JP4911289B2

JP4911289B2 - アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置

Info

Publication number: JP4911289B2
Application number: JP2006102356A
Authority: JP
Inventors: 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-04-03
Also published as: JP2007281033A

Description

本発明は、基板上に振動板を介して設けられる圧電素子を有するアクチュエータ装置及び、このアクチュエータ装置を用いた液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置に関する。

電圧を印加することにより変位する圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、例えば、ノズル開口から液滴を噴射する液体噴射ヘッド等に搭載される。このような液体噴射ヘッドとしては、例えば、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知られている。そして、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圧電アクチュエータ装置を搭載したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものの２種類が実用化されている。

また、たわみ振動モードのアクチュエータ装置としては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、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提案されている。これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。しかしながら、このような成膜技術及びリソグラフィ法により製造した圧電素子は、圧電素子に電圧を印加して駆動を繰り返すと絶縁破壊が発生するという問題がある。

また、絶縁破壊の原因としては大気中の水分（湿度）の影響が考えられ、その対策として圧電素子全体を保護膜で覆うようにしたものがある。このように保護膜を設けることで、圧電素子の絶縁破壊を防止することができる。また、保護膜を設けることによって振動板の剛性も実質的に高くなり、変形に伴う振動板の破壊、あるいはクラックの発生を防止することもできる。しかしながら、圧電素子の駆動による振動板の変位量が低下するという問題がある。

また、このような保護膜を圧電素子（圧電振動子）の側面部分に設けた構造、すなわち、上電極の表面を露出させる窓を保護膜に設けるようにした構造がある（例えば、特許文献１参照）。このような構造では、絶縁破壊を防止しつつ圧電素子の駆動による振動板の変位量の低下も抑えることはできる。しかしながら、振動板の破壊、クラックの発生等の問題が起こりやすくなってしまう。また、このような振動板のクラック等は、特に、圧力発生室の幅方向に沿って発生し易い。すなわち、圧力発生室の長手方向での引張り応力に起因して振動板にクラック等が発生すると考えられる。

特許第３５５２０１３号公報（図４等）

本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の絶縁破壊を防止すると共に振動板の変位量の低下を抑え且つ振動板の破壊を防止できるアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子と、絶縁材料からなり前記圧電素子を覆うように設けられた保護膜と、を具備し、前記保護膜の前記上電極に対向する領域に、前記保護膜の厚さが他の部分よりも薄い複数の凹部が前記圧電素子の幅方向に並設されており、前記圧電素子の長手方向における各凹部の長さが、前記圧電素子の幅方向中央部側の凹部ほど長くなっており、前記圧電素子の長手方向における各凹部の両端部のそれぞれが、前記圧電素子の幅方向中央部側の凹部ほど前記圧電素子の長手方向の端部側に位置していることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１の態様では、圧力発生室の長手方向における振動板の剛性が、圧力発生室の幅方向の剛性よりも大きくなる。したがって、絶縁破壊の発生を防止すると共に圧電素子の駆動による振動板の変位量の低下も抑えられ、且つ圧電素子の変形に伴う振動板の破壊も防止することができる。また圧電体能動部の長手方向端部近傍で応力が徐々に変化するため、この部分での応力集中の発生が防止される。これにより、振動板の破壊をより確実に防止することができる。

本発明の第２の態様は、前記複数の凹部の前記圧電素子の短手方向の幅の合計が、前記圧電素子の短手方向の幅の２５％以上６０％以下であることを特徴とする第１の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第２の態様では、振動板の低下及び振動板の破壊をより確実に防止することがで
きる。

本発明の第３の態様は、前記凹部が前記保護膜を貫通する貫通孔であることを特徴とする第１又は２の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第３の態様では、振動板の変位量の低下がより確実に抑えられる。

本発明の第４の態様は、前記保護膜が、無機絶縁材料からなることを特徴とする第１〜３の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第４の態様では、大気中の水分（湿度）の起因する圧電素子の絶縁破壊をより確実に防止することができる。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様のアクチュエータ装置を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、液滴の吐出特性、耐久性等の各種特性に優れた液体噴射ヘッドを実現することができる。

本発明の第６の態様は、前記アクチュエータ装置の変位により圧力発生室内の液体をノズル開口から噴射する液体噴射ヘッドであって、前記圧電素子の長手方向両端部が、前記圧力発生室に対向する領域の外側までそれぞれ延設されていることを特徴とする第５の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、圧力発生室の幅方向における振動板の剛性のみが実質的に振動板の変形に寄与するため、保護膜に複数の凹部を設けることによる振動板の変位量の低下が少なくなる。

本発明の第７の態様は、第５又は６の態様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にある。
かかる第７の態様では、信頼性及び耐久性を向上し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。
図１は、本発明の一実施形態に係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、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３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。

