JP2004209874A - 液体吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】振動時に振動板支持部に発生する応力を振動板構造全体で緩和することで、振動板の振動特性の劣化もしくは破壊を避けることが可能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】振動板構成部材７０１の圧力発生室７０６側に凹部７０３を設ける。凹部７０３を設けることにより、圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板構造全体で緩和することが可能となる。特に、接合部７０４への局所的な応力集中を避け、発生応力を緩和することができる。
【選択図】 図２
【解決手段】振動板構成部材７０１の圧力発生室７０６側に凹部７０３を設ける。凹部７０３を設けることにより、圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板構造全体で緩和することが可能となる。特に、接合部７０４への局所的な応力集中を避け、発生応力を緩和することができる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加信号によって伸縮する駆動素子から発生させた機械的エネルギーにより所望の液体を吐出する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いるが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【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。
【０００４】
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ーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。
【０００５】
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（例えば、特許文献１参照）や、極めて細いノズル形成部材に発熱要素を内蔵させ、熱エネルギー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（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
【０００６】
ピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドは、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。
【０００７】
こうしたなか、近年の高精細印字の要求により、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てきた。例えば圧電性を有する薄膜を駆動源とするインクジェットヘッド（例えば、特許文献３参照）においては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の形成方法、材質特性が重要となっている。
【０００８】
従来、図８に示すように、振動板９０３を圧力発生室９０７側へ接着・接合することで作製する場合、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料であるグリーンシートを圧延加工して形成した振動板９０３と、前記グリーンシートをパンチング、レーザー加工によって圧力発生室９０７となる部分を形成した圧力発生室隔壁９０６を積層し、８００℃〜１５００℃の温度で一体に焼成し形成していた（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
また、図９に示すように、振動板をＳｉ基板のエッチングにより形成する場合、エッチストップ技術を用いるｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留させて、吐出に適した厚さｔの振動板１００１を形成していた（例えば、特許文献５参照）。
【００１０】
【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１０―２８６９５３号公報
【特許文献４】
特開平７―６０９６０号公報
【特許文献５】
特開平９―２１６３５７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示されているような、振動板９０３を圧力発生室９０７側へ接着・接合することにより一体形成する場合、接着時の荷重や高温プロセスを経ることにより圧力発生室９０７と振動板９０３の接着部分９０４において発生する応力や、駆動時に振動板変形部９０５に発生する応力のために振動板特性が劣化し、長時間にわたる駆動において各ノズルに対応する液体吐出にばらつきが生じたり、振動板の接着部域から破壊したりしてしまう可能性がある。
【００１２】
また、図９に示されているような、Ｓｉ単結晶の異方性エッチングで振動板１００１を作製すると、エッチングが進行する際Ｓｉ単結晶の面指数が現れるため、振動板１００１と圧力発生室隔壁１００２との接合界面に必ずエッジ部１００４が形成される。そうなると振動の度にエッジ部１００４に応力が集中し、長時間にわたる駆動において著しく振動特性が劣化したり、エッジ部１００４が破壊したりしてしまう可能性がある。
【００１３】
そこで本発明の目的は、振動時における振動板支持部または振動板端部に発生する応力を振動板構造全体で緩和・解消することで振動板の振動特性の劣化もしくは破壊を避けることが可能な液体吐出ヘッドを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、圧力発生室と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルで構成され、前記圧電／電歪素子の変形によって前記振動板を変位させ、前記圧力発生室内のインク圧力を高めることによって前記ノズルからインク滴を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板は、前記圧力発生室側が凹状になっており、略中央の略平坦部から所定の曲率で滑らかに形成された部分を有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、ノズル先端液面のメニスカス制御により液体吐出させる過程において、振動板支持部に発生する局所的な応力を緩和、解消する本発明の液体吐出ヘッドについて、図１〜３を用いて説明する。
【００１６】
