(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と、該振動板上に設けられた圧電振動子とを具備したインクジェット式記録ヘッドにおいて、
下電極と圧電体層と上電極とからなり、前記圧力発生室に対向する領域に形成されて前記圧力発生室内のインクを前記ノズル開口から吐出させるための第１の圧電振動子と、該第１の圧電振動子が形成された領域外の前記振動板上に形成されて、当該第１の圧電振動子とは独立して駆動して前記振動板が変形している間に前記第１の圧電振動子を駆動させることで前記振動板の変形の変形量を変えることができる第２の圧電振動子とを設けた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、前記第２の圧電振動子は、前記圧力発生室の隔壁上に存在する部位と、隔壁側から圧力発生室側に延設された能動部と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３】
請求項２において、前記第２の圧電振動子の前記能動部が圧電体層に連続して両端部に設けら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４】
請求項２において、前記第２の圧電振動子の少なくとも前記能動部が独立して設けられ、前記圧力発生室毎に独立して駆動可能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５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記第２の圧電振動子に電圧を印加した後当該電圧を解除する駆動では前記ノズル開口からインクを吐出しな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６】
請求項４において、前記第２の圧電振動子に電圧を印加した後当該電圧を解除する駆動により前記ノズル開口からインクを吐出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１〜６の何れかにおいて、前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子のそれぞれを構成する少なくとも前記圧電体層は、前記圧電振動子の長手方向の一端部から前記圧力発生室に対向する領域外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８】
請求項７において、前記第１の圧電振動子の延設方向と、前記第２の圧電振動子の延設方向とが逆方向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９】
請求項７又は８において、前記圧力発生室に対向する領域外まで延設された前記圧電体層上には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１０】
請求項１〜９の何れかにおいて、前記第１及び第２の圧電振動子の上面にはリード電極と前記上電極との接続を行うコンタクト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１１】
請求項１０において、前記第１及び第２の圧電振動子の上面には絶縁体層が形成され、前記リード電極と前記上電極との接続を行う前記コンタクト部は、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インクジェット式記録ヘッド。
【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弾性膜で構成し、この弾性膜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及びその駆動方法並びに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弾性膜で構成し、この弾性膜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弾性膜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弾性膜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、弾性膜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弾性膜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。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。
【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振動子の駆動の際、弾性膜の変形量が小さく、十分な排除体積が得られ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、圧電体層の変位量を増加させ、弾性膜の変位効率を向上したインクジェット式記録ヘッド及びその駆動方法並びに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と、該振動板上に設けられた圧電振動子とを具備したインクジェット式記録ヘッドにおいて、下電極と圧電体層と上電極とからなり、前記圧力発生室に対向する領域に形成されて前記圧力発生室内のインクを前記ノズル開口から吐出させるための第１の圧電振動子と、該第１の圧電振動子が形成された領域外の前記振動板上に形成されて、当該第１の圧電振動子とは独立して駆動して前記振動板が変形している間に前記第１の圧電振動子を駆動させることで前記振動板の変形の変形量を変えることができる第２の圧電振動子とを設けた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、前記第２の圧電振動子を用いることにより、圧力発生室に対向する領域の弾性膜を両側から引っ張り上げることができ、その後、第１の圧電振動子を駆動することにより、排除体積を向上することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第２の圧電振動子は、前記圧力発生室の隔壁上に存在する部位と、隔壁側から圧力室側に延設された能動部と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。
