JP4944687B2 - 圧電アクチュエータ及びその製造方法、液体吐出ヘッド、画像形成装置 - Google Patents
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Description
本発明は圧電アクチュエータ及びその製造方法、液体吐出ヘッド、画像形成装置に関する。
一般に、プリンタ／ファックス／コピア或いはこれらの機能を複合した画像形成装置としては、例えば、記録液（液体）の液滴を吐出する液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、媒体（以下「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、また、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。）を搬送しながら、液体としての記録液（以下、インクともいう。）を用紙に付着させて画像形成（記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる。）を行なうものがある。
なお、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与することをも意味する。また、画像形成装置は単に液滴を吐出する液体吐出装置を含む意味で用いる。
液体吐出ヘッドとしては、液室内の液体であるインクを加圧する圧力を発生するための圧力発生手段（アクチュエータ手段）として圧電素子、特に圧電層と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子を用いて、積層型圧電素子のｄ３３又はｄ３１方向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、液室内容積／圧力を変化させて液滴を吐出させるいわゆる圧電アクチュエータを用いた圧電型ヘッドが知られている。
このような圧電アクチュエータを用いた液体吐出ヘッドとして、例えば、特許文献１には複数の圧電素子が溝加工で形成された複数の圧電素子部材が、複数の圧電素子の並び方向に沿って一つのベース部材に配置されている長尺ヘッドが記載されている。
特許文献２には、単独でノズルアクチュエータを構成する複数のチップの側面同士を接合してライン状に形成した長尺ヘッドが記載されている。
また、圧電素子部材から複数の圧電素子柱を形成する方法としては、特許文献３に記載されているように、圧電素子部材をベース部材に接合した状態でダイシングブレードなどによって溝加工を施す方法が知られている。
その他、サーマル型液体吐出ヘッドに関しては特許文献４ないし６が知られている。
上述したように、画像形成装置としての例えばインクジェット記録装置には高速印字が求められている。この場合、滴吐出周波数を高くする、ノズル数を多くするといった手段があるが、滴吐出周波数を高くすると、それに伴いキャリッジを高速で動かさなければならず、強力なモータを精度よく制御する、高周波で安定して滴吐出をおこなうといった課題を解決しなければならないことから、ヘッドを長くしてノズル数を増やすラインヘッドなどの長尺化が必要になってくる。
ここで、圧電アクチュエータを用いる液体吐出ヘッドの場合には、特許文献１に記載されているように複数の圧電素子柱が形成された複数の圧電素子部材を並べて配置することで長尺化を図ることが好ましい。
ところが、この場合、ベース部材上に接合した圧電素子部材に対してダイシングブレードなどで溝加工を施すとき、圧電素子部材間の隙間を加工する時にブレードの中心と隙間の中心とのずれ量が大きくなると、ブレードに対する抵抗に偏りが生じてブレードが斜めに曲がって加工され、隙間における加工品質が低下するという不具合が生じる。
そこで、圧電素子部材間の隙間の幅をブレードの幅に一致させて隙間には溝加工を施さない構成、複数の圧電素子部材の長さを高精度に揃え、かつ、隙間の幅を高精度に揃える構成なども考えられるが、これらの構成では、いずれも圧電素子部材の製造やベース部材へ並べて配置するときの精度として極めて高いものが要求され、実用的ではないという問題が残る。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間におけるか高品質の低下を防止することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る圧電アクチュエータは、
複数の圧電素子柱が溝を介して形成された少なくとも３個の第１、第２、第３の圧電素子部材が、第１、第２、第３の圧電素子部材の順に、前記圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、
前記第１、第２、第３の圧電素子部材の内の少なくとも２個の圧電素子部材相互間で前記圧電素子柱の平均ピッチが異なり、
隣り合う前記第１の圧電素子部材と前記第２の圧電素子部材との間、及び、隣り合う前記第２の圧電素子部材と前記第３の圧電素子部材との間の隙間に対応する位置に前記溝が形成され、
前記第２の圧電素子部材に形成された前記圧電素子柱の平均ピッチをＰ２、
