(57)【要約】      （修正有）【課題】安定して均一に液滴を吐出可能な液滴吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液滴を吐出するノズル１０２が形成されたノズル板１０４と、ノズル板１０４に接合され、ノズル１０２に連通する個別液室１０８と、個別液室１０８に連通する液滴供給室１１０と、が形成された液室基板１０６と、液室基板１０６の、ノズル板１０４との接合面とは反対側の面に形成された振動板１１２と、振動板上の、個別液室１０８が形成されている領域に対応する範囲内に形成された圧電素子１２０とを有し、個別液室１０８は、ノズル１０２が形成された領域近傍の幅が、他の領域の幅よりも広く形成されており、ノズル１０２が形成された領域近傍に対応する圧電素子上には、少なくとも絶縁膜を含む補強部が形成されている、液滴吐出ヘッド。【選択図】図１
2015006758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルが形成されたノズル板と、
前記ノズル板に接合され、前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に連通する液滴供給室と、が形成された液室基板と、
前記液室基板の、前記ノズル板との接合面とは反対側の面に形成された振動板と、
前記振動板上の、前記個別液室が形成されている領域に対応する範囲内に形成された圧電素子と、
を有し、
前記個別液室は、前記ノズルが形成された領域近傍の幅が、他の領域の幅よりも広く形成されており、
前記ノズルが形成された領域近傍に対応する前記圧電素子上には、少なくとも絶縁膜を含む補強部が形成されている、
液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記補強部は、補強部は、前記圧電素子に電力を供給するための配線電極を含む、
請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記補強部は、前記絶縁膜と前記配線電極との積層構造を含む、
請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記ノズルが形成された領域近傍の前記個別液室の外周形状は曲面状である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記個別液室における、前記ノズルが形成された領域近傍の幅Ｈ１と、前記他の領域の幅Ｈ２との差、Ｈ１−Ｈ２は、Ｈ２に対して５％〜２０％の範囲内にある、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、画像形成装置に対する高画質化の要求に伴って、微小液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの高速化、高精細化、低コスト化等に関する研究開発が進められている。特に、液滴吐出ヘッドのノズル及びこのノズルに連通する個別液室の高集積化、高密度化に関する研究開発が進められている。
【０００３】
ノズルや個別液室の高集積化を進める場合、隣り合う個別液室間で相互干渉が発生する問題が知られており、この相互干渉の発生を低減しつつ、高集積化を実現する技術が求められている。
【０００４】
上記課題に対して、特許文献１には、ノズルの周辺部の隔壁の幅を狭くし、個別液室の幅を広くする構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の液滴吐出ヘッドの構成では、ノズル周辺の個別液室の幅のみを広くしており、ノズルの周辺領域とその他の領域とで、個別液室の幅が異なる。この個別液室の幅が広くなる箇所は、強度が相対的に弱くなるため、当該箇所に応力が集中しやすい。そのため、このような液滴吐出ヘッドを駆動させた場合、このノズルの周辺領域に対応する振動板が、破損することがある。
【０００６】
上記課題に対して、安定して均一に液滴を吐出可能な液滴吐出ヘッドを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
液滴を吐出するノズルが形成されたノズル板と、
前記ノズル板に接合され、前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に連通する液滴供給室と、が形成された液室基板と、
前記液室基板の、前記ノズル板との接合面とは反対側の面に形成された振動板と、
前記振動板上の、前記個別液室が形成されている領域に対応する範囲内に形成された圧電素子と、
を有し、
前記個別液室は、前記ノズルが形成された領域近傍の幅が、他の領域の幅よりも広く形成されており、
前記ノズルが形成された領域近傍に対応する前記圧電素子上には、少なくとも絶縁膜を含む補強部が形成されている、
液滴吐出ヘッド。
【発明の効果】
【０００８】
安定して均一に液滴を吐出可能な液滴吐出ヘッドを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の液滴吐出ヘッドの一例の側面概略図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図の一例である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図の一例である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面図の一例である。
【図５】比較の実施形態の液滴吐出ヘッドの一例の側面概略図である。
【図６】比較の実施形態の液滴吐出ヘッドの他の例の側面概略図である。
【図７】本実施形態に係る画像形成装置の一例の概略斜視図である。
【図８】本実施形態に係る画像形成装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（液滴吐出ヘッドの概略構成）
