JP7354652B2 - 液体吐出ヘッド、および液体吐出装置 - Google Patents

液体吐出ヘッド、および液体吐出装置 Download PDF

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Description

本発明は、液体吐出ヘッド、および液体吐出装置に関する。
圧力室の壁面を構成する振動板を圧電素子により振動させることで、当該圧力室に充填されたインク等の液体をノズルから吐出する技術が従来から提案されている。特許文献1に記載の液体吐出ヘッドは、流路基板と、流路基板上に形成された振動板と、振動板上に形成された複数の圧電素子が配列された圧電素子列と、圧電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保する封止基板と、を備える。
特開2009-202599号公報
特許文献1に記載の封止基板は、1つの圧電素子列を構成する複数の圧電素子の上側に位置する封止基板の厚さが、当該複数の圧電素子の配列方向において一定となり、且つ、当該複数の圧電素子を覆うように、設けられている。特許文献1では、封止基板の剛性を向上させることで、封止基板に接合された流路基板の剛性を向上させる。しかし、かかる構成の封止基板によって複数の圧電素子が覆われると、共振周波数が所望の周波数からずれてしまうおそれがあった。その結果、吐出量や吐出速度等の吐出性能が低下するおそれがあった。
以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッドであって、複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、前記保護部の第1部分と、前記第1部分と前記所定方向における位置が異なる前記保護部の第2部分と、について、前記第1部分の剛性は前記第2部分の剛性よりも高い。
本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッドであって、複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、前記保護部には、前記空間に連通する貫通孔が設けられる。
本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッドであって、複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、前記保護部には、前記複数の圧力室側の部分に溝が設けられる。
本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッドであって、複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、前記保護部の第1部分と、前記第1部分と前記所定方向における位置が異なる前記保護部の第2部分と、について、前記第1部分の厚さは前記第2部分の厚さよりも厚い。
本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッドであって、複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、前記圧力室基板の上部に配置され、前記圧力室基板の厚さ方向に沿う壁状の保護部と、を有する。
本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、第1ノズルおよび第2ノズルが設けられるノズルプレートと、前記第1ノズルに連通する第1圧力室、および前記第2ノズルに連通する第2圧力室が設けられる圧力室基板と、前記圧力室基板に対して前記ノズルプレートと反対に配置される振動板、前記第1圧力室に対応して前記振動板に設けられる第1圧電素子、および前記第2圧力室に対応して前記振動板に設けられる第2圧電素子を有するアクチュエーターと、前記アクチュエーターに接触し、前記第1圧電素子および前記第2圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を備え、前記保護部は、第1部分と、前記第1圧電素子と前記第2圧電素子との並ぶ方向に沿って前記第1部分と並び、前記第1部分の剛性よりも高い剛性の第2部分と、を有する。
第1実施形態に係る液体吐出装置の構成を例示するブロック図である。 液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 液体吐出ヘッドの断面図である。 アクチュエーターの一部を拡大した断面図である。 保護部の平面図である。 図5におけるc-c線の断面図である。 第2実施形態における保護部の平面図である。 図7におけるd-d線の断面図である。 第3実施形態における保護部の平面図である。 図9におけるe-e線の断面図である。 第4実施形態における保護部の平面図である。 図11におけるf-f線の断面図である。 変形例における保護部の平面図である。 変形例における保護部の平面図である。
1.第1実施形態
1-1.液体吐出装置100の全体構成
図1は、第1実施形態に係る液体吐出装置100を例示する構成図である。なお、以下では、説明の便宜上、X軸、Y軸、およびZ軸を適宜用いて説明する。X軸、Y軸、およびZ軸は互いに直交する。また、-Z方向を「上」とし、+Z方向を「下」とする。また、本明細書において「要素Aの上部に要素Bが配置される」という表現は、要素Aと要素Bとが直接的に接触する構成に限定されない。要素Aと要素Bとが直接的に接触していない構成も、「要素Aの上部に要素Bが配置される」という概念に包含される。
第1実施形態の液体吐出装置100は、「液体」の一例であるインクを媒体12に吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体12は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体12として利用される。図1に例示される通り、液体吐出装置100には、インクを貯留する液体容器14が設置される。例えば液体吐出装置100に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、または、インクを補充可能なインクタンクが、液体容器14として利用される。
