JP2009083393A - 液体噴射ヘッドおよびその駆動方法並びにプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で吐出力が高くかつ信頼性の高い、新規な液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】本発明の液体噴射ヘッド１００は、液体が充填される圧力室１２と、圧力室１２の下方に設けられ、圧力室１２と連通するノズル孔１４と、を有する圧力室基板１０と、圧力室基板１０の上方に設けられ、圧力室１２の上面を構成する振動層２０と、振動層２０の上方に設けられ、平面的にみて先端が圧力室１２の上方に突出している片持梁状のビーム部３０と、ビーム部３０の上方に設けられ、ビーム部３０を駆動する圧電素子４０と、を含み、ビーム部３０は、複数設けられ、それぞれが振動層２０に振動を与え、振動層２０は、振動層２０内を伝播する複数の前記振動の重ね合わせにより変形し、振動層２０の変形により前記液体をノズル孔１４から噴射させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体噴射ヘッドおよびその駆動方法、並びにプリンタに関する。

液体噴射ヘッドは、インクジェットプリンタのヘッドとして用いられる他、近年では産業、商業用途に用いられるようになった。たとえば、半導体の製造工程で各種液体の塗布に利用されたり、商業用に紙以外の媒体に各種液体を塗布するために用いられつつある。このような用途では、精密な印刷が重要であるため、液体噴射ヘッドの小型化が求められている。最近では、小型化のために、液体噴射ヘッドは、半導体製造技術を利用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）として製造されるようになってきた。これによりヘッドの小型化は達成されつつあるが、新たな課題も生じてきている。

たとえば、ヘッドを小型化すると、液体の吐出力（噴射力）が低下することがある。このような課題に対しては、特開平１１−３４３１６号公報に、変位が両持ち梁の変位に比較して大きい片持ち梁を利用して液体を吐出させるヘッドが開示されている。また、吐出力を高めるために駆動部が直接液体に接触するような配置とする場合もある。しかし、この場合には、液体による駆動部の劣化が懸念され、使用する液体の種類が制限されることがあった。このような課題に対しては、特開２００２−２４０２７４号公報に、インク液室を構成する振動板を、静電気力により駆動する可動片で叩いてインク液滴を飛び出させるプリンタヘッドが開示されている。

しかしながら、変位の大きい片持ち梁形状を利用して、かつ、駆動部が直接液体に接触しないようなヘッドは、従来の液体噴射ヘッドの駆動メカニズムを用いる限り実現することが難しい。また、上述したような静電気力を用いる方法では、高電圧が必要なるため、ヘッドを小型化するためには望ましくない。
特開平１１−３４３１６号公報 特開２００２−２４０２７４号公報

本発明の目的の１つは、小型で吐出力が高くかつ信頼性の高い、新規な液体噴射ヘッドとその駆動方法、およびこれを備えたプリンタを提供することにある。

本発明の液体噴射ヘッドは、
液体が充填される圧力室と、前記圧力室の下方に設けられ、前記圧力室と連通するノズル孔と、を有する圧力室基板と、
前記圧力室基板の上方に設けられ、前記圧力室の上面を構成する振動層と、
前記振動層の上方に設けられ、平面的にみて先端が前記圧力室の上方に突出している片持梁状のビーム部と、
前記ビーム部の上方に設けられ、前記ビーム部を駆動する圧電素子と、
を含み、
前記ビーム部は、複数設けられ、それぞれが前記振動層に振動を与え、
前記振動層は、該振動層内を伝播する複数の前記振動の重ね合わせにより変形し、
前記振動層の変形により前記液体を前記ノズル孔から噴射させる。

このように構成した液体噴射ヘッドは、小型で吐出力が高くかつ信頼性が高い。

なお、本発明において、特定のＡ部材上方に設けられた特定のＢ部材というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記振動層の変形の大きさは、前記ノズル孔の上方で極大を有することができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記ビーム部は、その先端が平面的にみて前記ノズル孔の方向に突出していることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記ビーム部は、少なくとも２つが前記ノズル孔を挟んで対向して設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記ノズル孔は、前記対向して設けられたビーム部の中点を結ぶ第１方向に整列して複数設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記ビーム部は、前記第１方向の両端に位置するノズル孔に向かって前記ビーム部の先端が指向し、かつ、前記第１方向に沿って設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記ビーム部は、前記ノズル孔それぞれを挟んで対向して設けられ、かつ、前記第１方向に交差する第２方向に沿って設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力室基板は、複数の圧力室を有することができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記複数の圧力室は、ライン状に配置されるように設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記複数の圧力室は、マトリクス状に配置されるように設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記複数の圧力室は、前記ノズル孔がマトリクス状に配置されるように設けられることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、
前記マトリクス状に配置されたノズル孔のうち少なくとも１つが、予備用のノズル孔であることができる。

