、中間室１０５のＺ軸方向における負側に設けられている。第２ダンパー１０７よりＺ軸方向における負側には、圧力を逃がすための空間が設けられている。
【0055】
第１ダンパー１０６と第２ダンパー１０７とは、互いに異なる厚さに形成されている。また、第１ダンパー１０６と第２ダンパー１０７とは、互いに異なる固有振動数を有している。
【0056】
第１ダンパー１０６の厚さは、例えば、５μｍ以下である。第２ダンパーの厚さは、例えば、２０μｍ以下である。中間室１０５の長手方向、すなわちＸ軸方向に沿った第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７の長さは、２００μｍ以上である。なお、第１ダンパー１０６の長さと第２ダンパー１０７の長さとが互いに異なってもよい。また、第１ダンパー１０６と第２ダンパー１０７は、それぞれ、Ｙ軸方向に分割されていてもよい。この場合、分割された第１ダンパーまたは第２ダンパーが、それぞれ異なる固有振動数を有していてもよい。
【0057】
第２絞り流路１０８は、中間室１０５と共通流路１０９とを接続する流路である。第２絞り流路１０８は、第１絞り流路１０４と同軸上、またはＸ軸方向において平行に設けられている。
【0058】
第２絞り流路１０８のＺ軸方向に沿った厚さは、例えば、２０μｍ以下である。第２絞り流路１０８のＹ軸方向に沿った幅は、例えば、５０μｍ以上３００μｍ以下である。第２絞り流路１０８のＸ軸方向に沿った長さは、例えば、５０μｍ以上３００μｍ以下である。
【0059】
本実施の形態において、第１絞り流路１０４の流体抵抗は、第２絞り流路１０８の流体抵抗よりも大きく形成されている。なお、流体抵抗とは、流体の粘度および流速が一定の条件において、ある流路を流れる流体に掛かる抵抗の大きさを意味する。また、本実施の形態において、第２絞り流路１０８の長さは、第１絞り流路１０４の長さよりも短く形成されている。その理由は、以下のとおりである。
【0060】
第１絞り流路１０４と第２絞り流路１０８を含む絞り流路１１６は、圧力室１０３における液体吐出のための圧力変動が、隣接したノズル１０１に伝わるのを抑制する効果がある。上述したように、中間室１０５において液体を貯留することで、同様の効果が得られる。
【0061】
ここで、液体吐出ヘッド１０の小型化のためには、中間室１０５と絞り流路１１６のＸ軸方向に沿った長さの合計を短くすることが望ましい。このとき、第１絞り流路１０４の長さと、ノズル１０１から吐出される液滴の体積と、の間には強い関連性がある。このため、液体吐出ヘッド１０の設計時において、第１絞り流路１０４の長さは、製造したい液体吐出ヘッド１０の液滴体積に基づいて決定される。一方で、液体吐出ヘッド１０小型化のためには、第２絞り流路１０８を長くするよりも中間室１０５の容量を拡張する方が、圧力室１０３における圧力変動を減衰させる効果が大きいことが実験などから分かっている。このため、第２絞り流路１０６を短くしても十分に圧力変動を減衰させる効果が発揮されることが期待できる。なお、第２絞り流路１０６を設けない場合、中間室１０５による圧力変動減衰の効果が得られないため、第２絞り流路１０６は短くても配置することが非常に有効である。以上のことから、第２絞り流路１０６の長さは、第１絞り流路１０４の長さよりも短く、例えば、５０μｍ以上３００μｍ以下とすることが望ましい。
【0062】
このように、第２絞り流路１０８の長さを第１絞り流路１０４の長さより短くすることにより、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において液体の共振を生じさせて比較的短い共振周期を実現できるとともに、圧電素子１１２から圧力室１０３内の液体に加えられた圧力が隣接したノズル１０１に伝搬するのを防止する効果と、液体吐出ヘッド１０の小型化とを両立させることができる。
【0063】
また、上述したように、圧電素子１１２を駆動させず、ノズル１０１から液体が吐出されていない状態において、液体は上流側の共通流路１０９から下流側の共通流路１０９に流れ続けることにより循環する。このとき、上流側の共通流路１０９から下流側の共通流路１０９までの流路全体において液体に掛かる流路抵抗は、第１絞り流路１０４の流路抵抗と第２絞り流路１０８の流路抵抗とを直列的に加算したものと見なすことができる。液体吐出ヘッド１０において液体を循環させる観点からすると、流路全体の流路抵抗が小さいほど循環する液体の流量を制御しやすいため、第１絞り流路１０４の流路抵抗と第２絞り流路１０８の流路抵抗とはそれぞれ小さい方がよい。上述したように、第１絞り流路１０４の長さは要求される液滴体積によって決まるので、流路全体の流路抵抗を小さくするためには、第２絞り流路１０８の長さを、第１絞り流路１０４の長さよりも短くすることが望ましい。
【0064】
共通流路１０９は、ノズル１０１に供給する液体をＹ軸方向に沿って流通させる流路である。共通流路１０９には、フィルター１１１を介して、図２に示すハウジング１４に設けられた全体流路と接続される。全体流路は、図１に示す液体タンク２１０と接続されており、液体を液体タンク２１０から液体吐出ヘッド１０に供給する。
【0065】
共通流路１０９は、第３ダンパー１１０を有している。中間室１０５および第２絞り流路１０８に加えて、第３ダンパー１１０を設けたことにより、圧力室１０３内の液体に加えられた圧力が隣接するノズル１０１に伝搬する事態をより効果的に防止することができる。第３ダンパー１１０は、共通流路１０９において、フィルター１１１と対向する位置に設けられている。第３ダンパー１１０よりＺ軸方向における負側には、第３ダンパー１１０が圧力を逃がすための空間が設けられている。
【0066】
