JP2004209740A

JP2004209740A - 液体吐出ヘッド

Info

Publication number: JP2004209740A
Application number: JP2002380330A
Authority: JP
Inventors: Tamayoshi Kurashima; 玲伊倉島; Masatake Akaike; 正剛赤池; Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎; Takatsugi Wada; 隆亜和田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】振動板の変位に関して変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消が可能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室と、圧力発生室の一部を構成する振動板１０４と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルとから構成され、圧電／電歪素子の変形によって振動板を変位させ、圧電／電歪素子に対応した圧力発生室内のインク圧力を高めることによってノズルからインク体を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、振動板は圧力発生室外側の圧力発生室の長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部１０２を有し、圧電／電歪素子が、凹部の凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されている。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加信号によって伸縮する駆動素子から発生させた機械的エネルギーにより所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク体として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。
【０００４】
インクを吐出させて記録を得るインクジェットヘッドの代表例としては、ピエゾ素子を振動させてインク室の容積を変化させて第１のタイミングでインクを吸引し、第２のタイミングでインクに圧力を加えて液体として記録用紙に飛翔させるものや（例えば、特許文献１参照。）、また、極めて細いノズル形成部材に発熱要素を内蔵させ、熱エネルギーによりノズル形成部材に瞬間的に気泡を生じさせ、気泡の膨張力によりインクを吐出させるものなどが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。ピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドは、電圧変位でインク滴の液体サイズを可変させることができ、インクに熱を加えることがないためインク選択の幅が広がるという利点がある。
【０００５】
そうした中、近年の高精細印字の要求により、多ノズル化に伴う精密微細加工と複雑な所望形状が必要とされるようになった。例えば、圧電性を有する薄膜を駆動源とするインクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の形成方法、材質特性も重要となっている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
従来、図１５のように、圧電素子１１０１、下部電極１１０２、振動板１１０３と一体に焼成された構成で、下部電極１１０２は、その幅が圧力発生室１１０６の幅より狭く形成され、圧電素子１１０１は、その幅が下部電極１１０２の幅よりも大きく形成された構成のものが開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この作製方法によると、圧力発生室１１０６上の一部に、振動板１１０３と駆動素子である圧電素子１１０１が一体となった凹形状の部分が作製される。
【０００７】
また、図１６のように、下電極１２０２を印刷する際に中央部の肉厚を周辺部よりも厚く印刷しておくことにより、焼成後において圧電素子１２０１が圧力発生室１２０５側にたわまず、圧電素子１２０１の収縮力が圧力発生室１２０５形成部材の側壁である圧力発生室隔室１２０４に作用しない構成が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。この作製方法によると、振動板１２０３の一部分に凹形状の部分が作製される。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第３９４６３９８号明細書
【特許文献２】
特開昭５４―１６１９３５号公報
【特許文献３】
特開平１０―２８６９５３号公報
【特許文献４】
特開平０７―１４８９２１号公報
【特許文献５】
特開平０７―６０９６０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献４（図１１）のように、上記凹部が駆動素子である圧電素子１１０１のみにしか形成されていない場合、上記振動板１１０３の変形時に上記圧力発生室１１０６上の振動板支持部との境界部１１０５に発生する応力を緩和・解消できず、長時間にわたる駆動において疲労による振動特性の劣化、もしくは破壊することがある。
【００１０】