図1に例示される通り、液体吐出装置100は、制御ユニット20と搬送機構22と移動機構24と液体吐出ヘッド26とを具備する。制御ユニット20は、「制御部」の例示である。制御ユニット20は、例えばCPU(Central Processing Unit)またはFPGA(Field Programmable Gate Array)等の1または複数の処理回路と半導体メモリー等の1または複数の記憶回路とを含み、液体吐出装置100の各要素を統括的に制御する。例えば、制御ユニット20は、液体吐出ヘッド26の動作を制御する。
搬送機構22は、制御ユニット20による制御のもとで媒体12を+Y方向に搬送する。また、移動機構24は、制御ユニット20による制御のもとで液体吐出ヘッド26をX軸に沿って往復させる。X軸は、媒体12が搬送される方向に沿うY軸に交差する。第1実施形態の移動機構24は、液体吐出ヘッド26を収容する略箱型の搬送体242と、搬送体242が固定された搬送ベルト244とを具備する。なお、複数の液体吐出ヘッド26を搬送体242に搭載した構成、または、液体容器14を液体吐出ヘッド26とともに搬送体242に搭載した構成も採用され得る。
液体吐出ヘッド26は、液体容器14から供給されるインクを制御ユニット20による制御のもとで複数のノズルから媒体12に吐出する。搬送機構22による媒体12の搬送と搬送体242の反復的な往復とに並行して各液体吐出ヘッド26が媒体12にインクを吐出することで、媒体12の表面に画像が形成される。
1-2.液体吐出ヘッド26の全体構成
図2は、液体吐出ヘッド26の分解斜視図である。図3は、図2おけるa-a線の断面図である。図3に図示された断面は、X-Z平面に平行な断面である。Z軸は、液体吐出ヘッド26によるインクの吐出方向に沿う軸線である。
図2に例示される通り、液体吐出ヘッド26は、Y軸に沿って配列された複数のノズルNを具備する。複数のノズルNのうち任意のノズルNが第1ノズルNuであり、当該ノズルNとY軸に沿って並ぶ他の任意のノズルNが第2ノズルNvである。また、第1実施形態の複数のノズルNは、X軸に沿って相互に間隔をあけて並設された第1ノズル列Laと第2ノズル列Lbとに区分される。第1ノズル列Laおよび第2ノズル列Lbの各々は、Y軸に沿って直線状に配列された複数のノズルNの集合である。第1実施形態の液体吐出ヘッド26は、第1ノズル列Laの各ノズルNに関連する要素と第2ノズル列Lbの各ノズルNに関連する要素とが略面対称に配置された構造である。そこで、以下の説明では、第1ノズル列Laに対応する要素を重点的に説明し、第2ノズル列Lbに対応する要素の説明は適宜に割愛する。
図2および図3に例示される通り、液体吐出ヘッド26は、流路構造体30と複数の圧電素子34と保護部35と筐体部36と配線基板51とを具備する。流路構造体30は、複数のノズルNの各々にインクを供給するための流路が内部に形成された構造体である。流路構造体30は、流路基板31と圧力室基板32と振動板33とノズルプレート41と吸振体42とで構成される。振動板33と複数の圧電素子34とで、アクチュエーター3が構成される。また、流路構造体30を構成する各部材は、Y軸に沿った長尺な板状部材である。流路基板31における+Z軸側の表面に圧力室基板32と筐体部36とが設置される。他方、流路基板31における-Z軸側の表面に、ノズルプレート41および吸振体42が設置される。例えば接着剤により各部材が固定される。
ノズルプレート41は、複数のノズルNが形成された板状部材である。複数のノズルNの各々は、インクを吐出する円形状の貫通孔である。但しノズルNの形状は必ずしも真円形状でなくとも良く、楕円形状、或いはその他の異形な形状であっても良い。ノズルプレート41は、例えばフォトリソグラフィおよびエッチング等の半導体製造技術を利用してシリコン(Si)の単結晶基板を加工することで製造される。ただし、ノズルプレート41の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。
図2および図3に例示される通り、流路基板31には、空間Raと複数の供給流路312と複数の連通流路314と中継液室316とが形成される。空間Raは、Y軸に沿う長尺状に形成された開口である。供給流路312および連通流路314の各々は、ノズルN毎に形成された貫通孔である。中継液室316は、複数のノズルNにわたりY軸に沿う長尺状に形成された空間であり、空間Raと複数の供給流路312とを相互に連通させる。複数の連通流路314の各々は、当該連通流路314に対応する1個のノズルNに+Z方向から見た平面視で重なる。
図2および図3に例示される通り、圧力室基板32には複数の圧力室C1が設けられる。圧力室C1は、圧力室基板32の壁面320により形成され、平面視でX軸に沿う長尺状をなす空間である。圧力室C1は、流路基板31と振動板33との間に位置する空間である。圧力室C1は、ノズルN毎に形成される。図2に例示される通り、複数の圧力室C1はY軸に沿って配列される。複数の圧力室C1のうち第1ノズルNuに連通する圧力室C1が第1圧力室C1uであり、第2ノズルNvに連通する圧力室C1が第2圧力室C1vである。また、流路基板31および圧力室基板32は、前述のノズルプレート41と同様に、例えば半導体製造技術を利用してシリコンの単結晶基板を加工することで製造される。ただし、流路基板31および圧力室基板32の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。
