(57)【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たインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記圧電素子の圧電体能動部の長手方向の少なくとも一方の端部が前記圧力発生室に対向する領域の端部より内側にあり、その端部の外側には、前記圧電体層と前記下電極及び前記上電極とを有するが少なくとも当該圧電体層の幅が前記圧電体能動部の幅より幅狭で前記振動板を実質的に駆動しない圧電体非能動部が連続的に設けられていると共に、
前記圧電素子の駆動時に、前記圧電体能動部の長手方向の前記一方の端部近傍に対向する領域の前記振動板が前記圧力発生室の端部から長手方向内側に亘って前記圧電素子側に凸になった状態から前記圧電素子非形成面側に凸に変形しており、且つ前記圧電体能動部の長手方向の端部は、当該振動板の曲がりの曲率中心が前記圧電素子形成面側にある凸領域に位置し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】
前記圧電体非能動部は、前記圧力発生室の周壁まで延設されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体能動部の端部近傍に対向する領域の前記振動板は、前記圧電素子の駆動時に前記圧電素子非形成面側に凸になり、非駆動時には前記圧電素子形成面側に凸になることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
前記圧電体能動部の端部近傍に対向する領域の前記振動板の前記圧電体層側の表面近傍には、前記圧電素子の駆動時に圧縮方向の応力がかかることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
前記圧電体能動部の上面には絶縁体層が形成され、前記上電極とリード電極との接続部であるコンタクト部が当該絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】
前記圧電体能動部及び前記圧電体非能動部の上面に絶縁体層が形成され、前記上電極とリード電極との接続部であるコンタクト部が前記圧力発生室の周壁上の前記絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】
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、前記振動板及び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請求項１〜６の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載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。
【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、この振動板を介して圧電素子を設け、この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。
【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素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側とを跨ぐ部分で圧電体層にかかる応力の問題から、圧電体層及び上電極からなる圧電体能動部を、圧力発生室に対向する領域内に設けるか、少なくとも一端部以外は圧力発生室に対向する領域外に出ないように形成するのが望ましい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電体層上に上電極パターンを形成した圧電体能動部を駆動すると、特に圧電体能動部の端部にクラックが発生しやすく、圧電体能動部に致命的なダメージを引き起こす虞がある。
【０００９】
また、圧電体層の端部を圧力発生室外の周壁上まで延設すると、圧力発生室内と周壁との境界近傍に対向する部分からクラックが発生するという問題がある。
【００１０】
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易い。これは、成膜技術で形成した圧電材料層は非常に薄いため、圧電素子を貼付したものに比較して剛性が低いためである。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能動部端部及び圧力発生室と周壁との境界近傍で、応力集中によるクラックの発生、疲労破壊等を防止することができ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を提供することを課題とする。
【００１２】
【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たインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電素子の圧電体能動部の長手方向の少なくとも一方の端部が前記圧力発生室に対向する領域の端部より内側にあり、その端部の外側には、前記圧電体層と前記下電極及び前記上電極とを有するが少なくとも当該圧電体層の幅が前記圧電体能動部の幅より幅狭で前記振動板を実質的に駆動しない圧電体非能動部が連続的に設けられていると共に、前記圧電素子の駆動時に、前記圧電体能動部の長手方向の前記一方の端部近傍に対向する領域の前記振動板が前記圧力発生室の端部から長手方向内側に亘って前記圧電素子側に凸になった状態から前記圧電素子非形成面側に凸に変形しており、且つ前記圧電体能動部の長手方向の端部は、当該振動板の曲がりの曲率中心が前記圧電素子形成面側にある凸領域に位置し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。
【００１３】
かかる第１の態様では、駆動時に圧電体能動部の端部が振動板から引張り応力を受けることがなく、応力集中が低減される。また、圧力発生室と周壁の境界部分に対向する領域近傍での破壊が防止され、また圧電体非能動部を介して電圧の印加を行うことができる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、前記圧電体非能動部は、前記圧力発生室の周壁まで延設されていることを特徴とする第１の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１５】
かかる第２の態様では、圧電体能動部への印加は、圧力発生室外に引き出された圧電体非能動部を介して行うことができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、前記圧電体能動部の端部近傍に対向する領域の前記振動板は、前記圧電素子の駆動時に前記圧電素子非形成面側に凸になり、非駆動時には前記圧電素子形成面側に凸になることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１７】