【００１２】
かかる第２の態様では、第２の圧電振動子を用いて、排除体積をより確実に向上することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記第２の圧電振動子の前記能動部が圧電体層に連続して両端部に設けら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３の態様では、第２の圧電振動子を隣接する圧力発生室で共用し、引張り力を大きくすることができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記第２の圧電振動子の少なくとも前記能動部が独立して設けられ、前記圧力発生室毎に独立して駆動可能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。
【００１６】
かかる第４の態様では、第２の圧電振動子を圧力発生室毎に独立して駆動することができ、無駄な駆動を防止できる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記第２の圧電振動子に電圧を印加した後当該電圧を解除する駆動では前記ノズル開口からインクを吐出しな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。
【００１８】
かかる第５の態様では、第２の圧電振動子を全体として駆動しても、不必要な吐出を防止できる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第４の態様において、前記第２の圧電振動子に電圧を印加した後当該電圧を解除する駆動により前記ノズル開口からインクを吐出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、第１の圧電振動子との組み合わせによって、排除体積の調整が可能になる。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子のそれぞれを構成する少なくとも前記圧電体層は、前記圧電振動子の長手方向の一端部から前記圧力発生室に対向する領域外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。
【００２２】
かかる第７の態様では、圧力発生室の周壁に対向する領域に、圧電体層と外部配線との接続部を形成できる。
【００２３】
本発明の第８の態様では、第７の態様において、前記第１の圧電振動子の延設方向と、前記第２の圧電振動子の延設方向とが逆方向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。
【００２４】
かかる第８の態様では、第１及び第２の圧電振動子の配線を容易に行うことができる。
【００２５】
本発明の第９の態様は、第７又は８の態様において、前記圧力発生室に対向する領域外まで延設された前記圧電体層上には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。
【００２６】
かかる第９の態様では、延設された上電極と外部配線とを容易に接続できる。
【００２７】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記第１及び第２の圧電振動子の上面にはリード電極と前記上電極との接続を行うコンタクト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。
【００２８】
かかる第１０の態様では、圧電振動子への電圧の印加はコンタクト部を介して行われる。
【００２９】
本発明の第１１の態様において、前記第１及び第２の圧電振動子の上面には絶縁体層が形成され、前記リード電極と前記上電極との接続を行う前記コンタクト部は、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、圧電振動子への電圧の印加は絶縁体層に形成されたコンタクト部を介して行われる。
【００３１】
【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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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０．１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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２０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、圧力発生室１２に対向する領域に第１圧電振動子（圧電素子）３００Ａを構成し、またこの第１の圧電振動子３００Ａの幅方向両側に、幅方向の端部が圧力発生室１２に臨むように第２の圧電振動子３００Ｂを構成している。ここで、これら第１の圧電振動子３００Ａ及び第２の圧電振動子３００Ｂ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、第１及び第２の圧電振動子３００Ａ及び３００Ｂは、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される。そして、ここでは第１の圧電振動子３００Ａの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第１の圧電体能動部３２０Ａという。また、第２の圧電振動子３００Ｂでは、圧力発生室１２内に突出して圧電歪みを生じるところが第２の圧電体能動部３２０Ｂとなる。本実施形態では、下電極膜６０を第１及び第２の圧電振動子３００Ａ，３００Ｂの共通電極とし、上電極膜８０を第１及び第２の圧電振動子３００Ａ，３００Ｂ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。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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、第１の圧電振動子３００Ａと、幅方向両端部が第２の圧電振動子３００Ｂとなる中間セグメント３１０のパターニングを行う。
