JP2022152144A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常変位状態を繰り返すことによって振動板が疲労し、振動板にクラック等の破壊が生じることを抑制した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】圧電アクチュエーター３００の駆動により、圧力室１２が最も収縮する第１位置と圧力室１２が最も膨張する第２位置との間で振動板５０を変位させて、ノズルから液滴を噴射させる液体噴射ヘッド１を、振動板５０が第２位置を超えて第３位置まで変位し第１位置と第２位置との中心である第４位置から第３位置までの変位量が第４位置から第２位置までの変位量の２倍以上である異常変位状態における封止空間である保持部３５の圧力が、振動板５０が第２位置にあるときの保持部３５の圧力の１．０５倍以上となる構成とする。【選択図】図４

Description

本発明は、圧力室を有する流路形成基板の一方面側に、振動板と、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電アクチュエーターと、圧電アクチュエーターが封止される封止空間を有する保護基板と、を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

圧電デバイスの一つである液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドとしては、例えばノズルに連通する圧力室が形成された流路形成基板と、この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アクチュエーターと、を具備し、圧電アクチュエーターによって圧力室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射するものが知られている。

圧電アクチュエーターとしては、振動板上に形成された第１電極と、第１電極上に電気機械変換特性を有する圧電材料で形成された圧電体層と、圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子が知られている。

さらに、インクジェット式記録ヘッドとしては、このような圧電素子を保護するための保護基板を備えているものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、流路形成基板のノズルとは反対側に設置される保護基板を備え、圧電素子を流路形成基板と保護基板との間の空間に収容すると共に、この空間が圧力室毎に設けられた構成が開示されている。

特開２０２０－３２７１３号公報

このようなインクジェット式記録ヘッドにおいては、圧電アクチュエーターの駆動により液滴を噴射する際、振動板の変位量が過度に増加する、いわゆる異常変位状態となることがある。例えば、圧力室に流入したインクに気泡が含まれていると、意図しない振動板の共振によって、振動板の圧力室とは反対側への変位量が過度に増加してしまうことがある。

このような異常変位状態を繰り返すことによって振動板が疲労し、振動板にクラック等の破壊が生じてしまう虞がある。なお、このような振動板の破壊は、圧力室の端部において特に生じ易い。

また、特許文献１のように圧電素子を保護するための保護基板が設けられている場合でも、振動板の変形は実質的に規制されることはないため、上述のような振動板の圧力室とは反対側への変位量が過度に増加し、振動板の破壊が生じる虞がある。

なお、このような問題は、インクを噴射するインクジェット式記録ヘッドに限定されず、インク以外の液滴を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

上記課題を解決する本発明の態様は、ノズルに連通する複数の圧力室が形成される流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる振動板と、前記振動板の前記流路形成基板とは反対面側に前記圧力室のそれぞれに対向して設けられ、圧電体層と、前記圧電体層を挟む第１電極及び第２電極とを有する圧電アクチュエーターと、前記流路形成基板の一方面側に設けられ、前記圧電アクチュエーターが内部に封止される封止空間となる凹部を前記圧力室毎に備える保護基板と、を備え、前記圧電アクチュエーターの駆動により、前記圧力室が最も収縮する第１位置と前記圧力室が最も膨張する第２位置との間で前記振動板を変位させて、前記ノズルから液滴を噴射させる液体噴射ヘッドであって、前記振動板が前記第２位置を超えて第３位置まで変位し前記第１位置と前記第２位置との中心である第４位置から前記第３位置までの変位量が前記第４位置から前記第２位置までの変位量の２倍以上である異常変位状態における前記封止空間の圧力は、前記振動板が前記第２位置にあるときの前記封止空間の圧力の１．０５倍以上であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

また本発明の他の態様は、上記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。

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断面図である。 振動板の変位状態を示す模式図である。 振動板の変位状態を示す模式図である。 第４位置と圧力比が１．０５となる保持部の高さとの関係を示すグラフである。 振動板の振幅と圧力比が１．０５となる保持部の高さとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態４に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態５に係る記録ヘッドの断面図である。 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、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様についての説明であり、本発明の構成は、発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

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Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向とする。各図の矢印が向かう方向を正（＋）方向、矢印の反対方向を負（－）方向として説明する。またＺ方向は、鉛直方向を示し、＋Ｚ方向は鉛直下向き、－Ｚ方向は鉛直上向きを示す。さらに、正方向及び負方向を限定しない３つのＸ、Ｙ、Ｚの空間軸については、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として説明する。

（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る。図２は、記録ヘッドの平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ′線断面図であり、図４は、図２のＢ－Ｂ′線に対応する断面図である。また図５及び図６は、振動板の変位状態を示す模式図である。

