(57)【要約】【課題】小液滴の吐出や高粘度液体の吐出が可能な、吐出能力の高い液体吐出ヘッド７及び、それを備えた液体吐出装置Ａを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッド７（ヘッド本体９１）は、圧力室１１、圧力室１１に連通するノズル１２、圧力室１１を区画する区画壁の間隔を変化させるように伸縮変形することで、圧力室１１内の液体に圧力を印加する圧電素子１９、及び、圧電素子１９が少なくとも収縮変形するときに、その圧電素子１９に対し伸縮方向の圧縮力を付与する圧縮力付与手段２０，２０を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する２つの区画壁を少なくとも含みかつ、それによって区画された内部に液体を収容する圧力室、
前記圧力室に連通しかつ、前記圧力室内の液体を吐出するノズル、
前記２つの区画壁が対向する方向に伸縮変形することにより当該２つの区画壁の間隔を変化させ、それによって前記圧力室内の前記液体に圧力を印加する圧電素子、及び、
前記圧電素子が少なくとも収縮変形するときに、当該圧電素子に対し前記伸縮方向の圧縮力を付与する圧縮力付与手段、
を含むヘッド本体を備えている液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧電素子は、電極と圧電体とが交互に積層されて、その積層方向に伸縮変形する積層型圧電素子である液体吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記ヘッド本体は、
前記ノズルが形成されると共に、前記２つの区画壁の一方を構成するノズル板、
前記圧電素子の前記伸縮方向の一端側が直接的又は間接的に固定される固定部材、及び、
前記圧電素子の前記伸縮方向の他端側が直接的又は間接的に固定されると共に、前記２つの区画壁の他方を構成する変位部材を含み、
前記圧電素子の伸縮変形に伴い前記変位部材が前記固定部材に対して相対的に変位することによって、前記変位部材とノズル板との間隔が変化するよう構成されている液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記ヘッド本体は、
前記圧電素子の前記伸縮方向の一端側が直接的又は間接的に固定されると共に、前記２つの区画壁の一方を構成する固定部材、及び、
前記圧電素子の前記伸縮方向の他端側が直接的又は間接的に固定されると共に、前記２つの区画壁の他方を構成する変位部材を含み、
前記圧電素子の伸縮変形に伴い前記変位部材が前記固定部材に対して相対的に変位することによって、前記変位部材と固定部材との間隔が変化するよう構成され、
前記変位部材には、前記ノズルが形成されている液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧縮力付与手段は、前記固定部材と変位部材との間隔が小さくなる方向に、前記固定部材及び変位部材の少なくとも一方に対し力を付与するよう構成されている液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧縮力付与手段は、前記固定部材と変位部材とをばね力によって挟み込むことで、前記圧電素子に前記圧縮力を予め付与するクランプ部材である液体吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
少なくとも２のヘッド本体と、
前記ヘッド本体それぞれのノズルが所定の並びで配置されるように、前記各ヘッド本体が固定される基材と、をさらに備え、
前記圧縮力付与手段は、前記各ヘッド本体を前記基材に対し固定するための固定手段を兼用している液体吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧縮力付与手段は、前記各ヘッド本体における固定部材又は変位部材と前記基材とをばね力によって挟み込むことで、前記各ヘッド本体を基材に対して固定すると共に、各ヘッド本体の圧電素子に前記圧縮力を予め付与するクランプ部材である液体吐出ヘッド。
【請求項９】
請求項７に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧縮力付与手段は、前記各ヘッド本体における固定部材及び変位部材のいずれか一方の部材と前記基材との間に介設される弾性部材と、前記いずれか他方の部材を前記基材に対して剛体接合する剛体接合部材と、を含み、
前記剛体接合部材は、前記弾性部材を弾性変形させた状態で、前記他方の部材を前記基材に対し剛体接合し、それによって、前記弾性部材の弾性復元力を前記圧電素子の前記圧縮力として予め付与させるように構成されている液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えている液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出する液体吐出ヘッド及び、それを備えた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
記録紙に対してインク滴を吐出するインクジェット技術が、近年、各種のデバイス製造過程におけるパターンの形成や均一薄膜の形成等に応用されている。そうしたパターン形成等に用いられる液体吐出ヘッドには、さらなる小液滴の吐出や高粘度液体の吐出が要求される。それらの要求を満たす吐出能力の高いヘッドを実現するには、圧力室内の液体に、より高い圧力を加える必要がある。
【０００３】
例えば特許文献１に開示されている液体吐出ヘッドでは、その圧力室の一部を弾性変形可能な弾性体によって区画すると共に、圧電素子を伸縮変形させることによってその弾性体を変形させて圧力室の体積を変化させる。
