JP5766003B2 - 液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電性を利用して変位を生じさせる圧電アクチュエータ、および、それを用いて液滴を吐出させる液体吐出ヘッドおよび記録装置に関するものである。

インクジェット方式の記録装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが搭載されている。液体吐出ヘッドには、加圧手段としてのヒータを備え、インクが充填された流路内でインクを加熱、沸騰させて、流路内に発生する気泡によって流路内のインクを加圧し、吐出させるサーマルヘッド方式と、加圧手段としての変位素子を備え、インクが充填された流路の壁の一部を屈曲変位させて、機械的にインクを加圧し、吐出させる圧電方式・静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、マニホールドおよびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した金属の流路部材と、前記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圧電アクチュエータ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、複数の吐出孔にそれぞれ繋がった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圧電アクチュエータの変位素子を圧電体の変形により変位させることで、各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。また、変位素子は、流路部材側から、振動板、共通電極、圧電セラミック層、加圧室に対向した位置にある個別電極が積層された構造をしている。

特開２００３−３０５８５２号公報

特許文献１に記載されているような圧電アクチュエータで、個別電極の大きさにばらつきがあると、変位素子の変位量がばらつき、加圧室に対する個別電極の位置がばらつくと変位素子の変位量がばらつくという問題があった。

したがって、本発明の目的は、個別電極の形成ばらつきに対する変位量のばらつきが小さい圧電アクチュエータ、およびそれを用いた液体吐出ヘッド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、振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および複数の表面電極がこの順で積層されている圧電アクチュエータと、複数の吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の加圧室が開口している流路部材とが積層されている液体吐出ヘッドであって、前記圧電アクチュエータを平面視した場合、前記表面電極は、前記加圧室内に納まる個別電極本体と、該個別電極本体から前記加圧室の外まで引き出された引出電極とを含んでおり、該引出電極と前記内部電極とに挟まれた前記圧電セラミック層は、前記引出電極と前記内部電極との間が中実である中実部と、第２の空間が設けられている部位とを含んでおり、前記引出電極に電圧を供給する接続は、前記中実部の上で行なわれることを特徴とする。
前記表面電極の周縁部の下の前記圧電セラミック層に第１の空間が設けられていることが好ましい。

前記第１の空間が、前記表面電極の外周のほぼ全体に設けられていることが好ましい。

前記圧電アクチュエータを平面視した場合、前記第１の空間が、前記個別電極より外側で外部に開放されていることが好ましい。

本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して相対的に搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、表面電極の周縁部の下の圧電セラミック層に空間が設けられていることにより、その部分の圧電セラミック層が、ほとんど圧電変形しなくなるので、表面電極の大きさや位置がずれても、変位量の変動を小さくできる。

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流路部材および圧電アクチュエータの平面図である。 図２の一点鎖線によって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２の一点鎖線によって囲まれた領域の拡大図であり、説明のため図３とは別の一部の流路を省略した図である。 （ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部の拡大図であり、（ｃ）は（ａ）の部分平面図である。 （ａ）は、流路部材に積層された、本発明の他の実施形態の圧電アクエータの縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の部分平面図である。 （ａ）は、流路部材に積層された、本発明の他の実施形態の圧電アクエータの縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の部分平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの製造方法を示した図である。

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。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。

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、下端に液体吐出ヘッド本体１３を有している。
液体吐出ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の吐出孔８が設けられている（図４および５参照）。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた吐出孔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には図示しない外部液体タンクから液体が供給される。各液体吐出ヘッド２の吐出孔８は、吐出孔面に開口しており、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、液体吐出ヘッド本体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を構成する液体吐出ヘッド本体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液体吐出ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示された液体吐出ヘッド本体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、液体吐出ヘッド本体１３の一部である。図４は、図３と同じ位置の拡大透視図で、吐出孔８の位置が分かり易いように、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、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ２１の下方にあって破線で描くべき加圧室１０（加圧室群９）、しぼり１２および吐出孔８を実線で描いている。図５（ａ）は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の要部の拡大図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）に対応した部分平面図である。

液体吐出ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、圧電アクチュエータ２１とを有している。圧電アクチュエータ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５ａということがある）。開口５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータ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。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２１に対向する領域に互いに隣接して液体吐出ヘッド本体１３の長手方向に延在している。