図１に、本実施形態の液滴吐出ヘッドの一例の側面概略図を示す。
【００１２】
本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａは、ノズル１０２が形成されたノズル板１０４と、ノズル１０２に通じるインク流路が形成された液室基板１０６とを有する。
【００１３】
液室基板１０６には、ノズル１０２に通じる個別液室１０８と、液滴供給室１１０とが形成されている。
【００１４】
個別液室１０８には、流体抵抗部１０９が形成されていても良い。
【００１５】
液室基板１０６の一方の面は、ノズル板１０４と接合されており、他方の面には、振動板１１２が積層されている。
【００１６】
振動板１１２の、液室基板１０６と当接する面とは反対側の面には、個別液室１０８に対応する位置に下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８を含む圧電素子１２０が形成されている。圧電素子１２０を駆動することにより、個別液室１０８内のインク圧力を変動させ、ノズル１０２からインクを吐出させる。
【００１７】
個別液室１０８には、ノズル１０２から吐出された量と同量のインクが液滴供給室１１０から供給され、ノズル１０２から繰り返しインクの吐出を行うことができる。
【００１８】
本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａの概略構成について、説明する。
【００１９】
［ノズル板］
図１に示されるように、ノズル板１０４は、液滴を吐出するノズル１０２が１つ又は２つ以上配列して形成された、板状の部材である。ノズル１０２は、個別液室１０８毎に１つ形成されている。
【００２０】
ノズル１０２は、個別液室１０８に対応する位置であれば、任意の位置に設けることができるが、個別液室１０８の端部であって、液滴供給室１１０とは反対側の端部に設けることが好ましい。これにより、印加される圧力に対して、より高い吐出効率を得ることができる。
【００２１】
また、本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａをインクジェットヘッドに使用する場合、ノズル１０２の配置は、所望の画像解像度、画像形成速度等から、当業者が適宜最適な配置、密度で設計することができる。
【００２２】
ノズル板１０４の材質としては、加工性、生産性、物性（剛性や耐腐食性等）に応じて、金属、合金、誘導体、半導体、樹脂等の材料を使用することができる。
【００２３】
金属、合金の例としては、ノズルの加工方法の観点から、電鋳（めっき）で形成する場合はニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等の電鋳可能な金属、機械加工やレーザー加工で形成する場合は、ステンレス（ＳＵＳ）等を使用することができる。金属、合金を用いる場合、耐腐食性の観点から、ＳＵＳ等の安定な合金を使用することが好ましい。
【００２４】
誘導体の例としては、ガラス等のセラミクス材料等が挙げられる。この場合、加工法としては、エッチング、レーザーアブレーション法等の方式を採用することができる。
【００２５】
半導体の例としては、シリコン（Ｓｉ）ウェハ等が挙げられ、加工方法としてはフォトリソグラフィ技術を採用することができる。
【００２６】
樹脂の例としては特に制限はないが、加工方法としては、例えば感光性樹脂（ドライフィルムレジスト）を用いる方法やレーザー加工等の方式を採用することができる。
【００２７】
ノズル板１０４の厚さ及び形状としては、特に制限はないが、ノズル板１０４の厚さは、１０〜１００μｍの範囲内であることが、加工性及び吐出特性の観点から好ましい。ノズル板１０４の厚さが１０μｍ未満の場合、剛性が低下することがある。一方、ノズル板１０４の厚さが１００μｍを超える場合、ノズル板１０４の加工時に生産性が悪化することがある。
【００２８】
ノズル１０２の径としては、所望の吐出性能や吐出するインクの物性に応じて設計することができるが、φ１０μｍ〜φ４０μｍの範囲内とすることが好ましく、φ１５μｍ〜φ２５μｍの範囲内とすることがより好ましい。
【００２９】
ノズル１０２の断面形状としては、特に制限はないが、テーパー状、ラウンド状（Ｒを付けた形状）、ストレート状等の任意の形状とすることができる。
【００３０】
なお、ノズル１０２の吐出面は、吐出する液滴の性状に応じて、撥水処理又は撥油処理しても良い。一般的には、撥水、撥油材料をノズル１０２の吐出面に塗布又は成膜することにより、液滴の吐出性能及び吐出安定性が向上する。
【００３１】
ノズル板１０４と液室基板１０６との接合方法は、特に制限はないが、接着剤を用いた接合方法を採用することが一般的である。
【００３２】
［液室基板］
液室基板１０６には、ノズル１０２に連通する個別液室１０８と、液滴供給室１１０とが形成されている。前述した通り、個別液室１０８は、１つのノズル１０２に対して１つ形成される。
【００３３】
液室基板１０６の一方の面は、ノズル板１０４と接合されており、他方の面には、振動板１１２が積層されている。即ち、個別液室１０８は、ノズル板１０４と、液室基板１０６と、振動板１１２とで囲まれて形成されている。
【００３４】
振動板１１２の、液室基板１０６と当接する面とは反対側の面には、個別液室１０８に対応する位置に下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８を含む圧電素子１２０が形成されている。
【００３５】
液室基板１０６の材料としては特に制限されないが、圧電素子１２０としてユニモルフ型の圧電素子を、容易に高密度に形成可能である点から、シリコンウェハを使用することが好ましい。
【００３６】