また、上記の特許文献５（図１２）のように、振動板１２０３中央部は圧力発生室１２０５側に対して凸形状に変形しているが、圧電素子１２０１が平坦形状に形成されている。この場合、下電極１２０２中央部は周辺部よりも厚みがあり変形しにくくなり、圧電素子１２０１の変形応力を、圧力発生室を収縮させる振動板変位に変換するのに効率が悪い。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、振動板の変位に関して変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消が可能な液体吐出ヘッドを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の液体吐出ヘッドは、印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルとから構成され、圧電／電歪素子の変形によって振動板を変位させ、圧電／電歪素子に対応した圧力発生室内のインク圧力を高めることによってノズルからインク体を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、振動板は圧力発生室外側の圧力発生室の長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹部の凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されている。
【００１３】
即ち、本発明のインクジェットヘッドは、本発明の液体吐出ヘッドでは、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されていることで、振動板の圧力発生室側への変位量向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さを実現し、振動部への発生応力を緩和・解消させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、ノズル先端液面のメニスカス制御により液体吐出させる過程において、上記振動板の変位量向上、さらには振動特性の向上について説明する。
【００１５】
現在一般的に用いられている吐出法は、圧電振動子の伸縮で発生した圧力を、振動板を通じて圧力発生室内の体積変位に変換し、メニスカス制御を行うことでインク滴を発生させるものである。その際、振動板を圧力発生室側へ急激に変位させ圧力発生室体積を収縮させる運動があるため、振動板を効果的に圧力発止室側へ変位させる必要がある。ここでいう効果的とは振動板の変位に関して、変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消に関するものである。
【００１６】
例えば図１、図２（圧力発生室断面図）に示すように、振動板６０３、７０３の圧力発生室外側に凹部６０２、７０２を有し、駆動素子６０１、７０１の一部が凹形状の外面上に凹形状に形成されることで上記の効果的な振動変位を実現できる。
【００１７】
それは、図３に示すように、たわみ振動により圧力発生室体積を変化させる場合、その駆動素子表面に凹部を形成することで、駆動素子上面の束縛されていない部分で発生する変位（座屈応力）に対して圧力発生室側へたわみやすくなり、変位しやすくなるからである。その際、図３（ａ）、図３（ｂ）の形状いずれでも問題はないが振動板変位、発生圧力を考慮する必要がある。例えば、図３（ａ）の構造に対して、図３（ｂ）の構造の方が変形量は大きく、発生圧力は大きくなる。実際の設計に際しては、駆動素子幅、圧力発生室幅、振動板特性、駆動素子特性を考慮に入れて、必要な変位と発生圧力を得られるようにしなければならない。
【００１８】
また、駆動素子以外の圧力発生室上の振動板表面に凹部を形成することで、液体吐出過程において一部に応力が集中せず、応力を緩和・解消することができる。
【００１９】
ただし、振動板構造全体として吐出に適した振動板の実効的厚さ、凹部の形状、形成位置、形成数、さらには圧力発生室幅に対する駆動素子幅を、吐出に適した振動変位、発生圧力が得られるように適宜設定する必要がある。
【００２０】
また上記のような凹部を形成することで、従来より駆動素子幅（Ｗ１）／圧力発生室幅（Ｗ２）の比を大きくしても振動変位を生むことができ、剛性も上がり発生圧力の増大を図ることができる。凹部は矩形状でもかまわないが、図４、図５に示すように矩形でない形状のほうが凹部内のエッジ形状である角部（隅）に応力が集中せずより好ましい。
【００２１】
その振動板の支持構造の降伏応力が発生する応力以上になるように適宜設計される必要がある。
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
本発明の液体吐出ヘッドは、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部覆うように、且つ凹形状に形成されていることを特徴としていることにより、振動板の変位に関して、変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消をすることができる。
【００２４】
圧力発生室外側の振動板表面へ矩形状の凹部を形成するには、例えば、Ｓｉ単結晶基板におけるエッチング時間の制御や、エッチングストップ技術を用いて形成した振動板をエッチング加工することで作製できる。エッチストップ技術とは、Ｓｉ単結晶基板におけるｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留させ、その残留層を振動板として用いるものである。さらにレジスト、または酸化膜等をマスクとしてその振動板をＡｒまたはＳＦ_６を主成分とするガスによりドライエッチングして凹部を形成するものである。その際、凹部の形状、配置は、圧力発生室幅、駆動素子幅、駆動素子の特性により適宜決めることになる。
【００２５】
