JP2010149376A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、圧電体層、圧電体層の下方側に形成された下電極膜及び圧電体層の上方側に形成された上電極膜を備えた圧電素子とを、有する液体噴射ヘッドにおいて、圧電体層への水分の付着及び浸入による絶縁破壊に対して抑制効果を十分得ることのできる液体噴射ヘッドの提供。
【解決手段】上電極膜８０は、圧力発生室１２に対向する領域の圧電体層７０の上面及び側面の略全域を覆って設けられている。そして、圧電体層７０を構成する厚肉部７０ａの側面７１が傾斜面を形成している。この傾斜角度は、流路形成基板１０の平面視方向即ち絶縁体膜５５の表面に対して５°〜７５°の範囲となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

インクジェット式記録ヘッドとして、ノズル開口に連通する圧力発生室の列を備えた流路形成基板と、この流路形成基板に設けられた圧電素子側に接合されて且つ圧電素子を駆動させる駆動ＩＣが実装される接合基板と、を有する構造が知られている。
圧電素子は、上電極、圧電体層及び下電極を有して構成されている。ここで、圧電体層は数μｍと薄く形成されており、圧電体層の側面への水分の付着、あるいは圧電体層への水分の浸入により、上電極と下電極との短絡等の問題が生じ絶縁破壊の原因になることがある。このため、例えば、圧電体層の外周面を上電極で覆うようにした圧電素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−８８４４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている圧電素子では、圧電体層の形状が柱状に形成されており、その側面は流路形成基板の表面に略垂直な角度となっている。このため、圧電体層を上電極で覆うようにした場合、圧電体層の上面の部分に形成する上電極の厚さに比して側面の部分の厚さが薄くなったり、上電極の付きまわりが悪くなったりすることがある。この結果、圧電体層への水分の付着及び浸入による絶縁破壊に対しての抑制効果を十分に得ることができなくなる可能性がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、圧電体層、前記圧電体層の一方側に形成された第１電極及び前記圧電体層の他方側に形成された第２電極を備えた圧電素子とを、有する液体噴射ヘッドであって、前記第１電極が複数の前記圧電素子毎の個別電極となり、前記第２電極が前記圧電体層を覆うとともに前記複数の前記圧電素子に共通する共通電極となり、前記圧電体層の側面が前記基板の平面視方向に対して５°〜７５°の範囲で傾斜する傾斜面であることを特徴とする液体噴射ヘッド。

この適用例によれば、圧電素子を構成する圧電体層が、複数の圧電素子の共通電極となる第２電極によって覆われている。そして、圧電体層の側面は、基板の平面視方向に対して５°〜７５°の範囲で傾斜する傾斜面となっている。圧電体層の側面が５°〜７５°の傾斜面であることから、第２電極が圧電体層を覆うようにした場合に、圧電体層の側面の部分と側面以外の部分とを同等な厚さで確実に覆うことができる。
これにより、圧電体層への水分の付着及び浸入を防止することができ、且つ第２電極の断線を防止する効果を得ることができる。また、圧電体層を覆う第２電極を形成する際の付きまわりを向上することができ、圧電体層への水分の付着及び浸入を更に防止することができる。この結果、第１電極と第２電極との短絡等による絶縁破壊を抑制することができる。

［適用例２］
上記液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層は、前記圧力発生室に対向して形成された厚肉部と、隣接する前記厚肉部同士を連通させて且つ前記厚肉部より薄く形成された薄肉部と、を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
この適用例では、圧電体層の隣接する厚肉部同士が、薄肉部によって連通することから、圧電素子の駆動により変位が生じる部分について、剛性を向上させて割れの発生を防止させることができる。

［適用例３］
上記液体噴射ヘッドであって、前記傾斜面は、前記基板の平面視方向に対して３０°±５°の範囲で傾斜することを特徴とする液体噴射ヘッド。

この適用例では、圧電体層の側面が３０°±５°の傾斜面であることから、第２電極が圧電体層を覆うようにした場合に、圧電体層の側面の部分と側面以外の部分とを同等な厚さで更に確実に覆うことができる。

［適用例４］
上記の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。

この適用例によれば、上記の液体噴射ヘッドを備えることにより、ヘッドの耐久性が向上した信頼性ある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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であ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、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、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画されて一方側の面が弾性膜５０で構成される複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。

