JP2014231183A - 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】クロストークの影響を小さくできる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】液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔８および複数の加圧室１０を備えている流路部材４と、流路部材４の上に積層されている圧電アクチュエータ基板２１とを含む液体吐出ヘッド２であって、圧電アクチュエータ基板２１は、主面上に配置されている複数の個別電極３５と、共通電極３４と、圧電体層２１ｂとを含んでおり、平面視したとき、個別電極３５は、加圧室１０と重なっている個別電極本体３５ａと引出電極３５ｂとを含んでおり、引出電極３５ｂの直下の流路部材４に、吐出孔８と繋がっていない空隙部３８が存在する。【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加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した金属の流路部材と、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セラミックスの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圧電アクチュエータ基板の変位素子を、圧電体の変形により変位させることで、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。各変位素子は、共通電極と、個別電極と、それらに間に挟まれた圧電体層で構成されている。

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、各変位素子を駆動する信号を外部から供給する電極が接続できるように、個別電極から加圧室の外に引出電極が引き出されている。そのようにすることで、外部から接続される電極により変位が抑制され難くなる。しかし、そのようにすると、引出電極と共通電極との間の圧電体層も圧電駆動され
ることになるので、クロストークが大きくなるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、クロストークの影響を小さくできる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、複数の吐出孔および該複数の吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の加圧室を備えている流路部材と、該流路部材の上に積層されており、前記複数の加圧室をそれぞれ加圧する圧電アクチュエータ基板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、前記流路部材が積層されている主面と反対側の主面上に配置されている複数の個別電極と、前記複数の加圧室の間にわたって延在している共通電極と、前記複数の個別電極と前記共通電極との間に挟まれている圧電体層とを含んでおり、前記圧電アクチュエータ基板を平面視したとき、前記個別電極は、前記加圧室と重なっている個別電極本体と、該個別電極本体から前記加圧室と重ならない位置まで引き出されている引出電極とを含んでおり、該引出電極の直下の前記流路部材に、前記吐出孔と繋がっていない空隙部が存在することを特徴とする。

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、前記液体吐出ヘッド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、引出電極と共通電極とに挟まれている圧電体層が圧電駆動された際に、その直下にある空隙部に面する部分が変形することで、周囲に伝わる応力が小さくなるので、クロストークを小さくできる。

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、（ａ）の要部の拡大図であり、（ｃ）は、（ａ）の平面図である。 （ａ）は、本発明の他の液体吐出ヘッドの部分縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。

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、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、下端にヘッド本体１３を有している。ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の吐出孔８が設けられている（図４および５参照）。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた吐出孔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の吐出孔８は、吐出孔面に開口しており、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、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ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体１３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、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加圧室１０（加圧室群９）、しぼり１２および吐出孔８などを実線で描いている。図５（ａ）は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の要部の拡大図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）の平面図である。

ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、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基板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つの加圧室群９を有している。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の上面に開口するように形成されている。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、これらの加圧室１０によって形成された各加圧室群９は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、圧電アクチュエータ基板２１は複数の加圧室１０を覆うように積層されるので、各加圧室１０の開口は、圧電アクチュエータ基板２１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に繋がった加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室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から繋がる加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室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。各加圧室列に含まれる加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子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。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、４つの副マニホールド５ａ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の等間隔に配置されている。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の上面における各加圧室１０に重なる位置には個別電極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の上面に、第１の方向および第１の方向とは異なる方向にわたって形成されている。個別電極３５は、個別電極本体３５ａと個別電極３５ａから引き出された引出電極３５ｂとを
含む。個別電極本体３５ａ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おり、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の下面には多数の吐出孔８が形成されている。これらの吐出孔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。これらの吐出孔群７は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の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吐出孔８から液滴が吐出できる。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。

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。ヘッド本体１３は、図５に示されているように、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、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、加圧室１０を介して副マニホールド５ａ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、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された加圧室１０である。第２に、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、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２３（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（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、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、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。

また、プレート２２には、上述したような、吐出される液体が流れる流路以外に、空隙部３８が形成されている。空隙部３８は、プレート２２の上側が窪んで形成されているが、プレート２２を貫通する孔として形成してもよい。空隙部３８ついては、後で詳述する
。

