JP4622362B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに関する。

圧電素子を用いたインクジェット記録用ノズルヘッド（インクジェットヘッド）として、特許文献１には、圧電振動子（圧電アクチュエータ）が基板を介してポンプ室（圧力室）と対向しているものが記載されている。圧電アクチュエータは、圧電シートが２枚の電極によって挟まれた構造を有している。このようなインクジェットヘッドではインクが圧電アクチュエータに触れないので、圧電シートを挟む２枚の電極間がショートするという現象が生じることがない。これは、帯電したインクが圧電シートを攻撃して圧電シート内にインクが浸透する、という現象が起こらないからであると推定される。

特公昭５８−５７８５号公報（第６図）

しかしながら、圧力室と圧電アクチュエータとの間に基板が介在していると、基板によって圧電アクチュエータの変形が阻害されるため、基板が介在していない場合に比べて圧力室の容積変化量が小さくなる。その結果、ノズルから十分な量のインクを吐出させることができなくなってしまう。他方、圧力室と圧電アクチュエータとの間に基板を介在させない場合、インクが圧電アクチュエータに触れるので、圧電シートを挟む２枚の電極間がショートするおそれがある。

本発明の目的は、ノズルからのインク吐出量を増加させることができ、しかも電極間ショートなどの圧電アクチュエータの故障が生じにくいインクジェットヘッドを提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のインクジェットヘッドは、ノズルに連通した複数の圧力室が平面に沿って形成された流路ユニットと、前記流路ユニットの前記平面に固定され、前記圧力室の容積を変化させる圧電アクチュエータとを備えている。そして、前記圧電アクチュエータが、前記複数の圧力室に跨って延在した圧電シートと、各前記圧力室に対応して配置され、前記圧電シート上の各圧力室に対向する位置に配置された複数の個別電極と、前記複数の個別電極とともに前記圧電シートを挟む共通電極とを有している。さらに、前記圧電アクチュエータと前記圧力室との間には、前記個別電極と対向する第１領域、及び、前記個別電極と対向しない第２領域からなり、前記圧力室内のインクが前記圧電シートに浸透して個別電極に達してしまうのを防止するための壁体が配置されている。そして、前記第２領域は、前記平面と反対側の面に前記圧力室の一部となる空間が形成されていることによって、前記平面と直交する方向に関する厚さが前記第１の領域におけるよりも薄い薄肉部となっている。

本発明によると、個別電極に対向する第１の領域が圧電アクチュエータと圧力室との間に配置された壁体に設けられているために、圧電アクチュエータにおいて圧力室に面する面の個別電極に対向する領域にインクが直接触れることがない。したがって、帯電したインクの圧電アクチュエータへの接触に起因した電極間ショートなどの圧電アクチュエータの故障が生じにくくなる。また、壁体において個別電極に対向していない第２の領域には第１の領域よりも厚さが薄い薄肉部が形成されているため、かかる薄肉部が形成されていない場合に比べて、壁体による圧電アクチュエータの変形阻害が抑制される。したがって、薄肉部が形成されていない場合に比べて圧力室の容積変化量が大きくなり、ノズルからのインク吐出量を増加させることができる。

本発明において、前記流路ユニットは、前記平面とは反対側の面に前記圧力室の少なくとも一部を構成する第１凹部が形成されたキャビティプレートを含む複数のプレートを有する積層構造体であり、前記キャビティプレートの前記第１凹部と前記圧電アクチュエータとの間に位置する部分が、前記壁体となっていてよい。これによると、薄肉部を容易に形成することが可能となる。

このとき、前記圧力室が細長形状を有しており、前記薄肉部が前記第１凹部の長手方向に沿って設けられていてよい。これによると、壁体による圧電アクチュエータの変形阻害がさらに抑制されるため、ノズルからのインク吐出量をより増加させることができる。

前記薄肉部は、前記第１凹部の長手方向に沿って実質的にその全長にわたって設けられていることが好ましい。これによると、壁体による圧電アクチュエータの変形阻害がより一層抑制されるため、ノズルからのインク吐出量をさらに増加させることができる。

また、前記薄肉部は、前記第１凹部の長手方向に沿って複数設けられていてもよい。これによると、壁体が自重によって下垂しにくくなるので、圧力室の容積を設計値どおりに確保することができる。

さらに、前記流路ユニットにおいて、前記キャビティプレートに隣接したプレートの前記キャビティプレートに接する面に、前記キャビティプレートに形成された前記第１凹部とともに前記圧力室を構成する第２凹部が形成されていることが好ましい。これによると、十分なキャビティプレートの厚さを確保できないために第１凹部だけでは圧力室として十分な容積を確保できない場合であっても、キャビティプレートに隣接したプレートに第２凹部を形成することで、必要な圧力室容積を確保することができる。

本発明において、前記空間が、前記キャビティプレートを貫通する孔によって形成されていてもよい。これによると、壁体による圧電アクチュエータの変形阻害がより一層抑制されるため、ノズルからのインク吐出量をさらに増加させることができる。

この場合、前記薄肉部が、前記第１の領域から離隔していることが好ましい。これによると、圧電アクチュエータの表面において個別電極に対向した部分にインクが直接触れるのを確実に防ぐことができる。したがって、圧電アクチュエータの故障がさらに生じにくくなる。

