JP2017080966A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】剛性の小さなノズルプレート７を使用しても吐出溝５ａの側壁４ａの変形量を大きくとることができる。【解決手段】液体噴射ヘッド１は、第一圧電体基板３ａと、第一圧電体基板３ａよりも圧電定数が大きい第二圧電体基板３ｂが分極方向を互いに反対側に向けて積層される積層基板４と、第一圧電体基板３ａの上面ＵＳに設置されるカバープレート６と、第二圧電体基板３ｂの下面ＬＳに設置されるノズルプレート６と、を備え、積層基板４は板厚方向に貫通する吐出溝５ａを備え、ノズルプレート７は吐出溝５ａに連通するノズル孔７ａを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被記録媒体に液滴を噴射して記録する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

近年、記録紙等にインク滴を吐出して文字や図形を記録する、或いは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜を形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、インクや液体材料などの液体を液体タンクから供給管を介してチャンネルに導き、チャンネルに充填される液体に圧力を印加してチャンネルに連通するノズルから液滴として吐出する。液滴の吐出の際には、液体噴射ヘッドや被記録媒体を移動させて文字や図形を記録する、或いは所定形状の機能性薄膜を形成する。

特許文献１にはサイドシュート型の液体噴射ヘッドが記載されている。液体噴射ヘッドは、ノズルプレート、圧電体基板、及び、カバープレートが積層する。圧電体基板は上面から下面に貫通する吐出溝と非吐出溝を備える。吐出溝と非吐出溝は溝列方向に交互に配列する。カバープレートは吐出溝の一方の端部に連通する第一液室と吐出溝の他方の端部に連通する第二液室を備える。ノズルプレートは吐出溝の長手方向の中央に連通するノズル孔を備える。圧電体基板は、吐出溝と非吐出溝を仕切る側壁を備え、各側壁は上下の厚さ方向に一様に分極処理が施される。側壁は壁面に圧電体基板の厚さの１／２よりもノズルプレート側に駆動電極を備える。

液体噴射ヘッドは次にように駆動する。カバープレートの第一液室又は第二液室に液体を供給する。液体は、第一液室又は第二液室から吐出溝に流入し、更に、第二液室又は第一液室に排出され、循環ポンプ等により循環される。側壁を挟む駆動電極に駆動信号を印加して側壁にシアモードの変形を生じさせる。これにより、吐出溝の容積が瞬間的に変化して吐出溝内の液体に圧力波が生成される。この圧力波がノズル孔に到達してノズル孔から液滴が吐出される。

特２０１５−２０３１２号公報

図１０は、液体噴射ヘッドの吐出溝１０１の側壁１０２の駆動を説明するための図である。図１０（ａ）は吐出溝１０１の断面模式図であり、図１０（ｂ）は共通電極１０３と個別電極１０４の間に駆動信号を与えた時の側壁１０２の変形状態を表す断面模式図である。圧電体基板に溝を形成することにより、２つの側壁１０２に挟まれる吐出溝１０１を構成する。２つの側壁１０２の上部にカバープレート１０６が固定され、下部にノズルプレート１０５が固定される。２つの側壁１０２はノズルプレート１０５からカバープレート１０６方向に一様に分極される。吐出溝１０１を構成する２つの側壁１０２の内壁面には、吐出溝１０１の深さ（圧電体基板の厚さ）の１／２よりもノズルプレート１０５側に共通電極１０３が形成される。同じく、吐出溝１０１を構成する２つの側壁１０２の外壁面（非吐出溝を構成する側の壁面）には、吐出溝１０１の深さの１／２よりもノズルプレート１０５側に個別電極１０４が形成される。ここで、側壁１０２とカバープレート１０６はＰＺＴセラミックスを使用し、ノズルプレート１０５はポリイミドフィルムを使用している。

２つの共通電極１０３と２つの個別電極１０４の間に駆動電圧を印加して、分極Ｐの方向に対して垂直に電界を印加すると、図１０（ｂ）の実線で示すように、２つの側壁１０２にはシアモードの変形が生じ、屈曲する。これに伴ってノズルプレート１０５も変形する。ノズルプレート１０５は剛性が小さいために破線で示す初期形状から大きく歪む。そのため、２つの側壁１０２の変形量が減少して液滴の吐出速度が低下する。なお、共通電極１０３と個別電極１０４を吐出溝１０１の深さの１／２よりもカバープレート１０６側に延在させて設置すれば、剛性の小さいノズルプレート１０５を使用する場合でもノズルプレート１０５の変形量が小さく、側壁１０２の変形量を増大させることができる。しかし、外部回路から駆動信号を受けるための電極端子やこの電極端子に接続するフレキシブル回路基板をカバープレート１０６側に設ける必要がある。カバープレート１０６側には流路部材等が配置されるので駆動信号供給用のフレキシブル回路基板等の部材を設置するスペースの確保が難しい。

