JP2014046541A - 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】冷却する機構を備えた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】液体吐出ヘッド本体２ａは、複数の吐出孔８、複数の吐出孔８が開口している吐出孔面４−１、複数の吐出孔８とそれぞれ繋がっている複数の加圧室１０、複数の加圧室１０と繋がっていて、吐出する液体が外部から供給される共通流路５、吐出孔面に開口している冷却孔１６、および冷却孔１６と繋がっていて、揮発する液体が外部から供給される揮発液体供給路１５を備えている流路部材４と、複数の加圧室１０の中の液体をそれぞれ加圧する複数の加圧部３０とを備えていて、冷却孔１６の揮発液体供給路１５側の面積が、吐出孔面４−１側の面積よりも大きい。
【選択図】図５

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。

液体吐出ヘッドとしては、マニホールド（共通流路）およびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した流路部材と、前記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ものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この液体吐出ヘッドでは、複数の吐出孔にそれぞれ繋がった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、プリンタとしては、光硬化型にインクを印刷し、光硬化させる際に、光を当てるともに、８０℃に加熱するものが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００３−３０５８５２号公報 特開２００４−２５４８０号公報

しかしながら、特許文献２のようなプリンタに使用する液体吐出ヘッドは、周囲から加熱されることになり、吐出させる液体の粘度などの特性は温度により変わるので、液体が吐出されなくなったり、常温などでは得られる吐出特性が得られなくなってしまうという問題があった。

したがって、本発明の目的は、冷却する機構を備えた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、複数の吐出孔、該複数の吐出孔が開口している吐出孔面、前記複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室、該複数の加圧室と繋がっていて、吐出する液体が外部から供給される共通流路、前記吐出孔面に開口している冷却孔、および該冷却孔と繋がっていて、揮発する液体が外部から供給される揮発液体供給路を備えている流路部材と、前記複数の加圧室の中の液体をそれぞれ加圧する複数の加圧部とを備えている液体吐出ヘッドであって、前記冷却孔は、前記揮発液体供給路側の面積が、前記吐出孔面側の面積よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の記録装置は、液体吐出ヘッドと、前記揮発液体供給路に揮発する液体を供給する揮発液体供給部と、液体吐出ヘッド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、前記複数の加圧部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、揮発液体供給路に供給された液体は、冷却孔を通じて揮発して、液体吐出ヘッドを冷却し、その際、冷却孔の揮発液体供給路側の面積が、吐出孔面側の面積よりも大きいことにより、揮発元となる液体の面積が増え、冷却効果を高くできる。

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。 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り、説明のため一部の流路を省略した図である。 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。 （ａ）は、本発明の他の液体吐出ヘッドの平面図であり、（ｂ）は（ａ）の液体吐出ヘッドに揮発液体が流れる状態を示した模式図である。

図１は、本発明の一実施形態によ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、液体吐出ヘッド２を有している。液体吐出ヘッド２は、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長尺形状を有している。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。

液体吐出ヘッド２は、下端にヘッド本体２ａを有している。ヘッド本体２ａの下面は、液体を吐出する多数の吐出孔が設けられている吐出孔面４−１となっている。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた吐出孔からは、４色の液滴（インク）が吐出されるようになっている。液体吐出ヘッド２の各色を吐出する吐出孔は、一方方向（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐの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、各色を一方方向に隙間なく印刷することができる。液体吐出ヘッド２から吐出される液体の色は、例えば、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。液体吐出ヘッド２は、ヘッド本体２ａの下面の吐出孔面４−１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を構成するヘッド本体２ａ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。

次に、本発明の液体吐出ヘッド２について説明する。

図２は、ヘッド本体２ａの平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。図４は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図であり、説明のため図３とは異なる一部の流路を省略した図である。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基板２１の下方にあって破線で描くべきマニホールド（共通流路）５、吐出孔８、加圧室１０などを実線で描いている。図４は図のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。

液体吐出ヘッド２は、ヘッド本体２ａ以外に、図示しないリザーバと金属製の筐体とを含んでいる。また。ヘッド本体２ａは、流路部材４と、変位素子（加圧部）３０が作り込まれている圧電アクチュエータ基板２１とを含んでいる。

