JP2001260348A

JP2001260348A - 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: JP2001260348A
Application number: JP2000038751A
Authority: JP
Inventors: Hajime Mizutani; 肇水谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-02-18
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-09-25
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: JP3725390B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子の駆動による変位の効率を向上した
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。【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室１２の
一部を構成する振動板と、該振動板の少なくとも一部を
構成する下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０から
なる圧電素子３００とを備え且つ圧力発生室１２に対向
する領域に圧電素子３００を構成する圧電体層７０の実
質的な駆動部となる圧電体能動部３２０を具備するイン
クジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体能動部３２０
の駆動による中立面が振動板内にあるようにする。

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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、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。なお、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。

【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、
圧電体層の圧電特性を向上するために、一般的に、圧電
体層を振動板の厚さよりも厚く形成している。そのた
め、圧電素子の駆動の際に、中立面が圧電体層内に位置
するため変位効率が低下し、圧電体層自体の変位力をイ
ンクの吐出力に十分に変換できていないという問題があ
る。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子
の駆動による変位の効率を向上した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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の態様は、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且つ前記圧力発生室に対向
する領域に前記圧電素子を構成する前記圧電体層の実質
的な駆動部となる圧電体能動部を具備するインクジェッ
ト式記録ヘッドにおいて、前記圧電体能動部の駆動によ
る中立面が前記振動板内に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。

【００１０】かかる第１の態様では、圧電体層内に中立
面がないので、駆動の際、圧電体層には圧縮応力のみが
かかり、圧電素子の変位効率が向上される。

【００１１】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記振動板のヤング率と膜厚の二乗との積が、前記
上電極及び前記圧電体層のヤング率と膜厚の二乗との積
よりも大きい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、中立面が振動板内
に確実に位置し、変位の効率が向上する。

【００１３】本発明の第３の態様は、第２の態様におい
て、前記振動板のヤング率と膜厚の二乗との積が、前記
上電極及び前記圧電体層のヤング率と膜厚の二乗との積
の１〜５０倍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。

【００１４】かかる第３の態様では、振動板のヤング率
と膜厚の二乗との積を所定範囲とすることにより、変位
の効率がより確実に向上する。

【００１５】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか
の態様において、前記下電極が、前記圧電体層の応力よ
りも大きい引張り応力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。

【００１６】かかる第４の態様では、下電極の応力によ
る圧電体層の変位の阻害が防止される。

【００１７】本発明の第５の態様は、第４の態様におい
て、前記圧電体層が有する応力が引張り応力であり、前
記下電極が前記圧電体層の引張り応力の１〜３倍である
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１８】かかる第５の態様では、下電極の応力によ
る圧電体層の変位の阻害がより確実に防止される。

【００１９】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか
の態様において、前記上電極が、前記圧電体層の応力よ
りも大きい引張り応力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。

【００２０】かかる第６の態様では、上電極の応力によ
る圧電体層の変位の阻害が防止される。

【００２１】本発明の第７の態様は、第６の態様におい
て、前記圧電体層が有する応力が引張り応力であり、前
記上電極が前記圧電体層の引張り応力の１〜３倍である
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２２】かかる第７の態様では、上電極の応力によ
る圧電体層の変位の阻害がより確実に防止される。

【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、少なくとも前記圧電体能動部の前記圧
電体層と前記上電極との膜厚の和が、前記振動板と前記
下電極との膜厚の和よりも薄い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、中立面が確実に振
動板内となり、変位の効率が向上される。

【００２５】本発明の第９の態様は、第１〜８の何れか
において、前記振動板が延性材料膜からなることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２６】かかる第９の態様では、振動板が引張り応
力に適した延性材料膜であるため、変位時の応力による
振動板の破壊が抑えられる。

【００２７】本発明の第１０の態様は、第９の態様にお
いて、前記振動板が前記下電極のみからなることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２８】かかる第１０の態様では、振動板が引張り
応力に適した下電極のみで構成されるため、変位時の応
力による破壊が確実に抑えられる。

【００２９】本発明の第１１の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記振動板が少なくとも金属酸化膜
又は脆性材料膜の何れかを含み、前記圧電体能動部の駆
動による中立面が当該金属酸化膜又は脆性材料膜中に位
置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。

