変位アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及び画像形成装置
【課題】本発明の課題は、振動板の変位を抑制することなく振動板の変位量を効率的に増大できる変位アクチュエータ、この変位アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明に係る変位アクチュエータ２５においては、圧電体（能動素子）２а、２ｂを、振動板短辺方向の変位断面において、振動板１の各端２３а、２３ｂから直近の変曲点２１а、２１ｂまでの領域内及び振動板の変曲点２１аからこれに相隣る他の変曲点２１ｂまでの領域内の少なくとも一方の領域内に設けている。
【解決手段】本発明に係る変位アクチュエータ２５においては、圧電体（能動素子）２а、２ｂを、振動板短辺方向の変位断面において、振動板１の各端２３а、２３ｂから直近の変曲点２１а、２１ｂまでの領域内及び振動板の変曲点２１аからこれに相隣る他の変曲点２１ｂまでの領域内の少なくとも一方の領域内に設けている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位アクチュエータ、この変位アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備え記録媒体に液滴を吐出して画像を形成する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び２においては、対向電極間に配置した圧電体に電圧を印加して、短辺方向の両端が固定された振動板を変位させる変移アクチュエータが開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の変位アクチュエータは、振動板の短辺方向の断面において、振動板中央部とその周辺部とに個別の対向電極を配置し、異なる極性の電圧を印加して、圧電体の伸縮が振動板の中央部と周辺部とで逆になるようにしている。
【０００４】
特許文献２に記載の変位アクチュエータは、振動板の短辺方向の断面において、圧電体及び圧電体の一面側の電極を、振動板の中央部とその周辺部とに個別に配置している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８０９１号公報
【特許文献２】特開２００７−１３９８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の変位アクチュエータにおいては、圧電体を振動板の全面に亘って設けているため、振動板の中央部と周辺部との間の対向電極が設けられていない領域（振動板の湾曲の変曲点に跨がった領域）にある圧電体が振動板の変位を抑制して振動板の変位量を効率的に増大できないおそれがある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の変位アクチュエータにおいては、圧電体を振動板の中央部と周辺部とに個別に設けているものの、何れかの圧電体が、振動板の湾曲の変曲点を跨いでいると、振動板の変位を抑制して振動板の変位量を効率的に増大できないおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、振動板の変位を抑制することなく振動板の変位量を効率的に増大できる変位アクチュエータ、この変位アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、短辺方向の両端が固定された振動板と、振動板に設けられて電圧印加により伸縮する能動素子とを備え、この能動素子を伸縮させることにより振動板を面外方向に変位させる変位アクチュエータであって、振動板は短辺方向において変曲点が複数になるように湾曲変位するものであり、能動素子は、振動板短辺方向の変位断面において、振動板の各端から直近の変曲点までの領域内及び振動板の変曲点からこれに相隣る他の変曲点までの領域内の少なくとも一方の領域内に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、能動素子は、振動板短辺方向全域に亘って一方の電極層と圧電材料層と他方の電極層とがこの順に積層されて形成される圧電体であり、少なくとも圧電材料層が振動板の変曲点を境に分離していることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、熱伝導率の高い部材を振動板に設けており、能動素子は発熱抵抗体であり、振動板は熱電導率の低い部材から成り、熱伝導率の高い部材を振動板と能動素子との間に配置していることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、能動素子は複数であり、各能動素子が振動板の面内伸縮が同じとなる部分に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載された発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、振動板短辺方向の変位断面において、振動板の曲率半径が極小値をとる領域に能動素子が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明において、振動板の長辺方向の両端部に能動素子が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載された発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の変位アクチュエータと、ノズルに連通する液室とを備え、振動板は液室の壁面部分を構成しており、ノズルから液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッドである。
【００１６】
請求項８に記載された発明は、請求項７に記載の液滴吐出ヘッドを備え、液滴吐出ヘッドから記録媒体に液滴を吐出して画像を形成することを特徴とする画像形成装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板に設けられた能動素子が振動板の変曲点に跨っていないので、振動板の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、添付図面を参照して本発明の第１実施の形態を詳細に説明する。尚、図１（а）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図であり、図２は本実施の形態に係る変位アクチュエータを液室の反対側から見た平面図であり、図３は本実施の形態に係る振動板の短辺方向の変位断面を示す縦断面図であり、図４（ａ）は圧電体を振動板の短辺方向中央部に配置したことを想定した振動板の縦断面図であり、図４（ｂ）は圧電体を振動板の短辺方向周辺部に配置したことを想定した振動板の縦断面図であり、図５（а）〜（ｅ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの断面フロー図であり、図６は本実施の形態に係るインク吐出ヘッドの縦断面図であり、図７は本実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す縦断面図であり、図８は本実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す斜視図である。
【００１９】
本実施の形態に係る画像形成装置８１は、プリンタであり、図７に示すように、用紙８３にインクを吐出して画像を記録する記録部８２と、記録部８２に供給する用紙を積載する給紙カセット８４及び手差しトレイ８５と、記録部８２で画像形成された用紙を排出する排紙トレイ８６とを備えている。
【００２０】
記録部８２には、インク吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）９４を有し、主走査方向に移動自在なキャリッジ９３と、インク吐出ヘッド９４にインクを供給するインクカートリッジ９５とが設けられている。
【００２１】
キャリッジ９３は、図８に示すように、画像形成装置８１の左右の側板に支持された主ガイドロッド９１及び従ガイドロッド９２に摺動自在に保持されている。このキャリッジ９３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインク吐出ヘッド９４が、インク滴吐出方向を下方に向けて装着されている。インク吐出ヘッド９４には、複数のノズル孔（インク吐出口）６５が主走査方向と交差する方向に配列されている。インク吐出ヘッド９４は、インク流路の向きとノズル孔（吐出口）６５の向きが異なるサイドシューター方式である。
【００２２】
本実施の形態に係るインク吐出ヘッド９４は、図６に示すように、変位アクチュエータ２５と、ノズル孔６５に連通する液室６４とを備えている。
【００２３】
変位アクチュエータ２５は、振動板１に設けた一方及び他方の圧電体（能動素子）２а、２ｂに電圧を印加して、圧電体２а、２ｂを歪ませて振動板１を面外方向に変位させるものである。
