JP6131333B2 - 圧電基板、およびそれを用いたアセンブリ、液体吐出ヘッド、ならびに記録装置 - Google Patents

圧電基板、およびそれを用いたアセンブリ、液体吐出ヘッド、ならびに記録装置 Download PDF

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Description

本発明は、圧電基板、およびそれを用いたアセンブリ、液体吐出ヘッド、ならびに記録装置に関する。
従来、液体吐出ヘッドとして、例えば、液体を記録媒体上に吐出することによって、各種の印刷を行なうインクジェットヘッドが知られている。液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔と複数の加圧室を含む流路部材と、圧電アクチュエータ基板とが接着剤で接合されている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2006−123519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基板と流路部材とを接合する接着剤の一部が、圧電アクチュエータ基板の外辺から変位素子に到達する可能性があった。このため、接着剤の影響で、変位素子の変位特性が変わり、液体の吐出特性(吐出速度や吐出量など)が変動したり、時には液体が吐出されないという問題があった。
したがって、本発明の目的は、接合された際に、接着剤の影響を受けにくい圧電基板、およびそれを用いたアセンブリ、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。
本発明の圧電基板は、圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の一方の主面に配置されている、複数の第1の電極および第2の電極と、前記圧電セラミック層の他方の主面に、前記複数の第1の電極と対向するように配置されている第3の電極とを含んでいる平板状の圧電基板であって、該圧電基板を平面視したとき、前記第2の電極は、前記複数の第1の電極全体を囲むように配置されている外周部と、該外周部から当該外周部の内側に伸びている突出部とを含んでおり、前記第2の電極と前記第3の電極とは、前記突出部において電気的に接続されており、前記外周部は、外部との電気的接続に用いられるものであることを特徴とする。
本発明のアセンブリは、前記圧電基板と、該圧電基板と対向するように配置されており、前記複数の第1電極および前記第2の電極と電気的に接続されている複数の配線を含む配線基板とを含むアセンブリであって、前記配線基板は、一方方向に長いとともに、前記配線は、前記一方方向に沿って延在しており、前記外周部は、矩形の辺に沿った形状を有しているとともに、前記外周部の対向する2辺は、前記一方方向に沿って配置されており、前記第2の電極と前記配線とは、当該第2の電極の前記2辺において電気的に接続されていることを特徴とする。
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を含む流路部材と、前記圧電基板とが接着剤で接合されている液体吐出ヘッドであって、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を加えることで、前記圧電セラミック層が変形し、前記加圧室内の液体を加圧することを特徴とする。
また、本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を含む流路部材と、請求項3に記載のアセンブリとを含んでおり、前記流路部材と前記圧電基板とが接着剤で接合されている液体吐出ヘッドであって、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を加えることで、前記圧電セラミック層が変形し、前記加圧室内の液体を加圧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を備えていることを特徴とする。
本発明の圧電基板によれば、第2の電極の外周部により、接着剤が第1の電極にまで到達し難くできる。また、第2の電極と第3の電極との電気的接続部が突出部で行なわれるため、圧電セラミック層の収縮による寸法ばらつきの影響を受けにくくなるので、圧電基板を小型化できる。
(a)は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを含む記録装置の側面図であり、(b)は平面図である。 図1の液体吐出ヘッドの要部であるヘッド本体の平面図である。 図2(a)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(a)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。 (a)、(b)は本発明の他の実施形態の圧電基板の突出部周辺の拡大平面図である。 (a)、(b)は本発明の他の実施形態の圧電基板の突出部周辺の拡大平面図である。
図1(a)は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド2を含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタ1(以下で単にプリンタと言うことがある)の概略の側面図であり、図1(b)は、概略の平面図である。プリンタ1は、記録媒体である印刷用紙Pを搬送ローラ80aから搬送ローラ80bへと搬送することにより、印刷用紙Pを液体吐出ヘッド2に対して相対的に移動させる。制御部88は、画像や文字のデータに基づいて、液体吐出ヘッド2を制御して、記録媒体Pに向けて液体を吐出させ、印刷用紙Pに液滴を着弾させて、印刷用紙Pに印刷などの記録を行なう。
本実施形態では、液体吐出ヘッド2はプリンタ1に対して固定されており、プリンタ1はいわゆるラインプリンタとなっている。本発明の記録装置の他の実施形態としては、液体吐出ヘッド2を、印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に往復させるなどして移動させる動作と、印刷用紙Pの搬送を交互に行なう、いわゆるシリアルプリンタが挙げられる。
プリンタ1には、印刷用紙Pとほぼ平行するように平板状のヘッド搭載フレーム70(以下で単にフレームと言うことがある)が固定されている。フレーム70には図示しない20個の孔が設けられており、20個の液体吐出ヘッド2がそれぞれの孔の部分に搭載されていて、液体吐出ヘッド2の、液体を吐出する部位が印刷用紙Pに面するようになっている。液体吐出ヘッド2と印刷用紙Pとの間の距離は、例えば0.5〜20mm程度とされる。5つの液体吐出ヘッド2は、1つのヘッド群72を構成しており、プリンタ1は、4つのヘッド群72を有している。
