JP6146515B2 - 液体噴射ヘッド、圧電デバイスおよび液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射ヘッド、圧電デバイスおよび液体噴射装置に関する。

液体を噴射するためのノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、圧電体層、圧電体層の下方側に形成された下電極および圧電体層の上方側に形成された上電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドが知られている（特許文献１，２参照）。このような液体噴射ヘッドでは、下電極を圧力発生室毎に対応した個別電極とし、上電極を複数の圧力発生室に対応する複数の圧電素子にとっての共通電極としている。

特開２００９‐１７２８７８号公報 特開２００９‐１９６３２９号公報

上記圧電素子は、両電極間に電圧が印加されることにより変位し、圧力発生室内へ撓む。このように撓む際、圧電素子における上電極、圧電体層および下電極が重なる範囲（能動部）と、能動部では無い部分（非能動部）との境界位置には大きな応力が発生し、この応力によって当該位置には歪みが集中してしまう。このような歪みの集中は、場合によっては圧電素子を構成する圧電体層にひび割れ（クラック）等の不良を生じさせ得るため、当該不良の発生を防止するための工夫が求められていた。また、当該不良発生の防止とともに、圧電素子の撓みに応じて振動板が変形することにより圧力発生室内からノズル開口外へ排除（噴射）される液体量を増加させて液体噴射ヘッドの性能をより向上させることも求められていた。

本発明は少なくとも上記課題の一つを解決するためになされたものであり、圧電体層のクラック等の不良発生を抑制し、また、上記噴射される液体量の増加を実現することが可能な液体噴射ヘッド、圧電デバイスおよび液体噴射装置を提供する。

本発明の態様の一つは、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記圧力発生室に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の第１電極が形成された側とは逆側において複数の前記圧力発生室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記第２電極は、前記圧力発生室の長手方向において前記圧力発生室の外側まで延出して形成されている。
当該構成によれば、第２電極は圧力発生室の長手方向において圧力発生室の外側まで延出して形成されている。そのため、第２電極が当該長手方向において圧力発生室を越えない範囲にしか形成されていない場合と比較して、圧電素子における上記境界位置への歪みの集中が緩和され、クラック等の不良発生が抑制される。また、圧電素子のクラック等への耐性が従来よりも向上することで、圧電素子の耐電圧も向上する。

本発明の態様の一つは、前記第１電極と、前記圧電体層と、前記第２電極と、が重なる範囲が、前記長手方向において前記圧力発生室の外側まで延出して形成されているとしてもよい。つまり、第１電極、圧電体層および第２電極が重なる範囲（能動部）が、電圧が印加された際に駆動する部位であるため、能動部を当該長手方向において圧力発生室の外側まで延出させることで、圧電素子における上記境界位置への歪みの集中が緩和され、クラック等の不良発生が抑制される。

本発明の態様の一つは、前記圧力発生室間に略対応する領域において前記圧電体層を除去した圧電体層の開口部を形成し、当該開口部は、前記長手方向において前記圧力発生室の端よりも外側まで形成されているとしてもよい。当該構成によれば、開口部が当該長手方向において圧力発生室の端よりも外側まで形成されているため、圧力発生室の端付近における圧電素子の変位量が向上し、結果、圧電素子の撓みに応じて噴射される液体量が増加する。

本発明の態様の一つは、前記第２電極に対して積層されて配線として機能する金属層が、前記圧力発生室の内外を跨ぐ位置に形成されているとしてもよい。当該構成によれば、金属層が圧力発生室の内外を跨ぐ位置に形成されることで、圧電素子における上記境界位置への歪みの集中がさらに緩和され、クラック等の不良発生が抑制される。

