JP2011037149A - 液体噴射ヘッド及びそれを用いた液体噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】環境に優しく且つ安定して良好な噴射特性が得られる液体噴射ヘッド及びそれを用いた液体噴射装置を提供する。
【解決手段】液滴を噴射するノズル２１に連通する圧力発生室１２を備えた流路形成基板１０と、流路形成基板１０上に設けられる圧電素子３００と、を具備し、圧電素子３００が、圧電体層７０とこの圧電体層７０の両面に設けられる一対の電極６０，８０とで構成されていると共に、圧電体層７０がＢａＴｉＯ３と、ＣａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３とを含有する構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子の変位により圧力発生室内に圧力変動を生じさせてノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及びそれを用いた液体噴射装置に関する。
液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル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からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。そして、このような圧電素子に用いられる圧電材料としては、一般的に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される鉛系の圧電セラミックスが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
ただし、鉛系廃棄物は酸性雨などに曝されると鉛が溶出して環境に悪影響を与えることから、圧電素子としてＰＺＴに代わる鉛を含まない圧電材料の使用が望まれている。例えば、鉛を含まない圧電材料としてチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を使用した圧電素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また液体噴射ヘッドの圧電素子として用いるには、圧電体層の特性は十分とは言えず、さらなる向上が望まれている。このため、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）にチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）を添加することで、耐電圧性を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−２２３４０４号公報 特開２０００−７２５３９号公報 特開平６−２７９１１０号公報
しかしながら、チタン酸バリウム系の圧電材料はキュリー点が低く、ＢａＴｉＯ３にＣａＴｉＯ３を添加したとしても、圧電素子として使用すると十分な圧電特性が得られない虞がある。具体的には、チタン酸バリウム系の圧電材料は、キュリー点が１３０℃程度と低く室温付近に結晶構造相転移に伴う変態点が存在する。このため、チタン酸バリウム系の圧電材料を用いた圧電素子は温度特性が十分ではなく、圧電素子の温度変化に伴って、例えば、圧電特性が変化して安定した変位量が得られなくなる虞がある。その結果、インク滴の噴射特性が変化して印刷品質が低下したり、印刷品質にバラツキが生じてしまったりする虞がある。
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載され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、環境に優しく且つ安定して良好な噴射特性が得られる液体噴射ヘッド及びそれを用いた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、液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室を備えた流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられる圧電素子と、を具備し、前記圧電素子が、圧電体層とこの圧電体層の両面に設けられる一対の電極とで構成されていると共に、前記圧電体層がＢａＴｉＯ３と、ＣａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、を含有していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。特に、前記圧電体層が、Ｅｕ２Ｏ３をさらに含有していることが好ましい。
また本発明は、このような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にある。
かかる本発明では、圧電素子を構成する圧電体層に鉛が含まれておらず環境に優しく、且つ圧電素子の耐電圧特性が向上すると共に変位特性を良好に維持することができるため液滴を良好に噴射させることができる。
一実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 一実施形態に係る圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る液体噴射装置の概略斜視図である。
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、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
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は、図１及び図２に示すように、流路形成基板１０を含む複数基板によってインク流路が形成されている。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には、圧力発生室１２の長手方向外側の領域に連通部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及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述するリザーバー形成基板のリザーバー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ー１００の一部を構成する。なお、この流路形成基板１０は、例えば、結晶面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。
流路形成基板１０のインク流路が開口する面には、ノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。ノズルプレート２０には、複数のノズル２１が穿設されており、各ノズル２１は各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通している。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、ステンレス鋼等からなる。
一方、流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。この弾性膜５０上には、下電極膜６０と、圧電体層７０と、上電極膜８０とで構成される圧電素子３００が形成されている。一般的には、圧電素子の一方の電極は複数の圧電素子に共通する共通電極となり、他方の電極が圧電素子毎に独立する個別電極となっている。本実施形態では、下電極膜６０が圧電素子３００の共通電極に相当し、上電極膜８０が個別電極に相当するが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。
そして、本発明では、この圧電素子３００を構成する圧電体層７０が、ＢａＴｉＯ３と、ＣａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、を少なくとも含有する、いわゆるバルクの圧電材料で形成されている。
これにより、圧電体層７０は、耐電圧特性が向上する。またキュリー点が２００℃以上と比較的高くなる。したがって、圧電素子３００の温度変化が生じた場合でも圧電体層７０の温度特性は安定し、圧電素子３００の変位特性は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の鉛系の圧電材料を用いた場合と同等またはそれ以上に良好に維持される。つまり、圧電素子３００の温度変化に拘わらず、インク滴を良好に噴射させることができ、また噴射特性も均一化される。