かかる第３の態様では、少なくとも駆動時の圧電体能動部への応力集中が回避される。
【００１８】
本発明の第４の態様は、前記圧電体能動部の端部近傍に対向する領域の前記振動板の前記圧電体層側の表面近傍には、前記圧電素子の駆動時に圧縮方向の応力がかかることを特徴とする第３の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、駆動時に圧電体能動部の端部近傍に対向する振動板が圧縮され、圧電体能動部の端部には引張り応力がかからない。
【００３０】
本発明の第５の態様は、前記圧電体能動部の上面には絶縁体層が形成され、前記上電極とリード電極との接続部であるコンタクト部が当該絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成されていることを特徴とする第１〜４の何れか一つの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３１】
かかる第５の態様では、圧電体能動部への電圧の印加は絶縁体層に形成されたコンタクトホール内のコンタクト部を介して行われる。
【００３２】
本発明の第６の態様は、前記圧電体能動部及び前記圧電体非能動部の上面に絶縁体層が形成され、前記上電極とリード電極との接続部であるコンタクト部が前記圧力発生室の周壁上の前記絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成されていることを特徴とする第１〜４の何れか一つの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３３】
かかる第６の態様では、圧電体能動部への電圧の印加は、圧力発生室外に設けられたコンタクト部を介して行われる。
【００３４】
本発明の第７の態様は、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、前記振動板及び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第１〜６の何れか一つの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３５】
かかる第７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。
【００３６】
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れか一つ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。
【００３７】
かかる第８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。
【００３８】
【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。
【００３９】
（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、平面図およびその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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここで、圧電素子３００と該圧電素子３００の駆動により変位を生じさせ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及び下電極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００５２】
そして、かかる各上電極膜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絶縁体層９０が形成されている。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。
【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。
【００５５】
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、スパッタリング法やゾル−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。
【００５６】
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法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。
【００５７】
次に、図４（ｄ）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。
【００５８】
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。
【００５９】
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３２０のパターニングを行う。次に、図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。
【００６０】
なお、下電極除去部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。
【００６１】
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および下電極膜６０の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層９０を形成する（図１参照）。
【００６２】
そして、絶縁体層９０の各圧電体能動部３２０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部には後述するリード電極１００と接続するために上電極膜８０の一部を露出させるコンタクトホール９０ａが形成されている。そして、このコンタクトホール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びるリード電極１００が形成されている。
【００６３】
このような絶縁体層及びリード電極の形成プロセスを図６に示す。
【００６４】
まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜８０の周縁部、圧電体膜７０および下電極膜６０の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。
【００６５】
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層９０をパターニングすることにより、各圧力発生室１２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９０ａは、後述するリード電極１００と上電極膜８０との接続をするためのものである。なお、コンタクトホール９０ａは、圧力発生室１２の圧電体能動部３２０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。
