液滴吐出ヘッド
【課題】常温で高粘度液体を高い駆動周波数で吐出可能な液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】梁部材１４は液滴吐出方向および逆方向に撓み可能であり、保持部材１８の内部に設けたプール２４から供給され、梁部材１４の反吐出面を伝ってノズル１６まで達した液４を慣性によって吐出方向に液滴として吐出する。プール２４の反吐出面側には開口部２４Ａが設けられ、プール２４内から液溜まり１３まで連通している。液溜まり１３は梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面と所定の間隙１３Ａを空けて設けられた板状部材１２とで形成され、液４は開口部２４Ａから間隙１３Ａに滲み出し、間隙１３Ａに溜まった液４は液４に対して親液処理が施された梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面をノズル１６まで滲み伝わることでノズル１６に液４を補充する。
【解決手段】梁部材１４は液滴吐出方向および逆方向に撓み可能であり、保持部材１８の内部に設けたプール２４から供給され、梁部材１４の反吐出面を伝ってノズル１６まで達した液４を慣性によって吐出方向に液滴として吐出する。プール２４の反吐出面側には開口部２４Ａが設けられ、プール２４内から液溜まり１３まで連通している。液溜まり１３は梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面と所定の間隙１３Ａを空けて設けられた板状部材１２とで形成され、液４は開口部２４Ａから間隙１３Ａに滲み出し、間隙１３Ａに溜まった液４は液４に対して親液処理が施された梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面をノズル１６まで滲み伝わることでノズル１６に液４を補充する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッドに関し、特に高粘度のインクを液滴として吐出する液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置として知られている現在市販されている水性インクジェットプリンターは、概ね粘度５cps前後、高々１０cpsオーダの染料インクや顔料インクを採用している。媒体に着弾した際のインク滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制／短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度を増加することによってプリント性能は向上できることが知られている。
【０００３】
反面、高粘度液を吐出するには、高出力な圧力発生機構が必要であり、コストやヘッドサイズ増加等の弊害を招く。従来からイジェクターにヒーターを別途設け、吐出時のインク粘度を強制的に下げる技術は公知である（例えば、特許文献１参照）が、インクを加熱する上記の方法はインク劣化や流路のダメージを早める根本課題があり、また使用できるインクも熱による劣化のないものに制限される。
【０００４】
このほか、インク吐出する際の逆方向へのインク流を梁状の弁によって抑制し、より高粘度なインクを吐出する技術（例えば、特許文献２参照）が開示されている。
【０００５】
大変形が得られる座屈曲がりを利用し、圧力発生機構自体をパワーアップする方法として、発熱体層との熱膨張差で変形するダイヤフラム状アクチュエータを使用した技術（例えば、特許文献３参照）、また、同様の構成で片持ち梁状のアクチュエータを使用した技術（例えば、特許文献４参照）が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術でも、粘度１０cpsを大きく上回る５０〜１００cpsのような高粘度液を、常温において安定吐出することは極めて困難である。
【０００７】
本願発明者らは、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用して、ノズルから高粘度液滴を所望の方向に慣性離脱させる液滴吐出ヘッドを先に出願した（特許文献５〜８参照）。
【０００８】
すなわち図８（Ａ）（Ｂ）に示すインク吐出ヘッド１００のように、インクプール１２４から補充されるインクは梁部材１１４と一体的に設けられたインク流路部材１１２内のインク流路１１３を通過してノズル１１６に至り、梁部材１１４が吐出方向に座屈反転変形する際にノズル１１６から高粘度のインクを吐出する。
【０００９】
本願発明者が上記課題に対する検討を進めた結果、上記方式のヘッドにおいて高粘度な液体を吐出するためには、高粘度液の流路抵抗によって生じるリフィル（ノズルへの液体供給）の遅れを解決することが重要であり、それには閉じた流路を通してノズルに液体を送ることでリフィルする従来方式と異なり、ノズル内壁と梁の裏面を液体の濡れ性が高い状態に形成し、液体に圧力を印加しないオープンな流路を設け、この流路部分を液体が滲み伝わる現象を利用してノズルに液体供給する方法が有効であることがわかった。
【００１０】
さらに、ノズル直下の吐出反対側に隙間をあけて液体溜り(液体の自由表面が露出した溜り)を設け、梁が吐出方向反対側に弾性変形した際、ノズル裏面と液体溜りの液体表面とを接触させることでノズル孔に液体を充填する方式もまた有効であることが分かった。
【００１１】
本発明は、先願の発展技術であり、高粘度液体のリフィル遅れを改善し、より高速／高周波に液滴吐出できるヘッドを提供することを目的とする。
【特許文献１】特開２００３−２２０７０２号公報
【特許文献２】特開平９−３２７９１８号公報
【特許文献３】特開２００３−１１８１１４号公報
【特許文献４】特開２００３−３４７１０号公報
【特許文献５】特願２００４−３２２３４１号公報
【特許文献６】特願２００４−３２２３４２号公報
【特許文献７】特願２００４−３２２３４３号公報
【特許文献８】特願２００４−３２２３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記事実を考慮し、常温で高粘度液体を高い駆動周波数で吐出可能な液滴吐出ヘッド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】
【００１３】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、前記梁部材の長手方向の少なくとも一端に設けられ前記反液滴吐出面を通じて前記ノズルへ前記液を供給する液溜まりと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記構成の発明では、液溜まりから梁部材の反吐出面側に伝わった液がノズルから吐出されるので、液をノズルまで加圧給送する流路部材を梁部材に設ける必要が無く、流体抵抗が発生しないのでノズルへの液体供給遅れおよびメニスカスの復帰遅れを防ぐことができる。
【００１５】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは、前記梁部材と前記梁部材から所定の隙間を空けて設けられた板状部材との間に形成される間隙であることを特徴とする。
【００１６】
上記構成の発明では、梁部材と板状部材の間に液溜まりを形成するので、簡易な構造で液をノズルまで給送することができる。
【００１７】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドは、前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める撥液処理を行ったことを特徴とする。
【００１８】
上記構成の発明では、梁部材の吐出面に液が広がりにくく、吐出方向に梁部材が座屈反転した際、吐出面から液滴が慣性離脱しやすい。
【００１９】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドは、前記梁部材の反吐出面には前記液体に対して親液性を高める親液処理を行ったことを特徴とする。
【００２０】
上記構成の発明では、梁部材の反吐出面を伝わる液が広がりやすく、吐出方向に梁部材が座屈反転した際、ノズルに液が集まりやすい。
【００２１】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドは、前記親液処理は前記梁部材の反吐出面に微細な凹凸を形成する処理であることを特徴とする。
