JP4407725B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

インクジェットヘッドは、インクジェットプリンタ等において、インクタンクから供給されたインクを複数の圧力室に分配し、各圧力室に選択的にパルス状の圧力を付与することによりノズルからインクを吐出する。圧力室に選択的に圧力を付与するための一つの手段として、圧電性のセラミックからなる複数の圧電シートが積層されたアクチュエータユニットが用いられることがある。

かかるインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）の一例として、複数の圧力室に跨る複数枚の連続平板状の圧電シートが積層され、その少なくとも１枚の圧電シート（圧電層）を、多数の圧力室に共通であってグランド電位に保持された共通電極と、各圧力室に対向する位置に配置された多数の個別電極とで挟み込んだ１つのアクチュエータユニットを有するものが知られている（特許文献１参照）。個別電極及び共通電極に挟まれ且つ積層方向に分極された圧電シートの部分は、その挟まれた部分の両側にある個別電極が共通電極と異なる電位にされると、圧電シートの分極方向に外部電界が印加されることにより、いわゆる圧電縦効果により積層方向に伸縮する。この場合、個別電極と共通電極とで挟まれた圧電シートの部分が外部電界が印加されると圧電効果で変形する活性層として働いている。これにより圧力室内の容積が変動し、圧力室に連通したノズルから被記録媒体に向けてインクを吐出することが可能となっている。

特開平４−３４１８５２号公報（図１）

上述のようなインクジェットヘッドにおいて、近年、画像の高解像度化や高速印字の要求に対応するために圧力室が高密度に配置されるに連れ、ある圧力室に対向した活性層を変形させることに起因して隣接する圧力室に対向した圧電シートまでもが変形し、インク吐出量が本来の量よりも増加又は減少したりする、いわゆる構造的クロストークが問題となってきている。特に、個別電極から圧電シートの圧力室の外側領域（圧力室と対向しない領域）と対向する部分に延出した部分に形成され、個別電極に印加される電圧の入力部となるランドは、直接圧力室を駆動するものではないことから、従来はクロストークの発生要因とは考えられていなかったが、本発明の発明者は、圧電シートのランドと共通電極とに挟まれた部分においても外部電界が印加されて変形し、そのランドの周囲の圧電シートを変形させ、クロストークの発生要因となり得ることを知見した。さらに、発明者は、ランドが隣接する圧力室に対して個別電極よりも近接して配置されるため、その影響が無視しがたい程大きいことも突き止めた。かかる構造的クロストークが生じると、各圧力室に重なる圧電シートの変形量が異なって、インクの液滴速度や液滴体積などのインク吐出特性が変動してしまうため、印字品質が低下することになる。

そこで、本発明の目的は、構造的クロストークを低減することができる液体吐出ヘッドを提供することである。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体吐出口に連通した複数の圧力室が表面に沿ってマトリクス状に互いに隣接配置された流路ユニットと、前記流路ユニットの前記表面に固定されて、前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータユニットとを備え、前記アクチュエータユニットは、前記複数の圧力室を覆う振動板上に、前記複数の圧力室に跨って設けられた共通電極、前記複数の圧力室に跨って設けられ且つ外部電界の印加によって伸縮変形する圧電層及び前記複数の圧力室にそれぞれ対向して配置された複数の個別電極がこの順に積層されてなり、前記圧電層は、積層方向に分極されており、前記積層方向に沿った外部電界が印加されることで前記積層方向と直交する方向に伸縮変形して前記圧力室の容積を変化させ、前記個別電極は、前記圧電層の上面において、共に前記共通電極と対向する、前記圧力室と対向する主電極部、及び、前記圧力室の外側領域と対向する外側電極部を有しており、前記圧電層の上面には、前記圧電層より誘電率の小さい複数の電界遮断層が、前記圧力室の外側領域及び前記共通電極と前記積層方向に対向するとともに、前記外側電極部と電気的に接続し且つ駆動信号が供給される複数のランドと前記圧電層との間に各々挟まれて配置されており、前記複数の個別電極は、互いに平行で一方向にそれぞれ延びる複数の電極列を構成し、前記主電極部の角部が隣接する前記電極列に属する２つの個別電極に挟まれて配置され、前記外側電極部及び前記ランドが、隣接する前記電極列に属する２つの個別電極に挟まれ且つ前記一方向と交差する方向から前記主電極部の角部と接続されるように配置され、前記電界遮断層は、前記圧電層の上面において、前記ランドと対向する領域を覆うとともに、少なくとも前記ランドと隣接する個別電極との離隔距離が最短となる方向に前記ランドと対向する領域から前記隣接する個別電極に向かって広がる拡域部を有し、層中に複数の空孔を有するポーラス層である。

これによると、ランドと圧電層との間にポーラス層である電界遮断層が形成されているので、複数のランド、複数の個別電極及び共通電極に所定の電位が印加されたときに、ランドと対向する圧電層の部分に外部電界が印加されにくくなって、当該圧電層の部分が変形しにくくなる。そのため、当該圧電層の部分が変形した場合に、この変形が周囲に伝播する現象、いわゆる、構造的クロストークを抑制することができ、液体吐出特性が安定する。加えて、電界遮断層がポーラス層であることでその誘電率が圧電層よりも小さくなるので、電界遮断層の基材となる材料の選択範囲が広がる。また、ランドと対向する圧電層の部分に、ランドから電界遮断層を回り込んで外部電界が印加されるのを抑制することができる。そのため、構造的クロストークがより抑制される。

