液体吐出ヘッド及び液体吐出装置
【課題】振動板の変位量を簡易な構造により増大させ、コストを増大させることなく、吐出効率が高い液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】液体を吐出するノズルが設けられた液室と、前記液室の前記ノズルとは反対側に圧電層及び電極が積層された圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電層を変形させ、前記液室に圧力を発生させることにより前記ノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電層の分極方向と略直交する方向及び前記圧電層の前記分極方向と略同一方向に電界を与え、前記圧電層に変形を生じさせて前記ノズルから前記液体を吐出することで、前記圧電層の変位量を増大させ、液体吐出ヘッドの吐出効率を向上することができる。
【解決手段】液体を吐出するノズルが設けられた液室と、前記液室の前記ノズルとは反対側に圧電層及び電極が積層された圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電層を変形させ、前記液室に圧力を発生させることにより前記ノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電層の分極方向と略直交する方向及び前記圧電層の前記分極方向と略同一方向に電界を与え、前記圧電層に変形を生じさせて前記ノズルから前記液体を吐出することで、前記圧電層の変位量を増大させ、液体吐出ヘッドの吐出効率を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッド、及び液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を搭載した液体吐出装置としてのインクジェットプリンタは、近年、高画質、低価格、速度対応性（インクを吐出するノズル数を増減することにより高速プリンタから、低速だが低価格のプリンタまで対応できる）等が評価されて普及が進んでおり、より一層の画質向上、コストダウン、小型化が要求されている。
【０００３】
この様なインクジェットヘッドの工法としては、半導体プロセスを利用した微細加工技術であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が取り入れられている。
【０００４】
ＭＥＭＳ技術を用いることにより、シリコン基板上にインクジェットヘッドに必要な液室、振動板、圧電素子、電極等の部品を、エッチング、スパッタ等の加工方法で微小領域に形成することができる。また、これらの部品をさらに微細化し、各部品の配置を工夫することにより、インクジェットヘッドを小型化して作り込むことができる。
【０００５】
ここで、インクジェットヘッドの小型化により各部品の集積度が上がると、液室の圧力を変化させる振動板の面積も小さくなり、振動板の変位量が小さくなるため吐出効率が低下するという不具合が発生する。
【０００６】
そこで、例えば特許文献１には、分極方向に直交する方向に電位差を与えることで変形を生じる圧電体の振動板を対向して配置し、前記振動板の電界強度の低い部分に凹状の溝部を形成することで、振動板の変位量を確保する技術が開示されている。
【０００７】
また、例えば特許文献２には、積層型圧電体にその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させ、同時に外側圧電セラミック層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電体全体としての変形量を大きくするインクジェットヘッドが提案されている。
【０００８】
また、例えば特許文献３には、圧電層に環状の上部電極と、上部電極内に上部電極に接しない中央電極とを形成し、上部電極に電圧を印加した時に上部電極と下部電極との間で生じる変位に加えて、上部電極と中央電極との間に縦方向の変位を発生させることにより、振動板の撓み変位量を増大させる液体吐出ヘッドが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１において圧電体に生じる変形モードは単一であり、十分な変位量を得られない場合がある。また、特許文献２に係るインクジェットヘッドでは、変形モードが異なる複数の圧電体を積層させるため、製作コストがかかると共に、各圧電体の適正厚み及びヤング率等のバランスを取ることが困難な場合がある。さらに特許文献３では、上部電極と中央電極との間の縦方向の変位を十分に引き出す様な電界を発生させるのが難しい場合がある。また、圧電層を介して上部電極を下部電極に接続させるためのコストアップ及び接続信頼性といった課題を有している。
【００１０】
そこで本発明では、振動板の変位量を簡易な構造により増大させ、コストを上昇させることなく、吐出効率が高い液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、液体を吐出するノズルが設けられた液室と、前記液室の前記ノズルとは反対側に圧電層及び電極が積層された圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電層を変形させ、前記液室に圧力を発生させることにより前記ノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電層の分極方向と略直交する方向及び前記圧電層の前記分極方向と略同一方向に電界を与え、前記圧電層に変形を生じさせて前記ノズルから前記液体を吐出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、圧電層の分極方向と略直交する方向及び略同一方向に電界を与えて圧電層を変形させることにより、異なるモードの変形を同一圧電層に形成して十分な変位量を確保することができる。
【００１３】
そのため、駆動電圧を低下させることができ、ＩＣの小型化、圧電素子周辺の配線容量及び発熱量の低減等、機能的な向上を望めると共に、圧電層の変位量を大きく取れることにより、振動板のコントロール性が向上し、小滴化や多値化といった粒子化特性の向上に貢献することができる。
【００１４】
また、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、低コスト、高安定性及び高信頼性を実現するものであり、この様な液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置としてのインクジェットプリンタによれば、低コストで高品質画像を出力することが可能になる。また、３次元造形装置や、輸血や点滴等の輸液ポンプ等の液体吐出装置に液体吐出ヘッドとして搭載することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図
【図２】第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図３】図２に示す液体吐出ヘッドのＩ−Ｉ断面図
【図４】第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおいて振動板が第３電極を覆う部分のみに形成されている構成を示す図
【図５】第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図６】第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図７】第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図８】第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図９】第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図及び平面概略図
【図１０】第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図及び平面概略図
【図１１】第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの平面概略図及び断面概略図
【図１２】実施形態に係る液体吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下「実施形態」という）について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１及び図２を用いて第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略構成について説明する。
【００１８】
図１は、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図であり、図２は、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図である。ここで、図中Ｘ方向は液体吐出ヘッドの幅方向、Ｙ方向は長手方向、Ｚ方向は高さ方向を示している。
