JP4595418B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、記録媒体に対してインクを吐出するインクジェットヘッドに関する。

記録用紙等にインクを吐出するインクジェットヘッドとしては、例えば、インクを吐出するノズルとこのノズルに連通する圧力室とを備えた流路ユニットと、圧力室の容積を変化させることにより圧力室に圧力を付加する圧電式のアクチュエータユニットを有するものがある（例えば、特許文献１、２参照）。一般的な圧電式のアクチュエータユニットは、複数の圧力室に跨る圧電シートと、複数の圧力室に夫々対向する位置に設けられた複数の個別電極と、複数の個別電極に圧電シートを介して対向する共通電極とを有する。そして、個別電極に駆動電圧が印加されたときには、その個別電極と共通電極との間に挟まれた圧電シートの部分に対してその厚み方向に電界が作用することにより、この部分の圧電シートが収縮するため、圧力室の容積が変化して圧力室内のインクに圧力が付加される。

ところで、電圧が印加される個別電極には、その個別電極に駆動電圧を供給するための配線が接続される。例えば、特許文献１のインクジェットヘッドにおいては、平面的に配置された複数の上部電極に、配線パターンが形成されたプリント基板の複数の接続端子が夫々接続されている。また、特許文献２のインクジェットヘッドにおいては、圧電性膜の変形領域に配置されて、電圧が印加される複数の駆動電極（上部駆動電極及び下部駆動電極）から夫々配線が延びており、これら複数の配線の端部は、上下の駆動電極に挟まれた圧電性膜が変形する変形領域に隣接する配線領域において所定の一方向に引き出されて、配線基板に接続されている。ここで、駆動電極に電圧が供給されるときに、配線と駆動電極の間に挟まれる圧電性膜に不必要な静電容量が生じてしまうのを防ぐために、配線領域において、圧電性膜の表面に低誘電性膜が設けられており、この低誘電性膜の圧電性膜と反対側の面に複数の配線が夫々形成されている。

特開平１１−３３４０６１号公報（図２（ａ）） 特開平９−１５６０９９号公報

特許文献１に記載のインクジェットヘッドにおいては、平面的に配置された複数の上部電極を覆うようにプリント基板が配置されて、複数の上部電極にプリント基板の複数の接続端子が夫々接続されている。このような構成では、プリント基板に外力が作用したときにプリント基板が上部電極から剥がれやすく、上部電極とプリント基板の間の電気的接続の信頼性は低い。

一方、特許文献２に記載のインクジェットヘッドにおいては、圧力室の数が少なければ、変形領域に配置された複数の駆動電極から夫々延びる複数の配線を配線領域のみに配置することは容易であるが、圧力室の数が多く、特に、複数の圧力室が平面上でマトリクス状に配置される場合には、低誘電性膜が形成されていない変形領域にも一部の配線を配置せざるを得なくなる。このとき、変形領域において、電圧が印加された配線と駆動電極との間に不必要な静電容量が生じる。さらに、この不必要な静電容量に起因して、配線と駆動電極との間の圧電性膜が変形して、この変形により隣接する圧力室に対向する圧電性膜の部分にも変形が生じてしまう現象、いわゆる、クロストークが発生し、ノズルからのインク吐出特性が変化して印字品質が低下してしまう。また、変形領域における配線スペースを確保するために、ある所定の圧力室と対向する領域に別の圧力室に接続された配線を配置すると、この配線に電圧が印加されたときに、前記所定の圧力室に対向する領域の圧電性膜に直接電界が作用してしまうため、この所定の圧力室におけるクロストークの悪影響はさらに大きくなる。

本発明の目的は、不必要な静電容量の発生及びクロストークの発生を抑制可能なインクジェット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及び発明の効果

第１の発明のインクジェットヘッドは、それぞれがノズルに連通した複数の圧力室が形成された流路ユニットと、前記複数の圧力室に跨るように延在した圧電シート、それぞれが前記圧電シート上において各圧力室に対向する位置に配置された複数の個別電極、及び、前記複数の個別電極と共に前記圧電シートを挟む共通電極を含み、前記流路ユニットの一表面に固定されて各圧力室の容積を変化させるアクチュエータユニットと、前記アクチュエータユニットの前記流路ユニットに接する面とは反対側の面において、前記圧力室と対向しない領域から前記圧力室と対向する領域まで連続的に形成され、且つ、誘電率が前記圧電シートよりも小さい誘電膜と、前記誘電膜において前記アクチュエータユニットに接する面とは反対側の面上に形成され、実質的に同じ方向に延在する複数の第１の配線と、それぞれが前記個別電極及びこれに対応する前記第１の配線に接続され、且つ、前記誘電膜に形成されたスルーホール内に前記誘電膜を厚み方向に跨ぐように配置された複数の第２の配線とを備えており、
前記複数の圧力室はマトリクス状に互いに隣接配置され、前記誘電膜の表面の前記圧力室に対向する領域において、この圧力室を横切るように、別の圧力室と対向する前記個別電極に接続された前記第１の配線が配置されるとともに、前記圧電シートを挟んで前記共通電極と対向していることを特徴とするものである。

このインクジェットヘッドにおいては、アクチュエータユニットの複数の個別電極に対して選択的に電圧が印加されたときには、電圧が印加された個別電極と共通電極とに挟まれた圧電シートの部分にその厚み方向の電界が作用して変形する。そして、この圧電シートの変形に伴って圧力室の容積が変化して圧力室内のインクに圧力が付加され、この圧力室に連通するノズルからインクが吐出される。

