JP4940686B2 - 液体移送装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体に圧力を付与して移送する液体移送装置に関する。

ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッド等の液体移送装置には、液体流路が形成された流路ユニットと、流路ユニット内の液体に移送エネルギーを付与する圧電アクチュエータとを備えているものがある。例えば、特許文献１の特開平１１−３３４０８７号公報（図３）に記載のインクジェットヘッドにおいては、流路ユニット（基板）には、それぞれがノズル及びマニホールド（共通通路）に連通した複数の圧力室（加圧室）が形成されている。また、圧電アクチュエータは、流路ユニットの複数の圧力室を覆うように配置された金属製の振動板と、この振動板の表面に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電層と、この圧電層の表面に複数の圧力室に夫々対応して形成された複数の上部電極（個別電極）とを含む、いわゆる、ユニモルフ型の圧電アクチュエータである。

そして、圧電アクチュエータの複数の上部電極に対して選択的に駆動電圧が供給されると、上部電極と金属製の振動板との間に挟まれた圧電層の部分（駆動部）に対してその厚み方向に電界が作用して駆動部が伸縮し、この駆動部の伸縮変形に伴って圧力室と対向する領域の振動板が撓んで、圧力室内のインクに圧力が付与される。

特開平１１−３３４０８７号公報（図３）

しかし、前述の特許文献１の特開平１１−３３４０８７号に記載されているような圧電アクチュエータにおいては、圧力室に対向する領域（特に、駆動部の周囲の領域）における振動板の剛性が高いと、圧力室に対向する領域全体で振動板が変形しにくくなる。その場合には、圧力室内のインクに所定の圧力を付与するためには個別電極に高い電圧を印加する必要があり、圧電アクチュエータの消費電力が大きくなる。また、駆動部の周囲における振動板の剛性が高いと、ある圧力室に対向する圧電層及び振動板の部分が変形したときに、この変形が、隣接する別の圧力室に対向する圧電層及び振動板の部分まで伝播する現象、いわゆる、クロストークが生じる。この場合には、複数の圧力室の駆動パターン（複数の個別電極への電圧印加パターン）によって、振動板の、各圧力室を覆っている部分の変形量が変動する。そうなると、液滴速度や液滴体積等のインクの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。

本発明の目的は、駆動効率が向上し、かつ、クロストークが抑制された圧電アクチュエータを提供することと、圧電アクチュエータの駆動効率向上とクロストーク抑制の両方を実現可能な液体移送装置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

本発明の第１の態様に従えば、平面に沿って配置された複数の圧力室を含む流路ユニットと、前記流路ユニットの一表面に配置され、前記圧力室の容積を変化させてその内部の液体に圧力を付与す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は、前記複数の圧力室を覆う振動板、前記振動板の前記圧力室と反対側に配置された圧電層、前記平面に直交する方向から見て前記複数の圧力室の中央部と重なる領域に夫々配置された複数の個別電極、及び、前記複数の個別電極との間で前記圧電層を挟む共通電極を有し、前記振動板の前記圧力室側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記個別電極と前記共通電極の両方と重なる領域よりも外側の領域にそれぞれ溝が形成され、且つ、前記振動板の前記圧力室と反対側の面は平面状であり、さらに、各溝は、前記平面に直交する方向から見て、前記圧力室の縁よりも内側にあり、且つ、前記圧力室の縁に沿って環状に形成され、前記複数の個別電極と、これら複数の個別電極にそれぞれ接続された複数の配線部とが、同一面上に配置され、前記平面に直交する方向から見て、各配線部は、対応する前記個別電極から環状の前記各溝の外側の領域へ前記各溝を跨いで延びている液体移送装置が提供される。

本発明の液体移送装置において、ある個別電極に対して駆動電圧が印加されると、この個別電極と共通電極との間に位置する圧電層の部分（駆動部）には、分極方向である厚み方向に平行な電界が生じる。すると、この駆動部が厚み方向に伸びて面と平行な方向に縮み、この駆動部の変形に伴って振動板が変形することから、この個別電極に対応する圧力室の容積が変化してその内部の液体に圧力が付与される。

ここで、振動板の圧力室側の面の、各個別電極と共通電極の両方と重なる領域よりも外側の領域（駆動部の外側の領域）には溝、例えば各圧力室の縁に沿って延びる溝、が形成されている。従って、各駆動部の周囲の領域において振動板の剛性が他の部分に比べて低下している。そのため、例えば各溝が各圧力室の縁よりも内側にある場合には、駆動部が変形したときに振動板がより変形しやすくなり、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。また、駆動部の外側の領域において振動板の剛性が低下していることから、ある圧力室に対向する圧電層の部分が変形した場合に、この変形が、隣接する別の圧力室に対向する圧電層及び振動板の部分に伝播しにくくなり、クロストークが抑制される。

また、振動板の圧力室側の面に溝が形成されているため、溝が形成されていない振動板の表面（圧力室と反対側の面）は凹凸のない平面状になり、配線部を自由に引き回すことが可能になる。つまり、振動板に溝を形成することにより、振動板表面における配線部の配置自由度を狭めることなく、各個別電極に接続された各配線部を、各溝を跨いで溝の外側（各圧力室の外側）の領域まで容易に延ばすことができる。

