JP2019014183A - 圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電素子の変位を阻害することなく、液供給口の周囲の膜の破壊を抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、前記ノズルに連通する個別液室１２、１４、１５と、前記個別液室１２、１４、１５に連通する液供給室１３と、が形成された流路形成基板１０と、前記流路形成基板１０の前記個別液室１２、１４、１５と前記液供給室１３とに対応する位置に形成された振動板５０と、前記液供給室１３に形成された複数の液供給口１６と、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを含み、前記振動板５０の前記個別液室１２、１４、１５に対応する位置に形成された圧電素子３００と、を具備し、前記振動板５０の前記液供給室１３に対応する位置には、金属層５５が積層され、前記液供給口１６は、前記振動板５０と前記金属層５５とを貫通して設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子を有する圧電デバイス、圧電デバイスを有する液体噴射ヘッド及び液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置に関する。
液体噴射ヘッドの代表的な例であるインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電デバイスとしては、ノズルに連通する個別流路と、個別流路に連通する液供給室とが設けられた流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧電素子と、を具備するものがある。
このような圧電デバイスを有するインクジェット式記録ヘッドには、振動板に液供給室に連通する複数の液供給口を設けることで、振動板をフィルター化した構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３−９９３号公報
しかしながら、振動板に液供給口を形成する場合、振動板にインクの供給圧が印加されるため破壊されやすいという問題がある。
このため、特許文献１では、液供給口を形成する振動板を、多数の層を積層して形成することで振動板の内部応力を調整して振動板の破壊を抑制している。しかしながら、多数の層が積層されて振動板が厚くなることで、圧電素子の変形を阻害してしまい変位特性が低下してしまうという問題がある。
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスにおいても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の変位を阻害することなく、液供給口の周囲の膜の破壊を抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に連通する液供給室と、が形成された流路形成基板と、前記流路形成基板の前記個別液室と前記液供給室とに対応する位置に形成された振動板と、前記液供給室に形成された複数の液供給口と、第１電極と圧電体層と第２電極とを含み、前記振動板の前記個別液室に対応する位置に形成された圧電素子と、を具備し、前記振動板の前記液供給室に対応する位置には、金属層が積層され、前記液供給口は、前記振動板と前記金属層とを貫通して設けられていることを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、液供給口は振動板と金属層とを貫通して設けることで、液供給室に供給される液体の圧力によって液供給口の周囲の振動板及び金属層にクラック等の破壊が生じるのを抑制することができる。また、振動板や圧電素子の構成を変更することなく、液供給口の周囲の振動板及び金属層のクラック等の破壊を抑制することができるため、多数の層を積層して振動板が厚くなるのを抑制して、振動板が圧電素子の変位を阻害するのを抑制することができる。
ここで、前記金属層は、前記第１電極又は前記第２電極と同一材料で形成されていることが好ましい。これによれば、金属層を第１電極又は第２電極と同一材料で形成することで、種類の異なる材料が増大するのを抑制して、コストを低減することができる。
また、前記金属層は、前記第１電極又は前記第２電極と同一層で形成されていることが好ましい。これによれば、金属層を第１電極又は第２電極と同時に形成することができ、コストを低減することができる。
また、金属層は、記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続されていないことが好ましい。これによれば、第１電極及び第２電極が金属層を介して液体に電気的に接続されるのを抑制することができ、漏電による圧電素子の動作不良を抑制することができる。
また、前記振動板と前記金属層とは、前記液供給口の周方向に亘って連続して形成されていることが好ましい。これによれば、振動板と金属層とを液供給口の周囲に亘って連続して設けることで、液供給口の周囲の振動板及び金属層のクラック等の破壊をさらに抑制することができる。
また、本発明の他の態様は、上記態様の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電素子の変位を阻害することなく、供給口の周囲の膜の破壊を抑制した液体噴射ヘッドを実現できる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、圧電素子の変位を阻害することなく、供給口の周囲の膜の破壊を抑制した液体噴射装置を実現できる。
本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、各図において、Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向を第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ、及び第３の方向Ｚとして説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る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の分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′線断面図であり、図４は、図３の要部を拡大した図である。
