JP2013111966A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期撓みを抑制しつつ圧電素子の駆動による振動板の変位量を向上させることが困難であった。
【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有し、前記圧力発生室に対応して形成され圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記圧電素子間に形成された中間セグメントと、引張応力を有する所定の素材で形成され、前記圧電素子と中間セグメントとの間を接続する接続膜とを備える構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、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、圧電体層および上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドが知られている。このような液体噴射ヘッドにおいて、水分等の外部環境に起因する圧電体層の破壊を防止しつつ、圧電素子および振動板の圧力室内側への撓み（圧電素子を駆動しない状態における撓み。初期撓みとも言う。）を低減するために、圧電素子を絶縁膜にて覆う構成が知られている（特許文献１参照）。
また、保護膜（絶縁膜）が上電極の全面を覆う場合に問題となる変位量の低下を解消するために、上電極上に保護膜を一部除去した開口部を形成する構成が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１０‐４２６８３号公報 特開２００７‐１４４９９８号公報

上述したような初期撓みがある状態では、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を駆動させても、振動板の変位量を多く確保することはできない（圧電素子に電圧を印加する前後における振動板の位置の差が小さい）。このような初期撓みを抑制するためには、上記文献２のように上電極上の保護膜を除去するのではなく、上記文献１のように上電極を含む圧電素子を保護膜にて覆う必要があった。しかし一方で、上電極を保護膜で覆うと、保護膜自体が圧電素子および振動板の変位に対する妨げとなってしまう。すなわち、初期撓みを抑制しつつ圧電素子の駆動による振動板の変位量を向上させることが困難であった。

本発明は少なくとも上記課題を解決するためになされたものであり、初期撓みを抑制しつつ圧電素子の駆動による振動板の変位量を向上させることが可能な液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供する。

本発明の態様の一つは、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有し、前記圧力発生室に対応して形成され圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記圧電素子間に形成された中間セグメントと、引張応力を有する所定の素材で形成され、前記圧電素子と中間セグメントとの間を接続する接続膜と、を備える構成としてある。

当該構成によれば、圧電素子と中間セグメントとを接続する接続膜によって圧電素子が引張られることにより初期撓みが抑制される。また、従来のような圧電素子を覆う保護膜の存在によって圧電素子の駆動による変位が妨げられる、という問題も解消される。

本発明の態様の一つは、前記接続膜は、有機材料を含む構成としてもよい。
例えば、ポリイミド等の有機材料は、引張応力を生じさせ、かつヤング率が比較的小さいため、このような有機材料を用いて接続膜を形成すれば、初期撓みの抑制と変位量の向上とを実現することができる。

本発明の態様の一つは、前記接続膜は、異なる素材による複数の層で形成されるとしてもよい。より具体的には、例えば、前記接続膜は、所定の水分バリア性を有する素材による層と、前記引張応力を有する所定の素材による層とを含む構成としてもよい。
当該構成によれば、水分等の外部環境に起因する圧電体層の破壊の防止と、初期撓みの抑制とを的確に実現することができる。

本発明の態様の一つは、前記接続膜は、圧電素子を構成する圧電体層の側面を覆う構成としてもよい。
当該構成によれば、圧電体層の側面からの水分の浸入等を防ぎ、圧電体層の破壊を的確に防止することができる。

本発明の態様の一つは、前記基板は圧力発生室間を隔てる隔壁を有し、前記中間セグメントは当該隔壁に対応する位置に形成される構成としてもよい。
当該構成によれば、圧力発生室に対応する圧電素子の駆動による変位を中間セグメントが妨げることを的確に防止できる。

本発明の態様の一つは、前記中間セグメントは、圧電体層と同じ素材で形成された第１層と第２電極と同じ素材で形成された第２層とを有して形成されるとしてもよい。
当該構成によれば、液体噴射ヘッドの製造過程において、圧電素子を構成する圧電体層および中間セグメントを構成する第１層、圧電素子を構成する第２電極および中間セグメントを構成する第２層、はそれぞれ共通のプロセス（パターニング）の中で形成されるため、上記製造が効率化される。

本発明にかかる技術的思想は液体噴射ヘッドという形態のみで実現されるものではなく、例えば、上述したいずれかの態様の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置も、一つの発明として把握することができる。また、上述したようないずれかの態様の液体噴射ヘッドの製造過程を含む製造方法の発明も把握することができる。

記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。 記録ヘッドの長手方向に平行な面による断面図である。 記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。 変形例にかかる、記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。 インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、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１（以下、記録ヘッド１）の概略を、分解斜視図により示している。
図２は、記録ヘッド１における圧力発生室１２の長手方向に平行な面であって一つの圧電素子３を通過する面による断面図を示している。
記録ヘッド１は、基板（流路形成基板）１０を備える。基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方側の面には、振動板１６が形成されている。振動板１６は、例えば、基板１０に接する酸化膜からなる弾性膜５０と、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなり弾性膜５０に積層される絶縁体膜５５とを含む。基板１０には、隔壁１１によって区画されて一方側の面が振動板１６で閉じられた複数の圧力発生室１２が、その短手方向（幅方向）に並設されている。

