WO1998018632A1 - Tete d'enregistrement a jet d'encre - Google Patents

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WO1998018632A1
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tension
piezoelectric
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ink
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Shinri Sakai
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Seiko Epson Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to an ink jet recording head used in an ink jet recording apparatus.
  • the present invention relates to an ink jet recording head having means for applying pressure to an ink chamber using a piezoelectric element as means for applying energy to ink. North
  • a silicon oxide film is formed to a thickness of 250 OA on a single crystal silicon substrate by a thermal oxidation method, and then a lower electrode layer such as aluminum, nickel, chromium, and platinum is formed to a thickness of 0.2 m.
  • a piezoelectric material of lead zirconate titanate (PZT) with a thickness of 2 to 10 ⁇ m by a sol-gel method and further laminating an upper electrode film. Through holes are formed in the silicon substrate by etching to form ink chambers.
  • the piezoelectric film is fired after sequentially laminating the thin films on the substrate, and then the ink chamber is formed, as in the above-described conventional technique. Is effective.
  • the lower electrode film tends to contract significantly with the heat treatment of the PZT film, and has a large positive residual stress.
  • the film tension due to the residual stress of this lower electrode film is the tensile tension, and the residual film of the other film It is larger than the film tension due to residual stress. For this reason, as in the case of a drum skin that is just tight, the membrane tension significantly increases the rigidity of the diaphragm.
  • the piezoelectric displacement when the PZT is driven has a problem that extra energy is required to work for this film tension and the displacement efficiency with respect to the driving voltage is significantly reduced.
  • the present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a high-resolution and highly reliable ink jet recording head. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a plurality of ink chambers which are included in a substrate and are divided by side walls; Ink jet recording comprising: a vibrating film acting as a diaphragm; a piezoelectric film disposed on the vibrating film corresponding to the ink chamber; and a piezoelectric active portion having an upper electrode formed on the piezoelectric film.
  • the vibration film has at least two layers of a layer having a positive film stress and a layer having a negative film stress. Due to these film stresses, the film tension of the vibrating film is substantially zero or negative, and the film tension of the vibrating film plus the film tension of the piezoelectric film is positive.
  • the ink jet recording head is characterized in that: A plurality of ink chambers included in the substrate and partitioned by side walls; a vibration film formed on the substrate surface, sealing one side of the ink chamber and having an upper electrode on an upper surface; An ink jet recording head having a piezoelectric film disposed on the vibration film corresponding to the piezoelectric film and sandwiched between the lower electrode and the upper electrode, wherein the vibration film has a positive film stress.
  • the film tension of the vibrating film is substantially zero or negative due to the film stress.
  • the ink jet recording head is characterized in that the film tension of the piezoelectric film and the upper electrode plus the film tension is positive.
  • the vibration film has a silicon oxide layer formed by oxidizing a single crystal silicon substrate surface, and a metal layer serving as the lower electrode laminated on the silicon oxide layer, A plurality of ink chambers separated by side walls may be formed in the single crystal silicon substrate.
  • the metal layer serving as the lower electrode is, for example, a platinum layer formed directly on the silicon oxide layer or via an intermediate layer, and the silicon oxide layer and the platinum layer are
  • the vibrating film is thinner than a thickness of the vibrating film in a portion corresponding to the piezoelectric active portion in at least a part of a region along an edge of the ink chamber around the piezoelectric active portion. It may have a thin film portion having a thickness.
  • the vibrating film includes a silicon oxide layer formed by etching a single crystal silicon substrate surface, and a metal layer serving as the lower electrode laminated on the silicon oxide layer. At least a part of the lower electrode in the thickness direction may be removed.
  • the thin film portion is formed, for example, on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion.
  • a combination of a positive film stress and a negative film stress is set to zero or a compressive film tension, and a film tension of a vibrating film that significantly reduces a displacement amount when driving the PZT is not generated.
  • the warpage of the substrate can be reduced at the same time.
  • a positive film tension tensile film tension
  • the present invention it is possible to prevent the displacement characteristic of the vibration film due to the driving of the piezoelectric element from being reduced by the film tension of the members constituting the vibration film. Accordingly, it is possible to sufficiently increase the ejection capability of ink droplets while keeping the drive voltage low. Also, by suppressing the amount of warpage of the substrate to a sufficiently small level, it is possible to suppress deterioration in characteristics due to bonding and a decrease in yield due to bonding failure. Furthermore, even if the vibration film is prevented from becoming a tensile film tension, the vibration film does not become slack, so that the ejection of ink droplets becomes unstable and the interface between the lower electrode film and the PZT film peels off.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of an inkjet recording head according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a thin-film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a thin-film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view of a main part of an inkjet recording head according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing a modification of the second embodiment of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is an assembled perspective view showing an inkjet recording head according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a cross-sectional structure of one of the ink chambers in a longitudinal direction.
  • the flow path forming substrate 10 made of a single crystal silicon substrate has a plane orientation (110) in the present embodiment, and usually has a thickness of about 150 to 300 / m.
  • the thickness is preferably about 180 to 280 ⁇ m, and more preferably about 220. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall between adjacent ink chambers.
  • One surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and the other surface is a silicon oxide film 50 of thickness 1 to 1111, made of silicon dioxide formed by thermal oxidation in advance, and a lower electrode film 60. Constitutes a vibrating membrane. Further, a piezoelectric film 70 having a width smaller than the width of the ink chamber 12 is laminated on the vibration film of the ink chamber 12, and an upper electrode film 80 is formed on the piezoelectric body 70. Is formed.
  • an ink chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 is formed on the opening surface of the flow path forming substrate 10 by anisotropic etching in a row with the same pitch. 3 is formed.
  • the rows 13 of the ink chambers 1 and 2 have two rows, and around the two rows of the ink chambers 12, there are reservoirs 14 arranged in a substantially U-shape so as to surround three sides, and each ink chamber 1.
  • An ink supply port 15 for communicating the reservoir 2 and the reservoir 14 with a constant fluid resistance is formed.
  • Each ink supply port 15 communicating with one end of each ink chamber 12 is formed shallower than the ink chamber 12. That is, the ink supply port 15 is formed by partially etching (harvesting) the silicon single crystal substrate in the thickness direction. Here, the half-etching is performed by adjusting the etching time.
  • a nozzle plate 18 provided with a nozzle opening 17 communicating with the ink supply port 15 of the ink chamber 12 on the side opposite to the ink supply port 15 is provided on the opening side of the flow path forming substrate 10 with an adhesive or the like. It is fixed via a heat welding film or the like.
  • the nozzle plate 18 has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm and a coefficient of linear expansion of 300. In C or less, for example 2. 5 ⁇ 4. 5 [X 1 0- 6 / ° C] Glass ceramics are, or the like not ⁇ .
  • the nozzle plate 18 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 on one surface, and also serves as a reinforcing plate for protecting the flow path forming substrate 10 from impact and external force.
  • the nozzle plate 18 has a reference hole 19 formed at a position corresponding to the reference hole 30 of the flow path forming substrate 10.
  • the size of the ink chamber 12 for applying the ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 17 for ejecting the ink droplet are optimal according to the amount of the ejected ink droplet, the ejection speed, and the ejection frequency. Be transformed into For example, when recording 360 ink drops per inch, the nozzle opening 17 needs to be formed with a diameter of several tens of meters with high accuracy.
  • the lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.5 m is formed on the silicon oxide film 50 on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10.
  • a piezoelectric film 70 having a thickness of, for example, about l / m and an upper electrode film 80 having a thickness, for example, of about 0.1 zm are formed by lamination in a process described later to form a piezoelectric element. ing.
