JP2007015341A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法、並びに液滴吐出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 圧電素子の特性低下やばらつきを抑え、高湿環境下でも高い信頼性が得られるとともに、製造工程を簡略化してコストを低減することができる液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】 振動板124上に設ける圧電素子144の断面形状を、下側(電極層160側)から上側(電極層158)に向かうに従って徐々に幅広となるテーパー状に形成し、この圧電素子144の上面及び側面と、振動板124の上面の所定領域に絶縁体層170を形成する。また、絶縁体層170は、振動板124の上面における圧電素子144の周囲(周囲部170B)、すなわち、隣接する圧電素子144の間では分離させ、層厚については、側面部170Aよりも上面部170Cの方を薄くする。
【選択図】 図5

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、並びに液滴吐出装置に係り、詳細には、記録媒体に画像を記録するためにノズルからインク滴を吐出させる圧電素子が絶縁体層で被覆された構成のインクジェット記録ヘッド等の液滴吐出ヘッド、及びその製造方法、並びに、インクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置等に適用される液滴吐出装置に関する。
ノズルからインク滴を吐出させるための圧力(吐出エネルギー)を発生する圧力発生手段に圧電素子を用いたインクジェット記録ヘッドでは、圧電素子を常湿環境や高湿環境下で駆動すると、クロム(Cr)等で形成された+電位側の電極が変色し、圧電特性が劣化して最悪は破壊する場合がある。この圧電特性の劣化は、相対湿度が高いほど発生率が高くなり、破壊のメカニズムについては、水滴が圧電素子に付着した状態での駆動による電界・電流との相乗効果によって、+電位側の電極材料が電気化学的反応により溶出し、圧電素子から電極材料が剥離して破壊するものと考えられる。ただし、この破壊現象は、少なくとも+電位側の電極に導電性金属酸化物を使用することで改善される(例えば、特許文献1参照)。
しかし、特に高湿環境下での駆動では、電極変色が発生しないにも関わらず、静電容量の低下や変位量の低下等の圧電特性が劣化する現象が見られる。この現象は、高湿環境下における圧電素子への水分吸着量の増加に伴い、電界・電流との相乗効果によって圧電素子が還元され、圧電素子内部に酸素空孔(+電荷)が発生し、電界により圧電素子内の低電位側に蓄積することによって引き起こされており、これについては、既に本出願人が提案している、相対的に低電位が印加される側に圧電体に接して金属酸化物を設ける技術によって大幅に改善される(特許文献2参照)。
しかし、この技術によっても、特に長尺化に伴い多ノズル化された長尺ヘッド等に対しては、全ノズルに対応する全ての圧電素子で、高い信頼性を得るには十分ではなく、例えば高湿環境下での数十億サイクルの駆動では、次第に圧電特性が劣化する現象が確認された。
一方、特許文献3では、上下電極間の沿面放電によるリーク電流の発生や、個々の圧力室に対応して個別化された圧電素子の側面が大気露出することでの湿気による素子劣化を改善するため、上電極の周面部以外を露出させるようにしてコンタクト部を確保しつつ、上電極表面の周縁部から圧電体層の側面までを絶縁体層で被覆する技術が提案されている。
しかし、この技術では、上電極の周面部以外を電気的接続用に露出させるため、絶縁体層を含む各層のパターニングが必要になり、フォトリソグラフィ工程が多く複雑となって製造コストが上昇する。また、圧電体の厚さが10μm以上などと厚い場合には、段差が大きくなって上電極を一部露出させるためのパターニング(フォトリソグラフィ工程)が困難となり、パターニングするための製造工程が複雑化して更なるコストアップを招いてしまう。さらに、上電極表面の周縁部に絶縁体層が存在することで、その位置精度により素子特性のばらつきが大きくなり、隣接する圧電素子間に絶縁体層が存在することで、素子間のクロストークが大きくなりやすく、且つ、製造時に応力破壊が発生しやすくなる問題もある。
また、特許文献4には、振動板と基板に挟まれた構造の圧電素子において、空気中の水分吸収による絶縁破壊を防止し、信頼性を向上させるために、圧電素子の側面に絶縁性樹脂膜を形成する技術が提案されている。この技術は、まず、仮の固定基板上で圧電体のパターニング(フォトリソグラフィ工程)を行い、この際に使用したフォトレジストを剥離せずに絶縁性樹脂膜を成膜し、その後、フォトレジストを剥離する(リフトオフ法)ことで圧電体側面に絶縁性樹脂膜を形成する内容のものであるが、フォトレジストと絶縁性樹脂膜が共に有機膜であるため、フォトレジストの剥離液、又はアッシング(灰化)ガスに対する選択性を得ることが困難であるという問題がある。更に、フォトレジスト剥離の際に絶縁性樹脂膜の一部がゴミとなって圧電体に再付着し、圧電体を仮の固定基板上からノズル等が形成された流路基板上へ転写接合する際に、ゴミの挟みこみにより圧電体を破損させてしまうという問題もある。
