JP2013215930A - インクジェットプリントヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体膜を挟んで配置される上部電極と下部電極との間の短絡を抑制して駆動特性を改善したインクジェットプリントヘッドおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】インクジェットプリントヘッド１は、圧力室５が形成された基板２と、圧力室５を区画し、圧力室５の容積を変化させるように変形する振動膜１０と、振動膜１０上に形成された下部電極７と、下部電極７上に形成された圧電体膜８と、圧電体膜８上に形成され、圧電体膜８の周縁よりも内方に後退した周縁を有する上部電極９とを含む。圧電体膜８の端面は、下部電極７から上部電極９に向かうに従って内方へと後退するテーパー面である。
【選択図】図２

Description

この発明は、圧電素子によってインク流路内の容積を変化させてインクを吐出するインクジェットプリントヘッドおよびその製造方法に関する。

特許文献１は、ノズル基板と、インク室基板と、振動板と、振動板に接合された圧電素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドを開示している。インク室基板には、インクが導入される圧力室が形成されており、この圧力室に振動板が臨んでいる。圧電素子は、振動板側から、下部電極、圧電体層および上部電極を積層して構成されている。

特開２００８−１２７０６号公報（図２、図４）

特許文献１に記載された構成では、圧電素子を構成する下部電極、圧電体層および上部電極は、振動板を挟んで圧力室に対向する領域において、同一パターンに形成されており、同一の形状および大きさを有している。
圧電体層を構成する圧電材料は、たとえば、ＰＺＴ（ＰｂＺｒ_ＸＴｉ_1-ＸＯ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される金属酸化物である。このような圧電材料は、結晶粒の焼結体からなり、圧電体層のパターニングのためのエッチングにおいては、結晶粒ごと削れたり、結晶粒が付着したりしながら、圧電体層の構成材料が除去されていく。そのため、パターニング後の圧電体層の端面は、滑らかな面ではなく、凹凸のある面となる。そのため、圧電体層を挟んで配置された上部電極と下部電極との間に駆動用の電圧（たとえば３０ボルト〜４０ボルト）を印加すると、スパークが生じて上部電極と下部電極との間の短絡が生じ易い。とくに、圧電体層を厚さ２μｍ程度の極薄層とすると、上部電極および下部電極の間のスパークの問題が顕著になる。

そこで、この発明の目的は、圧電体膜を挟んで配置される上部電極と下部電極との間の短絡を抑制でき、これにより、駆動特性を改善したインクジェットプリントヘッドおよびその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、圧力室が形成された基板と、前記圧力室を区画し、前記圧力室の容積を変化させるように変形する振動膜と、前記振動膜上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成され、前記圧電体膜の周縁よりも内方に後退した周縁を有する上部電極とを含むインクジェットプリントヘッドである。

この構成によれば、上部電極の周縁が圧電体膜の周縁よりも内方に後退している。それによって、上部電極から下部電極までの距離が長くなる。加えて、圧電体膜の周縁よりも内方に後退したパターンに上部電極をパターニングするときに、圧電体膜の周縁部が露出するので、その周縁部が同時に加工されることになる。そのため、結果として、圧電体膜の端面の凹凸が低減される。これにより、上部電極と下部電極との間でのスパーク（短絡）を抑制できる。

振動膜はたとえば圧力室の天壁を構成しており、この振動膜上に積層された下部電極、圧電体膜および上部電極によって圧電素子が構成されている。上部電極と下部電極との間に駆動電圧を印加して圧電素子を駆動することによって、振動膜を変形させることができ、それによって、圧力室の容積変化を生じさせることができる。したがって、圧力室にインクを導入しておけば、圧力室の容積変化に応じた量のインクを吐出できる。

請求項２記載の発明は、前記圧電体膜が、前記下部電極から前記上部電極に向かうに従って内方へと後退するテーパー形状の端面を有している、請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドである。
テーパー形状の端面は、圧電体膜の周縁よりも内方に後退したパターンに上部電極をパターニングするときに、圧電体膜の周縁部が露出し、それによって当該周縁部が加工を受けることによって形成される。これにより、テーパー形状の端面は、凹凸が低減された滑らかな端面となる。また、圧電体膜の端面が圧電体膜の主面に垂直である場合よりも、上部電極と下部電極との間の距離が長くなる。これにより、上部電極と下部電極との間でのスパーク（短絡）を抑制できる。

請求項３記載の発明は、前記圧電体膜が金属酸化物結晶粒の焼結体で構成されている、請求項１または２に記載のインクジェットプリントヘッドである。金属酸化物結晶粒の焼結体からなる圧電体膜は、そのパターニングのためのエッチングの際に、結晶粒ごと脱落したり再付着したりするので、端面に凹凸が生じ易い。この端面の凹凸は、上部電極のパターニングのときに取り除かれるので、凹凸のある端面に起因する、上部電極および下部電極間のスパーク（短絡）を抑制できる。

