JP5244749B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの駆動方法、及び、画像記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの駆動方法、及び、画像記録装置に係り、特に高い発生圧力が得られる液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの駆動方法、及び、画像記録装置に関する。

圧電方式の液体吐出ヘッドにおいて、圧電アクチュエータの個別電極を圧力室の縁部に沿って環状に形成することが知られている。そして、特許文献１には、このような環状の個別電極を用いた液体吐出ヘッドにおいて、圧力室の中央部分を除いて圧電体を形成することにより、変位効率を高めることが提案されている。

一方、特許文献２には、環状ではない一般的な個別電極を用いた液体吐出ヘッドにおいて、薄膜化しても十分な変位量が得られるように、あらかじめ振動板を圧力室側に凸状に撓ませて形成し、振動板を圧力室側に変位させて、液滴を吐出させることが提案されている。

また、特許文献３、４には、環状ではない一般的な個別電極を用いた液体吐出ヘッドにおいて、薄膜化しても十分な変位量が得られるように、あらかじめ振動板を圧力室とは反対側に凸状に撓ませて形成し、振動板を圧力室側に変位させて、液滴を吐出させることが提案されている。

さらに、特許文献５には、圧力室とは反対側に凸状に撓ませて形成した振動板の上に圧電体を接触させて配置するとともに、その圧電体の上に個別電極と共通電極を配置し、この個別電極と共通電極との間に駆動電圧を印加することにより、振動板を圧力室側に変位させて、液滴を吐出させることが提案されている。

特開２００６−１５０９４８号公報 特開２００４−４２３２９号公報 特開２０００−１４１６４３号公報 再表０１／０７２５２１号公報 特許４２８７２７８号公報

しかしながら、特許文献１の構成の液体吐出ヘッドでは、圧力室の中央部分を除いて圧電体が形成される結果、剛性が低下し、たとえば、高粘度の液体を吐出させることが困難という欠点がある。

また、特許文献２の構成の液体吐出ヘッドでは、撓み方向に更に変位させる構成のため、高い変位量を確保することができないという欠点がある。

また、特許文献３、４の構成の液体吐出ヘッドは、圧力室とは反対側に凸状に撓んだ状態から撓みのない中立点に戻す方向の変位撓みであり、高い変位量が得られないという欠点がある。さらに、特許文献３、４は、いずれも成膜で形成する振動板であって、厚み制御が難しく、バラツキ制御が難しいという欠点もある。

さらに、特許文献５の構成の液体吐出ヘッドは、電極構成が特殊で、大きな変位を得るためには、駆動に高い電圧が必要になるという欠点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高剛性、高変位の圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの駆動方法、及び、画像記録装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、前記目的を達成するために、圧力室の容積を圧電アクチュエータによって変化させて、前記圧力室内の液体を該圧力室に連通されたノズルから吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記圧力室側に凸状に形成され、駆動電圧が印加されると、撓みのない中立点を超えて、前記圧力室とは反対側に凸状に変形して、前記圧力室の容積を拡大させることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、圧電アクチュエータは、駆動電圧が印加されると、撓みのない中立点を超えて、圧力室とは反対側に凸状に変形する。これにより、高い変位量を得ることができる。

請求項２に係る発明は、前記目的を達成するために、前記圧電アクチュエータは、前記圧力室の一壁面を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室とは反対側の面に配置される圧電体と、前記圧電体の一方の面に配置され、前記圧力室の縁部と重なる領域に配置される個別電極と、前記圧電体の他方の面に配置される共通電極と、を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、個別電極が圧力室の縁部と重なる領域に配置される。個別電極が環状に形成された圧電アクチュエータでは、駆動電圧を印加することにより、引っ張り応力を発生させることができるため、変位を増大させることができる。

請求項３に係る発明は、前記目的を達成するために、前記圧電アクチュエータは、前記圧電体を前記圧電体よりも線膨張係数の低い振動板の上に熱処理を伴う薄膜形成法で形成することにより、前記圧力室側に凸状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、圧電アクチュエータは、圧電体よりも線膨張係数の低い振動板の上に熱処理を伴う薄膜形成法で圧電体を形成することにより、圧力室側に凸状に形成される。これにより、容易に圧力室側に凸状に湾曲した圧電アクチュエータを得ることができる。

請求項４に係る発明は、前記目的を達成するために、前記圧電体はＮｂを含有し、該Ｎｂの添加量が調整されて、線膨張係数が前記振動板よりも高くされることを特徴とする請求項２又は３に記載の液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、Ｎｂの添加量が調整されて、圧電体の線膨張係数が、振動板の線膨張係数よりも高くされる。これにより、容易に圧電体の線膨張係数を調整でき、容易に所望の圧電アクチュエータを構成することができる。