シリコンウェハの加工としては、半導体デバイス製造分野で使用される、フォトリソグラフィ技術やエッチング等を使用することができる。エッチングとしては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や４メチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）を用いたウェットエッチング法や、プラズマエッチング等のドライエッチング法等の手法が挙げられる。
【００３７】
ウェットエッチング法は、結晶方位によるエッチングレートの差を利用した異方性エッチングであり、高精度に加工可能である。また、バッチ処理が可能であるため、高い生産性が得られる。しかしながら、上述した薬液を用いた場合、シリコンウェハの（１１１）結晶面に加工面が制約されるため、液室、流路の設計自由度が大きく低下する。
【００３８】
一方、ドライエッチング法は、枚葉式の加工方法であるため、生産性が低い。しかしながら、上記の結晶面に対する制約が無く、設計自由度が高い。
【００３９】
液室基板１０６の厚さは、特に制限はないが、４０〜１００μｍの範囲内とすることが好ましい。液室基板１０６の厚さが４０μｍより薄い場合、液室基板１０６の強度が不足し、損傷が発生しやすくなることがある。一方、液室基板１０６の厚さが１００μｍより厚い場合、液滴のコンプライアンスにより圧力損失が発生することがある。また、加工時間が増大するため、生産性が低下することがある。
【００４０】
［振動板］
液室基板１０６の、ノズル板１０４との当接面とは反対側の面には、振動板１１２が形成される。また、振動板１１２の、液室基板１０６との当接面とは反対側の面には、下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８がこの順番に積層された圧電素子１２０が形成される。
【００４１】
また、振動板１１２の、液滴供給室１１０に対応する領域には、液滴供給口１１３が形成されている。
【００４２】
前述した通り、振動板１１２は、個別液室１０８に対応する部分が圧電素子１２０によって変位することで、個別液室１０８の体積変化を発生させる機能を有する。そのため、振動板１１２は、液室基板１０６の個別液室１０８に対応する位置に形成されていれば良いが、液滴供給室１１０と個別液室１０８とを繋ぐ部分を除く全面に形成されることが好ましい。これにより、後述する保持基板の接合の際に、接合高さを概ね揃えることが可能である。
【００４３】
振動板１１２の材料としては、特に制限はないが、液室基板１０６の材料（例えばシリコンウェハ）上に形成が容易な材料とすることが好ましい。具体的には、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等のシリコン化合物、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、Ｙ２Ｏ３等の酸化物、ＡｌＮ、ＴｉＮ等の窒化物及びこれらの複合化合物等が挙げられる。これらの材料を用いた場合、半導体製造工程で一般的に用いられる成膜装置（ＣＶＤ装置、ＡＬＤ装置、スパッタリング装置等）を用いることができるため、安定した既存の製造技術を用いて微細加工を確実に行えるというメリットがある。
【００４４】
また、個別液室１０８及び液滴供給室１１０をエッチングで形成する場合、振動板１１２と液室基板１０６とは、エッチングレートが異なる材料を用いても良い。この場合、振動板１１２のエッチングレートが、液室基板１０６のエッチングレートより遅くなるような材料を選択する。これにより、振動板１１２を、液室基板１０６をエッチングする際のエッチングストップ層とすることが可能となる。
【００４５】
振動板１１２の膜厚としては、材料の物性（ヤング率、ポアソン比等）に応じて、所望の振動特性を得ることが可能となるよう、当業者が選択することができる。一般的には、振動板１１２の厚さは、１〜５μｍの範囲内とすることが好ましく、１〜３μｍの範囲内とすることがより好ましい。振動板１１２の厚さが１μｍ未満の場合、振動板１１２のクラック等による破損が発生しやすくなる場合がある。一方、振動板１１２の厚さが５μｍを超える場合、振動変位が低下し、吐出効率が低下することがある。
【００４６】
［圧電素子］
前述した通り、振動板１１２上の、個別液室１０８に対応する位置には、圧電素子１２０が形成される。圧電素子１２０は、下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８から形成され、上部電極１１４と下部電極１１８との間に電圧を印加することで変形する電気機械変換素子である。
【００４７】
圧電素子１２０は、図１に示されるように、個別液室１０８が形成されている領域だけに形成されることが好ましい。圧電素子１２０が、個別液室１０８が形成されている領域の外側にまで延伸して形成された場合、個別液室１０８の端部の圧電素子１２０に局所的な曲げ応力が集中しやすくなる。そのため、駆動により圧電素子１２０が破損することがある。
【００４８】
下部電極１１４及び上部電極１１８は、導電性材料であれば特に制限はないが、耐熱性の観点から、金（Ａｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属又はこれらの合金又は酸化物を使用することが好ましい。圧電体１１６は、成膜後に５００〜８００℃程度の加熱工程を経るため、高融点、高安定性を有する前述の材料等を使用することが好ましい。なお、これらの材料は、１種類を単独で使用しても良いし、２種類以上の材料を積層構造としても良い。
【００４９】
下部電極１１４及び上部電極１１８の膜厚は、圧電体１１６の変形を拘束しない膜厚であれば特に制限はなく、一般的に２０〜５００ｎｍの範囲内とすることが好ましい。
【００５０】
