JP2018099821A - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】流路形成基板や振動板等の破壊を抑制した液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電デバイスを提供する。【解決手段】圧力発生室１２に連通するノズルが設けられたノズルプレートを少なくとも具備する接合部材と、流路形成基板１０の他方面側に振動板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を有する圧電アクチュエーター３００と、を具備し、圧力発生室１２は、第１の方向に直交する第２の方向Ｙの長さは、第１の方向の長さよりも長く、隔壁は、第２の方向Ｙに沿って形成されており、隔壁の一方面側において、隔壁の仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離は、前記第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の中央部が長く、圧力発生室１２の両端部側は短く、隔壁と接合部材との間には、接着剤２００が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電デバイスに関する。

液滴を吐出する液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。このインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、圧力発生室が形成された流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に接合されて圧力発生室に連通するノズルが形成されたノズルプレートと、流路形成基板の他方面側に振動板を介して設けられた圧電アクチュエーターと、を具備し、圧電アクチュエーターによって振動板を変形させて圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を吐出させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第５２７８６５４号公報

しかしながら、流路形成基板とノズルプレート等の接合部材とを接合した際に、流路形成基板の圧力発生室を画成する隔壁や振動板などにクラック等の破壊が発生す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に代表される液体噴射ヘッドだけではなく、他の圧電デバイス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、流路形成基板や振動板等の破壊を抑制した液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電デバイス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、圧力発生室が隔壁によって形成された流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に接着剤を介して接着された接合部材であって、前記圧力発生室に連通するノズルが設けられたノズルプレートを少なくとも具備する前記接合部材と、前記流路形成基板の他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電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備し、前記圧力発生室は、第１の方向に直交する第２の方向の長さは、前記第１の方向の長さよりも長く、前記隔壁は、前記第２の方向に沿って形成されており、前記隔壁の前記一方面側において、当該隔壁の仮想平面に対する垂線方向の距離は、前記第２の方向において前記圧力発生室の中央部が長く、前記圧力発生室の両端部側は短く、前記隔壁と前記接合部材との間には、前記接着剤が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。
かかる態様では、流路形成基板と接合部材とを接着剤によって接着する際の荷重が隔壁の中央部に集中するのを抑制することができる。したがって、荷重の集中による隔壁自体のクラックや、隔壁への荷重が振動板の隔壁と圧力発生室との境界部分に集中することによる振動板の破壊を抑制することができる。

また、本発明の他の態様は、圧力発生室が隔壁によって形成された流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に接着剤を介して接着された接合部材であって、前記圧力発生室に連通するノズルが設けられたノズルプレートを少なくとも具備する前記接合部材と、前記流路形成基板の他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電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備し、前記圧力発生室は、第１の方向に直交する第２の方向の長さは、前記第１の方向の長さよりも長く、前記隔壁は、前記第２の方向に沿って形成されており、前記接着剤の積層方向において、前記第２の方向における前記圧力発生室の中央部と前記圧力発生室の端部とでは、中央部の方が厚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、流路形成基板と接合部材とを接着剤によって接着する際の荷重が隔壁の中央部に集中するのを抑制することができる。したがって、荷重の集中による隔壁自体のクラックや、隔壁への荷重が振動板の隔壁と圧力発生室との境界部分に集中することによる振動板の破壊を抑制することができる。

ここで、前記隔壁上の前記他方面側に積層された膜の内部応力の総和は、圧縮応力であることが好ましい。これによれば、流路形成基板の隔壁を積層された膜の内部応力によって反らせることで、隔壁の仮想平面に対する距離又は接着剤の厚さを上記のごとく実現できる。

また、前記隔壁上には、酸化シリコンからなる弾性膜及び前記弾性膜上に設けられて酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜を有する前記振動板と、前記第２電極と、が設けられているのが好ましい。これによれば、隔壁の上に設けられた積層された膜の内部応力を容易に調整することができる。

また、前記絶縁体膜の内部応力が引っ張り応力であり、前記第２電極の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、隔壁の上に設けられた積層された膜の内部応力を容易に調整することができる。

