JP2012091510A - 液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体のミストが侵入し難い液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置を提供する。
【解決手段】液体を吐出させる加圧ユニット２１を備えている液体吐出ヘッド本体１３と、液体吐出ヘッド本体１３の一部を覆うように設けられており、一部に開口９０ｂａを有するカバー部材と、開口９０ｂａを塞ぐようにカバー部材の内側に接合されているとともに、カバー部材の外側で外部の配線と接続される接続部を備え、かつ加圧ユニット２１と電気的に接続されている接続基板８０とを有する液体吐出ヘッドを用いる。
【選択図】図７

Description

本発明は、液滴を吐出させる液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置に関するものである。

近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。

このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

また、このような液体吐出ヘッドには、記録媒体の搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および記録媒体より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる記録媒体に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。

シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する液体吐出孔の密度を高くする必要がある。

そこで液体吐出ヘッド本体を、マニホールド（共通流路）およびマニホールドから複数の液体加圧室をそれぞれ介して繋がる液体吐出孔を有した流路部材と、前記液体加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有するアクチュエータユニットとを積層して構成したが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この液体吐出ヘッド本体では、複数の液体吐出孔にそれぞれ繋がった液体加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられたアクチュエータユニットの変位素子を変位させることで、各液体吐出孔からインクを吐出させ、主走査方向に６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。また、この液体吐出ヘッド本体には筐体が取り付けられて液体吐出ヘッドが構成されており、液体吐出ヘッド本体を駆動する信号は、筐体に開口した孔を通した信号ケーブルで伝達され、孔は樹脂の蓋で塞がれている。

特開２０１０−５２２５６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、印刷中に生じる液体のミストなどが、信号ケーブと蓋、あるいは蓋と筐体の間から筐体内部に入りこみ、その液体によ
り信号配線間などが短絡し、液体吐出ヘッドが動作しなくなることがあるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、液体のミストが侵入し難い液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置を提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出させる加圧ユニットを備えている液体吐出ヘッド本体と、該液体吐出ヘッド本体の一部を覆うように設けられており、一部に開口を有するカバー部材と、前記開口を塞ぐように前記カバー部材に接合されているとともに、前記カバー部材の外側で外部の配線と接続される接続部を備え、かつ前記加圧ユニットと電気的に接続されている接続基板とを有することを特徴とする。

また、本発明の記録装置は、前記記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドの前記接続部に接続され、前記接続基板を介して前記液体吐出ヘッド本体に電気的に接続されている、前記液体吐出ヘッド本体を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、外部と液体吐出ヘッドとの電気信号は、接続基板を介して行なわれ、カバー部材の開口は、接続基板がカバー部材に接合されることで塞がれているため、カバー部材の開口からの液滴の侵入を抑制できるので、信頼性が高くなる。

本発明の記録装置によれば、液体吐出ヘッド内への液滴の侵入が抑制できるので、信頼性が高くなる

本発明の一実施形態に係る記録装置であるプリンタの概略構成図である。 図１の液体吐出ヘッドを構成する流路部材および圧電アクチュエータの平面図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。 図１の液体吐出ヘッドの斜視図である。 図６の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線縦断面図である。 本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドの縦断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つの液体吐出ヘッド２を有している。これらの液体吐出ヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。液体吐出ヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。

プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０および紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、液体吐出ヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。

給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。

給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａおよび１１８ｂ、ならびに、１１９ａおよび１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。

搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６および１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６および１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、液体吐出ヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。

ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。したがって、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。

ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。

給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、液体吐出ヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。

４つの液体吐出ヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各液体吐出ヘッド２は、下端の液体吐出ヘッド本体１３と液体吐出ヘッド本体１３に取り付けられたカバー部材９０を有している。液体吐出ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の液体吐出孔８が設けられている液体吐出孔面４ａとなっている（図５参照）。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた液体吐出孔８からは、同じ色の液滴（インク）が吐出されるようになっている。各液体吐出ヘッド２の液体吐出孔８は一方方向（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐ搬送方向に直交する方向であり、液体吐出ヘッド２の長手方向）に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。各液体吐出ヘ
ッド２から吐出される液体の色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。各液体吐出ヘッド２は、液体吐出ヘッド本体１３の下面の液体吐出孔開口平面４ａと搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。

搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド２を構成する液体吐出ヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。

搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａおよび１２１ｂならびに１２２ａおよび１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。

なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にある液体吐出ヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子および受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、液体吐出ヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。

図６は液体吐出ヘッド２の斜視図であり、図７は、図６に示した液体吐出ヘッド２のＸ−Ｘ線断面図である。液体吐出ヘッド本体１３には、流路部材４、分岐流路部材６０、リザーバ流路部材４０、加圧ユニットである圧電アクチュエータユニット２１、ヒータ６５が含まれる。図７では流路部材４などの流路の内部構造は省略してある。

液体吐出ヘッド２は液体吐出ヘッド本体１３とカバー部材９０とを含んでいる。カバー部材９０は、金属製で、形状は直方体状である。カバー部材９０は、筒状のカバー部材本体９０ａとカバー部材本体９０ａに着脱可能な蓋９０ｂとからなっている。蓋９０ｂは液体吐出孔面４ａと対向した面が外れるような位置に配置されているため、複数の液体吐出ヘッド２が隣接して配置されていても、蓋９０ｂを外して交換できる。カバー部材本体９０ａと蓋９０ｂとの間に弾性変形する樹脂などを設けることで、液滴の侵入をより抑制できる。蓋９０ｂには孔９０ｂａが開口しており、接続基板８０は、孔９０ｂａを塞ぐように蓋９０ｂに接合される。接合を樹脂や防水処理した両面テープなどで行なうことで、液滴の侵入をより抑制できる。

接続基板８０のカバー部材９０の外側の面（以下で単に外側の面と言うことがある）には外部の配線と接続される、接続部である外部コネクタ８２が実装されている。外部コネクタ８２があることにより、制御部１００への接続が容易になる。外部コネクタ８２を接続基板８０のカバー部材９０の外側の面にスルーホール実装にする、すなわち外部コネクタ８２の端子を、接続基板８０に設けられたスルーホールを貫通させて、接続基板８０のカバー部材９０の内側の面（以下で単に内側の面と言うことがある）に形成されている配線８０ａに、半田などのろう材で接合することで、接続基板８０の外側に配線を少なくできるので、そのような配線が液滴よって断線することを抑制できる。その際、スルーホール内のろう材、あるいは配線８０ａ上のろう材により、接続基板８０のスルーホールを介してミストの侵入は抑制される。スルーホール内には導体が形成され、ろう材が充てんさ
れることにより、接合が強固になり、ミストの侵入の抑制効果が高まるが、スルーホール内の導体が形成や、ろう材の充てんは必ずしも必要ではない。さらに、外部コネクタ８２の底部と接続基板８０とを樹脂などで接着してもよい。外部コネクタ８２と接続基板８０の間には樹脂などをいれることで、液滴がより侵入し難くなり、外部コネクタ８２の下部や接続基板８０の外側の面の側のスルーホール付近での断線の発生を抑制できる。

接続基板８０の内側の面の配線８０ａには内部コネクタ８４が半田などのろう材で実装されている。このように、内部コネクタ８４を表面実装すれば、接続基板８０の外側の面の配線を少なくできるので、そのような配線が液滴よって断線することを抑制できる。内部コネクタ８４および外部コネクタ８２の接続を上述のようにすれば、接続基板８０の外側の面に配線をなくすことができるので、より好ましい。

また、内部コネクタ８４の接続する先をカバー部材９０ａあるいは液体吐出ヘッド本体１３に固定させておけば、蓋９０ｂを着脱する際に、内部コネクタ８４により接続も同時にできるので、接続をより簡単にできる。そのような構造にするため、信号分配基板８６はカバー部材９０の中で垂直に立てられた状態にするのが好ましい。

