JP2006095769A - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子と振動板の密着性、振動板の信頼性を向上させるとともに、吐出安定化を図る。
【解決手段】液体を吐出するノズルと連通する圧力室を加圧する振動板を変形する積層圧電素子を、薄膜形成技術によって、前記振動板上に形成する際、前記振動板と前記積層圧電素子の接合部の面積より、前記圧力室の一つの内壁面を形成する振動板の有効振動板面積の方が大きく、さらに、前記有効振動板面積よりも積層圧電素子の活性部の面積の方が大きく、かつ、積層圧電素子の積層方向に垂直な断面積が、積層方向に進むに従って小さくなるように、前記積層圧電素子を形成する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び画像形成装置に係り、特に、振動板と圧電体の密着性、信頼性を向上させ、吐出力を向上させた液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。

従来より、画像形成装置として、多数のノズル（吐出口）を配列させたインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を有し、このインクジェットヘッドと被記録媒体を相対的に移動させながら、ノズルから被記録媒体に向けてインクを吐出することにより、被記録媒体上に画像を記録するインクジェットプリンタ（インクジェット記録装置）が知られている。

このようなインクジェットプリンタは、インクタンクからインク供給路を介して圧力室にインクを供給し、画像データに応じた電気信号を圧電素子に付与して圧電素子を駆動することにより、圧力室の一部を構成する振動板を変形させて、圧力室の容積を減少させ、圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出するようになっている。

このようにインクジェットプリンタにおいては、ノズルから吐出されたインクによって被記録媒体上に形成されるドットを組み合わせることによって被記録媒体上に１つの画像が形成される。近年、インクジェットプリンタにおいても写真プリント並みの高画質な画像を形成することが望まれている。これに対して、ノズル径を小さくしてノズルから吐出されるインク液滴を小さくするとともに、ノズルを高密度に配列して１画像あたりの画素数を多くすることによって高画質を実現することが考えられている。

一方、インクジェットヘッドの製造方法として、圧電素子（圧電体）と振動板を別々に作ってこれらを貼り合せる方法がある。このときノズルの高密度化にともない、各ノズルに対応する圧力室に形成される圧電素子も高集積化、高密度化されており、このような圧電素子と振動板とを貼り合わせる際の位置精度高精度化が求められている。

このような圧電素子と振動板の貼り合わせ時の位置精度を高精度化するための方法として、圧電素子と振動板の少なくとも一方あるいは両方に凹凸形状を形成して、これらの凹凸形状を嵌め合わせることにより確実に位置合わせを行う方法が提案されている。

例えば、積層圧電素子と、積層圧電素子の変形を振動板に伝達する圧力伝達部材との接合面の一方に凹形状を、他方に凸形状を設け、これらを嵌め込んで組み立てることにより、位置精度のバラツキをなくし信頼性を向上させるようにするとともに、接合部を凹凸形状にして積層圧電素子の活性部のみが振動を伝達するようにして、積層圧電素子の活性部と不活性部の両方が振動板に接した場合に接合面が充分に動くことができず変位が小さくなるのを回避して変位効率を向上させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、上記特許文献１には、ベース基板と圧力伝達部材の高さが違っていても、積層圧電素子と圧力伝達部材の接合面に充填された接着剤で高さの違いを吸収し、各部材間の高さがばらついても圧力室の容積を一定にすることができ、積層圧電素子と圧力伝達部材が接着剤を介して嵌合しているので圧電素子の変形を圧力室に伝達することが可能であり、吐出効率を一定に保つことが可能である旨記載されている。

また、例えば、積層圧電素子の変位で変形可能な金属材料からなる薄膜の第１層と金属材料からなる厚膜の第２層とが一体的に積層された振動板の第２層のみを選択的にエッチングして、積層圧電素子に対応する島状凸部とその周囲のダイヤフラム部を形成し、島状凸部を積層圧電素子の駆動部（活性部）と接合することにより、振動板の信頼性を向上させようとしたものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。

