JP6218012B2 - 液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、流路基板の圧電素子が形成された面における複数の圧電素子からなる圧電素子列の周辺部に、複数の圧電素子の変位を妨げないような連続的な空間を形成する支持基板を接合した液滴吐出ヘッドが記載されている。
特許文献2、3には、流路基板の圧電素子が形成された面における複数の加圧液室の隔壁に対向する位置に連結部を形成し、圧電素子毎に変位を妨げない空間を形成する支持基板を連結部に接合した構成の液滴吐出ヘッドが記載されている。
図1及び図2に示す本実施形態のインクジェット記録装置100は、装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ101を備えている。そして、このキャリッジ101に搭載した液滴吐出ヘッド1及び液滴吐出ヘッド1に対してインクを供給するインクカートリッジ102等で構成される印字機構部103等を収納している。また、装置本体の下方部には前方側から多数枚の記録紙を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい)104を抜き差し自在に装着されている。更に、記録紙を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ105を有し、給紙カセット104あるいは手差しトレイ105から給送される記録紙を取り込む。そして、印字機構部103によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ106に排紙する。
ピエゾ方式の液滴吐出ヘッドは、複数の加圧液室の一面を形成する振動板上に加圧液室に対応する圧電素子を設け、圧電素子に駆動電圧を印加して生じる変形により振動板を振動させ、これにより加圧液室内のインクを昇圧する。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を使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものが実用化されている。
<実施例1>
図3は、実施例1に係る液滴吐出ヘッドの流路基板を圧電素子を形成した側からみた上面図である。図4は、実施例1に係る液滴吐出ヘッドの加圧液室幅方向断面図であり、(a)は図3のA−A'面、(b)はB−B'面を示している。図5は、実施例1の液滴吐出ヘッドの加圧液室長手方向断面図であり、(a)は図3のC−C'面、(b)はD−D'面を示している。本実施形態の液滴吐出ヘッド1は、液滴を基板の面部に設けたノズルから吐出させるサイドシューター方式の一例である。
先ず、図6(a)に示すように、厚み400[μm]の<100>シリコン基板201の表面にシリコン酸化膜を0.2[μm]及びシリコンを2.0[μm]を張り合わせたSOI基板を用いる。このSOI基板表面にパイロ(Wet)酸化法によりシリコン酸化膜を0.3[μm]形成し、これを振動板層202とする。その後、図6(b)に示すように、圧電素子の下電極となる白金(Pt)層203をスパッタ法により振動板層202の上に0.2[μm]成膜し、パターニングする。更に、図6(c)に示すように、ゾルゲル法により圧電体層204を下電極となる白金層203の上に2[μm]成膜し、さらに上電極となる白金(Pt)層205を0.1[μm]成膜する。その後、リソエッチ法により上電極となる白金(Pt)層205及び圧電体層204をパターニングする。
図8は、実施例2に係る液滴吐出ヘッドの流路基板を圧電素子を形成した側からみた上面図である。図9は、実施例2の液滴吐出ヘッドの加圧液室幅方向断面図であり、(a)は図8のA−A'面、(b)はB−B'面を示している。図10は、実施例2の液滴吐出ヘッドの加圧液室長手方向断面図であり、(a)は図8のC−C'面、(b)はD−D'面を示している。なお、図3と同様、図8の上面図においてもアクチュエータ部を見やすくするため層間絶縁膜55とパッシベーション膜56との図示を省略している。
図11は、実施例3に係る液滴吐出ヘッドの流路基板を圧電素子を形成した側からみた上面図である。図12は、図11の液滴吐出ヘッドの加圧液室幅方向断面図であり、(a)はA−A’面、(b)はB−B’面を示している。また、図8の液滴吐出ヘッドの加圧液室長手方向のC−C’面の断面図、D−D’面の断面図は、それぞれ、実施例2に記載の図10(a)、(b)と同じであり、ここでは図示を省略する。なお、図3と同様、図11の上面図においてもアクチュエータ部を見やすくするため層間絶縁膜55とパッシベーション膜56との図示を省略している。
実施例4に係る液滴吐出ヘッドの流路基板を圧電素子を形成した側からみた上面図は、実施例3に記載の図11と同じであり、ここでは図示を省略する。図13は、実施例4の液滴吐出ヘッドの加圧液室幅方向断面図であり、(a)はA−A’面、(b)はB−B’面を示している。また、図14は、実施例4の液滴吐出ヘッドの加圧液室長手方向断面図であり、(a)は図11のC−C'面、(b)はD−D'面を示している。なお、実施例4において、実施例3と同様の部分は詳細な説明を省略し、主に異なる部分に関して説明を行う。
実施例5に係る液滴吐出ヘッドの流路基板を圧電素子を形成した側からみた上面図は、実施例3に記載の図11と同じであり、ここでは図示を省略する。図15は、実施例5の液滴吐出ヘッドの加圧液室幅方向断面図であり、(a)はA−A’面、(b)はB−B’面を示している。また、実施例5の液滴吐出ヘッドの加圧液室長手方向断面図は、実施例4に記載の図14と同じであり、ここでは図示を省略する。