基板１０には、圧力発生室１２の長手方向の一端側に、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１４が設けられている。インク供給路１４の外側には、各インク供給路１４と連通する連通部１３が設けられている。連通部１３は、後述する保護基板５４のリザーバ部５１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９の一部を構成する。

インク供給路１４は、上記幅方向における断面積が圧力発生室１２よりも狭くなるように形成されており、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。なお、インク供給路１４の断面積は、上記幅方向において絞るのではなく、基板１０の厚さ方向において絞ることで、圧力発生室１２の断面積よりも狭くなるようにしてもよい。基板１０の材料としては、シリコン単結晶基板に限定されず、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。

基板１０の、振動板１６が形成される面とは逆側の面には、ノズルプレート７０が接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。ノズルプレート７０においては、各圧力発生室１２に対応して、上記長手方向の他端側近傍に連通するノズル開口７１が穿設されている。ノズルプレート７０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。

振動板１６の、基板１０とは逆側の面には、第１電極としての下電極膜２０と、圧電体層３０と、第２電極としての上電極膜４０とを有する圧電素子３が複数上記幅方向に並んで形成されている。ここで、圧電素子３は、下電極膜２０、圧電体層３０及び上電極膜４０が重なった範囲を含む。また、圧電素子３と当該圧電素子３の駆動により変位が生じる振動板１６とを合わせてアクチュエータ装置と称する。圧電素子３は、圧電体層３０を挟むいずれか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を個別電極として構成される。本実施形態では、下電極膜２０を各圧電素子３にとっての共通電極とし、上電極膜４０を圧電素子３毎の個別電極としている。ただし、下電極膜２０を圧電素子３毎の個別電極とし上電極膜４０を各圧電素子３にとっての共通電極としてもよい。

また本実施形態においては、振動板１６の、基板１０とは逆側の面には、圧電素子３間に中間セグメント２が形成されている。すなわち圧電素子３と中間セグメント２は、上記幅方向において交互に形成されている。さらに、振動板１６の圧電素子３が形成される側には、コンプライアンス基板６０が固着された保護基板５４が固着されている。本実施形態では、記録ヘッド１のコンプライアンス基板６０側を上側、ノズルプレート７０側を下側として適宜説明を行なう。

次に、本実施形態にかかる圧電素子３間の構造について詳しく説明する。
図３は、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面であって複数の圧電素子３および中間セグメント２を通過する面による一部断面図を示している。図３に示すように、弾性膜５０の下方には、隔壁１１が一定間隔で上記幅方向に並んでおり、隔壁１１に挟まれた空間が一つの圧力発生室１２に該当する。各圧電素子３を構成する圧電体層３０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下電極膜２０上に設けられている。また、各圧電素子３を構成する圧電体層３０上には圧電素子３毎の個別電極として上電極膜４０が形成されている。図２に示すように上電極膜４０には、上記長手方向の一端側において、例えば、金（Ａｕ）等からなる図１および図２に示すリード電極４５が接続されている。このリード電極４５を介して各圧電素子３に選択的に電圧が印加されるようになっている。

ここで、本実施形態の主たる特徴としては、図３からも明らかなように、圧力発生室１２にそれぞれ対応して設けられた圧電素子３と圧電素子３との間に、中間セグメント２が形成されること、および、隣接する圧電素子３と中間セグメント２との間に両者を接続する接続膜８０が形成されることが挙げられる。なお図１では、接続膜８０の図示を省略している。また、図１に示した各圧電素子３および各中間セグメント２は、それらの側面が振動板１６の面に対して垂直に立設しているが、図３に例示したように垂直ではなく所定の斜めの角度を持って立設していてもよい。また上記では、弾性膜５０と絶縁体膜５５とを合せて振動板１６と呼んだが、振動板１６の概念に下電極膜２０を含めてもよい。

本実施形態では、中間セグメント２は、圧電素子３と同じ素材によって形成されている。具体的には、中間セグメント２は、圧電体層３０と同じ素材で形成された圧電体層３１（第１層）と、圧電体層３１上において上電極膜４０と同じ素材で形成された上電極膜４１（第２層）とを有する。ただし中間セグメント２は、その組成が圧電素子３と同じであることは必須ではない。本実施形態ではあくまで記録ヘッド１の製造工程の容易化のために、圧電素子３と中間セグメント２とを同じ素材で形成するようにしている。また、中間セグメント２の上電極膜４１にはリード電極４５は接続されない。そのため、中間セグメント２は圧電素子３とは異なり駆動不能である。従って、中間セグメント２はダミーの圧電素子であるとも言える。また本実施形態では、中間セグメント２は、各隔壁１１に対向する領域毎に、隔壁１１の幅よりも狭い幅で設けられている。

