JP2005144847A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができると共に液滴の吐出特性を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 ノズル開口に連通すると共に隔壁で区画された複数の圧力発生室が形成される流路形成基板１０と、該流路形成基板１０の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子３００とを具備する液体噴射ヘッドであって、複数の前記圧電素子３００に共通する共通電極６０上の前記隔壁に対向する領域のそれぞれに、前記共通電極６０と電気的に接続された接続電極９１を設け、該接続電極９１の複数本毎の１本が前記隔壁に対向する領域の外側まで延設されて端部が外部配線と直接接続される端子部１２１となる引出し共通リード電極９２とする一方、残りを前記外部配線と直接接続される前記端子部１２１まで引き出されていないダミー電極９３とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。

そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。

しかしながら、圧電素子を高密度に配列したインクジェット式記録ヘッドでは、各圧電素子の一方の電極（共通電極）が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。また、外部配線が接続される端子部から遠い位置に設けられた圧電素子ほど印加される電圧が低くなり易い。このため、一列に並設された圧電素子であっても端子部からの距離によって液滴の吐出特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。

このため、複数の圧電素子に共通する共通電極から、個別電極から引き出された個別リード電極と同一方向に圧力発生室の外側まで引き出された引出し共通リード電極を複数本設けたインクジェット式記録ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、引出し共通リード電極は、下電極上の圧力発生室を区画する隔壁に相対向する領域に形成されるが、引出し共通リード電極を形成した際に、マスクずれなどにより引出し共通リード電極が圧力発生室に相対向する領域にはみ出て形成される虞があり、引出し共通リード電極によって、引出し共通リード電極が設けられた両側の圧電素子の振動板の振動特性に影響を与えてしまう。このとき、引出し共通リード電極が形成されていない圧電素子の振動板の振動特性には影響がなく、隣接する間に引出し共通リード電極が形成された圧電素子と、形成されていない圧電素子との振動板の振動特性にバラツキが生じ、各圧電素子に対応する各ノズル開口から吐出される液滴の吐出特性が不均一になってしまうという問題がある。

また、全ての隣接する圧電素子の間に引出し共通リード電極を設けると、引出し共通リード電極の端部で外部配線と接続される端子部と、個別リード電極の端部で外部配線と接続される端子部との間に所定のピッチを設けなくてはならず、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。このため、高密度に配設された圧電素子では全ての隣接する圧電素子の間に引出し共通リード電極を設けることができないという問題がある。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。

特開２００３−１２７３５８号公報（第５頁、第３図）

本発明はこのような事情に鑑み、安定した吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができると共に液滴の吐出特性を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通すると共に隔壁で区画された複数の圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、複数の前記圧電素子に共通する共通電極上の前記隔壁に対向する領域のそれぞれには、前記共通電極と電気的に接続された接続電極が設けられており、該接続電極の複数本毎の１本が前記隔壁に対向する領域の外側まで延設されて端部が外部配線と直接接続される端子部となる引出し共通リード電極となる一方、残りが前記外部配線と直接接続される前記端子部まで引き出されていないダミー電極となっていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、共通電極から複数の引出し共通リード電極を引き出して外部配線と接続させることにより、共通電極の抵抗値を実質的に低下させることができ、電圧降下を防止することができると共に、引出し共通リード電極が設けられていない隔壁に対向する領域にダミー電極を設けることによって、各圧電素子の振動板の振動特性を均一化して、液滴吐出特性を均一化することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記共通リード電極の前記端子部とは前記圧電素子を挟んだ反対側には、前記圧電素子の並設方向に亘って連続した配線電極が設けられていると共に、前記接続電極が前記配線電極まで延設されて当該配線電極と電気的に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、ヘッドを大型化することなく、共通電極の抵抗値をさらに低下させることができ、電圧降下をさらに確実に防止することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記流路形成基板上には、各圧電素子の個別電極から前記圧力発生室に対向する領域の外側まで引き出されて端部が外部電極と接続される端子部となる個別リード電極が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、圧電素子の個別電極と外部配線との接続を容易にして、圧電素子への電圧の印加を容易に行うことができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記個別リード電極が、前記引出し共通リード電極と同一方向に引き出されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、引出し共通リード電極と個別リード電極とを同一方向に延設することにより、ヘッドを大型化することなく、複数の引出し共通リード電極及び個別リード電極を容易に延設することができる。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第５の態様では、液滴の吐出特性を安定させ、液滴の吐出特性を均一化した液体噴射装置を実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられたマスク膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、圧電素子３００の下電極膜６０、弾性膜５０及び絶縁体膜５５が振動板として作用する。
ここで、図３に示すように、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４とは反対側の端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなる個別リード電極９０が接続され、この個別リード電極９０の端部近傍は、外部電極と電気的に接続される個別用端子部１２０となっている。