【００１９】
第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、液室基板２の一面に振動板１３が成膜されており、液室基板２の振動板１３との反対側は複数のノズルが配列されたノズル基板４と接合されている。図１に示した様に、振動板１３が成膜された液室基板２に、駆動ＩＣ２１、サブフレーム１２、ＳＵＳ板３４１，３４２，３４３、ダンパフィルム３５、補強板３６、天板３８を積層することで、液体吐出ヘッドが形成されている。
【００２０】
振動板１３は一般的に積層構造となっており、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＰＳ等により構成されている。また、Ｚｒあるいは他のセラミックス等の材料が用いられる場合もある。
【００２１】
図２に示す様に、液室基板２には、液室１がエッチングにより形成されており、振動板１３によりエッチストップすることで形成される。
【００２２】
振動板１３の液室１の反対側には、圧電層７が形成されている。圧電層７はスパッタ、ＳｏｌＧｅｌ、イオンプレーティング等の工法により成膜され、グリーンシートを焼成して形成する場合もある。
【００２３】
図３に、図２に示した液体吐出ヘッドのＩ−Ｉ断面図を示す。
【００２４】
図３に示す様に、圧電層７を駆動するための電極は、液室１の周辺部に対応する位置で圧電層７を挟んで形成される下電極５及び上電極６を有する第１電極９と、圧電層７の液室１に対応する位置で液室１とは反対側に形成され、第１電極９とは極性が異なる第２電極１０と、圧電層７の液室１に対応する位置で液室１側に形成され、第１電極１０と同極性の第３電極１１とで構成されている。
【００２５】
第３電極１１は、給電のための電極取り出し口を除いた部分が、第２電極１０の圧電層７の液室１側への投影面よりも大きく形成されている。これは、第３電極１１を第２電極１０より小さく形成すると、第１電極９と第２電極１０との間で形成される電界が弱くなるためである。また、少なくとも第３電極１１を覆う様に振動板１３が設けられている。各電極９，１０，１１は、例えば、Ｔｉ，ＴｉＯ２，Ｐｔ，ＳｒＲｕＯ３等で構成され、これらの材料から適宜選択されて電極として成膜される。
【００２６】
本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、圧電層７と第１電極９、第２電極１０、第３電極１１とで構成される圧電素子に電圧を印加して圧電層７を変形させ、液室１に圧力を発生させることによってノズル３から液体を吐出する。
【００２７】
圧電層７が、その製作方法にもよるが図３に示す分極方向８で処理されている場合には、第１電極９と第２電極１０を共通電極としてグランドとし、第３電極１１を個別電極とする。また、圧電層７の分極方向が図３に示した例と逆（図中下向き）の場合には、第１電極９と第２電極１０とを個別電極とし、第３電極１１をグランドとする。
【００２８】
圧電層７は、分極方向８に対して略同一方向の電界が与えられることによりｄ３１モード、分極方向８に対して略直交する方向の電界が与えられることによりｄ１５モードの変形を生じる。
【００２９】
この様な構成において個別電極をスイッチングすることにより、第１電極９と第３電極１１との間にｄ１５モードの変形、第２電極１０と第３電極１１との間にｄ３１モードの変形を得ることができる。第３電極１１を第２電極１０よりも大きく形成することで、ｄ１５モード変形部の電界を強く保つことができる。
【００３０】
ノズル３が開口されたノズル板４は、例えば厚さ５０μｍのＳＵＳ板に、プレス工法によりノズル３が形成され、液室基板２の振動板１３とは反対側の面に接合される。
【００３１】
図２に示した様に、液室基板２には液室１が駆動ＩＣ２１に対向する位置に２列千鳥格子状に配置されている。液室１には共通液室３０から供給溝３１、供給口３２、流体抵抗部３３を通って液体（インクジェットヘッドの場合にはインク）が供給される。
【００３２】
圧電層７の液室１の反対側には、圧電層７の変形部を囲む空間４０が設けられたサブフレーム１２が接合されている。サブフレーム１２は、例えば、シリコン基板又はガラス基板等で形成される。また、サブフレーム１２には空間４０の間に開口部３９が形成されており、駆動ＩＣ２１が各電極と電気的に接続されている。空間４０の開口部３９の反対側には、液体の供給溝３１が形成されており、液室基板２に設けられた供給口３２に連通している。
【００３３】
サブフレーム１２の上部には共通液室３０を構成する穴が形成されたＳＵＳ板３４１，３４２，３４３が複数枚積層して接合されている。共通液室３０の上部にはダンパフィルム３５が接合され、一部に穴がある空間３７が形成された補強板３６が接合されている。補強板３６の上部には天板３８が接合されており、図１に示す様に供給穴４２が形成されている。
【００３４】
駆動ＩＣ２１からの信号により各電極９，１０，１１に電圧が印加されると、第１電極９と第２電極１０との間には分極方向８に対して略直交する方向に電界が形成され、圧電層７にｄ１５モードの変形が生じる。
【００３５】
また、第２電極１０と第３電極１１との間には分極方向８と略同一方向の電界が形成され、圧電層７にｄ３１モードの変形が生じる。
【００３６】
振動板１３はｄ１５モードの変形により梁の根元から変位を生じ、中央部ではｄ３１モードのユニモルフ変位を生じる相乗効果によって大きな変位量を得る事ができる。また、第１電極９の構成としては、上電極６を無くし下電極５のみで構成することもできる。
【００３７】
図４に、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおいて振動板１３が、第３電極を覆う部分のみに形成されている構成を示す。
【００３８】
圧電層７のｄ１５モードの変形には振動板１３は不要であり、ｄ３１モードの変形にはユニモルフ変位をするための振動板１３が必要となる。そのため振動板１３を、第３電極を覆う部分のみに形成し、ｄ１５モードの変形部に振動板１３を形成しないことにより、より大きな変位量を得る事が可能になる。但し、液体が導電性の場合には、図４に示す様に絶縁性の保護膜１４が必要になる。
【００３９】
第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドによれば、圧電層７にｄ１５モードとｄ３１モードの変形を生じさせることによって変形効率を向上させることができる。そのため、駆動電圧を低下することができ、コストダウン及び消費電力低減といった効果を得ることができる。また、駆動電圧を低下することにより、駆動ＩＣ２１の小型化、圧電層７周辺の配線容量及び発熱量の低下等、機能的にも大幅な向上を得ることができる。さらに、圧電層７の変位量を大きくすることで振動板１３のコントロール性が向上し、小滴化や多値化といった粒子化特性が向上する。
【００４０】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて説明する。液体吐出ヘッドの全体構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態の構成と同一である。
【００４１】
図５に、第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図を示す。
【００４２】
図５（ａ）に示す様に、第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、第１電極９の下電極５と第３電極１１との間のｄ１５モードの変形領域の振動板１３に、薄肉部１７を形成している。これにより、振動板１３による圧電層７の拘束力を低減し、圧電層７のｄ１５モードでの変位量を大きくすることができる。
【００４３】
また、図５（ｂ）に示す様に、第１電極９の下電極５と第３電極１１との間のｄ１５モードの変形領域の振動板１３に、切り欠き部１８を設ける構成により、振動板１３による圧電層７の拘束力をさらに低減することができる。切り欠き部１８を形成することで、圧電層７のｄ１５モードでの変位量をさらに大きくすることができる。
【００４４】
振動板１３に形成された薄肉部１７又は切り欠き部１８は、いずれもｄ１５モードの変位量を増大させる効果があり、圧電層７全体の変位量を大きくすることができる。
【００４５】
この場合において、圧電層７は強度を確保するために一定の厚さが必要であり、好ましくは１μｍ以上の厚さがあれば好適である。また、圧電層７には、液体と接する側及びその反対側の面にも必要に応じて保護膜を設ける場合がある。
【００４６】
［第３の実施形態］
図６に、第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図を示す。第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態の構成と同一である。