ここで、アクチュエータユニットの流路ユニットと反対側の面には、その誘電率が圧電シートよりも小さい誘電膜が形成されている。そして、誘電膜のアクチュエータユニットと反対側の面には、複数の個別電極に夫々対応する複数の第１の配線が形成され、個別電極とこれに対応する第１の配線は、誘電膜に形成されたスルーホール内の第２の配線により接続されている。このように、第１の配線と圧電シートとの間に、その誘電率が圧電シートよりも低い誘電膜が介在しているため、第１の配線及び第２の配線を介して個別電極に印加されるときに、第１の配線と共通電極との間に不必要な静電容量が生じるのを極力防止でき、アクチュエータユニットの駆動効率が向上する。さらに、この不必要な静電容量に起因して生じる、第１の配線と共通電極との間の圧電シートの変形も小さくなり、隣接する圧力室に発生するクロストークを抑制することができる。

さらに、誘電膜は、アクチュエータユニットの表面において、圧力室に対向しない領域から圧力室に対向する領域まで連続的に形成されている。従って、圧力室に対向する領域に別の圧力室に接続された第１の配線を配置した場合でも、電圧が印加された第１の配線により圧力室に対向する領域の圧電シートに生じる変形が小さくなるため、この第１の配線が圧力室に対向して配置されたことに起因するクロストークをも抑制することができる。このように、第１の配線を圧力室に対向する領域に配置できるようになると、第１の配線を配置できるスペースが増えて、その配線間隔を広げることができるため、第１の配線を形成することが容易になり、アクチュエータユニットの製造コストを低減できる。また、複数の第１の配線は実質的に同じ方向に延在しているため、複数の第１の配線の端部を同じ方向に引き出して所定の領域に集め、その所定の領域において、フレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）等の配線部材と接続することができるため、第１の配線と配線部材との間の接続が容易になり、その接続の信頼性が向上する。
また、高速印字及び高品質印字を実現するために、複数の圧力室がマトリクス状に互いに隣接して配置されて、従来では、クロストークが発生しやすい場合において、特に本発明を適用することによりクロストークを確実に抑制できる。

第２の発明のインクジェットヘッドは、前記第１の発明において、前記個別電極は、前記圧力室と略相似で且つ前記圧力室よりも小さい平面形状を有し、前記圧電シートに直交する方向から見て、前記個別電極が前記圧力室内に収まるように配置されており、前記誘電膜の表面の前記圧力室に対向する領域であって、前記個別電極には対向しない領域に、前記別の圧力室と対向する前記個別電極に接続された前記第１の配線が配置されていることを特徴とするものである。個別電極に電圧が印加されたときには、この個別電極と共通電極に挟まれた圧電シートの部分が大きく変形するが、この変形の大きな部分と対向する領域に第１の配線が配置されていないため、第１の配線により圧電シートの変形が妨げられるのを極力防止できる。
第３の発明のインクジェットヘッドは、前記第１又は第２の発明において、前記圧力室は、２つの鋭角部及び２つの鈍角部とを有し、前記２つの鋭角部を結ぶ対角線の方向に細長い菱形の平面形状に形成され、前記別の圧力室と対向する前記個別電極に接続された前記第１の配線は、前記菱形の圧力室の前記鈍角部を横切って、前記対角線と平行な方向に延在していることを特徴とするものである。

第４の発明のインクジェットヘッドは、前記第１〜第３の何れかの発明において、前記スルーホールは、前記誘電膜の前記圧力室に対向する領域に形成されていることを特徴とするものである。従って、圧電シートの表面に形成された個別電極とスルーホール内の第２の配線とを接続する圧電シート上の接続部は圧力室に対向する領域内に配置されることになり、圧力室に対向しない領域における圧電シートには直接電界が作用しなくなるので、この部分の圧電シートが変形して隣接する圧力室にクロストークが生じるのを極力防止できる。

第５の発明のインクジェットヘッドは、前記第４の発明において、前記圧力室は、所定の一方向に細長い形状に形成され、前記スルーホールは、前記誘電膜の、少なくとも前記圧力室の長手方向一端部に対向する部分に形成されていることを特徴とするものである。個別電極に電圧が印加されたときには、圧力室の長手方向の端部に対向する圧電シートの部分は変形しにくい。そして、この最も変形しにくい部分にスルーホールが形成されて、この部分に個別電極と第２の配線の接続部が配置されるため、この接続部により圧電シートの変形が妨げられるのを極力防止できる。

第６の発明のインクジェットヘッドは、前記第５の発明において、前記圧力室は、その長手方向両端部に夫々２つの鋭角部を有する四辺形に形成され、前記スルーホールは、前記誘電膜の、少なくとも前記圧力室の何れか一方の鋭角部に対向する部分に形成されていることを特徴とするものである。個別電極に電圧が印加されたときには、圧力室の鋭角部に対向する圧電シートの部分は最も変形しにくい。そして、この最も変形しにくい部分にスルーホールが形成されて、この部分に個別電極と第２の配線の接続部が配置されるため、この接続部により圧電シートの変形が妨げられるのを極力防止できる。

