JP2004017613A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の駆動による圧電体層の破壊を防止した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】圧電素子３００が、圧力発生室１２に対向する領域内に、実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０と圧電体能動部３２０から連続する圧電体層７０を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０とを有すると共に、圧電素子３００上に圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界を跨いで設けられて圧電素子３００の駆動による応力を抑える応力抑制層１００，１００Ａを有し、且つ圧電体能動部３２０に対向する領域の応力抑制層１００，１００Ａの長さＬを、圧力発生室１２の幅Ｗの０．６倍以上とする。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、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に供給されたインクを圧電素子又は発熱素子を介して加圧することによって、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及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、圧電体層及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ことが望ましい。
【０００８】
そこで、各圧力発生室に対応する圧電素子を絶縁層で覆い、この絶縁層に各圧電素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の窓（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、各圧電素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知られている。
【０００９】
しかしながら、このように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った。
【００１０】
このような問題を解決するために、圧力発生室に対向する領域に、圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部から連続して、圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部を設け、コンタクトホールを設けることなくリード電極を形成した構造が提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造では、圧電素子に電圧を印加して駆動させると、圧電体能動部が変形する。すなわち、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分で急峻な応力変化が生じるため、この部分にクラック等の破壊が生じるという問題がある。
【００１２】
また、この問題は、特に、圧電材料層を薄膜成膜技術で形成した場合に生じやすい。なぜなら、薄膜成膜技術で形成した圧電材料層は非常に薄いため、バルクの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。
【００１３】
さらに、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【００１４】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の駆動による圧電体層の破壊を防止した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【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が画成される流路形成基板と、該流路形成基板上に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記圧電素子は、前記圧力発生室に対向する領域内に、実質的な駆動部となる圧電体能動部と該圧電体能動部から連続する前記圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部とを有すると共に、当該圧電素子上に前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界を跨いで設けられて前記圧電素子の駆動による応力を抑える応力抑制層を有し、且つ前記圧電体能動部に対向する領域の前記応力抑制層の長さが、前記圧力発生室の幅の０．６倍以上であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１６】
かかる第１の態様では、圧電素子を駆動した際に、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分に応力が集中するのを確実に防止でき、圧電素子の繰り返し駆動によっても圧電体層が破壊されることがない。
【００１７】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電体層は、結晶が優先配向していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１８】
かかる第２の態様では、圧電体層が薄膜工程で成膜された結果、結晶が優先配向している。
【００１９】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記圧電体層は、結晶が柱状となっていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２０】
かかる第３の態様では、圧電体層が薄膜工程で成膜された結果、結晶が柱状となっている。
【００２１】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧電体層の膜厚が０．５〜３μｍであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２２】
かかる第４の態様では、圧電体層の膜厚を比較的薄くして、ヘッドを小型化することができる。
【００２３】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記応力抑制層の前記圧電素子上の先端部が、前記流路形成基板の表面に平行な基準面よりも前記圧力発生室側を向いていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２４】
かかる第５の態様では、応力抑制層によって圧電体層の破壊を防止できると共に、応力抑制層によって圧電素子の変位量を低下させることがなく、インク吐出特性を良好に維持できる。
【００２５】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧電素子の長手方向一端部側には、前記上電極に電気的に接続されて前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設される接続配線が設けられ、該接続配線が前記応力抑制層を兼ねていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２６】
かかる第６の態様では、接続配線が応力抑制層を兼ねるため、構造を簡略化でき、製造コストを抑えることができる。
【００２７】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記圧電体非能動部が前記圧電体能動部の長手方向両端部に設けられ、且つ前記応力抑制層が、前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部の各境界にそれぞれ設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２８】
かかる第７の態様では、圧電素子の長手方向両端部での圧電体層の破壊を確実に防止することができる。
【００２９】
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液体噴射ヘッドにある。
【００３０】
かかる第８の態様では、比較的容易に圧力発生室を高精度且つ高密度に形成することができる。
【００３１】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