本発明において、前記薄肉部が、前記第１凹部を挟んで、それぞれ前記圧力室の両縁部に沿って形成されていることが好ましい。これによると、壁体が圧電アクチュエータと圧力室との間にあっても、圧力室に対して圧電アクチュエータがバランス良く変形するので、効率の良いインク吐出が可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態に係るインクジェットヘッドについて説明する。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構成を図１〜５に基づいて説明する。図１は、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、インクジェットヘッド１は、流路ユニット１０と、流路ユニット１０の表面に接着剤を介して接着されたアクチュエータユニット２０とを有している。さらに、アクチュエータユニット２０の上面には、ドライバＩＣ（図示せず）との電気的接続のためのフレキシブルフラットケーブル（ＦＰＣ）４０が接合される。

流路ユニットの分解斜視図である図２及びその部分拡大図である図３に示すように、流路ユニット１０は、下から、ノズルプレート１１、ダンパプレート１２、２枚のマニホールドプレート１３Ｘ、１３Ｙ、ベースプレート１４、キャビティプレート１５の６枚の薄い金属板が、互いに重ねられた状態で接着された積層構造を有している。

ノズルプレート１１には、インクを吐出するためのノズル孔３５が、所定の間隔をおいて多数形成されている。このノズル孔３５は、ノズルプレート１１における長手方向に沿って千鳥状の２列に配列されている。

キャビティプレート１５においてベースプレート１４に接する面には、複数の凹部５１が形成されている。凹部５１の長手方向は、キャビティプレート１５の長手方向に対して直交している。複数の凹部５１は、キャビティプレート１５の長手方向に沿って千鳥状の２列に配列されている。図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である図４に示すように、凹部５１の底面５１ａとアクチュエータユニット２０との間には、キャビティプレート１５の一部である壁体１６が配置されている。後述するように、壁体１６には、キャビティプレート１５をその厚み方向に貫く４つの長孔５２（図６（ａ）及び図６（ｂ）参照、本明細書において薄肉部の一種であるとする）が形成されている。凹部５１の下方の開口がベースプレート１４に塞がれ且つ長孔５２の上方の開口がアクチュエータユニット２０に塞がれることによって、所望容積を有する圧力室３６が画定されている。複数の圧力室３６は、流路ユニット１０においてアクチュエータユニット２０が接着される平面１０ａに沿って形成されている。各圧力室３６は、平面視において両端がＲ形状に丸められたほぼ矩形形状を有している。４つの長孔５２を含めた壁体１６は、圧力室３６と同じ平面サイズを有している。

キャビティプレート１５のベースプレート１４に接する面には、それぞれ対応する圧力室３６と接続される溝状の絞り部３６ｄと、この絞り部３６ｄと接続されるインク供給孔３６ｂとが形成されている。キャビティプレート１５の幅方向中央側にある各圧力室３６の端部３６ａは、ベースプレート１４、２枚のマニホールドプレート１３Ｘ、１３Ｙ、ダンパプレート１２に夫々千鳥状配列で形成された貫通孔３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄを介してノズル孔３５に連通している。

２枚のマニホールドプレートのうちベースプレート１４に近い側のマニホールドプレート１３Ｘには、２つのインク室半部１３ａが貫通状に形成されている。そして、このインク室半部１３ａの側壁には、前述のインク供給孔３６ｂに接続される流路を構成する接続溝４５が形成されている。一方、ノズルプレート１１側のマニホールドプレート１３Ｙには、二つのインク室半部１３ｂが、他側のマニホールドプレート１３Ｘに向けてのみ開放するように凹設されている。そして、図４に示すように、２枚のマニホールドプレート１３Ｘ、１３Ｙとベースプレート１４の３枚のプレートが積層された状態では、インク室半部１３ａとインク室半部１３ｂとが重ね合わされることによって２つの共通インク室７が形成されている。さらに、ダンパプレート１２とノズルプレート１１を加えることにより、貫通孔３７ａからノズル孔３５に到る流路の列を挟んで、両側に１つずつの共通インク室７が流路ユニット１０内に延在するように配置されている。

ダンパプレート１２には、ダンパ溝１２ｃが凹設されており、このダンパ溝１２ｃはマニホールドプレート１３Ｙ側に向けてのみ開放するように形成され、その平面視での位置および平面サイズは共通インク室７と一致している。図２に示すように、キャビティプレート１５には２つのインク供給孔３９ａが長手方向端部に形成されている。同様に、ベースプレート１４にもインク供給孔３９ｂが形成されている。これらインク供給孔３９ａ、３９ｂは、２つの共通インク室７に対応して設けられている。これらインク供給孔３９ａ，３９ｂが共通インク室７に連通することで、外部のインク供給源から流路ユニット１０内にインクを供給する流路が形成される。さらに、ベースプレート１４における左右両側部位には夫々インク供給孔３８が列状に形成されている。このインク供給孔３８は、共通インク室７と個別の圧力室３６とを連通している。

