JP2006272664A - Droplet ejection head and droplet ejector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に係り、詳細には、振動板上に設けられた積層型の圧力発生手段よって圧力室内の液体を加圧することによりノズルからインク滴を吐出し記録媒体に印字を行うインクジェット記録ヘッド等に適用される液滴吐出ヘッド、及び、インクジェット記録装置等に用いられる液滴吐出装置に関する。 The present invention relates to a droplet discharge head and a droplet discharge device, and more specifically, discharges ink droplets from nozzles by pressurizing a liquid in a pressure chamber by a stacked pressure generating means provided on a diaphragm. The present invention relates to a droplet discharge head applied to an inkjet recording head or the like that performs printing on a recording medium, and a droplet discharge device used in an inkjet recording apparatus or the like.
インクジェット記録ヘッドに用いられる圧電素子には、単層の圧電体層を正負電極で挟んだ構造の単層型(ベンダー型)、あるいは、圧電縦効果を利用して変位させる積層型(例えば、特許文献1参照)や、ペースト状圧電材料と導電材料(グリーンシート)とをそれぞれ層状に交互に積層して焼成した圧電板を所定の幅で切断して形成した積層型(例えば、特許文献2参照)などがある。
しかしながら、単層型圧電素子では、圧電体層が単層構造であるため十分な変位が得られず、また、正負電極が圧電体層を挟み上下に分離して配置されるため、電極間に大きな段差を生じて各電極に接続する配線パターンの引き回しが複雑になる。 However, in a single layer type piezoelectric element, the piezoelectric layer has a single layer structure, so that sufficient displacement cannot be obtained, and the positive and negative electrodes are arranged separately above and below the piezoelectric layer, so that the gap between the electrodes is A large step is generated, and the wiring pattern connected to each electrode is complicated.
一方、従来の積層型圧電素子では、圧電体層と電極層とを交互に積層して作製しているため、接合工程が多く製造プロセスが複雑であり、高価となる。また、積層間隔が容易に狭められないため、高密度化及び小型化を実現することが困難で、この積層型圧電素子圧電素子を複数備えたインクジェット記録ヘッドではサイズが大きくなってしまう。 On the other hand, the conventional multilayer piezoelectric element is manufactured by alternately laminating piezoelectric layers and electrode layers, so that there are many joining processes, the manufacturing process is complicated, and the cost is high. In addition, since the stacking interval cannot be easily reduced, it is difficult to achieve high density and miniaturization, and the inkjet recording head including a plurality of the piezoelectric piezoelectric elements has a large size.
本発明は上記事実を考慮して、高密度化及び小型化が可能で且つ十分な変位が得られる積層型の圧力発生手段を備えた液滴吐出ヘッドを提供することを課題とする。また、また、その液滴吐出ヘッドを備えることでヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで十分な液滴吐出性能が得られる液滴吐出装置を提供することを課題とする。 In view of the above-described facts, an object of the present invention is to provide a droplet discharge head including a stacked pressure generating unit that can be densified and miniaturized and can obtain sufficient displacement. It is another object of the present invention to provide a liquid droplet ejection apparatus that has a liquid droplet ejection head that has a simplified and miniaturized head configuration and can provide sufficient liquid droplet ejection performance at low cost.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、振動板上に設けられた圧力発生手段によって圧力室内の液体を加圧することにより、前記圧力室と連通されたノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段を構成する電歪材料により形成された圧電体層と導電性材料により形成された電極層とが前記振動板の面方向に沿って積層されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the liquid in the pressure chamber is pressurized by the pressure generating means provided on the diaphragm, so that the liquid droplets are ejected from the nozzle communicated with the pressure chamber. In the droplet discharge head, the piezoelectric layer formed of the electrostrictive material constituting the pressure generating means and the electrode layer formed of the conductive material are laminated along the surface direction of the diaphragm. It is characterized by.
請求項1に記載の発明では、積層型の圧力発生手段を構成する圧電体層と電極層とを振動板の面方向に沿って積層することにより、それらの各層を交互に積層しなくとも作製できるようになるため、製造プロセスが簡素化されるとともに、十分な変位が得られる圧力発生手段を一体的に形成できる。また、各層を交互に積層しないことで、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。 According to the first aspect of the present invention, the piezoelectric layers and the electrode layers constituting the laminated pressure generating means are laminated along the surface direction of the diaphragm, so that the respective layers are produced without being laminated alternately. As a result, the manufacturing process is simplified, and pressure generating means capable of obtaining sufficient displacement can be integrally formed. Also, by not laminating the layers alternately, the stacking interval can be narrowed to increase the density and reduce the size.
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層が備える正電極層及び負電極層が櫛歯状とされ互いに噛み合うように配置されていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the first aspect, the positive electrode layer and the negative electrode layer included in the electrode layer are comb-like and arranged so as to mesh with each other. Yes.
請求項2に記載の発明では、正電極層及び負電極層を櫛歯状とし互いに噛み合うように配置することにより、圧電体層及び電極層を振動板の面方向に沿って積層する構成を実現しつつ、例えば、正電極層及び負電極層にそれぞれ電気信号を供給するために電気的に接続される各極の配線電極が同一層に容易に形成できるようになり、配線構造を簡素化することができる。
In the invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層が備える正電極層及び負電極層が帯状とされていることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the first aspect, the positive electrode layer and the negative electrode layer included in the electrode layer are formed in a strip shape.
請求項3に記載の発明では、正電極層及び負電極層を帯状とすることにより、積層間隔をより狭めて更なる高密度化及び小型化が可能となる。
In the invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項3記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記帯状の正電極層及び負電極層と前記圧電体層とが前記圧力発生手段の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧力発生手段の内外方向に交互に積層配置されていることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the third aspect, the belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer are in a circular shape along the outer peripheral shape of the pressure generating means. And it is characterized by being alternately laminated in the inner and outer directions of the pressure generating means.
請求項4項記載の発明では、帯状の正電極層及び負電極層と圧電体層とを、圧力発生手段の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧力発生手段の内外方向に交互に積層配置することにより、この圧力発生手段では、周回状とされた正電極層及び負電極層の略中心部から略放射状に外方へ又は内方へ変位するようになるため、より大きな変位量が得られる。 In the invention described in claim 4, the belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer are alternately laminated in a circular shape along the outer peripheral shape of the pressure generating means and in the inner and outer directions of the pressure generating means. By disposing, in this pressure generating means, the positive electrode layer and the negative electrode layer having a circular shape are displaced radially outward or inward from substantially the center of the positive electrode layer and the negative electrode layer. can get.
請求項5に記載の発明は、請求項3記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記帯状の正電極層及び負電極層が渦巻状に配置されていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the third aspect, the belt-like positive electrode layer and the negative electrode layer are arranged in a spiral shape.
請求項5項記載の発明では、帯状の正電極層及び負電極層と圧電体層とを渦巻状に配置することにより、この圧力発生手段では、渦巻状とされた正電極層及び負電極層の略中心部から略放射状に内方へ又は外方へ変位するようになるため、より大きな変位量が得られる。 According to the fifth aspect of the present invention, the positive electrode layer and the negative electrode layer are formed in a spiral shape by arranging the belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer in a spiral shape. Therefore, a larger amount of displacement can be obtained.
請求項6に記載の発明は、請求項4又は請求項5記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段の外形の略中心部に、前記周回状又は前記渦巻状に配置された正電極層及び負電極層の略中心部が配置されていることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the fourth or fifth aspect, the positive electrode layer disposed in the circumferential shape or the spiral shape at a substantially central portion of the outer shape of the pressure generating means. And the substantially center part of the negative electrode layer is arrange | positioned.
