JP2023161220A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】制御部品の実装後に再分極処理が可能な液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】一実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、アクチュエータと、振動板と、電子部品と、を備える。アクチュエータは交互に積層される圧電体層及び電極を有する。振動板はアクチュエータに対向配置される。電子部品はアクチュエータに接続される。アクチュエータの圧電体層の１層の厚さをＡ［ｍｍ］、電子部品の上限電圧をＢ［Ｖ］、電子部品の耐熱温度の条件下における圧電体層を構成する圧電体の分極電界をＣ［Ｖ／ｍｍ］とすると、Ｂ／Ａ≧Ｃを満たす。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッドに関する。

インクジェットヘッドの方式の一つとしてＰＺＴなどの圧電体の変形を用いて、インクを吐出させる方式が用いられている。印字品質に影響を与える圧電部材の圧電特性をばらつかせる要因として、製造段階においては原料ロットの圧電特性のばらつきや加工時の劣化などがあり、実機搭載・市場流通後の運用段階では、経年劣化などがある。圧電特性のばらつきの対策として、圧電体の再分極処理が提案されている。また、分極量の調整として、各圧電素子の分極を一旦消去した後、再分極処理して行うことで、製品の歩留まりを向上させることも提案されている。しかしながら、基板や電子部品などの制御部品の実装後は印加可能な電圧の方向及び大きさが制限されるため、再分極処理によるメンテナンスが困難である。

特開平９－１４１８５９号公報 特開平１０－１９３６０１号公報 特開平１１－１４７３１２号公報

本発明が解決しようとする課題は、制御部品の実装後に再分極処理が可能な液体吐出ヘッドを提供することである。

一実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、アクチュエータと、振動板と、電子部品と、を備える。アクチュエータは交互に積層される圧電体層及び電極を有する。振動板はアクチュエータに対向配置される。電子部品はアクチュエータに接続される。アクチュエータの圧電体層の１層の厚さをＡ［ｍｍ］、電子部品の上限電圧をＢ［Ｖ］、電子部品の耐熱温度の条件下における圧電体層を構成する圧電体の分極電界をＣ［Ｖ／ｍｍ］とすると、Ｂ／Ａ≧Ｃを満たす。

第１実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す断面図。 同インクジェットヘッドの構成を示す断面図。 第１実施形態に係るインクジェット記録装置の概略構成を示す説明図。 他の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す断面図。

以下に、第１実施形態に係る液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッド１及び液体吐出装置であるインクジェット記録装置１００について、図１乃至図３を参照して説明する。図１及び図２は、インクジェットヘッド１の概略構成を示す断面図であり、図３は、インクジェット記録装置１００の概略構成を示す説明図である。図中矢印Ｘ、Ｙ、Ｚは互いに直交する３方向をそれぞれ示す。各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示す。

図１及び図２に示すように、インクジェットヘッド１は、ベース１０と、複数のアクチュエータ部２０と、流路部材４０と、複数のノズル５１を有するノズルプレート５０と、構造部としてのフレーム部６０と、駆動回路７０と、を備える。一例として、インクジェットヘッド１は、アクチュエータ部２０を２つ備え、複数のノズル５１が列方向（Ｘ方向）に並ぶノズル列、複数の圧力室３１が列方向に並ぶ圧力室列、及び複数の圧電素子２１、２２、が列方向に並ぶ素子列をそれぞれ２列ずつ有する。本実施形態において、圧電体層２１１の積層方向、圧電素子２１の振動方向、振動板３０の振動方向、がそれぞれZ方向に沿う例を示す。

ベース１０は、例えば、矩形板状に形成される。

アクチュエータ部２０は、ベース１０の一方側に、接合される。アクチュエータ部２０は、例えばベース１０上に複数並列して設けられる。

各アクチュエータ部２０は、例えば、圧電部材で構成され、列方向に沿って交互に配列されるアクチュエータとしての複数の駆動圧電素子２１、及び複数の非駆動圧電素子２２と、これら複数の圧電素子２１、２２をベース１０側で一体に連結する圧電構造部２６と、を備える。

各アクチュエータ部２０において、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２とは、一定の間隔で一方向に並ぶ。

一例として、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２とは、いずれも外形が同形状の直方体の柱状に構成される。アクチュエータ部２０は、複数の溝２３により、複数に分割され、複数の駆動圧電素子２１、非駆動圧電素子２２は、全て、同じ幅の溝２３によって、同ピッチで列方向に並んでいる。

例えば、積層圧電部材のZ方向の一方側から溝２３を形成する際に、溝２３の深さを積層圧電部材のZ方向の全長よりも短く設定して圧電構造部２６を残すことで、一端側が複数に分割され、他端側が連結する形状とすることが可能である。

例えば複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２とは、それぞれ、Z方向から見た平面視において、短手方向が素子列の列方向に沿うとともに、長手方向が列方向及びZ方向に対して直交する延出方向に沿う、矩形状に構成される。

