JP7192460B2

JP7192460B2 - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置

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Publication number: JP7192460B2
Application number: JP2018231369A
Authority: JP
Inventors: 賢史竹本; 栄樹平井; 雅夫中山; 直人横山; 修外村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: JP2020001371A

Description

本発明は、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。

例えば、特許文献１に開示されるように、圧力室の壁面の一部を構成する振動板を圧電素子により振動させることで圧力室内の液体をノズルから噴射する液体噴射ヘッドが知られている。

特開２０１７－８０９４６号公報

液体噴射ヘッドにおいて、一般に、ノズルから液体を効率的に噴射する観点から、圧電素子による圧力室内の圧力は、圧力室の長手方向での中央に向かうに従い高くなる。このため、振動板が圧力室内の液体から受ける反力は、振動板の長手方向での中央に向かうに従い大きくなる。特許文献１に記載の液体噴射ヘッドは、振動板が前述の反力を受ける影響について何ら考慮がないため、振動板の長手方向での中央部が前述の反力により過大に変形して損傷する可能性がある。近年、ノズルの狭ピッチ化に伴って振動板の幅が狭くなり、これに伴い、振動板の薄膜化が要求されるため、前述の可能性が高くなる。

以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る液体噴射ヘッドは、液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、前記振動板の前記圧力室側の面上に配置される補強膜と、を有し、前記振動板の領域であって前記圧電素子により振動する振動領域は、前記振動板の厚さ方向から見る平面視で、長手形状をなし、前記補強膜は、第１膜厚の第１部分と、前記第１部分よりも前記振動領域の長手方向での中央に近い位置に配置され、前記第１膜厚よりも厚い第２膜厚の第２部分と、を有する。

本発明の他の好適な態様に係る液体噴射ヘッドは、液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、前記振動板の前記圧力室側の面上に配置される補強膜と、を有し、前記振動板の領域であって前記圧電素子により振動する振動領域は、前記振動板の厚さ方向から見る平面視で、長手形状をなし、前記振動領域は、前記補強膜が配置されない第１領域と、前記第１領域よりも前記振動領域の長手方向での中央に近い位置にあり、前記補強膜が配置される第２領域と、を含む。

第１実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す構成図である。第１実施形態に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。図２のIII-III線の断面図である。第１実施形態における液体噴射ヘッドの振動板を示す平面図である。図４のＶ-Ｖ線の断面図である。図４のVI-VI線の断面図である。図４のVII-VII線の断面図である。第１実施形態における補強膜の厚さと振動領域の１次の固有振動モードとの関係を示す図である。圧力室の製造工程の流れを例示するフローチャートである。マスク形成工程を示す断面図である。エッチング工程を示す断面図である。マスク除去工程を示す断面図である。耐蝕膜形成工程を示す断面図である。補強膜形成工程を示す断面図である。補強膜形成工程の第１工程を示す断面図である。補強膜形成工程の第２工程を示す断面図である。第２実施形態における圧力室を示す横断面図である。第３実施形態における圧力室を示す横断面図である。第４実施形態における圧力室を示す縦断面図である。第４実施形態における補強膜の厚さと振動領域の１次の固有振動モードとの関係を示す図である。第５実施形態における補強膜の厚さと振動領域の２次の固有振動モードとの関係を示す図である。第６実施形態における補強膜の厚さと振動領域の３次の固有振動モードとの関係を示す図である。

１．第１実施形態
１－１．液体噴射装置の全体構成
図１は、第１実施形態に係る液体噴射装置１００を模式的に示す構成図である。第１実施形態の液体噴射装置１００は、液体の例示であるインクを媒体１２に噴射するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用される。図１に例示される通り、液体噴射装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。例えば液体噴射装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成される袋状のインクパック、またはインクを補充可能なインクタンクが液体容器１４として利用される。

図１に例示される通り、液体噴射装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体噴射ヘッド２６とを具備する。制御ユニット２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体噴射装置１００の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ方向に搬送する。

移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体噴射ヘッド２６をＸ方向に往復させる。Ｘ方向は、媒体１２が搬送されるＹ方向に交差する方向であり、典型的にはＹ方向に直交する。第１実施形態の移動機構２４は、液体噴射ヘッド２６を収容する略箱型の搬送体であるキャリッジ２４２と、キャリッジ２４２が固定される搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体噴射ヘッド２６をキャリッジ２４２に搭載する構成、または、液体容器１４を液体噴射ヘッド２６とともにキャリッジ２４２に搭載する構成も採用され得る。

液体噴射ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズルから媒体１２に噴射する。搬送機構２２による媒体１２の搬送とキャリッジ２４２の反復的な往復とに並行して各液体噴射ヘッド２６が媒体１２にインクを噴射することで、媒体１２の表面に所望の画像が形成される。

１－２．液体噴射ヘッドの全体構成
図２は、第１実施形態に係る液体噴射ヘッド２６の分解斜視図である。図３は、図２のIII-III線の断面図、すなわちＸ-Ｚ平面に平行な断面図である。図２に例示される通り、Ｘ-Ｙ平面に垂直な方向を以下ではＺ方向と表記する。各液体噴射ヘッド２６によるインクの噴射方向、典型的には鉛直方向がＺ方向に相当する。

