JP2016060164A - 圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子の製造方法 - Google Patents

圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子の製造方法 Download PDF

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雅夫 中山
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Hideki Hanehiro
英樹 羽廣
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Abstract

【課題】変位効率の高い圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】凹部12が設けられた基板10の一方面側に、振動板50を介して設けられた、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を有する圧電素子300であって、前記圧電体層70の側面には、前記基板10の前記振動板50の表面に相対向する第1面73を有する溝部72が設けられており、前記溝部72の内面上には、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜200が設けられている。【選択図】 図5

Description

本発明は、基板上に振動板を介して設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子、圧電素子を具備する液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置、及び圧電素子の製造方法に関する。
圧電素子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開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドが知られている。この液体噴射ヘッドの代表例としては、液滴としてインク滴を噴射させ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を備え、圧電素子の駆動によって振動板を変形させることで、圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせて、ノズル開口からインク滴を噴射させる。
ここで、圧電素子は、基板上に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を具備する。基板側に設けられた第1電極を実質的な駆動部となる複数の能動部の共通電極とし、第2電極を各能動部の個別電極として、圧電素子に保護膜を設けることで、2つの電極間のリーク電流による破壊を抑制したものが提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
また、基板側に設けられた第1電極を各能動部の個別電極として、第2電極を複数の能動部の共通電極として、第1電極を圧電体層で覆うことで、保護膜を設けることなく、2つの電極間のリーク電流による破壊を抑制したものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2000−141644号公報 特開2000−94688号公報 特開2009−196329号公報
近年、低い駆動電圧で大きな変位を得ることができる、所謂、変位効率の高い圧電素子が望まれているものの、圧電素子が初期状態で基板側に大きく撓んでいる場合、圧電素子に電圧を印加して基板側に変形させようとすると、圧電素子の変位量が小さく、変位効率が低くなってしまう。
このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電素子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、変位効率の高い圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、凹部が設けられた基板の一方面側に、振動板を介して設けられた、第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子であって、前記圧電体層の側面には、前記基板の前記振動板の表面に相対向する第1面を有する溝部が設けられており、前記溝部の内面上には、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜が設けられていることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電体層に第1面を有する溝部を形成すると共に、溝部の内面上に内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けることで、圧電素子に基板とは反対側に引き上げる応力を付与すると共に、第1面によって圧電素子を引き上げる応力を向上して、圧電素子が凹部側に変形する応力を低減させることができる。したがって、圧電素子を駆動して凹部内に変形させた際の変形量を向上することができる。
ここで、前記応力付与膜は、前記第2電極の前記圧電体層とは反対側の上面に達するまで設けられており、当該応力付与膜の前記圧電素子の上面の中央部に対応する領域に開口部が設けられていることが好ましい。これによれば、応力付与膜が圧電素子の上面にまで設けられていることで、圧電素子に印加する応力モーメントを大きくすることができ、圧電素子の引き上げ効果を向上することができる。また、応力付与膜に開口部を設けることで、応力付与膜が圧電素子の変形を阻害するのを抑制して、より高い変位の圧電素子を得ることができる。
また、前記溝部の前記第1面は、前記第1電極、前記圧電体層及び前記第2電極の積層方向に対して傾斜し、且つ前記振動板の表面に対して傾斜した傾斜面となっていることが好ましい。これによれば、傾斜した第1面をウェットエッチング等によって容易に形成することができる。
また、前記溝部は、前記第2電極側に向かって設けられた第2面を有し、前記第2面は、前記第1電極、前記圧電体層及び前記第2電極の積層方向に対して傾斜し、且つ前記振動板の表面に対して傾斜した傾斜面となっていることが好ましい。これによれば、傾斜した第2面をウェットエッチング等によって容易に形成することができる。
また、前記応力付与膜の前記振動板からの厚さは、当該圧電素子の振動板からの厚さに対して100%以上、200%以下であることが好ましい。これによれば、応力付与膜による圧電素子の引き上げ効果を確保すると共に、圧電素子の繰り返し駆動による変位低下を抑制することができる。
また、前記第2電極は、内部応力が圧縮応力であることが好ましい。これによれば、さらに、第2電極によっても圧電素子の引き上げ効果をさらに向上することができる。