図３に示される例では、１つのノズル１０１および圧力室１０３に対し、液体の流れ方向における上流側と下流側、すなわち、Ｘ軸方向における正負両側には、それぞれ第１絞り流路１０４、中間室１０５、第２絞り流路１０８、および共通流路１０９が配置されている。ここで、第１絞り流路１０４、中間室１０５、第２絞り流路１０８、および共通流路１０９の形状は、例えば上流側と下流側とで互いに異なってもよい。具体的には、第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８は、上流側と下流側とで液体の流れ方向（Ｘ軸方向）に沿った長さが互いに異なってもよい。中間室１０５は、上流側と下流側とで容積が異なってもよい。中間室１０５に設けられる第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７の流れ方向に沿った長さは、上流側と下流側とで互いに異なってもよい。この場合、流れ方向においてノズル１０１から近い方の第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７の方が、ノズル１０１から遠い方の第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７よりも短く形成されていればよい。
【0067】
また、本開示は、１つのノズル１０１および圧力室１０３に対し、液体の流れ方向における上流側と下流側に、第１絞り流路１０４、中間室１０５、第２絞り流路１０８、および共通流路１０９がそれぞれ配置されている構成に限られず、例えば１つのノズルおよび圧力室に対し、１つの第１絞り流路、中間室、第２絞り流路、および共通流路のみが配置されてもよい。
【0068】
フィルター１１１は、共通流路１０９のＺ軸方向における正側を覆う部材である。フィルター１１１は、複数の貫通孔を有している。複数の貫通孔の径は、液体を通過させ、かつ、ノズル１０１が詰まる原因となり得るパーティクルを通過させない値に設定される。フィルター１１１が有する貫通孔は、ノズル１０１よりも小さい開口とするのが望ましく、当該貫通孔の直径は、例えば、３μｍ以上２０μｍ以下に設定されればよい。
【0069】
圧電素子１１２は、圧力室１０３内の液体に圧力を加える圧力源である。圧電素子１１２は、受圧部１１３と接着剤を介して接触している。圧電素子１１２は、図１に示す制御部２３０などの制御に基づき電圧が印加されることによって、例えば、Ｚ軸方向に伸縮するように変形する。圧電素子１１２には、例えば、Ｄ３３モードの積層型ピエゾアクチュエーターが用いられる。
【0070】
次に、図４から図６を参照して、液体吐出ヘッド１０の積層構造の一例について説明する。図４は、ノズルプレート１１の平面図である。図５は、流路プレート１２を構成する複数の積層体の平面図である。図６は、振動プレート１３の平面図である。図４から図６では、Ｚ軸方向の正側から平面視した各積層構造が示されている。
【0071】
ノズルプレート１１は、例えばＳＵＳ（Steel Use Stainless）を延伸した材料で構成される。ノズルプレート１１には、複数のノズル１０１がＹ軸方向に沿って形成されている。ノズル１０１の加工方法としては、レーザー加工、パンチング加工、エッチング加工などが適宜採用されればよい。なお、図４には、ノズル１０１の配列がノズルプレート１１に１列形成された例が示されている。ノズル１０１の配列を複数とする場合には、ノズルプレート１１上にＸ軸方向に沿ってノズル１０１の配列が形成されればよい。
【0072】
流路プレート１２は、第１積層体１２１、第２積層体１２２、第３積層体１２３、第４積層体１２４、第５積層体１２５、第６積層体１２６、および第７積層体１２７が、Ｚ軸方向の負側から正側に向かって順に積層されて構成される。図５Ａは、第１積層体１２１の平面図である。図５Ｂは、第２積層体１２２の平面図である。図５Ｃは、第３積層体１２３の平面図である。図５Ｄは、第４積層体１２４の平面図である。図５Ｅは、第５積層体１２５の平面図である。図５Ｆは、第６積層体１２６の平面図である。図５Ｇは、第７積層体１２７の平面図である。
【0073】
第１積層体１２１、第２積層体１２２、第３積層体１２３、第４積層体１２４、第５積層体１２５、第６積層体１２６、および第７積層体１２７は、例えばＳＵＳを延伸した材料で構成される。積層体同士は、接着剤などにより接着されてもよいし、熱拡散接合などにより接合されてもよい。
【0074】
第１積層体１２１から第７積層体１２７のそれぞれには、Ｚ軸方向に貫通する開口部が形成されている。図５には、それぞれの開口部に対応する液体吐出ヘッド１０の構成の符号を示している。
【0075】
第１積層体１２１は、サイロ１０２に対応する開口、ならびに、第２ダンパー１０７および第３ダンパー１１０が圧力を逃がすための空間に対応する開口を有する。第１積層体１２１の厚さは、例えば３０μｍ以上１００μｍ以下である。
【0076】
第２積層体１２２は、サイロ１０２に対応する開口を有する。図５Ｂでは、第１積層体１１２における第１ダンパーおよび第３ダンパー１１０に対応する位置が破線で示されている。実際には、第２積層体１２２の破線の位置は単なる平面である。第２積層体１２２の厚さは、例えば１０μｍ以上２５μｍ以下である。
【0077】
第３積層体１２３および第４積層体は、サイロ１０２、中間室１０５、および共通流路１０９に対応する開口を有する。第３積層体１２３および第４積層体の厚さは、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下である。
【0078】
第５積層体１２５は、圧力室１０３、中間室１０５、および共通流路１０９に対応する開口を有する。第５積層体１２５の厚さは、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下である。
