JP5771655B2 - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

実施形態は、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関する。

圧力室の中央領域にてノズルプレート上に配置される平面状の圧電素子を駆動して、ノズルからインクを吐出する中央圧電素子駆動型のインクジェットヘッドがある。

中央圧電素子駆動型のインクジェットヘッドでは、外部配線を圧力室の隔壁領域から中央領域まで延在して圧電素子の電極と接続した場合に、接続部の剥がれや、外部配線の割れ等を生じる恐れがある。また、圧電素子に設けられる電極と外部電極との接続スペースが対称形状でない場合には、ノズルからのインクの吐出特性を損なう恐れがある。更にノズルとの近接領域においては、圧電素子の製造に高い位置合わせ精度が要求される。

特開２０１１−５６９３９号公報

この発明が解決しようとする課題は、ノズルプレートの駆動力を損なうことなく、外部配線等が損傷するのを抑制し、圧電素子の電極と外部電極とを確実に接続して、信頼性の高いインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態のインクジェットヘッドは、インクを充填する圧力室と、前記圧力室の第１の面に設けられ、前記圧力室に連通するノズルを備えるノズルプレートと、前記ノズルプレート上で、前記ノズル周囲のホール領域を除いて前記圧力室の隔壁の上方から前記圧力室の上方に延在し、圧電体を備える面状の駆動部と、を備え、前記駆動部は、外部から印加される電圧に応じて、前記ノズルを中心に前記ノズルプレートを凸状に変形させ、前記圧力室に充填された前記インクを前記ノズルから吐出させる。

第１の実施形態のインクジェットプリンタを示す概略構成図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドを示す概略分散斜視図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図２のＡ−Ａ線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第１の実施形態の圧力室構造体にノズルプレートを形成した状態を示す概略断面図。 第１の実施形態のノズルプレートに圧電素子を形成した状態を示す概略断面図。 第１の実施形態のノズルプレートにノズルを形成した状態を示す概略断面図。 第１の実施形態の圧力室構造体に隔壁を形成した状態を示す概略断面図。 第１の実施形態の圧力室構造体にバックプレートを接着した状態を示す概略断面図。 第１の実施形態の（実施例１）のインクジェットヘッドの主要部の寸法を示す（表１）。 第１の実施形態の（実施例１）のノズルプレートの変形を示す模式図。 第１の実施形態の（実施例１）においてノズルプレートの中央部の直径の変動に対するインクジェットヘッドの駆動体積の変動を示すグラフ。 第１の実施形態の（実施例１）においてノズルプレートの中央部の直径の変動に対するインクジェットヘッドの駆動エネルギの変動を示すグラフ。 第１の実施形態の第１の変形例を示すインクジェットヘッドの一部上面図。 図９のＢ−Ｂ線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第２の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図１１のＣ−Ｃ線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第２の実施形態の（実施例２）のインクジェットヘッドの主要部の寸法を示す（表２）。 第２の実施形態の（実施例２）において保護膜の直径の変動に対するインクジェットヘッドの駆動体積の変動を示すグラフ。 第２の実施形態の（実施例２）において保護膜の直径の変動に対するインクジェットヘッドの駆動エネルギの変動を示すグラフ。 第３の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図１７のＤ−Ｄ線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第３の実施形態の（実施例３）のインクジェットヘッドの主要部の寸法を示す（表３）。 第３の実施形態の（実施例３）においてノズルプレートの中央部の直径の変動に対するインクジェットヘッドの駆動体積の変動を示すグラフ。 第３の実施形態の（実施例３）においてノズルプレートの中央部の直径の変動に対するインクジェットヘッドの駆動エネルギの変動を示すグラフ。

以下実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のインクジェット記録装置について図１乃至図１１を参照して説明する。図１はインクジェット記録装置であるインクジェットプリンタ１０の一例を示す。図１に示すインクジェットプリンタ１０は、記録媒体である記録紙Ｐを搬送しながら画像形成等の各種処理を行う。インクジェットプリンタ１０は、筐体１０ａ、給紙カセット１１、排紙トレイ１２、保持ローラ１３、搬送部である給紙搬送部１４、反転部１６及び排紙搬送部１７を備える。インクジェットプリンタ１０は、保持ローラ１３の周囲に保持部１８、画像形成部２０、剥離部２１及びクリーニング部２２を備える。

給紙カセット１１は、プリント前の記録紙Ｐを収容する。排紙トレイ１２は画像形成後に筐体１０ａから排紙される記録紙Ｐを収容する。給紙搬送部１４は、給紙カセット１１から取り出した記録紙Ｐを保持ローラ１３に給紙する。

保持ローラ１３は、導体であるたとえばアルミニウムの円筒フレーム１３ａの表面に、薄い絶縁層１３ｂを供える。円筒フレーム１３ａは接地される。保持ローラ１３は、表面に記録紙Ｐを保持した状態で矢印ｓ方向に回転して、記録紙Ｐを搬送する。保持部１８は、記録紙Ｐを保持ローラ１３に押圧する押圧ローラ１８ａと、帯電による静電気力で記録紙Ｐを保持ローラ１３に吸着させる帯電ローラ１８ｂを備える。

画像形成部２０は、例えばインクジェットヘッド１００Ｃ、１００Ｍ、１００Ｙ、１００Ｋを備える。インクジェットヘッド１００Ｃ、１００Ｍ、１００Ｙ、１００Ｋは、それぞれシアン、マゼンダ、イエロ、ブラックのインクを吐出して、保持ローラ１３表面に保持される記録紙Ｐに、所望の画像をプリントする。