【００２４】
振動板１は液室６４の底壁（壁面部分）を構成しており、液室６４の振動板１に対向する壁６６にはノズル孔６５が形成されている。インク吐出ヘッド９４は、振動板１を変位させて液室６４内のインクの圧力を変化させることによりノズル孔６５からインク滴（液滴）６７を用紙（記録媒体）８３に吐出するようになっている。インク吐出ヘッド９４には、複数の液室６４が壁６３を隔てて形成されており、各液室６４毎に変位アクチュエータ２５が設けられている。
【００２５】
本実施の形態に係る変位アクチュエータ２５の作製方法を、図５（а）〜（ｅ）を参照して説明する。先ず、Ｓｉ基板３０（図５（ａ）参照）の一面に、高濃度ボロン（Ｂ）を時間制御で注入し、２μｍ程度の高濃度ボロン層３１を形成する（図５（ｂ）参照）。次に、Ｓｉ基板３０における高濃度ボロン層３１とは逆の面に、ＳｉＯ2膜をＣＶＤ（化学気相成長法）で形成し、その後、インク吐出ヘッド９４の液室６４となる部分のＳｉＯ2膜を除去する。次に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いて、液室６４となる部分（図５（ｂ）の２点鎖線で囲んだ部分）のＳｉ基板３０を高濃度ボロン層３１に到達するまでエッチングする（図５（ｃ）参照）。次に、高濃度ボロン層３１の上面にＳｉＯ2膜３２を形成して、振動板１を形成する（図５（ｄ）参照）。その後は、図５（ｅ）に示すように、圧電体２а、２ｂを構成する一方の電極層３３、圧電材料層３４、他方の電極層３５を順次積層して、変位アクチュエータ２５とした。
【００２６】
ここで、振動板の変位形状に関する説明を行う。短辺方向の両端が固定された振動板が１次の振動モードで振動した場合、振動板の短辺方向断面では、概ね図３のような形状を呈する。図３の振動板１の各部の湾曲において、周辺よりも大きい部分が有るが、その部分では振動板を湾曲させる力を積極的に加えることにより、振動板全体の変位を大きくすることができる。ここで、湾曲が大きいということはその部分の曲率半径が小さいということであり、図３においては領域Ａ１、Ａ３及びＡ５であり、この曲率半径が極小値をとる領域を含んで、振動板１を湾曲させるための圧電体２が形成されると好適となる。尚、領域Ａ１と領域Ａ３では、同一面においてその伸縮が逆になる、そのため振動板１の同一面の領域Ａ１、Ａ３に全く同じ動作をする圧電体２を形成すると、振動板全体の変位が抑制されてしまうため、そのような構成は避ける必要がある。一方、曲率半径が最も大きい部分は図３においてはＡ２、Ａ４辺り（変曲点近傍）である。また、板厚が均一で内部応力が無視できる場合、最も小さな荷重で振動板変位量を最大にすると、その変位形状は、振動板の中央線ＬＳ１に対して対称であり、振動板の各半分の領域は振動板を１／４に分割した線ＬＳ２で反対称となる。
【００２７】
本実施の形態において、図１に示すように、一方の圧電体２аは、振動板１の短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の一端２３аから直近の変曲点２１аまでの領域に亘って且つ振動板１の一面側２８に設けられている。他方の圧電体２ｂは、振動板１の短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の他端２３ｂから直近の変曲点２１ｂまでの領域に亘って且つ振動板１の一面側２８に設けられている。即ち、一方の圧電体２аは、図３に示す振動板１の曲率半径が極小となる（振動板１の湾曲が大きくなる）領域Ａ１を含むように設けられている。他方の圧電体２ｂは、振動板１の曲率半径が極小となる（振動板１の湾曲が大きくなる）領域Ａ５を含むように設けられている。また、圧電体２а、２ｂは、図２に示すように、振動板１の長辺方向において、端部２２а（一点鎖線で示す領域）を除く全域に亘って設けられている。端部２２аは、振動板１の四隅に位置する正方形の領域であり、図２において、振動板の短辺方向の長さの半分をＬ４とすると、端部２２аの一辺の長さはＬ４／２となる。
【００２８】
キャリッジ９３には、図８に示すように、ヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５が交換可能に装着されている。
【００２９】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインク吐出ヘッド９４へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインク吐出ヘッド９４へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のインク吐出ヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル孔を有する１個のヘッドでもよい。
【００３０】
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００３１】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をインク吐出ヘッド９４の下方側に搬送するために、図７に示すように、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００３２】
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３をインク吐出ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、更に用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。
【００３３】
また、図８に示すように、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インク吐出ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でインク吐出ヘッド９４をキャッピングされ、ノズル孔６５を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全てのノズル孔６５のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００３４】
画像形成装置８１の動作を説明する。給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を記録部８２に搬送する。記録部８２によって所要の画像を記録した後、排紙トレイ８６に排紙する。
【００３５】
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じてインク吐出ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号又は、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００３６】
インク吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインク吐出ヘッド９４のノズル孔（吐出口）６５を密封し、チューブを通して吸引手段でノズル孔（吐出口）６５からインクと共に気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００３７】
インク吐出ヘッド９４の動作を説明する。圧電体２а、２ｂに、振動板１の短辺方向に伸長する向きの電圧を印加すると、図１（ｂ）に示すように、振動板１が液室６４側に湾曲変位する。これにより、液室６４内のインクの圧力が高くなり、ノズル孔６５から用紙８３に向けてインク滴が吐出される。
【００３８】
【表１】
【００３９】
ここで、振動板１に対する圧電体の配置領域を変えたことを想定して、振動板１の変位量を比較するシュミレーションを行ったので、その結果を、表１を参照して説明する。図４（а）に示すように圧電体を振動板１の短辺方向中央部に配置したことを想定したモデルタイプを比較例１〜５とし、図４（ｂ）に示すように本実施の形態のような圧電体を振動板１の短辺方向周辺部に配置したことを想定したモデルタイプを本発明１〜３とする。比較例１〜５及び本発明１〜３において、振動板５１、面内方向に伸びる力を有する領域５２、拘束領域５３を示す。両モデルタイプにおいて、Ｌ＝６０μｍ、振動板５１の厚みｔａ＝３μｍ、領域５２の厚みｔｂ＝０．５μｍ、領域５２の面内方向に伸びる力は同一とし、更にヤング率＝２１０ＧＰａ、ポアソン比＝０．２７は、比較例１〜５及び本発明１〜３の領域５１、５２の全てで同じ値とした。Ｌ６、Ｌ７をパラメータとして、振動板中央の変位量を求めて、表１に示した。比較例では、Ｌ６＝３０μｍにおいて振動板中央の変位量が最大となる（比較例３）。一方、本発明の場合、Ｌ７＝３０μｍの場合に振動板中央の変位量が最大となる（本発明１）。比較例１（Ｌ６＝２０μｍ）と本発明１（Ｌ７＝２０μｍ）とを比較した場合、及び比較例３（Ｌ６＝３０μｍ）と本発明２（Ｌ７＝３０μｍ）とを比較した場合に、本発明は比較例よりも若干大きな変位量となった。また、比較例４（Ｌ６＝３５μｍ）、比較例５（Ｌ６＝４０μｍ）、及び本発明３（Ｌ７＝４０μｍ）の場合、即ち、圧電体が振動板１の湾曲の変曲点２１а、２１ｂを跨ぐように配置された場合には、変位量が小さくなることが分かった。