特開2001−88296号公報 特開2005−32955号公報 特許3552013号公報 特許3603828号公報
本発明は上記事実を考慮して、ノズルから液滴を吐出させるために用いる圧電素子の特性低下やばらつきを抑え、高湿環境下でも高い信頼性が得られるとともに、製造工程を簡略化してコストを低減することができる液滴吐出ヘッド及びその製造方法、並びに液滴吐出装置を提供することを課題とする。
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、液体が充填される圧力室と、前記圧力室と連通して液滴が吐出されるノズルと、前記圧力室に対応して設けられ画像情報に応じて印加された電圧によって変形する圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を下面によって構成するとともに、上面に設けられた前記圧電素子の変形によって振動し圧力室を膨張又は圧縮させる振動板と、前記振動板の上面及び前記圧電素子の表面の所定領域に形成されるとともに、振動板の上面における圧電素子の周囲では、少なくとも圧電素子の側面部分よりも層厚が薄くされている、又は、分離している絶縁体層と、を有することを特徴としている。
本発明では、圧力室に対応して設けられた圧電素子に、画像情報に応じて電圧が印加されると、圧電素子が変形して振動板を振動させ、振動板の下面によって壁面の少なくとも一部が構成された圧力室は膨張又は圧縮する。これにより、圧力室に充填された液体は、圧力室と連通されたノズルから液滴となって吐出される。
この振動板の上面、及びその振動板上に設けられた圧電素子の表面(上面及び側面)の所定領域に絶縁体層を形成することにより、圧電素子への水分吸着が絶縁体層によって防がれ、高湿環境下であっても絶縁破壊や素子特性の低下が抑えられる。さらに、振動板の上面における圧電素子の周囲では、絶縁体層の層厚を少なくとも圧電素子の側面部分よりも薄くする、又は、絶縁体層を分離することで、例えば複数の圧電素子が振動板上に個別化されて配置された構成等では、絶縁体層を介する素子間のクロストークが低減されるとともに、製造時の応力破壊が抑制される。
また、このような絶縁体層であれば、複雑なフォトリソグラフィ等を使用しなくとも、ドライエッチング等によって容易に形成できるため、製造工程を簡略化してコストを低減することができる。
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、前記圧電素子は、圧電体と、その圧電体の上面に設けられた上電極及び下面に設けられた下電極と、を備え、前記絶縁体層の層厚は、前記圧電素子の側面部分よりも前記上電極部分の方が薄くされていることを特徴としている。
本発明では、圧電素子は、圧電体の上面に設けられた上電極と、下面に設けられた下電極との間に電圧が印加されて変形するが、ここでは、上電極部分(圧電素子上面部分)での絶縁体層の層厚を、圧電素子の側面部分よりも薄くすることで、水分吸着による絶縁破壊や特性低下を抑制しつつ、絶縁体層を設けることでの変形性の低下(圧電特性の低下)を抑制することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁体層が前記圧電素子の側面、及びその側面と連続して少なくとも前記振動板の上面の一部に形成されていることを特徴としている。
本発明では、圧電素子の上面を絶縁体層で被覆しないことにより、絶縁体層による圧電素子の拘束力が弱められ、変形性が良好となって圧電特性の低下やばらつきを抑制する効果が高められる。さらに、上電極が露出されることで上電極の電気接続も容易となり製造性が向上する。また、圧電素子の側面と連続して振動板の上面に設けられた絶縁体層により、圧電素子と振動板の界面(下電極)での水分や湿気の浸入が防がれ、絶縁破壊や素子特性の低下を抑制する効果が高められる。
請求項4に記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁体層が前記圧電素子の側面のみに形成されていることを特徴としている。
本発明では、圧電素子の上面及び周囲に絶縁体層が存在しないことで、変形性が更に良好となり、圧電特性の低下やばらつきを抑制する効果が更に高められる。また、上電極が露出されることで上電極の電気接続も容易となり製造性が向上する。
また、請求項1〜請求項4のいずれか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいては、請求項5に記載の発明のように、前記絶縁体層は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び有機系絶縁膜の何れか1つによる単層構造、又は、それらの2つ以上による複層構造としてもよい。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の断面形状は、下側から上側に向かうに従って徐々に幅広となるテーパー状とされていることを特徴としている。