そして、流路ユニット１０には、共通インク室７から、接続溝４５、インク供給孔３８、絞り部３６ｄ、圧力室３６を経て、各ノズル孔３５に至る個別インク流路（チャンネル）が形成されている。なお、本実施の形態のインクジェットヘッドにおける個別インク流路の数は、Ｃｈ０〜Ｃｈ７４までの７５である。そして、各個別インク流路において、アクチュエータユニット２０によって選択的に圧力室３６内のインクに吐出エネルギーが与えられ、貫通孔３７ａ〜３７ｄを介してノズル孔３５からインクが吐出される。

次に、アクチュエータユニット２０について説明する。図４及びアクチュエータユニット２０の分解斜視図である図５に示すように、アクチュエータユニット２０は、６枚の圧電シート２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃと３枚の絶縁シート２３ａ、２３ｂ、２３ｃとを積層した構造を有している。圧電シート２２ａ、２２ｂ、２２ｃの上面には、圧力室３６よりも幅が細い複数の個別電極２４が設けられている。個別電極２４は、平面視で幅方向に関して圧力室３６内に含まれるように形成されている。各個別電極２４の一端２４ａは、図５に示すように、アクチュエータユニット２０の側面にまで達している。

圧電シート２１ａ、２１ｂ、２１ｃの上面には、複数の圧力室３６に跨って延在した共通電極２５が設けられている。共通電極２５の一端２５ａも、個別電極２４と同様に、アクチュエータユニット２０の側面にまで達している。共通電極２５は常に接地電位に保持されている。そして、圧電シート２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃにおいて個別電極２４と共通電極２５とに挟まれた領域が活性部（圧力発生部）として働く。両電極２４，２５間に電圧が印加されることで活性部が変形して、圧力室３６内のインクに圧力が印加される。最上段の絶縁シート２３ｃの上面には、個別電極２４の各々に対応する表面電極２６と、共通電極２５に対応する表面電極２７とが、絶縁シート２３ｃの長辺に沿って設けられている。

アクチュエータユニット２０の長手方向に沿った両側壁には、共にアクチュエータユニット２０の厚さ方向に延在した第１の凹み溝３０及び第２の凹み溝３１が形成されている。第１の凹み溝３０は、各個別電極２４の一端２４ａに対応するように各側壁に多数形成されている。第２の凹み溝３１は、共通電極２５の一端２５ａに対応するように形成され、第１の凹み溝３０がなす列の両端部にそれぞれ１つずつ配置されている。第１の凹み溝３０及び第２の凹み溝３１内には、側面電極が形成されている。第１の凹み溝３０の側面電極は、対応する個別電極２４の一端２４ａ及び表面電極２６と接触することによって個別電極２４及び表面電極２６と電気的に接続されている。第２の凹み溝３１の側面電極は、対応する共通電極２５の一端２５ａ及び表面電極２７と接触することによって共通電極２５及び表面電極２７と電気的に接続されている。なお、アクチュエータユニット２０内には、特別の用途がない捨てパターンの電極２８、２９が形成されている。これにより、アクチュエータユニット２０の全体的な平坦度が確保されている。

図４からも明らかなように、アクチュエータユニット２０は、流路ユニット１０の各圧力室３６とアクチュエータユニット２０の各個別電極２４とが対向するように、流路ユニット１０の表面１０ａに接着されている。また、アクチュエータユニット２０の上面において、ＦＰＣ４０と表面電極２６、２７とが電気的に接合されている。そして、各圧力室３６に対応する表面電極２６及び各個別電極２４と、表面電極２７及び共通電極２５と、各圧電シート２１ａ〜２３ｃのうち個別電極２４に対向する部分とによって、対応するノズル孔３５からインク滴を吐出させる１つの圧電アクチュエータが構成されている。

個別電極２４と共通電極２５との間に電圧が印加されると、圧電シート２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃのうち正電位とされた個別電極２４に対向する部分に圧電作用によって積層方向の歪みが発生し、その部分が圧力室３６に向かって膨らんだ凸形状となる。その結果、圧力室３６の容積が減少する。そして、この初期状態から一旦個別電極２４を接地電位に戻し、その後個別電極２４を再度正電位としたときに、ノズル孔３５からインクが吐出される。

次に、圧力室３６付近における流路ユニット１０の構造の詳細について、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、インクジェットヘッド１の部分拡大平面図であって、同じ方向に並べられた６つの圧力室３６が描かれている。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線断面図である。上述したように、壁体１６は、平面視で圧力室３６と同じ平面サイズと形状を有している。したがって、壁体１６は、個別電極２４に対向する領域（図６（ａ）中で最も下に描かれた圧力室３６において斜線が引かれた領域）１６ａと、個別電極２４に対向しない領域１６ｂとに分けられる。領域１６ａは、個別電極２４において圧力室３６に対向する部分と同じ平面サイズと形状を有している。領域１６ｂは、平面視で圧力室３６から個別電極２４を除いたほぼＵ字状の平面形状を有している。

そして、壁体１６には、その幅方向端部に沿ってそれぞれ２つ、合計４つの長孔５２が形成されている。長孔５２は、キャビティプレート１５を、平面１０ａに垂直な方向、つまりその厚み方向に貫いている。長孔５２は、個別電極２４に対向していない。つまり、長孔５２は、領域１６ｂ内に形成されている。各長孔５２の長さは、壁体１６の長さの１／２よりもやや短い程度である。したがって、壁体１６の幅方向端部の実質的に全長にわたって長孔５２が形成されていることになる。長孔５２の幅は、領域１６ｂの幅より狭く、平面視において個別電極２４からわずかに離隔している。領域１６ｂにおいて、長孔５２以外の部分は、領域１６ａと同じ厚みを有している。すなわち、長孔５２以外における壁体１６の厚みは一定であって、図６（ｂ）から明らかなように、圧力室３６の深さの半分程度である。