【００４７】
図６（ａ）に示す様に、第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、第１電極９の上電極６と第２電極１０との間に、第３電極１１と同極性の第４電極１９を設けている。この様に構成することで、圧電層７には第１電極９と第３電極１１との間でｄ１５モード、第１電極９と第４電極１９との間で同様にｄ１５モードの変形を生じさせることができる。したがって、ｄ１５モードの電界強度を上げることができ、圧電層７のより一層の変位量向上効果を得ることが可能となる。
【００４８】
図６（ｂ）には、第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおいて、第１電極９の下電極５と第３電極１１との間の振動板１３に切り欠き部１８を形成した構成を示す。
【００４９】
切り欠き部１８を設けたことにより、振動板１３による圧電層７の拘束力を低減させ、圧電層７のｄ１５モードでの変位量をさらに大きくすることができる。また、振動板１３の第１電極９と第４電極１９との間に、図５（ａ）と同様に薄肉部１７を形成することによっても、同様に圧電層７のｄ１５モードでの変位量を増大する効果を得ることができる。
【００５０】
［第４の実施形態］
図７は、第４の実施形態に係る液体吐出装置の構成を示す図である。図７（ａ）は第４の実施形態に係る液体吐出装置の平面概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）のII−II断面概略図、図７（ｃ）は図７（ａ）のIII−III断面概略図である。
【００５１】
図７（ｂ）に示した様に、第２電極１０の圧電層７の反対側には、絶縁層２０が形成されており、圧電層７の変形部から外れた内側で絶縁層２０にコンタクトホール２２が設けられている。コンタクトホール２２からは、第２電極１０から引き出し電極２３が引き出されており、駆動ＩＣ２１に設けられたアルミパッド２５、その上部に設けられた金メッキ２６との間をフリップチップ接合するためのスタッドバンプ２４を引き出し電極２３上に設けることで、駆動ＩＣ２１と第２電極１０とが電気的に接合されている。
【００５２】
従来のｄ３１モードの変形のみで駆動していた圧電層７は、隣接する圧電層７からの影響を低減するために、隣接する圧電層７との間に切り欠きを入れて液室１ごとにパターニングして形成していた。集積度が５０ｄｐｉ以下程度の大きさでは、隣接する圧電層７からの影響力が少ないため大きな問題とはならないが、集積度が１５０ｄｐｉ以上になると端部の幅を十分に取れなくなり、互いの拘束力が影響し合うことにより圧電層７の変位量が小さくなってしまう場合があった。
【００５３】
液室１ごとに圧電層７をパターニングするためには、スパッタ等によるエッチング加工により不必要な部分を取り除いて形成する必要がある。圧電層７のスパッタエッチングは加工時間がかかり、加工装置も高価であるためコストの増大が避けられず、エッチングの残渣等による不具合も大きな課題であった。
【００５４】
しかしながら、本実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、圧電層７にｄ１５モード及びｄ３１モードによる変形を生じさせることによって、圧電層７の変位量を十分に確保できるため、圧電層７を液室１ごとにパターニングして形成する必要がない。
【００５５】
特に、圧電層７の振動板１３からの拘束力の影響が少なく、振動板１３の圧電層７のｄ１５モードでの変形部に切り欠き部を設けることによって、拘束力の影響をほぼ無くすことができる。そのため、圧電層７を液室１ごとにパターニングして形成することなく、液体吐出ヘッド全体に成膜された一様な層として形成することができる。
【００５６】
したがって、液体吐出ヘッドのアクチュエータとなる圧電素子をパターニングする必要が無く、設備及びプロセスコストの大幅なコストダウンが可能となる。
【００５７】
［第５の実施形態］
図８には、第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図を示す。図示した構成以外は、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成と同様である。
【００５８】
図８（ａ）は、圧電層７のｄ１５モードの変形部とｄ３１モードの変形部との間に切り欠き部２７を設けた構成を示す図である。
【００５９】
第３電極１１は、圧電層７がｄ１５モードでの変形駆動が可能な様に切り欠き部２７の第１電極９の側にも、それぞれ第３電極１１１，１１２を設けている。第２電極１０は、第３電極１１とほぼ同等の大きさでも良い。圧電層７に切り欠き部２７という空間を形成しているため、第３電極１１１，１１２と第２電極１０との間には強い電界は形成されず、第２電極１１１，１１２と第１電極９との間で強い電界が形成される。
【００６０】
また、切り欠き部２７を形成した部分を、切り欠きではなく薄層化することによっても拘束力の影響が少なくなるため、圧電層７の変位量を増大させることができる。
【００６１】
図８（ｂ）は、第１電極９と第３電極１１１，１１２との間の電界を強くするため、第３電極１１１，１１２に対向して第３電極１１と同極性の第４電極１９を設けている。
【００６２】
この様な構成により、第４電極１９は第１電極９との間で電界を形成し、圧電層７のｄ１５モードによる変位量を大きくすることができる。
【００６３】
また、図８（ｃ）には、振動板１３の液室１の端部に薄肉部１７を形成した図を示す。
【００６４】
薄肉部１７を切り欠き部２７と重なる様に形成した場合には圧電層７の変位量をさらに大きくすることができる。この場合には、圧電層７が変位した後に元に戻る力が小さくなるため、変位量と元に戻る力が最適化されるように薄肉部１７の寸法を適宜設計する必要がある。
【００６５】
図８（ｄ）には、振動板１３の液室１の端部に切り欠き部１８を設けた例を示す。
【００６６】
圧電層７のｄ１５モードによる変形部と、ｄ３１モードによる変形部との間に切り欠き部１８を設けることで、互いの変形モードの影響を低減し、それぞれの変位量を最大化することができる。また、第４電極１９を設けることで圧電層７のより大きな変位量を得ることができる。
【００６７】
この様に、圧電層７に切り欠き部２７若しくは薄層部を形成することによって、圧電層７の変位量を大きくすることができる。また、第４電極１９を形成したり、振動板１３に薄肉部１７又は切り欠き部１８を形成することによってさらに変位量を大きくすることができる。
【００６８】
［第６の実施形態］
図９は、第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図及び平面概略図である。図示していない構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成と同様である。
【００６９】
第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、図９（ｂ）に示す様に、液室１の圧電層７に平行な断面が長円形状に形成されており、第１電極９、第２電極１０及び第３電極１１を液室１の断面形状と相似する長円形状に形成し、液室１と各電極９，１０，１１とを同心円状に積層して構成している。
【００７０】
圧電層７の変形部を円形、長円形又は一部に矩形形状を組み合わせて構成することで、効率良く振動板１３を変形させることができる。
【００７１】
また、図１０に示した様に、圧電層７のｄ１５モードによる変形部とｄ３１モードによる変形部との間に切り欠き部２７を設けることで、圧電層７のより大きい変位量を得ることができる。
【００７２】
図１１に、図９及び図１０に示した液室１及び電極９，１０，１１等を４列の千鳥格子上に配列して構成した例を示す。この様な構成で１列３００ｄｐｉにすることで、１２００ｄｐｉの液体吐出ヘッドを実現することができる。
【００７３】
液室１を含む液体の流路は、例えば、厚さ５０μｍのＳＵＳ板３４１，３４２，３４３，３４４に液室１の開口部、流体抵抗部３３と連通管４２の開口部、共通液室３０と連通管４２の開口部を設け、それぞれ位置合わせして積層接合することで構成することができる。
【００７４】
この様に開口部を有する複数の薄板を積層接合して連通管４２、共通液室３０等を形成することにより、ノズル１つ当たりの製造コストを低減することができ、安定性、信頼性に優れた液体吐出ヘッドを実現することが可能になる。
【００７５】
電極基板４１は、図１０，１１に示した第２電極１０の引き出し配線部２８からの引き出し電極２９の上部に金メッキ等で電極パッドを形成し、フリップチップ接合により第２電極１０と電極基板４１に搭載されている駆動ＩＣと電気的に接合される。
【００７６】
引き出し配線部２８を液室１の間を通し、引き出し電極２９を図１１の右側に集約することによって電極基板４１の面積を小さくすることができ、コストを低減することができる。
【００７７】
