JP2011212869A - 圧電アクチュエータ、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドサイズを小型化できると共に、ノズルの高密度化に資することができる圧
電アクチュエータ等を提供すること。
【解決手段】本発明に係る圧電アクチュエータは、振動板と、前記振動板の上に設けられ
た圧電素子と、前記振動板の中に形成され、前記圧電素子と電気的に接続された駆動回路
部と、を含み、前記振動板は、第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に設けられたシリコン
層と、前記シリコン層の上に設けられた第２絶縁層と、前記第２絶縁層の上に設けられた
第３絶縁層と、を有し、前記駆動回路部は、前記シリコン層に形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置に関する。

液滴を吐出するための液滴噴射ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載さ
れるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般的に、インク
滴を吐出するためのノズル孔が形成されたノズル板と、ノズル孔に連通する圧力室と、圧
力室への液体を供給するための流路が設けられた流路形成板と、流路形成板の流路と共に
、液体を供給するためのリザーバー形成基板と、を備え、圧電素子からなる駆動部により
圧力室に圧力を加えることにより、インク滴をノズル孔から吐出する（例えば、特許文献
１）。

このような液滴噴射ヘッドにおいて、印刷速度の高速化を目的として、複数のノズル孔
からなるノズル列を有するユニットヘッドを積層し、ノズル孔を高密度化する構造が知ら
れている（特許文献２）。

かかる構造を有する液滴噴射ヘッドにおいて、駆動部の圧電素子を駆動する駆動回路は
、例えば、リザーバー形成基板上に設けられ、圧電素子との電気的接続には、ワイヤボン
ディング法が用いられる。

しかしながら、特許文献２に記載されるように、複数のユニットヘッドが積層されるよ
うな構造においては、ワイヤボンディング法による電気的接続が難しい。また、ボンディ
ングピッチに限界があるため、ノズル孔が更に高密度化した場合の対応が困難となる可能
性がある。

特開２００６−２７２９１３号公報 特開２００９−１６０８９９号公報

本発明のいくつかの態様によれば、ヘッドサイズを小型化できると共に、ノズルの高密
度化に資することができる圧電アクチュエータ、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置を提
供することができる。

（１）本発明の態様の１つである圧電アクチュエータは、
振動板と、
前記振動板の上に設けられた圧電素子と、
前記振動板の中に形成され、前記圧電素子と電気的に接続された駆動回路部と、
を含み、
前記振動板は、第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に設けられたシリコン層と、前記シ
リコン層の上に設けられた第２絶縁層と、前記第２絶縁層の上に設けられた第３絶縁層と
、を有し、
前記駆動回路部は、前記シリコン層に形成される。

本発明において、「上」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の
「上」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明に
おいて、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のもの
を介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上」という文言を用いてい
る。同様に、「下」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のも
のを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。

本発明によれば、ヘッドサイズを小型化できると共に、ノズルの高密度化に資すること
ができる圧電アクチュエータを提供することができる。

（２）本発明の態様の１つである圧電アクチュエータにおいて、
前記駆動回路部は、前記圧電素子が形成されていない領域に設けられていてもよい。

（３）本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドは、
前記振動板の下に設けられ、液体を収容する圧力室と、前記液体を排出する開口部と、
を区画するための流路形成板と、
前記振動板上方において、前記圧電素子を覆うように設けられた封止板と、
を含む駆動ユニットを有する。

本発明によれば、ヘッドサイズを小型化できると共に、ノズルの高密度化に資すること
ができる液滴噴射ヘッドを提供することができる。

（４）本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドにおいて、
前記液体が排出される方向は、前記振動板の変位方向と直交してもよい。

（５）本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドにおいて、
前記流路形成板の下方に設けられたセパレータ基板をさらに有し、
前記セパレータ基板は、前記流路形成板を内側にして対向する一対の前記駆動ユニット
に挟まれていてもよい。

（６）本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドにおいて、
２以上の前記駆動ユニットが、前記振動板の変位方向において積層される液滴噴射ヘッ
ドであって、
隣り合うように積層された２つの前記駆動ユニットは、一方の前記駆動ユニットの前記
封止板の上に、他方の前記駆動ユニットの前記流路形成板が設けられるように積層されて
いてもよい。

（７）本発明の態様の１つである液滴噴射装置は、
上記の液滴噴射ヘッドを含む。

本発明によれば、本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドを有する液滴噴射装置を提
供することができる。

実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００（圧電アクチュエータ５０）の要部を模式的に示す平面図。 図２（Ａ）は、実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００（圧電アクチュエータ５０）を模式的に示す断面図。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の断面図における要部のみを模式的に示す断面図。 実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００を模式的に示す断面図。 実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００の変形例を模式的に示す斜視図。 実施形態に係る液滴噴射ヘッド２００を模式的に示す断面図。 実施形態に係る液滴噴射ヘッド２００を模式的に示す断面図。 実施形態に係る液滴噴射装置７００を模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説
明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものでは
ない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．圧電アクチュエータ
図１は、本実施形態の圧電アクチュエータ５０および液滴噴射ヘッド１００の要部を模
式的に示す平面図である。図２（Ａ）は、本実施形態の圧電アクチュエータ５０および液
滴噴射ヘッド１００を模式的に示すＡ−Ａ線の断面図である。図２（Ｂ）は、本実施形態
の圧電アクチュエータ５０の振動板１０を説明するための拡大断面図である。図２（Ａ）
は、図１のＡ−Ａ線における断面図に対応する。

