(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上面に下電極を有する振動板と、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る圧電体能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電体能動部を形成する圧電体層が該圧電体能動部の外側近傍に延設され、前記圧電体能動部の端部から前記上電極との間に電界が形成される距離を離れた圧電体層の表面にフローティング電極を設け、該フローティング電極が前記圧電体能動部毎に設けられ、かつ前記上電極と電気的に接続されていないことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、前記圧電体能動部上にパターニングされた上電極の端部と前記フローティング電極との前記所定距離は、前記圧電体層の厚さの０．２〜３倍以下であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層は、前記圧電体能動部の圧電性より相対的に圧電性が低くなるよう改質された低活性部からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層がハーフエッチングされていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
少なくとも上面に下電極を有する振動板と、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る圧電体能動部と、前記圧電体層の表面に前記上電極が形成されていない圧電体非能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電体能動部を形成する上電極の端部は、当該端部の縁が面方向に凹凸する凹凸部となって前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界で電界が平面的に分散される様に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項５において、前記凹凸部の凹凸の大きさ及び間隔がそれぞれ前記圧電体層の厚さの０．２〜３倍以下であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記圧電体能動部の端部の外側近傍には、当該圧電体能動部の端部から所定距離だけ離れ且つ当該圧電体能動部に形成された上電極と電気的に接続されないフローティング電極が設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
請求項７において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層は、前記圧電体能動部の圧電性より相対的に圧電性が低くなるよう改質された低活性部からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項９】
請求項７又は８において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層がハーフエッチングされていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１０】
少なくとも上面に下電極を有する振動板と、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る圧電体能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電体能動部を形成する圧電体層が該圧電体能動部の外側近傍に延設され、該外側近傍の圧電体層の圧電性が前記圧電体能動部を形成する圧電体層の圧電性より相対的に低くなるよう改質された低活性部からなり、前記低活性部は、前記圧電体層に原子又は分子を衝突させることにより形成したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載のアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記振動板が、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向した領域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１２】
請求項１〜４の何れかに記載のアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記振動板が、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向する領域内に帯状に形成され、前記端部は当該圧電体能動部の両端部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１３】
請求項１２において、帯状に形成された前記圧電体能動部の一端部から前記圧力発生室の端部側壁に対向する領域まで前記圧電体層が連続的に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１４】
請求項１３において、帯状に形成された前記圧電体能動部の一端部から前記圧力発生室の端部側壁に対向する領域まで連続的に延設されている前記圧電体層の前記一端部から少なくとも前記圧力発生室と前記端部側壁との境界に対向する領域までが不活性部であ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、振動板の上に圧電体能動部を有するアクチュエータに関し、特に、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、圧電振動子が軸方向に伸長、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弾性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、圧電材料層は弾性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、少なくとも一端部以外は圧力発生室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、上電極のエッジ部にクラックが入り、このクラックは上電極パターンの下の圧電体層まで進展して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、上述したように帯状に形成した圧電体能動部では、圧電体パターンの端部が剥離し易く、場合によっては端部が、絶縁破壊、クラックの発生、又は下電極と圧電体層との間で剥離する等の疲労破壊を発生する虞があるという問題がある。
