JP2009190398A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の駆動に伴う振動板等の破壊を防止することができる液体噴射ヘッド及
び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】表面の結晶面方位が（１１０）面のシリコン基板からなり液滴を噴射するノ
ズル２１に連通する圧力発生室１２が複数並設された流路形成基板１０と、流路形成基板
１０の一方面側に振動板を介して設けられる下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８
０からなる圧電素子３００とを具備し、圧力発生室１２は、その幅方向の端面が（１１０
）面に垂直な第１の（１１１）面で構成されると共に、その長手方向の端面１２ａが第１
の（１１１）面に対して所定角度で傾斜する第２の（１１１）面で構成され、圧力発生室
の長手方向における下電極膜６０及び上電極膜８０の端部６０ａ，８０ａが、圧力発生室
１２内に位置し且つ圧力発生室１２の長手方向の端面１２ａに対して平行に形成されてい
る構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に液
滴としてインク滴を吐出す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。

液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズル
に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に圧電素子
とを具備し、流路形成基板として、例えば、結晶面方位が（１１０）面のシリコン基板が
用いられ、このシリコン基板からなる流路形成基板を異方性エッチング（ウェットエッチ
ング）することによって圧力発生室が形成されたものがある。

上記構成のインクジェット式記録ヘッドにおいては、圧力発生室は、シリコン基板の（
１１０）面に垂直な第１及び第２の（１１１）面で構成され略平行四辺形の開口形状に形
成される。このような開口形状の圧力発生室に対して、圧電素子を構成する下電極及び上
電極の端部は、一般的に、圧力発生室の幅方向（短手方向）に沿って形成されている（例
えば、特許文献１参照）。

特開２００７−０９８８１２号公報（図２等）

特許文献１に記載の構成では、圧電素子が圧力発生室の長手方向において圧力発生室の
外側まで延設されているが、圧電素子が圧力発生室の内側に形成されている場合もある。
つまり、圧電素子の下電極及び上電極の端部が、圧力発生室内に位置している場合がある
。このような構成において、圧電素子を構成する下電極及び上電極の端部が圧力発生室の
幅方向に沿って形成されていると、圧力発生室の長手方向端部と圧電素子の端部との距離
が、圧力発生室の幅方向で不均一になる。このため、圧力発生室の長手方向端部における
圧電素子の駆動による振動板の変位量は、圧力発生室の幅方向で不均一になる。すなわち
、圧力発生室の長手方向端部と圧電素子の端部との距離が長い部分ほど、圧電素子の駆動
に伴う振動板の変位量は大きくなる。そして、このような振動板の変位量の違いに起因し
て、圧力発生室の長手方向端部の振動板或いは圧電素子自体に破壊（割れ）が生じてしま
う虞がある。

なお、このような問題はインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、
インク滴以外の液滴を噴射する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の駆動に伴う振動板等
の破壊を防止することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的と
する。

上記課題を解決する本発明は、表面の結晶面方位が（１１０）面のシリコン基板からな
り液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が複数並設さ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下電極、圧電体層及び上電極からなる圧
電素子とを具備し、前記圧力発生室は、その幅方向の端面が（１１０）面に垂直な第１の
（１１１）面で構成されると共に、その長手方向の端面が前記第１の（１１１）面に対し
て所定角度で傾斜する第２の（１１１）面で構成され、前記圧力発生室の長手方向におけ
る前記下電極及び前記上電極の端部が、前記圧力発生室内に位置し且つ当該圧力発生室の
長手方向の端面に対して平行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。
かかる本発明では、圧力発生室の長手方向の端部と圧電素子の端部との距離が、圧電素子
の幅方向に亘って均一になる。これにより、圧力発生室の長手方向端部における振動板等
の破壊を防止することができる。

ここで、前記圧電体層が前記圧力発生室の長手方向端部から当該圧力発生室の外側まで
延設され、一端側が前記上電極に接続されるリード電極が前記圧電体層上に延設されて前
記圧力発生室の外側まで引き出されていることが好ましい。これにより、圧力発生室の長
手方向端部における振動板の変位量が抑えられる。したがって、振動板等の破壊をより確
実に防止することができると共に、振動板における応力集中を分散させることができる。

