JP5783803B2

JP5783803B2 - 液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置

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Publication number: JP5783803B2
Application number: JP2011120651A
Authority: JP
Inventors: 寛之川村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: JP2012245733A

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しぼりおよび複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる複数の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液体吐出ヘッドでは、圧電アクチュエータ（加圧部）で加圧室内の液体を加圧した際に生じる圧力波は、吐出孔およびしぼりに向かい、しぼりで反射された圧力波は、直接吐出孔に向かった圧力波より遅れて吐出孔に向かうことになる。このため、加圧部により加えられた圧力は、時間的に大きく分散して吐出孔に到達するので、吐出される液滴の速度が低かったり、吐出量が少なかったりすることがあった。

したがって、本発明の目的は、加圧部が加える力を、液滴の吐出を吐出する力として有効に利用できる液体吐出ヘッド、およびそれを用いた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、吐出孔、該吐出孔と繋がっている加圧室、および該加圧室に液体を供給するしぼりを備えており、前記加圧室が開口している加圧室面を有する流路部材と、前記加圧室面に接合されており、撓み変形することで前記加圧室の体積を変化させる加圧部と、を備える液体吐出ヘッドであって、前記加圧室は、当該加圧室の端部と離間して配置されている、前記吐出孔に繋がっている第１接続部および前記しぼりに繋がっている第２接続部を有し、前記加圧室面を平面視したとき、前記第１接続部は、前記加圧部を撓み変形させた際に変位量が最大になる最大変位点に対して、前記第２接続部の反対側に設けられており、かつ前記加圧室には、前記最大変位点から前記第２接続部までの間に、前記第２接続部へ向かう液体の圧力波を反射させる反射部が設けられているとともに、前記加圧室の前記反射部から前記第１接続部までが凸多面体形状であり、前記反射部が、前記最大変位点に面しているとともに前記最大変位点を焦点とする放物線の一部の形状の面、あるいは前記最大変位点に面しているとともに前記最大変位点を１つの焦点とし、前記最大変位点と前記第１接続部とを通る直線上の前記第１接続部以遠の点をもう１つの焦点とする楕円の一部の形状の面を有することを特徴とする。

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。

加圧部によって液体に加えられて、吐出孔まで伝わる圧力を大きくできる。

本発明の一実施形態に係る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。図１の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体の平面図である。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）の要部を拡大した平面図である。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドの要部である。反射部の配置および反射部における開口率と、圧力との関係を示すグラフである。

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を構成する液体吐出ヘッド本体１３の平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図であり、加圧室１０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。図４は、図３と同じ位置の拡大図であり、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）の要部を拡大した平面図である。

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の長手方向に沿うように流路部材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の上面である加圧室面４ａ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と個別電極本体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（加圧部）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。加圧室１０の側面を構成しているキャビティプレート２２には、加圧室１０の内部に突出している反射部２２ａがハーフエッチングにより形成されている。反射部２２ａについては後で詳述する。

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。接続電極３６はその上部が、凸形状になっている個別電極本体よりも高い位置にされる。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。

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、変位素子５０により加圧室１０の中の液体が加圧されてから、液滴が吐出されるまでの圧力波の伝搬は次のようになる。変位素子５０が撓み変形すると、変位量が最大となる最大変位点Ｃから圧力波が広がっていく。この圧力波は、加圧室１０の内壁等で方向を変えられ、最終的には、加圧室１０の、吐出孔８に繋がる部位である第１接続部１０ａ、および加圧室１０の、しぼり１２に繋がる部位である第２接続部１０ｂから加圧室１０の外に出ていく。しぼり１２に向かった圧力波は、しぼり１２で流路の断面積が狭くなっているため反射されるので、一部は加圧室１０に戻っていく。したがって、吐出孔８には、直接吐出孔に向かった圧力波と、しぼり１２で反射された圧力波が到達する。そして、反射して到達する圧力波の圧力のピークは、直接到達する圧力波の圧力のピークよりも遅れて到達する。つまり、液滴を吐出する、これらを合成した圧力波は、時間的に分散して吐出孔８に到達するので、エネルギーが分指されることで吐出速度が低くなったり、吐出量が少なくなったりする。

そこで、加圧室１０内に反射部２２ａを設けることで、最大変位点Ｃから第２接続部１０ｂに向かう圧力波の一部を加圧室１０内で反射させて、吐出孔８に向かわせる。反射部２２ａで反射された圧力波は、しぼり１２で反射されて吐出孔８に向かう圧力波よりも早く吐出孔８に到達するので、直接吐出孔８に向かう圧力波と、反射されて吐出孔８に向かう圧力波とが、時間的に集中して吐出孔８に到達させることができるので、吐出孔８における圧力を高くできる。これにより、反射部２２ａがない場合と比較して、吐出速度を速くしたり、吐出量を多くしたりできる。