駆動圧電素子２１は、Z方向において、流路部材４０に形成された複数の圧力室３１にそれぞれ対向する位置に配列される。一例として、駆動圧電素子２１の列方向及び延出方向の中心位置と、圧力室３１の列方向及び延出方向の中心位置とが、Z方向に並んで配列される。

非駆動圧電素子２２は、Z方向において、流路部材４０に形成された複数の隔壁部４２にそれぞれ対向する位置に配列される。一例として、駆動圧電素子２１の列方向及び延出方向の中心位置と、隔壁部４２の列方向及び延出方向の中心位置とが、Z方向に並んで配列される。

例えばアクチュエータ部２０は、予めベース１０に接合された積層型圧電部材を、ベース１０側とは反対側の端面からダイシング加工して溝２３を形成することで、矩形の柱状に形成された複数の圧電素子を所定の間隔で形成する。そして、形成された複数の柱状の素子に、電極等が設けられ、交互に配置された複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２とが形成される。複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２は、列方向において、溝２３を挟んで交互に並列配置される。

例えば、アクチュエータ部２０を構成する積層型圧電部材は、シート状の圧電材料を積層して焼結することで形成される。

駆動圧電素子２１、非駆動圧電素子２２を構成する圧電部材は、例えば積層圧電体である。駆動圧電素子２１、非駆動圧電素子２２は、積層された複数の圧電体層２１１と、各圧電体層２１１の主面に形成される内部電極２２１、２２２と、を備える。なお、一例として、駆動圧電素子２１、非駆動圧電素子２２は同じ積層構造である。そして、駆動圧電素子２１及び非駆動圧電素子２２は、表面に形成された外部電極２２３、２２４を備える。

圧電体層２１１は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系、または無鉛のＫＮＮ（ニオブ酸ナトリウムカリウム）系等の圧電材料から薄板状に構成される。複数の圧電体層２１１は厚さ方向が積層方向に沿って積層され、互いに接着されている。例えば本実施形態において圧電体層２１１の厚さ方向及び積層方向が、振動方向（Z方向）に沿って配置される。

内部電極２２１、２２２は、銀パラジウムなどの焼成可能な導電性材料で所定形状に構成される導電膜である。内部電極２２１、２２２は各圧電体層２１１の主面の所定領域に形成される。内部電極２２１、２２２は、互いに異なる極である。例えば、一方の内部電極２２１は、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２の並び方向である列方向（Ｘ方向）、振動方向（Ｚ方向）の双方と直交する方向である延出方向（Ｙ方向）において、圧電体層２１１の一方の端部に至り、圧電体層２１１の他方の端部には至らない領域に形成される。他方の内部電極２２２は、延出方向において、圧電体層２１１の一方の端部には至らず、圧電体層２１１の他方の端部に至る領域に形成される。内部電極２２１、２２２は圧電素子２１、２２の側面に形成される外部電極２２３、２２４にそれぞれ接続される。

また駆動圧電素子２１、非駆動圧電素子２２を構成する積層圧電部材は、ベース１０側とノズルプレート５０側の端部のいずれかまたは両方に、ダミー層２１２をさらに備える。ダミー層２１２は例えば圧電体層２１１と同材料で構成され、電極を片側にしか有さず、電界がかからないので変形しない。例えばダミー層２１２は圧電体としては機能せず、アクチュエータ部２０をベース１０に固定するベースとなり、あるいは組立中や組立後の精度を出すために研磨する研磨代となる。

外部電極２２３、２２４は、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２の表面に形成され、内部電極２２１、２２２の端部を集めて構成される。例えば外部電極２２３、２２４は、圧電体層２１１の延出方向における一方の端面と他方の端面とに、それぞれ形成される。外部電極２２３、２２４はメッキ法やスパッタ法など既知の方法で、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕなどにより成膜される。外部電極２２３と外部電極２２４は、異なる極である。外部電極２２３と外部電極２２４とは、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２の異なる側面部にそれぞれ配置されている。なお、外部電極２２３と２２４とは、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２の同じ側面部のうち、異なる領域に取り回されていてもよい。

本実施形態において一例として外部電極２２３を個別電極、外部電極２２４を共通電極とする。複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２の個別電極となる外部電極２２３は、電極層が溝２３によって分割され、互いに独立して配置される。共通電極となる外部電極２２４は、電極層が例えば圧電構造部２６の側面において互いに連結され、例えば接地される。外部電極２２３、２２４は、例えば配線フィルム７１を介して駆動回路７０に接続される。例えば、個々の外部電極２２３、２２４は、配線フィルム７１により駆動回路７０の駆動ＩＣ７２を介して、駆動部としての制御部１１６に接続され、制御回路１１６１による制御によって駆動制御可能に構成される。なお、共通電極と個別電極の配置は逆であってもよい。

また、各圧電素子２１、２２の振動方向は積層方向に沿っており、電界を印加することで、ｄ３３方向に変位する。

各圧電素子２１、２２は、圧電体層２１１及び内部電極２２１，２２２の積層数が３層以上である。一例として、各圧電素子２１、２２は、３層以上、５０層以下、各層の厚さを１０μｍ以上、４０μｍ以下とし、厚さと総積層数の積を１０００μｍ未満とする。

