液体吐出ヘッド
【課題】大きな液体吐出力が得られる液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】圧電ブロック５内に設けられている圧力室３の壁を変形させることにより、圧力室３内の液体を圧力室３に連通している吐出口７から吐出させる液体吐出ヘッドであって、圧力室３と、圧電材料からなる壁を挟んで圧力室３と隣接する空洞４、９と、壁の圧力室３の側に設けられた電極１２と、壁の空洞４、９の側に設けられた電極１３、１４と、を有し、電極１２と電極１３、１４と間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が圧力室３の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、電極１２の少なくとも一部の幅が圧力室３の幅よりも狭い。
【解決手段】圧電ブロック５内に設けられている圧力室３の壁を変形させることにより、圧力室３内の液体を圧力室３に連通している吐出口７から吐出させる液体吐出ヘッドであって、圧力室３と、圧電材料からなる壁を挟んで圧力室３と隣接する空洞４、９と、壁の圧力室３の側に設けられた電極１２と、壁の空洞４、９の側に設けられた電極１３、１４と、を有し、電極１２と電極１３、１４と間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が圧力室３の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、電極１２の少なくとも一部の幅が圧力室３の幅よりも狭い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッドが知られており、インクジェット記録装置に搭載される記録ヘッドはその一例である。液体吐出ヘッドが液体（例えば、インク）を吐出する機構として、インクが収容されている圧力室の容積を圧電素子によって変化させる機構が知られている。この機構では、電圧印加により圧電素子を変形させることによって圧力室が収縮し、圧力室内のインクが、圧力室の一端に形成されている吐出口から吐出される。このような機構を有する液体吐出ヘッドの一つとして、圧力室の１つまたは２つの壁面が圧電素子で構成され、その圧電素子を電圧印加によりせん断変形させることによって、圧力室を収縮させるシェアモードタイプが知られている。
【０００３】
一方、工業用途のインクジェット記録装置では、高粘度のインクを使用したいという要求がある。高粘度のインクを吐出するためには、液体吐出ヘッドに大きな吐出力が求められる。この求めに対し、断面形状が円形や矩形の筒形状の圧電部材で圧力室を構成したグールドタイプと呼ばれる液体吐出ヘッドが提案されている。グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、圧電部材が圧力室の中心に対して内外方向（径方向）に一様に変形することにより圧力室を膨張または収縮させる。グールドタイプの液体吐出ヘッドは、圧力室の壁面が全て変形し、その変形がインクの吐出に寄与するので、１つまたは２つの壁面を圧電素子で構成したシェアモードタイプと比較して大きな液体吐出力を得ることができる。
【０００４】
グールドタイプの液体吐出ヘッドを用いて高解像度の画像を得るためには、複数の吐出口を高密度に配置する必要がある。これに伴い、各々の吐出口に対応する圧力室も高密度に配置する必要がある。
【０００５】
特許文献１は、多数の空隙がアレイ状に配列された圧電材料を型成形し、該圧電材料の外面に共通電極を設けると共に空隙の内面に個別電極と共通電極とを交互に設けることにより、生産性が良好で高密度化が可能な液体吐出ヘッドの製造方法を開示している。
【０００６】
また、特許文献２は、圧電材料板の分極方向を圧電材料板の面方向に対して傾斜させることにより、圧電材料板により駆動される壁面の変位幅を増大させ、エネルギー効率を向上させた液滴噴射装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−２５４１３２号公報
【特許文献２】特開２００２−２９２８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高粘度の液体を吐出するためにはより大きな吐出力が必要であり、そのためには圧力室の容積変化量を増大させる必要がある。グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、圧力室を長くして圧電素子の変形領域を拡大することにより、容積変化量を増大させる方法が考えられる。
【０００９】
しかし、特許文献１に示されている製造方法では圧電材料が型成形される。このため、圧力室を長くすると寸法精度が得られ難くなる虞がある。特許文献２に示されている液体吐出ヘッドでは、圧電材料板の変形領域の中央部が板厚方向に分極されていないので、圧電材料板の変形量が小さい。
【００１０】
本発明の目的は、寸法精度が高く、かつ、大きな液体吐出力が得られる液体吐出ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
圧電ブロック内に設けられている圧力室の壁を変形させることにより、該圧力室内の液体を該圧力室に連通している吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドであって、前記圧力室と、圧電材料からなる壁を挟んで前記圧力室と隣接する空洞と、前記壁の前記圧力室の側に設けられた電極と、前記壁の前記空洞の側に設けられた電極と、を有し、前記電極間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が前記圧力室の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、前記壁の前記圧力室の側に設けられている前記電極の少なくとも一部の幅が前記圧力室の幅よりも狭い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、大きな液体吐出力が得られる液体吐出ヘッドが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図である。
【図２】図１に示す圧電ブロックの分解図である。
【図３】図１に示す液体吐出ヘッドの製造工程の一部を示す図である。
【図４】図１に示す液体吐出ヘッドの製造工程の他の一部を示す図である。
【図５】分極方向と変形量の関係を示す図である。
【図６】電極の幅と電界方向の関係を示す図である、
【図７】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロックを示す図である。
【図８】図７に示す圧電ブロックの分解斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロックを示す図である。
【図１０】図９に示す圧電ブロックの上半分の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態のいくつかについて説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
【００１５】
本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、圧電ブロック内に設けられている圧力室の壁を変形させることにより、該圧力室内の液体を該圧力室に連通している吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドである。本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、図１（ａ）に示すように、後方絞りプレート６と、圧電ブロック５と、ノズルプレート８とを有する。図１（ａ）では、圧電ブロック５の構造をわかりやすくするために、圧電ブロック５とノズルプレート８を分離して示している。実際には、圧電ブロック５の前面にノズルプレート８が接合され、圧電ブロック５の背面に後方絞りプレート６が接合されている。
【００１６】
ノズルプレート８には、たとえば円形貫通孔からなる複数の吐出口７が形成されており、これら複数の吐出口７は所定の間隔で二次元的に配置されている。
【００１７】
図示しない共通液室から供給されたインクは、後方絞りプレート６内に形成されている後方絞り孔（不図示）を介して圧力室３に供給され、吐出口７まで満たす。具体的には、インクは、図示しない共通液室の上流において負圧にコントロールされており、気液界面は毛管力により吐出口７で保持される。そして、後述する電極に電圧を印加して圧力室３の壁を変形させると、圧力室３の断面積が変化し（容積が変化し）、圧力室３内のインクに圧力が付与され、吐出口７からインクが吐出される。
【００１８】
図２は、圧電ブロック５の分解斜視図である。圧電ブロック５は、あらかじめ分極処理された複数の第一の圧電基板１と複数の第二の圧電基板２とが接着層を介して交互に積層された積層体である。ここで圧電基板１、２の材料には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることが望ましいが、圧電効果を得られる材料であればこれに限定されるものではない。
