JP2015150713A - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動板の変形を阻害せずに初期状態における圧電体層の過度の撓みを抑制することが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供する。【解決手段】圧力室２２に対応する領域において、下電極膜２７のノズル列方向における幅が圧力室２２の同方向における幅よりも狭く形成され、圧力室２２に対応する領域の振動板２１は、当該振動板２１との間に下電極膜２７を挟み活性部となる圧電体層２８が積層された領域Ｐ１と、当該振動板２１との間に下電極膜２７を挟まず非活性部となる圧電体層２８が積層された領域Ｐ２と、圧電体層２８が積層されていない領域Ｐ３とを含み、領域Ｐ１における振動板の厚みをｔ１、領域Ｐ２における振動板の厚みをｔ２、領域Ｐ３における振動板の厚みをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２≧ｔ３ …（１）を満たす。【選択図】図６

Description

本発明は、圧電素子の駆動により液体を噴射する液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記の液体噴射ヘッドは、圧力室に液体を導入し、当該圧力室の液体に圧力変動を生じさせて、この圧力室に通じるノズルから液体を噴射するように構成されている。上記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段としては、圧電素子が好適に用いられる。この圧電素子としては、例えば、圧力室に近い側から順に、圧力室毎に設けられる個別電極として機能する下電極膜と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体層と、複数の圧力室に共通な共通電極として機能する上電極膜とが、成膜技術によりそれぞれ積層形成されて構成される（例えば、特許文献１）。そして、圧電体膜において上下の電極膜によって挟まれた部分が、電極膜への電圧の印加によって変形する活性部（能動部）となる。このような圧電素子は、圧力室の一側（例えば、ノズルが形成されるノズルプレートとは反対側）を区画した振動板上に形成される。この振動板は、可撓性を有し、圧電素子の変形に伴って変形する。

特開２００９−１７２８７８号公報

ここで、成膜された圧電素子が薄すぎると、電極膜へ駆動電圧が印加されない状態（初期状態）において、圧電素子が撓み過ぎる虞がある。このような圧電素子の過度の撓みを抑制し、圧電素子の中立軸を適切な位置に維持するべく、振動板を厚くすることが考えられている。これにより、活性部（能動部）における圧電素子に剛性を持たせることができ、初期状態における圧電素子の過度の撓みを抑制することができる。しかしながら、振動板の厚みを厚くすると、圧力室に対応する領域のうち圧電体層が積層されていない領域では過度の厚みとなって、当該領域における振動板の変形が阻害される。このため、圧力室内の液体に圧力変動を十分に伝えることができない虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動板の変形を阻害せずに圧電体層の過度の撓みを抑制することが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第１の方向に複数形成された圧力室形成基板と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、当該振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、を備え、
前記第１の電極層は、個々の圧力室毎に独立して設けられる一方、前記第２の電極層は、複数の圧力室に亘って連続して設けられ、
前記圧力室に対応する領域において、前記第１の電極層の前記第１の方向における幅が前記圧力室の同方向における幅よりも狭く形成され、
前記圧力室に対応する領域の前記振動板は、当該振動板との間に前記第１の電極層を挟み活性部となる前記圧電体層が積層された領域Ｐ１と、当該振動板との間に前記第１の電極層を挟まず非活性部となる前記圧電体層が積層された領域Ｐ２と、前記圧電体層が積層されていない領域Ｐ３とを含み、
前記領域Ｐ１における振動板の厚みをｔ１、前記領域Ｐ２における振動板の厚みをｔ２、前記領域Ｐ３における振動板の厚みをｔ３としたとき、
ｔ１＞ｔ２≧ｔ３ …（１）
を満たすことを特徴とする。

この構成によれば、領域Ｐ１における振動板の厚みを、領域Ｐ２における振動板の厚みよりも厚くしたので、領域Ｐ１を含む活性部の圧電体層の剛性を高めることができる。一方、領域Ｐ３における振動板の厚みが、領域Ｐ２における振動板の厚みよりも薄くなるので、圧電体層の外側における振動板の動きが阻害されることを抑制でき、圧電素子の変形による圧力変動を圧力室内の液体に十分に伝えることができる。その結果、液体噴射ヘッドの信頼性が向上する。

