JP2007001144A - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 下電極を振動板の表面全体にわたって形成した圧電体素子を形成した場合でも下電極のクラックが発生しない液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】 ノズル形成面にノズル開口が列状に形成されてなるノズルプレートと、該ノズル開口に連通し圧力発生手段により液体を加圧する圧力発生室と、該圧力発生室となる空部を有する流路形成基板の表面に振動板を設け、該流路形成基板とは反対側の振動板表面であって該圧力発生室に対応する位置に形成されてなる下電極と、圧電体層と、上電極と、からなる圧電体素子を具備する液体噴射ヘッドであって、該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に、変形が抑制された領域が形成されてなる、液体噴射ヘッドにより解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関し、詳しくは、圧電体素子の駆動により下電極に加わる応力を抑制する液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関する。

従来から、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、この振動板を圧電体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が知られている。このようなインクジェット式記録ヘッドには、圧電体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。

そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体にわた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体素子を形成したものが知られている。

また、たわみ振動モードのアクチュエータに使用される圧電体素子は、例えば、共通電極である下電極と、下電極上に形成されたＰＺＴ膜（圧電体層）と、ＰＺＴ膜上に形成された個別電極である上電極とで構成される。圧電体素子に駆動電圧が印加されると、圧電特性により圧電体素子が変形し、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が吐出される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２４６０６５号公報

圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁は圧電体素子の変位量を確保するためにそれ自身可撓性を有しない。そのため、圧電体素子が変形するたびに、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界部分に応力がかかる。ここで、「応力」とは、物体に外力が加わる際、その物体内部に生ずる力をいう。
圧電体素子の変形が長期間繰り返されると、やがてその境界部分の振動板にクラックが発生し、クラックが進行すると、圧電体素子が破壊され、液滴をノズル開口から吐出できなくなるという問題があった。

上記の問題を解決する手段の一つとして、フォトリソグラフィー法等により、下電極の端部が前記境界面にかからないように振動板を構成する下電極を形成するものがある。このようなタイプの振動板は、境界面が圧電体素子の不活性部になるため、境界部にそもそも応力が集中せず、振動板にクラックが生じない。しかしながら、このような下電極を具備する圧電体素子では十分満足のいく圧電特性を得ることができない。そのため、振動板を構成する下電極を圧力発生室から圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁の境界部分を越えて形成した圧電体素子であっても下電極のクラックが発生しない液体噴射ヘッド及び該液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置が望まれていた。

従って、本発明の目的は、振動板を構成する下電極を圧力発生室から圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁の境界部分を越えて形成した圧電体素子であっても下電極のクラックが発生しない液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明者が鋭意検討した結果、振動板と、圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界部分の圧電体層の変形を抑制することにより、該境界部分にかかる応力集中を防止できるとの知見を得た。本発明はかかる知見に基づきなされたものであり、ノズル形成面にノズル開口が列状に形成されてなるノズルプレートと、該ノズル開口に連通し圧力発生手段により液体を加圧する圧力発生室と、該圧力発生室となる空部を有する流路形成基板の表面に振動板を設け、該流路形成基板とは反対側の振動板表面であって該圧力発生室に対応する位置に形成されてなる下電極と、圧電体層と、上電極と、からなる圧電体素子を具備する液体噴射ヘッドであって、該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界部分の圧電体層に、変形が抑制された領域が形成されてなる、液体噴射ヘッドを提供するものである。

このような構成により、上記圧電体素子は、一つの圧電体素子中に、圧電特性を示す領域と、圧電特性を示さないか、圧電特性を制限された領域を有する。そして、圧電特性を制限された領域は、駆動電圧を印加されても圧電体素子の変形が起こらないか、変位量が少ないものとなる。そのため、下電極が圧力発生室から圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁の境界部分を超えて形成された圧電体素子であっても、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界部分の圧電体層に加わる応力を抑制することができ、その結果、振動板のクラックの発生を未然に防止することができる。
上記発明の好ましい態様は次の通りである。前記変形が抑制された領域は、不純物が導入されてなることが好ましい。このような構成により、不純物が導入された圧電体層の領域では圧電特性が制限され、圧電体素子の変形を抑制することができる。