本発明において、前記個別電極が、前記圧力室と対向する領域から前記電界遮断層の表面に亘って形成されており、前記電界遮断層が、前記個別電極の前記圧力室の外側領域と対向する部分全体と対向していることが好ましい。これにより、複数の個別電極及び共通電極に所定の電位が印加されたときに、個別電極の圧力室の外側領域と対向する部分と対向する圧電層の部分に外部電界が印加されにくくなって、当該圧電層の部分が変形しにくくなる。そのため、構造的クロストークがより抑制される。

また、このとき、前記ランドが、前記電界遮断層とで前記外側電極部を挟んでいてもよい。これにより、ランドが、電界遮断層上に形成された外側電極部上に形成されることになるので、ランドとなる材料として形成温度が比較的低い材料を選択することが可能になって、ランドとなる材料の選択範囲が広がる。

また、このとき、前記電界遮断層が、前記個別電極の前記圧力室の外側領域と対向する部分よりも外側に広がっていてもよい。これにより、個別電極の圧力室の外側領域と対向する部分と対向する圧電層の部分に、個別電極の当該部分から電界遮断層を回り込んで外部電界が印加されるのを抑制することができる。そのため、構造的クロストークがより抑制される。

また、本発明において、前記電界遮断層を形成する基材が、誘電率が前記圧電層よりも小さい材料からなることが好ましい。これにより、電界遮断層の誘電率がより一層小さくなる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの縦断面図である。図２は、図１のヘッド本体７０の平面図である。図３は、図２中の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。図１に示すように、インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）１は、インクを吐出するヘッド本体７０と、ヘッド本体７０の上面に配置されたリザーバユニット７１と、ヘッド本体７０に電気的に接続されたフレキシブルプリント配線基板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）５０と、このＦＰＣ５０に電気的に接続された制御基板５４とを有している。このうち、ヘッド本体７０は、内部にインク流路が形成された流路ユニット４とアクチュエータユニット２０とから構成されている。リザーバユニット７１は、流路ユニット４にインクを供給する。ＦＰＣ５０はその一端部がアクチュエータユニット２０の上面と接続されており、ＦＰＣ５０の途中に駆動信号を供給するドライバＩＣ５２が実装されている。

ヘッド本体７０は、流路ユニット４の上面（表面）に、図２に示すように、内部のインク流路に連通する１０個のインク供給口５ｂが形成されている。インク流路は、後述するように、流路ユニット４の上面に形成された圧力室１０と、この圧力室１０に連通したインク吐出用のノズル（液体吐出口）８とを含んでいる。なお、流路ユニット４の上面には、各インク供給口５ｂを覆い、インクに混入する異物を捕獲するフィルタ（不図示）が設けられている。

リザーバユニット７１の上方には、制御基板５４が水平に配置され、ＦＰＣ５０の他端部が、制御基板５４とコネクタ５４ａを介して接続されている。そして、制御基板５４からの指令に基づいて、ドライバＩＣ５２が、ＦＰＣ５０の配線を介してアクチュエータユニット２０に駆動信号を供給するように構成されている。

リザーバユニット７１は、ヘッド本体７０の上方に配置されている。このリザーバユニット７１は、その内部にインクを貯溜するインクリザーバ７１ａを有しており、このインクリザーバ７１ａは流路ユニット４のインク供給口５ｂに連通している。したがって、このインクリザーバ７１ａ内のインクは、インク供給口５ｂを介して流路ユニット４内のインク流路に供給される。

アクチュエータユニット２０、リザーバユニット７１、制御基板５４及びＦＰＣ５０等は、サイドカバー５３とヘッドカバー５５とからなるカバー部材５８により覆われており、外部に飛散するインクやインクミストが侵入するのが防止されている。なお、このカバー部材５８は金属材料で形成されている。また、リザーバユニット７１の側面には、弾力性を有したスポンジ５１が配設されている。ＦＰＣ５０上のドライバＩＣ５２は、図１に示すように、ちょうどスポンジ５１と対向する位置に実装されており、スポンジ５１によってサイドカバー５３の内面に押し付けられている。したがって、ドライバＩＣ５２で発生した熱がサイドカバー５３及びサイドカバー５３を経由してヘッドカバー５５に伝わり、金属製のカバー部材５８を介して速やかに外部へ放散されるようになっている。ここでは、カバー部材５８は放熱部材としても機能している。

次に、ヘッド本体７０について詳細に説明する。流路ユニット４は、図２に示すように、主走査方向に長尺な矩形平面形状を有している。流路ユニット４には、図３に示すように、多数の圧力室１０が２方向に沿ってマトリクス状に配置されている。各圧力室１０は、平面視において、略菱形形状（角が丸くなった菱形形状：四角形状）を有している。これらの圧力室１０が集まって、図３に示すように、圧力室群９が形成されている。さらに、圧力室群９の配置に対応して、流路ユニット４の上面には、図２に示すように、台形形状を有する４つのアクチュエータユニット２０が千鳥状に２列にそれぞれ接着されている。

アクチュエータユニット２０の接着領域に対向した流路ユニット４の下面は、多数のノズル８が配置されたインク吐出領域となっている。インク吐出領域は、アクチュエータユニット２０と同様に台形形状を有し、これらのノズル８も、圧力室１０と同様にマトリクス配置されて複数のノズル列を構成している。インク吐出領域のうち、流路ユニット４の長手方向に平行対向辺が重なる領域同士では、対応するノズル列同士が長手方向にそれぞれ重なっている。つまり、１つ置きに配置されたインク吐出領域では、流路ユニット４の長手方向に見たときに、ノズル列が対応するノズル列とそれぞれ直線状に繋がっている。