また、前記応力付与膜が、感光性樹脂であることが好ましい。これによれば、応力付与膜を露光、現像して所定形状に形成することができるため、オーバーエッチングによる他の膜への影響を抑制することができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を具備し、前記凹部が圧力発生室であると共に、前記圧力発生室に連通して液体を噴射するノズル開口を有する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、変位効率の向上した圧電素子を有する液体噴射ヘッドを実現できる。
また、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、変位効率の向上した圧電素子を有する液体噴射装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、凹部が設けられた基板の一方面側に、振動板を介して設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有し、前記圧電体層の側面には、前記基板の前記振動板の表面に相対向する第1面を有する溝部が設けられた圧電素子の製造方法であって、前記溝部の内面上には、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、圧電体層に第1面を有する溝部を形成すると共に、溝部の内面上に内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けることで、圧電素子に基板とは反対側に引き上げる応力を付与すると共に、第1面によって圧電素子を引き上げる応力を向上して、圧電素子が凹部側に変形する応力を低減させることができる。したがって、圧電素子を駆動して凹部内に変形させた際の変形量を向上することができる。
ここで、前記溝部は、前記圧電体層をウェットエッチングによりパターニングすることにより同時に形成することが好ましい。これによれば、溝部を容易に且つ工程を増やすことなく低コストで形成することができる。
また、前記応力付与膜は、液相法によって形成することが好ましい。これによれば、内部応力が引っ張り応力の応力付与膜を容易に形成することができる。
本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの流路形成基板の平面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの断面図及び拡大断面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の比較例に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の比較例に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 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に係る走査型電子顕微鏡による写真である。 本発明の実施形態2に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態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流路形成基板の平面図であり、図3は図2のA−A′線に準ずる断面図及び拡大断面図であり、図4は、図3(a)のB−B′線に準ずる断面図である。
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が備える本実施形態の基板である流路形成基板10には、凹部として圧力発生室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、この第1の方向Xと直交する方向を、以降、第2の方向Yと称する。さらに、第1の方向X及び第2の方向Yの両方に直交する方向を、以降、第3の方向Z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。
以下、構成する圧電素子300について、図3〜図7を参照してさらに詳細に説明する。なお、図5は、本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図であり、図6及び図7は、比較例となる記録ヘッドの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毎に切り分けられて、後述する能動部310毎に独立する個別電極を構成する。この第1電極60は、圧力発生室の第2の方向Y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。また、第2の方向Yにおいて、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、後述する圧電体層70を成膜する際に酸化せず、導電性を維持できる材料が好ましく、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の貴金属、またはランタンニッケル酸化物(LNO)などに代表される導電性酸化物が好適に用いられる。
また、第1電極60として、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。すなわち、本実施形態では、チタンからなる密着層と、上述した導電材料から選択される少なくとも一種の導電層とで第1電極60が形成されている。
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において、圧電体層70のインク供給路側の端部は、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。また、圧電体層70のノズル開口21側の端部は、第1電極60の端部よりも内側(圧力発生室12側)に位置しており、第1電極60のノズル開口21側の端部は、圧電体層70に覆われていない。
圧電体層70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)である。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。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。
圧電体層70は、詳しくは後述するが、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)などで形成することができる。
このような圧電体層70には、各隔壁11に対応して流路形成基板10とは反対側に開口する凹形状を有する第1開口部71が形成されている。第1開口部71は、圧電体層70を厚さ方向である第3の方向Zに貫通して設けられている。この第1開口部71の第1の方向Xの幅は、各隔壁11の第1の方向の幅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の第1の方向Xの端部に対向する部分(いわゆる振動板50の腕部)の剛性が押さえられるため、圧電素子300を良好に変位させることができる。すなわち、基本的に各隔壁11上には圧電体層70が形成されていない。ちなみに、隔壁11の第2の方向Yの端部において、隔壁11上に圧電体層70は形成されていてもよい。つまり、第1開口部71の第2の方向Yの長さは、圧力発生室12より長く、圧力発生室12の端部よりも外側まで延設されていてもよく、圧力発生室12よりも短く、圧力発生室12の端部よりも内側に設けられていてもよい。
