JP5743076B2

JP5743076B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP5743076B2
Application number: JP2011084920A
Authority: JP
Inventors: 岳高; 宮田　佳直; 佳直宮田; 祐馬福澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: US20150321477A1; US8944565B2; US9308724B2; US20120256988A1; JP2012218250A; US20150109375A1

Description

本発明は、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド、インクジェット式記録ヘッドユニット及びインクジェット式記録装置に関する。

液体噴射ヘッドには、ノズルに連通する圧力発生室が隔壁により区画されて並設された流路形成基板の一方面側に振動板を介して第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を設け、圧電素子の駆動によって圧力発生室内に圧力変化を生じさせて、ノズルからインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドがある。

このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、圧電素子の振動板側の第１電極を圧力発生室毎に切り分けて個別電極とし、第２電極を複数の圧力発生室に亘って連続させることで共通電極としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなインクジェット式記録ヘッドでは、各圧電素子の個別電極である第１電極に接続するリード電極を設けるが、第１電極とリード電極との接続が圧電素子の実質的な駆動部から離れてしまい、電圧降下の観点から駆動効率が低下するという問題があった。

特開２００９−１７２８７８号公報

しかしながら、特許文献１のように、第１電極を個別電極とし、第２電極を共通電極とした場合、第２電極に対して接続するリード電極と比較して、第１電極に接続されるリード電極は、圧電素子から引き出された第１電極に接続される構造となるため、第１電極とリード電極との接続が圧電素子の実質的な駆動部から離れてしまい、電圧降下の観点から圧電素子の駆動効率が低下するという問題があった。また、第１電極を露出させてリード電極と接続する際に接触不良になる場合があるという問題があった。

このため、圧電素子を効率よく駆動させることができるリード電極と第１電極との接続構造が望まれている。

本発明はこのような事情に鑑み、リード電極と第１電極との接続を圧電素子の駆動部に近いところで行い、圧電素子の駆動を効率的に行う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。

前記目的を達成する本発明の態様は、液体を噴射するノズルに連通する圧力発生室が複数設けられた流路形成基板と、前記流路形成基板の前記圧力発生室が設けられた面とは反対側の面に、前記圧力発生室に対応して設けられた第１電極、前記第１電極上に設けられた圧電体層及び前記圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧力発生素子と、前記圧力発生素子毎に対して個別に設けられた前記第１電極に電気的に接続されるリード電極と、前記第２電極が形成されておらず前記圧電体層が露出している領域の、前記第１電極が部分的に露出されている領域に、前記第１電極に少なくとも一部が接して設けられている導電層と、を具備し、前記第２電極は、複数の前記圧力発生素子に対して共通の電極であり、前記リード電極は、前記導電層を介して前記第１電極に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、第１電極が部分的に露出された露出部を覆うように導電層が設けられ、この導電層にリード電極を接続するようにしたので、第１電極とリード電極との接触不良の問題が発生し難く、圧電素子の駆動を効率的に行うことができる。

ここで、前記リード電極は、前記第２電極が形成されておらず前記圧電体層が露出している領域に設けられた貫通孔により露出された第１電極に対して前記導電層を介して接続されているのが好ましい。これによれば、貫通孔により露出された第１電極に対して導電層を覆うように設けることにより、第１電極と導電層との電気的な接続が確実に行われ、この導電層に対してリード電極を接続することにより、第１電極との電気的な接続が確実になる。また、貫通孔を介して第１電極とリード電極とを接続することにより、能動部にできるだけ近い位置での接続が可能となる。

また、前記リード電極は、前記第２電極が形成されておらず前記圧電体層が露出している領域に設けられた切欠き部により露出された第１電極に対して前記導電層を介して接続されているのが好ましい。これによれば、切欠き部により露出された第１電極に対して導電層で覆うように設けることにより、第１電極と導電層との電気的な接続が確実に行われ、この導電層に対してリード電極を接続することにより、第１電極との電気的な接続が確実になる。また、切欠き部を介して第１電極とリード電極とを接続することにより、能動部にできるだけ近い位置での接続が可能となり、且つ第１電極とリード電極との接続もより確実になる。

また、複数の前記圧力発生素子の間に、前記第２電極及び前記圧電体層が除去された開口部が設けられているのが好ましい。これによれば、変位効率を高めるために能動部の両側に開口部を設けた場合にも、第１電極とリード電極との接続を確実に行うことができる。