【０００４】
また、例えば特許文献２に開示されている液体吐出ヘッドでは、その圧力室の一部を伸縮変形する圧電素子によって区画しており、その圧電素子の伸縮変形によって圧力室の体積を変化させる。
【０００５】
これらの構成では、圧電素子の伸縮変形により発生したエネルギーを、圧力室内の液体に印加する圧力へと効率的に変換して、その液体に高い圧力を印加することができる。
【特許文献１】特許第２７２１１２７号公報
【特許文献２】特許第２６９９８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、液体吐出ヘッドにおいて圧電素子を収縮させたときには、例えば圧力室内の流体や液体吐出ヘッドの構造部材からの反力によって、その圧電素子には引張応力が作用する。この引張応力が大きすぎるときには、圧電素子における電極と圧電体との界面が剥がれて、圧電素子が破損してしまうことになる。従って、液体吐出ヘッドの吐出能力を向上させるべく、圧力室内の液体に印加する圧力をさらに高めようしても、圧電素子には、それ自身の耐引張応力以上の力を加えることができない。このため、前記特許文献１，２に記載された構造の液体吐出ヘッドでは、圧力室内の液体に印加することができる最大圧力が圧電素子の耐引張応力によって制限されるため、吐出能力をさらに向上させることが難しい、という問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、吐出能力の高い液体吐出ヘッド及び、それを備えた液体吐出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によると、液体吐出ヘッドは、対向する２つの区画壁を少なくとも含みかつ、それによって区画された内部に液体を収容する圧力室、前記圧力室に連通しかつ、前記圧力室内の液体を吐出するノズル、前記２つの区画壁が対向する方向に伸縮変形することにより当該２つの区画壁の間隔を変化させ、それによって前記圧力室内の前記液体に圧力を印加する圧電素子、及び、前記圧電素子が少なくとも収縮変形するときに、当該圧電素子に対し前記伸縮方向の圧縮力を付与する圧縮力付与手段、を含むヘッド本体を備える。
【０００９】
この構成によると、圧電素子の伸縮変形によって対向する２つの区画壁の間隔が変更され、それによって圧力室内の液体に圧力が印加されてノズルから液体が吐出される。
【００１０】
前記液体吐出ヘッドは圧縮力付与手段を備えているため、圧電素子に引張応力が作用する、少なくとも収縮変形時には、その圧電素子に伸縮方向の圧縮力が付与される。この圧縮力の分だけ圧電素子に作用する引張応力が緩和される。換言すれば、圧電素子の見かけの耐引張応力が高まり、その分、圧力室内の液体に印加する圧力を高めることが可能になる。その結果、液体吐出ヘッドの吐出能力が向上する。
【００１１】
前記圧電素子は、電極と圧電体とが交互に積層されて、その積層方向に伸縮変形する積層型圧電素子である、としてもよい。つまり、積層型圧電素子は、電極と圧電体との界面が多数存在するため、その収縮変形時に電極と圧電体との界面の剥がれが生じやすい。しかしながら、前記の積層型圧電素子に伸縮方向の圧縮力を予め付与する構成によって、積層型圧電素子の、見かけの耐引張応力が高まり、好適である。
【００１２】
前記ヘッド本体は、前記ノズルが形成されると共に、前記２つの区画壁の一方を構成するノズル板、前記圧電素子の前記伸縮方向の一端側が直接的又は間接的に固定される固定部材、及び、前記圧電素子の前記伸縮方向の他端側が直接的又は間接的に固定されると共に、前記２つの区画壁の他方を構成する変位部材を含み、前記圧電素子の伸縮変形に伴い前記変位部材が前記固定部材に対して相対的に変位することによって、前記変位部材とノズル板との間隔が変化するよう構成されている、としてもよい。
【００１３】
またこれとは異なり、前記ヘッド本体は、前記圧電素子の前記伸縮方向の一端側が直接的又は間接的に固定されると共に、前記２つの区画壁の一方を構成する固定部材、及び、前記圧電素子の前記伸縮方向の他端側が直接的又は間接的に固定されると共に、前記２つの区画壁の他方を構成する変位部材を含み、前記圧電素子の伸縮変形に伴い前記変位部材が前記固定部材に対して相対的に変位することによって、前記変位部材と固定部材との間隔が変化するよう構成され、前記変位部材には、前記ノズルが形成されている、としてもよい。
【００１４】
前記圧縮力付与手段は、前記固定部材と変位部材との間隔が小さくなる方向に、前記固定部材及び変位部材の少なくとも一方に対し力を付与するよう構成されている、としてもよい。
【００１５】
このように圧電素子を挟持する固定部材と変位部材との少なくとも一方に対し、力を付与する簡易な構成で、圧電素子に対し圧縮力を付与することが可能になる。
【００１６】
この場合において、前記圧縮力付与手段は、前記固定部材と変位部材とをばね力によって挟み込むことで、前記圧電素子に前記圧縮力を予め付与するクランプ部材である、としてもよい。
【００１７】
クランプ部材のばね力によって圧電素子に圧縮力を付与することで、その圧縮力の調整が容易になると共に、圧縮力付与手段の配設スペースを縮小する点で有利になる。
【００１８】
前記液体吐出ヘッドは、少なくとも２のヘッド本体と、前記ヘッド本体それぞれのノズルが所定の並びで配置されるように、前記各ヘッド本体が固定される基材と、をさらに備え、前記圧縮力付与手段は、前記各ヘッド本体を前記基材に対し固定するための固定手段を兼用している、としてもよい。
【００１９】
圧縮力付与手段と固定手段との兼用化により、液体吐出ヘッドを構成する部材点数が削減され、ヘッド本体の小型化の点及び液体吐出ヘッドの製造コストの低減化の点で有利になる。
