JPH11115184A - アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電体能動部の端部での剥離あるいはクラッ
ク発生を防止することができるアクチュエータおよびイ
ンクジェット式記録ヘッドを提供する。 【解決手段】 少なくとも上面に上電極を有する振動板
５０，６０と、該振動板５０，６０の表面に形成された
圧電体層７０及び該圧電体層７０の表面に形成された上
電極８０からなる圧電体能動部３２０とからなる圧電振
動子を備えたアクチュエータにおいて、前記圧電体能動
部３２０の端部近傍で少なくとも端部から前記圧電体層
６０の厚さの略３倍位置までの領域が非能動部３２０ａ
とし、圧電体能動部３２０への電圧印加の際に端部での
変位が完全になくなるので、端部での剥がれ、クラック
の発生等が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動板の上に圧電
体能動部を有するアクチュエータに関し、特に、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、圧電体
層上に上電極パターンを形成した圧電体能動部を駆動す
ると、上電極のエッジ部にクラックが入り、このクラッ
クは上電極パターンの下の圧電体層まで進展して圧電体
能動部に致命的なダメージを引き起こす虞がある。

【０００９】また、上述したように帯状に形成した圧電
体能動部では、圧電体パターンの端部が剥離し易く、場
合によっては端部が、絶縁破壊、クラックの発生、又は
下電極と圧電体層との間で剥離する等の疲労破壊を発生
する虞があるという問題がある。

【００１０】さらに、圧電体層の端部を圧力発生室外の
周壁上まで延設すると、圧力発生室内と周壁との境界近
傍に対向する部分からクラックが発生するという問題が
ある。

【００１１】これらの問題は、特に、圧電材料層を成膜
技術で形成した場合に生じ易い。これは、成膜技術で形
成した圧電材料層は非常に薄く、圧電振動子を貼付した
ものに比較して剛性が低いためである。

【００１２】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、基板の一方側に振動板及び圧
電体能動部を有するアクチュエータにおいても同様に存
在する。

【００１３】本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能
動部の端部での剥離あるいはクラック発生を防止するこ
とができるアクチュエータおよび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。

【００１４】

【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、少なくとも上面に下電極を有する振
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たアクチュエータにおい
て、前記圧電体能動部の端部の外側近傍には、当該圧電
体能動部の端部から所定距離だけ離れ且つ当該圧電体能
動部に形成された上電極と電気的に接続されないフロー
ティング電極が設けられていることを特徴とするアクチ
ュエータにある。

【００１５】かかる第１の態様では、上電極とフローテ
ィング電極との間に電界が形成されるので、変位する領
域と変位を全く生じない領域とが直接隣接しなくなるの
で、圧電体能動部の端部近傍で疲労破壊が生じ難くな
る。

【００１６】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記圧電体能動部上にパターニングされた上電極の
端部と前記フローティング電極との前記所定距離は、前
記圧電体層の厚さの３倍以下であることを特徴とするア
クチュエータにある。

【００１７】かかる第２の態様では、上電極とフローテ
ィング電極との間に電界が生じ、有効に疲労破壊等が防
止される。

【００１８】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フロー
ティング電極との間の前記圧電体層は、相対的に圧電性
が低い低活性部からなることを特徴とするアクチュエー
タにある。

【００１９】かかる第３の態様では、低活性部での変位
が低減するので、疲労破壊等が有効に防止される。

【００２０】本発明の第４の態様は、第１〜３の態様に
おいて、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローテ
ィング電極との間の前記圧電体層がハーフエッチングさ
れていることを特徴とするアクチュエータにある。

【００２１】かかる第４の態様では、ハーフエッチング
によりその部分での応力が緩和されるので、疲労破壊等
が有効に防止される。

【００２２】本発明の第５の態様は、少なくとも上面に
下電極を有する振動板と、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たアクチ
ュエータにおいて、前記圧電体能動部の端部は、当該端
部の縁が面方向に凹凸する凹凸部となっていることを特
徴とするアクチュエータにある。

