JP2008105410A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 選択される圧力室のアスペクト比に対応して高吐出効率、低吐出ばらつき及び高信頼性を兼ね備えた液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】 圧電体６２のうちで下部電極６１および上部電極６３に挟まれており圧電体６２の変位に寄与する活性領域６２ａの面積が、圧力室５２の凹部断面積よりも小さく、圧力室５２のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２乃至５である場合に、圧力室５２の短手方向における圧電体６２の活性領域６２ａの幅ＤＷｘと圧力室５２の幅ＣＷｘとの比（ＤＷｘ／ＣＷｘ）は、０．４乃至０．７５であり、且つ、圧力室５２の長手方向における圧電体６２の活性領域６２ａの幅ＤＷｙと圧力室５２の幅ＣＷｙとの比（ＤＷｙ／ＣＷｙ）は、Ｌｎを自然対数とし、圧力室５２のアスペクト比Ａ（＝ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体吐出口へ連通する圧力室上に少なくとも下部電極、圧電体および上部電極が順に配置されて構成される液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。

特許文献１には、液室（圧力室）の配列方向における上電極幅をＬｕ、液室の配列方向における圧電体の長さをＬｐ、液室の配列方向における下電極幅をＬ１とし、これらの関係をＬｕ≦Ｌｐ＜Ｌ１としたものが記載されている。

特許文献２には、圧電変換器の外周は、チャンバ開口部（圧力室）とオーバーラップするサイズおよび位置としたものが記載されている。

特許文献３には、圧力室の短手方向の幅をＬ、該幅Ｌと同方向の駆動電極の幅をδとしたときに、０．１mm≦Ｌ、かつ、０．２９≦（δ／Ｌ）≦１の条件、更には０．５７≦（δ／Ｌ）≦０．７７の最適条件、を満たすように構成したものが記載されている。

特許文献４には、個別電極の平面形状を、加圧室（圧力室）となる凹部の開口の平面形状と略相似形に形成し、かつ、個別電極の面積Ａ_１と凹部の開口の面積Ａ_２とを、Ａ_２×０．６≦Ａ_１≦Ａ_２×０．９の範囲としたものが記載されている。

特許文献５には、圧電活性領域を、圧電膜と平行な面方向において、対応する加圧室よりも小さく形成し、かつ上記面方向において、加圧室の周縁との間に、その全周にわたって間隔を設けて配置したものが記載されている。
特開２００２−３７０３５３号公報 特開２００３−２５５７３号公報 特開２００３−１６５２１４号公報 特開２００４−３５１８７８号公報 特開平１１−３４３２１号公報

圧力室のアスペクト比（圧力室の長手方向の幅がＣＷｙ、短手方向の幅がＣＷｘであるときの比ＣＷｙ／ＣＷｘ）を液体吐出ヘッドの要求性能に応じて適宜選択したいとの要求がある。具体的には、例えば、単列でのノズル配置の高密度化を追求する場合には圧力室のアスペクト比は大きいほど好ましいが、圧力室のアスペクト比を大きくしていくと圧力室内の流路抵抗が大きくなってしまうので、高粘度液の高周波吐出を追求する場合には圧力室のアスペクト比は逆に「１」に近いほど好ましい。

その一方で、吐出効率の高い液体吐出ヘッドが求められている。また、ノズル間で吐出力のばらつきが少ない液体吐出ヘッドが求められている。また、経時的な吐出量の変動や故障の少ない信頼性の高い液体吐出ヘッドが求められている。

ところで、図１７に示すように、圧力室５２の長手方向はインク流れ方向と一致するので、圧電体９２を挟む電極９１、９３が圧力室５２のエッジの近傍の位置まで延在している場合、変位プロファイル９８が効率の良い滑らかな変位プロファイルとはならずに、圧力室５２内に高調波周期の振動モードが生じて、気泡９９が溜まり易くなり、ノズル５１からのインク吐出力の低下、残留振動発生等の悪影響を与えるといった問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、選択される圧力室のアスペクト比に対応して、高吐出効率、低吐出ばらつき及び高信頼性を兼ね備えた液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液体吐出口へ連通する圧力室上に少なくとも下部電極、圧電体および上部電極が順に配置されて構成され、前記圧力室は、面状の前記圧電体の面方向に沿った凹部断面において短手方向および長手方向を有し、前記圧電体のうちで前記下部電極および前記上部電極に挟まれており前記圧電体の変位に寄与する活性領域の面積が、前記圧力室の凹部断面積よりも小さく、前記圧力室の前記短手方向の幅ＣＷｘと前記圧力室の前記長手方向の幅ＣＷｙとのアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２乃至５である場合に、前記圧力室の前記短手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｘと前記圧力室の幅ＣＷｘとの比（ＤＷｘ／ＣＷｘ）は、０．４乃至０．７５であり、且つ、前記圧力室の前記長手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｙと前記圧力室の幅ＣＷｙとの比（ＤＷｙ／ＣＷｙ）は、Ｌｎを自然対数とし、前記圧力室のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内であることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