【００１９】
第一の圧電基板１には、インクを内包する複数の圧力室３と、インクを内包しない複数の第一の空洞９とが交互に形成されている。一方、第二の圧電基板２には、インクを内包しない複数の第二の空洞４が形成されている。ここで、圧力室３および第一の空洞９は、第一の圧電基板１に形成された溝によって構成されている。また、第二の空洞４は、第二の圧電基板２に形成された溝によって構成されている。よって、圧力室３と、該圧力室３の左右にある第一の空洞９との間は、圧電材料からなる壁によって隔てられている。また、隣接する第二の空洞４同士も、圧電材料からなる壁によって隔てられており、圧力室３と該圧力室３の上下にある第二の空洞４との間も、圧電材料からなる壁によって隔てられている。換言すれば、圧力室３は、圧電材料からなる壁に囲まれており、該壁を介して空洞９、４と隣接している。
【００２０】
各圧力室３は、圧電ブロック５の前面に接合されているノズルプレート８に形成されている吐出口７（図１（ａ））と連通しており、各圧力室３の断面積は、吐出口７の断面積（開口面積）よりも大きい。
【００２１】
第一の圧電基板１に形成されている第一の空洞９は、同じく第一の圧電基板１に形成されている圧力室３と平行に延びている。また、第二の圧電基板２に形成されている第二の空洞４は、圧力室３と平行に延びており、基板の積層方向において圧力室３と交互に配置されている。すなわち、圧力室３の左右に第一の空洞９が位置し、圧力室３の上下に第二の空洞４が位置している。換言すれば、各圧力室３は、第一の圧電基板１に設けられている２つの第一の空洞９と、第二の圧電基板２に設けられている２つの第二の空洞４によって囲まれており、各圧力室３とその周囲の空洞９、４は、圧電材料からなる壁によって隔てられている。
【００２２】
したがって、図１（ｂ）に示すように、圧力室３の壁を構成している４つの面（底面３ａ、両側面３ｂ、３ｃおよび天井面３ｄ）のうち、底面３ａおよび両側面３ｂ、３ｃは、第一の圧電基板１の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、圧力室３の天井面３ｄは、第二の圧力基板２の裏側の表面（以下「下面」）の一部よって構成されている。そして、各圧力室３内には、底面３ａおよび両側面３ｂ、３ｃに形成された電極１２ａと、天井面３ｄに設けられた電極１２ｂとを含む第一の電極１２が存在している。
【００２３】
第一の空洞９の壁を構成している４つの面（底面９ａ、両側面９ｂ、９ｃおよび天井面９ｄ）のうち、底面９ａおよび両側面９ｂ、９ｃは、第一の圧電基板１の上面の一部によって構成されている。また、第一の空洞９の天井面９ｄは、第二の圧力基板２の下面の一部よって構成されている。そして、それぞれの第一の空洞９内には、底面９ａおよび両側面９ｂ、９ｃに形成された第二の電極１３が存在している。
【００２４】
第二の空洞４の壁を構成している４つの面（底面４ａ、両側面４ｂ、４ｃおよび天井面４ｄ）のうち、底面４ａおよび両側面４ｂ、４ｃは、第二の圧電基板２の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、第二の空洞４の天井面４ｄは、他の第一の圧電基板１の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。そして、それぞれの第二の空洞４内には、底面４ａに設けられた電極１４ａと、天井面４ｄに設けられた電極１４ｂとを含む第三の電極１４が存在している。なお、電極１４ｂは、第一の圧電基板１の下面全域を覆っており、結果、第二の空洞４の天井面４ｄのみでなく、天井面４ｄの周囲の面をも一括して覆っている。
【００２５】
ここで、圧力室３内の電極１２ｂの幅は、圧力室３の幅（天井面３ｄの幅）よりも狭い。換言すれば、電極１２ｂの幅は、圧電材料からなる壁を介して対向する、第二の空洞４内の電極１４ａの幅よりも狭い。
【００２６】
圧電ブロック５の背面には、個々の圧力室３に対応して個別の配線がなされており、各配線に各圧力室３内の第一の電極１２がそれぞれ接続されている。一方、第一の空洞９内の第二の電極１３および第二の空洞４内の第三の電極１４は、圧電ブロック５の前面に設けられている共通配線に接続されている。これにより、圧力室３の壁に形成されている第一の電極１２と、それ以外の電極である第二の電極１３および第三の電極１４との間に、駆動電圧を印加することができる。
【００２７】
次に、圧電ブロック５の作製方法を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は第一の圧電基板１の上面を、図３（ｂ）は第二の圧電基板２の上面を、図３（ｃ）は第二の圧電基板２の下面をそれぞれ示している。
【００２８】
第一の圧電基板１の上面に、圧力室３を構成する複数の溝と、第一の空洞９を構成する複数の溝とを、不図示のダイシングを用いて交互に形成する。ここで、圧力室３を構成する溝は、第一の圧電体基板１上において、該基板１の長手方向と平行に延びている。また、第一の空洞９を構成する溝は、第一の圧電体基板１上において、圧力室３を構成する溝と平行に延びているが、圧力室３を構成する溝よりも短い。
【００２９】
第二の圧電基板２の上面に、第二の空洞４を構成する複数の溝を、不図示のダイシングを用いて形成する。ここで、第二の空洞４を構成する溝は、第二の圧電基板２の長手方向と平行に延びており、第一の空洞９を構成する溝と同程度の長さを有する。
【００３０】
次に電極を形成する。具体的には、第一の圧電基板１の上面に対して選択的にめっきを施す。具体的には、圧力室３を構成する溝の内面および第一の空洞９を構成する溝の内面にめっきを施し、第一の電極１２（電極１２ａ）および第二の電極１３を形成する（図３（ａ））。
【００３１】
さらに、第一の圧電基板１の下面全域にめっきを施し、第三の電極１４（電極１４ｂ）を形成する（図３（ａ））。
【００３２】
また、第二の圧電基板２の上面に対して選択的にめっきを施す。具体的には、第二の空洞４を構成する溝の内面にめっきを施し、第三の電極１４（電極１４ａ）を形成する（図３（ｂ））。
【００３３】
さらに、第二の圧電基板２の下面に対して選択的にめっきを施す。具体的には、第二の圧電基板２の下面のうち、圧力室３を構成する溝に対応する領域の一部にめっきを施し、第一の電極１２（電極１２ｂ）を形成する（図３（ｃ））。
【００３４】
その後、電極が形成された圧電基板１、２に分極処理を施す。分極処理工程は、圧電基板１、２をシリコンオイルなどの絶縁体液体に浸し、２００℃に加熱し、形成した電極間に２ｋＶ／ｍｍ程度の電界を印加することで行われる。
【００３５】
次いで、分極処理が施された複数の圧電基板１、２を、接着層を介して交互に積層し、図４（ａ）に示すような積層体を作る。
【００３６】
その後、図４（ｂ）に示すように、上記積層体の前面部をダイシング１０を用いて切断することで、吐出口７に連通する圧力室３の開口部、第一の空洞９の開口部および第二の空洞４の開口部を形成する。また、背面部をダイシング１０を用いて切断することにより、後方絞り孔に連通する圧力室３の開口部を形成する。これにより圧電ブロック５が完成する。
【００３７】
次いで、完成した圧電ブロック５の前面にノズルプレート８を接合し、背面に後方絞りプレート６を接合し、液体吐出ヘッドを完成させる。
【００３８】
上述した製造工程は、圧電基板の積層工程を実施する前に、圧電基板の分極処理工程を実施している。これは、積層工程の後に分極処理工程を実施する場合には、接着層に使用される接着剤に耐熱性、耐電界性が必要とされ、使用可能な接着剤が制限されるからである。本実施形態では、積層工程の実施前に分極処理工程を実施しているので、接着層に使用可能な接着剤を広範囲に選択することが可能となる。また、積層工程の実施前に分極処理工程を実施すると、一つの母基板から複数の圧電基板を多数個取りする場合に、分極処理を母基板の段階で実施できるので量産性が向上する。
【００３９】
このようにして製造された液体吐出ヘッドでは、圧力室３および空洞４、９の周囲に、これらの全長に亘って圧電材料からなる壁が連続的に存在することにより、圧力室３が長い場合であっても十分な剛性を保つことができる。
【００４０】
次に、本発明の液体吐出ヘッドにおける電界方向および圧電体の分極方向並びに圧力室の変形状態について説明する。
【００４１】
図５に第二の圧電基板２の変形状態を模式的に示す。上記のように、第二の圧電基板２の下面は圧力室３の壁を構成する４つの面の１つ（天井面）である。なお、図中の白抜き矢印は電界方向を示している。
【００４２】
まず、第二の圧電基板２が、分極方向が図５（ａ）中の白抜き矢印の方向となるように分極処理が施されている場合を考える。この場合、電界方向と分極方向が一致しているために、第二の圧電基板２の中央部は上下方向へ膨張するが、端部が拘束されているため、左右方向への収縮が規制される。このため、第二の圧電基板２は、上下方向（厚み方向）に均等に変形する。結果、圧力室３を収縮させる方向への基板の変位量（変形量）は小さい（図５（ｂ））。
