JP3603931B2

JP3603931B2 - 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: JP3603931B2
Application number: JP14068898A
Authority: JP
Inventors: 勝人島田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JPH11334063A

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弾性膜で構成し、この弾性膜の表面に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及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を弾性膜で構成し、この弾性膜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膜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弾性膜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、弾性膜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膜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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、薄膜のパターニング後に圧力発生室を形成するが、その際、上電極及び圧電体層の内部応力緩和の影響により、振動板が圧力発生室側に撓んでしまい、この撓みが振動板の初期変形として残留してしまうという問題がある。特に、下電極をオーバーエッチングした構造の場合には、撓み量が大きく、圧電体能動部の駆動による振動板の変形量が計算上の値よりも小さくなってしまう。これは、上電極及び圧電体層（及び下電極）の引張方向の内部応力緩和の影響で振動板が撓むことにより弾性域を越え、塑性変形領域に達しているためであると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明はこのような事情に鑑み、振動板が駆動時に効率よく変形することが可能なインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の表面に形成された上電極とを備え、前記圧力発生室に対応する領域に圧電振動子を形成したインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記弾性膜が、前記圧力発生室から外側に向かって凸に弾性変形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。
【００１０】
かかる第１の態様では、初期状態において、弾性膜がインク吐出とは反対側に変形しているので、インク吐出のための弾性膜及び下電極からなる振動板の変形量が向上される。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記上電極の主成分は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅからなる群から選択される金属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。
【００１２】
かかる第２の態様では、上電極を所定の金属で形成することにより圧縮応力とすることができ、この上電極の圧縮応力によって弾性膜及び下電極からなる振動板が上に凸に変形される。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記上電極は、スパッタ法で形成され、且つ前記金属中に所定のガスが添加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３の態様では、上電極にさらに大きい圧縮応力が付与される。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＲｎの群から選択される不活性ガス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。
【００１６】
かかる第４の態様では、ガスが上電極と反応することなく、上電極に確実に圧縮応力が付与される。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第２の態様において、前記上電極は、前記金属に、異なる成分の金属、半金属、半導体及び絶縁体からなる群から選択される少なくとも一種の添加物が添加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５の態様では、上電極にさらに大きい圧縮応力が付与される。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記添加物が、イオン打ち込みにより前記上電極に添加されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２０】
かかる第６の態様では、上電極の上層側により多くの添加物が添加されるため、上層側がより大きい圧縮応力となる。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第５の態様において、前記添加物が、前記上電極上に設けられた層からの固相拡散により前記上電極に添加されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２２】
かかる第７の態様では、上電極の上層側により多くの添加物が添加されるため、上層側がより大きい圧縮応力となる。
【００２３】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記固相拡散は、不活性ガス又は真空下で加熱することにより行われることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２４】
かかる第８の態様では、不活性ガス又は真空下で加熱することにより、比較的容易に固相拡散を行うことができる。
【００２５】
本発明の第９の態様は、第１の態様において、前記上電極は、前記圧電体層の表面に形成される第１の電極と、この第１の電極上に積層される第２の電極とを有し、前記第２の電極は、導電性の酸化膜又は窒化膜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９の態様では、上電極の上層が下層より大きい圧縮応力を有する酸化膜で構成され、弾性膜及び下電極からなる振動板が確実に上に凸に変形される。
【００２７】
本発明の第１０の態様は、第９の態様において、前記第１の電極の主成分が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ及びＲｅからなる群から選択される金属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。
【００２８】
かかる第１０の態様では、第１の電極を所定の金属で形成することにより、上電極にさらに大きい圧縮応力が付与される。
【００２９】
本発明の第１１の態様は、第９又は１０の態様において、前記第２の電極を構成する酸化膜の主成分が、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデンからなる群から選択されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３０】
かかる第１１の態様では、上電極の上層を酸化膜で形成することにより、下層より大きい圧縮応力とすることができ、弾性膜及び下電極からなる振動板が確実に上に凸に変形される。
【００３１】
本発明の第１２の態様は、第９又は１０の態様において、前記第２の電極を構成する窒化膜の主成分が、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウムからなる群から選択されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３２】
かかる第１２の態様では、上電極の上層を酸化膜で形成することにより、下層より大きい圧縮応力とすることができ、弾性膜及び下電極からなる振動板が確実に上に凸に変形される。
【００３３】