【００２０】
前記圧縮力付与手段は、前記各ヘッド本体における固定部材又は変位部材と前記基材とをばね力によって挟み込むことで、前記各ヘッド本体を基材に対して固定すると共に、各ヘッド本体の圧電素子に前記圧縮力を予め付与するクランプ部材である、としてもよい。
【００２１】
これにより、前述したように、圧電素子に付与する圧縮力の調整が容易になると共に、クランプ部材の配設は比較的省スペースで可能であるから、液体吐出ヘッドの小型化が図られる。
【００２２】
前記圧縮力付与手段は、前記各ヘッド本体における固定部材及び変位部材のいずれか一方の部材と前記基材との間に介設される弾性部材と、前記いずれか他方の部材を前記基材に対して剛体接合する剛体接合部材と、を含み、前記剛体接合部材は、前記弾性部材を弾性変形させた状態で、前記他方の部材を前記基材に対し剛体接合し、それによって、前記弾性部材の弾性復元力を前記圧電素子の前記圧縮力として予め付与させるように構成されている、としてもよい。
【００２３】
これにより、簡易な構成で、ヘッド本体の基材への固定と、圧電素子への圧縮力の付与と、の双方が実現する。
【００２４】
本発明の他の側面によると、液体吐出装置は、上述した液体吐出ヘッドを備える。このため、吐出能力の高い液体吐出装置が実現する。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によると、圧電素子の耐引張応力を見かけ上高めることで圧力室内の液体に高い圧力を印加することができるようになるため、吐出能力が高くなって小液滴の吐出や高粘度液体の吐出を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２７】
（実施形態１）
図１は、液体吐出装置Ａの概略構成を示している。この液体吐出装置Ａは、一又は複数のヘッド本体（図２等参照）を備えた液体吐出ヘッド７と、被記録物４を支持するステージ３１と、を備えている。
【００２８】
液体吐出ヘッド７は、装置基台６に支持されたヘッド移動装置２によって主走査方向（図１に示すＸ方向）に往復移動し、ステージ３１は、同じく装置基台６に支持されたステージ移動装置３によって副走査方向（図１に示すＹ方向）に往復移動する。
【００２９】
ヘッド移動装置２は、液体吐出ヘッド７を支持するキャリッジ７ａを含む。キャリッジ７ａは、主走査方向に延びるキャリッジ軸７ｂにガイドされ、図示を省略する駆動源（例えばモータ）によって、主走査方向に往復移動する。
【００３０】
ステージ移動装置３は、主走査方向に所定間隔を開けて配置されかつ、それぞれ副走査方向に延びる２つのステージ軸３２，３２を含む。ステージ３１はこれらのステージ軸３２，３２にガイドされ、図示を省略する駆動源（例えばモータ）によって、副走査方向に往復移動する。
【００３１】
液体吐出装置Ａはこの構成によって、液体吐出ヘッド７とステージ３１上の被記録物４とを相対移動させながら、液体吐出ヘッド７（ヘッド本体）から被記録物４に向かって液体材料を吐出し、被記録物４上に所望のパターンや均一薄膜等を形成する。
【００３２】
図２に示すように、ヘッド本体９１は、液体材料が収容される圧力室１１と、その圧力室１１に連通するノズル１２とを備えている。このヘッド本体９１は、ノズル１２が形成されたノズル板１３と、後述する固定部材としての加圧部材１５を保持する保持部材１６と、上下方向に伸縮変形する圧電素子１９と、ヘッドプレート１７と、を上下方向に積層した積層構造を有している。
【００３３】
ノズル板１３は、例えば約０．３ｍｍ厚のステンレス鋼からなる板状の部材であり、ノズル１２は、その中心位置に板厚方向に貫通して形成されている。ノズル板１３の上面によって圧力室１１の底面が区画される。
【００３４】
ノズル１２は、その径が、基端から先端に向かって小さくなるテーパ形状を有している。基端開口の径は、例えば約φ０．２ｍｍ、先端開口の径は、例えば約φ０．０３ｍｍとすればよい。
【００３５】
尚、ノズル板１３の上面には、ノズル１２に対して同軸にその上面から凹陥した窪みが形成されており、この窪みの内部には、後述する弾性区画部材１８が配設される。また、このノズル板１３の下面は、図示は省略するが、撥水膜で被覆されていることが好ましい。この撥水膜は、公知の方法により形成することが可能である。
【００３６】
保持部材１６は、例えばその厚みが約０．３ｍｍの板状部材であり、ノズル板１３の上面に対して接着層を介して接合される。保持部材１６には板厚方向に貫通した貫通孔１６ａが形成されている。この貫通孔１６ａは、加圧部材１５が内挿される孔であり、保持部材１６をノズル板１３の上面に接着した状態において、ノズル板１３のノズル１２と、保持部材１６の貫通孔１６ａとは、互いに同軸にされる。貫通孔１６ａの直径は、加圧部材１５の径に応じて適宜設定すればよく、例えばφ０．８ｍｍ程度とすればよい。
【００３７】
保持部材１６とノズル板１３との間において、前記ノズル板１３の窪み内には、圧力室１１の側面を区画する弾性区画部材１８が介設されている。弾性区画部材１８は、後述するように、圧電素子１９の伸縮変形駆動に伴い、ノズル板１３が加圧部材１５に対して相対的に変位することで弾性的に伸縮変形し、圧力室１１の体積を変化させるための部材である。弾性区画部材１８は、本実施形態では円環状に形成されており、例えばその外径は約φ０．９ｍｍ、その内径は約φ０．３ｍｍとすればよい。また、その厚みは０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍ程度、好適には０．０５ｍｍ程度とすればよい。弾性区画部材１８はまた、液体材料に対する耐食性を考慮して、例えば耐溶剤性のゴム、具体的にはフッ素ゴムやシリコンゴム等によって形成することが好ましい。
【００３８】