【００２２】
上記構成の発明では、微細ブラスト加工などにより簡易な方法で梁部材の反吐出面の親液性を高めることができる。
【００２３】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、前記梁部材の反吐出面側に設けられ、前記梁部材が液滴吐出方向に凹となるように座屈反転変形する際に、前記梁部材の反吐出面側ノズル近傍部分が接触する液溜まりと、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
上記構成の発明では、液溜まりから梁部材の反吐出面側ノズル近傍に移り、ノズル内壁へ伝わって充填された液がノズルから吐出されるので、液をノズルまで加圧給送する流路部材を梁部材に設ける必要が無く、流体抵抗が発生しないのでノズルへの液体供給遅れおよびメニスカスの復帰遅れを防ぐことができる。
【００２５】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは前記梁部材のノズル近傍にのみ接触することを特徴とする。
【００２６】
上記構成の発明では、梁部材と接触する液溜まりがノズル近傍のみ接触するのでノズル以外の部分が液溜まりと接触することにより座屈反転の際に発生する液体剪断抵抗を抑えることができる。
【００２７】
請求項８に記載の液滴吐出ヘッドは、前記ノズル内壁面および前記梁部材の反吐出面の前記ノズル近傍には、前記液体に対して親液性を高める処理を行ったことを特徴とする。
【００２８】
上記構成の発明では、親液処理を施した梁部材の反吐出面に、液溜りから液が移りやすく、また吐出方向に梁部材が座屈反転した際、ノズルに液が集まりやすい。
【００２９】
請求項９に記載の液滴吐出ヘッドは、前記ノズル近傍を除く前記梁部材の反吐出面と、前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める処理を行ったことを特徴とする。
【００３０】
上記構成の発明では、梁部材の吐出面、および反吐出面のノズル以外の部分に液が広がりにくく、吐出方向に梁部材が座屈反転した際、吐出面から液滴が慣性離脱しやすい。
【００３１】
請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは所定の隙間を空けて設けられた２枚の板状部材の間に、前記液体を圧送することで前記板状部材の間から凸状に盛り上がった液面であることを特徴とする。
【００３２】
上記構成の発明では、液を圧送するための閉じた流路、チャンバなどを必要とせず、ノズルに液体を供給できる。また梁部材と液溜まりの板部材とを非接触とできるので静音性や耐久性に優れた液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００３３】
請求項１１に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは多孔質の弾性体に染み込ませた前記液体であることを特徴とする。
【００３４】
上記構成の発明では、液体を加圧供給する必要がないので、より簡易な構造とすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は上記構成としたので、常温で高粘度の液滴を高い駆動周波数で吐出可能な液滴吐出ヘッドとすることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
＜基本構成＞
図１には、本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００３７】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、液滴吐出ヘッド１０は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材１８が支持し、保持部材１８は回転エンコーダ２０に固定され、回転エンコーダ２０の回動に伴って長さ方向両端側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられ液滴吐出方向（図中上）あるいは逆方向に梁部材１４を撓ませる構造となっている。
【００３８】
図１（Ｂ）に示すように、梁部材１４には、薄膜状のピエゾ素子３０が接合され、さらにピエゾ素子３０には個別電極３２が形成され梁部材１４、ピエゾ素子３０、個別電極３２でアクチュエータ３６を構成している。梁部材１４はピエゾ素子３０の共通電極を兼ねており、梁部材１４と個別電極３２とでピエゾ素子３０を挟む構造となっている。
【００３９】
個別電極３２の一方の端には電極パッド３３が設けられ、配線にて図示しないスイッチングＩＣと接続されている。このスイッチングＩＣからの信号によりピエゾ素子３０は駆動され、梁部材１４を撓ませる／撓ませないの制御が行われる。
【００４０】
ノズル１６は梁部材１４を含むアクチュエータ３６を吐出方向（図中上下）に貫通して形成され、梁部材１４の吐出面（図中上側）には液４に対して撥液処理が施され、梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）には液４に対して親液処理が施されている。また全面にわたって液による腐食や電極間のショートなどからピエゾ素子３０を保護する絶縁保護膜が形成されている。
【００４１】
なお、本実施形態において、夫々の梁部材１４は厚さ１０μｍ、幅１５０μｍ、長さ５ｍｍのＳＵＳ材からなり、図１（Ｃ）に示すように、複数の梁部材１４が１７０μｍピッチで整列した構成となっている。また、梁部材１４にレーザ加工で形成されたノズル１６は直径３０μｍとし、アクチュエータ３６を貫通する部分では、穴径を６０μｍに広げ、液４が充填されやすいようにしている。
【００４２】
梁部材１４は液滴吐出方向（図中上）および逆方向に撓み可能であり、保持部材１８の内部に設けたプール２４から供給され、梁部材１４の反吐出面（図中下側）を伝ってノズル１６まで達した液４を慣性によって吐出方向に液滴として吐出する。
【００４３】
プール２４の反吐出面側には開口部２４Ａが設けられ、プール２４内から液溜まり１３まで連通している。液溜まり１３は梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）と所定の間隙１３Ａ（約１００μｍ）を空けて設けられた板状部材１２とで形成され、液４は開口部２４Ａから間隙１３Ａに滲み出し、間隙１３Ａに溜まった液４は液４に対して親液処理が施された梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）をノズル１６まで滲み伝わる。本実施形態では、反吐出面側にメッシュ４０００の微細砥粒を吹き付けるブラスト加工によって、表面に微細凹凸を形成する方法で親液処理を施した。
【００４４】
ここで用いられる吐出液は前述のように、媒体に着弾した際の滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制や短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、液粘度の極めて高い、具体的には粘度２０cpsを大きく上回るような、例えば５０〜１００cpsの高粘度液である。
【００４５】
本実施形態においては液４の粘度が上記のように大きくとも、大きな流体抵抗が発生する閉じた流路ではなく、開放され流路抵抗が少なく圧力の印加されない流路として液４に対して親液処理が施された梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）を液４がノズル１６まで滲み伝わることで、ノズル１６から液滴２として吐出された液４のリフィル（再充填）、メニスカス（液面）の復帰が阻害される虞をなくし、高粘度の液４を用いながら安定して高速・高周波で液滴吐出を行う液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００４６】
さらに本実施形態においては、高画質化に伴うノズル１６の高密度化（ピッチの極小化）による液流路の細径化からくる流路抵抗の増大が発生しない点に加え、従来の流路部材と梁部材の接合、および流路部材中に液を充填することによる梁部材や流路部材の重量増加、座屈反転速度低下による吐出性劣化などの虞もなく、高粘度の液を安定して高密度・高速に吐出させることができる。
【００４７】
＜吐出原理＞
