(57)【要約】      （修正有）【課題】従来構造のインクジェット式記録ヘッドよりも、圧電体膜の変形によって生じる圧力室の変位量を大きくす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】インクジェット式記録ヘッド１００は、複数の圧力室２２を有する圧力室基板２０と、圧力室基板の下に形成されたノズル１２を有するノズル板１０と、圧力室基板の上に形成された振動板３０と、振動板の上に形成された下部電極膜４２と、下部電極膜の上に圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜と、圧電体膜の上に形成された上部電極膜と、圧電体膜の両側において、圧電体膜の長手方向に沿って形成された凹部５０とを含み、凹部は、下部電極膜、振動板および圧力室を形成する側壁２４の一部を貫通するように形成されている。【選択図】図１
2008173813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧力室を有する圧力室基板と、
前記圧力室基板の下に形成されたノズルを有するノズル板と、
前記圧力室基板の上に形成された振動板と、
前記振動板の上に形成された下部電極膜と、
前記下部電極膜の上に、前記圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜と、
前記圧電体膜の上に形成された上部電極膜と、
前記圧電体膜の両側において、該圧電体膜の長手方向に沿って形成された凹部と、
を含み、
前記凹部は、前記下部電極膜、前記振動板および前記圧力室を形成する側壁の一部を貫通するように形成された、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記凹部は、前記下部電極膜の幅方向の長さよりも短い、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１ないし２のいずれかにおいて、
前記圧電体膜は、ジルコン酸チタン酸鉛およびチタン酸バリウムのいずれか一方からなる、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
圧力室基板の上に、振動板、下部電極膜、圧電体膜、および上部電極膜を順次積層する工程と、
前記上部電極膜および前記圧電体膜をパターニングすることにより、複数の圧電素子を形成する工程と、
前記圧力室基板をエッチングすることにより、前記圧電素子に対応する位置に圧力室を形成する工程と、
ノズルを有するノズル板を前記圧力室基板の下に接合する工程と、
前記下部電極膜、前記振動板および前記圧力室を形成する側壁の一部を貫通するようにエッチングすることにより、前記圧電体膜の長手方向に沿って凹部を形成する工程と、
を含む、インクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電方式を採用するインクジェット式記録ヘッドは、一般に、インク吐出可能なノズルを有するノズル板と、圧力室を有する圧力室基板と、圧力室基板のノズル板が設けられた面とは異なる面に設けられた振動板と、振動板の上に形成された下部電極膜、下部電極膜の上に圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜および上部電極膜から構成される圧電素子とを備えている。このような構成において、圧力室にインクを充填し、上部電極膜と下部電極膜との間に電圧が印加されると、圧電体膜が変形する。そうすると、圧力室では振動板が撓み、圧力室内の圧力が瞬間的に高まる。この圧力変化によりノズルからインクが吐出される。
【０００３】
このような原理に基づいたインクジェット式記録ヘッドとして、例えば、特許文献１には、下部電極がルテニウム酸ストロンチウムからなる圧電アクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１５２２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、インクジェット式記録ヘッドの高解像度化の要請が高まっている。インクジェット式記録ヘッドの高解像度化を実現するためには、圧力室を小さくすることが必要である。
【０００５】
しかしながら、圧力室を小さくすると、圧電体膜の変形によって生じる圧力室の変位量（インク排除体積）も小さくなるため、当然ながらインクの吐出量も減少してしまう。
【０００６】
したがって、インクジェット式記録ヘッドの高解像度化を実現するためには、圧力室を小さくするだけでなく、圧電体膜の変形によって生じる圧力室の変位量を大きくすることによって、インクの吐出量を増大させる必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、圧電体膜の変形によって生じる圧力室の変位量を大きくす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である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、複数の圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室基板の下に形成されたノズルを有するノズル板と、前記圧力室基板の上に形成された振動板と、前記振動板の上に形成された下部電極膜と、前記下部電極膜の上に前記圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜の上に形成された上部電極膜と、前記圧電体膜の両側において、該圧電体膜の長手方向に沿って形成された凹部とを含み、前記凹部は、前記下部電極膜、前記振動板および前記圧力室を形成する側壁の一部を貫通するように形成されたことを特徴とする。