請求項6項記載の発明では、圧力発生手段の外形の略中心部に、周回状又は渦巻状に配置した正電極層及び負電極層の略中心部を配置することにより、この圧力発生手段では、圧力発生手段の略中心部に対し、周辺部が略均等に偏りなく内外方向へ変位するようになり、変位動作が安定する。 According to the sixth aspect of the present invention, the pressure generating means is arranged at the substantially central portion of the outer shape of the pressure generating means by arranging the substantially central portions of the positive electrode layer and the negative electrode layer arranged in a circular shape or a spiral shape. The peripheral portion of the pressure generating means is displaced inward and outward in a substantially uniform manner with respect to the substantially central portion of the pressure generating means, so that the displacement operation is stabilized.
請求項7に記載の発明は、請求項4〜請求項6の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段の変位方向が4方向以上とされていることを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the fourth to sixth aspects, the displacement direction of the pressure generating means is four or more.
請求項7項記載の発明では、圧力発生手段を4方向以上に変位させることにより、例えば、2方向に変位させる場合に比べてより大きな変位量が得られる。 In the seventh aspect of the invention, by displacing the pressure generating means in four or more directions, for example, a larger amount of displacement can be obtained than in the case of displacing in two directions.
請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層及び前記電極層が半導体プロセスにより形成されて積層構造とされていることを特徴としている。 According to an eighth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to seventh aspects, the piezoelectric layer and the electrode layer are formed by a semiconductor process to form a laminated structure. It is characterized by that.
請求項8項記載の発明では、圧電体層及び電極層を、例えば薄膜、メッキ、エッチング等の半導体プロセスにより形成して積層構造とすることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧力発生手段を一体的に形成できる。 In the invention according to claim 8, sufficient displacement can be obtained by a simple manufacturing method by forming the piezoelectric layer and the electrode layer by a semiconductor process such as a thin film, plating, etching, etc. to form a laminated structure. The pressure generating means can be formed integrally.
請求項9に記載の発明は、請求項8記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層は、前記振動板上に成膜されてから半導体プロセスにより前記電極層を設けるための層状空間が形成されることを特徴としている。 According to a ninth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the eighth aspect, the piezoelectric layer is formed on the diaphragm and then a layered space for providing the electrode layer is formed by a semiconductor process. It is characterized by being.
請求項9項記載の発明では、圧電体層を振動板上に成膜してから電極層を設けるための層状空間を半導体プロセスで形成することにより、このような簡単な製造工程で、一体構造の積層型圧力発生手段を作製することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, the layered space for providing the electrode layer is formed by the semiconductor process after the piezoelectric layer is formed on the vibration plate, so that the monolithic structure can be obtained by such a simple manufacturing process. The laminated pressure generating means can be produced.
請求項10に記載の発明は、請求項1〜請求項7の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層及び前記電極層がフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成されていることを特徴としている。 According to a tenth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to any one of the first to seventh aspects, the piezoelectric layer and the electrode layer are formed in a laminated structure using a photolithography process. It is characterized by that.
請求項10項記載の発明では、圧電体層及び電極層をフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成することにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧力発生手段を一体的に形成できる。
In the invention described in
請求項11に記載の発明は、請求項9記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層は、前記振動板上にフォトリソプロセスにより形成されたフォトレジストを介して成膜されてからそのフォトレジストが除去されることにより前記電極層を設けるための層状空間が形成されることを特徴としている。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to the ninth aspect, the piezoelectric layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is formed. By removing the layer, a layered space for providing the electrode layer is formed.
請求項11項記載の発明では、振動板上にフォトリソプロセスにより形成したフォトレジストを介して圧電体層を成膜し、その後にフォトレジストを除去して電極層を設けるための層状空間を形成することにより、このような簡単な製造工程で、一体構造の積層型圧力発生手段を作製することができる。 In the eleventh aspect of the present invention, a piezoelectric layer is formed on a diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and thereafter, the photoresist is removed to form a layered space for providing an electrode layer. As a result, the monolithic laminated pressure generating means can be manufactured by such a simple manufacturing process.
請求項12に記載の発明は、請求項10記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層は、前記振動板上にフォトリソプロセスにより形成されたフォトレジストを介して形成されてからそのフォトレジストが除去されることにより前記圧電体層を設けるための層状空間が形成されることを特徴としている。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to the tenth aspect, the electrode layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is removed. Thus, a layered space for providing the piezoelectric layer is formed.
請求項12項記載の発明では、振動板上にフォトリソプロセスにより形成したフォトレジストを介して電極層を形成し、その後にフォトレジストを除去して圧電体層を設けるための層状空間を形成することにより、このような簡単な製造工程で、一体構造の積層型圧力発生手段を作製することができる。 In the twelfth aspect of the present invention, an electrode layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is removed to form a layered space for providing a piezoelectric layer. Thus, the monolithic laminated pressure generating means can be manufactured through such a simple manufacturing process.
請求項13に記載の発明は、請求項1〜請求項12の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層に電気信号を供給するための電極端子、及び、電極端子と電極層とを電気的に接続する配線電極が前記振動板上にそれぞれ形成されるとともに、前記配線電極と電極層とが前記圧力発生手段の下面部で接続されていることを特徴としている。
The invention according to claim 13 is the droplet discharge head according to any one of
請求項13に記載の発明では、電極端子及び配線電極を振動板上に形成し、配線電極と圧力発生手段の電極層は、圧力発生手段の下面部で接続することにより、電極端子と配線電極の間、及び、配線電極と電極層との接続部において段差等が生じることはなく、電極端子の形成、配線電極の形成(引き回し)及び電極層との接続が容易となり、配線及び接続構造の簡素化と製造性の向上が図られる。 In the invention according to claim 13, the electrode terminal and the wiring electrode are formed on the diaphragm, and the electrode layer of the wiring electrode and the pressure generating means is connected to the lower surface portion of the pressure generating means, whereby the electrode terminal and the wiring electrode are connected. Between the wiring electrode and the electrode layer does not cause a step or the like, and the formation of the electrode terminal, the formation of the wiring electrode (routing) and the connection with the electrode layer are facilitated. Simplification and improvement of manufacturability are achieved.
請求項14に記載の発明は、請求項13記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極端子が備える正極端子及び負極端子が前記振動板上に2層に分離形成されていることを特徴としている。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the thirteenth aspect, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal included in the electrode terminal are separately formed on the diaphragm in two layers.
請求項14に記載の発明では、正極端子及び負極端子を振動板上に2層に分離して形成することにより、正極端子及び負極端子にそれぞれ電気的に接続する各配線のレイアウトが容易となる。
In the invention described in
請求項15に記載の発明は、請求項1〜請求項12の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層に電気信号を供給するため電極端子が、前記圧力発生手段の側面に形成されていることを特徴としている。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to any one of the first to twelfth aspects, an electrode terminal for supplying an electric signal to the electrode layer is provided on a side surface of the pressure generating unit. It is characterized by being formed.
請求項15に記載の発明では、圧力発生手段の側面に電極端子を形成することにより、例えば複数の圧力発生手段を振動板上に並列配置する場合に、電極端子の設置スペースが小さくされ各圧力発生手段を近接配置できるようになる。これにより、液滴吐出ヘッドのノズルピッチを小さくすることができる。 In the invention described in claim 15, by forming the electrode terminal on the side surface of the pressure generating means, for example, when a plurality of pressure generating means are arranged in parallel on the diaphragm, the installation space for the electrode terminals is reduced, and each pressure The generating means can be arranged close to each other. Thereby, the nozzle pitch of a droplet discharge head can be made small.
請求項16に記載の発明は、請求項1〜請求項15の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段は、下面の略全面が前記振動板に面接していることを特徴としている。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to fifteenth aspects, the pressure generating means has a substantially entire lower surface in contact with the diaphragm. It is a feature.