ヘッド本体２ａを構成する平板状の流路部材４は、共通流路であるマニホールド５と、マニホールド５と繋がっている複数の加圧室１０と、複数の加圧室１０とそれぞれ繋がっている複数の吐出孔８とを備え、加圧室１０は流路部材４の上面に開口しており、流路部材４の上面が加圧室面４−２となっている。また、流路部材４の上面にはマニホールド５と繋がる開口５ａを有し、この開口５ａより液体が供給されるようになっている。

マニホールド５の両端から流路部材４へ液体を供給することにより、液体の供給不足が起り難くできる。また、マニホールド５の一端から供給する場合と比較して、マニホールド５を液体が流れる際に生じる圧力損失の差を約半分にできるため、液体吐出特性のばらつきを少なくできる。さらに、圧力損失の差を少なくするために、マニホールド５の中央付近で供給したり、マニホールド５の途中の数か所から供給することも考えられるが、そのような構造では液体吐出ヘッド２の幅が大きくなり、吐出孔８の配置の幅方向への広がりも大きくなってしまう。そうなると、液体吐出ヘッド２をプリンタ１に取り付ける角度のずれが印刷結果に与える影響が大きくなるので好ましくない。複数の液体吐出ヘッド２を用いて印刷する場合においても、複数の液体吐出ヘッド２の全体の吐出孔８が配置されている面積が広がるので、複数の液体吐出ヘッド２の相対的な位置の精度が印刷結果に与える影響が大きくなるので好ましくない。そのため、液体吐出ヘッド２の幅を小さくしつつ、圧力損失の差を少なくするためには、マニホールド５の両端から供給するのが好ましい。

また、流路部材４の上面には、変位素子３０を含む圧電アクチュエータ基板２１が接合されており、各変位素子３０が加圧室１０上に位置するように設けられている。また、圧電アクチュエータ基板２１には、各変位素子３０に信号を供給するためのＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）などの信号伝達部が接続されている。

変位素子３０駆動する駆動信号は、制御部１００から信号ケーブル（不図示）を介して液体吐出ヘッド２に送られ、信号伝達部に実装されたドライバＩＣで処理され、圧電アクチュエータ基板２１の変位素子３０に供給される。変位素子３０は、流路部材４の内部の液体を加圧することにより、液滴が吐出される。ドライバＩＣは、金属製の筐体に押し当てられており、ドライバＩＣで発生した熱は主に筐体に伝わり、さらに筐体全体に速く広がり、外部に放熱されていく。

ヘッド本体２ａは、吐出孔面４−１からの温度の影響を受けて易くなっている。マニホールド５が吐出孔面４−１の近くを通っており、中の液体の温度が変わることで、吐出特性が変動したり、吐出できなくなるおそれがある。加圧室面４−２側に温度を調整する機構を設けてもよいが、加圧室面４−２側には圧電アクチュエータ基板２１があるため、流路部材を直接温度調整するのは難しい。

そこで、吐出孔面４−１に、吐出孔８とは別に冷却孔１６を開口させ、揮発可能な液体を、外部から揮発液体供給路１５を通じて冷却孔１６に供給し、冷却孔１６を通じて揮発させることで、ヘッド本体２ａを冷却する。このようにすることで、ヘッド本体２ａの下面であり、外部から温度の影響を受けやすい吐出孔面４−１を冷やすことができ、吐出させる液体が、ヘッド本体２ａ内で温度が上がりすぎることを抑制できる。例えば、冷却孔１６は、吐出孔１６と同様の工程で作製できし、揮発液体供給路１５も、マニホールド５などと同様の工程で作製できるので、ヘッド本体２ａの製造コストが極端に高くなることはない。

揮発させる液体は、吐出孔面４−１の周囲の環境が８０℃やもっと高い温度であれば、水（純水）が使用できる。温度が異なれば、他の液体を用いてもよい。

冷却孔１６の開口径は、揮発する液体のメニスカスが保持できる例えば５〜１００μｍにされる。機能的には、吐出孔面４−１側の開口は、揮発した液体が通り抜ければ良いだけであるのに対して、揮発液体供給路１５側の開口は、保持しているメニスカスの面積にほぼ比例して揮発が生じるので、大きい方が好ましい。そのため、冷却孔１６は吐出孔面４−１側の面積よりも、揮発液体供給路１５側の面積を大きくし、揮発液体供給路１５側の面積は、上述のように５〜１００μｍにされる。また、そのようにすれば、何らかの外乱などがあって揮発する液体が冷却孔１６から出そうになっても、吐出孔面４−１側が狭くなっているので、吐出孔面４−１に揮発させる液体が出難くなる。