本実施形態の圧電アクチュエータ５０は、図１および図２（Ｂ）に示すように、振動板
１０と、振動板１０の上に設けられた圧電素子２０と、振動板１０の中に形成され、圧電
素子２０と電気的に接続された駆動回路部４０と、を有する。

図１に示すように、圧電アクチュエータ５０には、複数の圧電素子２０が、振動板１０
の１つの辺に整列して並設されていてもよい。図１に示すように、圧電アクチュエータ５
０の振動板１０の最も面積の大きな面が矩形であるとき、振動板１０の隣り合う２辺の内
、一方の辺（例えば、短辺であって、長辺よりも長さが短い辺）に沿った方向をＸ軸方向
とし、他方の辺（例えば長辺であって、短辺よりも長さが長い辺）に沿った方向をＹ軸と
する。また振動板１０の厚み方向をＺ軸方向とする。このとき、圧電素子２０は、Ｘ軸方
向に延びるように形成され、Ｙ軸方向に沿って、列を形成して配列されていてもよい。ま
た、振動板１０、圧電素子２０は、Ｚ軸方向において積層構造を有していてもよい。

振動板１０は、図２（Ａ）に示すように、たわみ振動をおこなうための弾性を有する板
状の部材である。振動板１０は、圧電素子２０の動作によって変形し、後述される圧力室
３２の体積を変化させる機能を有する。

振動板１０は、複数の層が積層した構造を有する。具体的には、図２（Ｂ）に示すよう
に、振動板１０は、第１絶縁層１１と、第１絶縁層１１の上に設けられたシリコン層１２
と、シリコン層１２の上に設けられた第２絶縁層１３と、第２絶縁層１３の上に設けられ
た第３絶縁層１４と、を含む。以下に詳細を説明する。なお、第１絶縁層１１、シリコン
層１２、第２絶縁層１３および第３絶縁層１４のそれぞれの厚さは、ヤング率等の振動板
１０全体の特性、圧電素子２０の変形能力、圧力室３２の体積の変化量などの特性が要求
を満たせるよう、最適に選ばれる。

第１絶縁層１１は、絶縁性と弾性を有する材料から構成される。第１絶縁層１１の材質
としては、酸化シリコンを好適に用いることができる。

シリコン層１２は、単結晶シリコンからなる層であって、図２（Ｂ）に示すように、第
１絶縁層１１の上に設けられる。シリコン層１２はＰ型シリコン基板であってもよい。シ
リコン層１２には、駆動回路部４０が形成される領域において、活性領域、ソース領域お
よびドレイン領域からなる素子領域を有することができる。また、各駆動回路部４０間に
おいて不活性領域である素子分離領域を有する。シリコン層１２に形成される駆動回路部
４０は、半導体プロセスによって、シリコン層１２と一体的に素子領域および素子分離領
域が形成されてもよい。しかしながら、駆動回路部４０の形成方法はこれに限定されず、
回路基板や半導体集積回路等で別途形成された駆動回路を準備し、振動板１０の駆動回路
部４０が形成される領域に開口部を形成して、該開口部内に該駆動回路を設けることで駆
動回路部４０を形成してもよい。なお、駆動回路部４０の詳細は後述される。

第２絶縁層１３は、図２（Ｂ）に示すように、シリコン層１２の上に設けられる。第２
絶縁層１３の材質としては、酸化シリコンを好適に用いることができる。第２絶縁層１３
には、駆動回路部４０が形成される領域において、シリコン層１２に設けられた素子領域
に対応してゲート絶縁膜およびゲート領域が、半導体プロセスによって形成される。

第３絶縁層１４は、図２（Ｂ）に示すように、第２絶縁層１３の上に設けられる。第３
絶縁層１４の材質は、絶縁性と弾性を有する材料から構成される。第３絶縁層１４の材質
としては、たとえば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンまたは、酸化アル
ミニウムなどを用いることができ、酸化ジルコニウムを好適に用いることができる。

また、第３絶縁層１４には、下方に駆動回路部４０が形成された領域において、スルー
ホール１４ａが形成される。スルーホール１４ａ内には、駆動回路部４０の端子４２と電
気的に接続するリード配線４４が形成されていてもよい。

以上、上記の第１絶縁層１１、シリコン層１２、第２絶縁層１３および第３絶縁層１４
によって振動板１０が構成され、振動板１０には駆動回路部４０が埋設される。詳細は後
述される。

ここで、酸化ケイ素からなる第１絶縁層１１と、シリコン層１２とで、ＳＯＩ（Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を成すことができる。つまりは、後述される
流路形成板３０が、シリコン基板から形成される場合、流路形成板３０、第１絶縁層１１
およびシリコン層１２は、ＳＯＩ基板から形成されてもよい。ここで、シリコン基板から
なる流路形成板３０は、（１１０）配向のシリコン材料からなり、活性層であるシリコン
層１２は、（１００）配向のシリコン材料からなる。例えば、このようなＳＯＩ基板は、
貼り合わせＳＯＩであることができる。つまりは、（１１０）配向のシリコン基板を準備
し、表層を熱酸化処理を行うことで、第１絶縁層１１を形成し、（１００）配向のシリコ
ン基板を第１絶縁層１１の上に貼り合わせ、界面にて化学結合を起こさせるために熱処理
される。その後、（１１０）配向のシリコン基板と、（１００）配向のシリコン基板と、
を、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａ
ｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって、所望の厚みまで研磨することで、圧力室３２等の流路
は形成されていない流路形成板３０と、シリコン層１２を準備することができる。このよ
うなＳＯＩ基板を準備することで、本実施形態に係る圧電アクチュエータ５０を形成すれ
ば、製造工程と原材料が単純化され、商業的な量産性を向上させることができる。