図２、３には、本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作が示されている。
【００４８】
まずアクチュエータ３６を駆動せず、液滴２を吐出しない場合は、図２（Ａ−１）のように例えば梁部材１４が予め液滴吐出方向（図中上）に撓みを持たせた状態であり、吐出を指示する信号がスイッチングＩＣより送られないためアクチュエータ３６が駆動されない。
【００４９】
図２（Ａ−２）のように回転エンコーダ２０を矢印方向に回動させると、まず吐出方向（図中上）に撓みが発生し、そのまま図２（Ａ−３〜４）のように梁部材１４は液滴吐出方向に撓むのみであって、撓み量が最大となる図２（Ａ−４）に至るまで梁部材１４は常に液滴吐出方向に凸であり続ける。
【００５０】
すなわち図２（Ａ−１〜４）まで梁部材１４が変位するまでの間に梁部材１４内部の液４に吐出方向（図中上）への十分な加速度が加わらないため、液滴２としてノズル１６から吐出されることはない（図２（Ａ−５））。
【００５１】
さらに図２（Ａ−４）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転して梁部材１４を平坦にすることで梁部材１４は初期位置図２（Ａ−１）へ復帰する。
【００５２】
一方、アクチュエータ３６を駆動し、液滴２を吐出する場合は吐出を指示する信号がスイッチングＩＣより送られ、図２（Ｂ−２）に示すようにアクチュエータ３６が駆動されることによって梁部材１４が液滴２吐出方向に対して凹（図中下）に撓みを持たせるようにされた状態であり、図２（Ｂ−２〜４）のように回転エンコーダ２０を正転（図中矢印方向）させると梁部材１４は回転エンコーダ２０に近い方、すなわち両端から次第に吐出方向（図中上）に凸へと撓み方向が変化する。
【００５３】
この撓み方向変化が両端から中央に近付くと、梁部材１４はある点で急峻な座屈反転を起こし、液滴２吐出方向（図中上）へと急激に変形する（図２（Ｂ−３〜４）に中央部の変形を強調して記載）。
【００５４】
梁部材１４の長さ方向略中央にはノズル１６が設けられているため、ノズル１６まで達している液４はこの座屈反転による梁部材１４の吐出方向への変形に伴い、ノズル１６から液滴２として吐出される（拡大図２（Ｂ−５））。
【００５５】
さらに図２（Ｂ−４）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転して梁部材１４を平坦にすることで梁部材１４は初期位置へ復帰し、液滴吐出方向（図中上）に撓みを持った状態に戻る。
【００５６】
なお、上記の実施形態では、アクチュエータ３６を駆動した時に梁部材１４が吐出方向に対して凹（図中下）に撓み、座屈反転が起こって液滴２が吐出する構成としたが、アクチュエータ３６を駆動しない時に梁部材１４が予め吐出方向に対して凹に撓んだ形状とし、アクチュエータ３６を駆動した時には梁部材１４が吐出方向に対して凸（図中上）に撓むよう構成しても、同様に信号の有無によって液滴２を吐出／非吐出を制御することができる。
【００５７】
上記の座屈反転による変形は通常のアクチュエータなどによる変位と比較すれば非常に大きなものであり、本発明に採用した高粘度インクであっても十分にインク滴２として吐出することが可能である。
【００５８】
図３には、ノズル１６近傍における液４の吐出動作時の動きが示されている。
【００５９】
図３（Ａ）に示す液溜まり１３の液４は、図３（Ｂ−１）のようにノズル１６近傍においては梁部材１４がアクチュエータ３６により吐出方向に凹となる（あるいは予め形成され）一方、図３（Ｃ）に拡大図として示すように板状部材１２と梁部材１４との間隙にプール２４（図示せず）から開口部２４Ａ（図示せず）を通じて充填された液４は、親液処理を施された梁部材１４の反吐出面を滲み伝わりながらノズル１６近傍まで到達する。
【００６０】
このときアクチュエータ３６による梁部材１４の座屈反転で、液４にノズル１６の方向に進もうとする遠心力が加わることで液４の動きが加速される。さらに液４は図３（Ｂ−３）のようにノズル１６に充填され、回転エンコーダ２０の動作で梁部材１４が座屈反転することで図３（Ｂ−４〜５）のようにノズル１６内の液４には吐出方向（図中上）に大きな加速度が掛かり、液滴２として吐出される。
【００６１】
＜第２実施形態＞
図４には、本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００６２】
図４（Ａ）に示すように、液滴吐出ヘッド１１は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材１８が支持し、保持部材１８は回転エンコーダ２０に固定され、回転エンコーダ２０の回動に伴って長さ方向両端側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられ液滴吐出方向（図中上）あるいは逆方向に梁部材１４を撓ませる構造となっている点において第１実施形態と同様である。
【００６３】
本実施形態において液溜まり１３は保持部材１８に設けられず、梁部材１４の反吐出側（図中下）に設けられ、回転エンコーダ２０またはアクチュエータ３６によるノズル１６近傍の梁部材１４の移動により液面と梁部材１４とが直接接触することで、親液処理をほどこした梁部材１４の反吐出面に液４を供給・補充する。
【００６４】
図４（Ｂ）に示すように、液溜まり１３は複数の板状部材１２を所定の間隔を空けて設け、板状部材１２の間隙１３Ａに液圧４Ａを印加した液４を加圧供給している。液４は加圧されているので、間隙１３Ａから表面張力により盛り上がった液面４Ｂを形成し、梁部材１４の反吐出面に液４のみが接触する。これにより梁部材１４と板状部材１２との干渉音発生や衝撃による故障の発生を防ぐことができる。
【００６５】
このとき、間隙１３Ａを塞ぐ形で多孔質の弾性体（例えばスポンジ）を設けてもよい。これにより梁部材と液溜まり１３との接触時に液４の飛び散りを防ぐことができる。また、弾性体の形状により液面４Ｂの高さを制御することもできる。
【００６６】
図５には、本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作が示されている。
【００６７】
図５（Ａ−１）はアクチュエータ３６が駆動されることによって梁部材１４が液滴２吐出方向に対して凹（図中下）に撓みを持たせるようにされた状態であり、図５（Ｂ−１）に拡大して示すように液溜まり１３からは液圧４Ａにより液４が盛り上がった液面４Ｂを形成しているので、ノズル１６近傍の梁部材１４は図５（Ｂ−２）に示すように液面４Ｂに接触し、容易に液４をノズル１６に取り込むことができる。
【００６８】
回転エンコーダ２０が作動し、図５（Ａ−２）のように梁部材１４が吐出方向に移動し始めると図５（Ｂ−４）のようにノズル１６は液面４Ｂから離れ、さらに回転エンコーダ２０が作動を続け図５（Ａ−３）のように梁部材１４が座屈反転を起こせばノズル１６内の液４は液滴２として吐出される。
【００６９】
このとき、例えば液溜まり１３がノズル１６直近のみでなく梁部材１４の長さ方向全体に渡って存在した場合、図５（Ｃ）に示すように梁部材１４は長さ方向の略全体にわたって液４と接触する。このように広範囲で梁部材１４と液４とが接触すると、座屈反転動作時に梁部材１４には過大な液体剪断抵抗が発生する。これにより梁部材１４は反吐出側に引っ張られ、吐出時に必要となる急峻な慣性が得られず吐出性能に悪影響を及ぼす虞がある。
【００７０】
このような事態を防ぐため、梁部材１４はノズル１６の直径以上、直径の１０倍の範囲で液面４Ｂと接触することが好ましい。本実施形態において液溜まり１３は、２枚の板状部材１２を２５０μｍの隙間で設け、またノズル１６の反吐出面側は、直径３０μｍの孔径に対し直径２００μｍの範囲に親液処理を施し、ノズル１６直近にのみ液面４Ｂが接触するように構成している。
【００７１】
＜第３実施形態＞
図６には、本発明の第３実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００７２】
本実施形態に係る液滴吐出ヘッド２１は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材が支持し、保持部材は回転エンコーダに固定され、回転エンコーダの回動に伴って長さ方向両端側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられ液滴吐出方向あるいは逆方向に梁部材１４を撓ませる構造となっている点において第１実施形態と同様である。
