JP2008094002A

JP2008094002A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP2008094002A
Application number: JP2006279277A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yazaki; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-12
Also published as: JP4888647B2

Abstract

【課題】圧電素子の応力集中によるクラック等の破壊を防止すると共に、圧電素子の剛性を低下させて圧電素子の変位量を確保することができ、消費電力を小さくすることができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】圧力発生室１２が設けられた流路形成基板１０と、該流路形成基板１０の前記圧力発生室１２に対応する領域に絶縁膜５５を介して設けられた下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００とを具備し、前記圧電素子３００は、前記圧力発生室１２に相対向する領域に実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０と、前記下電極６０が除去された除去部６１によって形成された実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０とを具備し、前記圧電体非能動部３３０を前記圧力発生室１２に相対向する領域に当該圧力発生室１２の長手方向に亘って所定の間隔で複数設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、圧力発生室に相対向する領域に設けられた圧電素子とを具備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に関する。

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の一つとして、圧電素子の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としては、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、流路形成基板の圧力発生室に相対向する領域に振動板となる絶縁膜を介して下電極膜、圧電体層及び上電極膜を積層形成した圧電素子とで構成されている。

下電極膜は、複数の圧力発生室に相対向する領域に亘って設けられて複数の圧電素子の共通電極となっている。また、圧電体層及び上電極膜は、各圧力発生室毎に切り分けられて、上電極膜が各圧電素子の個別電極となっており、上電極膜に選択的に電圧を印加することで、圧電素子を個別に駆動できるようになっている。

このような圧電素子は、短手方向（幅方向）に撓み変形することによって、圧力発生室に圧力を印加して、ノズル開口からインク滴を吐出するようになっている。

そして、インクジェット式記録ヘッドとしては、圧電素子に実質的な駆動部となる圧電体能動部と、圧力発生室とその周壁との境界に実質的に駆動されない圧電体非能動部とを設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この圧電体非能動部は、下電極膜を除去することで形成されており、圧電体非能動部を設けることによって、圧力発生室と周壁との境界部が、圧電体能動部への電圧印加によって駆動されないようにしている。

特許第３１１４８０８号（第９〜１７頁、第２、７〜１６、１８〜３４、３６図）

しかしながら、特許文献１の構成では、圧電体能動部が圧力発生室の長手方向に亘って設けられているため、圧電体能動部が圧力発生室の長手方向に撓み変形して応力集中が発生し、圧電体能動部の短手方向に亘ってクラックが発生してしまうという問題がある。

なお、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はなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッド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、圧電素子の応力集中によるクラック等の破壊を防止すると共に、圧電素子の剛性を低下させて圧電素子の変位量を確保することができ、消費電力を小さくすることができる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。

上記課題を解決する本発明の第１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、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に絶縁膜を介して設けられた下電極、該下電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた上電極からなる圧電素子とを具備し、前記圧電素子は、前記圧力発生室に相対向する領域に実質的な駆動部となる圧電体能動部と、前記下電極が除去された除去部によって形成された実質的に駆動されない圧電体非能動部とを具備し、前記圧電体非能動部が、前記圧力発生室に相対向する領域に当該圧力発生室の長手方向に亘って所定の間隔で複数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。
かかる第１の態様では、圧電素子の駆動時に圧電体非能動部によって圧電素子の長手方向の撓み変形による応力集中を緩和して、圧電素子の長手方向の応力集中に起因する短手方向のクラックの発生を防止することができる。また、下電極を除去した除去部によって圧電体非能動部を設けることによって、圧電素子の剛性を低下させて圧電素子の変位量を確保することができ、液体噴射特性が低下するのを防止することができると共に圧電素子の静電容量を小さくすることができ、消費電力を小さくすることができる。

本発明の第２の態様は、前記圧力発生室の短手方向における前記除去部の幅が、前記圧電体能動部の幅よりも幅広に設けられていることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、除去部の幅方向両側に圧電体能動部が形成されるのを防止して、圧電素子の長手方向の応力集中を確実に防止することができる。

本発明の第３の態様は、前記圧力発生室の長手方向における前記除去部の長さが、前記圧力発生室の短手方向の幅よりも幅広に設けられていることを特徴とする第１又は２の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、、圧電素子の駆動時に長手方向の応力集中を確実に緩和することができると共に、圧電素子の剛性を低下させて圧電体非能動部が圧電体能動部に追随して変位する変位量を確保することができるため、液体噴射特性が低下するのを確実に防止することができる。