図示するように、本実施形態の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（以下、単に「記録ヘッド」ともいう）１は、Ｚ軸方向、より具体的には＋Ｚ方向にインク滴を噴射するものである。

インクジェット式記録ヘッド１は、インクが流通する液体流路が形成される流路形成基板１０を具備する。流路形成基板１０は、例えば、シリコン基板、ガラス基板、ＳＯＩ基板、各種セラミック基板等からなる。なお、流路形成基板１０は、（１００）面優先配向した基板であっても、（１１０）面優先配向した基板であってもよい。

流路形成基板１０には、液体流路を構成する複数の圧力室１２が、Ｚ軸方向とは交差するＸ軸方向に２列配置されている。すなわち各列を構成する複数の圧力室１２は、Ｘ軸方向とは交差するＹ軸方向に沿って配置されている。

各列を構成する複数の圧力室１２は、Ｘ軸方向の位置が同じ位置となるように、Ｙ軸方向に沿った直線上に配置されている。Ｙ軸方向で互いに隣り合う圧力室１２は、隔壁１１によって区画されている。もちろん、圧力室１２の配置は特に限定されるものではない。例えば、Ｙ軸方向に並ぶ複数の圧力室１２の配置は、各圧力室１２を１つ置きにＸ軸方向にずれた位置とする、いわゆる千鳥配置となっていてもよい。

また本実施形態の圧力室１２は、＋Ｚ方向側からの平面視においてＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長い、例えば、長方形に形成されている。もちろん、＋Ｚ方向側からの平面視における圧力室１２の形状は、特に限定されず、平行四辺形状、多角形状、円形状、オーバル形状等であってもよい。なお、ここでいうオーバル形状とは、長方形状を基本として長手方向の両端部を半円状とした形状をいい、角丸長方形状、楕円形状、卵形状などが含まれるものとする。

流路形成基板１０の＋Ｚ方向には、連通板１５とノズルプレート２０及びコンプライアンス基板４５とが順次積層されている。

連通板１５には、圧力室１２とノズル２１とを連通するノズル連通路１６が設けられている。また連通板１５には、複数の圧力室１２が連通する共通液室となるマニホールド１００の一部を構成する第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８が設けられている。第１マニホールド部１７は、連通板１５をＺ軸方向に貫通して設けられている。また、第２マニホールド部１８は、連通板１５をＺ軸方向に貫通することなく、＋Ｚ方向側の面に開口して設けられている。

さらに連通板１５には、圧力室１２のＸ軸方向の一方の端部に連通する供給連通路１９が圧力室１２の各々に独立して設けられている。供給連通路１９は、第２マニホールド部１８と各圧力室１２とを連通して、マニホールド１００内のインクを各圧力室１２に供給する。

連通板１５としては、シリコン基板、ガラス基板、ＳＯＩ基板、各種セラミック基板、金属基板等を用いることができる。金属基板としては、例えば、ステンレス基板等が挙げられる。なお連通板１５は、熱膨張率が流路形成基板１０と略同一の材料を用いることが好ましい。これにより、流路形成基板１０及び連通板１５の温度が変化した際、熱膨張率の違いに起因する流路形成基板１０及び連通板１５の反りを抑制することができる。

ノズルプレート２０は、連通板１５の流路形成基板１０とは反対側、すなわち、＋Ｚ方向側の面に設けられている。ノズルプレート２０には、各圧力室１２にノズル連通路１６を介して連通するノズル２１が形成されている。

本実施形態では、複数のノズル２１は、Ｙ軸方向に沿って一列となるように並んで配置されている。そしてノズルプレート２０には、これら複数のノズル２１が列設されたノズル列がＸ軸方向に２列設けられている。すなわち、各列の複数のノズル２１は、Ｘ軸方向の位置が同じ位置となるように配置されている。なおノズル２１の配置は特に限定されるものではない。例えば、Ｙ軸方向に並んで配置されるノズル２１は、１つ置きにＸ軸方向にずれた位置に配置されていてもよい。

ノズルプレート２０の材料としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板、ガラス基板、ＳＯＩ基板、各種セラミック基板、金属基板を用いることができる。金属基板としては、例えば、ステンレス基板等が挙げられる。さらにノズルプレート２０の材料としては、ポリイミド樹脂のような有機物などを用いることもできる。ただし、ノズルプレート２０は、連通板１５の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。これにより、ノズルプレート２０及び連通板１５の温度が変化した際、熱膨張率の違いに起因するノズルプレート２０及び連通板１５の反りを抑制することができる。