ここで、圧力室のアスペクト比は、液体吐出ヘッドの要求性能に応じて、２乃至５の範囲内で任意に選択される。

本発明によれば、圧力室のアスペクト比を２乃至５の範囲内で任意に選択しても、極大値近傍の高変位体積を得ることができるので、吐出効率がよい。また、電極幅の製造ばらつきに対する変位体積のばらつきが非常に小さくなるので、ノズル間の吐出ばらつきが極めて低くなる。また、変位プロファイルが効率の良い滑らかな変位プロファイルとなり、圧力室内に高調波成分が生じ難く、圧力室内に気泡が生じ難く、液体吐出時の残留振動も残らないので、信頼性が高い。したがって、選択される圧力室のアスペクト比に対応して、高吐出効率、低吐出ばらつき及び高信頼性を兼ね備えた液体吐出ヘッドを提供できる。

なお、圧力室の凹部断面の形状は、長方形形状であっても、平行四辺形形状であってもよく、角にＲがついていてもよい。平行四辺形形状や、角にＲがついていても、アスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２以上においては、排除体積はあまり変わらない。

なお、アスペクト比は、長方形形状の場合には、短手方向の幅は長方形の短辺の長さを、長手方向の幅は長方形の長辺の長さを意味し、平行四辺形形状の場合には、短手方向の幅は平行四辺形の高さのうち短い方の高さを意味し、長手方向の幅は平行四辺形の長辺の長さを意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧電体は単板構造で形成され、前記上部電極の縁から前記圧電体の表面に沿った沿面距離の最短値Ｌｍｉｎ［μｍ］と、前記圧電体の駆動電界Ｅ［Ｖ］との関係が、Ｅ／Ｌｍｉｎ≦１を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、沿面放電による絶縁破壊を防止し、液体吐出ヘッドの信頼性を更に向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、液体吐出口へ連通する圧力室上に少なくとも下部電極、圧電体および上部電極を順に形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記圧力室は、面状の前記圧電体の面方向に平行な凹部断面において短手方向および長手方向を有し、前記圧電体のうちで前記下部電極および前記上部電極に挟まれており前記圧電体の変位に寄与する活性領域の面積を、前記圧力室の凹部断面積よりも小さく形成し、前記圧力室の前記短手方向の幅ＣＷｘと前記圧力室の前記長手方向の幅ＣＷｙとのアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２乃至５である場合に、前記圧力室の前記短手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｘと前記圧力室の前記短手方向の幅ＣＷｘとの比（ＤＷｘ／ＣＷｘ）は、０．４乃至０．７５とし、且つ、前記圧力室の前記長手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｙと前記圧力室の幅ＣＷｙとの比（ＤＷｙ／ＣＷｙ）は、Ｌｎを自然対数とし、前記圧力室のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内とすることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記圧電体を、スパッタリング、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、ゾルゲル法、スクリーン印刷、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、レーザアブレーション法、および、水熱合成法の何れかにより、薄膜形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供する。

本発明によれば、選択される圧力室のアスペクト比に対応して、高吐出効率、低吐出ばらつき及び高信頼性を兼ね備えるようにできる。

以下、添付図面に従って、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

図１は、液体吐出ヘッドの一例の全体構成を示す平面透視図である。

図１に一例として示すヘッド５０は、いわゆるフルライン型のヘッドであり、記録媒体１６のヘッド５０に対する相対移動方向（図中に矢印Ｓで示す副走査方向）と直交する方向（図中に矢印Ｍで示す主走査方向）において、記録媒体１６の最大記録領域幅Ｗｍに対応する長さにわたり、記録媒体１６に向けてインクを打滴する多数のノズル５１を２次元的に配列させた構造を有している。

液体吐出ヘッド５０は、ノズル５１、ノズル５１に連通する圧力室５２、および、液体供給口５３を含んでなる複数の吐出素子５４が、主走査方向Ｍおよび主走査方向Ｍに対して所定の鋭角θ（０度＜θ＜９０度）をなす斜め方向の２方向に沿って配列されている。なお、図１では、図示の便宜上、一部の吐出素子５４のみ描いている。

ノズル５１は、具体的には、主走査方向Ｍに対して所定の鋭角θをなす斜め方向において、一定のピッチｄで配列されており、これにより、主走査方向Ｍに沿った一直線上に「ｄ×ｃｏｓθ」の間隔で配列されたものと等価に取り扱うことができる。

なお、図１では、フルライン型の液体吐出ヘッドの一例を示したが、本発明の液体吐出ヘッドはこのような例に特に限定されない。例えば、短冊状の複数のヘッドユニットを組み合わせてひとつのフルライン型の液体吐出ヘッドを構成してもよい。また、例えば、主走査方向（記録媒体の搬送方向に直交する方向）において往復走査されるシャトル型（シリアル型）の液体吐出ヘッドであってもよい。

図２（Ａ）は、図１の液体吐出ヘッド５０の一部を拡大して示す平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示す。なお、図２（Ａ）および（Ｂ）では、吐出素子５４をふたつだけ示しているが、実際には、図１に示すように液体吐出ヘッド５０には多数の吐出素子５４が２次元配列されている。