図示するように、インクジェット式記録ヘッド１（以下、単に記録ヘッド１とも言う）を構成する流路形成基板１０は、ステンレス鋼やＮｉなどの金属、ＺｒＯ２あるいはＡｌ２Ｏ３を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３のような酸化物などを用いることができる。本実施形態では、流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなる。
この流路形成基板１０には、一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がインクを吐出する複数のノズル２１が並設される第１の方向Ｘに沿って並設されている。また、流路形成基板１０には、第２の方向Ｙにおける圧力発生室１２の一端側にインク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。すなわち、本実施形態では、流路形成基板１０には、各ノズル２１に連通する個別流路として、圧力発生室１２とインク供給路１４と連通路１５とが設けられている。
また、連通路１５の第２の方向Ｙにおける一端には、各圧力発生室１２の共通の液体室となる連通部１３が形成されている。本実施形態では、連通部１３が、個別流路にインクを供給する液供給室となっている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。
インク供給路１４は、第１の方向Ｘにおいて圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、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は、幅を絞る構成に限定されず、第３の方向Ｚの高さを絞るようにしてもよい。
流路形成基板１０の圧力発生室１２の開口する面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、振動板５０が形成されている。本実施形態では、振動板５０として、流路形成基板１０側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜５１と、弾性膜５１上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２と、を設けるようにした。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０をノズルプレート２０が接合された面側から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２のノズルプレート２０とは反対側の面は弾性膜５１によって画成されている。
なお、酸化シリコンからなる弾性膜５１は、例えば、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０を熱酸化することによって形成することができる。また、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２は、例えば、弾性膜５１上にスパッタリング法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５２を形成することができる。
このような振動板５０は、圧電素子３００に適した内部応力となるように、すなわち、圧電素子３００の内部応力に対して最適な内部応力となるように、圧縮応力にすることも、引っ張り応力にすることも可能である。本実施形態では、振動板５０の内部応力は引っ張り応力となっている。
また、本実施形態では、振動板５０として弾性膜５１と絶縁体膜５２とを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、振動板５０として弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。また、振動板５０として弾性膜５１及び絶縁体膜５２に加えてさらに別の膜を設けるようにしてもよい。なお、振動板５０の他の材料としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯＸ）などが挙げられる。すなわち、振動板５０としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯＸ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から選択される少なくとも１種の材料を単層又は積層したものを用いることができる。
また、流路形成基板１０の振動板５０上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とが成膜及びリソグラフィー法によって積層されて圧電素子３００を構成している。本実施形態では、圧電素子３００が圧力発生室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段となっている。ここで、圧電素子３００は、圧電アクチュエーターとも言い、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を複数の圧電素子３００に共通する共通電極とし、他方の電極を圧電素子３００毎に独立する個別電極として構成する。本実施形態では、第１電極６０を共通電極とし、第２電極８０を個別電極としているが、これを逆にしてもよい。
第１電極６０は、圧電体層７０を成膜する際に酸化せず、導電性を維持できる材料であり、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属、またはランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）などに代表される導電性酸化物、さらに、これらの積層膜が好適に用いられる。
また、第１電極６０として、前述の導電材料と、振動板５０との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。すなわち、本実施形態では、チタンからなる密着層と、上述した導電材料から選択される少なくとも一種の導電層とで第１電極６０が形成されている。
圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。圧電体層７０は、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法（気相法）などで形成することができる。
第２電極８０は、圧電体層７０との界面を良好に形成できること、導電性及び圧電特性
を発揮できる材料が望ましく、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の貴金属材料、及びランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）に代表される導電性酸化物が好適に用いられる。また、第２電極８０は、複数材料の積層であってもよい。本実施形態では、イリジウムとチタンとの積層電極（イリジウムが圧電体層７０と接する）を使用している。そして、第２電極８０は、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法（気相法）、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、メッキ法などの液相法により形成することができる。また、第２電極８０の形成後に、加熱処理を行うことにより、圧電体層７０の特性改善を行うことができる。
このような第２電極８０は、圧電体層７０上のみ、すなわち、圧電体層７０の流路形成基板１０とは反対側の表面上のみに形成されている。
また、圧電素子３００は、保護膜２００によって覆われている。保護膜２００としては、耐湿性を有する絶縁材料を用いることができる。本実施形態では、保護膜２００は、圧電体層７０の側面と第２電極８０の側面及び上面の周縁部を覆うように設けられている。すなわち、第２電極８０の上面の略中心領域である主要部は、保護膜２００が設けられておらず、第２電極８０の主要部を開口する開口部２０１が設けられている。
開口部２０１は、保護膜２００を厚さ方向である第３の方向Ｚに貫通して圧電素子３００の第２の方向Ｙに沿って矩形状に開口するものであり、例えば、流路形成基板１０上の全面に亘って保護膜２００を形成した後、パターニングすることで形成することができる。
このように圧電素子３００の圧電体層７０の側面を保護膜２００で覆うことにより、第１電極６０と第２電極８０との間で電流がリークするのを抑制して、圧電素子３００の破壊を抑制することができる。また、開口部２０１を設けることで、保護膜２００によって圧電素子３００の変位が著しく低下するのを抑制することができる。このような保護膜２００の材料としては、耐湿性を有する材料であればよく、無機絶縁材料や有機絶縁材料などを用いることができる。
保護膜２００として利用できる無機絶縁材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯＸ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯＸ）、酸化タンタル（ＴａＯＸ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）及び酸化チタン（ＴｉＯＸ）から選択される少なくとも一種が挙げられる。保護膜２００の無機絶縁材料としては、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いるのが好ましい。なお、無機絶縁材料からなる保護膜２００は、例えば、ＭＯＤ法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成することができる。
また、保護膜２００として利用できる有機絶縁材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂及びフッ素系樹脂から選択される少なくとも一種が挙げられる。なお、有機絶縁材料からなる保護膜２００は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法等により形成することができる。
この保護膜２００上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、保護膜２００に設けられた連通孔２０２を介して一端部が第２電極８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０のインク供給路１４とは反対側の端部まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子３００を駆動する駆動回路１２０と接続配線１２１を介して接続されている。
さらに、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、連通部１３にインクを供給するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接合されている。本実施形態では、流路形成基板１０と保護基板３０とを接着剤３５を用いて接合した。保護基板３０のマニホールド部３１は、複数の液供給口１６を介して連通部１３と連通され、マニホールド部３１からのインクは複数の液供給口１６を介して連通部１３に供給される。
ここで、流路形成基板１０には、マニホールド部３１の開口を含む領域に振動板５０と振動板５０上に設けられた金属層５５とが設けられている。なお、マニホールド部３１と連通部１３とは、略同じ開口を有する。すなわち、マニホールド部３１の連通部１３側の開口と、連通部１３のマニホールド部３１側の開口とは、略同じ面積を有する。そして、金属層５５は、マニホールド部３１の開口よりも若干広い面積で形成されており、第３の方向Ｚからの平面視において、マニホールド部３１の開口は金属層５５に内包されている。つまり、金属層５５は、第３の方向Ｚからの平面視において、マニホールド部３１の連通部１３側の開口と、連通部１３のマニホールド部３１側の開口とを内包する大きさで設けられている。
このような振動板５０及び金属層５５には、マニホールド部３１からのインクを連通部１３に供給するための複数の液供給口１６が設けられている。