図3に例示される通り、圧力室C1の上部には、弾性的に変形可能な振動板33が配置される。振動板33は、圧力室基板32に積層され、圧力室基板32における流路基板31とは反対の表面に接触する。振動板33は、平面視でY軸に沿う長尺な矩形状に形成された板状部材である。振動板33の厚さ方向は、Z軸に沿った方向と平行である。図2および図3に例示される通り、圧力室C1は、連通流路314および供給流路312に連通する。したがって、圧力室C1は、連通流路314を介してノズルNに連通し、かつ、供給流路312と中継液室316とを介して空間Raに連通する。なお、図2では説明のし易さのため圧力室基板32と振動板33を別基板のように図示しているが、実際には1つのシリコン基板に積層されたものである。振動板33の一部または全部は、圧力室基板32と別部材であってもよいし、一体であってもよい。
図2および図3に例示される通り、振動板33のうち圧力室C1とは反対側の表面には圧力室C1毎に圧電素子34が形成される。圧電素子34は、圧力室C1に対応して設けられる。具体的には、1個の圧電素子34は、平面視で1個の圧力室C1と重なる。図2に例示される通り、複数の圧電素子34のうち第1圧力室C1uに対応して設けられる圧電素子34が第1圧電素子34uであり、第2圧力室C1vに対応して設けられる圧電素子34が第2圧電素子34vである。圧電素子34は、平面視でX軸に沿う長尺状の受動素子である。圧電素子34は、インクを吐出する圧力を生成する。すなわち、圧電素子34は、圧力室C1内のインクの圧力を変動させる。
図2に例示される通り、複数の圧電素子34は、X軸に沿って相互に間隔をあけて並設された第1圧電素子列L1と第2圧電素子列L2とに区分される。第1圧電素子列L1および第2圧電素子列L2の各々は、Y軸に沿って直線状に配列された複数の圧電素子34の集合である。第2圧電素子列L2は、第1圧電素子列L1と所定方向に交差する交差方向に異なる位置に設けられる。当該所定方向は、Y軸に沿った方向であり、第1圧電素子列L1に含まれる複数の圧電素子34が並ぶ方向である。なお、当該所定方向は、第2圧電素子列L2に含まれる複数の圧電素子34が並ぶ方向であるともいえる。当該交差方向は、X軸に沿った方向であり、第1圧電素子列L1と第2圧電素子列L2とが並ぶ方向である。
図3の筐体部36は、複数の圧力室C1に供給されるインクを貯留するためのケースであり、例えば樹脂材料の射出成形で形成される。筐体部36には空間Rbと供給口361とが形成される。供給口361は、液体容器14からインクが供給される管路であり、空間Rbに連通する。筐体部36の空間Rbと流路基板31の空間Raとは相互に連通する。空間Raと空間Rbとで構成される空間は、複数の圧力室C1に供給されるインクを貯留する液体貯留室Rとして機能する。液体容器14から供給されて供給口361を通過したインクが液体貯留室Rに貯留される。液体貯留室Rに貯留されたインクは、中継液室316から各供給流路312に分岐して複数の圧力室C1に並列に供給および充填される。吸振体42は、液体貯留室Rの壁面を構成する可撓性のフィルムまたはプレートであり、液体貯留室R内のインクの圧力変動を吸収する。
保護部35は、複数の圧電素子34を保護するとともに圧力室基板32および振動板33の機械的な強度を補強する構造体である。保護部35は、例えば半導体製造技術を利用してシリコンの単結晶基板を加工することで製造される。なお、保護部35については後で詳述する。また、振動板33の表面には配線基板51が接合される。配線基板51は、制御ユニット20と液体吐出ヘッド26とを電気的に接続するための複数の配線が形成された実装部品である。例えばFPC(Flexible Printed Circuit)やFFC(Flexible Flat Cable)等の可撓性の配線基板51が好適に採用される。圧電素子34を駆動するための駆動信号および基準電圧が配線基板51から各圧電素子34に供給される。
1-3.アクチュエーター3の構成
図4は、アクチュエーター3の一部を拡大した断面図である。なお、図4では、第1圧電素子列L1に関連する要素が示される。本実施形態では、図2に例示される第1圧電素子列L1に関連する要素と第2圧電素子列L2に関連する要素とは略面対称に配置される。そこで、以下の説明では、第1圧電素子列L1に対応する要素を重点的に説明し、第2圧電素子列L2に対応する要素の説明は適宜に割愛する。
図4に例示される通り、アクチュエーター3は、前述の振動板33と複数の圧電素子34とで構成される。アクチュエーター3は、駆動信号が印加されることで圧力室C1の圧力を変化させる。
1-3a.振動板33の構成
図4に例示される通り、振動板33は、第1層331と第2層332を含む。第1層331は、圧力室基板32に積層される。第1層331は、圧力室基板32に接触する部分と、平面視で圧力室C1と重なる部分とを有する。第1層331は、二酸化シリコン(SiO)等のシリコン酸化物で形成される弾性膜である。第2層332は、第1層331に積層される。第2層332は、第1層331と圧電素子34との間に配置され、第1層331と圧電素子34との両方と接触する。第2層332は、二酸化ジルコニウム(ZrO)等のジルコニウム酸化物で形成される絶縁層である。なお、第2層332と後述の圧電体343との間には、これらの間を埋める金属層344が配置される。金属層344は、第1電極341とは絶縁される。
第1層331および第2層332の各々は、熱酸化またはスパッタリング等の公知の成膜技術により形成される。例えば、所定の板厚の板状部材のうち圧力室C1に対応する領域について板厚方向の一部を選択的に除去することで、圧力室基板32と振動板33の一部または全部とを一体に形成することが可能である。
1-3b.圧電素子34の構成
図4に例示される通り、圧電素子34は、概略的には、第1電極341と圧電体343と第2電極342とを振動板33側から以上の順番で積層した構造体である。Z軸は、第1電極341と圧電体343と第2電極342とが積層される方向に沿った軸に相当する。なお、本明細書において「要素Aの面上に要素Bが形成される」という表現は、要素Aと要素Bとが直接的に接触する構成には限定されない。すなわち、要素Aの表面に要素Cが形成され、要素Cの表面に要素Bが形成された構成でも、要素Aと要素Bとの一部または全部が平面視で重なる構成であれば、「要素Aの面上に要素Bが形成される」という概念に包含される。