各圧電素子２１、２２は、個々の圧電体層２１１の積層方向の寸法である厚さをＡ［ｍｍ］、電子部品の上限電圧をＢ［Ｖ］、電子部品の耐熱温度において圧電体層２１１を構成する圧電体を分極するのに必要な分極電界をＣ［Ｖ／ｍｍ］とした場合に、Ｂ／Ａ≧Ｃが成り立つ構成である。個々の圧電体層２１１の積層方向の寸法である厚さＡ［ｍｍ］は言い換えると、圧電体層２１１の１層の厚さである。

ここで上限電圧（最大入力許容電圧）は、吐出制御に用いられる各種電子部品のうち、再分極処理の際に電圧が印加される部品に印加可能な最大電圧であり、一例として、駆動ＩＣ７２の上限電圧を用いる。

例えば圧電体層２１１がＰＺＴで構成され、搭載されている電子部品の上限電圧を駆動ＩＣ７２により規定される６０Ｖとし、当該電子部品の耐熱温度が８０℃であるとした場合、圧電体層２１１に使用している圧電体を８０℃条件下で分極処理をする際に必要な電界が３．５ｋＶ／ｍｍとなり、圧電体層２１１の１層あたりの厚みは１７．１μｍ以下となる。

インクジェットヘッド１は、このような構造により、組立後に制御系を利用して再分極処理を行うことができる。すなわち、吐出制御用の制御回路を用いて、再分極処理とそれによる圧電定数を制御することで、製造段階において歩留りの向上・運用段階において印字品質を改善するメンテナンスをすることができる。

駆動圧電素子２１は、外部電極２２３、２２４を介して内部電極２２１、２２２に電圧が印加されることで、振動する。本実施形態において、駆動圧電素子２１は、圧電体層２１１の積層方向に沿って縦振動する。ここで言う縦振動とは、例えば「圧電定数ｄ３３で定義される厚み方向の振動」である。駆動圧電素子２１は、縦振動により、振動板３０を変位させ、圧力室３１を変形させる。

流路部材４０は、変形方向においてアクチュエータ部２０の一方側に対向配置される振動板３０と、振動板３０の一方側に積層されるマニホールド４０５と、を備える。

振動板３０は振動方向においてマニホールド４０５とアクチュエータ部２０との間に設けられる。振動板３０は、マニホールド４０５とともに、流路部材４０を構成する。

振動板３０は振動方向であるＺ方向と直交する面に沿って延び、複数の圧電素子２１、２２の圧電体層２１１の振動方向の一方側、即ち、ノズルプレート５０側の面に接合される。振動板３０は、例えば変形可能に構成される。振動板３０は、アクチュエータ部２０の駆動圧電素子２１及び非駆動圧電素子２２と、フレーム部６０と、に接合される。例えば振動板３０は、圧電素子２１、２２に対向する振動領域３０１と、フレーム部６０に対向する支持領域３０２と、を有する。

振動領域３０１は、例えば厚さ方向が圧電体層２１１の振動方向となるように配された平板状である。振動板３０は、複数の駆動圧電素子２１及び複数の非駆動圧電素子２２の並び方向に面方向が延びる。振動板３０は、例えば金属板である。振動板３０は、各圧力室３１に対向するとともに個別に変位可能な複数の振動部位を有する。振動板３０は、複数の振動部位が一体に連なって形成される。

一例として、振動板３０はＳＵＳ板で構成され、振動方向に沿う厚さ寸法は５μｍ～１５μｍ程度に構成される。なお、振動領域３０１は、複数の振動部位が、変位しやすいように、振動部位と隣接する部位あるいは互いに隣接する振動部位間に、折り目や段差が形成されていてもよい。振動領域３０１は、駆動圧電素子２１の伸長と圧縮によって、当該駆動圧電素子２１に対向配置された部位が変位することで、変形する。例えば、振動板３０は非常に薄く複雑な形状が必要なため、電鋳法等により、形成される。振動板３０アクチュエータ部２０の上端面に接着などで接合される。

支持領域３０２は、フレーム部６０とマニホールド４０５との間に配置される板状部材である。支持領域３０２は、共通室３２に連通する貫通孔を有する連通部３３を有する。

例えば連通部３３は貫通孔として液体が通過可能な多数の細孔を有するフィルタ部材を備える。

マニホールド４０５は、振動方向においてノズルプレート５０と振動板３０の間に配置される。マニホールドは振動板３０の振動方向の一方側に接合される。

マニホールド４０５は、振動板３０の外縁部に接合される周壁部４１と、複数のインク流路３５を隔てる複数の隔壁部４２と、ガイド流路３４を形成するガイド壁４３と、を備える。マニホールド４０５は、隔壁部４２によって隔てられる複数の圧力室３１と、複数の圧力室３１から連通部３３に向けて第２方向に延びるとともに隔壁部４２によって隔てられるガイド流路３４と、を有する所定のインク流路３５が形成される。

