JP5225249B2

JP5225249B2 - 液体吐出ヘッド、およびそれを用いた液体吐出装置、ならびに記録装置

Info

Publication number: JP5225249B2
Application number: JP2009247309A
Authority: JP
Inventors: 大輔穂積; 歩松元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011093131A

Description

本発明は、液滴を吐出させる液体吐出ヘッド、およびそれを用いた液体吐出装置、ならびにそれを用いて画像を印刷する記録装置に関するものである。

近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。

このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

また、このような液体吐出ヘッドには、記録媒体の搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および記録媒体より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる記録媒体に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。

シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する液体吐出孔の密度を高くする必要がある。

そこで液体吐出ヘッドを、マニホールド（共通流路）およびマニホールドから複数の液体加圧室をそれぞれ介して繋がる液体吐出孔を有した流路部材と、前記液体加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有するアクチュエータユニットとを積層して構成したものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この液体吐出ヘッドでは、複数の液体吐出孔にそれぞれ繋がった液体加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられたアクチュエータユニットの変位素子を変位させることで、各液体吐出孔からインクを吐出させ、主走査方向に６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。

特開２００３−３０５８５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、例えば、変位素子を駆動する駆動周波数を高くしようとしたり、変位素子の変位量を大きくしたり、解像度をさらに高くするために共通流路に繋がっている液体加圧室の間隔を狭くしたり、小型化するために共通流路の断面積を小さくしようとしたりすると、液体加圧室の中の液体に加えられた圧力が、共通流路に伝わり、共通流路の液体が共振して、共通流路に定在波が起きることがあった。

そして、定在波が起きると、その圧力が液体加圧室に伝わり、吐出特性が変動することがある。特に、定在波の影響で生じる吐出特性の変動は、周期的になることがあり、印刷に使用した際の画像に周期的に影響が出て目立つおそれがあった。

したがって、本発明の目的は、共通流路に生じる定在波の影響を受け難い液体吐出ヘッド、およびそれを用いた液体吐出装置、ならびに記録装置を提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドは、一方方向に長く一端が閉じている共通流路と、該共通流路の他端に繋がっている、断面積が該共通流路の２倍以上である断面積の大きい液体供給路と、前記共通流路の途中に、それぞれ複数の液体加圧室を介して繋がっている複数の液体吐出孔と、前記複数の液体加圧室内の液体をそれぞれ加圧する複数の加圧部とを有する液体吐出ヘッドであって、前記共通流路の長さをＬ（ｍｍ）としたとき、前記共通流路のうちの前記一端から長さＬ／２の部分の平均断面積が、前記共通流路のうちの前記他端から
長さＬ／２の部分の平均断面積の半分以下であり、前記複数の加圧室と前記共通流路とを繋げる流路は、前記共通流路の長さ方向全体にわたって配置されていることを特徴とする。

前記共通流路の断面積の変化が連続的であることが好ましい。

本発明の液体吐出装置は、前記液体吐出ヘッドと、前記複数の加圧部の駆動を制御する制御部とを備えている液体吐出装置であって、前記制御部は、前記共通流路の中の液体の１次の共振周波数の０．５３倍以下の駆動周波数で前記加圧部を駆動するように制御することを特徴とする。

また、本発明の記録装置は、前記液体吐出装置と、記録媒体を前記液体吐出装置に対して搬送する搬送部とを備えていることを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、一方方向に長く一端が閉じている共通流路と、該共通流路の他端に繋がっている、断面積が該共通流路の２倍以上である断面積の大きい液体供給路と、前記共通流路の途中に、それぞれ複数の液体加圧室を介して繋がっている複数の液体吐出孔と、前記複数の液体加圧室内の液体をそれぞれ加圧する複数の加圧部とを有する液体吐出ヘッドであって、前記共通流路の長さをＬ（ｍｍ）としたとき、前記共通流路のうちの前記一端から長さＬ／２の部分の平均断面積が、前記共通流路のうちの前記他端から長さＬ／２の部分の平均断面積の半分以下であり、前記複数の加圧室と前記共通流路とを繋げる流路は、前記共通流路の長さ方向全体にわたって配置されていることにより、共通流路内の液体に生じる定在波の周波数が高くなり、定在波が生じにくくなる。

