JP5413598B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子の変位によってノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

液滴を噴射する液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、圧力発生室が形成された流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に設けられた共通電極である下電極、下電極上に設けられた圧電体層及び圧電体層上に設けられた個別電極である上電極で構成される圧電素子とを具備し、この圧電素子の変位によって振動板を変位させて圧力発生室内に圧力を付与することで、ノズルからインク滴を噴射するものがある。このようなインクジェット式記録ヘッドの構成では、圧電素子の駆動により振動板を変位させた際に、振動板の圧力発生室の長手方向の端部に対向する部分にクラックが生じやすいという問題があった。

このような問題を解決するために、圧電素子が、実質的な駆動部となる圧電体能動部と、圧電体能動部から連続する圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部とを有するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このように圧電素子が圧電体非能動部を備えることで、圧電素子を駆動させた際に、圧力発生室の長手方向端部に対向する振動板の変形量を低減させて振動板の割れの発生を抑制することができる。

特許第３１１４８０８号公報

ところで圧電素子は、流路形成基板上に設けられる個別電極である第１の電極（下電極）と、圧電体層と、共通電極である第２の電極（上電極）とで構成されているものもある。このような構成の圧電素子の場合であっても、上述のように圧電素子が圧電体能動部と圧電体非能動部とを備えるようにすることで振動板の割れの発生を抑制することができる。

またこのように第２の電極が共通電極である圧電素子では、圧電体非能動部は、例えば、第２の電極を除去することによって形成される。すなわち、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界が第２の電極の端部で規定されているものがある。このような圧電素子であっても、圧電体非能動部を備えていることで、上述のように振動板の割れを抑制することができる。

しかしながら、圧電体非能動部上に第２の電極が存在していないと、これら圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分に応力が集中して、この部分の振動板に割れが生じる虞がある。より詳細に説明すると、圧電素子を構成する第２の電極は、例えば、イリジウム等かなり圧縮方向の内部応力を有するため、初期状態（電圧を印加していない状態）において、圧電体能動部は第２の電極によって圧力発生室とは反対方向に実質的に引っ張られ、圧力発生室の幅方向（短手方向）の断面において第２の電極側が凸となるように撓み変形する。一方、第２の電極を備えていない圧電体非能動部は、圧電体能動部とは逆に、第１の電極側が凸となるように撓み変形してしまう。このため、これら圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分に応力が集中して、その部分の振動板に割れが生じる虞がある。

このような問題は、第２の電極を圧電素子の共通電極とした場合に特に発生し易い。第２の電極を圧電素子の共通電極とすると、個別電極とする場合に比べて、圧電素子（圧電体能動部）を構成する第２の電極の面積が比較的大きくなるため、初期状態における圧電体能動部の撓み量が比較的大きいからである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界における振動板の割れ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ことを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、液滴を吐出するノズルにそれぞれ連通する圧力発生室が複数並設された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して各圧力発生室に対応して設けられる圧電素子と、を具備し、該圧電素子は、前記流路形成基板上に設けられて前記圧電素子毎に独立する第１の電極と、該第１の電極上に設けられる圧電体層と、該圧電体層上に複数の圧電素子に亘って連続して設けられてこれら複数の圧電素子に共通する第２の電極と、で構成され、当該圧電素子は、前記第１の電極と前記圧電体層と前記第２の電極とが積層された圧電体能動部と、該圧電体能動部から連続する前記第１の電極と前記圧電体層とを有するが電圧駆動されない圧電体非能動部とを、前記圧力発生室に対向して備えると共に、前記圧電体非能動部が、前記圧力発生室の外側まで延設されており、前記圧電体非能動部の前記圧電体層上には、前記第２の電極の内部応力と同じ方向の内部応力を有し前記第２の電極とは電気的に絶縁された応力制御層が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

かかる本発明では、圧電素子に電圧が印加されていない初期状態において、圧電体能動部と圧電体非能動部とがその内部応力によって同程度に撓み変形する。したがって、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界に応力集中が発生することを抑制し、応力集中に伴う振動板の割れを抑制することができる。