本発明の液体移送装置において、前記各溝は、切れ目のない環状に形成されていてもよい。この場合には、振動板の、各圧力室の縁に沿う環状の部分全体の剛性が低下するため、振動板がより変形しやすくなり、圧電アクチュエータの駆動効率がさらに向上する。

本発明の液体移送装置において、前記振動板は、互いに異なる金属材料で形成された積層状の第１金属材料層及び第２金属材料層を有し、第２金属材料層が前記複数の圧力室を覆うように前記流路ユニットに配置されており、第２金属材料層の前記圧力室側の面には、各圧力室の縁に沿って延びる各貫通穴が切れ目のない環状に形成され、この第２金属材料層の各貫通穴が第１金属材料層により塞がれて、前記各溝が形成されていてもよい。

互いに異なる金属材料で形成された２つの金属材料層が積層した状態で、第２金属材料層だけをエッチングして（選択エッチング）、第２金属材料層に貫通穴を形成すると、貫通穴が第１金属材料層で塞がれて溝となる。そのため、１種類の金属材料からなる振動板にハーフエッチングで所定深さの溝を形成する場合と比較して、深さ方向に精度の高い溝を容易に形成することができる。

本発明の液体移送装置において、第２金属材料層は、所定のエッチング液によりエッチング可能な金属材料からなり、第１金属材料層は、前記所定のエッチング液によりエッチングされない金属材料からなっていてもよい。この場合には、第２金属材料層にエッチングにより貫通穴を形成する際に、第１金属材料層はエッチングされることがないため、エッチング速度等の他のエッチング条件等を調整することなしに、第２金属材料層のみに環状の貫通穴を形成することができる。

本発明の液体移送装置において、前記各溝は、前記各圧力室の縁側の部分ほど深く形成されていてもよい。この場合には、流路ユニットと接合されている部分の近傍において振動板の厚さが最も薄くなることから、振動板がより変形しやすくなり、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。

本発明の液体移送装置において、前記各溝は、前記各圧力室側ほど広がるテーパー状の断面形状を有してもよい。この場合には、各溝の隅部の角度が９０度より大きくなり、この隅部に気泡が溜まりにくくなる。

本発明の液体移送装置において、前記流路ユニットは、前記複数の圧力室と連通する共通液室を有し、前記振動板に形成された前記各溝の一部と前記流路ユニットの一表面との間に、前記共通液室と前記各圧力室との間において流路断面積が部分的に狭くなる絞り流路が形成されていてもよい。共通液室と各圧力室との間に設けられる絞り流路は、各圧力室で発生した圧力波を共通液室へ伝播しにくくなるように流路を絞るためのものであるが、この絞り流路の流路断面積は、圧力室内における圧力波の伝播、ひいては、液体の移送量等に大きな影響を及ぼすため、絞り流路は精度よく形成される必要がある。ここで、絞り流路は、溝の一部と流路ユニットの一表面との間に形成されることから、振動板に溝を形成することにより、絞り流路をも同時形成することができることになる。従って、精度よく形成する必要のある絞り流路を、溝とは別にハーフエッチング等により形成する場合に比べて製造工程を簡略化でき、歩留まりも向上する。

本発明の液体移送装置において、前記流路ユニットは、前記複数の圧力室を含む流路が形成された積層状の複数枚のプレートからなり、これら複数枚のプレートのうちの１枚には、前記複数の圧力室と、前記共通液室と前記複数の圧力室とを連通させる流路の少なくとも一部となる複数の貫通孔と、前記各圧力室と前記各貫通孔とを隔てる各隔壁部とが形成され、前記各隔壁部の前記振動板側の面は、前記各溝の一部と対向してこの溝との間に前記絞り流路を形成し、さらに、前記各隔壁部の前記各圧力室に面する側面は、前記各圧力室の前記振動板に対向する面に対して９０度を超える角度で傾斜していてもよい。これによれば、絞り流路から各圧力室内へ液体がスムーズに導入され、各圧力室の振動板に対向する面と、隔壁部の側面とで形成される隅部に気泡が停留しにくくなるため、より安定した液体移送が可能となる。

本発明の第１実施形態について説明する。この第１実施形態は、液体移送装置として、ノズルから記録用紙に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。
まず、インクジェットヘッド１を備えたインクジェットプリンタ１００について簡単に説明する。図１に示すように、インクジェットプリンタ１００は、図１の左右方向に移動可能なキャリッジ１０１と、このキャリッジ１０１に設けられて記録用紙Ｐに対してインクを噴射するシリアル式のインクジェットヘッド１と、記録用紙Ｐを図１の前方へ搬送する搬送ローラ１０２を備えている。インクジェットヘッド１は、キャリッジ１０１と一体的に左右方向（走査方向）へ移動して、その下面のインク吐出面に形成されたノズル２０（図６〜図８参照）の出射口から記録用紙Ｐに対してインクを噴射する。そして、インクジェットヘッド１により記録された記録用紙Ｐは、搬送ローラ１０２により前方（紙送り方向）へ排出される。

次に、インクジェットヘッド１について図２〜図５を参照して詳細に説明する。
図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド１は、圧力室１４を含む個別インク流路２１（図４参照）が形成された流路ユニット２と、この流路ユニット２の上面に配置された圧電アクチュエータ３とを備えている。