本実施形態では、複数の圧力室１０が流路ユニット４の長手方向（主走査方向）に等間隔に配列されてなる圧力室列１１が、流路ユニット４の長手方向と直交する方向（副走査方向）に互いに平行に１６列配列されている。各圧力室列１１に含まれる圧力室１０の数は、アクチュエータユニット２０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。

また、複数の圧力室１０は、圧力室１０の鋭角部が、隣接する圧力室列１１に属する２つの圧力室１０の鋭角部間に配置されるように、マトリクス状に配列されている。そして、複数のノズル８もこの圧力室１０と同様の配置がされており、全体として、６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。

図２及び図３に示すように、流路ユニット４内には、インク供給口５ｂに連なるマニホールド流路５と、このマニホールド流路５から分岐する副マニホールド流路５ａが形成されている。マニホールド流路５は、アクチュエータユニット２０の斜辺に沿うように延在しており、流路ユニット４の長手方向と交差して配置されている。２つのアクチュエータユニット２０に挟まれた領域では、１つのマニホールド流路５が、隣接するアクチュエータユニット２０に共有されており、副マニホールド流路５ａがマニホールド流路５の両側から分岐している。また、副マニホールド流路５ａは、台形形状のインク吐出領域と対向する領域において、流路ユニット４の長手方向に延在している。副マニホールド流路５ａの両端は、マニホールド流路５とインク吐出領域の斜辺部でそれぞれ連通しているので、副マニホールド流路５ａはインク吐出領域毎に閉ループを形成している。

各ノズル８は、圧力室１０と絞り流路であるアパーチャ１２を介して副マニホールド流路５ａと連通している。なお、図面を分かりやすくするために、図３においては、アクチュエータユニット２０が二点鎖線で描かれており、さらに、アクチュエータユニット２０の下方にあって破線で描くべき圧力室１０、アパーチャ１２、ノズル８が実線で描かれている。

次に、ヘッド本体７０の断面構造について説明する。図４は、図３のIＶ−IＶ線に沿う断面図である。図４に示すように、流路ユニット４は、上から、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャプレート２４、サプライプレート２５、マニホールドプレート２６、２７、２８、カバープレート２９及びノズルプレート３０の、ステンレス製の９枚の金属プレートが積層された積層構造を有する。これらプレート２２〜３０は、長尺な矩形状の平面を有する。アクチュエータユニット２０は、キャビティプレート２２上に接着されている。

キャビティプレート２２には、インク供給口５ｂに対応する貫通孔、及び、圧力室１０の部分に対応する略菱形の貫通孔が多数形成されている。ベースプレート２３には、各圧力室１０について圧力室１０とアパーチャ１２との連絡孔及び圧力室１０とノズル８との連絡孔が形成されていると共に、インク供給口５ｂとマニホールド流路５との連絡孔が形成されている。アパーチャプレート２４には、各圧力室１０についてアパーチャ１２となる貫通孔及び圧力室１０とノズル８との連絡孔が形成されていると共に、インク供給口５ｂとマニホールド流路５との連絡孔が形成されている。サプライプレート２５には、各圧力室１０についてアパーチャ１２と副マニホールド流路５ａとの連絡孔及び圧力室１０とノズル８との連絡孔が形成されている。

マニホールドプレート２６〜２８には、各圧力室１０について圧力室１０とノズル８との連絡孔、及び、積層時に互いに連結してマニホールド流路５及び副マニホールド流路５ａとなる貫通孔が形成されている。カバープレート２９には、各圧力室１０について圧力室１０とノズル８との連絡孔が形成されている。ノズルプレート３０には、各圧力室１０についてノズル８に対向する孔が形成されている。

これら９枚のプレート２２〜３０は、互いに位置合わせしつつ積層されて、流路ユニット４が構成される。各プレート２２〜３０は接着剤によって固定されており、流路ユニット４内には、図４に示すような個別インク流路（液体流路）３１が形成されている。なお、個別インク流路３１は、副マニホールド流路５ａの出口からノズル８に至る流路である。

キャビティプレート２２に形成された圧力室１０となる貫通孔が、図４に示すように、ベースプレート２３によって塞がれることで、流路ユニット４の上面には、凹部として形成された圧力室１０の開口が形成される。そして、アクチュエータユニット２０がこの開口を塞ぐように上面に接着されて、圧力室１０が構成されている。

次に、アクチュエータユニット２０について説明する。図５は、アクチュエータユニットを示す図であり、（ａ）は部分断面図であり、（ｂ）は部分平面図である。アクチュエータユニット２０は、図５（ａ）に示すように、それぞれの厚みが１５μｍ程度で同じになるように形成された３枚の圧電シート（圧電層）４１〜４３と、圧電シート４１の上面（反対面）に形成された複数の個別電極３５と、圧電シート４１、４２間（すなわち、圧電シート４１の下面：一表面）に形成された共通電極３４とを含んでいる。つまり、アクチュエータユニット２０は、圧電シート４１の個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた部分（活性部）に外部電界が印加されたときに、この活性部の変形に伴って変形する振動板となる圧電シート４２，４３上に共通電極３４、圧電シート４１及び個別電極３５がこの順に積層されてなる。

これら圧電シート４１〜４３は、連続した層状の平板（連続平板層）であって、１つのインク吐出領域に広がるサイズと形状を有している。すなわち、１つのアクチュエータユニット２０は、１つの圧力室群内のすべての圧力室１０に跨ってそれぞれ配置されている。そのため、例えば、スクリーン印刷技術を用いることにより圧電シート４１上に個別電極３５を高密度に配置することが可能となっている。圧電シート４１〜４３は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミック材料からなるものである。