本発明の液体噴射ヘッドの駆動方法は、
上述したいずれかの液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
前記複数のビーム部から与えられ前記振動層を伝播する複数の振動は、互いに位相、周期、および振幅の少なくとも１つが異なる。

このようにすれば、振動層を伝播する振動に従って該振動層を変形させることができるため、ノズル孔から液体を噴射させることができる。

本発明の液体噴射ヘッドの駆動方法において、
前記複数の振動は、互いに周期が異なることができる。

本発明の液体噴射ヘッドの駆動方法において、
前記複数の振動のそれぞれの周期は、所定の周期の整数倍であることができる。

本発明にかかるプリンタは、上記いずれかの液体噴射ヘッドを備える。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の一例であり、説明する構成のすべてが本発明の必須構成要素とは限らない。

１．第１実施形態
１．１．液体噴射ヘッド
図１は、本実施形態にかかる液体噴射ヘッド１００を模式的に示す平面図である。図２は、液体噴射ヘッド１００を模式的に示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線の断面である。図３および図４は、液体噴射ヘッド１００の駆動の様子を模式的に示す断面図である。図３および図４は、振動層２０が変形したときに採りうる瞬間的な形状を示している。

図１および図２に示すように、本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、圧力室基板１０と、振動層２０と、ビーム部３０（第１ビーム部）と、圧電素子４０と、を含む。本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、１つの圧力室１２に対して１つのノズル孔１４と、２つのビーム部３０が設けられている。

圧力室基板１０は、圧力室１２および圧力室１２の下面を構成する底部１０ａに設けられたノズル孔１４を有する。圧力室１２には、噴射させる液体が充填される。圧力室１２は、図示せぬ流路に連続しており、該流路から圧力室１２に液体が供給されることができる。圧力室１２は、流路を介して外部の液体リザーバ（図示せず）に通じている。圧力室１２の断面および平面形状は、図示のような矩形でも、その他の形状でもよい。圧力室１２は、圧力室１２の上面の振動層２０が変形することにより、体積が変化する。圧力室１２の体積が変化すると、圧力室１２内部の圧力が変化し、該圧力の変化によって、ノズル孔１４から液体を吐出させたり、流路から液体を流入させたりすることができる。

ノズル孔１４は、圧力室１２内の液体を外部に吐出させるノズルである。ノズル孔１４の形状は、図示の例では円形の平面形状で、かつテーパーを有するが、その他の形状でもよい。ノズル孔１４の形状は、より複雑な形状でもよく、吐出される液体の性状（粘度など）によって自由に設計されることができる。圧力室基板１０の材質は、特に限定されない。たとえば、圧力室基板１０の材質は、シリコン、ステンレス、ＳＵＳ、ニッケル、チタン、チタン合金などとすることができる。圧力室基板１０の材質にシリコンを採用すれば、シリコン基板を加工することにより圧力室基板１０を形成することができる。これにより、圧力室基板１０は、半導体製造技術を利用して形成されることができ、小型化がより容易となる。

本実施形態では、ノズル孔１４は、圧力室基板１０の底部１０ａに一体的に形成されている。しかし、圧力室基板を圧力室１２の側壁のみを構成する部材と、別途ノズル孔を形成したノズル板（図示せず）とによって圧力室基板１０を構成することも可能である。

振動層２０は、圧力室基板１０の上方に設けられ、その一部が圧力室１２の上面を構成する。振動層２０は、圧力室１２を密閉するように設けられる。振動層２０の形状は、平板状である。振動層２０は、圧力室１２の上方に位置する振動領域２０ａおよび圧力室基板１０に接している固定領域２０ｂを有する。振動領域２０ａは、変形することにより圧力室１２の体積を変化させることができる。振動層２０の振動領域２０ａの変形または振動は、振動領域２０ａ内において、振動層２０の面内を伝搬することができる。たとえば、振動層２０の振動領域２０ａは、圧力室１２に張られた太鼓の皮のように動作することができる。

振動層２０の圧力室１２の上面を構成する、振動層２０の振動領域２０ａは、図３および図４に示すように、特定の断面において弦が振動するように変形することができる。これにより、ある瞬間において圧力室１２の体積を変化させることができる。図３および図４に示すように、振動層２０の振動領域２０ａは、変形したときの瞬間的な形状において、変位の極大位置がノズル孔１４の上方となるように変形することができる。振動層２０の振動領域２０ａの変形は、波のように振動層３０内を伝搬し、振動層２０の振動領域２０ａは、これらの複数の波を合成した形状に従って変形する。振動層２０の振動領域２０ａの変形についての詳細は後述する。振動層２０の材質としては、適切な可とう性および弾性を有すればよく、たとえば、酸化シリコンや酸化ジルコニウムなどの無機酸化物、窒化シリコンなどの無機窒化物、白金などの金属、または、ポリイミドなどの高分子材料を用いることができる。