前記共通流路の断面積の変化が連続的である場合、断面積が急激に変わる部分の前後で繋がっている液体吐出素子の吐出特性に大きな変動が生じにくくなる。

また、本発明の液体吐出装置は、前記液体吐出ヘッドと、前記複数の加圧部の駆動を制御する制御部とを備えている液体吐出装置であって、前記制御部は、前記共通流路の中の液体の１次の共振周波数の０．５３倍以下の駆動周波数で前記加圧部を駆動するように制
御することにより、駆動周波数が、前記共通流路の前記一端が圧力変動の腹となり、前記他端が圧力変動の節となる中でもっとも周波数の低い定在波であって、もっとも生じやすい１次の共振振動の振動周期よりも十分低くなり、定在波が励起されにくくなる。

また、本発明の記録装置は、前記液体吐出装置と、記録媒体を前記液体吐出装置に対して搬送する搬送部とを備えていることにより、共通流路に励起される定在波の影響が少なくなり、記録精度を高くすることができる。

本発明の一実施形態に係る記録装置であるプリンタの概略構成図である。図１の液体吐出ヘッドを構成するヘッド本体を示す平面図である。図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図である。図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。試料Ｎｏ．１および２の液体吐出ヘッドにおける、１つの副マニホールドに繋がっているノズルからの吐出速度を示したグラフである。（ａ）共通流路の周辺の形態を示した模式図である。（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）で示した共通流路に生じる定在波を示した模式図である。（ａ）〜（ｆ）液体吐出ヘッドの共通流路の形状を示した模式図である。（ａ）〜（ｅ）液体吐出ヘッドの共通流路の形状を示した模式図である。

図１は、本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドを含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つの液体吐出ヘッド２を有している。これらの液体吐出ヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。液体吐出ヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。

プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０および紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、液体吐出ヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。

給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。

給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａおよび１１８ｂ、ならびに、１１９ａおよび１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。

搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６および１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６および１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、液体吐出ヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。

ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。したがって、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。

ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。

給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、液体吐出ヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。

４つの液体吐出ヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各液体吐出ヘッド２は、下端にヘッド本体１３を有している。ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の液体吐出孔８が設けられている（図４参照）。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた液体吐出孔８からは、同じ色の液滴（インク）が吐出されるようになっている。各液体吐出ヘッド２の液体吐出孔８は一方方向（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐ搬送方向に直交する方向であり、液体吐出ヘッド２の長手方向）に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。各液体吐出ヘッド２から吐出される液体の色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。各液体吐出ヘッド２は、ヘッド本体１３の下面と搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。

搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド２を構成するヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。

搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａおよび１２１ｂならびに１２２ａおよび１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。

なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にある液体吐出ヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子および受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、液体吐出ヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。

次に本発明の液体吐出ヘッドを構成するヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体１３を示す上面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大上面図であり、ヘッド本体１３の一部である。図４は、図３と同じ位置の拡大透視図で、液体吐出孔８の位置が分かりやすいように、一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かりやすくするために、圧電アクチュエータユニット２１の下方にあって破線で描くべき液体加圧室１０（液体加圧室群９）、しぼり１２および液体吐出孔８を実線で描いている。図５は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。

ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、アクチュエータユニットである圧電アクチュエータユニット２１とを有している。圧電アクチュエータユニット２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータユニット２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータユニット２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータユニット２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる。

流路部材４の内部には液体流路の一部であるマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つの圧電アクチュエータユニット２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には開口５ｂを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。

流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド（共通流路）５ａということがあり、開口５ｂから副マニホールド５ａまでのマニホールド５を液体供給路５ｃということがある）。開口５ｂに繋がる液体供給路５ｃは、圧電アクチュエータユニット２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。２つの圧電アクチュエータユニット２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド５が、隣接する圧電アクチュエータユニット２１に共有されており、副マニホールド５ａがマニホールド５の両側から分岐している。分岐した副マニホールド５ａは、これらの副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域に互いに隣接してヘッド本体１３の長手方向に延在し、各圧電アクチュエータユニット２１の中央付近で閉じている。

