JP2014083815A

JP2014083815A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置

Info

Publication number: JP2014083815A
Application number: JP2012236048A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yazaki; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】クラックや焼損などの破壊を抑制して耐久性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置を提供する。
【解決手段】基板１０上に設けられる第１電極６０と、第１電極上に設けられて複数の圧電体膜７４が積層された圧電体層７０と、圧電体層上に設けられた第２電極８０と、を具備する圧電素子３００を備え、圧電素子は、第１電極と第２電極とで挟まれた能動部を複数具備し、第２電極は、複数の能動部に亘って連続して設けられた共通電極であり、圧電体層は、第１電極上を含み当該第１電極の端部の外側まで設けられており、第１電極の端部の外側まで設けられた圧電体層であって、第１電極の端部を通る線上で、基板の圧電素子が設けられた面に直交する方向において、基板側に設けられた最下層の圧電体膜である第１の圧電体膜７４Ａの厚さは、第１の圧電体膜の上に積層された圧電体膜である第２の圧電体膜７４Ｂの厚さよりも薄い。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電素子を変形させることによってノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、圧電素子を備えるアクチュエーター装置に関する。

従来、圧電素子（圧電アクチュエーター）を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。その代表例としては、液滴としてインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドがある。

インクジェット式記録ヘッドは、例えば、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の一方面側に圧電素子であるアクチュエーター装置を備え、このアクチュエーター装置の駆動によって振動板を変形させて圧力発生室に圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射させる。

ここで、アクチュエーター装置は、振動板上に設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極で構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１７２８７８号公報

しかしながら、パターニングされた第１電極の端部を覆うように圧電体層を形成した場合、第１電極による段差によってその裾部分に気泡や異物が生じ、欠陥が発生することがあるという問題がある。

そして、このような圧電体層の欠陥は、圧電素子を駆動した際の応力集中によってクラックや焼損等の破壊の起点となってしまうことがあるという問題がある。

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、クラックや焼損などの破壊を抑制して耐久性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター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態様は、基板上に設けられる第１電極と、第１電極上に設けられて複数の圧電体膜が積層された圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、該圧電素子は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を複数具備し、前記第２電極は、複数の前記能動部に亘って連続して設けられた共通電極であり、前記圧電体層は、前記第１電極上を含み当該第１電極の端部の外側まで設けられており、前記第１電極の前記端部の外側まで設けられた前記圧電体層であって、前記第１電極の前記端部を通る線上で、前記基板の前記圧電素子が設けられた面に直交する方向において、前記基板側に設けられた最下層の前記圧電体膜である第１の圧電体膜の厚さは、該第１の圧電体膜の上に積層された前記圧電体膜である第２の圧電体膜の厚さよりも薄いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、第１の圧電体膜の厚さを薄くすることで、第１電極による段差部分に気泡や異物が捕捉されることによる欠陥の発生を抑制して、欠陥に起因するクラック等の破壊を抑制することができる。

ここで、前記圧電体膜が液相法によって形成されていると共に、前記第１の圧電体膜は、前記第２の圧電体膜を形成する溶液の粘度よりも小さい粘度の溶液を用いて形成されていることが好ましい。これにより、第２の圧電体膜よりも第１の圧電体膜の厚さを薄くすることができる。

さらに、本発明の他の態様は、上記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。
かかる態様では、圧電体層の破壊を抑制した液体噴射装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、基板上に設けられる第１電極と、第１電極上に設けられて複数の圧電体膜が積層された圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、該圧電素子は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を複数具備し、前記第２電極は、複数の前記能動部に亘って連続して設けられた共通電極であり、前記圧電体層は、前記第１電極上を含み当該第１電極の端部の外側まで設けられており、前記圧電体層は、前記第１電極上を含み前記傾斜面の外側まで設けられており、前記第１電極の前記端部の外側まで設けられた前記圧電体層であって、前記第１電極の前記端部を通る線上で、前記基板の前記圧電素子が設けられた面に直交する方向において、前記基板側に設けられた最下層の前記圧電体膜である第１の圧電体膜の厚さは、該第１の圧電体膜の上に積層された前記圧電体膜である第２の圧電体膜の厚さよりも薄いことを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、第１の圧電体膜の厚さを薄くすることで、第１電極による段差部分に気泡や異物が捕捉されることによる欠陥の発生を抑制して、欠陥に起因するクラック等の破壊を抑制することができる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドを示す分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドを示す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。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。本発明の一実施形態に係る液体噴射装置を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（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斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図であり、図３は、要部を拡大した断面図である。

