JP5730023B2 - 圧電素子の製造方法、および圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液室の壁部を圧電式の吐出アクチュエータとして構成して液室の液体を吐出制御する液滴吐出ヘッドおよび、その製造方法に関する。特に本発明は、該吐出アクチュエータ部分を構成する圧電素子の製造方法および、これを用いた圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。

インクジェット記録装置において、圧電材料で液室の壁部を形成して、壁部の側面に設けた電極に駆動電圧を印加することで壁部を変形させ、液室から吐出口（ノズルとも言う）を通して液滴を吐出する方式がある。この場合、圧電材の壁部は液滴吐出のアクチュエータとなる。

一つの液室に対して一つだけのアクチュエータで駆動する場合、上記の壁部を液室の内部に凹ませて液体をノズルから飛び出させるとき、同時にノズルの反対側の液体供給側にも液体が逆流し、駆動エネルギが散逸してしまう。また、逆に、上記の壁部を液室の外部に膨らませて液体を液体供給側から吸い込むとき、ノズルから空気を巻き込むこともありうる。

また、記録の高速化のため、溶剤（例えば、水）含有率の比較的低い高粘度液体を使用し、高い周波数で吐出する必要がある。これは、液室に後続の吐出に必要な液体を高速に供給することを必要とする。この供給は、吐出に使用した壁部を膨らませただけの液体の吸い込みでは、後続の吐出に間に合わない場合がある。

上記の問題を解決するため、一つの液室に対して複数のアクチュエータで液体の挙動を制御する手段が有力である。液滴吐出ヘッドの小型化のために、一つの液室壁上に複数の電極を形成して、擬似的なマルチアクチュエータを形成することが望ましい。

特許文献１は、圧電材基板の主面と平行な方向に液室の長手方向があり、液室壁の両側面にその液室の長手方向に沿って複数の電極を設ける構造を開示している。

特許文献２は、圧電材基板の主面と平行な方向に液室の長手方向があり、液室壁の両側面においてその高さ方向に沿って分割した下半分に、駆動に寄与する電極を形成する製造方法を開示している。

特開２０００−１５８６４６号公報 特開２００２−１４４５６６号公報

しかしながら、特許文献１および２では、基板状の圧電材に垂直な方向に沿って各液室壁の側面上に複数の電極を形成することは開示も示唆も全くされていない。

更なる記録の高密度化と高速化のためには、液室を２次元に高密度に配置することが望ましいが、この場合の液室の長手方向は、基板状圧電材の主面と平行な方向ではなく、基板状圧電材の厚み方向にされる。よって、一つの液室壁上に複数のアクチュエータを形成するために、基板状圧電材の主面に垂直な方向に対応する液室の長さ方向に沿って、それぞれの液室壁の側面上に複数の電極を配設することが要求される。

そこで本発明の目的は、上記した圧電吐出式の液滴吐出ヘッドにおいて、基板状圧電材の主面に垂直な方向に対応する液室の長さ方向に沿って、各液室壁の側面上に複数の電極を配設することにある。

上記目的を達成するための本発明の態様の一つは、圧電材料の壁で形成された液室と、液室の長手方向に沿って液室の壁の側面上に配設された複数の電極と、液室に連通する吐出口とを有する圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
深さｄ１、幅ｗ１の第一溝を基板状圧電材に形成する工程と、
第一溝の内側面に第一電極を形成する工程と、
深さｄ１と異なる深さｄ２、幅ｗ１と異なる幅ｗ２の第二溝を、第一溝と対応するように基板状圧電材に形成する工程と、
第一溝及び第二溝の少なくとも内側面を絶縁性材料で被覆する工程と、
深さｄ１及び深さｄ２と異なる深さｄ３、幅ｗ１及び幅ｗ２と異なる幅ｗ３の第三溝を、第一溝と対応するように基板状圧電材に形成する工程と、
第三溝の内側面に第二電極を形成する工程と、
を有し、
第一溝、第二溝及び第三溝の形成工程によって液室の壁の内側面または外側面を形成し、
第一溝、第二溝及び第三溝の各溝の深さ及び幅に関して、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３、かつ、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３ の関係を有するか、または、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３、かつ、ｗ１＜ｗ２＜ｗ３ の関係を有することを特徴とする。

本発明によれば、基板状圧電材に垂直な方向に対応する液室の長手方向に沿って、圧電材からなる各液室壁の側面上に複数の電極が配設された液滴吐出ヘッドを簡易に実現することができる。特に本発明によれば、複数の液室を基板状圧電材の主面に対して二次元配列するために液室の長手方向を基板状圧電材の主面と垂直な方向にする場合に、その液室の長手方向に沿って擬似的なマルチアクチュエータを構成することができる。

第１の実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるアクチュエータ部分の製法を説明する図である。 図１に示したアクチュエータ部分を用いた液滴吐出ヘッドの製法を説明する図である。 第２の実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるアクチュエータ部分の製法を説明する図である。 第３の実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるアクチュエータ部分の製法を説明する図である。 図４に示したアクチュエータ部分を用いた液滴吐出ヘッドの製法を説明する図である。 本発明の液滴吐出ヘッドの駆動方法を説明する図である。

［第１の実施形態］
本発明に係る圧電式液滴吐出ヘッドの構造及び製造方法の第１の実施形態を説明する。まず、図１、図２及び図６を用いて、その要点を説明する。図１は、第１の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける吐出アクチュエータ部分を構成する圧電素子の製法を説明する図であり、図２は図１の吐出アクチュエータ部分を構成する圧電素子を含む液滴吐出ヘッドの組み立てを説明する図である。図６は、本発明に関連する圧電素子の一駆動方法を説明する図である。これらの図は、主に、基板状圧電材に垂直な方向に沿って切断した断面により、吐出のマルチアクチュエータ部を表している。

まず、図１（Ａ）に示すように、圧電材料を基板状に形成した基板状圧電材である圧電材基板１の上側平面より第一溝１０を形成する。圧電材料は、例えば、ＰＺＴを代表とする材料である。溝の形成方法は、ブレードダイシング法や超音波加工法などの機械加工法と、レーザ支援エッチングや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ: reactive ion etching）などの化学エッチング法がある。第一溝１０の配列状態や寸法等は、液滴吐出ヘッドの仕様に合わせて設計される。例えば、複数の第一溝１０を平行に整列させることで、１次元の溝列が構成されている。各溝１０の形状は、同一でもよく、必要に応じて変化させてもよい。例えば、１次元溝列を成す複数の第一溝１０は、同一形状で且つ同一間隔で形成されており、図１（Ａ）に示す溝の深さｄ１が１０μｍ〜１０ｍｍ、溝の幅ｗ１が１０μｍ〜５ｍｍ、溝間の間隔ｐ１が２０μｍ〜１０ｍｍとなるのが好適である。

次に、第一溝１０の内側面１１上に、図１（Ｂ）に示すように、第一電極を構成する厚みｔ１の導電性材料の膜５１を形成する。例えば、厚みｔ１は０．１〜１０μｍである。導電性材料は、金属であり、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの単層膜、複層膜または合金であることが好適である。導電性材料と圧電材料の密着性の向上や相互拡散の防止のために、下地膜を形成してもよい。下地膜の材料として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｐｔなどの単層膜、複層膜または合金であることが好適である。導電性材料膜の形成方法は、スパッタ、めっき、化学気相堆積（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、プラズマ蒸着などがある。

次に、図１（Ｃ）に示すように、圧電材基板１の上側平面より第二溝２０を形成する。第二溝２０の形成方法は、第一溝１０を形成する方法と同様であってもよい。第二溝２０は、第一溝１０と対応するように形成される。すなわち、第二溝２０は、１次元溝列を成す第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第二溝２０は、第一溝１０と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ２が第一溝の深さｄ１より大きく（ｄ２＞ｄ１）、溝幅ｗ２が第一溝１０の幅ｗ１よりも小さい（ｗ２＜ｗ１）。ここで、ｄ２―ｄ１＞ｔ１、ｗ１−ｗ２＞ｔ１になるように第二溝２０は形成されている。このように第二溝２０を形成することによって、第一溝１０の底部の導電性材料膜が少なくとも部分的に除去されるが、第一溝１０の内側側面の導電性材料膜５１が残ることになる。

次に、図１（Ｄ）に示すように、第一溝１０と第二溝２０の少なくとも内側面を絶縁性材料３で被覆する。本例では、第一溝１０と第二溝２０からなる凹部が絶縁性材料３で充填される。絶縁性材料３は、樹脂、パリレン（パラキシリレン系ポリマーの総称をいう）、レジストなどの有機材料や、Ｓｉの酸化物、Ｓｉの窒化物、ＤＣＬ（diamond-like carbon）などの無機材料がある。被覆する絶縁性材料３は、必要に応じて、複数の材料から構成されてもよい。絶縁性材料３の被覆方法として、流し込み、スパッタ、ＣＶＤ、めっき、プラズマ蒸着などが適用可能である。