また圧力発生室外側の振動板表面へ矩形状でない凹部を形成するには、例えば、圧力発生室を有する基板と振動板を接合後、振動板を構造値として適正な厚みまで薄片化研磨し、酸溶液により振動板表側をエッチング加工することで作製できる。例えば、振動板にＳｉＯ_２を主成分とする材料を用い、レジスト等をエッチングマスクとしてＨＦを主成分とする溶液でエッチング加工、または振動板にＭｇＯを主成分とする材料を用い、レジスト等をエッチングマスクとしてリン酸を主成分とする溶液でエッチング加工すれば、ウェットエッチングに特有な矩形状でない凹部を形成することができる。
【００２６】
もちろん、単結晶基板に、圧力発生室形成の際のエッチストップ層となる材料例えばＳｉＮ、熱酸化膜などを成膜して、必要ならばそのエッチストップ層上に振動板に適した材料例えばＳｉＯ_２、Ｃｒなどを成膜して所望の振動板厚さを形成し、その後、振動板表面をエッチング加工することでも、上記のような矩形もしくは矩形でない凹部を形成できる。
【００２７】
また振動板は、例えば、酸化シリコンＳｉＯ_２の他、ニッケル、アルミニウムなどの金属や、アルミナ、またはポリイミド系の樹脂のような特性の異なる複数の材料により積層された構造であっても問題はない。さらにはＳＯＩ基板のＳＯＩ層／絶縁層／Ｓｉ層（圧力発生室側）を振動板構成とすることも可能である。
【００２８】
次に、圧力発生源として圧電性膜を用いる場合、上記凹部を有する振動板上に下電極を形成後、構造体の許容する温度範囲内、且つプロセス工程からみて可能な成膜手段で形成することが可能である。例えばスパッタリング、ＣＶＤ、ゾルゲル、ＥＢ、蒸着、レーザーアブレーションなどで作製プロセス条件に適応する手段を用いる。用いる圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、亜鉛酸化物、アルミ窒化物のうち少なくとも１種類を主成分とし、電極材料は、白金、パラジウム、銀―パラジウム、銀―白金、白金―パラジウムからなる合金のうち少なくとも１種類以上を主成分とする。
【００２９】
そして、基板表面に対し垂直な隔壁をもつ圧力発生室は、Ｓｉ（１１０）単結晶基板のＫＯＨ溶液による異方性エッチング、もしくはＳｉ単結晶基板をＳＦ_６ガスを主成分とするガスを用いてドライエッチングすることにより高精度に作製できる。ノズル部は圧力発生室基板内、もしくは圧力発生室を密閉する基板内に含まれ、振動板変位方向に垂直でも平行でも作製可能である。
【００３０】
以下に具体的な実施例を示すが、駆動素子、振動板、圧力発生室、インク供給流路、インクリザーバ、およびノズル等の寸法や形状や材質、駆動条件等は一例であり、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３１】
【実施例】
以下実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
（実施例１）（要約―ボロン拡散層振動板矩形＋たくさん凹）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図６（ａ）、図７、図８参照）。実際、凹部内の凹み幅５μｍで隣接する凹部までは５μｍの等間隔であり、駆動素子幅８５μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００３２】
（１）ｎ型Ｓｉ（１１０）単結晶基板２０４（厚さ１００〜３００μｍ）の表面に個体拡散源から１×１０^１９ｃｍ^−３以上の高濃度ボロンを、深さ４μｍを目標として拡散した層２０３を形成する。マスクとしてＳｉＯ_２を成膜後、フォトリソ技術により、圧力発生室に対応する部分に凹パターニング２０１を施す。
【００３３】
（２）ＳＦ_６ガスを主成分とするドライエッチングで、Ｓｉ振動板２０３上に凹パターン２０５（深さ２．０μｍ）を形成し、ＳｉＯ_２マスクを剥離する。
【００３４】
（３）下電極としてＰｔ膜２０８（厚さ１００ｎｍ）を形成し、圧電体薄膜としてＺｎＯ膜２０７（厚さ１０μｍ）をスパッタリング成膜し、上電極としてＰｔ膜２０６（厚さ１００ｎｍ）を形成する。
【００３５】
（４）フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜２０６をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、ＺｎＯ膜をＨＣｌ希釈液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜２０８をエッチングし駆動素子２０９を形成する。ここで下電極の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。さらに、圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜２１０を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。ここで駆動素子は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００３６】
（５）ＫＯＨ溶液でＳｉ（１１０）基板のエッチングを行い、振動板に垂直である圧力発生室隔壁を形成する。ボロン拡散層でエッチングがストップするため、振動板２０３が形成される。
【００３７】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板２１２を、圧力発生室を有する基板に接着剤２１１で接着する。
【００３８】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００３９】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００４０】