請求項16に記載の発明では、圧力発生手段の下面の略全面を振動板に面接させることにより、下面部に段差の無いシンプルな構造にすることができる。
In the invention described in
請求項17に記載の発明は、請求項1〜請求項16の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段に前記正電極層及び前記負電極層が複数組設けられ、その複数組の正電極層及び負電極層の各組にそれぞれ電気信号を供給するタイミングを変更することにより圧力発生手段の変位量を調整することを特徴としている。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to sixteenth aspects, the pressure generating means includes a plurality of sets of the positive electrode layer and the negative electrode layer, It is characterized in that the amount of displacement of the pressure generating means is adjusted by changing the timing of supplying an electric signal to each of a plurality of sets of positive electrode layers and negative electrode layers.
請求項17に記載の発明では、圧力発生手段の変位量を調整することで、ノズルから吐出する液滴の量(大きさ)を調整することが可能となる。 In the invention according to the seventeenth aspect, it is possible to adjust the amount (size) of the droplet discharged from the nozzle by adjusting the displacement amount of the pressure generating means.
請求項18に記載の発明は、請求項17記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記複数組の正電極層及び負電極層の各組が圧力発生手段の中心部側と外周部側との間で複数に分割配置されていることを特徴としている。 According to an eighteenth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to the seventeenth aspect, each of the plurality of sets of positive electrode layers and negative electrode layers is disposed between the central portion side and the outer peripheral portion side of the pressure generating means. It is characterized by being divided into a plurality of parts.
請求項18に記載の発明では、正電極層及び負電極層の各組を圧力発生手段の中心部側と外周部側との間で複数に分割して配置することにより、各組を個別に駆動したときの排除体積の差が大きくなり、吐出液滴量の階調幅が広くなる。
In the invention of
請求項19に記載の発明は、請求項1〜請求項18の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、複数の前記圧力発生手段を備え、その複数の圧力発生手段が前記振動板上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置されていることを特徴としている。 According to a nineteenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to eighteenth aspects, the plurality of pressure generating means are provided, and the plurality of pressure generating means are provided on the diaphragm. It is characterized by being arranged adjacent to each other corresponding to the active area.
請求項19に記載の発明では、複数の圧力発生手段を振動板上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置することにより、液滴吐出ヘッドのノズルピッチを小さくすることができる。 According to the nineteenth aspect of the invention, the nozzle pitch of the droplet discharge head can be reduced by disposing the plurality of pressure generating means corresponding to the active area on the diaphragm and close to each other.
請求項20に記載の発明は、請求項1〜請求項19の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段は、前記電極層に替えて熱歪材料により形成された発熱体層と、前記圧電体層に替えて前記発熱体層とは異なる熱膨張係数の材料により形成された基材層と、を有することを特徴としている。
The invention according to
請求項20に記載の発明では、上記の電極層に替えて熱歪材料により形成された発熱体層と、上記の圧電体層に替えて発熱体層とは異なる熱膨張係数の材料により形成された基材層と、を有する熱変位型の圧力発生手段に適用した場合でも、請求項1〜請求項19と同様の作用・効果が得られる。
In the invention of
請求項21に記載の発明は、請求項1〜請求項19の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴としている。 A twenty-first aspect of the invention is characterized by including the droplet discharge head according to any one of the first to nineteenth aspects.
請求項21に記載の発明では、高密度化及び小型化が可能で且つ必要十分な変位が得られる積層型の圧力発生手段を有する液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置であれば、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分な液滴吐出性能が得られる。 In the invention according to claim 21, if the liquid droplet ejection apparatus is provided with a liquid droplet ejection head having a laminated pressure generating means capable of achieving high density and miniaturization and obtaining necessary and sufficient displacement, the head The structure is simplified and miniaturized, and necessary and sufficient droplet discharge performance can be obtained at low cost.
本発明の液滴吐出ヘッドは上記構成としたので、搭載する積層型の圧力発生手段の高密度化及び小型化が可能で且つ十分な変位が得られる。また、本発明の液滴吐出装置は上記構成としたので、搭載する液滴吐出ヘッドのヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで十分な液滴吐出性能が得られる。 Since the droplet discharge head according to the present invention has the above-described configuration, it is possible to increase the density and size of the stacked pressure generating means to be mounted, and to obtain sufficient displacement. Further, since the droplet discharge device of the present invention has the above-described configuration, the head configuration of the mounted droplet discharge head is simplified and miniaturized, and sufficient droplet discharge performance can be obtained at low cost.
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置について説明する。 Hereinafter, an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、図36を用いてインクジェット記録装置300の概要を説明する。なお、記録媒体は記録紙Pとして説明する。また図36では、インクジェット記録装置300における記録紙Pの搬送方向を副走査方向として矢印Sで表し、その搬送方向と直交する方向を主走査方向として矢印Mで表す。
(First embodiment)
First, the outline of the
図36に示されるように、本実施形態のインクジェット記録装置300は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット330(インクジェット記録ヘッド10)を搭載するキャリッジ312を備えている。キャリッジ312は、記録紙Pの搬送方向上流側に一対のブラケット314が突設されており(図では片側のブラケット314のみを示している)、この一対のブラケット314にそれぞれ形成された円形孔には、主走査方向に架設されたシャフト320が挿通されている。
As shown in FIG. 36, the ink
