JP3954813B2 - 液滴吐出ヘッド及び画像記録装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及び画像記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置）として用いるインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（インク流路、吐出室、圧力室、加圧液室、流路等とも称される。）と、この液室内のインクを加圧するための駆動手段（圧力発生手段）とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドとしては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。
【０００３】
インクジェットヘッドとしては、液室内のインクを加圧する圧力を発生するための駆動手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用いて、駆動手段の変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変形させて液室内容積／圧力を変化させてインク滴を吐出させるいわゆるピエゾ型のものが知られている（特開平２−５１７３４号公報参照）。
【０００４】
このインクジェットヘッドは、圧電素子を充放電することで変形させ、圧電素子に当接した振動板を変位させ、振動板が加圧液室の容積を収縮するように変位することで加圧液室内部の圧力が上昇し、インク滴をノズルから吐出させるものであり、インク滴を吐出した後は、加圧液室の容積を膨張させるように振動板に変位を与えるべく、圧電素子を変形させる。
【０００５】
このようなインクジェットヘッドの一例を図１８及び図１９に示している。なお、図１８は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図１９は同ヘッドの液室短手方向に沿う断面説明図である。
【０００６】
このインクジェットヘッドは、液室基板１１１とノズル板１１８とを接合して、インク滴を吐出するノズル１１３に連通した加圧液室１１４、加圧液室１１４に連通部１２０を介してインクを供給する共通液室１１９を形成し、加圧液室１１４の壁面の一部を形成する振動板１１６の面外側にベース基板１１２に設けた圧電素子１１７を接合している。
【０００７】
この振動板１１６は、圧電素子１１７の変形に伴い弾性変形するが、圧電素子１１７の変位を効率よく加圧液室１１４の容積変化にするために、振動板１１６は通常、加圧液室１１４を構成する他の面よりも剛性を小さく（＝コンプライアンスを大きく）している。また、共通液室１１９は図示しないインクタンクに接続され、液室基板１１１とベース基板１１２との間には支持部材１２１を設けている。
【０００８】
ここで、圧電素子１１７に図示しない駆動回路から電圧を加えることで圧電素子１１７は変形を生じ、振動板１１６を加圧液室１１４の容積が増加または減少するように変形させる。加圧液室１１４の容積を増加させた場合は加圧液室１１４の内部圧力は減少するので、共通液室１１９から連通部１２０を通ってインクが加圧液室１１４に補充される。
【０００９】
その後に加圧液室１１４の内部圧力を増加させるような駆動を行う。すなわち、加圧液室１１４の容積を減少させるように圧電素子１１７を駆動させた場合は、加圧液室１１４の内部圧力が増加するので、ノズル１１３からインクが押し出されてインク滴１２２となって飛翔し、図示しない記録媒体（紙など）にインク滴が付着することで記録を行うことができる。
【００１０】
このように、振動板を用いたインクジェットヘッドにおけるインク滴の形成は、振動板の変位がその源であり、さらにその駆動源である圧電素子との接合部分の構成は、インクジェットヘッドの特性を左右する重要な要素であるといえる。
【００１１】
そこで、従来のインクジェットヘッドにおいては、特許第３１４７１３２号公報や特許第３０７０６２５号公報等に開示されているように、振動板に圧電素子と接合するための島状凸部を形成することが行われている。
【００１２】
このような従来のインクジェットヘッドの構成について図２０乃至図２１を参照して説明する。なお、図２０は同ヘッドの斜視説明図、図２１は図２０の要部拡大説明図、図２２は他の例の振動板の斜視説明図、図２３は同ヘッドの模式的斜視図である。なお、図１８及び図１９に対応する部分には同一符号を付して説明を簡略化する。
【００１３】
このインクジェットヘッドでは、加圧液室１１４の壁面の一つを形成している振動板１１６には凹部１２３が設けられて薄肉部１２６を形成している。圧電素子１１７が振動板１１６に当接する部分には厚肉部である島状凸部１２４が形成されている。すなわち、薄肉部１２６は厚肉部である島状凸部１２４の全周を均一な厚さで取り巻いている。
【００１４】
圧電素子１１７は加圧液室１１４に対応しており、厚肉部１２５によって圧電素子１１７が当接する島状凸部１２４を隔てている凹部１２３を区画している。なお、図２２の振動板１１６は薄肉部１２６を形成し、その中に厚肉部である島状凸部１２４を形成したものである。
【００１５】