【0079】
第６積層体１２６は、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、中間室１０５、第２絞り流路１０８、および共通流路１０９に対応する開口を有する。第６積層体１２６が有する開口には、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、中間室１０５、第２絞り流路１０８、および共通流路１０９のそれぞれの間に境界は形成されていないが、図５Ｆでは、境界に対応する位置を破線で示している。このように、第１絞り流路１０４と、第２絞り流路１０８とは、流路プレート１２のＺ軸方向における同じ位置に形成されている。第６積層体１２６の厚さは、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下である。
【0080】
第７積層体１２７は、圧力室１０３、中間室１０５、および共通流路１０９に対応する開口を有する。第７積層体１２７の厚さは、例えば３０μｍ以上１００μｍ以下である。
【0081】
図５Ｄから図５Ｆに示されるように、第４積層体１２４、第５積層体１２５、および第６積層体１２６には、Ｙ軸方向に沿って仕切り１１８が設けられている。図５Ｃおよび図５Ｇに示されるように、共通流路１０９のうち、Ｚ軸方向における最も正側の領域と、最も負側の領域には、仕切り１１８は設けられていない。この仕切り１１８は、例えば流路プレート１２の強度向上のために設けられている。ただし、本開示の液体吐出ヘッドにおいて、仕切りは設けられなくてもよい。
【0082】
第１積層体１２１から第３積層体１２３が積層されることにより、第２ダンパー１０７および第３ダンパー１１０が構成される。また、第１積層体１２１から第４積層体１２４が積層されることにより、サイロ１０２が構成される。
【0083】
第３積層体１２３から第７積層体１２７が積層されることにより、圧力室１０３、中間室１０５、および共通流路１０９が構成される。第５積層体１２５から第７積層体１２７が積層されることにより、第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８が構成される。なお、本開示において、第１絞り流路および第２絞り流路は、例えば第３積層体から第５積層体など、別の積層体によって形成されてもよい。
【0084】
振動プレート１３は、フィルター１１１に対応する領域と、第１ダンパー１０６および第１壁体１１４に対応する薄肉部１１７と、受圧部１１３および凸部１１５と、を有する。振動プレート１３の厚さは、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下である。振動プレート１３は、例えばポリイミド（Ｐｉ）、ＳＵＳ、または電鋳工法で形成されるニッケル（Ｎｉ）などで構成される。なお、本開示において、フィルター１１１は設けられなくてもよく、フィルターの代わりに単なる開口部が形成されてもよい。また、液体の流れ方向における上流側の共通流路においてはフィルターを設け、下流側の共通流路においてはフィルターを設けずに開口部としてもよい。
【0085】
凸部１１５は、第１ダンパー１０６と第１壁体１１４との間に、圧力室１０３と中間室１０５とを隔てる第１隔壁１１８と対向して突出する突起である。凸部１１５のＸ軸方向における長さは、第１隔壁１１８のＸ軸方向における長さと同じかそれより短い長さに形成される。
【0086】
液体吐出ヘッド１０の製造時において、受圧部１１３、第１壁体１１４、凸部１１５、および第１ダンパー１０６などを含む振動プレート１３を流路プレート１２に接合する際に、Ｚ軸方向における正側から凸部１１５を物理的に押すことで、振動プレート１３を流路プレート１２に強固に接合することができる。
【0087】
薄肉部１１７は、周囲よりも薄く形成された領域である。薄肉部１１７の厚さは、例えば２μｍ以上１０μｍ以下である。受圧部１１３および凸部１１５は、薄肉部１１７の領域内部に形成されている。
【0088】
このように、第１ダンパー１０６と、圧力室１０３の壁体の一部である第１壁体１１４とは、薄肉部１１７によって一体に形成されている。これにより、薄肉部１１７を構成する材料を有効活用でき、製造コストを低減できる。また、別部材を第１ダンパー１０６と第１壁体１１４とを別個に形成するためのコストが不要となるため、液体吐出ヘッド１０全体を小型化および低コスト化することができる。
【0089】
第１積層体１２１から第７積層体１２７が積層されて構成された流路プレート１２のＺ軸方向における負側にノズルプレート１１が接合される。これにより、サイロ１０２のＺ軸方向における負側にノズル１０１が配置される。
【0090】
また、流路プレート１２のＺ軸方向における正側に振動プレート１３が接合される。上述したように、この際、Ｚ軸方向における正側から凸部１１５を物理的に押すことで、振動プレート１３が流路プレート１２に強固に接合される。これにより、流路プレート１２のうち第３積層体１２３から第７積層体１２７に設けられた開口が振動プレート１３によって覆われ、圧力室１０３、中間室１０５、および共通流路１０９が構成される。
【0091】
［液体吐出ヘッド１０により得られる効果］
以下では、上述した構成を有する液体吐出ヘッド１０により得られる効果とその原理について詳細に説明する。
以下では、上述した構成を有する液体吐出ヘッド１０により得られる効果とその原理について詳細に説明する。
【0092】