  • the piezoelectric element is provided independently for each ink chamber 12;
  • the electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element, and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element.
  • a piezoelectric active portion having the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 is formed every 12.
  • the length of the ink chambers 12 in the arrangement direction is 75 ⁇ m
  • the length in the depth direction is 2 mm
  • the length of the piezoelectric film 70 in the arrangement direction is 60 m
  • the pitch of the ink chambers 12 in the arrangement direction was 141 ⁇ m (180 nozzles per inch), and 64 were arranged in a line. That is, the piezoelectric active portion composed of the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 is provided only at the upper part of the ink chamber 12, and the piezoelectric film 70 is provided at the portion without the ink chamber 12 in the arrangement direction. Because there is no In other words, when a voltage is applied to deform the vibrating membrane corresponding to the ink chamber 12, the same displacement can be obtained with a small voltage.
  • the fixing member 20 also has a reference hole 20 a formed at a position corresponding to the reference hole 30 of the flow path forming substrate 10.
  • An insulator layer 90 having electrical insulation is formed so as to cover at least the periphery of the upper surface of each of the upper electrode films 80 and the side surfaces of the piezoelectric film 70.
  • the insulator layer 90 is made of a material that can be formed by a film forming method or shaped by etching, for example, silicon oxide, silicon nitride, an organic material, preferably a photosensitive polyimide having low rigidity and excellent electrical insulation. It is preferred to form with.
  • a wafer of the channel forming substrate 10 having a plane orientation (110) and a thickness of 220 2m is about 1200.
  • silicon oxide films 50 and 51 are formed on both surfaces of the flow path forming substrate 10 at a time.
  • a lower electrode film 6 ° is formed by sputtering.
  • Pt or the like is preferable as the material of the lower electrode film 60.
  • a piezoelectric film 70 described later which is formed by a sputtering sol-gel method, is fired at a temperature of about 600 to 100 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. It is necessary to crystallize it. That is, the material of the lower electrode film 70 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere.
  • PZT is used as the piezoelectric film 70
  • P b It is desirable that the change in conductivity due to the diffusion of O is small, and for these reasons, Pt is preferable.
  • titanium, titanium oxide, and titanium are sequentially formed between the silicon oxide film 51 and the lower electrode film 60 as an intermediate layer (not shown) for improving the adhesion.
  • Titanium, titanium oxide, titanium, and the lower electrode film 60 of the intermediate layer were continuously formed in four layers by DC sputtering, and titanium oxide was formed by reactive sputtering in a 10% oxygen atmosphere.
  • the vibrating film is composed of the silicon oxide film 50, the intermediate layer, and the lower layer.
  • the unit electrode film 60 is formed from multiple layers. Note that the intermediate layer is not necessarily provided, and the vibration film may be formed only by the silicon oxide film 51 and the lower electrode film 60.
  • a piezoelectric film 70 is formed. Sputtering can be used to form the piezoelectric film 70.
  • a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a solvent is applied, dried, gelled, and fired at a high temperature.
  • a so-called sol-gel method is used to obtain a piezoelectric film 70 made of a metal oxide.
  • the piezoelectric film 70 by the sol-gel method is obtained by heating 0.105 mol of lead acetate, 0.045 mol of zirconium acetyl acetateton, 0.005 mol of magnesium acetate and 30 ml of acetic acid to 100 ° C. After dissolving, cool to room temperature, add 0.040 moles of titanium tetraisopropoxide and 0.010 moles of pentoxyethoxyniobium in 50 ml of ethyl ethyl sorb, and add 30 ml of acetylaceton to add.
  • polypropylene glycol (average molecular weight: 400) was added to the metal oxide in the sol at 30% by weight, and a homogeneous sol obtained by stirring well was used as a raw material.
  • the sol prepared on the lower electrode film 60 is applied by spin coating and calcined at 400 ° C. to form an amorphous porous gel thin film, and this application and calcining are performed until a required film thickness is obtained. Repeated.
  • blur annealing was performed by heating to 650 ° C. for 5 seconds and holding for 1 minute in an oxygen atmosphere using RTA (Rapid Thermal Annealing). Furthermore, annealing was performed by heating to 900 ° C.
  • platinum (Pt) is formed to a thickness of 20 OA by DC sputtering to form an upper electrode film 80.
  • the upper electrode film 80 only needs to be a material having high conductivity, and in addition to Pt, many metals such as Al, Au, and Ni, and conductive oxides can be used.
  • the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80 are patterned.
  • a photoresist is formed on the silicon oxide film 51.
  • An opening is provided, and the silicon oxide film 51 is patterned with an aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride to form an opening 5la.
  • the depth direction of the opening 51a that is, the direction perpendicular to the paper surface is defined as the ⁇ 1 1 2> direction of the flow path forming substrate 10.
  • the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are etched together to pattern the entire pattern of the lower electrode film 60. I do.
  • FIG. 4 (c) only the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are etched to pattern the piezoelectric active portion 320.
  • each upper electrode film 80 As described above, after patterning the lower electrode film 60 or the like, preferably, at least the periphery of the upper surface of each upper electrode film 80 and the side surfaces of the piezoelectric film 70 and the lower electrode film 60 are covered.
  • An insulating layer 90 having electrical insulation is formed (see FIG. 2). C Then, a portion covering the upper surface of a portion corresponding to one end of each piezoelectric active portion 320 of the insulating layer 90 is formed.
  • a contact hole 90a is formed in a part. One end is connected to each upper electrode film 80 via the contact hole 90a, and the other end is formed with a lead electrode 100 extending to the connection terminal portion.
  • FIG. 5 shows a process of forming such an insulator layer and a lead electrode.
  • an insulator layer 90 is formed so as to cover the periphery of the upper electrode film 80, the side surfaces of the piezoelectric film 70 and the side surfaces of the lower electrode film 60.
  • the insulator layer 90 is made of a negative photosensitive polyimide.
  • a contact hole 9 is formed in a portion corresponding to the vicinity of the end on the ink supply side of each ink chamber 12.
  • Form 0a The contact hole 90a may be provided at a portion corresponding to the piezoelectric active portion 320 of the ink chamber 12, and may be provided at, for example, a central portion or a nozzle end.
  • a conductor such as Cr—Au is formed on the entire surface, and then the lead electrode 100 is formed by performing patterning.
  • the above is the film forming process.
  • the film is immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide at 80 ° C., so that the opening 51a of the silicon oxide film 51 is removed.
  • the channel forming substrate 10 is anisotropically etched, and the etching is advanced until the silicon oxide film 50 is exposed, thereby forming an ink chamber 12.
  • the plane orientation of the flow path forming substrate 10 is (110)
  • the depth direction of the opening 51a is the ⁇ 111> direction.
  • the side wall surface forming the side in the depth direction of the ink chamber 102 can be a (111) plane.
  • the ratio of the etching rate of the (110) plane to the (111) plane of the single crystal silicon is about 300: 1, and the ratio of the flow path forming substrate 101 Since the groove having a depth of 220 ⁇ m can be suppressed to about 1 / m of side etching, the ink chamber 12 can be formed with high accuracy.
  • a number of chips are simultaneously formed on one wafer by the above-described series of film formation and anisotropic etching. It is divided into each flow path forming substrate 10 having one chip size. Further, the divided flow path forming substrate 10 is sequentially contacted and integrated with the nozzle plate 18 and the fixing member 20 to form an ink jet recording head.
