JP6083190B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を変形させることによってノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、圧電素子を備えるアクチュエーターの構造に関する。

従来、圧電素子（圧電アクチュエーター）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から液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。その代表例としては、液滴としてインク滴を噴射す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である圧電アクチュエーターを備え、この圧電アクチュエーターの駆動によって振動板を変形させて圧力発生室に圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射させる。

ここで、圧電アクチュエーターは、振動板上に設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極で構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１７２８７８号公報

このような圧電アクチュエーターは、第１電極と第２電極との間に電圧を印加した際に、圧電体層に圧電歪みが生じる部分（能動部）と、圧電歪みが生じない部分（圧電体非能動部）との境界部分に応力集中が発生する。

また、圧電アクチュエーターを構成する第１電極、圧電体層及び第２電極が圧力発生室の外側まで延設されている構成では、圧電体層に圧電歪みが生じる部分（能動部）において、圧力発生室に対向する部分（可撓部）と、圧力発生室の外側の部分（非可撓部）との境界である圧力発生室の端部で、さらに大きな応力集中が発生し、圧電体層に焼損やクラック等が生じてしまう虞がある。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッド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、圧電体層の破壊を抑制することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置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、圧力発生室を有する基板上に設けられた第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を有し、前記能動部は、前記圧力発生室よりも外側に延設された端部を有し、前記端部の前記圧電体層は、前記能動部の前記端部以外の領域の前記圧電体層よりも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、圧電体層の能動部の端部を厚くすることで、能動部の端部の機械的剛性を向上すると共に、駆動時の能動部の端部での圧電歪みを減少させて、応力集中による圧電体層の破壊を抑制することができる。

ここで、前記圧電体層は、複数の圧電体膜が積層されて構成されていると共に、１層目の圧電体膜以外の前記圧電体膜をパターニングすることで形成されていることが好ましい。これによれば、１層目の圧電体膜以外の圧電体膜をパターニングして圧電体層を形成することで、オーバーエッチングによって第１電極や振動板が薄くなるのを抑制することができる。

また、前記能動部を複数具備すると共に、前記第１電極が各能動部に個別に設けられた個別電極となっており、前記第２電極が複数の前記能動部に亘って連続して設けられた共通電極となっていてもよい。

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、圧電体層の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、基板上に設けられた第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を有し、前記能動部は、前記基板に設けられて当該圧電素子の変位により容量が変化する空間部よりも外側に延設された端部を有し、前記端部の前記圧電体層は、前記能動部の前記端部以外の領域の前記圧電体層よりも厚いことを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、圧電体層の能動部の端部を厚くすることで、能動部の端部の機械的剛性を向上すると共に、駆動時の能動部の端部での圧電歪みを減少させて、応力集中による圧電体層の破壊を抑制することができる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドを示す分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドを示す平面図及び断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドを示す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。 本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの変形例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平面図及び断面図であり、図３は、図２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が備える流路形成基板１０には、本実施形態の空間部である圧力発生室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、第１の方向Ｘに直交する方向を第２の方向Ｙ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。この基板（流路形成基板１０）に設けられた圧電素子３００が本実施形態のアクチュエーター装置となる。

以下、アクチュエーター装置を構成する圧電素子３００について、さらに詳細に説明する。なお、図３は、本発明の実施形態１に係る圧電アクチュエーターの断面図である。

図３に示すように、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、圧電素子３００毎に独立する個別電極を構成する。そして第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。圧力発生室１２の第２の方向Ｙでは、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、金属材料であれば特に限定されないが、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等が好適に用いられる。

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の一端部側（本実施形態では、インク供給路１３側）における圧電体層７０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。圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における圧電体層７０の端部は、第１電極６０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。

なお、圧電体層７０の外側まで延設された第１電極６０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。図示は省略するが、このリード電極９０は、駆動回路等に繋がる接続配線が接続される端子部を構成する。また、圧電体層７０には、各隔壁１１に対向する凹部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の幅方向端部に対向する部分（いわゆる振動板５０の腕部）の剛性が抑えられるため、圧電素子３００を良好に変位させることができる。

圧電体層７０としては、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）が挙げられる。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。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）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。