まず、流路ユニット２について説明する。図４、図５に示すように、流路ユニット２はキャビティプレート１０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート１０〜１３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２はステンレス鋼製の板であり、これら３枚のプレート１０〜１２に、後述するマニホールド１７や圧力室１４等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができる。また、ノズルプレート１３は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート１２の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート１３も、３枚のプレート１０〜１２と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。

図２〜図５に示すように、キャビティプレート１０には、平面に沿って配列された複数の圧力室１４が形成されており、これら複数の圧力室１４は、後述の振動板３０側（図４、図５の上方）へ開口している。また、複数の圧力室１４は、紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列されている。各圧力室１４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。図３、図４に示すように、各圧力室１４は、ともに円形の平面形状を有するインク流入口１４ａとインク流出口１４ｂとを有し、これらインク流入口１４ａ及びインク流出口１４ｂは各圧力室１４の長手方向両端部に夫々配置されている。

図３、図４に示すように、ベースプレート１１の、平面視で各圧力室１４のインク流入口１４ａ及びインク流出口１４ｂと重なる位置には、夫々連通孔１５，１６が形成されている。また、マニホールドプレート１２には、紙送り方向（図２の上下方向）に延びるマニホールド１７が形成されている。また、図２〜図４に示すように、マニホールド１７は、平面視で、左側に配列された各圧力室１４の左半分、及び、右側に配列された各圧力室１４の右半分と夫々重なるように配置されている。そして、このマニホールド１７は、後述の振動板３０に形成されたインク供給口１８が接続されており、インクタンク（図示省略）からインク供給口１８を介してインクが供給される。また、マニホールドプレート１２の、平面視で複数の圧力室１４のマニホールド１７と反対側の端部と重なる位置には、夫々、複数の連通孔１６に連なる複数の連通孔１９も形成されている。さらに、ノズルプレート１３の、平面視で複数の連通孔１９に夫々重なる位置には、複数のノズル２０が夫々形成されている。これらのノズル２０は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより形成される。

そして、図４に示すように、マニホールド１７は各連通孔１５を介して各圧力室１４のインク流入口１４ａに連通し、さらに、各圧力室１４のインク流出口１４ｂは、連通孔１６，１９を介してノズル２０に連通している。このように、流路ユニット２内には、マニホールド１７から各圧力室１４を経て各ノズル２０に至る個別インク流路２１が形成されている。

次に、圧電アクチュエータ３について説明する。図２〜図５に示すように、圧電アクチュエータ３は、流路ユニット２の上面に配置された振動板３０と、この振動板３０の上面（圧力室１４と反対側の面）に形成された圧電層３１と、この圧電層３１の上面に複数の圧力室１４に夫々対応して形成された複数の個別電極３２とを備えている。

振動板３０は、平面視で略矩形状の金属材料からなる板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。この振動板３０は、キャビティプレート１０の上面に複数の圧力室１４を覆うように配設され、キャビティプレート１０の上面に接合されている。また、金属製の振動板３０は導電性を有しており、この振動板３０と個別電極３２との間に挟まれた圧電層３１に電界を作用させる共通電極を兼ねている。

図３〜図５に示すように、振動板３０の下面（圧力室１４側の面）には、平面視で（圧力室１４が配置された平面に直交する方向から見て）、各圧力室１４の縁よりも内側で、且つ、各個別電極３２（及び共通電極としての振動板）と重なる領域の外側において、各圧力室１４の縁に沿ってほぼ同じ幅で延びる溝４０が切れ目のない環状に形成されている。そして、この溝４０が形成された部分においては、振動板３０の厚さが他の部分よりも薄くなっており、振動板３０の剛性が部分的に低下している。この溝４０は、ハーフエッチングやプレス加工等の種々の加工方法を用いて形成することができる。また、図４、図５に示すように、溝４０は、各圧力室１４側（下側）ほど広がるテーパー状の断面形状を有する。そのため、溝４０の隅部の角度が９０度より大きくなっており、溝４０の隅部には気泡が滞留しにくくなっている。ここで、溝４０は、例えば、エッチング速度等の加工条件を調整することにより、その隅部の角度が所望の角度となるように形成することができる。尚、溝４０は振動板３０の下面に形成されていることから、振動板３０の上面は凹凸のない平面となっている。

振動板３０の上面には、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電層３１が配置されている。図２〜図５に示すように、この圧電層３１は、凹凸のない平面状の振動板３０の上面において、複数の圧力室１４に亙って連続的に形成されている。ここで、圧電層３１は、例えば、非常に小さな圧電材料の粒子を基板に吹き付けて高速で衝突させ、基板に堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いて形成することができる。あるいは、スパッタ法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、あるいは、水熱合成法などにより形成することもできる。

圧電層３１の上面には、圧力室１４よりも一回り小さい楕円形の平面形状を有する複数の個別電極３２が形成されている。これら複数の個別電極３２は、平面視で、対応する圧力室１４の中央部に重なる位置に夫々形成されている。また、個別電極３２は金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタンなどの導電性材料からなる。さらに、圧電層３１の上面には、複数の個別電極３２のマニホールド１７側の端部から、それぞれ、個別電極３２の長手方向（図２の左右方向）と平行に延びる複数の配線部３５も形成されている。これら複数の個別電極３２及び複数の配線部３５は、例えば、スクリーン印刷、スパッタ法、あるいは、蒸着法等により形成することができる。