【００３２】
かかる第９の態様では、ヘッドの耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００３３】
【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。
【００３４】
（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、図１の平面図及び断面図である。
【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。この流路形成基板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り、厚さが例えば、１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３６】
この流路形成基板１０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、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３７】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、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。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。
【００３８】
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。ここで、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。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４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】
なお、このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択する。例えば、１８０ｄｐｉの解像度が得られるように圧力発生室１２を配置する場合、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉの解像度が得られるように圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００４０】
また、流路形成基板１０の他方面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、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、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート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。
【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２１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２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００４２】
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、本実施形態では、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなり厚さが例えば、１〜２μｍの絶縁膜５５が設けられており、これら弾性膜５０及び絶縁膜５５が振動板となる。また、この絶縁膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層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、圧電体層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層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層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、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００４３】
ここで、このような圧電素子３００の構造について詳しく説明する。
【００４４】
図２に示すように、圧電素子３００の一部を構成する下電極膜６０は、並設された複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に設けられ、圧力発生室１２の長手方向両端部近傍でそれぞれパターニングされている。すなわち、圧電素子３００は、実質的な駆動部である圧電体能動部３２０と、その長手方向両端部に連続する圧電体層７０を有するが駆動されない圧電体非能動部３３０とを有し、パターニングされた下電極膜６０の端部６０ａが圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界となっている。
【００４５】
また、本実施形態では、圧電素子３００を構成する圧電体能動部３２０及び圧電体非能動部３３０は、圧力発生室１２に対向する領域内に独立して形成されている。すなわち、圧電体層７０及び上電極膜８０が、圧力発生室１２に対向する領域内にパターニングされている。そして、上電極膜８０には、圧電素子３００の長手方向一端部近傍から弾性膜５０上に延設されるリード電極９０が接続され、このリード電極９０を介して図示しない外部配線と接続されている。
【００４６】
ここで、このリード電極９０は、圧電素子３００の駆動時の応力を抑えるための応力抑制層１００を兼ねており、圧電体能動部３２０に対向する領域から圧電体非能動部３３０上を介して弾性膜５０上に延設されている。すなわち、リード電極９０は圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界を跨いで設けられている。また、圧電素子３００の長手方向他端部側も応力抑制層１００Ａが設けられている。この応力抑制層１００Ａは、本実施形態では、リード電極９０と同一の導電層で形成されている。
【００４７】
このような応力抑制層１００，１００Ａは、図３に示すように、少なくとも圧電体能動部３２０に対向する領域では、圧電素子３００の幅よりも狭い幅を有し、圧電体能動部３２０に対向する領域の長さＬが、圧力発生室１２の幅Ｗの０．６倍以上の長さとなるように形成されている。なお、これら応力抑制層１００，１００Ａは、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界よりも外側では、圧力発生室１２よりも広い幅で延設されており、圧電素子３００の長手方向両端部近傍及び圧力発生室１２の縁部に対向する領域の弾性膜５０は、これらの応力抑制層１００，１００Ａによって覆われている。
【００４８】
このように圧電素子３００の長手方向両端部近傍に応力抑制層１００，１００Ａを設けることにより、圧電素子３００の長手方向端部近傍の剛性が高められ、圧電素子３００の駆動時に圧電素子３００にかかる応力を抑えることができる。特に、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界を跨いで応力抑制層１００，１００Ａを設けると共に、圧電体能動部３２０に対向する領域の長さＬを圧力発生室１２の幅Ｗの０．６倍以上とすることにより、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界での急峻な応力変化を効果的に防止することができる。したがって、圧電素子３００を駆動した際に、圧電素子３００の長手方向端部での変位量が減少し、繰返し変位によるクラックの発生等、圧電体層７０の破壊を防止することができる。
【００４９】
ここで、圧力発生室１２の幅を５５μｍとし、圧電体能動部３２０に対向する領域の応力抑制層１００，１００Ａの長さＬを３０μｍとして圧力発生室１２の幅Ｗの０．６倍よりも小さくし、圧電体層７０が破壊される電圧（圧電素子３００に印加する電圧）を測定したところ、６１Ｖであった。これに対し、圧力発生室１２の幅を５５μｍとし、圧電体能動部３２０に対向する領域の応力抑制層１００，１００Ａの長さＬを４０μｍとして圧力発生室１２の幅Ｗの０．６倍以上としたところ、圧電体層７０が破壊される電圧は１４５Ｖと著しく大きくなった。