図２および図３に例示される通り、液体噴射ヘッド２６は、Ｙ方向に長尺な略矩形状の流路基板３２を具備する。流路基板３２のうちＺ方向における負側の面上には、圧力室基板３４と振動板３６と複数の圧電素子３８と筐体部４２と封止体４４とが設置される。他方、流路基板３２のうちＺ方向における正側の面上には、ノズル板４６と吸振体４８とが設置される。液体噴射ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２と同様にＹ方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤を利用して相互に接合される。

図２に例示される通り、ノズル板４６は、Ｙ方向に配列する複数のノズルＮが形成される板状部材である。各ノズルＮは、インクが通過する貫通孔である。なお、流路基板３２と圧力室基板３４とノズル板４６とは、例えばシリコン（Ｓi）の単結晶基板をエッチング等の半導体製造技術により加工することで形成される。ただし、液体噴射ヘッド２６の各要素の材料や製法は任意である。Ｙ方向は、複数のノズルＮが配列する方向とも換言され得る。

流路基板３２は、インクの流路を形成するための板状部材である。図２および図３に例示される通り、流路基板３２には、開口部３２２と供給流路３２４と連通流路３２６とが形成される。開口部３２２は、複数のノズルＮにわたり連続するように、Ｚ方向からの平面視でＹ方向に沿う長尺状をなす貫通孔である。他方、供給流路３２４および連通流路３２６は、ノズルＮ毎に個別に形成される貫通孔である。また、図３に例示される通り、流路基板３２のうちＺ方向における正側の表面には、複数の供給流路３２４にわたる中継流路３２８が形成される。中継流路３２８は、開口部３２２と複数の供給流路３２４とを連通させる流路である。なお、以下では、Ｚ方向からの平面視を単に「平面視」とも言う。

筐体部４２は、例えば樹脂材料の射出成形で製造される構造体であり、流路基板３２のうちＺ方向における負側の表面に固定される。図３に例示される通り、筐体部４２には収容部４２２と導入口４２４とが形成される。収容部４２２は、流路基板３２の開口部３２２に対応する外形の凹部であり、導入口４２４は、収容部４２２に連通する貫通孔である。図３から理解される通り、流路基板３２の開口部３２２と筐体部４２の収容部４２２とを相互に連通させる空間がリザーバーである液体貯留室Ｒとして機能する。液体容器１４から供給されて導入口４２４を通過するインクが液体貯留室Ｒに貯留される。

吸振体４８は、液体貯留室Ｒ内の圧力変動を吸収するための要素であり、例えば弾性変形が可能な可撓性のシート部材であるコンプライアンス基板を含んで構成される。具体的には、流路基板３２の開口部３２２と中継流路３２８と複数の供給流路３２４とを閉塞して液体貯留室Ｒの底面を構成するように、流路基板３２のうちＺ方向における正側の表面に吸振体４８が設置される。

図２および図３に例示される通り、圧力室基板３４は、相異なるノズルＮに対応する複数の圧力室Ｃが形成される板状部材である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ方向に沿って配列する。各圧力室Ｃは、圧力室基板３４の両面に開口する孔３４１を用いて構成されるキャビティであり、平面視でＸ方向に沿う長尺状をなす。Ｘ方向の正側における圧力室Ｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の供給流路３２４に重なり、Ｘ方向の負側における圧力室Ｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の連通流路３２６に重なる。

圧力室基板３４のうち流路基板３２とは反対側の表面には振動板３６が設置される。振動板３６は、弾性的に変形可能な板状部材である。図３に例示される通り、第１実施形態の振動板３６は、第１層３６１と第２層３６２との積層で構成される。第２層３６２は、第１層３６１からみて圧力室基板３４とは反対側に位置する。第１層３６１は、酸化シリコン（ＳiＯ_２）等の弾性材料で形成される弾性膜であり、第２層３６２は、酸化ジルコニウム（ＺrＯ_２）等の絶縁材料で形成される絶縁膜である。第１層３６１および第２層３６２は、それぞれ、熱酸化またはスパッタリング等の公知の成膜技術により形成される。なお、所定の板厚の板状部材のうち圧力室Ｃに対応する領域について板厚方向の一部を選択的に除去することで、圧力室基板３４と振動板３６の一部または全部とを一体に形成することも可能である。

図３から理解される通り、流路基板３２と振動板３６とは、各圧力室Ｃの内側で相互に間隔をあけて対向する。圧力室Ｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置し、当該圧力室Ｃ内に充填されるインクに圧力を付与するための空間である。液体貯留室Ｒに貯留されるインクは、中継流路３２８から各供給流路３２４に分岐して複数の圧力室Ｃに並列に供給および充填される。以上の説明から理解される通り、振動板３６は、圧力室Ｃの壁面の一部、具体的には、圧力室Ｃの一面である上面を構成する。

図２および図３に例示される通り、振動板３６のうち圧力室Ｃとは反対側の表面、すなわち第２層３６２の表面には、相異なるノズルＮまたは圧力室Ｃに対応する複数の圧電素子３８が設置される。各圧電素子３８は、駆動信号の供給により変形するアクチュエーターであり、平面視でＸ方向に沿う長尺状をなす。複数の圧電素子３８は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ方向に配列する。圧電素子３８の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することで、インクがノズルＮから噴射される。