また、前記弾性膜、前記振動板及び前記第２電極のヤング率は、前記第２電極が最も大きく、前記弾性膜が最も小さいことが好ましい。これによれば、隔壁の上に設けられた積層された膜の内部応力を容易に調整することができる。

また、前記第２の方向における前記隔壁上の前記振動板は、前記圧力発生室の中央部の厚さが、他の領域よりも薄いことが好ましい。これによれば、隔壁の上に設けられた積層された膜の内部応力を容易に調整することができる。

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、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、凹部が隔壁によって形成された基板と、前記基板の一方面側に接着剤を介して接着された接合部材と、前記基板の他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電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備し、前記凹部は、第１の方向に直交する第２の方向の長さは、前記第１の方向の長さよりも長く、前記隔壁は、前記第２の方向に沿って形成されており、前記隔壁の前記一方面側において、当該隔壁の仮想平面に対する垂線方向の距離は、前記第２の方向において前記凹部の中央部が長く、前記凹部の両端部側は短く、前記隔壁と前記接合部材との間には、前記接着剤が設けられていることを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、基板と接合部材とを接着剤によって接着する際の荷重が隔壁の中央部に集中するのを抑制することができる。したがって、荷重の集中による隔壁自体のクラックや、隔壁への荷重が振動板の隔壁と圧力発生室との境界部分に集中することによる振動板の破壊を抑制することができる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る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。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図である。

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であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、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′線断面図であり、図４は、図３の要部を拡大した図であり、図５は、図２のＢ−Ｂ′線断面図である。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１（以下、単に記録ヘッド１とも言う）を構成する基板である流路形成基板１０には、一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凹部である圧力発生室１２がインクを吐出する複数のノズル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Ｘ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。本実施形態の圧力発生室１２は、第１の方向Ｘに短く、第２の方向Ｙに長い、所謂高いアスペクト比を有する。なお、本実施形態では、流路形成基板１０の第１の方向Ｘに並設された圧力発生室１２の間の部分を隔壁１１と称する。この隔壁１１は、第２の方向Ｙに沿って形成されている。すなわち、隔壁１１は、流路形成基板１０の第２の方向Ｙにおける圧力発生室１２に重なる部分のことをいう。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第３の方向Ｚと称し、詳しくは後述するケース部材４０側をＺ１側、ノズルプレート２０側をＺ２側と称する。なお、第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚは、互いにそれぞれ直交する方向としたが、特にこれに限定されず、直交以外の角度で交差する方向であってもよい。

このような流路形成基板１０の一方面側であるＺ２側の面側には、連通板１５と、ノズルプレート２０とが順次積層されている。すなわち、本実施形態では、流路形成基板１０のＺ２側に接合される接合部材は、連通板１５とノズルプレート２０とを含む。本実施形態では、流路形成基板１０と連通板１５とは、接着剤２００で接合されている。また、連通板１５とノズルプレート２０との接合方法は特に限定されず、例えば、接着剤による接合や、直接接合等を用いることができる。

ここで、図４に示すように、流路形成基板１０の隔壁１１の接合部材を構成する連通板１５が接合されるＺ２側の面において、仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離は、第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の中央部の距離ｄ１が長く、圧力発生室１２の両端部の距離ｄ２が短くなっている。ここで、仮想平面Ｆとは、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙを含む方向が面方向となるものを言う。このため、仮想平面Ｆの垂線方向とは、第３の方向Ｚのことを言う。そして、隔壁１１のＺ２側の面において、仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離は、圧力発生室１２の両端部側から圧力発生室１２の中央部側に向かって徐々に漸大して設けられている。本実施形態では、流路形成基板１０の隔壁１１は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの中央部がＺ２側に凹むように反っており、隔壁１１の反りによって隔壁１１の仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離が、第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の中央部の距離ｄ１が長く、圧力発生室１２の両端部の距離ｄ２が短くなっている。