内部コネクタ８４を実装する位置を液体吐出ヘッド２の短手方向の中央部にすることで、蓋９０ｂを着脱する際の応力は、接続基板８０に垂直に近い角度で加わり、斜めに加わる応力が少ないので、内部コネクタ８４の実装が、応力による破壊されにくい。ここで言う中央部とは、短手方向の中央１／３の部分のことである。そして、蓋９０ｂを着脱可能であることにより、外部コネクタ８２自体や接続基板８０が液滴によって断線したとしても、蓋９０ｂおよび接続基板８０を交換することで、簡単に液体吐出ヘッド２を修理することができる。また、蓋９０ｂおよび接続基板８０は、特にコストの高い部材を使用しなくても作製可能であり、交換のコストも安くて済む。

リザーバ流路部材４０には、リザーバ流路が設けられて、その一端は液体導入孔４１ｂとして、液体吐出ヘッド２の外部に開口している。また、リザーバ流路の内壁の一部は弾性変形可能な材質のダンパになっている。ダンパのリザーバ流路と反対の面が面する方向に変形できるようになっているため、ダンパは弾性変形することでリザーバ流路の体積を変化させることができ、液体吐出量が急激に多くなった場合などに、安定して液体が供給できるようになる。また、リザーバ流路の中にフィルタを設けて、液体の中に含まれる異物が分岐流路部材４に入らないようにするのが好ましく、異物が詰まることによって起こる不吐出を抑制できる。

分岐流路部材６０には、分岐流路が設けられており、リザーバ流路とマニホールドの開口５ｂの間を繋いでいる。リザーバ流路から入った液体は、途中で複数の流路に別れ、複数のマニホールドの開口５ｂからマニホールド５に流れ込む。

また、リザーバ流路部材４０には、断熱性部材９７が付けられた弾性板９６と、液体吐出ヘッド本体１３から液体を吐出させる駆動信号を、４つある圧電アクチュエータユニット２１に分配する信号分配基板８６を固定するためのガイドフレーム８８とが固定されている。弾性板９６は図７の断面図では、接続していないが、この断面以外の部分で固定されている。制御部１００から信号ケーブル（不図示）を介して送られてきた駆動信号は、外部コネクタ８２、接続基板８０、内部コネクタ８４、信号分配基板８６、信号伝達部９２および信号伝達部９２に実装されたドライバＩＣ５５を通り、後述の圧電アクチュエータユニット２１の液体吐出素子５０を駆動し、流路部材４内部の液体を加圧することにより、液滴が吐出される。なお、信号分配基板８６は、例えば、駆動信号を複数の圧電アクチュエータユニット２１に分ける他に、駆動信号の整流など行なってもよい。信号伝達部９２は可撓性を有する帯状のもので、内部に金属の配線を有し、配線の一部は、信号伝達
部９２の表面に露出しており、露出した配線により、信号分配基板８６、ドライバＩＣ５５および圧電アクチュエータユニット２１と電気的に接続される。信号伝達部９２は、例えば、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）である。

ドライバＩＣ５５は、駆動信号の処理を行なう際に発熱する。ドライバＩＣ５５は弾性板９６をたわませることで金属製のカバー部材９０に押し当てられているため、発生した熱は主にカバー部材９０に伝わり、さらにカバー部材９０全体に速く広がり、外部に放熱されていく。断熱性部材９７は、リザーバ流路部材に熱が伝わり難くしている。断熱性部材９７も弾性のあるものにしておいて、ドライバＩＣ５５を金属製のカバー部材９０に押し当てる助けをさせてもよい。