次に、インクジェットヘッド１の製造方法について説明する。図７は、インクジェットヘッド１の製造工程図である。インクジェットヘッド１を製造するには、流路ユニット１０及びアクチュエータユニット２０等の部品を別々に作製し、それから各部品を組み付ける。

まず、ステップ１（Ｓ１）では、流路ユニット１０を作製する。流路ユニット１０を作製するには、これを構成する各プレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５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及びハーフエッチングを施して、各プレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５に貫通孔及び／又は凹部を形成する。

ここで、図８を用いて、キャビティプレート１５をエッチング加工する手順について説明する。まず、キャビティプレート１５上の全面にフォトレジスト６１を塗布する。その後、図８（ａ）に示すように、圧力室３９と同じ平面サイズの貫通孔が形成されるようにフォトレジスト６１をパターニングする。そして、フォトレジスト６１をマスクとしてキャビティプレート１５にエッチング加工を施す。これにより、図８（ｂ）に示すように、キャビティプレート１５においてフォトレジスト６１から露出した領域に、その半分程度の深さを有する凹部５１を形成する。

続いて、凹部５１が形成されたのとは反対側の面にフォトレジスト６３を塗布する。その後、図８（ｃ）に示すように、長孔５２と同じ平面サイズの貫通孔が凹部５１の幅方向端部に沿ってそれぞれ２つ、合計４つ形成されるようにフォトレジスト６３をパターニングする。そして、フォトレジスト６３をマスクとしてキャビティプレート１５にエッチング加工を施すことによって、図８（ｄ）に示すように、凹部５１に達する長孔５２を形成する。このようにして、上述した４つの長孔５２が形成された壁体１６が形成されることになる。

図７に戻って、インク供給口３９からノズル孔３５に至る個別インク流路が形成されるようにプレートの位置合わせをし、６枚のプレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５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、６枚のプレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５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、６枚のプレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５が互いに固着され、図１に示すような流路ユニット１０が得られる。代替的に、各プレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５を、金属接合によって互いに固着してもよい。この場合は、接着剤が不要となる。また、ノズルプレート１１の孔は、エッチングではなく、パンチング加工やレーザー加工によって形成してもよい。

他方、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上に、個別電極２４、共通電極２５、表面電極２６、２７となる導電性ペーストをスクリーン印刷する。そして、下から順に共通電極２５となる導電性ペーストが印刷されたグリーンシート上に個別電極２４となる導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを載置し、この組み合わせの積層体を３組積層する。この上に、絶縁シートとなる２枚のグリーンシートを載置する。さらにその上に表面電極２６、２７となる導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを載せて、これら９枚のグリーンシートの積層体を治具を用いて位置合わせする。

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と同様に脱脂し、所定の温度で焼成する。これにより、図１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。アクチュエータユニット２０は、予め焼成による収縮量を見込んで製作される。また、アクチュエータユニット２０の側面に露出する個別電極２４や共通電極２５を表面電極２６、２７に接続する側面電極は、同様の印刷法で形成され、ステップ３の焼成工程前に、他の電極と同時に形成してもよいし、焼成工程後に改めて形成してもよい。

なお、ステップ１の流路ユニット作製工程と、ステップ２〜３のアクチュエータユニット２０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４（Ｓ４）において、ステップ１で得られた流路ユニット１０の表面１０ａに、熱硬化温度が８０℃程度であるエポキシ系の熱硬化性接着剤を塗布する。熱硬化性接着剤としては、例えば、二液混合タイプのものが用いられる。

次に、ステップ５（Ｓ５）において、接着剤が塗布された流路ユニット１０の表面１０ａ上にアクチュエータユニット２０を載置する。このとき、アクチュエータユニット２０は、個別電極２４と圧力室３６とが対向するように流路ユニット１０に対して位置決めされる。この位置決めは、予めステップ１〜ステップ３において流路ユニット１０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６（Ｓ６）において、流路ユニット１０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。これにより、流路ユニット１０とアクチュエータユニット２０が接合される。

次に、ステップ７（Ｓ７）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１０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が製造される。その後、ＦＰＣ４０をアクチュエータユニット２０にハンダ接合する工程などを経て、インクジェットヘッド１が完成する。

以上の説明から分かるように、本実施の形態のインクジェットヘッド１では、個別電極２４がキャビティプレート１５に形成された壁体１６に対向して設けられているために、アクチュエータユニット２０において個別電極２４に対向する圧力室３６側の領域、つまり壁体１６の領域１６ａに接する圧電シート２１ａの領域にインクが直接触れることがない。したがって、帯電したインクのアクチュエータユニット２０への接触に起因した電極間ショートなどのアクチュエータユニット２０の故障が生じにくくなる。また、壁体１６において個別電極２４に対向していない領域１６ｂには長孔５２が形成されているため、かかる長孔５２が形成されていない場合に比べて、壁体１６によるアクチュエータユニット２０の変形阻害が抑制される。したがって、長孔５２が形成されていない場合に比べて圧力室３６の容積変化量が大きくなり、ノズル孔３５からのインク吐出量を増加させることができる。