一般的に、高精細な印刷を行うため、液体吐出ヘッドが吐出する液滴を小さくしたいという要望がある。一般的に、圧電方式の液体吐出ヘッドにおいて、吐出液滴の体積Ｖと、ノズルの断面積Ｓと、吐出速度ｖと、液体吐出ヘッドにおける流体系の共振周波数（ヘルムホルツ周波数）ｆとの間には、概ね以下の式（１）の関係があることが知られている。なお、式（１）では、印加電圧波形、および、液体の粘度等により定まるリガメント長などにより与えられる影響は考慮されていないが、吐出液滴の体積Ｖと、ノズルの断面積Ｓと、吐出速度ｖと、共振周波数ｆとの関係性を把握することは十分に可能である。
Ｖ＝（Ｓ×ｖ）／（２×ｆ） （１）
Ｖ＝（Ｓ×ｖ）／（２×ｆ） （１）
【0093】
上述したように、ノズルにおける液体の詰まりを防止するためには、ノズルの断面積Ｓは不必要に小さくしないことが望ましい。また、液体の吐出速度ｖを遅くすると、吐出の不安定性が増大したり、ロバスト性が悪化したりといった不具合が生じうるため、吐出速度ｖは不必要に遅くしないことが望ましい。
【0094】
式（１）によれば、ノズル断面積Ｓを不必要に小さくせず、吐出速度ｖを不必要に遅くせずに、吐出液滴の体積Ｖを小さくするためには、共振周波数ｆを大きく、言い換えると共振周期を短くすればよい。共振周期を短くする方法として、圧力室の容積を小さくする、または絞り流路の抵抗を小さくする方法などがある。
【0095】
しかしながら、圧力室の容積を小さく、または絞り流路の抵抗を小さくすることで共振周期を短くした場合、圧力室における液体の圧力変動が絞り流路および共通流路を介して隣接する他のノズルに伝わりやすくなる。この場合、液体の圧力変動が隣接ノズルにおける液体の吐出に悪影響を及ぼすクロストークが生じる。
【0096】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０は、圧力室１０３の容積を小さくするとともにノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系における液体の共振周期を利用して小滴なインクを吐出させることで、ノズル断面積をできるだけ大きく、吐出速度ｖをできるだけ速くした上で、共振周期を短くして吐出液滴の体積Ｖを小さくすることができるとともに、クロストークの悪化を防止できる。
【0097】
なお、共振周期を短くするために圧力室１０３の容積を小さくしたり流路抵抗を小さくしたりするだけでは、圧力室１０３における液体の圧力変動が隣接ノズルに伝わりやすくなり、クロストークが発生してしまう。これを抑制するため、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０では、圧力室１０３と共通流路１０９との間に、中間室１０５と、第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８の２つの絞り流路と、を設け、さらに中間室１０５の容積を圧力室１０３の容積より大きくしている。
【0098】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０では、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して、ノズル１０１から液体を吐出させる。ここで、圧力室１０３から見て中間室１０５よりも外側の第２絞り流路１０８および共通流路１０９は、液体吐出のための液体の共振に影響を及ぼしにくいようになっている。その理由については後述する。
【0099】
そして、中間室１０５の容積を圧力室１０３の容積より大きくしたことにより、圧力室１０３から第１絞り流路１０４を介して中間室１０５に到達した液体の体積は膨張する。これにより、圧力室１０３において生じる、液体を吐出させるための圧力変動が、中間室１０５において液体が膨張することで十分に減衰される。
【0100】
なお、本実施の形態の液体吐出ヘッド１０では、上述したように、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して液滴を吐出する。ここで、中間室１０５が圧力室１０３に対して十分に大きくない場合、圧力室１０３で生じる液体の圧力変動が十分に減衰されずに第２絞り流路１０８を介して共通流路１０９まで伝わるため、圧力室１０３と中間室１０５との間で共振が完結しない（完結する成分が少なくなる）。この場合、液体吐出ヘッド１０において、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５に加えて第２絞り流路１０８、共通流路１０９も含めた系において生じる共振が、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる共振に対して影響を与え、その結果として液体吐出ヘッド１０における共振周期が長くなる。その結果、吐出液滴の小滴化を実現するためにはノズル径を小さくするなどの別の方策を採用する必要が生じる。したがって、本実施の形態の液体吐出ヘッド１０では、圧力室１０３の容積を小さくすること、および第１絞り流路１０４の流路抵抗を小さくすることに加えて、中間室１０５の容積を圧力室１０３に対して十分に大きくすることにより、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して、共振周期を十分に短くする効果を得ることができる。
【0101】
このような構成により、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して共振周期を十分に短くする効果を得るとともに、液体吐出のために圧力室１０３において生じる液体の圧力変動は、中間室１０５および第２絞り流路１０８によって十分に減衰されて、共通流路１０９まで伝わりにくくなる。このため、流路系全体の共振周期を短くできるとともに、効果的にクロストークを抑制できる。