次に本発明の液体吐出ヘッドを構成する流路部材４について説明する。図２は、液体吐出ヘッド本体１３のうち流路部材４および圧電アクチュエータ２１を示す平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、液体吐出ヘッド本体１３の一部である。図４は、図３と同じ位置の拡大透視図で、液体吐出孔８の位置が分かりやすいように、一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かりやすくするために、圧電アクチュエータユニット２１の下方にあって破線で描くべき液体加圧室１０（液体加圧室群９）、しぼり１２および液体吐出孔８を実線で描いている。図５は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。

液体吐出ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、加圧部を含む圧電アクチュエータユニット２１、分岐流路部材６０およびリザーバ流路部材４０を有している。圧電アクチュエータユニット２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータユニット２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータユニット２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータユニット２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる。

流路部材４の内部にはマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つの圧電アクチュエータユニット２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には開口５ｂを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。

流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド５ａということがあり、開口５ｂから副マニホールド５ａまでのマニホールド５を液体供給路５ｃということがある）。開口５ｂに繋がる液体供給路５ｃは、圧電アクチュエータユニット２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。２つの圧電アクチュエータユニット２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド５が、隣接する圧電アクチュエータユニット２１に共有されており、副マニホールド５ａがマニホールド５の両側から分岐している。これらの副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域に互いに隣接して液体吐出ヘッド本体１３の長手方向に延在している。すなわち、副マニホールド５ａの両端は、液体供給路５ｃに繋がっている。

流路部材４は、複数の液体加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に形成されている４つの液体加圧室群９を有している。液体加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。液体加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの液体加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの液体加圧室１０によって形成された各液体加圧室群９は圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有している。また、各液体加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。

本実施形態では、図３に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。

全体では、マニホールド５から繋がる液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各液体加圧室列に含まれる液体加圧室１０の数は、加圧部である変位素子５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。液体吐出孔８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。

つまり、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように液体吐出孔８を投影すると、図３に示した仮想直線のＲの範囲に、各副マニホールド５ａに繋がっている４つの液体吐出孔８、つまり全部で１６個の液体吐出孔８が６００ｄｐｉの等間隔になっている。また、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の液体吐出孔８を４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されている。

圧電アクチュエータユニット２１の上面における各液体加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は液体加圧室１０より一回り小さく、液体加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。

流路部材４の下面の液体吐出面には多数の液体吐出孔８が形成されている。これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。

また、これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。これらの液体吐出孔８は、１つの群として圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータユニット２１の変位素子５０を変位させることにより液体吐出孔８から液滴が吐出できる。液体吐出孔８は、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。

液体吐出ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。液体吐出ヘッド本体１３は、図５に示されているように、液体加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、液体吐出孔８は下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、液体加圧室１０を介して副マニホールド５ａと液体吐出孔８とが繋がる構成を有している。

各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された液体加圧室１０である。第２に、液体加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。

第３に、液体加圧室１０の他端から液体吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には液体吐出孔８）までの各プレートに形成されている。

第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。

このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホールド５ａの出口）から液体吐出孔８に至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で液体吐出孔８から吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、液体加圧室１０の一端部に至る。さらに、液体加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、液体加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した液体吐出孔８へと進む。

分岐流路部材６０も、流路部材４と同様には圧延法等により得られプレート６０ａ〜６０ｃに、エッチングにより所定の形状に加工されて、フィルタ４５およびダンパ４７を貼り付けた後、積層接着され、液体流路６１および圧電アクチュエータが収納される凹部６３が設けられる。

圧電アクチュエータユニット２１は、図５に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ２０μｍ程度の厚さを有している。圧電アクチュエータユニット２１全体の厚さは４０μｍ程度である。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の液体加圧室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。

圧電アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極３４およびとＡｕ系などの金属材料からなる個別電極３５を有している。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、液体加圧室１０と対向する領域外に引き出されて接続電極３６が形成されている。この接続電極３６は例えばガラスフリットを含む銀−パラジウムからなり、厚さが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続電極３６は、信号伝達部９２に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部１００から信号伝達部９２を通じて駆動信号が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。