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。非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（（ＢｉＦｅＯ_３）、略「ＢＦＯ」）、チタン酸バリウム（（ＢａＴｉＯ_３）、略「ＢＴ」）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）（ＮｂＯ₃）、略「ＫＮＮ」）、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（ＮｂＯ₃））、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ)Ｏ₃）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ_1/2Ｋ_1/2）ＴｉＯ₃、略「ＢＫＴ」）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_1/2Ｎａ_1/2）ＴｉＯ₃、略「ＢＮＴ」）、マンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ₃、略「ＢＭ」）、ビスマス、カリウム、チタン及び鉄を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ｘ［（Ｂｉ_ｘＫ_１−ｘ）ＴｉＯ₃］−（１−ｘ）［ＢｉＦｅＯ₃］、略「ＢＫＴ−ＢＦ」）、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３]、略「ＢＦＯ−ＢＴ」）や、これにマンガン、コバルト、クロムなどの金属を添加したもの（（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）Ｏ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３]（Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒ））等が挙げられる。

第２電極８０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、圧電体層７０上に連続して設けられ、複数の圧電素子３００に共通する共通電極を構成する。圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端側における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。また、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。このような第２電極８０の材料は、金属材料であれば特に限定されないが、例えば、イリジウム（Ｉｒ）等が好適に用いられる。

このような構成の圧電素子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３２０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３３０と称し、圧力発生室１２の外側の部分を非可撓部３４０と称する。

本実施形態では、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の第２の方向Ｙにおいて圧力発生室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３３０となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部３４０となっている。

また、圧電体層７０の能動部３１０の端部は、能動部３１０の他の領域に比べて厚さが厚くなった厚膜部７２となっている。すなわち、能動部３１０と非能動部３２０との境界部分の圧電体層７０の厚さは、能動部３１０の第２の方向Ｙにおける中央部側の厚さよりも厚くなっている。ここで、圧電体層７０の厚さとは、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の積層方向のことである。

ここで、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によって規定されており、且つ能動部３１０の第２の方向Ｙの端部は、圧力発生室１２に相対向する領域の外側、すなわち、非可撓部３４０に設けられている。そして、厚膜部７２は、能動部３１０の第２の方向Ｙの両端部に設けられている。つまり、圧電体層７０の厚膜部７２は、能動部３１０と非能動部３２０との境界部分（能動部３１０の端部）に跨って設けられている。

さらに、厚膜部７２は、本実施形態では、圧力発生室１２に相対向する領域の外側、すなわち、非可撓部３４０に設けられている。これにより、厚膜部７２が可撓部３３０の変位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。また、厚膜部７２は、圧電体層７０の第２の方向Ｙの端部まで設けられておらず、圧電体層７０の端部の内側まで設けられている。すなわち、圧電体層７０は、厚膜部７２の外側（端部側）が当該厚膜部７２よりも厚さが薄くなっている。もちろん、厚膜部７２は、これに限定されず、厚膜部７２は、圧電体層７０の端部まで延設されていてもよい。

なお、厚膜部７２は、第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。すなわち、厚膜部７２は複数の能動部３１０に亘って連続して設けられている。

このように、圧電体層７０の能動部３１０と非能動部３２０との境界に厚膜部７２を設けることで、能動部３１０と非能動部３２０との境界における応力集中等に起因する圧電体層７０の破壊を抑制することができる。

ちなみに、能動部３１０と非能動部３２０との境界は、本実施形態では、非可撓部３４０に設けられているため、能動部３１０と非能動部３２０との境界における応力が振動板５０の変形によって開放されない。本実施形態では、厚膜部７２を設けることで、能動部３１０の厚膜部７２よりも薄い領域に比べて、厚膜部７２が設けられた能動部３１０の圧電歪みを減少させることができる。したがって、圧電歪みが生じない非能動部３２０と、高い圧電歪みが生じる能動部３１０の中央部側との間に、中央部に比べて圧電歪みが減少した能動部３１０（厚膜部７２）を設けることができるため、能動部３１０と非能動部３２０との境界部分に応力集中が発生するのを抑制することができる。また、厚膜部７２を設けることで、機械的剛性を向上することができる。したがって、能動部３１０の端部に応力集中に起因する圧電体層７０の焼損やクラック等の破壊を抑制することができる。

なお、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部は、第１電極６０の第１の方向Ｘの端部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３３０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３２０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、本実施形態では、圧電体層７０の能動部３１０の第１の方向Ｘの端部に厚膜部を設ける必要がない。もちろん、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部に厚膜部を設けるようにしてもよいが、厚膜部によって能動部３１０の変形が阻害される虞がある。

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１及び図２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。各圧電素子３００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４〜図８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４（ａ）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二酸化シリコンからなる弾性膜５１を形成した。もちろん、弾性膜５１の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法やＣＶＤ法等によって形成してもよい。

次いで、図４（ｂ）に示すように、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。この弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が形成される。

次いで、図４（ｃ）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、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。