また、圧電体層70の第1開口部71によって露出された側面には、溝部72が設けられている。本実施形態の溝部72は、第3の方向Zにおいて振動板50の表面に相対向する第1面73と、第3の方向Zにおいて第2電極80側に向かって設けられた第2面74と、を具備する。ここで、第1面73が振動板50の表面に相対向して設けられているとは、第1面73が第3の方向Zにおいて、振動板50側に向かって設けられて、振動板50の表面と相対向する配置であることをいい、第1面73と振動板50との間に圧電体層70の一部や、第1電極60等が設けられていてもよい。すなわち、第1面73の面方向が、第1の方向X及び第2の方向Yの少なくとも一方の成分を含む方向であればよい。また、第2面74は、第2電極80側に向かって設けられていれば良いため、第2面74が第2電極80に相対向して配置されていなくてもよい。すなわち、第3の方向Zから平面視した際に第2面74と第2電極80とが重なる位置に配置されていなくてもよい。つまり、第2面74の面方向が、第1の方向X及び第2の方向Yの少なくとも一方の成分を含む方向であればよい。
また、本実施形態では、第1面73及び第2面74は、第3の方向Zと、第1の方向X及び第2の方向Yを含む面方向との両方に対して傾斜して設けられている。すなわち、溝部72は、圧電体層70の側面をV字状(断面が三角形状)に切り欠くことで形成されている。なお、このような溝部72は、詳しくは後述するが、圧電体層70をウェットエッチングすることで容易に形成することができる。
第2電極80は、圧電体層70の第1電極60とは反対面側に設けられており、複数の能動部310に共通する共通電極を構成する。本実施形態では、第2電極80は、圧電体層70側に設けられた第1層81と、第1層81の圧電体層70とは反対側に設けられた第2層82と、を具備する。
第1層81は、圧電体層70との界面を良好に形成できること、絶縁性及び圧電特性を発揮できる材料が望ましく、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の貴金属材料、及びランタンニッケル酸化物(LNO)に代表される導電性酸化物が好適に用いられる。また、第1層81は、複数材料の積層であってもよい。本実施形態では、イリジウム(Ir)とチタン(Ti)との積層電極(イリジウムが圧電体層70と接する)を使用している。そして、第1層81は、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法、メッキ法などの液相法により形成することができる。また、第1層81の形成後に、加熱処理を行うことにより、圧電体層70の特性改善を行うことができる。このような第1層81は、圧電体層70上のみ、すなわち、圧電体層70の流路形成基板10とは反対側の表面上のみに形成されている。
また、第2電極80を構成する第2層82は、導電性を有する材料、例えば、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の金属材料を用いることができる。もちろん、第2層82は、上記金属材料の単一材料であっても、複数の材料が混合した複数材料であってもよい。また、第1層81と第2層82との間に、チタン等を設けるようにしてもよい。本実施形態では、第2層82として、イリジウム(Ir)とチタン(Ti)との積層電極を使用している。
このような第2層82は、本実施形態では、第1層81上に形成されている。また、第2層82は、圧電体層70の第2の方向Yの側面上から第1電極60上に引き出されている。なお、第2層82は、電気抵抗を下げるために第1層81に比べて厚く形成している。そして、イリジウムは、内部応力(残留応力)が圧縮応力となっており、チタンは内部応力が略0(ゼロ)となっているため、本実施形態の第2電極80は内部応力が圧縮応力となっている。もちろん、第2電極80の材料や製造方法等を変更することで、第2電極80の内部応力(残留応力)を引っ張り応力としてもよいが、詳しくは後述するように、第2電極80を圧縮応力とすることで、能動部310の変位量の向上を図ることができる。つまり、第2電極80の内部応力が圧縮応力であるとは、第2電極80が複数積層されている場合には、その一部の層が引っ張り応力であっても全体として圧縮応力となっていればよい。ちなみに、第1層81上の第2層82と、第1電極60上の第2層82とは、除去部83を介して電気的に切断されている。すなわち、第1層81上の第2層82と、第1電極60上の第2層82とは、同一層からなるが電気的に不連続となるように形成されている。ここで、除去部83は、圧電体層70上のノズル開口21側に設けられており、第2電極80を、すなわち、第1層81及び第2層82を厚さ方向(第1層81と第2層82との積層方向)に貫通して電気的に切断するものである。このような除去部83は、第1の方向Xに亘って連続して第2電極80を厚さ方向に貫通して設けられている。
なお、本実施形態では、第2電極80の第2層82を圧電体層70の側面、すなわち、第1開口部71の側面である溝部72内に設けないようにしたが、特にこれに限定されず、第2層82を第1層81上から溝部72内に亘って連続して設けるようにしてもよい。
このような第1電極60、圧電体層70及び第2電極80で構成される圧電素子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310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310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2の方向Yにおいて、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の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部310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310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。
すなわち、本実施形態では、図3に示すように、能動部310の第2の方向Yの端部は、第2電極80(除去部83)によって規定されている。
また、能動部310の第1の方向Xの端部は、第1電極60によって規定されている。そして、第1電極60の第1の方向X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いる。したがって、能動部310の第1の方向Xの端部は、可撓部に設けられていることになり、第1の方向Xにおいて、能動部310と非能動部との境界における応力が振動板の変形によって開放される。このため、能動部310の第1の方向Xの端部における応力集中に起因する焼損やクラック等の破壊を抑制することができる。