請求項４記載の発明は、前記振動膜が矩形に形成されており、前記圧電体膜が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも長く、前記圧電体膜の端部が前記振動膜の長手方向端部を超えて前記振動膜の外側にまで延びている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドである。
この構成によれば、圧電体膜の重みのために振動膜が大きく撓むことを回避できる。もしも、圧電体膜の一方または両方の端部が振動膜の端部（圧力室の端部）よりも内方に位置していると、圧電体膜の重みのために振動膜が撓む。すると、上部電極と下部電極との間に電圧を印加して圧電体膜を駆動したときに生じる圧力室の容積変化が小さくなるから、インク吐出性能が悪くなる。これに対して、圧電体膜の端部が振動膜の端部（圧力室の端部）を超えて振動膜の外側（圧力室の外側）にまで延びていれば、圧電体膜の端部が圧力室外の領域において基板に支持されるので、圧電体膜は、それ自身の剛性によって支持され、振動膜に対して大きな荷重を与えない。これにより、非駆動時における振動膜の撓みが小さくなる。それによって、上部電極と下部電極との間に駆動電圧を印加したときの振動膜の変位が大きくなり、圧力室の容積変化を大きくできるから、インク吐出性能を向上できる。

請求項５記載の発明は、前記圧電体膜が前記振動膜の長手方向に延びた等幅矩形部を有し、前記等幅矩形部が前記振動膜の長手方向の長さよりも長く、前記等幅矩形部の両端部が、前記振動膜の長手方向両端部を超えて前記振動膜の外側に位置している、請求項４に記載のインクジェットプリントヘッドである。等幅矩形部とは、長手方向に直交する幅が長手方向で一様な矩形部である。

この構成によれば、圧電体膜の等幅矩形部の両端部が振動膜の両端部を超えて振動膜の外側に位置しているので、圧電体膜の重さに起因する振動膜の撓みをより一層低減できる。これにより、圧力室の容積変化を大きくすることができるので、インク吐出性能をさらに向上できる。
請求項６記載の発明は、前記上部電極が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも短く、前記上部電極の端部が前記振動膜の長手方向両端部よりも前記振動膜の内側に配置されている、請求項４または５に記載のインクジェットプリントヘッドである。

この構成によれば、振動膜の内側の領域において、下部電極と上部電極との間に駆動電圧を印加することができるので、振動膜に対向する領域で圧電体膜を効率的に変形させることができる。これにより、振動膜を大きく変位させることができる。これにより、圧力室の容積変化が大きくなるので、インク吐出性能を向上できる。
請求項７記載の発明は、前記圧電体膜の周縁と前記振動膜の長手方向に沿う側縁との間に間隔が開けられている、請求項４〜６のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドである。

この構成によれば、圧電体膜の周縁と振動膜の長手方向に沿う側縁との間の間隔に対応する領域において、振動膜が圧電体膜によって拘束されていないので、振動膜を大きく変形させることができる。これにより、圧電体膜に電圧が印加されたときに、振動膜を大きく変位させることができるので、圧力室の容積変化を大きくして、インク吐出性能の向上に寄与できる。

請求項８記載の発明は、基板上に下部電極膜を形成する工程と、前記下部電極膜に積層された圧電体材料膜を形成する工程と、前記圧電体材料膜に積層された上部電極膜を形成する工程と、前記下部電極膜、前記圧電体材料膜および前記上部電極膜を下部電極パターンにパターニングして、下部電極を形成する工程と、前記上部電極膜および前記圧電体材料膜を、前記下部電極パターンとは異なる圧電体膜パターンにパターニングして、圧電体膜を形成する工程と、前記上部電極膜を、前記圧電体膜の周縁から内方に後退した周縁を有する上部電極パターンにパターニングして、上部電極を形成する工程と、前記基板の前記下部電極、前記圧電体膜および前記上部電極に対向する部分を前記圧電体膜とは反対側からエッチングして、前記下部電極、前記圧電体膜および前記上部電極に対向する圧力室を形成するとともに、前記下部電極と前記圧力室との間に前記基板の材料からなる振動膜を形成する工程とを含む、インクジェットプリントヘッドの製造方法である。

この方法によれば、下部電極膜、圧電体材料膜および上部電極膜をいずれも下部電極パターンにパターニングした後、上部電極膜および圧電体材料膜を圧電体膜パターンにパターニングし、さらに、上部電極膜を圧電体膜の周縁から内方に後退した周縁を有する上部電極パターンにパターニングする。圧電体材料膜をパターニングするとき、圧電体材料膜の端面は必ずしも滑らかな面にならず、凹凸のある表面となるおそれがある。しかし、上部電極膜のパターニングの際に、圧電体膜の周縁部が露出することになるので、その周縁部が加工を受けることになり、その結果、圧電体膜の端面の凹凸が平滑化される。このように、上部電極パターンの周縁が圧電体膜の周縁よりも内方に後退しているので、上部電極の周縁と下部電極の周縁との距離が長くなるうえに、圧電体膜は滑らかな端面を有する。その結果、上部電極と下部電極との間のスパーク（短絡）を抑制することができる。

請求項９記載の発明は、前記上部電極膜を前記上部電極膜パターンにパターニングする工程において、前記圧電体膜の端面が、前記下部電極から前記上部電極に向かうに従って内方へと後退するテーパー面に整形される、請求項８に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法である。この方法により、請求項２の構造のインクジェットプリントヘッドを製造できる。

請求項１０記載の発明は、前記圧電体膜が金属酸化物結晶粒の焼結体で構成される、請求項８または９に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法である。この方法により、請求項３に記載のインクジェットプリントヘッドを製造できる。
請求項１１記載の発明は、前記振動膜が矩形に形成され、前記圧電体膜が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも長く、前記圧電体膜の端部が前記振動膜の長手方向端部を超えて前記振動膜の外側にまで延びるように、前記圧電体膜および前記圧力室が形成される、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法である。この方法により、請求項４に記載した構造のインクジェットプリントヘッドを製造できる。