【００６６】
次に、例えば、Ｃｒ−Ａｕなどの導電体を全面に成膜した後、パターニングすることにより、リード電極１００を形成する。
【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】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、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、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。
【００６９】
このように構成した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、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。
【００７０】
このように形成された圧力発生室１２と圧電体能動部３２０との位置関係及び圧電体能動部３２０を駆動させた際の圧力発生室１２端部付近の拡大断面を図７に示す。
【００７１】
図７（ａ）に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、圧力発生室１２に対向する領域内に帯状に設けられている。また、弾性膜５０及び下電極膜６０は、圧電体能動部３２０に電圧を印加による変形に伴い、図７（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０から見て、圧力発生室１２の周壁近傍では上に凸状に変形し、圧力発生室１２の大部分では下に凸状（凹状）に変形する。そして、圧電体能動部３２０の端部Ｅは、このように変形した際に、弾性膜５０及び下電極膜６０が凹状に変形している範囲、すなわち、曲がりの曲率中心が圧電体膜７０形成側にある範囲Ｓに位置する。この範囲Ｓは、弾性膜５０が圧電体能動部３２０が設けられている側とは反対方向に凸に変形する範囲であり、圧電体能動部が弾性膜の下側に設けられている場合には、上に凸に変形した領域に圧電体能動部の端部が存在するようにすればよい。
【００７２】
このような構造にすることにより、圧電体能動部３２０を駆動した際に、圧電体能動部３２０の端部に引張り応力が発生しなくなり、また圧力発生室１２の周壁近傍での応力集中が緩和されるため、これらの部分での剥がれ、クラックの発生等を抑制することができる。なお、上述した範囲Ｓの条件は、少なくとも駆動時に満たせばよく、非駆動時には反対方向に変形していても上述した効果を奏する。
【００７３】
ここで、本実施形態の圧電体能動部３２０のパターニング形状は、特に限定されず、例えば、図８に示すように、圧電体能動部３２０Ａの端部形状は圧力発生室１２と略同一形状であってもよい。この場合、圧電体能動部３２０Ａの端部は、圧力発生室１２の端部に向かって突出している隅部Ｅ１であり、この隅部Ｅ１が上述の範囲Ｓに位置するように形成される。さらに、例えば、図９に示すように、圧電体能動部３２０Ｂの端部形状は略円弧形状としてもよく、この場合、圧電体能動部３２０Ｂは、円弧の先端部Ｅ２が上述の範囲Ｓに位置するように形成する。
【００７４】
また、圧電体能動部３２０の端部及び圧力発生室１２の端部近傍でのクラック等の発生をさらに効果的に抑えるために、本実施形態の構造に加え、例えば、図１０〜図１２に示すような構造を採るようにしてもよい。
【００７５】
すなわち、図１０に示すように、圧電体能動部３２０Ｃの長手方向端部の外側に、上電極膜８０が除去されて圧電体膜７０のみが形成された圧電体非能動部３３０を形成して、圧電体能動部３２０Ｃの長手方向端部での振動を抑制するようにしてもよい。この圧電体非能動部３３０は圧電体能動部３２０Ｃへの電圧印加によっても駆動されることがないため、圧電体能動部３２０Ｃの端部近傍での振動を抑制し、この部分での剥がれ、クラックの発生等を効果的に抑えることができる。この場合、圧電体能動部３２０Ｃの端部は、圧電体非能動部３３０との境界部Ｅ３であり、この境界部Ｅ３が上述の範囲Ｓに位置するように形成される。なお、圧電体非能動部３３０は、両端部外側に設けてもよいが、例えば、リード電極１００とコンタクト部となるコンタクトホール９０ａに近い端部のみに設けてもよい。
【００７６】
また、図１１に示すように、図１０の構造と同様に、圧電体能動部３２０Ｄの長手方向端部の外側に、圧電体非能動部３３０Ａを圧力発生室１２の端部を越えて周壁上まで延設、すなわち、圧電体非能動部３３０Ａが圧力発生室１２に対向する領域から周壁に対向する領域まで両者の境界を跨ぐように形成するようにしてもよい。この場合も、上述と同様に、圧電体能動部３２０Ｄは、圧電体非能動部３３０Ａとの境界部Ｅ４が上述の範囲Ｓに位置するように形成される。このような構造とすることにより、圧電体能動部３２０Ｄの端部及び圧力発生室１２の周壁近傍において、電圧印加による振動が実質的になくなり、これらの部分での剥がれ及びクラックの発生等を効果的に抑えることができる。さらに、圧力発生室１２とその周壁との境界部分近傍では、一般的には繰り返し変位によりに圧電体膜７０等に割れが発生しやすいが、この部分の圧電体膜７０が圧電体非能動部３３０Ａであるので、この部分での割れの発生が抑えられる。
【００７７】
またさらに、図１２に示すように、圧電体能動部３２０Ｅを圧力発生室１２の端部を越えて周壁上まで延設して、圧力発生室１２と周壁とを跨ぐ領域に、圧電体能動部３２０Ｅと同一の層構造を有するが幅狭であり実質的に駆動部ではない圧電体非能動部３３０Ｂを設けてもよい。この場合、実質的な駆動部は圧電体能動部３２０Ｅであるので、圧電体能動部３２０Ｅと圧電体非能動部３３０Ｂとの境界部Ｅ５が上述の範囲Ｓに位置するように形成される。このような構造にすることにより、電圧を印加した際に、圧電体能動部３２０Ｅの端部及び圧力発生室１２の周壁近傍での剥がれ、クラックの発生等が効果的に抑えられる。なお、この構造では、上述したリード電極とのコンタクトを圧力発生室外で行うことができる。
（実施形態２）
実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面を図１３に示す。本実施形態の基本的構成は実施形態１と同一であるが、圧電体能動部３２０の長手方向の端部の短辺３２０ａ、３２０ｂと、これらに対向する圧力発生室１２の周壁の短辺１２ａ、１２ｂとの間のクリアランスΔｙを所定の範囲になるように設定したものである。
【００７８】
かかる所定の範囲は、以下の知見に基づいて決定される。すなわち、このクリアランスΔｙを一定値より大きくすると、圧電体能動部３２０の短辺３２０ａ、３２０ｂ近傍に対向する領域の弾性膜５０が、上述した実施形態１と同様に下に凸に変位しており、応力集中による弾性膜５０及び圧電体能動部３２０の破壊が防止される。一方、クリアランスΔｙを一定値を越えて大きくすると、弾性膜５０の剛性が低くなり、製造工程で弾性膜５０の圧電体能動部３２０が存在しない領域に皺が生じてインク滴の吐出が不安定になる上、圧電体能動部３２０の面積が小さくなるため、駆動時の性能が低下する。また、クリアランスΔｙは、圧力発生室１２の幅Ｘに依存する。
