JP4835860B2

JP4835860B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP4835860B2
Application number: JP2007037058A
Authority: JP
Inventors: 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: JP2008200907A

Description

本発明は、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させ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。

液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。このインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードのアクチュエータ装置を使用したものと、たわみ振動モードのアクチュエータ装置を使用したものの２種類が実用化されている。

そして、たわみ振動モードのアクチュエータ装置を使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。また、このたわみ振動モードのアクチュエータ装置に使用される圧電素子は、共通電極である下電極と、下電極上に形成された圧電体層と、圧電体層上に形成された個別電極である上電極とで構成されている。

また、圧電素子としては、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ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この圧電体非能動部を圧電素子に設けることによって、圧力発生室と周壁との境界部の振動板が圧電素子の駆動により変形されないようにし、振動板の割れを防止している。

また、圧力発生室には、一般的には、圧力発生室よりも狭い幅を有するインク供給路が連通され、このインク供給路を介してインクが供給されるようになっており、このような構成において、上記のような圧電体非能動部をインク供給路に対向する領域まで延設し、インク供給路に対向する領域の振動板（弾性膜）の割れを防止するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許第３１１４８０８号公報特開２００３−１４５７６２号公報（図２等）

例えば、特許文献２に記載の構成では、圧力発生室に対向する領域からインク供給路に対向する領域に、インク供給路よりも広い幅で圧電体非能動部を延設するようにしている。このような構成では、圧電体非能動部の一部が、圧力発生室やインク供給路を区画する隔壁に対向に張り出して形成されてしまう。このため、隔壁の端部近傍の振動板が圧電体非能動部を構成する各層（圧電体層、上電極膜）の残留応力によって変形し、この変形に起因して振動板にクラックが生じる等の問題が発生する虞がある。この場合、上電極膜をも除去して圧電体層のみの圧電体非能動部としてもよいが、上電極膜の除去という余計な工程が発生してしまう。

また、インク供給路は、圧力発生室側から流路の幅を徐々に絞ることによって形成される。このため、圧力発生室とインク供給路との境界部分には、流路の幅がインク供給路側に向かって漸小する部分が形成される。そして、このように幅が漸小している部分においては、このような問題が特に生じやすい。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電体非能動部の内部応力に起因する振動板の変形及び割れを防止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、ノズル開口に連通する圧力発生室と該圧力発生室よりも幅の狭い供給路とを含む複数の液体流路が設けられる流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に各圧力発生室に対応し、振動板を介して設けられる下電極膜、圧電体層及び上電極膜で構成される圧電素子とを有し、前記圧電素子が、前記下電極膜、前記圧電体層及び前記上電極膜からなる実質的な駆動部である圧電体能動部と、該圧電体能動部から連続する圧電体層を有するが前記下電極膜が除去されて実質的に駆動されない圧電体非能動部とを具備し、
前記圧力発生室の前記供給路側の端部には、少なくとも一方の内壁面が前記圧力発生室の内壁面に対して傾斜する傾斜面で構成されて前記供給路側に向かって幅が漸小する漸小部を有し、前記圧電体非能動部は前記圧力発生室に対向する領域から前記漸小部に対向する領域まで連続して設けられ、当該圧電体非能動部の端部には少なくとも前記漸小部に対向する部分が前記漸小部よりも幅の狭い幅狭部が設けられ、該幅狭部が隣接する前記液体流路を区画する隔壁上に張り出すことなく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、漸小部において生じやすい圧電体非能動部の残留応力に起因する振動板の変形が生じることがない。したがって、この変形に伴う振動板の破壊を防止することができる。

ここで、前記幅狭部の幅が前記供給路側に向かって漸小していることが好ましい。これにより、圧電体非能動部が隔壁上に張り出すことなく、且つ漸小部の比較的広い領域が圧電体非能動部によって覆われる。したがって、圧電体能動部の駆動によって振動板を繰り返し変形させた場合でも、振動板の破壊が発生するのを防止することができる。

また、前記漸小部の前記傾斜面で構成される内壁面と、この傾斜面で構成される内壁面に相対向する前記幅狭部の側端面とが平行になっていることが好ましい。さらに、前記漸小部の前記傾斜面で構成される内壁面とこの傾斜面で構成される内壁面に相対向する前記幅狭部の側端面との距離Ｗが、５［μｍ］よりも大きく、且つ前記圧力発生室の幅Ｗ１及び前記圧電体能動部を構成する前記圧電体層の幅Ｗ２との関係が、Ｗ＞（Ｗ１−Ｗ２）／２の関係を満たすことが好ましい。また、前記幅狭部の前記供給路側の端部における幅方向中心が、前記供給路上に位置していることが好ましい。このような構成とすることで、振動板の破壊をより確実に防止することができる。

また本発明は、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。このような本発明では、耐久性を向上して信頼性を高めた液体噴射装置を実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る製造方法によって製造されるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。また図３は、漸小部近傍の拡大図であり、漸小部と幅狭部との位置関係の概略を示す。

