JP4058691B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械変換機能を有する圧電体素子、この圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド、及びこれらの製造方法に係る。特に、優れた耐電圧性及び耐久性が得られる圧電体素子、これを用いた液体吐出ヘッド及びこれらの製造方法に関する。

インクジェット式記録ヘッド等の液体吐出ヘッドは、インク滴等の液滴吐出の駆動源として圧電体素子を用いる。この圧電体素子は、一般的に、圧電体薄膜とこれを挟んで配置される上部電極および下部電極とを備えて構成される。

圧電体素子を高密度に配置するとともに圧電体素子の耐電圧性を向上させるため、例えば特開２０００−１９８１９７号公報は、下部電極を所定形状にパターニングしてから圧電体薄膜を形成することを開示している。
特開２０００−１９８１９７号公報（第７図）

しかし、上記従来の圧電体素子では、特に下部電極端部付近における圧電体薄膜の結晶性が十分ではない場合があり、信頼性が十分とは言えなかった。

本発明は、下部電極端部付近においても圧電体膜の結晶性が良好となるようにすることによって、高電圧に耐え、より信頼性の高い圧電体素子及び液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の圧電体素子は、振動板と、前記振動板上に所定パターン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た上部電極と、を備える。そして、前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であって前記下部電極と電気的に切断された金属層を備えている。圧電体膜形成領域の近傍に金属層を備えることによって、圧電体膜の焼成条件を均一にし、下部電極端部付近においても圧電体膜の結晶性を良好にすることができる。

上記圧電体素子において、前記金属層は、前記下部電極と同一の材料で形成されていることが望ましい。また、前記下部電極と、これと電気的に切断された前記金属層との間隔は、２００μｍ以下であることが望ましい。

上記圧電体素子において、前記圧電体膜は、前記金属層の少なくとも一部を覆うように形成され、前記上部電極から延びる配線用の電極が、前記金属層のうち前記圧電体膜に覆われた部分の上に形成され、当該圧電体膜によって前記金属層と絶縁されていることが望ましい。

前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であって前記下部電極と電気的に切断され、前記上部電極から延びる配線用の電極と導通する第２の金属層を更に備える構成でもよい。

前記圧電体素子において、前記圧電体膜は、前記所定パターンに形成された下部電極上及び下部電極が存在しない前記振動板上に形成され、前記圧電体膜のうち前記下部電極上に形成された部分は、前記振動板上に形成された部分より前記圧電体膜の層の数が多いことが望ましい。

本発明の液体吐出ヘッドは、上記の圧電体素子と、当該圧電体素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口とを備えている。

本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出ヘッドと、当該液体吐出ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えている。

本発明の圧電体素子の製造方法は、振動板上に、下部電極と、前記下部電極近傍の金属層と、を所定パターンに形成する工程と、前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備え、前記金属層は、前記下部電極と電気的に切断されるように形成するものである。

本発明の他の圧電体素子の製造方法は、振動板上に導電膜を成膜する工程と、前記導電膜上に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第１工程と、前記圧電体成膜第１工程で成膜された圧電体膜及び前記導電膜をパターニングすることにより、前記導電膜を、下部電極と、当該下部電極から電気的に切断され前記下部電極近傍に位置する金属層と、に分離する工程と、前記パターニングにより残された圧電体膜上および圧電体膜が除去された前記振動板上に、更に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第２工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備えている。

本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、上記の方法により圧電体素子を形成する工程と、前記圧電体素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室を形成する工程と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口を形成する工程と、を備えている。

＜１．インクジェットプリンタの全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態による圧電体素子が使用される液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体２に、トレイ３、排出口４および操作ボタン９が設けられている。さらに本体２の内部には、液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド１、給紙機構６、制御回路８が備えられている。

インクジェット式記録ヘッド１は基板上に形成された複数の圧電体素子を備え、制御回路８から供給される吐出信号に対応して、ノズルから液体であるインクを吐出可能に構成されている。

本体２は、プリンタの筐体であって、用紙５をトレイ３から供給可能な位置に給紙機構６を配置し、用紙５に印字可能なようにインクジェット式記録ヘッド１を配置している。トレイ３は、印字前の用紙５を給紙機構６に供給可能に構成され、排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出する出口である。