長孔５２が壁体１６の領域１６ｂに形成されているために、アクチュエータユニット２０において、長孔５２から圧力室３６に露出した領域２０ａはインクが直接触れることになる。しかしながら、領域２０ａが個別電極２４に対向していないため、帯電したインクを引き寄せる効果は弱い。仮に、帯電したインクがアクチュエータユニット２０内に浸透したとしても、電極間ショートが起こることはほとんどない。しかも、長孔５２が領域１６ａから離隔しているので、帯電したインクのアクチュエータユニット２０への接触に起因した電極間ショートがさらに生じにくくなり、結果としてインクジェットヘッド１の信頼性が向上する。

また、本実施の形態において、流路ユニット１０が６枚のプレート１１、１２、１３Ｘ、１３Ｙ、１４、１５を有する積層構造体であるために、キャビティプレート１５に対して例えばエッチング加工を施すという工程を経ることによって、キャビティプレート１５においてベースプレート１４に面した面に比較的容易に凹部５１を形成することが可能となっている。

さらに、本実施の形態では、圧力室３６が細長形状を有しており、長孔５２が凹部５１の長手方向に沿って設けられている。そのため、長孔５２が凹部５１の長手方向に沿って設けられていない場合（例えば長孔５２が凹部５１の長手方向端部近傍だけに設けられている場合）と比較して、壁体１６によるアクチュエータユニット２０の変形阻害がさらに抑制される。したがって、それぞれの圧電アクチュエータに負担を強いることなくノズル孔３５からのインク吐出量をさらに増加させることができる。特に、本実施の形態では、凹部５１の長手方向に沿って２つの長孔５２が設けられており、その合計長さが実質的に凹部５１の全長に近いため、アクチュエータユニット２０が一層変形しやすくなっている。しかも、凹部５１の幅方向に対向した２つの長孔５２が領域１６ａを挟み込んでいるために、アクチュエータユニット２０がバランスよく一層変形しやすくなっている。

また、本実施の形態では、凹部５１の長手方向に沿ってそれぞれ２つの長孔５２が設けられており、これら２つの長孔５２の間には壁体１６が存在していて、領域１６ａを支えている。つまり、圧力室３６の長手方向の全長に亘って延在する壁体１６が、凹部５１の片側に沿って設けられた２つの長孔５２の間に設けられた桁部によってキャビティプレート１５と連結されている。本実施の形態では、延在する壁体１６の長手方向のほぼ中央において、この桁部が壁体１６の両側を支えている。したがって、たとえキャビティプレート１５が非常に薄いプレートであったとしても、壁体１６が自重によって下垂することがほとんどない。そのため、流路ユニット１０とアクチュエータユニット２０との接着工程において壁体１６がアクチュエータユニット２０に接着されないという事態が起こることがほとんどなく、アクチュエータユニット２０の個別電極２４に対向した領域をインクから隔離することができる。

なお、本実施の形態では領域１６ｂに長孔５２を形成しているが、長孔５２のような貫通孔の代わりに、領域１６ｂの一部又は全部を、領域１６ａにおけるよりも厚みが薄く且つキャビティプレート１５を貫通していない薄肉部としてもよく、この場合は確実に個別電極２４に対向したアクチュエータユニット２０の領域をインクから隔絶することができる。ただし、本実施の形態のような長孔５２を形成した方が、アクチュエータユニット２０の変形阻害防止効果が高い。

［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インクジェットヘッドの構成を、図９（ａ）及び図９（ｂ）に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態のインクジェットヘッドは、キャビティプレートの形状についてのみ第１の実施の形態と相違している。以下、具体的に説明する。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、キャビティプレート１１５においてベースプレート１４に接する面には、複数の凹部１５１が形成されている。凹部１５１の長手方向は、キャビティプレート１１５の長手方向に対して直交している。複数の凹部１５１は、キャビティプレート１１５の長手方向に沿って千鳥状の２列に配列されている。凹部１５１の底面１５１ａとアクチュエータユニット２０との間には、キャビティプレート１１５の一部である壁体１１６が配置されている。壁体１１６には、個別電極２４に対向しておらず且つキャビティプレート１１５をその厚み方向に貫く長孔１５２が形成されている。長孔１５２は、壁体１１６の幅方向端部に沿ってそれぞれ１つ、合計２つ形成されている。凹部１５１の下方の開口がベースプレート１４に塞がれ且つ長孔１５２の上方の開口がアクチュエータユニット２０に塞がれることによって、所望容積を有する圧力室１３６が画定されている。

２つの長孔１５２を含めた壁体１１６は、平面視で圧力室１３６と同じ平面サイズと形状を有している。したがって、壁体１１６は、個別電極２４に対向する領域（図９（ａ）中で最も下に描かれた圧力室１３６に関して斜線が引かれた領域）１１６ａと、個別電極２４に対向しない領域１１６ｂとに分けられる。領域１１６ａは、個別電極２４において圧力室１３６に対向する部分と同じ平面サイズと形状を有している。領域１１６ｂは、圧力室１３６から個別電極２４を除いたほぼＵ字状の平面形状を有している。