本発明の液体噴射ヘッドは、第一圧電体基板と、前記第一圧電体基板よりも圧電定数が大きい第二圧電体基板が分極方向を互いに反対側に向けて積層される積層基板と、前記第一圧電体基板の上面に設置されるカバープレートと、前記第二圧電体基板の下面に設置されるノズルプレートと、を備え、前記積層基板は板厚方向に貫通する吐出溝を備え、前記ノズルプレートは前記吐出溝に連通するノズル孔を備えることとした。

また、前記第一圧電体基板と前記第二圧電体基板の境界は、前記積層基板の厚さの１／２よりも前記ノズルプレートの側に位置することとした。

また、前記積層基板は前記下面に開口する非吐出溝を更に備え、前記吐出溝と前記非吐出溝とは基準方向に交互に配列することとした。

また、前記積層基板は前記吐出溝と前記非吐出溝を分離する側壁を備え、前記側壁の前記吐出溝の側の側面は前記積層基板の厚さの略１／２よりも下方に共通電極を備え、前記側壁の前記非吐出溝の側の側面は前記積層基板の厚さの略１／２よりも下方に個別電極を備えることとした。

また、前記共通電極及び前記個別電極は前記側壁の下端から上端に亘って設置されることとした。

また、前記積層基板は、前記下面に前記共通電極と電気的に接続する共通端子と前記個別電極と電気的に接続する個別端子とを備えることとした。

また、前記個別端子は、前記吐出溝を挟む２つの前記非吐出溝の前記吐出溝の側の側面の２つの前記個別電極を電気的に接続することとした。

また、配線パターンを備えるフレキシブル回路基板を更に含み、前記フレキシブル回路基板は前記積層基板の前記下面に接続され、前記配線パターンと前記共通端子及び前記配線パターンと前記個別端子が電気的に接続することとした。

本発明の液体噴射装置は、上記の液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備えることとした。

本発明による液体噴射ヘッドは、第一圧電体基板と、第一圧電体基板よりも圧電定数が大きい第二圧電体基板が分極方向を互いに反対側に向けて積層される積層基板と、第一圧電体基板の上面に設置されるカバープレートと、第二圧電体基板の下面に設置されるノズルプレートと、を備え、積層基板は板厚方向に貫通する吐出溝を備え、ノズルプレートは吐出溝に連通するノズル孔を備える。これにより、剛性の小さいノズルプレートを使用しても吐出溝の側壁の変形量を大きくとることができる液体噴射ヘッドを構成することができる。

本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの吐出溝の断面模式図である。 本発明の第一実施形態に係る積層基板の圧電定数の平均を等しく設定し、圧電体基板の圧電定数を変化させたときの側壁の平均変位を表すシミュレーション結果である。 本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッドの吐出溝の断面模式図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの模式的な分解斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの説明図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの吐出溝の配列位置と側壁の平均変位の関係を表すグラフである。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの吐出溝の配列位置と側壁の最大変位の関係を表すグラフである。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの基準方向Ｋの断面模式図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射装置の模式的な斜視図である。 従来公知の液体噴射ヘッドの吐出溝の側壁の駆動を説明するための図である。

（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド２の吐出溝５ａの断面模式図である。液体噴射ヘッド２は、圧電体基板から成る積層基板４と、積層基板４の上面ＵＳに設置されるカバープレート６と、積層基板４の下面ＬＳに設置されるノズルプレート７と、を備える。積層基板４は、第一圧電体基板３ａと、第一圧電体基板３ａよりも圧電定数が大きい第二圧電体基板３ｂが、第一圧電体基板３ａの分極Ｐの方向と第二圧電体基板３ｂの分極Ｐ’の方向を互いに反対側に向けて積層される。具体的には、第一圧電体基板３ａの分極Ｐは上方に、第二圧電体基板３ｂの分極Ｐ’は下方に向いている。カバープレート６は、第一圧電体基板３ａの上面ＵＳに設置される。ノズルプレート７は、第二圧電体基板３ｂの下面ＬＳに設置される。積層基板４は、板厚方向に貫通する吐出溝５ａと、板厚方向に貫通し側壁４ａを介して離間する非吐出溝５ｂとを備える。ノズルプレート７は吐出溝５ａに連通するノズル孔７ａを備える。

ここで圧電体基板としてＰＺＴセラミックスを使用することができる。ノズルプレート７は、ポリイミド膜や金属膜を使用することができる。カバープレート６は、ＰＺＴセラミックス、その他のセラミックス、合成樹脂等を使用することができる。カバープレート６として第一圧電体基板３ａと同じ材料を使用すれば温度変化に対する変形を防止することができる。