給紙機構６は、モータ６００、ローラ６０１・６０２、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ６００は、制御回路８から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ６００の回転力をローラ６０１・６０２に伝達可能に構成されている。ローラ６０１および６０２は、モータ６００の回転力が伝達されると回転するようになっており、回転によりトレイ３に載置された用紙５を引き込み、ヘッド１によって印刷可能に供給するようになっている。

制御回路８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路などを備え、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を給紙機構６に供給したり、吐出信号をインクジェット式記録ヘッド１に供給したりできるようになっている。また、制御回路８は操作パネル９からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。

本実施形態のプリンタは、後述の優れた耐電圧性及び耐久性を有し良好な印字性能を有するインクジェット式記録ヘッドを備えているので、性能の高いプリンタとなっている。

＜２．インクジェット式記録ヘッドの構成＞
図２は、本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの主要部の構造を示す分解斜視図である。

図２に示すように、インクジェット式記録ヘッドは、ノズル板１０、圧力室基板２０、振動板３０を備えて構成される。

圧力室基板２０は、圧力室（キャビティ）２１、側壁２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。圧力室２１は、シリコン等の基板をエッチングすることにより、インクなどを吐出するために貯蔵する空間として形成されたものである。側壁２２は、圧力室２１を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを各圧力室２１に供給口２４を介して供給するための共通の流路となっている。これら圧力室２１、側壁２２、リザーバ２３、供給口２４は簡略化して示してあるが、後述の図３のように多数の圧力室等を備えていてもよい。

ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられた圧力室２１の各々に対応する位置にそのノズル１１が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合わせられている。

振動板３０は、後述するように酸化膜３１とＺｒＯ_２膜３２とを積層して形成されたものであり、圧力室基板２０の他方の面に貼り合わせられている。振動板３０には、図示しないインクタンク接続口が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板２０のリザーバ２３に供給可能になっている。

ノズル板１０、振動板３０及び圧力室基板２０よりなるヘッドユニットは、筐体２５に収められてインクジェット式記録ヘッド１を構成している。

＜３．圧電体素子の構成＞
＜３−１．第１実施形態＞
図３は、第１実施形態のインクジェット式記録ヘッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。ここでは、多数の圧電体素子４０が、互い違いに２列に配置されている。例えば３６０ｄｐｉ（dot per inch）の場合、１インチに３６０個の圧電体素子４０が第１の列に配置され、第２の列には３６０個の圧電体素子４０が、上記第１の列と１／７２０インチずれた位置に配置される。

圧電体素子４０の下部電極４２ｄは、各列に共通の電極となっている。２列の下部電極４２ｄの内側の近傍には、下部電極４２ｄからも後述の上部電極４４からも電気的に切断された内側金属層４２ａが形成されている。そして、２列の下部電極４２ｄの外側の近傍には、下部電極４２ｄからも後述の上部電極４４からも電気的に切断された外側金属層４２ｂが形成されている。ここに述べた内側金属層４２ａ、外側金属層４２ｂは、下部電極４２ｄのうち圧電体素子４０が形成されていない部分とともに、圧電体素子４０を取り囲んでいる。圧電体素子４０の上部電極からは、それぞれ配線用の細帯電極４５が、内側金属層４２ａと接触することなく、内側金属層４２ａの上方を通って各列の内側に延びている。

図４は、図３の囲み線iii部分を拡大した平面図（ａ）、そのｉ−ｉ線断面図（ｂ）及びii−ii線断面図（ｃ）である。

図４に示すように、インクジェットヘッド１の個々の吐出部は、酸化膜３１上にＺｒＯ_２膜３２、下部電極４２ｄ、圧電体薄膜４３および上部電極４４を順次積層して構成されている。

酸化膜３１は、例えば厚さ１００μｍの単結晶シリコンからなる圧力室基板２０上に絶縁膜として形成する。好適には、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる膜を１．０μｍの厚さに形成して得る。

