JP6292051B2 - 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、圧電素子の損傷を抑制可能な液体噴射ヘッド、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層と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる圧電体層と、上電極層とが、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に開示されている液体噴射ヘッドでは、上下の電極のうちの下電極層が、圧力室毎に切り分けられた個別電極であり、他方の上電極層が、複数の圧力室に亘って連続して形成された共通電極となっている。このような構成を採用することで、圧電体層の大部分が上電極層によって被覆されるので、上電極層が保護膜としても機能し、圧電体層の耐湿性が高められている。また、圧力室の並設方向に交差する方向（圧力室の長手方向）において、上記の圧電素子を成す各層は、圧力室の開口よりも外側の領域まで延びている。これは、圧電体層が下電極層を挟んで振動板の広い範囲（全面）に形成されているので、上電極層が圧力室の開口外側まで延出することで、圧電体層に対する被覆範囲を広げることができるからである。このような構成では、上下の電極によって圧電体層が挟まれた部分が、電極への電圧の印加によって変形する能動部である。なお、上電極層が個別電極、下電極層が共通電極である構成では、圧電体層を湿気から保護するための耐湿保護膜が別途設けられるため、その分、圧電素子全体の厚みが増加し、これにより上記構成と比較して圧電素子の変位効率が低下する。

特開２０１１−１２６２５７号公報（図２）

ところで、上記構成の液体噴射ヘッドでは、圧力室の開口の外側まで能動部が形成されている。このため、上下電極層に駆動電圧が印加されると、圧力室上部開口の外側の能動部においても上下電極間に電界が生じ、当該能動部も動こうとする。しかしながら、圧力室上部開口の外側の能動部の下は、構造体（すなわち、圧力室が形成された基板において圧力室の開口の無い閉じられた部分）であるため、実際には当該能動部は拘束されて動けない。これにより、この部分の能動部の応力が高まることで破壊し焼損するという不具合が生じていた。また、上電極層が個別電極、下電極層が共通電極である構成と比較して、圧電素子の変位量が大きくなるので、圧力室上部開口内に対応する能動部、つまり、実際に動くことが可能な部分と、実際には動くことができない圧力室上部開口の外側の能動部との境界部分で応力が集中して、圧電素子に亀裂が入り破壊に至るおそれがあった。

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、圧電素子の焼損および亀裂からの破壊を抑制すること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、ノズルに連通する圧力室となる圧力室空部が第１方向に沿って複数形成された圧力室形成部材と、
前記圧力室形成部材の一方の面において前記圧力室空部との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第１電極層、圧電体層、および第２電極層が順に積層されてなる圧電素子と、
を備え、
前記第１電極層は、各圧力室空部にそれぞれ対応して個別に設けられる一方、前記第２電極層は、第１方向に沿って各圧力室空部に亘り連続して形成され、
前記第１電極層は、第１方向における幅が圧力室空部の同方向の幅よりも狭い第１領域と、該第１領域よりも前記第１方向における幅が細い第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記圧力室空部の第２方向の中心を含む開口に対応する領域に設けられ、
前記第２領域は、前記第１方向と交わる第２方向に前記第１領域から連続して前記圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延びていることを特徴とする。

この構成によれば、圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延びる第２領域の幅が、圧力室空部の開口内の領域に対応する第１領域の幅よりも狭く形成されていることで、圧力室（圧力室空部）の開口の外側における能動部の面積が減少する。つまり、圧電素子の駆動時に発生する応力によって焼損の危険性のある部分の面積を削減できる。また、能動部の面積の減少によりこの部分で発生する応力自体も低減することができる。その結果、圧力室上部開口の外側での能動部における焼損や亀裂からの破壊を低減することが可能となる。

また、上記構成において、前記圧力室空部の開口の前記第２方向における外側に対応する領域において、前記第１電極層の前記第２領域および前記圧電体層は、前記第２電極層の第２方向における端よりも同方向における外側まで延出し、
前記第２電極層の端、および、前記延出した前記第２領域に重なる圧電体層に亘って接着剤層が積層さ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電極層の第２方向における端よりも外側に延びて露出した圧電体層を保護する目的として接着剤が積層される構成では、当該接着剤によって圧力室上部開口の外側における能動部の動きが拘束されるので、この能動部の変形が抑制され、応力集中を低減させることができる。これにより、圧力室上部開口の外側の能動部における焼損が生じにくくなる。
また、接着剤が第２電極層の端にも積層されて当該端部を保護するので、当該第２電極層が剥離することが抑制される。

