JP6237021B2 - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置として、例えばインク液滴を吐出する液体吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）からなる記録ヘッドを用いた液体吐出記録方式の画像形成装置、例えばインクジェット記録装置が知られている。

液体吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電アクチュエータを使用する圧電型ヘッドが知られている。そして、圧電型ヘッドとしては、個別液室の壁面の一部を形成する振動板（振動領域とも称される。）に撓みモード又はベンディングモードによって振動板を変形させる圧電素子を備えるものがある。

ところで、ベンドモード型圧電素子で振動板を変形させる場合、振動板の周縁部に曲げ応力がかかることからヘッドの耐久性が問題になる。

そこで、従来、振動板の長手方向端部に液室側から積層膜を形成したものが知られている（特許文献１）。

特開２００２−０５９５５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成にあっては、液室側から積層膜を形成しているために製造工程が複雑になり、また、積層膜自体に耐液性が要求されるために材料選定の自由度が低い。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ヘッドの耐久性を向上することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る液体吐出ヘッドは、
液滴を吐出するノズルが通じる個別液室の壁面の一部をなす振動板と、
前記振動板上に設けられ、前記振動板を変形させる圧電素子と、
前記圧電素子を収容する凹部が設けられた保護部材と、を備え、
前記振動板の長手方向の端部には、前記圧電素子の圧電層が形成されていない圧電層非形成領域が設けられ、
前記圧電層非形成領域の前記圧電素子形成面側に、前記振動板を補強する補強膜が形成され、
前記補強膜は前記圧電層非形成領域の振動板長手方向端部側であって前記圧電層と重ならない領域に設けられ、
前記保護部材と前記補強膜とは、前記補強膜の前記振動板より外側に延伸した部分において接合されている
構成とした。

本発明によれば、ヘッドの耐久性を向上できる。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の図３のＡ―Ａ線に沿う断面説明図である。 同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の図３のＢ―Ｂ線に沿う断面説明図である。 同ヘッドの振動板部材の平面説明図である。 同ヘッドの流路形状の平面説明図である。 同実施形態に係る液体吐出ヘッドの作用説明に供する振動板長手方向における変位量分布の説明図である。 比較例１の説明図である。 比較例２の説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例を示す機構部の側面説明図である。 同機構部の要部平面説明図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図１ないし図４を参照して説明する。図１は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の図３のＡ―Ａ線に沿う断面説明図、図２は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の図３のＢ―Ｂ線に沿う断面説明図、図３は同ヘッドの振動板部材の平面説明図、図４は同ヘッドの流路形状の平面説明図である。

この液体吐出ヘッドは、ノズル板１と流路板２とを接着接合し、流路板２と一体に振動板部材３を形成している。これにより、ノズル４が通じる個別液室６、個別液室６に通じる流体抵抗部７、流体抵抗部７が通じる液導入部８、液導入部８を形成し、液導入部８は供給口９を介して共通液室１０に通じている。

ここで、振動板部材３は、個別液室６の壁面の一部をなす変形可能な振動領域（これを「振動板」という。）３０を形成している。そして、この振動板部材３の振動板３０の個別液室６と反対側の面には、振動板３０と一体的に圧電素子１１が設けられ、振動板３０と圧電素子１１によって圧電アクチュエータ構成している。

圧電素子１１は、振動板３０側から下部電極１３、圧電層（圧電体）１２及び上部電極１４を順次積層形成して構成している。

振動板３０の長手方向の一端部側には、第１絶縁膜２１が形成され、第１絶縁膜２１上に共通電極１５が形成され、共通電極１５を覆って第２絶縁膜２２が形成されている。共通電極１５は下部電極１３に接続されている。なお、振動板長手方向は、個別液室長手方向、ノズル配列方向と直交する方向、個別液室における液体の流れ方向、と同じである。

振動板３０の長手方向の他端部側には、第１絶縁膜２１が形成され、第１絶縁膜２１上に個別電極１６が形成され、個別電極１６を覆って第２絶縁膜２２が形成されている。個別電極１６は上部電極１４に接続されている。