このような圧電素子300では、第2電極80が、圧電体層70を覆っているため、第1電極60と第2電極80との間で電流がリークすることがなく、圧電素子300の破壊を抑制することができる。ちなみに、第1電極60と第2電極80とが近接した状態で露出されていると、圧電体層70の表面を電流がリークし、圧電体層70が破壊されてしまう。また、第1電極60と第2電極80とが露出されていても距離が近くなければ、電流のリークは発生しない。
また、図4に示すように、このような圧電素子300には、応力付与膜200が設けられている。
応力付与膜200は、圧電素子300の側面に設けられた溝部72に接するように設けられている。本実施形態では、応力付与膜200は、第1開口部71内に充填されるように設けられている。また、応力付与膜200は、圧電素子300の上面、すなわち、第3の方向Zにおいて流路形成基板10と反対側の面上まで延設されており、能動部310の第2電極80の中央部に対応する領域に、開口部である第2開口部201が設けられている。すなわち、第2開口部201は、能動部310毎に圧電素子300の上面の中央部に対応する領域に設けられており、本実施形態では、第2開口部201によって第2電極80が露出されている。
そして、このような応力付与膜200は、各能動部310の第1の方向Xの両側にそれぞれ設けられており、第1の方向Xで互いに隣り合う2つの能動部310の間の第1開口部71で連続して設けられている。もちろん、応力付与膜200は、これに限定されず、各能動部310の第1の方向Xの両側にそれぞれ設け、第1の方向Xで互いに隣り合う能動部310の間に設けられた応力付与膜200が、隔壁11上で連続することなく独立して設けられていてもよい。また、各能動部310の第1の方向Xの両側に設けられた応力付与膜200は、能動部310の第2の方向Yの外側において、連続していても、また、分離して設けられていてもよい。これは、第1開口部71の第2の方向Yの両側の圧電素子300は、能動部310の変形に寄与しない部分であるからである。
このような応力付与膜200としては、内部応力(残留応力)が引っ張り応力を有し、圧電素子300に対して引っ張り応力を付与するものである。このような応力付与膜200としては、絶縁性を有する材料であり、また、無機材料であっても有機材料であってもよい。また、応力付与膜200は、圧電素子300の側面を覆うと共に振動板50の圧力発生室12に対向する領域に設けられているので、比較的ヤング率が低い材料を用いるのが好ましい。これにより、応力付与膜200が圧電素子300及び振動板50の変形を阻害して変位量が低下するのを抑制することができる。このように、ヤング率が低い材料としては、有機材料を用いるのが好ましい。また、応力付与膜200は、当該応力付与膜200を成膜及びパターニングする際に、他の層、例えば、振動板50や第2電極80等に影響を及ぼさない材料を用いるのが好ましく、例えば、ポリイミド等の感光性樹脂を好適に用いることができる。このように、応力付与膜200として感光性樹脂を用いることで、ドライエッチングなどを用いてパターニングする必要がなく、振動板50や圧電素子300等がドライエッチングによるオーバーエッチングによってその一部が除去されるのを抑制することができる。なお、応力付与膜200は、複数層が積層されて構成されていてもよい。これにより、比較的厚さの厚い応力付与膜200を容易に形成することができる。ちなみに、応力付与膜200を構成する一部の層の内部応力が圧縮応力であったとしても全体として引っ張り応力であればよい。
さらに、応力付与膜200は、圧電素子300の振動板50からの第3の方向Zの高さよりも高くするのが好ましい。すなわち、応力付与膜200の第3の方向Zの厚さは、圧電素子300の第3の方向Zの厚さよりも厚く形成するのが好ましい。これにより、応力付与膜200を圧電素子300の上面、すなわち、第3の方向Zにおいて流路形成基板10とは反対側の面上まで確実に設けることができる。また、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。本実施形態では、応力付与膜200として、感光性ポリイミドを用いて、応力付与膜200を圧電素子300の第3の方向Zの厚さよりも厚く形成するようにした。
ただし、応力付与膜200の振動板50からの厚さ、特に可撓部における振動板50上の厚さ、すなわち、第1開口部71内での厚さは、圧電素子300の振動板50からの厚さに対して100%以上、200%以下が好ましい。応力付与膜200の厚さを100%以上とすることで、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。また、応力付与膜200の厚さを200%以下とすることで、圧電素子300を繰り返し駆動した際の変位量の低下率を低減して、安定した変形を行わせることができる。すなわち、応力付与膜200は、薄すぎると圧電素子300の引き上げ効果が低くなり、厚すぎると振動板50の変位を阻害すると共に圧電素子300を繰り返し駆動した際の変位量が低下してしまう。
このように応力付与膜200を設けることで、圧電素子300を第3の方向Zにおいて圧力発生室12とは反対側に向かって引き上げられる応力が付与される。つまり、図5に示すように、振動板50及び圧電素子300は、電界が印加されていない状態において、圧電素子300側に撓むので流路形成基板10の圧力発生室12内への突出量が低減される。本実施形態では、電界が印加されていない状態において、圧電素子300は流路形成基板10とは反対側に凸となるように変形した状態が維持される。特に、本実施形態では、応力付与膜200が第1面73を第1の方向Xに引っ張ることで、第1面73には第1の方向Xと第3の方向Zの流路形成基板10に向かう方向とが合成された応力モーメントが付与されるため、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。また、応力付与膜200は、圧電素子300の上面まで設けられているため、圧電素子300の上面において、圧電素子300を第1の方向Xに引っ張って、第3の方向Zに引き上げる応力モーメントを大きくすることができ、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。このように、圧電素子300に電界を印加していない状態で、圧電素子300を流路形成基板10とは反対側に大きく凸となるように変形させることができるため、圧電素子300に電界を印加して圧力発生室12内に凸となるように変形することで、変位量d1を大きくすることができる。また、本実施形態では、溝部72の内面上に応力付与膜200が直接、接するように設けられているため、圧電体層70の側面が応力付与膜200によって保護される。特に複数の溝部72を設けた場合には、応力付与膜200を設けることで、隣り合う溝部72の間の突出した先端などが欠けるのを抑制することができる。
これに対して、例えば、図6(a)に示すように、圧電体層70に溝部72を設けるが、応力付与膜200を設けない場合、圧電素子300は、電界が印加されていない状態において、流路形成基板10の圧力発生室12内側に向かって大きく凸となるように変形してしまう。このため、圧電素子300に電界を印加して圧力発生室12内に凸となるように変位させると、変位量d2はd1に比べて小さくなってしまう。
