JP5900156B2 - 圧電ダイヤフラムおよびそれを備えたインクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧力室が形成された基板上に圧電薄膜を有する圧電ダイヤフラムと、その圧電ダイヤフラムを備えたインクジェット記録ヘッドとに関するものである。

インクを吐出するアクチュエータ（ダイヤフラム）を有するインクジェット記録ヘッドにおいては、近年益々高レベルな性能が求められており、印字の高密度化、高速化、低コスト化がさらに必要となってきている。印字の高密度化には、ダイヤフラムの小型化、高密度化が有効であり、低コスト化には、ダイヤフラムの小型化、高密度化、低駆動電圧化が有効である。ダイヤフラムの小型化、高密度化、低駆動電圧化には、薄膜圧電素子（圧電薄膜）をダイヤフラムに用いることが有効な手段となるため、このような圧電薄膜を用いたダイヤフラム（圧電ダイヤフラム）の開発に各社とも力を注いでいる。

このような圧電ダイヤフラムの一つが、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の圧電ダイヤフラムでは、圧力室が形成された基板上に圧電薄膜を設けた構成において、基板の厚さ方向に垂直な面内での圧力室の断面形状を、横長の長方形（縦横比の異なる四角形）としている。

特開平１１−７７９９８号公報（請求項１、図１、図３等参照）

ところが、特許文献１では、圧力室の断面形状を四角形とすることで圧力室の四隅に角部が存在するため、この角部付近でインクの流れが滞りやすくなり、また、上記角部に気泡も溜まりやすくなるため、インクの吐出性能が低下する。このようなインクの吐出性能の低下を回避するためには、圧力室断面の外形に、圧力室外側に凸となる形状の曲線部を含ませて、インクや気泡が滞留するような角部を無くすようにすることが有効である。

一方、圧電ダイヤフラムでは、圧電薄膜と基板との密着性が度々問題となる。一般的には、圧電薄膜の成膜条件を調整したり、基板と圧電薄膜との間に密着層を形成することによって、圧電薄膜の密着性を向上させることが可能である。しかし、密着性を向上させるための圧電薄膜の成膜条件の調整は非常に難しく、成膜条件の少しの変化で圧電性能の低下を招くことも多々ある。また、密着性と圧電性能とはトレードオフの関係になることも多いため、成膜条件の調整による密着性向上の効果は、あまり期待できない。また、圧電薄膜はその成膜時に下層の影響を少なからず受けるため、密着層を形成する場合は、密着層が圧電薄膜に悪影響を及ぼし、圧電薄膜の性能低下を招く場合がある。また、密着層という新たな層が構成として増えたり、密着層の形成工程が増えることは、コスト増加にもつながる。

さらに、一般的に、圧電ダイヤフラムを駆動したときの圧電薄膜の剥離応力は、バルクの圧電体の剥離応力よりも大きくなる傾向にあり（剥離応力は電界強度（単位厚み当たりの印加電圧）に比例するため）、膜厚が薄い圧電薄膜は剥離に対して不利な傾向にある。

また、圧力室上方に位置する圧電薄膜は、駆動効率の観点から、圧力室の外形（側壁）よりも内側で上記外形に沿うように形成されるのが一般的であるが、圧力室の断面の縦横比が異なる場合には、圧力室の断面の長軸方向（長手方向）と短軸方向（短手方向）とで、圧電薄膜と圧力室の側壁との距離（クリアランス）を適切に設定しないと、圧電薄膜の剥離応力が短軸方向端部よりも長軸方向端部で大きくなって、長軸方向端部で圧電薄膜が剥離しやすくなることが実験的にわかっている。

特に、上述したように圧力室の外形に曲線部が含まれて、圧電薄膜の少なくとも一部が圧力室の曲線部に沿った曲線部で形成されると、圧電薄膜が曲線部を含まない場合に比べて圧電薄膜の密着性がさらに低下することがわかっており、長軸方向端部で圧電薄膜がさらに剥離しやすくなる。

したがって、断面の縦横比が異なる圧力室の外形に曲線部が含まれ、圧電薄膜の少なくとも一部が圧力室の曲線部に沿うように形成される構成においては、圧電性能の低下やコスト増加を招くことなく、長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減して、圧電薄膜の密着性を確保することが望まれる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、断面の縦横比が異なる圧力室の外形に曲線部が含まれ、圧電薄膜の少なくとも一部が圧力室の曲線部に沿うように形成されている場合でも、長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減することができ、これによって、圧電性能の低下やコスト増加を招くことなく、圧電薄膜の密着性を確保することができる圧電ダイヤフラムと、それを備えたインクジェット記録ヘッドとを提供することにある。

本発明の一側面による圧電ダイヤフラムは、圧力室が形成された基板と、前記基板上に設けられて、少なくとも一部が前記圧力室の上方に位置する圧電薄膜とを有し、前記圧力室の、前記基板の厚さ方向に垂直な断面の縦横比が異なり、前記圧力室の前記断面の外形の少なくとも一部が、該圧力室の外側に凸となる形状の曲線部を含む圧電ダイヤフラムであって、前記圧力室の上方において、前記圧電薄膜の少なくとも一部は、前記圧力室の前記曲線部に沿うように形成されており、前記圧力室の前記断面の長軸方向における、前記圧力室の側壁と前記圧電薄膜との距離をｄ₁μｍ、前記断面の短軸方向における、前記圧力室の側壁と前記圧電薄膜との距離をｄ₂μｍとしたときに、
ｄ₁＞ｄ₂
である。