図示するように、本実施形態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Ｉが備える流路形成基板１０には、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称する。また、流路形成基板１０には、圧力発生室１２が第１の方向に並設された列が複数列、本実施形態では、２列設けられている。この圧力発生室１２が第１の方向Ｘに沿って形成された圧力発生室１２の列が複数列設された列設方向を、以降、第２の方向Ｙと称する。

また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端部側、すなわち第１の方向Ｘに直交する第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５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、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。

流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２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接合されている。すなわち、ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。

流路形成基板１０の他方面側には、振動板５０が形成されている。本実施形態に係る振動板５０は、流路形成基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体膜５２とで構成されている。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２等の液体流路の他方面は、振動板５０（弾性膜５１）で構成されている。

絶縁体膜５２上には、厚さが例えば、約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの第２電極８０とで構成される圧電素子３００が形成されている。この基板（流路形成基板１０）に設けられた圧電素子３００が本実施形態のアクチュエーター装置となる。なお、本実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に振動板５０を介して第１電極６０を設けた構成を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、振動板５０を設けずに第１電極６０を直接基板上に設けるようにしてもよい。すなわち、第１電極６０が振動板として作用するようにしてもよい。つまり、基板上とは、基板の直上も、間に他の部材が介在した状態（上方）も含むものである。

以下、アクチュエーター装置を構成する圧電素子３００について、さらに詳細に説明する。なお、図３は、本発明の実施形態１に係る圧電アクチュエーターの断面図である。

図３に示すように、圧電素子３００を構成する第１電極６０は圧力発生室１２毎に切り分けられ、圧電素子３００毎に独立する個別電極を構成する。そして第１電極６０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいては、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、第１電極６０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域の内側に位置している。圧力発生室１２の第２の方向Ｙでは、第１電極６０の両端部は、それぞれ圧力発生室１２の外側まで延設されている。なお、第１電極６０の材料は、金属材料であれば特に限定されないが、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等が好適に用いられる。

圧電体層７０は、第２の方向Ｙが所定の幅となるように第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広い。このため、圧力発生室１２の第２の方向Ｙでは、圧電体層７０は圧力発生室１２の外側まで設けられている。

圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側（本実施形態では、インク供給路側）における圧電体層７０の端部は、第１電極６０の端部よりも外側に位置している。すなわち、第１電極６０の端部は圧電体層７０によって覆われている。圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における圧電体層７０の端部は、第１電極６０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。

なお、圧電体層７０の外側まで延設された第１電極６０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。図示は省略するが、このリード電極９０は、駆動回路等に繋がる接続配線が接続される端子部を構成する。

また、圧電体層７０には、各隔壁１１に対向する凹部７１が形成されている。この凹部７１の第１の方向Ｘの幅は、各隔壁１１の第１の方向Ｘの幅と略同一、もしくはそれよりも広くなっている。これにより、振動板５０の圧力発生室１２の幅方向端部に対向する部分（いわゆる振動板５０の腕部）の剛性が抑えられるため、圧電素子３００を良好に変位させることができる。

圧電体層７０としては、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）が挙げられる。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）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができる。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。

また、圧電体層７０の材料としては、鉛を含む鉛系の圧電材料に限定されず、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いることもできる。非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（（ＢｉＦｅＯ_３）、略「ＢＦＯ」）、チタン酸バリウム（（ＢａＴｉＯ_３）、略「ＢＴ」）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）（ＮｂＯ₃）、略「ＫＮＮ」）、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（ＮｂＯ₃））、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ)Ｏ₃）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ_1/2Ｋ_1/2）ＴｉＯ₃、略「ＢＫＴ」）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_1/2Ｎａ_1/2）ＴｉＯ₃、略「ＢＮＴ」）、マンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ₃、略「ＢＭ」）、ビスマス、カリウム、チタン及び鉄を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ｘ［（Ｂｉ_ｘＫ_１−ｘ）ＴｉＯ₃］−（１−ｘ）［ＢｉＦｅＯ₃］、略「ＢＫＴ−ＢＦ」）、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３]、略「ＢＦＯ−ＢＴ」）や、これにマンガン、コバルト、クロムなどの金属を添加したもの（（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）Ｏ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３]（Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒ））等が挙げられる。

