JP5305018B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置 - Google Patents

液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置 Download PDF

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Description

本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置に関する。
インク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を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子であるたわみ振動モードのアクチュエーター装置を使用したものがある。
そして、たわみ振動モードのアクチュエーター装置としては、例えば、振動板の表面全体に亘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ー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて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。このような圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題を有する。
そこで、このような圧電素子の破壊を防止すると共に圧電素子の変形を阻害しないようにするヘッド構造として、圧電素子を構成する第二電極の表面の周縁部から圧電体層の側面だけが酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは感光性ポリイミドからなる薄い絶縁体膜に覆われているものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許第3552013号(第4頁、第4図等)
しかしながら、特許文献1の構成では、圧電素子が撓み変形した際に、露出された領域の端部近傍に応力が集中し、圧電素子が破壊されてしまう場合があるという問題がある。
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、応力集中を抑制し圧電素子の破壊を抑制した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置、並びにアクチュエーター装置を提供することを目的とする。
本発明の液体噴射ヘッドは、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に設けられた第一電極、圧電体層及び第二電極からなる圧電素子と、該圧電素子を覆うと共に前記第二電極の上面を露出させる開口部が設けられた無機絶縁材料からなる保護膜とを具備し、前記圧電素子は前記圧電素子の駆動時に前記圧力発生室側に凸となるように変形し、前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部が、この変形時の前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域よりも、中央側に位置することを特徴とする。本発明の液体噴射ヘッドでは、前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域、即ち保護膜側の圧電体層に引っ張り方向の応力が作用する領域よりも、前記保護膜の前記圧力発生室の長手方向における端部が中央側に位置することで、保護膜の開口部の端部に引っ張り方向の応力が作用しないので応力集中を避けることができ、これにより圧電素子の破壊を抑制することができる。
ここで、前記第一電極は、振動板を介して流路形成基板の一方面側に設けられ、前記第一電極の前記圧力発生室の長手方向における端部は、前記振動板及び前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域よりも中央側に位置し、前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における前記端部は、該第一電極上に位置することが好ましい。保護膜の開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部が、前記振動板及び前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域、即ち前記保護膜側の圧電体層に引っ張り方向の応力が作用する領域よりも中央側の第一電極上に位置することで、保護膜の開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部は引っ張り方向の応力が作用する領域に位置しないと共に、第一電極上の応力が作用しにくい領域に位置するので、より応力集中を避けることができ、これにより圧電素子の破壊を抑制できる。
この場合に、パターニング精度に鑑みて、前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における前記端部と前記第一電極の前記圧力発生室の長手方向における端部との距離が少なくとも10μm以上であることが好ましい。
本発明の液体噴射装置は、前記したいずれかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする。前記したいずれかの液体噴射ヘッドを備えていることで、圧電素子の破壊が抑制される。
本発明のアクチュエーター装置は、凹部が設けられた基板の凹部に相対向する領域に設けられた、第一電極、圧電体層及び第二電極からなる圧電素子と、該圧電素子を覆うと共に前記第二電極の表面を露出させる開口部が設けられた無機絶縁材料からなる保護膜とを具備し、前記圧電素子は前記圧電素子の駆動時に前記圧力発生室側に凸となるように変形し、前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部が、この変形時の前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域よりも、中央側に位置することを特徴とする。本発明のアクチュエーター装置では、前記圧電体層の保護膜側に引っ張り方向の応力が作用する領域よりも、前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部が中央側に位置することで、開口部の端部に引っ張り方向の応力が作用しないので応力集中を避けることができ、これにより圧電素子の破壊を抑制することができる。
本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。 本実施形態に係る記録ヘッドの(a)要部平面図(b)断面図である。 本実施形態に係る記録ヘッドの(a)断面図(b)要部平面図である。 本実施形態に係る記録装置の概略構成を示す斜視図である。
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(a)は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A′断面図である。図示するように、インクジェット式記録ヘッドIの流路形成基板10は、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、後述する保護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、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するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、後述するマスク膜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。
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)等からなる絶縁体膜55が積層形成されている。また、絶縁体膜55上には、第一電極60と、圧電体層70と、第二電極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、第一電極60、圧電体層70及び第二電極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を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。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、第一電極60を圧電素子300の共通電極とし、第二電極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。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部320が形成されていることになる。
また、本実施形態では、第一電極60の圧力発生室12の長手方向の端部を圧力発生室12に相対向する領域内に設けることで、圧電素子300の実質的な駆動部となる圧電体能動部320の長手方向の端部(長さ)を規定している。また、圧電体層70及び第二電極80の圧力発生室12の幅方向の端部を圧力発生室12に相対向する領域内に設けることで、圧電体能動部320の短手方向の端部(幅)を規定している。すなわち、圧電体能動部320は、パターニングされた第一電極60及び第二電極80によって、圧力発生室12に相対向する領域にのみ設けられていることになる。
また、ここでは、駆動により変位が生じる圧電素子300をアクチュエーター装置と称する。なお、本実施形態では、第一電極60を複数の圧電素子300の並設方向に亘って設け、第一電極60の圧力発生室12の長手方向の端部を、圧力発生室12に相対向する位置となるように設けた。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55及び第一電極60が圧電素子300と共に変形する振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50及び絶縁体膜55を設けずに、第一電極60のみが振動板として作用するようにしてもよい。
そして、圧電素子300を構成する第一電極60、圧電体層70及び第二電極80(圧電体能動部320)は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜100によって覆われている。具体的には、保護膜100は、圧電体層70の側面と第二電極80の上面の周縁を覆うように設けられている。すなわち、第二電極80の上面の主要部は、保護膜100が設けられておらず、第二電極80の上面の主要部を露出するための開口部101が設けられている。開口部101は、保護膜100を厚さ方向に貫通して圧電素子300の長手方向(圧力発生室12の長手方向)に沿って矩形状に開口するものであり、例えば、流路形成基板10上の全面に亘って保護膜100を形成した後、選択的にパターニングすることで形成することができる。