すなわち、副マニホールド（共通流路）５ａの一端は閉じており、他端は液体供給路５ｃに繋がっている。また、詳細は後述するが、副マニホールド（共通流路）５ａは閉じている一端側の断面積が、液体供給路５ｃに繋がっている他端側の断面積よりも小さくなっている。断面積は、副マニホールド（共通流路）５ａの深さを変えることにより変えられている。また、液体供給路５ｃの断面積は、副マニホールド（共通流路）５ａの端の断面積より大きくなっている。なお、図３においては、副マニホールド（共通流路）５ａの端が２つの液体供給路５ｃに繋がっているものがあるが、このような場合は、それらの液体供給路５ｃの合計の断面積が副マニホールド（共通流路）５ａの端の断面積よりも大きくなっているということである。これは、副マニホールド（共通流路）５ａの端に３つ以上の液体供給路５ｃが繋がっている場合も同様である。

流路部材４は、複数の液体加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に形成されている４つの液体加圧室群９を有している。液体加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。液体加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの液体加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの液体加圧室１０によって形成された各液体加圧室群９は圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有している。また、各液体加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。

本実施形態では、図３に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。

全体では、マニホールド５から繋がる液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各液体加圧室列に含まれる液体加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子５０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。液体吐出孔８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。すなわち、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の液体吐出孔８を４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されているということである。

圧電アクチュエータユニット２１の上面における各液体加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は液体加圧室１０より一回り小さく、液体加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。

流路部材４の下面の液体吐出面には多数の液体吐出孔８が形成されている。これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。これらの液体吐出孔は、１つの群として圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータユニット２１の変位素子５０を変位させることにより液体吐出孔８から液滴が吐出できる。液体吐出孔８の配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の液体吐出孔８は、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。

ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体１３は、図５に示されているように、液体加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、液体吐出孔８は下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、液体加圧室１０を介して副マニホールド５ａと液体吐出孔８とが繋がる構成を有している。

各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された液体加圧室１０である。第２に、液体加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。

第３に、液体加圧室１０の他端から液体吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には液体吐出孔８）までの各プレートに形成されている。

第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。なお、副マニホールド５ａの位置によっては、マニホールドプレート２９には孔が形成されていない部分があり、これにより、副マニホールド５ａの断面積が変えられている。

このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホールド５ａの出口）から液体吐出孔８に至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で液体吐出孔８から吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、液体加圧室１０の一端部に至る。さらに、液体加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、液体加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した液体吐出孔８へと進む。

圧電アクチュエータユニット２１は、図５に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ２０μｍ程度の厚さを有している。圧電アクチュエータユニット２１全体の厚さは４０μｍ程度である。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の液体加圧室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。

圧電アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極３４およびとＡｕ系などの金属材料からなる個別電極３５を有している。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、液体加圧室１０と対向する領域外に引き出されて接続電極３６が形成されている。この接続電極３６は例えばガラスフリットを含む銀−パラジウムからなり、厚さが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続電極３６は、図示されていないＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部１００からＦＰＣを通じて駆動信号が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。

共通電極３４は、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極３４は、圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域内の全ての液体加圧室１０を覆うように延在している。共通電極３４の厚さは２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電セラミック層２１ｂ上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、圧電セラミック層２１ｂの内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されているとともに、多数の個別電極３５と同様に、ＦＰＣ上の別の電極と接続されている。

図５に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。

なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する液体加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する液体吐出口８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータユニット２１における各液体加圧室１０に対向する部分は、各液体加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図５に示されているような構造を単位構造とする変位素子５０が液体加圧室１０毎に、液体加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータユニット２１には加圧部である変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって液体吐出口８から吐出される液体の量は５〜７ｐＬ（ピコリットル）程度である。

多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがＦＰＣ上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。

