JP2020175558A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動板のクラック等の発生を低減できる液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供する。【解決手段】液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、を具備し、前記振動板は、複数の層で構成され、前記複数の層は、圧縮応力を有する圧縮膜と、引張り応力を有する引張り膜と、を含み、前記圧縮膜および前記引張り膜は、前記複数の層のうち最も大きい張力差で互いに隣り合う２つの層であり、前記圧縮膜と前記引張り膜との張力差の絶対値は、４００［Ｎ／ｍ］以下である、液体噴射ヘッド。【選択図】図６

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。

圧力室の壁面の一部を構成する振動板を圧電素子により振動させることで圧力室内の液体をノズルから噴射する液体噴射ヘッドが知られている。例えば、特許文献１に記載の液体噴射ヘッドでは、弾性膜、絶縁膜、下部電極、圧電体層および上部電極がこの順で積層される。下部電極、圧電体層および上部電極は、圧電素子を構成する。弾性膜、絶縁膜および下部電極は、振動板として作用する。弾性膜は、二酸化シリコンからなる圧縮膜である。絶縁膜は、二酸化ジルコニウムからなる引張り膜である。下部電極は、白金からなる引張り膜である。

特開２００４−０３４４１７号公報

近年、ノズルの狭ピッチ化に伴って振動板の幅が狭くなり、これに伴い、振動板の薄膜化が要求される。特許文献１に記載の技術では、当該要求に十分に応えることができず、圧縮膜と引張り膜との応力による張力差に起因して、振動板にクラック等の損傷が生じやすくなるという課題がある。

本発明に係る液体噴射ヘッドの一態様は、液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、を具備し、前記振動板は、複数の層で構成され、前記複数の層は、圧縮応力を有する圧縮膜と、引張り応力を有する引張り膜と、を含み、前記圧縮膜および前記引張り膜は、前記複数の層のうち最も大きい張力差で互いに隣り合う２つの層であり、前記圧縮膜と前記引張り膜との張力差の絶対値は、４００［Ｎ／ｍ］以下である。

実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す構成図である。 実施形態に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 図２のIII-III線の断面図である。 実施形態における液体噴射ヘッドの振動板を示す平面図である。 図４のＶ-Ｖ線の断面図である。 振動板の一部を拡大して示す断面図である。 振動板内で最も大きい張力差を有する２つの層における当該張力差と界面での歪み比との関係を示すグラフである。 変形例１に係る液体噴射ヘッドの断面図である。 変形例２に係る液体噴射ヘッドの断面図である。 変形例３に係る液体噴射ヘッドの断面図である。 図１０の液体噴射ヘッドにおけるインクの循環を説明するための模式図である。

１．実施形態
１−１．液体噴射装置の全体構成
図１は、本実施形態に係る液体噴射装置１００を模式的に示す構成図である。液体噴射装置１００は、液体の例示であるインクを媒体１２に噴射するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用される。図１に例示される通り、液体噴射装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。例えば液体噴射装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、または、インクを補充可能なインクタンクが液体容器１４として利用される。色彩が相違する複数種のインクが液体容器１４には貯留される。

図１に例示される通り、液体噴射装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体噴射ヘッド２６とを具備する。制御ユニット２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体噴射装置１００の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ方向に搬送する。

移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体噴射ヘッド２６をＸ方向に往復させる。Ｘ方向は、媒体１２が搬送されるＹ方向に直交する方向である。本実施形態の移動機構２４は、液体噴射ヘッド２６を収容するキャリッジと称される略箱型の搬送体２４２と、搬送体２４２が固定された搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体噴射ヘッド２６を搬送体２４２に搭載した構成、または、液体容器１４を液体噴射ヘッド２６とともに搬送体２４２に搭載した構成も採用され得る。

液体噴射ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズルから媒体１２に噴射する。搬送機構２２による媒体１２の搬送と搬送体２４２の反復的な往復とに並行して液体噴射ヘッド２６が媒体１２にインクを噴射することで、媒体１２の表面に所望の画像が形成される。なお、Ｘ-Ｙ平面に垂直な方向を以下ではＺ方向と表記する。液体噴射ヘッド２６によるインクの噴射方向がＺ方向に相当する。Ｘ-Ｙ平面は、例えば媒体１２の表面に平行な平面である。

１−２．液体噴射ヘッドの全体構成
図２は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２６の分解斜視図である。図３は、図２のIII-III線の断面図である。図２に例示される通り、液体噴射ヘッド２６は、第１方向の一例であるＹ方向に配列された複数のノズルＮを具備する。本実施形態の複数のノズルＮは、第２方向の一例であるＸ方向に相互に間隔をあけて並設された第１列Ｌ1と第２列Ｌ2とに区分される。第１列Ｌ1および第２列Ｌ2の各々は、Ｙ方向に直線状に配列された複数のノズルＮの集合である。なお、第１列Ｌ1と第２列Ｌ2との間で各ノズルＮのＹ方向の位置を相違させること、すなわち千鳥配置またはスタガ配置も可能であるが、第１列Ｌ1と第２列Ｌ2とで各ノズルＮのＹ方向の位置を一致させた構成を以下では便宜的に例示する。図３から理解される通り、本実施形態の液体噴射ヘッド２６は、第１列Ｌ1の各ノズルＮに関連する要素と第２列Ｌ2の各ノズルＮに関連する要素とが略線対称に配置された構造である。

図２および図３に例示される通り、液体噴射ヘッド２６は流路形成部３０を具備する。流路形成部３０は、複数のノズルＮにインクを供給するための流路を形成する構造体である。本実施形態の流路形成部３０は、流路基板３２と圧力室基板３４との積層で構成される。流路基板３２および圧力室基板３４は、それぞれ、Ｙ方向に長尺な板状部材である。流路基板３２におけるＺ方向の負側の表面には、例えば接着剤により圧力室基板３４が固定される。