流路形成基板１０には、圧力発生室１２の長手方向一端部側に、隔壁１１によって区画されて各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。この連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して、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。

ここで、インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、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。例えば、インク供給路１３は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成しても良い。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成しても良い。また、各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。

なお、流路形成基板１０の材料として、本実施形態ではシリコン単結晶基板を用いているが、勿論これに限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いても良い。

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、ステンレス鋼などからなる。

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、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。更に、この絶縁体膜５５上には、第１電極としての下電極膜６０と、圧電体層７０と、第２電極としての上電極膜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を有する部分だけでなく、少なくとも圧電体層７０を有する部分を含む。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、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、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としても良い。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしても良い。

ここで、本実施形態に係る圧電素子３００の構造について詳しく説明する。図３は、本実施形態に係る圧電素子３００の構成を示す断面図である。同図に示すように、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられて各圧電素子３００の個別電極を構成している。また下電極膜６０は、各圧力発生室１２の長手方向一端部側から周壁上まで延設されている。そして下電極膜６０には、圧力発生室１２の外側の領域で、例えば、金（Ａｕ）等からなる図１及び図２に示すリード電極９０がそれぞれ接続され、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。一方、圧力発生室１２の長手方向他端部側の下電極膜６０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域内に位置している。

圧電体層７０は、下電極膜６０の幅よりも広い幅で且つ圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられている。圧力発生室１２の長手方向においては、圧電体層７０の両端部は、圧力発生室１２の端部の外側まで延設されている。即ち圧電体層７０は、圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０の上面及び側面を完全に覆うように設けられている。なお、圧力発生室１２の長手方向一端部側の圧電体層７０の端部は、圧力発生室１２の端部近傍に位置しておりその外側の領域には下電極膜６０が更に延設されている。
また、圧電体層７０は、並設された複数の圧力発生室１２に対向する領域に亘って連続して形成されている。圧電体層７０において、圧力発生室１２と対向する領域にあって厚く形成された部分が厚肉部７０ａとなり、各圧電素子３００間の領域にあって厚肉部７０ａより薄く形成された部分が薄肉部７０ｂとなる。即ち、薄肉部７０ｂは、隣接する厚肉部７０ａ同士を連通させる役割を有する。これらの厚肉部７０ａ及び薄肉部７０ｂのそれぞれの厚さは特に限定されず、圧電素子３００の変位量を考慮して適宜決定されれば良い。

このように圧電体層７０を連続的に設けることで、圧電素子３００の駆動に伴う振動板、即ち弾性膜５０及び絶縁体膜５５の破壊を防止することができる。圧力発生室１２の幅方向両端部近傍の振動板は、圧電素子３００の駆動に伴って大きく変形するため割れが生じやすいが、圧電体層７０を連続的に設けておくことで振動板の剛性が実質的に向上し、このような振動板の割れの発生を防止することができる。

上電極膜８０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に形成されて各圧電素子３００の共通電極を構成している。また、上電極膜８０は、圧力発生室１２の長手方向他端部側から周壁上まで延設されている。即ち、上電極膜８０は、圧力発生室１２に対向する領域の圧電体層７０の上面及び側面の略全域を覆って設けられている。これにより、圧電体層７０への大気中の水分（湿気）の浸透が実質的に防止される。したがって、水分（湿気）に起因する圧電素子３００（圧電体層７０）の破壊を防止することができ、圧電素子３００の耐久性を著しく向上することができる。なお、上電極膜８０が複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に形成されるのではなく、各圧力発生室１２に対向する領域に櫛歯状に設けられていても良い。

また、圧力発生室１２の長手方向他端部側の上電極膜８０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域内に位置しており、圧電素子３００の実質的な駆動部が圧力発生室１２に対向する領域内に設けられている。即ち、圧力発生室１２内に位置する下電極膜６０の端部と上電極膜８０の端部との間の部分の圧電素子３００が実質的な駆動部となっている。このため、圧電素子３００を駆動しても、圧力発生室１２の長手方向両端部近傍の振動板（弾性膜５０、絶縁体膜５５）には大きな変形が生じないことから、この部分の振動板に割れが発生するのを防止することができる。なお、このような構成では、圧力発生室１２に対向する領域内でも圧電体層７０の表面が若干露出されることになるが、その面積は極めて狭く、また、後述するように上電極膜８０の周縁部と下電極膜６０の間の距離が大きいため、水分に起因する圧電体層７０の破壊を防止することができる。

