JP3552017B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents
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Description
【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、この振動板の表面の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、圧電振動子が軸方向に伸長、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弾性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。
【０００７】
また、この場合、圧電材料層は弾性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が、単位駆動電圧当たりの変位量および圧力発生室に対向する部分とその外部とを跨ぐ部分で圧電体層へかかる応力の問題から、圧電体層および上電極からなる圧電体能動部を、少なくとも一端部以外は圧力発生室外に出ないように形成するのが望ましい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように帯状に形成した圧電体能動部では、端部が剥離し易く、場合によってはクラックが発生するという問題がある。また、絶縁破壊による圧電体層の焼損が起こる。
【０００９】
このような破壊の原因の一つとして、成膜後、圧力発生室のエッチングの際に発生して圧電体層端部に溜まった水素ガスが考えられる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能動部の端部でのクラック発生等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】
前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し、少なくとも上面が下電極として作用する振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備え、前記上電極とコンタクト部を介して接続されて前記圧電体能動部に電圧を印加するリード電極を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体層は前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室外の流路形成基板まで延設され、且つ当該圧電体層の前記圧力発生室の端部に対向する領域から前記圧力発生室外の流路形成基板までが圧電体非能動部となっており、前記リード電極は前記圧力発生室に対向する領域に形成された前記コンタクト部から前記圧力発生室外の流路形成基板まで、その幅方向端部が前記圧電体層の幅方向端部に沿うよう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。
【００１２】
かかる第１の態様では、圧電体層が圧電体能動部から圧力発生室外の流路形成基板まで延設され、その部分は圧電体非能動部となっており、リード電極が圧電体能動部及び圧電体非能動部に沿って形成されているので、圧電体層の端部の破壊が大幅に抑制され、下電極膜とリード電極とのリークも防止される。
【００１３】
本発明の第２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し、少なくとも上面が下電極として作用する振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備え、前記上電極とコンタクト部を介して接続されて前記圧電体能動部に電圧を印加するリード電極を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体層は各圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室外の流路形成基板までそれぞれ延設され、且つ当該圧電体層の前記圧力発生室の端部に対向する領域から前記圧力発生室外の流路形成基板までが圧電体非能動部となっており、前記リード電極は前記圧力発生室に対向する領域に形成された前記コンタクト部から前記圧力発生室外の流路形成基板まで前記圧電体層に沿ってその上方に形成され且つ当該リード電極は前記圧電体層の側端面を覆うことなく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。
【００１４】
かかる第２の態様では、リード電極が圧電体層の上方に形成されているので、膜疲労が生じても絶縁性に致命的な欠陥が生じることがなく、また、圧電体層の側部にリード電極が存在しないので、圧電体層が側部から応力を受けることがない。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界で前記上電極が切断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３の態様では、上電極を切断することにより、圧電体非能動部が形成される。
【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、前記圧電体非能動部は前記圧電体能動部と比較して幅広であり、当該圧電体非能動部上の前記リード電極も当該圧電体非能動部の幅に沿って前記圧電体能動部と比較して幅広で、且つ前記圧電体層の側端面を覆うことなく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。
【００１８】
かかる第４の態様では、圧電体層を幅広とすることにより、圧電体層の破壊耐久性をさらに向上し、リード電極を幅広とすることにより、所望の電圧を容易に印加することができる。
【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、前記リード電極は前記上電極上に設けた絶縁体層上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。
【００２０】
かかる第５の態様では、絶縁体層および圧電体層によりリード電極と下電極とのリークが防止される。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記絶縁体層は、前記圧力発生室外の流路形成基板を覆って設けられたマスク以外の部分では前記リード電極をマスクとして当該リード電極に対応する部分以外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。
【００２２】
かかる第６の態様では、圧電体層の側面に絶縁体層及びリード電極が存在しないので、圧電体層の破壊耐久性が大幅に向上する。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第１〜５何れかの態様において、前記圧電体非能動部では、前記リード電極が前記圧電体層より幅狭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。
【００２４】
かかる第７の態様では、リード電極が圧電体層より幅が狭く形成されているので、耐絶縁破壊性が向上する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【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。
【００２８】
（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組立斜視図であり、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。