【００１０】
さらに、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。
【００１１】
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く、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】
また、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、基板の一方側に振動板及び圧電体能動部を有するアクチュエータにおいても同様に存在する。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能動部の端部での剥離あるいはクラック発生を防止することができるアクチュエータおよび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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する為、請求項１の発明は、少なくとも上面に下電極を有する振動板と、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る圧電体能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、前記圧電体能動部を形成する圧電体層が該圧電体能動部の外側近傍に延設され、前記圧電体能動部の端部から前記上電極との間に電界が形成される距離を離れた圧電体層の表面にフローティング電極を設け、該フローティング電極が前記圧電体能動部毎に設けられ、かつ前記上電極と電気的に接続されていないことを特徴とするアクチュエータにある。
【００１５】
請求項１の発明によれば、上電極とフローティング電極との間に電界が形成されるので、変位する領域と変位を全く生じない領域とが直接隣接しなくなるので、圧電体能動部の端部近傍で疲労破壊が生じ難くなる。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１において、前記圧電体能動部上にパターニングされた上電極の端部と前記フローティング電極との前記所定距離は、前記圧電体層の厚さの０．２〜３倍以下であることを特徴とするアクチュエータにある。
【００１７】
請求項２の発明によれば、上電極とフローティング電極との間に電界が生じ、有効に疲労破壊等が防止される
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層は、前記圧電体能動部の圧電性より相対的に圧電性が低くなるよう改質された低活性部からなることを特徴とするアクチュエータにある。
【００１９】
請求項３の発明によれば、低活性部での変位が低減するので、疲労破壊等が有効に防止される。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層がハーフエッチングされていることを特徴とするアクチュエータにある。
【００２１】
請求項４の発明によれば、ハーフエッチングによりその部分での応力が緩和されるので、疲労破壊等が有効に防止される。
【００２２】
請求項５の発明は、少なくとも上面に下電極を有する振動板と、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る圧電体能動部と、前記圧電体層の表面に前記上電極が形成されていない圧電体非能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電体能動部を形成する上電極の端部は、当該端部の縁が面方向に凹凸する凹凸部となって前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界で電界が平面的に分散される様に形成されていることを特徴とするアクチュエータにある。
【００２３】
請求項５の発明によれば、上電極に凹凸部が形成されているので、圧電体能動部の端部での電界の集中が防止され、疲労破壊等が防止される。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項５において、前記凹凸部の凹凸の大きさ及び間隔がそれぞれ前記圧電体層の厚さの０．２〜３倍以下であることを特徴とするアクチュエータにある。
【００２５】
請求項６の発明によれば、凹凸部形成により、電界の集中の抑制効果が有効に発揮される。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項５又は６において、前記圧電体能動部の端部の外側近傍には、当該圧電体能動部の端部から所定距離だけ離れ且つ当該圧電体能動部に形成された上電極と電気的に接続されないフローティング電極が設けられていることを特徴とするアクチュエータにある。
【００２７】
請求項７の発明によれば、凹凸部とフローティング電極の相応効果により、疲労破壊等が有効に防止される。
【００２８】
請求項８の発明は、請求項７において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層は、前記圧電体能動部の圧電性より相対的に圧電性が低くなるよう改質された低活性部からなることを特徴とするアクチュエータにある。
【００２９】
請求項８の発明によれば、さらに、低活性部による変位抑制効果が発揮される。
【００３０】
請求項９の発明は、請求項７又は８において、前記圧電体能動部の前記上電極と前記フローティング電極との間の前記圧電体層がハーフエッチングされていることを特徴とするアクチュエータにある
【００３１】
請求項９の発明によれば、ハーフエッチングによりその部分での応力が緩和されるので、疲労破壊等が有効に防止される。
【００３２】
