JP5451009B2 - 液体吐出ヘッドおよびそれを用いた印刷装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関し、特に、文字や画像の記録に用いるインクジェット式プリンタに搭載される液体吐出ヘッドに関するものである。

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おり、この種の液体吐出ヘッドには、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ーを備え、ヒーター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、インク滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、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、インク吐出孔よりインク滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

ところで、圧電方式のインクジェットヘッドとして、インクが充填される流路部材に圧電素子を接合し、前記圧電素子に電圧を印加するドライバＩＣ（Integrated Circuit）を実装した基板の熱を、フレームを介してキャリッジに伝導させる放熱板を備えたもの知られている。（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００４−９０４９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、放熱板への熱の伝導が十分でなく、またフレームにも熱が伝わるため、基板あるいはフレームを介して流路部材に熱が伝わり、流路部材中の液体の温度が変わるため、吐出される液滴の量や速度などが変動するという問題があった。

したがって、本発明は、ドライバＩＣからの発熱が流路部材（液体吐出ヘッド本体）に伝わり難い液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、複数の液体吐出孔を備えた一方方向に長い平板状の液体吐出ヘッド本体と、前記複数の液体吐出孔からそれぞれ液滴を吐出するための複数の加圧手
段と、前記複数の加圧手段を駆動する駆動信号を伝達するフレキシブルフラットケーブルと、前記フレキシブルフラットケーブルが接続されており、駆動信号が通る樹脂基板と、前記フレキシブルフラットケーブルに実装されている駆動信号を処理するドライバＩＣと、前記液体吐出ヘッド本体に固定されているフレームと、前記フレームに固定され、前記フレキシブルフラットケーブルおよび前記ドライバＩＣが収納される金属製の筺体とを備えた液体吐出ヘッドであって、前記ドライバＩＣは、前記フレームに設けられた断熱性弾性部材により、前記フレキシブルフラットケーブルを介して押され、前記筺体の内壁面に押し当てられており、前記フレームと前記液体吐出ヘッド本体とは、前記樹脂基板を介して固定されていることを特徴とする。

また、前記フレームは、前記一方方向の端部で前記液体吐出ヘッド本体に固定されていることが好ましい。

またさらに、前記筺体と前記液体吐出ヘッド本体との間には、断熱材が介在していることが好ましい。

本発明の印刷装置は、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前記一方方向に平行でない方向に搬送させる搬送部と、前記液体吐出ヘッドの駆動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、前記フレームに設けられた断熱性弾性部材により、前記フレキシブルフラットケーブルを介して押され、前記筺体の内壁面に押し当てられていることにより、ドライバＩＣの熱が主に筐体に伝わるため、前記液体吐出ヘッド本体に熱が伝わり難く、さらに、前記フレームと前記液体吐出ヘッド本体との間に前記樹脂基板が介在しているため、熱が伝わり難くできる。

また、前記フレームは、前記一方方向の端部で前記液体吐出ヘッド本体に固定されている場合、前記液体吐出ヘッド本体の中央に熱が伝わりにくくできる。

またさらに、前記筺体と前記液体吐出ヘッド本体との間には、断熱材が介在している場合、ドライバＩＣの熱が前記液体吐出ヘッド本体により伝わり難い。

本発明の印刷装置は、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前記一方方向に平行でない方向に搬送させる搬送部と、前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部とを備えることにより、ドライバＩＣの発熱の影響で印刷精度悪くなることが抑制できる。

図１は、本発明の印刷装置の一実施形態である液体吐出ヘッドを含むカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。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、記録媒体である印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１内に固定されている。液体吐出ヘッド２は、図１の紙面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、印刷用紙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、複数枚の印刷用紙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印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙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、印刷用紙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から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラ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、印刷用紙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１３８、１３９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へと送り出された印刷用紙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、印刷用紙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、印刷用紙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、印刷用紙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９および１０参照）。