【0102】
さらに、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０では、中間室１０５が第１ダンパー１０６を有することにより、圧力室１０３から伝搬された圧力変動を吸収する効果を大幅に高めることができる。これにより、液体流路内の各所でそれぞれ生じる複数の共振のうち、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系における共振の強度を相対的に強くすることができる。すなわち、比較的短い共振周期で小液滴を吐出できるとともに、第１絞り流路１０４を通じて中間室１０５に流入した液体の圧力変動のうち、第２絞り流路１０８に直接流入する成分を大幅に少なくすることができる。すなわち、吐出液滴を小滴化するために共振周期を短くする効果と、クロストークを低減させる効果とをいずれも高めることができる。さらに、中間室１０５が第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７を有することで、中間室１０５における残留振動を効果的に減衰させることができる。これにより、クロストークをさらに効果的に抑制できる効果と、液体を高周波数で吐出した際の残留振動の影響を抑制する効果とを得ることができる。ここで、固有振動数の異なる第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７を中間室１０５内に配置することで、ダンパー自体の残留振動も早期に抑制できる。
【0103】
さらに、共通流路１０９が第３ダンパー１１０を有することにより、液体吐出のための圧力変動が共通流路１０９まで伝わったとしても、共通流路１０９においてその圧力変動を減衰させることができ、クロストークをさらに効果的に抑制できる。
【0104】
なお、中間室１０５ならびに中間室１０５に設けられた第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７により、液体吐出のためにノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５を含む流体系で生じる共振とは別に、第１ダンパー１０６および第２ダンパー１０７それぞれの固有振動に起因して圧力室１０３内に圧力変動が生じることがある。ここで、一般的に、液体吐出ヘッドでは、吐出された液滴はリガメント（飛翔する液滴に追随する液体の残滓）を伴って吐出されるが、高精細な印刷のためには、着弾する前に液滴とリガメントとが一体化して着弾することが望ましい。
【0105】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０では、液体がノズル１０１から吐出された後に、第１ダンパー１０６によって中間室１０５及び圧力室１０３内に生じさせる圧力変動によって、リガメントを吐出済みの液滴に押し込む方向の力を与えることができる。これにより、液滴とリガメントとを一体化させやすくなり、高精細な印刷を行うことができる。
【0106】
図７は、液体吐出ヘッド１０におけるノズル１０１の直径、液体吐出ヘッド１０における液体吐出のための共振周期、および液滴体積の関係の一例を示す図である。図７では、液体の吐出速度は６ｍ／ｓとしている。図７のグラフに示される各直線は、ノズル１０１の直径を１２μｍ、１３μｍ、１４μｍ、１５μｍ、１６μｍ、１７μｍ、１８μｍとしたときの、液滴体積と共振周期との関係を表している。なお、液体吐出のための共振周期とは、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振周期である。
【0107】
本実施の形態の液体吐出ヘッド１０では、上述したように、ノズル１０１の直径は、好ましくは、１２μｍ以上であり、さらに好ましくは、１５μｍ以上２０μｍ以下である。これは、一般的にノズルの直径を１２μｍ未満とした場合、ノズル先端から露出する液体表面が乾燥してノズル先端付近に固まりが生じることで、被印刷物の量産性が悪化するからである。
【0108】
図７によれば、例えばノズル１０１の直径を１５μｍに設定し、共振周期を約３．８μｓに設定して、液体吐出ヘッド１０を設計した場合、ノズル１０１から吐出される液滴を２ｐＬの小液滴とすることができる。また、液滴体積を１ｐＬとしたい場合には、例えばノズル１０１の直径が１３μｍ、共振周期が約２．５μｓとなるように、液体吐出ヘッド１０を設計すればよい。なお、液体吐出ヘッド１０の設計には、ノズル１０１の直径、圧力室１０３の容積と中間室１０５の容積との関係、および、第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８の流路断面積などの構造設計および流体共振周期に合わせて液滴を吐出する波形等のプロセス設計が含まれる。
【0109】
このように、本実施の形態では、望ましいノズル１０１の直径と液滴体積とに基づいて、液体吐出のための共振周期（すなわち、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４および中間室１０５により構成される流路系の共振周期）を適宜の値に設定し、それに合わせて液体吐出ヘッド１０を設計することで、所望の液滴体積を吐出できる液体吐出ヘッド１０が得られる。ここで、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０では、ノズル１０１の直径を加工しやすく詰まりが生じにくい１２μｍ以上とした場合でも、クロストーク等の流体特性を悪化させずに、共振周期を比較的短くすることで１ｐＬや２ｐＬといった小液滴を吐出できる。特に、高精細なディスプレイパネルにパターンを印刷する場合などには、１ｐＬや２ｐＬといった小液滴が要望されるが、本実施の形態の液体吐出ヘッド１０によればこのような要望に十分応えることができる。
