JP2012045883A - Piezoelectric actuator unit for liquid delivering head, liquid delivering head using it, and recording apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液滴を吐出させる液体吐出ヘッド用の圧電アクチュエータユニット、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。 The present invention relates to a piezoelectric actuator unit for a liquid discharge head that discharges droplets, a liquid discharge head using the same, and a recording apparatus.
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。 In recent years, printing apparatuses using inkjet recording methods such as inkjet printers and inkjet plotters are not only printers for general consumers, but also, for example, formation of electronic circuits, manufacture of color filters for liquid crystal displays, manufacture of organic EL displays It is also widely used for industrial applications.
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。 In such an ink jet printing apparatus, a liquid discharge head for discharging liquid is mounted as a print head. This type of print head includes a heater as a pressurizing unit in an ink flow path filled with ink, heats and boiles the ink with the heater, pressurizes the ink with bubbles generated in the ink flow path, A thermal head system that ejects ink as droplets from the ink ejection holes, and a part of the wall of the ink channel filled with ink is bent and displaced by a displacement element, and the ink in the ink channel is mechanically pressurized, and the ink A piezoelectric method for discharging liquid droplets from discharge holes is generally known.
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。 In addition, in such a liquid discharge head, a serial type that performs recording while moving the liquid discharge head in a direction (main scanning direction) orthogonal to the conveyance direction (sub-scanning direction) of the recording medium, and main scanning from the recording medium There is a line type in which recording is performed on a recording medium conveyed in the sub-scanning direction with a liquid discharge head that is long in the direction fixed. The line type has the advantage that high-speed recording is possible because there is no need to move the liquid discharge head as in the serial type.
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。 In order to print droplets at a high density in any of the serial type and line type liquid discharge heads, the density of the liquid discharge holes for discharging the droplets formed in the liquid discharge head must be increased. There is a need to.
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。 Accordingly, the liquid discharge head includes a manifold and a flow path member having a liquid discharge hole that connects the manifold via a plurality of liquid pressurization chambers, and a plurality of displacement elements provided so as to cover the liquid pressurization chambers. A structure in which a piezoelectric actuator unit is stacked is known (see, for example, Patent Document 1). In this liquid ejection head, the liquid pressurizing chambers connected to the plurality of liquid ejection holes are arranged in a matrix, and the displacement element of the actuator unit provided so as to cover it is displaced by deformation of the piezoelectric body, Ink is ejected from each liquid ejection hole, and printing is possible at a resolution of 600 dpi in the main scanning direction.
特許文献１に記載されているような液体吐出ヘッドを作製する際、圧電アクチュエータユニットと流路部材とを接着剤を用いて接合すると、圧電アクチュエータユニットの端部の接着が十分でなく、使用する際に液体が染み出してくることがあるという問題があった
。
When a liquid discharge head as described in
したがって、本発明の目的は、流路部材との接合性の良好な液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータユニット、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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator unit for a liquid discharge head having good bonding property with a flow path member, a liquid discharge head using the same, and a recording apparatus.
複数の圧電セラミック層が積層されている積層体と、該積層体の一方の主面に第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複数の個別電極と、該複数の個別電極のうち前記一方の主面の周縁部に形成されている個別電極以外の個別電極の上にそれぞれ形成されている複数の接続ランドと、前記積層体の内部に形成されている前記複数の個別電極に対向している共通電極とを有する液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータユニットであって、前記積層体は、前記複数の接続ランドが囲まれている接続ランド形成領域の平坦度より、前記接続ランド形成領域の周囲の周縁領域の平坦度が大きいことを特徴とする。 A laminated body in which a plurality of piezoelectric ceramic layers are laminated, a plurality of individual electrodes formed on one main surface of the laminated body in a direction different from the first direction and the first direction; Among the plurality of individual electrodes, a plurality of connection lands formed on individual electrodes other than the individual electrode formed on the peripheral portion of the one main surface, and the plurality of connection lands formed inside the stacked body A piezoelectric actuator unit for a liquid discharge head having a common electrode facing a plurality of individual electrodes, wherein the stacked body has the flatness of a connection land formation region in which the plurality of connection lands are surrounded, The flatness of the peripheral area around the connection land formation area is large.
前断面視したとき、前記積層体の前記接続ランド形成領域における厚みの中央を通る水平線から前記周縁領域における前記一方の主面の最上部までの距離が、前記水平線から前記周縁領域における他方の主面の最下部までの距離より長いことが好ましい。 When viewed from the front cross-section, the distance from the horizontal line passing through the center of the thickness in the connection land forming region of the laminate to the uppermost portion of the one main surface in the peripheral region is the other main in the peripheral region. It is preferably longer than the distance to the bottom of the surface.