ここで、振動板３０の長手方向の一端部側には、圧電層１２が形成されていない圧電層非形成領域３１が設けられている。この圧電層非形成領域３１には、振動板３０を補強する上記第１絶縁膜２１と第２絶縁膜２２との積層膜からなる補強膜３２が形成されている。この補強膜３２は圧電層１２と重ならない（接触しない）領域に設けられている。

また、振動板３０の短手方向の両端部側にも、圧電層１２が形成されていない圧電層非形成領域３３が設けられている。

なお、圧電素子１１は、上部電極１４と下部電極１３の間に電圧を与えることで、圧電層１２が電極積層方向、すなわち電界方向に伸張し、振動板３０と平行な方向に収縮する。このとき、下部電極１３側は振動板３０で拘束されているため、振動板３０の下部電極１３側に引っ張り応力が発生し、振動板３０が個別液室６側に撓み、内部の液体を加圧することで、ノズル４から液滴が吐出される。

そして、振動板３０及び圧電素子１１を収容する凹部からなる振動室５０を形成する保護部材５１を設けている。保護部材５１は共通液室１０も形成している。この保護部材５１は、接着剤６０によって第２絶縁膜２２などを介して流路板２に接合されている。

この場合、保護部材５１が形成する振動室５０は、前記振動板長手方向において、振動板３０よりも外側に配置されているので、補強膜３２が形成された圧電層非形成領域も振動室５０内に包含される。

次に、各部の具体例について説明する。

ノズル板１は、液滴を吐出する複数のノズル４を形成している。ノズル板１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）の金属プレートから形成したもので、エレクトロフォーミング法（電鋳）で製造したものを用いている。これに限らず、その他の金属部材、樹脂部材、樹脂層と金属層の積層部材などを用いることができる。また、ノズル板１の液滴吐出側面（吐出方向の表面：吐出面）には撥液層を設けている。

流路板２は、単結晶シリコン基板に振動板部材３を形成する薄膜を一体に設け、振動板部材３をエッチングストップ層としてエッチングし、個別液室６、流体抵抗部７、液導入部８、供給口９などを構成する溝部及び貫通穴を形成したものである。ただし、流路を形成する流路板と振動板を形成する振動板部材とを同一の部材で形成することもできる。

例えば、流路板２は、シリコン、ガラス、セラミックスなどの無機材料、ＳＵＳなどの合金材料、樹脂などで形成することができる。シリコンウェハを用いた場合、フォトリソグラフィとエッチングを用いた半導体デバイス工法による微細化加工によって、容易に流路及び振動板を形成することができる。

流路板２の厚さは、２０μｍ〜２００μｍの範囲が好ましく、より好ましくは５０〜１００μｍの範囲である。

薄すぎる場合は剛性が不足するため、流路板２上に構成される振動板３０や圧電素子１１を保持する強度が不足するため、製造工程上で破損するおそれが高くなり、加工方法などが限定される。特に、１００μｍ以下の厚さにするためには保持部材４０と接合した後に研磨等により薄層化する必要がある。

一方、流路板２が厚すぎる場合は、液室の微細加工が困難になり、ノズル密度の高密度化、高精細化が困難になる。また、エッチングにより流路を形成する場合に、エッチング時間が長くなって生産性が低下し、加工精度も低下する。

流路板２は耐液性を有することが必要であり、流路表面に金属酸化物等の無機物や樹脂膜などの保護膜が形成される。

流路板２に一体に設けた振動板部材３の振動板３０上に圧電素子１１を形成することによりユニモルフ型の圧電アクチュエータを構成している。

ここで、振動板３０（振動板部材３）の材質は、無機材料を用いることが好ましい。例えば、半導体、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物を挙げることができる。半導体としては、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ，Ｇｅなどを挙げることができ、金属酸化物や金属窒化物は一般的なセラミックスに用いられるＳｉ化合物、Ａｌ化合物、Ｚｒ化合物、Ｔｉ化合物、Ｙ化合物、Ｔａ化合物、Ｓｎ化合物、Ｉｎ化合物などが挙げられる。