前記第２の圧電素子部材と前記第１の圧電素子部材との間の隙間の中心と、前記第２の圧電素子部材と前記第３の圧電素子部材との間の隙間の中心間の距離をＬ、
前記第２の圧電素子部材に設けられた前記圧電素子柱の数をｎ個、
前記第１ないし第３の圧電素子部材に加工された前記圧電素子柱の平均ピッチをＰ、としたとき、
Ｐ２×ｎの値の方がＰ×ｎの値よりもＬの値との差が小さい
構成とした。
本発明に係る圧電アクチュエータは、
複数の圧電素子柱が溝を介して形成された３個以上の圧電素子部材が前記圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、
前記３個以上の圧電素子部材の内の少なくとも２個の圧電素子部材相互間で前記圧電素子柱の平均ピッチが異なり、
隣り合う圧電素子部材間の隙間の中心とこの隙間に形成された前記溝の中心とが同じ位置にある
構成とした。
本発明に係る圧電アクチュエータによれば、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、本発明に係る圧電アクチュエータを備えたものである。
本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えたものである。
本発明に係る圧電アクチュエータによれば、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された３個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、３個以上の圧電素子部材の内の少なくとも２個の圧電素子部材相互間で圧電素子柱のピッチが異なっている構成としたので、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
本発明に係る圧電アクチュエータによれば、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された３個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置された圧電素子部材の列を複数列有し、圧電素子部材の列は、隣り合う列との間で圧電素子部材の隙間の位置が列に沿う方向にずれて配置され、１つの圧電素子部材は、一端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域と、他端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域とで圧電素子柱のピッチが異なっている構成としたので、複数の列の隙間を同時に加工する必要がなくなるとともに、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法によれば、３個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に並べて配置する工程と、ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する溝のピッチで溝加工を施す工程とを行う構成としたので、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止した圧電アクチュエータを得られる。
本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、本発明に係る圧電アクチュエータを備えるので、滴吐出特性のバラツキの少ない長尺ヘッドを得ることができる。
本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、滴吐出特性のバラツキが少なく、高画質記録を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る圧電アクチュエータの第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図１は同圧電アクチュエータの模式的説明図、図２は同圧電アクチュエータの要部拡大説明図である。
この圧電アクチュエータ１は、３個以上（ここでは３個の例で図示）の第１、第２、第３の圧電素子部材ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３（区別しないときは、圧電素子部材ＰＺＴという。）を共通のベース部材４に隙間３を空けて一列に並べて接合配置されて構成されている。圧電素子部材ＰＺＴには、例えば図２に示すように、分断することのない幅Ｄの溝５が加工されることによって複数の圧電素子柱１１が形成され、圧電素子部材ＰＺＴは圧電素子柱１１の配列方向に一列に並べられている。また、圧電素子部材ＰＺＴ間にも溝５が加工されている。
ここで、例えば圧電素子部材ＰＺＴ１とＰＺＴ２の隙間３は幅Ｔ１、圧電素子部材ＰＺＴ２とＰＺＴ３の隙間３は幅Ｔ２となっている。また、圧電素子部材ＰＺＴ１の圧電素子柱１１のピッチＰ１と、圧電素子部材ＰＺＴ２の圧電素子柱１１のピッチＰ２と、圧電素子部材ＰＺＴ３の圧電素子柱１１のピッチＰ３とは異なっている。
