(57)【要約】【課題】液体吐出ヘッドにおいて圧電素子間における電気的な影響を低減する。【解決手段】ノズルが設けられた複数の液室と、前記液室の一面を構成する振動板と、前記振動板を介して前記液室と対向する位置に配置され、電圧が印加されることにより前記振動板を振動させて、前記液室に貯留された液体を前記ノズルから吐出させる圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、電極と圧電体とが交互に複数積層された積層体を含み、前記積層体の積層側面に絶縁体を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルが設けられた複数の液室と、
前記液室の一面を構成する振動板と、
前記振動板を介して前記液室と対向する位置に配置され、電圧が印加されることにより前記振動板を振動させて、前記液室に貯留された液体を前記ノズルから吐出させる圧電素子と、
を備え、
前記圧電素子は、電極と圧電体とが交互に複数積層された積層体を含み、前記積層体の積層側面に絶縁体を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記振動板、および、前記圧電素子が接着剤を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記振動板と前記圧電素子との間に、前記液室を変形させる構造体
を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記振動板は、樹脂からなることを特徴する請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記圧電素子は、複数の前記液室の配列方向と垂直に交わる方向に接続された２つの電極端子を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、塗装やコーティングに用いるスプレーの代替品として、用紙に対して液体（または液滴）を吐出する液体吐出ヘッドから液体を吐出するインクジェット方式の液体吐出装置の大型化の要望が高まっている。
【０００３】
このような液体吐出装置では、ピエゾ素子などの圧電素子の変位によってノズルから液体を吐出する。従来の画像形成に用いられてきた液体吐出装置では、一回につき１〜１００ｐＬの液体をノズルから吐出して画像形成出力を行う（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方で、塗装やコーティングなどに用いる場合には、インクよりも高粘度の液体を一回につき１０〜１００ｎＬ吐出しなければ作業効率が低下してしまうため、一回の吐出で大量の液体を吐出するためには圧電素子を大型化し、高い電圧を印加する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来の液体吐出ヘッドでは、圧電素子がむき出しの状態である。液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための複数のノズル（吐出口）備えていて、圧電素子は、各ノズルに対応して配置されている。したがって、むきだしの圧電素子に対して高い電圧を印加すると、圧電素子間の絶縁が破壊されて短絡しショートすることになる。
【０００６】
ショートした圧電素子は、電圧を印加しても正常に動作しないので、液体を吐出することができなくなる。従来の液体吐出ヘッドにおいて、圧電素子のショートを防止するには、圧電素子間の距離を大きくする必要があるが、圧電素子は、構成部品を積層した大きな部材をダイシング加工によって、各圧電素子を構成する程度の寸法で、隣接する圧電素子の間隔が空くように削り出して製造される。したがって、圧電素子同士のショートを防ぐために、圧電素子の間隔を大きく空けるには、ダイシング加工による削り出し量が大量になる。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、液体吐出ヘッドにおいて圧電素子間における電気的な影響を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、ノズルが設けられた複数の液室と、前記液室の一面を構成する振動板と、前記振動板を介して前記液室と対向する位置に配置され、電圧が印加されることにより前記振動板を振動させて、前記液室に貯留された液体を前記ノズルから吐出させる圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、電極と圧電体とが交互に複数積層された積層体を含み、前記積層体の積層側面に絶縁体を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、液体吐出ヘッドにおいて圧電素子間における電気的な影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの上面平面図。
