JP5825499B2 - 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し、特に、液滴としてインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

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る下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、この圧電素子の変位によっ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に採用されている圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題がある。この問題を解決するために、例えば、圧電体層の外周面を上電極で覆うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−８８４４１号公報

特許文献１に記載されているように、圧電体層を上電極で覆うようにすることで、湿気に伴う圧電体層の破壊を抑制することはできるが、圧電体層の端面に形成されている上電極と下電極との距離が極めて近くなってしまうため、両電極間で絶縁破壊が生じて圧電素子が破壊されてしまう虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の破壊を防止することができる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連通する圧力発生室が複数設けられた流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、前記流路形成基板の前記一方面側に絶縁性の接着剤によって接着され前記圧電素子の駆動を阻害しない空間となる圧電素子保持部を有する接合基板とを備え、前記下電極は前記圧力発生室に対応して独立して設けられて前記圧電素子の個別電極を構成し、前記上電極は複数の前記圧力発生室に亘って連続的に設けられて前記圧電素子の共通電極を構成し、前記下電極が、前記圧力発生室に対応する領域から前記圧力発生室の長手方向一端側に前記圧電素子保持部の外側まで延設され、前記圧電体層が、前記圧電素子保持部内において前記下電極を露出させることなく覆うとともに、前記圧力発生室の長手方向一端側において前記接合基板と前記流路形成基板の接着領域まで延設され、前記上電極が、前記圧力発生室に対応する領域の前記圧電体層を覆い且つ前記圧電素子保持部内において露出するとともに、前記圧電素子保持部の外側まで延設された実装用電極により前記圧電素子保持部の外側と接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明の構成では、下電極の露出部分と上電極の露出部分との間に、接合基板と流路形成基板とを接着するための接着剤が存在するため、この接着剤によって下電極の露出部分と上電極の露出部分とが絶縁される。したがって、これら下電極と上電極との間で生じる絶縁破壊に起因する圧電素子の破壊を防止することができる。

また前記下電極が、前記圧力発生室に対応する領域において前記圧力発生室の幅よりも狭い幅で形成されているとともに、上面及び端面が前記圧電体層によって覆われていることが好ましい。これにより、下電極と上電極との間で生じる絶縁破壊をより確実に防止することができる。

また前記圧力発生室の長手方向他端側において、前記下電極は前記圧力発生室に対応する領域に端部を備え、前記端部が前記圧電体層によって覆われていることが好ましい。このような構成では、圧電素子保持部内で下電極が露出されることがないため、下電極と上電極との間で生じる絶縁破壊をより確実に防止することができる。

さらに本発明は、上記のような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、ヘッドの耐久性が向上した信頼性ある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記録ヘッドの平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの変形例を示す拡大断面図である。 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、図１の平面図及びそのＡ−Ａ'断面図である。また図３は、図２のＢ−Ｂ’断面における圧電素子部分の拡大図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画され一方側の面が弾性膜５０で構成される複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。

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。この連通部１５は、後述する接合基板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１００の一部を構成する。

ここで、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。例えば、インク供給路１３は、リザーバー１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、各連通路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。

なお、流路形成基板１０の材料として、本実施形態ではシリコン単結晶基板を用いているが、勿論これに限定されず、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の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１３とは反対側の端部近傍に連通するノズル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。なお、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。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。絶縁体膜５５上には、下電極膜６０と圧電体層７０と上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。この圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を有する部分だけでなく、少なくとも圧電体層７０を有する部分を含む。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を圧電体層７０と共に圧力発生室１２毎にパターニングして個別電極とする。またここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーターと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

流路形成基板１０上には、このような圧電素子３００の駆動を阻害しない空間となる圧電素子保持部３１を有する接合基板３０が接着剤３５によって接着されている。圧電素子保持部３１は、圧電素子保持部３１内への大気の侵入を抑制できるように構成されている。つまり、圧電素子保持部３１は、大気の侵入を抑制できれば、必ずしも密封されている必要はない。そして圧電素子３００は、このような圧電素子保持部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。