液体吐出ヘッド2は、図1(a)の手前から奥へ向かう方向、図1(b)の上下方向に細長い長尺形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。1つのヘッド群72内において、3つの液体吐出ヘッド2は、印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に沿って並んでおり、他の2つの液体吐出ヘッド2は搬送方向に沿ってずれた位置で、3つ液体吐出ヘッド2の間にそれぞれ一つずつ並んでいる。液体吐出ヘッド2は、各液体吐出ヘッド2で印刷可能な範囲が、印刷用紙Pの幅方向に(印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向に)繋がるように、あるいは端が重複するように配置されており、印刷用紙Pの幅方向に隙間のない印刷が可能になっている。
4つのヘッド群72は、記録用紙Pの搬送方向に沿って配置されている。各液体吐出ヘッド2には、図示しない液体タンクから液体、例えば、インク、が供給される。1つのヘッド群72に属する液体吐出ヘッド2には、同じ色のインクが供給されるようになっており、4つのヘッド群で4色のインクが印刷できる。各ヘッド群72から吐出されるインクの色は、例えば、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。このようなインクを、制御部88で制御して印刷すれば、カラー画像が印刷できる。
プリンタ1に搭載されている液体吐出ヘッド2の個数は、単色で、1つの液体吐出ヘッド2で印刷可能な範囲を印刷するのなら1つでもよい。ヘッドの群72に含まれる液体吐出ヘッド2の個数や、ヘッド群72の個数は、印刷する対象や印刷条件により適宜変更できる。例えば、さらに多色の印刷をするためにヘッドの群72の個数を増やしてもよい。また、同色で印刷するヘッド群72を複数配置して、搬送方向に交互に印刷すれば、同じ性能の液体吐出ヘッド2を使用しても搬送速度を速くできる。これにより、時間当たりの印刷面積を大きくすることができる。また、同色で印刷するヘッド群72を複数準備して、搬送方向と交差する方向にずらして配置して、印刷用紙Pの幅方向の解像度を高くしてもよい。
さらに、色の付いたインクを印刷する以外に、印刷用紙Pの表面処理をするために、コーティング剤などの液体を印刷してもよい。
プリンタ1は、記録媒体である印刷用紙Pに印刷を行なう。印刷用紙Pは、給紙ローラ80aに巻き取られた状態になっており、2つのガイドローラ82aの間を通った後、フレーム70に搭載されている液体吐出ヘッド2の下側を通り、その後2つの搬送ローラ82bの間を通り、最終的に回収ローラ80bに回収される。印刷する際には、搬送ローラ82bを回転させることで印刷用紙Pは、一定速度で搬送され、液体吐出ヘッド2によって印刷される。回収ローラ80bは、搬送ローラ82bから送り出された印刷用紙Pを巻き取る。搬送速度は、例えば、75m/分とされる。各ローラは、制御部88によって制御されてもよいし、人によって手動で操作されてもよい。
記録媒体は、印刷用紙P以外に、ロール状の布などでもよい。また、プリンタ1は、印刷用紙Pを直接搬送する代わりに、搬送ベルトを直接搬送して、記録媒体を搬送ベルトに置いて搬送してもよい。そのようにすれば、枚葉紙や裁断された布、木材、タイルなどを記録媒体にできる。さらに、液体吐出ヘッド2から導電性の粒子を含む液体を吐出するようにして、電子機器の配線パターンなどを印刷してもよい。またさらに、液体吐出ヘッド2から反応容器などに向けて所定量の液体の化学薬剤や化学薬剤を含んだ液体を吐出させて、反応させるなどして、化学薬品を作製してもよい。
また、プリンタ1に、位置センサ、速度センサ、温度センサなどを取り付けて、制御部88が、各センサからの情報から分かるプリンタ1各部の状態に応じて、プリンタ1の各部を制御してもよい。例えば、液体吐出ヘッド2の温度や液体タンクの液体の温度、液体タンクの液体が液体吐出ヘッド2に加えている圧力などが、吐出される液体の吐出特性(吐出量や吐出速度など)に影響を与えている場合などに、それらの情報に応じて、液体吐出ヘッド2において液体を吐出させる駆動信号を変えるようにしてもよい。
次に、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッド2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2の要部であるヘッド本体2aを示す平面図である。図3は、図2の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、ヘッド本体2aの一部である。図3では、説明のため、一部の流路を省略して描いている。図4は、図3と同じ位置の拡大平面図であり、図3とは別の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基板21の下方にあって破線で描くべき加圧室10、しぼり6および吐出孔8など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。
液体吐出ヘッド2は、ヘッド本体2a以外に、ヘッド本体2aに液体を供給するリザーバや、金属製の筐体を含んでいてもよい。また、ヘッド本体2aは、流路部材4と、変位素子30が作り込まれている圧電基板である圧電アクチュエータ基板21とを含んでいる。
ヘッド本体2aを構成する流路部材4は、共通流路であるマニホールド5と、マニホールド5と繋がっている複数の加圧室10と、複数の加圧室10とそれぞれ繋がっている複数の吐出孔8とを備えている。加圧室10は流路部材4の上面に開口しており、流路部材4の上面が加圧室面4−2となっている。また、流路部材4の上面は、マニホールド5と繋がっている開口5aを有し、この開口5aより液体が供給されるようになっている。
