<第1実施形態>
先ず、図1を参照し、本発明の第1実施形態に係るヘッド3を含むプリンタ1の全体構成について説明する。
なお、以下の説明において、Z方向は鉛直方向であり、X方向及びY方向は水平方向である。X方向及びY方向は共にZ方向と直交する。X方向はY方向と直交する。X方向は第1方向、Y方向は第2方向、Z方向は第3方向に相当する。
プリンタ1は、ヘッド3、キャリッジ2及び2つの搬送ローラ対4を備えている。
キャリッジ2は、Y方向に延びる2本のガイドレール5に支持され、ガイドレール5に沿ってY方向に移動可能である。
ヘッド3は、シリアル式であって、キャリッジ2に搭載され、キャリッジ2と共にY方向に移動可能である。ヘッド3の下面(Z方向において下方を向く面)には、32個の吐出口15xが開口している。ヘッド3の下面は、32個の吐出口15xを画定する吐出面34xである(図4参照)。吐出面34xは、X方向及びY方向に平行で、Z方向と直交する。
2つの搬送ローラ対4は、X方向にキャリッジ2を挟んで配置されている。搬送ローラ対4が用紙Pを挟持した状態で回転することで、用紙PがX方向に沿った搬送方向に搬送される。
プリンタ1の制御部(図示略)は、キャリッジ2と共にヘッド3をY方向に移動させながら吐出口15xからインクを吐出させる吐出動作と、搬送ローラ対4によって用紙Pを搬送方向に所定量搬送する搬送動作とを、交互に行わせる。これにより、用紙Pに画像が記録される。
次に、図2~図5を参照し、ヘッド3の構成について説明する。
ヘッド3は、図2に示すように、流路ユニット21、圧電アクチュエータ22及びCOF(Chip On Film)23を有する。
流路ユニット21は、X方向の一端21a及びX方向の他端21bが共にY方向に平行であり、Y方向の一端21c及びY方向の他端21dが共にX方向に平行である。圧電アクチュエータ22は、X方向の一端22a及びX方向の他端22bが共にY方向に平行であり、Y方向の一端22c及びY方向の他端22dが共にX方向に平行である。つまり、流路ユニット21及び圧電アクチュエータ22は、共に、Z方向から見て略矩形である。流路ユニット21は、Z方向から見て圧電アクチュエータ22よりも一回り大きいサイズを有する。
流路ユニット21は、図4に示すように、Z方向に積層された4枚のプレート31~34を有する。
プレート31には、32個の圧力室10が形成されている。32個の圧力室10は、それぞれ、図2に示すように、Z方向から見て略矩形であり、Y方向の長さがX方向の長さよりも長い。32個の圧力室10は、4つの圧力室列9を形成している。4つの圧力室列9は、それぞれ、X方向に延び、8個の圧力室10で構成されている。4つの圧力室列9のそれぞれにおいて、8個の圧力室10は、X方向に等間隔で配置されている。4つの圧力室列9は、Y方向に並んでいる。
プレート32には、図4に示すように、圧力室10毎に、貫通孔12,13が形成されている。貫通孔12,13は、それぞれ、対応する圧力室10のY方向の一端10c及びY方向の他端10dとZ方向に重なっている。ここで、インクは、貫通孔12をZ方向に流れ、圧力室10をY方向に流れる。貫通孔12におけるZ方向と直交する断面積は、圧力室10におけるY方向と直交する断面積よりも小さい。したがって、貫通孔12は絞り流路として機能する。
プレート33には、貫通孔13毎に、貫通孔14が形成されている。貫通孔14は、対応する貫通孔13とZ方向に重なっている。
プレート33には、さらに、4本のマニホールド流路11が形成されている。4本のマニホールド流路11は、図2に示すように、4つの圧力室列9のそれぞれに対応する。各マニホールド流路11は、X方向に延び、対応する圧力室列9の8個の圧力室10とZ方向に重なる部分を有する。
プレート31の上面において、圧電アクチュエータ22が配置されない領域に、4つのインク供給口8が形成されている。4つのインク供給口8は、それぞれ、4本のマニホールド流路11のX方向の一端(図2の下端)と、Z方向に重なる位置にある。4つのインク供給口8から、4本のマニホールド流路11のそれぞれに、インクが供給される。
プレート34には、32個のノズル15が形成されている。32個のノズル15は、それぞれ、貫通孔14とZ方向に重なっている。プレート34の下面(吐出面34x)に開口したノズル15の開口が、吐出口15xに相当する。
4つのマニホールド流路11は、それぞれ、対応する圧力室列9の8個の圧力室10と、貫通孔12を介して連通している。圧力室10は、それぞれ、ノズル15の吐出口15xと、貫通孔13、14を介して連通している。
圧電アクチュエータ22は、図4に示すように、Z方向において流路ユニット21に積層され、プレート31の上面に配置されている。
圧電アクチュエータ22は、圧電体40、インク分離層44、32個の駆動電極51、高電位電極52及び低電位電極53を有する。
圧電体40は、Z方向に積層された3つの圧電層41~43を有する。圧電層41~43及びインク分離層44は、X方向及びY方向に沿った平面において互いに同じ形状及びサイズを有し、図2に示すようにZ方向から見て略矩形の圧電アクチュエータ22の外形を画定している。
インク分離層44は、図4に示すように、プレート31の上面に配置され、プレート31に形成された全ての圧力室10を覆っている。インク分離層44は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料、合成樹脂材料等からなる。