図１１に示した様な配置により液体吐出ヘッドの高集積化が可能であり、インクジェット記録装置等に用いる場合には高精細且つ高画質化が可能な液体吐出ヘッドを実現することができる。
【００７８】
［第７の実施形態］
図１２に、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成例を示す。
【００７９】
インクジェット記録装置は、黒（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色のインクを吐出する液体吐出ヘッドであるラインヘッド５１，５２，５３，５４を備えて構成される。
【００８０】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４は、図示しないホストコンピュータから入力された画像データに基づいて駆動ＩＣ２１により駆動され、記録紙６１の印字面にそれぞれインクを吐出してカラー画像を形成する。
【００８１】
記録紙６１は、給紙ローラ６０により給紙カセット４７から分離されて１枚ずつ搬送される。記録紙６１は、先端がガイド板４８によりガイドされながら、紙押さえローラ４９まで案内される。
【００８２】
搬送ベルト４５は、ベルト駆動ローラ４４とベルト従動ローラ４３に適度な張力で巻き回されており、例えば静電吸着装置、エアー吸引装置等により記録紙６１を搬送ベルト４５に固定して搬送する装置を備えている。
【００８３】
ベルト従動ローラ４３には、搬送ベルト４５を挟んで紙押さえローラ４９が設けられており、記録紙６１を搬送ベルト４５に密着させることができる。
【００８４】
搬送ベルト４５の内側には、記録紙６１と各ラインヘッド５１，５２，５３，５４との間の距離を一定に保つためのプラテン４６が配置されている。
【００８５】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４で記録紙６１に画像を形成する前段には、前処理ユニット５０が設けられている。前処理ユニット５０は、例えば、インクの定着剤、凝固剤、膨潤剤等の前処理剤を記録紙６１に付着させる。具体的には、前処理剤を吐出する液体吐出ヘッドや、前処理剤を塗布することができる塗布ローラを用いることができる。
【００８６】
記録紙６１は、搬送ベルト４５に密着して搬送され、前処理ユニット５０によって、例えばインクの凝固剤等が予め記録紙６１上に塗布される。その後、記録紙６１にはラインヘッド５１，５２，５３，５４から各色のインクが吐出されて画像が形成される。
【００８７】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４により画像が形成された記録紙６１は、後段の後処理ユニット５５により後処理が行われる。後処理ユニット５５は、例えば記録紙６１上のインクを乾燥させるための熱ローラ、乾燥機や、記録紙６１のカールを矯正するデカールユニット等である。
【００８８】
後処理を施された記録紙６１は、搬送ベルト４５から分離爪５６によって分離されて一対の排紙ローラ５７，５８により排紙カセット５９に排紙される。
【００８９】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４として、上記した第１から第６の実施形態の何れかの液体吐出ヘッドを用いることで、消費電力量を低減し、液滴制御性が向上したことにより階調性が優れた高画質画像を、低コストで提供することが可能なインクジェット記録装置を実現することができる。
【００９０】
また、液体吐出装置としてのインクジェット記録装置について説明したが、点滴静脈注射等に使用する輸液ポンプに第１から第６の実施形態に示した液体吐出ヘッドを用いることもできる。この様な構成により、小型で、且つ、輸液量の幅の大きい液体吐出装置としての輸液ポンプを提供することもできる。さらに、インクジェット技術を利用する３次元造形装置に本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを用いることも可能である。
【００９１】
以上説明した様に、本発明の実施形態によれば、液体吐出ヘッドの圧電層７にｄ１５モード及びｄ３１モードによる変形を生じさせることにより、圧電層７の変位量を増大させることができる。この様に簡易な構成で変位量を増大させて吐出効率を向上できるため、コスト及び消費電力量の低減を図ることが可能である。
【００９２】
また、変位量が増大することによって吐出する液滴の制御を容易に行うことができる。そのため、当該液体吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置では、低コストで階調性に優れた高品質画像を出力することが可能になる。
【００９３】
なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１ 液室
３ ノズル
５ 下電極（第１電極）
６ 上電極（第１電極）
７ 圧電層
８ 分極方向
９ 第１電極
１０ 第２電極
１１ 第３電極
１３ 振動板
１７ 薄肉部
１８、２７ 切り欠き部
１９ 第４電極
３０ 共通液室
４２ 連通管
３４１，３４２，３４３，３４４ 薄板
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９５】
【特許文献１】特開平７−２１４７７３号公報
【特許文献２】特開平１０−０５８６７４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０８３００号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明はインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッド、及び液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を搭載した液体吐出装置としてのインクジェットプリンタは、近年、高画質、低価格、速度対応性（インクを吐出するノズル数を増減することにより高速プリンタから、低速だが低価格のプリンタまで対応できる）等が評価されて普及が進んでおり、より一層の画質向上、コストダウン、小型化が要求されている。
【０００３】
この様なインクジェットヘッドの工法としては、半導体プロセスを利用した微細加工技術であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が取り入れられている。
【０００４】
ＭＥＭＳ技術を用いることにより、シリコン基板上にインクジェットヘッドに必要な液室、振動板、圧電素子、電極等の部品を、エッチング、スパッタ等の加工方法で微小領域に形成することができる。また、これらの部品をさらに微細化し、各部品の配置を工夫することにより、インクジェットヘッドを小型化して作り込むことができる。
【０００５】
ここで、インクジェットヘッドの小型化により各部品の集積度が上がると、液室の圧力を変化させる振動板の面積も小さくなり、振動板の変位量が小さくなるため吐出効率が低下するという不具合が発生する。
【０００６】
そこで、例えば特許文献１には、分極方向に直交する方向に電位差を与えることで変形を生じる圧電体の振動板を対向して配置し、前記振動板の電界強度の低い部分に凹状の溝部を形成することで、振動板の変位量を確保する技術が開示されている。
【０００７】
また、例えば特許文献２には、積層型圧電体にその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させ、同時に外側圧電セラミック層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電体全体としての変形量を大きくするインクジェットヘッドが提案されている。
【０００８】
また、例えば特許文献３には、圧電層に環状の上部電極と、上部電極内に上部電極に接しない中央電極とを形成し、上部電極に電圧を印加した時に上部電極と下部電極との間で生じる変位に加えて、上部電極と中央電極との間に縦方向の変位を発生させることにより、振動板の撓み変位量を増大させる液体吐出ヘッドが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１において圧電体に生じる変形モードは単一であり、十分な変位量を得られない場合がある。また、特許文献２に係るインクジェットヘッドでは、変形モードが異なる複数の圧電体を積層させるため、製作コストがかかると共に、各圧電体の適正厚み及びヤング率等のバランスを取ることが困難な場合がある。さらに特許文献３では、上部電極と中央電極との間の縦方向の変位を十分に引き出す様な電界を発生させるのが難しい場合がある。また、圧電層を介して上部電極を下部電極に接続させるためのコストアップ及び接続信頼性といった課題を有している。
【００１０】