コンプライアンス基板４５は、ノズルプレート２０と共に、連通板１５の流路形成基板１０とは反対側、すなわち、＋Ｚ方向側の面に設けられている。このコンプライアンス基板４５は、ノズルプレート２０の周囲に設けられ、連通板１５に設けられた第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８の開口を封止する。コンプライアンス基板４５は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜４６と、金属等の硬質の材料からなる固定基板４７と、を具備する。固定基板４７のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４８となっている。このため、マニホールド１００の一方面は、可撓性を有する封止膜４６のみで封止されたコンプライアンス部４９となっている。

一方、流路形成基板１０のノズルプレート２０等とは反対側、すなわち－Ｚ方向側の面には、詳しくは後述するが、振動板５０と、この振動板５０を撓み変形させて圧力室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧電アクチュエーター３００とが設けられている。

流路形成基板１０の－Ｚ方向側の面には、さらに、流路形成基板１０と略同じ大きさを有する保護基板３０が接着剤等によって接合されている。圧電アクチュエーター３００は、これら流路形成基板１０と保護基板３０との間に形成される封止空間である保持部３５内に収容されている。

本実施形態では、保護基板３０に、保持部３５を形成する凹部３１が設けられている。図４に示すように、凹部３１は、Ｙ軸方向に並んで配置された圧電アクチュエーター３００のそれぞれに対応して独立して設けられており、Ｘ軸方向に二列に並んで形成されている。これらの凹部３１は、保護基板３０の流路形成基板１０側の面に開口して設けられており、流路形成基板１０によって封止されている。これにより、圧電アクチュエーター３００が収容される封止空間である保持部３５が形成されている。

また凹部３１の形状は、適宜決定されればよいが、本実施形態では、圧力室１２と同様に、＋Ｚ方向側からの平面視においてＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長い長方形に形成されている。この凹部３１の大きさは、適宜決定されればよいが、本実施形態では、Ｘ軸方向の長さを４００μｍとし、Ｙ軸方向の長さを７０μｍとしている。

また保護基板３０には、凹部３１の列間にＺ軸方向に貫通する貫通孔３２が設けられている。この貫通孔３２には、後述する配線基板１２０が挿通されている。

保護基板３０上には、複数の圧力室１２に連通するマニホールド１００を流路形成基板１０と共に画成するケース部材４０が固定されている。ケース部材４０は、平面視において上述した連通板１５と略同一形状を有し、保護基板３０に接合されると共に、上述した連通板１５にも接合されている。

ケース部材４０には、流路形成基板１０及び保護基板３０を収容可能な深さの窪みである収容部４１が保護基板３０側の面に開口して設けられている。収容部４１は、保護基板３０の流路形成基板１０に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、収容部４１に流路形成基板１０及び保護基板３０が収容された状態で収容部４１のノズルプレート２０側の開口面が連通板１５によって封止されている。

またケース部材４０には、Ｘ軸方向における収容部４１の両外側に、第３マニホールド部４２がそれぞれ形成されている。そして、連通板１５に設けられた第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８と、第３マニホールド部４２と、によって本実施形態のマニホールド１００が構成されている。マニホールド１００は、Ｙ軸方向に亘って連続して設けられており、各圧力室１２とマニホールド１００とを連通する供給連通路１９は、Ｙ軸方向に並んで配置されている。

またケース部材４０には、マニホールド１００に連通して各マニホールド１００にインクを供給するための導入口４４が設けられている。さらにケース部材４０には、保護基板３０の貫通孔３２に連通して配線基板１２０が挿通される接続口４３が設けられている。

次に、圧電アクチュエーター３００の構成について説明する。上述のように圧電アクチュエーター３００は、流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面に振動板５０を介して設けられている。

振動板５０は、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膜からなる絶縁体膜５２と、で構成されている。圧力室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を＋Ｚ方向側の面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力室１２等の液体流路の－Ｚ方向側の面は、弾性膜５１で構成されている。振動板５０の厚さは、適宜決定されればよいが、本実施形態では、弾性膜５１の厚さを１．０μｍとし、絶縁体膜５２の厚さを０．６５μｍとした。

なお振動板５０の構成は特に限定されるものではない。振動板５０は、例えば、弾性膜５１又は絶縁体膜５２の一方で構成されていてもよく、さらには、弾性膜５１及び絶縁体膜５２以外のその他の膜が含まれていてもよい。その他の膜の材料としては、シリコン、窒化ケイ素等が挙げられる。

圧電アクチュエーター３００は、圧力室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段であり圧電素子とも言う。この圧電アクチュエーター３００は、振動板５０側である＋Ｚ方向側から－Ｚ方向側に向かって順次積層された第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とを具備する。つまり圧電アクチュエーター３００は、振動板５０に対して第１の方向であるＺ軸方向に沿って、本実施形態では－Ｚ方向側に向かって順次積層された第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とを具備する。

