(57)【要約】【課題】ノズルを高い集積度で配置するのに伴って、圧力室の平面積が小さくなっても、圧電アクチエータの駆動電圧を増加させることなく、所定の吐出速度を得る。【解決手段】圧電アクチュエータ２の活性部５４の変位により、キャビティユニット１の圧力室３６の容積を変化させて、圧力室３６の液体をノズルから吐出するように構成された液滴吐出装置において、圧力室３６及び活性部５４には、キャビティユニット１と圧電アクチエータ２との積層方向からの平面視で細長形状に形成され、前記積層方向からの平面視における活性５４の長手方向の寸法Ｌ１を、１．５ｍｍ以下とし、前記積層方向に平行な圧力室３６の高さ寸法Ｔ１を、４０〜６０μｍとし、圧力室３６にて、圧電アクチュエータ２と対向する側の面を構成する部材の厚み寸法Ｔ２を、１００〜１５０μｍとする。【選択図】図３
2007182070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルから液滴を吐出させる液滴吐出装置であって、
前記複数のノズルと、前記複数のノズルのそれぞれに対応し、所定の平面上に延在する複数の圧力室とを有するキャビティユニットと、
前記複数の圧力室のそれぞれに対応して延在する複数の活性部を有し、前記平面を覆うように前記キャビティユニット上に形成される圧電アクチュエータとを備え、
前記活性部の長手方向の長さは１．５ｍｍ以下であり、
前記圧力室の高さは４０〜６０μｍであり、
前記圧力室の、前記圧電アクチュエータと対向する側の面を画成する部材の厚みは、１００〜１５０μｍであり、
前記活性部の変位により、液体が充填された前記圧力室の容積を変化させて、前記ノズルから液滴を吐出させることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記圧力室の短手方向の長さは２４０〜２８０μｍであり、前記圧電アクチュエータは、積層される複数のベース圧電層と、前記複数のベース圧電層のそれぞれを間に挟む複数の電極層とを有し、前記複数の電極層には、前記複数の圧力室のそれぞれに対応して延在する複数の個別電極が形成された個別電極の層と前記複数の圧力室に跨って共通電極が形成された共通電極の層とがそれぞれ複数含まれ、前記複数の個別電極と前記共通電極との間の前記ベース圧電層の領域が前記複数の活性部として形成され、前記ベース圧電層の厚みは１５〜４０μｍであり、前記個別電極の短手方向の長さは１４０〜１８０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記圧電アクチュエータは、前記複数のベース圧電層に関して前記キャビティユニットと反対側に配置されるトップ層と、前記複数のベース圧電層に関して前記トップ層と反対側に配置されるボトム層とをさらに備え、前記複数の活性部は前記ベース圧電層のみに含まれ、前記ボトム層及び前記トップ層の厚みはそれぞれ、前記ベース圧電層それぞれの厚みよりも厚いことを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記トップ層及び前記ボトム層の厚みはそれぞれ、２５〜４０μｍであり、前記複数のベース圧電層の厚みはそれぞれ、１５〜３０μｍであることを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記圧電アクチュエータは、前記複数のベース圧電層に関して前記キャビティユニットと反対側に配置されるトップ層と、前記複数のベース圧電層に関して前記トップ層と反対側に配置されるボトム層とをさらに備え、前記複数の活性部は前記ベース圧電層のみに含まれ、前記複数のベース圧電層のうち、前記トップ層に最も近い前記ベース圧電層、および前記ボトム層の厚みはそれぞれ、残りの前記ベース圧電層それぞれの厚みよりも厚いことを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
【請求項６】
前記トップ層に最も近い前記ベース圧電層、および前記ボトム層の厚みはそれぞれ、２５〜４０μｍであり、前記残りのベース圧電層の厚みはそれぞれ、１５〜３０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出装置。
【請求項７】
前記キャビティユニットにおいて、前記複数の圧力室が形成される部材、及び前記複数の圧力室の前記圧電アクチュエータと対向する側の面を構成する部材は、いずれもニッケル合金鋼板製であることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
【請求項８】
前記活性部の長手方向の長さはそれぞれ、１．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
【請求項９】
前記活性部の長手方向の長さが０．９〜１．３ｍｍの場合、前記液滴を吐出速度９ｍ／ｓで吐出させるための駆動電圧が、２３．５〜２７Ｖであることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
【請求項１０】