また、上記構成において、前記圧力室空部の開口の前記第２方向における外側に対応する領域における前記第１電極層の前記第２領域の幅は、前記第１領域の幅の２０％以上５５％以下であることが望ましい。

この構成によれば、第２領域の幅が細くなりすぎることによる導電性の低下を防止しつつ、焼損の危険性のある圧力室空部外側における能動部の面積を削減でき、また、能動部の面積の減少によりこの部分で発生する応力自体も低減することができるので、圧力室上部開口の外側における能動部の焼損や破壊（※圧力室形成部材の破損）をより確実に低減することが可能となる。

また、上記構成において、前記圧電体層は、前記第１方向において隣り合う前記圧力室空部の間の位置に、開口を備え、
前記第２電極層における前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記圧電体層の開口の第２方向における端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置する構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、圧電体層の開口がある部分と無い部分との境界（特に、圧電体層の開口の第２方向における端）で応力が集中しやすいので、これよりも圧力室空部の開口中心寄りに第１領域と第２領域との境界部を設けることで、境界上での応力を低下でき応力集中を低減することが可能となる。

また、上記構成において、前記圧力室空部の開口の第２方向における端部領域に対応する位置から前記第２電極層の同方向における端の手前の位置に亘って当該第２電極層に金属層が積層され、
前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記金属層の第２方向における端部領域側の端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置する構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、金属層が設けられることでこの部分の動きを拘束することができる。そして、これよりも圧力室空部の開口中心寄りに第１領域と第２領域との境界部を設けることで、境界部の大きな変形がより確実に抑制され、応力集中を一層緩和す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。