液供給口１６は、マニホールド部３１の連通部１３側の開口よりも小さい開口を有し、少なくとも２つ以上の複数の液供給口１６が設けられている。ここで、複数の液供給口１６が設けられているとは、１つの連通部１３に対して２以上の液供給口１６が設けられていることを言う。例えば、流路形成基板１０に２以上の複数の連通部１３が設けられている場合、連通部１３の各々に対して複数の液供給口１６が設けられていればよい。つまり、振動板５０及び金属層５５に複数の液供給口１６が設けられているものの、１つの連通部１３に対して１つの液供給口１６が設けられたものは、本発明の「複数の供給口」には含まれない。そして、１つの連通部１３に対して２以上の複数の液供給口１６を設けることによって、連通部１３の保護基板３０側の開口には、振動板５０と金属層５５とが庇状に設けられていることになる。
このような液供給口１６は、振動板５０と金属層５５とを貫通して設けられている。ここで、液供給口１６が振動板５０と金属層５５とを貫通して設けられているとは、振動板５０と金属層５５とが、液供給口１６の周囲の少なくとも一部に設けられていることを言う。つまり、振動板５０と金属層５５とが、液供給口１６の周囲の少なくとも一部に設けられているとは、振動板５０と金属層５５とが、１つの液供給口１６の周方向に亘って不連続に設けられている構成も、振動板５０と金属層５５とが１つの液供給口１６の周方向に亘って連続して設けられている構成も含むものである。また、振動板５０と金属層５５とが液供給口１６の周囲の少なくとも一部に設けられているとは、振動板５０と金属層５５とが液供給口１６の開口縁部の一部を形成している構成、振動板５０と金属層５５とが互いに隣り合う液供給口１６の間の一部に形成されている構成、および、振動板５０と金属層５５とが液供給口１６と流路壁との間の一部に形成されている構成を含む。本実施形態では、振動板５０と金属層５５とは、液供給口１６の開口縁部に周方向に亘って連続して形成されている。
このような液供給口１６が貫通して設けられた金属層５５としては、インクに対して耐腐食性が高い材料が好ましく、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）等の貴金属を用いるのが好ましい。
また、金属層５５は、圧電素子３００を構成する電極、すなわち、第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で形成されているのが好ましい。すなわち、金属層５５は第１電極６０と同じ材料で形成されたものであってもよく、金属層５５は第２電極８０と同じ材料で形成されたものであってもよく、金属層５５は第１電極６０と同じ材料と第２電極８０と同じ材料とが積層又は合金化されたものであってもよい。このように金属層５５を第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で形成することで、種類の異なる材料が増大するのを抑制して、製造コストを低減することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と異なる材料で形成されていてもよい。
また、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と同一層で形成されているのが好ましい。すなわち、金属層５５は、第１電極６０と同一層で形成されたものであってもよく、金属層５５は第２電極８０と同一層で形成されたものであってもよく、金属層５５は第１電極６０の同一層と第２電極８０の同一層とが積層又は合金化されたものであってもよい。ここで、金属層５５が第１電極６０又は第２電極８０と同一層で形成されているとは、金属層５５が第１電極６０又は第２電極８０と同時に形成されたものを言う。つまり、金属層５５が第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で形成されていても、第１電極６０又は第２電極８０と別工程で形成されたものは、同一層には含まれない。このように、金属層５５を第１電極６０又は第２電極８０と同一層で形成することで、新たに金属層５５を形成する工程を増やすことなく、製造工程を簡略化することができる。したがって、製造コストを低減することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で、異なる製造工程で形成されていてもよい。
また、金属層５５は、第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続されていないことが好ましい。ここで、金属層５５が第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続されていないとは、金属層５５が第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続されることなく、非接続となるように設けられていることを言う。ちなみに、金属層５５が、第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続されていなければ、金属層５５が第１電極６０や第２電極８０に絶縁膜を介して積層されていてもよい。このように金属層５５を第１電極６０及び第２電極８０と電気的に非接続とすることで、第１電極６０及び第２電極８０が金属層５５を介してインクに電気的に接続されるのを抑制して、漏電による圧電素子３００の動作不良を抑制することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０及び第２電極８０の何れか一方と電気的に接続されていてもよい。
本実施形態では、金属層５５は、第１電極６０と同一材料で且つ同一層で形成され、第１電極６０及び第２電極８０とは電気的に接続することなく電気的に独立して設けられている。このように、金属層５５を第１電極６０と同一材料で且つ同一層で形成することで、新たに金属層５５を形成する工程を増やすことなく、製造工程を簡略化することができる。したがって、製造コストを低減することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０及び第２電極８０とは、異なる材料で形成してもよく、同じ材料であっても、第１電極６０及び第２電極８０とは異なる工程で製造するようにしてもよい。