流路部材４は、複数の加圧室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つの加圧室群９を有している。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。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、これらの加圧室１０によって形成された各加圧室群９は圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ２１は複数の加圧室１０を覆うように積層されるので、各加圧室１０の開口は、圧電アクチュエータ２１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に繋がった加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室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から繋がる加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室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。各加圧室列に含まれる加圧室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。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。

つまり、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔８を投影すると、図３に示した仮想直線のＲの範囲に、各副マニホールド５ａに繋がっている４つの吐出孔８、つまり全部で１６個の吐出孔８が６００ｄｐｉの等間隔になっている。また、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１７０
μｍ（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２１の上面における各加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極（表面電極）３５がそれぞれ形成されている。すなわち、個別電極３５は、圧電アクチュエータ２１の上面に、第１の方向および第１の方向とは異なる方向にわたって形成されている。個別電極３５は、個別電極本体３５ａと個別電極３５ａから引き出された引出電極３５ｂとを含む。個別電極本体３５ａは、加圧室１０より一回り小さく、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２１の上面における加圧室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の下面には多数の吐出孔８が形成されている。これらの吐出孔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２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔群７は圧電アクチュエータ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２１の変位素子５０を変位させることにより吐出孔８から液滴が吐出できる。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。

液体吐出ヘッド本体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。液体吐出ヘッド本体１３は、図５に示されているように、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、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、加圧室１０を介して副マニホールド５ａと吐出孔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に形成された加圧室１０である。第２に、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、加圧室１０の他端から吐出孔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（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には吐出孔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。

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、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、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、下面に開口した吐出孔８へと進む。

圧電アクチュエータ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２１の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの積層体の厚さは４０μｍ程度であり、１００μｍ以下であることにより、変位量を大きくすることができる。圧電アクチュエータ２１は、流路部材４の加圧室１０の開口している平面状の面に積層されており、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の加圧室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。圧電セラミック層２１ｂの内部には、空間２１ｃ、２１ｄが設けられておいる。空間２１ｃの上はオーバーハング形状をしている張り出し部２１ｅが設けられ、空間２１ｄの上には橋状構造部２１ｆが設けられている。次に説明する個別電極３５の外縁部は、張り出し部２１ｅおよび橋状構造部２１ｆの上に位置している。形成されており、その下部はとなっている。それらの構造については後で詳述する。

圧電アクチュエータ２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極（内部電極）３４、Ａｕ系などの金属材料からなる個別電極３５、個別電極３５の上に形成されているＡｕ系などの金属材料からなる接続電極３６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２１の上面における加圧室１０と対向する位置に配置されている個別電極本体３５ａと、個別電極本体３５ａから加圧室１０のない位置まで引き出されている引出電極３５ｂとを含んでいる。引出電極３５ｂの加圧室１０のない位置には、接続電極３６が形成されている。個別電極３５の厚さは、０．３〜１μｍである。接続電極３６は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚さが５〜１５μｍ程度で、引出電極３５ｂの上に形成されている。また、接続電極３６は、図示されていない外部配線である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（駆動電圧）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２１に対向する領域内の全ての加圧室１０を覆うように延在している。共通電極３４の厚さは１〜２μｍ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とは異なるグランド接続用表面電極（不図示）が形成されている。グランド接続用表面電極は、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、外部配線内の別の電極と接続されている。

なお、以上は、圧電アクチュエータ２１が２層の圧電セラミック層の場合の構造であるが、３相層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極３５と共通電極３４が交互になるように配置してもよい。

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厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータ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２１における各加圧室１０に対向する部分は、各加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂ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が加圧室１０毎に、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２１には変位素子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。

本実施形態における圧電アクチュエータ２１の液体吐出時の駆動方法の一例を、個別電極３５に供給される駆動電圧（駆動信号）に関して説明する。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。

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、あらかじめ個別電極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、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、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が加圧室１０側へ凸となるように変形し、加圧室１０の容積減少により加圧室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、圧力波がしぼり１２から吐出孔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、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。

以上のような液体吐出ヘッド２においては、変位素子５０の変位を大きくするために個別電極３５、より詳しくは、個別電極３５のうち平面視した際に加圧室１０と重なっている部分で、個別電極３５ａから引き出されている引出電極３５を除いた個別電極本体３５ａの大きさを加圧室１０より小さい所定の大きさにする。加圧室１０の形状や、他の部分
の流路の構造によって多少の違いが生じることもあるが、個別電極本体３５ａの面積を加圧室１０の面積の６割程度にすることで、変位を極大化し、ひいては、液滴の吐出速度を速くしたり、液適量を多くしたりできる。

