JP4433037B2

JP4433037B2 - 液体圧力発生機構及び液滴噴射装置

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Publication number: JP4433037B2
Application number: JP2007292888A
Authority: JP
Inventors: 宏人菅原
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2010-03-17
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Description

本発明は、例えばインクジェットプリンタにおいてインク室に収容されたインクに圧力を付与するために用いられる液体圧力発生機構及びこの液体圧力発生機構を含む液滴噴射装置に関する。

インクジェットヘッドにおいて圧力室に収容されたインクに圧力を付与するために用いられる液体圧力発生機構の一例として、ピエゾ方式が知られている（特許文献１、２）。図１３に、ピエゾ方式の液体圧力発生機構をアクチュエータユニットとして有するインクジェットヘッドの断面図を示す。図１３に描かれたインクジェットヘッド１０１においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号（グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる）により駆動されるアクチュエータユニット１０６と、インク流路を形成する流路ユニット１０７とが積層されている。アクチュエータユニット１０６と流路ユニット１０７は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。また、アクチュエータユニット１０６の上面には、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号を印加するためにフレキシブル配線基板（図示せず）等が接合されている。

流路ユニット１０７は、金属材料からなる薄板状の３枚のプレート（キャビティプレート１０７ａ、スペーサプレート１０７ｂ、マニホールドプレート１０７ｃ）と、インクを噴射するノズル１０９を備えたポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレート１０７ｄとが積層されることによって構成されている。最上部のキャビティプレート１０７ａは、アクチュエータユニット１０６に接している。

キャビティプレート１０７ａの表面には、アクチュエータユニット１０６の動作により選択的に噴射されるインクを収容する複数の圧力室１１０が長手方向に沿って２列に形成されている。複数の圧力室１１０は、隔壁１１０ａによって相互に隔てられ、その長手方向を平行に並べて配列されている。また、スペーサプレート１０７ｂには、圧力室１１０の一端をノズル１０９に連通させる連通孔１１１と、圧力室１１０の他端を図示しないマニホールド流路に連通させる連通孔（図示せず）とがそれぞれ形成されている。

また、マニホールドプレート１０７ｃには、圧力室１１０の一端をノズル１０９に連通させる連通孔１１３が形成されている。さらに、マニホールドプレート１０７ｃには、インクを圧力室１１０に供給するマニホールド流路が複数の圧力室１１０がなす列の下方においてその列方向に長く形成されている。また、マニホールド流路の一端は、図示されないインク供給源に接続されている。このようにして、マニホールド流路から図示しない連通孔、圧力室１１０、連通孔１１１、連通孔１１３を経てノズル１０９に至るインク流路が形成されている。

アクチュエータユニット１０６においては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる６枚の圧電セラミックスプレート１０６ａ〜１０６ｆが積層されている。そして、圧電セラミックスプレート１０６ｂと圧電セラミックスプレート１０６ｃとの間、及び、圧電セラミックスプレート１０６ｄと圧電セラミックスプレート１０６ｅとの間にはそれぞれ共通電極１２１、１２３が、流路ユニット１０７の圧力室１１０に対応した範囲内のみに配置されている。一方、圧電セラミックスプレート１０６ｃと圧電セラミックスプレート１０６ｄとの間、及び、圧電セラミックスプレート１０６ｅと圧電セラミックスプレート１０６ｆとの間にはそれぞれ個別電極１２２、１２４が、流路ユニット１０７の圧力室１１０に対応した範囲内にのみ配置されている。

共通電極１２１、１２３は常にグランド電位に保持されている。一方、個別電極１２２、１２４には駆動パルス信号が与えられる。共通電極１２１、１２３と個別電極１２２、１２４とによって挟まれた圧電セラミックスプレート１０６ｃ〜１０６ｅの当該挟まれた領域は予めこれら電極によって電界が印加されることによって積層方向に分極した活性部１２５となっている。そのため、個別電極１２２、１２４の電位が正の所定電位になると、圧電セラミックスプレート１０６ｃ〜１０６ｅの活性部１２５は電界が印加されて積層方向に伸びようとする。ところが、圧電セラミックスプレート１０６ａ、１０６ｂにはこのような現象が現れないので、アクチュエータユニット１０６の活性部１２５に対応した部分は、全体として圧力室１１０側に伸びるように膨らむ。すると圧力室１１０の容積が小さくなるので、圧力室１１０内に充填されたインクに噴射圧力が付与されてノズル１０９からインクが噴射される。

図１３に示された２つの圧力室１１０のうち左側は、このように正の所定電位が与えられて圧力室１１０側に伸びたアクチュエータユニット１０６によって圧力室１１０の容積が縮小することで、当該圧力室１１０に連通したノズル１０９からインクが噴射されようとする様子を描いたものである。また、右側は、駆動パルス信号が共通電極１２１、１２３の電位と同じくグランド電位に保持されているために、圧力室１１０に連通したノズル１０９からインクが噴射されない様子を描いたものである。