【００４０】
本実施の形態の作用効果を説明する。本実施の形態によれば、図１（ｂ）に示すように、振動板１短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１に設けられた圧電体２а、２ｂが振動板１の変曲点２１а、２１ｂに跨っていないので、振動板１の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。
【００４１】
図３に示すように、振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ１及びＡ５（振動板１の湾曲の大きな領域）に圧電体２а、２ｂが設けられているので、大きな振動板変位量を効率的に得ることができる。
【００４２】
図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、振動板１及び圧電体２а、２ｂを半導体製造工程で製造できるので、歩留まり良く低コスト且つ信頼性の高い変位アクチュエータ２５を提供できる。
【００４３】
本実施の形態に係る変位アクチュエータ２５は、振動板変位量を効率的に増大できるので、小型化しても必要な圧力を得ることができる。従って、変位アクチュエータ２５を複数用いたインク吐出ヘッド９４の小型化を図ることができる。
【００４４】
圧電体２а、２ｂを振動板１の面内伸縮が同じとなる部分に設けているので、圧電体２а、２ｂに同じ極性の電圧を印加しても振動板１の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。従って、１つのアクチュエータに対して対向電極を１つにすることができ、コストダウンを図ることができる。
【００４５】
振動板変位量及び発生圧力を効率的に増大できるので、必要な圧力を得るための駆動電圧を下げることができ、結果として駆動ドライバ等のコストダウンを図ることができる。
【００４６】
インク吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）９４は、振動板変位量を効率的に増大できる変位アクチュエータ２５を備えているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良を防止でき、安定したインク滴吐出特性が得られる。
【００４７】
画像形成装置８１は、上述の効果を奏するインク吐出ヘッド９４を搭載しているので、画像品質を向上できる。
【００４８】
次に、他の実施の形態を説明するが、以下の説明において、上述した第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することにより、その部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では上述の第１実施の形態と異なる点を主に説明する。
【００４９】
第２実施の形態を、図９を参照して説明する。尚、図９は本実施の形態に係る変位アクチュエータの縦断面図である。第１実施の形態では、振動板１に圧電体２а、２ｂを設けているが、本実施の形態では、図９に示すように、圧電体２а、２ｂに代えて、発熱抵抗体２７а、２７ｂを設けている。発熱抵抗体２７а、２７ｂへの電圧印加により、発熱抵抗体２７а、２７ｂが設けられた部分に対応する振動板領域が温度上昇により膨張し、この材料膨張により振動板１は面外方向に変位することになる。
【００５０】
本実施の形態における振動板１には熱伝導率が低い部材を用いており、熱伝導率が高い部材４を振動板１と発熱抵抗体２７а、２７ｂとの間に形成している。
【００５１】
本実施の形態によれば、振動板１の一面側２８中央部の熱伝導による温度上昇を抑制できるので、発熱抵抗体２７а、２７ｂに対する電圧印加を連続して行う場合に生じる蓄熱による振動板１の一面側２８中央部の膨張を抑えることができ、変位アクチュエータ２５の動作安定性を向上することができる。
【００５２】
第３実施の形態を、図１０〜図１２を参照して説明する。尚、図１０（а）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、図１０（ｂ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図であり、図１１は本実施の形態に係る変位アクチュエータを液室側から見た平面図であり、図１２は圧電体を振動板の短辺方向中央部及び短辺方向周辺部に配置したことを想定した振動板の縦断面図である。
【００５３】
本実施の形態では、図１０に示すように、第１実施の形態における圧電体２а、２ｂに加えて、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域に亘って且つ振動板１の他面側２９に圧電体２ｃを設けている。即ち、振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ１及びＡ５の一面側２８と、振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ３の他面側２９に圧電体を設けている。尚、圧電体を設けていない領域では圧電材料層そのものを形成しない構成となっている。
【００５４】
また、圧電体２ｃは、図１１に示すように、振動板長辺方向において、端部２２ｂ（一点鎖線で示す領域）を除く全域に設けられている。端部２２ｂは、振動板短辺方向の中央に位置し、振動板短辺方向の幅がＬ４で振動板長辺方向の幅がＬ４／２の長方形の領域である。
【００５５】
ここで、振動板１に対する圧電体の配置領域を変えたことを想定して、振動板１の変位量を比較したシュミレーションの結果を、表１を参照して説明する。図１２に示すように本実施の形態のような圧電体２を振動板１の短辺方向中央部及び周辺部に配置したことを想定したモデルタイプを本発明４とする。本発明１〜３及び本発明４において、振動板５１、面内方向に伸びる力を有する領域５２、拘束領域５３を示す。両モデルタイプにおいて、Ｌ＝６０μｍ、振動板５１の厚みｔａ＝３μｍ、領域５２の厚みｔｂ＝０．５μｍ、領域５２の面内方向に伸びる力は同一とし、更にヤング率＝２１０ＧＰａ、ポアソン比＝０．２７は本発明１〜３及び本発明４の領域５１、５２の全てで同じ値とした。Ｌ７＝Ｌ８＝３０μｍとして、振動板中央の変位量を比較すると、本発明４（Ｌ８＝３０）における振動板中央の変位量は、本発明２（Ｌ７＝３０）の場合の約２倍となった。
【００５６】
インク吐出ヘッド９４の動作を説明する。圧電体２а、２ｂ及び２ｃに、振動板１の短辺方向に伸長する向きの電圧を印加すると、図１０（ｂ）に示すように、振動板１が液室６４側に大きく湾曲変位する。これにより、液室６４内のインクの圧力が高くなり、ノズル孔６５から用紙８３に向けてインク滴が吐出される。
【００５７】
本実施の形態によれば、第１実施の形態における圧電体２а、２ｂに加えて、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点（これに相隣る他の変曲点）２１ｂまでの領域に圧電体２ｃを設けているので、第１実施の形態よりも大きな振動板変位量を確実に得ることができる。
【００５８】
振動板１の湾曲の変曲点２１а、２１ｂを境として圧電体２а、２ｂを一面側２８に且つ圧電体２ｃを他面側２９に（各圧電体２а、２ｂ及び２ｃを振動板１の面内伸縮が同じとなる部分に）設けているので、各圧電体２а、２ｂ及び２ｃに同じ極性の電圧を印加しても振動板１の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。従って、１つの変位アクチュエータ２５に対して対向電極を１つとすることができ、コストダウンを図ることができる。
【００５９】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００６０】
上述の実施形態では、圧電体２а、２ｂを振動板１の各端２３а、２３ｂから振動板１の湾曲の変曲点２１а、２１ｂまでの領域内に設けているが、これに限らず、圧電体２ｄを振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域内にのみ設けても良い。この場合、図１５に示すように、圧電体１を振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ３（図３参照）を含むように設けることが好ましく、更に圧電体１を一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域に亘って設けることが好ましい。
【００６１】