【００７９】
最適なクリアランスΔｙを求めるため、クリアランスΔｙを変化させて、例えば、駆動周波数１４．４ｋＨｚの駆動信号を１時間印加して、クリアランスΔｙと、圧電能動部３２０の破壊の有無との関係を調査した結果を表１に示す。下記表１に示すように、クリアランスΔｙが圧力発生室１２の幅Ｘの０．３倍以上であれば破壊が生じないことが判明した。
【００８０】
また、この範囲では、圧電体能動部３２０の端部に対向する領域の弾性膜５０は、下に凸に変形していることが確認された。従って、実施形態１に詳細に示したように、圧電体能動部３２０の端部の位置を弾性膜５０が下に凸に変形している領域存在するようにするためには、例えば、上述したクリアランスΔｙを圧力発生室１２の幅Ｘの０．３倍以上にすればよいことが確認された。
【００８１】
【表１】
0004021065.tif 000002
【００８２】
さらに、クリアランスΔｙをさらに大きい範囲で変化させて、クリアランスΔｙと、流路形成基板１０をエッチングして圧力発生室１２を形成した後の弾性膜５０における皺の発生率との関係を調査した結果を表２に示す。下記表２に示すように、クリアランスΔｙが圧力発生室１２の幅Ｘの５倍以下の場合には皺は発生しなかった。
【００８３】
【表２】
0004021065.tif 000003
【００８４】
（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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１４、その流路の断面を図１５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。
【００８８】
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。
【００８９】
ここで、この実施形態においても、実施形態１及び２と同様に、電圧印加による振動板の変形の際、曲率中心が圧電体膜側にある範囲に圧電体能動部の端部が位置するように形成することにより、圧電体能動部の端部及び圧力発生室の周壁近傍での応力集中を低減させ、割れ等の発生を防止することができる。
【００９０】
また、勿論、共通インク室を流路形成基板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。
【００９１】
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。
【００９２】
また、上述の各実施形態においては、基本的には上述したコンタクトホール９０ａを介してリード電極と接続を図るが、リード電極のパターン形状は特に限定されない。
【００９３】
さらに、圧電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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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１６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。
【００９９】
図１６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。
【０１００】
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。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電圧印加による振動板の変形の際に、圧電体能動部の端部に対応する部分を含んだ領域が圧電素子とは反対方向に凸に変形するように形成することにより、圧電体能動部の端部及び圧力発生室の周壁近傍での応力集中を低減させることができ、割れ等の発生を防止することができる。さらに、応力の低減により、圧電体能動部に印加する駆動電圧を増加することができる。
【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平面図である。
【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１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例の要部を示す平面図である。
【図９】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変形例の要部を示す平面図である。
【図１０】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変形例の要部を示す平面図である。
【図１１】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変形例の要部を示す平面図である。
【図１２】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変形例の要部を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施形態２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である。
【図１４】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１５】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１６】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
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
８０  上電極膜
９０  絶縁体層
１００  リード電極
３２０、３２０Ａ〜３２０Ｅ  圧電体能動部
３３０、３３０Ａ、３３０Ｂ  圧電体非能動部
３５０  下電極除去部
【図１】
0004021065.tif 000004
【図２】
0004021065.tif 000005
【図３】
0004021065.tif 000006
【図４】
0004021065.tif 000007
【図５】
0004021065.tif 000008
【図６】
0004021065.tif 000009
【図７】
0004021065.tif 000010
【図８】
0004021065.tif 000011
【図９】
0004021065.tif 000012
【図１０】
0004021065.tif 000013
【図１１】
0004021065.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
0004021065.tif 000016
【図１４】
0004021065.tif 000017
【図１５】
0004021065.tif 000018
【図１６】
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