なお、隔壁１１の第２の方向Ｙにおける圧力発生室１２の端部とは、圧力発生室１２を画成する隔壁１１において圧力発生室１２の第２の方向Ｙの端部を画成する部分をいう。また、隔壁１１の第２の方向Ｙにおける圧力発生室１２の中央部とは、隔壁１１において各圧力発生室１２の第２の方向Ｙの中央部を画成する部分をいう。そして、少なくとも、第２の方向Ｙにおいて、流路形成基板１０の圧力発生室１２の最も外側（隔壁１１の端部）における距離ｄ２が、これよりも圧力発生室１２の内側の中央部の距離ｄ１よりも短ければよい。

また、連通板１５の流路形成基板１０側、すなわち、Ｚ１側の面は、略平坦面となっており、流路形成基板１０のＺ２側の面と連通板１５のＺ１側の面との間に亘って接着剤２００が充填されている。したがって、流路形成基板１０と連通板１５とを接着する接着剤２００の積層方向である第３の方向Ｚの厚さは、第２の方向Ｙにおいて、圧力発生室１２の中央部が圧力発生室１２の端部に比べて厚くなっている。すなわち、接着剤２００の第３の方向Ｚの厚さは、第２の方向Ｙにおいて、圧力発生室１２の中央部がｄ１となっており、圧力発生室１２の両端部がｄ２となっている。

なお、隔壁１１の第２の方向Ｙに沿った反り量は、隔壁１１毎に異なる反り量であってもよい。すなわち、流路形成基板１０の第１の方向Ｘの両端部の隔壁１１と、中央部側の隔壁１１とで反り量が異なっていてもよい。また、隔壁１１の反りは、詳しくは後述する流路形成基板１０のＺ１側の面に形成された振動板５０や圧電アクチュエーター３００によって調整することができる。また、流路形成基板１０は、第１の方向Ｘに沿って第３の方向Ｚに反っていてもよい。

連通板１５には、図３に示すように、圧力発生室１２とノズル２１とを連通するノズル連通路１６が設けられている。連通板１５は、流路形成基板１０よりも大きな面積を有し、ノズルプレート２０は流路形成基板１０よりも小さい面積を有する。このように連通板１５を設けることによってノズルプレート２０のノズル２１と圧力発生室１２とを離せるため、圧力発生室１２の中にあるインクは、ノズル２１付近のインクで生じるインク中の水分の蒸発による増粘の影響を受け難くなる。また、ノズルプレート２０は圧力発生室１２とノズル２１とを連通するノズル連通路１６の開口を覆うだけで良いので、ノズルプレート２０の面積を比較的小さくすることができ、コストの削減を図ることができる。なお、本実施形態では、ノズルプレート２０のノズル２１が開口されて、インク滴が吐出される面を液体噴射面２０ａと称する。

また、連通板１５には、マニホールド１００の一部を構成する第１マニホールド部１７と、本実施形態の凹部である第２マニホールド部１８とが設けられている。
第１マニホールド部１７は、連通板１５を第３の方向Ｚに貫通して設けられている。
また、第２マニホールド部１８は、連通板１５を第３の方向Ｚに貫通することなく、連通板１５のノズルプレート２０側に開口して設けられている。

さらに、連通板１５には、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部に連通する供給連通路１９が、圧力発生室１２の各々に対して独立して設けられている。この供給連通路１９は、第２マニホールド部１８と圧力発生室１２とを連通する。すなわち、供給連通路１９は、マニホールド１００に対して、第１の方向Ｘに並設されている。

ノズルプレート２０には、各圧力発生室１２とノズル連通路１６を介して連通するノズル２１が形成されている。すなわち、ノズル２１は、同じ種類の液体（インク）を噴射するものが第１の方向Ｘに並設され、この第１の方向Ｘに並設されたノズル２１の列が第２の方向Ｙに２列形成されている。

一方、流路形成基板１０の他方面側であるＺ１側の面側には、振動板５０が形成されている。本実施形態では、振動板５０として、流路形成基板１０側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜５１と、弾性膜５１上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２と、を設けるようにした。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面側（ノズルプレート２０が接合された面側）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の他方面は、弾性膜５１によって画成されている。