圧電アクチュエーター３００のうち、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を活性部と称する。これに対して、圧電体層７０に圧電歪みが生じない部分を非活性部と称する。すなわち、圧電アクチュエーター３００のうち、圧電体層７０が第１電極６０と第２電極８０とで挟まれた部分が活性部であり、圧電体層７０が第１電極６０と第２電極８０とで挟まれていない部分が非活性部である。

一般的には、活性部の何れか一方の電極を活性部毎に独立する個別電極とし、他方の電極を複数の活性部に共通する共通電極として構成する。本実施形態では、第１電極６０が個別電極を構成し、第２電極８０が共通電極を構成している。

第１電極６０の材料は、特に限定されないが、例えば、イリジウムや白金といった金属、ＩＴＯと略される酸化インジウムスズといった導電性金属酸化物等の導電材料が用いられる。第１電極６０の厚さは、適宜決定されればよいが、例えば、０．１μｍ程度としている。

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ＡＢＯ_３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る。圧電体層７０に用いられるペロブスカイト型酸化物としては、例えば、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。また圧電体層７０の厚さは特に限定されないが、０．１～５μｍ程度とすることが好ましく、本願では１μｍ程度としている。

また圧電体層７０は、図２に示すように、Ｘ軸方向の長さを所定長さとして、Ｙ軸方向に亘って連続して設けられている。すなわち圧電体層７０は、所定の厚さで圧力室１２の並設方向に沿って連続して設けられている。

さらに圧電体層７０には、図２及び図４に示すように、各隔壁１１に対応して他の領域よりも厚さが薄い部分である溝部７１が形成されている。本実施形態の溝部７１は、圧電体層７０をＺ軸方向に完全に除去することで形成されている。すなわち、圧電体層７０が他の領域よりも厚さの薄い部分を有するとは、圧電体層７０がＺ軸方向に完全に除去されたものも含む。もちろん、溝部７１の底面に圧電体層７０が他の部分よりも薄く形成されていてもよい。

第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対側である－Ｚ方向側に設けられ、複数の活性部に共通する共通電極を構成する。第２電極８０は、Ｘ軸方向の長さを所定長さとして、Ｙ軸方向に亘って連続して設けられている。第２電極８０の厚さは、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ程度の厚さとしている。

また圧電アクチュエーター３００を構成する第１電極６０と第２電極８０とには、個別リード電極９１と駆動用共通電極である共通リード電極９２とがそれぞれ接続されている。個別リード電極９１及び共通リード電極９２の圧電アクチュエーター３００に接続された端部とは反対側の端部には、可撓性を有する配線基板１２０が接続されている。本実施形態では、個別リード電極９１及び共通リード電極９２は、保護基板３０に形成された貫通孔３２内に露出するように延設され、この貫通孔３２内で配線基板１２０と電気的に接続されている。配線基板１２０には、圧電アクチュエーター３００を駆動するためのスイッチング素子を有する駆動回路１２１が実装されている。

個別リード電極９１及び共通リード電極９２の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。また個別リード電極９１及び共通リード電極９２の厚さは、特に限定されないが、例えば、１μｍ程度の厚さとしている。

このような本実施形態の記録ヘッド１では、図示しない外部インク供給手段と接続した導入口４４からインクを取り込み、マニホールド１００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１２１からの記録信号に従い、圧力室１２に対応するそれぞれの圧電アクチュエーター３００に電圧を印加することで、圧電アクチュエーター３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力室１２内の圧力が高まり、各ノズル２１からインク滴が噴射される。

ここで、圧電アクチュエーター３００の駆動に伴う振動板５０の変位について説明する。本実施形態に係る振動板５０は、圧電アクチュエーター３００の非駆動時には、圧力室１２側に凸として若干撓んでいる。圧電アクチュエーター３００に電圧が印加されると、振動板５０はこの状態から変位する。具体的には、図５の模式図に示すように、振動板５０は、圧力室１２が最も収縮する第１位置Ｐ１と圧力室１２を最も膨張する第２位置Ｐ２との間でＺ軸方向に変位し、これによりノズル２１からインク滴が噴射する。

ところで、上述のように圧電アクチュエーター３００が収容された保持部３５は、外気とは遮断された封止空間である。このため、保持部３５内の圧力は、振動板５０が変位することで変化する。すなわち保持部３５内の圧力は、振動板５０が圧力室１２側に変位することで低下し、振動板５０が圧力室１２とは反対側に変位することで上昇する。

圧電アクチュエーター３００の通常駆動によるインク滴噴射時、つまり振動板５０が通常変位状態のときには、上述のように振動板５０は第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間で変位する。したがって、振動板５０が通常変位状態のときには、保持部３５内の圧力は、振動板５０が第１位置Ｐ１まで変位したときに最も低くなり、振動板５０が第２位置Ｐ２まで変位したときに最も高くなる。

