JP5934420B2 - 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、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。

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金属の流路部材と、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圧電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圧電アクチュエータユニットの変位素子を圧電体の変形により変位させることで、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。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、液体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、吐出量を多くしたり、吐出速度を上げようとする場合、液体加圧室を大きくし、変位素子の面積を大きくして、変位素子の変位量を大きくしようとすることが考えられる。また、印刷速度を速くするため、変
位素子を駆動する駆動周期を高くしようとする場合、駆動周期は１つの液滴を吐出する吐出信号よりも長くなり、１つの液滴を吐出する吐出信号は、圧力波が液体吐出孔からしぼりまで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）に比例した長さとされることが
多いため、ＡＬを短くすることが考えられる。液体加圧室を大きくすることは、基本的にＡＬを大きくすることになるため、これらは両立させることは難しいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、ＡＬを短くしつつ、変位素子の変位量を大きく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の一態様は、流路部材と、該流路部材上に圧電アクチュエータユニットと、を備えた液体吐出ヘッドであって、前記流路部材は、共通流路と、しぼり、液体加圧室、および、液体吐出孔を含んでおり、前記共通流路に接続された個別流路と、を有しており、前記しぼりは、一端部が前記共通流路に接続され、他端部が前記液体加圧室に接続され、前記液体加圧室は、前記しぼりと実質的に平行に構成されており、前記液体加圧室は、液体加圧室本体と、該液体加圧室本体上に設けられ、前記液体加圧室の上端部に位置する液体加圧室上端部と、を含み、前記液体加圧室上端部は、前記しぼりの前記一端部から前記他端部に向かう方向に、前記液体加圧室本体よりも外側に位置する部分を有しており、前記しぼりの前記他端部から前記一端部に向かう方向に、前記液体加圧室本体よりも外側に位置する部分を有する。

本発明の記録装置の一態様は、上記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、を備える。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、液体加圧室上端部が平面形状が大きいことにより、変位素子の変位を大きくできるとともに、体加圧室本体の形状により、ほぼ定まる液体加圧室の流路特性は、ＡＬを小さい値にできる。

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第１の流路部材および圧電アクチュエータユニットの平面図である。 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。 （ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）と直交する方向の縦断面の要部であり、（ｃ）は（ａ）の平面図である。 本発明の他の実施例の液体加圧室付近の平面図である。

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液体吐出孔８が設けられている（図４、５および６参照）。

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の液体吐出孔８は、液体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、液体吐出孔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（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）と直交する方向の部分縦断面図であり、主要部分を拡大した図である。

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。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、圧電アクチュエータユニット２１は複数の液体加圧室１０を覆うように積層されるので、各液体加圧室１０の開口は、圧電アクチュエータユニット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。

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液体吐出孔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繋がっている４つの液体吐出孔８、つまり全部で１６個の液体吐出孔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。すなわち、個別電極３５は、圧電アクチュエータユニット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、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群７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。

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、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。液体加圧室１０はその下方に位置し、深さに依らず断面形状がほぼ一定の液体加圧室本体１０ａと液体加圧室本体１０ａよりも断面形状が大きく、液体加圧室１０の上端部に位置している液体加圧室上端部１０ｂとから構成されている。液体加圧室１０の形状については後で詳述する。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本体１０ａの平面視
した際の菱形形状の長い方の対角線の一端側の頂点付近（ここで付近とは、頂点から、液体加圧室１０の面積中心から液体加圧室１０の端までの長さの１／５程度の位置を意味する。））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（詳細には液体加圧室本体１０ａの平面視した際の菱形形状の長い方の対角線の液体吐出孔８に繋がっているのとは逆側の頂点付近）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。

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ユニット２１は、流路部材４の液体加圧室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、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本体３５ａと、個別電極本体３５ａから液体加圧室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の液体加圧室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（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ユニット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の直上に位置するセラミック振動板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ユニット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。こ性部が面方向に収縮または伸長するのに対して、圧電セラミック層２１ａは長さが変わらないので、変位素子５０は撓み変形する。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、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、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、圧力波がしぼり１２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。

具体的な吐出方法が上述の引き打ちと異なる場合であっても、駆動信号はＡＬを考慮したものにする必要があるため、ＡＬに比例した長さになる。したがって、駆動信号を短くし、駆動周波数を高くするためにはＡＬを短くする必要がある。

