JP3451623B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、インクジェット記録装置に用いられるイン
クジェット記録ヘッドに関する。本発明はインクにエネ
ルギーを与える手段として、圧電体素子を用いてインク
室内を加圧する手段を持つインクジェット記録ヘッドに
関する。 背景技術 本発明に関する従来技術としては、米国特許第5,265,
315号明細書、特表平５−504740号公報に開示された技
術がある。 これらの従来例では、単結晶シリコン基板上に、熱酸
化法により酸化シリコン膜を2500Åの厚さで形成後、ア
ルミニウム、ニッケル、クロム、プラチナなどの下部電
極層を0.2μｍの厚さで形成し、次いで、ゾルゲル法に
より圧電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を２〜1
0μｍで形成し、さらに、上部電極膜を積層した後、シ
リコン基板の裏面より、エッチングによってシリコン基
板に貫通孔を形成し、インク室を形成している。 今日プリンタに要求される解像度の向上と印刷の高速
化とを実現させるためには、インク室の大きさを小さく
すると同時に、多数のインク室を高密度に配置させなけ
ればならない。インク室を小型化しながら、必要な特性
を得るには、同時に振動膜と圧電体膜との厚さを薄くし
なければならない。 振動膜及び圧電体膜の厚さが数μｍ以下となると、そ
の製造方法として前記の従来技術にある通り、基板に薄
膜を順次積層した後に圧電体膜を焼成し、しかる後にイ
ンク室を形成する方法が有効である。 しかし、上記の製法および構成で振動膜及び圧電体膜
を形成する場合、PZT膜の熱処理に伴って下部電極膜が
著しく収縮しようとし、大きな正の残留応力をもつよう
になる。 この下部電極膜の残留応力による膜張力は引っ張りの
張力であり、他の膜の残留応力による膜張力に比べて大
きい。このため、振動膜は、丁度強く張られた太鼓の皮
の様に、膜張力が振動膜の剛性を著しく大きくしてしま
う。 この様な振動膜の膜張力の影響は、振動膜の厚さが10
μｍ以上であるような従来のインクジェット記録ヘッド
では特に問題とならなかった。なぜならば、従来の厚い
振動膜では、膜の剛性は曲げ剛性が支配しており、この
曲げ剛性は厚さの三乗に比例する。これに対し、膜張力
による膜の剛性は厚さの一乗に比例する。従って、振動
膜の膜厚が厚くなることにより曲げ剛性が急激に大きく
なり、膜張力の影響は相対的には急激に小さくなるから
である。 PZTを駆動したときの圧電変位は、この膜張力に対し
て仕事をするため、エネルギを余分に必要とし、駆動電
圧に対する変位効率を著しく低下させるという問題点を
有している。 更に、基板上の膜張力は基板を反らせ、他の基板との
接合時に、接合不良が生じ歩留まりが著しく低下する問
題点を有している。 また、接合が正常に行われても、基板内で振動膜の膜
張力にばらつきが生じてしまい、複数のインク室の特性
が均一で無くなり、印刷品質を低下させるという問題点
を有している。 逆に、振動膜の膜張力が圧縮の張力になると、振動膜
に弛みが生じてしまい、インク滴の吐出が不安定になる
問題点を有している。更に、下部電極膜とPZT膜の界面
の剥離が発生したりするという問題点を有している。 本発明は、これらの課題を解決するためのものであ
り、その目的とするところは、高解像度で信頼性の高い
インクジェット記録ヘッドを提供することにある。 発明の開示 前記目的を達成する本発明は、基板内に内包され側壁
により区画された複数のインク室と、前記基板の表面に
形成されて前記インク室の一方側を封止すると共に少な
くとも上面が下部電極として作用する振動膜と、前記イ
ンク室に対応して前記振動膜上に配設された圧電体膜及
び当該圧電体膜上に形成された上部電極を有する圧電体
能動部とを具備するインクジェット記録ヘッドにおい
て、前記振動膜を、正の膜応力を持つ層と、負の膜応力
を持つ層との少なくとも二層を有する積層膜として構成
し、これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力は実
質的に零あるいは負であり、この振動膜の膜張力に前記
圧電体膜の膜張力を加えた膜張力が正であるように構成
したことを特徴とするインクジェット記録ヘッドにあ
る。 また、基板内に内包され側壁により区画された複数の
インク室と、前記基板面に形成され、前記インク室の一
方側を封止すると共に上面に上部電極を有する振動膜
と、前記インク室に対応して前記振動膜上に配設され且
つ前記下部電極と上部電極とに狭持された圧電体膜とを
有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記振動膜
を、正の膜応力を持つ層と、負の膜応力を持つ層との少
なくとも二層を有する積層膜として構成し、これらの膜
応力により前記振動膜が持つ膜張力は実質的に零あるい
は負であり、この振動膜の膜張力に前記圧電体膜及び前
記上部電極の膜張力を加えた膜張力が正であるように構
成したことを特徴とするインクジェット記録ヘッドにあ
る。 ここで、好適な実施態様では、前記振動膜は、単結晶
シリコン基板面を酸化して形成した酸化シリコン層と、
この酸化シリコン層上に積層した前記下部電極となる金
属層とを有し、前記単結晶シリコン基板内に側壁により
区画された複数のインク室を形成してもよい。 また、前記下部電極となる金属層は、例えば、前記酸
化シリコン層上に直接あるいは中間層を介して形成され
た白金層であり、前記酸化シリコン層と前記白金層と
が、 （下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン膜の厚み）≦0.5 の関係にあるのがよい。 さらに、前記振動膜は、前記圧電体能動部の周囲で前
記インク室の縁部に沿った領域の少なくとも一部に、当
該圧電体能動部に対応する部分の前記振動膜の厚さより
も薄い膜厚を有する薄膜部を有してもよい。 また、前記振動膜は、単結晶シリコン基板面を酸化し
て形成した酸化シリコン層と、この酸化シリコン層上に
積層された前記下部電極となる金属層とを有し、前記薄
膜部では前記下部電極の厚さ方向の少なくとも一部が除
去されていてもよい。 また、前記薄膜部は、例えば、前記圧電体能動部の幅
方向両側に形成されている。 本発明では、正の膜応力と負の膜応力の組み合わせ
で、零あるいは圧縮の膜張力とし、PZTを駆動したとき
の変位量を著しく低下させる振動膜の引っ張りの膜張力
を発生させず、基板の反りも同時に小さくできる。更に
圧電体膜の収縮による正の膜応力を組み合わせた時にこ
れらの積層膜に正の膜張力（引っ張りの膜張力）が生じ
ることにより、振動膜の弛みやPZT膜の剥離が抑えられ
る。 かかる本発明によれば、圧電体素子の駆動による振動
膜の変位特性が、振動膜を構成する部材の持つ膜張力に
より低下するのを抑えることができる。従って、駆動電
圧を低く抑えながら、インク滴の吐出能力を十分に高く
することができる。また、基板の反り量を十分に小さく
抑える事で、接合による特性の劣化や、接合不良による
歩留まり低下を低く抑えることができる。更に、振動膜
が引っ張りの膜張力になるのを抑えても、振動膜に弛み
を生じることが無いため、インク滴の吐出が不安定にな
ったり、下部電極膜とPZT膜の界面の剥離が発生したり
することが無く、均一性と信頼性を確保しながら、可及
的に記録ヘッドの性能を向上することができ、薄膜技術
を用いた高解像度・高密度のインクジェット記録ヘッド
を供給することができる。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の実施形態１に係るインクジェット
式記録ヘッドの分解斜視図である。 第２図は、本発明の実施形態１に係るインクジェット
式記録ヘッドの断面図である。 第３図は、本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す
図である。 第４図は、本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す
図である。 第５図は、本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す
図である。 第６図は、本発明の実施形態２に係るインクジェット
式記録ヘッドの要部断面図である。 第７図は、本発明の実施形態２の変形例を示す平面図
である。 第８図は、本発明の実施形態２の変形例を示す平面図
である。 発明を実施するための最良の形態 以下、本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明す
る。 （実施形態１） 第１図は、本発明の位置実施形態に係るインクジェッ
ト記録ヘッドを示す組立斜視図であり、第２図は、その
１つのインク室の長手方向における断面構造を示す図で
ある。 図示するように、単結晶シリコン基板からなる流路形
成基板10は、本実施形態では面方位（110）を有し、通
常、150〜300μｍ程度の厚さのものが用いられ、望まし