【０００９】
後に詳述するが、かかる形態によれば、凹部を有しない場合と比べて、圧電体膜の体積変化により生ずる圧力室の変位量を大きくすることができる。
【００１０】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記凹部は、前記下部電極膜の幅方向の長さよりも短いことを特徴とする。
【００１１】
かかる形態によれば、下部電極膜は各圧電体膜の共通電極として機能することができる。
【００１２】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体膜は、ジルコン酸チタン酸鉛およびチタン酸バリウムのいずれか一方からなることができる。
【００１３】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、圧力室基板の上に、振動板、下部電極膜、圧電体膜、および上部電極膜を順次積層する工程と、前記上部電極膜および前記圧電体膜をパターニングすることにより、複数の圧電素子を形成する工程と、前記圧力室基板をエッチングすることにより、前記圧電素子に対応する位置に圧力室を形成する工程と、ノズルを有するノズル板を前記圧力室基板の下に接合する工程と、前記下部電極膜、前記振動板および前記圧力室を形成する側壁の一部を貫通するようにエッチングすることにより、前記圧電体膜の長手方向に沿って凹部を形成する工程と、を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
１．インクジェット式記録ヘッドの構造
図１に、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの構造図を示す。図２（Ａ）に、図１に示すインクジェット式記録ヘッドのＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。一方、図２（Ｂ）に、従来構造のインクジェット式記録ヘッドの断面図を示す。図３に、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部の平面図を示す。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００は、ノズル板１０、圧力室基板２０、振動板３０、および圧電素子４０から構成されている。
【００１７】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に並列に複数設けられた各圧力室２２に対応する位置にノズル１２が配置されるように、圧力室基板２０に貼り合わせて構成されている。
【００１８】
圧力室基板２０は、圧力室２２、圧力室を形成する側壁２４、リザーバ２６、供給口２８を備えている。圧力室基板２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の材質からなることができる。圧力室２２は、圧力室基板２０をエッチングすることにより複数形成されるものであり、個々の圧力室はインクが充填可能に形成される。側壁２４は、圧力室を形成する際にエッチングされずに残った部分であり、圧力室間を仕切るように形成されている。リザーバ２６は、各圧力室２２にインクを供給可能な共通の流路として形成されている。供給口２８は、各圧力室２２にインクを導入できるように形成されている。
【００１９】
振動板３０は、圧力室基板２０のノズル板１０が設けられた面と反対の面に設けられている。振動板３０には、図示しないインクタンクが設けられており、インクタンクに貯蔵されているインクをインクタンク口３２から注入し、リザーバ２６に供給可能になっている。振動板３０は、圧電体膜４４の変形により撓み、圧力室２２の内部の圧力を瞬間的に高めることができる。振動板３０は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の材質からなることができる。振動板３０は、それらの単層構造とすることもできるし、二層以上の積層構造とすることもできる。
【００２０】
圧電素子４０は、図２（Ａ）に示すように、振動板３０の上に、下部電極膜４２、圧電体膜４４および上部電極膜４６の順に積層されて構成されている。
【００２１】
下部電極膜４２は、上部電極膜４６と対となり、圧電体膜４４に電圧を印加するための共通電極として機能する。下部電極膜４２は、導電性を有する白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）等の材料からなり、例えば、白金層の単層構造とすることもできるし、白金層とイリジウム層との二層構造とすることもできる。複数の層を積層して下部電極膜を構成すると、振動板３０との密着性を高めることができ、また下部電極膜４２の上に積層される圧電体膜４４の結晶配向性を制御することもできる。
