JP4917426B2

JP4917426B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP4917426B2
Application number: JP2006355700A
Authority: JP
Inventors: 修三岩下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008162173A

Description

本発明は、液体吐出装置に関するものである。

平板状の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータが積層される主面を有し、かつ、その内部に、前記主面で開口された、液体が充填される圧力室となる凹部を含む、液体の吐出流路が形成された流路基板とを備えると共に、前記流路基板の主面上に、圧電アクチュエータが、前記凹部を塞いで積層された積層構造を有する液体吐出装置が、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタ等の、インクジェット記録方式を利用した記録装置において、圧電インクジェットヘッドとして、広く利用されている。

前記液体吐出装置においては、吐出流路に液体（圧電インクジェットヘッドの場合はインク）を充填した状態で、圧電アクチュエータに駆動電圧を印加して、前記圧電アクチュエータの、圧力室に対応する領域（以下「圧電変位領域」と記載することがある）を振動させると、凹部を塞いで形成した圧力室内の液体が加圧されて、吐出流路を通して吐出される。そして、圧電インクジェットヘッドの場合は、吐出流路の先端に設けられた微細なノズルから吐出された液滴（インク滴）が、前記ノズルと対向させて配設された紙面まで飛翔して、前記紙面に、ドットが形成される。

前記各部のうち、流路基板は、通常、圧力室となる凹部等の、吐出流路のもとになる通孔が形成された複数の、ステンレス鋼等の金属製の基板部材を、所定の吐出流路を構成するように順次、積層して製造される。また、平板状の圧電アクチュエータは、通常、駆動電圧の印加によって面方向に伸縮する、いわゆる横振動モードの圧電変位特性を有する平板状の圧電セラミック層の両面に、前記圧電セラミック層に駆動電圧を印加するための電極層を形成すると共に、一方の電極層の外側に、前記圧電セラミック層の、面方向の伸縮によって、圧電アクチュエータの圧電変位領域を、前記面方向と交差する厚み方向に変位させることによって振動させるための振動板を積層して構成される。振動板としては、例えば、圧電セラミック層と同じ圧電セラミック材料からなる層や、金属板等が挙げられる。また振動板を、導電性のよい金属板で形成して、前記振動板側の電極層として代用させることで、前記電極層を省略することもある。

また、液体吐出装置が圧電インクジェットヘッドである場合には、流路基板に、圧力室となる凹部を含む吐出流路を、形成するドットピッチ等に合わせて複数組、配列すると共に、１枚の圧電アクチュエータの、少なくとも一方（通常は、配線の便を考慮して、外部に露出される、流路基板側と反対側の面）の電極層を、前記圧力室の平面形状に対応した平面形状を有する、複数の独立した電極層（個別電極層）として形成することで、前記１枚の圧電アクチュエータを、各個別電極層ごとの圧電変位領域と、各圧電変位領域間で流路基板に固定された拘束領域とに区画して、前記圧電変位領域を、各個別電極層に個別に駆動電圧を印加することで、個別に振動させて、対応する吐出流路ごとに個別に、ノズルからインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成することが行われる（特許文献１参照）。
特開２００６−２７８６６８号公報

近年の、インクジェットプリンタ等における高画質化の要求に伴って、圧電インクジェットヘッドにおいては、ノズルの、ひいては圧力室を含む吐出流路の形成ピッチを小さくすると共に、ノズルの数を多くすることが求められるようになってきている。ところが、先に説明した、１枚の圧電アクチュエータを、ノズルと連通する圧力室に対応させた複数の圧電変位領域と、その間の拘束領域とに区画して、前記圧電変位領域を個別に駆動させる、いわゆる素子共通型の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電変位領域の形成ピッチを、ノズルの形成ピッチに合わせて微小化した際には、１つの圧電変位領域に駆動電圧を印加して振動させた際に、前記振動が、その周囲の、複数の圧電変位領域の振動特性に影響を及ぼす、いわゆるクロストークが発生しやすくなるという問題があった。

また、前記素子共通型の圧電アクチュエータは、個々の微小な圧電変位領域の振動特性を向上するために、前記圧電アクチュエータを構成する各層が薄肉化される傾向にある上、ノズルの数の増加に伴う圧電変位領域の数の増加に伴って、圧電アクチュエータの全体は小型化されないばかりか、場合によっては、却って大型化する傾向もあり、かかる薄肉の圧電アクチュエータは、応力が加わった際に、割れたり、クラックを生じたりする不良が発生しやすいため、圧電インクジェットヘッドの生産性が低いという問題もあった。