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（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐの搬送方向に垂直な方向であり、液体吐出ヘッド２の長手方向）に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。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印刷用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド２から印刷用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙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。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙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、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙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、印刷用紙Ｐの搬送方向についてもっと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、搬送経路上の印刷用紙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、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷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。制御部１００から各液体吐出ヘッド２に送られた駆動信号は、さらに各液体吐出ヘッド２に備えられたドライバＩＣにより処理され、液滴が吐出される。

次に本発明の液体吐出ヘッド２について説明する。図２は液体吐出ヘッド２の斜視図である。液体吐出ヘッド２は液体吐出ヘッド本体２００と筐体２０１とを含んでいる。筐体２０１は金属製であり、一部に駆動信号が伝達される信号ケーブルが通る孔２０２が開口している。図２の例では上面の一部に孔２０２が開口しており、孔２０２は制御部１００と繋がる駆動信号が伝達される信号ケーブル（不図示）が通っており、樹脂製のふたなどで塞がれる。液体吐出ヘッド２には液体導入孔２３６が開口しており、液体導入孔２３６から吐出する液体が入れられる。また、ヘッド本体２００の一部にはサイドプレート２１０がねじ留めや接着などにより付けられている。

図３は、図２に示した液体吐出ヘッド２のＸ−Ｘ線断面図である。液体吐出ヘッド本体２００には、流路部材４、分岐流路部材２３０、圧電アクチュエータユニット２１、フレキシブルフラットケーブル（以下、ＦＰＣと略すことがある）２２０、ドライバＩＣ２２２およびサイドプレート２１０が含まれる。液体吐出ヘッド本体２００には、断熱性弾性部材２４２が付けられたフレーム２４０と、コネクタ２３４が実装された基板２３２とが固定されている。各部については後述するが、制御部１００から信号ケーブル（不図示）を介して基板２３２に送られた駆動信号は、コネクタ２３４を介してＦＰＣ２２０に送られる。ＦＰＣ２２０に実装されたドライバＩＣ２２２は、駆動信号を処理し、処理後の駆動信号はＦＰＣ２２０を通じて、後述の加圧手段を備える圧電アクチュエータユニット２１に伝わり、加圧手段により流路部材４内部の液体を加圧することにより、液滴が吐出される。なお、基板２３２は、例えば、吐出信号を複数のドライバＩＣ２２２に分けたり、吐出信号の整流など行なってもよいが、基板２３２を設けず、制御部１００からの信号ケーブルを直接ＦＰＣ２２０に接続するようにしてもよい。ＦＰＣ２２０は可撓性を有する帯状のもので、内部に金属の配線２２４を有し、配線２２４の一部は、ＦＰＣ２２０の表面に露出しており、露出した配線２２４により、コネクタ２３４、ドライバＩＣ２２２および圧電アクチュエータユニット２１と電気的に接続される。

ドライバＩＣ２２２は、上述の駆動信号処理を行なう際に発熱する。この熱が流路部材４に伝わると流路部材４およびその内部の液体の中で温度差が生じる。液体は温度が変わると粘度が変化するため、加圧手段からの加圧が一定であっても、液滴の吐出速度や量が変わってしまう。吐出される液滴の速度や量が変わると、印刷用紙Ｐへの着弾位置がずれたり、着弾後に液滴が広がってできる画素の大きさが変わったりするため、印刷される画像の精度が低くなることがある。しかし、ドライバＩＣ２２２が断熱性弾性部材２４２によりＦＰＣ２２０を介して押されて、金属製の筐体２０１に押し当てられているため、発生した熱は主に筐体２０１に伝わり、さらに筐体２０１全体に速く広がり、外部に放熱されていく。

図４（ａ）は、液体吐出ヘッド本体２００、基板およびフレームの斜視図であり、図２の液体吐出ヘッド２から筐体２０１およびサイドプレート２１０を外し、ＦＰＣ２２０の一端をコネクタ２３４から外して広げた状態にしたものである。図４（ｂ）は、液体吐出ヘッド本体２００および基板２３２の斜視図である図５（ａ）は液体吐出ヘッド本体２００の斜視図である。図５（ｂ）は液体吐出ヘッド本体２００から分岐流路部材２３０を外した状態の斜視図である。