図２に例示される通り、流路形成部３０よりもＺ方向の負側の領域には、振動板３６と配線基板４６と筐体部４８と駆動回路５０とが設置される。他方、流路形成部３０よりもＺ方向の正側の領域には、ノズル板６２と吸振体６４とが設置される。液体噴射ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２および圧力室基板３４と同様にＹ方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤を利用して相互に接合される。

ノズル板６２は、複数のノズルＮが形成された板状部材であり、流路基板３２におけるＺ方向の正側の表面に設置される。複数のノズルＮの各々は、インクを通過させる円形状の貫通孔である。本実施形態のノズル板６２には、第１列Ｌ1を構成する複数のノズルＮと第２列Ｌ2を構成する複数のノズルＮとが形成される。例えば半導体製造技術（例えばドライエッチングやウェットエッチング等の加工技術）を利用してシリコン（Ｓi）の単結晶基板を加工することで、ノズル板６２が製造される。ただし、ノズル板６２の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。

図２および図３に例示される通り、流路基板３２には、第１列Ｌ1および第２列Ｌ2の各々について、空間Ｒaと複数の供給流路３２２と複数の連通流路３２４と供給液室３２６とが形成される。空間Ｒaは、Ｚ方向からみた平面視でＹ方向に沿う長尺状に形成された開口であり、供給流路３２２および連通流路３２４はノズルＮ毎に形成された貫通孔である。供給液室３２６は、複数のノズルＮにわたりＹ方向に沿う長尺状に形成された空間であり、空間Ｒaと複数の供給流路３２２とを相互に連通させる。複数の連通流路３２４の各々は、当該連通流路３２４に対応する１個のノズルＮに平面視で重なる。

図２および図３に例示される通り、圧力室基板３４は、第１列Ｌ1および第２列Ｌ2の各々についてキャビティと称される複数の圧力室Ｃが形成された板状部材である。複数の圧力室ＣはＹ方向に配列する。各圧力室Ｃは、ノズルＮ毎に形成されて平面視でＸ方向に沿う長尺状の空間である。流路基板３２および圧力室基板３４は、前述のノズル板６２と同様に、例えば半導体製造技術を利用してシリコンの単結晶基板を加工することで製造される。ただし、流路基板３２および圧力室基板３４の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。

図２から理解される通り、圧力室Ｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置する空間である。第１列Ｌ1および第２列Ｌ2の各々について複数の圧力室ＣがＹ方向に配列する。図２および図３に例示される通り、圧力室Ｃは、連通流路３２４および供給流路３２２に連通する。したがって、圧力室Ｃは、連通流路３２４を介してノズルＮに連通し、かつ、供給流路３２２と供給液室３２６とを介して空間Ｒaに連通する。

圧力室基板３４における流路基板３２とは反対側の表面には、振動板３６が配置される。振動板３６は、弾性的に振動可能な板状部材である。振動板３６については、後に詳述する。

図２および図３に例示される通り、振動板３６のうち圧力室Ｃとは反対側の表面である第１面Ｆ1には、第１列Ｌ1および第２列Ｌ2の各々について、相異なるノズルＮに対応する複数の圧電素子４４が形成される。各圧電素子４４は、駆動信号の供給により変形する受動素子である。各圧電素子４４は、平面視でＸ方向に沿う長尺状をなす。複数の圧電素子４４は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ方向に配列する。圧電素子４４の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することで、インクがノズルＮから噴射される。圧電素子４４については、後に詳述する。

筐体部４８は、複数の圧力室Ｃに供給されるインクを貯留するためのケースである。図３に例示される通り、本実施形態の筐体部４８には、第１列Ｌ1および第２列Ｌ2の各々について空間Ｒbが形成される。筐体部４８の空間Ｒbと流路基板３２の空間Ｒaとは相互に連通する。空間Ｒaと空間Ｒbとで構成される空間は、複数の圧力室Ｃに供給されるインクを貯留する液体貯留室（リザーバー）Ｒとして機能する。筐体部４８に形成された導入口４８２を介して液体貯留室Ｒにインクが供給される。液体貯留室Ｒ内のインクは、供給液室３２６と各供給流路３２２とを介して圧力室Ｃに供給される。吸振体６４は、液体貯留室Ｒの壁面を構成する可撓性のフィルム（コンプライアンス基板）であり、液体貯留室Ｒ内のインクの圧力変動を吸収する。

配線基板４６は、駆動回路５０と複数の圧電素子４４とを電気的に接続するための配線が形成された板状部材である。配線基板４６における一方の表面である第２面Ｆ2は、複数の圧電素子４４が形成された振動板３６の第１面Ｆ1に導電性の複数のバンプＴを介して接合される。このため、第１面Ｆ1と第２面Ｆ2とは間隔をあけて対向する。配線基板４６における第２面Ｆ2とは反対側の表面である第３面Ｆ3には、駆動回路５０が実装される。駆動回路５０は、各圧電素子４４を駆動するための駆動信号および基準電圧を出力するＩＣ（Integrated Circuit）チップである。以上の説明から理解される通り、流路形成部３０と駆動回路５０との間に配線基板４６が設置され、流路形成部３０と配線基板４６との間に複数の圧電素子４４が位置する。本実施形態の配線基板４６は、液体噴射ヘッド２６の機械的な強度を補強する補強板、および、圧電素子４４を保護および封止する封止板としても機能する。

図２に例示される通り、配線基板４６の第３面Ｆ3には、外部配線５２の端部が接合される。外部配線５２は、例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の接続部品で構成される。配線基板４６の第３面Ｆ3には、外部配線５２と駆動回路５０とを電気的に接続する複数の配線４６１と、駆動回路５０から出力される駆動信号および基準電圧が供給される複数の配線４６２とが形成される。

