JP2014083829A - 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】圧電アクチュエータ基板と流路部材とを積層する際に、ビアホール導体周囲にクラックの生じ難い液体吐出ヘッドおよび記録装置を提供する。
【解決手段】液体吐出ヘッドは、セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとが積層されており、一対の電極３４、３５とそれらに挟まれた圧電セラミック層２１ｂを含む加圧部５０を備えている圧電アクチュエータ基板２１と、圧電アクチュエータ基板２１のセラミック層２１ａ側の下に積層されており、加圧室１０および吐出孔８を備えている流路部材４とを含む液体吐出ヘッドであって、圧電アクチュエータ基板２１は、一対の電極３４、３５のうちの圧電アクチュエータ基板２１内部にある内部電極３４と電気的に接続されていて、圧電セラミック層２１ｂを貫通しているビアホール導体３７ａを備えており、流路部材４はビアホール導体３７の直下に凹部２２ａを備えている。
【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。

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を、マニホールド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、複数の個別電極と複数の個別電極に対向している共通電極とそれらに挟まれている圧電セラミック層とを含む複数の変位素子を有する圧電アクチュエータ基板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。）。この圧電アクチュエータ基板には、各個別電極間、あるいは共通電極間を電気的に接続するために圧電セラミック層を貫通するビアホール導体が設けられている。

特開２００３−３０５８５２号公報

特許文献１に記載されているような液体吐出ヘッドでは、圧電アクチュエータ基板と流路部材を接合する際、圧電アクチュエータ基板のビアホール導体が形成された部分が、ビアホール導体が形成されていることにより厚さが異なったり、その部分に圧電セラミック層がないことにより、その周囲の圧電セラミック層などにクラックが生じることがあり、ショートの原因になったり、クラックを通じて圧電アクチュエータ基板と流路部材を接合する接着剤が、変位素子に付着して、変位量を低下させることがあった。

したがって、本発明の目的は、圧電アクチュエータ基板と流路部材とを積層する際に、ビアホール導体周囲にクラックの生じ難い液体吐出ヘッドおよび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、セラミック層と圧電セラミック層とが積層されており、該圧電セラミック層および当該圧電セラミック層を挟んでいる一対の電極を含んでいる加圧部を備えている圧電アクチュエータ基板と、該圧電アクチュエータ基板の前記セラミック層側の下に積層されており、前記加圧部により加圧される加圧室、および該加圧室と繋がっている吐出孔を備えている流路部材とを含む液体吐出ヘッドであって、前記圧電アクチュエータ基板は、前記一対の電極のうちの前記圧電アクチュエータ基板内部にある内部電極と電気的に接続されていて、前記圧電セラミック層を貫通しているビアホール導体を備えており、前記流路部材は、前記ビアホール導体のある部位の直下に凹部を備えていることを特徴とする。

また、本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、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。

本発明の液体吐出ヘッドでは、圧電アクチュエータ基板と流路部材とを積層する際にアホール導体周囲にクラックの生じ難く、クラックに起因するショートや変位量の低下が起き難いので、記録精度が低下し難い。

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基板の平面図である。 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。 （ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、他の部位の縦断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に用いられる圧電アクチュエータ基板の平面図であり、（ｂ）は、流路部材の（ａ）に対応する部位の流路部材の平面図である。

図１は、本発明の一実施形態による圧電アクチュエータ基板を含む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、下端に液体吐出ヘッド本体１３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４、５および６参照）。

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には図示しない外部液体タンクから液体が供給される。各液体吐出ヘッド２の液体吐出孔８は、液体吐出孔面４ａに開口しており、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。

次に本発明の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示された液体吐出ヘッド本体１３を示す上面図である。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、一部の流路を省略して描いている。図４は、図３と同じ位置の拡大透視図で、吐出孔８の位置が分かり易いように、図３とは異なる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、図面を分かり易くするために、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液体加圧室１０、液体吐出孔８などを実線で描いている。図５（ａ）は図３の圧電アクチュエータ基板２１のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、図５（ｂ）は圧電アクチュエータ基板２１のビアホール２１ｂａを含む他の部位の縦断面図である。図６（ａ）は、圧電アクチュエータ基板２１の平面図であり、図６（ｂ）は、流路部材４の、図６（ａ）に対応する部位の平面図である。

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上に積層されている圧電アクチュエータ基板２１とを有している。圧電アクチュエータ基板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基板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基板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基板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の内部には液体流路の一部であるマニホールド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基板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ということがある）。開口５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータ基板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基板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基板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基板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。

