JP2002113857A

JP2002113857A - 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: JP2002113857A
Application number: JP2000307839A
Authority: JP
Inventors: Soichi Moriya; 壮一守谷; Shiro Yazaki; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2002-04-16

Abstract

(57)【要約】【課題】変形による応力の集中を防ぎ基板の破壊を防
止すると共に振動板の応力変化によるバラツキを防止し
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。【解決手段】ノズル開口２１に連通する圧力発生室１
２が画成される流路形成基板１０と、前記圧力発生室１
２の一部を構成する振動板５０を介して前記圧力発生室
１２に対向する領域に設けられて前記圧力発生室１２内
に圧力変化を生じさせる圧電素子３００とを具備するイ
ンクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板
１０の前記圧電素子３００側に接合されて当該圧電素子
３００の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧電素
子保持部３２を有する接合基板３０を有し、前記流路形
成基板１２及び前記接合基板３０の少なくとも一方の基
板には、前記圧力発生室１２の列方向両側の端部に、凹
部１５を形成することにより剛性を低下させた応力緩和
部１６を設ける。

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】また、このようなインクジェット式記録ヘ
ッドでは、流路形成基板の圧電素子側に、圧電素子の運
動を阻害しない程度の空間を確保した圧電素子保持部を
有する接合基板が接合されたものが提案されている。

【０００７】この接合基板によれば、圧電素子を外部環
境と遮断して、大気中の水分等の外部環境による圧電素
子の破壊を防止している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ノズル
プレートを熱硬化性の接着剤を加熱硬化して流路形成基
板に接着する際、または、流路形成基板と接合基板との
組立体にワイヤーボンディングにより配線を接続する際
など、高温で加熱することにより流路形成基板及び接合
基板が熱膨張する。この熱膨張では、流路形成基板と接
合された材料の異なる部材との熱膨張率の違いにより基
板が変形してしまう。このとき、流路形成基板及び接合
基板の周縁部近傍は、圧力発生室が設けられた中央部に
比べ剛性が高く、剛性が高い領域と低い領域との境界近
傍に応力が集中し、流路形成基板及び接合基板にクラッ
ク等の破壊が発生するという問題がある。

【０００９】また、流路形成基板の周縁部近傍は、圧力
発生室の設けられた中央部に比べ剛性が高いため、流路
形成基板上に設けられた振動板はその中央部近傍と周縁
部近傍とでは変位量が異なるという問題がある。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑み、変形によ
る応力の集中を防ぎ基板の破壊を防止すると共に振動板
の応力変化によるバラツキ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。

【００１１】

【発明が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が
画成される流路形成基板と、前記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向する領域に
設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧
電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおい
て、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合されて当
該圧電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧
電素子保持部を有する接合基板を有し、前記流路形成基
板及び前記接合基板の少なくとも一方の基板には、前記
圧力発生室の列方向両側の端部に凹部を形成することに
より剛性を低下させた応力緩和部が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。

【００１２】かかる第１の態様では、凹部を設けること
により流路形成基板及び接合基板の剛性を低下させて、
流路形成基板及び接合基板の変形による応力の集中を防
止して、流路形成基板及び接合基板の破壊を防止するこ
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、前記応力緩和部が前記流路形成基板及び前記接合基
板の両方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２の態様では、凹部からなる応力
緩和部を両方の基板に設けることにより、さらに応力の
集中を防止して、流路形成基板及び接合基板の変形によ
る破壊を防止することができる。

【００１５】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記応力緩和部が、前記基板の端部の前記圧
力発生室の長手方向中央部に少なくとも設けられている
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３の態様では、基板の圧力発生室
の長手方向中央部に少なくとも設けることによって、効
率よく基板の応力の集中を防止して、流路形成基板及び
接合基板の変形による破壊を防止することができる。

【００１７】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか
の態様において、前記凹部が前記流路形成基板と前記接
合基板との接合面とは反対側の面に貫通することなく設
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、凹部を接合面とは
反対側の面に設けることによって、流路形成基板及び接
合基板の剛性を低下させることができる。

【００１９】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記凹部が前記流路形成基板と前記接
合基板との接合面側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。