【００５０】
この結果からも明らかなように、圧電体能動部３２０に対向する領域の応力抑制層１００，１００Ａの長さを圧力発生室の幅Ｗの０．６倍以上とすることにより、圧電素子３００を駆動した際に、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界部分での応力集中を効果的に緩和でき、圧電体層７０の破壊を確実に防止することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向端部近傍が、応力抑制層１００，１００Ａによって覆われているため、圧力発生室１２の長手方向端部近傍での振動板の剛性を向上でき、圧電素子３００の駆動による振動板の破壊を同時に防止することができる。
【００５２】
このような応力抑制層１００，１００Ａの厚さは、特に限定されず、圧電素子３００を構成する各層の厚さ等を考慮して適宜決定されればよいが、圧電素子３００を駆動していない状態で、応力抑制層１００，１００Ａの圧電素子３００上の先端部が流路形成基板１０の表面に平行な基準面よりも圧力発生室１２側を向くように調整しておくことが好ましい。例えば、図４に模式的に示すように、圧電素子３００は、電圧が印加されていない初期状態であっても、それ自体及び応力抑制層１００（９０）の張力によって圧力発生室１２側が凸となるように撓んでいる。このときに、応力抑制層１００の先端部が、図中でＡ−Ａ線（基準面）よりも下側を向くように、その厚さを調整しておくことが望ましい。これにより、圧電体層７０の破壊を防止することができると共に、圧電素子３００を駆動した際の変位特性を低下させることなく、インク吐出特性を良好に維持することができる。なお、図４では、応力抑制層１００を示して説明したが、勿論、応力抑制層１００Ａについても同様である。
【００５３】
なお、応力抑制層を厚くし過ぎた場合、すなわち、応力抑制層の張力が大きすぎると、その張力によって応力抑制層の先端部が、図４中でＡ−Ａ線（基準面）よりも上側を向いてしまう。このような状態では、圧電素子を駆動した際に、インクを吐出するのに十分な変位量が得られない虞がある。
【００５４】
また、以上説明した本実施形態では、圧電体能動部３２０の外側の領域で、応力抑制層１００，１００Ａの幅を圧電素子３００の幅よりも広くするようにしたが、応力抑制層１００，１００Ａの形状はこれに限定されず、圧電素子３００の配線（下電極膜６０）と短絡することがない形状であればよい。勿論、応力抑制層１００，１００Ａは、圧電素子３００よりも狭い一定の幅で設けられていてもよい。何れにしても、応力抑制層１００，１００Ａは、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界を跨いで設けられ、且つ圧電体能動部３２０に対向する領域の長さが、圧力発生室１２の幅の０．６倍以上となっていればよい。ただし、応力抑制層１００，１００Ａの圧電体能動部３２０に対向する領域の長さは、必要以上に長くすることなく圧力発生室の長さに応じて決定することが好ましい。
【００５５】
さらに、本実施形態では、リード電極９０が応力抑制層１００を兼ねるようにしたが、これに限定されず、勿論、応力抑制層１００は、リード電極９０とは別途形成するようにしてもよいことは言うまでもない。
【００５６】
以下、このような圧電素子３００等をシリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０上に形成するプロセスについて、図５及び図６を参照しながら説明する。なお、図５及び図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。
【００５７】
まず、図５（ａ）に示すように、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。
【００５８】
次に、図５（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に絶縁膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０の表面にジルコニウム層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉でこのジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウムからなる絶縁膜５５とする。
【００５９】
次に、図５（ｃ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を絶縁膜５５の全面に形成後、下電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金等が好適である。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層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、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００６０】
次に、図５（ｄ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・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層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛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。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００６１】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００６２】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００６３】
次に、図５（ｅ）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、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００６４】
次に、図６（ａ）に示すように、圧電体層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及び圧電体非能動部３３０からなる圧電素子３００のパターニングを行う。すなわち、圧力発生室１２に対向する領域で、下電極膜６０が形成された領域が圧電体能動部３２０となり、下電極膜６０が除去されている領域が圧電体非能動部３３０となる。
【００６５】
次に、図６（ｂ）に示すように、応力抑制層１００（リード電極９０）及び１００Ａを形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属膜１１０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングする。このとき、応力抑制層１００（リード電極９０）及び１００Ａは、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０との境界を跨ぐように形成する。なお、この応力抑制層１００（リード電極９０）及び１００Ａは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）等の密着層を介して設けるようにしてもよい。
【００６６】
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、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、図６（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００６７】
なお、実際には、このような一連の膜形成によって圧電素子３００を形成後、後述するリザーバ形成基板等を接合し、その後異方性エッチングにより圧力発生室１２等を形成して、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成する。そして、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。
【００６８】
すなわち、図１及び図２に示すように、圧力発生室１２等が形成された流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ１２０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されている。そして、このリザーバ部３１が、弾性膜５０及び下電極膜６０を貫通して設けられる貫通孔５１を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１２０が構成されている。