このような島状凸部に圧電素子を当接して圧電素子を駆動することで、駆動した圧電素子の振動が隣接する他の加圧液室に伝播する量が少なくなり、また、圧電素子の変位を効率的に加圧液室の容積変化、すなわち圧力変化へと変換することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインクジェットヘッドにあっては、振動板に形成する島状凸部は、加圧液室を区画する境界から一定の距離を置いて形成する必要があるため、島状凸部の全周にわたって均一な幅の薄肉部を形成しなければならず、製造上、一段高い寸法精度や位置決め精度が要求される。
【００１７】
また、島状凸部の長辺は圧電素子の先端部の長辺よりも長く、さらに薄肉部の間隔も必要とされることから、ヘッド全体を小型化することが困難であるという問題があり、高密度配列への対応が課題となる。しかも、液室内部の容積変化は凸部の寸法と圧電素子の変位量から決まるので、凸部の寸法は高精度にする必要があるが、長い寸法のものを高精度に作製することが難しく、歩留まりが低下し、コストが高くなる。
【００１８】
さらに、薄肉部の面積が大きい振動板を構成要素としている加圧液室は、加圧液室全体としての剛性が小さくなり（＝コンプライアンスが大きくなり）、加圧液室の内部圧力を増加させる際の効率が悪くなるとともに、インク滴噴射時のメニスカスの制御性に劣るという課題もある。
【００１９】
加えて、圧電素子を駆動したときに、島状凸部は、全周の薄肉部で弾性変形による歪みが発生しており、凸部または薄肉部の形成時のバラツキ等の予期せぬ不具合によって起こった応力集中で、振動板が破断するおそれもある。多数の加圧液室をバラツキなく形成するためには、製造工程が煩雑になりかねず、様々な装置の開発が求められ、また、コストの上昇を招くという課題もある。
【００２０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、駆動手段の効率を損なうことなく液室内部圧力を増減させるとともに、メニスカスの制御性ひいては液滴の噴射特性を向上させ、更には小型化、特性のバラツキを低減した液滴吐出ヘッドを提供するとともに、この液滴吐出ヘッドを搭載することで画像品質を向上したインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板は各液室に対応してそれぞれ周囲が周囲厚肉部で囲まれて独立した薄肉部の領域を有し、各液室に対応する薄肉部の領域は、駆動手段が当接され、液室の剛性を高めるための中央厚肉部で分離され、駆動手段は、複数枚の圧電素子の層と電極層が積層された構造で、振動板の法線方向の変位がｄ３３方向であり、液室長手方向の端部に電界が生じない不活性域を有し、この不活性域が液室の長手方向の両端の隔壁に対向して、前記隔壁に接合された前記振動板に接合されている構成とした。
【００２２】
ここで、中央厚肉部は、液室長手方向に沿って設けられていることが好ましい。また、中央厚肉部で領域が分離された薄肉部は、液室長手方向に沿って細長い形状をなすことが好ましい。
【００２３】
また、薄肉部の領域は、中央厚肉部に対して対称な位置に形成されていることが好ましい。また、振動板の周囲厚肉部及び中央厚肉部の厚さは、薄肉部の周囲全てにおいて略同じ厚さであることが好ましい。
【００２４】
さらに、圧電素子の活性域は前記液室の長手方向の両端の隔壁に対向した領域には存在しないことが好ましい。さらに、圧電素子の不活性域は振動板の駆動領域に対向した領域にも存在することが好ましい。
【００２６】
また、圧電素子は、当接する端部の液室短手方向の長さは、振動板の中央厚肉部の液室短手方向の長さよりも長いことが好ましい。
【００２８】
本発明に係る画像記録装置は、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１乃至図５を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図３は図２の要部拡大説明図、図４は同ヘッドの液室短手方向に沿う断面説明図、図５は同ヘッドの部分拡大斜視説明図である。
【００３０】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板で形成した流路形成基板（液室基板）１と、この流路形成基板１の下面に接合した振動板２と、流路形成基板１の上面に接合したノズル板３とを有し、これらによってインク滴を吐出するノズル５が連通する流路（インク液室）である加圧液室６、加圧液室６に流体抵抗部となるインク供給路７を介してインクを供給する共通液室８を形成している。
【００３１】
そして、振動板２の面外側（液室６と反対面側）に各加圧液室６に対応して駆動手段としての積層型圧電素子１２を接合し、この積層型圧電素子１２はベース基板１３に接合して固定し、このベース基板１３の圧電素子１２の列の中央部にはインク供給口形成部材１４をベース基板１３に接合している。なお、インク供給口形成部材１４はベース基板１３をエッチングすることでベース基板１３と一体形成することもできる。
【００３２】
この圧電素子１２は、圧電材料層と内部電極とを交互に積層したものである。この場合、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３３方向の変位（ここでは積層方向と直交する方向の変位）を用いて加圧液室６内インクを加圧する構成とすることも、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３１方向の変位（ここでは積層方向と直交する方向の変位）を用いて加圧液室６内インクを加圧する構成とすることもできる。ベース基板１３及びインク供給口形成部材１４には共通液室８に外部からインクを供給するためのインク供給口９を形成する貫通穴を形成している。
