JP2000062173A - インクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動板の変形量及び耐久性の向上を図ったイ
ンクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにイン
クジェット式記録装置を提供する。 【解決手段】 ノズル開口に連通する圧力発生室１２の
一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室１２に対
応する領域に圧電素子３００を形成したインクジェット
式記録ヘッドにおいて、圧電素子を構成する下電極６
０、圧電体層７０及び上電極８０を圧力発生室１２に対
向する領域に設け、下電極６０と、その少なくとも幅方
向両側に連続的に設けられて引張り応力を有する引張り
膜６１で振動板を構成し、下電極６０に引張り力を作用
させる。これにより、圧力発生室１２を形成する際に、
圧電体層７０の内部応力の緩和量が低減され、振動板の
初期変形が抑えられるため、圧電体能動部３２０の駆動
による振動板の変形量を実質的に向上することができ、
振動板の耐久性も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を吐出す
るノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構
成し、この振動板を介して圧電素子を設け、この圧電素
子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式
記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記
録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を吐出するノズル開口と連通す
る圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧
電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧して
ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式
記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦
振動モードの圧電素子を使用したものと、撓み振動モー
ドの圧電素子を使用したものの２種類が実用化されてい
る。

【０００３】前者は圧電素子の端面を振動板に当接させ
ることにより圧力発生室の容積を変化させることができ
て、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛
歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた
圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必
要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。

【０００４】これに対して後者は、圧電材料のグリーン
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作
り付けることができるものの、撓み振動を利用する関係
上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難で
あるという問題がある。

【０００５】一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消す
べく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるよう
に、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧
電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法に
より圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生
室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案さ
れている。

【０００６】これによれば圧電素子を振動板に貼付ける
作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、か
つ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばか
りでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能
になるという利点がある。なお、この場合、圧電材料層
は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極の
みを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室
に対応する圧電素子を駆動することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、
薄膜のパターニング後に圧力発生室を形成するが、その
際、圧電体層の内部応力が緩和され、また、下電極の内
部応力の影響により振動板が圧力発生室側に撓んでしま
い、この撓みが振動板の初期変形として残留してしま
う。したがって、圧電素子の駆動による振動板の変形量
が実質的に小さくなるという問題や、振動板の耐久性が
低下するという問題がある。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑み、振動板の
変形量及び耐久性の向上を図ったインクジェット式記録
ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装
置を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室の
一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応す
る領域に圧電素子を形成したインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記圧電素子を構成する下電極、圧電体層
及び上電極が前記圧力発生室に対向する領域に設けら
れ、前記下電極と、該下電極の少なくとも幅方向両側に
連続的に設けられて引張り応力を有する引張り膜とが前
記振動板の少なくとも上層部を構成していることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１０】かかる第１の態様では、下電極に引張り膜
の張力が作用し、圧力発生室形成時の振動板の応力緩和
が低減される。

【００１１】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記引張り膜は前記下電極と異なる材料からなるこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１２】かかる第２の態様では、引張り膜の応力状
態を下電極と異なる応力状態とすることができる。

【００１３】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記引張り膜は、前記下電極よりもヤング率
が大きい材料からなることを特徴とするインクジェット
式記録ヘッドにある。

【００１４】かかる第３の態様では、引張り膜の張力が
有効に下電極に作用する。

【００１５】本発明の第４の態様は、前記引張り膜は白
金、イリジウム、酸化イリジウム、酸化ジルコニウム、
酸化ルテニウム、タングステン、及びモリブデンの群か
ら選択される少なくとも一種からなることを特徴とする
インクジェット式記録ヘッドにある。

【００１６】かかる第４の態様では、引張り応力を有し
且つ下電極に有効に張力を与える引張り膜を形成でき
る。

【００１７】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記下電極及び前記引張り膜の下には
弾性膜が形成されていることを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッドにある。