キャリッジ312に対し主走査方向の両端側には、主走査機構316を構成する駆動プーリー(図示省略)と従動プーリー(図示省略)が配設されている。これらの駆動プーリーと従動プーリーとに巻回されて、主走査方向に走行するタイミングベルト322の一部がキャリッジ312に固定されている。これにより、キャリッジ312は、駆動プーリーの回転駆動によってタイミングベルト322が主走査方向に走行すると、一対のブラケット314がシャフト320にガイドされて主走査方向に往復移動する。
A driving pulley (not shown) and a driven pulley (not shown) constituting the
インクジェット記録装置300の前側下部には、画像印刷前の記録紙Pを束状にして収納しておく給紙トレイ326が設けられている。この給紙トレイ326の上方には、上記各色のインクジェット記録ユニット330によって画像が印刷された記録紙Pが排出される排紙トレイ328が設けられている。また、キャリッジ312及びシャフト320の下方には、給紙トレイ326から1枚ずつ給紙された記録紙Pを所定のピッチで副走査方向へ搬送する搬送ローラー及び排出ローラーからなる副走査機構318が設けられている。
A
その他、このインクジェット記録装置300には、印刷時において各種設定を行うコントロールパネル324や、メンテナンスステーション(図示省略)等が設けられている。メンテナンスステーションは、キャップ部材、吸引ポンプ、ダミージェット受け、クリーニング機構等を含んで構成されており、吸引回復動作、ダミージェット動作、クリーニング動作等のメンテナンス動作を行うようになっている。
In addition, the
また、各色のインクジェット記録ユニット330は、図2に示されるインクジェット記録ヘッド10と、それにインクを供給するインクタンク(図示省略)とが一体に構成されたものであり、インクジェット記録ヘッド10の下面(インク吐出面)に形成された複数のノズル12(図2参照)が、記録紙Pと対向するようにキャリッジ312上に搭載されている。これにより、インクジェット記録ヘッド10が主走査機構316によって主走査方向に移動しながら、記録紙Pに対してノズル12から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録される。
Further, each color ink
そして、主走査方向への1回の移動が終了すると、記録紙Pは、副走査機構318によって副走査方向に所定ピッチ搬送され、再びインクジェット記録ヘッド10(インクジェット記録ユニット330)が主走査方向(前述とは反対方向)に移動しながら、次のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録されるようになっており、このような動作を複数回繰り返すことによって、記録紙Pに画像データに基づく全体画像がフルカラーで記録される。
When one movement in the main scanning direction is completed, the recording paper P is conveyed at a predetermined pitch in the sub scanning direction by the
インクジェット記録装置300は以上の構成とされており、次に、このインクジェット記録装置300に搭載されたインクジェット記録ヘッド10について詳細に説明する。
The ink
図1には第1の実施形態に係る積層型の圧電素子20と振動板18が示されており、図2にはその圧電素子20を備えた第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド10が示されている。
FIG. 1 shows a laminated
図2に示されるように、インクジェット記録ヘッド10は、図の下側から、ノズル12が形成されたノズルプレート14、インクプールプレート16、及び振動板18の順に積層され、各プレートが互いに接合されて構成されている。圧電素子20は振動板18の上面に積層されるとともに、インクプール17からインクが供給されノズル12と連通された圧力室19に対応して配置されている。
As shown in FIG. 2, the
図1(A)に示されるように、圧電素子20は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の電歪材料により形成された圧電体層(PZT層)22と、導電性材料により形成された正電極層24A及び負電極層24Bとが振動板18の面方向に沿って略交互に積層して構成されている。また、正電極層24Aと負電極層24Bは、平面視では櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置されており、本実施形態では電極層24の幅(W1)が10μm、電極層間距離(P1)が10μmとされている。なお、これらの正電極層24A及び負電極層24Bを総称する場合には電極層24と呼ぶ。
As shown in FIG. 1A, the
振動板18上における圧電素子20の両側方には、正極側の電極端子となる正極端子26A、及び、負極側の電極端子となる負極端子26Bがそれぞれ形成されている。なお、これらの正極端子26A及び負極端子26Bを総称する場合には電極端子26と呼ぶ。
On both sides of the
正極端子26Aは、振動板18上にパターン状に形成された正極側の配線電極28Aを介して圧電素子20の正電極層24Aと電気的に接続されており、負極端子26Bは、振動板18上にパターン状に形成された負極側の配線電極28Bを介して圧電素子20の負電極層24Bと電気的に接続されている。なお、これらの配線電極28A及び配線電極28Bを総称する場合には配線電極28と呼ぶ。そして、配線電極28と電極層24とは、図1(B)、(C)に示されるように、圧電素子20の下面部で接続されており、圧電素子20の下面の略全面(電極層24を除く領域)は振動板18の上面に面接している。
The positive electrode terminal 26 </ b> A is electrically connected to the
また、振動板18は、少なくとも表面が非導電性とされた材料によって形成されており、例えば、酸化膜等の絶縁膜を表面に被覆したステンレス板、あるいは樹脂板等によって形成されている。
The
この圧電素子20及び振動板18が図2に示されるようにインクジェット記録ヘッド10に搭載された状態では、電極端子26には図示しないヘッド制御部が接続され、ヘッド制御部は、外部から入力された画像情報に応じて電気信号(駆動信号)を送信し、圧電素子20を所定のタイミングで駆動させる。これにより、圧電素子20が変位して振動板18を変形させ、圧力室19のインクが加圧されてノズル12からインク滴idが吐出される。
When the
次に、本実施形態に係る積層型圧電素子20の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the multilayer
図3(A)に示されるように、先ず、振動板18上に、Ir、Pb等で電極端子26(正極端子26A、負極端子26B)及び配線電極28(配線電極28A、28B)と、電気メッキ用のシード層を成膜した後、フォトレジストをマスクとして電極端子26及び配線電極28をドライエッチングでパターニングする。パターニング後は、電極端子26を酸化膜等の絶縁膜30で保護する。
As shown in FIG. 3A, first, the electrode terminal 26 (
次に、図3(B)に示されるように、振動板18上に圧電体層22を、ゾルゲル法、スパッタ法、基相成長法、液相成長法、水熱合成法、MOCVD法、AD(エアロゾルデポジション)法等の堆積法により成膜する。成膜後は、圧電体層22上にフォトレジスト又はSi含有レジスト等の耐エッチング膜32を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, the
続いて、圧電体層22をドライエッチングでパターニングした後に、図3(C)に示されるように、耐エッチング膜32(エッチングマスク)を剥離する。さらに、図3(D)に示されるように、圧電体層22間に、電極層24(正電極層24A、負電極層24B)の形成材料である導電性材料を電気メッキ等により成膜する。ここで、圧電体層22の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行う。
Subsequently, after the
次に、電極端子26の絶縁膜30を剥離する。なお、ここで絶縁膜30を剥離せず、次の工程で電極端子26の開口を行っても良い。
Next, the insulating
最後に、図3(E)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜34を成膜し、正極端子26A、負極端子26Bの開口36A、36Bを形成すると、振動板18上に、圧電素子20と、正極端子26A、負極端子26B、及び配線電極28A、28Bが形成される。
Finally, as shown in FIG. 3E, when an insulating
ここで、上記の製造方法によって作製された薄膜積層型の圧電素子と、一般的な単層型の圧電素子との変位の比較を説明する。 Here, a comparison of displacement between a thin film laminated piezoelectric element manufactured by the above manufacturing method and a general single layer piezoelectric element will be described.
図4及び図5に示される圧電素子は、上記の製造プロセスで圧電体層42と正電極層44A、負電極層44Bとが振動板18の面方向に沿って交互に積層された積層型圧電素子40であり、この積層型圧電素子40は電気信号が印加されると、積層方向(分極方向)では外方(図4(A)及び図5(A)の矢印X1方向)に歪みを生じ、積層方向と直交する方向では内方(図4(A)及び図5(A)の矢印Y1方向)に歪みを生じて、振動板18上では例えば図4(B)の2点鎖線で示すように矢印Z1方向へ変位する。
The piezoelectric element shown in FIGS. 4 and 5 is a laminated piezoelectric element in which the
また、この積層型圧電素子40において、圧電体層42を幅(d)20μmで20層積層し、全幅(W1)を400μmとした場合の変位量をシミュレーションした結果、圧電素子単体では最大変位が0.106μmとなり(図5(A)参照)、厚さ10μmのNi製の振動板18に取り付けた状態では最大変位が0.066μmとなった(図5(B)参照)。
Further, in this multilayer
図6及び図7に示される圧電素子は、単層の圧電体層52を正電極層54A及び負電極層54Bで挟んだ一般的な構成の単層型圧電素子50であり、この単層型圧電素子50は電気信号が印加されると、面方向に沿った方向(分極方向と直交する方向)では全て内方(図6(A)及び図7(A)の矢印X2/Y2方向)に歪みを生じて、振動板18上では例えば図6(B)の2点鎖線で示すように矢印Z2方向へ変位する。
