(57)【要約】【課題】圧電セラミック層８に多数のクラックを生じないため、例えば圧電インクジェットヘッドとして使用した際にインク滴の吐出特性を向上できる液体吐出装置を提供する。【解決手段】基板１の、キャビティ２にインクを供給するための共通供給路６の断面形状を、圧電アクチュエータＡＣ側に突出した略三角形状、略台形状、または略アーチ型に形成した。共通供給路６をこれらの断面形状とすると、基板１の面方向に加わる圧力を横方向にも分散して受けることによって剛性を向上して、圧電アクチュエータＡＣを接着、固定する際に共通供給路６が厚み方向に潰れる変形量を小さくできる。このため接着後の圧電セラミック層８に加わる応力を低減して多数のクラックが発生するのを防止して、インク滴の吐出特性を向上できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の基板の片面側に、液体を充てんするためのキャビティを複数個、面方向に配列し、かつ基板内部に、上記各キャビティに液体を供給するための共通供給路を設けるとともに、上記基板の、キャビティを配列した側の面に、平板状の圧電セラミック層を含む圧電アクチュエータを積層した構造を有する液体吐出装置であって、
上記共通供給路の、長さ方向と直交する方向の断面を、圧電アクチュエータ側を頂点とする略三角形状、圧電アクチュエータ側を上底とする略台形状、圧電アクチュエータ側を頂点とする略アーチ型、または対角線を基板の厚み方向と平行に向けた略菱形状に形成したことを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばインクジェットプリンタの圧電インクジェットヘッドなどとして好適に使用することができる、液体吐出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックの電歪効果を利用して、入力された電気信号を液体の圧力変動に変換することで、当該液体を外部に吐出させるための液体吐出装置が、特にオン−デマンド型のインクジェットプリンタにおいて、インク滴を吐出させて印字を行うための圧電インクジェットヘッドとして広く利用されている。
圧電インクジェットヘッドとして用いる液体吐出装置は、例えば図４に示すように板状の基板９１の片面（図では上面）側に、インクを充てんするためのキャビティ９２を、図示していないが複数個、面方向に配列するとともに、当該基板９１の、キャビティ９２を配列した側の面に、上記複数個のキャビティ９２を覆う大きさを有する、共通電極を兼ねる導電性の振動板９７と、同じく複数個のキャビティ９２を覆う大きさを有する平板状の圧電セラミック層９８と、それぞれのキャビティ９２に対応して分離形成した複数個の個別電極９９とを含む圧電アクチュエータＡＣを積層するなどした構造を有している（例えば特許文献１等参照）。
【０００３】
また、各キャビティ９２にはそれぞれ、基板９１の、圧電アクチュエータＡＣを積層した側と反対側の面に達する、インク滴吐出のためのノズル部９３を、ノズル流路９４を介して連通してある。
また各キャビティ９２にはそれぞれ、図示しないインクジェットプリンタのインク補給部からインクを供給するための、長さ方向と直交する方向の断面を、図に見るように矩形状とした共通供給路９６を、供給口９５を介して連通してある。
【０００４】
そしてインク補給部から、共通供給路９６と供給口９５とを介してインクを各キャビティ９２に充てんした状態で、共通電極としての振動板９７と、複数個の個別電極９９のうちの少なくとも一つとの間に駆動電圧を印加すると、それに応じて圧電セラミック層９８のうち両電極間に挟まれた領域が面方向に収縮する。
しかし圧電セラミック層９８は振動板９７に固定されているため、圧電アクチュエータＡＣの、駆動電圧を印加した領域は、上記の収縮に伴ってキャビティ９２の方向に突出するように撓み変形する。
【０００５】
そしてこの撓み変形によってキャビティ９２内のインクを圧縮して、ノズル部９３から、インク滴として吐出させて印字を行うことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３３４０６０号公報（第００２２欄〜第００２４欄、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４の液体吐出装置は、例えばその片面に、各キャビティ９２となる複数個の凹部を配列、形成した基板９１と、前記の積層構造を有する圧電アクチュエータＡＣとを接着剤の層（図示せず）を介して積層したのち、面と直交する方向に加圧しながら接着剤を硬化させるなどして、両者を接着、固定して製造するのが一般的である。
【０００８】
ところが、上記基板９１の共通供給路９６を設けた部分は、その他の部分に比べて肉厚が薄く、剛性が低いため、上記のように圧電アクチュエータＡＣを接着、固定すべく加圧した際に、当該共通供給路９６が厚み方向に潰れるような変形を生じやすい。
