(57)【要約】      （修正有）【課題】高集積化しても吐出特性のばらつきを抑えた効率の良い低コストの液滴吐出ヘッドを提供する。【解決手段】ノズルに連通し個別に区切られた複数の液室と、液室の一部を構成する振動板と、振動板上に形成される圧電素子とからなるアクチュエータに電圧を印加して液滴吐出ヘッドにおいて、液室の幅Ｘが２０〜３５［μｍ］の範囲であり、振動板は下記（1）式と（２）式に囲まれた等価剛性を有する。Ｙ＝０．３２Ｘ−４．２（１）、Ｙ＝２．７Ｘ＋２６．７（２）。ここで、等価剛性は、振動板を構成する各層を均一材とみなしたヤング率を等価ヤング率Ｅとし、等価ヤング率Ｅと振動板を構成する各層の厚さの合計ｔの３乗とをかけたＥｔ３とする。【選択図】図１０
2014172295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルに連通し個別に区切られた複数の液室と、該液室の一部を構成する振動板と、該振動板上に形成される圧電素子とを備え、該圧電素子に電圧を印加して該振動板を変位させ該液室に圧力を発生させることにより、該液室のノズルから液体を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、
上記液室の液室の幅が２０〜３５［μｍ］の範囲であり、該液室の幅をＸ軸にとり、上記振動板の等価剛性をＹ軸にとると、該振動板は下記（1）式と（２）式に囲まれた等価剛性を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
Ｙ＝０．３２Ｘ−４．２      （１）
Ｙ＝２．７Ｘ＋２６．７      （２）
ここで、等価剛性は、振動板を構成する各層を均一材とみなしたヤング率を等価ヤング率Ｅとし、等価ヤング率Ｅと振動板を構成する各層の厚さの合計ｔとの３乗とをかけたＥｔ３とする。
【請求項２】
請求項１の液滴吐出ヘッドにおいて、上記振動板の等価剛性のばらつきの範囲は、上記液室に発生する圧力のピークを含み、かつ、該等価剛性の中心値は該圧力のピークを発生させる等価剛性値より大きいことを特徴とする液滴吐出ヘッド
【請求項３】
媒体を搬送しながら、液体吐出手段により吐出した液滴を前記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、前記液体吐出手段として請求項１または２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出する液滴吐出ヘッド、及び、その液滴吐出ヘッドを採用した画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタ、或いはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドによりインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する（単に液滴を吐出する）ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。
【０００３】
液滴吐出ヘッドとしては、ノズルに連通し個別に区切られた複数の液室の一壁面を振動板で形成し、振動板上に圧電体からなる圧電素子を配置したピエゾ型のアクチュエータを用いるものが知られている。この液滴吐出ヘッドでは、圧電素子に電圧を印加して変形させ、この変形により振動板を変位させることで液室内に圧力を発生させてノズルから液滴を吐出する。この液滴吐出ヘッドでは、液室内に発生する圧力に対して、ピエゾ型のアクチュエータを構成する振動板の厚さＴｖ、圧電体の厚さＴｐ、液室の幅（振動板幅）Ｗが密接な関係を有している。
【０００４】
特許文献１、２には、液室内に目標とする圧力を発生させるための、液室の幅（振動板幅）Ｗ、振動板の厚さＴｖ、圧電体の厚さＴｐの好ましい条件が記載されている。
特許文献３には、振動板の変形が他の液室に及ぼすクロストークの影響が無いようにアクチュエータを構成する振動板の厚さとそのヤング率、圧電体の厚さとそのヤング率、及び液室の幅を適切な値に設定したものが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、インクジェット記録装置は、高画質、低価格、高速対応性（ノズルの数を増減することにより、速いプリンタから遅いが安いプリンタまで対応ができる）が評価されて普及が進んでおり、より一層の画質向上と高速対応性が要求されてきている。これに伴い液滴吐出ヘッドの高集積化が望まれている。高集積化のためには液室を高密度化するよう液室の幅（振動板幅）Ｗを従来よりも小さくする必要がある。