このように、各圧電素子部材の圧電素子柱のピッチが異なることで、各圧電素子部材ＰＺＴの長さ精度及び隙間３の寸法精度が高くない場合でも、各圧電素子柱１１の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間３における加工品質の低下を防止できるようになる。
この点を具体的に説明すると、図２に示すように、例えば隣り合う圧電素子部材ＰＺＴ１、ＰＺＴ２間の幅Ｔ１の隙間３にダイシングブレードで幅Ｄの溝５を加工するとき、隣り合う圧電素子部材ＰＺＴ１、ＰＺＴ２間の隙間３の中心とこの隙間３に形成される溝５の中心とが同じ位置になるようにダイシングブレード（加工ブレード）５００の位置を定める（図２において、Ｄａ＝Ｄｂ，Ｔａ＝Ｔｂとする。）。これによって、圧電素子部材ＰＺＴ１、ＰＺＴ２間の隙間３に加工ブレード５００で溝５を加工するときに、加工ブレード５００が斜めに入ることが防止されて、隙間３における加工品質の低下を防止できるようになる。同様に、図示しないが、圧電素子部材ＰＺＴ２、ＰＺＴ３間の幅Ｔ２の隙間３に加工ブレード５００で溝５を加工するときも、隙間３の中心とこの隙間３に形成される溝５の中心とが同じ位置になるように加工ブレード５００の位置を定めて溝加工を行う。
そして、１つの圧電素子部材ＰＺＴ２については隙間３、３間の距離Ｌに基づいて各圧電素子柱１１のピッチを決めて、所要数の圧電素子柱１１を形成する。また、圧電素子部材ＰＺＴ１、３については隙間３の中心位置からの長さに基づいて各圧電素子柱１１のピッチを決めて、所要数の圧電素子柱１１を形成する。そのため、複数の圧電素子部材ＰＺＴ相互間では圧電素子柱１１のピッチが異なるものとなる。しかしながら、圧電素子部材の長さ、隙間をある程度の範囲内で収めれば、各圧電素子部材の個々の圧電素子柱の幅による駆動特性のバラツキは実用的な許容範囲内に収めることができる。
これに対して、各圧電素子部材の圧電素子柱のピッチを等ピッチにしてダイシングブレードで溝加工を施すと、例えば図３に示すように、圧電素子部材ＰＺＴ１、ＰＺＴ２間の隙間でダイシングブレード５００の中心Ｄｏが隙間３の中心Ｔｏからずれて、例えば仮想線で示すように斜めにブレード５００が入り込んで加工され、隙間３に臨む圧電素子柱１１が他の圧電素子柱１１と大きく幅が異なって許容できない駆動特性のバラツキが生じることになる。そのため、圧電素子部材及び隙間を高精度に設定しなければならず、長尺ヘッドの組み立て工程が複雑になり、コストが増大することになる。
このように、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された３個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、３個以上の圧電素子部材の内の少なくとも２個の圧電素子部材相互間で圧電素子柱のピッチが異なっている構成とすることで、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
なお、ここでは、ベース部材上に３個の圧電素子部材を一列に並べて配置した例で説明しているが、これに限るものではなく、例えば図４に示すように、６個の圧電素子部材ＰＺＴ１〜ＰＺＴ６を配置することもできる。具体的には、長さ３００ｍｍのベース部材４に長さ５０ｍｍの圧電素子部材ＰＺＴ１〜ＰＺＴ６の６個を直線上に並べて配置している。すべての圧電素子部材ＰＺＴ１〜ＰＺＴ６の相互間の隙間３の中心と溝５の中心位置が一致しており、１本の圧電素子部材ＰＺＴには５９０本の溝５を形成している。この場合、圧電素子柱１１の幅は場約１０μｍであり、溝５の幅は約３０μｍ、溝５の深さは約６４０μｍとしている。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの第２実施形態について図５を参照して説明する。なお、図５は同圧電アクチュエータの模式的説明図である。
ここでは、例えば圧電素子部材ＰＺＴ２において、端部の圧電素子柱１１の加工ピッチＰ２１と中央部の圧電素子柱１１の加工ピッチＰ２２とが異なっている。なお、この場合、端部から中央部に行くに従い、加工ピッチが大きくなってもよいし、小さくなってもよい。また、圧電素子部材内で加工ピッチがランダムになっていてもよい。
つまり、前述したように、圧電素子部材ＰＺＴの隙間３に隣接する圧電素子柱１１は、隙間３の幅のばらつき、圧電素子部材ＰＺＴとベース部材４の接合に使用する接着剤の這い上がり等によって加工ブレードを変形させ、その結果、圧電素子柱１１の形状にばらつきが発生する。そこで、このばらつきを低減するため、１つの圧電素子部材ＰＺＴ内における圧電素子柱１１のピッチを不等ピッチにすることにより、隙間３に隣り合う圧電素子柱１１のみが他の圧電素子柱１１の幅と異なってばらつきが目立つことを防止する。これにより、１つの圧電素子部材ＰＺＴ内における複数の圧電素子柱１１間での駆動特性のバラツキを低減することができる。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの第３実施形態について図６及び図７を参照して説明する。なお、図６は同圧電アクチュエータの模式的斜視説明図、図７は図６の要部平面説明図である。