また、金属層５５は、リード電極９０と同一材料で形成されていてもよい。また、金属層５５は、リード電極９０と同一層で形成されていてもよい。さらに、金属層５５は、リード電極９０と電気的に接続されることなく、電気的に独立して設けられているのが好ましい。すなわち、金属層５５は、圧電素子３００を構成する電極やその他の金属材料で形成された膜と同一材料で形成することでコストを低減することができる。また、金属層５５は、圧電素子３００を構成する電極やその他の金属材料で形成された膜と同一層で形成することで、製造工程を簡略化してコストを低減することができる。
また、金属層５５は、内部応力が圧縮応力であるのが好ましい。これは、本実施形態の振動板５０は、内部応力が引っ張り応力であるため、内部応力が圧縮応力となる金属層５５を設けることによって、振動板５０と金属層５５との内部応力を打ち消し合い、振動板５０と金属層５５とに反りが生じるのを抑制することができるためである。もちろん、金属層５５は、内部応力が引っ張り応力であってもよい。
このように複数の液供給口１６が設けられた振動板５０及び金属層５５は、マニホールド部３１から連通部１３にインクを供給する際に、インクに含まれる気泡やゴミなどの異物を捕捉するフィルターとして機能する。このようにフィルターとして機能する複数の液供給口１６が設けられた振動板５０及び金属層５５は、連通部１３の保護基板３０側の開口に庇状に設けられているため、マニホールド部３１から連通部１３に供給されるインクによって圧力が印加される際に流路形成基板１０に支持されない。しかしながら、振動板５０上に靱性の高い金属層５５を設けることによって連通部１３の開口に設けられた振動板５０及び金属層５５が撓み変形しても、振動板５０及び金属層５５にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。特に、本実施形態では、振動板５０と金属層５５とは、液供給口１６の周方向に亘って連続して形成されている。このように、振動板５０と金属層５５とを液供給口１６の周方向に亘って連続して設けることで、液供給口１６の周方向の全周に亘って振動板５０及び金属層５５のクラックをさらに抑制することができる。ちなみに、連通部１３とマニホールド部３１とが連通する領域に振動板５０のみを設け、振動板５０に液供給口１６を設けた場合、振動板５０の内部応力及びインクの圧力によって振動板５０にクラック等の破壊が発生してしまう。本実施形態では、連通部１３とマニホールド部３１とが連通する領域に振動板５０と金属層５５とを設けることによって振動板５０の内部応力及びインクの圧力によって振動板５０及び金属層５５にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。したがって、信頼性の高い記録ヘッド１を実現することができる。
また、本実施形態では、振動板５０上の液供給口１６を設ける領域のみに金属層５５を設けることで、振動板５０及び圧電素子３００の構成を変更することなく振動板５０及び金属層５５のクラックを抑制することができる。したがって、振動板５０を３層から１０層の多層構造で比較的厚く形成する必要がなく、振動板５０が圧電素子３００の変位を阻害するのを抑制することができる。
また、液供給口１６周りの振動板５０及び金属層５５の靱性が高いため、振動板５０及び金属層５５が連通部１３内の圧力変動によって変形してもクラックが生じ難い。したがって、液供給口１６周りの振動板５０及び金属層５５を連通部１３内の圧力変化によって変形させて、連通部１３内の圧力変動を吸収することができる。このため、詳しくは後述するコンプライアンス部を減少又は不要とすることも可能である。
なお、本実施形態では、圧力発生室１２等が設けられた流路形成基板１０と振動板５０と金属層５５と圧電素子３００とを合わせて圧電デバイスと称する。
一方、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３２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。なお、圧電素子保持部３２は、密封されていてもよいし密封されていなくてもよい。
このような保護基板３０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、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が設けられている。駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
さらに、保護基板３０のマニホールド部３１に対応する領域上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のマニホールド部３１に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド部３１の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されたコンプライアンス部となっている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッド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、マニホールド部３１からノズル２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０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第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、圧電素子３００及び振動板５０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２１からインクが吐出する。