圧電定数はせん断歪ｄ₁₅を意味する。一般的に３軸方向（分極方向）の歪ｄ₃₃とせん断歪ｄ₁₅は相関がある。第一圧電体基板３ａと第二圧電体基板３ｂの境界Ｂは、積層基板４の厚さｔの１／２よりもノズルプレート７の側に位置する。本実施形態では、境界Ｂを下面ＬＳから積層基板４の厚さｔの１／３の深さに設置している。積層基板４は吐出溝５ａと非吐出溝５ｂを分離する側壁４ａを備える。なお、積層基板４の厚さｔとは、積層基板４の高さと同じである。また、本実施形態では、積層基板４の厚さｔは吐出溝５ａ及び非吐出溝５ｂの深さと同じである。側壁４ａの吐出溝５ａの側の両側面は積層基板４の厚さｔの略１／２よりも下方に共通電極８ａを備え、側壁４ａの非吐出溝５ｂの側の側面は積層基板４の厚さｔの略１／２よりも下方に個別電極８ｂを備える。共通電極８ａ及び個別電極８ｂは導電体の斜め蒸着法により形成することができる。吐出溝５ａを挟む２つの側壁４ａの共通電極８ａと個別電極８ｂの間に駆動信号を印加して、２つの側壁４ａにせん断歪、即ちシアモードの変形を生じさせる。

この場合に、第一圧電体基板３ａの分極Ｐと、第二圧電体基板３ｂの分極Ｐ’は反対方向を向くので、側壁４ａの第一圧電体基板３ａと第二圧電体基板３ｂは互いに反対方向に変形する。共通電極８ａと個別電極８ｂは側壁４ａの境界Ｂを超えて第一圧電体基板３ａの側面に延在する。電極が延在する領域の第一圧電体基板３ａは、第二圧電体基板３ｂとは反対方向に厚み滑り変形し、ノズルプレート７に加わる力を緩和させる。具体的には、吐出溝５ａの側の両側面の共通電極８ａをＧＮＤに接続し、２つの非吐出溝５ｂの吐出溝５ａの側の両側面の個別電極８ｂに駆動信号を印加して、吐出溝５ａの容積を瞬間的に変化させる。例えば、吐出溝５ａの容積を拡張させて吐出溝５ａに液体を引き込み、次に、吐出溝５ａの容積を縮小させてノズル孔７ａから液滴を吐出させる。

図２は、本発明の第一実施形態に係る積層基板４の圧電定数（ｄ₁₅）の平均を等しく設定し、第二圧電体基板３ｂの圧電定数（ｄ₁₅）と第一圧電体基板３ａの圧電定数（ｄ₁₅）を変化させるときの側壁４ａの平均変位を表すシミュレーション結果である。図２（ｂ）に示すように、側壁４ａは境界Ｂにおいて屈曲し、ノズルプレート７の変形は小さい。ここで、平均変位とは、側壁４ａの壁面の横方向ｘの変位量を深さ方向ｚに平均した値を表し、図２（ｂ）において側壁４ａの破線で示す初期形状と実線で示す変形後の形状により囲まれる面積Ｓを積層基板４の厚さｔにより除算した値である。共通電極８ａと個別電極８ｂは積層基板４の厚さｔの略１／２よりも下方に位置し、第一圧電体基板３ａと第二圧電体基板３ｂの境界Ｂは積層基板４の厚さｔの１／３の深さに位置する。第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂはＰＺＴセラミックスを用い、カバープレート６はＰＺＴセラミックスと同じヤング率である７０ＧＰａとした。ノズルプレート７はポリイミド膜と同じヤング率である３ＧＰａとした。

図２に示すように、ノズルプレート７側の第二圧電体基板３ｂの圧電定数（ｄ₁₅）が大きくなるに従い、側壁４ａの平均変位は大きくなる。即ち、カバープレート６側の第一圧電体基板３ａの圧電定数が７００ｐＣ／Ｎ、ノズルプレート７側の第二圧電体基板３ｂの圧電定数が８６０ｐＣ／Ｎ（条件２）のときの平均変位が１０．４ｎｍに対し、第一圧電体基板３ａの圧電定数が８６０ｐＣ／Ｎ、第二圧電体基板３ｂの圧電定数が７００ｐＣ／Ｎ（条件３）のときの平均変位が９．４ｎｍである。また、カバープレート６側の第一圧電体基板３ａとノズルプレート７側の第二圧電体基板３ｂの圧電定数が等しい７８０ｐＣ／Ｎのときの平均変位は９．９ｎｍとなり、条件２と条件３の間の値となる。従って、圧電定数の異なる圧電体基板を用いる場合は、圧電定数の小さい方をカバープレート６側に、圧電定数の大きい方をノズルプレート７側に配置することにより、側壁４ａの変形量を大きくすることができる。