ここで、前記応力制御層が、前記圧力発生室の長手方向端部よりも内側に形成されていることが好ましい。これにより、応力制御層の撓み変形が規制されることがないため、圧電体能動部の撓み変形量と圧電体非能動部の撓み変形量とをより近づけることができる。

また前記応力制御層が、前記第２の電極と同一層で構成されていることが好ましい。これにより、圧電体非能動部の撓み変形量を、圧電体能動部と同等の変形量とすることができる。

さらに、前記応力制御層が、前記圧力発生室の短手方向外側まで延設されていることが好ましい。これにより、圧電体能動部の撓み変形量と圧電体非能動部の撓み変形量をさらに近づけることができる。

さらに本発明は、これら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。かかる本発明では、圧電素子の破壊を抑制して、信頼性、耐久性等を向上した液体噴射装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る圧電素子の構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電素子の構成の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電素子の構成の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、圧電素子の構造を示す平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。また図３（ａ）は図２のＢ−Ｂ′断面図であり、図３（ｂ）は図２のＣ−Ｃ′断面図である。

図１に示すように、インクジェット式記録ヘッドを構成する流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画される複数の圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また流路形成基板１０には、圧力発生室１２の長手方向一端部側に、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。

連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバー部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバーの一部を構成する。インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部１５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。連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。

流路形成基板１０の材料としては、例えば、シリコン単結晶基板が好適に用いられるが、その他に、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いてもよい。

流路形成基板１０の一方側の面には、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。ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼などからなる。

流路形成基板１０の他方側の面には、例えば、流路形成基板１０を熱酸化することによって形成される弾性膜５１を含む振動板５０が形成されている。上述した圧力発生室１２等の流路の一方面側は、この振動板（弾性膜５１）によって構成されている。

本実施形態では、弾性膜５１上には弾性膜５１とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５２が形成され、これら弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が構成されている。この振動板５０上には、第１の電極である下電極６０、圧電体層７０及び第２の電極である上電極８０で構成される圧電素子３００が形成されている。

圧電素子３００は、一般的には、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極をそれぞれ独立する個別電極とする。本発明に係る圧電素子３００は、下電極６０が個別電極を構成し、上電極８０が共通電極を構成している。

なお、このような圧電素子３００と、圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板５０とを合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、弾性膜５１、絶縁体膜５２が振動板５０を構成するが、振動板５０の構成は特に限定されるものではない。例えば、圧電素子３００の下電極６０が振動板５０を兼ねるようにしてもよいし、圧電素子３００自体が振動板５０として機能するようにしてもよい。

ここで、本実施形態に係る圧電素子３００の構造について詳しく説明する。図２に示すように、圧電素子３００は、下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０が積層されて両電極への電圧印加により圧電歪みが生じる圧電体能動部３２０と、圧電体能動部３２０から連続する第１の電極６０及び圧電体層７０を有するが電圧駆動されない圧電体非能動部３３０とを備える。これら圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界は、上電極８０の端部で規定されている。本実施形態では、圧電体能動部３２０は圧力発生室１２に対向して設けられ、圧電体非能動部３３０は、圧電体能動部３２０の長手方向両外側に設けられて、圧力発生室１２の長手方向外側まで延設されている。

圧電素子３００の個別電極である下電極６０は、各圧力発生室１２に対向する部分が圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成され、各圧力発生室１２の長手方向両端部の外側（周壁上）まで延設されている。各下電極６０には、圧力発生室１２の長手方向一端部よりも外側で、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている（図１参照）。

圧電体層７０は、その一部に凹部７５が存在するが、複数の圧力発生室１２に対向する領域に亘って連続的に設けられている。凹部７５は、各圧力発生室１２を区画する隔壁１１に対向して設けられている。これにより、図３（ａ）に示すように、圧電体能動部３２０を構成する圧電体層７０の大半は、圧力発生室１２の幅方向において各圧力発生室１２に対向する領域内に形成されている。また図３（ｂ）に示すように、圧電体非能動部３３０を構成する圧電体層７０は、圧力発生室１２の幅方向において圧力発生室１２の外側まで連続的に形成されている。なお凹部７５は、本実施形態では圧電体層７０を完全に除去することによって形成されているが、その厚さ方向の一部を残すようにしてもよいし、圧電体層７０と共に絶縁体膜５２の上部の一部を除去するように形成してもよい。