圧力室の断面の縦横比が異なり、圧力室の外形の少なくとも一部が圧力室外側に凸形状の曲線部を含み、圧力室の上方で圧電薄膜の少なくとも一部が圧力室の曲線部に沿うように形成されている構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、圧電薄膜の成膜条件を調整したり、圧電薄膜の下層に密着層を設けることなく、圧力室の断面の長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減することができる。これにより、成膜条件の調整による圧電性能の低下や、密着層を設けることによるコスト増加を招くことなく、圧電薄膜の密着性を確保することができる。

上記構成において、前記圧力室の前記長軸方向の幅をＬ₁μｍとし、前記短軸方向の幅をＷ₁μｍとしたときに、
１＜Ｌ₁／Ｗ₁＜２
であることが望ましい。

Ｌ₁／Ｗ₁＜２を満足することにより、圧力室の変位体積の急激な低下によるダイヤフラムの駆動効率の急激な低下を回避することができる。なお、圧力室の断面の縦横比は異なっているため、１＜Ｌ₁／Ｗ₁については必然的に満足する。

上記構成において、
ｄ₁＜Ｗ₁／４
であることが望ましい。

ｄ₁が増大するほど、長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減することができるが、ｄ₁がＷ₁／４以上では、剥離応力の低減効果が少なくなる一方で、所定の吐出量を得るための駆動電圧が急激に増大し、駆動効率が低下する。したがって、上記の条件式を満足することにより、剥離応力の低減効果を大きく得ながら、駆動効率の低下を回避することができる。

上記構成において、前記圧力室の前記断面の外形が、前記長軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の直線部を含み、前記曲線部は、前記２本の直線部の一方の端部同士を連結する第１曲線部と、他方の端部同士を連結する第２曲線部とを含む構成であってもよい。

この構成では、圧力室の曲線部（第１曲線部、第２曲線部）は、圧力室の長軸と交わるように位置する。したがって、圧電薄膜の一部は、圧力室の曲線部に沿って、上記長軸と交わるように位置することになる。このような構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、圧電薄膜の上記長軸と交わる部分（曲線部）における剥離応力を低減することができる。

特に、圧力室の第１曲線部および第２曲線部が半円状である場合には、圧電薄膜の一部も圧力室の曲線部に沿って半円状となる。このような構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、圧電薄膜の半円状の部分における剥離応力を低減することができる。

上記構成において、前記圧力室の前記断面の外形が、直線部と前記曲線部とを交互に連結して形成されており、前記直線部は、前記長軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の第１直線部と、前記短軸方向に平行、または前記長軸方向および前記短軸方向の両方向に対して傾斜するように位置する第２直線部とを含んでいてもよい。

この構成では、圧力室の断面の外形は略多角形状となるが、このような圧力室を有する構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減することができる。

上記構成において、前記圧力室の前記断面の外形が、全て前記曲線部で形成されていてもよい。この場合、圧力室上方では、圧電薄膜の全体が圧力室の曲線部に沿う形状で形成されることになる。このような形状の圧力室および圧電薄膜を有する構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減することができる。

特に、圧力室の曲線部が楕円形状である場合には、圧電薄膜も楕円形状となり、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、楕円形状の圧電薄膜の長軸方向端部における剥離応力を低減することができる。

上記構成において、前記圧電薄膜は、前記圧力室の上方から、前記圧力室の前記長軸方向の一端側の側壁上方に引き出されていてもよい。このように、圧電薄膜を圧力室の上方から側壁上方に引き出す構成においても、長軸方向において圧電薄膜の引き出し側とは反対側の端部と圧力室の側壁との距離をｄ₁として、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、圧電薄膜の上記端部における剥離応力を低減することができる。

本発明の一側面によるインクジェット記録ヘッドは、上述した構成の圧電ダイヤフラムと、前記圧電ダイヤフラムの前記圧力室に収容されたインクを吐出するノズル孔が形成されたノズル基板とを有している。

上述した圧電ダイヤフラムによれば、圧電薄膜の成膜条件の調整による圧電性能の低下や、密着層を設けることによるコスト増加を招くことなく、圧電薄膜の密着性を確保することができる。したがって、このような圧電ダイヤフラムを用いることにより、高性能、低コストで、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを実現することができる。

圧力室の断面の縦横比が異なり、圧力室の外形の少なくとも一部が曲線部を含む構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、長軸方向端部における圧電薄膜の剥離応力を低減することができる。これにより、圧電薄膜の少なくとも一部が圧力室の曲線部に沿うように形成されている場合であっても、成膜条件の調整による圧電性能の低下や、密着層を設けることによるコスト増加を招くことなく、圧電薄膜の密着性を確保することができる。