振動板３０は、単一膜でも多層膜のいずれでもよい。シリコン基板を用いて流路板２に振動板３０を形成する場合には、ＣＶＤやスパッタリングなどの気相法によって成膜することができる。これらの成膜方法を用いることで、表面粗さの少ない振動板とすることができ、振動板３０上に形成される電極１３、１４や圧電層１２の信頼性を高めることができる。

振動板３０の厚さは、必要な吐出性能に合わせて適切な厚さとするが、０．５〜５μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１〜３μｍの範囲である。厚すぎる場合は、剛性が高すぎるため撓みづらくなり、駆動による個別液室６の体積変化を十分に取ることができず、所望の吐出性能を得ることができない。

圧電素子１１の上部電極１４及び下部電極１３の材料は導電性材料である必要があり、金属及び合金、導電性化合物などを用いることができる。材料は、振動板３０及び圧電層１２との密着性の高い材料を用いる必要があるが、各界面に密着性を高める密着層を形成することで対応することもできる。

また、一般的に圧電体を結晶化させるために高温の製造工程とすることが多いため、上部電極１４及び下部電極１３には耐熱性の高い材料を用いることが必要である。その際に圧電層１２や振動板３０との間に構成元素の相互拡散が発生しないように層構成及び材料を選定することが好ましい。

上部電極１４及び下部電極１３の材料としては、例えば、Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｗ，Ｔａなどの高融点金属が好ましい。

また、上部電極１４及び下部電極１３と圧電層１２との界面、下部電極１３と振動板３０との界面には、相互拡散を防止するために、耐熱性が高く、電極材料と相互拡散しづらい化学的安定性の高い材料を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などが利用でき、さらにこれらの複合化合物を用いることもできる。また、導電性をもつ化合物を用いることで電極としての機能を持たせても良い。

上部電極１４、下部電極１３の厚さは任意に設定できるが、電気抵抗、信頼性を維持できる範囲で薄膜化することが好ましい。適切な厚さとして、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である。厚すぎる場合は、振動変位を阻害して、吐出性能を低下させることになる。上部電極１４と下部電極１３の間には圧電層１２を形成するが、圧電材料は公知の材料を用いることができる。圧電材料としては、高い圧電定数と高い信頼性、安定した温度特性をもつチタン酸ジルコン酸鉛を用いることが好ましい。圧電体の組成は、所望の圧電性能、信頼性から任意に設定することができる。

次に、このように構成した本実施形態に係る液体吐出ヘッドの作用について図５及び図６も参照して説明する。なお、図５は同作用説明に供する振動板長手方向における変位量分布の説明図、図６は比較例１の説明図である。

本実施形態では、振動板３０内に圧電素子１１（圧電層１２）が形成されていない圧電層非形成領域３１、３３を設けているので、振動板３０の固定端（個別液室６の振動板３０面に沿う方向の壁面）の曲げ剛性を下げることができる。これにより、小さい駆動電圧で振動板３０の大きな変位（変形）を得ることができる。

ここで、振動板長手方向の端部に圧電層非形成領域３１を設けた場合、振動板３０の圧電層非形成領域３１側固定端に応力が集中しやすい構造となる。

そのため、図６に示す比較例１のように、振動板３０の長手方向端部の圧電層非形成領域３１が振動板３０のみで形成されている場合、振動板３０の変位量分布（長手方向の分布）は図５に破線（比較例１）で示すようになる。

すなわち、比較例１では、液室長手方向端部の圧電層非形成領域３１近傍の変位量が局所的に大きくなる。これは、液室長手方向の中央付近は長手方向の拘束が強く、長手方向に沿った変位が拘束されることにより、円筒断面（かまぼこ型）の変位分布を示すが、圧電層非形成領域３１では、長手方向の拘束が端部のために弱くなり、局所的に変位量が増大してしまう。

その結果、多数回の駆動を繰り返すと、比較例１の構成では圧電層非形成領域３１にクラック等の疲労破壊が発生しやすいという問題を有している。

これに対し、本実施形態では、振動板３０の長手方向の端部に設けられた圧電層非形成領域３１の部分に、補強膜３２を形成しているので、図５の実線（実施形態）で示すように、局所的な変位増大が抑制される。