ただし、例えば、圧力室１２に流入したインクに気泡が含まれていると、意図しない振動板５０の共振によって、振動板５０が圧力室１２とは反対側へ第２位置Ｐ２を超えて過度に変位してしまうことがある。すなわち、振動板５０が通常変位状態である範囲を超えて変位する異常変位状態となることがある。

ここで、異常変位状態とは、具体的には、図６の模式図に示すように、－Ｚ方向に振動板５０が第２位置Ｐ２を超えて第３位置Ｐ３まで変位し、Ｚ軸方向における第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の中点である第４位置Ｐ４から第３位置Ｐ３までの変位量Ｄ１が、第４位置Ｐ４から第２位置Ｐ２までの変位量Ｄ２の２倍以上である状態をいう。

そして記録ヘッド１は、振動板５０がこのような異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上となるように、構成されている。すなわち記録ヘッド１は、振動板５０が第３位置Ｐ３にあるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が第２位置Ｐ２にあるときの保持部３５の圧力の１．０５倍以上であるように、構成されている。また異常変位状態における保持部３５の圧力は、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上であればよいが、さらに１．１倍以上であることが好ましい。

これにより、圧電アクチュエーター３００の駆動に伴い振動板５０が異常変位状態となった際、封止空間である保持部３５内の気体（例えば、空気）がダンパーとして機能し、振動板５０及び圧電アクチュエーター３００の過度な変位が抑えられる。その結果、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。例えば、異常変位状態を繰り返すことによって振動板５０が疲労し、振動板５０にクラック等の破壊が生じてしまうことを抑制することができる。

振動板５０の破壊は、Ｙ軸方向における圧力室１２の端部付近で発生し易いが、記録ヘッド１が上記構成となっていることで、圧力室１２の端部付近における振動板５０の破壊を効果的に抑制することができる。

異常変位状態における振動板５０の変位が比較的大きい場合、特に、振動板５０が保護基板３０側に凸として撓む時の位置である第３位置Ｐ３が、Ｚ軸方向において流路形成基板１０の表面よりも保護基板３０側である場合には、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊をより効果的に抑制することができる。

なお保持部３５内の圧力は、振動板５０の変位特性等に応じて適宜調整する必要がある。すなわち、振動板５０が第２位置Ｐ２にあるときの保持部３５の圧力Ｐａに対する振動板５０が第３位置Ｐ３にあるときの保持部３５内の圧力Ｐｂの比Ｐａ／Ｐｂ（以下、圧力比という）が１．０５以上となるように、振動板５０の変位特性等に応じて、保持部３５内の圧力を適宜調整する必要がある。

保持部３５内の圧力の調整方法は特に限定されるものではない。すなわち、上記圧力比の調整方法は、特に限定されるものではない。この圧力比は、例えば、保持部３５の高さによって適宜調整することができる。つまり保持部３５内の圧力は、保持部３５の高さによって適宜調整することができる。

保持部３５の高さとは、保持部３５の圧電アクチュエーター３００に対応する部分の高さであり、圧電アクチュエーター３００から保護基板３０までの高さｈ１である（図４参照）。なお本実施形態では、保持部３５を形成する凹部３１の内面はＹ軸方向の断面視において矩形形状となっており、保持部３５はＹ軸方向に亘って一定の高さｈ１で形成されている。

図７は、Ｚ軸方向における第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の中点である第４位置Ｐ４と、上記圧力比が１．０５となる場合の保持部３５の高さｈ１と、の関係を示すグラフである。なおこのグラフにおいて第４位置Ｐ４は、流路形成基板１０の－Ｚ方向の表面からの距離で示し、保持部３５側をプラス方向とし、圧力室１２側をマイナス方向として示している。

図７のグラフから分かるように、第４位置Ｐ４が圧力室１２側になるほど、圧力比１．０５となる保持部３５の高さｈ１は大きくなる傾向にある。したがって、振動板５０の第４位置Ｐ４に応じて保持部３５の高さｈ１を適宜設定することで、振動板５０の第４位置Ｐ４に拘わらず、圧力比を１．０５以上に調整することができる。すなわち保持部３５の高さｈ１を適宜設定することで、振動板５０の第４位置Ｐ４に拘わらず、振動板５０が第３位置Ｐ３にあるときの保持部３５内の圧力を、振動板５０が第２位置Ｐ２にあるときの保持部３５の圧力の１．０５倍以上とすることができる。

