JP2007118193A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電素子の破壊を確実に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】液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室12が設けられた流路形成基板の一方面側に設けられて圧電体能動部320の長手方向の端部を規定する下電極60と、圧電体能動部320の短手方向の端部を規定する圧電体層及び上電極80とからなる圧電素子300と、該圧電素子300を覆い前記上電極80の表面を露出する露出部101が設けられた保護膜100とを具備し、前記露出部101の長手方向の端部と前記圧電体能動部320の長手方向の端部との距離が、前記露出部101の幅が前記上電極80の幅の50%以上の場合には、前記上電極80の幅の50%以上とし、前記露出部101の幅が前記上電極80の幅の50%より小さい場合には、前記露出部101の幅以上とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、液体を噴射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ある。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を有する。
そこで、このような圧電素子の破壊を防止すると共に圧電素子の変形を阻害しないようにするヘッド構造として、圧電素子を構成する上電極の上面の少なくとも周縁及び圧電体層の側面を覆うように、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは感光性ポリイミドからなる薄い絶縁体膜を設けたものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、圧電素子の破壊を防止すると共に圧電素子の変形を阻害しないようにするヘッド構造として、圧電素子を絶縁体からなる保護膜で覆うと共に、上電極の主要部に対応する領域に他の領域よりも薄い薄肉部を設けものがある(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、特許文献1の構成では、上電極を露出させた領域の長手方向の端部が規定されておらず、この端部が圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部の端部よりも外側になっていると、圧電素子が撓み変形した際に、露出された領域の端部近傍に応力が集中し、圧電素子が破壊されてしまうという問題がある。
また、特許文献2では、保護膜の上電極の表面に薄肉部を設けることにより、圧電素子の外部環境に起因する破壊を防止することができるものの、薄肉部は、エッチング時間を調整するハーフエッチングにより形成されるため、薄肉部の厚さの管理が困難であり、均一な変位特性の圧電素子を得るのは難しいという問題がある。また、上電極の表面を露出した後、さらに薄肉部を形成することで薄肉部の厚さの管理を行うことができるものの、薄肉部を形成するための製造工程が増加し、煩雑であると共にコストが増大してしまうという問題がある。さらに、薄肉部によって圧電素子の撓み変形量が減少し、インク吐出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、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
特許第3552013号(第4頁、第4図) 特開2001−260357号公報(第5〜6頁、第7〜8図)
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の破壊を確実に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、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、該圧電素子を覆うと共に前記上電極の表面を露出する露出部が設けられた無機絶縁材料からなる保護膜とを具備し、前記下電極の長手方向の端部が、前記圧力発生室に相対向する領域内に設けられて、前記圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の長手方向の端部を規定していると共に、前記上電極及び前記圧電体層の幅方向の端部が、前記圧力発生室に相対向する領域内に設けられて、前記圧電体能動部の短手方向の端部を規定し、且つ前記露出部の長手方向の端部と前記圧電体能動部の長手方向の端部との距離が、前記露出部の幅が前記上電極の幅の50%以上の場合には、前記上電極の幅の50%以上であると共に、前記露出部の幅が前記上電極の幅の50%より小さい場合には、前記露出部の幅以上であ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、無機材料からなる保護膜を設けることにより空気中の水分などの外部環境に起因する圧電素子の破壊を防止することができると共に、保護膜に露出部を設けることにより圧電体能動部の変位を阻害することなく、液体の噴射特性を保持することができる。また、露出部の端部を圧電体能動部の端部に基づいて規定することで、圧電体能動部と実質的に駆動しない圧電体非能動部との境界の剛性を低下させることなく、圧電素子や振動板などの破壊を防止することができる。
本発明の第2の態様は、前記露出部の長手方向端部には、当該露出部の幅が当該端部に向かって漸小するテーパ部が設けられていることを特徴とする第1の態様記載の液体噴射ヘッドにある。
かかる第2の態様では、保護膜にテーパ部を設けることによって、圧電素子の圧電体能動部と圧電体非能動部との境界の応力集中を分散させることができ、圧電素子や振動板などの破壊を防止することができる。
本発明の第3の態様は、前記露出部の幅が、前記上電極の幅の25〜75%であることを特徴とする第1又は2の態様に記載の液体噴射ヘッドにある。
かかる第3の態様では、保護膜によって、圧電体能動部の変位を阻害することなく、確実に圧電素子を覆って、圧電素子の外部環境に起因する破壊を防止することができる。
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にある。
かかる第4の態様では、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概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図であり、図3は、図2おA−A′断面図及び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、その一方の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。流路形成基板10には、隔壁11によって区画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。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、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、後述するマスク膜52を介して接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。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、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、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)等からなり厚さが例えば、約0.3〜0.4μmの絶縁体膜55が積層形成されている。また、絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.1〜0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約0.5〜5μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とからなる圧電素子300が形成されている。