図２（Ｂ）において、液体吐出ヘッド５０は、主として、ノズル５１が形成されているノズル板２１と、ノズル５１に連通するノズル連通流路５１ａが形成されている連通流路板２２と、圧力室５２が形成されている圧力室板２３と、圧力室５２の上壁面を構成している振動板２４と、絶縁層２５と、圧力室５２内に圧力を発生させる手段としての圧電アクチュエータ６０と、を含み構成されている。吐出素子５４は、主として、ノズル５１と、圧力室５２と、圧電アクチュエータ６０と、圧力室５２へ液体を供給するための図示を省略した液体供給口とを含み構成されている。

振動板２４は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス材）、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属材料やＳｉ、ＺｒＯ_２、圧電材料からなる。

振動板２４の厚みは、例えば、５μｍである。

絶縁層２５は、例えば、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２等の絶縁性材料からなる。なお、本発明において、絶縁層２５の材料は、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２に特に限定されない。

絶縁層２５の厚みは、例えば、１μｍである。

圧電体６２は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料からなる。なお、本発明において、圧電体６２の材料は、特にＰＺＴに限定されない。

圧電体６２の厚みは、例えば、４〜５μｍである。

下部電極６１および上部電極６３は、例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ等の導電性材料からなる。なお、本発明において、下部電極６１および上部電極６３の材料は、特にＰｔ、Ｉｒ、Ａｕに限定されない。

下部電極６１および上部電極６３の厚みは、例えば、０．２μｍである。

上部電極６３は、複数の圧電アクチュエータ６０において共通の電極（共通電極）であり、接地されている。その一方で、下部電極６１は、各圧電アクチュエータ６０ごとに個別の電極（個別電極）である。下部電極６１に所定の駆動信号が個別に与えられると、すなわち両電極６１、６３間に所定の駆動電圧が各圧電アクチュエータ６０で個別に印加されると、これらの両電極６１、６３間に挟まれている圧電体６２が変位（変形）し、振動板２４を介して圧力室５２内の圧力を変化させ、ノズル５１から液体が吐出される。

ところで、図２（Ａ）および（Ｂ）は、吐出素子５４間で圧電体６２が溝６４により分離されている溝分離の構造の場合を例に示している。なお、本発明における圧電体は、特に溝分離の構造に限定されず、吐出素子５４間で物理的に完全分離された構造であってもよいし、吐出素子５４間に溝６４がない物理的には非分離の構造であってもよい。

各吐出素子５４における圧電体６２の面積は、圧力室５２の凹部断面積（振動板２４に平行な開口断面の面積、「開口断面積」ともいう）よりも大きい。すなわち、圧電体６２が振動板２４を介して圧力室５２上を覆うようにして形成されている。これにより、振動板２４と圧力室５２の隔壁２３ａとの境界での振動板２４の破損が防止され、信頼性が向上するとともに、圧電体６２にかかる応力も低減される。

また、本例では、各吐出素子５４において、上部電極６３の面積は圧力室５２の凹部断面積よりも小さい。一方で、下部電極６１の面積は圧力室５２の凹部断面積よりも大きい。なお、本発明における下部電極および上部電極は、一方の電極の面積が圧力室の凹部断面積よりも小さい場合に特に限定されない。下部電極６１の面積および上部電極６３の面積の両方が、圧力室５２の凹部断面積よりも小さい場合であってもよい。

図３（Ａ）は、圧電体６２の活性領域６２ａの説明に用いる断面図である。図３（Ａ）に示すように、圧電体６２は、下部電極６１および上部電極６３の間に所定の駆動電圧が印加されたときに圧電体６２の変位（変形）に寄与する活性領域６２ａ（「駆動領域」ともいう）と、下部電極６１および上部電極６３間に駆動電圧が印加されたときに圧電体６２の変位（変形）に寄与しない非活性領域６２ｂ（「非駆動領域」ともいう）とに分かれている。具体的には、図３（Ａ）において矢印Ｚで示す垂直方向（振動板２４に対して垂直な方向である）から圧電アクチュエータ６０を見たとき、上部電極６３および圧電体６２および下部電極６１の全てが重複する領域が活性領域６２ａであり、それ以外の領域が非活性領域６２ｂである。

図３（Ａ）の垂直方向Ｚから透視した圧力室５２と圧電体６２の活性領域６２ａとを図３（Ｂ）に示す。なお、圧力室５２は、図３（Ａ）に示す面状の圧電体６２の面方向に平行な凹部断面において、短手方向および長手方向を有する。言い換えると、圧力室５２は、下部電極６１、圧電体６２および上部電極６３に平行な凹部断面において、短手方向および長手方向を有する。

図３（Ｂ）に示すように、圧電体６２の活性領域６２ａの面積は、圧力室５２の凹部断面積よりも、小さい。具体的には、圧力室５２の短手方向（以下単に「短手方向」という）において、活性領域６２ａの幅ＤＷｘは圧力室５２の幅ＣＷｘよりも小さい。また、圧力室５２の長手方向（以下単に「長手方向」という）において、活性領域６２ａの幅ＤＷｙは圧力室５２の幅ＣＷｙよりも小さい。