【０００６】
しかしながら、液室の幅（振動板幅）を従来よりも小さくすると、振動板の変位量が小さくなり効率よく圧力を発生させることが難しい。このため、省エネを実現する課題である低電圧駆動が難しくなる。また、振動板が有する厚みのばらつきが各液室内に発生する圧力に及ぼす影響が大きくなり、各液室の吐出特性がばらついて画像劣化を招く。このため、液室の幅を小さくして高集積化した液滴吐出ヘッドの製品化が難しい状況であった。
【０００７】
そこで、例えば６００ｄｐｉ以上の液滴吐出ヘッドの製品としては、液室の幅Ｗを従来と同じ大きさとした列を多列に並べて見かけ上の集積度を上げる方法が用いられている。しかしながら、多列で見かけ上の集積度を上げる方法はピエゾ型のアクチュエータの面積が大きくなる。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により、１枚のＳｉ基板に複数のアクチェータを構成する液室、振動板および圧電素子を形成し、個別のアクチュエータに切り分ける工法では、１枚のＳｉ基板からつくることのできるアクチュエータの数が少なくなる。このため、多列で見かけ上の集積度を上げた液滴吐出ヘッドは高コストとなってしまい、液室の幅を小さくして高集積化した低コストな液滴吐出ヘッドの製品化が望まれている。
【０００８】
ピエゾ型のアクチュエータを構成する振動板の厚さＴｖ、圧電体の厚さＴｐ、液室の幅Ｗが密接な関係を有している。また、液室内の発生圧力は振動板の厚さが薄くなるほど高くなる傾向にあることは、従来の知見である。しかし、その詳細な挙動についての深い検討はされていなかった。
【０００９】
特許文献１、２の液滴吐出ヘッドは、従来の液室の幅の範囲において、液室内に目標とする圧力を安定して発生させるため振動板の厚さＴｖ、圧電体の厚さＴｐを検討して好ましい条件に設定したものである。高集積化のために液室の幅（振動板幅）Ｗを従来よりも小さくした場合の検討はなされていない。
【００１０】
特許文献３の液滴吐出ヘッドは、振動板の変形が他の液室に及ぼすクロストークの影響が無いようにアクチュエータを構成する振動板の厚さとそのヤング率、圧電体の厚さとそのヤング率、及び液室の幅を適切な値に設定したものである。高集積化のために液室の幅（振動板幅）Ｗを従来よりも小さくした場合の検討はなされていない。
【００１１】
本発明は以上の背景に鑑みなされたものであり、その目的は、高集積化しても吐出特性のばらつきを抑えた効率の良い低コストの液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置を提供することである。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ノズルに連通し個別に区切られた複数の液室と、該液室の一部を構成する振動板と、該振動板上に形成される圧電素子とを備え、該圧電素子に電圧を印加して該振動板を変位させ該液室に圧力を発生させることにより、該液室のノズルから液体を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、
上記液室の幅が２０〜３５［μｍ］の範囲であり、該液室の幅をＸ軸にとり、上記振動板の等価剛性をＹ軸にとると、該振動板は下記（1）式と（２）式に囲まれた等価剛性を有することを特徴とするものである。
Ｙ＝０．３２Ｘ−４．２      （１）
Ｙ＝２．７Ｘ＋２６．７      （２）
ここで、等価剛性は、振動板を構成する各層を均一材とみなしたヤング率を等価ヤング率Ｅとし、等価ヤング率Ｅと振動板を構成する各層の厚さの合計ｔの３乗とをかけたＥｔ３とする。
【００１３】
本発明者らは、液室の幅を変化させて、振動板の厚さ、圧電体の厚さが液室内の発生圧力に与える影響を詳しく検討することで、新たな知見を得た。この知見に基づき、液室の幅を従来よりも小さくして高集積化する場合において、吐出特性のばらつきを抑えた効率の良いヘッドの条件を提示するものである。
【００１４】
以下、詳細に説明する。
本発明者らは、まず、圧電体の厚さなどの条件を一定とし、液室の幅（振動板幅）をパラメータとして、振動板の厚さを変化させた時の液室内の発生圧力について構造解析を繰り返して詳しく検討した。
【００１５】
図５は、各液室の幅（振動板幅）Ｗにおける、振動板の厚さＴｖと液室内の発生圧力Ｐの関係を示す模式図である。液室の幅Ｗの大きさ関わらず、振動板の厚さＴｖが薄くなるにつれ発生圧力Ｐは上昇するが、一定以下になると発生圧力Ｐは小さくなりピークを持つ。また、振動板の厚さＴｖが小さくなると、液室の幅Ｗが小さい方が、発生圧力Ｐが大きくなる領域がある。