上記構成において、前記振動板は、前記圧力室側から順に酸化シリコンおよび酸化ジルコニウムが積層されてなり、
前記酸化ジルコニウムの厚みを異ならせて、前記（１）式を満たすようにしたことが望ましい。

この構成によれば、圧電体層が積層される領域Ｐ１およびＰ２に酸化ジルコニウムの層を形成でき、例えば、圧電体層としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を焼成により形成する際に、当該圧電体層に含まれる鉛が下層側（酸化シリコン側）に拡散されることを抑制できる。

また、上記各構成において、前記領域Ｐ１の振動板の厚みｔ１と前記領域Ｐ２の振動板の厚みｔ２との差および前記領域Ｐ２の振動板の厚みｔ２と前記領域Ｐ３の振動板の厚みｔ３との差が、それぞれ１０ｎｍ以上であることが望ましい。

この構成によれば、圧電体層の剛性をより確実に高めることができると共に、圧電体層の外側における振動板の動きが阻害されることをより確実に抑制できる。

さらに、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの分解斜視図である。 記録ヘッドの平面図である。 記録ヘッドの要部の構成を説明するノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図である。 図３におけるＡ−Ａ′断面図である。 図５における領域Ｂの拡大図である。 振動板の形成過程を説明する模式図である。 振動板の形成過程を説明する模式図である。 第２実施形態における記録ヘッドの平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明では、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を搭載したインクジェット式プリンター（以下、プリンター）を例に挙げる。

プリンター１の構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２（着弾対象の一種）の表面に対して液体状のインクを噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送する搬送機構６等を備えている。ここで、上記のインクは、本発明の液体の一種であり、液体供給源としてのインクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジがプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジからインク供給チューブを通じて記録ヘッドに供給される構成を採用することもできる。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。従ってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。

図２は、本実施形態の記録ヘッド３の構成を示す分解斜視図である。また、図３は、記録ヘッド３の平面図（上面図）である。なお、図３は、後述する封止板２０が接合されていない状態を示している。すなわち、図３は、後述する各層が積層された振動板２１の平面図である。さらに、図４及び図５は、記録ヘッド３の要部構成を示す図であり、図４はノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図、図５はノズル列方向に沿った断面（図３におけるＡ−Ａ′断面）の模式図である。

本実施形態における記録ヘッド３は、圧力室形成基板１５、ノズルプレート１６、アクチュエーターユニット１４、及び、封止板２０等を積層して構成されている。圧力室形成基板１５は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなる板材である。この圧力室形成基板１５には、複数の圧力室２２となる空間（本発明における空間に相当。以下、適宜、圧力室空間と称する。）が、隔壁２２ａを間に挟んで並設されている。これらの圧力室空間は、ノズル列方向に直交する方向に長尺な空部であり、ノズルプレート１６の各ノズル２５に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室空間（或いは圧力室２２）は、ノズル列方向（本発明における第１の方向）に沿って、ノズル２５の形成ピッチと同じピッチで形成されている。なお、本実施形態における圧力室空間（圧力室２２）の上部開口（ノズル２５側とは反対側の開口）は、図３に示すように、台形状を呈している。この圧力室空間の寸法に関し、高さ（すなわち、圧力室形成基板１５の厚さ）は約７０〔μｍ〕、圧力室空間（詳しくは上部開口）の長さ（ノズル列方向あるいは圧力室並設方向に直交する方向の寸法）は約３６０〔μｍ〕に設定されている。また、図５に示す圧力室空間（詳しくは上部開口）の幅ｗ１（ノズル列方向あるいは圧力室並設方向の寸法）は約７０〔μｍ〕に設定されている。