圧電層43は、インク分離層44の上面に配置されている。圧電層42は、圧電層43の上面に配置されている。圧電層41は、圧電層42の上面に配置されている。圧電層41~43は、それぞれ、Z方向においてインク分離層44と重なっている。圧電層41~43は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料からなる。
32個の駆動電極51と、高電位電極52と、低電位電極53とは、Z方向の位置が互いに異なっている。具体的には、Z方向において上から順に、32個の駆動電極51、高電位電極52及び低電位電極53が配置されている。32個の駆動電極51は、高電位電極52及び低電位電極53よりも、Z方向において圧力室10から離隔している。高電位電極52は、低電位電極53よりも、Z方向において圧力室10から離隔している。高電位電極52及び低電位電極53は、それぞれ、Z方向において32個の駆動電極51から離隔している。
なお、本実施形態は、流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間の位置ズレが生じていない状態であり、以下に述べる圧電アクチュエータ22の電極や活性部と流路ユニット21の圧力室10との位置関係は、位置ズレが無い場合のものである。
32個の駆動電極51は、図2に示すように、圧電層41の上面に、プレート31に形成された圧力室10のそれぞれに対応して設けられている。32個の駆動電極51は、それぞれ、主部51aと、突出部51bとを有する。主部51aは、Z方向から見て略矩形の部分であり、対応する圧力室10の略全域とZ方向に重なっている。主部51aのX方向の長さは、対応する圧力室10のX方向の長さよりも短い。突出部51bは、主部51aからY方向に突出した部分であり、対応する圧力室10とZ方向に重なっていない。32個の駆動電極51において、突出部51bの突出方向は互いに同じである。突出部51bには、COF23の配線と電気的に接続される接点が設けられている。
COF23に実装されたドライバIC24は、COF23の配線を介して、32個の駆動電極51に対して個別に、高電位(VDD電位)及び低電位(GND電位)のいずれかを付与する。
高電位電極52は、図4に示すように、圧電層42の上面に形成され、Z方向において圧電層41と圧電層42との間に配置されている。
高電位電極52は、図3(b)に示すように、32個の個別部52a、4つの接続部52b、接続部52c及び引出部52dを有する。32個の個別部52aは、プレート31に形成された圧力室10のそれぞれのX方向の中央部と、Z方向に重なっている。4つの接続部52bは、4つの圧力室列9のそれぞれに対応する。各接続部52bは、X方向に延び、当該圧力室列9の8個の圧力室10のそれぞれに対応する個別部52aのY方向の一端(図3(b)の右端)同士を接続している。接続部52cは、Y方向に延び、4つの接続部52bのX方向の一端(図3(b)の下端)同士を接続している。引出部52dは、接続部52cのY方向の他端(図3(b)の左端)から、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22aからX方向の他端22bに向けて、引き出されている。引出部52dが接続部52cから延びる方向は、4つの接続部52bが接続部52cから延びる方向と同じである。引出部52dは、圧電層41に形成された貫通孔41x(図3(a)参照)を介して、表面電極72と接続されている。表面電極72は、圧電層41の上面に、引出部52dとZ方向に重なるように配置されている。表面電極72は、COF23の配線と電気的に接続されている。
ドライバIC24は、COF23の配線を介して、高電位電極52に高電位(VDD電位)を付与する。
低電位電極53は、図4に示すように、圧電層43の上面に形成され、Z方向において圧電層42と圧電層43との間に配置されている。
低電位電極53は、図3(c)に示すように、32個の個別部53a、4つの接続部53b、接続部53c及び引出部53dを有する。X方向に互いに隣接する2つの圧力室10の間に、個別部53aが配置されている。さらに、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22aと、一端22aにX方向に隣接する圧力室10との間に、個別部53aが配置されている。32個の個別部53aのうち、X方向の一端(図3(c)の下端)に位置する4つの個別部53aを除く個別部53aは、それぞれ、X方向に互いに隣接する2つの圧力室10に跨り、当該2つの圧力室10とZ方向に重なる部分を有する。上記4つの個別部53aは、それぞれ、一端22aにX方向に隣接する4つの圧力室10と、Z方向に重なる部分を有する。4つの接続部53bは、4つの圧力室列9のそれぞれに対応する。各接続部53bは、X方向に延び、当該圧力室列9の8個の圧力室10のそれぞれに対応する個別部53aのY方向の他端(図3(c)の左端)同士を接続している。接続部53cは、Y方向に延び、4つの接続部53bのX方向の他端(図3(c)の上端)同士を接続している。接続部53cは、他端22bにX方向に隣接する4つの圧力室10のそれぞれと、Z方向に重なる部分を有する。引出部53dは、接続部53cのY方向の他端(図3(c)の左端)から、圧電アクチュエータ22のX方向の他端22bからX方向の一端22aに向けて、引き出されている。引出部53dが接続部53cから延びる方向は、4つの接続部53bが接続部53cから延びる方向と同じである。引出部53dは、圧電層41に形成された貫通孔41y(図3(a)参照)及び圧電層42に形成された貫通孔42y(図3(b)参照)を介して、表面電極73と接続されている。表面電極73は、圧電層41の上面に、引出部53dとZ方向に重なるように配置されている。表面電極73は、COF23の配線と電気的に接続されている。
