JP2005262739A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部環境に起因する圧電素子の破壊を防止すると共に、圧電素子の特性を向上した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圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０と、流路形成基板１０の一方面側に振動板を介して設けられる下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる複数の圧電素子３００と、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面に接合されると共に圧電素子３００を保護する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０とを具備する液体噴射ヘッドであって、保護基板３０の圧電素子保持部３１の短手方向の外側領域に、圧電素子保持部３０の短手方向に延びるスリット部３３を、圧電素子保持部３１の長手方向に沿って所定の間隔で複数設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液滴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。

また、このような圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題がある。このため、例えば、圧力発生室が形成される流路形成基板に、圧電素子保持部を有する接合基板を接合し、この圧電素子保持部内に並設された複数の圧電素子を密封するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このように接合基板を流路形成基板に接合した構造では、各圧電素子の破壊は防止することはできる。しかしながら、圧電素子の特性が低下してしまうという問題がある。すなわち、接合基板の周縁部近傍は、圧電素子保持部が設けられた中央領域よりも剛性が高く、この接合基板の剛性の違いに起因して圧電素子の特性が低下してしまうという問題がある。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の製造方法においても、同様に存在する。

特開２００２−１１３８５７（特許請求の範囲等）

本発明はこのような事情に鑑み、外部環境に起因する圧電素子の破壊を防止すると共に、圧電素子の特性を向上した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る下電極、圧電体層及び上電極からなる複数の圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合されると共に当該圧電素子を保護する圧電素子保持部を有する保護基板とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記保護基板の前記圧電素子保持部の短手方向の外側領域に、当該圧電素子保持部の短手方向に延びるスリット部が、前記圧電素子保持部の長手方向に沿って所定の間隔で複数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１の態様では、圧電素子保持部の短手方向において、保護基板の剛性の差が小さく抑えられる。したがって、この剛性の違いに起因する圧電素子の特性低下が抑えられる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記保護基板の端部側の前記スリット部の形成密度が、前記保護基板の中央部よりも高く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２の態様では、圧電素子保持部の長手方向における保護基板の剛性の差も、このスリット部によって小さく抑えられ、保護基板の剛性の違いに起因する圧電素子の特性のばらつきが抑えられる。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記保護基板の端部近傍の前記スリット部の開口面積が、前記保護基板の中央部の前記スリット部の開口面積よりも広く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３の態様では、圧電素子保持部の長手方向における保護基板の剛性の差を、容易且つ確実に小さく抑えることができる。

本発明の第４の態様は、第２又は３の態様において、前記保護基板の端部近傍の前記スリット部の間隔が、前記保護基板の中央部の前記スリット部の間隔よりも狭く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４の態様では、圧電素子保持部の長手方向における保護基板の剛性の差を、容易且つ確実に小さく抑えることができる。

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、高い信頼性を有する液体噴射装置を比較的容易に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の上面図であり、図３はそのＡ−Ａ′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って形成された厚さ１〜２μｍの二酸化シリコンからなる弾性膜５０が設けられている。この流路形成基板１０には、隔壁１１によって画成された複数の圧力発生室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。連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２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ステンレス鋼などからなる。

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、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、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、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、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は圧電素子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。上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板としての役割を果たす。

また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。

さらに、このような流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域に圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接着されている。この圧電素子保持部３１は、複数の圧電素子３００を一体的に覆う大きさで形成されており、各圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に配置されている。これにより、各圧電素子３００は外部環境の影響を殆ど受けない状態に保護されている。なお、圧電素子保持部３１は、必ずしも密封されている必要はない。また、本実施形態では、圧電素子３００の列の両端部外側に、実際には駆動されないダミーの圧電素子３０１が複数形成されており、これらダミーの圧電素子３０１もこの圧電素子保持部３１内に配置されている。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されて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、この保護基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。そして、このリザーバ部３２は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１３と連通され、これらリザーバ部３２及び連通部１３によってリザーバ１００が形成されている。

