JP6273893B2 - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子の駆動により液体を噴射する液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置に関するものであり、特に、圧力室の一部を区画する変位部を圧電素子の駆動により変位させてノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記の液体噴射ヘッドは、圧力室に液体を導入し、当該圧力室の液体に圧力変動を生じさせて、この圧力室に通じるノズルから液体を噴射するように構成されている。上記圧力室となる空間は、シリコン等の結晶性基板に対して異方性エッチングによって寸法精度良く形成されている。また、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段としては、圧電素子が好適に用いられる。この圧電素子としては種々の構成があるが、例えば、圧力室に近い側の下電極膜と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体層と、上電極膜とが、成膜技術によりそれぞれ積層形成されて構成される（例えば、特許文献１参照）。そして、上下の電極のうちの一方が圧力室毎に設けられる個別電極として機能し、他方が複数の圧力室に共通な共通電極として機能する。圧電体膜において上下の電極によって挟まれた部分が、電極への電圧の印加によって変形する能動部であり、上下の何れか一方或いは両方から外れた部分が、電極への電圧の印加によっても変形しない非能動部である。そして、圧力室の一方（ノズル面側とは反対側）の開口部分は、例えばＳｉＯ_２からなる可撓性を有する弾性膜で塞がれ、この上に絶縁膜（例えばＺｒＯ_２）を介して圧電素子が形成される。これらの弾性膜および絶縁膜が振動板として機能する。

上記のような液体噴射ヘッドの性能評価の指標として、排除体積と呼ばれるものがある。この排除体積とは、所定の駆動電圧を印加して圧電素子を駆動させたときの圧力室の容積の変化量（圧力室から排除される液体の体積）を意味する。この排除体積を向上させることで、ノズルから液体を効率良く噴射させることができる。当該排除体積の大小は、圧力室となる空間のノズル側とは反対側の上部開口の面積（或いは、当該空間の上部開口を封止する振動板において圧電素子の駆動に応じて変位する部分。以下、適宜、変位部と称する。）の面積と、所定の駆動電圧を印加したときの圧電素子の変位量（ストローク）との積で概ね把握することができる。この排除体積は、比較的大型の液体噴射ヘッド（例えば、ノズルの形成ピッチ（ノズル同士の中心間距離）が１／１８０インチ以上の間隔の液体噴射ヘッド）であれば、圧力室の容積や上部開口の面積を比較的大きく確保することが可能であるため、それに応じて排除体積も比較的大きく確保することが可能である。一方、ノズルの高密度化が図られている小型の液体噴射ヘッド（例えば、ノズルの開設ピッチが１／３００インチ以下の液体噴射ヘッド）では、圧力室の幅（圧力室並設方向の寸法）が、大型の液体噴射ヘッドのものと比べて小さくなっている。このため、このような小型の液体噴射ヘッドにおいて、圧力室の容積や上部開口の面積をより大きく確保するために、圧力室の長さ（圧力室並設方向に直交する方向の寸法）をより長くすることが考えられる。

特開２００７−１１８１９３号公報

ところが、圧力室の幅に対する長さの比が過度に大きくなると、変位部の動きやすさが阻害され、却って排除体積が悪化する。また、圧力室の長さを長くするほど液体噴射ヘッドの平面方向（ノズル面に平行な方向）の寸法が増大してしまう問題がある。さらに、圧電素子の電極構造や圧電体構造を工夫することで圧電素子の変位量を向上させたとしても、変位部が動きにくいと圧電素子の能力を活かしきれないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化と排除体積の向上の両立が可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が複数形成された圧力室形成部材と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室の一部を区画する変位部に対し、前記変位部に近い側から第１の電極、圧電体層、および第２の電極が順に積層された圧電素子と、を備え、前記圧電素子の駆動により前記変位部を変位させることで前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、前記圧力変動を利用して前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドあって、
前記開口の空間並設方向の幅に対する前記方向に直交する方向の長さの比が、４．３以上６．０以下であることを特徴とする。

この構成によれば、圧力室となる空間の変位部側の開口の幅に対する長さの比が、４．３以上６．０以下に設定されることで、従来よりも圧力室となる空間の開口面積が小さい場合であっても圧電素子および変位部の変位効率を向上させることができる。このため、圧力室の容積を低減して記録ヘッドの小型化に対応しつつも、圧電素子駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。