ＺｒＯ_２膜３２は、弾性を備える層であって、酸化膜３１と一体となって振動板３０を構成している。このＺｒＯ_２膜３２は、弾性を与える機能を備えるため、好ましくは、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の厚みを有する。

ＺｒＯ_２膜３２と下部電極４２ｄの間には、双方の層を密着するような金属、好ましくは、チタンまたはクロムからなる密着層（図示しない）を設けてもよい。密着層は、圧電体素子の設置面への密着性を良くするために形成するものであり、当該密着性が確保できる場合には形成しなくてもよい。また、密着層を設ける場合、好ましくは、１０ｎｍ以上の厚みとする。

下部電極４２ｄは、ここでは少なくともＩｒを含む層、例えば最下層からＩｒを含む層／Ｐｔを含む層／Ｉｒを含む層の層構造となっている。下部電極４２ｄの全体の厚みは、例えば２００ｎｍとする。

下部電極４２ｄの層構造はこれに限らず、Ｉｒを含む層／Ｐｔを含む層、またはＰｔを含む層／Ｉｒを含む層なる２層構造でもよい。また、Ｉｒを含む層のみで構成しても良い。

圧電体薄膜４３は圧電性セラミックスの結晶で構成された強誘電体であり、好ましくは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケルまたは酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したものからなる。圧電体薄膜４３の組成は圧電体素子の特性、用途等を考慮して適宜選択する。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）等が好適に用いられる。また、チタン酸鉛やジルコニウム酸鉛にニオブ（Ｎｂ）を適宜添加することにより、圧電特性に優れた膜を得ることができる。

圧電体薄膜４３の厚みは、製造工程でクラックが発生しない程度に抑え、一方、十分な変位特性を呈する程度に厚くする必要があり、例えば１０００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とする。

上部電極４４は、下部電極４２ｄと対になる電極であり、好適には、ＰｔまたはＩｒにより構成される。上部電極４４の厚みは、好適には５０ｎｍ程度である。

下部電極４２ｄは各圧電体素子に共通な電極となっている。これに対して内側金属層４２ａや外側金属層４２ｂは、下部電極４２ｄと同じ高さの層に位置するが、下部電極４２ｄとは分離されている。その間隔は、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下が望ましい。間隔の下限は、電気的に非導通となる程度ならばよく、例えば５μｍ以上が望ましい。内側金属層４２ａの上には、個々の圧電体素子４０の圧電体薄膜４３が延びており、その上に、上部電極４４に導通可能な配線用の細帯電極４５が形成されている。従って、この第１実施形態では、圧電体薄膜４３により、細帯電極４５が内側金属層４２ａと絶縁されている。なお、内側金属層４２ａは下部電極４２ｄと同一の材料で形成することが望ましい。同一の材料で形成しない場合でも、赤外線の吸収率が下部電極４２ｄの材料と近似していることが望ましい。

外側金属層４２ｂも、下部電極４２ｄと同じ高さの層に位置するが、下部電極４２ｄや内側金属層４２ａとは分離されている。その間隔は、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下が望ましい。間隔の下限は、電気的に非導通となる程度ならばよく、例えば５μｍ以上が望ましい。外側金属層４２ｂは、細帯電極４５や上部電極４４からも分離されている。また、外側金属層４２ｂ上の一部には、圧電体薄膜４３が形成されているが、上部電極４４と外側金属層４２ｂは非接触となっている。なお、外側金属層４２ｂも、下部電極４２ｄと同一の材料で形成することが望ましい。同一の材料で形成しない場合でも、赤外線の吸収率が下部電極４２ｄの材料と近似していることが望ましい。

また、液体を圧力室２１に供給するためのリザーバ２３は、圧電体素子４０より、外側金属層４２ｂ側の位置に設けられる。

＜３−２．参考例＞
図５は、参考例のインクジェット式記録ヘッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。第１実施形態と同様の機能を有する部分には同一の符号を付している。参考例では、第１実施形態と異なり、第２の金属層である内側金属層４２ｃは、各圧電体素子４０に対応するセグメントに分割されている。各々の内側金属層４２ｃの真上に細帯電極４５が形成されているため、 図５の平面図では内側金属層４２ｃは見えないようになっている。