実施例6に係る液滴吐出ヘッドの流路基板を圧電素子を形成した側からみた上面図は、実施例2に記載の図8と同じであり、ここでは図示を省略する。図16は、実施例6の液滴吐出ヘッドの加圧液室幅方向断面図であり、(a)はA−A’面、(b)はB−B’面を示している。また、実施例5の液滴吐出ヘッドの加圧液室長手方向断面図は、実施例5に記載の図15と同じであり、ここでは図示を省略する。
(態様A)
複数のノズル孔11に連通する複数の加圧液室12の流路隔壁20aなどの隔壁を形成する液室基板20と、加圧液室12の一面を形成するよう液室基板20上に積層された振動板30と、振動板30上に形成された圧電素子50とを有する流路基板2と、流路基板2の圧電素子50が形成された面を圧電素子50の変位を妨げないように支持する支持基板40とを有し、流路基板2の圧電素子50が形成された面における加圧液室12の複数の隔壁に対向する位置に複数の凸状の連結部60を形成し、連結部60を介して支持基板40を流路基板2に接合する液滴吐出ヘッド1において、連結部60を加圧液室12の複数の隔壁に対向する位置における加圧液室12の配列方向と直交する加圧液室12の長手方向に対して部分的に設け、連結部60が設けられた部分に対向する加圧液室12の隔壁の幅W0よりも、連結部60が設けられていない部分に対向する加圧液室12の隔壁20aの幅W1を狭くする。
(態様A)においては、相互干渉を抑えるように流路基板2が加圧液室12の複数の隔壁20aに対向する位置の連結部60を介して支持基板40により支持される構成において、連結部60を加圧液室12の長手方向に対して部分的に設ける。この流路基板2では、加圧液室12の長手方向に関して連結部60が形成されない部分に対向する隔壁の幅は、連結部を形成する必要がないので、連結部60が形成された部分に対向する隔壁の幅に比べて狭くすることができる。加圧液室12の長手方向で部分的に隔壁の幅を狭くすることで、加圧液室12の長手方向で部分的に加圧液室12の幅、すなわち振動板の変位領域が広がり、加圧液室全体として排除体積を大きくすることができる。このように、流路基板を加圧液室12の隔壁に対向する短い支持点間距離で支持することで流路基板全体の撓み変形を抑えて相互干渉を抑える。これと共に、加圧液室12の長手方向で部分的に振動板30の変位領域の幅を広げて、加圧液室全体として排除体積を確保することで吐出効率を向上させることができる。
(態様A)において、連結部60は加圧液室12の流路隔壁20aの投影面の内側にある。これによれば、流路隔壁20aで振動板30の変位領域の幅が規定されるため、振動板の変位体積(排除体積)を大きくする効果が顕著に得られる。
(態様A)または(態様B)において、圧電素子50は下電極51、圧電体層52、上電極53を積層したものであり、加圧液室12の長手方向に対して連結部60を設けた加圧液室12の隔壁の幅が広い部分における圧電素子50を構成する圧電体層52および上電極53の幅に比べ、加圧液室12の隔壁の幅が狭い部分における圧電素子を構成する圧電体層52および上電極53の幅が広くする。これによれば、上記実施例2、3について説明したように、加圧液室12の長手方向に関して、連結部60がない部分の振動板の変位領域の幅を広げることに加え、その部分の圧電素子50を構成する圧電体層52および上電極53の幅を広げて、アクチュエータ部の発生力を大きくする。これにより、より吐出効率が向上する。また、圧電素子50の幅を広く構成することで、流路基板2の剛性が高くなり、加圧液室12内のコンプライアンスが小さくなる。このため、共振周期が短くなり、液滴吐出ヘッド1の駆動周波数を高くすることもできる。
(態様A)、(態様B)または(態様C)の何れかにおいて、連結部60を加圧液室12の長手方向に関してノズル孔11が配置された位置以外の部分に設ける。これによれば、ノズル孔が配置された位置には連結部が形成されないので、加圧液室12の隔壁の幅が狭く、加圧液室12の幅が広くなる。このため、流路基板2にノズル孔11を形成したノズル基板10を接合する際の、接合の位置ズレ、接着剤流れ出しに対する余裕度を広げることができる。
(態様A)、(態様B)、(態様C)または(態様D)の何れかにおいて、連結部60を加圧液室12の長手方向の中央部に設ける。通常、支持基板40は、圧電素子列の周辺部となる流路基板2の加圧液室12の長手方向に対して加圧液室12の外側にも接合されている。そこで、隔壁に対向する位置の連結部を加圧液室12の長手方向の中央部に設けることで、長手方向における支持点間距離を短くすることができる。このため、流路基板全体の撓み変形を小さく抑えられ、相互干渉を良好に抑制することができる。
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)または(態様E)の何れかにおいて、連結部60を圧電素子50を構成する上電極53への配線接続部以外の上面よりも高く形成し、支持基板40は、連結部に接合された際に配線接続部と接触しないような空間45を形成する溝などの凹部を有する。
支持基板40が、流路基板2の圧電素子50の変位を妨げないように複数の隔壁に対向する位置を支持するには、複数の隔壁に対向する精細な複数の支柱部44を形成することが一般的であるが、この構成では支持基板40側にも加工精度が要求される。これに対し、上記実施例4に説明したように、例えば、流路基板上にアクチュエータ部の各層を形成する構成で容易に連結部50aを圧電素子50を構成する上電極53への配線接続部以外の上面よりも高く形成することができる。支持基板40には、配線接続部に接触しないような空間45を形成する凹部を設けることだけで、支持基板40に複数の支柱部44を設けなくとも流路基板2の圧電素子50の変位を妨げないように支持することができる。このため、支持基板40の構成が単純になり、さらに低コスト化できる。