【００２９】
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、１５０〜３００μｍ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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）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、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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１２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。
【００３７】
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１２のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット孔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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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０．５μｍの下電極膜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の上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電振動子（圧電素子）を構成している。このように、弾性膜５０の各圧力発生室１２に対向する領域には、各圧力発生室１２毎に独立して圧電振動子が設けられているが、本実施形態では、下電極膜６０は圧電振動子の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動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、何れの場合においても各圧力発生室１２毎に圧力能動部が形成されていることになる。
【００４１】
そして、かかる各上電極膜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。
【００４２】
絶縁体層９０の各上電極膜８０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部には後述するリード電極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であるリード電極１００が形成されている。
【００４３】
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図４を参照しながら説明する。
【００４４】
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。
【００４５】
次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を形成する。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。
【００４６】
次に、図４（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−ゲル法を用いている。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。
【００４７】
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、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、Ｐｔをスパッタリングにより成膜している。
【００４８】
次に、図５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。
【００４９】
まず、図５（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５（ｂ）に示すように、圧電体膜７０及び上電極膜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。
【００５０】
以上のように、下電極膜６０等をパターニングした後には、好ましくは、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９０を形成する（図１参照）。
【００５１】
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後述するリード電極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。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されている。なお、本実施形態では、不活性部３２０ａの近傍にコンタクトホール９０ａを形成するようにしている。
【００５２】
このような絶縁体層の形成プロセスを図６に示す。
【００５３】
まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜８０の周縁部、圧電体膜７０および下電極膜６０の側面を覆うように絶縁体層９０を形成する。本実施形態では、絶縁体層９０としてネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【００５４】
次に、図６（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、各圧力発生室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。このコンタクトホール９０ａは、後述するリード電極１００と上電極膜８０との接続をするためのものである。なお、コンタクトホール９０ａは、圧力発生室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。
【００５５】
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。
【００５６】
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６（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の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２等を形成する。なお、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。
【００５７】
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１２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。
【００５８】
このように形成されたインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室１２と圧電体能動部３２０等との平面位置関係およびその縦断面を図７に示す。
【００５９】