また、例えば、振動板をエッチングして、例えば１０μｍ以下に薄膜化してダイヤフラム部を形成するとともに、積層圧電素子の活性部に対応する島状凸部を形成し、積層圧電素子と振動板の島状凸部を圧着接合することにより、ピンホール欠陥のない薄膜振動板を形成するようにしたものが知られている（例えば、特許文献３等参照）。

また、例えば、振動板に島状凸部を形成し、これと接合する圧電素子の接合面側に凹部を形成し、振動板の島状凸部と圧電素子の凹部とを位置合わせして、精度良く塗布が可能な例えばエポキシ系熱硬化型のフィルム状接着剤で接合することにより、圧電素子と振動板との位置合わせを高精度に行うことができ、圧電素子と圧力室の位置合わせ精度も高くでき、ノズルピッチの高密度化にも対応可能とするものが知られている（例えば、特許文献４等参照）。
特開平６−１８８４７２号公報 特開平９−２９０５０６号公報 特開２００１−１００５０号公報 特開２０００−３３４９４９号公報

しかしながら、上記各特許文献に記載のものは、いずれも振動板及び圧電素子に凸形状あるいは凹形状を形成しているが、これらの形状の製作には以下のような問題がある。

例えば、上記特許文献２あるいは上記特許文献３に記載のものは、振動板上に凸形状を作るのにエッチングを使用しているため、その工程が複雑になり量産効率が悪いという問題がある。

また、例えば上記特許文献４に記載のものは、圧電素子に凹形状を形成する手段としてワイヤーソーを用いているが、これは加工時間が長く非効率であるという問題がある。

また、上記特許文献１に記載のものは、凹凸形状の形成する具体的な方法については記載がないが、上記各特許文献のような方法では、それぞれ上で指摘したような問題があり、また、その他の方法として、焼成後にサンドブラストを行う方法や、凹凸形状を作った後で焼成する方法が考えられるが、後加工は工程が複雑で精度が悪いという問題があり、さらに後焼成した場合には、寸法精度が出ないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、圧電素子と振動板の密着性に優れ、振動板の信頼性を向上させるとともに、吐出安定化を図ることのできる液体吐出ヘッド及び画像形成装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室を加圧する振動板と、前記振動板を変形させる積層圧電素子を有する液体吐出ヘッドであって、前記積層圧電素子は、薄膜形成技術によって、前記振動板上に形成され、このとき、前記振動板と前記積層圧電素子の接合部の面積より、振動板の前記圧力室の一つの内壁面を形成する有効振動板面積の方が大きく、さらに、前記有効振動板面積よりも積層圧電素子の活性部の面積の方が大きく、かつ、積層圧電素子の積層方向に垂直な断面積が、積層方向に進むに従って小さくなるように、前記積層圧電素子が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

これにより、積層圧電素子と振動板との接合密着性が向上し、積層圧電素子を駆動する電極の配線が取り出し易くなるとともに、振動板と積層圧電素子との接合部の面積を振動板の圧力室に対応する部分の面積である有効振動板面積より小さくしたため、有効振動板面積よりも小さい面積で接合した部分により振動板を押すことになるため、圧力室に発生する圧力が向上し、さらに、製造時に多少位置ずれしても振動板と積層圧電素子の接合部が圧力室上に乗るようにすることができ、積層圧電素子が確実に振動板を押すことができる。

また、請求項２に示すように、前記薄膜形成技術は、エアロゾルデポジション法であることを特徴とする。これにより、振動板上に直接微細形状の成膜が可能となる。

また、請求項３に示すように、複数の前記積層圧電素子の振動板側が、複数の前記圧力室に対応して一体化されていることを特徴とする。これにより、液体吐出ヘッド製造時のハンドリングが容易となる。

また、請求項４に示すように、前記積層圧電素子と前記振動板との接合部の周辺に弾性部材が配置されていることを特徴とする。これにより、製造工程を簡略化することができる。

また、請求項５に示すように、前記振動板が３次モードで振動するように、前記振動板と前記積層圧電素子との接合部を形成することを特徴とする。これにより、振動板を高周波数で振動させることができ、本来の吐出後の意図しない吐出を防いで、吐出の安定化を図ることができる。