また、流路部材4の上面には、変位素子30を含む圧電アクチュエータ基板21が接着剤により接合されており、各変位素子30が加圧室10上に位置するように配置されている。また、圧電アクチュエータ基板21には、各変位素子30に信号を供給するためのFPC(Flexible Printed Circuit)などの信号伝達部60が接続されている。圧電アクチュエータ基板21と信号伝達部60とを合わせてアセンブリと呼ぶ。図2には、信号伝達部60が圧電アクチュエータ基板21に接続されている状態が分かるように、信号伝達部60の圧電アクチュエータ基板21に接続されている付近の外形を点線で示した。圧電アクチュエータ基板21に電気的に接続されている、信号伝達部60に形成されている配線60cの電極は、信号伝達部60の端部に、矩形状に配置されている。信号伝達部60は、圧電アクチュエータ基板21に面して配置されているとともに、圧電アクチュエータ基板21の長手方向に沿って配置されており、図2の下方にさらに伸びて(必要に応じて他の回路基板などを介して)制御部88と電気的に接続される。信号伝達部60に含まれる配線60cは、信号伝達部60の長手方向に交差する方向に多数並んでいるともに、長手方向に沿って延在している。図2の配線60cは、並んでいる方向および延在方向が分かるように模式的に示した。
ヘッド本体2aは、平板状の流路部材4と、流路部材4上に接着された変位素子30を含む圧電アクチュエータ基板21を1つ有している。圧電アクチュエータ基板21の平面形状は長方形状であり、その長方形の長辺が流路部材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。
流路部材4の内部には2つのマニホールド5が形成されている。マニホールド5は流路部材4の長手方向の一端部側から、他端部側に延びる細長い形状を有しており、その両端部において、流路部材4の上面に開口しているマニホールド5の開口5aが形成されている。
また、マニホールド5は、少なくとも加圧室10に繋がっている領域である長手方向における中央部分において、短手方向に間隔を開けて設けられた隔壁15で仕切られている。隔壁15は、加圧室10に繋がっている領域である長手方向の中央部分においては、マニホールド5と同じ高さを有し、マニホールド5を複数の副マニホールド5bに完全に仕切っている。このようにすることで、平面視したときに、隔壁15と重なるように、吐出孔8および吐出孔8から加圧室10に繋がっている流路を設けることができる。
図2では、マニホールド5の両端部を除く全体が隔壁15で仕切られている。このようにする以外に、両端部のうちのどちらか一端部以外が隔壁15で仕切られているようにしてもよい。また、流路部材4の上面に開口している開口5a付近のみが仕切られておらず、開口5aから流路部材4の深さ方向に向かう間に隔壁15が設けられるようにしてもよい。いずれにしても、仕切られていない部分があることにより、流路抵抗が小さくなり、液体の供給量を多くできるので、マニホールド5の両端部が隔壁15で仕切られていない方が好ましい。
複数に分けられた部分のマニホールド5を副マニホールド5bと呼ぶことがある。本実施形態においては、マニホールド5は独立して2本設けられており、それぞれの両端部に開口5aが設けられている。また、1つのマニホールド5には、7つの隔壁15が設けられており、8つの副マニホールド5bに分けられている。副マニホールド5bの幅は、隔壁15の幅より大きくなっており、これにより副マニホールド5bに多くの液体を流すことができる。また、7つの隔壁15は、幅方向の中央に近いほど、長さが長くなっており、マニホールド5の両端において、幅方向の中央に近い隔壁15ほど、隔壁15の端がマニホールド5の端に近くなっている。これにより、マニホールド5の外側の壁により生じる流路抵抗と、隔壁15により生じる流路抵抗との間のバランスがとれ、各副マニホールド5bのうち、加圧室10に繋がる部分である個別供給流路14が形成されている領域の端における液体の圧力差を少なくできる。この個別供給流路14での圧力差は、加圧室10内の液体に加わる圧力差につながるため、個別供給流路14での圧力差を少なくすれば、吐出ばらつきを低減できる。
流路部材4は、複数の加圧室10が2次元的に広がって形成されている。加圧室10は、角部にアールが施されたほぼ菱形あるいは楕円形状の平面形状を有する中空の領域である。
加圧室10は1つの副マニホールド5bと個別供給流路14を介して繋がっている。1つの副マニホールド5bに沿うようにして、この副マニホールド5bに繋がっている加圧室10の行である加圧室行11が、副マニホールド5bの両側に1行ずつ、合計2行設けられている。したがって、1つのマニホールド5に対して、16行の加圧室11が設けられており、ヘッド本体2a全体では32行の加圧室行11が設けられている。各加圧室行11における加圧室10の長手方向の間隔は同じであり、例えば、37.5dpiの間隔となっている。
各加圧室行11の端にはダミー加圧室16の列が1列設けられている。このダミー加圧室列のダミー加圧室16は、マニホールド5とは繋がっているが、吐出孔8とは繋がっていない。また、32行の加圧室行11の外側には、ダミー加圧室16が直線状に並んだダミー加圧室行が1行設けられている。このダミー加圧室行のダミー加圧室16は、マニホールド5および吐出孔8のいずれとも繋がっていない。これらのダミー加圧室16により、端から1つ内側の加圧室10の周囲の構造(剛性)が他の加圧室10の構造(剛性)と近くなることで、液体吐出特性の差を少なくできる。なお、周囲の構造の差の影響は、距離の近い、長さ方向に隣接する加圧室10の影響が大きいため、長さ方向には、両端にダミー加圧室を設けてある。幅方向については、影響が比較的小さいため、ヘッド本体21aの端に近い方のみに設けている。これにより、ヘッド本体21aの幅を小さくできる。
1つのマニホールド5に繋がっている加圧室10は、矩形状の圧電アクチュエータ基板21の各外辺に沿った行および列を成す格子状に配置されている。これにより、圧電アクチュエータ基板21の外辺から、加圧室10の上に形成されている第1の電極である個別電極25が等距離に配置されることになるので、個別電極25を形成する際に、圧電アクチュエータ基板21に変形が生じ難くできる。圧電アクチュエータ基板21と流路部材4とを接着剤により接合する際に、この変形が大きいと外辺に近い変位素子30に応力が加わり、変位特性にばらつきが生じるおそれがあるが、変形を少なくすることで、そのばらつきを低減できる。また、最も外辺に近い加圧室行11の外側にダミー加圧室16のダミー加圧室行が設けられているために、変形の影響をより受け難くできる。加圧室行11に属する加圧室10は等間隔で配置されており、加圧室行11に対応する個別電極25も等間隔で配置されている。加圧室行11は短手方向に等間隔で配置されており、加圧室行11に対応する個別電極25の行も短手方向に等間隔で配置されている。これにより、特にクロストークの影響が大きくなる部位をなくすことができる。
本実施形態では、加圧室10は格子状に配置したが、隣り合う圧室列11の加圧室10が互いの間に位置するように千鳥状に配置してもよい。このようにすると、隣接加圧室行11に属する加圧室10の間の距離がより長くなるので、よりクロストークを抑制できる。
