【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されており、インクを吐出し、被記録媒体上に記録を行うインクジェット記録ヘッドとしても利用されている。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギを与えるエネルギ発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。
【０００４】
インクを吐出させて記録を得るインクジェットヘッドの代表例としては、ピエゾ素子を振動させてインク室の容積を変化させて第１のタイミングでインクの吸引し、第２のタイミングでインクに圧力を加えて液滴として記録用紙に飛翔させるものや、極めて細いノズル形成部材に発熱要素を内蔵させ、熱エネルギによりノズル形成部材に瞬間的に気泡を生じさせ、気泡の膨張力によりインクを吐出させるものなどが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
ピエゾ素子を用いたインクジェットは、電圧変位でインク滴の液滴サイズを可変させることができ、インクに熱を加えることがないためインク選択の幅が広がるという利点がある。そうした中、近年の高速細印字の要求により、高密度ノズル化かつ多ノズル化に伴う精密微細加工と複雑な所望形状が必要とされるようになった。
【０００６】
従来、一般的に作製されていた製造方法、ヘッド構造としては、セラッミクス材料であるグリーンシートを所定の厚みに圧延した振動板と、同じくセラミックス材料であるグリーンシートにパンチングやレーザ加工によって、予め圧力室を形成した圧力室形成部材を用いて焼成するものであり、圧電素子、電極、振動板、圧力室形成部材とを上記の順番で積層し一体に焼成する方法が挙げられる。このような製造方法においてが、例えば、図２７に示すように、下電極２７０４を印刷する際に中央部の肉厚を周辺部よりも厚く印刷しておくことにより、焼成後において圧電素子２７０５が圧力発生室２７０１側にたわまず、圧電素子の収縮力が圧力発生室形成部材の側壁２７０２に作用しない構成、製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、図２８に示すように、複数の溝及び溝を隔てる側壁を有し、分極処理を施した圧電セラミックスプレート２８０２と、セラミックス材料または樹脂材料からなるカバープレート２８０４とにより圧力発生室およびノズル部（２８０４内包）を形成し、各圧力発生室内の対向する側壁面に駆動用電極部を設けて、側壁を振動変位させることによりインク滴を吐出させる構造も開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第３９４６３９８号明細書
【特許文献２】
特開昭５４−１６１９３５号公報
【特許文献３】
特開平０７−６０９６０号公報
【特許文献４】
特開平０６−３４４５５２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２７に示したような構造では、振動板面積により圧電素子面積は制限され、高密度ノズル化に際して、液体吐出に充分な体積変位量を得ることができなくなり限界が生じる。さらには、この液体吐出ヘッドは圧電素子であるセラミックス焼結体を印刷技術で形成するため、ノズル密度を１０００〜２０００ｄｐｉといった程度までの高密度形成することは至極困難である。
【００１０】
また、図２８に示した構造のように、圧力発生室隔壁を圧電素子で一体形成する構造は、一般的な液体吐出ヘッドの構成部材である圧力発生室隔壁を必要とせず、結果ノズル部の構成密度を上げることができ、高密度ノズル化を図るに有利であるが、この液体吐出構造は圧電素子であるセラミックス焼結体を機械加工で作製することにより、記録装置における液体吐出ヘッドに必要とされる程度まで高密度化することは困難である。また圧電素子が圧力発生室隔壁を兼ねているため、隣接するノズルから同時に液滴吐出ができず、さらには隣接する圧力発生室とのクロストークが発生しやすく安定した吐出を行うことが困難である。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、高密度ノズル化に際し、長手方向に対する圧力発生室幅、圧力発生室隔壁幅を小さくしても、高解像度が可能で、長時間にわたり安定した液体吐出を行うことができる素子構成の液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の液体吐出ヘッドは、少なくとも、圧電／電歪素子が表面に形成されている振動板と、基体とにより構成される圧力発生室に供給された液体を、前記圧電／電歪素子に信号を印加することで前記振動板を変形させて前記圧力発生室に圧力を生ぜしめることにより、前記圧力発生室内と連通するノズルから吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
前記振動板の断面形状が、前記振動板を両端部で支持する支持部と、前記各支持部間に位置する、少なくとも１つの屈曲部とを含む複数の屈折部を有し、前記圧電／電歪素子が、前記各屈折部間の前記振動板上に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
上述のとおり構成された本発明の液体吐出ヘッドは、振動板の断面形状が、両端部を支持部で支持され、その間に屈曲部を含む複数の屈折部を有するものとなっており、これら屈折部の間に圧電／電歪素子が配置されている。すなわち、本発明の振動板は、単純な直線形状でなく、折れ曲がった形状となっているので、振動板の、圧電／電歪素子を形成する面積を直線形状のものに比べて広くとることができる。また、振動板に圧電／電歪素子が形成された構成であり、圧電／電歪素子そのものがノズルの隔壁を形成する構成でないため、ノズルを複数形成した場合にもクロストークが発生することがない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本実施形態の液体吐出ヘッドの駆動原理について説明する。
＜駆動説明＞
現在一般的に用いられている吐出法は、圧電振動子の伸縮で発生した圧力を、振動板を通じて圧力発生室内の体積変位に変換し、さらにノズル先端液面のメニスカス制御を行うことでインク滴を吐出させるものである。
【００１５】
ただし上記吐出過程において、発生圧力と体積変位量の関係が液体吐出の条件を満たさなければならない。一般に、ノズルの高密度化を図ると、単位圧力発生室の表面積あたりの圧電振動子面積が滅少し体積変位量も滅少する。
【００１６】
その際、以下の圧電／電歪膜型素子の構造ならば、ノズルの高密度化に際しても液体吐出を行うために充分な体積変位量を得ることができることを説明する。以下の説明における圧電素子が最大の体積変位量を発生させるためには、印可電界方向に対して略垂直方向に変位成分を持つことが望ましい。
【００１７】
以下の各図においては、長さ方向に長手形状を有する圧力室の、幅方向の断面図を示す。もちろん長さ方向の断面図に置き換えて考えることも可能である。なお、以下の説明において、屈折部とは、振動板を両端部で支持する支持部（固定部）および固定部に関与しない屈曲部を含むものとする。また、固定部とは、圧力発生室と振動板との接合部を示すものであるが、直線的な部分のみならず屈折した部分も含んでいるものとする。
【００１８】
さらに、圧電素子特性と振動板特性の相関関係について、条件を場合分けして説明する。ここでは振動板断面図が、三角形状の場合を基にして説明するが、複数の三角形状で成り立つ場合は複数の多角形状に拡張することも可能である。
＜たわみ変位＞
圧電／電歪膜の平均厚みとヤング率の積が、振動板部の平均厚みとヤング率の積よりも、少なくとも充分大きくない場合、圧電素子の伸縮運動が振動板のたわみ運動に変換され、振動板のたわみ変位が観測される。
【００１９】
図１は、単数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図であり、図２はそのたわみ振動図である。
【００２０】
まず図１に示すように、１つの圧力発生室に対して１つの屈曲部１０２がある場合を考える。この場合においては図２に示すように、圧電／電歪素子を駆動すると、振動板１０３は屈曲部１０２と固定部１０１を振動板支持部としてたわむ。その際、１つの線部に注目すると、たわみ変位量としてはＸ1が得られ、体積変位量は断面図における変化面積分を圧力室長さ方向に積分すれば求められる。
【００２１】
ここで屈曲部１０２は固定されているわけではないので、たわみ変位が生じると同時に、ｈ方向にわずかな変位が生じるが、全体の体積変位量としては大きな問題はない。また固定部１０１における各角度θ1とθ1’とは、必ずしも等しい必要はないが、屈曲部１０２位置の変化方向はθ1とθ1’の関係により規定されることになるため、ヘッド構造に対して適宜設定される必要がある。
【００２２】
次に、図３に、複数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図を、図４にそのたわみ振動図をそれぞれ示す。
【００２３】
図３に示すように、１つの圧力発生室に対して、３つの屈曲部３０２、３０３、３０４があり、１つの屈曲部が固定部３０１両端で形成される線部と同一線上にある場合を考える。この場合においては図４に示すように、圧電／電歪素子を駆動した時、上述した場合と同様に、各振動板３０５はたわみ変位を生ずる。その際、１つの線部に注目すると、たわみ変位量としてはＸ1が得られ、体積変位量は断面図における変化面積分を圧力室長さ方向に積分すれば求められる。
【００２４】
ここで屈曲部３０２は固定されているわけではないので、たわみ変位が生じると同時に、ｈ方向にわずかな変位が生じるが、全体の体積変位量としては大きな問題はない。
【００２５】
また振動板のたわみ変位は、１つの三角形内で生じるもので、隣接する三角形に及ぶことはない。そのため、θ1とθ2は異なってもよく、さらには上述した場合と同様に、θ1とθ1’が異なっても問題はない。そしてヘッド構造に合わせて、１つの圧力発生室を構成する多角形の構造、数を適宜設定することができる。
＜伸縮変位＞
次に、圧電素子特性と振動板特性の相関関係が以下の条件を満たす場合について説明する。
【００２６】
図５は、単数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図であり、図６はその伸縮振動図である。
【００２７】
圧電／電歪膜の平均厚みとヤング率の積が、振動板部の平均厚みとヤング率の積よりも、少なくとも１０倍以上大きくなると、圧電素子の伸締運動が振動板のたわみ運動に変換されにくくなり、圧電素子の伸縮運動の変位が主に観測される。
【００２８】
まず図５に示すように、１つの圧力発生室に対して１つの屈曲部がある場合を考える。この場合において図６に示すように、圧電／電歪素子を駆動すると、振動板５０３はたわむことなく、圧電素子の伸縮分だけ各振動板全体は伸縮する。その際、１つの線部に注目すると、伸縮変位量としては長さｌの振動板５０３に対して△ｌが得られ、屈曲部５０２は固定されていないことから、伸縮変位が生じると同時に、ｈ方向にＢ点からＣ点へと変位Ｘ1が生じる。なお、体積変位量は断面図における変化面積分を圧力室長さ方向に積分すれば求められる。またθ1とθ1’とは、必ずしも等しい必要はないが、屈曲部５０２位置の変化方向はθ1とθ1’の関係により規定されることになるため、ヘッド構造に対して適宜設定される必要がある。
【００２９】
次に、図７に、複数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図を、図８にその伸縮振動図をそれぞれ示す。
【００３０】
次に図７に示すように、１つの圧力発生室に対して、３つの屈曲部７０２、７０３、７０４があり、１つの屈曲部が固定部両端で形成される線部と同一線上にある場合を考える。この場合においては図８に示すように、圧電／電歪素子を駆動した時、上述した場合と同様に、圧電素子の伸縮分だけ各振動板全体が伸縮する。ただし、振動板のたわみ変位は、１つの三角形内で生じるもので、隣接する三角形に及ぶことはない。そのため、θ1とθ2は異なってもよく、さらには上述した場合と同様に、θ1とθ1’が異なっても問題はない。また、所望の体積変位量に合わせて、１つの圧力発生室を構成する三角形の構造、数を適宜設定することができる。
【００３１】
以上に説明したような振動変位を実現するには、圧電／電歪膜は三角形の頂点部を除き、辺部にのみ形成されていることを必要条件とする。そして振動板部と駆動素子部の一体構造における降伏応力が、発生する応力以上になるように適宜設計される必要がある。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
本発明においては、振動板の断面形状が、振動板を両端部で支持する支持部と、各支持部間に位置する、少なくとも１つの屈曲部とを含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子が、各屈折部間の振動板上に配置されていることで、ノズルの高密度化を図っても、各圧力発生室の体積変位量、発生圧力が液体吐出条件を充分満たすことができる。
