JP6224791B2 - 圧電アクチュエータ基板、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴を吐出させる液体吐出ヘッドなどに用いられる圧電アクチュエータ基板、それを用いた液体吐出ヘッドおよび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基板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。）。

液体吐出ヘッドは、変位素子が、圧電アクチュエータ基板の略全面に設けられた共通電極と、共通電極と対向している個別電極と、それらに挟まれた圧電セラミック層と、共通電極の、圧電セラミック層と反対側の面に設けられている振動板とにより構成されている。共通電極と外部との接続は、圧電アクチュエータの周縁部の圧電セラミック層に設けられた貫通導体、および圧電アクチュエータ基板の周縁部に形成された表面電極を介して行われている。また、液体吐出ヘッドは、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、例えば６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。

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基板を作製する場合、圧電セラミック層と共通電極と振動板とを同時焼成してセラミック基板を作製した後、セラミック基板に個別電極を形成するのが好ましい。そのようにすれば、個別電極の形成位置が、セラミック基板を焼成する際に生じる焼成収縮の影響を受けなくでき、個別電極の位置精度を高くできる。個別電極と加圧室との位置がずれると、変位素子の変位量が変わる。個別電極の位置精度が高くなることで、変位量の設計値からのずれを小さくできる。また、複数ある変位素子間での変位量のばらつきも小さくできる。

そのような圧電アクチュエータ基板を製造中に、セラミック基板に異物付着などの不良が生じた場合、異物が付着したセラミック基板は不良として廃棄せざるを得ないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、製造中のセラミック基板の一部に不良が生じても、良品を製造可能な圧電アクチュエータ基板、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置を提供することにある。

本発明の圧電アクチュエータ基板は、振動板と、該振動板に積層されている共通電極と、該共通電極に積層されている、前記共通電極に繋がっている複数の貫通孔を備えている圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の、前記共通電極と対向する領域に配置されている複数の個別電極と、前記圧電セラミック層の複数の前記貫通孔の内部および当該貫通孔の周囲に設けられた共通表面電極とを備えている圧電アクチュエータ基板であって、該圧電アクチュエータ基板は、一方方向に長いとともに、前記一方方向と交差する方向に伸びている略平行な一対の辺を有し、前記複数の貫通孔は、前記一対の辺の近傍のみに位置し、該一対の辺それぞれに沿って配置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、前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板と、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有しており、前記振動板が前記複数の加圧室を覆うとともに、前記複数の個別電極本体と前記該複数の加圧室とがそれぞれ重なるように前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板に接合されている流路部材と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搬送する搬送部と、前記圧電アクチュエータ基板および前記搬送部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

１対の辺に沿ってのみ貫通孔が設けられているため、製造途中のセラミック基板の一部不良が生じても、前記一対の辺に沿った方向にずらして圧電アクチュエータ基板を作製すれば、その不良が含まれないように、圧電アクチュエータ基板を作製することができる。

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基板の平面図である。 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、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータ基板の部分平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の圧電アクチュエータ基板であり、（ｃ）は、本発明の他の施形態に係る圧電アクチュエータ基板である。 （ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った縦断面図である。

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、下端にヘッド本体１３を有している。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。

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、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、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ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体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、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の位置が分かりやすいように、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基板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、圧電アクチュエータ基板２１の部分平面図であり、図５（ａ）でも同様に、貫通孔３９を実線で描いている。図５（ｂ）は、
圧電アクチュエータ基板２１全体の平面図であり、要部以外は省略してある。図６（ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った縦断面図である。

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基板２１とを有している。圧電アクチュエータ基板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基板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基板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ュエータ基板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基板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基板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基板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基板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基板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基板２１に対向する領域に互いに隣接してヘッド本体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基板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基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各液体加圧室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が接着されることで閉塞されている。

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に繋がっている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基板２１の上面における各液体加圧室１０および後述のダミー液体加圧室に対向する位置には後述する個別電極３５、ダミー個別電極６５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基板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渡って形成されている。個別電極３５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基板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の下面の液体吐出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基板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。

