JP2014177016A - 液滴吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】吐出効率を維持しながら、振動板における振動部と非振動部の境界で発生する圧電素子のクラックを抑制できる。
【解決手段】少なくとも個別電極配線115又は上部電極膜113を覆いながら形成され、かつ振動板103においての隔壁124との接合部分である非振動部から個別液室側の振動部に向かって延在する第2絶縁膜122を備え、個別液室110の中央部分側の第2絶縁膜122における端部は、少なくとも、非振動部と振動部との境界から個別液室側に位置している。
【選択図】図8

Description

本発明は、ノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出ヘッド及び該液滴吐出ヘッドを搭載して記録液剤を媒体上に吐出して画像を形成する画像形成装置に関するものである。
この種の液滴吐出ヘッドは、例えば、複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の画像形成装置の記録ヘッドとして用いられる。ここでいう画像形成装置は、記録材上に画像を形成するものであるが、その記録材の材質は紙に限定されるものではなく、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等のあらゆる記録材に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を記録材に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を記録材に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、液滴として吐出される液体は、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる。
液滴吐出ヘッドとしては、例えば、特許文献1に記載されているように、ノズルに連通した圧力発生室と、圧力発生室内を昇圧させる昇圧手段と、圧力発生室に連通する共通液室とを備えた構成が知られている。昇圧手段としては、例えば、圧力発生室にアクチュエータを設置し、アクチュエータを変形させて圧力発生室内を昇圧させるアクチュエータ方式がある。このアクチュエータ方式には、アクチュエータの種類により圧電素子方式、静電方式などが挙げられる。
図13は、上記特許文献1に記載の液滴吐出ヘッドにおける圧力発生室の長手方向の縦断面図である。この特許文献1においては、圧力発生室を昇圧させる昇圧手段として、振動板を圧電的に振動させる圧電方式のアクチュエータを用いたものである。図13に示すように液滴吐出ヘッド300は、ノズル303に連通する圧力発生室301の一部を構成する振動板302を備えている。また、振動板302の圧力発生室側と反対側の表面には、共通電極膜304、圧電体膜305及び個別電極膜306からなる圧電素子307が形成されている。この圧電素子307を外部から保護するために、圧電素子307の全体は薄膜構造体である絶縁体層308で覆われている。この絶縁体層308には、個別電極306にリード配線309を電気的に接続させるための貫通穴であるコンタクトホール310が設けられている。更に、個別電極膜306はその一端が駆動IC(不図示)とリード配線309で接続されており、駆動ICから駆動信号が供給されるようになっている。圧力発生室301は、液室形成基板311をエッチングすることで形成され、封止板312の一部に設けられたインク導入口313を介して共通液室314と連通している。この共通液室314は周壁315で囲まれて形成され、図示していないインクタンクと連通するインク供給口316が共通液室314の一部を構成する測板317に設けられている。
しかしながら、上記特許文献1に記載の液滴吐出ヘッド300においては、次の課題を有する。すなわち、上記特許文献1に記載の液滴吐出ヘッド300においては、共通電極膜304、圧電体膜305及び個別電極膜306を薄膜形成技術でそれぞれ形成した圧電素子307は非常に薄く、成膜による残留応力が存在するため、クラックが生じやすくなるという課題がある。また、圧電素子307が振動板302における振動部と非振動部を跨ぐ構成のとき、図13中に点線で囲んだ振動部と非振動部との境界箇所318では、振動板の振動に伴う応力が集中し、その応力が圧電素子に対しても作用してクラックが発生しやすくなる。これを避けるために、圧電素子307全体を振動部側に配置すると、個別電極膜306とリード配線309を繋ぐコンタクトホール310を振動部上に配置することになり、リード配線309の剛性が振動部の振動変位を阻害することになる。この結果、吐出効率が低下してしまう虞がある。
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、吐出効率を維持しながら、振動板における振動部と非振動部の境界で発生する圧電素子のクラックを抑制できる液滴吐出ヘッド及び画像形成装置を提供することである。