また、図２に示すように、圧力室形成基板１５において、圧力室空間に対して当該圧力室空間長手方向の側方（ノズル２５との連通側とは反対側）に外れた領域には、圧力室形成基板１５を貫通する連通部２３が、圧力室空間の並設方向に沿って形成されている。この連通部２３は、各圧力室空間に共通な空部である。この連通部２３と各圧力室空間とは、インク供給路２４を介してそれぞれ連通されている。なお、連通部２３は、後述する振動板２１の連通開口部２６および封止板２０の液室空部３３と連通して、各圧力室空間（圧力室２２）に共通なインク室であるリザーバー（共通液室）を構成する。インク供給路２４は、圧力室空間よりも狭い幅で形成されており、連通部２３から圧力室空間に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。

圧力室形成基板１５の下面（アクチュエーターユニット１４との接合面側とは反対側の面）には、ノズルプレート１６（ノズル形成基板）が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。本実施形態におけるノズルプレート１６は、ドット形成密度（例えば、３００ｄｐｉ〜６００ｄｐｉ）に相当するピッチ（隣接ノズル２５の中心間距離）で各ノズル２５が並設されている。各ノズル２５は、圧力室空間に対してインク供給路２４とは反対側の端部で連通する。なお、ノズルプレート１６は、例えば、シリコン単結晶基板やステンレス鋼などから作製される。

アクチュエーターユニット１４は、振動板２１および圧電素子１９から構成される。振動板２１は、圧力室形成基板１５の上面に形成された酸化シリコン（ＳｉＯｘ）（例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２））からなる弾性膜１７と、この弾性膜１７上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体膜１８と、から成る。この振動板２１における圧力室空間に対応する部分、即ち、圧力室空間の上部開口を塞いで圧力室２２の一部を区画する部分は、圧電素子１９の撓み変形に伴ってノズル２５から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変位する変位部として機能する。この圧力室２２に対応する領域の振動板２１は、後述する上電極膜２９、圧電体層２８および下電極膜２７の位置関係から３つの領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に分けられており、この３つの領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における振動板２１の厚みがそれぞれ異なるように形成されている。なお、この点については、後で詳しく説明する。また、図２に示すように、この振動板２１における圧力室形成基板１５の連通部２３に対応する部分には、当該連通部２３と連通する連通開口部２６が開設されている。

振動板２１（絶縁体膜１８）の圧力室空間に対応する部分、すなわち変位部の上面（ノズル２５側とは反対側の面）には、圧電素子１９が形成されている。本実施形態における圧電素子１９は、振動板２１側から順に下電極膜２７（本発明における第１の電極層に相当）、圧電体層２８および上電極膜２９（本発明における第２の電極層に相当）が、成膜技術により積層されて構成されている。図５に示すように、下電極膜２７は、個々の圧力室２２毎に独立して設けられる一方、上電極膜２９は、複数の圧力室２２に亘って連続して設けられている。したがって、下電極膜２７は、圧力室２２毎の個別電極となり、上電極膜２９は、各圧力室２２に共通な共通電極となる。

具体的には、図３及び図５に示すように、ノズル列方向における上電極膜２９の両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて列設された複数の圧力室空間（圧力室２２）の外側まで延設されている。また、圧力室２２（圧力室空間）の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）における上電極膜２９の両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて当該圧力室空間（圧力室２２）の外側まで延設されている。圧力室２２（圧力室空間）の長手方向における下電極膜２７は、一側（図３における上側）の端部が圧力室２２の上部開口縁を超えてインク供給路２４と重なる位置まで延在され、他側（図３における下側）の端部がリード電極部４１まで延在されている。そして、図５に示すように、圧力室空間上（圧力室２２に対応する領域）における下電極膜２７のノズル列方向の幅ｗ３は、圧力室２２（詳しくは、圧力室空間の上部開口）の同方向の幅ｗ１よりも狭く形成されている。さらに、圧力室空間上における圧電体層２８のノズル列方向の幅ｗ２は、圧力室２２の同方向における幅ｗ１よりも狭く、且つ下電極膜２７の同方向の幅ｗ３よりも広く形成されている。すなわち、ノズル列方向における寸法が、上電極膜２９の幅、圧力室２２の幅ｗ１、圧電体層２８の幅ｗ２、下電極膜２７の幅ｗ３の順に小さくなっている。