【００３３】
また、流路形成基板１の外周部及び振動板２の下面側外縁部をエポキシ系樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成したヘッドフレーム１７に接着接合し、このヘッドフレーム１７とベース基板１３とは図示しない部分で接着剤などで相互に固定している。なお、ヘッドフレーム１７は２つの部品に分けているが１つの部品で構成することもできる。
【００３４】
さらに、圧電素子１２には駆動信号を与えるために半田接合又はＡＣＦ（異方導電性膜）接合若しくはワイヤボンディングでＦＰＣケーブル１８を接続し、このＦＰＣケーブル１８には各圧電素子１２に選択的に駆動波形を印加するための駆動回路（ドライバＩＣ）１９を実装している。
【００３５】
ここで、流路形成基板１は、結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで、各加圧液室６となる貫通穴、インク供給路７となる溝部、共通液室８となる貫通穴をそれぞれ形成している。この場合、各加圧液室６は隔壁２０によって区画している。
【００３６】
振動板２は例えばニッケルの金属プレートから形成したものであるが、この他、樹脂部材或いは樹脂部材と金属部材の積層部材などで形成することができる。この振動板２は加圧液室６に対応する部分に変形を容易にするための薄肉部２１及び圧電素子１２と接合するための中央厚肉部２２を形成するとともに、隔壁２０に対応する部分にも周囲厚肉部２３を形成し、平坦面側を流路形成基板１に接着剤接合し、周囲厚肉部２３をヘッドフレーム１７に接着剤接合している。
【００３７】
この振動板２の液室間隔壁２０（加圧液室６、６間の隔壁２０）に対応する周囲厚肉部２３とベース基板１３との間には支持部材などを設けず空間としている。この場合、上部の加圧液室６の剛性を保つとともに圧電素子１２の変形による振動板２の中央厚肉部２２の変位効率を確保するために、加圧液室６、すなわち、隔壁２０やノズル板３及び振動板６の剛性を高くし、また、それぞれの接合部分の強度を十分に確保している。
【００３８】
ノズル板３は各加圧液室６に対応して直径１０〜３０μｍのノズル５を形成し、流路形成基板１に接着剤接合している。このノズル板３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂との組み合せ、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。このノズル板３の周囲とヘッドフレーム１７との間には封止剤２６を充填している。この封止剤２６は接着の役割も兼ねている。
【００３９】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、圧電素子１２に対して選択的に２０〜５０Ｖの駆動パルス電圧を印加することによって、パルス電圧が印加された圧電素子１２が積層方向（ｄ３３方向を用いる場合）に変位して振動板２をノズル５方向に変形させ、加圧液室６の容積／体積変化によって加圧液室６内のインクが加圧され、ノズル５からインク滴が吐出（噴射）される。
【００４０】
そして、インク滴の吐出に伴って加圧液室６内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性によって加圧液室６内には若干の負圧が発生する。この状態の下において、圧電素子１２への電圧の印加をオフ状態にすることによって、振動板２が元の位置に戻って加圧液室６が元の形状になるため、さらに負圧が発生する。このとき、インク供給口９から共通液室８、流体抵抗部であるインク供給路７を経て加圧液室６内にインクが充填される。そこで、ノズル５のインクメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次のインク滴吐出のために圧電素子１２にパルス電圧を印加しインク滴を吐出させる。
【００４１】
そこで、このインクジェットヘッドにおける振動板２の構成の詳細について図６をも参照して説明する。なお、図６は圧電素子当接部分の模式的斜視図である。
振動板２は、薄肉部２１と中央厚肉部２２及び周囲厚肉部２３から構成され、圧電素子１２が当接する（ここでは接合する）中央厚肉部２２によって、薄肉部分は２つの薄肉部２１、２１に領域を分離している。
【００４２】
中央厚肉部２２は、加圧液室６の長手方向（液室長手方向）に沿って形成し、薄肉部２１は中央厚肉部２２を挟んで対称な位置に、加圧液室６の長手方向に沿って細長く設けている。これにより、駆動時における加圧液室６内の圧力変化が対称となって相互干渉を防止することができる。
【００４３】
周囲厚肉部２３は加圧液室６に対して薄肉部２１及び中央厚肉部２２を１つずつ（１チャンネル毎に）区画している厚肉部である。この周囲厚肉部２３と中央厚肉部２２との厚みは異ならせ、中央厚肉部２２の厚みを周囲厚肉部２３の厚みより薄く形成している。
【００４４】