その結果、ノズル孔７ａから吐出する液滴の吐出速度を増大させることができる。また、ノズルプレート７にポリイミド膜のようなヤング率の小さい材料を使用しても、側壁４ａの変形量を大きくすることができる。また、積層基板４は分極方向の異なる２枚の第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂから成り、第一圧電体基板３ａと第二圧電体基板３ｂは異なる方向に変位する。そのため、共通電極８ａや個別電極８ｂの電極深さが積層基板４の厚さｔの１／２より深くなっても、つまり、厚さｔの１／２よりも上方の側面に延在させても側壁４ａの変位量は低下することが無い。その結果、電極深さのマージンが拡大し、製造工程の管理が簡素化する。

なお、本実施形態では吐出溝５ａと非吐出溝５ｂが基準方向Ｋに交互に配列する構成であるが、これに代えて、吐出溝５ａのみが基準方向Ｋに配列する構成であってもよい。また、本実施形態では吐出溝５ａ及び非吐出溝５ｂが積層基板４の板厚方向に貫通するが、これに代えて、吐出溝５ａ又は非吐出溝５ｂが積層基板４の上面ＵＳに開口しない構造であってもよい。

（第二実施形態）
図３は本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド２の吐出溝５ａの断面模式図である。第一実施形態と異なる点は、共通電極８ａ及び個別電極８ｂの設置位置であり、その他の構成は第一実施形態と同様である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

図３に示すように、吐出溝５ａ及び非吐出溝５ｂは積層基板４の板厚方向に貫通する。側壁４ａの吐出溝５ａの側の側面は下端から上端に亘る共通電極８ａを備え、側壁４ａの非吐出溝５ｂの側の側面は下端から上端に亘る個別電極８ｂを備える。共通電極８ａや個別電極８ｂは、例えば蒸着法、スパッタリング法、或いはメッキ法により形成することができる。このように、共通電極８ａ及び個別電極８ｂを吐出溝５ａ及び非吐出溝５ｂを構成する側壁４ａの下端から上端に亘って設置すれば、第一圧電体基板３ａの変形と第二圧電体基板３ｂの変形が加算され、吐出溝５ａの容積変化量が増大する。そのため、吐出溝５ａに連通するノズル孔７ａから吐出する液滴の吐出速度を一層大きくすることができる。

なお、本実施形態においても、吐出溝５ａのみが基準方向Ｋに配列する構成であってもよいし、非吐出溝５ｂが第二圧電体基板３ｂの下面ＬＳには開口するが、第一圧電体基板３ａの上面ＵＳに開口しない構造であってもよい。その他の構成及び作用効果は第一実施形態と同様なので、説明を省略する。

（第三実施形態）
図４は本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド２の模式的な分解斜視図である。図５は本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド２の説明図である。図５（ａ）が吐出溝５ａの断面模式図であり、図５（ｂ）が非吐出溝５ｂの断面模式図であり、図５（ｃ）がノズルプレート７を除去した積層基板４の下面ＬＳの平面模式図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

図４に示すように、液体噴射ヘッド２は、圧電体基板から成る積層基板４と、積層基板４の上面ＵＳに設置されるカバープレート６と、積層基板４の下面ＬＳに設置されるノズルプレート７と、を備える。積層基板４は、第一圧電体基板３ａと第一圧電体基板３ａよりも圧電定数が大きい第二圧電体基板３ｂが分極方向を互いに反対側に向けて積層される。カバープレート６は、第一圧電体基板３ａの上面ＵＳに設置される。ノズルプレート７は、第二圧電体基板３ｂの下面ＬＳに設置される。

具体的に説明する。第一圧電体基板３ａは上面ＵＳの法線方向に分極Ｐの分極処理が施される。第二圧電体基板３ｂは下面ＬＳの法線方向であり、上記分極Ｐとは反対方向に分極Ｐ’の分極処理が施される。第一圧電体基板３ａと第二圧電体基板３ｂの境界Ｂは、積層基板４の厚さｔの１／２よりもノズルプレート７側に位置する。積層基板４は板厚方向に貫通する吐出溝５ａと非吐出溝５ｂを備え、吐出溝５ａと非吐出溝５ｂは側壁４ａを挟んで基準方向Ｋに交互に配列して溝列５を構成する。吐出溝５ａと非吐出溝５ｂは、外周にダイヤモンド砥粒が埋め込まれた円盤状ブレードにより研削するので、溝の端部にブレードの円弧形状が残る。

吐出溝５ａは積層基板４の上面ＵＳ側から研削して形成するので、溝の両端部は下面ＬＳから上面ＵＳに切り上がる傾斜面となる。非吐出溝５ｂは、積層基板４の下面ＬＳ側からカバープレート６には達するがカバープレート６の液室６ａ、６ｂには達しない深さに研削して形成するので、溝の両端部は上面ＵＳから下面ＬＳ側に切り下がる傾斜面となる。なお、非吐出溝５ｂは、長手方向が積層基板４の一方の側面ＳＳまで延在し、延在する領域の下面ＬＳからの深さは積層基板４の厚さｔの１／２よりも深く上面ＵＳには達しない。積層基板４の上面ＵＳに開口する吐出溝５ａの開口部は、上面ＵＳに開口する非吐出溝５ｂの開口部よりも長手方向の幅が広い。