マニホールド４０５内において、第３方向に並列する複数の圧力室３１は、隔壁部４２によって隔てられる。すなわち、圧力室３１の第３方向の両側は隔壁部４２によって構成される。各圧力室３１は、一方側に配されるノズルプレート５０に形成されたノズル５１に連通する。また、圧力室３１は、ノズルプレート５０の反対側が振動板３０によって塞がれる。

複数の圧力室３１は、振動板３０の振動領域３０１の一方側に形成される空間であり、ガイド流路３４及び連通部３３を介して共通室３２に連通する。複数の圧力室３１は、ノズルプレート５０に形成されたノズル５１に連通する。また、圧力室３１は、ノズルプレート５０の反対側が振動板３０によって塞がれる。

複数の圧力室３１は共通室３２からガイド流路３４を経て供給される液体を保有し、圧力室３１の一部を形成する振動板３０の振動によって変形することで、ノズル５１から液体を吐出する。

隔壁部４２は、並列方向に並ぶ複数の圧力室３１間を隔てるとともに、並列方向に並ぶ複数のガイド流路３４間を隔て、圧力室３１及びガイド流路３４の両側部を構成する壁部材である。隔壁部４２は振動板３０を介して、非駆動圧電素子２２に対向配置され、非駆動圧電素子２２によって支持される。隔壁部４２は、複数の圧力室３１が並ぶピッチと同ピッチで複数設けられる。

ノズルプレート５０は、例えばＳＵＳ・Ｎｉなどの金属やポリイミドなどの樹脂材料からなる厚さ１０μｍ～１００μｍ程度の方形の板状に構成される。ノズルプレート５０は圧力室３１の一方側の開口を覆うように、マニホールド４０５の一方側に配置されている。

ノズル５１は圧力室３１の並び方向と同じ第１方向に複数並び、ノズル列が形成される。例えばノズル５１は、２列設けられ、各ノズル５１が、２列に配列された複数の圧力室３１に対応する位置にそれぞれ設けられている。本実施形態において、ノズル５１は、圧力室３１の、延出方向における端部の位置に、それぞれ設けられている。

フレーム部６０は圧電素子２１、２２とともに振動板３０に接合される構造体である。フレーム部６０は圧電素子２１、２２の、振動板３０の、マニホールド４０５とは反対側に設けられ、例えば本実施形態においてはアクチュエータ部２０に隣接して配置される。フレーム部６０は、インクジェットヘッド１の外郭を構成する。またフレーム部６０は、内部に液体の流路を形成していてもよい。本実施形態において、フレーム部６０は、振動板３０の他方側に接合されるとともに、振動板３０との間に共通室３２を形成する。

共通室３２は、フレーム部６０の内側に形成され、振動板３０に設けられた連通部３３、及びガイド流路３４を通じて、圧力室３１に連通する。

駆動回路７０は、一端が外部電極２２３、２２４に接続される配線フィルム７１と、配線フィルム７１に搭載された駆動ＩＣ７２と、配線フィルム７１の他端に実装されたプリント配線基板７３と、を備える。

駆動回路７０は、駆動ＩＣ７２により駆動電圧を外部電極２２３、２２４に印加することで、駆動圧電素子２１を駆動し、圧力室３１の容積を増減させて、ノズル５１から液滴を吐出させる。

配線フィルム７１は、複数の外部電極２２３、２２４に接続される。例えば、配線フィルム７１は、外部電極２２３、２２４の接続部に熱圧着等により固定されるＡＣＦ（異方導電性フィルム）である。配線フィルム７１は、例えば、電子部品として駆動ＩＣ７２が実装されたＣＯＦ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｆｉｌｍ）である。

駆動ＩＣ７２は、配線フィルム７１を介して外部電極２２３、２２４に接続される。駆動ＩＣ７２は、吐出制御に用いられる電子部品である。なお、駆動ＩＣ７２は、配線フィルム７１ではなく、ＡＣＰ（異方導電ペースト）、ＮＣＦ（非導電性フィルム）、及びＮＣＰ（非導電性ペースト）のような他の手段によって、外部電極２２３、２２４に接続されても良い。

駆動ＩＣ７２は、各駆動圧電素子２１を動作させるための制御信号及び駆動信号を生成する。駆動ＩＣ７２は、インクジェットヘッド１が搭載されるインクジェット記録装置１００の制御部１１６から入力された画像信号に従い、インクを吐出させるタイミング及びインクを吐出させる駆動圧電素子２１を選択するなどの制御のための制御信号を生成する。また、駆動ＩＣ７２は、制御部１１６からの制御信号に従って駆動圧電素子２１に印加する電圧、すなわち駆動信号（電気信号）を生成する。駆動ＩＣ７２が駆動圧電素子２１に駆動信号を印加すると、駆動圧電素子２１は、振動板３０を変位させて圧力室３１の容積を変化させるように駆動する。これにより、圧力室３１に充填されたインクは、圧力振動を生じる。圧力振動により、圧力室３１に設けられたノズル５１からインクが吐出する。なお、インクジェットヘッド１は、１画素に着弾するインク滴の量を変更することで階調表現を実現できるようにしてもよい。また、インクジェットヘッド１は、インクの吐出回数を変えることで、１画素に着弾するインク滴の量を変更できるようにしてもよい。このように、駆動ＩＣ７２は、駆動信号を駆動圧電素子２１に印加する印加部の一例である。

