JP2013119182A - インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】吐出性能を向上することができるインクジェットプリントヘッドを提供する。
【解決手段】インクジェットプリントヘッド１は、インク流通方向２１に延びた加圧室２０と、加圧室２０の容積を変化させるように変形する振動膜５と、振動膜５の縁部を支持し、振動膜５とともに加圧室２０を区画するシリコン基板２と、振動膜５の加圧室２０とは反対側の表面に接して形成された圧電素子６と、加圧室２０のインク流通方向２１に関する途中位置において、インク流通方向２１と交差するように振動膜５に沿って延びた支持縁部２３ａを有し、この支持縁部２３ａにおいて振動膜５に接して、振動膜５を支持する中間支持部材としての梁部材２３とを含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧電素子によってインク流路内の容積を変化させてインクを吐出するインクジェットプリントヘッドに関する。

特許文献１は、流路形成基板と、ノズル基板と、圧電アクチュエータとを備えたインクジェットプリントヘッドを開示している。流路形成基板には、インク流路が形成されており、インク流路は、吐出されるインクが満たされる圧力チャンバを有している。圧力チャンバの上部には、圧電アクチュエータの駆動によって変形される振動膜が設けられている。

圧電アクチュエータは、下部電極と上部電極との間に圧電体膜を挟んで構成されている。圧力チャンバは、細長い長方形の平面形状を有していて、圧電体膜は、その縁部が圧力チャンバの縁部から後退して位置するように配置されている。このような構成により、圧電アクチュエータを駆動すると、逆圧電効果によって圧電体膜が伸縮し、それによって振動膜が変形する。これにより、圧力チャンバ内の容積が変化するので、圧力チャンバ内のインクがノズル基板に形成されたノズルから吐出される。

特開２００５−２３８８４５号公報

振動膜において圧電体膜が形成されている領域は、圧電体膜によって拘束されているため、大きく変形することができない。したがって、振動膜において最も大きく変形するのは、圧電体膜の縁部と圧力チャンバの縁部との間の周縁領域である。この周縁領域の変形によって、圧力チャンバの容積変化がもたらされる。より詳細には、圧力チャンバは細長い直方体の空間となっていて、それに応じて、圧電体膜の形状は細長い長方形となっている。そのため、その長方形の長手方向に関しては圧電体膜が大きく変形するのに対し、その長方形の幅方向に関する圧電体膜の変形量は小さい。したがって、圧力チャンバ内の容積変化に対する寄与は、主として振動膜の長手方向両端部領域における変形によってもたらされる。したがって、圧力チャンバの長さを長くしても、圧力チャンバの容積変化率をさほど大きくすることができず、吐出性能の向上には限界があった。

そこで、この発明の目的は、吐出性能を向上することができるインクジェットプリントヘッドを提供することである。

前記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、インク流通方向に延びたインク流路（より具体的には、インクを加圧するための加圧室を構成する流路）と、前記インク流路を区画し、前記インク流路の容積を変化させるように変形する振動膜と、前記インク流通方向両端部および前記インク流通方向に沿う両側部において前記振動膜の縁部を支持（より具体的には非可動状態に支持）し、前記振動膜とともに前記インク流路を区画するインク流路形成部材と、前記振動膜の前記インク流路とは反対側の表面に接して形成された圧電素子と、前記インク流路の前記インク流通方向に関する途中位置において、前記インク流通方向と交差するように前記振動膜に沿って延びた支持縁部を有し、この支持縁部において前記振動膜に接して、当該振動膜を支持（より具体的には非可動状態に支持）する中間支持部材とを含む、インクジェットプリントヘッドを提供する。

この構成によれば、振動膜およびインク流路形成部材によってインク流路が区画されていて、振動膜のインク流路とは反対側の表面に接して圧電素子が形成されている。圧電素子を駆動すると振動膜を変形させることができるから、インク流路の容積変化を生じさせて、インク流路内のインクを押し出して吐出することができる。振動膜の変形は、主として、振動膜の非可動状態に支持されている縁部と圧電素子の素子縁部との間で生じる。この主たる変形領域を、便宜上、「主変形領域」と呼ぶことにする。

インク流路のインク流通方向に関する途中位置には、中間支持部材の支持縁部が配置されており、この支持縁部が振動膜に接して、当該振動膜を支持している。これにより、振動膜は、インク流通方向に関する途中位置において中間支持部材の支持縁部によって拘束されている。したがって、振動膜は、インク流路形成部材によってインク流通方向両端部およびインク流路方向に沿う両側部において縁部が支持されているうえに、中間支持部材の支持縁部によって、インク流通方向に関する途中位置でも支持されている。これにより、振動膜は非可動状態に拘束された長い縁部を有することになる。その結果、この長い縁部と圧電素子（とくに圧電体膜）との間の領域である主変形領域の総延長が、インク流路の周囲長よりも長くなる。これにより、圧電素子を駆動したときに振動膜を大きく変形させることができるので、インク流路の容積変化率を大きくすることができる。その結果、インク吐出性能を向上できる。

容積変化率は、たとえば、振動膜が非変形状態のときのインク流路の容積（最大容積）に対する容積変化量の割合である。容積変化量とは、振動膜の最大変形状態におけるインク流路の容積（最小容積）とインク流路の最大容積との差である。
インク流路はインク流通方向に沿って細長く形成されるのが通常であるから、中間支持部材がインク流通方向と交差するように延びた支持縁部で振動膜を支持することによって、圧電素子の変形により、支持縁部の近傍で振動膜に大きな変形を生じさせることができる。