【００２３】かかる第５の態様では、上電極に凹凸部が
形成されているので、圧電体能動部の端部での電界の集
中が防止され、疲労破壊等が防止される。

【００２４】本発明の第６の態様は、第５の態様におい
て、前記凹凸部の凹凸の大きさ及び間隔がそれぞれ前記
圧電体層の厚さの３倍以下であることを特徴とするアク
チュエータにある。

【００２５】かかる第６の態様では、凹凸部形成によ
り、電界の集中の抑制効果が有効に発揮される。

【００２６】本発明の第７の態様は、第５又は６の態様
において、前記圧電体能動部の端部の外側近傍には、当
該圧電体能動部の端部から所定距離だけ離れ且つ当該圧
電体能動部に形成された上電極と電気的に接続されない
フローティング電極が設けられていることを特徴とする
アクチュエータにある。

【００２７】かかる第７の態様では、凹凸部とフローテ
ィング電極の相応効果により、疲労破壊等が有効に防止
される。

【００２８】本発明の第８の態様は、第７の態様におい
て、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティン
グ電極との間の前記圧電体層は、相対的に圧電性が低い
低活性部からなることを特徴とするアクチュエータにあ
る。

【００２９】かかる第８の態様では、さらに、低活性部
による変位抑制効果が発揮される。

【００３０】本発明の第９の態様は、第７又は８の態様
において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フロー
ティング電極との間の前記圧電体層がハーフエッチング
されていることを特徴とするアクチュエータにある。

【００３１】かかる第９の態様では、ハーフエッチング
によりその部分での応力が緩和されるので、疲労破壊等
が有効に防止される。

【００３２】本発明の第１０の態様は、少なくとも上面
に下電極を有する振動板と、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たアク
チュエータにおいて、前記圧電体能動部の端部の外側近
傍の圧電体層は、圧電性が相対的に低い低活性部からな
ることを特徴とするアクチュエータにある。

【００３３】かかる第１０の態様では、圧電体能動部の
外部に圧電特性が低い低活性部があるので、繰り返し駆
動による疲労破壊が防止される。

【００３４】本発明の第１１の態様では、第１０の態様
において、前記低活性部は、前記圧電体層に原子又は分
子を衝突させることにより形成したことを特徴とするア
クチュエータにある。

【００３５】かかる第１１の態様は、低活性部が原子又
は分子を衝突させることにより容易に形成される。

【００３６】本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何
れかの態様において、前記振動板が、ノズル開口に連通
する圧力発生室の一部を構成し、前記圧電体能動部が前
記圧力発生室に対向した領域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。

【００３７】かかる第１２の態様では、圧力発生室に対
向して圧電体能動部を形成することにより、圧電体能動
部の駆動によりインクを吐出するインクジェット式記録
ヘッドが構成され、圧電体能動部の端部での疲労破壊が
有効に防止される。

【００３８】本発明の第１３の態様は、第１２の態様に
おいて、前記圧電体能動部の前記圧力発生室に対向する
領域内に帯状に形成され、前記端部は当該圧電体能動部
の両端部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１３の態様では、圧力発生室に対
向して設けられた圧電体能動部の両端部での疲労破壊が
防止される。

【００４０】本発明の第１４の態様は、第１３の態様に
おいて、前記圧電体能動部の一端部から前記圧力発生室
の端部側壁に対向する領域まで前記圧電体層が連続的に
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。

【００４１】かかる第１４の態様では、周壁上に延設さ
れた圧力体能動部の端部の疲労破壊等が有効に防止され
る。

【００４２】本発明の第１５の態様は、第１４の態様に
おいて、前記圧電体能動部の一端部から前記圧力発生室
の端部側壁に対向する領域まで連続的に延設されている
前記圧電体層の前記一端部から少なくとも前記圧力発生
室と前記端部側壁との境界に対向する領域までが不活性
部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。

【００４３】かかる第１５の態様では、圧力発生室と周
壁との境界近傍の圧電体層の疲労破壊が防止される。

【００４４】本発明の第１６の態様は、第１２〜１５の
何れかの態様において、前記上電極の上面には絶縁体層
が形成され、該絶縁体層にはリード電極と前記上電極と
の前記コンタクト部を形成するための窓であるコンタク
トホール部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。