本発明では、圧電素子の断面形状を、下側から上側に向かうに従って徐々に幅広となるテーパー状(逆テーパー状)とすることにより、この断面形状の圧電素子に対する絶縁体層の形成では、複雑なパターニングを行わなくとも、ドライエッチング等によって上記形状の絶縁体層を容易に形成できる。これにより、圧電特性への影響を低減しつつ、高湿環境下での圧電素子の信頼性向上を図るとともに、電気接続も容易である上記構成の絶縁体層を、簡単且つ低コストに製造することができる製造方法を実現できる。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項6の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記振動板の上面に前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、前記圧電素子形成工程後に、前記圧電素子の表面を含む前記振動板の上面全域に前記絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、前記絶縁体層形成工程後に、ドライエッチングにより前記絶縁体層の各部を所定の層厚に加工する又は除去する絶縁体層加工工程と、を有することを特徴としている。
本発明では、圧電素子形成工程で、振動板の上面に圧電素子を形成し、絶縁体層形成工程で、圧電素子の表面を含む振動板の上面全域に絶縁体層を形成し、絶縁体層加工工程で、ドライエッチングにより絶縁体層の各部を所定の層厚に加工する又は除去する。これにより、請求項1〜請求項6に記載した構成の液滴吐出ヘッドが製造可能となる。また、フォトリソグラフィ工程(フォトレジストマスクやハードマスク)を使用せず、ドライエッチングによって絶縁体層を最終形状に加工することにより、製造工程が簡素化されコストを低減することができる。さらに、圧電体が厚い場合でも、上記の形状の絶縁体層を容易に形成及び加工することができる。
請求項8に記載の発明は、液滴吐出装置において、請求項1〜請求項6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。また、請求項9に記載の発明は、請求項8記載の液滴吐出装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項7記載の製造方法によって製造されていることを特徴としている。
本発明では、ノズルから液滴を吐出させるために用いる圧電素子の特性低下やばらつきを抑え、高湿環境下でも高い信頼性が得られるとともに、製造工程を簡素化してコストを低減することができる液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置が得られる。
本発明の液滴吐出ヘッド及びその製造方法、並びに液滴吐出装置によれば、ノズルから液滴を吐出させるために用いられる圧電素子の特性低下やばらつきが抑えられ、高湿環境下でも高い信頼性が得られるとともに、製造工程が簡略化されてコストを低減することができる。
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。
(第1の実施形態)
まず、図1を用いてインクジェット記録装置70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1では、インクジェット記録装置70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。
図1に示すように、本実施形態のインクジェット記録装置70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72を搭載するキャリッジ76を備えている。キャリッジ76は、記録紙Pの搬送方向上流側に一対のブラケット78が突設されており(図2参照)、この一対のブラケット78にそれぞれ形成された円形孔78Aには、主走査方向に架設されたシャフト80が挿通されている。
キャリッジ76に対し主走査方向の両端側には、主走査機構82を構成する駆動プーリー84と従動プーリー86が配設されており、これらの駆動プーリー84と従動プーリー86にはタイミングベルト88が巻回されている。上記のキャリッジ76は、このタイミングベルト88の一部に固定されており、駆動プーリー84の回転駆動によってタイミングベルト88が主走査方向に走行すると、一対のブラケット78がシャフト80にガイドされて主走査方向に往復移動する。
キャリッジ76及びシャフト80の下方には、搬送ローラー90及び排出ローラー92からなる副走査機構94が設けられている。副走査機構94は、画像記録前の記録紙Pを束にして載置する給紙トレイ96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。
インクジェット記録装置70に搭載される各色のインクジェット記録ユニット72は、図2に示すように、インクジェット記録ヘッド74と、インクジェット記録ヘッド74にインクを供給するインクタンク98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74の下面に形成された複数のノズル10(図4(B)参照)が、記録紙Pと対向するようにキャリッジ76上に搭載されている。
これにより、画像を記録する際には、インクジェット記録ヘッド74が主走査機構82(図1参照)に駆動されて主走査方向(例えば往路方向)へ移動しながら、記録紙Pに対してノズル10から選択的にインク滴を吐出することにより、記録紙P上における所定のバンド領域BEに、画像データに基づく画像の一部が記録される。