ここで、ノズル板１３と保持部材１６とを互いに接合する接着層は、弾性区画部材１８の外周面を取り囲んでおり、これによって、接着層は、弾性区画部材１８が弾性変形するときに、その弾性区画部材１８が圧力室１１の外方に向かって逃げ変形することを規制するようになっている。このことによって、圧力室１１の体積を確実に増減させて、圧力室１１内の液体材料に対して高い圧力を確実に印加することができる。
【００３９】
ヘッドプレート１７は、例えばその厚みが約２．０ｍｍのステンレス鋼からなる板状部材である。ヘッドプレート１７は、保持部材１６の上方に、この保持部材１６に対して所定の間隔を空けて配設されている。ヘッドプレート１７には、板厚方向に貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔には、加圧部材１５の上端側が内挿されて固定される。
【００４０】
加圧部材１５は、例えばステンレス鋼やセラミック等の、比較的高剛性の材料によって構成された円柱状の部材であり、その外径は例えば約φ０．７ｍｍ程度とすればよい。加圧部材１５は、その上端側がヘッドプレート１７の貫通孔を通って上方に突出した状態でヘッドプレート１７に対して固定されている一方、その下端部が保持部材１６の貫通孔１６ａに内挿されて保持されている。そうして、加圧部材１５の下面は、弾性区画部材１８の上面に対して当接しており、この下面によって、圧力室１１の上面が区画される。加圧部材１５は、保持部材１６に対して上下方向に相対変位可能にされており、圧電素子１９の伸縮変形駆動に伴い加圧部材１５が上下方向に相対変位することで、弾性区画部材１８を上下方向に伸縮変形させる。
【００４１】
加圧部材１５にはまた、その中心軸方向に延びる貫通孔が形成されており、この貫通孔は、図示は省略する液体材料の供給源から圧力室１１に、液体材料を供給するための供給口１５ａとして機能する。供給口１５ａの径は例えば約φ０．０８ｍｍ程度とすればよい。
【００４２】
加圧部材１５と保持部材１６の貫通孔１６ａとの隙間には、本実施形態では充填剤が充填されている。この充填剤は、加圧部材１５が上下方向に相対変位可能となるように弾性変形するようになっている。尚、この充填剤は、省略することも可能である。
【００４３】
圧電素子１９は、ヘッドプレート１７と保持部材１６との間に介設されており、その厚み方向に貫通して形成された貫通孔１９ａ内に前記加圧部材１５が位置するよう、この加圧部材１５の外周囲を取り囲んでいる。圧電素子１９は、電極と圧電体とが上下方向に交互に積層した積層型圧電素子であり、その下端が保持部材１６の上面に対して接着層を介して接合されていると共に、その上端がヘッドプレート１７の下面に対して接着層を介して接合されている。圧電素子１９は、例えばその厚みを約１．０ｍｍ、その貫通孔１９ａの径を約φ０．９ｍｍとしてもよい。
【００４４】
圧電素子１９は、その電極に電圧が印可されることによって、図２における上下方向に伸縮変形する（図２の矢印参照）。圧電素子１９の伸縮変形駆動に伴い、保持部材１６及びノズル板１３が、ヘッドプレート１７及び加圧部材１５に対して、図２における上下方向に相対的に変位し、それに伴い弾性区画部材１８が上下方向に伸縮変形する。このことで、圧力室１１の体積が増減するようになっている。
【００４５】
この構造のヘッド本体９１では、加圧部材１５を、例えばアルミナやセラミック等の電気絶縁材料によって構成することが好ましい。こうすることで、加圧部材１５と圧電素子１９との隙間を小さくすることが可能になる。つまりヘッド本体９１を小型化する上で有利になる。
【００４６】
ヘッドプレート１７とノズル板１３との間には、ヘッドプレート１７とノズル板１３との間隔、ひいては加圧部材１５とノズル板１３との間隔が小さくなる方向に、力を付与するクランプ部材２０，２０が取り付けられている。
【００４７】
各クランプ部材２０は、その上下の両端部が折り曲げられて形成された係合部２０ａ，２０ｂを有することにより、全体として略コ字状の横断面を有する部材であり、２つのクランプ部材２０は、ヘッド本体９１を挟んだ左右の両側それぞれにおいて、その上側の係合部２０ａが、ヘッドプレート１７の上面に対して係合すると共に、その下側の係合部２０ｂが、ノズル板１３の下面に係合することによって、ヘッドプレート１７とノズル板１３とに対して取り付けられている。
【００４８】
各クランプ部材２０は、そのばね力によって、ヘッドプレート１７とノズル板１３とを上下方向に挟み込んでおり、ヘッドプレート１７とノズル板１３とに対して付与された力によって、それらの部材１３，１７の間に配設された圧電素子１９には、上下方向（伸縮方向）の圧縮力が予め付与されている。
【００４９】
次に、上記構成のヘッド本体９１の動作について、図３及び図４の上図を参照しながら説明する。尚、図３では、理解容易のため、ヘッド本体９１におけるクランプ部材２０の図示を省略していると共に、ノズル板１３の変位量を誇張して描いている。
【００５０】
供給口１５ａ、圧力室１１、及びノズル１２内のそれぞれに液体材料が充填された状態で（図３（ａ）参照）、圧電素子１９に所定の電圧（例えば２０Ｖ）を印可する。このことによって、圧電素子１９を伸長変形する（同図（ｂ）参照）。
【００５１】
それによってノズル板１３は、加圧部材１５に対し相対的に下方に変位するため、弾性区画部材１８が伸長変形し、圧力室１１内に供給口１５ａを介して液体材料が供給される（同図（ｃ）参照）。その後、圧電素子１９への電圧印加を解除することによって、伸長していた圧電素子１９が元に戻る（収縮する）。それに伴い、ノズル板１３が上方に変位して圧力室１１の体積が減少し、このときに、圧力室１１内の液体材料に対して圧力が印加される（同図（ｄ）参照）。そうして液体材料がノズル１２から押し出されて被記録物４に向かって液滴として吐出される（同図（ｅ）参照）。液滴は、図３では図示を省略する被記録物４の上面にドット状に付着する。このように、ヘッド本体９１は、圧電素子１９の伸縮駆動によって、相対的に質量の小さいノズル板１３側が変位する。このため、ヘッド本体９１の駆動効率が向上する。