図１を参照すると、従来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、さらにメニスカス制御を行うことで、インク滴を発生させるものである。その際、振動板６０１を圧力発生室側６０３へ急激に変位させ圧力発生室体積を収縮させる運動があるため、圧力発生室側の振動板支持部６０４へ強い応力が発生する。
【００１７】
ここで、振動板構成部材が、圧力発生室内に凹部を有し、その凹部が、圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板構造全体で緩和・解消するような曲率を有する部分を有することで、駆動時における振動板支持部６０４が発生する応力を緩和・解消することができる。ここでいう曲率とは、圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板支持部６０４、振動板６０１の一部に集中させることなく、振動板６０１全体として緩和・解消できる構造にする値である。
【００１８】
この凹部とは、例えば図２、図３のように、振動板が圧力発生室７０６、８０６の少なくとも幅方向に、長手方向に沿って振動板構成部材７０１、８０１の内部に凹部７０３、８０３があり、その凹部内の一部が振動板として機能し、その振動板支持部が曲率を有する構造が考えられる。但しこの場合、振動板が圧力発生室の少なくとも幅方向両側に、長手方向に沿って、エッジ形状のない凹部を有するので、振動板としての振動有効幅（長さ）はｉ（図２、図３）となる。その際、安定した振動変位を得るためには、この振動有効幅（長さ）ｉが平坦形状、もしくは略平坦形状をしていることが必要である。そして振動板有効幅（長さ）ｊはｉ＜ｊを満たす関係にあるため、それを考慮して、あらかじめ振動板変位が最大になるように、駆動素子幅ｋと振動有効幅ｉ、振動板有効幅ｊを定めておく必要がある。さらには、応力を主に緩和・解消する部分は振動板の凹部内であるため、振動板凹部の外にエッジ７０４、８０４が形成されていても問題はない。
【００１９】
図２、図３どちらの構造でも問題はないが、振動部域における平均的厚さは、振動特性の均一化のため、ほぼ一定であることが必要であり、また、吐出に適した実効的厚さｔを満たしていることが必要である。さらに、その支持構造の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。
【００２０】
従来まで、撓みモードのピエゾ素子の変位量は圧力発生室の幅で実質規定されていた。しかし本発明によると振動板部材７０１、８０１の内部においてピエゾ素子の変位量を規定できる構成を設けているため、ピエゾ素子の変位幅が圧力発生室幅に固定されない。その結果、ピエゾ素子の変位量と剛性について調整することが可能になり、所望のヘッド性能に向けてより合わせこむことができる。
【００２１】
本発明の液体吐出ヘッドでは、振動板構成部材が、圧力発生室内側の幅方向内に、圧力発生室長手方向に沿って、一部が振動板として機能する凹部を有し、その凹部内に圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板構造全体で緩和・解消するような曲率を有することで、振動板変位時において振動板端部における局所的な応力集中を避けることができる。結果、長時間の駆動に対して振動板端部における疲労もしくは破壊を防止できる。
【００２２】
振動板内部へエッジ形状のない凹部を形成するには、例えば圧力発生室基板と振動板を接合後、必要ならば前もって振動板を薄片化研磨し、その後圧力発生室内部から振動板をウェットエッチングすることで作製できる。振動板凹部は、例えばパイレックスガラスをＳｉ基板へ陽極接合の後、内部からＨＦを主成分とする溶液でエッチング加工することで作製できる。もちろん、圧力発生室を有する基板とエッチング選択比が得られ、振動板として充分機能する材質ならばパイレックスガラス以外でも問題はない。
【００２３】
また振動板を形成する材料としては、酸化シリコン、ＳｉＯ２の他に、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が適した材料である。振動板を、上記のような特性の異なる複数の材料で積層し、例えばエッチングストップ層とエッチング層の組み合わせで、精度のよい平坦な振動部と振動支持部の適正な曲率を形成することも可能である。
【００２４】
一般的に、あらかじめ凹部を形成した振動板を基板に接合するよりは、振動板を接合後に圧力発生室内部から振動板を加工するほうが凹部形成位置の精度がよい。
【００２５】
基板表面に対し垂直な隔壁をもつ圧力発生室は、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高精度に作製できる。
【００２６】
振動板上への圧電膜の形成方法としては、基板上に成膜された薄膜を接着剤、もしくは陽極接合で接着・接合後、成膜基板を剥離してもよいし、直接振動板上に下電極を形成後、構造体の許容する温度範囲内、かつプロセス工程からみて可能な成膜手段で圧電膜を成膜してもよい。例えばスパッタリング、ＣＶＤ、ゾルゲル、ＥＢ蒸着、レーザー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、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、アルミ窒化物のうちすくなくとも１種類以上、電極材料は、白金、パラジウム、銀―パラジウム、銀―白金、白金―パラジウムからなる合金のうち少なくとも１種類以上を主成分とする。
【００２７】
ノズル部は圧力発生室基板内、もしくは圧力発生室を密閉する基板内に含まれ、振動板変位方向に垂直でも平行でも作製可能である。
【００２８】
以下に具体的な実施例を示すが、駆動素子、振動板、圧力発生室、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。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。
【００３０】
（実施例１）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図４参照）。
【００３１】
（１）Ｓｉ（１１０）基板２０７（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス（振動板）２０６（厚さ３０μｍ）を陽極接合する。その後、スパッタリング成膜で、上Ｐｔ電極２０２／ＭｇＯ基板２０１上に、厚さ３μｍのＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜２０３を成膜し、下Ｐｔ電極２０４を成膜後、接着剤２０５を厚さ１〜２μｍ程度になるよう塗布し、パイレックスガラス２０６上に接着した。