この主走査方向への1回の移動が終了すると、記録紙Pは、副走査機構94(図1参照)によって副走査方向に所定ピッチ搬送され、続いてインクジェット記録ヘッド74(インクジェット記録ユニット72)が主走査方向における上記方向とは反対方向(例えば復路方向)へ移動しながら、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。この画像記録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。
インクジェット記録装置70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70に搭載されたインクジェット記録ヘッド74について詳細に説明する。
本実施形態のインクジェット記録ヘッド74は、図3及び図4に示す積層流路板114を備えている。積層流路板114は、ノズルプレート116、流路プレート118、供給路プレート120、圧力室プレート122、及び振動板124の合計5枚のプレートを位置合わせして積層し、接着剤等の接合手段によって接合することにより形成されている。圧力室プレート122、供給路プレート120及び流路プレート118には、副走査方向に沿って長孔126、128、130が形成されており、流路プレート118、供給路プレート120及び圧力室プレート122が積層された状態で、長孔126、128、130によって、共通流路が構成される。
振動板124には、共通流路の端部に対応する位置に、インク供給孔134が形成されている。このインク供給孔134にはインクタンク98(図2参照)が接続され、インクタンク98からインク供給孔134を通して上記の共通流路にインクが供給される。
流路プレート118には、長孔130から連続して、且つ主走査方向に沿って複数(図3では12本のみ示す)の流路136が形成されており、供給路プレート120、流路プレート118及びノズルプレート116が積層された状態で、共通流路(長孔130)からインクが流入して流路136内を流れるようになる。
圧力室プレート122には、流路136のそれぞれに対応して複数の圧力室142を構成する開口が形成されており、この開口と、供給路プレート120及び振動板124とで、圧力室142が構成されている。さらに、それぞれの圧力室142に対応して、振動板124には圧電素子144が取り付けられており、振動板124と圧電素子144とで、圧力室142にそれぞれに対応した単板型のピエゾアクチュエータ154(圧電アクチュエータ)が複数構成されている。
また、供給路プレート120には、図3から分かるように、圧力室142のそれぞれに1つずつ、インク供給路146及びインク排出路148が形成されている。さらに、流路プレート118及びノズルプレート116には、それぞれインク排出路148に対応する位置に、連通路150及びインク吐出口152が形成されている。インク排出路148、連通路150及びインク吐出口152によって、ノズル140が構成されている。さらに、圧力室142、ノズル140及びピエゾアクチュエータ154によって、イジェクタが構成されている。
したがって、図4の断面図からも分かるように、流路136から圧力室142、インク排出路148、連通路150及びインク吐出口152へと連続するインクの通路が構成されていることになる。インクタンク98から送られてきたインクは、インク供給孔134を介して液滴吐出ヘッド112に供給され、共通流路内からそれぞれの流路136を経て、圧力室142内に充填される。
図4に示すように、圧電素子144は、圧電体156と、この圧電体156の厚み方向の両端面(上下面)に設けられた電極層158、160と、で構成されており、図5に示すように、断面形状が下側(電極層160側)から上側(電極層158)に向かうに従って徐々に幅広となるテーパー状とされている。また、圧電体156の上面側に配置された電極層158によって高電位が印加される上電極が構成され、下面側に配置された電極層160によって低電位が印加される下電極が構成されている。
電極層158は、圧電体156に接して設けられ、標準電極電位が0Vよりも大きい金属材料からなる第1の金属層162と、この第1の金属層162に接して設けられた第2の金属層164とから構成される。また、電極層160は、導電性金属酸化物を含み、圧電体156に接して設けられた金属酸化物層166と、この金属酸化物層166に接して設けられた第3の金属層168とから構成される。なお、金属酸化物層166は、導電性金属酸化物の代りに非導電性金属酸化物から構成されていてもよい。但し、この場合には、第3の金属層168のみが電極層160として機能する。
圧電素子144の表面(上面及び側面)、及び振動板124の上面の所定領域には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、有機系絶縁膜(ポリイミド、パリレン等)などからなる単層構造の絶縁体層170が形成されている。本実施形態の絶縁体層170は、圧電素子144の側面部分に設けられた側面部170A、側面部170Aの下端部から連続して振動板の上面における圧電素子144の周囲に設けられた周囲部170B、及び、側面部170Aの上端部から連続して圧電素子144の上面部分(電極層158)に設けられた上面部170Cによって構成されている。また、振動板124の上面における圧電素子144の周囲(周囲部170B)、すなわち、隣接する圧電素子144の間では分離しており、層厚については、側面部170Aよりも上面部170Cの方が薄くされている。