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基板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基板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、変位素子（加圧部）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が形成されているということである。

圧電アクチュエータ基板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。すなわち、個別電極３５は、圧電アクチュエータ基板２１の一方の主面２１ｄ上に、第１の方向および第１の方向とは異なる方向に渡って形成されている。個別電極３５のうち液体加圧室１０と重なっている個別電極本体は、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いる。また、個別電極３５には、圧電アクチュエータ基板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個別電極本体から前記領域外に引き出されている引出電極が含まれる。

また、詳細は後述するが、流路部材４の上面の、圧電アクチュエータ基板２１に形成されているビアホール導体３７ａ直下の位置には凹部２２ａが形成されている。

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基板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群７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おり、対応する圧電アクチュエータ基板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の配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の液体吐出孔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。

圧電アクチュエータ基板２１は、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂ積層した積層体に、共通電極（内部電極）３４、個別電極３５、接続電極３６、共通表面電極３７が形成されている。共通電極３４と個別電極３５と、それらに挟まれている部位の圧電セラミック層２１ｂと、その直下の圧電セラミック層２１ａとで、変位素子５０が構成されている。圧電セラミック層２１ａは振動板として働き、電圧が加わることで圧電変形するわけではないので、圧電性のないセラミック層であってもかまわない。

共通電極３４と共通表面電極３７とは、圧電セラミック層２１ｂに形成されたビアホール２１ｂａ内部にあるビアホール導体３７ａにより電気的に接続されている。本実施形態では、ビアホール導体３７ａは、共通表面電極３７がビアホール２１ｂａ内に入り込んで、ビアホール２１ｂａの内壁に沿って層状に形成されている。ビアホール２１ｂａの底面の直径は、例えば５０〜１５０μｍである。ビアホール２１ｂａは、底面よりの圧電アクチュエータ基板２１の表面の直径が大きい方が、共通表面電極３７が、ビアホール２１ｂａ内に入り込みやすく、ビアホール２１ｂａの縁で共通表面電極３７が切れることも起き難いので好ましい。

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。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの積層体の厚さは４０μｍ程度である。圧電アクチュエータ基板２１は、流路部材４の液体加圧室１０の開口している平面状の面に積層されており、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）。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３４、Ａｕ系などの金属材料からなる個別電極３５、個別電極３５の上に形成されているＡｇ系などの金属材料からなる接続電極３６、圧電アクチュエータ基板２１の周縁領域の共通電極３４上および圧電セラミック層２１ｂ上に形成されているＡｇ系などの金属材料からなる共通表面電極３７を含む。接続電極３６と共通表面電極３７とは同じ材料を使用することができ、同一の工程で形成してもよい。圧電アクチュエータ基板２１の周縁領域の共通表面電極３７が形成されていない領域には、個別電極３５と略同一形状で、個別電極３５の配置を延長するように、同一組成のダミー個別電極が形成されている。ダミー個別電極が周縁領域に配置されていることにより、個別電極３５が焼成収縮する際に、圧電アクチュエータ基板の中央部と周辺部との差異によって、周縁領域が反ることが抑制できる。

圧電アクチュエータ基板２１の接続電極３６および共通表面電極３７の上にはそれぞれバンプが形成され、ＦＰＣなでの配線基板を介して制御部１００に繋がれる。制御部１００からは、駆動信号が、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。

なお、以上は、圧電アクチュエータ基板２１が２層の圧電セラミック層の場合の構造であるが、３層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極３５と共通電極３４が交互になるように配置してもよい。ビアホール２１ｂａの深さも、圧電セラミック層１層分でなく、もっと深いものであってもよい。

流路部材４と圧電アクチュエータ基板２１とを積層し、接合させる際には、ビアホール導体３７が形成された部位の周囲にクラックが生じることがある。本実施形態においては、ビアホール２１ｂａは、ほとんど中空の状態なので、その分厚さが薄く、クラックが生じやすい。ビアホール２１ｂａ内にビアホール導体３７が充填された形態であっても、その分、圧電セラミック層２１ｂがないのでクラックが生じやすい。また、いずれの形態においても、ビアホール２１ｂａが存在する部分は周囲と構造が異なっているので、凹凸が生じやすく、下に凸になっていた場合、積層時に圧力が集中するのでクラックが生じ易い。ビアホール２１ｂａ内にビアホール導体３７が充填される形態であれば、充填量が多ければ上下両方に凸になるので、よりクラックが生じ易い。