この振動板２の中央厚肉部２２に圧電素子１２を接合し、前述したように、ドライバＩＣからの駆動信号を与えることで圧電素子１２が伸縮して、加圧液室６の内部圧力を適切に制御することでインク滴が噴射する。このとき、圧電素子１２の変形は、中央厚肉部２２の変形にも用いられることから、効率の低下についての数値シミュレーションを行った。
【００４５】
このシミュレーションでは、圧電素子が当接する部分の中央厚肉部の形状のみが異なるものを４種類実施した。すなわち、実施例として中央厚肉部で薄肉部が分離されているもの、比較例１として従来（図２３参照）の島状凸部のもの、比較例２として島状凸部の幅を狭くしたもの、比較例３として島状凸部の幅を更に狭くしたものについて実施した。
【００４６】
評価項目は、加圧液室６の内部に発生する圧力の最大値と、ノズルプレート（ノズル板３）変位の最大値である。これは、振動板２の剛性が大きすぎた場合には、加圧液室６の内部圧力の上昇は小さくなる一方、加圧液室６全体を変位させることでノズルプレート３が動いてしまうと予想されるからである。
【００４７】
この評価結果を図７に示している。ここでは、従来の島状凸部を有する比較例１の結果に対する相対比較を行った指標値を横軸にとっており、１００よりも大きい場合に性能が向上したことを示している。
【００４８】
この結果から、実施例によっても加圧液室６の内部圧力は十分上昇していることが分かる。ノズルプレート３の変位の指標値が１００以下なので、島状凸部の形状に比較すると若干悪い（＝変位量が大きい）傾向にあるが、２０％以下であり、問題はない。なお、この数値シミュレーションは、圧電素子を駆動してからの過渡応答解析を行ったので、図示はしていないが、加圧液室内部圧力の時間変化も評価しており、実施例のものは従来のものと比較して、大きな位相変化や圧力変化量の特異点等も見られなかった。
【００４９】
したがって、振動板２への圧電素子１２の当接部分を厚肉化する場合、当接部分をその周囲を薄肉部で取り巻いた島状凸部にせず、加圧液室６の長手方向に沿って形成した厚肉部２２で薄肉部２１を分離した当接部であっても、良好なインク滴の噴射速度や噴射滴体積などの特性を得ることができる。
【００５０】
そして、従来の島状凸部の形状にした場合に比べて、次のような利点がある。すなわち、本発明によれば、厚肉部の面積を増加させつつ、振動板の変位量を確保できることになり、加圧液室の剛性を高めて滴噴射の制御性を向上することができる。また、島状凸部を形成しないので、凸部の寸法精度に起因する加圧液室の容積変動量を抑えることができ、特性バラツキが低減する。
【００５１】
すなわち、図８の加圧液室の長手方向の断面模式図で示すように、従来例に比較して、振動板２に形成した薄肉部２１の面積が小さいので、加圧液室６の剛性が高くなる。したがって、固有振動数が大きくなり、より高い周波数での駆動が可能になる。また、圧電素子１２の駆動変位に対する加圧液室６の内部圧力の追随性が向上することにもなり、内部圧力、すなわちインク滴噴射に関する高精度な制御が可能となる。特に、ノズル５を加圧液室６の端部に設置した場合、周囲厚肉部２３があるためにノズル５直下の振動板２の剛性を高くすることができる。
【００５２】
インクジェットヘッドにおいて、圧電素子で駆動する部分以外の構成要素は、印字動作時の振動等、ヘッド外部からの不要な外力の影響を排除するため、できるだけ剛性を高めることが好ましい。したがって、振動板２も、圧電素子１２が当接する部分（中央厚肉部２２）以外の周囲厚肉部２３の厚さはできるだけ厚くすることが好ましい。
【００５３】
この場合、図８に示すように、圧電素子１２が振動板２に当接する端部部分の液室長手方向の長さＬｐは、振動板２に圧電素子１２が当接する中央厚肉部２２の液室長手方向の長さＬｓよりも短くする。
【００５４】
また、振動板２の中央厚肉部２２と圧電素子１２の接合時に位置ずれを生じる場合がある。そこで、図８に示すように、圧電素子１２が中央厚肉部２２に当接する長さＬｐを、中央厚肉部２２の長さＬｓよりも短くする、つまり薄肉部２１の液室長手方向の長さを圧電素子１２の長さよりも長くすることで、接合する位置が同図で左右方向に多少ずれても、両者が当接する領域の面積を一定に確保することができるので、特性のバラツキを抑えることができる。
【００５５】
さらに、圧電素子１２の中央厚肉部２２に当接する液室長手方向の長さは加圧液室６の長手方向の長さよりも短くすることで、中央厚肉部２２の厚さよりも周囲厚肉部２３の厚さを厚くすることができ、ヘッドの剛性を高くすることができて外部の振動に対する耐性が向上し、品質の高いヘッドが得られる。
【００５６】
しかも、圧電素子１２の端部と振動板の厚肉部が当接する部分を接着剤接合する場合、厚肉部が従来のような島状凸部形状のときには、接着剤がはみ出した場合には全周に流れ出すことになってしまい、薄肉部の領域に侵入するおそれが高くなる。これに対して、本発明のように圧電素子１２が当接している中央厚肉部２２の領域を圧電素子１２よりも細長くすることで、はみ出した接着剤は中央厚肉部２２の長手方向に沿っていくため、薄肉部２１へのはみ出しを防ぐことができる。
【００５７】
一方、インクの噴射量に大きな関係のある加圧液室６の容積変化量は、圧電素子１２の変位量と圧電素子１２の長さＬｐで決定される。振動板２に圧電素子１２が当接する部分が島状凸部である場合には、凸部の長さが重要となる。ところで、ベース基板１３と振動板２の接合に、隣接する加圧液室６を区画する隔壁（液室間隔壁）２０対向する位置に支持部材を持たずに空間とし、圧電素子１２だけである場合、振動板２の剛性確保と圧電素子１２の変位量確保を同時に達成するためには、振動板２の材料としては樹脂を用いることが好ましいが、振動板２を樹脂で形成する場合に島状凸部の長さを精度よく仕上げるのは非常に困難である。
