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平面図であり、ヘッド本体13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(加圧室群9)、しぼり12および吐出孔8など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、圧電アクチュエータ基板21の約1/3が示されている。図示されていない反対側の約1/3は、図5で示した構造と略対称な構造をしており、中央の約1/3は、図5(a)の下側と同様の構造が続いている。図5(b)は、図5(a)と同じ部分の透視図であり、内部電極34のパターンを透視して示しており、表面にある個別電極35などは省略してある。図5(b)では、内部電極34の存在している領域が分かりやすいように、網掛けして示してある。また、図5(a)、(b)でも同様に、共通電極用表面電極37や貫通孔38や内部電極34を実線で描いている。図6は、図3のV−V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、接着して積層された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ェエータユ基板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つの加圧室群9を有している。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。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、これらの加圧室10によって形成された各加圧室群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に繋がった加圧室10は、等間隔に流路部材4の長手方向に並ぶ加圧室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から繋がる加圧室10は、等間隔に流路部材4の長手方向に並ぶ加圧室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。各加圧室列に含まれる加圧室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。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が繋がっている4つの吐出孔8、つまり全部で16個の吐出孔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基板21の上面における各加圧室10および後述のダミー加圧室に対向する位置には後述する個別電極35あるいはダミー個別電極45がそれぞれ形成されている。すなわち、個別電極35およびは、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およびダミー個別電極45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おり、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吐出孔8が形成されている。これらの吐出孔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吐出孔8から液滴が吐出できる。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加圧室が設けられている。ダミー加圧室は、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。ダミー加圧室により、加圧室10のうちの最も外側にある加圧室10の周囲の流路部材4の剛性などが、他の加圧室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。ダミー加圧室の形状は加圧室と同じであるが、他の流路に繋がってはいない。ダミー加圧室の配置は、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、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、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、加圧室10を介して副マニホールド5a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22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、加圧室10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。ディセンダは、ベースプレート23(詳細には加圧室10の出口)からノズルプレート31(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、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。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。圧電セラミック層21a、21bはそれぞれ20μm程度である。圧電アクチュエータ基板21は、流路部材4の加圧室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、ニオブ酸カリウムナトリウム系、チタン酸ビスマスナトリウム系、その他のセラミックス材料からなる。
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、内部電極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。内部電極34には、共通電極34aと、周縁電極34bとが含まれている。これらについては後で詳述する。個別電極35だけをAg系の金属材料で形成してもよい。個別電極35は上述のように圧電アクチュエータ基板21の上面における加圧室10およびダミー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をAu系導体で形成する場合、厚さは0.3〜1μmであり、個別電極35をAg系導体で形成する場合の厚さは、1〜3μmである。接続電極35b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層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極35と内部電極34が交互になるように配置してもよい。
