JP2008010528A - アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電体層の結晶性を向上して駆動耐久性及び信頼性を向上したアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供する。
【解決手段】基板１０上に変位可能に設けられた下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００を具備し、前記上電極８０の長手方向の端部が、前記圧電素子３００の実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０の長手方向の端部を規定していると共に、前記下電極６０及び前記圧電体層７０が、前記圧電体能動部３２０の長手方向の外側まで連続して設けられており、且つ前記圧電体層７０の前記圧電体能動部３２０の外側の領域を厚さの薄い薄膜部７１とする。
【選択図】図２
【解決手段】基板１０上に変位可能に設けられた下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００を具備し、前記上電極８０の長手方向の端部が、前記圧電素子３００の実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０の長手方向の端部を規定していると共に、前記下電極６０及び前記圧電体層７０が、前記圧電体能動部３２０の長手方向の外側まで連続して設けられており、且つ前記圧電体層７０の前記圧電体能動部３２０の外側の領域を厚さの薄い薄膜部７１とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、基板上に変位可能に設けられた圧電素子を有するアクチュエータ装置及びアクチュエータ装置をノズル開口から液体を噴射する液体噴射手段として具備する液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置に関する。
アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体層を、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものがある。このようなアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、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等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置としては、例えば、振動板の表面全体に亘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ある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１の構成では、下電極の端部によって圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の長手方向の端部が規定されているため、この下電極の端部に電界集中が発生し、圧電体層が破壊されてしまうという問題がある。
また、このような圧電体層は、例えば、基板上に下電極をパターニングすることにより形成した後、基板上に下電極上に亘って圧電体層をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法等により形成している。このように、下電極をパターニングしてから圧電体層を形成すると、圧電体層（誘電材料）の結晶粒径が大きくなってしまったり、ボイド（空隙）が発生してしまうなどの結晶性の劣化が発生してしまうという問題がある。また、下電極の段差によって、均一な膜厚の圧電体層を得ることができないという問題がある。
また、圧電体層を焼成により結晶化して形成する際に、圧電体層の下地として下電極と基板（弾性膜）とが存在するため、基板（弾性膜）と下電極との熱吸収の差によって、圧電体層を加熱する加熱温度に誤差が生じてしまう。このような圧電体層の加熱温度の誤差によって、下電極の端部に相対向する領域に形成される圧電体層の結晶性が劣化してしまい、面方向で均一な結晶性の圧電体層を得ることができないという問題がある。そして、このような圧電体層の製造時の問題と上述した電界集中とによって、圧電素子を駆動した際に、下電極の端部に相対向する領域の圧電体層が破壊されてしまうという問題がある。
さらに、上電極の端部を下電極の端部よりも内側として、上電極の長手方向の端部によって圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の長手方向の端部を規定したアクチュエータ装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献２の構成では、上電極の端部に電界集中が生じ、この上電極の端部に相対向する領域の圧電体層が破壊されてしまうという問題がある。
また、上電極の長手方向の一端部から基板上まで引き出された引き出し配線が設けられているため、この引き出し配線と下電極との間に電圧が印加され、上電極の端部の外側の圧電体層も駆動されてしまう。このため、上電極の端部によって圧電体能動部の長手方向の端部を確実に規定することができないという問題がある。
さらに、上電極から引き出し配線を設けると、引き出し配線と下電極の端部とが短絡し易いという問題がある。
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに用いられるアクチュエータ装置の製造方法だけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられるアクチュエータ装置の製造方法においても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の結晶性を向上して駆動耐久性及び信頼性を向上したアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、基板上に変位可能に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備し、前記上電極の長手方向の端部が、前記圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の長手方向の端部を規定していると共に、前記下電極及び前記圧電体層が、前記圧電体能動部の長手方向の外側まで連続して設けられており、且つ前記圧電体層の前記圧電体能動部の外側の領域が厚さの薄い薄膜部となっていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１の態様では、電極の端部に電界集中するのを防止することができると共に、下電極の端部が圧電体能動部となる領域に存在しないため、圧電体能動部となる圧電体層の結晶粒径が大きくなったり、ボイドが発生するのを防止することができると共に、圧電素子を駆動した際の圧電体層の破壊を防止することができ、圧電素子の駆動耐久性を向上すると共に信頼性を向上することができる。
