JP4202467B2 - アクチュエータ装置及びインクジェット式記録ヘッド並びにインクジェット式記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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振動板を変形させるアクチュエータ装置及びインクジェット式記録ヘッド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。また、圧電振動子の圧電体層が十分な圧電特性を発揮しないという問題がある。
【０００８】
また、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、基板の一方側に弾性膜を介して圧電振動子を有するアクチュエータ装置についても同様に存在する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の圧電特性を向上したアクチュエータ装置及びインクジェット式記録ヘッド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、キャビティを画成した基板の一方面側に弾性膜を介して設けられて前記キャビティ毎にパターニングされた圧電体層を含む圧電振動子を具備するアクチュエータ装置において、前記圧電体層上に形成されている前記上電極が圧縮応力を有し、前記キャビティに対向する領域の前記圧電振動子が、前記キャビティを画成したときに前記圧電振動子に電圧を印加しない状態で前記圧電体層側に凸に撓んでいることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、圧電体層の圧電特性が向上され、弾性膜の変位量を向上することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記弾性膜は圧縮応力を有し、当該弾性膜の一部が薄いか又は形成されていない凹部を有することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００１７】
かかる第２の態様では、弾性膜に凹部を設けることにより、圧縮応力の一部が開放され、圧電体層に引張り方向の力が付与される。
【００１８】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記凹部は、前記弾性膜の前記圧電振動子に対向する領域に設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００１９】
かかる第３の態様では、弾性膜の圧電振動子に対向する領域で圧縮応力の一部が開放され、圧電体層に引張り方向の力が付与される。
【００２０】
本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記凹部は、前記弾性膜の少なくとも前記圧電振動子の幅方向両側の腕部に対向する領域に設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００２１】
かかる第４の態様では、弾性膜の圧電振動子の幅方向両側の腕部に対向する領域で圧縮応力の一部が開放され、圧電体層に引張り方向の力が付与される。
【００３４】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記基板の他方面側には、前記キャビティに連通するノズル開口を有するノズル形成部材が接合されて、前記キャビティにインクを満たして前記圧電振動子の駆動により前記ノズル開口からインクを吐出するヘッドチップを構成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。
【００３５】
かかる第５の態様は、圧電振動子の駆動により、ノズル開口から良好なインク吐出を行うことのできるインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００３６】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記キャビティ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。
【００３７】
かかる第６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。
【００３８】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記圧電体層が、ゾル−ゲル法あるいはスパッタリング法により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。
【００３９】
かかる第７の態様では、圧電体層を形成する際の熱により、各膜に強い応力が残留するが、圧電体層の応力は、成膜時と同等若しくは引張り側となり、圧電特性が向上される。
【００４０】
本発明の第８の態様は、第５〜７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。
【００４１】
かかる第８の態様では、ヘッドの吐出特性が向上され、インク吐出を良好に行うことができるインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４２】
【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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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が形成されていない溝部５２が設けられている。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。
【００５６】
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。
【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。
【００６０】
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を除去することにより、引張り膜５１の形成されていない溝部５２を形成する。この溝部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。
【００６１】
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、単斜晶系の二酸化ジルコニウム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、圧縮応力を有する二酸化ジルコニウムとなる。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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σ1，σ2，σ3を受けており、下電極膜６０及び圧電体膜７０は、引張応力σ4，σ5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σ6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溝部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σ6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、溝部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。