ビーム部３０は、振動層２０の上方に設けられる。ビーム部３０は、片持梁状の形状を有する。ビーム部３０は、図１および図２に示すように、平面的にみて先端が圧力室１２の上方に突出して設けられる。ビーム部３０は、図１に示すように基部３４に連続して一体的に形成されることができる。基部３４は、振動層２０の上方に形成されている。基部３４は、平面的に見て圧力室１２の外側に形成される。基部３４は、エッチングによりビーム部３０を残すように除去される。基部３４とビーム部３０の材質は同じでも異なってもよい。ビーム部３０は、少なくとも一部が圧力室１２の上方すなわち、振動層２０の振動領域２０ａの上方に設けられる。ビーム部３０とノズル孔１４の平面的な位置関係は、図示の例では、ビーム部３０がノズル孔１４の鉛直上方の領域の外側に設けられているが、ノズル孔１４の鉛直上方にビーム部３０が重なるように設けられてもよい。ビーム部３０は、図示の例では、片持梁の先端部分がノズル孔１４に向かって延びるように設けられることができる。このようにすれば、ビーム部３０の先端に向かう方向と振動を伝搬させる方向とを一致させることができるため、ビーム部３０の振動をより効率よく振動層２０に伝えることができる。図示の例では、ビーム部３０は、１つのノズル孔１４に対して２つ設けられている。なお、図１および図２に示した例のように、１つのノズル孔１４を挟んで２つのビーム部１４が対向して設けられていると、振動層２０内を伝搬する振動が互いに反対方向となるため、ノズル孔１４の鉛直上方の領域内に振動層２０の変位の極大位置を設定しやすくなる。

ビーム部３０は、下方の振動層２０を振動させる。ビーム部３０は、いわゆるユニモルフ型の形状が好ましく、片持ち梁の先端が上下に振動できるようになっている。ビーム部３０は、片持梁状であるため、両持ち梁に比較して、先端部の振動の振幅が大きい。これにより振動層２０の変位を大きくすることができるため、液体噴射ヘッド１００の噴射力を高めることができる。また、ノズル孔１４からビーム部３０の先端までの距離は、振動層２０を振動が伝搬できる範囲である限り任意である。振動が伝搬する距離は、振動層２０の材質や、液体の粘度等により変化する。ビーム部３０の材質としては、所定の弾性を有すればよく、たとえば、シリコンなどの半導体材料、酸化シリコンや酸化ジルコニウムなどの無機酸化物、窒化シリコンなどの無機窒化物、または、白金などの金属を用いることができる。

圧電素子４０は、ビーム部３０の上方に設けられる。圧電素子４０は、下方から順に、下部電極４２と、圧電体層４４と、上部電極４６と、からなる。下部電極４２は、導電性を有し、たとえば白金などで形成される。圧電体層４４は、圧電性を有し、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸ジルコン酸ニオブ酸鉛などで形成される。上部電極４６は、導電性を有し、たとえば、白金などで形成される。圧電体層４４は、下部電極４２および上部電極４６によって挟まれ、両電極から電界が印加されると、電界に従って変形することができる。圧電体層４４の変形は、下部電極４２を介してビーム部３０に伝達され、ビーム部３０を振動させたり、変形させたりすることができる。ビーム部３０に振動を起こさせることができる範囲であれば、下部電極４２が形成される位置は、ビーム部３０の直上である必要はない。たとえば、下部電極４２は、ビーム部３０が接続する基部３２の位置に形成されていてもよい。圧電素子４０は、１つのビーム部３０に少なくとも１つ設けられる。圧電素子４０の下部電極４２および上部電極４６は、それぞれ図示せぬ回路に接続される。圧電素子４０が複数設けられる場合には、下部電極４２は、共通電極とすることができる。このような接続によって複数のビーム部３０にそれぞれ異なる動作を行わせることができる。

１．２．液体噴射ヘッドの駆動方法
図３および図４は、液体噴射ヘッド１００が動作しているときの形状を模式的に示す断面図である。図５および図６は、圧力室１２の上面の断面形状において、瞬間的に採りうる形状を模式的に示したものである。圧力室１２の上面は、上述した振動層２０の振動領域２０ａの下面に対応する。図５および図６は、横軸に距離、縦軸に圧力室１２の上面の変位量をとったグラフである。グラフの横軸の両端は、振動層２０の振動領域２０ａの端部に対応する。