【図３】本発明の実施形態に係る積層ピエゾ体の構造の説明図。
【図４】本発明の実施形態に係る積層ピエゾ体のＢ−Ｂ´断面図。
【図５】従来の液体吐出ヘッドにおける積層ピエゾ体の配置を示す図。
【図６】本発明の実施形態に係る積層ピエゾ体の配置を示す図。
【図７】本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの断面の一例を示す図。
【図８】本発明の実施形態に係る積層ピエゾ体の構造の他の例を説明する図。
【図９】本発明の実施形態に係る積層ピエゾ体のＣ−Ｃ´断面図。
【図１０】本発明の実施形態に係る積層ピエゾ体のＤ−Ｄ´断面図。
【図１１】本発明の実施形態に係る液体吐出装置の概略構成図。
【図１２】本発明の実施形態に係るノズルの配列図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。本実施形態においては、ノズルから液体を吐出する液体吐出ヘッド１、および、液体吐出ヘッド１を備えた液体吐出装置１０００を例に説明を行う。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１の縦断面図、図２は、液体吐出ヘッド１の上面平面図である。液体吐出ヘッド１は、ノズル板１０、流路板２０、振動板３０、フレーム４０、積層ピエゾ体５０、ピエゾ固定板６０、共通電極ワイヤ７１、個別電極ワイヤ７２を備える。なお、図１は、図２のＡ−Ａ´断面を表した図である。
【００１３】
ノズル板１０には、所定の間隔（例えば、５−２０ｎｍ間隔）でノズル１０ｎが設けられている。なお、ノズル１０ｎを設ける間隔を、目的とする液体の吐出滴サイズおよび液体の粘度に応じて決定された圧力室２１の寸法に基づいて定める構成であってもよい。また、液体吐出ヘッド１の平面寸法を２００ｍｍ×５０ｍｍとし、１０〜３０個程度のノズル１０ｎを等間隔に設ける構成であってもよい。
【００１４】
積層ピエゾ体５０は、図３に示すように、共通電極５１、圧電体であるピエゾ素子５２、個別電極５３が、それぞれ複数積層された圧電素子である。なお、共通電極５１は、側面個別電極５５に接触しない程度の長さであり、個別電極５３も、側面共通電極５４に接触しない程度の長さに設計される。積層ピエゾ体５０は、共通電極５１および個別電極５３が交互にピエゾ素子５２に挟まれるように積層され、図４に示すように、その周囲が絶縁体である絶縁膜５６で覆われるようにして形成される。
【００１５】
図１に戻って説明を続ける。本実施形態に係る液体吐出ヘッド１は、ノズル板１０、流路板２０、振動板３０、フレーム４０によって圧力室２１が形成される。また、振動板３０、フレーム４０、ピエゾ固定板６０によって形成される空隙に積層ピエゾ体５０が配置される。したがって、積層ピエゾ体５０と圧力室２１とは、振動板３０を介して対向する位置関係にあることとなる。なお、圧力室２１は、個別液室ともいう。
【００１６】
積層ピエゾ体５０には、個別電極ワイヤ７２から所定の電圧が印加される。なお、電極端子である共通電極ワイヤ７１および個別電極ワイヤ７２は、ピエゾ固定板６０に設けられた開口部７１ａ、７２ａからそれぞれ引き出されるように固定されており、駆動回路に接続されている。したがって、共通電極ワイヤ７１および個別電極ワイヤ７２が積層ピエゾ体５０と接続される方向は、ノズル１０ｎの配列方向と垂直に交わる方向である。
【００１７】
電圧が印加されると、その電位に応じて積層ピエゾ体５０が膨張または収縮をする。積層ピエゾ体５０は、その一面が圧力室２１の一面を構成している振動板３０に接触している。したがって、電圧が印加されることにより積層ピエゾ体５０が振動すると、振動板３０も振動する。振動板３０が、積層ピエゾ体５０の膨張に伴って圧力室２１の方向に向かって押し下がると、圧力室２１の体積が収縮する。
【００１８】
