JPH11179904A

JPH11179904A - インクジェット式記録ヘッド

Info

Publication number: JPH11179904A
Application number: JP35102797A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kamei; 宏行亀井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1999-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】振動板の初期変形を排除し、振動板の変形量
の向上および振動板の耐久性の向上を図ったインクジェ
ット式記録ヘッドを提供する。【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室１２の
一部を構成して少なくとも上面が下電極として作用する
振動板と、該振動板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るイ
ンクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体能動部
３２０の少なくとも前記圧電体層７０が、その上層部に
凹部３２５，３２６を有することにより、振動板の初期
変形が排除される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動板の初期変形
を排除して変位量を向上させ、且つ振動板の耐久性が向
上した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薄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振動子を作り付けることができる
ばかりでなく、圧電振動子の厚みを薄くできて高速駆動
が可能になるという利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、
薄膜のパターニング後に圧力発生室を形成するが、その
時点で振動板に初期変形が生じてしまい、結果的に、圧
電振動子の駆動の際に振動板の塑性域に入ってしまうと
いう問題がある。従って、駆動の際の変形量が実質的に
小さくなり、振動板の耐久性が低下するという問題があ
る。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑み、振動板の
初期変形を排除し、振動板の変形量の向上および振動板
の耐久性の向上を図った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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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して少な
くとも上面が下電極として作用する振動板と、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
動子を備えるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前
記圧電体能動部の少なくとも前記圧電体層は、その上層
部に凹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。

【００１０】かかる第１の態様では、前記凹部により、
前記振動板の初期変形が解消され、圧電体能動部の駆動
による変位量の向上および振動板の耐久性の向上を図る
ことができる。

【００１１】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記凹部は、前記上電極を貫通して前記圧電体層の
上層部ま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。

【００１２】かかる第２の態様では、凹部は、圧電体層
上に上電極を形成した後に形成される。

【００１３】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記凹部は、前記圧電体能動部の前記圧力発
生室に対向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。

【００１４】かかる第３の態様では、凹部は、圧力発生
室に対向する領域に設けられて、圧力発生室形成の際の
振動板に生じる変形を吸収する。

【００１５】本発明の第４の態様は、第１又は２の態様
において、前記凹部は、前記圧電体能動部の長手方向に
亘って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。

【００１６】かかる第４の態様では、凹部は、振動板
が、基板から、主に、圧電体能動部の幅方向に受ける力
を緩和する。

【００１７】本発明の第５の態様は、第４の態様におい
て、前記凹部は、前記圧力発生室の長手方向に亘って複
数本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。

【００１８】かかる第５の態様では、複数本の凹部が、
振動板が、基板から、主に、圧電体能動部の幅方向に受
ける力を緩和する。

【００１９】本発明の第６の態様は、第５の態様におい
て、前記複数本の凹部の間隔は、前記圧電体層の厚さの
１０倍以下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。

【００２０】かかる第６の態様では、複数本の凹部の間
隔を厚さの１０倍以下に形成することにより、圧力発生
室が受ける力を効果的に緩和することができる。

【００２１】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか
の態様において、前記凹部は、前記圧電体能動部の幅方
向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。

【００２２】かかる第７の態様では、凹部は、振動板
が、基板から、主に、圧電体能動部の長手方向に受ける
力を緩和する。

【００２３】本発明の第８の態様は、第１〜７の何れか
の態様において、前記凹部は、前記圧電体層に、その厚
さの２／３以下の深さま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。

【００２４】かかる第８の態様では、凹部を厚さの２／
３以下の深さに形成することにより、圧電体層の耐久性
を確保することができる。

【００２５】本発明の第９の態様は、第１〜８の何れか
の態様において、前記凹部は、前記圧電体能動部の幅の
１／５以下の幅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。