複数の配線部３５には、フレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）等の可撓性を有する配線部材（図示省略）が接合され、図４に示すように、配線部材を介してドライバＩＣ３７と電気的に接続されている。そして、ドライバＩＣ３７から配線部３５を介して複数の個別電極３２に対して選択的に駆動電圧が供給される。

ところで、各圧力室１４と重なる領域において振動板３０は流路ユニット２（キャビティプレート１０）に接合されておらず、撓みやすくなっている。そのため、各配線部３５が、各圧力室１４の外側の領域まで延びていない場合には、ＦＰＣ等の配線部材の端子と各配線部３５とを半田等により接続する際に、配線部材を各配線部３５に十分に押しつけることができず、その電気的接続の信頼性が低下する虞がある。そこで、本実施形態の圧電アクチュエータ３においては、図２、図３に示すように、各個別電極３２に接続された各配線部３５は、平面視で、各圧力室１４のインク流入口１４ａ（連通孔１５）と重なる領域において、環状の溝４０を跨いでこの溝４０の外側の領域（各圧力室１４外の領域）まで延びている。この溝４０の外側の領域においては、振動板３０が流路ユニット２に接合されているために、配線部材を各配線部３５に十分に押しつけることができ、配線部材と各配線部３５とを確実に接続することができる。

次に、圧電アクチュエータ３の作用について説明する。複数の個別電極３２に対してドライバＩＣ３７から選択的に駆動電圧が印加されると、駆動電圧が供給された圧電層３１上側の個別電極３２とグランド電位に保持されている圧電層３１下側の共通電極としての振動板３０の電位が異なる状態となり、個別電極３２と振動板３０の間に挟まれた圧電層３１の部分（駆動部３１ａ）に上下方向の電界が生じる。すると、この駆動部３１ａの圧電層３１がその分極方向である上下方向と直交する水平方向に収縮する。このとき、この駆動部３１ａの圧電層３１の収縮に伴って振動板３０が圧力室１４側に凸となるように変形するため、圧力室１４内の容積が減少して圧力室１４内のインクに圧力が付与され、圧力室１４に連通するノズル２０からインクの液滴が吐出される。

ところで、前述したように、振動板３０の下面（圧力室１４側の面）の、各個別電極３２（及び、共通電極としての振動板３０の上面）と重なる領域、即ち、振動板３０を変形させる圧電層３１の各駆動部３１ａと重なる領域よりも外側の領域には、図２〜図４に示すように、各圧力室１４の縁に沿って延びる溝４０が切れ目のない環状に形成されている。つまり、各駆動部３１ａを取り囲む環状領域において、振動板３０の厚さが他の部分に比べて薄くなっている。ここで、板材の曲げ剛性は板厚の３乗に比例するため、溝４０が形成された部分の振動板３０の剛性は、溝４０が形成されていない他の部分に比べて低下することになる。従って、個別電極３２に駆動電圧が印加されて駆動部３１ａが変形したときに、その周囲の振動板３０がより変形しやすくなるため、個別電極３２に印加される駆動電圧を低くすることができ、圧電アクチュエータ３の駆動効率が向上する。また、個別電極３２に駆動電圧を供給するドライバＩＣ３７やＦＰＣ等の電装系統のコストを低減することが可能になる。また、溝４０は、各圧力室１４の縁に沿って全周に亙って切れ目のない環状に形成されている。そのため、振動板３０の、各圧力室１４の縁に沿う環状の部分全体の剛性が確実に低下して、振動板３０がより変形しやすくなることから、圧電アクチュエータ３の駆動効率がさらに向上する。

また、この第１実施形態の圧電アクチュエータ３のような、圧電層３１が複数の圧力室１４に亙って連続的に形成されている圧電アクチュエータにおいては一般に、ある圧力室１４に対向する圧電層３１の駆動部３１ａが変形したときに、隣接する別の圧力室１４に対向する圧電層３１の部分及び振動板３０の部分まで、この駆動部３１ａの変形が伝播する現象（いわゆる、クロストーク）が特に生じやすい。しかし、本実施形態の圧電アクチュエータ３においては、前述のように、溝４０が形成された、駆動部３１ａを取り囲む環状領域全体において、振動板３０の剛性が低下していることから、ある駆動部３１ａの変形が周囲の圧力室１４へ伝播しにくくなり、クロストークが確実に抑制される。

また、溝４０は、振動板３０の圧力室１４側の面に形成されているため、振動板３０の上面は凹凸のない平面状になっている。そのため、振動板３０の上面に、ＡＤ法等を用いて圧電層３１を形成したときに、この圧電層３１の上面に凹凸が生じにくくなる。つまり、凹凸の少ない圧電層３１の上面に配線部３５を自由に引き回すことが可能になり、振動板３０に溝４０が形成されることにより、配線部３５の配置自由度が狭められない。従って、複数の個別電極３２に夫々接続された複数の配線部３５を、溝４０を跨いでこの溝４０の外側の領域まで延びるように形成することが容易になる。

次に、前記第１実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記第１実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

＜第１変更形態＞
圧電層が、振動板３０の上面において複数の圧力室１４に亙って連続的に形成されている必要は必ずしもなく、図６、図７に示すように、振動板３０の上面の、複数の圧力室１４に夫々重なる位置に、複数の圧電層３１Ａが個々に形成されていてもよい。