請求項１０の発明は、少なくとも上面に下電極を有する振動板と、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る圧電体能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電体能動部を形成する圧電体層が該圧電体能動部の外側近傍に延設され、該外側近傍の圧電体層の圧電性が前記圧電体能動部を形成する圧電体層の圧電性より相対的に低くなるよう改質された低活性部からなり、前記低活性部は、前記圧電体層に原子又は分子を衝突させることにより形成したことを特徴とするアクチュエータにある。
【００３３】
請求項１０の発明によれば、圧電体能動部の外部に圧電特性が低い低活性部があるので、繰り返し駆動による疲労破壊が防止される。また、低活性部が原子又は分子を衝突させることにより容易に形成される。
【００３６】
請求項１１の発明は、請求項１〜１０の何れか記載のアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記振動板が、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向した領域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。
【００３７】
請求項１１の発明によれば、圧力発生室に対向して圧電体能動部を形成することにより、圧電体能動部の駆動によりインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドが構成され、圧電体能動部の端部での疲労破壊が有効に防止される。
【００３８】
請求項１２の発明は、請求項１〜４の何れかに記載のアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記振動板が、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向する領域内に帯状に形成され、前記端部は当該圧電体能動部の両端部であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【００３９】
請求項１２の発明によれば、圧力発生室に対向して設けられた圧電体能動部の両端部での疲労破壊が防止される。
【００４０】
請求項１３の発明は、請求項１２において、帯状に形成された前記圧電体能動部の一端部から前記圧力発生室の端部側壁に対向する領域まで前記圧電体層が連続的に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。
【００４１】
請求項１３の発明によれば、周壁上に延設された圧力体能動部の端部の疲労破壊等が有効に防止される。
【００４２】
請求項１４の発明は、請求項１３において、帯状に形成された前記圧電体能動部の一端部から前記圧力発生室の端部側壁に対向する領域まで連続的に延設されている前記圧電体層の前記一端部から少なくとも前記圧力発生室と前記端部側壁との境界に対向する領域までが不活性部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。
【００４３】
請求項１４の発明によれば、圧力発生室と周壁との境界近傍の圧電体層の疲労破壊が防止される。
【００４８】
【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。
【００４９】
（実施形態１）
図１には、本発明の実施形態１に係るアクチュエータの平面及び断面を示す。図１に示すように、基板１上には凹部１ａが形成され、凹部１ａ上には、下電極膜２、圧電体膜３、及び上電極膜４が順次積層されてそれぞれ円形状にパターニングされており、上電極膜４の周囲には、所定距離離れて上電極膜４とは電気的に独立している円環状のフローティング電極５がパターニングされている。なお、下電極膜２及び上電極膜４は、それぞれ図示しない電源に接続されている。
【００５０】
かかるアクチュエータでは、下電極膜２が振動板を兼ねており、この下電極膜２上にパターニングされた圧電体膜３及び上電極膜４が圧電体能動部となる。したがって、下電極膜２と上電極膜４との間に電圧を印加することにより、アクチュエータを駆動することができる。
【００５１】
ここで、本実施形態では、アクチュエータ駆動時に上電極膜４とフローティング電極５との間に電界が形成されるので、上電極膜４の外側近傍のフローティング電極５を形成した部分でも多少の変位が生じる。したがって、変位が生じる部分と変位が全く生じない部分とが直接隣接しなくなるので、上電極膜４の端部にクラック等が生じ難く、アクチュエータの耐久性が著しく向上する。
【００５２】
このような効果を得るため、上電極膜４の端部とフローティング電極５との距離Ａは、通常、０．２〜２０μｍある圧電体膜３の厚さの３倍以下、好ましくは、０．２〜３倍とするのがよい。これは、上電極膜４の端部とフローティング電極５との間に電界が生じて上述した作用を発揮させるためである。
【００５３】
フローティング電極の形状は特に限定されず、図２に示すように、矩形の帯状の上電極膜４Ａに対しては、壊れやすい端部のみに直線上のフローティング電極５Ａを設けてもよく、また、端部が円弧状の帯状の上電極膜４Ｂに対しては、円弧状の端部を囲むような円弧状のフローティング電極５Ｂを設けてもよい。
【００５４】
また、上電極膜４とフローティング電極５との圧電体膜３に凹部３ａを、例えば、イオンミリングによるハーフエッチングにより形成したので、電極近傍の圧電体膜３の表面での応力が緩和される。
【００５５】
また、ハーフエッチングした部分の下の圧電体膜３は、ダメージを受けて低活性部３ｂとなっている。このように圧電体能動部の圧電性より相対的に圧電性が低くなるよう改質された低活性部３ｂが形成されると、その部分での変位特性が低下するので、圧電体能動部との境界で破壊がさらに生じ難くなる。
なお、低活性部は必ずしもハーフエッチングして形成する必要はなく、単に、原子又は分子を衝突させることにより形成することができ、例えば、イオンミリング等により上電極膜４を除去することによりその下の圧電体膜３の表面は低活性部となる。
【００５６】
（実施形態２）
図３には、実施形態２に係るアクチュエータの平面及び断面を示す。図３に示すように、本実施形態のアクチュエータの基本的構造は上述した実施形態と同様であるが、本実施形態では、上電極膜４Ｃの外周縁部に凹凸部６が形成されている。凹凸部６は、上電極膜の外周縁を面方向に凹凸となるようにパターニングしたものである。