第７の発明のインクジェットヘッドは、前記第１〜第６の何れかの発明において、前記複数の第１の配線の端部が、前記複数の個別電極からなる群の境界線の一部と平行に延在した領域内に存在していることを特徴とするものである。従って、複数の個別電極とフレキシブルプリント配線板等の配線部材とを複数の第１の配線を介して接続する場合に、複数の第１の配線の端部を１つの領域に集めて配線部材と複数の第１の配線を接続することができるため、配線部材がアクチュエータユニットの表面に平面的に配置される形態（例えば、前述の特許文献１参照）と比較して、第１の配線と配線部材の接続が容易になり、この接続の信頼性がさらに向上する。

第８の発明のインクジェットヘッドは、前記第１〜第７の何れかの発明において、前記誘電膜の誘電率が、前記圧電シートの誘電率の１／１００以下であることを特徴とするものである。従って、アクチュエータユニットをより効率よく駆動することができると共に、クロストークをより一層抑制することができる。

第９の発明のインクジェットヘッドは、前記第８の発明において、前記誘電膜が、ガラス又は樹脂からなることを特徴とするものである。絶縁膜が、比較的安価なガラス又は樹脂からなるため、インクジェットヘッドの製造コストを低減できる。

第１０の発明のインクジェットヘッドは、前記第１〜第９の何れかの発明において、前記誘電膜は、前記圧力室に対向する領域において、前記個別電極を露出させる開口を有することを特徴とするものである。これにより、個別電極と対向する圧電シートの部分がより変形しやすくなり、変形効率が向上する。
第１１の発明のインクジェットヘッドは、前記第１の発明において、前記誘電膜の表面の前記個別電極に対向する領域において、この個別電極を横切るように別の個別電極に接続された前記第１の配線が配置され、複数の前記個別電極の間で、個別電極上の前記第１の配線の配置位置及び占有面積が等しくなっていることを特徴とするものである。これにより、吐出特性を揃えることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタ（図示略）に設けられて、搬送されてきた用紙に対してインクを吐出して用紙に記録するものであり、図１、図２に示すように、インクジェットヘッド１は、用紙に対してインクを吐出するための主走査方向に延在した矩形平面形状を有するヘッド本体７０と、ヘッド本体７０の上方に配置され且つヘッド本体７０に供給されるインクの流路である２つのインク溜まり３が形成されたベースブロック７１とを備えている。

ヘッド本体７０は、インク流路が形成された流路ユニット４と、流路ユニット４の上面に接着された複数のアクチュエータユニット２１とを含んでいる。これら流路ユニット４及びアクチュエータユニット２１は共に、複数の薄板を積層して互いに接着させた構成である。また、図２に示すように、アクチュエータユニット２１の端部にはフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）５０が接着され、左右に引き出されている。ベースブロック７１は、例えばステンレスなどの金属材料からなる。ベースブロック７１内のインク溜まり３は、ベースブロック７１の長手方向に沿って形成された略直方体の中空領域である。

ベースブロック７１の下面７３は、開口３ｂの近傍において周囲よりも下方に飛び出している。そして、ベースブロック７１は、下面７３の開口３ｂ近傍部分７３ａにおいてのみ流路ユニット４と接触している。そのため、ベースブロック７１の下面７３の開口３ｂ近傍部分７３ａ以外の領域は、ヘッド本体７０から離隔しており、この離隔部分にアクチュエータユニット２１が配されている。

ベースブロック７１は、ホルダ７２の把持部７２ａの下面に形成された凹部内に接着固定されている。ホルダ７２は、把持部７２ａと、把持部７２ａの上面からこれと直交する方向に所定間隔をなして延出された平板状の一対の突出部７２ｂとを含んでいる。アクチュエータユニット２１に接着された２枚のＦＰＣ５０は、スポンジなどの弾性部材８３を介してホルダ７２の突出部７２ｂ表面に沿うようにそれぞれ配置されている。そして、ホルダ７２の突出部７２ｂ表面に配置されたＦＰＣ５０上にドライバＩＣ８０が設置されている。ＦＰＣ５０は、ドライバＩＣ８０から出力された駆動信号をヘッド本体７０のアクチュエータユニット２１（後に詳述）に伝達するように、両者とハンダ付けによって電気的に接合されている。

ドライバＩＣ８０の外側表面には略直方体形状のヒートシンク８２が密着配置されているため、ドライバＩＣ８０で発生した熱を効率的に散逸させることができる。ドライバＩＣ８０及びヒートシンク８２の上方であって、ＦＰＣ５０の外側には、基板８１が配置されている。ヒートシンク８２の上面と基板８１との間、および、ヒートシンク８２の下面とＦＰＣ５０との間は、それぞれシール部材８４で接着されている。

図３は、図１に示したヘッド本体７０の平面図である。図３において、ベースブロック７１内に形成されたインク溜まり３が仮想的に破線で描かれている。２つのインク溜まり３は、ヘッド本体７０の長手方向に沿って、互いに所定間隔をなして平行に延在している。２つのインク溜まり３はそれぞれ一端に開口３ａを有し、この開口３ａを介してインクタンク（図示せず）に連通することによって、常にインクで満たされている。また、開口３ｂは、ヘッド本体７０の長手方向に沿って各インク溜まり３に多数設けられていて、上述したように各インク溜まり３と流路ユニット４とを結んでいる。多数の開口３ｂは、対となる２つずつがヘッド本体７０の長手方向に沿って近接配置されている。一方のインク溜まり３に連通した開口３ｂの対と、他方のインク溜まり３に連通した開口３ｂの対とは、千鳥状に配置されている。