ドライバIC24は、COF23の配線を介して、低電位電極53に低電位(GND電位)を付与する。
以上のような電極51~53の配置により、32個の駆動電極51のうち、X方向の他端(図3(a)の上端)に位置する4つの駆動電極51を除く駆動電極51は、それぞれ、図5に示すように、主部51aのX方向の中央部において、高電位電極52の個別部52aとZ方向に重なり、主部51aのX方向の両端部において、低電位電極53の個別部53aとZ方向に重なっている。上記4つの駆動電極51は、それぞれ、主部51aのX方向の中央部において、高電位電極52の個別部52aとZ方向に重なり、主部51aのX方向の一端において、低電位電極53の個別部53aとZ方向に重なり、主部51aのX方向の他端において、低電位電極53の接続部53cとZ方向に重なっている。
圧電層41のうち、Z方向において駆動電極51と高電位電極52とに挟まれた部分を、「第1活性部61」という。圧電層42,43のうち、Z方向において駆動電極51と低電位電極53とに挟まれた部分を、「第2活性部62,63」という。第1活性部61は主に上向きに分極され、第2活性部62,63は主に下向きに分極されている。
本実施形態において、駆動電極51が「第1電極」、高電位電極52が「第2電極」、低電位電極53が「第3電極」に該当する。第1活性部61が「第1部分」、第2活性部62が「第2部分」、第2活性部63が「第3部分」に該当する。
圧電アクチュエータ22は、圧力室10毎に、1つの第1活性部61と2つの第2活性部62,63とから構成されるアクチュエータ部60を有する。ここで、第2活性部62,63は、クロストークを抑制する機能を有する。クロストークとは、ある圧力室10におけるアクチュエータ部60の変形に伴う圧力変動が、当該圧力室10にX方向に隣接する別の圧力室10に伝わる現象をいう。
なお、本実施形態は、上記のとおり流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間の位置ズレが生じていない状態であり、32個の圧力室10のそれぞれに対し、X方向において第1活性部61の中央61cが圧力室10の中央と同じ位置にある。
図5は、X方向に互いに隣接する2つの圧力室10と、当該2つの圧力室10のそれぞれに対応する2つのアクチュエータ部60の活性部61~63とを通る、X方向及びZ方向に沿った断面である。
以下、図5の左方のアクチュエータ部60及び圧力室10を参照し、1つのアクチュエータ部60における活性部61~63間の位置関係、1つのアクチュエータ部60の活性部61~63とこれに対応する1つの圧力室10との位置関係等について説明する。
第2活性部62,63は、X方向において互いに離隔し、第1活性部61のX方向の中央61cを通るZ方向に沿った軸に関して対称に配置されている。第1活性部61は、X方向において第2活性部62,63の間に配置され、第2活性部62,63のそれぞれとX方向に隣接している。
第1活性部61は、Z方向において圧力室10と重なる部分を有する。具体的には、第1活性部61は、圧力室10のX方向の中央部と、Z方向に重なっている。
第2活性部62,63は、それぞれ、その全体が、Z方向において圧力室10と重なっている。第2活性部62,63は、X方向において、圧力室10のX方向の一端10a(図5の左端)と他端10b(図5の右端)との間に位置する。他端10bは、X方向において、一端10aと、圧電アクチュエータ22のX方向の他端22b(図3参照)との間に位置する。
圧力室10及び活性部61~63のX方向の端部間の位置関係は、以下のとおりである。
第1活性部61のX方向の一端61a及び他端61bは、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する。他端61bは、X方向において、一端61aと、圧電アクチュエータ22のX方向の他端22bとの間に位置する。
第2活性部62のX方向の一端62a及び他端62bは、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する。他端62bは、X方向において、一端62aと、圧電アクチュエータ22のX方向の他端22bとの間に位置する。
第2活性部63のX方向の一端63a及び他端63bは、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する。他端63bは、X方向において、一端63aと、圧電アクチュエータ22のX方向の他端22bとの間に位置する。
第1活性部61のX方向の一端61aは、第2活性部62のX方向の他端62bと、X方向において一致している。第1活性部61のX方向の他端61bは、第3活性部63のX方向の一端63aと、X方向において一致している。
本実施形態では、上記のとおり、第2活性部62,63が中央61cを通るZ方向に沿った軸に関して対称に配置されており、かつ、流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間の位置ズレが生じていない。したがって、圧力室10のX方向の一端10aから第2活性部62のX方向の一端62aまでのX方向の距離d2、及び、第2活性部63のX方向の他端63bから圧力室10のX方向の他端10bまでのX方向の距離d3は、互いに同じである。