本発明の実施の形態に係る圧電ダイヤフラムの概略の構成を示す平面図および断面図である。 インク吐出に必要な駆動電圧と圧電薄膜の剥離応力の振幅との関係をプロットした説明図である。 駆動電圧の印加時間と圧電薄膜の剥離応力との関係を示すグラフである。 圧力室のＸ軸方向の幅Ｌ₁とＹ軸方向の幅Ｗ₁との比であるＬ₁／Ｗ₁と、圧力室の変位体積との関係を示すグラフである。 Ｘ軸方向における圧力室の側壁と圧電薄膜との距離ｄ₁と、圧電薄膜の剥離応力の振幅との関係を示すとともに、上記距離ｄ₁と駆動電圧との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、上記圧電ダイヤフラムを有するインクジェット記録ヘッドの製造方法における製造工程の一部を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、上記インクジェット記録ヘッドの製造方法における製造工程の残りの一部を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、上記インクジェット記録ヘッドの製造方法における製造工程のさらに残りの一部を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、上記インクジェット記録ヘッドの製造方法における製造工程の残りを示す断面図である。 上記圧電ダイヤフラムの他の構成を示す平面図および断面図である。 上記圧電ダイヤフラムのさらに他の構成を示す平面図である。 上記圧電ダイヤフラムのさらに他の構成を示す平面図である。 上記圧電ダイヤフラムのさらに他の構成を示す平面図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

〔１．圧電ダイヤフラムの構成〕
図１は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラム１０の概略の構成を示す平面図と断面図とを併せて示したものである。圧電ダイヤフラム１０は、基板１上に、絶縁膜２と、下部電極３と、圧電薄膜４と、上部電極５とをこの順で積層して構成されている。

基板１は、単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。基板１には凹部が形成されており、この凹部が吐出媒体としてのインクを収容する圧力室１ａとなっている。圧力室１ａの上壁、つまり、基板１において厚みの薄くなった部分は振動板を構成している。また、基板１において圧力室１ａの周囲は側壁１ｂとなっており、圧力室１ａは側壁１ｂによって囲まれている。

絶縁膜２は、例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）からなり、基板１の保護および絶縁の目的で形成されている。なお、絶縁膜２は、自然酸化膜であってもよいし、基板１の熱酸化によって形成される膜であってもよい。

下部電極３は、Ｔｉ（チタン）およびＰｔ（白金）からなる各層をこの順で積層して構成されている。Ｔｉ層は、絶縁膜２とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｐｔ層は、圧電薄膜４が表面に形成される電極、つまり、圧電薄膜４の下地となる電極である。

圧電薄膜４は、結晶構造がペロブスカイト型のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されている。圧電薄膜４は、下部電極３上に設けられて、圧力室１ａの上方に位置している。

上部電極５は、Ｃｒ（クロム）およびＡｕ（金）からなる各層をこの順で積層して構成されており、圧電薄膜４の形成領域よりも内側に形成されている。Ｃｒ層は、その上層のＡｕ層と圧電薄膜４との密着性を向上させる目的で形成されている。なお、Ｃｒの代わりにＴｉを用いてもよく、Ａｕの代わりにＰｔを用いてもよい。上部電極５および下部電極３は、図示しない制御回路に電気的に接続されている。

上記の構成において、制御回路から、圧電薄膜４を挟む下部電極３および上部電極５に電気信号を印加すると、圧電薄膜４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および圧力室１ａの上壁の振動板が上下に湾曲する。したがって、圧力室１ａ内にインクを収容しておけば、そのインクを外部に吐出させることが可能となり、圧電ダイヤフラム１０をインクジェット記録ヘッド５０（図９（ｂ）参照）のアクチュエータとして用いることができる。

〔２．圧力室および圧電薄膜の形状設定について〕
次に、上記した圧力室１ａおよび圧電薄膜４の形状の設定について説明する。本実施形態では、圧力室１ａの断面の縦横比が異なっている。ここで、圧力室１ａの断面とは、基板１の厚さ方向に垂直な断面を指し、以下でもこの意味で用いるものとする。また、圧力室１ａの断面の縦横比が異なるとは、圧力室１ａの断面内で互いに垂直な２方向において、圧力室１ａの最大幅（直径、内径）が互いに異なっていることを意味する。

つまり、図１では、圧力室１ａの断面内で互いに垂直な２方向を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向としたときに、圧力室１ａにおけるＸ軸方向の幅Ｌ₁（μｍ）とＹ軸方向の幅Ｗ₁（μｍ）とは互いに異なっており、本実施形態では、Ｌ₁＞Ｗ₁である。幅Ｌ₁および幅Ｗ₁がこのような関係であることから、本実施形態では、幅Ｌ₁の方向（Ｘ軸方向）を、長軸方向または長手方向とも称し、Ｘ軸のことを長軸とも称する。また、幅Ｗ₁の方向（Ｙ軸方向）を、短軸方向または短手方向とも称し、Ｙ軸のことを短軸とも称する。

なお、上記のＸ軸およびＹ軸は、広義には、圧力室１ａの断面の中心Ｏを通る基板１に垂直な軸（Ｚ軸（図示せず））に対してそれぞれ垂直で、互いに垂直な２軸である。したがって、Ｘ軸およびＹ軸の表現は、圧力室１ａのみならず、例えば圧電薄膜４についても用いることができるものとする。