【００１８】かかる第５の態様では、弾性膜及び引張り
膜が振動板として作用する。

【００１９】本発明の第６の態様は、第５の態様におい
て、前記弾性膜の前記下電極に対向する部分は他の部分
より膜厚が大きいことを特徴とするインクジェット式記
録ヘッドにある。

【００２０】かかる第６の態様では、弾性膜の下電極に
対向する部分に引張り膜の張力が作用し、初期撓みが低
減される。

【００２１】本発明の第７の態様は、第５又は６の態様
において、前記弾性膜が二酸化シリコンからなることを
特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２２】かかる第７の態様では、二酸化シリコン膜
からなる弾性膜及び引張り膜が振動板として作用する。

【００２３】本発明の第８の態様は、第１〜７の何れか
の態様において、前記圧電素子の上面には絶縁体層が形
成され、前記圧電素子に電圧を印加するためのリード電
極と当該圧電素子との接続部となるコンタクト部が、前
記絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成され
ていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドに
ある。

【００２４】かかる第８の態様では、圧電素子とリード
電極とが圧力発生室に対向する領域のコンタクトホール
内で接続される。

【００２５】本発明の第９の態様は、第１〜８の何れか
の態様において、少なくとも前記圧電素子の長手方向一
端部が前記圧力発生室の側壁に対向する部分まで延設さ
れ、前記コンタクト部は当該側壁に対向する領域に形成
されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ドにある。

【００２６】かかる第９の態様では、圧電素子とリード
電極とを接続するコンタクトホールが圧力発生室の周壁
に対向する領域に設けられ、変位への影響が低減され
る。

【００２７】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基
板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の
各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたもので
あることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにあ
る。

【００２８】かかる第１０の態様では、高密度のノズル
開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ
比較的容易に製造することができる。

【００２９】本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何
れか態様のインクジェット式記録ヘッドを具備すること
を特徴とするインクジェット式記録装置にある。

【００３０】かかる第１１の態様では、ヘッドの耐久性
を向上したインクジェット式記録装置を実現することが
できる。

【００３１】本発明の第１２の態様は、圧力発生室を形
成するシリコン単結晶基板の一方面に設けられた弾性膜
上に下電極層、圧電体層及び上電極層を順次積層して各
層をパターニングすることにより前記圧力発生室に対応
する領域に前記下電極、前記圧電体層及び前記上電極か
らなる圧電体能動部を形成するインクジェット式記録ヘ
ッドの製造方法において、前記弾性膜上に前記下電極層
を成膜した後、前記下電極を前記圧力発生室に対向する
領域内にパターニングする工程と、前記弾性膜上の前記
下電極が形成されていない領域に引張り応力を有する引
張り膜をマスクを用いて形成する工程と、前記下電極上
に前記圧電体層、及び前記上電極層を順次積層した後、
前記上電極層及び前記圧電体層をパターニングして前記
圧電体能動部を形成する工程とを有することを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００３２】かかる第１２の態様では、弾性膜と、この
弾性膜上の上の引張り膜から振動板が構成される。

【００３３】本発明の第１３の態様は、第１２の態様に
おいて、成膜時に前記引張り膜が引張り応力を有するよ
うに成膜条件を制御することを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッドの製造方法にある。

【００３４】かかる第１３の態様では、下電極膜に引張
り膜の張力が作用し、圧力発生室形成時の振動板の応力
緩和が低減される。

【００３５】本発明の第１４の態様は、第１２又は１３
の態様において、前記下電極層は、前記圧力発生室に対
向する領域の長手方向の少なくとも一端部からその外側
へ延設されて共通電極とされていることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００３６】かかる第１４の態様では、層間絶縁膜を必
要とせず、比較的容易にヘッドの配線を形成することが
できる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施形態に基づい
て詳細に説明する。

【００３８】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図
であり、図２は、平面図及びその１つの圧力発生室の長
手方向における断面構造を示す図である。

【００３９】図示するように、流路形成基板１０は、本
実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板か
らなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３
００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８
０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の
厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室
間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるから
である。