なお、本実施形態では、図３に示すように、圧電体層２８（ＰＺＴ層２８ａ）が部分的に除去された開口部２８ｂによって、圧電体層２８が個々の圧電素子１９毎に分割されている。具体的には、圧電体層２８は、圧力室２２の長手方向の両端部（詳しくは、圧力室空間の両側の上部開口縁）を超えて外側まで延在されると共に、複数の圧力室２２に亘って形成されている。そして、隣り合う圧力室２２の間に対応する領域の圧電体層２８が部分的に除去されて、圧電体層２８が積層されていない開口部２８ｂが複数形成されている。すなわち、複数の開口部２８ｂがノズル列方向に沿って、圧力室２２の形成ピッチ（ノズル２５の形成ピッチ）と同じピッチで形成されている。言い換えると、開口部２８ｂと開口部２８ｂとの間に、１つの圧力室２２に対応する圧電素子１９が圧力室２２の形成ピッチと同じピッチで形成されている。なお、本実施形態の開口部２８ｂは、平面視において、圧力室２２の長手方向に沿って長尺な細長六角形状に形成されている。また、圧力室２２の長手方向において、開口部２８ｂから外れた領域の圧電体層２８は、複数の圧力室２２に亘って連続して形成されている。

このように下電極膜２７、圧電体層２８および上電極膜２９が積層されて圧電素子１９が形成されているため、各層２７、２８、２９との重なり方によって、圧力室２２に対応する領域の振動板２１が３つの領域に分けられる。具体的には、下電極膜２７、圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域Ｐ１と、下電極膜２７から外れて圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域Ｐ２と、下電極膜２７および圧電体層２８から外れて上電極膜２９のみが積層された領域Ｐ３とに分けられる（図６参照）。なお、本実施形態では、ノズル列方向の両側にそれぞれ領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が形成されるが、左右対称であるため、一側の領域に着目して説明する。

上記の領域Ｐ１における振動板２１上では、下電極膜２７と上電極膜２９との間に圧電体層２８が挟まれている。このため、この領域Ｐ１に積層された圧電体層２８が、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる活性部（能動部）となる。一方、下電極膜２７が形成されていない領域Ｐ２における振動板２１上では、下電極膜２７と上電極膜２９との間に圧電体層２８が挟まれず、振動板２１（絶縁体膜１８）と上電極膜２９との間に圧電体層２８が挟まれている。このため、この領域Ｐ２に積層された圧電体層２８は、両電極への電圧の印加によっても圧電歪みが生じない非活性部となる。

なお、圧力室空間上のノズル列方向における圧電体層２８の幅ｗ２は、３０〜６０〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約５２〔μｍ〕に設定されている。また、下電極膜２７の幅ｗ３は、１５〜６０〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約４０〔μｍ〕に設定されている。さらに、下電極膜２７の一側の外端部から圧電体層２８の同側の外端部までの距離ｗ４、すなわち、ノズル列方向における一側の領域Ｐ２の幅ｗ４は、２．５〜８．０〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約６〔μｍ〕に設定されている。

また、上電極膜２９および下電極膜２７は、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属や、これらの合金等が用いられる。さらに、圧電体層２８としては、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。ここで、上電極膜２９の厚さは、１５〜１００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約７０〔ｎｍ〕に設定されている。また、圧電体層２８の厚さ（詳しくは、領域Ｐ１における圧電体層２８の厚さ）は、０．７〜５〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約１〔μｍ〕に設定されている。さらに、下電極膜２７の厚さは、５０〜３００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約１５０〔ｎｍ〕に設定されている。

圧力室空間の上部開口縁よりも圧力室空間長手方向の外側に外れた領域における圧電体層２８上であって、上電極膜２９に対して所定の間隔を隔てた位置（図４における左側の位置）には、リード電極部４１が形成されている。そして、圧電体層２８においてリード電極部４１が形成されている位置には、図４に示すように、当該圧電体層２８を貫通する状態で、圧電体層２８の上面から下電極膜２７に至るスルーホール４２が形成されている。リード電極部４１は、個別電極である下電極膜２７に対応してパターニングされている。このリード電極部４１は、上記のスルーホール４２を通じて下電極膜２７に導通されている。そして、このリード電極部４１を介して各圧電素子１９に選択的に駆動電圧（駆動パルス）が印加される。