一方、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０は、圧力発生室１２に対向する領域に、圧力発生室の長手方向の長さよりも幅狭で、且つ圧力発生室１２の並設方向に亘って連続して形成されている。また、下電極６０上の圧電素子３００を区画する隔壁１１に対向する領域のそれぞれには、下電極膜６０に電気的に導通する接続電極９１が設けられている。この接続電極９１は、隣接する圧電素子３００の間に隔壁１１の長手方向に亘って設けられており、接続電極９１の複数本毎の少なくとも１本が個別リード電極９０と同一方向で、個別リード電極９０の間を流路形成基板１０の端部近傍まで延設された引出し共通リード電極９２となっている。
また、引出し共通リード電極９２の延設された端部近傍は、外部配線が接続される共通用端子部１２１となっており、これらの共通用端子部１２１と個別リード電極９０の個別用端子部１２０とは、圧力発生室１２の並設方向で一列となるように設けられている。

なお、これらの引出し共通リード電極９２の共通用端子部１２１及び個別リード電極９０の個別用端子部１２０のピッチは、圧力発生室１２のピッチよりも短いピッチであることが好ましい。すなわち、各個別用端子部１２０及び共通用端子部１２１のピッチを、それぞれが短絡しない程度に比較的短いピッチとして、引出し共通リード電極９２及び個別リード電極９０を比較的狭い領域に延設することにより、ヘッドの小型化を図ることができる。

また、接続電極９１の引出し共通リード電極９２以外は、引出し共通リード電極９２の共通用端子部１２１まで引き出されずに、外部配線と電気的に直接接続されないダミー電極９３となっている。すなわち、接続電極９１は、流路形成基板１０の端部近傍まで延設されて外部配線が直接接続される引出し共通リード電極９２と、下電極膜６０上のみに形成されて外部配線と直接接続されないダミー電極９３とで構成されている。なお、ダミー電極９３は、下電極膜６０上に隔壁１１の長手方向に亘って形成されているため、外部配線が直接接続されていないが、外部配線とは下電極膜６０を介して電気的に接続されていることになる。このため、ダミー電極９３は、下電極膜６０の電気抵抗を減少させる役割も有する。
なお、このような接続電極９１は、個別リード電極９０と同一の層で形成するようにしてもよく、この場合、圧電素子３００の形成された流路形成基板１０上に個別リード電極９０をパターニングにより形成する際に、同時に接続電極９１をパターニングにより形成するようにすればよい。勿論、個別リード電極９０とは別途に設けるようにしてもよい。

このように、共通電極である下電極膜６０から複数本の引出し共通リード電極９２を延設することにより、下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下させることができ、多数の圧電素子３００を同時に駆動した際に、電圧降下の発生を防止することができ、常に安定したインク吐出特性を得ることができる。
また、引出し共通リード電極９２を個別リード電極９０の延設方向と同一方向に延設することにより、流路形成基板１０の面積を大きくすることなく、すなわち、ヘッドを大型化することなく、複数本の引出し共通リード電極９２を延設してインク吐出特性を安定させることができる。

さらに、引出し共通リード電極９２が設けられた以外の隔壁１１に対向する領域にダミー電極９３を設けることで、接続電極９１を形成した際に、パターニング時のマスクずれなどによって接続電極９１が圧力発生室１２に対向する領域にはみ出したとしても、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０からなる振動板の振動特性のバラツキを防止することができ、各圧電素子３００のインク滴の吐出特性を均一化することができる。