【００３４】
その際の振動板部材は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ2の他、ニッケル、アルミニウムなどの金属や、アルミナ、またポリイミド系の樹脂のような特性の異なる複数の材料により積層された構造であってもよい。
【００３５】
そして、上記振動板を形成する手法としては、例えば、Ｓｉ（１００）単結晶基板のアルカリ溶液における異方性エッチングの形状を用いたり、モールドを基にする手法が挙げられる。Ｓｉ（１００）単結晶基板のアルカリ溶液における異方性エッチングの場合、Ｐ型不純物層を表層に設けてエッチングストップ層とし、そのパターン表面に成膜を行い、Ｓｉ基板を裏からエッチング剥離すれば、三角形状、四角形状のものが得られる。さらに、ｎ型Ｓｉ基板に、Ｐ型不純物であるボロンを高濃度に拡散したものは導電層としても機能する。モールド使用の場合も同様にして、形成パターン表面に直接成膜してモールドの裏からモールドを剥離すればよい。両者とも、大量、安価、高精度に作製できる。
【００３６】
ただし、Ｓｉ（１００）単結晶基板の異方性エッチングはＳｉ（１００）面に対して５４．７°の傾きでＳｉ（１１１）面が形成されるので、異方性エッチングでの作製は圧力発生室のサイズで構成が規定されることになる。モールドを基に振動板を作製する場合はそのような問題はなく、モールド自身に形成された多角形状のパターンでのみ振動板構成は規定される。
【００３７】
その際、圧電／電歪膜の平均厚み×ヤング率の値と、振動板部の平均厚み×ヤング率の値との相関関係において、駆動変位の仕組みが異なるので設計に併せて圧電薄膜部材、圧電薄膜厚さ、振動板部材、振動板厚さ、製造方法を適宜選択することになる。
＜凹、凸、長さ、幅方向、多角形の組み合わせ＞
また、本発明においては、振動変位機構の断面図である図９、図１０に示すように、屈曲部９０２が、固定部９０１両端で形成される線部に対して圧力発生室側９００に位置する構成であってもよい。さらには、図示しないが、屈曲部が、固定部両端で形成される線部に対して圧力発生室側９００および外側９１０の両方に位置するような組み合わせであってもよい。
【００３８】
さらには、振動変位機構は、単位圧力発生室上に、液体吐出ヘッドの設計、構造にあわせて適宜選択して設けることができる。
【００３９】
その例を、図１１、１２、１３、１４に示す。例えば、図１１は、１組の振動板１１０４が単位圧力発生室１１０３の長さ方向１１０２に長手形状を有する構成の液体吐出ヘッドの概略斜視図であるが、これを図１２に示すように、振動板１２０４、１２０４ａが幅方向１２０１に沿って並列に設置した構成とするものであってもよい。また、図１３は、１組の振動板１３０４が単位圧力発生室１３０３の幅方向１３０１に長手形状を有する構成の液体吐出ヘッドの概略斜視図であるが、これを図１４に示すように、振動板１４０４、１４０４ａ、１４０４ｂが長さ方向１４０２に沿って並列に設置した構成とするものであってもよい。
【００４０】
さらに図１５に示すように、振動板１５０４が台形形状であってもよいし、他の多角形と組み合わせて幅方向に沿って並列に設置した構成とするものであってもよい。図１６に、台形形状の振動板１６０４と三角形上の振動板１６０４ａとを組み合わせて幅方向１６０１に沿って並列に設置した構成の一例を示す。
【００４１】
また、図１７に示すような台形形状の振動板１７０４が単位圧力発生室１７０３上に設置された構成であってもよく、さらには、図１８に示すように、台形形状の振動板１８０４と三角形上の振動板１８０４ａとを組み合わせて長さ方向１８０２に沿って並列に設置したものであってもよい。
【００４２】
また、圧力発生源として圧電性膜を成膜するため、構造体の許容する温度範囲内、かつプロセスエ程からみて可能な成膜手段で形成することが重要である。
【００４３】
成膜手段としては、例えばスパッタリング、ＣＶＤ、ゾルゲル、ＥＢ蒸着、レーザアブレーションなどで作製プロセス条件に適応する手段を用いる。用いる圧電体薄膜は、この構造における振動変位を考慮して、印可電界方向に垂直な変位成分を保持する物が望ましい。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、亜鉛酸化物、アルミ窒化物などが挙げられる。電極材料は、例えば、白金、パラジウム、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウムなどが挙げられる。ただし、仕様に適合する物があればこの他でも構わない。
【００４４】
そして、圧力発生室を有する基板表面に対し垂直な隔壁を持つ圧力発生室は、Ｓｉ（１１０）単結晶基板のＫＯＨ溶液による異方性エッチング、もしくはＳｉ単結晶基板をＳＦ6ガスを主成分とするガスを用いてドライエッチングすることにより大量、安価、高精度に作製できる。
【００４５】
ノズル部は、振動板構成内、圧力発生室基板内、もしくは圧力発生室を密閉する基板内に含まれる。
【００４６】
以下に具体的な実施例を示すが、駆動素子、振動板、圧力室、インク供給流路、インクリザーバ、およびノズル等の寸法や形状や材質、駆動条件等は一例であり、設計事項として任意に変更できるものである。
【００４７】
そして本発明の液体吐出ヘッドの駆動は、各圧電／電歪素子を同時、もしくは独立に駆動しても問題ない。
【００４８】
以下実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例の液体吐出ヘッドは、ｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板の異方性エッチングによる形状を用い、このｎ型Ｓｉ基板にｐ不純物であるボロンを高濃度に拡散させた振動板を備えたものであり、振動板のたわみ振動により液体を吐出するものである。
【００４９】
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図１９に示す。図１９に示す液体吐出ヘッド１９２０は、各圧力発生室断面図における振動板１９１１の断面形状が、振動板１９１１を両端部で支持する支持部である固定部１９０９と、各固定部１９０９間に位置する、１つの屈曲部１９０８を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子１９１２が、各屈折部間の振動板１９１１上に配置されているヘッド構造となっている。
【００５０】
以下作製した液体吐出ヘッドについて、構造の一部分を基に説明する。
【００５１】
振動板１９１１の作製方法は、まずｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板の表面に異方性エッチングで頂部に屈曲部１９０８、両端側２箇所に固定部１９０９を有する三角形状を形成し、基板表面に個体拡散源から１×１０19ｃｍ-3以上の高濃度ボロンを、深さ３μｍ程度を目標として拡散し、ボロン拡散層１９０５を作製した。その後、熱酸化膜（０．２μｍ）であるＳｉ酸化膜１９１０を形成し、基板裏側からエッチング剥離を行うことにより振動板１９１１を形成した。この振動板１９１１は、図１９において吐出方向が紙面垂直方向となるノズル部１９０３を有し、導電層としても機能し、圧電膜１９０７および上部電極１９０６からなる圧電素子１９１２が形成されている。圧電膜１９０７としては、Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3膜（厚さ３μｍ）を用いている。
【００５２】
この圧電素子１９１２を含む振動板１９１１と基体１９０１とを、Ａｕ／Ｃｒからなる接合層１９０４により圧着接合することで、圧力発生室１９０２を有する液体吐出ヘッド１９２０を作製した。ノズル部１９０３からの液体吐出方向は方向は上述したように紙面垂直方向である。図１９には、簡単のため１つのノズル部１９０３のみを示しているが、実際は各ノズル部１９０３が複数に連なることで高密度ノズル部を形成している。
【００５３】
本実施例では、上述した液体吐出ヘッド１９２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００５４】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド１９２０の圧電素子１９１２の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００５５】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子１９１２を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状態を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例２）
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図２０に示す。
【００５６】
図２０に示す液体吐出ヘッド２０２０は、各圧力発生室断面図における振動板２０１１の断面形状が、振動板２０１１を両端部で支持する支持部である固定部２０１０と、各固定部２０１０間に位置する、１つの屈曲部２００９を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子２０１２が、各屈折部間の振動板上に配置されているヘッド構造となっている。
【００５７】
実施例１で示した液体吐出ヘッド１９２０はノズル方向が図１９において紙面垂直方向であったのに対し、本実施例の液体吐出ヘッド２０２０は液体の吐出方向が図２０において下方となっている点が異なる。
【００５８】
本実施例の液体吐出ヘッド２０２０の振動板２０１１も実施例１と同じく、まずｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板の表面に異方性エッチングで頂部に屈曲部２００９、両端側２箇所に固定部２０１０を有する三角形状を形成し、基板表面に個体拡散源から１×１０19ｃｍ-3以上の高濃度ボロンを、深さ３μｍ程度を目標として拡散し、ボロン拡散層２００６を作製した。その後、熱酸化膜（０．２μｍ）であるＳｉ酸化膜２００５を形成し、基板裏側からエッチング剥離を行うことにより振動板２０１１を形成した。固定部２０１０と屈曲部２００９との間の振動板２０１１上には、圧電膜２００７および上部電極２００７からなる圧電素子２０１２が形成されている。本実施例においては、圧電素子２０１２は、図２０中左側の固定部２０１０と屈曲部２００９との間、および図２０中右側の固定部２０１０と屈曲部２００９との間の計２箇所に形成されている。この圧電膜２００８としては、Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3膜（厚さ３μｍ）を用いている。
【００５９】
この圧電素子２０１２を含む振動板２０１１と、ノズル部２００１を有する基体２００３を、Ａｕ／Ｃｒからなる接合層２００４により圧着接合し、圧力発生室２００２を有する、液体吐出ヘッド２０２０を作製した。ノズル部２００１からの液体吐出方向は図２０において下方となる矢印Ａである。図２０には、簡単のため１つのノズル部２００１のみを示しているが、実際は各ノズル部が複数に連なることで高密度ノズル部を形成している。
【００６０】
本実施例においても、上述した液体吐出ヘッド２０２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００６１】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド２０２０の圧電素子２０１２の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００６２】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子２０１２を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例３）
本実施例では、半円形が連なった形状の断面を有する振動板を備えた液体吐出ヘッドを作製して液体の吐出の観察を行った。
【００６３】
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図２１に示す。
【００６４】
本実施例の液体吐出ヘッド２１２０は、各圧力発生室断面図における振動板２１０６の断面形状が、振動板２１０６を両端部で支持する支持部である固定部２１２２と、各固定部２１２２間に位置する、２つの屈曲部２１１０、２１１１を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子２１２１が、各屈折部間の振動板２１０６上に配置されているヘッド構造となっている。
【００６５】
