JPH11179902A

JPH11179902A - 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: JPH11179902A
Application number: JP23051798A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yazaki; 士郎矢崎; Yoshinao Miyata; 佳直宮田; Tetsuji Takahashi; 哲司高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 1999-07-06
Anticipated expiration: 2018-08-17
Also published as: JP4021065B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体能動部端部及び圧力発生室と周壁との
境界近傍で、応力集中によるクラックの発生、疲労破壊
等を防止する。【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室の一部
を構成する振動板５０を介して下電極６０、圧電体層７
０及び上電極８０からなる圧電素子３００を備えたイン
クジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体層７０が
前記振動板５０を実質的に駆動する領域である圧電体能
動部３２０の長手方向の少なくとも一方の端部近傍に対
向する領域の前記振動板５０が、前記圧電素子３００と
は反対側に凸になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、この振動板を介して圧電素子を設け、この圧電素
子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振動板で構成し、この振動板を圧
電素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、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦
振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、た
わみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの
２種類が実用化されている。

【０００３】前者は圧電素子の端面を振動板に当接させ
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、圧電素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
圧電素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素子を作
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素子を形成したものが提案さ
れている。

【０００６】これによれば圧電素子を振動板に貼付ける
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素子を作り付けることができるばか
りでなく、圧電素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、圧電材料層は振動板の表
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
電素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側と
を跨ぐ部分で圧電体層にかかる応力の問題から、圧電体
層及び上電極からなる圧電体能動部を、圧力発生室に対
向する領域内に設けるか、少なくとも一端部以外は圧力
発生室に対向する領域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、特に圧電体能動部の端部にクラックが発生しやす
く、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、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。

【００１０】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いため、圧電素子を貼付し
たものに比較して剛性が低いためである。

【００１１】本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能
動部端部及び圧力発生室と周壁との境界近傍で、応力集
中によるクラックの発生、疲労破壊等を防止することが
できるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット
式記録装置を提供することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室の
一部を構成する振動板を介して下電極、圧電体層及び上
電極からなる圧電素子を備えたインクジェット式記録ヘ
ッドにおいて、前記圧電素子の圧電体能動部の長手方向
の少なくとも一方の端部近傍に対向する領域の前記振動
板が、前記圧電素子非形成面側に凸になることを特徴と
するインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１３】かかる第１の態様では、駆動時に圧電体能
動部の端部が振動板から引っ張り応力を受けることがな
く、応力集中が低減される。

【００１４】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記圧電体能動部の端部近傍に対向する領域の前記
振動板は、前記圧電素子の駆動時に前記圧電素子非形成
面側に凸になり、非駆動時には前記圧電素子形成面側に
凸になっていることを特徴とするインクジェット式記録
ヘッドにある。

【００１５】かかる第２の態様では、少なくとも駆動時
の圧電体能動部への応力集中が回避される。

【００１６】本発明の第３の態様は、第２の態様におい
て、前記圧電体能動部の端部近傍に対向する領域の前記
振動板の前記圧電体層側の表面近傍には、前記圧電素子
の駆動時に圧縮方向の応力がかか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３の態様では、駆動時に圧電体能
動部の端部近傍に対向する振動板が圧縮され、圧電体能
動部の端部には引張り応力がかからない。

【００１８】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか
の態様において、前記圧電体能動部の端部と、その外側
の前記圧力発生室の周壁との間のクリアランスが、前記
圧力発生室の幅の０．３〜５倍の範囲に設定されている
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１９】かかる第４の態様では、圧電体能動部の端
部を周壁から所定の距離に配置することにより、当該端
部が駆動時に引張り応力を受けないようになる。

【００２０】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記圧電体能動部の端部とは、前記圧
力発生室に対向する領域内に設けられた前記圧電体層の
端部であり、且つ当該圧電体層の端部には前記下電極及
び前記上電極が有効に存在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５の態様では、圧力発生室に対向
する領域内にパターニングされた圧電体層の端部の破壊
及び剥がれが防止される。

【００２２】本発明の第６の態様は、第５の態様におい
て、前記圧電体能動部の端部は、前記圧電体層及び前記
上電極が前記圧力発生室に対向する領域内にパターニン
グされた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。

【００２３】かかる第６の態様では、圧電体層及び上電
極の端部の破壊及び剥がれが防止される。

【００２４】本発明の第７の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記圧電体能動部の長手方向の少なく
とも一端部の外側には、実質的に駆動されない圧電体非
能動部が連続的に設けら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７の態様では、圧力発生室と周壁
の境界部分に対向する領域近傍での破壊が抑制され、ま
た、圧電体非能動部を介して下電極を圧力発生室へ導く
ことができる。