【００７３】
本実施形態においては、隣り合う梁部材１４の形状、および間隙１５を図６（Ａ）に示すように構成し、ノズル１６千鳥配列とすることでノズル１６同士の間隔を縮め（ノズルピッチを小さくし）、ノズル密度を向上させることで更に高密度な吐出を行うことができる。例えば本実施形態では、梁部材１４の細い部分の幅を５０μｍ、開放流路１４Ｃが形成された部分の梁部材１４の幅は第１実施形態と同様の１５０μｍ、間隙１５は２０μｍで形成している。これによって、第１実施形態におけるノズル１６のピッチが１７０μｍであったのに対し、本実施形態では１２０μｍピッチで整列することができる。
【００７４】
また梁部材１４を平滑な表面構成ではなく、親液処理を施した開放流路１４Ｃを設け、液４をノズル１６に供給することを特徴とする。
【００７５】
本実施形態では、図示しない液溜まり１３から開放流路１４Ｃに供給される液４は、親液処理による濡れ性と梁部材１４の座屈反転時に発生する遠心力のみによってノズル１６に供給・リフィルが行われる。
【００７６】
図６（Ｂ）（Ｃ）は、開放流路１４Ｃを図面の左右方向から見た断面図である。図６（Ｂ）に示すように開放流路１４Ｃを、液溜まり１３からノズル１６まで延びるスリットとして、開放流路１４Ｃ以外の表面を撥液膜１４Ａで覆い、スリット内部を親液膜１４Ｂで覆うことで、開放流路１４Ｃのみに液４を通し、液溜まり１３からノズル１６まで上記のように親液処理による濡れ性と梁部材１４の座屈反転時に発生する遠心力によって液４を供給することができる。
【００７７】
あるいは図６（Ｃ）に示すように開放流路１４Ｃをスリットではなく梁部材１４の反吐出面（図中左）に設けた溝としてもよい。この場合は溝内部を親液膜１４Ｂで覆い、それ以外の梁部材１４表面を撥液膜１４Ａで覆うことによって同様の効果を得ることができる。
【００７８】
＜第４実施形態＞
図７には、本発明の第４実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００７９】
図７（Ａ）に示すように、液滴吐出ヘッド３１は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材１８が支持している点において第１実施形態と同様であるが、保持部材１８を回転させる回転エンコーダを備えず、ピエゾアクチュエータの変形のみで吐出の有無を制御している。
【００８０】
図７（Ａ）に示すように、保持部材１８に長さ方向端部を保持された梁部材１４はピエゾ素子３０、個別電極３２と共に吐出・非吐出を制御するアクチュエータ３６を構成し、共通電極を兼ねた梁部材１４にはピエゾ素子３０の反対側面に共通電線３３が設けられている。個別電極３２、共通電線３３はそれぞれ図示しない個別電極パッド、共通電極パッドに結線され、図示しないスイッチングＩＣからの信号によりアクチュエータ３６は駆動され、梁部材１４を撓ませる／撓ませないの制御が行われる。
【００８１】
まず図７（Ｂ−１）に示すように反吐出方向（図中下）に撓み、あるいは予め反吐出方向に凸となるような形状となっているアクチュエータ３６によって梁部材１４が反吐出方向（図中下）に撓んでいる（あるいは梁部材１４もまた予め反吐出方向に凸となるような形状となっていてもよい）。
【００８２】
ここで梁部材１４の反吐出面は液溜まり１３の液面４Ｂに接触し、ノズル１６に液４を補充する。液４は液圧４Ａ（図中白矢印）で加圧され、吐出方向に盛り上がった液面４Ｂから容易に液４をノズル１６に取り込むことができる。
【００８３】
次いでアクチュエータ３６が作動し、吐出方向（図中上）に変形が開始されると梁部材１４の曲がり、すなわち反吐出方向への撓み変形量は増加するが梁部材１４の支持部そのものは吐出方向に移動するため、ノズル１６近傍の梁部材１４は同じく吐出方向に移動し、液面４Ｂから離れることでノズル１６内に液４が充填されたまま残る。
【００８４】
さらに図７（Ｂ−３）でアクチュエータ３６が吐出方向に変形（撓み増加）すると梁部材１４は座屈反転変形を起こし、図７（Ｃ−４）に示すようにノズル１６内の液４は液滴２となって吐出方向に吐出される。
【００８５】
このとき、第２実施形態と同様、広範囲で梁部材１４と液４とが接触すると、座屈反転動作時に梁部材１４には過大な液体剪断抵抗が発生し吐出時に必要となる急峻な慣性が得られず吐出性能に悪影響を及ぼす事態を防ぐため液溜まり１３はノズル１６直近にのみ液面４Ｂを設けている。液４の不要な付着による吐出性能の劣化をさけるため、また液４の表面張力でノズル１６に液４を接触補充するのでノズル１６の吐出表面側や、梁部材１４反吐出面側のノズル１６近傍以外の領域は撥液処理を施されている。
【００８６】
＜その他＞
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【００８７】
例えば、上記実施の形態では、アクチュエータはピエゾ素子３０と梁部材１４とからなっているが、ピエゾ素子３０のかわりに発熱抵抗体を利用し、熱膨張差で撓み変形するアクチュエータであっても良いし、静電力や磁力を利用したものであっても良い。或いは、その他の形態のアクチュエータであっても良い。
【００８８】
また、本明細書における液滴吐出ヘッドは必ずしもインク等を用いた記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また吐出される液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す図である。
【図２】本発明に係る液の吐出動作を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る液滴吐出ヘッドとその動作を示す図である。
【図８】従来の液滴吐出ヘッドを示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
２ 液滴
４ 液
１０ 液滴吐出ヘッド
１１ 液滴吐出ヘッド
１２ 板状部材
１３ 液溜まり
１４ 梁部材
１５ 間隙
１６ ノズル
１８ 保持部材
２０ 回転エンコーダ
２１ 液滴吐出ヘッド
２４ プール
３０ ピエゾ素子
３１ 液滴吐出ヘッド
３２ 個別電極
３６ アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッドに関し、特に高粘度のインクを液滴として吐出する液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置として知られている現在市販されている水性インクジェットプリンターは、概ね粘度５cps前後、高々１０cpsオーダの染料インクや顔料インクを採用している。媒体に着弾した際のインク滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制／短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度を増加することによってプリント性能は向上できることが知られている。
【０００３】
反面、高粘度液を吐出するには、高出力な圧力発生機構が必要であり、コストやヘッドサイズ増加等の弊害を招く。従来からイジェクターにヒーターを別途設け、吐出時のインク粘度を強制的に下げる技術は公知である（例えば、特許文献１参照）が、インクを加熱する上記の方法はインク劣化や流路のダメージを早める根本課題があり、また使用できるインクも熱による劣化のないものに制限される。
【０００４】
このほか、インク吐出する際の逆方向へのインク流を梁状の弁によって抑制し、より高粘度なインクを吐出する技術（例えば、特許文献２参照）が開示されている。
【０００５】
大変形が得られる座屈曲がりを利用し、圧力発生機構自体をパワーアップする方法として、発熱体層との熱膨張差で変形するダイヤフラム状アクチュエータを使用した技術（例えば、特許文献３参照）、また、同様の構成で片持ち梁状のアクチュエータを使用した技術（例えば、特許文献４参照）が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術でも、粘度１０cpsを大きく上回る５０〜１００cpsのような高粘度液を、常温において安定吐出することは極めて困難である。
【０００７】
本願発明者らは、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用して、ノズルから高粘度液滴を所望の方向に慣性離脱させる液滴吐出ヘッドを先に出願した（特許文献５〜８参照）。