前記不純物は、前記振動板と、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に多く存在し、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層からの距離に応じて、前記不純物の含有量が少なくなっていることが好ましい。このような構成により、当該境界からの距離が大きくなるほど、圧電体素子の変位量を大きくすることができる。また、圧電体素子の中で変位する領域と変位しない領域での変位量の差を緩やかにすることで、より応力集中を低減することができる。

前記不純物は、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、アルゴン原子（Ａｒ）、炭素原子（Ｃ）、リン原子（Ｐ）、ホウ素原子（Ｂ）からなる群から選択された１種以上であることが好ましい。

また、前記変形が抑制された領域は、圧電体層の結晶化度が、変形が抑制されていない領域よりも低いものであることが好ましい。このような構成により、一つの圧電体素子中で、変位量の大きい領域と変位量の小さい領域を形成することができる。

前記変形が抑制されていない領域は、前記下電極の表面に、チタン（Ｔｉ）核の層が形成されてなることが好ましい。このような構成により、チタン（Ｔｉ）核の層が形成された領域では、チタン（Ｔｉ）核の層が形成されなかった領域と比較して圧電特性が向上する。そのため、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界の領域では圧電体層の変位量は小さく、他の領域では大きい圧電体素子を形成することができる。

前記変形が抑制された領域は、その変位量が、変形が抑制されない領域の３分の１以下であることが好ましい。このような構成により、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界領域では、下電極などの振動板にクラックが生じるほどの応力が発生することがない。

また、本発明は上記の液体噴射ヘッドを具備した液体噴射装置を提供するものである。本発明の液体噴射装置は、下電極が圧力発生室から圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁の境界部分を超えて形成された圧電体素子を形成した場合でも下電極などの振動板のクラックが発生しない液体噴射ヘッドを具備してなるため、品質に優れた液体噴射装置とすることができる。

また、本発明は、ノズル形成面にノズル開口が列状に形成されてなるノズルプレートを形成する工程と、該ノズル開口に連通し圧力発生手段により液体を加圧する圧力発生室を形成する 工程と、該圧力発生室となる空部を有する流路形成基板の表面に振動板を設ける工程と、該流路形成基板とは反対側の振動板表面であって該圧力発生室に対応する位置に、下電極と、圧電体層と、上電極とからなる圧電体素子を形成する工程と、を備える液体噴射ヘッドの製造方法であって、該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界部分の圧電体層に、変形を抑制する領域を形成する工程を備える、液体噴射ヘッドの製造方法を提供するものである。

このような構成により、上記圧電体素子は、一つの圧電体素子中に、圧電特性を示す領域と、圧電特性を示さないか、圧電特性を制限された領域を有する。そして、圧電特性を制限された領域は、駆動電圧を印加されても圧電体素子の変形が起こらないか、変位量が少ないものとなる。そのため、下電極が圧力発生室から圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁の境界部分を超えて形成された圧電体素子であっても、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界部分の圧電体層に加わる応力を抑制することができ、その結果、下電極などの振動板のクラックの発生を未然に防止することができる。

上記発明の好ましい態様は以下の通りである。前記変形を抑制する領域を形成する工程は、該圧電体素子を形成する工程の後、該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体素子に対し、イオン注入を行うものであることが好ましい。このような構成により、一つの圧電体素子の中で、圧電特性を示す領域と、圧電特性を示さないか、圧電特性を制限された領域を形成することができる。

前記イオン注入は、前記振動板と、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に不純物が多く、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界からの距離に応じて、前記不純物の含有量が少なくなるように行われることが好ましい。このような構成により、当該境界からの距離が大きくなるほど、圧電体素子の変位量を大きくすることができる。また、圧電体素子の中で変位する領域と変位しない領域との境界を緩やかにすることで、より応力集中を低減することができる。

前記イオン注入は、不純物の導入量がレジストの膜厚で調節されることが好ましい。このような構成により、圧電体素子に注入するイオンの量、即ち不純物の含有量を容易に調節することができる。