図６は、圧電アクチュエータユニット２１、ＦＰＣ２２０およびドライバＩＣ２２２の底面図である。

４つのドライバＩＣは、２つずつ筐体２０１の異なる面に押し当てられている。これにより、筐体２０１内の熱の分布を平均化できる。筐体２０１の異なる面は対向する面であるのが好ましく、またその対向する面は、筐体２０１の面の中でもっとも広い面であることが好ましい。

フレーム２４０は特定の材質である必要はないが、強度が強い点で金属であることが好ましい。筐体２０１はフレーム２４０に固定され、フレーム２４０は分岐流路部材２３０に固定されており、筐体２０１と分岐流路部材２３０とは直接固定されておらず、これにより筐体２０１から流路部材４に熱が伝わりにくくなっている。固定はねじなどで行なわれるが。筐体２０１とフレーム２４０との間には、ドライバＩＣ２２２、ＦＰＣ２２０および断熱性弾性体２４２があるため、筐体２０１とフレーム２４０とは直接面接触しておらず、このためフレーム２４０を介して筐体２０１の熱が流路部材４に伝わるのが抑制されている。
また、フレーム２４０から流路部材４へ熱が伝わり難いように、分岐流路部材２３０に接続するフレーム２４０は断面積を小さくする方よい。図４（ａ）ではフレーム２４０は環状のクレーム本体と脚部から構成されており、その脚部が分岐流路部材２３０の長辺の端部で接続されているので、好ましい。

また、筐体２０１とサイドプレート２１０とは、筐体２０１の端部で幅が筐体を構成する金属版の厚さの線接触で接触しており、外部からの液体のミストなどの侵入を抑制するとともに、広い面接触でないため、筐体２０１の熱がサイドプレート２１０を介して、流路部材４に伝わることが抑制されている。そして、この断熱性をより高めるために、筐体２０１とサイドプレート２１０との間に断熱材となる樹脂やゴムを介在させてもよい。

分岐流路部材２３０は、液体導入孔２３６に入ってきた液体を、流路部材４の開口５ｂに流すように分岐した流路を含んでいる。分岐流路部材２３０には、これ以外に、液体中のごみを止めるフィルターや、吐出される液体量の変動があった際に、その変動を吸収できるように、樹脂、ゴム、金属の薄板などのダンパーを備えることができる。

また、フレーム２４０を固定する際に、基板２３２を間に入れるようにすれば、基板２３２を固定する工程を減らすことができる。また、基板２３２がＦＲ４などの樹脂基板である場合、断熱する効果もある。

図７は、図２に示された液体吐出ヘッド２のうちの流路部材４および圧電アクチュエータユニット２１の平面図である。図８は、図７の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、液体吐出ヘッド２の一部である。図９は、図８と同じ位置の拡大透視図で、液体吐出孔８の位置が分かりやすいように、一部の流路を省略して描いている。なお、図８および図９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１０は図８のＶ−Ｖ線縦断面図である。

液体吐出ヘッド２は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、複数の加圧手段を備え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は台形形状を有しており、その台形の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の短手方向について部分的にオーバーラップしている。詳細は後述するが、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印刷される領域では、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液体吐出ヘッド２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８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。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、アクチュエータである変位素子５０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つ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の上面における各液体加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は液体加圧室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おり、４つの液体吐出孔群となっている。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。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。

流路部材４の内部には、多数のしぼり１２が形成されている。これらのしぼり１２は、液体加圧室群９と対向する領域内に配置されている。本実施形態のしぼり１２は、水平面に平行な１方向に沿って延在している。しぼり１２の一方の端は、後述の個別供給流路６を介して副マニホールド５ａに繋がっている。また、しぼり１２の他方の端は、液体加圧室１０に繋がっている。

液体吐出ヘッド２に含まれる流路部材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、２６、マニホールドプレート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２２〜３１は、これらの孔が互いに連通して個別流路３２およびマニホールド５を構成するように、位置合わせして積層されている。液体吐出ヘッド２は、図１０に示されているように、液体加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、液体吐出孔８は下面にと、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。