ここでは、１つのベース部材４上に３個以上の圧電素子部材を一列に並べた圧電素子部材ＰＺＴの列を２列配置している。例えば、３個の圧電素子部材ＰＺＴ１１〜ＰＺＴ１３を並べた列と３個の圧電素子部材ＰＺＴ２１〜２３を並べた列を配置している。
この場合、各圧電素子部材ＰＺＴの長さばらつき、圧電素子部材ＰＺＴの配列位置ばらつきにより、例えば、図７に示すように、各圧電素子部材の列間の隙間位置が揃わないことがある。そこで、図７に示すように、各列の圧電素子部材ＰＺＴの隙間３の幅の平均に加工溝５の中心Ｄｏ位置合わせる。ここでは、一方の列の圧電素子部材ＰＺＴ１１、ＰＺ１２の隙間３１の中心位置Ｔｏ１（Ｔａ１＝Ｔｂ１）と他方の列の圧電素子部材ＰＺＴ２１、ＰＺ２２の隙間３２の中心位置Ｔｏ２（Ｔａ２＝Ｔｂ２）との中心位置を加工溝（加工ブレード）の中心Ｄｏ（Ｄａ＝Ｄｂ）として、溝加工を施す。これによって、１つの圧電素子部材の列の位置ずれ量を最低限に抑え、加工品質の向上を図ることができる。
この場合、図８（ａ）に示すように、例えば圧電素子部材ＰＺＴ１１、１２の隙間３１及び圧電素子部材ＰＺＴ２１、２２間の隙間３２を加工するとき、同図（ｂ）に示すように途中まで溝５ａを加工した後、加工ブレードを一旦溝５ａから退避させ、再度同図（ｂ）に示すように加工ブレードを進入させて溝５を加工することができる。このように、隙間の部分についての溝加工は、深さ方向に複数回に分けて行うことにより、一度に深く加工する場合に比べて、加工品質が向上する。特に、圧電素子部材の列を複数列有して、各列の列方向にずれた隙間を同時に加工する場合の加工品質の向上を図れる。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法について図９及び図１０を参照して説明する。なお、図９は同製造方法におけるモニタ画面のモニタ結果の説明図、図１０は同製造方法の説明に供する説明図である。
図１０に示すように、ベース部材４上に圧電素子部材ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３を、隙間３を空けて一列に並べて接合配置する。そして、圧電素子部材ＰＺＴ１とＰＺＴ２の隙間３をＣＣＤ、撮像カメラなどの撮像手段で撮像して、例えば図９に示すようにモニタ画面４０上に表示させ、隙間位置を加工基準位置４１として指定する。同様に、圧電素子部材ＰＺＴ２とＰＺＴ３の隙間３を同様に加工基準位置４２として指定する。そして、指定した基準位置間４１、４２間の距離Ｌを測長（計測）する。
次いで、前述した圧電アクチュエータの第１実施形態の構成であれば、基準位置間距離Ｌを例えば等ピッチになるように圧電素子部材ＰＺＴ２を指定溝本数分加工する。また、圧電アクチュエータの第２実施形態の構成であれば、基準位置間距離Ｌを部分的に不等ピッチになるように圧電素子部材ＰＺＴ２を指定溝本数分加工する。この場合、圧電素子端部から中央部に行くに従い、加工ピッチが大きくなってもよいし、小さくなってもよい。また、圧電素子内の加工ピッチがランダムになっていてもよい。なお、位置合わせ、測長及び演算はマニュアルでもオートでもよい。
このように、３個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に並べて配置する工程と、ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する溝のピッチで溝加工を施す工程とを行う構成としたので、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止した圧電アクチュエータを得られる。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの第４実施形態について図１１を参照して説明する。なお、図１１は同アクチュエータの溝加工前の平面説明図である。
ここでは、ベース部材４上に、３個の圧電素子部材ＰＺＴ１１〜ＰＺＴ１３を、隙間３１を空けて一列に並べて配置するとともに、５個の圧電素子部材ＰＺＴ２１〜ＰＺＴ２５を、隙間３２を空けて一列に並べて配置している。このとき、一方の圧電素子部材の列の隙間３１と他方の圧電素子部材の列の隙間３２とは位置をずらしている。また、各隙間３１、各隙間３２はそれぞれ同じでも異なってもよい。
そして、これらの圧電素子部材ＰＺＴを加工するとき、圧電素子部材ＰＺＴ１１、ＰＺＴ１２の隙間３１と圧電素子部材２１、ＰＺＴ２２の隙間３２を検出し、例えば圧電素子部材ＰＺＴ１２について言えば、隙間間距離Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ測長後、隙間間距離Ｌ１に対応する領域は距離Ｌ１に基づいて等ピッチあるいは不等ピッチに溝加工を施し、また隙間間距離Ｌ２に対応する領域は距離Ｌ２に基づいて等ピッチあるいは不等ピッチに溝加工を施している。