【００６９】
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σ4，σ5は一部が開放され、上電極膜８０も、圧縮応力σ3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σ2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σ6は開放されない。
【００７０】
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、圧電体能動部３２０に対応して形成されている圧縮応力の膜と、圧電体能動部３２０外に対応して形成されている引張り応力の膜が、圧電体膜を引っ張る力として作用する。すなわち、上電極膜８０の圧縮応力σ1、圧縮膜５３の圧縮応力σ2、さらに引張り膜５１の応力σ6が圧電体能動部３２０の圧電体膜７０を引っ張る。下電極膜６０の引張り応力σ5は、圧電体膜７０の応力を圧縮方向に緩和させようとするが、本実施形態では膜の応力を厚さ方向に積分した膜全体の張力は、圧電体能動部３２０に対向する領域の方が圧電体能動部３２０に対向する領域以外よりも、相対的に圧縮側に小さくなっているため、圧力発生室１２の形成に伴い、圧電体膜７０の応力が成膜時と同等若しくは引張り方向に大きくなる。
【００７１】
また、圧縮方向には、下電極膜６０及び圧電体膜７０の応力σ4，σ5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σ1，σ3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σ6，σ2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。さらに、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σ1及び引張り膜５１の応力σ6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。
【００７２】
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σ4，σ5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σ1，σ3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σ4，σ5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。また、このような初期変形が生じる条件下では、圧電体膜７０の成膜時の引張り応力が低下して、場合によっては圧縮応力となり、これにより、圧電特性が著しく低下することを知見した。
【００７３】
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に対応する領域に溝部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。これにより、圧電体膜７０の応力が、成膜時と同等若しくは引張り方向に大きくなる。また、圧電体膜７０は、このように撓み量が少ないほど、すなわち引張り応力を有しているほうが、圧電特性が優れていることが判った。したがって、本実施形態の構成によって、圧電体膜７０の圧電特性を向上でき、排除体積を増加することができる。
【００７４】
さらに、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。これにより、振動板の変形量を向上することができる。
【００７５】
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の周壁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に対向する領域内にパターニングし、圧力発生室１２に対向する位置にコンタクトホール９０ａを設けてもよい。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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を二酸化ジルコニウム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二酸化ジルコニウム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二酸化ジルコニウム等が好適である。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を二酸化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。
【００７９】
また、本実施形態では、溝部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８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、この溝部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。
【００８０】
（実施形態２）
本実施形態は、引張り膜及び圧縮膜を形成せずに、圧縮応力を有する振動板の一部に厚さ方向の一部を除去した凹部を設け、振動板の圧縮応力の一部を開放することにより、圧電体膜に引張り方向に力を付与した例である。
【００８１】
図９は、実施形態２にかかるインクジェット式記録ヘッドの要部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、そのＢ−Ｂ’線断面図、Ｃ−Ｃ’線断面図である。
【００８２】
本実施形態では、図９に示すように、弾性膜５０上に、下電極膜６０が形成され、この下電極膜６０上の圧力発生室に対向する領域には、圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０が形成されている。そして、圧力発生室１２に対向する領域の弾性膜５０には、圧電体能動部３２０に対向する領域の幅方向略中央部に長手方向に亘って、圧電体能動部３２０の幅よりも狭い幅で弾性膜５０の厚さ方向の一部を除去した凹部３２５が設けられている。弾性膜５０の凹部３２５を設けた部分では、圧縮応力が開放され、相対的に引張り方向の力となる。また、この引張り方向の力の大きさは、凹部３２５の深さに比例するため、凹部３２５の深さは、弾性膜５０の厚さの０．５倍以上にすることが好ましい。
【００８３】
ここで、このように凹部３２５を形成したときの弾性膜５０及び下電極膜６０の変形について説明する。図１０は、弾性膜５０及び下電極膜６０の変形を模式的に示した図である。
【００８４】
図１０（ａ）に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０をパターニングした状態では、圧電体膜７０及び下電極膜６０は収縮する方向の残留応力を有し、また、弾性膜５０は伸張する方向の残留応力を有している。ここで、従来通り圧力発生室１２を形成すると、圧電体能動部３２０の曲げの中立面は下電極膜６０の厚さの半分よりもかなり下側の下層部に位置するため、圧電体能動部３２０は、図１０（ｂ）に示すように、下に凸に変形し、大きな初期変形が生じる。
【００８５】
これに対して、上述のように圧力発生室１２を形成する際、振動板に凹部３２５を形成することにより、曲げの中立面が上方、例えば、圧電体膜７０内に移動するため、圧電体能動部３２０は、図１０（ｃ）に示すように、圧力発生室１２の略中央部での変形量が低減され、全体の初期変位量を小さく抑えることができる。すなわち、弾性膜５０の凹部３２５によって、圧縮応力の一部が開放され、圧電体膜７０に引張り方向の力が付与される。これにより、圧電体膜７０の応力は、成膜時と同等若しくは引張り方向に強くすることができる。