【００５８】
これに対して、ベース基板１３と振動板２の接合に、隣接する加圧液室６を区画する隔壁（液室間隔壁）２０対向する位置に支持部材を持たずに空間とし、圧電素子１２だけとして、振動板２を樹脂材料で形成する場合にも、本発明は振動板２に島状凸部を設けないので、特性バラツキの少ない良好なヘッドを容易に実現することができる。
【００５９】
次に、本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドについて図９を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの圧電素子を接合する前の１つの加圧液室を振動板側から見た模式的斜視説明図である。
このインクジェットヘッドにおいても、振動板２には薄肉部２１と中央厚肉部２２及び周囲厚肉部２３を形成しているが、上記第１実施形態とは異なり、液室長手方向に沿って設けられていて、薄肉部２１を分離している中央厚肉部２２の厚さは、チャンネル毎に１つずつ区画している周辺厚肉部２３の厚さと同じにしている。
【００６０】
このように構成すれば、振動板２の厚さは薄い部分（薄肉部２１）と厚い部分の２種類だけなので、製造工程が簡単になり、コストや精度を大きく向上することができる。
【００６１】
このインクジェットヘッドは、前記実施形態と同様に中央厚肉部２２に圧電素子１２を接合し、ドライバＩＣからの駆動信号に従って伸縮させて、加圧液室６の内部圧力を適切に制御することで、インク滴を噴射する。このとき、圧電素子１２の変位が振動板２の中央厚肉部２２を変形させるので、中央厚肉部２２の剛性は低い、すなわち中央厚肉部２２の厚さは薄い方が圧電素子１２の効率は向上する。しかし、中央厚肉部２２の厚さを薄くすると、周囲厚肉部２３の厚さも薄くなってしまい、ヘッド全体の剛性も小さくなってしまうおそれがあるが、振動板２は流路形成基板１や図示しないヘッドフレーム１７に接合されているので、その接合部分を強固にすることで、ヘッド全体の剛性の低下は防止できる。
【００６２】
ここで、圧電素子１２について説明すると、圧電素子１２は、振動板２が加圧液室６の内部圧力を増減するように駆動するので、ベース基板１３と振動板２との距離を伸縮するように構成する。低電圧での駆動が好ましいので、前述したように、圧電材料と電極材料を交互に複数積層して形成した積層型圧電素子を用いることが好ましく、その際、圧電方向としてｄ３１とｄ３３のいずれを用いても上述した作用効果を得ることができる。
【００６３】
そこで、特にｄ３３変位を用いた本発明の第３実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１０を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室長手方向に沿う模式的断面説明図である。
このインクジェットヘッドの圧電素子３２は圧電層３３と電極層（内部電極）３４とを交互に積層した積層型圧電素子であり、内部電極３３は交互に反対の端面に引き出している。この圧電素子３２においては、内部電極３４、３４で圧電層３３が挟まれた部分（領域）が電界を発生して変位を生じる活性域３５となり、液室長手方向の両端部では一方端面からの内部電極３４のみで他方端面からの内部電極３４が存在しないので、その両端部分は電圧を印加しても変位を生じない不活性域３６、３６となる。
【００６４】
そして、ｄ３３変位を利用する圧電素子３２の一方の不活性域３６は、加圧液室６を区画する隔壁（外壁部を含む）２０に対向した位置に配置している。この場合、圧電素子３２の長さＬｐと中央厚肉部２２の長さＬｓとの関係は、いずれが長くても良い。圧電素子３２の活性域３５の変位は、不活性域３６の近傍では元々小さいので、隔壁２０による圧電素子３２の変位の抑制には大きな影響を与えない。
【００６５】
このように圧電素子３２の一方の不活性域３６のみを隔壁２０で抑制する構成にすることで、圧電素子３２と振動板２の接合時に位置ずれを生じたとしても、振動板２の変位領域のずれが小さくなり、特性のバラツキを抑制することができる。
【００６６】
次に、本発明の第４実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１１を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室長手方向に沿う模式的断面説明図である。
このインクジェットヘッドでは、圧電素子３２の各不活性域３６、３６は、加圧液室６を区画する隔壁（外壁部を含む）２０に対向した位置に配置している。この場合、圧電素子３２の長さＬｐは中央厚肉部の長さＬｓよりも長くなる。圧電素子３２の活性域３５の変位は、不活性域３６、３６の近傍では元々小さいので、隔壁２０による圧電素子３２の変位の抑制には大きな影響を与えない。逆に、圧電素子３２の不活性域３６、３６が、ベース基板１３と振動板２を接合する支持部材として働くので、流路形成基板１を強固にすることができ、ヘッド全体の剛性を向上できる。
【００６７】
