JPH11309858A

JPH11309858A - インクジェット式記録ヘッド及びその駆動方法並びにインクジェット式記録装置

Info

Publication number: JPH11309858A
Application number: JP12076198A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Shimada; 勝人島田; Hiroshi Kyu; 宏邱
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体層の変位量を増加させ、弾性膜の変位
効率を向上したインクジェット式記録ヘッド及びインク
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
一部を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電
極６０と、この下電極６０上に形成された圧電体層７０
と、該圧電体層７０の表面に形成された上電極８０とを
有する圧電振動子３００を具備したインクジェット式記
録ヘッドにおいて、前記圧電振動子３００を構成する前
記下電極６０及び前記上電極８０の何れか一方が前記圧
力発生室１２に対向する領域にパターニングされ、当該
パターニングされた電極の幅方向両側で且つ当該圧電振
動子３００を構成する圧電体層７０表面に一対の第２の
電極８１，８２を設けたことにより、圧電体層の変位量
を増加することができる。

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弾性膜で構
成し、この弾性膜の表面に圧電体層を形成して、圧電体
層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駆動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弾性膜で構成し、この弾性膜を圧
電振動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、圧電振動子の軸方向に伸長、収縮す
る縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ
振動モードの圧電振動子を使用したものの２種類が実用
化されている。

【０００３】前者は圧電振動子の端面を弾性膜に当接さ
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、圧電振動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
た圧電振動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弾性膜に圧電振動子を
作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する
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、弾性膜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振動子を形成したものが提案
されている。

【０００６】これによれば圧電振動子を弾性膜に貼付け
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振動子を作り付けることができる
ばかりでなく、圧電振動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
材料層は弾性膜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振動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、
圧電振動子の駆動の際、弾性膜の変形量が小さく、十分
な排除体積が得られないという問題がある。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層
の変位量を増加させ、弾性膜の変位効率を向上したイン
クジェット式記録ヘッド及びその駆動方法並びにインク
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
一部を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電
極と、この下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体
層の表面に形成された上電極とを有する圧電振動子を具
備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電
振動子を構成する前記下電極及び前記上電極の何れか一
方が前記圧力発生室に対向する領域にパターニングさ
れ、当該パターニングされた電極の幅方向両側で且つ当
該圧電振動子を構成する圧電体層表面に一対の第２の電
極を設けた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、一対の第２の電極
を介して電界を印加することにより、圧電体層に幅方向
の引張応力を付与することができる。

【００１１】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記一対の第２の電極には、前記下電極及び前記上
電極への電圧印加とは別に、電圧を印加できることを特
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、一対の第２の電極
間に電圧を印加することにより、圧電体層に幅方向の引
張応力を付与してインク吐出のための変形方向とは逆方
向に変形し、その後上電極及び下電極間に電圧を印加す
ることにより、インク吐出の際の圧電体層の変位量が増
加される。

【００１３】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記一対の第２の電極は、前記圧電体層の幅
方向両側の端面に設けら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。

【００１４】かかる第３の態様では、一対の第２の電極
同士が相対向するため、圧電体層に面方向の電界を確実
に印加することができる。

【００１５】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか
の態様において、前記圧電振動子を構成する圧電体層
は、前記圧力発生室に対向する領域にパターニングさ
れ、且つ厚さ方向の少なくとも一部に、その幅が下から
上方に向かって徐々に狭くなるようにパターニングされ
た傾斜面を有し、前記一対の第２の電極は、前記傾斜面
上に設けら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。

【００１６】かかる第４の態様では、上電極のパターニ
ングの際に、一対の第２の電極を一緒にパターニングす
ることにより、容易に形成することができる。

【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、前記圧電振動子を構成する少なくとも
前記圧電体層は、前記圧電振動子の長手方向の一端部か
ら前記圧力発生室に対向する領域外まで延設されている
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、圧力発生室の周壁
に対向する領域に、圧電体層と外部配線との接続部を形
成できる。

【００１９】本発明の第６の態様は、第５の態様におい
て、前記圧力発生室に対向する領域外まで延設された前
記圧電体層上には前記上電極が延設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。