個別電極３５は、大部分が圧力室１０と対向する位置に形成されている。個別電極３５は、図５（ｂ）に示すように、圧電シート４１の上面であって、圧力室１０と対向する領域（第２領域）３７内に形成された主電極部３５ａを有している。主電極部３５ａは、圧力室１０とほぼ相似である略菱形の平面形状を有している。

また、個別電極３５は、領域３７の外側に配置された外側電極３５ｂ及び外側電極３５ｂと主電極部３５ａとを電気的に接続する接続電極３５ｃを有している。外側電極３５ｂは、領域３７に隣接する領域３８（第１領域）であって、圧力室１０の一鋭角部近傍の外側領域と対向している。接続電極３５ｃは、一端が領域３７内で主電極部３５ａの一鋭角部と接続し、他端が領域３８に配置された外側電極部３５ｂと接続している。図５（ｂ）に示すように、主電極部３５ａは、対向する鋭角部が副走査方向に沿って配置され、接続電極３５ｃは、副走査方向に延びている。領域３８は、各圧力室１０に対応し、圧電シート４１の上面における面内方向に関して互いに離隔している。なお、主電極部３５ａ、外側電極部３５ｂ及び接続電極３５ｃはともに、略１μｍの厚みを有している。

また、複数の個別電極３５は、圧力室１０と同様に、マトリクス状に配置され、主走査方向（一方向）に等間隔に配列されてなる個別電極列８５を構成している。個別電極列８５は１６列あり、それぞれ副走査方向に互いに平行に配置されている。さらに、主電極部３５ａの鋭角部は、外側電極部３５ｂおよび接続電極３５ｃとともに、隣接する個別電極列８５に属する２つの個別電極３５間に挟まれている。

外側電極部３５ｂの端部上には、これと電気的に接続されたランド３６が形成されている。ランド３６は、ＦＰＣ５０との接続端子である。ランド３６の外形は、径が略１６０μｍの円形である。そして、個別電極３５は、ランド３６を介してＦＰＣ５０に実装されたドライバＩＣ５２と接続されている。

圧電シート４１の領域３８上であって、圧電シート４１と外側電極部３５ｂとに挟まれる位置には、電界遮断層３３がそれぞれ形成されている。すなわち、電界遮断層３３は、圧力室１０の外側領域と対向するとともに、ランド３６及び外側電極部３５ｂと圧電シート４１とに各々挟まれて配置されている。換言すると、個別電極３５は、圧力室１０と対向する領域から電界遮断層３３の表面に亘って形成されている。

本実施形態における電界遮断層３３は、母材となるアルミニウムを陽極酸化して得られる酸化膜（アルミナ膜：基材）で、表面から内部にかけて延在した複数の空孔３２が形成されたポーラス層となっている。加えて、電界遮断層３３の基材（アルミナ膜）は、圧電シート４１よりも誘電率が小さく、複数の空孔３２と合わせて実効的な誘電率がさらに低下する。本実施形態においては、電界遮断層３３の母材（基材となる材料）にアルミニウムを用いたがこの他の金属材料であってもよい。また、その酸化膜が圧電シート４１よりも誘電率が小さいものが好ましい。このような基材に上述の空孔３２が１以上形成されることで、さらに誘電率が低下する。

電界遮断層３３は、ランド３６及び外側電極部３５ｂ全体と対向しており、そこから当該ランド３６と隣接する別の個別電極３５との離隔距離Ｔが最短となる方向（図５（ｂ）中略上下方向）に広がる拡域部３３ａ，３３ｂを有している。拡域部３３ａ，３３ｂは、圧力室１０と対向しないように広がっている。このように、電界遮断層３３が拡域部３３ａ，３３ｂを有していることで、ランド３６及び外側電極部３５ｂと対向する圧電層４１の部分に、ランド３６及び外側電極部３５ｂから電界遮断層３３を回り込んで外部電界が印加されるのを抑制することができる。そのため、構造的クロストークが抑制される。

共通電極３４は、１つの圧力室群９に属するすべての圧力室１０に跨るサイズであって圧電シート４１とほぼ同じサイズを有している。すなわち、共通電極３４は、１つのアクチュエータユニットに形成されたすべての個別電極３５、ランド３６及び電界遮断層３３と対向している。そして、共通電極３４は、図示しない領域において接地されている。これにより、共通電極３４は、すべての圧力室１０に対応する領域において等しくグランド電位に保たれている。また、個別電極３５は、各圧力室１０に対向するものごとに電位を制御することができるようになっている。なお、電極材料として、例えば、ランド３６はガラスフリットを含む金からなり、複数の個別電極３５と共通電極３４は、共に、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる。

また、アクチュエータユニット２０の各個別電極３５が配置されている部分が、圧力室１０内のインクに圧力を付与する圧力発生部に相当する。つまり、アクチュエータユニット２０は、最外層である圧電シート４１だけが外部電界により圧電歪を生じる活性部を含み、残りの２枚の圧電シート４２，４３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。このように、アクチュエータユニット２０には、個別電極３５及びこれに対向する圧電シート４１〜４３及び共通電極３４のそれぞれの部分からなる個別のアクチュエータが多数作り込まれている。