図７に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、圧力発生室１２に対向する領域内に設けられ、当該領域の端部から当該領域外の周壁に対向する領域まで圧電体非能動部３２０ａが延設されている。圧電体非能動部３２０ａは、圧電体膜７０および上電極膜８０からなるが、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３２０ａとの境界部には上電極膜除去部３３０が形成されている。また、絶縁体層９０は、圧電体能動部３２０、上電極除去部３３０及び圧電体非能動部３２０ａを覆うように形成され、コンタクトホール９０ａは圧力発生室１２の端部近傍に対向する領域に形成されている。さらに、リード電極１００は、圧電体能動部３２０及び圧電体非能動部３２０ａに沿って圧力発生室１２外まで延びるようにパターニングされている。
【００６０】
このような構成では、圧電体膜６０の端部が圧電体非能動部３２０ａに存在し、圧電体非能動部３２０ａは圧電体能動部３２０への電圧印加によっても、駆動されることがないので、圧力発生室１２の端部で圧電体膜６０にクラックが発生することがなく、圧電体膜６０の端部でのクラック等の破壊も防止される。さらに、リード電極１００が圧電体膜６０に沿って配線されており、振動板の変形を妨げることなく、圧電体膜６０に余分な応力を発生させない。
【００６１】
なお、本実施形態では、圧電体非能動部３２０ａは上電極除去部３３０を設けることにより形成したが、圧電体非能動部３２０ａ全体の上電極膜８０を除去してもよく、また、圧電体非能動部３２０ａの圧電体膜７０と上電極膜８０との間に低誘電絶縁体層を設けることにより形成してもよく、さらには、圧電体膜７０に部分的にドーピング等行って不活性とすることにより形成してもよい。
【００６２】
（実施形態２）
図８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力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００６３】
本実施形態は、リード電極１００を圧電体膜７０のパターンと略同形状にパターニングして圧力発生室１２外の流路形成基板１０まで延設した例を示す。
【００６４】
このような構造では、リード電極１００により圧電体膜７０の側端面が覆われないので、圧電体膜７０が側方から応力を受けることがなく、したがって、圧電体膜７０の破壊等の虞がさらに低減する。
【００６５】
なお、本実施形態でも、圧電体非能動部３２０ａは、上述した実施形態と同様に、上電極除去部３３０を設けることにより形成したが、上述したように種々の方法で形成してもよい。
【００６６】
（実施形態３）
図９には、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圧力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００６７】
本実施形態は、実施形態２の絶縁体層９０をリード電極１００をマスクとしてパターニングしたものである。具体的には、図９（ａ）に示すように、圧力発生室１２外の流路形成基板１０を覆うマスク１０５を設け、その他の部分はリード電極１００をマスクとして絶縁体層９０をアッシングにより除去する。これにより、図９（ｂ）に斜線で示すように、絶縁体層９０は、マスク１０５で覆った部分及びリード電極１００の下側のみに存在するようになる。
【００６８】
このような構造では、絶縁体層９０及びリード電極１００により圧電体膜７０の側端面が覆われないので、圧電体膜７０が側方から応力を受けることがなく、また、圧力発生室１２のエッチングにより発生する水素ガスが圧電体膜７０の端部に蓄積されることがなくなり、したがって、圧電体膜７０の破壊等の虞がさらに低減する。
【００６９】
また、平面的にリード電極１００より外側の絶縁体層９０を除去しても、リード電極１００の外側には圧電体膜７０が存在するので、リード電極１００と下電極膜６０との間でリーク破壊が生じる虞がなく、リード電極１００の下側には絶縁体層９０及び圧電体膜７０を介して下電極膜６０が存在するので、振動による膜疲労が発生しても絶縁性が致命的に低下することがない。
【００７０】
（実施形態４）
図１０には、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圧力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００７１】
本実施形態は、圧電体非能動部３２０ｃ上に幅狭のリード電極１００ａ形成した以外は基本的には実施形態３と同様なものであり、絶縁体層９０をリード電極１００をマスクとしてパターニングしたものである。なお、本実施形態では、圧電体非能動部３２０ｃの全体の上電極膜８０を除去してある。
【００７２】
このような構造では、実質的には上述した実施形態３と同様な効果を得ることができ、さらに、圧電体膜７０上のリード電極１００ａを幅狭としてあるので、耐絶縁破壊性が向上する。
【００７３】
（実施形態５）
図１１には、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圧力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００７４】
本実施形態は、圧電体非能動部３２０ｄのパターン及びこれに対応するリード電極１００を圧電体能動部３２０の幅より幅広とした例である。すなわち、圧電体非能動部３２０ｄは圧電体能動部３２０より幅広として圧力発生室１２の端部周縁に対向する部分を覆うように設け、リード電極１００を圧電体非能動部３２０ｄと略同一になるようにパターニングして幅広部１００ｂを設けたものである。
【００７５】
このような構造では、リード電極１００により圧電体膜７０の側端面が覆われないので、圧電体膜７０が側方から応力を受けることがなく、また、圧電体非能動部３２０ｄ及びリード電極１００ｂが幅広なので、したがって、圧電体膜７０の端部における破壊等の虞がさらに低減し、また、圧電体能動部３２０に十分な電圧印加を行うことができる。さらに、この構造では圧電体非能動部３２０ｄの圧電体膜７０を幅広としているので、この上のリード電極１００を圧電体膜７０より幅狭として両者の幅の差を大きくとることにより、さらに絶縁性を向上させることもできる。
【００７６】
（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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、面に垂直な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。
【００７９】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１２、その流路の断面を図１３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側のノズル基板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。
【００８０】
なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１Ａ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。
【００８１】
ここで、この実施形態においても、実施形態１〜５と同様に、圧電体非能動部を設けて、圧電体能動部の振動を部分的に規制して圧電体膜の端部の割れ等の破壊を防止することができる。
【００８２】
勿論、以上説明した各実施形態は、適宜組み合わせて実施することにより、より一層の効果を奏するものであることは言うまでもない。
【００８３】
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、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、あるいは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、又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。