図6に示されるように、共通電極34a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34a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、対応する吐出孔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における各加圧室10に対向する部分は、各加圧室10および吐出孔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が加圧室10毎に、加圧室10の直上に位置する振動板21a、共通電極34a、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吐出孔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。
圧電アクチェエータ基板21には、個別電極35と共通電極34aと、これらに挟まれている部分の圧電セラミック層21bとを含んでいる変位素子50が複数配置されている。平面視したとき、変位素子50は、圧電アクチェエータ基板21の中央領域21−1に配置されており、その外側の周縁領域には配置されていない。中央領域21−1は、すべての変位素子50包含し、かつ(凸多角形で)面積の小さくなる領域である。なお、図5に示されている、列A、B、C上にあるダミー個別電極45は、ダミーであり、これらは変位素子50を構成していない。一部のダミー個別電極45は、圧電アクチュエータ基板21の端にかかっていたり、共通電極用表面電極37などを形成するために、個別電極35と異なる形状になっている。また、ダミー個別電極45には、外部から駆動するための電気的配線が接続されていない。さらに、個別電極35の直下の圧電セラミック層21bが分極されているのに対して、ダミー個別電極45の直下の圧電セラミック層21bは分極されていない。
内部電極34は、圧電アクチュエータ基板21の中央部に位置し、複数の個別電極35と重なるように配置されている共通電極34aと、圧電アクチュエータ基板21の周縁部に配置されている周縁電極34bとを含んでいる。周縁電極34bは、圧電アクチュエータ基板21の外周のほぼ全体において、圧電アクチュエータ基板21の周縁部における圧電アクチュエータ基板21の端面側の端にまで達している。そして、共通電極34aと周縁電極34bとは電気的に分離されている。すなわち、共通電極34aと周縁電極34bとは、導体のパターンで接続されていない。これにより、圧電アクチュエータ基板21の端面に露出している内部電極34である周縁電極34bが、他の導電性の部位と接続してしまうことがあっても、変位素子50の駆動に影響を与えることはほとんどなくなる。
ただ単に共通電極34aを外部に露出させないだけであれば、共通電極34aを圧電アクチュエータ基板21より小さいパターン、例えば、個別電極35と重なるように中央領域21−1と同形状のパターンで形成すればよいだけであるが、そのようにすると、圧電アクチュエータ基板21の周縁部のそりや変形が大きくなってしまう。具体的には、内部電極34(共通電極34a)が存在する部分と存在しない部分では、圧電アクチュエータ基板21の平面方向の焼成収縮率が異なるので、その差により、圧電アクチュエータ基板21がそったり、周縁部が変形したりしてしまう。そのような圧電アクチュエータ基板21を、流路部材4に積層すると、周縁部近くの変位素子50の変位量のばらつきが大きくなりおそれがある上、そりや変形が大きければ、圧電アクチュエータ基板21が割れたり、加圧室10を覆うことができなくなるので、液体吐出ヘッド2を作製することができない。
これに対して、共通電極34aを、圧電アクチュエータ基板21に対してわずかに小さいパターンにすることが考えられる。しかし、大きさの差が小さければ、製造ばらつきな
どで共通電極34aが圧電アクチュエータ基板の端面で、外部に露出してしまうおそれがある。製造ばらつきなど考慮して大きさの差をある程度大きくすれば、露出する可能性を減らすことができるが、製造ばらつきなどで、周縁部における内部電極34(共通電極34a)が形成されていない部分の幅のばらつきは生じる。もともと、周縁部は、焼成でそりや変形が生じやすい部位なので、内部電極34(共通電極34a)のない部分の幅がばらつくと、そりや変形のばらつきが大きくなる。より正確に言えば、各圧電アクチュエータ基板21におけるそりや変形量の絶対値は比較的小さくなるが、多数の圧電アクチュエータ基板21を作製した場合において、複数の圧電アクチュエータ基板21間での、そりや変形量の差が大きくなる。
以上まとめると、共通電極34aの大きさを、圧電アクチュエータ基板21に対して大幅に小さいくすると、圧電アクチュエータ基板21のそりや変形量の絶対値が大きくなってしまい、圧電アクチュエータ基板21よりわずかに小さくすると、共通電極34aが露出するおそれがある上、複数の圧電アクチュエータ基板21間での、そりや変形量の差が大きくなってしまう。
そこで、上述のように共通電極34aの周囲に、周縁電極34bを配置し、周縁電極34bは、圧電アクチュエータ基板21の外周のほぼ全体において、周縁部における圧電アクチュエータ基板21の端面側の端にまで達している配置にする。
なお、ここで、外周のほぼ全体において、周縁部における圧電アクチュエータ基板21の端面側の端にまで達しているとは、外周の長さの90%以上において、周縁電極34bが周縁部における圧電アクチュエータ基板21の端面側の端にまで達していることを言う。この割合は、さらに95%であるのが好ましく、特に100%であるのが好ましい。このようにすることで、周縁部の反りや変形を小さくできる。なお、周縁部における圧電アクチュエータ基板21の端面側の端にまで達している周縁電極34bは、端面で外部に露出している状態となる。しかし、必ずしも完全に端面にまで達しているとは限らず、焼成過程における、圧電セラミック層21a、21bと周縁電極34bとの収縮挙動の差や、熱膨張係数差の影響で、周縁電極34bが端面より数μm程度内側に入り込んだ状態になっていることもある。ここでは、このような状態を含めて、周縁電極34bが端面で外部に露出しているとしている。
共通電極34aと周縁電極34bとの間の離間距離は、異物や、印刷パターンのにじみ、ずれなどによるショートが起き難いように、50μm以上、さらに100μm以上にするのが好ましい。また、離間距離が大きくなると、その部分に内部電極34が存在しないことによる変形が大きくなるので、離間距離は2000μm以下、さらに1000μm以下、特に500μm以下にするのが好ましい。圧電アクチュエータ基板21内で、離間距離をほぼ一定にすれば、その部分に内部電極34が存在しないことにより生じる変形の量が大きくなる部分が生じないので好ましい。具体的には、最大離間距離に対する最小離間距離の割合を50%以上、さらに80%以上にする。