また、上記構成において、前記第１の電極は、前記圧力室毎に個別に設けられる一方、前記第２の電極は、前記第１の電極および前記圧電体層を覆う状態で圧力室並設方向に沿って各圧電素子に渡って共通に設けられた構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、第２の電極が、第１の電極および圧電体層を覆う状態に形成されることで、前記第２の電極が、空気中の湿気等から能動部における圧電体層を保護する保護膜として機能する。このため、別途保護膜を設ける必要がなくなり、その分、圧電素子の厚さを薄くすることができる。これにより、圧電素子の変位が向上し、排除体積の向上に寄与する。

また、上記構成において、第２の電極の膜厚が、１００〔ｎｍ〕以下である構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、圧電素子および変位部の変位効率の向上に寄与することができる。このため、排除体積をより向上させることが可能となる。

また、本発明は、前記ノズルが、１／３００インチ以下の形成ピッチで複数形成された構成に好適である。

上記構成において、前記第２の電極の厚さが、３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下である構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、第２の電極の厚さが、３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下に設定されることで、圧電素子駆動時の電極破壊等の不具合を生じさせることなく圧電素子の変位を一層向上させることができる。これにより、圧電素子および変位部の変位効率をさらに高めることができる。このため、排除体積のさらなる向上に寄与する。

上記構成において、前記空間の前記開口の幅に対する長さの比が、望ましくは５．１４であることが望ましい。

この構成によれば、圧電素子および変位部の変位効率をより効果的に高めることができる。このため、排除体積を一層向上させることが可能となる。

さらに、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために提案される本発明の液体噴射ヘッドは、以下の構成を備えたものであってもよい。
すなわち、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が複数形成された圧力室形成部材と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室の一部を区画する変位部に対し、前記変位部に近い側から第１の電極、圧電体層、および第２の電極が順に積層された圧電素子と、
を備え、
前記圧電素子の駆動により前記変位部を変位させることで前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、前記圧力変動を利用して前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
前記第１の電極は、前記圧力室毎に個別に設けられ、
前記第２の電極は、複数の前記圧力室が並設される並設方向に沿って、複数の前記圧電素子に渡って共通に設けられ、
前記開口の空間並設方向の幅に対する前記方向に直交する方向の長さの比が、４．３以上６．０以下であることを特徴とする。
本発明によれば、圧力室となる空間の変位部側の開口の幅に対する長さの比が、４．３以上６．０以下に設定されることで、従来よりも圧力室となる空間の開口面積が小さい場合であっても圧電素子および変位部の変位効率を向上させることができる。このため、圧力室の容積を低減して記録ヘッドの小型化に対応しつつも、圧電素子駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。
また、第１の電極は圧力室毎に個別に設けられ、第２の電極は複数の圧力室が並設される並設方向に沿って複数の圧電素子に渡って共通に設けられたので、すなわち、第２の電極が、第１の電極および圧電体層を覆う状態に形成されることで、第２の電極が、空気中の湿気等から能動部における圧電体層を保護する保護膜として機能する。このため、保護膜を別途設ける必要がなくなり、その分、圧電素子の厚さを薄くすることができる。これにより、圧電素子の変位が向上し、排除体積の向上に寄与する。
また、上記構成において、第２の電極の厚さが、１００〔ｎｍ〕以下である構成を採用することが望ましい。
当該構成によれば、圧電素子および変位部の変位効率の向上に寄与することができる。このため、排除体積をより向上させることが可能となる。
また、本発明は、前記ノズルが、１／３００インチ以下の形成ピッチで複数形成された構成に好適である。
上記構成において、前記第２の電極の厚さが、３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下である構成を採用することが望ましい。
この構成によれば、第２の電極の厚さが、３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下に設定されることで、圧電素子駆動時の電極破壊等の不具合を生じさせることなく圧電素子の変位を一層向上させることができる。これにより、圧電素子および変位部の変位効率をさらに高めることができる。このため、排除体積のさらなる向上に寄与する。
上記構成において、前記圧力室の幅に対する長さの比が、５．１４であることが望ましい。
この構成によれば、圧電素子および変位部の変位効率をより効果的に高めることができる。このため、排除体積を一層向上させることが可能となる。
そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。