このように圧電素子300を保護膜100で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子300の破壊を抑制することができる。ここで、このような保護膜100材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化タンタル(TaO)、酸化アルミニウム(AlO)等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム(AlO)、例えば、アルミナ(Al)を用いるのが好ましい。保護膜100の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、保護膜100の膜厚を100nm程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができる。また、保護膜100に開口部101が設けられていることで、圧電素子300の変位を阻害することがなく、インク吐出特性を良好に保持することができる。
本実施形態では、圧電素子300及び保護膜100を以下で説明するように構成していることで、保護膜100の開口部の端部における応力集中を抑制している。その結果、本実施形態のアクチュエーター装置では、圧電素子の破壊を抑制することができる。
以下、圧電素子300及び保護膜100の構成を図3も用いて説明する。図3(a)は、駆動時におけるインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の要部断面拡大図である。駆動時においては第一電極60及び第二電極80間に電圧が印加されたことにより、図3(a)に示すように、圧電体層70が縮んで圧電素子300及び振動板は圧力発生室12側へ凸となるように変形する。このときに圧力発生室12の長手方向の端部近傍において、特に圧力発生室12の長手方向の壁部16(周壁)部分近傍で圧電素子300及び振動板が大きく曲がる。この圧力発生室12の周壁部分近傍の圧電素子300及び振動板の曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域S1では、保護膜100側の圧電体層70に対して引っ張り方向の応力が作用する。圧電素子300及び振動板の曲がりの曲率中心が圧電素子保持部31(図2参照)側にある領域S2では、保護膜100側の圧電体層70に対して縮み方向の応力が作用する。
の曲がりの曲率中心が圧力発生室12側にあり、保護膜100側の圧電体層70に引っ張り方向の応力が作用する領域S1よりも、保護膜100に設けられた開口部101の長手方向の端部E1は中央部側に位置するように設けられている。これは、保護膜100側の圧電体層70に対して引っ張り方向の応力が作用する領域に開口部101の端部E1が設けられていると、上述のように駆動時において圧電体層70は縮む方向に作用しているので、端部E1に逆方向の応力(引っ張り方向の応力)が作用することでこの端部E1に応力集中が発生し、圧電素子の破壊の原因となるからである。本実施形態においては、この開口部101の端部E1は、この引っ張り方向の応力が作用する領域S1及び縮む方向の応力が作用する領域S2よりもさらに中央側にくるように、第一電極60上(平面視した場合に重なるよう)に、つまり圧電体能動部320上に位置するように設けることで、より応力が端部に集中することを抑制して圧電素子300の破壊を抑制している。
変位効率を上昇させるために開口部101の端部E1を第一電極60と流路形成基板10の壁部16(流路形成基板10の圧電体層70の長手方向における側壁部)との間に対応する領域上に設けるとすれば、端部E1が領域S1内に位置することにより、端部E1に応力が集中してしまい、圧電素子300が破壊される虞がある。また、端部E1を流路形成基板10の壁部16上に形成すれば、変位効率を上昇させることができるが、剛性を保持するためには圧電素子300をより大型化する必要があり、インクジェット式記録ヘッドIの大型化につながるため好ましくない。
さらに、図3(b)に示す平面視において説明する。変位効率を上昇させるために開口部101の端部E1を第一電極60と流路形成基板10の壁部16との間に対応する領域上に設けるとすれば、開口部101の端部E1が領域S1内に位置するため(図中点線A参照)、開口部101の端部に応力が集中し、圧電素子が破壊されてしまう。また、端部E1を流路形成基板10の壁部16上となるように形成すれば(図中点線B参照)、変位効率を上昇させることができるが、開口部101の端部が流路形成基板10の壁部16上にあることにより、壁部16上と圧力発生室12上との剛性の異なる領域部分に跨って開口部101が形成されてしまう。そうすると、壁部16と圧力発生室12との境界部分Cにおいて応力集中がおきやすく、圧電素子が破壊されてしまう。
即ち、本実施形態においては、端部E1を駆動時の変形により圧電体層70の保護膜100側に引っ張り側の応力が作用する領域S1を外して位置するように構成していることで、端部E1の段差で生じる応力集中を抑制し、圧電素子の破壊を抑制することができるのである。また、パターニング精度に鑑みれば、開口部101の端部E1と、第一電極60の圧力発生室12の長手方向における端部E2との距離が少なくとも10μm以上であることが好ましい。
また、圧電体能動部320の長手方向の端部、即ち第一電極60の端部E2も、引っ張り応力が作用しないように、領域S1よりも中央寄りに位置するように形成されている。なお、圧電体能動部320の長手方向の端部E2は領域S1に位置しないように形成されれば引っ張り方向の応力集中を抑制することができる。従って、例えば壁部16上に設けられていてもよい。
なお、本実施形態では、保護膜100を図2(b)に示すように、複数の圧電素子300(圧電体能動部320)に亘って連続して設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、保護膜100を各圧電素子300毎に設けるようにしてもよい。
この保護膜100上には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が設けられている。リード電極90は、保護膜100に設けられた別の開口部100aを介して一端部が第二電極80に接続される。
また、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の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部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。なお、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を有していればよく、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には、連通部13に対向する領域にリザーバー部32が設けられており、このリザーバー部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ー110を構成している。また、保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバー部32との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられ、この貫通孔33内に第一電極60の一部及びリード電極90の先端部が露出されている。この先端部は、後述する圧電素子300を駆動する駆動回路と接続配線を介して接続されている。
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回路200が固定されている。この駆動回路200としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路200とリード電極90とは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。
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。ここで、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によってリザーバー部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43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、リザーバー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、駆動回路200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第一電極60と第二電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、第一電極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。
(他の実施形態)
以上、本発明の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、上述した実施形態1では、圧電素子保持部31を有する保護基板30を設けるようにしたが、圧電素子300は保護膜100によって覆われて外部環境に起因する破壊が防止されているため、保護基板30を厚さ方向に貫通する圧電素子保持部としてもよく、また保護基板を設けなくてもよい。
また、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドI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II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I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。
また、上述した実施形態1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(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。さらに、本発明は、このような液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載されるアクチュエーター装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置に適用することができる。例えば、アクチュエーター装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。
I インクジェット式記録ヘッド、 II インクジェット式記録装置、 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、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 リザーバー部、 40 コンプライアンス基板、 60 第一電極、 70 圧電体層、 80 第二電極、 90 リード電極、 100 保護膜、 101 開口部、 110 リザーバー、 200 駆動回路、 210 接続配線、 300 圧電素子、 320 圧電体能動部