接続膜８０は、引張応力を有する所定の素材で形成されており、例えば、ポリイミド等の有機材料により形成されている。一般に、有機材料は引張応力を生じさせ、かつヤング率が比較的小さい素材である。接続膜８０は、上記幅方向における圧電素子３と中間セグメント２との隙間を埋めるように設けられる。
上述したような接続膜８０は、両側の圧電素子３および中間セグメント２から引張荷重を受けたときに、図３内に矢印で示す方向の引張応力を生じさせる。かかる引張応力により、圧電素子３および振動板１６の圧力発生室１２側への初期撓みが強制的に抑制される。

また、図１〜３から明らかなように、本実施形態では各圧電素子３の上面（上電極膜４０の上面）を保護膜等で完全に覆うことはしない。言い換えると、上電極膜４０の上面を保護膜等で覆わなくても、上記接続膜８０を設けることで上記初期撓みの解消を実現できている。また、上電極膜４０の上面を保護膜等で覆わないため、上電極を保護膜で覆っていた従来のように圧電素子および振動板の変位を阻害してしまうということもない。
このように本実施形態によれば、上記初期撓みが解消され、かつ、圧電素子３および振動板１６の変位を阻害する要因も無いため、従来よりも変位量が高い（変位特性に優れた）液体噴射ヘッドが実現される。

さらに本実施形態では、中間セグメント２の存在により、圧電素子３間における力の伝播を適切に断っている。仮に、中間セグメント２が存在せず、隣り合う圧電素子３の間を接続膜８０で接続した場合、一方の圧電素子３の駆動により生じた力が接続膜８０を介して他方の圧電素子３に幾らか伝播してしまい、当該他方の圧電素子３における独立した駆動が妨げられかねない。本実施形態では、中間セグメント２が、両側の接続膜８０同士の接触を断つため、圧電素子３間における不要な力の伝播を防止できる。その結果、圧電素子３毎（圧力発生室１２毎）に独立した適切な液体噴射制御が実現される。

さらに本発実施形態では、上述したように、中間セグメント２を振動板１６上における隔壁１１に対応する範囲内に形成している。中間セグメント２をかかる範囲内に形成することで、圧力発生室１２に対応する位置で変位する圧電素子３や振動板１６の動きを中間セグメント２が妨げてしまうことを極力回避することができる。

また、図３から判るように、本実施形態では、接続膜８０は圧電素子３を構成する圧電体層３０の側面を覆うように形成されている。圧電体層３０の側面を接続膜８０で覆うことにより、圧電体層３０への水分の浸入等による圧電体層３０の破壊を防止している。なお、接続膜８０は、圧電体層３０の側面を覆うとともに上電極膜４０の上面まで延伸し、上電極膜４０の一部まで覆うとしてもよい。ただしこの場合でも、圧電素子３および振動板１６の変位を阻害しないために、上電極膜４０の上面の所定範囲（基本的には、当該上面の中央部）については覆わないようにする。

図１および図２に戻って説明を続ける。
圧電素子３が形成された振動板１６上には、圧電素子３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５２を有する保護基板５４が接着剤３５を介して接合されている。圧電素子３は、この圧電素子保持部５２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５４には、基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部５１が設けられている。リザーバ部５１は、本実施形態では、保護基板５４を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に沿って設けられており、上述したように基板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９を構成している。

更に、保護基板５４の圧電素子保持部５２とリザーバ部５１との間の領域には、保護基板５４を厚さ方向に貫通する貫通孔５３が設けられ、リード電極４５の端部がこの貫通孔５３内に露出されている。そして、図示しないが、上電極膜４０及びリード電極４５は、貫通孔５３内に延設される配線によって、圧電素子３を駆動するための駆動ＩＣ等を実装した駆動回路６５（図１）に接続される。なお、保護基板５４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、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、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５４上には、更に、封止膜６１及び固定板６２とからなるコンプライアンス基板６０が接合されている。封止膜６１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜６１によってリザーバ部５１の一方面が封止されている。固定板６２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板６２のリザーバ９に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部６３となっているため、リザーバ９の一方面は可撓性を有する封止膜６１のみで封止されている。

このような記録ヘッド１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９からノズル開口７１に至るまで内部をインクで満たした後、上記駆動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３に電圧を印加し、圧電素子３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７１からインク滴が吐出する。

