JP3603933B2 - 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 - Google Patents

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その製造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、圧電振動子の軸方向に伸長、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。なお、この場合、圧電材料層は弾性膜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。
【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、圧電体層の内部応力が緩和され、また、下電極の内部応力の影響により弾性膜が圧力発生室側に撓んでしまい、この撓みが弾性膜の初期変形として残留してしまう。したがって、圧電振動子の駆動による弾性膜の変形量が実質的に小さくなるという問題や、弾性膜の耐久性が低下するという問題がある。
【０００８】
また、一般には、下電極が圧力発生室に対向する領域からその周壁上まで延設され弾性膜と共に振動板を構成しているため、変位効率が悪いという問題がある。さらに、圧力発生室の幅方向両側の、いわゆる腕部の下電極をオーバーエッチングして一部又は全部を除去して変位効率を高めた構造も知られているが、オーバーエッチングしたことにより初期たわみが増大し、排除体積の向上は望めない。また、このような構造にすると、特に、実際には、圧電振動子が本来有する特性が得られないという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、弾性膜の変形量及び耐久性の向上を図ったインクジェット式記録ヘッド及びその製造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、この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毎に形成された前記圧電体層と前記下電極及び前記上電極とを含む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、前記圧電振動子を構成する前記圧電体層の幅方向両側の腕部の前記弾性膜を構成する膜の応力が、その間の前記弾性膜を構成する膜の応力より引張り方向に大きい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、圧力発生室を形成する際、腕部の弾性膜を構成する膜の応力が開放される力によって、圧電体層が幅方向外側に引っ張られて圧電特性が向上し、弾性膜の変形量が向上される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記弾性膜は、少なくとも前記腕部に引張応力を持つ引張り膜を有し、当該引張り膜は前記腕部の間では少なくとも厚さ方向の一部が除去された引張り膜除去部が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。
【００１３】
かかる第２の態様では、引張り膜除去部を設けることにより、腕部に対応する部分の引張り膜が引張応力となり、圧力発生室を形成する際に、圧電体層が幅方向に引っ張られる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記引張り膜除去部は、前記圧電振動子の幅よりも若干幅狭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。
【００１５】
かかる第３の態様では、引張り膜除去部を形成した後の圧電体層のパターニングを良好に行うことができる。
【００１６】
本発明の第４の態様では、第１〜３の何れかの態様において、前記引張り膜は、金属膜からな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、引張り膜を金属膜で形成することによって、引張応力となる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記引張り膜は、金属酸化膜からな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、引張り膜を金属酸化膜で形成することにより、引張応力となり、強度も向上する。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第２〜５の何れかの態様において、前記引張り膜除去部の上側には、前記引張り膜より引張応力が小さいか又は圧縮応力を有する非引張り膜を有す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、引張り膜と非引張り膜とによって、圧電体層が、さらに幅方向外側に強く引っ張られる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記非引張り膜が、上記下電極を兼ね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、圧力発生室を形成する際、下電極の応力が開放される力によっても、圧電体層は幅方向外側に引っ張られる。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第６又は７の態様において、前記非引張り膜は、前記圧電振動子と共に前記圧力発生室毎にパターニング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。
【００２５】
かかる第８の態様では、腕部の膜厚が厚くなることなく、弾性膜の変形量が減少することがない。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第６〜８の何れかの態様において、前記非引張り膜は、金属の酸化物からなる圧縮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。
【００２７】
かかる第９の態様では、圧力発生室を形成する際、圧縮膜の応力が開放される力によって、圧電体層がさらに強く幅方向外側に引っ張られる。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記上電極は、圧縮応力を有す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。
【００２９】
かかる第１０の態様では、圧力発生室を形成する際、上電極の圧縮応力が開放される力により、圧電体層がさらに強く幅方向外側に引っ張られる。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何れかの態様において、前記下電極は、前記圧力発生室に対向する領域の長手方向の少なくとも一端部からその外側へ延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。
