JP2000006395A

JP2000006395A - 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

Info

Publication number: JP2000006395A
Application number: JP10177810A
Authority: JP
Inventors: Mari Sakai; 真理酒井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2000-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】振動板の剛性及び変位量の向上を図ったイン
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５０と、該弾性膜５０上に設けら
れた下電極６０と、該下電極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８
０とを備え、前記圧力発生室１２に対向する領域に前記
下電極６０、前記圧電体層７０及び前記上電極８０を含
む圧電振動子を形成したインクジェット式記録ヘッドに
おいて、前記弾性膜５０及び下電極６０からなる振動板
は、前記圧力発生室１２とは逆側に相対的に突出して所
定方向に延びる複数の凸部５６と、当該凸部５６の間で
前記圧力発生室１２側に突出する複数の凹部５７とから
なる凹凸部５５を少なくとも前記圧力発生室１２に対応
する領域に有することにより、振動板の剛性が増大す
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弾性膜で構
成し、この弾性膜上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振動板に圧電振動子を
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、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】このようなインクジェ
ット式記録ヘッドでは、振動板の剛性が低いため、振動
板の膜厚を比較的厚く形成することが好ましい。しかし
ながら、上述のような薄膜技術を利用した場合、振動板
を薄く形成することは容易であるが、逆に厚く形成する
場合には、膜内に非常に大きい残留応力が存在するため
膜に亀裂が入り易かったり、形成や形成後のパターニン
グに時間がかったり、コストが高いといった問題があ
る。また、振動板の膜厚を厚くすると、振動板の残留応
力による膜張力が大きくなり、膜張力の僅かな変化で、
振動板のコンプライアンスが大きく変化し、均一な特性
を得るのが困難であるという問題がある。

【０００８】また逆に、圧電振動子の特性を向上するた
めには、圧電振動子の幅方向両側、いわゆる振動板腕部
の厚さ方向の一部を除去して、振動板の変位量の増大を
図ることが有効である。しかしながら、上述のように、
振動板腕部の一部を除去すると、振動板が大きく圧力発
生室側に撓み、変位量が低下してしまうという問題があ
る。

【０００９】さらに、圧電体層形成後に、振動板腕部等
の下電極を全部あるいは一部を除去する場合、この下電
極の除去プロセスが圧電体層にダメージを与えてしまっ
たり、また、振動板腕部の強度を確保するために下電極
の一部を残すようにする場合には、下電極を上から除去
していくと、その厚さを管理するのが非常に困難である
という問題もある。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑み、振動板の
剛性及び変位量の向上を図っ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ことを課
題とする。

【００１１】

【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、該下電極の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備え、前記圧力発生室
に対向する領域に前記下電極、前記圧電体層及び前記上
電極を含む圧電振動子を形成したインクジェット式記録
ヘッドにおいて、前記弾性膜及び下電極からなる振動板
は、前記圧力発生室とは逆側に相対的に突出して所定方
向に延びる複数の凸部と、当該凸部の間で前記圧力発生
室側に突出する複数の凹部とからなる凹凸部を少なくと
も前記圧力発生室に対応する領域に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。

【００１２】かかる第１の態様では、振動板に凹凸部を
設けることにより、凹凸部を設けた部分の振動板の剛性
を高めることができる。

【００１３】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記凹凸部は、前記凸部及び前記凹部が前記圧力発
生室の幅方向に延びて形成されている幅方向凹凸部を含
む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２の態様では、圧力発生室の幅方
向に亘る振動板の剛性が増大する。

【００１５】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記凹凸部は、前記凸部及び前記凹部が前記
圧力発生室の長手方向に延びて形成されている長手方向
凹凸部を含む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３の態様では、圧力発生室の長手
方向に亘る振動板の剛性が増大する。

【００１７】本発明の第４の態様は、第２又は３の態様
において、前記凹凸部は、前記圧電体層及び前記上電極
からなる圧電体能動部に対応する領域に設けられている
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１８】かかる第４の態様では、圧電体能動部に対
応する部分の振動板の剛性のみが増大し、圧電体能動部
の幅方向両側の振動板の腕部の剛性が増大することがな
い。

【００１９】本発明の第５の態様は、第４の態様におい
て、前記圧電体能動部の前記圧電体層が前記圧力発生室
に対向する領域内にパターニングされ、当該圧電体層の
幅方向両端部が前記幅方向凹凸部の幅方向外側の非凹凸
部まで延び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５の態様では、圧電体層の端部が
十分な厚さとなり、破壊が防止される。