次に、図１（Ｅ）に示すように、圧電材基板１の上側平面より第三溝３０を形成する。第三溝３０の形成方法は、第一溝１０または第二溝２０を形成する方法と同様であってもよい。第三溝３０は、第一溝１０と対応するように形成される。すなわち、第三溝３０は、１次元溝列を成す第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第三溝３０は、第一溝１０と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ３が第二溝２０の深さｄ２より大きく（ｄ３＞ｄ２＞ｄ１）、溝幅ｗ３が第二溝２０の幅ｗ２よりも小さい（ｗ３＜ｗ２＜ｗ１）。このように第三溝３０を形成することによって、第二溝２０の底部の絶縁性材料３が少なくとも部分的に除去されるが、第一溝１０および第二溝２０の内側側面に被覆された絶縁性材料３が残ることになる。例えば、第二溝２０の内側側面２１に残る絶縁性材料３の膜厚が１０ｎｍ以上である。

次に、第三溝３０の壁の内側面３１に、図１（Ｆ）に示すように、第二電極を構成する導電性材料膜５２を形成する。導電性材料膜５２の構成と形成方法として、導電性材料５２が絶縁性材料３に付着されず、露出されている第三溝３０の内側面３１にのみ付着されるという、選択性のある方法が望ましい。例えば、めっき法が好適である。また、スパッタ、めっき、化学気相堆積、プラズマ蒸着などの方法で、第一溝、第二溝および第三溝を有してなる溝部の内側面の全面に導電性材料膜５２を形成した後、リフトオフ方法で絶縁性材料３の表面に付着している導電性材料膜５２のみを選択的に除去する方法もある。

次に、必要に応じて、図１（Ｇ）に示すように、導電性材料膜５２による第二電極を分割するために、第四溝４０を圧電材基板１の上側平面より形成する。第四溝４０の形成方法は、第一溝１０ないし第三溝３０を形成する方法と同様であってもよい。第三溝４０は、第一溝１０と対応するように形成される。すなわち、第三溝４０は、１次元溝列を成す第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第四溝４０は、第一溝１０と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ４が第三溝３０の深さｄ３より大きく（ｄ４＞ｄ３＞ｄ２＞ｄ１）、溝幅ｗ４が第三溝２０の幅ｗ３よりも小さい（ｗ４＜ｗ３＜ｗ２＜ｗ１）。このような第四溝４０の形成によって、各溝３０の両側面に形成された導電性材料膜５２による第二電極が、それぞれ独立になる。以上の図１（Ａ）〜図１（Ｇ）で示した工程により出来た構造の斜視図は図１（Ｈ）である。

次に、必要に応じて、分割した第二電極間の電気絶縁を取るために、導電性材料膜５２を含めた各溝の第４溝４０の内側面を絶縁性材料で更に被覆する（図示なし）。絶縁性材料は、樹脂、パリレン、レジストなどの有機材料や、Ｓｉの酸化膜、Ｓｉの窒化膜などの無機材料がある。この被覆する絶縁性材料は、単層膜でもよく、複数の材料からなる多層膜であってもよい。この絶縁性材料の被覆方法として、スパッタ、ＣＶＤ、めっき、プラズマ蒸着などがある。

以上のように、圧電材基板１に垂直な方向に沿って、溝加工と成膜を組み合わせることによって、圧電材料の壁２を形成しながら、壁２の側面上に２つの独立した電極（導電性材料膜５１，５２による第一電極と第二電極）を形成できる。このような溝加工と成膜を繰返すことによって、圧電材基板１に垂直な方向に沿って、一枚の圧電材料からなる壁２の側面上に複数の独立電極を形成できる。この電極付き圧電材料の壁２によって仕切られた空間４は、液滴吐出ヘッドの個別液室（例えば吐出圧を発生させる圧力室）として用いることができる。このため、以下の説明で、壁２を液室壁２とも呼ぶことにする。

次に、第一電極５１と第二電極５２にそれぞれ電極引き出し配線を形成する。上記第一溝ないし第四溝からなる溝が、図１（Ｇ）と図１（Ｈ）に示すような１次元の溝列を構成している場合、以下のようにして第一電極５１および第二電極５２が外部に引き出されている。

まず、図２（Ａ）に示した配線基板５を形成する。配線基板５は、例えば、Ｓｉ基板上に配線パッド５４，５５と配線５６，５７を形成したものである。配線パッド５４と配線５６は、導電性材料膜５１による第一電極を外部へ引出すためのもので、配線パッド５５と配線５７は、導電性材料膜５１による第二電極を引出すためのものである。これらの配線パッドと配線は、一般的な金属の成膜技術、フォトリソグラフィ及び金属のエッチング技術によって形成される。そして、図２（Ｂ）に示すように配線基板５を、図１（Ｈ）に示した壁２の、紙面に平行な一断面に接合することによって、上記の第一電極と第二電極をそれぞれ外部に引出す。この接合では、配線パッド５４が第一電極の導電性材料膜５１と電気的に接続され、配線パッド５５が第二電極の導電性材料膜５２と電気的に接続される。接合方法は、例えば、バンプ接合、半田接合、導電性接着剤を利用した圧着などの方法がある。また、配線基板５はフレキシブル回路基板であってもよい。良好な電気接続を得るために、配線基板５の接合の前に、配線基板５を接合する壁２の断面の平面出しをする。平面出しの方法として、切断や研磨、または切断と研磨を組み合わせた方法がある。また、第一電極の引出しは、圧電材基板１の上側平面すなわち液室壁２の上端面に配線基板５を接合することによっても実現できる。

次に、ノズル６Ａ（液滴の吐出口）が形成されたノズルプレート６を、空間４を開口する圧電材基板１の上側平面すなわち液室壁２の上端面に接合する。まず、図２（Ｃ）に示すようなノズルプレート６を形成する。ノズルプレート６の材料としてはＳｉ、Ｎｉ、ガラス、樹脂などが好適である。必要に応じて、ノズルプレート６の表面に疎液処理または親液処理を行う。

ノズルプレート６が接合される液室壁２の断面が、図２の紙面に平行する一断面、すなわち、空間４を成す溝の深さ方向の断面である場合、いわゆるエッジシューター（edge shooter）型の吐出ヘッドとなる。ノズルプレート６が接合される液室壁２の断面が、圧電材基板１の上側平面に平行する一断面、すなわち、空間４を形成した溝の延在方向の断面である場合、いわゆるサイドシューター（side shooter）型の吐出ヘッドとなる。例えば、図２（Ｄ）に示したように、ノズルプレート６を、圧電材基板１の上側平面すなわち液室壁２の上端面に接合する。良好な接合を得るために、ノズルプレート６の接合の前に、液室壁２の上端面の平面出しをする。平面出しの方法として、切断や研磨、または切断と研磨を組み合わせた方法がある。接合は、接着剤を使用する接着方法が好適である。

次に、図２（Ｅ）に示したように、液体の供給口と回収口（図示なし）を有するマニホールド７を圧電材基板１に接合する。マニホールドの材料として樹脂や金属などが好適である。接合方法に関しては、接着剤を使用する接着方法が好適である。

次に、液滴の吐出を制御する電気回路を配線基板５に接合する（図示なし）。接合方法に関しては、ワイヤボンディング、バンプ接合、半田接合、導電性接着剤を利用した圧着、またはフレキシブル配線基板を介した接続などの方法がある。

以上のように、圧電材基板１の主面に垂直な方向に対応する液室の長手方向に沿って、圧電材からなる各液室壁２の側面上に複数の電極が配設された液滴吐出ヘッドを簡易に実現することができる。このような液滴吐出ヘッドを用いて液滴吐出を行うと、単一アクチュエータの場合に比べて、液室内の液体の挙動を高い自由度で制御できる。よって、吐出時における駆動エネルギの効率化や空気混入の低減ができる。また、高速吐出に必要な液体の高速供給も可能となる。