そして、かかる変形を生じた状態で、基板９１と圧電アクチュエータＡＣとを接着、固定すると、圧電セラミック層９８に過大な応力が加わって多数のクラックを生じるため、圧電アクチュエータＡＣの振動特性が低下して、ノズル部９３からのインク滴の吐出特性が低下するという問題がある。
【０００９】
また、クラックを通してインクが漏れるという問題も生じる。
本発明の目的は、圧電セラミック層に、圧電アクチュエータの振動特性を低下させる多数のクラックを生じないため、例えば圧電インクジェットヘッドとして使用した際に、インク滴の吐出特性をこれまでよりも向上することができる上、インクの漏れを防止することもできる、新規な液体吐出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、板状の基板の片面側に、液体を充てんするためのキャビティを複数個、面方向に配列し、かつ基板内部に、上記各キャビティに液体を供給するための共通供給路を設けるとともに、上記基板の、キャビティを配列した側の面に、平板状の圧電セラミック層を含む圧電アクチュエータを積層した構造を有する液体吐出装置であって、
上記共通供給路の、長さ方向と直交する方向の断面を、圧電アクチュエータ側を頂点とする略三角形状、圧電アクチュエータ側を上底とする略台形状、圧電アクチュエータ側を頂点とする略アーチ型、または対角線を基板の厚み方向と平行に向けた略菱形状に形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１の構成では、共通供給路の断面を、いずれも圧電アクチュエータ側に向けて徐々に幅が狭くなる略三角形状、略台形状、略アーチ型、または厚み方向の上半部が同様に圧電アクチュエータ側に向けて徐々に幅が狭くなる略菱形状に形成してあり、圧電アクチュエータを接着する際に面と直交する方向に圧力が加わった際に、その圧力を、これらの形状によって横方向にも分散して受けることができるため、基板の、共通供給路を設けた部分の剛性をこれまでよりも向上することができる。
【００１２】
このため圧電アクチュエータを接着、固定すべく加圧した際に、当該共通供給路が厚み方向に潰れる変形の変形量をこれまでよりも著しく小さくして、基板と圧電アクチュエータとを接着、固定した際に圧電セラミック層に加わる応力を低減することができる。
したがって請求項１記載の発明によれば、圧電セラミック層に、圧電アクチュエータの振動特性を低下させる多数のクラックを生じないため、例えば圧電インクジェットヘッドとして使用した際に、インク滴の吐出特性をこれまでよりも向上することができる上、インクの漏れを確実に防止することも可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
図１は、本発明の液体吐出装置の、圧電インクジェットヘッドとして好適に使用することができる実施の形態の一例において、圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。
図の例の液体吐出装置は、１枚の基板１上に、キャビティ２とそれに連通するノズル部３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
【００１４】
また図２（ａ）は、上記例の液体吐出装置において、圧電アクチュエータＡＣを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図２（ｂ）は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
各ドット形成部のノズル部３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数個列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉであって、液体吐出装置の全体として３６０ｄｐｉを実現している。
【００１５】
各ドット形成部は、基板１の、図２（ａ）において上面側に形成した、図２（ｂ）に示すように矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有するキャビティ２と、上記基板１の下面側の、キャビティ２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル部３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４によって繋ぐとともに、上記キャビティ２と、基板１内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）とを、キャビティ２の他端側の端部の、半円の中心付近の位置に形成した供給口５を介して繋ぐことで構成してある。
【００１６】
