(57)【要約】【課題】高解像度実現のために個別液室の幅を狭くした液体吐出ヘッドにおいて、振動板の変位を充分に確保するために振動板の厚みを薄くしても、振動板の割れを防止して充分な吐出寿命を確保できるようにする。【解決手段】液体吐出ヘッドは、液滴を吐出する吐出口２と、吐出口２に連通口４を介して連通する個別液室５と、個別液室５の容積を変化させる容積変化手段とを有している。容積変化手段は、圧電体薄膜８および、圧電体薄膜８を間に挟んで設けられた上電極１０および下電極９を有しており、しかも上電極１０は、個別液室５の長手方向に関する両端領域に対応する部位における電極幅が、長手方向に関する両端領域以外の領域に対応する部位における電極幅よりも細い。これにより、長手方向に関する両端領域における印加電圧がそれ以外の領域に比べて低くなって振動板の変位が抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する液室と、該液室の容積を変化させる容積変化手段と、該容積変化手段による変位を前記液室内の液体に伝達する振動板と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記容積変化手段は、圧電体および該圧電体を間に挟んで設けられた第１電極と第２電極とを有し、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも一方は、前記液室の長手方向に関する両端領域に対応する部位のうちの少なくとも一方が設けられていないか、または前記両端領域に対応する部位以外の部位に比べて、前記圧電体に対する印加電圧が低い形状であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも一方は、前記両端領域に対応する部位における幅が、前記両端領域以外の領域に対応する部位における幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記振動板は、厚さが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載された液体吐出ヘッドと、前記容積変化手段に信号を与えるための駆動回路と、吐出された液体が付着する媒体を搬送する媒体搬送手段と、を有することを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室を備え、該個別液室の液体に振動板を介して時間とともに推移する変位を与えることによって、前記吐出口より液滴を吐出させる液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドは、低騒音、低ランニングコスト、装置の小型化およびカラー化が容易である等の理由から、プリンタやファクシミリ等の記録装置に広く内蔵されている。特に、圧電アクチュエータを有する液体吐出ヘッドは、吐出させる液体の選択自由度の高さからデバイス製造向けのパターニング装置としての用途も拡大しつつある。
【０００３】
インクジェット記録装置、パターニング装置等のいずれの用途としても、吐出口（ノズル）並びの高解像度化、吐出液滴の微量化が進められている。またあわせて、液滴着弾精度の高精度化が図られている。このうち、高解像度化の主な方法としては個別液室の幅を細くすることが検討されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示された圧電アクチュエータを有する記録ヘッドにおいては、次に説明するとおり液滴が吐出口から吐出される。
【０００５】
電気信号の投入により、振動板に時間とともに推移する変位を与えることによって、個別液室の容積を収縮または膨張させる容積制御を実施する。これにより、液柱状態で液体が外界へ伸び、突き出しはじめ、そののち表面張力によって複数の液滴に分離しながら記録ギャップ（液体吐出ヘッドと被記録材間）を飛翔する。
【特許文献１】特許第３３７９５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ユニモルフ型（ベンダー型）のピエゾ記録ヘッドでは、解像度を高くするために個別液室の幅が狭くなっている。このため、振動板の曲げ変形およびそれによる振動板の変位が充分確保できなくなり、吐出量および吐出速度といった所望の吐出性能が実現できなくなる。この対策として振動板の厚みをできる限り薄くすることを検討したが、次のような技術課題が明らかになってきた。
【０００７】
検討対象は、振動板に圧電体薄膜および電極を形成したユニモルフ型のピエゾ記録ヘッドである。このピエゾ記録ヘッドにおいて、振動板の厚みを変えたものを数種類作製して吐出寿命を比較した。ここでの寿命と判断する基準としては、振動板の割れによる振動板部分での液漏れ発生時期とし、その時点までの吐出動作回数で評価した。容易に予想される通り振動板が薄いものほど振動板の割れによる寿命は短かった。
【０００８】
また、ユニモルフ型のピエゾ記録ヘッドの１素子の個別液室長手方向における振動板の変位量を測定したところ以下のような傾向が観測された。
【０００９】