ＰＺＴ膜に比較して圧電定数の小さいＺｎＯ膜でも長時間安定して吐出を行えたことから、振動板表面に凹部を形成したことで、発生圧力を減少させずに液体吐出に充分な変位量を得ることができ、また、液体吐出ヘッドの耐久性も向上した。
（実施例２）（要約―酸化膜振動板矩形＋少ない凹）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図６（ｂ）、図９、図１０参照）。実際、凹部内の凹み幅は５μｍで隣接する凹部までは５μｍの等間隔であり、駆動素子幅８５μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００４１】
（１）Ｓｉ（１１０）単結晶基板３０５（厚さ１００〜３００μｍ）に、表面保護層となる熱酸化膜３０４（厚さ０．５μメータ）を形成する。次に振動板形成側にＳｉＯ_２膜３０３（厚さ４．５μｍ）を形成し、フォトリソ技術により、圧力発生室に内のレジストに凹パター３０１（深さ２．０μｍ）を形成する。
【００４２】
（２）Ａｒを主成分とするガスでドライエッチングを行い、振動板ＳｉＯ_２膜上の圧力発生室外側一部に凹部パターン３０６を形成し、レジストマスクを剥離する。
【００４３】
（３）下電極となるＰｔ膜３０９（厚さ１００ｎｍ）を形成し、圧電体薄膜としてＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３膜３０８（厚さ３μｍ）をスパッタリング成膜する。その後上電極となるＰｔ膜３０７（厚さ１００ｎｍ）を形成する。
【００４４】
（４）フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜３０７をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３膜３０８を、ＨＦとＨＮＯ_３主成分とする混合溶液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜３０９をエッチングし駆動素子３１０を形成する。ここで下電極の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。さらに、圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜３１１を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。ここで駆動素子３１０は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００４５】
（５）ＫＯＨ溶液でＳｉ基板のエッチングを行い、振動板に垂直である圧力発生室隔壁を形成する。
【００４６】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板３１３を圧力発生室を有する基板に接着剤３１２で接着する。
【００４７】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００４８】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００４９】
長時間安定して吐出を行えたことから、振動板表面に凹部を形成したことで、発生圧力を減少させずに液体吐出に充分な変位量を得ることができ、液体吐出ヘッドの耐久性も向上した。
（実施例３）（要約―パイレックス振動板丸状凹）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図１１、図１２参照）。実際、凹部内の凹み幅は最大５μｍで隣接する凹部までは５μｍの等間隔であり、駆動素子幅８０μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００５０】
（１）Ｓｉ（１１０）単結晶基板４０３（厚さ１００〜３００μｍ）に、表面保護層となるＳｉＮ膜４０２、４０４（厚さ１００ｎｍ）を成膜する。基板裏面に、フォトリソ技術により圧力発生室レジストパターニングを施し、ＳＦ_６を主成分とするガスでＳｉＮドライエッチングを行いパターン４０５を形成する。その後レジスト膜を剥離する。
【００５１】
（２）ＫＯＨを主成分とする溶液でＳｉエッチングを行い、基板表面に対して垂直な圧力発生室隔壁を形成する。
【００５２】
（３）表面保護層のＳｉＮ膜を剥離し、パイレックスガラス４０６を陽極接合により接合する。
【００５３】
（４）パイレックスガラス４０６を薄片化研磨し、６μｍの厚さの薄片化後のパイレックスガラス４０７にする。
【００５４】
（５）フォトリソ技術によりレジスト４０９をパターニングして、圧力発生室上のパイレックスガラス４０７の表面に凹パターン４０８を形成する。圧力発生室内側にレジストを充填し保護マスク４１０を形成し、ＨＦを主成分とする溶液で表面をエッチング（最大深さ２μｍ）する。
【００５５】
（６）下電極となるＰｔ膜（厚さ１００ｎｍ）形成し、圧電体薄膜としてＺｎＯ膜（厚さ１０μｍ）をスパッタリング成膜し、その後上電極となるＰｔ膜（厚さ１００ｎｍ）を形成する。フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いてＺｎＯ膜を、ＨＣｌ希釈液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜をエッチングし、駆動素子４１１を形成する。ここで下電極の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。さらに、圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜４１２を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。ここで駆動素子４１１は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００５６】