前記イオン注入は、不純物の導入面積がレジストの形状で調節されることが好ましい。このような構成により、イオンが注入される領域を容易に設定することができる。

前記イオン注入は、１００ＫｅＶ〜１ＭｅＶ、ドーズ量１×１０Ｅ１９〜１×１０Ｅ２１個／ｃｍ²の条件で行われることが好ましい。

前記変形を抑制する領域を形成する工程は、前記振動板と、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上以外の前記下電極の表面に、チタン（Ｔｉ）核の層を形成し、該チタン（Ｔｉ）核の層を核として前記圧電体層を結晶成長させることが好ましい。このような構成により、チタン（Ｔｉ）核の層が形成された領域では、チタン（Ｔｉ）核の層が形成されなかった領域と比較して圧電特性が向上する。そのため、振動板と、圧力発生室を画定する前流路形成基板の内壁との境界の領域では圧電体層の変位量は小さく、他の領域では大きい圧電体素子を形成することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、実施形態に係る液体噴射ヘッドの平面図及び断面図である。図１に示すように、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り、その一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。この流路形成基板１０には、複数の隔壁により区画された圧力発生室１２がその長手方向に２列並設されている。また各列の圧力発生室１２の長手方向外側には、連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と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。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板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ことが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、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程度と比較的高密度に圧力発生室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間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。

また、流路形成基板１０の開口面側には、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、０．０３〜０．３ｍｍ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、シリコン単結晶基板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、流路形成基板１０である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。

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０．４μｍの絶縁体膜５５が形成され、この絶縁体膜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０．０５μｍの上電極膜８０とが、積層形成されて、圧電体素子３００を構成している。

ここで、圧電体素子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、圧電体素子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という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電体素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電体素子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、圧電体素子３００と当該圧電体素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを併せて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用する。

本実施形態においては、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０からなる振動板と、圧力発生室１２を画定する流路形成基板１０の内壁１０ａとの境界部分の圧電体層に、変形が抑制された変形抑制領域７０ａが形成されている。これについては後述する。

ここで、圧電体素子３００の個別電極である上電極膜８０には、絶縁膜１００を介して、圧電体素子３００の長手方向端部近傍から圧力発生室１２の外側の領域まで引き出されるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料からなり、スパッタリング等により形成される。絶縁膜１００には、厚さ方向に貫通する貫通穴１００ａが設けられている。そして、上電極膜８０の一部がこの貫通穴１００ａ内に露出し、リード電極９０が貫通穴１００ａ内に露出した上電極膜８０と電気的に接続されている。

また、圧電体素子３００の共通電極である下電極膜６０は、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向両端部近傍に対向する領域でそれぞれパターニングされており、圧力発生室１２から圧力発生室１２を画定する流路形成基板の内壁１０ａの境界部分を超えて形成され、且つ圧力発生室１２の並設方向に沿って圧力発生室１２の列の外側の領域まで延設されている。そして、各圧力発生室１２の列に対応する領域の下電極膜６０は、圧力発生室１２の列の外側の領域で連続している。

流路形成基板１０の圧電体素子３００側には、圧電体素子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する圧電体素子保持部３１を有する封止基板３０が接合されている。この圧電体素子保持部３１は、本実施形態では、各圧電体素子３００に対向する領域、すなわち、各圧力発生室１２の列に対向する領域のそれぞれに設けられた圧電体素子３００の列をそれぞれ封止している。

また、この封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１４０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。リザーバ部３２は、本実施形態では、封止基板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おり、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を貫通して設けられた貫通孔を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１４０を構成している。この封止基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましい。

また、この封止基板３０上に、圧電体素子３００を列毎に駆動する駆動ＩＣ１２０が実装されている。そして、駆動ＩＣ１２０と、各リード電極９０の端部近傍とが、ボンディングワイヤからなる駆動配線１３０によって電気的に接続されている。

なお、封止基板３０のリザーバ部３２に対応する領域には、封止膜４１及び固定板４２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３２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）で形成されている。この固定板４２のリザーバ１４０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１４０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。

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１４０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、駆動ＩＣ１２０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、絶縁体膜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。

ここで、先述の変形抑制領域７０ａについて、本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法とともに説明する。図２は、本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。
図２（ａ）に示すように、まず、流路形成基板１０となるシリコン基板を酸素あるいは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理し、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等からなる酸化膜５０を形成する。この工程には通常用いる熱酸化法のほか、ＣＶＤ法を用いることもできる。

次に、流路形成基板１０の表面に形成された酸化膜５０の上に、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等からなる絶縁体膜５５を形成する。この絶縁体膜５５は、スパッタ法又は真空蒸着法等によりＺｒ等の層を形成したものを酸素雰囲気中で高温処理することにより得られる。