図２および図３の封止体４４は、複数の圧電素子３８を保護するとともに圧力室基板３４および振動板３６の機械的な強度を補強する構造体であり、振動板３６の表面に例えば接着剤で固定される。封止体４４のうち振動板３６との対向面に形成される凹部の内側に複数の圧電素子３８が収容される。

図３に例示される通り、振動板３６の表面または圧力室基板３４の表面には、例えば配線基板５０が接合される。配線基板５０は、制御ユニット２０と液体噴射ヘッド２６とを電気的に接続するための複数の配線が形成される実装部品である。例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板が配線基板５０として好適に採用される。圧電素子３８を駆動するための駆動信号が配線基板５０から各圧電素子３８に供給される。

１－３．圧力室および振動板の詳細
図４は、第１実施形態における液体噴射ヘッド２６の振動板３６を示す平面図である。図５は、図４のＶ-Ｖ線の断面図である。図６は、図４のVI-VI線の断面図である。図７は、図４のVII-VII線の断面図である。図４に示すように、振動板３６は、平面視で複数の圧力室Ｃにそれぞれ対応する形状の複数の振動領域Ｖを有する。振動領域Ｖは、振動板３６の領域であって圧電素子３８により振動する振動領域である。換言すると、振動領域Ｖは、振動板３６の領域のうち圧力室基板３４に接触せずに振動可能な領域である。

ここで、前述のように、各圧力室Ｃは、平面視で第１方向であるＸ方向に沿う長尺状をなす。したがって、各振動領域Ｖは、平面視でＸ方向に沿って延びる長手形状をなす。また、各圧力室Ｃは、例えば、板面が（１１０）面であるシリコン単結晶基板を異方性エッチングすることで形成される。このため、各圧力室Ｃまたは各振動領域Ｖの平面視形状は、当該単結晶基板の（１１１）面に沿う形状である。なお、各圧力室Ｃまたは各振動領域Ｖの平面視形状は、図示の形状に限定されない。

圧力室Ｃの壁面上には、当該壁面をインクから保護する耐蝕膜３５が配置される。耐蝕膜３５は、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性が振動板３６よりも高い。耐蝕膜３５の構成材料としては、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性を有する材料であればよく、特に限定されないが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等のシリコン酸化物、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等の金属酸化物、ニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）等の金属等が挙げられる。耐蝕膜３５は、単一材料の単層で構成されてもよいし、互いに異なる材料の複数層の積層体で構成されてもよい。耐蝕膜３５の厚さは、特に限定されないが、０．１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。なお、耐蝕膜３５は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。また、耐蝕膜３５の一部は、後述する補強膜３７とともに振動領域Ｖを補強する機能を有するとも言える。

図５に示すように、振動板３６の振動領域Ｖの圧力室Ｃ側の面上には、振動領域Ｖを補強する補強膜３７が配置される。本実施形態では、前述の耐蝕膜３５上に補強膜３７が配置される。また、補強膜３７は、振動領域Ｖの長手方向での中央寄りに偏在する。すなわち、振動領域Ｖは、補強膜３７が配置されない第１領域Ｖ１と、第１領域Ｖ１よりも振動領域Ｖの長手方向での中央に近い位置にあり、補強膜３７が配置される第２領域Ｖ２と、を含む。図５に示す振動領域Ｖは、２つの第１領域Ｖ１と、２つの第１領域Ｖ１間に位置する第２領域Ｖ２と、を含む。

ここで、前述のように、液体噴射ヘッド２６は、振動板３６が配置される基板である圧力室基板３４を有する。図５、図６および図７に示すように、圧力室基板３４は、圧力室Ｃを構成する孔３４１が設けられる。図６および図７に示すように、圧力室基板３４の隣り合う２つの圧力室Ｃの間には、Ｘ方向に沿って延びる壁状の隔壁部３４２が設けられる。図７に示すように、補強膜３７は、振動板３６の圧力室Ｃ側の面と孔３４１の壁面とが接続する角上に配置される。当該角では、振動板３６に最も応力が生じやすい。このため、当該角上に補強膜３７を配置することで、振動板３６を効果的に補強できる。また、補強膜３７は、平面視で圧電素子３８と圧力室Ｃの外縁との間の領域に配置されることが好ましい。当該領域では、振動板３６が圧電素子３８により補強されないため、振動板３６が損傷しやすいと言える。このため、当該領域を補強膜３７により補強することは、振動板３６の損傷を防止する上で効果的である。

なお、補強膜３７は、圧力室Ｃの壁面のうち前述した領域以外の面上に配置されてもよい。例えば、図７では、補強膜３７が振動領域ＶのＹ方向での両端側に偏在して配置されるが、補強膜３７が振動領域ＶのＹ方向での中央に配置されてもよい。ただし、補強膜３７が振動領域ＶのＹ方向での両端側に偏在して配置されることでＹ方向での中央に補強膜３７が形成されない場合は、補強膜３７が振動領域ＶのＹ方向での中央に配置される場合に比べて、振動領域Ｖの損傷を低減する効果が高く、かつ、振動領域Ｖの必要な変形を得やすいという利点があり好ましい。