この絶縁体層170に被覆された圧電素子144に、画像情報に応じた駆動電圧波形を印加すると、圧電素子144が変形して振動板124が振動し、圧力室142を膨張又は圧縮させる。これによって圧力室142に体積変化が生じると、圧力室142内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってノズル140(インク排出路148、連通路150及びインク吐出口152)のインクが運動し、インク吐出口152から外部へ排出されることによりインク滴が形成される。
特に、本実施形態では、図3及び図4から分かるように、圧電素子144が、圧力室142のそれぞれに対応して一対一で設けられており、圧力室142ごとに圧電素子144が独立して個別化されている。このため、各々の圧電素子144が、隣接する圧電素子144の影響を受けることなく、それぞれの圧電特性を発揮できるようになっている。
ここで、本実施形態の圧電素子144では、圧電体156の高電位が印加される側の面に接して、標準電極電位が0Vよりも大きい金属材料からなる第1の金属層162が設けられ、圧電体156の低電位が印加される側の面に接して、金属酸化物層166が設けられているため、圧電素子144を高温高湿環境下で長時間駆動させても圧電素子144の高電位側での電気化学的反応の進行を抑制することができ、また、圧電素子144の低電位側における圧電体156の低電位側部分への酸素空孔の蓄積を抑制することができる。このため、圧電素子144の圧電特性の経時的劣化を長時間にわたり抑制することができ、さらに、液滴吐出ヘッドとしても、長期に渡り安定した吐出性能と、高い信頼性を維持し続けることができる。
また、例えば、圧電体156及び電極層158、160の側面が露出した構造では、その側面露出部の近傍において、水の電解や局所的なpH変化等が発生しやすい。このため、従来のように、電気化学的に不安定なクロムや導電性酸化膜が設けられた構成では、これら金属膜や導電性酸化膜の一部が溶出し、電極層の変色や圧電特性の劣化が生じるおそれがある。これに対し、本実施形態では、圧電体156及び電極層158、160の側面が露出していても、電極層の変色や圧電特性の劣化を抑制する効果が得られる。
だたし、前述したように、例えば多ノズル化された長尺ヘッド等に対しては、全ノズルに対応する全ての圧電素子で高い信頼性を得るには、この構成によっても十分ではなく、高湿環境下での長時間駆動においては、次第に圧電特性が劣化してしまうこともある。
これに対し、本実施形態では、圧電素子144の表面に絶縁体層170を形成して被覆していることにより、圧電素子144への水分吸着が絶縁体層170によって防がれ、高湿環境下であっても絶縁破壊や素子特性の低下が抑えられる。また、圧電素子144の側面(側面部170A)と連続して振動板124の上面に設けられた絶縁体層170の周囲部170Bにより、圧電素子144と振動板124の界面(下電極)での水分や湿気の浸入が確実に防がれ、絶縁破壊や素子特性の低下を抑制する効果が高められる。また、振動板124の上面における圧電素子144の周囲では、絶縁体層170が分離していることで、本実施形態のように、複数の圧電素子が振動板124上に個別化されて配置された構成では、絶縁体層170を介する素子間のクロストークが低減されるとともに、製造時の応力破壊が抑制される。
また、ここでは、圧電素子144の上面部分(上面部170C)での絶縁体層170の層厚が、圧電素子144の側面部分(側面部170A)よりも薄くされていることで、水分吸着による絶縁破壊や特性低下を抑制しつつ、絶縁体層170を設けることでの変形性の低下(圧電特性の低下)が抑制される。
第2及び第3の実施形態は、第1実施形態のインクジェット記録ヘッド74において、圧電素子144を被覆する絶縁体層170の形状を変更したものであり、以下、その絶縁体層170の変更形状と作用について説明する。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、図6に示すように、絶縁体層170が圧電素子144の側面(側面部170A)、及びその側面と連続して振動板124の上面の一部(周囲部170B)に形成されている。
このように、圧電素子144の上面を絶縁体層170で被覆しないことにより、絶縁体層170による圧電素子144の拘束力が弱められ、変形性が良好となって圧電特性の低下やばらつきを抑制する効果が高められる。さらに、上電極(電極層158)が露出されることで上電極の電気接続も容易となり製造性が向上する。
またこの構成の場合も、第1の実施形態と同様に、側面部170Aと連続して振動板124上に設けられた周囲部170Bにより、素子下面部からの水分や湿気の浸入が防止され、絶縁破壊や素子特性の低下を抑制する効果が高められる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、図7に示すように、絶縁体層170が圧電素子144の側面のみに形成されている(側面部170A)。
