(57)【要約】      （修正有）【課題】変位量の大きい圧電アクチュエータ、およびそれを用いた液体吐出ヘッドならびに記録装置を提供する。【解決手段】振動板２１ａ上に、内部電極３４、圧電セラミック層２１ｂおよび表面電極３５がこの順で積層されている圧電アクチュエータであって、表面電極３５の下の振動板の第１部位２１ａ−１、内部電極３４および圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の厚さの合計が、表面電極３５の周囲の振動板の第２部位２１ａ−２、内部電極３４および圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−２の厚さの合計よりも厚くなっており、表面電極３５の下の振動板２１ａおよび内部電極３４の厚さの合計が、表面電極３５の周囲の振動板２１ａおよび内部電極３４の厚さの合計より厚くなっている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順で積層されている圧電アクチュエータであって、前記表面電極の下の前記振動板、前記内部電極および前記圧電セラミック層の厚さの合計が、前記表面電極の周囲の前記振動板、前記内部電極および前記圧電セラミック層の厚さの合計よりも厚くなっており、前記表面電極の下の前記振動板および前記内部電極の厚さの合計が、前記表面電極の周囲の前記振動板および前記内部電極の厚さの合計より厚くなっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記表面電極の下の前記圧電セラミック層の厚さが、前記表面電極の下の前記振動板の厚さ以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記表面電極の下の前記圧電セラミック層の上面が、前記表面電極の周囲の前記圧電セラミック層の上面よりも高い位置にあり、前記圧電セラミック層の上面が凸形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記表面電極の下の前記振動板の下面が、前記表面電極の周囲の前記振動板の下面よりも高い位置にあり、前記圧電セラミック層の下面が凹形状となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記表面電極を複数備え、前記内部電極が、複数の前記表面電極と対向している請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータが、複数の吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の加圧室が開口している流路部材に、前記表面電極と前記加圧室との位置を合わせて積層されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記圧電アクチュエータを平面視した場合、前記振動板、前記内部電極および前記圧電セラミック層の厚さの合計が周囲よりも厚くなっている部位が、前記加圧室内に納まっていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項５または６に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して相対的に搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性を利用して変位を生じさせる圧電アクチュエータ、および、それを用いて液滴を吐出させる液体吐出ヘッドおよび記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式の記録装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが搭載されている。液体吐出ヘッドには、加圧手段としてのヒータを備え、インクが充填された流路内でインクを加熱、沸騰させて、流路内に発生する気泡によって流路内のインクを加圧し、吐出させるサーマルヘッド方式と、加圧手段としての変位素子を備え、インクが充填された流路の壁の一部を屈曲変位させて、機械的にインクを加圧し、吐出させる圧電方式・静電方式が一般的に知られている。
【０００３】
また、このような液体吐出ヘッドには、記録媒体の搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および記録媒体より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる記録媒体に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。
【０００４】
シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する吐出孔の密度を高くする必要がある。
【０００５】
そこで液体吐出ヘッドを、マニホールドおよびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した金属の流路部材と、前記加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有する圧電アクチュエータとを積層して構成したものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この液体吐出ヘッドでは、複数の吐出孔にそれぞれ繋がった加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられた圧電アクチュエータの変位素子を圧電体の変形により変位させることで、各吐出孔からインクを吐出させ、主走査方向に６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。また、変位素子は、流路部材側から、振動板、共通電極、圧電セラミック層、加圧室に対向した位置にある個別電極が積層された構造をしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０５８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されているような圧電アクチュエータでは、変位量が小さいために、吐出する液滴量が所望の量より少なかったり、吐出する液滴の飛翔速度が所望の速度より低かったりする場合があった。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、変位量の大きい圧電アクチュエータ、およびそれを用いた液体吐出ヘッドならびに記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電アクチュエータは、振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順で積層されている圧電アクチュエータであって、前記表面電極の下の前記振動板、前記内部電極および前記圧電セラミック層の厚さの合計が、前記表面電極の周囲の前記振動板、前記内部電極および前記圧電セラミック層の厚さの合計よりも厚くなっており、前記表面電極の下の前記振動板および前記内部電極の厚さの合計が、前記表面電極の周囲の前記振動板および前記内部電極の厚さの合計より厚くなっていることを特徴とする。