請求項２記載の発明は、前記圧電素子が、前記振動膜の縁部および前記中間支持部材の支持縁部から間隔を開けて配置された素子縁部を有する、請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドである。
この構成では、振動膜の縁部および中間支持部材の支持縁部から間隔を開けて圧電素子の素子縁部が配置されている。そのため、圧電素子の素子縁部と振動膜において流路形成部材または中間支持部材によって拘束された部分との間の主変形領域は、圧電素子の剛性（主として圧電体膜の剛性）の影響を受けないので、主変形領域における振動膜の変形を効率的に生じさせることができる。それより、インク流路の容積変化率を大きくすることができる。

請求項３記載の発明は、前記中間支持部材が、前記インク流路形成部材の両側部間に架け渡された梁部材を含む、請求項１または２に記載のインクジェットプリントヘッドである。
梁部材は、インク流路形成部材の両側部間に架け渡されているから、インク流通方向に交差する方向に延びた長い支持縁部を有している。これにより、インク流路形成部材の両側部間の幅が小さい場合であっても、インク流通方向に長く延びた圧電素子の変形を効率的に利用して、梁部材の支持縁部の近傍において、振動膜に大きな変形をもたらすことができる。

前記梁部材は、インク流路方向に対して直交する直線状の梁部材であってもよいし、インク流通方向に対して斜めに交差する梁部材であってもよいし、曲線状の部材であってもよい。梁部材は、インク流路形成部材と同じ材料で一体的に形成されていてもよいし、インク流路形成部材とは別の材料を用いて形成されていてもよい。
梁部材は、インク流路のインク流通方向両端から、インク流路の幅（インク流通方向に直交する方向の幅）よりも長い距離（好ましくは当該幅の８倍以上、さらに好ましくは１０倍以上の距離）を開けて、配置されていることが好ましい。

請求項４記載の発明は、前記梁部材が、前記インク流通方向に所定の間隔を開けて、前記インク流路の両端の間に複数個配置されている、請求項３に記載のインクジェットプリントヘッドである。
この構成によれば、インク流通方向に間隔を開けて複数の梁部材が配置されているので、振動膜は、拘束された縁部と圧電素子の素子縁部との間の領域（主変形領域）を一層多く有することになる。その結果、振動膜を効率的に変形させることができるので、インク流路の容積変化率を大きくして、インク吐出性能を一層向上することができる。

複数の梁部材のインク流通方向の間隔は、インク流路の幅（インク流通方向に直交する方向の幅）よりも長い距離（より好ましくは当該幅の８倍以上、さらに好ましくは１０倍以上の距離）であることが好ましい。
請求項５記載の発明は、前記中間支持部材が、前記インク流路形成部材の前記インク流路に沿う側面から前記インク流路に向かって突出した突条部を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドである。

この構成では、突条部は、インク流通方向に交差する支持縁部を有し、その支持縁部で振動膜を拘束することになる。インク流路形成部材の側面からインク流路に向かって突出した突条部は、たとえば、インク流路形成部材をエッチングしてインク流路を形成するときに同時に形成することができる。したがって、インク流路の容積変化率を大きくしてインク吐出性能を向上できるインクジェットプリントヘッドを少ない工程で製造することができる。

請求項６記載の発明は、前記突条部が、前記インク流路形成部材の前記インク流通方向に沿う一対の側面からそれぞれ突出した少なくとも一対の突条部を含む、請求項５に記載のインクジェットプリントヘッドである。むろん、インク流通方向に間隔を開けて複数対の突条部が配置されていてもよい。複数対の突条部のインク流通方向の間隔は、インク流路の幅（インク流通方向に直交する方向の幅）よりも長い距離（より好ましくは当該幅の８倍以上、さらに好ましくは１０倍以上の距離）であることが好ましい。

この構成によれば、インク流路形成部材の一対の側面からそれぞれ突条部が突出しているので、振動膜は、インク流通方向と交差する方向に沿って拘束される縁部を多く有することができる。これにより、振動膜の変形を効率的に生じさせて、インク流路の容積変化率を大きくすることができる。
請求項７に記載されているように、前記一対の突条部が、前記インク流通方向と直交する方向に対向して配置されていてもよい。また、請求項８に記載されているように、前記一対の突条部が、前記インク流通方向に関してずらされて配置されていてもよい。

請求項９記載の発明は、前記中間支持部材が前記インク流路形成部材の前記インク流通方向に沿う側面から離れた前記支持縁部を有する支持柱を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドである。この構成では、中間支持部材としての支持柱は、インク流路形成部材の側面から離れた位置で振動膜を拘束する支持縁部を有しているから、振動膜の縁部は、一層長い距離にわたって拘束される。これにより、主変形領域を一層大きくすることができるので、振動膜の変形をより一層効率的に生じさせて、インク流路の容積変化率を大きくすることできる。

請求項１０記載の発明は、前記中間支持部材の前記インク流路に露出している表面が湾曲面である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドである。この構成によれば、中間支持部材の表面が湾曲面であるので、インク流路内におけるインクの流通がスムーズになり、インク吐出性能をさらに向上することができる。
請求項１１記載の発明は、前記圧電素子が、前記インク流通方向に関して前記中間支持部材を挟んで複数の作動部分に分割されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドである。この構成によれば、中間支持部材の支持縁部と圧電素子の各作動部分の素子縁部との間に間隔を確保できるので、この間隔が確保された領域（主変形領域）において、振動膜の大きな変形を生じさせることできる。複数の作動部分に対しては、共通の駆動電圧が印加されるようになっていてもよいし、個別に駆動電圧が印加されるようになっていてもよい。複数の作動部分に対して個別の駆動電圧を印加できる構成とすれば、インク吐出量をきめ細かく管理することができる。