【００８６】
また、このような凹部３２５の大きさは、振動板の初期変形を良好に低減するが、振動板の耐久性の低下に大きく影響しないように設計する必要があり、深さは、弾性膜５０の膜厚の０．５倍以上で下電極膜６０の一部に到達するまでの範囲、幅は、圧電体能動部３２０の幅の０．５〜０．７倍の範囲であるのが好ましい。
【００８７】
何れにしても、このような凹部３２５の設計は、圧電体膜７０、下電極膜６０、及び弾性膜５０に残留する内部応力、及び厚さ、並びに圧電体能動部３２０の幅、圧力発生室１２の幅等に大きく依存するので、これらを考慮して最適値を決定する必要がある。
【００８８】
このように、本発明では、弾性膜５０に凹部３２５を設けるこにより、弾性膜５０の圧縮応力の一部が開放され、圧電体膜７０に引張り方向の力が付与される。これにより、圧電体膜７０の応力が、成膜時と同等か若しくは引張り方向に強くすることができ、圧電特性を実質的に向上することができる。
【００８９】
また、圧電体能動部３２０の曲げの中立面を上方に移動することができ、圧力発生室１２を形成する際に起こる初期変位量を低減することができる。したがって、駆動時の排除体積を向上することができる。
【００９０】
（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を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、そのＤ−Ｄ’線断面図、Ｅ−Ｅ’線断面図である。
【００９１】
本実施形態は、凹部３２５Ａを圧電体能動部３２０の幅方向両側の振動板腕部に設けるようにした以外は、実施形態２と同様であり、図１１に示すように、本実施形態の凹部３２５Ａは、圧力発生室１２に対向する領域において、圧電体能動部３２０の幅方向両側の弾性膜５０に、長手方向に亘って、弾性膜５０の厚さの０．５〜１倍程度の深さで形成されている。なお、本実施形態では、振動板腕部に凹部３２５Ａを形成しているため、下電極膜除去部は形成せずに、振動板の強度を確保している。
【００９２】
このような構成においても、実施形態２と同様に、弾性膜５０の圧縮応力の一部が凹部３２５Ａによって開放され、圧電体膜７０に引張り方向の力が付与される。したがって、圧電体膜７０の応力が、圧力発生室１２形成前と同等か若しくは引張り方向に強くなり、圧電特性を実質的に向上することができる。
【００９３】
上述の実施形態は、膜応力によって圧電体膜の応力を調整した例を説明したが、以下の実施形態では、圧電体膜に積極的に引張り方向の力を付与する例について説明する。
【００９４】
（実施形態４）
図１２は、実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面及び断面図である。
【００９５】
本実施形態は、圧電体能動部を構成する圧電体膜７０上に上電極膜８０とこの上電極膜８０の幅方向両側に一対の第２の電極８１，８２を設け、この第２の電極８１，８２間に電圧を印加することにより圧電体膜７０を積極的に引張り応力とした例である。
【００９６】
本実施形態では、図１２に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０等を有する圧電振動子３００は、基本的に圧力発生室１２に対向する領域内に設けられ、圧電体能動部３２０を形成している。また、各圧電体能動部３２０に対応する部分の圧電体膜７０上には、上電極膜８０とその幅方向両側に溝部８３を介して第２の電極膜８１、８２とが並設されている。
【００９７】
また、各上電極膜８０及び第２の電極膜８１，８２の長手方向一端部近傍の絶縁体層９０には、それぞれコンタクトホール９０ａ、９０ｂ，９０ｃが形成されて、別々のリード電極１００，１００Ａ，１００Ｂと接続されている。なお、下電極膜６０上の絶縁体層９０にもコンタクトホール９０ｄが設けられており、上電極膜８０同様、コンタクトホール９０ｄ内でリード電極１００Ｃと接続されている。
【００９８】
このような構成では、第２の電極８１，８２間に、リード電極１００Ａ，１００Ｂを介して、所定電圧を印加、すなわち圧電体膜７０に電界を印加することにより、圧電体膜７０には引張応力が生じるため、この状態では、上述の実施形態と同様に、実質的に圧電体膜７０の圧電特性が向上される。
【００９９】
したがって、例えば、第２電極８１，８２間に電圧を印加したまま、若しくは電圧を解除すると同時に、上電極膜８０及び下電極膜６０間に電圧を印加して、圧電体能動部３２０を駆動することにより、圧電体能動部３２０の駆動のみの場合よりも多量のインクを吐出することができる。
【０１００】
また、本実施形態では、上電極膜８０と第２の電極８１，８２とを圧電体膜７０の同一平面上に形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、図１３に示すように、圧電体能動部３２０の一部を構成する圧電体膜７０の両側面を下から上方に向かって徐々に狭くなるようにパターニングして、圧電体膜７０の幅方向両側面を傾斜面７０ａとし、圧電体膜７０の上面及び両傾斜面上にそれぞれ上電極膜８０及び第２の電極膜８１，８２を設けるようにしてもよい。このような構成により、第２の電極膜８１及び８２が設けられた圧電体膜７０の傾斜面７０ａは、第２の電極膜８１及び８２が相対向する方向に傾斜しているため、両者間に確実に電圧を印加することができ、圧電体膜７０により確実に引張応力とすることができ、圧電特性を実質的に向上することができる。
【０１０１】
（実施形態５）
図１４は、実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す平面図及び断面図である。
【０１０２】
本実施形態は、圧力発生室１２に対向する領域にパターニングされた圧電振動子３００の幅方向両側に、一端部が圧力発生室１２に対向する領域に臨む一対の第２の圧電振動子３００Ｂを設け、この第２の圧電振動子３００Ｂを駆動することにより、圧電体膜７０に積極的に引張り方向の力を付与した例である。
【０１０３】
本実施形態では、図１４に示すように、圧力発生室１２に対応する領域の弾性膜５０上には、下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０を含む第１の圧電振動子が設けられ、各圧力発生室１２に対向する領域の部分が圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる第１の圧電体能動部３２０Ａを構成している。また、各圧力発生室１２の幅方向両側の周壁上には、圧電体膜７０及び上電極膜８０を含む中間セグメント３１０が設けられ、その両端の部分が第２の圧電振動子３００Ｂとなり、その圧電体膜７０及び上電極膜８０が圧力発生室１２に対向する領域に臨んでいる部分が、第２の圧電体能動部３２０Ｂとなる。第２の圧電体能動部３２０Ｂは、本実施形態では、隣接する圧力発生室１２間に設けられた中間セグメント３１０の両端に設けられているので、第２の圧電体能動部３２０Ｂを駆動する場合には、全体を一緒に駆動することになる。
【０１０４】