【００５２】
このヘッド本体９１では、クランプ部材２０によって、圧電素子１９に対し伸縮方向の圧縮力が予め付与されている。これによって圧電素子１９の見かけの耐引張応力が高まり、圧電素子１９に、より高い電圧を印加して、圧力室１１内の液体材料に、より高い圧力を印加することができる。
【００５３】
このことについて、図３，４を参照しながら説明する。圧電素子１９を伸長変形させたときには、その伸長変形に伴う反力によって圧電素子１９には圧縮応力が作用する（図４の（ｂ）参照）一方、圧電素子１９を収縮変形させたときには、その収縮変形に伴う反力によって圧電素子１９には引張応力が作用する（図４の（ｄ）参照）。
【００５４】
ここで、圧電素子１９に対し圧縮力が付与されていない（図４における破線参照）ときには、圧電素子１９に高い電圧を印加すると、圧電素子１９に作用する最大引張応力が増大する結果、その最大引張応力が耐引張応力を超えてしまう場合がある。その場合、圧電素子１９は、破壊してしまうことになる。
【００５５】
これに対し、前述の通り、圧電素子１９に対し圧縮力を予め付与しているときには、図４に実線で示すように、圧電素子１９に作用する応力は、その予圧縮分だけ圧縮方向にシフトする。このため、圧電素子１９の収縮変形時に、その圧電素子に作用する最大引張応力は、耐引張応力よりも小さくなる。つまり、圧電素子１９の破壊が回避されることになる。
【００５６】
尚、図４の上図に示す圧電素子１９の変位量の変化の図においては、予圧縮を付与した圧電素子１９（実線参照）は、予圧縮を付与しない圧電素子１９（破線参照）に比べて変位量が小さくなっている。これは予圧縮を付与することにより圧電素子１９のヤング率が大きくなるためであり、圧電素子１９に同じ電圧を印加して同じ大きさの力を発生させても、予圧縮を付与したときには圧電素子１９の変位量が減少するためである。
【００５７】
このように、本実施形態に係るヘッド本体９１では、圧電素子１９に対し、クランプ部材２０によって伸縮方向の圧縮力を予め付与しているため、圧電素子１９の耐引張応力が見かけ上高くなっている。このため、圧電素子１９に高い電圧を印加して、その伸縮量を大きくしても、圧電素子１９の破損が防止される。特に、前記の圧電素子１９は、積層型圧電素子であって耐引張応力は比較的低い（多数存在する電極と圧電素子との界面が剥がれやすい）ものの、その圧電素子１９の破損が効果的に防止される。
【００５８】
その結果、圧力室１１内の液体材料に対し高い圧力を付与して、液体吐出ヘッド７の吐出能力を向上させることができ、小液滴の吐出や高粘度液体の吐出が実現する。前記構成のヘッド本体９１は、例えば粘度が５０ｃＰ（０．０５Ｐａ・ｓ）の高粘度液体を、約２０ｐｌ（ピコリットル）の小さい液滴量で吐出することが可能である。
【００５９】
ここで、圧電素子１９に予め付与する圧縮力（圧縮応力）は、圧電素子１９の耐引張応力の０．２〜５倍程度とすることが望ましい。これは、予圧縮応力が０．２倍よりも小さいときは、圧電素子１９に作用する引張応力を緩和させる効果が小さくなる一方、５倍よりも大きいときには、圧電素子１９の変位量が大きく低下することで、圧力室１１の体積変化が生じ難くなるためである。
【００６０】
また、前記のヘッド本体９１では、クランプ部材２０のばね力によって圧電素子１９に圧縮力を付与しているため、その圧縮力の調整が容易になると共に、その取り付け及び取り外しも容易に行い得るという利点がある。
【００６１】
ここで、圧電素子１９の駆動は、前記のような、いわゆる引き押し駆動ではなくて、圧電素子１９の収縮変形によりノズル板１３を上方に変位させて液体材料をノズル１２から吐出させた後に、圧電素子１９の伸長変形によりノズル板１３の位置を元に戻すことで、液体材料を圧力室１１内に充填させる、いわゆる押し引き駆動としてもよい。但し、押し引き駆動の場合には、圧電素子１９を収縮させるときにその圧電素子１９に作用する引張応力が比較的高くなってしまうのに対し、引き押し駆動の場合には、圧電素子１９を伸長させた後に収縮させるため、圧電素子１９に作用する引張応力が抑制される。このため、圧電素子１９の破損を防止する上では、圧電素子１９を引き押し駆動した方が好ましい。
【００６２】
（実施形態２）
図５は、実施形態２に係るヘッド本体を示している。尚、実施形態２のヘッド本体９２において、図２に示すヘッド本体９１と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【００６３】
このヘッド本体９２は、ノズル板１３と、圧力室１１の側面を区画する圧力室壁部材１４と、圧力室の上面を区画する変位部材２１と、圧電素子１９と、圧電素子１９の上端が固定される固定部材２２と、を上下方向に積層した積層構造を有している。
【００６４】
圧力室壁部材１４は、例えば約０．４ｍｍ厚のステンレス鋼からなる板状部材であり、その中心には、板厚方向に貫通する圧力室用孔１４ａが形成されている。圧力室用孔１４ａは、その内周面によって圧力室１１の側面の一部を区画する孔であり、例えば横断面円形状に形成すればよく、その直径は、例えば約φ０．２５ｍｍとしてもよい。
【００６５】
圧力室壁部材１４は、前記ノズル板１３の上面に対し、その圧力室用孔１４ａがノズル１２と同軸となるように接着固定されており、その状態でノズル板１３の周縁部は、圧力室壁部材１４よりも外方に突出している。
【００６６】