【００２１】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか
の態様において、前記振動板の前記圧力発生室長手方向
の前記ノズル開口側には、前記凹凸部が形成されていな
い非凹凸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６の態様では、ノズル開口に対応
する領域の振動板が柔らかくなり吐出量が増大する。

【００２３】本発明の第７の態様は、第４の態様におい
て、前記圧電体層は、前記圧電体能動部から前記圧力発
生室の幅方向両側の周壁まで連続して延びていることを
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７の態様では、振動板の腕部の厚
さを十分に薄くできるので、圧電体層が圧力発生室の幅
方向両側の周壁まで連続して延びていても、振動板を確
実に変位させることができる。

【００２５】本発明の第８の態様は、第３の態様におい
て、前記長手方向凹凸部は、前記圧力発生室の長手方向
端部に対応する領域のみ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８の態様では、圧力発生室の長手
方向端部に対応する領域のみの振動板の剛性が増大し、
耐久性が向上する。

【００２７】本発明の第９の態様は、第３の態様におい
て、前記圧電振動子の前記圧電体層及び前記上電極が前
記圧力発生室の長手方向一端部側から周壁上に延設さ
れ、且つ前記振動板の当該端部に対応する部分に前記長
手方向凹凸部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。

【００２８】かかる第９の態様では、圧力発生室の長手
方向端部の振動板の剛性が増大するため、圧電振動子の
駆動による振動板の破壊が防止される。

【００２９】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記凹凸部の凸部の頂部は、その外
側の非凹凸部の前記振動板と略同一の高さであることを
特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００３０】かかる第１０の態様では、圧電体層を厚く
形成することができ、良好な圧電特性を維持することが
できる。

【００３１】本発明の第１１の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記凹凸部の凹部の底部は、その外
側の非凹凸部の前記振動板と略同一の高さであることを
特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００３２】かかる第１１の態様では、圧電体層が振動
板の腕部よりも上に形成でき、良好な圧電特性が得られ
る。

【００３３】本発明の第１２の態様は、第１１の態様に
おいて、前記圧力発生室に対向する領域に形成された前
記圧電体層及び前記上電極からなる前記圧電体能動部に
対向する領域に、前記凸部及び前記凹部が前記圧力発生
室の幅方向に延びる前記幅方向凹凸部が形成され、当該
幅方向凹凸部の凸部の頂部が前記圧力発生室の周壁上の
振動板と略同一の高さ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。

【００３４】かかる第１２の態様では、圧電体層が振動
板の腕部よりも上に形成でき、良好な圧電特性が得られ
る。

【００３５】本発明の第１３の態様は、第１〜１２の何
れかの態様において、前記凹凸部が前記振動板の全面に
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。

【００３６】かかる第１３の態様では、凹凸部と圧電振
動子との位置合わせが必要なく、容易にパターニングす
ることができる。

【００３７】本発明の第１４の態様は、第１〜１３の何
れかの態様において、前記圧力発生室がセラミックス製
の基板に形成され、前記圧電振動子の各層がグリーンシ
ート貼付又は印刷により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。

【００３８】かかる第１４の態様では、セラミックス製
のヘッドを容易に製造することができる。

【００３９】本発明の第１５の態様は、第１〜１３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。

【００４０】かかる第１５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。

【００４１】本発明の第１６の態様は、第１〜１５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。

【００４２】かかる第１６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。

【００４３】

【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。

【００４４】（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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】一方、流路形成基板１０の開口面とは反対
側の弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．５μｍ
で、弾性膜５０と共に振動板として作用する下電極膜６
０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、弾性膜５０上に圧電振動子
（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、及び上電極
膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電振動子３０
０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は圧電振
動子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動子
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。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電
極膜６０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。

【００５７】また、本実施形態では、詳しくは後述する
が、このような圧電体能動部３２０に対向する領域の振
動板には、面が厚さ方向に波打った凹凸部５５が設けら
れている。

【００５８】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
を圧力発生室の並び方向の断面図である図４及び圧力発
生室の長手方向の断面図である図５を参照しながら説明
する。

