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技術 アクチュエーター、及び、センサー

出願人 セイコーエプソン株式会社
発明者 平井栄樹矢崎士郎高部本規福澤祐馬
出願日 2017年11月28日 (1年1ヶ月経過) 出願番号 2017-227387
公開日 2018年2月22日 (10ヶ月経過) 公開番号 2018-027710
状態 特許登録済
技術分野 インクジェット(粒子形成、飛翔制御) 圧電、電歪、磁歪装置
主要キーワード 両電極膜 光干渉顕微鏡 連通側 アクチュエーターユニット 略菱形形状 電極膜間 レーザードップラー振動計 DCモーター
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年2月22日)のものです。
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図面 (8)

課題

排除体積の向上を図ることにより、液体を効率良く噴射させることができる液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供する。

解決手段

ノズル25に連通して圧力室22となるべき空間がノズル列方向に複数並設された圧力室形成基板15を備え、圧力室22に対応する領域において、ノズル列方向に圧力室22の幅の54%以上、72%以下の幅で形成された下電極膜27と、ノズル列方向に下電極膜27を覆い且つ圧力室22の幅の80%以下の幅で形成された圧電体層28と、を備えた。

概要

背景

液体噴射装置液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置,有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイやFED(面発光ディスプレイ)等の電極を形成する電極形成装置バイオチップ生物化学素子)を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではR(Red)・G(Green)・B(Blue)の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記の液体噴射ヘッドは、圧力室に液体を導入し、当該圧力室の液体に圧力変動を生じさせて、この圧力室に通じるノズルから液体を噴射するように構成されている。上記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段としては、圧電素子が好適に用いられる。この圧電素子としては、例えば、圧力室に近い側から順に、圧力室毎に設けられる個別電極として機能する下電極膜と、チタン酸ジルコン酸鉛PZT)等の圧電体層と、複数の圧力室に共通な共通電極として機能する上電極膜とが、成膜技術によりそれぞれ積層形成されて構成される(例えば、特許文献1)。このような圧電素子では、圧力室に対応する領域において、圧電体層が下電極膜を覆うように、圧電体層の幅が下電極膜の幅よりも幅広に形成されている。そして、圧電体層において上下の電極膜によって挟まれた部分が、電極膜への電圧印加によって変形する能動部(活性部)となる。このような圧電素子は、圧力室の一側(例えば、ノズルが形成されるノズルプレートとは反対側)を区画した振動板上に形成される。この振動板は、可撓性を有し、圧電素子の変形に伴って変形する。

ここで、液体噴射ヘッドの性能評価指標として、排除体積と呼ばれるものがある。排除体積とは、所定の駆動電圧を印加して圧電素子を駆動させたときの圧力室の容積の変化量(圧力室から排除される液体の体積)を意味する。この排除体積は、圧力室に対応する領域に積層された圧電素子の能動部の面積に応じて増減する。そして、排除体積を向上させることで、ノズルから液体を効率良く噴射させることができる。

概要

排除体積の向上をることにより、液体を効率良く噴射させることができる液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供する。ノズル25に連通して圧力室22となるべき空間がノズル列方向に複数並設された圧力室形成基板15を備え、圧力室22に対応する領域において、ノズル列方向に圧力室22の幅の54%以上、72%以下の幅で形成された下電極膜27と、ノズル列方向に下電極膜27を覆い且つ圧力室22の幅の80%以下の幅で形成された圧電体層28と、を備えた。

目的

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排除体積の向上を図ることにより、液体を効率良く噴射させることができる液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第1の方向に複数並設された圧力室形成基板と、前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、前記振動板側から順に第1の電極層圧電体層および第2の電極層が積層された圧電素子と、を備え、前記圧力室に対応する領域において、前記第1の方向に前記圧力室の幅の54%以上、72%以下の幅で形成された前記第1の電極層と、前記第1の方向に前記第1の電極層を覆い且つ前記圧力室の幅の80%以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えた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を備えたことを特徴とする液体噴射装置

技術分野

0001

本発明は、圧電素子の駆動により液体噴射する液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置に関するものである。