次いで、図５（ａ）に示すように、第１電極６０上にチタン（Ｔｉ）からなる結晶種層６１を形成する。このように第１電極６０の上に結晶種層６１を設けることにより、後の工程で第１電極６０上に結晶種層６１を介して圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の優先配向方位を（１００）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、結晶種層６１は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には圧電体層７０内に拡散するものである。また、本実施形態では、結晶種層６１として、チタン（Ｔｉ）を用いるようにしたが、結晶種層６１は、後の工程で圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の結晶の核となるものであれば、特にこれに限定されず、例えば、結晶種層６１として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いてもよく、チタン及びチタン酸化物以外の材料、例えば、ランタンニッケル酸化物等を用いることもできる。もちろん、第１電極６０と圧電体層７０との間に結晶種層６１が残留するようにしてもよい。また、結晶種層６１は、層状であっても島状であってもよい。

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。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図５（ｂ）に示すように、結晶種層６１上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７３を成膜する。すなわち、第１電極６０（結晶種層６１）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７３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７３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７３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７３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７３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５（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７３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７４を形成する（焼成工程）。この焼成工程では、圧電体前駆体膜７３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７４を得ることができる。

また、第１電極６０上に形成された結晶種層６１は、圧電体膜７４内に拡散する。もちろん、結晶種層６１は、第１電極６０と圧電体膜７４との間にチタンとして残留してもよいし、酸化チタンとして残留してもよい。

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。

次に、図５（ｄ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７４を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４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７４のパターニングは、例えば、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７４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７４を形成しても当該圧電体膜７４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７４も１層目の圧電体膜７４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７４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７４はチタン等の結晶種に比べて２層目以降の圧電体膜７４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７４の結晶成長に大きな影響を与えない。

次に、図６（ａ）に示すように、１層目の圧電体膜７４と第１電極６０とをパターニングした後は、絶縁体膜５２上、第１電極６０の側面、１層目の圧電体膜７４の側面及び圧電体膜７４上に亘って中間結晶種層２００を形成する。中間結晶種層２００は、結晶種層６１と同様に、チタンやランタンニッケル酸化物等を用いることができる。また、中間結晶種層２００は、結晶種層６１と同様に、層状であっても島状であってもよい。

次に、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７４からなる圧電体層７０を形成する。

本実施形態では、まず、図６（ｂ）に示すように、中間結晶種層２００上に２層目の圧電体膜７４を形成した後、２層目の圧電体膜７４を厚膜部となる領域のみに形成されるようにパターニングする。すなわち、１層目の圧電体膜７４上に形成された２層目の圧電体膜７４等をエッチングにより除去する。なお、２層目の圧電体膜７４のエッチングは、ハーフエッチングにより行うことができる。ちなみに、２層目の圧電体膜７４のエッチングでは、エッチング時間を調整することによって中間結晶種層２００を残すように２層目の圧電体膜７４のみをエッチングしてパターニングすることができる。

その後、図６（ｃ）に示すように、２層目の圧電体膜７４上を含む流路形成基板用ウェハー１１０上に亘って３層目以降の圧電体膜７４を形成する。

ちなみに、２層目以降の圧電体膜７４は、絶縁体膜５２上、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４の側面上、及び１層目の圧電体膜７４上に亘って連続して形成される。この２層目以降の圧電体膜７４が形成される領域には、中間結晶種層２００が形成されているため、この中間結晶種層２００によって２層目以降の圧電体膜７４の優先配向を（１００）に制御することができると共に微小粒径で形成することができる。なお、中間結晶種層２００は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には、全てが圧電体層７０に拡散してもよく、また、一部がそのまま又は酸化物として残留してもよい。

このように、圧電体膜７４を積層及びパターニングすることによって厚膜部７２を有する圧電体層７０が形成される。

すなわち、本実施形態では、１層目の圧電体膜７４及び第２電極８０側の最上層の圧電体膜７４以外の圧電体膜７４である２層目の圧電体膜７４をパターニングすることで、厚膜部７２を有する圧電体層７０を形成している。つまり、「１層目の圧電体膜７４及び第２電極８０側の最上層の圧電体膜７４以外の圧電体膜７４をパターニングすることで圧電体層７０を形成する」とは、圧電体層７０に厚膜部７２を形成するためのパターニングのことであり、このパターニングには、後の工程で圧電体層７０を各圧力発生室１２に対応する領域にパターニングすることを指すものではない。

なお、本実施形態では、２層目の圧電体膜７４をパターニングして厚膜部７２を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、１層目の圧電体膜７４以外であれば、２層目以降の何れの圧電体膜７４或いは何れの複数層の圧電体膜７４をパターニングしてもよい。

つまり、例えば、１層目の圧電体膜７４をパターニングした後、２層目以降の圧電体膜７４を積層し、その後、厚膜部７２が形成されるように、その他の領域の表層部分（厚さ方向の一部）をエッチングにより除去するようにしてもよい。