これにより、２つの隙間３１、３２を同時に加工する必要がなくなるため、隙間３１、３２の加工品質が向上する。なお、ここでは一方の圧電素子部材の列の隙間３１と他方の圧電素子部材の列の隙間３２とが千鳥状になるように圧電素子部材を配置しているが、隙間位置が加工方向に対してずれていればよい。
この場合、一方の圧電素子部材の列の隙間３１と他方の圧電素子部材の列の圧電素子部材の溝５の中心位置を合わせることによって、２つの圧電素子部材の列に同時に溝加工を施すことができる。
このように、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された３個以上の圧電素子部材が圧電素子配列方向に一列に並べて配置された圧電素子部材の列を複数列有し、圧電素子部材の列は、隣り合う列との間で圧電素子部材の隙間の位置が列に沿う方向にずれて配置され、１つの圧電素子部材は、一端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域と、他端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域とで圧電素子柱のピッチが異なっていることで、複数列の隙間を同時に加工する必要がなくなるとともに、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態について図１２及び図１３を参照して説明する。なお、図１２は同液体吐出ヘッドの液室長手方向（液室の並び方向と直交する方向）に沿う断面説明図、図１３は同じく液室短手方向（液室の並び方向）に沿う断面説明図である。
この液体吐出ヘッドは、ＳＵＳ基板で形成した流路基板（液室基板）１０１と、この流路基板１の下面に接合した振動板部材１０２と、流路基板１０１の上面に接合したノズル板１０３とを有し、これらによって液滴（液体の滴）を吐出するノズル１０４が連通する個別流路としての液室（以下「加圧液室」というが、圧力室、加圧室、流路などとも称される。）１０６、加圧液室１０６に液体であるインク（記録液）を供給する供給路を兼ねた流体抵抗部１０７、複数の加圧液室１０６に記録液を供給する共通液室１０８を形成している。なお、共通液室１０８には図示しない液体タンクから供給路を介して記録液が供給される。
ここで、流路基板１０１は、リストリクタプレート１０１Ａとチャンバーブレート１０１Ｂとを接着して構成している。この流路基板１０１は、ＳＵＳ基板を、酸性エッチング液を用いてエッチング、あるいは打ち抜き（プレス）などの機械加工することで、各加圧液室６、流体抵抗部７、共通液室８などの開口をそれぞれ形成している。なお、流体抵抗部１０７は、リストリクタプレート１０１Ａの部分を開口し、チャンバーブレート１０１Ｂの部分を開口しないことで形成している。
振動板部材１０２は、流路基板１０１を構成するチャンバーブレート１０１Ｂに接着接合している。この振動板部材２は、例えば、ＳＵＳ基板などの金属部材１２１に金属部材２１よりも線膨張係数を大きく調製した樹脂を直接塗布（塗工）して加熱、固化させた樹脂層（樹脂部材）１２２を直接成膜して形成したものであり、樹脂層１２２で液室１０６の壁面となる変形可能な部分（振動板領域）１０２Ａを形成し、この振動板領域１０２Ａの液室１０６と反対側には金属部材１２１からなる島状の突起部（以下「島状凸部」ともいう。）１０２Ｂを形成している。また、この振動板部材１０２には流路基板１０１の液室間隔壁部１０６Ａに対応する位置には金属部材１２１による厚肉部１０２Ｄが形成（残存）されている。この他、振動板部材１０２は、樹脂層と金属部材とを接着剤で接合したもの、Ｎｉなどの電鋳で形成したものなどを用いることもできる。
ノズル板１０３は、各加圧液室１０６に対応して直径１０〜３０μｍの多数のノズル１０４を形成し、流路基板１０１のリストリクタプレート１０１Ａに接着剤接合している。このノズル板１０３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、ポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂、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。
そして、振動板部材１０２の面外側（加圧液室１０６と反対面側）に本発明に係る圧電アクチュエータ１１０を配置している。この圧電アクチュエータ１１０は、前述した圧電アクチュエータ１と同様に、複数個（３個以上）の圧電素子部材１１２を共通のベース部材１１４に一列に並べて接合配置され、各圧電素子部材１１２には分断することのないスリット加工（溝加工）によるスリット溝１１５が形成されることで、複数の圧電素子柱１１１が形成されている。そして、前述したように、例えば第１実施形態の圧電アクチュエータの構成であれば、圧電素子部材１１２間で圧電素子柱１１１のピッチが異なっている。また、圧電素子部材１１２の各圧電素子柱１１１は、１つおきに駆動する圧電素子柱（駆動圧電素子柱）１１１Ａと駆動しない圧電素子柱（非駆動圧電素子柱）１１１Ｂとして使用する。
給電部材１１３は、ＦＰＣで構成し、圧電素子部材１１２の１つおきの駆動圧電素子柱１１１Ａに対応して配置された図示しない電極を有している。
