JP2000246898A

JP2000246898A - 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: JP2000246898A
Application number: JP16106399A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Takahashi; 哲司高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】各圧力発生室間の隔壁の剛性を十分に確保
し、クロストークを防止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ことを課題
とする。【解決手段】シリコン単結晶基板１０に形成されたキ
ャビティ１２と、前記シリコン単結晶基板１０の一方面
側の前記キャビティ１２に対向する領域に下電極層６
０、圧電体層７０及び上電極層８０で形成される圧電素
子３００と、前記キャビティ１２と相対向する領域に設
けられると共に振動板を介して前記圧電素子３００が内
方に保持される圧力発生室２２と、この圧力発生室２２
に連通するノズル開口とを具備する。

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に振動板を介
して圧電素子を形成して、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、圧電素子が軸方向に伸長、収縮する縦
振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、た
わみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの
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、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。

【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、
量産を考慮して大径のシリコンウェハ上に多数のチップ
を同時に形成するが、大径のシリコンウェハは製造時の
ハンドリングを良好にするために、ある程度厚くする必
要がある。一方、厚い基板に高密度で圧力発生室を形成
した場合、各圧力発生室間の隔壁の剛性が不足し、クロ
ストークが発生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、基板の厚
さに拘らずに各圧力発生室間の剛性を十分に確保するこ
とのでき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、シリコン単結晶基板に形成されたキ
ャビティと、前記シリコン単結晶基板の一方面側の前記
キャビティに対向する領域に下電極、圧電体層及び上電
極で形成される圧電素子と、前記キャビティと相対向す
る領域に設けられると共に振動板を介して前記圧電素子
が内方に保持される圧力発生室と、この圧力発生室に連
通するノズル開口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にある。

【００１０】かかる第１の態様では、各圧力発生室間の
隔壁の高さはシリコン単結晶基板の厚さに依存すること
がなく、シリコン単結晶基板のハンドリングを低下させ
ることなくクロストーク等の虞れがないヘッドを実現で
きる。

【００１１】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記圧力発生室が前記シリコン単結晶基板に接合さ
れた圧力発生室形成基板によって形成されることを特徴
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、各圧力発生室間の
隔壁の高さはシリコン単結晶基板の厚さに依存しないの
で、シリコン単結晶基板のハンドリング性を維持し、ま
た、クロストーク等の虞れがないヘッドを実現できる。

【００１３】本発明の第３の態様は、第２の態様におい
て、前記圧力発生室形成基板には前記キャビティに対応
する領域に凹部が形成され、該凹部が前記圧力発生室と
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、各圧力発生室間の
隔壁は圧力発生室形成基板に形成されるので、隔壁の高
さを小さくすることができる。

【００１５】本発明の第４の態様は、第１の態様におい
て、前記圧力発生室を挟んで前記圧電素子及び前記キャ
ビティが相対向して配置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。

【００１６】かかる第４の態様では、圧力発生室に一対
の圧電素子を設けることによりインク吐出量を増やすこ
とができる。

【００１７】本発明の第５の態様は、第４の態様におい
て、２枚の前記シリコン単結晶基板がスペーサを介して
接合され、該スペーサの側面及び前記振動板で前記圧力
発生室が画成され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、各圧力発生室間の
隔壁はスペーサに形成されるので、シリコン単結晶基板
のハンドリング性を維持しつつ隔壁の高さを小さくする
ことができる。

【００１９】本発明の第６の態様は、第４又は５の態様
において、前記圧電素子の圧電特性は、前記圧力発生室
内の相対向する両側でそれぞれ異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。

【００２０】かかる第６の態様では、異なる特性の圧電
素子を組み合わせることにより、インク吐出特性を変え
ることができる。

【００２１】本発明の第７の態様は、第４〜６の何れか
の態様において、前記圧電素子は、前記圧力発生室内の
相対向する両側で同時に又はそれぞれ独立して駆動する
ことが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。

【００２２】かかる第７の態様では、圧電素子の駆動方
法の組み合わせにより、インク吐出特性を変えることが
できる。

【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、前記圧電素子が前記シリコン単結晶基
板の一方面側に設けられた二酸化シリコン膜が前記振動
板の少なくとも一部を構成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。

【００２４】かかる第８の態様では、圧電素子の駆動に
より二酸化シリコン膜を含む振動板が変形されることに
よってインクが吐出される。

【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、前記圧電素子の前記圧力発生室側が絶
縁体層で覆わ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、圧電素子がインク
から保護される。