【００４５】かかる第１６の態様では、各圧電体能動部
とリード電極とはコンタクトホール部を介して接続され
る。

【００４６】本発明の第１７の態様は、第１２〜１６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。

【００４７】かかる第１７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。

【００４８】

【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。

【００４９】（実施形態１）図１には、本発明の実施形
態１に係るアクチュエータの平面及び断面を示す。図１
に示すように、基板１上には凹部１ａが形成され、凹部
１ａ上には、下電極膜２、圧電体膜３、及び上電極膜４
が順次積層されてそれぞれ円形状にパターニングされて
おり、上電極膜４の周囲には、所定距離離れて上電極膜
４とは電気的に独立している円環状のフローティング電
極５がパターニングされている。なお、下電極膜２及び
上電極膜４は、それぞれ図示しない電源に接続されてい
る。

【００５０】かかるアクチュエータでは、下電極膜２が
振動板を兼ねており、この下電極膜２上にパターニング
された圧電体膜３及び上電極膜４が圧電体能動部とな
る。したがって、下電極膜２と上電極膜４との間に電圧
を印加することにより、アクチュエータを駆動すること
ができる。

【００５１】ここで、本実施形態では、アクチュエータ
駆動時に上電極膜４とフローティング電極５との間に電
界が形成されるので、上電極膜４の外側近傍のフローテ
ィング電極５を形成した部分でも多少の変位が生じる。
したがって、変位が生じる部分と変位が全く生じない部
分とが直接隣接しなくなるので、上電極膜４の端部にク
ラック等が生じ難く、アクチュエータの耐久性が著しく
向上する。

【００５２】このような効果を得るため、上電極膜４の
端部とフローティング電極５との距離Ａは、通常、０．
２〜２０μｍある圧電体膜３の厚さの３倍以下、好まし
くは、０．２〜３倍とするのがよい。これは、上電極膜
４の端部とフローティング電極５との間に電界が生じて
上述した作用を発揮させるためである。

【００５３】フローティング電極の形状は特に限定され
ず、図２に示すように、矩形の帯状の上電極膜４Ａに対
しては、壊れやすい端部のみに直線上のフローティング
電極５Ａを設けてもよく、また、端部が円弧状の帯状の
上電極膜４Ｂに対しては、円弧状の端部を囲むような円
弧状のフローティング電極５Ｂを設けてもよい。

【００５４】また、上電極膜４とフローティング電極５
との圧電体膜３に凹部３ａを、例えば、イオンミリング
によるハーフエッチングにより形成したので、電極近傍
の圧電体膜３の表面での応力が緩和される。

【００５５】また、ハーフエッチングした部分の下の圧
電体膜３は、ダメージを受けて低活性部３ｂとなってい
る。このように低活性部３ｂが形成されると、その部分
での変位特性が低下するので、圧電体能動部との境界で
破壊がさらに生じ難くなる。なお、低活性部は必ずしも
ハーフエッチングして形成する必要はなく、単に、原子
又は分子を衝突させることにより形成することができ、
例えば、イオンミリング等により上電極膜４を除去する
ことによりその下の圧電体膜３の表面は低活性部とな
る。

【００５６】（実施形態２）図３には、実施形態２に係
るアクチュエータの平面及び断面を示す。図３に示すよ
うに、本実施形態のアクチュエータの基本的構造は上述
した実施形態と同様であるが、本実施形態では、上電極
膜４Ｃの外周縁部に凹凸部６が形成されている。凹凸部
６は、上電極膜の外周縁を面方向に凹凸となるようにパ
ターニングしたものである。

【００５７】かかる構成のアクチュエータでは、上電極
膜４Ｃの周囲での電界が平面的に分散され、応力の分布
が均一なクラックを発生させる状態ではなくなるので、
圧電体膜３にクラック等が生じ難くなる。

【００５８】ここで、凹凸部６の凹凸量（凹凸の深さ）
Ｂ及び凹凸の間隔（ピッチ）Ｃがそれぞれ圧電体膜３の
厚さの３倍以下、好ましくは、０．２倍〜３倍程度がよ
い。これは、電界集中緩和の効果を奏するためである。