補強膜３７の構成材料としては、特に限定されず、各種有機材料または各種無機材料が挙げられる。当該有機材料としては、例えば、レジスト材料等の樹脂材料が挙げられる。当該無機材料としては、例えば、金属または金属酸化物等が挙げられる。補強膜３７は、単一材料の単層で構成されてもよいし、互いに異なる材料の複数層の積層体で構成されてもよい。補強膜３７の構成材料は、前述の耐蝕膜３５の構成材料と同一でも異なってもよいが、補強膜３７の補強効果を高める観点から、前述の耐蝕膜３５よりもヤング率の高い材料であることが好ましい。また、補強膜３７の構成材料は、本実施形態の場合、補強膜３７がインクに晒されるため、インクに対する耐性を有することが好ましい。

ここで、補強膜３７の剛性を高めやすいという観点から、補強膜３７の構成材料のヤング率は、１０ＧＰａ以上であることが好ましく、５０ＧＰａ以上であることがより好ましい。この観点から、補強膜３７の構成材料は、金属または金属酸化物であることが好ましい。

金属は、一般に、有機材料に比べてヤング率が高く、かつ、シリコンおよび金属酸化物等に比べて、靭性に優れる。このため、補強膜３７を金属で構成することで、補強膜３７が損傷し難く、この結果、振動領域Ｖのクラック等の損傷を効果的に防止できる。特に、本実施形態では、補強膜３７がインクに晒されることから、補強膜３７を構成する金属としては、化学的に安定な金属が好ましく、具体的には、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはニッケル（Ｎｉ）等を用いることが好ましい。ここで、ニッケルは、金および白金に比べてヤング率が高いため、補強膜３７の剛性を高めやすい点で好ましい。金および白金は、ニッケルに比べて化学的に安定である点で好ましい。

金属酸化物は、一般に、金属に比べて、ヤング率が高い。このため、補強膜３７を金属酸化物で構成することで、補強膜３７の剛性を高めやすく、この結果、振動領域Ｖのクラック等の損傷を効果的に防止できる。特に、本実施形態では、補強膜３７がインクに晒されることから、補強膜３７を構成する金属酸化物としては、化学的に安定な金属酸化物が好ましく、具体的には、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_Ｘ）、窒化珪素（ＳｉＮ_Ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）またはジルコニア（ＺｒＯ_２）等が挙げられる。

また、振動板３６の圧力室Ｃとは反対側の面上には、圧電素子３８が配置される。図５、図６および図７に例示される通り、圧電素子３８は、概略的には、第１電極３８１と圧電体層３８３と第２電極３８２との積層で構成される。第１電極３８１、圧電体層３８３および第２電極３８２は、それぞれ、例えば、スパッタリング等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。なお、この積層の層間および圧電素子３８と振動板３６との間のそれぞれには、密着性を高める層等の他の層が適宜介在してもよい。

第１電極３８１は、振動板３６の面上、具体的には第２層３６２の第１層３６１とは反対側の面上に配置される。第１電極３８１は、圧電素子３８毎に相互に離間して配置される個別電極である。具体的には、Ｘ方向に延びる複数の第１電極３８１が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列される。各圧電素子３８の第１電極３８１には、当該圧電素子３８に対応するノズルＮからインクを噴射するための駆動信号が配線基板５０を介して印加される。

圧電体層３８３は、第１電極３８１の面上に配置される。圧電体層３８３は、複数の圧電素子３８にわたり連続するようにＹ方向に延びる帯状をなす。図示しないが、圧電体層３８３のうち相互に隣合う各圧力室Ｃの間隙に平面視で対応する領域には、圧電体層３８３を貫通する貫通孔がＸ方向に延びて設けられる。圧電体層３８３の構成材料は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料である。

第２電極３８２は、圧電体層３８３の面上に配置される。具体的には、第２電極３８２は、複数の圧電素子３８にわたり連続するようにＹ方向に延在する帯状の共通電極である。第２電極３８２には所定の基準電圧が印加される。

以上のように、圧電素子３８は、振動板３６の面上に配置される第１電極３８１と、振動板３６との間に第１電極３８１を挟んで配置される第２電極３８２と、第１電極３８１と第２電極３８２との間に配置される圧電体層３８３と、を含む。このように、圧電素子３８が振動板３６に直接的に配置される。このため、圧電素子３８が他の部材を介して振動板３６に配置される場合に比べて、圧電素子３８からの駆動力を振動板３６に効率的に伝達できる。

以上の液体噴射ヘッド２６は、液体の一例であるインクを収容する圧力室Ｃの壁面の一部を構成する振動板３６と、振動板３６を振動させる圧電素子３８と、振動板３６の圧力室Ｃ側の面上に配置される補強膜３７と、を有する。ここで、振動板３６の領域であって圧電素子３８により振動する振動領域Ｖは、振動板３６の厚さ方向から見る平面視で、長手形状をなす。振動領域Ｖは、補強膜３７が配置されない第１領域Ｖ１と、第１領域Ｖ１よりも振動領域Ｖの長手方向での中央に近い位置にあり、補強膜３７が配置される第２領域Ｖ２と、を含む。