請求項５に係る発明は、前記目的を達成するために、前記振動板が、シリコンであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、振動板が線膨張係数の低いシリコンで形成される。

請求項６に係る発明は、前記目的を達成するために、前記圧力室が形成される基板に対して、前記圧力室が千鳥状に配列して形成されるとともに、前記ノズルがノズル面に対して千鳥状に配列して形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、圧力室が千鳥状に配列して形成されるとともに、ノズルがノズル面に千鳥状に配列して形成される。すなわち、圧力室とノズルとが、第１の方向、及び、その第１の方向に対して所定角度傾斜した第２の方向に沿って２次元的に配列して形成される。これにより、ノズルの高密度化を図ることができる。

請求項７に係る発明は、前記目的を達成するために、前記圧電アクチュエータへの駆動電圧の印加を制御して、前記ノズルからの液滴の吐出を制御する制御手段を備え、該制御手段は、前記ノズルから液滴を吐出させる時にのみ前記圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、ノズルから液滴を吐出させる時にのみ圧電アクチュエータに駆動電圧が印加される。これにより、信頼性の高い駆動を行うことができる。

請求項８に係る発明は、前記目的を達成するために、請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする画像記録装置を提供する。

本発明によれば、請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを用いて画像の記録が行われる。

請求項９に係る発明は、前記目的を達成するために、請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記圧電アクチュエータには、前記ノズルから液滴を吐出させる時にのみ駆動電圧を印加することを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法を提供する。

本発明によれば、ノズルから液滴を吐出させる時にのみ圧電アクチュエータに駆動電圧が印加される。これにより、信頼性の高い駆動を行うことができる。

本発明によれば、高剛性、高変位な圧電アクチュエータを得ることができる。

インクジェット記録装置の全体構成図 インクジェットヘッドのインク吐出面の平面透視図 インクジェットヘッドの一部を示した縦断面図 圧電アクチュエータの平面図 圧電アクチュエータの動作を説明する説明図 圧電アクチュエータに印加する駆動電圧の駆動波形の一例を示す図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

なお、ここでは、本発明をインクジェットヘッドに適用した場合を例に説明する。まず、インクジェットヘッドが使用されるインクジェットヘッド記録装置の構成について説明する。

《インクジェット記録装置の構成》
図１は、枚葉紙にインクジェット方式で画像を印刷するインクジェット記録装置の全体構成図である。

このインクジェット記録装置１０は、用紙（枚葉紙）１４を給紙する給紙部２０と、用紙１４の印刷面に所定の処理液を付与する処理液付与部３０と、用紙１４の印刷面にインクジェットヘッドからインク滴を打滴して、画像を描画する描画部４０と、用紙１４に打滴されたインクを乾燥させる乾燥部５０と、用紙１４に描画された画像を定着させる定着部６０と、印刷後の用紙を排紙する排紙部７０とで構成されている。

処理液付与部３０と、描画部４０と、乾燥部５０と、定着部６０の各部には、それぞれ搬送手段としての圧胴（搬送ドラム）３４、４４、５４、６４が備えられており、用紙１４は、この圧胴３４、４４、５４、６４の周面に巻き掛けられて、処理液付与部３０、描画部４０、乾燥部５０、定着部６０の各部を回転しながら搬送される。

また、給紙部２０と処理液付与部３０との間、処理液付与部３０と描画部４０との間、描画部４０と乾燥部５０との間、乾燥部５０と定着部６０との間には、それぞれ搬送手段としての渡し胴（搬送ドラム）３２、４２、５２、６２が配置されており、用紙１４は、この渡し胴３２、４２、５２、６２の周面に巻き掛けられて、各部の間を回転しながら搬送される。

圧胴３４、４４、５４、６４と渡し胴３２、４２、５２、６２は、交互に配置されており、それぞれ図示しないモータに駆動されて、互いに逆方向に回転する。すなわち、圧胴３４、４４、５４、６４は、図１において反時計回りの方向に回転し、渡し胴３２、４２、５２、６２は、図１において時計回りの方向に回転する。

この圧胴３４、４４、５４、６６と渡し胴３２、４２、５２、６２の周面には、それぞれ用紙１４の先端を把持するためのグリッパＧが備えられており、用紙１４は、このグリッパＧに先端部を把持されて、圧胴３４、４４、５４、６６と渡し胴３２、４２、５２、６２の周面に巻き掛けられる。

なお、用紙１４は、圧胴３４、４４、５４、６４に対しては、印刷面が外側になるようにして、その周面に巻き掛けられ、渡し胴３２、４２、５２、６２に対しては、裏面（印刷面の裏側の面）が外側になるようにして、その周面に巻き掛けられる。