例えば、駆動ＩＣ７２は、データバッファ、デコーダ、ドライバを備えている。データバッファは、印字データを駆動圧電素子２１毎に時系列に保存する。デコーダは、駆動圧電素子２１毎に、データバッファに保存された印字データに基づいて、ドライバを制御する。ドライバは、デコーダの制御に基づき、各駆動圧電素子２１を動作させる駆動信号を出力する。駆動信号は、例えば各駆動圧電素子２１に印加する電圧である。

プリント配線基板７３は、各種電子部品やコネクタが搭載されたＰＷＡ（Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｗｉｒｉｎｇ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）であり、ヘッド制御回路７３１を有する。プリント配線基板７３は、インクジェット記録装置１００の制御部１１６に接続される。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１において、ノズルプレート５０と、フレーム部６０と、マニホールド４０５と、振動板３０とによって、ノズル５１に連通する複数の圧力室３１と、複数の圧力室３１にそれぞれ連通する複数のガイド流路３４と、複数のガイド流路３４に連通する共通室３２と、を有するインク流路が形成される。例えば共通室３２はカートリッジに連通し、インクが共通室３２を通じて各圧力室３１へ供給される。全ての駆動圧電素子２１は配線により電圧が印加可能に接続されている。インクジェットヘッド１は、例えばインクジェット記録装置１００の制御部１１６が、駆動ＩＣ７２により電極２２１、２２２に駆動電圧を印加すると、駆動対象の駆動圧電素子２１が例えば積層方向、すなわち各圧電体層２１１の厚さ方向に振動する。つまり、駆動圧電素子２１は縦振動する。

具体的には、制御部１１６は、駆動対象の駆動圧電素子２１の内部電極２２１、２２２に駆動電圧を印加して、駆動対象の駆動圧電素子２１を選択的に駆動する。そして、駆動対象の駆動圧電素子２１による、引張方向の変形と圧縮方向の変形を組み合わせて、振動板３０を変形させ、圧力室３１の容積を変化させることで、共通室３２から液体を導き、ノズル５１から吐出させる。

本実施形態にかかるインクジェットヘッド１の製造方法の一例について説明する。まず、シート状に形成された圧電材料に、内部電極２２１、２２２を印刷処理により形成する。そして内部電極２２１、２２２を有する複数枚の圧電体層２１１を積層し、焼成処理、及び分極処理を行い、積層圧電部材を構成する。このとき、圧電体層２１１の積層数は３層以上とし、各圧電体層２１１の厚さは、個々の圧電体層２１１の厚さをＡ[ｍｍ]、駆動ＩＣ７２等の電子部品の上限電圧をＢ[Ｖ]、電子部品の耐熱温度である８０℃時に必要な分極電界をＣ[Ｖ／ｍｍ]とした場合に、Ｂ／Ａ≧Ｃが成り立つ厚さとするとともに、１０μｍ以上とする。例えば圧電体層２１１をＰＺＴで構成し、ヘッドに搭載されている電子部品の上限電圧が駆動ＩＣ７２により規定される６０Ｖであり、耐熱温度が８０℃、使用している圧電体を８０℃条件下で分極処理をする際に必要な電界が３．５ｋＶ／ｍｍである場合には、圧電体層２１１の１層あたりの厚みは１７．１μｍ以下とする。

そして、ベース１０上に、あらかじめ内部電極２２１、２２２を形成した積層圧電部材を、配置する。例えば２つのアクチュエータ部２０を構成する積層圧電部材は一体としてベース１０に接合した後、溝加工などにより２つに分割してもよく、あるいは２つのアクチュエータ部２０を構成する２つの積層圧電部材を別々に用意してもよい。

続いて、２つの積層圧電部材に、印刷処理により外部電極２２４を形成する。さらに、ダイシング加工等により、複数の溝２３を、所定のピッチで同時に形成し、積層圧電部材を複数に分割することで、同ピッチで並ぶ複数の圧電素子２１、２２となる複数の柱状素子を形成する。以上により、同ピッチで並ぶ複数の駆動圧電素子２１と、非駆動圧電素子２２とが、形成される。

外部電極２２３，２２４に、制御部品としての、駆動ＩＣ７２等の電子部品が実装された配線フィルム７１を、例えばハンダ実装等により接続する。さらに配線フィルム７１に、ヘッド制御回路７３１を有する配線基板７３を、接続する。

そして、アクチュエータ部２０に、振動板３０、マニホールド４０５、及びノズルプレート５０を、間に接合材を介して積層して位置決めを行い、アクチュエータ部２０の外周にフレーム部６０を配置し、これら複数の部材を接合する。