図２（Ｂ）に示すように、振動板１０は、圧電素子２０からの作用によって、実質的に
変位する第１領域１６と、実質的には変位しない第２領域１７を有する。第１領域１６は
、下方に圧力室３２が形成される領域である。第２領域１７は、振動板１０の第１領域１
６以外の領域であることができる。

圧電素子２０は、図２（Ａ）に示すように、振動板１０の上方に、圧力室３２に対応し
て複数設けられる。圧電素子２０は、下部電極２２と、圧電体層２４と、上部電極２６と
を積層して構成される。

なお、圧電素子２０の構成は、下部電極２２と、圧電体層２４と、上部電極２６とを有
し、振動板１０を変位させることができる限り、特に限定されない。以下においては、下
部電極２２が、複数の圧電素子２０の共通電極となる形態を、圧電素子２０の一例として
説明するが、上部電極２６が共通電極である形態や、下部電極２２と上部電極２６とがそ
れぞれ個別にリード配線に接続している形態であってもよい。つまりは、圧電素子２０の
構成は以下に限定されるものではない。

下部電極２２は、振動板１０の上方に形成される。下部電極２２の厚みは、振動板１０
に圧電体層２４の変形が伝達できる範囲であれば任意である。下部電極２２の厚みは、た
とえば２０ｎｍ〜４００ｎｍとすることができる。下部電極２２は、上部電極２６と対に
なり、圧電体層２４を挟み圧電素子２０の一方の電極としての機能を有する。下部電極２
２は、外部から電気的な接続がとれるように形成される。下部電極２２は、複数の圧電素
子２０の共通電極として用いられてもよい。下部電極２２の材質は、導電性を有する物質
である限り、特に限定されない。下部電極２２の材質は、ニッケル、イリジウム、白金な
どの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ストロンチウ
ムとルテニウムの複合酸化物などを用いることができる。また、下部電極２２は、前記例
示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。

圧電体層２４は、下部電極２２の上に形成される。圧電体層２４の厚みは、機械的な信
頼性を確保するために３００ｎｍ〜１５００ｎｍとすることができる。圧電体層２４は、
下部電極２２および、上部電極２６によって電界が印加されると伸縮変形し、これにより
振動板１０を振動させる機能を有する。圧電体層２４には、圧電性を有する材料が用いら
れる。圧電体層２４の材質は、たとえば、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含
む酸化物とすることができる。圧電体層２４の材質は、さらに、ニオブなどの添加物を含
んでいてもよい。圧電体層２４の材質として、チタン酸ジルコン酸鉛は、圧電性能が良好
なため好適に用いることができる。

上部電極２６は、圧電体層２４の上に形成される。上部電極２６の厚みは、圧電素子２
０の動作に悪影響を与えない範囲であれば限定されない。上部電極２６の厚みは、たとえ
ば１０ｎｍ〜４００ｎｍとすることができる。上部電極２６は、下部電極２２と対になり
、圧電体層２４を挟み圧電素子２０の一方の電極としての機能を有する。下部電極２２は
、外部から電気的な接続がとれるように形成される。上部電極２６の材質は、導電性を有
する物質である限り特に限定されない。上部電極２６の材質としては、下部電極２２と同
様のものを挙げることができる。

ここで、図２（Ａ）に示すように、振動板１０の上に圧電素子２０が設けられることか
ら、振動板１０は、主として振動板１０の厚み方向（Ｚ軸方向）に変位することができる
。換言すれば、振動板１０の変位方向は、振動板１０の厚み方向（Ｚ軸方向）である。

駆動回路部４０は、図２（Ｂ）に示すように、振動板１０のシリコン層１２において形
成される。駆動回路部４０は、半導体プロセスによって形成される半導体集積回路であっ
てもよい。駆動回路部４０は、圧電素子３０と電気的に接続され、圧電素子３０を駆動さ
せることができる限り特に限定されない。例えば、駆動回路部４０は、ＭＯＳトランジス
タであることができる。駆動回路部４０は、図２（Ｂ）に示すように、内部の素子領域と
電気的に接続された端子４２を有する。

図２（Ｂ）に示すように、端子４２は、リード配線４４と電気的に接続される。ここで
、図示はされないが、端子４２とリード配線４０との間に、チタン、酸化タンタルや酸化
アルミニウムを含むコンタクトプラグが形成されていてもよい。リード配線４４は、例え
ば金やニッケルを含んでいてもよい。リード配線４４は、例えば、後述される圧電素子２
０の上部電極２６と電気的に接続されていてもよい。また、図示はされないが、リード配
線４４は、下部電極２２に電気的に接続されていてもよい。