加圧室行11をどのように並べるかによらず、流路部材4を平面視したとき、1つの加圧室行11に属する加圧室10が、隣接する加圧室行11に属する加圧室10と、液体吐出ヘッド2の長手方向において、重ならないように配置することにより、クロストークを抑制できる。一方、加圧室行11の間の距離を離すと、液体吐出ヘッド2の幅が大きくなるので、プリンタ1に対する液体吐出ヘッド2の設置角度の精度や、複数の液体吐出ヘッド2を使用する際の、液体吐出ヘッド2の相対位置の精度が印刷結果に与える影響が大きくなる。そこで、隔壁15の幅を副マニホールド5bよりも小さくすることで、それらの精度が印刷結果に与える影響を少なくできる。
1つの副マニホールド5bに繋がっている加圧室10は、2列の加圧室行11を成しており、1つの加圧室行11に属する加圧室10から繋がっている吐出孔8は、1つの吐出孔行9を成している。2行の加圧室行11に属する加圧室10に繋がっている吐出孔8はそれぞれ、副マニホールド5bの異なる側に開口している。図4では隔壁15には、2行の吐出孔行9が設けられているが、それぞれの吐出孔行9に属する吐出孔8は、吐出孔8に近い側の副マニホールド5bに加圧室10を介して繋がっている。隣接する副マニホールド5bに加圧室行11を介して繋がっている吐出孔8と液体吐出ヘッド2の長手方向において重ならないように配置されていると、加圧室10と吐出孔8とを繋ぐ流路間のクロストークが抑制できるので、さらにクロストークを少なくすることができる。加圧室10と吐出孔8とを繋ぐ流路全体が、液体吐出ヘッド2の長手方向において重ならないように配置されていると、さらにクロストークを少なくすることができる。
1つのマニホールド5に繋がっている複数の加圧室10により加圧室群(変位素子群31と同じ範囲である)が構成されており、マニホールド5が2つあるため、加圧室群は2つある。各加圧室群内における吐出に関わる加圧室10の配置は同じで、短手方向に平行移動させた位置に配置されている。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基板21に対向する領域に、加圧室群間などの少し間隔が広くなった部分があるものの、ほぼ全面にわたって配列されている。つまり、これらの加圧室10によって形成された加圧室群は圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室10の開口は、流路部材4の上面に圧電アクチュエータ基板21が接合されることで閉塞されている。
加圧室10の個別供給流路14が繋がっている角部と対向する角部からは、流路部材4の下面の吐出孔面4−1に開口している吐出孔8に繋がる流路が伸びている。この流路は、平面視において、加圧室10から離れる方向に伸びている。より具体的には、加圧室10の長い対角線に沿う方向に離れつつ、その方向に対して左右にずれながら伸びている。これにより、加圧室10は各加圧室行11内での間隔が37.5dpiになっている格子状の配置にしつつ、吐出孔8は、全体で1200dpiの間隔で配置することができる。
これは別の言い方をすると、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4に示した仮想直線のRの範囲に、各マニホールド5に繋がっている16個の吐出孔8、全部で32個の吐出孔8が、1200dpiの等間隔となっているということである。これにより、すべてのマニホールド5に同じ色のインクを供給することで、全体として長手方向に1200dpiの解像度で画像が形成可能となる。また、1つのマニホールド5に繋がっている1個の吐出孔8は、仮想直線のRの範囲で600dpiの等間隔になっている。これにより、各マニホールド5に異なる色のインクを供給することで、全体として長手方向に600dpiの解像度で2色の画像が形成可能となる。この場合、2つの液体吐出ヘッド2を用いれば、600dpiの解像度で4色の画像が形成可能となり、600dpiで印刷可能な液体吐出ヘッドを用いるよりも、印刷精度が高くなり、印刷のセッティングも簡単にできる。なお、ヘッド本体2aの短手方向に並んでいる1列の加圧室列に属する加圧室10から繋がっている吐出孔8で、仮想直線のRの範囲がカバーされている。
圧電アクチュエータ基板21の上面における各加圧室10に対向する位置には第1の電極である個別電極25がそれぞれ形成されている。個別電極25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いる個別電極本体25aと、個別電極本体25aから引き出されている引出電極25bとを含んでおり、個別電極25は、加圧室10と同じように、個別電極列および個別電極群を構成している。また、圧電アクチュエータ基板21の上面には、第3の電極である共通電極24とビアホール34を介して電気的に接続されている第2電極である共通電極用表面電極28が形成されている。共通電極用表面電極28は、圧電アクチュエータ基板21の外周に沿って存在し、その内側に個別電極25が配置されている外周部28aと、外周部28aの内側で、個別電極25間に、個別電極25が並んでいる行方向に沿って伸びている突出部28bとを含んでいる。共通電極用表面電極28の形状の詳細については後述する。共通電極用表面電極28と共通電極24とは、圧電セラミック層21bに配置された、ビアホール34内の導体を通じて、電気的に接続される。
吐出孔8は、流路部材4の下面側に配置されたマニホールド5と対向する領域を避けた位置に配置されている。さらに、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基板21と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔8は、1つの群として圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の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基板21の変位素子30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。