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、ノズルを設けたノズル板と、隔壁によって区画された圧力発生室の一部を構成する振動板と、該振動板の前記圧力発生室側と反対側の面に、下部電極膜、圧電体膜及び上部電極膜の順で積層した構造で構成される圧電素子と、該圧電素子の変形によって振動板を介して前記圧力発生室を昇圧させる駆動信号を前記圧電素子に供給するように前記上部電極膜に電気的に接続する配線とを備え、前記圧電素子が前記振動板における振動部と非振動部を跨ぐように配置されている液滴吐出ヘッドにおいて、前記上部電極膜上に形成され、かつ前記振動板においての前記隔壁との接合部分である非振動部から前記圧力発生室側の振動部に向かって延在する薄膜構造体を備え、前記圧力発生室の中央部分側の前記薄膜構造体における端部は、少なくとも、前記非振動部と前記振動部との境界から前記圧力発生室側に位置していることを特徴とするものである。
本発明によれば、圧力発生室の中央部分側の薄膜構造体における端部が非振動部と振動部との境界から圧力発生室側に位置している。すなわち、薄膜構造体は、振動部と非振動部との境界を跨いでいる。このように薄膜構造体が上部電極膜上に形成されている領域では、薄膜構造体の剛性によって、圧電素子において圧力発生室側の面と対向する反対側の面の変形を規制している。これにより、振動部と非振動部との境界における圧電素子は変形し難くなり、振動部と非振動部との境界に作用する応力は減る。また、圧力発生室の中央部分側の薄膜構造体における端部の位置を、振動板の変位阻害が最小にすることができる位置に調整することで、吐出効率に及ぼす影響を最小限に抑えることができる。よって、吐出効率を維持しながら、振動板における振動部と非振動部の境界で発生する圧電素子のクラックを抑制できるという特有な効果が得られる。
インクジェット記録装置の機構部の全体構成を説明する概略図である。 インクジェット記録装置の機構部の要部平面図である。 インクジェット記録装置の別の機構部全体の概略構成図である。 本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの一実施形態であるインクジェット記録ヘッドの斜視図及び一部断面図である。 図4のY−Y’線断面図である。 図4の平面図である。 図4X−X’線断面図である。 本実施形態における圧電素子の端部、個別液室の端部及び第2絶縁膜の端部の位置関係を説明する長手方向断面図である。 従来の圧電素子の端部、個別液室の端部及び第2絶縁膜の端部の位置関係を説明する長手方向断面図である。 薄膜構造体の端部の位置と、振動板の振動部と非振動部との境界の箇所の応力との関係を示す特性図である。 本実施形態の変形例1を示す平面図である。 本実施形態の変形例2を示す平面図である。 特許文献1に記載の液滴吐出ヘッドにおける圧力発生室の長手方向の断面構造を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを備える画像形成装置の一例としてのインクジェット記録装置の構成例について説明する。
図1はインクジェット記録装置の機構部の全体構成を説明する概略図であり、図2は機構部の要部平面図である。
このインクジェット記録装置はシリアル型のインクジェット記録装置であり、左右の側板221A、221Bに横架したガイド部材である主ガイドロッド231、従ガイドロッド232でキャリッジ233を主走査方向に摺動自在に保持する。そして、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して図2中の矢示方向(キャリッジ主走査方向)に移動走査する。このキャリッジ233には、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色のインク滴を吐出するための液体吐出ヘッドのユニットが装着されている。この液滴吐出ヘッドのユニットは、記録ヘッド234を複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けている。記録ヘッド234は、それぞれ2つのノズル列を有する液体吐出ヘッド234a、234bを1つのベース部材に取り付けて構成している。そして、一方のヘッド234aの一方のノズル列はブラック(K)の液滴を、他方のノズル列はシアン(C)の液滴を、他方のヘッド234bの一方のノズル列はマゼンタ(M)の液滴を、他方のノズル列はイエロー(Y)の液滴を、それぞれ吐出する。ここでは2ヘッド構成で4色の液滴を吐出する構成としているが、各色毎の液体吐出ヘッドを備えることもできる。また、キャリッジ233には、記録ヘッド234のノズル列に対応して各色のインクを供給するためのサブタンク235a、235b(区別しないときは「サブタンク235」という。)を搭載している。このサブタンク235には各色の供給チューブ236を介して、供給ユニット224によって各色のインクカートリッジ210から各色のインクが補充供給される。
一方、給紙トレイ202の用紙積載部(圧板)241上に積載した用紙242を給紙するための給紙部として、用紙積載部241から用紙242を1枚ずつ分離給送する半月コロ(給紙コロ)243及び給紙コロ243に対向している。そして、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド244を備え、この分離パッド244は給紙コロ243側に付勢されている。この給紙部から給紙された用紙242が記録ヘッド234の下方側に送り込まれる。このために、用紙242を案内するガイド部材245と、カウンタローラ246と、搬送ガイド部材247と、先端加圧コロ249を有する押さえ部材248とが備わっている。また、給送された用紙242を静電吸着して記録ヘッド234に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト251を備えている。この搬送ベルト251は、無端状ベルトであり、搬送ローラ252とテンションローラ253との間に掛け渡されて、ベルト搬送方向(副走査方向)に周回するように構成している。