図４はユニモルフ型のピエゾ記録ヘッドの模式断面図である。図４に示すように、ノズルプレート１０１に設けた吐出口１０２に対して、基体１００に形成した個別液室１０５が連通口１０４を介して連通されている。圧電素子１０８に電圧を印加することで振動板１０７が変形する。図５は電圧入力後、ある時刻における個別液室長手方向に対する振動板１０７の変位量をプロットしたものである。時刻がＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 と経過していくに際し、振動板１０７が変形していく様子が示されている。しかし、個別液室１０５の長手方向に関する両端領域、すなわち、吐出口上部１０２ａ付近の領域と共通液室上部１０６ａ付近の領域の振動板１０７の変位量は、その他の部位と比較して、大きく変位していることが分かる。
【００１０】
このように、吐出口上部１０２ａ付近の領域および共通液室上部１０６ａ付近の領域の振動板１０７の変位量が他の大部分の領域よりも特異的に大きく変位してしまうと、その部位での振動板１０７の破壊や割れが発生し易くなる。特に、振動板１０７を薄くした場合は、吐出口上部１０２ａ付近および共通液室上部１０６ａ付近の振動板１０７は、急激に割れやすくなることが分かった。
【００１１】
本発明の目的は、高解像度実現のため個別液室の幅を狭く（細く）した液体吐出ヘッドにおいて、振動板の割れを防止して、充分な吐出寿命を確保できる液体吐出ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する液室と、該液室の容積を変化させる容積変化手段と、該容積変化手段による変位を前記液室内の液体に伝達する振動板と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記容積変化手段は、圧電体および該圧電体を間に挟んで設けられた第１電極と第２電極とを有し、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも一方は、前記液室の長手方向に関する両端領域に対応する部位のうちの少なくとも一方が設けられていないか、または前記両端領域に対応する部位以外の部位に比べて、前記圧電体に対する印加電圧が低い形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
液体吐出ヘッドにおいて、振動板の変位を充分確保するために振動板の厚みを薄くしても、振動板の割れを防止して充分な吐出寿命を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は一実施の形態による液体吐出ヘッドを示し、（ａ）は模式断面図、（ｂ）は模式上面図である。
【００１６】
図１の（ａ）、（ｂ）に示すように、液体吐出ヘッドは、ノズルプレート１に形成された複数の吐出口２に対し、基体３に形成された液室である個別液室５がそれぞれ連通口４を介して連通されている。基体３には、各個別液室５を覆うように振動板７が接合されており、振動板７上には第１電極である上電極１０と第２電極である下電極９とで挟まれた圧電体薄膜８を有する容積変化手段が配設されている。
【００１７】
上電極１０および下電極９のうちの少なくとも一方は、吐出口上部２ａおよび共通液室上部６ａの電極幅が、これ以外の部位の電極幅に比べて細くなっている。
【００１８】
すなわち、上電極１０および下電極９のうちの少なくとも一方の個別液室の長手方向に関する両端領域に対応する部位における電極幅が、前記個別液室の長手方向に関する中間領域に対応する部位における電極幅に比べて細くなっている。その結果、振動板７の長手方向に関する両端領域に対して印加される電圧が低い形状であって振動板の変位が抑制され、振動板の割れを防止することができる。
【実施例１】
【００１９】
実施例１は、図１の（ａ）、（ｂ）に示したものと同様の液体吐出ヘッドを、以下に説明する方法によって製造したものである。
【００２０】
基体である厚さ４００μｍのシリコン基板の表面に、フォトリソグラフィーによって膜厚１μｍの酸化膜からなる個別液室５のパターン用エッチングマスクを形成したのち、ＩＣＰエッチング装置により深さ１００μｍの個別液室５を形成する。
【００２１】
次に、シリコン基板の裏面に連通口４および共通液室６のパターン用エッチングマスクを形成したのち、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング装置を用いて隔壁１２によって仕切られた深さ３００μｍの連通口４と共通液室６を形成する。
【００２２】
次に、個別液室５の開放部を覆うように、シリコン基板の表面に陽極接合用ガラスＳＤ２（ＨＯＹＡ社製）を陽極接合したのち、研磨加工を行って５μｍ厚さの振動板７を形成する。
【００２３】
次に、振動板７の上に第２電極である下電極９として膜厚１５０ｎｍのＰｔ膜を成膜法により形成したのち、その上に圧電体薄膜８を成膜する。圧電体薄膜８としては鉛、チタン、ジルコニウムから構成された、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3 のペロブスカイト型酸化物（以下、「ＰＺＴ」という。）をスパッタ法で３μｍの膜厚に成膜する。