ヘッド本体2a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4a、ベースプレート4b、アパーチャ(しぼり)プレート4c、サプライプレート4d、マニホールドプレート4e〜j、カバープレート4kおよびノズルプレート4l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。各プレートの厚さは10〜300μm程度であることにより、形成する孔の形成精度を高くできる。流路部材4の厚さは、500μm〜2mm程度である。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路12およびマニホールド5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2aは、加圧室10は流路部材4の上面に、マニホールド5は内部の下面側に、吐出孔8は下面にと、個別流路12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を介してマニホールド5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4aに形成された加圧室10である。第2に、加圧室10の一端からマニホールド5へと繋がる個別供給流路14を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート4b(詳細には加圧室10の入り口)からサプライプレート4c(詳細にはマニホールド5の出口)までの各プレートに形成されている。なお、この個別供給流路14には、アパーチャプレート4cに形成されている、流路の断面積が小さくなっている部位であるしぼり6が含まれている。
第3に、加圧室10の個別供給路14が繋がっている端と反対の他端から吐出孔8へと連通する流路を構成する連通孔である。この連通孔は、以下の記載においてディセンダ(部分流路)と呼称されることがある。ディセンダは、ベースプレート4b(詳細には加圧室10の出口)からノズルプレート4l(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4e〜jに形成されている。マニホールドプレート4e〜jには、副マニホールド5bを構成するように隔壁15となる仕切り部が残るように孔が形成されている。各マニホールドプレート4e〜jにおける仕切り部は、ハーフエッチングした支持部(図では省略してある)で各マニホールドプレート4e〜jと繋がった状態にされる。
第1〜4の連通孔が相互に繋がり、マニホールド5からの液体の流入口(マニホールド5の出口)から吐出孔8に至る個別流路12を構成している。マニホールド5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、マニホールド5から上方向に向かって、個別供給流路14に入り、しぼり6の一端部に至る。次に、しぼり6の延在方向に沿って水平に進み、しぼり6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。加圧室10からディセンダに入った液体は、水平方向にも移動しつつ、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔8に至って、外部に吐出される。
圧電アクチュエータ基板21は、圧電体である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基板21の圧電セラミック層21aの下面から圧電セラミック層21bの上面までの厚さは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加圧室10を跨ぐように延在している。これらの圧電セラミック層21a、21bは、例えば、強誘電性を有する、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系、NaNbO系、BaTiO系、(BiNa)NbO系、BiNaNb15系などのセラミックス材料からなる。なお、圧電セラミック層21bは、振動板として働いており、必ずしも圧電体である必要はなく、代わりに、圧電体でない他のセラミック層や金属板を用いてもよい。
圧電アクチュエータ基板21は、Ag−Pd系などの金属材料からなる共通電極24およびAu系などの金属材料からなる個別電極25を有している。個別電極25は上述のように圧電アクチュエータ基板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25aと、そこから引き出された引出電極25bとを含んでいる。引出電極25bの一端の、加圧室10と対向する領域外に引き出された部分には、接続バンプ26が形成されている。また、共通電極28上には、共通電極用接続バンプ32が形成されている。接続バンプ26および共通電極用接続バンプ32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。接続バンプ26および共通電極用接続バンプ32は、信号伝達部60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25には、制御部88から信号伝達部60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24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24は、圧電アクチュエータ基板21に対向する領域内のすべての加圧室10を覆うように延在している。共通電極24の厚さは2μm程度である。共通電極24は、圧電セラミック層21a上に個別電極25からなる電極群を避ける位置に形成されている共通電極用表面電極28に、圧電セラミック層21aを貫通して形成されたビアホール34を介して繋がっていて、接地され、グランド電位に保持されている。共通電極用表面電極28は、多数の個別電極25と同様に、制御部88と直接あるいは間接的に接続されている。
圧電セラミック層21aの個別電極25と共通電極24とに挟まれている部分は、厚さ方向に分極されており、個別電極25に電圧を印加すると変位する、ユニモルフ構造の変位素子30となっている。より具体的には、個別電極25を共通電極24と異なる電位にして圧電セラミック層21a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。この構成において、電界と分極とが同方向となるように、制御部88により個別電極25を共通電極24に対して正または負の所定電位にすると、圧電セラミック層21a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21b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21aと圧電セラミック層21b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。