図２１に示すように、本実施例の振動板２１０６は、略半円形状の第１〜第３の部分２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃが連なる構成となっている。屈曲部２１１０は、第１の部分２１０６ａと第２の部分２１０６ｂとの間に位置し、また、屈曲部２１１１は、第２の部分２１０６ｂと第３の部分２１０６ｃとの間に位置している。この振動板２１０６は、図２１において第１の部分２１０６ａの左側端部と第３の部分２１０６ｃの右側端部が、基体２１０３上に設けられた隔壁２１０４に、Ａｕ／Ｃｒからなる接合層２１０５により圧着接合されている。また、屈曲部２１１０、２１１１は、固定部２１２２間を結ぶ直線（図２１中の破線）上に位置している。このように、屈曲部が２つ以上存在する時は、少なくとも１つの屈曲部が支持部同士を結ぶ直線上に位置するものであってもよい。また、圧電／電歪素子は、各屈折部間のそれぞれの振動板上に配置されているものであってもよい。
【００６６】
振動板２１０６の第１〜第３の部分２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃの表面にはそれぞれ下部電極２１０７、圧電膜２１０８、上部電極２１０９からなる圧電素子２１２１が設けられている。圧電薄２１０８としては、Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3膜（厚さ３μｍ）膜を用いた。
【００６７】
本実施例においては、ノズル部２１０１は、基体２１０３の第２の部分２１０６ｂの対向する部分に位置し、液体吐出方向は図２１において下方となる矢印Ａとなるように形成されている。圧力発生室２１０２は、振動板２１０６の第１〜第３の部分２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃの内周側、隔壁２１０４、および基体２１０３により構成されている。
【００６８】
本実施例においても、上述した液体吐出ヘッド２１２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００６９】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド２１２０の各圧電素子２１２１の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００７０】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子２１２１を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例４）
本実施例では、圧電素子を有する領域と無い領域が混在する振動板を備えた液体吐出ヘッドを作製して液体の吐出の観察を行った。
【００７１】
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図２２に示す。
【００７２】
本実施例の液体吐出ヘッド２２２０は、各圧力発生室断面図における振動板２２２２の断面形状が、振動板２２２２を両端部で支持する支持部である固定部２２２３と、各固定部２２２３間に位置する、５つの屈曲部２２０８、２２０９、２２１２、２２１３、２２１４を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子２２２１が、各屈折部間の振動板２２２２上に配置されているヘッド構造となっている。
【００７３】
図２２に示すように、本実施例の振動板２２２２は、略三角形状の第１〜第３の部分２２２２ａ、２２２２ｂ、２２２２ｃが連なる構成となっている。屈曲部２２０８は第１の部分２２２２ａの頂部に位置し、屈曲部２２０９は、第１の部分２２２２ａと第２の部分２２２２ｂとの間に位置し、屈曲部２２１２は第２の部分２２２２ｂの頂部に位置し、屈曲部２２１３は第２の部分２２２２ｂと第３の部分２２２２ｃとの間に位置し、また、屈曲部２２１４は第３の部分２２２２ｂの頂部に位置している。また、屈曲部２２０９、２２１３は、固定部２２２３間を結ぶ直線（図２２中の破線）上に位置している。
【００７４】
この振動板２２２２は、図２２において第１の部分２２２２ａの左側端部と第３の部分２２２２ｃの右側端部が、基体２２０２上に設けられた隔壁２２０４に、Ａｕ／Ｃｒからなる接合層２２０５により圧着接合されている。
【００７５】
振動板２２２２の基本構成は、上述した実施例１と同様に、ボロン拡散層２２０７上にＳｉ酸化膜２２０６が形成されてなるものであるが、圧電膜２２１１および上部電極２２１０からなる圧電素子２２２１を備えている領域と備えていない領域を有する。
【００７６】
本実施例では、圧電素子２２２１は、第１の部分２２２２ａの領域２２２２ａ２、第２の部分２２２２ｂの領域２２２２ｂ１および領域２２２２ｂ２、第３の部分２２２２ｃの領域２２２２ｃ１に設けられており、第１の部分２２２２ａの領域２２２２ａ１および第３の部分２２２２ｃの領域２２２２ｃ２には設けられていない構成となっている。また、領域２２２２ｂ１および領域２２２２ｂ２には１つの圧電素子２２２１が設けられており、領域２２２２ａ２および領域２２２２ｃ１には、比較的小さい圧電素子２２２１が２つ設けられた構成となっている。なお、圧電素子をどのように設けるかは、必要に応じて適宜選択すればよい。
【００７７】
本実施例においては、ノズル部２２０１は、基体２２０２の第２の部分２２２２ｂの対向する部分に位置し、液体吐出方向は図２２において下方となる矢印Ａとなるように形成されている。圧力発生室２２０３は、振動板２２２２の第１〜第３の部分２２２２ａ、２２２２ｂ、２２２２ｃの内側、隔壁２２０４、および基体２２０２により構成されている。
【００７８】
本実施例においても、上述した液体吐出ヘッド２２２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００７９】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド２２２０の各圧電素子２２２１の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００８０】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子２２２１を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例５）
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図２３に示す。
【００８１】
図２３に示す液体吐出ヘッド２３２０は、各圧力発生室断面図における振動板２３２２の断面形状が、振動板２３２２を両端部で支持する支持部である固定部２３２３と、各固定部２３２３間に位置する、１つの屈曲部２３０８を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子２３２１が、各屈折部間の振動板２３２２上に配置されているヘッド構造となっている。
【００８２】
振動板２３２２の基本的は構成は、ボロン拡散層２３０５上にＳｉ酸化膜２３０６が形成されてなり、圧力発生室２３０２に対応する領域に圧電膜２３０７および上部電極２３０９からなる圧電素子２３２１が形成されている点では上述した実施例１と同様であるが、振動板２３２２の断面形状が凹型である点が異なる。すなわち、実施例１では、振動板１９１１の、圧電素子１９１２を備えた圧力発生室２３０２に対応する領域が凸形状であったのに対し、本実施例の液体吐出ヘッド２３２０は、振動板２３２２の、圧電素子２３２１を備えた圧力発生室２３０２に対応する領域が凹形状となっている点が異なる。
【００８３】
本実施例においては、ノズル部２３０１は、基体２３０３の振動板２３２２の凹部２３２２ａに部分に位置し、液体吐出方向は図２３において下方となる矢印Ａとなるように形成されている。
【００８４】
本実施例においても、上述した液体吐出ヘッド２３２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００８５】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド２３２０の各圧電素子２３２１の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００８６】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子２３２１を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例６）
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図２４に示す。
【００８７】
図２４に示す液体吐出ヘッド２４２０は、各圧力発生室断面図における振動板２４２２の断面形状が、振動板２４２２を両端部で支持する支持部である固定部２４２２と、各固定部２４２２間に位置する、３つの屈曲部２４０８、２４０９、２４１０を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子２４２１が、各屈折部間の振動板２４２２上に配置されているヘッド構造となっている。
【００８８】
本実施例の液体吐出ヘッド２４２０の振動板２４２２は、その形状が凹凸形状となっている。すなわち、振動板２４２２の第１の部分２４２２ａは、圧力発生室２４０３に対応する領域が凸形状で、第２の部分２４２２ｂは、圧力発生室２４０３に対応する領域が凹形状となっている。
【００８９】
屈曲部２４０８は第１の部分２４２２ａの頂部に位置し、屈曲部２４０９は、第１の部分２４２２ａと第２の部分２４２２ｂとの間に位置し、また、屈曲部２４１０は第２の部分２４２２ｂの頂部に位置している。また、屈曲部２４０９は、固定部２４２３間を結ぶ直線（図２４中の破線）上に位置している。
【００９０】
本実施例においても、上述した液体吐出ヘッド２４２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００９１】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド２４２０の各圧電素子２４２１の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００９２】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子２４２１を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例７）
本実施例の、長さ方向に長手形状を有する圧力室を備えた液体吐出ヘッドの幅方向断面図を図２５に示す。
【００９３】
本実施例の液体吐出ヘッド２５２０は、各圧力発生室断面図における振動板２５０４の断面形状が、振動板２５０４を両端部で支持する支持部である固定部２５２２と、各固定部２５２２間に位置する、３つの屈曲部２５０８、２５０９、２５１０を含む複数の屈折部を有し、圧電／電歪素子である圧電素子２５２１が、各屈折部間の振動板２５０４上に配置されているヘッド構造となっている。
【００９４】
基本的構造は実施例１に示した液体吐出ヘッドと同様であるが、振動変位機構は異なる。すなわち、本実施例の、圧電膜２５０６および上部電極２５０７からなる圧電素子２５２１は、平均厚みとヤング率の積が、振動板２５０４の平均厚みとヤング率の積よりも、少なくとも１０倍以上大きいため、振動板変位が点線に示されるような伸縮変位になるようにしている。また、振動板２５０４の作製方法は、モールドを基にニッケル膜を電界メッキにより形成して、モールドを剥離することで作製している。
【００９５】
図２５に示すように、本実施例の振動板２５０４は、略三角形状の第１および第２の部分２５０４ａ、２５０４ｂが連なる構成となっている。屈曲部２５０８は第１の部分２５０４ａの頂部に位置し、屈曲部２５０９は、第１の部分２５０４ａと第２の部分２５０４ｂとの間に位置し、屈曲部４１２は第２の部分２５０４ｂの頂部に位置するように構成されている。
【００９６】
本実施例においても、上述した構造の液体吐出ヘッド２５２０に駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００９７】
まず、インクリザーバに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、液体吐出ヘッド２５２０の各圧電素子２５２１の駆動条件を、矩形波電圧４０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。
【００９８】
この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電素子２５２１を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、インク滴の吐出を確認できた。
（実施例８）