次に、絶縁体膜５５上にイリジウム（Ｉｒ）等を含む下電極６０を形成する。例えば、まず、イリジウム（Ｉｒ）等を含む層を形成し、次いで白金（Ｐｔ）等を含む層を形成し、更にイリジウム（Ｉｒ）等を含む層を形成する。下電極６０を構成する各層は、それぞれイリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）を絶縁体膜５５の表面にスパッタ法等で付着させて形成する。なお、下電極６０の形成に先立ち、チタン（Ｔ）又はクロム（Ｃｒ）からなる密着層（図示せず）をスパッタ法又は真空蒸着法により形成することが好ましい。

次に、ゾルゲル法により圧電体前駆体膜７０’を形成する。まず、有機金属アルコキシド溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布方法により下電極６０上に塗布する。次いで、一定温度で一定時間乾燥させ、溶媒を蒸発させる。乾燥後、更に大気雰囲気下において所定の温度で一定時間脱脂し、金属に配位している有機配位子を熱分解させ、金属酸化物とする。この塗布、乾燥、脱脂の各工程を所定回数、例えば２回繰り返して２層からなる圧電体前駆体膜７０’を積層する。これらの乾燥と脱脂処理により、溶媒中の金属アルコキシドと酢酸塩とは配位子の熱分解を経て金属、酸素、金属のネットワークを形成する。なお、この工程は、ゾルゲル法に限定されず、ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法を用いてもよい。

次に、圧電体前駆体膜７０’の形成後、焼成して圧電体前駆体膜７０’を結晶化させる。この焼成により、圧電体前駆体膜７０’は、アモルファス状態から結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す圧電体層７０へと変化する。

次に、圧電体層７０の表面に、電子ビーム蒸着法又はスパッタ法により上電極８０を形成する。

図２（ｂ）に示すように、次に圧電体層７０及び上電極８０を、所定の形状にパターニングする。そして、上電極６０上にレジスト８５をスピンコートした後、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０からなる振動板と、圧力発生室１２を画定する流路形成基板１０の内壁１０ａとの境界部分の圧電体層が露出するようにレジスト８５をパターニングする。残ったレジスト８５をマスクとして、圧電体層８０の変形を防止する領域に、イオン注入を行ない、不純物７５を導入する。

イオン注入面積は、レジストの形状で調節することができる。図３は、イオン注入を行うためのレジストパターンの一例を示す平面図である。なお、理解の容易のため、絶縁体膜１００及び上電極膜８０は省略して説明する。

図３（ａ）に示すように、圧電体層７０の変形を制限したい領域に、レジスト８５の端縁から内側にかけて、切欠き８５ａが形成されている。このレジスト８５を用いてイオン注入を行うと、図３（ｂ）に示すように、変形制限領域７０ａと変形非制限領域７０ｂが形成される。また、この場合、振動板と、圧力発生室１２を画定する流路形成基板１０の内壁１０ａとの境界（図２（ｃ）参照）上に位置する圧電体層に不純物７５が比較的多く存在し、当該境界からの距離に応じて、不純物７５の含有量が比較的少なくなっている。これにより、当該境界からの距離が大きくなるほど、圧電体素子３００の変位量を大きくすることができる。また、圧電体素子３００の中で変位する領域と変位しない領域との変位量の差を緩やかにすることで、より応力集中を低減することができる。

図４は、イオン注入を行うためのレジストパターンの他の例を示す断面図である。図４に示すレジスト８５は、その端縁が圧電体層７０の端部に向かって斜面８５ｂを形成している。イオン注入により導入される不純物７５は、レジスト８５の膜厚に応じて圧電体層７０に導入される量（ドーズ量）が決定する。そのため、イオン注入量を、エネルギーを一定にしたままレジスト８５の膜厚で容易に調節することができる。また、上記の例と同様に、圧電体素子３００の中で変位する領域と変位しない領域との境界を緩やかにすることで、より応力集中を低減することができる。

イオン注入に用いられる不純物７５としては、例えば、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、アルゴン原子（Ａｒ）、炭素原子（Ｃ）、リン原子（Ｐ）、ホウ素原子（Ｂ）からなる群から選択された１種以上を用いることができる。前記イオン注入は、例えば、１００ＫｅＶ〜１ＭｅＶ、ドーズ量１×１０Ｅ１９〜１×１０Ｅ２１個／ｃｍ²の条件で行うことができる。