この構成によれば、液体噴射ヘッドにおける圧電素子の焼損や導電性の低下が抑制されるので、装置の信頼性が向上する。
また、上記目的を達成するために提案される本発明は、以下の構成を備えたものであってもよい。
すなわち、本発明の液体噴射ヘッドは、ノズルに連通する圧力室となる圧力室空部が第１方向に沿って複数形成された圧力室形成部材と、
前記圧力室形成部材の一方の面において前記圧力室空部との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第１電極層、圧電体層、および第２電極層が順に積層されてなる圧電素子と、
を備え、
前記第１電極層は、各圧力室空部にそれぞれ対応して個別に設けられる一方、前記第２電極層は、第１方向に沿って各圧力室空部に亘り連続して形成され、
前記第１電極層は、第１方向における幅が圧力室空部の同方向の幅よりも狭い第１領域と、該第１領域よりも前記第１方向における幅が細い第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記圧力室空部の第２方向の中心を含む開口に対応する領域に設けられ、
前記第２領域は、前記第１方向と交わる第２方向に前記第１領域から連続して前記圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延び、
前記圧電体層は、前記第１方向において隣り合う前記圧力室空部の間の位置に、開口を備え、
前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記圧電体層の開口の第２方向における端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置することを特徴とする。
この構成によれば、圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延びる第２領域の幅が、圧力室空部の開口内の領域に対応する第１領域の幅よりも狭く形成されていることで、圧力室（圧力室空部）の開口の外側における能動部の面積が減少する。つまり、圧電素子の駆動時に発生する応力によって焼損の危険性のある部分の面積を削減できる。また、能動部の面積の減少によりこの部分で発生する応力自体も低減することができる。その結果、圧力室上部開口の外側での能動部における焼損や亀裂からの破壊を低減することが可能となる。また、圧電体層の開口がある部分と無い部分との境界（特に、圧電体層の開口の第２方向における端）で応力が集中しやすいので、これよりも圧力室空部の開口中心寄りに第１領域と第２領域との境界部を設けることで、境界上での応力を低下でき応力集中を低減することが可能となる。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、ノズルに連通する圧力室となる圧力室空部が第１方向に沿って複数形成された圧力室形成部材と、
前記圧力室形成部材の一方の面において前記圧力室空部との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第１電極層、圧電体層、および第２電極層が順に積層されてなる圧電素子と、
を備え、
前記第１電極層は、各圧力室空部にそれぞれ対応して個別に設けられる一方、前記第２電極層は、第１方向に沿って各圧力室空部に亘り連続して形成され、
前記第１電極層は、第１方向における幅が圧力室空部の同方向の幅よりも狭い第１領域と、該第１領域よりも前記第１方向における幅が細い第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記圧力室空部の第２方向の中心を含む開口に対応する領域に設けられ、
前記第２領域は、前記第１方向と交わる第２方向に前記第１領域から連続して前記圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延び、
前記圧力室空部の開口の第２方向における端部領域に対応する位置から前記第２電極層の同方向における端の手前の位置に亘って当該第２電極層に金属層が積層され、
前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記金属層の第２方向における端部領域側の端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置することを特徴とする。
この構成によれば、圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延びる第２領域の幅が、圧力室空部の開口内の領域に対応する第１領域の幅よりも狭く形成されていることで、圧力室（圧力室空部）の開口の外側における能動部の面積が減少する。つまり、圧電素子の駆動時に発生する応力によって焼損の危険性のある部分の面積を削減できる。また、能動部の面積の減少によりこの部分で発生する応力自体も低減することができる。その結果、圧力室上部開口の外側での能動部における焼損や亀裂からの破壊を低減することが可能となる。また、金属層が設けられることでこの部分の動きを拘束することができる。そして、これよりも圧力室空部の開口中心寄りに第１領域と第２領域との境界部を設けることで、境界部の大きな変形がより確実に抑制され、応力集中を一層緩和することが可能となる。
また、上記構成において、前記圧電体層は、前記第１方向において隣り合う前記圧力室空部の間の位置に、開口を備え、
前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記圧電体層の開口の第２方向における端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置することが望ましい。
この構成によれば、圧電体層の開口がある部分と無い部分との境界（特に、圧電体層の開口の第２方向における端）で応力が集中しやすいので、これよりも圧力室空部の開口中心寄りに第１領域と第２領域との境界部を設けることで、境界上での応力を低下でき応力集中を低減することが可能となる。
さらに、上記各構成において、前記圧力室空部の開口の前記第２方向における外側に対応する領域において、前記第１電極層の前記第２領域および前記圧電体層は、前記第２電極層の第２方向における端よりも同方向における外側まで延出し、
前記第２電極層の端、および、前記延出した前記第２領域に重なる圧電体層に亘って接着剤層が積層されたことが望ましい。
この構成によれば、第２電極層の第２方向における端よりも外側に延びて露出した圧電体層を保護する目的として接着剤が積層される構成では、当該接着剤によって圧力室上部開口の外側における能動部の動きが拘束されるので、この能動部の変形が抑制され、応力集中を低減させることができる。これにより、圧力室上部開口の外側の能動部における焼損が生じにくくなる。
また、接着剤が第２電極層の端にも積層されて当該端部を保護するので、当該第２電極層が剥離することが抑制される。
また、上記各構成において、前記圧力室空部の開口の前記第２方向における外側に対応する領域における前記第１電極層の前記第２領域の幅は、前記第１領域の幅の２０％以上５５％以下であることが望ましい。
この構成によれば、第２領域の幅が細くなりすぎることによる導電性の低下を防止しつつ、焼損の危険性のある圧力室空部外側における能動部の面積を削減でき、また、能動部の面積の減少によりこの部分で発生する応力自体も低減することができるので、圧力室上部開口の外側における能動部の焼損や破壊（※圧力室形成部材の破損）をより確実に低減することが可能となる。
そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の何れかの液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、液体噴射ヘッドにおける圧電素子の焼損や導電性の低下が抑制されるので、装置の信頼性が向上する。

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。 下電極層の構成を説明する要部平面図である。 記録ヘッドの要部断面図である。 図３における要部拡大図である。 下電極層における境界部の周辺の構成について説明する要部拡大図である。

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、振動板２１上における下電極層２７の構成を説明する平面図、図４は、図３中のＡ−Ａ線に沿った記録ヘッド３の要部断面図である。さらに、図５は、図４中の一点鎖線で囲った部分の拡大図である。なお、図３において、濃いハッチングで示される部分は下電極層２７を示し、薄いハッチングで示される部分は金属層４１を示している（これらの詳細については後述）。また、図３および図４は、圧力室２２の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）の一端部に対応する部分（インク供給路２４とは反対側の端部）を図示している。

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、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板から作製されている。この流路形成基板１５には、圧力室２２を区画する圧力室空部３０が異方性エッチングによってノズル列方向（本発明における第１方向に相当。）に並べて形成されている。圧力室２２は、流路形成基板１５の圧力室空部３０の下部開口がノズルプレート１６によって塞がれ、同じく圧力室空部３０の上部開口が振動板２１によって塞がれることで形成される空間である。本実施形態における圧力室２２（圧力室空部３０）は、ノズル列方向に直交する方向に長尺な略平行四辺形状の開口を有する空部である。