図２に示すように、アクチュエーターユニット１４における圧力室形成基板１５との接合面である下面とは反対側の上面には、圧電素子１９を収容可能な収容空部３２を有する封止板２０が接合される。この封止板２０には、収容空部３２よりもノズル列に直交する方向の外側に外れた位置であって、振動板２１の連通開口部２６および圧力室形成基板１５の連通部２３に対応する領域には、液室空部３３が設けられている。液室空部３３は、封止板２０を厚さ方向に貫通して圧力室空間（圧力室２２）の並設方向に沿って設けられており、上述したように連通開口部２６および連通部２３と一連に連通して各圧力室空間の共通のインク室となるリザーバーを画成する。なお、図示しないが、封止板２０には、収容空部３２と液室空部３３の他に、封止板２０を厚さ方向に貫通する配線開口部が設けられ、この配線開口部内にリード電極部４１の端部が露出される。そして、このリード電極部４１の露出部分には、プリンター本体側からの図示しない配線部材の端子が電気的に接続される。

上記構成の記録ヘッド３では、インクカートリッジ７からインクを取り込み、リザーバー、インク供給路２４、圧力室２２、およびノズル２５に至るまでの流路内がインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２２に対応するそれぞれの下電極膜２７と上電極膜２９との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１９および振動板２１の変位部が変位することにより、圧力室２２内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２５からインクが噴射される。

ここで、本発明に係る記録ヘッド３では、図６に示すように、振動板２１の変形を阻害せずに両電極に駆動電圧が印加されていない状態（初期状態）における圧電素子１９（圧電体層２８）の過度の撓みを抑制するために、振動板２１の各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における振動板２１の厚みの関係がＰ１＞Ｐ２≧Ｐ３を満たすように構成されている。すなわち、領域Ｐ１における振動板の厚みをｔ１、領域Ｐ２における振動板の厚みをｔ２、領域Ｐ３における振動板の厚みをｔ３としたとき、以下の（１）式を満たすように構成されている。
ｔ１＞ｔ２≧ｔ３ …（１）

本実施形態では、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１７の厚さを各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で一定に揃え、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）からなる絶縁体膜１８の厚さを各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で異ならせることで、上記（１）式を満たすように構成されている。ここで、領域Ｐ１の振動板２１（絶縁体膜１８）の厚さと領域Ｐ２の振動板２１（絶縁体膜１８）の厚さとの差および領域Ｐ２の振動板２１（絶縁体膜１８）の厚さと領域Ｐ３の振動板２１（絶縁体膜１８）の厚さとの差が、それぞれ５〜５０〔ｎｍ〕であることが望ましく、１０〔ｎｍ〕以上であることがより望ましい。例えば、弾性膜１７の厚さを約１５００〔ｎｍ〕に設定し、領域Ｐ１における絶縁体膜１８の厚さを約４２０〔ｎｍ〕、領域Ｐ２における絶縁体膜１８の厚さを約３８０〔ｎｍ〕、および領域Ｐ３における絶縁体膜１８の厚さを約３４０〔ｎｍ〕に設定する。なお、弾性膜１７の厚さは、３００〜２０００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましい。また、領域Ｐ１の絶縁体膜１８の厚さは、６００〔ｎｍ〕以下であることが望ましい。さらに、領域Ｐ３の絶縁体膜１８の厚さは、３０〔ｎｍ〕以上に設定されることがより望ましい。

