(57)【要約】【課題】  各圧電素子の特性を均一化した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】  ノズル開口に連通する圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０と、流路形成基板１０の一方面側に振動板を介して設けられる下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる複数の圧電素子３００と、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面に接合されると共に圧電素子３００を保護する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０とを具備する液体噴射ヘッドであって、保護基板３０の圧電素子保持部３１の長手方向両端部近傍には、圧電素子保持部３１の短手方向の各端面の外側に設けられて圧電素子保持部３１に連通する凹部３２が形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる複数の圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合されると共に当該圧電素子を保護する圧電素子保持部を有する保護基板とを具備する液体噴射ヘッドであって、
前記保護基板の前記圧電素子保持部の長手方向両端部近傍には、当該圧電素子保持部の短手方向の各端面の外側に設けられて当該圧電素子保持部に連通する凹部が形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記凹部は、前記圧電素子保持部側からその先端部側に向かって幅が漸小するように形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２の液体噴射ヘッドを具備す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、液滴を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、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に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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及び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の２種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙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各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知られている。
【０００３】
また、このような圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題がある。このため、例えば、圧力発生室が形成される流路形成基板に、圧電素子保持部を有する接合基板を接合し、この圧電素子保持部内に並設された複数の圧電素子を密封するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このように接合基板を流路形成基板に接合した構造では、各圧電素子の破壊は防止することはできる。しかしながら、並設されている複数の圧電素子の中で、特性のばらつきが生じてしまうという問題がある。すなわち、接合基板の周縁部近傍は、圧電素子保持部が設けられた中央領域よりも剛性が高いため、接合基板と流路形成基板とを接合するために加圧する際、流路形成基板の周縁部に応力が集中してしまう。そして、この応力集中に起因して、基板の中央部に位置する圧電素子と、基板の周縁部側に位置する圧電素子とで、特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１３８５７（特許請求の範囲等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑み、各圧電素子の特性を均一化した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる複数の圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合されると共に当該圧電素子を保護する圧電素子保持部を有する保護基板とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記保護基板の前記圧電素子保持部の長手方向両端部近傍には、当該圧電素子保持部の短手方向の各端面の外側に設けられて当該圧電素子保持部に連通する凹部が形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、凹部によって保護基板の端部近傍の剛性が効果的に弱められ、保護基板の中央部と端部近傍との剛性の違いに伴う圧電素子の特性のばらつきが防止される。
【０００８】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記凹部は、前記圧電素子保持部側からその先端部側に向かって幅が漸小するように形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、保護基板の剛性が中央部から周縁部に向かって徐々に変化するため、圧電素子の特性がより確実に均一化される。
【０００９】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第３の態様では、高い信頼性を有する液体噴射装置を比較的容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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を示す分解斜視図であり、図２は、図１の上面図であり、図３は、そのＡ−Ａ′断面図及びＢ−Ｂ′断面図である。図示するように、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、その一方の面には予め熱酸化によって形成された厚さ１〜２μｍの二酸化シリコンからなる弾性膜５０が設けられている。この流路形成基板１０には、隔壁１１によって画成された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバ部３３と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。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。
【００１１】
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マスク膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に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、０．０１〜１ｍｍ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、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
【００１２】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、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の下電極膜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の上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜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を各圧力発生室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、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。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と称する。上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板としての役割を果たす。
