(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子は、個別電極と、共通電極と、前記個別電極と前記共通電極とで挟むように設けられた圧電体層と、を含み、
前記圧電素子の間の領域の前記共通電極は、前記圧電素子の長手方向における端部から内側に向かって前記共通電極の膜厚が漸次厚くなる湾曲状に切り欠き部が形成され、前記圧電素子に対応する前記共通電極には切り欠き部が形成されていないことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
前記個別電極が上電極で、前記共通電極が下電極であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の変位を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。特に、インク滴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、この振動板の表面に形成した圧電素子の変位によりインク滴を吐出させる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並びにインクジェット式記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インク滴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滴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ーを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエーターを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、振動板の表面全体にわた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。
【０００６】
そして、このような圧電素子は、下電極としての第１電極を複数の圧電素子に亘って連続して設けて共通電極とし、上電極としての第２電極を各圧電素子の個別電極として、この下電極と上電極との間に選択的に電圧を印加することによって所望の圧電素子を駆動させるようになっている。
このような圧電素子では、下電極が圧電素子の並んでいる方向で、圧電体層及び上電極と圧力発生室とが相対向する領域の外側まで延設された構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
共通電極は、圧電素子の長手方向の幅が、複数の圧電素子にわたって同一幅で形成され、この幅方向の端部は、圧力発生室に相対向する領域内に設けられている。また、圧電体層及び上電極は、その長手方向が共通電極の端部よりも外側に延設されており、圧電体層及び上電極の長手方向の一端側は、圧力発生室の外側まで延設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１１４４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電素子では、液体噴射に必要となる所望の変位量を得るためには、圧電素子に高電圧を印加しなければならず、電力を消費しやすいという課題がある。本発明は、このような事情に鑑み、さらに変位量を向上させた圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の第１の様態は、共通電極と、前記共通電極上に設けられた複数の圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた上電極と、を備えた圧電素子であって、前記圧電体層の間の前記共通電極の端部に切り欠き部が形成されていることを特徴とする圧電素子にある。
第１の様態によれば、切り欠き部には共通電極がないので、圧電素子に加わる共通電極による拘束力が弱くなり、同じ電圧を印加した場合に変位量を増加させることができる。したがって、液体噴射に必要となる変位量を得るために印加する電圧が下がり、低消費電力の圧電素子が得られる。
【００１２】
第２の様態は、第１の様態において、前記切り欠き部は、前記共通電極の前記端部から内側に向かって前記共通電極の膜厚が漸次厚くなる湾曲状に形成されていることが望ましい。
第２の様態によれば、上電極と共通電極とで挟まれた圧電素子の駆動部と、非駆動部との間の応力集中を、湾曲した形状及び、共通電極の端部における膜厚が漸次に変化する構造から、好適に緩和できるため、クラックなどの不良を排除し信頼性を向上させるという効果を得ることができる。
【００１３】
第３の様態は第１又は第２の様態の圧電素子を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
第３の様態によれば、変位量が向上し低消費電力で駆動できる液体噴射ヘッドを実現できる。
【００１４】
第４の様態は第３の様態の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
第４の様態によれば、変位量が向上し低消費電力で駆動できる液体噴射装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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分解斜視図。
【図２】インクジェット式記録ヘッドの要部拡大平面図。
【図３】インクジェット式記録ヘッドの断面図。
【図４】インクジェット式記録ヘッドにおける共通電極の端部の拡大断面図。
【図５】実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドにおける共通電極の端部の拡大断面図。
【図６】インクジェット式記録装置の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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１の分解斜視図であり、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、要部拡大平面図である。図３（ａ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００１７】
図１において、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方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０．５μｍ〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００１８】
流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が並設され、圧力発生室１２の長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となる図３に示したリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。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。
【００１９】
また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられた保護膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が常温下で接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１ｍｍ〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば、２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス又はステンレス鋼（ＳＵＳ）などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。
【００２０】
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、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。
さらに、この絶縁体膜５５上には、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．２μｍの共通電極６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極８０とが積層形成されて圧電素子３００を構成している。
【００２１】
ここで、圧電素子３００は、下電極としての共通電極６０、圧電体層７０及び上電極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という。本実施形態では、共通電極６０を各圧力発生室１２と相対向する領域に亘って連続して形成することにより、複数の圧電素子３００の共通電極とし、圧電体層７０及び上電極８０を各圧力発生室１２に対応して設けることにより上電極８０を各圧電素子３００の個別電極とした。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエーターと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び共通電極６０が振動板として作用する。
【００２２】
