JP2003300317A

JP2003300317A - 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: JP2003300317A
Application number: JP2002106855A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yazaki; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子を高密度に配列でき且つ流路形成基
板の破壊を防止することができ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が
形成される流路形成基板１０と、流路形成基板１０の一
方面側に振動板を介して設けられる下電極６０、圧電体
層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００とを具備
するインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧力発生室
１２の幅方向中央部に対向する領域に実質的な駆動部で
ある圧電体能動部３２０を有する第１の圧電素子３００
Ａと、圧力発生室１２の少なくとも幅方向両端部に対向
する領域に圧電体能動部３２０を有すると共に圧力発生
室１２の幅方向中央部に対向する領域に圧電体能動部３
２０の圧電歪みを許容する伸張部３５０を有する第２の
圧電素子３００Ｂとを交互に並設し、圧電素子３００の
駆動による流路形成基板１０の変形を抑える。

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、この振動板の表面に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】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高密度に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、このよ
うなインクジェット式記録ヘッドでは、多数の圧電素子
を同時に駆動すると、圧力発生室が形成されている流路
形成基板が破壊されてしまうという問題がある。すなわ
ち、多数の圧電素子を同時に駆動すると各圧電素子の変
位によって生じる力が流路形成基板にかかり、流路形成
基板に変形が生じてしまう。そして、この圧電素子の駆
動による変形が繰り返されることによって流路形成基板
に割れ等が発生するという問題がある。

【０００８】また、圧電素子を高密度に配列するのに伴
い、流路形成基板の厚さを薄くして各圧力発生室を区画
する隔壁の剛性を確保する必要がある。したがって、圧
電素子の配列密度が高い程、このような問題は発生しや
すい。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子
を高密度に配列でき且つ流路形成基板の破壊を防止する
ことができ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を提供することを
課題とする。

【００１０】

【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が
形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側
に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電
極からな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、前記圧力発生室の幅方向中央部に対向
する領域に実質的な駆動部である圧電体能動部を有する
第１の圧電素子と、前記圧力発生室の少なくとも幅方向
両端部に対向する領域に前記圧電体能動部を有すると共
に前記圧力発生室の幅方向中央部に対向する領域に前記
圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸張部を有する第２
の圧電素子とが交互に並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。

【００１１】かかる第１の態様では、第１の圧電素子の
駆動による振動板の変位方向と、第２の圧電素子の駆動
による振動板の変位方向とが反対方向であるため、これ
ら第１の圧電素子及び第２の圧電素子の駆動によって流
路形成基板にかかる負荷が抑制される。したがって、圧
電素子を高密度に配列しても流路形成基板が破壊される
ことがない。

【００１２】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記圧電体層は、結晶が優先配向していることを特
徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１３】かかる第２の態様では、圧電体層が薄膜工
程で成膜された結果、結晶が優先配向している。

【００１４】本発明の第３の態様は、第２の態様におい
て、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向している
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１５】かかる第３の態様では、圧電体層を所定の
薄膜工程で成膜した結果、結晶が（１００）面に優先配
向する。

【００１６】本発明の第４の態様は、第２又は３の態様
において、前記圧電体層は、結晶が菱面体晶であること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１７】かかる第４の態様では、圧電体層を所定の
薄膜工程で成膜した結果、結晶が菱面体晶となる。

【００１８】本発明の第５の態様は、第２〜４の何れか
の態様において、前記圧電体層は、結晶が柱状となって
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。

【００１９】かかる第５の態様では、圧電体層が薄膜工
程で成膜された結果、結晶が柱状となっている。

【００２０】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか
の態様において、前記伸張部に対応する領域の前記上電
極又は前記下電極の少なくとも何れか一方が除去されて
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。

【００２１】かかる第６の態様では、上電極又は下電極
を除去することにより、伸張部を容易に形成することが
できる。

【００２２】本発明の第７の態様は、第６の態様におい
て、前記伸張部に対応する領域の前記圧電体層の少なく
とも一部が除去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。

【００２３】かかる第７の態様では、圧電体能動部の圧
電歪みが伸張部によって確実に許容される。

【００２４】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。

【００２５】かかる第８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。

【００２６】本発明の第９の態様は、第１〜８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。

【００２７】かかる第９の態様では、インク吐出特性を
安定させ、信頼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。