図２（ｃ）に示すように、不純物７５が導入された領域は、そのドーズ量に応じて圧電体層７０の変形が制限された変形抑制領域７０ａが形成される。なお、変形抑制領域７０ａ以外の領域は、所望の圧電特性を備えた変形非抑制領域７０ｂとなる。そのため、変形抑制領域７０ａと変形非抑制領域７０ｂとでは、圧電体層７０の変位量が異なるものとなっている。本実施形態では、流路形成基板１０の内壁１０ａとの境界及びその周辺の圧電体層８０に変形抑制領域７０ａが形成されている。

次に、全面に絶縁体膜１００を形成した後、絶縁体膜１００に貫通穴１００ａ形成され、上電極８０とリード電極９０が電気的に接続される。

次に、圧電体素子３００が形成された流路形成基板１０の他方の面に、異方性エッチング又は平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを施し、圧力室１２を形成する。エッチングされずに残された部分が圧力発生室１２を画定する内壁１０ａとなる。

また、その後は、ノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を流路形成基板１０に接合すると共に、可撓性を有する弾性膜としてのＰＰＳ膜４１と、金属材料からなる押さえ基板としてのＳＵＳ膜４２とが積層されたコンプライアンス基板４０を、封止基板３０のリザーバ部３２を覆うように接合することにより、図１（ｂ）に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。

なお、上記実施形態はイオン注入により圧電体層の変形を抑制した例を示したが、他の実施形態として、圧電体層の結晶化度を一つの圧電体層内において変化させることにより、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界部分の応力を低減する例を説明する。

図５は、チタン（Ｔｉ）核（層）６５を用いて圧電体層７０中に変形抑制領域７０ａと変形非抑制領域７０ｂを形成する例を示す工程図である。図５（ａ）に示すように、本実施形態では下電極膜６０の表面上にチタン（Ｔｉ）核（層）６５を形成する点が前述した実施形態と異なる。チタン（Ｔｉ）核（層）６５は、圧電体層７０の変形を抑制する領域には形成されず、圧電体層７０の変形を抑制されない領域に形成される。チタン（Ｔｉ）核（層）６５は、スパッタ法等により、膜厚３〜７ｎｍ、好ましくは４〜６ｎｍとなるように形成される。そして、チタン（Ｔｉ）核（層）６５の表面に圧電体前駆体膜７０’を成膜する。

図５（ｂ）に示すように、焼成工程を経ることにより、圧電体前駆体膜７０’が結晶化し、アモルファス状態から結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す圧電体層７０へと変化する。このとき、チタン（Ｔｉ）核（層）６５が形成された領域では、チタン結晶を核として圧電体前駆体膜７０’が高度に結晶化し、緻密な柱状の結晶を形成する。結晶化は下電極膜６０側から起こるため、焼成工程においては、加熱は下電極膜６０側から行われることが好ましい。

焼成後の圧電体層７０には、結晶化度の高い領域と、それよりも低い領域が形成される。これが、駆動電圧を圧電体素子３００に印加した際に、変形非抑制領域７０ｂと、変形抑制領域７０ａとなって現れる。

その後、図５（ｃ）に示すように、前述した実施形態の製造工程と同様の製造工程により、所望のインクジェット式記録ヘッドが得られる。

以上の説明では、インクを吐出す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一例として挙げたが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。

液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、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料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。

液体噴射装置としては、例えば、上記に列挙した液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置を挙げることができる。当該液体噴射ヘッドは貫通穴周辺の薄膜構造の破壊が未然に防止されてなるため、品質に優れた液体噴射装置とすることができる。

以上説明したように、本発明の液体噴射ヘッド及び液体噴射装置は、一つの圧電体素子中に、圧電特性を示す領域と、圧電特性を示さないか、圧電特性を制限された領域を有する。そして、圧電特性を制限された領域は、駆動電圧を印加されても圧電体素子の変形が起こらないか、変位量が少ないものとなる。そのため、下電極が振動板の表面全体に亘って形成された圧電体素子であっても、振動板と、圧力発生室を画定する流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に加わる応力を抑制することができ、その結果、下電極などの振動板のクラックの発生を未然に防止することができる。