図５（ａ）に示すように、側壁４ａの吐出溝５ａの側の側面は、積層基板４の厚さｔの略１／２よりも下方に共通電極８ａを備える。共通電極８ａの長手方向の幅は、吐出溝５ａが下面ＬＳに開口する開口部９ａの幅ｅｗを有する。図５（ｂ）に示すように、側壁４ａの非吐出溝５ｂの側面は、積層基板４の厚さｔの略１／２よりも下方に個別電極８ｂを備える。個別電極８ｂは、長手方向の一端が共通電極８ａの一端に対応し、他端が側面ＳＳまで延在する。更に、図５（ｃ）に示すように、積層基板４は、下面ＬＳに、吐出溝５ａの開口部９ａと非吐出溝５ｂの開口部９ｂが側壁４ａの端面ＥＳ（下面ＬＳ）を挟んで基準方向Ｋに交互に開口する。吐出溝５ａの開口部９ａは非吐出溝５ｂの開口部９ｂより長手方向の幅が狭く、非吐出溝５ｂの開口部９ｂは下面ＬＳの一方の端部の手前から他方の端部、即ち側面ＳＳまで延在する。積層基板４は、下面ＬＳに、共通電極８ａと電気的に接続する共通端子１０ａと個別電極８ｂと電気的に接続する個別端子１０ｂとを備える。個別端子１０ｂは隣接する２つの非吐出溝５ｂの間であり、側面ＳＳの近傍の下面ＬＳに位置する。共通端子１０ａは、吐出溝５ａの端部と個別端子１０ｂとの間の下面ＬＳに位置する。共通端子１０ａは、吐出溝５ａの両側面に位置する２つの共通電極８ａに電気的に接続する。個別端子１０ｂは、吐出溝５ａを挟む２つの非吐出溝５ｂの吐出溝５ａの側の側面に位置する２つの個別電極８ｂを電気的に接続する。

共通電極８ａ、個別電極８ｂ、共通端子１０ａ、及び、個別端子１０ｂは、導電体の斜め蒸着法により形成することができる。例えば、下面ＬＳの下方から、下面ＬＳの法線方向に対し基準方向Ｋに傾けた斜め方向から導電体を蒸着させる。導電体は、吐出溝５ａ及び非吐出溝５ｂの一方の側面に、下面ＬＳから積層基板４の厚さｔの略１／２の深さに蒸着する。次に、積層基板４を下面ＬＳの面内で１８０°回転させて同じ斜め方向から導電体を蒸着させる。導電体は、吐出溝５ａ及び非吐出溝５ｂの他方の側面に、下面ＬＳから積層基板４の厚さの略１／２の深さに蒸着する。このとき、共通端子１０ａと個別端子１０ｂも同時に形成することができる。
なお、非吐出溝５ｂは図５（ｂ）の図面右側に浅溝部を形成し、側面ＳＳまで延在するように形成している。この浅溝部は、積層基板４の厚さｔの略１／２よりも深くなっており、浅溝部の底面には個別電極８ｂが形成されない。

カバープレート６は積層基板４の上面ＵＳに接着剤により接合される。カバープレート６は吐出溝５ａの上部を塞ぎ、吐出溝５ａを挟む側壁４ａの上端部を固定する。カバープレート６は互いに離間する２つの液室６ａ、６ｂを備える。一方の液室６ａは複数の吐出溝５ａの一方の端部に連通し、他方の液室６ｂは複数の吐出溝５ａの他方の端部に連通する。いずれの液室６ａ、６ｂも非吐出溝５ｂには連通しない。従って、一方の液室６ａに液体を供給すると、複数の吐出溝５ａに液体が流入し、更に複数の吐出溝５ａから他方の液室６ｂに液体が流出する。即ち、液体を循環させることができる。また、両方の液室６ａ、６ｂに液体を供給し、両方の液室６ａ、６ｂから複数の吐出溝５ａに液体を供給することができる。図５に示すように、ノズルプレート７は個別端子１０ｂ及び共通端子１０ａの一部が露出するようにして積層基板４の下面ＬＳに接着剤により接合される。ノズルプレート７は基準方向Ｋに配列するノズル孔７ａを備え、各ノズル孔７ａは各吐出溝５ａにそれぞれ連通する。

第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂはＰＺＴセラミックスを使用することができる。ノズルプレート７は、ポリイミド膜や金属膜を使用することができる。カバープレート６は、ＰＺＴセラミックスやその他のセラミックス、合成樹脂等を使用することができる。カバープレート６に積層基板４と同じ材料、例えばＰＺＴセラミックスを使用すれば、温度変化に対する液体噴射ヘッド２の変形を防止できるとともに、側壁４ａを効率よく変形させることができる。第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂの圧電定数については第一実施形態と同様である。