【００８４】
さらに、上述した各実施形態では、振動板として下電極膜とは別に弾性膜を設けたが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、圧電体能動部の圧電体膜を圧力発生室外の流路形成基板まで延設し、リード電極を当該圧電体膜に沿って設けるようにしたので、圧電体膜の端部での破壊の発生が低減され、圧電体膜の破壊に対する耐久性が大幅に向上す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】図１の封止板の変形例を示す図である。
【図４】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図５】本発明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の要部を示す平面図及び断面図である。
【図７】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図８】本発明の実施形態２を説明する要部平面図である。
【図９】本発明の実施形態３を説明する要部平面図である。
【図１０】本発明の実施形態４を説明する要部平面図である。
【図１１】本発明の実施形態５を説明する要部平面図である。
【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の分解斜視図である。
【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断面図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１１ ノズル開口
１２ 圧力発生室
５０ 弾性膜
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
３２０ 圧電体能動部
３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ 圧電体非能動部
【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、この振動板の表面の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、圧電振動子が軸方向に伸長、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弾性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。
【０００７】
また、この場合、圧電材料層は弾性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が、単位駆動電圧当たりの変位量および圧力発生室に対向する部分とその外部とを跨ぐ部分で圧電体層へかかる応力の問題から、圧電体層および上電極からなる圧電体能動部を、少なくとも一端部以外は圧力発生室外に出ないように形成するのが望ましい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように帯状に形成した圧電体能動部では、端部が剥離し易く、場合によってはクラックが発生するという問題がある。また、絶縁破壊による圧電体層の焼損が起こる。
【０００９】
このような破壊の原因の一つとして、成膜後、圧力発生室のエッチングの際に発生して圧電体層端部に溜まった水素ガスが考えられる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能動部の端部でのクラック発生等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】
前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し、少なくとも上面が下電極として作用する振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備え、前記上電極とコンタクト部を介して接続されて前記圧電体能動部に電圧を印加するリード電極を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体層は前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室外の流路形成基板まで延設され、且つ当該圧電体層の前記圧力発生室の端部に対向する領域から前記圧力発生室外の流路形成基板までが圧電体非能動部となっており、前記リード電極は前記圧力発生室に対向する領域に形成された前記コンタクト部から前記圧力発生室外の流路形成基板まで、その幅方向端部が前記圧電体層の幅方向端部に沿うよう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。
【００１２】
かかる第１の態様では、圧電体層が圧電体能動部から圧力発生室外の流路形成基板まで延設され、その部分は圧電体非能動部となっており、リード電極が圧電体能動部及び圧電体非能動部に沿って形成されているので、圧電体層の端部の破壊が大幅に抑制され、下電極膜とリード電極とのリークも防止される。
【００１３】
本発明の第２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し、少なくとも上面が下電極として作用する振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備え、前記上電極とコンタクト部を介して接続されて前記圧電体能動部に電圧を印加するリード電極を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体層は各圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室外の流路形成基板までそれぞれ延設され、且つ当該圧電体層の前記圧力発生室の端部に対向する領域から前記圧力発生室外の流路形成基板までが圧電体非能動部となっており、前記リード電極は前記圧力発生室に対向する領域に形成された前記コンタクト部から前記圧力発生室外の流路形成基板まで前記圧電体層に沿ってその上方に形成され且つ当該リード電極は前記圧電体層の側端面を覆うことなく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。
【００１４】
かかる第２の態様では、リード電極が圧電体層の上方に形成されているので、膜疲労が生じても絶縁性に致命的な欠陥が生じることがなく、また、圧電体層の側部にリード電極が存在しないので、圧電体層が側部から応力を受けることがない。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界で前記上電極が切断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３の態様では、上電極を切断することにより、圧電体非能動部が形成される。
【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、前記圧電体非能動部は前記圧電体能動部と比較して幅広であり、当該圧電体非能動部上の前記リード電極も当該圧電体非能動部の幅に沿って前記圧電体能動部と比較して幅広で、且つ前記圧電体層の側端面を覆うことなく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。
【００１８】
かかる第４の態様では、圧電体層を幅広とすることにより、圧電体層の破壊耐久性をさらに向上し、リード電極を幅広とすることにより、所望の電圧を容易に印加することができる。