共通電極３４は、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極３４は、圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域内の全ての液体加圧室１０を覆うように延在している。共通電極３４の厚さは２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電セラミック層２１ｂ上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、圧電セラミック層２１ｂの内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されているとともに、多数の個別電極３５と同様に、信号伝達部９２上の別の電極と接続されている。

図５に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。

なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する液体加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する液体吐出口８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータユニット２１における各液体加圧室１０に対向する部分は、各液体加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図５に示されているような構造を単位構造とする圧電アクチュエータである変位素子５０が液体加圧室１０毎に、液体加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータユニット２１には加圧部である変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって液体吐出口８から吐出される液体の量は５〜７ｐｌ（ピコリットル）程度である。

多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれが信号伝達部９２および配線を介して、個別に制御部１００に電気的に接続されている。

本実施形態における圧電アクチュエータユニット２１においては、個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域を持
たない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータユニット２１は、上側（つまり、液体加圧室１０とは離れた側）の圧電セラミック層２１ｂを、活性部を含む層とし、かつ下側（つまり、液体加圧室１０に近い側）の圧電セラミック層２１ａを非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている。

この構成において、電界と分極とが同方向となるように、制御部１００により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは液体加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。

本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極３５を共通電極３４より高い電位とする第１の電圧Ｖ１Ｖ（ボルト、以下で省略することがある）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４とを一旦、第１の電圧Ｖ１よりも低い第２の電圧を加えて低電位、例えば同じ電位にし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、液体加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、液体加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から液体加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが液体加圧室１０側へ凸となるように変形し、液体加圧室１０の容積減少により液体加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、液体加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から液体吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である。これによると、液体加圧室１０内部が負圧状態から正圧
状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。

また、階調印刷においては、液体吐出孔８から連続して吐出される液滴の数、つまり液滴吐出回数で調整される液滴量（体積）で階調表現が行なわれる。このため、指定された階調表現に対応する回数の液滴吐出を、指定されたドット領域に対応する液体吐出孔８から連続して行なう。一般に、液体吐出を連続して行なう場合は、液滴を吐出させるために供給するパルスとパルスとの間隔をＡＬとすることが好ましい。これにより、先に吐出された液滴を吐出させるときに発生した圧力の残余圧力波と、後に吐出させる液滴を吐出させるときに発生する圧力の圧力波との周期が一致し、これらが重畳して液滴を吐出するための圧力を増幅させることができる。なお、この場合後から吐出される液滴の速度が速くなると考えられるが、その方が複数の液滴の着弾点が近くなり、好ましい。

図８は、本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドの縦断面である。図８の液体吐出ヘッド２０２には、上述の液体吐出ヘッド２に、さらに、放熱部９９が備わっている。

上述の液体吐出ヘッド２では、接続基板８０を設けることなどにより、カバー部材９０内への液滴の侵入を抑制することができるようになるが、このような構造にすることより、液体吐出ヘッド２の上方への排熱が少なくなってしまう。ドライバＩＣ５５などで発生した熱は、カバー部材９０に伝わり、主にカバー部材９０全体から排熱される。しかし、接続基板８０は、樹脂製のものが用いられることが多く、接続基板８０の熱伝導性がある程度高かったとしても、蓋９０ａとの接続部の熱伝導性はあまり良くないと考えられる。また、このような液体吐出ヘッド２は、多色印刷や、印刷速度を速めるために、複数隣接
して設置されることで、側方へ排熱し難い状態にされる場合があるので、液体吐出ヘッド２の上方から排熱されるようになっていることが好ましい。