前記積層体の前記接続ランド形成領域における前記他方の主面の最下部から前記複数の接続ランドの最上部までの距離と、前記積層体の前記周縁領域における前記他方の主面の最下部から前記一方の主面の最上部までの距離とが、ほぼ同じであることが好ましい。 The distance from the lowermost part of the other main surface in the connection land forming region of the multilayer body to the uppermost part of the plurality of connection lands, and from the lowermost part of the other main surface in the peripheral region of the multilayer body. It is preferable that the distance to the top of one main surface is substantially the same.
前記周縁領域の前記一方の主面に、前記共通電極と電気的に接続されている共通電極用接続電極が形成されており、前記積層体の前記共通電極用接続電極の直下の領域の平坦度が、前記周縁領域の前記共通電極用接続電極が形成されていない領域の平坦度より小さいことが好ましい。 A common electrode connection electrode electrically connected to the common electrode is formed on the one main surface of the peripheral region, and the flatness of the region immediately below the common electrode connection electrode of the laminate However, it is preferable that it is smaller than the flatness of the region in the peripheral region where the common electrode connection electrode is not formed.
前記複数の個別電極は、個別電極本体と該個別電極本体から引き出されている接続電極とを含むとともに、前記周縁領域に形成されている個別電極のうち、引き出された前記接続電極が前記接続ランド形成領域に位置する個別電極は、前記接続ランドが形成されている第１のダミー電極であり、引き出された前記接続電極が前記周縁領域に位置する個別電極は、前記接続ランドが形成されていない第２のダミー電極であることが好ましい。 The plurality of individual electrodes include an individual electrode main body and a connection electrode drawn from the individual electrode main body, and among the individual electrodes formed in the peripheral region, the drawn connection electrode is the connection land. The individual electrode located in the formation region is a first dummy electrode in which the connection land is formed, and the connection land is not formed in the individual electrode in which the extracted connection electrode is located in the peripheral region. The second dummy electrode is preferable.
また、判発明の液体吐出ヘッドは、平面に開口する複数の液体加圧室および該複数の液体加圧室にそれぞれ繋がった複数の液体吐出孔を備える流路部材の前記平面に、前記複数の液体加圧室を覆うように前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータユニットを積層してなることを特徴とする。 Further, the liquid ejection head according to the present invention includes a plurality of liquid pressurizing chambers that are open in a plane and a plurality of liquid ejection holes that are respectively connected to the plurality of liquid pressurization chambers. The piezoelectric actuator unit for the liquid discharge head is laminated so as to cover the liquid pressurizing chamber.
また、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ユニット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。 The recording apparatus of the present invention includes the liquid discharge head, a transport unit that transports a recording medium to the liquid discharge head, and a control unit that controls the piezoelectric actuator unit and the transport unit. It is characterized by.
本発明の液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータユニットによれば、流路部材に接着剤等で接合される際に、接続ランドが形成されていない周縁領域にも圧力が十分加わるようになるので、接合が良好になる。 According to the piezoelectric actuator unit for a liquid discharge head of the present invention, when the flow path member is bonded with an adhesive or the like, pressure is sufficiently applied to the peripheral region where the connection land is not formed. Become good.
また、本発明の液体吐出ヘッドによれば、液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータユニッ
トと流路部材との接合が良好であるため、使用中に接合部から液体が漏れにくい。
Further, according to the liquid discharge head of the present invention, since the bonding between the liquid discharge head piezoelectric actuator unit and the flow path member is good, it is difficult for the liquid to leak from the bonded portion during use.
また、本発明の記録装置によれば、液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータユニットと流路部材との接合が良好であるため、使用中に接合部から液体が漏れにくい。 Further, according to the recording apparatus of the present invention, since the bonding between the piezoelectric actuator unit for a liquid ejection head and the flow path member is good, it is difficult for the liquid to leak from the bonded portion during use.
