(57)【要約】【課題】  大きな変位量を得ることができる圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及びこの圧電素子を提供する。またこれらを用いた印刷特性に優れた液体噴射装置を提供する。【解決手段】  液体噴射ヘッドは、下電極６０、圧電体層７０、及び上電極８０をこの順で積層してなる圧電素子３００と、前記圧電素子が一方面側に設けられると共にノズル開口に連通する圧力発生室１２が設けられた流路形成基板とを具備し、当該圧電体層７０の上面７２及び側面７１上部に亘って前記上電極８０が設けられると共に、当該圧電体層７０の当該上電極により覆われていない部分には、保護膜３１０が設けられている。また、液体噴射装置は当該液体噴射ヘッドを備える。【選択図】図３
2009255528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下電極、圧電体層、及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子と、前記圧電素子が一方面側に設けられると共にノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備し、
当該圧電体層の上面及び側面上部に亘って前記上電極が設けられると共に、当該圧電体層の当該上電極により覆われていない部分には、保護膜が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記圧電体層の幅が前記下電極に向かって広がり、前記上電極の前記側面に設けられた部分は、前記下電極に向かってその厚さが漸少すると共に、前記保護膜が当該上電極の漸少した部分と重なるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記上電極が、前記圧電体層の側面の上半分を覆うように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
基板上に設けられた下電極と、下電極上に形成された圧電体層と、当該圧電体層の上面及び側面上部を覆う上電極とを備え、
前記圧電体層の上電極により覆われていない部分には保護膜が設けられたことを特徴とする圧電素子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを備えた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】
本発明は液体噴射ヘッド、圧電素子及び液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドの一例として、上電極、圧電体層及び下電極からなる圧電素子を圧力発生手段として用いたインクジェット式記録ヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。このインクジェット式記録ヘッドでは、圧電体層の湿気劣化を防止するための絶縁体層が、圧電体層及び上電極を覆った状態で形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４６８８８号公報（請求項２、図６等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記構成によれば、圧電素子の駆動による変位量は十分であり、優れたインク吐出特性を得ることができるが、現在、より大きな変位量が求められている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、大きな変位量を得ることができる圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及びこの圧電素子を提供することにある。また、本発明の目的は、この液体噴射ヘッドを備えたより印刷特性に優れた液体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の液体噴射ヘッドは、下電極、圧電体層、及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子と、前記圧電素子が一方面側に設けられると共にノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備し、当該圧電体層の上面及び側面上部に亘って前記上電極が設けられると共に、当該圧電体層の当該上電極により覆われていない部分には、保護膜が設けられていることを特徴とする。
圧電素子の上電極が圧電体層の上面及び側面上部に亘って設けられていることで、圧電素子駆動時に電界が発生する領域を大きくすることができる。かつ、保護膜が、圧電素子全体を覆うのではなく、圧電体層の上電極により覆われていない部分のみを覆うように構成されていることで、圧電体層が保護膜によって変動を妨げられることが少ない。従って、かかる構成によれば、圧電素子の駆動による変位量をより大きく得ることができる。この場合、圧電体層は上電極及び保護膜によって覆われているので、湿気による劣化を防止することができる。
【０００７】
また、前記圧電体層の幅が前記下電極に向かって広がり、前記上電極の前記側面に設けられた部分は、前記下電極に向かってその厚さが漸少すると共に、前記保護膜が当該上電極の漸少した部分と重なるように設けられていることが好ましい。圧電体層の側面が斜面であれば、上電極で圧電体層の上面及び側面を覆うように構成した場合に、より広い範囲に電界が発生するので圧電素子の駆動による変位量をさらに大きく得ることができる。そして、前記上電極の前記側面に設けられた部分は、当該側面の下部に向かってその幅が漸少すると共に、この漸少した部分において前記保護膜と重なるように設けられていることで、保護膜が圧電体層に付着しやすくなるので、圧電素子の劣化を防止できる。
【０００８】
前記上電極が、前記圧電体層の側面の上半分を覆うように構成されていることが好ましい。このように構成することで、上電極と下電極とが接触してショートすることを防ぐことが可能であると共に、変位量をより大きくすることができる。
【０００９】
本発明の圧電素子は、基板上に設けられた下電極と、下電極上に形成された圧電体層と、当該圧電体層の上面及び側面上部を覆う上電極とを備え、前記圧電体層の上電極により覆われていない部分には保護膜が設けられたことを特徴とする。このような圧電素子であれば、より変位量を大きくすることができる。
【００１０】
本発明の液体噴射装置は、上記したいずれかの液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。上記したインク吐出特性の高い液体噴射ヘッドを備えたことで液体噴射装置の印刷特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る記録ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る記録装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図、図２（ａ）は図１の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。なお、図面の理解を容易とするために、図２（ａ）中、後述する保護膜３１０は記載していない。
【００１３】
流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０の一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等からなる
絶縁体膜５５が形成されている。また、流路形成基板の他方の面には、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がその幅方向（短手方向）に並設されている。各列の圧力発生室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、圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。つまり、流路形成基板１０には、液体流路として、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５が形成されている。
【００１４】
連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバー部３１と連通して圧力発生室１２の列毎に共通のインク室となるリザーバー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。本実施形態では、インク供給路１４は、圧力発生室１２及び連通路１５の一方の幅を狭めることで形成されているが、特にこれに限定されず、例えば圧力発生室１２及び連通路１５の両側の幅を狭めることでインク供給路１４を形成するようにしてもよく、厚さ方向に絞ることでインク供給路１４を形成してもよい。
【００１５】
流路形成基板１０の開口面側（他方面側）には、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によって固着されている。
【００１６】
絶縁体膜５５上には、下電極６０と、圧電体膜の一例であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、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。ここで、圧電素子３００は、下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０を含む部分をいう。この圧電素子３００は、圧力発生室１２内のインク（液体）に圧力変化を生じさせる圧力発生素子として機能する。
【００１７】