【００５９】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。

【００６０】次に、図４（ｂ）及び図４（ｂ）のＢ−
Ｂ’線断面図である図５（ａ）に示すように、圧力発生
室１２に対向する領域の流路形成基板１０に、他の部分
よりも膜厚が大きい複数の突出部１３を形成する。この
突出部１３は、振動板に圧力発生室１２とは逆側に突出
して当該圧力発生室１２の幅方向に延びる凸部と、この
凸部の間の複数の凹部とからなる幅方向凹凸部を形成す
るためのものであり、突出部１３上に形成される振動板
が、幅方向凹凸部の凸部となる。したがって、突出部１
３も幅方向に延びて形成され、長手方向に所定の間隔で
複数個形成されている。このような突出部１３は、突出
部１３以外の弾性膜５０を、例えば、イオンミリング、
ウェットエッチング等によりパターニングして除去した
後、この弾性膜５０をマスクとして、流路形成基板１０
を等方性エッチングすることにより形成される。なお、
突出部１３の寸法及び間隔は、幅方向凹凸部の寸法に合
わせて適宜決定すればよい。

【００６１】次いで、図４（ｃ）及び図４（ｃ）のＣ−
Ｃ’線断面図である図５（ｂ）に示すように、流路形成
基板１０の弾性膜５０側の表面を上述と同様に熱酸化し
て、再度、弾性膜５０を形成する。これにより、突出部
１３に対応する部分の弾性膜５０が、圧力発生室１２と
は逆側に突出する幅方向凹凸部の凸部を構成する突出部
５１となる。

【００６２】この際、突出部１３上の弾性膜５０は除去
されずに残留しており、その弾性膜５０の上から熱酸化
するため、突出部５１は他の部分の弾性膜５０よりも厚
く形成されることになる。なお、この突出部１３上の弾
性膜５０を一度除去してから、全面の厚さを一様に形成
するようにしてもよいことは言うまでもない。

【００６３】次に、図４（ｄ）に示すように、スパッタ
リング法で下電極膜６０を弾性膜５０の表面形状に沿っ
て一様に形成する。この下電極膜６０の材料としては、
Ｐｔ等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル
−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７０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、ＰｂＯ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。

【００６４】次に、図４（ｅ）に示すように、圧電体膜
７０を成膜する。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−ゲル法を用いて形成し
た。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。なお、この圧電体膜７０
の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリン
グ法で形成してもよい。

【００６５】さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング
法等によりＰＺＴの前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液
中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用い
てもよい。

【００６６】次に、図４（ｆ）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をスパッタリング法により成膜している。

【００６７】次に、図６に示すように、下電極膜６０、
圧電体膜７０及び上電極膜８０をパターニングする。

【００６８】まず、図６（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６（ｂ）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３２０の
パターニングを行う。

【００６９】以上説明したように、下電極膜６０の全体
のパターンを形成後、圧電体能動部３２０をパターニン
グすることによりパターニングが完了する。

【００７０】その後、本実施形態では、図６（ｃ）に示
すように、圧力発生室１２をエッチングにより形成す
る。このとき、圧力発生室１２側から流路形成基板１０
を突出部１３まで完全にエッチングする。

【００７１】このように形成した本実施形態のインクジ
ェット式記録ヘッドを図７に示す。なお、図７の（ａ）
は平面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、そのＤ−
Ｄ’線断面図、Ｅ−Ｅ’線断面図である。

【００７２】図示するように、圧電体膜７０及び上電極
膜８０からなる圧電体能動部３２０が圧力発生室１２に
対向する領域に形成され、この圧電体能動部３２０に対
向する領域の振動板には、圧力発生室１２とは逆側に突
出した複数の凸部５６と、この複数の凸部５６の間の複
数の凹部５７とからなる凹凸部５５が形成されている。
また、この凹凸部５５は、本実施形態では、凸部５６及
び凹部５７が圧力発生室１２の幅方向に延びて形成され
ている幅方向凹凸部５５Ａであり、圧電体能動部３２０
の幅よりも狭い長さで、圧電体能動部３２０の長手方向
に亘って略同一間隔で形成されている。また、幅方向凹
凸部５５Ａは、圧電体能動部３２０の圧電体膜７０によ
って、周囲を完全に覆われている。

【００７３】このような幅方向凹凸部５５Ａを構成する
凸部５６及び凹部５７の圧力発生室１２の長手方向の寸
法は、特に限定されず、それぞれ所望の剛性に応じて適
宜決定すればよい。また、この凸部５６と凹部５７との
高さは、少なくとも振動板の厚さの１／５以上であるこ
とが好ましく、さらに好ましくは、１／２以上である。
また、長手方向の凹凸のピッチも、図示は模式的に示し
ているが、特に限定されず、振動板の幅と同程度か小さ
くするのが好ましく、例えば、振動板の幅（圧力発生室
の幅）を１００μｍとすると、凹凸のピッチを５μｍ〜
５０μｍとするのが好ましい。