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320という。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。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部320が形成されていることになる。
また、本実施形態では、下電極膜60の圧力発生室12の長手方向の端部を圧力発生室12に相対向する領域内に設けることで、圧電素子300の実質的な駆動部となる圧電体能動部320の長手方向の端部(長さ)を規定している。また、圧電体層70及び上電極膜80の圧力発生室12の幅方向の端部を圧力発生室12に相対向する領域内に設けることで、圧電体能動部320の短手方向の端部(幅)を規定している。すなわち、圧電体能動部320は、パターニングされた下電極膜60及び上電極膜80によって、圧力発生室12に相対向する領域にのみ設けられていることになる。さらに、本実施形態では、圧電体層70及び上電極膜80が、図3(b)に示すように、上電極膜80側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面は傾斜面となっている。
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アクチュエータ装置と称する。なお、本実施形態では、下電極膜60を複数の圧電素子300の並設方向に亘って設け、下電極膜60の圧力発生室12の長手方向の端部を、圧力発生室12に相対向する位置となるように設けた。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が、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50及び絶縁体膜55を設けずに、下電極膜60のみが振動板として作用するようにしてもよい。
そして、圧電素子300を構成する下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80(圧電体能動部320)は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜100によって覆われている。具体的には、保護膜100は、圧電体層70の側面と上電極膜80の上面の周縁を覆うように設けられている。すなわち、上電極膜80の上面の主要部は、保護膜100が設けられておらず、上電極膜80の上面の主要部を露出する露出部101が設けられている。露出部101は、保護膜100を厚さ方向に貫通して圧電素子300の長手方向に沿って矩形状に開口するものであり、例えば、流路形成基板10上の全面に亘って保護膜100を形成した後、選択的にパターニングすることで形成することができる。
このような露出部101の長手方向の端部は、圧電体能動部320の長手方向の端部、すなわち、下電極膜60の圧力発生室12の長手方向の端部から所定の距離内側となるように設けられている。
ここで、図2に示すように、露出部101の長手方向の端部と、圧電体能動部320の長手方向の端部との距離dは、露出部101の幅Wが上電極膜80の幅Wの50%以上の場合(W≧W/2)には、距離dは上電極膜80の幅Wの50%以上(d≧W/2)である。また、逆に露出部101の幅Wが、上電極膜80の幅Wの50%より小さい場合(W<W/2)には、距離dは露出部101の幅W以上(d≧W)である。
そして、露出部101の幅Wは、上電極膜80の幅Wの25〜75%が好ましい。これは、例えば、露出部101の幅Wが小さすぎると、詳しくは後述するが、保護膜100が圧電素子300(圧電体能動部320)の変位を阻害し、インクの吐出特性が低下してしまうと共に、露出部101の幅Wが大きすぎると、圧電体層70の側面を露出してしまう虞があり、圧電素子300の大気中の水分などの外部環境に起因する破壊を防止することができないからである。本実施形態では、上電極膜80の幅Wを約40μmとしたため、露出部101の幅Wを10〜30μmとするのが好ましい。
このように圧電素子300を保護膜100で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子300の破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜100材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化タンタル(TaO)、酸化アルミニウム(AlO)等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム(AlO)、例えば、アルミナ(Al)を用いるのが好ましい。保護膜100の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、保護膜100の膜厚を100nm程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができる。
また、保護膜100に露出部101を設けることにより、圧電素子300(圧電体能動部320)の変位を阻害することなく、インク吐出特性を良好に保持することができる。さらに、露出部101の端部を上述のように圧電体能動部320の端部に基づいて規定することにより、圧電体能動部320の駆動によって圧電素子300の圧電体能動部320と実質的に駆動しない圧電体非能動部との境界に応力が集中した際に、この境界周辺の剛性を低下させることなく、応力集中による圧電素子300及び振動板の破壊を防止することができる。
なお、本実施形態では、保護膜100を図3(b)に示すように、複数の圧電素子300(圧電体能動部320)に亘って連続して設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、保護膜100を各圧電素子300毎に設けるようにしてもよい。
この保護膜100上には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が設けられている。リード電極90は、保護膜100に設けられた開口部100aを介して一端部が上電極膜80に接続されると共に、他端部が流路形成基板10の端部近傍まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子を駆動する駆動回路と接続配線を介して接続されている。