このような効果を得るため、加圧室面４ａに対して平面視したとき、反射部２２ａは、加圧室１０内の、最大変位点Ｃから第２接続部１０ｂに向かう流路の中に設けられる。ま
た、反射した圧力波が吐出孔８に向かうように、第１接続部１０ａと第２接続部１０ｂとは、加圧室１０の端部に離間して設けられ、さらに、第１接続部１０ａは、最大変位点Ｃに対して、第２接続部１０ｂの反対側に設けられている。

第１接続部１０ａおよび第２接続部１０ｂが、加圧室１０の端部にあることにより、それぞれに向かった圧力波は、そのまま吐出孔８あるいはしぼり１２に向かうことになるので、圧力波の減衰が抑制できる。なお、ここで外周部にあるとは、加圧室１０の面積重心からの第１接続部１０ａに線を引いた場合、この線を延長して加圧室１０の側面に当たるまでの距離に対して、第１接続部１０ａの面積重心からの距離が９０％以上になっていることを言う。圧力の減衰をより抑制するためには、図５（ｃ）に示すように、吐出孔８に繋がるディセンダの端が加圧室１０の端を含むように繋がっているのが好ましい。なお、ディセンダが、加圧室１０の辺面方向に伸びるように繋がっている場合、ディセンダが、ほぼ等幅になる部分を加圧室１０とデッセンダの境界と考えればよい。以上の点は、第２接続部１０ｂ側についても同様である。

また、第１接続部１０ａは、最大変位点Ｃに対して、第２接続部１０ｂの反対側に設けられているとは、最大変位点Ｃに対して、第１接続部１０ａと第２接続部１０ｂとの成す角度が３／２直角（１３５度）以上であることを指す。その角度は１５０度以上であるとより好ましく、角度が大きいほど反射した圧力波を有効に利用できる。また、そもそも、その角度が大きいことにより、圧力波が第１接続部１０ａ、第２接続部１０ｂに向かう際に、その方向をあまり変えずに済むので、圧力減衰が少なくなる。さらに、加圧室１０の、反射部２２ａから第１接続部１０ａまでが凸多面体形状であることにより、最大変位点Ｃから第１接続部１０ａに向かう圧力波、および反射部２２ａで反射されて、第１接続部１０ａに向かう圧力波が、反射されることで吐出孔８に到達する圧力波の圧力が落ちることが抑制できる。なお、凸多面体形状であるとは、反射部２２ａから第１接続部までに加圧室１０の内側に突出した部分が基本的にないことを表し、プレートの微小な積層ずれなど、加圧室１０の最大幅に対して１／１０以下であるような小さいものを除いて、加圧室１０の中に大きな吐出がないこと表す。突起が全くなければ、圧力波の減衰をさらに少なくできる。

反射部２２ａは、反射部２２ａが存在しない場合の、最大変位点Ｃから第２接続部１０ｂに向かう圧力波に進行に対する、法線の成す角度が３／２直角（１３５度）以上の面を含むか、流路の断面積が急激に狭くなっており、これにより、圧力波を反射する。より良く反射させるため、これらの条件は両方満たすことが好ましい。角度は１５０度以上、さらに１６５度以上であるとことにより、反射した圧力波を、より直接的に第１接続部１０ａに向かわせることができる。反射部２２ａにおいて、液体が通過できる流路の最小断面積が、反射部２２ａの第１接続部側１０ａであって反射部１０ａの直前の部位における断面積の４０％以下、さらに２０％以下になっていることにより、反射される圧力波の割合を高くできる。反射部２２ａとしては、複数の細い柱が連なった構造や、メッシュ状の構造でもよい。そのような構造の場合、断面積自体は大きくても、１つ１つの開口の長さを短くすることで、ある波長以上の圧力波が実質的に通り難くできる。

反射部２２ａが加圧室１０の変位素子５０と対向する面に設けられることにより、変位素子から対向した面に向かい、その面で進行方法を曲げられて、主に、その面に沿って進む圧力波を効率よく反射できる。

なお、ここで示した、断面積とは、変位素子５０が変位していない場合のものである。また、反射部２２ａは、変位素子５０が変位しても接触しない大きさにすることで、接触による変位素子５０の破壊や劣化を抑制できる。なお、本実施例における最大変位量は０．１μｍ程度である。加圧室１０の深さは１０〜１００μｍ程度である。