背景技術

0002

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置,有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイやFED(面発光ディスプレイ)等の電極を形成する電極形成装置バイオチップ生物化学素子)を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではR(Red)・G(Green)・B(Blue)の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

0003

上記の液体噴射ヘッドは、圧力室に液体を導入し、当該圧力室の液体に圧力変動を生じさせて、この圧力室に通じるノズルから液体を噴射するように構成されている。上記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段としては、圧電素子が好適に用いられる。この圧電素子としては、例えば、圧力室に近い側から順に、圧力室毎に設けられる個別電極として機能する下電極膜と、チタン酸ジルコン酸鉛PZT)等の圧電体層と、複数の圧力室に共通な共通電極として機能する上電極膜とが、成膜技術によりそれぞれ積層形成されて構成される(例えば、特許文献1)。このような圧電素子では、圧力室に対応する領域において、圧電体層が下電極膜を覆うように、圧電体層の幅が下電極膜の幅よりも幅広に形成されている。そして、圧電体層において上下の電極膜によって挟まれた部分が、電極膜への電圧印加によって変形する能動部(活性部)となる。このような圧電素子は、圧力室の一側(例えば、ノズルが形成されるノズルプレートとは反対側)を区画した振動板上に形成される。この振動板は、可撓性を有し、圧電素子の変形に伴って変形する。

0004

ここで、液体噴射ヘッドの性能評価指標として、排除体積と呼ばれるものがある。排除体積とは、所定の駆動電圧を印加して圧電素子を駆動させたときの圧力室の容積の変化量(圧力室から排除される液体の体積)を意味する。この排除体積は、圧力室に対応する領域に積層された圧電素子の能動部の面積に応じて増減する。そして、排除体積を向上させることで、ノズルから液体を効率良く噴射させることができる。

先行技術

0005

特開2009−172878号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、圧電素子の能動部の面積を増やすべく、下電極膜(個別電極)の幅(ノズル列方向における寸法)を広くすると、かえって排除体積が減少する場合がある。具体的には、圧電体層は、上電極膜と下電極膜との間の絶縁破壊を抑制する目的で、下電極膜を覆うように構成されているため、下電極膜の幅が広がることに伴って、圧電体層の幅も広がる。これにより、圧力室(圧力室となる空間の圧電素子側の開口)の幅に対する圧電体層の幅が相対的に広くなり、圧力室に対応する領域における圧電体層が積層されていない領域の幅が相対的に狭くなる。その結果、当該領域における振動板の変形が阻害され、排除体積が減少する。

0007

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排除体積の向上を図ることにより、液体を効率良く噴射させることができる液体噴射ヘッド、及び、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

0008

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第1の方向に複数並設された圧力室形成基板と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、前記振動板側から順に第1の電極層、圧電体層および第2の電極層が積層された圧電素子と、を備え、
前記圧力室に対応する領域において、前記第1の方向に前記圧力室の幅の50%以上、80%以下の幅で形成された前記第1の電極層と、前記第1の方向に前記第1の電極層を覆い且つ前記圧力室の幅の90%以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えたことを特徴とする。

0009

この構成によれば、第1の電極層が圧力室の幅に対して50%以上、80%以下の幅で形成され、圧電体層が圧力室の幅に対して90%以下の幅で形成されたので、圧電素子駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。その結果、ノズルから液体を効率良く噴射させることが可能となる。

0010

上記構成において、前記圧力室に対応する領域において、前記第1の方向に前記圧力室の幅の54%以上、72%以下の幅で形成された前記第1の電極層と、前記第1の方向に前記圧力室の幅の80%以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えたことが望ましい。
すなわち、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第1の方向に複数並設された圧力室形成基板と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、前記振動板側から順に第1の電極層、圧電体層および第2の電極層が積層された圧電素子と、を備え、
前記圧力室に対応する領域において、前記第1の方向に前記圧力室の幅の54%以上、72%以下の幅で形成された前記第1の電極層と、前記第1の方向に前記第1の電極層を覆い且つ前記圧力室の幅の80%以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えたことが望ましい。