すなわち、複数の圧電素子３００毎に１本の引出し共通リード電極９２のみを設け、ダミー電極９３が設けられていない場合、引出し共通リード電極９２が設けられた両側の圧電素子３００と、互いに隣接する間に引出し共通リード電極９２及びダミー電極９３が設けられていない圧電素子３００とでは、それぞれ圧電素子３００の振動板の振動特性が変化してしまうが、本実施形態では、引出し共通リード電極９２の設けられていない圧電素子３００の間にダミー電極９３を設けることによって、全ての圧電素子３００の振動板の振動特性のバラツキを防止することができ、各圧電素子３００の変位特性を均一化して、各圧電素子３００に対応するインク滴の吐出特性を均一化することができる。

また、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０には、さらに、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、弾性膜５０を貫通して設けられた貫通孔５１を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。

この保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３２が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に密封されている。

また、保護基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３３となっている。
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動する駆動ＩＣ等の駆動回路１１０が設けられている。そして、駆動回路１１０と各個別用端子部１２０及び共通用端子部１２１は、ボンディングワイヤ等の外部配線１１１と接続されている。

なお、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１１０からの記録信号に従い、外部配線１１１を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの配線パターンを示す平面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
本実施形態は、図４に示すように、流路形成基板１０上の個別用端子部１２０及び共通用端子部１２１が延設されたのとは圧電素子３００を挟んだ反対側に、配線電極９４が設けられている。

また、接続電極９１Ａは、引出し共通リード電極９２Ａ及びダミー電極９３Ａからなり、各引出し共通リード電極９２Ａ及びダミー電極９３Ａは、端部が配線電極９４まで延設されて配線電極９４と電気的に導通されている。
このような配線電極９４は、下電極膜６０と同一の層で形成してもよく、接続電極９１Ａと同一の層で形成してもよく、勿論、下電極膜６０及び接続電極９１Ａとは別の層で形成するようにしてもよい。なお、接続電極９１Ａと配線電極９４とを別の層で形成する場合には、配線電極９４を形成した後、接続電極９１Ａの延設された端部が配線電極９４の上に乗るように延設することで、両者の電気的な導通を確実に図ることができる。

このように、配線電極９４を設け、接続電極９１Ａが配線電極９４に導通するように設けることで、下電極膜６０の抵抗値を下げて、圧電素子３００の電圧降下をさらに防止することができる。
勿論、上述した実施形態１と同様に、圧電素子３００の振動特性のバラツキを防止して、圧電素子３００の吐出特性を均一化することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。

また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
図５に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。

また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの配線パターンを示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの配線パターンを示す平面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、１２ 圧力発生室、２０ ノズルプレート、２１ ノズル開口、３０ 保護基板、４０ コンプライアンス基板、６０ 下電極膜、７０ 圧電体層、８０ 上電極膜、９０ 個別リード電極、９１ 接続電極、９２ 引出し共通リード電極、９３ ダミー電極、１００ リザーバ、１２０ 個別用端子部、１２１ 共通用端子部、３００ 圧電素子

Claims (5)

1. ノズル開口に連通すると共に隔壁で区画された複数の圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、
   複数の前記圧電素子に共通する共通電極上の前記隔壁に対向する領域のそれぞれには、前記共通電極と電気的に接続された接続電極が設けられており、該接続電極の複数本毎の１本が前記隔壁に対向する領域の外側まで延設されて端部が外部配線と直接接続される端子部となる引出し共通リード電極となる一方、残りが前記外部配線と直接接続される前記端子部まで引き出されていないダミー電極となっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１において、前記共通リード電極の前記端子部とは前記圧電素子を挟んだ反対側には、前記圧電素子の並設方向に亘って連続した配線電極が設けられていると共に、前記接続電極が前記配線電極まで延設されて当該配線電極と電気的に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項１又は２において、前記流路形成基板上には、各圧電素子の個別電極から前記圧力発生室に対向する領域の外側まで引き出されて端部が外部電極と接続される端子部となる個別リード電極が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項３において、前記個別リード電極が、前記引出し共通リード電極と同一方向に引き出されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜４の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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