続いて、液体の吐出動作について、説明する。制御部88からの制御でドライバICなどを介して、個別電極25に供給される駆動信号により、変位素子30が駆動(変位)させられる。本実施形態では、様々な駆動信号で液体を吐出させることができるが、ここでは、いわゆる引き打ち駆動方法について説明する。
あらかじめ個別電極25を共通電極24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25を共通電極24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25が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層21a、21bが元の(平らな)形状に戻り(始め)、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。これにより、加圧室10内の液体に負圧が与えられる。そうすると、加圧室10内の液体が固有振動周期で振動し始める。具体的には、最初、加圧室10の体積が増加し始め、負圧は徐々に小さくなっていく。次いで加圧室10の体積は最大になり、圧力はほぼゼロとなる。次いで加圧室10の体積は減少し始め、圧力は高くなっていく。その後、圧力がほぼ最大になるタイミングで、個別電極25を高電位にする。そうすると最初に加えた振動と、次に加えた振動とが重なり、より大きい圧力が液体に加わる。この圧力がディセンダ内を伝搬し、吐出孔8から液体を吐出させる。
つまり、高電位を基準として、一定期間低電位とするパルスの駆動信号を個別電極25に供給することで、液滴を吐出できる。このパルス幅は、圧力室10の液体の固有振動周期の半分の時間であるAL(Acoustic Length)とすると、原理的には、液体の吐出速度および吐出量を最大にできる。圧力室10の液体の固有振動周期は、液体の物性、圧力室10の形状の影響が大きいが、それ以外に、アクチュエータ基板21の物性や、加圧室10に繋がっている流路の特性からの影響も受ける。
なお、パルス幅は、吐出される液滴を1つにまとめるようにするなど、他に考慮する要因もあるため、実際は、0.5AL〜1.5AL程度の値にされる。また、パルス幅は、ALから外れた値にすることで、吐出量を少なくすることができるため、吐出量を少なくするためにALから外れた値にされる。
圧電アクチュエータ基板21では、高解像度化するため多数の個別電極25が配置されている。液体吐出ヘッド2の大きさが大きくなると、設置する際に要求される位置合わせ精度を高くする必要があるなどの問題があるため、個別電極25はできるだけ狭い範囲に配置し、共通電極用表面電極28が配置される面積も少なくした方がよい。
一方、圧電アクチュエータ基板21と流路部材4とは接着剤により接着接合するので、圧電アクチュエータ基板21上に、接着剤や圧電アクチュエータ基板21の端面保護用の樹脂などが流れ込んでくるおそれがある。それら接着剤等が変位素子30にまで到達すると変位素子30の変位を阻害するので、吐出特性が変わってしまったり、吐出されなくなってしまう。接着剤が変位素子30に到達しないようにするには、共通電極用表面電極28の一部として、個別電極25全体を囲むように配置した外周部28aを設ければよい。共通電極用表面電極28は、圧電セラミック層21bの表面よりも盛り上がっているため、共通電極用表面電極28の外周部28aは、接着剤をせき止めたり、接着剤の一部をせき止めることで、個別電極25に向かう接着剤の量を少なくすることができる。外周部28aは圧電アクチュエータ基板21の外周に沿って配置すれば、圧電アクチュエータ基板21の外側から流れ込んでくる接着剤を、圧電アクチュエータ基板21の端部近くで止めることができる。
共通電極用表面電極28は、共通電極24とビアホール34中の導体を介して電気的に接続する必要がある。ビアホール34は、焼成前の圧電セラミック層21bに形成されるため、圧電セラミック層21bの焼成ばらつきにより、焼成後のビアホール34の平面上の位置はばらついてしまう。共通電極用表面電極28の外周部28aは、個別電極25全体を囲み、圧電アクチュエータ基板21の外周に沿った全長の長い領域なので、外周部28aにビアホール34を配置して電気的接続を行なおうとすると、ビアホール34の収縮ばらつきに対応できるように外周部28aの幅を広くする必要が生じる。しかし、そのようにすると共通電極用表面電極28の面積が増えるので好ましくない。
そこで、共通電極用表面電極28の一部として、外周部28aの内側に伸びる突出部28bを設けて、そこにビアホール34を配置する。これにより、ビアホール34を介した電気的接続の信頼性が高くなる。個別電極25の列と列の間に突出部28bを設けると、解像度方向に画像が印刷できない領域ができてしまうが、個別電極25の行と行の間突出部28bを設ければ、そのようなことがなく、好ましい。また、その際、突出部28bを行方向に沿って伸ばせば、ビアホール34と位置ずれが生じ難くなるので好ましい。また、液体吐出ヘッド2が、異なるインクを同時に印刷する場合(多色印刷など)、異なるインクを吐出する吐出孔8は、分けて配置した方がワインピング時のインクの混合などが起こり難くできるので好ましい。吐出孔8を異なる領域に分けて配置すれば、個別電極25も同様に分けて配置されるので、そのようにしてできた個別電極25の行と行の間の領域に突出部28bを設けるのが好ましい。多色印刷をする場合、マゼンタ(M)、イエロー(Y)およびシアン(C)と、ブラック(K)との間で混色が起こると目立つため、マゼンタ(M)、イエロー(Y)およびシアン(C)の各色間の間隔よりも、ブラック(K)と他の色との間隔を広くして、その空けた領域に対応する部位に突出部28bを設けるのが好ましい。
また、個別電極25や、共通電極用表面電極28は、圧電セラミック層21bの焼成後に焼き付けられるので、ビアホール34と比較して高い位置精度で形成できる。そのため、信号伝達部60と共通電極用表面電極28との電気的接合は、外周部28aで行なうことができる。この接続を突出部28b以外で行なうことで、突出部28bの面積が大きくならず、圧電アクチュエータ基板21を小型化できる。