第２電極８０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、圧電体層７０上に連続して設けられ、後述する複数の能動部３２０に共通する共通電極を構成する。圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端側における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも外側に位置している。つまり圧電体層７０の端部は第２電極８０によって覆われている。また、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。このような第２電極８０の材料は、金属材料であれば特に限定されないが、例えば、イリジウム（Ｉｒ）等が好適に用いられる。

このような構成の圧電素子３００は、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。そして、両電極に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を能動部３２０と称する。これに対して、圧電体層７０に圧電歪みが生じない部分を非能動部と称する。また、圧電体層７０に圧電歪みが生じる能動部３２０において、圧力発生室１２に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室１２の外側の部分を非可撓部と称する。

本実施形態では、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の全てが圧力発生室１２の第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部３２０が圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部３２０のうち圧電素子３００の圧力発生室１２に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部となっている。

なお、上述のように第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられているため、圧電素子３００には、第２の方向Ｙに沿って、すなわち、能動部３２０の長手方向（第２の方向Ｙ）に沿って、第１電極６０の段差が形成されている。

このような圧電素子３００を構成する圧電体層７０は、複数の圧電体膜７４が積層されて構成されている。なお、本実施形態の積層方向は、第１電極６０から第２電極８０に向かう方向である。

ここで、基板（流路形成基板１０）側の最下層となる１層目の圧電体膜７４は、第１電極６０上にのみ設けられている。また、２層目以降の圧電体膜７４は、第１の方向Ｘにおいて１層目の圧電体膜７４上を含み、第１電極６０の外側まで設けられている。すなわち、圧電体層７０は、第１電極６０の端部を覆うように設けられているが、第１電極６０の外側に設けられた圧電体層７０は、２層目以降の圧電体膜７４によって構成されている。

なお、第１電極６０の端面は、流路形成基板１０の圧電素子３００が設けられた面に対して傾斜した傾斜面となっている。すなわち、第１電極６０は、その端部に向かって厚さが徐々に漸小することで、その端面に傾斜面が形成されている。また、１層目の圧電体膜７４は、第１電極６０の傾斜面に連続して傾斜した端面を有する。

そして、第１電極６０の外側まで設けられた圧電体層７０であって、第１電極６０の端部を通るＺ−Ｚ′線上で、流路形成基板１０の圧電素子３００が設けられた面に直交する方向Ｚの厚さにおいて、流路形成基板１０側の最下層の圧電体膜７４である第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１は、第１の圧電体膜７４Ａ上に設けられた圧電体膜７４である第２の圧電体膜７４Ｂの厚さｔ_２よりも薄くなっている。すなわち、第１の圧電体膜７４Ａとは、本実施形態では、２層目の圧電体膜７４のことであり、第２の圧電体膜７４Ｂとは３層目の圧電体膜７４のことである。なお、第１電極６０の端部を通る線上とは、第１電極６０の端面の最も外側の一端のことである。

また、本実施形態では、第２の圧電体膜７４Ｂ上に積層された圧電体膜７４の厚さは、この第２の圧電体膜７４Ｂと同じ厚さｔ_２を有する。

このように、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を第２の圧電体膜７４Ｂの厚さｔ_２よりも薄くすることで、第１の圧電体膜７４Ａを形成した際に、第１電極６０の端部に気泡や異物が残留するのを抑制して、気泡や異物が起点となるクラックや焼損を抑制することができる。

ちなみに、圧電体層７０を構成する複数の圧電体膜７４の間には、界面が形成されており、圧電体膜７４の厚さは界面によって規定することができる。ちなみにこの界面は、焼成により圧電体膜７４を形成する度に形成された界面（結晶が不連続な面）のことである。すなわち、圧電体膜７４は、焼成を繰り返す度に形成されるものである。