液体噴射ヘッド２は、更に、図示しないフレキシブル回路基板を備える。フレキシブル回路基板は、配線パターンを備え、積層基板４の下面ＬＳに設置される。配線パターンと共通端子１０ａ、及び、配線パターンと個別端子１０ｂは電気的に接続される。本実施形態では、フレキシブル回路基板が積層基板４の液滴吐出側の下面ＬＳに接続される。フレキシブル回路基板を積層基板４のカバープレート６側に設ける必要が無いため、フレキシブル回路基板の実装が容易となり、また、カバープレート６側の構造を簡素化することができる。

液体噴射ヘッド２は次にように駆動する。カバープレート６の液室６ａ又は液室６ｂ、或いは両方の液室６ａ、６ｂに液体を供給し、吐出溝５ａに液体を充填する。次に、図示しないフレキシブル回路基板を介して共通端子１０ａと個別端子１０ｂに駆動信号を与える。具体的には、共通端子１０ａをＧＮＤに接続し、個別端子１０ｂに駆動信号を与える。すると、吐出溝５ａを挟む２つの側壁４ａがシアモードの変形を生じて、吐出溝５ａの容積が瞬間的に変化する。例えば、吐出溝５ａの容積が拡張して液室６ａ、６ｂから吐出溝５ａに液体を引き込み、次に、吐出溝５ａの容積が瞬間的に縮小してノズル孔７ａから液滴が吐出される。液体は共通電極８ａには接するが個別電極８ｂには接しない。そのため、導電性の液体を使用しても、液体が電気分解することが無い。

図６は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド２の吐出溝５ａの溝列５における配列位置と側壁４ａの平均変位の関係を表すグラフである。図７は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド２の吐出溝５ａの溝列５における配列位置と側壁４ａの最大変位の関係を表すグラフである。図８は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド２の基準方向Ｋ（溝列５方向）の断面模式図である。ここで、側壁４ａの最大変位とは、図２（ｂ）を参照して、側壁４ａの初期の深さ方向ｚに平行な位置から横方向ｘに変位する最大値をいう。通常、境界Ｂの位置が横方向ｘに最大変位する。

図６及び図７において、グラフＧ１が条件１（第一圧電体基板３ａの圧電定数（ｄ₁₅）が７８０ｐＣ／Ｎ、第二圧電体基板３ｂの圧電定数（ｄ₁₅）が７８０ｐＣ／Ｎ）、グラフＧ２が条件２（第一圧電体基板３ａの圧電定数（ｄ₁₅）が７００ｐＣ／Ｎ、第二圧電体基板３ｂの圧電定数（ｄ₁₅）が８６０ｐＣ／Ｎ）、グラフＧ３が条件３（第一圧電体基板３ａの圧電定数（ｄ₁₅）が８６０ｐＣ／Ｎ、第二圧電体基板３ｂの圧電定数（ｄ₁₅）が７００ｐＣ／Ｎ）の場合のシミュレーション結果である。なお、第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂの圧電定数の条件１〜条件３、第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂ及びカバープレート６のヤング率：７０ＧＰａ、ノズルプレート７のヤング率：３ＧＰａは第一実施形態における図２におけるシミュレーションと同じであるが、他の設定条件は図２におけるシミュレーションとは異なる。図７では、実線が吐出溝５ａの右側の側壁４ａ（以下、右側壁４ａｒという）の最大変位であり、破線が吐出溝５ａの左側の側壁４ａ（以下、左側壁４ａｌという）の最大変位を表す。

図８において、左側は溝列５の左端側の断面を表し、中央が溝列５の中央の断面を表し、右側が溝列５の右端側の断面を表す。すでに説明したように、共通電極８ａ及び個別電極８ｂは斜め蒸着法により形成する。そのため、蒸着源に近い方の溝の側面に堆積する電極は、蒸着源から遠い方の溝の側面に堆積する電極よりも下面ＬＳからの深さが深い。そこで、溝列５の中央の吐出溝５ａ又は非吐出溝５ｂ（以下、単に溝という）の左右の側面の電極深さが等しくなるように斜め蒸着すれば、中央よりも左側の溝では右側面の電極深さが左側面の電極深さよりも深くなり、中央よりも右側の溝では左側面の電極深さが右側面の電極深さよりも深くなる。従って、溝列５の両端側に位置する吐出溝５ａは、左側壁４ａｌの共通電極８ａと右側壁４ａｒの共通電極８ａの深さが異なり、左側壁４ａｌの個別電極８ｂと右側壁４ａｒの個別電極８ｂの深さが異なる。つまり、吐出溝５ａを中心として共通電極８ａと個別電極８ｂの形状が非対称となる。