図８は、第４位置Ｐ４から第２位置Ｐ２までの振動板５０の変位量（以下、振幅という）と、上記圧力比が１．０５である場合の保持部３５の高さｈ１と、の関係を示すグラフである。このグラフから分かるように、振動板５０の振幅が大きくなるほど、圧力比が１．０５となる保持部３５の高さｈ１は高くなる傾向にある。したがって、振動板５０の振幅に応じて保持部３５の高さｈ１を適宜設定することで、振動板５０の振幅に拘わらず、圧力比を１．０５以上に調整することができる。すなわち保持部３５の高さｈ１を適宜設定することで、振動板５０の振幅に拘わらず、振動板５０が第３位置Ｐ３にあるときの保持部３５内の圧力を、振動板５０が第２位置Ｐ２にあるときの保持部３５の圧力の１．０５倍以上とすることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る記録ヘッド１は、振動板５０が異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上となるように構成されていることで、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。例えば、異常変位状態を繰り返すことによる振動板５０の疲労を低減でき、振動板５０にクラック等の破壊が生じてしまうことを抑制することができる。

ところで、保持部３５の高さｈ１は、圧電アクチュエーター３００の駆動を阻害しない範囲で適宜設定されればよいが、好ましくは１０μｍ以下であり、より好ましくは４μｍ以下である。これにより、上述した第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを備える圧電アクチュエーター３００を備える記録ヘッド１において、振動板５０が異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力を、より確実に、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上とすることができる。

また本実施形態では、振動板５０が、圧電アクチュエーター３００の非駆動時に圧力室１２側を凸として撓んでいる。これにより、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０の破壊をより確実に抑制することができる。勿論、振動板５０は、圧電アクチュエーター３００の非駆動時に圧力室１２側を凸として撓んでいなくてもよい。

また、保持部３５の圧力は、上記圧力比が１．０５以上となるように設定されていればよく、例えば、圧電アクチュエーター３００の非駆動時における保持部３５の圧力は、特に限定されない。しかしながら、圧電アクチュエーター３００の非駆動時における保持部３５の圧力は、１気圧よりも高くなっていることが好ましい。これにより、保持部３５によるダンパー効果が高まり、振動板５０等の破壊をより確実に抑制することができる。

また本実施形態では、圧電体層７０に溝部７１が設けられているため、流路形成基板１０に保護基板３０を接着する際、接着剤の流れ出しへの対応が容易となる。したがって、記録ヘッド１を製造する際、保持部３５の高さｈ１の調整が容易となる。

さらに保持部３５となる凹部３１のＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長い長方形に形成されているため、ノズル解像度を上げ易く、且つ保持部３５のダンパー効果により振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊も抑制し易くなる。

（試験例）
ここで、保持部の高さｈ１によって上記圧力比を変化させた以外は同一の構成とした比較例１，２及び実施例１～４の記録ヘッドをそれぞれ１００個作製し、振動板を異常変位状態としたときに振動板の破壊が発生した記録ヘッドの個数について調べた。その結果を下記表１に示す。

表１に示すように、圧力比が１．０５よりも小さい比較例１，２の記録ヘッドでは、振動板の破壊が複数個において確認された。一方、圧力比が１．０５以上である実施例１～４の記録ヘッド１では、振動板の破壊はほぼ発生することが無かった。特に、圧力比が１．１以上である実施例２～４では振動板の破壊は全く発生しなかった。

この結果から分かるように、異常変位状態における保持部３５の圧力が、振動板５０が第２位置Ｐ２にあるときの保持部３５の圧力の１．０５倍以上であるようにすることで、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。

（実施形態２）
図９は、実施形態２に係る記録ヘッドの断面図であり、図２のＢ－Ｂ′線に対応する断面図である。なお同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態に係る記録ヘッド１Ａは、保護基板３０に形成される凹部３１Ａの形状、つまり封止空間である保持部３５の形状の変形例であり、凹部３１Ａの形状以外は、実施形態１と同様の構成である。

図９に示すように、本実施形態では、保護基板３０に形成される凹部３１Ａの内面が、圧力室１２の並び方向であるＹ軸方向の断面視において多角形状になっている。具体的には、凹部３１Ａは、Ｙ軸方向の断面視において、上面３１ａと、２つの側面３１ｂ，３１ｃ以外の面を含む多数面で構成されている。すなわち凹部３１Ａは、上面３１ａ、２つの側面３１ｂ，３１ｃ、上面３１ａと側面３１ｂとの間に設けられた連結面３１ｄ、上面３１ａと側面３１ｃとの間に設けられた連結面３１ｅ、の５つの面で構成されている。なお、これら連結面３１ｄ，３１ｅは、上面３１ａ及び側面３１ｂ，３１ｃに対して傾斜している。

このような構成の記録ヘッド１Ａにおいても、振動板５０が異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上であることで、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。