剥離部２１は、除電チャージャ２１ａと剥離爪２１ｂを備える。剥離チャージャ２１ａは、記録紙Ｐに電荷を供給して記録紙Ｐを除電する。剥離爪２１ｂは、記録紙Ｐを保持ローラ１３の表面から剥離する。プリントを終了していれば、剥離部２１は、保持ローラ１３から剥離した記録紙Ｐを、排紙搬送部１７により排紙トレイ１２に排紙する。両面プリントする場合は、剥離部２１は、保持ローラ１３から剥離した記録紙Ｐを、反転部１６で反転し、再び保持ローラ１３に供給する。反転部１６は、例えば記録紙Ｐの前後方向を逆にスイッチバックさせる反転経路１６ａを備え、保持ローラ１３から剥離した記録紙Ｐを反転する。クリーニング部２２は、保持ローラ１３表面をクリーニングする。

画像形成部２０のインクジェットヘッド１００Ｃ、１００Ｍ、１００Ｙ、１００Ｋについて述べる。インクジェットヘッド１００Ｃ、１００Ｍ、１００Ｙ、１００Ｋはそれぞれ使用するインクが異なるものの同じ構成である。したがって共通の符号を用いて説明する。

図２に圧電ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型のインクジェットヘッド１００の一例を示す。インクジェットヘッド１００は、圧力室構造体５０、バックプレート５２、ノズルプレート３０及びインク流路構造体５４を備える。インクジェットヘッド１００は、インクタンク１０１、制御部１０２に接続する。

ノズルプレート３０は、圧力室構造体５０の第１の面に形成され、バックプレート５２は、圧力室構造体５０のノズルプレート３０と対向する面に配置される。

インクジェットヘッド１００は、インクタンク１０１から供給されるインクを、インク流路構造体５４を介して、圧力室構造体５０に形成される圧力室である直径αの円形の圧力発生室５１に充填する。インクジェットヘッド１００は、圧力発生室５１に充填されるインクを、ノズルプレート３０に形成される複数のノズル３１から、インク滴としてそれぞれ吐出する。複数のノズル３１は、ノズルプレート３０に例えば二列に配列される。

インク流路構造体５４は、インク流入口５６、インク流路５７及びインク排出口５８を備える。インク流路構造体５４は、インク流入口５６からインク流路５７に供給されるインクを、バックプレート５２のインク孔５３から圧力発生室５１に流入する。インク流路５７内のインクはインク排出口５８からインクタンク１０１に排出する。インクジェットヘッド１００は、インクタンク１０１とインク流路５７との間でインクを循環する。

図３及び図４に示すように、ノズルプレート３０は、ノズル３１周囲に駆動部である面状の圧電素子４０を備える。ノズルプレート３０は、面状の圧電素子４０の動作により厚み方向に変動する。インクジェットヘッド１００は、ノズルプレート３０の変動により圧力発生室５１内に発生するエネルギ変化によって、ノズル３１からインクを吐出する。

圧力発生室５１は、例えばシリコン基板（Ｓｉ基板）からなる圧力室構造体５０に平面形状が円形となるように形成される。シリコン基板の厚さは、例えば１００〜６００μｍ程度であれば良い。隣接する圧力発生室５１間の隔壁５０ａの剛性を保ち、且つ円形状の内周５１ａを有する圧力発生室５１の配列密度を高めるには、シリコン基板の厚さを、１５０〜２５０μｍ程度とするのがより望ましい。圧力発生室５１は、ノズルプレート３０、隔壁５０ａ及びバックプレート５２に囲まれて構成される。

ノズルプレート３０は、例えば圧力室構造体５０と一体に形成される二酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）からなり、圧力室構造体５０の隔壁５０ａと一体に形成される。ノズルプレート３０の厚さは、例えば１〜５μｍとされる。

二酸化シリコン膜は非晶質であることにより均等な変形を実現出来きるという観点から、ノズルプレート３０として望ましい。また安定した組成及び特性を備える膜の製造が容易という観点からも、ノズルプレート３０として非晶質である二酸化シリコン膜を使用するのが望ましい。更に従来の半導体製造プロセスとの整合性が良いという観点からも、ノズルプレート３０として非晶質である二酸化シリコン膜を使用するのが望ましい。ノズルプレート３０の材料は二酸化シリコン膜に限定されない。均等な変形を実現するために、ノズルプレートとして非晶質のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を用いることも望ましい。

ノズル３１は、例えばエッチングによりノズルプレート３０に形成される。圧力発生室５１の大きさとノズル３１の大きさは、ノズル３１から吐出するインク滴の量、インク吐出スピード、インク吐出周波数に応じて最適化する。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合には、ノズル３１を、数十μｍの溝幅で精度良く形成する必要がある。

圧電素子４０は、各ノズル３１の周囲に配置され、圧電体である圧電膜４２をはさんで下部電極４１及び上部電極４３が積層される。下部電極４１の一部４１ａは延長されて外部配線１４１の一部とされている。外部配線１４１は、２つの端子部１４１ａに接続する。また、上部電極４３の一部４３ａは、下層にある圧電膜４２及び下部電極４１とともに延長されて延長されて外部配線１４３の一部とされている。外部配線１４３は、下部電極４１の２つの端子部１４１ａの間に並んで配置される複数の端子部１４３ａに接続する。