各プレート２２〜３１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）までのプレート２３〜２５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、２６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へと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には液体吐出孔８）までの各プレートに形成されている。第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。

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、図１０に示されるように、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は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極３４およびと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。

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、ＦＰＣ２２０上の別の電極と接続されている。

なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の吐出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、対応する液体吐出孔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および液体吐出孔８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）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１０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孔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ＦＰＣ２２０上のコンタクトおよび配線を介して、個別に制御部１００に電気的に接続されている。

本実施形態における圧電アクチュエータユニット２１においては、個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加すると、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域をもたない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータユニット２１は、上側（つまり、液体加圧室１０とは離れた側）の圧電セラミック層２１ｂを、活性部を含む層とし、かつ下側（つまり、液体加圧室１０に近い側）の圧電セラミック層２１ａ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。

この構成において、電界と分極とが同方向となるように、制御部１００により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは液体加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。

本実施の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、ｂ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、ｂ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吐出信号を個別電極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１０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、階調印刷においては、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。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。

以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。

ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。グリーンシートの一部には、その表面に共通電極３４となる電極ペーストを印刷法等により形成する。また、必要に応じてグリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を充填する。

ついで、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を高濃度酸素雰囲気下で焼成し、その後有機金ペーストを用いて焼成体表面に個別電極３５を印刷して、焼成した後、Ａｇペーストを用いて接続電極３６を印刷し、焼成することにより、圧電アクチュエータユニット２１を作製する。

次に、流路部材４を、圧延法等により得られプレート２２〜３１を接着層を介して積層して作製する。プレート２２〜３１に、マニホールド５、個別供給流路６、液体加圧室１０およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。

これらプレート２２〜３１は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体としてインクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

圧電アクチュエータユニット２１と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、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種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータユニット２１と流路部材４とを加熱接合することができる。

次に圧電アクチュエータユニット２１と制御回路１００とを電気的に接続するために、接続電極３６に銀ペーストを供給し、あらかじめドライバＩＣ２２２を実装したＦＰＣ２２０を載置し、熱を加えて銀ペーストを硬化させて電気的に接続させる。なお、ドライバＩＣ２２２の実装は、ＦＰＣ２２０に半田で電気的にフリップチップ接続した後、半田周囲に保護樹脂を供給して硬化させた。

続いて、分岐流路部材２３０と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、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種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、分岐流路部材２３０と流路部材４とを加熱接合することができる。選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。

続いて、フレーム２４０の所定の位置に断熱性弾性部材２４２を樹脂などで取り付ける。断熱性導電部材２４２としてゴムを取り付けたフレーム２４０と分岐流路部材２３０の間に、あらかじめコネクタ２３４を実装した基板２３２を挟み、ねじでフレーム２４０と分岐流路部材２３０とを接合するとともに、基板２３２を固定した。

さらに、ＦＰＣ２２０をまげて、ＦＰＣ２２０の一端をコネクタ２３４に差し込んで固定する。さらに、サイドプレート２１０を流路部材４にねじで固定する。このようにすることで、サイドプレート２１０により、ＦＰＣ２２０の圧電アクチュエータユニット２１に接続された端部からドライバＩＣ２２２が実装された部分までが平板状になるため、ドライバＩＣ２２２と断熱性弾性部材２４２との位置の細かい調整をしなくても、それらの位置が合う。その後、筐体２０１をはめ、筐体２０１をフレーム２４０にねじで固定して、液体吐出ヘッド２を作製することができる。

図２に示した液体吐出ヘッドを作製した。すなわち、平均粒径が０．５μｍのＰｂＺｒＴｉＯ_３系粉末を、バインダおよび有機溶剤とともに混合して圧電材料のスラリーを調合し、しかる後に、得られたスラリーを用いてロールコータ法で厚み３０μｍのグリーンシートを作製した。

また、Ａｇ−Ｐｄ粉末を、混合比が質量比でＡｇ：Ｐｄ＝７：３となるように配合し、有機粘結剤と溶媒とを所定量混合して導電性ペーストを調製した。

次に、この導電性ペーストを塗布したグリーンシートと電極ペーストを塗布していないグリーンシートとを積層し、熱を加えて圧着して母体積層体を形成し、この母体積層体を切断して積層体を形成し、酸素雰囲気中、１０００℃で２時間保持して焼成を行なって、圧電アクチュエータユニット２１を作製した。