図６は、図５の囲み線iii部分を拡大した平面図（ａ）、そのｉ−ｉ線断面図（ｂ）及びii−ii線断面図（ｃ）である。図６（ｂ）に示されるように、圧電体薄膜４３は内側金属層４２ｃを完全には覆っていない。そして、上部電極４４と導通している配線用の細帯電極４５が、内側金属層４２ｃと導通可能になっている。内側金属層４２ｃは下部電極４２ｄとは導通しておらず、隣の内側電極層４２ｃ（セグメント）とも導通していないため、細帯電極４５と導通していても電気的に問題はない。

＜４．インクジェット式記録ヘッドの動作＞
上記インクジェット式記録ヘッド１の構成において、印刷動作を説明する。制御回路８から駆動信号が出力されると、給紙機構６が動作し用紙５がヘッド１によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路８から吐出信号が供給されず圧電体素子の下部電極４２ｄと上部電極４４との間に駆動電圧が印加されていない場合、圧電体膜４３には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル１１からインク滴は吐出されない。

一方、制御回路８から吐出信号が供給され圧電体素子の下部電極４２ｄと上部電極４４との間に一定の駆動電圧が印加された場合、圧電体膜４３に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子が設けられている圧力室２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル１１からインク滴が吐出される。ヘッド中で画像データに対応した位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。

＜５．製造方法＞
次に、本発明の圧電体素子の製造方法を説明する。図７及び 図８は、上記圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。 図７及び 図８では、上記 図３及び 図４で説明した第１実施形態のインクジェット式記録ヘッドの構成に沿って説明するが、これと同様の手順で、 図５及び図６で説明した参考例のインクジェット式記録ヘッドも製造することができる。

酸化膜形成工程（Ｓ１）
この工程は、圧力室基板２０となるシリコン基板を酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理し、酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる酸化膜３１を形成する工程である。この工程には通常用いる熱酸化法の他、ＣＶＤ法を使用することもできる。

ＺｒＯ_２膜を形成する工程（Ｓ２）
圧力室基板２０の一面上に形成された酸化膜３１の上に、ＺｒＯ_２膜３２を形成する工程である。このＺｒＯ_２膜３２は、スパッタ法または真空蒸着法等によりＺｒの層を形成したものを酸素雰囲気中で高温処理して得られる。

導電膜を形成する工程（Ｓ３）
ＺｒＯ_２膜３２上に、Ｉｒを含む下部電極となる導電膜４２を形成する。例えば、まずＩｒを含む層を形成し、次いでＰｔを含む層を形成し、更にＩｒを含む層を形成する。

導電膜４２を構成する各層は、それぞれＩｒまたはＰｔをＺｒＯ_２膜３２上に、スパッタ法等で付着させて形成する。なお、導電膜４２の形成に先立ち、チタン又はクロムからなる密着層（図示せず）をスパッタ法又は真空蒸着法により形成しても良い。

導電膜形成後のパターニング工程（Ｓ４）
導電膜形成後、これを内側金属層４２ａ及び外側金属層４２ｂと、下部電極４２ｄとに分離するため、まず導電膜４２を所望の形状にマスクし、その周辺をエッチングすることでパターニングを行う。具体的には、まずスピンナー法、スプレー法等により均一な厚みのレジスト材料を導電膜４２上に塗布し（図示せず）、次いで、マスクを圧電体素子の形状に形成してから露光・現像して、レジストパターンを導電膜上に形成する（図示せず）。これに通常用いるイオンミリング又はドライエッチング法等により導電膜の一部をエッチング除去しＺｒＯ_２膜３２を露出させ、内側金属層４２ａ、外側金属層４２ｂ、下部電極４２ｄを形成する。

更に、前記パターニング工程において下部電極表面に付着した汚染物質や酸化部分等を除去するため、逆スパッタリングによるクリーニングを行う（図示せず）。

Ｔｉ核（層）を形成する工程
この工程は、スパッタ法等により、下部電極４２ｄ上にＴｉ核（層）（図示せず）を形成する工程である。Ｔｉ核（層）を形成するのは、Ｔｉ結晶を核としてＰＺＴを成長させることにより、結晶成長が下部電極側から起こり、緻密で柱状の結晶が得られるからである。