その反面、圧電セラミック層２１ｂとして、単なる平板形状のものを用いると、個別電極本体３５ａの形状にばらつきがあった場合、変位素子５０の変位量がばらつくことになる。具体的には、個別電極本体３５ａの形状が、個別電極本体３５ａの大きさが変わったり、個別電極本体３５ａと加圧室１０との間に位置ずれが生じると変位量がばらつく。個別電極３５としては、変位量が小さくならないように、１μｍ以下の厚さが薄いものや、空隙３０％以上と多いものを用いるのが好ましいが、そのような個別電極３５は、周縁部の位置がずれやすい。特に、個別電極３５を焼成で形成する場合、外周の厚さの薄い部分が拡散して一部が焼失したり、空隙が多いために、形成されてはいるものの電気的に接続されていない部分ができたりすることで実質的な外周の位置が変わってしまう。

そのような場合に、圧電セラミック層２１ｂにオーバーハング形状をしている張り出し部２１ｅや、橋状構造部２１ｆを形成し、個別電極本体３５ａの周縁部の下方に空間２１ｃ、２１ｄを設けることで、変位量のばらつきを小さくすることができる。空間２１ｃ、２１ｄを挟んで対向している個別電極本体３５ａと共通電極３４との間に電圧を加えても、空間２１ｃ、２１ｄの上部あるいは下部の圧電セラミック層２１ｂには、ほとんど電界が生じないため、ほとんど圧電変形しない。空間２１ｃ、２１ｄの上部あるいは下部の圧電セラミック層２１ｂは、変位素子５０の変位にはほとんど寄与しないので、その上部にある個別電極本体３５ａの外周の位置が変わっても変位量はほとんど変わらない。さらに、張り出し部２１ｅは周囲に接続している部分がないため、わずかに圧電変形したとして、変位素子５０の変位にはほとんど寄与しない。そのため、個別電極３５ａの大きさや位置がずれても、空間２１ｃ、２１ｄの上に位置す個別電極本体３５ａは、変位量にほとんど影響しないため、変位ばらつきを低減できる。特に個別電極本体３５ａの外周のほぼ全体の下に空間が形成されていることが好ましい。ここでいうほぼ全体とは、例えば、引出電極３５ｂが形成されている部分を除いた部分であり、定量的に言えば、外周の長さの８割以上、特に９割以上であることが好ましい。

空間２１ｃ、２１ｄは少なくとも平面方向に１０μｍ程度の長さを有することにより、その範囲で、個別電極３５ａの大きさや位置が変わっても変位量のばらつきを小さくできる。平面方向の長さは個別電極本体３５ａの外周に直交する方向の長さを指す。

なお、ここでいう空間とは、圧電セラミック層２１ｂに内在していることのある直径が１μｍ以下程度のボイドなどは含まない。そのようなものは存在しても、上述の効果を奏しないし、特にそのボイドが圧電セラミック層２１に平均的に分布していれば、上述の効果はない。

また、空間２１ｃ、２１ｄが個別電極本体３５ａよりも外側では、圧電アクチュエータ２１の外部に開放されている場合、すなわち、個別電極３５ａの周囲が圧電セラミック層２１ｂから受ける拘束が少ない場合、変位素子５０の変位量を大きくできる。空間２１ｃ、２１ｄの外部への解放は、個別電極３５ａの外周のほぼ全体で行なわれているのがよい。また、この外部への開放は、圧電アクチュエータ２１を平面視した際に加圧室１０の内側で行なわれていると変位量はより増加する。

さらに、引出電極３５ｂの下部に橋状構造部２１ｆが形成されて、空間２１ｄが設けられていると、単に変位量のばらつきが低減できるだけでなく、クロストークを低減できる。これは、引出電極３５ｂと共通電極３４との間に電圧を加えた際に、その間の圧電セラミックス層２１ｂが圧電変形して、周囲の変位素子５０に与える影響が小さくなるからで
ある。