【００２８】本発明の第１０の態様は、ノズル開口に連
通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路
形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電
極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、
前記圧力発生室の幅方向中央部に対向する領域に実質的
な駆動部である圧電体能動部を有する第１の圧電素子
と、前記圧力発生室の少なくとも幅方向両端部に対向す
る領域に前記圧電体能動部を有すると共に前記圧力発生
室の幅方向中央部に対向する領域に前記圧電体能動部の
圧電歪みを許容する伸張部を有する第２の圧電素子とが
交互に並設されているインクジェット式記録ヘッドの駆
動方法であって、隣接する前記第１の圧電素子と前記第
２の圧電素子とを１組として、各組の前記第１の圧電素
子と前記第２の圧電素子とに同時に駆動信号を出力して
前記ノズル開口からインク滴を吐出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。

【００２９】かかる第１０の態様では、変位方向の異な
る第１の圧電素子と第２の圧電素子とが常に同時に駆動
されるため、圧電素子の駆動によって生じる力が相殺さ
れ、流路形成基板に変形が生じることがない。

【００３０】本発明の第１１の態様は、ノズル開口に連
通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路
形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電
極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、
前記圧力発生室の幅方向中央部に対向する領域に実質的
な駆動部である圧電体能動部を有する第１の圧電素子
と、前記圧力発生室の少なくとも幅方向両端部に対向す
る領域に前記圧電体能動部を有すると共に前記圧力発生
室の幅方向中央部に対向する領域に前記圧電体能動部の
圧電歪みを許容する伸張部を有する第２の圧電素子とが
交互に並設されているインクジェット式記録ヘッドの駆
動方法であって、隣接する前記第１の圧電素子と前記第
２の圧電素子とを異なる駆動信号によって駆動して前記
ノズル開口からインク滴を吐出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。

【００３１】かかる第１１の態様では、第１の圧電素子
と第２の圧電素子とが別々の駆動信号により駆動される
ため、ノズル配列密度と同等の高密度でインク滴を吐出
するインクジェット式記録ヘッドを実現することができ
る。

【００３２】本発明の第１２の態様は、ノズル開口に連
通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路
形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電
極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、
前記圧力発生室の幅方向中央部に対向する領域に実質的
な駆動部である圧電体能動部を有する第１の圧電素子
と、前記圧力発生室の少なくとも幅方向両端部に対向す
る領域に前記圧電体能動部を有すると共に前記圧力発生
室の幅方向中央部に対向する領域に前記圧電体能動部の
圧電歪みを許容する伸張部を有する第２の圧電素子とが
交互に並設されているインクジェット式記録ヘッドの駆
動方法であって、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧
電素子の何れか一方が停止しているタイミングで他方に
駆動信号を出力して前記ノズル開口からインク滴を吐出
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。

【００３３】かかる第１２の態様では、第１の圧電素子
と第２の圧電素子との変位方向が異なるため、圧電素子
の駆動による流路形成基板の変形量が小さく抑えられ
る。また、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが異なる
タイミングで駆動されるため、隣接する圧力発生室間で
のクロストークを防止することができ、インク吐出特性
が向上する。

【００３４】本発明の第１３の態様は、第１０〜１２の
何れかの態様において、前記第１の圧電素子又は前記第
２の圧電素子の一方に出力する駆動信号が、他方に出力
する駆動信号の波形を反転させ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の駆動方法にある。

【００３５】かかる第１３の態様では、駆動ＩＣ等の１
つの駆動回路によって第１の圧電素子と第２の圧電素子
とを駆動することができるため、ヘッドの構造を簡略化
してコストを削減することができる。

【００３６】本発明の第１４の態様は、第１０〜１２の
何れかの態様において、前記第１の圧電素子と前記第２
の圧電素子とに異なる波形の駆動信号を出力することを
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。

【００３７】かかる第１４の態様では、第１の圧電素子
と第２の圧電素子とを別々に制御しているため、各圧電
素子を比較的容易に制御できると共にインク吐出特性を
安定させることができる。