  • the ink jet head thus configured takes in ink from an ink inlet 16 connected to an external ink supply means (not shown), fills the inside with ink from a reservoir 14 to a nozzle opening 17, According to a recording signal from an external drive circuit (not shown), a voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 via the conductive pattern 100, and the silicon oxide film 50 and the piezoelectric film 7 are applied. By flexing and deforming 0, the pressure in the ink chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle opening 17.
  • the silicon oxide film Since the silicon oxide film is formed by thermal oxidation, it expands on the silicon substrate and has a negative film stress. That is, the silicon oxide film receives a compressive force from the silicon substrate, and the silicon substrate receives a tensile force from the silicon oxide film. Since the film tension of the compression of the silicon oxide film acts equally on both surfaces of the silicon substrate, the silicon substrate does not warp.
  • the lower electrode film and the piezoelectric film shrink during the cooling process due to the heat treatment at high temperature, and have a positive film stress on the silicon substrate at room temperature. That is, the lower electrode The film and the piezoelectric film receive a tensile force from the silicon substrate, while the silicon substrate receives a compressive force from the lower electrode film and the piezoelectric film.
  • the target of the film tension is expressed as the silicon substrate. Due to the tensile film tension acting on the lower electrode film and the piezoelectric film, the silicon substrate on which the film is laminated is warped by making the surface of the lower electrode (or the piezoelectric film) concave.
  • the film tension or the film stress of each film was measured as follows.
  • the silicon substrate warps due to the film tension.
  • the radius of curvature of the warpage at this time is R
  • the relationship between the radius of curvature R and the film tension T or the stress can be expressed by the following relational expression.
  • the film tension of the silicon oxide film 50 was determined from the amount of warpage after the silicon oxide film 51 on one surface of the silicon substrate 10 was removed by etching.
  • the film tension of the piezoelectric film 70 was obtained by removing the piezoelectric film 70 by etching and calculating the amount of change in the amount of warpage before and after the removal as the amount of warpage due to the piezoelectric film 70.
  • the film tension of the lower electrode film 60 was determined from the amount of warpage after the piezoelectric film 70 was removed. At this time, the silicon oxide film needs to be formed on both surfaces of the silicon substrate. In order to determine the enormous stress from the film tension obtained as described above, the Young's modulus of the film is necessary. The measurement of the Young's modulus of the film must be carefully performed so that the film stress is not affected. In measurements using a cantilever beam and measurements using a film fixed around the periphery, the values are completely different due to the film tension.Therefore, using a cantilever sample, the Young's modulus is calculated from the weighted one-radius characteristics. Was.
  • Table 1 shows a first film configuration of the present invention. ⁇ table 1 ⁇
  • the configuration is such that the membrane tension of the vibrating membrane becomes substantially zero.
  • the amount of warpage of the substrate in the direction in which the ink chambers 12 were arranged the 3 ⁇ m diaphragm side was concave in the range where the ink chambers 12 were arranged.
  • the silicon substrate 10 and the nozzle plate 18 and the like were joined with an adhesive. However, with this amount of warpage, no joining failure occurred. No change was observed in the displacement characteristics of the vibrating membrane after bonding.
  • the amount of displacement when a voltage of 10 V was applied to the piezoelectric element of this configuration was 11 Onm.
  • the silicon oxide film 50 facing the ink chamber 12 was removed by etching, and the displacement was 80 nm when a voltage of 10 V was applied. .
  • the rigidity change was small before and after the silicon oxide film 50 was removed. In general, removing the silicon oxide film reduces the bending stiffness of the vibrating film, and the displacement due to voltage application should increase accordingly.
  • the film tension is large and the film thickness is thin, a strong tensile force acts on the vibration film due to the positive film tension of the lower electrode film 60 without the silicon oxide film having a negative film tension.
  • This film tension acts to offset the decrease in bending stiffness.
  • Table 2 shows a second film configuration of the present invention. [Table 2]
  • the amount of warping of the substrate in the direction in which the ink chambers 12 were arranged was slightly concave on the side of the vibrating membrane in the range where the ink chambers were arranged, but was practically zero. It did not occur.
  • the displacement amount when a voltage of 10 V was applied to the piezoelectric element of this configuration was 12 O nm, which was about 10% higher than that of the first configuration.
  • the rigidity (compliance) of the vibrating membrane was 10% larger than that of the first configuration (10% smaller in compliance). Therefore, a high ink chamber pressure can be generated with a low driving voltage, and the characteristics are improved by 20% compared to the first configuration.
  • Table 3 shows a third film configuration of the present invention.
  • the thickness of the PZT piezoelectric film was made smaller than that of the second film configuration.
  • the negative film thickness of the silicon oxide film is due to the positive film tension of the lower electrode film and the PZT piezoelectric film. The tension is strong, and the diaphragm is loosened. This loosening was sometimes difficult to confirm with a microscope or the like, but the ejection of ink droplets became unstable, and the difference in characteristics between the ink chambers 12 became very large. Further, in the etching process of the silicon substrate 10, the film may be peeled off, and the yield is reduced.
  • Table 4 shows a fourth film configuration of the present invention.
  • the thickness of the silicon oxide film was made smaller than that of the first film configuration, and (thickness of the lower electrode film) / (thickness of the silicon oxide film) was set to 1. Since the absolute value of the film tension of the silicon oxide film is smaller than the film tension of the lower electrode film, a positive film tension acts as the vibrating film. Due to the film tension of the vibrating membrane, the amount of warpage of the substrate in the direction in which the ink chambers 12 were arranged was concave on the 9 / m vibrating membrane side in the range where the ink chambers were arranged. Due to this warpage, partial bonding failure occurred, and the yield was reduced.
  • the film tension of the vibrating film varies from ink chamber to ink chamber, resulting in a large variation in the amount of displacement and a large variation in the film rigidity.
  • the ejection of ink droplets differed in the ink jet recording head, resulting in a decrease in print quality.
  • the embodiment described above is a combination of a silicon oxide film and a platinum film, but other combinations are also possible.
  • a film is formed by injecting a second element into the substrate surface (in the above embodiment, oxygen is equivalent), a negative stress is generated in the film. Therefore, a similar effect can be obtained with a film obtained by performing boron nitride on the silicon substrate surface in addition to the silicon oxide film. Also, other than platinum, a palladium film or a film combining both may be used.
  • the film tension of the upper electrode film 80 is sufficiently smaller than the other film tensions, the influence was not taken into consideration. However, the material, the film thickness, and the thickness of the upper electrode film 80 were not considered. Alternatively, the film tension of the upper electrode film 80 is increased by selecting a forming method, and the film tension of the combined upper electrode film 80 and piezoelectric film 70 and the film tension of the vibrating film are added. The same effect can be obtained with a positive tension.
  • FIG. 6 shows the shapes of a piezoelectric active portion and a pressure generating chamber of an ink jet recording head according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a lower electrode film removing portion 350 from which the lower electrode film 60 has been removed is provided adjacent to both sides in the width direction of the piezoelectric active portion 320 including the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80.
  • This embodiment is the same as the first embodiment except that.
  • the lower electrode removing portion 350 is formed into a predetermined pattern by etching after the upper electrode 80 and the piezoelectric film 70 are patterned. As shown in FIG. 6 (a), in the present embodiment, the portion where the lower electrode removing portion 350 is provided is a so-called arm portion of the vibrating membrane, and the width of the ink chamber 12 is The lower electrode films 60 on both sides of the piezoelectric active portion 320 are removed as shown in the AA ′ cross section of FIG. 6 (b). ing.
  • the amount of displacement due to voltage application to the piezoelectric active section 320 can be improved.
  • the lower electrode removing portion 350 is formed by completely removing the lower electrode film 60.