そして、本発明では、圧電体層７０を構成する厚肉部７０ａの側面７１が傾斜面を形成している。この傾斜面の傾斜角度は、流路形成基板１０の平面視方向即ち絶縁体膜５５の表面に対して５°〜７５°の範囲が好ましく、更には３０°±５°の範囲が好ましい。本実施形態では、絶縁体膜５５の表面に対しての傾斜面の傾斜角度を３０°としている。

厚肉部７０ａの側面７１を上述した傾斜角度の傾斜面にすることにより、上電極膜８０が圧電体層７０を覆うときに、厚肉部７０ａの側面７１の部分も含めて均一な厚さで確実に覆うことができる。これにより、圧電体層７０への水分の付着及び浸入を防止することができ、且つ上電極膜８０の断線を防止する効果を得ることができる。
また、圧電体層７０を覆う上電極膜８０を形成する際の付きまわりを向上することができる。これにより、密着性及び信頼性に優れた圧電体層７０を形成することができ、圧電体層７０への水分の付着及び浸入を更に防止することができる。
この結果、下電極膜６０と上電極膜８０との短絡等による圧電素子３００の絶縁破壊を抑制することができ、耐久性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。

図１及び図２に戻って、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、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部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。また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１５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１５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。

更に、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、下電極膜６０及びリード電極９０の端部がこの貫通孔３３内に露出されている。そして、図示しないが、これら下電極膜６０及びリード電極９０は、貫通孔３３内に延設される接続配線によって圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等に接続される。

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。

この保護基板３０上には、更に、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。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。

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２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動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圧電素子３００に電圧を印加し、圧電素子３００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２１からインク滴が吐出する。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る圧電素子３００の構成を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態では、図３に示す第１実施形態に係る圧電素子３００とは異なり、圧電体層７０が各圧力発生室１２に対向する領域に独立して個別に形成されている。

このように圧電体層７０を個別に設けた場合でも、第１実施形態と同様に、圧電体層７０の側面７１を傾斜面にすることにより、上電極膜８０が圧電体層７０を覆うときに、側面７１の部分も含めて均一な厚さで確実に覆うことができる。また、圧電体層７０を覆う上電極膜８０を形成する際の付きまわりを向上することができる。

以上、本発明の各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備える記録ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置としての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，１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ，２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ，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，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及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，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って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。

なお、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（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。

液体噴射ヘッドの一例であ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。 インクジェット式記録ヘッドの平面図及びＡ−Ａ'断面図。 第１実施形態に係る圧電素子の構成を示す断面図。 第２実施形態に係る圧電素子の構成を示す断面図。 インクジェット式記録装置の一例を示す概略図。

符号の説明

１Ａ…記録ヘッドユニット、２Ａ…カートリッジ、３…キャリッジ、４…装置本体、５…キャリッジ軸、６…駆動モータ、７…タイミングベルト、８…プラテン、１０…流路形成基板、１１…隔壁、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、３１…圧電素子保持部、３２…リザーバ部、３３…貫通孔、３５…接着剤、４０…コンプライアンス基板、４１…封止膜、４２…固定板、４３…開口部、５０…弾性膜、５５…絶縁体膜、６０…下電極膜、７０…圧電体層、７０ａ…厚肉部、７０ｂ…薄肉部、７１…側面、８０…上電極膜、９０…リード電極、１００…リザーバ、３００…圧電素子。

Claims (4)

1. ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、
   圧電体層、前記圧電体層の一方側に形成された第１電極及び前記圧電体層の他方側に形成された第２電極を備えた圧電素子とを、有する液体噴射ヘッドであって、
   前記第１電極が複数の前記圧電素子毎の個別電極となり、
   前記第２電極が前記圧電体層を覆うとともに前記複数の前記圧電素子に共通する共通電極となり、
   前記圧電体層の側面が前記基板の平面視方向に対して５°〜７５°の範囲で傾斜する傾斜面であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層は、
   前記圧力発生室に対向して形成された厚肉部と、
   隣接する前記厚肉部同士を連通させて且つ前記厚肉部より薄く形成された薄肉部と、を有す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. 前記傾斜面は、前記基板の平面視方向に対して３０°±５°の範囲で傾斜す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のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。

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