１−３．振動板および圧電素子の詳細
図４は、本実施形態における液体噴射ヘッド２６の振動板３６を示す平面図である。図５は、図４のＶ-Ｖ線の断面図である。図５に例示される通り、振動板３６は、第１層３６１と第２層３６２とを含む積層体で構成される。第２層３６２は、第１層３６１からみて圧力室基板３４とは反対側に位置する。第１層３６１は、二酸化シリコン（ＳiＯ_２）等の弾性材料で形成される弾性膜であり、第２層３６２は、二酸化ジルコニウム（ＺrＯ_２）等の絶縁材料で形成される絶縁膜である。第１層３６１および第２層３６２は、それぞれ、熱酸化またはスパッタリング等の公知の成膜技術により形成される。なお、所定の板厚の板状部材のうち圧力室Ｃに対応する領域について板厚方向の一部を選択的に除去することで、圧力室基板３４と振動板３６の一部または全部とを一体に形成することも可能である。

図４に例示される通り、振動板３６は、平面視で複数の圧力室Ｃにそれぞれ対応する形状の複数の振動領域Ｖを有する。振動領域Ｖは、振動板３６の領域であって圧電素子４４により振動する領域である。換言すると、振動領域Ｖは、振動板３６の領域のうち圧力室基板３４に接触しない領域である。

ここで、図５に例示される通り、圧力室基板３４には、圧力室Ｃを構成する孔３４１が設けられる。また、圧力室基板３４の隣り合う２つの圧力室Ｃまたは孔３４１の間には、Ｘ方向に沿って延びる壁状の隔壁部３４２が設けられる。前述のように、各圧力室Ｃまたは各孔３４１は、平面視で第１方向であるＸ方向に沿う長尺状をなす。したがって、各振動領域Ｖは、平面視でＸ方向に沿って延びる長手形状をなす。また、各孔３４１は、例えば、板面が（１１０）面であるシリコン単結晶基板を異方性エッチングすることで形成される。このため、各圧力室Ｃまたは各振動領域Ｖの平面視形状は、当該単結晶基板の（１１１）面に沿う形状である。なお、各圧力室Ｃまたは各振動領域Ｖの平面視形状は、図示の形状に限定されない。

圧力室Ｃの壁面上には、当該壁面をインクから保護する保護膜である耐蝕膜３５が配置される。本実施形態では、耐蝕膜３５は、振動板３６におけるＺ方向の正側の面にも配置される。耐蝕膜３５は、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性が圧力室基板３４よりも高い。耐蝕膜３５の構成材料としては、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性を有する材料であればよく、特に限定されないが、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等のシリコン酸化物、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）および二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等の金属酸化物、ニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）等の金属等が挙げられる。耐蝕膜３５は、単一材料の単層で構成されてもよいし、互いに異なる材料の複数層の積層体で構成されてもよい。耐蝕膜３５の厚さＴ３は、特に限定されないが、ピンホール等の欠陥が無くなる程度の膜厚であることが好ましく、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。なお、耐蝕膜３５は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

図５に例示される通り、振動板３６の圧力室Ｃとは反対側の面上には、圧電素子４４が配置される。圧電素子４４は、概略的には、第１電極４４１と圧電体層４４３と第２電極４４２との積層で構成される。第１電極４４１、圧電体層４４３および第２電極４４２は、それぞれ、例えば、スパッタリングまたはゾルゲル法等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。また、圧電素子４４は、電極と圧電体層が交互に多層に積層され、振動板３６に向けて伸縮する構成でもよい。なお、圧電素子４４の層間、または圧電素子４４と振動板３６との間には、密着性を高める層等の他の層が適宜介在してもよい。

第１電極４４１は、振動板３６の面上、具体的には第２層３６２の第１層３６１とは反対側の面上に配置される。第１電極４４１は、圧電素子４４毎に相互に離間して配置される個別電極である。具体的には、Ｘ方向に延びる複数の第１電極４４１が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列される。各圧電素子４４の第１電極４４１には、当該圧電素子４４に対応するノズルＮからインクを噴射するための駆動信号が駆動回路５０を介して印加される。

圧電体層４４３は、第１電極４４１の面上に配置される。圧電体層４４３は、複数の圧電素子４４にわたり連続するようにＹ方向に延びる帯状をなす。図示しないが、圧電体層４４３のうち相互に隣り合う各圧力室Ｃの間隙に平面視で対応する領域には、圧電体層４４３を貫通する貫通孔がＸ方向に延びて設けられる。圧電体層４４３の構成材料は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料である。

第２電極４４２は、圧電体層４４３の面上に配置される。具体的には、第２電極４４２は、複数の圧電素子４４にわたり連続するようにＹ方向に延在する帯状の共通電極である。第２電極４４２には所定の基準電圧が印加される。

第２電極４４２の面上には、図４に例示される第１導電体５５と第２導電体５６とが形成される。第１導電体５５は、第２電極４４２におけるＸ方向の負側の縁辺に沿ってＹ方向に延在する帯状の導電膜である。第２導電体５６は、第２電極４４２におけるＸ方向の正側の縁辺に沿ってＹ方向に延在する帯状の導電膜である。第１導電体５５と第２導電体５６とは、例えば金等の低抵抗な導電材料を利用して同層で形成される。第１導電体５５と第２導電体５６とを形成することで、第２電極４４２における基準電圧の電圧降下が抑制される。また、第１導電体５５および第２導電体５６は、振動板３６の振動を抑制するための錘としても機能する。