【００１０】
前記表面電極の下の前記圧電セラミック層の厚さが、前記表面電極の下の前記振動板の厚さ以下であることが好ましい。
【００１１】
前記表面電極の下の前記圧電セラミック層の上面が、前記表面電極の周囲の前記圧電セラミック層の上面よりも高い位置にあり、前記圧電セラミック層の上面が凸形状となっていることが好ましい。
【００１２】
前記表面電極の下の前記振動板の下面が、前記表面電極の周囲の前記振動板の下面よりも高い位置にあり、前記圧電セラミック層の下面が凹形状となっていることが好ましい。
【００１３】
本発明の液体吐出ヘッドは、前記圧電アクチュエータが前記表面電極を複数備えているとともに、前記内部電極が、複数の前記表面電極と対向しており、前記圧電アクチュエータが、複数の吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の加圧室が開口している流路部材に、前記表面電極と前記加圧室との位置を合わせて積層されていることを特徴とする。
【００１４】
前記圧電アクチュエータを平面視した場合、前記振動板、前記内部電極および前記圧電セラミック層の厚さの合計が周囲よりも厚くなっている部位が、前記加圧室に納まっていることが好ましい。
【００１５】
前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して相対的に搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、変位素子が、周囲の振動板、圧電セラミック層から受ける拘束力が少なくなるので、変位量が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る記録装置であるプリンタの概略構成図である。
【図２】図１の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体の平面図である。
【図３】図２の一点鎖線によって囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。
【図４】図２の一点鎖線によって囲まれた領域の拡大図であり、説明のため図３とは別の一部の流路を省略した図である。
【図５】（ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部の拡大図であり、（ｃ）は（ａ）の要部を拡大した平面図である。
【図６】（ａ）は、流路部材に積層された、本発明の他の実施形態の圧電アクエータの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドを含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つの液体吐出ヘッド２を有している。これらの液体吐出ヘッド２
は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。液体吐出ヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。
【００１９】
プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０および紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、液体吐出ヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。
【００２０】
給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。
【００２１】
給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａおよび１１８ｂ、ならびに、１１９ａおよび１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。
【００２２】
搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６および１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６および１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、液体吐出ヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。
【００２３】
ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。したがって、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。
【００２４】
ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。
【００２５】
給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、液体吐出ヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。
【００２６】
４つの液体吐出ヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各液体吐出ヘッド２は、下端に液体吐出ヘッド本体１３を有している。
液体吐出ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の吐出孔８が設けられている（図４および５参照）。
【００２７】
１つの液体吐出ヘッド２に設けられた吐出孔８からは、同じ色の液滴（インク）が吐出されるようになっている。各液体吐出ヘッド２には図示しない外部液体タンクから液体が供給される。各液体吐出ヘッド２の吐出孔８は、吐出孔面に開口しており、一方方向（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐ搬送方向に直交する方向であり、液体吐出ヘッド２の長手方向）に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。各液体吐出ヘッド２から吐出される液体の色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。各液体吐出ヘッド２は、液体吐出ヘッド本体１３の下面と搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。
【００２８】
搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド２を構成する液体吐出ヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。
【００２９】
搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａおよび１２１ｂならびに１２２ａおよび１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。