給紙部２０から給紙された用紙１４は、渡し胴３２を介して処理液付与部３０の圧胴３４に受け渡され、処理液付与部３０の圧胴３４から渡し胴４２を介して描画部４０の圧胴４４に受け渡される。そして、描画部４０の圧胴４４から渡し胴５２を介して乾燥部５０の圧胴５４に受け渡され、乾燥部５０の圧胴５４から渡し胴６２を介して定着部６０の圧胴６４に受け渡される。そして、さらに定着部６０の圧胴６４から排紙部７０へと受け渡される。この一連の搬送過程で用紙１４は、処理液付与部３０、描画部４０、乾燥部５０、定着部６０を通過し、各部で所要の処理が施されて、印刷面に画像が形成される。

以下、本実施の形態のインクジェット記録装置１０の各部(給紙部２０、処理液付与部３０、描画部４０、乾燥部５０、定着部６０、排紙部７０)の構成について詳説する。

＜給紙部＞
給紙部２０は、給紙装置２２と給紙トレイ２４とを備えており、用紙（たとえば、印刷用塗工紙）１４を１枚ずつ連続的に給紙する。

給紙装置２２は、図示しないスタッカに積層された状態で格納された用紙１４を上側から順に１枚ずつ給紙トレイ２４に給紙する。

給紙トレイ２４は、給紙装置２２から１枚ずつ順に給紙された用紙１４を渡し胴３２に向けて送り出す。

給紙トレイ２４から送り出された用紙１４は、渡し胴３２を介して、処理液付与部３０の圧胴３４に受け渡される。

＜処理液付与部＞
処理液付与部３０は、用紙１４の印刷面に所定の処理液を付与する。この処理液付与部３０は、用紙１４を搬送する圧胴（処理液ドラム）３４と、処理液ドラム３４によって搬送される用紙１４の印刷面に所定の処理液を付与する処理液付与装置３６とを備えて構成されている。

処理液ドラム３４は、渡し胴３２から用紙１４を受け取り（グリッパＧで用紙１４の先端を把持して受け取る。）、その周面に巻き掛けて、用紙１４を回転搬送する。この際、処理液ドラム３４は、用紙１４の印刷面を外側にして、渡し胴３２から用紙１４を受け取り、用紙１４を回転搬送する。

処理液付与装置３６は、処理液ドラム３４によって回転搬送される用紙１４の印刷面に所定の処理液を付与する。この処理液付与装置３６は、周面に処理液が付与された塗布ローラを用紙１４の周面に押圧当接させて、用紙１４の印刷面に処理液を付与（塗布）する。

ここで、用紙１４に付与する処理液は、描画部４０で付与するインクと反応して、インク中の色材を凝集させる機能を有する液体が付与される。このような処理液を事前に付与して、用紙１４にインク滴を打滴すると、インク滴は、着弾後ただちにインク中の色材が凝集され、隣接してインク滴が着弾しても、色材混合が生じるのを防ぐことができる。

処理液付与部３０は、以上のように構成される。渡し胴３２から処理液ドラム３４に受け渡された用紙１４は、処理液ドラム３４によって回転搬送される過程で処理液付与装置３６から印刷面に処理液が付与される。そして、処理液が付与された用紙１４は、処理液ドラム３４から渡し胴４２に受け渡され、渡し胴４２から描画部４０の圧胴４４に受け渡される。

＜描画部＞
描画部４０は、用紙１４の印刷面にＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋの各色のインク滴を打滴して、用紙１４の印刷面にカラー画像を形成する。この描画部４０は、用紙１４を搬送する圧胴（描画ドラム）４４と、用紙１４にＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋの各色のインク滴を打滴するインクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋを備えて構成されている。

描画ドラム４４は、渡し胴４２から用紙１４を受け取り、その周面に巻き掛けて、用紙１４を回転搬送する。この際、描画ドラム４４は、用紙１４の印刷面を外側にして、渡し胴４２から用紙１４を受け取り、用紙１４を回転搬送する。

なお、渡し胴４２は、処理液付与部３０の処理液ドラム３４から用紙１４を受け取る際、裏面を外側にして、処理液ドラム３４から用紙１４を受け取り、用紙１４を回転搬送する。

４台のインクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋは、描画ドラム４４の周囲に一定の間隔をもって配置されており、それぞれ対応する色のインク滴を描画ドラム４４に向けて吐出する。このインクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋは、用紙幅に対応したラインヘッドで構成されており、描画ドラム４４と対向する面（ノズル面）には、用紙１４の搬送方向と直交する方向に沿って、用紙幅に対応した長さのノズル列が形成されている。