図１３で説明したインクジェットヘッド１０１では、あるノズル１０９からインクを噴射させようとして対応する個別電極１２２、１２４に正の所定電位を与えると、当該活性部１２５の機械的変形が隣接する活性部１２５に伝わる、いわゆるクロストークが生じる。詳細には、図１３に示すように１つの活性部１２５が下方へ変形する反動として隣接する活性部１２５が上方へ持ち上げられ、さらに両側の隔壁１１０ａがその圧力室１１０側に引かれて平行四辺形状に変形する。その結果、隣接する圧力室にも圧力変動が生じ、次にその隣接する圧力室から噴射動作を行うときにノズル１０９から噴射されるインク液滴の液滴速度・体積が変化してしまい、着弾位置がずれたり、印刷濃度のムラが発生したりして、印刷品質が低下してしまう。

そこで、圧電セラミックスプレートの積層方向に延在した溝（スリット）をダイヤモンドカッタを用いて活性部間においてアクチュエータユニットに形成することでクロストークを低減するようにした技術が知られている（特許文献３）。
特開２００２−５９５４７号公報（図１１）特開２００２−１２７４２０号公報（図６）特公平７−３３０８７号公報（第１図、第２図）

しかしながら、上記公報（特許文献３）に記載の技術には、ダイヤモンドカッタを用いて圧電セラミックスプレートの積層方向に延在した溝を形成すること自体が非常に煩雑であるばかりでなく、溝形成工程後に洗浄工程が必要であって長時間の作業を要するために良好な製造効率が得られないという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、容易且つ短時間に製造可能であってクロストークの低減された流体圧力発生機構及びこの液体圧力発生機構を含む液滴噴射装置を提供することを目的としている。

本発明による液体圧力発生機構は、圧電材料からなる板状体と、前記板状体の面方向の複数領域に配置された個別電極と、前記板状体を挟んで前記個別電極と対向するように前記板状体に配置された共通電極と、前記個別電極と前記共通電極とに挟まれてなり且つ前記板状体の面方向に対して実質的に垂直な方向に変形可能な複数の活性部が前記板状体の面方向に間隔をおいて形成されていると共に、隣接する２つの前記活性部の間において前記板状体に配置されたマイクロクラック形成電極と、前記個別電極と、前記共通電極と、前記マイクロクラック形成電極に接続され、これらの電極にそれぞれ異なる電位を付与する電位付与手段と、を備えており、前記共通電極が前記板状体を挟んで前記マイクロクラック形成電極と対向するように前記隣接する２つの前記活性部の間にまで延在しており、前記電位付与手段は、前記個別電極に前記個別電極と前記共通電極に挟まれた前記活性部を変形させるための所定の電位と、前記マイクロクラック形成電極に前記マイクロクラック形成電極と前記隣接する２つの活性部の間にまで延在した前記共通電極とに挟まれた領域にマイクロクラックを形成させるための前記所定の電位よりも高い電位を付与するものであり、前記マイクロクラック形成電極と前記隣接する２つの活性部の間にまで延在した前記共通電極とに挟まれた領域にマイクロクラックが形成されていることを特徴としている（請求項１）。

この構成によると、隣接する２つの活性部の間において板状体にマイクロクラックが形成されているので、クロストークを低減することができる。また、マイクロクラックは板状体の積層方向に延在した溝を形成する場合のようにダイヤモンドカッタを用いなくても形成可能であるので、容易且つ短時間に製造することができる。さらに、クロストークが低減されるために板状体を従来よりも数多く積層することが可能となり、これにより板状体１枚あたりの変位量が少なくても全体として大きな変位量を得ることができるようになって個別電極の低電圧駆動が可能となる。そのため、個別電極の駆動信号を発生する回路部品のコストダウンが可能となる。

なお、マイクロクラックは、板状体の全厚にわたって形成されているか、又は、活性部の全厚にわたって形成されていることが好ましいが、活性部の全厚の少なくとも一部にわたって形成されているだけでもよい。また、マイクロクラックは、互いに隣接する活性部同士を隔てるように連続して帯状に形成されていることが好ましいが、互いに隣接する活性部の間に不連続的に形成されていてもよい。

また、板状体を挟んでマイクロクラック形成電極と対向するように隣接する２つの活性部の間にまで延在した共通電極とマイクロクラック形成電極との間に電界を印加することでマイクロクラックを形成することができるためにマイクロクラック形成電極と対向する電極が不要となる。そのため、電極への配線構造を簡略化できる。

本発明の液体圧力発生機構において、複数の前記板状体が積層されており、隣接する前記板状体の間に複数の前記個別電極と複数の前記共通電極とが積層方向に交互に配置されており、隣接する２つの前記活性部の間においていずれかの前記板状体に前記マイクロクラック形成電極が配置されていると共に、前記共通電極が前記板状体を挟んで前記マイクロクラック形成電極と対向するように前記隣接する２つの前記活性部の間にまで延在しており、前記マイクロクラック形成電極と前記延在した共通電極とに挟まれた領域にマイクロクラックが形成されていてよい（請求項２）。

これによると、板状体を挟んでマイクロクラック形成電極と対向するように隣接する２つの活性部の間にまで延在した共通電極とマイクロクラック形成電極との間に電界を印加することでマイクロクラックを形成することができるためにマイクロクラック形成電極と対向する電極が不要となる。そのため、電極への配線構造を簡略化できる。また、多くの板状体にマイクロクラックを形成することができるので、クロストークを効果的に低減することができる。