また、同様に前記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを有することを特徴とする画像形成装置を提供する。

これにより、画像形成装置の製造工程を簡略化することができる。

以上説明したように、本発明に係る液体吐出ヘッド及び画像形成装置によれば、積層圧電素子と振動板との接合密着性が向上し、積層圧電素子を駆動する電極の配線が取り出し易くなるとともに、振動板と積層圧電素子との接合部の面積より振動板の圧力室に対応する部分の面積である有効振動板面積を大きくし、さらに有効振動板面積よりも圧電素子の活性部の面積を大きくしたため、有効振動板面積よりも小さい面積で接合した部分により振動板を押すことになり、圧力室に発生する圧力が向上し、さらに、製造時に多少位置ずれしても振動板と積層圧電素子の接合部が圧力室上に乗るようにすることができ、積層圧電素子が確実に振動板を押すことができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る液体吐出ヘッド及び画像形成装置について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る液体吐出ヘッドを有する画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一実施形態の概略を示す全体構成図である。

図１に示すように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド（液体吐出ヘッド）１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６とを備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラー３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示省略）が形成されている。図１に示したとおり、ローラー３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３４が設けられており、この吸着チャンバー３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラー３１、３２の少なくとも一方にモータ（図示省略）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は、図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラー線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

図２は、インクジェット記録装置１０の印字部１２周辺を示す要部平面図である。

図２に示すように、印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている。

各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向）に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送方向（副走査方向）について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち、一回の副走査で）記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する方向（主走査方向）に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお、ここで主走査方向及び副走査方向とは、次に言うような意味で用いている。すなわち、記録紙の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時、（１）全ノズルを同時に駆動するか、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動するか、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動するか、等のいずれかのノズルの駆動が行われ、用紙の幅方向（記録紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字をするようなノズルの駆動を主走査と定義する。そして、この主走査によって記録される１ライン（帯状領域の長手方向）の示す方向を主走査方向という。

一方、上述したフルラインヘッドと記録紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。そして、副走査を行う方向を副走査方向という。結局、記録紙の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する方向が主走査方向ということになる。

また本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列とからなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が２次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このようにして生成されたプリント物は、排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える選別手段（図示省略）が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成されている。

また、図示を省略したが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。

次に、印字ヘッド（液体吐出ヘッド）のノズル（液体吐出口）の配置について説明する。インク色毎に設けられている各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッドを表すものとし、図３に印字ヘッド５０の平面透視図を示す。

図３に示すように、本実施形態の印字ヘッド５０は、インクを液滴として吐出するノズル５１、インクを吐出する際インクに圧力を付与する圧力室５２、図３では図示を省略した共通流路から圧力室５２にインクを供給するインク供給口５３を含んで構成される圧力室ユニット５４が千鳥状の２次元マトリクス状に配列され、ノズル５１の高密度化が図られている。

このような印字ヘッド５０上のノズル配置のサイズは特に限定されるものではないが、一例として、ノズル５１を横４８行（２１ｍｍ）、縦６００列（３０５ｍｍ）に配列することにより２４００ｎｐｉを達成する。

図３に示す例においては、各圧力室５２を上方から見た場合に、その平面形状は略正方形状をしているが、圧力室５２の平面形状はこのような正方形に限定されるものではない。圧力室５２には、図３に示すように、その対角線の一方の端にノズル５１が形成され、他方の端の側にインク供給口５３が設けられている。

また、図４は他の印字ヘッドの構造例を示す平面透視図である。図４に示すように、複数の短尺ヘッド５０’を２次元の千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、これらの複数の短尺ヘッド５０’全体で印字媒体の全幅に対応する長さとなるようにして１つの長尺のフルラインヘッドを構成するようにしてもよい。