【００５９】このようなアクチュエータに上述した実施
形態のフローティング電極を組み合わせることにより、
より顕著な効果を奏することができる。すなわち、図４
に示すように、上電極膜４Ｃの周囲に円環状のフローテ
ィング電極５Ｃを設けてもよい。

【００６０】また、帯状にパターニングされた上電極膜
に対しては、破壊されやすい端部のみに凹凸部を設けて
もよく、さらに、フローティング電極を設けてもよい。
図５は、帯状の上電極膜４Ｄの端部に凹凸部６Ａを設
け、さらにフローティング電極５Ｄを設けたものであ
る。このフローティング電極５Ｄは、凹凸部６に対向す
る縁が凹凸部６の凹凸に対応した凹凸形状となっている
が、このような構造を図４のフローティング電極５Ｃに
設けてもよいことは言うまでもない。

【００６１】また、上電極膜の凹凸部のパターニング
を、例えば、イオンミリングによるハーフエッチングに
より形成し、凹凸部の外側の圧電体膜がハーフエッチン
グしてハーフエッチング部を設けてもよい。このように
ハーフエッチング部を設けると、その部分での応力が緩
和されるので、圧電体能動部との境界で破壊がさらに生
じ難くなる。

【００６２】さらに、上電極膜の凹凸部は、必ずしも上
電極膜をパターニングすることにより形成する必要はな
く、例えば、図６に示すように、圧電体膜３上に内側に
凹凸部７ａを有する低誘電体膜７を形成し、この上に上
電極膜４Ｅを形成するようにしてもよい。これにより、
上電極膜４Ｅと圧電体膜３とが接触する圧電体能動部の
外周は凹凸形状となり、同様な効果を奏することができ
る。

【００６３】（実施形態３）図７には、実施形態３に係
るアクチュエータの平面図及び断面図を示す。図７に示
すように、本実施形態のアクチュエータは、基本的には
実施形態１に係るアクチュエータと同一であるが、実施
形態１のフローティング電極５の代わりに、上電極膜４
の外側周縁部に凹部３ｃをイオンミリングにより形成し
たものである。なお、凹部３ｃの下部には低活性部３ｄ
が形成されている。

【００６４】かかる構成では、上電極膜４の外縁部近傍
での変位特性が低下するので、圧電体能動部の繰り返し
駆動によっても、その外縁部に疲労破壊が生じにくくな
り、圧電体能動部の耐久性を向上することができる。

【００６５】（実施形態４）本実施形態は、本発明をイ
ンクジェット式記録ヘッドに適用した例を示すものであ
り、図８には実施形態４に係るインクジェット式記録ヘ
ッドの組立斜視を、図９には、その平面及び１つの圧力
発生室の長手方向における断面構造を示す。

【００６６】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、１５０〜３
００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８
０〜２８０μｍ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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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（１１
１）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１／１８
０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。

【００７０】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１
０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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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１
２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。

【００７４】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１０（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２
０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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おり、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。また、本実施形態で
は、圧電体膜７０を各圧力発生室１２に対応して個別に
設けたが、圧電体膜を全体に設け、上電極膜８０を各圧
力発生室１２に対応するように個別に設けてもよい。何
れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動
部が形成されていることになる。

【００７８】また、本実施形態では、上電極膜８０の長
手方向端部から所定の距離だけ離してフローティング電
極８５を配置してある。

【００７９】ここで、圧力発生室と圧電体能動部の端部
との平面位置関係及びその断面を図１１に示す。図１１
に示すように、フローティング電極８５は、上電極膜８
０と同時にパターニングにより形成されるが、上電極膜
８０とは電気的に分離されるように形成されている。す
なわち、上電極膜８０の端部までが圧電体能動部３２０
となり、その外側にフローティング電極８５が形成され
ている。また、フローティング電極８５の圧力発生室１
２の端部側は、上電極膜８０が除去されて圧電体膜７０
が露出された非能動部３３０となっている。

【００８０】このような構造では、圧電体能動部を駆動
する際に、上電極膜８０の端部とフローティング電極８
５との間に電界が生じるので、多少の変位が発生する。
したがって、圧電体能動部と非能動部との間に低能動部
が存在することになるので、上電極膜８０の端部近傍に
て、繰り返し駆動による疲労破壊が生じ難くなる。