【００２７】本発明の第１０の態様は、第９の態様にお
いて、前記絶縁体層が前記振動板の少なくとも一部を構
成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。

【００２８】かかる第１０の態様では、圧電素子の駆動
により絶縁体層を含む振動板が変形されることによって
インクが吐出される。

【００２９】本発明の第１１の態様は、第１０の態様に
おいて、前記キャビティに対向する領域の前記圧電素子
の少なくともその幅方向両側の振動板が、前記絶縁体層
のみで構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。

【００３０】かかる第１１の態様では、圧電素子の少な
くとも幅方向両側の振動板の剛性が低く抑えられ、圧電
素子の駆動による振動板の変位量が向上する。

【００３１】本発明の第１２の態様は、第１０又は１１
の態様において、少なくとも前記圧電素子の幅方向両側
面と前記絶縁体層との間に空間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。

【００３２】かかる第１２の態様では、圧電素子の少な
くとも幅方向両側の振動板の剛性がより確実に低く抑え
られる。

【００３３】本発明の第１３の態様は、第１２の態様に
おいて、前記空間の幅が前記圧電素子の幅方向側面と前
記キャビティの幅方向側面との幅よりも広いことを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００３４】かかる第１３の態様では、圧電素子の少な
くとも幅方向両側の振動板の剛性がより確実に低く抑え
られる。

【００３５】本発明の第１４の態様は、第１２又は１３
の態様において、前記上電極が前記絶縁体層に沿って少
なくとも前記キャビティの幅方向外側まで延設されてい
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。

【００３６】かかる第１４の態様では、圧電素子の幅方
向両側の振動板の強度が高まり、耐久性が向上する。

【００３７】本発明の第１５の態様は、第１４の態様に
おいて、前記下電極の膜厚が、前記上電極及び前記絶縁
体層の膜厚の合計よりも薄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。

【００３８】かかる第１５の態様では、下電極の剛性が
抑えられ、圧電素子の駆動効率が向上する。

【００３９】本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何
れかの態様において、前記キャビティが異方性エッチン
グにより形成され、前記下電極、圧電体層、上電極の各
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１６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
比較的容易にすることができる。

【００４１】本発明の第１７の態様は、第１〜１６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にある。

【００４２】かかる第１７の態様では、各圧力発生室間
の隔壁の剛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。

【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、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。

【００４５】図示するように、面方位（１１０）のシリ
コン単結晶からなるシリコン単結晶基板１０は、通常１
５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられる。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。しかし、本実施形態で
は、量産を考慮して大径のシリコンウェハ上に多数のチ
ップを同時に形成するために、シリコン単結晶基板１０
を比較的厚いものとして製造時のハンドリングが良好に
なるようにしている。

【００４６】シリコン単結晶基板１０の一方の面には予
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。

【００４７】一方、シリコン単結晶基板１０の他方の面
は開口面となり、その開口面には異方性エッチングによ
り、インク供給連通口１１、キャビティ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
結晶基板を水酸化カリウム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（１
１１）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（１１１）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１／１８０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
（１１１）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、キャビティ１２を高密度に配列する
ことができる。

【００４９】本実施形態では、キャビティ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。このキャビティ１２は、シリコン単結晶基
板１０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、キャビティ１２の開口面の反対側に
は圧力発生室形成基板２０が接合され、キャビティに対
向する領域に圧力発生室２２が形成されている。そし
て、各圧力発生室２２の一端に連通する各ノズル開口２
１が、圧力発生室２２より幅狭で且つ浅く形成されてい
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２２の大きさと、インク滴を吐出するノズ
ル開口２１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２１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２２の一端部は、圧電
体層７０及び上電極層８０の幅よりも幅広に形成され、
圧電体層７０及び上電極層８０を幅方向に避けて幅広の
部分に対向する領域に穿設されたインク供給連通口１１
を介して後述する共通インク室３１と連通されている。
インクはこのインク供給連通口１１を介して共通インク
室３１から供給され、各圧力発生室２２に分配される。

【００５３】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とする。また、そ
の材質は特に限定されないが、シリコン単結晶基板１０
と熱膨張係数の近い材質、例えば、ガラスセラミックス
等を用いるのがよい。また、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。

【００５４】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２１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２２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。