【０００８】
すなわち図８（Ａ）（Ｂ）に示すインク吐出ヘッド１００のように、インクプール１２４から補充されるインクは梁部材１１４と一体的に設けられたインク流路部材１１２内のインク流路１１３を通過してノズル１１６に至り、梁部材１１４が吐出方向に座屈反転変形する際にノズル１１６から高粘度のインクを吐出する。
【０００９】
本願発明者が上記課題に対する検討を進めた結果、上記方式のヘッドにおいて高粘度な液体を吐出するためには、高粘度液の流路抵抗によって生じるリフィル（ノズルへの液体供給）の遅れを解決することが重要であり、それには閉じた流路を通してノズルに液体を送ることでリフィルする従来方式と異なり、ノズル内壁と梁の裏面を液体の濡れ性が高い状態に形成し、液体に圧力を印加しないオープンな流路を設け、この流路部分を液体が滲み伝わる現象を利用してノズルに液体供給する方法が有効であることがわかった。
【００１０】
さらに、ノズル直下の吐出反対側に隙間をあけて液体溜り(液体の自由表面が露出した溜り)を設け、梁が吐出方向反対側に弾性変形した際、ノズル裏面と液体溜りの液体表面とを接触させることでノズル孔に液体を充填する方式もまた有効であることが分かった。
【００１１】
本発明は、先願の発展技術であり、高粘度液体のリフィル遅れを改善し、より高速／高周波に液滴吐出できるヘッドを提供することを目的とする。
【特許文献１】特開２００３−２２０７０２号公報
【特許文献２】特開平９−３２７９１８号公報
【特許文献３】特開２００３−１１８１１４号公報
【特許文献４】特開２００３−３４７１０号公報
【特許文献５】特願２００４−３２２３４１号公報
【特許文献６】特願２００４−３２２３４２号公報
【特許文献７】特願２００４−３２２３４３号公報
【特許文献８】特願２００４−３２２３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記事実を考慮し、常温で高粘度液体を高い駆動周波数で吐出可能な液滴吐出ヘッド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】
【００１３】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、前記梁部材の長手方向の少なくとも一端に設けられ前記反液滴吐出面を通じて前記ノズルへ前記液を供給する液溜まりと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記構成の発明では、液溜まりから梁部材の反吐出面側に伝わった液がノズルから吐出されるので、液をノズルまで加圧給送する流路部材を梁部材に設ける必要が無く、流体抵抗が発生しないのでノズルへの液体供給遅れおよびメニスカスの復帰遅れを防ぐことができる。
【００１５】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは、前記梁部材と前記梁部材から所定の隙間を空けて設けられた板状部材との間に形成される間隙であることを特徴とする。
【００１６】
上記構成の発明では、梁部材と板状部材の間に液溜まりを形成するので、簡易な構造で液をノズルまで給送することができる。
【００１７】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドは、前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める撥液処理を行ったことを特徴とする。
【００１８】
上記構成の発明では、梁部材の吐出面に液が広がりにくく、吐出方向に梁部材が座屈反転した際、吐出面から液滴が慣性離脱しやすい。
【００１９】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドは、前記梁部材の反吐出面には前記液体に対して親液性を高める親液処理を行ったことを特徴とする。
【００２０】
上記構成の発明では、梁部材の反吐出面を伝わる液が広がりやすく、吐出方向に梁部材が座屈反転した際、ノズルに液が集まりやすい。
【００２１】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドは、前記親液処理は前記梁部材の反吐出面に微細な凹凸を形成する処理であることを特徴とする。
【００２２】
上記構成の発明では、微細ブラスト加工などにより簡易な方法で梁部材の反吐出面の親液性を高めることができる。
【００２３】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、前記梁部材の反吐出面側に設けられ、前記梁部材が液滴吐出方向に凹となるように座屈反転変形する際に、前記梁部材の反吐出面側ノズル近傍部分が接触する液溜まりと、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
上記構成の発明では、液溜まりから梁部材の反吐出面側ノズル近傍に移り、ノズル内壁へ伝わって充填された液がノズルから吐出されるので、液をノズルまで加圧給送する流路部材を梁部材に設ける必要が無く、流体抵抗が発生しないのでノズルへの液体供給遅れおよびメニスカスの復帰遅れを防ぐことができる。
【００２５】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは前記梁部材のノズル近傍にのみ接触することを特徴とする。
【００２６】
上記構成の発明では、梁部材と接触する液溜まりがノズル近傍のみ接触するのでノズル以外の部分が液溜まりと接触することにより座屈反転の際に発生する液体剪断抵抗を抑えることができる。
【００２７】
請求項８に記載の液滴吐出ヘッドは、前記ノズル内壁面および前記梁部材の反吐出面の前記ノズル近傍には、前記液体に対して親液性を高める処理を行ったことを特徴とする。
【００２８】
上記構成の発明では、親液処理を施した梁部材の反吐出面に、液溜りから液が移りやすく、また吐出方向に梁部材が座屈反転した際、ノズルに液が集まりやすい。
【００２９】
請求項９に記載の液滴吐出ヘッドは、前記ノズル近傍を除く前記梁部材の反吐出面と、前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める処理を行ったことを特徴とする。
【００３０】
上記構成の発明では、梁部材の吐出面、および反吐出面のノズル以外の部分に液が広がりにくく、吐出方向に梁部材が座屈反転した際、吐出面から液滴が慣性離脱しやすい。
【００３１】
請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは所定の隙間を空けて設けられた２枚の板状部材の間に、前記液体を圧送することで前記板状部材の間から凸状に盛り上がった液面であることを特徴とする。
【００３２】
上記構成の発明では、液を圧送するための閉じた流路、チャンバなどを必要とせず、ノズルに液体を供給できる。また梁部材と液溜まりの板部材とを非接触とできるので静音性や耐久性に優れた液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００３３】
請求項１１に記載の液滴吐出ヘッドは、前記液溜まりは多孔質の弾性体に染み込ませた前記液体であることを特徴とする。
【００３４】
上記構成の発明では、液体を加圧供給する必要がないので、より簡易な構造とすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は上記構成としたので、常温で高粘度の液滴を高い駆動周波数で吐出可能な液滴吐出ヘッドとすることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
＜基本構成＞
図１には、本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００３７】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、液滴吐出ヘッド１０は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材１８が支持し、保持部材１８は回転エンコーダ２０に固定され、回転エンコーダ２０の回動に伴って長さ方向両端側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられ液滴吐出方向（図中上）あるいは逆方向に梁部材１４を撓ませる構造となっている。