インク液滴を噴射して画像記録を行うインクジェットヘッドであることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータにおける活性部の変位によりキャビティユニットから液滴を吐出するように構成された液滴吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置としてはインクジェットヘッド等があり、本出願人は、インクジェットヘッドとして、特許文献１（特開２００４−２９１５４３号公報）等に、ノズルを備えたキャビティユニットに、圧電アクチュエータから吐出圧力を与えて、前記ノズルからインク滴を吐出するように構成した形態を開示している。例えば、特許文献１に開示の形態では、キャビティユニットを略扁平形状に形成し、その内部に、キャビティユニットにおける一方の広幅面に開口形成された圧力室から他方の広幅面に開口形成されたノズルに至るように形成したインク流通路をノズル毎に設けている。
【０００３】
一方、圧電アクチュエータは、複数の圧電層と、圧力室毎に設けられた個別電極と、複数の圧力室に跨って設けられた共通電極とを有しており、個別電極と共通電極とで上下を挟まれた圧電層の領域が、個別電極と共通電極との間に印加した駆動電圧によって変位する活性部となっている。そして、各圧力室毎に活性部が対応するように、キャビティユニットの前記一方の広幅面に圧電アクチュエータを積層し固着している。
【０００４】
このように構成されたインクジェットヘッドでは、活性部が変位することで、圧力室の容積が変化し、圧力室に充填されたインクがノズルから吐出するから、所定量のインク滴を所定の速度で吐出するためには、所定量の容積変化を圧力室に生じさせる必要がある。
【特許文献１】特開２００４−２９１５４３号公報（図５及び図７参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、液滴吐出装置であるインクジェットヘッドは、近年の小型化や記録の高密度化、液滴の微小化に対応させるために、ノズルの平面配置における集積度を高め、圧力室の平面積も小さくなる傾向にある。これにともない、１ノズルに要する流路（圧力室を含む）の長さを小さくすると、小型化及び液滴の微小化に対応できるだけでなく、インクに生じる固有の圧力変動周期が短くなって吐出の駆動周波数を高めることができ、記録の高速化に効果がある。しかし、これによって、圧力室毎に設けられる活性部の平面積も小さくならざるを得ないため、活性部全体として所定量の容積変化を圧力室に与えるには、活性部の変位量を大きくする必要があり、その結果、活性部を駆動するのに必要な駆動電圧を高く設定しなければならない。また、キャビティユニットは、完全な剛体ではないため、活性部の変位がキャビティユニットの変形によって吸収されてしまうので、さらに駆動電圧を高く設定しなければ、所定の吐出速度が得られないという問題を生じる。
【０００６】
本発明は、上記問題を解消するものであり、ノズルを高い集積度で配置するのに伴って、圧力室の長さが小さくなっても、圧電アクチュエータの駆動電圧を増加させることなく、吐出に十分な容積変化を圧力室に与え、所定の吐出速度を得ることができる液滴吐出装置の実現を目的とするものである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
以下、各要素に付した括弧付き符号は、その要素の例示に過ぎず、各要素を限定するものではない。
【０００８】
本発明の第１の態様に従えば、複数のノズル（４）から液滴を吐出させる液滴吐出装置（１００）であって、前記複数のノズル（４）と、前記複数のノズル（４）のそれぞれに対応し、所定の平面（１７）上に延在する複数の圧力室（３６）とを有するキャビティユニット（１）と、前記複数の圧力室（３６）のそれぞれに対応して延在する複数の活性部（５４）を有し、前記平面（１７）を覆うように前記キャビティユニット（１）上に形成される圧電アクチュエータ（２）とを備え、前記活性部（５４）の長手方向の長さ（Ｌ１）は１．５ｍｍ以下であり、前記圧力室（３６）の高さ（Ｔ１）は、４０〜６０μｍであり、前記圧力室（３６）の、前記圧電アクチュエータ（２）と対向する側の面を画成する部材（１６）の厚み（Ｔ２）は、１００〜１５０μｍであり、前記活性部（５４）の変位により、液体が充填された前記圧力室（３６）の容積を変化させて、前記ノズル（４）から液滴を吐出させる液滴吐出装置（１００）が提供される。
【０００９】
本発明の液滴吐出装置において、活性部（５４）の長さ（Ｌ１）を１．５ｍｍ以下に短くしても、圧力室（３６）の高さ（Ｔ１）を４０〜６０μｍにするとともに、圧力室（３６）にて、圧電アクチュエータ（２）と対向する側の面を画成する部材（１６）の厚み（Ｔ２）を１００〜１５０μｍとすることにより、活性部（５４）に印加する駆動電圧を高めることなく、微小な体積の液滴を所定速度で安定して吐出可能なことが、実験上確認できた。
【００１０】
本発明の液滴吐出装置（１００）において、前記圧力室（３６）の短手方向の長さ（幅）（Ｗ１）は２４０〜２８０μｍであってもよく、前記圧電アクチュエータ（２）は、積層される複数のベース圧電層（５１）と、前記複数のベース圧電層（５１）のそれぞれを間に挟む複数の電極層（４９）とを有してもよく、前記複数の電極層（４９）には、前記複数の圧力室（３６）のそれぞれに対応して延在する複数の個別電極（４６）が形成された個別電極の層と前記複数の圧力室（３６）に跨って共通電極（４７）が形成された共通電極の層とがそれぞれ複数含まれてもよく、前記複数の個別電極（４６）と前記共通電極（４７）との間の前記ベース圧電層（５１）の領域が前記複数の活性部（５４）として形成されてもよく、前記ベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）は１５〜４０μｍであってもよく、前記個別電極（４６）の短手方向の長さ（幅）（Ｗ３）は１４０〜１８０μｍであってもよい。