また保持部３５となる凹部３１Ａの内面が、上述のように多角形状となっていることで、振動板５０が異常変位状態となった際に、保持部３５内の圧力が高まり易くなる。したがって、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊をより確実に抑制することができる。さらに保持部３５の壁部分に相当する保護基板３０の剛性が高められるため、接着工程での応力による保護基板５０の破壊を抑制できる。

（実施形態３）
図１０は、実施形態３に係る記録ヘッドの断面図であり、図２のＢ－Ｂ′線に対応する断面図である。なお同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態に係る記録ヘッド１Ｂも、保護基板３０に形成される凹部３１Ｂの形状、つまり封止空間である保持部３５の形状の変形例であり、凹部３１Ｂの形状以外は、実施形態１と同様の構成である。

図１０に示すように、本実施形態では、保護基板３０に形成された凹部３１Ｂの内面が、圧力室１２の並び方向であるＹ軸方向の断面視において曲線を含み、角部を持たない形状となっている。具体的には、凹部３１Ｂは、Ｙ軸方向の断面視において、上面３１ａと、２つの側面３１ｂ，３１ｃとの境界部３６のそれぞれが、略直角の角部ではなく曲面で形成されている。

このような本実施形態に係る記録ヘッド１Ｂにおいても、振動板５０が異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上であることで、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。

また保持部３５となる凹部３１Ｂの内面が、上述のように曲線を含み、角部を持たない形状となっていることで、振動板５０が異常変位状態となった際に、保持部３５内の圧力が高まり易くなる。したがって、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊をより確実に抑制することができる。さらに保持部３５の壁部分に相当する保護基板３０の剛性が高められるため、接着工程での応力による保護基板５０の破壊を抑制できる。

（実施形態４）
図１１は、実施形態４に係る記録ヘッドの断面図であり、図２のＢ－Ｂ′線に対応する断面図である。なお同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態に係る記録ヘッド１Ｃも、保護基板３０に形成される凹部３１Ｃの形状、つまり封止空間である保持部３５の形状の変形例であり、凹部３１Ｃの形状以外は、実施形態１と同様の構成である。

図１１に示すように、本実施形態では、保護基板３０に形成される凹部３１Ｃの内面が、圧力室１２の並び方向であるＹ軸方向の断面視において曲線形状に形成されている。具体的には、凹部３１Ｃの内面は、Ｙ軸方向の断面視において略半楕円形状に形成されている。勿論、凹部３１Ｃの内面は、曲線で形成されていれば半楕円形状に限られず、例えば、略半円形状等であってもよい。

このような本実施形態に係る記録ヘッド１Ｃにおいても、振動板５０が異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上であることで、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。

また保持部３５となる凹部３１Ｃの内面が、上述のように曲線形状となっていることで、振動板５０が異常変位状態となった際に、保持部３５内の圧力が高まり易くなる。したがって、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊をより確実に抑制することができる。さらに保護基板３０全体の剛性が高められるため、接着工程での応力による保護基板３０の破壊を抑制できる。

（実施形態５）
図１２は、実施形態５に係る記録ヘッドの断面図であり、図２のＢ－Ｂ′線に対応する断面図である。なお同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態に係る記録ヘッド１Ｄは、保護基板３０に形成される凹部３１Ｄの形状、つまり封止空間である保持部３５の形状の変形例であり、凹部３１Ｄの形状以外は、実施形態１と同様の構成である。

図１２に示すように、本実施形態では、保護基板３０に形成される凹部３１Ｄの内面が、圧力室１２の並び方向であるＹ軸方向の断面視において一つの極値Ｍ１と二つの変曲点Ｉ１，Ｉ２を持つ曲線形状に形成されている。言い換えれば、凹部３１Ｄの内面は、保持部３５の外側を凸とする曲線である第１曲線部３７と、第１曲線部３７の両側に設けられて保持部３５の内側を凸とする曲線である２つの第２曲線部３８とで構成されている。すなわち凹部３１Ｄの内面は、異常変位状態であるときの振動板５０の形状に近似する曲線形状に形成されている。

このような本実施形態に係る記録ヘッド１Ｄにおいても、振動板５０が異常変位状態であるときの保持部３５内の圧力が、振動板５０が通常変位状態であるときの保持部３５内の最大圧力の１．０５倍以上であることで、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。

また保持部３５となる凹部３１Ｄの内面が、上述のように一つの極値Ｍ１と二つの変曲点Ｉ１，Ｉ２を持つ曲線形状となっていることで、振動板５０が異常変位状態となった際に、保持部３５内の圧力が高まり易くなる。したがって、振動板５０が異常変位状態となった場合でも、振動板５０や圧電アクチュエーター３００の破壊をより確実に抑制することができる。さらに保護基板３０全体の剛性が高められるため、接着工程での応力による保護基板３０の破壊を抑制できる。