【００８１】このようにフローティング電極８５は、圧
力発生室１２に対向して帯状に形成した上電極膜８０の
端部近傍での疲労破壊等を防止するためのものであり、
長手方向両端部に設けてもよいが、相対的に疲労破壊が
生じやすい後述するコンタクトホール近傍の端部のみに
設けてもよい。なお、フローティング電極８５は、上述
したように、上電極膜８０とは電気的に独立するように
形成すればよく、また、上電極膜８０の端部からフロー
ティング電極８５までの距離は、圧電体膜７０の厚さの
０．２〜３．０倍とするのが好ましい。

【００８２】また、上述したアクチュエータの実施形態
で述べたように、上電極膜８０とフローティング電極８
５との間の圧電体膜７０をイオンミリング等でハーフエ
ッチングしてハーフエッチング部を形成してもよい。

【００８３】なお、非能動部３３０上には、圧電体膜７
０上には、フローティング電極８５と連続して又は独立
して上電極膜８０を残しておいてもよい。

【００８４】そして、かかる各上電極膜８０及びフロー
ティング電極８５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。

【００８５】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。

【００８６】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１２を参照しながら説明する。

【００８７】図１２（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１１
００℃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。

【００８８】次に、図１２（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６００〜１０
００℃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。

【００８９】次に、図１２（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。

【００９０】次に、図１２（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、Ｐ
ｔをスパッタリングにより成膜している。

【００９１】次に、図１３に示すように、下電極膜６
０、圧電体膜７０及び上電極膜８０をパターニングす
る。なお、図示はしていないが、このとき同時に、フロ
ーティング電極８５をパターニングする。

【００９２】まず、図１３（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１３（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３
２０のパターニングを行う。

【００９３】以上説明したように、まず、下電極膜６０
の全体のパターンを形成し、次いで、圧電体能動部３２
０をパターニングすることによりパターニングが完了す
る。

【００９４】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、圧電体膜７０の側面および下電極膜６
０の上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８参照）。

【００９５】そして、絶縁体層９０の各圧電体能動部３
２０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、上述した非能動部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。

【００９６】このような絶縁体層の形成プロセスを図１
４に示す。

【００９７】まず、図１４（ａ）に示すように、上電極
膜８０の周縁部、圧電体膜７０の側面および下電極膜６
０の上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。

【００９８】次に、図１４（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１
２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９０
ａ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９
０ａ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。

【００９９】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。

【０１００】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１４（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８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３
０、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。

【０１０１】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１
２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。

【０１０２】（実施形態５）図１５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
及び圧電体能動部の端部の形状を示す。

【０１０３】本実施形態は、圧電体能動部３２０Ａの端
部では、上電極膜８０に凹凸部８０ａがパターニングさ
れている。凹凸部８０ａは、上電極膜８０を面方向に凹
凸になるようにパターニングしたものであり、上述した
アクチュエータの実施形態と同様に、凹凸部８０ａの凹
凸量及び凹凸の間隔は、圧電体膜７０の０．２〜３倍程
度であるのが好ましい。

【０１０４】このような構成とすることにより、圧電体
能動部３２０Ａと非能動部３３０Ａとの境界部で電界が
平面的に分散し、応力の分布が均一のクラックを発生さ
せる状態でなくなるので、繰り返し駆動による疲労破壊
が生じにくくなる。

【０１０５】なお、このような構成に加えて、フローテ
ィング電極を設けてもよいし、さらに、フローティング
電極と凹凸部との間の圧電体膜をハーフエッチングして
もよいことは、上述したアクチュエータの実施形態で述
べたとおりである。

【０１０６】また、上述したリード電極１００との接続
を図るためのコンタクトホール９０ａは、例えば、凹凸
部８０ａの近傍に設けられる。

【０１０７】（実施形態６）図１６には、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の圧力発生室
及び圧電体能動部の端部の形状を示す。

【０１０８】本実施形態は、上電極膜８０がパターニン
グされた圧電体能動部３２０Ｂに隣接して圧力発生室１
２の端部に設けられた非能動部３３０Ｂの圧電体膜をイ
オンミリングでハーフエッチングしてハーフエッチング
部７０ａとしたものである。