【００２６】本発明の第８の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記圧電体能動部の端部の長手方向の
少なくとも一端部の外側には、前記圧電体層と前記下電
極及び前記上電極とを有するが少なくとも当該圧電体層
の幅が前記圧電体能動部の幅より幅狭で前記振動板を実
質的に駆動しない圧電体非能動部が連続的に設けられて
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。

【００２７】かかる第８の態様では、圧力発生室と周壁
の境界部分に対向する領域近傍での破壊が防止され、ま
た圧電体非能動部を介して電圧の印加を行うことができ
る。

【００２８】本発明の第９の態様は、第７又は８の態様
において、前記圧電体非能動部は、前記圧力発生室の周
壁まで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。

【００２９】かかる第９の態様では、圧電体能動部への
印加は、圧力発生室外に引き出された圧電体非能動部を
介して行うことができる。

【００３０】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記圧電体能動部の上面には絶縁体
層が形成され、前記上電極とリード電極との接続部であ
るコンタクト部が当該絶縁体層に形成されたコンタクト
ホール内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。

【００３１】かかる第１０の態様では、圧電体能動部へ
の電圧の印加は絶縁体層に形成されたコンタクトホール
内のコンタクト部を介して行われる。

【００３２】本発明の第１１の態様は、第１０の態様に
おいて、前記上電極とリード電極との接続部であるコン
タクト部が前記圧力発生室の周壁上の前記圧電体非能動
部に連続する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。

【００３３】かかる第１１の態様では、圧電体能動部へ
の印加は、圧力発生室外に設けられたコンタクト部を介
して行われる。

【００３４】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、前記振動板及
び前記圧電素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。

【００３５】かかる第１２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。

【００３６】本発明の第１３の態様は、第１〜１２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にある。

【００３７】かかる第１３の態様では、ヘッドの信頼性
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。

【００３８】

【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。

【００３９】（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、平面図およびその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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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（１
１１）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１／１
８０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（１１
１）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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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１
２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２０
は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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、圧電素子３０
０を構成している。ここで、圧電素子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、圧電素子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は圧電素子３００の共通電極と
し、上電極膜８０を圧電素子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。また、ここで、圧
電素子３００と該圧電素子３００の駆動により変位を生
じさせる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称す
る。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６
０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。

【００５２】そして、かかる各上電極膜８０の上面の少
なくとも周縁、及び圧電体膜７０の側面を覆うように電
気絶縁性を備えた絶縁体層９０が形成されている。絶縁
体層９０は、成膜法による形成やまたエッチングによる
整形が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコ
ン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性
に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。

【００５３】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。

【００５４】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１１０
０℃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。

【００５５】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
グ法やゾル−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。

【００５６】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。

【００５７】次に、図４（ｄ）に示すように、上電極膜
８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料で
あればよく、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ等の多くの金属
や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、Ｐ
ｔをスパッタリングにより成膜している。

【００５８】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。

【００５９】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３２
０のパターニングを行う。次に、図５（ｃ）に示すよう
に、各圧力発生室１２（図５では圧力発生室１２は形成
前であるが、破線で示す）の幅方向両側に対向した領域
である圧電体能動部３２０の両側の振動板の腕に相当す
る部分の下電極膜６０を除去することにより、下電極膜
除去部３５０を形成する。このように下電極膜除去部３
５０を設けることにより、圧電体能動部３２０への電圧
印加による変位量の向上を図るものである。

【００６０】なお、下電極除去部３５０は、下電極膜６
０を完全に除去せずに、厚さを薄くしたものでもよい。
また、圧電体能動部３２０の腕部に相当する部分に下電
極除去部３５０を形成しているが、これに限定されず、
例えば、圧電体能動部３２０の両端部よりも長手方向外
側まで形成するようにしてもよいし、圧力発生室１２の
周縁部ほぼ全体に亘って形成してもよい。勿論、この下
電極除去部３５０は、必ずしも設ける必要はない。

【００６１】以上のように、下電極膜６０等をパターニ
ングした後には、好ましくは、各上電極膜８０の上面の
少なくとも周縁、及び圧電体膜７０および下電極膜６０
の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層９０を
形成する（図１参照）。

【００６２】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。

【００６３】このような絶縁体層及びリード電極の形成
プロセスを図６に示す。

【００６４】まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜
８０の周縁部、圧電体膜７０および下電極膜６０の側面
を覆うように絶縁体層９０を形成する。この絶縁体層９
０の好適な材料は上述した通りであるが、本実施形態で
はネガ型の感光性ポリイミドを用いている。