そこで本発明では、振動板の変位量を簡易な構造により増大させ、コストを上昇させることなく、吐出効率が高い液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、液体を吐出するノズルが設けられた液室と、前記液室の前記ノズルとは反対側に圧電層及び電極が積層された圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電層を変形させ、前記液室に圧力を発生させることにより前記ノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電層の分極方向と略直交する方向及び前記圧電層の前記分極方向と略同一方向に電界を与え、前記圧電層に変形を生じさせて前記ノズルから前記液体を吐出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、圧電層の分極方向と略直交する方向及び略同一方向に電界を与えて圧電層を変形させることにより、異なるモードの変形を同一圧電層に形成して十分な変位量を確保することができる。
【００１３】
そのため、駆動電圧を低下させることができ、ＩＣの小型化、圧電素子周辺の配線容量及び発熱量の低減等、機能的な向上を望めると共に、圧電層の変位量を大きく取れることにより、振動板のコントロール性が向上し、小滴化や多値化といった粒子化特性の向上に貢献することができる。
【００１４】
また、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、低コスト、高安定性及び高信頼性を実現するものであり、この様な液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置としてのインクジェットプリンタによれば、低コストで高品質画像を出力することが可能になる。また、３次元造形装置や、輸血や点滴等の輸液ポンプ等の液体吐出装置に液体吐出ヘッドとして搭載することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図
【図２】第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図３】図２に示す液体吐出ヘッドのＩ−Ｉ断面図
【図４】第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおいて振動板が第３電極を覆う部分のみに形成されている構成を示す図
【図５】第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図６】第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図７】第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成を示す平面概略図及び断面概略図
【図８】第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図
【図９】第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図及び平面概略図
【図１０】第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図及び平面概略図
【図１１】第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの平面概略図及び断面概略図
【図１２】実施形態に係る液体吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下「実施形態」という）について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１及び図２を用いて第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略構成について説明する。
【００１８】
図１は、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図であり、図２は、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図である。ここで、図中Ｘ方向は液体吐出ヘッドの幅方向、Ｙ方向は長手方向、Ｚ方向は高さ方向を示している。
【００１９】
第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、液室基板２の一面に振動板１３が成膜されており、液室基板２の振動板１３との反対側は複数のノズルが配列されたノズル基板４と接合されている。図１に示した様に、振動板１３が成膜された液室基板２に、駆動ＩＣ２１、サブフレーム１２、ＳＵＳ板３４１，３４２，３４３、ダンパフィルム３５、補強板３６、天板３８を積層することで、液体吐出ヘッドが形成されている。
【００２０】
振動板１３は一般的に積層構造となっており、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＰＳ等により構成されている。また、Ｚｒあるいは他のセラミックス等の材料が用いられる場合もある。
【００２１】
図２に示す様に、液室基板２には、液室１がエッチングにより形成されており、振動板１３によりエッチストップすることで形成される。
【００２２】
振動板１３の液室１の反対側には、圧電層７が形成されている。圧電層７はスパッタ、ＳｏｌＧｅｌ、イオンプレーティング等の工法により成膜され、グリーンシートを焼成して形成する場合もある。
【００２３】
図３に、図２に示した液体吐出ヘッドのＩ−Ｉ断面図を示す。
【００２４】
図３に示す様に、圧電層７を駆動するための電極は、液室１の周辺部に対応する位置で圧電層７を挟んで形成される下電極５及び上電極６を有する第１電極９と、圧電層７の液室１に対応する位置で液室１とは反対側に形成され、第１電極９とは極性が異なる第２電極１０と、圧電層７の液室１に対応する位置で液室１側に形成され、第１電極１０と同極性の第３電極１１とで構成されている。
【００２５】
第３電極１１は、給電のための電極取り出し口を除いた部分が、第２電極１０の圧電層７の液室１側への投影面よりも大きく形成されている。これは、第３電極１１を第２電極１０より小さく形成すると、第１電極９と第２電極１０との間で形成される電界が弱くなるためである。また、少なくとも第３電極１１を覆う様に振動板１３が設けられている。各電極９，１０，１１は、例えば、Ｔｉ，ＴｉＯ２，Ｐｔ，ＳｒＲｕＯ３等で構成され、これらの材料から適宜選択されて電極として成膜される。
【００２６】
本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、圧電層７と第１電極９、第２電極１０、第３電極１１とで構成される圧電素子に電圧を印加して圧電層７を変形させ、液室１に圧力を発生させることによってノズル３から液体を吐出する。
【００２７】
圧電層７が、その製作方法にもよるが図３に示す分極方向８で処理されている場合には、第１電極９と第２電極１０を共通電極としてグランドとし、第３電極１１を個別電極とする。また、圧電層７の分極方向が図３に示した例と逆（図中下向き）の場合には、第１電極９と第２電極１０とを個別電極とし、第３電極１１をグランドとする。
【００２８】
圧電層７は、分極方向８に対して略同一方向の電界が与えられることによりｄ３１モード、分極方向８に対して略直交する方向の電界が与えられることによりｄ１５モードの変形を生じる。
【００２９】
この様な構成において個別電極をスイッチングすることにより、第１電極９と第３電極１１との間にｄ１５モードの変形、第２電極１０と第３電極１１との間にｄ３１モードの変形を得ることができる。第３電極１１を第２電極１０よりも大きく形成することで、ｄ１５モード変形部の電界を強く保つことができる。
【００３０】
ノズル３が開口されたノズル板４は、例えば厚さ５０μｍのＳＵＳ板に、プレス工法によりノズル３が形成され、液室基板２の振動板１３とは反対側の面に接合される。
【００３１】
図２に示した様に、液室基板２には液室１が駆動ＩＣ２１に対向する位置に２列千鳥格子状に配置されている。液室１には共通液室３０から供給溝３１、供給口３２、流体抵抗部３３を通って液体（インクジェットヘッドの場合にはインク）が供給される。
【００３２】
圧電層７の液室１の反対側には、圧電層７の変形部を囲む空間４０が設けられたサブフレーム１２が接合されている。サブフレーム１２は、例えば、シリコン基板又はガラス基板等で形成される。また、サブフレーム１２には空間４０の間に開口部３９が形成されており、駆動ＩＣ２１が各電極と電気的に接続されている。空間４０の開口部３９の反対側には、液体の供給溝３１が形成されており、液室基板２に設けられた供給口３２に連通している。
【００３３】
サブフレーム１２の上部には共通液室３０を構成する穴が形成されたＳＵＳ板３４１，３４２，３４３が複数枚積層して接合されている。共通液室３０の上部にはダンパフィルム３５が接合され、一部に穴がある空間３７が形成された補強板３６が接合されている。補強板３６の上部には天板３８が接合されており、図１に示す様に供給穴４２が形成されている。