制御部１０２は、端子部１４３ａへの電圧のオン／オフを制御して、圧電素子４０に電気信号を供給する。圧電素子４０は、圧力発生室５１の周囲領域３２の上方においてノズルプレート３０に形成される。ノズルプレート３０のノズル３１周囲のホール領域である直径βの円形の中央部３３には、圧電素子４０は形成されない。圧電素子４０は、ノズルプレート３０の隔壁５０ａの上方から、ノズル３１に向かって圧力発生室５１領域上方まで延在する円環形状である。円環形状の圧電素子４０が形成されないノズルプレート３０の中央部３３は、厚み方向に自由に変動可能となる。

ノズルプレート３０の中央部３３の幅は、圧電素子４０の動作によりノズルプレート３０が変動可能な範囲であれば限定されない。

圧電素子４０の圧電膜４２として、チタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＰＺＴ）等の電歪定数の大きな圧電材料が適している。圧電膜４２にＰＺＴを使用した場合、下部電極４１或いは上部電極４３の材料として、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）等の貴金属、或いはＳｒＲｕＯ_３（ルテニウム酸ストロンチウム）等の導電性の酸化物が適している。

圧電膜４２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）或いは二酸化亜鉛（ＺｎＯ_２）等のシリコンプロセスに適した圧電材料を使用することも可能である。圧電膜４２として窒化アルミニウム或いは二酸化亜鉛等を使用する場合には、下部電極４１或いは上部電極４３として、Ａｌ（アルミニウム）或いはＣｕ（銅）等の、一般の電極材料や配線材料を使用できる。

インクジェットヘッド１００の製造方法の一例について述べる。圧力室構造体５０の第１の面の上にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）により二酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）を形成して、ノズルプレート３０とする（図５ａ）。

次にノズルプレート３０上に圧電素子４０を形成する。圧電素子４０の形成のため、成膜工程と、パターニング工程を繰り返す。成膜工程は、スパッタリング法或いはＣＶＤ法等により行う。パターニング工程は、例えばフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより行う。例えば感光性レジストを用いて膜上にエッチングマスクを形成し、膜材料をエッチングした後、エッチングマスクを除去することでパターニングする。

ノズルプレート３０上に、例えばスパッタリング法により、下部電極４１の材料としてＰｔ（白金）膜を成膜し、圧電膜４２の材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）^膜を成膜後、上部電極４３の材料としてＰｔ（白金）膜を成膜する。次に、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより、上方のＰｔ（白金）膜及びＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）^{膜をパターニングして}上部電極４３及び圧電膜４２を形成する。更にフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより、下方のＰｔ（白金）膜をパターニングして下部電極４１を形成する（図５ｂ）。下部電極４１或いは上部電極４３は、例えばＴｉ（チタン）膜とＰｔ（白金）膜等を用いた多層構造であっても良い。

次にフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより、ノズルプレート３０をパターニングしてノズル３１を形成する（図５ｃ）。

次にフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより、ノズルプレート３０と対向する側から圧力室構造体５０をノズルプレート３０に当接する位置迄パターニングして、隔壁５０ａを形成する（図５ｄ）。

次に、ノズルプレート３０と対向する側の隔壁５０ａに、バックプレート５２を接着して圧力発生室５１を形成する（図５ｅ）。

この後、バックプレート５２を挟んで圧力室構造体５０にインク流路構造体５４を接着して、インクジェットヘッド１００を形成する。圧力室構造体５０の圧力発生室５１は、バックプレート５２のインク孔５３を介して、インク流路構造体５４のインク流路５７に連通する。

上記一連のインクジェットヘッド１００の製造は、例えば１枚のシリコンウエハ上に多数のインクジェットヘッドのチップを同時に形成後、１つのインクジェットヘッドのチップに分離する。多数のインクジェットヘッドのチップを同時に形成して、インクジェットヘッド１００の量産を得る。

（実施例１）
（実施例１）として、第１の実施形態のインクジェットヘッド１００について有限要素法によるシミュレーションを行った。（実施例１）は、圧電素子４０の下部電極４１と上部電極４３により、圧電膜４２に駆動電圧を印加した場合の、インクジェットヘッド１００の特性をシミュレーションした実施例である。

１例としてシミュレーションに用いたインクジェットヘッド１００の主要部の寸法を図６の（表１）に示す。インクジェットヘッド１００のシリコン製の圧力室構造体５０の圧力発生室５１の直径αを２００μｍとした。圧力室構造体５０の表面にＣＶＤ法で形成した二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）製のノズルプレート３０の厚さを４μｍとした。ノズルプレート３０上のノズル３１の直径を２０μｍとした。

ノズルプレート３０上の圧電素子４０の中央部３３を直径１００μｍとした。圧電素子４０の、下部電極４１の厚さを０．１μｍ、圧電膜４２の厚さを２μｍ、上部電極４３の厚さを０，１μｍとした。下部電極４１及び上部電極４３として白金（Ｐｔ）を用い、圧電膜４２としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。圧電膜４２の圧電定数ｄ３１を−１００ｐｍ／Ｖとした。ノズルプレート３０の成膜残留応力を０ＭＰａ、圧電膜４２の成膜残留応力を５６ＭＰａとした。

図７に、下部電極４１と上部電極４３の間に３０Ｖの電圧を印加した場合に、シミュレータで計算されたノズルプレート３０の変形を模式的に示す。電圧印加により圧電膜４２は、矢印ｑで示す面方向に収縮する。圧電膜４２の収縮により、ノズルプレート３３の周囲領域３２はバイモルフ効果により凹状に変形する。ノズルプレート３０の圧電膜４２が形成されていない中央部３３は、周囲領域３２の変形に伴い面方向に対して垂直に凸状に変形する。