【００５２】
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、第１及び第２の圧電振動子３００Ａ，３００Ｂ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。
【００５３】
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）。
【００５４】
そして、絶縁体層９０の各第１の圧電振動子３００Ａ及び中間セグメント３１０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，９０ｂが形成されている。そして、このコンタクトホール９０ａ，９０ｂ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。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。
【００５５】
このような絶縁体層の形成プロセスを図６に示す。
【００５６】
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。
【００５７】
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、第１の圧電振動子３００Ａの各圧力発生室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を形成し、図示しないが、コンタクトホール９０ａとは逆方向の中間セグメント３１０の端部にコンタクトホール９０ｂを形成する。このコンタクトホール９０ａ及び９０ｂは、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。
【００５８】
なお、コンタクトホール９０ａ，９０ｂは、第１の圧電振動子３００Ａと中間セグメント３１０とに同一の長手方向端部に形成してもよいが、配線の都合上、本実施形態のように、逆方向の端部に形成することが好ましい。
【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（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。なお、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。
【００６０】
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、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。
【００６１】
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。
【００６２】
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１の圧電振動子３００Ａを構成する圧電体膜７０及び上電極膜８０の各圧力発生室１２に対向する領域の部分が第１の圧電体能動部３２０Ａを構成している。また、中間セグメント３１０の両端の部分は、第２の圧電振動子３００Ｂとなり、その圧電体膜７０及び上電極膜８０が圧力発生室１２に対向する部分が、第２の圧電体能動部３２０Ｂを構成している。第２の圧電体能動部３２０Ｂは、本実施形態では、隣接する圧力発生室１２間に設けられた中間セグメント３１０の両端に設けられているので、第２の圧電体能動部３２０Ｂを駆動する場合には、全体を一緒に駆動することになる。
【００６３】
ここで、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駆動について説明する。図８は、本実施形態の駆動による振動板の変形を示す図であり、図９は、圧電振動子への電圧の印加時期を示すグラフである。
【００６４】
図８及び図９示すように、第１及び第２の圧電体能動部３２０Ａ，３２０Ｂに電圧を印加していない状態では、膜の内部応力の影響により、振動板は下に凸に変形している（図８（ａ））。そして、このように振動板が下に変形した状態で、まず第２の圧電振動子３００Ｂに所定のパルス電圧Ｖｂを印加する。これにより、第２の圧電体能動部３２０Ｂが変形され、振動板は引張方向の力ｆを受けて引き上げられ、圧力発生室１２とは反対側に変形する（図８（ｂ））。次いで、第２の圧電振動子３００Ｂへのパルス電圧Ｖｂの印加が解除されると同時に、第１の圧電振動子３００Ａに、パルス電圧Ｖａを印加する。これにより、第１の圧電体能動部３２０Ａが変形し、これと共に振動板が下に凸に変形して、圧力発生室１２内のインクがノズル開口から吐出される（図８（ｃ））。その後は、上述同様に、第２の圧電振動子３００Ｂへのパルス電圧Ｖｂの印加と、第１の圧電振動子へのパルス電圧Ｖａの印加とを繰り返すことにより、印刷が実行される。なお、本実施形態では、第１の圧電体能動部３２０Ａが駆動されない圧力発生室においても、常に第２の圧電体能動部３２０Ｂが駆動されることになるが、第２の圧電体能動部３２０Ｂのみの駆動によってはインクが吐出されないように設定されている。
【００６５】
このように、本実施形態では、第２の圧電体能動部３２０Ｂを駆動させることにより振動板を一旦インクの吐出とは反対の方向に引き上げた後、第１の圧電体能動部３２０Ａを駆動させることによりインクを吐出させる。したがって、振動板の変位量が向上し、排除体積が増大する。
【００６６】