駆動回路部４０の形成される領域は、図２（Ｂ）に示すように、振動板１０において、
圧電素子２０が上方に形成されていない領域に設けられる。好適には、振動板１０におい
て実質的に変位しない第２領域１７に形成される。例えば、図１および図２（Ｂ）に示す
ように、第１領域１６とＸ軸方向において隣り合う第２領域１７であって、下方に第１開
口部３３、供給路３４およびリザーバー３６などの圧力室３２に液体を供給する側の流路
が形成される、第２領域１７において、駆動回路部４０が設けられていてもよい。

ここで、駆動回路部４０のＹ軸方向における幅は、圧電アクチュエータ５０を有する液
滴噴射ヘッド１００のノズルピッチ幅よりも小さい幅であってもよい。これによれば、高
密度用の圧電アクチュエータ５０であっても、図１に示すように、Ｙ軸方向において、複
数の圧電素子２０毎に駆動回路部４０を設けることができる。また、図示はされないが、
Ｙ軸方向において、千鳥状に並ぶように、駆動回路部４０が設けられていてもよい。これ
によれば、駆動回路部４０のＹ軸方向における幅は、圧電アクチュエータ５０を有する液
滴噴射ヘッド１００のノズルピッチ幅よりも大きい幅であってもよいため、より高電圧出
力の駆動回路部４０を設けることができる。

以上の構成により、本実施形態に係る圧電アクチュエータ５０とすることができる。

本実施形態に係る圧電アクチュエータ５０は、例えば、以下の特徴を有する。

本実施形態に係る圧電アクチュエータ５０によれば、従来の技術において、例えば、リ
ザーバー形成基板の上や封止板の上などに設けられた駆動回路と、駆動回路と圧電素子と
を電気的に接続するワイヤボンディングを設ける必要がなくなる。したがって、本実施形
態に係る圧電アクチュエータ５０を搭載した液滴噴射ヘッドのヘッドサイズを小型化する
ことができる。

また、本実施形態に係る圧電アクチュエータ５０によれば、ノズルが高密度化した液体
噴射ヘッドに対応する圧電アクチュエータの場合であって、ノズルピッチ幅が狭まること
に伴って、圧電素子２０配置のピッチ幅が小さくなった場合であっても、駆動回路を液滴
噴射ヘッド内に一体的に形成することができるため、駆動回路が設計上、ノズルの高密度
化を阻害することがない。例えば、ノズル列方向の幅が２．５４ｃｍの液滴噴射ヘッドで
あって、解像度が、３６０ｄｐｉである場合、ノズルピッチは、およそ７０．５５６μｍ
となる。このようにノズルが高密度化した液滴噴射ヘッドに用いられる圧電アクチュエー
タにおいては、後述される流路形成板３０において、駆動回路部４０を設けるための十分
な領域を確保することは、非常に困難となる。これに対し、本実施形態に係る圧電アクチ
ュエータ５０によれば、駆動回路部４０が振動板１０に埋設される構造を有する。したが
って、高密度化した液滴噴射ヘッドにおいても、ノズルの高密度化を阻害することなく、
駆動回路部４０を設けることができる。

また、圧電アクチュエータ５０、後述される流路形成板３０および封止板６０を含む駆
動ユニット８０を、例えばＺ軸方向において積層することによって、ノズルの高密度化を
図る液滴噴射ヘッド構造においては、リザーバー形成基板の上や封止板の上などに設けら
れた駆動回路から、積層された駆動ユニット８０に対してそれぞれワイヤボンディングを
行うことは、技術的に難しくなる。しかしながら、本実施形態に係る圧電アクチュエータ
５０を有する駆動ユニット８０を積層することで高密度化した液滴噴射ヘッドにおいては
、ワイヤボンディングを行う必要がないため、ノズル高密度化ための設計上の自由度が向
上する。また、ワイヤボンディング自体を行う必要がなくなるため、ノズルピッチ幅に対
するワイヤボンディングのボンディングピッチによる技術的制約をなくすことができる。

以上により、本実施形態に係る圧電アクチュエータ５０によれば、ヘッドサイズを小型
化できると共に、ノズルの高密度化に資することができる圧電アクチュエータを提供する
ことができる。

２．液滴噴射ヘッド
２．１ 第１実施形態
上述のように、図１は、本実施形態の圧電アクチュエータ５０および液滴噴射ヘッド１
００の要部を模式的に示す平面図である。図２（Ａ）は、本実施形態の液滴噴射ヘッド１
００を模式的に示す断面図である。図３は、本実施形態の液滴噴射ヘッド１００を模式的
に示す断面図である。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線における断面図に対応し、図３は、
図１のＢ−Ｂ線における断面図に対応する。

本実施形態の液滴噴射ヘッド１００は、図２（Ａ）に示すように、圧電アクチュエータ
５０と、振動板１０の下に設けられ、液体を収容する圧力室３２と、前記液体を排出する
開口部３５と、を区画するための流路形成板３０と、振動板１０上方において、圧電素子
２０を覆うように設けられた封止板６０と、を含む駆動ユニット８０を有する。