【００３２】
（２）ＭｇＯ基板２０１を熱リン酸で除去後、単位圧力発生室の形状に合わせて、上Ｐｔ電極２０２、ＰＺＴ膜２０３、下Ｐｔ電極２０４のパターニング、エッチングを行う。その際、ＰｔはレジストマスクによるＡｒガスのドライエッチング、ＰＺＴはレジストをマスクとしてＨＦと硝酸混合希釈液によるウェットエッチングでエッチングする。ここで下Ｐｔ電極２０４の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。Ｓｉ（１１０）基板２０７の下面にエッチングマスクとなるＳｉＮ膜２０９を成膜後、パターニング、エッチングを行い、圧力発生室開口部パターンを形成する。さらに、Ｓｉ（１１０）基板２０７の上面側に関して、上Ｐｔ電極２０２との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜２０８を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。
【００３３】
（３）Ｓｉ（１１０）基板３０７のＫＯＨエッチングを行い、（１１１）面で構成された基板表面に垂直な圧力発生室隔壁２１０を形成する。
【００３４】
（４）ＨＦ溶液をＮＨ４ＨＦ溶液で希釈し、圧力発生室内部から流し込みパイレックスガラスを５μｍ板厚になるまでエッチングする。同時に、エッジ部を有さない凹部２１１が形成される。
【００３５】
（５）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板２１３を、接着剤２１２を用いて接着する。
【００３６】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００３７】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。長時間安定した吐出を行えたことから、振動板支持部にエッジ形状を有さない凹部２１１を形成したことで、液体吐出ヘッドの耐久性が向上した。
【００３８】
（実施例２）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図５参照）。
【００３９】
（１）Ｓｉ（１１０）基板３０７（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス（振動板）３０６（厚さ３０μｍ）を陽極接合する。スパッタリング成膜で、上Ｐｔ電極３０２／ＭｇＯ基板３０１上に、厚さ３μｍのＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜３０３を成膜し、下Ｐｔ電極３０４を成膜後、接着剤３０５を厚さ１〜２μｍ程度になるよう塗布し、パイレックスガラス３０６上に接着した。
【００４０】
（２）ＭｇＯ基板３０１を熱リン酸で除去後、単位圧力発生室の形状に合わせて、上Ｐｔ電極３０２、ＰＺＴ膜３０３、下Ｐｔ電極３０４のパターニング、エッチングを行う。ここで下Ｐｔ電極３０４の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。Ｓｉ（１１０）基板３０７の下面にエッチングマスクとなるＳｉＮ膜３０９を成膜後、パターニング、エッチングを行い、圧力発生室開口部パターンを形成する。さらに、Ｓｉ（１１０）基板３０７の上面側に関して、上Ｐｔ電極３０２との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜３０８を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。
【００４１】
（３）Ｓｉ（１１０）基板３０７のＫＯＨエッチングを行い、（１１１）面で構成された基板表面に垂直な圧力発生室隔壁３１０を形成する。
【００４２】
（４）Ｐｔ／Ａｌ（Ａｌが下地層）を、２回に分けて斜め蒸着しエッチングマスク３１１を形成する。この液体吐出ヘッド設計値ではθ＝ｔａｎ−１（９０／１００）＝約４２゜とし、開口部幅を６０μｍ程度とした。
【００４３】
（５）ＨＦ溶液をＮＨ４ＨＦ溶液で希釈し、圧力発生室内部から流し込みパイレックスガラス３０６を５μｍ板厚になるまでエッチングする。同時に、エッジ部を有さない凹部３１２が形成され、またエッチングマスク３１１の下地層であるＡｌが溶けてＰｔマスク層も剥離する。パイレックスガラス３０６のエッチング開始時間差を利用することになるので、凹部３１２端部に曲率を有する部分が形成される。
【００４４】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板３１４を、接着剤３１３を用いて接着する。
【００４５】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００４６】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。長時間安定した吐出を行えたことから、振動板支持部にエッジ形状を有さない凹部３１２を形成したことで、液体吐出ヘッドの耐久性が向上した。
【００４７】
（実施例３） 複合材料＋平坦振動板
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図６参照）。
【００４８】
（１）Ｓｉ（１１０）基板４０２（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス４０１（厚さ３０μｍ）を陽極接合し、５μｍ厚まで薄片化研磨を行う。
【００４９】
（２）パイレックスガラス４０１上に、エッチストップ層としてＰｔエッチストップ層４０７を１００ｎｍ成膜、振動板としてＳｉＯ２膜振動板４０６を５μｍ成膜、圧電体駆動用の下電極として下Ｐｔ電極４０５を１００ｎｍ成膜、圧電体としてＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜４０４を３μｍ成膜、圧電体駆動用の上電極として上Ｐｔ電極４０３を１００ｎｍ成膜する。
【００５０】
（３）Ｓｉ（１１０）基板４０２のＫＯＨエッチングを行い、（１１１）面で構成された基板表面に垂直な圧力発生室隔壁４０８を形成する。
【００５１】
（４）上Ｐｔ電極４０３、ＰＺＴ膜４０４， 下Ｐｔ電極４０５のパターニング、エッチングを行う。そして、上Ｐｔ電極４０３との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ保護膜４０９を０．１μｍ成膜する。
【００５２】
（５）フッ酸をフッ化アンモニウムで希釈して、圧力発生室内部から流し込み、パイレックスガラス４０１をエッチングしてエッジ部を有さない凹部４１０を形成する。また、Ｐｔエッチストップ層４０７があるために、振動板として機能する平坦な振動板が形成される。