【００３０】
なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にある液体吐出ヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子および受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、液体吐出ヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。
【００３１】
次に本発明の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示された液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体１３の平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図であり、加圧室１０の位置が分かり易いように、一部の流路を省略して描いている。図４は、図３と同じ位置の拡大図であり、吐出孔８の位置が分かり易いように、一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ２１の下方にあって破線で描くべき加圧室１０（加圧室群９）、しぼり１２および吐出孔８を実線で描いている。図５（ａ）は図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の要部の拡大図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）の要部を拡大した平面図である。
【００３２】
液体吐出ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、圧電アクチュエータ２１とを有している。圧電アクチュエータ２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に沿うように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータ２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータ２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分
の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータ２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる。
【００３３】
流路部材４の内部には液体流路の一部であるマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び、細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つの圧電アクチュエータ２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には開口５ｂを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。
【００３４】
流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド５ａということがある）。開口５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータ２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。２つの圧電アクチュエータ２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド５が、隣接する圧電アクチュエータ２１に共有されており、副マニホールド５ａがマニホールド５の両側から分岐している。これらの副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータ２１に対向する領域に互いに隣接して液体吐出ヘッド本体１３の長手方向に延在している。
【００３５】
流路部材４は、複数の加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に形成されている４つの加圧室群９を有している。加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータ２１に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの加圧室１０によって形成された各加圧室群９は圧電アクチュエータ２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有している。また、圧電アクチュエータ２１は複数の加圧室１０を覆うように積層されるので、各加圧室１０の開口は、圧電アクチュエータ２１で閉塞されている。
【００３６】
本実施形態では、図３に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。
【００３７】
全体では、マニホールド５から繋がる加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各加圧室列に含まれる加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。吐出孔８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。
【００３８】
つまり、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔８を投影すると、図３に示した仮想直線のＲの範囲に、各副マニホールド５ａに繋がっている４つの吐出孔８、つまり全部で１６個の吐出孔８が６００ｄｐｉの等間隔になっている。また、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の吐出孔８を４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０
μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されているということである。
【００３９】
圧電アクチュエータ２１の上面における各加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。すなわち、個別電極３５は、圧電アクチュエータ２１の上面に、第１の方向および第１の方向とは異なる方向にわたって形成されている。個別電極３５は、個別電極本体（表面電極）３５ａと個別電極本体３５ａから引き出された引出電極３５ｂとを含む。個別電極本体３５ａは、加圧室１０より一回り小さく、加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータ２１の上面における加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。