【００７４】このような構成により、薄膜技術で形成さ
れる薄い膜で、圧力発生室１２に対する幅方向の曲げ剛
性の高い振動板を実現することができる。したがって、
圧力発生室１２の幅を広げても振動板の剛性の低下が抑
えられ、圧電体能動部３２０によって駆動可能な振動板
の面積を増やすことができ、排除体積を向上することが
できる。

【００７５】また、本実施形態では、幅方向凹凸部５５
Ａが圧電体能動部３２０に対向する領域のみに形成され
ているので、圧電体能動部３２０の幅方向両側、いわゆ
る振動板腕部の剛性が増加しないため、振動板の変位量
は低下しない。したがって、実質的に変位効率及び耐久
性を向上することができる。

【００７６】なお、本実施形態では、幅方向凹凸部５５
Ａを圧電体能動部３２０に対向する領域全てに設けるよ
うにしたが、これに限定されず、例えば、図８（ａ）に
示すように、圧電体能動部３２０に対向する領域の振動
板の長手方向の一部、例えば、インク供給口（図示な
し）側のみに幅方向凹凸部５５Ａを設けるようにしても
よい。この場合、振動板のインク供給口側のみの剛性が
増大し、逆に振動板のノズル（図示なし）側の剛性はイ
ンク供給口側の剛性よりも低くなる。すなわち、振動板
は部分的に剛性が増大する。このように、振動板に剛性
の分布を持たせることにより、インク吐出特性を向上す
ることができる。

【００７７】また、本実施形態では、圧電体膜７０は、
幅方向凹凸部５５Ａの全周を覆うようパターニングされ
ているが、これに限定されず、例えば、図８（ｂ）に示
すように、圧電体膜７０を圧力発生室１２の幅方向両側
まで連続して形成し、上電極膜８０のみをパターニング
して圧電体能動部３２０を形成するようにしてもよい。
このような構成によっても、振動板の厚さを調整するこ
とにより、十分な排除体積を得ることができる。このよ
うな場合にも、振動板に幅方向凹凸部５５Ａが設けられ
ていることにより、振動板の耐久性を維持することがで
きる。

【００７８】以上の説明では、圧電体能動部３２０をパ
ターニング後、圧力発生室１２を形成するようにした
が、実際には、図２に示すように、各上電極膜８０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９
０を形成し、さらに、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を形成し、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１
００を形成するようにしてもよい。ここで、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するのが好まし
い。なお、本実施形態では、コンタクトホール９０ａ
は、圧力発生室１２に対向する位置に設けられている
が、圧電体能動部３２０の圧電体膜７０及び上電極膜８
０を圧力発生室１２の長手方向一端部から周壁に対向す
る領域まで延設し、圧力発生室１２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。

【００７９】また、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。

【００８０】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を介して下電極膜６０と上電極膜８０との
間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電
体膜７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１
２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。

【００８１】（実施形態２）実施形態２にかかるインク
ジェット式記録ヘッドの要部断面を図９に示す。

【００８２】本実施形態では、図９に示すように、凹凸
部５５を凸部５６及び凹部５７が圧力発生室１２の長手
方向に延びて形成される長手方向凹凸部５５Ｂとし、こ
の長手方向凹凸部５５Ｂを圧力発生室１２の長手方向両
端部に対応する領域に設けるようにした。また、本実施
形態では、圧電体能動部３２０が圧力発生室１２に対向
する領域内に設けられており、長手方向凹凸部５５Ｂ
は、一端部が圧電体能動部３２０に対向し、また、他端
部が圧力発生室１２の周壁に対向するように設けられて
いる。

【００８３】このように、長手方向凹凸部５５Ｂを圧力
発生室１２の長手方向両端部に対向する領域に設けるこ
とにより、その領域での振動板の長手方向の剛性が増大
する。したがって、圧電体能動部３２０の駆動による変
形による振動板の破壊が防止され、耐久性を向上するこ
とができる。