The piezoelectric element shown in FIGS. 6 and 7 is a single layer
また、この単層型圧電素子50において、全幅(W2)を400μmとした場合の変位をシミュレーションした結果、圧電素子単体では最大変位が0.117μmとなり(図7(A)参照)、厚さ10μmのNi製の振動板18に取り付けた状態では最大変位が0.275μmとなった(図7(B)参照)。なお、図5(B)と比較しやすくするために、図7(B)では単層型圧電素子50の変位方向を図6(B)とは逆方向に示している。
Further, as a result of simulating the displacement when the total width (W2) is 400 μm in this single-
この比較から、変位量を増やす方向(内方)と減らす方向(外方)とに歪み変形する積層型圧電素子40は、変位量を増やす方向(内方)のみに歪み変形する単層型圧電素子50に対し、圧電素子単体では同等の変位量が得られるが、振動板18に取り付けた状態では変位量が小さくなることがわかる。(例えば上記のシミュレーション結果では変位量が1/4程度)。ただし、インクジェット記録ヘッドにおいては、上記の変位量があればインクに必要十分な吐出エネルギー(圧力)を与えられるため、この積層型圧電素子40は十分に利用可能である。
From this comparison, the multilayer
図8には、本実施形態の圧電素子20を、振動板18上にマトリックス状に配置した場合の一例が示されている。ここでは、各圧電素子20が振動板18上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置されており、正極端子26A及び負極端子26Bはそれぞれ圧電素子20の両側面に形成している。また、各圧電素子20(20A、20B、20C…)の正極端子26Aは、振動板18上に個別に配線された各アドレス線56(56A、56B、56C…)と接続され、各圧電素子20の負極端子26Bは、振動板18上に共通に配線されたGND線58と接続されている。
FIG. 8 shows an example in which the
このように、電極端子26を側面に形成した複数の圧電素子20を振動板18上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置するとともに、圧電素子間にアドレス線56及びGND線58を引き回すことにより、電極端子26の設置スペースが小さくされ複数の圧電素子20を高密度に配置することができる。これにより、インクジェット記録ヘッド10のノズルピッチを小さくすることができて、画像の高解像度化が可能となる。
As described above, the plurality of
図9には、本実施形態の圧電素子20を図2とは異なる構成のインクジェット記録ヘッド60に搭載した状態が示されている。このインクジェット記録ヘッド60に、例えば上述した単層型圧電素子50を設けると、正電極層54A及び負電極層54Bが圧電体層52を挟み上下に分離して配置されるため、電極間に大きな段差を生じて各電極に接続する配線パターンの引き回しが複雑になる。これに対し、本実施形態の圧電素子20であれば、正電極層24A及び負電極層24B間に段差はないため、これらの電極層24と、駆動IC62が接続された電極層24との間の配線電極28の引き回しが容易になる。
FIG. 9 shows a state where the
以上説明したように、本実施形態のインクジェット記録ヘッド10、60が備える圧電素子20では、圧電体層22と電極層24とを振動板18の面方向に沿って積層していることにより、製造プロセスが簡素化されるとともに、インク吐出を行うための十分な変位が得られ、また、各層を交互に積層しないことで、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。したがって、このインクジェット記録ヘッド10、60を備えるインクジェット記録装置300では、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分なインク吐出性能が得られる。
As described above, the
また、圧電素子20の製造においては、堆積法で成膜した薄膜の圧電体層22は半導体プロセス(ドライエッチング)で加工し、圧電体層間に交互する導電材料は電気メッキ法で成膜していることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧電素子20をモノリシックに形成できる。
In the manufacture of the
また、本実施形態の圧電素子20では、製造工程の簡略化によりコストダウンが可能となり、電極間ピッチが狭ピッチ化できるため、変位が安定する。さらに、電極が圧電素子下面部の振動板18上に引き出せるため、プロセスの信頼性が向上する。
Further, in the
また、本実施形態では、正電極層24A及び負電極層24Bを櫛歯状とし互いに噛み合うように配置していることにより、圧電体層22及び電極層24を振動板18の面方向と平行に積層する構成を実現しつつ、正電極層24A及び負電極層24Bにそれぞれ電気信号を供給するために電気的に接続される各極の配線電極28A、28Bが同一層に容易に形成できるようになり、配線構造を簡素化することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、電極端子26及び配線電極28を振動板18上に形成し、配線電極28と圧電素子20の電極層24は、圧電素子20の下面部で接続していることにより、電極端子26と配線電極28の間、及び、配線電極28と電極層24との接続部において段差等が生じることはなく、電極端子26の形成、配線電極28の形成(引き回し)及び電極層24との接続が容易となり、配線及び接続構造の簡素化と製造性の向上が図られる。
In the present embodiment, the electrode terminal 26 and the wiring electrode 28 are formed on the
また、本実施形態では、圧電素子20の下面の略全面(電極層24を除く領域)を振動板18に面接させていることにより、下面部に段差の無いシンプルな構造にすることができている。
Further, in the present embodiment, since the substantially entire lower surface of the piezoelectric element 20 (the region excluding the electrode layer 24) is in contact with the
(第2の実施形態)
図10には第2の実施形態に係る積層型の圧電素子110と振動板18が示されており、図11にはその圧電素子110を備えた第2の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド100が示されている。なお、このインクジェット記録ヘッド100は、圧電素子110を除く各構成部材が第1実施形態のインクジェット記録ヘッド10と同一構成である。
(Second Embodiment)
FIG. 10 shows a multilayer
図10(A)〜(C)に示されるように、本実施形態の圧電素子110も、圧電体層112と、正電極層114A及び負電極層114Bとが振動板18の面方向に沿って積層して構成されているが、正負電極層は2組設けられている。また、各正負電極層は、平面視では圧電素子20の外周に沿って矩形の渦巻状に形成されており、その略中心部が圧電素子20の略中心部に配置されている。また、本実施形態も、正電極層114A、負電極層114Bの幅(W2)が10μm、電極層間距離(P2)が10μmとされている。
As shown in FIGS. 10A to 10C, the
振動板18上における圧電素子110の一側方には、正極端子116A及び負極端子116Bがそれぞれ形成されており、これらの正極端子116A、負極端子116Bには、第1実施形態と同じく、振動板18上に形成されたパターン状の配線電極118A、118Bを介して、圧電素子110の正電極層114A、負電極層114Bが電気的に接続されている。また、本実施形態も、配線電極118A、118Bと正電極層114A、負電極層114Bとは、図10(B)、(C)に示されるように、圧電素子110の下面部で接続されており、圧電素子110の下面の略全面(正電極層114A、負電極層114Bを除く領域)は振動板18の上面に面接している。
A
次に、本実施形態に係る圧電素子110の製造方法について説明する。この圧電素子110は、図12(A)〜(E)に示されるように、第1実施形態の圧電素子20と同様の工程で作製される。
Next, a method for manufacturing the
図12(A)に示されるように、振動板18上に、正極端子116A、負極端子116B、及び配線電極118A、118Bと、電気メッキ用のシード層を成膜した後、フォトレジストをマスクとして正極端子116A、負極端子116B、及び配線電極118A、118Bをドライエッチングでパターニングし、正極端子116A、負極端子116Bを絶縁膜30で保護する。
As shown in FIG. 12A, after the
次に、図12(B)に示されるように、振動板18上に圧電体層112を堆積法により成膜し、圧電体層112上に耐エッチング膜32を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。続いて、圧電体層112をドライエッチングでパターニングした後に、図12(C)に示されるように、耐エッチング膜32(エッチングマスク)を剥離し、図12(D)に示されるように、圧電体層112間に正電極層114A、負電極層114Bの形成材料である導電性材料を電気メッキ等により成膜する。ここで、圧電体層112の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行い、正極端子116A、負極端子116Bの絶縁膜30を剥離する。
Next, as shown in FIG. 12B, a
最後に、図12(E)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜34を成膜し、正極端子116A、負極端子116Bの開口119A、119Bを形成すると、振動板18上に、圧電素子110と、正極端子116A、負極端子116B、及び配線電極118A、118Bが形成される。
Finally, as shown in FIG. 12E, an insulating
上記の製造方法によって作製された本実施形態の薄膜積層型の圧電素子110は、電気信号が印加されると、図13に示されるように、圧電素子110の中心部が平面視ではほぼ不変で、中心部に対し周辺部がそれぞれ変位して変位方向が4方向になる(図13の上下左右方向)。また、第1実施形態で説明した積層型の圧電素子40や圧電素子20では、図14に示されるように変位方向が2方向(図14の左右方向)であるため、これらの圧電素子と比較すると、本実施形態の圧電素子110ではより大きな変位量が得られる。