また、例えば、図6(b)に示すように、圧電体層70に溝部72を設けずに、第2開口部201が設けられた応力付与膜200を設けた場合、第1面73を流路形成基板10に向かって引っ張る応力モーメントがないことから、応力付与膜200による圧電素子300の引き上げ効果が低く、圧電素子300は、電界が印加されていない状態において、流路形成基板10とは反対側に凸状に突出する変形量が小さくなる。したがって、圧電素子300に電界を印加した際の変位量d3は、d1に比べて小さくなってしまう。
さらに、例えば、図7に示すように、圧電体層70に溝部72を設け、第2開口部201が設けられていない応力付与膜200を設けた場合、第2開口部201が形成されていないことから応力付与膜200による圧電素子300の引き上げ効果が低く、圧電素子300は、電界が印加されていない状態において、流路形成基板10とは反対側に凸状に突出する変形量が小さくなる。したがって、圧電素子300に電界を印加した際の変位量d4は、d1に比べて小さくなってしまう。また、図7に示すように、圧電素子300の上面、すなわち第2電極80の主要部を露出させる第2開口部201を設けないことで、応力付与膜200によって圧電素子300の変形が阻害されてしまうため、圧電素子300に電界を印加した際の圧力発生室12内への突出量も低下してしまう。ただし、変位量d4は、変位量d2に比べて高い変位量であるため、図7に示す構成であってもよい。
このように、図5に示すように、圧電体層70の側面に第1面73を有する溝部72を設け、第2開口部201を有する内部応力が引っ張り応力の応力付与膜200を設けることで、低い電圧で大きな変位量を得ることができる、所謂、変位効率が高い圧電素子300とすることができる。なお、本実施形態では、溝部72及び応力付与膜200を設けることで、圧電素子300が圧力発生室12とは反対側に凸となるように変形させることができるが、振動板50、圧電素子300、応力付与膜200の膜厚や材料等によっては、圧電素子300は圧力発生室12内に凸となるように変形するものの、圧力発生室12内に凸状に変形する突出量を小さくする場合もあり得る。
また、本実施形態では、圧電体層70の側面に溝部72を設けると共に応力付与膜200を設けるのに加えて、内部応力が圧縮応力となる第2電極80を設けることで、圧電素子300を圧力発生室12とは反対側に引き上げる応力を付与して、さらに変位効率が高い圧電素子300とすることができる。
このような圧電素子300の第1電極60と、第2電極80とには、図3及び図4に示すように、本実施形態の配線層である個別リード電極91と、共通リード電極92とが接続されている。
個別リード電極91及び共通リード電極92(以降、両者を合わせてリード電極90と称する)は、本実施形態では、同一層からなるが、電気的に不連続となるように形成されている。具体的には、リード電極90は、電極(第2電極80の第2層82)側に設けられた密着層191と、密着層191上に設けられた導電層192と、を具備する。
密着層191は、第2層82、振動板50等と導電層192との密着性を向上させるためのものであり、その材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、ニッケルクロム(NiCr)、チタン(Ti)、チタンタングステン(TiW)等を用いることができる。もちろん、密着層191は、上述したものを単一材料として用いたものであってもよく、また、複数の材料が混合した複数材料であってもよく、さらに、異なる材料の複数層を積層したものであってもよい。本実施形態では、密着層191としてニッケルクロム(NiCr)を用いた。
また、導電層192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)等を用いることができる。本実施形態では、導電層192として金(Au)を用いた。
ここで、個別リード電極91は、圧電体層70の外側に設けられた第1電極60上に設けられている。ちなみに、第1電極60上には、上述したように第2電極80の第2層82と同一層からなるが、第2層82とは不連続となる電極層が設けられている。このため、第1電極60と個別リード電極91とは、この第2層82と同一層で且つ第2層82とは不連続な電極層を介して電気的に接続されている。
共通リード電極92は、第2電極80上(圧電体層70の第2電極80上)に設けられている。このような共通リード電極92は、図1及び図2に示すように、流路形成基板10の第1の方向Xの両端部に、第2の方向Yに連続して振動板50上に引き出されている。
また、共通リード電極92は、第2の方向Yにおいて、圧力発生室12の壁面上に、すなわち、可撓部と非可撓部との境界部分に跨って設けられた延設部93を有する。延設部93は、複数の能動部310の第1の方向Xに亘って連続して設けられており、第1の方向Xの両端部で共通リード電極92に連続する。すなわち、延設部93を有する共通リード電極92は、保護基板30側から平面視した際に、能動部310の周囲を囲むように連続して配置されている。このように、延設部93を設けることで、可撓部と非可撓部との境界における応力集中における圧電体層70の破壊を抑制することができる。また、共通リード電極92が可撓部上には実質的に形成されていないため、能動部310の変位低下を抑えることができる。
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、図3に示すように、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310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8〜図13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8(a)に示すように、流路形成基板10が複数一体的に形成されるシリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に振動板50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形成した二酸化シリコン(弾性膜51)と、スパッタリング法で成膜後、熱酸化することによって形成した酸化ジルコニウム(絶縁体膜52)との積層からなる振動板50を形成した。
次いで、図8(b)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、例えば、高温の酸化処理でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料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)、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。また、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。また、電極表面(圧電体層70の成膜側)に圧電体層70の結晶成長を制御するための制御層を形成してもよい。本実施形態では、圧電体層70(PZT)の結晶制御としてチタンを使用している。チタンは、圧電体層70の成膜時に圧電体層70内に取り込まれるため、圧電体層70形成後には膜として存在していない。結晶制御層としては、ランタンニッケル酸化物などのペロブスカイト型結晶構造の導電性酸化物などを使用してもよい。