以上のように、液体噴射ヘッド２６は、液体を収容する圧力室Ｃの壁面の一部を構成する振動板３６と、振動板３６を振動させる圧電素子４４と、を具備する。ここで、振動板３６は、前述のように複数の層で構成される。また、圧電素子４４は、振動板３６における圧力室Ｃとは反対側の面上に配置される第１電極４４１と、第１電極４４１における圧力室Ｃとは反対側の面上に配置される圧電体層４４３と、圧電体層４４３における圧力室Ｃとは反対側の面上に配置される第２電極４４２と、を具備する。そして、圧電素子４４は、第２電極４４１と第２電極４４２との間に電圧が印加されることにより、第２電極４４１と第２電極４４２によって挟まれた圧電体層４４３が変形し、振動板３６を撓み変形させる。このとき、振動板３６の振動領域Ｖのうち、平面視で圧電素子４４の圧電体層４４３と重ならない部分、すなわち、振動板３６の図５中の破線で囲まれる領域Ａにおいて最もクラックが発生しやすい。

なお、以下では、振動板３６の領域Ａの部分を「腕部」ともいう。腕部とは圧電素子４４が設けられていない振動板３６の部分のことである。この腕部においては圧電体層４４３が積層されないので強度的には弱い。ただし、液体噴射ヘッド２６においては、振動板３６の全面を圧電体層４４３で覆うと、圧電体層４４３の存在により駆動効率が落ちてしまうため、駆動効率を高める観点から、腕部を設けることが好ましい。この腕部は、圧電素子４４に対して、Ｘ方向を長手方向とする圧電素子４４の幅方向であるＹ方向での両側にあることが好ましい。

図６は、振動板３６の一部を拡大して示す断面図である。図６では、図５中の破線で囲まれる領域Ａが拡大して示される。図６に例示される通り、本実施形態では、領域Ａにおいて、振動板３６は、耐蝕膜３５、第１層３６１、第２層３６２および圧電素子４４の第２電極４４２の積層体で構成される。すなわち、領域Ａにおいて、耐蝕膜３５および第２電極４４２も振動板３６の一部として機能する。

以上のように、振動板３６を構成する複数の層は、第１層３６１および第２層３６２のほか、耐蝕膜３５および第２電極４４２を含む。ここで、第２電極４４２は、平面視で圧電素子４４の圧電体層４４３の外縁と圧力室Ｃの外縁との間に配置される部分を有する。当該部分は、第２電極４４２と一体で構成される層であるといえる。なお、第１電極４４１が共通電極である場合、第１電極４４１の一部が振動板３６に含まれもよい。この場合、第２電極４４２を個別電極とすればよい。

図６の例示では、第１層３６１は、圧縮応力Ｓ１を有する「圧縮膜」である。第２層３６２は、引張り応力Ｓ２を有する「引張り膜」である。耐蝕膜３５は、引張り応力Ｓ３を有する「引張り膜」である。第２電極４４２は、圧縮応力Ｓ４を有する「圧縮膜」である。なお、第１層３６１が引張り応力を有してもよいし、第２層３６２が圧縮応力を有してもよい。また、耐蝕膜３５が圧縮応力を有してもよいし、第２電極４４２が引張り応力を有してもよい。第１層３６１および耐蝕膜３５のそれぞれが圧縮応力を有する場合、第１層３６１および耐蝕膜３５を一体として「圧縮膜」として捉えてもよいし、第１層３６１および耐蝕膜３５のそれぞれが引張り応力を有する場合、第１層３６１および耐蝕膜３５を一体として「引張り膜」として捉えてもよい。これらの場合、保護膜である耐蝕膜３５は、「圧縮膜」または「引張り膜」の一部を構成する。同様に、第２層３６２および第２電極４４２のそれぞれが圧縮応力を有する場合、第２層３６２および第２電極４４２を一体として「圧縮膜」として捉えてもよいし、第２層３６２および第２電極４４２のそれぞれが引張り応力を有する場合、第２層３６２および第２電極４４２を一体として「引張り膜」として捉えてもよい。

第１層３６１および第２層３６２は、振動板３６を構成する複数の層のうち最も大きい張力差の隣り合う２つの層である。これらの層の界面ＦＣは、振動板３６の自然状態においても歪みが生じるため、圧電素子４４に電圧を印加したときの歪みの存在がクラック等の発生の原因となりやすい。

そこで、液体噴射ヘッド２６では、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥが４００［Ｎ／ｍ］以下である。このため、液体噴射ヘッド２６では、以下に詳述するように、当該張力差の絶対値ΔＴＥが４００［Ｎ／ｍ］越えである場合に比べて、界面ＦＣに生じる歪みを原因とする振動板３６におけるクラック等の損傷の発生を低減することができる。

図７は、振動板３６内で最も大きい張力差を有する２つの層である第１層３６１および第２層３６２における当該張力差と界面ＦＣでの歪み比ＤＩとの関係を示すグラフである。図７に示す結果は、以下の表１に示す条件に基づく結果である。なお、第１層３６１に生じる張力は、第１層３６１の厚さＴ１と応力σ１との積（Ｔ１×σ１）である。同様に、第２層３６２に生じる張力は、第２層３６２の厚さＴ２と応力σ２との積（Ｔ２×σ２）である。したがって、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥは、｜（Ｔ１×σ１）−（Ｔ２×σ２）｜である。