また、この搬送ベルト251の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ256を備えている。この帯電ローラ256は、搬送ベルト251の表層に接触し、搬送ベルト251の回動に従動して回転するように配置されている。この搬送ベルト251は、図示しない副走査モータによってタイミングを介して搬送ローラ252が回転駆動されることによってベルト搬送方向に周回移動する。さらに、記録ヘッド234で記録された用紙242を排紙するための排紙部として、搬送ベルト251から用紙242を分離するための分離爪261と、排紙ローラ262及び排紙コロ263とを備えている。そして、排紙ローラ262の下方には排紙トレイ203が備わっている。
また、装置本体の背面部には両面ユニット271が着脱自在に装着されている。この両面ユニット271は搬送ベルト251の逆方向回転で戻される用紙242を取り込んで反転させて、再度、カウンタローラ246と搬送ベルト251との間に給紙する。また、この両面ユニット271の上面は手差しトレイ272としている。さらに、キャリッジ233の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド234のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構281を配置している。この維持回復機構281には、記録ヘッド234の各ノズル面をキャピングするための各キャップ部材(以下「キャップ」という。)282a、282b(区別しないときは「キャップ282」という。)と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード283と、増粘したインクを排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け284などを備えている。
また、キャリッジ233の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘したインクを排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け288を配置している。そして、この空吐出受け288には記録ヘッド234のノズル列方向に沿った開口部289などを備えている。このように構成したこの画像形成装置においては、給紙トレイ202から用紙242が1枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙242はガイド部材245で案内される。そして、搬送ベルト251とカウンタローラ246との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド237で案内されて先端加圧コロ249で搬送ベルト251に押し付けられ、略90°搬送方向を転換される。このとき、帯電ローラ256に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加される。この場合、搬送ベルト251が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト251上に用紙242が給送されると、用紙242が搬送ベルト251に吸着され、搬送ベルト251の周回移動によって用紙242が副走査方向に搬送される。そこで、キャリッジ233を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド234を駆動することにより、停止している用紙242にインク滴を吐出して1行分を記録し、用紙242を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙242の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙242を排紙トレイ203に排紙する。このように、この画像形成装置では本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えているので、信頼性の高い安定した滴吐出を行うことができて、高速で、かつ高画質な画像を形成することができる。
次に、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを備える画像形成装置の一例としてのインクジェット記録装置の他の構成例について説明する。図3は本インクジェット記録装置の別の機構部全体の概略構成図である。このインクジェット記録装置はライン型のインクジェット記録装置であり、装置本体401の内部に画像形成部402等を有し、装置本体401の下方側に多数枚の記録媒体(用紙)403を積載可能な給紙トレイ404を備えている。この給紙トレイ404から給紙される用紙403を取り込み、搬送機構405によって用紙403を搬送しながら画像形成部402によって所要の画像を記録する。その後、装置本体401の側方に装着された排紙トレイ406に用紙403を排紙する。また、装置本体401に対して着脱可能な両面ユニット407を備えている。両面印刷を行うときには、一面(表面)印刷終了後、搬送機構405によって用紙403を逆方向に搬送しながら両面ユニット407内に取り込む。そして、反転させて他面(裏面)を印刷可能面として再度搬送機構405に送り込み、他面(裏面)印刷終了後排紙トレイ406に用紙403を排紙する。ここで、画像形成部402は、例えばブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の各色の液滴を吐出する、フルライン型の4個の本発明に係る液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッド411k、411c、411m、411y(色を区別しないときには「記録ヘッド411」という。)を備える。各記録ヘッド411は液滴を吐出するノズルを形成したノズル面を下方に向けてヘッドホルダ413に装着している。