なお、このインクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋの構成については、のちに詳述する。

描画部４０は、以上のように構成される。渡し胴４２を介して処理液ドラム３４から描画ドラム４４に受け渡された用紙１４は、描画ドラム４４によって回転搬送される過程で各インクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋの下を通過し、その通過時に各インクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６ＫからＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋの各色のインク滴が印刷面に打滴されて、印刷面にカラー画像が記録される。

この際、用紙１４には、事前にインク中の色材を凝集させる機能を有する処理液が付与されているので、色材混合等を生じさせることなく、高品位な画像を記録することができる。

なお、本例では、各インクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋから吐出するインクとして、インク中に熱可塑性樹脂が分散された水性インクが使用される。

各インクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６ＫからＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋの各インク色のインク滴が打滴されて印刷面に画像が記録された用紙１４は、描画ドラム４４から渡し胴５２に受け渡され、渡し胴５２から乾燥部５０の圧胴５４に受け渡される。

＜乾燥部＞
乾燥部５０は、画像が記録された用紙１４を乾燥させる。この乾燥部５０は、用紙１４を搬送する圧胴（乾燥ドラム）５４と、乾燥ドラム５４によって搬送される用紙１４に対して乾燥処理を施す乾燥装置５６とを備えて構成されている。

乾燥ドラム５４は、渡し胴５２から用紙１４を受け取り、その周面に巻き掛けて、用紙１４を回転搬送する。この際、乾燥ドラム５４は、用紙１４の印刷面を外側にして、渡し胴５２から用紙１４を受け取り、用紙１４を回転搬送する。

乾燥装置５６は、用紙上に存在する水分を蒸発させる処理を行う。すなわち、描画部４０で用紙１４の上にインクが打滴されると、処理液とインクとの凝集反応により分離したインクの液体成分と処理液の液体成分とが用紙上に残留するので、この用紙上に残存する液体成分を蒸発させて除去する処理を行う。この乾燥装置５６は、乾燥ドラム５４によって搬送される用紙１４に向けて温風を吹き付けることにより、用紙上に存在する液体成分を蒸発させて除去する。

乾燥部５０は、以上のように構成される。渡し胴５２を介して描画ドラム４４から乾燥ドラム５４に受け渡された用紙１４は、乾燥ドラム５４による搬送過程で乾燥装置５６から温風が吹き付けられて乾燥処理される。乾燥装置５６を通過した用紙１４は、乾燥ドラム５４から渡し胴６２に受け渡され、定着部６０へと搬送される。

＜定着部＞
定着部６０は、用紙１４を加熱加圧して、印刷面に描画された画像を定着させる。この定着部６０は、用紙１４を搬送する圧胴（定着ドラム）６４と、定着ドラム６４によって搬送される用紙１４に加熱加圧処理を施すヒートローラ６６とを備えて構成されている。

定着ドラム６４は、渡し胴６２から用紙１４を受け取り、その周面に巻き掛けて、用紙１４を回転搬送する。この際、定着ドラム６４は、用紙１４の印刷面を外側にして、渡し胴６２から用紙１４を受け取り、用紙１４を回転搬送する。

ヒートローラ６６は、乾燥部５０で乾燥させたインクを加熱加圧することによって、インク中に分散された熱可塑性樹脂を溶着して、インクを皮膜化させる。また、これと同時に用紙１４に生じたカックルを矯正する。このヒートローラ６６は、用紙幅に対応して形成されており、内蔵する熱源（たとえば、赤外線ヒータ）によって所定温度に加熱されている。そして、図示しない加圧手段によって、定着ドラム６４の周面に所定の押圧力で押圧当接されている。

定着部６０は、以上のように構成される。渡し胴６２から定着ドラム６４に受け渡された用紙１４は、この定着ドラム６４で搬送される過程で印刷面にヒートローラ６６が押圧当接されて、加熱加圧される。これにより、インク中に分散された熱可塑性樹脂が溶着されて、インクが皮膜化される。また、これと同時に用紙１４に生じたカックルが矯正される。

ヒートローラ６６によって加熱加圧された用紙１４は、定着ドラム６４から排紙部７０へと受け渡される。

＜排紙部＞
排紙部７０は、一連の画像記録工程が終了した用紙１４をスタッカ７２に回収する。この排紙部７０は、用紙１４をスタッカ７２まで搬送するコンベア７４を備えている。定着部６０で定着処理された用紙１４は、定着ドラム６４からコンベア７４に受け渡され、このコンベア７４によってスタッカ７２の設置位置まで搬送される。スタッカ７２は、所定の回収位置にセットされており、コンベア７４で搬送された用紙１４は、このスタッカ７２の中に排紙される。スタッカ７２の中に排紙された用紙１４は、スタッカ７２の中に積み重ねられて回収される。