次に、アクチュエータユニット２０の動作について説明する。アクチュエータユニット２０においては、３枚の圧電シート４１〜４３のうち圧電シート４１だけが、個別電極３５から共通電極３４に向かう方向（すなわち、個別電極３５、圧電シート４１、共通電極３４の積層方向であって圧電シート４１の厚み方向）に分極されている。ＦＰＣ５０を介して個別電極３５に駆動信号を与えることによって、個別電極３５を正の所定電位とすると、活性部に積層方向に沿った外部電界が印加され、活性部が圧電横効果のために分極方向と直角方向に縮む。その他の圧電シート４２，４３は、外部電界が印加されないので自発的には縮むことはなく、活性部に対する拘束層として働く。したがって、圧電シート４１の活性部及び圧電シート４２，４３の活性部と対向する部分には、全体として、圧力室１０側に凸となるユニモルフ変形が生じる。すると、圧力室１０の容積が低下してインクの圧力が上昇し、図４に示したノズル８からインクが吐出される。その後、個別電極３５がグランド電位に戻ると、圧電シート４１〜４３は元の形状に戻って圧力室１０も元の容積に戻る。そのため、副マニホールド流路５ａから個別インク流路３２へとインクが吸い込まれる。

他の駆動方法としては、予め個別電極３５に正電位を与えておき、吐出要求があるごとに一旦個別電極３５をグランド電位とし、その後所定のタイミングにて再び個別電極３５を正電位とする方法もある。この場合、個別電極３５がグランド電位となるタイミングで圧電シート４１〜４３が元の状態に戻ることにより、圧力室１０の容積は初期状態（予め電圧が印加された状態）と比較して増加し、副マニホールド流路５ａから個別インク流路３２へとインクが吸い込まれる。その後、再び個別電極３５に正電位が与えられたタイミングで圧電シート４１の活性部及び圧電シート４２，４３の活性部と対向する部分が圧力室１０側に凸となるように変形し、圧力室１０の容積低下によりインクの圧力が上昇し、ノズル８からインクが吐出される。

続いて、インクジェットヘッド１の製造方法について、以下に説明する。図６は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッド１の製造工程のフロー図である。図７は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッド１のアクチュエータユニットの製造工程を経時的に示した図である。インクジェットヘッド１を製造するには、流路ユニット４及びアクチュエータユニット２０などの部品を別々に作製し、それから各部品を組み付ける。

図６に示すように、まず、ステップ１（Ｓ１）では、流路ユニット４を作製する。流路ユニット４を作製するには、これを構成する各プレート２２〜３０のうち、ノズルプレート３０を除く各プレート２２〜２９に、パターニングされたフォトレジストをマスクとしたエッチングを施して、図４に示すような孔を各プレート２２〜２９に形成する。ノズルプレート３０は、パンチでノズル８となる複数の孔を形成する。そして、圧力室１０が対応するノズル８に連通して個別インク流路３１が形成されるように位置合わせされた９枚のプレート２２〜３０を、エポキシ系の熱硬化性接着剤を介して重ね合わせる。そして、９枚のプレート２２〜３０を熱硬化性接着剤の硬化温度以上の温度に加熱しつつ加圧する。これによって、熱硬化性接着剤が硬化して９枚のプレート２２〜３０が互いに固着され、図４に示すような流路ユニット４が得られる。

一方、アクチュエータユニット２０を作製するには、まず、ステップ２（Ｓ２）において、圧電セラミックスのグリーンシートを複数用意する。グリーンシートは、予め焼成による収縮量を見込んで形成される。そのうちの一部のグリーンシートの一表面に、導電性ペーストを共通電極３４のパターンにスクリーン印刷する。そして、図７（ａ）に示すように、治具を用いてグリーンシート同士を位置合わせしつつ、この印刷されたグリーンシートを上下から挟むようにして、印刷されていないグリーンシートを重ね合わせる。

そして、ステップ３（Ｓ３）において、ステップ２で得られた積層体を公知のセラミックスと同様に脱脂し、さらに所定の温度で焼成する。これにより、３枚のグリーンシートが圧電シート４１〜４３となり、導電性ペーストが共通電極３４となる（共通電極形成工程）。

次に、ステップ４（Ｓ４）において、図７（ｂ）に示すように、最上層にある圧電シート４１の上面全体に、電界遮断層３３の母材３３Ａであるアルミニウム層を蒸着法（例えば、スパッタ法）で形成する（母材形成工程）。

次に、ステップ５（Ｓ５）において、ステップ４で母材３３Ａが形成された積層体を酸性電界液中に漬けて母材３３Ａの表面を陽極酸化する（陽極酸化工程）。すると、図７（ｃ）に示すように、母材３３Ａは酸化され、その表面から圧電シート４１に向かう方向に複数の空孔３２が延在して形成される。空孔３２の開口径は、数１００ｎｍである。さらに、図７（ｄ）に示すように、酸化された母材３３Ａ（陽極酸化膜３３Ｂ）上に、電界遮断層３３のパターンを持つレジスト層３９を形成する。レジスト層３９は、陽極酸化膜（基材）３３Ｂ上に塗布されたレジストの乾燥、露光および現像を含むフォトリソ法によって形成される。このとき、レジスト層３９は、後述のランド３６及び外側電極部３５ｂ全体と対向するように形成される。また、本実施形態のレジスト層３９には、このランド３６と隣接する別の個別電極３５との離隔距離Ｔが最短となる方向に広がっている。このレジスト層３９の広がり部分が、電界遮断層３３の拡域部３３ａ，３３ｂに対応している。