本発明の液体圧力発生機構において、複数の前記共通電極のうち、前記積層方向において前記マイクロクラック形成電極と最も離れて位置する前記共通電極が前記隣接する２つの前記活性部の間にまで延在するものでもよい（請求項３）。

別の観点によると、本発明は液滴噴射装置であって、上述したような液体圧力発生機構と、複数の前記活性部に対応した複数の液体収容室と、前記液体収容室を隔てる隔壁とを備えており、前記板状体は前記マイクロクラックが形成された部分において前記隔壁に固定されたものである（請求項４）。

この構成によると、活性部の変形を液体収容室の容積変化として有効に使用できるので、良好なエネルギー効率が得られる。

以上説明したように、本発明の液体圧力発生機構によると、隣接する２つの活性部の間において板状体にマイクロクラックが形成されているので、活性部間のクロストークを低減することができる。また、マイクロクラックは板状体の積層方向に延在した溝を形成する場合のようにダイヤモンドカッタを用いなくても形成可能であるので、容易且つ短時間に製造することができる。さらに、クロストークが低減されるために板状体を従来よりも数多く積層することが可能となり、これにより板状体１枚あたりの変位量が少なくても全体として大きな変位量を得ることができるようになって個別電極の低電圧駆動が可能となる。そのため、個別電極の駆動信号を発生する回路部品のコストダウンが可能となる。

本発明の液滴噴射装置によると、活性部の変形を液体収容室の容積変化として有効に使用できるので、良好なエネルギー効率が得られる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態を説明する。
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドについて説明する。図１は、そのインクジェットヘッドの分解斜視図である。図１に示すように、本実施の形態による圧電式のインクジェットヘッド１は、ほぼ直方体の流路ユニット７上にこれとほぼ同形状のアクチュエータユニット６が積層され、アクチュエータユニット６上に外部回路との接続のためのフレキシブルフラットケーブル又はフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）５が貼付されたものである。インクジェットヘッド１は、流路ユニット７の下面側に開口したノズル９（図２及び図３参照）から下向きにインクを噴射する。

アクチュエータユニット６の上面には、ＦＰＣ５との電気的接続のために用いられる多数の表面電極３が設けられている。また、流路ユニット７の上面には、上方に開口した多数の圧力室（インク収容室）１０が設けられている。また、流路ユニット７の長手方向についての一端部近傍には、後述するマニホールド流路１５（図３参照）にそれぞれ連通した一対の供給孔４ａ、４ｂが穿設されている。供給孔４ａ、４ｂは、インクカートリッジ（図示せず）から供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２で覆われている。

次に、インクジェットヘッド１の詳細な構造について図２及び図３をさらに参照して説明する。図２は、図１に示すインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。図３は、図１に示すインクジェットヘッドをその幅方向に沿って切断した部分断面図である。なお、図２及び図３において、アクチュエータユニット６上のＦＰＣ５の図示を省略している。

図２及び図３に示すように、インクジェットヘッド１においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号（グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる）によりＦＰＣ５を介して駆動されるアクチュエータユニット６と、インク流路を形成する流路ユニット７とが積層されている。アクチュエータユニット６と流路ユニット７は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。

流路ユニット７は、金属材料からなる薄板状の３枚のプレート（キャビティプレート７ａ、スペーサプレート７ｂ、マニホールドプレート７ｃ）と、インクを噴射するノズル９を備えたポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレート７ｄとが積層されることによって構成されている。最上部のキャビティプレート７ａは、アクチュエータユニット６に接している。

キャビティプレート７ａの表面には、アクチュエータユニット６の動作により選択的に噴射されるインクを収容する複数の圧力室１０が長手方向に沿って２列に形成されている。複数の圧力室１０は、隔壁１０ａによって相互に隔てられ、その長手方向を平行に並べて配列されている。また、スペーサプレート７ｂには、圧力室１０の一端をノズル９に連通させる連通孔１１と、圧力室１０の他端を後述するマニホールド流路１５に連通させる連通孔１２とがそれぞれ形成されている。

また、マニホールドプレート７ｃには、圧力室１０の一端をノズル９に連通させる連通孔１３が形成されている。さらに、マニホールドプレート７ｃには、インクを圧力室１０に供給するマニホールド流路１５が複数の圧力室１０がなす列の下方においてその列方向に長く形成されている。また、マニホールド流路１５の一端は、図１に示した一対の供給孔４ａ、４ｂのいずれか一方を介して図示されないインク供給源に接続されている。このようにして、マニホールド流路１５から連通孔１２、圧力室１０、連通孔１１、連通孔１３を経てノズル９に至るインク流路が形成されている。

アクチュエータユニット６においては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる６枚の圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｆが積層されている。そして、圧電セラミックスプレート６ｂと圧電セラミックスプレート６ｃとの間、及び、圧電セラミックスプレート６ｄと圧電セラミックスプレート６ｅとの間にはそれぞれ共通電極（第２の電極）２１、２３が、流路ユニット７の圧力室１０に対応した範囲内のみに配置されている。なお、共通電極２１、２３は、各圧電セラミックスプレートのほぼ全範囲を覆う広範囲にわたって配置されてもよい。一方、圧電セラミックスプレート６ｃと圧電セラミックスプレート６ｄとの間、及び、圧電セラミックスプレート６ｅと圧電セラミックスプレート６ｆとの間にはそれぞれ個別電極（第１の電極）２２、２４が、流路ユニット７の圧力室１０に対応した範囲内にのみ配置されている。