すなわち、素子共通型の圧電インクジェットヘッドは、通常、流路基板の主面上に、圧電アクチュエータを、熱硬化性接着剤の層を介して重ねた状態で加熱して、前記熱硬化性接着剤を硬化させて積層した後、前記圧電アクチュエータの、先に説明したように外部に露出させた個々の個別電極層に、駆動電圧を印加するための配線として、フレキシブルプリント基板上の導体回路を圧接させて、電気的に接続することで製造されるが、前記熱接着時に、流路基板と圧電アクチュエータの熱膨張係数の違いによって残留応力が発生して、圧電アクチュエータに割れやクラックの不良が発生したり、圧接時に加えられる応力によって、圧電アクチュエータに割れやクラックの不良が発生したりしやすいため、圧電インクジェットヘッドの生産性が低くなってしまうのである。

また、従来の圧電インクジェットヘッドは、駆動を繰り返すと、圧電セラミック層を形成する圧電セラミックが徐々にクリープ変形したり、圧電セラミックの結晶粒の分極方向が徐々に変化したりする、いわゆるエージングの不良を生じて、圧電変位領域の変位量が、徐々に低下するという問題もあった。
本発明の目的は、素子共通型とした際にクロストークの問題を生じるおそれがない上、圧電アクチュエータが割れたり、クラックを生じたりする不良や、エージングの不良が発生しにくいため、生産性よく製造することができる、圧電インクジェットヘッド等の液体吐出装置を提供することにある。

本発明は、平板状の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータが積層される主面を有し、かつ、内部に、前記主面で開口された、液体が充填される圧力室となる複数の凹部を含む、液体の吐出流路が形成された流路基板とを備えると共に、前記流路基板の主面上に、前記圧電アクチュエータが、前記複数の凹部を塞いで積層されており、前記圧電アクチュエータに駆動電圧を印加して、前記吐出流路を通して液体を吐出させる液体吐出装置であって、前記圧電アクチュエータは、前記流路基板側から、振動板、共通電極層、圧電セラミック層、および複数の個別電極層の順に積層されており、前記圧電アクチュエータの、前記流路基板側と反対側の被積層面上で、かつ前記圧電アクチュエータの、前記流路基板の前記圧力室に対応する領域以外の領域に、前記流路基板との間に前記振動板、前記共通電極層、および前記圧電セラミック層を挟むように選択的に密着させて、保護基板が積層されており、かつ前記圧電アクチュエータの前記被積層面には個別電極層が設けられており、当該個別電極層は、前記圧力室に対応する領域から前記保護基板が積層されている領域まで延設されて、前記保護基板を貫通して設けられているビア電極に接続されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、流路基板側から、振動板、共通電極層、圧電セラミック層、および複数の個別電極層の順に積層されてなる圧電アクチュエータの、従来は外部に露出されていた、前記流路基板側と反対側の被積層面上に、保護基板を積層して、前記圧電アクチュエータを構成する各層を、前記保護基板と流路基板とで挟むことによって、前記各部からなる積層体を、熱膨張係数上、厚み方向にほぼ対称の構造とすることができるため、熱接着時に残留応力が発生して、圧電アクチュエータが割れたり、クラックを生じたりする不良が発生するのを、これまでよりも抑制することができる。

また、圧電アクチュエータを、保護基板と流路基板とで挟むことによって、外力等から、より強固に保護することができるため、例えば個別電極層等の電極層に、フレキシブルプリント基板上の導体回路を圧接させて電気的に接続する際等に加えられる応力によって、圧電アクチュエータが割れたり、クラックを生じたりする不良が発生するのを、これまでよりも抑制することができる。

しかも、前記保護基板は、圧電アクチュエータの、流路基板の複数の圧力室に対応する圧電変位領域以外の領域、すなわち、流路基板に固定された拘束領域に、選択的に密着させて積層されており、圧電変位領域は、保護基板に対しても、また流路基板に対しても非接触の状態が維持されるため、前記圧電変位領域の、厚み方向の変位による振動が、両基板によって阻害されるおそれがない。

その上、前記拘束領域が、保護基板と流路基板とで両面から挟んで固定した状態とされるため、例えば素子共通型として、１つの圧電変位領域に駆動電圧を印加して振動させた際に、前記振動が、その周囲の、複数の圧電変位領域の振動特性に影響を及ぼすクロストークが発生するのを、これまでより抑制することもできる。また、圧電セラミック層を形成する圧電セラミックが徐々にクリープ変形したり、圧電セラミックの結晶粒の分極方向が徐々に変化したりするエージングの不良が生じるのを、これまでより抑制することもできる。

なお、本発明の液体吐出装置においては、前記保護基板の、前記圧電アクチュエータと積層される積層面の、前記流路基板の前記圧力室に対応する領域に、前記積層面から凹入した凹入部が形成されており、前記凹入部以外の前記積層面が、前記圧電アクチュエータの、前記圧力室に対応する領域以外の領域に、選択的に密着された状態で、前記保護基板が、前記圧電アクチュエータの被積層面上に積層されているのが好ましい。