【００２６】かかる第９の態様では、凹部の幅を前記圧
電体層の幅の１／５以下に形成することにより、圧電体
層の耐久性を確保することができる。

【００２７】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記凹部は、断面が、略矩形、略Ｕ
字状、または略Ｖ字状に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。

【００２８】かかる第１０の態様では、凹部は、各種断
面形状に形成され、振動板の初期変形を吸収する。

【００２９】本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何
れかの態様において、前記凹部は、開口両側の側壁が変
形して略密着することにより塞が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。

【００３０】かかる第１１の態様では、凹部の開口両側
の側壁が変形することにより、振動板の初期変形が吸収
される。

【００３１】本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何
れかの態様において、前記圧電体能動部が、その少なく
とも一端部に前記圧力発生室に対向する領域と当該圧力
発生室の長手方向端部の周壁に対向する領域との境界を
横切る連結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。

【００３２】かかる第１２の態様では、連結部の上電極
を介して圧電体能動部を駆動することができる。

【００３３】本発明の第１３の態様は、第１〜１１の何
れかの態様において、前記圧電体能動部が前記圧力発生
室に対向する領域内に設けられ且つ当該前記圧力発生室
に対向する領域内に当該圧電体能動部へ電圧を印加する
ための導電体膜と当該圧電体能動部との接続部となるコ
ンタクト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。

【００３４】かかる第１３の態様では、コンタクト部を
介して圧電体能動部を駆動することができる。

【００３５】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上面には絶縁体層が形成さ
れ、前記コンタクト部は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。

【００３６】かかる第１４の態様では、コンタクトホー
ル内にコンタクト部が形成される。

【００３７】本発明の第１５の態様は、第１〜１４の何
れかの態様において、前記凹部は、前記圧力発生室の形
成前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。

【００３８】かかる第１５の態様では、圧力発生室の形
成時に振動板に加わる変形が、凹部により緩和される。

【００３９】本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何
れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶
基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電振動
子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたも
のであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド
にある。

【００４０】かかる第１６の態様では、高密度のノズル
開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ
比較的容易に製造することができる。

【００４１】

【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。

【００４２】（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組立斜視図
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。

【００４３】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。

【００４４】流路形成基板１０の一方の面は開口面とな
り、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリ
コンからなる、厚さ０．１〜２μｍの弾性膜５０が形成
されている。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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２
０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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いるが、本実
施形態では、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
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。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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ
リングで下電極膜６０を形成する。下電極膜６０の材料
としては、Ｐｔ等が好適である。これは、スパッタリン
グやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜７０は、成
膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１００
０℃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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。なお、かか
る下電極膜除去部３５０は、下電極膜６０の厚さ方向の
一部をハーフエッチング等により除去することにより形
成してもよく、また、弾性膜５０の厚さ方向の一部まで
除去することにより形成してもよい。勿論、下電極膜除
去部３５０を全く設けなくてもよいことは言うまでもな
い。

【００６２】本実施形態では、以上のようにパターニン
グした圧電体能動部３２０に、図６に示すように、圧力
発生室１２の長手方向に延びるスリットからなる凹部３
２５を形成する。この凹部３２５は、圧電体能動部３２
０のパターニングと同様にドライエッチング等により形
成することができる。図６の（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。これらの図面に示すように、凹部
３２５は、圧電体能動部３２５の圧力発生室１２に対向
する領域に、長手方向に亘って形成され、上電極膜８０
を貫通して圧電体層７０の厚さ方向約半分までの深さで
形成されている。

【００６３】本実施形態では、このように凹部３２５を
形成した後、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
態を図７に模式的に示す。

【００６４】図７（ａ）に示すように、圧電体層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
層７０は収縮する方向の力ｆ₁およびｆ₂を有し、また、
特に、下層部に流路形成基板１０から力ｆ₃を伸張する
方向に受ける。この状態で、図７（ｂ）に示すように、
凹部３２５を形成すると、図７（ｃ）に示すように、凹
部３２５の開口両側の壁面が変形して圧電体層７０の上
層部の力ｆ₁が緩和され、下層部の力ｆ₂が小さくなる。
従って、図７（ｄ）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、流路形成基板１
０から受ける力ｆ₃がなくなるか又は小さくなって、好
適には、下層部の力ｆ₂と均衡するようになり、弾性膜
５０および下電極膜６０に変形が生じることがない。