【００３１】
かかる第１１の態様では、延設された下電極を介して外部配線と接続できる。
【００３２】
本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何れかの態様において、前記上電極及び前記圧電体層は、前記圧力発生室に対向する領域の長手方向の少なくとも一端部からその外側へ延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。
【００３３】
かかる第１２の態様では、延設された上電極を介して外部配線と接続できる。
【００３４】
本発明の第１３の態様は、第１１又は１２の態様において、前記下電極の延設方向と前記上電極及び前記圧電体層の延設方向とが異な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。
【００３５】
かかる第１３の態様では、上電極及び下電極と外部配線とを容易に接続することができる。
【００３６】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様において、前記下電極又は前記上電極の何れか一方が共通電極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。
【００３７】
かかる第１４の態様では、外部配線との接続を容易に行うことができる。
【００３８】
本発明の第１５の態様は、第１〜１４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。
【００３９】
かかる第１５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。
【００４０】
本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何れかの態様において、前記圧電体層は、ゾル−ゲル法あるいはスパッタリング法で形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００４１】
かかる第１６の態様では、圧電体層を容易に形成することができる。
【００４２】
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を特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００４３】
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。
【００４４】
【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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０上には、厚さが、例えば、０．２〜０．６μｍで、引張応力を有する引張り膜５１が形成され、詳しく後述するが、この引張り膜５１の圧電体能動部３２０に対応する部分の一部には、引張り膜を５１を除去した引張り膜除去部５２が形成されている。また、本実施形態では、この引張り膜５１上には、さらに、厚さが、例えば０．５〜１μｍで、圧縮応力を有する圧縮膜５３が形成され、後述するプロセスで、圧電体能動部３２０と共にパターニングされる。
【００５８】
また、この圧縮膜５３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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタリング法で引張応力を有する引張り膜５１を成膜する。この引張り膜５１は、引張応力を有し、インク吐出の際の変形に耐えうるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｐｔ，Ｉｒ等の金属膜が好適である。
【００６２】
次に、図４（ｃ）に示すように、引張り膜５１の圧電体能動部３２０に対応する部分の面方向の一部をパターニングして、引張り膜５１を除去した引張り膜除去部５２を形成する。この引張り膜除去部５２の幅は、特に限定されないが、圧電体能動部３２０に対応する領域に、圧電体能動部３２０の幅と同じか又は多少狭く形成するのが好ましい。また、圧電体膜７０にクラックが発生する場合には、逆に広く形成するのが好ましい。
【００６３】
次に、図４（ｄ）に示すように、圧縮応力を有する圧縮膜５３を形成する。例えば、本実施形態では、単斜晶系のジルコニア膜を用いて圧縮応力を有する圧縮膜５３を形成した。この圧縮膜５３は、引張り膜５１上にジルコニウム層をスパッタリング法で形成後、約１１５０℃の拡散炉で酸素中で熱酸化処理することにより形成したものであり、強い圧縮応力を有する。ここで、ジルコニウムは酸化される際に、相転移温度以上に加熱されているため、冷却時に相転移を起こして単斜晶系となり、圧縮応力を有するジルコニアとなる。
【００６４】
次に、図４（ｅ）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。なお、後述の圧電体膜７０を高温で焼成する過程あるいはジルコニウム層を酸化させる過程で、圧電体膜７０の下にある各層は、材料によっては結晶構造の変化等により、強い引張りの応力を持つ。例えば、ＰｔやＩｒは、強い引張り応力を持つようになり、引張り膜として機能を発揮する。
【００６５】
次に、図４（ｆ）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。
【００６６】
次に、図４（ｇ）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、圧縮応力を有することが好ましく、例えば、本実施形態では、Ｉｒをスパッタリング法により成膜している。
【００６７】
次に、図５に示すように、下電極膜６０、圧電体膜７０、上電極膜８０及び圧縮膜５３をパターニングする。
【００６８】
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。次いで、図５（ｃ）示すように、少なくとも圧電体能動部３２０の幅方向両側、いわゆる振動板の腕部の下電極膜６０及び圧縮膜５３をエッチングにより除去する。
【００６９】
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。
【００７０】
流路形成基板１０に成膜した状態の各層は、図６（ａ）に示すように、弾性膜５０、圧縮膜５３及び上電極膜８０は、流路形成基板１０から圧縮応力σ_１，σ_２，σ_３を受けており、下電極膜６０及び圧電体膜７０は、引張応力σ_４，σ_５を受けている。また、引張り膜５１も、流路形成基板１０から引張応力σ_６を受けているが、圧電体能動部３２０がパターニングされる領域に引張り膜除去部５２が形成されているため一部が開放されいる。また、引張り膜５１の引張り応力σ_６は、圧力発生室１２に対向する領域の流路形成基板１０からみると、引張り膜除去部５２側では、実質的には、圧縮方向に作用していることになる。
【００７１】