第1電極341は、振動板33の面上に形成される。第1電極341は、圧電素子34毎に相互に離間して形成された個別電極である。第1電極341は、X軸に沿う長尺状をなす。複数の第1電極341は、相互に間隔をあけてY軸に沿って配列される。第1電極341は、例えば白金(Pt)またはイリジウム(Ir)等の導電材料で形成される。第1電極341には第1配線37が電気的に接続される。第1配線37は、図3に示す配線基板51から駆動信号が供給されるリード配線であり、第1電極341に駆動信号を供給する。第1電極341は、圧電体343に電圧を印加する電極の例示である。第1配線37は、第1電極341よりも低抵抗な導電材料で形成される。例えば、第1配線37は、ニクロム(NiCr)で形成された導電膜の表面に金(Au)の導電膜を積層した構造の導電パターンである。
圧電体343は、第1電極341の上部に形成され、第1電極341に接触する。圧電体343は、複数の圧電素子34にわたりY軸に沿って連続する帯状の誘電膜である。圧電体343は、複数の圧電素子34で共通である。圧電体343は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)等の公知の圧電材料で形成される。詳細な図示はしないが、圧電体343のうち相互に隣り合う各圧力室C1の間隙に対応する領域には、X軸に沿う切欠が形成される。当該切欠は、圧電体343を貫通する開口である。当該切欠が形成されることで、各圧電素子34は圧力室C1毎に個別に変形し、圧電素子34の相互間における振動の伝播が抑制される。なお、圧電体343の厚さ方向の一部を除去した有底孔を切欠として形成してもよい。
第2電極342は、圧電体343の上部に形成され、圧電体343に接触する。第2電極342は、複数の圧電素子34にわたり連続するようにY軸に沿って延在する帯状の共通電極である。第2電極342には所定の基準電圧が印加される。基準電圧は一定の電圧であり、例えば接地電圧よりも高い電圧に設定される。第2電極342に印加される基準電圧と第1電極341に供給される駆動信号との差分に相当する電圧が圧電体343に印加される。なお、第2電極342には、接地電圧が印加されてもよい。また、第2電極342は、例えば白金(Pt)またはイリジウム(Ir)等の低抵抗な導電材料で形成される。また、第2電極342を、圧電体343に電圧を印加する電極として捉えてもよい。
第2電極342の面上には、第2電極342に電気的に接続される第2配線38が形成される。第2配線38には、図3に示す配線基板51を介して図示しない基準電圧が供給される。図4に例示される通り、第2配線38は、Y軸に沿って延在する帯状の第1導電層381と、Y軸に沿って延在する帯状の第2導電層382とを有する。第1導電層381および第2導電層382は、X軸に沿って所定の間隔をあけて並ぶ。第1導電層381および第2導電層382が設けられることで、第2電極342における基準電圧の電圧降下が抑制される。また、第1導電層381および第2導電層382は、振動板33の振動を抑制するための錘としても機能する。第2配線38は、第2電極342よりも低抵抗な導電材料で形成される。例えば、第2配線38は、ニクロム(NiCr)で形成された導電膜の表面に金(Au)の導電膜を積層した構造の導電パターンである。第1導電層381と第2導電層382は不図示の+Y方向端部および-Y方向端部で電気的に接続される。
第1電極341と第2電極342との間に電圧が印加されることで圧電体343が変形することにより、圧電素子34は、振動板33を撓み変形させるエネルギーを生成する。圧電素子34が生成したエネルギーにより振動板33が振動することにより圧力室C1の圧力が変化し、圧力室C1内のインクが図3に示すノズルNから吐出される。
1-4.保護部35の構成
図4、図5および図6を参照しつつ、保護部35について詳述する。図5は、保護部35の平面図である。図6は、図5におけるc-c線の断面図である。また、図4は、図5におけるb-b線断面図に相当する。
図4に例示される通り、保護部35は、圧電素子34に対して圧力室C1と反対に位置する。保護部35は、アクチュエーター3に接着剤70で固定される。保護部35を備えることで、薄膜なアクチュエーター3を保護することができる。例えば、製造時においてアクチュエーター3が破損するおそれを抑制することができる。
図5に例示される通り、保護部35は、Y軸に沿った長尺な板状部材である。保護部35の中央には、配線基板51が挿通される配線用孔301が設けられる。配線用孔301は、保護部35を貫通する孔である。配線用孔301は、保護部35の厚さ方向に沿って形成される。配線用孔301の平面視での形状は、Y軸に沿った長尺状である。
図4および図5に例示される通り、保護部35には、素子用凹部350が形成される。素子用凹部350は、保護部35のうち振動板33との対向面358に形成された凹みである。素子用凹部350は、複数の圧電素子34に共通で形成される空間を形成する。素子用凹部350は、圧電素子34の振動による変位を許容する。
図5に例示される通り、素子用凹部350は、四角形の枠状をなし、平面視で配線用孔301を囲む。素子用凹部350は、部分3501および部分3502を含む。部分3501は、素子用凹部350のうちY軸に沿う長尺状をなし、平面視で配線用孔301に対して+X軸に位置する。部分3502は、素子用凹部350のうちY軸に沿う長尺状をなし、平面視で配線用孔301に対して-X軸に位置する。部分3501は、平面視で図2示す第1圧電素子列L1と重なる。部分3502は、平面視で図2示す第2圧電素子列L2と重なる。
図6に例示される通り、保護部35の厚さD1は、アクチュエーター3の厚さよりも大きい。厚さD1は、保護部35のうちの素子用凹部350の底面357から上面359までのZ軸に沿った長さである。アクチュエーター3の厚さは、振動板33の下面から第2電極342の上面までのZ軸に沿った長さである。なお、保護部35のうちの対向面358から上面359までのZ軸に沿った長さである厚さも、アクチュエーター3の厚さよりも厚い。また、保護部35の剛性は、アクチュエーター3の剛性よりも高い。