なお、本例では、下部電極６１および圧電体６２および上部電極６３のうちで上部電極６３の面積が一番小さいので、圧電体６２の活性領域６２ａの面積は、上部電極６３の面積に等しい。具体的には、短手方向において活性領域６２ａの幅ＤＷｘは上部電極６３の短手方向の幅に等しく、また、長手方向において活性領域６２ａの幅ＤＷｙは上部電極６３の長手方向の幅に等しい。

図４は、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘ（圧力室５２の短手方向の幅ＣＷｘに対する圧力室５２の長手方向の幅ＣＷｙの比）と発生圧力との関係を示す。

図４において、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘが大きいほど、発生圧力が大きくなる。発生圧力が小さいと、高粘度液体の吐出に適さなくなるので、圧力室５２のアスペクト比は、「２」以上とする。また、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘが大きいほど、ノズル５１の高密度配置に適している。その一方で、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘが大きいほど、圧力室５２内の流路抵抗が大きくなり、高周波吐出に適さなくなるので、圧力室５２のアスペクト比は、「５」以下とする。

以下では、圧力室５２のアスペクト比が２〜５の範囲内で任意に選択される場合において、圧電体６２の活性領域６２ａの好ましいサイズについて、詳細に説明する。

図５は、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘが「４」である場合における、短手方向の上部電極６３の幅ＤＷｘと、変位体積ΔＶおよび主応力との関係を示す。

図５において、横軸は、短手方向の電極幅比ＤＷｘ／ＣＷｘ（すなわち短手方向における圧力室５２の幅ＣＷｘに対する上部電極幅ＤＷｘの比）である。左側の縦軸は、変位体積ΔＶ（単位は［ｐｌ］）である。右側の縦軸は、圧電体６２に発生する主応力（単位は［ＭＰａ］である）。

また、図６は、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘが「４」である場合における、長手方向の上部電極６３の幅ＤＷｙと、変位体積ΔＶとの関係を示す。

図６において、横軸は、長手方向の電極幅比ＤＷｙ／ＣＷｙ（すなわち長手方向における圧力室５２の幅ＣＷｙに対する上部電極６３の幅ＤＷｙの比）である。縦軸は、変位体積ΔＶ（単位は［ｐｌ］）である。

図６中の各曲線６０１、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７は、短手方向の電極幅比ＤＷｘ／ＣＷｘ（短手方向における圧力室５２の幅ＣＷｘに対する上部電極６３の幅ＤＷｘの比）を、それぞれ、「0.4」、「0.43」、「0.6」、「0.65」、「0.7」、「0.73」、「0.75」とし、且つ、ＤＷｙ／ＣＷｙに対する変位体積ΔＶをプロットして得た。

ＤＷｘ／ＣＷｘ＝0.6のとき（すなわち符号６０３の曲線）では、ＤＷｘ／ＣＷｘが0.4、0.43、0.65、0.7、0.73、0.75の各値であるとき（すなわち符号６０１、６０２、６０４、６０５、６０６、６０７の各曲線）よりも、変位体積ΔＶが大きくなる。また、ＤＷｘ／ＣＷｘが異なっても（すなわち曲線６０１〜６０７が異なっても）、変位体積ΔＶが極大値となるＤＷｙ／ＣＷｙの値（「ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値」という）を中心値として、当該「ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値」の近傍では曲線６０１〜６０７の形状が略同一となる。

変位体積ΔＶの最大値（すなわち曲線６０３の極大値）を基準（１００％）として変位体積ΔＶの下限値を１０％内に抑えるため、短手方向の電極幅比ＤＷｘ／ＣＷｘは０．４〜０．７５の範囲内とし、且つ、長手方向の電極幅比ＤＷｙ／ＣＷｙは、ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値（略「０．９１」である）を中心値として−０．０５〜＋０．０５の範囲とする。

図５および図６を用いて、圧力室５２のアスペクト比が「４」である場合について、好ましい圧電体６２の活性領域６２ａのサイズ（本例では好ましい上部電極６３のサイズ）を求めた。以下では、圧力室５２のアスペクト比を２〜５の範囲に拡大した場合について説明する。

図７は、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘと、長手方向の上部電極６３の幅ＤＷｙとの関係を示す。

図７において、横軸としてのｘ軸は、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘである。縦軸としてのｙ軸は、長手方向の電極幅比ＤＷｙ／ＣＷｙ（長手方向における圧力室５２の幅ＣＷｙに対する上部電極６３の幅ＤＷｙの比）である。

図７の中心値曲線７００は、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘの各値（「１」、「２」、「３」、「４」、「５」）についてＤＷｙ／ＣＷｙの最適値（図６の６１０に相当する）を求め、求めたＤＷｙ／ＣＷｙの最適値をプロットして得た。得られた中心値曲線７００の近似式を求めると、ｙ＝0.1334×Ｌｎ（ｘ）＋0.7312であった。ここで、Ｌｎは自然対数である。ｘはＣＷｙ／ＣＷｘである。