図５に示した反射部２２ａは、平面形状が菱形状の加圧室１０の第２接続部１０ｂ側の２辺を結ぶ板状の構造体である。反射部２２ａの第１接続部１０ａ側の面２２ａ−１は、圧力波に対する法線の角度が２直角であり、圧力波の進行方向と面とが直交しているので、圧力波を効率よく反射できる。最大変位点Ｃから反射部２２ａまでの距離Ｌが、最大変位点Ｃから加圧室１０の第２接続部１０ｂ側の端（菱形状の加圧室１０の狭角部）までの距離の３％（加圧室１０の長さの６％）以上であることにより、最大変位点Ｃから反射部２２ａまでの間で発生した圧力波を反射させることができるので、反射する元の圧力波を大きくでき、ひいては吐出孔８での圧力を大きくできる。また、距離Ｌが、最大変位点Ｃから加圧室１０の第２接続部１０ｂ側の端（菱形状の加圧室１０の狭角部）までの距離の４０％（加圧室１０の長さの２０％）以下であることにより、直接吐出孔８に向かう圧力波と、反射部１０ａによって反射された圧力波とが吐出孔８に到達する時間の差を少なくでき、吐出孔８での圧力を大きくできる。

なお、最大変位点Ｃは、変位素子５０を駆動する際の変位を、変位素子５０の上部から測定して、変位が最も大きい部分である。また、最大変位点Ｃは、シミュレーションで特定してもよい。さらに、加圧室１０の平面形状が凹部を含まない形状で、個別電極体３５が、加圧室１０の面積重心を含むように形成されていれば、最大変位点Ｃは、個別電極体３５の形状にあまり依存せず、最大変位点Ｃは、加圧室１０の面積重心とほぼ一致する。図５（ｃ）で示されている点Ｃは、最大変位点であり、加圧室１０の面積重心である。

続いて、本発明の他の液体吐出ヘッドの実施形態を図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図６（ａ）〜（ｃ）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、加圧室の周囲の構造の一部が異なっている。図６（ａ）〜（ｃ）には変わっている部分の分かる液体吐出ヘッドの要部である。なお、変わりがない部位については、同じ符号を付けて、説明を省略する。

図６（ａ）の液体吐出ヘッドでは、反射部２２２ａの第１接続部側の面２２２ａ−１は、液体の通る流路の断面積が第１接続部１０ａ側から第２接続部１０ｂ側に向かって漸次小さくなっている傾斜面となっている。これより、反射部の第１接続部側の面２２２ａ−１の直上およびそこから最大変位点Ｃ側へ少し向かった部分の変位素子５０により発生させられた、主に上から下に向かう圧力波を、効率よく曲げて、第１接続部１０ａに向かわせることができる。反射部の第１接続部側の面２２２ａ−１の形状が、反射部２２２ａの内側に湾曲した凹形状であると、上述の圧力波の曲げをさらに効率よくできるとともに、湾曲した面の上部を最大変位点Ｃから第２接続部１０ｂに向かう圧力波に対してほぼ直交させることができるので、圧力波の反射も効率よくできる。

また、図６（ａ）の液体吐出ヘッドでは、反射部２２２ａの第２接続部側の面２２２ａ−２は、液体の通る流路の断面積が第２接続部１０ｂ側から第１接続部１０ａ側に向かって漸次小さくなっている傾斜面となっている。これより、反射部の第１接続部側の面２２２ａ−２の直上およびそこから第２接続部側の少し向かった部分の変位素子５０により発生させられた、主に上から下に向かう圧力波を効率よく曲げて、第２接続部１０ｂに向かわせることができる。これによりしぼり１２に向かう圧力波を強くでき、ひいては吐出孔８における圧力を大きくできる。

以上のような構造は、加圧室１０の深さが、幅よりも小さい構造の場合特に有効である。また、このような反射部２２２ａは、ハーフエッチグにより図５（ａ）〜（ｃ）に示したような反射部２２ａを形成した後、プレス加工で反射部２２ａの形状を変えることにより作製できる。

図６（ｂ）の液体吐出ヘッドでは、反射部３２２ａの第１接続部側の面の一部は、最大変位点Ｃを１つの焦点とし、第１接続部１０ａのうち最大変位点Ｃに最も近い点Ｄを、もう１つの焦点とする楕円Ｓの一部である形状をしている。このような形状をしていることにより、この面で反射された圧力波は点Ｄに向かうので、圧力波が空間的に集中することになり、加圧室１０の側面に反射などして、第１接続部１０ａに向かう場合と比較して、圧力波が時間的に集中し、減衰も少ないので、吐出孔８での圧力が高くなる。