このように、下電極膜２７、圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域Ｐ１において、振動板２１の厚みを厚くしたので、活性部となる圧電体層２８の剛性を高めることができる。すなわち、領域Ｐ１における圧電素子１９を、中立軸が下がり過ぎない剛性にすることができ、初期状態における圧電素子の過度の撓みを抑制することができる。一方、下電極膜２７および圧電体層２８から外れて上電極膜２９のみが積層された領域Ｐ３において、振動板２１の厚みを薄くしたので、圧電体層２８の外側における振動板２１の動きが阻害されることを抑制でき、圧電素子１９の変形による圧力変動を圧力室２２内のインクに十分に伝えることができる。すなわち、圧力室２２内のインクに対する圧電素子１９の駆動力の伝達ロスを低減することができる。これにより、ノズル２５から一定量のインクを噴射させるのに必要な圧電素子１９の駆動電圧を低く抑えることができ、省電力化が図れるとともに圧電素子１９の寿命を延ばすことが可能となる。その結果、記録ヘッド３の信頼性が向上する。また、圧電体層２８が積層される領域Ｐ１およびＰ２に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）からなる絶縁体膜１８を形成したので、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層２８を焼成により形成する際に、当該圧電体層２８に含まれる鉛が下層（弾性膜１７）側に拡散されることを抑制できる。さらに、領域Ｐ１の振動板２１の厚みと領域Ｐ２の振動板２１の厚みとの差および領域Ｐ２の振動板２１の厚みと領域Ｐ３の振動板２１の厚みとの差を、それぞれ１０〔ｎｍ〕以上にすることで、圧電体層２８の剛性をより確実に高めることができると共に、圧電体層２８の外側における振動板２１の動きが阻害されることをより確実に抑制できる。

ここで、領域Ｐ２の振動板２１の厚みと領域Ｐ３の振動板２１の厚みとの差をなくし、領域Ｐ２と領域Ｐ３との境界における絶縁体膜１８の上面を平坦に形成することもできる。すなわち、ｔ２＝ｔ３とすることもできる。この場合でも、領域Ｐ２及び領域Ｐ３の振動板２１に比べて、領域Ｐ１の振動板２１を厚くできるので、領域Ｐ１における圧電素子１９の剛性を高めることができる。一方、領域Ｐ２及びＰ３における振動板２１の厚みを薄くできるので、圧電体層２８の外側における振動板２１の動きが阻害されることを抑制でき、圧電素子１９の変形による圧力変動を圧力室２２内のインクに十分に伝えることができる。もちろん、領域Ｐ３の振動板２１の厚みを、領域Ｐ２の振動板２１の厚みよりさらに薄くすれば、すなわち、ｔ２＞ｔ３にすれば、振動板２１の動きが阻害されることを一層抑制できる。

次に、振動板２１および圧電素子１９の製造方法について説明する。まず、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１７上にスパッタ法等により酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）からなる絶縁体膜１８を形成する。次に、図７（ａ）に示すように、絶縁体膜１８上の全面にスパッタ法等により下電極膜２７となる下金属層２７ａを形成する。その後、この下金属層２７ａをエッチングにより所定形状にパターニングする。具体的には、フォトリソグラフィー法によって、エッチングに対するマスクとなるパターンを下金属層２７ａ上に設け、水溶液などのエッチング溶液によって下金属層２７ａを上面側からエッチングする。このとき、エッチング時間等の制御によって下金属層２７ａの厚さ以上にエッチングを行うことで、図７（ｂ）に示すように、下電極膜２７として残る下金属層２７ａ以外の領域（領域Ｐ２およびＰ３）に対応する絶縁体膜１８をエッチングする。これにより、振動板２１の領域Ｐ１に対応する絶縁体膜１８がエッチングされず、この絶縁体膜１８上に下電極膜２７が形成されると共に、振動板２１の領域Ｐ２およびＰ３に対応する絶縁体膜１８がオーバーエッチングされる。その結果、領域Ｐ１と領域Ｐ２との境界に段差が形成され、領域Ｐ２およびＰ３に対応する絶縁体膜１８が、領域Ｐ１に対応する部分より一段下がった状態になる。