0011

この構成によれば、第1の電極層が圧力室の幅に対して54%以上、72%以下の幅で形成され、圧電体層を圧力室の幅に対して80%以下の幅で形成されたので、圧電素子駆動時の排除体積をより向上させることが可能となる。その結果、ノズルから液体を一層効率良く噴射させることが可能となる。

0012

そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。

図面の簡単な説明

0013

プリンターの構成を説明する斜視図である。
記録ヘッドの分解斜視図である。
記録ヘッドの平面図である。
記録ヘッドの要部の構成を説明するノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図である。
図3におけるA−A′断面図である。
圧電体層の幅を変えたときの排除体積の変化を示したグラフである。
第2実施形態における記録ヘッドの平面図である。

実施例

0014

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明では、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッド)を搭載したインクジェット式プリンター(以下、プリンター)を例に挙げる。

0015

プリンター1の構成について、図1を参照して説明する。プリンター1は、記録紙等の記録媒体2(着弾対象の一種)の表面に対して液体状のインクを噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター1は、記録ヘッド3、この記録ヘッド3が取り付けられるキャリッジ4、キャリッジ4を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構5、記録媒体2を副走査方向に移送する搬送機構6等を備えている。ここで、上記のインクは、本発明の液体の一種であり、液体供給源としてのインクカートリッジ7に貯留されている。このインクカートリッジ7は、記録ヘッド3に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジがプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジからインク供給チューブを通じて記録ヘッドに供給される構成を採用することもできる。

0016

上記のキャリッジ移動機構5はタイミングベルト8を備えている。そして、このタイミングベルト8はDCモーター等のパルスモーター9により駆動される。従ってパルスモーター9が作動すると、キャリッジ4は、プリンター1に架設されたガイドロッド10に案内されて、主走査方向(記録媒体2の幅方向)に往復移動する。

0017

図2は、本実施形態の記録ヘッド3の構成を示す分解斜視図である。また、図3は、記録ヘッド3の平面図(上面図)である。なお、図3は、後述する封止板20が接合されていない状態を示している。すなわち、図3は、後述する各層が積層された振動板21の平面図である。さらに、図4及び図5は、記録ヘッド3の要部構成を示す図であり、図4はノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図、図5はノズル列方向に沿った断面(図3におけるA−A′断面)の模式図である。

0018

本実施形態における記録ヘッド3は、圧力室形成基板15、ノズルプレート16、アクチュエーターユニット14、及び、封止板20等を積層して構成されている。圧力室形成基板15は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなる板材である。この圧力室形成基板15には、複数の圧力室22となる空間(本発明における空間に相当。以下、適宜、圧力室空間と称する。)が、隔壁22aを間に挟んで並設されている。これらの圧力室空間は、ノズル列方向に直交する方向に長尺な空部であり、ノズルプレート16の各ノズル25に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室空間(或いは圧力室22)は、ノズル列方向(本発明における第1の方向)に沿って、ノズル25の形成ピッチと同じピッチで形成されている。

0019

なお、本実施形態における圧力室22(圧力室空間)の上部開口(ノズル25側とは反対側の開口)は、図3に示すように、台形状を呈している。また、圧力室22(圧力室空間)の長手方向のノズル25側端部の壁22bは、図4に示すように、流路形成基板15の上下面に対して部分的に傾斜している。この圧力室22(圧力室空間)の寸法に関し、圧力室22の高さ(すなわち、圧力室形成基板15の厚さ)は、約70〔μm〕に設定されている。また、圧力室22の長手方向の長さ(ノズル列方向に直交する方向の寸法)は、約360〔μm〕に設定されている。さらに、図5に示す圧力室22の短手方向の幅w1(ノズル列方向の寸法)は、約70〔μm〕に設定されている。なお、本発明における圧力室22の寸法(長さ及び幅)は、圧力室空間の上部開口(振動板21側の開口)の内法を意味している。