【００４３】
次に、第二の圧電基板２が、分極方向が図５（ｃ）中の白抜き矢印の方向となるように分極処理が施されている場合を考える。換言すれば、分極方向が圧力室３の中心軸から外側へ向かう放射状となるように分極処理が施されている場合を考える。上記のように分極処理が施されている場合、第二の圧電基板２は、放射方向に膨張し、かつ、放射方向（膨張方向）と直交方向に収縮する。結果、両方向への変形（膨張および収縮）が合成され、基板が圧縮室３を収縮させる方向へ大きく撓むように変形する（図５（ｄ））。結果、圧力室３を収縮させる方向への基板の変位量（変形量）が大きくなる。
【００４４】
図６に、第二の圧電基板２の、第一の電極１２（電極１２ｂ）の幅の違いによる、電界方向のシミュレーション結果を示す。図６（ａ）は、電極１２ｂの幅が圧力室３の幅よりも広いときのシミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は、電極１２ｂの幅が圧力室３の幅よりも狭いときのシミュレーション結果を示している。双方とも、圧力室３の壁に設けられている電極１２ｂから電極１４ａに向けてほぼ平行な電界が形成されている。しかし、電極１２ｂの幅が圧力室３の壁の幅より狭い方が、電界方向が圧力室３の中心軸から外側へ向かう放射状に形成されている領域が広いことがわかる。
【００４５】
したがって、図６（ｂ）の構成であって、かつ、事前に分極処理が施されている場合には、第二の圧電基板２が放射方向に膨張し、かつ、これに直交方向には収縮する。したがって、両方向への変形が合成されて第二の圧電基板２が圧力室３を収縮する方向へ大きく撓むように変形し、結果、圧力室３を収縮させる方向への第二の圧電基板２の変位量（変形量）を大きくすることができる。このように、第一の電極１２ｂの寸法と圧力室３の幅との大小関係により電界の方向が変わることを説明したが、より本質的には、電極１２ｂの幅寸法が電極１４ａと比べて十分に小さいことによって、効果的に放射方向に電界が形成される。
【００４６】
以上説明したように、第一の圧電基板に形成されている圧力室の幅よりも狭い電極が形成され、かつ、事前に分極処理が施された第二の圧電基板を使用した液体吐出ヘッドでは、圧力室の容積変化量が増大し、結果として大きな吐出力を得ることができる。
（第２の実施形態）
【００４７】
図７を参照して、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の他例について説明する。図７は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロック５の斜視図である。
【００４８】
図７に示す圧電ブロック５は、図１（ａ）に示す圧電ブロック５と同一の基本構造を有する。すなわち、図７に示す圧電ブロック５は、あらかじめ分極処理が施された第一の圧電基板２１、第二の圧電基板２２および第三の圧電基板３５が接着層を介して交互に複数枚積層された積層体である。
【００４９】
また、図７に示す圧電ブロック５には、インクを内包する圧力室３と、インクを内包しない第一の空洞９と、インクを内包しない第二の空洞４とを複数備えている。さらに、圧力室３と第一の空洞９は交互に配置されており、圧力室３と第一の空洞９は圧電材料からなる壁によって隔てられている。また、圧力室３と第二の空洞４とは、基板の積層方向において交互に配置されており、圧力室３と第二の空洞４とは圧電材料からなる壁によって隔てられている。
【００５０】
以下、図８を参照しながら、図７に示す圧電ブロック５と図１（ａ）に示す圧電ブロック５との相違点について主に説明する。
【００５１】
図８は、図７に示す圧電ブロック５の分解斜視図である。図１（ａ）に示す圧電ブロック５では、一枚の第一の圧電基板１によって複数の圧力室３と第一の空洞９とが形成されていた。これに対し、図７に示す圧電ブロック５では、対向する第二の圧電基板２２と第三の圧電基板３５との間に配置された複数の第一の圧電基板２１によって複数の圧力室３と第一の空洞９とが形成されている。具体的には、第二の圧電基板２２と第三の圧電基板３５との間には、平面形状が略コ字形の複数の第一の圧電基板２１が一定間隔で並列配置されている。そして、それぞれの第一の圧電基板２１に形成されている溝によって第一の空洞９が形成され、隣接する第一の圧電基板２１の間の隙間によって圧力室３が形成されている。一方、複数の第二の空洞４は、一枚の第二の圧電基板２２に形成された複数の溝によって形成されている。
【００５２】
ここで、圧力室３と第一の空洞９とは互いに平行に延びている。また、第二の空洞４は、圧力室３と平行に延びており、基板の積層方向において圧力室３と交互に配置されている。
【００５３】
以上の説明および図示から明らかなように、圧力室３の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、両側面は、隣接する第一の圧電基板２１の対向する外側面によって構成されている。また、圧力室３の底面は、第三の圧電基板３５の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板２２の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００５４】
第一の空洞９の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面は、第三の圧電基板３５の上面の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板の下面の一部によって構成されている。また、両側面は、第一の圧電基板２１に形成されている溝の対向する内側面によって構成されている。
【００５５】
第二の空洞４の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面および両側面は、第二の圧電基板２２の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、天井面は、第三の圧電基板３５の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００５６】
各圧力室３内には、両側面にそれぞれ形成された電極３２ａ、３２ｂ、底面に形成された電極３２ｃおよび天井面に形成された電極３２ｄを含む第一の電極３２が存在している。ここで、底面に形成されている電極３２ｃの幅は該底面よりも狭く、天井面に形成されている３２ｄの幅は該天井面よりも狭い。すなわち、電極３２ｃ、３２ｄの幅は、圧力室３の幅よりも狭い。
【００５７】
各第一の空洞９内には、その両側面に形成された第二の電極３３が存在している。
【００５８】
各第二の空洞４内には、その底面に形成された電極３４ａおよび天井面に形成された電極３４ｂを含む第三の電極３４が存在している。
【００５９】
圧電ブロック５の背面には、個々の圧力室３に対応して個別の配線がなされており、各配線に各圧力室３内の第一の電極３２が接続されている。一方、第一の空洞９内の第二の電極および第二の空洞４内の第三の電極は、圧電ブロック５の前面に設けられている不図示の共通配線に接続されている。これにより、圧力室３の壁面に形成されている第一の電極３２と、それ以外の電極である第二の電極３３および第三の電極３４との間に、駆動電圧を印加することができる。
【００６０】
なお、圧力室３の幅よりも狭い電極３２ｂ、３２ｃが形成されている第二の圧電基板２２および第三の圧電基板３５には、分極方向が放射状となるように分極処理が施されている。したがって、第１の実施形態において説明したのと同様の原理により、第二の圧電基板２２および第三の圧電基板３５が大きな変位量（変形量）を発現し、大きな吐出力が得られる。
（第３の実施形態）
【００６１】
図９を参照して、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の他例について説明する。図９は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロック５の斜視図である。
【００６２】
図９に示す圧電ブロック５は、図１（ａ）に示す圧電ブロック５と同一の基本構造を有する。すなわち、図９に示す圧電ブロック５も、あらかじめ分極処理が施された圧電基板が接着層を介して複数枚積層された積層体である。ただし、図９に示す圧電ブロック５では、多段に積層された複数枚の第一の圧電基板によって圧力室３および第一の空洞９が形成されている。
【００６３】
図９に示す圧電ブロック５は、インクを内包する圧力室３と、インクを内包しない第一の空洞９と、インクを内包しない第二の空洞４とを複数備えている。さらに、圧力室３と第一の空洞９は交互に配置されており、圧力室３と第一の空洞９は圧電材料からなる壁によって隔てられている。また、圧力室３と第二の空洞４とは、基板の積層方向において交互に配置されており、圧力室３と第二の空洞４は圧電材料からなる壁によって隔てられている。
【００６４】
以下、図１０を参照しながら、図９に示す圧電ブロック５と図１（ａ）に示す圧電ブロック５との相違点について主に説明する。