また、図４及び図５に示すように、流路形成基板１０の振動板５０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アクチュエーター３００が形成されている。本実施形態では、圧電アクチュエーター３００が圧力発生室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段となっている。ここで、圧電アクチュエーター３００は、圧電素子ともいい、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。また、第１電極６０と第２電極８０との間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。すなわち、能動部３１０は、第１電極６０と第２電極８０とによって第３の方向Ｚで挟まれた部分を言う。本実施形態では、詳しくは後述するが、圧力発生室１２毎に能動部３１０が形成されている。そして、一般的には、能動部３１０の何れか一方の電極を複数の能動部３１０に共通する共通電極とし、他方の電極を能動部３１０毎に独立する個別電極として構成する。本実施形態では、第１電極６０を個別電極とし、第２電極８０を共通電極としているが、これを逆にしてもよい。なお、上述した例では、振動板５０及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、振動板５０を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電アクチュエーター３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

ここで、本実施形態の圧電アクチュエーター３００を構成する第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けてあり、圧電アクチュエーター３００の実質的な駆動部である能動部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。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であることが必要であり、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、図４に示すように、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の供給連通路１９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上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。圧電体層７０は、例えば、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、図５に示すように、各隔壁１１に対応する凹部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の第２の方向Ｙ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、圧電アクチュエーター３００を良好に変位させることができる。

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。また、第２電極８０は、凹部７１の内面、すなわち、第３の方向Ｚにおいて隔壁１１上の振動板５０上に設けられている。

また、本実施形態では、凹部７１の底面の振動板５０は、第３の方向Ｚの厚さｄ３が、他の領域、具体的には能動部３１０の振動板５０の厚さｄ４よりも薄くなっている。このような厚さの異なる振動板５０は、詳しくは後述するが、圧電体層７０をドライエッチングしてパターニングする際にオーバーエッチングすることによって形成することができる。

なお、第２電極８０は、圧電体層７０の界面を良好に形成できること、導電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２電極８０は、複数材料の積層であってもよい。本実施形態では、イリジウムとチタンとの積層電極（イリジウムが圧電体層７０と接する）を用いている。そして、第２電極８０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２電極８０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、隔壁１１上に設けられた積層膜、本実施形態では、弾性膜５１及び絶縁体膜５２を有する振動板５０と、第２電極８０との内部応力の総和は、圧縮応力となっている。これにより、流路形成基板１０の隔壁１１を第２の方向Ｙに沿ってＺ２側の圧力発生室１２の中央部が凹むように反らせることができる。

ここで、本実施形態の酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２は、内部応力が引っ張り応力となっている。また、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。このため、隔壁１１上の振動板５０の厚さ、特に、第２電極８０側に設けられた絶縁体膜５２の厚さｄ３を、他の領域の厚さｄ４よりも薄くすることで、隔壁１１上に形成された積層された膜の内部応力の総和が、圧縮応力となるように調整されている。

つまり、隔壁１１上に形成された絶縁体膜５２が厚いと、絶縁体膜５２の引っ張り応力が第２電極８０の圧縮応力に打ち勝ってしまい、積層された膜の内部応力の総和として引っ張り応力になってしまうからである。このため、本実施形態では、隔壁１１上の絶縁体膜５２の厚さを薄くすることで、絶縁体膜５２の引っ張り応力を低減して、隔壁１１上に積層された膜の内部応力の総和が圧縮応力となるようにした。

ちなみに、弾性膜５１、絶縁体膜５２及び第２電極８０のヤング率は、第２電極８０が最も高く、弾性膜５１が最も小さい。したがって、内部応力が圧縮応力である第２電極８０の厚さが、隔壁１１上に積層された膜の内部応力の総和に影響を及ぼし易い。このため、例えば、隔壁１１上の第２電極８０の厚さを厚くすることで、隔壁１１上に積層された膜の内部応力の総和を圧縮応力となるようにしてもよい。つまり、隔壁１１上の振動板５０の厚さを変更することなく、第２電極８０の厚さで隔壁１１上に積層された膜の内部応力の総和が圧縮応力となるようにしてもよい。さらに、隔壁１１上に設けられた第２電極８０上に、内部応力が圧縮応力の膜を新たに成膜するようにしてもよい。また、第２電極８０としてヤング率の高く内部応力が圧縮応力となる材料を用いもよい。もちろん、上述した振動板５０の厚さの調整、第２電極８０の厚さの調整、新たな圧縮応力となる膜の成膜、第２電極８０の材料の選定から選択される少なくとも１つ以上を組み合わせることで、隔壁１１上に積層された膜の内部応力の総和が圧縮応力となるようにしてもよい。