【００１１】
圧電層の厚み（Ｔ５１、Ｔ５２、Ｔ５３）、及び個別電極（４６）における幅（Ｗ３）が変わると、活性部（５４）の変位量や静電容量が変化する。この場合、圧電層（５１、５２、５３）における１層当たりの厚み（Ｔ５１、Ｔ５２、Ｔ５３）を１５〜４０μｍとし、且つ圧力室（３６）の長手方向に直交する方向の幅（Ｗ１）２４０〜２８０μｍに対して個別電極（４６）の前記幅（Ｗ３）を１４０〜１８０μｍとすることにより、前記のような活性部（５４）の長手方向の長さ（Ｌ１）、圧力室（３６）の高さ（Ｔ１）、及び圧力室（３６）の、圧電アクチュエータ（２）と対向する側の面を画成する部材（１６）の厚み（Ｔ２）に関する条件において、さらに活性部（５４）の変位量と静電容量とを最適化することができる。
【００１２】
本発明の液滴吐出装置（１００）において、前記圧電アクチュエータ（２）は、前記複数のベース圧電層（５１）に関して前記キャビティユニット（１）と反対側に配置されるトップ層（５３）と、前記複数のベース圧電層（５１）に関して前記トップ層（５３）と反対側に配置されるボトム層（５２）とをさらに備えてもよく、前記複数の活性部（５４）は前記ベース圧電層（５１）のみに含まれてもよく、前記ボトム層（５２）及び前記トップ層（５３）の厚み（Ｔ５２、Ｔ５３）はそれぞれ、前記ベース圧電層（５１）それぞれの厚み（Ｔ５１）よりも厚くてもよい。具体的には、前記トップ層（５３）及び前記ボトム層（５２）の厚み（Ｔ５３、Ｔ５２）はそれぞれ、２５〜４０μｍであってもよく、前記複数のベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）はそれぞれ、１５〜３０μｍであってもよい。この場合、トップ層（５３）の厚み（Ｔ５３）をベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）よりも厚くすることで、活性部（５４）の変位をトップ層（５３）側に逃がすことなく効率よく圧力室（３６）側に伝達させることができる。さらに、ボトム層（５２）の厚み（Ｔ５２）をベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）よりも厚くすることで、圧力室（３６）に充填されたインクが圧電アクチュエータ（２）側へ浸透することに対する防止効果を高めることができる。また、トップ層（５３）の厚み（Ｔ５３）とボトム層（５２）の厚み（Ｔ５２）とを厚くすることで、圧電アクチュエータ（２）の製造時、焼結した際に圧電アクチュエータ（２）の上下寄りの層の厚みの偏りによる、反りの発生を抑えることができる。したがって、複数の圧力室（３６）に対して圧電アクチュエータ（２）の各活性部（５４）をほぼ均一に作用させることができる。また、トップ層（５３）及びボトム層（５２）の厚み（Ｔ５３、Ｔ５２）をそれぞれ、２５〜４０μｍとし、複数のベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）をそれぞれ１５〜３０μｍとすることで、これらの層を圧電アクチュエータ（２）の製造時に安定して形成することができる。
【００１３】
本発明の液滴吐出装置（１００）において、前記圧電アクチュエータ（２）は、前記複数のベース圧電層（５１）に関して前記キャビティユニット（１）と反対側に配置されるトップ層（５３）と、前記複数のベース圧電層（５１）に関して前記トップ層（５３）と反対側に配置されるボトム層（５２）とをさらに備えてもよく、前記複数の活性部（５４）は前記ベース圧電層（５１）のみに含まれてもよく、前記複数のベース圧電層（５１）のうち、前記トップ層（５３）に最も近い前記ベース圧電層（５１）、および前記ボトム層（５２）の厚み（Ｔ５１、Ｔ５２）はそれぞれ、残りの前記ベース圧電層（５１）それぞれの厚み（Ｔ５１）よりも厚くてもよい。具体的には、前記トップ層（５３）に最も近い前記ベース圧電層（５１）、および前記ボトム層（５２）の厚み（Ｔ５１、Ｔ５２）はそれぞれ、２５〜４０μｍであってもよく、前記残りのベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）はそれぞれ、１５〜３０μｍであってもよい。この場合、トップ層（５３）に最も近いベース圧電層（５１）とボトム層（５２）との厚み（Ｔ５１、Ｔ５２）を厚くすることで、圧電アクチュエータ（２）の製造時、焼結した際に圧電アクチュエータ（２）の上下寄りの層の厚みの偏りによる、反りの発生を抑えることができ、複数の圧力室（３６）に対して圧電アクチュエータ（２）の各活性部（５４）をほぼ均一に作用させることができる。さらに、ボトム層（５２）の厚み（Ｔ５２）をベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）よりも厚くすることで、圧力室（３６）に充填されたインクが圧電アクチュエータ（２）側へ浸透することに対する防止効果を高めることができる。また、トップ層（５３）に最も近いベース圧電層（５１）及びボトム層（５２）の厚み（Ｔ５１、Ｔ５２）をそれぞれ、２５〜４０μｍとし、残りのベース圧電層（５１）の厚み（Ｔ５１）をそれぞれ１５〜３０μｍとすることで、これらの層を圧電アクチュエータ（２）の製造時に安定して形成することができる。