以上の流路は、液滴の吐出に直接関係する流路であるが、流路部材４には、図では省略してあるダミー液体加圧室が設けられている。ダミー液体加圧室は、液体加圧室１０が設けられている台形状の領域の周囲に一列形成されている。ダミー液体加圧室により、液体加圧室１０のうちの最も外側にある液体加圧室１０の周囲の流路部材４の剛性などが、他の液体加圧室１０の状態と近くなるので、液体吐出特性のばらつきを少なくできる。ダミー液体加圧室の形状は液体加圧室と同じであるが、他の流路に繋がってはいない。ダミー液体加圧室の配置は、液体加圧室１０のマトリクス状の配置を延長するように配置される。

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。ヘッド本体１３は、図６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。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、液体加圧室１０の他端から液体吐出孔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基板２１は、図６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基板２１の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの積層体の厚さは４０μｍ程度である。圧電アクチュエータ基板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などからなる。

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Ａｇ系などの金属材料からなる接続ランド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基板２１の上面における液体加圧室１０およびダミー液体加圧室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接続電極３５ｂとを含んでいる。個別電極３５の厚さは、０．３〜１μｍである。接続電極３５ｂ上には接続ランド３６が形成されている。接続ランド３６は例えばガラスフリットを含む銀からなり、厚さが５〜１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続ランド３６には、必要に応じてさらに接続バンプを形成した上、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。

なお、以上は、圧電アクチュエータ基板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。

個別電極３５は、圧電アクチュエータ基板２１の一方の主面の略全面に渡ってマトリクス状に形成されている。すなわち、第１の方向および第１の方向とは異なる方向に渡って形成されている。

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基板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は複数の貫通孔３９中の導体で共通表面電極７２に繋がっている。貫通孔の直径は５０〜２００μｍ程度である。貫通孔３９中の導体は、あらかじめビア導体を充填したものでよいし、共通表面電極７２が貫通孔３９中に入り込んだものでもよい。

このような圧電アクチュエータ基板２１を作製するには、例えば、貫通孔３９を形成した圧電セラミック層２１ｂとなるグリーンシートと、圧電セラミック層２１ａとなるグリーンシートとの間に、共通電極３４となる導体ペーストを挟んだ状態で焼成して、セラミック基板を作製し、セラミック基板に、個別電極３５および共通表面電極７２を形成するのが好ましい。個別電極３５と加圧室１０との位置がずれると、変位素子５０の変位量がかわるため、設計値に近い変位量としたり、各変位素子５０の変量の差を少なくするためには、個別電極５０の形成精度に、セラミック基板焼成時の焼成収縮の影響が出ないようにするのが好ましいからである。

また、上述のような台形状や平行四辺形状など、長方形状でない形状のセラミック基板は、焼成収縮時に収縮が均等にならず、焼成後の形状が歪むことがある。また、焼成前の生の柔らかい状態で、長方形状と異なる形状に切断加工する際に精度が悪くなることもある。そのため、セラミック基板は、圧電アクチュエータ基板２１よりも大きい形状のものを作製し、焼成後に切断するのが好ましい。焼成するセラミック基板は、加工がし易く、焼成などで歪が生じ難い長方形状にするのが好ましい。

そのようなセラミック基板を作製する上で、異物付着などの不良が発生した場合、不良が局所的であっても、圧電アクチュエータ基板２１として切り出される領域にあれば、そのセラミック基板からは、圧電アクチュエータ基板２１を作製できなくなってしまう。