【００５７】
かかる構成のアクチュエータでは、上電極膜４Ｃの周囲での電界が平面的に分散され、応力の分布が均一なクラックを発生させる状態ではなくなるので、圧電体膜３にクラック等が生じ難くなる。
【００５８】
ここで、凹凸部６の凹凸量（凹凸の深さ）Ｂ及び凹凸の間隔（ピッチ）Ｃがそれぞれ圧電体膜３の厚さの３倍以下、好ましくは、０．２倍〜３倍程度がよい。これは、電界集中緩和の効果を奏するためである。
【００５９】
このようなアクチュエータに上述した実施形態のフローティング電極を組み合わせることにより、より顕著な効果を奏することができる。すなわち、図４に示すように、上電極膜４Ｃの周囲に円環状のフローティング電極５Ｃを設けてもよい。
【００６０】
また、帯状にパターニングされた上電極膜に対しては、破壊されやすい端部のみに凹凸部を設けてもよく、さらに、フローティング電極を設けてもよい。図５は、帯状の上電極膜４Ｄの端部に凹凸部６Ａを設け、さらにフローティング電極５Ｄを設けたものである。このフローティング電極５Ｄは、凹凸部６に対向する縁が凹凸部６の凹凸に対応した凹凸形状となっているが、このような構造を図４のフローティング電極５Ｃに設けてもよいことは言うまでもない。
【００６１】
また、上電極膜の凹凸部のパターニングを、例えば、イオンミリングによるハーフエッチングにより形成し、凹凸部の外側の圧電体膜がハーフエッチングしてハーフエッチング部を設けてもよい。このようにハーフエッチング部を設けると、その部分での応力が緩和されるので、圧電体能動部との境界で破壊がさらに生じ難くなる。
【００６２】
さらに、上電極膜の凹凸部は、必ずしも上電極膜をパターニングすることにより形成する必要はなく、例えば、図６に示すように、圧電体膜３上に内側に凹凸部７ａを有する低誘電体膜７を形成し、この上に上電極膜４Ｅを形成するようにしてもよい。これにより、上電極膜４Ｅと圧電体膜３とが接触する圧電体能動部の外周は凹凸形状となり、同様な効果を奏することができる。
【００６３】
（実施形態３）
図７には、実施形態３に係るアクチュエータの平面図及び断面図を示す。図７に示すように、本実施形態のアクチュエータは、基本的には実施形態１に係るアクチュエータと同一であるが、実施形態１のフローティング電極５の代わりに、上電極膜４の外側周縁部に凹部３ｃをイオンミリングにより形成したものである。なお、凹部３ｃの下部には低活性部３ｄが形成されている。
【００６４】
かかる構成では、上電極膜４の外縁部近傍での変位特性が低下するので、圧電体能動部の繰り返し駆動によっても、その外縁部に疲労破壊が生じにくくなり、圧電体能動部の耐久性を向上することができる。
【００６５】
（実施形態４）
本実施形態は、本発明をインクジェット式記録ヘッドに適用した例を示すものであり、図８には実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの組立斜視を、図９には、その平面及び１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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１０（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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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おり、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いる。また、本実施形態では、圧電体膜７０を各圧力発生室１２に対応して個別に設けたが、圧電体膜を全体に設け、上電極膜８０を各圧力発生室１２に対応するように個別に設けてもよい。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
【００７８】
また、本実施形態では、上電極膜８０の長手方向端部から所定の距離だけ離してフローティング電極８５を配置してある。
【００７９】
ここで、圧力発生室と圧電体能動部の端部との平面位置関係及びその断面を図１１に示す。図１１に示すように、フローティング電極８５は、上電極膜８０と同時にパターニングにより形成されるが、上電極膜８０とは電気的に分離されるように形成されている。すなわち、上電極膜８０の端部までが圧電体能動部３２０となり、その外側にフローティング電極８５が形成されている。また、フローティング電極８５の圧力発生室１２の端部側は、上電極膜８０が除去されて圧電体膜７０が露出された非能動部３３０となっている。
【００８０】
このような構造では、圧電体能動部を駆動する際に、上電極膜８０の端部とフローティング電極８５との間に電界が生じるので、多少の変位が発生する。したがって、圧電体能動部と非能動部との間に低能動部が存在することになるので、上電極膜８０の端部近傍にて、繰り返し駆動による疲労破壊が生じ難くなる。
【００８１】
このようにフローティング電極８５は、圧力発生室１２に対向して帯状に形成した上電極膜８０の端部近傍での疲労破壊等を防止するためのものであり、長手方向両端部に設けてもよいが、相対的に疲労破壊が生じやすい後述するコンタクトホール近傍の端部のみに設けてもよい。なお、フローティング電極８５は、上述したように、上電極膜８０とは電気的に独立するように形成すればよく、また、上電極膜８０の端部からフローティング電極８５までの距離は、圧電体膜７０の厚さの０．２〜３．０倍とするのが好ましい。
【００８２】
また、上述したアクチュエータの実施形態で述べたように、上電極膜８０とフローティング電極８５との間の圧電体膜７０をイオンミリング等でハーフエッチングしてハーフエッチング部を形成してもよい。
【００８３】
なお、非能動部３３０上には、圧電体膜７０上には、フローティング電極８５と連続して又は独立して上電極膜８０を残しておいてもよい。
【００８４】
そして、かかる各上電極膜８０及びフローティング電極８５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。
【００８５】
絶縁体層９０の各上電極膜８０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。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。