圧力室２１には、塗料やコーティング剤、インクなどの液体が貯留されている。したがって、振動板３０によって圧力室２１の体積が収縮し、圧力室２１内の圧力が大きくなることにより、圧力室２１に貯留されている液体がノズル１０ｎから吐出される。
【００１９】
ここで、従来の液体吐出ヘッドにおける積層ピエゾ体５０の配置態様について図５を参照して説明する。図５は、従来の液体吐出ヘッドにおける積層ピエゾ体５０（５０ａ〜５０ｅ）の配置態様を例示した図である。
【００２０】
従体の液体吐出ヘッドは、ノズルが０．０８ｍｍ〜０．４０ｍｍの間隔で配置されている。したがって、ノズル間隔に対応した積層ピエゾ体５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅを形成するために、大型の積層ピエゾ体５００をダイサー２００によってダイシングしているため、例えば、積層ピエゾ体５０ｄと積層ピエゾ体５０ｅとの間は、それぞれの電極がむき出しの状態である。
【００２１】
また、ピエゾ素子は高価な部材であるため、ダイシングによって多くのピエゾ素子を削り取ることは、製品コストの観点から考えてもあまり望ましいものとは言えない。さらに、従来の液体吐出ヘッドでは、液体の吐出滴サイズが小さいため、印加される電圧も小さい。
【００２２】
しかし、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１は、１回あたり、１０〜１００ｎＬの液体を吐出することを目的とした構成である。そこで、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１においては、図６に示すように独立成形した積層ピエゾ体５０に含まれる共通電極５１とピエゾ素子５２と個別電極５３が交互に複数積層されている積層体の側面（積層側面）の周囲を絶縁膜５６で覆う。この絶縁膜５６によって、隣接する複数の積層ピエゾ体５０の間での電極ショートの発生を低減させることができる。
【００２３】
また、積層ピエゾ体５０において、積層の数を増やしたり、電界強度を上げたりし、電圧が印加された際の積層ピエゾ体５０の膨張変位を調整することによって、一回あたりに１０〜１００ｎＬの液体を吐出することが可能になる。さらに、圧力室２１の収縮体積も大きくすることができるため、高粘度の液体（例えば、５０ｍＰａ・ｓ以上の液体）の吐出が可能になる。
【００２４】
なお、積層ピエゾ体５０と振動板３０とを接着剤を用いて接着する際に、積層ピエゾ体５０が振動板３０と接合する面を研磨して絶縁膜５６を取り除いて接着してもよい。このようにすることで、液体吐出ヘッド１を精度よく組み立てることができるため、液体の吐出方向や吐出量にばらつきが生じにくくなる。
【００２５】
また、図７に示すように、積層ピエゾ体５０の下部に、振動板３０の振動量（変位量）を大きくする構造体であるアイランド９０を設ける構成であってもよい。アイランド９０のサイズを、積層ピエゾ体５０の平面投影面積、すなわち、振動板３０と接触しうる部分の積層ピエゾ体５０の面積よりも大きいサイズにすることにより、振動板３０の振動量を大きくし、圧力室２１をより大きく変形させることができる。アイランド９０の材質として、樹脂などを用いてもよい。
【００２６】
さらに、図３においては、共通電極５１および個別電極５３が交互にピエゾ素子５２に挟まれるように積層される積層ピエゾ体５０について説明をしたが、図８から図１０に示すような構造の積層ピエゾ体５０を液体吐出ヘッド１に搭載する構成であってもよい。
【００２７】
図８に示す積層ピエゾ体５０では、共通電極５１および個別電極５３は、ピエゾ素子５２と同等の長さに設計されており、積層ピエゾ体５０は、共通電極５１および個別電極５３が交互にピエゾ素子５２に挟まれるように積層される。
【００２８】
また、図９に示すように、共通電極５１の側面個別電極５５側の端部には、電極単層絶縁膜５７が設けられており、共通電極５１と側面個別電極５５との接触を防ぐことができる。さらに、図１０に示すように、個別電極５３の側面共通電極５４側の端部には、電極単層絶縁膜５７が設けられており、個別電極５３と側面共通電極５４との接触を防ぐことができる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１を適用した液体吐出装置１０００の一例について説明する。図１１および図１２は、本実施形態に係る液体吐出装置１０００の構成を示す図である。
【００３０】