下部電極４１と上部電極４３の間に３０Ｖの電圧を印加した場合のシミュレーションによる計算の結果、ノズル３１位置（圧力発生室５１の中心）でのノズルプレート３０の垂直方向の変位は０．４８μｍである。図７の斜線（Ａ）で示す、ノズルプレート３０全体での駆動体積は５．１ｐｌ（ピコリットル）である。

圧力発生室５１の中心でノズルプレート３０を０．４８μｍ変位させるために必要な駆動圧力は０．２８ＭＰａであり、（実施例１）のインクジェットヘッド１００のトータルの駆動エネルギは０．７１ｎＪと算出された。

例えば、体積５ｐｌ（ピコリットル）の有機溶媒や水溶液からなるインク滴を、１０ｍ／ｓの速度で吐出する場合に、インク滴の表面エネルギと運動エネルギの和は、０．１〜０．３ｎＪ程度である。したがって、（実施例１）のインクジェットヘッド１００は、圧力発生室５１内のインクからなる体積５ｐｌ（ピコリットル）程度のインク滴を、１０ｍ／ｓの速度でノズル３１から吐出するのに十分な駆動エネルギを有していることが分かる。

次に、（実施例１）において、ノズルプレート３０の中央部３３の直径βを変動した場合の、インクジェットヘッド１００の駆動体積及びトータルの駆動エネルギの変動について述べる。（実施例１）において中央部３３の直径βを変動して、有限要素法によるシミュレーションを行った。中央部３３の直径βを変動すると、インクジェットヘッド１００の駆動体積は図８に示すように変動する。ノズルプレート３０の中央部３３の直径βが１００〜１２０μｍであれば、駆動体積は最大値を示す。

（実施例１）において中央部３３の直径βを変動すると、インクジェットヘッド１００の駆動エネルギは図９に示すように変動する。ノズルプレート３０の中央部３３の直径βが１２０μｍであれば、トータルの駆動エネルギは最大値を示す。

インクジェットヘッド１００のトータルの駆動エネルギは、最大値駆動エネルギの１／２以上であれば、ノズル３１からインク滴を良好に吐出可能である。従って、図９から、ノズルプレート３０の中央部３３の直径βが７０μｍ以上、１６０μｍ以下の範囲であれば、インクジェットヘッド１００は、インク滴を良好に吐出可能である。

インクジェットヘッド１００の駆動体積について、圧力発生室５１の内径αを１とした場合の、中央部３３の直径βの割合のシミュレーション結果を示す。直径βが０．５〜０．６であれば、ノズルプレート３０全体でのインクジェットヘッド１００の駆動体積は最大値となる。直径βが０．２５〜０．８５であれば、最大駆動体積の１／２を得られる。

インクジェットヘッド１００のトータルの駆動エネルギについて、圧力発生室５１の内径αを１とした場合の、中央部３３の直径βの割合のシミュレーション結果を示す。直径βが０．６であれば、インクジェットヘッド１００のトータルの駆動エネルギは最大値となる。直径βが０．３５〜０．８であれば、最大駆動エネルギの１／２を得られる。直径βが０．２５〜０．９であれば、最大駆動エネルギの１／４以上を得られる。

従って少なくとも直径βが０．２５〜０．９の範囲であれば、インクジェットヘッド１００は、インク滴をノズル３１から吐出するのに必要な駆動エネルギを得られる。但しインク滴を良好に吐出するには直径βが０．３５〜０．８の範囲であることがより望ましい。

第１の実施形態によれば、円環形状の圧電素子４０は、圧力発生室５１の周囲領域３２の上方で、ノズルプレート３０上に形成される。外部配線１４１、１４３となる下部電極４１及び上部電極４３の一部４１ａ、４３ａは、圧力発生室５１の隔壁５０ａ領域上方のノズルプレート３０の固定領域に形成される。したがって、外部配線１４１、１４３の割れ、あるいは、下部電極４１あるいは上部電極４３と外部配線１４１の接続部の剥がれを抑制できる。第１の実施形態によれば、下部電極４１及び上部電極４３に確実に電気信号を供給してインクジェットヘッド１００の信頼性を向上できる。また圧力発生室５１上方において、圧電素子４０はノズル３１を中心に対称形状であり、良好なインクの吐出特性を得られる。

第１の実施形態によれば、圧電素子４０は、ノズル３１周囲に円形の中央部３３を備える円環形状であり、圧電素子４０の内周４０ａは、ノズル３１に近接しない。したがって製造時に、圧電素子４０のパターニング位置が多少ずれても、ノズル３１の形状に影響を及ぼさない。圧電素子４０あるいは外部配線等の製造プロセスの簡素化を得られ、ノズル３１の形状が変形するのを原因とする、歩留まりの低下を抑制できる。

（第１の実施形態の第１の変形例）
第１の実施形態のインクジェットヘッドの構造は限定されず、例えば、図１０及び図１１に示す第１の変形例のように、ノズルプレート３０及び圧電素子４０上を絶縁膜６０で被覆しても良い。ノズルプレート３０及び圧電素子４０を絶縁膜６０で被覆した第１の変形例のインクジェットヘッド２００では、絶縁膜６０に第１のコンタクトホール６１及び第２のコンタクトホール６２を設ける。第１のコンタクトホール６１及び第２のコンタクトホール６２は、圧力発生室５１の隔壁５０ａの上方にある。

第１のコンタクトホール６１にて、圧電素子４０の下部電極４１は外部配線６３に接続する。第２のコンタクトホール６２にて、圧電素子４０の上部電極４３は外部配線６４に接続する。