請求項１２記載の発明では、前記複数の作動部分が、当該作動部分よりも幅狭（より具体的にはインク流通方向に直交する方向に関する作動部分の長さ（幅）よりも幅狭）の細線部によって互いに接続されている、請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドである。
この構成によれば、圧電素子の複数の作動部分が互いに接続されているので、複数の作動部分に対して共通の駆動電圧を与えることができる。これにより、複数の作動部分を一様に駆動して、すぐれた吐出性能を実現することできる。幅狭の細線部によって振動膜が強固に拘束されることはないから、振動膜の大きな変形を確保することができる。

図１は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの模式的な断面図である。 図２は、前記インクジェットプリントヘッドのノズル形成領域に形成されたインク流路としての加圧室および圧電素子の圧電体膜の配置を説明するための図解的な平面図である。 図３は、加圧室の構成を示すために一部を切り欠いたシリコン基板の斜視図である。 図４は、インクジェットプリントヘッドの構造例を説明するための横断面図である。 図５は、インクジェットプリントヘッドの別の構造例を説明するための横断面図である。 図６は、振動膜の変形を説明するための図解的な斜視図であり、インクジェットプリントヘッドのノズル形成領域の一部を切り欠いて表してある。 図７Ａおよび図７Ｂは、インク流通方向の各位置での振動膜の変形量を表したグラフである。 図８は、この発明の第２の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室および圧電素子の構成を説明するための図解的な平面図である。 図９は、この発明の第３の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室および圧電素子の配置を説明するための図解的な平面図である。 図１０は、図９の構造の変形例を示す図解的な平面図である。 図１１は、図９の構造の他の変形例を示す図解的な平面図である。 図１２は、この発明の第４の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室および圧電素子の配置を説明するための図解的な平面図である。 図１３は、この発明の第５の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室および圧電素子の配置を説明するための図解的な平面図である。 図１４は、この発明の第６の実施形態を説明するための断面図であり、加圧室のインク流通方向に沿う縦断面を示す。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの模式的な断面図である。インクジェットプリントヘッド１は、シリコン基板２と、インクを吐出する吐出口１０ｄを有するノズル基板１０とを備えている。ノズル基板１０は、キャビティプレート１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃとを備えている。

シリコン基板２は、インク流路形成部材の一例であり、ノズル形成領域３を有している。ノズル形成領域３において、シリコン基板２には、インク流路（インク溜まり）としての加圧室２０が形成されている。
キャビティプレート１０Ａは、たとえばシリコンプレートからなる。キャビティプレート１０Ａは、シリコン基板２の裏面に貼り合わされ、インク通路１０ａ，１１ａを形成するように構成されている。インク通路１０ａは、加圧室２０に連通し、この加圧室２０にインクを供給するインク供給路である。インク通路１１ａは、インク供給路１０ａとは別の位置で加圧室２０に連通しており、インク吐出通路１１の一部を形成している。キャビティプレート１０Ｂ，１０Ｃは、プラスチック板またはステンレス板で構成されていてもよい。キャビティプレート１０Ｂは、キャビティプレート１０Ａに貼り合わされており、キャビティプレート１０Ａのインク通路１１ａと整合するインク通路１１ｂが、厚さ方向に貫通して形成されている。キャビティプレート１０Ｃは、キャビティプレート１０Ｂに貼り合わされており、キャビティプレート１０Ｂのインク通路１１ｂと整合するノズル通路１１ｃが厚さ方向に貫通して形成している。インク通路１１ａ，１１ｂおよびノズル通路１１ｃは、インク吐出通路１１を形成している。加圧室２０からインク吐出通路１１を通って、ノズル通路１１ｃの先端に形成された吐出口１１ｄから、インクが吐出される。インク通路１１ａおよび１１ｂは、それぞれの入口から出口まで一様な流路断面を有している。ノズル通路１１ｃは、インク通路１１ｂの出口に整合する入口を有し、吐出口１１ｄに向かって流路断面がテーパー状に絞られている。

加圧室２０は、図１の左右方向に細長く延びて形成されており、その一端部の底面にインク供給路１０ａが連通しており、その他端部の底面にインク吐出通路１１が連通している。すなわち、加圧室２０は、インク供給路１０ａからインク吐出通路１１へと向かうインク流通方向２１に沿って細長く延びた直方体形状の空間となるように、シリコン基板２によって区画されている。

ノズル形成領域３において、シリコン基板２の表面には、振動膜５が形成されている。振動膜５は、シリコン層５Ａと、絶縁膜である酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層５Ｂとからなる。振動膜５の厚さは、たとえば、０．５μｍ〜２μｍである。より具体的には、シリコン層５Ａの厚さがたとえば０．３μｍ〜１．４μｍ程度であり、酸化シリコン層５Ｂの厚さがたとえば０．２μｍ〜０．６μｍ程度である。シリコン層５Ａは、ノズル形成領域３において、シリコン基板２を裏面側から部分的にエッチングして加圧室２０を形成し、その加圧室２０の天面部に薄部を残すことによって形成されている。すなわち、シリコン基板２は、加圧室２０以外の部分の厚部（厚さ５０μｍ〜６０μｍ）と、加圧室２０の天面部である薄部とを有しており、その薄部が振動膜５を構成するシリコン層５Ａをなしている。加圧室２０は、振動膜５と、シリコン基板２の前記厚部（インク流路形成部材）とによって区画されており、この実施形態では、略直方体形状に形成されている。