図5および図6に例示される通り、保護部35には、複数の第1貫通孔351a、複数の第2貫通孔351b、および複数の第3貫通孔351cが設けられる。なお、本明細書において、第1貫通孔351a、第2貫通孔351bおよび第3貫通孔351cを区別しない場合には、貫通孔351と表記する。
図6に例示される通り、貫通孔351は、保護部35を貫通する孔である。貫通孔351は、保護部35の厚さ方向に沿って形成され、素子用凹部350に連通する。よって、貫通孔351は、保護部35の上面359と素子用凹部350の底面357との両方に開口する。また、貫通孔351は、保護部35のX軸に沿った方向における中心O3と異なる位置に設けられる。つまり、貫通孔351は、前述の配線用孔301とは異なる孔である。また、貫通孔351の体積は、配線用孔301の体積よりも小さい。かかる貫通孔351を設けることで、保護部35の剛性を低下させ、各圧電素子34の共振周波数を調整することができる。
図5に例示される通り、貫通孔351の平面視での形状は、X軸に沿った方向を長手方向とする矩形状である。貫通孔351は、平面視で、保護部35の中心O3よりもY軸における端に近い位置に形成される。また、貫通孔351は、平面視で、圧電素子34と重なる。1個の貫通孔351は、平面視で、1個の圧電素子34と重なってもよいし、複数の圧電素子34と重なってもよい。
複数の貫通孔351は、図2に示す第1圧電素子列L1に対応する列と第2圧電素子列L2に対応する列とに区分される。第1圧電素子列L1に対応する列に属する複数の貫通孔351は、Y軸に沿って並ぶ。図5に例示される通り、平面視で配線用孔301に対して+X軸側に位置する複数の貫通孔351は、Y軸に沿って一列に並ぶ。同様に、図2に示す第2圧電素子列L2に対応する列に属する複数の貫通孔351は、Y軸に沿って並ぶ。図5に例示される通り、平面視で配線用孔301に対して-X軸側に位置する複数の貫通孔351は、Y軸に沿って一列に並ぶ。
図5および図6に例示される通り、第2貫通孔351bの体積は、第1貫通孔351aの体積よりも小さく、第3貫通孔351cの体積よりも大きい。図5に例示される通り、第2貫通孔351bの幅W1bは、第1貫通孔351aの幅W1aよりも小さく、第3貫通孔351cの幅W1cよりも大きい。幅W1a、W1bおよびW1cは、Y軸に沿った長さである。図6に例示される通り、第2貫通孔351bの長さL1bは、第1貫通孔351aの長さL1aよりも短く、第3貫通孔351cの長さL1cよりも長い。長さL1a、L1bおよびL1cは、X軸に沿った長さである。
図5に例示される通り、第2貫通孔351bと第1貫通孔351aとの間の間隔Paは、第2貫通孔351bと第3貫通孔351cとの間の間隔Pcよりも大きい。間隔Paは、第2貫通孔351bと第1貫通孔351aとの間の離間距離である。間隔Pcは、第2貫通孔351bと第3貫通孔351cとの間の離間距離である。
ここで、前述のように、保護部35の剛性は、アクチュエーター3の剛性よりも高い。そのため、保護部35をアクチュエーター3に接合すると、アクチュエーター3が保護部35により押さえ付けられてアクチュエーター3は振動し難くなる傾向が強い。それゆえ、圧電素子34の共振周波数が高くなり、その結果、吐出量等の吐出性能が低下するおそれがある。また、例えば製造バラつき等により、各圧電素子34には、共振周波数のバラつきが発生し易い。そのため、他の圧電素子34の共振周波数に比べて共振周波数が高い圧電素子34は、保護部35が設けられることで、その共振周波数がさらに高くなり易い。その結果、所望の吐出量が得られなくなってしまうおそれがある。そこで、保護部35では、貫通孔351が設けられている。
保護部35における貫通孔351を含まない部分が第1部分A1であり、保護部35における貫通孔351を含む部分が第2部分A21であるとする。第1部分A1および第2部分A21のX軸、Y軸およびZ軸に沿った各長さは等しい。保護部35では、第1部分A1の剛性は、第2部分A21の剛性よりも高い。このように、保護部35が第1部分A1の剛性よりも低い剛性を有する第2部分A21を有することで、第2部分A21を有さない場合に比べ、保護部35の剛性を低下させることができる。そのため、第2部分A21を有さない場合に比べ、アクチュエーター3を振動させ易くすることができる。その結果、複数の圧電素子34における平均的な共振周波数を低下させることができるので、保護部35を設けることによる吐出量の低下を抑制することができる。よって、保護部35によってアクチュエーター3を保護しつつ、吐出量の低下を抑制することができる。
また、各圧電素子34の共振周波数の分布を補正するよう、保護部35に第2部分A21を設けることにより保護部35の剛性を調整することで、各圧電素子34の共振周波数のバラつきを調整することができる。そのため、例えば製造バラつき等により共振周波数のバラつきがあっても、圧電素子34の共振周波数の分布と保護部35の剛性とを調整するよう貫通孔351を設けることで、共振周波数のバラつきを低減することができる。それゆえ、インクの吐出量等のバラつきを低減することができる。
例えば、アクチュエーター3では、複数の圧電素子34の並ぶ方向に沿って、すなわちY軸に沿って、共振周波数のバラつきが発生し易い。具体的には例えば、第1圧電素子列L1の中央よりも端側における共振周波数が高くなり易い。そのため、第1圧電素子列L1の中央よりも端側に第2部分A21を設けることで、共振周波数のバラつきを低減することができる。別の言い方をすれば、図5に例示される通り、保護部35の中心O3よりも端に近い位置に貫通孔351が設けられることで、共振周波数のバラつきを低減することができる。なお、保護部35のうちの第2圧電素子列L2に対応する部分についても同様である。
なお、保護部35における第2部分A21の配置は図示の例に限定されない。第2部分A21を、各圧電素子34の共振周波数の分布に応じて任意の箇所に設けることで、共振周波数のバラつきを効果的に低減することができる。
図5に例示される通り、貫通孔351を含む第2部分A21は、所定方向であるY軸に沿った方向における異なる位置に複数設けられる。そのため、第2部分A21が1個である場合に比べて、共振周波数のバラつきをより効果的に低減することができる。それゆえ、インクの吐出量等のバラつきをより低減することができる。なお、第2部分A21の個数は、図示の数に限定されず、1個でもよいし、6個以外の複数でもよい。