また、圧力室１ａの断面の外形の少なくとも一部は、曲線部を含んでいる。より詳しくは、圧力室１ａの断面の外形は、直線部１１と、圧力室１ａの外側（側壁１ｂ側）に凸となる形状の曲線部１２とで構成されている。直線部１１は、Ｘ軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の直線部１１ａ・１１ｂで構成されている。曲線部１２は、Ｙ軸に対して対称に位置する２本の半円状の曲線部１２ａ（第１曲線部）・１２ｂ（第２曲線部）で構成されている。曲線部１２ａは、２本の直線部１１ａ・１１ｂの一方の端部同士を連結し、曲線部１２ｂは、２本の直線部１１ａ・１１ｂの他方の端部同士を連結している。したがって、曲線部１２ａ・１２ｂは、Ｘ軸と交わるようにそれぞれ位置している。また、曲線部１２ａ・１２ｂは、Ｘ軸方向の外側（Ｙ軸側とは反対側）に凸となるようにそれぞれ位置している。

圧力室１ａの上方において、圧電薄膜４の少なくとも一部は、圧力室１ａの曲線部１２に沿うように形成されている。本実施形態では、圧電薄膜４は、その全体が圧力室１ａの外形よりも小さく、かつ、その外形に沿うように形成されており、圧電薄膜４の縦横比（後述するＰ₁とＷ₂との比）も圧力室１ａと同様に異なっている。

このような圧電薄膜４は、直線部２１と曲線部２２とを含んで構成されている。直線部２１は、圧力室１ａの直線部１１に沿い、Ｘ軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の直線部２１ａ・２１ｂで構成されている。曲線部２２は、圧力室１ａの曲線部１２に沿い、Ｙ軸に対して対称に位置する２本の半円状の曲線部２２ａ・２２ｂで構成されている。曲線部２２ａは、２本の直線部２１ａ・２１ｂの一方の端部同士を連結し、曲線部２２ｂは、２本の直線部２１ａ・２１ｂの他方の端部同士を連結している。したがって、曲線部２２ａ・２２ｂは、Ｘ軸と交わるようにそれぞれ位置している。また、曲線部２２ａ・２２ｂは、Ｘ軸方向の外側に凸となるようにそれぞれ位置している。

図１の平面図より、圧力室１ａの外形および圧電薄膜４の外形は、Ｘ軸およびＹ軸の両方に対して対称（線対称）な形状となっていることがわかる。

ここで、Ｘ軸方向における圧力室１ａの側壁１ｂと圧電薄膜４との距離をｄ₁μｍとし、Ｙ軸方向における圧力室１ａの側壁１ｂと圧電薄膜４との距離をｄ₂μｍとする。本実施形態では、
ｄ₁＞ｄ₂
となるように、圧力室１ａおよび圧電薄膜４の形状が設定されている。より具体的には、圧電薄膜４の直線部２１ａ・２１ｂの長さをＬ₂（μｍ）とし、圧電薄膜４のＹ軸方向の幅をＷ₂（μｍ）として、Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｌ₂＝７６μｍ、Ｗ₂＝１９０μｍである。このとき、圧電薄膜４のＸ軸方向の幅Ｐ₁（μｍ）は、Ｌ₂＋Ｗ₂で表され、２６６μｍである。よって、ｄ₁＝（Ｌ₁−Ｐ₁）／２＝３２μｍであり、ｄ₂＝（Ｗ₁−Ｗ₂）／２＝２０μｍである（すなわちｄ₁＞ｄ₂）。なお、本実施形態のこのような数値例を実施例１とする。

図２は、インク吐出に必要な駆動電圧（上下電極間に印加する電圧）と、圧電薄膜４の剥離応力の振幅との関係をプロットした説明図である。なお、実施例１との比較のため、Ｌ₁等の数値を変えて作製した比較例１〜３の圧電ダイヤフラムにおける駆動電圧と剥離応力の振幅との関係を図２に併せて示す。ちなみに、比較例１および３における圧力室１ａの断面形状は真円（縦横比が１）であり、比較例２における圧力室１ａの断面形状は、実施例１と同様に、Ｘ軸方向に長尺状（縦横比が１よりも大きい形状）である。比較例１〜３におけるＬ₁等の具体的な数値は、以下の通りである。

比較例１：Ｌ₁＝Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝Ｗ₂＝２１０μｍ、ｄ₁＝ｄ₂＝１０μｍ
比較例２：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２９０μｍ、Ｗ₂＝１９０μｍ、ｄ₁＝ｄ₂＝２０μｍ
比較例３：Ｌ₁＝Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝Ｗ₂＝１７０μｍ、ｄ₁＝ｄ₂＝３０μｍ

ここで、図３は、駆動電圧として正弦波を印加したときの印加時間と圧電薄膜４の剥離応力との関係を示すグラフである。圧電薄膜４の剥離応力は、圧電薄膜４の初期応力Δσ₀（電圧非印加時に圧電薄膜４にかかっている応力）と、駆動電圧の印加によって発生する剥離応力との和で示される。図２の縦軸における剥離応力の振幅Δσとは、駆動電圧の印加によって発生する剥離応力の変化量、つまり、圧電薄膜４の全体の剥離応力から初期応力Δσ₀を差し引いた部分に相当する。