ノズル形成領域３において、振動膜５の表面、すなわち酸化シリコン層５Ｂの表面には、圧電素子６が配置されている。圧電素子６は、酸化シリコン層５Ｂ上に形成された下部電極７と、下部電極７上に形成された圧電体膜８と、圧電体膜８上に形成された上部電極９とを備えている。言い換えれば、圧電素子６は、圧電体膜８を上部電極９および下部電極７で上下から挟むことにより構成されている。圧電素子６は、この実施形態では、複数の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃに分割されている。下部電極７は、これらの複数の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃに対して共通となっており、圧電体膜８および上部電極９は、作動部分毎に分割されている。

下部電極７は、たとえば、Ｔｉ（チタン）層およびＰｔ（プラチナ）層（たとえば１００ｎｍ〜１５０ｎｍ厚）を振動膜５側から順に積層した２層構造を有している。この他にも、Ａｕ（金）膜、Ｃｒ（クロム）膜、Ｎｉ（ニッケル）膜などの単膜で下部電極を形成することもできる。下部電極７は、圧電体膜８の下面に接し、さらに、圧電体膜８の外方の領域にまで延びた延長部を有している。

圧電体膜８としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたＰＺＴ（ＰｂＺｒ_ＸＴｉ_1-ＸＯ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）膜を適用することができる。圧電体膜８の厚さは、１μｍ〜５μｍが好ましい。振動膜５の全体の厚さは、圧電体膜８の厚さと同程度か、圧電体膜８の厚さの２／３程度とすることが好ましい。
上部電極９は、圧電体膜８と平面視同形状に形成されている。上部電極９は、たとえば、ＩｒＯ_２（酸化イリジウム）層およびＩｒ（イリジウム）層を圧電体膜８側から順に積層した２層構造を有している。

ノズル形成領域３において、振動膜５および圧電素子６の表面は、水素バリア膜１３により覆われている。水素バリア膜１３は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）からなる。これにより、圧電体膜８の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜１３上には、層間絶縁膜１４が積層されている。層間絶縁膜１４は、ＳｉＯ_２からなる。層間絶縁膜１４上には、配線１５，１６が形成されている。配線１５，１６は、Ａｌ（アルミニウム）を含む金属材料からなる。

配線１５の一端部は、下部電極７の延長部の上方に配置されている。配線１５の一端部と下部電極７の延長部との間において、水素バリア膜１３および層間絶縁膜１４を連続して貫通する貫通孔１７が形成されている。配線１５の一端部は、貫通孔１７内に入り込み、貫通孔１７内で下部電極７と接続されている。
配線１６の一端部は、上部電極９の周縁部の上方に配置されている。配線１６の一端部と上部電極９との間において、水素バリア膜１３および層間絶縁膜１４を連続して貫通する貫通孔１８が形成されている。配線１６の一端部は、貫通孔１８内に入り込み、貫通孔１８内で上部電極９と接続されている。図１には、圧電素子６の一つの作動部分６Ｃに関してのみ上部電極９と配線１６とは接続を示してあるが、図１に表れていない位置で、配線１６と作動部分６Ａ，６Ｂとが、同様の構成によって接続されている。ただし、複数の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃに対して、個別の配線を設け、作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの圧電体膜８に印加する電圧を個別に制御できるようにしてもよい。このようにすれば、インク吐出をきめ細かく管理することができる。

配線１５，１６の各他端部は、駆動回路４に接続されている。駆動回路４は、シリコン基板２のノズル形成領域３とは別の領域に形成されていてもよいし、シリコン基板２外に形成されていてもよい。
インクジェットプリントヘッド１の最表面には、表面保護膜１９が形成されている。表面保護膜１９は、たとえば、ＳｉＮからなる。層間絶縁膜１４および配線１５，１６は、表面保護膜１９により覆われている。

圧電素子６は、振動膜５を挟んで加圧室２０に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子６は、振動膜５の加圧室２０とは反対側の表面に接するように形成されている。加圧室２０には、図示しないインクタンクからインク供給路１０ａを通って供給されるインクが充填される。振動膜５は、加圧室２０の天面部を区画していて、加圧室２０に臨んでいる。振動膜５は、シリコン基板２の加圧室２０の周囲の部分（厚部）によって支持されており、加圧室２０に対向する方向（換言すれば振動膜５の厚さ方向）に変形可能な可撓性を有している。

駆動回路４から圧電素子６に駆動電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体膜８が変形する。これにより、圧電素子６とともに振動膜５が変形し、それによって、加圧室２０の容積変化がもたらされ、加圧室２０内のインクが加圧される。加圧されたインクは、インク吐出通路１１を通って、吐出口１１ｄから微小液滴となって吐出される。
図２は、ノズル形成領域３に形成されたインク流路としての加圧室２０および圧電素子６の圧電体膜８の配置を説明するための図解的な平面図であり、シリコン基板２および圧電体膜８のみを示してある。また、図３は、加圧室２０の構成を示すために一部を切り欠いたシリコン基板２の斜視図である。

シリコン基板２のノズル形成領域３には、複数の加圧室２０が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数の加圧室２０は、それらの幅方向に微小な間隔ｄ１（たとえば１５μｍ程度）を開けて等間隔で形成されている。
各加圧室２０は、平面視において、インク供給路１０ａからインク吐出通路１１に向かうインク流通方向２１（図１を併せて参照）に沿って細長く延びた長方形形状を有している。各加圧室２０において、インク流通方向２１に関する両端の間の途中位置には、複数（この実施形態では２個）の梁部材２３が、互いにインク流通方向２１に間隔を開けて配置されている。この実施形態では、複数の梁部材２３は、互いに等しい間隔ｄ２を開けて配置されている。より具体的には、一つの梁部材２３は、インク流通方向２１に関して上流側の加圧室２０の端（上流端）から間隔ｄ２を開けて配置されている。さらに、当該一つの梁部材２３からインク流通方向２１に同じ間隔ｄ２を開けて別の梁部材２３が配置されている。さらに、当該別の梁部材２３からインク流通方向２１に同じ間隔ｄ２を開けた位置に、インク流通方向２１に関して下流側の加圧室２０の端（下流端）が位置している。