下部電極１１４は、少なくとも個別液室１０８に対応する位置に形成されている必要があるが、個別液室１０８毎に形成する必要はなく、複数の個別液室１０８を覆うように形成しても良い。
【００５１】
圧電体１１６及び上部電極１１８は、個別液室１０８毎に形成される必要があり、液滴を吐出させる箇所の上部電極１１４に電圧を印加することで、任意のノズル１０２から液滴を吐出させることができる。
【００５２】
下部電極１１４及び上部電極１１８のパターニング方法としては、特に制限はないが、フォトリソグラフィ技術を使用して実施することが好ましい。
【００５３】
圧電体１１６の材料としては、圧電性を示す材料であれば特に制限はないが、具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、またはこれらの派生材料（金属元素を置換した材料）等が挙げられる。この中でもチタン酸ジルコン酸鉛は、工業用途として広く使用されており材料加工技術が一般的であり、かつ、温度安定性、圧電性能に優れるため、好ましい。
【００５４】
圧電体１１６は、所望の吐出性能に応じて、一般的には圧電定数ｄ３１が−１００〜−１５０ｐｍ／Ｖのものが使用される。圧電体１１６の圧電性能が低くなるにつれ、液滴の吐出性能は低下する。
【００５５】
圧電体１１６の膜厚としては、特に制限はないが、０．５〜５μｍの範囲内とすることが好ましい。圧電体１１６の膜厚が薄い場合、電圧印加時に高電界が印加されるため、耐圧不良等が発生しやすくなることがある。一方、圧電体１１６の膜厚が厚い場合、生産性が低下すると共に、変位時にクラックが発生しやすくなることがある。
【００５６】
圧電体１１６の成膜方法としては、フォトリソグラフィ技術に代表されるサブトラクティブ法や、印刷法に代表されるアディティブ法を採用することができる。サブトラクティブ法の場合の成膜法としては、スパッタリング法によるドライ成膜法と、有機金属化合物の溶液をスピンコート方式等で塗布して焼成するウェット成膜法とが挙げられるが、生産性の観点からウェット成膜法を採用することが好ましい。成膜された圧電体１１６のパターニング法としては、フォトリソグラフィ技術を使用することが好ましい。サブトラクティブ法を採用した場合、膜厚均一性が高く、パターン加工精度が高いため、得られる圧電素子の圧電性能の均一性が高いという特徴を有する。一方、アディティブ法は、ウェット法となるが、印刷法を用いて所望の領域のみに圧電体１１６を成膜する方法である。適用する印刷法としては、インクジェット法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、マイクロコンタクトパターニング法等の方法が挙げられる。この中でも、インクジェット法を採用することが、容易に膜厚を形成可能であり、かつ、版が不要であるため好ましい。
【００５７】
いずれの成膜方法を採用した場合でも、成膜された圧電体１１６は、焼成して結晶化される。結晶化することにより、圧電体１１６の圧電性能が向上し、液滴の吐出効率を向上させることができる。この場合、一般的に、５００℃〜８００℃程度で焼成される。
【００５８】
なお、圧電素子１２０の耐環境性、信頼性を高めるための保護膜を形成していても良い。保護膜は、圧電素子１２０を、製造工程におけるダメージや、空気中の水分等から保護する機能を果たす。保護膜の材料としては、ガスバリア性が高い絶縁体材料を用いることが好ましい。
【００５９】
［絶縁膜及び配線電極］
圧電素子１２０を構成する上部電極１１８及び上部電極１１４に、外部からの駆動用電気信号を印加するために、各電極から信号入力部までの配線を形成する。図２に示すように、上部電極１１８からは個別電極配線１２２によって駆動回路接続部に引き出し、上部電極１１４からは共通電極配線１２４によって駆動回路接続部に引き出し、ワイヤ１２６等により駆動回路１２８に接続する。
【００６０】
個別電極配線１２２及び共通電極配線１２４の配線材料としては、任意の導電性材料を用いることができるが、配線部の発熱及び配線抵抗による電圧降下を防止するために、抵抗が小さい材料を使用することが好ましい。具体的には、金属又は合金材料を使用することが好ましく、より具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）の群から選択される金属又はこれらを含む合金材料を用いることが好ましい。上述した材料の中でも、エレクトロマイグレーション、イオンマイグレーション等の信頼性やコスト等の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金を使用することが好ましい。
【００６１】
個別電極配線１２２及び共通電極配線１２４の配線厚は、必要な配線抵抗から設定される。これらの配線厚を厚くすることで、狭い配線領域で配線抵抗を低減することができるため、０．２〜５μｍの範囲内とすることが好ましく、１〜４μｍの範囲内とすることがより好ましい。
【００６２】
個別電極配線１２２及び共通電極配線１２４の形成方法としては、特に制限はなく、一般的な薄膜形成方法を採用することができ、例えば半導体デバイスの製造分野で使用される、スパッタリング法、蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ）等の方法を採用することができる。また、個別電極配線１２２及び共通電極配線１２４のパターニング方法としては、特に制限はなく、フォトリソグラフィ技術を利用する方法や、エッチング法、リフトオフ法などの方法を採用することができる。
【００６３】
また、個別電極配線１２２及び／又は共通電極配線１２４の上層及び／又は下層には、配線の信頼性を向上させるために、他の金属、合金及び／又は導電性化合物を成膜しても良い。
【００６４】