When the electric signal is applied to the thin film laminated
また、図15には、本実施形態の圧電素子110を図11とは異なる構成のインクジェット記録ヘッド120に搭載した状態が示されている。なお、このインクジェット記録ヘッド120は、圧力室19の大きさ及び圧電素子110を除く各構成部材が第1実施形態のインクジェット記録ヘッド60と同一構成である。この場合も、正電極層114A、負電極層114Bと、駆動IC62が接続された正極端子116A、負極端子116Bとの間の配線電極118A、118Bの引き回しが容易になる。
FIG. 15 shows a state in which the
以上説明したように、本実施形態の圧電素子110でも、第1実施形態と同様に、インク吐出を行うための十分な変位が得られるとともに、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。したがって、この圧電素子110を備えたインクジェット記録ヘッド100、120でも、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分なインク吐出性能が得られる。また、この圧電素子110の製造においても、堆積法で成膜した薄膜の圧電体層112は半導体プロセス(ドライエッチング)で加工し、圧電体層間に交互する導電材料は電気メッキ法で成膜していることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧電素子110をモノリシックに形成できる。
As described above, the
また、第1実施形態と同様に、製造工程の簡略化によるコストダウン、電極間ピッチが狭ピッチ化できることによる変位の安定性向上、電極が圧電素子下面部の振動板18上に引き出せることによるプロセスの信頼性向上、正極端子116A、負極端子116Bと配線電極118A、118Bの間、及び、配線電極118A、118Bと正電極層114A、負電極層114Bの間の接続構造の簡素化とそれに伴う製造性の向上、圧電素子110の下面部構造の簡素化などの効果が得られる。
Further, as in the first embodiment, the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process, the stability of displacement can be improved by reducing the pitch between the electrodes, and the process by which the electrodes can be drawn on the
さらに、本実施形態の圧電素子110では、渦巻状とされた正電極層114A、負電極層114Bの略中心部から略放射状(4方向)に内外方向へ変位するようになるため、より大きな変位量が得られる。さらに、圧電素子110の外形の略中心部に、渦巻状に配置した正電極層114A、負電極層114Bの略中心部を配置していることにより、圧電素子110の略中心部に対し、周辺部が略均等に偏りなく内外方向へ変位するようになるため、変位動作が安定する。
Further, in the
(第3の実施形態)
図16には第3の実施形態に係る積層型の圧電素子130と振動板18が示されている。この圧電素子130は、第2実施形態の圧電素子110と同一構成で、正極端子及び負極端子が2層構造とされた変形例である。
(Third embodiment)
FIG. 16 shows a laminated
図示のように、正極端子132Aは振動板18上に形成され、負極端子132Bは正極端子132Aよりも上層に形成されており、これらの正極端子132A及び負極端子132Bは2層に形成されている。
As illustrated, the
次に、本実施形態に係る圧電素子130の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
図17(A)に示されるように、振動板18上に、Ir、Pb等の電極用の導電性膜を成膜した後、レジストマスクを使って正極端子132Aをドライエッチングでパターニングする。配線上に、SOG、PI等の層間絶縁膜134を塗布して正極端子132Aを開口する(開口136A)。
As shown in FIG. 17A, after a conductive film for an electrode such as Ir or Pb is formed on the
次に、形成した開口136AをLPCVD等で成膜したSiO2等の絶縁膜で保護して、図17(B)に示されるように、Ir、Pb等の電極用の導電性膜を成膜した後、レジストマスクを使って負極端子132Bをドライエッチングでパターニングする。
Next, the formed opening 136A was protected by an insulating film such as SiO2 formed by LPCVD or the like, and a conductive film for an electrode such as Ir or Pb was formed as shown in FIG. Thereafter, the
次に、図17(C)に示されるように、形成した正極端子132A、負極端子132Bを酸化膜等の絶縁膜136で保護し、振動板18上に圧電体層112を堆積法により成膜し、圧電体層112上に耐エッチング膜32を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。続いて、圧電体層112をドライエッチングでパターニングした後に、図17(D)に示されるように、耐エッチング膜32(エッチングマスク)を剥離し、図17(E)に示されるように、圧電体層112間に正電極層114A、負電極層114Bの形成材料である導電性材料を電気メッキ等により成膜する。ここで、圧電体層112の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行い、正極端子132A、負極端子132Bの絶縁膜136を剥離する。
Next, as shown in FIG. 17C, the formed
最後に、図17(F)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜(保護膜)34を成膜し、圧電素子130のところのみ絶縁膜34を残す。
Finally, as shown in FIG. 17F, an insulating film (protective film) 34 such as an oxide film is formed, and the insulating
以上のプロセスにより、本実施形態の圧電素子130及び2層構造の正極端子132A及び負極端子132Bが作製される。そして本実施形態の構成では、正極端子132A及び負極端子132Bを振動板18上に2層に分離して形成していることにより、正極端子132A、負極端子132Bにそれぞれ接続する各配線のレイアウトが容易となる。
Through the above process, the
(第4の実施形態)
第4の実施形態では、第3の実施形態の構成において、高画質化と高速化を両立するための有効な手段として用いられる、インク滴のサイズを変えるいわゆる「ドロップ変調」行う場合について説明する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a case where so-called “drop modulation” for changing the size of ink droplets, which is used as an effective means for achieving both high image quality and high speed in the configuration of the third embodiment, will be described. .
本実施形態では、図18に示されるように、圧電素子130に2組設けられた正電極層114A、負電極層114Bにおいて、圧電素子130の内部側に配置された正負電極層の組を(1)組、外部側に配置された正負電極層の組を(2)組とし、図19に示されるように、組毎に、信号発生器140A、140B、増幅器142A、142B、回路スイッチ144A、144Bを設けている。また、回路スイッチ144A、144Bは、制御器146によって、それぞれON/OFFが切り替えられる。ここで、制御器146が回路スイッチ144A、144BをON/OFF制御することにより、(1)組の正電極層114A、負電極層114B、及び、(2)組の正電極層114A、負電極層114Bに電気信号がそれぞれ供給され、各組に対応する圧電素子(圧電体層112)が個別に変位可能となる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 18, in the positive electrode layer 114 </ b> A and the negative electrode layer 114 </ b> B provided in two sets on the
図20に、各組の正電極層114A、負電極層114Bに電気信号を供給した場合の、圧電素子130の変位を示す。(1)組の正電極層114A、負電極層114Bのみに電気信号を供給した場合には、図の点線で示されるように、圧電素子130の中心部付近が小さく変位し、ノズル12から吐出されるインク滴(インクドロップ)idは小さくなる。また、(2)組の正電極層114A、負電極層114Bのみに電気信号を供給した場合には、図の一点鎖線で示されるように、圧電素子130のほぼ全体が平均的に小さく変位し、インク滴idの大きさは中程度となる。また、(1)及び(2)組の正電極層114A、負電極層114Bに同時に電気信号を供給した場合には、図の実線で示されるように、圧電素子130の中心部付近が大きく変位し、インク滴idは大きくなる。
FIG. 20 shows the displacement of the
このように、本実施形態では、圧電素子130による圧力室19の加圧状態が3種類に切り替えられて、インク滴のサイズが3段階に調整されるため(ドロップ変調)、高画質化と高速化の両立を図ることが可能となる。また、ここでは、正電極層114A及び負電極層114Bの(1)組を圧電素子130の中心部側に、(2)組を圧電素子130の外周部側に分割して配置していることにより、各組を個別に駆動したときの排除体積の差が大きくなり、ドロップ量の階調幅が広くなる。
As described above, in this embodiment, the pressure state of the
次に、第5〜第9の実施形態で、上述した積層型圧電素子の製造方法の変形例を説明する。 Next, modified examples of the manufacturing method of the multilayer piezoelectric element described above in the fifth to ninth embodiments will be described.