プリンターの内部構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの分解斜視図である。 記録ヘッドの要部の構成を説明する図である。 圧力室空間の上部開口の寸法、圧電素子および変位部の変位量、および比較例に対する変位量の向上率を示した表である。 上電極膜の厚さ、圧電素子および変位部の変位量、および、比較例に対する変位量の向上率を示した表である。 圧力室空間の上部開口のアスペクト比および上電極膜の厚さと、圧電素子および変位部の変位量との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明では、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を搭載したインクジェット式プリンター（以下、プリンター）を例に挙げる。

プリンター１の構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２（着弾対象の一種）の表面に対して液体状のインクを噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送する搬送機構６等を備えている。ここで、上記のインクは、本発明の液体の一種であり、液体供給源としてのインクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジ７がプリンター１の本体側に配置され、当該インクカートリッジ７からインク供給チューブを通じて記録ヘッド３に供給される構成を採用することもできる。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。従ってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。

図２は、本実施形態の記録ヘッド３の構成を示す分解斜視図である。また、図３は、記録ヘッド３の要部構成を示す図であり、（ａ）は圧力室形成基板１５の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における記録ヘッド３の要部断面図（圧力室長手方向断面図）、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における記録ヘッド３の要部断面図（圧力室短尺方向断面図）である。なお、図３（ａ）においてハッチングで示される部分は、後述する上電極膜２９の形成範囲を示している。また、図３（ａ）および図３（ｃ）では、ノズル４つ分の構成が示されているが、他のノズルに対応する構成も同様である。

本実施形態における記録ヘッド３は、流路形成基板１５（本発明における圧力室形成部材の一種）、ノズルプレート１６、アクチュエーターユニット１４、及び、封止板２０等を積層して構成されている。流路形成基板１５は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなる板材である。この流路形成基板１５には、複数の圧力室２２となる空間（本発明における空間に相当。以下、適宜、圧力室空間と称する。）が、隔壁２２′を間に挟んで並設されている。これらの圧力室空間は、ノズル列方向に直交する方向に長尺な空部であり、ノズルプレート１６の各ノズル２５に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室空間（或いは圧力室２２）の形成ピッチは、ノズル２５の形成ピッチに揃えられている。本実施形態における圧力室空間の上部開口（ノズル２５側とは反対側の開口。本発明における開口に相当。）は、平行四辺形状を呈している。この圧力室空間の寸法に関し、高さＨ（記録ヘッド構成部材の積層方向の寸法。図３（ｂ）参照。）は７０〔μｍ〕、圧力室空間の上部開口の幅Ｗ（ノズル列方向あるいは圧力室並設方向の寸法。図３（ｃ）参照。）は７０〔μｍ〕に設定されている。また、圧力室空間の上部開口の長さＬ（ノズル列方向あるいは圧力室並設方向に直交する方向の寸法。図３（ｂ）参照。）は、３６０〔μｍ〕に設定されている。このため、本実施形態における圧力室空間の上部開口の長さＬと幅Ｗの比は、５．１４：１となっている。この圧力室空間の長さＬと幅Ｗの比の詳細については後述する。

また、本実施形態における圧力室空間は、流路形成基板１５の下面側（ノズルプレート１６側）から異方性エッチングを行うことで形成され、その長手方向の両端部の内壁面は、流路形成基板１５の上下面に対してそれぞれ傾斜している。より詳しくは、これらの内壁面は、上面側に向けて互いに近接する状態に傾斜している。また、これらの内壁面の途中には、段差部３０が設けられている。この段差部３０は、圧力室形成基板１５とノズルプレート１６との接合面における接着剤が、上面側、すなわち振動板２１の弾性膜１７（後述）側に這い上がることを防止するためのものである。このような構成であるため、圧力室空間の上部開口の面積は、下部開口の面積よりも小さくなっている。なお、圧力室に段差部が無く、内壁面も傾斜していない構成、すなわち、圧力室空間の上部開口の形状・寸法と下部開口の形状・寸法とが同じ構成であってもよい。