【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、前記リード電極は前記上電極上に設けた絶縁体層上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。
【００２０】
かかる第５の態様では、絶縁体層および圧電体層によりリード電極と下電極とのリークが防止される。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記絶縁体層は、前記圧力発生室外の流路形成基板を覆って設けられたマスク以外の部分では前記リード電極をマスクとして当該リード電極に対応する部分以外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。
【００２２】
かかる第６の態様では、圧電体層の側面に絶縁体層及びリード電極が存在しないので、圧電体層の破壊耐久性が大幅に向上する。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第１〜５何れかの態様において、前記圧電体非能動部では、前記リード電極が前記圧電体層より幅狭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。
【００２４】
かかる第７の態様では、リード電極が圧電体層より幅が狭く形成されているので、耐絶縁破壊性が向上する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【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。
【００２８】
（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組立斜視図であり、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。
【００２９】
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、１５０〜３００μｍ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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）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、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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１２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。
【００３７】
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１２のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット孔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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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０．５μｍの下電極膜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の上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電振動子（圧電素子）を構成している。このように、弾性膜５０の各圧力発生室１２に対向する領域には、各圧力発生室１２毎に独立して圧電振動子が設けられているが、本実施形態では、下電極膜６０は圧電振動子の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動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、何れの場合においても各圧力発生室１２毎に圧力能動部が形成されていることになる。
【００４１】
そして、かかる各上電極膜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。
【００４２】
絶縁体層９０の各上電極膜８０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部には後述するリード電極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であるリード電極１００が形成されている。
【００４３】
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図４を参照しながら説明する。
【００４４】
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。
【００４５】
次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を形成する。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。
【００４６】
次に、図４（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−ゲル法を用いている。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。
【００４７】
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、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、Ｐｔをスパッタリングにより成膜している。
【００４８】
次に、図５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。
【００４９】
まず、図５（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５（ｂ）に示すように、圧電体膜７０及び上電極膜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。
【００５０】
以上のように、下電極膜６０等をパターニングした後には、好ましくは、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９０を形成する（図１参照）。
【００５１】
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後述するリード電極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。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されている。なお、本実施形態では、不活性部３２０ａの近傍にコンタクトホール９０ａを形成するようにしている。
【００５２】
このような絶縁体層の形成プロセスを図６に示す。
【００５３】
まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜８０の周縁部、圧電体膜７０および下電極膜６０の側面を覆うように絶縁体層９０を形成する。本実施形態では、絶縁体層９０としてネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【００５４】