(第5の実施形態)
第5の実施形態に係る製造方法では、図21(A)に示されるように、先ず、振動板18上に、STOなどの配向制御層151を形成する。
(Fifth embodiment)
In the manufacturing method according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 21A, first, an
次に、図21(B)、(B´)に示されるように、正極側及び負極側の配線電極152A、152Bをパターニングして絶縁層を被覆し、図21(C)に示されるように、フォトレジスト154による凸部を形成する。続いて、図21(D)に示されるように、圧電体層156を成膜(ゾル-ゲル)して焼成し、図21(E)に示されるように、圧電体層156のパターニングとフォトレジスト154(凸部)の除去を行う。またここで、場合により研摩を行う。
Next, as shown in FIGS. 21B and 21B ', the
次に、図22(A)に示されるように、マスク158を用いて電気メッキ用のシード層160を形成する。さらに、図22(B)に示されるように、圧電体層156間に、導電性材料のペーストを充填して焼成する、あるいは、電鋳、メッキ等を用いて電極162を埋め込み形成する。そして、図22(C)、(C´)に示されるように、研磨を行うことで薄膜積層型の圧電素子150が完成する。
Next, as shown in FIG. 22A, a
このように、圧電体層及び電極層をフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成する方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子150を一体的に形成することができる。
As described above, the
(第6の実施形態)
第6の実施形態に係る製造方法では、図23(A)、(B)、(B´)工程は、図21(A)、(B)、(B´)工程と同じであり、続く工程で、図23(C)に示されるように、フォトレジスト164を形成してパターニングを行う。次に、図23(D)に示されるように、電気メッキ用のシード層160を形成し、図23(E)に示されるように、フォトレジスト164間に、ペースト充填後に焼成する、あるいは、電鋳、メッキ等を用いて電極162を埋め込む。さらに、図24(A)に示されるように、フォトレジスト164を除去し、図24(B)に示されるように、デポジション法(スパッタ、ゾルゲル、AD等)で圧電体層156を形成する。最後に、図24(C)、(C´)に示されるように、研磨を行うことで薄膜積層型の圧電素子170が完成する。
(Sixth embodiment)
In the manufacturing method according to the sixth embodiment, steps (A), (B), and (B ′) in FIG. 23 are the same as steps (A), (B), and (B ′) in FIG. Then, as shown in FIG. 23C, a
このように、本実施形態のフォトリソプロセスを用いた製造方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子170を一体的に形成することができる。
As described above, the manufacturing method using the photolithographic process according to the present embodiment can integrally form the
(第7の実施形態)
第7の実施形態に係る製造方法では、図25(A)、(B)、(B´)工程は、図21(A)、(B)、(B´)工程と同じであり、続く工程で、図25(C)に示されるように、フォトレジスト172の形成による内部電極構成部のパターン化を行い、図25(D)に示されるように、圧電体層156を成膜(スパッタ)する。次に、図25(E)に示されるように、フォトレジスト172を除去し、図26(A)に示されるように、マスク174を用いてメッキ用のシード層160を形成し、図26(B)に示されるように、電極162を埋め込む。最後に、図26(C)、(C´)に示されるように、研磨を行うことで薄膜積層型の圧電素子180が完成する。
(Seventh embodiment)
In the manufacturing method according to the seventh embodiment, steps (A), (B), (B ′) in FIG. 25 are the same as steps (A), (B), (B ′) in FIG. Then, as shown in FIG. 25C, the internal electrode constituent portion is patterned by forming a
このように、本実施形態のフォトリソプロセスを用いた製造方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子180を一体的に形成することができる。
As described above, the manufacturing method using the photolithographic process of the present embodiment can integrally form the
(第8の実施形態)
第8の実施形態に係る製造方法では、図27(A)に示されるように、振動板18(Si基板)上にバリア層182を形成してから、配向制御層151を形成する。続く図27(B)、(B´)〜図28(C)、(C´)工程は、図21(B)、(B´)〜図22(C)、(C´)工程と同じであり、これにより、バリア層180が設けられた薄膜積層型の圧電素子190が作製される。本実施形態の製造方法では、振動板18上にバリア層182を設けていることにより、圧電体層156を焼成する際の振動板18への熱拡散が防止される。
(Eighth embodiment)
In the manufacturing method according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 27A, the
(第9の実施形態)
第9の実施形態に係る製造方法では、図29(A)、(A´)に示されるように、先ず、振動板18上に配線電極192A、192Bをパターニングし、図29(B)、(B´)に示されるように、ストッパ層194及び配向制御層151を成膜する。次に、図29(C)、(C´)に示されるように、配向制御層151のパターンを形成し、図29(D)、(D´)に示されるように、フォトレジスト196により電極198Aのパターンを形成する。次に、図30(A)、(A´)に示されるように、電極198Aを埋め込み、図30(B)、(B´)に示されるように、フォトレジスト196を除去する。次に、図30(C)、(C´)に示されるように、デポジション法で圧電体層156を形成し、図31(A)、(A´)に示されるように、研磨後にストッパ層200を成膜して電極198Bのパターンを形成する。さらに、図31(B)、(B´)に示されるように、圧電体層156をエッチングし、図31(C)、(C´)に示されるように、電極198Bを埋め込み形成し、研磨を行うと図32に示されるような薄膜積層型の圧電素子210が完成する。
(Ninth embodiment)
In the manufacturing method according to the ninth embodiment, as shown in FIGS. 29A and 29A, first, the
このように、本実施形態のフォトリソプロセスを用いた製造方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子210を一体的に形成することができる。
As described above, the manufacturing method using the photolithographic process according to the present embodiment can integrally form the
(第10の実施形態)
第10の実施形態は、第1〜第9の実施形態で説明したような圧電型の圧力発生手段(圧電素子)ではなく、発熱体を用いた熱変位型の圧力発生手段に本発明を適用した変形例であり、以下、第10の実施形態に係る圧力発生手段の構成について説明する。
(Tenth embodiment)
In the tenth embodiment, the present invention is applied not to the piezoelectric pressure generating means (piezoelectric element) as described in the first to ninth embodiments but to the thermal displacement type pressure generating means using a heating element. Hereinafter, the configuration of the pressure generating means according to the tenth embodiment will be described.