図７中および表１中、「界面ＦＣでの歪み比ＤＩ」は、各サンプルについて、第１層３６１と第２層３６２との応力差に起因して界面ＦＣに生じる歪みをシミュレーションにより求め、サンプルＮｏ．１の歪みを１として、規格化した相対値である。サンプルＮｏ．１の歪みの２倍の場合に相対値は２となる。また、表１中の「クラックの有無」は、所定の条件で圧電素子４４を駆動したときの振動板３６におけるクラックの有無を観察した結果である。なお、表１中の各サンプルでは、第１層３６１が二酸化シリコンで構成され、第２層３６２が二酸化ジルコニウムで構成される。ここで、第１層３６１を構成する二酸化シリコンのヤング率が７５［ＧＰａ］であり、第２層３６２を構成する二酸化ジルコニウムのヤング率が１９０［ＧＰａ］である。表１には記載されないが、各サンプルでは、耐蝕膜３５が酸化タンタルで構成され、第２電極４４２がイリジウムおよびチタンの積層で構成される。ここで、耐蝕膜３５の厚さＴ３が３０ｎｍであり、第２電極４４２の厚さＴ４が３５ｎｍであり、厚さ２０ｎｍのイリジウムと厚さ１５ｎｍのチタンの積層で構成される。

図７から明らかなように、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥが小さくなるほど、振動板３６内の界面ＦＣでの歪み比ＤＩが小さくなる傾向があることがわかる。また、当該張力差の絶対値ΔＴＥが４００［Ｎ／ｍ］越えであるサンプルＮｏ．１〜３では、振動板３６のクラックが生じるのに対し、当該張力差の絶対値ΔＴＥが４００［Ｎ／ｍ］以下であるサンプルＮｏ．４〜１２では、振動板３６のクラックが生じない。以上のように、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥが４００［Ｎ／ｍ］以下であることにより、界面ＦＣに生じる歪みを原因とする振動板３６におけるクラック等の損傷の発生を低減することができる。

第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥは、前述のように４００［Ｎ／ｍ］以下であればよいが、２００［Ｎ／ｍ］以上３５０［Ｎ／ｍ］以下であることが好ましく、２５０［Ｎ／ｍ］以上３３０［Ｎ／ｍ］以下であることがより好ましく、２５０［Ｎ／ｍ］以上３１５［Ｎ／ｍ］以下であることがさらに好ましい。当該張力差の絶対値ΔＴＥがこの範囲内にあることにより、当該張力差の絶対値ΔＴＥがこの範囲外である場合に比べて、振動板３６の構成材料の選択の幅を広くしつつ、界面ＦＣに生じる歪みを原因とする振動板３６におけるクラック等の損傷の発生を低減することができる。これに対し、当該張力差の絶対値ΔＴＥが小さすぎると、振動板３６の構成材料の選択の幅が狭くなりすぎて、液体噴射ヘッド２６の製造コストが上昇したり、液体噴射ヘッド２６の製造工程が複雑化したりする傾向を示す。

ここで、第２層３６２は、平面視で、圧電素子４４に重なる第１部分３６２ａと、圧電素子４４に重ならない第２部分３６２ｂと、を有する。第２部分３６２ｂは、圧電素子４４の圧電体層４４３をパターニングして形成する際に当該パターニングに用いるエッチングの停止層として用いられる。このため、当該エッチングの影響により、第２部分３６２ｂの厚さＴ２２は、第１部分３６２ａの厚さＴ２１よりも薄い。第２部分３６２ｂは、圧電素子４４による補強がなされないため、第１部分３６２ａに比べて機械的強度が低い。その上、第２部分３６２ｂの厚さＴ２２が第１部分３６２ａの厚さＴ２１よりも薄いと、第２部分３６２ｂが損傷しやすい。したがって、第２部分３６２ｂの厚さＴ２２が第１部分３６２ａの厚さＴ２１よりも薄い場合、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥを前述の範囲内とすることは、振動板３６の損傷を低減する上で特に有用である。

また、圧縮膜である第１層３６１の応力の絶対値は、引張り膜である第２層３６２の応力の絶対値よりも小さいことが好ましい。この場合、振動板３６の必要な厚さを確保しても、第１層３６１の応力の絶対値が第２層３６２の応力の絶対値以上である場合に比べて、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥを小さくしやすい。例えば、第１層３６１には、圧力室基板３４を異方性エッチングにより形成する際のエッチングの停止層として用いる目的等の理由で、厚さおよび緻密さ等の制約がある。これに対し、第２層３６２には、そのような制約がないか、または少ない。このため、第２層３６２は、第１層３６１に比べて、厚さおよび緻密さ等を調整しやすい。したがって、第１層３６１の応力の絶対値を第２層３６２の応力の絶対値よりも小さくすることは、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥを小さくしやすいといえる。

また、圧縮膜である第１層３６１の厚さをＴ１［ｎｍ］とし、引張り膜である第２層３６２の厚さをＴ２［ｎｍ］とするとき、Ｔ１／Ｔ２は、１．２以上２．５以下の範囲内であることが好ましく、１．５以上２．３以下の範囲内であることがより好ましい。この場合、振動板３６の必要な厚さを確保しても、第１層３６１の応力の絶対値が第２層３６２の応力の絶対値以上である場合に比べて、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥを小さくしやすい。なお、第１層３６１の厚さＴ１および第２層３６２の厚さＴ２のそれぞれは、耐蝕膜３５の厚さＴ３および第２電極４４２の厚さＴ３のそれぞれに比べて、１倍以上５０倍以下程度の厚さであり、好ましくは１０倍以上５０倍以下程度の厚さである。なお、厚さＴ２は、前述の厚さＴ２２に等しい。