次に、図６（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、各圧力発生室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。このコンタクトホール９０ａは、後述するリード電極１００と上電極膜８０との接続をするためのものである。なお、コンタクトホール９０ａは、圧力発生室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。
【００５５】
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。
【００５６】
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６（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の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２等を形成する。なお、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。
【００５７】
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１２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。
【００５８】
このように形成されたインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室１２と圧電体能動部３２０等との平面位置関係およびその縦断面を図７に示す。
【００５９】
図７に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、圧力発生室１２に対向する領域内に設けられ、当該領域の端部から当該領域外の周壁に対向する領域まで圧電体非能動部３２０ａが延設されている。圧電体非能動部３２０ａは、圧電体膜７０および上電極膜８０からなるが、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３２０ａとの境界部には上電極膜除去部３３０が形成されている。また、絶縁体層９０は、圧電体能動部３２０、上電極除去部３３０及び圧電体非能動部３２０ａを覆うように形成され、コンタクトホール９０ａは圧力発生室１２の端部近傍に対向する領域に形成されている。さらに、リード電極１００は、圧電体能動部３２０及び圧電体非能動部３２０ａに沿って圧力発生室１２外まで延びるようにパターニングされている。
【００６０】
このような構成では、圧電体膜６０の端部が圧電体非能動部３２０ａに存在し、圧電体非能動部３２０ａは圧電体能動部３２０への電圧印加によっても、駆動されることがないので、圧力発生室１２の端部で圧電体膜６０にクラックが発生することがなく、圧電体膜６０の端部でのクラック等の破壊も防止される。さらに、リード電極１００が圧電体膜６０に沿って配線されており、振動板の変形を妨げることなく、圧電体膜６０に余分な応力を発生させない。
【００６１】
なお、本実施形態では、圧電体非能動部３２０ａは上電極除去部３３０を設けることにより形成したが、圧電体非能動部３２０ａ全体の上電極膜８０を除去してもよく、また、圧電体非能動部３２０ａの圧電体膜７０と上電極膜８０との間に低誘電絶縁体層を設けることにより形成してもよく、さらには、圧電体膜７０に部分的にドーピング等行って不活性とすることにより形成してもよい。
【００６２】
（実施形態２）
図８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力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００６３】
本実施形態は、リード電極１００を圧電体膜７０のパターンと略同形状にパターニングして圧力発生室１２外の流路形成基板１０まで延設した例を示す。
【００６４】
このような構造では、リード電極１００により圧電体膜７０の側端面が覆われないので、圧電体膜７０が側方から応力を受けることがなく、したがって、圧電体膜７０の破壊等の虞がさらに低減する。
【００６５】
なお、本実施形態でも、圧電体非能動部３２０ａは、上述した実施形態と同様に、上電極除去部３３０を設けることにより形成したが、上述したように種々の方法で形成してもよい。
【００６６】
（実施形態３）
図９には、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圧力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００６７】
本実施形態は、実施形態２の絶縁体層９０をリード電極１００をマスクとしてパターニングしたものである。具体的には、図９（ａ）に示すように、圧力発生室１２外の流路形成基板１０を覆うマスク１０５を設け、その他の部分はリード電極１００をマスクとして絶縁体層９０をアッシングにより除去する。これにより、図９（ｂ）に斜線で示すように、絶縁体層９０は、マスク１０５で覆った部分及びリード電極１００の下側のみに存在するようになる。
【００６８】
このような構造では、絶縁体層９０及びリード電極１００により圧電体膜７０の側端面が覆われないので、圧電体膜７０が側方から応力を受けることがなく、また、圧力発生室１２のエッチングにより発生する水素ガスが圧電体膜７０の端部に蓄積されることがなくなり、したがって、圧電体膜７０の破壊等の虞がさらに低減する。
【００６９】
また、平面的にリード電極１００より外側の絶縁体層９０を除去しても、リード電極１００の外側には圧電体膜７０が存在するので、リード電極１００と下電極膜６０との間でリーク破壊が生じる虞がなく、リード電極１００の下側には絶縁体層９０及び圧電体膜７０を介して下電極膜６０が存在するので、振動による膜疲労が発生しても絶縁性が致命的に低下することがない。
【００７０】
（実施形態４）
図１０には、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圧力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００７１】
本実施形態は、圧電体非能動部３２０ｃ上に幅狭のリード電極１００ａ形成した以外は基本的には実施形態３と同様なものであり、絶縁体層９０をリード電極１００をマスクとしてパターニングしたものである。なお、本実施形態では、圧電体非能動部３２０ｃの全体の上電極膜８０を除去してある。
【００７２】
このような構造では、実質的には上述した実施形態３と同様な効果を得ることができ、さらに、圧電体膜７０上のリード電極１００ａを幅狭としてあるので、耐絶縁破壊性が向上する。
【００７３】
（実施形態５）
図１１には、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圧力発生室近傍の圧電体能動部等のパターン形状を示す。
【００７４】
本実施形態は、圧電体非能動部３２０ｄのパターン及びこれに対応するリード電極１００を圧電体能動部３２０の幅より幅広とした例である。すなわち、圧電体非能動部３２０ｄは圧電体能動部３２０より幅広として圧力発生室１２の端部周縁に対向する部分を覆うように設け、リード電極１００を圧電体非能動部３２０ｄと略同一になるようにパターニングして幅広部１００ｂを設けたものである。
【００７５】
このような構造では、リード電極１００により圧電体膜７０の側端面が覆われないので、圧電体膜７０が側方から応力を受けることがなく、また、圧電体非能動部３２０ｄ及びリード電極１００ｂが幅広なので、したがって、圧電体膜７０の端部における破壊等の虞がさらに低減し、また、圧電体能動部３２０に十分な電圧印加を行うことができる。さらに、この構造では圧電体非能動部３２０ｄの圧電体膜７０を幅広としているので、この上のリード電極１００を圧電体膜７０より幅狭として両者の幅の差を大きくとることにより、さらに絶縁性を向上させることもできる。