  • the lower electrode removing portion 350 is formed by half etching or the like.
  • the lower electrode film removed portion 35 OA may be formed as a thin film by removing a part of the electrode film 60.
  • the pattern of the lower electrode removing portion is not limited to the above example.
  • the lower electrode removing portion 350B is longer than both ends of the piezoelectric active portion 320.
  • the direction may be formed to the outside.
  • the lower electrode removing portion 350C may be provided in a U-shape along the three edges except for one end of the pressure generating chamber 12.
  • the nozzle opening 17 is provided in a direction perpendicular to the surface of the flow path forming substrate 10, but the nozzle opening 17 is formed on the end surface of the flow path forming substrate 10,
  • the ink may be formed so as to be discharged in a direction parallel to the surface.
  • the insulator layer is provided between the piezoelectric element and the lead electrode.
  • the present invention is not limited to this.
  • the insulator layer is not provided, and the upper electrode film is anisotropically conductive. May be thermally welded, and the anisotropic conductive film may be connected to a lead electrode, or may be connected using various bonding techniques such as wire bonding.
  • the present invention can be applied to ink jet type recording heads having various structures, as long as the gist of the present invention is not contradicted. Industrial applicability
  • the ink jet recording head according to the present invention is suitable for use in an ink jet recording apparatus that records characters and image information using ink on a recording medium such as paper, metal, resin, and fabric.

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Description

明 細 書 ィンクジエツト記録へッド 技術分野
本発明は、 ィンクジエツト記録装置に用いられるィンクジヱヅト記録へッドに 関する。 本発明はインクにエネルギーを与える手段として、 圧電体素子を用いて インク室内を加圧する手段を持つインクジエツト記録へッドに関する。 北
景技術
本発明に関する従来技術としては、 米国特許第 5 , 2 6 5 , 3 1 5号明細書、 特 表平 5— 5 0 4 7 4 0号公報に開示された技術がある。
これらの従来例では、 単結晶シリコン基板上に、 熱酸化法により酸化シリコン 膜を 2 5 0 O Aの厚さで形成後、 アルミニウム、 ニッケル、 クロム、 プラチナな どの下部電極層を 0 . 2 mの厚さで形成し、 次いで、 ゾルゲル法により圧電体 であるチタン酸ジルコン酸鉛 （P Z T ) を 2〜 1 0〃mで形成し、 さらに、 上部 電極膜を積層した後、 シリコン基板の裏面より、 エッチングによってシリコン基 板に貫通孔を形成し、 インク室を形成している。
今日プリン夕に要求される解像度の向上と印刷の高速化とを実現させるために は、 インク室の大きさを小さくすると同時に、 多数のインク室を高密度に配置さ せなければならない。 インク室を小型化しながら、 必要な特性を得るには、 同時 に振動膜と圧電体膜との厚さを薄くしなければならない。
振動膜及び圧電体膜の厚さが数 m以下となると、 その製造方法として前記の 従来技術にある通り、 基板に簿膜を順次積層した後に圧電体膜を焼成し、 しかる 後にィンク室を形成する方法が有効である。
しかし、 上記の製法および構成で振動膜及び圧電体膜を形成する場合、 P Z T 膜の熱処理に伴つて下部電極膜が著しく収縮しようとし、 大きな正の残留応力を もつようになる。
この下部電極膜の残留応力による膜張力は引っ張りの張力であり、 他の膜の残 留応力による膜張力に比べて大きい。 このため、 振動膜は、 丁度強く張られた太 鼓の皮の様に、 膜張力が振動膜の剛性を著しく大きくしてしまう。
この様な振動膜の膜張力の影響は、 振動膜の厚さが 1 0 m以上であるような 従来のインクジェット記録ヘッドでは特に問題とならなかった。 なぜならば、 従 来の厚い振動膜では、 膜の剛性は曲げ剛性が支配しており、 この曲げ剛性は厚さ の三乗に比例する。これに対し、膜張力による膜の剛性は厚さの一乗に比例する。 従って、 振動膜の膜厚が厚くなることにより曲げ剛性が急激に大きくなり、 膜張 力の影響は相対的には急激に小さくなるからである。
P Z Tを駆動したときの圧電変位は、 この膜張力に対して仕事をするため、 ェ ネルギを余分に必要とし、 駆動電圧に対する変位効率を著しく低下させるという 問題点を有している。
更に、 基板上の膜張力は基板を反らせ、 他の基板との接合時に、 接合不良が生 じ歩留まりが著しく低下する問題点を有している。
また、 接合が正常に行われても、 基板内で振動膜の膜張力にばらつきが生じて しまい、 複数のインク室の特性が均一で無くなり、 印刷品質を低下させるという 問題点を有している。
逆に、 振動膜の膜張力が圧縮の張力になると、 振動膜に弛みが生じてしまい、 インク滴の吐出が不安定になる問題点を有している。 更に、 下部電極膜と P Z T 膜の界面の剥離が発生したりするという問題点を有している。
本発明は、 これらの課題を解決するためのものであり、 その目的とするところ は、 高解像度で信頼性の高いインクジヱヅト記録へヅドを提供することにある。 発明の開示