第1圧電素子列L1の中央から端に近づくほど共振周波数が高くなる場合、図5に例示される通り、保護部35の中心O3から端に近づくほど貫通孔351の体積を大きくすることで、共振周波数のバラつきを特に好適に低減することができる。また、第1圧電素子列L1の中央から端に近づくほど共振周波数が高くなる場合、図5に例示される通り、間隔Paを間隔Pcよりも大きくすることにより、共振周波数のバラつきを好適に低減することができる。なお、保護部35のうちの第2圧電素子列L2に対応する部分についても同様である。
また、第2部分A21の剛性を第1部分A1の剛性よりも低くするよう貫通孔351を設けることで、第2部分A21の剛性を第1部分A1の剛性に比べて簡単に低くすることができる。そのため、例えばアクチュエーター3の製造後に、貫通孔351を設けることで共振周波数の調整を簡単に行うことができる。よって、製造バラつきによる共振周波数のバラつきを簡単かつ適切に抑制することができる。
以上説明した液体吐出ヘッド26を具備する液体吐出装置100によれば、制御ユニット20の制御のもとで液体吐出ヘッド26が動作することで、吐出性能のバラつきを抑制することができる。そのため、液体吐出装置100によれば、高精度な液体吐出を実現することができる。
また、複数のノズルNが高密度に配置されるほど、アクチュエーター3の必要な変形量を確保するためにアクチュエーター3の厚さは薄くなる傾向がある。アクチュエーター3の厚さが薄くなることで、保護部35の影響を受け易くなる。ノズルNの高密度化を図っても、液体吐出ヘッド26によれば、吐出性能のバラつきを効果的に抑制することができる。
なお、本実施形態では、第1貫通孔351a、第2貫通孔351bおよび第3貫通孔351cの各体積は異なるが、各体積の関係は図示の例に限定されない。例えば、各体積は同一であってもよい。同様に、幅W1a、W1bおよびW1cは互いに異なるが、これらは互いに等しくてもよい。また、長さL1a、L1bおよびL1cは互いに異なるが、これらは互いに等しくてもよい。また、幅W1a、W1bおよびW1cと、長さL1a、L1bおよびL1cと、のうちのいずれか一方のみを変更することにより、第1貫通孔351a、第2貫通孔351bおよび第3貫通孔351cの各体積が調整されてもよい。また、間隔Paおよび間隔Pcは、互いに等しくてもよい。間隔Paよりも間隔Pcが大きくてもよい。複数の貫通孔351は、Y軸に沿って等間隔で並んでもよい。また、各貫通孔351の形状は図示の例に限定されず、任意である。例えば、各貫通孔351の平面視形状は、円形、または四角形以外の多角形であってもよい。貫通孔351の個数は、図示の数に限定されず、1個でもよいし、6個以外の複数でもよい。
2.第2実施形態
第2実施形態を説明する。なお、以下の各例示において機能が第1実施形態と同様である要素については、第1実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
図7は、第2実施形態における保護部35Aの平面図である。図8は、図7におけるd-d線の断面図である。図7および図8に例示される通り、保護部35Aには、複数の第1凹部352a、複数の第2凹部352b、および複数の第3凹部352cが設けられる。なお、本明細書において、第1凹部352a、第2凹部352bおよび第3凹部352cを区別しない場合には、凹部352と表記する。また、凹部352の形状および配置等について、第1実施形態における貫通孔351の形状および配置等と同様の内容の説明は適宜に省略される。
図7および図8に例示される通り、凹部352は、保護部35Aのうち複数の圧力室C1側の部分に設けられた溝である。凹部352は、素子用凹部350の底面357に形成される凹みであり、素子用凹部350内に開口する。図8に例示される通り、第2凹部352bの深さD1bは、第1凹部352aの深さD1aよりも小さく、第3凹部352cの深さD1cよりも大きい。
本実施形態において、第2部分A22は、保護部35Aにおける凹部352を含む部分である。第1部分A1は、保護部35Bにおける凹部352を含まない部分である。第1部分A1および第2部分A22のX軸、Y軸およびZ軸に沿った各長さは等しい。第1部分A1の剛性は、第2部分A22の剛性よりも高い。
保護部35Aが第2部分A22を有することで、第2部分A22を有さない場合に比べ、保護部35Aの剛性を低下させることができる。そのため、本実施形態においても第1実施形態と同様に、各圧電素子34の共振周波数を調整することができ、保護部35Aを設けることによる吐出量の低下を抑制することができる。また、保護部35Aに凹部352を設けることで、製造バラつきによる共振周波数のバラつきを簡単かつ適切に抑制することができる。
3.第3実施形態
第3実施形態を説明する。なお、以下の各例示において機能が第1実施形態と同様である要素については、第1実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
図9は、第3実施形態における保護部35Bの平面図である。図10は、図9におけるe-e線の断面図である。図9および図10に例示される通り、保護部35Bには、複数の第1スリット353a、複数の第2スリット353b、および複数の第3スリット353cが設けられる。なお、本明細書において、第1スリット353a、第2スリット353bおよび第3スリット353cを区別しない場合には、スリット353と表記する。また、スリット353の形状および配置等について、第1実施形態における貫通孔351の形状および配置等と同様の内容の説明は適宜に省略される。