また、せん断変形を利用したシェアモード（shear mode）型液滴吐出ヘッドの製造において、従来、反対方向に分極した２枚の圧電材を貼合わせる必要があった。本発明によれば、液室壁２の高さ方向に沿って分離した電極（５１，５２）を形成できるので、１枚の圧電材からなる液室壁２上で高さ方向に隣接する電極の極性を反対にするだけでシェアモード駆動が可能である。例えば、図６に示したように、１枚の圧電材からなる液室壁２に対して、その上半分の両側面（溝列の配列方向で対向する壁２の両側面の上半分）に形成された第一電極５１Ａ，５１Ｂに第一の駆動信号Ｖ₁の電圧を印加すると同時に、その下半分の両側面に形成された第二電極５２Ａ，５２Ｂに第二の駆動信号Ｖ₂の電圧を印加する。Ｖ₁とＶ₂の位相をずらす（例えば、Ｖ₁とＶ₂の極性をちょうど反対にする）ことによって、液室壁２をsシェアモードで変位させることが可能である。もちろん、Ｖ₁とＶ₂の振幅または周波数を独立に制御することも可能である。その結果、従来の技術より作製工程の単純化とアクチュエータの高性能化が可能となる。また、従来の、反対方向に分極した２枚の圧電材を貼合わせるものに比べて、接合面の接着剤劣化という問題がないので、アクチュエータの耐久性と長期安定性も改善できる。

[第２の実施形態]
次に、図３を用いて、第２の実施形態による圧電式液滴吐出ヘッドの構造及び製造方法を説明する。ここでは、第１の実施形態とは異なる手順で、第１の実施形態とほぼ同形状の液室構造を作製する場合を示す。但し、第２の実施形態と共通する部分についてはその説明を省略する。

図３は、第２の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける吐出アクチュエータ部分を構成する圧電素子の製法を説明する図であり、この図では、主に、基板状圧電材に垂直な方向に沿って切断した断面により、吐出のマルチアクチュエータ部の製造工程を表している。

まず、図３（Ａ）に示すように、圧電材料で構成された圧電材基板１の上側平面より第一溝１０を形成する。本例の第一溝１０は、溝の深さがｄ１、溝の幅がｗ１である。圧電材料は、例えば、ＰＺＴを代表とする材料である。溝の形成方法や配列状態と寸法等は、第１の実施形態と同様な要領で決定される。

次に、第一溝１０の内側面１１に、図３（Ｂ）に示すように、厚みｔ２の第二電極を構成する導電性材料膜５２を形成する。第二電極の材料や形成方法は、第１の実施形態における第一電極と同様な要領で決定される。

次に、図３（Ｃ）に示すように、圧電材基板１の上側平面より第二溝２０を形成する。第二溝２０の形成方法は、第一溝１０を形成する方法と同様であってもよい。第二溝２０は、第一溝１０と対応するように形成される。すなわち、第二溝２０は、第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第二溝２０は、第一溝１０と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ２が第一溝の深さｄ１より小さく（ｄ２＜ｄ１）、溝幅ｗ２が第一溝１０の幅ｗ１よりも大きい（ｗ２＞ｗ１）。ここで、ｗ２−ｗ１＞ｔ２になるように第二溝２０は形成されている。このように第二溝２０を形成することによって、第一溝１０の内側面１１の上部に被覆された導電性材料膜５２は除去されるが、第一溝１０の内側面１１の下部及び底部に導電性材料膜５２は残ることになる。

次に、図３（Ｄ）に示すように、第一溝１０と第二溝２０の内側面を絶縁性材料３で被覆する。絶縁性材料３の材質及び被覆方法は、第１の実施形態における絶縁性材料３の材質及び被覆方法と同じでもよい。特に、スパッタ、ＣＶＤ、めっき、プラズマ蒸着などの方法で、溝の内側面だけを絶縁材で被覆するのが好適である。

次に、図３（Ｅ）に示すように、圧電材基板１の上側平面より第三溝３０を形成する。第三溝３０の形成方法は、第一溝１０または第二溝２０を形成する方法と同様であってもよい。第三溝３０は、第一溝１０と対応するように形成される。すなわち、第三溝３０は、第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第三溝３０は、第一溝１０と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ３が第一溝の深さｄ１より小さく（ｄ３＜ｄ２＜ｄ１）、溝幅ｗ３が第一溝１０の幅ｗ１よりも大きい（ｗ３＞ｗ２＞ｗ１）。このような第三溝３０を形成することによって、第二溝２０の内側面の上部に形成された絶縁性材料３が除去され、圧電材料からなる溝の側面３１が露出される。

次に、第三溝３０の内側面３１に、図３（Ｆ）に示すように、第一電極を構成する導電性材料膜５１を形成する。導電性材料膜５１からなる第一電極の構成と形成方法は、第１の実施形態における第二電極の構成と形成方法と同様であってもよい。それに加えて、真空中における斜方蒸着方法もある。この場合、蒸着源に対して、基板の傾斜角度を調整して、第三溝３０の内側面３１にだけ導電性材料膜５１が形成するようにするが、内側面３１の下部及び底部まで被覆する必要がない。

次に、必要に応じて、図２（Ｇ）に示すように、導電性材料膜５２による第二電極を分割するために、第四溝４０を圧電材基板１の上側平面より形成する。第四溝４０の形成方法は、第一溝１０ないし第三溝３０を形成する方法と同様であってもよい。第三溝４０は、第一溝１０と対応するように形成される。すなわち、第三溝４０は、第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第四溝４０は、第一溝１０と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ４が第一溝１０の深さｄ１より大きく（ｄ４＞ｄ１＞ｄ２＞ｄ３）、溝幅ｗ４が第一溝１０の幅ｗ１よりも小さい（ｗ４＜ｗ１＜ｗ２＜ｗ３）。このような第四溝４０の形成によって、各溝の両側面に形成された導電性材料膜５２による第二電極が、それぞれ独立になる。

次に、必要に応じて、分割した第二電極間の電気絶縁を取るために、第１の実施形態と同様、導電性材料膜５２を含めた各溝の第４溝４０の内側面を絶縁性材料で更に被覆する（図示なし）。

以上のようにして、第１の実施形態とほぼ逆形状の液室構造を作製できる。

次に、図２（Ａ）〜図２（Ｅ）に示したような工程を経て、一次元に配列される液室を有する液滴吐出ヘッドが作製される。すなわち、第１の実施形態と同様の要領で、第一電極と第二電極の引出しを行う（図２（Ａ），図２（Ｂ））。次に、第１の実施形態と同様の要領で、ノズルプレートを液室に接合する（図２（Ｃ），図２（Ｄ））。次に、第１の実施形態と同様の要領で、吐出用液体の供給口と回収口を有するマニホールドを液室に接合する（図２（Ｅ））。次に、第１の実施形態と同様の要領で、吐出を制御する電気回路を連結する。

以上のように、本実施形態によれば、第１の実施形態とほぼ同様な性能を持つ液滴吐出ヘッドを作製できる。

［第３の実施形態］
次に、図４および図５を用いて、第３の実施形態による圧電式液滴吐出ヘッドの構造及び製造方法を説明する。ここでは、第１の実施形態とは異なり、２次元に配列される液室を有する液滴吐出ヘッドの構造及び製造方法を示す。但し、第１の実施形態および第２の実施形態と共通する部分についてはその説明を省略する。

図４は、第３の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける吐出アクチュエータ部分を構成する圧電素子の製法を説明する図である。この図では、主に、液室を通って基板状圧電材に垂直な方向に沿って切断した断面により、吐出のマルチアクチュエータ部の製造工程を表している。また、図５は図４の吐出アクチュエータ部分を構成する圧電素子を含む液滴吐出ヘッドの組み立てを説明する斜視図である。

まず、図４（Ａ）に示したように、圧電材料で構成された圧電材基板１の上側平面に溝６０を形成する。圧電材料は、例えば、ＰＺＴを代表とする材料である。溝の形成方法は、第１の実施形態と同様でもよい。但し、溝６０は、図４（Ｋ）に示すように基板１の上側平面上で平行に複数配列されており、このように複数の溝６０を平行に整列させることで１次元の溝列が構成されている。各溝６０の長手方向の長さは、最終的に製造される液室の長さより十分に長い。また各溝６０の深さｄ５は、圧電材基板１の平面に垂直な方向における液室の一辺の幅の約半分であり、溝の幅ｗ５が圧電材基板１の平面に平行な方向における液室の一辺の幅と同じであり、隣り合う溝６０間の間隔がｐ２である。溝６０は、例えば深さｄ５が１０μｍ〜５ｍｍ、幅ｗ５が１０μｍ〜１０ｍｍ、間隔ｐ２が２０μｍ〜１０ｍｍという範囲が好適である。

次に、溝６０の内側表面６１に、図４（Ｂ）に示すように、導電性材料膜５３を形成する。導電性材料膜５３は、最終的に作製される液室内の内部電極となる。内部電極となる導電性材料膜５３の材料や形成方法は、第１の実施形態における第一電極と同様な要領で決定される。ここで、内部電極を構成するための導電性材料膜５３が不要な部分に付かないように、導電性材料を成膜する前にフォトリソグラフィでレジストのパターンを基板１上に形成しておいて、導電性材料を成膜した後にレジストを除去すると同時に、レジスト上に堆積した導電性材料をリフトオフしてもよい。あるいは、導電性材料を基板１上に成膜した後、フォトリソグラフィでレジストのパターンを形成した後、レジストで保護されていない部分の導電性材料をエッチングで除去してもよい。また、前述何れの方法で薄いシード層を成膜してから、所望の厚さまでめっき法で更に導電性材料を形成することも可能である。