【００６５】
図１０は、図９の圧電ブロック５のＡ領域の分解斜視図である。図１（ａ）に示す圧電ブロック５では、一枚の第一の圧電基板１によって複数の圧力室３と第一の空洞９とが形成されていた。
【００６６】
一方、図９に示す圧電ブロック５では、対向する第二の圧電基板４２と第三の圧電基板５５との間において積層された複数枚（本実施形態では３枚）の第一の圧電基板によって圧力室３と第一の空洞９とが形成されている。以下の説明では、積層された３枚の第一の圧電基板のうち、中央の圧電基板を第一の圧電基板４１、上段の圧電基板を第四の圧電基板５６、下段の圧電基板を第五の圧電基板５７と呼んで区別する。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎず、圧電基板４１、５６、５７は同一の形状を有しており、その形状は、図８に示す第一の圧電基板２１と同一である。
【００６７】
図１０に示すように、第三の圧電基板５５の上に、複数の第五の圧電基板５７が一定間隔で並列配置されている。また、各第五の圧電基板５７の上に、第一の圧電基板４１がそれぞれ重ねられている。さらに、各第一の圧電基板４１の上、第四の圧電基板５６がそれぞれ重ねられている。そして、積層された一組の圧電基板５７、４１、５６にそれぞれ形成されている溝が積層方向において互いに連通しており、それら連通した溝によって第一の空洞９が形成されている。また、積層方向と直交する方向において隣接する各圧電基板５７、４１、５６の間の隙間が積層方向において互いに連通しており、それら連通した隙間によって圧力室３が形成されている。また、第二の圧電基板４２に設けられた溝によって第二の空洞４が形成されている。
【００６８】
ここで、圧力室３と第一の空洞９とは互いに平行に延びている。また、第二の空洞４は圧力室３と平行に延びており、基板の積層方向において圧力室３と交互に配置されている。
【００６９】
以上の説明および図示から明らかなように、圧力室３の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、両側面は、積層方向と直交する方向において隣接する各圧電基板５７、４１、５６の対向する外側面によって構成されている。また、各圧力室３の底面は、第三の圧電基板５５の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板４２の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００７０】
第一の空洞９の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面は、第三の圧電基板５５の上面の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板４２の下面の一部によって構成されている。また、両側面は、積層されている各圧電基板５７、４１、５６に形成されている溝の対向する内側面によって構成されている。
【００７１】
第二の空洞４の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面および両側面は、第二の圧電基板２２の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、天井面は、第三の圧電基板５５の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００７２】
各圧力室３内には、その両側面にそれぞれ形成された電極５２ａ、５２ｂ、底面に形成された電極５２ｃおよび天井面に形成された電極５２ｄを含む第一の電極５２が存在している。なお、各圧力室３の両側面が各圧電基板５７、４１、５６の対向する外側面によって構成されていることは既述の通りであるが、電極５２ａ、５２ｂは、第一の圧電基板４１の外側面上にのみ形成されている。よって、電極５２ａ、５２ｂの幅は、３つの圧電基板５７、４１、５６の外側面からなる圧力室３の側面の幅よりも狭い。また、圧力室３の底面に形成されている電極５２ｃの幅は該底面よりも狭く、天井面に形成されている５２ｄの幅は該天井面よりも狭い。すなわち、電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄの幅は、圧力室３の壁を構成しているいずれの面の幅よりも狭い。
【００７３】
各第一の空洞９内には、その両側面に形成された第二の電極５３が存在している。第二の電極５３は、第一の圧電基板４１の内側面に形成された電極５３ａ、第四の圧電基板５６の内側面に形成された電極５３ｂおよび第五の圧電基板５７の内側面に形成された電極５３ｃを含む。
【００７４】
各第二の空洞４内には、その底面に形成された電極５４ａおよび天井面に形成された電極５４ｂを含む第三の電極５４が存在している。
【００７５】
圧電ブロック５の背面には、個々の圧力室３に対応して個別の配線がなされており、各配線が各圧力室３内の第一の電極５２に接続されている。一方、第一の空洞９内の第二の電極５３および第二の空洞４内の第三の電極５４は、圧電ブロック５の前面に設けられている不図示の共通配線に接続されている。これにより、圧力室３の壁面に形成されている第一の電極５２と、それ以外の電極である第二の電極５３および第三の電極５４との間に、駆動電圧を印加することができる。
【００７６】
なお、各圧電基板４１、４２、５５、５６、５７には、それらが積層される前に分極処理が施されている。より詳細には、第二の圧電基板４２および第三の圧電基板５５にはそれぞれ単体で分極処理が施されており、第一の圧電基板４１、第四の圧電基板５６および第五の圧電基板５７には、３枚が積層された状態で分極処理が施されている。したがって、各圧電基板４１、４２、５５、５６、５７が大きな変位量（変形量）を発現し、大きな吐出力が得られる。
【符号の説明】
【００７７】
１、２１、４１ 第一の圧電基板
２、２２、４２ 第二の圧電基板
３５、５５ 第三の圧電基板
５６ 第四の圧電基板
５７ 第五の圧電基板
３ 圧力室
４ 第二の空洞
５ 圧電ブロック
６ 後方絞りプレート
７ 吐出口
８ ノズルプレート
９ 第一の空洞
１０ ダイシング
１２、３２、５２ 第一の電極
１３、１４、３３、３４、５３、５４ 第二の電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッドが知られており、インクジェット記録装置に搭載される記録ヘッドはその一例である。液体吐出ヘッドが液体（例えば、インク）を吐出する機構として、インクが収容されている圧力室の容積を圧電素子によって変化させる機構が知られている。この機構では、電圧印加により圧電素子を変形させることによって圧力室が収縮し、圧力室内のインクが、圧力室の一端に形成されている吐出口から吐出される。このような機構を有する液体吐出ヘッドの一つとして、圧力室の１つまたは２つの壁面が圧電素子で構成され、その圧電素子を電圧印加によりせん断変形させることによって、圧力室を収縮させるシェアモードタイプが知られている。
【０００３】
一方、工業用途のインクジェット記録装置では、高粘度のインクを使用したいという要求がある。高粘度のインクを吐出するためには、液体吐出ヘッドに大きな吐出力が求められる。この求めに対し、断面形状が円形や矩形の筒形状の圧電部材で圧力室を構成したグールドタイプと呼ばれる液体吐出ヘッドが提案されている。グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、圧電部材が圧力室の中心に対して内外方向（径方向）に一様に変形することにより圧力室を膨張または収縮させる。グールドタイプの液体吐出ヘッドは、圧力室の壁面が全て変形し、その変形がインクの吐出に寄与するので、１つまたは２つの壁面を圧電素子で構成したシェアモードタイプと比較して大きな液体吐出力を得ることができる。
【０００４】
グールドタイプの液体吐出ヘッドを用いて高解像度の画像を得るためには、複数の吐出口を高密度に配置する必要がある。これに伴い、各々の吐出口に対応する圧力室も高密度に配置する必要がある。
【０００５】
特許文献１は、多数の空隙がアレイ状に配列された圧電材料を型成形し、該圧電材料の外面に共通電極を設けると共に空隙の内面に個別電極と共通電極とを交互に設けることにより、生産性が良好で高密度化が可能な液体吐出ヘッドの製造方法を開示している。
【０００６】
また、特許文献２は、圧電材料板の分極方向を圧電材料板の面方向に対して傾斜させることにより、圧電材料板により駆動される壁面の変位幅を増大させ、エネルギー効率を向上させた液滴噴射装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−２５４１３２号公報
【特許文献２】特開２００２−２９２８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高粘度の液体を吐出するためにはより大きな吐出力が必要であり、そのためには圧力室の容積変化量を増大させる必要がある。グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、圧力室を長くして圧電素子の変形領域を拡大することにより、容積変化量を増大させる方法が考えられる。