0020

また、図2に示すように、圧力室形成基板15において、圧力室空間に対して当該圧力室空間長手方向の側方(ノズル25との連通側とは反対側)に外れた領域には、圧力室形成基板15を貫通する連通部23が、圧力室空間の並設方向に沿って形成されている。この連通部23は、各圧力室空間に共通な空部である。この連通部23と各圧力室空間とは、インク供給路24を介してそれぞれ連通されている。なお、連通部23は、後述する振動板21の連通開口部26および封止板20の液室空部33と連通して、各圧力室空間(圧力室22)に共通なインク室であるリザーバー共通液室)を構成する。インク供給路24は、圧力室空間よりも狭い幅で形成されており、連通部23から圧力室空間に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。

0021

圧力室形成基板15の下面(アクチュエーターユニット14との接合面側とは反対側の面)には、ノズルプレート16(ノズル形成基板)が、接着剤熱溶着フィルム等を介して接合されている。本実施形態におけるノズルプレート16は、ドット形成密度(例えば、300dpi〜600dpi)に相当するピッチ(隣接ノズル25の中心間距離)で各ノズル25が並設されている。各ノズル25は、圧力室空間に対してインク供給路24とは反対側の端部で連通する。なお、ノズルプレート16は、例えば、シリコン単結晶基板やステンレス鋼などから作製される。

0022

アクチュエーターユニット14は、振動板21および圧電素子19から構成される。振動板21は、圧力室形成基板15の上面に形成された酸化シリコン(SiOx)(例えば、二酸化シリコン(SiO2))からなる弾性膜17と、この弾性膜17上に形成された酸化ジルコニウム(ZrOx)からなる絶縁体膜18と、から成る。この振動板21における圧力室空間に対応する部分、即ち、圧力室空間の上部開口を塞いで圧力室22の一部を区画する部分は、圧電素子19の撓み変形に伴ってノズル25から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変位する変位部として機能する。なお、弾性膜17の厚さは300〜2000〔nm〕に設定されることが望ましく、絶縁体膜18の厚さは30〜600〔nm〕に設定されることが望ましい。また、図2に示すように、この振動板21における圧力室形成基板15の連通部23に対応する部分には、当該連通部23と連通する連通開口部26が開設されている。

0023

振動板21(絶縁体膜18)の圧力室空間に対応する部分、すなわち変位部の上面(ノズル25側とは反対側の面)には、圧電素子19が形成されている。本実施形態における圧電素子19は、振動板21側から順に下電極膜27(本発明における第1の電極層に相当)、圧電体層28および上電極膜29(本発明における第2の電極層に相当)が、成膜技術により積層されて構成されている。図5に示すように、下電極膜27は、個々の圧力室22毎に独立して設けられる一方、上電極膜29は、複数の圧力室22に亘って連続して設けられている。したがって、下電極膜27は、圧力室22毎の個別電極となり、上電極膜29は、各圧力室22に共通な共通電極となる。

0024

具体的には、図3及び図5に示すように、ノズル列方向における上電極膜29の両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて列設された複数の圧力室空間(圧力室22)の外側まで延設されている。また、図3及び図4に示すように、圧力室22の長手方向(ノズル列方向に直交する方向)における上電極膜29の両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて当該圧力室空間(圧力室22)の外側まで延設されている。圧力室22の長手方向における下電極膜27は、一側(図3における上側)の端部が圧力室空間の上部開口縁を超えてインク供給路24と重なる位置まで延在され、他側(図3における下側)の端部がリード電極部41まで延在されている。そして、図5に示すように、圧力室空間上(圧力室22に対応する領域)における下電極膜27のノズル列方向の幅w3は、ノズル列方向における圧力室22の幅w1よりも狭く形成されている。また、圧力室空間上における圧電体層28は、ノズル列方向における幅w2が圧力室22の同方向における幅w1よりも狭く形成されると共に、下電極膜27の同方向における幅w3よりも広く形成され、下電極膜27を覆っている。ここで、本発明では、圧力室22の幅w1に対する下電極膜27の幅w3の割合及び圧力室22の幅w1に対する圧電体層28の幅w2の割合を規定することで、排除体積を向上させている。詳細については、後述する。