【００３８】
図１（Ｂ）に示すように、梁部材１４には、薄膜状のピエゾ素子３０が接合され、さらにピエゾ素子３０には個別電極３２が形成され梁部材１４、ピエゾ素子３０、個別電極３２でアクチュエータ３６を構成している。梁部材１４はピエゾ素子３０の共通電極を兼ねており、梁部材１４と個別電極３２とでピエゾ素子３０を挟む構造となっている。
【００３９】
個別電極３２の一方の端には電極パッド３３が設けられ、配線にて図示しないスイッチングＩＣと接続されている。このスイッチングＩＣからの信号によりピエゾ素子３０は駆動され、梁部材１４を撓ませる／撓ませないの制御が行われる。
【００４０】
ノズル１６は梁部材１４を含むアクチュエータ３６を吐出方向（図中上下）に貫通して形成され、梁部材１４の吐出面（図中上側）には液４に対して撥液処理が施され、梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）には液４に対して親液処理が施されている。また全面にわたって液による腐食や電極間のショートなどからピエゾ素子３０を保護する絶縁保護膜が形成されている。
【００４１】
なお、本実施形態において、夫々の梁部材１４は厚さ１０μｍ、幅１５０μｍ、長さ５ｍｍのＳＵＳ材からなり、図１（Ｃ）に示すように、複数の梁部材１４が１７０μｍピッチで整列した構成となっている。また、梁部材１４にレーザ加工で形成されたノズル１６は直径３０μｍとし、アクチュエータ３６を貫通する部分では、穴径を６０μｍに広げ、液４が充填されやすいようにしている。
【００４２】
梁部材１４は液滴吐出方向（図中上）および逆方向に撓み可能であり、保持部材１８の内部に設けたプール２４から供給され、梁部材１４の反吐出面（図中下側）を伝ってノズル１６まで達した液４を慣性によって吐出方向に液滴として吐出する。
【００４３】
プール２４の反吐出面側には開口部２４Ａが設けられ、プール２４内から液溜まり１３まで連通している。液溜まり１３は梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）と所定の間隙１３Ａ（約１００μｍ）を空けて設けられた板状部材１２とで形成され、液４は開口部２４Ａから間隙１３Ａに滲み出し、間隙１３Ａに溜まった液４は液４に対して親液処理が施された梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）をノズル１６まで滲み伝わる。本実施形態では、反吐出面側にメッシュ４０００の微細砥粒を吹き付けるブラスト加工によって、表面に微細凹凸を形成する方法で親液処理を施した。
【００４４】
ここで用いられる吐出液は前述のように、媒体に着弾した際の滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制や短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、液粘度の極めて高い、具体的には粘度２０cpsを大きく上回るような、例えば５０〜１００cpsの高粘度液である。
【００４５】
本実施形態においては液４の粘度が上記のように大きくとも、大きな流体抵抗が発生する閉じた流路ではなく、開放され流路抵抗が少なく圧力の印加されない流路として液４に対して親液処理が施された梁部材１４／アクチュエータ３６の反吐出面（図中下側）を液４がノズル１６まで滲み伝わることで、ノズル１６から液滴２として吐出された液４のリフィル（再充填）、メニスカス（液面）の復帰が阻害される虞をなくし、高粘度の液４を用いながら安定して高速・高周波で液滴吐出を行う液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００４６】
さらに本実施形態においては、高画質化に伴うノズル１６の高密度化（ピッチの極小化）による液流路の細径化からくる流路抵抗の増大が発生しない点に加え、従来の流路部材と梁部材の接合、および流路部材中に液を充填することによる梁部材や流路部材の重量増加、座屈反転速度低下による吐出性劣化などの虞もなく、高粘度の液を安定して高密度・高速に吐出させることができる。
【００４７】
＜吐出原理＞
図２、３には、本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作が示されている。
【００４８】
まずアクチュエータ３６を駆動せず、液滴２を吐出しない場合は、図２（Ａ−１）のように例えば梁部材１４が予め液滴吐出方向（図中上）に撓みを持たせた状態であり、吐出を指示する信号がスイッチングＩＣより送られないためアクチュエータ３６が駆動されない。
【００４９】
図２（Ａ−２）のように回転エンコーダ２０を矢印方向に回動させると、まず吐出方向（図中上）に撓みが発生し、そのまま図２（Ａ−３〜４）のように梁部材１４は液滴吐出方向に撓むのみであって、撓み量が最大となる図２（Ａ−４）に至るまで梁部材１４は常に液滴吐出方向に凸であり続ける。
【００５０】
すなわち図２（Ａ−１〜４）まで梁部材１４が変位するまでの間に梁部材１４内部の液４に吐出方向（図中上）への十分な加速度が加わらないため、液滴２としてノズル１６から吐出されることはない（図２（Ａ−５））。
【００５１】
さらに図２（Ａ−４）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転して梁部材１４を平坦にすることで梁部材１４は初期位置図２（Ａ−１）へ復帰する。
【００５２】
一方、アクチュエータ３６を駆動し、液滴２を吐出する場合は吐出を指示する信号がスイッチングＩＣより送られ、図２（Ｂ−２）に示すようにアクチュエータ３６が駆動されることによって梁部材１４が液滴２吐出方向に対して凹（図中下）に撓みを持たせるようにされた状態であり、図２（Ｂ−２〜４）のように回転エンコーダ２０を正転（図中矢印方向）させると梁部材１４は回転エンコーダ２０に近い方、すなわち両端から次第に吐出方向（図中上）に凸へと撓み方向が変化する。
【００５３】
この撓み方向変化が両端から中央に近付くと、梁部材１４はある点で急峻な座屈反転を起こし、液滴２吐出方向（図中上）へと急激に変形する（図２（Ｂ−３〜４）に中央部の変形を強調して記載）。
【００５４】
梁部材１４の長さ方向略中央にはノズル１６が設けられているため、ノズル１６まで達している液４はこの座屈反転による梁部材１４の吐出方向への変形に伴い、ノズル１６から液滴２として吐出される（拡大図２（Ｂ−５））。
【００５５】
さらに図２（Ｂ−４）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転して梁部材１４を平坦にすることで梁部材１４は初期位置へ復帰し、液滴吐出方向（図中上）に撓みを持った状態に戻る。
【００５６】
なお、上記の実施形態では、アクチュエータ３６を駆動した時に梁部材１４が吐出方向に対して凹（図中下）に撓み、座屈反転が起こって液滴２が吐出する構成としたが、アクチュエータ３６を駆動しない時に梁部材１４が予め吐出方向に対して凹に撓んだ形状とし、アクチュエータ３６を駆動した時には梁部材１４が吐出方向に対して凸（図中上）に撓むよう構成しても、同様に信号の有無によって液滴２を吐出／非吐出を制御することができる。
【００５７】
上記の座屈反転による変形は通常のアクチュエータなどによる変位と比較すれば非常に大きなものであり、本発明に採用した高粘度インクであっても十分にインク滴２として吐出することが可能である。
【００５８】
図３には、ノズル１６近傍における液４の吐出動作時の動きが示されている。
【００５９】
図３（Ａ）に示す液溜まり１３の液４は、図３（Ｂ−１）のようにノズル１６近傍においては梁部材１４がアクチュエータ３６により吐出方向に凹となる（あるいは予め形成され）一方、図３（Ｃ）に拡大図として示すように板状部材１２と梁部材１４との間隙にプール２４（図示せず）から開口部２４Ａ（図示せず）を通じて充填された液４は、親液処理を施された梁部材１４の反吐出面を滲み伝わりながらノズル１６近傍まで到達する。
【００６０】
このときアクチュエータ３６による梁部材１４の座屈反転で、液４にノズル１６の方向に進もうとする遠心力が加わることで液４の動きが加速される。さらに液４は図３（Ｂ−３）のようにノズル１６に充填され、回転エンコーダ２０の動作で梁部材１４が座屈反転することで図３（Ｂ−４〜５）のようにノズル１６内の液４には吐出方向（図中上）に大きな加速度が掛かり、液滴２として吐出される。
【００６１】
＜第２実施形態＞