本実施形態における圧電アクチュエータユニット２１においては、個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域を持たない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータユニット２１は、上側（つまり、液体加圧室１０とは離れた側）の圧電セラミック層２１ｂを、活性部を含む層とし、かつ下側（つまり、液体加圧室１０に近い側）の圧電セラミック層２１ａ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。

この構成において、電界と分極とが同方向となるように、アクチュエータ制御部により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは液体加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。

本実施の形態における実際の駆動手順は、予め個別電極３５を共通電極３４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、液体加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、液体加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から液体加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが液体加圧室１０側へ凸となるように変形し、液体加圧室１０の容積減少により液体加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、液体加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から液体吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である。これによると、液体加圧室１０内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。

また、階調印刷においては、液体吐出孔８から連続して吐出される液滴の数、つまり液滴吐出回数で調整される液滴量（体積）で階調表現が行われる。このため、指定された階調表現に対応する回数の液滴吐出を、指定されたドット領域に対応する液体吐出孔８から連続して行なう。一般に、液体吐出を連続して行なう場合は、液滴を吐出させるために供給するパルスとパルスとの間隔をＡＬとすることが好ましい。これにより、先に吐出された液滴を吐出させるときに発生した圧力の残余圧力波と、後に吐出させる液滴を吐出させるときに発生する圧力の圧力波との周期が一致し、これらが重畳して液滴を吐出するための圧力を増幅させることができる。

そして、制御部１００は、このような駆動信号を液体吐出ヘッド２の各変位素子５０に繰り返し送ることにより、画像を印刷することができる。液滴を吐出する際の駆動信号、および液滴を吐出しない際の不吐出の駆動信号（単に信号が送られない場合も含む）は、各変位素子５０は一定の周期で送られ、その周期を駆動周期、その周波数を駆動周波数と呼ぶ。全面を同一色で印刷する場合などは、各液体吐出素子５０が駆動周期毎に駆動されることになる。なお、実際の駆動信号は、上述の１つの引き打ちの信号により１滴の液滴を吐出信号以外に、引き打ちの信号の後に個別流路３２内の液体に残っている残留振動を少なくするようにキャンセル信号を加えたり、階調表現をするために１ヵ所に複数の液滴が着弾するように複数の引き打ちの信号が含まれていたりする場合もある。また、当然押し打ちによる吐出を行なってもよい。いずれにしても、液体吐出素子５０から連続して吐出が行なわれる際には、駆動周期毎に駆動信号が加えられることになる。

このようなプリンタ１では、加圧部である変位素子５０が駆動されると、液体吐出孔８から液滴が吐出されるが、その際に、液体の圧力が液体加圧室１０からしぼり１２を通って、共通流路である副マニホールド５ａにも伝わる。つまり、共通流路には、それに繋がっている複数の加圧部から駆動周期毎に圧力が伝わってくるため、その圧力により定在波が生じることがある。

図６（ａ）には、停止状態から１および１０回目に吐出された液滴の速度が示されている。駆動を繰り返すうちに、それぞれの液体吐出孔から吐出される液滴の吐出速度は、変動し、１回目の吐出と１０回目の吐出では、吐出速度の傾向が異なっている。これは、共通流路に生じた定在波の圧力がしぼりを通じて影響したものである。１０回目以降は、ほぼ同様の吐出速度の傾向が続くようになり、この分布は共通流路内での位置に関係した、周期的なものになっている。なお、図６（ａ）の１０回目の吐出速度の分布は、１ヶ所で極小値、２ヶ所で極大値をとなっているが、液体の吐出速度は、共通流路から受ける圧力が大きければ、速くなるという単純なものではなく、この分布は、後述の１次（基本）共振の定在波が生じたことによる結果と考えられる。