このように、補強膜３７は、振動領域Ｖのうち、第２領域Ｖ２には配置されるが、第１領域Ｖ１には配置されない。このため、振動領域Ｖの全体に必要な変形量を確保しつつ、振動領域ＶのＸ方向での中央が圧力室Ｃ内のインクからの反力により損傷することを低減できる。

より具体的に説明すると、補強膜３７が第２領域Ｖ２に配置されるため、第２領域Ｖ２が変形し難くなる。このため、補強膜３７が振動領域Ｖに配置されない場合に比べて、振動領域ＶのＸ方向での中央が圧力室Ｃ内のインクからの反力により変形することを低減できる。一方、補強膜３７が振動領域Ｖの第１領域Ｖ１に配置されないことで、第１領域Ｖ１が第２領域Ｖ２よりも変形しやすくなる。このため、振動領域Ｖの全体の振動に必要な変形量を確保できる。

しかも、第２領域Ｖ２が第１領域Ｖ１よりも振動領域Ｖの長手方向での中央に近い位置にある。すなわち、補強膜３７が振動領域Ｖの長手方向での中央寄りに偏在する。このため、補強膜３７が振動領域Ｖの長手方向での端寄りに偏在する場合に比べて、振動領域Ｖの全体に必要な変形量を確保しつつ、振動領域ＶのＸ方向での中央が圧力室Ｃ内のインクからの反力により変形することを低減しやすい。

前述の複数のノズルＮが３００ｄｐｉ以上の高密度で配置される場合、振動領域Ｖの幅Ｗが極めて小さくなる。この場合、振動領域Ｖの必要な変形量を確保するには、振動領域Ｖの厚さを薄くする必要があり、振動領域Ｖのクラック等の損傷が生じやすくなる。本実施形態では、この場合においても、振動領域Ｖの全体に必要な変形量を確保しつつ、振動領域ＶのＸ方向での中央が圧力室Ｃ内のインクからの反力により損傷することを低減できる。

また、このような効果を奏する液体噴射ヘッド２６を有する液体噴射装置１００は、高精細な液体噴射を長期にわたり安定して実現できる。また、複数のノズルＮを高密度に配置することで、液体噴射ヘッド２６の小型化を図り、これに伴って、液体噴射ヘッド２６を有する液体噴射装置１００の小型化を図ることもできる。

液体噴射ヘッド２６の前述の効果を容易に得る観点から、Ｘ方向に沿う振動領域Ｖの長さをＬとし、Ｘ方向に沿う第２領域Ｖ２または補強膜３７の長さをＬ２とするとき、Ｌ２／Ｌは、０．１以上０．５以下の範囲内であることが好ましく、０．１以上０．３以下の範囲内であることがより好ましい。

図８は、第１実施形態における補強膜３７の厚さＴと振動領域Ｖの１次の固有振動モードとの関係を示す図である。振動領域Ｖは、複数の固有振動モードを有する。この複数の固有振動モードのうち、振動領域Ｖの長手方向での両端ＶRおよびＶLを固定端とする１次～３次の固有振動モードは、他の固有振動モードに比べて振幅が大きく、振動領域Ｖの損傷の原因になりやすい。特に、１次の固有振動モードは、他の固有振動モードに比べて振幅が大きい。そこで、図８に示すように、補強膜３７は、１次の固有振動モードの腹の位置、すなわち振動領域Ｖの長手方向での中央ＶCを含む。このため、補強膜３７が振動領域Ｖの中央ＶCを含まない場合に比べて、振動領域Ｖの損傷を効果的に低減できる。

本実施形態では、図８に示すように、補強膜３７の厚さＴは、第２領域Ｖ２において厚さＴ２で一定である。補強膜３７の厚さＴは、特に限定されないが、０．１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。厚さＴがこの範囲内であることにより、補強膜３７の形成を容易としつつ、前述の補強膜３７の必要な剛性を得ることができる。なお、Ｙ方向に沿う補強膜３７の厚さＴは、第２領域Ｖ２側から第１領域Ｖ１側に向かうに従い、連続的に小さくなってもよい。この場合、第１領域Ｖ１と第２領域Ｖ２との間に生じる応力集中を低減することができる。

１－４．圧力室の製造方法
図９は、圧力室Ｃの製造工程の流れを例示するフローチャートである。図９に示すように、圧力室Ｃの製造工程は、マスク形成工程Ｓ１とエッチング工程Ｓ２とマスク除去工程Ｓ３と耐蝕膜形成工程Ｓ４と補強膜形成工程Ｓ５とを含む。以下、各工程の概略を順次説明する。

図１０は、マスク形成工程Ｓ１を示す断面図である。図１０に示すように、マスク形成工程Ｓ１において、まず、板面が（１１０）面となるシリコン単結晶基板である基板３４０が準備される。基板３４０は、前述の圧力室基板３４となる基板である。基板３４０の図１０中上側の面上には、開口Ｍ１１を有するマスクＭ１が形成される。ここで、基板３４０の図１０中下側の面上には、振動板３６が形成される。図１０に示す例では、振動板３６上には、圧電素子３８が形成される。

より具体的に説明すると、まず、基板３４０の図１０中下側の面上に、第１層３６１および第２層３６２がこの順で順次形成される。これにより、振動板３６が形成される。第１層３６１は、例えば、酸化シリコンで構成される場合、基板３４０の図１０中下側の面の熱酸化により形成される。第２層３６２は、例えば、酸化ジルコニウムで構成される場合、第１層３６１上にスパッタリング等の公知の成膜技術によりジルコニウムの層を形成し、当該層を熱酸化することで形成される。