【００４０】流路形成基板１０の一方の面は開口面とな
り、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリ
コンからなる、厚さ０．１〜２μｍの弾性膜５０が形成
されている。

【００４１】一方、流路形成基板１０の開口面には、シ
リコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、
ノズル開口１１、圧力発生室１２が形成されている。

【００４２】ここで、異方性エッチングは、シリコン単
結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々
に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面
と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且
つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１
１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレート
と比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１
８０であるという性質を利用して行われるものである。
かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１
１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成され
る平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行う
ことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することが
できる。

【００４３】本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺
を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で
形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１
０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングす
ることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シ
リコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵さ
れる量がきわめて小さい。

【００４４】一方、各圧力発生室１２の一端に連通する
各ノズル開口１１は、圧力発生室１２より幅狭で且つ浅
く形成されている。すなわち、ノズル開口１１は、シリ
コン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハー
フエッチング）することにより形成されている。なお、
ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行わ
れる。

【００４５】ここで、インク滴吐出圧力をインクに与え
る圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズ
ル開口１１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出
スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、
１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノ
ズル開口１１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要
がある。

【００４６】また、各圧力発生室１２と後述する共通イ
ンク室３１とは、後述する封止板２０の各圧力発生室１
２の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク
供給連通口２１を介して連通されており、インクはこの
インク供給連通口２１を介して共通インク室３１から供
給され、各圧力発生室１２に分配される。

【００４７】封止板２０は、前述の各圧力発生室１２に
対応したインク供給連通口２１が穿設された、厚さが例
えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下
で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラ
スセラミックスからなる。なお、インク供給連通口２１
は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、各圧力発生室１
２のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット
孔２１Ａでも、あるいは複数のスリット孔２１Ｂであっ
てもよい。封止板２０は、一方の面で流路形成基板１０
の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外
力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板２
０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。

【００４８】共通インク室形成基板３０は、共通インク
室３１の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、イ
ンク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を
打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共
通インク室形成基板３０の厚さは、０．２ｍｍとしてい
る。

【００４９】インク室側板４０は、ステンレス基板から
なり、一方の面で共通インク室３１の一壁面を構成する
ものである。また、インク室側板４０には、他方の面の
一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成するこ
とにより薄肉壁４１が形成され、さらに、外部からのイ
ンク供給を受けるインク導入口４２が打抜き形成されて
いる。なお、薄肉壁４１は、インク滴吐出の際に発生す
るノズル開口１１と反対側へ向かう圧力を吸収するため
のもので、他の圧力発生室１２に、共通インク室３１を
経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
本実施形態では、インク導入口４２と外部のインク供給
手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側
板４０を０．２ｍｍとし、その一部を厚さ０．０２ｍｍ
の薄肉壁４１としているが、ハーフエッチングによる薄
肉壁４１の形成を省略するために、インク室側板４０の
厚さを初めから０．０２ｍｍとしてもよい。

【００５０】一方、流路形成基板１０の開口面とは反対
側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．５μｍ
の下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜
７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０と
が、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３０
０を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極
膜６０、圧電体膜７０、及び上電極膜８０を含む部分を
いう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極
を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜７０を各圧力
発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、こ
こではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体
膜７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電
歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施
形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極と
し、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としてい
るが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障は
ない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体
能動部が形成されていることになる。また、ここでは、
圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位
が生じる振動板と合わせて圧電アクチュエータと称す
る。なお、本実施形態では、後述するように、下電極膜
６０がパターニングされているため、弾性膜５０が振動
板として作用する。

【００５１】ここで、シリコン単結晶基板からなる流路
形成基板１０上に、圧電体膜７０等を形成するプロセス
を図４を参照しながら説明する。

【００５２】図４（ａ）に示すように、まず、流路形成
基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１０
０℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性
膜５０を形成する。

【００５３】次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ
リングで下電極膜６０を形成する。この下電極膜６０の
材料としては、白金等が好適である。これは、スパッタ
リングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜７０
は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜
１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があ
るからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、この
ような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければ
ならず、殊に、圧電体膜７０としてチタン酸ジルコン酸
鉛を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化
が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適
である。