《印刷動作》
次に、上記インクジェット記録装置１０による印刷動作について説明する。

給紙装置２２は、図示しないスタッカに格納された用紙１４を上から順に１枚ずつ給紙トレイ２４に給紙する。給紙トレイ２４に給紙された用紙１４は、渡し胴３２を介して処理液付与部３０の処理液ドラム３４に受け渡される。そして、その処理液ドラム３４による搬送過程で処理液付与装置３６によって印刷面に処理液が付与される。

処理液が付与された用紙１４は、処理液ドラム３４から渡し胴４２を介して描画部４０の描画ドラム４４に受け渡される。そして、その描画ドラム４４による搬送過程で各インクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋから各インク色のインク滴が付与されて、印刷面に画像が形成される。

印刷面に画像が形成された用紙１４は、描画ドラム４４から渡し胴５２を介して乾燥部５０の乾燥ドラム５４に受け渡される。そして、その乾燥ドラム５４による搬送過程で乾燥装置５６から温風が吹き付けられることにより、印刷面に付与されたインクが乾燥される。

インクが乾燥された用紙１４は、乾燥ドラム５４から渡し胴６２を介して定着ドラム６４に受け渡される。そして、その定着ドラム６４による搬送過程で印刷面にヒートローラ６６が押圧当接されて、加熱加圧される。これにより、印刷面に形成された画像が定着される。

定着部６０で画像が定着された用紙１４は、排紙部７０のコンベア７４に受け渡され、そのコンベア７４によってスタッカ７２まで搬送されて、スタッカ内に排紙される。

以上のように、印刷は、給紙→処理液塗布→描画→乾燥→定着→排紙という一連の工程を経て行われる。

《インクジェットヘッドの構成》
次に、上記のインクジェット記録装置１０に搭載されるインクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋの構成について説明する。

なお、各色に対応するインクジェットヘッド４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋの構造は共通しているので、以下においては、これらを代表して符号１００によってインクジェットヘッドを示すものとする。

図２は、インクジェットヘッド１００のインク吐出面の平面透視図である。

同図に示すように、本実施の形態のインクジェットヘッド１００では、インク吐出面１０２にノズル１１０が千鳥状に配置されている。すなわち、ヘッドの長手方向（第１の方向）、及び、そのヘッドの長手方向に対して所定角度傾斜した方向（第２の方向）にそれぞれ所定の間隔をもって複数のノズル１１０が二次元的に配列された構造を有している。このようにノズル１１０を千鳥状に配列することにより、ヘッドの長手方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に投影される実質的なノズルの間隔を狭めることができ、ノズル１１０の高密度化を図ることができる。

各ノズル１１０は、それぞれ対応して設けられた圧力室１１２にノズル流路１１４を介して連通されており、各圧力室１１２もノズル１１０と同様にインク吐出面１０２と平行な面に千鳥状に配列されている。

圧力室１１２は、図２に示すように、その平面形状が長円形状に形成されており、その長軸（長手方向の軸）が、インクジェットヘッド１００の長手方向と平行になるように配列されている。この圧力室１１２には、その長手方向の両端部にノズル流路１１４と個別供給流路１１６が連通されている。

ノズル流路１１４は、圧力室１１２から鉛直下向きに延びるように形成されており（図３参照）、インク吐出面１０２に形成されたノズル１１０に連通されている。

一方、個別供給流路１１６は、各圧力室１１２に共通してインクを供給する共通供給流路１１８に連通されている。この共通供給流路１１８は、図２に示すように、インクジェットヘッド１００の長手方向と平行な方向に延びる本流部１１８ａと、その本流部１１８ａから分岐して、前記第２の方向に延びる複数の支流部１１８ｂとで構成されており、各圧力室１１２に連通された個別供給流路１１６は、支流部１１８ｂに連通されている。インクは、図示しないインクタンクから本流部１１８ａの一端に形成されたインク供給口１２０に供給され、このインク供給口１２０に供給されたインクが、本流部１１８ａから支流部１１８ｂ、個別供給流路１１６を介して各圧力室１１２に供給される。

図３は、インクジェットヘッド１００の一部を示した縦断面図である。

同図に示すように、本実施の形態のインクジェットヘッド１００は、ノズルプレート１３０、流路基板１３２、圧電アクチュエータ１３４が順に積層された構造を有している。

ノズルプレート１３０は、ノズル１１０が形成された基板であり、流路基板１３２の下面を覆うようにして、流路基板１３２に接合されている。

本実施の形態のインクジェットヘッド１００において、このノズルプレート１３０は、シリコン（Ｓｉ）で形成され、ＳＯＩ基板を用いて形成される。この場合、まず、ＳＯＩ基板に異方性エッチング等を用いてノズルを形成し、このノズルが形成されたＳＯＩ基板を流路基板１３２の下面に接合する。そして、接合後、ＳＯＩ基板のＳｉ基板及びＳｉＯ_２層を除去する。これにより、流路基板１３２の下面にＳｉ製のノズルプレート１３０が形成される。