前記構成によれば、圧電アクチュエータの、被積層面の全面が、前記凹入部を有する保護基板によって覆われて、外部から遮断されるため、前記被積層面に形成される電極層（素子共通型の場合は、先に説明したように、個別電極層であることが多い）が、吐出時に霧状になって舞い上がったり、液体吐出装置の表面を伝ったりして、前記被積層面側に回りこんだインク等の液体によって、比較的、短期間で腐食されるのを防止して、液体吐出装置の耐久性を向上することができる。しかも、前記構成では、保護基板に設けた凹入部によって、前記保護基板と、圧電アクチュエータの圧電変位領域との、非接触の状態が維持されるため、前記圧電変位領域の、厚み方向の変位による振動が、保護基板によって阻害されるおそれもない。

さらに、前記流路基板と前記保護基板とが、同種の材料によって形成されている場合には、両基板の熱膨張係数を近時させることができるため、例えば、流路基板と圧電アクチュエータと保護基板とを、熱硬化性接着剤の層を介して重ねた状態で加熱して、前記熱硬化性接着剤を硬化させて液体吐出装置を製造する際等に、両基板の熱膨張係数の違いによって残留応力が発生して、圧電アクチュエータに割れやクラックが発生したり、液体吐出装置の全体が歪んだりするのを防止することができる。

本発明によれば、素子共通型とした際にクロストークの問題を生じるおそれがない上、圧電アクチュエータが割れたり、クラックを生じたりする不良や、エージングの不良が発生しにくいため、生産性よく製造することができる、圧電インクジェットヘッド等の液体吐出装置を提供することができる。

図１は、本発明の液体吐出装置としての圧電インクジェットヘッドの一例において、流路基板の内部に形成された、１つの圧力室と、その近傍の領域とを拡大した断面図である。また、図２は、図１の例の圧電インクジェットヘッドを構成する、素子共通型の、平板状の圧電アクチュエータ上に、流路基板の内部に形成された複数の圧力室に対応して配列された複数の圧電変位領域の、配列状態を示す平面図である。

図１を参照して、この例の圧電インクジェットヘッド１は、平板状の圧電アクチュエータ２と、前記圧電アクチュエータ２が積層される主面３を有し、かつ、内部に、前記主面３で開口された、液体としてのインクが充填される圧力室となる凹部４を含む、インクの吐出流路が形成された流路基板５とを備えている。前記両者は、流路基板５の主面３上に、圧電アクチュエータ２が、前記凹部４を塞いで積層されている。

また、流路基板５内には、図示していないが、凹部４を含む吐出流路が、形成するドットピッチ等に合わせて複数組、配列されており、前記流路基板５の主面３上に積層された圧電アクチュエータ２は、図２に示すように、前記複数組の吐出流路の凹部４の、流路基板５の面方向の平面形状と配列に対応した複数の圧電変位領域６と、その間の、流路基板５に固定された拘束領域７とに区画されている。

圧電アクチュエータ２は、横振動モードの圧電変位特性を有する平板状の圧電セラミック層８の、図１において上面に、前記各圧電変位領域６ごとに独立して形成された個別電極層９と、下面の略全面に亘って連続させて形成された共通電極層１０と、前記共通電極層１０の下面に積層された振動板１１とを備えている。このうち、個別電極層９は、図示していないが、個々の圧電変位領域６の平面形状と相似形状を有する本体部１２と、前記本体部１２から圧電変位領域６の外、つまり拘束領域７内に達するように延設された電極部１３とを備えている。

さらに、圧電アクチュエータ２の、流路基板５に積層された側と反対側である被積層面１４上には、前記圧電アクチュエータ２の圧電変位領域６に対応する平面形状を有する複数の通孔１５を備え、そのために、拘束領域７のみと選択的に密着された状態で、保護基板１６が積層されている。
また、前記保護基板１６の、通孔１５の外、つまり拘束領域７に対応する領域内で、かつ、個別電極層９の電極部１３の先端に対応する位置には、前記保護基板１６の、圧電アクチュエータと積層される積層面１７から、反対側である露出面１８に達するビア孔１９が形成されており、前記ビア孔１９内に導電材料が充填されて、前記個別電極層９の電極部１３と電気的に接続されると共に、その先端が、保護基板１６の露出面１８において露出されたビア電極２０が形成されている。前記ビア電極２０は、圧電アクチュエータ２の、個々の個別電極層９に駆動電圧を印加するための配線として、フレキシブルプリント基板２１上の導体回路２２を圧接させて、前記導体回路２２を、個別電極層９に電気的に接続するためのものである。