【００５５】一方、シリコン単結晶基板１０の弾性膜５
０の上には、厚さが例えば、約０．２〜０．５μｍの下
電極層６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０
と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極層８０とが、
後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を
構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極層６
０、圧電体層７０、及び上電極層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層７０を各キャビ
ティ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層
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、下電極層６０は圧電素子３００の共通電極と
し、上電極層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、各キャビティ毎に圧電体
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、後述する下電極層６０、弾
性膜５０及び絶縁体層９０が振動板として作用するが、
これに限定されるものではない。

【００５６】ここで、シリコン単結晶基板基板１０上
に、圧電体層７０等を形成するプロセスを図３及び図４
を参照しながら説明する。なお、図３及び図４におい
て、形成前のキャビティ１２は点線で図示してある。

【００５７】図３（ａ）に示すように、まず、シリコン
単結晶基板１０のウェハを約１１００℃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。

【００５８】次に、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５
０上にスパッタリングで下電極層６０を形成する。この
下電極層６０の材料としては、白金等が好適である。こ
れは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述
の圧電体層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、下電極層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、圧電体層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。

【００５９】次に、図３（ｃ）に示すように、下電極層
６０上に圧電体層７０及び上電極層８０を成膜する。本
実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・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層７０を得る、いわ
ゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層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、この圧電体層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。

【００６０】さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング
法等によりチタン酸ジルコン酸鉛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。

【００６１】上電極層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。

【００６２】次に、図３（ｄ）に示すように、圧電体層
７０及び上電極層８０をエッチングして全体のパターニ
ングを行い圧電体能動部３２０を形成する。なお、圧電
体層７０及び上電極層８０は、圧電体能動部３２０から
キャビティ１２に対向する領域外まで延設されるように
パターニングされている。

【００６３】次いで、図４（ａ）に示すように、上電極
層８０の周縁部及び圧電体層７０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は、圧電素子
３００を構成する各層をインクから保護する目的で形成
され、本実施形態では二酸化シリコンを成膜して形成し
ている。

【００６４】次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体能
動部３２０からキャビティ１２外まで延設された圧電体
層７０及び上電極層８０の長手方向端部の絶縁体層９０
の一部をパターニングしてコンタクトホール９０ａを形
成する。さらに、導電体層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を形成する。リ
ード電極１００の一端はコンタクトホール９０ａを介し
て上電極層８０と接続し、他端は図示しない外部配線と
接続している。

【００６５】なお、図４（ａ）及び（ｃ）は、圧力発生
室１２に対向する領域の断面図であり、図４（ｂ）は、
圧力発生室１２の周壁に対向する領域の断面図である。

【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４（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１０の異方
性エッチングを行い、キャビティ１２及びインク供給連
通口１１を形成する。

【００６７】以上説明した一連の膜形成及び異方性エッ
チングによって、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
ップサイズのシリコン単結晶基板１０毎に分割し、さら
に分割したシリコン単結晶基板１０を、圧力発生室形成
基板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。

【００６８】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の要部断面図を図５（ａ）に、ま
た、キャビティ１２、圧力発生室２２及び圧電体能動部
３２０等の平面位置関係を図５（ｂ）に示す。

【００６９】図示するように、シリコン単結晶基板１０
の開口面の反対側に接着された圧力発生室形成基板２０
に形成された圧力発生室２２は、キャビティ１２に対応
する領域より大きく圧電体能動部３２０を囲むように形
成されている。また、その一端部は幅広となり、その部
分にインク供給連通口１１が連通している。

【００７０】なお、圧力発生室形成基板２０の材質は、
各圧力発生室２２間の隔壁等の剛性が確保されるもので
あれば特に限定されない。また、圧力発生室２２となる
凹形状も、インク吐出に十分な体積で且つ隔壁等の剛性
が確保される形状ならば特に限定されない。また、上述
したようにインク供給連通口１１との連通部を必ずしも
幅広とする必要はなく、圧電体層７０及び上電極層８０
を回避して連通するものであれば特に限定されない。

【００７１】このように、本実施形態では、圧力発生室
２２が圧力発生室形成基板２０に形成されるので、隣接
する圧力発生室２２の間の隔壁の高さは、シリコン単結
晶基板１０の厚さに依存しない。したがって、各圧力発
生室２２間の隔壁の高さは圧電体能動部３２０の駆動に
より十分なインクを吐出できる最低限に設定でき、小型
化に寄与でき、また、クロストークの虞もない。