具体的には、圧電体層７０が、ＢａＴｉＯ３とＣａＴｉＯ３とを含有していることで、圧電体層７０の耐電圧特性が向上するという効果が得られる。さらに、圧電体層７０が（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３を含有していることで、圧電体層７０のキュリー点が上昇して温度特性が向上するという効果が得られる。具体的には、圧電体層７０のキュリー点は２００℃以上となり、結晶構造相転移に伴う変態点は−５０℃付近に存在する。ちなみに、ＢａＴｉＯ３系の圧電材料は、一般的にキュリー点は１３０℃前後であり、結晶構造相転移に伴う変態点が１９℃付近に存在する。
このようにキュリー点が上昇することは、実験結果からも明らかになっている。例えば、ＢａＴｉＯ３のみからなる圧電体層の場合、キュリー点が１２９℃であったのに対し、ＢａＴｉＯ３に（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３を添加し、その比率を７：３とするとキュリー点は２１０℃まで上昇した。さらに比率を６：４とするとキュリー点は２２１℃まで上昇した。
また本実施形態では、圧電体層７０がＥｕ２Ｏ３をさらに含有するようにしている。つまり、本実施形態に係る圧電体層７０は、ＢａＴｉＯ３と、ＣａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、Ｅｕ２Ｏ３とを含有している。
これにより、圧電体層７０は、耐電圧特性が向上すると共に温度特性が向上し、且つ圧電特性もより良好に維持される。したがって、圧電素子３００の温度変化に拘わらず、インク滴を良好に噴射させることができ、噴射特性も均一化される。
さらに圧電体層７０が、上記のような非鉛系の圧電材料で形成されることで、環境への悪影響も防止することができる。
なお、本実施形態では、圧電体層７０がＥｕ２Ｏ３を含有するようにしたが、Ｅｕ２Ｏ３は必ずしも含まれていなくてもよく、圧電体層７０は、ＢａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、ＣａＴｉＯ３と、を少なくとも含有していればよい。
ここで、このような圧電素子３００の製造方法の一例について、図３を参照して説明する。図３は、圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
図３に示すように、まずは圧電体層７０を得るための主成分の出発原料として、例えば、ＢａＣＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＮａＣＯ３、ＴｉＯ２、Ｅｕ２Ｏ３の粉末を用意し、これらの粉末を乾燥させた状態で所定比率となるように秤量した後、例えば、純水、エタノール等を添加してボールミルで混合・粉砕して原料混合物とする。さらに、この原料混合物を乾燥させた後、例えば、９００〜１１００℃で合成（仮焼成）することで、ＢａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、Ｅｕ２Ｏ３とを含有する粉末が形成される。
次に、この粉末にＣａＴｉＯ３液（ゾルゲル液）を添加してボールミルなどで混合し、混合物を乾燥させた後、４００〜６００℃程度の温度で脱脂する。次いで、脱脂したものを粉砕した粉末に所定量のバインダを添加して造粒し、金型プレス等によって所定圧力で成形する。そして成形したものを１０００〜１４００℃程度の温度で焼結することで、ＢａＴｉＯ３−ＣａＴｉＯ３−（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３−Ｅｕ２Ｏ３からなる、いわゆるバルクの圧電材料が形成される。
その後、この圧電材料を研磨し、その表面に電極を形成し、さらにポーリングや各種測定を行うことで、上述の圧電素子３００が形成される。つまり、このような方法で圧電素子３００を形成することで、上述したように環境に優しく且つ温度変化に拘わらずインク滴を良好に噴射させることができるインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
特に、本実施形態では、ＢａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、Ｅｕ２Ｏ３とを含有する粉末に、ＣａＴｉＯ３液を添加している。すなわち、固相法と液相法とを併用して、圧電材料の製造途中にＣａＴｉＯ３液を添加している。これにより、圧電体層７０の耐電圧特性や圧電特性をより確実に改善することができる。勿論、ＣａＴｉＯ３は粉末の状態で添加するようにし、出発原料として添加するようにしてもよい。
ヘッドの構造の説明に戻り、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、連通部１３に連通するリザーバー部３１が設けられたリザーバー形成基板３０が接合されている。リザーバー部３１は、本実施形態では、リザーバー形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述の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ー１００を構成している。
このようなリザーバー形成基板３０としては、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、セラミック材料等を用いることが好ましく、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。
リザーバー形成基板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からなり、この封止膜４１によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバー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、リザーバー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、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー１００からノズル２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路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圧電素子３００に電圧を印加して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２１からインク滴が噴射される。
そして、このような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４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４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、駆動モーター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ー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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
なお、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、プリンター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ー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。
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 ２０ ノズルプレート、 ３０ リザーバー形成基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ３００ 圧電素子

Claims (3)

  1. 液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室を備えた流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられる圧電素子と、を具備し、
    前記圧電素子が、圧電体層とこの圧電体層の両面に設けられる一対の電極とで構成されていると共に、前記圧電体層がＢａＴｉＯ３と、ＣａＴｉＯ３と、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３と、を含有していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  2. 前記圧電体層が、Ｅｕ２Ｏ３をさらに含有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。
  3. 請求項１又は２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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