ここで、圧電素子３２の活性域３５が、加圧液室６を構成／区画する長手方向両側の隔壁２０に対向した位置には存在しないように構成すると、圧電素子３２の駆動時に隔壁２０に変位を与えることがないので、不要な振動変位が加圧液室６に生じることがなく、また、圧電素子３２の変位効率を阻害することもなくなる。
【００６８】
次に、本発明の第５実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１２を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室長手方向に沿う模式的断面説明図である。
このインクジェットヘッドにおいては、圧電素子３２の活性域３５の液室長手方向の長さを振動板２の中央厚肉部２２の液室長手方向の長さよりも短くし、不活性域３６が中央厚肉部２２に対応する領域まで入り込むようにしている。
【００６９】
すなわち、圧電素子３２の各不活性域３６、３６は、加圧液室６を区画する隔壁（外壁部を含む）２０に対向した位置に配置するとともに、活性域３５の変形によって振動板２が変位する領域にも不活性域３６、３６を配している。この場合も、圧電素子３２の長さＬｐは中央厚肉部２２の長さＬｓよりも長くなる。
【００７０】
圧電素子３２の不活性域３６の変位は非常に小さいので、圧電素子３２の不活性域３６、３６が、ベース基板１３と振動板２を接合する支持部材として働き、流路形成基板１を強固にすることができる。その上、圧電素子３２と振動板２の接合時に位置ずれを生じたとしても、加圧液室６の内部から見た圧電素子３２の活性域３５の大きさは変わらないことになり、特性のバラツキを抑制することができる。
【００７１】
次に、本発明の第６実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１３を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室短手方向に沿う模式的断面説明図である。
このインクジェットヘッドにおいては、圧電素子１２が振動板２に当接する部分の、加圧液室６の短手方向の長さ（＝幅Ｗｐ）は、振動板２に設けた中央厚肉部２２の加圧液室６の短手方向の長さ（＝幅Ｗｓ）より長くなっている。
【００７２】
このように構成することで、圧電素子１２を周囲厚肉部２３に接合する位置が図１３の左右方向に多少ずれても、両者が当接する領域の面積を一定に確保することができるので、特性のバラツキを抑えることができる。
【００７３】
次に、本発明の第７実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１４を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの圧電素子を接合する前の１つの加圧液室を振動板側から見た模式的斜視説明図である。
【００７４】
振動板２は薄肉部２１と中央厚肉部４１及び周囲厚肉部２３から構成されているが、前記第２実施形態とは異なり、加圧液室長手方向に沿って設けられていて薄肉部２１を分離し、圧電素子１２と当接する領域となっている第１の中央厚肉部（第１厚肉部）４２が、周囲厚肉部２３と連結している第２厚肉部である厚肉連結部４３の厚さは、薄肉部２１の厚さとは異なった厚さに形成している。
【００７５】
この場合、従来のような島状凸部とは異なり、中央厚肉部４１は均一の厚さである薄肉部２１で全周を取り囲まれてはいない。したがって、圧電素子１２が伸縮駆動する際、振動板２に生じる最大応力を厚肉連結部４３を設けることで小さくしながら、圧電素子１２の効率もできるだけ減少させずに、かつ、加圧液室６全体の剛性も確保することができる。
【００７６】
次に、本発明の第８実施形態について図１５を参照して説明する。この実施形態は、ヘッド一体型インクカートリッジのヘッド部に本発明を適用したものであり、インクカートリッジ５０は、ノズル５１等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド５２と、このインクジェットヘッド５２に対してインクを供給するインクタンク５３とを一体化したものである。
【００７７】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図１６及び図１７を参照して説明する。なお、図１６は同記録装置の斜視説明図、図１７は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【００７８】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するための手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カセット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１１６に排紙する。
【００７９】
印字機構部１１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２１と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向（図１７で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３にはヘッド１２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１２５を交換可能に装着している。