【００７２】また、本実施形態では、各圧力発生室２２
間の隔壁の剛性に影響を与えずにシリコン単結晶基板１
０を厚くすることができるので、大径ウェハを用いて、
より多くのチップを同時に形成することができる。

【００７３】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２１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、下電
極層６０と上電極層８０との間に電圧を印加して圧電体
能動部３２０にたわみ変形を生じさせ、続いて電圧を除
去して圧電体能動部３２０のたわみ変形を戻すことによ
って、圧力発生室２２内の圧力が高まりノズル開口２１
からインク滴が吐出する。

【００７４】（実施形態２）図６は、実施形態２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。

【００７５】図６（ａ）に示すように、本実施形態で
は、シリコン単結晶基板１０Ａ及び１０Ｂがスペーサ２
０Ｃを介して接合され、各スペーサ２０Ｃの間に圧力発
生室２２Ｃが画成されている。シリコン単結晶基板１０
Ａ及び１０Ｂのキャビティ１２Ａ，１２Ｂに対応する領
域には、上述した実施形態１と同様にそれぞれ圧電素子
３００Ａ，３００Ｂが形成され、各圧電素子３００Ａ，
３００Ｂは、各圧力発生室２２Ｃ内に相対向して配置さ
れている。また、図６（ｂ）に示すように、シリコン単
結晶基板１０Ａには、実施形態１と同様にインク供給連
通口１１が形成され、さらに、実施形態１と同様に共通
インク室形成基板３０、及びインク室側板４０が順次接
合されている。

【００７６】本実施形態では、このように一つの圧力発
生室２２Ｃに対して、２つの圧電体能動部３２０Ａ及び
３２０Ｂを有し、同時に又はそれぞれ独立に駆動するこ
とができる。従って、実施形態１と同様に、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２１
Ｃ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、下電極層６０Ａと
上電極層８０Ａとの間、及び／又は下電極層６０Ｂと上
電極層８０Ｂとの間に電圧を印加して圧電体能動部３２
０Ａ及び３２０Ｂにたわみ変形を生じさせ、続いて電圧
を解除して圧電体能動部３２０Ａ及び／又は３２０Ｂの
たわみ変形を戻すことによって、圧力発生室２２Ｃ内の
圧力が高まりノズル開口２１Ｃからインク滴が吐出す
る。

【００７７】ここで、圧電体能動部３２０Ａ及び３２０
Ｂを同時に駆動した場合には、圧電体能動部が一つの場
合よりも圧力発生室２２Ｃの排除体積は大きくなる。す
なわち、圧力発生室の体積を変えることなくインク吐出
量を多くすることができる。一方、圧電体能動部３２０
Ａ及び３２０Ｂのどちらか一方のみを駆動させた場合に
は、同時に駆動した場合よりも少ないインクを吐出させ
ることができる。

【００７８】さらに、圧電素子３００Ａ及び３００Ｂの
特性をそれぞれ異なったものとすることができる。この
ように圧電素子３００Ａ及び３００Ｂの特性を変える方
法としては、振動板の厚さを変える、圧電体層が形成さ
れた領域の振動板の厚さを変える、圧電体層が形成され
た領域以外の振動板の幅方向の長さを変える、圧電体層
の厚さを変える及び圧電体層の組成を変える、振動板の
材質・構成を変更する等種々の方法を採用することがで
きる。

【００７９】このように特性の異なる圧電素子３００Ａ
及び３００Ｂを組み合わせることによって、インク吐出
特性をさらに多様に変化させることができる。例えば、
圧電素子３００Ａは変位量が大きくなるように、一方、
圧電素子３００Ｂは変位量が小さくなるよう形成した場
合、両方の圧電素子を同時に駆動するとインク吐出量は
大となり、圧電素子３００Ａのみ駆動するとインク吐出
量は中に、圧電素子３００Ｂのみ駆動するとインク吐出
量は小になり、すなわち、三種類の大きさのインクを吐
出することができる。

【００８０】さらに、２つの圧電体能動部３２０Ａ及び
３２０Ｂを交互に駆動することによって、圧力発生室２
２Ｃの周波数特性を圧電体能動部が一つの場合よりも高
くすることができ、より高速でインク吐出を行うことが
できる。