このように、圧電素子144の上面及び周囲に絶縁体層170が存在しないことで、変形性が更に良好となり、圧電特性の低下やばらつきを抑制する効果が更に高められる。また、第2の実施形態と同様に、上電極(電極層158)が露出されることで電気接続も容易となり製造性が向上する。
(第4の実施形態)
次に、上述した圧電素子144の表面に、第1〜第3の実施形態で説明した形状の絶縁体層170を形成してインクジェット記録ヘッド74を製造する製造方法について説明する。
(工程1)電極材成膜
まず、必要な厚さ(例えば厚さ30μm)に加工した圧電体の厚み方向端面に、下電極を構成するSnO(酸化錫)/厚さ0.2μm、及び、Au/厚さ0.1μmを積層し、上電極を構成するAu/厚さ0.2μm、Ni/厚さ0.6μm、及び、Au/厚さ0.2μmを積層して成膜する。酸化錫膜の形成は酸素を流入させながら行う反応性スパッタリング法、又は、酸化錫ターゲットを使用したスパッタリング法を用いることができる。ここで、例えば反応性スパッタリングを用いた場合には、酸素流量を増大させて、絶縁性にする。具体的には、例えばAr:20cm3/min O2:5cm3/minの条件で行うことができる。勿論、酸素流量を更に増大させて成膜しても良い。
さらに、圧電体との電気接点を取るための金属膜を、金属膜と同一材料ターゲットを使用し、スパッタリングにより連続成膜する。
(工程2)圧電素子個別化
次に、電極を成膜した圧電体を上電極側が仮固定基板T側となるように、仮固定基板T上に仮固定し(図8(A)参照)、仮固定基板T上において、各圧力室142に対応した形状で、且つ成膜した各電極層及び圧電体の側面が露出する構造となるように、ブラスト法やドライエッチング法等を用いて個別化し、圧電素子144を形成する。このとき、圧電素子144の断面形状は仮固定基板Tに対して順テーパー状となる。すなわち、仮固定基板T側の上電極側から下電極側に向かうに従って徐々に幅狭となるテーパー状となる。
(工程3)圧電素子−流路板接合
次に、図8(A)に示すように、個別化された圧電素子144を仮固定基板T上から、あらかじめ複数のプレートが積層された積層流路板114の振動板124に接着等の手段により転写・接合し、圧電素子144と振動板124とでピエゾアクチュエータ154を構成する(圧電素子形成工程)。ここで、圧電素子144の断面形状は振動板124に対して逆テーパー状となる。すなわち、振動板124側の下電極側から上電極側に向かうに従って徐々に幅広となるテーパー状となる。
(工程4)絶縁体層形成
次に、図8(B)に示すように、圧電素子144の表面を含む振動板124の上面全域に、スパッタリング法等の成膜法を用いて例えば厚さ0.5μmの絶縁体層170を形成する(絶縁体層形成工程)。なお、この絶縁体層170には、前述したように、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び有機系絶縁膜等を用いる。ここで、逆テーパー状とされた圧電素子144の側面部に良好に成膜するため、圧電素子144を傾斜回転させながらスパッタリングするとよい。
(工程5)全面エッチング
次に、絶縁体層170が形成された圧電素子144に対し、全面エッチング(ドライエッチング)を行う(絶縁体層加工工程)。ここで、圧電素子144の断面形状が逆テーパー状となっていることにより、側面部170Aでは、上面部170C及び周囲部170BよりもエッチングガスGによるエッチング量が少なくされる。したがって、エッチング条件(例えばエッチング時間等)を制御することにより、絶縁体層170における圧電素子144の側面部分(側面部170A)は残したまま、上面部分(上面部170C)や周囲(上面部170C)を薄くする又は除去するなどの、パターニングを用いない選択エッチングが可能となる。
例えば、エッチング時間を短く設定した場合には、図9(A)に示すような、圧電素子144の上面部分(上面部170C)、及び、振動板124の上面における圧電素子144の周囲(周囲部170B)では、圧電素子144の側面部分(側面部170A)よりも層厚が薄くされている形状の絶縁体層170を形成することができる。
また、これよりもエッチング時間を長く設定した場合には、図9(B)に示すような、圧電素子144の上面部分が除去されて側面部分(側面部170A)と周囲(周囲部170B)に残存し、隣接する圧電素子144の間では分離している形状の第2実施形態に相当する絶縁体層170を形成することができる。
また、更にエッチング時間を長く設定した場合には、図9(C)に示すような、圧電素子の側面(側面部170A)のみに残存している形状の第3実施形態に相当する絶縁体層170を形成することができる。
(工程6)電気接続
次に、圧電素子144の上電極(電極層158)に半田接合等の電気接点を介してフレキシブルケーブルを接続する。
(工程7)インク供給路取付
最後に、インクタンク98から供給されるインクをヘッド内に導入するためのインク供給路を取付ける。
以上により、Au(0.2μm)/Ni(0.6μm)/Au(0.2μm)/圧電体(30μm)/SnO(0.2μm)/Au(0.1μm)の層構成及び膜厚で、断面が逆テーパー状であり、表面が絶縁体層170によって被覆された圧電素子144を備える本実施形態のインクジェット記録ヘッド74が完成する。また、このインクジェット記録ヘッド74は、仕様によって長尺ヘッドに構成してもよい。