くは180〜280μｍ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、隣接するインク室間
の障壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからで
ある。 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の酸化シリコン膜50、及び下部電極
膜60により振動膜が構成されている。また、インク室12
の部分の振動膜には、インク室12の幅より狭い幅で圧電
体膜70が積層され、この圧電体膜70上には、上部電極膜
80が形成されている。 一方、流路形成基板10の開口面には、後述するよう
に、異方性エッチングすることにより、複数の複数の障
壁11により区画されたインク室12が同一ピッチで列13を
なして形成されている。インク室12の列13は、２列あ
り、２列のインク室12の回りには、三方を囲むように略
コ字状に配置されたリザーバ14と、各インク室12とリザ
ーバ14とを一定の流体抵抗で連通するインク供給口15が
それぞれ形成されている。なお、各インク室12の一端に
連通する各インク供給口15は、インク室12より浅く形成
されている。すなわち、インク供給口15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。ここで、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。 なお、流路形成基板10の対角線上の二つの隅部には、
流路形成基板10の位置合わせのための基準孔30が形成さ
れている。 また、流路形成基板10の開口面側には、各インク室12
のインク供給口15とは反対側で連通するノズル開口17が
穿設されたノズルプレート18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18
は、厚さが例えば、0.1〜1mmで、熱膨張係数が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18
は、一方の面で流路形成基板10の一面を全面的に覆い、
流路形成基板10を衝撃や外力から保護する補強板の役目
も果たす。なお、ノズルプレート18には、流路形成基板
10の基準孔30に対応する位置に基準孔19が形成されてい
る。 ここで、インク滴吐出圧力をインクに与えるインク室
12の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口17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36
0個のインク滴を記録する場合、ノズル開口17は数十μ
ｍの径で精度よく形成する必要がある。 一方、上述のように、流路形成基板10の開口面とは反
対側の酸化シリコン膜50の上には、厚さが例えば、約0.
5μｍの下部電極膜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の上部電極膜80
とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電体素子
を構成している。このように、酸化シリコン膜50の各イ
ンク室12に対向する領域には、各インク室12毎に独立し
て圧電体素子が設けられているが、本実施形態では、下
部電極膜60は圧電体素子の共通電極とし、上部電極膜80
を圧電体素子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く、各インク室12毎
に圧電体膜70及び上部電極膜80を有する圧電体能動部が
形成されていることになる。 本実施形態では、インク室12の配列方向の長さを75μ
ｍ、その奥行き方向の長さを2mmとし、圧電体膜70の配
列方向の長さは60μｍとし、インク室12上に形成した。
インク室12の配列方向のピッチは、141μｍ（１インチ
当たりのノズル配置を180本）とし、64本を一列に配置
した。すなわち、圧電体膜70及び上部電極膜80からなる
圧電体能動部が、インク室12の上部のみにあり、配列方
向のインク室12の無い部分には圧電体膜70が無いことに
より、電圧を印加してインク室12に対応する振動膜を変
形させる際に、小さい電圧で同じ変位量が得られるよう
になっている。 そして、このような流路形成基板10及びノズルプレー
ト18は、これらを保持する凹部を有する固定部材20に固
定される。なお、固定部材20にも、流路形成基板10の基
準孔30と対応する位置に基準孔20aが形成されている。 また、かかる各上部電極膜の80の上面の少なくとも周
縁、及び圧電体膜70の側面を覆うように電気絶縁性を備
えた絶縁体層90が形成されている。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。 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第３図及び第
４図を参照しながら説明する。 第３図（ａ）に示すように、まず、面方位（110）を
有する厚さ220μｍの流路形成基板10のウェハを約1200
℃で湿式熱酸化し、流路形成基板10の両面に酸化シリコ
ン膜50、51を一度に形成する。 次に、第３図（ｂ）に示すように、スパッタリングで
下部電極膜60を形成する。下部電極膜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、下部電極膜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。 また、本実施形態では、酸化シリコン膜51と下部電極
膜60の間に、密着力を向上させる中間層（図示せず）と
して、チタンと酸化チタンとチタンとを順次数十Å形成
した。中間層のチタン、酸化チタン、チタン及び下部電
極膜60は、直流スパッタリング法により４層連続形成
し、その中で酸化チタンは10％酸素雰囲気によるリアク
ティブスパッタリング法によって形成した。 したがって、本実施形態では、振動膜は、酸化シリコ
ン膜50、中間層及び下部電極膜60の多層から形成され
る。なお、中間層は必ずしも設ける必要はなく、酸化シ
リコン膜51及び下部電極膜60のみで振動膜を形成しても
よい。 次に、第３図（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・分解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。 ゾル−ゲル法による圧電体膜70は、酢酸鉛0.105モ
ル、ジルコニウムアセチルアセトナート0.045モル、酢
酸マグネシウム0.005モルと30ミリリットルの酢酸を、1
00℃に加熱して溶解させた後、室温まで冷却し、チタン
テトライソプロポキシド0.040モル、ペンタエトキシニ
オブ0.010モルをエチルセロソルブ50ミリリットルに溶
解させて添加し、アセチルアセトンを30ミリリットル添
加して安定化させた後、ポリプロピレングリコール（平
均分子量400）をゾル中の金属酸化物に対し30重量％添
加し、よく攪拌して得た均質なゾルを原料とした。下部
電極膜60上に調製したゾルをスピンコートで塗布し、40
0℃で仮焼成し、非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成し、こ
の塗布と仮焼成とを必要な膜厚となるまで繰り返した。
次に、RTA（Rapid Thermal Annealing）を用いて酸素雰
囲気中、５秒間で650℃に加熱して１分間保持すること
によりプレアニールを行った。さらに、RTAを用いて酸
素雰囲気中900℃に加熱して１分間保持することにより
アニールし、最終的なPZT圧電体薄膜を得た。このよう
にして得られる圧電体膜の物性を測定したところ比誘電
率2000、圧電ひずみ定数d31は−150pC/Nと優れた特性を
示した。 次に、第３図（ｄ）に示すように、直流スパッタリン
グ法により白金（Pt）を200Åの厚さで形成して上部電
極膜80を成膜する。なお、上部電極膜80は、導電性の高
い材料であればよく、Ptの他、Al、Au、Ni等の多くの金
属や、導電性酸化物等を使用できる。 次に、第４図に示すように、下部電極膜60、圧電体膜
70及び上部電極膜80をパターニングする。 まず、第４図（ａ）に示すように、酸化シリコン膜51
にフォトレジストを形成し、開口部を設け、酸化シリコ
ン膜51を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でパターニン
グし、開口部51aを形成する。この開口部51aの奥行き方
向、すなわち紙面に垂直な方向を流路形成基板10の＜11
2＞方向としておく。 次いで、第４図（ｂ）に示すように、下部電極膜60、
圧電体膜70及び上部電極膜80を一緒にエッチングして下
部電極膜60の全体パターンをパターニングする。次い
で、第４図（ｃ）に示すように、圧電体膜70及び上部電