引張り膜である第２層３６２は、圧縮膜である第１層３６１と圧電素子４４との間に配置される。言い換えると、引張り応力Ｓ２を有する第２層３６２は、圧縮応力Ｓ１を有する第１層３６１における圧電素子４４側の面に接合される。この場合、振動板３６が圧電素子４４の駆動力を受けない自然状態でも圧力室Ｃ側に撓み変形しやすく、この結果、第１層３６１と第２層３６２との界面ＦＣでの歪みが大きくなりやすい。したがって、振動板３６は、圧電素子４４に電圧が印加されない場合、圧力室Ｃに向けて凸状に撓む。一方、圧電素子４４に電圧が印加される場合、振動板３６がさらに圧力室Ｃ側に撓むこととなる。このため、振動板３６に生じる応力が大きくなりやすく、この結果、従来では、振動板３６が損傷しやすい。したがって、この場合、第１層３６１と第２層３６２との張力差の絶対値ΔＴＥを前述の範囲内とすることは、振動板３６の損傷を低減する上で特に有用である。

第１層３６１の構成材料は、第１層３６１に圧縮応力Ｓ１を付与する材料であればよく、特に限定されないが、二酸化シリコンであることが好ましい。二酸化シリコンは、振動板３６の構成材料として適するだけでなく、圧縮応力Ｓ１を有する第１層３６１を容易に形成できる。例えば、圧力室Ｃを形成する圧力室基板３４がシリコン基板から形成される場合、当該シリコン基板の表面を熱酸化することにより、圧縮応力Ｓ１を有する第１層３６１を形成することができる。また、二酸化シリコンで構成される第１層３６１は、圧力室基板３４を異方性エッチングにより形成する際のエッチングの停止層として用いることができる。以上のように、圧縮膜である第１層３６１は、二酸化シリコンで構成されることが好ましい。

第２層３６２の構成材料は、第２層３６２に引張り応力Ｓ２を付与する材料であればよく、特に限定されないが、二酸化ジルコニウムまたは窒化シリコンであることが好ましい。二酸化ジルコニウムまたは窒化シリコンは、振動板３６の構成材料として適するだけでなく、引張り応力Ｓ２を有する第２層３６２を容易に形成できる。例えば、第１層３６１上にジルコニウムの層をスパッタリング等により形成し、その層を熱酸化することにより、引張り応力Ｓ２を有する第２層３６２を形成することができる。また、この熱酸化の程度に応じて第２層３６２の引張り応力Ｓ２の程度を調整することもできる。また、窒化シリコンは、熱窒化または減圧ＣＶＤ（ＬＰ−ＣＶＤ）等により引張り膜を容易に形成できる。以上のように、引張り膜である第２層３６２は、二酸化ジルコニウムまたは窒化シリコンで構成されることが好ましい。

また、振動板３６の幅は、特に限定されないが、振動板３６の幅すなわち振動領域Ｖの幅をＷとするとき、Ｄ／Ｗは、０．０１以上０．０５以下の範囲内であることが好ましい。Ｄ／Ｗがこの範囲内であることにより、振動板３６を圧電素子４４により効率的に振動させることができる。また、Ｄ／Ｗがこの範囲内である振動板３６は、ノズルの狭ピッチ化に伴って、幅Ｗが狭くなるのに伴い、厚さＤも薄くなるため、従来では、クラック等の発生が生じやすくなる。したがって、この場合、絶対値ΔＴＥが前述の数値範囲であることは、振動板３６のクラック等の発生を防止する上で特に有用である。これに対し、Ｄ／Ｗが小さすぎると、振動板３６の構成材料等によっては、振動板３６に必要な機械的強度を確保することが難しい。一方、Ｄ／Ｗが大きすぎると、振動板３６が変形しづらくなり、液体噴射ヘッド２６の駆動効率が低下する傾向を示す。

また、領域Ａの幅、すなわち平面視で圧力室Ｃの外縁と圧電体層４４３の外縁との間における振動板３６の幅をＷ１とするとき、Ｄ／Ｗ１は、０．１以上０．５以下の範囲内であることが好ましい。Ｄ／Ｗ１がこの範囲内であることにより、振動板３６を圧電素子４４により効率的に振動させることができる。

圧電素子４４における第１電極４４１と圧電体層４４３と第２電極４４２とが平面視で重なる部分の長さである能動長Ｌは、特に限定されないが、長くなるほど、従来では、振動板３６のクラック等が発生しやすい傾向となる。特に、従来では、能動長Ｌが５１４μｍを超えると、当該傾向が強くなる。したがって、能動長Ｌが５１４μｍを超える場合、絶対値ΔＴＥが前述の数値範囲であることは、振動板３６のクラック等の発生を防止する上で特に有用である。

前述のように、本実施形態の液体噴射ヘッド２６は、圧力室Ｃが形成される圧力室基板３４と、圧力室基板３４に導電性のバンプＴを介して接合される配線基板４６と、を具備する。このため、複数の圧電素子４４を駆動するための駆動回路５０の端子のピッチと圧力室基板３４の端子のピッチとが異なっていても、配線基板４６を介してこれらの端子を接続することができる。したがって、ノズルＮの狭ピッチ化を容易に図ることができる。ここで、ノズルＮを狭ピッチ化すると、振動板３６の幅が狭くなり、これに伴い、振動板３６の薄膜化が要求される。このため、ノズルＮを狭ピッチ化すると、従来では、振動板３６のクラック等が発生しやすい傾向となる。したがって、この場合、絶対値ΔＴＥが前述の数値範囲であることは、振動板３６のクラック等の発生を防止する上で特に有用である。

また、前述のように、液体噴射ヘッド２６の流路基板３２および圧力室基板３４等の各要素は、接着剤を利用して相互に接続されるが、当該接着剤は、圧力室Ｃと振動板３６との接続により形成される角部に配置されないことが好ましい。この場合、当該接着剤の応力に起因する振動板３６のクラック等の発生を低減することができる。

