JP2012071594A - 液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波駆動に向いた液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置を提供する。
【解決手段】平板状のプレート２２〜３１を積層して構成されている、複数の液体吐出孔８と、複数の液体吐出孔８にそれぞれ繋がっている複数の液体加圧室１０と、複数の液体加圧室１０に複数のしぼり１２を介してそれぞれ繋がっているマニホールド５とを有する流路部材、および前記液体加圧室の体積をそれぞれ変化させる複数の加圧部５０を有する液体吐出ヘッドであって、しぼり１２は、１つのプレート２３に形成された孔の壁面と当該プレート１３の上下に積層されているプレート２２、２４の主面とで構成されているとともに、液体加圧室１０側の開口よりマニホールド５側の開口が狭くなっている、または狭窄部を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッドなどの液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置に関する。

近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。

このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマル方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

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と直交する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、もしくは、複数の液体吐出ヘッドを記録範囲が記録媒体より広くなるように複数並べて固定した状態で、副走査方向に搬送され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。

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、液滴を吐出する液体吐出孔の密度を高くする必要がある。

そこで、図８に示すように、液体吐出ヘッド５１３を、マニホールド５０５と、マニホールド５０５から順に、共通流路５０６、しぼり５１２、液体加圧室５１０および連通路５０７を介して液体吐出孔５０８まで繋がる個別流路５３２を有した流路部材５０４と、液体加圧室５１０をそれぞれ覆うように設けられている、複数の変位素子５５０を有するアクチュエータユニット５２１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５１３では、しぼり５１２は一定の断面積となっており、複数の液体吐出孔５０８にそれぞれ繋がった液体加圧室５１０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アクチュエータユニット５２１の変位素子５５０を変位させることで、各液体加圧室５１０の体積を変え、各液体吐出孔５０８から液滴を吐出させ、主走査方向に６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。なお、流路部材５０４は金属製のプレート５２２〜５３１を積層したものであり、圧電アクチュエータ５２１は流路部材５０４側から順に圧電セラミック層５２１ａ、共通電極５３４、圧電セラミック層５２１ｂおよび個別電極５３５を積層したものである。

特開２００３−３０５８５２号公報

しかしながら、引き打ちなどの液体吐出孔５０８からマニホールド５０５までの液体の固有振動を利用した吐出を行なう際には、液体の固有振動周期が長いと、１回の吐出にかかる時間が長くなる。さらに、吐出の後に残る流路内の液体の残留振動も、この固有振動周期になるので、固有振動周期が長いと、残留振動が次の吐出に与える影響が小さくなるまで減衰する時間も長くなる。つまり、固有振動周期が長いと、吐出そのものにかかる時間が長くなる上、次の吐出を行なうことができるようになるまでの時間も長くなる。そのため、固有振動周期は短い方が望ましく、また、高周波で駆動する際には、残留振動を早く減衰させるためには流路抵抗は大きい方が望ましい。しかし、特許文献１に記載されているような液体吐出ヘッドのようにしぼりとして直方体状の形状では、これらの特性は相反する特性になるため、固有振動周期を短くするとともに、流路抵抗を大きくすることができないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、高周波駆動に適した液体吐出ヘッドおよびそれを用いた記録装置を提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドは、平板状のプレートを積層して構成されている、一方の主面に開口している複数の液体吐出孔と、該複数の液体吐出孔にそれぞれ繋がっているとともに他方の主面に開口している複数の液体加圧室と、前記複数の液体加圧室に複数のしぼりを介してそれぞれ繋がっているマニホールドとを有する流路部材、および前記液体加圧室にそれぞれ圧力を加える複数の加圧部を有する液体吐出ヘッドであって、前記しぼりは、１つの前記プレートに形成されている孔の壁面と当該プレートの上下に積層されている前記プレートの主面とで構成されているとともに、前記液体加圧室側の開口より前記マニホールド側の開口が狭くなっているか、または狭窄部を有することを特徴とする。

また、本発明の記録装置は、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搬送する搬送部と、前記複数の加圧部を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、直方体状のしぼりと比較して、流路内の液体の固有振動周期を小さくできるとともに、しぼりの流路抵抗を大きくできるため、高周波駆動が可能となる。