振動層２０の振動領域２０ａの端部には、ビーム部３０からの振動が与えられ、他方の端に向かって振動が伝搬する。振動が振動層２０内を伝搬するため、特定の瞬間においては、振動層２０の下面は、図示のような波形の形状となる。図５の例では、右端から振動を正弦波ａが左端に向かって進行するように与えられ、左端から右端へ周期が正弦波ａの３倍の正弦波ｂとなるような振動が与えられた場合を示す。図中の、合成波ｃは、正弦波ａと正弦波ｂの重ね合わせであり、振動層２０の振動領域２０ａの下面の瞬間な形状を示している。図５の合成波ｃをみると、中央付近で変位量が極大（最大）となっている。図１および図２に示したような圧力室１４およびノズル孔１２の配置においては、振動層２０の振動領域２０ａが図５のような形状となっているときには、ノズル孔１４付近の液体の圧力が瞬間的に高まっている。この場合は、液体噴射ヘッド１００は、図３に示すような形状となり、ノズル孔１４から液体を吐出させることができる。また、逆に、図６に示すように、左右から発生する波の位相を図５のときと反対にした状態、すなわち縦軸が図５と上下逆の状態では、圧力室１２の体積が増大することになる。この場合の液体噴射ヘッド１００の形状は、図４に示した。圧力室１２の体積が増大すると、圧力室１２内の圧力が低下し、流路から液体を流入させることができる。なお、ノズル孔１４付近の液体と気体の界面において表面張力が生じている。そのため、圧力室１２の内部に気泡を形成するよりも流路から液体を圧力室１２内に流入するほうがエネルギー的に有利である。よって、圧力室１２の圧力が低下した場合には、ノズル孔１４からの液体の噴射よりも優先して流路から液体を吸引することができる。

このように本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、２つのビーム部３０によって生じる２つの振動が重ね合わされることにより、振動層２０に振動の重ね合わせに対応した変形が生じて液体を噴射することができる。また、正弦波の周期、位相および振幅は、経時変化させることができる。以上は、正弦波を用いて説明したが、ビーム部３０が振動層２０に与える振動は、振動層２０を伝播する変位が矩形波やパルス状となるような振動であってもよい。

１．３．液体噴射ヘッドの製造方法
液体噴射ヘッドの製造方法の一例として、液体噴射ヘッド１００の製造方法を以下に述べる。

圧力室基板１０は、たとえば、シリコン基板にフォトリソグラフィー法等によるエッチングによって、圧力室１２およびノズル孔１４を設けて形成されることができる。振動層２０としては、たとえば市販のポリイミドフィルムを用いることができる。ビーム部３０は、たとえば酸化ジルコニウム基板をフォトリソグラフィー法によって、基部３２およびビーム部３０が形成されるようにエッチングして形成することができる。圧電素子４０は、たとえば、前述のビーム部３０を形成する前に、酸化ジルコニウム基板の上に、下部電極４２、圧電体層４４および上部電極４６の積層体を形成し、これをフォトリソグラフィー法等によりパターニングして形成することができる。このようにして圧力室基板１０、振動層２０、ビーム部３０および圧電素子４０を準備した後、これらの部材を公知の位置合わせ手段などを用いて所定の位置に配置し、必要に応じて接着剤などを使用して組み立てることにより、液体噴射ヘッド１００が製造される。また、圧力室基板１０の下部をノズル板で構成した場合も同様に接着剤などを使用して組み立てることができる。

１．４．作用効果
本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、小型で吐出力および信頼性が高い。液体噴射ヘッド１００は、振動層２０の振動の伝搬を利用して液体を噴射させるため、従来にない新規な液体噴射ヘッドである。本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、半導体製造技術を利用して製造することができる。そのため、液体噴射ヘッド１００は、小型化、ノズル孔１４の高密度化が可能である。本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、片持梁状のビーム部３０の振動を利用して駆動される。よって、液体噴射ヘッド１００は、振動の振幅が両持ち梁タイプのヘッドよりも大きく、液体の吐出力が高い。したがって、液体噴射ヘッド１００は、重合性モノマーと光重合開始剤などを含むインク等の高粘度の液体の吐出が容易である。また、液体噴射ヘッド１００は、紙への印刷に対応できるだけでなく、紙以外への印刷、いわゆる商業印刷にも対応させることができる。また、本実施形態の液体噴射ヘッド１００は、ビーム部３０および圧電素子４０が液体に接触しない。そのため、液体噴射ヘッド１００は、ビーム部３０および圧電素子４０の劣化が生じにくく、信頼性が高く、かつ広範な液体の噴射に適用することができる。そして、このように構成した液体噴射ヘッドは、半導体製造技術を用いて製造できるため、小型である。

２．第２実施形態
２．１．液体噴射ヘッド
以下に第２実施形態にかかる液体噴射ヘッドについて説明する。本実施形態の液体噴射ヘッドは、１つの圧力室１２に対して、ノズル孔１４が複数設けられる。

図７は、本実施形態の液体噴射ヘッド２００を模式的に示す平面図である。

液体噴射ヘッド２００は、１つの圧力室１２に対して、複数のノズル孔１４がライン状に整列して設けられている。図７の例では、簡略化のためノズル孔１４は、４つ設けられている。図７に示したように、ノズル孔１４の整列する方向を第１方向と定義する。したがって図７の例では、第１方向は、対向して設けられたビーム部３２の中点を結ぶ方向ということができる。また、第１方向に交差する方向を第２方向とする。本例では、第１方向と第２方向は直交している。液体噴射ヘッド２００は、各ノズル孔１４に対してそれぞれ２つずつビーム部３２（第２ビーム部）が第２方向に沿って設けられている。ビーム部３２は、第１実施形態で述べたビーム部３０と同様である。液体噴射ヘッド２００の各部材、動作等は、第１実施形態と同様である。第１実施形態と重複する内容については詳細な説明を省略する。