上電極８０は、凹部７５を含む圧電体層７０上に、複数の圧力発生室１２に対向する領域に亘って連続的に形成されている。圧力発生室１２に対向する部分では、圧力発生室１２の長手方向における上電極８０の端部は、圧力発生室１２上に位置している。この上電極８０の端部によって圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界が規定されている。なお上電極８０は、本実施形態では、同一材料からなる二層構造を有しており、その一層目は、圧電体層７０をパターニングするためのマスクとしても用いられる。

圧電体非能動部３３０の圧電体層７０上には、上電極８０の内部応力と同じ方向の内部応力を有し上電極８０とは電気的に絶縁された応力制御層１００が設けられている。本実施形態では、この応力制御層１００は、圧力発生室１２の長手方向端部よりも内側、すなわち圧力発生室１２に対向する領域内に設けられている。また応力制御層１００は、圧力発生室１２の幅方向においては、圧力発生室１２の外側まで延設されている。

このような応力制御層１００の材料や形成方法は、特に限定されず、上電極８０の内部応力を考慮して適宜決定されればよいが、本実施形態では、応力制御層１００を上電極８０と同一層で形成するようにした。すなわち、圧電体層７０上の全面に金属膜を形成した後、金属膜をパターニングして上電極８０を形成する際、この金属膜を圧電体非能動部３３０上に上電極８０とは電気的に絶縁させて残すようにした。

このように圧電体非能動部３３０上に応力制御層１００を設けることで、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との初期状態における撓み量（内部応力による変形量）を、同程度に制御（調整）することができる。これにより、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界部分への応力集中を抑制することができ、この応力集中に起因する振動板５０の割れを抑制することができる。

例えば、本実施形態では、上電極８０がイリジウム等の圧縮応力を有する材料からなるため、圧電体能動部３２０は、その内部応力により圧力発生室１２の幅方向の断面において上電極８０側が凸となるよう撓み変形する。これに対し、圧電体非能動部３３０が下電極６０と圧電体層７０とで構成されている場合、圧電体非能動部３３０は、その内部応力によって下電極６０側が凸となるよう撓み変形してしまう。しかしながら、圧電体非能動部３３０上に応力制御層１００が設けられていることで、圧電体非能動部３３０が、圧電体能動部３２０と同程度に、上電極８０側が凸となるように撓み変形する。したがって、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界部分に応力集中が生じることはなく、応力集中に起因する振動板５０の割れを抑制することができる。

特に本実施形態では、応力制御層１００を圧力発生室１２に対向する領域内のみに形成するようにしたので、応力制御層１００の撓み変形が流路形成基板１０によって規制されることがない。このため応力制御層１００を含む圧電体非能動部３３０の撓み量を、圧電体能動部３２０の撓み量と実質的に一致させることができる。したがって圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界部分への応力集中がより確実に抑えられる。

なお応力制御層１００は、圧力発生室１２の幅方向においては、上述のように圧力発生室１２の外側まで延設されている。圧力発生室１２の長手方向の端部断面における圧電素子３００の変形量は、圧力発生室１２の幅方向端部における圧電素子３００の変形量よりも小さい。このため、圧力発生室１２の幅方向においては、圧力発生室１２の外側まで延設されていても、応力制御層１００の変形をほとんど妨げることはない。また圧力発生室１２の外側まで延設されていることで、圧電素子３００を駆動した際に圧力発生室１２の端部に対応する振動板５０への応力集中が抑えられ、それに伴う振動板５０の割れを抑制することができるという効果もある。

また本実施形態では、上電極８０は、隔壁１１上から圧力発生室１２の長手方向他端部外側まで延設され、圧力発生室１２の長手方向他端部の外側の領域においても圧力発生室１２の幅方向に沿って連続的に形成されている。このような構成では、圧電素子３００の共通電極である電極８０の面積を比較的広く確保することができるため、電圧降下等の発生を抑制して圧電素子３００を良好に駆動させることができる。