この圧電アクチュエータ１１０の駆動圧電素子柱１１１Ａは振動板部材１０２の島状凸部１０２Ｂに接着剤接合し、非駆動圧電素子柱１１１Ｂは液室間隔壁部１０６Ａに対応する厚肉部１０２Ｄに接着剤接合している。
なお、圧電素子部材１１２は、厚さ１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層と、厚さ数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層とを交互に積層したものであり、内部電極を交互に端面の端面電極（外部電極）である図示しない個別電極及び共通電極にそれぞれ電気的に接続し、これらの個別電極及び共通電極に前述した給電部材１１３をはんだ接合している。この圧電定数がｄ３３（ｄ３３は内部電極面に垂直（厚み方向）の伸び縮みを指す。）である圧電素子部材１１２の駆動圧電素子柱１１１Ａの伸縮により振動板領域１０２Ａを変位させて液室１０６を収縮、膨張させるようになっている。圧電素子柱１１１Ａに駆動信号が印加され充電が行われると伸長し、また圧電素子柱１１１Ａに充電された電荷が放電すると反対方向に収縮する。
なお、圧電素子部材１１２（駆動圧電素子柱１１１Ａ）の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて加圧液室１０６内インクを加圧する構成とすることも、圧電素子部材１１２の圧電方向としてｄ３１方向の変位を用いて加圧液室１０６内インクを加圧する構成とすることもできる。本実施形態ではｄ３３方向の変位を用いた構成をとっている。
ベース部材１１４は金属材料で形成することが好ましい。ベース部材１１４の材質（材料）が金属であれば、圧電素子部材１１２の自己発熱による蓄熱を防止することができる。
さらに、振動板部材１０２の周囲にはフレーム部材１１７を接着剤で接合している。そして、このフレーム部材１１７には、振動板部材１０２の樹脂層１２２で構成した変形可能な部分としてのダイアフラム部１０２Ｃを介して共通液室１０８に隣接するバッファ室１１８を形成している。ダイアフラム部１０２Ｃは共通液室１０８及びバッファ室１１８の壁面を形成する。なお、バッファ室１１８は連通路１２０を介して大気と連通させている。
また、この液体吐出ヘッドでは、圧電素子部材１１２の圧電素子柱１１１は３００ｄｐｉの間隔で形成し、それが対向して２列に並んでいる構成としている。また、加圧液室１０６及びノズル１０４は１列１５０ｄｐｉの間隔で２列を千鳥状に並べて配置しており、３００ｄｐｉの解像度を１スキャンで得ることができる。
また、上述したようにこの液体吐出ヘッドは、ほとんどの部材をＳＵＳから形成し、その熱膨張係数を揃えているので、ヘッドの組立中、あるいは、使用中における熱膨張による種々の不具合を避けることができる。
このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば圧電素子部材１１２の駆動圧電素子柱１１１Ａに印加する電圧を基準電位から下げることによって駆動圧電素子柱１１１Ａが収縮し、振動板部材１０２の振動板領域１０２Ａが下降して加圧液室１０６の容積が膨張することで、加圧液室１０６内にインクが流入し、その後駆動圧電素子柱１１１Ａに印加する電圧を上げて駆動圧電素子柱１１１Ａを積層方向に伸長させ、振動板領域１０２Ａをノズル１０４方向に変形させて加圧液室１０６の容積／体積を収縮させることにより、加圧液室１０６内の記録液が加圧され、ノズル１０４から記録液の滴が吐出（噴射）される。
そして、駆動圧電素子柱１１１Ａに印加する電圧を基準電位に戻すことによって振動板領域１０２Ａが初期位置に復元し、加圧液室１０６が膨張して負圧が発生するので、このとき、共通液室１０８から加圧液室１０６内に記録液が充填される。そこで、ノズル１０４のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の液滴吐出のための動作に移行する。
なお、このヘッドの駆動方法については上記の例（引き−押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行うこともできる。
このように、この液体吐出ヘッドは本発明に係る圧電アクチュエータを備えているので、滴吐出特性のバラツキの少ない長尺ヘッドとすることができる。
次に、本発明に係る液体吐出装置を含む本発明に係る画像形成装置の一例について図１４を参照して説明する。なお、図１４は同装置の機構部全体の概略構成図である。
この画像形成装置は、装置本体２０１の内部に画像形成部２０２等を有し、装置本体２０１の下方側に多数枚の記録媒体（用紙）２０３を積載可能な給紙トレイ２０４を備え、この給紙トレイ２０４から給紙される用紙２０３を取り込み、搬送機構２０５によって用紙２０３を搬送しながら画像形成部２０２によって所要の画像を記録した後、装置本体２０１の側方に装着された排紙トレイ２０６に用紙２０３を排紙する。
また、装置本体２０１に対して着脱可能な両面ユニット２０７を備え、両面印刷を行うときには、一面（表面）印刷終了後、搬送機構２０５によって用紙２０３を逆方向に搬送しながら両面ユニット２０７内に取り込み、反転させて他面（裏面）を印刷可能面として再度搬送機構２０５に送り込み、他面（裏面）印刷終了後排紙トレイ２０６に用紙２０３を排紙する。