このように構成されたインクジェットヘッド１においては、組立後に再分極処理が必要になった場合には、電子部品が実装された状態で、吐出制御に用いられる駆動用の制御回路を利用して圧電素子２１，２２の内部電極２２１，２２２を介して、各圧電体層２１１に電圧を印加することで、再分極処理を行う。例えば、外部端末から、配線基板７３のヘッド制御回路７３１及び駆動ＩＣ７２を介して、再分極処理の条件を調整することができる。例えば、再分極処理において、外部電源を利用して、分極処理の条件として、対象電極への電圧印加の有無や印加電圧の大きさを制御し、それによって圧電定数を制御する。

以下、インクジェットヘッド１を備えるインクジェット記録装置１００の一例について、図３を参照して説明する。インクジェット記録装置１００は、筐体１１１と、媒体供給部１１２と、画像形成部１１３と、媒体排出部１１４と、搬送装置１１５と、制御部１１６と、を備える。

インクジェット記録装置１００は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る所定の搬送路Ｒに沿って、吐出対象物である印刷媒体として例えば用紙Ｐを搬送しながらインク等の液体を吐出することで、用紙Ｐに画像形成処理を行う液体吐出装置である。

筐体１１１は、インクジェット記録装置１００の外郭を構成する。筐体１１１の所定箇所に、用紙Ｐを外部に排出する排出口を備える。

媒体供給部１１２は複数の給紙カセットを備え、各種サイズの用紙Ｐを複数枚積層して保持可能に構成される。

媒体排出部１１４は、排出口から排出される用紙Ｐを保持可能に構成された排紙トレイを備える。

画像形成部１１３は、用紙Ｐを支持する支持部１１７と、支持部１１７の上方に対向配置された複数のヘッドユニット１３０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成を行う所定領域にループ状に備えられる搬送ベルト１１８と、搬送ベルト１１８を裏側から支持する支持プレート１１９と、搬送ベルト１１８の裏側に備えられた複数のベルトローラ１２０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成の際に、搬送ベルト１１８の上面である保持面に用紙Ｐを支持するとともに、ベルトローラ１２０の回転によって所定のタイミングで搬送ベルト１１８を送ることにより、用紙Ｐを下流側へ搬送する。

ヘッドユニット１３０は、複数（４色）のインクジェットヘッド１と、各インクジェットヘッド１上にそれぞれ搭載された液体タンクとしてのインクタンク１３２と、インクジェットヘッド１とインクタンク１３２とを接続する接続流路１３３と、供給ポンプ１３４と、を備える。

本実施形態において、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色のインクジェットヘッド１と、これらの各色のインクをそれぞれ収容するインクタンク１３２を備える。インクタンク１３２は接続流路１３３によってインクジェットヘッド１に接続される。

また、インクタンク１３２には、図示しないポンプなどの負圧制御装置が連結される。そして、インクジェットヘッド１とインクタンク１３２との水頭値に対応して、負圧制御装置によりインクタンク１３２内を負圧制御することで、インクジェットヘッド１の各ノズル５１に供給されたインクを所定形状のメニスカスに形成させている。

供給ポンプ１３４は、例えば圧電ポンプで構成される送液ポンプである。供給ポンプ１３４は、供給流路に設けられている。供給ポンプ１３４は、配線により制御部１１６の制御回路１１６１に接続され、制御部１１６により制御可能に構成される。供給ポンプ１３４は、インクジェットヘッド１に液体を供給する。

搬送装置１１５は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る搬送路Rに沿って、用紙Ｐを搬送する。搬送装置１１５は、搬送路Rに沿って配置される複数のガイドプレート対１２１と、複数の搬送用ローラ１２２と、を備えている。

複数のガイドプレート対１２１は、それぞれ、搬送される用紙Ｐを挟んで対向配置される一対のプレート部材を備え、用紙Ｐを搬送路Rに沿って案内する。

搬送用ローラ１２２は、制御部１１６の制御によって駆動されて回転することで、用紙Ｐを搬送路Rに沿って下流側に送る。なお、搬送路Rには用紙の搬送状況を検出するセンサが各所に配置される。

制御部１１６は、コントローラであるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の制御回路１１６１と、各種のプログラムなどを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各種の可変データや画像データなどを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部と、を備える。

以上のように構成されたインクジェット記録装置１００において、制御部１１６は、例えばインターフェイスにおいてユーザが操作入力部の操作による印刷指示を検出すると、搬送装置１１５を駆動して用紙Ｐを搬送するとともに、所定のタイミングでヘッドユニット１３０に対して印字信号を出力することで、インクジェットヘッド１を駆動する。インクジェットヘッド１は吐出動作として、画像データに応じた画像信号により、駆動ＩＣ７２に駆動信号を送り、内部電極２２１、２２２に駆動電圧を印加して吐出対象の駆動圧電素子２１を選択的に駆動して例えば積層方向に縦振動させ、圧力室３１の容積を変化させることでノズル５１からインクを吐出し、搬送ベルト１１８上に保持された用紙Ｐに画像を形成する。また、液体吐出動作として、制御部１１６は、供給ポンプ１３４を駆動することで、インクタンク１３２からインクジェットヘッド１の共通室３２にインクを供給する。