液体吐出装置１０００は、左右の側板に横架された主ガイド部材１１および従ガイド部材でキャリッジ３３を移動可能に保持している。キャリッジ３３は、主走査モータ５８の駆動によって、駆動プーリ６６と従動プーリ６７との間に架け渡したタイミングベルト８を介して主走査方向に往復移動する。
【００３１】
キャリッジ３３は、画像形成手段として、２つの液体吐出ヘッド１ａ、１ｂ（以後、２つの液体吐出ヘッドを特に区別する必要のない場合には、単に「液体吐出ヘッド１」という）、液体吐出ヘッド１ａ、１ｂに液体を供給する液室５７ａ、５７ｂを備える。液体吐出ヘッド１は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインクを吐出する。
【００３２】
液体吐出ヘッド１ａ、１ｂは、図１２に示すように、それぞれ複数のノズル１０ｎを配列したノズル列４ａｎ１、４ａｎ２、４ｂｎ１、４ｂｎ２を有している。ノズル列４ａｎ１、４ａｎ２は、ノズル配列方向に位置をずらして千鳥状に配列されている。なお、ノズル列４ｂｎ１、４ｂｎ２についても同様の配列である。
【００３３】
そして、ノズル列４ａｎ１はブラック（Ｋ）の液体を、ノズル列４ａｎ２はシアン（Ｃ）の液体をそれぞれ吐出する。また、ノズル列４ｂｎ１はマゼンタ（Ｍ）の液体を、ノズル列４ｂｎ２はイエロー（Ｙ）の液体をそれぞれ吐出する。
【００３４】
なお、液体吐出ヘッド１として、１つのノズル面に複数のノズルを並べ、各色の液体を吐出する複数のノズル列を備えるもの（例えば、２列のノズル列それぞれからブラックの液体を吐出するもの）などを用いる構成としてもよい。
【００３５】
液室５７ａ、５７ｂは、それぞれ液体吐出ヘッド１ａ、１ｂの２つのノズル列４ａｎ１、４ａｎ２、４ｂｎ１、４ｂｎ２に対応して２つのタンク部を1組にすることにより、複数のタンク部を備えて構成される。なお、液室５７ａ、５７ｂとして、液体吐出ヘッド１ａ、１ｂに配列されたノズル列の数に応じた数、もしくは、吐出させる液体の種類について、それぞれタンク部を設ける構成としてもよい。
【００３６】
液室５７ａ、５７ｂには、ＣＭＹＫの各色の液体が収容されているメインタンク５５Ｋ、５５Ｃ、５５Ｍ、５５Ｙを含んで構成されるカートリッジ５５ＣＤから各色の液体が供給される。カートリッジ５５ＣＤはカートリッジホルダ５５ＨＤに交換可能に取り付けられている。
【００３７】
カートリッジホルダ５５ＨＤには、カートリッジ５５ＣＤから液室５７ａ、５７ｂに液体を供給するポンプＰが設けられており、カートリッジ５５ＣＤからポンプＰによって各色の液体が汲み出され、色ごとに区別して設けられるチューブ５６０を介して液室５７ａ、５７ｂに各色の液体が供給される。
【００３８】
なお、液体吐出ヘッド１における液体吐出機構として、例えば、圧電素子などの圧電アクチュエータや、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いて液体の膜沸騰による相変化を利用するサーマルアクチュエータなどを用いることができる。
【００３９】
また、液体吐出装置１０００は、シート材Ｓを液体吐出ヘッド１に対向して搬送する搬送機構Ｍとして、搬送ベルト１２を備えている。搬送ベルト１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１３とテンションローラ１４との間に掛け渡されている。
【００４０】
また、搬送ベルト１２は、副走査モータ１６の駆動によってタイミングベルト１７およびタイミングプーリ１８を介して搬送ローラ１３が回転駆動されることにより、副走査方向に周回移動する。また、搬送ベルト１２は、周回移動しながら公知の帯電ローラによって電荷が付与され、帯電される。
【００４１】
さらに、搬送機構Ｍは、液体吐出ヘッド１から液体が吐出される領域よりも搬送ベルト１２の走行方向下流側にシート材Ｓと対向するように配置されている搬送領域Ｒを備える。搬送領域Ｒとキャリッジ３３との間にシート材Ｓが搬送され、シート材Ｓに対して液体吐出ヘッド１から液体が吐出されることによってシート材Ｓに画像が形成される。
【００４２】
キャリッジ３３の主走査方向の一端部には、液体吐出ヘッド１の維持回復を行う維持回復機構２７が配置され、他方側には搬送ベルト１２の側方に液体吐出ヘッド１から空吐出を行う空吐出受け２８がそれぞれ配置されている。
【００４３】
維持回復機構２７は、例えば液体吐出ヘッド１のノズル面（ノズルが形成された面）をキャッピングするキャップ部材、ノズル面を払拭するワイパ部材、画像形成に寄与しない液体を吐出する公知の空吐出受けなどで構成されている。