第2活性部62のX方向の一端62aから第1活性部61のX方向の中央61cまでのX方向の距離d4、及び、中央61cから第2活性部63のX方向の他端63bまでのX方向の距離d5は、圧力室10のX方向の一端10aから他端10bまでのX方向の距離(即ち、圧力室10のX方向の長さ)Dの半分よりも短い。第2活性部62,63が中央61cを通るZ方向に沿った軸に関して対称に配置されていることから、距離d4,d5は互いに同じである。
第2活性部62のX方向の一端62aから第2活性部63のX方向の他端63bまでのX方向の距離(d4+d5)は、距離Dよりも短い。
距離(d4+d5)は、例えば距離Dが350μm、第1活性部61のX方向の長さが220μmである場合、距離Dから20μmを減じた長さ以上、かつ、距離Dから10μmを減じた長さ以下であることが好ましい。即ち、距離d2,d3は、5μm以上、かつ、10μm以下であることが好ましい。この場合、圧電アクチュエータ22の寸法ばらつきと、流路ユニット21に圧電アクチュエータ22を積層する際のX方向の位置ズレとに鑑みて、位置ズレが生じた場合に「第2活性部62のX方向の一端62aが、X方向において、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22aと圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置し、かつ、第2活性部63のX方向の一端63a及び他端63bが、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する」という要件や、「第2活性部62のX方向の一端62aが、X方向において、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22aと圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置し、かつ、第1活性部61のX方向の中央61cが、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと中央10eとの間に位置し、第2活性部62のX方向の一端62aから圧力室10のX方向の一端10aまでのX方向の距離d6が、第1活性部61のX方向の中央61cから圧力室10のX方向の中央10eまでのX方向の距離d7以下である」という要件を満たし易い。
次に、図6を参照し、ある吐出口15xからインクを吐出させる際の、当該吐出口15xに対応するアクチュエータ部60の動作について説明する。
プリンタ1が記録動作を開始する前は、図6(a)に示すように、32個の駆動電極51に低電位(GND電位)が付与されている。このとき、32個のアクチュエータ部60のそれぞれにおいて、駆動電極51と高電位電極52との電位差によって、第1活性部61にその分極方向に等しい上向きの電界が生じ、第1活性部61が面方向(X方向及びY方向に沿った方向)に収縮している。これにより、圧電体40及びインク分離層44からなる積層体における圧力室10とZ方向に重なる部分が、圧力室10に向かって(下向きに)凸となるように撓んでいる。このとき圧力室10は、上記積層体がフラットな場合と比べ、容積が小さくなっている。
プリンタ1が記録動作を開始し、ある吐出口15xからインクが吐出させる際には、先ず、図6(b)に示すように、当該吐出口15xに対応する駆動電極51の電位が低電位(GND電位)から高電位(VDD電位)に切り替えられる。このとき、当該アクチュエータ部60において、駆動電極51と高電位電極52との電位差がなくなることで、第1活性部61の収縮が解消される。一方、駆動電極51と低電位電極53との電位差が生じることで、第2活性部62,63にその分極方向に等しい下向きの電界が生じ、第2活性部62,63が面方向に収縮する。ただし、第2活性部62,63は、上記のとおりクロストーク抑制機能を有するものであり、流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間の位置ズレが無い場合、アクチュエータ部60の変形にほとんど寄与しない。つまり、このとき上記積層体は、圧力室10とZ方向に重なる部分が圧力室10から離れる方向に(上向きに)凸となるように撓まず、フラットな状態となる。これにより、圧力室10の容積は、図6(a)に比べて大きくなる。
その後、図6(a)に示すように、当該吐出口15xに対応する駆動電極51の電位が高電位(VDD電位)から低電位(GND電位)に切り替えられる。このとき、当該アクチュエータ部60において、駆動電極51と低電位電極53との電位差がなくなることで、第2活性部62,63の収縮が解消される。一方、駆動電極51と高電位電極52との電位差が生じることで、第1活性部61にその分極方向に等しい上向きの電界が生じ、第1活性部61が面方向に収縮する。これにより、上記積層体における圧力室10とZ方向に重なる部分が、圧力室10に向かって(下向きに)凸となるように撓む。このとき、圧力室10の容積が大きく減少することで、圧力室10内のインクに大きな圧力が付与され、吐出口15xからインクが吐出される。
図6は、流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間の位置ズレが無い場合における、1つのアクチュエータ部60の動作を説明する図である。一方、例えば図7に示すようにX方向の位置ズレが生じた場合、1つのアクチュエータ部60の変形量はある程度低下する。