第３実施の形態では、圧電体２ｃを振動板１の他面側２９に設けているが、これに代えて、圧電体２ｃを振動板１の一面側２８に設けても良い。但し、この場合、圧電体２ｃには、圧電体２а、２ｂと異なる極性の電圧を印加する必要がある。
【００６２】
第１実施の形態及び第２実施の形態では、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の各端２３а、２３ｂから直近の変曲点２１а、２１ｂまでの領域に亘って圧電体又は発熱抵抗体を設けているが、これに限らず、例えば、図３における領域Ａ１及び領域Ａ５（振動板１の曲率半径が極小値をとる領域）のみに圧電体又は発熱抵抗体を設けても良い。
【００６３】
第３実施の形態では、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域に亘って圧電体を設けているが、これに限らず、例えば、図３における領域Ａ３（振動板１の曲率半径が極小値をとる領域）にのみ圧電体を設けても良い。
【００６４】
上述の実施の形態では、変位アクチュエータ２５を液滴吐出ヘッドに用いているが、これに限らず、振動板とミラーとを一体に成形した光学デバイス（電子プレゼンテーションに用いられるデータプロジェクター等）に用いても良い。
【００６５】
上述の実施の形態では、変位アクチュエータ２５を液滴吐出ヘッドに用いているが、これに限らず、複数の変位アクチュエータ２５を、振動板１が流体流路の壁面部分を形成するように並べて配置して、医療機器や半導体製造機器等に用いられるマイクロポンプに用いても良い。
【００６６】
図１３に示すように、振動板１の一面側２８の長辺方向端部２２а（一点鎖線で示す領域）にも圧電体又は発熱抵抗体を設けると良い。振動板長辺方向端部２２аの変位を大きくできるので、上述の実施の形態よりも、振動板変位量を増大することができる。この場合、振動板１に対する圧電体又は発熱体の配置領域としては、振動板１の短辺長さをＬ１とした場合、Ｌ２＝Ｌ１／４、Ｌ３＝Ｌ１／４とすることが好ましい。
【００６７】
第１実施の形態及び第３実施の形態では、振動板１に、能動素子として圧電体を設けているが、これに代えて、能動素子として、発熱抵抗体を設けても良い。
【００６８】
第２実施の形態では、発熱抵抗体２７а、２７ｂを振動板１の一面側２８に熱伝導率の高い部材４を介して設けているが、これに加えて、発熱抵抗体を振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域内の他面側２９に熱伝導率の高い部材を介して設けても良い。
【００６９】
図１４に示すように、振動板１の他面側２９の長辺方向端部２２ｂ（一点鎖線で示す領域）にも圧電体又は発熱抵抗体を設けると良い。上述の実施の形態よりも大きな振動板変位量を得ることができる。この場合、振動板１に対する圧電体の配置領域としては、振動板１の短辺長さをＬ１とした場合、Ｌ２＝Ｌ１／４、Ｌ３＝Ｌ１／４とすることが好ましい。
【００７０】
上述の実施の形態におけるインク吐出ヘッド９４は、インク流路の向きとノズル孔（吐出口）８の向きが異なるサイドシューター方式であるが、インク流路からノズル孔にかけての形状が直線的であるエッジシューター方式であっても良い。
【００７１】
上述の実施の形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインク吐出ヘッド９４に適用した例で説明したが、インク吐出ヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッドを半導体基板の製造に用いても良いし、液晶を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドを液晶パネルの製造に用いても良いし、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド（スポッタ）をＤＮＡチップの製造に用いても良い。
【００７２】
上述の実施形態では、画像形成装置８１として、プリンタを用いているが、これに限らず、画像読取部を有する複写機や、この複写機と用紙後処置装置との複合機等であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】（а）は第１実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、（ｂ）は第１実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図である。
【図２】第１実施の形態に係る変位アクチュエータを液室の反対側から見た平面図である。
【図３】第１実施の形態に係る振動板の短辺方向の変位断面を示す縦断面図である。
【図４】（ａ）は圧電体を振動板の短辺方向中央部に配置したことを想定した振動板の縦断面図であり、（ｂ）は圧電体を振動板の短辺方向周辺部に配置したことを想定した変位アクチュエータの縦断面図である。
【図５】（а）〜（ｅ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの断面フロー図である。
【図６】第１実施の形態に係るインク吐出ヘッドの縦断面図である。
【図７】第１実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す縦断面図である。
【図８】第１実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す斜視図である。
【図９】第２実施の形態に係る変位アクチュエータの縦断面図である。
【図１０】（а）は第３実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、（ｂ）は第３実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図である。
【００７４】
第３実施の形態に係る変位アクチュエータの縦断面図である。
【図１１】第３実施の形態に係る変位アクチュエータを液室側から見た平面図である。
【図１２】圧電体を振動板の短辺方向中央部及び短辺方向周辺部に配置したことを想定した振動板の縦断面図である。
【図１３】変形例に係る変位アクチュエータを液室の反対側から見た図である。
【図１４】変形例に係る変位アクチュエータを液室側から見た図である。
【図１５】（а）は変形例に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、（ｂ）は変形例に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 振動板
２а、２ｂ、２ｃ 圧電体
２１а、２１ｂ 変曲点
２３а 振動板の短辺方向の一端
２３ｂ 振動板の短辺方向の他端
２５ 変位アクチュエータ
２７а、２７ｂ 発熱抵抗体
２８ 振動板の一面側
２９ 振動板の他面側
３３ 一方の電極層
３４ 圧電材料層
３５ 他方の電極層
６４ 液室
６５ ノズル孔
６７ インク滴（液滴）
８１ 画像形成装置
８３ 用紙（記録媒体）
９４ インク吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位アクチュエータ、この変位アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備え記録媒体に液滴を吐出して画像を形成する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び２においては、対向電極間に配置した圧電体に電圧を印加して、短辺方向の両端が固定された振動板を変位させる変移アクチュエータが開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の変位アクチュエータは、振動板の短辺方向の断面において、振動板中央部とその周辺部とに個別の対向電極を配置し、異なる極性の電圧を印加して、圧電体の伸縮が振動板の中央部と周辺部とで逆になるようにしている。
【０００４】
特許文献２に記載の変位アクチュエータは、振動板の短辺方向の断面において、圧電体及び圧電体の一面側の電極を、振動板の中央部とその周辺部とに個別に配置している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８０９１号公報