一方、本発明の他の態様は、上記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。これによれば、第１電極とリード電極との接触不良の問題が発生し難く、圧電素子の駆動を効率的に行うことができるヘッドを備えた液体噴射装置を実現することができる。

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要部平面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。実施形態２に係る記録ヘッドの要部を拡大した平面図及び断面図である。実施形態１及び２の要部を説明する断面図である。一実施形態に係る記録装置の概略図である。

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の分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの流路形成基板の要部平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′線断面図である。

図１に示すように、インクジェット式記録ヘッドＩを構成する流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画される複数の圧力発生室１２が並設されている（この方向を並設方向又は第１の方向という）。また流路形成基板１０には、圧力発生室１２の前記並設方向に交差する方向（第２の方向という）の一端部側に、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。連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。

連通部１５は、後述する保護基板３０のマニホールド部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する。インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部１５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。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１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。

流路形成基板１０の材料としては、例えば、シリコン単結晶基板が好適に用いられるが、その他に、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の一方側の面には、ノズル２１が穿設されたノズルプレート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。

流路形成基板１０の他方側の面には、例えば、流路形成基板１０を熱酸化することによって形成される弾性膜５１を含む振動板５０が形成されている。上述した圧力発生室１２等の流路の一方面側は、この振動板（弾性膜５１）によって構成されている。

本実施形態では、弾性膜５１上には弾性膜５１とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５２が形成され、これら弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が構成されている。この振動板５０上には、圧力発生素子として、振動板５０上に形成された第１電極６０と、第１電極６０上に形成された圧電体層７０と、圧電体層７０上に形成された第２電極８０とで構成される圧電素子３００が設けられている。

圧電素子３００は、一般的には、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極をそれぞれ独立する個別電極とする。本実施形態では、圧電素子３００の実質的な駆動部となる各圧電体能動部３２０の個別電極として第１電極を設け、複数の圧電体能動部３２０に共通する共通電極として第２電極８０を設けるようにした。

このような圧電素子３００と、圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板５０とを合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、弾性膜５１、絶縁体膜５２が振動板５０を構成するが、振動板５０の構成は特に限定されるものではない。例えば、圧電素子３００の第１電極６０が振動板５０を兼ねるようにしてもよいし、圧電素子３００自体が振動板５０として機能するようにしてもよい。

ここで、本実施形態に係る圧電素子３００の構造について詳しく説明する。図３に示すように、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０が積層されて両電極への電圧印加により圧電歪みが生じる圧電体能動部３２０と、圧電体能動部３２０から連続する圧電体層７０と第１電極６０又は第２電極８０を有するが実質的に駆動しない圧電体非能動部３３０とを備える。これら圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界は、第１電極６０及び第２電極８０の端部で規定されている。本実施形態では、各圧電体能動部３２０はそれぞれ圧力発生室１２に相対向して設けられ、圧電体非能動部３３０は、圧電体能動部３２０の第２の方向の両外側に設けられて、圧力発生室１２の第２の方向の外側まで延設されている。また、圧電体非能動部３３０は、互いに隣り合う圧電体能動部３２０の間に設けられ、圧力発生室１２の並設方向（第１の方向）の外側まで延設されている。具体的には、図３に示すように、圧力発生室１２の並設方向とは交差する第２の方向（並設方向と直交する方向）において、圧電体能動部３２０のインク供給路１３側の端部は、第１電極６０の長手方向の端部によって規定されており、圧電体層７０及び第２電極８０は、この端部の外側まで延設されている。また、圧力発生室１２の第２の方向において、圧電体能動部３２０のインク供給路１３とは反対側（ノズル２１側）の端部は、第２電極８０の端部によって規定されており、この端部の外側まで第１電極６０及び圧電体層７０は延設されている。

さらに、第１電極６０は、各圧力発生室１２に対向する部分が圧力発生室１２の幅（圧力発生室１２の並設方向である第１の方向の寸法）よりも狭い幅で形成されており、第１電極６０の幅方向の端部が、圧電体能動部３２０の幅方向の端部を規定している。

また、圧電体層７０は、その一部に開口部３０１が存在するが、複数の圧力発生室１２に対向する領域に亘って連続的に設けられている。すなわち、圧電体層７０は、第１電極６０の幅方向端部の外側に延設されている。また、図３に示すように、圧力発生室１２の並設方向（第１の方向）と直交する第２の方向において、圧電体層７０は、圧力発生室１２の第２の方向の端部の外側まで延設されている。なお、開口部３０１は、第２電極８０及び圧電体層７０を完全に除去することで形成されたものであり、各々の圧電素子３００間に、すなわち各圧力発生室１２を区画する隔壁１１に相対向して設けられている。