そこで、流路部材４の上面の、ビアホール導体３７の直下にあたる部位に凹部２２ａを設けることで、ビアホール導体３７直下の圧電セラミック層２１ａに応力が加わり難くすることでクラックを生じ難くできる。また、流路部材４と圧電アクチュエータ基板２１とを接着剤層を介して接着する場合、接着剤がクラックを通って圧電アクチュエータ基板２１の表面に出てきて、変位素子５０にまで広がってしまい、変位素子５０の変位を阻害することがあるが、凹部２２ａがあれば、接着剤が凹部２２ａに溜まるので、圧電アクチュエータ基板２１の表面に出てきたり、変位素子５０にまで広がることを抑制できる。

また、ビアホール導体３７が、圧電アクチュエータ基板２１の厚さ方向の全体を貫通している場合は、クラックなどが生じていなくても、ビアホール導体３７の間の空隙やビアホール２１ｂａとビアホール導体３７との間の接合部分の空隙を介して、接着剤が圧電アクチュエータ基板２１の表面に出てくることがあるが、そのような場合にも凹部２２ａの存在は有用である。

以上のなかでも、ビアホール導体３７が充填されない形態で、接着剤層を介して接着される場合は、厚さの薄い圧電セラミック層２１ａにクラックが生じ易いし、その結果接着剤の滲み出しが、変位素子５０に影響を与えるので、凹部２２ａは、その様な場合において、特に有用である。

また、上述の作用は、ビアホール導体３７ａが共通電極を繋ぐ場合以外に、個別電極を繋ぐ場合にも有用である。

凹部２２ａが、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とが積層されている部位の外側まで繋がっていれば、凹部２２ａに閉じ込められようとする気体が外部に排出できるので、閉じ込められようとする気体の圧力によりクラックの発生が助長されことが起き難くなる。また、接着積層する場合、凹部２２ａに閉じ込められようとする接着剤が外部に排出できるので、閉じ込められようとする接着剤の圧力によりクラックの発生が助長されことが起き難くなる。発生する圧力は、接着剤の方が大きいので、この構造は接着剤で接着する場合により有用である。

凹部２２ａの縁が角部を切り欠いた形状であれば、凹部２２ａの縁と圧電アクチュエータ基板２１との接触部分の応力を小さくでき、クラックの発生をより抑制できる。角部はアールが付けあると応力をより小さくできる。

圧電アクチュエータ基板２１の平面形状が一方方向に長い場合、焼成収縮によるビアホール２１ｂａの位置ずれは、主に前記一方方向に生じる。そのため、凹部２２ａが前記一方方向に延びていれば、凹部２２ａとビアホール導体３７ａとの位置ずれが生じ難く、上述の効果が得られるようにできる。

また、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを接着積層する場合、凹部２２ａが接着剤で満たされると、圧力が高くなってクラックが生じやすいので、凹部２２ａは接着剤で満たされず、空隙がある方が好ましい。空隙は、接着剤の塗布する厚さを凹部の深さよりの薄くすることで、作ることができる。ただし、接着剤が流動する場合、接着剤が周囲からの凹部２２ａに流入するので、それを考慮して接着剤量をより少なく調整したり、接着剤をパターンニングして塗布したりすればよい。なお、凹部２２ａが圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とが積層されている部位の外側まで繋がっている場合であっても、空隙があれば、接着剤の一部が外部に出るまでの応力を減らすことができるので、空隙がある方が好ましい。さらに応力を少なくするには、空隙が外部まで繋がっているようにすればよい。

またさらに、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを接着積層する場合、凹部２２ａ内で接着剤の圧力が高くなり難いように、凹部２２ａの周囲に接着剤を溜める逃がし溝２２ｂあることが好ましい。逃がし溝２２ｂに接着剤が溜まることで、凹部２２ａの周囲から接着剤が流入することを抑制できる。逃がし溝２２ｂが、凹部２２ａの外周の長さの半分以上、好ましくは３／４以上にするのが良く、特に、周囲全体を囲うようにするのが良い。

本実施形態では、凹部２２ａはプレート２２ａに凹部として設けられていたが、プレート２２ａに貫通孔を形成して、流路部材４とし積層した際に凹部となるような、他の形態でもかまわない。