実施例１〜実施例７に示した液体吐出ヘッドのいずれをも装備可能なインクジェット記録装置の一例の外観斜視図を図２６に示す。なお、図２６においては、代表として実施例１で示した液体吐出ヘッド１９２０を搭載した例を示した。
【００９９】
本体シャーシ２６１２にはガイドシャフト２６０９が取付けられ、キャリッジ２６０８は、矢印Ｂ方向に摺動自在にガイドシャフト２６０９に支持されている。このキャリッジ２６０８は、駆動プーリ２６１３とアイドラプーリ２６１４との間に張設されたタイミングベルト２６１０にキャリッジ２６０８の一部が固定されており、キャリッジモータ２６１１の回転に応じガイドシャフト２６０９に沿って矢印Ｂ方向に往復移動可能である。なお、本実施例において、カートリッジ２６０１はインクを吐出することで記録用紙２６０４に記録を行うものであり、吐出口が図示下向きに形成された液体吐出ヘッド１９２０およびインクタンク２６１５が一体化されている。
【０１００】
カートリッジ２６０１はキャリッジ２６０２に着脱自在に搭載され、このカートリッジ２６０１および液体吐出ヘッド１９２０内の振動板に形成された各圧電／電歪素子を駆動するための電流や信号を送受信するフレキシブルケーブル２６２２を介して不図示の記録制御部と電気的に接続される。
【０１０１】
また、インクジェット記録装置は、液体吐出ヘッド１９２０のインク吐出特性を回復するための回復手段を有するキャップユニット２６０３を有する。キャップユニット２６０３は、液体吐出ヘッド１９２０に対応したキャップ部材２６０６と、ゴム等の部材からなるワイパーブレード２６０７とを具備する。このような構成からなるインクジェット記録装置は、液体吐出ヘッド１９２０を被記録媒体の搬送方向Ａと直行する方向（主走査方向）Ｂにシリアルスキャンさせて、液体吐出ヘッド１９２０のノズル数に対応した幅の記録を行い、一方で非記録時に被記録媒体を記録幅に等しい送り量で間欠的に搬送するものである。
【０１０２】
本実施例の記録装置は高解像度・高速印字が可能で従来と比較して消費電力、高密度化、大面積化、耐久性の向上などが可能となった。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、振動板の断面形状が、両端部を支持部で支持され、その間に屈曲部を含む複数の屈折部を有するものとなっており、これら屈折部の間に圧電／電歪素子が配置されている構成であるため、ノズルの高密度化を図っても、各圧力発生室の体積変位量、発生圧力が液体吐出条件を充分満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における単数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図である。
【図２】図１に示す単数凸型振動板のたわみ振動図である。
【図３】本発明における複数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図である。
【図４】図３に示す複数凸型振動板のたわみ振動図である。
【図５】本発明における単数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図である。
【図６】図５に示す単数凸型振動板の伸縮振動図である。
【図７】本発明における複数凸型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図である。
【図８】図７に示す複数凸型振動板の伸縮振動図である。
【図９】本発明における単数凹型振動板を備えた形式の圧力発生室の概略的な一部断面図である。
【図１０】図９に示す単数凹型振動板の伸縮振動図である。
【図１１】単数凸型三角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１２】複数凸型三角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１３】単数凸型三角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１４】複数凸型三角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１５】単数凸型四角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１６】複数凸型三角形状、四角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１７】単数凸型四角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１８】複数凸型三角形状、四角形状の振動板を有する液体吐出ヘッドの斜視概略図である。
【図１９】本発明の実施例１における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２０】本発明の実施例２における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２１】本発明の実施例３における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２２】本発明の実施例４における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２３】本発明の実施例５における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２４】本発明の実施例６における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２５】本発明の実施例７における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図２６】本発明の液体吐出ヘッドの適用が可能なインクジェット記録装置の一例の斜視図である。
【図２７】従来の液体吐出ヘッドの一例の断面図である。
【図２８】従来の液体吐出ヘッドの他の例の断面図である。
【符号の説明】
１０１、３０１、９０１、１９０９、２０１０ 固定部
１０２、３０２、４１２、５０２、７０２、９０２、１９０８、２００９、２１１０、２１１１、２２０８、２２０９、２２１２、２２１３、２２１４、２３０８、２４０８、２４０９、２４１０、２５０８、２５０９ 屈曲部
１０３、５０３、１１０４、１２０４、１３０４、１４０４、１５０４、１６０４、１６０４ａ、１７０４、１８０４、１８０４ａ、１９１１、２０１１、２１０６、２２２２、２３２２、２４２２、２５０４ 振動板
３０５、１９０４、２００４、２１０５ 接合層
３０４、４０３、５０４、６０３、７０３、１９０１、２００３、２１０３、２２０２、２３０３ 基体
１１０３、１３０３、１７０３ 圧力発生室
１１０２、１４０２、１８０２ 長さ方向
１２０１、１３０１、１６０１ 幅方向
１９０２、２００２、２１０２、２２０３、２３０２、２４０３ 圧力発生室
１９０３、２００１、２１０１、２２０１、２３０１ ノズル部
１９０５、２００６、２２０７、２３０５ ボロン拡散層
１９０６、２００７、２１０９、２２１０、２３０９、２５０７ 上部電極
１９１０、２００５、２２０６、２３０６ 酸化膜
１９１２、２０１２，２１２１，２３２１，２４２１ 圧電素子
１９２０、２０２０、２１２０、２２２０、２３２０、２４２０、２５２０ 液体吐出ヘッド
２１０４、２２０４ 隔壁
２１０６ａ、２２２２ａ、２４２２ａ、２５０４ａ 第１の部分
２１０６ｂ、２２２２ｂ、２４２２ｂ、２５０４ｂ 第２の部分
２１０６ｃ、２２２２ｃ 第３の部分
２１０７ 下部電極
２２２２ａ１、２２２２ａ２、２２２２ｂ１、２２２２ｂ２、２２２２ｃ１、２２２２ｃ２ 領域
２３２２ａ 凹部
２４２１、２１０８、１９０７、２００７、２００８、２１０８、２２１１、２３０７、２５０６ 圧電膜
２６０１ カートリッジ
２６０２ キャリッジ
２６０３ キャップユニット
２６０４ 記録用紙
２６０６ キャップ部材
２６０７ ワイパーブレード
２６０８ キャリッジ
２６０９ ガイドシャフト
２６１１ キャリッジモータ
２６１４ アイドラプーリ
２６１５ インクタンク
２６２２ フレキシブルケーブル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejection head.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, liquid discharge apparatuses have been applied in various fields such as microfabrication, experimental analysis, and image formation, and are also used as ink jet recording heads that discharge ink and perform recording on a recording medium.
[0003]
An ink jet recording method of forming an image by ejecting ink droplets and attaching the ink droplets onto a recording medium has advantages that high-speed recording is possible, recording quality is high, and noise is low. Further, this method has many excellent advantages such as easy recording of a color image, recording on plain paper or the like, and further, easy downsizing of the apparatus. A recording apparatus using such an ink jet recording method generally includes a discharge port for discharging ink as a flying ink droplet, an ink path communicating with the discharge port, and an ink path provided in a part of the ink path. A recording head having an energy generating means for applying ejection energy for ejection to the ink inside.
[0004]
As a typical example of an ink jet head that obtains recording by discharging ink, the volume of an ink chamber is changed by vibrating a piezo element, ink is sucked at a first timing, and pressure is applied to the ink at a second timing. Droplets that fly on recording paper as droplets, or those that incorporate heat-generating elements in extremely thin nozzle forming members, instantaneously generate bubbles in the nozzle forming members by thermal energy, and eject ink by the expansion force of the bubbles. (For example, see Patent Documents 1 and 2).
[0005]
Ink jets using piezo elements have the advantage that the size of ink droplets can be varied by voltage displacement, and there is no need to apply heat to the ink, thereby expanding the range of ink selection. Under these circumstances, recent demands for high-speed fine printing have necessitated precision fine processing and complicated desired shapes accompanying the increase in the number of nozzles and the number of nozzles.