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。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a color ink jet printer which is a recording apparatus including a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention. This color inkjet printer 1 (hereinafter referred to as printer 1) has four
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。
In the
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。
The
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。
Between the
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。
The
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。
As shown in FIG. 1, a
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。
In the vicinity of the
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。
The printing paper P sent out from the
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が設けられている液体吐出孔面４ａとなっている（図４、５および６参照）。
The four liquid discharge heads 2 are arranged close to each other along the conveyance direction by the conveyance belt 111. Each
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４ａ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、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。
Liquid droplets (ink) of the same color are ejected from the liquid ejection holes 8 provided in one
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。
The printing paper P transported by the transport belt 111 passes through the gap between the
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。
A
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。
Note that a
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は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。
Next, the head
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。
The head
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。
A
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ヘッド本体１３の長手方向に延在している。
The
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、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ユニット２１が接着されることで閉塞されている。
The
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。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the manifold 5 branches into four rows of E1-E4 sub-manifolds 5a arranged in parallel with each other in the short direction of the
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。
As a whole, the
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。
That is, when the
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。
A large number of liquid discharge holes 8 are formed in the liquid discharge surface on the lower surface of the
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。
The above-described flow channel is a flow channel that is directly related to the discharge of droplets, but the
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。
The
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。
The holes formed in each plate will be described. These holes include the following. First, the
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。
Third, there is a communication hole that constitutes a flow channel that communicates from the other end of the
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。
Such communication holes are connected to each other to form an
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。
As shown in FIG. 5, the
図６は圧電アクチュエータユニット２１の平面図である。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２５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ランドを有している。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のうち後述の接続ランド形成領域８０内に位置するものには接続ランド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、接続ランド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。
FIG. 6 is a plan view of the
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。
The above is the structure in the case where the
個別電極３５は、圧電アクチュエータユニット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。接続ランド３６が形成されているのは、圧電アクチュエータユニット２１と略相似の台形状の接続ランド形成領域８０である。圧電アクチュエータユニット２１の一方の主面の接続ランド３６が形成されていない領域である、接続ランド形成領域８０の以外の領域は、周縁領域８５であり、圧電アクチュエータユニット２１の一方の主面の周縁の領域である。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの積層体の周縁領域８５の平坦度を、接続ランド形成領域８０の平坦度より大きくすると圧電アクチュエータユニット２１を、流路部材４の平面状の面に接着剤等で接合する際に、周縁領域８５にも圧力が十分加わるようになるので、接合が良好になり、接合部からの液体の漏れを抑制できる。周縁領域８５は、圧電アクチュエータユニット２１の主面の周縁全体になくてもかまわないが、周縁全体にあると接合がより良好になる。