振動板３６の形成後、振動板３６上に、第１電極３８１、圧電体層３８３および第２電極３８２がこの順で形成される。これにより、圧電素子３８が形成される。第１電極３８１、圧電体層３８３および第２電極３８２は、それぞれ、例えば、スパッタリング等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。圧電素子３８の形成後、必要に応じて、基板３４０の図１０中上側の面がＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等により研削され、当該面の平坦化または基板３４０の厚さ調整が行われる。

圧電素子３８の形成後、基板３４０の図１０中上側の面上に、開口Ｍ１１を有するマスクＭ１が形成される。マスクＭ１は、例えば、スパッタリング等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。ここで、マスクＭ１は、後述のエッチング工程Ｓ２に用いるエッチング液に対する耐性を有する材料、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成される。

図１１は、エッチング工程Ｓ２を示す断面図である。図１１に示すように、エッチング工程Ｓ２において、基板３４０がマスクＭ１の開口Ｍ１１を介して異方性エッチングされる。当該異方性エッチングにより、孔３４１が形成される。当該異方性エッチングのエッチング液には、例えば、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等が用いられる。

当該異方性エッチングでは、基板３４０の（１１０）面に対するエッチングレートに比べて、基板３４０の（１１１）面に対するエッチングレートが極めて小さい。このため、基板３４０の厚さ方向にエッチングが進み、（１１１）面を壁面とする孔３４１が形成される。ここで、振動板３６は、当該異方性エッチングを停止させる停止層として機能する。ただし、振動板３６は、当該異方性エッチングの停止後、当該エッチング液に晒され、若干量、当該エッチング液により等方性エッチングされる。

図１２は、マスク除去工程Ｓ３を示す断面図である。図１２に示すように、マスク除去工程Ｓ３において、マスクＭ１が除去される。マスクＭ１の除去には、マスクＭ１を溶解可能な液体、例えば、マスクＭ１が窒化シリコンで構成される場合、フッ化水素酸（ＨＦ）が除去液として用いられる。

図１３は、耐蝕膜形成工程Ｓ４を示す断面図である。図１３に示すように、耐蝕膜形成工程Ｓ４において、耐蝕膜３５が形成される。例えば、耐蝕膜３５は、スパッタリング等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。なお、図１３では、基板３４０の隔壁部３４２の振動板３６とは反対側の端面には、耐蝕膜３５が形成されないが、当該端面にも耐蝕膜３５が形成されてもよい。この場合、スパッタリング等により成膜するだけで耐蝕膜３５を形成できる。

図１４は、補強膜形成工程Ｓ５を示す断面図である。図１４に示すように、補強膜形成工程Ｓ５において、補強膜３７が形成される。例えば、補強膜３７は、スパッタリング等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。また、補強膜３７は、以下のように、マスクを用いて物理蒸着または化学蒸着の蒸着による成膜を行うことによっても形成できる。

図１５は、補強膜形成工程Ｓ５の第１工程を示す断面図である。図１６は、補強膜形成工程Ｓ５の第２工程を示す断面図である。図１５に示す第１工程では、マスクＭ２を用いて成膜することで補強膜３７の一部を形成し、その後、図１６に示す第２工程で、マスクＭ２を用いて補強膜３７の残部を形成する。

具体的に説明すると、図１５に示すように、第１工程では、まず、基板３４０に対して図１５中上側に、開口Ｍ２１を有するマスクＭ２が配置される。マスクＭ２は、開口Ｍ２１を有する基板である。開口Ｍ２１は、補強膜３７を形成すべき領域に対応して配置される。第１工程では、基板３４０の法線方向に対して傾斜する方向α１から蒸着材料を蒸着させる。このため、開口Ｍ２１は、方向α１に応じて配置が決定される。マスクＭ２の構成材料としては、例えば、金属、ガラスまたはシリコン等が挙げられる。中でも、マスクＭ２の構成材料としては、基板３４０の構成材料との線膨張係数差ができるだけ小さいことが好ましく、具体的には、シリコンが好ましい。マスクＭ２と基板３４０との線膨張係数差を小さくすることで、基板３４０に対する開口Ｍ２１の位置ずれを低減することができる。以上の第１工程の後、図１６に示すように、第２工程では、マスクＭ２の配置を必要に応じて変更し、基板３４０の法線方向に対して方向α１とは反対側に傾斜する方向α２から蒸着材料を蒸着させる。

第１工程および第２工程に用いる蒸着は、物理蒸着または化学蒸着のいずれでもよいが、簡便さの観点から、物理蒸着が好ましく、より具体的には、真空蒸着に比べて緻密な膜が得られるという観点から、イオンビームアシスト蒸着またはイオンプレーティング等が好ましい。