【００１４】
本発明の液滴吐出装置（１００）において、前記キャビティユニット（１）における、前記複数の圧力室（３６）が形成される部材（１７）、及び前記複数の圧力室（３６）の前記圧電アクチュエータ（２）と対向する側の面を画成する部材（１６）は、いずれもニッケル合金鋼板製にし得る。
【００１５】
本発明の液滴吐出装置（１００）において、前記複数の活性部（５４）の長手方向の長さ（Ｌ１）はそれぞれ、１．２ｍｍ以下であってもよい。活性部の長手方向の長さを１．２ｍｍ以下に短くした場合においても、圧力室の高さを４０〜６０μｍにするとともに、圧力室の、圧電アクチュエータと対向する側の面を画成する部材の厚みを１００〜１５０μｍとすることにより、活性部に印加する駆動電圧を高めることなく、微小な体積の液滴を所定速度で安定して吐出可能なことが、実験上確認できた。
【００１６】
本発明の液滴吐出装置（１００）において、前記活性部（５４）の長手方向の長さ（Ｌ１）が０．９〜１．３ｍｍの場合、前記液滴を吐出速度９ｍ／ｓで吐出させるための駆動電圧が、２３．５〜２７Ｖであってもよい。
【００１７】
本発明の液滴吐出装置（１００）は、インク液滴を噴射して画像記録を行うインクジェットヘッドであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の基本的な実施形態について図１〜図７を用いて説明する。
【００１９】
図１は、液滴吐出装置の実施形態であるインクジェットヘッド１００の分解斜視図であり、複数枚のプレートを備えるキャビティユニット１にプレート型の圧電アクチュエータ２が接合され、このプレート型の圧電アクチュエータ２の上面に外部機器との接続のためのフレキシブルフラットケーブル３が重ね接合されている。そして、キャビティユニット１の下面側に開口されたノズル４（図３参照）から、下向きにインクが吐出するものとする。
【００２０】
前記キャビティユニット１は、図２に示すように、ノズルプレート１１、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、及びキャビティプレート１７の合計８枚の薄い平板を、その各平板面が対向するように接着剤を介して積層し接合した構造となっている。本文中で、それらの平板が積層された方向を適宜、「積層方向」という。
【００２１】
実施形態では、各プレート１１〜１７は４０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１７は４２％ニッケル合金鋼（ニッケルを添加したスチール）板製である。前記ノズルプレート１１には、微小径（２０μｍ程度）のノズル４が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル４は、当該ノズルプレート１１における長辺方向（Ｘ方向）に沿って５列に配列されている。列内にて隣接するノズルピッチは、７５ｄｐｉ（ドットパーインチ）に設定しているが、７５ｄｐｉ以上に高集積化してもよい。
【００２２】
ノズル４は、図３に示すように、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６に穿設されている貫通路３８を介して、キャビティプレート１７の圧力室３６に接続されている。キャビティプレート１７には、図２に示すように、複数の圧力室３６がキャビティプレート１７の長辺（Ｘ方向）と平行な５列に配列されている。各圧力室３６は、平面視細長形状でその長手方向がキャビティプレート１７の短辺方向（Ｙ方向）に沿うようにしてキャビティプレート１７の厚みを貫通して穿設されている。各圧力室３６の長手方向の一端３６ａは、図３に示すように、後述する連通孔３７及び接続流路４０を介して共通インク室７と連通し、各圧力室３６の長手方向の他端３６ｂには前記貫通路３８が接続されており、圧力室３６は、インクの流れる方向に沿って長い細長形状に形成されている。
【００２３】
圧力室３６は、前述したノズル４のノズルピッチ７５ｄｐｉに対応するピッチで、キャビティプレート１７に穿設されるから、キャビティプレート１７への圧力室３６の製造上での安定性等を確保するためには、図４及び図５に示すように、圧力室３６のインクの流れに直交する方向の幅Ｗ１は２４０〜２８０μｍであることが望ましい。この場合、列内で隣接する圧力室３６同士の間隔Ｗ２は約８０μｍとなる。また、圧力室３６の高さＴ１は、４０〜６０μｍであることが望ましい。なお、圧力室３６の「高さ」とは、圧力室３６の前記積層方向の長さ、換言するとキャビティプレート１７の厚みＴ１（図３及び図４参照）を意味する。この圧力室３６の高さＴ１について検討した実験結果は、後述する。なお、圧力室３６のインクの流れ方向の長さ（長手方向の長さ）Ｌ２は、後述する活性部５４の長さに対して０．１〜０．３ｍｍ程度大きく設定され、１．４±０．１ｍｍ〜１．５±０．１ｍｍ（以下１．４ｍｍという）と、１．１±０．１ｍｍ〜１．２±０．１ｍｍ（以下１．１ｍｍという）との２種類用意した（上記幅、高さは共通）。この２種類は、吐出する液滴の体積が異なる２種類に対応させるためである。
【００２４】