図２より、圧力室１ａの断面形状が真円の比較例１および３よりも、断面の縦横比が異なる比較例２および実施例１のほうが、剥離応力の振幅Δσが小さくなることがわかる。よって、圧力室１ａは、断面の縦横比が異なる形状、すなわち、直線部１１と曲線部１２とを含む形状であることが望ましいと言える。

次に、圧力室１ａの断面の縦横比が異なる場合において、ｄ₁＝ｄ₂、ｄ₁＞ｄ₂のそれぞれにおいて、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで圧電薄膜４の剥離応力（振幅Δσ）の大きさを調べた。このとき、Ｘ軸方向については、Ｘ軸方向の端部Ａ（図１参照）を評価点として、その端部Ａにおける圧電薄膜４の剥離応力を調べ、Ｙ軸方向については、Ｙ軸方向の端部Ｂ（図１参照）を評価点として、その端部Ｂにおける圧電薄膜４の剥離応力を調べた。その結果を表１（ｄ₁＝ｄ₂の場合）および表２（ｄ₁＞ｄ₂の場合）に示す。

ここで、表１のパターンI、II、IIIは、以下のように各寸法を設定したものである。

パターンI ：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２９０μｍ、Ｗ₂＝１９０μｍ、ｄ₁＝ｄ₂＝２０μｍ
パターンII：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２９０μｍ、Ｗ₂＝１９０μｍ、ｄ₁＝ｄ₂＝２０μｍ（上記各寸法はパターンＩと同じであるが、上部電極５の寸法がパターンＩよりも２０μｍ小さい）
パターンIII ：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２７０μｍ、Ｗ₂＝１７０μｍ、ｄ₁＝ｄ₂＝３０μｍ

また、表２のパターンIV、V、VIは、以下のように各寸法を設定したものである。

パターンIV：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２７０μｍ、Ｗ₂＝１９０μｍ、ｄ₁＝３０μｍ、ｄ₂＝２０μｍ
パターンV ：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２７０μｍ、Ｗ₂＝１９０μｍ、ｄ₁＝３０μｍ、ｄ₂＝２０μｍ（上記各寸法はパターンIVと同じであるが、上部電極５の寸法がパターンIVよりも２０μｍ小さい）
パターンVI：Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ、Ｐ₁＝２４４μｍ、Ｗ₂＝１７０μｍ、ｄ₁＝４３μｍ、ｄ₂＝３０μｍ

表１より、ｄ₁＝ｄ₂の場合は、常にＸ軸方向の端部Ａにおける剥離応力が大きくなることがわかる。したがって、この場合は、圧電薄膜４のＸ軸方向の端部Ａから剥離が発生する。一方、表２より、ｄ₁＞ｄ₂の場合は、端部Ａにおける剥離応力を低減できていることがわかる。したがって、ｄ₁＞ｄ₂とすることで、ダイヤフラム駆動中の圧電薄膜４の剥離を抑制することができる。なお、上記した実施例１は、表２のパターンVの形状に近い。

以上のように、圧力室１ａの断面の縦横比が異なり、圧力室１ａの外形の少なくとも一部が曲線部１２を含む構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、Ｘ軸方向の端部Ａにおける圧電薄膜４の剥離応力を、ｄ₁＝ｄ₂の場合よりも低減することができる。したがって、圧電薄膜４の剥離応力を低減するにあたって、圧電薄膜４の成膜条件を調整したり、圧電薄膜４の下層に密着層を設ける必要がなくなる。

圧力室１ａの上方で、圧電薄膜４が圧力室１ａの外形に沿うように形成されると、圧電薄膜４は、圧力室１ａの曲線部１２に沿う曲線部２２を含むことになるが、このような構成であっても、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、成膜条件の調整による圧電性能の低下や、密着層を設けることによるコスト増加を招くことなく、圧電薄膜４の密着性を確保することができる。その結果、圧電ダイヤフラム１０を用いたインクジェット記録ヘッドの信頼性を向上させることができる。

また、薄膜の圧電体（圧電薄膜４）を用いることで、圧電ダイヤフラム１０の小型化、高密度化、低駆動電圧化が可能となるため、この圧電ダイヤフラム１０をインクジェット記録ヘッドに適用することにより、インクジェット記録ヘッドの小型化、高密度化、低コスト化を達成することができる。そして、小径ドットのインクを低電圧で吐出することができるので、印字の高密度化、高精細化、低コスト化も達成できる。

さらに、圧電薄膜４の密着力の向上を成膜条件だけに頼る必要がなく、圧電薄膜４の成膜条件の設定においては、圧電特性の向上だけに注力することができる。これにより、圧電性能向上のための条件設定幅が広がり、結果として良質な膜を作製し易くなる。

また、本実施形態では、圧力室１ａの断面の縦横比が異なる構成において、圧力室１ａの曲線部１２ａ・１２ｂがＸ軸と交わるように位置し、圧電薄膜４の曲線部２２ａ・２２ｂもＸ軸と交わるように位置している。したがって、ｄ₁＞ｄ₂とすることで、Ｘ軸と交わる上記曲線部２２ａ・２２ｂでの剥離応力を低減することができる。特に、圧電薄膜４の曲線部２２ａ・２２ｂが半円状である構成において、上記の効果を得ることができる。