請求項１２記載の発明は、前記上部電極が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも短く、前記上部電極の端部が前記振動膜の長手方向両端部よりも前記振動膜の内側に配置されるように、前記上部電極および圧力室が形成される、請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法である。この方法により、請求項６に記載した構造のインクジェットプリントヘッドを製造できる。

請求項１３記載の発明は、前記圧電体膜の周縁と前記振動膜の長手方向に沿う側縁との間に間隔が開けられるように、前記圧電体膜および前記圧力室が形成される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法である。この方法により、請求項７に記載した構造のインクジェットプリントヘッドを製造できる。

図１は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの模式的な断面図である。 図２は、圧力室および圧電素子の配置を説明するための図解的な斜視図である。 図３は、圧力室および圧電素子の配置を説明するための図解的な平面図である。 図４は、圧力室の長手方向に直交する切断面に沿った断面図である。 図５は、前記インクジェットプリントヘッドの製造工程の一例を示す工程図である。 図６Ａ−６Ｃは、下部電極膜、圧電体材料膜および上部電極膜のパターニングを説明するための斜視図である。 図７Ａは、下部電極膜、圧電体材料膜および上部電極膜のパターニングを説明するための断面図である。 図７Ｂは、下部電極膜、圧電体材料膜および上部電極膜のパターニングを説明するための断面図である。 図７Ｃは、下部電極膜、圧電体材料膜および上部電極膜のパターニングを説明するための断面図である。 図７Ｄは、下部電極膜、圧電体材料膜および上部電極膜のパターニングを説明するための断面図である。 図８Ａおよび８Ｂは、この発明の他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構成を説明するための図解的な平面図である。 図９Ａおよび９Ｂは、比較例に係る構成を説明するための図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの模式的な断面図である。インクジェットプリントヘッド１は、基板の一例であるシリコン基板２と、インクを吐出する吐出口３ａを有するノズル基板３とを備えている。
シリコン基板２には、インク流路（インク溜まり）としての圧力室５が裏面側（ノズル基板３側）に形成されている。ノズル基板３は、たとえばシリコンプレートからなり、シリコン基板２の裏面に貼り合わされ、シリコン基板２とともに圧力室５を区画している。ノズル基板３は、圧力室５に臨む凹部３ｂを有し、凹部３ｂの底面にインク吐出通路３ｃが形成されている。インク吐出通路３ｃは、ノズル基板３を貫通しており、圧力室５とは反対側に吐出口３ａを有している。したがって、圧力室５の容積変化が生じると、圧力室５に溜められたインクは、インク吐出通路３ｃを通り、吐出口３ａから吐出される。

圧力室５は、裏面側からシリコン基板２を掘り込んで形成されている。シリコン基板２には、さらに、圧力室５に連通するインク供給路４（図１のIV−IV線断面である図４を併せて参照）が形成されている。インク供給路４は、圧力室５に連通しており、インク供給源であるインクタンク（たとえばインクカートリッジ）からのインクを圧力室５に導くように形成されている。

圧力室５は、図１の左右方向であるインク流通方向２１に沿って細長く延びて形成されている。圧力室５の天壁は、振動膜１０を形成している。振動膜１０は、シリコン基板２の一部であるシリコン層１０Ａと、絶縁膜である酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０Ｂとを積層して構成されている。この実施形態では、酸化シリコン層１０Ｂは、圧力室５の上方だけでなく、シリコン基板２の全面に形成されている。ただし、この明細書において「振動膜１０」とは、圧力室５を区画している天壁部を意味している。したがって、圧力室５外の酸化シリコン層１０Ｂは振動膜１０を構成していない。

振動膜１０の厚さは、たとえば、０．４μｍ〜２μｍである。より具体的には、シリコン層１０Ａの厚さがたとえば０．３μｍ〜１．４μｍ程度であり、酸化シリコン層１０Ｂの厚さがたとえば０．１μｍ〜０．６μｍ程度である。シリコン層１０Ａは、シリコン基板２を裏面側から部分的にエッチングして圧力室５を形成し、その圧力室５の天面部に薄部を残すことによって形成されている。すなわち、シリコン基板２は、圧力室５以外の部分の厚部（厚さ５０μｍ〜３００μｍ）と、圧力室５の天面部である薄部とを有しており、その薄部が振動膜１０を構成するシリコン層１０Ａをなしている。圧力室５は、振動膜１０と、シリコン基板２の前記厚部（インク流路形成部材）と、ノズル基板３とによって区画されており、この実施形態では、略直方体形状に形成されている。圧力室５の長さはたとえば５００μｍ程度、その幅は５０μｍ程度であってもよい。ただし、圧力室５は、シリコン基板２の裏面側からのエッチングによって形成されるので、側面は、表面側に向かうに従って狭まるテーパー（内方に傾斜する傾斜面。図４を併せて参照）となっている。インク供給路４は、圧力室５の長手方向一端部（この実施形態では、吐出口３ａとは反対側に位置する端部）に連通するようにされている。ノズル基板３の吐出口３ａは、この実施形態では、圧力室５の長手方向に関する他端部付近に配置されている。