【００１６】
ここで、本発明の着眼点は、従来の液室の幅Ｗが比較的大きい場合（５０〜７０［μｍ］）では、何れの振動板の厚さＴｖでもその変化に対し発生圧力Ｐの変動は緩やかである。これに対して、液室の幅Ｗが比較的小さい場合（３０〜４０［μｍ］）は、振動板の厚さＴｖの変化に対する発生圧力Ｐの変動は急であるが、振動板の厚さＴｖが薄い上記発生圧力Ｐのピークを有している領域ではそれ以外の領域よりも変動を小さくすることができる。例えば、図５の液室の幅（振動板幅）Ｗが３０［μｍ］では、振動板の厚さＴｖとして上記ピーク近傍の振動板の厚さＴｖ１を選択し、製作誤差としてΔＴｖのばらつきを有すると、発生圧力ＰはΔＰ１の変動が発生する。一方、振動板の厚さＴｖとして上記ピークよりも離れたＴｖ２を選択すると、同じ振動板の厚さのばらつきΔＴｖでも発生圧力Ｐの変動はΔＰ２となりΔＰ１よりかなり大きくなる。
すなわち、液室の幅Ｗが比較的小さい場合は、液室の幅Ｗが比較的大きい場合に較べて、振動板の厚さＴｖの設定により発生圧力Ｐのバラツキ、発生圧力Ｐの大きさが大きく変化する。液室の幅Ｗが比較的を小さい場合は、振動板の厚さＴｖとして上記ピーク近傍の領域を用いることで、振動板の厚さＴｖの変化に対する発生圧力Ｐの変動を抑えつつ、所望の圧力を効率よく得ることができる。
【００１７】
さらに、本発明は、このような新たな知見を汎用化した。具体的には、振動板は単層構成もあるが、多くは多層の積層構成であるため、積層構成の振動板を、後述のようにモデル化した。そして、振動板を構成する各層を均一材とみなしたヤング率から等価ヤング率Ｅを求め、等価ヤング率Ｅと振動板を構成する各層の厚さの合計ｔの３乗をかけた等価剛性Ｅｔ３を用いる。本発明で提案した、液室の幅Ｗと等価剛性Ｅｔ３の関係を示す（１）式および（２）式に囲まれた領域は、上記ピーク近傍の振動板の厚さに該当する領域である。さらに、圧電体の厚さＴｐの影響の検討を行い、圧電体の厚さＴｐが変わっても等価剛性Ｅｔ３に対する発生圧力Ｐのピーク位置はほぼ同一であるという知見を得た。
【００１８】
以上より、液室の幅Ｗが小さい場合も、（1）式と（２）式に囲まれた等価剛性を有する振動板を用いることで、発生圧力のばらつきを少なくし十分な圧力を確保することができる。これより、液室の幅を小さくして高集積化しても吐出特性のばらつきを抑えた効率の良い液滴吐出ヘッドを提供できる。また、液室の幅を小さくせずに多列で見かけ上の集積度を上げる液滴吐出ヘッドに較べて小面積となり、低コストとなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高集積化しても吐出特性のばらつきを抑えた効率の良い低コストの液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置を提供できるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの長さ方向断面図。
【図３】本実施形態に係るアクチュエータ部の幅方向断面の要部拡大図。
【図４】本実施形態に係るアクチュエータ部の他の例の幅方向断面の要部拡大図。
【図５】振動板の厚さＴｖと発生圧力Ｐの関係を示す模式図。
【図６】等価ヤング率のモデル図。
【図７】等価ヤング率のモデル図。
【図８】等価剛性Ｅｔ３と液室内の発生圧力Ｐとの関係を示すグラフ。
【図９】等価剛性Ｅｔ３のバラツキによる液室内の発生圧力の変動を示すグラフ。
【図１０】良好な吐出特性を得るための液室の幅Ｗと等価剛性の範囲を示すグラフ。
【図１１】圧電体の厚さｔによる液室内の発生圧力Ｐのピーク位置をしめすグラフ。
【図１２】本実施形態の液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部をＭＥＭＳ工程で製作する図。
【図１３】本実施形態に係るインクジェット記録装置の一例の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下「実施形態」という）について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。液滴吐出ヘッド５０は、主に、ノズル板１３、アクチュエータ基板３０、バッキングプレート１６、ダンパプレート１７、ハウジング１９、及び、ノズルカバー２８等を含んで構成されている。また、記録画像に応じてインクジェット記録装置の制御部からの電気信号をアクチュエータ基板３０に伝達するＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）２９を有している。なお、図１中に、液滴吐出ヘッド５０の幅方向及び長さ方向をしめす。