さらに、レジスト層３９で覆われた部分を残して、陽極酸化膜３３Ｂが酸性の溶液によってエッチングされ、残存する陽極酸化膜３３Ｂ上のレジスト層３９も剥離される。こうして、図７（ｅ）に示すように、圧電シート４１の上面に電界遮断層３３が形成される（電界遮断層形成工程）。電界遮断層３３は、ランド３６及び外側電極部３５ｂに対向する領域に加え、さらに外側に広がる拡域部３３ａ，３３ｂを有している。

本実施形態においては、電界遮断層３３の表面に形成された複数の空孔３２は、その開口径が微小なため、後述のステップ６（Ｓ６）において導電性ペーストを電界遮断層３３の表面に塗布してもその導電性ペーストが空孔３２内にほとんど入らない。そのため、導電性ペーストの外側電極部３５ｂとなる部分の形状も乱れず所望の形状となる。

次に、ステップ６において、図７（ｆ）に示すように、導電性ペーストを個別電極３５のパターンにスクリーン印刷する。外側電極部３５ｂとなる部分が、図５（ａ）にも示すように、電界遮断層３３（領域３８）の表面に配置され、主電極部３５ａとなる部分が領域３７内に配置され、接続電極３５ｃが領域３７から領域３８に跨って配置される。そして、積層体を加熱処理することによって導電性ペーストを焼成して、圧電シート４１上に個別電極３５を形成する（個別電極形成工程）。

しかる後、ガラスフリットを含む金を、外側電極部３５ｂ上に印刷して、ランド３６を形成する（ランド形成工程）。このとき、ランド３６は、導電性ペーストが焼成されてなる個別電極３５上に形成されているので、ランド３６の材料として形成温度が低い材料を選択することができる。そのため、ランド３６の形成材料を選択する上での選択範囲が広くなる。このようにして、図５に描かれたようなアクチュエータユニット２０を作製することができる。なお、圧電シート４１〜４３は個別電極３５形成時の焼成では収縮しないので、個別電極３５が圧力室１０と対向する位置に確実に形成することが可能になる。

なお、ステップ１の流路ユニット作製工程と、ステップ２〜６のアクチュエータユニット作製工程は、独立に行われるものであるため、いずれを先に行ってもよいし、並行して行ってもよい。

次に、ステップ７（Ｓ７）において、ステップ１で得られた流路ユニット４の上面に、熱硬化性接着剤を、バーコーターを用いて塗布する。次に、ステップ８（Ｓ８）において、流路ユニット４に塗布された熱硬化性接着剤層上に、アクチュエータユニット２０を載置する。このとき、各アクチュエータユニット２０は、個別電極３５の主電極部３５ａと圧力室１０とが対向するように、且つ、外側電極部３５ｂと圧力室１０の外側領域とが対向するように、流路ユニット４に対して位置決めされる。この位置決めは、予め作製工程（ステップ１〜ステップ６）において流路ユニット４及びアクチュエータユニット２０に形成された位置決めマーク（図示せず）に基づいて行われる。

次に、ステップ９（Ｓ９）において、流路ユニット４とアクチュエータユニット２０との積層体を、図示しない加熱・加圧装置で熱硬化性接着剤の硬化温度以上に加熱しながら加圧する。そして、ステップ１０（Ｓ１０）において、加熱・加圧装置から取り出された積層体を自然冷却する。こうして、流路ユニット４とアクチュエータユニット２０とで構成されたヘッド本体７０が製造される。

しかる後、アクチュエータユニット２０へのＦＰＣ５０の接合工程（すなわち、ランド３６とＦＰＣ５０に形成された独立した信号線との接合）を行った後、リザーバユニット７１の接着工程及びカバー部材５８の組み付け工程を経ることによって、上述したインクジェットヘッド１が完成する。

以上の実施形態では、母材３３Ａをそのまま陽極酸化処理しているが、母材３３Ａをフォトリソ法によって予め電界遮断層３３のパターンにエッチング加工した後、これに陽極酸化処理を施してもよい。また、母材３３Ａは、蒸着法によって形成されているが、陽極酸化可能な金属成分からなるペーストを所定のパターン状に塗布してもよい。この場合、本実施形態のような、レジスト層３９を陽極酸化膜３３Ｂ上に形成し、これをエッチング除去する工程は不要となる。

以上のような本実施形態のインクジェットヘッド１、アクチュエータユニット及びその製造方法によると、複数のランド３６と圧電シート４１との間にポーラス層である１以上の空孔３２を有する複数の電界遮断層３３が形成されているので、複数のランド３６、複数の個別電極３５及び共通電極３４に所定の電位が印加されたときに、ランド３６と対向する圧電シート４１の部分に外部電界が印加されにくくなって、当該圧電シート４１の部分が変形しにくくなる。そのため、当該圧電シート４１の部分が変形した場合に、この変形が周囲に伝播する現象、いわゆる、構造的クロストークを抑制することができ、インク吐出特性が安定する。加えて、電界遮断層３３が１以上の空孔３２を有するポーラス層であることでその誘電率が圧電シート４１よりも大幅に小さくなるので、電界遮断層３３の基材となる材料の選択範囲が広がる。

電界遮断層３３が、外側電極部３５ｂ全体と対向して配置されているので、個別電極３５及び共通電極３４に所定の電位が印加されたときに、圧電シート４１の外側電極部３５ｂと対向する部分に、外部電界が印加されにくくなって、その圧電シート４１の部分が変形しにくくなる。そのため、構造的クロストークがより抑制される。その結果、ヘッドのインク吐出特性がより安定する。また、電界遮断層３３を形成する基材自体が、圧電シート４１よりも誘電率が小さいので、電界遮断層３３の誘電率がより一層小さくなる。