流路形成板３０は、振動板１０の下方に設けられる。流路形成板３０には、図１に示す
ように、複数の圧力室３２など、リザーバー３６から導入された液体を収容し、第２開口
部３５から排出するための流路が設けられる。流路形成板３０に形成される圧力室３２と
なる流路の数は、特に限定されず、任意である。流路形成板３０は、圧力室３２の側壁と
なる。流路形成板３０の上面および下面は、互いに平行となっている。流路形成板３０は
、各圧力室３２に液体を導入する第１開口部３３と、各圧力室３２からの液体を排出する
第２開口部３５とを有するように形成される。第２雄開口部３５は、圧力室３２よりも流
路幅が狭く設計されていてもよい。この場合、第２開口部３５は、本実施形態に係る液体
噴射ヘッド１００のノズル孔として機能してもよい。また、第１開口部３３と圧力室３２
との間に、圧力室３２よりも流路幅が狭く設計された供給路３４が設けられていてもよい
。以上から、流路形成板３０には、リザーバー３６に導入された液体が、第１開口部３３
を介して圧力室３２に供給され、第２開口部３５から吐出されるように、流路が形成され
ている。流路形成板３０の材質としては、特に限定されないが、水酸化カリウム（ＫＯＨ
）を用いた異方性ウェットエッチングにより高い加工精度が得られる（１１０）配向のシ
リコンを用いるのが好適である。

ここで、第２開口部３５は、振動板１０の変位方向（Ｚ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸
方向）に向かって開口している。換言すれば、第２開口部３５から液体が排出される方向
（第２開口部３５の開口する方向：Ｘ軸方向）は、振動板１０の変位方向（Ｚ軸方向）に
直交する方向である。また、第２開口部３５は、図１の例のように、平面的に見て、液体
噴射ヘッド１００の１つの辺に整列して設けられることができる。したがって、駆動ユニ
ット８０の一側面において、複数の第２開口部３５から形成された開口部（ノズル孔）の
列を形成することができる。

封止板６０は、振動板１０の上方において、圧電素子２０を覆うように設けられる。封
止板６０は、圧電素子２０と接しないように、空間６１を形成する。封止板６０は、複数
の圧電素子３０を覆ってもよく、各圧電素子２０を１つずつ覆うように設けてもよい。封
止板６０の接合方法は特に限定されず、図２（Ａ）に示すように、公知の接着剤６３を用
いることができる。また、封止板６０には、圧電素子２０と接しないようにするための柱
（ピラー）などが設けられていてもよい（図示せず）。封止板６０は、たとえば、駆動ユ
ニット８０（液滴噴射ヘッド１００）が積層されたときに、圧電素子２０並びに振動板１
０が駆動するための空間を確保する機能を有する。また、封止板６０は、その内側の空間
６１を気密に保つ機能を有してもよい。また、封止板６０によって形成される空間は、減
圧状態となっていてもよい。これにより、封止板６０によって、圧電素子２０が大気と接
触しないようにすることができるため、たとえば、圧電体層２４の劣化を抑制することが
できる。また、封止板６０を有することにより、圧電素子２０が機械的に保護され、液滴
噴射ヘッド１００の取り扱いが容易になる。封止板６０の厚みは、機械的な強度を有する
限り限定されない。封止板６０の材質は、たとえば、ポリイミドなどの樹脂、窒化シリコ
ン、酸化シリコンまたは、酸化アルミニウムなどの無機物とすることができる。

本実施形態に係る液滴噴出ヘッド１００は、上記の駆動ユニット８０を有する。本実施
形態に係る液滴噴射ヘッド１００の構造においてノズル孔が高密度化された構造の一例を
説明するが、これに限定されるものではない。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００は、図２（Ａ）に示すように、２つの駆動ユニ
ット８０が、後述されるセパレータ基板７０を中心として、対称に配置された構造を有す
ることができる。換言すれば、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００は、流路形成板３
０の下方に設けられたセパレータ基板７０をさらに有し、セパレータ基板７０は、流路形
成板３０を内側にして対向する一対の前記駆動ユニット８０に挟まれている。

セパレータ基板７０は、図２（Ａ）に示すように、一対の駆動ユニット８０によって挟
まれる板状の部材である。セパレータ基板７０は、流路形成板３０側を内側にして対向す
る一対の駆動ユニット８０に挟まれている。このように配置されたセパレータ基板７０お
よび一対の駆動ユニット８０によって、セパレータ基板７０の両面にそれぞれ複数の圧力
室３２が形成される。セパレータ基板７０は、図２（Ａ）に示すように、面上においてリ
ザーバー３６、第１開口部３３、供給路３４、圧力室３２、第２開口部３５の流路が形成
される。つまりは、セパレータ基板７０は、流路形成板３０における流路の一面を構成す
る。

セパレータ基板７０の厚みは、液滴噴射ヘッド１００が変形しない程度の強度を有する
限り任意である。ただしノズル列間を縮小させるためにも、組み立て、加工上の制約、強
度の制約を回避できる範囲で薄くすることが望ましい。セパレータ基板７０の厚みは、た
とえば、１０μｍないし１０００μｍであることができる。セパレータ基板７０の材質と
しては、厚みおよび強度を考慮すれば、金属、樹脂、半導体など任意のものを用いること
ができる。また、セパレータ基板７０の材質として、流路形成板３０の線膨張係数と近い
線膨張係数を有する材質を選ぶと、液滴噴射ヘッド１００の変形を抑制することができる
。たとえば、流路形成板３０がシリコンで構成される場合には、セパレータ基板７０の材
質をシリコンとすると、流路形成板３０とセパレータ基板７０の接着、接合時や、それ以
降の組み立て工程時にこれら部材が加熱される場合でも、同じ熱膨張係数のため、部材間
の線膨張係数差に伴う熱応力による破損を回避することができる。