【００８４】また、本実施形態では、圧電体能動部３２
０を圧力発生室１２に対向する領域内に設けるようにし
たが、これに限定されるわけではなく、例えば、図１０
に示すように、圧電体能動部３２０の圧電体膜７０及び
上電極膜８０を長手方向一端部から周壁上まで延設する
ようにしてもよい。この場合には、圧電体膜７０及び上
電極膜８０が圧力発生室１２と周壁の境界を横切る境界
部３３０に対応する部分に長手方向凹凸部５５Ｂを設け
るようにしてもよい。これにより、境界部３３０での振
動板の剛性が向上されるため、圧電体能動部３２０の駆
動の際、境界部３３０での振動板等の破壊を防止するこ
とができる。

【００８５】（実施形態３）図１１は、実施形態３に係
るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。

【００８６】本実施形態は、１つの圧電体能動部３２０
に対応する振動板に、幅方向凹凸部５５Ａと長手方向凹
凸部５５Ｂとを組み合わせて設けた例であり、図１１に
示すように、圧電体能動部３２０の中央部に対向する領
域に、幅方向凹凸部５５Ａを設け、圧力発生室１２の長
手方向両端部に対応する領域には、長手方向凹凸部５５
Ｂを設けた。

【００８７】このような構成により、振動板の各位置
に、その位置に適した剛性を付与することができ、変位
効率及び耐久性を向上することができる。

【００８８】（実施形態４）図１２は、実施形態４に係
るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。

【００８９】本実施形態は、幅方向凹凸部５５Ａの凸部
５６の頂部を、幅方向凹凸部５５Ａの外側の非凹凸部５
８と略同一の高さで形成した例である。

【００９０】本実施形態では、図１２に示すように、圧
力発生室１２に対向する領域の振動板に、圧力発生室１
２側に突出した複数の凹部５７を形成することにより、
振動板に幅方向凹凸部５５Ａを設けた。すなわち、複数
の凹部５７の間の振動板が実質的に凸部５６となり、こ
の凹部５７及び凸部５６が幅方向凹凸部５５Ａとなる。

【００９１】このような構成によっても、振動板の剛性
を向上することができ、また、幅方向凹凸部５５が実質
的に、他の部分の振動板よりも圧力発生室１２側に形成
されているため、圧電体膜７０を厚く形成することがで
き、変位効率を向上することができる。

【００９２】（実施形態５）図１３は、実施形態５に係
るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図であ
る。

【００９３】本実施形態は、幅方向凹凸部５５Ａの凹部
５７の底部を、幅方向凹凸部５５Ａの外側の非凹凸部５
８と略同一の高さで形成した例である。

【００９４】本実施形態では、図１３に示すように、圧
力発生室１２に対応する領域の振動板に圧力発生室１２
側に突出した突出部５９を設け、この突出部５９の底面
に、圧力発生室１２とは逆側に突出した複数の凸部５６
とその間の凹部５７とからなる幅方向凹凸部５５Ａを形
成した。したがって、幅方向凹凸部５５Ａの凹部５７
は、突出部５９の底面の幅方向凹凸部５５Ａが形成され
ていない部分、すなわち、非凹凸部５８と略同一の高さ
となっている。このような構成によっても、振動板の剛
性を向上することができ、また、圧電体膜７０が圧電体
能動部３２０の幅方向両側の振動板腕部よりも上に形成
されるため、振動板を効率よく撓ませることができる。
また、凸部５６の高さが、側壁部の膜の高さと略同一と
なっているため、特に、ゾル−ゲル法で圧電体膜７０を
形成する場合に、圧電体能動部３２０の圧電体膜７０が
薄くなることがない。

【００９５】（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。

【００９６】例えば、上述の実施形態では、凹凸部５５
を圧力発生室１２に対応する領域に設けたが、これに限
定されず、例えば、振動板の全面に設けるようにしても
よい。この場合、予め表面に凹凸が形成された基板を用
いて薄膜工程を行うことができる。また、これにより、
圧電振動子と凹凸部との位置合わせをする必要がなく、
圧電振動子を容易にパターニングすることができる。

【００９７】また、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。

【００９８】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、基板面に
垂直な方向にインクが吐出するノズル開口を形成しても
よい。

【００９９】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１４、その流路の断面を図１５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。

【０１００】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。

【０１０１】ここで、この実施形態においても、上述し
た実施形態と同様に、振動板に凹凸部を設けることによ
り、振動板の剛性を向上でき、排除体積を向上すること
ができる。

【０１０２】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。

【０１０３】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、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
を形成するものにも採用することができる。この場合に
は、振動板に凹凸部を設けることにより、振動板の反り
等も防止することができる。

【０１０４】さらには、基板を積層して圧力発生室を形
成するもの、あるい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。

【０１０５】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。

【０１０６】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。

【０１０７】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１６
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。