図２に示すように、流路形成基板１５において、圧力室空間に対して当該圧力室長手方向の側方（ノズル２５との連通側とは反対側）に外れた領域には、流路形成基板１５を貫通する連通部２３が、圧力室空間の並設方向に沿って形成されている。この連通部２３は、各圧力室空間に共通な空部である。この連通部２３と各圧力室空間とは、インク供給路２４を介してそれぞれ連通されている。なお、連通部２３は、後述する振動板２１の連通開口部２６および封止板２０の液室空部３３と連通して、各圧力室空間（圧力室２２）に共通なインク室であるリザーバー（共通液室）を構成する。インク供給路２４は、圧力室空間よりも狭い幅で形成されており、連通部２３から圧力室空間に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。

流路形成基板１５の下面（アクチュエーターユニット１４との接合面側とは反対側の面）には、ノズルプレート１６（ノズル形成基板）が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。本実施形態におけるノズルプレート１６は、ドット形成密度３００ｄｐｉに相当するピッチ（隣接ノズルの中心間距離）、すなわち、１／３００インチ（８４μｍ）で各ノズル２５が並設されている。したがって、各ノズル２５にそれぞれ連通する各圧力室空間の形成間隔も１／３００インチとなっている。各ノズル２５は、圧力室空間に対してインク供給路２４とは反対側の端部で連通する。なお、ノズルプレート１６は、例えば、シリコン単結晶基板やステンレス鋼などから作製される。

本実施形態におけるアクチュエーターユニット１４は、振動板２１および圧電素子１９から構成される。振動板２１は、流路形成基板１５の上面に形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１７と、この弾性膜１７上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜１８と、から成る。この振動板２１における圧力室空間に対応する部分、即ち、圧力室空間の上部開口を塞いで圧力室２２の一部を区画する部分は、圧電素子１９の撓み変形に伴ってノズル２５から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変位する変位部として機能する。図２に示すように、この振動板２１における流路形成基板１５の連通部２３に対応する部分には、当該連通部２３と連通する連通開口部２６が開設されている。

振動板２１の絶縁体膜１８における圧力室空間に対応する部分、すなわち変位部の上（ノズル側とは反対側の面）には、圧電素子１９が形成されている。本実施形態における圧電素子１９は、振動板２１の変位部側から順に下電極膜２７（本発明における第１の電極に相当）、圧電体層２８、および上電極膜２９（本発明における第２の電極に相当）が、成膜技術により積層されて構成されている。この圧電素子１９は、絶縁体膜１８上において、圧力室空間の上部開口の縁（ノズル２５と連通する側の開口縁）を越えて当該圧力室空間の長手方向の外側に外れた位置まで延設されている。そして、下電極膜２７および圧電体層２８は、上電極膜２９の圧力室長手方向の端部よりも同方向の外側の位置までさらに延設されている。そして、下電極膜２７および圧電体層２８は、リソグラフィー及びイオンミリング等のエッチングによるパターニングによって圧力室２２毎にパターニングされて分割されている。したがって、下電極膜２７は、圧力室２２毎の個別電極となっている。

また、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、上電極膜２９は、圧力室並設方向（圧力室空間並設方向）に沿って圧力室空間の上部開口、当該上部開口上の下電極膜２７を覆い隠すように一連に形成されており、各圧力室２２に共通な電極となっている。積層方向において、上電極膜２９、圧電体層２８、および下電極膜２７がオーバーラップする部分が、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる能動部である。すなわち、上電極膜２９は圧電素子１９の共通電極となっており、下電極膜２７は圧電素子１９の個別電極となっている。このような構成にすることで、圧力室空間の上部開口に重なる下電極膜２７および圧電体層２８は、上電極膜２９によって被覆されている。そして、この上電極膜２９は、能動部における圧電体層２８を保護する保護膜としても機能する。すなわち、本実施形態における記録ヘッド３においては、耐湿用の保護膜を別途必要としない。これにより、保護膜の分だけ圧電素子１９全体の厚さを低減することができ、圧電素子１９全体の変位量を向上させることが可能となる。その結果、排除体積の向上に寄与する。上記構成の圧電素子１９は、電界方向に撓み変形する所謂撓み振動型の圧電素子である。成膜技術により作製される圧電素子１９は、小型化が可能であるため、当該圧電素子を圧力発生手段として搭載する液体噴射ヘッドの小型化に寄与する。