かかる第１の態様では、電極の端部に電界集中するのを防止することができると共に、下電極の端部が圧電体能動部となる領域に存在しないため、圧電体能動部となる圧電体層の結晶粒径が大きくなったり、ボイドが発生するのを防止することができると共に、圧電素子を駆動した際の圧電体層の破壊を防止することができ、圧電素子の駆動耐久性を向上すると共に信頼性を向上することができる。
本発明の第２の態様は、前記基板上に前記圧電素子がその短手方向に複数並設されていると共に、前記下電極が複数の圧電素子に亘って設けられ、且つ前記上電極の短手方向の端部が、前記圧電体能動部の短手方向の端部を規定していることを特徴とする第１の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第２の態様では、下電極を複数の圧電素子に亘って設けることで、複数の圧電素子を同時に駆動しても電圧降下を防止して、均一な変位特性を得ることができる。
かかる第２の態様では、下電極を複数の圧電素子に亘って設けることで、複数の圧電素子を同時に駆動しても電圧降下を防止して、均一な変位特性を得ることができる。
本発明の第３の態様は、前記圧電素子の少なくとも前記圧電体層の表面を覆う絶縁体からなる保護膜が設けられていることを特徴とする第１又は２の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第３の態様では、保護膜によって大気雰囲気に含有する湿気等の水分に起因する圧電素子の破壊を確実に防止することができる。
かかる第３の態様では、保護膜によって大気雰囲気に含有する湿気等の水分に起因する圧電素子の破壊を確実に防止することができる。
本発明の第４の態様は、前記上電極の長手方向の一端部には、前記圧電素子に電圧を印加する引き出し配線が設けられていることを特徴とする第１〜３の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第４の態様では、引き出し配線によって各圧電素子に選択的に電圧を印加することができる。
かかる第４の態様では、引き出し配線によって各圧電素子に選択的に電圧を印加することができる。
本発明の第５の態様は、前記引き出し配線が、前記上電極側に設けられた密着層と、該密着層上に設けられた金属層とで構成されていることを特徴とする第４の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第５の態様では、密着層によって金属層と圧電素子とを確実に密着することができると共に、金属層によって圧電素子に確実に電圧を印加することができる。
かかる第５の態様では、密着層によって金属層と圧電素子とを確実に密着することができると共に、金属層によって圧電素子に確実に電圧を印加することができる。
本発明の第６の態様は、前記密着層が、前記上電極の一端部から前記薄膜部上を介して前記基板上まで延設されていると共に、前記金属層が、前記密着層上の前記上電極に相対向する領域以外の領域に設けられていることを特徴とする第５の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第６の態様では、引き出し配線によって圧電体能動部の変位が阻害されることなく、優れた変位特性の圧電体能動部とすることができる。
かかる第６の態様では、引き出し配線によって圧電体能動部の変位が阻害されることなく、優れた変位特性の圧電体能動部とすることができる。
本発明の第７の態様は、前記下電極の前記引き出し配線側の端面が、前記圧電体層によって覆われていることを特徴とする第４〜６の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第７の態様では、下電極と引き出し配線との間に圧電体層が介在することによって、下電極と引き出し配線とが短絡するのを確実に防止することができる。
かかる第７の態様では、下電極と引き出し配線との間に圧電体層が介在することによって、下電極と引き出し配線とが短絡するのを確実に防止することができる。
本発明の第８の態様は、前記薄膜部が、０．１μｍ以上の厚さを有することを特徴とする第１〜７の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第８の態様では、薄膜部を所定厚さ以上とすることで、下電極を薄膜部によって覆い、下電極と他の電極（特に引き出し配線）とが短絡するのを防止することができる。
かかる第８の態様では、薄膜部を所定厚さ以上とすることで、下電極を薄膜部によって覆い、下電極と他の電極（特に引き出し配線）とが短絡するのを防止することができる。
本発明の第９の態様は、前記薄膜部が、前記圧電体層の前記圧電体能動部に設けられた領域の厚さよりも９５％以下の厚さであることを特徴とする第１〜８の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第９の態様では、薄膜部の厚さを所定厚さ以下とすることで、上電極の端部に電界集中するのを防止して、圧電体層が破壊されるのを確実に防止することができる。
かかる第９の態様では、薄膜部の厚さを所定厚さ以下とすることで、上電極の端部に電界集中するのを防止して、圧電体層が破壊されるのを確実に防止することができる。
本発明の第１０の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせて前記ノズル開口から液体を噴射させる液体噴射手段として第１〜９の何れかの態様のアクチュエータ装置とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１０の態様では、液体噴射特性を向上して、駆動耐久性及び信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
かかる第１０の態様では、液体噴射特性を向上して、駆動耐久性及び信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