【００２４】
そののちスパッタ装置から取り出して、酸素雰囲気中で７００℃で焼成を行い、ＰＺＴ膜を結晶化させる。
【００２５】
なお、ＰＺＴ膜の組成がＰｂ(Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48)Ｏ3 となるようにすると、良好な圧電性を得ることができる。
【００２６】
しかし、ＰＺＴ膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成でもよい。またＰＺＴ膜厚は３μｍに限定しているものではない。
【００２７】
次に、圧電体薄膜８上に厚さ１５０ｎｍのＰｔ電極を成膜したのち、各々の個別液室５に対応するように、圧電体薄膜８と上電極１０をエッチングにより加工する。
【００２８】
上電極１０上にフォトレジストを塗布、Ａｒのドライエッチングにより上電極１０を加工する。
【００２９】
図１の（ｂ）は、液体吐出ヘッドを上方から見たもので、個別液室５と上電極１０との位置関係を模式的に示したものである。吐出口上部２ａ付近および共通液室上部６ａ付近の上電極１０の電極幅を、その他の領域における電極幅よりも細く形成する。前記形状は、フォトマスクで所望の形状を形成するのみでよく、容易に実現することができる。
【００３０】
個別液室５の長手方向に関する両端領域に対応する部位である吐出口上部２ａおよび共通液室上部６ａに対応する上電極１０の電極幅を細くすることで、前記領域に対応する圧電体薄膜８には、上電極１０が形成されている一部にしか電圧が印加されない。つまり前記形状とすることで、吐出口上部２ａおよび共通液室上部６ａに対応する振動板７の変位量を抑えることができ、図５に示したような、振動板７の個別液室の長手方向に関する両端領域に対応する部位に発生する、ツノ状の二山を抑制することができる。
【００３１】
また、共通液室上部６ａに形成した上電極１０を後方（同一方向）に延ばすことで、引き出し電極１１とすることができ、この引き出し電極１１を用いて電圧印加を行うことができる。
【００３２】
なお、吐出口上部２ａ付近および共通液室上部６ａ付近の上電極１０の電極幅が細い箇所と、それ以外の領域との接続部の形状は、電極の電圧集中を防ぐために、図１の（ｂ）に示すような上電極１０の電極幅が先細りテーパー状や、または円弧状（不図示）に漸減されている。
【００３３】
次に、圧電体薄膜８をレジストによりパターニングし、フッ硝酸によるウエットエッチングを行う。本実施例では、圧電体薄膜８は個別液室５とほぼ同形状となるようにパターニングおよびエッチングを行う。最後にシリコン基板の裏面に、ＳＵＳ板等にパンチ加工等の別加工を行ったノズルプレート１を貼り合わせる。
【実施例２】
【００３４】
実施例２による液体吐出ヘッドは、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように第１電極である上電極３０の形状が実施例１とは異なるだけである。流路が形成されたシリコン基板上に振動板（不図示）、下電極（不図示）、圧電体薄膜（不図示）、上電極３０を形成する工程と上電極加工後のＰＺＴ加工およびノズルプレートの接合工程は実施例１と同様である。以下に異なる部分について説明する。
【００３５】
図２の（ａ）は、実施例２における液体吐出ヘッドを上方から見たもので、個別液室２５と上電極３０との位置関係を模式的に示したものである。個別液室２５の長手方向の長さは２．５ｍｍである。
【００３６】
本実施例では、吐出口上部２２ａおよび共通液室上部２６ａに対応する領域に上電極３０が形成されていない形状とする。つまり、上電極３０の個別液室長手方向の長さが個別液室２５より短い。このため、個別液室の長手方向に関する両端領域に対応する圧電体薄膜の一部が振動板の変位に寄与することがない。
【００３７】
なお、図２の（ｂ）に示すように、引き出し電極３１は一度、個別液室２５を区切る隔壁３２上に引き出したのちに屈曲して反吐出口側（後方）へ延ばすことで形成することができる。その際、引き出し電極３１を上電極３０の長手方向に関する両端領域からとらず中央部からとることで、長手方向に関する両端領域における振動板の変位をより抑制することができる。
【００３８】
前記上電極３０および引き出し電極３１の形状はフォトマスクで所望の形状を形成するのみでよく、容易に実現することができる。
【実施例３】
【００３９】
実施例３による液体吐出ヘッドを図３に示す。実施例３の液体吐出ヘッドは、第１電極である上電極５０の形状が実施例１および実施例２とは異なるだけである。流路が形成された基体上に順次、振動板（不図示）、下電極（不図示）、圧電体薄膜（不図示）、上電極５０を形成する工程や上電極５０の加工後のＰＺＴ加工およびノズルプレートの接合は実施例１と同様である。以下に異なる部分について説明する。
【００４０】