【００２２】
図２は、液滴吐出ヘッドの長さ方向断面図である。
ノズル板１３は、複数個のノズル１４が並んだノズル列を複数有している。
アクチュエータ基板３０は、以下のように構成される。各ノズル１４に連通する個別の液室２の側壁部を形成する液室基板１上に、液室２の一壁面を形成する振動板６を積層し、振動板６上に下部電極１０、圧電体８、上部電極９を順次積層した圧電素子を形成し、ピエゾ型のアクチュエータ２２を形成する。また、振動板６上には、インクジェット記録装置の制御部からＦＰＣ２９を介して伝達された信号に基づき、アクチュエータ２２を駆動する駆動ＩＣ１２を設置する。さらに、振動板６上にアクチュエータ２２の変位を阻害しないような空間部１１を有する補強基板７を接合して、アクチュエータ基板３０（図１参照）を形成する。
【００２３】
このアクチュエータ基板３０の液室基板１側にノズル板１３を接合し、補強基板７上にバッキングプレート１６、ダンパプレート１７、ハウジング１９を順次接合する。このような接合による積層構造で、液滴吐出ヘッドの共通液室１５、各液室２及びインク供給路を形成する。ノズルカバー２８（図１参照）は、ノズル板１３に配置されたノズル１４を露出開口して、液滴吐出ヘッド５０の周縁部を覆うように配置されている。記録画像に応じてインクジェット記録装置から伝達される電気信号がＦＰＣ２９を介して駆動ＩＣ１２に伝達され、駆動ＩＣ１２が電気信号に応じて各液室に対応するアクチュエータ２２の上部電極９に駆動電圧を供給する。そして、アクチュエータ２２の圧電体８によって変換された機械振動が振動板を介して液室２内のインクに圧力を発生させ、ノズル１４から記録用紙に高精度にインクが吐出される
【００２４】
以下、各構成部材について説明する。
ノズル板１３は、樹脂又は金属で構成され、複数のノズル１４を有している。
【００２５】
液室基板１はガラスまたは薄い金属板の積層体、好ましくはシリコン基板で作られており、個別の液室２が形成される。液室基板１は複数の液室の並び方向を区画する隔壁部２１を備えている（図３参照）。振動板６はＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＰＳ(ポリシリコン)、ＳｉＯＮなど比較的ヤング率が高い材料が使われ、液室基板１をエッチングして液室２を形成するときのエッチングストップ層として使われる。振動板６および液室基板１にはインク供給路として供給口４が形成されている。また、液室基板１の供給口４から液室２までの間には、インク供給路の断面積を絞って液体の流れを制限する流体抵抗３を設けている。
【００２６】
下部電極１０の材料としては、例えばＡlまたはＡｌ合金が挙げられる。圧電体８の材料としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニア（Ｚｒ）等の金属を含むチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）があげられる。上部電極９の材料としては、Ａｕ、などをスパッタ等の工法で形成する。下部電極１０、圧電体８、上部電極９の各層は所望の形状にパターニングされる。
【００２７】
駆動ＩＣ１２は、複数のノズル列に対応するアクチュエータ２２列の間の振動板６上に設置される。上部電極９から個別に引き出された配線部材（不図示）により形成した電極にフリップチップ工法等により電気的に接続されている。
【００２８】
補強基板７はガラス、シリコン基板、金属板などで構成され、供給口４に連通する導入口５と駆動ＩＣに接触しない程度の開口部２０及び、アクチュエータ２２を覆う空間部１１を備え、液室基板１に形成された振動板６と接合される。
【００２９】
補強基板７には共通液室１５を形成するバッキングプレート１６（薄い金属板等の積層構成）、及び、ダンパフィルム１７ａとプレート１７ｂとを接合したダンパプレート１７が接合されている。プレート１７ｂには共通液室１５と対応した位置に空気室１８を形成する穴が形成され、ダンパフィルム１７ａの反対側には共通液室１５に連通する液体供給口（不図示）が形成されたハウジング１９が接合されている。
【００３０】
このような液滴吐出ヘッド５０の吐出特性を安定させるには、インク滴の吐出速度を一定以上の速度で安定に確保し、かつ、インク滴の吐出体積を一定以上の大きさで安定に確保することが必要である。そのためには、目標とする吐出体積に見合った振動板の変位量（排除体積）を得て、液室内の発生圧力のばらつきを少なくし十分な圧力を確保することが重要である。また、省エネを実現するために、液室内の圧力を効率よく発生させることは低電圧駆動につながり重要である。