図7では、第2活性部62が、圧力室10とZ方向に重なる部分と、圧力室10とZ方向に重ならない部分とを含む。第2活性部62のX方向の一端62aは、X方向において、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22aと圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置する。
第2活性部63は、図6と同様、その全体がZ方向において圧力室10と重なっている。しかし図6に比べ、第2活性部63は、圧力室10のX方向の中央10eに近い位置にある。即ち、第2活性部63のX方向の他端63bから圧力室10のX方向の他端10bまでのX方向の距離d3が、図6に比べて長くなっている。
ただし、このようにX方向の位置ズレが生じた場合でも、距離(d4+d5)が距離Dよりも短いという要件や、距離d4,d5が距離Dの半分よりも短いという要件は、維持されている。
またこのとき、第1活性部61のX方向の中央61cは、圧力室10のX方向の中央10eと一致しておらず、X方向において圧力室10のX方向の一端10aと中央10eとの間に位置する。第2活性部62のX方向の一端62aから圧力室10のX方向の一端10aまでのX方向の距離d6は、第1活性部61のX方向の中央61cから圧力室10のX方向の中央10eまでのX方向の距離d7以下である。
図7の例でも、図6と同様、駆動電極51の電位の変化に応じて、第1活性部61の収縮(図7(a))と、第2活性部62,63の収縮(図7(b))とが順次生じる。しかし、位置ズレが無い場合(図6)に比べ、第1活性部61の収縮によるアクチュエータ部60の下向きに凸となるように撓む変形の変形量が小さくなり、第2活性部62の収縮によるアクチュエータ部60の上向きに凸となるように撓む変形の変形量が大きくなる。つまり、X方向の位置ズレが有る場合の1つのアクチュエータ部60の変形量は、第1活性部61の収縮によるアクチュエータ部60の変形量が小さくなることで、位置ズレが無い場合の1つのアクチュエータ部60の変形量よりも低下するが、第2活性部62の収縮によるアクチュエータ部60の変形量が大きくなることで(図7(b)参照)、1つのアクチュエータ部60全体としての変形量の低下が抑制される。
即ち、本実施形態によれば、位置ズレが無い状態において、第2活性部62,63それぞれの全体がZ方向において圧力室10と重なる(図6)という要件を満たすことで、上記要件を満たさない場合(例えば、第2活性部62,63それぞれが圧力室10とZ方向に重なる部分と重ならない部分とを有する場合)に比べ、位置ズレが無い場合のアクチュエータ部60の変形量を敢えて小さくしている。そして、X方向の位置ズレが生じて、「第2活性部62のX方向の一端62aが、X方向において、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22a(図3参照)と圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置し、かつ、第2活性部63のX方向の一端63a及び他端63bが、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する」という要件や、「第2活性部62のX方向の一端62aが、X方向において、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22a(図3参照)と圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置し、かつ、第1活性部61のX方向の中央61cが、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと中央10eとの間に位置し、第2活性部62のX方向の一端62aから圧力室10のX方向の一端10aまでのX方向の距離d6が、第1活性部61のX方向の中央61cから圧力室10のX方向の中央10eまでのX方向の距離d7以下である」という要件を満たす状態になった場合に(図7)、第2活性部62の収縮によるアクチュエータ部60の変形量が大きくなり、1つのアクチュエータ部60全体としての変形量の低下が抑えられる。つまり、上記要件を満たすことで、X方向の位置ズレによるアクチュエータ部60の変形量の低下を抑制できる。
距離(d4+d5:第1距離)は、距離D(第2距離)以下であることが好ましく、さらに、距離Dから10μmを減じた長さ以下であることがより好ましい。これらの場合、「第2活性部63のX方向の一端63a及び他端63bが、X方向において、圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する」という要件を確実に満たすことができる。
距離(d4+d5:第1距離)は、距離D(第2距離)から20μmを減じた長さ以上であることが好ましい。この場合、X方向の位置ズレが生じた場合に「第2活性部62のX方向の一端62aが、X方向において、圧電アクチュエータ22のX方向の一端22aと圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置する」という要件を確実に満たすことができる。