【００４４】
また、キャリッジ３３の主走査方向に沿って両側板間には、所定のパターンを形成したエンコーダスケール２３が張装されている。さらに、キャリッジ３３は、エンコーダスケール２３のパターンを読取るエンコーダセンサ２４を備える。エンコーダスケール２３とエンコーダセンサ２４とによってキャリッジ３３の移動を検知するリニアエンコーダ（主走査エンコーダ）が構成される。
【００４５】
また、搬送ローラ１３の軸にはコードホイール２５が取り付けられており、このコードホイール２５に形成したパターンを検出するエンコーダセンサ２６が設けられている。コードホイール２５とエンコーダセンサ２６とによって搬送ベルト１２の移動量および移動位置を検出するロータリエンコーダ（副走査エンコーダ）が構成される。
【００４６】
以上説明したような構成により、本実施形態に係る液体吐出装置１０００は、シート材Ｓが、帯電された搬送ベルト１２上に吸着された状態で、搬送ベルト１２の周回移動によって副走査方向に搬送される。
【００４７】
そして、キャリッジ３３を主走査方向に移動させながら、画像を形成するための信号に応じて液体吐出ヘッド１を駆動させることにより、停止しているシート材Ｓに液体を吐出して１行分を記録する。次に、シート材Ｓを所定量搬送させた後、次の行の記録を行う。
【００４８】
記録終了信号又はシート材Ｓの後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、搬送領域Ｒを介してシート材Ｓを排紙トレイに排紙する。なお、シート材Ｓの搬送は、上述の搬送ベルト方式に限定されず、複数の吸引口によりシート材Ｓを吸着し、シート材Ｓを挟んだ搬送ローラの駆動によりシート材Ｓを副走査方向に搬送する方式でもよい。
【００４９】
本発明は、説明した実施形態に限定されるものではなく、その他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用や効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１        ：液体吐出ヘッド
８        ：タイミングベルト
１０      ：ノズル板
１０ｎ    ：ノズル
１１      ：主ガイド部材
１２      ：搬送ベルト
１３      ：搬送ローラ
１４      ：テンションローラ
１６      ：副走査モータ
１７      ：タイミングベルト
１８      ：タイミングプーリ
２０      ：流路板
２１      ：圧力室
２３      ：エンコーダスケール
２４      ：エンコーダセンサ
２５      ：コードホイール
２６      ：エンコーダセンサ
２７      ：維持回復機構
２８      ：空吐出受け
３０      ：振動板
３３      ：キャリッジ
４０      ：フレーム
５０      ：積層ピエゾ体
５１      ：共通電極
５２      ：ピエゾ素子
５３      ：個別電極
５４      ：側面共通電極
５５      ：側面個別電極
５５Ｃ    ：メインタンク
５６      ：絶縁膜
５７      ：電極単層絶縁膜
５８      ：主走査モータ
６０      ：ピエゾ固定板
７１      ：共通電極ワイヤ
７１ａ    ：開口部
７２      ：個別電極ワイヤ
７２ａ    ：開口部
９０      ：アイランド
２００    ：ダイサー
１０００  ：液体吐出装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５１】
【特許文献１】特開平１１−５８７３６号公報
【図１】
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【図２】
2020049710.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020049710.tif 000007
【図６】
2020049710.tif 000008
【図７】
2020049710.tif 000009
【図８】
2020049710.tif 000010
【図９】
2020049710.tif 000011
【図１０】
2020049710.tif 000012
【図１１】
2020049710.tif 000013
【図１２】
2020049710.tif 000014