ここで、本実施形態における記録ヘッド３と保護膜を有する記録ヘッドとの構成を対比しやすくするため、特許文献１に開示されている記録ヘッドの構成を比較例として簡単に説明する。当該特許文献１の記録ヘッドは、本実施形態における記録ヘッド３と同様に、弾性膜（二酸化シリコン）および絶縁膜（酸化ジルコニウム）からなる振動板と、下電極膜、圧電体層、および上電極膜が積層されてなる圧電素子と、を有している。さらに、この特許文献１の記録ヘッドでは、圧電素子を保護するための耐湿性の保護膜が、当該圧電素子を覆う状態に形成されている。そして、特許文献１の記録ヘッドの各部の寸法に関し、弾性膜の厚さが約１．０〔μｍ〕、絶縁膜の厚さが約０．３〜０．４〔μｍ〕、下電極膜の厚さが約０．１〜０．２〔μｍ〕、圧電体層の厚さが約０．５〜５〔μｍ〕、上電極膜の厚さが約０．１〔μｍ〕、保護膜の厚さが約０．１〔μｍ〕となっている。

これに対し、本実施形態における記録ヘッド３の振動板２１と圧電素子１９の寸法に関し、弾性膜１７の厚さが約１．３〜１．４〔μｍ〕、絶縁膜１８の厚さが約０．３〜０．４〔μｍ〕、下電極膜２７の厚さが約０．１〜０．２〔μｍ〕、圧電体層２８の厚さが約０．５〜２〔μｍ〕、上電極膜２９の厚さが、後述するように３０〜７０〔ｎｍ〕の範囲内に設定されている。前述したように、上電極膜２９は、下電極膜２７および圧電体層２８を被覆して保護膜としても機能するので、保護膜を別途設ける必要がなくなり、圧電素子１９全体としての厚さが従来よりも低減されている。

圧力室空間の上部開口縁よりも圧力室長手方向の外側に外れた領域における圧電体層２８上であって、上電極膜２９に対して所定の間隔を隔てた位置（図３（ａ）および図３（ｂ）における左側の位置）には、リード電極部４１が形成されている。そして、圧電体層２８においてリード電極部４１が形成されている位置には、図３（ｂ）に示すように、当該圧電体層２８を貫通する状態で、当該圧電体層２８の上面から下電極膜２７に至るスルーホール４２が形成されている。リード電極部４１は、個別電極である下電極膜２７に対応してパターニングされている。このリード電極部４１は、上記のスルーホール４２を通じて下電極膜２７に導通されている。そして、このリード電極部４１を介して各圧電素子１９に選択的に駆動電圧（駆動パルス）が印加される。

図２に示すように、アクチュエーターユニット１４における流路形成基板１５との接合面である下面とは反対側の上面には、圧電素子１９を収容可能な収容空部３２を有する封止板２０が接合される。この封止板２０は、アクチュエーターユニット１４との接合面である下面側に収容空部３２が開口した中空箱体状の部材である。上記の収容空部３２は、封止板２０の下面側から上面側に向けて封止板２０の高さ方向途中まで形成された窪みである。また、封止板２０には、収容空部３２よりもノズル列に直交する方向の外側に外れた位置であって、振動板２１の連通開口部２６および流路形成基板１５の連通部２３に対応する領域には、液室空部３３が設けられている。この液室空部３３は、封止板２０を厚さ方向に貫通して圧力室空間（圧力室２２）の並設方向に沿って設けられており、上述したように連通開口部２６および連通部２３と一連に連通して各圧力室空間の共通のインク室となるリザーバーを画成する。なお、図示しないが、封止板２０には、収容空部３２と液室空部３３の他に、封止板２０を厚さ方向に貫通する配線開口部が設けられ、この配線開口部内にリード電極部４１の端部が露出される。そして、このリード電極部４１の露出部分には、プリンター本体側からの図示しない配線部材の端子が電気的に接続される。