本発明の第１３の態様は、第９又は１０の態様において、前記第２の電極は、成膜後に酸化又は窒化することにより形成されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３４】
かかる第１３の態様では、比較的容易に酸化膜又は窒化膜を形成することができる。
【００３５】
本発明の第１４の態様は、第１の態様において、前記上電極の主成分が、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデンからなる群から選択される導電性酸化膜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。
【００３６】
かかる第１４の態様では、上電極を導電性酸化膜によって形成することにより、さらに大きい圧縮応力とすることができる。
【００３７】
本発明の第１５の態様は、第１の態様において、前記上電極の主成分が、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウムからなる群から選択される導電性窒化膜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。
【００３８】
かかる第１５の態様では、上電極を導電性窒化膜によって形成することにより、さらに大きい圧縮応力とすることができる。
【００３９】
本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何れかの態様において、前記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。
【００４０】
かかる第１６の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００４１】
本発明の第１７の態様は、第１〜１６の何れかの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。
【００４２】
かかる第１７の態様では、ヘッドのインク吐出性能を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、平面図及びその１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【００４５】
図示するように、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。
【００４６】
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０．１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００４７】
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。
【００４８】
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（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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）３００を構成している。ここで、圧電振動子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電振動子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膜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膜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は圧電振動子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動子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。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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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法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−ゲル法を用いて形成した。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。
【００６１】
次に、図４（ｄ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。その際、本実施形態では、上電極膜８０を圧縮応力とし、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引張応力より大きくなるように形成している。そのため、この上電極膜８０は、圧縮応力を有し導電性の高い材料で形成するのが好ましく、例えば、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅの何れかの金属が好適である。さらに、本実施形態では、上電極膜８０を所定のガス中、例えば、ガス圧１Ｐａ以下でスパッタリング法によって成膜することにより、上電極膜８０中にそのガスを取り込んでいる。これにより、上電極膜８０には、より大きい圧縮応力が付与される。この上電極膜８０中に取り込むガスとしては、不活性ガスであることが好ましく、例えば、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ又はＲｎが好適である。なお、スパッタリングの際のガス圧等の諸条件は、スパッタ装置及び材料等によって、適宜調整すればよい。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
本実施形態では、その後、圧力発生室１２をエッチングにより形成するが、このときの圧電体能動部３２０が受ける応力の状態を以下に説明する。なお、図６は、圧力発生室１２をエッチングにより形成前後の各層が受ける応力の状態を模式的に示した図である。
【００６５】
図６（ａ）に示すように、圧電体膜７０及び上電極膜８０の各層を成膜した状態では、圧電体膜７０及び下電極膜６０は、それぞれ流路形成基板１０から引張応力σ_１，σ_２を受け、弾性膜５０及び上電極膜８０は、それぞれ圧縮応力σ_３，σ_４を受けている。この上電極膜８０の圧縮応力σ_４の大きさは、上述のように、引張応力σ_１，σ_２の大きさより大きくなっている。そして、図６（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０をパターニングすると、圧電体膜７０及び上電極膜８０の応力σ_１，σ_４の一部が開放される。次に、図６（ｃ）に示すように、圧電体能動部３２０の下方に圧力発生室１２を形成しても、圧電体膜７０と上電極膜８０との流路形成基板１０から受ける応力の向きが逆であり、圧電体膜７０の引張応力σ_１が開放される力よりも上電極膜８０の圧縮応力σ_４が開放される力の方が大きいため、下電極膜６０及び弾性膜５０からなる振動板が上に凸に変形する。
【００６６】
なお、上電極膜８０の内部応力を圧縮応力としない場合には、図７（ａ）に示すように、圧力発生室１２形成前に、圧電体膜７０及び上電極膜８０にはそれぞれ引張応力σ_１，σ_４が残留しているので、圧力発生室１２を形成すると、図７（ｂ）に示すように、引張応力σ_１，σ_４は開放されて収縮しようとする力となり、結果的に、下電極膜６０及び弾性膜５０からなる振動板は、下に凸に変形され、これが初期変形として残留する。
【００６７】
このように、本実施形態では、上電極膜８０に、所定の大きさの圧縮応力を付与することにより、圧電体能動部３２０をパターニング及び圧力発生室１２形成後に、上電極膜８０が引張方向の応力を受ける（圧縮応力が開放される）ため、圧電体膜７０の圧縮方向の応力を相殺し、さらに、振動板を上に凸に変形させることができ、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変形量を向上することができる。
【００６８】
