JP2007050551A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 流路形成基板に基板を接合するための接着剤の応力に起因する振動板の破壊を防止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】 保護基板３０の流路形成基板１０との接合面には、接着剤の逃げとなる凹部３４が圧電素子保持部３１の周囲に複数設けられ、且つ供給路１５に対応する領域では、供給路１５の側壁１７に対向する領域のみに凹部３４が設けられているようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、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）。

このような圧電素子保持部が形成された基板と流路形成基板とは、一般的に、接着剤によって接合されている。このため、両基板を接合する際に、余分な接着剤が圧電素子保持部内に流れ込み、圧電素子の変位を阻害してしまうという問題があった。そして、このような問題を解決するために、圧電素子保持部の周囲に余分な接着剤の逃げとなる複数の凹部を設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。

このような構成とすることで、圧電素子保持部内への接着剤の流れ込みを防止することはできる。しかしながら、凹部内には余分な接着剤が流れ込み、この部分の接着剤の量（厚さ）が多くなっている。このため、接着剤の硬化収縮や基板との線膨張係数差の影響等により、凹部の下側の振動板にクラックが発生してしまうという問題がある。特に、流路形成基板を貫通するインク供給路等が近接して設けられている領域では、このような問題が生じやすい。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２００２−１１３８５７号公報（特許請求の範囲等） 特開２００２−２０５４０４号公報（特許請求の範囲、図３等）

本発明はこのような事情に鑑み、流路形成基板に基板を接合するための接着剤の応力に起因する振動板の破壊を防止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並設されると共に供給路を介して各圧力発生室に連通する連通部が設けられた流路形成基板と、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着剤によって接合され前記圧力発生室の列に対向する領域に前記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有し、前記保護基板の前記流路形成基板との接合面には、前記接着剤の逃げとなる凹部が前記圧電素子保持部の周囲に複数設けられ、且つ前記供給路に対応する領域では、前記供給路の側壁に対向する領域のみに前記凹部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１の態様では、振動板が流路形成基板によって実質的に補強されている領域に凹部を設けているため、比較的剛性の低い供給路に対応する領域であっても、接着剤の応力の増加に伴う振動板のクラックの発生が抑えられる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記凹部のそれぞれが、前記流路形成基板を貫通して設けられる貫通部以外の領域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２の態様では、接着剤の応力に起因する振動板の破壊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３の態様では、耐久性及び信頼性に優れた液体噴射ヘッド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の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。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、図示するように、その一方の面には、二酸化シリコンからなり厚さ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、複数の圧力発生室１２がその幅方向に沿って並設されている。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が形成されている。連通部１３と各圧力発生室１２とは、圧力発生室１２と略同一幅で形成されるインク連通路１４と、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されるインク供給路１５を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部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の一部を構成する。インク供給路１５は、インク連通路１４からを圧力発生室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、本実施形態では、圧力発生室１２の列の外側の領域に、圧力発生室１２と同様に流路形成基板１０を貫通する複数のダミーの圧力発生室１６が設けられている。このダミーの圧力発生室１６は、後述するノズルプレートを接着剤によって流路形成基板１０に接合する際、余分な接着剤が圧力発生室１２内に流れ込むのを防止する役割を果たす。

流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のエッチング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１５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２．５〜２０［×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等からなる。

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（ＺｒＯ_２）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（Ｐｔ）及びイリジウム（Ｉｒ）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）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（Ｉｒ）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。

なお、圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ_３（ＰＺ）、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。

ここで圧電素子３００とは、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を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。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。

また、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、リード電極９０が接続されており、このリード電極９０を介して、各圧電素子３００に電圧が印加されるようになっている。

また、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧力発生室１２の列に対向する領域に圧電素子３００を保護するための圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が、接着剤３５を介して接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部３１は、密封されていてもよいが、勿論、密封されていなくてもよい。

また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２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の並設方向に沿って設けられており、上述した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。さらに、圧電素子保持部３１のリザーバ部３２とは反対側の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通してリード電極９０が露出される露出孔３３が形成されている。そして、図示しないが、この露出孔３３内に延設される接続配線によって、保護基板３０上に実装される駆動ＩＣと、リード電極９０及び下電極膜６０とが電気的に接続されている。

また、保護基板３０の流路形成基板１０との接合面側には、両基板を接着剤３５によって接着する際、余分な接着剤の逃げとなる複数の凹部３４が設けられている。本実施形態では、図２及び図３に示すように、圧電素子保持部３１の周りを囲むように複数の凹部３４が設けられている。なお、図面では省略しているが、実際には、リザーバ部３２の周囲あるいは保護基板３０の外周部にも、多数の凹部が形成されている。

ここで、凹部は、インク供給路１５に対応する領域にも設けられているが、本発明では、インク供給路１５に対応する領域では、各凹部３４がインク供給路１５の側壁１７に対向する領域のみに設けられているようにしている。すなわち、流路形成基板１０を貫通する貫通部であるインク供給路１５に対向する領域には、凹部３４が存在しないようにしている。また、図示しないが、本実施形態では、全ての領域において、流路形成基板１０を貫通する貫通部に対向する領域に凹部３４が存在しないようにしている。すなわち、インク供給路１５だけでなく、上述したダミーの圧力発生室１６等の貫通部に対向する領域にも、凹部３４が存在しないようにしている。

このような構成とすることで、環境温度が変化した場合でも、振動板（弾性膜５０及び絶縁体膜５５）にクラックが生じることがなく耐久性が大幅に向上する。詳細に説明すると、流路形成基板１０と保護基板３０とを接着剤３５によって接合する際、保護基板３０の凹部３４内には余分な接着剤が流れ込むため、この凹部３４に対向する部分の接着剤３５の量（厚さ）は多くなる（図３（ｂ）参照）。このため、この部分の振動板には、接着剤３５の硬化収縮、あるいは線膨張係数差の影響によるクラックが発生しやすい。インク供給路１５に対応する領域では、特に、振動板にクラックが発生しやすい。しかしながら、上述したように、インク供給路１５の側壁１７に対向する領域内のみに凹部３４が存在するようにすることで、凹部３４に対向する領域の振動板の剛性が十分に高くなるため、接着剤３５に起因するクラックの発生を防止することができる。すなわち、凹部３４に対向する領域の振動板の下側には流路形成基板１０が必ず存在し、流路形成基板１０によって振動板が実質的に補強されるため、上述したクラックの発生は防止される。

また、このような凹部３４を圧電素子保持部３１の周囲に複数設けておけば、接着剤３５が圧電素子３００の振動領域、すなわち、圧力発生室１２に対向する領域まで流れ込むのを防止することができる。

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より好ましく、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。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３２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。

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、保護基板３０上に実装された駆動ＩＣ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、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、上述した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。

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。

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平面図である 実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の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 インク連通部、 １５ インク供給路、 １６ ダミーの圧力発生室、 １７ 側壁、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ リザーバ形成基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ３４ 凹部、 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、 ３００ 圧電素子

Claims (3)

1. ノズル開口に連通する圧力発生室が並設されると共に供給路を介して各圧力発生室に連通する連通部が設けられた流路形成基板と、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着剤によって接合され前記圧力発生室の列に対向する領域に前記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有し、
   前記保護基板の前記流路形成基板との接合面には、前記接着剤の逃げとなる凹部が前記圧電素子保持部の周囲に複数設けられ、且つ前記供給路に対応する領域では、前記供給路の側壁に対向する領域のみに前記凹部が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、前記凹部のそれぞれが、前記流路形成基板を貫通して設けられる貫通部以外の領域に設けら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に記載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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