開口３ｂが配置されていない領域には、開口３ｂの対とは逆のパターンで、台形の平面形状を有する複数のアクチュエータユニット２１が千鳥状に配置されている。各アクチュエータユニット２１の２つの平行対向辺は、ヘッド本体７０の長手方向と平行である。また、ヘッド７０の長手方向から見て、隣接するアクチュエータユニット２１の斜辺がヘッド本体７０の幅方向に部分的に重なっている。また、図３に示すように、左側に配置されたアクチュエータユニットの左端部と、右側に配置されたアクチュエータユニットの右端部には、夫々２枚のＦＰＣ５０が接着されている。

図４は、図３内に描かれた一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。図４に示すように、各インク溜まり３に設けられた開口３ｂは共通インク室であるマニホールド５に連通し、さらに各マニホールド５の先端部は２つに分岐して副マニホールド５ａを形成している。また、平面視において、アクチュエータユニット２１における２つの斜辺側それぞれから、隣接する開口３ｂから分岐した２つの副マニホールド５ａが延出している。つまり、アクチュエータユニット２１の下方には、アクチュエータユニット２１の平行対向辺に沿って互いに離隔した計４つの副マニホールド５ａが延在している。

流路ユニット４の下面は、後述するように、多数のノズル８がマトリクス状に配列されたインク吐出領域となっている。ノズル８は、図面を簡単にするために図４では一部のみが示されているが、実際にはインク吐出領域全体に亙って配列されている。

図５は、図４の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。図４及び図５は、流路ユニット４における多数の圧力室１０がマトリクス状に配置された平面を、インク吐出面に対して垂直な方向から見た状態を示している。各圧力室１０は、角部にアールが施された略菱形の平面形状を有しており、その長い方の対角線は流路ユニット４の幅方向に平行である。各圧力室１０の一端はノズル８に連通しており、他端はアパーチャ１２（図６参照）を介して共通インク室としての副マニホールド５ａに連通している。平面視において各圧力室１０と重なり合う位置には、圧力室１０と相似でこれよりも一回り小さい平面形状を有する個別電極３５がアクチュエータユニット２１上に形成されている。図５においては、図面を簡略にするために、多数の個別電極３５の一部のみが示されている。なお、図４及び図５において、図面を分かりやすくするために、アクチュエータユニット２１内又は流路ユニット４内にあって破線で示されるべき圧力室１０及びアパーチャ１２等は実線で示されている。

図５において、圧力室１０がそれぞれ収容された仮想的な複数の菱形領域１０ｘは、互いに重なり合うことなく各辺を共有するように、配列方向Ａ及び配列方向Ｂの２方向にマトリクス状に隣接配置されている。配列方向Ａは、インクジェットヘッド１の長手方向、すなわち副マニホールド５ａの延在方向であって、菱形領域１０ｘの短い方の対角線と平行である。配列方向Ｂは、配列方向Ａと鈍角θをなす菱形領域１０ｘの一斜辺方向である。圧力室１０は、対向する菱形領域１０ｘと中心位置が共通であって、両者の輪郭線は平面視において互いに離隔している。

配列方向Ａ及び配列方向Ｂの２方向にマトリクス状に隣接配置された圧力室１０は、配列方向Ａに沿って３７．５ｄｐｉに相当する距離Ｒずつ離隔している。また、圧力室１０は、１つのインク吐出領域内において、配列方向Ｂに１８個並べられている。但し、配列方向Ｂの両端にある圧力室はダミーであって、インク吐出に寄与しない。

マトリクス状に配置された複数の圧力室１０は、図５に示す配列方向Ａに沿って、複数の圧力室列を形成している。圧力室列は、図５の紙面垂直方向から見て、副マニホールド５ａとの相対位置に応じて、第１の圧力室列１１ａ、第２の圧力室列１１ｂ、第３の圧力室列１１ｃ、及び、第４の圧力室列１１ｄに分けられる。これら第１〜第４の圧力室列１１ａ〜１１ｄは、アクチュエータユニット２１の上辺から下辺に向けて、１１ｃ→１１ｄ→１１ａ→１１ｂ→１１ｃ→１１ｄ→…→１１ｂという順番で周期的に４個ずつ配置されている。

第１の圧力室列１１ａを構成する圧力室１０ａ及び第２の圧力室列１１ｂを構成する圧力室１０ｂにおいては、ノズル８が図５の紙面下側に偏在しており、ノズル８はそれぞれ対向する菱形領域１０ｘの下端部に位置している。一方、第３の圧力室列１１ｃを構成する圧力室１０ｃ及び第４の圧力室列１１ｄを構成する圧力室１０ｄにおいては、ノズル８が図５の紙面上側に偏在しており、ノズル８はそれぞれ対向する菱形領域１０ｘの上端部に位置している。第１及び第４の圧力室列１１ａ、１１ｄにおいては、圧力室１０ａ、１０ｄの半分以上の領域が、副マニホールド５ａと重なっている。第２及び第３の圧力室列１１ｂ、１１ｃにおいては、圧力室１０ｂ、１０ｃの全領域が、副マニホールド５ａと重なっていない。そのため、いずれの圧力室列に属する圧力室１０についてもこれに連通するノズル８が副マニホールド５ａと重ならないようにしつつ、副マニホールド５ａの幅を可能な限り広くして各圧力室１０にインクを円滑に供給することが可能となっている。