第２電極８０は、圧電体層７０上に、複数の圧力発生室１２に相対向する領域と、隔壁１１に対向する領域とに亘って連続的に形成されている。また、上述したように、図３に示すように、圧力発生室１２に相対向する領域（圧力発生室１２の第２の方向におけるノズル２１側の領域）では、第２電極８０の端部は、圧力発生室１２上に位置している。この第２電極８０の端部によって圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との長手方向の一方（ノズル２１側）の境界が規定されている。

ここで、各第１電極６０には、圧力発生室１２の第２の方向一端部（インク供給路１３とは反対側）よりも外側まで延設されて、その上に、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。そして、各圧電素子３００には、リード電極９０を介して詳しくは後述する駆動回路１２０がボンディングワイヤー等の接続配線１２１を介して接続されている。

本実施形態では、第１電極６０とリード電極９０との接続位置をできるだけ圧電体能動部３２０に近づけるために、圧電体能動部３２０の外側の圧電体層７０、すなわち第２電極８０が形成されておらず圧電体層７０が露出している領域にコンタクトホールとなる貫通孔７１を設け、この貫通孔７１を介して露出された第１電極６０並びに貫通孔７１の内面及び開口周縁部を覆うように、少なくとも一部が第１電極６０と接続する、第２電極８０とは電気的に不連続である導電層８１を設け、この導電層８１に接続するようにリード電極９０を設けている。ここで、貫通孔７１は、第１電極６０の並設方向の幅よりも小さく開口されたものである。

これにより、リード電極９０と第１電極６０との接続を圧電体能動部３２０に近い位置であるが、第２電極８０とはショートなどの不具合が生じない位置で行うことができるので、電圧降下の問題が解消される。また、第２電極８０やリード電極９０は、例えば、スパッタリングなどで成膜されるが、リード電極９０は厚い膜として成膜するため、成膜レート等の関係からコンタクトホールとなる貫通孔７１などの微細な領域で第１電極６０と完全に接続するように成膜するのは困難であるが、導電層８１を設けることにより、導電層８１を介してリード電極９０と第１電極６０との接続が確実になる。すなわち、導電層８１は第２電極８０と共に成膜されるが、リード電極９０と比較すると薄膜であるため、微細な貫通孔７１内でも第１電極６０と確実に接続するように成膜することができる。これにより、例えば、図５（ａ）に示すように、リード電極９０が貫通孔７１を完全に埋めるように成膜されなくても、導電層８１を介して第１電極６０と確実に接続されるようになる。

一方、図２に示すように、流路形成基板１０上（実際には振動板５０上）には、並設された圧電体能動部３２０の第２の方向の両側に、圧電体能動部３２０の並設方向に亘って連続して設けられた配線電極２００、２０１がそれぞれ設けられている。この２つの配線電極２００、２０１は、圧電体能動部３２０の並設方向（第１の方向）の両端部側において連続することで互いに導通すると共に、圧電体能動部３２０の並設方向の両端部において第２電極８０と導通して設けられ、圧電素子３００の並設方向の電圧降下を防止している。

なお、本実施形態の圧電素子３００では、第１電極６０を個別電極とすると共に第２電極８０を共通電極とし、第１電極６０の圧力発生室１２の第２の方向における一端部が、圧電体層７０によって覆われるようにしたため、第１電極６０と第２電極８０との間で電流がリークすることがなく、圧電素子３００の破壊を抑制することができる。ちなみに、第１電極６０と第２電極８０とが近接した状態で露出されていると、圧電体層７０の表面を電流がリークし、圧電体層７０が破壊されてしまう。なお、第１電極６０の圧力発生室１２の第２の方向の他端部は、圧電体層７０に覆われていないが、露出された第１電極６０と第２電極８０との間に距離があるため特に問題がない。したがって圧電素子３００を酸化アルミニウム等の保護膜で覆う必要がなく、保護膜を設けることによる圧電素子３００の変位の阻害を抑制して、優れた変位量を得ることができる。

このような圧電素子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。また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１５に対応する領域にマニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２は、上述したように流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。

また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０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、リード電極９０は、圧電素子保持部３１の外側まで引き出されており、引き出されたリード電極９０と駆動回路１２０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１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によってマニホールド１００の一方面が封止されている。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のマニホールド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、マニホールド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Ｉ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、マニホールド１００からノズル２１に至るまで流路内部をインクで満たした後、駆動回路１２０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に電圧を印加し圧電素子３００をたわみ変形させて各圧力発生室１２内の圧力を高めることで、各ノズル２１からインク滴が噴射される。