そこで、圧電アクチュエータ基板２１において、貫通孔３９を形成する位置を、一方方向に長い圧電アクチュエータ基板２１の、その一方方向と交差する方向に伸びている略平行な一対の辺２１−１の近傍のみにし、一対の辺２１−１それぞれの辺に沿って設けるようにする。すなわち、貫通孔３９は、一対の辺２１−１に近傍以外には設けないようにする。ここで一対の辺２１−１の近傍とは、例えば、一対の辺のそれぞれから、一対の辺のそれぞれに最も近い個別電極３５までの範囲のことである。また、一対の辺２１−１の近傍とは、例えば。一対の辺２１−１から、圧電アクチュエータ基板２１の長手方向の長さの１／１０までの範囲のことである。ここで略平行とは、大きくとも±３０度程度の範囲内のことを指し、また、一対の辺２１−１の一方の端同士の距離と、他方の端同士の距離の差が、貫通孔３９の直径の１０倍程度以内であることを指す。

上述のようにすることで、貫通孔３９と共通表面電極７２とが重なる範囲内で、セラミック基板の中で圧電アクチュエータ基板２１を切り出す位置を、一対の辺２１−１と平行
にずらすことができる。圧電アクチュエータ基板２１に対する貫通孔３９の位置がずれても、貫通孔３９を通じて共通表面電極７２と共通電極３４とが導通すればよく、圧電アクチュエータ基板２１の中央など一対の辺２１−１の近傍以外にには、貫通孔３９が配置さていないため、貫通孔３９に阻害されて、個別電極３５が形成できなくなったり、貫通孔３９を通じて個別電極３５と共通電極３４とが導通することもない。

さらに、貫通孔３９以外に、一対の辺２１−１と平行に貫通孔３９−１を設けておけば、セラミック基板に発生した局所的な不良などで貫通孔３９を含むように圧電アクチュエータ基板２１が切り出せない場合、貫通孔３９−１を含むように圧電アクチュエータ基板２１を切り出すことで、圧電アクチュエータ基板２１を作製することができる。

圧電アクチュエータ基板２１は、製造設備の制約などにより正方形に近い形状となることが多い。圧電アクチュエータ基板２１の長手方向に伸びる方向に平行な辺を、略平行な一対の辺として使用すると、セラミック基板から圧電アクチュエータ基板２１を切り出すことが可能な範囲に限られるが、長手方向と交差する方向に伸びる略平行な辺を一対の辺２１−１として使用すれば、セラミック基板から圧電アクチュエータ基板２１を切り出すことが可能な範囲を大きくすることができる。

共通表面電極７２が大きくなると、共通表面電極７２を焼成する際の焼成収縮で圧電アクチュエータ基板２１が歪むおそれがある。また、共通表面電極７２の一対の辺２１−１と直交する方向の長さが長くなると変位素子５０を形成できる領域が狭くなる。そのため、共通表面電極７２は、一対の辺２１−１に沿って長く配置するとともに、その長さも短い方がよい。また、共通表面電極７２が入りこんでいない貫通孔３９があると、他の部位と異なる構造になるため、不良の原因となるおそれがあるので、全ての貫通孔３９が共通表面電極７２に重なっているようにするのが好ましい。

以上のような点を考慮すると、一対の辺２１−１の長さを短くするとともに、一対の辺２１−１の長さ方向に渡って共通表面電極７２を配置するのが好ましい。また、セラミック基板から圧電アクチュエータ基板２１を切り出す位置をずらす際に、その位置が圧電アクチュエータ基板２１の長手方向にずれるようになると、セラミック基板から外れるような位置になる可能性があるため、一対の辺２１−１は、圧電アクチュエータ基板２１の長手方向に直交する方向に伸びているのが好ましい。

具体的な圧電アクチュエータ基板２１の形状としては、図５（ｂ）に示すような、長辺、短辺、および２つの斜辺を有する台形から、長辺と２つ斜辺との間の２つの角をそれぞれ切り欠いた部分に、一対の辺２１−１を設けた形状が好ましい。また、図５（ｃ）に示すように、圧電アクチュエータ基板２２１の形状は、２つの鋭角および２つの鈍角を有する平行四辺形から、２つの鋭角をそれぞれ切り欠いた部分に、一対の辺２２１−１を設けた形状としてもよい。