以上の説明では、圧電体能動部３２０をパターニングした後、圧力発生室１２を形成するようにしたが、実際には、図２に示すように、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を形成し、さらに、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を形成し、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を形成するようにしてもよい。ここで、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するのが好ましい。なお、本実施形態では、コンタクトホール９０ａは、圧力発生室１２に対向する位置に設けられているが、圧電体能動部３２０を圧力発生室１２の周壁に対向する領域まで延設し、圧力発生室１２の周壁に対向する位置にコンタクトホール９０ａを設けてもよい。
【００６９】
また、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。
【００７０】
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。
【００７１】
ここで、本実施形態の圧電振動子の駆動時の振動板に加わる力と弾性変形量との関係を図８（ａ）に示す。図示するように、本実施形態では、振動板が上電極膜８０の圧縮応力によって力ｆを受けて、初期段階にインク吐出のための変形方向とは逆方向の変形ｔが生じている。したがって、圧電体能動部３２０の駆動による力Ｆによって変形Ｔを生じる。また、この変形Ｔは弾性領域で生じているため、すべての変形をインクの吐出に利用することができる。
【００７２】
一方、上電極膜８０を圧縮応力にしない場合には、図８（ｂ）に示すように、圧電体膜７０等の引張応力によって力ｆ’を受けて、初期段階にインク吐出のための変形方向に変形ｔ’が生じており、圧電体能動部の駆動時に力Ｆが加わると、振動板が塑性変形領域に入ってしまうため、変形Ｔは得られずに変形Ｔ’が生じることになり、Ｔ−Ｔ’が変形の損失となる。
【００７３】
このように、本実施形態では、上電極膜８０に圧縮応力を付与することにより、圧力発生室を形成する際に、振動板がインク吐出とは反対方向、すなわち上に凸に変形するため、振動板の弾性変形領域内で、圧電体能動部の駆動による変形量を増加させることができ、良好なインク吐出を行うことができる。
【００７４】
なお、本実施形態では、上電極膜８０中に不活性ガスを取り込むことにより、上電極膜８０にさらに大きな圧縮応力を付与するようにしたが、これに限定されるわけではない。上電極膜８０は、基本的には圧縮応力であり、この圧縮応力が、所望の強さ以上となっていれば、不活性ガスを取り込まなくてもよいことは言うまでもない。
【００７５】
（実施形態２）
本実施形態は、上電極膜８０に、不活性ガスの代わりに、上電極膜８０の金属とは異なる成分の金属、半金属、半導体又は絶縁体等の添加物を添加することによって、上電極膜８０を圧縮応力とした以外は実施形態１と同様である。
【００７６】
これらの添加物の添加方法としては、例えば、図９（ａ）に示すように、上電極膜８０を形成後、上電極膜８０の上方からのイオン打ち込みによって、添加物を上電極膜８０に添加することができる。
【００７７】
また、例えば、図１０（ａ）に示すように、上電極膜８０上に、上電極膜８０に添加される添加物層８５を形成し、次いで、不活性ガス又は真空中で加熱処理することにより添加物層８５の成分元素を上電極膜８０に固相拡散させることにより、上電極膜８０に添加物を添加することができる。
【００７８】
このように、イオン打ち込み又は固相拡散によって上電極膜８０に添加した場合には、図９（ｂ）又は図１０（ｂ）に示すように、上電極膜８０の上層部８１に添加物が多く添加されるため、上電極膜８０の上層部８１が特に大きい圧縮応力となる。
【００７９】
このように、上電極膜８０に、上電極膜８０の金属とは異なる金属等の添加物を添加することにより、上電極膜８０は体積が膨張することによって圧縮応力となる。したがって、実施形態１と同様に、振動板を上に凸に変形させることができ、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変形量を向上することができる。また、本実施形態では、上電極膜８０の上層部が特に大きい圧縮応力となっているため、圧力発生室１２を形成した場合には、振動板をより確実に上に凸に変形させることができる。
【００８０】
（実施形態３）
図１１は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面である。
【００８１】
本実施形態は、図１１に示すように、上電極膜８０Ａを圧電体膜７０に接する第１の電極膜８２とその上に積層される第２の電極膜８３とで構成した例である。
【００８２】
本実施形態の上電極膜８０Ａを構成する第１の電極膜８２は、実施形態１と同様、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅの何れかの金属で形成され、圧縮応力を有している。また、第２の電極膜８２は、第１の電極膜８１よりも大きい圧縮応力を有することが好ましく、例えば、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム又は酸化モリブデン等の導電性の酸化膜、あるいは、例えば、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム又は窒化バナジウム等の導電性の窒化膜で形成されている。
【００８３】
このような本実施形態の上電極膜８０Ａの形成方法は、特に限定されないが、本実施形態では、以下の方法で形成した。
【００８４】
実施形態１の薄膜製造工程と同様に、流路形成基板１０上に、下電極膜６０及び圧電体膜７０を成膜後、まず上電極膜８０Ａを構成する第１の電極膜８２を成膜し、次いで、第１の電極膜８２上に、第１の電極膜８２とは異なる主成分を有する第２の電極膜８３を形成する。ここで、第２の電極膜８３は、好ましくは導電性酸化膜又は導電性窒化膜からなるが、これらは、直接、酸化膜又は窒化膜を形成してもよいが、成膜した後、酸化又は窒化して形成してもよい。
【００８５】
その後、上述の製造工程と同様に、圧電体能動部３２０及び圧力発生室１２を形成する。
【００８６】
上電極膜８０Ａをこのような構成としても、上述の実施形態と同様に、振動板が上に凸に変形され、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変形量を向上することができる。また、上電極膜８０Ａを圧縮応力を有する二層で構成し、上層を導電性の酸化膜又は窒化膜等で構成することにより、下層よりも大きい圧縮応力としたので、実施形態２と同様に、圧力発生室１２を形成した場合には、振動板を効果的に上に凸に変形させることができる。
【００８７】
なお、本実施形態では、上電極膜８０を二層で構成しているが、例えば、第１の電極膜８２を設けず、導電性酸化膜又は導電性窒化膜で形成される第２の電極膜８３のみで構成するようにしてもよい。このような構成においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、振動板を上に凸に変形させる手段は、上述したものに限定されない。例えば、圧力発生室１２を形成後、振動板の圧力発生室１２とは反対側に、物理的に引張り力を付与するようにして凸に変形させるようにしてもよいし、流路形成基板１０を上に凸に変形させて振動板に張力を付与して凸に変形させてもよい。
【００８９】
また、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。
【００９０】
例えば、図１２に示すように、圧力発生室１２の幅方向両側に対向した領域である圧電体能動部３２０の両側のいわゆる振動板腕部に相当する部分に、下電極膜６０を除去した下電極膜除去部３５０を設け、圧電体能動部３２０への電圧印加による変位量の向上を図ってもよい。この下電極膜除去部３５０は、下電極膜６０を完全に除去せずに、厚さ方向の一部をハーフエッチング等により除去することにより形成してもよく、また、弾性膜５０の厚さ方向の一部まで除去することにより形成してもよい。
【００９１】
このように、下電極膜除去部３５０を設けた場合にも、上述の実施形態と同様に、上電極膜８０に、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引張応力よりも大きい圧縮方向の応力を付与することにより、振動板を上に凸に変形させることができ、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変形量を向上することができる。
【００９２】
また、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。