【００５３】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板４１２を、接着剤４１１を用いて接着する。
【００５４】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００５５】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。長時間安定した吐出を行えたことから、振動板支持部にエッジ形状を有さない凹部４１０を形成したことで、液体吐出ヘッドの耐久性が向上した。
【００５６】
（比較例）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図７参照）。
【００５７】
（１）Ｓｉ（１１０）基板５０２（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス５０１（厚さ３０μｍ）を陽極接合する。そして、パイレックスガラス５０１を厚さ５μｍ（±１μｍ）になるまで研磨して薄片化する。
【００５８】
（２）スパッタリング成膜で、上Ｐｔ電極５０４／ＭｇＯ基板５０３上に、厚さ３μｍのＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜５０５を成膜し、下Ｐｔ電極５０６を成膜後、接着剤５０７を厚さ１〜２μｍ程度になるよう塗布し、パイレックスガラス５０１上に接着した。
【００５９】
（３）ＭｇＯ基板５０３を熱リン酸で除去後、単位圧力発生室の形状に合わせて、上Ｐｔ電極５０４、ＰＺＴ膜５０５、下Ｐｔ電極５０６のパターニング、エッチングを行う。Ｓｉ（１１０）基板５０２の下面にエッチングマスクとなるＳｉＮ膜５０９を成膜後、パターニング、エッチングを行い、圧力発生室開口部パターンを形成する。Ｓｉ（１１０）基板５０２の上面側に関して、上Ｐｔ電極５０４との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜５０８を０．１μｍ成膜する。
【００６０】
（４）Ｓｉ（１１０）基板５０２のＫＯＨエッチングを行い、基板表面に垂直な圧力発生室隔壁５１０を形成する。
【００６１】
（５）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板５１２を、接着剤５１１を用いて接着する。
【００６２】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００６３】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。３×１０５回のパルスを印加したところ、吐出体積が急激に減少し、吐出液滴の体積、速度に関してばらつきがみられた。これは振動板支持部において応力が集中し、振動板に疲労破壊もしくは振動特性が大きく変化したためである。
【００６４】
実施例１から３の液体吐出ヘッドを複数装備し、駆動用回路を備え、この吐出ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、この吐出ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を製造した。本実施例の記録装置は、高解像度、高速印字が可能で、従来と比較して長時間にわたり安定した液体吐出が得られた。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動板構成部材が、圧力発生室内側の幅方向内に圧力発生室長手方向に沿って、一部が振動板として機能する凹部を有し、その凹部内に圧力発生時に振動板で生じる衝撃を振動板構造全体で緩和・解消するような曲率を有することで、振動板変位時における局所的な応力集中を避け、振動板構造全体で応力を緩和・解消することができる。結果、長時間にわたる駆動に対し、従来と比較して振動板特性の劣化や、振動板端部における疲労もしくは破壊を防止できる高耐久な記録装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の振動板を含む圧力発生室の断面図である。
【図２】振動板構成部材内に振動部となる凹部を含む圧力発生室の一例の断面図である。
【図３】振動板構成部材内に振動部となる凹部を含む圧力発生室の他の例の断面図である。
【図４】実施例１の工程の簡略図である。
【図５】実施例２の工程の簡略図である。
【図６】実施例３の工程の簡略図である。
【図７】比較例の工程の簡略図である。
【図８】従来技術の振動板を含む圧力発生室の断面図である。
【図９】他の従来技術の振動板を含む圧力発生室の断面図である。
【符号の説明】
２０１ ＭｇＯ基板
２０２ 上Ｐｔ電極
２０３ ＰＺＴ膜
２０４ 下Ｐｔ膜
２０５ 接着剤
２０６ パイレックスガラス（振動板）
２０７ Ｓｉ（１１０）基板
２０８ ＳｉＮ膜
２０９ ＳｉＮ膜
２１０ 圧力発生室隔壁
２１１ 凹部
２１２ 接着剤
２１３ 圧力発生室密閉基板
３０１ ＭｇＯ基板
３０２ 上Ｐｔ電極
３０３ ＰＺＴ膜
３０４ 下Ｐｔ電極
３０５ 接着剤
３０６ パイレックスガラス（振動板）
３０７ Ｓｉ（１１０）基板
３０８ ＳｉＮ膜
３０９ ＳｉＮ膜
３１０ 圧力発生室隔壁
３１１ エッチングマスク
３１２ 凹部
３１３ 接着剤
３１４ 圧力発生室密閉基板
４０１ パイレックスガラス
４０２ Ｓｉ（１１０）基板
４０３ 上Ｐｔ電極
４０４ ＰＺＴ膜
４０５ 下Ｐｔ電極
４０６ ＳｉＯ２膜振動板
４０７ Ｐｔエッチストップ層
４０８ 圧力発生室隔壁
４０９ ＳｉＮ保護膜
４１０ 凹部
４１１ 接着剤
４１２ 圧力発生室密閉基板
５０１ パイレックスガラス
５０２ Ｓｉ（１１０）基板
５０３ ＭｇＯ基板
５０４ 上Ｐｔ電極
５０５ ＰＺＴ膜
５０６ 下Ｐｔ電極
５０７ 接着剤
５０８ ＳｉＮ膜
５０９ ＳｉＮ膜
５１０ 圧力発生室隔壁
５１１ 接着剤
５１２ 圧力発生室密閉基板
６０１ 振動板
６０２ 圧力発生室隔壁
６０３ 圧力発生室
６０４ 振動板支持部
６０５ 駆動素子
６０６ 圧力発生室
７０１ 振動板構成部材
７０２ 圧力発生室隔壁
７０３ 凹部
７０４ 接合部
７０５ 駆動素子
７０６ 圧力発生室
８０１ 振動板構成部材
８０２ 圧力発生室隔壁
８０３ 凹部
８０４ 接合部
８０５ 駆動素子
８０６ 圧力発生室
９０１ 駆動素子
９０２ 下電極
９０３ 振動板
９０４ 接着部分
９０５ 振動板変形部
９０６ 圧力発生室隔壁
９０７ 圧力発生室
１００１ ｐ型不純物拡散層（振動板）
１００２ 圧力発生室隔壁
１００３ 圧力発生室