【００３１】
次に、本実施形態の特徴部について説明する。
近年、インクジェット記録装置のより一層の画質向上と高速対応性が要求されており、これに伴い液滴吐出ヘッド５０の高集積化が必要となっている。図３は、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部の幅方向拡大図である。上記液滴吐出ヘッド５０の高集積化のため液室２を高密度化するよう液室の幅（振動板幅）Ｗを従来よりも小さく形成する必要がある。従来の液滴吐出ヘッドでは液室の幅Ｗが５０〜７０［μｍ］であったが、例えば、６００ｄｐｉ対応の液滴吐出ヘッドでは、液室の幅Ｗは２０〜３５［μｍ］とする必要がある。
【００３２】
しかしながら、液室の幅Ｗを従来（５０〜７０［μｍ］程度）よりも小さくすると、振動板６の変位量が小さくなり、液室２内に目標とする圧力を効率よく発生させることができない。このため、省エネを実現する重要な課題である低電圧駆動が難しくなる。また、液室の幅Ｗを小さくすると、振動板６の厚みのばらつきが各液室２内に発生する圧力Ｐの大きさに及ぼす影響が大きくなり、各液室２の吐出特性がばらつき、記録される画像を劣化させるという不具合が発生し、製品化が難しい状況であった。
【００３３】
液室２内に発生する圧力に影響する要素は圧電体８の圧電定数とその厚さ及び大きさ（面積）、液室構造（液室の幅、高さ、長さ、振動板の厚さとそのヤング率など）などである。その中でも、振動板６、下部電極１０、圧電体８、上部電極９とで構成されるアクチュエータの構造が重要である。具体的には、振動板の厚さＴｖ、液室の幅（振動板幅）Ｗ、圧電体の厚さＴｐが液室２内に発生する圧力Ｐに対し密接な関係があることが知られているが、その詳細についての深い検討はされていなかった。
【００３４】
本発明者らは、液室の幅Ｗを変化させて振動板の厚みＴｖが液室内の発生圧力Ｐに与える影響を詳しく検討することで、振動板の厚みと液室内の発生圧力とに関して新たな知見を得た。この知見に基づき、液室の幅Ｗを従来よりも小さくした場合においても、液室２内の発生圧力Ｐのばらつきを少なくし十分な圧力を確保できる振動板の厚みの領域を提示する。さらに、その領域における圧電体の厚さＴｐの液室２に発生する圧力Ｐに与える影響を詳しく検討することで、吐出効率の良好なる領域を提示するものである。
【００３５】
以下、詳細に説明する。
駆動電圧、圧電体の厚さＴｐなど諸条件を一定にした時の液室の幅（振動板幅）Ｗをパラメータにして振動板の厚さＴｖを変化させた時の液室に発生する圧力Ｐとの関係を検討した。振動板の厚さＴｐが薄くなるほど発生圧力は高くなる傾向にあることは従来からの知見であるが、さらに詳細に構造計算を繰り返すことにより、新たなことがわかった。液室の幅（振動板幅）Ｗの大きさに関わらず、振動板の厚さＴｖが薄くなるにつれ発生圧力Ｐは上昇するが、一定以下になると発生圧力Ｐは小さくなりピークを持つことが分った。さらに振動板の厚さＴｖが一定以下になると液室の幅（振動板幅）Ｗの小さい方が発生圧力Ｐが高くなる領域があることが分った。この関係を模式的であるが、図５に示す。
【００３６】
ここで、本件発明の着目点は、液室の幅（振動板幅）Ｗが広い領域、例えば５０〜７０［μｍ］では振動板の厚さＴｖの変化に対し、発生圧力Ｐの変動は緩やかである。一方、液室の幅Ｗが小さい領域、例えば振動板幅４０［μｍ］、３０［μｍ］では振動板の厚さＴｖの変化に対する発生圧力Ｐの変動は大きいことがわかる。ただし、振動板の厚さＴｖが薄くなるにつれ発生圧力Ｐは大きくなるが、さらに薄くなると発生圧力Ｐは小さくなる領域がある。例えば、図５の振動板幅３０［μｍ］のグラフで見ると、発生圧力Ｐは、振動板の厚さＴｖ１の製作誤差としてΔＴｖばらつくとΔＰ１の変動が発生する。振動板の厚さＴｖの選択を他の領域であるＴｖ２を選択すると、同じ振動板の厚さのばらつきΔＴｖでも発生圧力の変動はΔＰ２となりΔＰ１よりかなり大きくなる。グラフの傾向から明らかなように、振動板の厚さＴｖの設定により発生圧力のバラツキ、発生圧力の大きさに大きな影響を与えることがわかった。
【００３７】