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、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引張応力σ_４，σ_５は一部が開放され、上電極膜８０も、圧縮応力σ_３の一部が開放される。また、この上電極膜８０と同様に、圧縮膜５３の圧縮応力σ_２も一部が開放されるが、引張り膜５１は、パターニングされないため、引張り応力σ_６は開放されない。
【００７２】
次いで、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を形成すると、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引張応力σ_４，σ_５が開放されて、圧縮方向の力となり、一方、弾性膜５０及び上電極膜８０の圧縮応力σ_１，σ_３が開放されて、引張り方向の力となり、弾性膜５０を下へ変形させようとする力となる。しかしながら、本実施形態では、引張り膜５１の引張応力σ_６が開放されて、圧電体膜７０を両側へ引張る力となり、さらに圧縮膜５３の圧縮応力σ_２も開放されて、引張る力となるので、上述した下への変形させようとする力が緩和される。
【００７３】
このように、圧縮方向には、下電極膜６０及び圧電体膜７０の応力σ_４，σ_５が開放された力が作用するのに対して、引張り方向には、弾性膜５０及び上電極膜８０の応力σ_１，σ_３が開放された力が作用するのに加えて、本実施形態では、引張り膜５１及び圧縮膜５３の応力σ_６，σ_２が作用する。したがって、引張り方向の力が増加され、振動板が上に凸に変形し、両方向の力がつり合っている場合には、振動板の撓みはほとんど発生しない。また、本実施形態では、圧力発生室１２を形成する際に、振動板の腕部の部分は、弾性膜５０の応力σ_１及び引張り膜５１の応力σ_６が開放される力が引張り方向のみに作用する。したがって、好適な条件では、振動板は、上に凸に変形する。
【００７４】
なお、引張り膜５１及び圧縮膜５３を形成しない場合には、図７（ａ）に示すように、圧力発生室１２形成前には、下電極膜６０及び圧電体膜７０はそれぞれ引張応力σ_４，σ_５を受けているのに対し、弾性膜５０及び上電極膜８０が圧縮応力σ_１，σ_３を受けている。そして、圧力発生室１２を形成すると、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引張応力σ_４，σ_５が開放されて収縮しようとする力となるのに対して、弾性膜５０は、パターニングされていないため上電極膜８０の圧縮応力のみが開放されて引っ張り方向の力となる。結果的に、圧縮方向の力が引張方向の力よりも大きいため、弾性膜５０は、図７（ｂ）に示すように、下に凸に変形され、これが初期変形として残留する。このように、特に高温での焼成が必要なゾル−ゲル法やスパッタリング法によって圧電体膜を形成する場合には、下電極膜に強い引張り応力が生じるため、従来の構造では、この引張り応力が特性の低下をもたらしていた。
【００７５】
上述のように、本実施形態では、弾性膜５０上に引張り膜５１を形成し、その圧電体能動部３２０に対応する領域に引張り膜除去部５２を設け、さらに、引張り膜５１上に圧縮膜５３を形成した。これにより、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、引張り膜５１の応力が開放された力が、実質的に引張り方向の力となり、また、圧縮膜５３の応力が開放された力が、引張方向の力となる。したがって、弾性膜５０及び上電極膜８０の応力が開放された力に加えて、これら引張り膜５１及び圧縮膜５３の応力が開放された力が引張り方向に作用するため、下電極膜６０及び圧電体層７０と応力が開放された圧縮方向の力が相殺され、圧力発生室１２形成による弾性膜５０の変形を低減または無くすことができる。また、このとき、引張り方向に作用する力によって、圧電体膜７０は、幅方向外側に引っ張られ、撓み量が減少する。また、圧電体膜７０は、撓み量が少ないほど、圧電特性が優れていることを知見した。したがって、圧電体膜７０の撓み量が減少されることにより、圧電体膜７０の圧電特性が向上され、排除体積を増加することができる。
【００７６】
上述の説明では、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の圧電体膜７０及び上電極膜８０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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
ここで、本実施形態の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図８（ａ）に示す。図示のように、本実施形態では、初期段階で、振動板に変形がないので、駆動時に発生する力Ｆに対する変形Ｔが弾性変形域で生じることになる。一方、図８（ｂ）に示すように、初期に加わった力ｆにより、初期変形ｔが生じている場合には、駆動時に力Ｆが加ると、塑性変形領域に入ってしまうので、対応する変形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。
【００８０】
なお、上述のように、本実施形態では、引張り膜５１を、Ｐｔ，ｉｒ等で形成し、圧縮膜５３をジルコニア等で形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、引張り膜５３を、例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、又は希土類酸化物等の添加物を数％程度添加することにより、引張り応力とした安定もしくは部分安定化ジルコニア等で形成するようにしてもよい。このとき、圧縮膜５３を、引張り膜５１に近似した材料であることが好ましく、例えば、圧縮応力を有する単斜晶系のジルコニア等が好適である。このように、引張り膜５１と圧縮膜５３とを、近似した材料で形成することにより、両者の密着性が向上するという効果を奏する。また、このような構成の場合には、弾性膜５０をジルコニアで形成することにより、引張り膜５１が他の膜と接触する部分全てが、近似した材料で形成されていることになり密着性がさらに向上する。
【００８１】
また、本実施形態では、引張り膜除去部５２は、引張り膜５１を厚さ方向に完全に除去することにより形成されているが、これに限定されず、例えば、図９に示すように、引張り膜５１の厚さ方向の少なくとも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い。なお、この引張り膜除去部５２の深さは、特に限定されないが、引張り膜５１の引張応力が開放される力はこの深さに比例するため、膜全体の応力バランスから考慮して決定すればよい。このような構成によっても、上述と同様な効果を得ることができ、また圧縮膜５３との接着面が同一材料で構成されるため、密着性が向上する。
【００８２】
（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。
【００８３】