１００４ エッジ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加信号によって伸縮する駆動素子から発生させた機械的エネルギーにより所望の液体を吐出する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いるが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【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。
【０００４】
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ーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。
【０００５】
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（例えば、特許文献１参照）や、極めて細いノズル形成部材に発熱要素を内蔵させ、熱エネルギー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（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
【０００６】
ピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドは、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。
【０００７】
こうしたなか、近年の高精細印字の要求により、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てきた。例えば圧電性を有する薄膜を駆動源とするインクジェットヘッド（例えば、特許文献３参照）においては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の形成方法、材質特性が重要となっている。
【０００８】
従来、図８に示すように、振動板９０３を圧力発生室９０７側へ接着・接合することで作製する場合、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料であるグリーンシートを圧延加工して形成した振動板９０３と、前記グリーンシートをパンチング、レーザー加工によって圧力発生室９０７となる部分を形成した圧力発生室隔壁９０６を積層し、８００℃〜１５００℃の温度で一体に焼成し形成していた（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
また、図９に示すように、振動板をＳｉ基板のエッチングにより形成する場合、エッチストップ技術を用いるｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留させて、吐出に適した厚さｔの振動板１００１を形成していた（例えば、特許文献５参照）。
【００１０】
【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１０―２８６９５３号公報
【特許文献４】
特開平７―６０９６０号公報
【特許文献５】
特開平９―２１６３５７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示されているような、振動板９０３を圧力発生室９０７側へ接着・接合することにより一体形成する場合、接着時の荷重や高温プロセスを経ることにより圧力発生室９０７と振動板９０３の接着部分９０４において発生する応力や、駆動時に振動板変形部９０５に発生する応力のために振動板特性が劣化し、長時間にわたる駆動において各ノズルに対応する液体吐出にばらつきが生じたり、振動板の接着部域から破壊したりしてしまう可能性がある。
【００１２】
また、図９に示されているような、Ｓｉ単結晶の異方性エッチングで振動板１００１を作製すると、エッチングが進行する際Ｓｉ単結晶の面指数が現れるため、振動板１００１と圧力発生室隔壁１００２との接合界面に必ずエッジ部１００４が形成される。そうなると振動の度にエッジ部１００４に応力が集中し、長時間にわたる駆動において著しく振動特性が劣化したり、エッジ部１００４が破壊したりしてしまう可能性がある。
【００１３】
そこで本発明の目的は、振動時における振動板支持部または振動板端部に発生する応力を振動板構造全体で緩和・解消することで振動板の振動特性の劣化もしくは破壊を避けることが可能な液体吐出ヘッドを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、圧力発生室と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルで構成され、前記圧電／電歪素子の変形によって前記振動板を変位させ、前記圧力発生室内のインク圧力を高めることによって前記ノズルからインク滴を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板は、前記圧力発生室側が凹状になっており、略中央の略平坦部から所定の曲率で滑らかに形成された部分を有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、ノズル先端液面のメニスカス制御により液体吐出させる過程において、振動板支持部に発生する局所的な応力を緩和、解消する本発明の液体吐出ヘッドについて、図１〜３を用いて説明する。
【００１６】
図１を参照すると、従来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、さらにメニスカス制御を行うことで、インク滴を発生させるものである。その際、振動板６０１を圧力発生室側６０３へ急激に変位させ圧力発生室体積を収縮させる運動があるため、圧力発生室側の振動板支持部６０４へ強い応力が発生する。
【００１７】
ここで、振動板構成部材が、圧力発生室内に凹部を有し、その凹部が、圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板構造全体で緩和・解消するような曲率を有する部分を有することで、駆動時における振動板支持部６０４が発生する応力を緩和・解消することができる。ここでいう曲率とは、圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板支持部６０４、振動板６０１の一部に集中させることなく、振動板６０１全体として緩和・解消できる構造にする値である。
【００１８】