【００３４】
駆動ＩＣ２１からの信号により各電極９，１０，１１に電圧が印加されると、第１電極９と第２電極１０との間には分極方向８に対して略直交する方向に電界が形成され、圧電層７にｄ１５モードの変形が生じる。
【００３５】
また、第２電極１０と第３電極１１との間には分極方向８と略同一方向の電界が形成され、圧電層７にｄ３１モードの変形が生じる。
【００３６】
振動板１３はｄ１５モードの変形により梁の根元から変位を生じ、中央部ではｄ３１モードのユニモルフ変位を生じる相乗効果によって大きな変位量を得る事ができる。また、第１電極９の構成としては、上電極６を無くし下電極５のみで構成することもできる。
【００３７】
図４に、第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおいて振動板１３が、第３電極を覆う部分のみに形成されている構成を示す。
【００３８】
圧電層７のｄ１５モードの変形には振動板１３は不要であり、ｄ３１モードの変形にはユニモルフ変位をするための振動板１３が必要となる。そのため振動板１３を、第３電極を覆う部分のみに形成し、ｄ１５モードの変形部に振動板１３を形成しないことにより、より大きな変位量を得る事が可能になる。但し、液体が導電性の場合には、図４に示す様に絶縁性の保護膜１４が必要になる。
【００３９】
第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドによれば、圧電層７にｄ１５モードとｄ３１モードの変形を生じさせることによって変形効率を向上させることができる。そのため、駆動電圧を低下することができ、コストダウン及び消費電力低減といった効果を得ることができる。また、駆動電圧を低下することにより、駆動ＩＣ２１の小型化、圧電層７周辺の配線容量及び発熱量の低下等、機能的にも大幅な向上を得ることができる。さらに、圧電層７の変位量を大きくすることで振動板１３のコントロール性が向上し、小滴化や多値化といった粒子化特性が向上する。
【００４０】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて説明する。液体吐出ヘッドの全体構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態の構成と同一である。
【００４１】
図５に、第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図を示す。
【００４２】
図５（ａ）に示す様に、第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、第１電極９の下電極５と第３電極１１との間のｄ１５モードの変形領域の振動板１３に、薄肉部１７を形成している。これにより、振動板１３による圧電層７の拘束力を低減し、圧電層７のｄ１５モードでの変位量を大きくすることができる。
【００４３】
また、図５（ｂ）に示す様に、第１電極９の下電極５と第３電極１１との間のｄ１５モードの変形領域の振動板１３に、切り欠き部１８を設ける構成により、振動板１３による圧電層７の拘束力をさらに低減することができる。切り欠き部１８を形成することで、圧電層７のｄ１５モードでの変位量をさらに大きくすることができる。
【００４４】
振動板１３に形成された薄肉部１７又は切り欠き部１８は、いずれもｄ１５モードの変位量を増大させる効果があり、圧電層７全体の変位量を大きくすることができる。
【００４５】
この場合において、圧電層７は強度を確保するために一定の厚さが必要であり、好ましくは１μｍ以上の厚さがあれば好適である。また、圧電層７には、液体と接する側及びその反対側の面にも必要に応じて保護膜を設ける場合がある。
【００４６】
［第３の実施形態］
図６に、第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図を示す。第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態の構成と同一である。
【００４７】
図６（ａ）に示す様に、第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、第１電極９の上電極６と第２電極１０との間に、第３電極１１と同極性の第４電極１９を設けている。この様に構成することで、圧電層７には第１電極９と第３電極１１との間でｄ１５モード、第１電極９と第４電極１９との間で同様にｄ１５モードの変形を生じさせることができる。したがって、ｄ１５モードの電界強度を上げることができ、圧電層７のより一層の変位量向上効果を得ることが可能となる。
【００４８】
図６（ｂ）には、第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおいて、第１電極９の下電極５と第３電極１１との間の振動板１３に切り欠き部１８を形成した構成を示す。
【００４９】
切り欠き部１８を設けたことにより、振動板１３による圧電層７の拘束力を低減させ、圧電層７のｄ１５モードでの変位量をさらに大きくすることができる。また、振動板１３の第１電極９と第４電極１９との間に、図５（ａ）と同様に薄肉部１７を形成することによっても、同様に圧電層７のｄ１５モードでの変位量を増大する効果を得ることができる。
【００５０】
［第４の実施形態］
図７は、第４の実施形態に係る液体吐出装置の構成を示す図である。図７（ａ）は第４の実施形態に係る液体吐出装置の平面概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）のII−II断面概略図、図７（ｃ）は図７（ａ）のIII−III断面概略図である。
【００５１】
図７（ｂ）に示した様に、第２電極１０の圧電層７の反対側には、絶縁層２０が形成されており、圧電層７の変形部から外れた内側で絶縁層２０にコンタクトホール２２が設けられている。コンタクトホール２２からは、第２電極１０から引き出し電極２３が引き出されており、駆動ＩＣ２１に設けられたアルミパッド２５、その上部に設けられた金メッキ２６との間をフリップチップ接合するためのスタッドバンプ２４を引き出し電極２３上に設けることで、駆動ＩＣ２１と第２電極１０とが電気的に接合されている。
【００５２】
従来のｄ３１モードの変形のみで駆動していた圧電層７は、隣接する圧電層７からの影響を低減するために、隣接する圧電層７との間に切り欠きを入れて液室１ごとにパターニングして形成していた。集積度が５０ｄｐｉ以下程度の大きさでは、隣接する圧電層７からの影響力が少ないため大きな問題とはならないが、集積度が１５０ｄｐｉ以上になると端部の幅を十分に取れなくなり、互いの拘束力が影響し合うことにより圧電層７の変位量が小さくなってしまう場合があった。
【００５３】
液室１ごとに圧電層７をパターニングするためには、スパッタ等によるエッチング加工により不必要な部分を取り除いて形成する必要がある。圧電層７のスパッタエッチングは加工時間がかかり、加工装置も高価であるためコストの増大が避けられず、エッチングの残渣等による不具合も大きな課題であった。
【００５４】
しかしながら、本実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、圧電層７にｄ１５モード及びｄ３１モードによる変形を生じさせることによって、圧電層７の変位量を十分に確保できるため、圧電層７を液室１ごとにパターニングして形成する必要がない。
【００５５】
特に、圧電層７の振動板１３からの拘束力の影響が少なく、振動板１３の圧電層７のｄ１５モードでの変形部に切り欠き部を設けることによって、拘束力の影響をほぼ無くすことができる。そのため、圧電層７を液室１ごとにパターニングして形成することなく、液体吐出ヘッド全体に成膜された一様な層として形成することができる。
【００５６】
したがって、液体吐出ヘッドのアクチュエータとなる圧電素子をパターニングする必要が無く、設備及びプロセスコストの大幅なコストダウンが可能となる。
【００５７】
［第５の実施形態］
図８には、第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図を示す。図示した構成以外は、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成と同様である。
【００５８】
図８（ａ）は、圧電層７のｄ１５モードの変形部とｄ３１モードの変形部との間に切り欠き部２７を設けた構成を示す図である。
【００５９】
第３電極１１は、圧電層７がｄ１５モードでの変形駆動が可能な様に切り欠き部２７の第１電極９の側にも、それぞれ第３電極１１１，１１２を設けている。第２電極１０は、第３電極１１とほぼ同等の大きさでも良い。圧電層７に切り欠き部２７という空間を形成しているため、第３電極１１１，１１２と第２電極１０との間には強い電界は形成されず、第２電極１１１，１１２と第１電極９との間で強い電界が形成される。
【００６０】