【００２０】かかる第６の態様では、延設された上電極
を介して外部配線と接続できる。

【００２１】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか
の態様において、前記圧電振動子の上面にはリード電極
と前記上電極との接続を行うコンタクト部を有すること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２２】かかる第７の態様では、圧電振動子への電
圧の印加はコンタクト部を介して行われる。

【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、前記圧電振動子の上面には絶縁体層が
形成され、リード電極と前記上電極との接続を行うコン
タクト部は、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、圧電振動子への電
圧の印加は絶縁体層を介して形成されたコンタクト部を
介して行われる。

【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、前記流路形成基板がシリコン単結晶基
板からなり、前記圧力発生室が異方性エッチングにより
形成され、前記圧電振動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。

【００２６】かかる第９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。

【００２７】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れ
かの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。

【００２８】かかる第１０の態様では、ヘッドの駆動効
率が向上され、インク吐出を良好に行うことができるイ
ンクジェット式記録装置を実現することができる。

【００２９】本発明の第１１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弾性膜上に設けられ
た圧電体層の厚さ方向上下側に設けた一対の電極に電圧
を印加することにより当該圧電体層をたわみ変形させて
前記圧力発生室内のインクに圧力を付与して前記ノズル
開口からインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド
の駆動方法において、前記圧電体層の幅方向両側に設け
た一対の第２の電極に電圧を印加する工程と、この後、
前記一対の電極に電圧を印加することにより前記圧力発
生室内のインクに圧力を付与するたわみ変形を前記圧電
体層に生じさせる工程とを具備することを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドの駆動方法にある。

【００３０】かかる第１１の態様では、一対の第２の電
極間に電圧を印加することにより、圧電体層をインクに
圧力を付与するためのたわみ変形とは逆方向に変形させ
ることができ、排除体積を向上することができる。

【００３１】本発明の第１２の態様は、第１１の態様に
おいて、前記一対の第２の電極への電圧印加により、前
記圧電体層に幅方向に引張応力を付与することを特徴と
するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法にある。

【００３２】かかる第１２の態様では、前記圧電体層
は、幅方向の引張応力により、インク吐出のためのたわ
み変形とは逆方向に変形する。

【００３３】本発明の第１３の態様は、第１１又は１２
の態様において、前記一対の第２の電極への電圧印加を
解除した後、前記一対の電極に電圧を印加することを特
徴とするインクジェット式記録ヘッドの駆動方法にあ
る。

【００３４】かかる第１３の態様では、インク吐出のた
めのたわみ変形とは逆方向に変形した圧電体層に電圧を
印加してたわみ変形させるため、圧電体層の変位量が増
加される。

【００３５】

【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。

【００３６】（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、その平面図及び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。

【００３７】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。

【００３８】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１〜２μｍの弾性膜５０が形成され
ている。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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２０
は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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、圧電振動子
（圧電素子）３００を構成している。ここで、圧電振動
子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、上電極膜８
０を含む部分をいう。一般的には、圧電振動子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３２
０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電振動子
３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動子３０
０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。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６
０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ね
るようにしてもよい。

【００４９】また、詳しくは後述するが、本実施形態で
は、各圧電体能動部３２０に対応する領域の上電極膜８
０の両側には、上電極膜８０と同様の層から形成される
が、それぞれ独立した一対の第２の電極膜８１，８２が
並設されている。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ
リングによって、下電極膜６０を弾性膜５０の表面形状
に沿って一様に形成する。下電極膜６０の材料として
は、Ｐｔ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ＰＺＴを用いた場合には、Ｐ
ｂＯ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Ｐｔが好適である。

【００５３】次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体膜
７０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。

【００５４】次に、図４（ｄ）に示すように、上電極膜
８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料で
あればよく、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ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、Ｐ
ｔをスパッタリングにより成膜している。

【００５５】次に、図５に示すように、下電極膜６０、
圧電体膜７０及び上電極膜８０等をパターニングする。

【００５６】まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜
６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０を一緒にエッチン
グして下電極膜６０の全体パターンをパターニングす
る。次いで、図５（ｂ）に示すように、圧電体膜７０及
び上電極膜８０のみをエッチングして、圧力発生室１２
に対向する領域のみに圧電体能動部３２０のパターニン
グを行う。