【００３８】

【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。

【００３９】（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、図１の平面図、そのＡ−Ａ’断面図及
びＢ−Ｂ’断面図であり、図３は、図２のＣ−Ｃ’断面
図である。

【００４０】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。この流路形成基板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。

【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、
複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方
向に２列並設され、その長手方向外側には、後述するリ
ザーバ形成基板３０に設けられるリザーバ部３１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１
４を介して連通されている。

【００４２】ここで、異方性エッチングは、シリコン単
結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われ
る。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫ
ＯＨ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（１１
０）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。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、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。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。

【００４４】なお、このような圧力発生室１２等が形成
される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配
設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ま
しい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐ
ｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形
成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望
ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。ま
た、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発
生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さ
は、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接
する圧力発生室１２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。

【００４５】また、流路形成基板１０の開口面側には、
各圧力発生室１２のインク供給路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
接着剤や熱溶着フィルム等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、０．１〜１
ｍｍ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、又
は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。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０
と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよ
い。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート
２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の
接着剤等を用いて容易に接合することができる。

【００４６】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。

【００４７】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（第１の圧電素子３００Ａ及び第２の圧電素子３００
Ｂ）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を合わせて圧電アクチュエータと
称する。

【００４８】また、本実施形態の圧電素子３００は、圧
力発生室１２の幅方向中央部に圧電体能動部３２０を有
する第１の圧電素子３００Ａと、圧力発生室１２の少な
くとも幅方向両端部に圧電体能動部３２０を有すると共
に圧力発生室１２の幅方向中央部に圧電体能動部３２０
の圧電歪みを許容する伸張部３５０を有する第２の圧電
素子３００Ｂとを含み、各圧力発生室１２に対応する領
域にこれら第１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素子３
００Ｂとが交互に並設されている。

【００４９】ここで、第２の圧電素子３００Ｂの伸張部
３５０は、下電極膜６０又は上電極膜８０の少なくとも
何れか一方、本実施形態では、上電極膜８０を除去する
ことによって形成され、第２の圧電素子３００Ｂの下電
極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加しても駆動
されることはない。このため、第２の圧電素子３００Ｂ
は、下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加す
ると、圧力発生室１２の外側が凸となるように変形す
る。なお、圧電素子３００の駆動方法については、詳し
く後述する。

【００５０】また、本実施形態では、伸張部３５０は、
上電極膜８０のみを除去することによって形成している
が、勿論、圧電体層７０又は下電極膜６０まで一緒に除
去するようにしてもよい。あるいは、下電極膜６０のみ
を除去して上電極膜８０を残すようにしてもよい。

【００５１】また、第２の圧電素子３００Ｂの駆動によ
る振動板の変位量は、伸張部３５０の大きさ、すなわ
ち、伸張部３５０の面積及び深さによって変化する。し
たがって、この伸張部３５０の大きさは、第２の圧電素
子３００Ｂに出力する駆動信号等の各種条件を考慮し
て、適宜決定することが好ましい。

【００５２】なお、圧電素子３００の個別電極である上
電極膜８０には、圧電素子３００の長手方向端部近傍か
ら圧力発生室１２の外側の領域まで引き出されるリード
電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９
０は、例えば、金（Ａｕ）等からなり、本実施形態で
は、圧電素子３００の長手方向端部近傍から圧力発生室
１２の列間に対応する領域まで延設されている。

【００５３】ここで、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方法の一例、特に、流路形成
基板に圧電素子等を形成する方法について、図４及び図
５を参照して説明する。なお、図４及び図５は、圧力発
生室１２の幅方向の一部を示す断面図である。

【００５４】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。

【００５５】次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ
リングで下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、下
電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成す
る。この下電極膜６０の材料としては、白金（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（ＰＺＴ）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。

【００５６】次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体層
７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向して
いることが好ましい。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
いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層
７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジ
ルコン酸鉛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。

【００５７】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。

【００５８】何れにしても、このように成膜された圧電
体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向
しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶
が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の
配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の
方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜
とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させ
た状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状
態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された
薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造
された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍであ
る。

【００５９】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、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。

【００６０】次に、図５（ａ）に示すように、圧電体層
７０及び上電極膜８０のみをエッチングすることによっ
てパターニングし、第１の圧電素子３００Ａ及び第２の
圧電素子３００Ｂを形成する。

【００６１】すなわち、圧電体層７０及び上電極膜８０
を圧力発生室１２の幅よりも狭い幅でパターニングする
ことによって第１の圧電素子３００Ａを形成し、圧力発
生室１２の幅よりも広い幅でパターニングすることによ
って第２の圧電素子３００Ｂを形成する。また、第２の
圧電素子３００Ｂの中央部、すなわち、圧力発生室１２
の中央部に対向する領域の上電極膜８０を除去してスリ
ット状の伸張部３５０を形成する。

【００６２】その後、図示しないが、金（Ａｕ）等から
なるリード電極９０を各圧電素子３００に形成する。

【００６３】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、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、図５
（ｂ）に示すように、圧力発生室１２等を形成する。

【００６４】なお、実際には、上述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流路形成基板１０毎に分割す
る。そして、分割した流路形成基板１０に、後述するリ
ザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０を順
次接着して一体化することによってインクジェット式記
録ヘッドとする。

【００６５】すなわち、流路形成基板１０の圧電素子３
００側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となる
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、弾性膜５０を貫通して設けら
れた貫通孔５１を介して流路形成基板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。

【００６６】このリザーバ形成基板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
晶基板を用いて形成した。

【００６７】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。

【００６８】また、リザーバ形成基板３０には、封止膜
４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４
０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
ェニレンサルファイド（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のみで封止されている。

【００６９】なお、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か
らインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２
１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆
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
を印加して、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７
０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２１からインク滴が吐出す
る。

【００７０】以下、このようなインクジェット式記録ヘ
ッドの駆動方法について詳細に説明する。

【００７１】上述したように、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上に振動板を
介して第１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素子３００
Ｂとが交互に配置されている。そして、本実施形態で
は、隣接する第１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素子
３００Ｂとを１組とし、各組の二つの圧電素子３００
（第１の圧電素子３００Ａ及び第２の圧電素子３００
Ｂ）を常に同時に駆動させる。

【００７２】ここで、第１の圧電素子３００Ａは、圧力
発生室１２に対応する領域に、圧力発生室１２よりも狭
い幅で設けられている。すなわち、第１の圧電素子３０
０Ａは、圧力発生室１２の幅方向中央部に対向する領域
に圧力発生室１２の長手方向に沿って設けられている。
このため、下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を
印加すると、図６（ａ）に示すように、第１の圧電素子
３００Ａ（圧電体能動部３２０）が圧力発生室１２の内
部体積を減少させる方向に変形し、これによりノズル開
口２１からインク滴が吐出される。

【００７３】一方、第２の圧電素子３００Ｂは、圧力発
生室１２に対応する領域に、圧力発生室１２よりも広い
幅で設けられ、且つ圧力発生室１２の幅方向中央部に伸
張部３５０が設けられている。すなわち、第２の圧電素
子３００Ｂは、圧力発生室１２の幅方向中央部に対向す
る領域に圧力発生室１２の長手方向に沿って伸張部３５
０が形成されている。このため、電圧を印加すると、図
６（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の幅方向両端部
に対向する領域の圧電体能動部３２０のみが駆動され
る。したがって、第２の圧電素子３００Ｂ全体として
は、圧力発生室１２の内部体積を増加させるように、す
なわち、圧力発生室１２の外側に向かって突出するよう
に変位する。そして、この状態から除電して第２の圧電
素子３００Ｂの変形が元に戻ることによって圧力発生室
１２に圧力が生じ、これによりノズル開口２１からイン
ク滴が吐出される。

【００７４】このように、第１の圧電素子３００Ａと第
２の圧電素子３００Ｂとは、ノズル開口２１からインク
滴を吐出させる際の変位の方向が異なる。このため、隣
接する第１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素子３００
Ｂとを常に同時に駆動するようにすれば、第１の圧電素
子３００Ａの変位によって流路形成基板１０にかかる力
と第２の圧電素子３００Ｂの変位によって流路形成基板
１０にかかる力とが相殺され、各圧電素子３００を駆動
する際に流路形成基板１０に生じる変形が防止される。
したがって、長期に亘って使用しても、圧電素子３００
の駆動に起因して流路形成基板１０が破壊されることが
なく、信頼性を向上することができる。