圧力室壁部材１４にはまた、その板厚方向の中間部を水平方向に延びて圧力室用孔１４ａに連通する供給口１４ｂが形成されている。供給口１４ｂは、例えば一辺の長さが約０．０７ｍｍの横断面矩形状の孔としてもよい。
【００６７】
変位部材２１は、例えばその厚みが約０．３ｍｍのステンレス鋼からなる板状部材であり、弾性区画部材１８を介して圧力室壁部材１４に接合されている。これにより、弾性区画部材１８によって圧力室１１の側面の一部が区画され、変位部材２１の下面によって圧力室１１の上面が区画されている。変位部材２１の周縁部は、前記圧力室壁部材１４よりも外方に突出しており、この突出部分は、後述するように、クランプ部材２０の係合部２０ｂが係合する被係合部として機能する。
【００６８】
固定部材２２は、例えばその厚みが約０．５ｍｍのステンレス鋼からなる板状部材であり、変位部材２１及び圧力室壁部材１４を挟んだ両側方で上下方向に延びて配設された脚部２２ｂ、２２ｂを介して、ノズル板１３の上面に対し固定されている。
【００６９】
圧電素子（積層型圧電素子）１９は、固定部材２２と変位部材２１との間に介設されており、その上端が固定部材２２の下面に対して接着層を介して接合されている一方、その下端が変位部材２１の上面に対して接着層を介して接合されている。従って、圧電素子１９を上下方向に伸縮変形駆動させたときには、弾性区画部材１８の弾性変形を伴いながら、変位部材２１が上下方向に変位することになる。そうして、圧力室１１の体積が増減して、ノズル１２から液体材料が吐出するようになっている。
【００７０】
２つのクランプ部材２０は、固定部材２２と変位部材２１との間に取り付けられており、具体的には、その上側の係合部２０ａが、固定部材２２に形成された貫通孔２２ａ内を通って固定部材２２の上面に対して係合していると共に、その下側の係合部２０ｂが変位部材２１における被係合部の下面に係合している。これによって、固定部材２２と変位部材２１との間に介在する圧電素子１９に対して上下方向の圧縮力が予め付与されるようになっている。
【００７１】
このヘッド本体９２でも、クランプ部材２０によって、圧電素子１９に対し伸縮方向の圧縮力が予め付与されている。このため、圧電素子１９の見かけの耐引張応力が高まり、圧電素子１９に、より高い電圧を印加して、圧力室１１内の液体材料に、より高い圧力を印加することができる。
【００７２】
（実施形態３）
図６は、実施形態３に係るヘッド本体９３を示している。尚、実施形態３のヘッド本体９３において、図２に示すヘッド本体９１と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【００７３】
このヘッド本体９３は、変位部材として機能するノズル板１３と、圧電素子１９と、固定部材２２と、を上下方向に積層した積層構造を有している。
【００７４】
圧電素子１９は、その上端が固定部材２２に対し接着層を介して接合される一方、その下端がノズル板１３に対し接着層を介して接合されている。圧電素子１９に形成された貫通孔１９ａは、このヘッド本体９３においては、その内周面によって圧力室１１の側面を区画する。
【００７５】
固定部材２２には、板厚方向に貫通しかつ圧力室１１に連通する連通孔が形成されており、この連通孔は、圧力室１１内に液体材料を供給するための供給口２２ｃとして機能する。この供給口２２ｃの径は、例えば約φ０．０８ｍｍ程度としてもよい。
【００７６】
各クランプ部材２０は、固定部材２２とノズル板１３との間に取り付けられており、具体的には、その上側の係合部２０ａが、固定部材２２の上面に対して係合していると共に、その下側の係合部２０ｂがノズル板１３の下面に対して係合している。これによって、固定部材２２とノズル板１３との間に介在する圧電素子１９に対して上下方向の圧縮力が予め付与されるようになっている。
【００７７】
この構造のヘッド本体９３では、部材点数が低減すると共に、構造が簡略化するから、ヘッド本体９３の小型化の点、及び製造コストの低減化の点等で有利になる。
【００７８】
（実施形態４）
図７〜９は、実施形態４に係る液体吐出ヘッド７１を示している。実施形態４の液体吐出ヘッド７１は、複数の（図例では４個の）ヘッド本体９３を基材８に対して固定して構成されている。複数のヘッド本体９３を基材８に対し固定する本構成では、ヘッド本体９３の配置を変えることで、液体吐出ヘッド７１のノズルピッチを自由に変更することができるという利点がある。
【００７９】
基材８は、ステンレス鋼又はセラミック製の板状部材であって、その上面側には、上方に向かって開口して長手方向に延びる凹溝８１が形成されている。この凹溝８１の底壁には、それぞれ厚み方向に貫通する複数の（図例では４個の）貫通孔８２，８２，…が、長手方向に所定の間隔を空けて形成されている。
【００８０】
前記ヘッド本体９３は、本実施形態では、図６に示すヘッド本体９３と構成が同じであり、この液体吐出ヘッド７１では、そのノズル１２が基材８における各貫通孔８２と同軸となるように、各ヘッド本体９３が基材８の凹溝８１内に配置されている。そうして、各ヘッド本体９３の固定部材２２の上面と、基材８の下面との間にクランプ部材２０が取り付けられることによって、各ヘッド本体９３が基材８に対して固定されている。これと同時に、各クランプ部材２０は、固定部材２２と基材８との間に介在する圧電素子１９に予圧縮力を付与している。クランプ部材２０は、ヘッド本体９３を基材８に固定する固定手段としての機能と、圧電素子１９に圧縮力を付与する圧縮力付与手段としての機能を兼用している。従って、部材点数の削減により、液体吐出ヘッド７１の小型化及び製造コストの低減化の点で有利になる。
【００８１】