各梁部材２３は、インク流通方向２１に直交する幅方向２２に沿って延びている。梁部材２３は、振動膜５を構成するシリコン層５Ａと一体的に形成されていて、振動膜５の下面から加圧室２０の内方へと突出しており、この実施形態では矩形断面を有している（図１参照）。これにより、梁部材２３は、インク流通方向２１と直交する支持縁部２３ａをインク流通方向２１に関する両側に有しており、その支持縁部２３ａにおいて振動膜５を支持している。換言すれば、振動膜５は、梁部材２３の支持縁部２３ａによってインク流通方向２１に関する途中位置で支持されて拘束されている。

圧電素子６は、平面視において加圧室２０の内縁２０ａおよび梁部材２３の支持縁部２３ａによって区画された複数の領域内にそれぞれ配置された複数（この実施形態では３個）の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃを有している。この実施形態では、作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、互いに分離されており、それぞれ、加圧室２０の内縁２０ａおよび梁部材２３の支持縁部２３ａから各内方の領域に間隔Ｇだけ後退した素子縁部６ａ，６ｂ，６ｃを有している。この実施形態では、作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、それぞれインク流通方向２１に沿って長手の長方形に形成されており、それに応じて、素子縁部６ａ，６ｂ，６ｃはインク流通方向２１に沿って長手の長方形を形成している。各作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃのインク流通方向２１への十分な伸張変形を確保するためには、梁部材２３のインク流通方向２１に関する間隔ｄ２は、加圧室２０の幅方向２２に関する長さ（幅）Ｗの８倍以上（より好ましくは１０倍以上）であることが好ましい。

振動膜５において、圧電素子６の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの素子縁部６ａ，６ｂ，６ｃと、加圧室２０の内縁２０ａまたは梁部材２３の支持縁部２３ａとの間の環状領域（この実施形態ではインク流通方向２１に長手の矩形環状領域）は、主変形領域５Ｍである。主変形領域５Ｍは、圧電素子６または加圧室２０もしくは梁部材２３によって拘束されていない領域であり、主変形領域５Ｍにおいて振動膜５の主たる変形が生じることになる。作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、インク流通方向２１に沿う長手の長方形に形成されているので、作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃに電圧をかけると、各作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの圧電体膜８には、幅方向２２に関しては小さな変形が生じ、インク流通方向２１に関しては大きな変形が生じる。よって、主変形領域５Ｍのなかでも、加圧室２０の両端縁２０ｂまたは梁部材２３の支持縁部２３ａの近傍の領域においてより大きな変形が局所的に生じることになる。この大きな変形が生じる領域を「局所変形領域」ということにする。局所変形領域は、振動膜５がインク流通方向２１（加圧室２０の長手方向）と交差する方向に沿って支持（拘束）されている場合に、その支持縁部（この実施形態では加圧室２０の両端縁２０ｂまたは梁部材２３の支持縁部２３ａ）と圧電素子６の素子縁部６ａ，６ｂ，６ｃとの間の領域である。

図４は、インクジェットプリントヘッド１の構造例を説明するための横断面図であり、インク流通方向２１に直交する幅方向２２に沿う切断面（図２のＡ−Ａ断面）が示されている。複数の加圧室２０は、シリコン基板２に形成された区画壁２５によって互いに分離されている。この区画壁２５の厚さが、加圧室２０の間の間隔ｄ１である。区画壁２５の表面は、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う側面２６を形成している。各加圧室２０の一対の側面２６の間に跨がるように、加圧室２０の天面に梁部材２３が配置されている。すなわち、梁部材２３は、インク流通方向２１に沿う一対の側部間に架け渡されている。そして、この実施形態では、梁部材２３は、振動膜５と一体的に形成されており、シリコン層５Ａと同じく、シリコン基板２の一部で構成されている。すなわち、梁部材２３は、シリコン層５Ａと同じ材料であるシリコンからなっている。

振動膜５の表層部分を構成する酸化シリコン層５Ｂの表面には、下部電極７が形成されている。下部電極７は、図４の構造例においては、複数の加圧室２０に関して形成された複数の圧電素子６に対して共通の下部電極を構成しており、さらに、複数の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃに対して共通の下部電極を構成している。すなわち、複数の圧電素子６は、圧電体膜８および上部電極９がそれぞれの素子毎および作動部分毎に分離されていて、圧電体膜８および上部電極９の周縁が素子縁部６ａ，６ｂ，６ｃを形成している。下部電極７の膜厚は薄いので、この下部電極７のみが振動膜５の主変形領域５Ｍに形成されていたとしても、主変形領域５Ｍの変形は阻害されない。

図５は、インクジェットプリントヘッド１の別の構造例を説明するための横断面図であり、図４と同様な切断面が示されている。この構造例では、圧電素子６毎、および作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃ毎に、下部電極７が分離されている。このような構造によっても、各圧電素子６および各作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃを駆動して、振動膜５に変形を生じさせることができる。図５の構造例では、主変形領域５Ｍに圧電素子６のいずれの部分も形成されていないので、主変形領域５Ｍの変形量を一層大きくすることができる。