長孔１５２は、領域１１６ｂ内に形成されている。各長孔１５２の長さは、壁体１１６の長さよりもやや短い程度である。したがって、壁体１１６の幅方向端部の実質的に全長にわたって長孔１５２が形成されていることになる。長孔１５２の幅は、領域１１６ｂの幅より狭く、平面視において個別電極２４からわずかに離隔している。領域１１６ｂにおいて、長孔１５２以外の部分は、領域１１６ａと同じ厚みを有している。すなわち、長孔１５２以外における壁体１１６の厚みは一定であって、図９（ｂ）から明らかなように、圧力室１３６の深さの半分程度である。

本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の利益が得られる。さらに、キャビティプレート１１５に設けられた長孔１５２が第１の実施の形態における長孔５２の約２倍の長さを有しているので、壁体１１６によるアクチュエータユニット２０の変形阻害が大幅に抑制される。したがって、圧力室１３６の容積変化量が大きくなり、ノズル孔３５からのインク吐出量を増加させることができる。

［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インクジェットヘッドの構成を、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に基づいて説明する。なお、第１又は第２の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付記してその説明を省略する。本実施の形態のインクジェットヘッドは、ベースプレートの形状についてのみ第２の実施の形態と相違している。以下、具体的に説明する。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ベースプレート１１４においてキャビティプレート１１５に接する面には、複数の凹部１５３が形成されている。本実施の形態では、凹部１５３は、平面視において２つの長孔１５２に挟まれた矩形領域（図１０（ａ）中で下から２番目に描かれた圧力室１４６に関して斜線が引かれた矩形領域）に形成されている。凹部１５１の下方の開口がベースプレート１４に塞がれ且つ長孔１５２の上方の開口がアクチュエータユニット２０に塞がれることによって、所望容積を有する圧力室１４６が画定されている。このとき、凹部１５３と凹部１５１とが互いの全域において対向しているため、凹部１５３は、凹部１５１及び長孔１５２と共に圧力室１４６を構成している。

本実施の形態においても、上述した第２の実施の形態と同様の利益が得られる。さらに、ベースプレート１１４に設けられた凹部１５３が圧力室１４６の一部となっているので、圧力室１４６の容積が凹部１５３の分だけ第２の実施の形態における圧力室１３６よりも大きくなっている。そのため、本実施の形態は、十分なキャビティプレート１１５の厚さを確保できないために凹部１５１だけでは圧力室として十分な容積を確保できない場合に特に有効である。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構成を、図１１と図１２とを用いて説明する。なお、これまで説明してきた実施の形態と同一の部材には、同一の符号を付記してその説明を省略する。これまで説明してきた３つの実施の形態のアクチュエータユニットは、いずれも圧電縦効果を利用して変形するアクチュエータであった。これに対して、本実施の形態のインクジェットヘッドは、圧電アクチュエータの変形機構の点で異なり、厚みすべり変形を利用して圧力室の容積を変化させるものである。図１１は、本発明のインクジェットヘッドの部分拡大断面図であり、図１２は、その変形例の部分拡大断面図を示している。

本発明のアクチュエータユニット２００は、図１１に示すように、複数の圧力室に跨って形成されている点で、先に説明したアクチュエータユニット２０と共通している。このアクチュエータユニット２００は、５枚の圧電シート２２１ａ，２２３ａ，２２３ｂ，２２３ｃおよび２２２ａを下から順に積層した構造を有している。このうち、圧電シート２２３ａ，２２３ｂおよび２２３ｃの上面には、アクチュエータユニット２００の分極処理に用いられた内部負電極層２４２ａと内部正電極層２４２ｂとが形成されている。内部正電極層２４２ｂは、キャビティプレート２１５に形成された凹部２５１の中央部に対向するように配設されている。一方、内部負電極層２４２ａは、互いに隣接する凹部２５１を隔離するとともに凹部２５１を画定する隔離壁２１５ａに対向するように配設されている。同図のアクチュエータユニット２００中に記されている矢印は、分極方向を示している。

これら３層の積層体を内側に挟むようにして、図１１の紙面下側から共通電極２５が上面に形成された圧電シート２２１ａと、紙面上側から個別電極２２４が上面に形成された圧電シート２２２ａとがそれぞれ積層されてアクチュエータユニット２００が構成されている。本実施の形態では、個別電極２２４は凹部２５１の中央部を境にして両側に分割されて形成されている点が特徴である。また、圧電アクチュエータの分極方向（各圧電シートの面方向）と外部から印加されることになる電界の方向とがほぼ直交している点が、先に説明した実施の形態と異なっている。

尚、共通電極２５が常に接地電位に保持されている点や個別電極２２４が凹部２５１に対向配置されている点は、他の実施の形態と共通である。この共通電極２５と分割された個別電極２２４とに挟まれた領域が活性部として働く。そのため、本実施の形態は、１つの凹部２５１に対して２つの活性部を有する点が特徴である。そして、個別電極２２４と共通電極２５との間に電圧が印加されると、活性部が厚みすべり変形をする。この変形は、２つの活性部で互いに反対方向に向いているので、アクチュエータユニット２００の中央部が圧力室２３６に向かって膨らんだ凸形状となる。その結果、圧力室２３６の容積が減少する。