なお、圧力室５２のアスペクト比ＣＷｙ／ＣＷｘ（ただし２〜５の範囲内である）がひとつ選択されば、図６に示すように、ＤＷｘ／ＣＷｘが異なっても、変位体積ΔＶが極大値となるＤＷｙ／ＣＷｙ（すなわちＤＷｙ／ＣＷｙの最適値）は略一定であり、また、ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値を中心値とした当該ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値の近傍の曲線の形状も略一定である。また、ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値を中心値として−０．０５〜＋０．０５の範囲内であれば高変位体積が得られ、且つ、極大値を中心とするのでサイズがばらついたとしての変位体積への影響は低く抑えられる。このような関係は圧力室５２のアスペクト比を２〜５の範囲内で切り換えても同じなので、図７において、ＤＷｙ／ＣＷｙの最適値からなる中心値曲線７００に対してｙ方向に「−０．０５」シフトして構成される下限値曲線７０１と、中心値曲線７００に対してｙ方向に「＋０．０５」シフトして構成される上限値曲線７０２との間の領域を許容範囲とした。

要するに、圧力室５２のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を２〜５の範囲内で任意に選択し、ＤＷｘ／ＣＷｘ（短手方向における圧力室５２の幅に対する活性領域６２ａの幅である）は、０．４〜０．７５の範囲内とし、且つ、ＤＷｙ／ＣＷｙ（長手方向における圧力室５２の幅に対する活性領域６２ａの幅である）は、Ｌｎを自然対数とし、圧力室５２のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内とする。このように活性領域６２ａの幅を圧力室５２の幅に対して規定することにより、圧力室５２のアスペクト比を２乃至５の範囲内で任意に選択しても、変位体積は極大値（図６の最適値６１０における変位体積ΔＶに相当する）の近傍の高変位体積を得ることができるので、吐出効率がよい。また、上部電極６３の幅の製造ばらつきに対する変位体積のばらつきが非常に小さくなるので、ノズル５１間の吐出ばらつきが極めて低くなる。

また、本実施形態の液体吐出ヘッド５０によれば、圧力室５２の長手方向において圧電体６２の活性領域６２ａの幅が圧力室５２の幅よりも小さく、且つ、圧力室５２の短手方向において圧電体６２の活性領域６２ａの幅が圧力室５２の幅よりも小さいので、図８に示すように、変位プロファイル８００が効率の良い滑らかな変位プロファイルとなり、圧力室５２内には高調波成分が生じ難く、圧力室５２内に気泡が生じ難く、また、液体吐出時の残留振動が残らない。

図９（Ａ）は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示した液体吐出ヘッド５０における、上部電極６３の縁から圧電体６２の表面に沿った沿面距離Ｌを示す。

なお、図９（Ａ）では、下部電極６１が圧電体６２によって覆われており下部電極６１の縁が非導電性の圧電体６２によって遮蔽されているので、沿面距離Ｌは上部電極６３の縁から圧電体６２の表面に沿って振動板２４（ただし振動板２４が導電材の場合である）までの距離である。なお、絶縁層２５は非常に薄いのでその厚みを無視できる。

また、図９（Ｂ）は、下部電極６１が露出している他の例の液体吐出ヘッド５００の要部を示す。図９（Ｂ）では、沿面距離Ｌは上部電極６３の縁から圧電体６２の表面に沿って下部電極６１までの距離である。

何れの場合においても、沿面距離Ｌの最短値（最短沿面距離）Ｌｍｉｎ［μｍ］と、圧電体６２の駆動電界Ｅ［Ｖ］との関係が、Ｅ／Ｌｍｉｎ≦１を満たすように液体吐出ヘッド５０、５００を構成する。これにより、沿面放電による圧電アクチュエータ６０の絶縁破壊を防止し、液体吐出ヘッド５０、５００の信頼性を更に向上させることができる。

本実施形態の液体吐出ヘッド５０、５００は、ノズル５１へ連通する圧力室５２上に、振動板２４、絶縁層２５、下部電極６１、圧電体６２、および、上部電極６３を順に形成することにより製造される。

ここで、圧電体６２のうちで下部電極６１および上部電極６３に挟まれており圧電体６２の変位に寄与する活性領域６２ａの面積を、圧力室５２の凹部断面積よりも小さく形成し、また、圧力室５２の短手方向の幅ＣＷｘと圧力室５２の長手方向の幅ＣＷｙとのアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２〜５の範囲内で任意に選択される場合に、圧力室５２の短手方向における上部電極６３の幅ＤＷｘ（すなわち短手方向における圧電体６２の活性領域６２ａの幅）と圧力室５２の短手方向の幅ＣＷｘとの比（ＤＷｘ／ＣＷｘ）は、０．４〜０．７５の範囲内とし、且つ、圧力室５２の長手方向における上部電極６３の幅ＤＷｙ（すなわち長手方向における圧電体６２の活性領域６２ａの幅）と圧力室５２の長手方向の幅ＣＷｙとの比（ＤＷｙ／ＣＷｙ）は、Ｌｎを自然対数とし、圧力室５２のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内にして製造する。