また、これらの配線電極の下層に、上部電極１１８及び上部電極１１４から引き出すために、層間絶縁膜の機能を有する絶縁膜１３０を形成しても良い。この場合、個別電極配線１２２と上部電極１１８とは、絶縁膜１３０を貫通して形成されるコンタクトホール１３２を介して接続される。なお、共通電極配線１２２と上部電極１１４とは、任意の箇所で接続するように構成できる。
【００６５】
また、これらの配線電極の上に、配線保護（パシベーション）層として絶縁膜１３１を配置しても良い。これにより、配線を腐食等の化学的なダメージから保護することができる。なお、配線電極上に絶縁膜を形成する場合、配線電極上の駆動回路接続部は配線層を露出させる必要があるため、この部分の絶縁膜は、エッチング等の手法で除去される。
【００６６】
絶縁膜１３０及び絶縁膜１３１の少なくとも一方は、後述する、個別液室１０８の幅が相対的に広くなっている、ノズル１０２が形成されている領域近傍に対応する位置に形成されていることが好ましい。これにより、この領域に対応する振動板１１２の強度低下領域を補強することができる。絶縁膜１３０、１３１を、ノズル１０２が形成されている領域近傍に対応する位置に形成することの効果については、後述する。
【００６７】
絶縁膜１３０、１３１の材料としては、絶縁性を有していれば特に制限はなく、例えばＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＴｉＮ等の金属酸化物又は窒化物が挙げられる。
【００６８】
［保持基板］
本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１００ａは、液滴供給経路である共通液室１３４を有する保持基板１３６を、液室基板１０６の振動板１１２側に接合して構成される。液室基板１０６は、前述した通り、一般的に厚さ５０〜１００μｍのシリコンウェハが使用されるが、厚さが薄く強度が不足するために、保持基板１３６が設けられる。また、圧電素子１２０は、振動板１１２、圧電素子１１６、上部電極１１８及び下部電極１１４等の薄膜構造によって構成されるため、物理的損傷及び／又は化学的損傷から圧電素子１２０を保護する観点からも、保持基板１３６を形成することが好ましい。
【００６９】
保持基板１３６は、共通液室１３４と電極の駆動回路接続部との２箇所で貫通穴を有する。
【００７０】
保持基板１３６の接合は、保持基板１３６と液室基板１０６との接合領域の高さを概ね揃えることが好ましい。図１で示した断面構造の例では、個別電極配線１２２、フィルタ部１１３の周囲が接合領域となっている。この部分の積層構成は、図１の下部から液室基板１０６、振動板１１２、層間絶縁膜１３０、共通配線電極１２４又は個別配線電極１２２と、略同一の構成となっている。即ち、接合面の高さは略同一となっているため、接合力が向上し、かつ、接合時のボイドを低減することができる。
【００７１】
保持基板１３６の材料としては、特に制限はないが、強度及び加工性の観点から、ガラス、セラミクス等の材料が挙げられる。
【００７２】
また、液室基板１０６の材料としてシリコンウェハを使用する場合、保持基板１３６もシリコンウェハを使用することが好ましい。液室基板１０６と保持基板１３６とで同一材料を使用することにより、熱膨張係数を揃えることができ、加工中の加熱処理や、プリンタへの実装後の温度変動要因により、反りが生じることを抑制することができる。また、シリコンウェハを使用することにより、既存の半導体デバイス製造技術で確立されている豊富な加工技術を用いることができ、高い生産性で液滴吐出ヘッド１００ａを製造することができる。
【００７３】
保持基板１３６の厚さとしては、特に制限はなく、所望の強度及び加工性の観点から任意に設定することができる。しかしながら、保持基板１３６の厚さが厚すぎる場合には、共通液室１３４等を形成させるための貫通穴の加工に時間がかかるため、生産性が低くなる。一方、保持基板１３６の厚さが薄すぎる場合には、強度が不足するため、液滴吐出ヘッドの製造過程又は製造後の実装段階で、液室基板１０６及び／又は保持基板１３６に機械的損傷が発生することがある。
【００７４】
以上の観点から、保持基板１３６に例えばシリコンウェハを使用する場合、保持基板１３６の厚さは、好ましくは３００〜７００μｍであり、より好ましくは３００〜５００μｍである。なお、一般的なφ１００〜２００ｍｍのシリコンウェハを使用する場合、例えばエッチング等の貫通穴を形成する技術が実用化されており、高い生産性で液滴吐出ヘッドを製造できる。
【００７５】
保持基板１３６に形成される共通液室１３４は、フィルタ部１１３を介して液滴供給室１１０へと液滴を供給する。フィルタ部１１３は、インク中に含まれる異物等が個別液室１０８内に入り込み、ノズル１０２に目詰まりが生じるのを防止するフィルタの機能を有している。
【００７６】
また、保持基板１３６の、液室基板１０６との接合面側の圧電素子１２０の周辺領域は、圧電素子１２０の変位を阻害しないように、凹状に加工される。この際、凹部の深さ等は、圧電素子１２０の変位量等に応じて、十分に深くすることが好ましい。より具体的には、ユニモルフ型の圧電素子１２０の変位量は、一般的に、０．０５〜１μｍ程度である。そのため、凹部の深さは、１μｍ以上とすることが必須であり、好ましくは１０μｍ以上とする。凹部の深さが小さい場合、接合時に保持基板１３６と圧電素子１２０が干渉することがある。また、毛管力によって、接合剤が圧電素子１２０の周辺領域に付着することがある。一方、凹部の深さが深くなると、加工時間が長くなり、生産性が低下する。また、保持基板１３６の強度が低下することがある。そのため、凹部の深さは、保持基板１３６の厚さの５０％以下とすることが好ましい。
【００７７】
［接合剤］
液室基板１０６と保持基板１３６との接合剤としては、接合面の材料、所望の接合強度、接合剤の塗布性等の観点から適宜選択することができるが、例えばエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂を使用する場合、その硬化方式としては、熱硬化方式、紫外線又は赤外線を照射する光硬化方式、電子線を照射する電子線硬化方式等が挙げられる。