【００２０】かかる第５の態様では、凹部を接合面側に
設けることによっても、流路形成基板及び接合基板の剛
性を低下させることができる。

【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、前記応力緩和部が、前記凹部を複数設
けること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。

【００２２】かかる第６の態様では、凹部を複数設ける
ことによって、さらに流路形成基板及び接合基板の剛性
を広範囲に低下させることができると共に剛性の調整を
容易に行うことができる。

【００２３】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか
の態様において、前記応力緩和部は、前記基板から前記
圧力発生室近傍にかけて剛性が徐々に低下するように設
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。

【００２４】かかる第７の態様では、応力緩和部が徐々
に剛性を低下するように設けることによって、流路形成
基板及び接合基板の変形に伴う応力の集中を防ぎ、流路
形成基板及び接合基板の破壊を防止することができる。

【００２５】本発明の第８の態様は、第７の態様におい
て、前記凹部の開口面積を変化させることにより剛性を
変化させ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、凹部の開口面積を
変化させることによって、流路形成基板及び接合基板の
剛性を容易に調整することができ、基板の破壊を防止す
ることができる。

【００２７】本発明の第９の態様は、第７の態様におい
て、前記凹部の深さを変化させることにより剛性を変化
させ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、凹部の深さを変化
させることによって、流路形成基板及び接合基板の剛性
を容易に調整することができ、基板の破壊を防止するこ
とができる。

【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、前記流路形成基板に設けられた前記
凹部の一部が、前記接合基板の前記圧電素子保持部に対
向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。

【００３０】かかる第１０の態様では、基板の応力が集
中する領域に凹部の一部を設けることによって、さらに
応力の集中を抑えて基板の破壊を防止することができ
る。

【００３１】本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何
れかの態様において、前記接合基板には、その接合面と
は反対側の面の前記圧電素子保持部に対向する領域に前
記凹部が少なくとも一つ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。

【００３２】かかる第１１の態様では、基板の応力が集
中する領域に凹部の一部を設けることによって、さらに
応力の集中を抑えて基板の破壊を防止することができ
る。

【００３３】本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何
れかの態様において、前記接合基板が単結晶シリコンで
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。

【００３４】かかる第１２の態様では、接合基板を流路
形成基板と同様の材料で形成することによって、流路形
成基板と接合基板との接合体の熱膨張による変形を抑え
ることができ、基板の破壊を防止することができる。

【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、前記圧電素子保持部が前記圧電素
子の複数に亘って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。

【００３６】かかる第１３の態様では、複数の圧電素子
に亘って圧電素子保持部を設けることによって、製造工
程を簡略化することができる。

【００３７】本発明の第１４の態様は、第１〜１３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。

【００３８】かかる第１４の態様では、ヘッドのインク
吐出特性を向上したインクジェット式記録装置を実現で
きる。

【００３９】

【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。

【００４０】（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、その上面図であり、図３は、図２のＡ
−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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、
複数の隔壁により区画された圧力発生室１２が幅方向に
並設され、その長手方向外側には、後述するリザーバ形
成基板のリザーバ部に連通して各圧力発生室１２の共通
のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通
部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部
とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
なお、本実施形態では、流路形成基板１０に幅方向に並
設された圧力発生室１２の列を２列設け、２列の圧力発
生室１２が、長手方向に一直線上とならないように、幅
方向に若干ずらして設けられている。

【００４４】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。

【００４５】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。ここで、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。また、各圧力発生室１２の
一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２
より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するイ
ンクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、イン
ク供給路１４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。

【００４６】このように圧力発生室１２が設けられた流
路形成基板１０は、後述する熱膨張率の違う部材、例え
ばノズルプレートなどが接続された状態で加熱される
と、熱膨張率の違いから変形してしまう。また、流路形
成基板１０は、圧力発生室１２が設けられた領域では剛
性が低く、その周縁部では剛性が高くなっている。その
ため、両端側に設けられた圧力発生室１２の周縁部側の
側面近傍が剛性が高い領域と低い領域との境界となって
おり、この境界に変形による応力が集中することによっ
て、流路形成基板１０は、圧力発生室１２の周縁部側の
側面に沿ってクラック等の破壊が発生してしまう。