【００５７】次いで、図５（ｃ）に示すように、各圧電
体能動部３２０に対する部分の上電極膜８０のみをパタ
ーニングして、長手方向に亘って上電極膜８０を除去し
た二本の溝部８３を形成することにより、上電極膜８０
の幅方向両側に第２の電極膜８１，８２を形成する。

【００５８】以上のように、下電極膜６０等をパターニ
ングした後には、好ましくは、各上電極膜８０及び第２
の電極膜８１，８２の上面の少なくとも周縁、及び圧電
体膜７０および下電極膜６０の側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）。絶
縁体層９０は、成膜法による形成やまたエッチングによ
る整形が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコ
ン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性
に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。

【００５９】そして、絶縁体層９０の各上電極膜８０の
それぞれ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。

【００６０】また、第２の電極膜８１及び８２も、上電
極膜８０の場合と同様に、それぞれの一端部に対応する
部分の絶縁体層９０にコンタクトホール９０ｂ及び９０
ｃが形成されている。そして、このコンタクトホール９
０ｂ及び９０ｃを介して、別々にリード電極１００Ａ及
び１００Ｂが形成されている。

【００６１】このような絶縁体層の形成プロセスを図６
に示す。

【００６２】まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜
８０、第２の電極膜８１，８２の周縁部、圧電体膜７０
および下電極膜６０の側面を覆うように絶縁体層９０を
形成する。この絶縁体層９０の好適な材料は上述した通
りであるが、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。

【００６３】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、各上電極膜８０及
び第２の電極膜８１，８２の圧力発生室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９０
ａ，９０ｂ，９０ｃを形成する。

【００６４】なお、コンタクトホール９０ａ，９０ｂ，
９０ｃは、圧力発生室１２の圧電体能動部３２０に対応
する部分に設ければよく、例えば、中央部やノズル側端
部に設けてもよい。また、本実施形態では、圧電振動子
を圧力発生室１２に対向する領域に設けたが、これに限
定されず、例えば、圧電体膜及び上電極膜を圧力発生室
１２の周壁に対向する領域まで延設してもよい。

【００６５】次に、例えば、Ｃｒ−Ａｕなどの導電体を
全面に成膜した後、パターニングすることにより、リー
ド電極１００等を形成する。

【００６６】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。なお、
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。

【００６７】このように形成されたインクジェット式記
録ヘッドの要部平面及び断面を図７に示す。

【００６８】本実施形態では、図７に示すように、圧電
体膜７０および上電極膜８０等を有する圧電振動子３０
０は、基本的に圧力発生室１２に対向する領域内に設け
られ、圧電体能動部３２０を形成している。また、各圧
電体能動部３２０に対応する部分の圧電体膜７０上に、
上電極膜８０とその幅方向両側に溝部８３を介して第２
の電極膜８１、８２とが並設されている。

【００６９】また、上述のように、各上電極膜８０及び
第２の電極膜８１，８２の長手方向一端部近傍の絶縁体
層９０には、それぞれコンタクトホール９０ａ、９０
ｂ，９０ｃが形成されて、別々のリード電極１００，１
００Ａ，１００Ｂと接続されている。また、本実施形態
では、下電極膜６０上の絶縁体層９０にもコンタクトホ
ール９０ｄが設けられており、上電極膜８０同様、コン
タクトホール９０ｄ内でリード電極１００Ｃと接続され
ている。

【００７０】ここで、本発明のインクジェット式記録ヘ
ッドの駆動方法について説明する。

【００７１】図８は、本発明の実施形態１に係る圧電体
能動部に印加する時間と電圧との関係の一例を示したグ
ラフである。

【００７２】まず、リード電極１００Ａ，１００Ｂを介
して上電極膜８０の両側の第２の電極膜８１、８２の間
に、所定電圧、例えば、図８に示すように、インク吐出
のための電圧Ｖ₂の略半分程度の電圧Ｖ₁で、圧電体膜７
０に電界を印加する。これにより、圧電体膜７０には引
張応力が生じ、この引張応力によりインク吐出のための
たわみ変形とは逆方向に多少変形する。