ここで、共通電極６０は、圧電素子３００の長手方向の幅が、複数の圧電素子３００に亘って略同一幅で形成され、この幅方向の端部は、圧力発生室１２に相対向する領域内に設けられている。
また、圧電体層７０及び上電極８０は、長手方向が共通電極６０の端部よりも外側に延設されており、圧電体層７０及び上電極８０の長手方向の一端側は、圧力発生室１２の外側まで延設されて、この延設された一端部に詳しくは後述する引き出し配線であるリード電極９０が設けられている。
【００２３】
また、圧電素子３００の間の領域の共通電極６０の端部には、図２及び図３に示すように、圧電素子３００の長手方向に切り欠き部６１が形成されている。
図４に、共通電極６０の端部の拡大断面図を示した。
図４において、切り欠き部６１では、共通電極６０が取り除かれている。このような構成とすることにより、切り欠き部６１には共通電極６０がないので、圧電素子３００に加わる共通電極６０による拘束力が弱くなり、同じ電圧を印加した場合に変位量を増加させることができる。したがって、インク吐出に必要となる変位量を得るために印加する電圧が下がり、低消費電力の圧電素子３００を提供することができる。
【００２４】
なお、切り欠き部６１は、共通電極６０の圧電素子３００の長手方向の両端部に設けるようにするのが好ましい。
また、切り欠き部は、共通電極６０を取り除いたものでなく、共通電極６０の一部を絶縁体膜５５側に残した切り欠き部であってもよい。
【００２５】
共通電極６０の端部における切り欠き部６１は、共通電極６０を形成した後、所定形状に共通電極６０をパターニングする際に、同時に形成することで容易に得られる。
【００２６】
または、共通電極６０を形成した後、その上に圧電体層７０を厚さが例えば０．１μｍ形成し、その後、共通電極６０と圧電体層７０を所定形状にパターニングする。次いで圧電体層７０を厚さがたとえば１μｍになるようにさらに形成し、その上に上電極８０を形成する。
次に、上電極８０と圧電体層７０をドライエッチングによりパターニングして圧電素子３００を形成する。この際にドライエッチングを過剰に行うことで、共通電極６０とそれ以外の圧電体層７０の膜厚の違いにより、内側に切り欠き部６１を容易に形成することも可能である。
【００２７】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、共通電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が、図３に示した接着剤３４を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述の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１００を構成している。
【００２８】
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、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３２が設けられている。この圧電素子保持部３２は、複数の圧電素子３００を一体的に覆う大きさで形成されており、各圧電素子３００は、この圧電素子保持部３２内に配置されている。これにより、各圧電素子３００は外部環境の影響を殆ど受けない状態に保護されている。なお、圧電素子保持部３２は、必ずしも密封されている必要はない。
【００２９】
このような保護基板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。
【００３０】
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００の上電極８０から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００３１】
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１１０が固定されている。この駆動回路１１０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、図３に示すように、駆動回路１１０と貫通孔３３内に露出したリード電極９０の端部近傍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１１１を介して電気的に接続されている。
【００３２】
また、このような保護基板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によってリザーバ部３１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、リザーバ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。
【００３３】
また、図３において、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形成されている。さらに、保護基板３０には、インク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３５が設けられている。
【００３４】
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と接続したインク導入口４４からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たす。その後、駆動回路１１０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共通電極６０と上電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、共通電極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。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態では、共通電極６０の端部の切り欠き部６２の形状が実施形態１と異なること以外は、実施形態１と同様である。
図５に、本実施形態における共通電極の端部の拡大断面図を示した。
図５において、切り欠き部６２は、共通電極６０の端部から内側に向かって共通電極６０の膜厚が漸次厚くなる湾曲状に形成されている。このような形状とすることで、実施形態１での効果に加えて、上電極８０と共通電極６０とで挟まれた圧電素子３００の駆動部と、非駆動部との間の応力集中を、湾曲した形状及び、共通電極６０の端部における膜厚が漸次に変化する構造から、好適に緩和できるため、クラックなどの不良を排除し信頼性を向上させるという効果を得ることができる。
【００３６】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、インクジェット式記録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。例えば、上述した実施形態１では、共通電極６０の圧電素子３００の長手方向の幅を圧力発生室１２に相対向する領域内に設けるようにしたが、特にこれに限定されず、共通電極６０の幅が圧力発生室１２の外側まで延設されていてもよい。このような場合であっても、共通電極６０に内側に切り欠き部６１を形成することによって、圧電素子にかかる拘束力が弱まり、変位量を向上させた圧電素子を提供することができる。
【００３７】
また、例えば、上述した実施形態では、保護基板３０に圧電素子保持部３２を設け、この圧電素子保持部３２内に圧電素子３００を形成するようにしたが、これに限定されず、保護基板３０に圧電素子保持部３２を設けなくてもよい。この場合には、圧電素子３００の表面をアルミナなどの無機材料からなる保護膜によって覆い、水分（湿気）に起因する圧電体層７０の破壊を防止するようにすればよい。勿論、保護膜により覆われた圧電素子３００を圧電素子保持部３２内に設けるようにしてもよい。
【００３８】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドは、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ヘッド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。
【００３９】
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上を搬送されるようになっている。
【００４０】
なお、上述した実施形態では、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（面発光ディスプレイ）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。
【符号の説明】
【００４１】
１０…流路形成基板、１２…圧力発生室、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、３０…保護基板、３１…リザーバ部、３２…圧電素子保持部、４０…コンプライアンス基板、６０…下電極としての共通電極、６１…切り欠き部、６２…切り欠き部、７０…圧電体層、８０…上電極、９０…リード電極、１００…リザーバ、１１０…駆動回路、１１１…接続配線、３００…圧電素子。
【図１】
0005849407.tif 000002
【図２】
0005849407.tif 000003
【図３】
0005849407.tif 000004
【図４】
0005849407.tif 000005
【図５】
0005849407.tif 000006
【図６】
0005849407.tif 000007