図５に、図３中の５−５線に沿って切断した一つの圧力室ユニット５４の断面図を示す。図５に示すように、圧力室ユニット５４は、インクを吐出するノズル５１と連通する圧力室５２によって形成され、圧力室５２には、インク供給口５３を介してインクを供給する共通流路５５が連通するとともに、圧力室５２の一面（図では天面）は振動板５６で構成され、その上部には、振動板５６に圧力を付与して振動板５６を変形させる積層圧電素子５８が形成されている。積層圧電素子５８は、詳しくは後述するが、圧電体（ピエゾ）５８ａと、個別電極５７と、共通電極５９を、圧電体５８ａ、個別電極５７、圧電体５８ａ、共通電極５９、圧電体５８ａ・・・のように、それぞれ交互に積層して形成される。

また、本実施形態の印字ヘッド（液体吐出ヘッド）５０の圧力室ユニット５４は、振動板５６の圧力室５２に相当する部分の中央部を除いた周辺部に、ゴムや樹脂等の弾性体６０（ヤング率０．１ＧＰａ〜２０ＧＰａ）が配置され、その上に積層圧電素子５８が形成されている。すなわち、振動板５６の上に、圧力室５２に相当する部分の中央部に開口部６０ａを有する弾性体６０が形成され、積層圧電素子５８の下部の圧電体５８ａに形成された凸部５８ｂを弾性体６０の開口部６０ａに嵌め合わせ、圧電体５８ａの凸部５８ｂが振動板５６に接触するように形成されている。これにより、積層圧電素子５８は、この凸部５８ｂでのみ振動板５６に接することになる。また圧電体５８ａと振動板５６との接合部であるこの凸部５８ｂの周辺に弾性体６０が配置されている。

また、弾性体６０に設けられる圧力室５２中央部の開口部６０ａの形状は、特に限定はされず、円形でも、四角でも、多角形でもよい。また、弾性体６０をこのように振動板５６と積層圧電素子５８の間に形成しても、その弾性により、凸形状（凸部５８ｂ）を有する積層圧電素子５８の振動板５６への圧力伝達に影響を及ぼすことはない。

また、振動板５６上に振動板５６と一部が接するような凸部５８ｂを有する積層圧電素子５８の製造方法については後述するが、積層圧電素子５８を形成した後も、図５に示すようにそのまま弾性体６０を残しておいてもよいし、積層圧電素子５８形成後、弾性体６０を取り除くようにしてもよい。

積層圧電素子５８形成後、弾性体６０を取り除くようにする場合には、弾性体６０の代わりに可溶体を用いて積層圧電素子５８形成後、可溶体を溶解させて取り除いてもよい。またその他の材料を用いて、その一部を分断したりして取り除くようにしてもよい。また、積層圧電素子５８をＡＤ法（エアロゾルデポジション法）で形成する場合には、マスクとしての機能を有するものでもよく、例えばレジストでもよい。

このように、振動板５６上に圧力室５２に相当する部分の中央部に開口部６０ａを有する弾性体６０を形成し、積層圧電素子５８がその開口部６０ａに対応する凸部５８ｂでのみ振動板５６に接触するようにしたのは、振動板５６を見かけ上、高周波で動かすようにするためである。以下、これについて説明する。

図６（ａ）に、印字ヘッド５０の１つのノズル５１についての集中定数モデルを示す。図６（ａ）において、Ａの部分はアクチュエータ（積層圧電素子５８）、Ｂの部分はインク供給口５３、Ｃの部分は圧力室５２、Ｄの部分はノズル５１にそれぞれ対応している。

図６（ｂ）は、図６（ａ）をわかり易く書き直したものである。ここに示すような集中定数回路から、印字ヘッド５０における共振として、図６（ｂ）に１〜３で示す丸い矢印のようなものがあることがわかる。ここで、符号１の示す矢印は、アクチュエータ（積層圧電素子５８）に起因する共振であり、符号２の示す矢印は、圧力室５２内にある液体（インク）に起因する共振であり、また符号３の示す矢印は、ノズル面のメニスカス面の変化による表面張力による共振である。

このうち、３の矢印の共振に関しては、ノズル面の表面張力によるコンプライアンスが他のものと比べて著しく大きいため、共振周波数が他の１あるいは２の矢印で表す回路と比べて充分小さいために考慮しなくてもよい。