以上説明したように、本実施形態では、インクを噴射する記録ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、ノズル２１に連通する個別液室である圧力発生室１２と、圧力発生室１２に連通する液供給室である連通部１３と、が形成された流路形成基板１０と、流路形成基板１０の圧力発生室１２と連通部１３とに対応する位置に形成された振動板５０と、連通部１３に形成された複数の液供給口１６と、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを含み、振動板５０の圧力発生室１２に対応する位置に形成された圧電素子３００と、を具備し、振動板５０の連通部１３に対応する位置には、金属層５５が積層され、液供給口１６は、振動板５０と金属層５５とを貫通して設けられている。このように、複数の液供給口１６を、振動板５０と金属層５５とに設けることで、金属層５５の靱性によって複数の液供給口１６周囲の振動板５０と金属層５５とにクラックが生じるのを抑制することができる。また、圧電素子３００や振動板５０の構成を変更することなく、複数の液供給口１６周りの振動板５０の破壊を抑制することができるため、振動板５０が圧電素子３００の変形を阻害するのを抑制して、圧電素子３００の変位低下を抑制することができる。
また、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で形成されていることが好ましい。本実施形態では、金属層５５は、第１電極６０と同一材料で形成されている。このように、金属層５５を第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で形成することにより、種類の異なる材料が増大するのを抑制して、製造コストを低減することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と異なる材料で形成されていてもよい。
また、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と同一層で形成されていることが好ましい。本実施形態では、金属層５５は、第１電極６０と同一層で形成されている。このように、金属層５５を第１電極６０又は第２電極８０と同一層で形成することにより、金属層５５を第１電極６０又は第２電極８０と同時に形成することができ、コストを低減することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０又は第２電極８０と同一材料で、異なる製造工程で形成されていてもよい。
また、金属層５５は、第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続されていないことが好ましい。これによれば、第１電極６０及び第２電極８０が金属層５５を介してインクに電気的に接続されるのを抑制して、漏電による圧電素子３００の動作不良を抑制することができる。もちろん、金属層５５は、第１電極６０及び第２電極８０の何れか一方と電気的に接続されていてもよい。
また、振動板５０と金属層５５とは、液供給口１６の周方向に亘って連続して形成されていることが好ましい。これによれば、振動板５０と金属層５５とを液供給口１６の周方向に亘って連続して設けることで、液供給口１６の周方向の全周に亘って振動板５０及び金属層５５のクラックをさらに抑制することができる。
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係る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の要部を拡大した断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図５に示すように、供給口が設けられた振動板５０上には、金属層５５として、第１金属層５５１と第２金属層５５２とが積層されている。
第１金属層５５１は、本実施形態では、圧電素子３００の第１電極６０と同一材料で、且つ同一層で形成されている。
第２金属層５５２は、本実施形態では、圧電素子３００の第２電極８０と同一材料で、且つ同一層で形成されている。
そして、第１金属層５５１と第２金属層５５２とを積層した金属層５５は、第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続することなく、電気的に独立して設けられている。
このように、第１金属層５５１と第２金属層５５２とを積層した金属層５５を設けることでも、振動板５０及び圧電素子３００の膜構成を変更することなく、液供給口１６が設けられた振動板５０及び金属層５５の破壊を抑制することができる。また、圧電素子３００や振動板５０の構成を変更することなく、複数の液供給口１６周りの振動板５０の破壊を抑制することができるため、振動板５０が圧電素子３００の変形を阻害するのを抑制して、圧電素子３００の変位低下を抑制することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
例えば、上述した各実施形態では、圧電素子３００を覆う保護膜２００は、液供給口１６の形成された領域に設けられていない構成を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、保護膜２００を液供給口１６が設けられた領域に設けるようにしてもよい。すなわち、マニホールド部３１と連通部１３との間の領域には、振動板５０と金属層５５と保護膜２００が積層され、これらを貫通して液供給口１６が設けられていてもよい。なお、保護膜２００の位置は特に限定されず、上述した実施形態１及び２のように金属層５５として第１電極６０又は第２電極８０と同一層で設けた場合には、振動板５０、金属層５５、保護膜２００の順で積層される。また、金属層５５としてリード電極９０と同一層で設けた場合には、保護膜２００は、金属層５５と振動板５０との間に配置される。
また、上述した各実施形態では、液供給室である連通部１３は、全ての個別流路に共通して連通するように設けたが、特にこれに限定されず、連通部１３は、個別流路毎に独立して設けられていてもよく、２以上の複数の個別流路で構成された群毎に連通するように設けられていてもよい。ただし、連通部１３を個別流路毎に設けた場合であっても、１つの連通部１３に対して２以上の液供給口１６が設けられていればよい。また、連通部１３を個別流路毎又は２以上の個別流路で構成される群毎に連通する場合には、液供給口１６によって流路抵抗が付与されるため、例えば、流路形成基板１０にインク供給路１４や連通路１５を設けないようにしてもよい。もちろん、上述した各実施形態においても、インク供給路１４及び連通路１５の少なくとも一方を設けないようにしてもよい。