またさらに、共通電極３４は、平面視した際に複数の個別電極３５を収める形状であり、圧アクチュエータ２１のほぼ全面に形成されており、共通電極３４の上には圧電セラミック層２１ｂが形成されているので、個別電極３５とのショートが生じ難い。共通電極３４として個別電極３５と位置の合わせるようなパターンを形成してもよいが、その場合、共通電極３４の形成精度が変位特性に影響を与えるようになるので、共通電極３４は全面に形成するのがよい。またその際、共通電極３４が大きく露出する構造では、ショートが生じやすいので、外部に接続するために一部を除いて、共通電極３４の上のほぼ全面に、圧電セラミック層２１ｂが形成されているのがよい。

さらにまた、空間２１ｃ、２１ｄの共通電極３４に対向する面は、共通電極３４とほぼ平行か、個別電極本体３５ａの面積中心から離れるほど、圧電セラミック層２１ｂが厚くなるようになっていると、その部分の圧電駆動が変位量に与える影響を小さくできる。同様に、空間２１ｃ、２１ｄの個別電極３５に対向する面は、個別電極３５とほぼ平行か、個別電極本体３５ａの面積中心から離れるほど、圧電セラミック層２１ｂが厚くなるようになっていると、その部分の圧電駆動が変位量に与える影響を小さくできる。

またさらに、引出電極３５ｂと共通電極３４とに挟まれた圧電セラミック層２１ｂは、引出電極３５ｂと共通電極３４との間が中実である部位と、空間２１ｄがある部位とを含んでいる。外部との接続は、中実である部位の上で行なわれるので、接続の確実性を高くできる。空間２１ｂがあるので、個別電極本体３５ａの外側の、変位量に寄与しない個別電極３５の下の圧電セラミック層２１ｂが、圧電電変形することにより生じる、周囲の変位素子５０とのクロストークを低減できる。

続いて、本発明の他の液体吐出ヘッドの実施形態を図６および７を用いて説明する。図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）に示す液体吐出ヘッドは、基本構造は図１〜５で示したものと同じであるが、圧電アクチュエータの構造が異なっている。

図６の圧電アクチュエータでは、空間は引出電極３５ｂの下には形成されておらず、空間２２１ｃは、個別電本体３５ａの引出電極３５ｂが引き出されている部分を除く外周全体に形成されている。このよう構造であっても個別電極本体３５ａの外周のほとんど全体に空間２２１ｃが形成されているので、個別電極３５の形成ばらつきが変位特性に与える影響を小さくできる。

図７の圧電アクチュエータでは、空間３２１ｃ、３２１ｄは、圧電セラミック層３２１ｂの内部に形成されている。この場合も、圧電セラミック層３２１ｂは、空間３２１ｃ、３２１ｄが設けられていることにより、変形し易くなっているので、変位量は大きくなる。なお、変位量の増加量は、空間が外部に開放されている図５、６に示した圧電アクチュエータの方がより大きい。空間３２１ｃ、３２１ｄは、図５に示した圧電アクチュエータと同様に、個別電極本体３５ａの形成ばらつきが変位特性に与える影響を小さくできる。

以上のような圧電アクチュエータは、例えば、工程順に示した図８（ａ）〜（ｅ）のような工程により作製することができる。

まず、圧電セラミック層に用いる圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とし、ＰＺＴ粉末とバインダと溶剤とを混合してスラリーを作成し、このスラリーから、成形方法としてロールコーター法を採用して、グリーンシートを作製する。

図８（ａ）は、焼成後にセラミック振動板２１ａとなるグリーンシート２２１ａ（以下
一部のものについて、同じ符号であってもの焼成前後で異なる名称で記載することがある）に共通電極３４となる導体層３４を導体ペートとして塗布し、乾燥したものと、焼成後に圧電セラミック層２１ｂの一部となるグリーンシート２１ｂ−１に図示しないビアホールとなる貫通孔を金型により打ち抜きなどで形成したものである。グリーンシート２１ｂ−１の層は前述のスラリーを塗布して形成してもよい。

図８（ｂ）は、焼成時に焼失する焼失層７０−１をスクリーン印刷などで形成し、乾燥させたものである。印刷時の焼失層７０−１は、有機バインダと溶剤と構成されており、保形性がよくなるように樹脂のフィラーを入れてもよい。図８（ｃ）は、焼失層７０−２をスクリーン印刷などで形成し、乾燥させたものである。