振動膜１０の表面、すなわち酸化シリコン層１０Ｂの表面には、圧電素子６が配置されている。圧電素子６は、酸化シリコン層１０Ｂ上に形成された下部電極７と、下部電極７上に形成された圧電体膜８と、圧電体膜８上に形成された上部電極９とを備えている。言い換えれば、圧電素子６は、圧電体膜８を上部電極９および下部電極７で上下から挟むことにより構成されている。

下部電極７は、たとえば、Ｔｉ（チタン）層およびＰｔ（プラチナ）層を振動膜１０側から順に積層した２層構造を有している。この他にも、Ａｕ（金）膜、Ｃｒ（クロム）膜、Ｎｉ（ニッケル）膜などの単膜で下部電極７を形成することもできる。下部電極７は、圧電体膜８の下面に接し、さらに、圧電体膜８の外方の領域にまで延びた延長部を有している。

圧電体膜８としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたＰＺＴ（ＰｂＺｒ_ＸＴｉ_1-ＸＯ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）膜を適用することができる。このような圧電体膜８は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜８の厚さは、１μｍ〜５μｍが好ましい。振動膜１０の全体の厚さは、圧電体膜８の厚さと同程度か、圧電体膜８の厚さの２／３程度とすることが好ましい。

上部電極９は、圧電体膜８と平面視でほぼ相似形状に形成されている。より詳細には、上部電極９の周縁は、圧電体膜８の周縁よりも所定距離（たとえば２．５μｍ程度）だけ内方に後退している。したがって、上部電極９は、圧電体膜８よりも小さい。上部電極９は、たとえば、ＩｒＯ_２（酸化イリジウム）層およびＩｒ（イリジウム）層を圧電体膜８側から順に積層し、さらにＰｔ層またはＡｕ層等を積層した３層構造を有している。

振動膜１０および圧電素子６の表面は、水素バリア膜１３によって覆われている。水素バリア膜１３は、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）からなる。これにより、圧電体膜８の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜１３上には、インクジェットプリントヘッド１の最表面を保護する表面保護膜１５が形成されている。表面保護膜１５は、たとえば、ＳｉＮからなる。

圧電素子６は、振動膜１０を挟んで圧力室５に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子６は、振動膜１０の圧力室５とは反対側の表面に接するように形成されている。圧力室５には、図示しないインクタンクからインク供給路４を通って供給されるインクが充填される。振動膜１０は、圧力室５の天面部を区画していて、圧力室５に臨んでいる。振動膜１０は、シリコン基板２の圧力室５の周囲の部分（厚部）によって支持されており、圧力室５に対向する方向（換言すれば振動膜１０の厚さ方向）に変形可能な可撓性を有している。

下部電極７および上部電極９は、駆動回路１６に接続されている。駆動回路１６は、シリコン基板２の圧力室５とは別の領域に形成されていてもよいし、シリコン基板２外に形成されていてもよい。駆動回路１６から圧電素子６に駆動電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体膜８が変形する。これにより、圧電素子６とともに振動膜１０が変形し、それによって、圧力室５の容積変化がもたらされ、圧力室５内のインクが加圧される。加圧されたインクは、インク吐出通路３ｃを通って、吐出口３ａから微小液滴となって吐出される。

図２は、圧力室５および圧電素子６の配置を説明するための図解的な斜視図であり、図３はその一部の図解的な平面図である。さらに、図４は、圧力室５の長手方向に直交する切断面（図１のIV−IV線断面）に沿った断面図である。
シリコン基板２には、複数の圧力室５が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数の圧力室５は、それらの幅方向に微小な間隔（たとえば１５μｍ程度）を開けて等間隔で形成されている。各圧力室５は、平面視において、インク供給路４からインク吐出通路３ｃに向かうインク流通方向２１（図１を併せて参照）に沿って細長く延びた長方形形状を有している。インク供給路４は、圧力室５の一端部において、２つの通路に分かれて形成されており、共通インク通路１７に連通している。共通インク通路１７は、複数の圧力室５に対応したインク供給路４に連通しており、それらのインク供給路４に、インクタンクからのインクを供給するように形成されている。

圧電素子６は、インク流通方向２１（振動膜１０の長手方向と同方向）に沿って、圧力室５の天壁を構成する振動膜１０よりも長く形成されており、平面視矩形形状を有している。圧電素子６の第１の端辺６ａは、振動膜１０の長手方向に関して、振動膜１０の外側に配置されている。圧電素子６の第２の端辺６ｂは、振動膜１０の長手方向に関して、振動膜１０の外側に配置されている。すなわち、圧電素子６は、振動膜１０の長手方向に沿って、当該振動膜１０の両端１０ａ，１０ｂを超えて延びていて、両端辺６ａ，６ｂが振動膜１０の長手方向に関して互いに反対側の外方に位置している。また、圧電素子６は、振動膜１０の長手方向に直交する短手方向（シリコン基板２の主面に平行な方向）の幅が、振動膜１０（すなわち圧力室５）の当該短手方向の幅よりも狭く形成されている。そして、圧電素子６の長手方向に沿う両側縁６ｃ，６ｄは、振動膜１０の対応する両側縁１０ｃ，１０ｄに対して、所定の間隔ｄ１（たとえば２．５μｍ程度）を開けて内側に配置されている。