〔３．Ｌ₁／Ｗ₁の望ましい範囲について〕
図４は、表２のパターンV（ｄ₁＝３０μｍ、ｄ₂＝２０μｍ）においてＬ₁／Ｗ₁を変化させたときの、Ｌ₁／Ｗ₁と圧力室１ａの変位体積（インク吐出量）との関係を示すグラフである。なお、このときの圧力室１ａの断面の面積は一定とし、駆動電圧も一定とする。また、図４の縦軸の変位体積は、圧力室１ａの断面の縦横比が１の場合の変位体積を１として規格化して示している。

同図より、Ｌ₁／Ｗ₁が２以上となると、変位体積が急激に小さくなり、ダイヤフラムの駆動効率が急激に低下することがわかる。このように、Ｌ₁／Ｗ₁が２以上では、駆動効率が急激に低下するため、Ｌ₁／Ｗ₁＝１の場合と同じ駆動電圧で、Ｌ₁／Ｗ₁＝１の場合と同じ変位体積を発生させようとすると、Ｌ₁／Ｗ₁＝１の場合よりも圧力室１ａの断面の面積を増大させる必要がある。したがって、前述した特許文献１のように、圧力室が細長い形状の場合、本実施形態と同じ変位体積を得るためには、圧力室の面積を増大させる必要が生じる。

一方、吐出媒体であるインクには、圧力を受けた際に自身が圧縮して圧力を吸収する（損失する）作用がある。このため、上記のように圧力室の断面の面積を増大させると、圧力を受けるインクの量も多くなり（圧力を吸収するインクの量も多くなり）、インクの吐出効率が低下する。

したがって、変位体積の急激な低下による駆動効率の急激な低下、およびインクの圧縮作用による吐出効率の低下を回避するためには、Ｌ₁／Ｗ₁＜２であることが望ましい。なお、本実施形態では、圧力室１ａの断面の縦横比は異なっているため、Ｌ₁／Ｗ₁＞１である。よって、これらをまとめると、１＜Ｌ₁／Ｗ₁＜２を満足することが望ましいと言える。

なお、図４においては、Ｌ₁／Ｗ₁が４以上である場合も、変位体積は徐々に小さくなり、例えばＬ₁／Ｗ₁＝１６では、変位体積はＬ₁／Ｗ₁＝１のときを基準にして０．２程度となる。つまり、図４では、変位体積は０．４に漸近しているわけではない。

〔４．ｄ₁の望ましい範囲について〕
図５は、表２のパターンV（Ｌ₁＝３３０μｍ、Ｗ₁＝２３０μｍ）においてｄ₁を変化させたときの、そのｄ₁と、Ｘ軸方向の端部Ａにおける圧電薄膜４の剥離応力の振幅Δσとの関係を示すとともに、ｄ₁と、所定量のインク滴を吐出するために必要な駆動電圧との関係を示すグラフである。

同図より、ｄ₁が増大するほど、端部Ａにおける圧電薄膜４の剥離応力を低減することができるが、ｄ₁がＷ₁／４以上では、剥離応力の低減効果が少なくなり、その一方で、所定の吐出量を得るための駆動電圧が急激に増大し、駆動効率が低下する。したがって、剥離応力の低減効果を大きく得ながら、駆動効率の低下を回避するためには、ｄ₁＜Ｗ₁／４を満足することが望ましいと言える。

〔５．インクジェット記録ヘッドの製造方法〕
次に、上記した圧電ダイヤフラム１０を有するインクジェット記録ヘッド５０の製造方法について説明する。図６〜図９は、インクジェット記録ヘッド５０の製造方法における各製造工程を示す断面図である。なお、以下で示す膜厚等の数値は全て一例であり、これらの数値に限定されるわけではない。

まず、図６（ａ）に示すように、絶縁膜２として熱酸化膜（厚さ２μｍ）が両面に付いたＳｉからなる基板１（厚さ２００μｍ）を用意する。そして、図６（ｂ）に示すように、基板１の裏面に、ＳｉＯ₂（厚さ２μｍ）からなる絶縁膜２ａを、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法、すなわち、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料ガスとして用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で成膜する。

続いて、図６（ｃ）に示すように、基板１の裏面側の絶縁膜２ａ上に、レジストを塗布して露光、現像を行い、レジストパターン７を得る。このレジストパターン７は、後述の工程で圧力室１ａを加工形成するためのパターンである。そして、図６（ｄ）に示すように、レジストパターン７をマスクパターンとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）装置にて、トリフルオロメタン（ＣＨＦ₃）ガスを用いて絶縁膜２・２ａをドライエッチングし、レジストで保護されていないＳｉＯ₂層を除去する。

次に、図７（ａ）に示すように、基板１の表面（絶縁膜２ａとは反対側の面）に、Ｔｉ（厚さ２０ｎｍ）、Ｐｔ（厚さ１００ｎｍ）の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極３を形成する。さらに、図７（ｂ）に示すように、下部電極３上に、ＰＺＴ（厚さ５μｍ）をスパッタ法で６００℃の温度で成膜し、圧電薄膜４を形成する。成膜した膜（ＰＺＴ膜）は、良好な圧電特性が得られるペロブスカイト相を有し、基板１の面に垂直な＜１００＞方向に配向している。