液体噴射ヘッド２００は、各ノズル孔１４ごとに液体を吐出するようにビーム部３２を駆動することができ、圧力室１２には共通する液体を充填することができる。そしてビーム部３２を選択的に駆動することにより各々のノズル孔１４から独立に液体を噴射させるように制御されることができる。これにより、液体噴射ヘッド２００は、複数のノズル孔１４がライン状に整列した、いわゆるラインヘッドとして使用することができる。これにより印刷等の効率を高めることができる。また、液体噴射ヘッド２００は、従来のラインヘッドに比較して非常に小型化することができ、そのうえ液体の吐出力に優れている。このような作用効果は、以下に述べる変形例においても同様である。

２．２．変形例１
図８は、変形例１の液体噴射ヘッド３００を模式的に示す平面図である。図９は、液体噴射ヘッド３００の圧力室１２の上面の断面形状において、瞬間的に採りうる形状を模式的に示したものである。図９は、横軸に距離、縦軸に圧力室１２の上面の変位量をとったグラフである。グラフの横軸の両端は、圧力室１２の上面を構成する振動層２０の振動領域２０ａの下面の端部に対応する。

本変形例の液体噴射ヘッド３００は、第１方向にライン状に整列したノズル孔１４のラインの両端側のみに第１方向に沿ってビーム部３０が設けられたものである。本変形例の液体噴射ヘッド３００の構成、製造方法は、第１実施形態で述べた液体噴射ヘッド１００と同様であり、これらについての詳細な説明は省略する。以下に本変形例の液体噴射ヘッド３００の動作を説明する。

図９に示すように、ビーム部３０の振動により振動層２０の振動領域２０ａに発生する正弦波の周期、位相および振幅を調整すると、圧力室１４内の特定の位置の圧力を瞬間的に変化させることができる。このような各ビーム部３０によって振動層２０に与えられる振動は、周期、位相および振幅の少なくとも１つが異なるように選ぶことができる。したがって、本変形例のように１つの圧力室１２に複数（４つ）のノズル孔１４が設けられた場合にも、任意のタイミングで瞬間的にそれぞれのノズル孔１４の付近の圧力を高めるように圧力室１２の上面を変位させることができる。具体的には、図９の例は、右端から正弦波ａを左端に向かって発生させ、左端から周期が正弦波ａの（１５／７）倍の正弦波ｂを右端に向かって発生させたものである。この場合、基本となる正弦波の周期は、正弦波ａの１／７倍の周期であり、正弦波ａは、基本となる正弦波の周期の７倍、正弦波ｂの周期は、基本となる正弦波の周期の１５倍となっている。そして合成波ｃはこれらの波の重ね合わせを示している。図９の合成波ｃをみると、圧力室１２内の４箇所で変位量が極大（最大）となっている。図９に示すように、ノズル孔１４が図示の位置に４つ配置された場合、各ノズル孔１４の鉛直上方の領域の振動層２０の下面の変位量を極大にすることができる。

液体噴射ヘッド３００においては、振動層２０の形状を、加える振動を調整することで、任意の位置で変位の極大を示すように制御できる。そのため、任意のノズル孔１４からの噴射を、所望のタイミングで行わせることが可能である。さらに、正弦波の周期、位相および振幅は、経時変化させることができる。これにより、液体噴射ヘッド３００は、任意のノズル孔１４から、任意のタイミングで任意の量の液体を噴射させることができる。

なお、本変形例のように、１つの圧力室１２に複数のノズル孔１４がライン状に設けられ、ラインの両端から振動を加えて駆動する場合においては、ノズル孔１４の個数は、２のｎ乗（ｎは自然数）個であると、重ね合わせる振動を単純にすることができるため、制御上の効率がよくなる。

２．３．変形例２
図１０は、変形例２の液体噴射ヘッド４００を模式的に示す平面図である。図１０に示すように、本変形例の液体噴射ヘッド４００は、複数のビーム部３０、３２を有している。本例では、簡略化のために計６つのビーム部を有するものとして説明する。液体噴射ヘッド４００は、ノズル孔１４のラインの方向（第１方向）の両端に２つのビーム部３０と、ノズル孔１４のラインの方向に直交する方向（第２方向）に、各ノズル孔１４に対応した４つのビーム部３２を有している。液体噴射ヘッド４００の第２方向に沿って設けられたビーム部３２は、前述した第１方向に沿って設けられたビーム部３０と同様に振動層２０を振動させることができる。