0025

なお、ノズル列方向において、下電極膜27の一側の外端から圧電体層28の同側の外端までの距離w4、換言すると、一側における下電極膜27より外側の圧電体層28の幅w4は、製造公差を考慮して2〔μm〕以上に設定されることが望ましい。すなわち、ノズル列方向において、下電極膜27から外れた領域の圧電体層28の幅は、両側合計4〔μm〕以上に設定されることが望ましい。このようにすれば、この領域における下電極膜27と上電極膜29との間の距離を、公差を含めても十分に確保することができ、電極膜間の絶縁破壊(静電破壊)を抑制することができる。

0026

また、本実施形態では、図3に示すように、圧電体層28が部分的に除去された開口部28aによって、圧電体層28が個々の圧電素子19毎に分割されている。具体的には、圧電体層28は、圧力室22の長手方向の両端部(詳しくは、圧力室空間の両側の上部開口縁)を超えて外側まで延在されると共に、複数の圧力室22に亘って形成されている。そして、隣り合う圧力室22の間に対応する領域の圧電体層28が部分的に除去されて、圧電体層28が積層されていない開口部28aが複数形成されている。すなわち、複数の開口部28aがノズル列方向に沿って、圧力室22の形成ピッチ(ノズル25の形成ピッチ)と同じピッチで形成されている。換言すると、開口部28aと開口部28aとの間に、1つの圧力室22に対応する圧電素子19が圧力室22の形成ピッチと同じピッチで形成されている。なお、本実施形態の開口部28aは、平面視において、圧力室22の長手方向に沿って長尺な細長六角形状に形成されている。また、圧力室22の長手方向において、開口部28aから外れた領域の圧電体層28は、複数の圧力室22に亘って連続して形成されている。本実施形態では、開口部28aの長手方向の長さが約360〔μm〕に形成され、細長六角形状の開口部28aの長辺(図3における左側または右側の辺)の長さが約342〔μm〕に形成されている。ここで、本実施形態における圧電体層28の幅w2とは、一方の開口部28aの長辺と他方の開口部28aの長辺との間に形成された圧電体層28の幅のことである。要するに、圧力室22の幅w1、圧電体層28の幅w2及び下電極膜27の幅w3とは、各圧力室22において圧電素子19が実質的に振動する部分の幅である。

0027

このように構成された圧電素子19では、下電極膜27、圧電体層28および上電極膜29が積層された領域、すなわち下電極膜27と上電極膜29との間に圧電体層28が挟まれた領域が両電極膜27、29への電圧の印加により圧電歪みが生じる能動部(活性部)となる。

0028

なお、上電極膜29および下電極膜27は、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)等の各種金属や、これらの合金等が用いられる。また、圧電体層28としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブニッケルマグネシウムビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。なお、上電極膜29の厚さは、30〜100〔nm〕に設定されることが望ましい。また、下電極膜27の厚さは、50〜300〔nm〕に設定されることが望ましい。さらに、圧電体層28の厚さ(詳しくは、能動部における圧電体層28の厚さ)は、0.7〜5〔μm〕に設定されることが望ましい。

0029

圧力室空間の上部開口縁よりも圧力室空間長手方向の外側に外れた領域における圧電体層28上であって、上電極膜29に対して所定の間隔を隔てた位置(図4における左側の位置)には、リード電極部41が形成されている。そして、圧電体層28においてリード電極部41が形成されている位置には、図4に示すように、当該圧電体層28を貫通する状態で、圧電体層28の上面から下電極膜27に至るスルーホール42が形成されている。リード電極部41は、個別電極である下電極膜27に対応してパターニングされている。このリード電極部41は、上記のスルーホール42を通じて下電極膜27に導通されている。そして、このリード電極部41を介して各圧電素子19に選択的に駆動電圧(駆動パルス)が印加される。