液体吐出ヘッドの製造プロセスの実施例について、詳細に説明する。

図１０、図１１および図１２は、実施例１の製造プロセスを示す工程図である。

まず、図１０（Ａ）に示すように、表面に絶縁層２５を有するＳＯＩ基板２０を用意する。このＳＯＩ基板２０は、Ｓｉ層２３（圧力室板）と、ＳｉＯ_２層２４１およびＳｉ層２４２（振動板２４）と、ＳｉＯ_２層２５（絶縁層）が積層されて形成されている。

図１０（Ａ）に示すＳＯＩ基板２０に対して、図１０（Ｂ）に示すように、下部電極６１をスパッタリングで成膜する。もちろん、成膜方法は、スパッタリングに限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、蒸着、スクリーン印刷でもかまわない。また、成膜材料は、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ又はこれらの積層物、酸化物でよい。

次に、図１０（Ｃ）に示すように、下部電極６１をエッチング加工する。ここでは、フッ素系、塩素系のガスにＡｒを微量添加したガスを用いて、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工する。もちろん加工法は、ＲＩＥに限定されず、ウェットエッチング、サンドブラストでもよい。

なお、本実施例では下部電極６１を加工する場合を例に記載しているが、下部電極６１を加工せず、上部電極のみを個別化する形態でもよい。

次に、図１０（Ｄ）に示すように、圧電体６２（例えばＰＺＴ）を薄膜で成膜する。なお、成膜方法は、スパッタリングに限らず、エアロゾルデポジション法、ゾルゲル法、スクリーン印刷、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、レーザアブレーション法、水熱合成法でもよい。

次に、図１１（Ｅ）に示すように、上部電極６３を形成する。これも、下部電極６１を形成する手法、材料と同様でかまわない。

次に、図１１（Ｆ）に示すように、上部電極６３を加工する。フッ素系、塩素系のガスにＡｒを微量添加したガスを用いて、ＲＩＥ加工する。もちろん、加工法は、ＲＩＥに限定されず、ウェットエッチング、サンドブラストでもよい。このときの電極サイズは、後で加工する圧力室のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）に対して、短手方向幅をＤＷｘ、長手方向幅をＤＷｙとしたときに、その寸法の比を所定の範囲とする。ここで、前述のようにＤＷｘ／ＣＷｘおよびＤＷｙ／ＣＷｙを所定の範囲内にする。

次に、図１１（Ｇ）に示すように、圧電体６２を加工する。フッ素系や塩素系のガスにＡｒガスを添加し加工するドライエッチングでも、酸を用いたウェットエッチングでもよい。また、サンドブラストなどでもよい。

次に、図１２（Ｈ）に示すように、ＳＯＩ基板２０の圧力室板に相当するＳｉ層２３に圧力室５２をエッチングする。ＲＩＥ、異方性ウェットエッチングの手法が使える。

最後に、図１２（Ｉ）に示すように、ＳＯＩ基板２０にノズル板２１および連通流路板２２を接合もしくは接着する。これにより液体吐出ヘッド５０が得られる。

なお、上部電極６３のエッチングと圧電体６２のエッチングとを別にして行う場合を例に説明したが、上部電極６３および圧電体６２を同時にエッチングするようにしてもよい。

図１３および図１４は、実施例２の製造プロセス示す工程図である。

まず、図１３（Ａ）に示すように、開口済みの基板２００を用意する。この基板２００は、ノズル５１が形成されているノズル板２１と、ノズル連通路５１ａが形成されている連通流路板２２と、圧力室５２が形成されている圧力室板２３と、振動板２４と、絶縁層２５とを含んで構成されている。圧力室板２３、振動板２４および絶縁層２５はＳＯＩ基板２０を構成している。

図１３（Ａ）に示す基板２００に対して、図１３（Ｂ）に示すように、下部電極６１をスパッタリングで成膜する。もちろん、成膜方法は、スパッタリングに限らず、ＣＶＤ、蒸着、スクリーン印刷でもかまわない。また、成膜材料は、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ又はこれらの積層物、酸化物でよい。

次に、図１３（Ｃ）に示すように、下部電極６１をエッチング加工する。ここでは、フッ素系、塩素系のガスにＡｒを微量添加したガスを用いて、ＲＩＥ加工する。もちろん加工法は、ＲＩＥに限定されず、ウェットエッチング、サンドブラストでもよい。

なお、本実施例では下部電極６１を加工する場合を例に記載しているが、下部電極６１を加工せず、上部電極のみを個別化する形態でもよい。

次に、図１３（Ｄ）に示すように、圧電体６２（例えばＰＺＴ）を薄膜で成膜する。なお、成膜方法は、スパッタリングに限らず、エアロゾルデポジション法、ゾルゲル法、スクリーン印刷、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、レーザアブレーション法、水熱合成法でもよい。