【特許文献２】特開２００７−１３９８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の変位アクチュエータにおいては、圧電体を振動板の全面に亘って設けているため、振動板の中央部と周辺部との間の対向電極が設けられていない領域（振動板の湾曲の変曲点に跨がった領域）にある圧電体が振動板の変位を抑制して振動板の変位量を効率的に増大できないおそれがある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の変位アクチュエータにおいては、圧電体を振動板の中央部と周辺部とに個別に設けているものの、何れかの圧電体が、振動板の湾曲の変曲点を跨いでいると、振動板の変位を抑制して振動板の変位量を効率的に増大できないおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、振動板の変位を抑制することなく振動板の変位量を効率的に増大できる変位アクチュエータ、この変位アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、短辺方向の両端が固定された振動板と、振動板に設けられて電圧印加により伸縮する能動素子とを備え、この能動素子を伸縮させることにより振動板を面外方向に変位させる変位アクチュエータであって、振動板は短辺方向において変曲点が複数になるように湾曲変位するものであり、能動素子は、振動板短辺方向の変位断面において、振動板の各端から直近の変曲点までの領域内及び振動板の変曲点からこれに相隣る他の変曲点までの領域内の少なくとも一方の領域内に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、能動素子は、振動板短辺方向全域に亘って一方の電極層と圧電材料層と他方の電極層とがこの順に積層されて形成される圧電体であり、少なくとも圧電材料層が振動板の変曲点を境に分離していることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、熱伝導率の高い部材を振動板に設けており、能動素子は発熱抵抗体であり、振動板は熱電導率の低い部材から成り、熱伝導率の高い部材を振動板と能動素子との間に配置していることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、能動素子は複数であり、各能動素子が振動板の面内伸縮が同じとなる部分に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載された発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、振動板短辺方向の変位断面において、振動板の曲率半径が極小値をとる領域に能動素子が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明において、振動板の長辺方向の両端部に能動素子が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載された発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の変位アクチュエータと、ノズルに連通する液室とを備え、振動板は液室の壁面部分を構成しており、ノズルから液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッドである。
【００１６】
請求項８に記載された発明は、請求項７に記載の液滴吐出ヘッドを備え、液滴吐出ヘッドから記録媒体に液滴を吐出して画像を形成することを特徴とする画像形成装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板に設けられた能動素子が振動板の変曲点に跨っていないので、振動板の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、添付図面を参照して本発明の第１実施の形態を詳細に説明する。尚、図１（а）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図であり、図２は本実施の形態に係る変位アクチュエータを液室の反対側から見た平面図であり、図３は本実施の形態に係る振動板の短辺方向の変位断面を示す縦断面図であり、図４（ａ）は圧電体を振動板の短辺方向中央部に配置したことを想定した振動板の縦断面図であり、図４（ｂ）は圧電体を振動板の短辺方向周辺部に配置したことを想定した振動板の縦断面図であり、図５（а）〜（ｅ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの断面フロー図であり、図６は本実施の形態に係るインク吐出ヘッドの縦断面図であり、図７は本実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す縦断面図であり、図８は本実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す斜視図である。
【００１９】
本実施の形態に係る画像形成装置８１は、プリンタであり、図７に示すように、用紙８３にインクを吐出して画像を記録する記録部８２と、記録部８２に供給する用紙を積載する給紙カセット８４及び手差しトレイ８５と、記録部８２で画像形成された用紙を排出する排紙トレイ８６とを備えている。
【００２０】
記録部８２には、インク吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）９４を有し、主走査方向に移動自在なキャリッジ９３と、インク吐出ヘッド９４にインクを供給するインクカートリッジ９５とが設けられている。
【００２１】
キャリッジ９３は、図８に示すように、画像形成装置８１の左右の側板に支持された主ガイドロッド９１及び従ガイドロッド９２に摺動自在に保持されている。このキャリッジ９３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインク吐出ヘッド９４が、インク滴吐出方向を下方に向けて装着されている。インク吐出ヘッド９４には、複数のノズル孔（インク吐出口）６５が主走査方向と交差する方向に配列されている。インク吐出ヘッド９４は、インク流路の向きとノズル孔（吐出口）６５の向きが異なるサイドシューター方式である。
【００２２】
本実施の形態に係るインク吐出ヘッド９４は、図６に示すように、変位アクチュエータ２５と、ノズル孔６５に連通する液室６４とを備えている。
【００２３】
変位アクチュエータ２５は、振動板１に設けた一方及び他方の圧電体（能動素子）２а、２ｂに電圧を印加して、圧電体２а、２ｂを歪ませて振動板１を面外方向に変位させるものである。
【００２４】
振動板１は液室６４の底壁（壁面部分）を構成しており、液室６４の振動板１に対向する壁６６にはノズル孔６５が形成されている。インク吐出ヘッド９４は、振動板１を変位させて液室６４内のインクの圧力を変化させることによりノズル孔６５からインク滴（液滴）６７を用紙（記録媒体）８３に吐出するようになっている。インク吐出ヘッド９４には、複数の液室６４が壁６３を隔てて形成されており、各液室６４毎に変位アクチュエータ２５が設けられている。
【００２５】
本実施の形態に係る変位アクチュエータ２５の作製方法を、図５（а）〜（ｅ）を参照して説明する。先ず、Ｓｉ基板３０（図５（ａ）参照）の一面に、高濃度ボロン（Ｂ）を時間制御で注入し、２μｍ程度の高濃度ボロン層３１を形成する（図５（ｂ）参照）。次に、Ｓｉ基板３０における高濃度ボロン層３１とは逆の面に、ＳｉＯ2膜をＣＶＤ（化学気相成長法）で形成し、その後、インク吐出ヘッド９４の液室６４となる部分のＳｉＯ2膜を除去する。次に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いて、液室６４となる部分（図５（ｂ）の２点鎖線で囲んだ部分）のＳｉ基板３０を高濃度ボロン層３１に到達するまでエッチングする（図５（ｃ）参照）。次に、高濃度ボロン層３１の上面にＳｉＯ2膜３２を形成して、振動板１を形成する（図５（ｄ）参照）。その後は、図５（ｅ）に示すように、圧電体２а、２ｂを構成する一方の電極層３３、圧電材料層３４、他方の電極層３５を順次積層して、変位アクチュエータ２５とした。
【００２６】
ここで、振動板の変位形状に関する説明を行う。短辺方向の両端が固定された振動板が１次の振動モードで振動した場合、振動板の短辺方向断面では、概ね図３のような形状を呈する。図３の振動板１の各部の湾曲において、周辺よりも大きい部分が有るが、その部分では振動板を湾曲させる力を積極的に加えることにより、振動板全体の変位を大きくすることができる。ここで、湾曲が大きいということはその部分の曲率半径が小さいということであり、図３においては領域Ａ１、Ａ３及びＡ５であり、この曲率半径が極小値をとる領域を含んで、振動板１を湾曲させるための圧電体２が形成されると好適となる。尚、領域Ａ１と領域Ａ３では、同一面においてその伸縮が逆になる、そのため振動板１の同一面の領域Ａ１、Ａ３に全く同じ動作をする圧電体２を形成すると、振動板全体の変位が抑制されてしまうため、そのような構成は避ける必要がある。一方、曲率半径が最も大きい部分は図３においてはＡ２、Ａ４辺り（変曲点近傍）である。また、板厚が均一で内部応力が無視できる場合、最も小さな荷重で振動板変位量を最大にすると、その変位形状は、振動板の中央線ＬＳ１に対して対称であり、振動板の各半分の領域は振動板を１／４に分割した線ＬＳ２で反対称となる。
【００２７】