次に、ヘッド本体７０の断面構造について図６を参照して説明する。図６は、図５のVI−VI線における断面図である。図６に示すように、ノズル８は、圧力室１０及びアパーチャ１２を介して副マニホールド５ａと連通している。そして、ヘッド本体７０には、副マニホールド５ａの出口からアパーチャ１２、圧力室１０を経てノズル８に至る個別インク流路３２が圧力室１０ごとに形成されている。

ヘッド本体７０は、アクチュエータユニット２１と、流路ユニット４を構成する、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャプレート２４、サプライプレート２５、マニホールドプレート２６、２７、２８、カバープレート２９及びノズルプレート３０の９枚のプレートが積層した構造を有している。

アクチュエータユニット２１は、互いに積層された４枚の圧電シート４１〜４４（図８参照）を有し、最上層の圧電シートは電界が印加されて活性層となる部分を有する層（以下、単に「活性層を有する層」と記する）であるが、残りの３層の圧電シートは非活性層となっている。キャビティプレート２２は、圧力室１０を形成するほぼ菱形の開口が多数設けられた金属プレートである。ベースプレート２３は、キャビティプレート２２に形成された１つの圧力室１０について、圧力室１０とアパーチャ１２との連絡孔及び圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。アパーチャプレート２４は、キャビティプレート２２の１つの圧力室１０について、２つの孔とその間を結ぶハーフエッチング領域で形成されたアパーチャ１２のほかに圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。サプライプレート２５は、キャビティプレート２２の１つの圧力室１０について、アパーチャ１２と副マニホールド５ａとの連絡孔及び圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。マニホールドプレート２６、２７、２８は、積層時に互いに連結して副マニホールド５ａを構成する孔に加えて、キャビティプレート２２の１つの圧力室１０について、圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。カバープレート２９は、キャビティプレート２２の１つの圧力室１０について、圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。ノズルプレート３０は、キャビティプレート２２の１つの圧力室１０について、ノズル８がそれぞれ設けられたプレートである。

これら９枚のプレートは、図６に示すような個別インク流路３２が形成されるように、互いに位置合わせして積層される。この個別インク流路３２は、副マニホールド５ａからまず上方へ向かい、アパーチャ１２において水平に延在し、それからさらに上方に向かい、圧力室１０において再び水平に延在し、それからアパーチャ１２から離れる方向に斜め下方に向かってから垂直下方にノズル８へと向かうように構成されている。

次に、流路ユニット４における最上層のキャビティプレート２２に積層された、アクチュエータユニット２１の構造について図７、図８を参照して説明する。ここで、図７は、アクチュエータユニット２１の底辺近傍の部分拡大平面図、図８は、図７のVIII-VIII線断面図である。図７、図８に示すように、アクチュエータユニット２１は、複数の圧力室１０に跨って延在した４枚の圧電シート４１〜４４と、それぞれが最上層の圧電シート４１上において各圧力室１０に対向する位置に配置された複数の個別電極３５と、複数の個別電極３５と共に圧電シート４１〜４４を挟む共通電極３４とを有する。

圧電シート４１〜４４は、それぞれ略同じ厚さ（例えば、１５μｍ程度）に形成されており、これら圧電シート４１〜４４は、ヘッド本体７０内の１つのインク吐出領域内に形成された多数の圧力室１０に亙って配置されるように連続した層状の平板（連続平板層）となっている。このように、圧電シート４１〜４４が連続平板層として多数の圧力室１０に跨って配置されることで、例えばスクリーン印刷技術を用いることにより圧電シート４１上に複数の個別電極３５を高密度に配置することが可能となっている。そのため、個別電極３５に対向する位置に形成される圧力室１０をも高密度に配置することが可能となって、高解像度画像の印刷ができるようになる。圧電シート４１〜４４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ものである。

図７に示すように、個別電極３５は、圧力室１０と略相似で且つ圧力室１０よりも１回り小さい菱形の平面形状を有する。そして、各個別電極３５は、最上層の圧電シート４１上において、平面視で圧力室１０内に収まる領域に形成されており、複数の個別電極３５は圧力室１０と同様に圧電シート４１の上面においてマトリクス状に配置されている。また、個別電極３５の厚みは、例えば略１μｍ程度である。

共通電極３４は、最上層の圧電シート４１とその下側の圧電シート４２との間においてシート全面に形成されており、この共通電極３４の厚みは、例えば略２μｍ程度である。この共通電極３４は、図示しない領域において接地されており、すべての圧力室１０に対向する領域において等しくグランド電位に保たれている。
尚、個別電極３５と共通電極３４は、共に、例えばＡｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる。

ところで、本実施形態のインクジェットヘッド１においては、アクチュエータユニット２１の流路ユニット４とは反対側の上面に、複数の個別電極３５に亙って全面的に誘電膜６０が形成されている。この誘電膜６０の誘電率は、圧電シート４１〜４４よりも小さく、さらに、圧電シート４１〜４４の誘電率の１／１００以下の低誘電材料であることが好ましい。本実施の形態では、使用する圧電シートの比誘電率が３５００程度である。そのため、誘電膜６０は比誘電率が数１０程度のものであればよい。この誘電膜６０は、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）によりガラス材料を蒸着させたり、あるいは、フッ素系樹脂を印刷するなど、比較的安価な材料を用いて公知の方法で形成することができる。尚、この誘電膜６０の厚みは、例えば、０．５〜２μｍ程度である。また、菱形形状の圧力室１０の図７における下側の鋭角部に対向する誘電膜６０の部分には、この誘電膜６０を厚さ方向に貫通するスルーホール６０ａが形成されている。