前記各部からなる、図の例の圧電インクジェットヘッド１によれば、平板状の圧電アクチュエータ２を、保護基板１６と流路基板５とで挟むことによって、前記各部からなる積層体を、熱膨張係数上、厚み方向にほぼ対称の構造とすることができるため、熱接着時に残留応力が発生して、圧電アクチュエータ２が割れたり、クラックを生じたりする不良が発生するのを、これまでよりも抑制することができる。

また、平板状の圧電アクチュエータ２を、保護基板１６と流路基板５とで挟むことによって、外力等から、より強固に保護することもできる。そのため、例えば、個別電極層９と電気的に接続されたビア電極２０に、図１中に白抜きの矢印で示すように、フレキシブルプリント基板２１上の導体回路２２を圧接させて電気的に接続する際等に加えられる応力によって、圧電アクチュエータ２が割れたり、クラックを生じたりする不良が発生するのを、これまでよりも抑制することもできる。

しかも、保護基板１６は、圧電アクチュエータ２の圧電変位領域６に対応する平面形状を有する複数の通孔１５を備えており、前記圧電アクチュエータ２の被積層面１４上に、拘束領域７とのみ、選択的に密着させた状態で積層されている。したがって、圧電変位領域６は、保護基板１６に対しても、また流路基板５に対しても非接触の状態が維持されるため、前記圧電変位領域６の、厚み方向の変位による振動が、両基板５、１６によって阻害されるおそれがない。

その上、前記拘束領域７は、保護基板１６と流路基板５とで両面から挟んで固定した状態とされるため、１つの圧電変位領域６に駆動電圧を印加して振動させた際に、前記振動が、その周囲の、複数の圧電変位領域６の振動特性に影響を及ぼすクロストークが発生するのを、これまでより抑制することもできる。また、圧電セラミック層８を形成する圧電セラミックが徐々にクリープ変形したり、圧電セラミックの結晶粒の分極方向が徐々に変化したりするエージングの不良が生じるのを、これまでより抑制することもできる。そのため、圧力室間の距離を狭めることができ、高解像度のインクジェットヘッドを構成することが可能となる。

前記各部のうち、流路基板５は、従来同様に、圧力室となる凹部４等の、吐出流路のもとになる通孔が形成された複数の基板部材を、所定の吐出流路を構成するように順次、積層して製造される。また、基板部材としては、金属やセラミック、樹脂等によって、厚みが一定な平板状に形成されていると共に、例えばフォトリソグラフ法を利用したエッチング等によって、所定の平面形状を有する前記通孔が、所定の位置に形成されたものを用いることができる。

基板部材を金属で形成する場合、前記金属としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ系合金等が挙げられ、特に、インク等の液体に対する耐食性と、加工性とを考慮すると、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等）のステンレス鋼が好ましい。
圧電セラミック層８は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、前記ＰＺＴに、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物の１種または２種以上を添加した、ＰＬＺＴ等の、ＰＺＴ系の圧電セラミックによって、薄板状に形成することができる。また、圧電セラミック層８は、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、タングステンブロンズ構造材料、ビスマス層状化合物等を主成分とする圧電セラミックによって形成することもできる。

振動板１１は、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケル等の金属や、前記金属の合金、あるいはステンレス鋼等によって、所定の厚みを有する板状に形成することができる他、圧電セラミック層８と同じ、または同系の圧電セラミックによって形成することもできる。また、振動板１１を、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属によって形成して、共通電極層１０を省略することもできる。

個別電極層９、および共通電極層１０は、それぞれ、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属からなる箔、めっき被膜、真空蒸着被膜等によって形成することができる他、前記各金属の微粒子を含む導電性ペーストを塗布し、乾燥させた後、さらに必要に応じて焼成して形成することもできる。
個別電極層９を、先に説明した平面形状にパターン形成するためには、例えば、めっき被膜や真空蒸着被膜の場合、圧電セラミック層８の表面の、個別電極層９を形成する領域のみを、選択的に露出させ、それ以外の領域を、めっきマスクで被覆した状態で、露出させた領域に、選択的に、被膜を成膜する方法や、圧電セラミック層８の表面の全面に、被膜を成膜後、前記被膜の、個別電極層９に対応する領域のみを、エッチングマスクで被覆し、それ以外の領域を露出させた状態で、露出させた領域の被膜を、選択的にエッチングして除去する方法等が挙げられる。また、導電性ペーストからなる塗膜の場合は、前記導電性ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷方法によって、圧電セラミック層８の表面に、直接に、パターン形成すればよい。

圧電セラミック層８や、圧電セラミックからなる振動板１１は、焼成によって、先に説明した圧電セラミックとなる化合物を含むグリーンシートを、所定の平面形状に形成後、焼成して形成することができる。例えば、前記圧電セラミック層８と、振動板１１のもとになる、２層のグリーンシートの間に、焼成によって、共通電極層１０となる導電性ペーストの層を挟んだ積層体を作製し、前記積層体を一度に焼成すると、圧電セラミック層８と、共通電極層１０と、振動板１１とが積層された積層体を得ることができる。そして、前記積層体の、圧電セラミック層８の表面に、先に説明した方法で、個別電極層９をパターン形成すると、圧電アクチュエータ２が製造される。