そこで、液体吐出ヘッド２０２では、カバー部材本体９０ａに、液体吐出ヘッド本体１３から接続基板８０までの間の側面から、接続基板８０の上方まで延在する放熱部９９を備えるようにする。これにより、ドライバＩＣ５５の熱は、カバー部材本体９０ａを介して放熱部９９に伝わり、放熱部９９の、接続基板８０の上方にある部分まで伝わって、外部に放熱される。放熱部９９は熱伝導性が高いものが好ましく、金属であることが好ましい。また、放熱部９９は、間にカバー部材本体９０ａを介して、ドライバＩＣ５５と重なる位置に設けると、熱がより伝わり易くなり好ましい。放熱部９９とカバー部材本体９０ａとは、接着してもよいが、放熱部９９とカバー部材本体９０ａとが直接接触する方が、熱がより伝わりやすくなり好ましい。その際の固定は、例えば、ねじで行ったり、放熱部９９の形状を、カバー部材本体９０ａを挟み込むものにして、放熱部９９の弾性変形を利用して固定する。

放熱部９９には、外部からの外部コネクタ８２に接続される配線が通るように放熱部の孔９９ａが設けられている。放熱部の孔９９ａの開口面積を液体吐出ヘッド２０２の上面の面積よりも小さくすれば、接続基板８０に付着するミストの量が少なくなるので、カバー部材９０内部へ、ミストがより侵入し難くなる。

また、放熱部９９の、接続基板８０の上方の部位には、冷媒流路９９ｂが設けられている。冷媒流路９９ｂは、液体吐出ヘッド２０２の長手方向のほぼ全体にわたって設けられており、液体吐出ヘッド２０２の長手方向の両端で外部に開放されている。冷媒流路９９ｂに冷媒を通すことで、液体吐出ヘッド２０２からの排熱をよりスムーズにできる。冷媒は、空気よいが、液体である方がより排熱効率をよくできる。このような液体吐出ヘッド２０２を並列させて使用する場合、それらの短手方向の位置を近づける方が、印刷精度が高くできる。しかし、位置を近づけることは、排熱にはより不利になるが、上述のような短手方向への寸法の拡大があまりない排熱部９９を設けることに、効率的な排熱が可能になる。また、短手方向への寸法の拡大があまりないように、冷媒は、長手方向に伸びる冷媒流路９９ｂを通すのが良い。

なお、本実施例では、加圧部として圧電変形を用いた変位素子５０を示したが、これに限られるものでなく、液体加圧室１０中の液体を加圧できるものなら他のものでよく、例えば、液体加圧室１０中の液体を加熱して沸騰させて圧力を生じさせるものや、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたものでも良い。

以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。グリーンシートの一部には、その表面に共通電極３４となる電極ペーストを印刷法等により形成する。また、必要に応じてグリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を充填する。

ついで、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を高濃度酸素雰囲気下で焼成し、その後有機金ペーストを用いて焼成体表面に個別電極３５を印刷して、焼成した後、Ａｇペーストを用いて接続電極３６を印刷し、焼成することにより、圧電アクチュエータユニット２１を作製する。

次に、流路部材４を、圧延法等により得られプレート２２〜３１を接着層を介して積層して作製する。プレート２２〜３１に、マニホールド５、個別供給流路６、液体加圧室１
０およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。

これらプレート２２〜３１は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体としてインクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

分岐流路部材６０も同様にさまざまな孔を開けたプレート６０ａ〜６０ｃを積層接着して作製する。

リザーバ流路部材４０は射出成形したリザーバ流路本体４０ａおよびプレート５０ｂと、フィルタ４５およびダンパ４７とを組み合わせて接着した。

圧電アクチュエータユニット２１と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータユニット２１や流路部材４への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータユニット２１と流路部材４とを加熱接合することができる。

次に圧電アクチュエータユニット２１と制御回路１００とを電気的に接続するために、接続電極３６に銀ペーストを供給し、あらかじめドライバＩＣ５５を実装した信号伝達部９２であるＦＰＣを載置し、熱を加えて銀ペーストを硬化させて電気的に接続させる。なお、ドライバＩＣ５５の実装は、信号伝達部９２に半田で電気的にフリップチップ接続した後、半田周囲に保護樹脂を供給して硬化させた。