図４には、本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００６２】
図４（Ａ）に示すように、液滴吐出ヘッド１１は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材１８が支持し、保持部材１８は回転エンコーダ２０に固定され、回転エンコーダ２０の回動に伴って長さ方向両端側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられ液滴吐出方向（図中上）あるいは逆方向に梁部材１４を撓ませる構造となっている点において第１実施形態と同様である。
【００６３】
本実施形態において液溜まり１３は保持部材１８に設けられず、梁部材１４の反吐出側（図中下）に設けられ、回転エンコーダ２０またはアクチュエータ３６によるノズル１６近傍の梁部材１４の移動により液面と梁部材１４とが直接接触することで、親液処理をほどこした梁部材１４の反吐出面に液４を供給・補充する。
【００６４】
図４（Ｂ）に示すように、液溜まり１３は複数の板状部材１２を所定の間隔を空けて設け、板状部材１２の間隙１３Ａに液圧４Ａを印加した液４を加圧供給している。液４は加圧されているので、間隙１３Ａから表面張力により盛り上がった液面４Ｂを形成し、梁部材１４の反吐出面に液４のみが接触する。これにより梁部材１４と板状部材１２との干渉音発生や衝撃による故障の発生を防ぐことができる。
【００６５】
このとき、間隙１３Ａを塞ぐ形で多孔質の弾性体（例えばスポンジ）を設けてもよい。これにより梁部材と液溜まり１３との接触時に液４の飛び散りを防ぐことができる。また、弾性体の形状により液面４Ｂの高さを制御することもできる。
【００６６】
図５には、本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作が示されている。
【００６７】
図５（Ａ−１）はアクチュエータ３６が駆動されることによって梁部材１４が液滴２吐出方向に対して凹（図中下）に撓みを持たせるようにされた状態であり、図５（Ｂ−１）に拡大して示すように液溜まり１３からは液圧４Ａにより液４が盛り上がった液面４Ｂを形成しているので、ノズル１６近傍の梁部材１４は図５（Ｂ−２）に示すように液面４Ｂに接触し、容易に液４をノズル１６に取り込むことができる。
【００６８】
回転エンコーダ２０が作動し、図５（Ａ−２）のように梁部材１４が吐出方向に移動し始めると図５（Ｂ−４）のようにノズル１６は液面４Ｂから離れ、さらに回転エンコーダ２０が作動を続け図５（Ａ−３）のように梁部材１４が座屈反転を起こせばノズル１６内の液４は液滴２として吐出される。
【００６９】
このとき、例えば液溜まり１３がノズル１６直近のみでなく梁部材１４の長さ方向全体に渡って存在した場合、図５（Ｃ）に示すように梁部材１４は長さ方向の略全体にわたって液４と接触する。このように広範囲で梁部材１４と液４とが接触すると、座屈反転動作時に梁部材１４には過大な液体剪断抵抗が発生する。これにより梁部材１４は反吐出側に引っ張られ、吐出時に必要となる急峻な慣性が得られず吐出性能に悪影響を及ぼす虞がある。
【００７０】
このような事態を防ぐため、梁部材１４はノズル１６の直径以上、直径の１０倍の範囲で液面４Ｂと接触することが好ましい。本実施形態において液溜まり１３は、２枚の板状部材１２を２５０μｍの隙間で設け、またノズル１６の反吐出面側は、直径３０μｍの孔径に対し直径２００μｍの範囲に親液処理を施し、ノズル１６直近にのみ液面４Ｂが接触するように構成している。
【００７１】
＜第３実施形態＞
図６には、本発明の第３実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００７２】
本実施形態に係る液滴吐出ヘッド２１は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材が支持し、保持部材は回転エンコーダに固定され、回転エンコーダの回動に伴って長さ方向両端側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられ液滴吐出方向あるいは逆方向に梁部材１４を撓ませる構造となっている点において第１実施形態と同様である。
【００７３】
本実施形態においては、隣り合う梁部材１４の形状、および間隙１５を図６（Ａ）に示すように構成し、ノズル１６千鳥配列とすることでノズル１６同士の間隔を縮め（ノズルピッチを小さくし）、ノズル密度を向上させることで更に高密度な吐出を行うことができる。例えば本実施形態では、梁部材１４の細い部分の幅を５０μｍ、開放流路１４Ｃが形成された部分の梁部材１４の幅は第１実施形態と同様の１５０μｍ、間隙１５は２０μｍで形成している。これによって、第１実施形態におけるノズル１６のピッチが１７０μｍであったのに対し、本実施形態では１２０μｍピッチで整列することができる。
【００７４】
また梁部材１４を平滑な表面構成ではなく、親液処理を施した開放流路１４Ｃを設け、液４をノズル１６に供給することを特徴とする。
【００７５】
本実施形態では、図示しない液溜まり１３から開放流路１４Ｃに供給される液４は、親液処理による濡れ性と梁部材１４の座屈反転時に発生する遠心力のみによってノズル１６に供給・リフィルが行われる。
【００７６】
図６（Ｂ）（Ｃ）は、開放流路１４Ｃを図面の左右方向から見た断面図である。図６（Ｂ）に示すように開放流路１４Ｃを、液溜まり１３からノズル１６まで延びるスリットとして、開放流路１４Ｃ以外の表面を撥液膜１４Ａで覆い、スリット内部を親液膜１４Ｂで覆うことで、開放流路１４Ｃのみに液４を通し、液溜まり１３からノズル１６まで上記のように親液処理による濡れ性と梁部材１４の座屈反転時に発生する遠心力によって液４を供給することができる。
【００７７】
あるいは図６（Ｃ）に示すように開放流路１４Ｃをスリットではなく梁部材１４の反吐出面（図中左）に設けた溝としてもよい。この場合は溝内部を親液膜１４Ｂで覆い、それ以外の梁部材１４表面を撥液膜１４Ａで覆うことによって同様の効果を得ることができる。
【００７８】
＜第４実施形態＞
図７には、本発明の第４実施形態に係る液滴吐出ヘッドが示されている。
【００７９】
図７（Ａ）に示すように、液滴吐出ヘッド３１は長さ方向略中央にノズル１６を備えた梁部材１４の長さ方向両端を保持部材１８が支持している点において第１実施形態と同様であるが、保持部材１８を回転させる回転エンコーダを備えず、ピエゾアクチュエータの変形のみで吐出の有無を制御している。
【００８０】
図７（Ａ）に示すように、保持部材１８に長さ方向端部を保持された梁部材１４はピエゾ素子３０、個別電極３２と共に吐出・非吐出を制御するアクチュエータ３６を構成し、共通電極を兼ねた梁部材１４にはピエゾ素子３０の反対側面に共通電線３３が設けられている。個別電極３２、共通電線３３はそれぞれ図示しない個別電極パッド、共通電極パッドに結線され、図示しないスイッチングＩＣからの信号によりアクチュエータ３６は駆動され、梁部材１４を撓ませる／撓ませないの制御が行われる。
【００８１】
まず図７（Ｂ−１）に示すように反吐出方向（図中下）に撓み、あるいは予め反吐出方向に凸となるような形状となっているアクチュエータ３６によって梁部材１４が反吐出方向（図中下）に撓んでいる（あるいは梁部材１４もまた予め反吐出方向に凸となるような形状となっていてもよい）。
【００８２】
ここで梁部材１４の反吐出面は液溜まり１３の液面４Ｂに接触し、ノズル１６に液４を補充する。液４は液圧４Ａ（図中白矢印）で加圧され、吐出方向に盛り上がった液面４Ｂから容易に液４をノズル１６に取り込むことができる。
【００８３】
次いでアクチュエータ３６が作動し、吐出方向（図中上）に変形が開始されると梁部材１４の曲がり、すなわち反吐出方向への撓み変形量は増加するが梁部材１４の支持部そのものは吐出方向に移動するため、ノズル１６近傍の梁部材１４は同じく吐出方向に移動し、液面４Ｂから離れることでノズル１６内に液４が充填されたまま残る。
【００８４】
さらに図７（Ｂ−３）でアクチュエータ３６が吐出方向に変形（撓み増加）すると梁部材１４は座屈反転変形を起こし、図７（Ｃ−４）に示すようにノズル１６内の液４は液滴２となって吐出方向に吐出される。
【００８５】