図６は、振動膜５の変形を説明するための図解的な斜視図であり、ノズル形成領域３の一部を切り欠いて表してある。ただし、図６には、梁部材２３が設けられていない構成が示されている。説明の便宜上、インク流通方向２１に沿ってＸ軸をとり、幅方向２２に沿ってＹ軸をとり、加圧室２０の深さ方向（変形していない状態の振動膜５の法線方向）にＺ軸をとって、三次元直交座標系を定義する。

圧電素子６の上部電極９および下部電極７の間に電圧を印加すると、逆圧電効果によって、圧電体膜８がその主面に平行な方向へと伸張する。これにより、振動膜５が、その主面に沿って伸張することになる。圧電体膜８の変形は、振動膜５側においては、当該振動膜５によって制限される。そのため、圧電体膜８の伸張変形は、上部電極９側の方が下部電極７側よりも大きくなる。その結果、圧電素子６は、その素子縁部が加圧室２０の内方空間へと入り込むように変形することになり、それに応じて、振動膜５は、加圧室２０の内方に向かって窪むように変形する。この変形した状態が、図６において最も手前側に示す加圧室２０に関して描かれている。

図７Ａは、振動膜５の幅方向２２（Ｙ軸方向）に関する中央位置においてＸ軸方向の各位置での振動膜５の変形量を表したグラフである。この図７Ａには、加圧室２０のＸ軸方向の長さＬを１１００μｍとし、幅方向２２に関する長さ（幅）Ｗを５５μｍとし、さらに、圧電素子６の素子縁部と加圧室２０の内縁との間に１０μｍの間隔Ｇを開けたサンプルについての測定結果が示されている。ただし、図７Ａには、加圧室２０の全長の半分の領域についての測定結果を示す。残り半分の領域における変形は、図７Ａに示した変形量と対称に表れる。図７Ａにおいて、横軸はＸ軸方向中心位置を原点としたときのＸ軸方向位置を表し、縦軸は非変形状態での振動膜５のＹ軸方向位置を原点として厚み方向（Ｙ軸方向）変位を表す。厚み方向変位の負値は、加圧室２０の内方へと窪む変位を表している。

振動膜５において圧電体膜８が形成されている部分は、圧電体膜８の剛性のために拘束されていて、大きな撓み変形を生じることができない。したがって、圧電素子６の素子縁部と加圧室２０の内縁との間の主変形領域５Ｍにおいて振動膜５が大きく変形する。すなわち、主変形領域５Ｍにおいては、圧電体膜８が形成されている領域よりも大きな変形が生じている。とくに、加圧室２０のインク流通方向２１（加圧室２０の長手方向）に関する両端部付近の局所変形領域において大きな変形が生じる。加圧室２０の幅方向２２に関する両端部（すなわち加圧室２０の両側部付近）においては、振動膜５の変形はさほど大きくない。これは、圧電体膜８の幅方向２２に関する長さが短いため、当該幅方向２２に関する変形量が小さいからである。

図７Ｂは、加圧室２０のインク流通方向２１に関する長さＬを５００μｍとし、幅方向２２に関する幅Ｗを５５μｍとし、さらに、圧電素子６の素子縁部を加圧室２０の内縁から１０μｍだけ後退して位置させたサンプルについての同様の測定結果を示す。
図７Ａおよび図７Ｂの比較から明らかなとおり、振動膜５の周縁の主変形領域５Ｍ、とくに加圧室２０のインク流通方向２１に関する両端部付近の局所変形領域における振動膜５の変形量は、図７Ａのサンプルと図７Ｂのサンプルとで有意な変化が生じていない。すなわち、主変形領域５Ｍ（とくに局所変形領域）における振動膜５の変形量は、加圧室２０のインク流通方向２１に関する長さを短くしても、ほぼ同様に生じることになる。

そこで、この実施形態では、インク流通方向２１に交差する支持縁部２３ａを有する梁部材２３が設けられ、この梁部材２３の支持縁部２３ａによって振動膜５を拘束している。そのため、梁部材２３の支持縁部２３ａと圧電素子６の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの素子縁部６ａ，６ｂ，６ｃとの間に、大きな撓み変形を生じることができる局所変形領域が位置することになる。すなわち、梁部材２３が設けられていない加圧室２０においてはインク流通方向２１の両端部付近のみが局所変形領域となるのに対し、この実施形態においては、加圧室２０の両端部付近のみならず、梁部材２３のインク流通方向２１に関する両側も局所変形領域となり、振動膜５の大きな撓み変形が生じる。その結果、圧電素子６を駆動しているときと駆動していないときとで、加圧室２０の容積を大きく変化させることができ、容積変化率を向上することができる。その結果、インク吐出性能の向上されたインクジェットプリントヘッド１を提供することができる。

図８は、この発明の第２の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室および圧電素子の構成を説明するための図解的な平面図である。図８において、前述の図１〜図６に示された各部に対応する部分には、同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、梁部材２３の代わりに、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う一対の側面２６に、当該側面２６から加圧室２０の内方空間へと突出した突条部３０が形成されている。突条部３０は、この実施形態では、半円柱状に形成されていて、加圧室２０の底面からその天面に至るように延びて、振動膜５に一体的に結合されている。したがって、振動膜５は、突条部３０の上端のエッジ部である支持縁部３０ａに結合され、この支持縁部３０ａによって支持されて拘束されている。支持縁部３０ａは、加圧室２０の側面からその内方へと突出した半円形であり、したがって、インク流通方向２１と交差するように延びた部分を有している。