キャビティプレート１７の下面に隣接するベースプレート１６には、各圧力室３６の一端３６ａに接続する連通孔３７が穿設されている。このベースプレート１６は、圧力室３６の、圧電アクチュエータ２と対向する側の面を構成する。従って、圧力室３６に付与された圧電アクチュエータ２からの吐出圧力を効率よくインクに伝達するためには、ベースプレート１６の剛性も影響するから、この点を考慮すると、ベースプレート１６の厚みＴ２（図３及び図４参照）は、できるだけ厚くすることが考えられる。しかし、そのようにすると、貫通路３８及び連通孔３７の流路長、流路径などが増加し、圧力室内のインクに発生する圧力波の周期の乱れが発生するなどの悪影響がでる。したがって、ベースプレート１６の厚みＴ２は、１００〜１５０μｍであることが望ましい。なお、ベースプレート１６（圧力室３６の、圧電アクチュエータ２と対向する側の面を画成する部材）の厚みＴ２とは、ベースプレート１６の前記積層方向の厚みを意味する。このベースプレート１６の厚みＴ２について検討した実験結果は、後述する。
【００２５】
ベースプレート１６の下面に隣接するサプライプレート１５には、共通インク室７から各圧力室３６へインクを供給するための接続流路４０が設けられる。各接続流路４０には、図３に示すように、共通インク室７からインクが入る入口孔４０ａと、連通孔３７と対向するように開口する出口孔４０ｂと、入口孔４０ａと出口孔４０ｂとの間にあって、接続流路４０中で最も大きな流路抵抗となるように断面積を小さくして形成された絞り部４０ｃとが備えられている。この絞り部４０ｃは、ノズル４からインクを吐出させるために、圧力室３６が吐出圧力を受けたときに、共通インク室７側へのインクの後退を防止し、効率よくインクをノズル４側に前進させるために設けたものである。
【００２６】
２枚のマニホールドプレート１４ａ，１４ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い５つの共通インク室７が前記ノズル４の各列に沿って延びるように板厚を貫通して形成されている。すなわち、図３に示すように、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂを積層し、かつその上面をサプライプレート１５にて覆い、下面をダンパープレート１３にて覆うことにより、合計５つの共通インク室（マニホールド室）７が形成される。各共通インク室７は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記圧力室３６の一部と重なって圧力室３６の列方向（ノズル４の列方向）に沿って長く延びている。
【００２７】
図２及び図３に示すように、マニホールドプレート１４ａの下面に隣接するダンパープレート１３の下面側には、共通インク室７と隔絶されたダンパー室４１が凹み形成されている。この各ダンパー室４１の位置および形状は、図２に示すように、前記各共通インク室７と一致させている。このダンパープレート１３は、適宜弾性変形し得る金属素材であるため、ダンパー室４１上部の薄い板状の天井部は、共通インク室７側にも、ダンパー室４１側にも自由に振動することができる。インク吐出時に、圧力室３６で発生した圧力変動が共通インク室７に伝播しても、前記天井部が弾性変形して振動することにより、前記圧力変動を吸収減衰させるというダンパー効果を奏し、圧力変動が他の圧力室３６へ伝播するというクロストークを抑制する。
【００２８】
また、図２に示すように、キャビティプレート１７の一方の短辺側の端部には、キャビティユニット１へのインクの入口として４つのインク供給口４２が穿設され、これら４つのインク供給口４２と上下の位置を対応させて、ベースプレート１６とサプライプレート１５とにそれぞれ４つの接続口４３が穿設されており、インク供給源からのインクが、インク供給口４２及び接続口４３を介して、共通インク室７の長手方向の一方端部に供給される。４つのインク供給口４２には、それぞれの開口に対応する濾過部２０ａを有するフィルタ体２０が接着剤等で貼着されている。
【００２９】
この実施形態では、インク供給口４２及び接続口４３がそれぞれ４つ設けられているのに対して、共通インク室７が５つ設けられており、図２における左端に位置するインク供給口４２だけが、２つの共通インク室７，７にインクを供給するように構成されている。このインク供給口４２には、ブラックインクが供給されるように設定されており、ブラックインクがその他のカラーインクに比べて使用頻度が高いことを考慮したものである。他のインク供給口４２には、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクがそれぞれ単独に供給される。
【００３０】
一方、前記圧電アクチュエータ２には、知られた構造、例えば、特開２００２−２５４６３４号公報等に開示されたものと同様に、全ての圧力室３６にわたる大きさを有する扁平形状で且つその扁平な方向と直交する方向に積層される複数のセラミックス層と、この複数の層の扁平な方向の面上に配置される複数の電極層とが備えられている。ここでは、セラミックス粉末、バインダ、溶剤を混合したものを１枚の厚さが１５〜４０μｍ程度になるように扁平に成形した圧電セラミックス素材のシート（グリーンシート）の複数枚のうち適数枚のシート面に導電性ペーストで電極層を印刷法等によって形成し、その複数枚のグリーンシートを積層して焼成することで、圧電アクチュエータ２を形成している。