ここで共通流路に生じる定在波について説明する。図７（ａ）は共通流路２０５ａおよびその周辺の構造の模式図である。

共通流路２０５ａの一端は閉じており、他端は液体供給路２０５に繋がっている。液体供給路２０５の断面積は、共通流路２０５ａの断面積よりも大きくなっている。液体供給路２０５の断面積が大きくなっていることにより、共通流路２０５ａ内の液体の圧力は、液体供給路２０５に伝わりにくくなっており、これにより、共通流路２０５ａと液体供給路２０５の境界付近が定在波の節になる。なお、液体供給路２０５の断面積は共通流路２０５ａの倍以上であると液体の圧力はより伝わりにくくなる。図７（ａ）においては、共通流路２０５ａの一端に繋がっている液体供給路２０５は２方向に向かっており、それぞれの液体供給路２０５の断面積が共通流路２０５ａの断面積より大きくなっており、その２つを合わせて、共通流路２０５ａの一端には共通流路２０５ａの断面積の２倍以上の断面積の液体供給路２０５が繋がっている。

共通流路２０５ａの長さは、液体供給路２０５との間で断面積が大きくなる部分を境界とする。以下、共通流路２０５ａの長さをＬｍｍ（以下で単位であるｍｍを省略することがある）として説明する。なお、共通流路２０５ａは直線状である必要はなく、曲線状であってもよく、途中で折れ曲がる角部があってもよい。それらの場合、共通流路２０５ａの長さＬは断面の面積中心を結んできる線分の合計の長さである。共通流路２０５ａの断面積は一定でありＢｍｍ^２（以下で単位であるｍｍ^２を省略することがある）である。

共通流路２０５ａは長さ方向にわたって、複数の液体加圧室１０がしぼり２１２を介して繋がっている。特に限定されるわけではないが、しぼり２１２の繋がっている間隔は、等間隔になるか、０．１ｍｍおよび０．２ｍｍの間隔が交互に表れるなど、一定のパターンを繰り返す間隔となる。図示していないが、液体加圧室１０には、その体積を変える加圧部が隣接しており、液体加圧室１０から液体吐出孔に繋がる流路が形成されている。

共通流路２０５ａの長さＬの全体にわたってしぼり２１２が繋がっているものに限定されるわけではないが、本発明の定在波を抑制する構造は、しぼり２１２が繋がっている範囲が共通流路２０５ａの長さＬの半分以上である場合により有用であり、特に長さＬの全体に繋がっている場合に有用である。

このような共通流路２０５ａを有する液体吐出ヘッドを駆動すると、上述のように加圧部から生じる圧力が共通流路２０５ａに伝わり、定在波を起こすことがある。図７（ｂ）は、定在波のうちで１次(基本)共振により生じている定在波２８０ａの圧力変動を模式的に共通流路２０５ａに重ね合わせた図である。定在波２８０ａは、共通流路２０５ａの閉じた一端で圧力変動が最大になる腹になっており、共通流路２０５ａの他端に向かうにつれて、圧力変動がしだいに小さくなり、共通流路２０５ａと液体供給路２０５の境界の端で圧力変動が０の節になっている。

図７（ｃ）は定在波のうちで２次共振により生じている定在波２８０ｂの圧力変動を模式的に共通流路２０５ａに重ね合わせた図である。定在波２８０ｂは、共通流路２０５ａの閉じた一端および閉じた一端から２Ｌ／３の所で圧力変動が最大になる腹になっており、共通流路２０５ａと液体供給路２０５の境界および閉じた一端からＬ／３の所で圧力変動が０の節になっている。

定在波は、駆動周期にもよるが、励起されるのに必要なエネルギーのもっとも低い１次共振の定在波が生じやすい。また、駆動信号の周期に近い共振周期や駆動信号の周期の整数倍に近い共振周期の定在波がある場合、その定在波が生じやすい。そして、定在波が生じ、その影響が大きい場合、図６（ａ）に示したような周期的な吐出速度の変動が生じるおそれがある。

定在波を生じさせ難くするには、１次の定在波の周波数を駆動周波数よりも高くすることが好ましい。これにより、通常最も生じやすい１次の定在波が駆動周波数よりも高くなることで生じ難くなるとともに、高次の定在波の周波数も駆動周波数より高くなるので、高次の定在波も生じ難くなる。