２．第２実施形態
本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１７は、第２実施形態における圧力室Ｃを示す横断面図である。図１７に示す本実施形態においても、圧力室Ｃの壁面上には、耐蝕膜３５が配置される。ただし、本実施形態では、圧力室Ｃの壁面と耐蝕膜３５との間に、補強膜３７が配置される。ここで、耐蝕膜３５は、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性が振動板３６よりも高い。このため、補強膜３７の構成材料は、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性の有無を問わない。この結果、補強膜３７の構成材料の選択の幅が広がり、補強膜３７の設計の自由度を高めたり、補強膜３７の成膜を簡単化したりすることが可能となる。また、本実施形態においても、前述の第１実施形態と同様の効果が得られる。

３．第３実施形態
本発明の第３実施形態について説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１８は、第３実施形態における圧力室Ｃを示す横断面図である。図１８に示す本実施形態では、圧力室Ｃの壁面上には、耐蝕膜３５および補強膜３７が配置される。補強膜３７は、振動板３６の圧力室Ｃ側の面と孔３４１の壁面とが接続する角上に配置される。耐蝕膜３５は、補強膜３７が配置される領域以外において、圧力室Ｃの壁面の全域にわたって配置される。

補強膜３７の構成材料は、耐蝕膜３５の構成材料と同一でも異なってもよい。ただし、第１実施形態と同様、本実施形態の補強膜３７は、圧力室Ｃ内のインクに晒されるため、インクに対する体制を有することが好ましい。また、補強膜３７の構成材料は、耐蝕膜３５の構成材料と異なる場合、耐蝕膜３５の構成材料よりもヤング率が高い材料であることが好ましい。この場合、補強膜３７は、例えば、耐蝕膜３５の一部をイオンビーム等により変質させることで形成される。なお、補強膜３７は、耐蝕膜３５とは別々の成膜により形成してもよい。

以上の補強膜３７を用いる本実施形態においても、前述の第１実施形態と同様の効果が得られる。

４．第４実施形態
本発明の第４実施形態について説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１９は、第４実施形態における圧力室Ｃを示す縦断面図である。図１９に示す液体噴射ヘッド２６は、液体の一例であるインクを収容する圧力室Ｃの壁面の一部を構成する振動板３６と、振動板３６を振動させる圧電素子３８と、振動板３６の圧力室Ｃ側の面上に配置される補強膜３７と、を有する。ここで、振動板３６の領域であって圧電素子３８により振動する振動領域Ｖは、振動板３６の厚さ方向から見る平面視で、長手形状をなす。補強膜３７は、第１膜厚Ｔ１の第１部分３７１と、第１部分３７１よりも振動領域Ｖの長手方向での中央に近い位置に配置され、第１膜厚Ｔ１よりも厚い第２膜厚Ｔ２の第２部分３７２と、を有する。

このような第１部分３７１および第２部分３７２という互いに膜厚の異なる２つの部分を補強膜３７が有することにより、前述の第１実施形態と同様、振動領域Ｖの全体に必要な変形量を確保しつつ、振動領域ＶのＸ方向での中央が圧力室Ｃ内のインクからの反力により損傷することを低減できる。

第１膜厚Ｔ１および第２膜厚Ｔ２の比Ｔ１／Ｔ２は、特に限定されないが、０．１以上０．５以下の範囲内であることが好ましい。比Ｔ１／Ｔ２がこの範囲内であることにより、補強膜３７の形成を容易としつつ、前述の補強膜３７の必要な剛性を得ることができる。

図２０は、第４実施形態における補強膜３７の厚さＴと振動板３６の１次の固有振動モードとの関係を示す図である。本実施形態では、第２部分３７２は、振動領域Ｖの長手方向での中央ＶCに配置される。振動領域Ｖの長手方向での中央ＶCは、前述のように振動領域Ｖの１次の固有振動モードの腹の位置である。このため、第２部分３７２が振動領域Ｖの中央ＶCに配置されない場合に比べて、振動領域Ｖの損傷を効果的に低減できる。

本実施形態では、図２０に示すように、補強膜３７の厚さＴは、第２領域Ｖ２側から第１領域Ｖ１側に向かうに従い、連続的に小さくなる。このため、補強膜３７の厚さＴが第１領域Ｖ１と第２領域Ｖ２との間で急激に変化する場合に比べて、第１領域Ｖ１と第２領域Ｖ２との間に生じる応力集中を低減することができる。なお、Ｙ方向に沿う補強膜３７の厚さＴの変化は、図２０に示す変化に限定されず、例えば、第２領域Ｖ２側から第１領域Ｖ１側に向かうに従い、段階的に小さくなってもよい。

５．第５実施形態
本発明の第５実施形態について説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図２１は、第５実施形態における補強膜３７の厚さＴと振動領域Ｖの２次の固有振動モードとの関係を示す図である。補強膜３７は、３つの第１部分３７１および２つの第２部分３７２を有する。２つの第２部分３７２は、振動領域Ｖの２次の固有振動モードの腹の位置である。このため、振動領域Ｖの２次の固有振動モードに起因する損傷を効果的に低減できる。以上の補強膜３７を用いる本実施形態においても、前述の第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、第１部分３７１を省略してもよい。

６．第６実施形態
本発明の第６実施形態について説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図２２は、第６実施形態における補強膜３７の厚さＴと振動領域Ｖの３次の固有振動モードとの関係を示す図である。補強膜３７は、４つの第１部分３７１および３つの第２部分３７２を有する。３つの第２部分３７２は、振動領域Ｖの３次の固有振動モードの腹の位置である。このため、振動領域Ｖの３次の固有振動モードに起因する損傷を効果的に低減できる。以上の補強膜３７を用いる本実施形態においても、前述の第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、第１部分３７１を省略してもよい。