次に、記録ヘッド１の製造方法の一例を説明する。
例えば、シリコン単結晶基板である基板１０上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる弾性膜５０および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなる絶縁体膜５５を形成（特開２００５‐８８４１号公報等参照）する。そして、例えば、スパッタ法等により白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより、電極膜（下電極膜２０）を成膜後、当該電極膜を所定形状にパターニングする。

次に、例えば、圧電体層（圧電体層３０，３１を含む層）を、絶縁体膜５５および下電極膜２０の全面にいわゆるゾル−ゲル法等を用いて形成した後、例えば、イリジウムからなる上電極膜（上電極膜４０，４１を含む層）を圧電体層の全面にスパッタ法等により形成する。本実施形態では、上電極膜を形成した後に、圧電体層及び上電極膜を各圧力発生室１２に対向する領域および各隔壁１１に対応する領域にパターニングすることにより、圧電素子３および中間セグメント２を形成している。次に、これまで形成された層上に、接続膜８０の材料（ポリイミド等の樹脂材料）を例えばスピンコート法等により成膜し、次いで、圧電素子３と中間セグメント２の間に残るようにパターニングし、接続膜８０を形成する。なお、接続膜８０の材料として感光性を有する素材を用いれば、露光によるパターニングを実行することでパターニングを効率良く実施できる。

その後は、圧電素子３の個別電極毎に対応するリード電極４５の形成、圧電素子３側への保護基板５４の接合、基板１０のエッチングによる圧力発生室１２等の形成、基板１０へのノズルプレート７０の接合、保護基板５４上へのコンプライアンス基板６０の接合といった各工程を経て、記録ヘッド１となる。なお、上述した圧電体層の成膜方法も特に限定されず、例えばスパッタ法で形成してもよい。また、圧電体層（圧電体層３０，３１）の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料や非鉛系のペロブスカイト型酸化物等、種々の材料を採用可能である。ただし、非鉛系の材料を用いて生成された圧電体層においては、圧力発生室１２側への撓み（初期撓み）がかなり大きく発生するという特徴がある。そのため、初期撓みを抑制可能な本実施形態は、圧電体層３０を非鉛系の材料を用いて生成する場合に、特に効果的であると言える。

他の実施形態：
本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下に述べるような実施形態も可能である。各実施形態を適宜組み合わせた内容も、本発明の開示範囲である。
以下では、上述の実施形態と異なる点について説明し、上述の実施形態と共通する構成や作用は説明を省略する。

図４は、図３と同様に、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図である。ここで、接続膜８０は、異なる素材による複数の層で形成されてもよい。接続膜８０を形成する層数は特に限られないが、図４に示す例では、接続膜８０は、圧電素子３と中間セグメント２との間であって下電極膜２０上に形成された層８０ａと、層８０ａ上に形成された層８０ｂとからなる。例えば、層８０ａは、比較的高い水分バリア性を有する素材（例えば、酸化アルミニウム）によって形成され、層８０ｂは、引張応力を有する所定の素材（例えば、ポリイミド）によって形成される。このように接続膜８０を異なる特徴を持った複数の層で構成することにより、複数の目的（水分等の外部環境に起因する圧電体層３０の破壊の防止や、初期撓みの抑制）をそれぞれ確実に実現することができる。

上述した記録ヘッド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、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１５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１５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１５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。

１Ａ，１Ｂ…記録ヘッドユニット、２Ａ，２Ｂ…カートリッジ、２…中間セグメント、３…圧電素子、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、９…リザーバ、１０…基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室、１３…連通部、１４…インク供給路、１５…キャリッジ、１６…振動板、２０…下電極膜、３０，３１…圧電体層、３５…接着剤、４０，４１…上電極膜、４５…リード電極、５０…弾性膜、５１…リザーバ部、５２…圧電素子保持部、５３…貫通孔、５４…保護基板、５５…絶縁体膜、６０…コンプライアンス基板、６１…封止膜、６２…固定板、６３…開口部、７０…ノズルプレート、７１…ノズル開口、８０…接続膜、８０ａ，８０ｂ…層

Claims (8)

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、
   第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有し、前記圧力発生室に対応して形成され圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、
   前記圧電素子間に形成された中間セグメントと、
   引張応力を有する所定の素材で形成され、前記圧電素子と中間セグメントとの間を接続する接続膜と、
   を備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記接続膜は、有機材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記接続膜は、異なる素材による複数の層で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記接続膜は、所定の水分バリア性を有する素材による層と、前記引張応力を有する所定の素材による層とを含むことを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記接続膜は、圧電素子を構成する圧電体層の側面を覆うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記基板は圧力発生室間を隔てる隔壁を有し、前記中間セグメントは当該隔壁に対応する位置に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記中間セグメントは、圧電体層と同じ素材で形成された第１層と第２電極と同じ素材で形成された第２層とを有して形成されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか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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