【００８６】
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１２を参照しながら説明する。
【００８７】
図１２（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。
【００８８】
次に、図１２（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。
【００８９】
次に、図１２（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。
【００９０】
次に、図１２（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。
【００９１】
次に、図１３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。なお、図示はしていないが、このとき同時に、フローティング電極８５をパターニングする。
【００９２】
まず、図１３（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１３（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。
【００９３】
以上説明したように、まず、下電極膜６０の全体のパターンを形成し、次いで、圧電体能動部３２０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。
【００９４】
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、圧電体膜７０の側面および下電極膜６０の上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８参照）。
【００９５】
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。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。なお、本実施形態では、上述した非能動部３２０ａの近傍にコンタクトホール９０ａを形成するようにしている。
【００９６】
このような絶縁体層の形成プロセスを図１４に示す。
【００９７】
まず、図１４（ａ）に示すように、上電極膜８０の周縁部、圧電体膜７０の側面および下電極膜６０の上面を覆うように絶縁体層９０を形成する。本実施形態では、絶縁体層９０としてネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【００９８】
次に、図１４（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。
【００９９】
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。
【０１００】
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１４（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８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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
（実施形態５）
図１５には、本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室及び圧電体能動部の端部の形状を示す。
【０１０３】
本実施形態は、圧電体能動部３２０Ａの端部では、上電極膜８０に凹凸部８０ａがパターニングされている。凹凸部８０ａは、上電極膜８０を面方向に凹凸になるようにパターニングしたものであり、上述したアクチュエータの実施形態と同様に、凹凸部８０ａの凹凸量及び凹凸の間隔は、圧電体膜７０の０．２〜３倍程度であるのが好ましい。
【０１０４】
このような構成とすることにより、圧電体能動部３２０Ａと非能動部３３０Ａとの境界部で電界が平面的に分散し、応力の分布が均一のクラックを発生させる状態でなくなるので、繰り返し駆動による疲労破壊が生じにくくなる。
【０１０５】
なお、このような構成に加えて、フローティング電極を設けてもよいし、さらに、フローティング電極と凹凸部との間の圧電体膜をハーフエッチングしてもよいことは、上述したアクチュエータの実施形態で述べたとおりである。
【０１０６】
また、上述したリード電極１００との接続を図るためのコンタクトホール９０ａは、例えば、凹凸部８０ａの近傍に設けられる。
【０１０７】
（実施形態６）
図１６には、本発明の実施形態６に係るインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室及び圧電体能動部の端部の形状を示す。
【０１０８】
本実施形態は、上電極膜８０がパターニングされた圧電体能動部３２０Ｂに隣接して圧力発生室１２の端部に設けられた非能動部３３０Ｂの圧電体膜をイオンミリングでハーフエッチングしてハーフエッチング部７０ａとしたものである。
【０１０９】
このような構成とすることにより、圧電体能動部３２０Ｂと非能動部３３０Ｂとの境界部で応力が緩和されるので、繰り返し駆動による疲労破壊が生じにくくなる。
【０１１０】
なお、上述したリード電極１００との接続を図るためのコンタクトホール９０ａは、例えば、非能動部３３０Ｂの近傍に設けられる。
【０１１１】
（実施形態７）
図１７には、本発明の実施形態７に係るインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室及び圧電体能動部の端部の形状を示す。
【０１１２】
本実施形態は、実施形態５と同様に圧電体能動部３２０Ｃの端部において上電極膜８０に凹凸部８０ａがパターニングされているが、圧電体膜７０を圧力発生室１２の一端部から周壁上まで延設した点が相違する。さらに、圧力発生室１２とその周壁との境界に対向する圧電体膜をイオンミリングでハーフエッチングしてハーフエッチング部７０ｂを形成している。
【０１１３】