上述のように、圧力室３２は、第１開口部３３および第２開口部３５に連通している。
圧力室３２は、振動板１０、流路形成板３０、およびセパレータ基板７０によって囲まれ
た空間である。圧力室３２には、第１開口部３３から液体が供給される。圧力室３２に導
入された液体は、第２開口部３５から排出される。圧力室３２は、振動板１０の変形によ
って体積が変化する。圧力室３２の体積が大きくなれば、圧力室３２内部の圧力が小さく
なり、第１開口部３３から液体が圧力室３２に導入される。液体が充填された圧力室３２
の体積が小さくなれば、圧力室３２内部の圧力が大きくなり、第２開口部３５から液体が
吐出される。このように、液体は、振動板１０の動作に応じて、圧力室３２を通過して流
動することができる。

リザーバー３６は、圧力室３２に液体を供給するために形成される。流路形成板３０に
おけるリザーバー３６となる空間は、図１に示すように、複数の第１開口部３３と連通す
るように形成される。リザーバー３６は、図示されない液体供給部と接続されている。

以上により、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００を構成することができる。図３に
示すように、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００は、同じ液体を排出する第２開口部
３５の列が、セパレータ基板７０を挟んで、互いに近接して配置される。したがって、液
滴噴射ヘッド１００は、互いに近接した２つの第２開口部３５の列（ノズル列）において
、同じ液体を吐出することができる。これによれば、高密度に液体を媒体に塗布すること
ができ、高解像度または高密度な塗布結果を得ることができる。このように、同じ液体を
高密度に塗布することができる液滴噴射ヘッド１００は、例えば、ライン型プリンター（
液滴噴射装置）等に好適に用いられる。

また、図示はされないが、２以上の本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００を、Ｚ軸方
向および／またはＹ軸方向において、すべての液滴噴射ヘッド１００の第２開口部３５が
同一の方向を向くように、積層してもよい。積層方法は特に限定されず、任意である。

本実施形態の液滴噴射ヘッドは、各種の液体を各種の媒体に塗布するために適用するこ
とができる。本実施形態の液滴噴射ヘッドで塗布できる液体としては、各種のインク、各
種金属の前駆体、各種誘電体の前駆体などを挙げることができる。本実施形態の液滴噴射
ヘッドを用いて塗布されうる媒体としては、紙、シリコンウエハ、半導体装置などが挙げ
られる。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００は、例えば、以下の特徴と有する。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００によれば、従来の技術において、例えば、リザ
ーバー形成基板の上や封止板の上などに設けられた駆動回路と、駆動回路と圧電素子とを
電気的に接続するワイヤボンディングを設ける必要がなくなる。したがって、本実施形態
に係る液滴噴射ヘッド１００のヘッドサイズを小型化することができる。

また、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００によれば、例えば図２（Ａ）および図３
に示すように、ノズルが高密度化した液体噴射ヘッドの場合であって、ノズルピッチ幅が
狭まることに伴って、圧電素子２０配置のピッチ幅が小さくなった場合であっても、駆動
回路を液滴噴射ヘッド１００内に一体的に形成することができるため、駆動回路が設計上
、ノズルの高密度化を阻害することがない。例えば、ノズル列方向の幅が２．５４ｃｍの
液滴噴射ヘッドであって、解像度が、３６０ｄｐｉである場合、ノズルピッチは、およそ
７０．５５６μｍとなる。このようなノズルが高密度化した液滴噴射ヘッド１００におい
ては、流路形成板３０において、駆動回路部４０を設けるための十分な領域を確保するこ
とは、非常に困難となる。これに対し、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００によれば
、駆動回路部４０が振動板１０に埋設される構造を有する。したがって、高密度化した液
滴噴射ヘッド１００においても、ノズルの高密度化を阻害することなく、駆動回路部４０
を設けることができる。

また、ノズルの高密度化を図る液滴噴射ヘッド構造においては、例えば、リザーバー形
成基板の上や封止板の上などに設けられた駆動回路から、積層された駆動ユニット８０に
対してそれぞれワイヤボンディングを行うことは、難しくなる。しかしながら、本実施形
態に係る液滴噴射ヘッド１００は、駆動ユニット８０を積層することによって、ワイヤボ
ンディングを行う必要がないため、ノズル高密度化ための設計上の自由度が向上する。ま
た、ワイヤボンディング自体を行う必要がなくなるため、ノズルピッチ幅に対するワイヤ
ボンディングのボンディングピッチによる技術的制約をなくすことができる。

以上により、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００によれば、ヘッドサイズを小型化
できると共に、ノズルの高密度化に資することができる圧電アクチュエータを提供するこ
とができる。

（変形例）
図４は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド１００の変形例を模式的に説明する図である
。以上の説明においては、第２開口部３５が液滴噴射ヘッドのノズル孔として機能する前
提で説明を行った。しかしながら、図４に示すように、変形例に係る液滴噴射ヘッド１０
０は第２開口部３５とそれぞれ連通するノズル孔９１を有したノズル板９０を含んでいて
もよい。