また、各記録ヘッド411に対応して記録ヘッドの性能を維持回復するための維持回復機構412k、412c、412m、412y(色を区別しないときには「維持回復機構412」という。)を備えている。パージ処理、ワイピング処理などのヘッドの性能維持動作時には、記録ヘッド411と維持回復機構412とを相対的に移動させて、記録ヘッド411のノズル面に維持回復機構412を構成するキャッピング部材などを対向させる。ここでは、記録ヘッド411は、用紙搬送方向上流側から、ブランク、シアン、マゼンタ、イエローの順に各色の液滴を吐出する配置としているが、配置及び色数はこれに限るものではない。
更に、ライン型記録ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で設けた1又は複数の記録ヘッドを用いることもできる。また、記録ヘッドとこの記録ヘッドにインクを供給する記録液カートリッジを一体とすることも別体とすることもできる。給紙トレイ404の用紙403は、給紙コロ(半月コロ)421と図示しない分離パッドによって1枚ずつ分離され装置本体401内に給紙される。そして、搬送ガイド部材423のガイド面423aに沿ってレジストローラ425と搬送ベルト433との間に送り込まれ、所定のタイミングでガイド部材426を介して搬送機構405の搬送ベルト433に送り込まれる。
また、搬送ガイド部材423には両面ユニット407から送り出される用紙403を案内するガイド面423bも形成されている。更に、両面印刷時に搬送機構405から戻される用紙403を両面ユニット407に案内するガイド部材427も配置している。搬送機構405は、搬送ベルト433、帯電ローラ434、プラテン部材435及び押さえコロ436を有している。そして、搬送ベルト433は、駆動ローラである搬送ローラ431と従動ローラ432との間に掛け渡した無端状の搬送ベルトである。帯電ローラ434は、搬送ベルト433を帯電させるための帯電ローラである。プラテン部材435は、画像形成部402に対向する部分で搬送ベルト433の平面性を維持する部材である。押さえコロ436は、搬送ベルト433から送り出す用紙403を搬送ローラ431側に押し付けている。その他図示しないが、搬送ベルト433に付着したインクを除去するためのクリーニング手段である多孔質体などからなるクリーニングローラなども有している。この搬送機構405の下流側には、画像が記録された用紙403を排紙トレイ406に送り出すための排紙ローラ438及び拍車439を備えている。
このように構成したインクジェット記録装置において、搬送ベルト433は矢示方向に周回移動し、高電位の印加電圧が印加される帯電ローラ434と接触することで帯電される。そして、この高電位に帯電した搬送ベルト433上に用紙403が給送されると、用紙403は搬送ベルト433に静電的に吸着される。このようにして、搬送ベルト433に強力に吸着した用紙403は反りや凹凸が校正され、高度に平らな面が形成される。そして、搬送ベルト433を周回させて用紙403を移動させ、記録ヘッド411から液滴を吐出する。これにより、用紙403上に所要の画像が形成され、画像が記録された用紙403は排紙ローラ438によって排紙トレイ406に排紙される。
このように、このインクジェット記録装置においては、後述するように共通電極の低抵抗化及び層間剥離の抑制により、液滴吐出の均一性を向上させることが可能となる。上記実施形態では本発明に係る液滴吐出ヘッドをインクジェット記録ヘッドに適用したが、インク以外の液体の滴、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッド、遺伝子分析試料を吐出する液滴吐出ヘッドなどにも適用することできる。
次に、本実施形態の液滴吐出ヘッドの構成について説明する。
図4は本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの一実施形態であるインクジェット記録ヘッドの斜視図及び一部断面図である。図5は図4のY−Y’線断面図である。図6は図4の平面図、図7は図4X−X’線断面図である。インクジェット記録ヘッド100は、インク液滴をノズル基板101の面部に設けたノズル102から吐出させるサイドシューター方式のインクジェット記録ヘッドである。インクの系統は4つに分かれており、4色のインクを1つのヘッドから吐出が可能な4色一体型ヘッドである。インクジェット記録ヘッド100は、振動板103を上部に積層した個別液室基板104の下面にノズル基板101を接合し、個別液室基板104の上部に保持基板105、共通液室基板106を積層した積層構造に、インク流路を形成することで構成されている。ノズル102から吐出されるインクは、先ず、インクタンク(図示せず)から連通する共通液室107から、インク供給口108、インク導入路109及びインク供給路111を介して、個別液室110に供給される。なお、インク供給口108は、保持基板105に設けられ、インク導入口109は個別液室基板104に開口されている。インク供給口111は、インク導入路109から個別液室110まで連通する供給路である。また、個別液室110の振動板103上に形成される圧電素子112を駆動することで生じる圧力により個別液室110に連通するノズル102から吐出されるものである。