本発明の記録装置の一例であるプリンタを示す概略構成図である。 図１の液体吐出ヘッドを構成するヘッド本体を示す平面図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図である。 図２の一点鎖線に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。 （ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、しぼりが形成されているアパーチャプレートの拡大平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、しぼりの平面形状である。 （ａ）、（ｂ）は、しぼりの平面形状である。 従来の液体吐出ヘッドの縦断面図である。

図１は、本発明の記録装置の一例であるカラーインクジェットプリンタを示す概略構成
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、記録媒体である記録用紙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。

プリンタ１には、記録用紙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。

給紙ユニット１１４は、複数枚の記録用紙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記録用紙Ｐのうち、最も上にある記録用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。

給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、記録用紙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から送り出された記録用紙Ｐは、これらの送りローラ１１８ａ、１１８ｂ、１１９ａおよび１１９ｂ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。

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１０６および１０７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１０６および１０７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、記録用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。

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。

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。

給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された記録用紙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、記録用紙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、記録用紙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、記録用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。

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、下端にヘッド本体１３を有している。ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の液体吐出孔８が設けられている（図３参照）。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた液体吐出孔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の液体吐出孔８は一方方向（記録用紙Ｐと平行で記録用紙Ｐの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）に等間隔に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく記録することができる。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、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。

搬送ベルト１１１によって搬送された記録用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２の下面側で、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を構成するヘッド本体１３から記録用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、記録用紙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。

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。カラー画像が記録された記録用紙Ｐは、搬送ベルト１１１から剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、記録用紙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、記録用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａおよび１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、記録済みの記録用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。

なお、記録用紙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、搬送経路上の記録用紙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、記録用紙Ｐの搬送と画像の記録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。

次に本発明の液体吐出ヘッド２を構成するヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体１３を示す平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図であり、ヘッド本体１３の一部である。図４は、図３と同じ位置の拡大透視図で、液体吐出孔８の位置が分かるように、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、図面を分かりやすくするために、圧電アクチュエータユニット２１の下方にあって破線で描くべき液体加圧室１０（液体加圧室群９）、しぼり１２および液体吐出孔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、しぼり１２が形成されているアパーチャプレート２４の拡大平面図である。図５（ｂ）には、液体加圧室１０との関係が分かるように、キャビティプレート２２に形成されている液体加圧室１０も示している。

ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に配置された、アクチュエータユニットである圧電アクチュエータユニット２１とを有している。圧電アクチュエータユニット２１は、図５（ａ）に示してあるように、流路部材４側から順に、圧電セラミック層（振動板）２１、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂおよび個別電極３５を積層したものである。また、圧電アクチュエータユニット２１は、その平面形状が台形形状を
有しており、その台形形状の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材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ユニット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ユニット２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向を見たときに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記録される領域では、２つの圧電アクチュエータユニット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。

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た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ユニット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。

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ユニット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ユニット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ユニット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ユニット２１に対向する領域に互いに隣接して、ヘッド本体１３の長手方向に延在している。

流路部材４は、複数の液体加圧室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つの液体加圧室群９を有している。液体加圧室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。液体加圧室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。これらの液体加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータユニット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、これらの液体加圧室１０によって形成された各液体加圧室群９は圧電アクチュエータユニット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、各液体加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。

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に繋がった液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室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。言い換えると、副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室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。

全体では、マニホールド５から繋がる液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室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。各液体加圧室列に含まれる液体加圧室１０の数は、圧電アクチュエータアクチュエータユニット２１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。液体吐出孔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。すなわち、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分の液体吐出孔８を４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１７０μｍ（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。

圧電アクチュエータユニット２１を構成する圧電セラミック層２１ｂの上面の各液体加圧室１０に対向する位置には個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は、その平面形状が液体加圧室１０より一回り小さく、液体加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電セラミック層２１ｂの上面における液体加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。

流路部材４の下面の液体吐出面には多数の液体吐出孔８が形成されている。これらの液体吐出孔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、これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。これらの液体吐出孔群は圧電アクチュエータユニット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ユニット２１の変位素子（加圧部）５０を変位させることにより液体吐出孔８から液滴が吐出できる。液体吐出孔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液体吐出孔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。

ヘッド本体１３を構成する流路部材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、マニホールドプレート２６、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。ヘッド本体１３は、図５（ａ）に示されているように、液体加圧室１０が流路部材４の上面に、副マニホールド５ａが内部の下面側に、液体吐出孔８が下面にと、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、液体加圧室１０を介して副マニホールド５ａと液体吐出孔８とが繋がる構成を有している。