本実施形態において、図5の左方の圧力室10に対して設けられた駆動電極51、高電位電極52、低電位電極53、第1活性部61、第2活性部62、第2活性部63がそれぞれ「第1電極」「第2電極」「第3電極」「第1部分」「第2部分」「第3部分」に該当する。図5の右方の圧力室10に対して設けられた駆動電極51、高電位電極52、低電位電極53、第1活性部61、第2活性部62、第2活性部63がそれぞれ「第4電極」「第5電極」「第6電極」「第4部分」「第5部分」「第6部分」に該当する。図7のようなX方向の位置ズレが生じた場合、図5の右方の圧力室10に対して設けられた第2活性部62のX方向の一端62aは、X方向において、図5の左方の圧力室10に対して設けられた第2活性部63と図5の右方の圧力室10のX方向の一端10aとの間に位置する。またこのとき、図5の右方の圧力室10に対して設けられた第2活性部63のX方向の一端63a及び他端63bは、X方向において、図5の右方の圧力室10のX方向の一端10aと他端10bとの間に位置する。ここで、図5の左方の圧力室10のX方向の他端10bから、図5の右方の圧力室10のX方向の一端10aまでのX方向の距離Wは、例えば距離Dが350μm、第1活性部61のX方向の長さが220μmである場合、160μm以下であることが好ましい。この場合、上記各要件の実現と共に、圧力室10の高密度配置が実現される。
32個の駆動電極51は、高電位電極52及び低電位電極53よりも、Z方向において圧力室10から離隔している。高電位電極52は、低電位電極53よりも、Z方向において圧力室10から離隔している。このような電極配置により、活性部61~63の形成が容易になる。
距離Dは、340μmを超えることが好ましい。この場合、位置ズレが無い状態において、第2活性部62,63それぞれの全体がZ方向において圧力室10と重なる(図6)ことを、容易に実現できる。
<第2実施形態>
続いて、図8及び図9を参照し、本発明の第2実施形態に係るヘッドについて説明する。本実施形態は、32個の駆動電極251の主部251aの構成が、第1実施形態と異なる。
本実施形態において、32個の駆動電極251の主部251aは、それぞれ、図8に示すように、Y方向に並ぶ幅広部254と幅狭部255とを有する。幅狭部255は、Y方向において幅広部254と突出部51bとの間に配置されている。幅広部254の幅(X方向の長さ)は、幅狭部255の幅よりも大きい。幅広部254のX方向の中央と、幅狭部255のX方向の中央とは、X方向において一致している。したがって、各主部251aは、Z方向から見て凸形状となっている。
このような駆動電極251の構成により、本実施形態では、図9(a)に示すように、1つのアクチュエータ部60において、第2活性部62,63が、それぞれ、Z方向において幅広部254と低電位電極53とに挟まれた部分62x,63x、及び、Z方向において幅狭部255と低電位電極53とに挟まれた部分62y,63yを含む。部分62xの幅は部分62yの幅よりも大きい。部分63xの幅は部分63yの幅よりも大きい。部分62xの幅は部分63xの幅と同じである。部分62yの幅は部分63yの幅と同じである。
部分62x,63xを通るX方向及びZ方向に沿った断面における、第2活性部62のX方向の一端62aから第2活性部63のX方向の他端63bまでのX方向の距離(d4+d5)は、部分62y,63yを通るX方向及びZ方向に沿った断面における、第2活性部62のX方向の一端62aから第2活性部63のX方向の他端63bまでのX方向の距離(d4’+d5’)よりも長い。距離(d4+d5)及び距離(d4’+d5’)は、当該アクチュエータ部60に対応する圧力室10のX方向の一端10aから他端10bまでのX方向の距離Dよりも短い。
図9(a)に示すように、流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間で位置ズレが生じていない場合は、部分62x,63xを通るX方向及びZ方向に沿った断面において、圧力室10のX方向の一端10aから第2活性部62のX方向の一端62aまでのX方向の距離d2、及び、第2活性部63のX方向の他端63bから圧力室10のX方向の他端10bまでのX方向の距離d3は、互いに同じである。また、部分62y,63yを通るX方向及びZ方向に沿った断面において、圧力室10のX方向の一端10aから第2活性部62のX方向の一端62aまでのX方向の距離d2’、及び、第2活性部63のX方向の他端63bから圧力室10のX方向の他端10bまでのX方向の距離d3’は、互いに同じである。距離d2,d3は、距離d2’,d3’よりも短い。
部分62x,63xを通るX方向及びZ方向に沿った断面において、一端62aから第1活性部61におけるX方向の中央61cまでのX方向の距離d4、及び、中央61cから他端63bまでのX方向の距離d5は、互いに同じ長さであり、距離Dの半分よりも短い。部分62y,63yを通るX方向及びZ方向に沿った断面において、一端62aから中央61cまでのX方向の距離d4’、及び、中央61cから他端63bまでのX方向の距離d5’は、互いに同じ長さであり、距離Dの半分よりも短い。距離d4,d5は、距離d4’,d4’よりも長い。
一方、例えば図9(b)に示すように、流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間で、Z方向に沿った軸Oを中心とする回転方向の位置ズレが生じた場合、1つのアクチュエータ部60の活性部61~63とこれに対応する1つの圧力室10との間において、距離(d4+d5)及び距離(d4’+d5’)が距離Dよりも短いという要件や、距離d4,d5,d4’,d5’が距離Dの半分よりも短いという要件は維持されるが、両者の位置関係が回転方向の位置ズレが無い場合と異なる。