このような定在波は、共通流路２０５ａの断面積が小さい場合に生じやすく、１次の定在波の周波数を上げることは、平均断面積が０．５ｍｍ２以下の共通流路の場合により有用で、０．３ｍｍ２以下の場合に特に有用である。また、定在波は、共通流路２０５ａに繋がるしぼり２１２の密度が高いほど生じやすく、１次の定在波の周波数を上げることは、しぼり２１２が１ｍｍあたり５本以上繋がっている場合により有用で、しぼり２１２が１ｍｍあたり１０本以上繋がっている場合に特に有用である。さらに、断面積が一定の共通流路２０５ａを用いた場合に、駆動周波数を１次の共振周波数の０．５３倍より高い駆動周波数となってしまう際に、断面形状を変更して駆動周波数を１次の共振周波数の０．５３倍以下の駆動周波数とすることが有用である。

１次の定在波の共振周波数を高くするには、１次の定在波の腹の部分の共通流路の断面積を小さくするか、あるいは１次の定在波の節の部分の共通流路の断面積を大きくすればよい。すなわち、共通流路の閉じた側の一端の断面積を他端側の断面積よりも小さくすればよい。より具体的には１次の定在波の共振周波数をより高くするためには、共通流路のうちの１次の定在波の腹の部分にあたる一端から長さＬ／２の部分の平均断面積を、共通流路のうちの１次の定在波の節の部分にあたる他端からから長さＬ／２の部分の平均断面積よりも小さくすればよい。断面積の比は大きい方が効果が高く、３／４以下であることが好ましく、特に半分以下であることが好ましい。

ここで平均断面積とは、平均断面積を算出する部分の平均の断面積である。例えば、平均断面積を算出する部分が、一定断面積の管が複数繋がったものであれば、各管の断面積に、平均断面積を算出する部分の中で各管の長さが占める割合をかけて合計すればよい。これはつまり、算出する部分の管の断面積を長さ方向に積分した値を算出する部分の管の長さで割った値を算出することであり、平均断面積を算出するには、算出する部分の管の体積を算出する部分の管の長さで割ればよい。

また、長さ方向における断面積の変化を連続的にすれは、不連続であった場合と比較して、不連続部分の付近で液体吐出特性の変動が生じ難いので、好ましい。

以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。

ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。グリーンシートの一部には、その表面に共通電極３４となる電極ペーストを印刷法等により形成する。また、必要に応じてグリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を挿入する。

ついで、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を高濃度酸素雰囲気下で焼成し、その後有機金ペーストを用いて焼成体表面に個別電極３５を印刷して、焼成した後、Ａｇペーストを用いて接続電極３６を印刷し、焼成することにより、圧電アクチュエータユニット２１を作製する。

次に、流路部材４を、圧延法等により得られプレート２２〜３１を積層して作製する。プレート２２〜３１に、マニホールド５、個別供給流路６、液体加圧室１０およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。

これらプレート２２〜３１は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体としてインクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

圧電アクチュエータ２１と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ２１や流路部材４への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ２１と流路部材４とを加熱接合することができる。液体吐出ヘッド２を得る。

この後、圧電アクチュエータ上２１の接続電極３６にＦＰＣなどの一端の電極を接合し、そのＦＰＣの他端を制御回路１００に接続し、液体吐出装置を得る。

共通流路２０５ａの形状を変えた液体吐出ヘッド２を作製し、１次の定在波の共振周波数と吐出速度の変動の関係を評価した。

図８（ａ）〜（ｆ）および図９（ａ）〜（ｅ）は試験を行なった、液体吐出ヘッドＮｏ．１〜１１の共通流路の模式図である。これらの共通流路はいずれも、基本構造は上述の液体吐出ヘッド２と同じ液体吐出ヘッドにおける共通流路である。

Ｌは１２ｍｍ、断面積Ａは幅０．６ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ、断面積Ｂは幅１．３ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ、断面積Ｃは幅２．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍである。以下の結果は、定在波の共振周波数については後述のシミュレーションにより算出し、液体吐出速度の変動については、実際の液体吐出ヘッドを２０ｋＨｚで駆動し、ベタ印刷に相当する印刷を行なった際の１０回目の吐出の際の吐出速度を測定した。