【００７３】次いで、インク吐出のタイミングで、引張
応力を与えている電圧Ｖ₁を切り、それとほぼ同時に上
電極膜８０と下電極膜６０との間にインク吐出のための
所定電圧Ｖ₂で、圧電体膜７０に電界を印加する（図中
ｔ₁）。これにより、圧電体膜７０は下に凸にたわみ変
形が生じ、この変形と共に振動板が変形されてインクが
吐出される。

【００７４】このように、第２の電極膜８１及び８２の
間に所定電圧を印加した後、上電極膜８０と下電極膜６
０との間に電圧を印加することによって、圧電体膜７０
の変形量を増加することができる。

【００７５】ここで、圧電体膜の変形量が増加する原理
について説明する。

【００７６】図９は、Ｐ−Ｖヒステリシスループの一例
を示すグラフである。

【００７７】圧電体膜７０として用いられるＰＺＴは、
厚さ方向（縦方向）に電圧を印加すると分極が縦を向
く、すなわち圧縮応力となり、一方、面方向（横方向）
に電圧を印加すると分極が横を向く、すなわち引張応力
となるという性質を有する。

【００７８】また、図９に示すように、引張応力の分極
の方が圧縮応力の分極よりも小さい値であることが分か
る。

【００７９】さらに、圧電体膜７０の変形量は、電圧
（Ｖ）０Ｖから所定電圧まで印加したときの分極（Ｐ）
変化量に正の相関がある。例えば、図９の引張応力のヒ
ステリシスループでは、電圧（Ｖ）０Ｖから所定電圧Ｖ
₃まで印加したときの分極（Ｐ）変化量は、Ｐ₃−Ｐ₀で
ある。

【００８０】これらの特性を利用し、インク吐出のため
の電圧が０Ｖの時には、第２の電極膜８１及び８２の間
に電圧を印加して圧電体膜７０に引張応力を与えること
により、圧縮応力の場合の分極量Ｐ₁よりも小さい分極
量Ｐ₀に抑えておく。そして、インク吐出のために上電
極膜８０と下電極膜６０との間に電圧Ｖ₃を印加するこ
とにより、圧電体膜７０に圧縮応力を与えて、引張応力
の場合の分極量Ｐ₃よりも大きい分極量Ｐ₄とすることに
より分極変化量はＰ₄−Ｐ₀となる。すなわち、圧電体膜
７０に引張応力を与えていない場合の分極変化量Ｐ₃−
Ｐ₀よりも大きい値となる。したがって、分極変位量に
正の相関にある圧電体膜７０の変位量も増加する。

【００８１】このように、圧電振動子３００に対応する
領域の圧電体膜７０上に幅方向にそれぞれ独立した上電
極膜８０及びその両側に第２の電極膜８１，８２を設
け、第２の電極膜８１及び８２の間に電圧を印加して、
圧電体膜７０に引張応力を与えた後、上電極膜８０と下
電極膜６０との間に電圧を印加することにより、圧電体
膜７０の変形量を大きくすることができ、振動板の変位
量が増加、すなわち変位効率を向上することができる。

【００８２】また、駆動方法は上述したものに限定され
ない。例えば、第２の電極膜８１及び８２に電圧を印加
することにより圧電体膜７０を吐出方向とは反対方向に
変形させた後、電圧を解除することにより圧電体膜７０
を吐出方向に変形させ、これによりインク滴を吐出する
こともできる。この場合のインク滴は、上電極膜８０及
び下電極膜６０に電圧を印加することにより吐出させる
インク滴より相対的に小さい。したがって、第２の電極
膜８１及び８２間に電圧を印加する場合と、上電極膜８
０及び下電極膜６０間に電圧を印加することのみでイン
クを吐出する場合と、さらには、第２の電極膜８１及び
８２間と上電極膜８０及び下電極膜６０間との両方を上
述したように連係して電圧を印加する場合とで、大きさ
の異なるインク滴を打ち分けることができる。なお、こ
の場合のインク滴の大きさは、上電極膜８０及び第２の
電極膜８１，８２の大きさ、あるいは駆動波形の変更等
によって変化させることができる。

【００８３】（実施形態２）図１０には、本発明の実施
形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの圧電体能動
部および圧力発生室の形状を示す。