ノズル板９０は、振動板１０および流路形成板３０に直交して設けられている板状の部
材である。ノズル板９０は、流路形成板３０の各第２開口部３５に対応するように複数の
ノズル孔９１を有する。ノズル孔９１は、ノズル板９０の法線方向に中心線が一致するよ
うに形成されている。したがって、ノズル孔９１から液体が吐出される方向は、図２（Ａ
）に示すように、第２開口部３５が開口する方向（Ｘ軸方向）であって、振動板１０の変
位方向（Ｚ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）となる。また、ノズル孔９１の形成され
る位置は、第２開口部３５を介して圧力室３２と連続することができる限り任意である。
したがって、図４に示すように、ノズル板９０は、複数の第２開口部３５と対応した複数
のノズル孔９１からなるノズル列を有することができる。ノズル板９０の材質は、限定さ
れず、たとえばシリコンや、ステンレスなどを好適に用いることができる。

なお、本変形例は、後述される第２実施形態に係る液滴噴射ヘッド２００にも適用する
ことができる。

２．２．第２実施形態
以下、図面を参照して、第２の実施の形態に係る液滴噴射ヘッドについて説明する。

なお、本実施形態に係る駆動ユニット８０の平面図は、第１実施形態に係る駆動ユニッ
ト８０の平面図（図１）と同一であるため、図１を第２実施形態に係る液滴噴射ヘッドの
模式的平面図としても参照する。図５は、本実施形態の液滴噴射ヘッド２００を模式的に
示す断面図である。図６は、本実施形態の液滴噴射ヘッド２００を模式的に示す断面図で
ある。図５は、図１に示したＡ−Ａ線の断面に対応する。図６は、図１に示したＢ−Ｂ線
の断面に対応する。

本実施の形態に係る液滴噴射ヘッド２００は、図５に示すように、２以上の駆動ユニッ
ト８０が、振動板１０の変位方向において積層される液滴噴射ヘッドであって、隣り合う
ように積層された２つの駆動ユニット８０は、一方の駆動ユニット８０の封止板６０の上
に、他方の駆動ユニット８０の流路形成板３０が設けられるように積層される。

本実施の形態では、液滴噴射装置２００が、セパレータ基板７０を含まない点と、駆動
ユニット８０の積層構造において第１実施形態と異なる。以下に、第１の実施の形態と本
実施の形態と異なる構成について説明する。なお、後述される第２実施形態に係る液滴噴
射装置２００に関して、第１の実施の形態と同様の構成等は、同一の符号を付して、詳細
な説明を省略する。

図５および図６に示すように、駆動ユニット８０は、振動板１０の変位方向である第２
の方向（Ｚ軸方向）に沿って積層される。積層される駆動ユニット８０の数は特に限定さ
れず、任意である。積層される駆動ユニット８０の数が多いほど、ノズル孔の高密度化を
図ることができる。積層される方法は、上述のように隣り合うように積層された２つの駆
動ユニット８０において、一方の駆動ユニット８０の封止板６０の上に、他方の駆動ユニ
ット８０の流路形成板３０が設けられるように積層される限り、特に限定されない。各駆
動ユニット８０の接合には、例えば、図示されない接着剤を介して複数の駆動ユニット８
０が接合される。

以上により、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド２００を構成することができる。本実施
形態に係る液滴噴射ヘッド２００は、異なる液体を排出する第２開口部３５の列が、複数
、互いに近接して配置される。そのため、同色で濃度の異なる液体や、様々な色の液体を
、高密度に塗布することができる。したがって、色彩の表現力が向上した塗布結果を得る
ことができる。このように、様々な液体を高密度に塗布することができる液滴噴射ヘッド
２００は、例えば、ノズル孔高密度型プリンター（液滴噴射装置）等に好適に用いられる
。

また、図示はされないが、２以上の本実施形態に係る液滴噴射ヘッド２００を、Ｚ軸方
向および／またはＹ軸方向において、すべてのノズル孔９１がＸ軸方向の一方の方向を向
くように、積層してもよい。積層方法は特に限定されず、任意である。

本実施形態の液滴噴射ヘッドは、各種の液体を各種の媒体に塗布するために適用するこ
とができる。本実施形態の液滴噴射ヘッドで塗布できる液体としては、各種のインク、各
種金属の前駆体、各種誘電体の前駆体などを挙げることができる。本実施形態の液滴噴射
ヘッドを用いて塗布されうる媒体としては、紙、シリコンウエハ、半導体装置などが挙げ
られる。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッド２００は、例えば、第１実施形態と同様の特徴と有す
る。

なお、ここでは、液滴噴射ヘッド１００、２００がインクジェット式記録ヘッドである
場合について説明した。しかしながら、本発明の液滴噴射ヘッドは、例えば、液晶ディス
プレイ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ディスプレイ
、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオ
チップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。

３．液滴噴射装置
次に、本実施形態に係る液滴噴射装置について、図面を参照しながら説明する。液滴噴
射装置は、上述の液滴噴射ヘッドを有する。以下では、液滴噴射装置が上述の液滴噴射ヘ
ッド１００（２００）を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。
図７は、本実施形態に係る液滴噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。

液滴噴射装置７００は、図７に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と
、制御部７６０と、を含む。さらに、液滴噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部
７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と
、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。