このような構成では、図１５（ａ）に示すように、第１及び第２の圧電体能動部３２０Ａ，３２０Ｂに電圧を印加していない状態では、膜の内部応力の影響により、振動板は下に凸に変形している。ここで、第２の圧電振動子３００Ｂに所定電圧を印加することにより、図１５（ｂ）に示すように、第２の圧電体能動部３２０Ｂが撓もうとするため、振動板は引張方向の力ｆを受けて引き上げられる。このとき、第１の圧電体能動部３２０の圧電体膜７０も、引張り方向の力を受けることになる。これにより、圧電体膜７０の応力が、成膜時と同等か若しくは引張り方向に大きくなり、圧電特性を実質的に向上することができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、中間セグメントを隣接する圧力発生室に連続して形成したが、これに限定されず、例えば、図１６に示すように、中間セグメント３１０を構成する上電極膜８０及び圧電体膜７０を圧力発生室１２の幅方向の周壁上に対向する領域でパターニングして、各圧力発生室１２毎に第２の圧電振動子３００Ｂを独立して形成するようにしてもよい。この場合、第２の圧電振動子３００Ｂの長手方向一端部近傍に、それぞれ、コンタクトホール９０ｂを介して上電極膜８０とリード電極１００とを接続することにより、各圧力発生室１２毎に第２の圧電体能動部３２０Ｂをそれぞれ独立して駆動させることができる。
【０１０６】
このような構成によっても、上述同様、第２の圧電体能動部３００Ｂを駆動することにより、第１の圧電体能動部３２０Ａの圧電体膜７０に引張り方向の力を付与することができ、圧電特性を向上することができる。
【０１０７】
（実施形態６）
図１７は、実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの斜視図である。
【０１０８】
本実施形態は、流路形成基板１０を機械的に変形させることにより、圧電体膜７０に引張り方向の力を付与した例である。
【０１０９】
本実施形態では、図１７に示すように、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てインクジェット式記録ヘッドとした後、さらに、流路形成基板１０の圧電振動子３００側の面に保持部材１１０に接合するようにした。
【０１１０】
この保持部材１１０は、最終的にインクジェット式記録ヘッド全体を保持するケースを兼ねており、流路形成基板１０との接合面が、圧電振動子３００側に凹んだ凹面１１１となっており、また、上述した成膜により形成した圧電振動子３００を逃がすための凹部１１２を有する。
【０１１１】
このような保持部材１１０の凹面１１１に流路形成基板１０を接合することにより、流路形成基板１０は圧電振動子３００側に凸に変形され、この流路形成基板１０の変形と共に圧電体膜７０も上に凸に変形されることになる。すなわち、引張り方向の力が付与される。したがって、本実施形態のように、流路形成基板１０を機械的に変形させることによっても、上述の実施形態と同様に、圧電体膜７０の圧電特性を向上することができる。
【０１１２】
（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。
【０１１３】
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ｂ製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。
【０１１４】
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。
【０１１５】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１８、その流路の断面を図１９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。
【０１１６】
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１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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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２０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。
【０１２２】
図２０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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、他の膜の内部応力により、あるいは積極的に圧電体膜に引張り方向の力を付与することにより、圧電体膜の応力を成膜時と同等若しくは引張り方向にが大きくなるようにすることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性が向上し、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】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９】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を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ’線断面図である。
【図１０】本発明の実施形態２に係る振動板の変形を示した模式図である。
【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を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）はＤ−Ｄ’線断面図、（ｃ）はＥ−Ｅ’線断面図である。
【図１２】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を示す平面図及び断面図である。
【図１３】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変形例を示す断面図である。
【図１４】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を示す平面図及び断面図である。
【図１５】本発明の実施形態５に係る振動板の変形を示した模式図である。
【図１６】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変形例を示す平面図及び断面図である。
【図１７】本発明の実施形態６に係るインクジェット式記録ヘッドを示す斜視図である。
【図１８】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１９】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２０】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 溝部
５３ 圧縮膜
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
３００ 圧電振動子
３１０ 中間セグメント
３２０ 圧電体能動部
３２５，３２５Ａ 凹部
【発明の属する技術分野】
本発明は、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振動板を変形させるアクチュエータ装置及びインクジェット式記録ヘッド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。また、圧電振動子の圧電体層が十分な圧電特性を発揮しないという問題がある。
【０００８】