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。本実施形態では、複数層の圧電体膜170を積層することで圧電体層70を形成するようにした。
具体的には、図9(a)に示すように、第1電極60上に1層目の圧電体膜170を形成した段階で、第1電極60及び1層目の圧電体膜170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170のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)、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170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、表面に設けた図示しないチタン等の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170を形成しても当該圧電体膜170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170も1層目の圧電体膜170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170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170はチタン等の結晶種に比べて2層目以降の圧電体膜170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170の結晶成長に大きな影響を与えない。
なお、2層目の圧電体膜170を成膜する前に露出した振動板50上(本実施形態では、酸化ジルコニウムである絶縁体膜52)に、2層目以降の圧電体膜170を成膜するときに、結晶制御層(中間結晶制御層)を用いてもよい。本実施形態では、中間結晶制御層としてチタンを用いるようにした。このチタンからなる中間結晶制御層は、第1電極60上に形成する結晶制御層のチタンと同様に、圧電体膜170を成膜する際に圧電体膜170に取り込まれる。ちなみに、中間結晶制御層は、中間電極または直列接続されるコンデンサの誘電体となってしまった場合、圧電特性の低下を引き起こす。このため、中間結晶制御層は、圧電体膜170(圧電体層70)に取り込まれ、圧電体層70の成膜後に膜として残らないものが望ましい。
次に、図9(b)に示すように、2層目以降の圧電体膜170を積層することにより、複数層の圧電体膜170からなる圧電体層70を形成する。
ちなみに、2層目以降の圧電体膜170は、絶縁体膜52上、第1電極60及び1層目の圧電体膜170の側面上、及び1層目の圧電体膜170上に亘って連続して形成される。また、2層目以降の圧電体膜170を焼成により形成する界面において、後の工程で圧電体層70をパターニングした際に溝部72が形成されると考えられる。
次に、図10(a)に示すように、圧電体層70上に第2電極80を構成する第1層81を形成すると共に所定形状にパターニングする。本実施形態では、特に図示していないが、まず、圧電体層70上にイリジウムを有するイリジウム層と、イリジウム層上にチタンを有するチタン層とを積層する。なお、このイリジウム層及びチタン層は、スパッタリング法やCVD法等によって形成することができる。その後、イリジウム層及びチタン層が形成された圧電体層70をさらに再加熱処理(ポストアニール)する。このように再加熱処理することで、圧電体層70の第2電極80側にイリジウム層等を形成した際のダメージが発生しても、再加熱処理を行うことで、圧電体層70のダメージを回復して、圧電体層70の圧電特性を向上することができる。また、ポストアニールを行うことで、圧電体層70の圧電特性の向上及び圧電特性の均一化を行うことができる。
次に、図10(b)に示すように、圧電体層70を圧力発生室12に対応してパターニングする。本実施形態では、第1層81上及び圧電体層70上にマスク400を設け、このマスクを介して圧電体層70をウェットエッチングすることでパターニングした。これにより、圧電体層70には、第1開口部71が形成されると共に、圧電体層70の側面、すなわち、第1開口部71の第1の方向Xの内側面には、第1面73及び第2面74を有する溝部72が同時に形成される。すなわち、圧電体層70は、複数の圧電体膜170が積層されて構成されているため、その界面はウェットエッチングにより選択的に除去されやすい。このため、圧電体膜170の界面が凹んだ溝部72が好適に形成される。ちなみに、溝部72は、例えば、ウェットエッチングに用いるエッチング液の組成を調整することで、その形状を調整することができる。また、積層された圧電体膜170の組成を変更することによっても溝部72を所望の形状に形成することができる。さらに、圧電体層70の表面に第1層81の成膜及びパターニングを行った後、圧電体層70をパターニングしているため、第1層81を成膜及びパターニングした際の影響によっても溝部72の形状が決定されると考えられる。本実施形態では、溝部72は、圧電体層70をウェットエッチングすることで工程を追加することなく、容易に形成することができる。
次に、図11(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面側(圧電体層70が形成された面側)に亘って、すなわち、第1層81上、圧電体層70をパターニングした側面上、絶縁体膜52上、及び第1電極60上等に亘って、第2層82を形成すると共に第2層82を所定形状にパターニングすることで第2電極80を形成する。また、特に図示していないが、第2電極80をパターニングすることで除去部83等を形成する。
次に、応力付与膜200を形成する。まず、図11(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面に亘って応力付与膜200を形成する。応力付与膜200の材料は、内部応力が引っ張り応力となる材料であれば特に限定されず、無機材料や有機材料を用いることができる。なお、無機材料の応力付与膜200は、例えば、MOD法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、CVD法等の気相成膜により形成することができる。また、有機材料の応力付与膜200は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法、スリットコート法などの溶液塗布法である液相成膜により形成することができる。本実施形態では、応力付与膜200として、感光性ポリイミドをスピンコート法によって圧電素子300の厚さよりも厚く形成するようにした。
次に、図11(c)に示すように、応力付与膜200を所定形状にパターニングして第2開口部201等を形成する。本実施形態では、感光性ポリイミドを露光、現像することで所定形状の応力付与膜200を形成した。このように、応力付与膜200として感光性樹脂を用いることで、ドライエッチングなどを用いることなく応力付与膜200をパターニングして、振動板50や第2電極80、圧電体層70等がドライエッチングによるオーバーエッチングによってその一部が除去されるのを抑制することができる。