【００７８】
また、接合剤の塗布方法としては、特に制限はなく、スピンコート法、印刷法、ディスペンス法等が挙げられる。
【００７９】
接合装置としては、特に制限はなく、例えば液室基板１０６と保持基板１３６としてシリコンウェハを使用した場合、市販のウェハレベルパッケージング用の接合装置を使用することができる。また、接合時に加圧しても良い。
【００８０】
次に、長期に亘って安定駆動が可能な、本実施形態の液滴吐出ヘッドの、より詳細な構成について、具体的な実施形態を挙げてより詳細に説明する。
【００８１】
（第１の実施形態）
図２に、図１のＡ−Ａ断面図を示す。また、図３に、図１のＢ−Ｂ断面図を示す。さらに、図４に、図１のＣ−Ｃ断面図を示す。
【００８２】
前述したように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａは、液滴供給口側から供給された液滴が、ノズル１０２から吐出される。
【００８３】
ここで、本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａは、ノズル１０２が形成されている領域近傍の個別液室１０８（以後、ノズル周辺部と呼ぶことがある）の幅Ｈ１が、他の領域の個別液室１０８（以後、その他の領域と呼ぶことがある）の幅Ｈ２よりも広く形成されている。これにより、ノズル周辺部における、個別液室１０８の両側の隔壁１３６間の距離を、相対的に広くすることができる。そのため、ノズル板１０４と液室基板１０６とを接合する際に位置ずれが生じた場合であっても、ノズル１０２と隔壁１３６とが干渉して吐出性能が低下することを抑制することができる。また、隔壁１３６に塗布された接合剤がはみ出して、ノズル１０２に干渉することを抑制することができる。
【００８４】
さらに、Ｈ１をＨ２よりも広くすることにより、隣り合う個別液室１０８の駆動の圧力によって生じる隔壁１３６の変形による相互干渉（クロストーク）を抑制することができる。
【００８５】
Ｈ１のＨ２に対する拡大量（即ち、Ｈ１−Ｈ２）は、特に制限はないが、Ｈ２に対して５％〜２０％以内とすることが好ましい。拡大量がＨ２に対して２０％を超える場合、ノズル周辺部の隔壁１３６の強度が低下し過ぎると同時に、ノズル周辺部とその他の領域との間の隔壁間の幅が変わる領域近傍で、液滴流の淀み点が生じ、気泡がたまることがある。これによって、液滴吐出ヘッドの吐出性が悪化することがある。一方、拡大量がＨ１に対して５％未満の場合、前述のノズル板１０４と液室基板１０６とを接合する際に位置ずれに対する効果が発揮されない場合がある。
【００８６】
また、個別液室１０８におけるノズル周辺部の外周形状は、曲面状とすることが好ましい。即ち、ノズル周辺部の外周形状は、Ｒを付けた形状となることが好ましい。これにより、ノズル周辺部からその他の領域への幅変動による液滴流動の淀みが低減される。そのため、液滴の充填不良が低減され、気泡による不吐出が低減される。また、振動板１１２に生じる応力集中を緩和することができ、液滴吐出ヘッド１００ａの駆動耐久性を向上させることができる。
【００８７】
ノズル周辺部の外周形状を曲面状にする場合の、曲率半径は、特に制限はないが、ノズル周辺部の個別液室幅の１０％〜５０％の範囲内とすることが好ましく、３０％〜５０％の範囲内とすることがより好ましい。
【００８８】
前述し、かつ、図３及び図４に示されるように、ノズル周辺部の個別液室１０８の幅Ｈ１が、その他の領域の個別液室１０８の幅Ｈ２より大きいことは、個別液室１０８の振動部の幅が均一でないことを意味する。これにより、特にノズル周辺部の端部の強度が低下する。
【００８９】
特に、図１で示されるような、比較的細長い圧電素子を用いたユニモルフ型のアクチュエータでは、その端部に応力が集中しやすい。そのため、この振動部の強度が弱い箇所に応力が集中することになり、液滴吐出ヘッドを多数回駆動させた場合に、このノズルの周辺領域に対応する振動板が、疲労等によりワレが生じることがある。
【００９０】
そのため、本実施形態においては、図１及び図２に示されるように、絶縁膜１３０及び絶縁膜１３１の少なくとも一方を、ノズル周辺部に対応する位置に形成された圧電素子１２０上に形成させる。この際、ノズル周辺部に対応する位置の圧電素子１２０上には、更に前述の個別電極１２２を形成させ、絶縁膜１３０及び／又は１３１及び個別電極１２２の積層構造とすることが好ましい。
【００９１】
絶縁膜１３０、１３１及び／又は個別電極１２２は、ノズル周辺部に対応する位置の圧電素子１２０を被覆するように形成されていることが好ましい。また、絶縁膜１３０、１３１及び／又は個別電極１２２は、少なくともノズル周辺部に対応する位置の圧電素子１２０上に形成されていれば良く、他の領域に対応する位置の圧電素子１２０上に形成されていても良い。
【００９２】
絶縁膜１３０、１３１及び／又は個別電極１２２を、上述したように形成されることで、ノズル周辺部の振動板１１２の強度低下領域を補強することができる。そのため、本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａは、耐久性に優れ、長期に亘る安定駆動を実現できる。
【００９３】
また、本実施形態の液滴吐出ヘッド１００ａは、個別電極１２２等の必須の構成に補強機能を持たせるため、追加の専用部材を必要とせず、製造コストを低減することができる。
【００９４】
なお、個別配線１２２及び／又は絶縁膜１３０及び／又は絶縁膜１３１を含む補強部は、振動板１１２と同程度の剛性となるように、厚さ及び材料などを選択することが好ましい。補強部の剛性が、振動板１１２に対して高すぎる場合、圧電素子１２０の拘束が強すぎるため、補強部の端部領域に応力が集中し、圧電素子１２０が破損することがある。一方、補強部の剛性が、振動板１１２に対して低すぎる場合、補強部が形成されている領域に対応する圧電素子が振動し、補強部の膜構造の剥離や、振動板１１２の破損が生じ、耐久性向上の効果が得られないことがある。