なお、圧電素子112は上部電極(個別電極)113、下部電極(共通電極)114からそれぞれ個別電極配線115、共通電極配線116を用いて引き出されて駆動IC117と接続されている。また、駆動IC117は、図示しない駆動電圧制御部から供給された電圧を、印字パターンをもとに圧電素子112に選択的に供給して、圧電素子112を制御するものである。以下、各部の構成例について説明する。
[ノズル基板]
ノズル基板101は、インク吐出用のノズル102が複数列(例えば、4列)配列されている基板である。ノズル基板101の材料は、所望の剛性や加工性に応じて種々選択可能である。例えば、SUS(Steel Use Stainless)、ニッケル等の金属または合金や、シリコン、セラミックス等の無機材料、ポリイミド等の樹脂材料を用いることができる。なお、ノズル102の加工方法は、ノズル基板101の材料特性や要求される精度、加工性から最適な方法を選択すればよく、例えば、電鋳めっき法、エッチング法、プレス加工法、レーザ加工法、フォトリソグラフィ法等によればよい。また、ノズル102の開口径、ノズル配列数、配列密度等についても、インクジェット記録ヘッド100に要求される仕様に合わせて所望の組み合わせを設定すればよい。
[個別液室基板]
個別液室基板104には、個別液室110、インク導入路109、インク導入路109から個別液室110への流体抵抗部118を備えるインク供給路、が形成される。個別液室110はノズル基板101と接合する面に配置され、保持基板105と接合する側の面に圧電素子112、個別電極配線115、個別電極パッド119、共通電極配線116、共通電極パッド120が配置される。また、個別電極配線115及び共通電極配線116を覆うように第1絶縁膜121が設けられ、圧電素子112の全面もしくは一部を覆うように薄膜構造体である第2絶縁膜122が設けられている。
図8は、本実施形態における圧電素子の端部、個別液室の端部及び第2絶縁膜の端部の位置関係を説明する長手方向断面図である。同図に示すように、個別液室110と同時に形成される振動板の振動部と非振動部との境界に対して、振動部側に第2絶縁膜122の端部を配置し、非振動部側に圧電素子112の端部を配置している。図9に示すように、第2絶縁膜122が、振動部と非振動部とにおける圧電素子(点A)の応力集中を効率的に緩和するため、圧電素子のクラックを防止できる。また、個別液室110の端部から第2絶縁膜122の端部までの距離は、圧電素子112のクラックの防止に効果があり、かつ変位阻害が最小になるようにすれば良い。例えば、5〜50[μm]程度が好ましい。個別液室基板104の材料は、所望の加工性、物性から種々選択可能であるが、例えば、300[dpi](約85[μm]ピッチ)以上ではフォトリソグラフィ法を用いることができるシリコン基板を用いることが好ましい。個別液室110の加工は、例えば、ウェットエッチング法、ドライエッチング法等を用いることができる。これにより、振動板103の個別液室110側を二酸化シリコン膜等としてエッチストップ層とすることができるため、液室高さを高精度に制御することができる。
個別液室110は、ノズル102に対応する位置に設けられてインクに圧力を加え、ノズル102からインク液滴を吐出させるものである。個別液室110の上部には振動板103が形成され、振動板103上には、下部電極114、圧電体123、上部電極113が積層され、圧電素子112が形成される。振動板103としては、例えば、シリコンや窒化物、酸化物、炭化物等の剛性の高い材料を用いることが好ましい。また、これらの材料の積層構造としても良い。積層膜とする場合は、それぞれの材料の内部応力を考慮し、残留応力が少ない構成とすることが好ましい。例えば、SiとSiOとの積層の場合は、引っ張り応力となるSiと圧縮応力となるSiOを交互に積層し、応力を緩和することができる。
また、振動板103の厚さは、所望の特性に応じて選択可能であるが、例えば、0.5[μm]〜10[μm]の範囲が好ましく、さらに好ましくは1.0[μm]〜5.0[μm]の範囲である。振動板103が薄すぎる場合、クラック等により振動板103が破損しやすくなり、厚すぎる場合は変位量が小さくなり吐出効率が低下するためである。また、薄すぎる場合は、振動板103の固有振動数が低下し、駆動周波数が高められないことに繋がる。
下部電極114及び上部電極113としては、導電性材料を用いることができる。例えば、金属、合金、導電性化合物等である。また、単層膜でも積層膜でも良い。なお、圧電体123と反応したり、拡散したりしない材料とする必要がある。また、圧電体123、振動板103との密着性を考慮し、密着層を形成することも好ましい。下部電極114及び上部電極113の例としては、例えば、Pt、Ir、Ir酸化物、Pd、Pd酸化物等が安定性の高い材料として挙げられる。また、振動板103との密着層としては、Ti、Ta、W、Cr等を用いることができる。