平面視で略菱形形状の各個別電極３５の図７における下側の端部からは配線６１が延びており、この配線６１にはスルーホール６０ａ内において誘電膜６０を厚み方向に跨ぐように配置された配線６２（第２の配線）が接続されている。さらに、各配線６２には、誘電膜６０の上面に形成された配線６３（第１の配線）が接続されている。尚、図７に示すように、誘電膜６０上の複数の配線６３は、圧力室１０と対向する領域であって、個別電極３５とは対向しない領域と部分的に重なって配置されている。また、これら複数の配線６３の端部は、圧力室１０の長い対角線の方向（図７の下方）に引き出され、これら端部にはＦＰＣ５０が接続される複数の接続端子６４が夫々形成されている。これら複数の接続端子６４は、平面視で台形のアクチュエータユニット２１の底辺２１ａ近傍の、底辺２１ａと平行（複数の個別電極３５からなる群の境界線の一部と平行）に延在した領域内に存在しており、図７に示すように、ＦＰＣ５０は、その端部がアクチュエータユニット２１の底辺２１ａに平行な状態で複数の接続端子６４に接続ランド５０ａを介して接続される。そして、各個別電極３５は、配線６１〜６３と、ＦＰＣ５０においてこの個別電極３５に対応して設けられたリード線とを介してドライバＩＣ８０と電気的に接続されている。ノズル８からインクを吐出する際にはドライバＩＣ８０により複数の個別電極３５に対して選択的に電圧が印加される。

このように、個別電極３５に接続された配線６３と圧電シート４１〜４４との間に低誘電材料からなる誘電膜６０が介在しているため、ある個別電極３５及び配線６３に電圧が印加される際に、この配線６３の下側に位置する圧電シート４１〜４４の部分に作用する電界が小さくなる。また、この圧電シート４１〜４４が配線６３に対して作る不必要な静電容量（いわゆる、寄生容量）も小さくなる。

これに対して、誘電膜６０を用いないで、本実施形態のインクジェットヘッド１のように、複数の圧力室１０がマトリクス状に隣接配置されている場合（図５参照）、例えば、配線６３が圧力室１０上に配設されることにより圧力室１０の変形を妨げてしまうのを避けるために、圧力室１０間の領域に配線６３を配設したとしても、この領域内に存在する共通電極３４との電極間距離に応じた電界が生じるため、この両電極に挟まれた領域の圧電シート４１〜４４が変形してしまい、いわゆる、クロストークが生じる。また、配線６３に対して、その配設状態に対応する寄生容量が作られるため、ドライバＩＣ８０からの印加電圧に対して位相や波形の変化が生じてしまう。この変化の程度は、例えば、配線６３の延在距離によって異なるので、各配線６３と接続する圧力室１０毎にインクの吐出特性が異なるという不具合が生じることになる。しかし、前述のように、本実施形態のインクジェットヘッド１では、配線６３と圧電シート４１〜４４に作用する電界が非常に小さくなることから、この配線６３に隣接する圧力室１０に生じるクロストークを抑制することができる。さらに、この配線６３に対して作られる寄生容量も非常に小さいことから、各圧力室１０間の吐出特性も揃う。

さらに、誘電膜６０は、圧力室１０に対向する領域にも形成されているため、圧力室１０に対向する領域に別の圧力室１０に接続された配線６３が配置されていても、この配線６３に電圧が印加されることにより生じる、圧力室１０に対向する領域の圧電シート４１〜４４の変形は小さくなるため、この配線６３が圧力室１０に対向して配置されたことに起因するクロストークをも抑制することができる。そして、このように、圧力室１０に対向する領域にも配線６３を配置できるようになると、配線６３の配線間隔を広くすることが可能になる。

尚、図７に示すように、スルーホール６０ａは、圧力室１０に対向する領域に形成されている。そのため、圧電シート４１〜４４の表面に形成された個別電極３５とスルーホール６０ａ内の配線６２とを接続する、圧電シート４１上の配線６１は圧力室１０に対向する領域内に配置されることになる。また、配線６２の他端に接続された配線６３は誘電膜６０の表面に形成されている。従って、圧力室１０に対向しない領域では、圧電シート４１〜４４が誘電膜６０とともに配線６３と共通電極３４とに挟まれることになり、クロストークの発生や吐出特性のばらつきが極力防止される。一方、配線６１と共通電極３４は、直接圧電シート４１〜４４を挟むことになるが、配線６１が圧力室１０に対向する領域内に配置されているため、インクの吐出に寄与することはあっても、少なくともクロストークを含めてインクの吐出特性を阻害することはほとんどない。

また、誘電膜６０上において複数の配線６３はアクチュエータユニット２１の底辺２１ａ側の領域に引き出され、この領域において複数の配線６３に夫々設けられた複数の接続端子６４とＦＰＣ５０が接続されるため、製造工程において接続作業を容易且つ確実に行うことができ、電気的接続の信頼性が向上する。