また、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、基板の一方側に弾性膜を介して圧電振動子を有するアクチュエータ装置についても同様に存在する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の圧電特性を向上したアクチュエータ装置及びインクジェット式記録ヘッド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、キャビティを画成した基板の一方面側に弾性膜を介して設けられて前記キャビティ毎にパターニングされた圧電体層を含む圧電振動子を具備するアクチュエータ装置において、前記圧電体層上に形成されている前記上電極が圧縮応力を有し、前記キャビティに対向する領域の前記圧電振動子が、前記キャビティを画成したときに前記圧電振動子に電圧を印加しない状態で前記圧電体層側に凸に撓んでいることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、圧電体層の圧電特性が向上され、弾性膜の変位量を向上することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記弾性膜は圧縮応力を有し、当該弾性膜の一部が薄いか又は形成されていない凹部を有することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００１７】
かかる第２の態様では、弾性膜に凹部を設けることにより、圧縮応力の一部が開放され、圧電体層に引張り方向の力が付与される。
【００１８】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記凹部は、前記弾性膜の前記圧電振動子に対向する領域に設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００１９】
かかる第３の態様では、弾性膜の圧電振動子に対向する領域で圧縮応力の一部が開放され、圧電体層に引張り方向の力が付与される。
【００２０】
本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記凹部は、前記弾性膜の少なくとも前記圧電振動子の幅方向両側の腕部に対向する領域に設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
【００２１】
かかる第４の態様では、弾性膜の圧電振動子の幅方向両側の腕部に対向する領域で圧縮応力の一部が開放され、圧電体層に引張り方向の力が付与される。
【００３４】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記基板の他方面側には、前記キャビティに連通するノズル開口を有するノズル形成部材が接合されて、前記キャビティにインクを満たして前記圧電振動子の駆動により前記ノズル開口からインクを吐出するヘッドチップを構成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。
【００３５】
かかる第５の態様は、圧電振動子の駆動により、ノズル開口から良好なインク吐出を行うことのできるインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００３６】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記キャビティ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。
【００３７】
かかる第６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。
【００３８】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記圧電体層が、ゾル−ゲル法あるいはスパッタリング法により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。
【００３９】
かかる第７の態様では、圧電体層を形成する際の熱により、各膜に強い応力が残留するが、圧電体層の応力は、成膜時と同等若しくは引張り側となり、圧電特性が向上される。
【００４０】
本発明の第８の態様は、第５〜７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。
【００４１】
かかる第８の態様では、ヘッドの吐出特性が向上され、インク吐出を良好に行うことができるインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４２】
【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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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が形成されていない溝部５２が設けられている。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。
【００５６】
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。
【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。
【００６０】
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を除去することにより、引張り膜５１の形成されていない溝部５２を形成する。この溝部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。
【００６１】
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、単斜晶系の二酸化ジルコニウム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、圧縮応力を有する二酸化ジルコニウムとなる。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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σ1，σ2，σ3を受けており、下電極膜６０及び圧電体膜７０は、引張応力σ4，σ5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σ6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溝部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σ6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、溝部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。
【００６９】
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σ4，σ5は一部が開放され、上電極膜８０も、圧縮応力σ3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σ2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σ6は開放されない。
【００７０】
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、圧電体能動部３２０に対応して形成されている圧縮応力の膜と、圧電体能動部３２０外に対応して形成されている引張り応力の膜が、圧電体膜を引っ張る力として作用する。すなわち、上電極膜８０の圧縮応力σ1、圧縮膜５３の圧縮応力σ2、さらに引張り膜５１の応力σ6が圧電体能動部３２０の圧電体膜７０を引っ張る。下電極膜６０の引張り応力σ5は、圧電体膜７０の応力を圧縮方向に緩和させようとするが、本実施形態では膜の応力を厚さ方向に積分した膜全体の張力は、圧電体能動部３２０に対向する領域の方が圧電体能動部３２０に対向する領域以外よりも、相対的に圧縮側に小さくなっているため、圧力発生室１２の形成に伴い、圧電体膜７０の応力が成膜時と同等若しくは引張り方向に大きくなる。