また、冷却孔１６の内壁には、撥水膜が形成される。撥水膜は、揮発する液体として水以外のものを使用する場合は、その液体に対してなじみ難い膜にされる。撥水膜は、冷却孔１６の内壁の全域に設ける必要はないが、揮発する液体のメニスカスが吐出孔面４−１より十分内側に形成されるよう、吐出孔面４−１との境界から始まって吐出孔面４−１から５μｍ以上まで、好ましく１０μｍ以上までの領域に形成する。冷却孔１６の内壁の全域に設けてもよい。

そのようにすることで、揮発する液体が吐出孔面４−１にあふれて、吐出孔８からの液体の吐出に影響を与えることが抑制できる。また、吐出孔面４−１をワイピングする際に、揮発する液体のメニスカスが、吐出孔面４−１より内側に形成されるので、吐出する液体との混合が起り難く、混合した液体が吐出孔８に入ることで、次の液体の吐出が異常に
なることも起こり難い。

ワイピングの前に、吐出する液体および揮発させる液体を出す際には、先に揮発させる液体を出すのを止め、その後吐出させる液体を出すのを止め、その後ワイピングすれば、液体の混合は、より生じ難い。

ヘッド本体２ａは、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、変位素子３０を含む圧電アクチュエータ基板２１を１つ有している。圧電アクチュエータ基板２１の平面形状は長方形状であり、その長方形の長辺が流路部材４の長手方向に沿うように流路部材４の上面に配置されている。

流路部材４の内部には４つのマニホールド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る細長い形状を有しており、その両端において、流路部材４の上面にマニホールド５の開口５ａが形成されている。本実施例においては、マニホールド５は独立して４本設けられており、それぞれ開口５ａにおいて外部に繋がっている。

また、流路部材４の内部には４つ揮発液体供給路１５が形成されている。揮発液体供給路１５は、流路部材４の長手方向に沿って延びる細長い形状を有しており、その両端において、流路部材４の上面に揮発液体供給路１５の開口１５ａが形成されている。また、揮発液体供給路１５は、マニホールド５の吐出孔面４−１側に、マニホールド５に沿って設けられている。これにより、吐出される液体の滞留時間の長いマニホールド５ａに、吐出孔面４−１側から温度が伝わり難くできる。流路部材４を平面視した際に、マニホールド５ａに、加圧室１０に繋がる流路が繋がっている領域（すなわち、マニホールド５の両端部を除いた領域）が揮発液体供給路１５で覆われていると、マニホールド５内部の液体が加熱され難くできる。これにより、加圧室１０に繋がる流路が繋がっているマニホールド５の領域内で温度差を小さくできる。

揮発液体供給路１５を単に供給するのに使用するだけでなく、揮発液体供給路１５の両端を外部に開口させ、一方から他方に揮発させる液体を流せば、ヘッド本体２ａをより冷却できる。

流路部材４は、複数の加圧室１０が２次元的に広がって形成されている。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。加圧室１０は流路部材４の上面である加圧室面４−２に開口している。

加圧室１０は１つのマニホールド５と個別供給流路１４を介して繋がっている。１つのマニホールド５に沿うようにして、このマニホールド５に繋がっている加圧室１０の列である加圧室列１１が、マニホールド５の両側に２列ずつ、合計４列設けられている。したがって、全体では１６列の加圧室列１１が設けられている。各加圧室列１１における加圧室１０の長手方向の間隔は同じであり、３７．５ｄｐｉの間隔となっている。なお、各加圧室列１１の端の加圧室１０は、ダミーとなっており、加圧室１０のみが設けられている。すなわち、ダミーの加圧室１０は、マニホールド５とは繋がっていなく、それから繋がる吐出孔８や他の加圧室１０にある吐出孔８と加圧室１０を繋ぐ流路も設けられていない。このダミーにより、端から１つ内側の加圧室１０の周囲の構造（剛性）が他の加圧室１０の構造（剛性）と近くなることで、液体吐出特性の差を少なくできる。