ここで、画像形成部２０２は、例えばブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の液滴を吐出する、フルライン型の４個の本発明に係る液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッド２１１ｋ、２１１ｃ、２１１ｍ、２１１ｙ（色を区別しないときには「記録ヘッド２１１」という。）を備え、各記録ヘッド２１１は液滴を吐出するノズルを形成したノズル面を下方に向けてヘッドホルダ２１３に装着している。
また、各記録ヘッド２１１に対応してヘッドの性能を維持回復するための維持回復機構２１２ｋ、２１２ｃ、２１２ｍ、２１２ｙ（色を区別しないときには「維持回復機構２１２」という。）を備え、パージ処理、ワイピング処理などのヘッドの性能維持動作時には、記録ヘッド２１１と維持回復機構２１２とを相対的に移動させて、記録ヘッド２１１のノズル面に維持回復機構２１２を構成するキャッピング部材などを対向させる。
なお、ここでは、記録ヘッド２１１は、用紙搬送方向上流側から、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順に各色の液滴を吐出する配置としているが、配置及び色数はこれに限るものではない。また、ライン型ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で設けた１又は複数のヘッドを用いることもできるし、ヘッドとこのヘッドに記録液を供給する記録液カートリッジを一体とすることも別体とすることもできる。
給紙トレイ２０４の用紙２０３は、給紙コロ（半月コロ）２２１と図示しない分離パッドによって１枚ずつ分離され装置本体２０１内に給紙され、搬送ガイド部材２２３のガイド面２２３ａに沿ってレジストローラ２２５と搬送ベルト２３３との間に送り込まれ、所定のタイミングでガイド部材２２６を介して搬送機構２０５の搬送ベルト２３３に送り込まれる。
また、搬送ガイド部材２２３には両面ユニット２０７から送り出される用紙２０３を案内するガイド面２２３ｂも形成されている。更に、両面印刷時に搬送機構２０５から戻される用紙２０３を両面ユニット２０７に案内するガイド部材２２７も配置している。
搬送機構２０５は、駆動ローラである搬送ローラ２３１と従動ローラ２３２との間に掛け渡した無端状の搬送ベルト２３３と、この搬送ベルト２３３を帯電させるための帯電ローラ２３４と、画像形成部２０２に対向する部分で搬送ベルト２３３の平面性を維持するプラテン部材２３５と、搬送ベルト２３３から送り出す用紙２０３を搬送ローラ２３１側に押し付ける押さえコロ２３６と、その他図示しないが、搬送ベルト２３３に付着した記録液（インク）を除去するためのクリーニング手段である多孔質体などからなるクリーニングローラなどを有している。
この搬送機構２０５の下流側には、画像が記録された用紙２０３を排紙トレイ２０６に送り出すための排紙ローラ２３８及び拍車２３９を備えている。
このように構成した画像形成装置において、搬送ベルト２３３は矢示方向に周回移動し、高電位の印加電圧が印加される帯電ローラ３３４と接触することで正に帯電される。この場合、帯電ローラ２３４の帯電電圧は所定の時間間隔で極性を切り替えることによって、搬送ベルト２３３を所定の帯電ピッチで帯電させる。
ここで、この高電位に帯電した搬送ベルト２３３上に用紙２０３が給送されると、用紙２０３内部が分極状態になり、搬送ベルト２３３上の電荷と逆極性の電荷が用紙２０３の搬送ベルト２３３と接触している面に誘電され、搬送ベルト２３３上の電荷と搬送される用紙２０３上に誘電された電荷同士が互いに静電的に引っ張り合い、用紙２０３は搬送ベルト２３３に静電的に吸着される。このようにして、搬送ベルト２３３に強力に吸着した用紙２０３は反りや凹凸が校正され、高度に平らな面が形成される。
そして、搬送ベルト２３３を周回させて用紙２０３を移動させ、記録ヘッド２１１から液滴を吐出することで、用紙２０３上に所要の画像が形成され、画像が記録された用紙２０３は排紙ローラ２３８によって排紙トレイ２０６に排紙される。
このように、この画像形成装置においては本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッドを備えているので、低コストで、高い信頼性が得られる記録ヘッドを用いて高速で画像を形成することができる。また、この画像形成装置における記録ヘッド及びこの記録ヘッドを駆動する部分で構成される液体吐出装置においても、本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッドを備えているので、低コストで、高い信頼性が得られる液体吐出を行うことができる。