（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、上述の各実施形態では、第１電極６０が活性部毎の個別電極を構成し、第２電極８０が複数の活性部の共通電極を構成するようにしたが、第１電極６０が複数の活性部の共通電極を構成し、第２電極８０が活性部毎の個別電極を構成するようにしてもよい。この場合であっても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。

また、これら各実施形態の記録ヘッド１は、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置に搭載される。図１３は、一実施形態に係る液体噴射装置の一例である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１３に示すインクジェット式記録装置Ｉにおいて、記録ヘッド１は、インク供給手段を構成するカートリッジ２が着脱可能に設けられ、キャリッジ３に搭載されている。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の軸方向に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８に限られずベルトやドラム等であってもよい。

このようなインクジェット式記録装置Ｉでは、記録ヘッド１に対して記録シートＳを＋Ｘ方向に搬送し、キャリッジ３を記録シートＳに対してＹ方向に往復移動させながら、記録ヘッド１からインク滴を噴射させることで記録シートＳの略全面に亘ってインク滴の着弾、所謂、印刷が実行される。

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であるＹ方向に往復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を副走査方向であるＸ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。

なお、上記実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、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を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、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が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。

Ｉ…インクジェット式記録装置、１…インクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド）、２…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…圧力室、１５…連通板、１６…ノズル連通路、１７…第１マニホールド部、１８…第２マニホールド部、１９…供給連通路、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、３０…保護基板、３１…凹部、３１ａ…上面、３１ｂ，３１ｃ…側面、３１ｄ，３１ｅ…連結面、３２…貫通孔、３５…保持部、３６…境界部、３７…第１曲線部、３８…第２曲線部、４０…ケース部材、４１…収容部、４２…第３マニホールド部、４３…接続口、４４…導入口、４５…コンプライアンス基板、４６…封止膜、４７…固定基板、４８…開口部、４９…コンプライアンス部、５０…振動板、５１…弾性膜、５２…絶縁体膜、６０…第１電極、７０…圧電体層、７１…溝部、８０…第２電極、９１…個別リード電極、９２…共通リード電極、１００…マニホールド、１２０…配線基板、１２１…駆動回路、３００…圧電アクチュエーター、Ｓ…記録シート

Claims (12)

1. ノズルに連通する複数の圧力室が形成される流路形成基板と、
   前記流路形成基板の一方面側に設けられる振動板と、
   前記振動板の前記流路形成基板とは反対面側に前記圧力室のそれぞれに対向して設けられ、圧電体層と、前記圧電体層を挟む第１電極及び第２電極とを有する圧電アクチュエーターと、
   前記流路形成基板の一方面側に設けられ、前記圧電アクチュエーターが内部に封止される封止空間となる凹部を前記圧力室毎に備える保護基板と、を備え、
   前記圧電アクチュエーターの駆動により、前記圧力室が最も収縮する第１位置と前記圧力室が最も膨張する第２位置との間で前記振動板を変位させて、前記ノズルから液滴を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
   前記振動板が前記第２位置を超えて第３位置まで変位し前記第１位置と前記第２位置との中心である第４位置から前記第３位置までの変位量が前記第４位置から前記第２位置までの変位量の２倍以上である異常変位状態における前記封止空間の圧力は、前記振動板が前記第２位置にあるときの前記封止空間の圧力の１．０５倍以上である
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記異常変位状態における前記封止空間の圧力が、前記振動板が前記第２位置にあるときの前記封止空間の圧力の１．１倍以上である
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 前記第３位置は、前記振動板が前記保護基板側を凸として撓む時の位置であり、前記流路形成基板よりも前記保護基板側である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記封止空間の前記圧電アクチュエーターに対応する部分の高さが１０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記封止空間の前記圧電アクチュエーターに対応する部分の高さが４μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記振動板は、前記圧電アクチュエーターの非駆動時に前記圧力室側を凸として撓む
   ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記圧電アクチュエーターの非駆動時における前記封止空間の圧力が、１気圧よりも高い
   ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
8. 前記保護基板に設けられる前記凹部の内面は、前記圧力室の並設方向の断面視において多角形形状である
   ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
9. 前記保護基板に設けられる前記凹部の内面は、前記圧力室の並設方向の断面視において曲線を含み、角部をもたない形状である
   ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
10. 前記保護基板に設けられる前記凹部の内面は、前記圧力室の並設方向の断面視において曲線形状である
    ことを特徴とする請求項９に記載の液体噴射ヘッド。
11. 前記保護基板に設けられる前記封止空間の内面は、前記圧力室の並設方向の断面視において一つの極値と二つの変曲点を持つ曲線形状である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の液体噴射ヘッド。
12. 請求項１～１１の何れか一項に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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