【００９３】
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。
【００９４】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１３、その流路の断面を図１４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。
【００９５】
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。
【００９６】
ここで、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、上電極膜を圧縮応力とすることにより、圧電体能動部の駆動による振動板の変形量を増加することができる。
【００９７】
また、勿論、共通インク室を流路形成基板内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも同様に応用できる。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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１５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。
【０１０２】
図１５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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上電極膜を下電極膜及び圧電体膜の引張応力よりも大きい圧縮応力とすることにより、振動板は、圧電体能動部のパターニング及び圧力発生室形成後に、上電極膜の圧縮応力が開放されることによる引張方向の力の影響を受ける。しがって、振動板は上に凸に変形し、圧電体能動部の駆動による変形量を向上することができ、良好なインク吐出を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す図であり、図１の平面図及び断面図である。
【図３】図１の封止板の変形例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す図である。
【図６】本実施形態の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受ける応力の状態を示す図である。
【図７】従来の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受ける応力の状態を示す図である。
【図８】圧電振動子の駆動時に、振動板に加わる力と弾性変形量との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態２の薄膜製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態２の薄膜製造工程の他の例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。
【図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要部断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図である。
【図１４】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。
【図１５】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
５０弾性膜
６０下電極膜
７０圧電体膜
８０，８０Ａ上電極膜
９０絶縁体層
１００リード電極
３００圧電振動子
３２０圧電体能動部
３５０下電極膜除去部

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の表面に形成された上電極とを備え、前記圧力発生室に対応する領域に圧電振動子を形成したインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記弾性膜が、前記圧力発生室から外側に向かって凸に弾性変形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１において、前記上電極の主成分は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅからなる群から選択される金属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２において、前記上電極は、スパッタ法で形成され、且つ前記金属中に所定のガスが添加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３において、前記ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＲｎの群から選択される不活性ガス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２において、前記上電極は、前記金属に、異なる成分の金属、半金属、半導体及び絶縁体からなる群から選択される少なくとも一種の添加物が添加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、前記添加物が、イオン打ち込みにより前記上電極に添加されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項５において、前記添加物が、前記上電極上に設けられた層からの固相拡散により前記上電極に添加されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項７において、前記固相拡散は、不活性ガス又は真空下で加熱することにより行われることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項１において、前記上電極は、前記圧電体層の表面に形成される第１の電極と、この第１の電極上に積層される第２の電極とを有し、前記第２の電極は、導電性の酸化膜又は窒化膜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において、前記第１の電極の主成分が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ及びＲｅからなる群から選択される金属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又は１０において、前記第２の電極を構成する酸化膜の主成分が、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデンからなる群から選択されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項９又は１０において、前記第２の電極を構成する窒化膜の主成分が、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウムからなる群から選択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９又は１０において、前記第２の電極は、成膜後に酸化又は窒化することにより形成されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項１において、前記上電極の主成分が、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデンからなる群から選択される導電性酸化膜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１において、前記上電極の主成分が、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウムからなる群から選択される導電性窒化膜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１〜１５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。
請求項１〜１６の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。