【００３１】
電極層としては、圧力室３６毎に形成される個別電極４６と複数の圧力室２４に跨って形成される共通電極４７とを含む駆動電極の層と、表面電極４８の層とが設けられており、駆動電極の層は、個別電極４６の層と共通電極４７の層とがセラミックス層の積層方向に該層を挟んで交互に配置されている。表面電極４８の層は、圧電アクチュエータ２の最上面（キャビティユニット側とは反対側）に配置されており、個別電極４６及び共通電極４７と電気的なスルーホールを介して個々に接続された表面電極４８（図１参照）を形成し、各表面電極４８はフレキシブルフラットケーブル３に電気的に接続される。
【００３２】
このように電極層が設けられた圧電アクチュエータ２では、公知のように個別電極４６と共通電極４７との間に高電圧を印加することで、両電極に挟まれたセラミックス層の部分が分極されて、圧電特性を有する活性部５４として形成される。この実施形態では、後述するように複数のセラミックス層（以下ベース圧電層５１という）に活性部５４が形成されているから、これらの活性部５４は、圧電層の積層方向に重なった状態となっている。そして、前記積層方向からの平面視において、個別電極４６は圧力室３６の形状に対応する細長形状を呈し、共通電極４７は複数の圧力室３６を連続して覆う広幅形状を呈しているから、複数重ねられた活性部５４の平面視形状は、個別電極４６と共通電極４７との重なり部分の形状となっている（図５参照）。
【００３３】
セラミックス層には、個別電極４６と共通電極４７とで上下を挟まれて活性部５４が形成されるベース圧電層５１と、ベース圧電層５１とキャビティユニット１との間に配置され活性部５４を含まないボトム層５２と、ベース圧電層５１におけるキャビティユニット１側とは反対となる側に配置され活性部５４を含まないトップ層５３とが設けられている。
【００３４】
トップ層５３は、活性部５４の変位が圧力室３６側の反対側（トップ層５３側）に逃げないように抑圧して活性部５４の変位を圧力室３６側に効率よく伝達させるために設けたものである。ボトム層５２は、圧力室３６の開口を覆う圧電アクチュエータ２に圧力室３６のインクが浸透することで発生する電極間の短絡等を防止するために設けたものである。この実施形態では、ボトム層を１層設けるのに対して、ベース圧電層５１及びトップ層５３を複数層設けており、図４では、４層のベース圧電層５１と、１層のボトム層５２と、２層のトップ層５３とで構成した形態を例示している。なお、ここでいう層の「１層」とは、グリーンシート１枚から形成される層を意味し、例えば、電極層を挟まずに２枚のグリーンシートが重ねられて焼成され、見掛け上、２枚のグリーンシートが一体化していても、この場合には、「層が２層」形成されているものとする。
【００３５】
このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２は、圧電層の積層方向が、当該圧電アクチュエータ２とキャビティユニット１との積層方向と一致するようにしてキャビティユニット１に重ねて接着・固定される。圧電アクチュエータ２の各個別電極４６はキャビティユニット１における各圧力室３６の各々に対応するように配置される。また、この圧電アクチュエータ２における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル３（図３参照）が接合されることにより、このフレキシブルフラットケーブル３における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極４８に電気的に接合される。
【００３６】
上記構成のインクジェットヘッド１００において、ノズル配置の高集積化に対応させて圧力室３６を高集積化することと、液滴体積の微小化によって画質を向上させることとを考慮して、圧力室３６が長さ１．４ｍｍの場合、活性部５４の長手方向の長さＬ１を１．５ｍｍ以下、好ましくは１．２〜１．３ｍｍ程度に設定した。圧力室３６が長さ１．１ｍｍの場合、活性部５４の長手方向の長さＬ１を０．９ｍｍ程度に設定した。そして、このような長さの活性部５４を用いた場合でも、所望の微小液滴を所定の速度で吐出させるために、本出願人は様々な実験を行った。その結果、前述した幅（Ｗ１）２４０〜２８０μｍを有する圧力室３６に対しては、圧力室３６の幅に平行な個別電極４６の幅Ｗ３を、１４０〜１６０μｍとすることが適しているとわかった。この個別電極４６と共通電極４７との重なりの形状が活性部５４の平面視形状にそのまま反映されるから、活性部５４の平面視形状における幅（短手方向の長さ）はＷ３（＝１４０〜１６０μｍ）となる（図５参照）。
【００３７】
また、実験の結果、圧電アクチュエータの層の１層当たりの厚みは、１５〜４０μｍが望ましいことがわかった。さらに詳細には、ベース圧電層５１の厚みは１５〜３０μｍであることが好ましいのに対して、トップ層５３及びボトム層５２の各厚みは、ベース圧電層５１よりも厚く、２５〜４０μｍであることが好ましいことがわかった。また、トップ層５３ではなく、トップ層に最も近いベース圧電層５１の１層を、２５〜４０μｍに設定してもよい。このように、圧電アクチュエータの上下寄りの層を、ほぼ上下対称に厚くすることで、圧電アクチュエータの製造時、焼結した際に圧電アクチュエータの上下寄りの層の厚みの偏りによる、反りの発生を抑えることができ、複数の圧力室に対して圧電アクチュエータの各活性部をほぼ均一に作用させることができる。