ヘッドユニット７３０は、上述した液滴噴射ヘッド１００（２００）から構成されるイ
ンクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット７
３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッド及びイ
ンクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。

駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は
、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモータ
ー７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を
有する。

往復動機構７４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド
軸７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を
備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにし
ながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベ
ルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミン
グベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット
７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐ
への印刷が行われる。

なお、本実施形態では、液滴噴射ヘッド１００（２００）及び記録用紙Ｐがいずれも移
動しながら印刷が行われる例を示しているが、本発明の液滴噴射装置は、液滴噴射ヘッド
１００（２００）及び記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される
機構であってもよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示してい
るが、本発明の液滴噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限
定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更す
ることができる。

制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０及び給紙部７５０を制御するこ
とができる。

給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むこ
とができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７
５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２は、記
録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー７５２ａ及び駆動ローラー７５
２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部
７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下
方を通過するように送られる。

ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０及び給紙部７５０は、装置本体７
２０の内部に設けられている。

液滴噴射装置７００は、上述した液滴噴射ヘッド１００（２００）を含む。したがって
、ヘッドサイズを小型化できると共に、ノズルの高密度化に資することができる液滴噴射
ヘッドを有した液滴噴射装置を実現できる。

なお、上記例示した液滴噴射装置は、１つの液滴噴射ヘッドを有し、この液滴噴射ヘッ
ドによって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液滴噴射ヘッドを
有してもよい。液滴噴射装置が複数の液滴噴射ヘッドを有する場合には、複数の液滴噴射
ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液滴噴射ヘッドが
互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となった
ヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を
有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。

以上、本発明に係る液滴噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしてのイ
ンクジェット記録装置７００を説明したが、本発明に係る液滴噴射装置は、工業的にも利
用することができる。この場合に吐出される液体等（液状材料）としては、各種の機能性
材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発
明の液滴噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、液晶ディスプレイ
等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ
（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用
いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置として
も好適に用いられることができる。

なお、上述した実施形態及び各種の変形は、それぞれ一例であって、本発明は、これら
に限定されるわけではない。例えば実施形態及び各変形は、複数を適宜組み合わせること
が可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能であ
る。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、
方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明
は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明
は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成する
ことができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加し
た構成を含む。

１０ 振動板、１１ 第1絶縁層、１２ シリコン層、１３ 第２絶縁層、
１４ 第３絶縁層、２０ 圧電素子、２２ 下部電極、２４ 圧電体層、
２６ 上部電極、３０ 流路形成板、３２ 圧力室、３３ 第１開口部、３４ 供給路、
３５ 第２開口部、３６ リザーバー、４０ 駆動回路部、４２ 端子、
４４ リード配線、５０ 圧電アクチュエータ、６０ 封止板、６１ 空間、
７０ セパレータ基板、８０ 駆動ユニット、９０ ノズル板、９１ ノズル孔、
１００、２００ 液滴噴射ヘッド、
７００ 液滴噴射装置、７１０ 駆動部、
７２０ 装置本体、７２１ トレイ、７２２ 排出口、７３０ ヘッドユニット、
７３１ インクカートリッジ、７３２ キャリッジ、７４１ キャリッジモーター、
７４２ 往復動機構、７４３ タイミングベルト、７４４ キャリッジガイド軸、
７５０ 給紙部、７５１ 給紙モーター、７５２ 給紙ローラー、
７５２ａ 従動ローラー、７５２ｂ 駆動ローラー、７６０ 制御部、
７７０ 操作パネル

Claims (7)

1. 振動板と、
   前記振動板の上に設けられた圧電素子と、
   前記振動板の中に形成され、前記圧電素子と電気的に接続された駆動回路部と、
   を含み、
   前記振動板は、第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に設けられたシリコン層と、前記シ
   リコン層の上に設けられた第２絶縁層と、前記第２絶縁層の上に設けられた第３絶縁層と
   、を有し、
   前記駆動回路部は、前記シリコン層に形成される、圧電アクチュエータ。
2. 請求項１において、
   前記駆動回路部は、前記圧電素子が形成されていない領域に設けられる、圧電アクチュ
   エータ。
3. 請求項１または２に記載の圧電アクチュエータと、
   前記振動板の下に設けられ、液体を収容する圧力室と、前記液体を排出する開口部と、
   を区画するための流路形成板と、
   前記振動板上方において、前記圧電素子を覆うように設けられた封止板と、
   を含む駆動ユニットを有する、液滴噴射ヘッド。
4. 請求項３において、
   前記液体が排出される方向は、前記振動板の変位方向と直交する、液滴噴射ヘッド。
5. 請求項４において、
   前記流路形成板の下方に設けられたセパレータ基板をさらに有し、
   前記セパレータ基板は、前記流路形成板を内側にして対向する一対の前記駆動ユニット
   に挟まれている、液滴噴射ヘッド。
6. 請求項４において、
   ２以上の前記駆動ユニットが、前記振動板の変位方向において積層される液滴噴射ヘッ
   ドであって、
   隣り合うように積層された２つの前記駆動ユニットは、一方の前記駆動ユニットの前記
   封止板の上に、他方の前記駆動ユニットの前記流路形成板が設けられるように積層される
   、液滴噴射ヘッド。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の液滴噴射ヘッドを有する液滴噴射装置。

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