【００７１】
また、圧縮方向には、下電極膜６０及び圧電体膜７０の応力σ4，σ5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σ1，σ3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σ6，σ2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。さらに、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σ1及び引張り膜５１の応力σ6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。
【００７２】
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σ4，σ5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σ1，σ3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σ4，σ5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。また、このような初期変形が生じる条件下では、圧電体膜７０の成膜時の引張り応力が低下して、場合によっては圧縮応力となり、これにより、圧電特性が著しく低下することを知見した。
【００７３】
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に対応する領域に溝部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。これにより、圧電体膜７０の応力が、成膜時と同等若しくは引張り方向に大きくなる。また、圧電体膜７０は、このように撓み量が少ないほど、すなわち引張り応力を有しているほうが、圧電特性が優れていることが判った。したがって、本実施形態の構成によって、圧電体膜７０の圧電特性を向上でき、排除体積を増加することができる。
【００７４】
さらに、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。これにより、振動板の変形量を向上することができる。
【００７５】
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の周壁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に対向する領域内にパターニングし、圧力発生室１２に対向する位置にコンタクトホール９０ａを設けてもよい。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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を二酸化ジルコニウム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二酸化ジルコニウム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二酸化ジルコニウム等が好適である。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を二酸化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。
【００７９】
また、本実施形態では、溝部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８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、この溝部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。
【００８０】
（実施形態２）
本実施形態は、引張り膜及び圧縮膜を形成せずに、圧縮応力を有する振動板の一部に厚さ方向の一部を除去した凹部を設け、振動板の圧縮応力の一部を開放することにより、圧電体膜に引張り方向に力を付与した例である。
【００８１】
図９は、実施形態２にかかるインクジェット式記録ヘッドの要部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、そのＢ−Ｂ’線断面図、Ｃ−Ｃ’線断面図である。
【００８２】
本実施形態では、図９に示すように、弾性膜５０上に、下電極膜６０が形成され、この下電極膜６０上の圧力発生室に対向する領域には、圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０が形成されている。そして、圧力発生室１２に対向する領域の弾性膜５０には、圧電体能動部３２０に対向する領域の幅方向略中央部に長手方向に亘って、圧電体能動部３２０の幅よりも狭い幅で弾性膜５０の厚さ方向の一部を除去した凹部３２５が設けられている。弾性膜５０の凹部３２５を設けた部分では、圧縮応力が開放され、相対的に引張り方向の力となる。また、この引張り方向の力の大きさは、凹部３２５の深さに比例するため、凹部３２５の深さは、弾性膜５０の厚さの０．５倍以上にすることが好ましい。
【００８３】
ここで、このように凹部３２５を形成したときの弾性膜５０及び下電極膜６０の変形について説明する。図１０は、弾性膜５０及び下電極膜６０の変形を模式的に示した図である。
【００８４】
図１０（ａ）に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０をパターニングした状態では、圧電体膜７０及び下電極膜６０は収縮する方向の残留応力を有し、また、弾性膜５０は伸張する方向の残留応力を有している。ここで、従来通り圧力発生室１２を形成すると、圧電体能動部３２０の曲げの中立面は下電極膜６０の厚さの半分よりもかなり下側の下層部に位置するため、圧電体能動部３２０は、図１０（ｂ）に示すように、下に凸に変形し、大きな初期変形が生じる。
【００８５】
これに対して、上述のように圧力発生室１２を形成する際、振動板に凹部３２５を形成することにより、曲げの中立面が上方、例えば、圧電体膜７０内に移動するため、圧電体能動部３２０は、図１０（ｃ）に示すように、圧力発生室１２の略中央部での変形量が低減され、全体の初期変位量を小さく抑えることができる。すなわち、弾性膜５０の凹部３２５によって、圧縮応力の一部が開放され、圧電体膜７０に引張り方向の力が付与される。これにより、圧電体膜７０の応力は、成膜時と同等若しくは引張り方向に強くすることができる。
【００８６】
また、このような凹部３２５の大きさは、振動板の初期変形を良好に低減するが、振動板の耐久性の低下に大きく影響しないように設計する必要があり、深さは、弾性膜５０の膜厚の０．５倍以上で下電極膜６０の一部に到達するまでの範囲、幅は、圧電体能動部３２０の幅の０．５〜０．７倍の範囲であるのが好ましい。
【００８７】
何れにしても、このような凹部３２５の設計は、圧電体膜７０、下電極膜６０、及び弾性膜５０に残留する内部応力、及び厚さ、並びに圧電体能動部３２０の幅、圧力発生室１２の幅等に大きく依存するので、これらを考慮して最適値を決定する必要がある。
【００８８】
このように、本発明では、弾性膜５０に凹部３２５を設けるこにより、弾性膜５０の圧縮応力の一部が開放され、圧電体膜７０に引張り方向の力が付与される。これにより、圧電体膜７０の応力が、成膜時と同等か若しくは引張り方向に強くすることができ、圧電特性を実質的に向上することができる。
【００８９】