絶縁膜６０は、例えば二酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）或いはシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等を圧電素子４０上からノズルプレート３０にスピンコートして成膜する。成膜後、絶縁膜６０をパターニングして、隔壁５０ａの上方にて第１のコンタクトホール６１及び第２のコンタクトホール６２を形成する。第１のコンタクトホール６１位置で下部電極４１の一部４１ａを露出する。第２のコンタクトホール６２位置で上部電極４３の一部４３ａを露出する。絶縁膜６０の材料は限定されないが、撥インク性を備えていればより好ましい。

第１のコンタクトホール６１及び第２のコンタクトホール６２が形成された保護膜６０上から、例えばスパッタリング法により、外部配線６３、６４の材料として、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）或いはＡｕ（金）等を成膜する。次いで、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより、外部配線６３、６４の材料を^{パターニングして外部配線}６３、６４を形成する。

第１の変形例においても、第１のコンタクトホール６１及び第２のコンタクトホール６２を、ノズルプレート３０が変動する領域では無く、隔壁５０ａの上方のノズルプレート３０が固定される領域に配置する。従って、外部配線６３、６４の割れを抑制でき、また第１のコンタクトホール６１あるいは第２のコンタクトホール６２での、下部電極４１あるいは上部電極４３と外部配線６３、６４とを確実に接続できる。第１の変形例においても下部電極４１及び上部電極４３に電気信号を確実に供給して、インクジェットヘッド２００の信頼性を向上できる。また圧力発生室５１上方において、圧電素子４０はノズル３１を中心に対称形状であり、ノズルプレート３０を、ノズル３１を中心に均等に駆動出来、良好なインクの吐出特性を得られる。更に、圧電素子４０のパターニングの位置ずれが、ノズル３１の形状に影響を及ぼさないことから、ノズルプレート３０の歩留まりの低下を抑制できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のインクジェットヘッド３００を、図１２乃至図１６を参照して説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態において、ノズルプレートの中央部に円環状の保護膜を設けるものである。第２の実施形態にあって、前述の第１の実施形態で説明した構成と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１２及び図１３に示すように、インクジェットヘッド３００は、ノズルプレート３０の中央部３３の一部を被覆する被覆層である、ノズル３１を中心とする円環状の保護膜７０を備える。第２の実施形態にあっては、ノズルプレート３０として、圧縮残留応力の大きいシリコンの熱酸化膜（二酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜））を使用する。製造時に、圧力室構造体５０を構成するシリコン基板を、酸素雰囲気で加熱処理する熱酸化法で表面処理して、圧力室構造体５０の第１の面にシリコンの熱酸化膜を形成して、ノズルプレート３０とする。

保護膜７０として例えば撥インク性を備えるポリイミドを用いる。保護膜７０は、ノズル３１周囲にインクが固着するのを軽減する。保護膜７０の製造は、例えば、圧電素子４０を備えるノズルプレート３０に、ポリイミド前駆体を含む溶液をスピンコーティング法により塗布し、ベークにより熱重合し、溶剤を除去してポリイミド膜を成膜する。成膜したポリイミド膜を、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングによりパターニングして、保護膜７０を円環状に形成する。

保護膜７０の内径δは、ノズル３１の内径と等しいか、或いはノズル３１の内径より少し大きい程度が望ましい。保護膜７０の直径θは、ノズルプレート３０の中央部３３の直径βより小さいことが望ましい。但し保護膜７０の直径θは、中央部３３の直径βより大きくて、保護膜７０が、ノズルプレート３０の周囲領域３２迄延在しても良い。保護膜７０の形状及びサイズは、圧電素子４０による駆動時にノズルプレート３０の変形を妨げない範囲で任意である。

保護膜７０の材料は、ポリイミドに限定されない。保護膜７０は、有機材料等の他の絶縁性材料を使用することも出来る。保護膜７０は、撥インク性を備えることがより好ましい。

（実施例２）
実施例２として、第２の実施形態のインクジェットヘッド３００について有限要素法によるシミュレーションを行った。実施例２は、圧電素子４０の下部電極４１と上部電極４３により、圧電膜４２に駆動電圧を発生した場合の、インクジェットヘッド３００の特性をシミュレーションした実施例である。

１例としてシミュレーションに用いたインクジェットヘッド３００の主要部の寸法を図１４の（表２）に示す。インクジェットヘッド３００のシリコン製の圧力室構造体５０の圧力発生室５１の直径αを２００μｍとした。ノズルプレート３０は、圧力室構造体５０の表面に熱酸化法で形成した二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成し、厚さを４μｍとした。ノズルプレート３０上のノズル３１の直径を２０μｍとした。

ノズルプレート３０上の圧電素子４０の中央部３３を直径１２０μｍとした。圧電素子４０の、下部電極４１の厚さを０．１μｍ、圧電膜４２の厚さを２μｍ、上部電極４３の厚さを０．１μｍとした。

ノズルプレート３０の中央部３３に形成する保護膜７０の直径θを４０μｍとした。下部電極４１及び上部電極４３として白金（Ｐｔ）を用い、圧電膜４２としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。保護膜７０としてポリイミドを用いた。圧電膜４２の圧電定数ｄ３１を−１００ｐｍ／Ｖとした。ノズルプレート３０の成膜残留応力を−２７０ＭＰａ、圧電膜４２の成膜残留応力を５６ＭＰａ、保護膜７０の成膜残留応力を８４ＭＰａとした。

下部電極４１と上部電極４３の間に３０Ｖの電圧を印加した場合のシミュレーションによる計算の結果、ノズル３１位置（圧力発生室５１の中心）でのノズルプレート３０の垂直方向の変位は２．４３μｍである。ノズルプレート３０全体での駆動体積は２５．７ｐｌ（ピコリットル）である。