なお、図５（ａ）において、表面共通電極７２が、台形状の圧電アクチュエータ基板２１の長辺に沿って短く伸びている部分は、接続バンプが形成されＦＰＣと接続される部分である。

図６（ａ）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基板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基板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基板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（アクチュエータ）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６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基板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。

多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがＦＰＣ上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。

本実施形態における圧電アクチュエータ基板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。つまり、圧電アクチュエータ基板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、液体加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から液体吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Ac
oustic 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。

以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。グリーンシートの一部には、その表面に共通電極３４となる電極ペーストを印刷法等により形成する。また、グリーンシートには貫通孔３９を開ける。必要に応じて、標準的な切り出し位置以外で圧電アクチュエータ基板２１を切り出す際に使用する貫通孔３９−１を開ける。共通電極３４は、貫通孔３９−１の下にも存在するように、全面に形成される。さらに、必要に応じて、貫通孔３９、貫通孔３９−１にビア導体を充填する。

ついで、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を長方形状に切断して高濃度酸素雰囲気下で焼成し、セラミック基板を作製した。セラミック基板は、外観検査等をして、標準の切り出す位置内に不良がなければ、ダイシング等で圧電アクチュエータ基板２１を切り出す。標準の切り出し位置内に不良があり、切り出し位置をずらすことで、良品の圧電アクチュエータ基板２１を作製できるようであれば、その後形成する共通表面電極３４と貫通孔３９あるいは貫通孔３９−１の位置が合うように（少なくとも一つが重なるように）、圧電アクチュエータ基板２１を切り出す。その後、Ａｕペーストで個別電極３５および共通表面電極７２を印刷、焼成すれば、圧電アクチュエータ基板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
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、２２１・・・圧電アクチュエータ基板
２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２１−１、２２１−１・・（圧電アクチュエータ基板の）一対の辺
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・接続電極
３６・・・接続ランド
３９、２３９・・・貫通孔
３９−１、２３９−１・・・（圧電アクチュエータ基板外の）貫通孔
５０・・・加圧部（変位素子）
６５・・・ダミー個別電極
６６・・・ダミー接続ランド
７２、２７２・・・共通表面電極

Claims (6)

1. 振動板と、
   該振動板に積層されている共通電極と、
   該共通電極に積層されている、前記共通電極に繋がっている複数の貫通孔を備えている圧電セラミック層と、
   該圧電セラミック層の、前記共通電極と対向する領域に配置されている複数の個別電極と、
   前記圧電セラミック層の複数の前記貫通孔の内部および当該貫通孔の周囲に設けられた共通表面電極と
   を備えている圧電アクチュエータ基板であって、
   該圧電アクチュエータ基板は、一方向に最も長い形状を有しているとともに、前記一方向と交差する方向に伸びている略平行な一対の辺を有し、
   前記複数の貫通孔は、前記一対の辺の近傍のみに位置し、該一対の辺それぞれに沿って配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ基板。
2. 前記圧電アクチュエータ基板が、長辺、短辺、および２つの斜辺を有する台形から、前記長辺と前記２つ斜辺との間の２つの角をそれぞれ切り欠いた部分に、前記一対の辺を設けた形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ基板。
3. 前記圧電アクチュエータ基板が、２つの鋭角および２つの鈍角を有する平行四辺形から、前記２つの鋭角をそれぞれ切り欠いた部分に、前記一対の辺を設けた形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ基板。
4. 前記共通表面電極は、前記一対の辺のそれぞれ辺において、当該辺に沿って配置されているすべての前記貫通孔に重なって配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ基板。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ基板と、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有しており、前記振動板が前記複数の加圧室を覆うとともに、前記複数の個別電極と前記複数の加圧室とがそれぞれ重なるように前記圧電アクチュエータ基板に接合されている流路部材とを有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 請求項５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、前記圧電アクチュエータ基板および前記搬送部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。

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