また、図２に示すように、圧電アクチュエーター３００の第１電極６０からは、引き出し配線である個別配線９１が引き出されている。また、第２電極８０からは、引き出し配線である共通配線９２が引き出されている。さらに、個別配線９１及び共通配線９２の圧電アクチュエーター３００に接続された端部とは反対側の延設された端部には、フレキシブルケーブル１２０が接続されている。フレキシブルケーブル１２０は、可撓性を有する配線基板であって、本実施形態では、駆動素子である駆動回路１２１が実装されている。

このような流路形成基板１０のＺ１側の面側には、流路形成基板１０と略同じ大きさを有する保護基板３０が接合されている。保護基板３０は、圧電アクチュエーター３００を保護するための空間である保持部３１を有する。保持部３１は、第１の方向Ｘに並設された圧電アクチュエーター３００の列の間に第２の方向Ｙに２つ並んで形成されている。また、保護基板３０には、第２の方向Ｙで並設された２つの保持部３１の間に第３の方向Ｚに貫通する貫通孔３２が設けられている。圧電アクチュエーター３００の電極から引き出された個別配線９１及び共通配線９２の端部は、この貫通孔３２内に露出するように延設され、個別配線９１及び共通配線９２とフレキシブルケーブル１２０とは、貫通孔３２内で電気的に接続されている。なお、個別配線９１及び共通配線９２と、フレキシブルケーブル１２０との接続方法は、特に限定されず、例えば、ハンダ付けやろう付けなどのろう接や、共晶接合、溶接、導電性粒子を含む導電性接着剤（ＡＣＰ、ＡＣＦ）、非導電性接着剤（ＮＣＰ、ＮＣＦ）等が挙げられる。

また、図３に示すように、保護基板３０上には、複数の圧力発生室１２に連通するマニホールド１００を流路形成基板１０と共に画成するケース部材４０が固定されている。ケース部材４０は、平面視において上述した連通板１５と略同一形状を有し、保護基板３０に接合されると共に、上述した連通板１５にも接合されている。本実施形態では、ケース部材４０は、連通板１５に接着剤２０１を介して接着されている。また、特に図示していないが、ケース部材４０と保護基板３０とも接着剤によって接着すればよい。

このようなケース部材４０は、保護基板３０側に流路形成基板１０及び保護基板３０が収容される深さの凹部４１を有する。この凹部４１は、保護基板３０の流路形成基板１０に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、凹部４１に流路形成基板１０等が収容された状態で凹部４１のノズルプレート２０側の開口面が連通板１５によって封止されている。これにより、流路形成基板１０の外周部には、ケース部材４０と流路形成基板１０とによって第３マニホールド部４２が画成されている。そして、連通板１５に設けられた第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８と、ケース部材４０と流路形成基板１０とによって画成された第３マニホールド部４２と、によって本実施形態のマニホールド１００が構成されている。マニホールド１００は、圧力発生室１２の並設方向である第１の方向Ｘに亘って連続して設けられており、各圧力発生室１２とマニホールド１００とを連通する供給連通路１９は、第１の方向Ｘに並設されている。

また、連通板１５の第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８が開口するＺ２側の面には、コンプライアンス基板４５が設けられている。このコンプライアンス基板４５が、第１マニホールド部１７と第２マニホールド部１８の液体噴射面２０ａ側の開口を封止している。このようなコンプライアンス基板４５は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜４６と、金属等の硬質の材料からなる固定基板４７と、を具備する。固定基板４７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４８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４６のみで封止された可撓部であるコンプライアンス部４９となっている。

なお、ケース部材４０には、マニホールド１００に連通して各マニホールド１００にインクを供給するための導入路４４が設けられている。また、ケース部材４０には、保護基板３０の貫通孔３２に連通してフレキシブルケーブル１２０が挿通される接続口４３が設けられている。