図9および図10に例示される通り、スリット353は、保護部35Bのうち複数の圧力室C1とは反対の部分に設けられる切れ込みである。スリット353は、保護部35の上面359および側面に開口する。各スリット353のX軸に沿った長さは互いに等しい。図10に例示される通り、第2スリット353bが設けられる部分の厚さD2bは、第1スリット353aが設けられる部分の厚さD2aよりも薄く、第3スリット353cが設けられる部分の厚さD2cよりも厚い。厚さD2aは、素子用凹部350の底面357と第1スリット353aの底面との間のZ軸に沿った長さである。ただし、厚さD2aは、対向面358と第1スリット353aの底面との間のZ軸に沿った長さとして捉えてもよい。なお、厚さD2bおよびD2cについても同様である。
本実施形態において、第2部分A23は、保護部35Bにおけるスリット353を含む部分である。第1部分A1は、保護部35Bにおけるスリット353を含まない部分である。第1部分A1および第2部分A23のX軸、Y軸およびZ軸に沿った各長さは等しい。第1部分A1の剛性は、第2部分A23の剛性よりも高い。
保護部35Bが第2部分A23を有することで、第2部分A23を有さない場合に比べ、保護部35Bの剛性を低下させることができる。そのため、本実施形態においても第1実施形態と同様に、各圧電素子34の共振周波数を調整することができ、保護部35Bを設けることによる吐出量の低下を抑制することができる。また、例えばアクチュエーター3の製造後にスリット353を設けることで共振周波数の調整を行うことができるので、製造バラつきによる共振周波数のバラつきを簡単かつ適切に抑制することができる。
4.第4実施形態
第4実施形態を説明する。なお、以下の各例示において機能が第1実施形態と同様である要素については、第1実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
図11は、第4実施形態における保護部35Cの平面図である。図12は、図10におけるf-f線の断面図である。図11に示すように、保護部35Cは、枠状の第1壁部3551および第2壁部3552を有する。第1壁部3551および第2壁部3552は、それぞれ、Z軸に沿う壁状をなす。Z軸は、前述の圧力室基板32の厚さ方向に沿う軸線である。第1壁部3551および第2壁部3552は、それぞれ、圧力室基板32から上方に向かって突出する。また、第2壁部3552は、平面視で第1壁部3551を囲む。第1壁部3551と第2壁部3552とは、互いに離間しており、第1壁部3551と第2壁部3552との間には、空間355Cが設けられる。つまり、本実施形態における保護部35Cは、複数の圧電素子34の上部を覆う部分を有さない。そのため、保護部35Cの剛性を特に低下させることができる。よって、保護部35Cが設けられることによる吐出性能の低下を特に効果的に抑制することができる。
図12に例示される通り、保護部35Cの一部は、圧電体343と重ならない。また、保護部35Cは、平面視で複数のアクチュエーター3のうちの振動領域を挟むように配置される。保護部35Cは、圧電体343のうちの平面視で振動領域と重ならない。そのため、保護部35Cが設けられることによる吐出性能への影響を特に低減することができる。なお、当該振動領域は、振動板33のうち平面視で圧力室C1に重なる領域であり、圧電素子34の駆動により振動する領域である。また、本実施形態では保護部35Cの一部は圧電体343と平面視で重なるが、保護部35Cの全部が圧電体343と重なっていなくてもよい。
5.変形例
以上に例示した実施形態は多様に変形され得る。前述の実施形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された2以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。
第1部分A1は、図5、図7および図9の位置に限定されない。第1部分A1は、第2部分A21の剛性、第2部分A22の剛性または第2部分A23の剛性よりも高い剛性を有すればよい。図13は、変形例における保護部35Dの平面図である。例えば、図13に例示される通り、第1部分A11は、第1貫通孔351aを含む部分であり、第2部分A24は、第2貫通孔351bを含む部分であってもよい。
図14は、変形例における保護部35Eの平面図である。図14に示すように、保護部35Eは、1個の「圧電素子列」ごとに設けられてもよい。+X軸側に位置する保護部35Eが、第1圧電素子列L1に対応し、-X軸側に位置する保護部35Eが、第2圧電素子列L2に対応する。
第1実施形態では、振動板33は第1層331と第2層332とが積層された積層体で構成されるが、第1層331と第2層332との間には他の要素が介在してもよい。また、振動板33は、第2層332が省略されてもよい。また、振動板33と圧力室基板32との間には、他の要素が介在していてもよい。
第1実施形態では、圧電素子34の第1電極341を個別電極として第2電極342を共通電極としたが、第1電極341を共通電極として第2電極342を個別電極としてもよい。また、第1電極341および第2電極342の双方を個別電極としてもよい。
第1実施形態では、圧電素子34は、第1電極341と圧電体343と第2電極342とが積層した構造体であるが、第1電極341と圧電体343との間には、圧電素子34としての機能を損なわない程度に他の要素が介在していてもよい。同様に、第2電極342と圧電体343との間には、他の要素が介在していてもよい。
第1実施形態では、液体吐出ヘッド26を搭載した搬送体242を往復させるシリアル方式の液体吐出装置100を例示したが、複数のノズルNが媒体12の全幅にわたり分布するライン方式の液体吐出装置にも本発明を適用することが可能である。
第1実施形態で例示した液体吐出装置100は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を吐出する液体吐出装置は、液晶表示パネル等の表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を吐出する液体吐出装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。また、生体に関する有機物の溶液を吐出する液体吐出装置は、例えばバイオチップを製造する製造装置として利用される。