【００６５】なお、凹部３２５を形成しない場合には、
図８（ａ）に示すように、圧力発生室形成前に、流路形
成基板１０から受ける力ｆ₃に対向する収縮する方向の
大きな力ｆ₂が圧電体膜７０に残留しているので、圧力
発生室１２を形成すると、図８（ｂ）に示すように、弾
性膜５０および下電極膜６０が力ｆ₂に対向する力ｆ₄を
受けるようになり、結果的に、弾性膜５０および下電極
膜６０は、下に凸に変形し、これが初期変形として残留
する。

【００６６】このように、本発明は、凹部３２５の形成
により、膜形成により圧電体層７０に残留する収縮力ｆ
₂を圧力発生室１２形成前に低減または無くすことによ
り、圧力発生室１２形成による弾性膜５０および下電極
膜６０の変形を低減または無くすことができる。

【００６７】従って、本発明の凹部３２５の形状は、こ
のような圧電体層７０の残留応力を低減するものであれ
ばよいが、圧電体層７０の駆動力の低下および耐久性の
低下に大きく影響しないものとする必要がある。

【００６８】例えば、凹部３２５を長手方向に亘って形
成する場合には、圧力発生室１２に対向する領域全体に
亘って形成するのが好ましいが、長手方向の一部に、ま
たは長手方向に複数に分割して設けてもよい。また、こ
の場合、図９（ａ）に示すように、幅方向に複数本の凹
部３２５を形成してもよい。また、図９（ｂ）に示すよ
うに、幅方向に延びる凹部３２６を形成してもよく、こ
の幅方向に延びる凹部３２６を、図９（ｃ）に示すよう
に、長手方向に並べて複数本形成してもよい。さらに、
図９（ｄ）および（ｅ）に示すように、長手方向に延び
る凹部３２５と、一本のまたは複数本の幅方向に延びる
凹部３２６とを組み合わせて形成してもよい。

【００６９】また、凹部３２５および３２６の断面形状
も特に限定されず、例えば、図１０（ａ）に示すよう
に、略矩形状でも、図１０（ｂ）に示すように、底部が
曲面となった略Ｕ字状でも、さらには、図１０（ｃ）お
よび（ｄ）に示すように、深い方ほど幅が徐々に小さく
なる略Ｖ字状でもよく、略Ｖ字状の場合には、底面は平
坦でも（図１０（ｃ））、略線状またはＲ面（図１０
（ｄ））でもよい。

【００７０】なお、凹部３２５および３２６の大きさ
は、上述したように、圧電体層７０の残留応力を良好に
低減するが、圧電体層７０の駆動力の低下および耐久性
の低下に大きく影響しないように設計する必要がある
が、一般には、深さは、圧電体層７０の膜厚の２／３以
内とし、幅は、圧電体能動部３２０の幅の１／５以下と
するのが好ましい。また、図９（ａ）に示すように、長
手方向に延びるスリット状の凹部３２５を幅方向に複数
本形成する場合には、スリット間隔は、圧電体層７０の
膜厚の１０倍以下とするのが好ましい。

【００７１】何れにしても、このような凹部３２５およ
び３２６の設計は、圧電体層７０に残留する内部応力、
すなわち、圧電体層７０の厚さ、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。