また前記下電極及び前記上電極がドライエッチングによってパターニングされているこ
とが好ましい。これにより、下電極及び上電極を高精度に形成することができる。したが
って、振動板等の破壊をより確実に防止することができる。

そして、前記所定角度は、鋭角又は鈍角であることが好ましい。このように、圧力発生
室の第１の（１１１）面と第２の（１１１）面との所定角度を鋭角または鈍角にすれば、
シリコン基板の異方性に対応してエッチング加工等がスムーズに行える。また、振動板に
接する第２の（１１１）面の端部（端辺）の長さは、所定角度が直角の場合より長く設定
することができる。当該端部（端辺）は、圧電素子が変位する際の支点であり、この支点
の長さが長ければ、単位長さ当たりにかかる応力が軽減されて、振動板等の寿命向上に効
果がある。

さらに本発明は、上述した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。かかる本発明では、信頼性及び耐久性を向上した液体噴射装置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に係る液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド
１の分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ’断面図である。

図示するように、流路形成基板１０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することによって二酸化シリコンからなる弾性膜５０が
形成されている。この流路形成基板１０には、複数の隔壁１１によって区画された圧力発
生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発
生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが隔壁１１によって
区画されている。また、連通路１４の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液
体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。

連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して複数の圧力発生室１
２に共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１３は、圧力
発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１５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。本実施形態では、インク供給路１３は、流路の幅
を一方側から狭められているが、例えば流路の幅が両側から狭められていてもよい。

ここで、流路形成基板１０に設けられるこれら圧力発生室１２、インク供給路１３及び
連通路１４及び連通部１５は、弾性膜５０とは反対側の面から流路形成基板１０を異方性
エッチングすることによって形成されている。異方性エッチングは、シリコン単結晶基板
のエッチングレートの違いを利用して行われる。面方位（１１０）のシリコン基板からな
る流路形成基板１０の場合、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面の
エッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。

具体的には、流路形成基板１０となるシリコン基板の表面に所定形状のマスクを形成し
、そのシリコン基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、シリコン基板がマスクの開
口から徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１
１）面と所定角度θ（約７０．５３度）をなす第２の（１１１）面とが出現しながらエッ
チングが進み、弾性膜５０に達するまでシリコン基板をエッチングすることにより圧力発
生室１２等の流路が形成される。

そして、圧力発生室１２は、その幅方向（短手方向）の端面が第１の（１１１）面で構
成され、長手方向の端面が第２の（１１１）面で構成されている。本実施形態では、圧力
発生室１２の一端部側はインク供給路１３に連通しているため、圧力発生室１２の他端部
側の端面が第２の（１１１）面で構成されている。つまり、圧力発生室１２の長手方向の
他端部側の端面は、幅方向の端面に対して所定角度θで傾斜している。

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１３とは反対側の
端部近傍に連通するノズル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
ルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミッ
クス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、こ
の弾性膜５０上には絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には下
電極膜（下電極）６０と、圧電体層７０と、上電極膜（上電極）８０とで構成される圧電
素子３００が形成されている。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、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ーと称する。なお、振動板
とは圧力発生室１２の一方面を構成し圧電素子３００の駆動により変形が生じる部分をい
う。本実施形態では、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。また、圧電素子３０
０自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

ここで、図３の拡大図に示すように、各圧電素子３００は、本実施形態では、圧力発生
室１２に対向する領域内に形成されている。つまり、圧電素子３００を構成する下電極膜
６０及び上電極膜８０が、圧力発生室１２の長手方向他端部側において、圧力発生室１２
の端面１２ａ（第２の（１１１）面）の内側でパターニングされている。そして、これら
下電極膜６０及び上電極膜８０の端部６０ａ，８０ａは、圧力発生室１２内では圧力発生
室１２の端面１２ａに対して略平行になっている。

なおこのような形状の下電極膜６０及び上電極膜８０は、圧電素子３００を形成する際
に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を順次積層すると共に各層をパターニ
ングすることによって形成される。このパターニング方法は、特に限定されないが、例え
ば、イオンミリング等のドライエッチング法を用いることが好ましい。これにより、圧電
素子３００を高精度に形成することができ、下電極膜６０及び上電極膜８０の端部６０ａ
，８０ａを、確実に、圧力発生室１２の端面１２ａに対して平行に形成することができる
。