また、凹部を２２ａ内の接着剤によって、ビアホール導体３７ａ直下の圧電セラミック層２１ａに応力が加わり難いように、流路部材４の凹部を２２ａの下の内部の空隙を設けるのが好ましい。空隙は、吐出される液体が通る流路であっても、積層時には液体は入っていないので、応力を減じる効果がある。なお、液体吐出ヘッドを印刷などに使用している間に、何らかの外力と合わさって、ビアホール導体３７ａ直下の圧電セラミック層２１ａにクラックが生じることも考えらてるため、空隙は使用時においても、吐出される液体が入らないことが好ましい。

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厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータ基板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基板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基板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基板２１には変位素子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。

本実施形態における圧電アクチュエータ基板２１の液体吐出時の駆動方法の一例を、個別電極３５に供給される駆動電圧（駆動信号）に関して説明する。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基板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、アクチュエータ制御部により個別電極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（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３５を共通電極３４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。

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。まず、圧電セラミック層に用いる圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とし、ＰＺＴ粉末とバインダと溶剤とを混合してスラリーを作成し、このスラリーから、成形方法としてロールコーター法を採用して、グリーンシートを作製する。

次いで、１枚のグリーンシートにビアホール２１ｂａとなる貫通孔を金型により打ち抜きなどで形成する。他の１枚のグリーンシートに共通電極３４となる導体ペーストを塗布し、乾燥する。これら２枚のグリーシートを積層して、内部に共通電極３４およびビアホール２１ｂａを備えた積層成形体を作製する。

その後、この積層成形体を１０２０℃の温度で焼成して圧電焼結体を作製する。この圧電焼結体の表面に、スクリーン印刷により、Ａｕを主成分とする導体ペーストで、マトリックス状に個別電極３５を形成し、さらに、ガラスフリットを含むＡｇペーストで接続電極３６および共通表面電極３７を形成し、しかる後に、７５０〜８５０℃で熱処理する。
共通表面電極３７を印刷で形成するさいには、その一部がビアホール２１ｂａ内に入り込み、ビアホール２１ｂａの内壁に沿った層状のビアホール導体３７ａとなる。ビアホール導体３７ａは、ビアホール２１ｂａ内部を充填するように形成してもよい。その場合、例えば、ビアホール導体３７ａを充填するように、単独で印刷したり、共通表面電極３７の厚さを厚くして、ビアホール２１ｂａ内を充填できる量が入り込みようにすればよい。

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１０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。この際、凹部２２ａもプレート２２をハーフエッチングすることで形成する。

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。

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２１と流路部材４とを加熱接合することができる。このようにして、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・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
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
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基板
２１ａ・・・圧電セラミック層（セラミック層、振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２１ｂａ・・・ビアホール
２２〜３１・・・プレート
２２ａ・・・凹部
２２ｂ・・・（接着剤の）逃がし溝
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極（内部電極）
３５・・・個別電極
３６・・・接続電極
３７・・・共通表面電極
３７ａ・・・ビアホール導体
５０・・・変位素子（加圧部）

Claims (8)

1. セラミック層と圧電セラミック層とが積層されており、該圧電セラミック層および当該圧電セラミック層を挟んでいる一対の電極を含んでいる加圧部を備えている圧電アクチュエータ基板と、
   該圧電アクチュエータ基板の前記セラミック層側の下に積層されており、前記加圧部により加圧される加圧室、および該加圧室と繋がっている吐出孔を備えている流路部材と
   を含む液体吐出ヘッドであって、
   前記圧電アクチュエータ基板は、前記一対の電極のうちの前記圧電アクチュエータ基板内部にある内部電極と電気的に接続されていて、前記圧電セラミック層を貫通しているビアホール導体を備えており、
   前記流路部材は、前記ビアホール導体のある部位の直下に凹部を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記凹部は、前記圧電アクチュエータ基板と前記流路部材とが積層されている部位の外部まで繋がっ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. 前記凹部の縁は角部を切り欠いた形状であ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. 前記圧電アクチュエータ基板の平面形状が一方方向に長く、前記凹部が前記一方方向に延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記圧電アクチュエータ基板と前記流路部材とは、接着剤層を介して接着されており、前記凹部が前記接着剤層で満たされておらず、空隙があることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記圧電アクチュエータ基板と前記流路部材とは、接着剤層を介して接着されており、前記流路部材は、前記凹部の周囲に接着剤の逃がし溝を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記ビアホール導体が、前記圧電セラミック層を貫通しているビアホールの内壁に沿って層状に形成さ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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