続いて、分岐流路部材６０と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータユニット２１や流路部材４への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、分岐流路部材６０と流路部材４とを加熱接合することができる。

続いて、弾性板９６の所定の位置に断熱性弾性部材９５を樹脂などで取り付ける。断熱性弾性部材９５としてゴムを取り付けた弾性板９６と分岐流路部材６０の間に、あらかじめコネクタ９５を実装した信号分配基板８６を挟み、ねじで弾性板９６と分岐流路部材６０とを接合するとともに、信号分配基板８６を固定した。

さらに、信号伝達部９２をまげて、信号伝達部９２の一端をコネクタ９５に差し込んで固定する。その後、サイドプレート９０ｂをねじで第２の流路部材に付け、上部カバー部材９０ａをはめ、上部カバー部材９０ａを弾性板９６にねじで固定して、液体吐出ヘッド２を作製することができる。

１・・・プリンタ
２、２０２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
４ａ・・・液体吐出孔面
５・・・マニホールド
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・マニホールドの開口（液体導入孔）
５ｃ・・・液体供給路
６・・・個別供給流路
８・・・液体吐出孔
９・・・液体加圧室群
１０・・・液体加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータユニット（加圧ユニット）
２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３６・・・接続電極
４０・・・リザーバ流路部材
４１ｂ・・・リザーバ流路の液体導入孔
５０・・・変位素子（圧電アクチュエータ）
６０・・・分岐流路部材
６３・・・圧電アクチュエータが収納される凹部
６５・・・ヒータ
８０・・・接続基板
８０ａ・・・接続基板の配線
８２・・・外部コネクタ
８４・・・内部コネクタ
８６・・・信号分配基板
８８・・・ガイドフレーム
９０・・・カバー部材
９０ａ・・・カバー部材本体
９０ｂ・・・蓋
９０ｂａ・・・カバー部材の孔
９２・・・信号伝達部
９４・・・基板
９５・・・コネクタ
９６・・・弾性板
９７・・・断熱性部材
９９・・・放熱部
９９ａ・・・放熱部の（外部配線が通る）孔
９９ｂ・・・冷媒流路

Claims (8)

1. 液体を吐出させる加圧ユニットを備えている液体吐出ヘッド本体と、
   該液体吐出ヘッド本体の一部を覆うように設けられており、一部に開口を有するカバー部材と、
   前記開口を塞ぐように前記カバー部材に接合されているとともに、前記カバー部材の外側で外部の配線と接続される接続部を備え、かつ前記加圧ユニットと電気的に接続されている接続基板と
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記接続基板が、配線を備えた樹脂基板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. 前記加圧ユニットと前記接続基板との電気的接続が、前記接続基板に実装されている着脱可能な内部コネクタを介しているとともに、前記カバー部材は、カバー部材本体と、前記カバー部材本体に着脱可能な蓋とからなっ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. 複数の前記加圧ユニットと信号分配基板とをさらに有し、
   該信号分配基板は、前記カバー部材内に配置されており、前記接続基板の前記内部コネクタと接続されているコネクタと、該コネクタから入力される信号を前記複数の加圧ユニットに分配する配線とを有することを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記内部コネクタが、前記接続基板の前記カバー部材の内側に面している主面に表面実装されていることを特徴とする請求項３または４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記接続部が、前記接続基板の前記カバー部材の外側に面している主面にスルーホール実装されている外部コネクタであることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液体吐出ヘッド本体が、前記接続基板と対向している位置に配置されており、
   前記カバー部材の、前記液体吐出ヘッド本体から前記接続基板までの間の側面から、前記接続基板の上方まで延在する放熱部が前記カバー部材に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、
   記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、
   前記液体吐出ヘッドの前記接続部に接続され、前記接続基板を介して前記液体吐出ヘッド本体に電気的に接続されている、前記液体吐出ヘッド本体を制御する制御部と
   を備えていることを特徴とする記録装置。

Images