【００７６】
（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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、面に垂直な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。
【００７９】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１２、その流路の断面を図１３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側のノズル基板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。
【００８０】
なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１Ａ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。
【００８１】
ここで、この実施形態においても、実施形態１〜５と同様に、圧電体非能動部を設けて、圧電体能動部の振動を部分的に規制して圧電体膜の端部の割れ等の破壊を防止することができる。
【００８２】
勿論、以上説明した各実施形態は、適宜組み合わせて実施することにより、より一層の効果を奏するものであることは言うまでもない。
【００８３】
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、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、あるいは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、又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。
【００８４】
さらに、上述した各実施形態では、振動板として下電極膜とは別に弾性膜を設けたが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、圧電体能動部の圧電体膜を圧力発生室外の流路形成基板まで延設し、リード電極を当該圧電体膜に沿って設けるようにしたので、圧電体膜の端部での破壊の発生が低減され、圧電体膜の破壊に対する耐久性が大幅に向上す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】図１の封止板の変形例を示す図である。
【図４】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図５】本発明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の要部を示す平面図及び断面図である。
【図７】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図８】本発明の実施形態２を説明する要部平面図である。
【図９】本発明の実施形態３を説明する要部平面図である。
【図１０】本発明の実施形態４を説明する要部平面図である。
【図１１】本発明の実施形態５を説明する要部平面図である。
【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の分解斜視図である。
【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断面図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１１ ノズル開口
１２ 圧力発生室
５０ 弾性膜
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
３２０ 圧電体能動部
３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ 圧電体非能動部
Claims (8)
- ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、少なくとも上面が下電極として作用する振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備え、前記上電極とコンタクト部を介して接続されて前記圧電体能動部に電圧を印加するリード電極を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記圧電体層は前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室外の流路形成基板まで延設され、且つ当該圧電体層の前記圧力発生室の端部に対向する領域から前記圧力発生室外の流路形成基板までが圧電体非能動部となっており、
前記リード電極は前記圧力発生室に対向する領域に形成された前記コンタクト部から前記圧力発生室外の流路形成基板まで、その幅方向端部が前記圧電体層の幅方向端部に沿うよう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。 - ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、少なくとも上面が下電極として作用する振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備え、前記上電極とコンタクト部を介して接続されて前記圧電体能動部に電圧を印加するリード電極を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記圧電体層は各圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室外の流路形成基板までそれぞれ延設され、且つ当該圧電体層の前記圧力発生室の端部に対向する領域から前記圧力発生室外の流路形成基板までが圧電体非能動部となっており、
前記リード電極は前記圧力発生室に対向する領域に形成された前記コンタクト部から前記圧力発生室外の流路形成基板まで前記圧電体層に沿ってその上方に形成され且つ当該リード電極は前記圧電体層の側端面を覆うことなく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１又は２において、前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界で前記上電極が切断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１〜３の何れかにおいて、前記圧電体非能動部は前記圧電体能動部と比較して幅広であり、当該圧電体非能動部上の前記リード電極も当該圧電体非能動部の幅に沿って前記圧電体能動部と比較して幅広で、且つ前記圧電体層の側端面を覆うことなく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１〜４の何れかにおいて、前記リード電極は前記上電極上に設けた絶縁体層上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５において、前記絶縁体層は、前記圧力発生室外の流路形成基板を覆って設けられたマスク以外の部分では前記リード電極をマスクとして当該リード電極に対応する部分以外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１〜５の何れかにおいて、前記圧電体非能動部では、前記リード電極が前記圧電体層より幅狭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。
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