続いて、図７（ｃ）に示すように、圧電薄膜４上に、上部電極５をパターニングするためのリフトオフ用のレジストパターン８を形成する。そして、図７（ｄ）に示すように、レジストパターン８上およびレジストパターン８の形成されていない圧電薄膜４上に、Ｃｒ（厚さ１０ｎｍ）およびＡｕ（厚さ９０ｎｍ）の各層を蒸着法で順に成膜し、上部電極５を形成する。

その後、図８（ａ）に示すように、基板１を剥離液に浸漬し、レジストパターン８を剥離する。その結果、リフトオフによってパターニングされた上部電極５が得られる。次に、図８（ｂ）に示すように、上部電極５を覆うように、圧電薄膜４をパターニングするためのレジストパターン９を形成する。そして、図８（ｃ）に示すように、基板１をフッ硝酸に浸漬して圧電薄膜４をエッチングし、パターニングする。

次に、図９（ａ）に示すように、基板１の裏面の絶縁膜２・２ａのパターンをマスクとして、基板１をＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma；誘導結合プラズマ）装置のボッシュプロセスで深堀加工し、圧力室１ａを作製する。これにより、圧電ダイヤフラム１０が完成する。

最後に、圧電ダイヤフラム１０の基板１とガラス基板３１（厚さ２００μｍ）とを陽極接合により貼り合わせ、上記のガラス基板３１とＳｉ基板からなるノズル基板（厚さ３００μｍ）とを陽極接合により貼り合わせることにより、インクジェット記録ヘッド５０が完成する。上記のガラス基板３１には、直径１００μｍの孔３１ａが空いており、上記のノズル基板３２には、圧力室１ａに収容されたインクを吐出するためのノズル孔３２ａとして、直径５０μｍおよび直径２０μｍの２段孔が形成されている。圧力室１ａ内のインクは、ガラス基板３１の孔３１ａおよびノズル基板３２のノズル孔３２ａを介して外部に吐出されることになる。

上述した圧電ダイヤフラム１０の構成によれば、圧電薄膜４の成膜条件の調整による圧電性能の低下や、密着層を設けることによるコスト増加を招くことなく、圧電薄膜４の密着性を確保することができる。したがって、このような圧電ダイヤフラム１０を用いることにより、高性能、低コストで、信頼性の高いインクジェット記録ヘッド５０を実現することができる。

〔６．圧電ダイヤフラムの他の構成〕
図１０は、圧電ダイヤフラム１０の他の構成を示す平面図および断面図である。同図に示すように、圧電薄膜４は、圧力室１ａの上方から、圧力室１ａのＸ軸方向の一端側の側壁１ｂの上方に引き出されていてもよい。この構成では、圧電薄膜４上に形成される上部電極５を、圧力室１ａの上方から、圧力室１ａのＸ軸方向の一端側の側壁１ｂの上方に引き出すことが可能となる。

このような構成では、Ｘ軸方向において圧電薄膜４の引き出し側とは反対側の端部Ａと圧力室１ａの側壁１ｂとの距離をｄ₁として、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、引き出し側とは反対側の端部Ａにおける圧電薄膜４の剥離応力を低減することができる。

特に、図１０の構成では、圧電薄膜４を圧力室１ａの上方から側壁１ｂの上方に引き出すために、圧電薄膜４の全体ではなく、その一部のみが圧力室１ａの外形（曲線部１２を含む）に沿う形状となっているが、この場合であっても、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、上記の効果を得ることができる。

なお、図１０の構成において、圧電薄膜４の引き出し側の端部では、反対側の端部Ａのように、剥離応力が集中するポイントが無いため、剥離応力が端部Ａよりも大きくなることはない。したがって、剥離応力については、端部Ａでの剥離応力のみを考慮すればよい。

以上で説明した圧電ダイヤフラム１０においては、圧力室１ａの曲線部１２および圧電薄膜４の曲線部２２がＸ軸上に位置する例であるが、曲線部１２および曲線部２２はＸ軸上に位置していなくてもよい。

図１１および図１２は、圧電ダイヤフラム１０のさらに他の構成を示す平面図である。これらの図に示すように、圧力室１ａの断面の外形が、直線部１３と曲線部１２とを交互に連結して形成されていてもよい。そして、直線部１３は、Ｘ軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の第１直線部１３ａ・１３ａと、Ｙ軸方向に平行、またはＸ軸方向およびＹ軸方向の両方向に対して傾斜するように位置する第２直線部１３ｂとを含んでいてもよい。ここで、第１直線部１３ａは、第２直線部１３ｂよりも長いものとする。

なお、第２直線部１３ｂの本数は特に限定されるわけではなく、図１１に示すように、Ｙ軸と平行に位置する２本だけであってもよいし、図１２のように、Ｙ軸と平行に位置する２本に、Ｘ軸およびＹ軸の両方に対して（９０°以外の角度で）傾斜する４本を加えた計６本であってもよいし、図示はしないがそれ以上の本数であってもよい。圧力室１ａの外形は、第２直線部１３ｂの本数に応じた略多角形状（多角形の各角部にアールが付けられた形状）となり、圧電薄膜４も、圧力室１ａの外形に沿った略多角形状となる。つまり、圧電薄膜４の外形は、圧力室１ａの外形に沿って、直線部２１と曲線部２２とを交互に連結した形状となる。