図9(b)において、第1活性部61は、軸OからY方向に離隔した部分ほど、第1活性部61におけるX方向の中央61cと圧力室10におけるX方向の中央とのX方向の距離が大きくなっている。第2活性部62の部分62xは、軸OからY方向に離隔した部分ほど、距離d2が図9(a)に比べて長くなっている。部分62yは、軸OからY方向に離隔した部分ほど、距離d2’が図9(a)に比べて短くなっている。部分62yのY方向の一端(図9(b)の右端)は、圧力室10とZ方向に重なっていない。第2活性部63の部分63xは、軸OからY方向に離隔した部分ほど、距離d3が図9(a)に比べて短くなっている。部分63xのY方向の他端(図9(b)の左端)は、圧力室10とZ方向に重なっていない。部分63yは、軸OからY方向に離隔した部分ほど、距離d3’が図9(a)に比べて長くなっている。
この場合、第1活性部61は、軸OからY方向に離隔した部分ほど、収縮量が低下し、当該収縮によるアクチュエータ部60の変形量が低下する。第2活性部62,63は、部分62x,63yにおいて、距離d2,d3’が長くなる部分が生じる。当該部分の収縮によるアクチュエータ部60の変形量は、後述の解析結果から理解されるように、回転方向の位置ズレが無い場合に比べ、小さくなる。一方、部分62y,63xでは、距離d2’,d3が短くなる部分や、Z方向において圧力室10と重なる部分が生じる。当該部分の収縮によるアクチュエータ部60の変形量は、後述の解析結果から理解されるように、回転方向の位置ズレが無い場合に比べ、大きくなる。つまり、回転方向の位置ズレが有る場合の1つのアクチュエータ部60の変形量は、第1活性部61の収縮によるアクチュエータ部60の変形量及び第2活性部62,63の部分62x,63yの収縮によるアクチュエータ部の変形量が小さくなることで、回転方向の位置ズレが無い場合の1つのアクチュエータ部60の変形量よりも低下するが、第2活性部62,63の部分62y,63xの収縮によるアクチュエータ部60の変形量が大きくなることで、1つのアクチュエータ部60全体としての変形量の低下が抑制される。
また、本実施形態では、図9(a)に示すように、距離(d4+d5)と距離(d4’+d5’)とが互いに異なる(即ち、第2部分62の一端62aから第3部分63の他端63bまでのX方向の距離が、Y方向において一定でない)。これに対し、第1実施形態のように距離(d4+d5)がY方向において一定の場合(例えば、幅狭部255の幅が幅広部254の幅と同一の場合)、図9(b)のような回転方向の位置ズレが生じると、部分62y,63yにおいて、距離d2’,d3’がより短くなる。つまり、距離(d4+d5)がY方向において一定の場合、回転方向の位置ズレが生じると、距離(d4+d5)がY方向において一定でない場合に比べ、第2活性部62,63において、圧力室10からの離隔距離が所定距離以下となる位置に配置される領域が大きくなり、アクチュエータ部60の変形量が過度に大きくなり得る。これに対し、本実施形態では、距離(d4+d5)がY方向において一定でないため、回転方向の位置ズレが生じても、第2活性部62,63において、圧力室10からの離隔距離が所定距離以下となる位置に配置される領域が大きくなり過ぎず、アクチュエータ部60の変形量が過度に大きくなることを抑制できる。
本実施形態のように距離(d4+d5)と距離(d4’+d5’)とが互いに異なる構成は、回転方向の位置ズレが生じたときに第1活性部61の収縮によるアクチュエータ部60の変形量の低下が少ない場合に、特に好適である。本実施形態によれば、回転方向の位置ズレが生じたときに、第1活性部61の収縮によるアクチュエータ部60の下向きに凸となるように撓む変形の変形量と共に、第2活性部62又は第2活性部63の収縮によるアクチュエータ部60の上向きに凸となるように撓む変形の変形量を、調整することができる。
例えば、第1活性部61は、Z方向から見た形状が円形の場合、回転方向の位置ズレが生じたときに、軸OからY方向に離隔した部分において、第1活性部61におけるX方向の中央61cと圧力室10におけるX方向の中央とのX方向の距離が、大きくなり難い。回転方向の位置ズレに伴う第1活性部61の収縮によるアクチュエータ部60の変形量の低下が少なくなる「第1活性部61のZ方向から見た形状」としては、円形の他、例えば、楕円、正方形、曲線状の角部を有しかつ当該角部の曲率半径が大きな形状等が挙げられる。
<解析結果>
本願発明者は、第1実施形態に係るヘッド3(図5)について、以下の条件で解析を行った。
・圧電層41の厚み(Z方向の長さ)=15μm
・圧電層42の厚み(Z方向の長さ)=15μm
・圧電層43の厚み(Z方向の長さ)=13.3μm
・インク分離層44の厚み(Z方向の長さ)=10μm
・高電位電極52のX方向の長さ(第1活性部61のX方向の長さ)=220μm
・圧力室10のX方向の長さD=350μm
・2つの圧力室10のうちの一方(図5の左方の圧力室10)のX方向の他端10bから他方(図5の右方の圧力室10)のX方向の一端10aまでのX方向の距離W=84μm
図10(a)において、横軸(距離d2,d3)がプラスの場合、第2活性部62,63は、圧力室10とZ方向に重なる。横軸(距離d2,d3)がゼロの場合、第2活性部62のX方向の一端62a及び第2活性部63のX方向の他端63bは、それぞれ圧力室10のX方向の一端10a及び他端10bとX方向において一致する。横軸(距離d2,d3)がマイナスの場合、第2活性部62,63は、圧力室10とZ方向に重ならない部分を有する。