本発明の第４の態様は、互いに隣接する前記除去部の間隔が、前記圧力発生室の短手方向の幅以上で、且つ前記圧力発生室の短手方向の幅の２倍以下であることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、圧電素子の変位量を確保して排除堆積の低下を確実に防止することができると共に、圧電素子の長手方向の応力集中を確実に防止することができる。

本発明の第５の態様は、前記圧電体非能動部の前記圧電体層の厚さが、前記圧電体能動部の厚さよりも薄いことを特徴とする第１〜４の何れか一つの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、圧電体非能動部の剛性をさらに低下させて、圧電体非能動部が圧電体能動部に追随して変位する変位量を確保することができ、液体噴射特性が低下するのを確実に防止することができる。

本発明の第６の態様は、前記下電極が複数の圧電素子に亘って設けられて共通電極となっていると共に、前記上電極が複数の圧電素子毎に設けられて個別電極となっていることを特徴とする第１〜５の何れか一つの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、共通電極である下電極に除去部を設けるようにしたため、圧電素子の電極が断線したり、電気抵抗が高くなるのを確実に防止することができる。

本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか一つ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７の態様では、圧電素子及び振動板の破壊を防止して、信頼性を向上することができると共に、消費電力を小さくすることができる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、流路形成基板の平面図及び圧力発生室の長手方向の断面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′断面の要部を拡大した図及びＢ−Ｂ′断面の要部を拡大した図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では板厚方向の結晶面方位が（１１０）面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って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、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。

インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。

すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。

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、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

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、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、この絶縁体膜５５上には、厚さが約０．１〜０．５μｍの下電極膜６０と、圧電体膜の一例であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、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、図２及び図３に示すように、下電極膜６０を複数の圧力発生室１２に相対向する領域に亘って連続して設けることで、複数の圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０及び圧電体層７０を各圧電素子３００毎に切り分けることで、上電極膜８０を各圧電素子３００の個別電極としている。すなわち、圧電体能動部３２０は、パターニングされた下電極膜６０及び上電極膜８０によって、圧力発生室１２に相対向する領域にのみ設けられていることになる。また、本実施形態では、圧電体層７０及び上電極膜８０が、図３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。

また、図３に示すように、圧電素子３００の下電極膜６０には、厚さ方向に完全に除去された除去部６１が複数設けられている。除去部６１は、圧力発生室１２に相対向する領域に圧力発生室１２の長手方向に亘って所定の間隔で複数設けられている。また、除去部６１内には、圧電体層７０が充填されている。これは、詳しくは後述するが、圧電体層７０のパターニングが、下電極膜６０の表面に達するまで行われるため、下電極膜６０の除去部６１内に設けられた圧電体層７０は、除去されることなく残留するからである。このように除去部６１内に圧電体層７０を充填することによって、下電極膜６０の存在する領域と、除去部６１によって除去された領域とで、振動板の振動特性が急激に変化するのを緩和させることができ、この境界部分での圧電素子３００及び振動板の破壊を防止することができる。

このように下電極膜６０に除去部６１を設けることによって、圧電素子３００には、除去部６１に対応する領域に圧電体能動部３２０から連続する圧電体層７０及び上電極膜８０を有するが、実質的に駆動しない圧電体非能動部３３０が形成されている。すなわち、圧電素子３００の圧力発生室１２に相対向する領域には、複数の圧電体能動部３２０と複数の圧電体非能動部３３０とが、交互に配置されていることになる。本実施形態では、各圧電素子３００毎に下電極膜６０の除去部６１を３つ設けたため、各圧電素子３００毎に３つの圧電体非能動部３３０が形成されていることになる。

そして、圧電体能動部３２０と圧電体非能動部３３０とが交互に配設された圧電素子３００は、本実施形態では、その表面が圧電体非能動部３３０に対応する領域で、凹形状に形成されている。

このように、圧電素子３００の圧力発生室１２に相対向する領域に複数の圧電体非能動部３３０を所定の間隔で設けることによって、圧電素子３００の駆動時に圧電体非能動部３３０によって圧電素子３００の長手方向の撓み変形による応力集中を緩和して、圧電素子３００の長手方向の応力集中に起因する短手方向のクラックの発生を防止することができる。

また、下電極膜６０を除去した除去部６１によって圧電体非能動部３３０を設けることによって、圧電素子３００の剛性を低下させることができ、圧電素子３００の変位量を確保することができる。すなわち、圧電体非能動部３３０が圧電体能動部３２０に追随して変位する変位量を確保することができるため、インク吐出特性が低下するのを防止することができると共に、圧電素子３００の静電容量を小さくすることができ、消費電力を小さくすることができる。