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、圧電素子３００を保護する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。保護基板３０には、圧電素子３００を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部３１が設けられている。また保護基板３０には、マニホールド１００の一部を構成するマニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２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１５と連通している。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。各能動部３２０の第１電極６０に接続されたリード電極９０は、この貫通孔３３内に露出している。各能動部３２０の第１電極６０に接続されたリード電極９０は、この貫通孔３３内に露出しており、図示しない駆動回路に接続される接続配線の一端が、この貫通孔３３内でリード電極９０に接続されている。

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。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部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で形成される。この固定板４２のマニホールド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、マニホールド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Ｉでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド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第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加する。これにより圧電素子３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力発生室１２内の圧力が高まり、各ノズル開口２１からインク滴が噴射される。

ここで、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。なお、図４〜図７は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す第１の方向Ｘの断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５１を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化することによって二酸化シリコンからなる弾性膜５１を形成した。もちろん、弾性膜５１の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法やＣＶＤ法等によって形成してもよい。

次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５１上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２を形成する。絶縁体膜５２は、ジルコニウムをスパッタリング法等により形成後、加熱することで熱酸化して形成してもよく、酸化ジルコニウムを反応性スパッタリング法により形成するようにしてもよい。この弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が形成される。

次いで、図４（ｃ）に示すように、絶縁体膜５２上の全面に第１電極６０を形成する。この第１電極６０の材料は特に限定されないが、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ない材料であることが望ましい。このため、第１電極６０の材料としては白金、イリジウム等が好適に用いられる。また、第１電極６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）などにより形成することができる。

次いで、図５（ａ）に示すように、第１電極６０上にチタン（Ｔｉ）からなる結晶種層６１を形成する。このように第１電極６０の上に結晶種層６１を設けることにより、後の工程で第１電極６０上に結晶種層６１を介して圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の優先配向方位を（１００）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、結晶種層６１は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には圧電体層７０内に拡散するものである。また、本実施形態では、結晶種層６１として、チタン（Ｔｉ）を用いるようにしたが、結晶種層６１は、後の工程で圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の結晶の核となるものであれば、特にこれに限定されず、例えば、結晶種層６１として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いてもよく、チタン及びチタン酸化物以外の材料、例えば、ランタンニッケル酸化物等を用いることもできる。もちろん、第１電極６０と圧電体層７０との間に結晶種層６１が残留するようにしてもよい。また、結晶種層６１は、層状であっても島状であってもよい。

次に、本実施形態では、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、金属錯体を溶媒に溶解・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又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層７０は液相法、気相法の何れで形成してもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図５（ｂ）に示すように、結晶種層６１上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７３を成膜する。すなわち、第１電極６０（結晶種層６１）が形成された流路形成基板用ウェハー１１０上に金属錯体を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。ゾルの塗布方法は特に限定されず、例えば、スピンコート装置を用いたスピンコート法やスリットコータを用いたスリットコート法等が挙げられる。次いで、この圧電体前駆体膜７３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７３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７３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７３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、ここでいう脱脂とは、圧電体前駆体膜７３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（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７３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７４を形成する（焼成工程）。この焼成工程では、圧電体前駆体膜７３を７００℃以上に加熱するのが好ましい。なお、焼成工程では、昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以上とするのが好ましい。これにより優れた特性の圧電体膜７４を得ることができる。

また、第１電極６０上に形成された結晶種層６１は、圧電体膜７４内に拡散する。もちろん、結晶種層６１は、第１電極６０と圧電体膜７４との間にチタンとして残留してもよいし、酸化チタンとして残留してもよい。

なお、このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置などを用いることができる。

次に、図５（ｄ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７４を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。なお、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。

ここで、例えば、第１電極６０をパターニングしてから１層目の圧電体膜７４を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして第１電極６０をパターニングするため、第１電極６０の表面や、表面に設けた結晶種層などが変質してしまう。そうすると変質した面上に圧電体膜７４を形成しても当該圧電体膜７４の結晶性が良好なものではなくなり、２層目以降の圧電体膜７４も１層目の圧電体膜７４の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体層７０を形成することができない。

それに比べ、１層目の圧電体膜７４を形成した後に第１電極６０と同時にパターニングすれば、１層目の圧電体膜７４はチタン等の結晶種に比べて２層目以降の圧電体膜７４を良好に結晶成長させる種（シード）としても性質が強く、たとえパターニングで表層に極薄い変質層が形成されていても２層目以降の圧電体膜７４の結晶成長に大きな影響を与えない。