各加圧室列１１の加圧室１０は、隣接する圧室列１１の間に角部が位置するように千鳥状に配置されている。１つのマニホールド５に繋がっている加圧室１０により加圧室群が構成されており、加圧室群は４つある。各加圧室群内における加圧室１０の相対的な配置は同じになっており、各加圧室群は長手方向にわずかにずれて配置されている。これらの
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基板２１に対向する領域に、加圧室群間などの少し間隔が広くなって部分はあるものの、ほぼ全面にわたって配列されている。つまり、これらの加圧室１０によって形成された加圧室群９は圧電アクチュエータ基板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基板２１が接合されることで閉塞されている。

加圧室１０の個別供給流路１４が繋がっている角部と対向する角部からは、流路部材４の下面の吐出面４−１に開口している吐出孔８に繋がるディセンダ（部分流路）が伸びている。ディセンダは、平面視において、加圧室の対角線を延長する方向に伸びている。つまり、長手方向の吐出孔８の配置と加圧室１０配置は同じになっている。各加圧室列１１において、加圧室１０は３７．５ｄｐｉの間隔で並んでおり、１つのマニホールド５に繋がっている加圧室１０は全体として、長手方向に１５０ｄｐｉの間隔になっている。さらに、４つのマニホールド５に繋がっている加圧室１０は、長手方向に６００ｄｐｉに相当する間隔でずれて配置されているため、液体加圧室１０は全体で長手方向に６００ｄｐｉの間隔で形成されている。前述のように、吐出孔８の長手方向の配置は液体加圧室１０と同じになっているので、吐出孔８の長手方向の間隔も６００ｄｐｉになっている。

これは別の言い方をすると、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吐出孔８を投影すると、図４に示した仮想直線のＲの範囲に、各マニホールド５に繋がっている４つの吐出孔８、つまり全部で１６個の吐出孔８が、６００ｄｐｉの等間隔となっているということである。これにより、全てのマニホールド５に同じ色のインクを供給することで、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像が形成可能となる。また、１つのマニホールド５に繋がっている４つの吐出孔８は、仮想直線のＲの範囲で１５０ｄｐｉの等間隔になっている。これにより、各マニホールド５に異なる色のインクを供給することで、全体として長手方向に１５０ｄｐｉの解像度で４色の画像が形成可能となる。この場合、さらに４つの液体吐出ヘッド２を用いて、それぞれ液体吐出ヘッド２において各色のインクを異なる位置のマニホールド５に供給するようにして、６００ｄｐｉの解像度で４色の画像が形成してもよい。またさらに、２つの液体吐出ヘッド２を用いて、それぞれ液体吐出ヘッド２において２色のインクを異なる位置のマニホールド５に供給するようにして、３００ｄｐｉの解像度で４色の画像が形成してもよい。このようにすることで、記録媒体Ｐ上において、主走査方向に並んだ同じ色のインクでは、吐出されたもとが、異なる液体吐出ヘッド２の、しかも液体吐出ヘッド２の中のマニホールド５の位置が異なるものになるので、液体吐出ヘッド２毎に生じる液体吐出特性のばらつきや、各液体吐出ヘッド２内におけるマニホールド５の位置により生じたばらつきを反映した同傾向の吐出ばらつきが並んで生じ難いので、きれいな画像が得られる。

圧電アクチュエータ基板２１の上面における各加圧室１０に対向する位置には個別電極２５がそれぞれ形成されている。個別電極２５は、加圧室１０より一回り小さく、加圧室１０とほぼ相似な形状を有している個別電極本体２５ａと、個別電極本体２５ａから引き出されている引出電極２５ｂとを含んでおり、個別電極２５は、加圧室１０と同じように、個別電極列および個別電極群を構成している。また、圧電アクチュエータ基板２１の上面には、共通電極２４と電気的に接続されている共通電極用表面電極２８が形成されている。共通電極用表面電極２８は、圧電アクチュエータ基板２１の短手方向の中央部に、長手方向に沿うように２列形成され、また、長手方向の端近くで短手方向に沿って１列形成されている。図示した、共通電極用表面電極２８は直線上に断続的に形成されたものであるが、直線上に連続的に形成してもよい。圧電アクチュエータ基板２１には、２枚の信号伝達部が、圧電アクチュエータ基板２１の２つの長辺側から、それぞれ中央に向かうように配置され、接合される。共通電極用表面電極２８は、信号伝達部の端部（先端および圧電アクチュエータ基板２１の長手方向の端）において接続され、共通電極用表面電極２８
およびその上に形成される共通電極用接続電極が、引出電極２５ｂおよびその上に形成される接続電極２６よりも面積が大きいため、信号伝達部が端からはがれ難くできる。