図８に示された構成では、加圧室２０の相対向する一対の側面２６に、幅方向２２に沿って対向するように突条部３０がそれぞれ形成されている。より具体的には、インク流通方向２１に関する別の位置でそれぞれ対向する２対の突条部３０が設けられている。各対の突条部３０によって区切られる領域に、圧電素子６の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃがそれぞれ配置されている。２対の突条部３０は、インク流通方向２１に関して、第１の実施形態における梁部材２３と同様な位置に配置されていることが好ましい。

このような構成によっても、振動膜５は、加圧室２０の両端だけでなく、インク流通方向２１に関する途中位置において、インク流通方向２１と交差するように延びた支持縁部３０ａを有する突条部３０によって支持されている。そのため、主変形領域５Ｍの総延長が長くなり、かつ、局所変形領域が多くなるから、振動膜５は、より広い範囲において大きな変形を生じることになる。これによって、加圧室２０の容積変化率を大きくすることができるので、インク吐出性能の向上されたインクジェットプリントヘッドを提供できる。

図９は、この発明の第３の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室および圧電素子の配置を説明するための図解的な平面図である。図９において、図８に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う一対の側面２６のうちの一方から、幅方向２２に沿って加圧室２０の内方に向かって、突条部３３が突出している。この実施形態では、突条部３３は、底面が半長円状の柱状体であって、加圧室２０の底面からその天面まで延びて振動膜５と一体的に結合されている。図９に示す例では、複数の突条部３３が、インク流通方向２１に沿って間隔を開けて配置されている。そして、突条部３３によってインク流通方向２１に関して区画される３つの領域に、圧電素子６の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃがそれぞれ配置されている。突条部３３は、インク流通方向２１に関して、第１の実施形態における梁部材２３と同様な位置に配置されていることが好ましい。

突条部３３は半長円形の支持縁部３３ａを有し、この支持縁部３３ａにおいて振動膜５を支持し、かつ当該振動膜を拘束している。支持縁部３３ａは、具体的には、幅方向２２に延びた互いに平行な一対の直線部３４と、当該一対の直線部３４の間を滑らかに結合する半円部３５とを有している。そのため、インク流通方向２１と交差する領域が長いので、振動膜５のより広い領域を大きく変形させることができる。それによって、加圧室２０の容積を大きく変化させることができるから、より効率的に加圧室２０の容積変化率を大きくすることができる。

なお、図９に示す構成を変形して、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う一対の両側面２６に突条部３３を配置し、それらの突条部を幅方向２２に沿って互いに対向させてもよい。このような構造を図１０に示す。
図１１は、図９の構造のさらに他の変形例を示す図解的な平面図である。この構造例では、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う一対の側面２６において、インク流通方向２１に関して異なる位置に突条部３３がそれぞれ配置されている。すなわち、両側面２６に、互い違いに突条部３３が配置されている。この構成によれば、加圧室２０内におけるインクの流れに対する影響を抑制しながら、突条部３３によって振動膜５の中間部を支持することができる。これにより、インク吐出性能を一層向上することができる。

図１２は、この発明の第４の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室２０および圧電素子６の配置を説明するための図解的な平面図である。図１２において、前述の図８に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、加圧室２０の側面から離れた位置に、中間支持部材としての支持柱４０が配置されている。支持柱４０は、この実施形態では、幅方向２２に沿って長軸を有する楕円形の底面を有する柱状体であって、加圧室２０の底面からその天面にまで延びて振動膜５の下面に一体的に結合されている。よって、支持柱４０は、楕円形の支持縁部４０ａを有し、この楕円形の支持縁部４０ａによって振動膜５を中間位置で支持し、かつ拘束している。支持縁部４０ａは、インク流通方向２１に交差する部分を有しているので、前述の各実施形態の場合と同じく、当該支持縁部４０ａの近傍において振動膜５に大きな撓み変形を生じさせることができる。

図１２に示す例では、支持柱４０は、インク流通方向２１に沿って間隔を開けて配置されている。そして、支持柱４０によってインク流通方向２１に関して区画される３つの領域に、圧電素子６の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃがそれぞれ配置されている。支持柱４０は、インク流通方向２１に関して、第１の実施形態における梁部材２３と同様な位置に配置されていることが好ましい。

図１２の構成例では、複数の支持柱４０は、幅方向２２に沿ってずれた位置に配置されているが、複数の支持柱４０の幅方向２２に関する位置は揃えられていてもよい。
図８〜図１２に示した構成における共通の利益は、中間支持部材としての突条部３０，３３または支持柱４０がいずれも柱状体であって、そのため、シリコン基板２をその厚さ方向にエッチングして加圧室２０を形成するときに、同時に突条部３０，３３または支持柱４０を形成できることである。これにより、多くの製造工程を要することなく、加圧室２０の容積変化率を向上したインクジェットプリントヘッドを製造することができる。

さらに、突条部３０，３３および支持柱４０は、いずれも外周面に角部を有しておらず、加圧室２０に臨む湾曲面を有している。それにより、突条部３０，３３および支持柱４０は、インク流通方向２１へのインクの流通を阻害しないから、加圧室２０内におけるインクの流れをスムーズにすることができる。換言すれば、突条部３０，３３および支持柱４０は、インク流通方向２１に関する圧力損失を低減した流路構造を提供しつつ、振動膜５をインク流通方向２１の中間部において支持する構造となっている。

図１３は、この発明の第５の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの加圧室２０および圧電素子６の配置を説明するための図解的な平面図である。図１３において、図２に示された各部の対応部分には同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、完全には分離されておらず、作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃよりも幅狭の細線部５０によって互いに結合されている。細線部５０は、圧電体膜８を上部電極９および下部電極７で挟んだ構造を有している。細線部５０は、この実施形態では、幅方向２２に蛇行する蛇行形状に形成されていて、振動膜５の撓み変形を阻害しないようになっている。細線部５０は、十分に細く形成されているので、主変形領域５Ｍにおける振動膜５の変形を阻害することはない。この構造による利益は、複数の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの圧電体膜８に対して等しい駆動電圧を印加することができることである。また、複数の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの上部電極９が連続しているので、上部電極９に関する配線構造を簡単にすることができる。