さらに、本実施形態では、下電極膜６０に除去部６１を設けるようにしたため、圧電素子３００の電極が断線したり、電気抵抗が高くなるのを防止することができる。すなわち、例えば、上電極膜８０に除去部を設けようとすると、圧電素子３００の短手方向の幅に亘って除去部を設けた場合、上電極膜８０が分離されてしまう。また、上電極膜８０に除去部を圧電素子３００の幅方向両側に上電極膜８０が残留するように設けた場合、除去部の両側の上電極膜８０の幅を十分に確保することができず、上電極膜８０の電気抵抗が高くなってしまうと共に、除去部の両側に圧電体能動部３２０が形成されることになり、十分に応力緩和することができない。

なお、本実施形態では、下電極膜６０の除去部６１の幅Ｗ、すなわち、圧力発生室１２の短手方向における除去部６１の幅Ｗは、圧電体能動部３２０の幅よりも幅広に設けられている。ここで言う圧電体能動部３２０の幅とは、圧電体能動部３２０の圧電体層７０の流路形成基板１０側の幅のことである。そして、除去部６１の幅Ｗを圧電体能動部３２０の幅よりも幅広に設けることで、除去部６１の幅方向両側には、圧電体能動部３２０が形成されないようにして、圧電素子３００の長手方向で応力集中が発生するのを確実に防止している。

ここで、本実施形態では、圧電素子３００の側面が傾斜面となっており、この傾斜面は、流路形成基板１０の表面に垂直な方向に対して４５度以下の角度で設けられているため、除去部６１の幅Ｗを圧電体能動部３２０の幅よりも幅広としている。これに対して、例えば、圧電素子３００の傾斜面が４５度以上の場合には、除去部６１の幅Ｗは、圧電体能動部３２０における圧電体層７０の流路形成基板１０側の幅よりも幅狭となっていてもよい。これは、上電極膜８０の短手方向の端部からは約４５度の範囲内でしか電圧を印加することができないため、圧電体層７０の側面が４５度以上の場合には、上電極膜８０の端部から４５度の範囲の外側で圧電体層７０の下に下電極膜６０が存在しても、上電極膜８０と下電極膜６０との間に電圧が印加されないことがないからである。

また、本実施形態では、下電極膜６０の除去部６１の長さＬ、すなわち、圧力発生室１２の長手方向における下電極膜６０の長さＬは、圧力発生室１２の短手方向の幅以上で形成されている。このように除去部６１の長さＬを圧力発生室１２の短手方向の幅以上とすることで、圧電素子３００の駆動時に長手方向の応力集中を確実に緩和することができると共に、圧電素子３００の剛性を低下させて圧電体非能動部３３０が圧電体能動部３２０に追随して変位する変位量を確保することができるため、インク吐出特性が低下するのを確実に防止することができる。

さらに、本実施形態では、互いに隣接する除去部６１の間隔ｔは、圧力発生室１２の短手方向の幅以上で、且つ圧力発生室１２の短手方向の幅の２倍以下となるように形成されている。これは、互いに隣接する除去部６１の間隔ｔが圧力発生室１２の幅よりも小さいと、圧電体非能動部３３０が圧電体能動部３２０に追随して変位する変位量を確保することができず、排除堆積が低下してしまう。また、互いに隣接する除去部６１の間隔ｔが圧力発生室１２の幅の２倍よりも大きいと、圧電体能動部３２０の長手方向の長さが長くなり、圧電素子３００の長手方向の応力集中を緩和することができなくなってしまうからである。

さらに、本実施形態では、下電極膜６０の除去部６１に相対向する領域の圧電体層７０は、圧電体能動部３２０の圧電体層７０に比べてその膜厚が薄く形成されている。これは、詳しくは後述するが、複数の圧電体膜を積層して圧電体層７０を形成した際に、例えば、１層目の圧電体膜を形成してから下電極膜６０と圧電体膜とを同時に除去して除去部６１を形成し、その後、残りの圧電体膜を積層形成するため、除去部６１上に設けられた圧電体層７０は、圧電体能動部３２０の圧電体層７０に比べて圧電体膜が１層少なくなる。これにより、圧電体非能動部３３０の剛性がさらに低下するため、圧電体非能動部３３０が圧電体能動部３２０に追随して変位する変位量を確保することができ、インク吐出特性が低下するのを防止することができる。

なお、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、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

また、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上まで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。リザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板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、上述の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の共通の液体室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

また、保護基板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有する圧電素子保持部３２が設けられている。保護基板３０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。

このような保護基板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。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

さらに、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００が固定されている。この駆動回路２００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２００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２１０を介して電気的に接続されている。

また、このような保護基板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２００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。

以下、このような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８を参照して説明する。なお、図４〜図８は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、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とな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。