【０１０９】このような構成とすることにより、圧電体
能動部３２０Ｂと非能動部３３０Ｂとの境界部で応力が
緩和されるので、繰り返し駆動による疲労破壊が生じに
くくなる。

【０１１０】なお、上述したリード電極１００との接続
を図るためのコンタクトホール９０ａは、例えば、非能
動部３３０Ｂの近傍に設けられる。

【０１１１】（実施形態７）図１７には、本発明の実施
形態７に係るインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室
及び圧電体能動部の端部の形状を示す。

【０１１２】本実施形態は、実施形態５と同様に圧電体
能動部３２０Ｃの端部において上電極膜８０に凹凸部８
０ａがパターニングされているが、圧電体膜７０を圧力
発生室１２の一端部から周壁上まで延設した点が相違す
る。さらに、圧力発生室１２とその周壁との境界に対向
する圧電体膜をイオンミリングでハーフエッチングして
ハーフエッチング部７０ｂを形成している。

【０１１３】このような構成とすることにより、圧電体
能動部３２０Ｃと非能動部３３０Ｃとの境界部で応力が
緩和されるので、繰り返し駆動による疲労破壊が生じに
くくなる。さらに、圧力発生室１２とその周壁との境界
部分近傍では、一般的には繰り返し変位により圧電体膜
７０等に割れ等が発生しやすいが、本実施形態ではこの
部分がハーフエッチング部７０ｂであるので、この部分
での割れ等の発生が防止され、さらに、非能動部３３０
Ｃの端部での膜剥離等が防止される。

【０１１４】なお、非能動部３３０Ｃ全体をハーフエッ
チングしてよく、また、非能動部３３０Ｃのハーフエッ
チングしない領域には上電極膜８０を残しておいても差
し支えない。

【０１１５】また、上述したリード電極１００との接続
を図るためのコンタクトホール９０ａは、例えば、凹凸
部８０ａの近傍に設けられる。

【０１１６】さらに、圧電体膜７０を圧力発生室１２の
周壁上に延設する場合の形状は本実施形態に限定され
ず、例えば、図１８に示すように、延設される部分の圧
電体膜７０の幅を広くパターニングした非能動部３３０
Ｄとしてもよい。この場合、リード電極１００のパター
ンを圧電体膜に併せて幅広に形成することができ、所望
の電圧の印加が容易になる。

【０１１７】（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。

【０１１８】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。

【０１１９】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。

【０１２０】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１９、その流路の断面を図２０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１
１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。

【０１２１】なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１
Ａ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。

【０１２２】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、フローティング電極又は凹凸部又
は低活性部を設けて、圧電体能動部の端部での疲労破壊
等を防止することができる。

【０１２３】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。

【０１２４】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。

【０１２５】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。

【０１２６】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。

【０１２７】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。

【０１２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
圧電体能動部の端部近傍にフローティング電極又は圧電
体膜の低活性部を設け、又は圧電体能動部の上電極膜の
端部に凹凸部を設けることにより、圧電体能動部の端部
近傍での剥がれ又はクラックの発生等が防止されるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係るアクチュエータを示
す平面図及び断面図である。

【図２】本発明の実施形態１の変形例を示す図である。

【図３】本発明の実施形態２に係るアクチュエータを示
す要部平面図及び断面図である。

【図４】本発明の実施形態２の変形例を示す図である。

【図５】本発明の実施形態２の変形例を示す図である。

【図６】本発明の実施形態２の変形例を示す図である。

【図７】本発明の実施形態３に係るアクチュエータを示
す平面図及び断面図である。

【図８】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記
録ヘッドの分解斜視図である。

【図９】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記
録ヘッドを示す図であり、図８の平面図及び断面図であ
る。