さらに詳細に説明すると、下部電極７は、圧電素子６を構成する等幅矩形部７Ａと、等幅矩形部７Ａと一体化し、圧電素子６から引き出された引き出し電極部７Ｂと、複数の圧電素子６の下部電極７を共通接続する共通接続部７Ｃとを有している。等幅矩形部７Ａは、振動膜１０の長手方向に沿って、振動膜１０よりも長く形成されており、その両端部は振動膜１０の長手方向両端辺１０ａ，１０ｂを超えてその外方に達している。また、等幅矩形部７Ａは、振動膜１０の短手方向に沿う幅が、振動膜１０の当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両側縁は、振動膜１０の対応する両側縁１０ｃ，１０ｄに対して、所定の間隔ｄ１を開けて内側に配置されている。引き出し電極部７Ｂは、圧電素子６の第２の端辺６ｂの中央付近から圧電素子６の長手方向に沿って引き出されている。なお、「等幅矩形部」とは、長手方向に直交する幅が長手方向に一様である矩形部をいう。以下同じ。

上部電極９は、圧電素子６を構成する等幅矩形部９Ａと、等幅矩形部９Ａと一体化し、圧電素子６から引き出された引き出し電極部９Ｂと、外部接続のために引き出し電極部９Ｂよりも幅広に形成されたパッド部９Ｃとを有している。等幅矩形部９Ａは、振動膜１０の長手方向に沿って、振動膜１０よりも長く形成されており、その両端部は振動膜１０の長手方向両端辺１０ａ，１０ｂを超えてその外方に達している。また、等幅矩形部９Ａは、振動膜１０の短手方向に沿う幅が、振動膜１０の当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両側縁は、振動膜１０の対応する両側縁１０ｃ，１０ｄに対して、前記間隔ｄ１よりも少し大きな間隔ｄ２（たとえば２μｍ〜５μｍ程度）を開けて内側に配置されている。引き出し電極部９Ｂは、圧電素子６の第１の端辺６ａの中央付近から圧電素子６の長手方向に沿って、下部電極７とは反対側に引き出されている。

圧電体膜８は、上部電極９とほぼ同様のパターンに形成されている。すなわち、圧電素子６を構成する等幅矩形部８Ａと、等幅矩形部８Ａと一体化し、上部電極９の引き出し電極部９Ｂの下に位置する引き出し部８Ｂと、上部電極９のパッド部９Ｃの下に位置するパッド下部８Ｃとを有している。等幅矩形部８Ａは、振動膜１０の長手方向に沿って、振動膜１０よりも長く形成されており、その両端部は振動膜１０の長手方向両端辺１０ａ，１０ｂを超えてその外方に達している。また、等幅矩形部８Ａは、振動膜１０の短手方向に沿う幅が、振動膜１０の当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両側縁は、振動膜１０の対応する両側縁１０ｃ，１０ｄに対して、前記間隔ｄ１を開けて内側に配置されている。

圧電体膜８は、下部電極７に接する下面８ａと、上部電極９に接する上面８ｂとを有している。圧電体膜８は、下部電極７に接している部分において、下部電極７とほぼ同じパターンの下面８ａを有している。より具体的には、圧電体膜８の等幅矩形部８Ａの下面８ａは、下部電極７の等幅矩形部７Ａとほぼ同じパターンである。圧電体膜８は、さらに、上部電極９とほぼ同じパターンの上面８ｂを有している。より具体的には、圧電体膜８の等幅矩形部８Ａの上面８ｂは、上部電極９の等幅矩形部９Ａとほぼ同じパターンである。そして、上部電極９の周縁は、下部電極７の周縁よりも所定距離ｄ１２（＝ｄ２−ｄ１。たとえば１μｍ〜３μｍ程度）内方に位置している。そのため、圧電体膜８の上面８ｂの周縁はその下面８ａの周縁よりも内方に位置している。その結果、圧電体膜８の端面８ｃは下面８ａから上面８ｂに向かうに従って内方に傾斜する傾斜面（テーパー面）を成している。圧電体膜８の周縁は、上面８ｂの周縁よりも外側に位置している下面８ａの周縁によって定義される。したがって、上部電極９の周縁は、圧電体膜８の周縁よりも距離ｄ１２だけ内方に位置している。

図５は、前記インクジェットプリントヘッド１の製造工程の一例を示す工程図である。まず、シリコン基板２の表面に酸化シリコン層１０Ｂが形成される（Ｓ１）。酸化シリコン層１０Ｂの形成は、熱酸化法によって行ってもよい。酸化シリコン層１０Ｂの膜厚は、たとえば１０００Å〜４０００Åとしてもよい。この酸化シリコン層１０Ｂの表面には、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｚｒ０_２などの下地酸化膜が形成されてもよい。これらの下地酸化膜は、後に形成される圧電体膜８からの金属原子の抜け出しを防ぐ。金属膜が抜け出すと、圧電体膜８の圧電特性が悪くなるおそれがある。また、抜け出した金属原子が振動膜１０を構成するシリコン層１０Ａに混入すると、振動膜１０の耐久性が悪化するおそれがある。

次に、酸化シリコン層１０Ｂの上（前記下地酸化膜が形成された場合には当該下地酸化膜の上）に、下部電極７の材料膜である下部電極膜が形成される（Ｓ２）。下部電極膜は、たとえば、Ｔｉ膜（たとえば１００Å〜４００Å厚）を下層としＰｔ膜（たとえば１０００Å〜４０００Å厚）を上層とするＰｔ／Ｔｉ積層膜からなる。このような下部電極膜は、スパッタ法で形成されてもよい。