＜変形例＞
以上の例示における各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択される２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。

（１）前述の各形態では、第１電極３８１が個別電極であり第２電極３８２が共通電極である構成を例示するが、第１電極３８１を、複数の圧電素子３８にわたり連続する共通電極とし、第２電極３８２を圧電素子３８毎に個別の個別電極としてもよい。また、第１電極３８１および第２電極３８２の双方を個別電極としてもよい。

（２）前述の各形態では、液体噴射ヘッド２６を搭載するキャリッジ２４２を往復させるシリアル方式の液体噴射装置１００を例示するが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体噴射装置にも本発明を適用することが可能である。

（３）前述の各形態で例示する液体噴射装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体噴射装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を噴射する液体噴射装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を噴射する液体噴射装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。

２６…液体噴射ヘッド、３４…圧力室基板、３５…耐蝕膜、３６…振動板、３７…補強膜、３８…圧電素子、１００…液体噴射装置、３４１…孔、３７１…第１部分、３７２…第２部分、３８１…第１電極、３８２…第２電極、３８３…圧電体層、Ｃ…圧力室、Ｔ１…第１膜厚、Ｔ２…第２膜厚、Ｖ…振動領域、Ｖ１…第１領域、Ｖ２…第２領域。

Claims

液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、
前記振動板を振動させる圧電素子と、
前記振動板の前記圧力室側の面上に配置される補強膜と、を有し、
前記振動板の領域であって前記圧電素子により振動する振動領域は、前記振動板の厚さ
方向から見る平面視で、長手形状をなし、
前記振動領域は、前記補強膜が配置されない第１領域と、前記第１領域よりも前記振動
領域の長手方向での中央に近い位置にあり、前記補強膜が配置される第２領域と、を含み
、
前記第２領域は、前記振動領域の１次、２次または３次のいずれかの固有振動モードの
腹の位置に配置される、液体噴射ヘッド。
液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、
前記振動板を振動させる圧電素子と、
前記振動板の前記圧力室側の面上に配置される補強膜と、を有し、
前記振動板の領域であって前記圧電素子により振動する振動領域は、前記振動板の厚さ
方向から見る平面視で、長手形状をなし、
前記補強膜は、第１膜厚の第１部分と、前記第１部分よりも前記振動領域の長手方向で
の中央に近い位置に配置され、前記第１膜厚よりも厚い第２膜厚の第２部分と、を有し、
前記第２部分は、前記振動領域の１次、２次または３次のいずれかの固有振動モードの
腹の位置に配置される、液体噴射ヘッド。
前記第２部分は、前記振動領域の長手方向での中央に配置される、請求項２に記載の液
体噴射ヘッド。
前記圧電素子は、
第１電極と、
前記振動板との間に前記第１電極を挟んで配置される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置される圧電体層と、を含む、請求項１ないし
３
のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
前記振動板が配置され、前記圧力室を構成する孔が設けられる基板を有し、
前記補強膜は、前記振動板の前記圧力室側の面と前記孔の壁面とが接続する角上に配置
される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
前記圧力室の壁面上に配置され、前記液体に対する耐性が前記振動板よりも高い耐蝕膜
を有し、
前記補強膜は、前記圧力室の壁面と前記耐蝕膜との間に配置される、請求項１ないし５
のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
前記補強膜の構成材料は、金属である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の液体
噴射ヘッド。
前記補強膜の構成材料は、金属酸化物である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載
の液体噴射ヘッド。
液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、
前記振動板を振動させる圧電素子と、
前記振動板の前記圧力室側の面上に配置される補強膜と、を有し、
前記振動板の領域であって前記圧電素子により振動する振動領域は、前記振動板の厚さ
方向から見る平面視で、長手形状をなし、
前記振動領域は、前記補強膜が配置されない第１領域と、前記第１領域よりも前記振動
領域の長手方向での中央に近い位置にあり、前記補強膜が配置される第２領域と、を含み
、
前記圧力室の壁面上に配置され、前記液体に対する耐性が前記振動板よりも高い耐蝕膜
を有し、
前記補強膜は、前記圧力室の壁面と前記耐蝕膜との間に配置される、液体噴射ヘッド。
液体を収容する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、
前記振動板を振動させる圧電素子と、
前記振動板の前記圧力室側の面上に配置される補強膜と、を有し、
前記振動板の領域であって前記圧電素子により振動する振動領域は、前記振動板の厚さ
方向から見る平面視で、長手形状をなし、
前記補強膜は、第１膜厚の第１部分と、前記第１部分よりも前記振動領域の長手方向で
の中央に近い位置に配置され、前記第１膜厚よりも厚い第２膜厚の第２部分と、を有し、
前記圧力室の壁面上に配置され、前記液体に対する耐性が前記振動板よりも高い耐蝕膜
を有し、
前記補強膜は、前記圧力室の壁面と前記耐蝕膜との間に配置される、液体噴射ヘッド。
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッドを有する、液体噴射装置。