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を構成する下電極膜６０は、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられて各圧電素子３００の個別電極を構成している。また圧電素子３００の長手方向一端部側では、下電極膜６０は圧力発生室１２の端部の外側まで延設され、圧電素子３００の長手方向他端部側では、下電極膜６０の端部は圧力発生室１２内に位置している。

圧電体層７０は、下電極膜６０の幅よりも広い幅で且つ圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられている。圧電体層７０は、圧電素子３００の長手方向においては、圧力発生室１２の端部の外側までそれぞれ延設され、圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０の上面及び端面を完全に覆うように設けられている。したがって、本実施形態の構成では、圧電素子３００の長手方向他端部側で圧力発生室１２内に位置する下電極膜６０の端部は、圧電体層７０によって完全に覆われている。

なお圧電素子３００の長手方向他端部側の下電極膜６０の端部は圧力発生室１２の外側に位置していてもよい。このような構成においても、圧電体層７０は圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０の上面及び端面を覆うように設けられていればよいが、下電極膜６０の端部を覆って設けられていることが好ましい。

圧電素子３００の長手方向一端部側では、圧電体層７０は、接合基板３０の圧電素子保持部３１の周縁部が接着される流路形成基板１０の接着領域２００まで延設されており、特に、接着領域２００の外側まで延設されていることが好ましい。

ここでいう「接着領域２００」とは、接合基板３０を流路形成基板１０に接着するための接着剤３５が広がる領域をいう。つまり、圧電体層７０は流路形成基板１０と接合基板３０との間に挟まれた状態である必要はなく、少なくともその端面が接着剤３５に接触した状態となっていればよい。例えば、図４に示すように、本実施形態では、圧電体層７０の端部が接着領域２００の外側まで延設されているが、図５に示すように、圧電体層７０は、その端部が接着剤３５に接触していれば圧電素子保持部３１内に形成されていてもよい。

またこのように接着領域２００まで延設された圧電体層７０の外側には、下電極膜６０がさらに延設されており、下電極膜６０の端部には、例えば、金（Ａｕ）等からなる実装用電極９０が接続されてボンディングワイヤ等からなる接続配線（図示なし）が接続される端子部９５が形成されている。つまり、下電極膜６０と実装用電極９０とは、圧電素子保持部３１内ではなく、接着領域２００又は接着領域２００の外側で接続されている。そして、この端子部９５（実装用電極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。

上電極膜８０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に形成され、また圧電素子の長手方向一端部側では、上電極膜８０の端部は圧力発生室１２に対向する領域内に位置し、圧電素子３００の長手方向他端部では、上電極膜８０の端部は圧力発生室１２の外側に位置している。そして上電極膜８０は、圧力発生室１２に対向する領域の圧電体層７０の上面及び圧電素子３００が並設された方向における圧電体層の側面（端面）が上電極によって覆われている。すなわち、圧電体層７０の幅は下電極膜６０側ほど広く形成されて圧電体層７０の側面が傾斜面となっており、圧力発生室１２に対向する領域においては、上電極膜８０は圧電体層７０の側面を覆って設けられている（図３参照）。なお本実施形態では、圧電素子３００の長手方向他端部側の圧電体層７０の側面も、上電極膜８０によって覆われている。

またこのような上電極膜８０は実質的に圧電素子保持部３１内のみに設けられている。実際には、上電極膜８０は、圧電素子保持部３１内のみに形成されているが、上電極膜８０に接続された実装用電極９１が圧電素子保持部３１の外側まで延設され、下電極膜６０の場合と同様に、実装用電極９１の先端部が接続配線（図示なし）に接続される端子部９５となっている。つまり上電極膜８０は、端子部９５を除いて圧電素子保持部３１内に形成されている。

このような構成では、下電極膜６０は圧電素子保持部３１の外側のみで露出される一方、上電極膜８０は圧電素子保持部３１内のみで露出され、これら下電極膜６０の露出部分と上電極膜８０の露出部分との間には、接合基板３０と流路形成基板１０とを接着するための接着剤３５が存在する。したがって、この接着剤３５によって下電極膜６０と上電極膜８０とが絶縁され、これら下電極膜６０と上電極膜８０との間で生じる絶縁破壊に起因する圧電素子３００の破壊を防止することができる。