本発明の第１１の態様は、前記下電極が、前記圧力発生室の長手方向の外側まで連続して設けられていると共に、前記上電極が前記圧力発生室の長手方向で当該圧力発生室に相対向する領域内に設けられていることを特徴とする第１０の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第１１の態様では、液体噴射特性を向上して、駆動耐久性及び信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
かかる第１１の態様では、液体噴射特性を向上して、駆動耐久性及び信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
本発明の第１２の態様は、第１０又は１１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。
かかる第１２の態様では、駆動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。
かかる第１２の態様では、駆動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。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では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０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部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、後述する保護基板のリザーバ部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。
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とは反対側の端部近傍に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によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍ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、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等からなり厚さが例えば、約０．３〜０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．１〜０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。
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を圧電素子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１２毎に圧電体能動部３２０が形成されていることになる。
また、本実施形態では、詳しくは後述するが、上電極膜８０の長手方向の端部によって、圧電体能動部３２０の長手方向の端部（長さ）を規定し、下電極膜６０及び圧電体層７０を圧電体能動部３２０の長手方向外側まで連続して設けるようにした。また、圧電体層７０の圧電体能動部３２０の外側の領域を、圧電体能動部３２０となる領域よりも厚さの薄い薄膜部７１とした。さらに、薄膜部７１の下電極膜６０に相対向する領域の圧電体層７０の厚さを略均一とした。すなわち、圧電体能動部３２０と薄膜部７１との境界となる領域で圧電体層７０の厚みを急激に変化させて、薄膜部７１の圧電体層７０の厚さを薄くした。
また、ここでは、圧電素子３００を所定の基板上（流路形成基板１０上）に設け、当該圧電素子３００を駆動させた装置をアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、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が、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。
また、圧電素子３００を構成する圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。
また、圧電素子３００の少なくも圧電体層７０の表面は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜２００によって覆われている。本実施形態では、保護膜２００を流路形成基板１０の圧電素子３００が設けられた全面に亘って連続して設けるようにした。
このように圧電素子３００を保護膜２００で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子３００の破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜２００の材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いるのが好ましい。保護膜２００の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、保護膜２００の膜厚を１００ｎｍ程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができる。本実施形態では、保護膜２００としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
なお、保護膜２００は、圧電体層７０の少なくとも表面が覆われていればよく、圧電体層７０の表面と上電極膜８０の側面及び上面の周縁部を覆い、且つ複数の圧電素子３００に亘って連続して設けるようにしてもよい。すなわち、上電極膜８０の上面の略中心領域である主要部は、保護膜２００が設けられておらず、上電極膜８０の上面の主要部を開口する開口部を設けるようにしてもよい。このように保護膜２００に開口部を設けることにより、圧電素子３００（圧電体能動部３２０）の変位を保護膜２００が阻害することなく、インク吐出特性を良好に保持することができる。