図10(a)より、距離d2,d3がプラスの範囲では、距離d2,d3がマイナスの範囲に比べ、アクチュエータ部60の変形量の勾配が小さいことがわかる。また、距離d2,d3がプラスの場合に、図7に示すように流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間のX方向の位置ズレが生じると、距離d3が増加することで、第2活性部63の収縮によるアクチュエータ部60の変形量が緩やかに低下する一方、距離d2が減少することで、第2活性部62の収縮によるアクチュエータ部60の変形量が大きく増加し、アクチュエータ部60全体としての変形量の低下が抑制されることがわかる。
図10(b)において、実線は本発明の実施例(距離d2,d3=5μm)についての解析結果を示し、破線は本発明の比較例(距離d2,d3=0μm)についての解析結果を示す。位置ズレ量とは、第1活性部61のX方向の中央61cから圧力室10のX方向の中央10eまでのX方向の距離をいう。
図10(b)より、図7に示すような流路ユニット21と圧電アクチュエータ22との間のX方向の位置ズレが生じ、その位置ズレ量が増加するにつれて、実施例及び比較例共にアクチュエータ部60の変形量が低下するが、実施例の方が比較例よりもアクチュエータ部60の変形量の低下が抑えられることがわかる。
<変形例>
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
例えば、圧電アクチュエータにおける圧電層や電極の構成は、以下のように変更可能である。電極配置の変更に伴い、第1活性部61及び第2活性部62,63の厚み(Z方向の長さ)や、第1活性部61及び第2活性部62,63のZ方向の位置関係も、変更し得る。
図11(a)の第1変形例では、高電位電極52及び低電位電極53のZ方向の位置が上述した実施形態と逆である。Z方向において上から順に、駆動電極51、低電位電極53及び高電位電極52が配置されている。低電位電極53は、Z方向において圧電層41と圧電層42との間に配置されている。高電位電極52は、Z方向において圧電層42と圧電層43との間に配置されている。低電位電極53は、高電位電極52よりも、Z方向において圧力室10から離隔している。
図11(b)の第2変形例では、駆動電極51及び高電位電極52のZ方向の位置が上述した実施形態と逆である。Z方向において上から順に、高電位電極52、駆動電極51及び低電位電極53が配置されている。高電位電極52は、圧電層41の上面に配置されている。駆動電極51は、Z方向において圧電層41と圧電層42との間に配置されている。
図11(c)の第3変形例では、圧電層の数が2つである。圧電体40は、Z方向に積層された2つの圧電層41,42を有する。高電位電極52及び低電位電極53は、Z方向において圧電層41と圧電層42との間(即ち、同一層)に配置されている。第1活性部61は、X方向において、第2活性部62,63から離隔している。
図12(a)の第4変形例では、高電位電極52が、上述した実施形態よりもX方向に短く、低電位電極53とX方向に隣接する位置まで延びていない。したがって、第1活性部61は、X方向において、第2活性部62,63に隣接せず、第2活性部62,63から離隔している。
図12(b)の第5変形例では、低電位電極53が、圧電層43の上面全域に形成されており、高電位電極52とZ方向に重なる部分を有する。
図12(c)の第6変形例では、圧電層41の上面のみでなく、圧電層43の上面にも、駆動電極51が形成されている。高電位電極52及び低電位電極53は、図11(c)の第3変形例と同様、Z方向において圧電層41と圧電層42との間(即ち、同一層)に配置されている。これにより、圧電層41,42のそれぞれに、Z方向において駆動電極51と高電位電極52とに挟まれた第1活性部61、Z方向において駆動電極51と低電位電極53とに挟まれた第2活性部62,63が形成されている。
分離層44を省略してもよい。
第1部分は、第3方向において圧力室と重ならない部分を含んでもよい。また、第1部分は、第3方向において第2部分及び/又は第3部分と重なる部分を有してもよい。
流路ユニットと圧電アクチュエータとの間の第1方向の位置ズレが有る状態において、第2部分の第1方向の他端は、第1方向において、圧力室の第1方向の一端と他端との間にあってもよいし(図7)、第2部分の第1方向の一端と圧力室の第1方向の一端との間に位置してもよいし、圧力室の第1方向の一端と一致してもよい。
第2実施形態では、距離(d4+d5)が、幅広部254と幅狭部255との境界で局所的に変化しているが、当該距離が第2方向に漸進的に変化してもよい。
圧力室は、第1方向における長さが、第2方向における長さより長くてもよい。
吐出口及び圧力室の数は、上述の実施形態では32個であるが、これに限定されない。例えば32個を超える数の吐出口や圧力室が設けられてよい。
液体吐出ヘッドは、1色のインクを吐出することに限定されず、複数色のインクを吐出してもよい。
液体吐出ヘッドが吐出する液体は、インクに限定されず、任意の液体(例えば、インク中の成分を凝集又は析出させる処理液等)であってよい。
液体吐出ヘッドは、シリアル式に限定されず、ライン式であってもよい。
本発明は、プリンタに限定されず、ファクシミリ、コピー機、複合機等にも適用可能である。また、本発明は、画像の記録以外の用途で使用される液体吐出装置(例えば、基板に導電性の液体を吐出して導電パターンを形成する液体吐出装置)にも適用可能である。