共通電極２１、２３は常にグランド電位に保持されている。一方、個別電極２２、２４には駆動パルス信号が与えられる。共通電極２１、２３と個別電極２２、２４とによって挟まれた圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅの当該挟まれた領域は予めこれら電極によって電界が印加されることによって積層方向に分極した活性部２５となっている。活性部２５は、平面視で圧力室１０と同じ方向に延びており且つ圧力室１０内に収まる矩形形状を有している（図５参照）。

個別電極２２、２４の電位が正の所定電位になると、圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅの活性部２５は電界が印加されて積層方向に伸びようとする。ところが、圧電セラミックスプレート６ａ、６ｂにはこのような現象が現れないので、アクチュエータユニット６の活性部２５に対応した部分は、全体として圧力室１０側に伸びるように膨らむ。すると圧力室１０の容積が小さくなるので、圧力室１０内に充填されたインクに噴射圧力が付与されてノズル９からインクが噴射される。

図２に示された２つの圧力室１０のうち左側は、このように正の所定電位が与えられて圧力室１０側に伸びたアクチュエータユニット６によって圧力室１０の容積が縮小することで、当該圧力室１０に連通したノズル９からインクが噴射されようとする様子を描いたものである。また、右側は、駆動パルス信号が共通電極２１、２３の電位と同じくグランド電位に保持されているために、圧力室１０に連通したノズル９からインクが噴射されない様子を描いたものである。

なお、常態において、全圧力室１０に対応する個別電極２２、２４に電界を印加して、全圧力室１０を図２の左側のように縮小しておいて、インクを噴射しようとする圧力室１０に対応する個別電極２２、２４のみ電界を解除して図２の右側のように圧力室１０を拡大し、その後再びその個別電極２２、２４に電界を印加して圧力室１０内のインクに圧力を付与する（いわゆる引き打ち）ことによって、インクを噴射することもできる。

このように、本実施の形態において、アクチュエータユニット６には圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｆの面方向に対して実質的に垂直な方向（圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｆの積層方向）に変形可能な複数の活性部２５が形成されている。それと共に、アクチュエータユニット６の面方向に隣接する活性部２５間は、多数のマイクロクラック（微細な亀裂）が形成されたマイクロクラック領域３０となっている。この点について、さらに図４及び図５を参照して説明する。図４は、隣接する活性部２５間における図２の拡大図である。図５は、圧力室と活性部とマイクロクラック領域との平面的位置関係を表した模式図である。

図２及び図４から分かるように、マイクロクラック領域３０は、圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｆの積層方向について、６枚の圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｆのうち、３枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅだけに形成されている。また、図５から分かるように、マイクロクラック領域３０は、圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｆの面方向について、隣接した活性部２５同士を互いに完全に隔絶するように、圧力室１０の配列状態と同じく２列に並んだ梯子状に形成されている。

マイクロクラック領域３０は、３枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅのうち、以下に説明する第１のマイクロクラック形成電極（第３の電極）２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極（第４の電極）２７、２９とが互いに重なり合った領域だけに形成されている。これは、後で説明するように、第１のマイクロクラック形成電極２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極２７、２９との間に比較的大きな電界を印加することで圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅが局所破壊されてマイクロクラックが形成されるからである。アクチュエータユニット６は、マイクロクラック領域３０の下方において流路ユニット７の隔壁１０ａに固定されている。

第１のマイクロクラック形成電極２６、２８は、隣接する活性部２５間であって、圧電セラミックスプレート６ｂと圧電セラミックスプレート６ｃとの間、及び、圧電セラミックスプレート６ｄと圧電セラミックスプレート６ｅとの間にそれぞれが配置されている。一方、第２のマイクロクラック形成電極２７、２９は、隣接する活性部２５間であって、圧電セラミックスプレート６ｃと圧電セラミックスプレート６ｄとの間、及び、圧電セラミックスプレート６ｅと圧電セラミックスプレート６ｆとの間にそれぞれ配置されている。

第１のマイクロクラック形成電極２６、２８は、共通の端子３１に接続されている。第２のマイクロクラック形成電極２７、２９は、共通の端子３２に接続されている。端子３１、３２は、ＦＰＣ５側の端子とそれぞれ接続されている。後述するように、インクジェットヘッド１の製造過程において、端子３１はグランド電位に固定され且つ端子３２には比較的大きな正の電位が一時的に付与される。

このように、本実施の形態による液体圧力発生機構であるアクチュエータユニット６によると、隣接する２つの活性部２５の間において圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅにマイクロクラック領域３０が設けられているので、インク噴射時に隣接する活性部２５への変位の伝播が一部遮断されて隣接する活性部２５同士のクロストークを低減することができる。したがって、高い印刷品質での印刷が可能となる。