【００３０】かかる第１１の態様では、振動板に作用す
る応力が抑えられ、振動板の破損及び劣化等が防止され
る。

【００３１】本発明の第１２の態様は、第１１の態様に
おいて、前記振動板が少なくとも前記脆性材料膜を含む
と共に当該脆性材料膜が酸化ジルコニウムからなり、前
記中立面が前記脆性材料膜中に位置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、中立面が位置す
る脆性材料膜を特定の材料で形成することにより、変位
時の応力による破壊が確実に抑えられる。

【００３３】本発明の第１１の態様は、第９の態様にお
いて、前記振動板が少なくとも前記金属酸化膜を含むと
共に当該金属酸化膜が酸化シリコンからなり、前記中立
面が前記金属酸化膜中に位置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１１の態様では、中立面が位置す
る金属酸化膜を特定の材料で形成することにより、変位
時の応力が確実に抑えられる。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】本発明の第１３の態様は、第１〜１２の何
れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備するこ
とを特徴とするインクジェット式記録装置にある。

【００３８】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。

【００３９】

【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。

【００４０】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図
であり、図２は、平面図及びその１つの圧力発生室の長
手方向における断面構造を示す図である。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】一方、流路形成基板１０の開口面とは反対
側の弾性膜５０上には、厚さが、例えば、約０．１〜２
μｍの絶縁体膜５５が形成され、さらに、この絶縁体膜
５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６
０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３００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。また、
ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動
により変位が生じ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、
絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用す
る。

【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、弾性膜５
０上に、絶縁体膜５５を形成する。この絶縁体膜５５
は、圧電体膜７０との密着性の良好な材料、例えば、圧
電体膜７０の構成元素から選択される少なくとも一種の
元素の酸化物又は窒化物で形成されることが好ましい。
本実施形態では、弾性膜５０上にジルコニウム層を形成
後、例えば、約１１５０℃の拡散炉で熱酸化して二酸化
ジルコニウムからなる絶縁体膜５５とした。

【００５６】次に、図４（ｃ）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、白金等が好適である。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としてチタン酸ジルコン酸塩
（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電
性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白
金が好適である。

【００５７】次に、図４（ｄ）に示すように、圧電体膜
７０を成膜する。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−ゲル法を用いて形成し
た。圧電体膜７０の材料としては、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。なお、この圧電体膜７０の成膜方法は、特に限定さ
れず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。

【００５８】さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング
法等によりＰＺＴの前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液
中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用い
てもよい。

【００５９】次に、図４（ｅ）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、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多
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、白金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。

【００６２】以上説明したように、下電極膜６０の全体
のパターンを形成後、圧電体能動部３２０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。

【００６３】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の側面を覆うように電
気絶縁性を備えた層間絶縁膜９０を形成する（図１参
照）。

【００６４】このような絶縁体層の形成プロセスを図６
に示す。

【００６５】まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜
８０の周縁部及び圧電体膜７０の側面を覆うように層間
絶縁膜９０を形成する。この層間絶縁膜９０の材料は、
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。

【００６６】次に、図６（ｂ）に示すように、層間絶縁
膜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、リード電極１００と上電極膜８０とを接続するた
めのものである。リード電極１００は、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設されている。また、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、コンタクトホール９０ａは、圧力
発生室１２に対向する位置に設けられているが、例え
ば、圧電体膜７０及び上電極膜８０を圧力発生室１２の
周壁上まで延設して、この周壁に対向する位置にコンタ
クトホール９０ａを設けるようにしてもよい。

【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】なお、圧電体能動部３２０を駆動するため
の配線の構成等は、特に限定されない。すなわち、上述
した例では下電極膜６０を全面に亘って形成するように
し、圧電体膜７０及び上電極膜８０を圧力発生室１２に
対向する領域内にパターニングするようにしたが、圧電
体膜７０及び上電極膜８０を、例えば、圧力発生室１２
の端部から外まで引き出すようにしてコンタクトホール
を廃止してもよい。また、下電極膜６０を圧力発生室１
２に対向する領域内にパターニングすることもでき、こ
のような配線の構成は全く自由である。

【００６９】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。

【００７０】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、絶縁体膜５５、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。

【００７１】このような本実施形態のインクジェット式
記録ヘッドの要部を示す平面図及び断面図を図７に示
す。

【００７２】図７（ａ）及び図７（ａ）のＢ−Ｂ’断面
図である図７（ｂ）に示すように、下電極膜６０、圧電
体膜７０および上電極膜８０からなる圧電素子３００
は、本実施形態では、圧力発生室１２に対向する領域内
に設けられて圧電体能動部３２０となっている。また、
圧電体能動部３２０の長手方向端部近傍には、圧電体能
動部３２０上に設けられている層間絶縁膜９０のコンタ
クトホール９０ａを介して上電極膜８０とリード電極１
００とが接続されている。