極膜80のみ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。 以上のように、下部電極膜60をパターニングした後に
は、好ましくは、各上部電極膜80の上面の少なくとも周
縁、及び圧電体膜70および下部電極膜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（第２図
参照）。 そして、絶縁体層90の各圧電体能動部320の一端部に
対応する部分の上面を覆う部分の一部には、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を介して各上部電極膜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。 このような絶縁体層及びリード電極の形成プロセスを
第５図に示す。 まず、第５図（ａ）に示すように、上部電極膜80の周
縁部、圧電体膜70および下部電極膜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は、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。 次に、第５図（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、各インク室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90aを形
成する。なお、コンタクトホール90aは、インク室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。 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を形
成する。 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、第５図（ｃ）に示すように、80℃の水酸化
カリウム水溶液に浸せきすることで、酸化シリコン膜51
の開口部51aから流路形成基板10の異方性エッチングを
行い、酸化シリコン膜50が露出するまでエッチングを進
め、インク室12を形成する。 この異方性エッチングでは、上述のように、流路形成
基板10の面方位が（110）であり、更に開口部51aの奥行
き方向が＜112＞方向であるから、インク室102の奥行き
方向の辺を形成する側壁の面を（111）面とすることが
できる。 また、水酸化カリウム水溶液を用いた場合、単結晶シ
リコンの（110）面と（111）面のエッチング速度の比は
300:1程度となり、流路形成基板101の厚み220μｍの深
さの溝をサイドエッチング１μｍ程度に抑えることがで
きるので、インク室12を精度よく形成できる。 このようなインクジェット式記録ヘッドでは、上述の
一連の膜形成及び異方性エッチングで、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、第１
図に示すような一つのチップサイズの各流路形成基板10
に分割する。また、分割した流路形成基板10を、ノズル
プレート18及び固定部材20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。 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16から
インクを取り込み、リザーバ14からノズル開口17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、導電パターン100を介して
下部電極膜60と上部電極膜80との間に電圧を印加し、酸
化シリコン膜50と圧電体膜70とをたわみ変形させること
により、インク室12内の圧力が高まりノズル開口17から
インク滴が吐出する。 ここで、上述のようなインクジェット記録ヘッドの酸
化シリコン膜50,51、下部電極膜60、圧電体膜70の各膜
の膜張力について説明する。 酸化シリコン膜は、熱酸化により形成したため、シリ
コン基板上で膨張し、負の膜応力を持っている。即ち、
酸化シリコン膜はシリコン基板から圧縮力を受け、逆に
シリコン基板は酸化シリコン膜から引っ張り力を受けて
いる。この酸化シリコン膜の圧縮の膜張力がシリコン基
板の両面に等しく作用するため、シリコン基板は反るこ
とはない。 これに対し、下部電極膜と圧電体膜は、高温での熱処
理により、その降温過程で収縮し、常温ではシリコン基
板上で正の膜応力を持っている。即ち、下部電極膜と圧
電体膜はシリコン基板から引っ張り力を受け、逆にシリ
コン基板は下部電極膜と圧電体膜から圧縮力を受けてい
る。ここで、シリコン基板は他の膜と比較し十分に厚い
ため、膜張力の作用対象をシリコン基板と表現した。下
部電極膜と圧電体膜に働いている引っ張りの膜張力によ
り、膜を積層したシリコン基板は、下部電極膜（あるい
は圧電体膜）の面を凹にして反ることになる。 各膜の膜張力あるいは膜応力は、以下の様にして測定
した。 膜張力により、シリコン基板は反るが、この時の反り
の曲率半径をＲとすると、曲率半径Ｒと薄膜の膜張力
Ｔ、あるいは応力σとの間は、以下の関係式で表せる。 ここで、ｄは薄膜の厚さ、Ｄはシリコン基板の厚さ、
νｓはシリコン基板のポアソン比、Esはシリコン基板の
ヤング率である。 反り量の測定では、シリコンの弾性定数が異方性を持
つため、特定の結晶方位に沿った短冊状のサンプルを用
い、計算では、その方向でのヤング率とポアソン比を用
いて行った。 酸化シリコン膜50の膜張力は、シリコン基板10の一方
の面の酸化シリコン膜51をエッチングで除去した後の反
り量から求めた。 圧電体膜70の膜張力は、圧電体膜70をエッチングで除
去し、その前後での反り量の変化分を圧電体膜70による
反り量として求めた。 下部電極膜60の膜張力は、圧電体膜70を除去した後の
反り量から求めた。この時、酸化シリコン膜はシリコン
基板の両面に形成した状態とする必要がある。 以上のようにして求めた膜張力から膜応力を求めるに
は、膜のヤング率が必要である。膜のヤング率の測定
は、膜応力が影響しないよう注意深く行う必要がある。
両持ち梁を使った測定や周辺固定の膜を使った測定で
は、膜張力のため全く異なった値となるため、片持ち梁
のサンプルを用いて、その加重−撓み特性からヤング率
を求めた。 （第１の膜構成） 本発明の第１の膜構成を表１に示す。
クジェット記録ヘッドに関する。本発明はインクにエネ
ルギーを与える手段として、圧電体素子を用いてインク
室内を加圧する手段を持つインクジェット記録ヘッドに
関する。 背景技術 本発明に関する従来技術としては、米国特許第5,265,
315号明細書、特表平５−504740号公報に開示された技
術がある。 これらの従来例では、単結晶シリコン基板上に、熱酸
化法により酸化シリコン膜を2500Åの厚さで形成後、ア
ルミニウム、ニッケル、クロム、プラチナなどの下部電
極層を0.2μｍの厚さで形成し、次いで、ゾルゲル法に
より圧電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を２〜1
0μｍで形成し、さらに、上部電極膜を積層した後、シ
リコン基板の裏面より、エッチングによってシリコン基
板に貫通孔を形成し、インク室を形成している。 今日プリンタに要求される解像度の向上と印刷の高速
化とを実現させるためには、インク室の大きさを小さく
すると同時に、多数のインク室を高密度に配置させなけ
ればならない。インク室を小型化しながら、必要な特性
を得るには、同時に振動膜と圧電体膜との厚さを薄くし
なければならない。 振動膜及び圧電体膜の厚さが数μｍ以下となると、そ
の製造方法として前記の従来技術にある通り、基板に薄
膜を順次積層した後に圧電体膜を焼成し、しかる後にイ
ンク室を形成する方法が有効である。 しかし、上記の製法および構成で振動膜及び圧電体膜
を形成する場合、PZT膜の熱処理に伴って下部電極膜が
著しく収縮しようとし、大きな正の残留応力をもつよう
になる。 この下部電極膜の残留応力による膜張力は引っ張りの
張力であり、他の膜の残留応力による膜張力に比べて大
きい。このため、振動膜は、丁度強く張られた太鼓の皮
の様に、膜張力が振動膜の剛性を著しく大きくしてしま
う。 この様な振動膜の膜張力の影響は、振動膜の厚さが10
μｍ以上であるような従来のインクジェット記録ヘッド
では特に問題とならなかった。なぜならば、従来の厚い
振動膜では、膜の剛性は曲げ剛性が支配しており、この
曲げ剛性は厚さの三乗に比例する。これに対し、膜張力
による膜の剛性は厚さの一乗に比例する。従って、振動
膜の膜厚が厚くなることにより曲げ剛性が急激に大きく
なり、膜張力の影響は相対的には急激に小さくなるから
である。 PZTを駆動したときの圧電変位は、この膜張力に対し
て仕事をするため、エネルギを余分に必要とし、駆動電
圧に対する変位効率を著しく低下させるという問題点を
有している。 更に、基板上の膜張力は基板を反らせ、他の基板との
接合時に、接合不良が生じ歩留まりが著しく低下する問
題点を有している。 また、接合が正常に行われても、基板内で振動膜の膜