このように、本実施形態では、圧電素子144の断面形状を逆テーパー状としていることにより、この断面形状の圧電素子144に対する絶縁体層170の形成では、複雑なパターニングを行わなくとも、ドライエッチングによって上記形状の絶縁体層170を容易に形成できる。これにより、圧電特性への影響を低減しつつ、高湿環境下での圧電素子144の信頼性向上を図るとともに、電気接続も容易である上記構成の絶縁体層170を、簡単且つ低コストに製造することができる製造方法を実現できる。さらに、ドライエッチングによって絶縁体層170を最終形状に加工することにより、圧電体156が厚い場合でも、上記形状の絶縁体層170を容易に形成することができる。
また、本実施形態の製造方法では、上記の(工程2)において、圧電素子144を個別化する条件を変更することにより、図10に示すように、圧電素子144の断面形状の傾斜角度が変更可能である。例えば、図10(C)示す圧電素子145は、図10(A)示す圧電素子144よりも、側面の傾斜角度を大きくしている。
そのため、(工程5)において、エッチング条件の制御と共に、その傾斜角度の変更を利用することで、絶縁体層170を所望の形状に容易に加工することができる。例えば、図10(B)及び(D)に示すように、側面の傾斜角度を大きくした圧電素子145では、エッチング条件が同じ場合、傾斜角度の小さい圧電素子144よりもエッチングガスGによる側面部170Aのエッチング量が少なくされるため、側面部170Aの層厚を周囲部170B及び上面部170Cに対し相対的に厚く形成することができる。
以上、本発明を上述した第1〜第4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。
例えば、積層流路板114として、上記説明では複数のプレートの積層によって流路を形成しているが、プレートの構成、材質などは上記実施形態に限定されない。例えば、セラミックス、ガラス、樹脂、シリコンなどの材料を用いて、流路を一体成型してもよい。
また、絶縁体層170については、上述したように、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び有機系絶縁膜の何れか1つによる単層構造に限らず、それらの2つ以上による複層構造としてもよい。
また、上記実施形態では、記録紙P上に着色インクの液滴(インク滴)を吐出して文字や画像などの記録を行う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を例に挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置としては、このようなインクジェット記録、すなわち、記録用紙上への文字や画像の記録に用いられるものに限定されない。また、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、吐出する液体も着色インクに限定されるわけではない。「記録媒体」としては、液滴吐出ヘッドによって液滴を吐出する対象物であればよく、同様に、「画像」あるいは「記録画像」としても、液滴が記録媒体上に付着されることで得られる記録媒体上のドットのパターンであれば、すべて含まれる。したがって、「記録媒体」には、記録用紙やOHPシートなどが含まれるのはもちろんであるが、これら以外にも、たとえば基板、ガラス板などが含まれる。また、「画像」あるいは「記録画像」には、一般的な画像(文字、絵、写真など)のみならず、基板上の配線パターンや3次元物体、有機薄膜などが含まれる。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出して行うディスプレイ用のカラーフィルターの作製、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う部品実装用のバンプの形成、有機EL溶液を基板上に吐出させて行うELディスプレイパネルの形成、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う電気実装用のバンプの形成など、様々な工業的用途を対象とした液滴噴射装置一般に対して、本発明の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を適用することも可能である。
また、液滴吐出装置として、上記では液滴吐出ヘッドをキャリッジによって移動させながら液滴吐出を行う形態としたが、インク吐出口152を記録媒体の全幅にわたって配置したライン型の液滴吐出ヘッド(長尺ヘッド)を用い、このライン型ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬送しながら記録を行う(この場合は主走査のみとなる)など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。