圧電アクチュエータ基板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基板２１の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの積層体の厚さは４０μｍ程度であり、１００μｍ以下であることにより、変位量を大きくすることができる。圧電アクチュエータ基板２１は、流路部材４の加圧室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を有している。必要に応じて、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を形成してもよい。個別電極３５は、圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０と重なる位置に配置されている個別電極本体３５ａと、個別電極本体３５ａから加圧室１０と重ならない位置まで引き出されている引出電極３５ｂとを含んでいる。引出電極３５ｂの加圧室１０のない位置には、接続電極３６が形成されている。個別電極３５の厚さは、０．３〜１μｍである。接続電極３６は例えばガラスフリットを含む銀からなり、厚さが１〜１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続電極３６は、図示されていないＦＰＣ（Flexible
Printed Circuit）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ＦＰＣを通じて駆動信号（駆動電圧）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（セラミック振動板）２１ａと圧電セラミック層（圧電体層）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、外部配線内の別の電極と接続されている。

図５（ａ）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５０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が加圧室１０毎に、加圧室１０の直上に位置するセラミック振動板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、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、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、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３５に供給することになる。このパルス幅は、圧力波がしぼり１２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。

以上のような液体吐出ヘッド２において、外部から信号を供給する電極により変位素子５０の変位を阻害しないように、引出電極３５ｂは、加圧室１０の外にまで引き出されている。しかし、そうすることにより、引出電極３５ｂと共通電極３４との間に挟まれている、引出電極３５ｂの直下の圧電セラミック層２１ｂ（以下で、この部位を引出部駆動部ということがある）も圧電駆動されることになる。この圧電駆動による、振動あるいは応力が、周囲の液体吐出素子に伝わると、その動作に影響を与えるためクロストークが生じ、印刷精度を低下させる。この現象は、引出部駆動部が分極されている液体吐出ヘッド２で顕著であり、本発明は、そのような液体吐出ヘッド２において、特に効果がある。

この影響を低減させるために、流路部材４に空隙部３８を設ける。空隙部３８は、引出電極３５ｂの直下にあり、引出部駆動部が圧電駆動された際に、変形する余地を与える。
これにより、周囲に与える応力を低減させ、クロストークを低減させる。クロストークは、圧電セラミック層２１ｂが隣り合う変位素子５０の間で繋がっている場合、応力が直接的に伝わるのでその影響が大きくなるので、空隙部３８を設けることによる応力の低減は、そのような液体吐出ヘッド２において特に効果がある。

ここで言う直下とは、真下の意味であり、空隙部３８は、引出電極３５ｂから、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４との境界面に対して直交する方向のうちで、流路部材４に向かう方向に位置している。言い換えれば、ヘッド本体１３を平面視すると、引出電極３５ｂと空隙部３８とは、少なくとも一部が重なっている。重なりは、大きい方が、応力緩和の効果が大きくなるので好ましい。

しかし、引出電極３５ｂは、外部との電気的接続の際などに外部から力が加わる部分であり、外部からの力で圧電セラミック層２１ｂなどが破損してしまうおそれがある。そのため空隙部３８の大きさ（幅など）は、引出電極の５０〜１５０％とするのが好ましく、特に８０〜１２０％とするのがよい。

空隙部３８は、吐出孔８とは繋がっておらず、吐出される液体は入ってこないようにされる。吐出される液体が入ってくると、空隙部３８が変形し難くなるので、応力緩和の効果が低下する上、引出部駆動部の振動が空隙部３８中の液体を通じて他の流路に伝わるので、クロストークが生じるおそれもある。

空隙部３８をヘッド本体１３の外部の空間と繋げて、空気などが出入り可能にしてもよいが、空隙部３８の変形量は小さいので、そのようにする必要性は高くない。また、上述のように、圧電アクチュエータ基板２１が破損し難いように、空隙部３８は、引出電極３５ｂの直下（およびその近傍）を離れて流路部材４の平面方向へ広がっていないのが好ましい。空隙部３８を外部と繋げる際には、一旦、流路部材４の下側（吐出孔面４−１側）に向かって広がり、その先で外部に繋がるようにするのが好ましい。