次に、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に形成された液体加圧室１０である。第２に、液体加圧室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（詳細には液体加圧室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に形成された個別供給流路６とが含まれている。第３に、液体加圧室１０の他端から液体吐出孔８へと繋がる流路を構成する連通孔である。

なお、しぼり１２は上述の液体加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路の一部であり、アパーチャプレート２４の孔の壁面とアパーチャプレート２４に積層されているベースプレート２３およびサプライプレート２５の主面で構成されている。図５（ｂ）はアパーチャプレート２４に開口しているしぼり１２となる孔を示している。しぼり１２となる孔の両端は、しぼり１２の幅よりも大きい孔に繋がっている。しぼり１２の液体加圧室側の開口１２ａ、およびマニホールド側の開口１２ｂはこの大きな孔との境界部分のことである。しぼり１２の液体加圧室側の開口１２ａは液体加圧室１０の一端から積層方向下側に向かって繋がっている流路であり、この部分の流路の、液体の流れに垂直
な断面積は、平面方向の面積になる。したがって、この部分の流路は、液体加圧室１０の液体の流れに垂直な断面積である、液体加圧室１０の垂直な断面積に対して狭くなってはいないので、しぼりとしては働かない。

しぼり１２の１枚のプレートの孔の壁面と、その上下のプレートの主面とで構成することにより、複数のプレートに形成した孔を連通させてしぼり１２を構成するよりも、形成精度を高くきる。

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）から液体吐出孔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、以下の経路で液体吐出孔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、液体加圧室１０の一端部に至る。さらに、液体加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、液体加圧室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、下面に開口した液体吐出孔８へと進む。

圧電アクチュエータユニット２１は、前述したように、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ユニット２１全体の厚さは４０μｍ程度である。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の液体加圧室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。

圧電アクチュエータユニット２１と流路部材４との接着は、例えば接着層を介して行なう。接着層としては、圧電アクチュエータユニット２１や流路部材４への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂の接着剤が用いられる。熱硬化性樹脂の接着剤を用いるのは、常温硬化の接着剤では、耐インク性が十分確保されないおそれがあるためである。このため、圧電アクチュエータユニット２１には、熱硬化温度から室温まで冷却されることにより、流路部材４と圧電アクチュエータユニット２１との熱膨張係数の差により発生する応力が加わった状態になる。応力が大きい場合、圧電アクチュエータユニット２１が壊れてしまうおそれがあり、また、応力が圧電アクチュエータユニット２１を壊してしまうほど高くなくても、加わっている応力により圧電アクチュエータユニット２１の特性が変動する。具体的には、圧縮応力が加わった状態では、圧電定数が低くなるが、駆動を非常に長い時間にわたって繰り返した際に変位量が低下する駆動劣化という現象の影響は小さくなる。逆に、引張り応力が加わった状態では、圧電定数が高くなるが、駆動劣化の影響は大きくなる。いずれにしても、流路部材４と圧電アクチュエータユニット２１との熱膨張係数の差は、少なくする必要があり、長期間使用しても吐出特性の変動が大きくならないように、駆動劣化の影響の小さい圧縮応力が弱く加わった状態にするのが好ましい。そこで、圧電アクチュエータユニット２１にＰＺＴ系のセラミックスを用いる場合には、流路部材４の材料としては４２アロイを用いるのが好ましい。

圧電アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極３４およびＡｕ系などの金属材料からなる個別電極３５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ユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、液体加圧室１０と対向する領域外に引き出されて接続電極３６が形成されている。この接続電極３６は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚さが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続電極３６は、図示さ
れていない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を通じて駆動信号が供給される。駆動信号は、記録用紙Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。

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ユニット２１に対向する領域内の全ての液体加圧室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とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、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、ＦＰＣ上の別の電極と接続されている。

図５（ａ）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のみ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分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータユニット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、圧電セラミック層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ユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。

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に対応する液体加圧室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ユニット２１における各液体加圧室１０に対向する部分は、各液体加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ、加圧部）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（ａ）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が液体加圧室１０毎に、液体加圧室１０の直上に位置する振動板としての圧電セラミック層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ユニット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。

多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがＦＰＣ上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。