流路基板１３２は、圧力室１１２、ノズル流路１１４、個別供給流路１１６、共通供給流路１１８等が形成された基板である。本実施の形態のインクジェットヘッド１００において、この流路基板１３２は、所定厚さのＳｉ基板で形成される。圧力室等は、このＳｉ基板をエッチング処理等して形成される。

圧電アクチュエータ１３４は、流路基板１３２に形成された個々の圧力室１１２に対応して設けられており、主として、振動板１３６と、その振動板１３６の上に設けられた圧電素子１３８とで構成される。

振動板１３６は、流路基板１３２の上面を覆うようにして、流路基板１３２に接合されている。この振動板１３６は、流路基板１３２の上面に接合されることにより、流路基板１３２に形成された個々の圧力室１１２の天井面（一壁面）を構成する。すなわち、流路基板１３２に形成された各圧力室１１２は、上部が開口して形成されており、この振動板１３６が接合されることにより、開口した上部が覆われて、天井面が形成される。

本実施の形態のインクジェットヘッド１００において、この振動板１３６は、Ｓｉで形成され、ＳＯＩ基板を用いて形成される。この場合、表面Ｓｉ層を下側にしてＳＯＩ基板を流路基板１３２の上面に接合し、接合後、ＳＯＩ基板のＳｉ基板及びＳｉＯ_２層を除去する。これにより、流路基板１３２の上面にＳｉ製の振動板１３６が形成される。

また、図３に示すように、本実施の形態のインクジェットヘッド１００において、振動板１３６は、各圧力室１１２の形成領域（各圧力室１１２の天井面を形成する領域）において、圧力室１１２側に凸状に湾曲して形成される。

圧電素子１３８は、圧力室１１２ごとに設けられており、各圧力室１１２の天井面を構成する振動板１３６の上に配置されている。この圧電素子１３８は、圧電体１４０と、共通電極としての下部電極１４２と、個別電極としての上部電極１４４とで構成されており、圧電体１４０を下部電極１４２と上部電極１４４とで挟んだ構造を有している。そして、その平面形状が、図４に示すように、圧力室１１２の平面形状（長円形状）に対応して、長円形状に形成されるとともに、振動板１３６に倣って、圧力室側に凸状に湾曲して形成されている。

圧電体１４０は、圧力室１１２の平面形状に対応して、長円形状に形成されており、圧力室１１２の同軸上に配置されている。この圧電体１４０は、圧力室１１２の外形寸法よりも大きく形成されており、その外周部が圧力室１１２の周縁部から所定量食みだすようにして、振動板上に配置されている。

この圧電体１４０は、強誘電性を有する圧電材料、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックス系材料で形成される。

下部電極１４２は、振動板１３６の上面全面に形成されている。圧電体１４０は、この下部電極１４２の上面に形成される。

この下部電極１４２は、たとえば、金、銀、銅、パラジウム、白金、チタン等の導電性材料で形成され、スクリーン印刷、スパッタ法、蒸着法等によって、振動板１３６の上に形成される。

下部電極１４２は、フレキシブルプリント配線板（図示せず）を介してグランドに接続される。

一方、上部電極１４４は、圧力室１１２の縁部に重なるように環状に形成されており、圧電体１４０の上面に形成されている。この上部電極１４４の外周は、圧電体１４０の外周に合致した長円形状に形成されており、内周も相似の長円形状に形成されている。すなわち、上部電極１４４は、圧力室１１２の中心部以外の領域を覆うように形成されている。

この上部電極１４４は、たとえば、金、銀、銅、パラジウム、白金、チタン等の導電性材料で形成され、スクリーン印刷、スパッタ法、蒸着法等によって、圧電体１４０の上に個別に形成される。

各上部電極１４４は、フレキシブルプリント配線板（図示せず）を介して駆動回路（図示せず）に接続される。そして、この駆動回路から各上部電極１４４に対して選択的に駆動電圧が印加される。

さて、上記のように、本実施の形態のインクジェットヘッド１００において、圧電アクチュエータ１３４は、初期状態において、圧力室側に凸状に湾曲して形成される。このように、初期状態において、圧力室側に凸状に湾曲した圧電アクチュエータ１３４は、次のようにして、形成することができる。

すなわち、Ｓｉで形成された振動板１３６の上に下部電極１４２を介して圧電体１４０を形成する際、圧電体１４０をＰＺＴ系の膜を薄膜形成法（たとえば、スパッタ、ゾルゲル、レーザーアブレーション、ＣＤＶ等）で形成することとし、この形成時に熱処理を加える。