図４に示すように、本実施形態における圧力室２２（圧力室空部３０）における圧力室長手方向端部の壁２２ｗは、流路形成基板１５の上下面に対して部分的に傾斜している。このため、圧力室２２の上部開口（後述する可撓面側の開口）の圧力室長手方向（本発明における第２方向に相当。）の内法が、下部開口の同方向の内法よりも短くなっている。そして、各圧力室２２は、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２２の形成ピッチは、ノズル２５の形成ピッチに対応している。この圧力室２２（圧力室空部３０）における上部開口の圧力室並設方向の幅Ｗｃ（内法。図５参照。）は、約７０〔μｍ〕である。また、圧力室２２における上部開口の圧力室長手方向の全長（最も長い部分の内法）は、約３６０〔μｍ〕である。

また、図２に示すように、圧力室２２に対して当該圧力室長手方向の側方（ノズル連通側とは反対側）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２２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２２に共通な空部である。この連通部２３と各圧力室２２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２２よりも狭い幅で形成されており、連通部２３から圧力室２２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（振動板２１側とは反対側の面）には、ノズルプレート１６が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。ノズルプレート１６は、所定のピッチで複数のノズル２５が列状に開設された板材である。本実施形態では、３６０ｄｐｉに対応するピッチで３６０個のノズル２５を列設することでノズル列（ノズル群の一種）が構成されている。各ノズル２５は、圧力室２２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、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、又はステンレス鋼などからなる。

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、圧電素子１９、および金属層４１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２２に対応する部分、即ち、圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口を塞ぐ部分は、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可撓面（駆動部）として機能する。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２２に対応する部分には、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側から順に下電極層２７（本発明における第１電極層に相当）、圧電体層２８、および上電極層２９（本発明における第２電極層に相当）が積層されて構成されている。また、圧電素子１９（すなわち、下電極層２７、圧電体層２８、および上電極層２９の各層）は、絶縁体膜１８上において、圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口の圧力室長手方向の端（ノズル２５と連通する側の開口縁）を越えて当該圧力室２２の長手方向の外側に外れた位置（圧電素子１８が駆動する際に可撓面として機能する部分よりも外側）まで延設されている。そして、下電極層２７および圧電体層２８は、上電極層２９の圧力室長手方向の端（図３および図５においてＴｅとして示す部分）よりも同方向の外側（図中、Ｔｅよりも左側）の位置までさらに延出している。なお、図示しないが、図３および図４に示す圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口の圧力室長手方向の端とは反対側の端においても、同様に、圧電素子１９が圧力室上部開口の端よりも外側に超えて形成されている。

本実施形態においては、下電極層２７および圧電体層２８が圧力室２２毎にパターニングされており、下電極層２７は、圧電素子１９毎の個別電極となっている。この下電極層２７は、圧力室並設方向における幅が異なる複数の部分を有している。この点の詳細については後述する。一方、上電極層２９は、各圧電素子１９に共通な電極となっている。すなわち、上電極層２９は、圧力室並設方向に沿って各圧力室２２に亘り連続して形成されている。そして、積層方向において、上電極層２９、圧電体層２８、および下電極層２７がオーバーラップする部分が、両電極層への電圧の印加により圧電歪みが生じる圧電体能動部である。すなわち、上電極層２９は圧電素子１９の共通電極となっており、下電極層２７は圧電素子１９の個別電極となっている。なお、下電極層２７の厚さは約１５０〔ｎｍ〕、圧電体層２８の厚さは約１〔μｍ〕、上電極層２９の厚さは約７０〔ｎｍ〕である。