このような記録ヘッド１では、インクを噴射する際に、インクを導入路４４から取り込み、マニホールド１００からノズル２１に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路１２１からの信号に従い、圧力発生室１２に対応する各能動部３１０に電圧を印加することにより、能動部３１０と共に振動板５０をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室１２内の圧力が高まり所定のノズル２１からインク滴が噴射される。

ここで、本実施形態の記録ヘッド１の製造方法について、図６〜図１７を参照して説明する。なお、図６〜図１５は、記録ヘッドの製造方法を示す図２のＢ−Ｂ′線に準じた断面図であり、図１６〜図１７は、記録ヘッドの製造方法を示す図２のＡ−Ａ′線に準じた断面図である。

まず、図６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を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる弾性膜５１を熱酸化等で形成する。次いで、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。このようにした弾性膜５１及び絶縁体膜５２からなる振動板５０を形成する。

次いで、図７に示すように、絶縁体膜５２上の全面に第１電極６０を形成すると共に圧力発生室１２毎にパターニングする。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。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図８に示すように、絶縁体膜５２上及び第１電極６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７２を成膜する。すなわち、絶縁体膜５２及び第１電極６０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）。次いで、この圧電体前駆体膜７２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７２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７２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７２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７２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９に示すように、圧電体前駆体膜７２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７３を形成する（焼成工程）。この焼成工程では、圧電体前駆体膜７２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７３を得ることができる。

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。

そして、図１０に示すように、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７３からなる圧電体層７０を形成する。

次に、図１１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図示しないマスクを設け、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のパターニングとしては、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が挙げられる。また、このとき、振動板５０の一部、すなわち、圧電体層７０側の絶縁体膜５２の一部を同時にエッチングにより除去する。これにより、振動板５０の隔壁１１上となる部分の厚さを他の領域に比べて薄くすることができる。

次に、図１２に示すように、圧電体層７０上及び絶縁体膜５２上に亘って、第２電極８０を形成し、所定形状にパターニングして圧電アクチュエーター３００を形成する。そして、特に図示しないが、流路形成基板用ウェハー１１０上に個別配線９１及び共通配線９２を形成する。

次に、図１３に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電アクチュエーター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。

次に、図１４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１５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、隔壁１１によって区画された圧力発生室１２を形成する。

次いで、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と保護基板用ウェハー１３０との接合体を図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。このように形成された流路形成基板１０の隔壁１１は、図１６に示すように、第２の方向Ｙに沿って、圧力発生室１２の中央部がＺ２側に凹むように反った状態となる。すなわち、流路形成基板１０の隔壁１１は、隔壁１１に接合される接合部材を構成する連通板１５が接合されるＺ２側の面において、仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離は、第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の中央部の距離ｄ１が長く、圧力発生室１２の両端部の距離ｄ２が短くなる。これは、流路形成基板１０に圧力発生室１２が形成されることで、流路形成基板１０の隔壁１１の剛性が低下して、流路形成基板１０が反ってしまうからである。

次に、図１７に示すように、保護基板３０が接合された流路形成基板１０と連通板１５とを接着剤２００によって接着する。このとき、流路形成基板１０のＺ２側の面は、仮想平面Ｆからの垂線方向の距離は、圧力発生室１２の中央部の距離ｄ１が、圧力発生室１２の両端部の距離ｄ２よりも長い。したがって、流路形成基板１０を連通板１５に向かって押圧した際の荷重が、隔壁１１に集中するのを抑制して、荷重の集中による隔壁１１自体のクラックや、隔壁１１への荷重が振動板５０の隔壁１１と圧力発生室１２との境界部分に集中することによる振動板５０の破壊を抑制することができる。ちなみに、流路形成基板１０のＺ２側の面が、第２の方向Ｙにおいて、圧力発生室１２の中央部が連通板１５側に凸状に突出するように反っていた場合、流路形成基板１０を連通板１５に押圧した際の荷重が、中央部に設けられた隔壁１１に集中し、隔壁１１の破壊や、振動板５０の隔壁１１と圧力発生室１２との境界部分などの脆弱な部分にクラックが生じてしまう。