【００３８】
図６（ｂ）には、トップ層５３の厚みに応じて、駆動電圧（電圧Ｖ）がどのように変化するかについて実験した結果を示している。この実験は、図６（ａ）に示すように、ＰＺＴ活性長（Ｌ１）、圧力室長（Ｌ２）、及びノズル孔径の異なる５種類のノズル列、Ａ列〜Ｅ列において実施した。Ａ列では、Ｌ２＝１．２ｍｍ、Ｌ１＝０．９ｍｍ、Ｂ列では、Ｌ２＝１．１ｍｍ、Ｌ１＝０．８ｍｍ、Ｄ列では、Ｌ２＝１．５ｍｍ、Ｌ１＝１．２ｍｍ、Ｅ列では、Ｌ２＝１．６ｍｍ、Ｌ１＝１．３ｍｍであり、Ｃ列は比較（参考）のためＬ２＝１．８ｍｍ、Ｌ１＝１．７ｍｍとした。そして、所望の吐出速度９ｍ／ｓを得るための駆動電圧値（縦軸に「電圧」と記載）の比較を行った。なお、圧力室の長さ１．２ｍｍと１．１ｍｍに対してノズル４の孔径をそれぞれ１８．０μｍ、圧力室の長さ１．８ｍｍと１．５ｍｍと１．６ｍｍに対してノズル４の孔径をそれぞれ２０．５μｍに設定している。実験の結果、Ｅ列を除き、Ａ〜Ｄ列の４つでは、トップ層５３の厚みを他の層の厚みよりも厚くした場合（３０μｍ）の方が、トップ層５３の厚みが他の層の厚みと同じ場合（２４μｍ）よりも、駆動電圧が同じか低くなり、トップ層５３の厚みを他の層の厚みよりも厚くすることで、所望の吐出速度を得るための駆動電圧を低くできることが確認できた。
【００３９】
また、Ａ列とＢ列とを比較した場合（Ｌ２＝１．１±０．１ｍｍ）、Ａ列（Ｌ１＝０．９ｍｍ）の方が、Ｂ列（Ｌ１＝０．８ｍｍ）よりも、駆動電圧を低くできることが確認できた。さらに、Ｄ列とＥ列とを比較した場合（Ｌ２＝１．４±０．１ｍｍ）、Ｄ列（Ｌ１＝１．２ｍｍ）と、Ｅ列（Ｌ１＝１．３ｍｍ）とでほとんど駆動電圧が変わらないことが確認できた。以上のことから、圧力室長Ｌ２が、１．１±０．１ｍｍの場合と、１．４±０．１ｍｍの場合とでは、１．１±０．１ｍｍの場合の方が、ＰＺＴ活性長Ｌ１が駆動電圧に、より大きく影響しているといえる。
【００４０】
次に、圧力室３６の高さに関する比較実験を図７（ａ）に示す。この実験において用いた、キャビティプレート１７、及び圧力室３６の、圧電アクチュエータ２と対向する側の面を画成するベースプレート１６はいずれも、４２％ニッケル合金鋼板製である。キャビティプレート１７の厚さ（横軸に「キャビティ厚さ」と記載）として、４０、５０、８０μｍの３種類を用意し、これらに図６（ａ）に示すＡ、Ｂ、Ｄ、Ｅの４条件のノズル列を組み合わせて、所望の吐出速度９ｍ／ｓを得るための駆動電圧値（縦軸に「電圧」と記載）の比較を行った。その結果、図７（ａ）に示すように、キャビティプレート１７の厚さＴ１（圧力室の高さ）が５０μｍの場合に、他の厚さ（４０μｍ、８０μｍ）とした場合よりも駆動電圧が低くなることがわかった。また、Ａ、Ｄ、Ｅ列は、Ｂ列に対して駆動電圧が他よりも低くなり、特にＤ、Ｅ列はほとんど変わらない。さらに、図７(ａ)から厚さ６０μｍ以下なら、Ｄ、Ｅ列だけでなくＡ列も十分低電圧で駆動することが可能になることが推測される。これにより、公差も含めて、圧力室の高さＴ１として、前述の４０〜６０μｍが最適であり、活性部の長さＬ１は１．３〜０．９ｍｍのものが最適であることが分る。これらの場合、所望の吐出速度９ｍ／ｓを得るための駆動電圧値を、２３．５〜２７Ｖの範囲に収めることができる。
【００４１】
次に、圧力室３６の、圧電アクチュエータ２と対向する側の面を画成する部材となるベースプレート１６の厚みに関する比較実験を図７（ｂ）に示す。この実験において用いた、キャビティプレート１７、及び圧力室３６の、圧電アクチュエータ２と対向する側の面を画成するベースプレート１６はいずれも、４２％ニッケル合金鋼板製である。前記実施形態では、ベースプレート１６の厚みとして、５０、１００、１５０、２００μｍの４種類を用意し、これらに図６（ａ）に示すＡ、Ｂ、Ｄ、Ｅの４条件のノズル列を組み合わせて、所望の吐出速度９ｍ／ｓを得るための駆動電圧値（縦軸に「電圧」と記載）の比較を行った。その結果、図７（ｂ）に示すように、ベースプレート１６の厚みが１００〜１５０μｍの場合に、駆動電圧が他よりも小さくなることがわかった。また、Ａ、Ｄ、Ｅ列は、Ｂ列に対して駆動電圧が低くなり、特にＤ、Ｅ列はほとんど変わらない。これにより、公差も含めて、ベースプレート１６の厚みＴ２として、前述の１００〜１５０μｍが最適であり、活性部５４の長さＬ１は１．３〜０．９ｍｍのものが最適であることが分った。
【００４２】
圧電アクチュエータ２からの吐出圧力を効率よく圧力室３６内のインクに伝達するためには、ベースプレート１６の剛性が高いことが必要であるから、ベースプレート１６の厚みＴ２をできるだけ厚くすることが考えられるが、厚みＴ２＝２００μｍで駆動電圧が高くなっているのは、厚みの増加にともない、貫通路３８及び連通孔３７の流路長、流路径などが増加し、圧力室内のインクに発生する圧力波の周期に乱れが発生するなどの影響があったものと考えられる。
【００４３】