特に、本実施の形態の場合、図５に示すように、マイクロクラック領域３０が隣接した活性部２５同士を面方向について互いに完全に隔絶しているので、大幅なクロストークの低減効果が期待できる。ただし、図５に示すように活性部２５同士をマイクロクラック領域３０で完全に隔絶するようにすると共通電極２１、２３の配線を共通にすることができなくなって配線構造が複雑になってしまうという問題が生じる。そこで、一変形例として、マイクロクラック領域３０が隣接する活性部２５の間のどこか一部分で分断されるようにし、そこに共通電極２１、２３を通して隣接する活性部２５に係る共通電極２１、２３と接続するようにすればクロストーク低減効果はやや低下するものの配線構造が複雑になることがなくなる。また、別の変形例として、図５と同様の模式図である図６に示すように、それぞれが矩形形状を有する多数のマイクロクラック領域３０ａがアクチュエータユニット６の長手方向に隣接する活性部２５の間にそれぞれ設けられてもよい。図６のようにマイクロクラック領域３０ａを設けた場合でも、図５の場合よりは劣るものの優れたクロストーク低減効果が得られる。

また、後で説明する製造方法からも明らかなように、マイクロクラック領域３０は圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅの積層方向に延在した溝を形成する場合のようにダイヤモンドカッタを用いなくても形成可能であるので、容易且つ短時間に製造することができる。

さらに、本実施の形態によるアクチュエータユニット６によると、クロストークが低減されるために圧電セラミックスプレートを従来よりも数多く積層することが可能となり、これにより圧電セラミックスプレート１枚あたりの変位量が少なくても全体として大きな変位量を得ることができるようになって個別電極２２、２４の低電圧駆動が可能となる。そのため、個別電極２２、２４の駆動パルス信号を発生する回路部品のコストダウンが可能となる。

しかも、本実施の形態によるアクチュエータユニット６によると、後で説明する製造方法からも明らかなように、第１のマイクロクラック形成電極２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極２７、２９との電位を異なるものとすることでこれら２つの電極の間に電界を印加することができるので、極めて容易に圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅにマイクロクラックを形成可能である。

さらに、本実施の形態によるアクチュエータユニット６においては積層された複数の圧電セラミックスプレート６ｂ〜６ｆの間に共通電極２１、２３と個別電極２２、２４とが積層方向に交互に配置されていると共に圧電セラミックスプレート６ｂ〜６ｆの間に第１のマイクロクラック形成電極２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極２７、２９とが積層方向に交互に配置されているので、圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅのそれぞれが第１のマイクロクラック形成電極２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極２７、２９とによって挟まれることになる。そのため、後で説明する製造方法からも明らかなように、電極間距離が比較的小さくなって、マイクロクラック形成の際に第２のマイクロクラック形成電極２７、２９に非常に大きな電位を与える必要がなくなる。また、３枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅにマイクロクラック領域３０を形成することができるので、１枚の圧電セラミックスプレートだけにマイクロクラックを形成する場合と比較して活性部２５間のクロストークを効果的に低減することができる。

また、本実施の形態によるインクジェットヘッド１は、アクチュエータユニット６がマイクロクラック領域３０の下方において流路ユニット７の隔壁１０ａに固定されたものである。そのため、活性部２５の変形を圧力室１０の容積変化として有効に使用できるので、良好なエネルギー効率が得られるという利点がある。

次に、本実施の形態によるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッド１の製造方法についてその工程図である図７を参照しつつ説明する。図１〜図５で説明したようなインクジェットヘッド１を製造するには、流路ユニット７及びアクチュエータユニット６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。

流路ユニット７を作製するには、図２に描かれた４枚のプレート７ａ〜７ｄをそれぞれ独立して作製した後に、これらが位置合わせされて積層された状態で接着剤を用いてこれらを互いに接着する。なお、プレート７ａ〜７ｃに圧力室１０や連通孔１１などを形成するのにはエッチング加工が用いられ、プレート７ｄにノズル９を形成するのにはレーザ加工が用いられる（ステップＳ１）。

一方、アクチュエータユニット６を作製するには、まず、個別電極２２、２４及び第２のマイクロクラック形成電極２７、２９が導電性ペーストでそれぞれスクリーン印刷された圧電セラミックスのグリーンシート２枚と、共通電極２１、２３及び第１のマイクロクラック形成電極２６、２８が導電性ペーストでそれぞれスクリーン印刷された圧電セラミックスのグリーンシート２枚とを交互に積層し、さらにその上に、何も印刷されていない圧電セラミックスのグリーンシート１枚と、表面電極３が導電性ペーストでスクリーン印刷された圧電セラミックスのグリーンシート１枚とを順次積層する（ステップＳ２）。これによって、アクチュエータユニット６となる電極複合体が得られる。

そして、ステップＳ２で得られた電極複合体を公知のセラミックスと同様に脱脂し、所定の温度で焼成する（ステップＳ３）。これにより、上述したようなアクチュエータユニット６を比較的容易に作製することができる。なお、アクチュエータユニット６は、予め焼成による収縮量を見込んで設計される。

しかる後、流路ユニット７とアクチュエータユニット６とが、活性部２５の位置と圧力室１０の位置とを合わせて、熱硬化性接着剤を用いて貼り合わされると共に、アクチュエータユニット６と別途用意されたＦＰＣ５とが表面電極３とこれに対応するＦＰＣ５上の電極とがそれぞれ重なるように半田を用いて貼り合わされる（ステップＳ４）。なお、このＦＰＣ５の貼り合わせは、後述するステップＳ５の後で行ってもよい。この場合、マイクロクラック形成電極２６〜２９への電界の印加はＦＰＣ５とは別の手段で行われる。