【００７５】なお、このような駆動方法を用いる場合、
常に２つのノズル開口２１からインク滴が同時に吐出さ
れるため、インク滴の実質的な吐出密度はノズル開口２
１の配列密度の半分となる。

【００７６】また、本実施形態では、第１の圧電素子３
００Ａと第２の圧電素子３００Ｂとに、一方の圧電素子
に出力する駆動信号の波形を反転させたものを用いてい
る。例えば、図７（ａ）に示すように、本実施形態で
は、第１の圧電素子３００Ａに出力する駆動信号１１０
は、下電極膜６０と上電極膜８０との間の電位を、中間
電位ＶＭから一旦最低電位ＶＬまで下降させる下降工程
１１１と、その後、最低電位ＶＬから最大電位ＶＨまで
上昇させてノズル開口２１からインク滴を吐出する上昇
工程１１２とを有するものである。一方、第２の圧電素
子３００Ｂに出力する駆動信号１２０は、図７（ｂ）に
示すように、第１の圧電素子３００Ａに出力される駆動
信号１１０の波形を反転させたものであり、中間電位Ｖ
Ｍから最大電位ＶＨ１まで上昇させる上昇工程１２１
と、最大電位ＶＨ１から最低電位ＶＬ１まで下降させる
下降工程１２２とを有する。

【００７７】このような波形を反転させただけの２つの
駆動信号は、１つの駆動回路（例えば、駆動ＩＣ）によ
って出力することができる。したがって、１つの駆動回
路によって第１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素子３
００Ｂとを制御することができヘッドの構造が簡略化さ
れるため、コストの削減を図ることができる。

【００７８】また、勿論、第１の圧電素子３００Ａと第
２の圧電素子３００Ｂとのそれぞれを制御する２つの駆
動回路を設け、第１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素
子３００Ｂとを全く異なる駆動信号によって駆動するよ
うにしてもよい。この場合、各圧電素子３００の制御が
容易となるため、各ノズル開口２１から吐出されるイン
クの吐出特性を比較的容易に安定させることができる。
なお、このような駆動方法を用いる場合、第１の圧電素
子３００Ａと第２の圧電素子３００Ｂとを同時に駆動す
る場合と異なり、従来通りノズル開口の配列と同じ高密
度のインク滴の吐出密度を実現することができる。

【００７９】また、本実施形態では、隣接する一組の第
１の圧電素子３００Ａと第２の圧電素子３００Ｂとを同
時に駆動するようにしたが、これに限定されず、例え
ば、第１の圧電素子３００Ａ及び第２の圧電素子３００
Ｂの何れか一方が停止している期間に他方を駆動するよ
うしてもよい。すなわち、第１の圧電素子３００Ａと第
２の圧電素子３００Ｂとを別々のタイミングで駆動して
インク滴を吐出するようにしてもよい。

【００８０】このような駆動方法では、隣接する圧電素
子が同時に駆動されることがないため、流路形成基板１
０にかかる力が抑えられる。したがって、流路形成基板
が変形して破壊されるのを防止することができる。ま
た、隣接する圧力発生室間でのクロストークの発生が防
止されるため、インク吐出特性のばらつきを防止するこ
とができる。

【００８１】（他の実施形態）以上、本発明の一実施形
態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定さ
れるものではない。

【００８２】例えば、上述の実施形態では、成膜及びリ
ソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のイン
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す
る等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式
記録ヘッドにも本発明を採用することができる。

【００８３】また、このような本発明のインクジェット
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８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。

【００８４】図８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１
Ｂ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。

【００８５】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上に搬送されるようになっている。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、圧力発
生室の幅方向中央部に圧電体能動部を有する第１の圧電
素子と、圧力発生室の幅方向両端部に対向する領域に圧
電体能動部を有すると共に圧力発生室の幅方向中央部に
伸張部を有する第２の圧電素子とを交互に並設するよう
にしたので、圧電素子の駆動による流路形成基板の変位
量が抑えられる。したがって、圧電素子を高密度に配列
して印刷品質を向上できると共に、流路形成基板の破壊
を防止して信頼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
録ヘッドの平面図及び断面図である。