次いで、圧電体膜８の材料膜（圧電体材料膜）が下部電極膜上の全面に形成される（Ｓ３）。具体的には、たとえば、ゾルゲル法によって１μｍ〜５μｍ厚のＰＺＴ膜が形成される。すなわち、ＰＺＴの材料を塗布して仮焼成する工程を複数回繰り返し、その後に、本焼成によってＰＺＴ膜が形成される。このようなＰＺＴ膜は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。

次に、圧電体膜８の全面に上部電極９の材料膜である上部電極膜が形成される（Ｓ４）。上部電極膜は、たとえば、ＩｒＯ_２膜（たとえば４００Å〜１６００Å厚）を下層としＩｒ膜（たとえば５００Å〜２０００Å厚）を上層とするＩｒ／ＩｒＯ_２積層膜からなる。このような上部電極膜は、スパッタ法で形成されてもよい。
次いで、上部電極膜、圧電体材料膜、および下部電極膜のパターニングが行われる（Ｓ５−Ｓ１３）。これらのパターニングの詳細を、図６Ａ−６Ｃおよび図７Ａ−７Ｄを併せて参照しながら説明する。

まず、図７Ａに示すように、フォトリソグラフィによって、下部電極７のパターンのレジストマスク３１が形成され（Ｓ５）、このレジストマスク３１をマスクとして、上部電極膜４９、圧電体材料膜４８および下部電極膜４７が同一パターンにエッチングされる（Ｓ６−Ｓ８）。より詳細には、上部電極膜４９はドライエッチングによってパターニングされ（Ｓ６）、圧電体材料膜４８はウェットエッチングによってパターニングされ（Ｓ７）、下部電極膜４７はドライエッチングによってパターニングされる（Ｓ８）。こうして、下部電極７が形成される。

圧電体材料膜４８のウェットエッチングに用いるエッチャントは、塩酸を主体とした酸類であってもよい。圧電体材料膜４８は、結晶粒の焼結体であるので、そのエッチングは、結晶粒が剥がれ落ちたり、剥がれ落ちた結晶粒が再付着したりしながら進行する。そのため、エッチング後の圧電体材料膜４８の端面４８ａ（図７Ｂ参照）は、結晶粒に起因する凹凸のある表面となる。この段階では、図６Ａに示すように、圧電体材料膜４８および上部電極膜４９は、下部電極７と同一パターンに形成されており、それらの端面は、各膜４８，４８および下部電極７の主面にほぼ垂直である。

次に、レジストマスク３１を剥離した後、図７Ｂに示すように、フォトリソグラフィによって、圧電体膜８のパターンのレジストマスク３２が形成され（Ｓ９）、このレジストマスク３２を用いて、上部電極膜４９および圧電体材料膜４８が同一パターンにエッチングされる（Ｓ１０−Ｓ１１）。より詳細には、上部電極膜４９はドライエッチングによってパターニングされ（Ｓ１０）、圧電体材料膜４８はウェットエッチングによってパターニングされる（Ｓ１１）。こうして、圧電体膜８が形成される。この場合も、エッチング後の圧電体材料膜４８の端面４８ａ（図７Ｃ参照）は、結晶粒に起因する凹凸のある表面となる。この段階では、図６Ｂに示すように、圧電体膜８および上部電極９は同一パターンに形成されており、下部電極７の引き出し電極部７Ｂおよび共通接続部７Ｃの上の圧電体材料膜４８および上部電極膜４９が除去されている。各膜の端面は、各膜の主面にほぼ垂直である。

次に、レジストマスク３２を剥離した後、図７Ｃに示すように、フォトリソグラフィによって、上部電極９のパターンのレジストマスク３３が形成され（Ｓ１２）、このレジストマスク３３をマスクとして、上部電極膜４９がエッチングされる（Ｓ１３）。これにより、上部電極９が形成される。より詳細には、上部電極膜４９はドライエッチングによってパターニングされる。レジストマスク３３は、圧電体膜８の端面から所定距離ｄ１２だけ後退した周縁を有するパターンに形成される。

ドライエッチングによって上部電極膜４９の露出部分が除去されて上部電極９にパターニングされた後、さらにドライエッチングを継続してオーバーエッチングを行うと、圧電体膜８において上部電極９から露出している周縁領域がエッチングされる。これにより、圧電体膜８の端面が加工されて整形されていき、図７Ｄに示すように、テーパー状の滑らかな端面８ｃとなる。上部電極膜４９のエッチングのときには、上部電極膜４９のエッチングレートよりも圧電体膜８のエッチングレートが小さいので、圧電体膜８の周縁部における加工は緩やかに進み、圧電体膜８の周縁部分が完全に失われることはない。

こうして、図６Ｃに示すように、メサ型に整形された圧電体膜８を下部電極７および上部電極９で挟んだ構造の圧電素子６が得られる。図６Ｃには、圧電体膜８よりも小さいパターンにエッチングする前の上部電極膜４９の外縁を二点鎖線で示してある。
その後は、レジストマスク３３を剥離した後、全面を覆う水素バリア膜１３が形成される（Ｓ１４）。水素バリア膜１３は、スパッタ法で形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜であってもよく、その膜厚は４００Å〜１６００Å程度であってもよい。