＜第２変更形態＞
図８に示すように、振動板３０Ｂが、互いに異なる金属材料からなる積層状の２つの金属材料層（第１金属材料層４１及び第２金属材料層４２）を有するもの（クラッド材）であってもよい。第２金属材料層４２は、キャビティプレート１０に形成された複数の圧力室１４を覆うように流路ユニット２に配置され、さらに、この第２金属材料層４２の表面に第１金属材料層４１が配置されている。そして、第２金属材料層４２には、各圧力室１４の縁に沿って延びる各貫通穴４２ａが切れ目のない環状に形成され、この第２金属材料層４２の各貫通穴４２ａが第１金属材料層４１により塞がれて、各溝４０Ｂが形成されている。

そして、第１金属材料層４１と第２金属材料層４２とが積層した状態で、第２金属材料層４２にエッチング（フルエッチング）で貫通穴４２ａを形成することにより、振動板３０Ｂに溝４０Ｂを形成することができる。ここで、第２金属材料層４２のエッチングの際に、第１金属材料層４１がエッチングされることのないように、第１金属材料層４１は、第２金属材料層４２のエッチング液によりエッチングされない金属材料からなることが好ましい。例えば、第１金属材料層４１をチタンで形成する一方で、第２金属材料層４２をステンレス鋼やアルミニウム等で形成し、第２金属材料層４２を塩化第二鉄（ＦｅＣｌ₃）エッチング液でエッチングすれば、第１金属材料層４１はエッチングされず、ステンレス鋼やアルミニウム等からなる第２金属材料層４２のみがエッチングされて貫通穴４２ａが形成される。また、逆に、第１金属材料層４１をステンレス鋼やアルミニウム等で形成する一方で、第２金属材料層４２をチタンで形成し、第２金属材料層４２をフッ化水素酸（ＨＦ）エッチング液でエッチングすれば、第１金属材料層４１はエッチングされず、チタン製の第２金属材料層４２のみがエッチングされて貫通穴４２ａが形成される。

つまり、この第２変更形態では、第１金属材料層４１と第２金属材料層４２とを金属拡散接合等により接合した後に、第２金属材料層４２のみをエッチングして（選択エッチング）、切れ目のない環状の貫通穴４２ａを形成すると、この貫通穴４２ａが第１金属材料層４１で塞がれて溝４０Ｂが形成されることになる。そのため、前述の第１実施形態のように、１種類の金属材料からなる振動板３０にハーフエッチング等により溝４０を形成する場合と比較して、深さ方向に精度の高い溝４０Ｂを容易に形成することができる。即ち、第２金属材料層４２の厚さを所望の溝４０Ｂの深さと等しくなるように設定しておけば、エッチングの際にエッチング速度等の諸条件を特に調整する必要はなく、溝４０Ｂの形成工程が簡単になる。

＜第３変更形態＞
第１実施形態のように、振動板３０が共通電極を兼ねている必要は必ずしもなく、図９に示すように、共通電極３４が振動板３０とは別に設けられていてもよい。但し、振動板３０が金属板である場合には、共通電極３４が形成される振動板３０の上面に、絶縁材料層が形成されるなどして、振動板３０の上面が絶縁性を有する必要がある。振動板３０がシリコン材料からなる場合には、振動板３０の上面に酸化処理を施して絶縁性を有するようにしてもよい。また、振動板３０が、セラミックス材料、あるいは、合成樹脂材料等の絶縁材料からなる場合には、振動板３０の上面に直接共通電極３４が形成されることになる。

＜第４変更形態＞
図１０に示すように、個別電極３２及び配線部３５が振動板３０の上面（圧電層３１の下側）に配置され、一方、共通電極３４が圧電層３１の上面に配置されていてもよい。但し、振動板３０が導電性の金属材料からなる場合には、個別電極３２が形成される振動板３０の上面に、絶縁材料層が形成されるなどして、振動板３０の上面が絶縁性を有する必要がある。振動板３０がシリコン材料からなる場合には、振動板３０の上面に酸化処理を施して絶縁性を有するようにしてもよい。また、振動板３０が、セラミックス材料、あるいは、合成樹脂材料等の絶縁材料からなる場合には、振動板３０の上面に直接個別電極３２及び配線部３５が形成される。

この場合でも、前記第１実施形態と同様に、溝４０は振動板３０の下面（圧力室１４側の面）に形成されていることから、振動板３０の上面が凹凸のない平面となっている。そのため、個別電極３２に接続された配線部３５を、溝４０を跨いで外側へ延びるように振動板３０の上面に形成することが容易になる。

＜第５変更形態＞
図１１に示すように、振動板３０Ｅの溝４０Ｅが、圧力室１４の縁側の部分ほど深く形成されていてもよい。この場合には、流路ユニット２（キャビティプレート１４）と接合されている部分の近傍において振動板３０Ｅの厚さが最も薄くなり、この部分の拘束力が小さくなって自由端の状態に近くなる。そのため、振動板３０Ｅがより変形しやすくなり、圧電アクチュエータの駆動効率がさらに向上する。尚、図１１のような形状の溝４０Ｅを形成する方法としては種々の方法を採用できるが、例えば、振動板３０Ｅがポリイミド等の合成樹脂材料からなる場合には、溝４０Ｅをレーザー加工で形成する際に、圧力室１４の縁側の部分ほどレーザーの照射時間を長くすることにより、溝４０Ｅの圧力室１４の縁側部分を深くすることができる。