ＰＺＴは、下地基板であるＳｉより線膨張係数が大きいため、下に凸となり、これにより、初期状態において、圧力室側に凸状に湾曲した圧電アクチュエータ１３４を形成することができる。たとえば、Ｓｉの線膨張係数は２．６Ｅ−６／℃であり、真性のＰＺＴの線膨張係数は３．０Ｅ−６／℃である。この場合、ＰＺＴを５００℃又は４００℃で成膜し、常温（２５℃）に戻したとき、２４０μｍ幅の圧電アクチュエータ（ＰＺＴ厚さ２．５μｍ、振動板厚さ１１．５μｍ）で、０．１μｍ（０．０８μｍ）程度、下に凸状に湾曲した構造を形成することができる。このとき、２５Ｖの電圧を印加すると、１３７ｎｍ上に凸状に変位する（Ａｎｓｙｓによるシミュレーション）。

本実施の形態のインクジェットヘッド１００では、熱処理を伴うスパッタにより、Ｓｉで形成された振動板１３６の上に下部電極１４２を介して圧電体１４０を薄膜形成する。

《インクジェットヘッドの動作》
次に、インクジェットヘッド１００の動作について説明する。

インクジェットヘッド１００は、各圧力室１１２に対応して設けられた圧電アクチュエータ１３４の上部電極１４４に個別に駆動電圧を印加することにより、各圧力室１１２の容積が個別に拡縮されて、各圧力室１１２に連通されたノズル１１０からインクの液滴が吐出される。

上記のように、各圧電アクチュエータ１３４に対する駆動電圧の印加は、図示しない駆動回路によって行われる。

図５（ａ）に示すように、圧電アクチュエータ１３４は、初期状態（駆動電圧が印加されていない状態）において、圧力室側に凸状に湾曲している。

駆動回路から圧電アクチュエータ１３４の上部電極１４４に駆動電圧が印加されると、環状の上部電極１４４と下部電極１４２に挟まれた圧電体１４０の環状領域が、分極方向（圧電体１４０の厚み方向）と直交する方向（水平方向）に収縮する。そして、この圧電体１４０の環状領域が分極方向と直交する方向に収縮することにより、図５（ｂ）に示すように、振動板１３６が撓みのない中立点（上下に凹凸のできない状態）を超えて、圧力室１１２と反対側に凸状に変形する。

この際、圧電アクチュエータ１３４は、あらかじめ圧力室側に凸状に湾曲させて形成しているので、駆動電圧を印加することにより、容易に変形させることができる。すなわち、圧電体１４０は、あらかじめ圧力室側に凸状に湾曲させて形成することにより、引っ張り応力を受けるので、これに駆動電圧を印加して、引っ張り力を作用させると、座屈を利用して、容易に変形させることができる。

そして、このように振動板１３６が圧力室とは反対側に凸状に変形することにより、圧力室１１２の容積が拡大する。

この後、上部電極１４４への駆動電圧の印加を停止すると、振動板１３６は元の形状（圧力室側に凸状に湾曲した形状）に戻る。これにより、圧力室１１２の容積が縮小し、圧力室内のインクがノズル流路１１４に押し出されて、ノズル１１０からインク滴が吐出される。

このように、本実施の形態のインクジェットヘッド１００では、あらかじめ圧力室側に凸状に湾曲して形成された圧電アクチュエータ１３４に駆動電圧を印加して、圧力室とは反対側に変位させ、これを元に戻して、インクを吐出させる。これにより、振動板１３６に高い変位量を与えて、高い吐出圧力を得ることができる。また、振動板１３６を必要以上に薄膜化したり、圧力室１１２の中央部分を除いて圧電体１４０を形成したりしなくても、十分な変位量が得られるので、剛性も確保することができる。

図６は、圧電アクチュエータ１３４に印加する駆動電圧の駆動波形の一例を示す図である。

スパッタで薄膜形成された圧電体（ＰＺＴ）１４０は、分極方向が通常使いたい方向とは逆となるため、共通電極である下部電極１４２を０[V]として、個別電極である上部電極１４４にマイナス電位（―Ｖ[V]）を与える。この時の駆動方法としては、インクを引く動作で電圧を印加し、吐出の時に電圧を開放する。このように、インクを吐出する時にのみ駆動電圧を印加することにより、信頼性の高い駆動を行うことができる。

一方、上部電極１４４を環状に形成した場合、インク吐出時は、電圧を０[V]に開放する方向であり、強制的に変位を与えているわけではないので、通常方式に比べて発生圧力を高くするのが困難となるが、上記のように、本実施の形態のインクジェットヘッド１００では、あらかじめ圧電アクチュエータ１３４を圧力室側に凸状に湾曲させて形成することにより、高い変位量を確保することでき、高い吐出圧力を得ることができる。