また圧電体層７０は、本実施形態では、圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられて
いる。そして、この圧電体層７０上には、一端が上電極膜８０に接続されるリード電極９
０が設けられている。このリード電極９０の他端側は、流路形成基板１０の端部近傍まで
延設され、図示しないが、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧
が印加されるようになっている。

このような構成のインクジェット式記録ヘッド１では、圧電素子３００の端部、すなわ
ち下電極膜６０及び上電極膜８０の端部６０ａ，８０ａと、圧力発生室１２の端面１２ａ
との距離が、圧電素子３００の幅方向に亘って略均一になる。例えば、圧電素子３００の
幅方向両端部から圧力発生室１２の端面１２ａまでの距離ｄ１，ｄ２もほぼ一致すること
になる。そして、このように圧電素子３００の端部と圧力発生室１２の端面１２ａとの距
離が均一化されることで、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量も、圧電素子３０
０の幅方向に亘って略均一化される。したがって、圧電素子３００を駆動した際に、圧力
発生室１２の長手方向端部近傍の振動板或いは圧電素子３００には、何れの場所にも同程
度の応力がかかることになる。すなわち局所的に強い応力がかかることがないため、圧電
素子３００の駆動に伴う振動板或いは圧電素子３００の破壊を防止することができる。さ
らに、圧電体層７０は、圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられているため、圧力発
生室１２の外側部分に支持されて振動し、振動板において圧力発生室１２と隔壁１１との
境界に発生する応力集中を分散させる役割を担っている。

なお、本実施形態では、圧力発生室１２の一端部側には、流路形成基板１０を厚さ方向
に貫通するインク供給路１３が連通しているため、圧電素子３００の端部の形状に拘わら
ず、振動板の破壊等が生じることはない。つまり流路の終端となる圧力発生室１２の端面
１２ａに対向する圧電素子３００の端部が、上述したように圧力発生室１２の端面１２ａ
に対して略平行に形成されていればよい。

ところで、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、図２に示
すように、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
空間が設けられた圧電素子保持部３１を有する保護基板３０がさらに接合されている。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、流
路形成基板１０の連通部１５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、上述したようにこの連通部１５と連通されて各圧力発生室１２に共通す
るリザーバ１００を構成している。

保護基板３０の材料としては、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、例えば、流路形成基板１０と同一材
料であるシリコン単結晶基板が好適に用いられる。

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有機絶縁材料から
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。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態１に限定され
るものではない。例えば、実施形態１では、流路形成基板１０を厚さ方向に貫通するイン
ク供給路１３が圧力発生室１２に連通した構成を例示したが、インク流路は、次に挙げる
実施形態２のような構成も考えられる。
（実施形態２）

実施形態２では、図４に示すように、インク供給路１３Ａは、流路形成基板１０の厚さ
方向の一部を除去することによって形成されている。この場合、流路形成基板１０の弾性
膜５０側の端部においては、圧力発生室１２Ａの長手方向一端部側の端面１２ｂも、長手
方向他端部側の端面１２ａと同様の形状となる（図４（ａ）参照）。すなわち、圧力発生
室１２Ａの形状は、弾性膜５０側の端部において、この場合、平行四辺形である。そして
、圧力発生室１２Ａの長手方向両側の端面１２ａ，１２ｂが、それぞれ第２の（１１１）
面で構成されている。このような構成では、圧力発生室１２Ａの長手方向両端部において
、圧電素子３００の下電極膜６０および上電極膜８０の端部は、圧力発生室１２Ａの端面
１２ａまたは端面１２ｂと平行になるように形成されている。つまり、実施形態２では、
インク供給路１３Ａの構成および圧力発生室１２Ａのインク供給路１３Ａ側の形状が、実
施形態１と異なっている。

これにより、圧力発生室１２Ａの端面１２ｂと、端面１２ｂに対向する圧電素子３００
の端部６０ｂ，８０ｂとの距離は、実施形態１における圧電素子３００の端部６０ａ，８
０ａと、圧力発生室１２の端面１２ａとの距離ｄ１，ｄ２（図３（ａ））と同様に、略均
一となっている。また、圧力発生室１２Ａの端面１２ａを構成する第２の（１１１）面は
、第１の（１１１）面に対して、実施形態１と同様、所定角度θ（約７０．５３度）だけ
傾いている。さらに、圧力発生室１２Ａが平行四辺形であるため、端面１２ａを構成する
第２の（１１１）面と端面１２ｂを構成する第２の（１１１）面とは、この場合、平行を
なしている。