さらに、配線６３は、圧力室１０と対向する領域であって、個別電極３５とは対向しない領域と部分的に重なって配置されている。これにより、配線６３の配線スペースが広くなり、配線間隔を広くとることや、高密度配線が可能になる。また、配線６３が配置される圧力室１０の部位は、構造的に圧力室１０の変形にほとんど寄与しない部位でもある。そのため、配線６３が誘電膜６０上に配置されている効果に加えて、その配置形態によっても、クロストークの発生をより効果的に抑制することができる。

次に、圧力室１０内のインクに圧力を付加するときのアクチュエータユニット２１の作用について説明する。アクチュエータユニット２１における圧電シート４１の分極方向はその厚み方向である。つまり、アクチュエータユニット２１は、圧力室１０から最も離れた上側の１枚の圧電シート４１を活性層が存在する層とし、圧力室１０に近い下側の３枚の圧電シート４２〜４４を非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている。従って、個別電極３５を正又は負の所定電位とすると、例えば電界と分極とが同方向であれば圧電シート４１中の電極に挟まれた電界印加部分が活性層として働き、圧電横効果により分極方向と直角方向に縮む。一方、圧電シート４２〜４４は、電界の影響を受けないため自発的には縮まないので、上層の圧電シート４１と下層の圧電シート４２〜４４との間で、分極方向と垂直な方向への歪みに差を生じることとなり、圧電シート４１〜４４全体が非活性側に凸となるように変形しようとする（ユニモルフ変形）。このとき、図８に示したように、圧電シート４１〜４４の下面は圧力室１０を区画するキャビティプレート２２の上面に固定されているので、結果的に圧電シート４１〜４４は圧力室側へ凸になるように変形する。このため、圧力室１０の容積が低下して、インクの圧力が上昇し、ノズル８からインクが吐出される。その後、個別電極３５を共通電極３４と同じ電位に戻すと、圧電シート４１〜４４は元の形状になって圧力室１０の容積が元の容積に戻るので、インクをマニホールド５側から吸い込む。

なお、他の駆動方法として、予め個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にしておき、吐出要求があるごとに個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位とし、その後所定のタイミングにて再び個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にすることもできる。この場合は、個別電極３５と共通電極３４とが同じ電位になるタイミングで、圧電シート４１〜４４が元の形状に戻ることにより、圧力室１０の容積は初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加し、インクがマニホールド５側から圧力室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にしたタイミングで、圧電シート４１〜４４が圧力室１０側へ凸となるように変形し、圧力室１０の容積が減少してインクの圧力が上昇し、圧力室１０に連通するノズル８からインクが吐出される。

ここで、個別電極３５に対して電圧が印加されたときには、この個別電極３５に対向する領域の圧電シート４１〜４４が最も大きく変形するが、前述したように、この領域には配線６３がもうけられていないため、個別電極３５と対向する領域の圧電シート４１〜４４の変形が配線６３により妨げられることがない。また、圧力室１０は、２つの鋭角部を有する細長い菱形形状に形成されており、スルーホール６０ａは、圧力室１０の下側の鋭角部に対向する部分に形成されている。ここで、個別電極３５に電圧が印加されたときには、この圧力室１０の鋭角部に対向する圧電シート４１〜４４の部分は構造的に最も変形しにくい。そのため、この部分に設けられている配線６１や配線６２による圧電シート４１〜４４の変形はほとんど生じない。基本的には、配線６１と配線６２は、電圧の印加により個別電極３５と同様に圧力室１０に対向する圧電シート４１〜４４に変形を生じさせるが、これら配線６１，６２の配設位置は圧電シート４１〜４４が構造的に変形しにくい位置であるため、実際の圧力室１０の変形は、ほとんど個別電極３５が作る電界に依存する。即ち、スルーホール６０ａを圧力室１０と対向する位置に形成することで、クロストークがなく且つ吐出特性が揃ったインクジェットヘッド１となる。

以上説明したインクジェットヘッド１によれば次のような効果が得られる。
個別電極３５に接続された配線６３と圧電シート４１との間に、圧電シート４１〜４４よりも誘電率の低い誘電膜６０が介在しているため、この配線６３を介して個別電極３５に電圧が印加されるときに、配線６３に対して作られる静電容量（寄生容量）や配線６３と共通電極３４との間に生じる不必要な電界を極力小さくすることができるため、アクチュエータユニット２１の駆動効率が向上するし、インクの吐出特性も揃う。また、配線６３と共通電極３４との間の不必要な電界が小さくなることから、圧力室１０と対向しない領域において、配線６３と共通電極３４との間に挟まれた圧電シート４１〜４４の部分の変形が小さくなり、この変形に起因して隣接する圧力室１０に対向する圧電シート４１〜４４の変形も小さくなるため、クロストークを抑制することができ、印字品質を向上させることができる。

さらに、圧力室１０と対向する領域にも誘電膜６０が設けられているため、その圧力室１０と対向する領域に別の圧力室１０に接続された配線６３が配置された場合に生じるクロストークをも抑制することができる。そして、この場合には、配線６３を配置するスペースが広くなり、配線６３の間隔を大きくすることができるため、配線６３の形成が容易になり、アクチュエータユニット２１の製造コストを低減することができる。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同じ構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
１］前記実施形態では、圧力室１０に対向する領域にも配線６３が配置されているが、配線スペースを確保できる場合には、圧力室１０に対向しない桁部にのみ配線６３を配置するようにしてもよい。この場合には、圧力室１０に対向する領域に配線６３が配置されることに起因するクロストークが生じない。