＜第６変更形態＞
個別電極３２に接続された配線部３５が圧力室１４の外側の領域まで延びている必要は必ずしもなく、例えば、配線部３５の代わりに、図１２に示すように、個別電極３２の表面に、ＦＰＣ等の配線部材と接続される端子部３５Ｆが配置されていてもよい。

＜第７変更形態＞
図１３に示すように、溝４０Ｇが、圧力室１４の縁に沿う領域（個別電極３２の外側の領域）だけでなく、さらに、個別電極３２と重なる領域（圧電層３１の駆動部）と重なる領域まで延びていてもよい。

＜第８変更形態＞
前記第１実施形態においては、振動板３０の下面に形成された溝４０は、各圧力室１４の縁に沿って切れ目のない環状に形成されているが（図３参照）、溝が部分的に分断されていてもよい。ここで、各圧力室１４の長手方向両端部と重なる領域における振動板３０の剛性は、幅方向（短手方向）両端部と重なる領域における振動板３０の剛性と比べて、圧電アクチュエータ３の駆動効率には影響しない。そのため、各溝が部分的に分断されている場合には、圧電アクチュエータ３の駆動効率にあまり影響しない、各圧力室１４の長手方向両端部（各インク流入口１４ａ及び各インク流出口１４ｂ）と重なる振動板３０の領域において、各溝が分断されていることが好ましい。

＜第９変更形態＞
振動板３０の下面に形成された溝４０は、図１４に示すように、振動板３０の圧力室１４と重なる部分よりも外側の部分、即ち、キャビティプレート１０と重なる部分に形成されていてもよい。この場合には、振動板４０の機械的強度を下げないで、クロストークを低減できる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。但し、前記第１実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

図１５〜図１８に示すように、第２実施形態のインクジェットヘッド５１は、複数の圧力室６４を含むインク流路が形成された流路ユニット５２と、この流路ユニット５２の上面に配置された圧電アクチュエータ５３とを備えている。

図１６、図１８に示すように、流路ユニット５２は、キャビティプレート６０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート６０，１１，１２，１３が積層状態で接合されている。これら４枚のプレート６０，１１，１２，１３のうち、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及び、ノズルプレート１３の３枚のプレートは前記第１実施形態と同様のものであり、その説明は省略する。

キャビティプレート６０には、平面に沿って配列された複数の圧力室６４が形成されている。各圧力室６４は、平面視で、略楕円形の形状（前記第１実施形態の圧力室１４の形状）からその長手方向一端部（図１６における右端部）を取り除いた形状に形成されている。また、図１６における各圧力室６４よりも右側には、平面視でベースプレート１１の各連通孔１５と重なる円形の各連通孔６５が形成されている。そして、各圧力室６４と各連通孔（貫通孔）６５は、その間に位置する各隔壁部６６により互いに隔てられている。図１８に示すように、この隔壁部６６は、圧力室６４に面する側の側面６６ａが振動板７０から離れるにつれてインク流出口６４ｂに徐々に近づくように傾斜して形成されている。つまり、この側面６６ａは、圧力室６４の底面６４ｃ（振動板７０と対向する面）に対して９０度を超える角度（例えば、１２０度）をなす傾斜面となっている。

また、図１８に示すように、圧力室６４の右端の縁と後述の振動板７０との間にはインク流入口６４ａが形成され、さらに、隔壁部６６と振動板７０との間には圧力室６４と連通孔６５とを連通させる絞り流路６７が形成されている。一方、圧力室６４の左端部には、平面視でベースプレート１１の連通孔１６と重なる円形のインク流出口６４ｂが形成されている。つまり、図１８に示すように、マニホールド１７が、連通孔１５，６５、絞り流路６７、インク流入口６４ａを介して圧力室６４に連通しており、さらに、圧力室６４は、インク流出口６４ｂ、連通孔１６，１９を介してノズル２０に連通している。

図１５、図１７、図１８に示すように、圧電アクチュエータ５３は、流路ユニット５２の上面に配置された振動板７０と、この振動板７０の上面（圧力室６４と反対側の面）に形成された圧電層３１と、この圧電層３１の上面に複数の圧力室６４に夫々対応して形成された複数の個別電極３２とを備えている。圧電層３１及び個別電極３２は前記第１実施形態と同様のものであり、その説明は省略する。

振動板７０は、複数の圧力室６４を覆うようにキャビティプレート６０に接合されている。ここで、振動板７０の下面（圧力室６４と対向する面）には、平面視で、各圧力室６４の縁よりも内側で、且つ、各個別電極３２と重なる領域の外側において、各圧力室６４の縁に沿って延びる溝８０が切れ目のない環状に形成されている。そのため、溝８０が形成された部分において振動板７０が変形しやすくなり、圧電アクチュエータ５３の駆動効率が向上する。また、クロストークも抑制される。