【００４０】
流路部材４の下面には多数の吐出孔８が形成されている。これらの吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータ２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔群７は圧電アクチュエータ２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータ２１の変位素子５０を変位させることにより吐出孔８から液滴が吐出できる。吐出孔８の配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の吐出孔８は、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。
【００４１】
液体吐出ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。液体吐出ヘッド本体１３は、図５に示されているように、加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、吐出孔８は下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、加圧室１０を介して副マニホールド５ａと吐出孔８とが繋がる構成を有している。
【００４２】
各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された加圧室１０である。第２に、加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。
【００４３】
第３に、加圧室１０の他端から吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には吐出孔８）までの各プレートに形成されている。第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。
【００４４】
このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホールド５ａの出口）から吐出孔８に至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で吐出孔８から吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向
かって、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔８へと進む。
【００４５】
圧電アクチュエータ２１は、図５に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ２０μｍ程度の厚さを有している。圧電アクチュエータ２１の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの積層体の厚さは４０μｍ程度であり、１００μｍ以下であることにより、変位量を大きくすることができる。圧電アクチュエータ２１は、流路部材４の加圧室１０の開口している平面状の面に積層されており、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の加圧室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。個別電極３５の下の振動板２１ａである第１部位２１ａ−１は、その周囲の振動板２１ａである第２部位２１ａ−２よりも厚くなっている。個別電極３５の下の圧電セラミック層２１ａである第１部位２１ｂ−１とその周囲の圧電セラミック層２１ｂである第２部位２１ｂ−２とは、厚さは同じであるが、個別電極３５の下部の周囲で屈曲しているので、圧電セラミック層２１ｂの上面は凸形状になっている。これらの構造については後で詳述する。
【００４６】
圧電アクチュエータ２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極（内部電極）３４、Ａｕ系などの金属材料からなる個別電極３５、個別電極３５の上に形成されているＡｕ系などの金属材料からなる接続電極３６を有している。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータ２１の上面における加圧室１０と対向する位置に配置されている個別電極本体３５ａと、個別電極本体３５ａから加圧室１０のない位置まで引き出されている引出電極３５ｂとを含んでいる。引出電極３５ｂの加圧室１０のない位置には、接続電極３６が形成されている。個別電極３５の厚さは、０．３〜１μｍである。接続電極３６は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚さが５〜１５μｍ程度で、引出電極３５ｂの上に形成されている。接続電極３６はその上部が、凸形状になっている個別電極本体よりも高い位置にされる。また、接続電極３６は、図示されていない外部配線であるＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部１００からＦＰＣを通じて駆動信号（駆動電圧）が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。
【００４７】
共通電極３４は、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極３４は、圧電アクチュエータ２１に対向する領域内の全ての加圧室１０を覆うように延在している。共通電極３４の厚さは１〜２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電セラミック層２１ｂ上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なるグランド接続用表面電極（不図示）が形成されている。グランド接続用は、圧電セラミック層２１ｂの内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されているとともに、多数の個別電極３５と同様に、外部配線内の別の電極と接続されている。
【００４８】
なお、以上は、圧電アクチュエータ２１が２層の圧電セラミック層の場合の構造であるが、３相層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極３５と共通電極３４が交互になるように配置してもよい。
【００４９】
図５に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには厚み
方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータ２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータ２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。
【００５０】
なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する液体吐出口８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータ２１における各加圧室１０に対向する部分は、各加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層体中には、図５に示されているような構造を単位構造とする変位素子５０が加圧室１０毎に、加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータ２１には変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって液体吐出口８から吐出される液体の量は５〜７ｐＬ（ピコリットル）程度である。
【００５１】
本実施形態における圧電アクチュエータ２１の液体吐出時の駆動方法の一例を、個別電極３５に供給される駆動電圧（駆動信号）に関して説明する。個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域を持たない非活性層であるので、自発的に変形しない。
【００５２】
この構成において、電界と分極とが同方向となるように、アクチュエータ制御部により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。
【００５３】
本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極３５を共通電極３４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが加圧室１０側へ凸となるように変形し、加圧室１０の容積減少により加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、圧力波がしぼり１２から吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である。これによると、加圧室１０
内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。
【００５４】
以上のような液体吐出ヘッド２においては、変位素子５０の変位を大きくするために個別電極３５、より詳しくは、個別電極３５のうち平面視した際に加圧室１０と重なってい
る部分で、個別電極本体３５ａから引き出されている引出電極３５を除いた個別電極本体３５ａの大きさを加圧室１０より小さい所定の大きさにする。加圧室１０の形状や、他の部分の流路の構造によって多少の違いが生じることもあるが、個別電極本体３５ａの面積を加圧室１０の面積の６割程度にすることで、変位量を極大化し、ひいては、液滴の吐出速度を速くしたり、液適量を多くしたりできる。
【００５５】
さらに、個別電極本体３５ａの下部の圧電アクチュエータ２１と個別電極本体３５ａの周囲の圧電アクチュエータ２１の構造を変えることにより、変位量を大きくできる。具体的には、個別電極本体３５ａの下の振動板の第１部位２１ａ−１、共通電極３４および圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の厚さの合計が、個別電極本体３５aの周囲の振動
板の第２部位２１ａ−２、共通電極３４および圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−２の厚さの合計よりも厚いことにより、変位素子５０に対する周囲の拘束が小さくなるとともに、個別電極本体３５ａの下部の厚さの厚い部分が個別電極本体３５ａの下の振動板の第１部位２１ａ−１および共通電極３４の厚さの合計が、個別電極本体３５ａの周囲の振動板の第１部位２１ａ−２および共通電極３４の厚さの合計より厚くなっていることにより実現されているため、圧電変形する部分である圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の位置が上方にずれたかたちになるので、その伸縮が効率よく変位に変換でき、変位量を大きくできる。振動板の第１部位２１ａ−１および共通電極３４の厚さは、どちらか一方を厚くしてもよいし、両方を厚くしてもよく、さらに、どちらか一方を薄くして、他方をその薄くした分よりも厚くしてもよい。
【００５６】
個別電極３５は、個別電極本体３５ａと引出電極３５ｂとを含むが、個別電極本体３５ａの全体の下部の厚みが厚くなっていることにより、より変位量を大きくできる。厚みが厚くなっている部分は、個別電極本体３５ａより少し大きくすれば、個別電極本体３５ａの形成ばらつきに対する、変位量のばらつきを低減できる。引出電極３５ｂの下部の厚みは、拘束を小さくし、変位を大きくする点では、他の周囲の部分と同様に薄くなっていることが好ましいが、外部配線との接続性をよくすために、個別電極本体３５ａの部分と同じ厚さにしてもよい。
【００５７】
また、厚みの厚くなっている部位、すなわち個別電極本体３５ａの下の振動板の第１部位２１ａ−１、共通電極３４および圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１が、圧電アクチュエータ２１を平面視した場合、加圧室１０の内部に納まっていることにより、変位素子５０が変位する際に、変形を阻害する加圧室１０の壁面近くの厚みが薄くなるので、変位量をより大きくできる。ただし、前述のように引出電極３５ｂの下部については、個別電極本体３５ａの下部と同じように厚くなっていてもよい。
【００５８】
また、個別電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の厚さが、個別電極本体３５ａの下の振動板の第１部位２１ａ−１の厚さ以下であることにより、変位素子５０が屈曲変形する際に、圧電変形が屈曲を阻害しなくできる。これは、例えば、圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１が縮んで、変位素子５０が下側に変位する際には、圧電アクチュエータ２１の厚みのほぼ半分の位置を境にして、その下側では伸長応力が加わるが、その際、圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１がその下側に位置していると、圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１は縮もうとするので、その部分の圧電変形が変位を低くしてしまうという状態を避けることができるということである。
【００５９】
さらに、これにより個別電極本体３５ａの下において、圧電変形する部分である圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１が、より上部に近い位置に位置するため、圧電変形がより変位に有効に利用されるので、変位をより大きくできる。
【００６０】
同様に、個別電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の上面が、
個別電極本体３５ａの周囲の圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−２の上面によりも高い位置にあり、凸形状となっていることにより、圧電変形する部位である個別電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の周囲からの拘束をより小さくできるとともに、圧電変形の生じる部分の位置をより高くできるので、変位量をより大きくできる。