また、特開２０１８−９９７７９に開示される技術を用いて、吐出駆動波形と非吐出駆動波形とを含む駆動信号を圧電素子４４に印加してもよい。ここで、吐出駆動波形は、ノズルＮから液体を吐出させるように圧電素子４４を駆動させる波形である。非吐出駆動波形は、ノズルＮから液体を吐出させない程度に圧電素子４４を駆動させる波形である。吐出駆動波形および非吐出駆動波形の双方を用いる場合、非吐出駆動波形を用いずに吐出駆動波形のみを用いる場合に比べて、振動板３６の変形頻度が高くなる。したがって、吐出駆動波形および非吐出駆動波形の双方を用いる場合、絶対値ΔＴＥが前述の数値範囲であることは、振動板３６のクラック等の発生を防止する上で特に有用である。

２．変形例
以上の例示における各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択される２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。

２−１．変形例１
図８は、変形例１に係る液体噴射ヘッド２６Ａの断面図である。液体噴射ヘッド２６Ａでは、振動板３６における圧力室Ｃ側の面に凹部３６３が設けられる。凹部３６３は、平面視で圧力室Ｃを包含することが好ましい。また、凹部３６３は、圧力室Ｃの列の列並び方向であるＹ方向において圧力室Ｃより大きく凹部３６３の底面と側面とを接続する面が曲面である。このため、振動板３６の撓み変形時における応力集中に起因するクラック等の発生を低減することができる。なお、凹部３６３は、例えば、圧力室Ｃをエッチングにより形成する際に、振動板３６をオーバーエッチングすることで形成される。凹部３６３の深さおよび前述の曲面の曲率半径は、それぞれ、例えば、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。また、前述の曲面の曲率半径は、凹部３６３の深さに対して、０．５以上１以下であることが好ましい。また、図８では、耐蝕膜３５が省略されるが、耐蝕膜３５を設けてもよい。

２−２．変形例２
図９は、変形例２に係る液体噴射ヘッド２６Ｂの断面図である。液体噴射ヘッド２６Ｂでは、振動板３６における圧力室Ｃとは反対側の面上に、樹脂で構成される樹脂層３９が配置される。樹脂層３９は、平面視で隔壁部３４２に対応する位置で、振動板３６に接合される。このように、液体噴射ヘッド２６Ｂは、圧力室Ｃを区画する隔壁である隔壁部３４２と、振動板３６を介して隔壁部３４２に接合される樹脂層３９と、を具備する。以上の構成では、振動板３６の撓み変形時における応力集中に起因するクラック等の発生を低減することができる。

２−３．変形例３
図１０は、変形例３に係る液体噴射ヘッド２６Ｃの断面図である。液体噴射ヘッド２６Ｃは、配線基板４６を用いない点、およびインクを循環可能な構成を有する点以外は、前述の実施形態の液体噴射ヘッド２６と同様である。図１０に例示される通り、液体噴射ヘッド２６Ｃは流路形成部３０Ｃを具備する。流路形成部３０Ｃは、流路基板３２Ｃと圧力室基板３４との積層で構成される。また、流路形成部３０ＣよりもＺ方向の負側の領域には、振動板３６と複数の圧電素子４４と保護部材４７と筐体部４８とが設置される。他方、流路形成部３０ＣよりもＺ方向の正側の領域には、ノズル板６２Ｃと吸振体６４とが設置される。なお、液体噴射ヘッド２６Ｃのうち中心面Ｏを挟んでＸ方向の正側の第１部分Ｐ1とＸ方向の負側の第２部分Ｐ2とで構造は実質的に共通する。

保護部材４７は、複数の圧電素子４４を保護するための板状部材であり、振動板３６の表面に設置される。保護部材４７の材料や製法は任意であるが、流路基板３２Ｃや圧力室基板３４と同様に、例えばシリコン（Ｓi）の単結晶基板を半導体製造技術により加工することで保護部材４７は形成され得る。保護部材４７のうち振動板３６側の表面に形成された凹部に複数の圧電素子４４が収容される。

振動板３６のうち流路形成部３０Ｃとは反対側の表面には、配線基板２８の端部が接合される。配線基板２８は、制御ユニット２０と液体噴射ヘッド２６Ｃとを電気的に接続する複数の配線（図示略）が形成された可撓性の実装部品である。配線基板２８のうち、保護部材４７に形成された開口部と筐体部４８に形成された開口部とを通過して外部に延出した端部が制御ユニット２０に接続される。例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板２８が好適に採用される。

図１０に例示される通り、流路基板３２Ｃのうちノズル板６２Ｃに対向する表面には、循環液室３２８が形成される。循環液室３２８は、平面視でＹ方向に延在する長尺状の有底孔（溝部）である。流路基板３２Ｃの表面に接合されたノズル板６２により循環液室３２８の開口は閉塞される。

図１０に例示される通り、ノズル板６２Ｃのうち流路形成部３０に対向する表面には、第１部分Ｐ1および第２部分Ｐ2の各々について複数の循環流路６２２が形成される。第１部分Ｐ1の複数の循環流路６２２は、第１列Ｌ1の複数のノズルＮに１対１に対応する。また、第２部分Ｐ2の複数の循環流路６２２は、第２列Ｌ2の複数のノズルＮに１対１に対応する。

図１１は、図１０の液体噴射ヘッド２６Ｃにおけるインクの循環を説明するための模式図である。図１１に例示される通り、循環液室３２８は、第１列Ｌ1および第２列Ｌ2に沿って複数のノズルＮにわたり連続する。具体的には、第１列Ｌ1の複数のノズルＮの配列と第２列Ｌ2の複数のノズルＮの配列との間に循環液室３２８が形成される。したがって、図１１に例示される通り、循環液室３２８は、第１部分Ｐ1の連通流路３２４と第２部分Ｐ2の連通流路３２４との間に位置する。以上の説明から理解される通り、変形例３の流路形成部３０Ｃは、第１部分Ｐ1における圧力室Ｃおよび連通流路３２４と、第２部分Ｐ2における圧力室Ｃおよび連通流路３２４と、第１部分Ｐ1の連通流路３２４と第２部分Ｐ2の連通流路３２４との間に位置する循環液室３２８とが形成された構造体である。図１０に例示される通り、変形例３の流路形成部３０Ｃは、循環液室３２８と各連通流路３２４との間を仕切る壁状の部分である隔壁部３２９を含む。