【0110】
なお、液体吐出のための共振周期は、圧力室１０３および中間室１０５の容積、ならびに第１絞り流路１０４を流れる液体に生じる抵抗の大きさなどによって決まる。実際には、液体吐出のための共振周期は、圧力室１０３および中間室１０５の容積、第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８の流路断面積、ならびに液体の特性（粘度など）などをパラメータとして流体シミュレーションを行うことで推定できる。実用上は、液体吐出のための共振周期は、下記に示すような実験的手法によって導出および設定されればよい。
【0111】
なお、共振周期は、圧電素子１１２が圧力室１０３内の液体に圧力を与え、ノズル１０１先端におけるメニスカス（液体表面）が、Ｚ軸方向の正側（または負側）に移動してからＺ軸方向における負側（または正側）に移動した後、元の液面位置に戻るまでの時間である。共振周波数は共振周期の逆数である。液体吐出ヘッド１０の共振周期を設定するための実験手法としては、共振周期を段階的に変えた波形と吐出速度などの関係性を実験的に導出し、最も速度が速い（最も吐出効率が良い）周期を抽出する、一般的なシミュレーション手法が用いられればよい。
【0112】
図８は、圧電素子１１２に印加される印加波形の一例を示す図である。図８の縦軸は例えば印加電圧である。図８の横軸は時間である。液体吐出ヘッド１０の設計時においては、上述のシミュレーションにより導出した共振周期に基づいて、図８に示す共振周期を取るように液体吐出ヘッドの波形設定を行えばよい。
【0113】
以上説明したように、本実施の形態の液体吐出ヘッド１０は、第１の効果と第２の効果とを同時に奏することができる。なお、第１の効果とは、液体の吐出に関する共振周期を比較的短くしたことによる、ノズル１０１の大径化と吐出液滴の小滴化とを両立させる効果である。また、第２の効果とは、１つのノズル１０１における液体吐出時の圧力が隣接するノズルに伝搬することによる悪影響（クロストーク）を効果的に低減できる効果である。すなわち、本実施の形態の液体吐出ヘッド１０は、ノズル１０１断面積をできるだけ大きくしたうえで、吐出液滴の小滴化とクロストークの抑制とを両立させることができる。
【0114】
（その他の効果）
本実施の形態の液体吐出ヘッド１０は、上述した第１の効果および第２の効果以外にも、以下のような種々の効果を奏する。
本実施の形態の液体吐出ヘッド１０は、上述した第１の効果および第２の効果以外にも、以下のような種々の効果を奏する。
【0115】
＜作用、効果＞
以上説明したように、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０は、液体を吐出するノズル１０１に接続されている圧力室１０３と、圧力室１０３に液体を供給する共通流路１０９と、圧力室１０３と共通流路１０９との間に配置されており、圧力室１０３および共通流路１０９と絞り流路１１６によって接続されている中間室１０５と、を備え、中間室１０５の容積は、圧力室１０３の容積よりも大きい。
以上説明したように、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０は、液体を吐出するノズル１０１に接続されている圧力室１０３と、圧力室１０３に液体を供給する共通流路１０９と、圧力室１０３と共通流路１０９との間に配置されており、圧力室１０３および共通流路１０９と絞り流路１１６によって接続されている中間室１０５と、を備え、中間室１０５の容積は、圧力室１０３の容積よりも大きい。
【0116】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０では、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して、ノズル１０１から液体を吐出させる。ここで、圧力室１０３から見て中間室１０５よりも外側の第２絞り流路１０８および共通流路１０９は、液体吐出のための液体の共振に影響を及ぼしにくいようになっている。
【0117】
そして、液体吐出のための圧力変動が生じる圧力室１０３と共通流路１０９との間に、圧力室１０３よりも容積が大きい中間室１０５と、絞り流路１１６（第１絞り流路１０４および第２絞り流路１０８）と、を設けたことにより、液体吐出のために圧力室１０３において生じた圧力変動が、中間室１０５および絞り流路１１６によって減衰され、共通流路１０９まで伝わりにくくなっている。中間室１０５の容積を圧力室１０３の容積より大きくしたことにより、圧力室１０３から第１絞り流路１０４を介して中間室１０５に到達した液体の体積が膨張するため、圧力室１０３において生じる、液体を吐出させるための圧力変動が、中間室１０５において十分に減衰される。
【0118】
また、中間室１０５の容積を圧力室１０３の容積より大きくしたことにより、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系に生じる共振によって圧力室１０３内の液体をノズル１０１から吐出させることができ、第２絞り流路１０８、共通流路１０９を含む系における比較的長い共振周期が液体の吐出に与える影響を最小限に抑えることができる。このように、中間室１０５の容積を圧力室１０３の容積より大きくしたことにより、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０における共振周期を短くすることができるので、ひいては吐出液滴の小滴化と、クロストークの抑制とを両立させることができる。