その後、第１のマイクロクラック形成電極２６、２８の電位をグランド電位に保持した状態においてＦＰＣ５から第２のマイクロクラック形成電極２７、２９に高電位を与えることで、第１のマイクロクラック形成電極２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極２７、２９とによって挟まれた部分の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅにその絶縁破壊限界を超える高い電界（例えば、インク噴射動作時に印加される電界の８〜３０倍である６．４ｋＶ／ｍｍ〜２４ｋＶ／ｍｍ程度以上）を印加する。これによって、当該部分は局所的な絶縁破壊により多数のマイクロクラックが形成されたマイクロクラック領域３０となる（ステップＳ５）。

そして、共通電極２１、２３の電位をグランド電位に保持した状態においてＦＰＣ５から個別電極２２、２４に高電位（ステップＳ５で第２のマイクロクラック形成電極２７、２９に与えられるよりも低い電位）を与えることで、共通電極２１、２３と個別電極２２、２４とによって挟まれた部分の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅにその絶縁破壊限界を超えない高い電界（例えば、インク噴射動作時に印加される電界の２〜８倍である１．６ｋＶ／ｍｍ〜６．４ｋＶ／ｍｍ程度）を印加する。これによって、当該部分は分極されて、インク噴射動作時に圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅの面方向に対して実質的に垂直な方向に変形可能な活性部２５となる（ステップＳ６）。以上の工程を経ることによって、インクジェットヘッド１が完成する。

上述した製造方法には、第１のマイクロクラック形成電極２６、２８と第２のマイクロクラック形成電極２７、２９との間の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅに高い電界を印加することで極めて短時間にマイクロクラックを形成可能であるという利点がある。また、高い位置精度でマイクロクラックを形成することができるという利点もある。さらに、加工後に洗浄工程が不要であるので、上述したように機械加工で活性部２５間に溝を作る場合に比較して、容易且つ短時間にクロストークが低減されたアクチュエータユニット６を作製可能である。

なお、ここではアクチュエータユニット６と流路ユニット７とを貼り合わせてから活性部２５及びマイクロクラック領域３０を形成したが、活性部２５及びマイクロクラック領域３０を形成してからアクチュエータユニット６と流路ユニット７とを貼り合わせてもよい。また、ステップＳ５のマイクロクラック形成工程とステップＳ６の活性部形成工程とは順序を入れ替えて行っても何ら支障はない。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドについて図８を参照して説明する。図８は、図２と同様にインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。なお、本実施の形態において第１の実施の形態と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図８に示すインクジェットヘッド４１では、アクチュエータユニット４６に含まれる圧電セラミックスプレート６ｃ上の共通電極４３（グランド電位に保持されている）は、面方向に隣接する一方の活性部２５との中間付近にまで延在している。面方向に隣接する２つの活性部２５の間には、１枚の第１のマイクロクラック形成電極（第３の電極）４２が圧電セラミックスプレート６ｆの下側に配置されているだけで、上述した第１の実施の形態のようにこれと対になる第２のマイクロクラック形成電極は設けられていない。そして、共通電極４３の図８中右側への延在部分と第１のマイクロクラック形成電極４２とによって挟まれた４枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｆの当該挟まれた領域だけがマイクロクラック領域４４となっている。第１のマイクロクラック形成電極４２は端子４７に接続されている。インクジェットヘッド４１は、ここで説明した以外は、第１の実施の形態で説明したインクジェットヘッド１と同様に構成されている。

図８に示したインクジェットヘッド４１の製造手順は図７で説明したのと概ね同様である。ただし、本実施の形態の場合、ステップＳ５において端子４７を介して第１のマイクロクラック形成電極４２に高電位が与えられる。すると、第１のマイクロクラック形成電極４２と共通電極４３との間に高電界が印加され、両者に挟まれた部分がマイクロクラック領域４４となる。

本実施の形態による液体圧力発生機構であるアクチュエータユニット４６によると、第１の実施の形態と同様に、隣接する２つの活性部２５の間において４枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｆにマイクロクラック領域４４が設けられているので、インク噴射時に隣接する活性部２５への変位の伝播が一部遮断されて隣接する活性部２５同士のクロストークを低減することができる。したがって、高い印刷品質での印刷が可能となる。そのほか、第１の実施の形態で得られたのと同様の効果が得られる。

ただし、本実施の形態によるアクチュエータユニット４６においてはマイクロクラック領域４４が形成された圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｆ間にそれぞれマイクロクラック形成電極が配置されておらず、これら４枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｆ群の両側だけにこれらプレート群を挟み込む電極４２、４３が配置されているだけである。そのため、電極間距離が大きくなるので、第１のマイクロクラック形成電極４２に与える電位を第１の実施の形態において第２のマイクロクラック形成電極２７、２９に与えられる電位の数倍程度の非常に高いものとする必要がある。