また、圧電体能動部３２０の曲げの中立面を上方に移動することができ、圧力発生室１２を形成する際に起こる初期変位量を低減することができる。したがって、駆動時の排除体積を向上することができる。
【００９０】
（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を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、そのＤ−Ｄ’線断面図、Ｅ−Ｅ’線断面図である。
【００９１】
本実施形態は、凹部３２５Ａを圧電体能動部３２０の幅方向両側の振動板腕部に設けるようにした以外は、実施形態２と同様であり、図１１に示すように、本実施形態の凹部３２５Ａは、圧力発生室１２に対向する領域において、圧電体能動部３２０の幅方向両側の弾性膜５０に、長手方向に亘って、弾性膜５０の厚さの０．５〜１倍程度の深さで形成されている。なお、本実施形態では、振動板腕部に凹部３２５Ａを形成しているため、下電極膜除去部は形成せずに、振動板の強度を確保している。
【００９２】
このような構成においても、実施形態２と同様に、弾性膜５０の圧縮応力の一部が凹部３２５Ａによって開放され、圧電体膜７０に引張り方向の力が付与される。したがって、圧電体膜７０の応力が、圧力発生室１２形成前と同等か若しくは引張り方向に強くなり、圧電特性を実質的に向上することができる。
【００９３】
上述の実施形態は、膜応力によって圧電体膜の応力を調整した例を説明したが、以下の実施形態では、圧電体膜に積極的に引張り方向の力を付与する例について説明する。
【００９４】
（実施形態４）
図１２は、実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面及び断面図である。
【００９５】
本実施形態は、圧電体能動部を構成する圧電体膜７０上に上電極膜８０とこの上電極膜８０の幅方向両側に一対の第２の電極８１，８２を設け、この第２の電極８１，８２間に電圧を印加することにより圧電体膜７０を積極的に引張り応力とした例である。
【００９６】
本実施形態では、図１２に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０等を有する圧電振動子３００は、基本的に圧力発生室１２に対向する領域内に設けられ、圧電体能動部３２０を形成している。また、各圧電体能動部３２０に対応する部分の圧電体膜７０上には、上電極膜８０とその幅方向両側に溝部８３を介して第２の電極膜８１、８２とが並設されている。
【００９７】
また、各上電極膜８０及び第２の電極膜８１，８２の長手方向一端部近傍の絶縁体層９０には、それぞれコンタクトホール９０ａ、９０ｂ，９０ｃが形成されて、別々のリード電極１００，１００Ａ，１００Ｂと接続されている。なお、下電極膜６０上の絶縁体層９０にもコンタクトホール９０ｄが設けられており、上電極膜８０同様、コンタクトホール９０ｄ内でリード電極１００Ｃと接続されている。
【００９８】
このような構成では、第２の電極８１，８２間に、リード電極１００Ａ，１００Ｂを介して、所定電圧を印加、すなわち圧電体膜７０に電界を印加することにより、圧電体膜７０には引張応力が生じるため、この状態では、上述の実施形態と同様に、実質的に圧電体膜７０の圧電特性が向上される。
【００９９】
したがって、例えば、第２電極８１，８２間に電圧を印加したまま、若しくは電圧を解除すると同時に、上電極膜８０及び下電極膜６０間に電圧を印加して、圧電体能動部３２０を駆動することにより、圧電体能動部３２０の駆動のみの場合よりも多量のインクを吐出することができる。
【０１００】
また、本実施形態では、上電極膜８０と第２の電極８１，８２とを圧電体膜７０の同一平面上に形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、図１３に示すように、圧電体能動部３２０の一部を構成する圧電体膜７０の両側面を下から上方に向かって徐々に狭くなるようにパターニングして、圧電体膜７０の幅方向両側面を傾斜面７０ａとし、圧電体膜７０の上面及び両傾斜面上にそれぞれ上電極膜８０及び第２の電極膜８１，８２を設けるようにしてもよい。このような構成により、第２の電極膜８１及び８２が設けられた圧電体膜７０の傾斜面７０ａは、第２の電極膜８１及び８２が相対向する方向に傾斜しているため、両者間に確実に電圧を印加することができ、圧電体膜７０により確実に引張応力とすることができ、圧電特性を実質的に向上することができる。
【０１０１】
（実施形態５）
図１４は、実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す平面図及び断面図である。
【０１０２】
本実施形態は、圧力発生室１２に対向する領域にパターニングされた圧電振動子３００の幅方向両側に、一端部が圧力発生室１２に対向する領域に臨む一対の第２の圧電振動子３００Ｂを設け、この第２の圧電振動子３００Ｂを駆動することにより、圧電体膜７０に積極的に引張り方向の力を付与した例である。
【０１０３】
本実施形態では、図１４に示すように、圧力発生室１２に対応する領域の弾性膜５０上には、下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０を含む第１の圧電振動子が設けられ、各圧力発生室１２に対向する領域の部分が圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる第１の圧電体能動部３２０Ａを構成している。また、各圧力発生室１２の幅方向両側の周壁上には、圧電体膜７０及び上電極膜８０を含む中間セグメント３１０が設けられ、その両端の部分が第２の圧電振動子３００Ｂとなり、その圧電体膜７０及び上電極膜８０が圧力発生室１２に対向する領域に臨んでいる部分が、第２の圧電体能動部３２０Ｂとなる。第２の圧電体能動部３２０Ｂは、本実施形態では、隣接する圧力発生室１２間に設けられた中間セグメント３１０の両端に設けられているので、第２の圧電体能動部３２０Ｂを駆動する場合には、全体を一緒に駆動することになる。
【０１０４】
このような構成では、図１５（ａ）に示すように、第１及び第２の圧電体能動部３２０Ａ，３２０Ｂに電圧を印加していない状態では、膜の内部応力の影響により、振動板は下に凸に変形している。ここで、第２の圧電振動子３００Ｂに所定電圧を印加することにより、図１５（ｂ）に示すように、第２の圧電体能動部３２０Ｂが撓もうとするため、振動板は引張方向の力ｆを受けて引き上げられる。このとき、第１の圧電体能動部３２０の圧電体膜７０も、引張り方向の力を受けることになる。これにより、圧電体膜７０の応力が、成膜時と同等か若しくは引張り方向に大きくなり、圧電特性を実質的に向上することができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、中間セグメントを隣接する圧力発生室に連続して形成したが、これに限定されず、例えば、図１６に示すように、中間セグメント３１０を構成する上電極膜８０及び圧電体膜７０を圧力発生室１２の幅方向の周壁上に対向する領域でパターニングして、各圧力発生室１２毎に第２の圧電振動子３００Ｂを独立して形成するようにしてもよい。この場合、第２の圧電振動子３００Ｂの長手方向一端部近傍に、それぞれ、コンタクトホール９０ｂを介して上電極膜８０とリード電極１００とを接続することにより、各圧力発生室１２毎に第２の圧電体能動部３２０Ｂをそれぞれ独立して駆動させることができる。
【０１０６】
このような構成によっても、上述同様、第２の圧電体能動部３００Ｂを駆動することにより、第１の圧電体能動部３２０Ａの圧電体膜７０に引張り方向の力を付与することができ、圧電特性を向上することができる。
【０１０７】
（実施形態６）
図１７は、実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの斜視図である。