また、圧電素子300が形成された流路形成基板10上には、圧電素子300に対向する領域に、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31を有する保護基板30が、接着剤35によって接合されている。なお、圧電素子保持部31は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
また、保護基板30には、連通部13に対向する領域にリザーバ部32が設けられており、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と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ110を構成している。また、保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバ部32との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられ、この貫通孔33内に下電極膜60の一部及びリード電極90の先端部が露出されている。
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200が固定されている。この駆動回路200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200とリード電極90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210を介して電気的に接続されている。
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。
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110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110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110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。
(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態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、保護膜100に開口が矩形状の露出部101を設けるようにしたが、露出部101の形状は、特にこれに限定されるものではない。ここで、露出部の他の形状について図4を参照して説明する。なお、図4は、本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図である。図4に示すように、露出部101の長手方向の端部には、露出部101の幅が端部に向かって漸小するテーパ部102が設けられている。本実施形態では、テーパ部102をその開口が台形状となるように設けた。このように露出部101の長手方向端部にテーパ部102を設けることにより、圧電素子300の圧電体能動部320と圧電体非能動部との境界の応力集中を分散させることができ、さらに圧電素子300(圧電体能動部320)及び振動板の破壊を防止することができる。なお、露出部101にテーパ部102を設けた場合にも、テーパ部102の端部と圧電体能動部320の端部(下電極膜60の端部)との距離dが、上述した実施形態1と同様に、露出部101の幅W及び上電極膜80の幅Wに基づいて規定されている。また、図4に示す例では、テーパ部102を開口が台形状となるように設けるようにしたが、テーパ部102の形状は特にこれに限定されず、例えば、三角形状、円形状及び楕円形状の開口で形成してもよい。
また、上述した実施形態1では、圧電素子保持部31を有する保護基板30を設けるようにしたが、圧電素子300は保護膜100によって覆われて外部環境に起因する破壊が防止されているため、保護基板30を厚さ方向に貫通する圧電素子保持部としてもよく、また保護基板を設けなくてもよい。
また、これら各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5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5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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
また、上述した実施形態1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。さらに、本発明は、このような液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。
本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部平面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの要部平面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェット式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、 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 保護膜、 101 露出部、 102 テーパ部、 110 リザーバ、 200 駆動回路、 210 接続配線、 300 圧電素子、 320 圧電体能動部

Claims (4)

  1. 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、該圧電素子を覆うと共に前記上電極の表面を露出する露出部が設けられた無機絶縁材料からなる保護膜とを具備し、
    前記下電極の長手方向の端部が、前記圧力発生室に相対向する領域内に設けられて、前記圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の長手方向の端部を規定していると共に、前記上電極及び前記圧電体層の幅方向の端部が、前記圧力発生室に相対向する領域内に設けられて、前記圧電体能動部の短手方向の端部を規定し、
    且つ前記露出部の長手方向の端部と前記圧電体能動部の長手方向の端部との距離が、前記露出部の幅が前記上電極の幅の50%以上の場合には、前記上電極の幅の50%以上であると共に、前記露出部の幅が前記上電極の幅の50%より小さい場合には、前記露出部の幅以上であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  2. 前記露出部の長手方向端部には、当該露出部の幅が当該端部に向かって漸小するテーパ部が設けられていることを特徴とする請求項1記載の液体噴射ヘッド。
  3. 前記露出部の幅が、前記上電極の幅の25〜75%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体噴射ヘッド。
  4. 請求項1〜3の何れか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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