また、本実施の形態によると、第１のマイクロクラック形成電極４２と対になる第２のマイクロクラック形成電極を設ける必要がないために、アクチュエータユニット４６内部の配線構造が簡略化できる。したがって、アクチュエータユニット４６の製造が容易となる。

さらに、本実施の形態の場合、第１のマイクロクラック形成電極４２が１枚だけ設けられており、これに対応して２枚の共通電極２３、４３のうち１枚だけが隣接する活性部２５との中間付近にまで延在していることで、４枚の圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｆが第１のマイクロクラック形成電極４２と共通電極４３とによって挟まれることになる。つまり、マイクロクラック領域４４が第１の実施の形態よりも多くの枚数の圧電セラミックスプレートに跨って形成されているために、より優れたクロストーク低減効果が得られる。しかも、第１のマイクロクラック形成電極が２枚設けられ且つ２枚の共通電極が隣接する一方の活性部２５との中間付近にまで延在している場合と比較して構造が簡略化されるため、構造が簡単で歩留まりが向上するという利益が得られる。

なお、本実施の形態では共通電極４３を隣接する活性部２５との中間付近にまで延在させているが、その代わりとして個別電極を隣接する活性部２５との中間付近にまで延在させてもよい。その場合、マイクロクラック領域４４を形成する際に、当該延在させた個別電極に高電位が与えられ且つ第１のマイクロクラック形成電極４２はグランド電位に保持される。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含む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。図９は、図２と同様にインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。なお、本実施の形態において第１の実施の形態と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図９に示すインクジェットヘッド５１において、アクチュエータユニット５６内の隣接する活性部２５間に、上述した第１及び第２の実施の形態とは異なり、マイクロクラック形成電極は配置されていない。それにも拘わらず、面方向に隣接する活性部２５間の５枚の圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｅにはマイクロクラック領域５４が形成されている。これは、上述した第１及び第２の実施の形態とは異なる方法でマイクロクラック領域５４が形成されていることを意味する。インクジェットヘッド５１は、ここで説明した以外は、第１の実施の形態で説明したインクジェットヘッド１と同様に構成されている。

本実施の形態による液体圧力発生機構であるアクチュエータユニット５６によると、第１及び第２の実施の形態と同様に、隣接する２つの活性部２５の間において５枚の圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｅにマイクロクラック領域４４が設けられているので、インク噴射時に隣接する活性部２５への変位の伝播がかなり遮断されて隣接する活性部２５同士のクロストークを大幅に低減することができる。したがって、高い印刷品質での印刷が可能となる。そのほか、第１の実施の形態で得られたのと同様の効果が得られる。

次に、図９に示したインクジェットヘッド５１の製造方法について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

まず、図７のステップＳ２で第１及び第２のマイクロクラック形成電極となる導電性ペーストをグリーンシート上に印刷せず、共通電極２１、２３及び個別電極２２、２４となる導電性ペーストをグリーンシート上に印刷する。

その後、ステップＳ３のグリーンシートの焼成工程後にできたアクチュエータユニット５６と、ステップＳ１で作製された流路ユニット７とをステップＳ４で貼り合わせる。これにより、マイクロクラック領域５４及び活性部２５が形成されていない以外は図９に示すインクジェットヘッド５１と同様に構成された、図１０に示すインクジェットヘッド５１になるべき構造物５８が得られる。

その後、ステップＳ５で、図１１に示すように、圧電セラミックスプレート６ａの表面の面方向に隣接する活性部２５間にレーザビーム５９を照射する。このとき、レーザビーム５９のレーザ源としては例えばＹＡＧレーザのように被照射物に熱を加えることができるものが用いられ、そのレーザ照射条件は、例えば、ノーマルパルスＹＡＧレーザ（１．０６μｍ）、照射エネルギー１〜１０Ｊ、パルス幅０．２〜２ｍｓである。このレーザ照射によって、面方向に隣接する活性部２５間の圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｄにはマイクロクラック領域５４が形成される。

その後、アクチュエータユニット５６上にＦＰＣ５を貼り合わせ、ステップＳ６でＦＰＣ５を介して個別電極２２、２４に高電位を与えることで、圧電セラミックスプレート６ｃ〜６ｅに活性部２５を形成する。このような工程を経ることで、図９に示したようなインクジェットヘッド５１を製造することができる。

なお、本実施の形態の製造方法において、ステップＳ５でレーザビーム５９を照射する代わりとして、図１２に示すように、圧電セラミックスプレート６ａの表面の面方向に隣接する活性部２５間を圧子６０で押圧してもよい。このとき、圧子６０としては例えば先端に人造ダイヤモンドが配置されたものが用いられ、その押圧条件は、例えば、マイクロビッカース圧子において荷重５０〜５００ｇｆである。このように圧子６０での押圧によっても、面方向に隣接する活性部２５間の圧電セラミックスプレート６ａ〜６ｄにマイクロクラック領域５４を形成することができる。

本実施の形態による製造方法によると、高い位置精度でマイクロクラックを形成することができる。さらに、加工後に洗浄工程が不要であるので、上述したように機械加工で活性部２５間に溝を作る場合に比較して、容易且つ短時間にクロストークが低減されたアクチュエータユニット５６を作製可能である。