次に、圧力室２３６付近における流路ユニット１００の構造を説明する。これまで説明した実施の形態と同様に、壁体２１６は、平面視で圧力室２３６と同じサイズと形状を有している。図１１に示したように、個別電極２２４が２つに分割されているので、壁体２１６は、２つの個別電極２２４に対向する領域２１６ａを有している。即ち、圧力室２３６の中央部を挟んで両側の個別電極２２４に対向する領域２１６ａと、圧力室２３６の中央部において個別電極２２４に対向しない領域２１６ｂとに分けられる。

そして、壁体２１６には、その長手方向中央部に沿って長孔２５２が形成されている。この長孔２５２は、連続的に圧力室の端から端まで形成されていても良いし、複数の貫通孔が連なるように形成されていても良い。もちろん、先に説明した実施の形態と同様に、壁体２１６より厚さが薄い貫通していない薄肉部が、上述の長孔の代わりに形成されていても良い。

以上の説明から分るように、本実施の形態においても、少なくとも壁体２１６の領域２１６ａがアクチュエータユニット２００をインクから隔離している。そのため、帯電したインクにより、アクチュエータユニット２００に電気的な特性の劣化や故障が生じることがないといった、先に説明した実施の形態と同様の効果が得られる。また、長孔２５２は、圧力室の中央部を長手方向に延在するように形成されている。そのため、本実施の形態のように、厚さすべり変形を利用するアクチュエータユニット２００を用いる場合には、とりわけその変形を妨げるようなことがない。

次に、この第４の実施の形態の変形例を、図１２を用いて説明する。尚、これまで説明してきた実施の形態と同一の部材には、同一の符号を付記してその説明を省略する。特に第４の実施の形態に対して、本変形例は、ベースプレートの形状だけが異なっている。

図１２に示すように、キャビティプレート２１５に接する面には、別の凹部２５３が形成されている。本変形例では、凹部２５３は、平面視においてキャビティプレート２１５の有する凹部２５１と同じサイズと形状を有している。これら２つの凹部２５１，２５３の開口部が互いに対向するように、キャビティプレート２１５とベースプレート２１４とを積層することで圧力室２４６が画定されている。このとき、第４の実施の形態と同様に、キャビティプレート２１５には長孔２５２が形成されており、２つの凹部２５１，２５３にこの長孔２５２を加えて圧力室２４６が構成されている。この変形例の構成は、キャビティプレート２１５単独では十分な圧力室２４６の容積が確保できない場合に有効である。尚、本変形例では、２つの凹部２１５，２５３の平面形状を同じにしているが、要求される圧力室２４６の容積に応じて凹部２５３のサイズや形状を変更しても良い。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明のインクジェットヘッド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設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、上述した第１の実施の形態においては領域１６ａが個別電極２４において圧力室３６に対向する部分と同じサイズを有するとしているが、領域１６ａは個別電極２４に対向する部分を有していればそのサイズはさらに小さくてよい。

また、上述した実施の形態では複数の圧電アクチュエータが１つのアクチュエータユニット内に一体に構成されているが、複数の圧電アクチュエータが圧力室ごとに別体となっていてもよい。また、流路ユニットは、積層構造体でなくてもよい。さらに、圧力室は細長形状ではなく、円形や正方形などであってもよい。

さらに、壁体に形成する長孔の位置は、個別電極に対向しない限りは任意に変更することができる。したがって、例えば第１の実施の形態において長孔５２が領域１６ａと接していてもよい。また、長孔の数も適宜変更可能である。加えて、壁体に形成するのは必ずしも長孔のような貫通孔でなくてもよく、領域１６ａにおけるよりも厚みが薄ければよい。

また、第３の実施の形態において、凹部１５３の平面サイズ及び深さは、必要とされる圧力室容積に応じて適宜変更可能である。

いずれの実施の形態においても、流路ユニットあるいは少なくともキャビティプレートを、例えば、シリコン単結晶とし、壁体１６はこのシリコン基板表面に成長させた酸化膜として形成しても良い。即ち、シリコン基板の表面に、例えば熱酸化法により数１００ｎｍの厚さの熱酸化膜を形成する。この後、裏面からエッチングにより、圧力室３６となる複数の凹部を形成する。このときエッチング液の特性により熱酸化膜が残るので、ここで形成した凹部に対応して、表面から別にエッチングを施して個別電極に対向する領域を残すように貫通孔（長孔５２，１５２に相当）を形成する。このようにして形成した壁体１６は非常に薄いものなので、この表面に固定される圧電アクチュエータあるいはアクチュエータユニットの変形をほとんど阻害することがない。尚、流路ユニットの基材としてシリコン単結晶を例に挙げたが、これはシリコン母材とその表面に形成されるシリコン酸化膜とでは、孔加工に用いられるエッチング液の特性が異なっており、それぞれ個別の加工が可能なためである。従って、必ずしも流路ユニットの基材としては、シリコン単結晶に限るものではなく、表面に形成された薄い壁体１６用の膜と基材とが、エッチングのような加工特性が違うものの組み合わせであればよい。この場合でも、壁体１６によりアクチュエータを保護するという観点からは、基材上に形成される膜には耐インク性の高い材質のものが好適である。