圧電体123としては、圧電性を示す強誘電体材料を用いることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムを用いることができる。圧電体123の成膜方法は、特に限られるものではないが、例えば、スパッタリング法、ゾルゲル法等によることができる。なお、成膜温度の低さからゾルゲル法が好ましい。また、上部電極113及び圧電体123は、個別液室110ごとにパターニングされる。パターニングは、通常のフォトリソグラフィ法を用いることができる。なお、圧電体123の成膜をゾルゲル法にて行う場合は、スピンコーティング法や印刷法を用いることとしても良い。
また、個別液室基板104には、個別液室110に連通するインク供給路12が形成される。インク供給路111は共通液室107から個別液室110にインクを供給する機能を有すると同時に、圧電素子112を駆動することにより個別液室110に発生する圧力により、インクの逆流を防止しノズル102から吐出させる機能を有する。そのため、個別液室110のインク流動方向の断面積を小さくし、流体抵抗を高くする必要がある。個別液室基板104にシリコン基板を用い、個別液室110とインク供給路111とをフォトリソグラフィ法(エッチング含む)を用いて形成することは、個別液室11と同一の条件で加工することができるため好ましい。
なお、インク供給路111の高さを個別液室110より低くすることで、流体抵抗を高めるためには、個別液室110のオーバーエッチング量を時間管理で制御する必要があるため、エッチングレートのばらつきにより、流体抵抗を均一にすることができない。その結果、インクの吐出均一性が悪化する。インク供給路111は、振動板103が開口するインク導入路109及びインク供給口108を通じて共通液室107に連通している。
個別液室110は、図5に示す図4のY−Y’線断面図における手前方向から奥方向に、個別液室基板隔壁124を介して配列されている(図7参照)。個別液室110は個別液室基板隔壁124により区画されており、それぞれに対応する圧電素子112が形成される。なお、個別液室110の高さはヘッド特性に応じて任意に選択可能であるが、例えば、20〜100[μm]の範囲とすることが好ましい。また、個別液室基板隔壁124は、配列密度に合わせて任意に設定することが可能であるが、隔壁幅は、例えば、10〜30[μm]とすることが好ましい。なお、隔壁幅が狭い場合、隣接する個別液室110の圧電素子112を駆動した場合に隣接液室間の相互干渉が発生し、インクの吐出のばらつきが大きくなるおそれがある。隔壁幅を狭くすることが必要な場合は、液室高さを低くすることが好ましい。なお、個別液室の平面形状は長方形に限ったものではなく、図11のような楕円形や、図12のようなひし形などの形状でもよい。
[電極配線]
配列した圧電素子112に駆動信号を入力するために、上部電極113から個別電極配線115を引き出し、下部電極114から共通電極配線116を引き出す構成となっている。配列する上部電極113から個別電極配線115を介して個別電極パッド119まで引き出される。下部電極114は個別電極パッド119と反対側のインク導入路109の手前のインク供給路上にまで延伸され、下部電極114と導通する共通電極配線116を介して共通電極パッド120まで引き出される。
なお、下部電極114と共通電極配線116との間には、第1絶縁膜121が形成され、第1絶縁膜121に開けられたコンタクトホール125を介して電気的に接続されている。同様に、上部電極113と個別電極配線115との間には、第1絶縁膜121が形成され、第1絶縁膜121に開けられたコンタクトホール125を介して電気的に接続されている。また、共通電極パッド120、個別電極パッド119は、駆動IC117に接続される。なお、個別電極配線115と共通電極配線116とは同一材料、同一工程で形成することが好ましい。電極材料としては、抵抗値の低い金属、合金、導電性材料を用いることができる。また、上部電極113、下部電極114とコンタクト抵抗の低い材料を用いることが必要である。例えば、Al、Au、Ag、Pd、Ir、W、Ti、Ta、Cu、Crなどを用いることができる。
また、コンタクト抵抗を低減するために、これらの材料の積層構造としても良い。コンタクト抵抗を下げる材料として、導電性化合物を用いても良い。例えば、Ta、TiO、TiN、ZnO、In、SnO等の酸化物,窒化物及びその複合化合物を用いることができる。膜厚は特に限られるものではないが、例えば、1[μm]以下とすることが好ましい。また、成膜には真空成膜法等の膜厚均一性が高い成膜方法を用いることが好ましい。これらの電極は、保持基板105との接合面となるため、高さ均一性を確保できる膜厚、成膜方法とすることが必要である。個別電極配線115及び共通電極配線116を、保持基板105の外側まで引き出して個別電極パッド119及び共通電極パッド120を形成する。また、個別電極パッド119及び共通電極パッド120に駆動IC117からの信号を入力する配線(図示せず)を接続する。なお、配線の接続方法は、特に限られるものではないが、例えば、FPCを用いたACF接合、ハンダ接合や、ワイアボンディング法、駆動IC117の出力端子と直接接合するフリップチップ法等を用いることができる。各接合方式に合わせてパッドの材料、構造を選定すればよい。
[保持基板]
保持基板105は、個別液室基板104の剛性を確保するためにノズル基板101とは対向する側に接合される。保持基板105の材料は、特に限られるものではないが、個別液室基板104の反りを防止するために熱膨張係数の近い材料を選定することが好ましい。このため、例えば、ガラス、シリコンやSiO、ZrO、Al等のセラミクス材料とすることが好ましい。また、個別液室110に液体を供給するためのインク供給口108を有している。さらに、個別液室110に対向する領域に保持基板105の凹部が形成される。保持基板105の凹部は保持基板105の堀加工により形成された密閉された空間で、内部に圧電素子112が配置されて圧電素子112が変位可能な稼働領域を形成している。