【００４７】そのため、流路形成基板１０の圧力発生室
１２が開口する面側の圧力発生室１２の列方向両側の端
部には、流路形成基板１０を貫通することなく圧力発生
室１２の幅方向に並設された複数の凹部１５からなる応
力緩和部１６が形成されている。

【００４８】流路形成基板１０に、この応力緩和部１６
を設けることによって、流路形成基板１０の周縁部の剛
性を低くして、剛性の高い領域と低い領域との境界を無
くし、応力の集中を抑えることによりクラック等の破壊
を防止している。

【００４９】また、本実施形態では、凹部１５の一部は
後述するリザーバ形成基板３０の圧電素子保持部３２に
対向する領域に延設されている。これは、流路形成基板
１０とリザーバ形成基板３０との接合体が熱膨張するこ
とによって変形した際に、圧電素子保持部３２の周縁部
側の側面近傍が剛性の高い領域と低い領域との境界とな
り、ここに応力が集中するのを防ぐためである。

【００５０】なお、凹部１５の形成方法は、特に限定さ
れず、本実施形態では、例えば、流路形成基板１０をハ
ーフエッチングすることにより形成した。

【００５１】また、流路形成基板１０の開口面側には、
各圧力発生室１２にインク供給路１４とは反対側で連通
するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が
加熱硬化性の接着剤を介して固着されている。なお、ノ
ズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍの
不錆鋼などからなる。ノズルプレート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。

【００５２】このようなノズルプレート２０は、流路形
成基板１０と熱膨張率が異なる材料で形成されているた
め、流路形成基板１０にノズルプレート２０を加熱硬化
性の接着剤で接着した際に、流路形成基板１０は熱膨張
により何れかの面側に反るように変形してしまう。この
とき、流路形成基板１０には、複数の凹部１５からなる
応力緩和部１６が形成されているため、変形による応力
の集中を抑えることができ、流路形成基板１０にクラッ
ク等の破壊が発生するのを防止することができる。

【００５３】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の直径で精度よく形成する必要
がある。

【００５４】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０．２μｍ
の下電極膜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、圧電体層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層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
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
る振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。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。

【００５５】また、圧電素子３００の個別電極である上
電極膜８０は、上電極膜８０上から弾性膜５０上まで延
設されたリード電極９０を介して図示しない駆動配線と
接続されている。

【００５６】また、流路形成基板１０の圧電素子３００
側には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリ
ザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合され
ている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、リザ
ーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２
の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形
成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２
の共通のインク室となるリザーバ１００を構成してい
る。

【００５７】このようなリザーバ形成基板３０として
は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例え
ば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好まし
く、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシ
リコン単結晶基板を用いた。これにより、両者を熱硬化
性の接着剤を用いた高温での接着により確実に接着し
て、製造工程を簡略化することができる。

【００５８】なお、このリザーバ形成基板３０に流路形
成基板１０と熱膨張率の異なる材料を用いると、上述し
たノズルプレート２０と同様に、両者を加熱硬化性の接
着剤で接合した際に、熱膨張によって変形してしまう
が、流路形成基板１０に凹部１５からなる応力緩和部１
６を設けることにより、変形による応力が集中するのを
抑えることができ、流路形成基板１０及びリザーバ形成
基板３０にクラック等の破壊が発生するのを防止するこ
とができる。

【００５９】また、リザーバ形成基板３０の圧電素子３
００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害
しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可
能な圧電素子保持部３２が設けられ、圧電素子３００は
この圧電素子保持部３２内に密封されている。なお、本
実施形態では、圧電素子保持部３２は幅方向に並設され
た複数の圧電素子３００の各列毎を覆う大きさで形成さ
れている。

【００６０】このように、リザーバ形成基板３０はリザ
ーバ１００の一部を構成するリザーバ部３１と共に圧電
素子３００を密封する圧電素子保持部３２を有し、圧電
素子３００を外部環境と遮断するための封止部材を兼ね
ており、大気中の水分等の外部環境による圧電素子３０
０の破壊を防止している。

【００６１】さらに、リザーバ形成基板３０には、圧電
素子３００の上電極膜８０に接続されたリード電極９０
に対向する領域に、厚さ方向に貫通する貫通溝３７が圧
力発生室１２の列の長手方向両側に、圧力発生室１２の
並設方向に亘って設けられており、図示しないボンディ
ングワイヤからなる駆動配線が、この貫通溝３７を介し
てリード電極９０と接続されている。なお、この駆動配
線は、リード電極９０にワイヤーボンディングで接続さ
れている。