本実施の形態において、図１に示すように、一方の圧電体２аは、振動板１の短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の一端２３аから直近の変曲点２１аまでの領域に亘って且つ振動板１の一面側２８に設けられている。他方の圧電体２ｂは、振動板１の短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の他端２３ｂから直近の変曲点２１ｂまでの領域に亘って且つ振動板１の一面側２８に設けられている。即ち、一方の圧電体２аは、図３に示す振動板１の曲率半径が極小となる（振動板１の湾曲が大きくなる）領域Ａ１を含むように設けられている。他方の圧電体２ｂは、振動板１の曲率半径が極小となる（振動板１の湾曲が大きくなる）領域Ａ５を含むように設けられている。また、圧電体２а、２ｂは、図２に示すように、振動板１の長辺方向において、端部２２а（一点鎖線で示す領域）を除く全域に亘って設けられている。端部２２аは、振動板１の四隅に位置する正方形の領域であり、図２において、振動板の短辺方向の長さの半分をＬ４とすると、端部２２аの一辺の長さはＬ４／２となる。
【００２８】
キャリッジ９３には、図８に示すように、ヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５が交換可能に装着されている。
【００２９】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインク吐出ヘッド９４へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインク吐出ヘッド９４へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のインク吐出ヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル孔を有する１個のヘッドでもよい。
【００３０】
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００３１】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をインク吐出ヘッド９４の下方側に搬送するために、図７に示すように、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００３２】
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３をインク吐出ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、更に用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。
【００３３】
また、図８に示すように、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インク吐出ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でインク吐出ヘッド９４をキャッピングされ、ノズル孔６５を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全てのノズル孔６５のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００３４】
画像形成装置８１の動作を説明する。給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を記録部８２に搬送する。記録部８２によって所要の画像を記録した後、排紙トレイ８６に排紙する。
【００３５】
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じてインク吐出ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号又は、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００３６】
インク吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインク吐出ヘッド９４のノズル孔（吐出口）６５を密封し、チューブを通して吸引手段でノズル孔（吐出口）６５からインクと共に気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００３７】
インク吐出ヘッド９４の動作を説明する。圧電体２а、２ｂに、振動板１の短辺方向に伸長する向きの電圧を印加すると、図１（ｂ）に示すように、振動板１が液室６４側に湾曲変位する。これにより、液室６４内のインクの圧力が高くなり、ノズル孔６５から用紙８３に向けてインク滴が吐出される。
【００３８】
【表１】
【００３９】
ここで、振動板１に対する圧電体の配置領域を変えたことを想定して、振動板１の変位量を比較するシュミレーションを行ったので、その結果を、表１を参照して説明する。図４（а）に示すように圧電体を振動板１の短辺方向中央部に配置したことを想定したモデルタイプを比較例１〜５とし、図４（ｂ）に示すように本実施の形態のような圧電体を振動板１の短辺方向周辺部に配置したことを想定したモデルタイプを本発明１〜３とする。比較例１〜５及び本発明１〜３において、振動板５１、面内方向に伸びる力を有する領域５２、拘束領域５３を示す。両モデルタイプにおいて、Ｌ＝６０μｍ、振動板５１の厚みｔａ＝３μｍ、領域５２の厚みｔｂ＝０．５μｍ、領域５２の面内方向に伸びる力は同一とし、更にヤング率＝２１０ＧＰａ、ポアソン比＝０．２７は、比較例１〜５及び本発明１〜３の領域５１、５２の全てで同じ値とした。Ｌ６、Ｌ７をパラメータとして、振動板中央の変位量を求めて、表１に示した。比較例では、Ｌ６＝３０μｍにおいて振動板中央の変位量が最大となる（比較例３）。一方、本発明の場合、Ｌ７＝３０μｍの場合に振動板中央の変位量が最大となる（本発明１）。比較例１（Ｌ６＝２０μｍ）と本発明１（Ｌ７＝２０μｍ）とを比較した場合、及び比較例３（Ｌ６＝３０μｍ）と本発明２（Ｌ７＝３０μｍ）とを比較した場合に、本発明は比較例よりも若干大きな変位量となった。また、比較例４（Ｌ６＝３５μｍ）、比較例５（Ｌ６＝４０μｍ）、及び本発明３（Ｌ７＝４０μｍ）の場合、即ち、圧電体が振動板１の湾曲の変曲点２１а、２１ｂを跨ぐように配置された場合には、変位量が小さくなることが分かった。
【００４０】
本実施の形態の作用効果を説明する。本実施の形態によれば、図１（ｂ）に示すように、振動板１短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１に設けられた圧電体２а、２ｂが振動板１の変曲点２１а、２１ｂに跨っていないので、振動板１の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。
【００４１】
図３に示すように、振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ１及びＡ５（振動板１の湾曲の大きな領域）に圧電体２а、２ｂが設けられているので、大きな振動板変位量を効率的に得ることができる。
【００４２】
図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、振動板１及び圧電体２а、２ｂを半導体製造工程で製造できるので、歩留まり良く低コスト且つ信頼性の高い変位アクチュエータ２５を提供できる。
【００４３】
本実施の形態に係る変位アクチュエータ２５は、振動板変位量を効率的に増大できるので、小型化しても必要な圧力を得ることができる。従って、変位アクチュエータ２５を複数用いたインク吐出ヘッド９４の小型化を図ることができる。
【００４４】
圧電体２а、２ｂを振動板１の面内伸縮が同じとなる部分に設けているので、圧電体２а、２ｂに同じ極性の電圧を印加しても振動板１の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。従って、１つのアクチュエータに対して対向電極を１つにすることができ、コストダウンを図ることができる。
【００４５】
振動板変位量及び発生圧力を効率的に増大できるので、必要な圧力を得るための駆動電圧を下げることができ、結果として駆動ドライバ等のコストダウンを図ることができる。
【００４６】
インク吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）９４は、振動板変位量を効率的に増大できる変位アクチュエータ２５を備えているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良を防止でき、安定したインク滴吐出特性が得られる。
【００４７】
画像形成装置８１は、上述の効果を奏するインク吐出ヘッド９４を搭載しているので、画像品質を向上できる。
【００４８】