２］前記実施形態のように、個別電極３５と対向する領域に配線６３が配置されない場合には、図９に示すように、個別電極３５と対向する領域の誘電膜６０が除去されて、個別電極３５が露出していてもよい。この場合には、個別電極３５と対向する圧電シート４１〜４４の部分がより変形しやすくなり、変形効率が向上する。また、逆に、図１０に示すように、個別電極３５と対向する領域にも配線６３が部分的に配置されていてもよい。この場合には、配線６３を配置するスペースがさらに広くなり、配線間隔をより大きくすることができる。尚、この場合、個別電極３５上における配線６３の配置状態が圧力室１０毎に異なると、その変形量に違いが生じる心配がある。そのため、吐出特性を揃えるという観点からは、配線６３の個別電極３５上における配置位置や占有面積が均一であることが好ましい。

３］圧力室の形状は、前記実施形態のように菱形形状に限らず、圧力室が、例えば、楕円形状や矩形形状など、種々の平面形状を有する場合でも本発明を適用可能である。

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。 図１のII-II線断面図である。 ヘッド本体の平面図である。 図３の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 図４の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 図５のVI-VI線断面図である。 アクチュエータユニットの部分拡大平面図である。 図７のVIII-VIII線断面図である。 変更形態のアクチュエータユニットの部分拡大平面図である。 別の変更形態のアクチュエータユニットの部分拡大平面図である。

１ インクジェットヘッド
４ 流路ユニット
８ ノズル
１０ 圧力室
２１ アクチュエータユニット
３４ 共通電極
３５ 個別電極
４１〜４４ 圧電シート
６０ 誘電膜
６０ａ スルーホール
６２ 配線（第２の配線）
６３ 配線（第１の配線）

Claims (11)

1. それぞれがノズルに連通した複数の圧力室が形成された流路ユニットと、
   前記複数の圧力室に跨るように延在した圧電シート、それぞれが前記圧電シート上において各圧力室に対向する位置に配置された複数の個別電極、及び、前記複数の個別電極と共に前記圧電シートを挟む共通電極を含み、前記流路ユニットの一表面に固定されて各圧力室の容積を変化させるアクチュエータユニットと、
   前記アクチュエータユニットの前記流路ユニットに接する面とは反対側の面において、前記圧力室と対向しない領域から前記圧力室と対向する領域まで連続的に形成され、且つ、誘電率が前記圧電シートよりも小さい誘電膜と、
   前記誘電膜において前記アクチュエータユニットに接する面とは反対側の面上に形成され、実質的に同じ方向に延在する複数の第１の配線と、
   それぞれが前記個別電極及びこれに対応する前記第１の配線に接続され、且つ、前記誘電膜に形成されたスルーホール内に前記誘電膜を厚み方向に跨ぐように配置された複数の第２の配線とを備えており、
   前記複数の圧力室はマトリクス状に互いに隣接配置され、
   前記誘電膜の表面の前記圧力室に対向する領域において、この圧力室を横切るように、別の圧力室と対向する前記個別電極に接続された前記第１の配線が配置されるとともに、前記圧電シートを挟んで前記共通電極と対向していることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記個別電極は、前記圧力室と略相似で且つ前記圧力室よりも小さい平面形状を有し、前記圧電シートに直交する方向から見て、前記個別電極が前記圧力室内に収まるように配置されており、
   前記誘電膜の表面の前記圧力室に対向する領域であって、前記個別電極には対向しない領域に、前記別の圧力室と対向する前記個別電極に接続された前記第１の配線が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記圧力室は、２つの鋭角部及び２つの鈍角部を有し、前記２つの鋭角部を結ぶ対角線の方向に細長い菱形の平面形状に形成され、
   前記別の圧力室と対向する前記個別電極に接続された前記第１の配線は、前記菱形の圧力室の前記鈍角部を横切って、前記対角線と平行な方向に延在していることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記スルーホールは、前記誘電膜の前記圧力室に対向する領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のインクジェットヘッド。
5. 前記圧力室は、所定の一方向に細長い形状に形成され、
   前記スルーホールは、前記誘電膜の、少なくとも前記圧力室の長手方向一端部に対向する部分に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記圧力室は、その長手方向両端部に夫々２つの鋭角部を有する四辺形に形成され、
   前記スルーホールは、前記誘電膜の、少なくとも前記圧力室の何れか一方の鋭角部に対向する部分に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記複数の第１の配線の端部が、前記複数の個別電極からなる群の境界線の一部と平行に延在した領域内に存在していることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のインクジェットヘッド。
8. 前記誘電膜の誘電率が、前記圧電シートの誘電率の１／１００以下であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のインクジェットヘッド。
9. 前記誘電膜が、ガラス又は樹脂からなることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド。
10. 前記誘電膜は、前記圧力室に対向する領域において、前記個別電極を露出させる開口を有することを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のインクジェットヘッド。
11. 前記誘電膜の表面の前記個別電極に対向する領域において、この個別電極を横切るように別の個別電極に接続された前記第１の配線が配置され、
    複数の前記個別電極の間で、個別電極上の前記第１の配線の配置位置及び占有面積が等しくなっていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。

Images