次に、図４（Ｃ）に示すように、導電性材料膜５３が形成された圧電材基板１（図４（Ｂ））を接合して所望の層数まで積層した。積層のとき、まず、導電性材料膜５３が付いた２枚の圧電材基板１を溝６０がほぼ対向するように接合して、１つのモジュールとした。図４（Ｃ）中の符号６２が、一つのモジュールを構成する２枚の圧電材基板１間の接合界面を指し示している。２つの圧電材基板１の溝内の導電性材料膜５３間に挟まれてできた空間４の一部分が、最終的に製造される液体吐出ヘッドの液室となる。このようなモジュール同士を所望の数まで接合した。図４（Ｃ）中の符号６３が、モジュール間の接合界面である。モジュール間の接合において、溝６０が所望の配列になるように位置合わせを行った。圧電材基板同士の接合は、絶縁性材料を介した接合が望ましい。例えば、絶縁性接着剤による接着が好適である。各層の厚み調整は、図４（Ａ）に示した溝加工の前に行ってもよい。このとき、圧電材基板が薄くて、加工性が低下した場合、圧電材基板を他の支持基板に貼り付けてもよい。貼り付けは、後で支持基板を取り外しやすいように、例えば、加熱や光照射によって接着力が弱くなる材料で行うのがよい。各層の厚み調整の他の手法は、導電性材料膜５３が付いた圧電材基板１（図４（Ｂ））を接合した後、その圧電材基板１を裏面から研磨する手法がある。

次に、図４（Ｄ）に示すように、圧電材基板１を積層して基板状にした基板状圧電材（以下、圧電材積層体と呼ぶ。）の、接合界面６３と平行する方向における一端面より、第一溝１０を形成する。第一溝１０の形成方法は、第１の実施形態と同様であってもよい。第一溝１０は、接合界面６３に平行に複数配列され、かつ、接合界面６３に交差（本例では直交）する面に平行に複数配列されており、このように直交する２方向でそれぞれ第一溝１０を平行に整列させることにより２次元の溝列が構成されている。

そして、これらの第一溝１０は、図４（Ｌ）に示すように、液室である空間４のそれぞれをほぼ中心に囲むように加工されている。例えば、ブレードダイシング法を用いる場合、まず、図４の紙面と略平行な方向に沿って平行に整列した第一の溝列を加工して、そして該第一の溝列と交差した方向に沿って第二の溝列を加工することによって、第一溝１０を形成できる。交差する２方向それぞれの溝列の第一溝１０は、同一形状且つ同一間隔で形成されており、溝の深さｄ１が１０μｍ〜５ｍｍ、溝の幅ｗ１が１０μｍ〜５ｍｍ、隣り合う溝の間隔ｐ１が溝６０の間隔ｐ２（図４（Ｋ））と同じ２０μｍ〜１０ｍｍという範囲が好適である。

次に、第一溝１０の内側面１１に、図４（Ｅ）に示すように、厚みｔ１の導電性材料膜５１からなる第一電極を形成する。第一電極の材料や形成方法は、第１の実施形態における第一電極と同様な要領で決定される。

次に、図４（Ｆ）に示すように、上記した圧電材積層体の、第一溝１０が形成された側の一端面より、第二溝２０を形成する。第二溝２０は、二次元配列の各第一溝１０と対応するように形成される。第二溝２０の形成方法は、第一溝１０を形成する方法と同様であってもよい。すなわち、第二溝２０は、第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第二溝２０は、第一溝１０の溝列と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ２が第一溝の深さｄ１より大きく（ｄ２＞ｄ１）、溝幅ｗ２が第一溝１０の幅ｗ１よりも小さい（ｗ２＜ｗ１）。ここで、ｄ２―ｄ１＞ｔ１、ｗ１−ｗ２＞ｔ１になるように第二溝２０は形成されている。このように第二溝２０を形成することによって、第一溝１０の底部にある第一電極の導電性材料膜５１は少なくとも部分的に除去されるが、第一溝１０の内側側面にある第一電極の導電性材料膜５１は残ることになる。

次に、図４（Ｇ）に示すように、第一溝１０と第二溝２０の少なくとも内側面を絶縁性材料３で被覆する。絶縁性材料３の材料と被覆方法は、第１の実施形態に示した要領で決定される。

次に、図４（Ｈ）に示すように、上記した圧電材積層体の、第一溝１０が形成された側の一端面より、第三溝３０を形成する。第三溝３０は、二次元配列の各第一溝１０と対応するように形成される。第三溝３０の形成方法は、第一溝１０または第二溝２０の形成方法と同様であってもよい。すなわち、第三溝３０は、第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。例えば、第三溝３０は、第一溝１０の溝列と同じ溝間隔で配され、溝深さｄ３が第二溝２０の深さｄ２より大きく（ｄ３＞ｄ２＞ｄ１）、溝幅ｗ３が第二溝２０の幅ｗ２よりも小さい（ｗ３＜ｗ２＜ｗ１）。このように第三溝３０を形成することによって、第二溝２０の底部の絶縁性材料３が少なくとも部分的に除去され、第一溝１０および第二溝２０の内側側面に被覆された絶縁性材料３は残ることになる。例えば、第二溝２０の内側側面２１に残る絶縁性材料３の膜厚が１０ｎｍ以上である。

次に、第三溝３０の内側面３１に、図４（Ｉ）に示すように、第二電極を構成する導電性材料膜５２を形成する。第二電極を構成する導電性材料膜の構成と形成方法は、第１の実施形態に示した第二電極と同様な要領で決定される。

次に、必要に応じて、第１の実施形態で示した要領で導電性材料膜５２による第二電極を分割するための第四溝を形成する（図示なし）。

次に、必要に応じて、分割した第二電極間の電気絶縁を取るために、第１の実施形態で示した要領で、導電性材料膜５２を含めた各溝の第四溝の内側面を絶縁性材料で更に被覆する（図示なし）。

次に、図４（Ｊ）に示すように、上記した圧電材積層体における第一溝１０に垂直な両端面、即ち、空間４の長手方向に垂直な上側端面と下側端面より、空間４及び導電性材料膜５３を露出させる。そのために、それらの端面に対して切断や研磨などの工程を施す。研磨によって、この両端面の平面出しも同時にできる。

以上の工程によって得られた構造体の斜視図が図４（Ｌ）である。すなわち、図４（Ｌ）に示したような複数の細長い空間４からなる液室が２次元に配列された構造体が形成される。この構造体は各液室の壁２の内側に内部電極（すなわち導電性材料膜５３からなる電極）があり、各液室の壁２の外側に液室の高さ方向に分割された第一電極（すなわち導電性材料膜５１からなる電極）と第二電極（すなわち導電性材料膜５２からなる電極）が配設されている。以下、図４（Ｌ）の構造体を吐出アクチュエータと呼ぶ。また、上記の「内部電極（すなわち導電性材料膜５３からなる電極）」、「第一電極（すなわち導電性材料膜５１からなる電極）」、「第二電極（すなわち導電性材料膜５２からなる電極）」という記述は、これ以降、「内部電極（５３）」、「第一電極（５１）」、「第二電極（５２）」というように略記することにする。

次に、第一電極（５１）と第二電極（５２）と内部電極（５３）をそれぞれ外部に引き出す。つまり、上記第一溝ないし第四溝からなる溝が、図４（Ｌ）に示すような２次元の溝列を構成している場合、以下のようにして各電極（５１，５２，５３）が外部に引き出されている。

内部電極（５３）と第一電極（５１）の引出しについては、図５（Ａ）に示すような接続用電極パッドのパターンが形成された配線基板５Ａを図４（Ｌ）の吐出アクチュエータの上側平面に接合することによって電極の引出しが行える。なお、内部電極（５３）の引出しについては、図４（Ｌ）の構造体の下側平面と配線基板５Ｂとの接合によって行うこともできる。

第二電極（５２）の引出しに関しては、第二電極（５２）が図４（Ｌ）に示すように液室毎に分割されていなく連結されている場合には、圧電材積層体の台座１Ａの、縦断面または第二電極（５２）がある面から容易に電極の引き出しが行える。