また、圧力室３６を有するキャビティプレートを複数のプレートの積層体として構成し、このうち、壁体１６を構成するプレートを圧電アクチュエータあるいはアクチュエータユニットの圧力室側表面に形成しても良い。壁体１６としては、耐インク性を有していることが好適である。例えば、この壁体１６用のプレートを薄膜として、スパッタ法、蒸着法、ディップ法、メッキ法等によりアクチュエータの圧力室側表面に形成しておき、少なくとも個別電極に対向する部分を残すようにしてエッチングする。この場合も、必ずしも形成した薄膜を貫通する必要はない。この加工が施されたプレート（薄膜）に対して、圧力室が形成された別のプレートを固定することでキャビティプレートあるいは流路ユニットを形成する。このようにして形成された壁体１６は、もともと薄膜として形成されたものであるので、アクチュエータの変形を阻害することはほとんどない。また、ここで用いられた圧電アクチュエータあるいはアクチュエータユニットは、このようなキャビティプレートを形成するための基材として働いている。

さらに、上述したアクチュエータユニットの変形機構は、圧電体を用いたアクチュエータであれば、特に限定するものではない。上述の圧電縦効果や厚みすべり変形を利用する構成の他に、ユニモルフ型の変形やバイモルフ型の変形をするアクチュエータにも適用可能であり、これまで説明してきた各実施の形態が有する効果と同等の効果を実現できる。いずれの形態を用いる場合でも、電極間に発生する電界強度が高くなればなるほどさらに有効である。

本発明の第１の実施の形態に係る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に含まれる流路ユニットの分解斜視図である。 図２の一部拡大斜視図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１に示すアクチュエータユニットの分解斜視図である。 （ａ）は図１に示すインクジェットヘッドの部分拡大平面図である。（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線断面図である。 図１に示すインクジェットヘッドの製造工程図である。 流路ユニットに含まれるキャビティプレートをエッチング加工する手順を描いた断面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るインクジェットヘッドの部分拡大平面図である。（ｂ）は、図９（ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線断面図である。 （ａ）は本発明の第３の実施の形態に係るインクジェットヘッドの部分拡大平面図である。（ｂ）は、図１０（ａ）のＸＢ−ＸＢ線断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るインクジェットヘッドの部分拡大断面図である。 第４の実施の形態の変形例に係るインクジェットヘッドの部分拡大断面図である。

符号の説明

６ インクジェットヘッド
７ 共通インク室
１０ 流路ユニット
１０ａ 表面
１１ ノズルプレート
１２ ダンパプレート
１２ｃ ダンパ溝
１３ａ，１３ｂ インク室半部
１３Ｘ，１３Ｙ マニホールドプレート
１４ ベースプレート
１５ キャビティプレート
１６ 壁体
１６ａ 領域（第１の領域）
１６ｂ 領域（第２の領域）
２０ アクチュエータユニット
２０ａ 孔に接続する部分
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 圧電シート
２４ 個別電極
２５ 共通電極
３５ ノズル孔
３６ 圧力室
４０ フレキシブルフラットケーブル（ＦＰＣ）
５１ 凹部
５１ａ 底面
５２ 長孔

Claims (9)

1. ノズルに連通した複数の圧力室が平面に沿って形成された流路ユニットと、
   前記流路ユニットの前記平面に固定され、前記圧力室の容積を変化させる圧電アクチュエータとを備え、
   前記圧電アクチュエータが、前記複数の圧力室に跨って延在した圧電シートと、各前記圧力室に対応して配置され、前記圧電シート上の各圧力室に対向する位置に配置された複数の個別電極と、前記複数の個別電極とともに前記圧電シートを挟む共通電極とを有し、
   前記圧電アクチュエータと前記圧力室との間には、前記個別電極と対向する第１領域、及び、前記個別電極と対向しない第２領域からなり、前記圧力室内のインクが前記圧電シートに浸透して前記個別電極に達してしまうのを防止するための壁体が配置されており、
   前記第２領域は、前記平面と反対側の面に前記圧力室の一部となる空間が形成されていることによって、前記平面と直交する方向に関する厚さが前記第１の領域におけるよりも薄い薄肉部となっていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記流路ユニットは、前記平面とは反対側の面に前記圧力室の少なくとも一部を構成する第１凹部が形成されたキャビティプレートを含む複数のプレートを有する積層構造体であり、
   前記キャビティプレートの前記第１凹部と前記圧電アクチュエータとの間に位置する部分が、前記壁体となっていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記圧力室が細長形状を有しており、前記薄肉部が前記第１凹部の長手方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記薄肉部が、前記第１凹部の長手方向に沿って実質的にその全長にわたって設けられていることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記薄肉部が、前記第１凹部の長手方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記流路ユニットにおいて、前記キャビティプレートに隣接したプレートの前記キャビティプレートに接する面に、前記キャビティプレートに形成された前記第１凹部とともに前記圧力室を構成する第２凹部が形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記空間が、前記キャビティプレートを貫通する孔によって形成されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記薄肉部が、前記第１の領域から離隔していることを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッド。
9. ２つの前記薄肉部が、
   前記第１凹部を挟んで、それぞれ前記圧力室の両縁部に沿って形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載のインクジェットヘッド。

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