【００８０】
インクカートリッジ１２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【００８１】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００８２】
ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。
【００８３】
一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ローラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００８４】
そして、キャリッジ１２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。この印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６とを配設している。
【００８５】
記録時には、キャリッジ１２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動することにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【００８６】
また、キャリッジ１２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良を回復するための回復装置１４７を配置している。回復装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこの回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００８７】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１２４の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００８８】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【００８９】
また、上記実施形態においては、本発明を振動板変位方向と液滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式のヘッドに適用したが、振動板変位方向とインク滴吐出方向とが直交するエッジシュータ方式のヘッドにも同様に適用することができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板は各液室に対応してそれぞれ周囲が周囲厚肉部で囲まれて独立した薄肉部の領域を有し、各液室に対応する薄肉部の領域は、駆動手段が当接され、液室の剛性を高めるための中央厚肉部で分離され、駆動手段は、複数枚の圧電素子の層と電極層が積層された構造で、振動板の法線方向の変位がｄ３３方向であり、液室長手方向の端部に電界が生じない不活性域を有し、この不活性域が液室の長手方向の両端の隔壁に対向して、前記隔壁に接合された振動板に接合されている構成としたので、液室の剛性を高めて滴噴射の制御性を向上でき、特性バラツキが低減し、安定した滴吐出特性が得られる。
【００９１】
ここで、中央厚肉部は、液室長手方向に沿って設けられていることで、液室の剛性を高めるとともに振動板の変位量を確保できる。また、中央厚肉部で領域が分離された薄肉部は、液室長手方向に沿って細長い形状をなすことで、振動板の変位を確実に確保できる。
【００９２】
また、薄肉部の領域は、中央厚肉部に対して対称な位置に形成されていることで、液室内の圧力変化の偏りを防止できて、相互干渉をぼうしできる。また、振動板の周囲厚肉部及び中央厚肉部の厚さは、薄肉部の周囲全てにおいて略同じ厚さであることで、製造コストの低減、高精度化が図れる。
【００９３】
さらに、圧電素子の活性域は前記液室の長手方向の両端の隔壁に対向した領域には存在しないことで、不要な振動変位を隔壁に与えることがなく、圧電素子の変位効率を阻害することがなくなる。さらに、圧電素子の不活性域は振動板の駆動領域に対向した領域にも存在することで、接合時の位置ずれに対する特性バラツキを確実に防止できる。
【００９５】
また、圧電素子は、当接する端部の液室短手方向の長さは、振動板の中央厚肉部の液室短手方向の長さよりも長いので接合時の位置ずれによる特性ばらつきを低減できる。
【００９７】
本発明に係る画像記録装置によれば、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドして本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したので、安定して高品質の画像を記録することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】 同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図
【図３】 図２の要部拡大説明図
【図４】 同ヘッドの液室短手方向に沿う断面説明図
【図５】 同ヘッドの要部拡大斜視説明図
【図６】 同ヘッドの要部拡大模式的斜視説明図
【図７】 同ヘッドの評価シミュレーションの結果の説明に供する説明図