第二電極（５２）が液室毎に分割され、それぞれ独立している場合の電極引出については、図５（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、その一例を説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、接続用電極パッド５４，５５と配線５６，５７のパターンが形成された配線基板５Ａを作製する。配線基板５Ａは、例えば、Ｓｉ基板上に配線パッド５４，５５と配線５６，５７を形成したものである。配線パッド５４は、各液室の第一電極（５１）に対応する位置に形成される。配線パッド５５は、各液室の内部電極（５３）に対応する位置に形成される。配線パッド５４，５５と配線５６，５７は、第１の実施形態で示した要領で形成される。液室を露出させるために、図５（Ａ）に示したように、配線基板５Ａの、各液室の端部の開口に対応する位置に、貫通穴５８を形成する。貫通穴５８の形成方法としては、ドライエッチング、液体エッチング、または機械加工などが好適である。

そして、図５（Ｂ）に示すように、第一電極（５１）と内部電極（５３）を引出すための配線基板５Ａを、液室壁の上側端面（図４（Ｌ）の吐出アクチュエータの上側平面）に接合する。このとき、配線パッド５４は対応する第一電極（５１）と電気的に接続され、配線パッド５５は対応する内部電極（５３）と電気的に接続される。この接合方法としては、例えば、バンプ接合、半田接合、導電性接着剤を利用した圧着などの方法がある。

続いて、図５（Ｃ）に示すように、配線基板５Ａを接合した状態で、研磨などの手法で吐出アクチュエータの下側平面から圧電材積層体の台座１Ａの部分を除去して、各液室の第二電極（５２）をその下側平面より露出させる。

そして、図５（Ｄ）に示すように、配線基板５Ａの接合と同様な要領で、液室の下側端面より第二電極（５２）を引出すための配線基板５Ｂの配線を第二電極（５２）に接合する。配線基板５Ｂは配線基板５Ａと類似する形状で、内部電極（５３）を引出すための配線パッドと配線がないものである。また、配線密度を分散させるため、内部電極（５３）からの配線引出しを配線基板５Ａと５Ｂに分割して行ってもよい。

次に、圧電材料からなる液室の壁２を、壁２の厚み方向に分極する（図示なし）。例えば、まず、内部電極（５３）を接地し、第一電極（５１）と第二電極（５２）を電源の正極に連結して電界を加える。この状態で、温度を分極に適する値まで上昇させて、所望の時間で保持する。そして、温度を徐々に室温まで戻してから、電界をゼロに戻す。電界強度、分極温度、及び分極の保持時間は、圧電材料の性質によって適宜に設定される。このような液室構造は、いわゆるグールド型構造である。いままでの工程で使用した接着剤は、この分極時の温度を考慮して選択されている。

次に、上記した配線基板５Ａ，５Ｂが接合された吐出アクチュエータに、ノズル６Ａが形成されたノズルプレート６を接合する。この工程では、まず、図５（Ｅ）に示すようなノズルプレート６を用意する。ノズルプレート６の構成と製法は、第１の実施形態で示した要領で決定される。そして、図５（Ｆ）に示すように、吐出アクチュエータ上の配線基板５Ａに、第１の実施形態で示した要領でノズルプレート６を接合する。このとき、ノズル６Ａは、ほぼ配線基板５上の貫通穴５８と中心が合うように位置合わせされる。また、ノズルプレート６は、配線基板５Ａと一体化してもよい。この場合の配線基板５Ａの貫通穴５８は、おもて側の面でノズル６Ａの形状に形成されていればよい。

次に、図５（Ｇ）に示すように、吐出用液体の供給口と回収口（図示なし）を有するマニホールド７を配線基板５Ｂに接合する。配線基板Ｂには、液室とマニホールド７とを連通する貫通口が形成されている。マニホールド７の材料として樹脂や金属などが好適であり、必要に応じて、表面改質のための表面処理を施す。接合については、接着剤を使用する接着方法が好適である。

次に、必要に応じて、図５（Ｈ）に示すように、吐出アクチュエータ部分の周囲を囲むように、今までの工程で得た構造体にジャケット８を接合する。接合としては、接着剤を使用する接着方法が好適である。ジャケット８は、吐出アクチュエータ部分を周囲から保護することができる。また、ジャケット８に貫通穴８Ａを少なくとも２つ設けて、貫通穴８Ａに接続する管より液体または気体をジャケット８の内部を通すことによって、ジャケット８に囲まれた吐出アクチュエータ部分の冷却が可能になる。

次に、吐出を制御する電気回路を配線基板５Ａと５Ｂにそれぞれ接続する（図示なし）。接続方法としては、ワイヤボンディング、バンプ接合、半田接合、導電性接着剤を利用した圧着、フレキシブル配線基板を介した接続などの方法がある。

以上のように、２次元配列のグールド型液室を有する液滴吐出ヘッドを簡易な方法によって製造することができる。駆動の際、例えば、内部電極（５３）を共通電極とし、かつ、各液室の外壁に液室壁２の高さ方向に沿って分割された第一電極（５１）と第二電極（５２）を個別電極として、それぞれ独立に駆動すれば、グールド型液室の上部と下部をそれぞれ独立に変位させることができる。

本発明の製造方法によれば、液室の長手方向を基板状圧電材（上記の圧電材積層体）の主面と垂直な方向にして複数の液室を基板状圧電材の主面に対して二次元配置した液滴吐出ヘッドにおいても、各液室壁２の高さ方向に沿って複数の電極を簡易に形成できる。従来技術では、液室壁の高さ方向に沿って単一の電極が形成された２次元液室を有する基板を２枚それぞれ独立に作製して、この２枚の基板を厚み方向に接合する必要があった。この場合、接合による液室の上下部分の位置ずれが不可避であり、製造誤差が大きい。本発明によれば、事前に形成した液室に対して、その外部で溝加工と成膜を順番に行うだけで外壁及び外部電極を形成でき、また、各液室の上部と下部の位置ずれの心配も無い。その結果、製造コストの低減と吐出ヘッド性能の向上が実現できる。

さらに、本発明の液滴吐出ヘッドによれば、単一アクチュエータの場合に比べて、液室内の液体の挙動を高い自由度で制御できる。よって、吐出時における駆動エネルギの効率化や空気混入の低減ができる。また、高速吐出に必要な液体の高速供給も可能となる。特に、グールド型液室は比較的に大きな駆動力を提供できるので、高粘度液体の吐出を比較的に容易にできる。

以下、上記の各実施形態について、より具体的な数値を挙げて説明する。

［第１の実施例］
第１の実施例は、上記第１の実施形態で説明した１次元に配列された液室を有する液滴吐出ヘッドの構造および製造方法に関わる。以下、図１〜２を用いて、その要点を説明する。

まず、キューリ温度が約２００℃のＰＺＴ基板１を用意した。切断と機械研磨でＰＺＴ基板１を加工し、長さ３ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み３ｍｍの板状にした。そして、通常の方法でＰＺＴ基板１を厚み方向沿って分極した。

次に、図１（Ａ）に示すように、ＰＺＴ基板１の上側平面に対して、その基板長さ方向に沿ってブレードダイシング法を用いて第一溝１０を形成した。複数の第一溝１０を平行に整列させることで、１次元溝列の第一溝１０が構成された。各溝は同一形状且つ同一間隔で配列され、深さｄ１を４００μｍ、幅ｗ１を１５０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。

次に、第一溝１０の内側面１１に、図１（Ｂ）に示すように、第一電極を構成する導電性材料膜５１として厚みｔ１の金属膜をスパッタ法で形成した。この金属膜はＴｉとＡｕの２層の膜で構成され、それぞれの厚みを０．０２μｍ、１．５μｍとした。つまり、金属膜の厚みｔ１を１．５２μｍとした。

次に、図１（Ｃ）に示すように、第一溝１０が形成されたＰＺＴ基板１の上側面に対して、ブレードダイシング法を用いて第二溝２０を形成した。第二溝２０を第一溝１０と対応するように形成した。すなわち、第二溝２０を第一溝１０と同一形状且つ同一間隔で形成し、中心が略重なるように配置した。第二溝２０の寸法については、深さｄ２を４２０μｍ、幅ｗ２を１３５μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。このような第二溝２０の形成によって第一溝１０の底部の金属膜をほとんど除去するが、第一溝１０の内側側面には金属膜を残し、これを第一電極とした。

次に、図１（Ｄ）に示すように、第一溝１０と第二溝２０に、絶縁性材料膜３を構成するための感光性樹脂（ＳＵ−８）を流し込んだ。これを１２０℃で０．５時間加熱した後、溝の底部のＳＵ−８が十分に感光されるまで紫外線を照射した。そして、１５０℃で１時間加熱して、ＳＵ−８を更に硬化させた。これによって、絶縁性材料であるＳＵ−８を用いて溝の内側面を被覆した。