また、各ヘッド本体９３におけるノズル板１３の下面には、ノズル１２の周囲を取り囲むように、弾性部材８３が取り付けられている。この弾性部材８３は、ヘッド本体９３を基材８に対して取り付けたときに凹溝８１の底壁に当接する。これにより、ヘッド本体９３毎に、ノズル板１３の下面と弾性部材８３とで区画されかつ貫通孔８２を通じて下方に開口した空間が形成されることになる。弾性部材８３によってこうした空間を形成することにより、例えば空の圧力室１１内に液体材料を充填するとき等に実行される液体吐出ヘッド７１のパージ動作（前記の液体吐出ヘッド７１においては、基材８の下面側から貫通孔８２を通じて吸引する動作）を良好に行い得るという利点がある。
【００８２】
尚、各ヘッド本体９３と基材８との固定は、接着剤等を利用して行ってもよいし、ビス等の機械的な締結手段を利用して行ってもよい。そうして各ヘッド本体９３と基材８とを固定した上で、例えばクランプ部材２０によって圧電素子１９に圧縮力を付与してもよい。
【００８３】
また、前記基材８に固定するヘッド本体９３の構成は、図６に示すヘッド本体９３の構成に限らず、適宜変更することが可能である。また例えば、互いに異なる構成のヘッド本体を、同じ基材８に対して固定するようにしてもよい。
【００８４】
（実施形態５）
図１０〜１２は、実施形態５に係る液体吐出ヘッド７２を示している。尚、実施形態５の液体吐出ヘッド７２において、図７〜９に示す液体吐出ヘッド７１と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【００８５】
この液体吐出ヘッド７２は、各ヘッド本体９３が基材８の下面に対して固定されている。基材８は、その板厚方向に貫通する複数の（図例では４個の）貫通孔８５，８５，…が、長手方向に所定の間隔を空けて形成されており、各貫通孔８５は、各ヘッド本体９３の供給口２２ｃと連通して、圧力室１１に液体材料を供給するための供給口の一部として機能する。
【００８６】
各ヘッド本体９３は、その固定部材２２に形成された供給口２２ｃが、基材８の貫通孔８５と同軸となるように、固定部材２２の上面が基材８の下面に対して当接して配置されている。そうして、基材８の上面と、各ヘッド本体９３のノズル板１３の下面との間にクランプ部材２０が取り付けられることによって、各ヘッド本体９３が基材８に対して固定されていると共に、その圧電素子１９に予圧縮力が付与されている。従って、この構成においても、クランプ部材２０は固定手段としての機能と圧縮力付与手段としての機能を兼用しており、これによって部品点数の削減が図られている。
【００８７】
尚、ヘッド本体９３と基材８との固定は、クランプ部材２０に限定されない点は前述した通りである。
【００８８】
また、前記基材８に固定するヘッド本体９３の構成も、図６に示すヘッド本体９３の構成に限らない。
【００８９】
（実施形態６）
図１３〜１５は、実施形態６に係る液体吐出ヘッド７３を示している。尚、実施形態６の液体吐出ヘッド７３において、図７〜９に示す液体吐出ヘッド７１と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【００９０】
この液体吐出ヘッド７３では、ヘッド本体９３の基材８に対する固定、及び、圧電素子１９への予圧縮力の付与を、クランプ部材２０を用いて行うのではなく、弾性部材８３と接着を利用して行っている。
【００９１】
具体的に、各ヘッド本体９３におけるノズル板１３の下面には、ノズル１２の周囲を取り囲むように、弾性部材８３が取り付けられており、この弾性部材８３は、ヘッド本体９３を基材８に対して取り付けたときに、凹溝８１の底壁に当接する。
【００９２】
また、各ヘッド本体９３における固定部材２２は、図１５に示すように、その左右の両側部が、基材８の凹溝８１の開口よりも外方に突出しており、これによって、ヘッド本体９３を凹溝８１内に配置したときに、固定部材２２の下面は基材８の上面に対して当接するようになっている。また、固定部材２２の下面が基材８の上面に対して当接した状態では、弾性部材８３がノズル板１３と凹溝８１の底壁とに挟まれて上下方向に圧縮された状態となるように、凹溝８１の深さ及び弾性部材８３の厚みがそれぞれ調整されている。そうして、弾性部材８３が圧縮された状態で、固定部材２２が基材８に対し接着剤８４により接合されることで、各ヘッド本体９３が基材８に対し固定されている。このことで弾性部材８３の弾性復元力が圧電素子１９に作用して、この圧電素子１９に対して上下方向の圧縮力が予め付与されるようになっている。
【００９３】
このように本液体吐出ヘッド７３ではクランプ部材２０を省略することによって、部材点数の削減が図られることになる。
【００９４】
尚、接着剤８４を用いて固定部材２２を基材８に対し固定する代わりに、例えばビス等を用いて固定部材２２を基材８に対し固定するようにしてもよい。但し、接着剤８４を用いた場合には、その接合の際に位置ずれ等が生じないため、より好ましい。
【００９５】
（実施形態７）
図１６，１７は、実施形態７に係るヘッド本体を示している。尚、実施形態７のヘッド本体９４において、図２に示すヘッド本体９１と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【００９６】
このヘッド本体９４では、ノズル板１３において、ノズル１２がその板厚方向に貫通形成されておらず、ノズル１２は、ノズル板１３の側面に開口している。すなわち、ノズル板１３には、その上面から板厚方向に凹陥した凹部１３ａとこの凹部１３ａに連通すると共に、ノズル板１３の板厚方向中間部を水平方向に延びる吐出口１３ｂと、が形成されており、この吐出口１３ｂの先端に、先細のテーパ状に形成されると共にノズル板１３の側面に開口するノズル１２が連通している。
【００９７】
このように、液体材料の吐出方向を、弾性区画部材１８の伸縮方向（上下方向）と一致させるのではなく、弾性区画部材１８の伸縮方向と異なる方向（この実施形態では水平方向）となるようにしてもよい。