【００７３】また、本実施形態では、上述のように、こ
の圧電体能動部３２０の一方の電極である下電極膜６０
と弾性膜５０との間には、酸化ジルコニウムからなる絶
縁体膜５５が全面に亘って形成されており、これら弾性
膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として
作用している。そして、この振動板の厚さを圧電体能動
部の３２０を構成する圧電体膜７０及び上電極膜８０の
厚さよりも厚くなるように形成し、圧電体能動部３２０
を駆動する際に、中立面が振動板内に位置するようにし
た。すなわち、例えば、本実施形態では、図中に点線で
示すように、圧電体能動部３２０を駆動する際に、中立
面ｙ₀が絶縁体膜５５内にあるように振動板を構成する
各層の厚さを調整した。

【００７４】ここで、振動板（下電極膜６０）と圧電体
膜７０との境界面を基準とすると、中立面ｙ₀は下記式
（１）で表される。

【００７５】

【数１】

【００７６】Ｅ_f：圧電体膜及び上電極膜のヤング率
Ｅ_s：振動板のヤング率 ν_f：圧電体膜及び上電極膜のポアソン比 ν_s：振動板
のポアソン比ｄ：圧電体膜及び上電極膜の膜厚Ｄ：振動
板の膜厚

【００７７】この式から、各層のヤング率及びポアソン
比等の特性に応じて各層の厚さを、ｙ₀＜０の関係が成
り立つように決定すれば、中立面は振動板内に位置する
ことになる。また、振動板及び圧電体膜のヤング率、ポ
アソン比は、０．２〜０．３程度であり、分母は常に正
の値となるため、圧電素子及び振動板の各層の特性に応
じて、それぞれの厚さを下記式（２）の関係を満たす値
とすれば、中立面を振動板内とすることができる。

【００７８】

【数２】

【００７９】すなわち、振動板のヤング率と膜厚の二乗
の積が、上電極膜８０及び圧電体膜７０のヤング率と膜
厚の二乗の積より大きくなるように、各層の厚さを決定
すればよい。この振動板のヤング率と膜厚の二乗の積
は、特に、上電極膜８０及び圧電体膜７０のヤング率と
膜厚の二乗との積の１〜５０倍となるようにするのが好
ましい。これにより、圧電素子の駆動による振動板の変
形効率が向上される。

【００８０】なお、圧電体膜７０に電圧を印加して変形
させると、この変形に伴って圧電体膜７０が硬くなり、
見かけ上ヤング率が大きくなるが、このときにも上記式
２の関係を満たすように、各層の特性に応じて各層の厚
さを決定しておくことが好ましい。

【００８１】また、本実施形態では、振動板を構成する
各層の厚さを調整して、中立面が振動板内に位置するよ
うにしたが、その方法は特に限定されず、例えば、圧電
体膜まで形成した状態で、各層の物性及び膜厚等に合わ
せて上電極膜８０の膜厚を決定して形成するようにして
もよい。これにより、中立面を容易且つ確実に振動板内
とすることができる。また、このとき酸化ジルコニウム
からなる絶縁体膜５５を比較的厚く或いは硬く形成して
おけば、上電極膜８０の膜厚の調整がより容易となる。

【００８２】なお、絶縁体膜５５を硬く又はその膜厚を
厚くした場合でも、実際に使用する程度の範囲では、圧
電素子の駆動による振動板の変形に大きく影響すること
はない。また、振動板の膜厚を大きくすることにより、
振動板の剛性が高まって変位量が小さくなってしまう場
合には、圧力発生室１２の幅を増大させて対応すること
もできる。

【００８３】さらに、圧電体膜７０の断面形状を適切に
設置することにより中立面を振動板内に収めることも可
能である。すなわち、本願発明の主旨の範囲内で各膜の
物性値、膜厚又は断面形状を設定し、結果、圧電体能動
部の駆動による中立面が振動板内にあることは本願発明
の権利範囲となる。