次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）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、絶縁体膜５５の全面に亘って、白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）からなる下電極膜６０を形成する。なお、下電極膜６０の形成方法としては、例えば、スパッタリング法又は蒸着法等が挙げられる。

次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、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を形成している。なお、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されず、例えば、リラクサ強誘電体（例えば、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＮＮ-ＰＴ等）の他の圧電材料を用いてもよい。また、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等で圧電体層７０を形成してもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７１を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を１７０〜１８０℃で８〜３０分間保持することで乾燥することができる。

次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。

次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。

なお、焼成工程では、圧電体前駆体膜７１を６５０〜７５０℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、７００℃で５分加熱するようにした。このように焼成温度及び焼成時間を所定の範囲とすることで優れた特性の圧電体膜７２を得ることができる。

また、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置、ホットプレート又は熱拡散炉等が挙げられる。

そして、図５（ｃ）に示すように、下電極膜６０上に圧電体膜７２の１層目を形成した段階で、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２を同時にパターニングする。これにより、下電極膜６０に所定の間隔で複数の除去部６１を形成する。このような除去部６１は、上述したように、圧力発生室１２が形成される領域に、所定の間隔で複数形成する。なお、下電極膜６０及び圧電体膜７２のパターニングは、例えば、イオンミリングや反応性ドライエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより行うことができる。

そして、パターニング後、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図５（ｄ）に示すように複数層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。このとき、図５（ｃ）に示す工程で、下電極膜６０に除去部６１を形成した際に、１層目の圧電体膜７２も同時に除去されているため、圧電体層７０の除去部６１に相対向する領域は、その他の領域（圧電体能動部３２０となる領域）よりも圧電体膜７２が１層少なく形成される。したがって、圧電体層７０は、除去部６１に相対向する領域が、その他の領域（圧電体能動部３２０となる領域）よりも薄く形成されている。

なお、例えば、複数層の圧電体膜７２からなる圧電体能動部３２０の圧電体層７０の膜厚は約１．１μｍ程度であり、除去部６１に相対向する領域の圧電体層７０の膜厚は約１．０μｍ程度となる。圧電体層７０の膜厚としては、約１．０〜約５．０μｍ程度を用いることができる。

このように、圧電体層７０を形成した後は、図６（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板１０の全面に形成した後、図６（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に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。これにより、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０で構成されて実質的に駆動される圧電体能動部３２０と、下電極膜６０の除去部６１によって、圧電体層７０及び上電極膜８０で構成されて実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０とが形成される。

次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングすることで形成される。

次に、図７（ａ）に示すように、パターニングされた複数の圧電素子３００を保持する保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板１０上に例えば接着剤３５によって接合する。なお、保護基板用ウェハ１３０には、リザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が予め形成されている。また、保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコン単結晶基板からなり、保護基板用ウェハ１３０を接合することで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。

次いで、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みになるように薄くする。

次に、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上にマスク膜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８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、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５を形成する。

その後は、流路形成基板用ウェハ１１０の圧力発生室１２が開口する面側のマスク膜５２を除去し、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の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、これら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上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが製造される。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１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。上述した実施形態１では、流路形成基板１０及び流路形成基板用ウェハ１１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、これら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３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモータの駆動力により回転できるようになっており、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。

なお、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。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。一実施形態に係るインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

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、６１除去部、７０圧電体層、７１圧電体前駆体膜、７２圧電体膜、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、１１０流路形成基板用ウェハ、１３０保護基板用ウェハ、２００駆動回路、２１０接続配線、３００圧電素子、３２０圧電体能動部、３３０圧電体非能動部

Claims

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、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に絶縁膜を介して設けられた下電極、該下電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた上電極からなる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子は、前記圧力発生室に相対向する領域に実質的な駆動部となる圧電体能動部と、前記下電極が除去された除去部によって形成された実質的に駆動されない圧電体非能動部とを具備し、前記圧電体非能動部が、前記圧力発生室に相対向する領域に当該圧力発生室の長手方向に亘って所定の間隔で複数設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧力発生室の短手方向における前記除去部の幅が、前記圧電体能動部の幅よりも幅広に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
前記圧力発生室の長手方向における前記除去部の長さが、前記圧力発生室の短手方向の幅よりも幅広に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
互いに隣接する前記除去部の間隔が、前記圧力発生室の短手方向の幅以上で、且つ前記圧力発生室の短手方向の幅の２倍以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
前記圧電体非能動部の前記圧電体層の厚さが、前記圧電体能動部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
前記下電極が複数の圧電素子に亘って設けられて共通電極となっていると共に、前記上電極が複数の圧電素子毎に設けられて個別電極となっていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜６の何れか一項に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。