【０００９】
しかし、特許文献１に示されている製造方法では圧電材料が型成形される。このため、圧力室を長くすると寸法精度が得られ難くなる虞がある。特許文献２に示されている液体吐出ヘッドでは、圧電材料板の変形領域の中央部が板厚方向に分極されていないので、圧電材料板の変形量が小さい。
【００１０】
本発明の目的は、寸法精度が高く、かつ、大きな液体吐出力が得られる液体吐出ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
圧電ブロック内に設けられている圧力室の壁を変形させることにより、該圧力室内の液体を該圧力室に連通している吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドであって、前記圧力室と、圧電材料からなる壁を挟んで前記圧力室と隣接する空洞と、前記壁の前記圧力室の側に設けられた電極と、前記壁の前記空洞の側に設けられた電極と、を有し、前記電極間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が前記圧力室の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、前記壁の前記圧力室の側に設けられている前記電極の少なくとも一部の幅が前記圧力室の幅よりも狭い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、大きな液体吐出力が得られる液体吐出ヘッドが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図である。
【図２】図１に示す圧電ブロックの分解図である。
【図３】図１に示す液体吐出ヘッドの製造工程の一部を示す図である。
【図４】図１に示す液体吐出ヘッドの製造工程の他の一部を示す図である。
【図５】分極方向と変形量の関係を示す図である。
【図６】電極の幅と電界方向の関係を示す図である、
【図７】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロックを示す図である。
【図８】図７に示す圧電ブロックの分解斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロックを示す図である。
【図１０】図９に示す圧電ブロックの上半分の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態のいくつかについて説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
【００１５】
本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、圧電ブロック内に設けられている圧力室の壁を変形させることにより、該圧力室内の液体を該圧力室に連通している吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドである。本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、図１（ａ）に示すように、後方絞りプレート６と、圧電ブロック５と、ノズルプレート８とを有する。図１（ａ）では、圧電ブロック５の構造をわかりやすくするために、圧電ブロック５とノズルプレート８を分離して示している。実際には、圧電ブロック５の前面にノズルプレート８が接合され、圧電ブロック５の背面に後方絞りプレート６が接合されている。
【００１６】
ノズルプレート８には、たとえば円形貫通孔からなる複数の吐出口７が形成されており、これら複数の吐出口７は所定の間隔で二次元的に配置されている。
【００１７】
図示しない共通液室から供給されたインクは、後方絞りプレート６内に形成されている後方絞り孔（不図示）を介して圧力室３に供給され、吐出口７まで満たす。具体的には、インクは、図示しない共通液室の上流において負圧にコントロールされており、気液界面は毛管力により吐出口７で保持される。そして、後述する電極に電圧を印加して圧力室３の壁を変形させると、圧力室３の断面積が変化し（容積が変化し）、圧力室３内のインクに圧力が付与され、吐出口７からインクが吐出される。
【００１８】
図２は、圧電ブロック５の分解斜視図である。圧電ブロック５は、あらかじめ分極処理された複数の第一の圧電基板１と複数の第二の圧電基板２とが接着層を介して交互に積層された積層体である。ここで圧電基板１、２の材料には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることが望ましいが、圧電効果を得られる材料であればこれに限定されるものではない。
【００１９】
第一の圧電基板１には、インクを内包する複数の圧力室３と、インクを内包しない複数の第一の空洞９とが交互に形成されている。一方、第二の圧電基板２には、インクを内包しない複数の第二の空洞４が形成されている。ここで、圧力室３および第一の空洞９は、第一の圧電基板１に形成された溝によって構成されている。また、第二の空洞４は、第二の圧電基板２に形成された溝によって構成されている。よって、圧力室３と、該圧力室３の左右にある第一の空洞９との間は、圧電材料からなる壁によって隔てられている。また、隣接する第二の空洞４同士も、圧電材料からなる壁によって隔てられており、圧力室３と該圧力室３の上下にある第二の空洞４との間も、圧電材料からなる壁によって隔てられている。換言すれば、圧力室３は、圧電材料からなる壁に囲まれており、該壁を介して空洞９、４と隣接している。
【００２０】
各圧力室３は、圧電ブロック５の前面に接合されているノズルプレート８に形成されている吐出口７（図１（ａ））と連通しており、各圧力室３の断面積は、吐出口７の断面積（開口面積）よりも大きい。
【００２１】
第一の圧電基板１に形成されている第一の空洞９は、同じく第一の圧電基板１に形成されている圧力室３と平行に延びている。また、第二の圧電基板２に形成されている第二の空洞４は、圧力室３と平行に延びており、基板の積層方向において圧力室３と交互に配置されている。すなわち、圧力室３の左右に第一の空洞９が位置し、圧力室３の上下に第二の空洞４が位置している。換言すれば、各圧力室３は、第一の圧電基板１に設けられている２つの第一の空洞９と、第二の圧電基板２に設けられている２つの第二の空洞４によって囲まれており、各圧力室３とその周囲の空洞９、４は、圧電材料からなる壁によって隔てられている。
【００２２】
したがって、図１（ｂ）に示すように、圧力室３の壁を構成している４つの面（底面３ａ、両側面３ｂ、３ｃおよび天井面３ｄ）のうち、底面３ａおよび両側面３ｂ、３ｃは、第一の圧電基板１の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、圧力室３の天井面３ｄは、第二の圧力基板２の裏側の表面（以下「下面」）の一部よって構成されている。そして、各圧力室３内には、底面３ａおよび両側面３ｂ、３ｃに形成された電極１２ａと、天井面３ｄに設けられた電極１２ｂとを含む第一の電極１２が存在している。
【００２３】
第一の空洞９の壁を構成している４つの面（底面９ａ、両側面９ｂ、９ｃおよび天井面９ｄ）のうち、底面９ａおよび両側面９ｂ、９ｃは、第一の圧電基板１の上面の一部によって構成されている。また、第一の空洞９の天井面９ｄは、第二の圧力基板２の下面の一部よって構成されている。そして、それぞれの第一の空洞９内には、底面９ａおよび両側面９ｂ、９ｃに形成された第二の電極１３が存在している。
【００２４】
第二の空洞４の壁を構成している４つの面（底面４ａ、両側面４ｂ、４ｃおよび天井面４ｄ）のうち、底面４ａおよび両側面４ｂ、４ｃは、第二の圧電基板２の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、第二の空洞４の天井面４ｄは、他の第一の圧電基板１の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。そして、それぞれの第二の空洞４内には、底面４ａに設けられた電極１４ａと、天井面４ｄに設けられた電極１４ｂとを含む第三の電極１４が存在している。なお、電極１４ｂは、第一の圧電基板１の下面全域を覆っており、結果、第二の空洞４の天井面４ｄのみでなく、天井面４ｄの周囲の面をも一括して覆っている。
【００２５】
ここで、圧力室３内の電極１２ｂの幅は、圧力室３の幅（天井面３ｄの幅）よりも狭い。換言すれば、電極１２ｂの幅は、圧電材料からなる壁を介して対向する、第二の空洞４内の電極１４ａの幅よりも狭い。
【００２６】
圧電ブロック５の背面には、個々の圧力室３に対応して個別の配線がなされており、各配線に各圧力室３内の第一の電極１２がそれぞれ接続されている。一方、第一の空洞９内の第二の電極１３および第二の空洞４内の第三の電極１４は、圧電ブロック５の前面に設けられている共通配線に接続されている。これにより、圧力室３の壁に形成されている第一の電極１２と、それ以外の電極である第二の電極１３および第三の電極１４との間に、駆動電圧を印加することができる。