【０１０８】図１６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。

【０１０９】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。

【０１１０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電体能動部に対応する領域の弾性膜に凹凸部を設ける
ことにより、弾性膜の剛性が向上される。そのため、圧
力発生室の幅を広げることができ、排除体積を増加する
ことができる。また、凹凸部を形成する位置によって、
部分的に振動板の剛性を増加することができるため、変
位効率及び耐久性を向上することができる。さらに、圧
力発生室に対応する部分の振動板に容易にコンプライア
ンス分布を持たせることができるため、吐出特性や吐出
信頼性を向上することができるという効果を奏する。

【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】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に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部を示す図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）はＤ−Ｄ’線断面図、（ｃ）はＥ−Ｅ’線断面図
である。

【図８】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの変形例を示す平面図及び断面図である。

【図９】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部を示す図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）はＦ−Ｆ’線断面図、（ｃ）はＧ−Ｇ’線断面図
である。

【図１０】本発明の実施形態２に係るインクジェット式
記録ヘッドの変形例を示す平面図である。

【図１１】本発明の実施形態３に係るインクジェット式
記録ヘッドの要部平面図である。

【図１２】本発明の実施形態４に係るインクジェット式
記録ヘッドの要部断面図である。

【図１３】本発明の実施形態５に係るインクジェット式
記録ヘッドの要部平面図及び断面図である。

【図１４】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１５】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１６】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１３突出部５０弾性膜５５凹凸部５５Ａ幅方向凹凸部５５Ｂ長手方向凹凸部５６凸部５７凹部６０下電極膜７０圧電体膜８０上電極膜９０絶縁体層１００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、該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備え、前記圧力発生室に対
向する領域に前記下電極、前記圧電体層及び前記上電極
を含む圧電振動子を形成したインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記弾性膜及び下電極からなる振動板は、前記圧力発生
室とは逆側に相対的に突出して所定方向に延びる複数の
凸部と、当該凸部の間で前記圧力発生室側に突出する複
数の凹部とからなる凹凸部を少なくとも前記圧力発生室
に対応する領域に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２】請求項１において、前記凹凸部は、前記
凸部及び前記凹部が前記圧力発生室の幅方向に延びて形
成されている幅方向凹凸部を含む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、前記凹凸部
は、前記凸部及び前記凹部が前記圧力発生室の長手方向
に延びて形成されている長手方向凹凸部を含むことを特
徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】請求項２又は３において、前記凹凸部
は、前記圧電体層及び前記上電極からなる圧電体能動部
に対応する領域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４において、前記圧電体能動部の
前記圧電体層が前記圧力発生室に対向する領域内にパタ
ーニングされ、当該圧電体層の幅方向両端部が前記幅方
向凹凸部の幅方向外側の非凹凸部まで延びていることを
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１〜５の何れかにおいて、前記振
動板の前記圧力発生室長手方向の前記ノズル開口側に
は、前記凹凸部が形成されていない非凹凸部を有するこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】請求項４において、前記圧電体層は、前
記圧電体能動部から前記圧力発生室の幅方向両側の周壁
まで連続して延び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８】請求項３において、前記長手方向凹凸部
は、前記圧力発生室の長手方向端部に対応する領域のみ
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３において、前記圧電振動子の前
記圧電体層及び前記上電極が前記圧力発生室の長手方向
一端部側から周壁上に延設され、且つ前記振動板の当該
端部に対応する部分に前記長手方向凹凸部が形成されて
いることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
凹凸部の凸部の頂部は、その外側の非凹凸部の前記振動
板と略同一の高さ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１１】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
凹凸部の凹部の底部は、その外側の非凹凸部の前記振動
板と略同一の高さ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１２】請求項１１において、前記圧力発生室
に対向する領域に形成された前記圧電体層及び前記上電
極からなる前記圧電体能動部に対向する領域に、前記凸
部及び前記凹部が前記圧力発生室の幅方向に延びる前記
幅方向凹凸部が形成され、当該幅方向凹凸部の凸部の頂
部が前記圧力発生室の周壁上の振動板と略同一の高さで
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１３】請求項１〜１２の何れかにおいて、前
記凹凸部が前記振動板の全面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１４】請求項１〜１３の何れかにおいて、前
記圧力発生室がセラミックス製の基板に形成され、前記
圧電振動子の各層がグリーンシート貼付又は印刷により
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１５】請求項１〜１３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１６】請求項１〜１５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。