また、この保護膜２００上の圧電素子３００の長手方向一端部側には、圧電素子３００から引き出される引き出し配線であるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、保護膜２００に設けられた連通孔２０１を介して一端部が上電極膜８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０のインク供給路１４側まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子３００を駆動する駆動回路１２０と接続配線１２１を介して接続されている。このようなリード電極９０は、密着層９１と金属層９２とが積層されて形成されている。
ここで、金属層９２の主材料としては、比較的導電性の高い材料であれば特に限定されず、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）が挙げられ、本実施形態では金（Ａｕ）が挙げられる。また、密着層９１の材料としては、金属層９２の密着性を確保できる材料であればよく、具体的には、チタン（Ｔｉ）、チタンタングステン化合物（ＴｉＷ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）又はニッケルクロム化合物（ＮｉＣｒ）等が挙げられ、本実施形態ではニッケルクロム（ＮｉＣｒ）が挙げられる。
また、ここで、本実施形態の圧電素子３００の構成について詳細に説明する。本実施形態では、下電極膜６０及び圧電体層７０は、圧力発生室１２の長手方向の外側まで連続して設けられている。また、下電極膜６０は、複数の圧電素子３００に亘って連続して設けられており、これにより複数の圧電素子３００の共通電極となっている。
また、上電極膜８０の圧力発生室１２の長手方向の端部は、下電極膜６０及び圧電体層７０よりも内側となるように、圧力発生室１２に相対向する領域内に設けられている。この上電極膜８０の長手方向の端部によって、圧電素子３００の実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０の長手方向の端部（長さ）が規定されている。また、上電極膜８０の圧力発生室１２の短手方向の端部は、圧力発生室１２に相対向する領域内に設けられており、この上電極膜８０の短手方向の端部によって、圧電体能動部３２０の短手方向の端部（幅）が規定されている。
すなわち、圧電体能動部３２０は、パターニングされた上電極膜８０によって長手方向の端部及び短手方向の端部が規定されて、圧力発生室１２に相対向する領域内のみに設けられている。
また、圧電体層７０は、上述のように圧力発生室１２の長手方向の外側まで連続して設けられている。また、圧電体層７０のリード電極９０側の端部は、下電極膜６０の端部よりも外側まで設けられており、下電極膜６０のリード電極９０側の端面は圧電体層７０によって覆われている。これにより、下電極膜６０の端面とリード電極９０との間に圧電体層７０が介在することによって、下電極膜６０とリード電極９０とが短絡するのを確実に防止している。すなわち、例えば、下電極膜６０の端部が圧電体層７０の端部よりも外側に設けられて、下電極膜６０の端面が露出している場合、保護膜２００をスパッタリング法や蒸着法などにより形成した際に、保護膜２００の下電極膜６０の端面へのカバレッジが悪く、下電極膜６０とリード電極９０とが短絡してしまう虞があるからである。また、圧電体層７０は、隣接する圧電体能動部３２０の間の領域には設けられておらず、各圧電素子３００毎に独立して設けられている。
そして、圧電体層７０の圧電体能動部３２０の長手方向の外側、すなわち、上電極膜８０の長手方向の外側の領域には、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０よりも厚さの薄い薄膜部７１が設けられている。この薄膜部７１の下電極膜６０に相対向する領域の圧電体層７０の厚さは略均一とした。すなわち、圧電体能動部３２０と薄膜部７１との境界となる領域で圧電体層７０の厚みを急激に変化させて、薄膜部７１の圧電体層７０の厚さを薄くした。
なお、本実施形態では、圧電体層７０及び上電極膜８０は、図２に示すように、上電極膜８０側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面は傾斜面となっている。
このように、下電極膜６０を圧電体能動部３２０よりも長く形成し、上電極膜８０の長手方向の端部によって、圧電体能動部３２０の長手方向の端部を規定すると共に、圧電体層７０の圧電体能動部３２０の長手方向の外側に薄膜部７１を設けるようにしたため、圧電素子３００を駆動した際に、下電極膜６０及び上電極膜８０の長手方向の端部に電界集中するのを防止して、圧電体層７０の破壊を防止することができる。また、下電極膜６０を圧電体能動部３２０の外側まで連続して設けるようにしたため、詳しくは後述する製造方法によって、圧電体層７０を形成した際に、下電極膜６０の端部で、圧電体能動部３２０となる領域に段差が生じることがなく、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の一部で結晶粒径が大きくなったり、ボイド（空隙）が生じる等の不具合を防止して、結晶性に優れた圧電体層７０を得ることができる。また、下電極膜６０の端部による段差が圧電体能動部３２０となる領域に存在しないため、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０を均一な膜厚で形成することができる。さらに、圧電体層７０を加熱して焼成することで結晶化して形成する、いわゆるゾル−ゲル法又はＭＯＤ法により形成する際に、圧電体層７０の下地として、基板（流路形成基板１０）と下電極膜６０との境界部分が、圧電体能動部３２０となる領域に存在しないため、圧電体能動部３２０となる領域で、加熱時の下地の違い、すなわち、基板と下電極膜６０との熱吸収の差による加熱温度の誤差をなくして、優れた結晶性の圧電体層７０を得ることができる。
このように、下電極膜６０の端部への電界集中及び圧電体層７０の結晶性によって、圧電体層７０が破壊されるのを防止することができ、駆動耐久性を向上すると共に、信頼性に優れた圧電素子３００とすることができる。
なお、薄膜部７１は、詳しくは後述する引き出し配線であるリード電極９０と下電極膜６０とを確実に絶縁するために、０．１μｍ以上の厚さで形成するのが好ましい。
また、薄膜部７１は、上電極膜８０の端部に電界集中するのを防止するために、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の厚さの９６％以下の厚さが好ましい。本実施形態では、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の厚さが１．１μｍであるため、薄膜部７１の厚さは、１．０６μｍ以下である。