【００２７】
次に、圧電ブロック５の作製方法を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は第一の圧電基板１の上面を、図３（ｂ）は第二の圧電基板２の上面を、図３（ｃ）は第二の圧電基板２の下面をそれぞれ示している。
【００２８】
第一の圧電基板１の上面に、圧力室３を構成する複数の溝と、第一の空洞９を構成する複数の溝とを、不図示のダイシングを用いて交互に形成する。ここで、圧力室３を構成する溝は、第一の圧電体基板１上において、該基板１の長手方向と平行に延びている。また、第一の空洞９を構成する溝は、第一の圧電体基板１上において、圧力室３を構成する溝と平行に延びているが、圧力室３を構成する溝よりも短い。
【００２９】
第二の圧電基板２の上面に、第二の空洞４を構成する複数の溝を、不図示のダイシングを用いて形成する。ここで、第二の空洞４を構成する溝は、第二の圧電基板２の長手方向と平行に延びており、第一の空洞９を構成する溝と同程度の長さを有する。
【００３０】
次に電極を形成する。具体的には、第一の圧電基板１の上面に対して選択的にめっきを施す。具体的には、圧力室３を構成する溝の内面および第一の空洞９を構成する溝の内面にめっきを施し、第一の電極１２（電極１２ａ）および第二の電極１３を形成する（図３（ａ））。
【００３１】
さらに、第一の圧電基板１の下面全域にめっきを施し、第三の電極１４（電極１４ｂ）を形成する（図３（ａ））。
【００３２】
また、第二の圧電基板２の上面に対して選択的にめっきを施す。具体的には、第二の空洞４を構成する溝の内面にめっきを施し、第三の電極１４（電極１４ａ）を形成する（図３（ｂ））。
【００３３】
さらに、第二の圧電基板２の下面に対して選択的にめっきを施す。具体的には、第二の圧電基板２の下面のうち、圧力室３を構成する溝に対応する領域の一部にめっきを施し、第一の電極１２（電極１２ｂ）を形成する（図３（ｃ））。
【００３４】
その後、電極が形成された圧電基板１、２に分極処理を施す。分極処理工程は、圧電基板１、２をシリコンオイルなどの絶縁体液体に浸し、２００℃に加熱し、形成した電極間に２ｋＶ／ｍｍ程度の電界を印加することで行われる。
【００３５】
次いで、分極処理が施された複数の圧電基板１、２を、接着層を介して交互に積層し、図４（ａ）に示すような積層体を作る。
【００３６】
その後、図４（ｂ）に示すように、上記積層体の前面部をダイシング１０を用いて切断することで、吐出口７に連通する圧力室３の開口部、第一の空洞９の開口部および第二の空洞４の開口部を形成する。また、背面部をダイシング１０を用いて切断することにより、後方絞り孔に連通する圧力室３の開口部を形成する。これにより圧電ブロック５が完成する。
【００３７】
次いで、完成した圧電ブロック５の前面にノズルプレート８を接合し、背面に後方絞りプレート６を接合し、液体吐出ヘッドを完成させる。
【００３８】
上述した製造工程は、圧電基板の積層工程を実施する前に、圧電基板の分極処理工程を実施している。これは、積層工程の後に分極処理工程を実施する場合には、接着層に使用される接着剤に耐熱性、耐電界性が必要とされ、使用可能な接着剤が制限されるからである。本実施形態では、積層工程の実施前に分極処理工程を実施しているので、接着層に使用可能な接着剤を広範囲に選択することが可能となる。また、積層工程の実施前に分極処理工程を実施すると、一つの母基板から複数の圧電基板を多数個取りする場合に、分極処理を母基板の段階で実施できるので量産性が向上する。
【００３９】
このようにして製造された液体吐出ヘッドでは、圧力室３および空洞４、９の周囲に、これらの全長に亘って圧電材料からなる壁が連続的に存在することにより、圧力室３が長い場合であっても十分な剛性を保つことができる。
【００４０】
次に、本発明の液体吐出ヘッドにおける電界方向および圧電体の分極方向並びに圧力室の変形状態について説明する。
【００４１】
図５に第二の圧電基板２の変形状態を模式的に示す。上記のように、第二の圧電基板２の下面は圧力室３の壁を構成する４つの面の１つ（天井面）である。なお、図中の白抜き矢印は電界方向を示している。
【００４２】
まず、第二の圧電基板２が、分極方向が図５（ａ）中の白抜き矢印の方向となるように分極処理が施されている場合を考える。この場合、電界方向と分極方向が一致しているために、第二の圧電基板２の中央部は上下方向へ膨張するが、端部が拘束されているため、左右方向への収縮が規制される。このため、第二の圧電基板２は、上下方向（厚み方向）に均等に変形する。結果、圧力室３を収縮させる方向への基板の変位量（変形量）は小さい（図５（ｂ））。
【００４３】
次に、第二の圧電基板２が、分極方向が図５（ｃ）中の白抜き矢印の方向となるように分極処理が施されている場合を考える。換言すれば、分極方向が圧力室３の中心軸から外側へ向かう放射状となるように分極処理が施されている場合を考える。上記のように分極処理が施されている場合、第二の圧電基板２は、放射方向に膨張し、かつ、放射方向（膨張方向）と直交方向に収縮する。結果、両方向への変形（膨張および収縮）が合成され、基板が圧縮室３を収縮させる方向へ大きく撓むように変形する（図５（ｄ））。結果、圧力室３を収縮させる方向への基板の変位量（変形量）が大きくなる。
【００４４】
図６に、第二の圧電基板２の、第一の電極１２（電極１２ｂ）の幅の違いによる、電界方向のシミュレーション結果を示す。図６（ａ）は、電極１２ｂの幅が圧力室３の幅よりも広いときのシミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は、電極１２ｂの幅が圧力室３の幅よりも狭いときのシミュレーション結果を示している。双方とも、圧力室３の壁に設けられている電極１２ｂから電極１４ａに向けてほぼ平行な電界が形成されている。しかし、電極１２ｂの幅が圧力室３の壁の幅より狭い方が、電界方向が圧力室３の中心軸から外側へ向かう放射状に形成されている領域が広いことがわかる。
【００４５】
したがって、図６（ｂ）の構成であって、かつ、事前に分極処理が施されている場合には、第二の圧電基板２が放射方向に膨張し、かつ、これに直交方向には収縮する。したがって、両方向への変形が合成されて第二の圧電基板２が圧力室３を収縮する方向へ大きく撓むように変形し、結果、圧力室３を収縮させる方向への第二の圧電基板２の変位量（変形量）を大きくすることができる。このように、第一の電極１２ｂの寸法と圧力室３の幅との大小関係により電界の方向が変わることを説明したが、より本質的には、電極１２ｂの幅寸法が電極１４ａと比べて十分に小さいことによって、効果的に放射方向に電界が形成される。
【００４６】
以上説明したように、第一の圧電基板に形成されている圧力室の幅よりも狭い電極が形成され、かつ、事前に分極処理が施された第二の圧電基板を使用した液体吐出ヘッドでは、圧力室の容積変化量が増大し、結果として大きな吐出力を得ることができる。
（第２の実施形態）
【００４７】
図７を参照して、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の他例について説明する。図７は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロック５の斜視図である。
【００４８】
図７に示す圧電ブロック５は、図１（ａ）に示す圧電ブロック５と同一の基本構造を有する。すなわち、図７に示す圧電ブロック５は、あらかじめ分極処理が施された第一の圧電基板２１、第二の圧電基板２２および第三の圧電基板３５が接着層を介して交互に複数枚積層された積層体である。
【００４９】
また、図７に示す圧電ブロック５には、インクを内包する圧力室３と、インクを内包しない第一の空洞９と、インクを内包しない第二の空洞４とを複数備えている。さらに、圧力室３と第一の空洞９は交互に配置されており、圧力室３と第一の空洞９は圧電材料からなる壁によって隔てられている。また、圧力室３と第二の空洞４とは、基板の積層方向において交互に配置されており、圧力室３と第二の空洞４とは圧電材料からなる壁によって隔てられている。
【００５０】
以下、図８を参照しながら、図７に示す圧電ブロック５と図１（ａ）に示す圧電ブロック５との相違点について主に説明する。
【００５１】
図８は、図７に示す圧電ブロック５の分解斜視図である。図１（ａ）に示す圧電ブロック５では、一枚の第一の圧電基板１によって複数の圧力室３と第一の空洞９とが形成されていた。これに対し、図７に示す圧電ブロック５では、対向する第二の圧電基板２２と第三の圧電基板３５との間に配置された複数の第一の圧電基板２１によって複数の圧力室３と第一の空洞９とが形成されている。具体的には、第二の圧電基板２２と第三の圧電基板３５との間には、平面形状が略コ字形の複数の第一の圧電基板２１が一定間隔で並列配置されている。そして、それぞれの第一の圧電基板２１に形成されている溝によって第一の空洞９が形成され、隣接する第一の圧電基板２１の間の隙間によって圧力室３が形成されている。一方、複数の第二の空洞４は、一枚の第二の圧電基板２２に形成された複数の溝によって形成されている。