また、応力付与膜200に絶縁膜を用いる場合、除去部83上にも応力付与膜200を形成してもよい。この場合、応力付与膜200は、除去部83で露出している圧電体層70を保護する保護膜とすることができる。
次に、図12(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面の全面に亘ってリード電極90を形成する。本実施形態では、密着層191と、導電層192とを積層することでリード電極90を形成した。
次に、図12(b)に示すように、リード電極90を所定形状にパターニングする。リード電極90のパターニングでは、先に導電層192をウェットエッチング等でパターニングした後、密着層191をウェットエッチングによってパターニングすればよい。
次に、図13(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、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13(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13(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。これにより、圧電素子300は流路形成基板用ウェハー110(振動板50)の拘束が解除されて、内部応力の影響で図6に示すように変形する。
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。
ちなみに、上述した製造方法によって圧電体層70を形成し、感光性樹脂からなる応力付与膜200を形成し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。この結果を図14に示す。
図14に示すように、圧電体層70には、第1面73と第2面74とを有する溝部72が設けられており、溝部72内に第1面73及び第2面74を覆うように密着して応力付与膜200が形成されている。すなわち、感光性樹脂からなる応力付与膜200は、溝部72が設けられた圧電体層70の側面にカバレッジ良く形成することができる。
(実施形態2)
図15は、本発明の実施形態2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要部を拡大した断面図である。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15に示すように、本実施形態の圧電素子300は、第1電極60が複数の能動部310に亘って共通する共通電極を構成し、第2電極80が各能動部310の個別電極を構成している。
また、圧電体層70の側面には、第1面73及び第2面74を有する溝部72が設けられている。また、圧電素子300には、第2開口部201を有する応力付与膜200が設けられている。
このような構成であっても、圧電体層70の側面に溝部72を形成すると共に第2開口部201を有する応力付与膜200を設けることで、圧電素子300に流路形成基板10とは反対側に引き上げる応力を印加することができ、変位効率の高い圧電素子300を実現できる。
(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1及び2では、圧電体層70の側面に溝部72を1つだけ設ける構成としたが、溝部72の数は特にこれに限定されるものではない。例えば、図16に示すように、圧電体層70の1つの側面に3つの溝部72を形成するようにしてもよい。もちろん、溝部72の数は3つに限定されるものではなく、1つであっても、2つ以上の複数であってもよい。このように圧電体層70の1つの側面に溝部72を複数設けた場合であっても、溝部72の第1面73を第3の方向Zの流路形成基板10側に引っ張る応力モーメントを印加することができ、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。なお、複数の溝部72は、例えば圧電体膜170の界面を複数設け、圧電体層70を上述した実施形態1と同様にウェットエッチングすることで容易に形成することができる。
また、上述した実施形態1及び2では、傾斜面となる第1面73及び第2面74を有する溝部72、すなわち、V字状(断面が三角形状)に切り欠いた溝部72を設けるようにしたが、溝部72は、振動板50に相対向する第1面73を有するものであれば、その形状は上述したものに限定されるものではない。ここで、溝部の他の例を図17及び図18に示す。
図17に示すように、圧電体層70の側面に設けられた溝部72は、第1の方向X及び第2の方向Yを含む面と略平行に設けられた第1面73と及び第2面74と、第1面73及び第2面74に連続する第3面75とを具備する。すなわち、溝部72は、圧電体層70の側面を断面が四角形状となるように切り欠いて形成されている。このような構成の溝部72であっても、第1面73を第3の方向Zの流路形成基板10側に引っ張る応力モーメントを印加することができ、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。
また、図18に示すように、圧電体層70は、第1の方向Xの幅が振動板50側で狭く、第2電極80側で広く形成されることで、その側面には幅の差による段差によって溝部72が形成されている。すなわち、溝部72には、第1の方向X及び第2の方向Yを含む面と略平行に設けられた第1面73のみが設けられている。このような構成の溝部72であっても、第1面73を第3の方向Zの流路形成基板10側に引っ張る応力モーメントを印加することができ、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。
なお、図17及び図18の溝部72を有する圧電体層70は、圧電体膜170の成膜と成膜した圧電体膜170のパターニングとをマスク等を用いて複数回に分けて行うことで形成することができる。また、圧電体膜170のパターニングを複数回に分けて溝部72を形成する場合には、ウェットエッチングだけではなく、ドライエッチングでパターニングするようにしてもよい。
また、上述した実施形態1では、各能動部310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310毎に独立して設けられていてもよい。すなわち、第1開口部71が第2の方向Yに亘って設けられており、能動部310毎に圧電体層70が完全に切り分けられていてもよい。また、上述した実施形態1では、第2電極80を第1層81と第2層82とを積層したものとしたが、特にこれに限定されず、第2電極80は単層であっても3層以上に積層したものであってもよい。すなわち、実施形態1において、第2電極80が第1層81のみで構成されていてもよい。もちろん、実施形態2の第2電極80は、実施形態1と同様に第1層81及び第2層82で構成されていてもよく、3層以上で積層されたものであってもよい。