次に、図１（Ｅ）に示すように、溝１０，２０が形成されたＰＺＴ基板１の上側面に対して、ブレードダイシング法を用いて第三溝３０を形成した。第三溝３０を第一溝１０と対応するように形成した。すなわち、第三溝３０を第一溝１０と同一形状且つ同一間隔で形成し、中心が略重なるように形成した。第三溝３０の寸法については、深さｄ３を８２０μｍ、幅ｗ３を１２０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。このような第三溝３０の形成によって第二溝２０の底部のＳＵ−８をほとんど除去するが、第一溝１０と第二溝２０の内側側面を約５μｍ厚以上の絶縁性膜ＳＵ−８で被覆したままとした。

次に、第三溝３０の内側面３１に、図１（Ｆ）に示すように、第二電極を構成する導電性材料膜５２として金属膜を無電解めっき法で形成した。めっきのとき、まず表面処理して、第三溝３０内の露出しているＰＺＴの表面３１に金属をめっきしやすい状態にした。そして、ＳＵ−８の絶縁性材料膜３にめっきをせず、露出しているＰＺＴの表面３１にだけめっきする条件でめっきを行った。めっきに関しては、まずＰｄをシード層としてめっきした。そして、無電解めっきで約２．０μｍ厚のＮｉ膜を形成した。続いて、Ｎｉ膜の表面に置換めっき法で約０．２μｍ厚のＡｕの膜を形成した。このように第三溝３０の内側面３１に形成したＡｕ／Ｎｉ膜を第二電極とした。

次に、第二電極を分割するために、図１（Ｇ）に示すように、溝１０，２０，３０が形成されたＰＺＴ基板１の上側面に対して、ブレードダイシング法を用いて第四溝４０を形成した。第四溝４０を第一溝１０と対応するように形成した。すなわち、第四溝４０を第一溝１０と同一形状且つ同一間隔で形成し、中心が略重なるように形成した。第四溝４０の寸法については、深さｄ４を８５０μｍ、幅ｗ４を５０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。この第四溝４０の形成によって、各溝３０内の両側面に形成された導電性材料膜５２の第二電極がそれぞれ独立になった。図１（Ｇ）の構造に対応する斜視図は図１（Ｈ）である。

次に、第二電極（５２）を含めた各溝４０の内側面に厚さ約２μｍのパリレンを蒸着し、分割した第二電極間の電気絶縁を取った。

以上のように、ＰＺＴ基板１に垂直な方向に沿って、ＰＺＴの壁２を形成しながら、壁２の側面上に２つの独立した電極を簡易に形成できた。この電極付きＰＺＴの壁２によって仕切られた空間４を、液滴吐出ヘッドの液室とした。

次に、図２（Ａ）と図２（Ｂ）に示すように、第一電極（５１）と第二電極（５２）の夫々に対して電極の引出しを行った。まず、図１（Ｈ）に示した紙面に平行な液室壁２の断面に対して研磨によって平面出しを行った。そして、図２（Ａ）に示すような配線基板５を形成した。配線基板５は、Ｓｉ基板上に配線パッド５４，５５と配線５６，５７が形成されたものである。配線パッド５４と配線５６は、第一電極（５１）を引出すためのもので、配線パッド５５と配線５７は、第二電極（５２）を引出すためのものである。配線パッドと配線の形成については、ＴｉとＡｕを順番にＳｉ基板上にスパッタ法で成膜してから、フォトリソグラフィ及びイオンビームによるドライエッチングによって配線パッドと配線を形成した。そして、配線パッド５４と配線パッド５５の上に、低温半田を乗せ、加熱して、パッド表面のＡｕに半田を融着させた。そして、図２（Ｂ）に示すように、配線基板５を、図１（Ｈ）に示した液室壁２の、紙面に平行する一断面（つまり、液室壁２の高さ方向の断面）に貼合わせ、加熱して、配線パッド５４，５５上の半田と第一電極（５１）及び第二電極（５２）とを融着させた。この接合では、配線パッド５４が第一電極（５１）と電気的に接続され、配線パッド５５が第二電極（５２）と電気的に接続された。

次に、図２（Ｄ）に示すように、ノズル６Ａが形成されたノズルプレート６を、圧電材基板１の液室壁２の上側端に接合した。この接合とき、まず、図２（Ｃ）に示すようなノズルプレート６を形成した。ノズルプレート６はＮｉで構成され、フォトリソグラフィとめっきによって作製されている。作製したノズルプレート６の板厚は５０μｍ、ノズル６Ａの内径は３０μｍである。そして、図２（Ｄ）に示したように、ノズルプレート６を絶縁性の熱硬化型接着剤で圧電材基板１の液室壁２の上側端に接合した。接合のために、まず研磨によって、液室壁２の上側端の平面出しを行った。ノズルプレート６を接着する前記の接着剤を硬化させるために、図２（Ｄ）の構造体を８０℃で１時間加熱した。図中、ノズルと液室の位置関係を明示するため、ノズルプレート６を透明なように描いた。

次に、図２（Ｅ）に示すように、吐出用液体の供給口と回収口（図示なし）を有するマニホールド７を、液室壁２の、配線基板５を接合した断面と対向する他の断面に接合した。マニホールドの材料としてＳＵＳを使用した。接合用接着剤として、ノズルプレート６の接合と同様の絶縁性熱硬化型接着剤を使用した。

次に、フレキシブル配線基板を介して吐出を制御する電気回路を配線基板５に接続した（図示なし）。

以上のようにして作製された液滴吐出ヘッドは、いわゆるサイドシューター（side shooter）型吐出ヘッドと呼ばれる構成である。

以上のような製造方法によれば、液室の壁２の側面上に、圧電材基板１に垂直な方向に対応する液室壁２の高さ方向に沿って２つの独立した電極を有する液滴吐出ヘッドを簡易に実現できた。このような液滴吐出ヘッドにおいて、各液室からの液体吐出を、独立した２つのアクチュエータで制御可能にした。

［第２の実施例］
第２の実施例は、上記第２の実施形態で説明した１次元に配列された液室を有する液滴吐出ヘッドの構造および製造方法に関わる。以下、図３を用いて、その要点を説明するが、第１の実施例と共通する部分についてはその説明を省略する。

まず、図３（Ａ）に示すように、ＰＺＴ基板１の上側平面に対して、ブレードダイシング法を用いて第一溝１０を形成した。複数の第一溝１０を平行に整列させることで、１次元溝列の第一溝１０が構成された。各溝は、同一形状且つ同一間隔で配列され、深さｄ１を８２０μｍ、幅ｗ１を１２０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。

次に、第一溝１０の内側面１１に、図３（Ｂ）に示すように、第二電極を構成する導電性材料膜５２として厚みｔ１の金属膜をめっき法で形成した。この金属膜として、約２．０μｍ厚のＮｉの膜の表面に約０．２μｍ厚のＡｕの膜を形成した。つまり、金属膜ｔ１を２．２μｍとした。

次に、図３（Ｃ）に示すように、第一溝１０が形成されたＰＺＴ基板１の上側面に対して、ブレードダイシング法を用いて第二溝２０を形成した。第二溝２０を第一溝１０と対応するように形成した。すなわち、第二溝２０を第一溝１０と同一形状且つ同一間隔で形成し、中心が略重なるように配置した。第二溝２０の寸法については、深さｄ２を４２０μｍ、幅ｗ２を１３０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。このような第二溝２０の形成によって第一溝１０の内側面の上部の金属膜をほとんど除去したが、第一溝１０の内側面の下部および底部には金属膜を残し、これを第二電極とした。

次に、図３（Ｄ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、第一溝１０および第二溝２０の内側面に、絶縁性材料膜３であるＤＬＣ（diamond-like carbon）の薄膜を形成した。このＤＬＣ薄膜の厚みを０．５μｍとした。

次に、図３（Ｅ）に示すように、溝１０，２０が形成されたＰＺＴ基板１の上側面に対して、ブレードダイシング法を用いて第三溝３０を形成した。第三溝３０を第一溝１０と対応するように形成した。つまり、第三溝３０を第一溝１０と同一形状且つ同一間隔で形成し、その寸法については深さｄ３を４００μｍ、幅ｗ３を１５０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。このような第三溝３０の形成によって第二溝２０の内側面の上部において絶縁性材料膜３が除去され、ＰＺＴからなる溝の内側面３１が露出された。

次に、第三溝３０の内側面３１に、図３（Ｆ）に示すように、第一電極を構成する導電性材料膜５１として金属膜をめっき法で形成した。第一電極となる導電性材料膜５１として、約２．０μｍ厚のＮｉの膜の表面に約０．２μｍ厚のＡｕの膜を形成した。