より具体的には、溝列５の左端側に位置する吐出溝５ａでは、左側壁４ａｌの共通電極８ａは右側壁４ａｒの共通電極８ａよりも浅く、左側壁４ａｌの個別電極８ｂは右側壁４ａｒの個別電極８ｂよりも深い。また、溝列５の右端側に位置する吐出溝５ａでは、左側壁４ａｌの共通電極８ａは右側壁４ａｒの共通電極８ａよりも深く、左側壁４ａｌの個別電極８ｂは右側壁４ａｒの個別電極８ｂよりも浅い。いずれの配列位置においても、共通電極８ａ及び個別電極８ｂは下面ＬＳからの深さが積層基板４の厚さｔの略１／２を下回ることがない。

図６に示すように、側壁４ａの平均変位は条件２のグラフＧ２がどの配列位置においても他の条件１のグラフＧ１又は条件３のグラフＧ３よりも大きい。即ち、第一圧電体基板３ａの圧電定数と第二圧電体基板３ｂの圧電定数の平均を等しく設定しても、下方の第二圧電体基板３ｂの圧電定数を大きく、上方の第一圧電体基板３ａの圧電定数を小さくする方が側壁４ａの平均変位が大きい。

更に、図７に示すように、吐出溝５ａを構成する右側壁４ａｒの実線で表す最大変位、又は、左側壁４ａｌの破線で表す最大変位は、図６に示す結果と同様に、吐出溝５ａのどの配列位置においても、条件２のグラフＧ２が他の条件１のグラフＧ１又は条件３のグラフＧ３よりも大きい。即ち、下方の第二圧電体基板３ｂの圧電定数を大きく上方の第一圧電体基板３ａの圧電定数を小さくする方が、吐出溝５ａを挟む両側壁４ａの最大変位が大きくなり、ノズル孔７ａから吐出する液滴の吐出速度を大きくすることができる。

また、条件２について、吐出溝５ａの右側壁４ａｒの最大変位（グラフＧ２の実線）は、配列位置が左側よりも右側の方が大きく、吐出溝５ａの左側壁４ａｌの最大変位（グラフＧ２の破線）は、配列位置が右側よりも左側の方が大きい。条件１及び条件３においても同様の傾向を示す。これは、溝列５の両端側に位置する吐出溝５ａは、吐出溝５ａを中心として共通電極８ａと個別電極８ｂの形状（具体的には電極深さ）が非対称であることに起因している。

なお、吐出溝５ａの容積変化は左側壁４ａｌの変位と右側壁４ａｒの変位の合計である。図７に示すように、配列位置が中央よりも左側の吐出溝５ａの容積変化は、変位の大きい左側壁４ａｌと変位の小さい右側壁４ａｒの合計変位となる。配列位置が中央より右側の吐出溝５ａの容積変化は、変位の大きい右側壁４ａｒと変位の小さい左側壁４ａｌの合計変位となる。そのため、吐出溝５ａの共通電極８ａと個別電極８ｂの深さが非対称であっても、吐出溝５ａの左及び右側壁４ａｌ、４ａｒの合計変位は配列位置に対し均一化し、液滴の吐出速度のばらつきが低減する。また、吐出溝５ａを構成する右側壁４ａｒと左側壁４ａｌの最大変位の差（実線のグラフと破線のグラフの差）は、条件３のグラフＧ３、条件１のグラフＧ１、条件２のグラフＧ２の順に小さくなる。つまり、上方の第一圧電体基板３ａの圧電定数が小さくなるに従い、右側壁４ａｒの最大変位と左側壁４ａｌの最大変位の差が縮小し、液滴の吐出速度のばらつきが低減する。

本実施形態において、積層基板４は分極方向の異なる２枚の第一及び第二圧電体基板３ａ、３ｂから構成するので、共通電極８ａや個別電極８ｂは積層基板４の厚さｔの１／２よりも上方の側面に延在させても、つまり、厚さｔの１／２より深く形成しても側壁４ａの変位量は低下することが無く、電極深さのマージンが拡大し、製造工程の管理が簡素化する。なお、第二実施形態のように、共通電極８ａ及び個別電極８ｂは側壁４ａの側面の下端から上端に亘って設置してもよい。また、積層基板４に複数の溝列５を形成してもよい。また、吐出溝５ａや非吐出溝５ｂの形状は本実施形態の形状に限定されず、例えば、非吐出溝５ｂは、積層基板４の上面ＵＳに開口しない深さであってもよいし、長手方向の両端が積層基板４の側面に達する長さであってもよい。また、吐出溝５ａや非吐出溝５ｂの長手方向の端部が傾斜面でなくても、例えば垂直面であってもよい。