圧力発生室５１の中心でノズルプレート３０を２．４３μｍ変形させるために必要な駆動圧力は０．２０ＭＰａであり、（実施例２）のインクジェットヘッド３００のトータルの駆動エネルギは２．５４ｎＪと算出された。

例えば、体積２５ｐｌ（ピコリットル）の有機溶媒や水溶液からなるインク滴を、１０ｍ／ｓの速度で吐出する場合に、インク滴の表面エネルギと運動エネルギの和は、０．５〜１．５ｎＪ程度である。したがって、（実施例２）のインクジェットヘッド３００は、圧力発生室５１内のインクからなる体積２５ｐｌ（ピコリットル）程度のインク滴を、１０ｍ／ｓの速度でノズル３１から吐出する、十分な駆動エネルギを有していることが分かる。

次に、（実施例２）において、ノズルプレート３０の中央部３３の直径βを１００μｍ及び１２０μｍに変動した場合において、それぞれに保護膜７０の直径θを４０〜８０μｍに変動したシミュレーション結果を述べる。

保護膜７０の直径θが、インクジェットヘッド３００の駆動体積に及ぼす影響を図１５に示す。保護膜７０の直径θが、インクジェットヘッド３００のトータルの駆動エネルギに及ぼす影響を図１６に示す。保護膜７０のサイズにかかわらず、(実施例２)のインクジェットヘッド３００は、保護膜７０を備えることにより、(実施例１)のインクジェットヘッド２００と比べて駆動体積及び駆動エネルギが共に増加する。

インクジェットヘッド３００の駆動体積は、保護膜７０の直径θが４０μｍの場合に、最大値を示す。インクジェットヘッド３００の駆動エネルギは、保護膜７０の直径θが６０μｍの場合に、最大値を示す。

（実施例１）のインクジェットヘッド２００と比べて、（実施例２）のインクジェットヘッド３００の熱酸化法で形成したノズルプレート３０は、成膜残留応力が大きい。（実施例２）のインクジェットヘッド３００は、ノズルプレート３０の成膜残留応力と保護膜７０との相乗効果により、駆動エネルギが向上する。この結果、下部電極４１と上部電極４３の間に同じ電圧を印加して（実施例１）と（実施例２）の駆動効率を比較した場合に、（実施例２）のインクジェットヘッド３００は、より高い駆動効率を得る。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、外部配線１４１、１４３となる下部電極４１及び上部電極４３の一部４１ａ、４３ａは、圧力発生室５１の隔壁５０ａの上方のノズルプレート３０の固定領域に形成される。したがって、外部配線１４１、１４３の割れ、あるいは、下部電極４１あるいは上部電極４３と外部配線１４１の接続部の剥がれを抑制できる。第２の実施形態によれば、下部電極４１及び上部電極４３に確実に電気信号を供給してインクジェットヘッド３００の信頼性を向上できる。また圧力発生室５１上方において、圧電素子はノズル３１を中心に対称であり、良好なインクの吐出特性を得られる。更に圧電素子４０の内周４０ａがノズル３１に近接しないことから、圧電素子４０のパターニング位置が多少ずれても、ノズル３１の形状に影響を及ぼさない。圧電素子４０あるいは外部配線等の製造プロセスの簡素化を得られ、ノズル３１の形状が変形するのを原因とする、歩留まりの低下を抑制できる。

更に第２の実施形態によれば、成膜残留応力の大きいノズルプレート３０の中央部３３に、撥インク性を有するポリイミドからなる円環形状の保護膜７０を設ける。これにより、ノズル３１周囲にインクが固着するのを軽減して、インクジェットヘッド３００からのインクの吐出不良を軽減する。更にインクジェットヘッド３００の駆動効率を向上して、インクの吐出力を向上する。

（第３の実施形態）
第３の実施形態のインクジェットヘッド４００を、図１７乃至図２１を参照して説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態において、圧力発生室の平面形状を長方形とするものである。第３の実施形態にあって、前述の第１の実施形態で説明した構成と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１７及び図１８に示すように、インクジェットヘッド４００は、圧力室構造体５０に幅λ、長さπの平面形状が長方形の圧力発生室８０を備える。ノズルプレート３０は、圧力室構造体５０の隔壁５０ｂと一体に形成される。ノズルプレート３０は、圧力発生室８０の中心（例えば圧力発生室８０の対角線の交点）にノズル３５を備える。

ノズルプレート３０は、圧力発生室８０と相似形の長方形の圧電素子８１を備える。圧電素子８１は、ノズル３５周囲に圧力発生室８０と相似形の長方形の中央部８２を備える。中央部８２には、圧電素子８１が形成されない。圧電素子８１は、圧電膜８６をはさんで下部電極８７及び上部電極８８が積層される。下部電極８７の一部８７ａは延長されて外部配線１４１の一部とされている。上部電極８８の一部８８ａは下層にある圧電膜８６及び下部電極８７とともに延長されて外部配線１４３の一部とされている。

圧電素子８１は、ノズルプレート３０の隔壁５０ｂの上方から、ノズル３５に向かって圧力発生室８０の上方まで延在し、圧力発生室８０の周囲領域８３の上方に形成される。圧電素子８１が形成されないノズルプレート３０の中央部８２は、厚み方向に自由に変動可能となる。