すなわち、薄膜部７１は、０．１０μｍ〜１．０６μｍ（圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の厚さ（１．１μｍ）の約９．１〜９６％）の厚さが好ましい。
（実施例１〜４）
流路形成基板上に上述した構成の圧電素子を形成した。また、圧電体層の薄膜部の厚さを圧電体能動部となる圧電体層の厚さ（１．１μｍ）の９６．５％、９０．９％、８１．８％、６３．６％としたものをそれぞれ実施例１〜４とした。
流路形成基板上に上述した構成の圧電素子を形成した。また、圧電体層の薄膜部の厚さを圧電体能動部となる圧電体層の厚さ（１．１μｍ）の９６．５％、９０．９％、８１．８％、６３．６％としたものをそれぞれ実施例１〜４とした。
（比較例１）
比較のため、流路形成基板上の圧電体層に薄膜部を設けていない以外、上述した実施例１〜４と同じ圧電素子を形成した。すなわち、薄膜部の膜厚は、圧電体層の薄膜部の厚さを圧電体能動部となる圧電体層の厚さ（１．１μｍ）と同じ１００％としたものを比較例１の圧電素子とした。
比較のため、流路形成基板上の圧電体層に薄膜部を設けていない以外、上述した実施例１〜４と同じ圧電素子を形成した。すなわち、薄膜部の膜厚は、圧電体層の薄膜部の厚さを圧電体能動部となる圧電体層の厚さ（１．１μｍ）と同じ１００％としたものを比較例１の圧電素子とした。
（試験例１）
実施例１〜４の圧電素子及び比較例１の圧電素子に同じ駆動電圧（２５Ｖ）を印加し、それぞれの電界強度と、比較例１を基準とした電界強度比とを計算した。この結果を下記表１に示す。
実施例１〜４の圧電素子及び比較例１の圧電素子に同じ駆動電圧（２５Ｖ）を印加し、それぞれの電界強度と、比較例１を基準とした電界強度比とを計算した。この結果を下記表１に示す。
このように、表１に示す薄膜部の厚さと電界強度比とから、最小二乗法により近似曲線を求めた。この結果を図３に示す。図３に示す結果から、薄膜部の厚さは、圧電体能動部となる圧電体層の厚さの９６％以下で、電界強度を減少させることができることが分かる。また、薄膜部の厚さを９０％以下とすることで、電界強度をさらに効果的に減少させることができることが分かる。なお、薄膜部の厚さを９０％以下に薄くしても、電界強度の減少は飽和状態となることが分かった。
以上のことから、薄膜部７１の厚さは、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の厚さの９６％以下が好ましく、９０％以下が好適である。
また、このような試験結果から、上述のように下電極膜６０を圧電体能動部３２０よりも長く形成し、上電極膜８０の長手方向の端部によって、圧電体能動部３２０の長手方向の端部を規定すると共に、圧電体層７０の圧電体能動部３２０の外側に薄膜部７１を設けるようにすることで、圧電素子３００を駆動した際に、下電極膜６０及び上電極膜８０の長手方向の端部に電界集中するのを防止して、圧電体層７０の破壊を防止することができることが分かった。
さらに、図２に示すように、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２を有する保護基板３０が、接着剤３５によって接合されている。なお、圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
また、保護基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３１が設けられており、このリザーバ部３１は、上述したように、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１００を構成している。また、保護基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が実装されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
保護基板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。
保護基板３０上には、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１００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１００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。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、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１００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、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、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、各圧力発生室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、インクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図７を参照して説明する。なお、図４〜図７は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、厚さが約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
次に、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる絶縁体膜５５を形成する。
次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成した後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。なお、下電極膜６０は、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを積層したものに限定されず、これらを合金化させたものを用いるようにしてもよい。また、下電極膜６０として、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）の何れか一方の単層として用いるようにしてもよく、さらに、これらの材料以外の金属又は金属酸化物等を用いるようにしてもよい。