また、前記Ｔｉ核（層）の平均厚みは３〜７ｎｍ、好ましくは４〜６ｎｍである。

圧電体前駆体膜を形成する工程（Ｓ５）
この工程は、ゾルゲル法により、圧電体前駆体膜４３’を形成する工程である。

まず、有機金属アルコキシド溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布法によりＴｉ核上に塗布する。次いで、一定温度で一定時間乾燥させ、溶媒を蒸発させる。乾燥後、さらに大気雰囲気下において所定の高温で一定時間脱脂し、金属に配位している有機の配位子を熱分解させ、金属酸化物とする。この塗布、乾燥、脱脂の各工程を所定回数、例えば２回繰り返して２層からなる圧電体前駆体膜を積層する。これらの乾燥と脱脂処理により、溶液中の金属アルコキシドと酢酸塩とは配位子の熱分解を経て金属、酸素、金属のネットワークを形成する。

なお、この工程はゾルゲル法に限らず、ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法でもよい。

焼成工程（Ｓ６）
圧電体前駆体膜４３’の形成後、焼成して圧電体薄膜を結晶化させる工程である。この焼成により、圧電体薄膜４３’は、アモルファス状態から菱面体結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す薄膜へと変化し、圧電体薄膜４３となる。

ここで、ＺｒＯ_２膜３２は下部電極４２ｄに比べて近赤外線の吸収率が低いため、下部電極４２ｄが形成されていない領域では焼成時の温度上昇が鈍くなる。しかし本実施形態では、図３及び図５のように、圧電体膜の形成領域が、下部電極４２ｄ、内側金属層４２ａ及び外側金属層４２ｂによって囲まれているため、下部電極４２ｄが形成されていない領域でも十分な温度上昇を確保することができる。この結果、圧電体薄膜の焼成条件が均一となる。そして、圧電体薄膜のうち特に下部電極４２ｄの端部付近における結晶性が向上し、耐電圧性、耐久性が向上する。また、ウエハ全体における焼成条件も均一化できるため、圧電体素子間の圧電特性も均一化することができる。

以上のような前駆体膜の形成（Ｓ５）とその焼成（Ｓ６）とを複数回繰り返すことにより、圧電体薄膜４３を所望の膜厚とすることができる。例えば１回の焼成につき塗布する前駆体膜の膜厚を２００ｎｍとし、これを６回繰り返す。

上部電極形成工程（Ｓ７）
圧電体薄膜４３上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法により上部電極４４を形成する。

圧電体薄膜及び上部電極パターニング工程（Ｓ８）
圧電体薄膜４３及び上部電極４４を、圧電体素子の所定形状にパターニングする工程である。具体的には、上部電極４４上にレジストをスピンコートした後、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極４４、圧電体薄膜４３をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程で、圧電体素子４０が形成される。

細帯電極形成工程（Ｓ９）
次に、上部電極４４と導通する細帯電極４５を形成する。細帯電極４５の材質は剛性が低く、電気抵抗が低い金が好ましい。他に、アルミニウム、銅なども好適である。細帯電極４５は約０．５μｍの膜厚で成膜し、その後各上部電極と導通を取り、配線を引き出せるようにパターニングする。

圧力室形成工程（Ｓ１０）
次に、圧電体素子４０が形成された圧力室基板２０の他方の面に、異方性エッチングまたは平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを施し、圧力室２１、リザーバ２３、供給口２４を形成する。エッチングされずに残された部分が側壁２２になる。なお、リザーバ２３は、外側金属層４２ｂの対向する位置に、外側金属層４２ｂより一回り小さな形状に形成され、レーザ等により貫通口が形成される。

ノズル板貼り合わせ工程（Ｓ１１）
最後に、エッチング後の圧力室基板２０にノズル板１０を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせのときに各ノズル１１が圧力室２１各々の空間に配置されるよう位置合わせする。ノズル板１０が貼り合わせられた圧力室基板２０を図示しない筐体に取り付け、インクジェット式記録ヘッド１を完成させる。