【００６９】
このリザーバ形成基板３０としては、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。これにより、上述のノズルプレート２０の場合と同様に、両者を熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００７０】
さらに、このリザーバ形成基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１２０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１２０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００７１】
一方、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３２が設けられている。そして、圧電素子３００は、この圧電素子保持部３２内に密封され、大気中の水分等の外部環境に起因する圧電体層７０等の破壊を防止している。
【００７２】
なお、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からインクを取り込み、リザーバ１２０からノズル開口２１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、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、絶縁膜５５、下電極膜６０及び圧電体層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２１からインク滴が吐出する。
【００７３】
（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。
【００７４】
例えば、上述の実施形態では、圧電体非能動部３３０が下電極膜６０を除去することにより形成されているが、これに限定されず、例えば、圧電体層７０と上電極膜８０との間に低誘電絶縁層を設けることにより形成してもよく、さらには、圧電体層７０に部分的にドーピング等を行って不活性とすることにより形成してもよい。
【００７５】
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７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。
【００７６】
図７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。
【００７７】
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上を搬送されるようになっている。
【００７８】
また、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドとして、印刷媒体に所定の画像や文字を印刷するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、勿論、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機噴射ヘッド等、他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、圧電体能動部と圧電体非能動部とを有する圧電素子の長手方向端部に、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界を跨ぐ応力抑制層を設け、且つ圧電体能動部に対向する領域の応力抑制層の長さを圧力発生室の幅の０．６倍以上とするようにしたので、圧電素子を駆動した際の応力集中が効果的に抑えられ圧電体層の破壊を防止することができる。特に、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界での急峻な応力変化を確実に防止することができる。したがって、圧電素子の繰り返し駆動によってもこの部分での圧電体層の破壊を確実に防止することができる。
【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概略を示す分解斜視図である。
【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の平面図及び断面図である。
【図３】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である。
【図４】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模式的に示す断面図である。
【図５】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製造工程を示す断面図である。
【図６】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製造工程を示す断面図である。
【図７】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　隔壁
１２　圧力発生室
１３　連通部
１４　インク供給路
２０　ノズルプレート
３０　リザーバ形成基板
４０　コンプライアンス基板
５０　弾性膜
６０　下電極膜
７０　圧電体層
８０　上電極膜
９０　リード電極
１００，１００Ａ　応力抑制層
３００　圧電素子
３２０　圧電体能動部
３３０　圧電体非能動部

Claims (9)

1. ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板上に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧電素子は、前記圧力発生室に対向する領域内に、実質的な駆動部となる圧電体能動部と該圧電体能動部から連続する前記圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部とを有すると共に、当該圧電素子上に前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部との境界を跨いで設けられて前記圧電素子の駆動による応力を抑える応力抑制層を有し、且つ前記圧電体能動部に対向する領域の前記応力抑制層の長さが、前記圧力発生室の幅の０．６倍以上であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１において、前記圧電体層は、結晶が優先配向していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項２において、前記圧電体層は、結晶が柱状となっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧電体層の膜厚が０．５〜３μｍであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、前記応力抑制層の前記圧電素子上の先端部が、前記流路形成基板の表面に平行な基準面よりも前記圧力発生室側を向いていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜５の何れかにおいて、前記圧電素子の長手方向一端部側には、前記上電極に電気的に接続されて前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設される接続配線が設けられ、該接続配線が前記応力抑制層を兼ねていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
7. 請求項１〜６の何れかにおいて、前記圧電体非能動部が前記圧電体能動部の長手方向両端部に設けられ、且つ前記応力抑制層が、前記圧電体能動部と前記圧電体非能動部の各境界にそれぞれ設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
8. 請求項１〜７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液体噴射ヘッド。
9. 請求項１〜８の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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