JP2006248166A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度化すると共に信頼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２１に連通すると共に隔壁により画成された圧力発生室が設けられた流路形成基板１０上に振動板を介して下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００が形成されると共に当該圧電素子３００の前記圧力発生室１２に相対向する領域の前記圧力発生室１２の幅方向中央部に長手方向に亘って溝部３０１が形成されており、且つ前記下電極６０が各圧力発生室１２に相対向する領域に設けられて各圧電素子３００の個別電極となっていると共に、前記圧電体層７０及び前記上電極膜８０が複数の圧力発生室１２が形成された領域に亘って連続して形成されて当該上電極８０が複数の圧電素子３００に共通する共通電極となっている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位により液滴を吐出させる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、液体としてインク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が実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘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ある。このような圧電素子は、圧力発生室内に突出するように変形して圧力発生室を加圧してインク滴を吐出するようになっている。

また、圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の中央部に圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸長部を形成することにより、圧電素子を圧力発生室に対して突出するように変形させるようにし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）。

このような何れのインクジェット式記録ヘッドの圧電素子であっても、振動板側の下電極が複数の圧電素子に共通する共通電極となっていると共に、上電極が圧力発生室を画成する隔壁上でパターニングされて各圧電素子の個別電極となっている。そして、圧力発生室を高密度に配設する場合、隔壁の幅を狭くしなくてはならないが、幅狭の隔壁上で上電極を精度良くパターニングするのは困難であり、圧力発生室を高密度に配設するのが困難であると共にパターニング不良や短絡などが生じやすいという問題がある。

特開平１１−１２９４６８号公報（第４〜６頁、第５〜６図）

本発明はこのような事情に鑑み、高密度化すると共に信頼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と共に隔壁により画成された圧力発生室が設けられた流路形成基板上に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が形成されると共に当該圧電素子の前記圧力発生室に相対向する領域の前記圧力発生室の幅方向中央部に長手方向に亘って溝部が形成されており、且つ前記下電極が各圧力発生室に相対向する領域に設けられて各圧電素子の個別電極となっていると共に、前記圧電体層及び前記上電極膜が複数の圧力発生室が形成された領域に亘って連続して形成されて当該上電極が複数の圧電素子に共通する共通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、上電極を隔壁の上でパターニングしてないため、隔壁の幅を狭くすることができ、圧力発生室を高密度に配設することができる。また、圧電体層及び上電極が複数の圧力発生室に亘って連続して形成されているため、圧力発生室の幅方向の隔壁との境界で振動板及び圧電体層が破壊されるのを確実に防止することができる。また、圧電素子を圧力発生室とは反対側に弾性変形させることができ、しかも溝部によって圧電素子の変位量を大きくすることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記下電極が前記圧力発生室の幅よりも幅広に形成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、圧力発生室と隔壁との境界が下電極によって補強されるため、この境界部分に割れ等が発生するのを確実に防止することができると共に、圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部を確実に形成することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記溝部が前記上電極と前記圧電体層の少なくとも一部とが除去されて形成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３の態様では、溝部が上電極と圧電体層の少なくとも一部とを除去されて形成されていることで、圧電素子を圧力発生室とは反対側に大きな変位量で変位させることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記溝部が前記上電極と前記圧電体層とが除去されて前記下電極を露出するように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４の態様では、溝部が下電極を露出するように設けられることで、圧電素子を圧力発生室とは反対側に大きな変位量で変位させることができる。

本発明の第５の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記溝部が前記上電極と前記圧電体層と前記下電極の少なくとも一部とを除去することで形成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５の態様では、溝部が、下電極の一部を除去して形成されていたとしても、圧電素子を圧力発生室とは反対側に大きな変位量で変位させることができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５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６の態様では、高密度化すると共に信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。

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の分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ′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、その両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０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。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保護膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が常温下で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又はステンレス鋼（ＳＵＳ）などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。

一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、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を各圧力発生室１２に相対向する領域に形成し、下電極膜６０を隔壁１１に相対向する領域で不連続とすることで、下電極膜６０を各圧電素子３００の個別電極とした。なお、下電極膜６０は、圧力発生室１２の幅よりも幅広に形成するのが好ましい。これは、圧力発生室１２に相対向する領域で圧電素子３００を確実に変位させると共に、圧力発生室１２の幅方向の隔壁１１との境界に下電極膜６０を設けることによって補強して、圧電素子３００の変位によりこの境界部分が破壊されるのを防止するためである。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用する。

また、圧電体層７０及び上電極膜８０は、複数の圧力発生室１２に亘って連続して形成されており、上電極膜８０は、複数の圧電素子３００に共通する共通電極となっている。

このように、圧電体層７０及び上電極膜８０を複数の圧力発生室１２に亘って連続して形成し、上電極膜８０を共通電極とすることで、上電極膜８０を隔壁１１上でパターニングしてないため、隔壁１１の幅を狭くすることができ、圧力発生室１２を高密度に配設することができると共にパターニング不良や短絡などを防止して信頼性を向上することができる。