また、本実施形態では、隔壁１１が反るように変形しているため、振動板５０の内部応力が開放される。したがって、隔壁１１の変形量の違いによる振動板５０の内部応力のばらつきが生じ難く、圧力発生室１２毎にインク滴の吐出特性のばらつきが生じ難い。

その後は、流路形成基板１０、保護基板３０及び連通板１５が一体となった部材に、ノズル２１が形成されたノズルプレート２０、コンプライアンス基板４５及びケース部材４０等を接合することで、本実施形態の記録ヘッド１とする。

以上説明したように、本実施形態では、圧力発生室１２は、第１の方向Ｘに直交する第２の方向Ｙの長さは、第１の方向Ｘの長さよりも長く、圧力発生室を区画する隔壁１１は、第２の方向Ｙに沿って形成されており、隔壁１１のＺ２側において、当該隔壁１１の仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離は、第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の中央部の距離ｄ１が長く、圧力発生室１２の両端部側の距離ｄ２は短く、隔壁１１と連通板１５との間には、接着剤２００が設けられているようにした。このように、隔壁１１の仮想平面Ｆに対する垂線方向の距離は、第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の中央部の距離ｄ１が長く、圧力発生室１２の両端部側の距離ｄ２は短くしたため、流路形成基板１０と連通板１５とを接着剤２００によって接着する際に、流路形成基板１０を連通板１５に向かって押圧した際の荷重が、隔壁１１に集中するのを抑制することができる。したがって、荷重の集中による隔壁１１自体のクラックや、隔壁１１への荷重が振動板５０の隔壁１１と圧力発生室１２との境界部分に集中することによる振動板５０の破壊を抑制することができる。

また、本実施形態では、隔壁１１が反るように変形しているため、振動板５０の内部応力が開放される。したがって、隔壁１１の変形量の違いによる振動板５０の内部応力のばらつきが生じ難く、圧力発生室１２毎にインク滴の吐出特性のばらつきが生じ難い。

また、本実施形態では、隔壁１１上のＺ１側の面に積層された膜の内部応力の総和を圧縮応力とすることにより、隔壁１１を第２の方向Ｙに沿って第３の方向ＺのＺ２側の面の中央部が凹むように反らせることができる。このため、上述した隔壁１１のＺ２側の面と仮想平面Ｆとの距離の規定を容易に実現することができる。

（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では、流路形成基板１０のＺ２側の面に接合される接合部材として、連通板１５及びノズルプレート２０を有するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、連通板１５を設けずに、流路形成基板１０のＺ２側の面にノズルプレート２０が直接、接着されるものであってもよい。すなわち、流路形成基板１０のＺ２側の面に接合される接合部材として、ノズルプレート２０のみで構成されるものであってもよい。もちろん、接合部材は、上述したものに限定されず、連通板１５、ノズルプレート２０に加えてさらにその他の部材を有するものであってもよい。

また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として単結晶シリコン基板を用いるようにしたが、特にこれに限定されず、流路形成基板１０として、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

このような記録ヘッド１は、インクジェット式記録装置Ｉに搭載される。図１８は、本実施形態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１８に示すインクジェット式記録装置Ｉにおいて、記録ヘッド１は、液体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に軸方向移動自在に設けられている。

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。

また、上述した例では、インクジェット式記録装置Ｉは、インク供給手段であるカートリッジ２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供給手段を装置本体４に固定して、液体供給手段と記録ヘッド１とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体供給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。

さらに、上述したインクジェット式記録装置Ｉでは、記録ヘッド１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、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド１が固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

また、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、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インクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、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にも適用することができる。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Ｉを挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。

また、本発明は、液体噴射ヘッドに限定されず、凹部が設けられた基板と圧電アクチュエーターとを有する他の圧電デバイスにも用いることができる。他の圧電デバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルター、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、及びジャイロセンサー（角速度センサー）等の各種センサー、強誘電体メモリーなどが挙げられる。