【００２２】
圧電体膜４４は、下部電極膜３２の上に形成されている。圧電体膜４４の材料としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する圧電性セラミックスが好ましく、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛またはチタン酸バリウムを用いることができる。また、ジルコン酸チタン酸鉛にマグネシウム（Ｍｇ）やニオブ（Ｎｂ）等の金属をドープした圧電性セラミックスを用いることもできる。近年、環境に対する影響から、ジルコン酸チタン酸鉛に代替する鉛を含まない圧電材料が望まれている。その代替材料としてチタン酸バリウム等が挙げられる。ところが、チタン酸バリウムは、ジルコン酸チタン酸鉛と比較すると単位印加電圧当たりの体積変化が小さいため、インクジェット式記録ヘッドの圧電体膜としてあまり利用されなかった。本発明によれば、チタン酸バリウムの変位量でも圧力室２２のインク排除体積を十分に得ることができるようになるので、チタン酸バリウムをインクジェット式記録ヘッド用の圧電体膜の材料として利用することができる。
【００２３】
上部電極膜４６は、圧電体膜４４の上に形成されており、圧電体膜４４に電圧を印加するためのもう一方の電極となる。上部電極膜４６は、白金（Ｐｔ）等で構成されている。
【００２４】
本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００は、図１に示すように、凹部５０を有する。凹部５０は、図２（Ａ）に示すように、振動板３０、下部電極膜４２および圧力室２２を形成する側壁２４の一部を貫通するように形成される。凹部５０は、図３に示すように、圧電素子４０の長手方向に沿って形成される。本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００において、下部電極膜４２は各圧電素子４０の共通電極として機能する。そのため、図３に示すように、凹部５０の長さを少なくとも下部電極膜４２の幅方向の長さよりも短くして下部電極膜４２が導通するようにする。また、全ての圧力室２２の変位量を大きくするためには、各圧電素子４０の間に凹部５０を形成するようにする。
【００２５】
図２（Ａ）のように、凹部５０を有する場合、凹部５０の両壁の厚さが側壁２４ａおよび２４ｂのように側壁２４と比べて薄くなる。そうすると、圧電体膜４４の変形により、凹部５０の両壁は撓みやすくなるため、図２（Ａ）の一点鎖線で示すように、大きな変位量（インク排除体積）を得ることができるようになる。そのためには、凹部５０は少なくとも側壁２４の一部に到達する深さを有する。側壁２４ａおよび２４ｂの厚みは、厚すぎると変形しにくく、圧電体膜４４の変位量を圧力室２２に十分に伝播することができない。一方、薄すぎると圧電体膜４４の変位量を圧力室２２に伝播することはできるが、十分な機械的強度が得られないことがある。したがって、凹部５０の幅および深さは、圧力室基板２０の材質の強度、耐久性および圧力室２２の変位量（インク排除体積）等とのバランスを考慮しながら設定することが好ましい。
【００２６】
一方、図２（Ｂ）に示すように、凹部を有しない従来のインクジェット式記録ヘッドの構造では、側壁２４と振動板３０の接合部が完全に固定されているため、図２（Ｂ）の一点鎖線で示すように、圧電体膜４４の変位量（体積変化）が圧力室２２に伝播しにくい構造となっている。
【００２７】
以上のように、凹部５０を有すると、凹部５０を有しない場合に比べ、圧力室内においてより大きなインク排除体積が得られるようになる。そうすると、一圧力室当たりのインクの吐出量が増大する。その結果、圧力室２２を小型化することができ、インクジェット式記録ヘッドの高解像度化が実現される。
【００２８】
２．インクジェット式記録ヘッドの製造方法
図４（Ａ）〜図４（Ｄ）および図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。以下、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）および図５（Ａ）〜図５（Ｄ）を参照しながら、インクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。
【００２９】
（１）まず、圧力室基板２０を用意する。圧力室基板２０として、例えば、厚さ２００μｍのシリコン単結晶基板を用いる。
【００３０】
次に、図４（Ａ）に示すように、圧力室基板２０の上に振動板３０を形成する。振動板３０の成膜法として、熱酸化によって二酸化ケイ素の酸化膜を形成する方法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の公知の方法を用いることができる。また、振動板３０は、例えば、二酸化ケイ素を厚さ約１０００ｎｍ、酸化ジルコニウムを約４００ｎｍに成膜して形成することができる。
【００３１】