前記目的を達成する本発明は、 基板内に内包され側壁により区画された複数の ィンク室と、 前記基板の表面に形成されて前記ィンク室の一方側を封止すると共 に少なくとも上面が下部電極として作用する振動膜と、 前記インク室に対応して 前記振動膜上に配設された圧電体膜及び当該圧電体膜上に形成された上部電極を 有する圧電体能動部とを具備するインクジエツト記録へッドにおいて、 前記振動 膜を、 正の膜応力を持つ層と、 負の膜応力を持つ層との少なくとも二層を有する 積層膜として構成し、 これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力は実質的に 零あるいは負であり、 この振動膜の膜張力に前記圧電体膜の膜張力を加えた膜張 力が正であるように構成したことを特徴とするインクジエツト記録へッドにある。 また、 基板内に内包され側壁により区画された複数のインク室と、 前記基板面 に形成され、 前記ィンク室の一方側を封止すると共に上面に上部電極を有する振 動膜と、 前記ィンク室に対応して前記振動膜上に配設され且つ前記下部電極と上 部電極とに狭持された圧電体膜とを有するインクジエツト記録へッドにおいて、 前記振動膜を、 正の膜応力を持つ層と、 負の膜応力を持つ層との少なくとも二層 を有する積層膜として構成し、 これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力は 実質的に零あるいは負であり、 この振動膜の膜張力に前記圧電体膜及び前記上部 電極の膜張力を加えた膜張力が正であるように構成したことを特徴とするインク ジェヅト記録へッドにある。
ここで、 好適な実施態様では、 前記振動膜は、 単結晶シリコン基板面を酸化し て形成した酸化シリコン層と、 この酸化シリコン層上に積層した前記下部電極と なる金属層とを有し、 前記単結晶シリコン基板内に側壁により区画された複数の ィンク室を形成してもよい。
また、 前記下部電極となる金属層は、 例えば、 前記酸化シリコン層上に直接あ るいは中間層を介して形成された白金層であり、 前記酸化シリコン層と前記白金 層とが、
(下部電極膜の厚み)/ (酸ィ匕シリコン膜の厚み）≤ 0 . 5
の関係にあるのがよい。
さらに、 前記振動膜は、 前記圧電体能動部の周囲で前記インク室の縁部に沿つ た領域の少なくとも一部に、 当該圧電体能動部に対応する部分の前記振動膜の厚 さよりも薄い膜厚を有する薄膜部を有してもよい。
また、 前記振動膜は、 単結晶シリコン基板面を酸ィヒして形成した酸化シリコン 層と、 この酸化シリコン層上に積層された前記下部電極となる金属層とを有し、 前記薄膜部では前記下部電極の厚さ方向の少なくとも一部が除去されていてもよ い。
また、 前記薄膜部は、 例えば、 前記圧電体能動部の幅方向両側に形成されてい る o
本発明では、 正の膜応力と負の膜応力の組み合わせで、 零あるいは圧縮の膜張 力とし、 P Z Tを駆動したときの変位量を著しく低下させる振動膜の引っ張りの 膜張力を発生させず、 基板の反りも同時に小さくできる。 更に圧電体膜の収縮に よる正の膜応力を組み合わせた時にこれらの積層膜に正の膜張力 （引っ張りの膜 張力） が生じることにより、 振動膜の弛みや P Z T膜の剥離が抑えられる。
かかる本発明によれば、 圧電体素子の駆動による振動膜の変位特性が、 振動膜 を構成する部材の持つ膜張力により低下するのを抑えることができる。 従って、 駆動電圧を低く抑えながら、インク滴の吐出能力を十分に高くすることができる。 また、 基板の反り量を十分に小さく抑える事で、 接合による特性の劣化や、 接合 不良による歩留まり低下を低く抑えることができる。 更に、 振動膜が引っ張りの 膜張力になるのを抑えても、 振動膜に弛みを生じることが無いため、 インク滴の 吐出が不安定になったり、 下部電極膜と P Z T膜の界面の剥離が発生したりする ことが無く、 均一性と信頼性を確保しながら、 可及的に記録ヘッドの性能を向上 することができ、 薄膜技術を用いた高解像度 ·高密度のインクジエツト記録へヅ ドを供給することができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の実施形態 1に係るインクジェット式記録へッドの分解斜視 図である。
第 2図は、 本発明の実施形態 1に係るインクジヱット式記録へッドの断面図で める。
第 3図は、 本発明の実施形態 1の薄膜製造工程を示す図である。
第 4図は、 本発明の実施形態 1の薄膜製造工程を示す図である。
第 5図は、 本発明の実施形態 1の薄膜製造工程を示す図である。
第 6図は、 本発明の実施形態 2に係るインクジエツト式記録へッドの要部断面 図である。
第 Ί図は、 本発明の実施形態 2の変形例を示す平面図である。
第 8図は、 本発明の実施形態 2の変形例を示す平面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態 1 )
第 1図は、 本発明の一実施形態に係るインクジェット記録へッドを示す組立斜 視図であり、 第 2図は、 その 1つのインク室の長手方向における断面構造を示す 図である。
図示するように、 単結晶シリコン基板からなる流路形成基板 1 0は、 本実施形 態では面方位 （ 1 1 0 ) を有し、 通常、 1 5 0〜3 0 0 /m程度の厚さのものが 用いられ、 望ましくは 1 8 0〜2 8 0〃m程度、 より望ましくは 2 2 0 程度 の厚さのものが好適である。 これは、 隣接するインク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。
流路形成基板 1 0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 1〜2 111の酸化シリコン膜 5 0、 及び 下部電極膜 6 0により振動膜が構成されている。 また、 インク室 1 2の部分の振 動膜には、 インク室 1 2の幅より狭い幅で圧電体膜 7 0が積層され、 この圧電体 莫 7 0上には、 上部電極膜 8 0が形成されている。
一方、 流路形成基板 1 0の開口面には、 後述するように、 異方性エッチングす ることにより、 複数の複数の隔壁 1 1により区画されたインク室 1 2が同一ピッ チで列 1 3をなして形成されている。 インク室 1 2の列 1 3は、 2列あり、 2列 のインク室 1 2の回りには、 三方を囲むように略コ字状に配置されたリザ一バ 1 4と、 各インク室 1 2とリザ一バ 1 4とを一定の流体抵抗で連通するインク供給 口 1 5がそれぞれ形成されている。 なお、 各インク室 1 2の一端に連通する各ィ ンク供給口 1 5は、 インク室 1 2より浅く形成されている。 すなわち、 インク供 給口 1 5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 （ハーフェヅ チング） することにより形成されている。 ここで、 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。
なお、 流路形成基板 1 0の対角線上の二つの隅部には、 流路形成基板 1 0の位 置合わせのための基準孔 3 0が形成されている。 また、 流路形成基板 1 0の開口面側には、 各インク室 1 2のインク供給口 1 5 とは反対側で連通するノズル開口 1 7が穿設されたノズルプレート 1 8が接着剤 や熱溶着フィルム等を介して固着されている。 なお、 ノズルプレート 1 8は、 厚 さが例えば、 0 . l〜l mmで、 線膨張係数が 3 0 0。C以下で、 例えば 2 . 5〜 4 . 5 [ X 1 0—6/°C] であるガラスセラミックス、 又は不鲭鋼などからなる。 ノズルプレート 1 8は、 一方の面で流路形成基板 1 0の一面を全面的に覆い、 流 路形成基板 1 0を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。 なお、 ノズル プレート 1 8には、 流路形成基板 1 0の基準孔 3 0に対応する位置に基準孔 1 9 が形成されている。
ここで、 インク滴吐出圧力をインクに与えるインク室 1 2の大きさと、 インク 滴を吐出するノズル開口 1 7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 3 6 0個のイン ク滴を記録する場合、 ノズル開口 1 7は数十〃 mの径で精度よく形成する必要が ある。