突出部28bは、列方向(行方向に交差する方向)に関して、複数カ所に設けてもよいが、1カ所にすれば圧電アクチュエータ基板21を小さくできる。その場合、上述のようにブラック(K)と他の色との間に設けるが好ましい。突出部28bは、行方向において、外周部28aを横断するように連続的に設けてもよいが、突出部28bは、行方向の一方の端部と他方の端とに設けるのが好ましい。そのような配置にすることで電極焼成時の圧電アクチュエータ基板21が反りや歪を小さくできる。突出部28bは、行方向のどちらか一方の端部のみに設けてもよいが、両方の端部に設け、両方にビアホール34を設けることで共通電極24との電気的接続の確実性を高くできる。
また、2つ設けた突出部28bの間には、第5の電極であるダミー電極36を断続的に設けることが好ましい。これにより、その部分の電極の密度が、個別電極25として配置されている電極の密度に近くになり、圧電アクチュエータ基板21の反りや歪みを小さくできる。断続的に配置するのは、連続的に配置すると、密度が高くなりすぎるためである。ダミー電極36は、特に電気的な機能を持たないものでかまわないが、圧電アクチュエータ基板21や、液体吐出ヘッド2の特性を評価できるように、圧電セラミック層21bの誘電率(容量)を測定したり、ダミー電極36の下の流路部材4にダミーの加圧室を設けて、その部分が変位できるようにして、変位量や共振周波数などを測定できるようにしてもよい。
信号伝達部60には、多数の配線60cを配置するので、信号伝達部60は一方方向に長く、配線60cはその一方方向に伸び、その一方方向に交差する方向(幅方向)に並ぶように配置するのが好ましい。共通電極用表面電極28はいわゆるグランドになるので、これに接続される配線60cは、他の配線線60cよりも太くするのが好ましく、信号伝達部60の幅方向の端部に設けるのが好ましい。そのため、信号伝達部60と共通電極用表面電極28との電気的接続は、共通電極用表面電極28の外周部28aの、前記幅方向の端部に位置している、対向する2辺において行なわれるのが好ましい。
以上、液体吐出ヘッド2を用いて説明したが、圧電基板は、液体吐出ヘッド以外に用いられるアクチュエータ、例えばスピーカやブザー、センサ、電気的な回路を構成するフィルタなどとして用いることができる。それら圧電基板を、他の部材に接着剤で接着したり、周囲を樹脂などで被覆する際に、それらの流れ込みを抑制する効果がある。特に、圧電基板と配線基板とを電気的に接合したアセンブリは、多数のセンサ素子を含んだセンサなどに有用である。
図6(a)、(b)および図7(a)、(b)は本発明の他の実施形態の圧電基板21の共通電極用表面電極(第2の電極)128、228、328、428の突出部128b、228b、328b、428b周辺の拡大平面図である。それぞれ圧電基板21の基本的な構成は図3に示したものと同じである。図6(a)では、個別電極25の行間の1つに位置し、対向して、それぞれ圧電基板21の端部付近に配置されている2つの突出部128bをそれぞれ拡大して示している。図6(b)および図7(a)、(b)では、2つある突出部228b、328b、428bのうち一方を拡大して示している。
図3で示した共通電極用表面電極28は、全体が繋がっているので、1つのビアホール34と共通電極用表面電極28との間で導通がなくても、単に導通を確認する試験では検出できない。他方、導通がないビアホール34があると、その周囲の電位が充分グランドに落ちないことなどにより、変位素子39の駆動状態が変動してしまうことがある。このようなことが起き難いように、共通電極用表面電極28を、いくつかの部位に分けて、各部位で導通しているか確認できるのが好ましい。
図6(a)の圧電基板の図の左側の共通電極用表面電極128では、図のビアホール34の下側に離間部129が配置されており、図の右側の共通電極用表面電極128では、図におけるビアホール34の上側に離間部129が配置されている。離間部129は、接着剤が外周部128aの内側に入り込み難いように、幅が長さよりも小さい、線形状(スリット形状)であるのが好ましい。長さに対する幅の比は、1/2以下、さらに1/5以下、特に1/10以下であることが好ましい。これにより、共通電極用表面電極128では、圧電基板21の上側に位置する外周部128aおよび左側の突出部128bを含む部位と、圧電基板21の下側に位置する外周部128aおよび右側の突出部128bを含む部位とが導通(より詳細には直流もしくは低周波数の交流による導通)しないように、2つの部位に分離される。これにより、この2つの部位におけるビアホール34の導通を、それぞれ試験できる。なお、この実施形態では、1つの突出部128bにビアホール34が2つ配置されているが、これらは近接して配置されているため、それぞれの導通を試験する必要性は低い。
突出部128bが3つ以上ある場合でも、離間部129を設けることで、突出部128bが少なくとも1つ含まれるように2つ以上の部位に分ければ、各部位で試験ができるので好ましい。さらに、離間部129を、各部位に突出部128bが1個ずつ含まれるように設ければ、各突出部128bで試験ができるので、より好ましい。
また、離間部129は、突出部128bに配置されているので、個別電極25から距離が離れており、離間部129を通って接着剤が個別電極25に到達し難い。特に離間部129は、突出部128bを個別電極25の行方向に貫いているので、長さが長くなり、接着剤が、離間部129を通って、共通電極用表面電極128の内側に侵入し難い。また侵入したとしても、離間部129の端が、突出部128bにおける個別電極25の行方向の端に開いているので、個別電極25から距離が離れており、離間部129を通って接着剤が個別電極25に到達し難い。
図6(b)では、離間部229は突出部228b内で、一方向から他の方向に伸びて、曲がっていることで離間部229の長さが長くなるので接着剤が個別電極25に到達し難い。さらに屈曲して角部のある形状にすれば、角部に接着剤が留まり易いので、接着剤が個別電極25に到達し難くできる。なお、図6(a)に示した突出部228bと同様に、図6(b)に示した突出部228bには、対応する突出部228bが点対称な形状で存在し、離間部229で共通電極用表面電極228が2つの部位に分かれるようになっている。なお、これは次述の突出部328b、428bについても同様である。
図7(a)では、離間部329は、突出部328bと突出部328bに最も近い個別電極25の行との間に配置されている。これにより、個別電極25に対して行方向の位置に離間部329を設けるよりも、接着剤が個別電極25に到達し難くなるので好ましい。
また、図7(a)では、離間部329の位置における、外周部328aの内側に第4の電極328cが配置されているため、離間部329を通ってきた接着剤は、第4の電極328cが存在することで、個別電極25に到達し難くできる。なお、第4の電極328cは、共通電極用表面電極328を印刷、焼成して形成する際に同時に形成すればよい。