【００５４】次に、図４（ｃ）に示すように、下電極膜
６０をエッチングして圧力発生室１２に対応する領域
に、少なくとも幅方向両側の端部が圧力発生室１２に対
向する領域内に位置するようにパターニングする。

【００５５】次に、図５（ａ）に示すように、前記弾性
膜上の前記下電極が形成されていない領域に引張り膜６
１をマスクを用いて成膜する。この部分は後述する理由
により、ヤング率が大きい材料、白金、イリジウム、酸
化イリジウム、酸化ジルコニウム、酸化ルテニウム、タ
ングステン、又はモリブデンの何れかの材料が好適であ
る。

【００５６】また、本実施例では引張り膜６１をスパッ
タリングで形成するが、引張り膜６１が引張り応力を有
するように成膜条件を制御することが必要であり、例え
ば、スパッタリングのアルゴン圧力は３Ｐａ以上として
成膜する。

【００５７】次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体膜
７０及び上電極膜８０を成膜する。この圧電体膜７０の
成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実
施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆ
るゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成する
ことで金属酸化物からなる圧電体膜７０を得る、いわゆ
るゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜７０の材料とし
ては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料がイン
クジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適であ
る。

【００５８】上電極膜８０は、導電性の高い材料であれ
ばよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの
金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態で
は、白金をスパッタリングにより成膜している。

【００５９】次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体膜
７０及び上電極膜８０をエッチングして圧電体能動部３
２０のパターニングを行う。

【００６０】以上のように、圧電体膜７０及び上電極膜
８０をパターニングした後には、好ましくは、各上電極
膜８０の上面、圧電体膜７０及び引張り膜６１の上面を
覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層９０を形成する
（図１参照）。

【００６１】そして、絶縁体層９０の各圧電体能動部３
２０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部に
は後述するリード電極１００と接続するために上電極膜
８０の一部を露出させるコンタクトホール９０ａが形成
されている。そして、このコンタクトホール９０ａを介
して各上電極膜８０に一端が接続し、また他端が接続端
子部に延びるリード電極１００が形成されている。リー
ド電極１００は、駆動信号を上電極膜８０に確実に供給
できる程度に可及的に狭い幅となるように形成されてい
る。

【００６２】このような絶縁体層の形成プロセスを図６
に示す。

【００６３】まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜
８０の周縁部、圧電体膜７０及び引張り膜６１の上面を
覆うように絶縁体層９０を形成する。この絶縁体層９０
の材料は、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを
用いている。

【００６４】次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層
９０をパターニングすることにより、各圧力発生室１２
のインク供給側の端部近傍に対応する部分にコンタクト
ホール９０ａを形成する。このコンタクトホール９０ａ
は、リード電極１００と上電極膜８０との接続をするた
めのものである。

【００６５】以上が膜形成プロセスである。このように
して膜形成を行った後、図６（ｃ）に示すように、前述
したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エ
ッチングを行い、圧力発生室１２等を形成する。このと
きの圧電体能動部３２０が受ける力の状態を以下に説明
する。なお、図７は、圧力発生室１２をエッチングによ
り形成前後の各層に発生する応力の状態を模式的に示し
た図である。

【００６６】図７（ａ）に示すように、引張り膜６１、
下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０はそれぞ
れ引張り応力σ₄，σ₃，σ₂，σ₁を有し、弾性膜５０は
圧縮応力σ₅を有している。そのため、図７（ｂ）に示
すように、圧電体能動部３２０をパターニングし、さら
に圧電体能動部３２０の下方に圧力発生室１２を形成す
ると、圧電体膜７０及び上電極膜８０の引張り応力
σ₂，σ₁が開放されて振動板を圧縮しようとする力
Ｆ₂，Ｆ₁となり、弾性膜５０の圧縮応力σ₅は開放され
て振動板を引張る力Ｆ₅となる。また、本実施形態では
下電極膜６０には引張り膜６１の存在によって引張り力
Ｆ₄が作用している。したがって、圧縮力Ｆ₂，Ｆ₁と引
張り力Ｆ₅，Ｆ₄とがつり合うようになり、振動板の初期
撓みはほとんど発生しない。