＜６．製造方法の変形例＞
図９は、上記製造方法の変形例を示す断面模式図であり、図７に対応する工程を示している。Ｓ１〜Ｓ３の工程は図７と同一であり、Ｓ６ｃより後の工程は図８と同一であるため、その説明を省略する。この例では、Ｓ３において導電膜４２を形成した後、パターニングの前に圧電体薄膜の第１層４３ａを形成し（Ｓ６ａ）、その後圧電体薄膜の第１層４３ａ及び導電膜４２をまとめてパターニングする（Ｓ６ｂ）。

圧電体薄膜の第１層形成工程（Ｓ６ａ）
Ｓ３において導電膜４２を形成した後、導電膜４２上に圧電体薄膜の第１層４３ａを形成する。形成方法は例えばＴｉ核（層）を３〜７ｎｍ、好ましくは４〜６ｎｍの厚さに形成後、上記図７のＳ５及びＳ６で説明したと同様に、ゾルの塗布、乾燥、脱脂の工程を２回繰り返し、これを焼成し、圧電体薄膜の第１層４３ａを約２００ｎｍに形成する。

パターニング工程（Ｓ６ｂ）
次に、上記圧電体薄膜の第１層４３ａ及び導電膜４２を、図７のＳ４と同様の形状にパターニングする。導電膜４２は下部電極４２ｄ、内側金属層４２ａ、外側金属層４２ｂに分離される。圧電体薄膜の第１層４３ａ及び導電膜４２が除去された部分はＺｒＯ_２膜３２が露出する。

圧電体薄膜の第２層以降形成工程（Ｓ６ｃ）
次に、上記圧電体薄膜の第１層４３ａ上及び上記露出したＺｒＯ_２膜３２上にＴｉ核（層）を例えば１ｎｍ以上４ｎｍ以下に形成後、圧電体薄膜の第２層以降を、上記第１層と同様の方法で形成する。そして、所定の厚みになるまで塗布、乾燥、脱脂の工程及び焼成の工程を繰り返す。その結果、下部電極４２ｄ上には、上記露出したＺｒＯ_２膜３２上よりも層の数が多い圧電体薄膜４３が形成される。例えば、下部電極４２ｄ上には６層、上記露出したＺｒＯ_２膜３２上には５層の圧電体薄膜４３が形成される。

その後の上部電極形成等の工程は、図８のＳ７以降と同様である。

圧電体膜の焼成時には、下部電極となる導電層の組成変化（酸化及び圧電体膜からの拡散）やそれに伴う膜厚増加が生じることがあり、特に圧電体膜の第１層の焼成時にそのようなことが起こりやすい。導電層のパターニング後に圧電体膜の第１層を焼成すると、パターニング境界付近で導電層の膜厚の不均衡が生じ、圧電体膜の結晶性の低下や場合によってはクラックが発生する可能性もあるが、図９の変形例によれば、これを防止することができる。すなわち、導電層４２をパターニングする前に圧電体薄膜の第１層４３ａを成膜するので、圧電体薄膜の第１層４３ａの焼成時における導電層の組成及び膜厚の変化が、膜面方向に均一に起こる。このため、圧電体薄膜の安定した結晶性が確保され、圧電体薄膜にクラックが発生することを防止できる。

圧電体薄膜の第１層４３ａの焼成時に導電層の組成及び膜厚の変化が起こっているので、圧電体薄膜の第２層以降の焼成においては、下部電極４２ｄの組成及び膜厚変化は小さい。従って、圧電体薄膜の第１層と同様の良好な結晶性を得ることができる。特に、下部電極となる導電層パターニング後においても、圧電体薄膜の形成領域が、下部電極４２ｄ、内側金属層４２ａ及び外側金属層４２ｂによって囲まれているため、圧電体薄膜の焼成条件が均一となる。そのため、図７のＳ６で説明したように圧電体薄膜のうち特に下部電極４２ｄのパターニング境界付近における結晶性が更に向上するので、耐電圧性、耐久性が更に向上する。