[0006]
Conventionally, the manufacturing method and head structure generally manufactured include a diaphragm obtained by rolling a green sheet, which is a ceramics material, to a predetermined thickness, and a green sheet, which is also a ceramic material, which is previously pressurized by punching or laser processing. The firing is performed using a pressure chamber forming member in which a chamber is formed, and a method in which a piezoelectric element, an electrode, a diaphragm, and a pressure chamber forming member are stacked in the above order and integrally fired is used. In such a manufacturing method, for example, as shown in FIG. 27, when printing the lower electrode 2704, the thickness of the central portion is printed thicker than the peripheral portion, so that the piezoelectric element 2705 is fired after firing. There is disclosed a configuration and a manufacturing method in which the contraction force of the piezoelectric element does not act on the side wall 2702 of the pressure generating chamber forming member without bending to the pressure generating chamber 2701 side (for example, see Patent Document 3).
[0007]
Further, as shown in FIG. 28, a pressure generation chamber and a nozzle portion are formed by a piezoelectric ceramic plate 2802 having a plurality of grooves and side walls separating the grooves and having been subjected to a polarization treatment, and a cover plate 2804 made of a ceramic material or a resin material. (2804 inclusions), drive electrodes are provided on opposing side walls in each pressure generating chamber, and ink droplets are ejected by vibrating the side walls (for example, Patent Document 4). reference).
[0008]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 3,946,398
[Patent Document 2]
JP-A-54-161935
[Patent Document 3]
JP-A-07-60960
[Patent Document 4]
JP-A-06-344552
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the structure as shown in FIG. 27, the area of the piezoelectric element is limited by the area of the vibration plate, and when a high-density nozzle is used, a sufficient amount of volume displacement for liquid ejection cannot be obtained, which is limited. Furthermore, since this liquid discharge head is formed by printing a ceramic sintered body, which is a piezoelectric element, it is extremely difficult to form a nozzle with a high density of about 1000 to 2000 dpi.
[0010]
In addition, as in the structure shown in FIG. 28, the structure in which the pressure generating chamber partition is formed integrally with the piezoelectric element does not require the pressure generating chamber partition, which is a constituent member of a general liquid discharge head, and as a result, the Although the composition density can be increased, which is advantageous for achieving high-density nozzles, this liquid ejection structure is necessary for a liquid ejection head in a recording device by manufacturing a ceramic sintered body that is a piezoelectric element by machining. It is difficult to increase the density to the extent described. In addition, since the piezoelectric element also serves as a partition wall for the pressure generating chamber, droplets cannot be discharged from adjacent nozzles at the same time, and crosstalk with the adjacent pressure generating chamber is likely to occur, making it difficult to perform stable discharge. is there.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and when a high-density nozzle is used, even if the width of the pressure generation chamber in the longitudinal direction and the width of the pressure generation chamber partition are reduced, high resolution is possible and stable for a long time. It is an object of the present invention to provide a liquid discharge head having an element configuration capable of performing the above-described liquid discharge.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a liquid discharge head according to the present invention is characterized in that a liquid supplied to a pressure generating chamber composed of at least a vibration plate having a piezoelectric / electrostrictive element formed on a surface thereof and a base is provided by the piezoelectric discharge head. A liquid ejection head ejecting from a nozzle communicating with the pressure generation chamber by applying a signal to the electrostrictive element to deform the diaphragm to generate pressure in the pressure generation chamber;
A cross-sectional shape of the vibration plate having a plurality of bending portions including a support portion supporting the vibration plate at both ends and at least one bent portion located between the support portions; A distortion element is arranged on the diaphragm between the refraction portions.
[0013]
In the liquid ejection head of the present invention configured as described above, the cross-sectional shape of the diaphragm is such that both end portions are supported by the support portions and a plurality of refraction portions including a bent portion are provided therebetween. A piezoelectric / electrostrictive element is arranged between the portions. That is, since the diaphragm of the present invention has a bent shape instead of a simple linear shape, the area for forming the piezoelectric / electrostrictive element of the diaphragm can be made wider than that of the linear shape. it can. In addition, since the piezoelectric / electrostrictive element is formed on the vibration plate and the piezoelectric / electrostrictive element itself does not form a partition wall of the nozzle, crosstalk may occur even when a plurality of nozzles are formed. Absent.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the driving principle of the liquid ejection head of the present embodiment will be described.
<Drive explanation>
Currently, the discharge method generally used is to convert the pressure generated by the expansion and contraction of the piezoelectric vibrator into volume displacement in the pressure generating chamber through the vibration plate, and further perform meniscus control of the liquid level at the nozzle tip to form ink droplets. Is discharged.
[0015]
However, in the above discharge process, the relationship between the generated pressure and the volume displacement must satisfy the conditions for liquid discharge. Generally, when the density of the nozzle is increased, the area of the piezoelectric vibrator per unit surface area of the unit pressure generation chamber is reduced and the volume displacement is also reduced.
[0016]
At this time, it will be described that the following piezoelectric / electrostrictive film element structure can provide a sufficient volume displacement amount for performing liquid ejection even when the nozzles are increased in density. In order for the piezoelectric element to generate the maximum volume displacement in the following description, it is desirable that the piezoelectric element has a displacement component substantially perpendicular to the direction of the applied electric field.
[0017]
In the following drawings, a cross-sectional view in the width direction of a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction is shown. Of course, it is also possible to consider it by replacing it with a sectional view in the length direction. In the following description, the bending portion includes a supporting portion (fixing portion) that supports the diaphragm at both ends and a bent portion that is not involved in the fixing portion. In addition, the fixing portion indicates a joining portion between the pressure generating chamber and the diaphragm, and includes not only a linear portion but also a bent portion.
[0018]
Further, the correlation between the piezoelectric element characteristics and the vibration plate characteristics will be described for each condition. Here, the description will be made based on the case where the diaphragm cross-section is triangular, but when the diaphragm is formed of a plurality of triangles, it can be expanded to a plurality of polygons.
<Deflection displacement>
When the product of the average thickness of the piezoelectric / electrostrictive film and the Young's modulus is at least not sufficiently larger than the product of the average thickness of the diaphragm and the Young's modulus, the expansion and contraction motion of the piezoelectric element is converted into the bending motion of the diaphragm, The deflection displacement of the diaphragm is observed.
[0019]
FIG. 1 is a schematic partial sectional view of a pressure generating chamber provided with a single convex diaphragm, and FIG. 2 is a flexural vibration diagram thereof.
[0020]
First, as shown in FIG. 1, let us consider a case where there is one bending portion 102 for one pressure generating chamber. In this case, as shown in FIG. 2, when the piezoelectric / electrostrictive element is driven, the diaphragm 103 bends the bent portion 102 and the fixed portion 101 as a diaphragm supporting portion. At that time, paying attention to one line portion, the deflection displacement amount is X 1 The volume displacement can be obtained by integrating the area of change in the sectional view in the length direction of the pressure chamber.
[0021]
Here, since the bent portion 102 is not fixed, a slight displacement occurs in the h direction at the same time as the bending displacement occurs, but there is no significant problem as the whole volume displacement amount. Further, each angle θ in the fixed portion 101 1 And θ 1 'Does not necessarily have to be equal, but the direction of change in the position of the bent portion 102 is θ. 1 And θ 1 Therefore, it is necessary to appropriately set the head structure.
[0022]
Next, FIG. 3 shows a schematic partial cross-sectional view of a pressure generating chamber having a plurality of convex diaphragms, and FIG. 4 shows a flexural vibration diagram thereof.
[0023]
As shown in FIG. 3, a case where three bending portions 302, 303, 304 are provided for one pressure generating chamber and one bending portion is on the same line as a line portion formed at both ends of the fixed portion 301. Think. In this case, as shown in FIG. 4, when the piezoelectric / electrostrictive element is driven, each of the vibration plates 305 undergoes a bending displacement as in the case described above. At this time, paying attention to one line portion, the deflection displacement amount is X 1 The volume displacement can be obtained by integrating the area of change in the sectional view in the length direction of the pressure chamber.
[0024]
Here, since the bent portion 302 is not fixed, a slight displacement occurs in the h direction at the same time as the bending displacement occurs, but there is no significant problem as the whole volume displacement amount.
[0025]
Further, the deflection displacement of the diaphragm occurs within one triangle and does not extend to adjacent triangles. Therefore, θ 1 And θ Two May be different, and as in the case described above, θ 1 And θ 1 There is no problem if 'is different. Then, the structure and the number of polygons constituting one pressure generating chamber can be appropriately set according to the head structure.
<Elongation displacement>
Next, a case where the correlation between the piezoelectric element characteristic and the diaphragm characteristic satisfies the following condition will be described.
[0026]
FIG. 5 is a schematic partial sectional view of a pressure generating chamber provided with a single convex diaphragm, and FIG. 6 is an expansion and contraction vibration diagram thereof.
[0027]
When the product of the average thickness of the piezoelectric / electrostrictive film and the Young's modulus is at least 10 times larger than the product of the average thickness of the diaphragm and the Young's modulus, the stretching motion of the piezoelectric element is converted into the flexing motion of the diaphragm. And the displacement of the expansion and contraction movement of the piezoelectric element is mainly observed.
[0028]
First, as shown in FIG. 5, consider a case where one pressure generating chamber has one bent portion. In this case, as shown in FIG. 6, when the piezoelectric / electrostrictive element is driven, the entire vibration plate expands and contracts by the amount of expansion and contraction of the piezoelectric element without bending the vibration plate 503. At that time, paying attention to one line portion, Δl is obtained as the amount of expansion / contraction for the vibration plate 503 having a length of l, and since the bent portion 502 is not fixed, Displacement X from point B to point C in h direction 1 Occurs. The volume displacement can be obtained by integrating the change area in the sectional view in the length direction of the pressure chamber. Also θ 1 And θ 1 'Does not necessarily have to be equal, but the direction of change in the position of the bent portion 502 is θ. 1 And θ 1 Therefore, it is necessary to appropriately set the head structure.