さらに、各圧電素子３００には、圧力発生室１２の幅方向中央部に長手方向に亘って溝部３０１が形成されている。この溝部３０１は、本実施形態では、上電極膜８０と圧電体層７０とをパターニングすることで下電極膜６０の中央部が露出するように形成されている。そして、圧電素子３００に溝部３０１を形成することによって、各圧力発生室１２毎に圧力発生室１２の幅方向両側に長手方向に亘って実質的に駆動する２つの圧電体能動部３２０が形成されている。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。そして、このような２つの圧電体能動部３２０は、圧力発生室１２とは反対側に突出するように変形し、圧力発生室１２の容積を大きくして圧力発生室１２内にインクを取り込んだ後、変形を元に戻すことによって圧力発生室１２内を加圧してノズル開口２１からインク滴を吐出させる。

このように、圧電素子３００に溝部３０１を形成することによって、圧電素子３００の変位量を大きくすることができる。また、上電極膜８０を共通電極とするため、隣接する圧電素子３００の間で上電極膜８０をパターニングする必要がないため、パターニング不良などによる短絡などの問題が発生するのを防止することができる。さらに、上電極膜８０及び圧電体層７０が複数の圧力発生室１２に設けられているため、圧力発生室１２の幅方向の隔壁１１との境界にも圧電体層７０及び上電極膜８０が形成され、圧力発生室１２の幅方向の隔壁１１との境界で振動板及び圧電体層７０が破壊されるのを確実に防止することができる。

また、本実施形態では、下電極膜６０の端部は、詳しくは後述する保護基板３０の貫通孔３３まで延設されており、この下電極膜６０の延設された端部は、詳しくは後述する駆動回路と接続配線を介して接続されている。また、上電極膜８０は、圧力発生室１２の並設方向の端部から絶縁体膜５５上まで延設されており、上電極膜８０の延設された端部は、電圧が供給される外部配線等と電気的に接続されるようになっている。なお、上電極膜８０を圧力発生室１２の並設方向の端部から延設せずに、下電極膜６０と同一方向に延設するようにしてもよく、他の引き出し配線等によって引き出すようにしてもよい。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３４を介して接合されている。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、上述のように流路形成基板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。

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有する圧電素子保持部３２が設けられている。この圧電素子保持部３２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３２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３２は、必ずしも密封されている必要はない。

このような保護基板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には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００の延設された下電極膜６０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１１０が固定されている。この駆動回路１１０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１１０と延設された下電極膜６０の端部近傍とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２０を介して電気的に接続されている。

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のみで封止されている。

また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形成されている。さらに、保護基板３０には、インク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３５が設けられている。

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４４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、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。なお、本実施形態の圧電素子３００の実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０は、各圧力発生室１２の幅方向両側にそれぞれ設けられているため、各圧力発生室１２の２つの圧電体能動部３２０を圧力発生室１２の容積を増大させるように圧力発生室１２とは反対側に突出するように変形させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の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、上述した実施形態１では、溝部３０１を上電極膜８０及び圧電体層７０と同じ深さで形成し、下電極膜６０が溝部３０１により露出されるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、溝部を圧電体層の厚さよりも浅い深さで形成するようにしてもよい。また、溝部を下電極膜６０の一部に達する深さで形成してもよく、さらに溝部を圧電素子３００全体の厚さと同じ深さ、すなわち絶縁体膜５５を露出する深さで形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、保護基板３０に圧電素子保持部３２を設け、この圧電素子保持部３２内に圧電素子３００を形成するようにしたが、これに限定されず、保護基板３０に圧電素子保持部３２を設けなくてもよい。この場合には、圧電素子３００の表面をアルミナなどの無機材料からなる保護膜によって覆い、水分（湿気）に起因する圧電体層７０の破壊を防止するようにすればよい。勿論、保護膜により覆われた圧電素子３００を圧電素子保持部３２内に設けるようにしてもよい。

さらに、例えば、上述した実施形態１では、成膜及びリソグラフィ法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４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４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。

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平面図及び断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 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、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 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 リード電極、 １００ リザーバ、 １１０ 駆動回路、 １２０ 接続配線、 ３００ 圧電素子、 ３０１ 溝部、 ３２０ 圧電体能動部

Claims (6)

1. ノズル開口に連通すると共に隔壁により画成された圧力発生室が設けられた流路形成基板上に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が形成されると共に当該圧電素子の前記圧力発生室に相対向する領域の前記圧力発生室の幅方向中央部に長手方向に亘って溝部が形成されており、且つ前記下電極が各圧力発生室に相対向する領域に設けられて各圧電素子の個別電極となっていると共に、前記圧電体層及び前記上電極膜が複数の圧力発生室が形成された領域に亘って連続して形成されて当該上電極が複数の圧電素子に共通する共通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、前記下電極が前記圧力発生室の幅よりも幅広に形成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、前記溝部が前記上電極と前記圧電体層の少なくとも一部とが除去されて形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記溝部が前記上電極と前記圧電体層とが除去されて前記下電極を露出するように設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記溝部が前記上電極と前記圧電体層と前記下電極の少なくとも一部とを除去することで形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜５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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