図５（ａ）〜（ｃ）に示した液体吐出ヘッドでは、液体加圧室１０はプレート２２に設けられた貫通孔と該貫通孔の下に位置するプレート２３とで構成されるとともに、液体加圧室１０は、プレートに平行な断面形状が略一定の液体加圧室本体１０ａと、平面視した場合に液体加圧室本体１０ａよりも大きい液体加圧室上端部１０ｂとを含む。ここで略一定とは、平面視した場合に、深さによる面積の変化が±５％程度以下のことを表す。液体加圧室１０の深さは１０〜１００μｍ程度で、液体加圧室本体１０ａ大きさは、略ひし形の対角線の長い方が２００〜２０００μｍ程度、短い方が１００〜１０００μｍ程度である。液体加圧室上端部１０ｂの液体加圧室１０の開口からの深さは、液体加圧室本体１０ａの液体加圧室１０の開口からの深さの１／５以下、特に１／１０以下にされる。液体加圧室上端部１０ｂの深さの比率が低くなるほど液体加圧室１０の流路特性は、液体加圧室本体１０ａもしくは液体加圧室本体および液体加圧室上端部１０ｂの１０ａの直上の部分とほぼ同じになり、液体加圧室上端部１０ｂの液体加圧室１０ａの外側に広がっている部分は流路特性に大きな影響を与えなくできる。なお、そのようになるのは液体吐出孔８およびしぼり１２が液体加圧室１０に繋がっている部分が液体加圧室本体１０ａに繋がっており、液体加圧室上端部１０ｂの液体加圧室１０ａの外側に広がっている部分の液体は吐出する際に流動しない状態になっており、しぼり１２から液体吐出孔８へ向かう液体の流れにあまり関与しないからである。

なお、液体加圧室は１０を構成する貫通孔を形成するプレートは、１枚ではなく複数枚にしてもよいが、積層によるずれが生じるおそれがあるため１枚のプレートにするのが良い。また、液体加圧室本体１０ａと液体加圧室上端部１０ｂを別々のプレートに形成すると、液体加圧室１０の加工、およびその薄いプレートの取り扱いが難しくなるため、その点でも１枚のプレートにするのが良い。

液体加圧室上端部１０ｂの断面積は、液体加圧室本体１０ａの断面積よりも大きくされる。これにより、変位素子５０の変位が大きくできる。液体加圧室本体１０ａの面積に対する比率は１．１倍以上にすることで、変位を大きくでき、１．７倍以下にすることで、隣接する変位素子５０とのクロストークを低減できる。変位素子５０は、撓み変形するものであり、このような大きさの場合、変位量はあまり大きくなく、１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。液体加圧室上端部１０ｂの深さは、この変位量の２倍程度以上にすれば、変位した変位素子５０が液体加圧室本体１０ａに当たることはない。また、撓み変形を利用した駆動方法は、加える電圧を低くできるので、消費電力が少ないので、このような液体吐出ヘッドに適している。なお、ここでいう変位量は最も変位の大きい部分の量であり、それは、ほぼ液体加圧室上端部１０ｂの面積中心付近に生じると考えられるため、液体加
圧室上端部１０ｂの深さは、変位量と同程度にまでは浅くしてもよい。したがって、液体加圧室上端部１０ｂの深さは１μｍ程度にすれば十分であり、このよう浅ければ、ＡＬに対する、液体加圧室上端部１０ｂの液体加圧室１０ａの外側に広がっている部分の寄与は非常に小さくできる。

以上のように、液体加圧室上端部１０ｂの面積を、液体加圧室本体１０ａの面積より大きくすることで、変位素子５０の変位量を大きくしつつ、ＡＬを短くできる。言い換えれば、同程度の変位量である吐出素子と比較してＡＬを短くでき、同程度のＡＬである吐出素子と比較して変位量を大きくできるということである。

また、変位素子５０の変位が液体の吐出に有効に使われるように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液体加圧室１０と重なっている部分で、個別電極３５から引き出されている引出電極３５ｂを除いた個別電極本体３５ａの大きさを液体加圧室本体１０ａより小さいくする。これにより主に液体加圧室１０の体積を変えるように変形する部分である、個別電極本体３５ａの直下の変位素子５０の部分が、液体加圧室上端部１０ｂの液体加圧室１０ａの外側に広がっている部分と重ならなくなり、その変位により生じる圧力波が、液体の吐出に有効に利用される。

さらに、例えば、圧電セラミック層１０ｂが平面方向に伸びて、変位素子５０が液体加圧室１０側に撓み変形する場合、変位素子５０の周縁部の圧電セラミック層１０ｂは逆に縮まなければならなくなる。してがって、そのような部位の圧電セラミック層１０ｂが伸びると、逆に変位を阻害するようになる。そこで、個別電極本体３５ａの形状は、液体加圧室上端１０ｂと略相似形状であり、個別電極３５ａの面積の液体加圧室上端部１０ｂの面積に対する割合が、４０％〜７０％であることにより、変位量を大きくできる。なお、ここで略相似とは、相似形から角部の曲率などを少し変えたもので、相似形からの外形のずれが大きさの１０％以内程度であることを表す。

また、液体加圧室上端部１０ｂの形状は、液体加圧室本体１０と略相似としてもよいが、液体加圧室上端部１０ｂの形状を円形に近づけることにより、変位素子５０の変位量を大きくできる。