本実施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、２１ｂが元の形状に戻り、液体加圧室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、液体加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から液体加圧室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、２１ｂが液体加圧室１０側へ凸となるように変形し、液体加圧室１０の容積減少により液体加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液体吐出孔８より液滴が吐出される。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、液体加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から液体吐出孔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、液体加圧室１
０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。

また、階調をつけて記録する場合においては、液体吐出孔８から連続して吐出される液滴の数、つまり液滴吐出回数で調整される液滴量（体積）で階調表現が行なわれる。このため、指定された階調表現に対応する回数の液滴吐出を、指定されたドット領域に対応する液体吐出孔８から連続して行なう。一般に、液体吐出を連続して行なう場合は、液滴を吐出させるために供給するパルスとパルスとの間隔をＡＬとすることが好ましい。これにより、先に吐出された液滴を吐出させるときに発生した圧力の残余圧力波と、後に吐出させる液滴を吐出させるときに発生する圧力の圧力波との周期が一致し、これらが重畳して液滴を吐出するための圧力を増幅させることができる。

このようなプリンタ１では、記録用紙Ｐの搬送速度および駆動信号に周期を調整することにより、解像度が長手方向に６００ｄｐｉ、搬送方向に６００ｄｐｉの画像を記録することができる。例えば、駆動信号を周波数２０ｋＨｚとし搬送速度を０．８５ｍ／ｓとすれは、吐出した液滴を記録用紙Ｐに搬送方向に約４２μｍ毎に着弾させることができ、搬送方向の解像度は６００ｄｐｉとなる。

ここでさらに、液体吐出孔８からしぼり１２までの流路の中の液体について詳述する。この部分の液体の固有振動周期Ｔｎ（ｓ、以下で単位を省略することがある）とすると、Ｔｎ＝２π｛（Ｍｓ＋Ｍｎ）／（１／Ｃｖ＋１／Ｃｃ）｝^１／２と表せる。ここで、変位素子５０のコンプライアンスをＣｖ（ｍ^５／Ｎ、以下で単位を省略することがある）、液体加圧室１０および液体加圧室１０から液体吐出孔８の端までのコンプライアンスをＣｃ、しぼり１２のイナータンスをＭｓ（ｋｇ／ｍ^４、以下で単位を省略することがある）、液体吐出孔８および液体吐出孔８から液体加圧室１０の端までのイナータンスをＭｎとしている。このＴｎを計算する式は、一部の影響の少ない因子は無視している。例えば、しぼり１２のコンプライアンスは、その体積が、他の部位と比較して小さいため無視しており、液体加圧室１０のイナータンスは、その断面積が、他の部位と比較して大きいため無視している。 さらに、ＭｓはρＬ｛ｌｎ（Ｗ_Ｃ／Ｗ_Ｍ）｝／｛ｄ（Ｗ_Ｃ−Ｗ_Ｍ）｝で表される。ここでρ（ｋｇ／ｍ^３、以下で単位を省略することがある）は液体の密度、Ｌ（ｍ、以下で単位を省略することがある）はしぼり１２の長さ、ｄ（ｍ、以下で単位を省略することがある）はしぼり１２の高さ、Ｗ_Ｃ（ｍ、以下で単位を省略することがある）は、しぼり１２の液体加圧室側の開口１２ａの幅、Ｗ_Ｍ（ｍ、以下で単位を省略することがある）は、しぼり１２のマニホールド側の開口１２ｂの幅である。なお、Ｗ_Ｃ＝Ｗ_Ｍの場合は、Ｍｓ＝ρＬ／（ｄＷ_Ｃ）である。

また、しぼり流路抵抗Ｒｓ（Ｎｓ／ｍ^５、以下で単位を省略することがある）はΔＰ／Ｕで計算できる。ΔＰ（Ｎ／ｍ^２、以下で単位を省略することがある）は、シミュレーションで求めた流入圧力と流出圧力との差であり、Ｕ（ｍ^３／ｓ、以下で単位を省略することがある）は、その際の流量である。

しぼり１２において、液体加圧室側の開口１２ａに対してマニホールド側の開口１２ｂを狭くするか、狭窄部を設けることにより、イナータンスを変化させずに、すなわち、固有振動周期Ｔｎを変化させずに、液体加圧室１０からマニホールド５へ向かう流路抵抗を高くできるので、残留振動の減衰を大きくすることができる。マニホールド側の開口１２ｂを狭くし、さらに途中に狭窄部を設ければ、より流路抵抗を大きくできる。