また、下電極膜６０は、圧電体能動部３２０が形成される領域で、圧電体能動部３２０の長手方向よりも外側まで連続して形成する。
次に、図５（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。
なお、圧電素子３００を構成する圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その組成は、圧電素子３００の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよい。また、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されないが、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−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。なお、圧電体層７０の形成方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ法やスパッタリング法などの薄膜形成方法を利用して圧電体層７０を形成するようにしてもよい。
このような圧電体層７０の形成では、下電極膜６０の圧力発生室１２の長手方向の端部が、圧電体能動部３２０となる領域の長手方向の外側に設けられているため、下電極膜６０の端部で、圧電体能動部３２０となる領域に段差が生じることがなく、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の一部で結晶粒径が大きくなったり、ボイド（空隙）が生じる等の不具合を防止して、結晶性に優れた圧電体層７０を得ることができる。また、下電極膜６０の端部による段差が圧電体能動部３２０となる領域に存在しないため、圧電体能動部３２０となる圧電体層７０を均一な膜厚で形成することができる。
さらに、圧電体層７０を加熱して焼成することで結晶化して形成する際に、圧電体層７０の下地として、基板（流路形成基板用ウェハ１１０）と下電極膜６０との境界部分が、圧電体能動部３２０となる領域に存在しないため、圧電体能動部３２０となる領域で、加熱時の下地の違い、すなわち、基板と下電極膜６０との熱吸収の差による加熱温度の誤差をなくして、優れた結晶性の圧電体層７０を得ることができる。
次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対応する領域毎にパターニングして圧電素子３００を形成すると共に、各圧力発生室１２に相対向する領域毎に圧電体能動部３２０を形成する。また、圧電体層７０及び上電極膜８０の一部をハーフエッチングすることにより、圧電体層７０の圧電体能動部３２０の外側、すなわち、上電極膜８０の外側に圧電体能動部３２０となる圧電体層７０の厚さよりも薄い薄膜部７１を形成する。
このような圧電素子３００のパターニング及び薄膜部７１の形成方法は、特に限定されず、例えば、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って形成した圧電体層７０及び上電極膜８０をハーフエッチングすることにより、圧電体層７０に薄膜部７１を形成後、余分な領域の圧電体層７０及び上電極膜８０を下電極膜６０又は絶縁体膜５５に達するまで同時にパターニングすることにより形成することができる。また、例えば、上電極膜８０上に薄膜部７１を有する圧電素子３００と同一形状となるレジストをフォトリソグラフィ法により形成後、レジストを介してドライエッチングすることにより、形成することができる。勿論、圧電体層７０及び上電極膜８０を下電極膜６０又は絶縁体膜５５に達するまで同時にパターニングした後、圧電体層７０及び上電極膜８０の一部をハーフエッチングすることにより薄膜部７１を形成するようにしてもよい。
また、このような圧電体層７０及び上電極膜８０のパターニングでは、例えば、レジストの側面を予め傾斜させておくことで、圧電体層７０及び上電極膜８０は、上電極膜８０側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面が傾斜面となる。
次に、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って保護膜２００を形成した後、保護膜２００を所定形状にパターニングすることにより、連通孔２０１を形成する。
次に、図６（ａ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、流路形成基板用ウェハ１１０（保護膜２００）の全面に亘って密着層９１を介して金属層９２を形成し、密着層９１と金属層９２とからなるリード電極９０を形成した後、所定形状にパターニングすることでリード電極９０を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接着剤３５を介して接合する。なお、この保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
次に、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、約７０μｍ厚になるように流路形成基板用ウェハ１１０をエッチング加工した。
次に、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。
そして、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク膜５２を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハ１１０のマスク膜５２を除去した後、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
（実施形態２）