【００６２】また、このリザーバ形成基板３０には、封
止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板
４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が
低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリ
フェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、
この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止
されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料
（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）
等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に
対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４
３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性
を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化に
よって変形可能な可撓部４５となっている。

【００６３】また、このリザーバ１００の長手方向略中
央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ
１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形
成されている。さらに、リザーバ形成基板３０には、イ
ンク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するイ
ンク導入路３６が設けられている。なお、本実施形態で
は、一つのインク導入口４４及びインク導入路３６によ
って、リザーバ１００にインクを供給するようにしてい
るが、これに限定されず、例えば、所望のインク供給量
に応じて、複数のインク導入口及びインク導入路を設け
るようにしてもよいし、あるいはインク導入口の開口面
積を大きくしてインク流路を拡大するようにようにして
もよい。

【００６４】このようなリザーバ形成基板３０と流路形
成基板１０との接合体では、流路形成基板１０に凹部１
５からなる応力緩和部１６を設けたとしても、熱膨張に
よって変形した際の応力が圧電素子保持部３２の周縁部
側の側面近傍に集中してしまう。このため、リザーバ形
成基板３０の圧電素子保持部３２に対向する領域にも応
力緩和部１６を設けるのが好ましい。

【００６５】このように本実施形態では、流路形成基板
１０とリザーバ形成基板３０との接合体にノズルプレー
ト２０やコンプライアンス基板４０などの熱膨張率の異
なる部材を熱硬化性の接着剤を用いて接着する際、及び
流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０の接合体に
駆動配線などをワイヤーボンディングにより接合する際
などの加熱による熱膨張で変形したとしても、流路形成
基板１０の剛性の高い領域に応力緩和部１６として凹部
１５を設けることにより、流路形成基板１０の剛性を低
下させて、変形による応力の集中を抑えることができ、
流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０にクラック
等の破壊が発生するのを防止することができる。

【００６６】また、流路形成基板１０の剛性が、全体的
に均一となるため、弾性膜５０の変化量のバラツキを抑
えることができ、吐出特性を向上することができる。

【００６７】このような本実施形態のインクジェット式
記録ヘッドは、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４４からインクを取り込み、リザーバ１
００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、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜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及び圧電体層７０をたわみ変形させることに
より、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２
１からインク滴が吐出する。

【００６８】また、このような本実施形態のインクジェ
ット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１０
に圧力発生室１２を形成する工程及びこの圧力発生室１
２に対応する領域に圧電素子３００を形成する工程につ
いて、以下に説明する。なお、図４及び図５は、圧力発
生室１２の幅方向の断面図である。

【００６９】まず、図４（ａ）に示すように、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。

【００７０】次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ
リングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室
１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパター
ニングする。この下電極膜６０の材料としては、白金、
イリジウム等が好適である。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、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）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、イ
リジウムが好適である。

【００７１】次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体層
７０及び上電極膜８０を形成すると共に圧電体層７０及
び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００の
パターニングを行う。

【００７２】この圧電体層７０は、例えば、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、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
法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコ
ート法により成膜してもよい。

【００７３】また、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法
もしくはＭＯＤ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
温で結晶化させる方法を用いてもよい。

【００７４】さらに、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。

【００７５】次に、図４（ｄ）に示すように、リード電
極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共
に、各圧電素子３００毎にパターニングする。

【００７６】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５（ａ）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、連通部１３及びイン
ク供給路１４等を形成する。

【００７７】また、このとき同時に流路形成基板１０に
凹部１５からなる応力緩和部１６を形成する。この凹部
１５の製造方法は、特に限定されないが、本実施形態で
は、例えば、流路形成基板１０をハーフエッチングする
ことにより形成している。

【００７８】次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形
成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、下電
極膜６０上にリザーバ形成基板３０を接合する。