次に、図７（ａ）に示した結果から求めたキャビティ厚さの最適値を検証するために、圧電アクチュエータの駆動電圧を一定とした場合、キャビティプレート１７の厚さＴ１を変えると、インクの吐出速度がどのように変化するかシミュレーションを行った。このシミュレーションは、以下のような圧電アクチュエータの動作原理に基づく。圧電アクチュエータの電極層に駆動電圧を印加すると、活性部５４がベース圧電層５１の厚み方向に伸び、これにより圧力室３６の容積が減少し、圧力室３６内のインクの圧力が増加してノズルからインクが吐出される。ここで、キャビティプレート１７の厚さＴ１（つまり、圧力室３６の高さ）を変えると、圧力室における容積変化率が変化するので、同じ駆動電圧でも圧力室３６の容積の減少量が変化する。それゆえ、圧力室３６内のインクに加わる圧力も変わり、結果としてインクの吐出速度も変化することになる。
【００４４】
シミュレーションに用いた圧電アクチュエータの圧力室３６の幅Ｗ１を２６０μｍ、個別電極４６の幅Ｗ３を１５０μｍ、駆動電圧を２０Ｖとし、ノズルはブラック用ノズルとカラー用ノズルの２種類でシミュレートした。ブラック用ノズルについては、ノズル径を２０．５μｍ、ＰＺＴ活性長Ｌ１を１．２５ｍｍ、圧力室長Ｌ２を１．３５ｍｍとし、カラー用ノズルについては、ノズル径を１８μｍ、ＰＺＴ活性長Ｌ１を０．８５ｍｍ、圧力室長Ｌ２を０．９５ｍｍとした。これらの条件において、キャビティプレート１７の厚みＴ１を、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、８０μｍ、１００μｍとした場合の、ブラック用ノズルの吐出速度、及びカラー用ノズルの吐出速度をそれぞれ計算した結果を図８（ａ）に示し、それをグラフとして図８（ｂ）に示した。図８（ｂ）に示されたように、ブラック用ノズル（ＢＫ）の場合、インクの吐出速度は、キャビティ厚さ３０μｍ〜６０μｍに渡って徐々に増加し、キャビティ厚さが６０μｍを超えると、減少する。また、カラー用ノズル（Ｃｌ）の場合、インクの吐出速度は、キャビティ厚さ３０μｍ〜５０μｍに渡って徐々に増加し、キャビティ厚さが５０μｍを超えると、減少する。これらの結果から、ブラック用ノズル及びカラー用ノズルのいずれにおいても、キャビティプレート１７の厚みＴ１が４０〜６０μｍにおいて、一層速い吐出速度を得られることが分る。これは、キャビティプレート１７の厚みＴ１が３０μｍの場合、圧力室の幅２６０μｍ×高さ３０μｍとなり偏平な形状となるため、圧力室での流路抵抗が大きくなり、この流路抵抗によりロスする分が増大し、吐出速度が低下すると考えられる。他方、６０μｍを超えると圧力室容積が大きくなり、ＰＺＴ変位による変形比率が小さくなり、吐出速度が上がらないと考えられる。
【００４５】
発明者の実験によれば、圧力室３６の長さＬ２に対して活性部５４の長さＬ１は、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度短く設定されるが、この範囲内の誤差であれば、インク滴の吐出速度にあまり大きく影響しないことがわかっている。このため、Ｅ列の圧力室３６の長さ１．６ｍｍに対して活性部５４の長さＬ１は、１．５ｍｍ程度でも使用可能である。
【００４６】
このように、本発明では、活性部５４の長手方向の長さＬ１を１．５ｍｍ以下の短い長さに設定しても、前述したように圧力室３６及び圧電アクチュエータ２の構成を最適化することで、駆動電圧の増加を抑制できるから、圧力室３６を高集積化できるとともに、インクの小滴を所定速度で吐出して画質の向上を図ることが可能となる。
【００４７】
上記実施形態では、インクを吐出するインクジェットヘッドに適用したが、本発明は、着色液体を媒体に塗布する装置、あるいは媒体に薄膜を形成する装置などにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】液滴吐出装置としてのインクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図２】キャビティユニットの分解斜視図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】圧力室と活性部との位置関係を示す説明図である。
【図６】図６（ａ）は実験に用いたノズル列の条件を示す図であり、図６（ｂ）はトップ圧電層の厚みと駆動電圧との関係を示す図である。
【図７】図７（ａ）はキャビティプレートの厚さと駆動電圧との関係を示す図であり、図７（ｂ）はベースプレートの厚さと駆動電圧との関係を示す図である。
【図８】図８（ａ）はキャビティプレートの厚さとインクの吐出速度との関係を示す図、図８（ｂ）は図８（ａ）をグラフ化した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１        キャビティユニット
２        圧電アクチュエータ
３        フレキシブルフラットケ−ブル
４        ノズル
１１      ノズルプレート
１６      ベースプレート
１７      キャビティプレート
３６      圧力室
４６      個別電極
４７      共通電極
４８      表面電極
５１      ベース圧電層
５２      ボトム圧電層
５３      トップ圧電層
５４      活性部
１００    インクジェットヘッド
【図１】
2007182070.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007182070.tif 000008
【図７】
2007182070.tif 000009
【図８】
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