【００９５】
なお、圧電素子１２０は、図１に示されるように、個別液室１０８が形成されている領域内に形成されることが好ましい。圧電素子１２０が、個別液室１０８が形成されている領域の外側にまで延伸して形成された場合、個別液室１０８の端部の圧電素子１２０に局所的な曲げ応力が集中しやすくなる。そのため、駆動により圧電素子１２０が破損することがある。
【００９６】
（比較の実施形態）
図５に、比較の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの一例の側面概略図を示す。図５に示される比較の実施形態の液滴吐出ヘッド１００ｂは、個別液室１０８の側壁が、液室基板１０６の厚さ方向に平行ではなく、斜めになっている。図５の構成では、ノズル周辺部に対応する箇所に、液室基板１０６が存在するため、圧電素子１２０の駆動によって、ノズル周辺部の振動板１１２が振動しない構成となっている。そのため、本実施形態の液滴吐出ヘッド１００と同様に、ノズル周辺部の振動板１１２の強度低下を抑制することが可能である。しかしながら、図５に示される構成では、圧電素子１２０が、個別液室１０８が形成されている領域を超えて延伸して形成されている。そのため、例えば、図５の一点鎖線で囲まれた領域等に応力集中が発生し、圧電素子が破損することがある。
【００９７】
また、図５の構成で応力集中を抑制するために、補強部を個別液室１０８が形成されている領域に移動（即ち、図５における右側に移動）させることが考えられる。しかしながら、この場合、補強部により振動が抑制される領域が大きくなる。そのため、圧電素子の実質的な有効領域が制限され、液滴吐出特性が低下することとなる。
【００９８】
さらに、図６に、比較の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの他の例の側面概略図を示す。図６に示される比較の実施形態の液滴吐出ヘッド１００ｃは、ノズル周辺部に対応する位置に補強部が形成されておらず、かつ、圧電素子１２０が、個別液室１０８が形成されている領域を超えて延伸して形成されている。そのため、例えば、図６の一点鎖線で囲まれた領域等に応力集中が発生し、圧電素子が破損することがある。また、個別液室１０８が形成されている領域外に、圧電素子１２０と個別電極１２２とを接続する領域が必要とされるため、液滴吐出ヘッドの小型化の点からも不利である。
【００９９】
（画像形成装置）
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、例えば、インクジェット式の画像形成装置のインクジェットヘッドに応用することができる。
【０１００】
以下に、本実施形態の液滴吐出ヘッドを画像形成装置に適用した実施形態について、図７及び図８を参照して説明する。
【０１０１】
図７に本実施形態に係る画像形成装置の一例の概略斜視図を、図８に、該画像形成装置の概略断面図を示す。
【０１０２】
本実施形態の画像形成装置２００は、内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ２１０、キャリッジ２１０に搭載されたインクジェットヘッド３００、インクジェットヘッド３００へインクを供給するインクカートリッジ２２０等で構成される印字機構部２３０等を有する。
【０１０３】
また、画像形成装置２００の下方部には、前方側から多数枚の記録媒体２４０（用紙２４０）を積載可能な給紙カセット（給紙トレイ）２５０を抜き差し自在に装着される。
【０１０４】
また、画像形成装置２００では、用紙２４０を手差しで給紙するための手差しトレイ２５５を開倒することができる。そして、給紙カセット２５０或いは手差しトレイ２５５から給送された記録媒体２４０を取り込み、印字機構部２２０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２６０に排紙する。
【０１０５】
印字機構部２２０は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド２６１と従ガイドロッド２６２とでキャリッジ２１０を主走査方向に摺動自在に保持する。キャリッジ２１０は、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッド３００を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。
【０１０６】
キャリッジ２１０にはインクジェットヘッド３００に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ２２０を交換可能に装着している。
【０１０７】
インクカートリッジ２２０は、上方に大気と連通する大気口を有し、下方にはインクジェットヘッド２００へインクを供給する供給口を有する。また、インクカートリッジ２２０の内部には、インクが充填された多孔質体が配置されており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッド３００へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。なお、本実施形態では、各色のインクジェットヘッド３００を用いるが、インクジェットヘッド３００は、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでも良い。
【０１０８】
キャリッジ２１０は、後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド２６１に摺動自在に嵌めて装着され、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド２６２に摺動自在に載置されている。