次に、この圧電アクチュエータユニット２１の一方の表面にＡｕを主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷して７５０℃で焼付けを行なって駆動電極３５を形成した。

さらに、Ａｇを主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷して６００℃で焼付けを行なって制御回路１００との電気的に接続される接続電極３６を形成し、圧電アクチュエータユニット２１を完成させた。

次に、Ｆｅ−Ｃｒ系の合金を圧延法により厚さ３０μｍにし、所定寸法に打ち抜いてプレート３１を作製し、裏面から金型による打ち抜きを行ない複数の液体吐出孔８を形成した。

次に、Ｆｅ−Ｃｒ系の合金を圧延法によりプレート状にし、マニホールド５および液体加圧室１０を含む個別流路３２が形成できるようエッチングにより所定形状に加工し、プレート２２〜３０を作製した。プレート２２〜３０を、エポキシ樹脂で接合して流路部材４を作製し、さらにエポキシ系接着剤で圧電アクチュエータユニット２１を接合した。

次に、圧電アクチュエータユニット２１にドライバＩＣ２２２を実装したＦＰＣ２２０を銀ペーストで接合した。

次に、Ｆｅ−Ｃｒ系の合金を圧延法によりプレート状にし、複数のプレートに、積層後に液体導入孔２３６から流路部材４の開口５ｂに繋がるようにエッチングで流路を形成し、複数のプレートをエポキシ樹脂で接合して分岐流路部材２３０を作製した。

次に、分岐流路部材２３０と流路部材４とをエポキシ樹脂で接合した。

次に、所定の位置に断熱性弾性部材２４２を取り付けたフレーム２４０と分岐流路部材２３０とを、間にコネクタ２３４を実装した基板２３２を挟んで、ねじ固定した。

次に、サイドプレート２１０を流路部材４にねじで固定することにより、ドライバＩＣ２２２の位置を断熱性導電部材２４２の位置に合うようにした。その後、ＦＰＣ２２０の一端をコネクタ２３４に固定し、筐体２０１をはめて固定して、液体吐出ヘッド２を得た。

以上のように作製した液体吐出ヘッド（ヘッドＮｏ．１）とヘッドＮｏ．１の構造を一部変更した液体吐出ヘッドとを比較する試験を行なった。試験は、液体吐出ヘッドに２０ｋＨｚの駆動信号で吐出信号を与え、ドライバＩＣの発熱が最大になるように、すなわち吐出可能な液体吐出孔から、液滴の量が最大になる条件で吐出させて印刷を行ない、印刷結果が最も濃いベタになるようにして、液体吐出ヘッドの各部の温度をサーモグラフィーで測定した。また、ドライバＩＣとしてＩＣ内部の温度が測定できるものを使用し、ドライバＩＣ内部の温度も調べた。なお、液体吐出ヘッド内部の温度を測定するため、サイドプレートおよび筐体の一部に孔を開けて試験を行なった。

本発明の一実施例であるヘッドＮｏ．１では、連続して駆動させるとドライバＩＣ内部の温度は５９℃で一定になり、安定して吐出させ続けることができた。周囲温度２５℃に対して、筐体のドライバＩＣの接触している部分の温度は３２℃と低くなっており、金属製の筐体に熱が広がることによりドライバＩＣ付近でも温度上昇は少ない。また、流路部材の側面ではの温度上昇は１℃以下であった。

ヘッドＮｏ．１の構造を一部変更し、４つあるドライバＩＣのうち２つをドライバＩＣの位置を元の位置に対向するの位置の筐体に押し当てられている液体吐出ヘッド（ヘッドＮｏ．２）を作製した。この本発明の他の実施例であるヘッドＮｏ．２では、ドライバＩＣの内部温度は５９℃で安定して吐出を続けることができた。流路部材の温度上昇は１℃以下であったが、ドライバＩＣが４つ押し当てられている筐体側の流路部材の温度とこれと反対側の流路部材の温度を比較すると、ドライバＩＣが４つ押し当てられている筐体側の流路部材の温度が０．３℃高くなっていた。ただし、印刷結果に差は見られなかった。