図１４は、この発明の第６の実施形態を説明するための断面図であり、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う縦断面が示されている。図１４において、図１に示された各部に対応する部分には同一参照符号を付す。
この実施形態では、第１の実施形態と同様に、加圧室２０のインク流通方向２１に沿う一対の側部に掛け渡された梁部材５３が設けられている。ただし、梁部材５３は、その長手方向（幅方向２２に平行な方向）に垂直な断面において下方側が半円形に形成されている。第１の実施形態における梁部材２３は、断面が矩形であり、加圧室２０に臨む部分に角部を有している。そのため、加圧室２０内のインクの流れを阻害するおそれがある。それに対して、この実施形態における梁部材５３は、加圧室２０に臨む部分が湾曲面となっているので、加圧室２０内におけるスムーズなインクの流れを保証することができる。これにより、インク吐出性能を一層向上することができる。

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、第１および第６の実施形態においては、梁部材２３，５３がインク流通方向２１に直交する直線状である例を示したが、インク流通方向２１に対して斜めに交差するように梁部材２３，５３を配置してもよいし、梁部材２３，５３を曲線状に形成してもよい。

また、中間支持部材としての梁部材２３，５３、突条部３３、または支持柱４０は、シリコン基板２と同じ材料、すなわちシリコンで構成されていてもよいし、シリコン基板２とは異なる材料（たとえば絶縁膜）で構成されていてもよい。
さらに、中間支持部材として、梁部材、突条部および支持柱のうちの２種または３種を組み合わせて用いてもよい。

また、前述の実施形態では、中間支持部材（梁部材２３，５３、突条部３３、または支持柱４０）によって振動膜５がインク流通方向２１に関して３つの領域に区分され、各領域に圧電素子６の作動部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃが配置された構成を示した。しかし、これは一例にすぎず、中間支持部材は、インク流通方向２１に関して振動膜５を２つまたは４つ以上の領域に区分するように、一つまたは複数個設けられてもよい。この場合に、加圧室２０の端部からインク流通方向２１に沿って加圧室２０の幅の８倍以上の間隔を開けて中間支持部材の支持縁部を配置することが好ましい。また、複数の中間支持部材がインク流通方向２１に沿って間隔を開けて配置されるときは、その間隔は、加圧室２０の幅の８倍以上とすることが好ましい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ インクジェットプリントヘッド
２ シリコン基板（半導体基板）
３ ノズル形成領域
４ 駆動回路
５ 振動膜
５Ｍ 主変形領域
６ 圧電素子
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 作動部分
６ａ，６ｂ，６ｃ 素子縁部
７ 下部電極
８ 圧電体膜
９ 上部電極
２０ 加圧室（インク流路）
２０ａ 内縁
２０ｂ 両端縁
２１ インク流通方向
２２ 幅方向
２３ 梁部材
２３ａ 支持縁部
２５ 区画壁
２６ 側面
３０ 突条部
３０ａ 支持縁部
３３ 突条部
３３ａ 支持縁部
４０ 支持柱
４０ａ 支持縁部
５０ 細線部
５３ 梁部材

Claims (12)

1. インク流通方向に延びたインク流路と、
   前記インク流路を区画し、前記インク流路の容積を変化させるように変形する振動膜と、
   前記インク流通方向両端部および前記インク流通方向に沿う両側部において前記振動膜の縁部を支持し、前記振動膜とともに前記インク流路を区画するインク流路形成部材と、
   前記振動膜の前記インク流路とは反対側の表面に接して形成された圧電素子と、
   前記インク流路の前記インク流通方向に関する途中位置において、前記インク流通方向と交差するように前記振動膜に沿って延びた支持縁部を有し、この支持縁部において前記振動膜に接して、当該振動膜を支持する中間支持部材とを含む、インクジェットプリントヘッド。
2. 前記圧電素子が、前記振動膜の縁部および前記中間支持部材の支持縁部から間隔を開けて配置された素子縁部を有する、請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記中間支持部材が、前記インク流路形成部材の両側部間に架け渡された梁部材を含む、請求項１または２に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記梁部材が、前記インク流通方向に所定の間隔を開けて、前記インク流路の両端の間に複数個配置されている、請求項３に記載のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記中間支持部材が、前記インク流路形成部材の前記インク流路に沿う側面から前記インク流路に向かって突出した突条部を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
6. 前記突条部が、前記インク流路形成部材の前記インク流通方向に沿う一対の側面からそれぞれ突出した少なくとも一対の突条部を含む、請求項５に記載のインクジェットプリントヘッド。
7. 前記一対の突条部が、前記インク流通方向と直交する方向に対向して配置されている、請求項６に記載のインクジェットプリントヘッド。
8. 前記一対の突条部が、前記インク流通方向に関してずらされて配置されている、請求項６に記載のインクジェットプリントヘッド。
9. 前記中間支持部材が前記インク流路形成部材の前記インク流通方向に沿う側面から離れた前記支持縁部を有する支持柱を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
10. 前記中間支持部材の前記インク流路に露出している表面が湾曲面である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
11. 前記圧電素子が、前記インク流通方向に関して前記中間支持部材を挟んで複数の作動部分に分割されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
12. 前記複数の作動部分が、当該作動部分よりも幅狭の細線部によって互いに接続されている、請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッド。

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