上記構成の記録ヘッド３では、インクカートリッジ７からインクを取り込み、リザーバー、インク供給路２４、圧力室２２、およびノズル２５に至るまでの流路内がインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２２に対応するそれぞれの下電極膜２７と上電極膜２９との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１９および振動板２１の変位部が変位することにより、圧力室２２内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２５からインクが噴射される。

ここで、本発明に係る記録ヘッド３では、全体の小型化を図りつつ圧電素子１９を駆動した際の圧力室２２における排除体積の向上が図られている。具体的には、圧電素子１９の変位量の向上と、圧力室空間の上部開口を封止する振動板２１の変位部の変位効率の向上を図ることで、排除体積の向上させている。以下、この点についてより詳細に説明する。

まず、圧力室空間の上部開口のアスペクト比、すなわち、圧力室空間の上部開口の長さＬと幅Ｗの比の最適化について説明する。本実施形態における記録ヘッド３のように、ノズルが１／３００インチ以下の高密度で形成されている比較的小型の記録ヘッドでは、これに応じて圧力室の容積も限られてしまう。特に圧力室の幅については、ノズル形成ピッチと圧力室同士を仕切る隔壁の剛性（必要な厚さ）に応じて定まるため、大きく変更することができない。そのような条件の中で排除体積をより大きく確保するためには、圧力室の上部開口を封止する振動板において圧電素子の駆動に応じて変位する変位部の変位効率（すなわち、変位のし易さ）を向上することが望まれる。そこで、本実施形態における記録ヘッド３では、圧力室空間の上部開口の幅Ｗに対する長さＬの比が、４．３以上６．０以下の範囲内となるように、当該圧力室空間の寸法が定められている。すなわち、排除体積を向上させるには、圧力室空間の上部開口の面積を単に増加させるのではなく、当該開口の適切なアスペクト比を採用することで、変位部の変位効率を向上させることができる。

図４は、圧力室空間の上部開口の寸法（長さＬ〔μｍ〕、アスペクト比（Ｌ／Ｗ））、一定の電圧を印加したときの圧電素子１９および変位部の変位量〔ｎｍ〕、および比較例に対する変位量の向上率〔％〕を示した表である。この表において、圧力室空間の上部開口の幅Ｗは７０〔μｍ〕で一定となっている。また、比較例の構成は、本実施形態の記録ヘッド３の同様の構成を有する記録ヘッドであって、圧力室の上部開口の長さＬが７００〔μｍ〕、幅Ｗが７０〔μｍ〕に設定される。上電極膜の厚さは、本実施形態も比較例も同様に１００〔ｎｍ〕である。この比較例のアスペクト比は１０、変位量は約４０８〔ｎｍ〕である。また、圧電素子１９および変位部の変位量については、例えばレーザー変位計により計測される。

図４に示されるように、圧力室空間の上部開口の一定の幅（７０〔μｍ〕）に対し、圧力室空間の上部開口の長さＬを変化させてアスペクト比Ｌ／Ｗを変えると、これに応じて変位量も変化する。より具体的には、圧力室の上部開口の長さＬが３６０〔μｍ〕、アスペクト比５．１４の場合（図４において太枠で示す部分（ベストモード））で、最大の変位量６００〔ｎｍ〕および最大の向上率４７〔％〕）が得られ、これよりもアスペクト比が小さくなるに連れて或いは大きくなるに連れて変位効率が次第に低下することが判る。ここで、アスペクト比が４．２８（≒４．３）以上６．０以下の範囲内であれば、圧力室空間の長さＬの１０〔μｍ〕の変化に対して向上率が５〔％〕以内での変化となるのに対し、アスペクト比が上記範囲外となる場合（図４において網掛けで示す部分）では長さＬの１０〔μｍ〕の変化に対して向上率が５〔％〕超の急激な変化となっている。したがって、アスペクト比が４．３以上６．０以下の範囲内であれば、比較例に対する変位量の向上率が３７〔％〕以上と比較的良好な結果が得られる。なお、圧力室の上部開口の寸法（幅Ｗおよび長さＬ）に関し、±１０〔％〕程度の公差は許容されるものとする。