ノズルプレート３０の中央部８２の大きさは、圧電素子８１の動作によりノズルプレート３０が変動可能な範囲であれば限定されない。

（実施例３）
（実施例３）として、第３の実施形態のインクジェットヘッド４００について有限要素法によるシミュレーションを行った。（実施例３）は、圧電素子８０の下部電極８７と上部電極８８により、圧電膜８６に駆動電圧を発生した場合の、インクジェットヘッド４００の特性をシミュレーションした実施例である。

１例としてシミュレーションに用いたインクジェットヘッド４００の主要部の寸法を図１９の（表３）に示す。インクジェットヘッド４００のシリコン製の圧力室構造体５０の圧力発生室８０の幅λを１００μｍとし、長さπを４００μｍとした。圧力発生室８０の面積１００×４００（μｍ）^２を、（実施例１）の圧力発生室５１の面積１００×１００×π（μｍ）^２に近づけた。

圧力室構造体５０の表面にＣＶＤ法で形成した二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）製のノズルプレート３０の厚さを４μｍとした。ノズルプレート３０上のノズル３５の直径を２０μｍとした。ノズルプレート３０上の圧電素子８１の中央部８２の幅φを直径３０μｍとした。圧電素子８１の、下部電極８７の厚さを０．１μｍ、圧電膜８６の厚さを２μｍ、上部電極８８の厚さを０，１μｍとした。

下部電極８７及び上部電極８８として白金（Ｐｔ）を用い、圧電膜８６としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。圧電膜８６の圧電定数ｄ３１を−１００ｐｍ／Ｖとした。ノズルプレート３０の成膜残留応力を０ＭＰａ、圧電膜４２の成膜残留応力を５６ＭＰａとした。

下部電極８７と上部電極８８の間に３０Ｖの電圧を印加した場合のシミュレーションによる計算の結果、ノズル３５位置（ノズルプレート３０の中心）でのノズルプレート３０の垂直方向の変位は０．２３μｍである。ノズルプレート３０全体での駆動体積は３．７ｐｌ（ピコリットル）である。

ノズルプレート３０の中心を０．２３μｍ変形させるために必要な駆動圧力は０．６９ＭＰａであり、（実施例３）のインクジェットヘッド４００のトータルの駆動エネルギは１．２９ｎＪと算出された。

（実施例３）のインクジェットヘッド４００は、（実施例１）のインクジェットヘッド２００と比較すると、長さπ方向にある圧電素子８０によるノズルプレート３０の駆動力が小さい。一方、（実施例３）のインクジェットヘッド４００は、圧電素子４０によりノズル３１周囲を均等に規制される（実施例１）のインクジェットヘッド２００と比較すると、ノズルプレート３０が変動しやすい。

従って、（実施例３）のインクジェットヘッド４００は、（実施例１）のインクジェットヘッド２００と比較すると、駆動体積が小さい一方、トータルの駆動エネルギが大きい。すなわち（実施例３）のインクジェットヘッド４００は、（実施例１）のインクジェットヘッド２００と比較するとインクの吐出量は、７０％程度とすくない一方、インクの吐出エネルギは１．７倍有る。このことから、（実施例３）のインクジェットヘッド４００は、（実施例１）のインクジェットヘッド２００に比べて、より粘度の高いインクの吐出に適していることが分かる。

次に、（実施例３）において、ノズルプレート３０の中央部８２の幅φを変動した場合の、インクジェットヘッド４００の駆動体積及びトータルの駆動エネルギの変動について述べる。（実施例３）において中央部８２の幅φを変動して、有限要素法によるシミュレーションを行った。中央部８２の幅φを変動すると、インクジェットヘッド４００の駆動体積は図２０に示すように変動する。ノズルプレート３０の中央部８２の幅φが３０μｍ程度で、駆動体積は最大値を示す。

（実施例３）において中央部８２の幅φを変動すると、インクジェットヘッド４００の駆動エネルギは図２１に示すように変動する。ノズルプレート３０の中央部８２の幅φが３０μｍであれば、トータルの駆動エネルギは最大値を示す。

インクジェットヘッド４００のトータルの駆動エネルギは、最大値駆動エネルギの１／２以上であれば、圧力発生室５１内のインクからなるインク滴をノズル３５から良好に吐出可能である。図２１から、ノズルプレート３０の中央部８２の幅φが１０μｍ以上、６０μｍ以下の範囲であれば、インクジェットヘッド４００は、インク滴を良好に吐出可能である。すなわちインクジェットヘッド４００において、圧力発生室８０の幅λを１とした場合、ノズルプレート３０の中央部８２の幅φは、０．１以上、０．６以下の範囲であれば、インクジェットヘッド４００は、インク滴を良好に吐出可能である。

インクジェットヘッド４００のトータルの駆動エネルギについて、圧力発生室８０の最小幅である幅λを１とした場合の、中央部８２のノズル３５を通る最小幅である幅φの割合のシミュレーション結果を示す。幅φが０．３であれば、インクジェットヘッド４００のトータルの駆動エネルギは最大値となる。幅φが０．１〜０．６であれば、最大駆動エネルギの１／２を得られる。幅φが０．０５〜０．７５であれば、最大駆動エネルギの１／４以上を得られる。