【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
録ヘッドの製造工程を示す断面図である。

【図６】本発明の実施形態１に係る圧電素子の変形状態
を示す概略図である。

【図７】本発明の実施形態１に係る圧電素子に出力する
駆動波形の一例を示す概略図である。

【図８】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２０ノズルプレート２１ノズル開口３０リザーバ形成基板４０コンプライアンス基板６０下電極膜７０圧電体層８０上電極膜９０リード電極１００リザーバ３００圧電素子３００Ａ第１の圧電素子３００Ｂ第２の圧電素子３２０圧電体能動部３５０伸張部

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が形成
される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振
動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極か
らな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、前記圧力発生室の幅方向中央部に対向する領域に実質的
な駆動部である圧電体能動部を有する第１の圧電素子
と、前記圧力発生室の少なくとも幅方向両端部に対向す
る領域に前記圧電体能動部を有すると共に前記圧力発生
室の幅方向中央部に対向する領域に前記圧電体能動部の
圧電歪みを許容する伸張部を有する第２の圧電素子とが
交互に並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２】請求項１において、前記圧電体層は、結
晶が優先配向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。
【請求項３】請求項２において、前記圧電体層は、
（１００）面に優先配向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。
【請求項４】請求項２又は３において、前記圧電体層
は、結晶が菱面体晶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５】請求項２〜４の何れかにおいて、前記圧
電体層は、結晶が柱状となっ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、前記伸
張部に対応する領域の前記上電極又は前記下電極の少な
くとも何れか一方が除去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６において、前記伸張部に対応す
る領域の前記圧電体層の少なくとも一部が除去されてい
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８】請求項１〜７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。
【請求項９】請求項１〜８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１０】ノズル開口に連通する圧力発生室が形
成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に
振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極
からなる圧電素子とを具備し、前記圧力発生室の幅方向
中央部に対向する領域に実質的な駆動部である圧電体能
動部を有する第１の圧電素子と、前記圧力発生室の少な
くとも幅方向両端部に対向する領域に前記圧電体能動部
を有すると共に前記圧力発生室の幅方向中央部に対向す
る領域に前記圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸張部
を有する第２の圧電素子とが交互に並設されているイン
クジェット式記録ヘッドの駆動方法であって、隣接する前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とを
１組として、各組の前記第１の圧電素子と前記第２の圧
電素子とに同時に駆動信号を出力して前記ノズル開口か
らインク滴を吐出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１１】ノズル開口に連通する圧力発生室が形
成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に
振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極
からなる圧電素子とを具備し、前記圧力発生室の幅方向
中央部に対向する領域に実質的な駆動部である圧電体能
動部を有する第１の圧電素子と、前記圧力発生室の少な
くとも幅方向両端部に対向する領域に前記圧電体能動部
を有すると共に前記圧力発生室の幅方向中央部に対向す
る領域に前記圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸張部
を有する第２の圧電素子とが交互に並設されているイン
クジェット式記録ヘッドの駆動方法であって、隣接する前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とを
異なる駆動信号によって駆動して前記ノズル開口からイ
ンク滴を吐出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】ノズル開口に連通する圧力発生室が形
成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に
振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極
からなる圧電素子とを具備し、前記圧力発生室の幅方向
中央部に対向する領域に実質的な駆動部である圧電体能
動部を有する第１の圧電素子と、前記圧力発生室の少な
くとも幅方向両端部に対向する領域に前記圧電体能動部
を有すると共に前記圧力発生室の幅方向中央部に対向す
る領域に前記圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸張部
を有する第２の圧電素子とが交互に並設されているイン
クジェット式記録ヘッドの駆動方法であって、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一
方が停止しているタイミングで他方に駆動信号を出力し
て前記ノズル開口からインク滴を吐出することを特徴と
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１０〜１２の何れかにおいて、
前記第１の圧電素子又は前記第２の圧電素子の一方に出
力する駆動信号が、他方に出力する駆動信号の波形を反
転させたものであることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドの駆動方法。
【請求項１４】請求項１０〜１２の何れかにおいて、
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とに異なる波
形の駆動信号を出力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。