The
また、周縁領域８５の凹凸は、個別電極３５の形成されている一方の主面の側の凹凸が、他方の主面の凹凸よりも大きいと、流路部材４の平面状の面に接合する際に、周縁領域８５と接続ランド形成領域との境目で、圧電アクチュエータユニット２１が屈曲するように変形する度合いを少なくできるので、接合の際に圧電アクチュエータユニット２１にクラックが入るなどの不具合が起き難い。また、境目に加わる応力が少なくなるので、境目に近い変位素子５０が応力により変位特性がばらつき、吐出特性がばらつくことが生じ難くなる。これは図７に示すように、圧電アクチュエータユニット２１の、接続ランド形成領域８０における積層体の厚さの中央を通る水平線Ｐ０から、周縁領域８５の個別電極３５が形成されている側の一方の主面の最上部Ｐｕまでの距離が、水平線Ｐ０から周縁領域８５の他方の主面の最下部Ｐｌまでの距離の差が大きいということである。なお、図では、１つの断面に最上部と最下部が含まれている状態を示しているが、このようになるとはかぎらない。測定方法としては、例えば端面に沿って１ｃｍの長さの領域でその領域内のでのＰ０からＰｕの距離と、Ｐ０からＰｌの距離を測定して比較すればよい。
In addition, the unevenness of the
さらに、圧電アクチュエータユニット２１の周縁領域８５の他方の主面の最下部から接続ランド３６の最上部までの距離と、積層体の周縁領域８５における他方の主面の最下部から一方の主面の最上部までの距離とが略等しいと、流路部材４の平面状の面に接合する際に、圧力の加わり方が均等になり、より接合を良好にできる。上述の関係は、別の言い方をすれば、圧電アクチュエータユニット２１の周縁領域８５の圧電セラミミック層２１ａ、２１ｂの積層体の平坦度と、圧電アクチュエータユニット２１の接続ランド形成領域８０の圧電セラミミック層２１ａ、２１ｂの積層体の平坦度および接続ランド３６の高さの合計が略等しいということである。ここで略等しいとは差が２０％以下、好ましくは１０％以下であることを表す。
Furthermore, the distance from the lowermost part of the other principal surface of the
以上を総合して、平坦度・凹凸の値を説明する。接続ランド形成領域８０における圧電セラミミック層２１ａ、２１ｂの積層体の平坦度は１０μｍ以下、より好ましくは８μｍ以下とすることにより、接合した際に、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂが屈曲することで生じる圧電定数の変動を少なくできる。周縁領域８５における圧電セラミミック層２１ａ、２１ｂの積層体の平坦度は、２５μｍ以下で、接続ランド形成領域８０の平坦度より大きくする。周縁領域８５における平坦度と、接続ランド形成領域８０の平坦度との差は、接続ランド３６の高さと略同じにされる。
Overall, the flatness / unevenness values will be described. The flatness of the laminated body of the piezoelectric
上述のような周縁領域８５は、圧電アクチュエータユニット２１を焼成する際に、接続ランド形成領域８０の部分に重石を置き、周縁領域８５に重石を置かないことで作製できる。焼成時に、個別電極３５の形成されることになる主面を上にすることで、周縁領域８５の凹凸が個別電極３５の形成されることになる主面に大きくなるようにできる。
When the
また上述のような周縁領域８５は、焼成前に周縁領域８５の一部に圧力を加えて、その部分の収縮率小さくすることでも作成することができる。この場合、圧力を個別電極３５の形成されることになる主面と対向する対向面側から加えることにより、その面の側の収縮率が小さくなるので、周縁領域８５の凹凸が個別電極３５の形成されることになる主面に大きくなるようにできる。
Further, the
なお、個別電極３５のうち列Ａ、Ｂ、Ｃの個別電極は、その直下がダミー液体加圧室となるダミー個別電極である。このダミー個別電極から引き出される接続電極には、ダミー接続ランド６８が形成されているものと、いないものがある。引出された接続電極が、接続ランド形成領域８０に位置するものは、ダミー接続ランド６８が形成されているダミー個別電極６５であり、引出された接続電極が、周縁領域８５に位置するものは、ダミー接続ランド６８が形成されていないダミー個別電極６６である。このようにすることで、ダミー接続ランド６８ではない接続ランド３６のうちのもっとも外側の、接続ランド３６の接続状態が他の内部の接続ランド３６の接続状態と近くなり、接続が良好になる。また、また、接続ランド３６の周囲の構造が他の内部の周囲の構と近くなるので、変位素子５０の変位や吐出する際のクロストークの状態の差を少なくできる。
Note that the individual electrodes in the rows A, B, and C among the
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は図示しないビア電極で共通電極用接続電極７０に接続され、共通電極用接続電極７０は接地され、グランド電位に保持されている。共通電極用接続電極７０の直下の積層体の平坦度が、他の周縁領域８５の平坦度より小さいことにより、流路部材４の平面状の面に接合する際に、共通電極用接続電極７０の部分が強く当たり難くなり、クラックの発生などを抑制できる。またこの部分の凹凸も含めた厚さを、他の周縁領域８５の凹凸も含めた厚さにすれば、加わる応力を平均化できる。
The
図６の圧電アクチュエータユニット２１では、さらに第２ダミー接続ランド６９が設けられている。第２ダミー接続ランド６９は、個別電極３５の設けられていない部分に形成され、第２ダミー接続ランド６９と接続ランド３６とで、接続ランド３６単独の場合よりも配置の間隔が狭いマトリクス条の配置となっている。第２ダミー接続ランド６９の組成や高さなどは、接続ランド３６と同じである。このようにすることにより、流路部材４の平面状の面に接合する際に、より多くの場所で押すことにより、より圧力が均等になって、接続状態が良好になる。
In the
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。
As shown in FIG. 5, the
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（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。
As will be described later, when a predetermined drive signal is selectively supplied to the
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。
A large number of
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。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。
An example of a driving method at the time of liquid ejection of the
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。
In this configuration, when the
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（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。
In an actual driving procedure in the present embodiment, the
図２〜７で示した液体吐出ヘッドを作製し、圧電アクチュエータユニットと流路部材のとの接合状態を評価した。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を用いたスラリーを作成し、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した。 The liquid discharge head shown in FIGS. 2 to 7 was manufactured, and the bonding state between the piezoelectric actuator unit and the flow path member was evaluated. First, the piezoelectric material used for the piezoelectric ceramic layer was lead zirconate titanate (PZT), and a slurry using PZT was prepared. From this slurry, a roll coater method was adopted as a forming method to prepare a green sheet.