【００８１】また、本実施形態でも、スペーサ２０Ｃの
材質は、各圧力発生室２２間の隔壁等の剛性が確保され
る材質ならば特に限定されない。また、スペーサ２０Ｃ
の厚さ及び圧力発生室２２Ｃの形状は、圧力発生室の体
積がインク吐出に十分で且つ隔壁等の剛性が確保されれ
ば特に限定されない。また、シリコン単結晶基板１０Ａ
及び１０Ｂとスペーサ２０Ｃとの間の接合面には、弾性
膜５０、下電極層６０、圧電体層７０，上電極層８０及
び絶縁体層９０が存在するが、この部分の層構成は自由
である。しかしながら、例えば、弾性膜５０のみとする
ことにより接合強度を大きくできるという利点がある。

【００８２】以上のように、本実施形態でも実施形態１
と同様に、圧力発生室２２Ｃの大きさがシリコン単結晶
基板１０Ａ及び１０Ｂの厚さに影響されないため、シリ
コン単結晶基板１０Ａ及び１０Ｂが厚くても各圧力発生
室間の隔壁の剛性は低下せず、隔壁の剛性不足によって
クロストークが発生することがないことにかわりはな
い。

【００８３】（実施形態３）図７は、実施形態３に係る
インクジェット式記録ヘッドの断面図である。

【００８４】本実施形態は、圧電体能動部３２０の幅方
向両側の振動板のいわゆる腕部を絶縁体層９０のみで構
成するようにした例であり、図７に示すように、本実施
形態では、キャビティ１２に対向する領域の弾性膜５０
が除去され、且つ下電極層６０が各圧電素子３００毎に
パターニングされている。すなわち、圧電体能動部３２
０がキャビティ１２内に形成され、キャビティ１２は絶
縁体層９０によって封止されている。したがって、本実
施形態では、圧電体能動部３２０の幅方向両側は、絶縁
体層９０のみによって弾性膜５０と接合されており、こ
の絶縁体層９０のみが振動板として作用する。

【００８５】このように本実施形態では、圧電体能動部
３２０の幅方向両側の振動板のいわゆる腕部が絶縁体層
９０のみで構成されているため、圧電体能動部３２０の
駆動が弾性膜５０等の剛性によって妨げられることが無
く、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変位量が
向上し、インク吐出効率を向上することができる。

【００８６】また、このような本実施形態の構成では、
圧電体能動部３２０の幅方向両側の側面と絶縁体層９０
との間にそれぞれ所定寸法で空間１２ａが形成されてい
ることが好ましい。この空間１２ａの寸法は、特に限定
されないが、絶縁体層９０の強度が圧電体能動部３２０
の繰り返し駆動に耐えられる程度に比較的大きくするこ
とが好ましく、例えば、本実施形態では、圧電体能動部
３２０の幅方向側面とキャビティ１２の幅方向側面との
距離よりも広く形成した。

【００８７】これにより、振動板として作用するキャビ
ティ１２に対向する領域の絶縁体層９０の強度が保持す
ると共に剛性が十分に低く抑えられ、圧電体能動部３２
０の駆動による変位量をさらに向上することができる。

【００８８】また、このような構成の圧電素子の形成方
法は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、
以下のような工程で形成した。

【００８９】まず、実施形態１と同様に、図３と同様の
工程で圧電体能動部３２０を形成する。なお、実施形態
１では、下電極層６０が複数の圧電体能動部３２０に亘
って連続して形成されているが、本実施形態では、上電
極層８０及び圧電体層７０と共に各圧電体能動部３２０
毎にパターニングする。

【００９０】次いで、図８（ａ）に示すように、各圧電
体能動部３２０の少なくとも側面をを覆うように犠牲層
１１０を成膜する。すなわち、圧電体能動部３２０の幅
方向両側の弾性膜５０上の犠牲層１１０の厚さが、少な
くとも圧電体能動部３２０の厚さと同一若しくはそれよ
りも厚くなるように形成する。この犠牲層１１０の材料
は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、窒
化シリコン（ＳｉＮ）を用い、例えば、ＣＶＤ法によっ
て成膜した。

【００９１】次に、図８（ｂ）に示すように、犠牲層１
１０の表面を平坦化して上電極層８０の表面を露出させ
ることにより、犠牲層１１０を上電極層８０と略同一の
高さとする。犠牲層１１０を平坦化する方法は、特に限
定されないが、例えば、本実施形態では、ケミカル・メ
カニカル・ポリッシュ（ＣＭＰ）によって研磨した。