Ｉ…インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１…インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、２…カートリッジ、３…キャリッジ、４…装置本体、５…キャリッジ軸、６…駆動モーター、７…タイミングベルト、８…搬送ローラー、１０…流路形成基板（基板）、１１…隔壁、１２…圧力発生室（凹部）、１５…連通板、１６…ノズル連通路、１７…第１マニホールド部、１８…第２マニホールド部、１９…供給連通路、２０…ノズルプレート、２０ａ…液体噴射面、２１…ノズル、３０…保護基板、３１…保持部、３２…貫通孔、４０…ケース部材、４１…凹部、４２…第３マニホールド部、４３…接続口、４４…導入路、４５…コンプライアンス基板、４６…封止膜、４７…固定基板、４８…開口部、４９…コンプライアンス部、５０…振動板、５１…弾性膜、５２…絶縁体膜、５３…マスク膜、６０…第１電極、７０…圧電体層、７１…凹部、７２…圧電体前駆体膜、７３…圧電体膜、８０…第２電極、９１…個別配線、９２…共通配線、１００…マニホールド、１１０…流路形成基板用ウェハー、１２０…フレキシブルケーブル、１２１…駆動回路、１３０…保護基板用ウェハー、２００、２０１…接着剤、３００…圧電アクチュエーター、３１０…能動部、Ｆ…仮想平面、Ｘ…第１の方向、Ｙ…第２の方向、Ｚ…第３の方向

Claims (9)

1. 圧力発生室が隔壁によって形成された流路形成基板と、
   前記流路形成基板の一方面側に接着剤を介して接着された接合部材であって、前記圧力発生室に連通するノズルが設けられたノズルプレートを少なくとも具備する前記接合部材と、
   前記流路形成基板の他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電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備し、
   前記圧力発生室は、第１の方向に直交する第２の方向の長さは、前記第１の方向の長さよりも長く、
   前記隔壁は、前記第２の方向に沿って形成されており、
   前記隔壁の前記一方面側において、当該隔壁の仮想平面に対する垂線方向の距離は、前記第２の方向において前記圧力発生室の中央部が長く、前記圧力発生室の両端部側は短く、
   前記隔壁と前記接合部材との間には、前記接着剤が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 圧力発生室が隔壁によって形成された流路形成基板と、
   前記流路形成基板の一方面側に接着剤を介して接着された接合部材であって、前記圧力発生室に連通するノズルが設けられたノズルプレートを少なくとも具備する前記接合部材と、
   前記流路形成基板の他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電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備し、
   前記圧力発生室は、第１の方向に直交する第２の方向の長さは、前記第１の方向の長さよりも長く、
   前記隔壁は、前記第２の方向に沿って形成されており、
   前記接着剤の積層方向において、前記第２の方向における前記圧力発生室の中央部と前記圧力発生室の端部とでは、中央部の方が厚いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 前記隔壁上の前記他方面側に積層された膜の内部応力の総和は、圧縮応力であ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。
4. 前記隔壁上には、
   酸化シリコンからなる弾性膜及び前記弾性膜上に設けられて酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜を有する前記振動板と、
   前記第２電極と、
   が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記絶縁体膜の内部応力が引っ張り応力であり、前記第２電極の内部応力が圧縮応力であることを特徴とする請求項４記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記弾性膜、前記振動板及び前記第２電極のヤング率は、前記第２電極が最も大きく、前記弾性膜が最も小さいことを特徴とする請求項４又は５記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記第２の方向における前記隔壁上の前記振動板は、前記圧力発生室の中央部の厚さが、他の領域よりも薄いことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
8. 請求項１〜７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。
9. 凹部が隔壁によって形成された基板と、
   前記基板の一方面側に接着剤を介して接着された接合部材と、
   前記基板の他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電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備し、
   前記凹部は、第１の方向に直交する第２の方向の長さは、前記第１の方向の長さよりも長く、
   前記隔壁は、前記第２の方向に沿って形成されており、
   前記隔壁の前記一方面側において、当該隔壁の仮想平面に対する垂線方向の距離は、前記第２の方向において前記凹部の中央部が長く、前記凹部の両端部側は短く、
   前記隔壁と前記接合部材との間には、前記接着剤が設けられていることを特徴とする圧電デバイス。

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