保護基板１６は、流路基板５のもとになる基板部材と同様に、金属やセラミック、樹脂等によって、厚みが一定な平板状に形成されていると共に、例えばフォトリソグラフ法を利用したエッチング等によって、所定の平面形状を有する前記通孔１５が、所定の位置に形成されたものを用いることができる。
前記保護基板１６は、流路基板５のもとになる基板部材と同種の材料によって形成されているのが好ましい。例えば、基板部材を、先に説明したように、インク等の液体に対する耐食性と、加工性とを考慮して、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等）のステンレス鋼によって形成する場合には、保護基板１６も、同じステンレス鋼によって形成するのが好ましい。これにより、両基板５、１６の熱膨張係数を近時させることができるため、先に説明した、流路基板５と、圧電アクチュエータ２と、保護基板１６との積層体を、熱膨張係数上、厚み方向にほぼ対称の構造として、熱接着時に残留応力が発生して、圧電アクチュエータ２が割れたり、クラックを生じたりする不良が発生するのを抑制する効果を、さらに向上することができる。ただし、前記のメカニズムからも明らかなように、保護基板１６として、樹脂等の異種の材料からなるものを使用しても、その熱膨張係数が、流路基板５のもとになる基板部材と近いものを選べば、同様の効果を得ることは可能である。

保護基板１６を金属で形成する場合には、各個別電極層９間での短絡を防止するために、前記保護基板１６の表面と、ビア孔１９の内面とを、絶縁処理しておく必要がある。そのためには、例えば、保護基板１６の表面の全面、およびビア孔１９の内面に、厚み０．５μｍ程度のＮｉめっき層を形成した後、前記Ｎｉめっき層を、例えば過マンガン酸カリウム溶液、２−クロム酸カリウム溶液等の酸化剤を用いて酸化させて、酸化ニッケルからなる絶縁層を形成するのが好ましい。

また、前記保護基板１６の表面の全面、およびビア孔１９の内面に、例えばエポキシ樹脂等からなる、厚み５０μｍ程度の樹脂コート層を、含浸法等によって形成して、エポキシ樹脂等を硬化させた後、硬化物で埋まったビア孔１９の中心に、レーザー加工等によって、もとのビア孔１９よりも直径が小さい貫通孔を形成することによって、保護基板１６の表面と、ビア孔１９の内面とを、前記エポキシ樹脂等の硬化物によって絶縁処理してもよい。

圧電インクジェットヘッド１は、上で述べたように、流路基板５と圧電アクチュエータ２と保護基板１６とを、接着剤を用いて接着する等して固定することで製造される。接着剤としては、圧電インクジェットヘッド１に要求される耐熱性や、インク等の液体に対する耐性等を考慮すると、熱硬化温度が１００〜２５０℃であるエポキシ樹脂系、フェノール樹脂系、ポリフェニレンエーテル樹脂系等の、熱硬化性樹脂系の接着剤が好ましい。

圧電セラミック層８を、横振動モードとするためには、圧電セラミックの分極方向を、前記圧電セラミック層８の厚み方向、例えば、個別電極層９から共通電極層１０に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば、高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法等の分極方法が採用される。圧電セラミックの分極方向を、前記方向に配向させた、横振動モードの圧電セラミック層８は、例えば、共通電極層１０を接地した状態で、任意の個別電極層９に正の駆動電圧を印加すると、前記圧電セラミック層８の、両電極層９、１０で挟まれた駆動領域が、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし、圧電セラミック層８は、共通電極層１０を介して、振動板１１に固定されているため、結果的に、圧電アクチュエータ２の、前記駆動領域に対応する圧電変位領域が、圧力室の方向に突出するように撓んで、前記圧力室内のインクに圧力を加えた状態となる。

そのため、両電極層９、１０から、圧電セラミック層８の駆動領域に、所定の駆動電圧パルスを印加して、前記状態と、電圧が印加されず、圧電アクチュエータ２の撓み変位が解除された状態とを、所定のタイミングで繰り返して、圧電アクチュエータ２を振動させると、それに伴って、圧力室の容積が増減されて、前記圧力室内に充填されたインクが振動し、この振動が、吐出流路を通して、その先端に設けられた微細なノズルに伝えられて、前記ノズル内に形成されるインクのメニスカスが振動し、この振動に伴って、メニスカスを形成するインクの一部がインク滴として分離されて、ノズルから吐出され、前記ノズルと対向させて配設された紙面まで飛翔して、前記紙面に、ドットが形成される。