この凹部とは、例えば図２、図３のように、振動板が圧力発生室７０６、８０６の少なくとも幅方向に、長手方向に沿って振動板構成部材７０１、８０１の内部に凹部７０３、８０３があり、その凹部内の一部が振動板として機能し、その振動板支持部が曲率を有する構造が考えられる。但しこの場合、振動板が圧力発生室の少なくとも幅方向両側に、長手方向に沿って、エッジ形状のない凹部を有するので、振動板としての振動有効幅（長さ）はｉ（図２、図３）となる。その際、安定した振動変位を得るためには、この振動有効幅（長さ）ｉが平坦形状、もしくは略平坦形状をしていることが必要である。そして振動板有効幅（長さ）ｊはｉ＜ｊを満たす関係にあるため、それを考慮して、あらかじめ振動板変位が最大になるように、駆動素子幅ｋと振動有効幅ｉ、振動板有効幅ｊを定めておく必要がある。さらには、応力を主に緩和・解消する部分は振動板の凹部内であるため、振動板凹部の外にエッジ７０４、８０４が形成されていても問題はない。
【００１９】
図２、図３どちらの構造でも問題はないが、振動部域における平均的厚さは、振動特性の均一化のため、ほぼ一定であることが必要であり、また、吐出に適した実効的厚さｔを満たしていることが必要である。さらに、その支持構造の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。
【００２０】
従来まで、撓みモードのピエゾ素子の変位量は圧力発生室の幅で実質規定されていた。しかし本発明によると振動板部材７０１、８０１の内部においてピエゾ素子の変位量を規定できる構成を設けているため、ピエゾ素子の変位幅が圧力発生室幅に固定されない。その結果、ピエゾ素子の変位量と剛性について調整することが可能になり、所望のヘッド性能に向けてより合わせこむことができる。
【００２１】
本発明の液体吐出ヘッドでは、振動板構成部材が、圧力発生室内側の幅方向内に、圧力発生室長手方向に沿って、一部が振動板として機能する凹部を有し、その凹部内に圧力発生時に振動板で生ずる衝撃を振動板構造全体で緩和・解消するような曲率を有することで、振動板変位時において振動板端部における局所的な応力集中を避けることができる。結果、長時間の駆動に対して振動板端部における疲労もしくは破壊を防止できる。
【００２２】
振動板内部へエッジ形状のない凹部を形成するには、例えば圧力発生室基板と振動板を接合後、必要ならば前もって振動板を薄片化研磨し、その後圧力発生室内部から振動板をウェットエッチングすることで作製できる。振動板凹部は、例えばパイレックスガラスをＳｉ基板へ陽極接合の後、内部からＨＦを主成分とする溶液でエッチング加工することで作製できる。もちろん、圧力発生室を有する基板とエッチング選択比が得られ、振動板として充分機能する材質ならばパイレックスガラス以外でも問題はない。
【００２３】
また振動板を形成する材料としては、酸化シリコン、ＳｉＯ２の他に、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が適した材料である。振動板を、上記のような特性の異なる複数の材料で積層し、例えばエッチングストップ層とエッチング層の組み合わせで、精度のよい平坦な振動部と振動支持部の適正な曲率を形成することも可能である。
【００２４】
一般的に、あらかじめ凹部を形成した振動板を基板に接合するよりは、振動板を接合後に圧力発生室内部から振動板を加工するほうが凹部形成位置の精度がよい。
【００２５】
基板表面に対し垂直な隔壁をもつ圧力発生室は、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高精度に作製できる。
【００２６】
振動板上への圧電膜の形成方法としては、基板上に成膜された薄膜を接着剤、もしくは陽極接合で接着・接合後、成膜基板を剥離してもよいし、直接振動板上に下電極を形成後、構造体の許容する温度範囲内、かつプロセス工程からみて可能な成膜手段で圧電膜を成膜してもよい。例えばスパッタリング、ＣＶＤ、ゾルゲル、ＥＢ蒸着、レーザー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、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、アルミ窒化物のうちすくなくとも１種類以上、電極材料は、白金、パラジウム、銀―パラジウム、銀―白金、白金―パラジウムからなる合金のうち少なくとも１種類以上を主成分とする。
【００２７】
ノズル部は圧力発生室基板内、もしくは圧力発生室を密閉する基板内に含まれ、振動板変位方向に垂直でも平行でも作製可能である。
【００２８】
以下に具体的な実施例を示すが、駆動素子、振動板、圧力発生室、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。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。
【００３０】
（実施例１）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図４参照）。
【００３１】
（１）Ｓｉ（１１０）基板２０７（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス（振動板）２０６（厚さ３０μｍ）を陽極接合する。その後、スパッタリング成膜で、上Ｐｔ電極２０２／ＭｇＯ基板２０１上に、厚さ３μｍのＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜２０３を成膜し、下Ｐｔ電極２０４を成膜後、接着剤２０５を厚さ１〜２μｍ程度になるよう塗布し、パイレックスガラス２０６上に接着した。
【００３２】
（２）ＭｇＯ基板２０１を熱リン酸で除去後、単位圧力発生室の形状に合わせて、上Ｐｔ電極２０２、ＰＺＴ膜２０３、下Ｐｔ電極２０４のパターニング、エッチングを行う。その際、ＰｔはレジストマスクによるＡｒガスのドライエッチング、ＰＺＴはレジストをマスクとしてＨＦと硝酸混合希釈液によるウェットエッチングでエッチングする。ここで下Ｐｔ電極２０４の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。Ｓｉ（１１０）基板２０７の下面にエッチングマスクとなるＳｉＮ膜２０９を成膜後、パターニング、エッチングを行い、圧力発生室開口部パターンを形成する。さらに、Ｓｉ（１１０）基板２０７の上面側に関して、上Ｐｔ電極２０２との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜２０８を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。
【００３３】
（３）Ｓｉ（１１０）基板３０７のＫＯＨエッチングを行い、（１１１）面で構成された基板表面に垂直な圧力発生室隔壁２１０を形成する。
【００３４】
（４）ＨＦ溶液をＮＨ４ＨＦ溶液で希釈し、圧力発生室内部から流し込みパイレックスガラスを５μｍ板厚になるまでエッチングする。同時に、エッジ部を有さない凹部２１１が形成される。