【0119】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、中間室１０５の容積は、圧力室１０３の２倍以上である。このような構成により、液体の粘度または流量などに対するロバスト性を向上させることができる。そのため、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して、ノズル１０１から液体を吐出させる効果を、例えば粘度等の特性の異なるインクに対しても発揮しやすくなる。すなわち、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振の強度を、インク流路内の各所で生じる振動成分に対して相対的に高めることができる。よって、短い共振周期を利用して小滴な液滴を吐出させることができるとともに、クロストークをさらに抑制できる効果を向上させることができる。
【0120】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、中間室１０５は、第１ダンパー１０６を有する。このような構成により、液体吐出時に圧力室１０３内の液体に加えられた圧力を中間室１０５において効果的に減衰させることができる。また、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振を利用して、ノズル１０１から液体を吐出させる効果を発揮しやすくなる。すなわち、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５により構成される流体系において生じる液体の共振の強度を、インク流路内の各所で生じる振動成分に対して相対的に高めることができる。よって、中間室１０５にて圧力を吸収する機能を強化することができ、短い共振周期を利用して小滴な液滴を吐出させることができるとともに、クロストークをさらに抑制できる効果を向上させることができる。
【0121】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、第１ダンパー１０６は、圧力室１０３の容積を変化させる受圧部１１３に接続されている圧力室１０３の第１壁体１１４と一体に形成されている。このような構成により、第１壁体１１４と第１ダンパー１０６とを別体に形成する場合と比較して、液体吐出ヘッド１０の製造工程を少なくすることができるので、製造コストを低減できるとともに、薄肉部１１７を構成する材料を有効に活用することができる
【0122】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、絞り流路１１６は、圧力室１０３と中間室１０５とを接続する第１絞り流路１０４と、中間室１０５と共通流路１０９とを接続する第２絞り流路１０８とを有しており、第１絞り流路１０４を通過する液体に掛かる抵抗は、第２絞り流路１０８を通過する液体に掛かる抵抗よりも大きい。
【0123】
このような構成により、第２絞り流路１０８の長さを第１絞り流路１０４より短くすることができ、ひいては液体吐出ヘッド１０を小型化できる。また、液体吐出ヘッド１０の流路全体における液体の循環に対する流路抵抗を低減することができ、液体の循環流量を安定して増やすことができる。
【0124】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、第１ダンパー１０６と第１壁体１１４との間に、圧力室１０３と中間室１０５とを隔てる第１隔壁１１８と対向して突出する凸部１１５が設けられている。
【0125】
このような構成により、液体吐出ヘッド１０の製造時において振動プレート１３を流路プレート１２に接合する際に、Ｚ軸方向における正側から凸部１１５を物理的に押すことで、振動プレート１３を流路プレート１２に強固に接合することができる
【0126】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、第１ダンパー１０６の厚さは、５μｍ以下であり、中間室１０５の長手方向に沿った第１ダンパー１０６の長さは、２００μｍ以上である。また、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、中間室１０５は、第１ダンパー１０６と対向する位置に第２ダンパー１０７を有する。また、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、第２ダンパー１０７は、第１ダンパー１０６と異なる固有振動数を有する。
【0127】
このような構成により、ノズル１０１、圧力室１０３、第１絞り流路１０４、および中間室１０５の系で液体の共振を生じさせて比較的短い共振周期を実現するとともに、液体吐出時に圧力室１０３内の液体に加えられた圧力を中間室１０５においてより効果的に減衰させることができる。このような構成により、液体の粘度または流量などに対するロバスト性を向上させることができるので、例えば高粘度等のインクに対しても、短い共振周期を利用して小滴な液滴を吐出させることができるとともに、クロストークをさらに抑制できる効果を向上させることができる。
【0128】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、共通流路は、第３ダンパー１１０を有する。このような構成により、第２絞り流路１０８までで減衰しきれなかった圧力を共通流路１０９において効果的に減衰させることができる。
【0129】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、第３ダンパーの厚さは、第１ダンパーより大きく、第３ダンパーの長手方向に沿った長さは、第１ダンパーの長手方向に沿った長さの５倍以上である。このような構成により、第２絞り流路１０８までで減衰しきれなかった圧力を共通流路１０９においてより効果的に減衰させることができる。