このような構成とすることにより、圧電体能動部３２０Ｃと非能動部３３０Ｃとの境界部で応力が緩和されるので、繰り返し駆動による疲労破壊が生じにくくなる。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圧電体膜７０等に割れ等が発生しやすいが、本実施形態ではこの部分がハーフエッチング部７０ｂであるので、この部分での割れ等の発生が防止され、さらに、非能動部３３０Ｃの端部での膜剥離等が防止される。
【０１１４】
なお、非能動部３３０Ｃ全体をハーフエッチングしてよく、また、非能動部３３０Ｃのハーフエッチングしない領域には上電極膜８０を残しておいても差し支えない。
【０１１５】
また、上述したリード電極１００との接続を図るためのコンタクトホール９０ａは、例えば、凹凸部８０ａの近傍に設けられる。
【０１１６】
さらに、圧電体膜７０を圧力発生室１２の周壁上に延設する場合の形状は本実施形態に限定されず、例えば、図１８に示すように、延設される部分の圧電体膜７０の幅を広くパターニングした非能動部３３０Ｄとしてもよい。この場合、リード電極１００のパターンを圧電体膜に併せて幅広に形成することができ、所望の電圧の印加が容易になる。
【０１１７】
（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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１９、その流路の断面を図２０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側のノズル基板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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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、フローティング電極又は凹凸部又は低活性部を設けて、圧電体能動部の端部での疲労破壊等を防止することができる。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、圧電体能動部の端部近傍にフローティング電極又は圧電体膜の低活性部を設け、又は圧電体能動部の上電極膜の端部に凹凸部を設けることにより、圧電体能動部の端部近傍での剥がれ又はクラックの発生等が防止され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に係るアクチュエータを示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明の実施形態１の変形例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るアクチュエータを示す要部平面図及び断面図である。
【図４】本発明の実施形態２の変形例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２の変形例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態２の変形例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３に係るアクチュエータを示す平面図及び断面図である。
【図８】本発明の実施形態４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９】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドを示す図であり、図８の平面図及び断面図である。
【図１０】図８の封止板の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態４の要部を示す平面図及び断面図である。
【図１２】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図１３】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図１４】本発明の薄膜製造工程を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態５を説明する要部平面図である。
【図１６】本発明の実施形態６を説明する要部平面図である。
【図１７】本発明の実施形態７を説明する要部平面図である。
【図１８】本発明の実施形態７の変形例を説明する要部平面図である。
【図１９】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２０】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】
１  基板
２  下電極膜
３  圧電体膜
３ａ，３ｃ  凹部
３ｂ，３ｄ  低活性部
４  上電極膜
５  フローティング電極
６  凹凸部
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
３２０，３３０  圧電体能動部
３２０ａ，３３０ａ  非能動部
【図１】
0003803472.tif 000002
【図２】
0003803472.tif 000003
【図３】
0003803472.tif 000004
【図４】
0003803472.tif 000005
【図５】
0003803472.tif 000006
【図６】
0003803472.tif 000007
【図７】
0003803472.tif 000008
【図８】
0003803472.tif 000009
【図９】
0003803472.tif 000010
【図１０】
0003803472.tif 000011
【図１１】
0003803472.tif 000012
【図１２】
0003803472.tif 000013
【図１３】
0003803472.tif 000014
【図１４】
0003803472.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
0003803472.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0003803472.tif 000019
【図１９】
0003803472.tif 000020
【図２０】
0003803472.tif 000021