【００３５】
（５）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板２１３を、接着剤２１２を用いて接着する。
【００３６】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００３７】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。長時間安定した吐出を行えたことから、振動板支持部にエッジ形状を有さない凹部２１１を形成したことで、液体吐出ヘッドの耐久性が向上した。
【００３８】
（実施例２）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図５参照）。
【００３９】
（１）Ｓｉ（１１０）基板３０７（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス（振動板）３０６（厚さ３０μｍ）を陽極接合する。スパッタリング成膜で、上Ｐｔ電極３０２／ＭｇＯ基板３０１上に、厚さ３μｍのＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜３０３を成膜し、下Ｐｔ電極３０４を成膜後、接着剤３０５を厚さ１〜２μｍ程度になるよう塗布し、パイレックスガラス３０６上に接着した。
【００４０】
（２）ＭｇＯ基板３０１を熱リン酸で除去後、単位圧力発生室の形状に合わせて、上Ｐｔ電極３０２、ＰＺＴ膜３０３、下Ｐｔ電極３０４のパターニング、エッチングを行う。ここで下Ｐｔ電極３０４の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。Ｓｉ（１１０）基板３０７の下面にエッチングマスクとなるＳｉＮ膜３０９を成膜後、パターニング、エッチングを行い、圧力発生室開口部パターンを形成する。さらに、Ｓｉ（１１０）基板３０７の上面側に関して、上Ｐｔ電極３０２との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜３０８を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。
【００４１】
（３）Ｓｉ（１１０）基板３０７のＫＯＨエッチングを行い、（１１１）面で構成された基板表面に垂直な圧力発生室隔壁３１０を形成する。
【００４２】
（４）Ｐｔ／Ａｌ（Ａｌが下地層）を、２回に分けて斜め蒸着しエッチングマスク３１１を形成する。この液体吐出ヘッド設計値ではθ＝ｔａｎ−１（９０／１００）＝約４２゜とし、開口部幅を６０μｍ程度とした。
【００４３】
（５）ＨＦ溶液をＮＨ４ＨＦ溶液で希釈し、圧力発生室内部から流し込みパイレックスガラス３０６を５μｍ板厚になるまでエッチングする。同時に、エッジ部を有さない凹部３１２が形成され、またエッチングマスク３１１の下地層であるＡｌが溶けてＰｔマスク層も剥離する。パイレックスガラス３０６のエッチング開始時間差を利用することになるので、凹部３１２端部に曲率を有する部分が形成される。
【００４４】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板３１４を、接着剤３１３を用いて接着する。
【００４５】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００４６】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。長時間安定した吐出を行えたことから、振動板支持部にエッジ形状を有さない凹部３１２を形成したことで、液体吐出ヘッドの耐久性が向上した。
【００４７】
（実施例３） 複合材料＋平坦振動板
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図６参照）。
【００４８】
（１）Ｓｉ（１１０）基板４０２（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス４０１（厚さ３０μｍ）を陽極接合し、５μｍ厚まで薄片化研磨を行う。
【００４９】
（２）パイレックスガラス４０１上に、エッチストップ層としてＰｔエッチストップ層４０７を１００ｎｍ成膜、振動板としてＳｉＯ２膜振動板４０６を５μｍ成膜、圧電体駆動用の下電極として下Ｐｔ電極４０５を１００ｎｍ成膜、圧電体としてＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜４０４を３μｍ成膜、圧電体駆動用の上電極として上Ｐｔ電極４０３を１００ｎｍ成膜する。
【００５０】
（３）Ｓｉ（１１０）基板４０２のＫＯＨエッチングを行い、（１１１）面で構成された基板表面に垂直な圧力発生室隔壁４０８を形成する。
【００５１】
（４）上Ｐｔ電極４０３、ＰＺＴ膜４０４， 下Ｐｔ電極４０５のパターニング、エッチングを行う。そして、上Ｐｔ電極４０３との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ保護膜４０９を０．１μｍ成膜する。
【００５２】
（５）フッ酸をフッ化アンモニウムで希釈して、圧力発生室内部から流し込み、パイレックスガラス４０１をエッチングしてエッジ部を有さない凹部４１０を形成する。また、Ｐｔエッチストップ層４０７があるために、振動板として機能する平坦な振動板が形成される。
【００５３】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板４１２を、接着剤４１１を用いて接着する。
【００５４】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００５５】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。長時間安定した吐出を行えたことから、振動板支持部にエッジ形状を有さない凹部４１０を形成したことで、液体吐出ヘッドの耐久性が向上した。
【００５６】
（比較例）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図７参照）。
【００５７】
（１）Ｓｉ（１１０）基板５０２（厚さ１００μｍ）にパイレックスガラス５０１（厚さ３０μｍ）を陽極接合する。そして、パイレックスガラス５０１を厚さ５μｍ（±１μｍ）になるまで研磨して薄片化する。
【００５８】
（２）スパッタリング成膜で、上Ｐｔ電極５０４／ＭｇＯ基板５０３上に、厚さ３μｍのＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（ＰＺＴ）膜５０５を成膜し、下Ｐｔ電極５０６を成膜後、接着剤５０７を厚さ１〜２μｍ程度になるよう塗布し、パイレックスガラス５０１上に接着した。