【００５２】
ここで、圧力室３と第一の空洞９とは互いに平行に延びている。また、第二の空洞４は、圧力室３と平行に延びており、基板の積層方向において圧力室３と交互に配置されている。
【００５３】
以上の説明および図示から明らかなように、圧力室３の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、両側面は、隣接する第一の圧電基板２１の対向する外側面によって構成されている。また、圧力室３の底面は、第三の圧電基板３５の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板２２の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００５４】
第一の空洞９の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面は、第三の圧電基板３５の上面の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板の下面の一部によって構成されている。また、両側面は、第一の圧電基板２１に形成されている溝の対向する内側面によって構成されている。
【００５５】
第二の空洞４の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面および両側面は、第二の圧電基板２２の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、天井面は、第三の圧電基板３５の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００５６】
各圧力室３内には、両側面にそれぞれ形成された電極３２ａ、３２ｂ、底面に形成された電極３２ｃおよび天井面に形成された電極３２ｄを含む第一の電極３２が存在している。ここで、底面に形成されている電極３２ｃの幅は該底面よりも狭く、天井面に形成されている３２ｄの幅は該天井面よりも狭い。すなわち、電極３２ｃ、３２ｄの幅は、圧力室３の幅よりも狭い。
【００５７】
各第一の空洞９内には、その両側面に形成された第二の電極３３が存在している。
【００５８】
各第二の空洞４内には、その底面に形成された電極３４ａおよび天井面に形成された電極３４ｂを含む第三の電極３４が存在している。
【００５９】
圧電ブロック５の背面には、個々の圧力室３に対応して個別の配線がなされており、各配線に各圧力室３内の第一の電極３２が接続されている。一方、第一の空洞９内の第二の電極および第二の空洞４内の第三の電極は、圧電ブロック５の前面に設けられている不図示の共通配線に接続されている。これにより、圧力室３の壁面に形成されている第一の電極３２と、それ以外の電極である第二の電極３３および第三の電極３４との間に、駆動電圧を印加することができる。
【００６０】
なお、圧力室３の幅よりも狭い電極３２ｂ、３２ｃが形成されている第二の圧電基板２２および第三の圧電基板３５には、分極方向が放射状となるように分極処理が施されている。したがって、第１の実施形態において説明したのと同様の原理により、第二の圧電基板２２および第三の圧電基板３５が大きな変位量（変形量）を発現し、大きな吐出力が得られる。
（第３の実施形態）
【００６１】
図９を参照して、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の他例について説明する。図９は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドを構成する圧電ブロック５の斜視図である。
【００６２】
図９に示す圧電ブロック５は、図１（ａ）に示す圧電ブロック５と同一の基本構造を有する。すなわち、図９に示す圧電ブロック５も、あらかじめ分極処理が施された圧電基板が接着層を介して複数枚積層された積層体である。ただし、図９に示す圧電ブロック５では、多段に積層された複数枚の第一の圧電基板によって圧力室３および第一の空洞９が形成されている。
【００６３】
図９に示す圧電ブロック５は、インクを内包する圧力室３と、インクを内包しない第一の空洞９と、インクを内包しない第二の空洞４とを複数備えている。さらに、圧力室３と第一の空洞９は交互に配置されており、圧力室３と第一の空洞９は圧電材料からなる壁によって隔てられている。また、圧力室３と第二の空洞４とは、基板の積層方向において交互に配置されており、圧力室３と第二の空洞４は圧電材料からなる壁によって隔てられている。
【００６４】
以下、図１０を参照しながら、図９に示す圧電ブロック５と図１（ａ）に示す圧電ブロック５との相違点について主に説明する。
【００６５】
図１０は、図９の圧電ブロック５のＡ領域の分解斜視図である。図１（ａ）に示す圧電ブロック５では、一枚の第一の圧電基板１によって複数の圧力室３と第一の空洞９とが形成されていた。
【００６６】
一方、図９に示す圧電ブロック５では、対向する第二の圧電基板４２と第三の圧電基板５５との間において積層された複数枚（本実施形態では３枚）の第一の圧電基板によって圧力室３と第一の空洞９とが形成されている。以下の説明では、積層された３枚の第一の圧電基板のうち、中央の圧電基板を第一の圧電基板４１、上段の圧電基板を第四の圧電基板５６、下段の圧電基板を第五の圧電基板５７と呼んで区別する。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎず、圧電基板４１、５６、５７は同一の形状を有しており、その形状は、図８に示す第一の圧電基板２１と同一である。
【００６７】
図１０に示すように、第三の圧電基板５５の上に、複数の第五の圧電基板５７が一定間隔で並列配置されている。また、各第五の圧電基板５７の上に、第一の圧電基板４１がそれぞれ重ねられている。さらに、各第一の圧電基板４１の上、第四の圧電基板５６がそれぞれ重ねられている。そして、積層された一組の圧電基板５７、４１、５６にそれぞれ形成されている溝が積層方向において互いに連通しており、それら連通した溝によって第一の空洞９が形成されている。また、積層方向と直交する方向において隣接する各圧電基板５７、４１、５６の間の隙間が積層方向において互いに連通しており、それら連通した隙間によって圧力室３が形成されている。また、第二の圧電基板４２に設けられた溝によって第二の空洞４が形成されている。
【００６８】
ここで、圧力室３と第一の空洞９とは互いに平行に延びている。また、第二の空洞４は圧力室３と平行に延びており、基板の積層方向において圧力室３と交互に配置されている。
【００６９】
以上の説明および図示から明らかなように、圧力室３の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、両側面は、積層方向と直交する方向において隣接する各圧電基板５７、４１、５６の対向する外側面によって構成されている。また、各圧力室３の底面は、第三の圧電基板５５の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板４２の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００７０】
第一の空洞９の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面は、第三の圧電基板５５の上面の一部によって構成され、天井面は、第二の圧電基板４２の下面の一部によって構成されている。また、両側面は、積層されている各圧電基板５７、４１、５６に形成されている溝の対向する内側面によって構成されている。
【００７１】
第二の空洞４の壁を構成する４つの面（底面、両側面および天井面）のうち、底面および両側面は、第二の圧電基板２２の表側の表面（以下「上面」）の一部によって構成されている。また、天井面は、第三の圧電基板５５の裏側の表面（以下「下面」）の一部によって構成されている。
【００７２】
各圧力室３内には、その両側面にそれぞれ形成された電極５２ａ、５２ｂ、底面に形成された電極５２ｃおよび天井面に形成された電極５２ｄを含む第一の電極５２が存在している。なお、各圧力室３の両側面が各圧電基板５７、４１、５６の対向する外側面によって構成されていることは既述の通りであるが、電極５２ａ、５２ｂは、第一の圧電基板４１の外側面上にのみ形成されている。よって、電極５２ａ、５２ｂの幅は、３つの圧電基板５７、４１、５６の外側面からなる圧力室３の側面の幅よりも狭い。また、圧力室３の底面に形成されている電極５２ｃの幅は該底面よりも狭く、天井面に形成されている５２ｄの幅は該天井面よりも狭い。すなわち、電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄの幅は、圧力室３の壁を構成しているいずれの面の幅よりも狭い。
【００７３】
各第一の空洞９内には、その両側面に形成された第二の電極５３が存在している。第二の電極５３は、第一の圧電基板４１の内側面に形成された電極５３ａ、第四の圧電基板５６の内側面に形成された電極５３ｂおよび第五の圧電基板５７の内側面に形成された電極５３ｃを含む。