さらに、電界遮断層３３は、別の個別電極３５に向かって広がる拡域部３３ａ，３３ｂを有しているので、ランド３６及び外側電極部３５ｂに対向する領域を迂回する外部電界の影響も受けにくくなっており、さらに不要な構造的クロストークを抑制できる。

続いて、本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニット２２０及びその製造方法について以下に説明する。図８は、本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニット２２０の部分断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様なものについては、同符号で示し説明を省略する。

本実施形態におけるアクチュエータユニット２２０は、第１実施形態の電界遮断層３３と異なった構成を有する電界遮断層２３３が形成されているだけで、それ以外はほぼ同様である。アクチュエータユニット２２０に形成された電界遮断層２３３は、第１実施形態の電界遮断層３３が圧電シート４１の上面において圧力室１０毎に個別に形成されていたのに対して、圧力室１０と対向する領域３７の外側全体に形成されている。領域３７の外側領域には、複数の領域３８も含まれている。

また、電界遮断層２３３にも、複数の空孔２３２が形成されている。これら空孔２３２は、アルミナペースト中に分散された微小な樹脂チップ２３１が、ペースト層（母材）の焼成中に融解して気化することでアルミナ層（電界遮断層２３３：基材）中に形成されたものである。そのため、これら空孔２３２は、電界遮断層２３３中にランダムに形成されている。

このような電界遮断層２３３が圧電シート４１上のほぼ全域に形成されていることで、複数のランド３６、複数の個別電極３５及び共通電極３４に所定の電位が印加されたときに、圧電シート４１に、ランド３６及び外側電極部３５ｂからの外部電界が印加されることがなくなる。そのため、構造的クロストークをより一層抑制することができる。加えて、圧電シート４１の領域３７の外側領域が電界遮断層２３３によってその剛性が高くなるので、圧電シート４１の圧力室１０の外側領域と対向する部分の変形を抑制することができる。

続いて、アクチュエータユニット２２０の製造方法について、以下に説明する。図９は、本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニット２２０の製造工程のフロー図である。図１０は、本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニット２２０の製造工程を経時的に示した図である。

本実施形態におけるアクチュエータユニット２２０を製造するときも、図９に示すように、第１実施形態のアクチュエータユニット２０の製造方法におけるステップ２、ステップ３と同様のステップ１（Ｆ１）及びステップ２（Ｆ２）を行い、図１０（ａ）に示すように、３枚の圧電シート４１〜４３が順に積層され２枚の圧電シート４１、４２間に共通電極３４が形成された積層体を形成する（共通電極形成工程）。

次に、ステップ３（Ｆ３）において、図１０（ｂ）に示すように、最上層にある圧電シート４１の上面であって領域３７の外側全体に、ペースト状のアルミナ層（母材）２３３´を電界遮断層２３３のパターンにスクリーン印刷法などで形成する。ペースト状のアルミナ層２３３´は、後述のように、焼成して電界遮断層２３３となるもので、層内には微小な樹脂チップ２３１が分散されている。形成後は、層中の不要な有機溶媒を除去するために、アルミナ層２３３´が所定温度で乾燥される（母材形成工程）。

次に、ステップ４（Ｆ４）において、図１０（ｃ）に示すように、導電性ペーストを個別電極３５のパターンにスクリーン印刷する。このとき、外側電極部３５ｂとなる部分が電界遮断層２３３（領域３８）の表面に配置され、主電極部３５ａとなる部分が領域３７内に配置され、接続電極３５ｃが領域３７から領域３８に跨って配置される。

次に、ステップ５（Ｆ５）において、積層体を加熱処理することによってアルミナ層２３３´中の樹脂チップ２３１を融解し気化させて、電界遮断層（アルミナ層：基材）２３３中に複数の空孔２３２を形成するとともに（加熱工程、電界遮断層形成工程）、導電性ペーストを焼成して圧電シート４１上に個別電極３５を形成する（個別電極形成工程）。このとき、樹脂チップ２３１が融解・気化して電界遮断層２３３の表面に空孔２３２の開口が形成されても、個別電極３５の外側電極部３５ｂとなる部分の導電性ペーストの硬化が始まっているので、導電性ペーストが空孔２３２内に流れ込まなくなる。そのため、形成された外側電極部３５ｂの形状が乱れず、所望形状となる。

しかる後、ガラスフリットを含む金を、個別電極３５の外側電極部３５ｂ上に印刷して、ランド３６を形成する（ランド形成工程）。このとき、ランド３６は、導電性ペーストが焼成されてなる個別電極３５上に形成されているので、ランド３６の材料として形成温度が低い材料を選択することができる。そのため、第１実施形態と同様の効果が得られる。このようにして、図８に示すアクチュエータユニット２２０を作製することができる。なお、圧電シート４１〜４３は個別電極３５形成時の焼成では収縮しないので、個別電極３５が圧力室１０と対向する位置に確実に形成することが可能になる。