上電極層２９の上には、図示しない密着層（例えば、ＮｉＣｒ）を介して金（Ａｕ）からなる金属層４１が形成されている。この金属層４１は、錘部４１ａ（本発明における金属層に相当）とリード電極部４１ｂとから構成される。錘部４１ａは、上電極層２９上であって、図５に示すように、圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口の圧力室長手方向における端部領域Ｃｄ（図５においてＣｅで示す圧力室２２の長手方向の開口端を含む、同方向にある程度幅を持った領域）に対応する位置から上電極層２９の同方向における端Ｔｅの手前の位置に亘って形成されている。つまり、圧力室長手方向で見て、圧力室２２の同方向の開口端Ｃｅよりも圧力室２２の上部開口の同方向の中心（図５中、Ｃｃで示す部分）寄りの位置（圧力室２２の上部開口の可撓面に対応する位置）から上電極層２９の圧力室長手方向の端の手前（上電極層２９の端Ｔｅよりも少し圧力室上部開口中心Ｃｃ寄り）の位置まで形成されている。この錘部４１ａの圧力室長手方向の寸法は、約１００〔μｍ〕に設定されている。また、錘部４１ａの圧力室長手方向における上電極層２９の端Ｔｅ側の端（図５中Ａｅ１で示す部分）から上電極層２９の端Ｔｅまでの同方向の距離は約２０〔μｍ〕、錘部４１ａの圧力室長手方向における圧力室上部開口中心Ｃｃ側の端（図５中Ａｅ２で示す部分）から圧力室２２の同方向の開口端Ｃｅまでの同方向の距離は約５０〔μｍ〕となっている。この錘部４１ａは、圧電素子１９の長手方向端部を拘束することで、駆動時における当該圧電素子１９の余分な変位を抑制し、上電極層２９の端Ｔｅにおける剥離を低減する。リード電極部４１ｂは、個別電極である下電極層２７毎に対応してパターニングされており、当該下電極層２７にそれぞれ導通されている。そして、このリード電極部４１ｂを介して各圧電素子１９に対して駆動電圧（駆動パルス）が選択的に印加される。

本実施形態における圧電体層２８は、下電極層２７の全面を覆うように振動板２１の上に形成されている。この圧電体層２８としては、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含むもの、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができる。図４に示すように、この圧電体層２８において隣り合う圧力室２２の間の領域に対応する部分には、開口３１が形成されている。この開口３１は、圧電体層２８が部分的に除去されて形成された凹部或いは貫通穴から構成されており、圧力室２２の開口の辺（開口縁）に沿って延在している。要するに、この開口３１は、圧電体層２８における他の部分の厚さよりも相対的に薄くなった或いは圧電体層２８を貫通した部分である。この開口３１の圧力室長手方向の端部は、圧力室並設方向の幅（内法）が次第に狭くなる先細り形状となっている。

上記開口３１の長手方向の寸法は、圧力室２２の開口部の長手方向の寸法よりも少し短く設定されている。本実施形態においては、図５に示すように、開口３１の圧力室長手方向の端（図５中、Ｏｅで示す部分）は、圧力室２２の同方向の端Ｃｅよりも圧力室上部開口の圧力室長手方向の中心Ｃｃ寄りであって、錘部４１ａと僅かに重なる領域に位置している。この開口３１の圧力室長手方向の端Ｏｅから錘部４１ａの端Ａｅ２までの同方向の距離は約２０〔μｍ〕となっている。また、開口３１の圧力室長手方向端部の先細り形状において幅が狭くなり始める部分（図５中、Ｏｅ′で示す部分）から錘部４１ａの端Ａｅ２までの同方向の距離も約２０〔μｍ〕となっている。

そして、隣り合う開口３１の間の領域における圧力室２２の開口部上の位置には、開口３１の部分よりも厚い圧電体層２８が梁状に設けられる。この当該梁状の圧電体層２８は、圧電体能動部に対応する部分に設けられている。この梁状部分の圧電体層２８の圧力室並設方向における幅Ｗｐは、同方向における圧力室２２の開口部の幅Ｗｃよりも少し狭くなっている。また、この圧電体層２８の幅Ｗｐは、下電極層２７における幅広部２７ａ（後述）の幅Ｗ１よりも少し広くなっている。すなわち、Ｗ１＜Ｗｐ＜Ｗｃの関係となっている。この梁状の圧電体層２８の圧力室並設方向の両側に上記の開口３１が設けられることにより、当該圧電体層２８を円滑に変位させることができ、圧力室２２内のインクに対してより効率良く圧力変動を付与することが可能となる。

このような構成の記録ヘッド３では、上電極層２９の本体部２９ａおよび導電部２９ｂの間の領域、或いは、錘部４１ａおよびリード電極部４１ｂの間の領域に、上電極層２９が除かれて圧電体層２８の一部が露出している。以下、上電極層２９および金属層４１が形成されていない圧電体層２８の露出部分を露出部２８ａと称する。

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。この収容空部３２のノズル列方向の寸法（内法）は、同一列の全ての圧電素子１９を収容可能な大きさに設定されている。また、収納空部３２のノズル列に直交する方向の寸法は、圧力室２２の同方向（長手方向）の寸法よりも大きく、且つ、圧電体層２８の同方向の寸法よりも小さく設定されている。また、図２に示すように、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２２の共通のインク室となるリザーバーを画成する。