実施形態に係る液体噴射ヘッドの平面図及び断面図である。 本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。 イオン注入を行うためのレジストパターンの一例を示す平面図である。 イオン注入を行うためのレジストパターンの他の例を示す断面図である。 チタン核(層)を用いる製造方法を示す断面模式図である。

符号の説明

１０…流路形成基板、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、２１…ノズル開口、３０…封止基板、３１…圧電体素子保持部、３２…リザーバ部、４０…コンプライアンス基板、４１…封止膜、４２…固定板、４３…開口部、５０…弾性膜、５５…絶縁体膜、６０…下電極膜、６５…チタン（Ｔｉ）核（層）、７０…圧電体層、７０ａ…変形抑制領域、７０ｂ…変形非抑制領域、７５…不純物、８０…上電極膜、レジスト…８５、９０…リード電極、１００…絶縁膜、１００ａ…貫通穴、１２０…駆動ＩＣ、１３０…駆動配線、１４０…リザーバ、３００…圧電体素子

Claims (15)

1. ノズル形成面にノズル開口が列状に形成されてなるノズルプレートと、該ノズル開口に連通し圧力発生手段により液体を加圧する圧力発生室と、該圧力発生室となる空部を有する流路形成基板の表面に振動板を設け、該流路形成基板とは反対側の振動板表面であって該圧力発生室に対応する位置に形成されてなる下電極と、圧電体層と、上電極と、からなる圧電体素子を具備する液体噴射ヘッドであって、
   該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に、変形が抑制された領域が形成されてなる、液体噴射ヘッド。
2. 前記変形が抑制された領域は、不純物が導入されてなる請求項１記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記不純物は、前記振動板と、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に多く存在し、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層からの距離に応じて、前記不純物の含有量が少なくなっている請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記不純物は、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、アルゴン原子（Ａｒ）、炭素原子（Ｃ）、リン原子（Ｐ）、ホウ素原子（Ｂ）からなる群から選択された１種以上である請求項２又は３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記変形が抑制された領域は、圧電体層の結晶化度が、変形が抑制されていない領域よりも低いものである請求項１記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記変形が抑制されていない領域は、前記下電極の表面に、チタン（Ｔｉ）核の層が形成されてなる請求項５記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記変形が抑制された領域は、その変位量が、変形が抑制されない領域の３分の１以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッドを具備した液体噴射装置。
9. ノズル形成面にノズル開口が列状に形成されてなるノズルプレートを形成する工程と、該ノズル開口に連通し圧力発生手段により液体を加圧する圧力発生室を形成する 工程と、該圧力発生室となる空部を有する流路形成基板の表面に振動板を設ける工程と、該流路形成基板とは反対側の振動板表面であって該圧力発生室に対応する位置に、下電極と、圧電体層と、上電極とからなる圧電体素子を形成する工程と、を備える液体噴射ヘッドの製造方法であって、
   該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界部分の圧電体層に、変形を抑制する領域を形成する工程を備える、液体噴射ヘッドの製造方法。
10. 前記変形を抑制する領域を形成する工程は、該圧電体素子を形成する工程の後、該振動板と、該圧力発生室を画定する該流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体素子に対し、イオン注入を行う請求項９に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
11. 前記イオン注入は、前記振動板と、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上に位置する圧電体層に不純物が多く、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界からの距離に応じて、前記不純物の含有量が少なくなるように行われる請求項９に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
12. 前記イオン注入は、不純物の導入量がレジストの膜厚で調節される請求項１０又は１１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
13. 前記イオン注入は、不純物の導入面積がレジストの形状で調節される請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
14. 前記イオン注入は、１００ＫｅＶ〜１ＭｅＶ、ドーズ量１×１０Ｅ１９〜１×１０Ｅ２１個／ｃｍ²の条件で行われる請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
15. 前記変形を抑制する領域を形成する工程は、前記振動板と、前記圧力発生室を画定する前記流路形成基板の内壁との境界上以外の前記下電極の表面に、チタン（Ｔｉ）核の層を形成し、該チタン（Ｔｉ）核の層を核として前記圧電体層を結晶成長させる請求項９記載の液体噴射ヘッドの製造方法。