液体加圧室側の開口１２ａを狭くすることでも、開口を極端に狭くすれば、液体加圧室
１０からマニホールド５へ向かう流路抵抗を大きくすることができる。しかし、そのようにすると、マニホールド５から液体加圧室１０へ向かう流路抵抗が極端に大きくなり、液体がマニホールド５から液体加圧室１０へ流れ難くなるので、高周波駆動することにより、液体の供給量を多くする必要のある液体吐出ヘッド２には適さないため、本発明においては、液体加圧室側の開口１２ａに対してマニホールド側の開口１２ｂを狭くする。

しぼり１２の長さに対して、液体加圧室１０からマニホールド５に向かって断面積が小さくなっていく部位の長さが半分以上であることにより、マニホールド５から加圧室１０への流れの流路抵抗をあまり大きくせずに、液体加圧室１０からマニホールド５へ向かう流路抵抗を大きくできる。液体加圧室１０からマニホールド５に向かって断面積が小さくなっていく部位以外の部位は幅が変わらないことが好ましい。さらに、しぼり１２全体が、実質的に液体加圧室１０からマニホールド５に向かって断面積が小さくなっていく部位で構成されていることが好ましい。

狭窄部の数は、ある程度多い方が流路抵抗をより高くできるが、長さに対して狭窄部の数が非常に多いと、液体は狭窄部の断面積の流路に流れる場合に近づいていく。また、流路の加工方法にもよるが、加工形状が厚さと同程度あるいはそれより小さくなると、加工精度が悪くなることで、吐出特性の変動も大きくなってしまう。狭窄部は、複数設けるのが好ましく、狭窄部を形成する最少間隔が２５μｍ以上となる範囲で多く設けるがよい。

しぼり１２のマニホールド５側の開口面積が、液体加圧室側１０の開口面積の１／３以下である場合、しぼり１２の流路抵抗をより高くできる。

しぼり１２は、しぼり１２の平均断面積に対して１／３以下の断面積の狭窄部を有する場合、しぼり１２の流路抵抗をより高くできる。なお、しぼり１２の平均断面積とは、しぼり１２の体積をしぼり１２の長さで割った値である。

図６（ｂ）〜（ｅ）および図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態のしぼりの平面形状である。図の左側がマニホールド５に繋がっており、右側が液体加圧室１０に繋がっている。いずれのしぼりも、上述した液体吐出ヘッド２に設けることができる。

図６（ｂ）に示したしぼりは、液体加圧室側の開口とマニホールド側の面積は同じであるが、２つの狭窄部が設けられている。狭窄部の前後の断面積は、狭窄部から離れるにしたがって徐々に大きくなるようになっている。

図６（ｃ）に示したしぼりは、液体加圧室側の開口とマニホールド側の開口の面積は同じであるが、１つの狭窄部が設けられている。狭窄部の前後の断面積は、狭窄部から離れるにしたがって徐々に大きくなるようになっている。

図６（ｄ）に示したしぼりは、液体加圧室側の開口に対してマニホールド側の開口の面積が大きなっているとともに、３つの狭窄部が設けられている。しぼりの断面積はマニホールド側から液体加圧室側に向かって徐々に広がり、狭窄部で急激に（実質的に長さゼロで）狭まる。これを３回繰り返し、４回目には、断面積は徐々に広がった後、広いまま液体加圧室に繋がる。このような構造では、狭窄部で急激に面積が変わる部分以外は、液体加圧室からマニホールドに向かって断面積が小さくなっていくので、しぼり全体が実質的に液体加圧室からマニホールドに向かって断面積が小さくなっていくので、液体加圧室からマニホールドに向かう流路抵抗が大きくなるので好ましい。

図６（ｅ）に示したしぼりは、液体加圧室側の開口に対してマニホールド側の開口の面積が小さくなっているが、３つの狭窄部が設けられている。しぼりの断面積はマニホール
ド側から液体加圧室側に向かって徐々に狭まり、狭窄部で急激に（実質的に長さゼロで）広がる。これを３回繰り返し、４回目には、断面積は徐々に狭まった後、狭いまま液体加圧室に繋がっている。

図７（ａ）に示したしぼりは、液体加圧室側の開口とマニホールド側の開口の面積は同じであるが、２つの狭窄部が設けられている。狭窄部は、しぼりの長さＬの１／５範囲で一定幅となっており、その前後で急激に面積を大きくしている。