なお、流路基板５と保護基板１６とを、先に説明したように、同種の材料によって形成する場合には、前記流路基板５と保護基板１６との、厚みの比は１：１０〜１０：１であるのが好ましい。両基板の厚みの比が前期範囲内であれば、厚みの薄い方の基板が、例えば熱接着時に変形するのを防止することができる。また、流路基板５と保護基板１６とを、異種の材料によって形成する場合は、ヤング率が高い材料からなる基板の厚みの比率を、前記範囲より小さくすることで、前記変形を抑制することができる。例えば、保護基板１６が、流路基板５よりヤング率が１．５倍以上、高い材料からなる場合には、前記流路基板５と保護基板１６との、厚みの比は１：２〜５０：１であるのが好ましい。また、流路基板５が、保護基板１６よりヤング率が１．５倍以上、高い材料からなる場合には、前記流路基板５と保護基板１６との、厚みの比は１：５０〜２：１であるのが好ましい。

図３は、本発明の液体吐出装置としての圧電インクジェットヘッドの他の例において、流路基板の内部に形成された、１つの圧力室と、その近傍の領域とを拡大した断面図である。図３を参照して、この例の圧電インクジェットヘッド１は、保護基板１６の、圧電アクチュエータ２と積層される積層面１７の、圧電変位領域６に対応する領域に、前記積層面１７から凹入した凹入部２３が形成されており、前記凹入部２３以外の積層面１７が、圧電アクチュエータ２の拘束領域７に、選択的に密着された状態で、前記保護基板１６が、前記圧電アクチュエータ２の被積層面１４上に積層されている点が、先の図１の例と相違している。その他の部分については、先の例と同様であるので、同一箇所に同一符号を付して、説明を省略する。凹入部２３を有する保護基板１６は、例えば、流路基板５と同様に、凹入部２３となる通孔を有する基板部材と、有しない基板部材とを積層する等して形成することができる。

図の例の圧電インクジェットヘッド１によれば、圧電アクチュエータ２の、被積層面１４の全面が、前記凹入部２３を有する保護基板１６によって覆われて、外部から遮断されるため、前記被積層面１４に形成される個別電極層９が、吐出時に霧状になって舞い上がったり、圧電インクジェットヘッド１の表面を伝ったりして、前記被積層面１４側に回りこんだインクによって、比較的、短期間で腐食されるのを防止して、圧電インクジェットヘッド１の耐久性を向上することができる。しかも、前記圧電インクジェットヘッド１においては、保護基板１６に設けた凹入部２３によって、前記保護基板１６と、圧電アクチュエータ２の圧電変位領域６との、非接触の状態が維持されるため、前記圧電変位領域６の、厚み方向の変位による振動が、保護基板１６によって阻害されるおそれもない。

図４は、本発明の液体吐出装置としての圧電インクジェットヘッドの他の例において、流路基板の内部に形成された、１つの圧力室と、その近傍の領域とを拡大した断面図である。図４を参照して、この例の圧電インクジェットヘッド１は、保護基板１６に、その上面である露出面１８から凹入部２３に達する、前記凹入部２３の平面形状よりも開口面積の小さい通孔２４が設けられている点が、先の図３の例と相違している。その他の部分については、先の例と同様であるので、同一箇所に同一符号を付して、説明を省略する。凹入部２３と、通孔２４とを有する保護基板１６は、例えば、流路基板５と同様に、凹入部２３となる通孔を有する基板部材と、通孔２４を有する基板部材とを積層する等して形成することができる。

図の例の圧電インクジェットヘッド１によれば、凹入部２３と圧電アクチュエータ２とで構成される空間を、前記通孔２４を通して外部に連通することができるため、圧電変位領域６が厚み方向に変位して振動する際に、前記空間内で圧力変動が生じて、前記振動が阻害されるのを、抑制することができる。しかも、前記通孔２４は、凹入部２３の平面形状よりも開口面積が小さい、ごく微小なものであるため、被積層面１４側に回りこんだインク等の液体が空間内に侵入するのを防いで、前記被積層面１４に形成される個別電極層９が、比較的、短期間で腐食されるのを防止することもできる。

本発明の液体吐出装置は、各図の例の圧電インクジェットヘッド１には限定されない。例えば、本発明の構成は、マイクロポンプ等の、圧電アクチュエータの振動を利用した、種々の液体吐出装置に適用することができる。その他、本発明の要旨を変更しない範囲で、種々の設計変更を施すことができる。