上記各部は、図の例では、キャビティ２を形成した第１基板１１と、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１２と、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１３と、ノズル部３を形成した第４基板１４とを、この順に積層、一体化することで形成してある。
また第１基板１１と第２基板１２には、図１に示すように、第３基板１３に形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部を構成するための通孔１０を形成してある。
【００１７】
さらに各基板１１〜１４は、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
またこの例では、図２（ａ）および図３（ａ）に示すように共通供給路６の、長さ方向と直交する方向の断面を、圧電アクチュエータＡＣ側を頂点６１とし、かつ反対側に基板１の面方向と平行な底辺６２を設けた略三角形状に形成してある。
【００１８】
これにより、前述したように圧電アクチュエータＡＣを接着する際に、基板１に面と直交する方向の圧力が加わっても、それを、頂点６１と底辺６２とを繋ぐ２つの斜辺６３によって横方向にも分散して受けることができるため、基板１の、共通供給路６を設けた部分の剛性をこれまでよりも向上することができる。
なお共通供給路６は、図３（ｂ）に示すように、長さ方向と直交する方向の断面を、圧電アクチュエータＡＣ側を上底６４、反対側を下底６５とし、なおかつ両底６４、６５を基板１の面方向と平行に設けた略台形状に形成してもよい。
【００１９】
この場合は、基板１の面と直交する方向に加わった圧力を、上記上底６４と下底６５とを繋ぐ両側の２つの斜辺６６によって、同様に横方向にも分散して受けることができるため、基板１の、共通供給路６を設けた部分の剛性を向上することができる。
また共通供給路６は、図３（ｃ）に示すように、長さ方向と直交する方向の断面を、圧電アクチュエータ側を頂点とする湾曲部６７と、その反対側の、基板１の面方向と平行な底辺６８とを有する略アーチ型に形成してもよい。なお湾曲部６７を、１つ以上の屈曲点とその間を結ぶ直線とからなる屈曲部で代用してもよい。
【００２０】
この場合は、基板１の面と直交する方向に加わった圧力を、上記湾曲部６７もしくは屈曲部によって、やはり横方向にも分散して受けることができるため、基板１の、共通供給路６を設けた部分の剛性を向上することができる。
さらに共通供給路６は、図３（ｄ）に示すように、前記三角形状の変形としての、隣接しない２角６ａ間を繋ぐ対角線を、基板１の厚み方向と平行に向けた略菱形状に形成してもよい。なお菱形に正方形が含まれることは言うまでもない。
【００２１】
この場合は、基板１の面と直交する方向に加わった圧力を、上側の角６ａと左右の角６ｂとを繋ぐ２つの斜辺６ｃによって、横方向にも分散して受けることができるため、基板１の、共通供給路６を設けた部分の剛性をこれまでよりも向上することができる。
なお、これら所定の断面形状を有する共通供給路６を備えた第３基板１３は種々の方法で形成することが考えられるが、例えば図３（ａ）中に拡大して示したように第３基板１３を厚み方向に細かく分割した多数の薄い板材１３ａを用意し、それを積層、一体化して形成するのが好ましい。すなわち個々の板材１３ａに、共通供給路６の断面形状を厚み方向に分割した平面形状を有する通孔を形成しておき、それを積み重ねて一体化することによって、所定の断面形状を有する共通供給路６を備えた第３基板１３を形成することができる。
【００２２】
なお、この方法で形成した共通供給路６は、例えば上記拡大図に見るように、斜辺６３がきれいな直線でなく階段状になるが、共通供給路６の全体としてみたときには、その断面形状は三角形に近似している。それゆえこの例では共通供給路６の断面形状を、これらのものも含み得るように略三角形状としている。
図３（ｂ）の略台形状における斜辺６６や、図３（ｃ）の略アーチ状における湾曲部６７、図３（ｄ）の略菱形状における斜辺６ｃも同様である。
【００２３】
ただし加工法によっては、斜辺６３、６６、６ｃをきれいな直線に形成して共通供給路６の断面形状をきれいな三角形、台形、菱形にすることや、湾曲部６７を滑らかな曲線に形成して共通供給路６の断面形状をきれいなアーチ状に形成することも可能であり、そのようなきれいな断面形状の共通供給路も、本発明の範囲に含むものとする。
図２（ｂ）に見るように基板１の上面側には、複数個のキャビティ２を覆う大きさを有する、共通電極を兼ねる導電性の振動板７と、同じく複数個のキャビティ２を覆う大きさを有する圧電セラミック層８と、それぞれのキャビティ２に対応して分離形成した複数個の個別電極９とを含む圧電アクチュエータＡＣを積層してある。
【００２４】
このうち振動板７としては、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて所定の厚みを有する板状に形成したものを用いることができる。