また、第１接続部１０ａ側の焦点は、点Ｄなくてもよく、最大変位点Ｃと点Ｄを通る直線上の点Ｄ以遠の点を焦点としてもよい。これにより上述の場合と同様に第１接続部１０ａ付近に反射波を集中させることができる。さらに、面の形状は、最大変位点Ｃを焦点とする放物線にしてもよい。これにより、反射波が外側に広がらないように第１接続部１０ａに向かって進ませることができる。

図６（ｃ）の液体吐出ヘッドでは、最大変位点Ｃ４が、第１接続部４１０ａより第２接続部４１０ｂに近い側にあることにより、しぼり１２で反射される反射波と、直接吐出孔８に向かう圧力波との時間差が小さくなり、吐出孔８での圧力を高くできる。最大変位点Ｃ４を、第２接続部４１０ｂ側にするには、加圧室４１０の第２接続部４１０ｂ側の面積を大きくするなどして、加圧室４１０の面積重心を第２接続部１０ｂ側に近づければよい。また別の言い方をすれば、四角形状の加圧室１０の幅方向の対角線の位置を第２接続部１０ｂ側に近づければよい。

以上の実施例では、加圧部として撓み変形する圧電素子である変位素子５０を示したが、加圧部は、これに限られるものでなく、加圧室１０中の液体を加圧できるものなら他のものでよく、例えば、伸縮する圧電素子により、振動板を押したり引いたりすることで、振動板を撓み変形させるものや、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたものでも良い。

反射部２２ａの位置と反射部２２ａにおける開口率を変えた場合に、吐出孔８での最大圧力がどう変わるかをシミュレーションで調べた。
加圧室１０の長さ：８００μｍ
加圧室１０の幅：２５０μｍ
加圧室１０の深さ：１００μｍ
なお、反射部２０ａの幅は０（ゼロ）としてシミュレーションを行なった。

結果を図７のグラフに示す。反射部２２ａが設けられていると、反射部２２ａがない場合（グラフにおいては開口率１００％で表さている部分）と比較して、吐出孔８での圧力が高くなっているのが分かる。特に菱形形状をしている加圧室１０の場合、反射部の位置を最大変位部Ｃから距離を、加圧室１０の長さの３〜２０％にし、反射部２２ａの開口率を４０％以下にすることで、２％以上圧力を高くすることができた。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
４ａ・・・加圧室面
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、４１０・・・加圧室
１０ａ、４１０ａ・・・第１接続部
１０ｂ、４１０ｂ・・・第２接続部
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・・・振動板（圧電セラミック層）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３１、２２２、２２３・・・プレート
２２ａ、２２２ａ、３２２ａ、４２２ａ・・・反射部
２２ａ−１、２２２ａ−１・・・（反射部の）第１接続部側の面
２２ａ−２、２２２ａ−２・・・（反射部の）第２接続部側の面
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３５ａ、４３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・引出電極
３６・・・接続電極
５０・・・変位素子（加圧部）
Ｃ、Ｃ４・・・最大変位点

Claims

吐出孔、該吐出孔と繋がっている加圧室、および該加圧室に液体を供給するしぼりを備えており、前記加圧室が開口している加圧室面を有する流路部材と、
前記加圧室面に接合されており、撓み変形することで前記加圧室の体積を変化させる加圧部と、を備える液体吐出ヘッドであって、
前記加圧室は、当該加圧室の端部と離間して配置されている、前記吐出孔に繋がっている第１接続部および前記しぼりに繋がっている第２接続部を有し、前記加圧室面を平面視したとき、前記第１接続部は、前記加圧部を撓み変形させた際に変位量が最大になる最大変位点に対して、前記第２接続部の反対側に設けられており、かつ前記加圧室には、前記最大変位点から前記第２接続部までの間に、前記第２接続部へ向かう液体の圧力波を反射させる反射部が設けられているとともに、前記加圧室の前記反射部から前記第１接続部までが凸多面体形状であり、前記反射部が、前記最大変位点に面しているとともに前記最大変位点を焦点とする放物線の一部の形状の面、あるいは前記最大変位点に面しているとともに前記最大変位点を１つの焦点とし、前記最大変位点と前記第１接続部とを通る直線上の前記第１接続部以遠の点をもう１つの焦点とする楕円の一部の形状の面を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記加圧部を撓み変形させていない状態において、前記加圧室の前記反射部が設けられている部位における液体が通過できる流路の最小断面積が、前記反射部の前記第１接続部側であって当該反射部の直前の部位における液体が通過できる流路の断面積の４０％以下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。
前記反射部は、前記第１接続部側に液体が通る流路の断面積が前記第１接続部側から前記第２接続部側に向かって漸次小さくなる傾斜面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
前記反射部は、前記第２接続部側に液体が通る流路の断面積が前記第２接続部側から前記第１接続部側に向かって漸次小さくなる傾斜面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
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。