【００６７】なお、引張り膜６１が形成されていない場
合には、図８（ａ）に示すように、圧力発生室１２の形
成前に、下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０
はそれぞれ引張り応力σ₃₁，σ₂₁，σ₁₁を有しているの
で、圧力発生室１２を形成すると、引張り応力σ₃₁，σ
₂₁，σ₁₁は開放されて圧縮力Ｆ₃₁，Ｆ₂₁，Ｆ₁₁となり、
結果的に、弾性膜５０は、下に凸に変形され、これが初
期変形として残留する。

【００６８】本実施形態では、引張り膜６１を下電極膜
６０よりもヤング率の大きい材料で形成し且つ引張り応
力を有するように形成した。これにより、下電極膜６０
は隣接する両側の引張り膜６１から強い引張り力Ｆ₄を
受ける。したがって、引張り力Ｆ₄により圧電体膜７０
及び上電極膜８０からの圧縮力Ｆ₂，Ｆ₁が相殺され、圧
力発生室１２の形成による弾性膜５０の変形を低減また
は無くすことができる。また、圧電体膜７０の変形も防
止できるため、圧電体膜７０の圧力発生室１２形成前の
圧電特性を維持することができる。したがって、ヘッド
の変位効率を向上することができる。

【００６９】本実施形態では、圧電体層７０および上電
極８０からなる圧電体能動部３２０は、圧力発生室１２
に対向する領域に設けられている。また、圧電体能動部
３２０の長手方向端部近傍には、圧電体能動部３２０上
に設けられている絶縁体層９０のコンタクトホール９０
ａを介して上電極８０とリード電極１００とが接続され
ている。なお、本実施形態では、コンタクトホール９０
ａは、図２に示すように、圧力発生室１２に対向する位
置に設けられているが、圧電体層７０及び上電極８０を
圧力発生室１２の周壁上まで延設して、この周壁に対向
する位置にコンタクトホール９０ａを設けてもよい。

【００７０】以上説明した一連の膜形成及び異方性エッ
チングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成
し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサ
イズの流路形成基板１０毎に分割する。また、分割した
流路形成基板１０を、封止板２０、共通インク室形成基
板３０、及びインク室側板４０と順次接着して一体化
し、インクジェット式記録ヘッドとする。

【００７１】このように構成したインクジェットヘッド
は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導
入口４２からインクを取り込み、共通インク室３１から
ノズル開口１１に至るまで内部をインクで満たした後、
図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、リー
ド電極１００を介して下電極６０と上電極８０との間に
電圧を印加し、弾性膜５０、下電極６０及び圧電体層７
０を撓み変形させることにより、圧力発生室１２内の圧
力が高まりノズル開口１１からインク滴が吐出する。

【００７２】（実施形態２）図９は、本発明の実施形態
２の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受ける力の状態
を示す断面図である。

【００７３】本実施例は、下電極膜６０をエッチングし
てパターニングする際に、弾性膜５０を厚さ方向の一部
までオーバーエッチングして、弾性膜除去部３５０を形
成し、以下は実施形態１と同様に膜形成プロセスを行っ
たものである。

【００７４】このため、図９（ａ）に示すように、弾性
膜５０の一部が除去されていることにより、弾性膜５０
の圧縮応力σ₅の一部が開放されてσ₅₂となっている。

【００７５】次に、図９（ｂ）に示すように、圧電体能
動部３２０をパターニングし、さらに圧電体能動部３２
０の下方に圧力発生室１２を形成すると、圧電体膜７０
及び上電極膜８０の引張り応力σ₂₂，σ₁₂が開放されて
振動板を圧縮しようとする力Ｆ₂₂，Ｆ₁₂となり、弾性膜
５０の圧縮応力σ₅₂はさらに開放されて振動板を引張る
力Ｆ₅₂となる。また、下電極膜６０には引張り膜６１の
存在によって引張り力Ｆ₄₂が作用している。