図7(b)では、離間部429は、突出部428bと突出部428bに最も近い個別電極25の行との間に配置されており、さらに、外周部428aの個別電極25側で、突出部428bに向かって曲がっている。これにより、曲がっていることで接着剤が離間部429を通過し難くなる上、離間部429の端が個別電極25から、より離れた位置に配置されることになるため、接着剤が個別電極25に到達し難くできる。
なお、第4のダミー電極328d、428dは、電極配置を対称に近くし、圧電基板21の反りや変形を小さくするために配置されている。
1・・・カラーインクジェットプリンタ
2・・・液体吐出ヘッド
2a・・・ヘッド本体
4・・・流路部材
4a〜l・・・(流路部材の)プレート
4−1・・・吐出孔面
4−2・・・加圧室面
5・・・マニホールド
5a・・・(マニホールドの)開口
5b・・・副マニホールド
6・・・しぼり
8・・・吐出孔
9・・・吐出孔行
10・・・加圧室
11・・・加圧室行
12・・・個別流路
14・・・個別供給流路
15・・・隔壁
16・・・ダミー加圧室
21・・・圧電アクチュエータ基板(圧電基板)
21a・・・圧電セラミック層(振動板
21b・・・圧電セラミック層
24・・・共通電極(第3電極)
25・・・個別電極(第1の電極)
25a・・・個別電極本体
25b・・・引出電極
26・・・接続バンプ
28、128、228、328、428・・・共通電極用表面電極(第2の電極)
28a、128a、228a、328a、428a・・・外周部
28b、128b、228b、328b、428b・・・突出部 30・・・変位素子
32・・・共通電極用接続バンプ
34・・・ビアホール
36・・・ダミー電極(第5の電極)
60・・・信号伝達部(配線基板)
60c・・・配線
70・・・ヘッド搭載フレーム
72・・・ヘッド群
80a・・・給紙ローラ
80b・・・回収ローラ
82a・・・ガイドローラ
82b・・・搬送ローラ
88・・・制御部
328c・・・第4の電極
328d、428d・・・第4のダミー電極
129、229、329、429・・・離間部
P・・・印刷用紙

Claims (13)

  1. 圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の一方の主面に配置されている、複数の第1の電極および第2の電極と、前記圧電セラミック層の他方の主面に、前記複数の第1の電極と対向するように配置されている第3の電極とを含んでいる平板状の圧電基板であって、
    該圧電基板を平面視したとき、 前記第2の電極は、前記複数の第1の電極全体を囲むように配置されている外周部と、該外周部から当該外周部の内側に伸びている突出部とを含んでおり、
    前記第2の電極と前記第3の電極とは、前記突出部において電気的に接続されており、
    前記外周部は、外部との電気的接続に用いられるものであることを特徴とする圧電基板。
  2. 前記突出部が2つ以上存在し、前記突出部同士が導通しないよう前記第2の電極を複数の部位に分けている離間部が存在することを特徴とする請求項1に記載の圧電基板。
  3. 前記離間部は、前記突出部に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の圧電基板。
  4. 前記複数の第1の電極は、複数の行を成すように配置されており、前記突出部は、前記複数の第1の電極の間に前記行方向に沿って配置されており、前記離間部は、前記突出部の前記行方向の端まで繋がっていることを特徴とする請求項3に記載の圧電基板。
  5. 前記離間部は、線形状をしているとともに、前記突出部内で曲がっていることを特徴とする請求項3または4に記載の圧電基板。
  6. 前記複数の第1の電極は、複数の行を成すように配置されており、前記離間部は、前記突出部と、該突出部に最も近い前記第1の電極の行との間に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の圧電基板。
  7. 前記離間部の位置における、前記外周部の内側に第4の電極が配置されていることを特徴とする請求項6に記載の圧電基板。
  8. 前記離間部は、線形状をしているとともに、前記外周部の前記第1の電極側で、前記突出部に向かって曲がっていることを特徴とする請求項6または7に記載の圧電基板
  9. 前記複数の第1の電極は、複数の行を成すように配置されており、前記一方の主面に、前記突出部から、当該突出部を前記行方向に延長する方向に沿って、複数の第5の電極が断続的に配置されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の圧電基板。
  10. 請求項1〜9のいずれかに記載の圧電基板と、該圧電基板に面して配置されており、前記複数の第1電極および前記第2の電極と電気的に接続されている複数の配線を含む配線基板とを含むアセンブリであって、
    前記配線基板は、一方方向に長いとともに、前記配線は、前記一方方向に沿って延在しており、
    前記外周部は、矩形の辺に沿った形状を有しているとともに、前記外周部の対向する2辺は、前記一方方向に沿って配置されており、前記第2の電極と前記配線とは、当該第2の電極の前記2辺において電気的に接続されていることを特徴とするアセンブリ。
  11. 複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を含む流路部材と、請求項1〜9のいずれかに記載の圧電基板とが接着剤で接合されている液体吐出ヘッドであって、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を加えることで、前記圧電セラミック層が変形し、前記加圧室内の液体を加圧することを特徴とする液体吐出ヘッド。
  12. 複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を含む流路部材と、請求項10に記載のアセンブリとを含んでおり、前記流路部材と前記圧電基板とが接着剤で接合されている液体吐出ヘッドであって、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を加えることで、前記圧電セラミック層が変形し、前記加圧室内の液体を加圧することを特徴とする液体吐出ヘッド。
  13. 請求項11または12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を備えていることを特徴とする記録装置。
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