【００５９】
（３）ＭｇＯ基板５０３を熱リン酸で除去後、単位圧力発生室の形状に合わせて、上Ｐｔ電極５０４、ＰＺＴ膜５０５、下Ｐｔ電極５０６のパターニング、エッチングを行う。Ｓｉ（１１０）基板５０２の下面にエッチングマスクとなるＳｉＮ膜５０９を成膜後、パターニング、エッチングを行い、圧力発生室開口部パターンを形成する。Ｓｉ（１１０）基板５０２の上面側に関して、上Ｐｔ電極５０４との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜５０８を０．１μｍ成膜する。
【００６０】
（４）Ｓｉ（１１０）基板５０２のＫＯＨエッチングを行い、基板表面に垂直な圧力発生室隔壁５１０を形成する。
【００６１】
（５）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバ、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する圧力発生室密閉基板５１２を、接着剤５１１を用いて接着する。
【００６２】
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、駆動波形を印加して液滴を吐出させた。
【００６３】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、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。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。すなわち、圧電体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。３×１０５回のパルスを印加したところ、吐出体積が急激に減少し、吐出液滴の体積、速度に関してばらつきがみられた。これは振動板支持部において応力が集中し、振動板に疲労破壊もしくは振動特性が大きく変化したためである。
【００６４】
実施例１から３の液体吐出ヘッドを複数装備し、駆動用回路を備え、この吐出ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、この吐出ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を製造した。本実施例の記録装置は、高解像度、高速印字が可能で、従来と比較して長時間にわたり安定した液体吐出が得られた。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動板構成部材が、圧力発生室内側の幅方向内に圧力発生室長手方向に沿って、一部が振動板として機能する凹部を有し、その凹部内に圧力発生時に振動板で生じる衝撃を振動板構造全体で緩和・解消するような曲率を有することで、振動板変位時における局所的な応力集中を避け、振動板構造全体で応力を緩和・解消することができる。結果、長時間にわたる駆動に対し、従来と比較して振動板特性の劣化や、振動板端部における疲労もしくは破壊を防止できる高耐久な記録装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の振動板を含む圧力発生室の断面図である。
【図２】振動板構成部材内に振動部となる凹部を含む圧力発生室の一例の断面図である。
【図３】振動板構成部材内に振動部となる凹部を含む圧力発生室の他の例の断面図である。
【図４】実施例１の工程の簡略図である。
【図５】実施例２の工程の簡略図である。
【図６】実施例３の工程の簡略図である。
【図７】比較例の工程の簡略図である。
【図８】従来技術の振動板を含む圧力発生室の断面図である。
【図９】他の従来技術の振動板を含む圧力発生室の断面図である。
【符号の説明】
２０１ ＭｇＯ基板
２０２ 上Ｐｔ電極
２０３ ＰＺＴ膜
２０４ 下Ｐｔ膜
２０５ 接着剤
２０６ パイレックスガラス（振動板）
２０７ Ｓｉ（１１０）基板
２０８ ＳｉＮ膜
２０９ ＳｉＮ膜
２１０ 圧力発生室隔壁
２１１ 凹部
２１２ 接着剤
２１３ 圧力発生室密閉基板
３０１ ＭｇＯ基板
３０２ 上Ｐｔ電極
３０３ ＰＺＴ膜
３０４ 下Ｐｔ電極
３０５ 接着剤
３０６ パイレックスガラス（振動板）
３０７ Ｓｉ（１１０）基板
３０８ ＳｉＮ膜
３０９ ＳｉＮ膜
３１０ 圧力発生室隔壁
３１１ エッチングマスク
３１２ 凹部
３１３ 接着剤
３１４ 圧力発生室密閉基板
４０１ パイレックスガラス
４０２ Ｓｉ（１１０）基板
４０３ 上Ｐｔ電極
４０４ ＰＺＴ膜
４０５ 下Ｐｔ電極
４０６ ＳｉＯ２膜振動板
４０７ Ｐｔエッチストップ層
４０８ 圧力発生室隔壁
４０９ ＳｉＮ保護膜
４１０ 凹部
４１１ 接着剤
４１２ 圧力発生室密閉基板
５０１ パイレックスガラス
５０２ Ｓｉ（１１０）基板
５０３ ＭｇＯ基板
５０４ 上Ｐｔ電極
５０５ ＰＺＴ膜
５０６ 下Ｐｔ電極
５０７ 接着剤
５０８ ＳｉＮ膜
５０９ ＳｉＮ膜
５１０ 圧力発生室隔壁
５１１ 接着剤
５１２ 圧力発生室密閉基板
６０１ 振動板
６０２ 圧力発生室隔壁
６０３ 圧力発生室
６０４ 振動板支持部
６０５ 駆動素子
６０６ 圧力発生室
７０１ 振動板構成部材
７０２ 圧力発生室隔壁
７０３ 凹部
７０４ 接合部
７０５ 駆動素子
７０６ 圧力発生室
８０１ 振動板構成部材
８０２ 圧力発生室隔壁
８０３ 凹部
８０４ 接合部
８０５ 駆動素子
８０６ 圧力発生室
９０１ 駆動素子
９０２ 下電極
９０３ 振動板
９０４ 接着部分
９０５ 振動板変形部
９０６ 圧力発生室隔壁
９０７ 圧力発生室
１００１ ｐ型不純物拡散層（振動板）
１００２ 圧力発生室隔壁
１００３ 圧力発生室
１００４ エッジ部
Claims (1)
- 印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、圧力発生室と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルで構成され、前記圧電／電歪素子の変形によって前記振動板を変位させ、前記圧力発生室内のインク圧力を高めることによって前記ノズルからインク滴を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記振動板は、前記圧力発生室側が凹状になっており、略中央の略平坦部から所定の曲率で滑らかに形成された部分を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
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