図７（ｂ）に示したしぼりは、液体加圧室側の開口とマニホールド側の開口の面積は同じであるが、１つの狭窄部が設けられている。狭窄部は、しぼりの長さＬの１／５範囲で一定幅となっており、その前後で急激に面積を大きくしている。 なお、本実施形態では、加圧部として圧電変形を用いた変位素子３０を示したが、これに限られるものでなく、加圧室１０の体積を変化させることができるもの、すなわち、加圧室１０中の液体を加圧できるものなら他のものでよく、例えば、加圧室１０中の液体を加熱して沸騰させて圧力を生じさせるものや、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたものでも良い。

長さ３００μｍ、高さ２０μｍで他の寸法を表１に示したしぼり１２の、液体加圧室からマニホールド５に向かう液体の流路抵抗をシミュレーションで評価した。また、上述の式によりイナータンスを計算した。

図６および図７には、シミュレーションを行ったしぼり１２の平面図を示した。図６（ａ）では、マニホールド５ａ側の幅がＷ_２であり、液体加圧室１０側の幅がＷ_１である。図６（ｂ）〜（ｅ）および図７（ａ）、（ｂ）では、もっとも幅の狭い部分の幅がＷ_１であり、もっとも広い部分の幅がＷ_２である。

試料Ｎｏ．１０〜１２にしぼり構造の欄に記載されている楔数とは、しぼり１２の中に幅が徐々に変わっていく楔形の形状がいくつ含まれているかを示している。試料Ｎｏ．１０（図６（ａ））の楔数は１であり、試料Ｎｏ．１０は、図６（ｄ）に示されている楔数が４の構造である。シミュレーションでは、楔形の形状は同じ形状のものを連ねたもので行った。

本発明の範囲内のしぼりの構造である試料Ｎｏ．１〜３および８〜１５では、イナータンスを変えずに、直方体形状の試料Ｎｏ．４に対しての液体加圧室１０からマニホールド５へ向かう流路抵抗を１．１２倍以上と高くすることができた。さらに、試料Ｎｏ．１、２および８〜１５では、しぼり１２のマニホールド５側の開口面積が、液体加圧室側１０の開口面積の１／３以下であるか、しぼり１２の平均断面積に対して１／３以下の断面積の狭窄部を有していたので、直方体形状の試料Ｎｏ．４に対しての流路抵抗を１．２４倍以上と高くすることができた。

試料Ｎｏ．１０〜１２は、図６（ｄ）に示す構造において狭窄部の個数を変えたものあり、狭窄部を４個から１０個に増やすことで、流路抵抗を大きくできた。３０μｍ間隔で狭窄部で設けることにより流路抵抗が大きくなることが確認できた。

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・・・開口
６・・・個別供給流路
８・・・液体吐出孔
９・・・液体加圧室群
１０・・・液体加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体加圧室列
１２・・・しぼり
１２ａ・・・しぼりの液体加圧室側の開口
１２ｂ・・・しぼりのマニホールド側の開口
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータユニット
２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３６・・・接続電極
５０・・・変位素子（加圧部）

Claims (6)

1. 平板状のプレートを積層して構成されている、複数の液体吐出孔と、該複数の液体吐出孔にそれぞれ繋がっている複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室に複数のしぼりを介してそれぞれ繋がっているマニホールドとを有する流路部材、および前記液体加圧室の体積をそれぞれ変化させる複数の加圧部を有する液体吐出ヘッドであって、前記しぼりは、１つの前記プレートに形成されている孔の壁面と当該プレートの上下に積層されている他の前記プレートの主面とで構成されているとともに、前記液体加圧室側の開口より前記マニホールド側の開口が狭くなっているか、または狭窄部を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記しぼりは、前記液体加圧室側の開口より前記マニホールド側の開口が狭くなっているとともに途中に狭窄部を有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。
3. 前記しぼりは、前記液体加圧室から前記マニホールドに向かって断面積が小さくなっていく部位の長さが、全体の長さの半分より長ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記しぼりの前記マニホールド側の開口面積が、前記液体加圧室側の開口面積の１／３以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記しぼりは、前記しぼりの平均断面積に対して１／３以下の断面積の狭窄部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか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搬送する搬送部と、前記複数の加圧部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。

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