《評価試験１》
流路基板のモデルとして、図２に示す平面形状を有すると共に、図中の寸法Ｌ₁、Ｌ₂が共に０．４ｍｍ、開口面積が０．１６ｍｍ²の通孔が、０．６ｍｍのピッチで、３０個×２０個の格子状に配列された、厚み５ｍｍの、ステンレス鋼（熱膨張係数１０×１０^-6／℃）製の流路基板を用意した。また、圧電アクチュエータとしては、厚み２０μｍの、平板状の圧電セラミック層を含み、かつ、前記圧電セラミック層上に、個別電極層を、前記開口部の平面形状と配列に対応させて形成することで、前記開口部の平面形状に対応した圧電変位領域と、その間の拘束領域とに区画された、総厚みが４０μｍの、素子共通型の圧電アクチュエータを用意した。

さらに、保護基板としては、流路基板と同じ厚みを有し、かつ図１に示すように、圧電変位領域６に対応する平面形状を有する通孔１５を備えたもの（構造１）と、図２に示すように、圧電変位領域６に対応する平面形状を有する凹入部２３を備えたもの（構造２）と、図３に示すように、露出面１８から凹入部２３に達する、直径１０μｍの通孔２４を備えたもの（構造３）の３種を、それぞれ、流路基板と同じステンレス鋼と、熱膨張係数が１０×１０^-6／℃である樹脂によって形成したものを用意した。

そして、前記各部を、流路基板の開口部と、圧電アクチュエータの圧電変位領域と、保護基板の通孔または凹入部とが一致するように位置合わせをした状態で、エポキシ樹脂系接着剤の層を介して重ねた状態で、厚み方向に加圧しながら、１２０℃×１０分間の加熱をして、前記エポキシ樹脂系接着剤を硬化させて、表１に示す実施例１〜６の圧電インクジェットヘッドを、それぞれ１０００個ずつ製造した後、流路基板の通孔を通して、圧電アクチュエータを観察して、クラックが１箇所でも発生したものを不良として計数して、１０００個中の、圧電アクチュエータの破損率（％）を求めた。また、保護基板を積層せず、流路基板と圧電アクチュエータのみの積層構造とした、比較例１の圧電インクジェットヘッドについても、同様にして破損率（％）を求めた。結果を表１に示す。

表１より、保護基板を設けることで、前記保護基板と、圧電アクチュエータと、流路基板とからなる積層体を、熱膨張係数上、厚み方向にほぼ対称の構造として、熱接着時に残留応力が発生するのを抑制して、圧電アクチュエータの破損率を、著しく低減できることが確認された。
《評価試験２》
実施例１〜３、比較例１の圧電インクジェットヘッドの圧電アクチュエータに、ピーク電圧２５Ｖ、周波数２ｋＨｚ、デューティー比８０％の駆動電圧波形を印加して、連続的に１×１０¹⁰サイクルに亘って駆動させると共に、所定のサイクルごとに、前記圧電アクチュエータの圧電変位領域の変位量Ｄ₁（ｎｍ）を測定して、前記変位量Ｄ₁と、初期の変位量Ｄ₀（ｎｍ）の測定値とから、式(1)：
ΔＤ＝（Ｄ₀−Ｄ₁）／Ｄ₀×１００ (1)
により、変位量の劣化率ΔＤ（％）を求めた。なお、変位量の測定は、ドライバＩＣを用いたアクチュエータ駆動回路を用いて、圧電アクチュエータに、矩形波状の駆動信号を入力した際の、圧電変位領域の変位量を、流路基板の通孔を通して、グラフテック(株)製のレーザードップラー変位計を使用して行った。結果を図５に示す。

図５より、保護基板を設けることで、圧電セラミック層を形成する圧電セラミックが徐々にクリープ変形したり、圧電セラミックの結晶粒の分極方向が徐々に変化したりするエージングの不良が生じるのを、これまでより抑制して、圧電変位領域の変位量の劣化を、およそ３％以下に抑制できることが確認された。なお、保護基板を樹脂で形成した実施例４〜６についても、同様の試験を行ったところ、圧電変位領域の変位量の劣化を、およそ３％以下に抑制できることが確認された。

《評価試験３》
流路基板として、圧力室が、前記流路基板のモデルと同じ寸法、同じ配置であり、かつ圧力室へのインクの供給路と、先端にノズルを有する吐出流路とを備えたもの用いたこと以外は実施例１〜６、比較例１と同様にして、実施例７〜１２、比較例２の圧電インクジェットヘッドを製造した。そして、インクの供給路と、圧力室を含むインクの吐出流路とに、水性顔料インクを満たした状態で、任意の１つの圧電変位領域（図２中のＡ₁）を選び、まず、前記圧電変位領域Ａ₁を囲む、周囲の８つの圧電変位領域には駆動電圧を印加しない状態で、圧電変位領域Ａ₁のみに、ピーク電圧２５Ｖ、周波数２ｋＨｚ、デューティー比８０％の駆動電圧波形を印加して、前記圧電変位領域Ａ₁に対応するノズルからインク滴を吐出させて吐出速度を測定して、単独駆動時の吐出速度Ｖ₀（ｍ／ｓ）とした。