さらに、振動板７０の下面に形成された各溝８０は、各圧力室６４の外側の各連通孔６５までをも覆うように、図１７及び図１８の右方へ平面視略半円形状に延びている。そして、図１８に示すように、振動板７０の溝８０が形成された部分と圧力室６４の端部との間にインク流入口６４ａが形成され、さらに、隔壁部６６の上面との間には絞り流路６７が形成されている。ここで、絞り流路６７の流路高さは溝８０の深さに等しくなっている。そのため、この絞り流路６７の流路断面積は、圧力室６４とマニホールド１７との間においてインク流入口６４ａや連通孔６５,１５内に比べて十分狭くなっており、この絞り流路６７により、圧力室６４で発生した圧力波がマニホールド１７へ伝播しにくくなっている。

ところで、絞り流路６７の流路断面積は、圧力室６４内における圧力波の伝播に影響し、ひいては、ノズル２０から吐出されるインクの液滴速度や液滴体積等、インク吐出特性に大きく影響を及ぼすことから、絞り流路６７はかなり精度よく形成されている必要がある。しかし、この第２実施形態のインクジェットヘッド５１においては、振動板７０の下面に形成された溝８０の一部とキャビティプレート６０（流路ユニット５２）の上面との間に絞り流路６７が形成されることから、振動板７０に溝８０を精度よく形成するだけで、絞り流路６７も同時に形成されることになる。従って、絞り流路６７を溝８０とは別にハーフエッチング等により形成する場合に比べてインクジェットヘッド５１の製造工程を簡略化でき、歩留まりも向上する。また、隔壁部６６の圧力室６４側の側面６６ａが、圧力室６４の底面６４ｃに対して９０度を超える角度をなす傾斜面となっている。そのため、この側面６６ａが底面６４ｃに対して直交する面である場合と比較して、絞り流路６７から圧力室６４内に流入するインクによどみが発生しにくく、インクがスムーズに圧力室６４内に導入される。従って、圧力室６４の底面６４ｃと隔壁部６６の側面６６ａとにより形成される隅部に気泡が停留しにくくなり、より安定したインクの噴射が可能となる。

次に、第３実施形態として、本発明の圧電アクチュエータを備える可動マルチミラーについて説明する。但し、上記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。図１９Ａに示すように、可動マルチミラー１０１は、圧電層３１と、圧電層３１を挟んで両面に設けられた複数の個別電極３２及び導電性を有する振動板１３０とを備える圧電アクチュエーター１０３と、振動板１３０の圧電層と反対側の面に設けられた複数のミラー１５０とを備える。各個別電極３２は矩形形状であり、その長手方向の端部に端子部３５を有している。各個別電極３２は、端子部３５を介してＦＰＣ等の配線により不図示のドライバＩＣに接続され、振動板１３０はドライバＩＣを通じてグランド電位に保たれている。また、振動板１３０の圧電層３１と反対側の面の、平面視で各個別電極３２と重なる領域の外側の領域には、各個別電極３２に対応する溝１４０が設けられている。各溝１４０は、平面視で各個別電極３２の外側を、各個別電極３２の縁に沿って取り囲む矩形の形状をしている。さらに、振動板１３０の溝１４０が形成されている面の、各溝１４０に取り囲まれた内側の領域、即ち、平面視で各個別電極と重なる領域には、それぞれミラー１５０が設けられている。

不図示のドライバＩＣを通じて、所望の個別電極と振動板１３０との間に所定の電圧を印加することにより、所望の個別電極に対応する圧電層の駆動部３１ａのみを変形させて、所望の個別電極に対応するミラー１５０のみを駆動することが可能とである。この場合に、振動板１３０に形成された溝１４０によって、ミラー１５０の駆動に伴うクロストークを軽減させることができ、さらにミラー駆動の消費電力も下げることができる。本実施形態の可動マルチミラー１０１は、例えば、反射する光の光量及び反射光の向きが調整可能な反射鏡として利用することができる。この場合に、各ミラーで反射する光の向きを各ミラーの駆動により調整することによって、反射光を狭い範囲に集中させること、又は、反射光を広い範囲に分散させることが可能である。これによって、反射によってある範囲を照らす光量を調整することができる。また、本実施形態の可動マルチミラー１０１は、例えば、文字又は画像を表示する表示素子として用いることができる。所望のミラーのみを駆動して光の屈折方向を変化させることによって、ミラー表面若しくはミラーによって反射された光の投影面に文字又は画像を浮かび上がらせることができる。

本実施形態において、振動板１３０は共通電極として機能していたが、振動板とは別に共通電極を設けてもよい。その場合には、振動板と共通電極との間に絶縁層を設けることにより、共通電極と振動板との間を電気的に絶縁できる。このとき、第１実施形態の第４変更形態と同様に、圧電層を挟んで振動板側に個別電極を配置することもできる。また、本実施形態において、各個別電極の大きさ、形状、数は任意であり、各個別電極に対応するミラーの大きさ、形状、数も任意にしうる。

上記実施形態及び変更形態において、各溝の形状は、各圧力室の縁に沿った形状又は各個別電極の縁に沿った形状に限られず、各溝の形状は任意にしうる。例えば、各溝の幅は一様でなくてもよい。また溝の断面形状も上記実施形態及び変更形態の断面形状に限定されるものではなく、任意の形状であってもよい。例えば、溝の断面形状をステップ形状又は半円等の曲線にしうる。また、第３実施形態においては、図１９Ｂに示すように、振動板の平面視で各個別電極と重なる領域以外の領域が全て凹部となるように溝が形成されていてもよい。