【図８】 同ヘッドの圧電素子と厚肉部の液室長手方向長さの説明に供する模式的断面説明図
【図９】 本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの要部拡大模式的斜視説明図
【図１０】 本発明の第３実施形態に係るインクジェットヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
【図１１】 本発明の第４実施形態に係るインクジェットヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
【図１２】 本発明の第５実施形態に係るインクジェットヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
【図１３】 本発明の第６実施形態に係るインクジェットヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
【図１４】 本発明の第７実施形態に係るインクジェットヘッドの要部模式的斜視説明図
【図１５】 本発明の第８実施形態に係るヘッド一体型インクカートリッジの斜視説明図
【図１６】 本発明に係るインクジェット記録装置の一例を示す斜視説明図
【図１７】 同記録装置の機構部の側面説明図
【図１８】 ピエゾ型インクジェットヘッドの説明に供する液室長手方向に沿う模式的断面説明図
【図１９】 同じく液室短手方向に沿う模式的断面説明図
【図２０】 従来のインクジェットヘッドの説明に供する斜視説明図
【図２１】 図２０の要部拡大説明図
【図２２】 他の例の振動板の斜視説明図
【図２３】 同ヘッドの模式的斜視図
【符号の説明】
１…流路形成基板、２…振動板、３…ノズル板、５…ノズル、６…加圧液室、７…インク供給路、８…共通液室、９…インク供給口、１２、３２…圧電素子、１３…ベース基板、１７…ヘッドフレーム、２０…隔壁、２１…薄肉部、２２、４１…中央厚肉部、２３…周囲厚肉部、４２…第１厚肉部、４３…第２厚肉部。

Claims (9)

1. 液滴を吐出する複数のノズルと、このノズルが連通する複数の液室と、
   各液室の少なくとも一部の壁面を形成する振動板と、この振動板に当接されて前記液室内の液体を加圧する圧力を発生するための複数の駆動手段と、前記振動板に連接させずに前記駆動手段の一端が接合されている支持基板とを備え、前記液室の隔壁に対応する位置では前記支持基板と振動板との間が空間になっている液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記振動板は、前記各液室に対応してそれぞれ周囲が周囲厚肉部で囲まれて独立した薄肉部の領域を有し、各液室に対応する前記薄肉部の領域は前記駆動手段が当接され、前記液室の剛性を高めるための中央厚肉部で分離され、
   前記駆動手段は、複数枚の圧電素子の層と電極層が積層された構造で、前記振動板の法線方向の変位がｄ３３方向であり、液室長手方向の端部に電界が生じない不活性域を有し、この不活性域が前記液室の長手方向の両端の隔壁に対向して、前記隔壁に接合された前記振動板に接合されている
   ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記中央厚肉部は、液室長手方向に沿って設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記中央厚肉部で領域が分離された前記薄肉部は、液室長手方向に沿って細長い形状をなすことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄肉部の領域は、前記中央厚肉部に対して対称な位置に形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の前記周囲厚肉部及び中央厚肉部の厚さは、前記薄肉部の周囲全てにおいて略同じ厚さであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項１乃至５に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の活性域は前記液室の長手方向の両端の隔壁に対向した領域には存在しないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 請求項６に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の不活性域は前記振動板の駆動領域に対向した領域にも存在することを特徴とする液滴吐出ヘッ
   ド。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子は、当接する端部の液室短手方向の長さは、前記振動板の中央厚肉部の前記液室短手方向の長さよりも長いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載した画像記録装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項１乃至８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像記録装置。

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