この１の矢印あるいは２の矢印で表される回路の共振に関しては、この共振周波数が近いとノズル面での圧力変動に重大な影響を与える。具体的に例を挙げると、吐出時のノズル面の圧力よりも高い圧力が吐出後に発生し、その圧力により吐出してはいけない時に吐出してしまうという問題がある。

このとき、１の矢印が表す回路と２の矢印が表す回路の共振周波数が離れていれば、このようなことが起こらないことが知られており、この共振周波数はできるだけ違う値であることが望ましい。

図７に、実際に、圧力室５２の共振周波数を一定（１００ｋＨｚ）にして、アクチュエータ（積層圧電素子５８）の周波数を１５０ｋＨｚから１ＭＨｚまで変化させて、１０Ｖで押し打ちした場合の振動変化のシミュレーション結果を示す。

図７（ａ）〜（ｆ）のいずれのグラフも、各波形中の一番最初（左側）のピークが本来の吐出である。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、アクチュエータの周波数が１５０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚ程度の低周波の場合には、本来の吐出を示す最初のピークに引き続いてこれよりも大きなピークが現れており、これは意図しない振動であり、本来吐出してはいけないのに吐出してしまっていることを示している。

このように、アクチュエータの周波数が２５０ｋＨｚ以下の低周波では、圧力室５２の共振周波数の影響により、意図しないインク吐出の可能性があるが、３００ｋＨｚ以上の高周波では意図しないインク吐出はみられない。なお、図７に示すシミュレーションでは、ダンパの効果を入れていないので、振動が長く続いている。また、ダンパを入れたとしても、共振周波数が近いと、制振しにくくなる。

図８は、基本振動と３倍振動を示す説明図である。図８（ａ）に、基本振動（１次モード）の場合を示す。図８（ａ）に示すように、圧電素子５８’は、圧力室５２上面に設けられた振動板５６の全面に渡って接している。このとき、振動板５６は、１次元の例を示すと、図の下に示した両端を支持された梁（弦）が両端を節として１つの腹を有して振動するように振動する。このときの圧電素子５８’自体の駆動周波数（基本周波数）をｆ₀ とする。

また、図８（ｂ）に、３倍振動（３次モード）の場合を示す。図８（ｂ）に示すように、振動板５６上に圧力室中央部に開口部を有する弾性体６０が形成され、その上に弾性体６０の開口部に嵌め込まれる凸部５８ｂを有する積層圧電素子５８が形成され、積層圧電素子５８は凸部５８ｂでの振動板５６に接している。

このとき、凸部５８ｂの幅が圧力室５２の幅の１／３であるとすると、振動板５６は、１次元の例で言うと、図の下に示すように、両端を支持された梁（弦）がその３等分点を節として３つの腹を有して振動するように振動する。このとき、振動板５６の振動周波数は３ｆ₀ となる。このように、アクチュエータ（積層圧電素子５８）の周波数を高くしなくとも、見かけ上振動板５６の周波数を高くすることができる。なお、このように梁モデルでは３次モード＝３ｆ₀ であるが、面積のある正方形、長方形あるいは円形等の場合では、略３ｆ₀ となる。

そこで、本実施形態においては、積層圧電素子５８の各部の寸法を以下のように設定する。

図９に、図５の積層圧電素子５８の部分を拡大してその寸法を示す。

図９に示すように、圧力室５２の幅をＬ１とし、弾性体６０の開口部６０ａの幅、すなわち積層圧電素子５８の凸部５８ｂの幅をＬ２とする。また、積層圧電素子５８の幅をＬ３とし、個別電極５７と共通電極５９とが重なった領域である積層圧電素子５８の活性部の幅をＬ４とする。

このとき、まず基本的に、Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ３とする。このように、Ｌ２よりＬ１の方が大きいとしたのは、印字ヘッド製造時に多少位置ずれが生じても積層圧電素子５８の凸部５８ｂが少なくとも圧力室５２の上に乗るようにするためである。また、Ｌ１よりもＬ３を大きくしたのは、圧力室５２に伝達する積層圧電素子５８による発生力を大きくするためである。