図１に戻り、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００を保護するための空間である圧電素子保持部３１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。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１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。また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１５に対応する領域にリザーバー部３２が設けられている。リザーバー部３２は、上述したように流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバーを構成している。

さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバー部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、上電極８０及びリード電極９０の端部がこの貫通孔３３内に露出されている。そして、図示しないが、これら上電極８０及びリード電極９０は、貫通孔３３内に延設される接続配線によって圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等に接続される。

保護基板３０上には、さらに、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からなり、この封止膜４１によってリザーバー部３２の一方面が封止されている。固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のリザーバー部３２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、リザーバー部３２の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

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、ノズル２１に至るまで流路内部をインクで満たした後、図示しない駆動ＩＣ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圧電素子３００に電圧を印加し圧電素子３００をたわみ変形させて各圧力発生室１２内の圧力を高めることで、各ノズル２１からインク滴が噴射される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、圧力発生室１２の長手方向においては、応力制御層１００を圧力発生室１２に対向する領域内に設けるようにしたが、応力制御層１００の構成はこれに限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、圧力発生室１２の長手方向一端側の応力制御層１００を圧力発生室１２の幅方向に沿って連続的に形成するようにしたが、例えば、図４に示すように、圧力発生室１２毎に独立する応力制御層１００Ａが設けられていてもよい。この構成では、さらに上電極８０が、各応力制御層１００Ａの間を圧力発生室１２の外側まで延設される延設部８１を備え、図示は省略するが、これら延設部８１同士を応力制御層１００Ａよりも外側の領域で電気的に接続するようにしてもよい。これにより、圧電素子３００の共通電極である電極８０の抵抗値を実質的に低下させることができるため、電圧降下等の発生を抑制して圧電素子３００をさらに良好に駆動させることができる。

また例えば、図５に示すように、応力制御層１００は、圧力発生室１２の長手方向において、圧力発生室１２の外側まで延設されていてもよい。この場合、初期状態における応力制御層１００の変形量（圧電体非能動部３３０の変形量）は若干減少するかもしれないが、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界への応力集中は十分に抑制することができる。またこの構成では、圧電素子３００を駆動した際に圧力発生室１２の長手方向端部に対応する振動板５０への応力集中が抑えられ、それに伴う振動板５０の割れを抑制することができる。

なおインクジェット式記録ヘッドは、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に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂ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。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。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、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂ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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。

また上述した実施形態においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの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もの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る。

１０ 流路形成基板、 １１ 隔壁、 １２ 圧力発生室、 ２０ ノズルプレート、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 振動板、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体膜、 ６０ 下電極、 ７０ 圧電体層、 ７５ 凹部、 ８０ 上電極、 ８１ 延設部、 ９０ リード電極、 １００ 応力制御層、 ３００ 圧電素子、 ３２０ 圧電体能動部、 ３３０ 圧電体非能動部

Claims (5)

1. 液滴を吐出するノズルにそれぞれ連通する圧力発生室が複数並設された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して各圧力発生室に対応して設けられる圧電素子と、を具備し、
   該圧電素子は、前記流路形成基板上に設けられて前記圧電素子毎に独立する第１の電極と、該第１の電極上に設けられる圧電体層と、該圧電体層上に複数の圧電素子に亘って連続して設けられてこれら複数の圧電素子に共通する第２の電極と、で構成され、当該圧電素子は、前記第１の電極と前記圧電体層と前記第２の電極とが積層された圧電体能動部と、該圧電体能動部から連続する前記第１の電極と前記圧電体層とを有するが電圧駆動されない圧電体非能動部とを、前記圧力発生室に対向して備えると共に、前記圧電体非能動部が、前記圧力発生室の外側まで延設されており、前記圧電体非能動部の前記圧電体層上には、前記第２の電極の内部応力と同じ方向の内部応力を有し前記第２の電極とは電気的に絶縁された応力制御層が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記応力制御層が、前記圧力発生室の長手方向端部よりも内側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記応力制御層が、前記第２の電極と同一層で構成されてい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. 前記応力制御層が、前記圧力発生室の短手方向外側まで延設されてい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. 請求項１〜４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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