【００９２】次いで、図８（ｃ）に示すように、犠牲層
１１０を各圧電体能動部３２０毎にパターニングする。
すなわち、この犠牲層１１０は、上述の空間１２ａを形
成するためのものであり、圧電体能動部３２０の幅方向
両側に、所定の幅、例えば、本実施形態では、キャビテ
ィ１２の幅方向の隔壁上にかかる程度の寸法にパターニ
ングする。

【００９３】次に、図８（ｄ）に示すように、上電極層
８０及び犠牲層１１０を覆って絶縁体層９０を形成す
る。この絶縁体層９０は、実施形態１と同様に、二酸化
シリコンを成膜して形成すればよい。

【００９４】その後、図８（ｅ）に示すように、上述の
実施形態と同様に、シリコン単結晶基板１０を異方性エ
ッチングすることによりキャビティ１２を形成する。そ
の後、キャビティ１２に対向する領域の弾性膜５０を除
去し、圧電体能動部３２０の幅方向両側の犠牲層１２
を、例えば、ドライエッチングによって除去して空間１
２ａを形成すればよい。

【００９５】（実施形態４）図９は、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。

【００９６】図９に示すように、本実施形態は、上電極
層８０を絶縁体層９０に沿って幅方向に並設された複数
の圧電体能動部３２０に亘って連続して形成した以外の
構成は、実施形態３と同様であるが、本実施形態では、
下電極層６０を各圧電素子の個別電極とし、上電極層８
０を複数の圧電素子３００の共通電極とした。

【００９７】このような構成では、絶縁体層９０と共に
上電極層８０が振動板として作用するため耐久性が向上
し、信頼性を向上することができる。

【００９８】なお、圧電素子３００の効率を向上させる
ために、下電極層６０の膜厚は、振動板を構成する上電
極層８０及び絶縁体層９０の膜厚の合計よりも薄いこと
が好ましい。

【００９９】また、本実施形態では、上電極層８０を共
通電極とするようにしたが、これに限定されず、例え
ば、上電極層８０をキャビティ１２の幅方向の隔壁上で
それぞれ分割して各圧電素子３００の個別電極としても
よいことは言うまでもない。

【０１００】このような構成の圧電素子の形成方法は、
特に限定されず、以下のような工程で製造することがで
きる。

【０１０１】まず、図３で説明した工程と同様に、弾性
膜５０上に下電極層６０及び圧電体層７０を形成し、圧
電体層７０上に上電極層８０を形成せずに、これらの下
電極層６０及び圧電体層７０を各キャビティ１２毎にパ
ターニングする。

【０１０２】次いで、図１０（ａ）に示すように、犠牲
層１１０を成膜、平坦化及びパターニングする。この一
連の工程は、実施形態３と同様である。

【０１０３】次に、図１０（ｂ）に示すように、圧電体
層７０及び犠牲層１１０を覆うように、上電極層８０を
成膜し、さらにこの上電極層８０上に絶縁体層９０を成
膜する。

【０１０４】その後は、図１０（ｃ）に示すように、実
施形態３と同様、異方性エッチングによりキャビティ１
２を形成し、さらに、キャビティ１２に対向する領域の
弾性膜５０を除去後、犠牲層１１０を除去して空間１２
ａを形成すればよい。

【０１０５】（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。

【０１０６】例えば、上述の実施形態では、シリコン単
結晶基板１０上に設けられた弾性膜５０に、圧電素子３
００及び絶縁体層９０等を形成するようにしたが、これ
に限定されず、例えば、図１１に示すように、弾性膜５
０を設けずに、シリコン単結晶基板１０上に直接、圧電
素子３００及び絶縁体層９０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、勿論、上述の実施形態
と同様の効果が得られ、製造工程をさらに簡略化し、コ
ストを削減することができる。

【０１０７】また、例えば、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。

【０１０８】さらに、上述した実施形態では、ノズル開
口を圧力発生室形成基板の端面に形成しているが、面に
垂直な方向に接続するノズル開口を形成してもよく、例
えば、図１２に示すように、圧力発生室形成基板２０の
キャビティ１２とは反対側の面にノズル開口２１Ａを形
成するようにしてもよい。このような構成としても、勿
論、上述の実施形態と同様の効果が得られる。