図34(A)〜(C)には第10の実施形態に係る熱変位型の圧力発生素子220が示されている。この圧力発生素子220は、第1実施形態で説明した圧電素子20の形状をベースに形成されたものであり(図1参照)、電極層24に替えて熱歪材料により形成された発熱体層224と、圧電体層22に替えて発熱体層224とは異なる熱膨張係数(低熱膨張係数)の材料により形成された基材層222と、を備えており、それらの発熱体層224と基材層222とが振動板18の面方向に沿って略交互に積層して構成されている。また、発熱体層224は図34(A)に示されるように平面視では帯状(直線状)に形成されるとともに、図34(B)に示されるように振動板18上にパターン状に形成された配線電極28C上に設けられて配線電極28Cと電気的に接続されている。なお、本実施形態では発熱体層224の幅(W3)が5μm以下とされ、発熱体層間距離(P3)が10μm以下とされている。また、発熱体層224には例えばタンタル、ニッケル合金、クロム等の金属材料を使用することができ、基材層222には例えばガラス材料(蒸着)、ポリマー系材料、ポリイミド系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料、酸化膜等の発熱体層224とは熱膨張係数が異なり(低熱膨張係数)、且つ、添加物と作製プロセスが異なる材料を使用することができる。
FIGS. 34A to 34C show a thermal displacement type
配線電極28Cの両端部には、正極端子26Aに繋がれた配線電極28Aと、負極端子26Bに繋がれた配線電極28Bとがそれぞれ接続されている。また、本実施形態も、配線電極28Cと発熱体層224とは、図33(B)に示されるように、圧力発生素子220の下面部で接続されており、圧力発生素子220の下面の略全面(発熱体層224を除く領域)は振動板18の上面に面接している。
A
次に、本実施形態に係る圧力発生素子220の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
図34(A)に示されるように、先ず、振動板18上に、Ir、Pb等で正極端子26A、負極端子26B、及び配線電極28A、28B、28Cと(配線電極28A、28Bは不図示)を成膜した後、フォトレジストをマスクとしてそれらをドライエッチングでパターニングする。パターニング後は、正極端子26A、負極端子26Bを酸化膜等の絶縁膜30で保護する。
As shown in FIG. 34A, first, the
次に、図34(B)に示されるように、振動板18上に基材層222の形成材料を、塗布、デポジション法、蒸着法等により成膜する。成膜後は、基材層222上にフォトレジスト又はSi含有レジスト等の耐エッチング膜226を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。
Next, as shown in FIG. 34B, a material for forming the
続いて、基材層222をドライエッチングでパターニングした後に、図34(C)に示されるように、耐エッチング膜226(エッチングマスク)を剥離する。さらに、図34(D)に示されるように、基材層222間に、発熱体層224の形成材料であるタンタル、ニッケル合金、クロム等の金属材料をデポジション法、蒸着法、スパッタ法等により成膜する。ここで、発熱体層224の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行う。
Subsequently, after patterning the
次に、正極端子26A、負極端子26Bの絶縁膜30を剥離する。なお、ここで絶縁膜30を剥離せず、次の工程で正極端子26A、負極端子26Bの開口を行っても良い。
Next, the insulating
最後に、図34(E)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜(保護膜)34を成膜し、正極端子26A、負極端子26Bの開口36A、36Bを形成すると、振動板18上に、圧力発生素子220と、正極端子26A、負極端子26B、及び配線電極28A、28B、28Cが形成される。
Finally, as shown in FIG. 34E, an insulating film (protective film) 34 such as an oxide film is formed to form
以上により、この圧力発生素子220がインクジェット記録ヘッドに搭載されて正極端子26A及び負極端子26Bにヘッド制御部が接続され、ヘッド制御部から圧力発生素子220に電気信号(駆動信号)が印加/停止されると、発熱体層224が高温/常温となって基材層222よりも大きく歪み、図35に示されるように、積層方向(図35の矢印X3方向)に歪みを生じて、振動板18上では例えば図35の2点鎖線で示すように矢印Z3方向へ変位する。また、この圧力発生素子220は、発熱体層224が高温になると平板状に保たれ、常温になると変位するように構成されている。そして、この圧力発生素子220の変位によって振動板18が変形し、圧力室のインクが加圧されてインクジェット記録ヘッドのノズルからインク滴が吐出される。
As described above, the
以上説明したように、本実施形態の圧力発生素子220においても、第1実施形態と同様に、インク吐出を行うための十分な変位が得られるとともに、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。したがって、この圧力発生素子220を備えたインクジェット記録ヘッドの場合も、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分なインク吐出性能が得られる。また、この圧力発生素子220の製造においても、堆積法で成膜した基材層222を半導体プロセス(ドライエッチング)で加工し、基材層間に交互する薄膜の発熱体層224を半導体プロセスで成膜していることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧力発生素子220をモノリシックに形成できる。
As described above, in the
また、第1実施形態と同様に、製造工程の簡略化によるコストダウン、電極間ピッチが狭ピッチ化できることによる変位の安定性向上、電極が圧電素子下面部の振動板18上に引き出せることによるプロセスの信頼性向上、正極端子26A、負極端子26Bと配線電極28A、28Bの間、配線電極28A、28Bと配線電極28Cの間、及び、配線電極28Cと発熱体層224の間の接続構造の簡素化とそれに伴う製造性の向上、圧力発生素子220の下面部構造の簡素化などの効果が得られる。このように、本発明による薄膜積層型の圧力発生手段は、電歪材料を用いた圧電型に限らず、熱歪材料を用いた熱変位型など、エネルギーの印加によって歪みを生じる材料を用いたものであれば利用可能である。
Further, as in the first embodiment, the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process, the stability of displacement can be improved by reducing the pitch between the electrodes, and the process by which the electrodes can be drawn on the
以上、本発明を上述した第1〜第10の実施形態により詳細に説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の形態が実施可能である。 As mentioned above, although the present invention was explained in detail by the 1st-10th embodiment mentioned above, the present invention is not limited to those embodiments, and other various forms are within the scope of the present invention. It can be implemented.
例えば、第1〜第9の実施形態で説明した圧電素子では、圧電体層を形成する電歪材料として、例えばゾルゲル法による成膜及びドライエッチングによるパターニングが可能なSBT(Strontium Bismuth Tantalates)やBST(Barium Strontium Titanate)等を使用することもできる。 For example, in the piezoelectric elements described in the first to ninth embodiments, SBT (Strontium Bismuth Tantalates) or BST that can be patterned by sol-gel deposition and dry etching, for example, as an electrostrictive material for forming a piezoelectric layer. (Barium Strontium Titanate) etc. can also be used.
また、第2〜第4の実施形態では、帯状の正電極層114A及び負電極層114Bを渦巻状に配置しているが、これに替えて、圧電素子の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧電素子の内外方向に交互に積層配置するようにしてもよく、それによっても同様の作用・効果が得られる。また、これらの渦巻状や周回状の正電極層114A及び負電極層114Bは矩形状(四角形)に限らず、例えば五角形以上の多角形状や、円弧状、円周状等とすることもでき、その場合には、圧電素子の変位方向が5方向以上となって更に大きな変位量が得られるようになる。
Further, in the second to fourth embodiments, the strip-like
また、第10の実施形態で説明した熱変位型の圧力発生素子220については、第2〜第4の実施形態と同様の構成にすることが可能であり、それによって同様の作用・効果を得ることができる。
Further, the thermal displacement type
また、本発明は、上述したインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置に限らず、半導体等のパターン形成のために液滴を吐出するパターン形成装置等に使用される他の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置にも適用することができる。 The present invention is not limited to the above-described ink jet recording head and ink jet recording apparatus, and other liquid droplet ejection heads and liquid droplet ejections used in pattern forming apparatuses that eject liquid droplets for pattern formation of semiconductors and the like. It can also be applied to devices.
10 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
12 ノズル
18 振動板
19 圧力室
20 圧電素子(圧力発生手段)
22 圧電体層
24 電極層
24A 正電極層
24B 負電極層
26 電極端子
26A 正極端子
26B 負極端子
28 配線電極
28A 配線電極
28B 配線電極
28C 配線電極
40 積層型圧電素子(圧力発生手段)
42 圧電体層
44A 正電極層
44B 負電極層
60 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
100 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
110 圧電素子(圧力発生手段)
112 圧電体層
114A 正電極層
114B 負電極層
116A 正極端子
116B 負極端子
118A 配線電極
118B 配線電極
120 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
130 圧電素子(圧力発生手段)
132A 正極端子
132B 負極端子
150 圧電素子(圧力発生手段)
152A 配線電極
152B 配線電極
156 圧電体層
162 電極
170 圧電素子(圧力発生手段)
180 圧電素子(圧力発生手段)
190 圧電素子(圧力発生手段)
192A 配線電極
192B 配線電極
198A 電極
198B 電極
210 圧電素子(圧力発生手段)
220 圧力発生素子(圧力発生手段)
222 基材層
224 発熱体層
300 インクジェット記録装置
P 記録紙
id インク滴(液滴)
10 Inkjet recording head (droplet ejection head)
12
22
42
100 Inkjet recording head (droplet ejection head)
110 Piezoelectric element (pressure generating means)
112
130 Piezoelectric element (pressure generating means)
180 Piezoelectric element (pressure generating means)
190 Piezoelectric element (pressure generating means)
220 Pressure generating element (pressure generating means)
222
Claims (21)
前記圧力発生手段を構成する電歪材料により形成された圧電体層と導電性材料により形成された電極層とが前記振動板の面方向に沿って積層されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 In a liquid droplet ejection head that ejects liquid droplets from a nozzle communicated with the pressure chamber by pressurizing the liquid in the pressure chamber by a pressure generating means provided on the diaphragm,
A droplet discharge characterized in that a piezoelectric layer formed of an electrostrictive material constituting the pressure generating means and an electrode layer formed of a conductive material are laminated along the surface direction of the diaphragm. head.
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