0030

図2に示すように、アクチュエーターユニット14における圧力室形成基板15との接合面である下面とは反対側の上面には、圧電素子19を収容可能な収容空部32を有する封止板20が接合される。この封止板20には、収容空部32よりもノズル列に直交する方向の外側に外れた位置であって、振動板21の連通開口部26および圧力室形成基板15の連通部23に対応する領域には、液室空部33が設けられている。液室空部33は、封止板20を厚さ方向に貫通して圧力室空間(圧力室22)の並設方向に沿って設けられており、上述したように連通開口部26および連通部23と一連に連通して各圧力室空間の共通のインク室となるリザーバーを画成する。なお、図示しないが、封止板20には、収容空部32と液室空部33の他に、封止板20を厚さ方向に貫通する配線開口部が設けられ、この配線開口部内にリード電極部41の端部が露出される。そして、このリード電極部41の露出部分には、プリンター本体側からの図示しない配線部材端子電気的に接続される。

0031

上記構成の記録ヘッド3では、インクカートリッジ7からインクを取り込み、リザーバー、インク供給路24、圧力室22、およびノズル25に至るまでの流路内がインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室22に対応するそれぞれの下電極膜27と上電極膜29との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子19および振動板21の変位部が変位することにより、圧力室22内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル25からインクが噴射される。

0032

ところで、このような記録ヘッド3の性能評価の指標として、圧電素子19(圧電体層28)の変位量或いは排除体積を求めることがある。圧電素子19の変位量は、所定の駆動電圧を印加して圧電素子19を駆動させたときの当該圧電素子19の最大の変形量を意味する。一方、排除体積は、所定の駆動電圧を印加して圧電素子19を駆動させたときの圧力室22の容積の変化量(圧力室22から排除される液体の体積)を意味する。何れも、ノズル25からのインクの噴射量に関係し、圧電素子19の能動部の大きさに応じて増減するが、必ずしも圧電素子19の変位量と排除体積とが比例関係にあるわけではない。例えば、ノズル列方向における下電極膜27の幅を変化させた場合、圧電素子19の変位量が最大となる値と、排除体積が最大となる値とが異なる場合がある。すなわち、圧電素子19の変位量のピーク値を示す下電極膜27の幅と、排除体積のピーク値を示す下電極膜27の幅とが一致しない場合がある。ここで、上記したように排除体積は圧力室22の容積の変化量を表わすため、圧電素子19の変位量よりも排除体積の方が正確にインクの噴射量を表わすことができる。そこで、本発明に係る記録ヘッド3では、ノズル列方向における下電極膜27の幅及び圧電体層28の幅を規定することで、排除体積の向上を図っている。

0033

具体的には、本発明に係る記録ヘッド3では、ノズル列方向において、下電極膜27が圧力室22の幅に対して50%以上、80%以下の幅で形成され、圧電体層28が下電極膜27を覆い且つ圧力室22の幅に対して90%以下の幅で形成されている。このように形成することで、排除体積が最適な範囲となった記録ヘッド3を提供することができる。この点につていて図6を用いて説明する。

0034

図6は、圧電体層28の幅w1を変えたときの排除体積の変化を示したグラフである。グラフ中の「BE幅比」は、ノズル列方向における圧力室22の幅w1に対する下電極膜27の幅w3の比を表わし、「TP幅比」は、ノズル列方向における圧力室22の幅w1に対する圧電体層28の幅w2の比を表わしている。図6では、BE幅比が45.7%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が32〔μm〕)の場合、BE幅比が50.0%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が35〔μm〕)の場合、BE幅比が54.3%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が38〔μm〕)の場合、BE幅比が60.0%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が42〔μm〕)の場合、BE幅比が71.4%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が50〔μm〕)の場合、BE幅比が80.0%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が56〔μm〕)の場合、BE幅比が85.7%(本実施形態では下電極膜27の幅w3が60〔μm〕)の場合において、TP幅比を変えたときの排除体積の変化を調べている。また、排除体積の値は、BE幅比が60.0%、TP幅比が71.4%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が50〔μm〕)のときの値を基準(100%)とし、この値に対する割合(%)で表わしている。