なお、本実施形態では、第２の圧電体能動部３２０Ｂに印加した電圧を解除した後に、第１の圧電体能動部３２０Ａに電圧を印加してインクを吐出しているが、これに限定されず、例えば、第２の圧電体能動部３２０Ｂに電圧を印加したまま、第１の圧電体能動部３２０Ａに電圧を印加してインクを吐出するようにしてもよい。このように、第２の圧電体能動部３２０Ｂに電圧を印加した状態では、図８（ｂ）のように、振動板が上に押し上げられるため、第１の圧電体能動部３２０Ａには引張り応力がかかる。この応力により、第１の圧電体能動部３２０Ａの圧電特性が向上され、第１の圧電振動子３２０Ａの駆動による振動板の変位量が増大し、第１の圧電体能動部３２０Ａのみの駆動よりも、排除体積が向上する。
【００６７】
また、本実施形態では、勿論、第１の圧電体能動部３２０Ａを単独で駆動することによってもインクを吐出することができる。
【００６８】
したがって、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドを用いることにより、複数種類の異なる径のインク滴を吐出することができる。すなわち、上述した第２の圧電体能動部３２０Ｂと第１の圧電体能動部３２０Ａとの駆動を組み合わせて排除体積を増加させた場合、インク径の大きなインク滴を吐出するように設定できるので、第１の圧電体能動部３２０Ａのみの駆動により、比較的小さなインク滴を吐出できるようにすれば、２種類の径の異なるインク滴を打ち分けることができる。したがって、上述したように、第１の圧電体能動部３２０Ａと第２の圧電体能動部３２０Ｂとの組み合わせ方を変えることにより、異なるインク径のインク滴を打ち分けるようにすれば、３種類のインク滴を吐出することができる。これらの方法によれば、圧電体能動部に印加する電圧及び駆動波形等の条件が同一でも、吐出方法を変更するだけで振動板の変形量が変えることができ、径の異なるインク滴を容易に吐出させることができる。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、圧力発生室１２毎に第１の圧電振動子３００Ａの幅方向両側に設けた第２の圧電体能動部３２０Ｂを駆動させることにより、振動板を圧力発生室１２とは反対方向に引き上げることができる。したがって、第１の圧電体能動部３２０Ａの駆動による振動板の変形量を増加させることができ、十分な排除体積を得ることができる。また、これらの圧電体能動部の駆動方法を変更するだけで、駆動電圧及び駆動波形等の条件を変えることなく、容易に複数種類の異なる径のインク滴を吐出することもでき、状況に応じた印刷を実行することができる。
【００７０】
なお、本実施形態では、第１の圧電振動子３００Ａを圧力発生室１２に対向する領域のみに設け、また、中間セグメント３１０も長手方向において、第１の圧電振動子３００Ａと略同一の長さで設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、図１０（ａ）に示すように、それぞれ、長手方向一端部を周壁に対向する領域に延設するようにしてもよい。このとき、第１の圧電振動子３００Ａと中間セグメント３１０とは、それぞれ逆方向に延設されることが好ましい。これにより、第１の圧電振動子３００Ａ及び中間セグメント３１０への配線を容易に形成することができる。
【００７１】
また、上述のように、中間セグメント３１０は、第１の圧電振動子３００Ａが周壁上へ延設される端部近傍以外で、圧力発生室１２の幅方向両側から圧力発生室１２に臨むように形成されているが、中間セグメント３１０を第１の圧電振動子３００Ａが延設される端部まで延ばしてもよく、さらには、例えば、図１０（ｂ）に示すように、中間セグメント３１０は、圧力発生室１２の第１の圧電振動子３００Ａが引き出される側の端部を除く三方向から圧力発生室１２に臨むように形成されていていもよい。また、例えば、図１０（ｃ）に示すように、中間セグメント３１０は、第１の圧電振動子３００Ａの周り全てから圧力発生室１２に臨むように形成されていてもよい。これらの何れの構造によっても、上述同様の効果を得ることができる。
【００７２】
（実施形態２）
図１１は、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及び断面図である。
【００７３】
本実施形態は、第２の圧電振動子３００Ｂを各圧力発生室毎１２に駆動することができるようにした例である。
【００７４】
図１１に示すように、本実施形態では、中間セグメント３１０を構成する上電極膜８０及び圧電体膜７０を圧力発生室１２の幅方向の周壁上に対向する領域でパターニングして、各圧力発生室１２毎に第２の圧電振動子３００Ｂを独立して形成するようにした。そして、第２の圧電振動子３００Ｂの長手方向一端部近傍には、それぞれ、コンタクトホール９０ｂを介して上電極膜８０とリード電極１００とが接続され、各圧力発生室１２毎に第２の圧電体能動部３２０Ｂをそれぞれ独立して駆動させることができる。
【００７５】
したがって、実施形態１と同様に、第１の圧電体能動部３２０Ａの駆動及び第２の圧電体能動部３２０Ｂの駆動とを組み合わせて、排除体積を大きくすることができる。また、このような構成では、インク吐出を行う圧力発生室１２に対応する第２の圧電振動子３００Ｂのみを駆動すればよいため、無駄な駆動を防止することができる。
【００７６】
また、この第２の圧電振動子３２０Ｂのみの駆動では、インクが吐出しないように設定することもできるが、本実施形態によれば、例えば、圧電体膜７０をより圧電特性の優れた材料で形成したり、第２の圧電体能動部３２０Ｂの幅等を変更することによって、第２の圧電体能動部３２０の駆動のみでインクを吐出することもできる。ここで、第２の圧電体能動部３２０Ｂのみの駆動によるインク吐出とは、実施形態１で述べたように、電圧を印加することにより振動板を圧力発生室１２とは反対方向に引き上げ、その後、電圧を解除して振動板が元に戻ることによりインクを吐出させるものである。この場合には、複数種類の異なる径のインク滴を打ち分けることができる。以下に、その方法を示す。
【００７７】