なお、ここでは図９が断面図であるため、各部分の長さで表現しているが、各部分の面積の大小関係も上記不等式と同じである。すなわち、Ｌ２に対応する積層圧電素子５８の凸部５８ｂと振動板５６との接合部の面積よりも、Ｌ１に対応する圧力室５２の上面を形成する有効振動板面積の方が大きく、さらに、Ｌ３に対応する積層圧電素子５８の上面の面積の方が大きくなっている。

また、より好ましくは、Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ４が成り立つことである。このように、Ｌ１よりもＬ４を大きくするのは、積層圧電素子５８の活性部の面積を圧力室５２の断面積よりも大きくして、積層圧電素子５８の発生力を大きくするためである。

これも同様に面積で表現すると、Ｌ２に対応する積層圧電素子５８の凸部５８ｂと振動板５６との接合部の面積よりも、Ｌ１に対応する圧力室５２の上面を形成する有効振動板面積の方が大きく、さらに、Ｌ４に対応する積層圧電素子５８の個別電極５７と共通電極５９が重なった活性部の面積の方が大きくなっている。以下、長さについての関係はすべてそれに対応する部分の面積の関係についても言うことができる。

また、さらに詳しく示すと、（Ｌ３／２）＜Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ４＜Ｌ３が成り立つことがより好ましい。すなわち、Ｌ２の下限としてはＬ３の約半分である。

また、圧力室５２の一辺は約３００μｍであり、前述した製造時の位置ずれ誤差は約３０μｍは発生すると考えられるため、積層圧電素子５８の凸部５８ｂが確実に圧力室５２上に存在するためには、Ｌ２／Ｌ１＜０．９が望ましい。

また、前述したように、振動板５６の共振周波数と圧力室５２内のインクに起因する共振周波数が近いと、ノズル面において意図しない吐出が発生し画質に影響を及ぼす虞があるため、これを回避するために振動板５６の周波数を圧力室５２の共振周波数と離す必要がある。

そこで、振動板５６を高次モードで駆動させるために、Ｌ２をＬ１の三分の一（Ｌ２＝Ｌ１／３）とする。これにより、振動板５６が３次モードで駆動され、積層圧電素子５８の基本周波数の略３倍の高周波数で振動することとなり、圧力室５２の共振周波数と大きく異なり、意図しない吐出を防ぐことが可能となる。

このように振動板５６と接する積層圧電素子５８の凸部５８ｂの幅を圧力室５２の幅の１／３とすることで振動板５６を３次モードで駆動することにより、積層圧電素子５８自体の駆動周波数を上げなくとも、見かけ上振動板５６を高周波で駆動することができ、圧力室５２の共振周波数と離すことができ、本来の吐出の後にこれを上回るような大きなピークを生じることがなく、簡単に意図しない吐出を回避することができる。

なお上で説明した図９は断面図であったが、振動板５６を圧電素子５８側からみたときの各振動モードの概念図を図１０に示す。図９の断面図は、図１０（ａ）〜（ｅ）の各Ａ−Ａ線に沿った断面図に対応する。また図１０（ａ）〜（ｅ）の各縞模様は、等振幅線を表し、太線Ｎは振動の節を表している。

図１０（ａ）は、長方形の場合の３次モードを表し、図１０（ｂ）は、正方形の場合の３次モードを表す。また、図１０（ｃ）は、円形の場合の３次モードである。

また、図１０（ｄ）は、長方形の場合の９次モードを表し、図１０（ｅ）は、正方形の場合の９次モードを表している。

次に、このような積層圧電素子５８を有する印字ヘッド（液体吐出ヘッド）５０の製造方法を説明する。

図１１に、印字ヘッド５０の製造工程を順を追って示す。

まず、図１１（ａ）に示すように、ノズル５１及び共通流路５５（図１１（ａ）では図示省略）を有し、また上面に振動板５６を有する圧力室５２を形成する。ここでの流路構造及びここまでの製造方法は特に限定はされず、どのような方法でもよい。例えば、ノズル孔が形成されたノズルプレートや圧力室や流路用の開口部を有する流路プレートや振動板等の薄膜を積層して形成してもよいし、シリコン基板をエッチング等で削って圧力室を形成し、これにノズルプレートや振動板を接合するようにしてもよい。