引出部駆動部の直下に、吐出される液体が流れる流路が存在すると、その流路内の液体に振動を与えて、クロストークが生じるおそれがある。そのため、引出部駆動部の直下には、流路を設けないのが好ましい。しかし、印刷精度を高くするためには、ヘッド本体１３の大きさを小さくする必要があるので、流路を高密度に配置しなければならず、現実的には、そのように設計するのは難しい。引出部駆動部の直下に流路を配置する場合には、その流路より圧電アクチュエータ基板２１に近い位置に空隙部３８を設けることで、クロストークの発生を抑制できる。

引出電極３５ｂの引出方向に直交する方向の幅をＷ［μｍ］としたとき、空隙部３８（より正確には空隙部３８の上端）を、圧電アクチュエータ基板２１からＷ［μｍ］以下の距離に配置することで、応力緩和の効果を高くできる。Ｗは、例えば、３０〜１００μｍ程度である。応力緩和の効果を特に高くにするには、空隙部３８は、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４との境界に設けるのが好ましい。

空隙部３８は、図５（ｂ）のように、プレート２２の上側をハーフエッチングして、窪みとして形成してもよいし、プレート２２を貫通する孔として形成してもよい。また、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを接着剤層を介して積層している場合、その部分に接着剤が存在しないようにすることで空隙部３８を形成してもよい。引出電極３５ｂ直下の圧電駆動は１００ｎｍ程度であるので、例えば、５００ｎｍ以上の接着剤層を形成すれば、接着剤の存在しない部位を設けることで、その部位が空隙部３８として十分機能する。

流路部材４の内部に空隙部３８の内部に配置する場合にも同様に、窪みや孔を形成したプレートを配置すればよい。各プレートが接着剤層を介して積層している場合には、接着剤の存在しない部位を空隙部３８としてもよい。

図６（ａ）は、本発明の他の液体吐出ヘッドの部分断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の部位の部分平面図である。この液体吐出ヘッドの基本構造は、図１〜５で示したものと同じであり、差異の少ない部分については、同じ符号を付けて説明を省略する。

流路部材２０４は、流路部材４のプレート２２の上にプレート２２０が積層された構造となっている。加圧室１０の上側は、プレート２２０で覆われて、塞がれている。図ではプレート２２より下側のプレートは省略してある。

圧電アクチュエータ基板２１と、流路部材２０４とは接着剤層２４０を介して積層されている。プレート２２０とプレート２２とも接着剤を介して積層されているが、図では省略してある。引出電極３５ｂの直下には、接着剤層２４０が存在しない部位があり、空隙部２３８となっている。接着剤層２４０は０．２〜２μｍ程度の厚さにされる。厚さが０．２μｍ以上あれば、引出部駆動部が圧電変形しても、空隙部２３８において、圧電アクチュエータ基板２１とプレート２２０とが接触し難いの、応力緩和効果が低下し難い。

空隙部２３８は、加圧室１０よりも圧電アクチュエータ基板２１側に位置することで、応力緩和効果を高くできる。また、そのように配置することで、空隙部２３８を引出電極３５ｂとほぼ同一の大きさにしても、空隙部２３８と加圧室１０とが繋がらなくなる。これにより、空隙部２３８に吐出される液体が入り込まないようにしつつ、空隙部２３８の平面形状を引出電極３５ｂに近づけるように大きくできる。

空隙部２３８は、引出電極３５ｂに沿って、加圧室１０と重なる位置まで伸びていてもよい。そのようにすれば、変位素子５０の変位量を大きくできる。

変位素子５０は、圧電セラミック層２１ｂが平面方向に伸縮することで、撓み変形する。例えば、加圧室１０の体積を小さくするように下側に変位させる場合には、圧電セラミック層２１ｂを縮ませる。加圧室１０の中央付近の圧電セラミック層２１ｂが縮むと、その長さが、対応する部位の振動板（圧電セラミック層２１ａおよびプレート２２０）よりも短くなるので、下側に撓む。下側に撓むためには、加圧室１０の外周付近（外周の内側）の圧電セラミック層２１ｂは、平面方向に伸びるように変形しなければならなくなる。

空隙部２３８に加圧室１０と重なっている部位があると、その部位の直上の圧電アクチュエータ基板２１が、空隙部２３８の分、下側に変位可能になるので、変位量を大きくできる。別の言い方をすれば、同じ変位量の変位をさせた場合、その部位の直上の圧電セラミック層２１ｂに生じる伸びは、空隙２３８が存在することで小さくなるので、そこからさらに、圧電セラミック層２１ｂを伸ばすように変形させて、変位量を大きくすることができる。