また、上述した実施形態1及び2では、基板である流路形成基板10に凹部である圧力発生室12が厚さ方向である第3の方向Zに貫通して設けられた構成を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧力発生室12が流路形成基板10を第3の方向Zに貫通して設けられていなくてもよい。すなわち、圧力発生室12が振動板50側に開口して設けられており、圧力発生室12とノズル開口21とがノズル連通路等を介して連通していてもよい。また、圧力発生室12をノズル開口21側に開口するように設け、流路形成基板10の圧電素子300側の一部を残して、残した部分を振動板の一部として用いるようにしてもよい。つまり、凹部とは、流路形成基板10等の基板を厚さ方向に貫通するものも、何れか一方面のみに開口するものも含むものである。
また、インクジェット式記録ヘッドIは、例えば、図19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。
図19に示すように、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1A、1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A、2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A、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に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット1A、1B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1A、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には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
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、上述した例では、インクジェット式記録装置IIは、液体貯留手段であるカートリッジ2A、2Bがキャリッジ3に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体4に固定して、液体貯留手段とインクジェット式記録ヘッドIとをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
なお、上記実施の形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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や液体噴射装置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、プリンター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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等に用いられる他の圧電素子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(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 第1開口部、 72 溝部、 73 第1面、 74 第2面、 75 第3面、 80 第2電極、 81 第1層、 82 第2層、 90 リード電極、 100 マニホールド、 200 応力付与膜、 201 第2開口部(開口部)、 300 圧電素子、 310 能動部

Claims (12)

  1. 凹部が設けられた基板の一方面側に、振動板を介して設けられた、第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子であって、
    前記圧電体層の側面には、前記基板の前記振動板の表面に相対向する第1面を有する溝部が設けられており、
    前記溝部の内面上には、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜が設けられていることを特徴とする圧電素子。
  2. 前記応力付与膜は、前記第2電極の前記圧電体層とは反対側の上面に達するまで設けられており、当該応力付与膜の前記圧電素子の上面の中央部に対応する領域に開口部が設けられていることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。
  3. 前記溝部の前記第1面は、前記第1電極、前記圧電体層及び前記第2電極の積層方向に対して傾斜し、且つ前記振動板の表面に対して傾斜した傾斜面となっていることを特徴とする請求項1又は2記載の圧電素子。
  4. 前記溝部は、前記第2電極側に向かって設けられた第2面を有し、前記第2面は、前記第1電極、前記圧電体層及び前記第2電極の積層方向に対して傾斜し、且つ前記振動板の表面に対して傾斜した傾斜面となっていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電素子。
  5. 前記応力付与膜の前記振動板からの厚さは、当該圧電素子の振動板からの厚さに対して100%以上、200%以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電素子。
  6. 前記第2電極は、内部応力が圧縮応力であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電素子。
  7. 前記応力付与膜が、感光性樹脂であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の圧電素子。
  8. 請求項1〜7の何れか一項に記載の圧電素子を具備し、前記凹部が圧力発生室であると共に、前記圧力発生室に連通して液体を噴射するノズル開口を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
  9. 請求項8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。
  10. 凹部が設けられた基板の一方面側に、振動板を介して設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有し、
    前記圧電体層の側面には、前記基板の前記振動板の表面に相対向する第1面を有する溝部が設けられた圧電素子の製造方法であって、
    前記溝部の内面上には、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けることを特徴とする圧電素子の製造方法。
  11. 前記溝部は、前記圧電体層をウェットエッチングによりパターニングすることにより同時に形成することを特徴とする請求項10記載の圧電素子の製造方法。
  12. 前記応力付与膜は、液相法によって形成することを特徴とする請求項10又は11に記載の圧電デバイスの製造方法。
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