ヘッドＮｏ．１の構造を一部変更し、導電性弾性部材の厚さを薄くし、全てのドライバＩＣが筐体に押し当てられていない、本発明の範囲外の液体吐出ヘッド（ヘッドＮｏ．３）を作製した。ヘッドＮｏ．３では、吐出を始めるとドライバＩＣの内部の温度が８０℃を超えたため、吐出を続けることができなくなった。

ヘッドＮｏ．１の構造を一部変更し、フレームがフレキシブルフラットケーブルを介してドライバＩＣを筐体に押し当てられる、本発明の範囲外の液体吐出ヘッド（ヘッドＮｏ．４）を作製した。ヘッドＮｏ．４では、ドライバＩＣの内部の温度が５８℃で、安定して吐出を続けることができた。しかし、流路部材の温度は場所により違い、フレームの脚の直下の流路部材では４℃の上昇、フレームの脚の中間の下の流路部材では１℃の上昇であった。このため、印刷結果を比較する、温度上昇の大かった部分の流路部材に対応した
部分の印刷は濃くなっており、印刷むらが見られた。

本発明の一実施形態である液体吐出ヘッドを用いたプリンタを示す概略構成図である。 図１の液体吐出ヘッドの斜視図である。 図２の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線縦断面図である。 （ａ）図２の液体吐出ヘッドの一部である液体吐出ヘッド本体、基板およびフレームの斜視図である。（ｂ）液体吐出ヘッド本体および基板の斜視図である。 （ａ）液体吐出ヘッド本体の斜視図である。（ｂ）図５（ａ）の液体吐出ヘッド本体から分岐流路部材を取り除いたものの斜視図である。 図４（ａ）の液体吐出ヘッドの一部であるフレキシブルフラットケーブルおよびそれに接続されたドライバＩＣおよび圧電アクチュエータの底面図である。 図４（ａ）の液体吐出ヘッド本体の一部である流路部材の平面図である。 図７の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図である。 図７の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 図８のＶ−Ｖ線縦断面図である。

符号の説明

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
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
２００・・・液体吐出ヘッド本体
２０１・・・筐体
２１０・・・サイドプレート
２２０・・・フレキシブルフラットケーブル
２２２・・・ドライバＩＣ
２３０・・・分岐流路部材
２３２・・・基板
２３４・・・コネクタ
２４０・・・フレーム
２４２・・・断熱性弾性部材
２３６・・・液体導入孔

Claims (4)

1. 複数の液体吐出孔を備えた一方方向に長い平板状の液体吐出ヘッド本体と、
   前記複数の液体吐出孔からそれぞれ液滴を吐出するための複数の加圧手段と、
   前記複数の加圧手段を駆動する駆動信号を伝達するフレキシブルフラットケーブルと、
   前記フレキシブルフラットケーブルに実装されている駆動信号を処理するドライバＩＣと、
   前記フレキシブルフラットケーブルが接続されており、駆動信号が通る樹脂基板と、
   前記液体吐出ヘッド本体に固定されているフレームと、
   前記フレームに固定され、前記フレキシブルフラットケーブルおよび前記ドライバＩＣが収納される金属製の筺体とを備えた液体吐出ヘッドであって、
   前記ドライバＩＣは、前記フレームに設けられた断熱性弾性部材により、前記フレキシブルフラットケーブルを介して押され、前記筺体の内壁面に押し当てられており、前記フレームと前記液体吐出ヘッド本体とは、前記樹脂基板を介して固定されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記フレームは、前記一方方向の端部で前記液体吐出ヘッド本体に固定されていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記筺体と前記液体吐出ヘッド本体との間には、断熱材が介在していることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
4. 請求項１〜３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前記一方方向に平行でない方向に搬送させる搬送部と、前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部とを備えることを特徴とする記録装置。

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