このようなアクチュエータユニット２２０の製造方法によると、複数の空孔２３２を形成するために、電界遮断層２３３のアルミナ層（母材）２３３´を加熱するときに、個別電極３５となる導電性ペーストも焼成することが可能になって、第１実施形態の製造工程に比して製造工程を短縮することができる。また、圧電シート４１の領域３７の外側全体に外部電界が印加されにくくなって、構造的クロストークがより一層抑制されたアクチュエータユニット２２０を製造することができる。なお、第１実施形態と同様な構成においては、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、上述の各実施形態におけるアクチュエータユニット２０、２２０は、電界遮断層３３，２３３がランド３６及び外側電極部３５ｂと対向する領域から外側にはみ出して形成されているが、少なくともランド３６と対向する位置に電界遮断層が形成されておればよい。また、電界遮断層３３，２３３には、複数の空孔３２，２３２が形成されているが、空孔が１つだけ形成されていてもよい。この場合、空孔はランド３６及び外側電極部３５ｂと対向する位置において圧電シート４１の上面の面内方向に延在していることが好ましい。また、このように延在した空孔が電界遮断層に複数形成されていてもよい。また、ランド３６が電界遮断層３３，２３３とで外側電極部３５ｂを挟む位置に配置されているが、圧電シート４１の上面の面内方向に関して、ランドと外側電極部３５ｂとが並んで配置されていてもよい。すなわち、ランド３６が電界遮断層３３，２３３とで外側電極部３５ｂを挟んでいなくてもよい。また、アクチュエータユニット２０，２２０は、圧電シート４２，４３のうち、少なくとも圧電シート４３を有していなくてもよい。また、流路ユニット４の最上層のプレート２２の上に、少なくとも１つの圧力室群９に属するすべての圧力室１０を覆うように、例えば、ステンレスからなる金属プレートを積層し、そのプレートを振動板として用いてもよい。また、アクチュエータユニット２０，２２０は、圧電シート４２，４３の替わりに、導電性の振動板を設けてもよい。この場合、この振動板を共通電極としても用いることが可能になるので、特に共通電極３４を設けなくてもよい。

また、上述の実施形態は、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例であるが、本発明を適用可能な対象はこのようなインクジェットヘッドに限られない。例えば、導電ペーストを吐出して基板上に微細な配線パターンを形成したり、あるいは、有機発光体を基板に吐出して高精細ディスプレイを形成したり、さらには、光学樹脂を基板に吐出して光導波路等の微小電子デバイスを形成するための、液体吐出ヘッドに適用することができる。

本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの縦断面図である。 図１のヘッド本体の平面図である。 図２中の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 図３のIＶ−IＶ線に沿う断面図である。 アクチュエータユニットを示す図であり、（ａ）は部分断面図であり、（ｂ）は部分平面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造工程のフロー図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドのアクチュエータユニットの製造工程を経時的に示した図である。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニットの部分断面図である。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニットの製造工程のフロー図である。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニットの製造工程を経時的に示した図である。

１ インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）
４ 流路ユニット
８ ノズル（液体吐出口）
１０ 圧力室
２０，２２０ アクチュエータユニット
３１ 個別インク流路（液体流路）
３２，２３２ 空孔
３３，２３３ 電界遮断層
３４ 共通電極
３５ 個別電極
３５ａ 主電極部
３５ｂ 外側電極部
３６ ランド
３７ 領域（第２領域）
３８ 領域（第１領域）
４１ 圧電シート（圧電層）
４２，４３ 圧電シート（振動板）
８５ 個別電極列（電極列）
２３１ 樹脂チップ

Claims (5)

1. 液体吐出口に連通した複数の圧力室が表面に沿ってマトリクス状に互いに隣接配置された流路ユニットと、前記流路ユニットの前記表面に固定されて、前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータユニットとを備え、
   前記アクチュエータユニットは、
   前記複数の圧力室を覆う振動板上に、前記複数の圧力室に跨って設けられた共通電極、前記複数の圧力室に跨って設けられ且つ外部電界の印加によって伸縮変形する圧電層及び前記複数の圧力室にそれぞれ対向して配置された複数の個別電極がこの順に積層されてなり、
   前記圧電層は、積層方向に分極されており、前記積層方向に沿った外部電界が印加されることで前記積層方向と直交する方向に伸縮変形して前記圧力室の容積を変化させ、
   前記個別電極は、前記圧電層の上面において、共に前記共通電極と対向する、前記圧力室と対向する主電極部、及び、前記圧力室の外側領域と対向する外側電極部を有しており、
   前記圧電層の上面には、前記圧電層より誘電率の小さい複数の電界遮断層が、前記圧力室の外側領域及び前記共通電極と前記積層方向に対向するとともに、前記外側電極部と電気的に接続し且つ駆動信号が供給される複数のランドと前記圧電層との間に各々挟まれて配置されており、
   前記複数の個別電極は、互いに平行で一方向にそれぞれ延びる複数の電極列を構成し、前記主電極部の角部が隣接する前記電極列に属する２つの個別電極に挟まれて配置され、
   前記外側電極部及び前記ランドが、隣接する前記電極列に属する２つの個別電極に挟まれ且つ前記一方向と交差する方向から前記主電極部の角部と接続されるように配置され、
   前記電界遮断層は、前記圧電層の上面において、前記ランドと対向する領域を覆うとともに、少なくとも前記ランドと隣接する個別電極との離隔距離が最短となる方向に前記ランドと対向する領域から前記隣接する個別電極に向かって広がる拡域部を有し、層中に複数の空孔を有するポーラス層であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記個別電極が、前記圧力室と対向する領域から前記電界遮断層の表面に亘って形成されており、
   前記電界遮断層が、前記個別電極の前記圧力室の外側領域と対向する部分全体と対向し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. 前記ランドが、前記電界遮断層とで前記外側電極部を挟んで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. 前記電界遮断層が、前記個別電極の前記圧力室の外側領域と対向する部分よりも外側に広がっていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記電界遮断層を形成する基材が、誘電率が前記圧電層よりも小さい材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
   

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