このように、圧力室空間の上部開口のアスペクト比を４．３以上６．０以下の範囲内とすることにより、従来よりも圧力室空間の長さＬが短く、開口面積が小さくなったとしても当該開口部を封止する振動板２１の変位部および圧電素子１９の変位量を向上させることができる。このため、圧力室空間（圧力室２２）の容積を低減して記録ヘッドの小型化に対応しつつも、圧電素子１９駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。そして、アスペクト比を５．１４とすることで、圧電素子１９および変位部の変位効率をより効果的に高めることができる。このため、排除体積を一層向上させることが可能となる。

本発明に係る記録ヘッド３では、上記の圧力室２２の上部開口のアスペクト比の最適化（４．３以上６．０以下の範囲内に設定すること）に加え、圧電素子１９の構成を見直すことで当該圧電素子１９の変位効率を向上させている。具体的には、上電極膜２９の厚さを１００〔ｎｍ〕以下にすることで、圧電素子１９および変位部の変位効率の向上に寄与することができ、これにより、排除体積をより向上させることが可能である。そして、望ましくは、上電極膜２９の厚さを３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下（０．０３０〔μｍ〕以上０．０７０〔μｍ〕以下）の範囲内に設定することにより、圧電素子１９および変位部の変位量をさらに向上させることができる。これにより、排除体積のさらなる向上が期待できる。
図５は、上電極膜２９の厚さ〔ｎｍ〕、一定の電圧を印加したときの圧電素子１９および変位部の変位量〔ｎｍ〕、および、比較例に対する変位量の向上率〔％〕を示した表である。この表において、圧力室空間の上部開口の幅Ｗは７０〔μｍ〕、長さＬは３６０〔μｍ〕（すなわち、図４におけるベストモード）である。また、比較例の構成は、上電極膜２９の厚さ以外の構成が同一で且つ上電極膜２９の厚さが１００〔ｎｍ〕（０．１〔μｍ〕）に設定されたものである。この比較例における変位量は約６００〔ｎｍ〕である。

図５に示すように、上電極膜２９の厚さを薄くするほど変位量が向上することが判る。すなわち、上電極膜２９の厚さを３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下の範囲内で設定することで、比較例に対し圧電素子１９の変位量が２５〔％〕以上向上し、最大（図５における太枠で示すベストモード）で約３２％向上する。これに対し、上電極膜２９の厚さが７０〔ｎｍ〕を超えると、向上率が大きく低下する。具体的には、１０〔ｎｍ〕の膜厚変化に対して２％よりも大きい変化率で低下する。なお、上電極膜２９の厚さが３０〔ｎｍ〕未満の場合、上電極膜２９の膜厚を安定的に形成することができなかったため、今回の評価では上電極膜２９の厚さが３０〔ｎｍ〕未満の場合の実験は行われていない。したがって、上電極膜２９の厚さについての上記の範囲は、圧電素子の信頼性を損なうことなく圧電素子１９および変位部の変位効率をより効果的に向上させ得る範囲と言うことができる。

このように、上電極膜２９の厚さを３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下の範囲内で設定することで、圧電素子１９の信頼性を損なうことなく、変位部および圧電素子１９の変位量のさらなる向上に寄与することができる。特に、上電極膜２９の厚さを３０〔ｎｍ〕とすることで、圧電素子１９および変位部の変位効率をより一層高めることができる。このため、排除体積をより一層向上させることが可能となる。

図６は、圧力室空間の上部開口における長手方向の位置と、一定の電圧を印加したときの圧電素子１９および変位部の変位量〔ｎｍ〕との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は、圧力室上部開口の長手方向の位置である。例えば、ノズル２５との連通側の端部を原点０で示し、インク供給路側の端部に向かって数値が大きくなるように設定してある。なお、幅Ｗは、７０〔μｍ〕で一定である。また、縦軸は、圧力室長手方向の所定位置における圧電素子１９および変位部の変位量〔ｎｍ〕である。ここで、図６のＡに対応する記録ヘッドは、比較例であり、上電極膜の厚さが１００〔ｎｍ〕、圧力室の上部開口の長さＬが７００〔μｍ〕で保護膜無しの構成となっている。また、図６のＢに対応する記録ヘッドは、上電極膜の厚さが１００〔ｎｍ〕、圧力室の上部開口の長さＬが３６０〔μｍ〕で保護膜無しの構成となっている。そして、図６のＣに対応する記録ヘッドは、上電極膜の厚さが３０〔ｎｍ〕、圧力室の上部開口の長さＬがＢと同じく３６０〔μｍ〕で保護膜無しの構成となっている。Ａの記録ヘッドでは、圧力室空間の上部開口のアスペクト比が、本発明の条件である４．３以上６．０以下の範囲から大幅に外れた１０となっている。この比較例のように、圧力室空間の上部開口の幅Ｗに対して長さＬが大きくなりすぎると、変位部の変位効率が低下するため、図６に示すように最大でも４０８〔ｎｍ〕となっている。