【００７９】その後、流路形成基板１０の圧力発生室が
開口する面にノズルプレート２０を接合することにより
インクジェット式記録ヘッドが形成されている。

【００８０】このノズルプレート２０の接着では、上述
したように、熱硬化性の接着剤が用いられ、インクジェ
ット式記録ヘッドを加熱することにより熱膨張が起こ
る。このとき、流路形成基板１０及びリザーバ形成基板
３０とノズルプレート２０とは熱膨張率が違うため、イ
ンクジェット式記録ヘッドは、何れかの面側に反るよう
に変形してしまう。このとき、流路形成基板１０に凹部
１５からなる応力緩和部１６を設けることによって、流
路形成基板１０の周縁部近傍の剛性を低くしたため、変
形による応力が集中することが無く、流路形成基板１０
にクラック等の破壊が発生するのを防止することができ
る。

【００８１】また、リード電極９０に接続配線をワイヤ
ーボンディングで接合する際にも、インクジェット式記
録ヘッドは、高温、例えば、１００℃〜１２０℃で加熱
されるが、上述したように流路形成基板１０に凹部１５
からなる応力緩和部１６を設けることにより、流路形成
基板１０の変形によるクラック等の破壊が発生するのを
防止することができる。

【００８２】このように本実施形態のインクジェット式
記録ヘッドでは、流路形成基板１０に凹部１５からなる
応力緩和部１６を設けることにより、インクジェット式
記録ヘッドの製造時等に加熱した際に、熱膨張による変
形で流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０にクラ
ック等が発生して破壊されるのを防止することができ
る。

【００８３】また、流路形成基板１０の周縁部近傍の剛
性が高いために発生する弾性膜５０の変位量のバラツキ
を抑えることができる。

【００８４】なお、本実施形態では、流路形成基板１０
のノズルプレート２０側に複数の凹部１５からなる応力
緩和部１６を形成したが、これに限定されず、例えば、
図６（ａ）に示すように、流路形成基板１０のリザーバ
形成基板３０側に凹部１５Ａからなる応力緩和部１６Ａ
を設けるようにしても、同様の効果が得られる。

【００８５】また、例えば、図６（ｂ）に示すように、
リザーバ形成基板３０の接合面とは反対側の面に複数の
凹部１５Ｂからなる応力緩和部１６Ｂを設けるようにし
てもよく、図６（ｃ）に示すように、リザーバ形成基板
３０の接合面側に複数の凹部１５Ｃからなる応力緩和部
１６Ｃを設けるようにしてもよい。このようにリザーバ
形成基板３０に応力緩和部１６Ｂ又は１６Ｃを設けるよ
うにしても、流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０
との接合体では、応力をリザーバ形成基板３０の応力緩
和部１６Ｂ又は１６Ｃで緩和することができ、クラック
等の破壊が発生するのを防止することができる。

【００８６】また、流路形成基板１０及びリザーバ形成
基板３０の両方に応力緩和部１６又は１６Ａと応力緩和
部１６Ｂ又は１６Ｃとを設けるようにしてもよい。これ
により、より応力の集中を抑えて流路形成基板１０及び
リザーバ形成基板３０の破壊を防止することができる。

【００８７】さらに、図７に示すように、流路形成基板
１０の圧力発生室１２の長手方向に複数の凹部１５Ｄか
らなる応力緩和部１６Ｄを設けるようにしてもよい。な
お、図７は、インクジェット式記録ヘッドの上面図であ
る。

【００８８】このように凹部１５Ｄを長手方向に並設す
るときは、図７に示すように、長手方向に隣り合う凹部
１５Ｄが略一直線上とならないように設けるのが好まし
い。これは、凹部１５Ｄの側壁が略一直線上となると、
この長手方向に並設された凹部１５Ｄに沿って剛性が著
しく低下し、変形による応力が集中してクラック等の破
壊が発生する虞があるからである。

【００８９】このように、凹部からなる応力緩和部は、
流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０の何れか一
方、又は両方のどちらの面側に設けたとしても、加熱に
よって変形した際の応力の集中を防止することができ、
流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０にクラック
等の破壊が発生するのを防止することができる。

【００９０】（実施形態２）図８は、実施形態２に係る
インクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の幅方向の断
面図である。

【００９１】本実施形態は、図８に示すように、応力緩
和部１６Ｅとして流路形成基板１０の端部から圧力発生
室１２近傍にかけて剛性が徐々に低下するように深さの
異なる凹部１５Ｅからなる応力緩和部１６Ｅを設けた以
外は、上述した実施形態１と同様である。