次に、他の実施の形態を説明するが、以下の説明において、上述した第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することにより、その部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では上述の第１実施の形態と異なる点を主に説明する。
【００４９】
第２実施の形態を、図９を参照して説明する。尚、図９は本実施の形態に係る変位アクチュエータの縦断面図である。第１実施の形態では、振動板１に圧電体２а、２ｂを設けているが、本実施の形態では、図９に示すように、圧電体２а、２ｂに代えて、発熱抵抗体２７а、２７ｂを設けている。発熱抵抗体２７а、２７ｂへの電圧印加により、発熱抵抗体２７а、２７ｂが設けられた部分に対応する振動板領域が温度上昇により膨張し、この材料膨張により振動板１は面外方向に変位することになる。
【００５０】
本実施の形態における振動板１には熱伝導率が低い部材を用いており、熱伝導率が高い部材４を振動板１と発熱抵抗体２７а、２７ｂとの間に形成している。
【００５１】
本実施の形態によれば、振動板１の一面側２８中央部の熱伝導による温度上昇を抑制できるので、発熱抵抗体２７а、２７ｂに対する電圧印加を連続して行う場合に生じる蓄熱による振動板１の一面側２８中央部の膨張を抑えることができ、変位アクチュエータ２５の動作安定性を向上することができる。
【００５２】
第３実施の形態を、図１０〜図１２を参照して説明する。尚、図１０（а）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、図１０（ｂ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図であり、図１１は本実施の形態に係る変位アクチュエータを液室側から見た平面図であり、図１２は圧電体を振動板の短辺方向中央部及び短辺方向周辺部に配置したことを想定した振動板の縦断面図である。
【００５３】
本実施の形態では、図１０に示すように、第１実施の形態における圧電体２а、２ｂに加えて、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域に亘って且つ振動板１の他面側２９に圧電体２ｃを設けている。即ち、振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ１及びＡ５の一面側２８と、振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ３の他面側２９に圧電体を設けている。尚、圧電体を設けていない領域では圧電材料層そのものを形成しない構成となっている。
【００５４】
また、圧電体２ｃは、図１１に示すように、振動板長辺方向において、端部２２ｂ（一点鎖線で示す領域）を除く全域に設けられている。端部２２ｂは、振動板短辺方向の中央に位置し、振動板短辺方向の幅がＬ４で振動板長辺方向の幅がＬ４／２の長方形の領域である。
【００５５】
ここで、振動板１に対する圧電体の配置領域を変えたことを想定して、振動板１の変位量を比較したシュミレーションの結果を、表１を参照して説明する。図１２に示すように本実施の形態のような圧電体２を振動板１の短辺方向中央部及び周辺部に配置したことを想定したモデルタイプを本発明４とする。本発明１〜３及び本発明４において、振動板５１、面内方向に伸びる力を有する領域５２、拘束領域５３を示す。両モデルタイプにおいて、Ｌ＝６０μｍ、振動板５１の厚みｔａ＝３μｍ、領域５２の厚みｔｂ＝０．５μｍ、領域５２の面内方向に伸びる力は同一とし、更にヤング率＝２１０ＧＰａ、ポアソン比＝０．２７は本発明１〜３及び本発明４の領域５１、５２の全てで同じ値とした。Ｌ７＝Ｌ８＝３０μｍとして、振動板中央の変位量を比較すると、本発明４（Ｌ８＝３０）における振動板中央の変位量は、本発明２（Ｌ７＝３０）の場合の約２倍となった。
【００５６】
インク吐出ヘッド９４の動作を説明する。圧電体２а、２ｂ及び２ｃに、振動板１の短辺方向に伸長する向きの電圧を印加すると、図１０（ｂ）に示すように、振動板１が液室６４側に大きく湾曲変位する。これにより、液室６４内のインクの圧力が高くなり、ノズル孔６５から用紙８３に向けてインク滴が吐出される。
【００５７】
本実施の形態によれば、第１実施の形態における圧電体２а、２ｂに加えて、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点（これに相隣る他の変曲点）２１ｂまでの領域に圧電体２ｃを設けているので、第１実施の形態よりも大きな振動板変位量を確実に得ることができる。
【００５８】
振動板１の湾曲の変曲点２１а、２１ｂを境として圧電体２а、２ｂを一面側２８に且つ圧電体２ｃを他面側２９に（各圧電体２а、２ｂ及び２ｃを振動板１の面内伸縮が同じとなる部分に）設けているので、各圧電体２а、２ｂ及び２ｃに同じ極性の電圧を印加しても振動板１の変位を抑制することなく振動板変位量を効率的に増大することができる。従って、１つの変位アクチュエータ２５に対して対向電極を１つとすることができ、コストダウンを図ることができる。
【００５９】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００６０】
上述の実施形態では、圧電体２а、２ｂを振動板１の各端２３а、２３ｂから振動板１の湾曲の変曲点２１а、２１ｂまでの領域内に設けているが、これに限らず、圧電体２ｄを振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域内にのみ設けても良い。この場合、図１５に示すように、圧電体１を振動板１の曲率半径が極小値をとる領域Ａ３（図３参照）を含むように設けることが好ましく、更に圧電体１を一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域に亘って設けることが好ましい。
【００６１】
第３実施の形態では、圧電体２ｃを振動板１の他面側２９に設けているが、これに代えて、圧電体２ｃを振動板１の一面側２８に設けても良い。但し、この場合、圧電体２ｃには、圧電体２а、２ｂと異なる極性の電圧を印加する必要がある。
【００６２】
第１実施の形態及び第２実施の形態では、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の各端２３а、２３ｂから直近の変曲点２１а、２１ｂまでの領域に亘って圧電体又は発熱抵抗体を設けているが、これに限らず、例えば、図３における領域Ａ１及び領域Ａ５（振動板１の曲率半径が極小値をとる領域）のみに圧電体又は発熱抵抗体を設けても良い。
【００６３】
第３実施の形態では、振動板短辺方向の湾曲変位した断面において、振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域に亘って圧電体を設けているが、これに限らず、例えば、図３における領域Ａ３（振動板１の曲率半径が極小値をとる領域）にのみ圧電体を設けても良い。
【００６４】
上述の実施の形態では、変位アクチュエータ２５を液滴吐出ヘッドに用いているが、これに限らず、振動板とミラーとを一体に成形した光学デバイス（電子プレゼンテーションに用いられるデータプロジェクター等）に用いても良い。
【００６５】
上述の実施の形態では、変位アクチュエータ２５を液滴吐出ヘッドに用いているが、これに限らず、複数の変位アクチュエータ２５を、振動板１が流体流路の壁面部分を形成するように並べて配置して、医療機器や半導体製造機器等に用いられるマイクロポンプに用いても良い。
【００６６】
図１３に示すように、振動板１の一面側２８の長辺方向端部２２а（一点鎖線で示す領域）にも圧電体又は発熱抵抗体を設けると良い。振動板長辺方向端部２２аの変位を大きくできるので、上述の実施の形態よりも、振動板変位量を増大することができる。この場合、振動板１に対する圧電体又は発熱体の配置領域としては、振動板１の短辺長さをＬ１とした場合、Ｌ２＝Ｌ１／４、Ｌ３＝Ｌ１／４とすることが好ましい。
【００６７】
第１実施の形態及び第３実施の形態では、振動板１に、能動素子として圧電体を設けているが、これに代えて、能動素子として、発熱抵抗体を設けても良い。
【００６８】
第２実施の形態では、発熱抵抗体２７а、２７ｂを振動板１の一面側２８に熱伝導率の高い部材４を介して設けているが、これに加えて、発熱抵抗体を振動板１の一方の変曲点２１аから他方の変曲点２１ｂまでの領域内の他面側２９に熱伝導率の高い部材を介して設けても良い。
【００６９】
図１４に示すように、振動板１の他面側２９の長辺方向端部２２ｂ（一点鎖線で示す領域）にも圧電体又は発熱抵抗体を設けると良い。上述の実施の形態よりも大きな振動板変位量を得ることができる。この場合、振動板１に対する圧電体の配置領域としては、振動板１の短辺長さをＬ１とした場合、Ｌ２＝Ｌ１／４、Ｌ３＝Ｌ１／４とすることが好ましい。
【００７０】
上述の実施の形態におけるインク吐出ヘッド９４は、インク流路の向きとノズル孔（吐出口）８の向きが異なるサイドシューター方式であるが、インク流路からノズル孔にかけての形状が直線的であるエッジシューター方式であっても良い。
【００７１】