一方、 上述のように、 流路形成基板 1 0の開口面とは反対側の酸化シリコン膜 5 0の上には、 厚さが例えば、 約 0 . 5 mの下部電極膜 6 0と、 厚さが例えば、 約 l /mの圧電体膜 7 0と、厚さが例えば、約 0 . 1 zmの上部電極膜 8 0とが、 後述するプロセスで積層形成されて、 圧電体素子を構成している。 このように、 酸ィ匕シリコン膜 5 0の各インク室 1 2に対向する領域には、 各インク室 1 2毎に 独立して圧電体素子が設けられているが、 本実施形態では、 下部電極膜 6 0は圧 電体素子の共通電極とし、上部電極膜 8 0を圧電体素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く、 各インク室 1 2毎に圧電 体膜 7 0及び上部電極膜 8 0を有する圧電体能動部が形成されていることになる。 本実施形態では、 インク室 1 2の配列方向の長さを 7 5〃m、 その奥行き方向 の長さを 2 mmとし、 圧電体膜 7 0の配列方向の長さは 6 0 mとし、 インク室 1 2上に形成した。 ィンク室 1 2の配列方向のピッチは、 1 4 1〃m ( 1インチ 当たりのノズル配置を 1 8 0本） とし、 6 4本を一列に配置した。 すなわち、 圧 電体膜 7 0及び上部電極膜 8 0からなる圧電体能動部が、 インク室 1 2の上部の みにあり、 配列方向のインク室 1 2の無い部分には圧電体膜 7 0が無いことによ り、 電圧を印加してインク室 1 2に対応する振動膜を変形させる際に、 小さい電 圧で同じ変位量が得られるようになつている。
そして、 このような流路形成基板 1 0及びノズルプレート 1 8は、 これらを保 持する凹部を有する固定部材 2 0に固定される。 なお、 固定部材 2 0にも、 流路 形成基板 1 0の基準孔 3 0と対応する位置に基準孔 2 0 aが形成されている。 また、 かかる各上部電極膜 8 0の上面の少なくとも周縁、 及び圧電体膜 7 0の 側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層 9 0が形成されている。 絶縁体層 9 0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。
ここで、 シリコン単結晶基板からなる流路形成基板 1 0上に、 圧電体膜 7 0等 を形成するプロセスを第 3図及び第 4図を参照しながら説明する。
第 3図 （a ) に示すように、 まず、 面方位 （ 1 1 0 ) を有する厚さ 2 2 0〃m の流路形成基板 1 0のウェハを約 1 2 0 0。Cで湿式熱酸化し、 流路形成基板 1 0 の両面に酸化シリコン膜 5 0、 5 1を一度に形成する。
次に、 第 3図 （b ) に示すように、 スパッタリングで下部電極膜 6◦を形成す る。 下部電極膜 6 0の材料としては、 P t等が好適である。 これは、 スパヅタリ ングゃゾル—ゲル法で成膜する後述の圧電体膜 7 0は、 成膜後に大気雰囲気下又 は酸素雰囲気下で 6 0 0〜 1 0 0 0 °C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、 下部電極膜 7 0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 7 0として P Z Tを 用いた場合には、 P b O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 P tが好適である。
また、 本実施形態では、 酸化シリコン膜 5 1と下部電極膜 6 0の間に、 密着力 を向上させる中間層 （図示せず） として、 チタンと酸化チタンとチタンとを順次 数十 A形成した。 中間層のチタン、 酸化チタン、 チタン及び下部電極膜 6 0は、 直流スパッタリング法により 4層連続形成し、 その中で酸化チタンは 1 0 %酸素 雰囲気によるリアクティブスパッタリング法によって形成した。
したがって、 本実施形態では、 振動膜は、 酸化シリコン膜 5 0、 中間層及び下 部電極膜 60の多層から形成される。なお、中間層は必ずしも設ける必要はなく、 酸化シリコン膜 51および下部電極膜 60のみで振動膜を形成してもよい。
次に、 第 3図 （c) に示すように、 圧電体膜 70を成膜する。 この圧電体膜 7 0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。
ゾル—ゲル法による圧電体膜 70は、 酢酸鉛 0. 105モル、 ジルコニウムァ セチルァセトナート 0. 045モル、 酢酸マグネシウム 0. 005モルと 30ミ リリットルの酢酸を、 100°Cに加熱して溶解させた後、 室温まで冷却し、 チタ ンテトライソプロポキシド 0. 040モル、 ペン夕エトキシニオブ 0. 010モ ルをェチルセ口ソルプ 50ミリリヅトルに溶解させて添加し、 ァセチルァセトン を 30ミリリツトル添加して安定化させた後、 ポリプロピレングリコール （平均 分子量 400) をゾル中の金属酸化物に対し 30重量％添加し、 よく攪拌して得 た均質なゾルを原料とした。 下部電極膜 60上に調製したゾルをスピンコートで 塗布し、 400°Cで仮焼成し、 非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成し、 この塗布と仮 焼成とを必要な膜厚となるまで繰り返した。 次に、 RTA (Rapid Thermal Annealing)を用いて酸素雰囲気中、 5秒間で 650 °Cに加熱して 1分間保持する ことによりブレアニールを行った。 更に、 RTAを用いて酸素雰囲気中 900°C に加熱して 1分間保持することによりァニールし、 最終的な P Z T圧電体薄膜を 得た。 このようにして得られる圧電体膜の物性を測定したところ比誘電率 200 0、 圧電ひずみ定数 d 31は— 15 OpC/Nと優れた特性を示した。
次に、 第 3図 （d) に示すように、 直流スパッタリング法により白金 （Pt) を 20 OAの厚さで形成して上部電極膜 80を成膜する。 なお、 上部電極膜 80 は、 導電性の高い材料であればよく、 Ptの他、 Al、 Au、 Ni等の多くの金 属ゃ、 導電性酸化物等を使用できる。
次に、 第 4図に示すように、 下部電極膜 60、 圧電体膜 70及び上部電極膜 8 0をパターニングする。
まず、 第 4図 （a) に示すように、 酸化シリコン膜 51にフォトレジストを形 成し、 開口部を設け、 酸化シリコン膜 5 1を弗酸と弗化アンモニゥムの水溶液で パターニングし、 開口部 5 l aを形成する。 この開口部 5 1 aの奥行き方向、 す なわち紙面に垂直な方向を流路形成基板 1 0の < 1 1 2 >方向としておく。
次いで、 第 4図 （b ) に示すように、 下部電極膜 6 0、 圧電体膜 7 0及び上部 電極膜 8 0を一緒にエッチングして下部電極膜 6 0の全体パターンをパ夕一ニン グする。 次いで、 第 4図 （c ) に示すように、 圧電体膜 7 0及び上部電極膜 8 0 のみをェヅチングして圧電体能動部 3 2 0のパターニングを行う。
以上のように、 下部電極膜 6 0等をパターニングした後には、 好ましくは、 各 上部電極膜 8 0の上面の少なくとも周縁、 及び圧電体膜 7 0および下部電極膜 6 0の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層 9 0を形成する（第 2図参照) c そして、 絶縁体層 9 0の各圧電体能動部 3 2 0の一端部に対応する部分の上面 を覆う部分の一部には、 コンタクトホール 9 0 aが形成されている。 そして、 こ のコンタクトホール 9 0 aを介して各上部電極膜 8 0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 1 0 0が形成されている。
このような絶縁体層及びリ一ド電極の形成プロセスを第 5図に示す。
まず、 第 5図 （a ) に示すように、 上部電極膜 8 0の周縁部、 圧電体膜 7 0お よび下部電極膜 6 0の側面を覆うように絶縁体層 9 0を形成する。 この絶縁体層 9 0は、 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。
次に、 第 5図 （b ) に示すように、 絶縁体層 9 0をパターニングすることによ り、 各インク室 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一 ル 9 0 aを形成する。 なお、 コンタクトホール 9 0 aは、 インク室 1 2の圧電体 能動部 3 2 0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。
次に、 例えば、 C r—A uなどの導電体を全面に成膜した後、 パ夕一ニングす ることにより、 リード電極 1 0 0を形成する。