張力にばらつきが生じてしまい、複数のインク室の特性
が均一で無くなり、印刷品質を低下させるという問題点
を有している。 逆に、振動膜の膜張力が圧縮の張力になると、振動膜
に弛みが生じてしまい、インク滴の吐出が不安定になる
問題点を有している。更に、下部電極膜とPZT膜の界面
の剥離が発生したりするという問題点を有している。 本発明は、これらの課題を解決するためのものであ
り、その目的とするところは、高解像度で信頼性の高い
インクジェット記録ヘッドを提供することにある。 発明の開示 前記目的を達成する本発明は、基板内に内包され側壁
により区画された複数のインク室と、前記基板の表面に
形成されて前記インク室の一方側を封止すると共に少な
くとも上面が下部電極として作用する振動膜と、前記イ
ンク室に対応して前記振動膜上に配設された圧電体膜及
び当該圧電体膜上に形成された上部電極を有する圧電体
能動部とを具備するインクジェット記録ヘッドにおい
て、前記振動膜を、正の膜応力を持つ層と、負の膜応力
を持つ層との少なくとも二層を有する積層膜として構成
し、これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力は実
質的に零あるいは負であり、この振動膜の膜張力に前記
圧電体膜の膜張力を加えた膜張力が正であるように構成
したことを特徴とするインクジェット記録ヘッドにあ
る。 また、基板内に内包され側壁により区画された複数の
インク室と、前記基板面に形成され、前記インク室の一
方側を封止すると共に上面に上部電極を有する振動膜
と、前記インク室に対応して前記振動膜上に配設され且
つ前記下部電極と上部電極とに狭持された圧電体膜とを
有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記振動膜
を、正の膜応力を持つ層と、負の膜応力を持つ層との少
なくとも二層を有する積層膜として構成し、これらの膜
応力により前記振動膜が持つ膜張力は実質的に零あるい
は負であり、この振動膜の膜張力に前記圧電体膜及び前
記上部電極の膜張力を加えた膜張力が正であるように構
成したことを特徴とするインクジェット記録ヘッドにあ
る。 ここで、好適な実施態様では、前記振動膜は、単結晶
シリコン基板面を酸化して形成した酸化シリコン層と、
この酸化シリコン層上に積層した前記下部電極となる金
属層とを有し、前記単結晶シリコン基板内に側壁により
区画された複数のインク室を形成してもよい。 また、前記下部電極となる金属層は、例えば、前記酸
化シリコン層上に直接あるいは中間層を介して形成され
た白金層であり、前記酸化シリコン層と前記白金層と
が、 （下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン膜の厚み）≦0.5 の関係にあるのがよい。 さらに、前記振動膜は、前記圧電体能動部の周囲で前
記インク室の縁部に沿った領域の少なくとも一部に、当
該圧電体能動部に対応する部分の前記振動膜の厚さより
も薄い膜厚を有する薄膜部を有してもよい。 また、前記振動膜は、単結晶シリコン基板面を酸化し
て形成した酸化シリコン層と、この酸化シリコン層上に
積層された前記下部電極となる金属層とを有し、前記薄
膜部では前記下部電極の厚さ方向の少なくとも一部が除
去されていてもよい。 また、前記薄膜部は、例えば、前記圧電体能動部の幅
方向両側に形成されている。 本発明では、正の膜応力と負の膜応力の組み合わせ
で、零あるいは圧縮の膜張力とし、PZTを駆動したとき
の変位量を著しく低下させる振動膜の引っ張りの膜張力
を発生させず、基板の反りも同時に小さくできる。更に
圧電体膜の収縮による正の膜応力を組み合わせた時にこ
れらの積層膜に正の膜張力（引っ張りの膜張力）が生じ
ることにより、振動膜の弛みやPZT膜の剥離が抑えられ
る。 かかる本発明によれば、圧電体素子の駆動による振動
膜の変位特性が、振動膜を構成する部材の持つ膜張力に
より低下するのを抑えることができる。従って、駆動電
圧を低く抑えながら、インク滴の吐出能力を十分に高く
することができる。また、基板の反り量を十分に小さく
抑える事で、接合による特性の劣化や、接合不良による
歩留まり低下を低く抑えることができる。更に、振動膜
が引っ張りの膜張力になるのを抑えても、振動膜に弛み
を生じることが無いため、インク滴の吐出が不安定にな
ったり、下部電極膜とPZT膜の界面の剥離が発生したり
することが無く、均一性と信頼性を確保しながら、可及
的に記録ヘッドの性能を向上することができ、薄膜技術
を用いた高解像度・高密度のインクジェット記録ヘッド
を供給することができる。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の実施形態１に係るインクジェット
式記録ヘッドの分解斜視図である。 第２図は、本発明の実施形態１に係るインクジェット
式記録ヘッドの断面図である。 第３図は、本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す
図である。 第４図は、本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す
図である。 第５図は、本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す
図である。 第６図は、本発明の実施形態２に係るインクジェット
式記録ヘッドの要部断面図である。 第７図は、本発明の実施形態２の変形例を示す平面図
である。 第８図は、本発明の実施形態２の変形例を示す平面図
である。 発明を実施するための最良の形態 以下、本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明す
る。 （実施形態１） 第１図は、本発明の位置実施形態に係るインクジェッ
ト記録ヘッドを示す組立斜視図であり、第２図は、その
１つのインク室の長手方向における断面構造を示す図で
ある。 図示するように、単結晶シリコン基板からなる流路形
成基板10は、本実施形態では面方位（110）を有し、通
常、150〜300μｍ程度の厚さのものが用いられ、望まし
くは180〜280μｍ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、隣接するインク室間
の障壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからで
ある。 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の酸化シリコン膜50、及び下部電極
膜60により振動膜が構成されている。また、インク室12
の部分の振動膜には、インク室12の幅より狭い幅で圧電
体膜70が積層され、この圧電体膜70上には、上部電極膜
80が形成されている。 一方、流路形成基板10の開口面には、後述するよう
に、異方性エッチングすることにより、複数の複数の障
壁11により区画されたインク室12が同一ピッチで列13を
なして形成されている。インク室12の列13は、２列あ
り、２列のインク室12の回りには、三方を囲むように略
コ字状に配置されたリザーバ14と、各インク室12とリザ
ーバ14とを一定の流体抵抗で連通するインク供給口15が
それぞれ形成されている。なお、各インク室12の一端に
連通する各インク供給口15は、インク室12より浅く形成
されている。すなわち、インク供給口15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。ここで、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。 なお、流路形成基板10の対角線上の二つの隅部には、
流路形成基板10の位置合わせのための基準孔30が形成さ
れている。 また、流路形成基板10の開口面側には、各インク室12
のインク供給口15とは反対側で連通するノズル開口17が
穿設されたノズルプレート18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18
は、厚さが例えば、0.1〜1mmで、熱膨張係数が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18
は、一方の面で流路形成基板10の一面を全面的に覆い、
流路形成基板10を衝撃や外力から保護する補強板の役目
も果たす。なお、ノズルプレート18には、流路形成基板
10の基準孔30に対応する位置に基準孔19が形成されてい
る。 ここで、インク滴吐出圧力をインクに与えるインク室
12の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口17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36
0個のインク滴を記録する場合、ノズル開口17は数十μ
ｍの径で精度よく形成する必要がある。 一方、上述のように、流路形成基板10の開口面とは反
対側の酸化シリコン膜50の上には、厚さが例えば、約0.