絶縁体膜１８上に下電極膜２７を形成したならば、図７（ｃ）に示すように、当該下電極膜２７が形成された絶縁体膜１８上の全面に圧電体層２８となるＰＺＴ層２８ａを形成する。ＰＺＴ層２８ａの形成方法は、特に限定されないが、例えば、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ＰＺＴ層２８ａを得る、いわゆるゾル−ゲル法が用いられる。その他、スパッタやＩＪ塗布法等の種々の方法でＰＺＴ層２８ａを形成してもよい。その後、フォトリソグラフィー法によって、ＰＺＴ層２８ａ上にエッチングに対するマスクとなるパターンを形成し、このＰＺＴ層２８ａをエッチングにより所定形状にパターニングする。このとき、エッチング時間等の制御によってＰＺＴ層２８ａの厚さ以上にエッチングを行うことで、図８（ａ）に示すように、開口部２８ｂを含む圧電体層２８として残るＰＺＴ層２８ａ以外の領域（領域Ｐ３）に対応する絶縁体膜１８をエッチングする。これにより、振動板２１の領域Ｐ１およびＰ２に対応する絶縁体膜１８がエッチングされず、その上面に圧電体層２８が形成されると共に、振動板２１の領域Ｐ３（開口部２８ｂ）に対応する絶縁体膜１８がオーバーエッチングされる。その結果、領域Ｐ２と領域Ｐ３との境界に段差が形成され、領域Ｐ３に対応する絶縁体膜１８が領域Ｐ２に対応する絶縁体膜１８よりも一段下がった状態になる。なお、ＰＺＴ層２８ａの厚さ以上のエッチング（オーバーエッチング）を行わずに、領域Ｐ２と領域Ｐ３とを同じ厚さにすることもできる。

その後、図８（ｂ）に示すように、下電極膜２７および圧電体層２８が形成された絶縁体膜１８上の全面にスパッタ法等により上電極膜２９となる上金属層２９ａを形成する。そして、フォトリソグラフィー法によって、上金属層２９ａ上にエッチングに対するマスクとなるパターンを形成し、この上金属層２９ａをエッチングにより所定形状にパターニングする。このようにして、本実施形態の振動板２１および圧電素子１９を形成することができる。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、領域Ｐ３における振動板２１が弾性膜１７と絶縁体膜１８との２層で構成されたが、これには限られない。例えば、絶縁体膜が完全に除去されて、領域Ｐ３における振動板が弾性膜のみで構成されるようにしてもよい。すなわち、領域Ｐ３における絶縁体膜の厚さが０〔ｎｍ〕でもよい。要は、領域Ｐ３における絶縁体膜（振動板）が、領域Ｐ２における絶縁体膜（振動板）よりも薄ければ、どのような厚みでもよい。また、圧力室２２（圧力室空間）の形状は、上記実施形態に限られない。例えば、圧力室空間を区画する内壁面が、流路形成基板の上下面に対してそれぞれ傾斜していてもよい。この場合、圧力室の幅は、圧力室空間の上部開口の開口幅に相当する。

また、上記実施形態では、圧力室２２に対応する領域の振動板２１の領域のうち、下電極膜２７、圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域の全体を領域Ｐ１、下電極膜２７から外れて圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域の全体を領域Ｐ２、下電極膜２７および圧電体層２８から外れて上電極膜２９のみが積層された領域の全体を領域Ｐ３としたが、これには限られない。各領域において、振動板の厚みが異なる領域を含んでも良い。例えば、下電極膜２７から外れて圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域が、厚みｔ２の領域Ｐ２と、厚みがｔ２よりも厚いまたは薄い領域Ｐ２′を含んでも良いし、下電極膜２７および圧電体層２８から外れて上電極膜２９のみが積層された領域が、厚みｔ３の領域Ｐ３と、厚みがｔ３よりも厚いまたは薄い領域Ｐ３′を含んでも良い。また、領域Ｐ１も同様である。ここで、特に領域Ｐ２より領域Ｐ２′の方が厚い場合は、領域Ｐ２′に比して領域Ｐ２が大きい方が、振動板の変形を阻害しない効果が大きい。また、領域Ｐ３より領域Ｐ３′の方が厚い場合も同様である。このような各領域内に含まれる振動板の厚みの違いは、製造公差等により形成される場合もある。