以上、本発明の圧電アクチュエータ及び液体移送装置を、インクジェットヘッドに適用した形態及び本発明の圧電アクチュエータを可動マルチミラーに適用した形態について、第１実施形態から第３実施形態を例に挙げて説明したが、本発明を適用可能な形態は、これらの実施形態に限られるものではない。例えば、本発明の液体移送装置は、インク以外の液体を移送する種々の液体移送装置に適用することも可能である。また、本発明の圧電アクチュエータは、液体に圧力を付与するために用いられるアクチュエータに限らず、例えば、超音波を発生するバイブレータ等の様々な他の用途に用いられるアクチュエータにも適用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。 図２は、インクジェットヘッドの平面図である。 図３は、図２の一部拡大図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、図３のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は、第１実施形態の第１変更形態の図４相当図である。 図７は、第１変更形態の図５相当図である。 図８は、第２変更形態の図５相当図である。 図９は、第３変更形態の図４相当図である。 図１０は、第４変更形態の図４相当図である。 図１１は、第５変更形態の図５相当図である。 図１２は、第６変更形態の図３相当図である。 図１３は、第７変更形態の図３相当図である。 図１４は、第９変更形態の図４相当図である。 図１５は、本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの一部拡大平面図である。 図１６は、流路ユニットの一部拡大平面図である。 図１７は、振動板の一部拡大平面図である。 図１８は、図１５のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。 図１９は、本発明の第３実施形態にかかる可動マルチミラーの概略図である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ 流路ユニット
３ 圧電アクチュエータ
１４ 圧力室
３０，３０Ｂ，３０Ｅ 振動板
３１，３１Ａ 圧電層
３２ 個別電極
３４ 共通電極
３５ 配線部
４０，４０Ｂ，４０Ｅ，４０Ｇ 溝
４１ 第１金属材料層
４２ 第２金属材料層
４２ａ 貫通穴
５１ インクジェットヘッド
５２ 流路ユニット
５３ 圧電アクチュエータ
６４ 圧力室
６６ 隔壁部
６７ 絞り流路
７０ 振動板
８０ 溝

Claims (8)

1. 平面に沿って配置された複数の圧力室を含む流路ユニットと、前記流路ユニットの一表面に配置され、前記圧力室の容積を変化させてその内部の液体に圧力を付与す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は、前記複数の圧力室を覆う振動板、前記振動板の前記圧力室と反対側に配置された圧電層、前記平面に直交する方向から見て前記複数の圧力室の中央部と重なる領域に夫々配置された複数の個別電極、及び、前記複数の個別電極との間で前記圧電層を挟む共通電極を有し、
   前記振動板の前記圧力室側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記個別電極と前記共通電極の両方と重なる領域よりも外側の領域にそれぞれ溝が形成され、且つ、前記振動板の前記圧力室と反対側の面は平面状であり、
   さらに、各溝は、前記平面に直交する方向から見て、前記圧力室の縁よりも内側にあり、且つ、前記圧力室の縁に沿って環状に形成され、
   前記複数の個別電極と、これら複数の個別電極にそれぞれ接続された複数の配線部とが、同一面上に配置され、
   前記平面に直交する方向から見て、各配線部は、対応する前記個別電極から環状の前記各溝の外側の領域へ前記各溝を跨いで延びていることを特徴とする液体移送装置。
2. 前記各溝は、切れ目のない環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体移送装置。
3. 前記振動板は、互いに異なる金属材料で形成された積層状の第１金属材料層及び第２金属材料層を有し、
   第２金属材料層が前記複数の圧力室を覆うように前記流路ユニットに配置されており、 第２金属材料層の前記圧力室側の面には、各圧力室の縁に沿って延びる各貫通穴が切れ目のない環状に形成され、この第２金属材料層の各貫通穴が第１金属材料層により塞がれて、前記各溝が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液体移送装置。
4. 第２金属材料層は、所定のエッチング液によりエッチング可能な金属材料からなり、
   第１金属材料層は、前記所定のエッチング液によりエッチングされない金属材料からなることを特徴とする請求項３に記載の液体移送装置。
5. 前記各溝は、前記各圧力室の縁側の部分ほど深く形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体移送装置。
6. 前記各溝は、前記各圧力室側ほど広がるテーパー状の断面形状を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の液体移送装置。
7. 前記流路ユニットは、前記複数の圧力室と連通する共通液室を有し、
   前記振動板に形成された前記各溝の一部と前記流路ユニットの一表面との間に、前記共通液室と前記各圧力室との間において流路断面積が部分的に狭くなる絞り流路が形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の液体移送装置。
8. 前記流路ユニットは、前記複数の圧力室を含む流路が形成された積層状の複数枚のプレートからなり、
   これら複数枚のプレートのうちの１枚には、前記複数の圧力室と、前記共通液室と前記複数の圧力室とを連通させる流路の少なくとも一部となる複数の貫通孔と、前記各圧力室と前記各貫通孔とを隔てる各隔壁部とが形成され、
   前記各隔壁部の前記振動板側の面は、前記各溝の一部と対向してこの溝との間に前記絞り流路を形成し、
   さらに、前記各隔壁部の前記各圧力室に面する側面は、前記各圧力室の前記振動板と対向する面に対して９０度を超える角度で傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の液体移送装置。
   

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