【００６５】次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層
９０をパターニングすることにより、各圧力発生室１２
のインク供給側の端部近傍に対応する部分にコンタクト
ホール９０ａを形成する。このコンタクトホール９０ａ
は、後述するリード電極１００と上電極膜８０との接続
をするためのものである。なお、コンタクトホール９０
ａ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。

【００６６】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。

【００６７】以上が膜形成プロセスである。このように
して膜形成を行った後、図６（ｃ）に示すように、前述
したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エ
ッチングを行い、圧力発生室１２等を形成する。

【００６８】また、このようなインクジェット式記録ヘ
ッドでは、上述の一連の膜形成及び異方性エッチング
で、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。

【００６９】このように構成したインクジェット式記録
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３
１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。

【００７０】このように形成された圧力発生室１２と圧
電体能動部３２０との位置関係及び圧電体能動部３２０
を駆動させた際の圧力発生室１２端部付近の拡大断面を
図７に示す。

【００７１】図７（ａ）に示すように、圧電体膜７０お
よび上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、圧力
発生室１２に対向する領域内に帯状に設けられている。
また、弾性膜５０及び下電極膜６０は、圧電体能動部３
２０に電圧を印加による変形に伴い、図７（ｂ）に示す
ように、圧電体能動部３２０から見て、圧力発生室１２
の周壁近傍では上に凸状に変形し、圧力発生室１２の大
部分では下に凸状（凹状）に変形する。そして、圧電体
能動部３２０の端部Ｅは、このように変形した際に、弾
性膜５０及び下電極膜６０が凹状に変形している範囲、
すなわち、曲がりの曲率中心が圧電体膜７０形成側にあ
る範囲Ｓに位置する。この範囲Ｓは、弾性膜５０が圧電
体能動部３２０が設けられている側とは反対方向に凸に
変形する範囲であり、圧電体能動部が弾性膜の下側に設
けられている場合には、上に凸に変形した領域に圧電体
能動部の端部が存在するようにすればよい。

【００７２】このような構造にすることにより、圧電体
能動部３２０を駆動した際に、圧電体能動部３２０の端
部に引張り応力が発生しなくなり、また圧力発生室１２
の周壁近傍での応力集中が緩和されるため、これらの部
分での剥がれ、クラックの発生等を抑制することができ
る。なお、上述した範囲Ｓの条件は、少なくとも駆動時
に満たせばよく、非駆動時には反対方向に変形していて
も上述した効果を奏する。

【００７３】ここで、本実施形態の圧電体能動部３２０
のパターニング形状は、特に限定されず、例えば、図８
に示すように、圧電体能動部３２０Ａの端部形状は圧力
発生室１２と略同一形状であってもよい。この場合、圧
電体能動部３２０Ａの端部は、圧力発生室１２の端部に
向かって突出している隅部Ｅ１であり、この隅部Ｅ１が
上述の範囲Ｓに位置するように形成される。さらに、例
えば、図９に示すように、圧電体能動部３２０Ｂの端部
形状は略円弧形状としてもよく、この場合、圧電体能動
部３２０Ｂは、円弧の先端部Ｅ２が上述の範囲Ｓに位置
するように形成する。

【００７４】また、圧電体能動部３２０の端部及び圧力
発生室１２の端部近傍でのクラック等の発生をさらに効
果的に抑えるために、本実施形態の構造に加え、例え
ば、図１０〜図１２に示すような構造を採るようにして
もよい。

【００７５】すなわち、図１０に示すように、圧電体能
動部３２０Ｃの長手方向端部の外側に、上電極膜８０が
除去されて圧電体膜７０のみが形成された圧電体非能動
部３３０を形成して、圧電体能動部３２０Ｃの長手方向
端部での振動を抑制するようにしてもよい。この圧電体
非能動部３３０は圧電体能動部３２０Ｃへの電圧印加に
よっても駆動されることがないため、圧電体能動部３２
０Ｃの端部近傍での振動を抑制し、この部分での剥が
れ、クラックの発生等を効果的に抑えることができる。
この場合、圧電体能動部３２０Ｃの端部は、圧電体非能
動部３３０との境界部Ｅ３であり、この境界部Ｅ３が上
述の範囲Ｓに位置するように形成される。なお、圧電体
非能動部３３０は、両端部外側に設けてもよいが、例え
ば、リード電極１００とコンタクト部となるコンタクト
ホール９０ａに近い端部のみに設けてもよい。