（７）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板４１４を圧力発生室を有する基板に接着剤４１３で接着する。
【００５７】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００５８】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００５９】
ＰＺＴ膜に比較して圧電定数の小さいＺｎＯ膜でも長時間安定して吐出を行えたことから、振動板表面に凹部を形成したことで、発生圧力を減少させずに液体吐出に充分な変位量を得ることができ、また、液体吐出ヘッドの耐久性も向上した。
（実施例１〜３に対する比較例）（要約―壊れる凹なし）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した。（図１３、図１４参照）駆動素子幅８μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００６０】
（１）Ｓｉ（１１０）単結晶基板５０３（厚さ１００〜３００μｍ）に、表面保護層となる熱酸化膜５０２（厚さ０．５μメータ）を形成する。次に振動板形成側にＳｉＯ_２膜５０１（厚さ４．５μｍ）をスパッタリング成膜して振動板として必要な厚みを形成する。
【００６１】
（２）下電極となるＰｔ膜５０６（厚さ１００ｎｍ）を形成し、圧電体薄膜としてＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３膜５０５（厚さ３μｍ）をスパッタリング成膜する。その後上電極となるＰｔ膜５０４（厚さ１００ｎｍ）を形成する。
【００６２】
（３）フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜５０４をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３膜５０５をＨＦ、ＨＮＯ_３などを主成分とする混合溶液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜５０６をエッチングし、駆動素子５０７を形成する。圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜５０８を０．１μｍ成膜する。ここで駆動素子５０７は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００６３】
（４）ＫＯＨ溶液でＳｉ基板のエッチングを行い、振動板に垂直である圧力発生室隔壁を形成する。
【００６４】
（５）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板５１０を、圧力発生室を有する基板に接着剤５０９で接着する。
【００６５】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００６６】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００６７】
３×１０^６回のパルスを印加したところ、吐出体積が急激に減少し、吐出液体の体積、速度に関してばらつきがみられた。これは振動板支持部において応力が集中し、振動板に疲労破壊もしくは振動特性が大きく変化したためである。
（実施例４）
インクジェット吐出ヘッドを複数装備し、駆動用回路を備え、吐出ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、吐出ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して長時間にわたり安定した液体吐出が得られた。
【００６８】
以上、本発明の４つの実施例が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内特定の説明と図に限定されるのではなく、本特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００６９】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００７０】
本発明の実施態様は、印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルとから構成され、圧電／電歪素子の変形によって振動板を変位させ、圧電／電歪素子に対応した圧力発生室内のインク圧力を高めることによってノズルからインク体を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、振動板は圧力発生室外側の圧力発生室の長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹部の凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されている。
【００７１】
本実施態様の液体吐出ヘッドによれば、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されていることで、振動板の圧力発生室側への変位量向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さを実現し、振動部への発生応力を緩和・解消させることができる。
【００７２】
また、本発明においては、凹部の最大深さが、振動板の最大厚さの０．３倍以上であることが好ましい。
【００７３】
