インクジェット式記録ヘッド
【課題】弾性膜の変位量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】実施の形態のインクジェット記録ヘッドは、ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、端部が弾性膜に接続され、中央部は弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電膜積層部と、を備える。
【解決手段】実施の形態のインクジェット記録ヘッドは、ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、端部が弾性膜に接続され、中央部は弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電膜積層部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、インクジェット式記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット式記録ヘッドの一構造として、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弾性膜で構成し、この弾性膜を圧電膜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がある。この構造のインクジェット式記録ヘッドにおいては、たわみ振動モードの圧電ユニモルフ振動子を使用したものが実用化されている。
【０００３】
上記構造のインクジェット式記録ヘッドは、弾性膜の表面全体に亙って成膜技術により均一に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圧力発生室毎に独立するように圧電振動子を形成することができる。そして、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。なお、この場合、圧電材料層は弾性膜の表面全体に設けたままで、少なくとも上電極のみを圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電振動子を駆動することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９１４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような薄膜を用いた圧電振動子では、成膜した圧電膜や上下電極膜に一定の引っ張り残留応力が生じることが避けられない。このため、引っ張りの残留応力が存在することにより、弾性膜の変位量が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
また、圧電膜として、従来使用されてきたジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電膜の代わりに、鉛を含まない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用した場合には、圧電係数が１桁以上小さいため、やはり弾性膜の変位量が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、特に圧電膜に成膜残留応力が存在する場合の、弾性膜の変位量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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の形態の一つのインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、端部が前記弾性膜に接続され、中央部は前記弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電膜積層部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】第１の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。
【図４】第１の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。
【図５】第２の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図６】実施例の圧電膜および弾性膜の変形挙動を示す模式図である。
【図７】実施例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位量の関係を示す図である。
【図８】実施例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図９】実施例の空隙幅と弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１０】実施例の弾性膜の段差高さと変位幅の関係を示す図である。
【図１１】実施例の圧電膜の厚さと弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１２】実施例の弾性膜の厚さと弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１３】比較例１のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図１４】実施例および比較例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位量の関係を示す図である。
【図１５】実施例および比較例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１６】比較例２のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、端部が弾性膜に接続され、中央部は弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電積層部とを備える。
【００１２】
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、上記構成を備えることにより、弾性膜を座屈変形させることが容易になり、弾性膜の変位量が向上するインクジェット式記録ヘッドを提供することが可能となる。特に圧電膜に成膜残留応力が存在する場合でも、弾性膜の変位量を向上させることが可能となる。
【００１３】
図１は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドを示す上面図である。図１のインクジェット式記録ヘッドは、圧電駆動のインクジェット式記録ヘッドである。図２は、図１のインクジェット式記録ヘッドのＡＡ断面図である。図２は、複数の圧力発生室の一つの横手方向における断面構造を示す。
【００１４】
インクジェット式記録ヘッド１００は、流路形成基板１０を用いて形成される。流路形成基板１０としては、例えば、１００〜３００μｍ程度の厚さのシリコン基板が用いられ、望ましくは１５０〜２５０μｍ程度、より望ましくは２００μｍ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。
【００１５】
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、例えば予め熱酸化により形成したシリコン酸化膜（二酸化シリコン）からなる、厚さ１〜２μｍ程度の弾性膜３０が形成されている。弾性膜３０は、ノズル開口２１に連通する圧力発生室１１の一部を構成する。
【００１６】
シリコン酸化膜は非晶質であり、均等な変形が実現できる観点から望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点からも望ましい。さらに、従来の半導体製造プロセスとの整合性が良いという観点からも望ましい。同様の観点から、非晶質のシリコン窒化膜を適用することも望ましい。なお、弾性膜３０には、弾性を備える膜であれば、上記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜以外の膜を適用することも可能である。
【００１７】
また、弾性膜３０の端部には、流路形成基板１０との接続部３１との段差部（段差構造）３２が形成されている。この段差部３２は、弾性膜３０の膜面に平行な方向に変形する可動部として機能する。このため、圧電膜３２に残留応力が存在する場合や、電圧を印加した場合の弾性膜３０の変位量を大きくすることが可能となる。また、圧電膜３２の残留応力を緩和することが可能となる。
【００１８】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン基板からなるノズルプレート２０が接続され、圧力発生室１１が形成されている。ノズルプレート２０にはエッチングによりノズル開口部２１が形成されている。
【００１９】
インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１１の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１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、ノズル開口部２１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００２０】
また、各圧力発生室１１と共通インク室６０とは、ノズルプレート２０の各圧力発生室１１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路６１を介して連通されている。そして、インクはこのインク供給連通口６１を介して共通インク室６０から供給され、各圧力発生室１１に分配される。
【００２１】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の、弾性膜３０の上方には、厚さが例えば、約０．１μｍの下部電極５１と、厚さが例えば、約０．３μｍの圧電膜５２と、厚さが例えば、約０．１μｍの上部電極５３とが積層形成されて圧電膜積層部５０を構成している。例えば、上部ないし下部電極５１、５３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膜５２を圧力発生室１１毎にパターニングして構成する。
【００２２】
圧電膜５２は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、圧電特性を良好にする観点から、圧電膜５２の面に対するｃ軸の配向方向の半値幅（ＦＷＨＭ値：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ値）が２度以内であることが望ましい。窒化アルミニウムは、鉛が含有されないため、環境に優しいという観点で優れている。また、安定した組成を製造することが容易であるという観点からも優れている。さらに、半導体プロセスとの整合性が良いという観点からも優れている。窒化アルミニウムと同様の理由で、酸化亜鉛（ＺｎＯ）も圧電膜５２の材料として好適である。
【００２３】
圧電膜積層部５０の両端部５４は、弾性膜３０の段差部３２の近傍に接続され固定されている。それ以外の部分は空隙４０を介して弾性膜３０とは分離されている。少なくとも、圧電膜積層部５０の中央部は弾性膜３０と空隙４０を介して対向している。
【００２４】
図１、図２に示す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６２からインクを取り込む。そして、共通インク室６０からノズル開口部２１に至るまで内部をインクで満たす。
【００２５】
そして、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７１を介して下部電極５１と上部電極５３との間に電圧を印加し、圧電膜積層部５０を膜面内に収縮させる。圧電膜積層部５０の収縮による力で圧電膜積層部５０の両端部５４に接続された弾性膜３０を座屈変形させることにより、圧力発生室１１内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００２６】
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、互いに端部で接続される圧電膜積層部５０と弾性膜３０との間に空隙を設けることにより、圧電膜に成膜残留応力が存在する場合に弾性膜３０に容易に座屈変形を生じさせることができる。したがって、弾性膜３０の変位量を増幅、増大させることが可能となる。また、弾性膜３０の端部に可動部を設けることによって、弾性膜３０の変位量を増大させるとともに圧電膜３２の残留応力を緩和することが可能となっている。よって、圧電膜に成膜残留応力が存在する場合でも、弾性膜の変位量を向上させることが可能となり、駆動効率の高いインクジェット式記録ヘッドが実現される。
【００２７】
そして、鉛を含まない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を圧電膜５２として使用することが可能になり、環境にもやさしいインクジェット式記録ヘッドが実現される。また、これらの圧電膜５２は安定した組成を製造することが容易であり、半導体プロセスとの整合性も良いため、特性の安定したインクジェット式記録ヘッドを低コストで製造することが可能となる。
【００２８】
図３および図４は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。以下、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０上に、弾性膜３０及び圧電膜５２等を形成するプロセスを、図３および図４を参照しながら説明する。
【００２９】
図３（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、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングし、段差１２を形成する。
【００３０】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば、約１１００℃の拡散炉で熱酸化してシリコン酸化膜（二酸化シリコン）からなる弾性膜３０を形成する。
【００３１】
次に、図３（ｃ）に示すように、弾性膜３０上に、スパッタリングによりアモルファスシリコン膜からなる犠牲層４１を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。
【００３２】
次に、図３（ｄ）に示すように、犠牲層４１および弾性膜３０上に、スパッタリングにより、例えば、チタンおよび金の膜からなる下部電極５１を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。なお、反応性イオンエッチングの代わりに、リフトオフ法を用いて加工を行っても良い。
【００３３】
次に、図３（ｅ）に示すように、反応性スパッタリングによって、例えば、窒化アルミニウムからなる圧電膜５２を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。反応性スパッタリングにより窒化アルミニウムを成膜する場合には、何らかの残留応力が生じる。
【００３４】
本実施の形態において、弾性膜３０を好適に駆動するためには、引っ張りの成膜残留応力が望ましく、特に１００ＭＰａ〜２００ＭＰａ程度の残留応力が望ましい。成膜残留応力の程度は、スパッタリング時の成膜圧力や、放電パワーなどにより調節することが可能である。
【００３５】
次に、図４（ａ）に示すように、圧電膜５２上に、スパッタリングにより、例えば、アルミニウムの膜からなる上部電極５３を成膜する。その後、上部電極５３をフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。
【００３６】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の弾性膜３０と対向する裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、圧力発生室１１をパターニングにより形成する。
【００３７】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０と、あらかじめフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりノズル開口部２１を形成したシリコン単結晶基板からなるノズルプレート２０を接着する。接着法としては、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理後密着して加圧により接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤等の接着剤を用いても良い。
【００３８】
次に、下部電極５１、圧電膜５２、および上部電極５３を一括してフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングして犠牲層エッチングホール（図示せず）を形成する。そして、図４（ｄ）に示すように、犠牲層エッチングホールからＸｅＦ２をエッチャントとして使用したドライエッチングにより犠牲層４１を除去して空隙４０を形成する。
【００３９】
なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成する。その後、図１に示すような一つのチップとなるようにウェハを分割する。
【００４０】
以上の製造方法により、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドを製造することが可能である。
【００４１】
（第２の実施の形態）
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、弾性膜の段差部の構造が第１の実施の形態と異なっている。段差部の構造以外は第１の実施の形態と同様であるので、第１の実施の形態と重複する内容については、記載を省略する。
【００４２】
図５は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。複数の圧力発生室１１の横手方向における断面構造を示す。第１の実施の形態と同じ部材には同じ番号を付してある。
【００４３】
本実施の形態において、弾性膜３０は、流路形成基板１０との接続部３１の近傍で、圧力発生室１１側に近づく方向の段差部３２を有している。段差部３２には、下部電極５１、圧電膜５２、上部電極５３からなる圧電膜積層部５０の端部５４が接続されている。
【００４４】
圧電膜５２に引っ張りの残留応力が存在する場合、圧電膜５２は面内に収縮し、その引っ張り応力により弾性膜３０は圧縮応力を受け、座屈により圧力発生室側にたわみ変形を生じる。さらに上下電極５１，５２間に駆動電圧が印加された場合、弾性膜３０のたわみが増大してインクを吐出する作用を行う。
【００４５】
このような作用や駆動効率の向上という効果は、第１の実施の形態と同様である。加えて、本実施の形態によれば、インクヘッドの厚さを薄くすることが可能となり、コンパクトになるという利点がある。
【００４６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、インクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【００４７】
例えば、実施の形態においては、弾性膜の端部に設けられる可動部として、弾性膜の段差構造を例に説明したが、弾性膜の膜面に平行な方向に変形する機能を備えていれば、可動部として弾性膜のアーチ構造、弾性膜とは別個の伸縮可能なバネ構造等の弾性部材等、その他の構造を適用することが可能である。
【００４８】
また、実施の形態では、図１、２、５に示すように、圧電膜５２を各圧力発生室１１に対応して個別に設けて圧電膜積層部５０を形成したが、この形態に限定されず、例えば、圧電膜５２を全面にわたって設け、上部電極５３を各圧力発生室１１に対応するように個別に設けるようにしてかまわない。また、本実施の形態では、下部電極５１を弾性膜３０上に一様に形成するようにしたが、この形態に限定されず、例えば、圧電膜積層部５０の幅方向両側の下部電極５１を除去するようにしてもかまわない。
【００４９】
また、例えば、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板以外に、その他の半導体単結晶基板等を適用してもかまわない。
【００５０】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェット式記録ヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例および比較例について説明する。
【００５２】
（実施例）
圧電膜５２に加わる応力と弾性膜３０に生じる撓みの関係について、シミュレーション結果に基づきさらに詳細に説明する。図１、２に示す第１の実施の形態と同様の構造を備えるインクジェット式記録ヘッドについて、シミュレーションを行った。シミュレーションに使用したインクジェット式記録ヘッドの主要部寸法を表１に示す。圧電膜５２としては、ｃ軸配向性の良い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、使用した。また、上下電極５１、下部電極５３として白金（Ｐｔ）を、弾性膜３０として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を使用した。
【表１】
【００５３】
図６は、圧電膜５２に０ＭＰａから５０ＭＰａ毎に３００ＭＰａまでの残留応力が順に加わった場合の、圧電膜５２および弾性膜３０の変形挙動を示す模式図である。図７は、同様に圧電膜５２に残留応力が加わった場合の、弾性膜３０の中央部における膜面に垂直方向の変位量を示す図である。なお、残留応力は引っ張り応力である。
【００５４】
図６や図７で明らかなように、圧電膜５２に１００ＭＰａ程度以下の応力が加わったときに弾性膜３０に生じるたわみは比較的小さい。しかし、１００ＭＰａ以上では急激に増大し、３００ＭＰａ以上では増大率が再び徐々に低下する。これは、弾性膜に非線形な座屈変形が生じるためである。
【００５５】
なお、このような圧電膜５２に加わる応力は、成膜時の残留応力以外に、上下電極５１，５３間に駆動電圧を印加したとき、圧電膜５２に生じる電歪効果によっても生じる。本実施例の場合では、３０Ｖの駆動電圧印加により、約７５ＭＰａの応力が圧電膜５２に生じる。
【００５６】
図８は、圧電膜５２に０〜５００ＭＰａの成膜残留応力が存在したときに、さらに上下電極５１、５３間に３０Ｖの駆動電圧を印加した場合の、弾性膜３０の変位幅を示す図である。変位幅とは、３０Ｖの駆動電圧を印加する前後での、弾性膜３０の変位の増分である。
【００５７】
圧電膜５２の残留応力が１５０〜２００ＭＰａ程度のときに、弾性膜の変位幅は極大値である約０．４μｍ／３０Ｖを示す。この残留応力値は、図６に示した弾性膜変位曲線の変曲点に相当する。
【００５８】
なお、残留応力が０の場合の弾性膜変位幅は０．１μｍ／３０Ｖ以下であるので、２００ＭＰａ程度の残留応力があることにより、弾性膜変位幅が４倍以上増大したことになる。このような特異な非線形効果は、上述したように弾性膜の座屈変形に伴うものである。そして、この座屈変形は、上記空隙４０が設けられることで生じ、段差部３２が設けられることで促進されている。
【００５９】
次に、本実施例において表１に示した各パラメータを変更したときの挙動について、同様にシミュレーション結果を使用して詳細に検討する。
【００６０】
図９は、圧電膜５２と弾性膜３０の間にある空隙４０の幅を０．２μｍから１μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を示す図である。圧電膜５２の残留応力は全て２００ＭＰａとした。空隙幅は小さいほど弾性膜変位幅が緩やかに増大する傾向があり、この観点からは空隙は小さいほど望ましい。もっとも、空隙のまったくない場合（図中白四角印）は、座屈変形が生じないため変位幅は大幅に小さくなる。
【００６１】
なお、空隙４０の幅が小さすぎる場合は、弾性膜３０と圧電膜５２が犠牲層除去プロセス中に固着する恐れがある。このため、空隙層の幅は０．０５〜０．５μｍ程度が好ましい。
【００６２】
図１０は、弾性膜３０の端部に形成される段差３２の高さを１μｍから１０μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を示す図である。圧電膜５２の残留応力は全て２００ＭＰａとした。段差３２の高さが大きいほど弾性膜変位幅が増大する傾向があるが、徐々に飽和する。したがって、段差３２は大きいほど望ましい。もっとも、段差３２が大きすぎる場合、リソグラフィ時の露光や、レジスト膜の均一な塗布などが困難になるため、段差３２の高さは２〜１０μｍ程度が好ましい。
【００６３】
図１１は、圧電膜５２の厚さを０．１５μｍから０．５μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を示す図である。圧電膜５２の残留応力は全て２００ＭＰａとした。圧電膜５２の厚さが薄いほど弾性膜変位幅が増大する傾向があり、厚さはできるだけ薄いほど望ましい。しかしながら、圧電膜５２の絶縁耐圧限界が存在するため、駆動電圧（この場合は３０Ｖ）を印加した場合に絶縁破壊しない程度の厚さを選択する必要がある。このため、反応性スパッタ法で成膜し、十分ｃ軸配向した窒化アルミニウムを使用した場合は、圧電膜の厚さは０．０５〜０．３μｍ程度が好ましい。
【００６４】
図１２は、弾性膜３０の厚さを０．５μｍから１．０μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を、圧電膜５２の残留応力の関数として示す図である。各弾性膜厚において弾性膜変位幅がピークを持つ残留応力が存在する。弾性膜厚が０．５μｍの場合は３０ＭＰａ、０．７μｍの場合は７０ＭＰａ、０．８μｍの場合は１００ＭＰａ、１．０μｍの場合は２００ＭＰａ程度である。
【００６５】
したがって、圧電膜５２に生じる成膜残留応力を把握し、成膜残留応力に応じて、弾性膜変位幅が大きくなるよう最適な弾性膜３０の厚さを決定することが望ましい。通常、弾性膜の厚さは０．５〜１．５μｍ程度となる。
【００６６】
（比較例１）
次に、比較例１として、従来のユニモルフ構造を持つインクジェット式記録ヘッドについても同様にシミュレーション結果を示し、実施例と詳細に比較した。
【００６７】
図１３は、比較例１における１つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す図である。実施例と同じ部材には同じ番号を付してある。比較例１においては、平坦な弾性膜３０を有しており、弾性膜３０の中央部分には、平坦な下部電極５１、圧電膜５２、上部電極５３からなる圧電膜積層構造５０が直接積層され、いわゆる圧電ユニモルフ構造を形成している。
【００６８】
なお、圧電膜積層構造の幅は、圧力発生室の内側の幅の６０〜７０％程度で駆動効率が最大になるため、本比較例では圧力発生室の内側の幅の２／３とした。その他の形状・寸法・材料は実施例と同様である。シミュレーションに使用した本比較例の主要部寸法を表２に示す。
【表２】
【００６９】
図１４は、圧電膜５２に残留応力が加わった場合の、圧電膜５２および弾性膜３０の膜面に垂直方向の変位量を示す図である。圧電膜５２と弾性膜３０に加わる応力差によってたわみ変形が生じるが、引っ張り応力が増大するほどたわみ変形が制限されるため、図１４に示すように変位曲線は上に凸になる。
【００７０】
図１５には、圧電膜５２に０〜５００ＭＰａの成膜残留応力が存在したときに、さらに上下電極５１、５３間に３０Ｖの駆動電圧を印加した場合の、弾性膜３０の変位幅を示す。残留応力がない場合は、弾性膜変位幅は０．１７μｍ程度であるが、上述したようにたわみが制限されるため、残留応力の増大とともに変位幅は徐々に低下し、５００ＭＰａでは変位幅は０．０５μｍ程度になる。
【００７１】
実施例と比較例１を比較すると、実施例における変位幅がピークとなる残留応力が２００ＭＰａ付近においては、実施例の変位幅は比較例１よりも４倍程度大きく、実施例の優位性は明らかである。
【００７２】
（比較例２）
次に、比較例２として、段差を持つ弾性膜とユニモルフ構造を持つインクジェット式記録ヘッドについても同様にシミュレーション結果を示し、実施例と詳細に比較した。
図１６は、比較例２における１つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す図である。実施例と同じ部材には同じ番号を付してある。
【００７３】
比較例２においては、弾性膜３０は段差部３２を有しており、圧電膜の残留応力による引っ張り応力成分を緩和する役割をする。ここでは段差部３２の高さを５μｍとした。弾性膜３０の中央部分には、平坦な下部電極５１、圧電膜５２、上部電極５３からなる圧電膜積層構造５０が直接積層され、いわゆる圧電ユニモルフ構造を形成している。
【００７４】
なお、圧電膜積層構造の幅は、圧力発生室の内側の幅の６０〜７０％程度で駆動効率が最大になるため、本比較例では圧力発生室の内側の幅の２／３とした。その他の形状・寸法・材料は実施例と同様である。シミュレーションに使用した本比較例の主要部寸法を表３に示す。
【表３】
【００７５】
すでに示した図１４には、比較例２の結果も示した。圧電膜５２と弾性膜３０に加わる応力差によってたわみ変形が生じ、残留応力の増大に比例してたわみ変形がほぼ直線的に増大することが分かる。
【００７６】
図１５には、比較例２の結果も示した。残留応力にかかわらず弾性膜変位幅は０．１７μｍ程度であり、特に残留応力が大きい領域で比較例１を大きく上回っており、段差部の残留応力の緩和効果が明らかである。
【００７７】
しかしながら実施例と比較例２を比較すると、実施例における変位幅がピークとなる残留応力が２００ＭＰａ付近においては、実施例の変位幅は比較例２よりも３倍程度大きく、実施例の優位性は明らかである。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 流路形成基板
１１ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口部
３０ 弾性膜
３１ 接続部
３２ 段差部（可動部）
４０ 空隙
５０ 圧電膜積層部
５１ 下部電極
５２ 圧電膜
５３ 上部電極
５４ 接続部
６０ 共通インク室
６１ インク供給路
１００ インクジェット式記録ヘッド
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、インクジェット式記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット式記録ヘッドの一構造として、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弾性膜で構成し、この弾性膜を圧電膜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がある。この構造のインクジェット式記録ヘッドにおいては、たわみ振動モードの圧電ユニモルフ振動子を使用したものが実用化されている。
【０００３】
上記構造のインクジェット式記録ヘッドは、弾性膜の表面全体に亙って成膜技術により均一に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圧力発生室毎に独立するように圧電振動子を形成することができる。そして、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。なお、この場合、圧電材料層は弾性膜の表面全体に設けたままで、少なくとも上電極のみを圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電振動子を駆動することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９１４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような薄膜を用いた圧電振動子では、成膜した圧電膜や上下電極膜に一定の引っ張り残留応力が生じることが避けられない。このため、引っ張りの残留応力が存在することにより、弾性膜の変位量が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
また、圧電膜として、従来使用されてきたジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電膜の代わりに、鉛を含まない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用した場合には、圧電係数が１桁以上小さいため、やはり弾性膜の変位量が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、特に圧電膜に成膜残留応力が存在する場合の、弾性膜の変位量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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の形態の一つのインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、端部が前記弾性膜に接続され、中央部は前記弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電膜積層部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】第１の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。
【図４】第１の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。
【図５】第２の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図６】実施例の圧電膜および弾性膜の変形挙動を示す模式図である。
【図７】実施例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位量の関係を示す図である。
【図８】実施例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図９】実施例の空隙幅と弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１０】実施例の弾性膜の段差高さと変位幅の関係を示す図である。
【図１１】実施例の圧電膜の厚さと弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１２】実施例の弾性膜の厚さと弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１３】比較例１のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図１４】実施例および比較例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位量の関係を示す図である。
【図１５】実施例および比較例の圧電膜の残留応力と弾性膜の変位幅の関係を示す図である。
【図１６】比較例２のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、端部が弾性膜に接続され、中央部は弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電積層部とを備える。
【００１２】
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、上記構成を備えることにより、弾性膜を座屈変形させることが容易になり、弾性膜の変位量が向上するインクジェット式記録ヘッドを提供することが可能となる。特に圧電膜に成膜残留応力が存在する場合でも、弾性膜の変位量を向上させることが可能となる。
【００１３】
図１は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドを示す上面図である。図１のインクジェット式記録ヘッドは、圧電駆動のインクジェット式記録ヘッドである。図２は、図１のインクジェット式記録ヘッドのＡＡ断面図である。図２は、複数の圧力発生室の一つの横手方向における断面構造を示す。
【００１４】
インクジェット式記録ヘッド１００は、流路形成基板１０を用いて形成される。流路形成基板１０としては、例えば、１００〜３００μｍ程度の厚さのシリコン基板が用いられ、望ましくは１５０〜２５０μｍ程度、より望ましくは２００μｍ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。
【００１５】
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、例えば予め熱酸化により形成したシリコン酸化膜（二酸化シリコン）からなる、厚さ１〜２μｍ程度の弾性膜３０が形成されている。弾性膜３０は、ノズル開口２１に連通する圧力発生室１１の一部を構成する。
【００１６】
シリコン酸化膜は非晶質であり、均等な変形が実現できる観点から望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点からも望ましい。さらに、従来の半導体製造プロセスとの整合性が良いという観点からも望ましい。同様の観点から、非晶質のシリコン窒化膜を適用することも望ましい。なお、弾性膜３０には、弾性を備える膜であれば、上記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜以外の膜を適用することも可能である。
【００１７】
また、弾性膜３０の端部には、流路形成基板１０との接続部３１との段差部（段差構造）３２が形成されている。この段差部３２は、弾性膜３０の膜面に平行な方向に変形する可動部として機能する。このため、圧電膜３２に残留応力が存在する場合や、電圧を印加した場合の弾性膜３０の変位量を大きくすることが可能となる。また、圧電膜３２の残留応力を緩和することが可能となる。
【００１８】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン基板からなるノズルプレート２０が接続され、圧力発生室１１が形成されている。ノズルプレート２０にはエッチングによりノズル開口部２１が形成されている。
【００１９】
インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１１の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１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、ノズル開口部２１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００２０】
また、各圧力発生室１１と共通インク室６０とは、ノズルプレート２０の各圧力発生室１１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路６１を介して連通されている。そして、インクはこのインク供給連通口６１を介して共通インク室６０から供給され、各圧力発生室１１に分配される。
【００２１】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の、弾性膜３０の上方には、厚さが例えば、約０．１μｍの下部電極５１と、厚さが例えば、約０．３μｍの圧電膜５２と、厚さが例えば、約０．１μｍの上部電極５３とが積層形成されて圧電膜積層部５０を構成している。例えば、上部ないし下部電極５１、５３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膜５２を圧力発生室１１毎にパターニングして構成する。
【００２２】
圧電膜５２は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、圧電特性を良好にする観点から、圧電膜５２の面に対するｃ軸の配向方向の半値幅（ＦＷＨＭ値：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ値）が２度以内であることが望ましい。窒化アルミニウムは、鉛が含有されないため、環境に優しいという観点で優れている。また、安定した組成を製造することが容易であるという観点からも優れている。さらに、半導体プロセスとの整合性が良いという観点からも優れている。窒化アルミニウムと同様の理由で、酸化亜鉛（ＺｎＯ）も圧電膜５２の材料として好適である。
【００２３】
圧電膜積層部５０の両端部５４は、弾性膜３０の段差部３２の近傍に接続され固定されている。それ以外の部分は空隙４０を介して弾性膜３０とは分離されている。少なくとも、圧電膜積層部５０の中央部は弾性膜３０と空隙４０を介して対向している。
【００２４】
図１、図２に示す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６２からインクを取り込む。そして、共通インク室６０からノズル開口部２１に至るまで内部をインクで満たす。
【００２５】
そして、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７１を介して下部電極５１と上部電極５３との間に電圧を印加し、圧電膜積層部５０を膜面内に収縮させる。圧電膜積層部５０の収縮による力で圧電膜積層部５０の両端部５４に接続された弾性膜３０を座屈変形させることにより、圧力発生室１１内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００２６】
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、互いに端部で接続される圧電膜積層部５０と弾性膜３０との間に空隙を設けることにより、圧電膜に成膜残留応力が存在する場合に弾性膜３０に容易に座屈変形を生じさせることができる。したがって、弾性膜３０の変位量を増幅、増大させることが可能となる。また、弾性膜３０の端部に可動部を設けることによって、弾性膜３０の変位量を増大させるとともに圧電膜３２の残留応力を緩和することが可能となっている。よって、圧電膜に成膜残留応力が存在する場合でも、弾性膜の変位量を向上させることが可能となり、駆動効率の高いインクジェット式記録ヘッドが実現される。
【００２７】
そして、鉛を含まない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を圧電膜５２として使用することが可能になり、環境にもやさしいインクジェット式記録ヘッドが実現される。また、これらの圧電膜５２は安定した組成を製造することが容易であり、半導体プロセスとの整合性も良いため、特性の安定したインクジェット式記録ヘッドを低コストで製造することが可能となる。
【００２８】
図３および図４は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。以下、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０上に、弾性膜３０及び圧電膜５２等を形成するプロセスを、図３および図４を参照しながら説明する。
【００２９】
図３（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、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングし、段差１２を形成する。
【００３０】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば、約１１００℃の拡散炉で熱酸化してシリコン酸化膜（二酸化シリコン）からなる弾性膜３０を形成する。
【００３１】
次に、図３（ｃ）に示すように、弾性膜３０上に、スパッタリングによりアモルファスシリコン膜からなる犠牲層４１を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。
【００３２】
次に、図３（ｄ）に示すように、犠牲層４１および弾性膜３０上に、スパッタリングにより、例えば、チタンおよび金の膜からなる下部電極５１を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。なお、反応性イオンエッチングの代わりに、リフトオフ法を用いて加工を行っても良い。
【００３３】
次に、図３（ｅ）に示すように、反応性スパッタリングによって、例えば、窒化アルミニウムからなる圧電膜５２を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。反応性スパッタリングにより窒化アルミニウムを成膜する場合には、何らかの残留応力が生じる。
【００３４】
本実施の形態において、弾性膜３０を好適に駆動するためには、引っ張りの成膜残留応力が望ましく、特に１００ＭＰａ〜２００ＭＰａ程度の残留応力が望ましい。成膜残留応力の程度は、スパッタリング時の成膜圧力や、放電パワーなどにより調節することが可能である。
【００３５】
次に、図４（ａ）に示すように、圧電膜５２上に、スパッタリングにより、例えば、アルミニウムの膜からなる上部電極５３を成膜する。その後、上部電極５３をフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。
【００３６】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の弾性膜３０と対向する裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、圧力発生室１１をパターニングにより形成する。
【００３７】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０と、あらかじめフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりノズル開口部２１を形成したシリコン単結晶基板からなるノズルプレート２０を接着する。接着法としては、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理後密着して加圧により接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤等の接着剤を用いても良い。
【００３８】
次に、下部電極５１、圧電膜５２、および上部電極５３を一括してフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングして犠牲層エッチングホール（図示せず）を形成する。そして、図４（ｄ）に示すように、犠牲層エッチングホールからＸｅＦ２をエッチャントとして使用したドライエッチングにより犠牲層４１を除去して空隙４０を形成する。
【００３９】
なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成する。その後、図１に示すような一つのチップとなるようにウェハを分割する。
【００４０】
以上の製造方法により、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドを製造することが可能である。
【００４１】
（第２の実施の形態）
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、弾性膜の段差部の構造が第１の実施の形態と異なっている。段差部の構造以外は第１の実施の形態と同様であるので、第１の実施の形態と重複する内容については、記載を省略する。
【００４２】
図５は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。複数の圧力発生室１１の横手方向における断面構造を示す。第１の実施の形態と同じ部材には同じ番号を付してある。
【００４３】
本実施の形態において、弾性膜３０は、流路形成基板１０との接続部３１の近傍で、圧力発生室１１側に近づく方向の段差部３２を有している。段差部３２には、下部電極５１、圧電膜５２、上部電極５３からなる圧電膜積層部５０の端部５４が接続されている。
【００４４】
圧電膜５２に引っ張りの残留応力が存在する場合、圧電膜５２は面内に収縮し、その引っ張り応力により弾性膜３０は圧縮応力を受け、座屈により圧力発生室側にたわみ変形を生じる。さらに上下電極５１，５２間に駆動電圧が印加された場合、弾性膜３０のたわみが増大してインクを吐出する作用を行う。
【００４５】
このような作用や駆動効率の向上という効果は、第１の実施の形態と同様である。加えて、本実施の形態によれば、インクヘッドの厚さを薄くすることが可能となり、コンパクトになるという利点がある。
【００４６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、インクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【００４７】
例えば、実施の形態においては、弾性膜の端部に設けられる可動部として、弾性膜の段差構造を例に説明したが、弾性膜の膜面に平行な方向に変形する機能を備えていれば、可動部として弾性膜のアーチ構造、弾性膜とは別個の伸縮可能なバネ構造等の弾性部材等、その他の構造を適用することが可能である。
【００４８】
また、実施の形態では、図１、２、５に示すように、圧電膜５２を各圧力発生室１１に対応して個別に設けて圧電膜積層部５０を形成したが、この形態に限定されず、例えば、圧電膜５２を全面にわたって設け、上部電極５３を各圧力発生室１１に対応するように個別に設けるようにしてかまわない。また、本実施の形態では、下部電極５１を弾性膜３０上に一様に形成するようにしたが、この形態に限定されず、例えば、圧電膜積層部５０の幅方向両側の下部電極５１を除去するようにしてもかまわない。
【００４９】
また、例えば、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板以外に、その他の半導体単結晶基板等を適用してもかまわない。
【００５０】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェット式記録ヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例および比較例について説明する。
【００５２】
（実施例）
圧電膜５２に加わる応力と弾性膜３０に生じる撓みの関係について、シミュレーション結果に基づきさらに詳細に説明する。図１、２に示す第１の実施の形態と同様の構造を備えるインクジェット式記録ヘッドについて、シミュレーションを行った。シミュレーションに使用したインクジェット式記録ヘッドの主要部寸法を表１に示す。圧電膜５２としては、ｃ軸配向性の良い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、使用した。また、上下電極５１、下部電極５３として白金（Ｐｔ）を、弾性膜３０として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を使用した。
【表１】
【００５３】
図６は、圧電膜５２に０ＭＰａから５０ＭＰａ毎に３００ＭＰａまでの残留応力が順に加わった場合の、圧電膜５２および弾性膜３０の変形挙動を示す模式図である。図７は、同様に圧電膜５２に残留応力が加わった場合の、弾性膜３０の中央部における膜面に垂直方向の変位量を示す図である。なお、残留応力は引っ張り応力である。
【００５４】
図６や図７で明らかなように、圧電膜５２に１００ＭＰａ程度以下の応力が加わったときに弾性膜３０に生じるたわみは比較的小さい。しかし、１００ＭＰａ以上では急激に増大し、３００ＭＰａ以上では増大率が再び徐々に低下する。これは、弾性膜に非線形な座屈変形が生じるためである。
【００５５】
なお、このような圧電膜５２に加わる応力は、成膜時の残留応力以外に、上下電極５１，５３間に駆動電圧を印加したとき、圧電膜５２に生じる電歪効果によっても生じる。本実施例の場合では、３０Ｖの駆動電圧印加により、約７５ＭＰａの応力が圧電膜５２に生じる。
【００５６】
図８は、圧電膜５２に０〜５００ＭＰａの成膜残留応力が存在したときに、さらに上下電極５１、５３間に３０Ｖの駆動電圧を印加した場合の、弾性膜３０の変位幅を示す図である。変位幅とは、３０Ｖの駆動電圧を印加する前後での、弾性膜３０の変位の増分である。
【００５７】
圧電膜５２の残留応力が１５０〜２００ＭＰａ程度のときに、弾性膜の変位幅は極大値である約０．４μｍ／３０Ｖを示す。この残留応力値は、図６に示した弾性膜変位曲線の変曲点に相当する。
【００５８】
なお、残留応力が０の場合の弾性膜変位幅は０．１μｍ／３０Ｖ以下であるので、２００ＭＰａ程度の残留応力があることにより、弾性膜変位幅が４倍以上増大したことになる。このような特異な非線形効果は、上述したように弾性膜の座屈変形に伴うものである。そして、この座屈変形は、上記空隙４０が設けられることで生じ、段差部３２が設けられることで促進されている。
【００５９】
次に、本実施例において表１に示した各パラメータを変更したときの挙動について、同様にシミュレーション結果を使用して詳細に検討する。
【００６０】
図９は、圧電膜５２と弾性膜３０の間にある空隙４０の幅を０．２μｍから１μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を示す図である。圧電膜５２の残留応力は全て２００ＭＰａとした。空隙幅は小さいほど弾性膜変位幅が緩やかに増大する傾向があり、この観点からは空隙は小さいほど望ましい。もっとも、空隙のまったくない場合（図中白四角印）は、座屈変形が生じないため変位幅は大幅に小さくなる。
【００６１】
なお、空隙４０の幅が小さすぎる場合は、弾性膜３０と圧電膜５２が犠牲層除去プロセス中に固着する恐れがある。このため、空隙層の幅は０．０５〜０．５μｍ程度が好ましい。
【００６２】
図１０は、弾性膜３０の端部に形成される段差３２の高さを１μｍから１０μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を示す図である。圧電膜５２の残留応力は全て２００ＭＰａとした。段差３２の高さが大きいほど弾性膜変位幅が増大する傾向があるが、徐々に飽和する。したがって、段差３２は大きいほど望ましい。もっとも、段差３２が大きすぎる場合、リソグラフィ時の露光や、レジスト膜の均一な塗布などが困難になるため、段差３２の高さは２〜１０μｍ程度が好ましい。
【００６３】
図１１は、圧電膜５２の厚さを０．１５μｍから０．５μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を示す図である。圧電膜５２の残留応力は全て２００ＭＰａとした。圧電膜５２の厚さが薄いほど弾性膜変位幅が増大する傾向があり、厚さはできるだけ薄いほど望ましい。しかしながら、圧電膜５２の絶縁耐圧限界が存在するため、駆動電圧（この場合は３０Ｖ）を印加した場合に絶縁破壊しない程度の厚さを選択する必要がある。このため、反応性スパッタ法で成膜し、十分ｃ軸配向した窒化アルミニウムを使用した場合は、圧電膜の厚さは０．０５〜０．３μｍ程度が好ましい。
【００６４】
図１２は、弾性膜３０の厚さを０．５μｍから１．０μｍまで変化させた場合の、弾性膜変位幅を、圧電膜５２の残留応力の関数として示す図である。各弾性膜厚において弾性膜変位幅がピークを持つ残留応力が存在する。弾性膜厚が０．５μｍの場合は３０ＭＰａ、０．７μｍの場合は７０ＭＰａ、０．８μｍの場合は１００ＭＰａ、１．０μｍの場合は２００ＭＰａ程度である。
【００６５】
したがって、圧電膜５２に生じる成膜残留応力を把握し、成膜残留応力に応じて、弾性膜変位幅が大きくなるよう最適な弾性膜３０の厚さを決定することが望ましい。通常、弾性膜の厚さは０．５〜１．５μｍ程度となる。
【００６６】
（比較例１）
次に、比較例１として、従来のユニモルフ構造を持つインクジェット式記録ヘッドについても同様にシミュレーション結果を示し、実施例と詳細に比較した。
【００６７】
図１３は、比較例１における１つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す図である。実施例と同じ部材には同じ番号を付してある。比較例１においては、平坦な弾性膜３０を有しており、弾性膜３０の中央部分には、平坦な下部電極５１、圧電膜５２、上部電極５３からなる圧電膜積層構造５０が直接積層され、いわゆる圧電ユニモルフ構造を形成している。
【００６８】
なお、圧電膜積層構造の幅は、圧力発生室の内側の幅の６０〜７０％程度で駆動効率が最大になるため、本比較例では圧力発生室の内側の幅の２／３とした。その他の形状・寸法・材料は実施例と同様である。シミュレーションに使用した本比較例の主要部寸法を表２に示す。
【表２】
【００６９】
図１４は、圧電膜５２に残留応力が加わった場合の、圧電膜５２および弾性膜３０の膜面に垂直方向の変位量を示す図である。圧電膜５２と弾性膜３０に加わる応力差によってたわみ変形が生じるが、引っ張り応力が増大するほどたわみ変形が制限されるため、図１４に示すように変位曲線は上に凸になる。
【００７０】
図１５には、圧電膜５２に０〜５００ＭＰａの成膜残留応力が存在したときに、さらに上下電極５１、５３間に３０Ｖの駆動電圧を印加した場合の、弾性膜３０の変位幅を示す。残留応力がない場合は、弾性膜変位幅は０．１７μｍ程度であるが、上述したようにたわみが制限されるため、残留応力の増大とともに変位幅は徐々に低下し、５００ＭＰａでは変位幅は０．０５μｍ程度になる。
【００７１】
実施例と比較例１を比較すると、実施例における変位幅がピークとなる残留応力が２００ＭＰａ付近においては、実施例の変位幅は比較例１よりも４倍程度大きく、実施例の優位性は明らかである。
【００７２】
（比較例２）
次に、比較例２として、段差を持つ弾性膜とユニモルフ構造を持つインクジェット式記録ヘッドについても同様にシミュレーション結果を示し、実施例と詳細に比較した。
図１６は、比較例２における１つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す図である。実施例と同じ部材には同じ番号を付してある。
【００７３】
比較例２においては、弾性膜３０は段差部３２を有しており、圧電膜の残留応力による引っ張り応力成分を緩和する役割をする。ここでは段差部３２の高さを５μｍとした。弾性膜３０の中央部分には、平坦な下部電極５１、圧電膜５２、上部電極５３からなる圧電膜積層構造５０が直接積層され、いわゆる圧電ユニモルフ構造を形成している。
【００７４】
なお、圧電膜積層構造の幅は、圧力発生室の内側の幅の６０〜７０％程度で駆動効率が最大になるため、本比較例では圧力発生室の内側の幅の２／３とした。その他の形状・寸法・材料は実施例と同様である。シミュレーションに使用した本比較例の主要部寸法を表３に示す。
【表３】
【００７５】
すでに示した図１４には、比較例２の結果も示した。圧電膜５２と弾性膜３０に加わる応力差によってたわみ変形が生じ、残留応力の増大に比例してたわみ変形がほぼ直線的に増大することが分かる。
【００７６】
図１５には、比較例２の結果も示した。残留応力にかかわらず弾性膜変位幅は０．１７μｍ程度であり、特に残留応力が大きい領域で比較例１を大きく上回っており、段差部の残留応力の緩和効果が明らかである。
【００７７】
しかしながら実施例と比較例２を比較すると、実施例における変位幅がピークとなる残留応力が２００ＭＰａ付近においては、実施例の変位幅は比較例２よりも３倍程度大きく、実施例の優位性は明らかである。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 流路形成基板
１１ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口部
３０ 弾性膜
３１ 接続部
３２ 段差部（可動部）
４０ 空隙
５０ 圧電膜積層部
５１ 下部電極
５２ 圧電膜
５３ 上部電極
５４ 接続部
６０ 共通インク室
６１ インク供給路
１００ インクジェット式記録ヘッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、
端部が前記弾性膜に接続され、中央部は前記弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電膜積層部と、
を備え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】
前記弾性膜の端部に、前記弾性膜の膜面に平行な方向に変形する可動部を備えることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
前記可動部が前記弾性膜に設けられる段差構造であることを特徴とする請求項２記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
前記圧電膜が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
前記弾性膜がシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１】
ノズル開口部に連通する圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、
端部が前記弾性膜に接続され、中央部は前記弾性膜と空隙を介して対向し、下部電極、圧電膜、上部電極が積層された圧電膜積層部と、
を備え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】
前記弾性膜の端部に、前記弾性膜の膜面に平行な方向に変形する可動部を備えることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
前記可動部が前記弾性膜に設けられる段差構造であることを特徴とする請求項２記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
前記圧電膜が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
前記弾性膜がシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−８６２８７（Ｐ２０１３−８６２８７Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６４４９（Ｐ２０１１−２２６４４９）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００００３５６２）東芝テック株式会社 (5,631)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００００３５６２）東芝テック株式会社 (5,631)
【Ｆターム（参考）】
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