特に注意をすることは、発生圧力Ｐのピークを振動板の厚さＴｖの設計値に選択することが最良とはいえないことである。振動板の厚さＴｖが一定以下に薄くなると、図５で明らかなように発生圧力Ｐの減少傾向が急な領域があり、製作誤差ΔＴｖでの発生圧力Ｐのバラツキが大きくなる場合がある。したがって、図５に示すＴｖ１のように発生圧力Ｐのピークから少し厚い方にずれた膜厚Ｔｖ１を選択することが発生圧力のバラツキを最小限にすることができる。（同様のことは、後述の図９の等価剛性においても説明できる。）
【００３８】
本発明は、吐出特性に及ぼす影響の大きさが少ない液室の幅Wと振動板の厚さＴｖの組み合わせを明らかにし、アクチュエータの特性を維持しつつ吐出特性のバラツキを押さえ、量産性を向上したものである。さらに、その時の圧電体の厚さＴｐの吐出特性に及ぼす影響も明らかにし、吐出効率の良好なる領域を明らかにするものである。
【００３９】
上述の示した考えを基に、汎用性を持たすため、以下の一定の条件での構造計算を実施した。
液滴吐出ヘッド５０の振動板６は１層の場合もあるが、通常複数の材料の層が積層されて形成される。例えば、液室２の側から保護膜としてＳｉＯ２膜、本来の振動板膜としてＰＳ(ポリシリコン)膜、さらに保護膜のＳｉＯ２膜の３層構成として形成される。この３層構成の各材料のヤング率を合成し等価ヤング率で表す。等価ヤング率とは３層を総層厚ｔの均一材とみなした場合のヤング率を言う。さらに振動板６の初期応力を制御するために、材料としてＳｉＮ膜や、電極としてのＰｔ膜、Ｔｉ膜なども加えた多層膜として使う場合もある。
【００４０】
具体的には積層板を、以下のようにモデル化する（図６、図７参照）。
・積層板の軸（長さ）方向にＸ軸、幅（並び）方向にＹ軸、厚み方向にＺ軸をそれぞれ定義し、長さをｌ、幅をＷとする（一般的な液滴吐出ヘッドにおいては、液室長手方向がＸ、液室の幅方向がＹに相当する）。
・層数はｎとする。
・第ｉ層の境界を第ｉ境界、第ｉ＋１境界と定義する。すなわち、Ｚ軸方向にＺｉからＺｉ＋１までの領域が第ｉ層を形成する。また、積層板総厚みはＺｎ＋１−Ｚ１となる。
図６、図７に示す積層板において、奥行き(Ｘ)方向に一様となる２次元的な曲げを考える場合、中立軸位置ｚ、曲げ剛性ＥＩ、および等価ヤング率Ｅ、はそれぞれ
【数１】
2014172295.tif 000003
【数２】
2014172295.tif 000004
【数３】
2014172295.tif 000005
と表される。これらは、応力ベクトルが常にＹ−Ｚ面に平行となる平面応力状態に対応するものであり、実際の液滴吐出ヘッドの振動板を構成する積層板では、奥行き寸法の比較的小さなものに相当する。
【００４１】
この考えに基づき、例えば、ヤング率７０［Ｇｐａ］、厚さ０．２［μｍ］のＳｉＯ２、ヤング率１９０［ＧＰａ］、厚さ１．２５［μｍ］のＳｉ、ヤング率７０［Ｇｐａ］、厚さ０．６［μｍ］のＳｉＯ２の３層の積層体で構成した振動板６の等価ヤング率を計算する。この振動板６の総層厚ｔ＝２．０５［μｍ］、等価ヤング率Ｅは１０１．３［Ｇｐａ］となる。
一般的に、液滴吐出ヘッド５０のアクチュエータ２２は、図３に示すように液室２の一部を構成し、液室２に接触する振動板６とその上部（液室と反対方向）に順次、下部電極１０と圧電体８と上部電極９とを積層形成したものが基本構成となる。この基本構成に加えて、例えば、図４に示すように液体に接触する振動板を保護する接液膜２３、振動板６と下部電極１０の密着性を高める密着層２４、さらに圧電体８の鉛抜けを防止するバリヤ層２５、２６、電極を保護する保護層２７等を形成する場合がある。これらの層は通常、必要最小限の厚さとして、通常１０［ｎｍ］から１００［ｎｍ］程度で構成される。したがって、これらを等価ヤング率として合算するかどうかは基本構成の等価ヤング率の大きさと比較して無視できるかどうか随時決めても良い。
【００４２】
さらに、振動板６の剛性を表す指標として上記の等価ヤング率Ｅと振動板の厚さｔより、等価ヤング率と振動板を構成する各層の厚さの合計の３乗をかけた等価剛性Ｅｔ３を求めた。図８は、Ｘ軸を振動板６の等価剛性はＥｔ３として、発生圧力Ｐを計算したグラフである。これによると、図５で示したと同じように、等価剛性Ｅｔ３が小さくなるにつれ、発生圧力Ｐは大きくなるが、さらに等価剛性Ｅｔ３が小さくなると発生圧力も減少していく。図５と同じ説明になるが、図９でＡ点とＢ点の等価剛性Ｅｔ３を持つように、振動板の厚さＴｖ、ヤング率Ｅの設計値を決める場合、発生圧力のバラツキをΔＰ以下と設定すると、Ａ点ではΔＳ１、Ｂ点ではΔＳ２の等価剛性Ｅｔ３のバラツキを許容できる。明らかにΔＳ１＞ΔＳ２であるから、Ａ点を等価剛性Ｅｔ３の設計値に選べば、非常に発生圧力のばらつきが少ない振動板の厚さ、ヤング率を選定できることになる。
【００４３】