このような実施形態２のインクジェット式記録ヘッドを用いた場合、まず第１に、第１の圧電体能動部３２０Ａのみの駆動によるインク吐出、第２に、第２の圧電体能動部３２０Ｂのみの駆動によるインク吐出、第３に、第２の圧電体能動部３２０Ｂの駆動及び第１の圧電体能動部３２０Ａの駆動の組み合わせによるインク吐出が可能である。また、第１の圧電体能動部３２０Ａと第２の圧電体能動部３２０Ｂとの駆動の組み合わせを、上述したように２種類とすることもできる。したがって、このようなインク吐出方法では、印加電圧及び駆動波形等が同じとしても、それぞれ振動板の変形量が異なるため、３種類又は４種類のインク径の異なるインク滴を吐出することができる。
【００７８】
したがって、状況に応じて、何れかのインク吐出方法に変更するだけで、常にその状況に応じた大きさのインク滴を容易に吐出することができる。また、本実施形態では、各圧力発生室１２毎に第２の圧電振動子３００Ｂを独立して設けているので、所望の位置の圧力発生室１２に対応する第２の圧電体能動部３２０Ｂのみを駆動させることができる。
【００７９】
（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。
【００８０】
例えば、上述の各実施形態では、第１の圧電振動子３００Ａと第２の圧電振動子３００Ｂとの対向面を平面で形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、図１２に示すように、両者の対向面３２１Ａ，３２１Ｂを波状に形成してもよく、あるいは、凹凸形状としてもよい。何れにしても、第２の圧電振動子３００Ｂが、圧力発生室１２の周壁に対向する領域から圧力発生室１２に対向する領域に臨むように形成されていればよい。
【００８１】
また、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。
【００８２】
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。
【００８３】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１３、その流路の断面を図１４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。
【００８４】
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。
【００８５】
ここで、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、第１の圧電振動子の幅方向両側に第２の圧電振動子を設けることにより、排除体積を向上することができる。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
また、圧電振動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。
【００８９】
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。
【００９０】
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１５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。
【００９１】
図１５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。
【００９２】
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。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の圧電振動子と、その幅方向両側に形成された第２の圧電振動子との駆動により、一旦、振動板を引き上げてから、振動板を下に凸に変形させてインクを吐出することができる。したがって、振動板の変形量を増加し、排除体積を増加させることができる。また、これら、第１及び第２の圧電振動子の駆動を組み合わせることにより、振動板の変形量を変化させることができ、径の異なるインク滴を容易に吐出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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】  本発明の振動板の変形を示す図である。
【図９】  本発明の圧電体能動部への電圧印加のタイミングを示すグラフである。
【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を示す平面図である。
【図１１】  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及び断面図である。
【図１２】  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要部を示す平面図である。
【図１３】  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を示す断面図である。
【図１５】  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
６１  凹部
７０  圧電体膜
８０  上電極膜
９０  絶縁体層
１００  リード電極
３００Ａ  第１の圧電振動子
３００Ｂ  第２の圧電振動子
３１０  中間セグメント
３２０Ａ  第１の圧電体能動部
３２０Ｂ  第２の圧電体能動部
【図１】
0003750709.tif 000002
【図２】
0003750709.tif 000003
【図３】
0003750709.tif 000004
【図４】
0003750709.tif 000005
【図５】
0003750709.tif 000006
【図６】
0003750709.tif 000007
【図７】
0003750709.tif 000008
【図８】
0003750709.tif 000009
【図９】
0003750709.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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