また、切り欠き部２７を形成した部分を、切り欠きではなく薄層化することによっても拘束力の影響が少なくなるため、圧電層７の変位量を増大させることができる。
【００６１】
図８（ｂ）は、第１電極９と第３電極１１１，１１２との間の電界を強くするため、第３電極１１１，１１２に対向して第３電極１１と同極性の第４電極１９を設けている。
【００６２】
この様な構成により、第４電極１９は第１電極９との間で電界を形成し、圧電層７のｄ１５モードによる変位量を大きくすることができる。
【００６３】
また、図８（ｃ）には、振動板１３の液室１の端部に薄肉部１７を形成した図を示す。
【００６４】
薄肉部１７を切り欠き部２７と重なる様に形成した場合には圧電層７の変位量をさらに大きくすることができる。この場合には、圧電層７が変位した後に元に戻る力が小さくなるため、変位量と元に戻る力が最適化されるように薄肉部１７の寸法を適宜設計する必要がある。
【００６５】
図８（ｄ）には、振動板１３の液室１の端部に切り欠き部１８を設けた例を示す。
【００６６】
圧電層７のｄ１５モードによる変形部と、ｄ３１モードによる変形部との間に切り欠き部１８を設けることで、互いの変形モードの影響を低減し、それぞれの変位量を最大化することができる。また、第４電極１９を設けることで圧電層７のより大きな変位量を得ることができる。
【００６７】
この様に、圧電層７に切り欠き部２７若しくは薄層部を形成することによって、圧電層７の変位量を大きくすることができる。また、第４電極１９を形成したり、振動板１３に薄肉部１７又は切り欠き部１８を形成することによってさらに変位量を大きくすることができる。
【００６８】
［第６の実施形態］
図９は、第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの幅方向断面の要部拡大図及び平面概略図である。図示していない構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成と同様である。
【００６９】
第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、図９（ｂ）に示す様に、液室１の圧電層７に平行な断面が長円形状に形成されており、第１電極９、第２電極１０及び第３電極１１を液室１の断面形状と相似する長円形状に形成し、液室１と各電極９，１０，１１とを同心円状に積層して構成している。
【００７０】
圧電層７の変形部を円形、長円形又は一部に矩形形状を組み合わせて構成することで、効率良く振動板１３を変形させることができる。
【００７１】
また、図１０に示した様に、圧電層７のｄ１５モードによる変形部とｄ３１モードによる変形部との間に切り欠き部２７を設けることで、圧電層７のより大きい変位量を得ることができる。
【００７２】
図１１に、図９及び図１０に示した液室１及び電極９，１０，１１等を４列の千鳥格子上に配列して構成した例を示す。この様な構成で１列３００ｄｐｉにすることで、１２００ｄｐｉの液体吐出ヘッドを実現することができる。
【００７３】
液室１を含む液体の流路は、例えば、厚さ５０μｍのＳＵＳ板３４１，３４２，３４３，３４４に液室１の開口部、流体抵抗部３３と連通管４２の開口部、共通液室３０と連通管４２の開口部を設け、それぞれ位置合わせして積層接合することで構成することができる。
【００７４】
この様に開口部を有する複数の薄板を積層接合して連通管４２、共通液室３０等を形成することにより、ノズル１つ当たりの製造コストを低減することができ、安定性、信頼性に優れた液体吐出ヘッドを実現することが可能になる。
【００７５】
電極基板４１は、図１０，１１に示した第２電極１０の引き出し配線部２８からの引き出し電極２９の上部に金メッキ等で電極パッドを形成し、フリップチップ接合により第２電極１０と電極基板４１に搭載されている駆動ＩＣと電気的に接合される。
【００７６】
引き出し配線部２８を液室１の間を通し、引き出し電極２９を図１１の右側に集約することによって電極基板４１の面積を小さくすることができ、コストを低減することができる。
【００７７】
図１１に示した様な配置により液体吐出ヘッドの高集積化が可能であり、インクジェット記録装置等に用いる場合には高精細且つ高画質化が可能な液体吐出ヘッドを実現することができる。
【００７８】
［第７の実施形態］
図１２に、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成例を示す。
【００７９】
インクジェット記録装置は、黒（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色のインクを吐出する液体吐出ヘッドであるラインヘッド５１，５２，５３，５４を備えて構成される。
【００８０】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４は、図示しないホストコンピュータから入力された画像データに基づいて駆動ＩＣ２１により駆動され、記録紙６１の印字面にそれぞれインクを吐出してカラー画像を形成する。
【００８１】
記録紙６１は、給紙ローラ６０により給紙カセット４７から分離されて１枚ずつ搬送される。記録紙６１は、先端がガイド板４８によりガイドされながら、紙押さえローラ４９まで案内される。
【００８２】
搬送ベルト４５は、ベルト駆動ローラ４４とベルト従動ローラ４３に適度な張力で巻き回されており、例えば静電吸着装置、エアー吸引装置等により記録紙６１を搬送ベルト４５に固定して搬送する装置を備えている。
【００８３】
ベルト従動ローラ４３には、搬送ベルト４５を挟んで紙押さえローラ４９が設けられており、記録紙６１を搬送ベルト４５に密着させることができる。
【００８４】
搬送ベルト４５の内側には、記録紙６１と各ラインヘッド５１，５２，５３，５４との間の距離を一定に保つためのプラテン４６が配置されている。
【００８５】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４で記録紙６１に画像を形成する前段には、前処理ユニット５０が設けられている。前処理ユニット５０は、例えば、インクの定着剤、凝固剤、膨潤剤等の前処理剤を記録紙６１に付着させる。具体的には、前処理剤を吐出する液体吐出ヘッドや、前処理剤を塗布することができる塗布ローラを用いることができる。
【００８６】
記録紙６１は、搬送ベルト４５に密着して搬送され、前処理ユニット５０によって、例えばインクの凝固剤等が予め記録紙６１上に塗布される。その後、記録紙６１にはラインヘッド５１，５２，５３，５４から各色のインクが吐出されて画像が形成される。
【００８７】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４により画像が形成された記録紙６１は、後段の後処理ユニット５５により後処理が行われる。後処理ユニット５５は、例えば記録紙６１上のインクを乾燥させるための熱ローラ、乾燥機や、記録紙６１のカールを矯正するデカールユニット等である。
【００８８】
後処理を施された記録紙６１は、搬送ベルト４５から分離爪５６によって分離されて一対の排紙ローラ５７，５８により排紙カセット５９に排紙される。
【００８９】
ラインヘッド５１，５２，５３，５４として、上記した第１から第６の実施形態の何れかの液体吐出ヘッドを用いることで、消費電力量を低減し、液滴制御性が向上したことにより階調性が優れた高画質画像を、低コストで提供することが可能なインクジェット記録装置を実現することができる。
【００９０】
また、液体吐出装置としてのインクジェット記録装置について説明したが、点滴静脈注射等に使用する輸液ポンプに第１から第６の実施形態に示した液体吐出ヘッドを用いることもできる。この様な構成により、小型で、且つ、輸液量の幅の大きい液体吐出装置としての輸液ポンプを提供することもできる。さらに、インクジェット技術を利用する３次元造形装置に本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを用いることも可能である。
【００９１】
以上説明した様に、本発明の実施形態によれば、液体吐出ヘッドの圧電層７にｄ１５モード及びｄ３１モードによる変形を生じさせることにより、圧電層７の変位量を増大させることができる。この様に簡易な構成で変位量を増大させて吐出効率を向上できるため、コスト及び消費電力量の低減を図ることが可能である。
【００９２】
また、変位量が増大することによって吐出する液滴の制御を容易に行うことができる。そのため、当該液体吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置では、低コストで階調性に優れた高品質画像を出力することが可能になる。
【００９３】
なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１ 液室
３ ノズル
５ 下電極（第１電極）
６ 上電極（第１電極）
７ 圧電層
８ 分極方向
９ 第１電極
１０ 第２電極
１１ 第３電極
１３ 振動板
１７ 薄肉部
１８、２７ 切り欠き部