液体噴射ヘッド４００では、図１０に示すように、横方向（第１方向）の波に加えて、図中縦方向（第２方向）に振動を伝播させる。縦方向に振動を伝播させるためのビーム部３２は、各ノズル孔１４に対応して設けられている。そのため、横方向の波と、縦方向の波をノズル孔１４の上方で重ね合わせることによって、所望のノズル孔１４から液体を吐出させることができる。また、たとえば、第１方向にビーム部３０によって定在波を形成した状態で、縦方向の波を各ノズル孔１４の上方で重ね合わせることによって、所望のノズル孔１４から液体を吐出させるように制御されることができる。本実施形態の液体噴射ヘッド４００は、ラインヘッドとして用いることができる。したがって、液体噴射ヘッド４００は、たとえば、紙等の媒体に液体（インク）を印刷するために用いた場合、印刷の速度を向上することができる。さらに、液体噴射ヘッド４００は、液体を吐出させようとする特定のノズル孔１４に対して、少なくとも１つの第２方向のビーム部３２が設けられるため、より正確かつ強力に液体を吐出させることができる。なお、本変形例において、第１方向および第２方向は、互いに直交するとして説明したが、直交していなくても交差していれば同様の効果を得ることができる。

なお、圧力室１２の第１方向の幅が、一方の端のビーム部３０からの振動が他方の端まで顕著に減衰することなく伝搬できる程度に小さければ、必ずしも圧力室１２の両側にビーム部３０を設ける必要はない。このような液体噴射ヘッド４００は、より小さいスペースで正確に各ノズル孔１４から液体を噴射することができる。なお、本実施形態における複数のビーム部は、全てが各ノズル孔１４に対応して設けられている必要はなく、２つ以上のビーム部１４から発せられる振動が、各ノズル孔１４の上方に到達できるように設けられていればよい。

２．４．変形例３
図１１は、変形例３の液体噴射ヘッド４５０を模式的に示す平面図である。本変形例の液体噴射ヘッド４５０は、液体噴射ヘッド２００および液体噴射ヘッド３００を組み合わせた構成を有している。すなわち、液体噴射ヘッド４５０は、圧力室１０の第１方向の両端に第１方向に沿って２つのビーム部３０と、第２方向に沿って、各ノズル孔１４に対応して対になった計８つのビーム部３２とを有している。

図１１に示すように、本変形例の液体噴射ヘッド４５０は、各ノズル孔１４の上方に伝えられる振動のエネルギーが、ビーム部３０の増加によって高まり、液体の吐出力が高まる。そのため、液体噴射ヘッド４５０は、より高粘度の液体を吐出することができる。このような効果は、１つのノズル孔１４に対して振動を伝播することのできるビーム部３０の数を増すことでより顕著に得られる。例えば、図１２に示す液体噴射ヘッド４８０のように、１つのノズル孔１４に対して３つのビーム部３０が突出するような構成を有せばより高粘度の液体に対応させることができる。

３．第３実施形態
３．１．液体噴射ヘッド
以下に第３実施形態にかかる液体噴射ヘッドについて説明する。本実施形態の液体噴射ヘッドは、圧力室基板１０に複数の圧力室１２が設けられる。

図１３は、本実施形態の変形例の液体噴射ヘッド５００を模式的に示す平面図である。液体噴射ヘッド５００においては、図１３に破線で示すように、第１実施形態の液体噴射ヘッド１００の構成をユニットＵ１０とみなすことができる。液体噴射ヘッド５００は、上述した液体噴射ヘッド１００を１つのユニットＵ１０として、ノズル孔１４が整列するようにユニットＵ１０を繰り返してライン状に配置したものである。液体噴射ヘッド５００は、圧力室１２およびノズル孔１４が１つの圧力室基板１０に設けられている。液体噴射ヘッド５００の各ユニットＵ１０の構成、動作、製造方法等は、上述の液体噴射ヘッド１００と同様であり、これらについての詳細な説明は省略する。

液体噴射ヘッド５００は、ユニットＵ１０ごとに独立して駆動することができ、各圧力室１２にはそれぞれ異なる種類の液体を充填することができる。これにより、液体噴射ヘッド５００は、複数のノズル孔１４がライン状に整列した、いわゆるラインヘッドとして使用することができる。これにより、たとえば液体噴射ヘッド５００を印刷に用いる場合には、印刷速度を向上させることができる。液体噴射ヘッド５００は、従来のラインヘッドに比較して小型化が可能であり、そのうえ液体の吐出力に優れている。

本実施形態において、ユニットＵ１０は、上述した液体噴射ヘッドのいずれの構成であってもよい。次に、その例として、ユニットＵ１０が上述の液体噴射ヘッド４００と同様の構成である場合について説明する。

図１４は、本実施形態の液体噴射ヘッド５５０を模式的に示す平面図である。

液体噴射ヘッド５５０は、圧力室基板１０に複数の圧力室１２がライン状に整列して設けられている。図示の例では、３つの圧力室１２がライン状に整列して設けられている。液体噴射ヘッド５５０の部材、動作等は、上記の構成が異なる以外、第１および第２実施形態と同様である。第１実施形態および第２実施形態と重複する内容については詳細な説明を省略する。