さらに、水素バリア膜１３を覆う表面保護膜１５が形成される（Ｓ１５）。表面保護膜１５は、酸化膜（たとえば、プラズマＴＥＯＳによるＮＳＧ（None-doped Silicate Glass））であってもよく、その膜厚は、２５００Å〜１００００Åであってもよい。
次いで、シリコン基板２を薄くするための裏面研削が行われる（Ｓ１６）。たとえば、初期状態で６７０μｍ厚程度のシリコン基板２が、３００μｍ厚程度に薄型化されてもよい。

その後、シリコン基板２の裏面から行うエッチング（ドライエッチングまたはウェットエッチング）によって、圧力室５が形成され、同時に振動膜１０を構成するシリコン層１０Ａが形成される（Ｓ１７）。このエッチングの際、水素バリア膜１３および酸化シリコン層１０Ｂの表面に形成される下地酸化膜は、圧電体膜８から金属元素（ＰＺＴの場合は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ）が抜け出すことを防止し、圧電体膜８の圧電特性を良好に保つ。また、前述のとおり、酸化シリコン層１０Ｂの表面に形成される下地酸化膜は、振動膜１０を形成するシリコン層１０Ａの耐久性の維持に寄与する。

圧電体膜８および圧力室５の形成は、圧電体膜８の等幅矩形部８Ａの両端部が振動膜１０の長手方向両端部よりも外側に位置し、かつ等幅矩形部８Ａと振動膜１０の側縁との間に間隔ｄ１が確保されるように行われる。
以上のように、この実施形態によれば、上部電極９の周縁が圧電体膜８の周縁よりも内方に後退しており、圧電体膜８はテーパー形状の端面８ｃを有している。それによって、上部電極９から下部電極７までの距離が長くなる。しかも、圧電体膜８の周縁よりも内方に後退したパターンに上部電極９をパターニングするためのドライエッチングにおいて、圧電体材料膜４８の端面４８ａの凹凸が低減されて、滑らかな端面８ｃにすることができる。これにより、上部電極９と下部電極７との間に駆動電圧（たとえば３０Ｖ〜４０Ｖ）を印加したときに、それらの間でスパーク（短絡）が生じることを回避できる。

さらに、この実施形態では、圧電体膜８は、振動膜１０の長手方向に関して当該振動膜よりも長く、圧電体膜８の両端部が振動膜１０の両端部よりも外側に達して、圧力室５の外側に位置している。この構成により、圧電体膜８の重みのために振動膜１０が大きく撓むことを回避できる。図９Ａおよび図９Ｂに比較例を示すように、圧電体膜８の一方または両方の端部が振動膜１０の端部（圧力室５の端部）よりも内方に位置していると、圧電体膜８の重みのために振動膜１０が圧力室５の内方へ撓む。すると、上部電極９と下部電極７との間に電圧を印加して圧電体膜８を駆動したときに生じる圧力室５の容積変化が小さくなるから、インク吐出性能が悪くなる。これに対して、圧電体膜８の端部が振動膜１０の端部（圧力室５の端部）を超えて振動膜１０の外側にまで延びている前述の実施形態の構成によれば、圧電体膜８の両端部がシリコン基板２の厚部で支持されているので、振動膜１０上の圧電体膜８は、それ自身の剛性によって支えられる。これにより、非駆動時における振動膜１０の撓みが小さくなる。それによって、上部電極９と下部電極７との間に駆動電圧を印加したときの振動膜１０の変位が大きくなり、圧力室５の容積変化を大きくできる結果、インク吐出性能を向上できる。

とくに、この実施形態では、圧電体膜８において、圧電素子６を構成している等幅矩形部８Ａが振動膜１０の長手方向両端部を超えて当該振動膜１０の外側に位置している。そのため、圧電体膜８の重さに起因する振動膜１０の撓みを効果的に低減できる。これにより、圧力室５の容積変化を大きくすることができるので、インク吐出性能をさらに向上できる。

しかも、この実施形態では、圧電素子６を構成する下部電極７および上部電極９の各両端部も、圧電体膜８と同様に、振動膜１０の長手方向両端部よりも外方に配置されている。これにより、圧電素子６は、全体として、圧力室５外のシリコン基板２の厚部によって支持されているので、非駆動時における振動膜１０の撓みをより効果的に低減できる。
さらにまた、この実施形態によれば、圧電体膜８の周縁（この実施形態では圧電素子６の周縁）と振動膜１０の長手方向に沿う側縁との間に間隔ｄ１が開けられている。これにより、圧電素子６を駆動したときに、圧電体膜８の周縁（圧電素子６の周縁）と振動膜１０の長手方向に沿う側縁との間の間隔の領域において、振動膜１０を大きく変形させることができる。これにより、圧力室５の容積変化を大きくして、インク吐出性能の向上に寄与できる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、圧電素子６を構成する下部電極７、圧電体膜８および上部電極９の各等幅矩形部７Ａ，８Ａ，９Ａがいずれも振動膜１０よりも長く、振動膜１０の両端を超えて振動膜１０の外側（圧力室５の外側）まで延びている例を示した。しかし、図８に示すように、上部電極９の等幅矩形部９Ａが、振動膜１０よりも短く、その両端辺が振動膜１０の長手方向両端辺１０ａ，１０ｂの内側（平面視において圧力室５の内側）に位置していてもよい。この構成によれば、下部電極７と上部電極９との間に駆動電圧を印加すると、振動膜１０内の領域で圧電体膜８を変形させることができる。これにより、振動膜１０を効率的にかつ大きく変形させることが可能であり、それによって、圧力室５の容積変化を一層大きくすることができる。これにより、インク吐出性能を一層向上できる。このような構造を作製するには、圧電体膜８、上部電極９および圧力室５の形成を、圧電体膜８の等幅矩形部８Ａの両端部が振動膜１０の長手方向両端部よりも外側に位置し、かつ上部電極９の両端部が振動膜１０の長手方向両端部よりも内側に位置するように行えばよい。