圧電セラミック層８は、例えば圧電体グリーンシートを焼成したり、あるいは圧電材料の焼結体を薄板状に研磨したりして形成することができる。
【００２５】
圧電セラミック層８を構成する圧電セラミックとしては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。圧電体グリーンシートは、焼成によって上記いずれかの圧電材料となる化合物を含んでいる。
【００２６】
振動板７と圧電セラミック層８とは、例えば接着剤を用いて接着して一体化することができる。
さらに個別電極９は、例えば金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の粉末を含む導電性のペーストを、圧電セラミック層８の表面に、スクリーン印刷法などの印刷法によって所定の形状に印刷して形成したり、振動板７と同様の金属の薄板を、圧電セラミック層８の表面に、例えば接着剤を用いて接着して一体化したのち、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって所定の形状に形成したり、あるいは圧電セラミック層８の表面に、フォトリソグラフ法などを利用して、所定の形状の開口部を有するめっきレジスト層を形成し、めっきしたのちレジスト層を除去して所定の形状に形成したりすることができる。
【００２７】
そして上記の積層構造を有する圧電アクチュエータＡＣを、前述した基板１の、キャビティ２となる凹部を複数個、配列、形成した側の面に、例えば熱硬化性の接着剤の層（図示せず）を介して積層したのち、加圧下で加熱して接着剤を熱硬化させるなどして、両者を接着、固定すると、図の例の液体吐出装置を製造することができる。
しかもこの際には、基板１内の、共通供給路６の断面形状を略三角形状、略台形状、または略アーチ状に形成したことによる、前述した基板１の剛性を向上する効果によって、当該共通供給路６が厚み方向に潰れる変形の変形量をこれまでよりも著しく小さくして、基板１と圧電アクチュエータＡＣとを接着、固定した際に圧電セラミック層８に加わる応力を低減することができる。そして、圧電セラミック層に、圧電アクチュエータの振動特性を低下させる多数のクラックが発生するのを防止して、吐出特性をこれまでよりも向上することが可能となる。また、インクの漏れを確実に防止することもできる。
【００２８】
基板１と圧電アクチュエータＡＣとを接着するのに用いる熱硬化性の接着剤としては、例えばエポキシ系、ポリイミド系その他、従来公知の種々の接着剤を挙げることができる。また、この両者を接着する際の加熱に対する耐性等を考慮すると、前述したように圧電セラミック層８と、振動板７や、個別電極９のもとになる金属の薄板などを接着する接着剤としても、同系の、熱硬化性の接着剤を用いるのが好ましい。
【００２９】
上記各部を備えたこの例の液体吐出装置においては、図示しないインクジェットプリンタのインク補給部から、共通供給路６と供給口５とを介してインクを各キャビティ２に充てんした状態で、共通電極としての振動板７と、複数個の個別電極９のうちの少なくとも一つとの間に駆動電圧を印加する。そうすると、それに応じて圧電セラミック層８のうち両電極間に挟まれた領域が面方向に収縮することによって、前述したように圧電アクチュエータＡＣの、駆動電圧を印加した領域がキャビティ２の方向に突出するように撓み変形してキャビティ２内のインクを圧縮して、ノズル部３から、インク滴として吐出させて印字を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体吐出装置の、圧電インクジェットヘッドとして好適に使用することができる実施の形態の一例において、圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。
【図２】同図（ａ）は、上記例の液体吐出装置において、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図（ｂ）は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【図３】同図（ａ）は、上記例の液体吐出装置における共通供給路の断面形状を示す、圧電アクチュエータを取り付ける前の状態の断面図、同図（ｂ）〜（ｄ）はいずれも、共通供給路の変形例を示す断面図である。
【図４】従来の液体吐出装置の一例において、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  キャビティ
６  共通供給路
８  圧電セラミック層
ＡＣ  圧電アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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