次に、第二電極を分割するために、図３（Ｇ）に示すように、溝１０，２０，３０が形成されたＰＺＴ基板１の上側面に対して、ブレードダイシング法を用いて第四溝４０を形成した。第四溝４０を第一溝１０と対応するように形成した。すなわち、第四溝４０を第一溝１０と同一形状且つ同一間隔で形成し、中心が略重なるように形成した。第四溝４０の寸法については、深さｄ４を８５０μｍ、幅ｗ４を５０μｍ、間隔ｐ１を２５０μｍとした。この第四溝４０の形成によって、各溝３０内の両側面に形成された導電性材料膜５２の第二電極がそれぞれ独立になった。

次に、ＣＶＤ法によって、第二電極（５２）を含めた各溝４０の内側面に約０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成し、分割した第二電極間の電気絶縁を取った。

以上のように、ＰＺＴ基板１に垂直な方向に沿って、ＰＺＴの壁２を形成しながら、壁２の側面上に２つの独立した電極を簡易に形成できた。この電極付きＰＺＴの壁２によって仕切られた空間４を、液滴吐出ヘッドの液室とした。この実施例では、第１の実施例と異なる加工の手順で、第１の実施例とほぼ同様な液室構造を得ることができた。

［第３の実施例］
第３の実施例は、上記第３の実施形態で説明した２次元に配列された液室を有する液滴吐出ヘッドの構造および製造方法に関わる。以下、図４と図５を用いて、その要点を説明するが、第１の実施例と共通する部分についてはその説明を省略する。

まず、厚さ０．５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、幅３０ｍｍのＰＺＴからなる圧電材基板１を用意した。そして、図４（Ａ）に示すように、圧電材基板１の上側表面に対して、圧電材基板１の長さ方向に沿って液室を構成するための溝６０を形成した。溝６０の形成方法として、ブレードダイシング法を用いた。溝６０の配置に関しては、図４（Ｋ）に示すように、基板の面内に複数の溝６０を平行に整列させることで、１次元溝列の溝６０とした。溝６０の寸法については、長さを１２ｍｍ、深さｄ５を６０μｍ、幅ｗ５を１２０μｍ、間隔ｐ２を１．０ｍｍとした。

次に、溝６０の内側面６１に、図４（Ｂ）に示すように、内部電極となる導電性材料膜５３を形成した。導電性材料膜５３については、スパッタ法で成膜した０．０２μｍ厚のＴｉと１．０μｍ厚のＡｕからなる２層膜とした。内部電極を形成しない部分にＴｉとＡｕの薄膜が形成されないために、スパッタの前に、溝６０の内側面６１以外の部分を、フォトリソグラフィで形成したレジストのパターンで保護しておいた。ＴｉとＡｕの薄膜をスパッタした後、レジスト剥離剤を用いて、レジストのパターン及びその表面に堆積されたＴｉとＡｕの薄膜を除去した。

次に、図４（Ｃ）に示すように、導電性材料膜５３が形成された圧電材基板１（図４（Ｂ））を接合して所望の層数まで積層した。積層のとき、まず、導電性材料膜５３が付いた２枚の圧電材基板１を溝６０がほぼ対向するように接合して、１つのモジュールとした。モジュールの厚みは約１．０ｍｍであった。図４（Ｃ）中の符号６２が、２枚の圧電材基板１間の接合界面を指し示している。２つの圧電材基板１の溝内の導電性材料膜５３間に挟まれてできた空間４の一部分が、最終的に製造される液滴吐出ヘッドの液室となる。そして、上記したモジュール同士を２０個接合した。図４（Ｃ）中の符号６３が、モジュール間の接合界面である。モジュール間の接合において、溝の長さ方向から見て溝６０の配列がほぼ正方格子状の配列になるように位置合わせを行った。接合は、熱硬化型絶縁性接着剤を用いた。

次に、図４（Ｄ）に示すように、積層された圧電材料基板１（以下、圧電材積層体と呼ぶ。）の、接合界面６３と平行する方向（空間４と平行する方向）における一端面より、ブレードダイシング法を用いて第一溝１０を形成した。第一溝１０は、２つの平行に整列した溝列をほぼ垂直に交差するように順次にダイシングすることによって形成されており、これらの第一溝１０は、図４（Ｌ）に示すように、液室である空間４のそれぞれをほぼ中心に囲むように形成されている。直交する２方向それぞれの溝列の第一溝１０は、同一形状且つ同一間隔で形成されており、溝１０の寸法については深さｄ１を７．０ｍｍ、幅ｗ１を６４０μｍ、間隔ｐ１を１．０ｍｍ（溝６０の間隔ｐ２と同じ）とした。

次に、第一溝１０の内側面１１に、図４（Ｅ）に示すように、厚みｔ１（＝１．５２μｍ）の第一電極として導電性材料膜５１をスパッタ法で形成した。第一電極は、約０．０２μｍ厚のＴｉの膜上に１．５μｍ厚のＡｕの膜が堆積された２層膜で構成された。

次に、図４（Ｆ）に示すように、第一溝１０と対応するように、上記したＰＺＴの圧電材積層体の第一溝１０が形成された側の一端面に対して、ブレードダイシング法を用いて第二溝２０を形成した。つまり、形成された第二溝２０は、第一溝１０と間隔が略同一で、溝幅中心が概ね重なるように配されている。第二溝２０は、第一溝１０の溝列と同じ溝間隔で配されており、その溝寸法に関して深さｄ１を７．０５ｍｍ、幅ｗ１を６２５μｍ、間隔ｐ１を１．０ｍｍとした。第二溝２０の形成によって、第一溝１０の底部の金属膜（導電性材料膜５１）をほとんど除去したが、第一溝１０の内側側面の金属膜（導電性材料膜５１）を残し、これを第一電極とした。

次に、第一溝１０および第二溝２０の内側面に、ＣＶＤ法を用いて、図４（Ｇ）に示すように、絶縁性材料膜３であるＤＬＣの薄膜を形成した。ＤＬＣ膜の厚みを０．４μｍとした。

次に、図４（Ｈ）に示すように、第二溝２０の形成と同様、第一溝１０と対応するように、上記した圧電材積層体の第一溝１０が形成された側の一端面に対して、ブレードダイシング法を用いて第三溝３０を形成した。第三溝３０の寸法に関しては、深さｄ１を１２．０５ｍｍ、幅ｗ１を６１０μｍ、間隔ｐ１を１．０ｍｍとした。この第三溝３０の形成によって、第二溝２０の底部にあるＤＬＣの絶縁性材料膜３を部分的に除去したが、溝１０，２０の内側側面に被覆されたＤＬＣの絶縁性材料膜３は残してある。

次に、第三溝３０の内側面３１に、めっき法を用いて、図４（Ｉ）に示すように、約２．０μｍ厚のＮｉの膜と約０．２μｍ厚のＡｕの膜を含む導電性材料膜５２を第二電極として形成した。

次に、必要に応じて、導電性材料膜５２による第二電極を分割するための第四溝を形成する（図示なし）。続いて、ＣＶＤ法を用いて、導電性材料膜５２を含めた各溝の第四溝の内側面を０．４μｍ厚のＤＬＣの薄膜で更に被覆して、分割した第二電極間の電気絶縁を取る（図示しない）。

次に、図４（Ｊ）に示すように、上記した圧電材積層体における第一溝１０に垂直な両端面、即ち、空間４の長手方向に垂直な上側端面と下側端面に対して、それぞれ約２．０ｍｍ厚の研磨を施した。この研磨によって、空間４及び導電性材料膜５３が露出された。また研磨によって、その両端面の平面出しも同時にできた。

以上の工程によって、図４（Ｌ）の斜視図で示したような２次元に配列された液室（空間４）が形成された。液室の壁２の内側に導電性材料膜５３の内部電極ができ、液室の壁２の外側に液室の高さ方向に沿って分割された導電性材料膜５１の第一電極と導電性材料膜５２の第二電極ができた。以降の説明において、図４（Ｌ）の構造体を吐出アクチュエータと呼ぶことにする。

次に、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すように、第一電極（５１）と第二電極（５２）と内部電極（５３）をそれぞれ外部に引き出した。なお、「内部電極（５３）」、「第一電極（５１）」、「第二電極（５２）」という表記は、それぞれ、「内部電極（すなわち導電性材料膜５３からなる電極）」、「第一電極（すなわち導電性材料膜５１からなる電極）」、「第二電極（すなわち導電性材料膜５２からなる電極）」を意味する。