接合基板３０と流路形成基板１０とを接着する接着剤３５は、このように上電極膜８０と下電極膜６０との絶縁を図る役割を果たすため、絶縁性の接着剤を用いることが好ましい。これにより下電極膜６０と上電極膜８０とをより確実に絶縁することができる。

また上電極膜８０によって圧電体層７０の表面を覆って設けられているため、保護膜を別途設けることなく、圧電体層７０への大気中の水分（湿気）の浸透を防止することができる。保護膜を必要としないため製造コストが大幅に低減し、水分（湿気）に起因する圧電素子３００（圧電体層７０）の破壊を防止することができ、圧電素子３００の耐久性を向上することができる。

さらに本実施形態では、上述したように圧電素子３００の長手方向一端部側の上電極膜８０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域内に位置しており、圧電素子３００の実質的な駆動部が圧力発生室１２に対向する領域内に設けられている。すなわち、圧電素子３００は、圧力発生室１２内に位置する下電極膜６０の端部と上電極膜８０の端部との間の部分が実質的な駆動部となっている。このため圧電素子３００を駆動しても、圧力発生室１２の長手方向両端部近傍の振動板（弾性膜５０、絶縁体膜５５）には大きな変形が生じることはないため、この部分の振動板に割れが発生するのを防止することができる。

なお接合基板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。このリザーバー部３２は、本実施形態では、接合基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に沿って設けられており、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１００を構成している。

さらに、接合基板３０の圧電素子保持部３１のリザーバー部３２とは反対側の領域には、接合基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、上述した下電極膜６０及び上電極膜８０の端子部９５がこの貫通孔３３内に形成されている。そして図示しないが、これら下電極膜６０及び上電極膜８０の各端子部９５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。

なお、接合基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

接合基板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４３となっているため、リザーバー１００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、リザーバー１００からノズル２１に至るまで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をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル２１からインク滴が吐出する。

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

また上述した実施形態の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。

なお上述の実施形態では、インクジェット式記録ヘッドがキャリッジに搭載されて主走査方向に移動するタイプのインクジェット式記録装置を例示したが、本発明は、他のタイプのインクジェット式記録装置にも適用することができる。例えば、固定された複数のインクジェット式記録ヘッドを有し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、いわゆるライン式のインクジェット式記録装置にも本発明を適用することができる。

また上述した実施形態では、本発明の液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を説明したが、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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及び液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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、 １２ 圧力発生室、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル、 ３０ 接合基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０，９１ 実装用電極、 ９５ 端子部、 １００ リザーバー、 ２００ 接着領域、 ３００ 圧電素子

Claims (4)

1. 液滴を吐出するノズルに連通する圧力発生室が複数設けられた流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、前記流路形成基板の前記一方面側に絶縁性の接着剤によって接着され前記圧電素子の駆動を阻害しない空間となる圧電素子保持部を有する接合基板とを備え、
   前記下電極は前記圧力発生室に対応して独立して設けられて前記圧電素子の個別電極を構成し、前記上電極は複数の前記圧力発生室に亘って連続的に設けられて前記圧電素子の共通電極を構成し、
   前記下電極が、前記圧力発生室に対応する領域から前記圧力発生室の長手方向一端側に前記圧電素子保持部の外側まで延設され、
   前記圧電体層が、前記圧電素子保持部内において前記下電極を露出させることなく覆うとともに、前記圧力発生室の長手方向一端側において前記接合基板と前記流路形成基板の接着領域まで延設され、
   前記上電極が、前記圧力発生室に対応する領域の前記圧電体層を覆い且つ前記圧電素子保持部内において露出するとともに、前記圧電素子保持部の外側まで延設された実装用電極により前記圧電素子保持部の外側と接続されている
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記下電極が、前記圧力発生室に対応する領域において前記圧力発生室の幅よりも狭い幅で形成されているとともに、上面及び端面が前記圧電体層によって覆わ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. 前記圧力発生室の長手方向他端側において、前記下電極は前記圧力発生室に対応する領域に端部を備え、前記端部が前記圧電体層によって覆わ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. 請求項１〜３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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