また、吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置されたマニホールド５と対向する領域を避けた位置に配置されている。さらに、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基板２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔８は、１つの群として圧電アクチュエータ基板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基板２１の変位素子３０を変位させることにより吐出孔８から液滴が吐出できる。

ヘッド本体２ａ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４ａ、ベースプレート４ｂ、アパーチャ（しぼり）プレート４ｃ、サプライプレート４ｄ、マニホールドプレート４ｅ〜ｇ、カバープレート４ｈ、揮発液体供給路プレート４ｉ、およびノズルプレート４ｉ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。各プレートの厚さは１０〜３００μｍ程度であることにより、形成する孔の形成精度を高くできる。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路１２およびマニホールド５を構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体２ａは、加圧室１０は流路部材４の上面に、マニホールド５は内部の下面側に、吐出孔８は下面にと、個別流路１２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、加圧室１０を介してマニホールド５と吐出孔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、吐出する液体が流れる流路となるもの、温度調整用の流体が流れる流路となるものがあり、まず吐出する液体が流れる流路となるものについて説明する。第１に、キャビティプレート４ａに形成された加圧室１０である。第２に、加圧室１０の一端からマニホールド５へと繋がる個別供給流路１４を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート４ｂ（詳細には加圧室１０の入り口）からサプライプレート４ｃ（詳細にはマニホールド５の出口）までの各プレートに形成されている。なお、この個別供給流路１４には、アパーチャプレート４ｃに形成されている、流路の断面積が小さくなっている部位であるしぼり６が含まれている。

第３に、加圧室１０の他端から吐出孔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４ｂ（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート４ｉ（詳細には吐出孔８）までの各プレートに形成されている。第４に、マニホールド５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４ｅ〜ｇに形成されている。

第１〜４の連通孔が相互に繋がり、マニホールド５からの液体の流入口（マニホールド５の出口）から吐出孔８に至る個別流路１２を構成している。マニホールド５に供給された液体は、以下の経路で吐出孔８から吐出される。まず、マニホールド５から上方向に向かって、個別供給流路１４に入り、しぼり６の一端部に至る。次に、しぼり６の延在方向に沿って水平に進み、しぼり６の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、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、下面に開口した吐出孔８へと進む。

次に、揮発液体供給路１５および冷却孔１６となる孔を説明する。プレート４ａ〜ｈには、積層した際に、揮発液体供給路プレート４ｉに達する、加圧室面４−２にほぼ直交する流路となる孔が開いている。揮発液体供給路プレート４ｉには、マニホールド５に沿った揮発液体供給路１５となる孔が開いている。プレート４ａ〜ｈに開いている孔は、揮発
液体供給路プレート４ｉに開いている孔の両端でそれぞれ繋がっている。ノズルプレート４ｊには、冷却孔１６が開いている。冷却孔１６は、吐出孔８と同様の工程で作製できる。

圧電アクチュエータ基板２１は、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基板２１の圧電セラミック層２１ａの下面から圧電セラミック層２１ｂの上面までの厚さは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加圧室１０を跨ぐように延在している。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基板２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極２４およびとＡｕ系などの金属材料からなる個別電極２５を有している。個別電極２５は上述のように圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０と対向する位置に配置されている個別電極本体２５ａそこから引き出された引出電極２５ｂとを含んでいる。引出電極２５ｂの一端の、加圧室１０と対向する領域外に引き出され部分には接続電極２６が形成されている。接続電極２６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２６は、信号伝達部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２５には、制御部１００から信号伝達部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。流路部材４に、接続電極２６が形成された圧電アクチュエータ基板２１を積層して接合する際に、ダミー接続電極２７も形成しておけば、接合する圧力は接続電極２６およびダミー接続電極２７を介して伝わるので、加わる圧力の分布を均一化し、接合されない部分や接合の弱い部分を生じにくくできる。ダミー接続電極２７は、信号伝達部と接続しなくてもよいが、接続すれば、圧電アクチュエータ基板２１と信号伝達部との接続強度を高くすることができる。