ここで、保護基板３０の圧電素子保持部３１の短手方向（ノズル開口２１が並設される方向と直交する方向）の外側、例えば、本実施形態では、圧電素子保持部３１のリザーバ部と反対側の領域に、圧電素子保持部３１の短手方向に延びるスリット部３３が所定間隔で複数設けられている。これにより、圧電素子保持部３１の短手方向における保護基板３０及び流路形成基板１０の剛性の差が小さく抑えられる。したがって、これら保護基板３０及び流路形成基板１０の中央部と周縁部との剛性の差に起因する圧電素子３００の特性低下が抑えられる。すなわち、保護基板３０にスリット部３３を設けていない構造と比較して、各圧電素子３００の特性を実質的に向上させることができる。

なお、本実施形態では、各スリット部３３は、大きさ（開口面積）がそれぞれ同一となるように形成されており、圧電素子保持部３１の長手方向（ノズル開口２１が並設される方向）におけるスリット部３３の形成密度は一定であるが、これに限定されず、圧電素子保持部３１の長手方向において、スリット部３３の形成密度を変化させるようにしてもよい。例えば、図４に示すように、保護基板３０の端部側のスリット部３３ａの開口面積を、中央部のスリット部３３ｂの開口面積よりも広くするようにしてもよい。また、例えば、図５に示すように、保護基板３０の端部側のスリット部３３ａの間隔Ｌ１が、中央部のスリット部３３ｂの間隔Ｌ２よりも狭くなるようにしてもよい。

このように保護基板３０の端部側のスリット部３３の形成密度を、中央部よりも高くなるようにすることで、並設されている各圧電素子３００の特性のばらつきも抑えることができる。すなわち、保護基板３０には、圧電素子保持部３１が形成されて剛性が低い領域と、その周囲の剛性が高い領域とが境界が存在する。そして、流路形成基板１０と保護基板３０とを加圧接着する際、この境界部分に応力が集中してしまい、この応力集中に起因して圧電素子３００の特性のばらつきが生じてしまう。しかしながら、保護基板３０の端部側のスリット部３３（３３ａ）の形成密度を、中央部のスリット部３３（３３ｂ）の形成密度よりも高くすることで、保護基板３０の中央部と周縁部との剛性の差を小さく抑えることができる。したがって、流路形成基板１０と保護基板３０とを接着する際の応力集中を防止することができ、並設された各圧電素子３００の特性のばらつきを抑えることができる。

なお、本実施形態では、上述したように、並設された圧電素子３００の外側に複数のダミーの圧電素子３０１が設けられている。このような構成では、流路形成基板１０の端部近傍に位置するダミーの圧電素子３０１は駆動されないので、実際にインク吐出に用いられる各圧電素子３００の特性はさらに均一化される。

また、このような保護基板３０上には、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となっている。

さらに、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１１０（半導体集積回路）が実装されている。そして、この駆動ＩＣ１１０と、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０とが、ボンディングワイヤからなる接続配線１２０によって接続されることで、各圧電素子３００と駆動ＩＣ１１０とが電気的に接続されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口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、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、絶縁体膜５５、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。

（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、上述の実施形態では、圧電素子保持部３１のリザーバ部３２とは反対側の領域の保護基板３０にスリット部３３を設けるようにしたが、勿論、圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域に設けるようにしてもよい。また、このような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６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６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。

なお、上述した実施形態では、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挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド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液体噴射ヘッド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。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの上面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す上面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す上面図である。 一実施形態に係る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、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ３３ スリット部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子

Claims (5)

1. ノズル開口に連通する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る下電極、圧電体層及び上電極からなる複数の圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合されると共に当該圧電素子を保護する圧電素子保持部を有する保護基板とを具備する液体噴射ヘッドであって、
   前記保護基板の前記圧電素子保持部の短手方向の外側領域に、当該圧電素子保持部の短手方向に延びるスリット部が、前記圧電素子保持部の長手方向に沿って所定の間隔で複数設けられ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、前記保護基板の端部側の前記スリット部の形成密度が、前記保護基板の中央部よりも高くなっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項２において、前記保護基板の端部近傍の前記スリット部の開口面積が、前記保護基板の中央部の前記スリット部の開口面積よりも広くなっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項２又は３において、前記保護基板の端部近傍の前記スリット部の間隔が、前記保護基板の中央部の前記スリット部の間隔よりも狭くなっ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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