図３は、実施例３による液体吐出ヘッドにおいて、個別液室４５と上電極５０との位置関係を示す模式上面図である。本実施例では、吐出口上部４２ａに対応する領域に上電極５０は形成されていない形状とし、共通液室上部４６ａに対応する領域の上電極５０の電極幅は、その他大部分を形成している上電極の電極幅よりも細く形成されている。このため、個別液室４５の長手方向に関する両端領域に対応する部位における振動板の変位が図５に示すようなツノ状の二山となることを防止することができる。
【００４１】
なお、引き出し電極５１は共通液室上部４６ａに対応する上電極５０をそのまま後方（同一方向）に引き出すのみでよく、隔壁５２上に引き出す必要もない。
【００４２】
また、前記上電極５０および引き出し電極５１の形状は、フォトマスクで所望の形状を形成するのみでよく、容易に実現することができる。
【００４３】
本発明において、振動板の厚さは、上記実施例１〜３の５μｍに限らず、１０μｍ以下であれば変位を充分確保できる。
【００４４】
次に、本発明に係る上述の液体吐出ヘッドと、容積変化手段に信号を与えるための駆動回路と、吐出された液体が付着する媒体を搬送する媒体搬送手段とを有する液体吐出装置の一例について説明する。
【００４５】
図９は、本発明に係る液体吐出ヘッドが適用可能なインクジェット記録装置の斜視図である。インクジェット記録装置に挿入された被記録媒体Ｐは、送りローラ１０９、１１０によって記録ヘッドユニット１００の記録可能領域へ搬送される。記録ヘッドユニット１００は、２つのガイド軸１０７，１０２によって、それらの延在方向（主走査方向）に沿って移動可能にガイドされており、記録領域を往復走査する。記録ヘッドユニット１００の走査方向が主走査方向であり、被記録媒体Ｐの搬送方向が副走査方向となる。記録ヘッドユニット１００には、複数色のインク液滴を吐出する液体吐出ヘッドと、それぞれの液体吐出ヘッドにインクを供給するためのインクタンク１０１が搭載されている。このインクジェット記録装置における複数色のインクは、ブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色である。各色の位置は順不同である。
【００４６】
記録ヘッドユニット１００が移動可能な領域の右端の下部には、回復系ユニット１１２が配備されており、非記録動作時に記録ヘッドの吐出口を回復処理したりする。
【００４７】
本例の場合、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色インク（Ｂｋ，Ｃ，Ｍ，Ｙ）のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。記録ヘッドユニット１００には、Ｂｋのインク液滴，Ｃのインク液滴，Ｍのインク液滴，Ｙのインク液滴を吐出する記録ヘッド群と、Ｂｋ用インクタンク１０１Ｂ、Ｃ用インクタンク１０１Ｃ、Ｍ用インクタンク１０１Ｍ、Ｙ用インクタンク１０１Ｙが搭載される。各インクタンクは記録ヘッド群と接続され、記録ヘッド群の吐出口に連通するノズル流路内にインクを供給する。この例以外にも、各色用のインクタンクを任意の組み合わせで一体構造としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の液体吐出ヘッドは、紙、布、革、不織布、ＯＨＰシート等に印刷する記録装置のみならず、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗装装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１による液体吐出ヘッドを示し、（ａ）は模式断面図、（ｂ）は個別液室と上電極との位置関係を示す模式上面図である。
【図２】実施例２による液体吐出ヘッドを示し、（ａ）は個別液室と上電極との位置関係を示す模式上面図、（ｂ）は引き出し電極を含む模式上面図である。
【図３】実施例３による液体吐出ヘッドを示し、個別液室と上電極および引き出し電極との位置関係を示す模式上面図である。
【図４】ユニモルフ型のピエゾ記録ヘッドの模式断面図である。
【図５】ユニモルフ型のピエゾ記録ヘッドの振動板の変位図である。
【図６】本発明に係る液体吐出ヘッドが適用可能なインクジェット記録装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１、２１、４１    ノズルプレート
２、２２、４２    吐出口
２ａ、２２ａ、４２ａ    吐出口上部
３、２３、４３    基体
４、２４、４４    連通口
５、２５、４５    個別液室
６、２６、４６    共通液室
６ａ、２６ａ、４６ａ    共通液室上部
７    振動板
８    圧電体薄膜
９    下電極
１０、３０、５０    上電極
１１、３１、５１    引き出し電極
１２、３２、５２    隔壁
１００    記録ヘッドユニット
１０１    インクタンク
１０２、１０７    ガイド軸
１０９、１１０    送りローラ
１１２    回復系ユニット
１２０    クリーニング手段
【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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