＜７．試験結果＞
図３及び図４で説明した第１実施形態のインクジェット式記録ヘッドを、図９及び図８で説明した変形例の方法で製造したもの（但し圧電体薄膜は膜厚１．１μｍのＰＺＴ、下部電極４２ｄと内側金属層４２ａ及び外側金属層４２ｂとの間隔は５０μｍ）と、従来の方法により製造したもの（但し圧電体薄膜は膜厚１．１μｍのＰＺＴ、下部電極４２ｄと内側金属層４２ａ及び外側金属層４２ｂとの間隔は５００μｍ）につき、耐電圧性および耐久性を調べた。

耐電圧性については、従来のものでは４０〜５０Ｖでクラックが発生し絶縁破壊が生じた（クラック発生箇所のほとんどは下部電極端部付近であった）のに対し、上記実施形態のものでは９０〜１１０Ｖの耐電圧性を示した（クラック発生箇所は特定の部分に集中することなく、ランダムであった）。

耐久性については、３５Ｖの駆動電圧で調べた。従来のものでは１０億パルス程度で特性が悪化したのに対し、上記実施形態のものでは４００億パルス以上の駆動に耐えることができた。このように、上記実施形態によるインクジェット式記録ヘッドが飛躍的な性能向上を示すことが確認された。

＜８．その他の応用例＞
本発明は、上記実施形態によらず種々に変形して適応することが可能である。例えば、本発明で製造した圧電体素子は、上記インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のような強誘電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装置、および電気光学装置の製造に適応することができる。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置に用いられるインクを吐出するヘッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を吐出するヘッド、有機ＥＬディスプレイや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料を含む液体を吐出するヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出するヘッド等、種々の液体を噴射するヘッドに適用することが可能である。

本発明の一実施形態による圧電体素子が使用されるプリンタ（液体吐出装置）の構造を説明する斜視図である。 本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの主要部の構造を示す分解斜視図である。 第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。 図３の囲み線iii部分を拡大した平面図（ａ）、そのｉ−ｉ線断面図（ｂ）及びii−ii線断面図（ｃ）である。 参考例によるインクジェット式記録ヘッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。 図５の囲み線iii部分を拡大した平面図（ａ）、そのｉ−ｉ線断面図（ｂ）及びii−ii線断面図（ｃ）である。 上記インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。 上記インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。 上記製造方法の変形例を示す断面模式図であり、 図７に対応する工程を示す。

符号の説明

２０…圧力室基板、３０…振動板、３１…酸化膜、３２…ＺｒＯ_２膜、４０…圧電体素子、４２…導電層、４２ａ…内側金属層、４２ｂ…外側金属層、４２ｄ…下部電極、４３…圧電体薄膜、４４…上部電極

Claims (7)

1. 振動板と、
   前記振動板上に所定パターン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た上部電極と、を備えた圧電体素子と、
   当該圧電体素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口とを備える、液体吐出ヘッドであって、
   複数の前記圧電体素子が列設されており、
   前記下部電極の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であって、前記下部電極および前記上部電極と電気的に切断された金属層が、前記圧電体素子の列設方向に延設された、液体吐出ヘッド。
2. 請求項１において、
   前記金属層は、前記下部電極と同一の材料で形成されている、液体吐出ヘッド。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記下部電極と、これと電気的に切断された前記金属層との間隔は、２００μｍ以下である、液体吐出ヘッド。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   前記圧電体膜は、前記金属層の少なくとも一部を覆うように形成され、前記上部電極から延びる配線用の電極が、前記金属層のうち前記圧電体膜に覆われた部分の上に形成され、当該圧電体膜によって前記金属層と絶縁されている、液体吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であって前記下部電極と電気的に切断され、前記上部電極から延びる配線用の電極と導通する第２の金属層を更に備えた、液体吐出ヘッド。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
   前記圧電体膜は、前記所定パターンに形成された下部電極上及び下部電極が存在しない前記振動板上に形成され、
   前記圧電体膜のうち前記下部電極上に形成された部分は、前記振動板上に形成された部分より前記圧電体膜の層の数が多い、液体吐出ヘッド。
7. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドと、当該液体吐出ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えた液体吐出装置。