このような構成によれば、圧力発生室１２Ａの端面１２ａ（第２の（１１１）面）と第
１の（１１１）面とが所定角度θをなしている。これにより、シリコン単結晶基板からな
る流路形成基板１０の異方性により出現する面を、圧力発生室１２Ａの端面１２ａ，１２
ｂとして、スムーズなエッチングが行える。また、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極
膜６０で構成される振動板は、端面１２ａの端部である端辺１２ｃを振動支点として振動
する。この場合、振動支点となる端辺１２ｃの長さは、所定角度θが直角の場合より長く
設定でき、これにより、圧電素子３００の振動による端辺１２ｃの単位長さ当たりの応力
が軽減されて、振動板の寿命向上が図れる。

また、圧電体層７０は、圧力発生室１２Ａの外側まで連続的に設けられているため、実
施形態１と同様、振動板において圧力発生室１２Ａと隔壁１１との境界に発生する応力集
中を分散させる効果を有する。さらに、圧力発生室１２Ａと、下電極膜６０及び上電極膜
８０とは、図４（ａ）に示すように平面視略相似形であるため、圧電素子３００による圧
力が、より均一にインクへ伝達される。これにより、インクを、より微細な液滴として、
ノズル２１から噴射する場合でも、安定して液滴の噴射制御ができる。

なお、実施形態１および２では、圧電体層７０を圧力発生室１２の外側まで延設し、こ
の圧電体層７０上にリード電極９０を配設するようにしたが、リード電極９０の構成は特
に限定されるものではない。例えば、圧電素子３００を絶縁材料からなる保護膜で覆うと
共にこの保護膜上にリード電極を形成し、保護膜に形成したコンタクトホールを介してリ
ード電極と上電極膜とを接続するようにしてもよい。また、圧力発生室１２Ａの形状は、
エッチングにより加工された平行四辺形に限定されるものではなく、流路形成基板１０で
ある面方位（１１０）のシリコン単結晶基板において、所定角度θが鋭角または鈍角に加
工されていれば、振動板の耐用期間の長期化等の効果が得られる。

以上説明したようなインクジェット式記録ヘッド１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１を有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１
Ｂ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、駆動モーター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ーなどにより給
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上に搬送されるようになってい
る。なお、実施形態１および２は、インクジェット式記録ヘッド１以外の液体噴射ヘッド
を搭載した液体噴射装置にも適用できる。

また、上述した実施形態１および２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１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、プリンター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ー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（電界放出ディスプレー）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に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す拡大図である。 実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す拡大図である。 実施形態１および２に係る記録装置の概略図である。

符号の説明

１…インクジェット式記録ヘッド、１０…流路形成基板、１２…圧力発生室、１３…イ
ンク供給路、１４…連通路、１５…連通部、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、３０
…保護基板、４０…コンプライアンス基板、５０…弾性膜、５５…絶縁体膜、６０…下電
極膜、７０…圧電体層、８０…上電極膜、９０…リード電極、３００…圧電素子。

Claims (5)

1. 表面の結晶面方位が（１１０）面のシリコン基板からなり液滴を噴射するノズルに連通
   する圧力発生室が複数並設さ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
   介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、
   前記圧力発生室は、その幅方向の端面が（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面で構
   成されると共に、その長手方向の端面が前記第１の（１１１）面に対して所定角度で傾斜
   する第２の（１１１）面で構成され、
   前記圧力発生室の長手方向における前記下電極及び前記上電極の端部が、前記圧力発生
   室内に位置し且つ当該圧力発生室の長手方向の端面に対して平行に形成されていることを
   特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層が前記圧力発生室の長手方向端部から当該圧力発生室の外側まで延設され
   、一端側が前記上電極に接続されるリード電極が前記圧電体層上に延設されて前記圧力発
   生室の外側まで引き出されていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記下電極及び前記上電極がドライエッチングによってパターニングされていることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記所定角度は、鋭角又は鈍角であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記
   載の液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜４の何れか一項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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