【００８４】本実施形態は、図１０に示すように、圧電
体能動部３２０の一部を構成する圧電体膜７０の両側面
を下から上方に向かって徐々に狭くなるようにパターニ
ングして、圧電体膜７０の幅方向両側面を傾斜面７０ａ
とし、圧電体膜７０の上面及び両傾斜面上にそれぞれ上
電極膜８０及び第２の電極膜８１，８２を設けるように
した以外は実施形態１と同様である。

【００８５】このような圧電体能動部３２０の製造方法
は、特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造す
ることができる。

【００８６】図１１は、実施形態２に係る薄膜製造工程
を示す図である。

【００８７】実施形態１で示したように、下電極膜６０
上に圧電体膜７０を積層した後（図４（ｃ））、次い
で、図１１（ａ）に示すように、圧電体膜７０をパター
ニングして、圧力発生室１２に対向する領域以外の圧電
体膜７０を除去する。この際、圧電体膜７０の幅方向両
側面が下から上に向かって徐々に狭くなるようにパター
ニングして、傾斜面７０ａとする。

【００８８】次に、図１１（ｂ）に示すように、上電極
膜８０を一様に積層し、次いで、図１１（ｃ）に示すよ
うに、上電極膜８０をパターニングして、圧力発生室１
２に対向する領域に圧電体能動部３２０を形成する。こ
の際、実施形態１と同様に、圧電体能動部３２０に対応
する領域の圧電体膜７０の上面に上電極膜８０が位置
し、また、その幅方向両側の傾斜面７０ａに対応する部
分に第２の電極膜８１，８２が位置するように上電極膜
８０をパターニングする。

【００８９】その後は、実施形態１と同様に、絶縁体層
及びリード電極等を順次形成して本実施形態のインクジ
ェット式記録ヘッドを形成する。

【００９０】このような構成においても、実施形態１と
同様に、圧電体膜７０の変形量が増加され、振動板の変
位効率を向上することができる。さらに、本実施形態で
は、第２の電極膜８１及び８２が設けられた圧電体膜７
０の傾斜面７０ａは、第２の電極膜８１及び８２が相対
向する方向に傾斜しているため、両者間に確実に電圧を
印加することができ、圧電体膜７０により確実に引張応
力を与えることができる。

【００９１】なお、本実施形態では、圧電体膜７０の両
側面を傾斜面７０ａとし、その傾斜面７０ａ上に第２の
電極膜８１及び８２を設けるようにしたが、例えば、圧
電体膜７０の幅方向両側面を下電極膜６０の面に対して
垂直に設け、その垂直な両側面上に第２の電極膜をそれ
ぞれ設けるようにしてもよい。

【００９２】また、本実施形態では、圧電体膜７０の両
側面全体を傾斜面７０ａとしたが、これに限定されず、
例えば、厚さ方向の一部に傾斜面を設けるようにしても
よい。

【００９３】さらに、上電極膜８０と、第２の電極膜８
１，８２とを同一の膜からパターニングしたが、それぞ
れ別々に積層した膜から形成してもよい。

【００９４】（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。

【００９５】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。

【００９６】さらに、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。

【００９７】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１２、その流路の断面を図１３にぞれぞれ示す。こ
の実施形態では、ノズル開口１１が圧電振動子とは反対
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。

【００９８】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。

【００９９】ここで、この実施形態においても、上述の
実施形態と同様に、圧電体膜上に上電極膜及び第２の電
極膜を設け、上述の駆動方法によって振動板を変形させ
ることにより、振動板の変位効率を向上することができ
る。

【０１００】勿論、以上説明した各実施形態は、適宜組
み合わせて実施することにより、より一層の効果を奏す
るものであることは言うまでもない。

【０１０１】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、又はバルクセラミックス貼付により圧電
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。

【０１０２】また、圧電振動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。

【０１０３】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。

【０１０４】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１４
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。