次に、圧電変位領域Ａ₁と、それを囲む、周囲の７つの圧電変位領域に、同時に、同じ駆動電圧波形を印加して、ノズルからインク滴を吐出させて、圧電変位領域Ａ₁に対応するノズルから吐出されたインク滴の吐出速度を測定して、周囲素子同時駆動時の吐出速度Ｖ₁（ｍ／ｓ）とした。そして、式(2)：
ΔＶ＝（１−Ｖ₁／Ｖ₀）×１００ (2)
により、クロストークによる、インク滴の吐出速度の低下率ΔＶ（％）を求めた。結果を表２に示す。

表２より、保護基板を設けることで、クロストークが発生するのを抑制できることが確認された。
《評価試験４》
圧電アクチュエータに、比較例１の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電変位領域の変位量が１００ｎｍとなる電圧を印加した際の、実施例１〜３の圧電インクジェットヘッドの、圧電変位領域の変位量を、評価試験２と同様にして測定した。結果を表３に示す。

表３の、各実施例の結果より、保護基板として、圧電変位領域に対応する平面形状を有する凹入部を備えると共に、露出面から凹入部に達する通孔を備えた構造３の保護基板を用いることで、前記保護基板として、圧電変位領域に対応する平面形状を有する通孔を備えた構造１の保護基板を用いた場合と同等の変位量を確保できることが確認された。なお、保護基板を樹脂で形成した実施例４〜６についても、同様の試験を行ったところ、同様の結果が得られることが確認された。

本発明の液体吐出装置としての圧電インクジェットヘッドの一例において、流路基板の内部に形成された、１つの圧力室と、その近傍の領域とを拡大した断面図である。図１の例の圧電インクジェットヘッドを構成する、素子共通型の、平板状の圧電アクチュエータ上に、流路基板の内部に形成された複数の圧力室に対応して配列された複数の圧電変位領域の、配列状態を示す平面図である。本発明の液体吐出装置としての圧電インクジェットヘッドの他の例において、流路基板の内部に形成された、１つの圧力室と、その近傍の領域とを拡大した断面図である。図４は、本発明の液体吐出装置としての圧電インクジェットヘッドの他の例において、流路基板の内部に形成された、１つの圧力室と、その近傍の領域とを拡大した断面図である。本発明の実施例、比較例の圧電アクチュエータを連続的に駆動させた際の、圧電変位領域の、変位量の劣化率の推移を示すグラフである。

符号の説明

１圧電インクジェットヘッド
２圧電アクチュエータ
３主面
４凹部
５流路基板
６圧電変位領域
７拘束領域
８圧電セラミック層
９個別電極層
１０共通電極層
１１振動板
１２本体部
１３電極部
１４被積層面
１５通孔
１６保護基板
１７積層面
１８露出面
１９ビア孔
２０ビア電極
２１フレキシブルプリント基板
２２導体回路
２３凹入部
２４通孔

Claims

平板状の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータが積層される主面を有し、かつ、内部に、前記主面で開口された、液体が充填される圧力室となる複数の凹部を含む、液体の吐出流路が形成された流路基板とを備えると共に、前記流路基板の主面上に、前記圧電アクチュエータが、前記複数の凹部を塞いで積層されており、前記圧電アクチュエータに駆動電圧を印加して、前記吐出流路を通して液体を吐出させる液体吐出装置であって、前記圧電アクチュエータは、前記流路基板側から、振動板、共通電極層、圧電セラミック層、および複数の個別電極層の順に積層されており、前記圧電アクチュエータの、前記流路基板側と反対側の被積層面上で、かつ前記圧電アクチュエータの、前記流路基板の前記圧力室に対応する領域以外の領域に、前記流路基板との間に前記振動板、前記共通電極層、および前記圧電セラミック層を挟むように選択的に密着させて、保護基板が積層されており、かつ前記圧電アクチュエータの前記被積層面には個別電極層が設けられており、当該個別電極層は、前記圧力室に対応する領域から前記保護基板が積層されている領域まで延設されて、前記保護基板を貫通して設けられているビア電極に接続されていることを特徴とする液体吐出装置。
前記保護基板の、前記圧電アクチュエータと積層される積層面の、前記流路基板の前記圧力室に対応する領域に、前記積層面から凹入した凹入部が形成されており、前記凹入部以外の前記積層面が、前記圧電アクチュエータの、前記圧力室に対応する領域以外の領域に、選択的に密着された状態で、前記保護基板が、前記圧電アクチュエータの被積層面上に積層されている請求項１に記載の液体吐出装置。
前記流路基板と前記保護基板とが、同種の材料によって形成されている請求項１または２に記載の液体吐出装置。