上述の実施の形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインク吐出ヘッド９４に適用した例で説明したが、インク吐出ヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッドを半導体基板の製造に用いても良いし、液晶を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドを液晶パネルの製造に用いても良いし、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド（スポッタ）をＤＮＡチップの製造に用いても良い。
【００７２】
上述の実施形態では、画像形成装置８１として、プリンタを用いているが、これに限らず、画像読取部を有する複写機や、この複写機と用紙後処置装置との複合機等であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】（а）は第１実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、（ｂ）は第１実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図である。
【図２】第１実施の形態に係る変位アクチュエータを液室の反対側から見た平面図である。
【図３】第１実施の形態に係る振動板の短辺方向の変位断面を示す縦断面図である。
【図４】（ａ）は圧電体を振動板の短辺方向中央部に配置したことを想定した振動板の縦断面図であり、（ｂ）は圧電体を振動板の短辺方向周辺部に配置したことを想定した変位アクチュエータの縦断面図である。
【図５】（а）〜（ｅ）は本実施の形態に係る変位アクチュエータの断面フロー図である。
【図６】第１実施の形態に係るインク吐出ヘッドの縦断面図である。
【図７】第１実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す縦断面図である。
【図８】第１実施の形態に係る画像形成装置の概略的構成を示す斜視図である。
【図９】第２実施の形態に係る変位アクチュエータの縦断面図である。
【図１０】（а）は第３実施の形態に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、（ｂ）は第３実施の形態に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図である。
【００７４】
第３実施の形態に係る変位アクチュエータの縦断面図である。
【図１１】第３実施の形態に係る変位アクチュエータを液室側から見た平面図である。
【図１２】圧電体を振動板の短辺方向中央部及び短辺方向周辺部に配置したことを想定した振動板の縦断面図である。
【図１３】変形例に係る変位アクチュエータを液室の反対側から見た図である。
【図１４】変形例に係る変位アクチュエータを液室側から見た図である。
【図１５】（а）は変形例に係る変位アクチュエータの変位前における縦断面図であり、（ｂ）は変形例に係る変位アクチュエータの変位後における縦断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 振動板
２а、２ｂ、２ｃ 圧電体
２１а、２１ｂ 変曲点
２３а 振動板の短辺方向の一端
２３ｂ 振動板の短辺方向の他端
２５ 変位アクチュエータ
２７а、２７ｂ 発熱抵抗体
２８ 振動板の一面側
２９ 振動板の他面側
３３ 一方の電極層
３４ 圧電材料層
３５ 他方の電極層
６４ 液室
６５ ノズル孔
６７ インク滴（液滴）
８１ 画像形成装置
８３ 用紙（記録媒体）
９４ インク吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短辺方向の両端が固定された振動板と、振動板に設けられて電圧印加により伸縮する能動素子とを備え、この能動素子を伸縮させることにより振動板を面外方向に変位させる変位アクチュエータであって、振動板は短辺方向において変曲点が複数になるように湾曲変位するものであり、能動素子は、振動板短辺方向の変位断面において、振動板の各端から直近の変曲点までの領域内及び振動板の変曲点からこれに相隣る他の変曲点までの領域内の少なくとも一方の領域内に設けられていることを特徴とする変位アクチュエータ。
【請求項２】
能動素子は、振動板短辺方向全域に亘って一方の電極層と圧電材料層と他方の電極層とがこの順に積層されて形成される圧電体であり、少なくとも圧電材料層が振動板の変曲点を境に分離していることを特徴とする請求項１に記載の変位アクチュエータ。
【請求項３】
熱伝導率の高い部材を振動板に設けており、能動素子は発熱抵抗体であり、振動板は熱電導率の低い部材から成り、熱伝導率の高い部材を振動板と能動素子との間に配置していることを特徴とする請求項１に記載の変位アクチュエータ。
【請求項４】
能動素子は複数であり、各能動素子が振動板の面内伸縮が同じとなる部分に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の変位アクチュエータ。
【請求項５】
振動板短辺方向の変位断面において、振動板の曲率半径が極小値をとる領域に能動素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の変位アクチュエータ。
【請求項６】
振動板の長辺方向の両端部に能動素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の変位アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の変位アクチュエータと、ノズルに連通する液室とを備え、振動板は液室の壁面部分を構成しており、ノズルから液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドを備え、液滴吐出ヘッドから記録媒体に液滴を吐出して画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
短辺方向の両端が固定された振動板と、振動板に設けられて電圧印加により伸縮する能動素子とを備え、この能動素子を伸縮させることにより振動板を面外方向に変位させる変位アクチュエータであって、振動板は短辺方向において変曲点が複数になるように湾曲変位するものであり、能動素子は、振動板短辺方向の変位断面において、振動板の各端から直近の変曲点までの領域内及び振動板の変曲点からこれに相隣る他の変曲点までの領域内の少なくとも一方の領域内に設けられていることを特徴とする変位アクチュエータ。
【請求項２】
能動素子は、振動板短辺方向全域に亘って一方の電極層と圧電材料層と他方の電極層とがこの順に積層されて形成される圧電体であり、少なくとも圧電材料層が振動板の変曲点を境に分離していることを特徴とする請求項１に記載の変位アクチュエータ。
【請求項３】
熱伝導率の高い部材を振動板に設けており、能動素子は発熱抵抗体であり、振動板は熱電導率の低い部材から成り、熱伝導率の高い部材を振動板と能動素子との間に配置していることを特徴とする請求項１に記載の変位アクチュエータ。
【請求項４】
能動素子は複数であり、各能動素子が振動板の面内伸縮が同じとなる部分に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の変位アクチュエータ。
【請求項５】
振動板短辺方向の変位断面において、振動板の曲率半径が極小値をとる領域に能動素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の変位アクチュエータ。
【請求項６】
振動板の長辺方向の両端部に能動素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の変位アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の変位アクチュエータと、ノズルに連通する液室とを備え、振動板は液室の壁面部分を構成しており、ノズルから液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドを備え、液滴吐出ヘッドから記録媒体に液滴を吐出して画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２７９７７５（Ｐ２００９−２７９７７５Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３１５８９（Ｐ２００８−１３１５８９）
【出願日】平成２０年５月２０日（２００８．５．２０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２０日（２００８．５．２０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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