本発明の第1の実施形態に係るインクジェット記録装置を示す斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドが適用されたインクジェット記録ユニット示す斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドに備えられた積層流路板を示す分解斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドに備えられた積層流路板を部分的に示す断面図である。 図3の5−5線断面で見た本発明の第1の実施形態に係る絶縁体層が形成された圧電素子を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る絶縁体層が形成された圧電素子を示す断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る絶縁体層が形成された圧電素子を示す断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法によって圧電素子に絶縁体層を形成する工程(A)、(B)を示す説明図である。 (A)〜(C)は、本発明の第4の実施形態に係る製造方法によりエッチング条件を変更して異なる形状の絶縁体層が形成された圧電素子を示す断面図である。 本発明の第4の実施形態に係る製造方法により、側面の傾斜角度が小さい圧電素子に対して絶縁体層を形成する工程(A)、(B)を示す説明図、及び、側面の傾斜角度が大きい圧電素子に対して絶縁体層を形成する工程(C)、(D)を示す説明図である。
符号の説明
70 インクジェット記録装置(液滴吐出装置)
74 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
124 振動板
140 ノズル
142 圧力室
144 圧電素子
156 圧電体
158 電極層(上電極)
160 電極層(下電極)
170 絶縁体層
170A 側面部
170B 周囲部
170C 上面部

Claims (9)

  1. 液体が充填される圧力室と、
    前記圧力室と連通して液滴が吐出されるノズルと、
    前記圧力室に対応して設けられ画像情報に応じて印加された電圧によって変形する圧電素子と、
    前記圧力室の壁面の少なくとも一部を下面によって構成するとともに、上面に設けられた前記圧電素子の変形によって振動し圧力室を膨張又は圧縮させる振動板と、
    前記振動板の上面及び前記圧電素子の表面の所定領域に形成されるとともに、振動板の上面における圧電素子の周囲では、少なくとも圧電素子の側面部分よりも層厚が薄くされている、又は、分離している絶縁体層と、
    を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  2. 前記圧電素子は、圧電体と、その圧電体の上面に設けられた上電極及び下面に設けられた下電極と、を備え、
    前記絶縁体層の層厚は、前記圧電素子の側面部分よりも前記上電極部分の方が薄くされていることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。
  3. 前記絶縁体層が前記圧電素子の側面及びその側面と連続して少なくとも前記振動板の上面の一部に形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の液滴吐出ヘッド。
  4. 前記絶縁体層が前記圧電素子の側面のみに形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の液滴吐出ヘッド。
  5. 前記絶縁体層は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び有機系絶縁膜の何れか1つによる単層構造、又は、それらの2つ以上による複層構造とされていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。
  6. 前記圧電素子の断面形状は、下側から上側に向かうに従って徐々に幅広となるテーパー状とされていることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。
  7. 請求項1〜請求項6の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記振動板の上面に前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、
    前記圧電素子形成工程後に、前記圧電素子の表面を含む前記振動板の上面全域に前記絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、
    前記絶縁体層形成工程後に、ドライエッチングにより前記絶縁体層の各部を所定の層厚に加工する又は除去する絶縁体層加工工程と、
    を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
  8. 請求項1〜請求項6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する液滴吐出装置。
  9. 前記液滴吐出ヘッドが請求項7記載の製造方法によって製造されていることを特徴とする請求項8記載の液滴吐出装置。
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