【００７４】
各第二の空洞４内には、その底面に形成された電極５４ａおよび天井面に形成された電極５４ｂを含む第三の電極５４が存在している。
【００７５】
圧電ブロック５の背面には、個々の圧力室３に対応して個別の配線がなされており、各配線が各圧力室３内の第一の電極５２に接続されている。一方、第一の空洞９内の第二の電極５３および第二の空洞４内の第三の電極５４は、圧電ブロック５の前面に設けられている不図示の共通配線に接続されている。これにより、圧力室３の壁面に形成されている第一の電極５２と、それ以外の電極である第二の電極５３および第三の電極５４との間に、駆動電圧を印加することができる。
【００７６】
なお、各圧電基板４１、４２、５５、５６、５７には、それらが積層される前に分極処理が施されている。より詳細には、第二の圧電基板４２および第三の圧電基板５５にはそれぞれ単体で分極処理が施されており、第一の圧電基板４１、第四の圧電基板５６および第五の圧電基板５７には、３枚が積層された状態で分極処理が施されている。したがって、各圧電基板４１、４２、５５、５６、５７が大きな変位量（変形量）を発現し、大きな吐出力が得られる。
【符号の説明】
【００７７】
１、２１、４１ 第一の圧電基板
２、２２、４２ 第二の圧電基板
３５、５５ 第三の圧電基板
５６ 第四の圧電基板
５７ 第五の圧電基板
３ 圧力室
４ 第二の空洞
５ 圧電ブロック
６ 後方絞りプレート
７ 吐出口
８ ノズルプレート
９ 第一の空洞
１０ ダイシング
１２、３２、５２ 第一の電極
１３、１４、３３、３４、５３、５４ 第二の電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電ブロック内に設けられている圧力室の壁を変形させることにより、該圧力室内の液体を該圧力室に連通している吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記圧力室と、
圧電材料からなる壁を挟んで前記圧力室と隣接する空洞と、
前記壁の前記圧力室の側に設けられた電極と、
前記壁の前記空洞の側に設けられた電極と、を有し、
前記電極間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が前記圧力室の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、前記壁の前記圧力室の側に設けられている前記電極の少なくとも一部の幅が前記圧力室の幅よりも狭いことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧力室の左右にそれぞれ配置された第一の空洞と、
前記圧力室の上下にそれぞれ配置された第二の空洞と、
前記圧力室と前記第一の空洞および前記第二の空洞とを隔てる壁の前記圧力室の側に設けられた第一の電極、前記壁の前記第一の空洞の側に設けられた第二の電極および前記壁の前記第二の空洞の側に設けられた第三の電極と、を有し、
前記第一の電極と前記第二の電極および前記第三の電極との間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が前記圧力室の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、前記第一の電極の少なくとも一部の幅が前記圧力室の幅よりも狭い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】
前記圧電ブロックが複数の圧電基板の積層体であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記圧電ブロックが、前記圧力室を構成する溝と前記第一の空洞を構成する溝とが交互に形成された第一の圧電基板と、
前記第一の圧電基板の上下に配置された第二の圧電基板であって、前記第二の空洞を構成する溝が形成された第二の圧電基板と、を少なくとも含む積層体であ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】
前記圧電ブロックが、前記第一の空洞を構成する溝が形成された複数の第一の圧電基板であって、隙間を置いて並列配置された複数の第一の圧電基板と、
並列配置された複数の前記第一の圧電基板の上に配置された第二の圧電基板であって、前記第二の空洞を構成する溝が形成された第二の圧電基板と、
並列配置された複数の前記第一の圧電基板の下に配置された第三の圧電基板と、を少なくとも含む積層体であって、
隣接する前記第一の圧電基板の間の隙間によって前記圧力室が構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６】
前記第一の圧電基板は前記並列配置された方向と直交する方向に積層され、
複数の前記第一の圧電基板のそれぞれに形成されている前記溝であって、積層方向に連通した前記溝によって前記第一の空洞が構成され、
積層方向と直交する方向において隣接する複数の前記第一の圧電基板の間の前記隙間であって、積層方向に連通した前記隙間によって前記圧力室が構成されている請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１】
圧電ブロック内に設けられている圧力室の壁を変形させることにより、該圧力室内の液体を該圧力室に連通している吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記圧力室と、
圧電材料からなる壁を挟んで前記圧力室と隣接する空洞と、
前記壁の前記圧力室の側に設けられた電極と、
前記壁の前記空洞の側に設けられた電極と、を有し、
前記電極間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が前記圧力室の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、前記壁の前記圧力室の側に設けられている前記電極の少なくとも一部の幅が前記圧力室の幅よりも狭いことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧力室の左右にそれぞれ配置された第一の空洞と、
前記圧力室の上下にそれぞれ配置された第二の空洞と、
前記圧力室と前記第一の空洞および前記第二の空洞とを隔てる壁の前記圧力室の側に設けられた第一の電極、前記壁の前記第一の空洞の側に設けられた第二の電極および前記壁の前記第二の空洞の側に設けられた第三の電極と、を有し、
前記第一の電極と前記第二の電極および前記第三の電極との間に電圧が印加されたときに、電界方向および分極方向が前記圧力室の中心軸から外側へ向かう放射状となるように、前記第一の電極の少なくとも一部の幅が前記圧力室の幅よりも狭い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】
前記圧電ブロックが複数の圧電基板の積層体であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記圧電ブロックが、前記圧力室を構成する溝と前記第一の空洞を構成する溝とが交互に形成された第一の圧電基板と、
前記第一の圧電基板の上下に配置された第二の圧電基板であって、前記第二の空洞を構成する溝が形成された第二の圧電基板と、を少なくとも含む積層体であ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】
前記圧電ブロックが、前記第一の空洞を構成する溝が形成された複数の第一の圧電基板であって、隙間を置いて並列配置された複数の第一の圧電基板と、
並列配置された複数の前記第一の圧電基板の上に配置された第二の圧電基板であって、前記第二の空洞を構成する溝が形成された第二の圧電基板と、
並列配置された複数の前記第一の圧電基板の下に配置された第三の圧電基板と、を少なくとも含む積層体であって、
隣接する前記第一の圧電基板の間の隙間によって前記圧力室が構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６】
前記第一の圧電基板は前記並列配置された方向と直交する方向に積層され、
複数の前記第一の圧電基板のそれぞれに形成されている前記溝であって、積層方向に連通した前記溝によって前記第一の空洞が構成され、
積層方向と直交する方向において隣接する複数の前記第一の圧電基板の間の前記隙間であって、積層方向に連通した前記隙間によって前記圧力室が構成されている請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−７５４２３（Ｐ２０１３−７５４２３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１６４８７（Ｐ２０１１−２１６４８７）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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