これに対し、Ｂの記録ヘッドでは、圧力室空間の上部開口のアスペクト比が、４．３以上６．０以下の範囲内であってベストモードの５．１４である。このため、Ａの記録ヘッドと比較して圧電素子および変位部が動き易くなっている。具体的には、最大で６００〔ｎｍ〕の変位量が得られている。この場合、Ａの記録ヘッドに対する変位量の向上率は、ピーク値で比較して約４７〔％〕である。そして、Ｃの記録ヘッドでは、上電極膜の厚さが３０〔ｎｍ〕に設定されており、Ｂの記録ヘッドのものよりも大幅に薄くなっているため、その分、圧電素子および変位部がさらに動き易くなっている。このため、最大で７８６〔ｎｍ〕の変位量が得られる。このＣの記録ヘッドの場合、Ｂの記録ヘッドに対する変位量の向上率は、ピーク値で比較して３１〔％〕である。また、Ａの記録ヘッドの場合と比較して、Ｃの記録ヘッドのベストモードでは、変位量は約９２〔％〕（約２倍）向上する。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、圧力室空間の上部開口の形状に関し、上記実施形態では、平行四辺形状のものを例示したが、これには限られず、アスペクト比が規定可能な形状であれば、どのような形状であっても良い。
また、上記実施形態における記録ヘッド３は、ノズル２５が列状に並設された構成であったが、これには限られず、例えば、ノズルが記録ヘッド３の移動方向である主走査方向や記録媒体の搬送方向である副走査方向に対して斜めに並設されたものや、ノズルがマトリックス状に配列されたものにも本発明を適用することが可能である。このような構成において、ノズル同士の最小距離（中心間距離）が１／３００インチ以下であれば、本実施形態と同様な課題が生じ、圧力室の上部開口のアスペクト比や圧電素子の構造（保護膜無し、上電極膜の厚さ）を同様に規定することで本実施形態の記録ヘッド３と同様の作用効果が期待できる。

そして、上述した実施形態では、インクジェットプリンターに搭載されるインクジェット式記録ヘッドを例示したが、上記構成の圧電素子および圧力室を有するものであれば、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。例えば、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（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。

１…プリンター，３…記録ヘッド，１４…アクチュエーターユニット，１５…流路形成部材，１６…ノズルプレート，１７…弾性膜，１８…絶縁体膜，１９…圧電素子，２１…振動板（変位部），２２…圧力室（圧力室空間），２５…ノズル，２７…下電極膜，２８…圧電体層，２９…上電極膜，４１…リード電極部，４２…スルーホール

Claims (6)

1. ノズルに連通して圧力室となるべき空間が複数形成された圧力室形成部材と、
   前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室の一部を区画する変位部に対し、前記変位部に近い側から第１の電極、圧電体層、および第２の電極が順に積層された圧電素子と、
   を備え、
   前記圧電素子の駆動により前記変位部を変位させることで前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、前記圧力変動を利用して前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
   前記第１の電極は、前記圧力室毎に個別に設けられ、
   前記第２の電極は、複数の前記圧力室が並設される並設方向に沿って、複数の前記圧電素子に渡って共通に設けられ、
   前記開口の空間並設方向の幅に対する前記方向に直交する方向の長さの比が、４．３以上６．０以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記第２の電極の厚さが、１００〔ｎｍ〕以下であ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. 前記ノズルが、１／３００インチ以下の形成ピッチで複数形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記第２の電極の厚さが、３０〔ｎｍ〕以上７０〔ｎｍ〕以下であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記圧力室の幅に対する長さの比が、５．１４であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。

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