【００７２】以上の説明では、凹部３２５または３２６
形成後、圧力発生室１２を形成するようにしたが、実際
には、図２に示すように、各上電極膜８０の上面の少な
くとも周縁、及び圧電体膜７０および下電極膜６０の側
面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層９０を形成
し、さらに、絶縁体層９０の各圧電体能動部３２０の一
端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部にはリード
電極１００と接続するために上電極膜８０の一部を露出
させるコンタクトホール９０ａを形成し、このコンタク
トホール９０ａを介して各上電極膜８０に一端が接続
し、また他端が接続端子部に延びるリード電極１００を
形成するようにしてもよい。ここで、リード電極１００
は、駆動信号を上電極膜８０に確実に供給できる程度に
可及的に狭い幅となるように形成するのが好ましい。な
お、本実施形態では、コンタクトホール９０ａは、圧力
発生室１２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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】ここで、本実施形態の圧電振動子の駆動時
の振動板、本実施形態では、弾性膜５０に加わる力と弾
性変形量との関係を図１１（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
域で生じることのになる。一方、図１１（ｂ）に示すよ
うに、初期に加わった力ｆ₄により、初期変形ｔが生じ
ており、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。

【００７６】（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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１２、その流路の断面を図１３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。

【００８０】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。

【００８１】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、凹部を形成することにより、圧力
発生室の形成による弾性膜および下電極膜の変形を低減
または無くすことができ、振動板の変形量の向上及び振
動板の耐久性を向上することができる。

【００８２】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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電体膜に凹部を形成することにより、圧力発生室を形
成する際に起こる振動板の変形を抑えることができる。
これにより、圧電体能動部の駆動による変位の向上及び
振動板の耐久性の向上を図ることができる。

【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図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ’線断面図
である。

【図７】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８】凹部を形成していない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９】凹部のパターンの例を示す図であるである。

【図１０】凹部の断面形状の例を示す図であるである。

【図１１】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１２】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す分解斜視図である。

【図１３】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す断面図である。

【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圧電体能動部３２５，３２６凹部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
を構成して少なくとも上面が下電極として作用する振動
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るインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記圧電体能動部の少なくとも前記圧電体層は、その上
層部に凹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。
【請求項２】請求項１において、前記凹部は、前記上
電極を貫通して前記圧電体層の上層部まで形成されてい
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】請求項１又は２において、前記凹部は、
前記圧電体能動部の前記圧力発生室に対向する領域に形
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４】請求項１又は２において、前記凹部は、
前記圧電体能動部の長手方向に亘って形成されているこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】請求項４において、前記凹部は、前記圧
力発生室の長手方向に亘って複数本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６】請求項５において、前記複数本の凹部の
間隔は、前記圧電体層の厚さの１０倍以下であることを
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１〜６の何れかにおいて、前記凹
部は、前記圧電体能動部の幅方向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。
【請求項８】請求項１〜７の何れかにおいて、前記凹
部は、前記圧電体層に、その厚さの２／３以下の深さま
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。
【請求項９】請求項１〜８の何れかにおいて、前記凹
部は、前記圧電体能動部の幅の１／５以下の幅を有する
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
凹部は、断面が、略矩形、略Ｕ字状、または略Ｖ字状に
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１１】請求項１〜１０の何れかにおいて、前
記凹部は、開口両側の側壁が変形して略密着することに
より塞が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
記圧電体能動部が、その少なくとも一端部に前記圧力発
生室に対向する領域と当該圧力発生室の長手方向端部の
周壁に対向する領域との境界を横切る連結部を有するこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１３】請求項１〜１１の何れかにおいて、前
記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向する領域内に設
けられ且つ当該前記圧力発生室に対向する領域内に当該
圧電体能動部へ電圧を印加するための導電体膜と当該圧
電体能動部との接続部となるコンタクト部を有すること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１４】請求項１３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、前記コンタクト部は
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１５】請求項１〜１４の何れかにおいて、前
記凹部は、前記圧力発生室の形成前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１６】請求項１〜１５の何れかにおいて、前
記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチング
により形成され、前記圧電振動子の各層が成膜及びリソ
グラフィ法により形成されたものであることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッド。