インクジェット式記録ヘッド
【課題】 変位特性及び信頼性の向上を図ることができる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、少なくとも上面が下電極６０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及び該圧電体層の表面に形成された上電極８０からなり且つ前記圧力発生室１２に対向する領域に形成された圧電体能動部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、前記上電極８０が前記圧力発生室１２の周壁に対向する領域まで延設し、コンタクトホールを介さず、上電極８０に直接電圧を印加することができるようにし、コンタクトホール部の変位低下及び破壊を防止する。
【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、少なくとも上面が下電極６０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及び該圧電体層の表面に形成された上電極８０からなり且つ前記圧力発生室１２に対向する領域に形成された圧電体能動部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、前記上電極８０が前記圧力発生室１２の周壁に対向する領域まで延設し、コンタクトホールを介さず、上電極８０に直接電圧を印加することができるようにし、コンタクトホール部の変位低下及び破壊を防止する。
【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体層を形成して、圧電体層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成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電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】また、この場合、圧電材料層は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極のみを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電振動子を駆動することができるが、単位駆動電圧当たりの変位量および圧力発生室に対向する部分とその外部とを跨ぐ部分で圧電体層へかかる応力の問題から、圧電体層および上電極からなる圧電体能動部を圧力発生室外に出ないように形成するのが望ましい。
【０００８】そこで、各圧力発生室に対応する圧電振動子を絶縁体層で覆い、この絶縁体層に各圧電振動子を駆動するための電圧を供給するリード電極との接続部を形成するために窓（以下、コンタクトホールという）を各圧力発生室に対応して設け、各圧電振動子とリード電極との接続部をコンタクトホール内に形成する構造が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上電極とリード電極とを接続するためにコンタクトホールを設ける構造では、コンタクトホールを設ける部分の全体の膜厚が厚くなってしまい、変位特性が低下してしまうという問題がある。
【００１０】また、上述したようなインクジェット式記録ヘッドにおいては、圧電振動子の駆動による変位効率を向上するために、圧電振動子の両側に対応する部分の振動板を薄くする構造が提案されているが、このように変位を大きくとるようにすると、特に、コンタクトホール近傍にクラック等の破壊が生じ易い傾向が助長される。
【００１１】さらに、これらの問題は、特に、圧電材料層を成膜技術で形成した場合に生じやすい。なぜなら、成膜技術で形成した圧電材料層は非常に薄いため、圧電振動子を貼付したものに比較して剛性が低いためである。
【００１２】本発明はこのような事情に鑑み、変位特性及び信頼性の向上を図ることができる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。
【００１３】
【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し、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り且つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された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、前記上電極が前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１４】かかる第１の態様では、コンタクトホールを介さず上電極に直接電圧を印加することができ、コンタクトホール部の変位低下及び破壊を防止できる。
【００１５】本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電体能動部の前記圧電体層が、前記圧力発生室に対向する領域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。
【００１６】かかる第２の態様では、圧力発生室端部近傍に対向する領域に圧電体層が存在しないので、耐久性が向上する。
【００１７】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記振動板が、少なくとも前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った部分に当該圧電体能動部に対応する部分の厚さより薄い薄肉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。
【００１８】かかる第３の態様では、少なくとも腕部の振動板が薄膜部となっているので、圧電体能動部の駆動による変位量が向上する。
【００１９】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧電体能動部の前記圧電体膜の上面周縁部及びその周囲を覆う絶縁体層が形成され、当該絶縁体層上に前記上電極が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。
【００２０】かかる第４の態様では、絶縁体層上に上電極が延設され下電極との絶縁が保持される。
【００２１】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記上電極は、前記圧力発生室の長手方向の少なくとも一方の周壁に対向する領域へ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５の態様では、圧電体能動部の長手方向の一端部から駆動電圧を印加できる。
【００２３】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記上電極は、前記圧力発生室の幅方向の少なくとも一方側の周壁に対向する領域へ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。
【００２４】かかる第６の態様では、圧電体能動部の中央近傍から駆動電圧が印加できるので、駆動時の電流の集中が回避できる。
【００２５】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記上電極が前記圧力発生室とその周壁との境界を横切る部分近傍の幅が、前記圧力発生室に対向する領域の他の部分より狭くなっていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２６】かかる第７の態様では、圧力発生室とその周壁との境界に対向する領域における変位特性が向上される。
【００２７】本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様において、前記上電極の少なくとも前記圧電体層との接触面が、導電性酸化物膜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。
【００２８】かかる第８の態様では、圧電体層の酸素欠損に基づく圧電特性の低下を防止することができる。
【００２９】本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記上電極の前記圧電体層との接触面が、ＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯｘ、および酸化すず・酸化インジウム系材料からなる群から選択される導電性酸化物材料で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。
【００３０】かかる第９の態様では、圧電体層の酸素欠損に基づく圧電特性の低下を防止することができる。
【００３１】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記圧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。
【００３２】かかる第１０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。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３４】（実施形態１）図１は、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を示す組立斜視図であり、図２は、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。
【００３５】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、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ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。
【００３６】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。
【００３７】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。
【００３８】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（１１１）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１／１８０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。
【００３９】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１０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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】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１２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。
【００４３】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１２のインク供給側端部の近傍を横断する一のスリット孔２１Ａでも、あるいは複数のスリット孔２１Ｂであってもよい。封止板２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板２０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。
【００４４】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。
【００４５】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。
【００４６】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圧電体能動部を形成している。したがって、各圧電振動子の圧電体膜７０の周囲には、電気絶縁性を備えた絶縁体層９０が下電極膜６０上に形成され、この絶縁体層９０上には上電極膜８０が接続端子部まで延設されている。
【００４７】また、絶縁体層９０は、下電極膜６０と上電極膜８０との短絡を確実に防ぐために、各圧電体膜７０の側面から上面の少なくとも周縁を覆うように形成されている。すなわち、各圧電体膜７０の上面には上電極膜８０との接続するために圧電体膜７０の略全体を露出させる接続孔９０ａが形成されている。この絶縁体層９０は、成膜法による形成やまたエッチングによる整形が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。
【００４８】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。
【００４９】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１１００℃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。
【００５０】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６００〜１０００℃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。
【００５１】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。
【００５２】次に、図５に示すように、下電極膜６０及び圧電体膜７０をパターニングする。
【００５３】まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０及び圧電体膜７０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のみをエッチングして圧電体能動部３２０のパターニングを行う。次に、図５R>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３５０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。
【００５４】なお、下電極膜除去部３５０は、下電極膜６０を完全に除去せずに厚さを薄くしたものでもよい。また、圧電体能動部３２０の腕部に相当する部分に下電極膜除去部３５０を形成しているが、これに限定されず、例えば、圧電体能動部３２０の両端部よりも長手方向外側まで形成するようにしてもよいし、圧力発生室１２の周縁部ほぼ全体に亘って形成してもよい。勿論、この下電極除去部３５０は、必ずしも設ける必要はない。
【００５５】次いで、図６に示すように、絶縁体層９０及び上電極膜８０のパターニングを行う。
【００５６】まず、図６（ａ）に示すように、圧電体膜７０及び下電極膜６０の上面及び側面を覆うように絶縁体層９０を形成する。この絶縁体層９０の好適な材料は上述した通りであるが、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを用いている。次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層９０の圧電体膜７０に対応する部分に、上電極膜８０との接続のための接続孔９０ａをパターニングする。次いで、図６（ｃ）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、Ｐｄ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、Ｐｔをスパッタリングにより成膜している。
【００５７】また、特に圧電体層７０としてＰＺＴを用いた場合には、上電極膜８０にＰｔの代わりに導電性酸化物を用いるのが好ましい。これは、ＰｔがＰＺＴから酸素を取り込むことに起因して、圧電特性の低下が生じる虞があるからである。この場合、上電極膜８０を成膜する際に導電性酸化物材料を用いてもよいし、圧電体層７０上に成膜された後に界面に導電性酸化膜を形成する導電性材料を用いてもよい。このような導電性酸化物材料、例えば、ＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯｘ、および、例えば、ＩＴＯなどの酸化すず・酸化インジウム系材料を挙げることができる。また、導電性材料としてはＩｒ，Ｒｅ，Ｒｕ等を挙げることができ、これらを用いて上電極膜８０を形成した場合には、圧電体層７０との界面に、それぞれＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘの層が形成され、同様の効果を奏する。勿論、これらの材料で形成した層の上にさらにＰｔ等の導電性膜を積層して上電極膜８０としてもよい。
【００５８】そして、図６（ｄ）に示すように、圧電体膜８０及び絶縁体層９０の全体パターンをパターニングする。
【００５９】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（ｅ）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。
【００６０】なお、上述のパターニングの手順は、特に限定されるものではない。
【００６１】このように形成された圧電体能動部３２０と圧力発生室１２との平面位置関係及び断面を図７に示す。
【００６２】図７（ａ）に示すように、圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、基本的には圧力発生室１２に対向する領域内に、圧力発生室１２の幅より若干狭い幅で形成されている。また、上電極膜８０は、圧力発生室１２の長手方向一方の端部において、圧力発生室１２に対向する領域から周壁に対向する領域まで連続的に延設されており、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向一端部に対向する領域に、連結部８５が形成されている。
【００６３】また、圧力発生室１２の長手方向一端部及び周壁に対向する領域では、絶縁体層９０は、図７（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０と同程度の厚さで形成されており、上電極膜８０は、絶縁体層９０上を接続端子部（図示しない）まで延設されている。
【００６４】なお、本実施形態では、絶縁体層９０が圧力発生室１２の長手方向端部において、圧電体能動部３２０と同程度の厚さで形成されているが、これに限定されず、例えば、図７（ｃ）に示すように、圧電体膜７０の側面、及び下電極膜６０の上面に沿って、薄く形成するようにしてもよく、実質的に下電極膜６０と上電極膜８０とが絶縁されていればよい。また、絶縁体層９０の好適な材料としては、上述のように、感光性ポリイミド等を例示したが、本実施形態では圧電体膜７０の上面を実質的に覆う必要がないので、例えば、ＳｉＯ2等の透湿性が低く堅い材料を用いて、耐環境性を向上するようにしてもよい。
【００６５】このような構成では、上電極膜８０がリード電極の役割を兼ねているが、絶縁体層９０により、下電極膜６０との短絡が防止されているため、接続端子部から上電極膜８０に直接電圧を供給して、下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加することができる。
【００６６】したがって、コンタクトホールを形成する必要がないので、コンタクトホール部において膜が厚くなることに起因する変位低下がなく、また、圧電体膜７０を圧力発生室１２に対向する領域内に設けたので、連結部８５近傍でのクラック等の発生が防止でき、変位特性及び信頼性を向上することができる。さらに、上電極膜８０がリード電極の役割を兼ねているので、製造工程を減らすことができ、コストを削減等が可能となる。
【００６７】また、以上説明した圧電体能動部３２０及び圧力発生室１２等の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。
【００６８】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後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、上電極膜８０と下電極膜６０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体膜７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口１１からインク滴が吐出する。
【００６９】（実施形態２）実施形態２の圧電体能動部３２０と圧力発生室１２との平面位置関係を図８に示す。
【００７０】本実施形態は、図８に示すように、圧力発生室１２の長手方向端部に対向する領域、すなわち、連結部８５Ａの上電極膜８０及び絶縁体層９０を幅狭に形成した以外は実施形態１と同様である。
【００７１】このような構成にすることにより、実施形態１と同様の効果の他、連結部８５Ａ近傍での変位の向上を図ることができる。
【００７２】なお、本実施形態では、連結部８５Ａの上電極膜８０と絶縁体層９０とを幅狭に形成したが、上電極膜８０のみを幅狭に形成してもよい。
【００７３】（実施形態３）実施形態３の圧電体能動部３２０と圧力発生室１２との平面位置関係を図９に示す。
【００７４】本実施形態は、図９に示すように、圧電体能動部３２０の中央部に連結部８５Ｂを設け、上電極膜８０を圧力発生室１２の側壁に対向する領域に延設した以外は、実施形態１と同様である。
【００７５】このような構成とすることにより、実施形態１と同様の効果の他、駆動時の連結部８５Ｂ近傍での電流の集中を抑えることができ、圧電体膜７０等の破壊を防止することができる。
【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４１Ａ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、実施形態１〜３と同様に、コンタクトホールを介さず、上電極膜に直接電圧を印加することができ、変位効率を向上することができる。
【００８２】勿論、以上説明した各実施形態は、適宜組み合わせて実施することにより、より一層の効果を奏するものであることは言うまでもない。
【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】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。
【００８６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、コンタクトホールを形成することなく、圧電体能動部に電圧を印加することができ、圧電体能動部を圧力発生室に対向する領域内に設けたため、変位特性及び信頼性を向上することができる。
【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の薄膜製造工程を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１の要部を示す平面図及び断面図である。
【図８】本発明の実施形態２を説明する要部平面図である。
【図９】本発明の実施形態３を説明する要部平面図である。
【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の分解斜視図である。
【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。
【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
８５，８５Ａ，８５Ｂ 連結部
８０ 上電極膜
９０ 絶縁体層
３２０ 圧電体能動部
３５０ 下電極除去部
【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体層を形成して、圧電体層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成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電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】また、この場合、圧電材料層は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極のみを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電振動子を駆動することができるが、単位駆動電圧当たりの変位量および圧力発生室に対向する部分とその外部とを跨ぐ部分で圧電体層へかかる応力の問題から、圧電体層および上電極からなる圧電体能動部を圧力発生室外に出ないように形成するのが望ましい。
【０００８】そこで、各圧力発生室に対応する圧電振動子を絶縁体層で覆い、この絶縁体層に各圧電振動子を駆動するための電圧を供給するリード電極との接続部を形成するために窓（以下、コンタクトホールという）を各圧力発生室に対応して設け、各圧電振動子とリード電極との接続部をコンタクトホール内に形成する構造が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上電極とリード電極とを接続するためにコンタクトホールを設ける構造では、コンタクトホールを設ける部分の全体の膜厚が厚くなってしまい、変位特性が低下してしまうという問題がある。
【００１０】また、上述したようなインクジェット式記録ヘッドにおいては、圧電振動子の駆動による変位効率を向上するために、圧電振動子の両側に対応する部分の振動板を薄くする構造が提案されているが、このように変位を大きくとるようにすると、特に、コンタクトホール近傍にクラック等の破壊が生じ易い傾向が助長される。
【００１１】さらに、これらの問題は、特に、圧電材料層を成膜技術で形成した場合に生じやすい。なぜなら、成膜技術で形成した圧電材料層は非常に薄いため、圧電振動子を貼付したものに比較して剛性が低いためである。
【００１２】本発明はこのような事情に鑑み、変位特性及び信頼性の向上を図ることができる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。
【００１３】
【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し、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り且つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された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、前記上電極が前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１４】かかる第１の態様では、コンタクトホールを介さず上電極に直接電圧を印加することができ、コンタクトホール部の変位低下及び破壊を防止できる。
【００１５】本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電体能動部の前記圧電体層が、前記圧力発生室に対向する領域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。
【００１６】かかる第２の態様では、圧力発生室端部近傍に対向する領域に圧電体層が存在しないので、耐久性が向上する。
【００１７】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記振動板が、少なくとも前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った部分に当該圧電体能動部に対応する部分の厚さより薄い薄肉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。
【００１８】かかる第３の態様では、少なくとも腕部の振動板が薄膜部となっているので、圧電体能動部の駆動による変位量が向上する。
【００１９】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧電体能動部の前記圧電体膜の上面周縁部及びその周囲を覆う絶縁体層が形成され、当該絶縁体層上に前記上電極が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。
【００２０】かかる第４の態様では、絶縁体層上に上電極が延設され下電極との絶縁が保持される。
【００２１】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記上電極は、前記圧力発生室の長手方向の少なくとも一方の周壁に対向する領域へ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５の態様では、圧電体能動部の長手方向の一端部から駆動電圧を印加できる。
【００２３】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記上電極は、前記圧力発生室の幅方向の少なくとも一方側の周壁に対向する領域へ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。
【００２４】かかる第６の態様では、圧電体能動部の中央近傍から駆動電圧が印加できるので、駆動時の電流の集中が回避できる。
【００２５】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記上電極が前記圧力発生室とその周壁との境界を横切る部分近傍の幅が、前記圧力発生室に対向する領域の他の部分より狭くなっていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２６】かかる第７の態様では、圧力発生室とその周壁との境界に対向する領域における変位特性が向上される。
【００２７】本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様において、前記上電極の少なくとも前記圧電体層との接触面が、導電性酸化物膜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。
【００２８】かかる第８の態様では、圧電体層の酸素欠損に基づく圧電特性の低下を防止することができる。
【００２９】本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記上電極の前記圧電体層との接触面が、ＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯｘ、および酸化すず・酸化インジウム系材料からなる群から選択される導電性酸化物材料で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。
【００３０】かかる第９の態様では、圧電体層の酸素欠損に基づく圧電特性の低下を防止することができる。
【００３１】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記圧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。
【００３２】かかる第１０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。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３４】（実施形態１）図１は、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を示す組立斜視図であり、図２は、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。
【００３５】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、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ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。
【００３６】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。
【００３７】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。
【００３８】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（１１１）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１／１８０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。
【００３９】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１０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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】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１２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。
【００４３】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１２のインク供給側端部の近傍を横断する一のスリット孔２１Ａでも、あるいは複数のスリット孔２１Ｂであってもよい。封止板２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板２０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。
【００４４】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。
【００４５】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。
【００４６】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圧電体能動部を形成している。したがって、各圧電振動子の圧電体膜７０の周囲には、電気絶縁性を備えた絶縁体層９０が下電極膜６０上に形成され、この絶縁体層９０上には上電極膜８０が接続端子部まで延設されている。
【００４７】また、絶縁体層９０は、下電極膜６０と上電極膜８０との短絡を確実に防ぐために、各圧電体膜７０の側面から上面の少なくとも周縁を覆うように形成されている。すなわち、各圧電体膜７０の上面には上電極膜８０との接続するために圧電体膜７０の略全体を露出させる接続孔９０ａが形成されている。この絶縁体層９０は、成膜法による形成やまたエッチングによる整形が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。
【００４８】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。
【００４９】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１１００℃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。
【００５０】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６００〜１０００℃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。
【００５１】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。
【００５２】次に、図５に示すように、下電極膜６０及び圧電体膜７０をパターニングする。
【００５３】まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０及び圧電体膜７０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のみをエッチングして圧電体能動部３２０のパターニングを行う。次に、図５R>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３５０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。
【００５４】なお、下電極膜除去部３５０は、下電極膜６０を完全に除去せずに厚さを薄くしたものでもよい。また、圧電体能動部３２０の腕部に相当する部分に下電極膜除去部３５０を形成しているが、これに限定されず、例えば、圧電体能動部３２０の両端部よりも長手方向外側まで形成するようにしてもよいし、圧力発生室１２の周縁部ほぼ全体に亘って形成してもよい。勿論、この下電極除去部３５０は、必ずしも設ける必要はない。
【００５５】次いで、図６に示すように、絶縁体層９０及び上電極膜８０のパターニングを行う。
【００５６】まず、図６（ａ）に示すように、圧電体膜７０及び下電極膜６０の上面及び側面を覆うように絶縁体層９０を形成する。この絶縁体層９０の好適な材料は上述した通りであるが、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを用いている。次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層９０の圧電体膜７０に対応する部分に、上電極膜８０との接続のための接続孔９０ａをパターニングする。次いで、図６（ｃ）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、Ｐｄ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、Ｐｔをスパッタリングにより成膜している。
【００５７】また、特に圧電体層７０としてＰＺＴを用いた場合には、上電極膜８０にＰｔの代わりに導電性酸化物を用いるのが好ましい。これは、ＰｔがＰＺＴから酸素を取り込むことに起因して、圧電特性の低下が生じる虞があるからである。この場合、上電極膜８０を成膜する際に導電性酸化物材料を用いてもよいし、圧電体層７０上に成膜された後に界面に導電性酸化膜を形成する導電性材料を用いてもよい。このような導電性酸化物材料、例えば、ＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯｘ、および、例えば、ＩＴＯなどの酸化すず・酸化インジウム系材料を挙げることができる。また、導電性材料としてはＩｒ，Ｒｅ，Ｒｕ等を挙げることができ、これらを用いて上電極膜８０を形成した場合には、圧電体層７０との界面に、それぞれＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘの層が形成され、同様の効果を奏する。勿論、これらの材料で形成した層の上にさらにＰｔ等の導電性膜を積層して上電極膜８０としてもよい。
【００５８】そして、図６（ｄ）に示すように、圧電体膜８０及び絶縁体層９０の全体パターンをパターニングする。
【００５９】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（ｅ）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。
【００６０】なお、上述のパターニングの手順は、特に限定されるものではない。
【００６１】このように形成された圧電体能動部３２０と圧力発生室１２との平面位置関係及び断面を図７に示す。
【００６２】図７（ａ）に示すように、圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、基本的には圧力発生室１２に対向する領域内に、圧力発生室１２の幅より若干狭い幅で形成されている。また、上電極膜８０は、圧力発生室１２の長手方向一方の端部において、圧力発生室１２に対向する領域から周壁に対向する領域まで連続的に延設されており、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向一端部に対向する領域に、連結部８５が形成されている。
【００６３】また、圧力発生室１２の長手方向一端部及び周壁に対向する領域では、絶縁体層９０は、図７（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０と同程度の厚さで形成されており、上電極膜８０は、絶縁体層９０上を接続端子部（図示しない）まで延設されている。
【００６４】なお、本実施形態では、絶縁体層９０が圧力発生室１２の長手方向端部において、圧電体能動部３２０と同程度の厚さで形成されているが、これに限定されず、例えば、図７（ｃ）に示すように、圧電体膜７０の側面、及び下電極膜６０の上面に沿って、薄く形成するようにしてもよく、実質的に下電極膜６０と上電極膜８０とが絶縁されていればよい。また、絶縁体層９０の好適な材料としては、上述のように、感光性ポリイミド等を例示したが、本実施形態では圧電体膜７０の上面を実質的に覆う必要がないので、例えば、ＳｉＯ2等の透湿性が低く堅い材料を用いて、耐環境性を向上するようにしてもよい。
【００６５】このような構成では、上電極膜８０がリード電極の役割を兼ねているが、絶縁体層９０により、下電極膜６０との短絡が防止されているため、接続端子部から上電極膜８０に直接電圧を供給して、下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加することができる。
【００６６】したがって、コンタクトホールを形成する必要がないので、コンタクトホール部において膜が厚くなることに起因する変位低下がなく、また、圧電体膜７０を圧力発生室１２に対向する領域内に設けたので、連結部８５近傍でのクラック等の発生が防止でき、変位特性及び信頼性を向上することができる。さらに、上電極膜８０がリード電極の役割を兼ねているので、製造工程を減らすことができ、コストを削減等が可能となる。
【００６７】また、以上説明した圧電体能動部３２０及び圧力発生室１２等の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。
【００６８】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後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、上電極膜８０と下電極膜６０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体膜７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口１１からインク滴が吐出する。
【００６９】（実施形態２）実施形態２の圧電体能動部３２０と圧力発生室１２との平面位置関係を図８に示す。
【００７０】本実施形態は、図８に示すように、圧力発生室１２の長手方向端部に対向する領域、すなわち、連結部８５Ａの上電極膜８０及び絶縁体層９０を幅狭に形成した以外は実施形態１と同様である。
【００７１】このような構成にすることにより、実施形態１と同様の効果の他、連結部８５Ａ近傍での変位の向上を図ることができる。
【００７２】なお、本実施形態では、連結部８５Ａの上電極膜８０と絶縁体層９０とを幅狭に形成したが、上電極膜８０のみを幅狭に形成してもよい。
【００７３】（実施形態３）実施形態３の圧電体能動部３２０と圧力発生室１２との平面位置関係を図９に示す。
【００７４】本実施形態は、図９に示すように、圧電体能動部３２０の中央部に連結部８５Ｂを設け、上電極膜８０を圧力発生室１２の側壁に対向する領域に延設した以外は、実施形態１と同様である。
【００７５】このような構成とすることにより、実施形態１と同様の効果の他、駆動時の連結部８５Ｂ近傍での電流の集中を抑えることができ、圧電体膜７０等の破壊を防止することができる。
【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４１Ａ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、実施形態１〜３と同様に、コンタクトホールを介さず、上電極膜に直接電圧を印加することができ、変位効率を向上することができる。
【００８２】勿論、以上説明した各実施形態は、適宜組み合わせて実施することにより、より一層の効果を奏するものであることは言うまでもない。
【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】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。
【００８６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、コンタクトホールを形成することなく、圧電体能動部に電圧を印加することができ、圧電体能動部を圧力発生室に対向する領域内に設けたため、変位特性及び信頼性を向上することができる。
【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の薄膜製造工程を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１の要部を示す平面図及び断面図である。
【図８】本発明の実施形態２を説明する要部平面図である。
【図９】本発明の実施形態３を説明する要部平面図である。
【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の分解斜視図である。
【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。
【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
８５，８５Ａ，８５Ｂ 連結部
８０ 上電極膜
９０ 絶縁体層
３２０ 圧電体能動部
３５０ 下電極除去部
【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、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り且つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された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、前記上電極が前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】 請求項１において、前記圧電体能動部の前記圧電体層が、前記圧力発生室に対向する領域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３】 請求項１又は２において、前記振動板が、少なくとも前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った部分に当該圧電体能動部に対応する部分の厚さより薄い薄肉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４】 請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧電体能動部の前記圧電体膜の上面周縁部及びその周囲を覆う絶縁体層が形成され、当該絶縁体層上に前記上電極が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５】 請求項１〜５の何れかにおいて、前記上電極は、前記圧力発生室の長手方向の少なくとも一方の周壁に対向する領域へ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６】 請求項１〜５の何れかにおいて、前記上電極は、前記圧力発生室の幅方向の少なくとも一方側の周壁に対向する領域へ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７】 請求項１〜６の何れかにおいて、前記上電極が前記圧力発生室とその周壁との境界を横切る部分近傍の幅が、前記圧力発生室に対向する領域の他の部分より狭くなっていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】 請求項１〜７の何れかにおいて、前記上電極の少なくとも前記圧電体層との接触面が、導電性酸化物膜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８において、前記上電極の前記圧電体層との接触面が、ＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯｘ、および酸化すず・酸化インジウム系材料からなる群から選択される導電性酸化物材料で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１０】 請求項１〜９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。
【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、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り且つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された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、前記上電極が前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】 請求項１において、前記圧電体能動部の前記圧電体層が、前記圧力発生室に対向する領域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３】 請求項１又は２において、前記振動板が、少なくとも前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った部分に当該圧電体能動部に対応する部分の厚さより薄い薄肉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４】 請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧電体能動部の前記圧電体膜の上面周縁部及びその周囲を覆う絶縁体層が形成され、当該絶縁体層上に前記上電極が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５】 請求項１〜５の何れかにおいて、前記上電極は、前記圧力発生室の長手方向の少なくとも一方の周壁に対向する領域へ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６】 請求項１〜５の何れかにおいて、前記上電極は、前記圧力発生室の幅方向の少なくとも一方側の周壁に対向する領域へ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７】 請求項１〜６の何れかにおいて、前記上電極が前記圧力発生室とその周壁との境界を横切る部分近傍の幅が、前記圧力発生室に対向する領域の他の部分より狭くなっていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】 請求項１〜７の何れかにおいて、前記上電極の少なくとも前記圧電体層との接触面が、導電性酸化物膜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８において、前記上電極の前記圧電体層との接触面が、ＩｒＯｘ，ＲｅＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯｘ、および酸化すず・酸化インジウム系材料からなる群から選択される導電性酸化物材料で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１０】 請求項１〜９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。
【図１】
【図２】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開平１１−１５７０７０
【公開日】平成１１年（１９９９）６月１５日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平９−３２４８２３
【出願日】平成９年（１９９７）１１月２６日
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成１１年（１９９９）６月１５日
【国際特許分類】
【出願日】平成９年（１９９７）１１月２６日
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
[ Back to top ]