共通電極２４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２４は、圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域内の全ての加圧室１０を覆うように延在している。共通電極２４の厚さは２μｍ程度である。共通電極２４は、圧電セラミック層２１ｂ上に個別電極２５からなる電極群を避ける位置に形成されている共通電極用表面電極２８に、圧電セラミック層２１ｂに形成されたビアホールを介して繋がっていて、接地され、グランド電位に保持されている。共通電極用表面電極２８は、多数の個別電極２５と同様に、信号伝達部上の別の電極と接続されている。

なお、後述のように、個別電極２５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２５に対応する加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路１２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基板２１における各加圧室１０に対向する部分は、各加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子３０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３０が加圧室１０毎に、加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極２４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極２５により作り込まれており、圧電アクチュエータ基板２１には加圧部である変位素子３０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２５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。個別電極２５を共通電極２４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２５を共通電極２４に対して正または負の所定電位にすると、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２５を共通電極２４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極２５を共通電極２４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、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２５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、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、加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極２５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが加圧室１０側へ凸となるように変形し、加圧室１０の容積減少により加圧室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２５に供給することになる。このパルス幅は、圧力波がしぼり６から吐出孔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、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、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。

続いて、本発明の他の液体吐出ヘッドの実施形態を、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本発明の他の液体吐出ヘッドに用いられるヘッド本体２０４ａの平面図である。細かい流路は省略して、流路としてはマニホールド２０５のみを示している。図６（ｂ）は、ヘッド本体２０４ａに揮発液体を流す方向を模式的に示したものである。

前の実施形態のヘッド本体２ａのように、吐出孔８がヘッド本体２ａの長手方向に連続して形成される構造にすると、ヘッド本体２ａの短手方向の長さを短くでき、印刷精度の向上に寄与できる。他方、このような構造であると、加圧室１０から吐出孔８に繋がる流路が、ヘッド本体２ａの長手方向に沿って断続的に存在することになるので、マニホールド５の下側にある揮発液体供給路１５に、長手方向の途中で、液体を出し入れするような構造にはし難い。そうすると、長い揮発液体供給路１５を進むうちに液体の温度は高くなるので、ヘッド本体２ａに温度分布が生じる要因となる。これを抑制するためには、隣り合う揮発液体供給路１５で、液体を流す方向を交互に変えることが考えられるが、それでも十分でないおそれがある。

そのような場合、吐出孔の配置として、台形状または平行四辺形状（長方形状を除く）の吐出孔群内に配置し、その吐出孔群を次のように配置することが考えられる。具体的な吐出孔群の配置としては、吐出孔群を、それぞれ、平行な２辺が長手に沿っているとともに、前記一方方向に並んで配置し、さらに、隣り合う吐出孔群の前記平行な２辺以外の２辺である斜辺同士が対向するように配置する。

図６（ａ）は、台形状の吐出孔群の配置にした場合の構造であり、４つある台形状の圧電アクチュエータ基板２２１のそれぞれの直下に１つの台形状の吐出孔群が配置されている。４つの吐出孔群は平行な短辺と長辺とを長手方向と平行に配されている。また、４つの吐出孔群は、短辺と長辺とが交互になるようして、隣り合う吐出孔群の斜辺が対向するように配置されている。吐出孔群は。平行四辺形状の領域にして、平行四辺形状の領域を長手方向に沿って配置するとともに、短手方向に少しずつずらして配置してもよい。

このようにすれば、ヘッド本体２０２ａの長手方向に広い範囲を複数の吐出孔群でカバーできるようになる。すなわち、斜辺が対向している領域では、２つの吐出孔群の吐出孔から吐出された液体が混在して着弾することで、切れ目のない印刷ができる。そして、斜辺が対向している領域は、吐出孔群の間で吐出孔がない領域となっているので、その部分に沿って揮発液体供給路の一部の流路を設ければ、長手方向の途中で揮発させる液体の出し入れが可能になり、長手方向における温度分布を低減できる。