各実施形態では第1圧電素子列L1と第2圧電素子列L2の2つの圧電素子列を備える系について説明したが、他の形態による実施も可能である。圧電素子列を1つのみ備えていても良いし、3以上の複数列備えていても良い。
3…アクチュエーター、20…制御ユニット、26…液体吐出ヘッド、30…流路構造体、31…流路基板、32…圧力室基板、33…振動板、34…圧電素子、35…保護部、41…ノズルプレート、51…配線基板、70…接着剤、100…液体吐出装置、301…配線用孔、331…第1層、332…第2層、341…第1電極、342…第2電極、343…圧電体、350…素子用凹部、351…貫通孔、351a…第1貫通孔、351b…第2貫通孔、351c…第3貫通孔、352…凹部、353…スリット、357…底面、358…対向面、359…上面、A1…第1部分、A21…第2部分、A22…第2部分、C1…圧力室、L1…第1圧電素子列、L2…第2圧電素子列、N…ノズル。

Claims (10)

  1. 液体吐出ヘッドであって、
    複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、
    前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、
    前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、
    前記保護部の第1部分と、前記第1部分と前記所定方向における位置が異なる前記保護部の第2部分と、について、前記第1部分の剛性は前記第2部分の剛性よりも高く、
    前記第1部分は、前記圧電素子列の前記所定方向における中央に設けられ、
    前記第2部分は、前記圧電素子列の前記所定方向における中央よりも端側に設けられることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記第2部分は、前記所定方向における異なる位置に複数設けられ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2部分は、貫通孔が設けられ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。
  4. 前記第2部分における前記複数の圧力室側には、溝が設けられ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。
  5. 前記第1部分の厚さは、前記第2部分の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記圧電素子列は、第1圧電素子列であり、
    前記第1圧電素子列と前記所定方向に交差する交差方向に異なる位置に設けられた第2圧電素子列をさらに含み、
    前記第2部分は、前記保護部の前記交差方向における中央と異なる位置に設けられることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 液体吐出ヘッドであって、
    複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、
    前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、
    前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、
    前記保護部には、前記空間に連通する貫通孔が設けられ、
    前記貫通孔は、前記所定方向における異なる位置に複数設けられ
    前記貫通孔は、前記圧電素子列の前記所定方向における中央よりも端側に設けられ、且つ、前記圧電素子列の前記所定方向における中央には設けられないことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  8. 液体吐出ヘッドであって、
    複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、
    前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、
    前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、
    前記保護部には、前記複数の圧力室側の部分に溝が設けられ、
    前記溝は、前記所定方向における異なる位置に複数設けられ
    前記溝は、前記圧電素子列の前記所定方向における中央よりも端側に設けられ、且つ、前記圧電素子列の前記所定方向における中央には設けられないことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  9. 液体吐出ヘッドであって、
    複数の圧力室が設けられる圧力室基板と、
    前記複数の圧力室のそれぞれに対応して設けられ、液体を吐出する圧力を生成する複数の圧電素子が所定方向に配列された圧電素子列と、
    前記圧電素子列に対して前記複数の圧力室と反対に位置し、前記複数の圧電素子に共通する空間を形成する保護部と、を有し、
    前記保護部の第1部分と、前記第1部分と前記所定方向における位置が異なる前記保護部の第2部分と、について、前記第1部分の厚さは前記第2部分の厚さよりも厚く、
    前記第2部分は、前記所定方向における異なる位置に複数設けられ
    前記第1部分は、前記圧電素子列の前記所定方向における中央に設けられ、
    前記第2部分は、前記圧電素子列の前記所定方向における中央よりも端側に設けられることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  10. 請求項1から9のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記液体吐出ヘッドの動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする液体吐出装置。
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