[共通液室基板]
共通液室基板106には、共通液室107が形成され、マニホールド126から供給された液体をインク供給口108、インク導入路109、インク供給路111を介して個別液室110へ供給する。なお、共通液室基板106は、図4に示すように共通液室基板106a,106b,106cにより形成されている。また、共通液室基板106の少なくとも1つの面にはダンパーフィルム127が形成されており流体的な相互干渉の圧力を抑制する効果を有する。なお、補強板128は、ダンパーフィルム127の端部を固定するとともにダンパー機能箇所の可動域を確保する。
(製造方法)
上述したインクジェット記録ヘッド100の製造工程の一例について以下に説明する。
(第1工程)個別液室基板104上における振動板103を設ける以外の箇所に、マスクとしてのシリコン窒化膜をパターニングする。また、ポリシリコンとシリコン熱酸化膜形成手段(例えば、プラズマCVD法、パイロ酸化法等)によりポリシリコンとSiOの多層積層膜である振動板103を個別液室基板104上に形成する。
(第2工程)次に、薄膜形成手段(例えば、ゾルゲル法、スパッタ法等)により、例えばPt,Ti,LaNiO(ニッケル酸ランタン)、SrRuO(ストロンチウムルテニウムオキサイド)からなる下部電極114、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる圧電体123の層、例えばPt,LaNiO,SrRuOからなる上部電極113の層を順次形成する。
(第3工程)次に、フォトリソグラフィ法により上部電極113、圧電体123、下部電極114を順次パターニングし、圧電素子112を形成する。
(第4工程)次に、圧電素子112の放電防止のために第1絶縁膜121(例えば、Al)を全体に成膜した後、さらに、振動変位の妨げにならないように上部電極113上を避けて圧電体123の端部と下部電極114に、例えば、SiO、SiNからなる第2絶縁膜122を形成する。
(第5工程)所望の位置に個別液室基板104の凹部をフォトリソグラフィ法により形成する。なお、この工程は第4工程の絶縁膜の成膜工程の前でもよいし後でもよい。
(第6工程)アルミニウムからなる個別電極配線115を所望の箇所に形成する。
(第7工程)別途、次の手順で保持基板105を作成する。シリコン基板にリソエッチ法にて保持基板105の凹部を形成した後、さらに隔壁部分を加工することで保持基板105の凸部を形成する。
(第8工程)保持基板105に接着剤を塗布し、個別液室基板104の圧電素子面に接合する。
(第9工程)個別液室基板104の圧電素子形成面の反対側を所望の厚さまで研磨する。
(第10工程)個別液室基板104の圧電素子形成面の反対側をICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチングによりエッチングし、個別液室110、インク供給路111、インク導入路109となる凹部を形成する。別途SUSのプレス加工、研磨によるノズル102を形成しておいたノズル基板101を個別液室基板104の凹部形成側に接合する。
(第11工程)個別液室基板104の保持基板105との接合面側に設けた個別電極パッド119と共通電極パッド120に別途製作した駆動IC117をフリップチップ接合により実装する。
(第12工程)プレス加工、微細切削加工により形成した共通液室基板106に接液膜を成膜したのちに保持基板105に接合する。
(第13工程)ダンパーフィルム127を設けた補強板128を共通液室基板106に接合する。
以上の工程により、インクジェット記録ヘッド100を作製することができる。本実施形態によれば、圧電素子112、第2絶縁膜122、個別液室110の端部の位置関係は、リソグラフィ工程における、マスク開口の位置を調整することで容易に実現できる。
<第2実施形態>
上記第1実施形態において、薄膜構造体として、第1絶縁膜を用いたことのみ異なる。このようにすることにより、第1絶縁膜121が、振動部と非振動部における圧電素子部の応力集中を緩和するため、圧電素子のクラックを防止できる。上記第1実施形態及び第2実施形態のように薄膜構造体として、第1絶縁膜又は第2絶縁膜を用いることで、製造工程を追加することなく圧電素子のクラック防止を実現できる。その際、第1絶縁膜、第2絶縁膜のどちらを用いるかは、それぞれの絶縁膜の材料と厚さから決まる薄膜構造体としての剛性をもとに決めればよく、変位の阻害が小さくなる、剛性が低い方を選ぶと良い。
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様1)
少なくとも配線又は上部電極膜を覆いながら形成され、かつ振動板においての隔壁との接合部分である非振動部から圧力発生室側の振動部に向かって延在する薄膜構造体を備え、圧力発生室の中央部分側の薄膜構造体における端部は、少なくとも、非振動部と振動部との境界から圧力発生室側に位置している。これによれば、上記実施形態について説明したように、圧力発生室の中央部分側の薄膜構造体における端部が非振動部と振動部との境界から圧力発生室側に位置している。すなわち、薄膜構造体は、振動部と非振動部との境界を跨いでいる。このように薄膜構造体が上部電極膜上に形成されている領域では、薄膜構造体の剛性によって、圧電素子において圧力発生室側の面と対向する反対側の面の変形を規制している。これにより、振動部と非振動部との境界における圧電素子は変形し難くなり、振動部と非振動部との境界に作用する応力は減る。また、圧力発生室の中央部分側の薄膜構造体における端部の位置を、振動板の変位阻害が最小にすることができる位置に調整することで、吐出効率に及ぼす影響を最小限に抑えることができる。よって、吐出効率を維持しながら、振動板における振動部と非振動部の境界で発生する圧電素子のクラックを抑制できる。