液体噴射ヘッドの一例である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る。図示するように、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２を含むインク流路がその幅方向に並設されている。本実施形態では、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側に、圧力発生室１２と共に隔壁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。

ここで、インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１６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。具体的には、圧力発生室１２のインク供給路１３側の端部に、流路の幅がインク供給路１３側に向かって漸小する漸小部１５が設けられている。すなわち、漸小部１５は、その少なくとも一方の内壁面が圧力発生室１２の内壁面に対して傾斜する傾斜面１５ａで構成されることで、インク供給路１３側に向かって幅が漸小している。そして、インク供給路１３は、この漸小部１５を介して圧力発生室１２と連通している。なお、この漸小部１５は、実質的に圧力発生室１２の一部を構成する。また、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることで漸小部１５及びインク供給路１３を形成しているが、流路の幅を両側から絞ることで漸小部１５及びインク供給路１３を形成してもよい。

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１６側に延設してインク供給路１３と連通部１６との間の空間を区画することで形成されている。さらに、連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１６が設けられている。この連通部１６は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して、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１００の一部を構成する。

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、複数のノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、例えば、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されており、各ノズル開口２１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それぞれ連通している。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、流路形成基板１０の開口面とは反対側の面には、振動板５０が設けられている。本実施形態では、振動板５０は、流路形成基板１０を予め熱酸化することによって形成され例えば、厚さが０．５〜２［μｍ］程度の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜５１と、この弾性膜５１上に形成され例えば、厚さが、０．４［μｍ］程度の酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２とからなる。この振動板５０上には、厚さが例えば、約０．１〜０．２［μｍ］の下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５［μｍ］の圧電体層７０と、厚さが例えば、約５０［ｎｍ］の上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお、各圧電素子３００の上電極膜８０には、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。

ここで、圧電素子３００は、圧力発生室１２に対向する領域に設けられて実質的な駆動部である圧電体能動部３２０と、この圧電体能動部３２０と連続する圧電体層７０を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０とからなる。本実施形態では、圧電体能動部３２０の長手方向両側に、それぞれ圧電体非能動部３３０（３３０Ａ，３３０Ｂ）が設けられている。この圧電体非能動部３３０は、下電極膜６０を除去することによって形成され、圧電体能動部３２０から連続して設けられる圧電体層７０と上電極膜８０とで構成されている。例えば、本実施形態では、下電極膜６０が圧力発生室１２の長手方向の端部近傍、すなわち、圧力発生室１２の内側でパターニングされ、圧電体層７０及び上電極膜８０が下電極膜６０の外側まで延設されて圧電体非能動部３３０が形成されている。そして、一方の圧電体非能動部３３０Ａは、圧力発生室１２に対向する領域から漸小部１５に対向する領域まで連続的に設けられている。

また圧電体非能動部３３０Ａは、少なくとも漸小部１５に対向する部分に、漸小部１５の幅よりも狭い幅狭部３３１を有する。すなわち、圧電体非能動部３３０Ａの幅狭部３３１は、漸小部１５に対向する領域のみに、隔壁１１上に張り出すことなく設けられている。例えば、本実施形態では、幅狭部３３１の先端部側は、漸小部１５と同様に、インク供給路１３側に向かって幅が漸小するように形成されている。

さらに、圧力発生室１２の内壁面（隔壁１１の端面）に対して傾斜する傾斜面で構成される漸小部１５の内壁面１５ａ（隔壁１１の端面）と、この内壁面１５ａに相対向する圧電体非能動部３３０Ａの幅狭部３３１の側端面３３１ａとが、略平行になっている。すなわち、圧電体非能動部３３０の幅狭部３３１の幅は、漸小部１５の幅に応じて徐々に狭くなっている。

このように圧電体非能動部３３０Ａの幅狭部３３１を漸小部１５に対向する領域に設け、且つ幅狭部３３１が隔壁１１上に形成されないようにすることで、圧電体非能動部３３０Ａを構成する圧電体層７０及び上電極膜８０の残留応力に起因する振動板の変形を防止することができる。したがって、変形に伴う振動板の破壊を防止することができる。すなわち、振動板が変形していると、振動板の応力が不均一になって振動板にクラックが発生する等の問題が生じる虞があるが、上記構成とすることで、このような問題が生じるのを防止することができる。

ここで、漸小部１５の内壁面１５ａと、圧電体非能動部３３０Ａの幅狭部３３１の側端面３３１ａとの距離Ｗは、Ｗ＞５［μｍ］であり、且つ圧力発生室１２の幅Ｗ１及び圧電体非能動部３３０Ａの幅、すなわち、圧電体層７０の幅Ｗ２との関係が、Ｗ＞（Ｗ１−Ｗ２）／２を満たしていることが好ましい。なお、圧電体層７０は、本実施形態では、イオンミリングによってパターニングされているため、圧電体層７０の幅は、実際には下電極膜６０側ほど広くなっている。このような場合、圧電体層７０の幅Ｗ２とは、圧電体層７０の下電極膜６０側の端部の幅である。