次に、図１４（Ｅ）に示すように、上部電極６３を形成する。これも、下部電極６１を形成する手法、材料と同様でかまわない。

次に、図１４（Ｆ）に示すように、上部電極６３を加工する。フッ素系、塩素系のガスにＡｒを微量添加したガスを用いて、ＲＩＥ加工する。もちろん、加工法は、ＲＩＥに限定されず、ウェットエッチング、サンドブラストでもよい。このときの電極サイズは、形成済みの圧力室５２のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）に対して、短手方向幅をＤＷｘ、長手方向幅をＤＷｙとしたときに、その寸法の比を所定の範囲とする。ここで、前述のようにＤＷｘ／ＣＷｘおよびＤＷｙ／ＣＷｙを所定の範囲内にする。

次に、図１４（Ｇ）に示すように、圧電体６２を加工する。これにより液体吐出ヘッド５０が得られる。フッ素系や塩素系のガスにＡｒガスを添加し加工するドライエッチングでも、酸を用いたウェットエッチングでもよい。また、サンドブラストなどでもよい。

なお、上部電極６３のエッチングと圧電体６２のエッチングとを別にして行う場合を例に説明したが、上部電極６３および圧電体６２を同時にエッチングするようにしてもよい。

以上、液体吐出ヘッドおよびその製造方法について、圧力室５２の凹部断面（圧電体６２の面方向に沿った断面である）の形状が長方形形状である場合を例に説明したが、図１５（Ａ）に示すように、圧力室５２の凹部断面形状は、平行四辺形形状であってもよい。また、図１５（Ｂ）に示すように、角にＲがついていてもよい。平行四辺形形状や、角にＲがついていてる場合であっても、アスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２以上においては、排除体積はあまり変わらない。

なお、アスペクト比は、長方形形状の場合には、短手方向の幅は長方形の短辺の長さを、長手方向の幅は長方形の長辺の長さを意味し、平行四辺形形状の場合には、短手方向の幅は平行四辺形の高さのうち短い方の高さを意味し、長手方向の幅は平行四辺形の長辺の長さを意味する。

［画像形成装置］
図１６は、図１の液体吐出ヘッド５０を備えた画像形成装置８０の全体構成の概略を示すブロック図である。

図１６において、画像形成装置８０は、主として、液体吐出ヘッド５０、通信インターフェース８１、システムコントローラ８２、メモリ８３ａ、８３ｂ、搬送用モータ８４、搬送ドライバ８４０、プリント制御部８５、給液部８６、給液制御部８６０、および、ヘッドドライバ８７を含んで構成されている。

本画像形成装置８０は、Ｋ（黒）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロ）の各色毎に合計４つの液体吐出ヘッド５０を備える。

通信インターフェース８１は、ホストコンピュータ８９から送信される画像データを受信する画像データ入力手段である。通信インターフェース８１には、有線又は無線のインターフェースを適用することができる。この通信インターフェース８１によって画像形成装置８０に取り込まれた画像データは、この画像データ記憶用の第１のメモリ８３ａに一旦記憶される。

システムコントローラ８２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従って画像形成装置８０の全体を制御する主制御手段である。すなわち、システムコントローラ８２は、通信インターフェース８１、搬送ドライバ８４０、プリント制御部８５等の各部を制御する。

搬送用モータ８４は、紙などの被吐出媒体を搬送するためのローラやベルト等に動力を与える。この搬送用モータ８４によって、被吐出媒体と液体吐出ヘッド５０とが相対的に移動される。

搬送ドライバ８４０は、システムコントローラ８２からの指示に従って搬送用モータ８４を駆動する回路である。

給液部８６は、インクを貯蔵するインク貯蔵手段としてのインクタンク（図示を省略）から液体吐出ヘッド５０までインクを流動させる管路及びポンプなどによって構成されている。

給液制御部８６０は、給液部８６を用いて、液体吐出ヘッド５０に対してインクを供給する制御を行うものである。

プリント制御部８５は、画像形成装置８０に入力される画像データに基づいて、液体吐出ヘッド５０が被吐出媒体に向けて吐出（打滴）を行って被吐出媒体上にドットを形成するために必要なデータ（ドットデータ）を生成する。すなわち、プリント制御部８５は、システムコントローラ８２の制御に従い、第１のメモリ８３ａ内の画像データから打滴用のドットデータを生成するための各種の加工、補正などの画像処理を行う画像処理手段として機能し、生成したドットデータをヘッドドライバ８７に供給する。

プリント制御部８５には第２のメモリ８３ｂが付随しており、プリント制御部８５における画像処理時にドットデータ等が第２のメモリ８３ｂに一時的に格納される。

なお、図１６において第２のメモリ８３ｂはプリント制御部８５に付随する態様で示されているが、第１のメモリ８３ａと兼用することも可能である。また、プリント制御部８５とシステムコントローラ８２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８７は、プリント制御部８５から与えられるドットデータ（実際には第２のメモリ８３ｂに記憶されたドットデータである）に基づき、液体吐出ヘッド５０の圧電アクチュエータ６０に対して吐出用駆動信号を出力する。このヘッドドライバ８７から出力された吐出用駆動信号が液体吐出ヘッド５０の圧電アクチュエータ６０に与えられることによって、液体吐出ヘッド５０のノズル５１から被吐出媒体に向けて液体（液滴）が吐出される。