【００９２】この複数の凹部１５Ｅは、圧力発生室１２
に向かってその深さが徐々に深くなることで、流路形成
基板１０の端部から圧力発生室１２近傍にかけて剛性を
低下させている。

【００９３】このように、剛性を徐々に変化させること
によって、応力が集中する領域を無くし、さらに流路形
成基板１０にクラック等が発生して破壊されるのを防止
することができる。

【００９４】なお、凹部の深さではなく、凹部間の間
隔、すなわち、ピッチを変えることにより剛性を徐々に
変化させるようにしてもよい。

【００９５】また、上述したように流路形成基板１０に
凹部１５Ｅを複数設けず、例えば、流路形成基板１０に
一つの凹部を設けるようにしてもよい。

【００９６】このような例を図９に示す。なお、図９
は、インクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の幅方向
の断面図である。

【００９７】図９に示すように、流路形成基板１０の圧
力発生室１２の幅方向両端部側には、一つの凹部１５Ｆ
からなる応力緩和部１６Ｆが設けられている。この凹部
１５Ｆの底面は、流路形成基板１０の端部から圧力発生
室１２近傍にかけて深さが階段状に深くなるように設け
られている。

【００９８】このような凹部１５Ｆからなる応力緩和部
１６Ｆとしても、流路形成基板１０の周縁部から圧力発
生室１２にかけて剛性を徐々に低下させることができ
る。

【００９９】また、流路形成基板１０に設けられる応力
緩和部は、複数の浅い凹部の形成密度を変化させること
によって、流路形成基板１０の端部から圧力発生室１２
近傍にかけて剛性を低下させるようにしてもよい。

【０１００】このような例を図１０に示す。なお、図１
０は、インクジェット式記録ヘッドの上面図及び圧力発
生室の並設方向の断面図である。

【０１０１】図１０に示すように、流路形成基板１０に
は、四角円錐状の複数の凹部１５Ｇからなる応力緩和部
１６Ｇが設けられている。この凹部１５Ｇは、流路形成
基板１０の外縁部近傍では少なく設けられ、圧力発生室
１２にかけて近いほど高密度に設けることで、流路形成
基板１０の剛性を徐々に低下させている。なお、このよ
うな凹部１５Ｇの形状及び製造方法は、特に限定されな
いが、本実施形態では、例えば、流路形成基板１０にシ
リコン単結晶基板として面方位（１００）を用いて、こ
れをエッチングすることにより四角錐状の凹部１５Ｇを
形成した。

【０１０２】なお、本実施形態では、流路形成基板１０
に凹部１５Ｅ〜１５Ｇからなる応力緩和部１６Ｅ〜１６
Ｇを設けるようにしたが、上述した実施形態１と同様
に、凹部からなる応力緩和部をリザーバ形成基板３０に
設けてもよく、両方の基板に設けるようにしてもよい。
また、何れの基板に設ける場合でも、接合面及び接合面
とは反対側の面の何れに設けるようにしてもよい。

【０１０３】さらに、このような１５Ｅ及び１５Ｆから
なる応力緩和部１６Ｅ及び１６Ｆを上述した実施形態１
と同様に、圧力発生室１２の長手方向に並設するように
してもよい。

【０１０４】（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。

【０１０５】例えば、流路形成基板及びリザーバ形成基
板の何れか一方、又はその両方に応力緩和部を設けた場
合であっても、図１１に示すように、さらにリザーバ形
成基板３０の接合面とは反対側の面の圧電素子保持部３
２に対向する領域に、少なくとも一つの凹部１５Ｈから
なる応力緩和部１６Ｈを設けることにより、より応力の
集中を抑えて基板の破壊を防止することができる。

【０１０６】また、例えば、上述した実施形態１及び２
では、リザーバ形成基板３０の圧電素子保持部３２は、
幅方向に並設された列毎の圧電素子３００を覆うように
形成されているが、これに限定されず、例えば、各圧電
素子３００毎に圧電素子保持部を設け、それぞれ圧電素
子３００を密封するようにしてもよい。