例えば、上述の実施形態では、引張り膜５１上に形成された圧縮膜５３を圧縮応力としたが、これに限定されず、少なくとも引張り膜５１よりも小さい応力であれば、引張応力であってもよい。
【００８４】
また、本実施形態では、この圧縮膜５３上に下電極膜６０を形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、圧縮膜５３が下電極膜６０を兼ねるようにしてもよいし、例えば、圧縮膜５３を設けずに、引張り膜５１上に下電極膜６０を形成するようにしてもよい。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１０、その流路の断面を図１１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。
【００８８】
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。
【００８９】
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、弾性膜上に引張り膜を形成することにより、弾性膜の初期撓みを低減し、圧電体能動部の駆動による変形量を実質的に増加することができる。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００９５】
図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００９６】
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。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弾性膜上に引っ張り応力を有する引張り膜を形成し、その圧電体能動部に対応する部分の少なくとも一部を厚さ方向に引張り膜除去部を形成することにより、圧力発生室を形成する際、圧電体層が幅方向外側に引張られることによって、圧電体層の圧電特性が向上され、排除体積が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１に係るインクジェット式記録ヘッド変形例を示す要部断面図である。
【図１０】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１１】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１２ 圧力発生室
５０ 弾性膜
５１ 引張り膜
５２ 引張り膜除去部
５３ 圧縮膜
５４ 圧縮膜除去部
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
３００ 圧電振動子
３２０ 圧電体能動部

Claims (17)

1. 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毎に形成された前記圧電体層と前記下電極及び前記上電極とを含む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、
   前記圧電振動子を構成する前記圧電体層の幅方向両側の腕部の前記弾性膜を構成する膜の応力が、その間の前記弾性膜を構成する膜の応力より引張り方向に大きいことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
2. 請求項１において、前記弾性膜は、少なくとも前記腕部に引張応力を持つ引張り膜を有し、当該引張り膜は前記腕部の間では少なくとも厚さ方向の一部が除去された引張り膜除去部が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。
3. 請求項２において、前記引張り膜除去部は、前記圧電振動子の幅よりも若干幅狭であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記引張り膜は、金属膜からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
5. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記引張り膜は、金属酸化膜からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
6. 請求項２〜５の何れかにおいて、前記引張り膜除去部の上側には、前記引張り膜より引張応力が小さいか又は圧縮応力を有する非引張り膜を有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
7. 請求項６において、前記非引張り膜が、上記下電極を兼ねていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
8. 請求項６又は７において、前記非引張り膜は、前記圧電振動子と共に前記圧力発生室毎にパターニング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。
9. 請求項６〜８の何れかにおいて、前記非引張り膜は、金属の酸化物からなる圧縮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。
10. 請求項１〜９の何れかにおいて、前記上電極は、圧縮応力を有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
11. 請求項１〜１０の何れかにおいて、前記下電極は、前記圧力発生室に対向する領域の長手方向の少なくとも一端部からその外側へ延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。
12. 請求項１〜１１の何れかにおいて、前記上電極及び前記圧電体層は、前記圧力発生室に対向する領域の長手方向の少なくとも一端部からその外側へ延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。
13. 請求項１１又は１２において、前記下電極の延設方向と前記上電極及び前記圧電体層の延設方向とが異なることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
14. 請求項１３において、前記下電極又は前記上電極の何れか一方が共通電極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。
15. 請求項１〜１４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。
16. 請求項１〜１５の何れかにおいて、前記圧電体層は、ゾル−ゲル法あるいはスパッタリング法で形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
17. 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。

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