すなわち、圧電層非形成領域３１の振動板長手方向端部に補強膜３２の厚さが追加され厚くなることで、圧電体非形成領域３１の局所的な変位増加を防止することができ、振動板３０の局所的な疲労破壊を防止することができる。また、この補強膜３２の存在により、圧電層非形成領域３１全体の厚さは薄くすることができるため、吐出性能を向上させることもできる。

ここで、補強膜３２の材質は任意のものを用いることができるが、振動板３０を構成する材料と同等の剛性を有する材料とすることが好ましい。これらの材料としては、前述の振動板３０の材料と同じく、金属酸化物、金属窒化物などが好ましく、例としてはＳｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒの酸化物または窒化物などを挙げることができる。

補強膜３２は振動板３０と同様に単層でも積層膜でも良い。補強膜３２として絶縁膜を使用することで、上述したように電極配線の層間絶縁膜（第１絶縁膜２１）や配線保護層（パッシベーション膜：第２絶縁膜２２）と共通化することができる。

また、補強膜３２として、内部応力の異なる材料や剛性の異なる材料を用いることで、振動板３０への応力集中を緩和でき、駆動耐久性を向上することができる。

なお、ここで、比較例２について図７を参照して説明する。

この比較例２では、圧電層１２が振動板３０の長手方向の端部を越えて（個別液室６の領域外まで）形成されている。このような構成では、圧電層１２自体に駆動による応力が集中してクラックが発生しやすくなり、駆動耐久性が低下することになる。

次に、本発明に係る画像形成装置の一例について図８及び図９を参照して説明する。図８は同装置の機構部の側面説明図、図９は同機構部の要部平面説明図である。

この画像形成装置はシリアル型画像形成装置である。左右の側板２２１Ａ、２２１Ｂに横架したガイド部材である主従のガイドロッド２３１、２３２でキャリッジ２３３を主走査方向に摺動自在に保持し、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ２３３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出するための本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッド２３４を搭載している。記録ヘッド２３４は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。

記録ヘッド２３４は、それぞれ２つのノズル列を有する。一方の記録ヘッド２３４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴を吐出する。他方の記録ヘッド２３４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴を吐出する。なお、ここでは２ヘッド構成で４色の液滴を吐出する構成としているが、１ヘッド当たり４ノズル列配置とし、１個のヘッドで４色の各色を吐出させることもできる。

また、記録ヘッド２３４のヘッドタンク２３５には各色の供給チューブ２３６を介して、供給ユニットによって各色のインクカートリッジ２１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ２０２の用紙積載部（圧板）２４１上に積載した用紙２４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部２４１から用紙２４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）２４３及び給紙コロ２４３に対向する分離パッド２４４を備える。この分離パッド２４４は給紙コロ２４３側に付勢されている。

そして、この給紙部から給紙された用紙２４２を記録ヘッド２３４の下方側に送り込むために、用紙２４２を案内するガイド２４５と、カウンタローラ２４６と、搬送ガイド部材２４７と、先端加圧コロ２４９を有する押さえ部材２４８とを備える。さらに、給送された用紙２４２を静電吸着して記録ヘッド２３４に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト２５１を備えている。

この搬送ベルト２５１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ２５２とテンションローラ２５３との間に掛け渡されて、ベルト搬送方向（副走査方向）に周回するように構成している。また、この搬送ベルト２５１の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ２５６を備えている。この帯電ローラ２５６は、搬送ベルト２５１の表層に接触し、搬送ベルト２５１の回動に従動して回転するように配置されている。この搬送ベルト２５１は、図示しない副走査モータによってタイミングを介して搬送ローラ２５２が回転駆動されることによってベルト搬送方向に周回移動する。

さらに、記録ヘッド２３４で記録された用紙２４２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト２５１から用紙２４２を分離するための分離爪２６１と、排紙ローラ２６２及び排紙コロ２６３とを備え、排紙ローラ２６２の下方に排紙トレイ２０３を備えている。

また、装置本体の背面部には両面ユニット２７１が着脱自在に装着されている。この両面ユニット２７１は搬送ベルト２５１の逆方向回転で戻される用紙２４２を取り込んで反転させて、再度、カウンタローラ２４６と搬送ベルト２５１との間に給紙する。また、この両面ユニット２７１の上面は手差しトレイ２７２としている。