次に、図５（ｅ）に示すように、１層目の圧電体膜７４と第１電極６０とをパターニングした後は、絶縁体膜５２上、第１電極６０の側面、１層目の圧電体膜７４の側面及び圧電体膜７４上に亘って中間結晶種層２００を形成する。中間結晶種層２００は、結晶種層６１と同様に、チタンやランタンニッケル酸化物等を用いることができる。また、中間結晶種層２００は、結晶種層６１と同様に、層状であっても島状であってもよい。

次に、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により複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。

具体的には、まず、図６（ａ）に示すように、２層目の圧電体膜７４である第１の圧電体膜７４Ａを形成する。つまり、１層目の圧電体膜７４を形成した後、第１電極６０の外側まで形成された積層された圧電体膜７４は、後の工程で、第１電極６０の端部よりも外側でパターニングされる。そして、上述のように１層目の圧電体膜７４は、第１電極６０と共にパターニングされることで第１電極６０上のみに形成されることになるため、２層目以降の圧電体膜７４のうち、最下層の圧電体膜７４が第１の圧電体膜７４Ａとなる。

次に、図６（ｂ）に示すように、第１の圧電体膜７４Ａ上に３層目の圧電体膜７４、つまり、第２の圧電体膜７４Ｂを形成する。

ここで第１電極６０の流路形成基板１０側の端部を通るＺ−Ｚ′線上（図３（ｂ）参照）で、流路形成基板１０の圧電素子３００が設けられる面に直交する方向Ｚにおいて、第１の圧電体膜７４Ａ及び第２の圧電体膜７４Ｂは、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１が、第２の圧電体膜７４Ｂの厚さｔ_２よりも薄くなるように形成する。

なお、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を薄く形成する方法は、特に限定されず、例えば以下に示す方法の何れか一つ又はこれらを複数組み合わせることで実現できる。

例えば、第１の圧電体膜７４Ａとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程において塗布するゾルの膜厚を、第２の圧電体膜７４Ｂとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程におけるゾルの膜厚よりも薄くする方法が挙げられる。つまり、スピンコート装置やスリットコート装置などの塗布装置を制御して、基板（流路形成基板用ウェハー１１０）上に供給するゾルの量を減少させて、ゾルの膜厚を薄くする。これにより、焼成後の第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を、第２の圧電体膜７４Ｂの厚さｔ_２よりも薄くすることができる。

また、例えば、第１の圧電体膜７４Ａとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程において、塗布するゾルの粘度を、第２の圧電体膜７４Ｂとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程に用いるゾルの粘度よりも小さくする方法が挙げられる。これにより、第１の圧電体膜７４Ａとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程において塗布するゾルの膜厚を、第２の圧電体膜７４Ｂとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程におけるゾルの膜厚よりも薄くすることができる。

さらに、例えば、第１の圧電体膜７４Ａとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程において塗布するゾルの濃度を、第２の圧電体膜７４Ｂとなる圧電体前駆体膜７３を形成する際の塗布工程におけるゾルの濃度よりも薄くする方法が挙げられる。これにより、焼成した歳に形成される第１の圧電体膜７４Ａの膜厚ｔ_１を第２の圧電体膜７４Ｂの膜厚ｔ_２よりも薄くすることができる。

また、例えば、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂する工程を繰り返し行って複数層の圧電体前駆体膜７３を積層した後、焼成することで１層の圧電体膜７４を形成する場合には、第１の圧電体膜７４Ａを形成する圧電体前駆体膜７３の積層する数を、第２の圧電体膜７４Ｂを形成する圧電体前駆体膜７３の積層数よりも少なくする方法が挙げられる。