図１１に例示される通り、液体噴射ヘッド２６Ｃには、循環機構７５が接続される。循環機構７５は、循環液室３２８内のインクを液体貯留室Ｒに供給して循環させるための機構である。より具体的には、循環機構７５は、Ｙ方向における循環液室３２８の両側の端部に設けられる排出口６５１からインクを吸引し、吸引したインクに異物除去等の所定の処理を施した後に導入口４８２に供給する。以上の説明から理解される通り、変形例３では、液体貯留室Ｒ→供給流路３２２→圧力室Ｃ→連通流路３２４→循環流路６２２→循環液室３２８→循環機構７５→液体貯留室Ｒという経路でインクが循環する。

以上のように、液体噴射ヘッド２６Ｃは、圧力室Ｃを介して液体を循環させる循環機構７５が接続される導入口４８２および排出口６５１を具備する。このため、当該循環機構７５を用いない場合に比べて、圧力室Ｃ内の液体の温度変動を低減することができる。この結果、振動板３６の温度変化を起因するクラック等の発生を低減することができる。

２−４．その他
（１）前述の各形態では、振動板が腕部を有する場合が例示されるが、これに限定されず、腕部を有しない振動板にも本発明を適用できる。例えば、圧電素子が振動板に接合されずに当接する構成であってもよい。

（２）前述の各形態では、第１電極４４１が個別電極であり第２電極４４２が共通電極である構成を例示するが、第１電極４４１を、複数の圧電素子４４にわたり連続する共通電極とし、第２電極４４２を圧電素子４４毎に個別の個別電極としてもよい。また、第１電極４４１および第２電極４４２の双方を個別電極としてもよい。

（３）前述の各形態では、液体噴射ヘッド２６を搭載する搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体噴射装置１００を例示するが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体噴射装置にも本発明を適用することが可能である。

（４）前述の各形態で例示する液体噴射装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体噴射装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を噴射する液体噴射装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を噴射する液体噴射装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。

２６…液体噴射ヘッド、２６Ａ…液体噴射ヘッド、２６Ｂ…液体噴射ヘッド、２６Ｃ…液体噴射ヘッド、３４…圧力室基板、３６…振動板、３９…樹脂層、４４…圧電素子、４６…配線基板、７５…循環機構、１００…液体噴射装置、３４２…隔壁部、３６１…第１層、３６２…第２層、３６３…凹部、３６３ａ…底面、３６３ｂ…側面、３６３ｃ…面、４４１…第１電極、４４２…第２電極、４４３…圧電体層、４８２…導入口、６５１…排出口、Ｃ…圧力室、ＦＣ…界面、Ｌ…能動長、Ｓ１…圧縮応力、Ｓ２…引張り応力、ΔＴＥ…張力差の絶対値。

Claims (12)

1. 液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、
   前記振動板を振動させる圧電素子と、を具備し、
   前記振動板は、複数の層で構成され、
   前記複数の層は、
   圧縮応力を有する圧縮膜と、
   引張り応力を有する引張り膜と、を含み、
   前記圧縮膜および前記引張り膜は、前記複数の層のうち最も大きい張力差で互いに隣り合う２つの層であり、
   前記圧縮膜と前記引張り膜との張力差の絶対値は、４００［Ｎ／ｍ］以下である、
   液体噴射ヘッド。
2. 前記圧縮膜と前記引張り膜との張力差の絶対値は、３５０［Ｎ／ｍ］以下である、
   請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記圧縮膜の応力の絶対値は、前記引張り膜の応力の絶対値よりも小さい、
   請求項１または２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記圧縮膜の厚さをＴ１［ｎｍ］とし、前記引張り膜の厚さをＴ２［ｎｍ］とするとき、
   Ｔ１／Ｔ２は、１．２以上２．５以下の範囲内である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記圧縮膜は、二酸化シリコンで構成される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記引張り膜は、二酸化ジルコニウムまたは窒化シリコンで構成される、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記圧縮膜または前記引張り膜は、平面視で、前記圧電素子に重なる第１部分と、前記圧電素子に重ならない第２部分と、を有し、
   前記第２部分の厚さが前記第１部分の厚さよりも薄い、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
8. 前記引張り膜は、前記圧縮膜と前記圧電素子との間に配置されており、
   前記振動板は、前記圧電素子に電圧が印加されない場合、前記圧力室に向けて凸状に撓む、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
9. 前記圧電素子は、
   前記振動板における前記圧力室とは反対側の面上に配置される第１電極と、
   前記第１電極における前記圧力室とは反対側の面上に配置される圧電体層と、
   前記圧電体層における前記圧力室とは反対側の面上に配置される第２電極と、を含み、
   前記複数の層は、平面視で前記圧電体層の外縁と前記圧力室の外縁との間に配置され、前記第１電極または前記第２電極と一体で構成される層を含む、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
10. 前記振動板が配置され、前記圧力室を構成する孔が設けられる圧力室基板と、
    前記圧力室の壁面上に配置され、前記液体に対する耐性が前記圧力室基板よりも高い保護膜と、を具備し、
    前記保護膜は、前記圧縮膜または前記引張り膜の一部を構成する、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
11. 複数の前記圧力室の列並び方向において、前記振動板の圧力室側に、前記圧力室より大きい幅の凹部がある、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッドを具備する、
    液体噴射装置。

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