このような構成であっても、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、Ｘ軸方向端部における圧電薄膜４の剥離応力を低減することができる。

また、図１３は、圧電ダイヤフラム１０のさらに他の構成を示す平面図である。同図に示すように、圧力室１ａの断面の外形が、全て曲線部１２で形成されていてもよい。図１３では、曲線部１２は楕円形状となっている。

この場合、圧力室１ａの上方では、圧電薄膜４の外形も、圧力室１ａの外形に沿った楕円形状の曲線部２２で形成されることになり、その曲線部２２の一部がＸ軸と交わる。このような構成において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、圧電薄膜４のＸ軸と交わる端部での剥離応力を低減することができる。特に、圧力室１ａの曲線部１２が楕円形状であり、圧電薄膜４の曲線部２２が楕円形状となる場合において、ｄ₁＞ｄ₂を満足することにより、上記の効果を得ることができる。

なお、図１０〜図１３の構成において、さらに、１＜Ｌ₁／Ｗ₁＜２や、ｄ１＜Ｗ₁／４を満足することによって、上述した効果が得られるのは勿論のことである。

なお、圧電薄膜４を圧力室１ａの上方から側壁１ｂの上方に引き出す図１０の構成を、図１１〜図１３の構成に適用することも勿論可能である。

本発明の圧電ダイヤフラムは、例えばインクジェット記録ヘッドに利用可能である。

１ 基板
１ａ 圧力室
１ｂ 側壁
４ 圧電薄膜
１０ 圧電ダイヤフラム
１１ 直線部
１１ａ 直線部
１１ｂ 直線部
１２ 曲線部
１２ａ 曲線部
１２ｂ 曲線部
１３ 直線部
１３ａ 第１直線部
１３ｂ 第２直線部
３２ ノズル基板
３２ａ ノズル孔
５０ インクジェット記録ヘッド

Claims (11)

1. 圧力室が形成された基板と、
   前記基板上に設けられて、少なくとも一部が前記圧力室の上方に位置する圧電薄膜とを有し、
   前記圧力室の、前記基板の厚さ方向に垂直な断面の縦横比が異なり、前記圧力室の前記断面の外形の少なくとも一部が、該圧力室の外側に凸となる形状の曲線部を含む圧電ダイヤフラムであって、
   前記圧電薄膜は、結晶構造がペロブスカイト型のチタン酸ジルコン酸鉛で構成されており、
   前記圧力室の上方において、前記圧電薄膜の少なくとも一部は、前記圧力室の前記曲線部に沿うように形成されており、
   前記圧力室の前記断面の長軸方向における、前記圧力室の側壁と前記圧電薄膜との最短距離をｄ₁μｍ、前記断面の短軸方向における、前記圧力室の側壁と前記圧電薄膜との最短距離をｄ₂μｍとしたときに、
   ｄ₁＞ｄ₂
   であることを特徴とする圧電ダイヤフラム。
2. 前記圧力室の前記長軸方向の幅をＬ₁μｍとし、前記短軸方向の幅をＷ₁μｍとしたときに、
   １＜Ｌ₁／Ｗ₁＜２
   であることを特徴とする請求項１に記載の圧電ダイヤフラム。
3. ｄ₁＜Ｗ₁／４
   であることを特徴とする請求項２に記載の圧電ダイヤフラム。
4. 前記圧力室の前記断面の外形が、前記長軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の直線部を含み、
   前記曲線部は、前記２本の直線部の一方の端部同士を連結する第１曲線部と、他方の端部同士を連結する第２曲線部とを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電ダイヤフラム。
5. 前記第１曲線部および前記第２曲線部は、半円状であることを特徴とする請求項４に記載の圧電ダイヤフラム。
6. 前記圧力室の前記断面の外形が、直線部と前記曲線部とを交互に連結して形成されており、
   前記直線部は、前記長軸方向に平行に位置して互いに対向する２本の第１直線部と、前記短軸方向に平行、または前記長軸方向および前記短軸方向の両方向に対して傾斜するように位置する第２直線部とを含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電ダイヤフラム。
7. 前記圧力室の前記断面の外形が、全て前記曲線部で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電ダイヤフラム。
8. 前記曲線部は、楕円形状であることを特徴とする請求項７に記載の圧電ダイヤフラム。
9. 前記圧電薄膜は、前記圧力室の上方から、前記圧力室の前記長軸方向の一端側の側壁上方に引き出されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電ダイヤフラム。
10. 前記圧力室の前記長軸方向の幅をＬ ₁ μｍとし、前記短軸方向の幅をＷ ₁ μｍとし、
    前記圧電薄膜の前記長軸方向の幅をＰ ₁ μｍとし、前記短軸方向の幅をＷ ₂ μｍとしたとき、
    ｄ ₁ ＝（Ｌ ₁ −Ｐ ₁ ）／２
    ｄ ₂ ＝（Ｗ ₁ −Ｗ ₂ ）／２
    であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の圧電ダイヤフラム。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の圧電ダイヤフラムと、
    前記圧電ダイヤフラムの前記圧力室に収容されたインクを吐出するノズル孔が形成されたノズル基板とを有していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。

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