JP2014177016A

JP2014177016A - 液滴吐出ヘッド及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2014177016A
Application number: JP2013052085A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Nonoyama; 裕介野々山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-25

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_３Ｎ_４とＳｉＯ_２との積層の場合は、引っ張り応力となるＳｉ_３Ｎ_４と圧縮応力となるＳｉＯ_２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_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、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_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３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_２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_３（ニッケル酸ランタン）、ＳｒＲｕＯ_３（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_３，ＳｒＲｕＯ_３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_２Ｏ_３）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_２、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（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）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

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。
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。
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。
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。