(態様2)
(態様1)において、薄膜構造体は、圧電素子の表面を保護する第1絶縁体膜である。これによれば、上記実施形態について説明したように、工程を増やすことなく、圧電素子のクラックを防止できる。
(態様3)
(態様1)において、薄膜構造体は、配線の表面を保護する第2絶縁体膜である。これによれば、上記実施形態について説明したように、工程を増やすことなく、圧電素子のクラックを防止できる。
(態様4)
(態様1)〜(態様3)のいずれかの液滴吐出ヘッドを搭載して該液滴吐出ヘッドで記録液剤を媒体に吐出して画像形成を行う。これによれば、上記実施形態について説明したように、駆動ICの実装接合の信頼性と組立接合信頼性を確保した画像形成装置を提供できる。
100 インクジェット記録ヘッド
101 ノズル基板
102 ノズル
103 振動板
104 個別液室基板
105 保持基板
106 共通液室基板
106a 共通液室基板
106b 共通液室基板
106c 共通液室基板
107 共通液室
108 インク供給口
109 インク導入口
110 個別液室
111 インク供給路
112 圧電素子
113 上部電極
114 下部電極
115 個別電極配線
116 共通電極配線
117 駆動IC
118 流体抵抗部
119 個別電極パッド
120 共通電極パッド
121 第1絶縁膜
122 第2絶縁膜
123 圧電体
124 個別液室基板隔壁
125 コンタクトホール
126 マニホールド
127 ダンパーフィルム
128 補強板
特許第3414227号公報

Claims (4)

  1. ノズルを設けたノズル板と、隔壁によって区画された圧力発生室の一部を構成する振動板と、該振動板の前記圧力発生室側と反対側の面に、下部電極膜、圧電体膜及び上部電極膜の順で積層した構造で構成される圧電素子と、該圧電素子の変形によって振動板を介して前記圧力発生室を昇圧させる駆動信号を前記圧電素子に供給するように前記上部電極膜に電気的に接続する配線とを備え、前記圧電素子が前記振動板における振動部と非振動部を跨ぐように配置されている液滴吐出ヘッドにおいて、
    少なくとも前記配線又は前記上部電極膜を覆いながら形成され、かつ前記振動板においての前記隔壁との接合部分である非振動部から前記圧力発生室側の振動部に向かって延在する薄膜構造体を備え、前記圧力発生室の中央部分側の前記薄膜構造体における端部は、少なくとも、前記非振動部と前記振動部との境界から前記圧力発生室側に位置していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  2. 請求項1記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
    前記薄膜構造体は、前記圧電素子の表面を保護する第1絶縁体膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  3. 請求項1記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
    前記薄膜構造体は、前記配線の表面を保護する第2絶縁体膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを搭載して該液滴吐出ヘッドで記録液剤を媒体に吐出して画像形成を行うことを特徴とする画像形成装置。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006007549A (ja) * 2004-06-24 2006-01-12 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP2007118193A (ja) * 2005-10-24 2007-05-17 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP2011165916A (ja) * 2010-02-10 2011-08-25 Seiko Epson Corp アクチュエータ、液滴噴射ヘッド及びその製造方法、並びに液滴噴射装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006007549A (ja) * 2004-06-24 2006-01-12 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP2007118193A (ja) * 2005-10-24 2007-05-17 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP2011165916A (ja) * 2010-02-10 2011-08-25 Seiko Epson Corp アクチュエータ、液滴噴射ヘッド及びその製造方法、並びに液滴噴射装置

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