封止板２０上には、封止膜３６及び固定板３７とからなるコンプライアンス基板３８が接合されている。封止膜３６は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイドフィルム）からなり、この封止膜３６によって液室空部３３の一方面が封止されている。また、固定板３７は、金属等の硬質の材料（例えば、ステンレス鋼等）で形成される。この固定板３７のリザーバーに対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部２６となっているため、リザーバーの一方面は可撓性を有する封止膜３６のみで封止されている。

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４１ｂの端部が露出される。そして、このリード電極部４１ｂ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。また、収容空部３２内を大気圧に調整する目的で、封止板２０には、収容空部３２と封止板２０の外部とを連通する大気連通口が設けられている。

上記収容空部３２と液室空部３３とは、仕切壁３４によって隔てられている。この仕切壁３４の下端面を含む封止板２０の下面は、図４に示すように、接着剤Ｂによってアクチュエーターユニット１４の上面に接合される。接着剤Ｂは、例えば、エポキシ系、ウレタン系等の接着剤からなり、封止板２０の下面に転写により予め塗布される。封止板２０とアクチュエーターユニット１４の接合の際、仕切壁３４の下端面は、図３においてＢａで示す領域に重なる状態で配置されて当該領域内のアクチュエーターユニット１４と接合される。より具体的には、図４に示すように、少なくとも錘部４１ａのリード電極４１ｂ側の端部および上電極層２９の圧力室長手方向の端部から圧電体層２８の露出部２８ａおよびリード電極４１ｂに亘って仕切壁３４がアクチュエーターユニット１４に接合される。これにより、上電極層２９の圧力室長手方向の端部と圧電体層２８の露出部２８ａが、接着剤Ｂによって被覆される。このように、上電極層２９の端部と圧電体層２８の露出部２８ａが接着剤Ｂによって被覆・保護される。これにより、上電極層２９の端Ｔｅにおける剥離も抑制される。

ここで、下電極層２７について説明する。図５に示すように、下電極層２７は、圧力室並設方向（第１方向）における幅が異なる複数の部位を有している。具体的には、幅Ｗ１が圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口の幅Ｗｃよりも狭い幅広部２７ａ（本発明における第１領域に相当）と、この幅広部２７ａの幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２の幅狭部２７ｂ（本発明における第２領域に相当）と、幅広部２７ａと幅狭部２７ｂとの間を連続する部分であって幅広部２７ａ側から幅狭部２７ｂ側に向かって幅が次第に狭くなる（換言すると、幅がＷ１からＷ２に漸縮する）境界部２７ｃと、から下電極層２７が構成されている。そして、幅広部２７ａは、圧力室上部開口の中心Ｃｃを含む当該上部開口に対応する領域（圧電素子１８が駆動する際に可撓面として機能する範囲内）に設けられている。この幅広部２７ａの圧力室長手方向の長さは、圧力室上部開口の同方向の長さよりも短い。また、幅狭部２７ｂは、圧力室長手方向に境界部２７ｃを介して幅広部２７ａの長手方向端部と連続して圧力室２２の上部開口の圧力室長手方向の端を越えて当該圧力室２２の長手方向の外側に外れた位置まで延びている。

境界部２７ｃは、圧力室２２の上部開口に対応する領域内（可撓面の範囲内）であって、圧力室２２の上部開口の圧力室長手方向の端Ｃｅよりも圧力室２２の開口中心Ｃｃ寄りに位置している。また、この境界部２７ｃは、錘部４１ａの圧力室上部開口の端部領域Ｃｄ側の端Ａｅ２よりも圧力室上部開口の中心Ｃｃ寄りに位置している。つまり、幅広部２７ａの境界部２７ｃ側（幅狭部２７ｂ側）の端ａ、および、幅狭部２７ｂの境界部２７ｃ側（幅広部２７ａ側）の端ｂは、圧力室２２の上部開口内（可撓面）に対応する領域に位置している。したがって、下電極層２７は、圧力室２２の上部開口内（可撓面）に対応する領域内で細くなり、細くなった幅を保って圧力室上部開口の圧力室長手方向の端から外側の領域まで延出している。

図６は、境界部２７ｃの周辺の構成について説明する要部拡大図である。この境界部２７ｃの側縁４３ａ，４３ｂは、幅広部２７ａおよび幅狭部２７ｂの延在方向（図６中、左右方向）に対して傾斜している。その傾斜角θ、つまり、図６において一点鎖線で示す、幅狭部２７ｂの側縁４４ａ，４４ｂの幅広部２７ａ側への仮想延長線に対し、境界部２７ｃの両側縁４３ａ，４３ｂがそれぞれ成す角θは、３０°以上、６０°以下の範囲内で設定することができ、４５°に設定することがより望ましい。換言すると、幅広部２７ａの両側縁４５ａ，４５ｂに対し境界部２７ｃの両側縁４３ａ，４３ｂがそれぞれ成す角θ′は、１２０°以上、１５０°以下の範囲内に設定することができ、１３５°であることがより望ましい。

圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口の圧力室長手方向における外側に対応する領域における幅狭部２７ｂの幅Ｗ２は、幅広部２７ａの幅Ｗ１の２０％以上５５％以下に設定される。具体的には、例えば、幅広部２７ａの幅Ｗ１が約４２〔μｍ〕であるのに対し、幅狭部２７ｂの幅Ｗ２は、約１５〔μｍ〕（Ｗ１の約３６％）となっている。つまり、幅狭部２７ｂの幅Ｗ２は、８〔μｍ〕以上２３〔μｍ〕以下である。境界部２７ｃの圧力室長手方向の寸法（下電極層２７の幅がＷ１から狭くなり始める箇所ａからＷ２になった箇所ｂまでの長さ）は、約３０〔μｍ〕である。また、圧電体層２８の開口３１の圧力室長手方向端部の先細り形状において幅が狭くなり始める部分Ｏｅ′から、幅狭部２７ｂの幅広部２７ａ側（境界部２７ｃ側）の端ｂまでの圧力室長手方向の距離は、１５〔μｍ〕である。

このように、下電極層２７において、圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口よりも圧力室長手方向における外側に延出した部分（幅狭部２７ｂ）の幅Ｗ２を、圧力室２２の上部開口内（可撓面の範囲内）に対応する部分（幅広部２７ａ）の幅Ｗ１よりも細くすることで、圧力室２２（圧力室空部３０）の上部開口の外側における能動部となる部分の面積が減少する。つまり、圧電素子１９の駆動時に発生する応力によって焼損の危険性のある部分の面積を削減できる。また、能動部の面積の減少によりこの部分で発生する応力自体も低減することができる。その結果、圧力室上部開口の外側の能動部における焼損や、亀裂からの破壊を低減することが可能となる。特に、本実施形態においては、圧力室２２の上部開口よりも外側に延出した圧電体層２８を保護する目的として接着剤Ｂが積層される構成であり、当該接着剤Ｂによって圧力室上部開口の外側における能動部の動きが拘束されるため、この能動部の変形が抑制され、応力集中を低減させることができる。これにより、圧力室上部開口の外側の能動部における焼損が生じにくくなる。なお、接着剤Ｂが、上電極層２９の端部（端ＴＥを含む、圧力室長手方向にある程度幅を持った部分）にも積層されて当該端部を保護するので、上電極層２９が剥離することが抑制される。

また、幅狭部２７ｂの幅Ｗ２は、幅広部２７ａの幅Ｗ１の２０％以上５５％以下とすることで、幅狭部２７ｂの幅が細くなりすぎることによる導電性の低下を防止しつつ、圧力室上部開口の外側の能動部における応力集中を抑制して、当該能動部における導電性の低下と焼損をより確実に低減する効果が得られる。ここで、幅狭部２７ｂの幅Ｗ２を異ならせた複数の圧電素子１９で評価実験を行ったところ、Ｗ２が細すぎると（すなわち、Ｗ２がＷ１の２０％未満である場合）幅狭部２７ｂにおいて導電性が低下することで圧電素子１９の特性が悪化する結果となった。逆に、Ｗ２が太すぎた場合（すなわち、Ｗ２がＷ１の５５％超である場合）には、動きが拘束されている能動部の面積が増加し、また応力値も増加するため、破壊の危険性が高まる。その結果、圧電素子１９の駆動時の応力集中により圧力室上部開口の外側の能動部（特に、下電極層２７）の劣化が進み、これにより却って導電性が低下する結果となった。

また、本実施形態においては、圧電体層２８の開口３１がある部分と無い部分との境界（特に、開口３１の圧力室長手方向における端Ｏｅ）付近で応力が集中しやすいので、これよりも圧力室上部開口の中心Ｃｃ寄りに境界部２７ｃを設けることで、境界上での応力を低下でき、応力集中を低減することが可能となる。さらに、本実施形態においては、錘部４１ａが設けられることでこの部分の能動部の動きを拘束することができる。そして、錘部４１ａの端Ａｅ２よりも圧力室空部の開口中心Ｃｃ寄りに境界部２７ｃを設けることで、応力が集中しやすい部分よりも圧力室空部の開口中心Ｃｃ寄りで下電極層２７の幅が狭くなる。これにより、境界部の大きな変化がより確実に抑制され、応力集中をさらに一層緩和することが可能となる。