【０１０７】さらに、例えば、上述の実施形態１及び２
では、圧力発生室１２が流路形成基板１０を貫通して形
成されたものを例示したが、勿論、圧力発生室の形状等
は特に限定されず、例えば、流路形成基板の一方面側に
流路形成基板を貫通することなく形成されたものであっ
てもよい。

【０１０８】また、同様に、ノズル開口２１を流路形成
基板１０の圧電素子３００とは反対側の面に設けるよう
にしたが、これに限定されず、例えば、リザーバ形成基
板にノズル開口を形成して圧電素子側に設けるようにし
てもよいし、圧力発生室を流路形成基板の端面まで延設
して、流路形成基板の端面にノズル開口を設けるように
してもよい。

【０１０９】また、上述した実施形態１及び２では、ノ
ズルプレート２０に流路形成基板１０と異なる材料を用
いたが、ノズルプレートに流路形成基板１０と同様の部
材であるシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよ
い。

【０１１０】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。

【０１１１】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。

【０１１２】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。

【０１１３】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、流路形
成基板及び接合基板の少なくとも一方の基板に、圧力発
生室の列方向両端側に凹部からなる応力緩和部を設ける
ことにより、流路形成基板の剛性を低下させて基板の変
形による応力の集中を抑え、基板にクラック等が発生し
て破壊されるのを防止することができる。また、流路形
成基板の剛性が均等化されるため、流路形成基板に設け
られた振動板の変位量のバラツキを抑え、インク吐出特
性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
録ヘッドを示す上面図である。

【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの断面図であり、図２のＡ−Ａ’断面図及びＢ
−Ｂ’断面図である。

【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの製造方法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
録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

【図６】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圧力発生室の幅方向の断面図で
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
録ヘッドの変形例を示す上面図である。

【図８】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記
録ヘッドの圧力発生室の幅方向の断面図である。

【図９】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記
録ヘッドの変形例を示す圧力発生室の幅方向の断面図で
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上面図及びＣ−Ｃ’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
式記録ヘッドの圧力発生室の幅方向の断面図である。

【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１２圧力発生室１３連通部１４インク供給路１５、１５Ａ〜１５Ｈ凹部１６、１６Ａ〜１６Ｈ応力緩和部２０ノズルプレート２１ノズル開口３０リザーバ形成基板３１リザーバ部３２圧電素子保持部４０コンプライアンス基板５０弾性膜６０下電極膜７０圧電体層８０上電極膜１００リザーバ３００圧電素子

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が画成
される流路形成基板と、前記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向する領域に設け
られて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素
子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合されて当該圧
電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧電素
子保持部を有する接合基板を有し、前記流路形成基板及
び前記接合基板の少なくとも一方の基板には、前記圧力
発生室の列方向両側の端部に、凹部を形成することによ
り剛性を低下させた応力緩和部が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２】請求項１において、前記応力緩和部が前
記流路形成基板及び前記接合基板の両方に設けられてい
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３】請求項１又は２において、前記応力緩和
部が、前記基板の端部の前記圧力発生室の長手方向中央
部に少なくとも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、前記凹
部が前記流路形成基板と前記接合基板との接合面とは反
対側の面に貫通することなく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、前記凹
部が前記流路形成基板と前記接合基板との接合面側に設
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６】請求項１〜５の何れかにおいて、前記応
力緩和部が、前記凹部を複数設けることにより形成され
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７】請求項１〜６の何れかにおいて、前記応
力緩和部は、前記基板から前記圧力発生室近傍にかけて
剛性が徐々に低下するよう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８】請求項７において、前記凹部の開口面積
を変化させることにより剛性を変化させていることを特
徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項９】請求項７において、前記凹部の深さを変
化させることにより剛性を変化させ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
流路形成基板に設けられた前記凹部の一部が、前記接合
基板の前記圧電素子保持部に対向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１１】請求項１〜１０の何れかにおいて、前
記接合基板には、その接合面とは反対側の面の前記圧電
素子保持部に対向する領域に前記凹部が少なくとも一つ
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１２】請求項１〜１１の何れかにおいて、前
記接合基板が単結晶シリコンで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１〜１２の何れかにおいて、前
記圧電素子保持部が前記圧電素子の複数に亘って設けら
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１４】請求項１〜１３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。