5μｍの下部電極膜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の上部電極膜80
とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電体素子
を構成している。このように、酸化シリコン膜50の各イ
ンク室12に対向する領域には、各インク室12毎に独立し
て圧電体素子が設けられているが、本実施形態では、下
部電極膜60は圧電体素子の共通電極とし、上部電極膜80
を圧電体素子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く、各インク室12毎
に圧電体膜70及び上部電極膜80を有する圧電体能動部が
形成されていることになる。 本実施形態では、インク室12の配列方向の長さを75μ
ｍ、その奥行き方向の長さを2mmとし、圧電体膜70の配
列方向の長さは60μｍとし、インク室12上に形成した。
インク室12の配列方向のピッチは、141μｍ（１インチ
当たりのノズル配置を180本）とし、64本を一列に配置
した。すなわち、圧電体膜70及び上部電極膜80からなる
圧電体能動部が、インク室12の上部のみにあり、配列方
向のインク室12の無い部分には圧電体膜70が無いことに
より、電圧を印加してインク室12に対応する振動膜を変
形させる際に、小さい電圧で同じ変位量が得られるよう
になっている。 そして、このような流路形成基板10及びノズルプレー
ト18は、これらを保持する凹部を有する固定部材20に固
定される。なお、固定部材20にも、流路形成基板10の基
準孔30と対応する位置に基準孔20aが形成されている。 また、かかる各上部電極膜の80の上面の少なくとも周
縁、及び圧電体膜70の側面を覆うように電気絶縁性を備
えた絶縁体層90が形成されている。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。 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第３図及び第
４図を参照しながら説明する。 第３図（ａ）に示すように、まず、面方位（110）を
有する厚さ220μｍの流路形成基板10のウェハを約1200
℃で湿式熱酸化し、流路形成基板10の両面に酸化シリコ
ン膜50、51を一度に形成する。 次に、第３図（ｂ）に示すように、スパッタリングで
下部電極膜60を形成する。下部電極膜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、下部電極膜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。 また、本実施形態では、酸化シリコン膜51と下部電極
膜60の間に、密着力を向上させる中間層（図示せず）と
して、チタンと酸化チタンとチタンとを順次数十Å形成
した。中間層のチタン、酸化チタン、チタン及び下部電
極膜60は、直流スパッタリング法により４層連続形成
し、その中で酸化チタンは10％酸素雰囲気によるリアク
ティブスパッタリング法によって形成した。 したがって、本実施形態では、振動膜は、酸化シリコ
ン膜50、中間層及び下部電極膜60の多層から形成され
る。なお、中間層は必ずしも設ける必要はなく、酸化シ
リコン膜51及び下部電極膜60のみで振動膜を形成しても
よい。 次に、第３図（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・分解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。 ゾル−ゲル法による圧電体膜70は、酢酸鉛0.105モ
ル、ジルコニウムアセチルアセトナート0.045モル、酢
酸マグネシウム0.005モルと30ミリリットルの酢酸を、1
00℃に加熱して溶解させた後、室温まで冷却し、チタン
テトライソプロポキシド0.040モル、ペンタエトキシニ
オブ0.010モルをエチルセロソルブ50ミリリットルに溶
解させて添加し、アセチルアセトンを30ミリリットル添
加して安定化させた後、ポリプロピレングリコール（平
均分子量400）をゾル中の金属酸化物に対し30重量％添
加し、よく攪拌して得た均質なゾルを原料とした。下部
電極膜60上に調製したゾルをスピンコートで塗布し、40
0℃で仮焼成し、非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成し、こ
の塗布と仮焼成とを必要な膜厚となるまで繰り返した。
次に、RTA（Rapid Thermal Annealing）を用いて酸素雰
囲気中、５秒間で650℃に加熱して１分間保持すること
によりプレアニールを行った。さらに、RTAを用いて酸
素雰囲気中900℃に加熱して１分間保持することにより
アニールし、最終的なPZT圧電体薄膜を得た。このよう
にして得られる圧電体膜の物性を測定したところ比誘電
率2000、圧電ひずみ定数d31は−150pC/Nと優れた特性を
示した。 次に、第３図（ｄ）に示すように、直流スパッタリン
グ法により白金（Pt）を200Åの厚さで形成して上部電
極膜80を成膜する。なお、上部電極膜80は、導電性の高
い材料であればよく、Ptの他、Al、Au、Ni等の多くの金
属や、導電性酸化物等を使用できる。 次に、第４図に示すように、下部電極膜60、圧電体膜
70及び上部電極膜80をパターニングする。 まず、第４図（ａ）に示すように、酸化シリコン膜51
にフォトレジストを形成し、開口部を設け、酸化シリコ
ン膜51を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でパターニン
グし、開口部51aを形成する。この開口部51aの奥行き方
向、すなわち紙面に垂直な方向を流路形成基板10の＜11
2＞方向としておく。 次いで、第４図（ｂ）に示すように、下部電極膜60、
圧電体膜70及び上部電極膜80を一緒にエッチングして下
部電極膜60の全体パターンをパターニングする。次い
で、第４図（ｃ）に示すように、圧電体膜70及び上部電
極膜80のみ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。 以上のように、下部電極膜60をパターニングした後に
は、好ましくは、各上部電極膜80の上面の少なくとも周
縁、及び圧電体膜70および下部電極膜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（第２図
参照）。 そして、絶縁体層90の各圧電体能動部320の一端部に
対応する部分の上面を覆う部分の一部には、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を介して各上部電極膜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。 このような絶縁体層及びリード電極の形成プロセスを
第５図に示す。 まず、第５図（ａ）に示すように、上部電極膜80の周
縁部、圧電体膜70および下部電極膜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は、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。 次に、第５図（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、各インク室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90aを形
成する。なお、コンタクトホール90aは、インク室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。 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を形
成する。 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、第５図（ｃ）に示すように、80℃の水酸化
カリウム水溶液に浸せきすることで、酸化シリコン膜51
の開口部51aから流路形成基板10の異方性エッチングを
行い、酸化シリコン膜50が露出するまでエッチングを進