従って少なくとも幅φが０．０５〜０．７５の範囲であれば、インクジェットヘッド４００は、インク滴をノズル３５から吐出するのに必要な駆動エネルギを得られる。但しインク滴を良好に吐出するには幅φが０．１〜０．６の範囲であることがより望ましい。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、外部配線１４１、１４３となる下部電極８７及び上部電極８８の一部８７ａ、８８ａは、圧力発生室８０の隔壁５０ｂ上方のノズルプレート３０の固定領域に形成される。したがって、外部配線１４１、１４３の割れ、あるいは、下部電極８７あるいは上部電極８８と外部配線１４１あるいは外部配線１４３の接続部の剥がれを抑制できる。第３の実施形態によれば、下部電極８７及び上部電極８８に確実に電気信号を供給してインクジェットヘッド４００の信頼性を向上できる。また圧力発生室８０上方において、圧電素子はノズル３５の両側で対称形状であり、良好なインクの吐出特性を得られる。更に圧電素子８１の内周８１ａがノズル３５に近接しないことから、圧電素子８１のパターニング位置が多少ずれても、ノズル３５の形状に影響を及ぼさない。圧電素子８１あるいは外部配線等の製造プロセスの簡素化を得られ、ノズル３５の形状が変形するのを原因とする、歩留まりの低下を抑制できる。

更に第３の実施形態によれば、圧力発生室の平面形状が円形のインクジェットヘッドに比べてインクの吐出量が少ないものの、インクを吐出するエネルギを大きく出来る。したがって第３の実施形態は、圧力発生室が円形のインクジェットヘッドに比べてより粘度の高いインクの使用に適している。

第３の実施形態における、インクジェットヘッド４００の構造は限定されない。インクジェットヘッド４００は圧電素子８１の上面に絶縁膜を備え、絶縁膜に形成されるコンタクトホールを介して、下部電極８７あるいは上部電極８８と外部配線を接続しても良い。更にインクジェットヘッド４００の駆動効率を高めるために、インクジェットヘッド４００の中央部８２に、第２の実施形態の保護膜７０に相当する、ポリイミド等の保護膜を形成しても良い。

以上説明した実施形態において、圧力発生室の材料、形状あるいはサイズ等限定されない。圧力室構造体は、シリコン単結晶基板に限らず、その他の半導体単結晶基板等を使用しても良い。圧力発生室の平面形状は、円形あるいは長方形に限らず、例えばひし形或いは楕円、更には多角形状等用途に応じて任意である。また、圧力発生室の幅に対するノズルプレートの中央部の幅も限定されず、圧力発生室の幅１に対して中央部の幅は、少なくても０．１以上、０．８以下であれば良い。圧電素子の形状あるいは材料等、限定されないし、圧電体の圧電特性等も任意である。

更にインクジェットヘッドの構造は限定されない。例えば、インクジェットヘッドは、圧力発生室とインク流路との間に圧力発生室より穴径の小さいインク供給孔が形成されるバックプレートを備えなくても良い。但し圧力発生室とインク流路との間にバックプレートを配置しない場合には、圧力発生室の深さ方向のサイズを大きく取ることが好ましい。圧力発生室の深さ方向のサイズを大きく取ることにより、ノズルプレートの変形により、圧力発生室内に発生するエネルギ変化が、インク流路に逃げるのを遅らせる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、ノズルプレート上の駆動部は、圧力室の周囲領域である、圧力室の隔壁の上方から圧力室上方にかかる領域に延在する。駆動部に電気信号を供給する配線は、圧力室の隔壁上方のノズルプレートが固定される領域に形成される。したがって、外部配線の損傷あるいは、圧電素子の電極と外部配線との接続部の剥がれを抑制出来、インクジェットヘッドの信頼性を向上出来る。また圧力発生室上方において、駆動部はノズルを中心に対称であり、良好なインクの吐出特性を得られる。またノズルプレートのノズル周囲に中央部を設けることから、駆動部のパターニングがノズル形状に影響するのを防止でき、製造プロセスの簡素化更には、ノズルの変形を原因とする、歩留まりの低下を防止できる。

この発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…インクジェットプリンタ
３０…ノズルプレート
３１…ノズル
３２…周囲領域
３３…中央部
４０…圧電素子
４１…下部電極
４２…圧電膜
４３…上部電極
５０ａ…隔壁
５１…圧力発生室

Claims (10)

1. インクを充填する圧力室と、
   前記圧力室の第１の面に設けられ、前記圧力室に連通するノズルを備えるノズルプレートと、
   前記ノズルプレート上で、前記ノズル周囲のホール領域を除いて前記圧力室の隔壁の上方から前記圧力室の上方に延在し、圧電体を備える面状の駆動部と、を備え、
   前記駆動部は、外部から印加される電圧に応じて、前記ノズルを中心に前記ノズルプレートを凸状に変形させ、前記圧力室に充填された前記インクを前記ノズルから吐出させることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記駆動部は、前記圧電体に電圧をかける電極を備え、前記電極は、前記隔壁の上方で外部配線に接続することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記圧力室内部の最小幅位置において、前記ホール領域の幅の割合は、前記圧力室内部の最小幅を１とした場合に、０．０５以上、０．９以下の範囲とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記ノズル周囲を囲み、少なくとも前記ホール領域の一部を被覆する被覆層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
5. 前記圧力室の平面形状は円形であって、
   前記駆動部は前記圧力室の隔壁の上方から前記ノズルに向かい、中央に円形の前記ホール領域を配置する円環形状であることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記被覆層は、前記ノズル周囲を囲む円環形状であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記圧力室の平面形状は多角形であって、
   前記駆動部は前記圧力室の隔壁の上方から前記ノズルに向かい、中央に前記平面形状と相似形状の前記ホール領域を配置することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
8. 前記ノズルプレートは前記隔壁と一体的に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
9. 前記圧力室はシリコン単結晶からなり、
   前記ノズルプレートは、前記圧力室の前記第１の面に形成される酸化シリコン膜からなることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドから前記インクが吐出される位置に記録媒体を搬送する搬送部と、を備えることを特徴とするインクジェット記録装置。

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