【００８４】また、圧電体膜７０の表面に形成される少
なくとも何れか一方の電極、例えば、下電極膜６０は、
圧電体膜７０の応力よりも大きい引張り応力を有するこ
とが好ましく、特に圧電体膜７０が引張り応力を有する
場合には、下電極膜６０の引張り応力が、それぞれ圧電
体膜７０の引張り応力の１〜３倍であることが好まし
い。また、上電極膜８０も同様に、圧電体膜７０の応力
よりも大きい引張り応力を有することが好ましく、特に
圧電体膜７０が引張り応力を有する場合には、上電極膜
８０の引張り応力が、それぞれ圧電体膜７０の引張り応
力の１〜３倍であることが好ましい。これにより、圧電
体膜７０の変形の阻害を防止でき、結果的に圧電体膜７
０の変位効率を向上することができる。

【００８５】このような構成のインクジェット式記録ヘ
ッドの圧電体能動部３２０に電圧を印加して駆動する
と、中立面ｙ₀を境界として、振動板及び圧電体能動部
３２０の各層の上電極膜８０側には圧縮応力がかかり、
一方、弾性膜５０側には引っ張り応力がかかる。したが
って、本実施形態のように中立面ｙ₀が振動板内にある
ようにすれば、圧電体能動部３２０の駆動の際、圧電体
膜７０には圧縮応力のみがかかり、圧電体膜７０自体の
変位力をインクの吐出力に充分に変換することができ、
駆動電圧を低下させることができる。

【００８６】また、本実施形態では、特に、中立面ｙ₀
を脆性材料からなる絶縁体膜５５内にあるようにした、
すなわち、最も応力集中の少ないところに脆性材料から
なる絶縁体膜５５が位置するようにしたので、圧電体能
動部３２０の駆動の際、振動板にかかる応力が抑えら
れ、振動板の破壊、劣化等も防止することができる。

【００８７】もちろん、本願発明は本実施例に限定され
ず、例えば、振動板を下電極膜６０のみで構成すること
も可能である。この場合、下電極膜６０を白金等の延性
材料で形成することにより、振動板を引張り応力に適し
たものとすることができる。

【００８８】一方、従来のように中立面が圧電体膜７０
内にある場合には、図８に示すように、中立面ｙ₀より
も上電極膜８０側の圧電体膜７０ａには圧縮応力がかか
るものの、弾性膜５０側の圧電体膜７０ｂには引っ張り
応力がかかってしまう。そのため、圧電体膜７０自体の
変位力をインクの吐出力に充分に変換することができ
ず、変位の効率が低下してしまう。

【００８９】ここで、上述のような本実施形態のインク
ジェット式記録ヘッドの具体例を示す。

【００９０】（実施例及び試験例）本実施例では、上記
式２の関係を満たすように、振動板及び圧電素子の各層
を下記表１に示す物性及び膜厚で形成して、中立面ｙ₀
が振動板内に位置するインクジェット式記録ヘッドを形
成した。

【００９１】また、比較例として、振動板及び圧電素子
の各層を下記表１に示す物性及び膜厚とすると共に他の
条件を実施例と同一として中立面ｙ₀を振動板の外側に
位置するようにしたインクジェット式記録ヘッドを形成
した。

【００９２】

【表１】

【００９３】

【数３】

【００９４】また、これら実施例及び各比較例のインク
ジェット式記録ヘッドにおいて、圧電素子に２５Ｖの電
圧を印加して駆動した際の振動板の変形量及び変形効率
（電圧２５Ｖ印加時の単位当たりの変位エネルギー）を
測定した。なお、比較例１は、歪み、ヤング率を一定と
し膜厚を変化させた例であり、比較例２は、膜厚、歪み
を一定としヤング率を変化させた例である。その結果を
表２に示す。

【００９５】

【表２】

【００９６】表２からも明らかなように、中立面が振動
板内に位置するようにした実施例では、比較例に比べて
変位量及び変位エネルギーが著しく向上していることが
分かる。すなわち、中立面が振動板内に位置するように
すれば、圧電素子の駆動による振動板の変位効率を著し
く向上することができる。

【００９７】（他の実施形態）以上、本発明の実施形態
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。

【００９８】例えば、上述の実施形態では、中立面が振
動板の絶縁体膜５５内にあるようにしたが、これに限定
されず、例えば、図９に示すように、振動板の各層の厚
さを調整して、図中点線で示すように、中立面ｙ₀が弾
性膜５０内にあるようにしてもよい。また、勿論、中立
面ｙ₀が下電極膜６０内にあるようにしてもよい。何れ
にしても、中立面ｙ₀が振動板内にあるようにすれば、
上述の実施形態と同様に、変位効率を向上することがで
きる。

【００９９】また、例えば、上述した封止板２０の他、
共通インク室形成基板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。