これらの電極引き出しに際して、まず、図５（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板からなる配線基板５Ａ上にＴｉとＡｕの薄膜パターンを加工して、接続用電極パッド５４，５５と配線５６，５７を形成した。電極パッド５４と配線５６は第一電極（５１）を引き出すためのもので、各液室壁の第一電極（５１）に対応する位置に形成した。電極パッド５５と配線５７は内部電極（５３）を引き出すためのもので、各液室壁の内部電極（５３）に対応する位置に形成した。図５（Ａ）に示したように、配線基板５Ａの各液室に対応する位置に、液室端部の開口が露出できるように貫通穴５８を形成した。貫通穴５８を形成するために、ＳｉのＲＩＥ技術を用いた。

そして、図５（Ｂ）に示すように、第一電極（５１）と内部電極（５３）を引出すための配線基板５Ａを吐出アクチュエータの上側面すなわち液室壁の上端面に接合した。このとき、配線パッド５４を、対応する第一電極５１と電気的に接続し、配線パッド５５を、対応する内部電極５３と電気的に接続した。接合方法として、半田を介した接合が用いられた。

続いて、図５（Ｃ）に示すように、配線基板５Ａを接合した状態で、研磨で吐出アクチュエータの下側面から圧電材積層体の台座１Ａの部分を除去して、各液室の第二電極（５２）をその下側面より露出させた。

そして、図５（Ｄ）に示すように、配線基板５Ａの接合と同様な要領で、液室の下側端面より第二電極（５２）を引出すための配線基板５Ｂの配線を第二電極（５２）に接合した。配線基板５Ｂは配線基板５Ａと類似する形状で、内部電極（５３）を引出すための配線パッドと配線がないものである。配線基板５Ｂには、各液室の下端面が露出できるように、配線基板５Ａと同様な貫通穴５８を形成した。

次に、ＰＺＴからなる液室壁２を、壁の厚み方向に分極した（図示なし）。このとき、内部電極（５３）を接地し、第一電極（５１）と第二電極（５２）を電源の正極に連結して電界を加えた。このように分極によって、グールド型の液室構造を得た。

次に、図５（Ｆ）に示すように、配線基板５Ａ，５Ｂが接合された吐出アクチュエータに、ノズルプレート６を接合した。この工程では、まず、フォトリソグラフィとめっきによってＮｉからなるノズルプレート６を作製した（図６（Ｅ））。このとき、ノズルプレート６の板厚を３０μｍ、ノズル６Ａの内径を１５μｍとした。そして、図５（Ｆ）に示したように、第１の実施例で示した要領でノズルプレート６を配線基板５Ａに接合した。接合のとき、ノズル６Ａは、ほぼ配線基板５上の貫通穴５８と中心が合うように位置合わせされた。

次に、図５（Ｇ）に示すように、吐出用液体の供給口と回収口（図示なし）を有するマニホールド７を配線基板５Ｂに接着剤で接合した。マニホールド７の主材料としてＳＵＳを使用した。

次に、図５（Ｈ）に示すように、吐出アクチュエータ部分の周囲を密閉するようにジャケット８Ａを、図５（Ｇ）に示した構造体に接合した。接合では、絶縁性接着剤を使用して、ジャケット８を配線基板５Ａと５Ｂに接着した。ジャケット８には２つの貫通穴８Ａを設け、それぞれの貫通穴８Ａに導管をつなぎ、液体の入口と出口とした（図示なし）。液体を入口となる貫通穴８Ａからジャケット８の内部へ流入し、出口となる貫通穴８Ａから流出できるようにした。この流動する液体によって、ジャケット８によって囲まれた吐出アクチュエータ部分の冷却を可能にした。

次に、吐出を制御する電気回路を配線基板５Ａと５Ｂにそれぞれ接続した（図示なし）。このとき、上記の電気回路と配線基板５Ａおよび５Ｂとをフレキシブル配線基板を介して接続した。

以上のように、２次元配列のグールド型液室を有する液滴吐出ヘッドを簡易な方法によって製造することができた。駆動の際、内部電極（５３）を共通電極とし、かつ、各液室の外側にて液室壁２の高さ方向に沿って分割配置された第一電極（５１）と第二電極（５２）を個別電極として、それぞれ独立に駆動させた。これにより、２次元配列のグールド型液室の上部と下部をそれぞれ独立に変位させることができた。

１ 圧電材基板
２ 液室壁
３ 絶縁性材料
４ 液室となる空間
１０ 第一溝
１１ 溝１０の内側面
２０ 第二溝
２１ 溝２０の内側面
３０ 第三溝
３１ 溝３０の内側面
４０ 第四溝
５１ 第一電極を構成する導電性材料膜
５２ 第二電極を構成する導電性材料膜
５３ 内部電極を構成する導電性材料膜
６０ 溝
６１ 溝６０の内側面

Claims (8)

1. 圧電材料の壁で形成された液室と、前記液室の長手方向に沿って前記液室の壁の側面上に配設された複数の電極と、前記液室に連通する吐出口とを有する圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
   深さｄ１、幅ｗ１の第一溝を基板状圧電材に形成する工程と、
   前記第一溝の内側面に第一電極を形成する工程と、
   前記深さｄ１と異なる深さｄ２、前記幅ｗ１と異なる幅ｗ２の第二溝を、前記第一溝と対応するように前記基板状圧電材に形成する工程と、
   前記第一溝及び前記第二溝の少なくとも内側面を絶縁性材料で被覆する工程と、
   前記深さｄ１及び前記深さｄ２と異なる深さｄ３、前記幅ｗ１及び前記幅ｗ２と異なる幅ｗ３の第三溝を、前記第一溝と対応するように前記基板状圧電材に形成する工程と、
   前記第三溝の内側面に第二電極を形成する工程と、
   を有し、
   前記第一溝、第二溝及び第三溝の形成工程によって前記液室の壁の内側面または外側面を形成し、
   前記第一溝、第二溝及び第三溝の各溝の深さ及び幅に関して、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３、かつ、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３ の関係を有するか、または、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３、かつ、ｗ１＜ｗ２＜ｗ３ の関係を有することを特徴とする圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法。
2. 請求項１に記載の圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法において、
   前記第一溝と前記第二溝と前記第三溝とを含む複数の溝を、平行に整列した溝列を成すように形成し、各前記溝の内側の空間を前記液室とすることを特徴とする圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法。
3. 請求項１に記載の圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法において、
   前記第一溝と前記第二溝と前記第三溝とを含む複数の溝を、前記基板状圧電材上の交差する２方向のそれぞれに平行に整列した溝列を成すように形成することにより、前記液室の壁の外側面を形成することを特徴とする圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法。
4. 請求項３に記載の圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法において、
   前記基板状圧電材は、一方の面に溝が形成された複数の圧電材基板を溝同士が対向するように接合してなり、２つの前記圧電材基板の前記溝に挟まれてできた空間が前記液室となることを特徴とする圧電式液滴吐出ヘッドの製造方法。
5. 圧電材料の壁で形成された圧力室と、該圧力室の長手方向に沿って前記圧力室の壁の側面上に配設された複数の電極と、を備える圧電素子の製造方法であって、
   深さｄ１、幅ｗ１の第一溝を基板状圧電材に形成する工程と、
   前記第一溝の内側面に第一電極を形成する工程と、
   前記深さｄ１と異なる深さｄ２、前記幅ｗ１と異なる幅ｗ２の第二溝を、前記第一溝と対応するように前記基板状圧電材に形成する工程と、
   前記第一溝及び前記第二溝の少なくとも内側面を絶縁性材料で被覆する工程と、
   前記深さｄ１及び前記深さｄ２と異なる深さｄ３、前記幅ｗ１及び前記幅ｗ２と異なる幅ｗ３の第三溝を、前記第一溝と対応するように前記基板状圧電材に形成する工程と、
   前記第三溝の内側面に第二電極を形成する工程と、
   を含み、
   前記第一溝、第二溝及び第三溝の形成工程によって前記圧力室の壁の内側面または外側面を形成し、
   前記第一溝、第二溝及び第三溝の各溝の深さ及び幅に関して、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３、かつ、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３ の関係を有するか、または、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３、かつ、ｗ１＜ｗ２＜ｗ３ の関係を有することを特徴とすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
6. 請求項５に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記第一溝と前記第二溝と前記第三溝とを含む複数の溝を、平行に整列した溝列を成すように形成し、各前記溝の内側の空間を前記圧力室とすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
7. 請求項５に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記第一溝と前記第二溝と前記第三溝とを含む複数の溝を、前記基板状圧電材上の交差する２方向のそれぞれに平行に整列した溝列を成すように形成することにより、前記圧力室の壁の外側面を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
8. 請求項７に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記基板状圧電材は、一方の面に溝が形成された複数の圧電材基板を溝同士が対向するように接合してなり、２つの前記圧電材基板の前記溝に挟まれてできた空間が前記液室となることを特徴とする圧電素子の製造方法。