例えば、図９のＡ点は等価剛性がＥｔ３＝７３［Ｇｐａ・μｍ３］とすると、等価ヤング率Ｅが１００ＧＰａの時、振動板の厚さｔは０．９［μｍ］となる。この振動板の厚さｔが±０．１［μｍ］ばらつくと、等価剛性として１００［Ｇｐａ・μｍ３］〜５１．２［Ｇｐａ・μｍ３］までばらつくが、発生圧力のばらつきは１００［ｋＰａ］以下となる。経験上、この範囲であれば、良好な吐出特性が得られる。
また、例えば、等価剛性が同じくＥｔ３＝７３［Ｇｐａ・μｍ３］であって、等価ヤング率が２００［ＧＰａ］の材料で振動板を形成した場合は振動板の厚さｔは０．７［μｍ］とすることにより、発生圧力のバラツキを押さえた良好な吐出特性となる。
【００４４】
図９では振動板幅がＷ＝３５［μｍ］の場合であるが、図８から各々の振動板幅の場合のＡ点を計算し、発生圧力のバラツキが１００［ｋＰａ］以下の範囲をプロットすると図１０に示すグラフになる。Ｘ軸に液室の幅、Ｙ軸に等価剛性を取っている。各液室の幅の点を結ぶ回帰式であらわすと（１）及び（２）になる。
Ｙ＝０．３２Ｘ−４．２      （１）
Ｙ＝２．７Ｘ＋２６．７      （２）
本発明は液室の幅（振動板幅）Ｗが２０［μｍ］から３５［μｍ］の間で回帰式（１）及び（２）に囲まれた範囲に等価剛性Ｅｔ３［Ｇｐａ・μｍ３］を設定する。これにより、高集積ヘッドであっても発生圧力のバラツキが小さい高出力の液滴吐出ヘッドを得ることができ、安定した吐出特性の液滴吐出ヘッドにより高画質の画像形成装置を提供できる。
【００４５】
さらに、圧電体の厚さＴｐを変化させて、液室２内の発生圧力Ｐを検討することで、ピーク位置の等価剛性Ｅｔ３は圧電体の厚さＴｐが変わってもほぼ同一であることがわかった（図１１）。つまり、図８のグラフの発生圧力のピーク位置は圧電体の厚さＴｐが変化してもほぼ同じであり、等価剛性のバラツキ範囲にほとんど影響しないと思われる。ただし、発生圧力Ｐそのものは圧電体の厚さＴｐに大きく依存し、例えば、振動板幅Ｗ＝３０［μｍ］ではＴｐ＝０．５［μｍ］程度が最も発生圧力が大きく、それより厚くても薄くても発生圧力は減少することがわかった。
【００４６】
次に、本実施形態の液滴吐出ヘッド５０のアクチュエータ基板３０（図１参照）を、アクチュエータウェハと補強基板ウェハのウェハレベルで接合しすることにより製造する場合について説明する。
図１２は、アクチュエータ基板３０製造する際、ウェハレベルで接合する模式図である。
シリコン基板上に複数のアクチュエータ２２を形成したアクチュエータウェハ３１と、同じくシリコン基板上に複数の補強基板７を形成した補強基板ウェハ３２がそれぞれ対応する位置に位置決めされ、接合される。なお、駆動ＩＣ１２のフリップチップ接合はウェハ接合の前工程でも後工程でも良いが、量産性、フリップチップの歩留まりを考慮すると好ましくは前工程で接合すると良い。ウェハ接合後、液体吐出チップ３３にダイシングし、図１に示すアクチュエータ基板３０（アクチュエータ＋補強基板）が製作される。
このようにウェハレベルで接合することにより、あらかじめ切断された個々の部品を接合する工程を省略でき、組立工程を簡略化し、コストダウンに寄与できる
【００４７】
概略の全体プロセスとしては、以下のプロセスが好ましい。
１．シリコン基板（液室基板）に振動板形成
２．下電極、圧電体膜、上電極からなる圧電素子形成
３．絶縁層、コンタクトホール、配線部材の形成
４．駆動ＩＣのフリップチップ接合
５．支持基板ウェハの接合
６．液室基板の研摩（液室高さを所望の高さにするため）
７．液室、流体抵抗、液体導入口のエッチング
８．液体吐出チップにダイシング
【００４８】
次に、上記液滴吐出ヘッド５０を搭載する画像形成装置としてのインクジェット記録装置について説明する。
図１３は液滴吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置としてのライン型インクジェットプリンタ概略図である。ベルト駆動ローラ６４とベルト従動ローラ６３に巻回された搬送ベルト６５が図示しないモータにより駆動される。搬送ベルト６５の内側には搬送ベルトのガイドとしてプラテン６６が設置されている。給紙カセット６７に堆積されている記録紙６１は給紙ローラ６０により分離されガイド板６８に沿って給送される。
プラテン６６に対向する位置に、搬送ベルト６５に向かって噴射ができるようにインクジェットラインヘッドの各色（Ｂｋ、Ｃ、Ｍ、Ｙ）それぞれ５０Ｂｋ、５０Ｃ、５０Ｍ、５０Ｙが配設されている。これらのインクジェットラインヘッドは通常いくつかの短いインクジェットヘッド、例えば、本実施形態の図２に示すインクジェットヘッドを精度良く並べて紙幅以上の長さに構成されている。