ここで、インクジェットヘッド１を駆動する駆動動作について、説明する。本実施形態に係るインクジェットヘッド１は、圧力室３１に対向配置される駆動圧電素子２１を備え、これらの駆動圧電素子２１は配線により電圧が印加可能に接続されている。制御部１１６は、画像データに応じた画像信号により、駆動ＩＣ７２に駆動信号を送り、駆動対象の駆動圧電素子２１の内部電極２２１、２２２に駆動電圧を印加して、駆動対象の駆動圧電素子２１を選択的に変形させる。そして、振動板３０の引張方向の変形と圧縮方向の変形を組み合わせて、圧力室３１の容積を変化させることで、液体を吐出させる。

例えば制御部１１６は、引っ張り動作と、圧縮動作とを交互に行う。インクジェットヘッド１において、対象の圧力室３１の内容積を増加させる引張時には、駆動対象の駆動圧電素子２１を収縮し、駆動対象外の駆動圧電素子２１は変形させない。また、インクジェットヘッド１において対象の圧力室３１の内容積を減少させる圧縮時には、対象の駆動圧電素子２１を伸長する。なお、非駆動圧電素子２２は変形させない。

上述した実施形態に係るインクジェットヘッド１及びインクジェット記録装置１００によれば、積層型の駆動圧電素子２１において、１層の厚さをＡ［ｍｍ］、駆動ＩＣ７２等の電子部品の上限電圧をＢ［Ｖ］、電子部品の耐熱温度である８０℃時に必要な分極電界をＣ［Ｖ／ｍｍ］とすると、Ｂ／Ａ≧Ｃが成り立つ構造とし、積層部の各圧電体層２１１の厚みを、再分極処理が可能となる厚さとすることで、印加電圧に対して大きな電界をかけることが可能となる。

すなわち、上記実施形態のように、アクチュエータとなる駆動圧電素子２１が個々に圧力室３１を加圧することによってインクを吐出するため、駆動圧電素子２１間の変位のバラつきは印字品質と直結することになる。一般的には、基板や電子部品などの制御部品を実装する前の段階であれば、逆電圧を印加することによる脱分極・再分極の処理も行うことができるが、制御部品を実装した後では印加可能な電圧の方向及び大きさは制限される。そのため、通常の電気回路では再分極処理を行うことができず、特殊な回路設計を別途用意する必要がある。

これに対し、上記実施形態にかかるインクジェットヘッド１は、再分極処理の際に電圧がかかる電子部品の、耐熱温度や上限電圧に基づき、圧電体層２１１の厚さを規定することで、通常の電気回路でも印加可能な比較的小さな電圧でも大きな電界を得ることができ、基板や電子部品などの制御部品の組立後に駆動用の制御回路を用いて分極処理が可能となる。したがって、組立後に、インクジェットヘッド１の配線基板７３のヘッド制御回路７３１や駆動ＩＣ７２、及び外部電源として例えばインクジェット記録装置１００の制御部１１６の制御回路１１６１を用いて、再分極のために十分な電界をかけることが可能であり、例えばヘッド制御回路７３１や駆動ＩＣ７２、制御回路１１６１を用いて、再分極処理と、それによる圧電定数を制御することで、製造段階において歩留りの向上・運用段階において印字品質の改善メンテナンスをすることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

上記実施形態の圧電素子２１、２２の具体的な材料や構成は上記に限られるものではない。また、電子部品の耐熱温度や上限電圧も材料や部品の性能に応じて、適宜変更されるものである。

また、上記実施形態においては、複数層の圧電体層を積層し、積層方向の縦振動（ｄ３３）を用いて駆動圧電素子２１を駆動する構成としたが、これに限られるものではない。例えば駆動圧電素子２１が単層の圧電部材で構成される形態にも適用可能であるし、図４に示すように、ｄ３１方向に変位する横振動により駆動する形態にも適用可能である。

例えば他の実施形態として図４に示すインクジェットヘッド１００１は、圧電部材において、複数の圧電体層の積層方向、すなわち各圧電体層の厚み方向が、Z方向と直交する方向、例えば延出方向（Ｙ方向）に沿っている。本インクジェットヘッド１００１は各圧電素子２１が圧電定数ｄ３１で規定される方向に変位して横振動することにより、溝２３の深さ方向である振動方向に変位し、振動板３０は上記実施形態と同様に振動方向（Ｚ方向）に変位する。

例えば他の実施形態として図４に示すインクジェットヘッド１００１は、アクチュエータ部２０において、各圧電体層２１１の積層方向が振動板３０の厚さ方向と直交する方向に沿い、振動板３０の厚さ方向と直交する横方向の振動である横振動を用いて駆動する構成である。インクジェットヘッド１００１は、インクジェットヘッド１と同様に、ベース１０と、複数の圧電素子２１，２２を有するアクチュエータ部２０と、アクチュエータ部２０に対向配置される振動板３０と、複数の圧力室３１及びガイド流路３４を構成するマニホールド４０５と、複数のノズル５１を有するノズルプレート５０と、フレーム部６０と、を備える。インクジェットヘッド１００１において、複数の圧電素子２１、２２を構成する圧電体層２１１は、振動板３０の厚さ方向である振動方向（Ｚ方向）及び、圧力室３１やノズル５１の配列方向（Ｘ方向）に対して直交する、延出方向（Ｙ方向）に、複数層積層される。