（第四実施形態）
図９は、本発明の第四実施形態に係る液体噴射装置１の模式的な斜視図である。液体噴射装置１は、液体噴射ヘッド２、２’を往復移動させる移動機構４０と、液体噴射ヘッド２、２’に液体を供給し、液体噴射ヘッド２、２’から液体を排出する流路部３５、３５’と、流路部３５、３５’に連通する液体ポンプ３３、３３’及び液体タンク３４、３４’とを備えている。液体噴射ヘッド２、２’は既に説明した第一〜第三実施形態のいずれかを使用する。

液体噴射装置１は、紙等の被記録媒体４４を主走査方向に搬送する一対の搬送手段４１、４２と、被記録媒体４４に液体を吐出する液体噴射ヘッド２、２’と、液体噴射ヘッド２、２’を載置するキャリッジユニット４３と、液体タンク３４、３４’に貯留した液体を流路部３５、３５’に押圧して供給する液体ポンプ３３、３３’と、液体噴射ヘッド２、２’を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構４０とを備えている。図示しない制御部は液体噴射ヘッド２、２’、移動機構４０、搬送手段４１、４２を制御して駆動する。

一対の搬送手段４１、４２は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに移転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体４４を主走査方向に搬送する。移動機構４０は、副走査方向に延びた一対のガイドレール３６、３７と、一対のガイドレール３６、３７に沿って摺動可能なキャリッジユニット４３と、キャリッジユニット４３を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト３８と、この無端ベルト３８を図示しないプーリを介して周回させるモータ３９とを備えている。

キャリッジユニット４３は、複数の液体噴射ヘッド２、２’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４種類の液滴を吐出する。液体タンク３４、３４’は対応する色の液体を貯留し、液体ポンプ３３、３３’、流路部３５、３５’を介して液体噴射ヘッド２、２’に供給する。各液体噴射ヘッド２、２’は駆動信号に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド２、２’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット４３を駆動するモータ３９の回転及び被記録媒体４４の搬送速度を制御することにより、被記録媒体４４上に任意のパターンを記録することできる。

なお、本実施形態は、移動機構４０がキャリッジユニット４３と被記録媒体４４を移動させて記録する液体噴射装置１であるが、これに代えて、キャリッジユニットを固定し、移動機構が被記録媒体を２次元的に移動させて記録する液体噴射装置であってもよい。つまり、移動機構は液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させるものであればよい。

１ 液体噴射装置
２ 液体噴射ヘッド
３ａ 第一圧電体基板、３ｂ 第二圧電体基板
４ 積層基板、４ａ 側壁、４ａｌ 左側壁、４ａｒ 右側壁
５ 溝列、５ａ 吐出溝、５ｂ 非吐出溝
６ カバープレート、６ａ、６ｂ 液室
７ ノズルプレート、７ａ ノズル孔
８ａ 共通電極、８ｂ 個別電極
９ａ、９ｂ 開口部
１０ａ 共通端子、１０ｂ 個別端子
Ｋ 基準方向、ＵＳ 上面、ＬＳ 下面、Ｂ 境界、Ｐ、Ｐ’ 分極、ＳＳ 側面、ＥＳ 端面

Claims (9)

1. 第一圧電体基板と、前記第一圧電体基板よりも圧電定数が大きい第二圧電体基板が分極方向を互いに反対側に向けて積層される積層基板と、
   前記第一圧電体基板の上面に設置されるカバープレートと、
   前記第二圧電体基板の下面に設置されるノズルプレートと、を備え、
   前記積層基板は板厚方向に貫通する吐出溝を備え、前記ノズルプレートは前記吐出溝に連通するノズル孔を備える液体噴射ヘッド。
2. 前記第一圧電体基板と前記第二圧電体基板の境界は、前記積層基板の厚さの１／２よりも前記ノズルプレートの側に位置する請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記積層基板は前記下面に開口する非吐出溝を更に備え、前記吐出溝と前記非吐出溝とは基準方向に交互に配列する請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記積層基板は前記吐出溝と前記非吐出溝を分離する側壁を備え、
   前記側壁の前記吐出溝の側の側面は前記積層基板の厚さの略１／２よりも下方に共通電極を備え、前記側壁の前記非吐出溝の側の側面は前記積層基板の厚さの略１／２よりも下方に個別電極を備える請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記共通電極及び前記個別電極は前記側壁の下端から上端に亘って設置される請求項４に記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記積層基板は、前記下面に前記共通電極と電気的に接続する共通端子と前記個別電極と電気的に接続する個別端子とを備える請求項４又は５に記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記個別端子は、前記吐出溝を挟む２つの前記非吐出溝の前記吐出溝の側の側面の２つの前記個別電極を電気的に接続する請求項６に記載の液体噴射ヘッド。
8. 配線パターンを備えるフレキシブル回路基板を更に含み、
   前記フレキシブル回路基板は前記積層基板の前記下面に接続され、前記配線パターンと前記共通端子及び前記配線パターンと前記個別端子が電気的に接続する請求項７に記載の液体噴射ヘッド。
9. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドと、
   前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、
   前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、
   前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える液体噴射装置。

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