【0130】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、ノズルの最小径は１５μｍ以上であり、ノズルから吐出される液滴の体積は２．５ｐＬ以下である。または、本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、ノズルの最小径は１２μｍ以上であり、ノズルから吐出される液滴の体積は１．５ｐＬ以下である。このように、液体吐出ヘッド１０は、ノズル１０１の大径化と吐出液滴の小滴化とを両立させることができる。
【0131】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、共通流路１０９、絞り流路１１６、および中間室１０５は、圧力室１０３から見て液体の流れ方向における上流側および下流側に１つずつ設けられている。このような構成により、液体を循環させて利用する印刷装置に適用することができる。
【0132】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、中間室１０５の容積は、液体の流れ方向における上流側と下流側とで互いに異なる。このような構成により、上流側と下流側それぞれにおける、中間室１０５、第２絞り流路１０８、および共通流路１０９の間の系に生じうるヘルムホルツ共振の周期をずらすことができ、当該系に生じる共振により生じうるクロストークを低減することができる。なお、共振の周期をずらすために、中間室１０５の容積ではなく、第２絞り流路１０８の容積が上流側と下流側とで異なるように構成してもよい。
【0133】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、中間室１０５は、上流側と下流側とで流れ方向に沿った長さが互いに異なる第１ダンパー１０６をそれぞれ有している。このような構成により、上流側と下流側とで第１ダンパー１０６の振動周期をずらすことができる。例えば液体を高周波数で吐出する場合などには、第１ダンパー１０６自体の振動と吐出タイミングとが互いに重なることで、吐出状態が変動することがあるが、上流側と下流側それぞれにおいて第１ダンパー１０６の振動周期をずらすことにより、第１ダンパー１０６自体により生じる吐出への影響を抑制することができる。
【0134】
本開示の実施の形態に係る液体吐出ヘッド１０によれば、流れ方向におけるノズル１０１の位置は、液体の流れ方向における圧力室１０３の中心部から上流側または下流側にずれて配置されており、流れ方向においてノズル１０１に近い第１ダンパー１０６の長さは、ノズル１０１から遠い第１ダンパー１０６の長さより短い。ノズル１０１に近い第１ダンパー１０６は、サイロ１０２で液体の圧力が吸収される分、圧力室１０３内の圧力変動が中間室１０５まで伝わりにくい。このため、ノズル１０１に近い第１ダンパー１０６は、必要とされる圧力吸収量が小さくなるので、遠い側の第１ダンパー１０６よりも短くすることにより、上流側および下流側のそれぞれにおいて必要最小限のダンパーを配置することができ、液体吐出ヘッド１０の小型化の効果を得ることができる。
【0135】
本開示の実施の形態に係る印刷装置２００は、以上説明した液体吐出ヘッド１０と、液体吐出ヘッド１０に対して被印刷物３００を相対的に移動させるステージ２２０（移動機構）と、液体吐出ヘッド１０およびステージ２２０を制御する制御部２３０と、を備える。
【0136】
このような構成により、ノズル１０１をできるだけ大径化し、吐出速度をできるだけ早くした上で、吐出液滴の小滴化とクロストークの抑制とを両立することができる液体吐出ヘッド１０を用いた印刷装置２００を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【0137】
本開示は、高精細な印刷のための液体吐出ヘッドに有用である。
【符号の説明】
【0138】
１０ 液体吐出ヘッド
１０１ ノズル
１０２ サイロ
１０３ 圧力室
１０４ 第１絞り流路
１０５ 中間室
１０６ 第１ダンパー
１０７ 第２ダンパー
１０８ 第２絞り流路
１０９ 共通流路
１１０ 第３ダンパー
１１１ フィルター
１１２ 圧電素子
１１３ 受圧部
１１４ 第１壁体
１１５ 凸部
１１６ 絞り流路
１１７ 薄肉部
１１８ 第１隔壁
１１ ノズルプレート
１２ 流路プレート
１２１ 第１積層体
１２２ 第２積層体
１２３ 第３積層体
１２４ 第４積層体
１２５ 第５積層体
１２６ 第６積層体
１２７ 第７積層体
１３ 振動プレート
１４ ハウジング
１５ 圧力変動部
２００ 印刷装置
２１０ 液体タンク
２２０ ステージ（移動機構）
２３０ 制御部
３００ 被印刷物
１０１ ノズル
１０２ サイロ
１０３ 圧力室
１０４ 第１絞り流路
１０５ 中間室
１０６ 第１ダンパー
１０７ 第２ダンパー
１０８ 第２絞り流路
１０９ 共通流路
１１０ 第３ダンパー
１１１ フィルター
１１２ 圧電素子
１１３ 受圧部
１１４ 第１壁体
１１５ 凸部
１１６ 絞り流路
１１７ 薄肉部
１１８ 第１隔壁
１１ ノズルプレート
１２ 流路プレート
１２１ 第１積層体
１２２ 第２積層体
１２３ 第３積層体
１２４ 第４積層体
１２５ 第５積層体
１２６ 第６積層体
１２７ 第７積層体
１３ 振動プレート
１４ ハウジング
１５ 圧力変動部
２００ 印刷装置
２１０ 液体タンク
２２０ ステージ（移動機構）
２３０ 制御部
３００ 被印刷物
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】