インクジェットヘッド１００１において、アクチュエータ部２０の、振動方向における一方側と他方側の両端面に、内部電極２２１，２２２にそれぞれ接続される外部電極２２３，２２４が形成される。両側の外部電極２２３，２２４は、延出方向における一方側の側面に引き回され、配線フィルム７１に接続される。
圧電体層２１１の積層数は３層以上とし、各圧電体層２１１の厚さは、個々の圧電体層２１１の厚さをＡ［ｍｍ］、駆動ＩＣ７２等の電子部品の上限電圧をＢ［Ｖ］、電子部品の耐熱温度である８０℃時に必要な分極電界をＣ［Ｖ／ｍｍ］とした場合に、Ｂ／Ａ≧Ｃが成り立つ厚さとするとともに、１０μｍ以上とする。例えば圧電体層２１１をＰＺＴで構成し、ヘッドに搭載されている電子部品の上限電圧が駆動ＩＣ７２により規定される６０Ｖであり、耐熱温度が８０℃、使用している圧電体を８０℃条件下で分極処理をする際に必要な電界が３．５ｋＶ／ｍｍである場合には、圧電体層２１１の１層あたりの厚みは１７．１μｍ以下とする。この形態においても、圧電体層２１１の厚さをＢ／Ａ≧Ｃとなる厚さに規定することで、実装後の再分極処理が可能となる。

ノズル５１や圧力室３１の配列も上記実施形態に限られるものではない。たとえばノズル５１を２列以上配列してもよい。また複数の圧力室３１の間に、ダミー室となる空気室を形成してもよい。循環式に限らず非循環タイプのインクジェットヘッドであってもよく、あるいはエンドシュータに限らずサイドシュータ型のインクジェットヘッドにも適用可能である。

また、圧電素子２１、２２が積層方向の両端にダミー層２１２を有する例を示したがこれに限られるものではなく、圧電素子２１、２２の一方側のみにダミー層２１２を有していてもよく、あるいは圧電素子２１、２２がダミー層２１２を備えない構成であってもよい。この他、流路部材４０、ノズルプレート５０、フレーム部６０を含む各種部品の構成や位置関係は上述した例に限られるものではなく、適宜変更可能である。

また、吐出する液体は印字用のインクに限られるものではなく、例えばプリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体を吐出する装置等であっても良い。

また、上記実施形態において、インクジェットヘッド１は、インクジェット記録装置等の液体吐出装置に用いられる例を示したが、これに限られるものではなく、例えば３Ｄプリンタ、産業用の製造機械、医療用途にも用いることが可能であり、小型軽量化及び低コスト化が可能である。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、所望の流路形状を容易に設定できる。

この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…インクジェットヘッド、１０…ベース、２０…アクチュエータ部、２１…駆動圧電素子、２２…非駆動圧電素子、２３…溝、２６…圧電構造部、３０…振動板、３１…圧力室、３２…共通室、３３…連通部、３４…ガイド流路、３５…インク流路、４０…流路部材、４１…周壁部、４２…隔壁部、４３…ガイド壁、５０…ノズルプレート、５１…ノズル、６０…フレーム部、７０…駆動回路、７１…配線フィルム、７２…駆動ＩＣ、７３…プリント配線基板、７３１…ヘッド制御回路、１００…インクジェット記録装置、１１１…筐体、１１２…媒体供給部、１１３…画像形成部、１１４…媒体排出部、１１５…搬送装置、１１７…支持部、１１８…搬送ベルト、１１９…支持プレート、１２０…ベルトローラ、１２１…ガイドプレート対、１２２…搬送用ローラ、１３０…ヘッドユニット、１３２…インクタンク、１３３…接続流路、１３４…供給ポンプ、１１６…制御部、１１６１…制御回路、２１１…圧電体層、２１２…ダミー層、２２１…内部電極、２２２…内部電極、２２３…外部電極、２２４…外部電極、３０１…振動領域、３０２…支持領域、４０５…マニホールド。

Claims (5)

1. 交互に積層される圧電体層及び電極を有するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに対向配置される振動板と、
   前記アクチュエータに接続される電子部品と、を備え、
   前記アクチュエータの前記圧電体層の１層の厚さをＡ［ｍｍ］、前記電子部品の上限電圧をＢ［Ｖ］、前記電子部品の耐熱温度の条件下における前記圧電体層を構成する圧電体の分極電界をＣ［Ｖ／ｍｍ］とすると、Ｂ／Ａ≧Ｃを満たす、液体吐出ヘッド。
2. 前記アクチュエータは、前記圧電体層を３層以上備える、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記圧電体層の１層の厚さが１０μｍ以上である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記圧電体層の積層方向は、前記振動板の振動方向に沿う、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記アクチュエータの振動により容積が変化する圧力室を有する流路部材と
   前記圧力室に連通するノズルを有するノズルプレートと、
   を備え、
   前記電子部品は、前記アクチュエータの駆動制御に用いられる駆動ＩＣである、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。