【００１３】
また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。
【００１４】
さらに、このような流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域に圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接着されている。この圧電素子保持部３１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３１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、この圧電素子保持部３１は、必ずしも密封されている必要はない。また、本実施形態では、圧電素子３００の列の両端部外側に、実際には駆動されないダミーの圧電素子３０１が複数形成されており、これらダミーの圧電素子３０１もこの圧電素子保持部３１内に配置されている。
【００１５】
ここで、本発明では、圧電素子保持部３１の長手方向（ノズル開口が並設される方向）両端部近傍に対向する領域の保護基板３０に、圧電素子保持部３１のから連続して設けられ、圧電素子保持部３１の短手方向（ノズル開口２１が並設される方向と直交する方向）の端面からその外側に延設される凹部３２が設けられている。すなわち、凹部３２は、略矩形形状を有する圧電素子保持部３１の四隅にそれぞれ設けられている。
【００１６】
このように圧電素子保持部３１の長手方向端部近傍に凹部３２を設けることで、圧電素子保持部３１内に配置されている各圧電素子３００の特性を均一化することができる。より詳細には、保護基板３０には、圧電素子保持部３１が形成されて剛性が低い領域と、その周囲の剛性が高い領域とが境界が存在する。そして、流路形成基板１０と保護基板３０とを加圧接着する際、この境界部分に応力が集中してしまい、この応力集中に起因して圧電素子３００の特性のばらつきが生じてしまう。しかしながら、保護基板３０に凹部３２を設けることで、保護基板３０の剛性は中央部から周縁部に向かって徐々に剛性が高くなる。すなわち、保護基板３０の剛性の境界を実質的になくすことができる。したがって、流路形成基板１０と保護基板３０とを接着する際の応力集中を防止することができ、この応力集中に起因する各圧電素子３００の特性のばらつきを抑えることができる。
【００１７】
また、本発明のように、凹部３２を、圧電素子保持部３１の短手方向の端面から連続するように設けることで、凹部３２の大きさを比較的小さくしても、保護基板３０の圧電素子保持部３１の長手方向端部近傍の剛性を確実に低下させることができる。したがって、圧電素子３００の特性を均一化することができると共に、ヘッドの小型化を図ることができる。
【００１８】
なお、本実施形態では、上述したように、並設された圧電素子３００の外側に複数のダミーの圧電素子３０１を設けられている。このような構成では、流路形成基板１０の端部近傍に位置するダミーの圧電素子３０１は駆動されないので、実際にインク吐出に用いられる各圧電素子３００の特性はさらに均一化される。このようにダミーの圧電素子３０１を設けることで、各圧電素子３００の特性をさらに均一化させることができるが、凹部３２を設けることで、このダミーの圧電素子３０１の数を減らしても十分に各圧電素子３００の特性の均一化でき、同時にヘッドの小型化を図ることもできる。
【００１９】
ここで、凹部３２の大きさは、特に限定されず、保護基板３０の剛性を考慮して適宜決定すればいが、保護基板３０の剛性が徐々に変化するような形状に形成することが好ましい。例えば、本実施形態では、凹部３２の深さは、圧電素子保持部３１の深さと略同一として、幅Ｗを圧電素子保持部３１側から凹部３２の先端側に向かって徐々に漸小するようにした。これにより、流路形成基板１０と保護基板３０とを接着する際の応力集中をより確実に防止することができる。なお、凹部３２の形成方法は、特に限定されず、例えば、圧電素子保持部３１をエッチングによって形成する際に同時に形成すればよい。
【００２０】
また、圧電素子保持部の短手方向で相対向する各凹部３２ａ，３２ｂは、圧電素子保持部３１の短手方向に沿った同一直線上に設けられていることが好ましい。これにより、圧電素子保持部３１の端部近傍の剛性をより効率的に弱めることができる。
【００２１】
なお、このような保護基板３０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３３が設けられている。このリザーバ部３３は、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通され、これらリザーバ部３３及び連通部１３によってリザーバ１００が形成されている。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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。
【００２２】
また、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３３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、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部となっている。
【００２３】
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した後、図示しない外部の駆動回路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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜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。
【００２４】
（他の実施形態）
以上、本発明の各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、上述の実施形態では、保護基板３０の剛性が徐々に変化するように、凹部３２の幅Ｗが漸小するようにしたが、凹部の形状は特に限定されず、例えば、幅を漸小させる代わりに凹部の深さを漸小させるようにしてもよい。また、上述の実施形態では、圧電素子保持部３１の四隅にそれぞれ一つの凹部を設けているが、凹部の数は特に限定されず、勿論、各隅部に２つ以上の凹部を設けるようにしてもよい。
【００２５】
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４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４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。
【００２６】
そして、駆動モータ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。
【００２７】
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、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの上面図である。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図４】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  １３  連通部、  １４  インク供給路、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  凹部、  ３３  リザーバ部、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ８０  上電極膜、  ９０  リード電極、  １００  リザーバ、  ３００  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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