また、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、圧力発生室１２等を形成する際のマスクとして用いられる絶縁膜５１を介して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、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。

一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなり厚さが例えば、約０．３〜０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．１〜０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍ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、他方の電極及び圧電体層７０を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。例えば、本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子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。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装置と称する。なお、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として機能する。

以下、圧電素子３００の構成についてさらに詳しく説明する。本実施形態では、図３に示すように、下電極膜６０は、圧力発生室１２の長手方向では圧力発生室１２に対向する領域内に形成され、複数の圧力発生室１２に対応する領域に連続的に設けられている。また、下電極膜６０は、圧力発生室１２の列の外側で流路形成基板１０の端部近傍まで延設され、それらの先端部は、後述する駆動ＩＣ２００から延設された接続配線２１０が接続される接続部６０ａとなっている。圧電体層７０及び上電極膜８０は、圧力発生室１２の幅方向では、圧力発生室１２に対向する領域内に設けられているが、圧力発生室１２の長手方向では、下電極膜６０の端部よりも外側、本実施形態では、圧電体層７０及び上電極膜８０は、圧力発生室１２の端部の外側まで延設され、下電極膜６０の端面は圧電体層７０によって覆われている。すなわち、圧電素子３００の実質的な駆動部である圧電体能動部３２０が圧力発生室１２に対向する領域内に設けられ、圧電体能動部３２０の両外側には圧電体層７０を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０がそれぞれ設けられ圧力発生室１２の外側まで延設されている。なお、圧電素子３００は、上電極膜８０側ほど幅が狭くなるようにパターニングされており、各側端面はそれぞれ傾斜面となっている。

また、各圧電素子３００を構成する上電極膜８０の一端部近傍には、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ている。このリード電極９０は、本実施形態では、圧力発生室１２の外側の圧電体非能動部３３０上から絶縁体膜５５上に延設され、その先端部は下電極膜６０の接続部６０ａと同様に、接続配線２１０が接続される接続部９０ａとなっている。

そして、これら圧電素子３００及びリード電極９０上には、絶縁材料からなる保護膜１００が設けられており、これら圧電素子３００及びリード電極９０は、下電極膜６０及びリード電極９０の接続部６０ａ，９０ａと保護膜１００に設けられる複数の凹部１０１とを除いて、この保護膜１００によって実質的に覆われている。

ここで、保護膜１００に設けられる凹部１０１は、保護膜１００の他の領域の厚さよりも薄く形成されており、例えば、本実施形態では、この凹部１０１は、保護膜１００を厚さ方向に貫通する貫通孔となっており、この凹部１０１内では上電極膜８０が露出されている。

このような凹部１０１は、各圧電素子３００の圧電体能動部３２０に対向する領域、すなわち、圧電素子３００の下電極膜６０に対向する領域の保護膜１００に、圧力発生室１２の幅方向に沿って複数並設されている。言い換えれば、保護膜１００には、桁部１００ａによって区画された複数の凹部１０１が、圧電素子３００の幅方向に沿って並設されている。例えば、本実施形態では、各圧電体能動部３２０に対向する領域の保護膜１００に、３つの凹部１０１が圧電素子３００の長手方向と平行になるようにそれぞれ並設されている。

このような構成では、保護膜１００によって各圧電素子３００の側端面は確実に覆われているため、絶縁破壊の発生を防止することができる。また、保護膜１００に凹部１０１が設けられていることで、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量の低下も抑えることができる。さらに本発明では、保護膜１００に複数の凹部１０１が並設されているので、圧電素子３００の変形に伴う振動板の破壊を防止することもできる。

具体的には、保護膜１００の各凹部１０１間に桁部１００ａが存在することで、圧力発生室１２の長手方向における振動板の剛性が、圧力発生室１２の幅方向の剛性よりも大きくなる。例えば、これら複数の凹部１０１の開口面積の合計と同一の開口面積を有する単一の凹部を保護膜に設けた構造と比較しても、圧力発生室１２の長手方向における振動板の剛性が圧力発生室１２の幅方向の剛性よりも大きくなる。これにより、圧電素子３００の変形に伴う振動板の破壊を防止することができる。

また、このような構成では、圧力発生室１２の幅方向における振動板の剛性は、実質的に増加することがなく、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量も良好に維持される。特に、本実施形態のように圧電素子３００が圧力発生室１２の長手方向外側まで延設された構造では、圧力発生室１２の長手方向での振動板の剛性の振動板の変位量への影響が少ないため、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量が良好に維持される。