【００７６】このような構成においても、圧力発生室１
２を形成するときに弾性膜５０の圧縮応力σ₅₂が開放さ
れて振動板を引張る 力Ｆ₅₂は小さくなるが、一方、引張
り膜６１は厚く形成されるので、引張り膜６１によって
下電極膜６０に作用する引張り力Ｆ₄₂は大きくなる。し
たがって、本実施形態でも実施形態１と同様に、圧縮力
Ｆ₂，Ｆ₁と引張り力Ｆ₅，Ｆ₄とがつり合うようになり、
振動板の初期撓みはほとんど発生しない。

【００７７】（他の実施形態）以上、本発明の各実施形
態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的
構成は上述したものに限定されるものではない。

【００７８】例えば、上述した封止板２０の他、共通イ
ンク室形成板３０をガラスセラミックス製としてもよ
く、さらには、薄肉膜４１を別部材としてガラスセラミ
ックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由であ
る。

【００７９】また、上述した実施形態では、ノズル開口
を流路形成基板１０の端面に形成しているが、面に垂直
な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。

【００８０】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１０、その流路の断面を図１１にぞれぞれ示す。こ
の実施形態では、ノズル開口１１が圧電素子とは反対の
ノズル基板１２０に穿設され、これらノズル開口１１と
圧力発生室１２とを連通するノズル連通口２２が、封止
板２０，共通インク室形成板３０及び薄肉板４１Ａ及び
インク室側板４０Ａを貫通するように配されている。

【００８１】なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１
Ａとインク室側板４０Ａとを別部材とし、インク室側板
４０に開口４０ｂを形成した以外は、基本的に上述した
実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付して
重複する説明は省略する。

【００８２】この実施形態においても、上述した実施形
態と同様に、振動板に下電極６０と引張り膜６１を設け
ることにより振動板の撓みを抑え、振動板の変形量及び
耐久性を向上することができる。

【００８３】また、勿論、共通インク室を流路形成基板
内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも
同様に応用できる。

【００８４】また、以上説明した各実施形態は、成膜及
びリソグラフィプロセスを応用することにより製造でき
る薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、
勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積
層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシ
ートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を
形成するもの、又は結晶成長により圧電体膜を形成する
もの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本
発明を採用することができる。

【００８５】さらに、圧電素子とリード電極との間に絶
縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例
えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜
を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続した
り、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング
技術を用いて接続したりする構成としてもよい。

【００８６】このように、本発明は、その趣旨に反しな
い限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応
用することができる。

【００８７】また、これら各実施形態のインクジェット
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１２
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。

【００８８】図１２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。

【００８９】そして、駆動モータ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３に沿
ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図
示しない紙送りモータの駆動力により回転できるように
なっており、給紙ローラ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に巻き掛けられ
て搬送されるようになっている。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧力発生室を形成する際の圧電体膜の内部応力の緩和量
が低減され、それに伴い振動板の初期変形が抑えられ、
圧電体能動部の駆動による振動板の変形量を実質的に向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの分解斜視図である。

【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドを示す図であり、図１の平面図及び断面図であ
る。

【図３】図１の封止板の変形例を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面
図である。

【図５】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面
図である。

【図６】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面
図である。

【図７】本発明の実施形態１の圧電体能動部が圧力発生
室形成時に受ける力の状態を示す断面図である。

【図８】従来の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受け
る力の状態を示す断面図である。

【図９】本発明の実施形態２の圧電体能動部が圧力発生
室形成時に受ける力の状態を示す断面図である。

【図１０】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドの分解斜視図である。

【図１１】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す断面図である。

【図１２】本発明の一実施形態に係るインクジェット式
記録装置の概略図である。

【符号の説明】

１０ 流路形成基板 １１ ノズル開口 １２ 圧力発生室 ５０ 弾性膜 ６０ 下電極膜 ６１ 引張り膜 ７０ 圧電体膜 ８０ 上電極膜 ９０ 絶縁体層 １００ リード電極 ３２０ 圧電体能動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 真理 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF52 AF65 AF93 AG12 AG44 AG90 AG92 AG93 AP02 AP31 AQ02 BA03 BA14