【０１０９】
キャリッジ２１０を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ２６７で回転駆動される駆動プーリ２６８と従動プーリ２６９との間には、タイミングベルト２７０を掛け回し、タイミングベルト２７０をキャリッジ２１０に固定している。主走査モータ２６７の正逆回転によりキャリッジ２１０が往復駆動される。
【０１１０】
また画像形成装置２００は、給紙カセット２５０にセットした用紙２４０をインクジェットヘッド３００の下方側に搬送するために、給紙カセット２５０から用紙２４０を分離給紙する給紙ローラ２７１及びフリクションパッド２７２と、用紙２４０を案内するガイド部材２７３と、給紙された用紙２４０を反転させて搬送する搬送ローラ２７４と、を有する。また画像形成装置２００は、搬送ローラ２７４の周面に押し付けられる搬送コロ２７５及び搬送ローラ２７４からの用紙２４０の送り出し角度を規定する先端コロ２７６を有する。搬送ローラ２７４は、副走査モータ２７７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【０１１１】
また、画像形成装置２００は、キャリッジ２１０の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ２７４から送り出された用紙２４０をインクジェットヘッド３００の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材２７９を有する。画像形成装置２００において、印写受け部材２７９の用紙搬送方向下流側には、用紙２４０を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ２８１、拍車２８２が設けられている。さらに、画像形成装置２００には、用紙２４０を排紙トレイ２６０に送り出す排紙ローラ２８３及び拍車２８４と、排紙経路を形成するガイド部材２８５，２８６とが配設されている。
【０１１２】
画像形成装置２００は、記録時には、キャリッジ２１０を移動させながら画像信号に応じてインクジェットヘッド３００を駆動することにより、停止している用紙２４０にインクを吐出して１行分を記録し、用紙２４０を所定量搬送後次の行の記録を行う。
【０１１３】
記録終了信号または、用紙２４０の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙２４０を排紙する。
【０１１４】
キャリッジ２１０の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェットヘッド３００の吐出不良を回復するための回復装置２８７を配置している。回復装置２８７は、キャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ２１０は、印字待機中にはこの回復装置２８７側に移動されてキャッピング手段でインクジェットヘッド３００をキャッピングし、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。
【０１１５】
また、画像形成装置２００は、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【０１１６】
画像形成装置２００において、吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェットヘッド３００の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクと共に気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去されて吐出不良が回復される。
【０１１７】
また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【０１１８】
以上、本実施形態の画像形成装置２００は、インクジェットヘッド３００として、本実施形態の液滴吐出ヘッドを使用しているため、駆動不良によるインク滴吐出不良が少なく、安定したインク滴吐出特性が得られる画像形成装置である。
【０１１９】
なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１００      液滴吐出ヘッド
１０２      ノズル
１０４      ノズル板
１０６      液室基板
１０８      個別液室
１０９      流体抵抗部
１１０      液滴供給室
１１２      振動板
１１３      液滴供給口
１１４      下部電極
１１６      圧電体
１１８      上部電極
１２０      圧電素子
１２２      個別電極
１２４      共通電極
１２６      ワイヤ
１２８      駆動回路
１３０      層間絶縁膜
１３２      コンタクトホール
１３４      共通液室
１３６      保持基板
２００      画像形成装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２１】
【特許文献１】特許第３４０７５１４号明細書
【図１】
2015006758.tif 000003
【図２】
2015006758.tif 000004
【図３】
2015006758.tif 000005
【図４】
2015006758.tif 000006
【図５】
2015006758.tif 000007
【図６】
2015006758.tif 000008
【図７】
2015006758.tif 000009
【図８】
2015006758.tif 000010