なお、上記実施形態では本発明に係る液体吐出装置をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、プリンタ／ファックス／コピア複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、インク以外の液体である記録液や定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。
１…圧電アクチュエータ
ＰＺＴ…圧電素子部材
３…隙間
４…ベース部材
５…溝
１１…圧電素子柱
１０１…流路基板
１０２…振動板部材
１０３…ノズル板
１０４…ノズル
１０６…加圧液室
１１０…圧電アクチュエータ
２１１ｋ、２１１ｃ、２１１ｍ、２１１ｙ…記録ヘッド（液体吐出ヘッド）
Claims (10)
- 複数の圧電素子柱が溝を介して形成された少なくとも３個の第１、第２、第３の圧電素子部材が、第１、第２、第３の圧電素子部材の順に、前記圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、
前記第１、第２、第３の圧電素子部材の内の少なくとも２個の圧電素子部材相互間で前記圧電素子柱の平均ピッチが異なり、
隣り合う前記第１の圧電素子部材と前記第２の圧電素子部材との間、及び、隣り合う前記第２の圧電素子部材と前記第３の圧電素子部材との間の隙間に対応する位置に前記溝が形成され、
前記第２の圧電素子部材に形成された前記圧電素子柱の平均ピッチをＰ２、
前記第２の圧電素子部材と前記第１の圧電素子部材との間の隙間の中心と、前記第２の圧電素子部材と前記第３の圧電素子部材との間の隙間の中心間の距離をＬ、
前記第２の圧電素子部材に設けられた前記圧電素子柱の数をｎ個、
前記第１ないし第３の圧電素子部材に加工された前記圧電素子柱の平均ピッチをＰ、としたとき、
Ｐ２×ｎの値の方がＰ×ｎの値よりもＬの値との差が小さい
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、１つの圧電素子部材内では前記圧電素子柱のピッチが同じであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、１つの圧電素子部材内で前記圧電素子柱のピッチが異なっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、隣り合う圧電素子部材間の隙間の中心とこの隙間に形成された前記溝の中心とが同じ位置にあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記少なくとも３個の第１、第２、第３の圧電素子部材が並べられた列を２列以上有し、各列の圧電素子部材の隙間が列に沿う方向で揃えられ、前記隙間に対して複数回の溝加工で前記溝が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 複数の圧電素子柱が溝を介して形成された３個以上の圧電素子部材が前記圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、
前記３個以上の圧電素子部材の内の少なくとも２個の圧電素子部材相互間で前記圧電素子柱の平均ピッチが異なり、
隣り合う圧電素子部材間の隙間の中心とこの隙間に形成された前記溝の中心とが同じ位置にある
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、１つの圧電素子部材内で前記圧電素子柱のピッチが異なっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項１に記載の圧電アクチュエータを製造する製造方法であって、
３個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に配置する工程と、
前記ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、
前記計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、
前記圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する前記溝のピッチで溝加工を施す工程と、を行う
ことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 液滴を吐出するノズルが連通する液室の壁面を形成する振動板を圧電アクチュエータで変位させることで前記ノズルから液滴が吐出される液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータが請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電アクチュエータであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備えて画像を形成する画像形成装置において、前記液体吐出ヘッドが請求項９に記載の液体吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
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