[0029]
Next, FIG. 7 shows a schematic partial cross-sectional view of a pressure generating chamber provided with a plurality of convex vibration plates, and FIG.
[0030]
Next, as shown in FIG. 7, a case where three bending portions 702, 703, and 704 are provided for one pressure generating chamber and one bending portion is on the same line as a line portion formed at both ends of the fixed portion. think of. In this case, as shown in FIG. 8, when the piezoelectric / electrostrictive element is driven, the entire diaphragm expands and contracts by the amount of expansion and contraction of the piezoelectric element, as in the case described above. However, the deflection displacement of the diaphragm occurs within one triangle and does not extend to adjacent triangles. Therefore, θ 1 And θ Two May be different, and as in the case described above, θ 1 And θ 1 There is no problem if 'is different. Further, the triangular structure and number of one pressure generating chamber can be appropriately set according to the desired volume displacement.
[0031]
In order to realize the above-described vibration displacement, it is a necessary condition that the piezoelectric / electrostrictive film is formed only on the side except for the apex of the triangle. Further, it is necessary to appropriately design the yield stress in the integrated structure of the vibration plate portion and the drive element portion to be equal to or more than the generated stress.
[0032]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0033]
In the present invention, the cross-sectional shape of the diaphragm has a plurality of bending portions including a supporting portion that supports the diaphragm at both ends and at least one bent portion located between the supporting portions. Since the electrostrictive elements are arranged on the diaphragm between the refraction parts, the volume displacement of each pressure generating chamber and the generated pressure sufficiently satisfy the liquid discharge conditions even if the nozzle density is increased. Can be.
[0034]
The diaphragm member at that time is made of, for example, Si, SiO Two In addition, a structure in which a plurality of materials having different characteristics such as a metal such as nickel and aluminum, alumina, and a polyimide-based resin may be stacked.
[0035]
As a method of forming the diaphragm, for example, a method using anisotropic etching in an alkaline solution of a Si (100) single crystal substrate or a method based on a mold can be used. In the case of anisotropic etching of an Si (100) single crystal substrate in an alkaline solution, a P-type impurity layer is provided as a surface layer to serve as an etching stop layer, a film is formed on the pattern surface, and the Si substrate is etched away from the back. , Triangular and square shapes are obtained. Furthermore, an n-type Si substrate in which boron as a P-type impurity is diffused at a high concentration also functions as a conductive layer. Similarly, in the case of using a mold, a film may be formed directly on the surface of the formed pattern and the mold may be peeled from the back of the mold. Both can be manufactured in large quantities, at low cost, and with high precision.
[0036]
However, the anisotropic etching of the Si (100) single crystal substrate forms the Si (111) plane at an inclination of 54.7 ° with respect to the Si (100) plane. The configuration is determined by the size of the generation chamber. When the diaphragm is manufactured based on the mold, there is no such problem, and the diaphragm configuration is defined only by the polygonal pattern formed on the mold itself.
[0037]
At that time, in the correlation between the value of the average thickness of the piezoelectric / electrostrictive film × Young's modulus and the value of the average thickness of the vibrating plate × the value of the Young's modulus, the mechanism of the drive displacement is different. The thickness of the piezoelectric thin film, the diaphragm member, the thickness of the diaphragm, and the manufacturing method are appropriately selected.
<Combination of concave, convex, length, width direction, polygon>
In the present invention, as shown in FIGS. 9 and 10 which are cross-sectional views of the vibration displacement mechanism, the bent portion 902 is located on the pressure generating chamber side 900 with respect to the line formed at both ends of the fixed portion 901. The configuration may be as follows. Further, although not shown, a combination in which the bent portion is located on both the pressure generating chamber side 900 and the outside 910 with respect to the line portion formed at both ends of the fixed portion may be used.
[0038]
Further, the vibration displacement mechanism can be appropriately selected and provided on the unit pressure generating chamber according to the design and structure of the liquid discharge head.
[0039]
Examples are shown in FIGS. For example, FIG. 11 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a configuration in which one set of vibration plates 1104 has a longitudinal shape in the longitudinal direction 1102 of the unit pressure generation chamber 1103. As shown in FIG. Vibration plates 1204 and 1204a may be arranged in parallel along width direction 1201. FIG. 13 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a configuration in which one set of vibration plates 1304 has a longitudinal shape in the width direction 1301 of the unit pressure generation chamber 1303. As shown in FIG. The plate 1404, 1404a, and 1404b may be configured to be installed in parallel along the length direction 1402.
[0040]
Further, as shown in FIG. 15, the diaphragm 1504 may have a trapezoidal shape, or may have a configuration in which the diaphragm 1504 is installed in parallel along the width direction in combination with another polygon. FIG. 16 shows an example of a configuration in which a trapezoidal diaphragm 1604 and a triangular diaphragm 1604a are combined and installed in parallel along the width direction 1601.
[0041]
Further, a trapezoidal diaphragm 1704 as shown in FIG. 17 may be provided on the unit pressure generating chamber 1703. Further, as shown in FIG. The upper diaphragm 1804a may be combined and installed in parallel along the length direction 1802.
[0042]
Further, since a piezoelectric film is formed as a pressure source, it is important to form the piezoelectric film within a temperature range permitted by the structure and by a film forming means that is possible from the viewpoint of the process.
[0043]
As the film forming means, means adapted to the manufacturing process conditions by, for example, sputtering, CVD, sol-gel, EB vapor deposition, laser ablation, or the like is used. The piezoelectric thin film used preferably retains a displacement component perpendicular to the applied electric field direction in consideration of the vibration displacement in this structure. Examples include lead zirconate titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimonate stannate, lead titanate, zinc oxide, aluminum nitride and the like. Examples of the electrode material include platinum, palladium, silver-palladium, silver-platinum, and platinum-palladium. However, if there is something that conforms to the specifications, it may be other.
[0044]
The pressure generation chamber having a partition wall perpendicular to the substrate surface having the pressure generation chamber is anisotropically etched with a KOH solution of a Si (110) single crystal substrate or SF 6 By dry-etching using a gas containing a gas as a main component, a large amount, inexpensive, and highly accurate manufacturing can be performed.
[0045]
The nozzle portion is included in the configuration of the diaphragm, in the substrate of the pressure generating chamber, or in the substrate that seals the pressure generating chamber.
[0046]
Specific examples will be described below, but dimensions, shapes, materials, driving conditions, and the like of the driving element, the diaphragm, the pressure chamber, the ink supply channel, the ink reservoir, the nozzle, and the like are merely examples, and any design items may be used. It can be changed to
[0047]
In driving the liquid discharge head of the present invention, there is no problem even if each piezoelectric / electrostrictive element is driven simultaneously or independently.
[0048]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
(Example 1)
The liquid ejection head of this embodiment uses a shape obtained by anisotropic etching of an n-type Si (100) single crystal substrate, and includes a vibrating plate in which boron, which is a p-impurity, is diffused at a high concentration in the n-type Si substrate. The liquid is discharged by flexural vibration of the diaphragm.
[0049]
FIG. 19 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid ejection head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment. In the liquid ejection head 1920 shown in FIG. 19, the cross-sectional shape of the diaphragm 1911 in each pressure generating chamber cross-sectional view is a position between the fixing portion 1909 which is a supporting portion that supports the diaphragm 1911 at both ends and the fixing portion 1909. The head structure has a plurality of bending portions including one bent portion 1908, and a piezoelectric element 1912, which is a piezoelectric / electrostrictive element, is arranged on a diaphragm 1911 between the bending portions.
[0050]
Hereinafter, the manufactured liquid discharge head will be described based on a part of the structure.
[0051]
The method of manufacturing the vibration plate 1911 is as follows. First, a triangular shape having a bent portion 1908 at the top and fixed portions 1909 at two positions on both ends is formed on the surface of an n-type Si (100) single crystal substrate by anisotropic etching. 1 × 10 19 cm -3 The above-mentioned high-concentration boron was diffused with a target of about 3 μm in depth, and a boron diffusion layer 1905 was produced. After that, a silicon oxide film 1910, which is a thermal oxide film (0.2 μm), was formed, and the diaphragm 1911 was formed by performing etching stripping from the back side of the substrate. This vibration plate 1911 has a nozzle portion 1903 whose ejection direction is perpendicular to the paper surface in FIG. 19, also functions as a conductive layer, and is formed with a piezoelectric element 1912 composed of a piezoelectric film 1907 and an upper electrode 1906. As the piezoelectric film 1907, Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O Three A film (thickness: 3 μm) is used.
[0052]
The liquid discharge head 1920 having the pressure generating chamber 1902 was manufactured by pressure-bonding the vibration plate 1911 including the piezoelectric element 1912 and the base 1901 with the bonding layer 1904 made of Au / Cr. The direction in which the liquid is ejected from the nozzle portion 1903 is the direction perpendicular to the paper surface as described above. FIG. 19 shows only one nozzle portion 1903 for simplicity, but in actuality, a high-density nozzle portion is formed by connecting a plurality of nozzle portions 1903.
[0053]
In this embodiment, a drive waveform is applied to the above-described liquid discharge head 1920 to discharge liquid.
[0054]
First, the discharge liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of the piezoelectric element 1912 of the liquid discharge head 1920 are changed to a rectangular pulse having a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. Ink was ejected from the ejection port.
[0055]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulse light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric element 1912 and after a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 2)
FIG. 20 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid ejection head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment.
[0056]
In the liquid discharge head 2020 shown in FIG. 20, the cross-sectional shape of the diaphragm 2011 in each pressure generating chamber cross-sectional view is such that the cross-sectional shape is between the fixed portion 2010 which is a support portion that supports the diaphragm 2011 at both ends and the fixed portion 2010. The head structure has a plurality of bending portions including one bent portion 2009, and a piezoelectric element 2012 which is a piezoelectric / electrostrictive element is arranged on a diaphragm between the bending portions.