また、本発明においては、凹部の形状は、多角形状もしくは円形状であることが好ましい。
【００７４】
本実施態様によれば、凹部は多角形状でもかまわないが、多角形状でない円形状のほうが凹部内のエッジ形状である角部（隅）に応力が集中せずより好ましい。
【００７５】
また、本発明においては、振動板は、特性の異なる複数の材料により積層された構造であることが好ましい。
【００７６】
また、本発明の実施態様は、上述の液体吐出ヘッドを有する記録装置である。
【００７７】
本実施態様によれば、長時間の駆動に対して、従来と比較して振動板特性が劣化せず、耐久性のある記録装置を提供することが可能になる。
【００７８】
また、本発明においては、複数の液体吐出ヘッドを備え、各駆動素子を伸縮させる電気信号を供給する手段を備えていることが好ましい。
【００７９】
本実施態様によれば、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して長時間にわたり安定した液体吐出が得られる記録装置を提供することが可能になる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明には、以下の効果がある。
【００８１】
本発明のインクジェットヘッドは、本発明の液体吐出ヘッドでは、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されていることで、振動板の圧力発生室側への変位量向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さを実現し、振動部への発生応力を緩和・解消させることができる。結果として長時間の駆動に対して、従来と比較して振動板特性が劣化せず、耐久性のある記録装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】矩形状凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図２】矩形状凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図３】凹部を有する圧力発生室断面の振動板変位の模式図である。
【図４】矩形でない凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図５】矩形でない凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図６】本発明における実施例図である。
【図７】本発明における実施例１の作製工程図である。
【図８】本発明における実施例１の作製工程図である。
【図９】本発明における実施例２の作製工程図である。
【図１０】本発明における実施例２の作製工程図である。
【図１１】本発明における実施例３の作製工程図である。
【図１２】本発明における実施例３の作製工程図である。
【図１３】本発明における実施例に対する比較例の作製工程図である。
【図１４】本発明における実施例に対する比較例の作製工程図である。
【図１５】従来の技術の圧力発生室断面図である。
【図１６】従来の技術の圧力発生室断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０９、３１０、４１１駆動素子全体（上電極／圧電膜／下電極）
１０２、６０２、７０２、９０２、１００２凹部
１０３、２１０、３１１、４１２、５０８、保護膜
１０４、６０３、７０３、９０３、１００３、１１０３、１２０３振動板
１０５、６０４、７０４、９０４、１００４、１１０４、１２０４圧力発生室隔壁
１０６、２１１、３１２、４１３、５０９接着剤
１０７密閉基板
２０１ＳｉＯ_２パターン
２０２ＳｉＯ_２マスク
２０３ボロン拡散層
２０４、３０５、４０３、５０３、Ｓｉ基板
２０５ボロン拡散層内の凹部
２０６、３０７、５０４、上電極膜
２０７ＺｎＯ膜
２０８、３０９、５０６下電極膜
２１２、３１３、４１４，５１０圧力発生室密閉基板
３０１レジストパターン
３０２レジスト
３０３、５０１スパッタで成膜されたＳｉＯ_２膜
３０４、５０２熱酸化膜
３０５Ｓｉ基板
３０６スパッタで成膜されたＳｉＯ_２膜内の凹部
３０８ＰＺＴ膜
４０１Ｓｉ基板表面
４０２ＳｉＮ膜
４０３Ｓｉ基板
４０４ＳｉＮ保護膜
４０５圧力発生室開口部
４０６パイレックスガラス
４０７薄片化後のパイレックスガラス
４０８パイレックスガラス形成された矩形でない凹部
４０９レジストマスク
４１０圧力発生室内保護用レジスト
５０５、６０１、７０１、９０１、１００１圧電膜
１１０１、１２０１圧電素子
１１０２下部電極
１２０２下電極
１１０５境界部
１１０６、１２０５圧力発生室

Claims

印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室と、該圧力発生室の一部を構成する振動板と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルとから構成され、前記圧電／電歪素子の変形によって前記振動板を変位させ、前記圧電／電歪素子に対応した前記圧力発生室内のインク圧力を高めることによって前記ノズルからインク体を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記振動板は前記圧力発生室外側の前記圧力発生室の長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、前記圧電／電歪素子が、前記凹部の凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ前記凹形状に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。