図８は、本発明の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの断面図及び要部拡大断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図８は、本発明の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの断面図及び要部拡大断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図８に示すように、本実施形態では、リード電極９０Ａが密着層９１と金属層９２Ａとで構成されている。密着層９１は、保護膜２００上の上電極膜８０の一端部に相対向する領域からインク供給路１４に相対向する領域まで延設されて設けられている。また、金属層９２Ａは、密着層９１上の上電極膜８０に相対向する領域以外の領域、すなわち、圧電体能動部３２０以外の領域に設けられている。具体的には、金属層９２Ａは、密着層９１上の薄膜部７１に相対向する領域から、インク供給路１４に相対向する領域まで設けられている。
リード電極９０Ａをこのような構成にすることによって、上電極膜８０と駆動回路１２０とをリード電極９０Ａで確実に導通することができると共に、圧電体能動部３２０の変位をリード電極９０Ａが阻害することなく、変位特性の優れた圧電素子３００（圧電体能動部３２０）とすることができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態１及び２に限定されるものではない。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態１及び２に限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態１及び２では、圧電体層７０の圧電体能動部３２０となる領域の厚さを１．１μｍとしたが、特にこれに限定されるものではなく、何れの厚さの圧電体層７０であっても、本発明を適用することにより、圧電素子３００の駆動耐久性を向上して信頼性を向上することができる。
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９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。図９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。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。
さらに、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の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各種の記録ヘッド、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（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。なお、本発明は、液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド等）に搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用できることは言うまでもない。
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 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ７１ 薄膜部、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子、 ３２０ 圧電体能動部
Claims (12)
- 基板上に変位可能に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備し、
前記上電極の長手方向の端部が、前記圧電素子の実質的な駆動部となる圧電体能動部の長手方向の端部を規定していると共に、前記下電極及び前記圧電体層が、前記圧電体能動部の長手方向の外側まで連続して設けられており、且つ前記圧電体層の前記圧電体能動部の外側の領域が厚さの薄い薄膜部となっていることを特徴とするアクチュエータ装置。 - 前記基板上に前記圧電素子がその短手方向に複数並設されていると共に、前記下電極が複数の圧電素子に亘って設けられ、且つ前記上電極の短手方向の端部が、前記圧電体能動部の短手方向の端部を規定していることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
- 前記圧電素子の少なくとも前記圧電体層の表面を覆う絶縁体からなる保護膜が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ装置。
- 前記上電極の長手方向の一端部には、前記圧電素子に電圧を印加する引き出し配線が設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 前記引き出し配線が、前記上電極側に設けられた密着層と、該密着層上に設けられた金属層とで構成されていることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ装置。
- 前記密着層が、前記上電極の一端部から前記薄膜部上を介して前記基板上まで延設されていると共に、前記金属層が、前記密着層上の前記上電極に相対向する領域以外の領域に設けられていることを特徴とする請求項５記載のアクチュエータ装置。
- 前記下電極の前記引き出し配線側の端面が、前記圧電体層によって覆われていることを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 前記薄膜部が、０．１μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 前記薄膜部が、前記圧電体層の前記圧電体能動部に設けられた領域の厚さよりも９５％以下の厚さであることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせて前記ノズル開口から液体を噴射させる液体噴射手段として請求項１〜９の何れかに記載のアクチュエータ装置とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 前記下電極が、前記圧力発生室の長手方向の外側まで連続して設けられていると共に、前記上電極が前記圧力発生室の長手方向で当該圧力発生室に相対向する領域内に設けられていることを特徴とする請求項１０記載の液体噴射ヘッド。
- 請求項１０又は１１記載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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