このように、１層目の圧電体膜７４以外の圧電体膜７４をパターニングして圧電体層７０を形成（厚膜部７２を形成）することで、オーバーエッチングによって第１電極６０や振動板５０が薄くなるのを抑制することができる。

ちなみに、後の工程で圧電体層７０を圧力発生室１２に対向する領域にパターニングするが、このときのパターニングでは、圧電体層７０上にマスクを設けて、マスク以外の圧電体層７０を厚さ方向に完全に除去してまうため、エッチングされた面が第２電極８０に直接接触することはなく、マスクに覆われて保護された面が第２電極８０に接触される。したがって、後の工程における圧電体層７０のパターニングは特に問題になることはない。

次に、図７（ａ）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マスク（図示なし）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であっても、ウェットエッチングであってもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、圧電体層７０上及び絶縁体膜５２上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極８０を形成し、所定形状にパターニングして圧電素子３００を形成する。

次に、図７（ｃ）に示すように、リード電極９０を形成すると共に所定形状にパターニングする。

次に、図８（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８（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８（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。

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。

（他の実施形態）
以上、本発明の一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、上述した実施形態では、各圧電素子３００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、圧電素子３００毎に独立して設けられていてもよい。

また、例えば、上述した実施形態１では、第１電極６０を複数の圧電素子３００（能動部３１０）の共通電極とし、第２電極８０を各圧電素子３００（能動部３１０）の個別電極としたが、特にこれに限定されず、例えば、第１電極６０を各能動部３１０の個別電極とし、第２電極８０を複数の能動部３１０の共通電極としてもよい。ここで、このような圧電素子の一例を図９に示す。なお、図９は、本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す第１の方向Ｘの断面図である。

図９に示すように、第１電極６０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いる。また、圧電体層７０も同様に第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。そして、圧電体層７０上に設けられた第２電極８０は、各圧力発生室１２毎に独立して、すなわち、第１の方向Ｘに亘って連続することなく、分割されて設けられている。

このような構成の圧電素子３００では、圧電体層７０の能動部３１０の第１の方向Ｘの端部に、厚膜部７２が設けられている。なお、隣り合う能動部３１０の厚膜部７２同士は連続して設けられている。すなわち、厚膜部７２は、非能動部３２０にも設けられている。このような構成の圧電素子３００であっても、厚膜部７２を設けることで、能動部３１０の端部の応力集中を抑制して圧電素子３００の破壊を抑制することができる。

さらに、例えば、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７４を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７４を形成するようにしてもよい。

また、インクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図１０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。インクジェット式記録ヘッドＩ（図示なし）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に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

そして本発明では、上述のようにインクジェット式記録ヘッドＩを構成する圧電素子３００の破壊を抑制しつつ噴射特性の均一化を図ることができる。結果として、印刷品質を向上し耐久性を高めたインクジェット式記録装置ＩＩを実現することができる。

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、上述の実施形態では、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挙げて本発明を説明したが、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る。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の他、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る。

さらに本発明は、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置に適用することができる。本発明のアクチュエーター装置は、例えば、各種センサー類等にも適用することができる。なお、アクチュエーター装置としては、空間部を有する基板上に形成されるものであれば特に限定されない。

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 凹部、 ７２ 厚膜部、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 ３００ 圧電素子、 ３１０ 能動部、 ３２０ 非能動部、 ３３０ 可撓部、 ３４０ 非可撓部

Claims (5)

1. 圧力発生室を有する基板上に設けられた第１電極と、
   該第１電極上に設けられた圧電体層と、
   該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、
   前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を有し、
   前記能動部は、前記圧力発生室よりも外側に延設された端部を有し、
   前記端部の前記圧電体層は、前記能動部の前記端部以外の領域の前記圧電体層よりも厚いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層は、複数の圧電体膜が積層されて構成されていると共に、１層目の圧電体膜以外の前記圧電体膜をパターニングすることで形成されていることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記能動部を複数具備すると共に、前記第１電極が各能動部に個別に設けられた個別電極となっており、前記第２電極が複数の前記能動部に亘って連続して設けられた共通電極となってい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. 請求項１〜３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。
5. 基板上に設けられた第１電極と、
   該第１電極上に設けられた圧電体層と、
   該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する圧電素子を備え、
   前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれた能動部を有し、
   前記能動部は、前記基板に設けられて当該圧電素子の変位により容量が変化する空間部よりも外側に延設された端部を有し、
   前記端部の前記圧電体層は、前記能動部の前記端部以外の領域の前記圧電体層よりも厚いことを特徴とするアクチュエーター装置。

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