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、 第 5図（c ) に示すように、 8 0 °Cの水酸化カリウム水溶液に浸せきすることで、 酸化シリコ ン膜 5 1の開口部 5 1 aから流路形成基板 1 0の異方性エッチングを行い、 酸化 シリコン膜 5 0が露出するまでエッチングを進め、 ィンク室 1 2を形成する。 この異方性エッチングでは、 上述のように、 流路形成基板 1 0の面方位が （ 1 1 0 ) であり、 更に開口部 5 1 aの奥行き方向が < 1 1 2〉方向であるから、 ィ ンク室 1 0 2の奥行き方向の辺を形成する側壁の面を （ 1 1 1 ) 面とすることが できる。
また、 水酸化カリウム水溶液を用いた場合、 単結晶シリコンの （ 1 1 0 ) 面と ( 1 1 1 ) 面のエッチング速度の比は 3 0 0 ： 1程度となり、 流路形成基板 1 0 1の厚み 2 2 0〃mの深さの溝をサイ ドエッチング 1 / m程度に抑えることがで きるので、 インク室 1 2を精度よく形成できる。
このようなインクジェット式記録へッドでは、 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、 第 1図に示すような一つのチップサイズの各流路形成基板 1 0に分割する。また、 分割した流路形成基板 1 0を、 ノズルプレート 1 8および固定部材 2 0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。
このように構成したインクジエツトへッドは、 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 1 6からインクを取り込み、 リザーバ 1 4からノズル開 口 1 7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、 導電パターン 1 0 0を介して下部電極膜 6 0と上部電極膜 8 0 との間に電圧を印加し、 酸化シリコン膜 5 0と圧電体膜 7 0とをたわみ変形させ ることにより、 インク室 1 2内の圧力が高まりノズル開口 1 7からインク滴が吐 出する。
ここで、上述のようなインクジエツト記録へヅドの酸化シリコン膜 5 0 , 5 1、 下部電極膜 6 0、 圧電体膜 7 0の各膜の膜張力について説明する。
酸化シリコン膜は、 熱酸化により形成したため、 シリコン基板上で膨張し、 負 の膜応力を持っている。即ち、酸化シリコン膜はシリコン基板から圧縮力を受け、 逆にシリコン基板は酸化シリコン膜から引っ張り力を受けている。 この酸化シリ コン膜の圧縮の膜張力がシリコン基板の両面に等しく作用するため、 シリコン基 板は反ることはない。
これに対し、 下部電極膜と圧電体膜は、 高温での熱処理により、 その降温過程 で収縮し、 常温ではシリコン基板上で正の膜応力を持っている。 即ち、 下部電極 膜と圧電体膜はシリコン基板から引っ張り力を受け、 逆にシリコン基板は下部電 極膜と圧電体膜から圧縮力を受けている。 ここで、 シリコン基板は他の膜と比較 し十分に厚いため、 膜張力の作用対象をシリコン基板と表現した。 下部電極膜と 圧電体膜に働いている引っ張りの膜張力により、 膜を積層したシリコン基板は、 下部電極 (あるいは圧電体膜） の面を凹にして反ることになる。
各膜の膜張力あるいは膜応力は、 以下の様にして測定した。
膜張力により、 シリコン基板は反るが、 この時の反りの曲率半径を Rとすると、 曲率半径 Rと薄膜の膜張力 T、あるいは応力びとの間は、以下の関係式で表せる。
1 6d (1 -v 6 (1 -v
R E,D2 ° D2 1 ここで、 dは薄莫の厚さ、 Dはシリコン基板の厚さ、 i sはシリコン基板のポ ァソン比、 E sはシリコン基板のャング率である。
反り量の測定では、 シリコンの弾性定数が異方性を持っため、 特定の結晶方位 に沿った短冊状のサンプルを用い、 計算では、 その方向でのヤング率とポアソン 比を用いて行った。
酸化シリコン膜 5 0の膜張力は、 シリコン基板 1 0の一方の面の酸化シリコン 膜 5 1をエッチングで除去した後の反り量から求めた。
圧電体膜 7 0の膜張力は、 圧電体膜 7 0をエッチングで除去し、 その前後での 反り量の変化分を圧電体膜 7 0による反り量として求めた。
下部電極膜 6 0の膜張力は、 圧電体膜 7 0を除去した後の反り量から求めた。 この時、酸化シリコン膜はシリコン基板の両面に形成した状態とする必要がある。 以上のようにして求めた膜張力から莫応力を求めるには、 膜のヤング率が必要 である。 膜のヤング率の測定は、 膜応力が影響しないよう注意深く行う必要があ る。 両持ち梁を使った測定や周辺固定の膜を使った測定では、 膜張力のため全く 異なった値となるため、 片持ち梁のサンプルを用いて、 その加重一橈み特性から ヤング率を求めた。
(第 1の膜構成）
本発明の第 1の膜構成を表 1に示す。 【表 1】
Figure imgf000014_0001
本構成では、 （下部電極膜の厚み） / (酸化シリコン膜の厚み） を 0 . 5とした c 下部電極膜と酸化シリコン膜は、 その膜厚や熱処理方法によっては多少の膜応力 の変動が見られるが、 この莫厚比を 0 . 5とすることで、 ほぼ下部電極膜 6 0と 酸化シリコン膜 5 0の膜張力を釣り合わせることが出来る。 従って、 振動膜の膜 張力が実質的に零となるような構成となる。 インク室 1 2の並び方向での基板の 反り量は、 インク室 1 2が配置されている範囲で 3〃m振動膜側が凹となった。 本実施形態ではシリコン基板 1 0とノズルプレート 1 8等とを接着剤で接合した が、 この反り量では接合の不良は全く生じなかった。 また、 接合後の振動膜の変 位特性も変化は見られなかった。
本構成の圧電体素子に電圧 1 0 Vを印加したときの変位量は 1 1 O n mであつ た。 これに対し、 本構成でインク室 1 2に面した酸化シリコン膜 5 0の部分を、 エッチングで除去したものを作成し、 電圧 1 0 Vを印加したときの変位量は 8 0 nmであった。 また、 振動膜の剛性 （コンプライアンス） を測定した結果、 酸化 シリコン膜 5 0の除去前後で、 剛性の変化は僅かであった。 一般には、 酸化シリ コン膜を除去することで、 振動膜の曲げ剛性が小さくなり、 その分、 電圧印加に よる変位量が大きくなるはずである。 本実施形態では、 膜張力が大きく膜厚が薄 いため、 負の膜張力を持つ酸ィ匕シリコン膜が無いと下部電極膜 6 0の正の膜張力 で、 振動膜に強い引っ張り張力が作用してしまい、 この膜張力が曲げ剛性の低下 分を相殺するように働く。本構成の様に、振動膜の膜張力が実質的に零となる（あ るいは負となる） ように構成することによって、 圧電体素子による振動膜の変位 効率を著しく向上させることができる。
(第 2の膜構成）
本発明の第 2の膜構成を表 2に示す。 【表 2】
Figure imgf000015_0001
本構成では、 （下部電極膜の厚み） / (酸化シリコン膜の厚み） を 0 . 2 7とし た。 酸化シリコン膜の膜張力が下部電極膜の膜張力より、 その絶対値が大きいた め、 振動膜としては負の膜張力が働いている。 この振動膜の膜張力に P Z T圧電 体膜の膜張力を合わせると膜全体としては正の膜張力となり、 振動膜に弛みを生 じることは無く、 インク滴の吐出が正常かつ安定して実現できた。 また、 シリコ ン基板 1 0のエッチングプロセスを経ても、 膜の剥離は見られなかった。
インク室 1 2の並び方向での基板の反り量は、 インク室が配置されている範囲 で l ^m振動膜側が僅かに凹となったが、 実質的には零であり、 接合で問題が生 じることは無かった。
本構成の圧電体素子に電圧 1 0 Vを印加したときの変位量は 1 2 O nmで、 第 1の構成よりおよそ 1割向上した。 また、 振動膜の剛性 （コンプライアンス） は 第 1の構成より 1割大きく （コンプライアンスでは 1割小さく）なった。従って、 低い駆動電圧で高いィンク室圧力を発生することができ、 総合すると第 1の構成 より 2割の特性向上が見られた。
(第 3の膜構成）
本発明の第 3の膜構成を表 3に示す。
【表 3】
Figure imgf000015_0002