個別電極本体３５ａは、平面形状が、加圧室１０と略相似な個別電極中央部と、個別電極中央部から引出電極３５ｂに繋がる個別電極接続部とを含む。上述のように、加圧室１０の中央付近の圧電セラミック層２１ｂを圧電駆動することで、変位が生じるのであるが、加圧室１０の外周付近の圧電セラミック層２１ｂが圧電駆動されると、逆に変位量が小さくなるので、個別電極中央部は、加圧室１０よりも小さい形状にされる。変位素子５０は、基本的に変位量が大きくなるように設計されるので、個別電極中央部が配置されている領域は、その直下の圧電セラミック層２１ｂを圧電変形させることで変位量が大きくなる領域である。逆に言えば、個別電極中央部より外側は、圧電駆動されると変位が低下し
てしまう領域である。したがって、空隙部２３８は、加圧室１０と略相似な個別電極中央部と個別電極接続部との境界まで伸ばせば、変位量をより大きくできる。

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。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、同じ金ペーストを用いて個別金薄膜３８および金薄膜３９を印刷して、焼成し、さらに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基板２１を作製する。

次に、流路部材４を、圧延法等により得られたプレート２２〜３１を、接着剤層を介して積層して作製する。積層するプレート２２〜３１には、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しておく。空隙部３８は、プレート２２〜３１のいずれかに、エッチングで、窪みあるいは孔を加工することで形成してもよい。また、空隙部３８は、積層する際の接着剤層の塗布を、パターンニングして行なうことにより、接着剤の存在しない部分として形成してもよい。

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。

続いて、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを接着剤層を介して積層する。空隙部３８は、この段階での接着剤層の塗布を、パターンニングして行なうことにより、接着剤の存在しない部分として形成してもよい。積層を終えた後、加熱加圧して、接着剤層を硬化させる。その後、個別電極３５と共通電極３４との間に電圧を加え、これらの間に挟まれている部位の圧電セラミック層２１ｂを分極することで、液体吐出ヘッド２を得ることができる。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４、２０４・・・流路部材
４−１・・・吐出孔面
４−２・・・加圧室面
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
６・・・個別供給流路
８・・・吐出孔
９・・・加圧室群
１０・・・加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・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
２１ｂ・・・圧電セラミック層（圧電体層）
２２〜３１、２２０・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・引出電極
３６・・・接続電極
３８、２３８・・・空隙部
２４０・・・接着剤層
５０・・・変位素子

Claims (7)

1. 複数の吐出孔および該複数の吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の加圧室を備えている流路部材と、該流路部材の上に積層されており、前記複数の加圧室をそれぞれ加圧する圧電アクチュエータ基板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、前記流路部材が積層されている主面と反対側の主面上に配置されている複数の個別電極と、前記複数の加圧室の間にわたって延在している共通電極と、前記複数の個別電極と前記共通電極との間に挟まれている圧電体層とを含んでおり、
   前記圧電アクチュエータ基板を平面視したとき、
   前記個別電極は、前記加圧室と重なっている個別電極本体と、該個別電極本体から前記加圧室と重ならない位置まで引き出されている引出電極とを含んでおり、
   該引出電極の直下の前記流路部材に、前記吐出孔と繋がっていない空隙部が存在することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記空隙部は、積層方向において、前記加圧室よりも前記圧電アクチュエータ基板側に位置す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. 前記圧電アクチュエータ基板を平面視したとき、前記空隙部は、前記引出電極に沿って、前記加圧室と重なる位置まで伸びていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記空隙部は、前記引出電極の引出方向に直交する方向の幅をＷ［μｍ］としたとき、前記空隙部は、前記圧電アクチュエータ基板からの距離がＷ［μｍ］以下の位置にあ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. 前記流路部材と前記圧電アクチュエータ基板とが接着剤層を介して積層されており、前記空隙部が、前記接着剤層の存在しない部位で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. 前記流路部材は、複数のプレートを、接着剤層を介して積層されており、前記空隙部が、前記接着剤層の存在しない部位で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。
7. 請求項１〜６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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