0035

なお、上述したように、絶縁破壊を抑制する観点から、圧電体層28の幅w2を下電極膜27の幅w3よりも少なくとも4〔μm〕以上広くする必要がある。このため、BE幅比が45.7%の場合、とり得るTP幅比の最小値は51.4%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が36〔μm〕)となる。BE幅比が50.0%の場合、とり得るTP幅比の最小値は55.7%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が39〔μm〕)となる。BE幅比が54.3%の場合、とり得るTP幅比の最小値は60.0%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が42〔μm〕)となる。BE幅比が60.0%の場合、とり得るTP幅比の最小値は65.7%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が46〔μm〕)となる。BE幅比が71.4%の場合、とり得るTP幅比の最小値は77.1%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が54〔μm〕)となる。BE幅比が80.0%の場合、とり得るTP幅比の最小値は85.7%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が60〔μm〕)となる。BE幅比が85.7%の場合、とり得るTP幅比の最小値は91.4%(本実施形態では圧電体層28の幅w2が64〔μm〕)となる。

0036

図6から分かるように、BE幅比が45.7%及び85.7%の場合は、排除体積の値が90%を下回る。一方、BE幅比が50.0%、54.3%、60.0%、71.4%及び80.0%の場合は、排除体積の値が90%を上回る。ここで、排除体積が90%以上あれば、排除堆積100%に対する落ち込みが許容できる程度の十分な排除堆積が得られる。すなわち、記録ヘッド3の噴射性能を十分に得られる。このため、排除体積が90%以上を許容値として定め、BE幅比が50%以上、80%以下の範囲に収めるようにした。また、BE幅比が50.0%から80.0%の間のいずれの場合でも、TP幅比がおおよそ80.0%を超えたあたりから排除体積の値が急激に落ち始める。そして、TP幅比が90.0%の時に排除体積の値が約90%になり、これよりTP幅比が大きくなると排除体積の値が90%を下回ることが予想される。このため、TP幅比は90%以下の範囲に収めるようにした。

0037

このように、BE幅比が50%以上、80%以下に設定され、TP幅比が90%以下の範囲に設定されれば、排除体積の値が約90%を上回る範囲に設定される。すなわち、圧力室22に対応する領域において、下電極膜27が圧力室22の幅に対して50%以上、80%以下の幅で形成され、圧電体層28が圧力室22の幅に対して90%以下の幅で形成されれば、圧電素子19の駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。その結果、ノズル25からインクを効率良く噴射させることが可能となる。

0038

ところで、図6に示すように、BE幅比が54.3%、60.0%及び71.4%の場合、TP幅比が80%以下において、排除体積の値が97%以上になることが分かる。すなわち、圧力室22に対応する領域において、下電極膜27が圧力室22の幅に対して54%以上、72%以下の幅で形成され、圧電体層28が圧力室22の幅に対して80%以下の幅で形成されれば、排除体積の値が約97%を上回る範囲に設定される。このため、下電極膜27は圧力室22の幅に対して54%以上、72%以下の幅にすることが望ましく、圧電体層28は圧力室22の幅に対して80%以下の幅にすることが望ましい。これにより、圧電素子19の駆動時の排除体積をより向上させることが可能となる。その結果、ノズル25からインクを一層効率良く噴射させることが可能となる。

0039

なお、排除体積の測定方法は種々の方法が考えられるが、本実施形態では、圧力室形成基板15にアクチュエーターユニット14を積層した状態のものに対して制御信号を接続し、所定の駆動電圧を圧電素子19に印加して当該圧電素子19の撓み量を光干渉顕微鏡で測定することで求めた。なお、圧電素子19の変位量を測定する方法としては、レーザードップラー振動計等を用いる方法がある。

0040

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

0041

例えば、上記実施形態では、圧力室空間(圧力室22)の上部開口が台形状を呈し、圧電体層28に形成された開口部28aが細長六角形状を呈していたがこれには限られない。圧力室空間(圧力室)の形状、圧電体層(開口部)の形状、各電極膜の形状等は、種々の形状を取り得る。例えば、図7に示す、第2実施形態の記録ヘッド3′では、平面視において、圧力室空間(圧力室22′)の上部開口が略楕円形状(或いは略菱形形状)を呈している。また、下電極膜27′は、この圧力室22′の形状に合わせて、略楕円形状(或いは略菱形形状)に形成されている。さらに、圧電体層28の開口部28a′は、圧力室22′の上部開口の縁に沿って、圧力室22′のノズル列方向における両側に形成されている。なお、上電極膜29′は、上記実施形態と同様に、圧力室列設方向(ノズル列方向)において列設された複数の圧力室22′の外側まで延設されている。また、圧力室22′の長手方向における上電極膜29′は、一側(図7における上側)の端部がインク供給路24′と重なる位置まで延在され、他側(図7における下側)の端部が圧力室22′の外側まで延在されている。