本実施形態では、圧電素子３００の下電極６０を共通電極とすると共に、上電極８０を圧電素子３００の個別電極とし、上電極８０と下電極６０との間に電圧を印加して圧電体層７０を駆動させる。この圧電体層７０は、下電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でもペロブスカイト構造の強誘電体材料からなる。
【００１８】
以下、圧電素子３００の構成について、図３を用いて詳細に説明する。図３は、圧電素子３００の構成を説明するための要部断面図であり、図２（ｂ）のＢ−Ｂ′線断面図である。共通電極である下電極６０上の圧電体層７０は、異方性エッチングによりその幅が下電極６０側に向かって広がるようにパターニングされている。即ち、圧電体層７０の側面７１は斜面となっている。この圧電体層７０の両側面７１の上部側及び上面７２を上電極８０が覆っている。このように上電極８０が圧電体層７０の上面７２だけでなく側面７１の上部側を覆っていることで、上電極８０と下電極６０との間に電圧を印加すると、上電極８０を上面７２だけに形成する場合よりも圧電体層７０の広範囲に電界を発生させることができるので、圧電素子３００の変位量をより大きくすることができる。
【００１９】
この圧電体層７０の側面７１のうち、上電極８０が覆っていない部分、即ち側面７１の下部側を湿気から保護するために、耐湿性保護膜として機能する保護膜３１０が設けられている。保護膜３１０は、例えば、酸化アルミニウム等の酸化膜やポリイミドなどの有機膜からなる。このように、本実施形態においては、圧電体層７０の側面７１を、上電極８０と保護膜３１０とで覆っているため、圧電体層７０の湿気による劣化を防止することができる。この場合に、圧電体層７０に湿気が接触しないように、保護膜３１０は、図１に示すように絶縁体膜５５の上面に広く設けられていることが好ましい。また、この保護膜３１０が、圧電体層７０の表面のうち、側面７１全体を覆うのではなく、上電極８０が覆っていない側面７１の下部側のみを覆うことで、圧電素子３００の駆動時の変動を妨げないので圧電体層７０の変位をより大きくすることができる。
【００２０】
また、上電極８０のうち、側面７１を覆っている部分は、側面７１を下降するに従ってその厚さが漸少すると共に、この漸少部において保護膜３１０と重なるように構成することが好ましい。このように構成することで、保護膜３１０が圧電素子３００に付着しやすくなるので、保護膜３１０の密着性の悪さに起因して圧電素子３００が大気に接触して湿気により劣化することを防止できる。この上電極８０は、側面７１の上半分までを覆うように構成することが好ましい。変位量を大きくするためには、上電極８０が側面７１のなるべく広範囲を覆うことが好ましいが、その反面、下電極６０に接してしまうとショートしてしまう虞があるので、側面７１の上半分までを覆うように構成すれば、ショートもなく、かつ、十分な変位を得ることができる。
【００２１】
このような圧電素子３００は、下電極６０、圧電体層７０をそれぞれこの順で成膜及びパターニングにより形成した後、上電極８０を成膜及びパターニングにより形成することで、構成される。その後、後述するリード電極９０を形成した後に、保護膜３１０を所定位置に設けることで、本実施形態とすることができる。
【００２２】
圧電素子３００の個別電極である各上電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。なお、上述した例では、弾性膜５０及び絶縁体膜５５が振動板として作用するが、弾性膜５０又は絶縁体膜５５の何れか一方のみを振動板として設けるようにしてもよい。
【００２３】
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、下電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバー部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ー１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバーと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００２４】
保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、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。なお、圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
【００２５】
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。
【００２６】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。駆動回路１２０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、駆動回路１２０とリード電極９０とは、貫通孔３３を挿通させたボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
【００２７】
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と同一材料の面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００２８】
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、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によってリザーバー部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、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等で形成される。この固定板４２のリザーバー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、リザーバー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。
【００２９】
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からインクを取り込み、リザーバー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、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極６０と上電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極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される。
【００３０】
この場合に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、上電極８０が圧電体層７０の上面７２及び側面７１の上部を覆って設けられていると共に、保護膜３１０が圧電体層７０の側面７１の下部のみを覆って設けられていることで、下電極６０と上電極８０との間に電圧を印加すると、圧電素子３００の変位をより大きくすることができるので、所望の量のインク滴を吐出することが可能である。
【００３１】
上述の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。同図に示すように、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。
【００３２】
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。
【００３３】
本実施形態におけるインクジェット式記録装置では、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂに上記したインクジェット式記録ヘッドを用いているので、インク吐出特性が高く、このため、印刷特性に優れたものとなる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス基板、ＭｇＯ基板等においても本発明は有効である。
【００３５】
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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。
【００３６】
また、上述したインクジェット式記録装置では、ヘッドユニット１Ａ、１Ｂがキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッド（又はヘッドユニット）が固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、いわゆるライン式記録装置にも本発明を適用することができる。また、液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  １３  連通部、  １４  インク供給路、  １５  連通路、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  リザーバー部、  ３２  圧電素子保持部、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極、  ７０  圧電体層、  ７１  側面、  ７２  上面、  ８０  上電極、  ９０  リード電極、  １００  リザーバー、  １２０  駆動回路、  １２１  接続配線、  ３００  圧電素子、  ３１０  保護膜
【図１】
2009255528.tif 000003
【図２】
2009255528.tif 000004
【図３】
2009255528.tif 000005
【図４】
2009255528.tif 000006