幅狭部３３１の長さは、特に限定されないが、できるだけ長く形成することが好ましい。そして、図３中に一点鎖線で示すように、幅狭部３３１のインク供給路１３側の端部における幅方向中心が、インク供給路１３に対向する領域内に位置することが好ましい。

このような構成とすることで、上述した圧電体非能動部３３０Ａの残留応力に起因する振動板の変形をより確実に防止することができる。さらに、圧電体非能動部３３０Ａによって漸小部１５に対向する領域の振動板の剛性を実質的に高めることができるため、圧電体能動部３２０の駆動によって振動板を繰り返し変形させた場合でも、この変形に伴う振動板の破壊を防止することができる。

なお、本実施形態では、上述したように漸小部１５の内壁面１５ａと幅狭部３３１の側端面３３１ａとが略平行となるようにしたが、漸小部１５の内壁面１５ａと幅狭部３３１の側端面３３１ａとは、必ずしも平行になっている必要はない。例えば、図４に示すように、漸小部１５の内壁面１５ａと幅狭部３３１の側端面３３１ａとの距離が、インク供給路１３側ほどが狭くなるようにしてもよい。また、本実施形態では、幅狭部３３１の幅がインク供給路１３側に向かって漸小するようにしたが、例えば、図５に示すように、幅狭部３３１は、その幅Ｗ３が略一定となるように形成されていてもよい。

また、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることで漸小部１５及びインク供給路１３が形成されているため、圧電体非能動部３３０Ａの幅狭部３３１の幅も片側から絞るようにしたが、幅狭部３３１の形状は特に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、流路の幅を両側から絞ることで漸小部１５及びインク供給路１３を形成した場合等には、圧電体非能動部３３０Ａの幅狭部３３１の幅を両側から絞るようにしてもよい。何れにしても、幅狭部３３１はその幅が漸小部１５より狭い幅であり、圧電体非能動部３３０Ａが隔壁１１上に張り出すことなく形成されていればよい。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が、例えば、接着剤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。この圧電素子保持部３１は、密封されていてもよいし、密封されていなくてもよい。

また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１６に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、保護基板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１６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１００を構成している。

保護基板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。

また、保護基板３０上には、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（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ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１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、圧電素子３００の圧電体能動部３２０がたわみ変形することにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、圧電体非能動部３３０Ａの一部が幅狭部３３１となっているが、図７に示すように、圧電体非能動部３３０Ａの全体が幅狭部３３１となっていてもよい。また例えば、上述の実施形態では、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に設けられているため、実質的に振動板５０の一部を構成する。このように下電極膜６０は、勿論、振動板５０の一部を構成していてもよいが、必ずしも振動板５０の一部を構成する必要はない。

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８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８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。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの漸小部近傍の拡大図である。実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す漸小部近傍の拡大図である。実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す漸小部近傍の拡大図である。実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す漸小部近傍の拡大図である。他の実施形態に係る記録ヘッドの漸小部近傍の拡大図である。一実施形態に係る記録装置の概略図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３インク供給路、１４連通路、１５漸小部、１６連通部、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１圧電素子保持部、３２リザーバ部、３３貫通孔、３５接着剤、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下電極膜、７０圧電体膜、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、３００圧電素子、３２０圧電体能動部、３３０圧電体非能動部

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室と該圧力発生室よりも幅の狭い供給路とを含む複数の液体流路が設けられる流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に各圧力発生室に対応し、振動板を介して設けられる下電極膜、圧電体層及び上電極膜で構成される圧電素子とを有し、前記圧電素子が、前記下電極膜、前記圧電体層及び前記上電極膜からなる実質的な駆動部である圧電体能動部と、該圧電体能動部から連続する圧電体層を有するが前記下電極膜が除去されて実質的に駆動されない圧電体非能動部とを具備し、
前記圧力発生室の前記供給路側の端部には、少なくとも一方の内壁面が前記圧力発生室の内壁面に対して傾斜する傾斜面で構成されて前記供給路側に向かって幅が漸小する漸小部を有し、前記圧電体非能動部は前記圧力発生室に対向する領域から前記漸小部に対向する領域まで連続して設けられ、当該圧電体非能動部の端部には少なくとも前記漸小部に対向する部分が前記漸小部よりも幅の狭い幅狭部が設けられ、該幅狭部が隣接する前記液体流路を区画する隔壁上に張り出すことなく設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記幅狭部の幅が前記供給路側に向かって漸小し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。
前記漸小部の前記傾斜面で構成される内壁面と、この傾斜面で構成される内壁面に相対向する前記幅狭部の側端面とが平行になっていることを特徴とする請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
前記漸小部の前記傾斜面で構成される内壁面とこの傾斜面で構成される内壁面に相対向する前記幅狭部の側端面との距離Ｗが、５［μｍ］よりも大きく、且つ前記圧力発生室の幅Ｗ１及び前記圧電体能動部を構成する前記圧電体層の幅Ｗ２との関係が、Ｗ＞（Ｗ１−Ｗ２）／２の関係を満たす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。
前記幅狭部の前記供給路側の端部における幅方向中心が、前記供給路上に位置していることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜５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。