次に、図１１（ｂ）に示すように、圧力室５２の上面を形成する振動板５６の上に弾性体６０を形成する。この弾性体６０は、圧力室５２に対応する部分の中央部に開口部６０ａを有している。前述したように、後で取り除く場合には、弾性体６０の代わりにレジストなどの可溶体でもよい。

次に、図１１（ｃ）に示すように、この上にＡＤ法（エアロゾルデポジション法）で圧電体５８ａを形成する。このとき、弾性体６０の開口部６０ａに振動板５６に向かって凸状となる、圧電体５８ａの凸部５８ｂを形成する。

なお、このとき、エアロゾルデポジション法では、弾性体６０上には圧電体５８ａが成長できないため、弾性体６０上に例えばＮｉ、Ｃｒ、Ｗ、あるいはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜などの高剛性の薄膜を０．１〜１０μｍ程度、望ましくは１〜２μｍ程度成膜しておくことが好ましい。これにより、粒子が跳ね返ることなく、きちんと堆積し、圧電体５８ａが形成される。

次に、図１１（ｄ）に示すように、同様にＡＤ法で、今形成した圧電体５８ａの上にスパッタやメッキで電極（個別電極５７）を形成する。

次に、図１１（ｅ）に示すように、続けてＡＤ法で、個別電極５７の上に２層目の圧電体５８ａを形成し、さらにその上に２層目の電極（共通電極５９）を形成する。

次に、図１１（ｆ）に示すように、同様にしてＡＤ法で、さらにその上に３層目の圧電体５８ａ及びその上に３層目の電極（個別電極５７）を形成する。

このようにして、ＡＤ法で次々と各層を形成して、図１１（ｇ）に示すように、積層圧電素子５８の成膜が完了する。このとき、各電極（個別電極５７及び共通電極５９）を挟みながら、積層を上へ積み上げて行く程その（振動板５６に平行な）断面が小さくなるように積層していくことで積層の側面の電極が上部からのスパッタ等で成膜できるようにしておく。例えば、図１１（ｇ）に示すように、斜面の角度θは、１〜２０°程度とするのが好ましい。

最後に、図１１（ｈ）に示すように、例えば上からスパッタ等により側面に電極５７ａ、５９ａを形成するとともに、上部に積層圧電素子５８が変形する際の押さえ６２を形成する。

このようにして形成した圧力室ユニット５４をマトリクス状に並べて、図３に示すような印字ヘッド５０を形成するには、図１２に示すように圧力室ユニット５４を１列にライン状に並べたものを複数平行に並べて配置する。そして、各列毎に各圧力室ユニット５４の積層圧電素子５８の側面から取り出した共通電極５９を各列の端部から引き出して１つにまとめて配線するようにする。

このとき、図１２に示した各圧力室ユニット５４を１列に並べたライン状の積層圧電素子５８の形成方法を、図１２の矢印Ｗ方向から見た様子を図１３に示す。ライン状の圧電素子５８は、図１３（ａ）に示すように、ＡＤ法で形成する際に、予め分離して形成しておき、それを並べるようにしてもよいし、あるいは図１３（ｂ）に示すように、共通電極を取り出すために、個々の積層圧電素子５８が下部６４で一体化しているように形成してもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、振動板の上にＡＤ法により積層圧電素子を直接成長させて形成するようにしたため、振動板と圧電体を接着する必要がなく、密着性に優れ、剥がれる心配がないので、振動板の信頼性を向上させることができる。

また、振動板の上にＡＤ法で積層圧電素子を形成する際、積層の上へ行く程、（積層方向に垂直な）断面積がしだいに小さくなっていくように形成しているため、積層圧電素子の斜面上に上方から例えばスパッタ等により側面電極を成膜することができる。

また、積層圧電素子の下部中央部が振動板に向かって凸形状をしているため、圧力室に対して位置ずれが生じても、積層圧電素子が確実に振動板を押すことができ、圧力室に圧力を発生することができる。