【図１０】図８の封止板の変形例を示す図である。

【図１１】本発明の実施形態４の要部を示す平面図及び
断面図である。

【図１２】本発明の薄膜製造工程を示す図である。

【図１３】本発明の薄膜製造工程を示す図である。

【図１４】本発明の薄膜製造工程を示す図である。

【図１５】本発明の実施形態５を説明する要部平面図で
ある。

【図１６】本発明の実施形態６を説明する要部平面図で
ある。

【図１７】本発明の実施形態７を説明する要部平面図で
ある。

【図１８】本発明の実施形態７の変形例を説明する要部
平面図である。

【図１９】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドの分解斜視図である。

【図２０】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】

１ 基板 ２ 下電極膜 ３ 圧電体膜 ３ａ，３ｃ 凹部 ３ｂ，３ｄ 低活性部 ４ 上電極膜 ５ フローティング電極 ６ 凹凸部 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 ３２０，３３０ 圧電体能動部 ３２０ａ，３３０ａ 非能動部

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも上面に下電極を有する振動板
   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たアクチュエータにおいて、 前記圧電体能動部の端部の外側近傍には、当該圧電体能
   動部の端部から所定距離だけ離れ且つ当該圧電体能動部
   に形成された上電極と電気的に接続されないフローティ
   ング電極が設けられていることを特徴とするアクチュエ
   ータ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記圧電体能動部上
   にパターニングされた上電極の端部と前記フローティン
   グ電極との前記所定距離は、前記圧電体層の厚さの３倍
   以下であることを特徴とするアクチュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記圧電体能
   動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前
   記圧電体層は、相対的に圧電性が低い低活性部からなる
   ことを特徴とするアクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３において、前記圧電体能動
   部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記
   圧電体層がハーフエッチングされていることを特徴とす
   るアクチュエータ。
5. 【請求項５】 少なくとも上面に下電極を有する振動板
   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たアクチュエータにおいて、 前記圧電体能動部の端部は、当該端部の縁が面方向に凹
   凸する凹凸部となっていることを特徴とするアクチュエ
   ータ。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記凹凸部の凹凸の
   大きさ及び間隔がそれぞれ前記圧電体層の厚さの３倍以
   下であることを特徴とするアクチュエータ。
7. 【請求項７】 請求項５又は６において、前記圧電体能
   動部の端部の外側近傍には、当該圧電体能動部の端部か
   ら所定距離だけ離れ且つ当該圧電体能動部に形成された
   上電極と電気的に接続されないフローティング電極が設
   けられていることを特徴とするアクチュエータ。
8. 【請求項８】 請求項７において、前記圧電体能動部の
   前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電
   体層は、相対的に圧電性が低い低活性部からなることを
   特徴とするアクチュエータ。
9. 【請求項９】 請求項７又は８において、前記圧電体能
   動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前
   記圧電体層がハーフエッチングされていることを特徴と
   するアクチュエータ。
10. 【請求項１０】 少なくとも上面に下電極を有する振動
    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たアクチュエータにおいて、 前記圧電体能動部の端部の外側近傍の圧電体層は、圧電
    性が相対的に低い低活性部からなることを特徴とするア
    クチュエータ。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記低活性部
    は、前記圧電体層に原子又は分子を衝突させることによ
    り形成したことを特徴とするアクチュエータ。
12. 【請求項１２】 請求項１〜１１の何れかにおいて、前
    記振動板が、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を
    構成し、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向した
    領域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。
13. 【請求項１３】 請求項１２において、前記圧電体能動
    部の前記圧力発生室に対向する領域内に帯状に形成さ
    れ、前記端部は当該圧電体能動部の両端部であることを
    特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
14. 【請求項１４】 請求項１３において、前記圧電体能動
    部の一端部から前記圧力発生室の端部側壁に対向する領
    域まで前記圧電体層が連続的に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。
15. 【請求項１５】 請求項１４において、前記圧電体能動
    部の一端部から前記圧力発生室の端部側壁に対向する領
    域まで連続的に延設されている前記圧電体層の前記一端
    部から少なくとも前記圧力発生室と前記端部側壁との境
    界に対向する領域までが不活性部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１６】 請求項１２〜１５の何れかにおいて、
    前記上電極の上面には絶縁体層が形成され、該絶縁体層
    はリード電極と前記上電極との前記コンタクト部を形成
    するための窓であるコンタクトホール部を有することを
    特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
17. 【請求項１７】 請求項１２〜１６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。