本発明は、本明細書において説明した例や図面に図示された例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってよいのはもちろんである。

液体吐出ヘッドの一例の全体構成を示す平面透視図 （Ａ）は、図１の液体吐出ヘッドの一部を拡大して示す平面図、（Ｂ）は図１の液体吐出ヘッドの一部を拡大して示す断面図 （Ａ）は、圧電体の活性領域の説明に用いる説明図、（Ｂ）は、圧力室の短手方向の幅ＣＷｘ、圧力室の長手方向の幅ＣＷｙ、活性領域の短手方向の幅ＤＷｘ、および、活性領域の長手方向の幅ＤＷｙの説明に用いる説明図 圧力室のアスペクト比と圧力室内の発生圧力との関係を示す図 短手方向の電極幅比と変位体積との関係を示す図 長手方向の電極幅比と変位体積との関係を示す図 圧力室のアスペクト比と長手方向の電極幅比との関係を示す図 気泡発生の防止の説明に用いる説明図 （Ａ）は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す液体吐出ヘッドの一例における沿面距離の説明に用いる説明図、（Ｂ）は他の例の液体吐出ヘッドにおける沿面距離の説明に用いる説明図 実施例１の製造プロセスを示す工程図 実施例１の製造プロセスを示す工程図 実施例１の製造プロセスを示す工程図 実施例２の製造プロセスを示す工程図 実施例２の製造プロセスを示す工程図 短手方向幅および長手方向幅の説明に用いる説明図 液体吐出ヘッドを備える画像形成装置の一例の全体構成を示すブロック図 従来の液体吐出ヘッドの説明に用いる説明図

符号の説明

２１…ノズル板、２２…連通流路板、２３…圧力室板、２４…振動板、２５…絶縁層、５０…液体吐出ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、６０…圧電アクチュエータ、６１…下部電極、６２…圧電体、６３…上部電極、ＣＷｘ…圧力室の短手方向の幅、ＣＷｙ…圧力室の長手方向の幅、ＤＷｘ…圧電体の活性領域の短手方向の幅、ＤＷｙ…圧電体の活性領域の長手方向の幅

Claims (5)

1. 液体吐出口へ連通する圧力室上に少なくとも下部電極、圧電体および上部電極が順に配置されて構成され、
   前記圧力室は、面状の前記圧電体の面方向に沿った凹部断面において短手方向および長手方向を有し、
   前記圧電体のうちで前記下部電極および前記上部電極に挟まれており前記圧電体の変位に寄与する活性領域の面積が、前記圧力室の凹部断面積よりも小さく、
   前記圧力室の前記短手方向の幅ＣＷｘと前記圧力室の前記長手方向の幅ＣＷｙとのアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２乃至５である場合に、
   前記圧力室の前記短手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｘと前記圧力室の幅ＣＷｘとの比（ＤＷｘ／ＣＷｘ）は、０．４乃至０．７５であり、
   且つ、前記圧力室の前記長手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｙと前記圧力室の幅ＣＷｙとの比（ＤＷｙ／ＣＷｙ）は、Ｌｎを自然対数とし、前記圧力室のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記圧電体は単板構造で形成され、
   前記上部電極の縁から前記圧電体の表面に沿った沿面距離の最短値Ｌｍｉｎ［μｍ］と、前記圧電体の駆動電界Ｅ［Ｖ］との関係が、Ｅ／Ｌｍｉｎ≦１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 液体吐出口へ連通する圧力室上に少なくとも下部電極、圧電体および上部電極を順に形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記圧力室は、面状の前記圧電体の面方向に沿った凹部断面において短手方向および長手方向を有し、
   前記圧電体のうちで前記下部電極および前記上部電極に挟まれており前記圧電体の変位に寄与する活性領域の面積を、前記圧力室の凹部断面積よりも小さく形成し、
   前記圧力室の前記短手方向の幅ＣＷｘと前記圧力室の前記長手方向の幅ＣＷｙとのアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）が２乃至５である場合に、
   前記圧力室の前記短手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｘと前記圧力室の前記短手方向の幅ＣＷｘとの比（ＤＷｘ／ＣＷｘ）は、０．４乃至０．７５とし、
   且つ、前記圧力室の前記長手方向における前記圧電体の活性領域の幅ＤＷｙと前記圧力室の幅ＣＷｙとの比（ＤＷｙ／ＣＷｙ）は、Ｌｎを自然対数とし、前記圧力室のアスペクト比（ＣＷｙ／ＣＷｘ）を変数ｘとして、０．１３３×Ｌｎ（ｘ）＋０．７３１２を中心値とした±０．０５の範囲内とすることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記圧電体を、スパッタリング、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、ゾルゲル法、スクリーン印刷、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、レーザアブレーション法、および、水熱合成法の何れかにより、薄膜形成することを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置。

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