なお、圧電アクチュエータ１３４は、駆動電圧を印加することにより、中立点を超えて、圧力室１１２とは反対側に変位するように構成される。したがって、印加電圧に対する変位量をδＬとしたとき、初期の撓み量δ０（初期状態における中立点からの変位量）との関係は、δＬ＞δ０となる。この式の所望の撓み量δ０、変位量δＬを得るために、振動板１３６の厚さ、圧電体１４０の厚さ、印加電圧を設計する必要がある。

また、初期の撓み量を制御するパラメータの１つとして、圧電体１４０の線膨張係数（Ｎｂ（ニオブ）の添加量を変えることで、線膨張係数を大きくすることができる。）、下部電極１４２の材料（線膨張係数）、厚さがある。これらを組み合わせて圧電アクチュエータ１３４を設計する。

なお、上記実施の形態では、振動板１３６をＳｉで形成しているが、振動板１３６の組成は、これに限定されるものではない。この他、たとえば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等の金属系材料で形成してもよい。

一方、上記実施の形態のインクジェットヘッド１００のように、振動板１３６を線膨張係数の低いＳｉで形成し、熱処理を伴う薄膜形成法で圧電体１４０を形成することにより、容易に圧力室側に凸状に湾曲した圧電アクチュエータ１３４を形成することができる。

流路基板１３２についても同様にＳｉ等のシリコン系材料ではなく、ステンレス等の金属系材料で構成することもできる。また、ノズルプレート１３０もＳｉ等のシリコン系材料ではなく、ポリイミド等の樹脂系材料やステンレス等の金属系材料で形成することもできる。

なお、上記実施の形態のインクジェットヘッド１００のように、ノズルプレート１３０、流路基板１３２、振動板１３６をＳｉで形成することにより、精度よく流路等を形成することができ、かつ、高密度化することができる。

また、本実施の形態では、振動板１３６の上面全面に下部電極１４２を形成しているが、下部電極１４２は、圧電体１４０の下面形状（長円形状）に対応して長円形状に形成してもよい。

また、上記実施の形態では、本発明をインクジェットヘッドに適用した場合を例に説明したが、本発明の適用は、これに限定されるものではない。この他、たとえば、導電ペーストを吐出して基板上に微細な配線パターンを形成したり、有機発光体を基板に吐出して高精細ディスプレイを形成したり、光学樹脂を基板に吐出して光導波路等の微小電子デバイスを形成するための種々の液体吐出ヘッドに適用することができる。

１０…インクジェット記録装置、４６Ｃ、４６Ｍ、４６Ｙ、４６Ｋ…インクジェットヘッド、１００…インクジェットヘッド、１０２…インク吐出面、１１０…ノズル、１１２…圧力室、１１４…ノズル流路、１１６…個別供給流路、１１８…共通供給流路、１１８ａ…本流部、１１８ｂ…支流部、１２０…インク供給口、１３０…ノズルプレート、１３２…流路基板、１３４…圧電アクチュエータ、１３６…振動板、１３８…圧電素子、１４０…圧電体、１４２…下部電極（共通電極）、１４４…上部電極（個別電極）

Claims (9)

1. 圧力室の容積を圧電アクチュエータによって変化させて、前記圧力室内の液体を該圧力室に連通されたノズルから吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記圧電アクチュエータは、前記圧力室側に凸状に形成され、駆動電圧が印加されると、撓みのない中立点を超えて、前記圧力室とは反対側に凸状に変形して、前記圧力室の容積を拡大させることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記圧電アクチュエータは、
   前記圧力室の一壁面を構成する振動板と、
   前記振動板の前記圧力室とは反対側の面に配置される圧電体と、
   前記圧電体の一方の面に配置され、前記圧力室の縁部と重なる領域に配置される個別電極と、
   前記圧電体の他方の面に配置される共通電極と、
   を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電体を前記圧電体よりも線膨張係数の低い振動板の上に熱処理を伴う薄膜形成法で形成することにより、前記圧力室側に凸状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記圧電体はＮｂを含有し、該Ｎｂの添加量が調整されて、線膨張係数が前記振動板よりも高くされることを特徴とする請求項２又は３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記振動板が、シリコンであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記圧力室が形成される基板に対して、前記圧力室が千鳥状に配列して形成されるとともに、前記ノズルがノズル面に対して千鳥状に配列して形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記圧電アクチュエータへの駆動電圧の印加を制御して、前記ノズルからの液滴の吐出を制御する制御手段を備え、該制御手段は、前記ノズルから液滴を吐出させる時にのみ前記圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする画像記録装置。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法であって、
   前記圧電アクチュエータには、前記ノズルから液滴を吐出させる時にのみ駆動電圧を印加することを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法。

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