液体噴射ヘッド５５０は、液体噴射ヘッド４００を１つのユニットＵ１０とし、これを同一圧力室基板１０にライン状に平行に整列して配置したものである。圧力室１２の個数は、複数個であればよいが、２のｎ乗（ｎは自然数）個であると、半導体メモリの動作制御と同様に動作を制御でき、制御上の効率がよくなる。

液体噴射ヘッド５５０のノズル孔１４は、ユニットＵ１０（液体噴射ヘッド４００）内でライン状に配置され（第１方向）かつ該ラインは、圧力室１２が複数平行に配置されることにより該ラインと交差する方向に配列（第２方向）したマトリクス状に配置されている。なお、本実施形態ではノズル孔１４のマトリクスの行と列が直交した例を述べているが、行と列は傾斜して交差していてもよい。

液体噴射ヘッド５５０は、マトリクス状に配置されたノズル孔１４を有するため、半導体メモリに類似した駆動が可能である。すなわち、１つの圧力室１２にライン状に行方向に配列されたノズル孔１４をメモリにおけるロウ（ＲＡＷ）、圧力室１２の配列する列方向に整列したノズル孔１４をカラム（ＣＯＬＵＭＮ）として半導体メモリと同様に駆動することができる。このようにすれば、一般的なメモリにおいて一般に用いられる制御方法を本実施形態に適用することができる。

また、本実施形態では、ノズル孔１４がマトリクス状に配列されるため、製造時または使用時において、ノズル孔１４が詰まる等の欠陥が生じた場合、制御上、メモリにおいて行われる冗長救済制御が可能である。したがって、製造歩留まりおよび信頼性を向上することができる。

本実施形態において、ユニットＵ１０は、マトリクス状に配置することができる。

図１５は、本実施形態の液体噴射ヘッド５８０のユニットＵ１０の配置を模式的に示した平面図である。図１５に示すように、１つの圧力室基板１０に、ユニットＵ１０をマトリクス状に配置すれば、ノズル孔１２は、マトリクス状に配置される。そして、ユニットＵ１０毎に、任意のタイミングで液体を吐出させることができる。すなわち、本実施形態の液体噴射ヘッド５８０は、面状のヘッドとして用いることができる。したがって、液体噴射ヘッド５８０では、圧力室１２に１つずつノズル孔１４が設けられた場合であっても、ノズル孔１４がマトリクス状に配置されることになる。そのため、液体噴射ヘッド５８０を、たとえば、紙等の媒体に液体（インク）を印刷するために用いた場合、印刷の速度を劇的に向上することができる。

４．第４実施形態
４．１．プリンタ
次に上述した液体噴射ヘッドを有するプリンタ６００について説明する。ここでは、本実施形態に係るプリンタ６００がインクジェットプリンタである場合について説明する。

図１６は、本実施形態に係るプリンタ６００を概略的に示す斜視図である。プリンタ６００は、ヘッドユニット６３０と、駆動部６１０と、制御部６６０と、を含む。また、プリンタ６００は、装置本体６２０と、給紙部６５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口６２２と、装置本体６２０の上面に配置された操作パネル６７０と、を含むことができる。

ヘッドユニット６３０は、上述した液体噴射ヘッドのいずれか（図中、Ｈと符号を付した。）から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット６３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ６３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ６３１を搭載した運搬部（キャリッジ）６３２と、を備える。

駆動部６１０は、ヘッドユニット６３０を往復動させることができる。駆動部６１０は、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２と、を有する。

往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４４と、キャリッジガイド軸６４４と平行に延在するタイミングベルト６４３と、を備える。キャリッジガイド軸６４４は、キャリッジ６３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ６３２を支持している。さらに、キャリッジ６３２は、タイミングベルト６４３の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、タイミングベルト６４３を走行させると、キャリッジガイド軸６４４に導かれて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。

制御部６６０は、ヘッドユニット６３０、駆動部６１０、および給紙部６５０を制御することができる。

給紙部６５０は、記録用紙Ｐをトレイ６２１からヘッドユニット６３０側へ送り込むことができる。給紙部６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２と、を備える。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａおよび駆動ローラ６５２ｂを備える。駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。

ヘッドユニット６３０、駆動部６１０、制御部６６０、および給紙部６５０は、装置本体６２０の内部に設けられている。

なお、上述した例では、プリンタ６００がインクジェットプリンタである場合について説明したが、本発明のプリンタは、工業的な液滴吐出装置として半導体の製造工程に用いられることができる。本発明のプリンタは、商業用途として、紙以外の媒体へ液体を塗布する用途に用いられることもできる。

本実施形態のプリンタ６００は、その記録ヘッド部位に上述した実施形態の液体噴射ヘッドのいずれかを有するため、印刷対象への液滴の塗工性能が優れている。すなわち、印刷時において、インクの吐出力が高く、ヘッドの劣化が生じにくく、信頼性が高い。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