また、積層圧電素子の活性部の面積を大きくでき、大きな発生力を得ることができる。さらに、積層圧電素子の凸部の周囲の振動板上に表面に高剛性薄膜を成膜した弾性体あるいは可溶体を配置したため、振動板上に直接ＡＤ法で積層圧電素子を成膜することができる。

また、下部一体型のライン状の積層圧電素子とした場合には、共通電極をその端部から簡単に取り出すことができる。

また、積層圧電素子の凸部の幅を圧力室の幅の１／３とすることにより、３次モードで振動させることにより、振動板を積層圧電素子の基本周波数の略３倍の周波数で振動させることができる。これにより、振動板の共振周波数を増大させることができるので、圧力室との共振による意図しない吐出を防ぎ、吐出を安定化させることができる。

なお、振動板を高周波で振動させる場合に、このように、３倍振動させるだけでなく、９倍振動で振動させるようにしてもよい。

以上、本発明の液体吐出ヘッド及び画像形成装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一実施形態の概略を示す全体構成図である。 図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図である。 印字ヘッドの構造例を示す平面透視図である。 印字ヘッドの他の例を示す平面図である。 図４中の５−５線に沿って切断した一つの圧力室ユニットの断面図である。 （ａ）、（ｂ）は印字ヘッドの１つのノズルについての集中定数モデルを示す回路図である。 （ａ）〜（ｆ）は、圧力室の共振周波数を一定にして、アクチュエータの周波数を１５０ｋＨｚから１ＭＨｚまで変化させて、１０Ｖで押し打ちした場合の振動変化のシミュレーション結果を示す線図である。 振動モードを模式的に示す説明図であり（ａ）は１次モード、（ｂ）は３次モードを示す。 積層圧電素子の部分を拡大してその寸法を示した断面図である。 振動板を圧電素子側からみたときの各振動モードを表す概念図である。 （ａ）〜（ｈ）は、本実施形態における積層圧電素子の製造方法を示す工程図である。 図１１に示す方法で製造した圧力室ユニットをマトリクス状に配列した様子を示す説明図である。 図１１に示す方法で積層圧電素子を製造する２通りの方法を示し、（ａ）は各積層圧電素子を分離して形成する様子を、（ｂ）は各積層圧電素子を下部で一体化して形成する様子を図１２の矢印Ｗ方向から見た説明図である。

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…吸着ベルト搬送部、２４…印字検出部、２６…排紙部、２８…カッター、３０…加熱ドラム、３１、３２…ローラー、３３…ベルト、３４…吸着チャンバー、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４２…後乾燥部、４４…加熱・加圧部、４５…加圧ローラー、４８…カッター、５０…印字ヘッド、５０Ａ…ノズル面、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…インク供給口、５４…圧力室ユニット、５５…共通液室、５６…振動板（共通電極）、５７…個別電極、５８ａ…圧電体、５８ｂ…凸部、５８…圧電素子、５９…共通電極、６０…弾性体、６２…押さえ、６４…下部

Claims (6)

1. 液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室を加圧する振動板と、前記振動板を変形させる積層圧電素子を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記積層圧電素子は、薄膜形成技術によって、前記振動板上に形成され、
   このとき、前記振動板と前記積層圧電素子の接合部の面積より、振動板の前記圧力室の一つの内壁面を形成する有効振動板面積の方が大きく、さらに、前記有効振動板面積よりも積層圧電素子の活性部の面積の方が大きく、
   かつ、積層圧電素子の積層方向に垂直な断面積が、積層方向に進むに従って小さくなるように、前記積層圧電素子が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記薄膜形成技術は、エアロゾルデポジション法であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 複数の前記積層圧電素子の振動板側が、複数の前記圧力室に対応して一体化されてい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。
4. 前記積層圧電素子と前記振動板との接合部の周辺に弾性部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記振動板が３次モードで振動するように、前記振動板と前記積層圧電素子との接合部を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを有することを特徴とする画像形成装置。
   

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