このように、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を第２の圧電体膜７４Ｂの厚さｔ_２よりも薄くすれば、ゾルに含まれる気泡や異物が、第１電極６０の傾斜した端面と流路形成基板１０（実際には絶縁体膜５２）の表面とで画成される角部に、滞留するのを抑制することができる。つまり、ゾルに含まれる気泡は、ゾルの厚さが薄ければ、乾燥工程や脱脂工程によってゾルの表面から抜け易い。したがって、圧電体前駆体膜７３を焼成することで圧電体膜７４を形成した際に、気泡が残留することによって圧電体膜７４に欠陥が形成されるのを抑制することができる。また、ゾルを薄く塗布するということは、ゾルの総量が少なくなるということであり、ゾルに含まれる異物の量も少なくなる。すなわち、ゾルに含まれる異物が、ゾルに対して一定の割り合いで含まれていると考えると、ゾルの総量を少なくすることによって、含まれる異物も少なくなる。したがって、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を薄くすることによって異物の絶対量を少なくすることができ、第１電極６０と基板の表面とで画成される角部に捕捉される異物を抑制することができる。

そして、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を薄くすることによって、第１電極６０による段差によってその裾部分に気泡や異物による欠陥が発生するのを抑制することができるため、圧電体層７０の欠陥によって、圧電素子３００を駆動した際の応力集中によるクラックや焼損等の破壊が発生するのを抑制することができる。

また、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を薄くすることによって、圧電体層７０の結晶性を向上することができる。すなわち、第１電極６０上に形成された１層目の圧電体膜７４は、第１電極６０の傾斜した端面（傾斜面）と連続する傾斜面を有する。そして、この１層目の圧電体膜７４の傾斜面上に形成される圧電体膜７４は、結晶が傾斜面に対して垂直方向、すなわち、鉛直方向に対して傾斜して形成される。このため、１層目の圧電体膜７４の鉛直方向の結晶と、２層目の圧電体膜７４（第１の圧電体膜７４Ａ）の傾斜した結晶と間に不整合が生じてしまうが、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を薄くすることで、結晶の不整合を抑制することができ、圧電体層７０の結晶性を向上して、結晶性の不整合による破壊を抑制することができる。

また、第１の圧電体膜７４Ａの厚さｔ_１を薄くすることによって、第１の圧電体膜７４Ａの厚さのばらつきを減少させることができる。すなわち、第１電極６０上に形成された第１の圧電体膜７４Ａの厚さと、基板（絶縁体膜５２）上に形成された第１の圧電体膜７４Ａの厚さとのばらつきを減少することができる。したがって、複数層の圧電体膜７４を積層した際に、流路形成基板用ウェハー１１０の面内において、圧電体層７０の厚さのばらつきを抑制することができる。

ちなみに、２層目以降の圧電体膜７４（第１の圧電体膜７４Ａ等）は、絶縁体膜５２上、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４の側面上、及び１層目の圧電体膜７４上に亘って連続して形成される。この２層目以降の圧電体膜７４が形成される領域には、中間結晶種層２００が形成されているため、この中間結晶種層２００によって２層目以降の圧電体膜７４の優先配向を（１００）に制御することができると共に微小粒径で形成することができる。なお、中間結晶種層２００は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には、全てが圧電体層７０に拡散してもよく、また、一部がそのまま又は酸化物として残留してもよい。

その後は、図６（ｃ）に示すように、第２の圧電体膜７４Ｂ上に塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を繰り返し行なって複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。

なお、本実施形態では、第２の圧電体膜７４Ｂ上に形成される圧電体膜７４の厚さは、第２の圧電体膜７４Ｂと同じ厚さｔ_２となるようにした。

ちなみに、圧電体膜７４は、できるだけ厚く形成する方が好ましい。これは、塗布装置として、厚塗りを行う装置の方がコストを低減することができると共に、圧電体前駆体膜７３を形成する工程（塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程）を繰り返す回数を低減してコストを低減することができるからである。ただし、圧電体前駆体膜７３が厚すぎると、圧電体前駆体膜７３を焼成して圧電体膜７４を形成した際にクラック等の破壊が発生する虞があるため、圧電体膜７４にクラック等の破壊が発生しない程度に厚く形成するのが好適である。

次に、図７（ａ）に示すように、圧電体層７０を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングする。本実施形態では、圧電体層７０上に所定形状に形成したマスク（図示なし）を設け、このマスクを介して圧電体層７０をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。なお、圧電体層７０のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングであっても、ウェットエッチングであってもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、圧電体層７０上及び絶縁体膜５２上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極８０を形成し、所定形状にパターニングして圧電素子３００を形成する。

次に、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後（図２（ｂ）参照）、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。

次いで、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜５３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（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５３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、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５等を形成する。