また、共通電極34aと周縁電極34bとの間が離れているため、その部分の圧電アクチュエータ基板21の厚さは、共通電極34aや周縁電極34bがある部分より薄くなる。これにより、圧電アクチュエータ基板21の両面に、中央領域21−1を取り囲むように凹部が形成される。圧電セラミック層21a側の凹部は、流路部材4と接着積層する際に、接着剤が溜まる部分となるので、圧電アクチュエータ基板21が端面から剥がれにくくなる。また、接着剤が圧電アクチュエータ基板21から外側にはみ出し難くできる。また、圧電アクチュエータ基板21と流路部材4との接着を凹部に囲まれた内側に中央領域21−1だけで行なってもよい。そのようにすると、周縁部のそりや変形のある部位による影響が、中央領域21−1での接着に影響を与え難くなるので、安定した接着ができる
。
共通電極34aは、加圧室10を加圧するために変位する個別電極本体35aと重なるように配置される。これにより各変位素子50は、個別電極本体35aの直下の圧電セラミック層21bの圧電変形により変位する。ところで、中央領域21−1の最も外側に位置する個別電極35aに電圧を供給する接続電極35bの一部は、中央領域21−1の外側に向かっている。接続電極35bの直下の圧電セラミック層21bは電圧が加わることで圧電変形するが、この変形は、加圧室10を加圧に寄与しないだけでなく、逆に加圧を阻害したり、クロストークで周囲の変位素子50に影響を与えるの。したがって、本来は、接続電極35bの直下の圧電セラミック層21bは圧電変形しない方が好ましいのであるが、中央領域21−1のさらに中央にある変位素子50がこの圧電変形の影響を受けながら変位しているのに対して、中央領域21−1の最も外側に位置する変位素子50がこの圧電変形の影響を受けないとすると、それらの変位素子50の間で、変位量などに差が生じてしまう。そこでは、共通電極34aを、すべての個別電極本体35aと重なるだけでなく、すべての接続電極35bと重なるように配置することで、上述の差を小さくできる。
共通電極34aは、内部電極34であるので、圧電アクチュエータ基板21の表面で外部と電気的に接続するために、圧電セラミック層21bを貫通している貫通電極38を設けるが好ましい。貫通電極38を中央領域21−1に配置すると変位素子50の配置できる面積が減る上、周囲と異なった構造になるので、変位特性に影響をあたえるおそれがある。そのため、貫通電極38は、中央領域21−1の外側で近接した位置に配置し、貫通電極38と共通電極34aとを電気的に接続するようにすればよい。共通電極34aには、中央領域21−1から突出した突出部34aaを設け、突出部34aaと貫通電極38とが重なるようにすればよい。
また、周縁電極34bと共通電極34aとが何らかの原因でショートしていないか確認できるように、周縁電極34bと重なる位置の圧電セラミック層21bに、第2の貫通電極(図示せず)を設けてもよい。
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34a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34a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、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、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34a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34a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34a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、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、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が加圧室10側へ凸となるように変形し、加圧室10の容積減少により加圧室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、加圧室10内において圧力波がマニホールド5から吐出孔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、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、貫通孔となる孔を、パンチングやレーザーで開ける。また、グリーンシートの一部には、その表面に内部電極34となる電極ペーストを印刷等により形成する。内部電極34は、共通電極34aと、周縁電極34とに分けられたパターンで印刷される。
ついで、各グリーンシートを積層した後、加圧して、密着させて積層素体を作製する。積層素体を圧電アクチュエータ基板21の形状に切断して積層体を作製する。このとき、積層体の端面には、周縁電極34aとなる導体パターンが露出しており、共通電極34aとなる導体パターンは露出していない。なお、切断の際に、周縁電極34aとなる導体パターンの一部がこすれて、圧電セラミック層21a、21bの端面に付着てしまうことがある。さらに、後でこの付着物により、流路部材4と周縁導体34bとがショートすることもあるが、そのようになっても、周縁導体34bと共通電極34aとが電気的に接続されていないので、変位素子50の駆動にほとんど影響を与えない。ついで、この積層体を、高濃度酸素雰囲気下で焼成して、圧電アクチュエータ素体を作製する。
その後、Agペーストを用いて圧電アクチュエータ素体の表面に個別電極35および共通電極用表面電極37を印刷した後、圧電アクチュエータ素体の焼成温度より低い、例えば650℃で焼成する。印刷の際、Agペーストの一部は、貫通孔に入り込む。そして、焼成により、電極用表面電極37は、貫通孔に入り込んで貫通電極38となった部位を通じて共通電極34aと電気的に接続される。
次に、流路部材4を、圧延法等により得られプレート22〜31を、接着層を介して積層して作製する。プレート22〜31に、マニホールド5、個別供給流路6、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。
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基板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、圧電アクチュエー
タ基板21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。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基板21と流路部材4とを加熱接合することができる。