[0057]
The liquid ejection head 1920 shown in the first embodiment has a nozzle direction perpendicular to the paper surface of FIG. 19, whereas the liquid ejection head 2020 of the present embodiment has a liquid ejection direction downward in FIG. Are different.
[0058]
As in the first embodiment, the diaphragm 2011 of the liquid discharge head 2020 of the present embodiment also has a bent portion 2009 at the top by anisotropic etching on the surface of the n-type Si (100) single crystal substrate and fixed portions at two places on both ends. A triangular shape having 2010 is formed, and 1 × 10 19 cm -3 The above-described high-concentration boron was diffused with a target of about 3 μm in depth, and a boron diffusion layer 2006 was formed. Thereafter, an Si oxide film 2005 which is a thermal oxide film (0.2 μm) was formed, and the diaphragm 2011 was formed by performing etching separation from the back side of the substrate. On the vibration plate 2011 between the fixed portion 2010 and the bent portion 2009, a piezoelectric element 2012 including a piezoelectric film 2007 and an upper electrode 2007 is formed. In this embodiment, the piezoelectric elements 2012 are formed at a total of two places between the fixed part 2010 and the bent part 2009 on the left side in FIG. 20 and between the fixed part 2010 and the bent part 2009 on the right side in FIG. ing. As the piezoelectric film 2008, Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O Three A film (thickness: 3 μm) is used.
[0059]
The vibration plate 2011 including the piezoelectric element 2012 and the base body 2003 having the nozzle portion 2001 were pressure-bonded to each other with a bonding layer 2004 made of Au / Cr, and a liquid ejection head 2020 having a pressure generation chamber 2002 was manufactured. The direction in which the liquid is ejected from the nozzle unit 2001 is indicated by an arrow A that is downward in FIG. FIG. 20 shows only one nozzle portion 2001 for simplicity, but actually, a high-density nozzle portion is formed by connecting a plurality of nozzle portions.
[0060]
Also in the present embodiment, a drive waveform was applied to the above-described liquid discharge head 2020 to discharge liquid.
[0061]
First, the ejection liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of the piezoelectric element 2012 of the liquid ejection head 2020 are changed to a rectangular pulse having a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. Ink was ejected from the ejection port.
[0062]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the discharge state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a driving pulse for driving the piezoelectric element 2012 and after a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 3)
In the present example, a liquid ejection head provided with a diaphragm having a cross section of a series of semicircles was manufactured, and observation of liquid ejection was performed.
[0063]
FIG. 21 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid ejection head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment.
[0064]
In the liquid ejection head 2120 of the present embodiment, the cross-sectional shape of the vibration plate 2106 in each pressure generating chamber cross-sectional view is set between the fixed portion 2122 which is a support portion that supports the vibration plate 2106 at both ends and the fixed portion 2122. The head structure has a plurality of bending portions including two bent portions 2110 and 2111, and a piezoelectric element 2121 which is a piezoelectric / electrostrictive element is disposed on a diaphragm 2106 between the bending portions. I have.
[0065]
As shown in FIG. 21, the diaphragm 2106 of the present embodiment has a configuration in which first to third portions 2106a, 2106b, and 2106c having a substantially semicircular shape are continuous. The bent portion 2110 is located between the first portion 2106a and the second portion 2106b, and the bent portion 2111 is located between the second portion 2106b and the third portion 2106c. In this diaphragm 2106, the left end of the first portion 2106 a and the right end of the third portion 2106 c in FIG. 21 are joined to a partition 2104 provided on the base 2103 by a bonding layer 2105 made of Au / Cr. It is crimped. The bent portions 2110 and 2111 are located on a straight line (broken line in FIG. 21) connecting the fixed portions 2122. As described above, when there are two or more bent portions, at least one bent portion may be located on a straight line connecting the support portions. Further, the piezoelectric / electrostrictive element may be arranged on each of the diaphragms between the refraction portions.
[0066]
A piezoelectric element 2121 including a lower electrode 2107, a piezoelectric film 2108, and an upper electrode 2109 is provided on the surfaces of the first to third portions 2106a, 2106b, and 2106c of the vibration plate 2106, respectively. As the piezoelectric thin film 2108, Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O Three A film (thickness: 3 μm) was used.
[0067]
In the present embodiment, the nozzle portion 2101 is located at a portion facing the second portion 2106b of the base 2103, and is formed such that the liquid ejection direction is the downward arrow A in FIG. The pressure generating chamber 2102 includes inner peripheral sides of the first to third portions 2106 a, 2106 b, and 2106 c of the vibration plate 2106, a partition wall 2104, and a base 2103.
[0068]
Also in the present embodiment, a drive waveform was applied to the above-described liquid discharge head 2120 to discharge liquid.
[0069]
First, the ejection liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of each piezoelectric element 2121 of the liquid ejection head 2120 are changed to a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. An electric signal composed of pulses was used to eject ink from the ejection port.
[0070]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the discharge state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a driving pulse for driving the piezoelectric element 2121 and after a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 4)
In the present example, a liquid ejection head including a vibration plate in which a region having a piezoelectric element and a region having no piezoelectric element were mixed was manufactured, and liquid ejection was observed.
[0071]
FIG. 22 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid ejection head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment.
[0072]
In the liquid ejection head 2220 of the present embodiment, the cross-sectional shape of the diaphragm 2222 in each pressure generating chamber cross-sectional view is such that the diaphragm 2222 is positioned between the fixing portion 2223 which is a supporting portion that supports the diaphragm 2222 at both ends and the fixing portion 2223. A plurality of bending portions including five bent portions 2208, 2209, 2212, 2213, and 2214, and a piezoelectric element 2221 that is a piezoelectric / electrostrictive element is disposed on a diaphragm 2222 between the bending portions. Head structure.
[0073]
As shown in FIG. 22, the diaphragm 2222 of this embodiment has a configuration in which first to third portions 2222a, 2222b, and 2222c each having a substantially triangular shape are continuous. The bent portion 2208 is located at the top of the first portion 2222a, the bent portion 2209 is located between the first portion 2222a and the second portion 2222b, and the bent portion 2212 is located at the top of the second portion 2222b. The bent portion 2213 is located between the second portion 2222b and the third portion 2222c, and the bent portion 2214 is located on the top of the third portion 2222b. The bent portions 2209 and 2213 are located on a straight line (broken line in FIG. 22) connecting between the fixed portions 2223.
[0074]
In FIG. 22, the diaphragm 2222 has a left end portion of the first portion 2222a and a right end portion of the third portion 2222c joined to a partition 2204 provided on the base 2202 by a bonding layer 2205 made of Au / Cr. It is crimped.
[0075]
The basic configuration of the vibration plate 2222 is the same as that of the first embodiment described above, except that the Si oxide film 2206 is formed on the boron diffusion layer 2207. However, the vibration element 2222 includes a piezoelectric element 2221 including a piezoelectric film 2211 and an upper electrode 2210. There are areas with and without areas.
[0076]
In this embodiment, the piezoelectric element 2221 is provided in the region 2222a2 of the first portion 2222a, the region 2222b1 and the region 2222b2 of the second portion 2222b, and the region 2222c1 of the third portion 2222c. Are not provided in the region 2222a1 of the third portion 2222c and the region 2222c2 of the third portion 2222c. Further, one piezoelectric element 2221 is provided in the region 2222b1 and the region 2222b2, and two relatively small piezoelectric elements 2221 are provided in the region 2222a2 and the region 2222c1. Note that how the piezoelectric element is provided may be appropriately selected as needed.
[0077]
In the present embodiment, the nozzle portion 2201 is located at a portion facing the second portion 2222b of the base 2202, and is formed so that the liquid ejection direction is the arrow A which is downward in FIG. The pressure generation chamber 2203 includes the inside of the first to third portions 2222a, 2222b, 2222c of the vibration plate 2222, the partition wall 2204, and the base 2202.
[0078]
Also in the present embodiment, a drive waveform was applied to the above-described liquid discharge head 2220 to discharge liquid.
[0079]
First, the ejection liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of each piezoelectric element 2221 of the liquid ejection head 2220 are changed to a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. An electric signal composed of pulses was used to eject ink from the ejection port.
[0080]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric element 2221 and with a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 5)
FIG. 23 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid ejection head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment.
[0081]
In the liquid ejection head 2320 shown in FIG. 23, the cross-sectional shape of the diaphragm 2322 in each pressure generating chamber cross-sectional view is such that the cross-sectional shape is between the fixed part 2323 which is a support part supporting the diaphragm 2322 at both ends and the fixed part 2323. The head structure has a plurality of bending portions including one bent portion 2308, and a piezoelectric element 2321 which is a piezoelectric / electrostrictive element is arranged on a diaphragm 2322 between the bending portions.
[0082]
The vibration plate 2322 basically has a structure in which a Si oxide film 2306 is formed on a boron diffusion layer 2305, and a piezoelectric element 2321 including a piezoelectric film 2307 and an upper electrode 2309 is formed in a region corresponding to the pressure generating chamber 2302. This is similar to the first embodiment described above, except that the cross-sectional shape of the diaphragm 2322 is concave. That is, in the first embodiment, the region of the vibration plate 1911 corresponding to the pressure generating chamber 2302 provided with the piezoelectric element 1912 has a convex shape, whereas the liquid ejection head 2320 of the present embodiment The difference is that a region corresponding to the pressure generating chamber 2302 provided with the piezoelectric element 2321 has a concave shape.
[0083]
In this embodiment, the nozzle portion 2301 is located at a portion of the concave portion 2322a of the vibration plate 2322 of the base 2303, and the liquid discharge direction is formed so as to become the arrow A which is downward in FIG.
[0084]
Also in the present embodiment, a drive waveform was applied to the above-described liquid discharge head 2320 to discharge liquid.
[0085]
First, the ejection liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of each piezoelectric element 2321 of the liquid ejection head 2320 are changed to a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. An electric signal composed of pulses was used to eject ink from the ejection port.
[0086]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric element 2321 and after a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 6)
FIG. 24 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid ejection head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment.