その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー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ー１１０の保護基板用ウェハー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、保護基板用ウェハー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ー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。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、各能動部３２０の圧電体層７０が連続的に設けられた構成を例示したが、勿論、圧電体層７０は、能動部３２０毎に独立して設けられていてもよい。

また、例えば、上述した実施形態１では、第２電極８０を複数の能動部３２０の共通電極とし、第１電極６０を各能動部３２０の個別電極としたが、特にこれに限定されず、例えば、第２電極８０を各能動部３２０の個別電極とし、第１電極６０を複数の能動部３２０の共通電極としてもよい。ただし、第１電極６０を共通電極とした場合には、各能動部３２０毎に第１電極６０による段差が形成される領域が少ないため、上述した実施形態１に比べて欠陥による破壊は発生し難い。

さらに、上述した実施形態１では、第１電極６０の端面を傾斜面としたが、特にこれに限定されず、例えば、第１電極６０の端面を基板（流路形成基板１０）の表面に対して垂直な垂直面としてもよい。

また、インクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図９に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載される。インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１は、インク供給手段を構成するカートリッジ２が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１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に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。

そして、駆動モーター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１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ー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。

そして本発明では、上述のようにインクジェット式記録ヘッドＩを構成する圧電素子３００の破壊を抑制しつつ噴射特性の均一化を図ることができる。結果として、印刷品質を向上し耐久性を高めたインクジェット式記録装置ＩＩを実現することができる。

なお、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩとして、インクジェット式記録ヘッドＩがキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置ＩＩは、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩを固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。

また、上述の実施形態では、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本発明を説明したが、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る。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッドの他、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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。

さらに本発明は、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置に適用することができる。本発明のアクチュエーター装置は、例えば、各種センサー類等にも適用することができる。

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０流路形成基板、１１隔壁、１２圧力発生室、１３インク供給路、１４連通路、１５連通部、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１圧電素子保持部、３２マニホールド部、３３貫通孔、３５接着剤、４０コンプライアンス基板、４１封止膜、４２固定板、４３開口部、５０振動板、５１弾性膜、５２絶縁体膜、６０第１電極、７０圧電体層、７１凹部、７３圧電体前駆体膜、７４圧電体膜、７４Ａ第１の圧電体膜、７４Ｂ第２の圧電体膜、８０第２電極、９０リード電極、１００マニホールド、３００圧電素子、３２０能動部

Claims

基板上に設けられる第１電極と、
第１電極上に設けられて複数の圧電体膜が積層された圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、
該圧電素子は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を複数具備し、
前記第２電極は、複数の前記能動部に亘って連続して設けられた共通電極であり、
前記圧電体層は、前記第１電極上を含み当該第１電極の端部の外側まで設けられており、
前記第１電極の前記端部の外側まで設けられた前記圧電体層であって、前記第１電極の前記端部を通る線上で、前記基板の前記圧電素子が設けられた面に直交する方向において、前記基板側に設けられた最下層の前記圧電体膜である第１の圧電体膜の厚さは、該第１の圧電体膜の上に積層された前記圧電体膜である第２の圧電体膜の厚さよりも薄いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧電体膜が液相法によって形成されていると共に、前記第１の圧電体膜は、前記第２の圧電体膜を形成する溶液の粘度よりも小さい粘度の溶液を用いて形成さ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。
請求項１又は２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。
基板上に設けられる第１電極と、
第１電極上に設けられて複数の圧電体膜が積層された圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、
該圧電素子は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を複数具備し、
前記第２電極は、複数の前記能動部に亘って連続して設けられた共通電極であり、
前記圧電体層は、前記第１電極上を含み当該第１電極の端部の外側まで設けられており、
前記圧電体層は、前記第１電極上を含み前記傾斜面の外側まで設けられており、
前記第１電極の前記端部の外側まで設けられた前記圧電体層であって、前記第１電極の前記端部を通る線上で、前記基板の前記圧電素子が設けられた面に直交する方向において、前記基板側に設けられた最下層の前記圧電体膜である第１の圧電体膜の厚さは、該第１の圧電体膜の上に積層された前記圧電体膜である第２の圧電体膜の厚さよりも薄いことを特徴とするアクチュエーター装置。