【００７６】また、図１１に示すように、図１０の構造
と同様に、圧電体能動部３２０Ｄの長手方向端部の外側
に、圧電体非能動部３３０Ａを圧力発生室１２の端部を
越えて周壁上まで延設、すなわち、圧電体非能動部３３
０Ａが圧力発生室１２に対向する領域から周壁に対向す
る領域まで両者の境界を跨ぐように形成するようにして
もよい。この場合も、上述と同様に、圧電体能動部３２
０Ｄは、圧電体非能動部３３０Ａとの境界部Ｅ４が上述
の範囲Ｓに位置するように形成される。このような構造
とすることにより、圧電体能動部３２０Ｄの端部及び圧
力発生室１２の周壁近傍において、電圧印加による振動
が実質的になくなり、これらの部分での剥がれ及びクラ
ックの発生等を効果的に抑えることができる。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に圧電体膜７０等に割れが発
生しやすいが、この部分の圧電体膜７０が圧電体非能動
部３３０Ａであるので、この部分での割れの発生が抑え
られる。

【００７７】またさらに、図１２に示すように、圧電体
能動部３２０Ｅを圧力発生室１２の端部を越えて周壁上
まで延設して、圧力発生室１２と周壁とを跨ぐ領域に、
圧電体能動部３２０Ｅと同一の層構造を有するが幅狭で
あり実質的に駆動部ではない圧電体非能動部３３０Ｂを
設けてもよい。この場合、実質的な駆動部は圧電体能動
部３２０Ｅであるので、圧電体能動部３２０Ｅと圧電体
非能動部３３０Ｂとの境界部Ｅ５が上述の範囲Ｓに位置
するように形成される。このような構造にすることによ
り、電圧を印加した際に、圧電体能動部３２０Ｅの端部
及び圧力発生室１２の周壁近傍での剥がれ、クラックの
発生等が効果的に抑えられる。なお、この構造では、上
述したリード電極とのコンタクトを圧力発生室外で行う
ことができる。（実施形態２）実施形態２に係るインクジェット式記録
ヘッドの要部平面を図１３に示す。本実施形態の基本的
構成は実施形態１と同一であるが、圧電体能動部３２０
の長手方向の端部の短辺３２０ａ、３２０ｂと、これら
に対向する圧力発生室１２の周壁の短辺１２ａ、１２ｂ
との間のクリアランスΔｙを所定の範囲になるように設
定したものである。

【００７８】かかる所定の範囲は、以下の知見に基づい
て決定される。すなわち、このクリアランスΔｙを一定
値より大きくすると、圧電体能動部３２０の短辺３２０
ａ、３２０ｂ近傍に対向する領域の弾性膜５０が、上述
した実施形態１と同様に下に凸に変位しており、応力集
中による弾性膜５０及び圧電体能動部３２０の破壊が防
止される。一方、クリアランスΔｙを一定値を越えて大
きくすると、弾性膜５０の剛性が低くなり、製造工程で
弾性膜５０の圧電体能動部３２０が存在しない領域に皺
が生じてインク滴の吐出が不安定になる上、圧電体能動
部３２０の面積が小さくなるため、駆動時の性能が低下
する。また、クリアランスΔｙは、圧力発生室１２の幅
Ｘに依存する。

【００７９】最適なクリアランスΔｙを求めるため、ク
リアランスΔｙを変化させて、例えば、駆動周波数１
４．４ｋＨｚの駆動信号を１時間印加して、クリアラン
スΔｙと、圧電能動部３２０の破壊の有無との関係を調
査した結果を表１に示す。下記表１に示すように、クリ
アランスΔｙが圧力発生室１２の幅Ｘの０．３倍以上で
あれば破壊が生じないことが判明した。

【００８０】また、この範囲では、圧電体能動部３２０
の端部に対向する領域の弾性膜５０は、下に凸に変形し
ていることが確認された。従って、実施形態１に詳細に
示したように、圧電体能動部３２０の端部の位置を弾性
膜５０が下に凸に変形している領域存在するようにする
ためには、例えば、上述したクリアランスΔｙを圧力発
生室１２の幅Ｘの０．３倍以上にすればよいことが確認
された。

【００８１】

【表１】

【００８２】さらに、クリアランスΔｙをさらに大きい
範囲で変化させて、クリアランスΔｙと、流路形成基板
１０をエッチングして圧力発生室１２を形成した後の弾
性膜５０における皺の発生率との関係を調査した結果を
表２に示す。下記表２に示すように、クリアランスΔｙ
が圧力発生室１２の幅Ｘの５倍以下の場合には皺は発生
しなかった。