【００９８】
（変形例１）
図１８，１９は、変形例１に係るヘッド本体を示している。このヘッド本体９５は、図５に示すヘッド本体に対して、その液体材料の吐出方向が水平方向となるように変更した構成である。尚、図５に示すヘッド本体９２と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【００９９】
このヘッド本体９５では、その圧力室壁部材１４に、板厚方向の中間部を水平方向に延びて圧力室用孔１４ａに連通する吐出口１４ｃ及び吐出口１４ｃに連通すると共に、圧力室壁部材１４の側面に開口するノズル１２が形成されている。このため、ノズル板１３にはノズルが形成されていない。
【０１００】
尚、圧力室壁部材１４に形成する供給口１４ｂの向きは適宜設定することが可能である。図１９においては、供給口１４ｂと吐出口１４ｃとが圧力室孔１４ａを挟んだ両側に形成されるようにしているが、例えば図示は省略するが、供給口１４ｂの向きと、吐出口１４ｃの向きとが互いに直交するようにしてもよい。
【０１０１】
（変形例２）
図２０，２１は、変形例２に係るヘッド本体を示している。このヘッド本体９６は、図６に示すヘッド本体９３に対して、その液体材料の吐出方向が水平方向となるように変更した構成である。尚、図６に示すヘッド本体９３と同じ構成については、同じ符号を付すと共に、適宜その説明を省略する。
【０１０２】
このヘッド本体９６では、そのノズル板１３に、その上面から板厚方向に凹陥した凹部１３ａと、この凹部１３ａに連通すると共に、ノズル板１３の板厚方向中間部を水平方向に延びる吐出口１３ｂと、が形成されている。凹部１３ａは、圧力室１１に連通している一方、吐出口１３ｂの先端には、先細のテーパ状に形成されると共にノズル板１３の側面に開口するノズル１２が連通している。
【０１０３】
（他の実施形態）
尚、実施形態１〜３、７ではそれぞれ、クランプ部材２０を用いて圧電素子１９に圧縮力を付与しているが、圧縮力付与手段の構成はこれに限るものではない。例えば圧電素子１９を挟持する部材同士（例えば実施形態２では変位部材２１と固定部材２２）を弾性接着剤で互いに接着するようにしてもよい。この場合は、その弾性接着剤の硬化収縮を利用して、圧電素子１９に圧縮力を予め付与することが可能になる。また、例えばビス止め等の締結手段を利用して圧電素子１９に圧縮力を付与する構成を採用してもよい。
【０１０４】
また、前記各実施形態の如く、圧電素子１９に対して圧縮力を常時付与するのではなく、圧電素子１９の収縮変形時に圧縮力が付与されるようにしてもよい。
【０１０５】
本発明に係る液体吐出ヘッド及び液体吐出装置は、インクを記録紙等に吐出して画像を形成するインク吐出ヘッド及び画像記録装置に適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上説明したように、本発明は、小液滴の吐出や高粘度液体の吐出が実現するから、例えば液晶パネルや回路基板等の各種デバイスの製造のために、種々のパターンや均一薄膜を形成する液体材料吐出ヘッド及び液体材料吐出装置、またインクを吐出することによって例えば記録紙等の記録媒体上に画像を形成するインク吐出ヘッド及び画像形成装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】実施形態に係る液体吐出装置を示す概略斜視図である。
【図２】実施形態１に係るヘッド本体を示す横断面図である。
【図３】前記ヘッド本体の動作を示す説明図である。
【図４】上図は圧電素子の変位量、下図は圧電素子にかかる応力の変化の一例を示す図である。
【図５】実施形態２に係るヘッド本体を示す横断面図である。
【図６】実施形態３に係るヘッド本体を示す横断面図である。
【図７】実施形態４に係る液体吐出ヘッドを示す平面図である。
【図８】図７のVIII−VIII断面図である。
【図９】図９のIX−IX断面図である。
【図１０】実施形態５に係る液体吐出ヘッドを示す平面図である。
【図１１】図１０のXI−XI断面図である。
【図１２】図１０のXII−XII断面図である。
【図１３】実施形態６に係る液体吐出ヘッドを示す平面図である。
【図１４】図１３のXIV−XIV断面図である。
【図１５】図１３のXV−XV断面図である。
【図１６】実施形態７に係る液体吐出ヘッドを示す横断面図である。
【図１７】図１６のXVII−XVII断面図である。
【図１８】実施形態７の変形例１に係る液体吐出ヘッドを示す横断面図である。
【図１９】図１８のXIX−XIX断面図である。
【図２０】実施形態７の変形例２に係る液体吐出ヘッドを示す横断面図である。
【図２１】図２０のXXI−XXI断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１  圧力室
１２  ノズル
１３  ノズル板（変位部材）
１９  圧電素子
２０  クランプ部材（圧縮力付与手段）
２１  変位部材
２２  固定部材
７，７１〜７３  液体吐出ヘッド
８  基材
８３  弾性部材（圧縮力付与手段）
８４  接着剤（剛体接合部材）
９１〜９６  ヘッド本体
Ａ  液体吐出装置
【図１】
2008307467.tif 000003
【図２】
2008307467.tif 000004
【図３】
2008307467.tif 000005
【図４】
2008307467.tif 000006
【図５】
2008307467.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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