（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２に係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の要部拡大平面図及び要部拡大断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態では、貫通孔７１の代わりに、圧電体層７０のリード電極９０の引き出し側端部を圧力発生室１２方向に、圧電体能動部３２０に近い位置まで切り欠いて第１電極６０を露出させた切欠き部７２を設けたものである。ここで、切欠き部７２の圧電素子３００の並設方向の幅は、第１電極６０の幅より小さく形成されている。かかる切欠き部７２により露出された第１電極６０並びに切欠き部７２の内面及び上面開口縁部を覆うように、第２電極８０と同時に成膜された導電層８２が設けられ、この導電層８２に接続するように、リード電極９０が設けられている。

このように切欠き部７２を設けたことにより、リード電極９０と第１電極６０との接続が圧電体能動部３２０に近い位置であるが、第２電極８０とはショートなどの不具合が生じない位置で行うことができるので、電圧降下の問題が解消される。また、第２電極８０やリード電極９０は、例えば、スパッタリングなどで成膜されるが、リード電極９０は厚い膜として成膜するため、成膜レート等の関係から切欠き部７２などの微細な領域で第１電極６０と完全に接続するように成膜するのは困難であるが、導電層８２を設けることにより、導電層８２を介してリード電極９０と第１電極６０との接続を確実に行うことができる。すなわち、導電層８２は第２電極８０と共に成膜されるが、リード電極９０と比較すると薄膜であるため、微細な切欠き部７２内でも第１電極６０と確実に接続するように成膜することができる。また、貫通孔７１と比較しても、導電層８２の付きまわりが良好となるので、第１電極６０と導電層８２との接続がより良好となる。これにより、例えば、図５（ｂ）に示すように、リード電極９０が切欠き部７２を完全に埋めるように成膜されなくても、導電層８２を介して第１電極６０と確実に接続されるようになる。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明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。

上述した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インクジェット式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６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６に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩは、複数のインクジェット式記録ヘッドＩを有するインクジェット式記録ヘッドユニット１（以下、ヘッドユニット１とも言う）を具備する。ヘッドユニット１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、このヘッドユニット１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。このヘッドユニット１は、例えば、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１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上を搬送されるようになっている。

なお、上述した例では、複数のインクジェット式記録ヘッドＩを具備するヘッドユニット１をインクジェット式記録装置ＩＩに設けるようにしたが、１つのインクジェット式記録ヘッドＩを具備するヘッドユニット１をインクジェット式記録装置ＩＩに搭載してもよく、また、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載するヘッドユニット１を２以上としてもよい。さらに、インクジェット式記録装置ＩＩに直接インクジェット式記録ヘッドＩを搭載するようにしてもよい。

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
レイ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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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。

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１インクジェット式記録ヘッドユニット（液体噴射ヘッドユニット）、１０流路形成基板、１１隔壁、１２圧力発生室、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振動板、５１弾性膜、５２絶縁体膜、６０第１電極、７０圧電体層、７１貫通孔、７２切欠き部、８０第２電極、８１，８２導電層、９０リード電極、１００マニホールド、２００，２０１配線電極、３００圧電素子、３０１開口部、３２０圧電体能動部、３３０圧電体非能動部

Claims

液体を噴射するノズルに連通する圧力発生室が複数設けられた流路形成基板と、
前記流路形成基板の前記圧力発生室が設けられた面とは反対側の面に、前記圧力発生室に対応して設けられた第１電極、前記第１電極上に設けられた圧電体層及び前記圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧力発生素子と、
前記圧力発生素子毎に対して個別に設けられた前記第１電極に電気的に接続されるリード電極と、
前記第２電極が形成されておらず前記圧電体層が露出している領域の、前記第１電極が部分的に露出されている領域に、前記第１電極に少なくとも一部が接して設けられている導電層と、を具備し、
前記第２電極は、複数の前記圧力発生素子に対して共通の電極であり、
前記リード電極は、前記第２電極が形成されておらず前記圧電体層が露出している領域に設けられた切欠き部により露出された第１電極に対して前記導電層を介して接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
複数の前記圧力発生素子の間に、前記第２電極及び前記圧電体層が除去された開口部が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
前記切り欠き部の前記圧力発生素子の並設方向の幅が前記第１電極の幅より小さいことを特徴とする液体噴射ヘッド。
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。