め、インク室12を形成する。 この異方性エッチングでは、上述のように、流路形成
基板10の面方位が（110）であり、更に開口部51aの奥行
き方向が＜112＞方向であるから、インク室102の奥行き
方向の辺を形成する側壁の面を（111）面とすることが
できる。 また、水酸化カリウム水溶液を用いた場合、単結晶シ
リコンの（110）面と（111）面のエッチング速度の比は
300:1程度となり、流路形成基板101の厚み220μｍの深
さの溝をサイドエッチング１μｍ程度に抑えることがで
きるので、インク室12を精度よく形成できる。 このようなインクジェット式記録ヘッドでは、上述の
一連の膜形成及び異方性エッチングで、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、第１
図に示すような一つのチップサイズの各流路形成基板10
に分割する。また、分割した流路形成基板10を、ノズル
プレート18及び固定部材20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。 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16から
インクを取り込み、リザーバ14からノズル開口17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、導電パターン100を介して
下部電極膜60と上部電極膜80との間に電圧を印加し、酸
化シリコン膜50と圧電体膜70とをたわみ変形させること
により、インク室12内の圧力が高まりノズル開口17から
インク滴が吐出する。 ここで、上述のようなインクジェット記録ヘッドの酸
化シリコン膜50,51、下部電極膜60、圧電体膜70の各膜
の膜張力について説明する。 酸化シリコン膜は、熱酸化により形成したため、シリ
コン基板上で膨張し、負の膜応力を持っている。即ち、
酸化シリコン膜はシリコン基板から圧縮力を受け、逆に
シリコン基板は酸化シリコン膜から引っ張り力を受けて
いる。この酸化シリコン膜の圧縮の膜張力がシリコン基
板の両面に等しく作用するため、シリコン基板は反るこ
とはない。 これに対し、下部電極膜と圧電体膜は、高温での熱処
理により、その降温過程で収縮し、常温ではシリコン基
板上で正の膜応力を持っている。即ち、下部電極膜と圧
電体膜はシリコン基板から引っ張り力を受け、逆にシリ
コン基板は下部電極膜と圧電体膜から圧縮力を受けてい
る。ここで、シリコン基板は他の膜と比較し十分に厚い
ため、膜張力の作用対象をシリコン基板と表現した。下
部電極膜と圧電体膜に働いている引っ張りの膜張力によ
り、膜を積層したシリコン基板は、下部電極膜（あるい
は圧電体膜）の面を凹にして反ることになる。 各膜の膜張力あるいは膜応力は、以下の様にして測定
した。 膜張力により、シリコン基板は反るが、この時の反り
の曲率半径をＲとすると、曲率半径Ｒと薄膜の膜張力
Ｔ、あるいは応力σとの間は、以下の関係式で表せる。 ここで、ｄは薄膜の厚さ、Ｄはシリコン基板の厚さ、
νｓはシリコン基板のポアソン比、Esはシリコン基板の
ヤング率である。 反り量の測定では、シリコンの弾性定数が異方性を持
つため、特定の結晶方位に沿った短冊状のサンプルを用
い、計算では、その方向でのヤング率とポアソン比を用
いて行った。 酸化シリコン膜50の膜張力は、シリコン基板10の一方
の面の酸化シリコン膜51をエッチングで除去した後の反
り量から求めた。 圧電体膜70の膜張力は、圧電体膜70をエッチングで除
去し、その前後での反り量の変化分を圧電体膜70による
反り量として求めた。 下部電極膜60の膜張力は、圧電体膜70を除去した後の
反り量から求めた。この時、酸化シリコン膜はシリコン
基板の両面に形成した状態とする必要がある。 以上のようにして求めた膜張力から膜応力を求めるに
は、膜のヤング率が必要である。膜のヤング率の測定
は、膜応力が影響しないよう注意深く行う必要がある。
両持ち梁を使った測定や周辺固定の膜を使った測定で
は、膜張力のため全く異なった値となるため、片持ち梁
のサンプルを用いて、その加重−撓み特性からヤング率
を求めた。 （第１の膜構成） 本発明の第１の膜構成を表１に示す。
【表１】
本構成では、（下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン
膜の厚み）を0.5とした。下部電極膜と酸化シリコン膜
は、その膜厚や熱処理方法によっては多少の膜応力の変
動が見られるが、この膜厚比を0.5とすることで、ほぼ
下部電極膜60と酸化シリコン膜50の膜張力を釣り合わせ
ることが出来る。従って、振動膜の膜張力が実質的に零
となるような構成となる。インク室12の並び方向での基
板の反り量は、インク室12が配置されている範囲で３μ
ｍ振動膜側が凹となった。本実施形態ではシリコン基板
10とノズルプレート18等とを接着剤で接合したが、この
反り量では接合の不良は全く生じなかった。また、接合
後の振動膜の変位特性も変化は見られなかった。 本構成の圧電体素子に電圧10Vを印加したときの変位
量は110nmであった。これに対し、本構成でインク室12
に面した酸化シリコン膜50の部分を、エッチングで除去
したものを作成し、電圧10Vを印加したときの変位量は8
0nmであった。また、振動膜の剛性（コンプライアン
ス）を測定した結果、酸化シリコン膜50の除去前後で、
剛性の変化は僅かであった。一般には、酸化シリコン膜
を除去することで、振動膜の曲げ剛性が小さくなり、そ
の分、電圧印加による変位量が大きくなるはずである。
本実施形態では、膜張力が大きく膜厚が薄いため、負の
膜張力を持つ酸化シリコン膜が無いと下部電極膜60の正
の膜張力で、振動膜に強い引っ張り張力が作用してしま
い、この膜張力が曲げ剛性の低下分を相殺するように働
く。本構成の様に、振動膜の膜張力が実質的に零となる
（あるいは負となる）ように構成することによって、圧
電体素子による振動膜の変位効率を著しく向上させるこ
とができる。 （第２の膜構成） 本発明の第２の膜構成を表２に示す。
膜の厚み）を0.5とした。下部電極膜と酸化シリコン膜
は、その膜厚や熱処理方法によっては多少の膜応力の変
動が見られるが、この膜厚比を0.5とすることで、ほぼ
下部電極膜60と酸化シリコン膜50の膜張力を釣り合わせ
ることが出来る。従って、振動膜の膜張力が実質的に零
となるような構成となる。インク室12の並び方向での基
板の反り量は、インク室12が配置されている範囲で３μ
ｍ振動膜側が凹となった。本実施形態ではシリコン基板
10とノズルプレート18等とを接着剤で接合したが、この
反り量では接合の不良は全く生じなかった。また、接合
後の振動膜の変位特性も変化は見られなかった。 本構成の圧電体素子に電圧10Vを印加したときの変位
量は110nmであった。これに対し、本構成でインク室12
に面した酸化シリコン膜50の部分を、エッチングで除去
したものを作成し、電圧10Vを印加したときの変位量は8
0nmであった。また、振動膜の剛性（コンプライアン
ス）を測定した結果、酸化シリコン膜50の除去前後で、
剛性の変化は僅かであった。一般には、酸化シリコン膜
を除去することで、振動膜の曲げ剛性が小さくなり、そ
の分、電圧印加による変位量が大きくなるはずである。
本実施形態では、膜張力が大きく膜厚が薄いため、負の
膜張力を持つ酸化シリコン膜が無いと下部電極膜60の正
の膜張力で、振動膜に強い引っ張り張力が作用してしま
い、この膜張力が曲げ剛性の低下分を相殺するように働
く。本構成の様に、振動膜の膜張力が実質的に零となる
（あるいは負となる）ように構成することによって、圧
電体素子による振動膜の変位効率を著しく向上させるこ
とができる。 （第２の膜構成） 本発明の第２の膜構成を表２に示す。
【表２】
本構成では、（下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン
膜の厚み）を0.27とした。酸化シリコン膜の膜張力が下
部電極膜の膜張力より、その絶対値が大きいため、振動
膜としては負の膜張力が働いている。この振動膜の膜張
力にPZT圧電体膜の膜張力を合わせると膜全体としては
正の膜張力となり、振動膜に弛みを生じることは無く、
インク滴の吐出が正常かつ安定して実現できた。また、
シリコン基板10のエッチングプロセスを経ても、膜の剥