[0087]
In the liquid ejection head 2420 shown in FIG. 24, the cross-sectional shape of the diaphragm 2422 in the cross-sectional view of each pressure generating chamber is such that the vibration plate 2422 is positioned between the fixing portion 2422 that is a support portion that supports the diaphragm 2422 at both ends and the fixing portion 2422. A plurality of bending portions including three bent portions 2408, 2409, and 2410, and a piezoelectric element 2421 that is a piezoelectric / electrostrictive element is disposed on a diaphragm 2422 between the bending portions. Has become.
[0088]
The shape of the diaphragm 2422 of the liquid discharge head 2420 of this embodiment is uneven. That is, the first portion 2422a of the vibration plate 2422 has a convex shape in a region corresponding to the pressure generating chamber 2403, and the second portion 2422b has a concave shape in a region corresponding to the pressure generating chamber 2403.
[0089]
The bent portion 2408 is located at the top of the first portion 2422a, the bent portion 2409 is located between the first portion 2422a and the second portion 2422b, and the bent portion 2410 is located at the top of the second portion 2422b. Located at the top. The bent portion 2409 is located on a straight line (broken line in FIG. 24) connecting the fixed portions 2423.
[0090]
Also in the present embodiment, a drive waveform was applied to the above-described liquid discharge head 2420 to discharge liquid.
[0091]
First, the ejection liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of each piezoelectric element 2421 of the liquid ejection head 2420 are changed to a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. An electric signal composed of pulses was used to eject ink from the ejection port.
[0092]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulse light in synchronization with a driving pulse for driving the piezoelectric element 2421 and after a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 7)
FIG. 25 is a cross-sectional view in the width direction of a liquid discharge head including a pressure chamber having a longitudinal shape in the length direction according to the present embodiment.
[0093]
In the liquid ejection head 2520 of the present embodiment, the cross-sectional shape of the diaphragm 2504 in each pressure generating chamber cross-sectional view is set between the fixed portion 2522 which is a support portion that supports the diaphragm 2504 at both ends and the fixed portion 2522. A plurality of bending portions including three bent portions 2508, 2509, and 2510, and a piezoelectric element 2521, which is a piezoelectric / electrostrictive element, is disposed on a diaphragm 2504 between the bending portions. Has become.
[0094]
The basic structure is the same as that of the liquid ejection head shown in the first embodiment, but the vibration displacement mechanism is different. That is, the product of the average thickness and the Young's modulus of the piezoelectric element 2521 including the piezoelectric film 2506 and the upper electrode 2507 in this embodiment is at least 10 times larger than the product of the average thickness of the diaphragm 2504 and the Young's modulus. In addition, the displacement of the diaphragm is made to be an expansion and contraction displacement as shown by a dotted line. In addition, a method for manufacturing the diaphragm 2504 is such that a nickel film is formed by electroplating based on a mold, and the mold is peeled off.
[0095]
As shown in FIG. 25, the diaphragm 2504 of this embodiment has a configuration in which first and second portions 2504a and 2504b having a substantially triangular shape are continuous. The bent portion 2508 is located at the top of the first portion 2504a, the bent portion 2509 is located between the first portion 2504a and the second portion 2504b, and the bent portion 412 is located at the top of the second portion 2504b. It is configured to be located.
[0096]
Also in the present embodiment, a drive waveform was applied to the liquid discharge head 2520 having the above-described structure to discharge liquid.
[0097]
First, the ejection liquid is supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, the driving conditions of each piezoelectric element 2521 of the liquid ejection head 2520 are changed to a rectangular wave voltage of 40 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz. An electric signal composed of pulses was used to eject ink from the ejection port.
[0098]
This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the discharge state was observed while emitting pulse light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric element 2521 and at a predetermined delay time. When this situation was observed using a pulse light source and a microscope, ejection of ink droplets was confirmed.
(Example 8)
FIG. 26 shows an external perspective view of an example of an ink jet recording apparatus which can be equipped with any of the liquid ejection heads shown in Embodiments 1 to 7. FIG. 26 shows an example in which the liquid ejection head 1920 shown in the first embodiment is mounted as a representative.
[0099]
A guide shaft 2609 is attached to the main body chassis 2612, and the carriage 2608 is slidably supported by the guide shaft 2609 in the direction of arrow B. In the carriage 2608, a part of the carriage 2608 is fixed to a timing belt 2610 stretched between a driving pulley 2613 and an idler pulley 2614, and an arrow B moves along a guide shaft 2609 according to the rotation of the carriage motor 2611. It can reciprocate in any direction. In this embodiment, the cartridge 2601 performs recording on the recording paper 2604 by discharging ink, and the liquid discharge head 1920 and the ink tank 2615 having discharge ports formed downward in the drawing are integrated. .
[0100]
The cartridge 2601 is detachably mounted on the carriage 2602, and is connected via a flexible cable 2622 for transmitting and receiving a current and a signal for driving each of the piezoelectric / electrostrictive elements formed on the vibration plate in the cartridge 2601 and the liquid ejection head 1920. And is electrically connected to a recording control unit (not shown).
[0101]
Further, the inkjet recording apparatus has a cap unit 2603 having a recovery unit for recovering the ink discharge characteristics of the liquid discharge head 1920. The cap unit 2603 includes a cap member 2606 corresponding to the liquid ejection head 1920 and a wiper blade 2607 made of a member such as rubber. The ink jet recording apparatus having such a configuration performs a serial scan of the liquid discharge head 1920 in a direction (main scanning direction) B orthogonal to the transport direction A of the recording medium, and outputs a width corresponding to the number of nozzles of the liquid discharge head 1920. The recording medium is intermittently conveyed by a feed amount equal to the recording width during non-recording.
[0102]
The recording apparatus of this embodiment is capable of high-resolution and high-speed printing, and is capable of improving power consumption, higher density, larger area, improved durability, and the like as compared with the related art.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the cross-sectional shape of the diaphragm is such that both end portions are supported by the support portion, and the diaphragm has a plurality of refraction portions including a bent portion therebetween. Since the piezoelectric / electrostrictive elements are arranged in the nozzles, the volume displacement amount and the generated pressure of each pressure generating chamber can sufficiently satisfy the liquid discharge condition even when the density of the nozzle is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic partial sectional view of a pressure generating chamber having a single convex diaphragm in the present invention.
FIG. 2 is a deflection vibration diagram of the single convex diaphragm shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of a pressure generating chamber having a plurality of convex diaphragms according to the present invention.
FIG. 4 is a deflection vibration diagram of the multiple convex diaphragm shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of a pressure generating chamber provided with a single convex diaphragm according to the present invention.
FIG. 6 is a telescopic vibration diagram of the single convex diaphragm shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view of a pressure generating chamber having a plurality of convex diaphragms according to the present invention.
8 is an expansion and contraction vibration diagram of the multiple convex diaphragm shown in FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic partial sectional view of a pressure generating chamber having a single concave diaphragm in the present invention.
FIG. 10 is a telescopic vibration diagram of the single concave diaphragm shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a single convex triangular diaphragm.
FIG. 12 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a plurality of convex triangular diaphragms.
FIG. 13 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a single convex triangular diaphragm.
FIG. 14 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a plurality of convex triangular diaphragms.
FIG. 15 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a single convex quadrangular diaphragm.
FIG. 16 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a plurality of convex triangular and quadrangular diaphragms.
FIG. 17 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a single convex quadrangular diaphragm.
FIG. 18 is a schematic perspective view of a liquid ejection head having a plurality of convex triangular and quadrangular diaphragms.
FIG. 19 is a sectional view of the liquid ejection head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 20 is a sectional view of a liquid ejection head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 21 is a sectional view of a liquid ejection head according to a third embodiment of the invention.
FIG. 22 is a sectional view of a liquid ejection head according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 23 is a sectional view of a liquid ejection head according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 24 is a sectional view of a liquid ejection head according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 25 is a sectional view of a liquid ejection head according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a perspective view of an example of an ink jet recording apparatus to which the liquid ejection head of the present invention can be applied.
FIG. 27 is a cross-sectional view of an example of a conventional liquid ejection head.
FIG. 28 is a cross-sectional view of another example of a conventional liquid ejection head.
[Explanation of symbols]
101, 301, 901, 1909, 2010 Fixed part
102, 302, 412, 502, 702, 902, 1908, 2009, 2110, 2111, 2208, 2209, 2212, 2213, 2214, 2308, 2408, 2409, 2410, 2508, 2509
103, 503, 1104, 1204, 1304, 1404, 1504, 1604, 1604a, 1704, 1804, 1804a, 1911, 2011, 2106, 2222, 2322, 2422, 2504
305, 1904, 2004, 2105 bonding layer
304, 403, 504, 603, 703, 1901, 2003, 2103, 2202, 2303
1103, 1303, 1703 Pressure generating chamber
1102, 1402, 1802 Length direction
1201, 1301, 1601 width direction
1902, 2002, 2102, 2203, 2302, 2403 Pressure generating chamber
1903, 2001, 2101, 2201 and 2301 Nozzle
1905, 2006, 2207, 2305 Boron diffusion layer
1906, 2007, 2109, 2210, 2309, 2507 Upper electrode
1910, 2005, 2206, 2306 oxide film
1912, 2012, 2121, 232, 421 Piezoelectric element
1920, 2020, 2120, 2220, 2320, 2420, 2520 Liquid ejection head
2104, 2204 Partition wall
2106a, 2222a, 2422a, 2504a First part
2106b, 2222b, 2422b, 2504b Second part
2106c, 2222c Third part
2107 Lower electrode
2222a1, 2222a2, 2222b1, 2222b2, 2222c1, 2222c2 area
2322a recess
2421, 2108, 1907, 2007, 2008, 2108, 2211, 2307, 2506 Piezoelectric film
2601 cartridge
2602 Carriage
2603 Cap unit
2604 Recording paper
2606 Cap member
2607 Wiper blade
2608 Carriage
2609 Guide shaft
2611 Carriage motor
2614 Idler pulley
2615 Ink tank
2622 flexible cable