0042

そして、本実施形態でも、圧力室22′に対応する領域において、下電極膜27′が圧力室22′の幅に対して50%以上、80%以下の幅に形成され、圧電体層28′が下電極膜27′を覆い且つ圧力室22′の幅に対して90%以下の幅に形成されている。特に、圧力室22′に対応する領域において、下電極膜27′は圧力室22′の幅に対して54%以上、72%以下の幅に形成されることが望ましく、圧電体層28′は圧力室22′の幅に対して80%以下の幅に形成されることが望ましい。これにより、圧電素子19′の駆動時の排除体積をより向上させることが可能となり、インクを一層効率良く噴射させることが可能となる。なお、その他の構成は上記実施形態と同じであるため、説明を省略する。

0043

ところで、下電極膜、圧電体層及び圧力室の幅に関し、上記した第1実施形態のように圧力室22に対応する領域における下電極膜27、圧電体層28及び圧力室22の幅(ノズル列方向における寸法)がほぼ同じ場合、下電極膜27、圧電体層28及び圧力室22の平均の幅をそれぞれ下電極膜27、圧電体層28及び圧力室22の幅として上記した数値範囲に設定することができる。また、圧力室、下電極膜又は圧電体層の幅が途中で変化する場合、圧電素子の長手方向における能動部の中心を含む、当該能動部の主要部分に対応する領域の幅を、圧力室の幅、下電極膜の幅又は圧電体層の幅として上記した数値範囲に設定することができる。例えば、下電極膜のリード電極部側の端部が途中から細くなる場合、当該細くなる部分を除いた圧力室に対応する領域の下電極膜の幅を、上記した数値範囲に設定する。さらに、上記した第2実施形態のように圧力室22′に対応する領域における下電極膜27′、圧電体層28′及び圧力室22′の幅(ノズル列方向における寸法)が場所(ノズル列方向に直交する方向)によって大きく異なる場合、それぞれの場所において下電極膜27′、圧電体層28′及び圧力室22′の幅が上記した数値範囲に設定されることが望ましいが、少なくとも、変位量への影響が大きい圧電素子19′の能動部が最大幅となるところで、下電極膜27′、圧電体層28′及び圧力室22′の幅が上記した数値範囲に設定されればよい。例えば、ノズル列方向に直交する方向における略中央部分であって、略楕円形状(或いは略菱形形状)の圧力室22′の幅が最大となる領域において、下電極膜27′、圧電体層28′及び圧力室22′の幅が上記した数値範囲に設定されればよい。要は、圧力室22′の幅が最大となるところ(すなわち圧電素子19′の能動部の幅が最大となるところ)は、圧電素子19′の変位量(変形量)が大きく、排除体積への影響が大きいため、排除体積の向上がより期待できる。

0044

そして、上述した実施形態では、インクジェットプリンターに搭載されるインクジェット式記録ヘッドを例示したが、上記構成の圧電素子および圧力室を有するものであれば、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。例えば、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(Electro Luminescence)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噴射ヘッド、バイオチップ(生物化学素子)の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。その他、電圧の印加により能動的に変形する、いわゆるアクチュエータとして機能する圧電素子を備えたものに限らず、外部から動きが与えられることで受動的電気信号を出力する、いわばセンサーとして機能する圧電素子を備えたものにも適用できる。

0045

1…プリンター,3…記録ヘッド,14…アクチュエーターユニット,15…圧力室形成基板,16…ノズルプレート,17…弾性膜,18…絶縁体膜,19…圧電素子,21…振動板,22…圧力室,23…連通部,25…ノズル,27…下電極膜,28…圧電体層,29…上電極膜,41…リード電極部,42…スルーホール

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