離は見られなかった。 インク室12の並び方向での基板の反り量は、インク室
が配置されている範囲で１μｍ振動膜側が僅かに凹とな
ったが、実質的には零であり、接合で問題が生じること
は無かった。 本構成の圧電体素子に電圧10Vを印加したときの変位
量は120nmで、第１の構成よりおよそ１割向上した。ま
た、振動膜の剛性（コンプライアンス）は第１の構成よ
り１割大きく（コンプライアンスでは１割小さく）なっ
た。従って、低い駆動電圧で高いインク室圧力を発生す
ることができ、総合すると第１の構成より２割の特性向
上が見られた。 （第３の膜構成） 本発明の第３の膜構成を表３に示す。
膜の厚み）を0.27とした。酸化シリコン膜の膜張力が下
部電極膜の膜張力より、その絶対値が大きいため、振動
膜としては負の膜張力が働いている。この振動膜の膜張
力にPZT圧電体膜の膜張力を合わせると膜全体としては
正の膜張力となり、振動膜に弛みを生じることは無く、
インク滴の吐出が正常かつ安定して実現できた。また、
シリコン基板10のエッチングプロセスを経ても、膜の剥
離は見られなかった。 インク室12の並び方向での基板の反り量は、インク室
が配置されている範囲で１μｍ振動膜側が僅かに凹とな
ったが、実質的には零であり、接合で問題が生じること
は無かった。 本構成の圧電体素子に電圧10Vを印加したときの変位
量は120nmで、第１の構成よりおよそ１割向上した。ま
た、振動膜の剛性（コンプライアンス）は第１の構成よ
り１割大きく（コンプライアンスでは１割小さく）なっ
た。従って、低い駆動電圧で高いインク室圧力を発生す
ることができ、総合すると第１の構成より２割の特性向
上が見られた。 （第３の膜構成） 本発明の第３の膜構成を表３に示す。
【表３】
本構成では、第２の膜構成に対してPZT圧電体膜の厚
さを薄くした。この構成では、下部電極膜とPZT圧電体
膜の正の膜張力より酸化シリコン膜の負の膜張力が強
く、振動膜に弛みが生じてしまう。この弛みは顕微鏡等
では確認が難しい場合が有ったが、インク滴の吐出が不
安定になり、インク室12間での特性の差が非常に大きく
なる。また、シリコン基板10のエッチングプロセスで膜
の剥離が生じることが有り、歩留まりが低下してしまっ
た。 （第４の膜構成） 本発明の第４の膜構成を表４に示す。
さを薄くした。この構成では、下部電極膜とPZT圧電体
膜の正の膜張力より酸化シリコン膜の負の膜張力が強
く、振動膜に弛みが生じてしまう。この弛みは顕微鏡等
では確認が難しい場合が有ったが、インク滴の吐出が不
安定になり、インク室12間での特性の差が非常に大きく
なる。また、シリコン基板10のエッチングプロセスで膜
の剥離が生じることが有り、歩留まりが低下してしまっ
た。 （第４の膜構成） 本発明の第４の膜構成を表４に示す。
【表４】
本構成では、第１の膜構成に対して酸化シリコン膜の
厚さを薄くし、（下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン
膜の厚み）を１とした。酸化シリコン膜の膜張力は下部
電極膜の膜張力より、その絶対値が小さいため、振動膜
としては正の膜張力が働いている。この振動膜の膜張力
により、インク室12の並び方向での基板の反り量は、イ
ンク室が配置されている範囲で９μｍ振動膜側が凹とな
った。この反りのため、部分的な接合不良が生じ、歩留
まりが低下した。また、接合によって反りが変化するた
め、振動膜の膜張力がインク室毎にばらついてしまい、
変位量のばらつき、膜剛性のばらつきが大きくなった。
そのため、インク滴の吐出がインクジェット記録ヘッド
内で異なってしまい、印刷品質の低下を起こした。 以上で述べた実施例は、酸化シリコン膜と白金膜の組
み合わせであるが、他の組み合わせも可能である。 一般に基板面に第２の元素を進入させて膜を形成する
場合（前記実施形態では酸素が相当する）に、膜に負の
応力が発生する。従って、酸化シリコン膜の他にシリコ
ン基板面にボロンドープや窒化を行った膜でも同様の効
果が得られる。 また、白金の他にはパラジウム膜や両者を合わせた膜
でも良い。 また、上記実施形態では上部電極膜80の膜張力は他の
膜張力に比較して十分小さいために、その影響を考慮し
なかったが、上部電極膜80の材料、膜厚、あるいは形成
方法を選ぶことで上部電極膜80の引っ張りの膜張力を大
きくして、この上部電極膜80と圧電体膜70とを合わせた
膜張力と振動膜の膜張力とを加えて、正の膜張力として
も、同様の効果が得られる。 （実施形態２） 第６図には、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。 本実施形態は、圧電体膜70および上部電極膜80からな
る圧電体能動部320の幅方向両側に隣接して、下部電極
膜60を除去した下部電極膜除去部350を設けた以外は実
施形態１と同様である。 下電極除去部350は、上部電極80及び圧電体膜70がパ
ターニングされた後、エッチングにより所定パターンに
形成される。第６図（ａ）に示すように本実施形態で
は、下電極除去部350が設けられた部分は、振動膜のい
わゆる腕部と呼ばれている部分であり、インク室12の幅
方向両側に沿った縁部近傍に対向する部分であり、第６
図（ｂ）のＡ−Ａ‘断面に示すように、圧電体能動部32
0の両側の下部電極膜60が除去されている。 このように下部電極膜除去部350を設けることによ
り、圧電体能動部320への電圧印加による変位量の向上
を図ることができる。 なお、本実施形態では、下電極除去部350は、下部電
極膜60を完全に除去することにより形成したが、第６図
（ｃ）に示すように、ハーフエッチング等により、下部
電極膜60の一部を除去して薄膜とした下部電極膜除去部
350Aとしてもよい。 この下電極除去部のパターンは、上述の例に限定され
ず、例えば、第７図に示すように、下電極除去部350Bを
圧電体能動部320の両端部よりも長手方向外側まで形成
してもよい。 また、例えば、第８図に示すように、下電極除去部35
0Cを圧力発生室12の一端部を除いて３方の縁部に沿って
コ字状に設けてもよい。 （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。 例えば、上述した実施形態では、ノズル開口17を流路
形成基板10の面に垂直な方向に設けているが、ノズル開
口17を流路形成基板10の端面に形成して、インクが面に
平行な方向に吐出するように形成してもよい。 また、圧電体素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、各上部電極膜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。 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。 産業上の利用可能性 以上説明したように、本発明に係るインクジェット記
録ヘッドは、紙、金属、樹脂、布地等の記録媒体にイン
クを用いて、文字・画像情報を記録するインクジェット
記録装置に用いて好適である。 さらに、小型、高密度、改善された特性を生かし、小
型且つ高性能のインクジェット記録装置に用いられるイ
ンクジェット記録ヘッドとして最適である。
厚さを薄くし、（下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン
膜の厚み）を１とした。酸化シリコン膜の膜張力は下部
電極膜の膜張力より、その絶対値が小さいため、振動膜
としては正の膜張力が働いている。この振動膜の膜張力
により、インク室12の並び方向での基板の反り量は、イ
ンク室が配置されている範囲で９μｍ振動膜側が凹とな
った。この反りのため、部分的な接合不良が生じ、歩留
まりが低下した。また、接合によって反りが変化するた
め、振動膜の膜張力がインク室毎にばらついてしまい、
変位量のばらつき、膜剛性のばらつきが大きくなった。
そのため、インク滴の吐出がインクジェット記録ヘッド
内で異なってしまい、印刷品質の低下を起こした。 以上で述べた実施例は、酸化シリコン膜と白金膜の組
み合わせであるが、他の組み合わせも可能である。 一般に基板面に第２の元素を進入させて膜を形成する
場合（前記実施形態では酸素が相当する）に、膜に負の
応力が発生する。従って、酸化シリコン膜の他にシリコ