図６（ｂ）は、揮発する液体の供給の仕方の表している。４つある吐出孔群（圧電アクチュエータ基板２２１）の直下では、揮発液体供給路は長手方向に沿っている。この点では、図２および３で示した揮発液体供給路１５と同様である。吐出孔群の短手方向の端では、揮発液体供給路は、斜辺の対向している領域で、斜辺に沿って延び、一方の斜辺がなくなったところで、流路部材２０４の上方に向かい外部に開口している。このようにすることで、揮発液体供給路を、長手方向に複数に分けて形成できるので、それぞれの揮発液体供給路の長さを短くでき、温度分布の差を小さくできる。

また、図６（ｂ）に示すように、隣り合う吐出孔群の直下の揮発液体供給路に流れる液体の方向を交互にすることで、隣り合う吐出孔群の間の温度差が生じ難くできる。

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３０を示したが、これに限られるものでなく、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、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）を用いたものでもよい。

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２４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２５を印刷して、焼成した後、Ａｇペーストを用いて接続電極２６を印刷し、焼成することにより、圧電アクチュエータ基板２１を作製する。

次に、圧延法等により得られプレートプレート４ａ〜ｉを、接着層を介して積層して、
流路部材４を作製する。プレート４ａ〜ｉに、マニホールド５、個別供給流路１４、加圧室１０、ディセンダおよび揮発液体供給路１５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４ａ〜ｉ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。

圧電アクチュエータ基板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基板２１や流路部材４への影響をおよぼさないために、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基板２１と流路部材４とを加熱接合することができる。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
２ａ、２０２ａ・・・ヘッド本体
４、２０４・・・流路部材
４ａ〜ｉ、４０４ａ〜ｊ・・・（流路部材の）プレート
４−１・・・吐出孔面
４−２・・・加圧室面
５、２０５・・・マニホールド（共通流路）
５ａ、２０５ａ・・・開口
６・・・しぼり
８・・・吐出孔
９・・・吐出孔列
１０・・・加圧室
１１・・・加圧室列
１２・・・個別流路
１４・・・個別供給流路
１５・・・揮発液体供給路
１５ａ・・・揮発液体供給路の開口
１６・・・冷却孔
２１、２２１・・・圧電アクチュエータ基板
２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２４・・・共通電極
２５・・・個別電極
２５ａ・・・個別電極本体
２５ｂ・・・引出電極
２６・・・接続電極
２７・・・ダミー接続電極
２８・・・共通電極用表面電極
３０・・・変位素子（加圧部）

Claims (6)

1. 複数の吐出孔、該複数の吐出孔が開口している吐出孔面、前記複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室、該複数の加圧室と繋がっていて、吐出する液体が外部から供給される共通流路、前記吐出孔面に開口している冷却孔、および該冷却孔と繋がっていて、揮発する液体が外部から供給される揮発液体供給路を備えている流路部材と、前記複数の加圧室の中の液体をそれぞれ加圧する複数の加圧部とを備えている液体吐出ヘッドであって、
   前記冷却孔は、前記揮発液体供給路側の面積が、前記吐出孔面側の面積よりも大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記冷却孔の内壁が撥水膜を備えてい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. 前記流路部材は、平板状で一方方向に長く、前記共通流路は前記一方方向に沿って延びており、
   前記揮発液体供給路は、前記共通流路の前記吐出孔面側に配置されていとともに、前記共通流路に沿って延びており、かつ両端部でそれぞれ外部に開口していることを特徴とする請求項１または２に記載のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記流路部材を平面視した場合、前記揮発液体供給路の前記加圧室に繋がっている範囲は、前記揮発液体供給路で覆われてい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. 前記流路部材は、平板状で一方方向に長く、前記複数の吐出孔は、台形状または平行四辺形状の領域内に配置された複数の吐出孔群を構成しており、
   該複数の吐出孔群は、それぞれ、平行な２辺が前記一方方向に沿っているとともに、前記一方方向に並んでおり、隣り合う前記吐出孔群の前記平行な２辺以外の２辺である斜辺同士が対向するように配置されており、前記揮発液体供給路の一部が前記斜辺に沿って配置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。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、前記揮発液体供給路に揮発する液体を供給する揮発液体供給部と、液体吐出ヘッド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、前記複数の加圧部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。

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