また、前述の実施形態では、圧電体膜の材料としてＰＺＴを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛（ＰｂＰＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
さらに、前述の実施形態では、振動膜１０が圧力室５を有するシリコン基板２の一部であるシリコン層１０Ａを含むが、振動膜１０は、シリコン基板２とは別の膜材料のみを用いて構成されてもよい。

また、基板２の材料としては、シリコン以外にも、ガラスのような基板材料を適用してもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ インクジェットプリントヘッド
２ シリコン基板
３ ノズル基板
３ａ 吐出口
４ インク供給路
５ 圧力室
６ 圧電素子
７ 下部電極
８ 圧電体膜
８ａ 下面
８ｂ 上面
８ｃ 端面
８Ａ 等幅矩形部
８Ｂ 引き出し部
８Ｃ パッド下部
９ 上部電極
１０振動膜
１０ａ，１０ｂ 両端
１０Ａ シリコン層
１０Ｂ 酸化シリコン層
３１ レジストマスク
３２ レジストマスク
３３ レジストマスク
４７ 下部電極膜
４８ 圧電体材料膜
４９ 上部電極膜

Claims (13)

1. 圧力室が形成された基板と、
   前記圧力室を区画し、前記圧力室の容積を変化させるように変形する振動膜と、
   前記振動膜上に形成された下部電極と、
   前記下部電極上に形成された圧電体膜と、
   前記圧電体膜上に形成され、前記圧電体膜の周縁よりも内方に後退した周縁を有する上部電極と
   を含むインクジェットプリントヘッド。
2. 前記圧電体膜が、前記下部電極から前記上部電極に向かうに従って内方へと後退するテーパー形状の端面を有している、請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記圧電体膜が金属酸化物結晶粒の焼結体で構成されている、請求項１または２に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記振動膜が矩形に形成されており、
   前記圧電体膜が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも長く、前記圧電体膜の端部が前記振動膜の長手方向端部を超えて前記振動膜の外側にまで延びている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記圧電体膜が前記振動膜の長手方向に延びた等幅矩形部を有し、
   前記等幅矩形部が前記振動膜の長手方向の長さよりも長く、前記等幅矩形部の両端部が、前記振動膜の長手方向両端部を超えて前記振動膜の外側に位置している、請求項４に記載のインクジェットプリントヘッド。
6. 前記上部電極が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも短く、前記上部電極の端部が前記振動膜の長手方向両端部よりも前記振動膜の内側に配置されている、請求項４または５に記載のインクジェットプリントヘッド。
7. 前記圧電体膜の周縁と前記振動膜の長手方向に沿う側縁との間に間隔が開けられている、請求項４〜６のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
8. 基板上に下部電極膜を形成する工程と、
   前記下部電極膜に積層された圧電体材料膜を形成する工程と、
   前記圧電体材料膜に積層された上部電極膜を形成する工程と、
   前記下部電極膜、前記圧電体材料膜および前記上部電極膜を下部電極パターンにパターニングして、下部電極を形成する工程と、
   前記上部電極膜および前記圧電体材料膜を、前記下部電極パターンとは異なる圧電体膜パターンにパターニングして、圧電体膜を形成する工程と、
   前記上部電極膜を、前記圧電体膜の周縁から内方に後退した周縁を有する上部電極パターンにパターニングして、上部電極を形成する工程と、
   前記基板の前記下部電極、前記圧電体膜および前記上部電極に対向する部分を前記圧電体膜とは反対側からエッチングして、前記下部電極、前記圧電体膜および前記上部電極に対向する圧力室を形成するとともに、前記下部電極と前記圧力室との間に前記基板の材料からなる振動膜を形成する工程とを含む、インクジェットプリントヘッドの製造方法。
9. 前記上部電極膜を前記上部電極膜パターンにパターニングする工程において、前記圧電体膜の端面が、前記下部電極から前記上部電極に向かうに従って内方へと後退するテーパー面に整形される、請求項８に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
10. 前記圧電体膜が金属酸化物結晶粒の焼結体で構成される、請求項８または９に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
11. 前記振動膜が矩形に形成され、前記圧電体膜が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも長く、前記圧電体膜の端部が前記振動膜の長手方向端部を超えて前記振動膜の外側にまで延びるように、前記圧電体膜および前記圧力室が形成される、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
12. 前記上部電極が、前記振動膜の長手方向に関して、前記振動膜よりも短く、前記上部電極の端部が前記振動膜の長手方向両端部よりも前記振動膜の内側に配置されるように、前記上部電極および圧力室が形成される、請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
13. 前記圧電体膜の周縁と前記振動膜の長手方向に沿う側縁との間に間隔が開けられるように、前記圧電体膜および前記圧力室が形成される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。

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