【００８３】

【表２】

【００８４】（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。

【００８５】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１４、その流路の断面を図１５にぞれぞれ示す。こ
の実施形態では、ノズル開口１１が圧電素子とは反対の
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。

【００８９】ここで、この実施形態においても、実施形
態１及び２と同様に、電圧印加による振動板の変形の
際、曲率中心が圧電体膜側にある範囲に圧電体能動部の
端部が位置するように形成することにより、圧電体能動
部の端部及び圧力発生室の周壁近傍での応力集中を低減
させ、割れ等の発生を防止することができる。

【００９０】また、勿論、共通インク室を流路形成基板
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、上述の各実施形態においては、基本
的には上述したコンタクトホール９０ａを介してリード
電極と接続を図るが、リード電極のパターン形状は特に
限定されない。

【００９３】さらに、圧電素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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】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。

【００９８】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１６
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。

【００９９】図１６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。

【０１００】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。

【０１０１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電圧印
加による振動板の変形の際に、圧電体能動部の端部に対
応する部分を含んだ領域が圧電素子とは反対方向に凸に
変形するように形成することにより、圧電体能動部の端
部及び圧力発生室の周壁近傍での応力集中を低減させる
ことができ、割れ等の発生を防止することができる。さ
らに、応力の低減により、圧電体能動部に印加する駆動
電圧を増加することができる。

【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平面図である。

【図４】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面
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断面
図である。

【図６】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面
図である。

【図７】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部を示す平面図及び断面図である。

【図８】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの変形例の要部を示す平面図である。

【図９】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの変形例の要部を示す平面図である。

【図１０】本発明の実施形態１に係るインクジェット式
記録ヘッドの変形例の要部を示す平面図である。

【図１１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式
記録ヘッドの変形例の要部を示す平面図である。

【図１２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式
記録ヘッドの変形例の要部を示す平面図である。

【図１３】本発明の実施形態２に係るインクジェット式
記録ヘッドの要部を示す平面図である。

【図１４】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドの分解斜視図である。

【図１５】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドの断面図である。

【図１６】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、３２０Ａ〜３２０Ｅ圧電体能動部３３０、３３０Ａ、３３０Ｂ圧電体非能動部３５０下電極除去部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル開口に連通する圧力発生室の一部
を構成する振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極
からなる圧電素子を備えたインクジェット式記録ヘッド
において、前記圧電素子の圧電体能動部の長手方向の少なくとも一
方の端部近傍に対向する領域の前記振動板が、前記圧電
素子非形成面側に凸に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。
【請求項２】請求項１において、前記圧電体能動部の
端部近傍に対向する領域の前記振動板は、前記圧電素子
の駆動時に前記圧電素子非形成面側に凸になり、非駆動
時には前記圧電素子形成面側に凸になることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】請求項２において、前記圧電体能動部の
端部近傍に対向する領域の前記振動板の前記圧電体層側
の表面近傍には、前記圧電素子の駆動時に圧縮方向の応
力がかか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４】請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧
電体能動部の端部と、その外側の前記圧力発生室の周壁
との間のクリアランスが、前記圧力発生室の幅の０．３
〜５倍の範囲に設定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】請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧
電体能動部の端部とは、前記圧力発生室に対向する領域
内に設けられた前記圧電体層の端部であり、且つ当該圧
電体層の端部には前記下電極及び前記上電極が有効に存
在す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】請求項５において、前記圧電体能動部の
端部は、前記圧電体層及び前記上電極が前記圧力発生室
に対向する領域内にパターニングされた端部であること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧
電体能動部の長手方向の少なくとも一端部の外側には、
実質的に駆動されない圧電体非能動部が連続的に設けら
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８】請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧
電体能動部の端部の長手方向の少なくとも一端部の外側
には、前記圧電体層と前記下電極及び前記上電極とを有
するが少なくとも当該圧電体層の幅が前記圧電体能動部
の幅より幅狭で前記振動板を実質的に駆動しない圧電体
非能動部が連続的に設けら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】請求項７又は８において、前記圧電体非
能動部は、前記圧力発生室の周壁まで延設されているこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
圧電体能動部の上面には絶縁体層が形成され、前記上電
極とリード電極との接続部であるコンタクト部が当該絶
縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成されてい
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】請求項１０において、前記上電極とリ
ード電極との接続部であるコンタクト部が前記圧力発生
室の周壁上の前記圧電体非能動部に連続する領域に形成
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。
【請求項１２】請求項１〜１１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、前記振動板及び前記圧電素子の各層が
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１３】請求項１〜１２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。