（２）図４（Ｂ）に示すように、振動板３０の上に下部電極膜４２を成膜する。下部電極膜４２の成膜法として、例えば、レーザアブレーション法を用いることができる。また、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、ゾル・ゲル法等の公知の薄膜作製法を用いることもできる。また、上述のように、下部電極膜４２の材料として、例えば、導電性を有する白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）等を用いることができる。下部電極膜４２は、例えば、白金層とイリジウム層との二層構造とし、その二層構造の厚みを約２００ｎｍとすることができる。
【００３２】
（３）図４（Ｃ）に示すように、下部電極膜４２の上に、圧電体膜４４を成膜する。圧電体膜４４として、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛をゾル・ゲル法で成膜することができる。すなわち、金属アルコキシド等の金属有機酸化物を溶液系で加水分解、重縮合させて非晶質膜である圧電体前駆体膜を成膜し、さらに焼成によって結晶化させる。また、これに限らず、スパッタ法やＣＶＤ法を用いて圧電体膜４４を成膜することもできる。
【００３３】
（４）図４（Ｄ）に示すように、圧電体膜４４の上に、上部電極膜４６を成膜する。上部電極膜４４として、白金（Ｐｔ）等を直流スパッタ法で成膜することができる。
【００３４】
（５）図５（Ａ）に示すように、圧電体膜４４および上部電極膜４６を所定の形状に加工して、圧電素子４０を形成する。具体的には、上部電極膜４６上にレジストをスピンコートした後、圧力室２２が形成されるべき位置に合わせて露光および現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極膜４６、圧電体膜４４をイオンミリング、またはドライエッチング法等により不要な部分を除去する。以上の工程により、圧電素子４０が形成される。
【００３５】
（６）図５（Ｂ）に示すように、圧力室基板２０に圧力室２２を形成する。圧力室２２の形成方法として、例えば、異方性エッチングを用いることができる。エッチングされずに残った部分は側壁２４となる。
【００３６】
（７）図５（Ｃ）に示すように、樹脂等を用いてノズル板１０をインク室基板２０に接合する。ノズル板１０を圧力室基板２０に接合する際には、ノズル１２が圧力室２２の個々の空間に対応して配置されるように位置合わせをする。
【００３７】
（８）図５（Ｄ）に示すように、下部電極膜４２、振動板３０および圧力室２２を形成する側壁２４をエッチングし、凹部５０を形成する。エッチングの方法は、イオンミリング等の物理エッチングを用いることができる。また、上述したように、凹部５０を形成することによって、圧力室２２の変位量（インク排除体積）を大きくするためには、凹部５０は少なくとも側壁２４の一部にまで到達するようにエッチングする。凹部５０の幅および深さは、圧力室基板２０の材質の強度、耐久性および圧力室２２の変位量（インク排除体積）等とのバランスを考慮しながら設定することができる。全ての圧力室２２の変位量を大きくするためには、各圧電素子４０の間に凹部５０を形成する。以上の工程により、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００３８】
上述した方法では、図４（Ｃ）の工程において、下部電極膜４２の上に圧電体膜４４を成膜するが、ここで、圧電体膜４４として、ジルコン酸チタン酸鉛の代わりにチタン酸バリウムをゾル・ゲル法により成膜することができる。また、これに限らず、チタン酸バリウムの微粒子を用いてチタン酸バリウムペーストを作製し、スクリーン印刷やバーコーターなどで成膜することもできる。チタン酸バリウムに鉄（Ｆｅ）やアンチモン（Ｓｎ）等の金属をドープした圧電性セラミックスを用いることもできる。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの構造図。
【図２】（Ａ）は、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの構造を示す断面図。（Ｂ）は、従来のインクジェット式記録ヘッドの構造を示す断面図。
【図３】本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す平面図。
【図４】（Ａ）ないし（Ｄ）は、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】（Ａ）ないし（Ｄ）は、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１０…ノズル板、１２…ノズル、２０…圧力室基板、２２…圧力室、２４…側壁、２４ａ・２４ｂ…側壁の一部、２６…リザーバ、２８…供給口、３０…振動板、３２…インクタンク口、４０…圧電素子、４２…下部電極膜、４４…圧電体膜、４６…上部電極膜、５０…凹部、１００…インクジェット式記録ヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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