なお、下電極層２７の幅は、圧力室開口中心側から圧力室開口の外側へ複数の段階的に変化する構成を採用することもできる。要は、下電極層２７の幅に関し、圧力室開口中心（可撓面）側で相対的に太く（圧力室開口の圧力室並設方向両側の縁に沿って一定の幅で延び）、圧力室上部開口よりも圧力室長手方向の外側に延びる部分で細くなっていればよい。また、圧力室上部開口よりも圧力室長手方向の外側の領域で下電極層２７の幅が変化する構成においては、当該部分の平均の幅が、圧力室開口中心（可撓面）側の幅よりも狭く（細く）なっていればよい。

そして、本発明は、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を用いるものであれば、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，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，２０…封止板，２１…振動板，２２…圧力室，２５…ノズル，２７…下電極層，２７ａ…幅広部，２７ｂ…幅狭部，２７ｃ…境界部，２８…圧電体層，２９…上電極層，４１…金属膜，４１ａ…錘部，４１ｂ…リード電極部 ，４３ａ，４３ｂ…境界部の側縁，４４ａ，４４ｂ…幅狭部の側縁，４５ａ，４５ｂ…幅広部の側縁

Claims (6)

1. ノズルに連通する圧力室となる圧力室空部が第１方向に沿って複数形成された圧力室形成部材と、
   前記圧力室形成部材の一方の面において前記圧力室空部との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第１電極層、圧電体層、および第２電極層が順に積層されてなる圧電素子と、
   を備え、
   前記第１電極層は、各圧力室空部にそれぞれ対応して個別に設けられる一方、前記第２電極層は、第１方向に沿って各圧力室空部に亘り連続して形成され、
   前記第１電極層は、第１方向における幅が圧力室空部の同方向の幅よりも狭い第１領域と、該第１領域よりも前記第１方向における幅が細い第２領域と、を有し、
   前記第１領域は、前記圧力室空部の第２方向の中心を含む開口に対応する領域に設けられ、
   前記第２領域は、前記第１方向と交わる第２方向に前記第１領域から連続して前記圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延び、
   前記圧電体層は、前記第１方向において隣り合う前記圧力室空部の間の位置に、開口を備え、
   前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記圧電体層の開口の第２方向における端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置することを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. ノズルに連通する圧力室となる圧力室空部が第１方向に沿って複数形成された圧力室形成部材と、
   前記圧力室形成部材の一方の面において前記圧力室空部との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第１電極層、圧電体層、および第２電極層が順に積層されてなる圧電素子と、
   を備え、
   前記第１電極層は、各圧力室空部にそれぞれ対応して個別に設けられる一方、前記第２電極層は、第１方向に沿って各圧力室空部に亘り連続して形成され、
   前記第１電極層は、第１方向における幅が圧力室空部の同方向の幅よりも狭い第１領域と、該第１領域よりも前記第１方向における幅が細い第２領域と、を有し、
   前記第１領域は、前記圧力室空部の第２方向の中心を含む開口に対応する領域に設けられ、
   前記第２領域は、前記第１方向と交わる第２方向に前記第１領域から連続して前記圧力室空部の開口よりも外側に対応する領域へ延び、
   前記圧力室空部の開口の第２方向における端部領域に対応する位置から前記第２電極層の同方向における端の手前の位置に亘って当該第２電極層に金属層が積層され、
   前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記金属層の第２方向における端部領域側の端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置することを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 前記圧電体層は、前記第１方向において隣り合う前記圧力室空部の間の位置に、開口を備え、
   前記第１領域と前記第２領域との境界部が、前記圧電体層の開口の第２方向における端よりも圧力室空部の開口中心寄りに位置することを特徴とする請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記圧力室空部の開口の前記第２方向における外側に対応する領域において、前記第１電極層の前記第２領域および前記圧電体層は、前記第２電極層の第２方向における端よりも同方向における外側まで延出し、
   前記第２電極層の端、および、前記延出した前記第２領域に重なる圧電体層に亘って接着剤層が積層された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. 前記圧力室空部の開口の前記第２方向における外側に対応する領域における前記第１電極層の前記第２領域の幅は、前記第１領域の幅の２０％以上５５％以下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ことを特徴とする液体噴射装置。

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