【０１０５】図１４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。

【０１０６】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。

【０１０７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電体振動子に対応する領域の圧電体膜上の上電極膜の両
側に第２の電極膜を並設し、第２の電極膜間に電圧を印
加して圧電体膜に引張応力を与え、インク吐出のための
変形とは逆方向に変形させる。その後、上電極膜と下電
極膜との間に電圧を印加によって圧電体膜を変形させて
インクを吐出することにより、圧電体膜の変形量を増加
することができる。したがって、圧電体膜の変形に伴う
弾性膜の変位量も増加し、変位効率を向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一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図で
ある。

【図７】本発明の実施形態１を説明する平面図及び断面
図である。

【図８】圧電振動子に印加する電圧の一例を示すグラフ
である。

【図９】圧電体層のＰ−Ｖヒステリシスループの一例を
示すグラフである。

【図１０】本発明の実施形態２を説明する断面図であ
る。

【図１１】本発明の実施形態２の薄膜製造工程を示す図
である。

【図１２】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１３】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１４】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７０圧電体膜７０ａ傾斜面８０上電極膜８１，８２第２の電極膜８３溝部９０絶縁体層９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄコンタクトホール１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃリード電極３００圧電振動子３２０圧電体能動部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル開口に連通する圧力発生室の一部
を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電極
と、この下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層
の表面に形成された上電極とを有する圧電振動子を具備
したインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電振動子を構成する前記下電極及び前記上電極の
何れか一方が前記圧力発生室に対向する領域にパターニ
ングされ、当該パターニングされた電極の幅方向両側で
且つ当該圧電振動子を構成する圧電体層表面に一対の第
２の電極を設けたことを特徴とするインクジェット式記
録ヘッド。
【請求項２】請求項１において、前記一対の第２の電
極には、前記下電極及び前記上電極への電圧印加とは別
に、電圧を印加できることを特徴とするインクジェット
式記録ヘッド。
【請求項３】請求項１又は２において、前記一対の第
２の電極は、前記圧電体層の幅方向両側の端面に設けら
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。
【請求項４】請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧
電振動子を構成する圧電体層は、前記圧力発生室に対向
する領域にパターニングされ、且つ厚さ方向の少なくと
も一部に、その幅が下から上方に向かって徐々に狭くな
るようにパターニングされた傾斜面を有し、前記一対の
第２の電極は、前記傾斜面上に設けられていることを特
徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧
電振動子を構成する少なくとも前記圧電体層は、前記圧
電振動子の長手方向の一端部から前記圧力発生室に対向
する領域外まで延設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。
【請求項６】請求項５において、前記圧力発生室に対
向する領域外まで延設された前記圧電体層上には前記上
電極が延設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。
【請求項７】請求項１〜６の何れかにおいて、前記圧
電振動子の上面にはリード電極と前記上電極との接続を
行うコンタクト部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。
【請求項８】請求項１〜７の何れかにおいて、前記圧
電振動子の上面には絶縁体層が形成され、リード電極と
前記上電極との接続を行うコンタクト部は、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。
【請求項９】請求項１〜８の何れかにおいて、前記流
路形成基板がシリコン単結晶基板からなり、前記圧力発
生室が異方性エッチングにより形成され、前記圧電振動
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。
【請求項１０】請求項１〜９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。
【請求項１１】ノズル開口に連通する圧力発生室の一
部を構成する弾性膜上に設けられた圧電体層の厚さ方向
上下側に設けた一対の電極に電圧を印加することにより
当該圧電体層をたわみ変形させて前記圧力発生室内のイ
ンクに圧力を付与して前記ノズル開口からインクを吐出
するインクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、前記圧電体層の幅方向両側に設けた一対の第２の電極に
電圧を印加する工程と、この後、前記一対の電極に電圧
を印加することにより前記圧力発生室内のインクに圧力
を付与するたわみ変形を前記圧電体層に生じさせる工程
とを具備することを特徴とするインクジェット式記録ヘ
ッドの駆動方法。
【請求項１２】請求項１１において、前記一対の第２
の電極への電圧印加により、前記圧電体層に幅方向に引
張応力を付与することを特徴とするインクジェット式記
録ヘッドの駆動方法。
【請求項１３】請求項１１又は１２において、前記一
対の第２の電極への電圧印加を解除した後、前記一対の
電極に電圧を印加することを特徴とするインクジェット
式記録ヘッドの駆動方法。