ン基板面にボロンドープや窒化を行った膜でも同様の効
果が得られる。 また、白金の他にはパラジウム膜や両者を合わせた膜
でも良い。 また、上記実施形態では上部電極膜80の膜張力は他の
膜張力に比較して十分小さいために、その影響を考慮し
なかったが、上部電極膜80の材料、膜厚、あるいは形成
方法を選ぶことで上部電極膜80の引っ張りの膜張力を大
きくして、この上部電極膜80と圧電体膜70とを合わせた
膜張力と振動膜の膜張力とを加えて、正の膜張力として
も、同様の効果が得られる。 （実施形態２） 第６図には、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。 本実施形態は、圧電体膜70および上部電極膜80からな
る圧電体能動部320の幅方向両側に隣接して、下部電極
膜60を除去した下部電極膜除去部350を設けた以外は実
施形態１と同様である。 下電極除去部350は、上部電極80及び圧電体膜70がパ
ターニングされた後、エッチングにより所定パターンに
形成される。第６図（ａ）に示すように本実施形態で
は、下電極除去部350が設けられた部分は、振動膜のい
わゆる腕部と呼ばれている部分であり、インク室12の幅
方向両側に沿った縁部近傍に対向する部分であり、第６
図（ｂ）のＡ−Ａ‘断面に示すように、圧電体能動部32
0の両側の下部電極膜60が除去されている。 このように下部電極膜除去部350を設けることによ
り、圧電体能動部320への電圧印加による変位量の向上
を図ることができる。 なお、本実施形態では、下電極除去部350は、下部電
極膜60を完全に除去することにより形成したが、第６図
（ｃ）に示すように、ハーフエッチング等により、下部
電極膜60の一部を除去して薄膜とした下部電極膜除去部
350Aとしてもよい。 この下電極除去部のパターンは、上述の例に限定され
ず、例えば、第７図に示すように、下電極除去部350Bを
圧電体能動部320の両端部よりも長手方向外側まで形成
してもよい。 また、例えば、第８図に示すように、下電極除去部35
0Cを圧力発生室12の一端部を除いて３方の縁部に沿って
コ字状に設けてもよい。 （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。 例えば、上述した実施形態では、ノズル開口17を流路
形成基板10の面に垂直な方向に設けているが、ノズル開
口17を流路形成基板10の端面に形成して、インクが面に
平行な方向に吐出するように形成してもよい。 また、圧電体素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、各上部電極膜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。 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。 産業上の利用可能性 以上説明したように、本発明に係るインクジェット記
録ヘッドは、紙、金属、樹脂、布地等の記録媒体にイン
クを用いて、文字・画像情報を記録するインクジェット
記録装置に用いて好適である。 さらに、小型、高密度、改善された特性を生かし、小
型且つ高性能のインクジェット記録装置に用いられるイ
ンクジェット記録ヘッドとして最適である。
Claims (7)
- 【請求項１】基板内に内包され側壁により区画された複
数のインク室と、前記基板の表面に形成されて前記イン
ク室の一方側を封止すると共に少なくとも上面が下部電
極として作用する振動膜と、前記インク室に対応して前
記振動膜上に配設された圧電体膜及び当該圧電体膜上に
形成された上部電極を有する圧電体能動部とを具備する
インクジェット記録ヘッドにおいて、 前記振動膜を、正の膜応力を持つ層と、負の膜応力を持
つ層との少なくとも二層を有する積層膜として構成し、
これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力は実質的
に零あるいは負であり、この振動膜の膜張力に前記圧電
体膜の膜張力を加えた膜張力が正であるように構成した
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項２】基板内に内包され側壁により区画された複
数のインク室と、前記基板面に形成され、前記インク室
の一方側を封止すると共に上面に上部電極を有する振動
膜と、前記インク室に対応して前記振動膜上に配設され
且つ前記下部電極と上部電極とに狭持された圧電体膜と
を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、 前記振動膜を、正の膜応力を持つ層と、負の膜応力を持
つ層との少なくとも二層を有する積層膜として構成し、
これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力は実質的
に零あるいは負であり、この振動膜の膜張力に前記圧電
体膜及び前記上部電極の膜張力を加えた膜張力が正であ
るように構成したことを特徴とするインクジェット記録
ヘッド。 - 【請求項３】前記振動膜は、単結晶シリコン基板面を酸
化して形成した酸化シリコン層と、この酸化シリコン層
上に積層した前記下部電極となる金属層とを有し、前記
単結晶シリコン基板内に側壁により区画された複数のイ
ンク室を形成したことを特徴とする請求項１記載あるい
は請求項２記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項４】前記下部電極となる金属層は、前記酸化シ
リコン層上に直接あるいは中間層を介して形成された白
金層であり、前記酸化シリコン層と前記白金層とが、 （下部電極膜の厚み）／（酸化シリコン膜の厚み）≦0.5 の関係にあることを特徴とする請求項３記載のインクジ
ェット記録ヘッド。 - 【請求項５】前記振動膜は、前記圧電体能動部の周囲で
前記インク室の縁部に沿った領域の少なくとも一部に、
当該圧電体能動部に対応する部分の前記振動膜の厚さよ
りも薄い膜厚を有する薄膜部を有することを特徴とする
請求項１〜４の何れかに記載のインクジェット記録ヘッ
ド。 - 【請求項６】前記振動膜は、単結晶シリコン基板面を酸
化して形成した酸化シリコン層と、この酸化シリコン層
上に積層された前記下部電極となる金属層とを有し、前
記薄膜部では前記下部電極の厚さ方向の少なくとも一部
が除去されていることを特徴とする請求項５に記載のイ
ンクジェット記録ヘッド。 - 【請求項７】前記薄膜部は、前記圧電体能動部の幅方向
両側に形成されていることを特徴とする請求項５又は６
に記載のインクジェット記録ヘッド。
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|---|---|---|---|
| JP8-285698 | 1996-10-28 | ||
| JP28569896 | 1996-10-28 | ||
| PCT/JP1997/003916 WO1998018632A1 (fr) | 1996-10-28 | 1997-10-28 | Tete d'enregistrement a jet d'encre |
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|---|---|
| JP3451623B2 true JP3451623B2 (ja) | 2003-09-29 |
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| EP0943437B1 (en) * | 1997-07-25 | 2003-02-12 | Seiko Epson Corporation | Ink jet recording head and ink jet recorder |
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| JP2018167576A (ja) * | 2017-03-29 | 2018-11-01 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 |
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