さらに、上記実施形態では、圧力室空間（圧力室２２）の上部開口が台形状を呈し、圧電体層２８に形成された開口部２８ｂが細長六角形状を呈していたがこれには限られない。圧力室空間（圧力室）の形状、圧電体層（開口部）の形状、各電極膜の形状等は、種々の形状を取り得る。例えば、図９に示す、第２実施形態の記録ヘッド３′では、平面視において、圧力室空間（圧力室２２′）の上部開口が略楕円形状を呈している。また、下電極膜２７′は、この圧力室２２′の形状に合わせて、略楕円形状に形成されている。さらに、圧電体層２８の開口部２８ｂ′は、圧力室２２′の上部開口の縁に沿って、圧力室２２′のノズル列方向における両側に形成されている。なお、上電極膜２９′は、上記実施形態と同様に、圧力室列設方向（ノズル列方向）において列設された複数の圧力室２２′の外側まで延設されている。また、圧力室２２′の長手方向における上電極膜２９′は、一側（図９における上側）の端部がインク供給路２４′と重なる位置まで延在され、他側（図９における下側）の端部が圧力室２２′の外側まで延在されている。

ここで、本実施形態でも、ノズル列方向における各層の寸法が、上電極膜２９′の幅、圧力室２２′の幅、圧電体層２８′の幅、下電極膜２７′の幅の順に小さくなっている。このため、下電極膜２７′、圧電体層２８′および上電極膜２９′が積層された領域Ｐ１と、下電極膜２７′から外れて圧電体層２８′および上電極膜２９′が積層された領域Ｐ２と、下電極膜２７′および圧電体層２８′から外れて上電極膜２９′のみが積層された領域Ｐ３とが存在する。そして、各領域Ｐ１〜Ｐ３における振動板の厚みｔ１〜ｔ３が、上記の（１）式を満たすように構成されている。これにより、初期状態における圧電体層２８′の過度の撓みを抑制できると共に、圧電体層２８′の外側における振動板の動きが阻害されることを抑制できる。なお、その他の構成は上記実施形態と同じであるため、説明を省略する。

そして、上述した実施形態では、インクジェットプリンターに搭載されるインクジェット式記録ヘッドを例示したが、上記構成の圧電素子および圧力室を有するものであれば、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。例えば、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（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。その他、電圧の印加により能動的に変形する、いわゆるアクチュエータとして機能する圧電素子を備えたものに限らず、外部から動きが与えられることで受動的に電気信号を出力する、いわばセンサーとして機能する圧電素子を備えたものにも適用できる。

１…プリンター，３…記録ヘッド，１４…アクチュエーターユニット，１５…圧力室形成基板，１６…ノズルプレート，１７…弾性膜，１８…絶縁体膜，１９…圧電素子，２１…振動板，２２…圧力室，２３…連通部，２５…ノズル，２７…下電極膜，２８…圧電体層，２９…上電極膜，４１…リード電極部，４２…スルーホール

Claims (4)

1. ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第１の方向に複数形成された圧力室形成基板と、
   前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、当該振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、を備え、
   前記第１の電極層は、個々の圧力室毎に独立して設けられる一方、前記第２の電極層は、複数の圧力室に亘って連続して設けられ、
   前記圧力室に対応する領域において、前記第１の電極層の前記第１の方向における幅が前記圧力室の同方向における幅よりも狭く形成され、
   前記圧力室に対応する領域の前記振動板は、当該振動板との間に前記第１の電極層を挟み活性部となる前記圧電体層が積層された領域Ｐ１と、当該振動板との間に前記第１の電極層を挟まず非活性部となる前記圧電体層が積層された領域Ｐ２と、前記圧電体層が積層されていない領域Ｐ３とを含み、
   前記領域Ｐ１における振動板の厚みをｔ１、前記領域Ｐ２における振動板の厚みをｔ２、前記領域Ｐ３における振動板の厚みをｔ３としたとき、
   ｔ１＞ｔ２≧ｔ３ …（１）
   を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記振動板は、前記圧力室側から順に酸化シリコンおよび酸化ジルコニウムが積層されてなり、
   前記酸化ジルコニウムの厚みを異ならせて、前記（１）式を満たすようにしたことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記領域Ｐ１の振動板の厚みｔ１と前記領域Ｐ２の振動板の厚みｔ２との差および前記領域Ｐ２の振動板の厚みｔ２と前記領域Ｐ３の振動板の厚みｔ３との差が、それぞれ１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。

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