【００４９】
さらに、記録紙に前処理を施す前処理ユニット５１を設けても良い。前処理ユニット５１は、例えば、記録紙６１上にインクを定着できる前処理液を塗布するユニットである。また、５５は記録紙６１に付着したインクを乾燥させる後処理ユニットである。剥し爪５６は搬送ベルト６５から記録紙６１を剥すように設置され、一対の排紙ローラ５７、５８に記録紙６１は送り込まれ、排紙カセット５９に堆積される。このように、小型、高集積、低コストのヘッドをアレイ化して構成するため、低コスト、高画質の画像形成装置を提供することができる。
【００５０】
なお、本発明の液滴吐出ヘッドは画像形成のみならず、３次元造形装置の液滴吐出ヘッドや、輸血や点滴などの輸液ポンプとして使えることは言うまでも無い。
【００５１】
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様ごとに特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
ノズル１４に連通し個別に区切られた複数の液室２と、液室２の一部を構成する振動板６と、振動板６上に形成される下部電極１０、圧電体８、上部電極９を積層形成した圧電素子とを備え、圧電素子に電圧を印加して振動板を変位させ液室に圧力を発生させることにより、液室のノズルから液体を吐出する液滴吐出ヘッド５０において、液室の液室の幅Ｘが２０〜３５［μｍ］の範囲であり、液室の幅をＸ軸にとり、振動板の等価剛性をＹ軸にとると、振動板は下記（1）式と（２）式に囲まれた等価剛性Ｙを有する。
Ｙ＝０．３２Ｘ−４．２      （１）
Ｙ＝２．７Ｘ＋２６．７      （２）
ここで、等価剛性は、振動板を構成する各層を均一材とみなしたヤング率を等価ヤング率Ｅとし、等価ヤング率Ｅと振動板を構成する各層の厚さの合計ｔの３乗とをかけたＥｔ３とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、高集積化しても吐出特性のばらつきを抑えた効率の良い低コストの液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００５２】
（態様Ｂ）
（態様Ａ）において、振動板の等価剛性のばらつきの範囲は、液室に発生する圧力のピークを含み、かつ、等価剛性の中心値は該圧力のピークを発生させる等価剛性値より大きい。上記実施形態について説明したように、等価剛性が圧力発生のピークから一定以下に小さくなると、発生圧力の減少傾向が急な領域があり、製作誤差ΔＴｖでの発生圧力のバラツキが大きくなる場合がある。したがって、発生圧力のピークから少し大きい方にずれた等価剛性の中心値を選択することで、発生圧力のバラツキを最小限にすることができる。
【００５３】
（態様Ｃ）
媒体を搬送しながら、液体吐出手段により吐出した液滴を前記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、前記液体吐出手段として（態様Ａ）または（態様Ｂ）の液滴吐出ヘッドを採用する。これによれば、高速化、高画質化が可能で、低コストの画像形成装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１    液室基板
２    液室
３    流体抵抗部
４    供給口
５    導入口
６    振動板
７    補強基板
８    圧電体
９    上部電極
１０    下部電極
１１    空間部
１２    駆動ＩＣ
１３    ノズル板
１４    ノズル
１５    共通液室
１６    バッキングプレート
１７    ダンパプレート
１９    ハウジング
２０    開口部
２１    隔壁
２２    アクチュエータ
２３    接液膜
２４    密着層
２５，２６    バリヤ層
２７    保護層
２８    ノズルカバー
３０    アクチュエータ基板
３１    アクチュエータウェハ
３２    補強基板ウェハ
３３    液体吐出チップ
５０    液滴吐出ヘッド
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５５】
【特許文献１】特開２０００−０８５１３３号公報
【特許文献２】特許４１３８４２０号公報
【特許文献３】特開２００６−１９２８９３号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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