１９ 第４電極
３０ 共通液室
４２ 連通管
３４１，３４２，３４３，３４４ 薄板
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９５】
【特許文献１】特開平７−２１４７７３号公報
【特許文献２】特開平１０−０５８６７４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０８３００号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するノズルが設けられた液室と、
前記液室の前記ノズルとは反対側に圧電層及び電極が積層された圧電素子と、を有し、
前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電層を変形させ、前記液室に圧力を発生させることにより前記ノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記圧電層の分極方向と略直交する方向及び前記圧電層の前記分極方向と略同一方向に電界を与え、前記圧電層に変形を生じさせて前記ノズルから前記液体を吐出する
ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電層は、前記分極方向と略直交する方向の電界が与えられることによりｄ１５モードで変形し、前記分極方向と略同一方向の電界が与えられることによりｄ３１モードで変形する
ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記圧電素子の前記電極は、
前記圧電層の前記液室の周辺部に対応する位置で前記圧電層を挟んで形成される第１電極と、
前記圧電層の前記液室に対応する位置で前記液室とは反対側に形成され、前記第１電極とは極性が異なる第２電極と、
前記圧電層の前記液室に対応する位置で前記液室側に形成され、前記第１電極と同極性の第３電極と、
を備え、
少なくとも前記第３電極を覆う振動板が設けられており、
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極との間にそれぞれ電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記第３電極は、給電のための電極取り出し口を除いた部分が、前記第２電極の前記圧電層の前記液室側への投影面よりも大きく形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記振動板は、前記圧電層の前記ｄ１５モードでの変形部に対応する部分が、他の部分より薄く形成されている
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記振動板は、前記圧電層の前記ｄ１５モードでの変形部と前記ｄ３１モードでの変形部との間に、切り欠き部が形成されている
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第３電極と同極性の第４電極を有する
ことを特徴とする請求項３から５の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記圧電層は、ヘッド全体に成膜された一様な層である
ことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記圧電層は、前記ｄ１５モードでの変位部と前記ｄ３１モードでの変位部との間に薄層部又は切り欠き部を有する
ことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記液室の前記圧電層に平行な断面が円形又は長円形であり、
前記電極が前記液室の断面形状と相似する形状に形成され、前記液室と前記電極とが同心円状に積層されている
ことを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】
開口部を有する複数の薄板を積層接合することにより、
前記液室から前記ノズルに連結する連通管と、前記液室に前記液体を供給する共通液室とが形成されている
ことを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１２】
請求項１から１１の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを有する
ことを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１】
液体を吐出するノズルが設けられた液室と、
前記液室の前記ノズルとは反対側に圧電層及び電極が積層された圧電素子と、を有し、
前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電層を変形させ、前記液室に圧力を発生させることにより前記ノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記圧電層の分極方向と略直交する方向及び前記圧電層の前記分極方向と略同一方向に電界を与え、前記圧電層に変形を生じさせて前記ノズルから前記液体を吐出する
ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電層は、前記分極方向と略直交する方向の電界が与えられることによりｄ１５モードで変形し、前記分極方向と略同一方向の電界が与えられることによりｄ３１モードで変形する
ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記圧電素子の前記電極は、
前記圧電層の前記液室の周辺部に対応する位置で前記圧電層を挟んで形成される第１電極と、
前記圧電層の前記液室に対応する位置で前記液室とは反対側に形成され、前記第１電極とは極性が異なる第２電極と、
前記圧電層の前記液室に対応する位置で前記液室側に形成され、前記第１電極と同極性の第３電極と、
を備え、
少なくとも前記第３電極を覆う振動板が設けられており、
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極との間にそれぞれ電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記第３電極は、給電のための電極取り出し口を除いた部分が、前記第２電極の前記圧電層の前記液室側への投影面よりも大きく形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記振動板は、前記圧電層の前記ｄ１５モードでの変形部に対応する部分が、他の部分より薄く形成されている
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記振動板は、前記圧電層の前記ｄ１５モードでの変形部と前記ｄ３１モードでの変形部との間に、切り欠き部が形成されている
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第３電極と同極性の第４電極を有する
ことを特徴とする請求項３から５の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記圧電層は、ヘッド全体に成膜された一様な層である
ことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記圧電層は、前記ｄ１５モードでの変位部と前記ｄ３１モードでの変位部との間に薄層部又は切り欠き部を有する
ことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記液室の前記圧電層に平行な断面が円形又は長円形であり、
前記電極が前記液室の断面形状と相似する形状に形成され、前記液室と前記電極とが同心円状に積層されている
ことを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】
開口部を有する複数の薄板を積層接合することにより、
前記液室から前記ノズルに連結する連通管と、前記液室に前記液体を供給する共通液室とが形成されている
ことを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１２】
請求項１から１１の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを有する
ことを特徴とする液体吐出装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−５９９３４（Ｐ２０１３−５９９３４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００３２８（Ｐ２０１１−２００３２８）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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