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)または(態様F)の何れかにおいて、加圧液室12の長手方向に関して連結部60の長さが支持基板40の接合面46の長さよりも長くなるよう形成し、支持基板の接合面46を連結部60の内側に接合する。これによれば、上記実施例5、6について説明したように、支持基板40と連結部60との接合の際、流路基板2上に接着剤が流れ出し難くすることができる。特に、支持基板40に複数の支柱部44を設けない構成では、使用する接着剤量が多いため有効である。
(態様A)乃至(態様G)の何れかにおいて、加圧液室12の流路隔壁20aはドライエッチングを用いて形成されたものである。ドライエッチングでは、流路隔壁20aの幅を加圧液室12内で高精細に制御して変化させることができる。これに対して、結晶面がでてくるウェットエッチングでは、流路隔壁20aの幅を加圧液室12内で高精細に制御して変化させることが難しい。このため、加圧液室12の隔壁をドライエッチングを用いて形成することにより、高精細で安価な液滴吐出ヘッドとすることができる。
媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を該媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、液滴吐出手段として(態様A)乃至(態様H)の何れかの液滴体吐出ヘッドを採用する。これによれば、高品位な画質を得ることができる。
2 流路基板
10 ノズル基板
11 ノズル孔
12 加圧液室
13 流体抵抗部
14 供給部
20 液室基板
20a 流路隔壁
30 振動板
40 支持基板
41 圧電素子保護空間
44 支柱部
45 溝部(コンタクト部と干渉しないような空間)
46 支持基板の接合面
50 圧電素子
51 下電極
52 圧電体層
53 上電極
54 配線部材
55 層間絶縁膜
57 バイパス配線
58 個別電極パッド部
59 溝部(共通液室)
60 連結部
Claims (8)
- ノズル孔に連通する加圧液室の隔壁を形成する液室基板と、該加圧液室の一面を形成するよう該液室基板上に形成された振動板と、該振動板上に形成された圧電素子とを有する流路基板と、該流路基板を該圧電素子の変位を妨げないように支持する支持基板とを備え、該流路基板における上記隔壁に対向する位置に連結部を形成し、該連結部を介して該支持基板を該流路基板に接合する液滴吐出ヘッドにおいて、
上記連結部は、上記加圧液室の長手方向に対して部分的に設けられ、該連結部が設けられた部分に対向する上記隔壁の幅よりも、該連結部が設けられていない部分に対向する上記隔壁の幅が狭いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記連結部は上記隔壁の投影面の内側にあることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1または2の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記圧電素子は下電極、圧電体層、上電極を積層したものであり、上記加圧液室の長手方向に対して上記連結部を設けた上記隔壁の幅が広い部分における該圧電素子を構成する該圧電体層および該上電極の幅に比べ、上記隔壁の幅が狭い部分における該圧電素子を構成する該圧電体層および該上電極の幅が広いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1、2または3の何れかの液滴吐出ヘッドにおいて、
上記連結部を上記加圧液室の長手方向に関して上記ノズル孔が配置された位置以外の部分に設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1、2、3または4の何れかの液滴吐出ヘッドにおいて、
上記連結部を上記加圧液室の長手方向の中央部に設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1、2、3、4または5の何れかの液滴吐出ヘッドにおいて、
上記連結部を上記圧電素子を構成する上電極への配線接続部以外の上面よりも高く形成し、上記支持基板は、上記連結部に接合された際に該配線接続部と接触しないような空間を形成する凹部を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1、2、3、4、5または6の何れかの液滴吐出ヘッドにおいて、
上記加圧液室の長手方向に関して上記連結部の長さが上記支持基板の接合面の長さよりも長くなるよう形成し、該支持基板の接合面を上記連結部の内側に接合することを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を該媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、
上記液滴吐出手段として請求項1乃至7の何れかの液滴吐出ヘッドを採用したことを特徴とする画像形成装置。
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