【０１００】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。

【０１０１】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１０、その流路の断面を図１１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，共通インク室形成基板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。

【０１０２】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
４０Ａに開口４０ｂを形成した以外は、基本的に上述し
た実施形態１と同様であり、同一部材には同一符号を付
して重複する説明は省略する。

【０１０３】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。

【０１０４】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。

【０１０５】また、圧電素子とリード電極との間に層間
絶縁膜を設けた例を説明したが、これに限定されず、例
えば、層間絶縁膜を設けないで、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。

【０１０６】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。

【０１０７】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１２
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。

【０１０８】図１２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。

【０１０９】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。

【０１１０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電素子の駆動時に中立面が圧電体膜内にないようにした
ので、圧電体膜の変位効率を向上させることができ、そ
の結果インクの吐出効率を向上することができる。した
がって、圧電素子の駆動電圧も低減させることができ
る。また特に、圧電素子の駆動時の中立面を脆性材料内
にあるようにすれば、圧電素子の駆動による脆性材料の
破壊及び劣化を防止することができる。

【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斜視図である。

【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
録ヘッドの平面図及び断面図である。

【図８】従来技術に係る圧電体能動部の駆動による中立
面を説明する断面図である。

【図９】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１０】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１１】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す断面図である。

【図１２】本発明の一実施形態に係るインクジェット式
記録装置の概略図である。

【符号の説明】

１０流路形成基板１２圧力発生室５０弾性膜５５絶縁体膜６０下電極膜７０圧電体膜８０上電極膜９０層間絶縁膜１００リード電極３００圧電素子３２０圧電体能動部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月１８日（２０００．４．１
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】本発明の第１３の態様は、第１１の態様に
おいて、前記振動板が少なくとも前記金属酸化膜を含む
と共に当該金属酸化膜が酸化シリコンからなり、前記中
立面が前記金属酸化膜中に位置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。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】かかる第１３の態様では、中立面が位置す
る金属酸化膜を特定の材料で形成することにより、変位
時の応力が確実に抑えられる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】本発明の第１４の態様は、第１〜１３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。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】かかる第１４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。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】本発明の第１５の態様は、第１〜１４の何
れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備するこ
とを特徴とするインクジェット式記録装置にある。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】かかる第１５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。

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
を構成する振動板と、該振動板の少なくとも一部を構成
する下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを
備え且つ前記圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子
を構成する前記圧電体層の実質的な駆動部となる圧電体
能動部を具備す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駆動による中立面が前記振動板内に
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２】請求項１において、前記振動板のヤング
率と膜厚の二乗との積が、前記上電極及び前記圧電体層
のヤング率と膜厚の二乗との積よりも大きいことを特徴
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、前記振動板のヤング
率と膜厚の二乗との積が、前記上電極及び前記圧電体層
のヤング率と膜厚の二乗との積の１〜５０倍であること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】請求項１〜３の何れかにおいて、前記下
電極が、前記圧電体層の応力よりも大きい引張り応力を
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５】請求項４において、前記圧電体層が有す
る応力が引張り応力であり、前記下電極が前記圧電体層
の引張り応力の１〜３倍であることを特徴とするインク
ジェット式記録ヘッド。
【請求項６】請求項１〜５の何れかにおいて、前記上
電極が、前記圧電体層の応力よりも大きい引張り応力を
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７】請求項６において、前記圧電体層が有す
る応力が引張り応力であり、前記上電極が前記圧電体層
の引張り応力の１〜３倍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８】請求項１〜７の何れかにおいて、少なく
とも前記圧電体能動部の前記圧電体層と前記上電極との
膜厚の和が、前記振動板の膜厚よりも薄いことを特徴と
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、前記振
動板が延性材料膜から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１０】請求項９において、前記振動板が前記
下電極のみから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１１】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
振動板が少なくとも金属酸化膜又は脆性材料膜の何れか
を含み、前記圧電体能動部の駆動による中立面が当該金
属酸化膜又は脆性材料膜中に位置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１２】請求項１１において、前記振動板が少
なくとも前記脆性材料膜を含むと共に当該脆性材料膜が
酸化ジルコニウムからなり、前記中立面が前記脆性材料
膜中に位置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１１において、前記振動板が少
なくとも前記金属酸化膜を含むと共に当該金属酸化膜が
酸化シリコンからなり、前記中立面が前記金属酸化膜中
に位置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１〜１３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１５】請求項１〜１４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。