Claims (5)

  1. 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に設けられた第一電極、圧電体層及び第二電極からなる圧電素子と、該圧電素子を覆うと共に前記第二電極の上面を露出させる開口部が設けられた無機絶縁材料からなる保護膜とを具備し、
    前記圧電素子は前記圧電素子の駆動時に前記圧力発生室側に凸となるように変形し、
    前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部が、この変形時の前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域よりも、中央側に位置することを特徴とする液体噴射ヘッド。
  2. 前記第一電極は、振動板を介して流路形成基板の一方面側に設けられ、
    前記第一電極の前記圧力発生室の長手方向における端部は、前記振動板及び前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域よりも中央側に位置し、前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における前記端部は、該第一電極上に位置することを特徴とする請求項1記載の液体噴射ヘッド。
  3. 前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における前記端部と前記第一電極の前記圧力発生室の長手方向における端部との距離が少なくとも10μm以上であることを特徴とする請求項2記載の液体噴射ヘッド。
  4. 請求項1〜3のいず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。
  5. 凹部が設けられた基板の凹部に相対向する領域に設けられた、第一電極、圧電体層及び第二電極からなる圧電素子と、該圧電素子を覆うと共に前記第二電極の表面を露出させる開口部が設けられた無機絶縁材料からなる保護膜とを具備し、
    前記圧電素子は前記圧電素子の駆動時に前記圧力発生室側に凸となるように変形し、
    前記保護膜の前記開口部の前記圧力発生室の長手方向における端部が、この変形時の前記圧電素子の前記圧力発生室の周壁近傍における曲がりの曲率中心が圧力発生室側にある領域よりも、中央側に位置することを特徴とするアクチュエーター装置。
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