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル開口に連通する圧力発生室の一部
   を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領
   域に圧電素子を形成したインクジェット式記録ヘッドに
   おいて、 前記圧電素子を構成する下電極、圧電体層及び上電極が
   前記圧力発生室に対向する領域に設けられ、前記下電極
   と、該下電極の少なくとも幅方向両側に連続的に設けら
   れて引張り応力を有する引張り膜とが前記振動板の少な
   くとも上層部を構成していることを特徴とするインクジ
   ェット式記録ヘッド。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記引張り膜は前記
   下電極と異なる材料からなることを特徴とするインクジ
   ェット式記録ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記引張り膜
   は、前記下電極よりもヤング率が大きい材料からなるこ
   とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかにおいて、前記引
   張り膜は白金、イリジウム、酸化イリジウム、酸化ジル
   コニウム、酸化ルテニウム、タングステン、及びモリブ
   デンの群から選択される少なくとも一種からなることを
   特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れかにおいて、前記下
   電極及び前記引張り膜の下側には弾性膜が形成されてい
   ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記弾性膜の前記下
   電極に対向する部分は他の部分より膜厚が大きいことを
   特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
7. 【請求項７】 請求項５又は６において、前記弾性膜が
   二酸化シリコンからなることを特徴とするインクジェッ
   ト式記録ヘッド。
8. 【請求項８】 請求項１〜７の何れかにおいて、前記圧
   電素子の上面には絶縁体層が形成され、前記圧電素子に
   電圧を印加するためのリード電極と当該圧電素子との接
   続部となるコンタクト部が、前記絶縁体層に形成された
   コンタクトホール内に形成されていることを特徴とする
   インクジェット式記録ヘッド。
9. 【請求項９】 請求項１〜８の何れかにおいて、少なく
   とも前記圧電素子の長手方向一端部が前記圧力発生室の
   側壁に対向する部分まで延設され、前記コンタクト部は
   当該側壁に対向する領域に形成されていることを特徴と
   するインクジェット式記録ヘッド。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９の何れかにおいて、前記
    圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングに
    より形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラ
    フィ法により形成されたものであることを特徴とするイ
    ンクジェット式記録ヘッド。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０の何れかのインクジェ
    ット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジ
    ェット式記録装置。
12. 【請求項１２】 圧力発生室を形成するシリコン単結晶
    基板の一方面に設けられた弾性膜上に下電極層、圧電体
    層及び上電極層を順次積層して各層をパターニングする
    ことにより前記圧力発生室に対応する領域に前記下電極
    層、前記圧電体層及び前記上電極層からなる圧電体能動
    部を形成するインクジェット式記録ヘッドの製造方法に
    おいて、前記弾性膜上に前記下電極層を成膜した後、前
    記下電極を前記圧力発生室に対向する領域内にパターニ
    ングする工程と、前記弾性膜上の前記下電極が形成され
    ていない領域に引張り応力を有する引張り膜をマスクを
    用いて形成する工程と、前記下電極層上に前記圧電体
    層、及び前記上電極を順次積層した後、前記上電極及び
    前記圧電体層をパターニングして前記圧電体能動部を形
    成する工程とを有することを特徴とするインクジェット
    式記録ヘッドの製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２において、成膜時に前記引
    張り膜が引張り応力を有するように成膜条件を制御する
    ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方
    法。
14. 【請求項１４】 請求項１２又は１３において、前記下
    電極層は、前記圧力発生室に対向する領域の長手方向の
    少なくとも一端部からその外側へ延設されて共通電極と
    されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
    ドの製造方法。