次いで、１枚のグリーンシートに金型打ち抜きによって、１００μｍ径の貫通孔を形成した。ついで、Ａｇ−Ｐｄ合金に対して、圧電体粉末をフィラー剤として３０体積％添加してビア導体ペーストを作製し、これをスクリーン印刷にて、グリーンシートに形成した貫通孔の内部に充填し、ビア電極を形成した。また、他のグリーンシートの表面に、Ａｇ−Ｐｄ合金を含む導体ペーストを用いたスクリーン印刷法により、共通電極となる電極パターンを形成した。 Next, through holes having a diameter of 100 μm were formed in one green sheet by punching a die. Next, 30% by volume of piezoelectric powder as a filler agent is added to the Ag—Pd alloy to prepare a via conductor paste, and this is filled in the through-hole formed in the green sheet by screen printing. A via electrode was formed. Moreover, the electrode pattern used as a common electrode was formed in the surface of the other green sheet by the screen printing method using the conductor paste containing an Ag-Pd alloy.
次いで、この２枚のグリーンシートを積層して、内部に共通電極及びビア電極を備えた積層成形体を作製した。このあと、個別電極が形成されることになる面の側から、周縁領域８５となる部分に１ｍｍ毎ピッチに凸部が形成されている金型を押し当てて圧力を加えた。その後、この積層成形体を１０２０℃の温度で焼成して圧電焼結体を作製した。得られた圧電焼結体は１層あたり約２０μｍであった。
Next, the two green sheets were laminated to produce a laminated molded body having a common electrode and a via electrode inside. After that, from the side of the surface on which the individual electrode is to be formed, pressure is applied by pressing a mold in which convex portions are formed at a pitch of 1 mm on the portion that becomes the
この圧電焼結体の表面に、スクリーン印刷により、Ａｕを主成分とする導体ペーストで、マトリックス状に個別電極（ダミー個別電極を含む）および共通電極用接続電極を形成し、さらに、ガラスフリットを含む金ペーストで接続ランド（ダミー接続ランドを含む）および第２ダミー接続ランドを形成し、しかる後に、８００℃の熱処理によって個別電極を形成した。圧電アクチュエータユニットを作製した。接続ランド形成領域の平坦度は７μｍ、周縁領域８５の平坦度１６μｍ、接続ランドの厚さ９μｍとなった。
On the surface of this piezoelectric sintered body, individual electrodes (including dummy individual electrodes) and connection electrodes for common electrodes are formed in a matrix with a conductive paste mainly composed of Au by screen printing, and glass frit is further formed. A connection land (including a dummy connection land) and a second dummy connection land were formed with the gold paste included, and then individual electrodes were formed by a heat treatment at 800 ° C. A piezoelectric actuator unit was produced. The flatness of the connection land formation region was 7 μm, the flatness of the
比較例として、焼成前に前に押圧をせずに圧電アクチュエータユニットを作製したところ、接続ランド形成領域の平坦度は７μｍ、周縁領域８５の平坦度７μｍ、接続ランドの厚さ９μｍとなった。
As a comparative example, when a piezoelectric actuator unit was manufactured without pressing before firing, the flatness of the connection land formation region was 7 μm, the flatness of the
これらをそれぞれ１００枚作製し、流路部材に積層し、さらに加工して液体吐出ヘッドを作製し、印刷を行なったところ、比較例では圧電アクチュエータユニットと流路部材との接合部からの液体の染み出しが２％みられたが、本発明の圧電アクチュエータユニットでは、０％であった。 100 sheets of each were produced, laminated on the flow path member, further processed to produce a liquid discharge head, and printing was performed. In the comparative example, liquid from the joint between the piezoelectric actuator unit and the flow path member was obtained. Exudation was 2%, but 0% in the piezoelectric actuator unit of the present invention.
１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
４ａ・・・液体吐出孔面
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・・・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
１６・・・液体吐出孔開口領域
２１・・・圧電アクチュエータユニット
２１ａ・・・圧電セラミック層（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・・・個別電極
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・接続電極
３６・・・接続ランド
５０・・・加圧部（変位素子）
６５・・・第１のダミー個別電極
６６・・・第２のダミー個別電極
６８・・・ダミー接続ランド
６９・・・第２のダミー接続ランド
７０・・・共通電極用接続電極
８０・・・接続ランド形成領域
８５・・・周縁領域
DESCRIPTION OF
21b ... Piezoelectric ceramic layer 22-31 ...
65... 1st dummy
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