図６は、本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドの液体加圧室本体２１０ａおよび液体加圧室上端部２１０ｂの付近の構造を示した平面図であり、この液体吐出ヘッドの基本構造は図１〜５で示したものと同じであるが、主に液体加圧室上端部２１０ｂおよび個別電極本体２３５ａの形状が異なっている。具体的には、液体加圧室本体２１０ａは菱形形状であるとともに、液体加圧室上端部２１０ｂは、液体加圧室本体２１０ａよりも正方形に近い菱形形状である。ここで正方形に近いとは菱形の対角線の長さの比が１に近いことを意味する。

液体加圧室本体２１０ａおよび液体加圧室上端部２１０ｂが菱形形状であることにより、例えば、それぞれ円形である場合として比較してクロストークを低減できる。さらに、液体加圧室上端部２１０ｂが正方形に近いことにより変位量を大きくできる。より具体的は、液体加圧室本体２１０ａの長い方の対角線に沿った方向における液体加圧室上端部２１０ｂの大きさは、液体加圧室本体２１０ａと同程度にして、液体加圧室本体２１０ａの
短い方の対角線に沿った方向における液体加圧室上端部２１０ｂの大きさは、液体加圧室本体２１０ａよりも大きくすれば、隣接する変位素子５０との間隔をあまり狭めずに変位量を大きくできる。これは、変位量に影響を与えるのは、液体加圧室１０の面積重心を通る線分のうち最も短いものの長さであるので、液体加圧室本体１０ａの短い方の対角線の方向に液体加圧室本体１０ｂを大きくすることで、長い方の対角線の長さを変えなくても、変位量を大きくできるからである。

以上のような液体吐出ヘッドは、例えば次のように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。

焼成後にセラミック振動板２１ａとなるグリーンシートに共通電極３４となる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となるグリーンシートに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する。続いて、それらのグリーンシートを加熱加圧などにより積層し、例えば１０２０℃の温度で焼成する。さらに、スクリーン印刷により、個別電極３５となるＡｕを主成分とする導体ペーストを塗布し、８００℃の熱処理によって焼き付ける。

流路部材４を、圧延法等により得られたプレート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。プレート２２の液体加圧室上端部１０ｂとなる部分は、ハーフエッチングにより形成される。

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ユニット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、圧電焼結体や流路部材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。また、液体加圧室上端部１０ｂは薄い構造であるため、樹脂が侵入すると、その部分は変形しがたくなり変位量がへり、変位素子間での変位ばらつきになるので、樹脂が侵入は少ない方がよく、液体加圧室上端部１０ｂの液体加圧室本体１０ａよりも広くなっている部分に侵入する樹脂は、その面積の１０％以下、特に５％以下にするのが好ましい。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ユニット２１と流路部材４とを加熱接合することができる。このようにして、液体吐出ヘッド２を作製することができる。

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・・・液体吐出孔
９・・・液体加圧室群
１０・・・液体加圧室
１０ａ・・・液体加圧室本体
１０ｂ・・・液体加圧室上端部
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
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（セラミック振動板）
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、２３５・・・個別電極
３５ａ、２３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ、２３５ｂ・・・引出電極
３６、２３６・・・接続電極
５０、５５０・・・変位素子

Claims (7)

1. 流路部材と、該流路部材上に圧電アクチュエータユニットと、を備えた液体吐出ヘッドであって、
   前記流路部材は、
   共通流路と、
   しぼり、液体加圧室、および、液体吐出孔を含んでおり、前記共通流路に接続された個別流路と、を有しており、
   前記しぼりは、一端部が前記共通流路に接続され、他端部が前記液体加圧室に接続され、
   前記液体加圧室は、前記しぼりと実質的に平行に構成されており、
   前記液体加圧室は、
   液体加圧室本体と、
   該液体加圧室本体上に設けられ、前記液体加圧室の上端部に位置する液体加圧室上端部と、を含み、
   前記液体加圧室上端部は、前記しぼりの前記一端部から前記他端部に向かう方向に、前記液体加圧室本体よりも外側に位置する部分を有しており、前記しぼりの前記他端部から前記一端部に向かう方向に、前記液体加圧室本体よりも外側に位置する部分を有する、液体吐出ヘッド。
2. 前記液体吐出孔および前記しぼりは、前記液体加圧室本体に接続されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記液体加圧室上端部は、開口を有しており、
   前記開口は、前記圧電アクチュエータユニットにより閉塞されている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記圧電アクチュエータユニットは、共通電極、圧電セラミック層、および、個別電極を有しており、
   前記個別電極は、前記液体加圧室と対向して配置されており、
   平面視した場合に、前記個別電極は、前記液体加圧室本体より小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記圧電アクチュエータユニットは、共通電極、圧電セラミック層、個別電極、引出電極、および、接続電極を有しており、
   前記個別電極は、前記液体加圧室と対向して配置されており、
   前記引出電極は、前記個別電極から引き出されており、
   前記接続電極は、前記加圧室上端部よりも外側に位置する前記引出電極上に設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか一項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、を備える、記録装置。
7. 前記記録媒体の位置を検出する紙面センサをさらに備える、請求項６に記載の記録装置。

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