【００６１】
続いて、本発明の他の液体吐出ヘッドの実施形態を図６を用いて説明する。図６に示す液体吐出ヘッドは、基本構造は図１〜５で示したものと同じであるが、圧電アクチュエータの構造が異なっている。変わりがない部位については、同じ符号を付けて、説明を省略する。
【００６２】
図６の圧電アクチュエータでは、個別電極本体３５ａの下の振動板２２１ａの第１部位２２１ａ−１の下面が、個別電極本体３５ａの周囲の下の振動板２２１ａの第２部位２２１ａ−２の下面よりも高い位置にある。別の言い方をすれば、個別電極本体３５ａの下の振動板２２１ａの下面には、振動板凹部２２１ｃが設けられており、凹形状をしている。これにより、変位する際の伸縮を阻害する部分の量が減り、より変位を大きくできる。
【００６３】
以上のような圧電アクチュエータ２１は、例えば、以下に示す工程により作製することができる。
【００６４】
まず、圧電セラミック層２１ｂおよび振動板２１ａに用いる圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とし、ＰＺＴ粉末とバインダと溶剤とを混合してスラリーを作成し、このスラリーから、成形方法としてロールコーター法を採用して、グリーンシートを作製する。
【００６５】
焼成後に振動板２１ａとなるグリーンシートの、後で個別電極本体３５ａが形成される位置に、前述のスラリーをスクリーン印刷・乾燥して、その部分の振動板の第１部位２１ａ−１が厚くなるようにする。次に、共通電極３４となる導体ペートを塗布し、乾燥させる。この際、後で個別電極本体３５ａが形成される位置に、導体ペーストをパターンニングして形成し、個別電極本体３５ａの下の共通電極３４を厚くしてもよい。これに、焼成後に圧電セラミック層２１ｂとなるグリーンシートを積層し、加圧して生積層体を作製する。グリーンシートを積層する替わりには前述のスラリーを塗布・乾燥して形成してもよい。また、前述のスラリーをパターンニングして印刷・乾燥し、表層電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の厚さを、周囲の圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−２の厚さと変えてもよい。
【００６６】
生積層体は、例えば１０２０℃の温度で焼成し、その後、導体ペーストを印刷・乾燥し、焼き付けて、個別電極３５を形成する。
【００６７】
図６に示した振動板凹部２２１ｃが設けられた圧電アクチュエータは、加圧積層時に、個別電極３５ａの下側の振動板の第１部位２１ａ−１となる部分のグリーシートに凸形状の金型を当てて加圧したり、平面形状の金型で加圧積層した後に、そのような形状の金型で加圧したりして、変形させることで作製できる。
【実施例】
【００６８】
シミュレーションにより圧電アクチュエータの各部の厚みを変えた場合の変位量を確認した。シミュレーションでは、表１および次に示す形状の２次元の圧電アクチュエータ、別の言い方をすれば無限に長い形状の圧電アクチュエータの変位量を調べた。なお、個別電極本体３５ａおよび共通電極３４の厚さは、ゼロとしてシミュレーションを行なった。
【００６９】
加圧室１０の幅：７６０μｍ
個別電極本体３５ａの幅：５６０μｍ
以上のような基本構造のアクチュエータに対して、一定の電圧を加えた場合の変位量を比較した。
【００７０】
なお、圧電セラミック層２１ｂの上面の高さについては、振動板凹部２２１ｃが形成されている試料以外は、圧電アクチュエータの下面は平坦であり、振動板凹部２２１ｃが形成されている試料も、圧電アクチュエータの下面は、振動板凹部２２１ｃ以外は平坦であるので、各部の厚さを加えれば分かる。例えば、試料Ｎｏ．５の圧電アクチュエータでは、個別電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の上面の位置は、２０＋１８＝３８μｍであり、個別電極３５ａの周囲の圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−２の上面の位置は、２０＋１０＝３０μｍであるので、圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−１の上面は、周囲より８μｍ高い凸形状をしている。
【００７１】
【表１】
2012228843.tif 000003
【００７２】
本発明の範囲の試料である試料Ｎｏ．５〜１３では、個別電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１、共通電極３４、振動板の第１部位２１ａ−１の厚さの合計が、個別電極本体３５ａの周囲の圧電セラミック層の第２部位２１ｂ−２、共通電極３４、振動板の第２部位２１ａ−２の厚さの合計より厚くなっており、共通電極３４、振動板の第１部位２１ａ−１の厚さの合計が、個別電極本体３５ａの周囲の共通電極３４、振動板の第２部位２１ａ−２の厚さの合計より厚くなっていることにより、変位量が大きくなった。
【００７３】
また、個別電極本体３５ａの下の圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の厚さが２０μｍである試料Ｎｏ．５〜１０において、振動板の第１部位２１ａ−１の厚さが、圧電セラミック層の第１部位２１ｂ−１の厚さ以上である試料Ｎｏ．６〜１０、は変位量が３５４ｎｍ以上と大きくなった。
【００７４】
さらに、個別電極３５ａの下の振動板３２１ａを凹形状とした試料Ｎｏ．１１の変位量は３７２ｎｍと、凹形状としていない試料Ｎｏ．７の変位量の３６４ｎｍより大きくなった。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
５・・・マニホールド
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・マニホールドの開口
６・・・個別供給流路
８・・・吐出孔
９・・・加圧室群
１０・・・加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータ
２１ａ・・・振動板（圧電セラミック層）
２１ａ−１・・・振動板の第１部位
２１ａ−２・・・振動板の第２部位
２１ｂ、２２１ｂ・・・圧電セラミック層
２１ｂ−１、２２１ｂ−１・・・圧電セラミック層の第１部位
２１ｂ−２、２２１ｂ−２・・・圧電セラミック層の第２部位
２２１ｃ・・・振動板凹部
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極（内部電極）
３５・・・個別電極
３５ａ・・・個別電極本体（表面電極）
３５ｂ・・・引出電極
３６・・・接続電極
５０・・・変位素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2012228843.tif 000008
【図６】
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