本構成では、 第 2の膜構成に対して P Z T圧電体膜の厚さを薄くした。 この構 成では、 下部電極膜と P Z T圧電体膜の正の膜張力より酸化シリコン膜の負の膜 張力が強く、 振動膜に弛みが生じてしまう。 この弛みは顕微鏡等では確認が難し い場合が有ったが、 インク滴の吐出が不安定になり、 インク室 1 2間での特性の 差が非常に大きくなる。 また、 シリコン基板 1 0のエッチングプロセスで膜の剥 離が生じることが有り、 歩留まりが低下してしまった。
(第 4の膜構成）
本発明の第 4の膜構成を表 4に示す。
【表 4】
Figure imgf000016_0001
本構成では、第 1の膜構成に対して酸化シリコン膜の厚さを薄くし、（下部電極 膜の厚み） / (酸化シリコン膜の厚み） を 1とした。 酸化シリコン膜の膜張力は 下部電極膜の膜張力より、 その絶対値が小さいため、 振動膜としては正の膜張力 が働いている。 この振動膜の膜張力により、 インク室 1 2の並び方向での基板の 反り量は、 インク室が配置されている範囲で 9 / m振動膜側が凹となった。 この 反りのため、 部分的な接合不良が生じ、 歩留まりが低下した。 また、 接合によつ て反りが変化するため、 振動膜の膜張力がインク室毎にばらついてしまい、 変位 量のばらつき、 膜剛性のばらつきが大きくなつた。 そのため、 インク滴の吐出が インクジヱット記録へッド内で異なってしまい、 印刷品質の低下を起こした。 以上で述べた実施例は、 酸化シリコン膜と白金膜の組み合わせであるが、 他の 組み合わせも可能である。
一般に基板面に第 2の元素を進入させて膜を形成する場合 （前記実施形態では 酸素が相当する） に、 膜に負の応力が発生する。 従って、 酸化シリコン膜の他に シリコン基板面にボロンド一プゃ窒化を行った膜でも同様の効果が得られる。 また、 白金の他にはパラジウム膜や両者を合わせた膜でも良い。
また、 上記実施形態では上部電極膜 8 0の膜張力は他の膜張力に比較して十分 小さいために、 その影響を考慮しなかったが、 上部電極膜 8 0の材料、 膜厚、 あ るいは形成方法を選ぶことで上部電極膜 8 0の引っ張りの膜張力を大きくして、 この上部電極膜 8 0と圧電体膜 7 0とを合わせた膜張力と振動膜の膜張力とを加 えて、 正の莫張力としても、 同様の効果が得られる。
(実施形態 2 )
第 6図には、 本発明の実施形態 2に係るインクジエツト式記録へッドの圧電体 能動部および圧力発生室の形状を示す。
本実施形態は、 圧電体膜 7 0および上部電極膜 8 0からなる圧電体能動部 3 2 0の幅方向両側に隣接して、 下部電極膜 6 0を除去した下部電極膜除去部 3 5 0 を設けた以外は実施形態 1と同様である。
下電極除去部 3 5 0は、 上部電極 8 0及び圧電体膜 7 0がパターニングされた 後、 エッチングにより所定パターンに形成される。 第 6図 （a ) に示すように本 実施形態では、 下電極除去部 3 5 0が設けられた部分は、 振動膜のいわゆる腕部 と呼ばれている部分であり、 インク室 1 2の幅方向両側に沿った縁部近傍に対向 する部分であり、 第 6図 （b ) の A— A '断面に示すように、 圧電体能動部 3 2 0の両側の下部電極膜 6 0が除去されている。
このように下部電極膜除去部 3 5 0を設けることにより、 圧電体能動部 3 2 0 への電圧印加による変位量の向上を図ることができる。
なお、 本実施形態では、 下電極除去部 3 5 0は、 下部電極膜 6 0を完全に除去 することにより形成したが、 第 6図 （c ) に示すように、 ハーフエッチング等に より、 下部電極膜 6 0の一部を除去して薄膜とした下部電極膜除去部 3 5 O Aと してもよい。
この下電極除去部のパターンは、 上述の例に限定されず、 例えば、 第 7図に示 すように、 下電極除去部 3 5 0 Bを圧電体能動部 3 2 0の両端部よりも長手方向 外側まで形成してもよい。
また、 例えば、 第 8図に示すように、 下電極除去部 3 5 0 Cを圧力発生室 1 2 の一端部を除いて 3方の縁部に沿ってコ字状に設けてもよい。
(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。
例えば、 上述した実施形態では、 ノズル開口 1 7を流路形成基板 1 0の面に垂 直な方向に設けているが、ノズル開口 1 7を流路形成基板 1 0の端面に形成して、 ィンクが面に平行な方向に吐出するように形成してもよい。
また、 圧電体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、 各上部電極膜に異方性導電 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。 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エツ ト式記録へッドに応用することができる。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明に係るインクジェット記録ヘッドは、 紙、 金属、 樹脂、 布地等の記録媒体にインクを用いて、 文字 ·画像情報を記録するインクジ エツト記録装置に用いて好適である。
さらに、 小型、 高密度、 改善された特性を生かし、 小型且つ高性能のインクジ ェヅト記録装置に用いられるインクジヱット記録へッドとして最適である。

Claims

請求の範囲
1 . 基板内に内包され側壁により区画された複数のインク室と、 前記基板の表 面に形成されて前記インク室の一方側を封止すると共に少なくとも上面が下部電 極として作用する振動膜と、 前記ィンク室に対応して前記振動膜上に配設された 圧電体膜及び当該圧電体膜上に形成された上部電極を有する圧電体能動部とを具 備するインクジェヅト記録へヅドにおいて、
前記振動膜を、 正の膜応力を持つ層と、 負の膜応力を持つ層との少なくとも二 層を有する積層膜として構成し、 これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力 は実質的に零あるいは負であり、 この振動膜の膜張力に前記圧電体膜の膜張力を 加えた膜張力が正であるように構成したことを特徴とするインクジェット記録へ ッド。
2 . 基板内に内包され側壁により区画された複数のインク室と、 前記基板面に 形成され、 前記ィンク室の一方側を封止すると共に上面に上部電極を有する振動 膜と、 前記ィンク室に対応して前記振動膜上に配設され且つ前記下部電極と上部 電極とに狭持された圧電体膜とを有するインクジヱット記録へッドにおいて、 前記振動膜を、 正の膜応力を持つ層と、 負の膜応力を持つ層との少なくとも二 層を有する積層膜として構成し、 これらの膜応力により前記振動膜が持つ膜張力 は実質的に零あるいは負であり、 この振動膜の膜張力に前記圧電体膜及び前記上 部電極の膜張力を加えた膜張力が正であるように構成したことを特徴とするイン クジエツト言 3録へッド。
3 . 前記振動膜は、 単結晶シリコン基板面を酸化して形成した酸化シリコン層 と、 この酸化シリコン層上に積層した前記下部電極となる金属層とを有し、 前記 単結晶シリコン基板内に側壁により区画された複数のィンク室を形成したことを 特徴とする請求項 1記載あるいは請求項 2記載のインクジエツト記録へッド。
4 . 前記下部電極となる金属層は、 前記酸化シリコン層上に直接あるいは中間 層を介して形成された白金層であり、 前記酸化シリコン層と前記白金層とが、
(下部電極膜の厚み)/ (酸化シリコン膜の厚み）≤ 0 . 5
の関係にあることを特徴とする請求項 3記載のインクジェット記録へッド。
5 . 前記振動膜は、 前記圧電体能動部の周囲で前記インク室の縁部に沿った領 域の少なくとも一部に、 当該圧電体能動部に対応する部分の前記振動膜の厚さよ りも薄い膜厚を有する薄膜部を有することを特徴とする請求項 1〜4の何れかに 記載のィンクジェヅト記録へッド。
6 . 前記振動膜は、 単結晶シリコン基板面を酸化して形成した酸ィ匕シリコン層 と、 この酸化シリコン層上に積層された前記下部電極となる金属層とを有し、 前 記薄膜部では前記下部電極の厚さ方向の少なくとも一部が除去されていることを 特徴とする請求項 5に記載のインクジエツト記録へッド。
7 . 前記簿膜部は、 前記圧電体能動部の幅方向両側に形成されていることを特 徴とする請求項' 5又は 6に記載のインクジエツト記録へッド。
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