実施形態の液体噴射ヘッド１００を模式的に示す断面図。 実施形態の液体噴射ヘッド１００を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド１００の動作を模式的に示す断面図。 実施形態の液体噴射ヘッド１００の動作を模式的に示す断面図。 実施形態の圧力室１０の上面の形状を模式的に示すグラフ。 実施形態の圧力室１０の上面の形状を模式的に示すグラフ。 実施形態の液体噴射ヘッド２００を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド３００を模式的に示す平面図。 実施形態の圧力室１０の上面の形状を模式的に示すグラフ。 実施形態の液体噴射ヘッド４００を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド４５０を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド４８０を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド５００を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド５５０を模式的に示す平面図。 実施形態の液体噴射ヘッド５８０を模式的に示す平面図。 本実施形態のプリンタ６００を概略的に示す斜視図。

符号の説明

１０ 圧力室基板、１０ａ 底部、１２ 圧力室、１４ ノズル孔、２０ 振動層、２０ａ 振動領域、２０ｂ 固定領域、３０ （第１）ビーム部、３２ （第２）ビーム部、３４ 基部、４０ 圧電素子、４２ 下部電極、４４ 圧電体層、４６ 上部電極、１００，２００，３００，４００，４５０，４８０，５００，５５０，５８０ 液体噴射ヘッド、Ｕ１０ ユニット、６００ プリンタ、６１０ 駆動部、６２０ 装置本体、６２１ トレイ、６２２ 排出口、６３０ ヘッドユニット、６３１ インクカートリッジ、６３２ キャリッジ、６４１ キャリッジモータ、６４２ 往復動機構、６４３ タイミングベルト、６４４ キャリッジガイド軸、６５０ 給紙部、６５１ 給紙モータ、６５２ 給紙ローラ、６６０ 制御部、６７０ 操作パネル

Claims (16)

1. 液体が充填される圧力室と、前記圧力室の下方に設けられ、前記圧力室と連通するノズル孔と、を有する圧力室基板と、
   前記圧力室基板の上方に設けられ、前記圧力室の上面を構成する振動層と、
   前記振動層の上方に設けられ、平面的にみて先端が前記圧力室の上方に突出している片持梁状のビーム部と、
   前記ビーム部の上方に設けられ、前記ビーム部を駆動する圧電素子と、
   を含み、
   前記ビーム部は、複数設けられ、それぞれが前記振動層に振動を与え、
   前記振動層は、該振動層内を伝播する複数の前記振動の重ね合わせにより変形し、該振動層の変形により前記液体を前記ノズル孔から噴射させる、液体噴射ヘッド。
2. 請求項１において、
   前記振動層の変形の大きさは、前記ノズル孔の上方で極大を有する、液体噴射ヘッド。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記ビーム部は、その先端が平面的にみて前記ノズル孔の方向に突出している、液体噴射ヘッド。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
   前記ビーム部は、少なくとも２つが前記ノズル孔を挟んで対向して設けられた、液体噴射ヘッド。
5. 請求項４において、
   前記ノズル孔は、前記対向して設けられたビーム部の中点を結ぶ第１方向に整列して複数設けられた、液体噴射ヘッド。
6. 請求項５において、
   前記第１方向に沿って設けられ、前記第１方向の両端に位置するノズル孔に向かって先端が突出した第１ビーム部を有する、液体噴射ヘッド。
7. 請求項５または請求項６において、
   前記第１方向に交差する第２方向に沿って設けられ前記ノズル孔のそれぞれを挟んで対向して設けられた第２ビーム部を有する、液体噴射ヘッド。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、
   前記圧力室基板は、複数の圧力室を有する、液体噴射ヘッド。
9. 請求項８において、
   前記複数の圧力室は、ライン状に配置されるように設けられた、液体噴射ヘッド。
10. 請求項８において、
    前記複数の圧力室は、マトリクス状に配置されるように設けられた、液体噴射ヘッド。
11. 請求項８において、
    前記複数の圧力室は、前記ノズル孔がマトリクス状に配置されるように設けられた、液体噴射ヘッド。
12. 請求項１１において、
    前記マトリクス状に配置されたノズル孔のうち少なくとも１つが、予備用のノズル孔である、液体噴射ヘッド。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
    前記複数のビーム部から与えられ前記振動層を伝播する複数の振動は、互いに位相、周期、および振幅の少なくとも１つが異なる、液体噴射ヘッドの駆動方法。
14. 請求項１３において、
    前記複数の振動は、互いに周期が異なる、液体噴射ヘッドの駆動方法。
15. 請求項１３または請求項１４において、
    前記複数の振動のそれぞれの周期は、所定の周期の整数倍である、液体噴射ヘッドの駆動方法。
16. 請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを備えた、プリンタ。

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