ここで、複数の凹部１０１の幅の合計、本実施形態では、３つの凹部の圧電素子３００の短手方向の幅Ｗ１〜Ｗ３の合計が、圧電体能動部３２０の短手方向の幅Ｗ４の２５％以上６０％以下となっていることが好ましい。これにより、振動板の変位の低下を抑えつつ圧電素子３００の変形に伴う振動板の破壊を防止することができる。また、圧電素子３００の短手方向両端部の保護膜１００の幅Ｗ５は、所定幅、例えば、５（μｍ）程度確保されるようにするのが好ましい。これにより、絶縁破壊の発生をより確実に防止することができる。また、各凹部１０１の幅、間隔等は、特に限定されるものではないが、本実施形態のように、同一幅の凹部１０１を同一間隔で形成するのが好ましい。幅の異なる複数の凹部を並設するようにしてもよいが、その場合、各凹部が圧電素子３００の幅方向で左右対称となるように配置するのが望ましい。凹部の配置が左右非対称であると、圧電素子３００の駆動による振動板の変形状態が均一にならずに応力集中により振動板が破壊する虞があるからである。

また本実施形態では、保護膜１００に、同一長さの凹部１０１を複数並設するようにしたが、例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、保護膜１００に、長さの異なる複数の凹部１０１を並設するようにしてもよい。この場合、圧電素子３００の長手方向における各凹部１０１の端部が、圧電素子３００の幅方向中央部側の凹部１０１ほど圧電素子３００の長手方向の端部側に位置しているようにするのが好ましい。これにより、圧電体能動部３２０の長手方向端部近傍において応力が徐々に変化しこの部分での応力集中が防止される。これにより、振動板の破壊をさらに確実に防止することができる。

このような保護膜１００の材料は、絶縁材料であればよいが、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましい。このような無機絶縁材料からなる保護膜１００は、薄膜でも水分の透過性が極めて低いため、大気中の湿気に起因する絶縁破壊の発生の防止に効果的だからである。

なお、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００を保護するための空間である圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間であればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。また、保護基板３０の連通部１３に対向する領域にはリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１３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１１０を構成している。

保護基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等で形成されていることが好ましく、例えば、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、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ２００が実装されている。そして、駆動ＩＣ２００は、下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａと、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。

保護基板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が接合されてリザーバ部３２が封止されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、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１１０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１１０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。但し、コンプライアンス基板４０には図示しないインク導入口が形成されており、そのインク導入口はリザーバ部３２に連通することで、図示しない外部インク供給手段からインクをリザーバ部３２に導入している。

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１１０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ＩＣ２００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、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０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開口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、上述の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、保護膜１００によって、圧電素子３００及びリード電極９０が形成されている領域のほぼ全域を覆って設けられているが、これに限定されず、保護膜１００は、少なくとも各圧電素子３００に対応する領域に設けられていればよい。

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５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略斜視図である。図５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、上述した実施形態では、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挙げて本発明を説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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液体噴射ヘッド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（面発光ディスプレー）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。

また、本発明は、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）に搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。本発明のアクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、例えば、センサー等にも適用することができる。

一実施形態に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。一実施形態に係る記録ヘッドの要部平面図及び断面図である。一実施形態に係る記録ヘッドの圧電素子部分を示す拡大断面図である。一実施形態に係る凹部の変形例を示す平面図である。一実施形態に係る記録ヘッドの概略斜視図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、２０ノズルプレート、３０保護基板、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、１００保護膜、１００ａ桁部、１０１凹部、２００駆動ＩＣ、２１０接続配線、３００圧電素子

Claims

下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子と、絶縁材料からなり前記圧電素子を覆うように設けられた保護膜と、を具備し、
前記保護膜の前記上電極に対向する領域に、前記保護膜の厚さが他の部分よりも薄い複数の凹部が前記圧電素子の幅方向に並設されており、
前記圧電素子の長手方向における各凹部の長さが、前記圧電素子の幅方向中央部側の凹部ほど長くなっており、前記圧電素子の長手方向における各凹部の両端部のそれぞれが、前記圧電素子の幅方向中央部側の凹部ほど前記圧電素子の長手方向の端部側に位置していることを特徴とするアクチュエータ装置。
前記複数の凹部の前記圧電素子の短手方向の幅の合計が、前記圧電素子の短手方向の幅の２５％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
前記凹部が前記保護膜を貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ装置。
前記保護膜が、無機絶縁材料からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
請求項１〜４の何れか一項に記載のアクチュエータ装置を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記アクチュエータ装置の変位により圧力発生室内の液体をノズル開口から噴射する液体噴射ヘッドであって、
前記圧電素子の長手方向両端部が、前記圧力発生室に対向する領域の外側までそれぞれ延設されていることを特徴とする請求項５に記載の液体噴射ヘッド。
請求項５又は６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。