さらに、キャリッジ２３３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド２３４のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構２８１を配置している。この維持回復機構２８１には、記録ヘッド２３４の各ノズル面をキャッピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）２８２ａ、２８２ｂ（区別しないときは「キャップ２８２」という。）を備えている。また、維持回復機構２８１は、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード２８３と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８４などを備えている。

また、キャリッジ２３３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８８を配置している。この空吐出受け２８８には記録ヘッド２３４のノズル列方向に沿った開口部２８９などを備えている。

このように構成したこの画像形成装置においては、給紙トレイ２０２から用紙２４２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙２４２はガイド２４５で案内され、搬送ベルト２５１とカウンタローラ２４６との間に挟まれて搬送される。更に用紙２４２は先端を搬送ガイド２３７で案内されて先端加圧コロ２４９で搬送ベルト２５１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

そして、帯電した搬送ベルト２５１上に用紙２４２が給送されると、用紙２４２が搬送ベルト２５１に吸着され、搬送ベルト２５１の周回移動によって用紙２４２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ２３３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２３４を駆動することにより、停止している用紙２４２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙２４２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙２４２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙２４２を排紙トレイ２０３に排紙する。

このように、この画像形成装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えるので、高画質画像を安定して形成することができる。

なお、本願において、「用紙」とは材質を紙に限定するものではなく、ＯＨＰ、布、ガラス、基板などを含み、インク滴、その他の液体などが付着可能なものの意味である。被記録媒体、記録媒体、記録紙、記録用紙などと称されるものを含む。また、画像形成、記録、印字、印写、印刷はいずれも同義語とする。

また、「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与すること（単に液滴を媒体に着弾させること）をも意味する。

また、「インク」とは、特に限定しない限り、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、液体などと称されるものなど、画像形成を行うことができるすべての液体の総称として用いる。例えば、ＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料、樹脂なども含まれる。

また、「画像」とは平面的なものに限らず、立体的に形成されたものに付与された画像、また立体自体を三次元的に造形して形成された像も含まれる。

また、画像形成装置には、特に限定しない限り、シリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含まれる。

１ ノズル板
２ 流路部材
３ 振動板部材
４ ノズル
６ 個別液室
１０ 共通液室
１１ 圧電素子
１２ 圧電層
１３ 下部電極
１４ 上部電極
２１ 第１絶縁膜
２２ 第２絶縁膜
３０ 振動板（振動領域）
３１ 圧電層非形成領域
３２ 補強膜
２３３ キャリッジ
２３４ａ、２３４ｂ 記録ヘッド

Claims (9)

1. 液滴を吐出するノズルが通じる個別液室の壁面の一部をなす振動板と、
   前記振動板上に設けられ、前記振動板を変形させる圧電素子と、
   前記圧電素子を収容する凹部が設けられた保護部材と、を備え、
   前記振動板の長手方向の端部には、前記圧電素子の圧電層が形成されていない圧電層非形成領域が設けられ、
   前記圧電層非形成領域の前記圧電素子形成面側に、前記振動板を補強する補強膜が形成され、
   前記補強膜は前記圧電層非形成領域の振動板長手方向端部側であって前記圧電層と重ならない領域に設けられ、
   前記保護部材と前記補強膜とは、前記補強膜の前記振動板より外側に延伸した部分において接合されている
   ている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記補強膜は、前記振動板の短手方向の端部には形成されていない
   ことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記補強膜は絶縁膜である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記補強膜は、前記圧電素子の下部電極と前記下部電極に接続する共通電極との間の層間絶縁膜を含む
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記補強膜は、前記圧電素子の下部電極と接続する共通電極を覆う絶縁膜を含む
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記補強膜は積層膜である
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記積層膜は、
   前記圧電素子の下部電極と接続する共通電極を覆う絶縁膜と、
   前記下部電極と前記共通電極との間の層間絶縁膜とを積層した膜である
   ことを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記振動板長手方向において、前記保護部材の凹部内に、前記補強膜が形成された圧電層非形成領域を包含している
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えている
   ことを特徴とする画像形成装置。

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