共振周波数は、液体の密度および液体における音速を、実際に使用する液体の１．０４ｋｇ／ｍ^３および１５００ｍ／秒として、有限要素法を用いた音響解析ソフト「ANSYS」を使用して算出した。具体的には、上述の寸法で両端開放端のモデルを作製し、片側から周波数を変えた圧力を入力して、周波数解析を行ない、圧力が極大になる周波数を、周波数が低い側から順に１次、２次、３次の共振周波数とした。

断面寸法が一定の試料Ｎｏ．１の液体吐出ヘッドでは、１次の共振周波数が３１．２ｋＨｚと駆動周波数２０ｋＨｚに対して、あまり高くなく、吐出速度のばらつきは１９％と大きくなっている。この液体吐出ヘッドの吐出速度の分布は図６（ａ）に示したものであり、吐出速度が周期的な分布をしているのは前述の通りである。

これに対して、試料Ｎｏ．２の液体吐出ヘッドでは、１次の共振周波数が５１．２ｋＨｚと駆動周波数に対して高くなっており、吐出速度のばらつきは６％と非常に少なくなっている。この液体吐出ヘッドの吐出速度の分布は図６（ｂ）に示した。１０回目の吐出においても速度の周期的な分布が抑制されている。

このように、本発明の液体吐出ヘッドＮｏ．２〜７は、１次の共振周波数を高くすることにより吐出速度の変動を小さくすることができた。そして、１次の共振周波数が高くなるに従って、吐出速度の変動は、小さくなっていくことが分かる。この結果から、駆動周波数を、共振周波数である３８．４ｋＨｚに対する駆動周波数２０ｋＨｚの割合、即ち、０．５３倍以下にすれば、吐出速度のバラツキを１０％以下にできる。

なお、試料Ｎｏ．８および試料Ｎｏ．９の共通流路は、２次および３次の共振周波数が高くなるように設計されているが、１次の共振周波数が低くなることで、吐出速度のばらつきは大きくなっており、高次の共振周波数よりの１次の共振周波数の影響が大きいことが分かる。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
５、２０５・・・マニホールド（共通流路および液体供給路）
５ａ、２０５ａ・・・副マニホールド（共通流路）
５ｂ・・・開口
５ｃ・・・液体供給路
６・・・個別供給流路
８・・・液体吐出孔
９・・・液体加圧室群
１０、２１０・・・液体加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体加圧室列
１２、２１２・・・しぼり
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータユニット
２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３６・・・接続電極
５０・・・変位素子（加圧部）
Ｌ・・・副マニホールド（共通流路）の長さ

Claims

一方方向に長く一端が閉じている共通流路と、該共通流路の他端に繋がっている、断面積が該共通流路の２倍以上である液体供給路と、前記共通流路の途中に、それぞれ複数の液体加圧室を介して繋がっている複数の液体吐出孔と、前記複数の液体加圧室内の液体をそれぞれ加圧する複数の加圧部とを有する液体吐出ヘッドであって、前記共通流路の長さをＬ（ｍｍ）としたとき、前記共通流路のうちの前記一端から長さＬ／２の部分の平均断面積が、前記共通流路のうちの前記他端から長さＬ／２の部分の平均断面積の半分以下であり、前記複数の加圧室と前記共通流路とを繋げる流路は、前記共通流路の長さ方向全体にわたって配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記共通流路の断面積の変化が連続的であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドと、前記複数の加圧部の駆動を制御する制御部とを備えている液体吐出装置であって、前記制御部は、前記共通流路の中の液体の１次の共振周波数の０．５３倍以下の駆動周波数で前記加圧部を駆動するように制御することを特徴とする液体吐出装置。
請求項３に記載の液体吐出装置と、記録媒体を前記液体吐出装置に対して搬送する搬送部とを備えていることを特徴とする記録装置。