図８（ｄ）は、上述のスラリーをスクリーン印刷し、乾燥させたて、焼成前の圧電セラミック層２１ｂ−２を形成したものである。

図８（ｅ）は、これを例えば１０２０℃の温度で焼成し、個別電極３５を形成したものである。焼失層７０−１、７０−２は１０２０℃まで昇温する過程で、分解し焼失する。焼失層７０−１、７０−２が焼失しやすいように昇温過程で、昇温を一時止めたり、昇温を緩やかにしてもよい。個別電極３５は、スクリーン印刷により、Ａｕを主成分とする導体ペーストを塗布し、８００℃の熱処理によって形成できる。

シミュレーションにより個別電極の形成精度が変位特性に与える影響を低減できることを確認した。シミュレーションでは、次に示す２次元のアクチュエータ、別の言い方をすれば、無限に長い形状の圧電アクチュエータの変位量を調べた。比較例として圧電セラミック層２１ｂに空間が形成されていないもの（図７（ａ）、（ｂ）から空間３２１ｃ、３２１ｄを除いたもの）、本発明のものとして図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように空間２１ｃ、２１ｄが形成されたものを比較した。
加圧室１０の幅：７６０μｍ
個別電極本体３５ａの幅：５６０μｍ
張り出し部２１ｅの形成されている部分の圧電セラミック層２１ｂの幅：６８０μｍ
空間２１ｃの形成されている部分の圧電セラミック層２１ｂの幅：５４０μｍ
圧電セラミック層２１ｂの厚さ：２０μｍ
張り出し部２１ｅの厚さ：５μｍ
空間２１ｃの厚さ：５μｍ
振動版２１ａの厚さ：１０μｍ

個別電極本体３５ａの幅を５６０μｍを５８０μｍにすると、比較例では、変位量は２５９．４３ｎｍから２４５．２９ｎｍに変動したが、本発明のものでは、いずれの場合も変位量は７６５．３６ｎｍで、ばらつきは生じなかった。

個別電極本体３５ａの位置を加圧室１０の中心から２０μｍずらすと、比較例では、変位量は２５９．４３ｎｍから２５６．９１ｎｍに変動したが、本発明のものでは、いずれの場合も変位量は７６５．３６ｎｍで、ばらつきは生じなかった。

以上のように、個別電極３５の周縁部の下の圧電セラミック層２１ｂに空間が設けられれていることにより、個別電極３５に形成ばらつきが生じた場合の変位素子５０の変位量のばらつきが小さくなった。

また、本発明のものは、空間２１ｃが、個別電極本体３５ａより外側で外部に開放されているため、変位量が大きくなっている。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
５・・・マニホールド
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・マニホールドの開口
６・・・個別供給流路
８・・・吐出孔
９・・・加圧室群
１０・・・加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータ
２１ａ・・・圧電セラミック層（セラミック振動板）
２１ｂ、２２１ｂ、３２１ｂ・・・圧電セラミック層
２１ｃ、２２１ｃ、３２１ｃ・・・空間（個別電極本体周縁部の下部の空間）
２１ｄ、３２１ｄ・・・空間（個別電極本体周縁部の下部の空間および引出電極の下部の空間）
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極（内部電極）
３５・・・個別電極（表面電極）
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・引出電極
３６・・・接続電極
５０・・・変位素子
７０−１、７０−２・・・焼失層

Claims (5)

1. 振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および複数の表面電極がこの順で積層されている圧電アクチュエータと、複数の吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の加圧室が開口している流路部材とが積層されている液体吐出ヘッドであって、
   前記圧電アクチュエータを平面視した場合、前記表面電極は、前記加圧室内に納まる個別電極本体と、該個別電極本体から前記加圧室の外まで引き出された引出電極とを含んでおり、該引出電極と前記内部電極とに挟まれた前記圧電セラミック層は、前記引出電極と前記内部電極との間が中実である中実部と、第２の空間が設けられている部位とを含んでおり、前記引出電極に電圧を供給する接続は、前記中実部の上で行なわれることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記表面電極の周縁部の下の前記圧電セラミック層に第１の空間が設けられてい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. 前記第１の空間が、前記表面電極の外周のほぼ全体に設けられてい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. 前記圧電アクチュエータを平面視した場合、前記第１の空間が、前記個別電極より外側で外部に開放されていることを特徴とする請求項２または３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して相対的に搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。

Images