【０１０８】
本実施形態は、流路形成基板１０を機械的に変形させることにより、圧電体膜７０に引張り方向の力を付与した例である。
【０１０９】
本実施形態では、図１７に示すように、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てインクジェット式記録ヘッドとした後、さらに、流路形成基板１０の圧電振動子３００側の面に保持部材１１０に接合するようにした。
【０１１０】
この保持部材１１０は、最終的にインクジェット式記録ヘッド全体を保持するケースを兼ねており、流路形成基板１０との接合面が、圧電振動子３００側に凹んだ凹面１１１となっており、また、上述した成膜により形成した圧電振動子３００を逃がすための凹部１１２を有する。
【０１１１】
このような保持部材１１０の凹面１１１に流路形成基板１０を接合することにより、流路形成基板１０は圧電振動子３００側に凸に変形され、この流路形成基板１０の変形と共に圧電体膜７０も上に凸に変形されることになる。すなわち、引張り方向の力が付与される。したがって、本実施形態のように、流路形成基板１０を機械的に変形させることによっても、上述の実施形態と同様に、圧電体膜７０の圧電特性を向上することができる。
【０１１２】
（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。
【０１１３】
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ｂ製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。
【０１１４】
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。
【０１１５】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１８、その流路の断面を図１９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。
【０１１６】
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１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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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２０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。
【０１２２】
図２０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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、他の膜の内部応力により、あるいは積極的に圧電体膜に引張り方向の力を付与することにより、圧電体膜の応力を成膜時と同等若しくは引張り方向にが大きくなるようにすることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性が向上し、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】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９】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を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ’線断面図である。
【図１０】本発明の実施形態２に係る振動板の変形を示した模式図である。
【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を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）はＤ−Ｄ’線断面図、（ｃ）はＥ−Ｅ’線断面図である。
【図１２】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を示す平面図及び断面図である。
【図１３】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変形例を示す断面図である。
【図１４】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を示す平面図及び断面図である。
【図１５】本発明の実施形態５に係る振動板の変形を示した模式図である。
【図１６】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変形例を示す平面図及び断面図である。
【図１７】本発明の実施形態６に係るインクジェット式記録ヘッドを示す斜視図である。
【図１８】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１９】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２０】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 溝部
５３ 圧縮膜
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
３００ 圧電振動子
３１０ 中間セグメント
３２０ 圧電体能動部
３２５，３２５Ａ 凹部
Claims (8)
- キャビティを画成した基板の一方面側に弾性膜を介して設けられて前記キャビティ毎にパターニングされた圧電体層を含む圧電振動子を具備するアクチュエータ装置において、
前記圧電体層上に形成されている前記上電極が圧縮応力を有し、前記キャビティに対向する領域の前記圧電振動子が、前記キャビティを画成したときに前記圧電振動子に電圧を印加しない状態で前記圧電体層側に凸に撓んでいることを特徴とするアクチュエータ装置。 - 請求項１において、前記弾性膜は圧縮応力を有し、当該弾性膜の一部が薄いか又は形成されていない凹部を有することを特徴とするアクチュエータ装置。
- 請求項２において、前記凹部は、前記弾性膜の前記圧電振動子に対向する領域に設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置。
- 請求項２において、前記凹部は、前記弾性膜の少なくとも前記圧電振動子の幅方向両側の腕部に対向する領域に設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置。
- 請求項１〜４の何れかにおいて、前記基板の他方面側には、前記キャビティに連通するノズル開口を有するノズル形成部材が接合されて、前記キャビティにインクを満たして前記圧電振動子の駆動により前記ノズル開口からインクを吐出するヘッドチップを構成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５において、前記キャビティ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６において、前記圧電体層が、ゾル−ゲル法あるいはスパッタリング法により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５〜７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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