【０１０９】また、逆に、ノズル開口をシリコン単結晶
基板１０側に設けるようにしてもよく、例えば、図１３
に示すように、この実施形態では、ノズル開口４６がシ
リコン単結晶基板１０Ｄ側のノズルプレート４５に穿設
され、これらノズル開口４６と圧力発生室２２Ｄとを連
通するノズル連通口１３が、共通インク室形成板３０Ｄ
及び薄肉板４１Ｄ及びインク室側板４０Ｄを貫通するよ
うに配されている。

【０１１０】なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１
Ｄとインク室側板４０Ｄとを別部材とし、インク室側板
４０Ｄに開口４０ｂを形成した以外は、基本的に上述し
た実施形態１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。

【０１１１】また、勿論、実施形態２のように２枚のシ
リコン単結晶基板がスペーサを介して相対向して配置す
るように接合されたタイプ及び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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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。

【０１１６】

【発明の効果】このように、本実施形態では、シリコン
単結晶基板以外に各圧力発生室間の隔壁を形成するの
で、隔壁の剛性を十分に確保することができ、シリコン
単結晶基板が厚くても、クロストークを防止することが
できる。

【０１１７】また、少なくとも圧電体能動部の幅方向両
側の振動板のいわゆる腕部を絶縁体層のみで構成するよ
うにすれば、圧電体能動部の駆動による振動板の変位量
を向上することができ、インク吐出効率を向上すること
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】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に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部断面図及び平面図である。

【図６】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部断面図である。

【図７】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部断面図である。

【図８】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記
録ヘッドの製造工程を示す断面図である。

【図９】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１０】本発明の実施形態４に係るインクジェット式
記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。

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

【図１２】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す要部断面図である。

【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要部断面図である。

【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シリコン単結晶基板１２キャビティ２０圧力発生室形成基板２２圧力発生室５０弾性膜６０下電極層７０圧電体層８０上電極層９０絶縁体層３００圧電素子３２０圧電体能動部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン単結晶基板に形成されたキャビ
ティと、前記シリコン単結晶基板の一方面側の前記キャ
ビティに対向する領域に下電極、圧電体層及び上電極で
形成される圧電素子と、前記キャビティと相対向する領
域に設けられると共に振動板を介して前記圧電素子が内
方に保持される圧力発生室と、この圧力発生室に連通す
るノズル開口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。
【請求項２】請求項１において、前記圧力発生室が前
記シリコン単結晶基板に接合された圧力発生室形成基板
によって形成され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２において、前記圧力発生室形成
基板には前記キャビティに対応する領域に凹部が形成さ
れ、該凹部が前記圧力発生室とな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において、前記圧力発生室を挟
んで前記圧電素子及び前記キャビティが相対向して配置
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５】請求項４において、２枚の前記シリコン
単結晶基板がスペーサを介して接合され、該スペーサの
側面及び前記振動板で前記圧力発生室が画成されること
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４又は５において、前記圧電素子
の圧電特性は、前記圧力発生室内の相対向する両側でそ
れぞれ異な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４〜６の何れかにおいて、前記圧
電素子は、前記圧力発生室内の相対向する両側で同時に
又はそれぞれ独立して駆動することができることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】請求項１〜７の何れかにおいて、前記圧
電素子が前記シリコン単結晶基板の一方面側に設けられ
た二酸化シリコン膜が前記振動板の少なくとも一部を構
成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９】請求項１〜８の何れかにおいて、前記圧
電素子の前記圧力発生室側が絶縁体層で覆われているこ
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９において、前記絶縁体層が前
記振動板の少なくとも一部を構成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１１】請求項１０において、前記キャビティ
に対向する領域の前記圧電素子の少なくともその幅方向
両側の前記振動板が、前記絶縁体層のみで構成されてい
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１２】請求項１０又は１１において、少なく
とも前記圧電素子の幅方向両側面と前記絶縁体層との間
に空間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１３】請求項１２において、前記空間の幅が
前記圧電素子の幅方向側面と前記キャビティの幅方向側
面との幅よりも広い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１２又は１３において、前記上
電極が前記絶縁体層に沿って少なくとも前記キャビティ
の幅方向外側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１５】請求項１４において、前記下電極の膜
厚が、前記上電極及び前記絶縁体層の膜厚の合計よりも
薄い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の何れかにおいて、前
記キャビティが異方性エッチングにより形成され、前記
下電極、圧電体層、上電極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１７】請求項１〜１６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。