なお、上述した第１及び第２の実施の形態のように高電界を印加することで形成されたマイクロクラックと、レーザビーム５９を照射することで形成されたマイクロクラックと、圧子６０で押圧することで形成されたマイクロクラックとは、その構造（クラックの長さやクラック間の間隙、クラック密度など）が異なるが、いずれの方法によって形成されたマイクロクラックも十分なクロストーク低減効果を発揮することが本発明者によって確認されている。

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、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。例えば、上述した実施の形態以外の方法で隣接する活性部間にマイクロクラック領域が形成されてもよい。また、マイクロクラック領域は必ずしも隣接する活性部間を遮断するように連続的に形成されている必要はなく、不連続的に形成されていてもよい。

また、上述した実施の形態では複数枚の圧電セラミックスプレートに跨ってマイクロクラック領域が形成されているが、マイクロクラック領域は１枚の圧電セラミックスプレートにだけ形成されていてもよい。同様に、活性部も１枚の圧電セラミックスプレートにだけ形成されていてよい。また、アクチュエータユニット内における圧電セラミックスプレートの積層数は複数枚に限らず、１枚だけであってもよい。

また、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された液滴噴射装置において、噴射媒体として導電ペーストを用いることにより、極めて微細な電気回路パターンを印刷したり、或いは、噴射媒体として有機発光体を用いることにより有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＯＥＬＤ）などの高精細ディスプレイデバイスを作成したりすることもできる。そのほか、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された液滴噴射装置は、微小なドットを被印刷媒体上に形成する用途であれば、極めて広範に用いることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドの分解斜視図である。図１に示すインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。図１に示すインクジェットヘッドをその幅方向に沿って切断した部分断面図である。隣接する活性部間における図２の拡大図である。圧力室と活性部とマイクロクラック領域との平面的位置関係を表した模式図である。図５の変形例を示す模式図である。図１に示すインクジェットヘッドの製造方法を示す工程図である。本発明の第２の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。本発明の第３の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。図９に示すインクジェットヘッドの一製造工程を描いた断面図である。図９に示すインクジェットヘッドの一製造工程を描いた断面図である。図１１に示したものの変形例として、図９に示すインクジェットヘッドの一製造工程を描いた断面図である。従来のインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。

１インクジェットヘッド（流体圧力発生機構）
５ＦＰＣ
６アクチュエータユニット
６ａ〜６ｆ圧電セラミックスプレート
７流路ユニット
９ノズル
１０圧力室（液体収容室）
１０ａ隔壁
２１、２３共通電極（第２の電極）
２２、２４個別電極（第１の電極）
２５活性部
２６、２８第１のマイクロクラック形成電極（第３の電極）
２７、２９第２のマイクロクラック形成電極（第４の電極）
３０マイクロクラック領域

Claims

圧電材料からなる板状体と、
前記板状体の面方向の複数領域に配置された個別電極と、
前記板状体を挟んで前記個別電極と対向するように前記板状体に配置された共通電極と、
前記個別電極と前記共通電極とに挟まれてなり且つ前記板状体の面方向に対して実質的に垂直な方向に変形可能な複数の活性部が前記板状体の面方向に間隔をおいて形成されていると共に、隣接する２つの前記活性部の間において前記板状体に配置されたマイクロクラック形成電極と、
前記個別電極と、前記共通電極と、前記マイクロクラック形成電極に接続され、これらの電極にそれぞれ異なる電位を付与する電位付与手段と、を備えており、
前記共通電極が前記板状体を挟んで前記マイクロクラック形成電極と対向するように前記隣接する２つの前記活性部の間にまで延在しており、
前記電位付与手段は、前記個別電極に前記個別電極と前記共通電極に挟まれた前記活性部を変形させるための所定の電位と、前記マイクロクラック形成電極に前記マイクロクラック形成電極と前記隣接する２つの活性部の間にまで延在した前記共通電極とに挟まれた領域にマイクロクラックを形成させるための前記所定の電位よりも高い電位を付与するものであり、
前記マイクロクラック形成電極と前記隣接する２つの活性部の間にまで延在した前記共通電極とに挟まれた領域にマイクロクラックが形成されていることを特徴とする液体圧力発生機構。
複数の前記板状体が積層されており、隣接する前記板状体の間に複数の前記個別電極と複数の前記共通電極とが積層方向に交互に配置されており、隣接する２つの前記活性部の間においていずれかの前記板状体に前記マイクロクラック形成電極が配置されていると共に、前記共通電極が前記板状体を挟んで前記マイクロクラック形成電極と対向するように前記隣接する２つの前記活性部の間にまで延在しており、前記マイクロクラック形成電極と前記延在した共通電極とに挟まれた領域にマイクロクラックが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体圧力発生機構。
複数の前記共通電極のうち、前記積層方向において前記マイクロクラック形成電極と最も離れて位置する前記共通電極が前記隣接する２つの前記活性部の間にまで延在することを特徴とする請求項２に記載の液体圧力発生機構。
請求項１〜３のいずれかに記載の液体圧力発生機構と、複数の前記活性部に対応した複数の液体収容室と、前記液体収容室を隔てる隔壁とを備えた液滴噴射装置において、前記板状体は前記マイクロクラックが形成された部分において前記隔壁に固定されていることを特徴とする液滴噴射装置。