このとき、第２実施形態と同様、広範囲で梁部材１４と液４とが接触すると、座屈反転動作時に梁部材１４には過大な液体剪断抵抗が発生し吐出時に必要となる急峻な慣性が得られず吐出性能に悪影響を及ぼす事態を防ぐため液溜まり１３はノズル１６直近にのみ液面４Ｂを設けている。液４の不要な付着による吐出性能の劣化をさけるため、また液４の表面張力でノズル１６に液４を接触補充するのでノズル１６の吐出表面側や、梁部材１４反吐出面側のノズル１６近傍以外の領域は撥液処理を施されている。
【００８６】
＜その他＞
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【００８７】
例えば、上記実施の形態では、アクチュエータはピエゾ素子３０と梁部材１４とからなっているが、ピエゾ素子３０のかわりに発熱抵抗体を利用し、熱膨張差で撓み変形するアクチュエータであっても良いし、静電力や磁力を利用したものであっても良い。或いは、その他の形態のアクチュエータであっても良い。
【００８８】
また、本明細書における液滴吐出ヘッドは必ずしもインク等を用いた記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また吐出される液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す図である。
【図２】本発明に係る液の吐出動作を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る液滴吐出ヘッドとその動作を示す図である。
【図８】従来の液滴吐出ヘッドを示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
２ 液滴
４ 液
１０ 液滴吐出ヘッド
１１ 液滴吐出ヘッド
１２ 板状部材
１３ 液溜まり
１４ 梁部材
１５ 間隙
１６ ノズル
１８ 保持部材
２０ 回転エンコーダ
２１ 液滴吐出ヘッド
２４ プール
３０ ピエゾ素子
３１ 液滴吐出ヘッド
３２ 個別電極
３６ アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、
前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、
前記梁部材の長手方向の少なくとも一端に設けられ前記反液滴吐出面を通じて前記ノズルへ前記液を供給する液溜まりと、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記液溜まりは、前記梁部材と前記梁部材から所定の隙間を空けて設けられた板状部材との間に形成される間隙であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める撥液処理を行ったことを特徴とする請求項１〜２の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記梁部材の反吐出面には前記液体に対して親液性を高める親液処理を行ったことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記親液処理は前記梁部材の反吐出面に微細な凹凸を形成する処理であることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、
前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、
前記梁部材の反吐出面側に設けられ、前記梁部材が液滴吐出方向に凹となるように座屈反転変形する際に、前記梁部材の反吐出面側ノズル近傍部分が接触する液溜まりと、を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
前記液溜まりは前記梁部材のノズル近傍にのみ接触することを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
前記ノズル内壁面および前記梁部材の反吐出面の前記ノズル近傍には、前記液体に対して親液性を高める親液処理を行ったことを特徴とする請求項６〜７の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
前記ノズル近傍を除く前記梁部材の反吐出面と、前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める撥液処理を行ったことを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記液溜まりは所定の隙間を空けて設けられた２枚の板状部材の間に、前記液体を圧送することで前記板状部材の間から凸状に盛り上がった液面であることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
前記液溜まりは多孔質の弾性体に染み込ませた前記液体であることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１】
液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、
前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、
前記梁部材の長手方向の少なくとも一端に設けられ前記反液滴吐出面を通じて前記ノズルへ前記液を供給する液溜まりと、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記液溜まりは、前記梁部材と前記梁部材から所定の隙間を空けて設けられた板状部材との間に形成される間隙であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める撥液処理を行ったことを特徴とする請求項１〜２の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記梁部材の反吐出面には前記液体に対して親液性を高める親液処理を行ったことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記親液処理は前記梁部材の反吐出面に微細な凹凸を形成する処理であることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、前記液滴吐出面に凸となるよう座屈反転変形する梁部材と、
前記液滴吐出面から前記液滴吐出面よりも吐出される液体について濡れ性が高い反液滴吐出面まで貫通するノズルと、
前記梁部材の反吐出面側に設けられ、前記梁部材が液滴吐出方向に凹となるように座屈反転変形する際に、前記梁部材の反吐出面側ノズル近傍部分が接触する液溜まりと、を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
前記液溜まりは前記梁部材のノズル近傍にのみ接触することを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
前記ノズル内壁面および前記梁部材の反吐出面の前記ノズル近傍には、前記液体に対して親液性を高める親液処理を行ったことを特徴とする請求項６〜７の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
前記ノズル近傍を除く前記梁部材の反吐出面と、前記梁部材の吐出面には前記液体に対して撥液性を高める撥液処理を行ったことを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記液溜まりは所定の隙間を空けて設けられた２枚の板状部材の間に、前記液体を圧送することで前記板状部材の間から凸状に盛り上がった液面であることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
前記液溜まりは多孔質の弾性体に染み込ませた前記液体であることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２０７３３６（Ｐ２００８−２０７３３６Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４３１９４（Ｐ２００７−４３１９４）
【出願日】平成１９年２月２３日（２００７．２．２３）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２３日（２００７．２．２３）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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