また、上述した各実施形態では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子３００を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電素子や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子などを使用することができる。
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッド１は、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図６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６に示すインクジェット式記録装置Ｉにおいて、複数の記録ヘッド１は、インク供給手段を構成するインクカートリッジ２が着脱可能に設けられ、この記録ヘッド１を搭載したキャリッジ３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。
そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッド１を搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
なお、上述したインクジェット式記録装置Ｉでは、インク供給手段であるインクカートリッジ２がキャリッジ３に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等のインク供給手段を装置本体４に固定して、インク供給手段と記録ヘッド１とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、インク供給手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
また、上述したインクジェット式記録装置Ｉでは、記録ヘッド１がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド１が固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種のインクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、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（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも適用することができる。また、液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置Ｉを挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。
Ｉ…インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１…インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、２…インクカートリッジ、３…キャリッジ、４…装置本体、５…キャリッジ軸、６…駆動モーター、７…タイミングベルト、８…搬送ローラー、１０…流路形成基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室（個別流路）、１３…連通部（液供給室）、１４…インク供給路（個別流路）、１５…連通路（個別流路）、１６…液供給口、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、３０…保護基板、３１…マニホールド部、３２…圧電素子保持部、３５…接着剤、４０…コンプライアンス基板、４１…封止膜、４２…固定板、４３…開口部、５０…振動板、５１…弾性膜、５２…絶縁体膜、５５…金属層、６０…第１電極、７０…圧電体層、８０…第２電極、９０…リード電極、１２０…駆動回路、１２１…接続配線、２００…保護膜、２０１…開口部、２０２…連通孔、３００…圧電素子、５５１…第１金属層、５５２…第２金属層、Ｓ…記録シート、Ｘ…第１の方向、Ｙ…第２の方向、Ｚ…第３の方向

Claims (7)

  1. ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、
    前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に連通する液供給室と、が形成された流路形成基板と、
    前記流路形成基板の前記個別液室と前記液供給室とに対応する位置に形成された振動板と、
    前記液供給室に形成された複数の液供給口と、
    第１電極と圧電体層と第２電極とを含み、前記振動板の前記個別液室に対応する位置に形成された圧電素子と、
    を具備し、
    前記振動板の前記液供給室に対応する位置には、金属層が積層され、
    前記液供給口は、前記振動板と前記金属層とを貫通して設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
  2. 前記金属層は、前記第１電極又は前記第２電極と同一材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
  3. 前記金属層は、前記第１電極又は前記第２電極と同一層で形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧電デバイス。
  4. 前記金属層は、前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続されていないことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
  5. 前記振動板と前記金属層とは、前記液供給口の周方向に亘って連続して形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電デバイス。
  6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
  7. 請求項６記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
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