さらに本発明は以下の各態様であってもよい。
ノズル開口に連通し隔壁によって区画される第１の圧力発生室と第２の圧力発生室とが形成された基板と、圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記圧力発生室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記第１の圧力発生室及び前記第２の圧力発生室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、前記基板の前記圧電素子側に設けられる振動板と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記第２電極は、前記第１の圧力発生室の長手方向の一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、前記第２電極は、前記第２の圧力発生室の前記長手方向の前記一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、前記第１の圧力発生室と前記第２の圧力発生室は、前記長手方向に直交する方向に沿って並設されており、前記第１の圧力発生室と前記第２の圧力発生室との間において前記圧電体層の開口部が形成されており、当該開口部の前記長手方向の前記一方側の端部は、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の圧力発生室の端部より内側、かつ、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の圧力発生室の端部より内側に形成されている液体噴射ヘッド。
前記開口部は六角形の形状を有する液体噴射ヘッド。
前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲が、前記長手方向の前記一方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の圧力発生室の端部の外側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されている液体噴射ヘッド。
前記第２電極は、前記第１の圧力発生室の長手方向の他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、前記第２電極は、前記第２の圧力発生室の前記長手方向の前記他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、前記開口部の前記長手方向の前記他方側の端部は、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の圧力発生室の端部より内側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の圧力発生室の端部より内側に形成されている液体噴射ヘッド。
ノズル開口に連通し隔壁によって区画される複数の圧力発生室が形成された基板と、圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記圧力発生室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記複数の圧力発生室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記複数の圧力発生室は、前記圧力発生室の長手方向に直交する方向に沿って並設されており、前記圧力発生室間において前記圧電体層の開口部が形成されており、前記基板の前記圧電素子が設けられる側の面に垂直な方向からみたとき、前記長手方向における前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲の距離をＬ１、前記長手方向における前記圧力発生室を区画する隔壁間の距離をＬ２、前記長手方向における前記開口部の長さをＬ３としたときに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係を有する液体噴射ヘッド。
隔壁によって区画される第１の室と第２の室が形成された基板と、圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記第１の室及び前記第２の室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、前記基板の前記圧電素子側に設けられる振動板と、を備える圧電デバイスであって、前記第２電極は、前記第１の室の長手方向の一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の室の端部の外側まで延出して形成されており、前記第２電極は、前記第２の室の前記長手方向の前記一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の室の端部の外側まで延出して形成されており、前記第１の室と前記第２の室は、前記長手方向に直交する方向に沿って並設されており、前記第１の室と前記第２の室との間において前記圧電体層の開口部が形成されており、当該開口部の前記長手方向の前記一方側の端部は、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の室の端部より内側、かつ、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の室の端部より内側に形成されている圧電デバイス。
前記開口部は六角形の形状を有する圧電デバイス。
前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲が、前記長手方向の前記一方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の室の端部の外側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の室の端部の外側まで延出して形成されている圧電デバイス。
前記第２電極は、前記第１の室の長手方向の他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の室の端部の外側まで延出して形成されており、前記第２電極は、前記第２の室の前記長手方向の前記他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の室の端部の外側まで延出して形成されており、前記開口部の前記長手方向の前記他方側の端部は、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の室の端部より内側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の室の端部より内側に形成されている圧電デバイス。
隔壁によって区画される複数の室が形成された基板と、圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記複数の室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、を備える圧電デバイスであって、前記複数の室は、前記室の長手方向に直交する方向に沿って並設されており、前記室間において前記圧電体層の開口部が形成されており、前記基板の前記圧電素子が設けられる側の面に垂直な方向からみたとき、前記長手方向における前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲の距離をＬ１、前記長手方向における前記室を区画する隔壁間の距離をＬ２、前記長手方向における前記開口部の長さをＬ３としたときに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係を有する圧電デバイス。
本発明にかかる技術的思想は液体噴射ヘッドという形態のみで実現されるものではなく、例えば、上述したいずれかの態様の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置も、一つの発明として把握することができる。また、上述したようないずれかの態様の圧電素子や液体噴射ヘッドや液体噴射装置の製造過程を含む製造方法（圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射装置の製造方法など）の発明も把握することができる。

記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。 記録ヘッドの長手方向に平行な面による断面図である。 基板上の一部領域についての平面図である。 図３における各線による断面図である。 圧電素子の製造過程の一部を順に示す図である。 圧電素子の製造過程の一部を順に示す図である。 変形例にかかる基板上の一部領域についての平面図である。 変形例による効果を説明するための図である。 インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
１．液体噴射ヘッドの概略構成
図１は、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１（以下、記録ヘッド１）の概略を、分解斜視図により示している。
図２は、記録ヘッド１における圧力発生室１２の長手方向に平行な面であって一つの圧力発生室１２に対応する下電極膜２を通過する面による垂直断面図を示している。
記録ヘッド１は、基板（流路形成基板）１０を備える。基板１０は、例えばシリコン単結晶基板からなり、その一方側の面には、振動板５０が形成されている。振動板５０は、例えば、基板１０に接する酸化膜からなる弾性膜５１と、弾性膜５１とは異なる材料の酸化膜からなり弾性膜５１に積層される絶縁体膜５５とを含む。基板１０には、隔壁１１によって区画されて一方側の面が振動板５０で閉じられた複数の圧力発生室１２が、その短手方向（幅方向）に並設されている。

基板１０には、圧力発生室１２の長手方向の一端側に、隔壁１１によって区画されて各圧力発生室１２に連通するインク供給路１４が設けられている。インク供給路１４の外側には、各インク供給路１４と連通する連通部１３が設けられている。連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバ部３１と連通して、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ９の一部を構成する。

インク供給路１４は、上記幅方向における断面積が圧力発生室１２よりも狭くなるように形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、インク供給路１４の断面積は、上記幅方向において絞るのではなく、基板１０の厚さ方向において絞ることで、圧力発生室１２の断面積よりも狭くなるようにしてもよい。基板１０の材料としては、シリコン単結晶基板に限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いても良い。

基板１０の、振動板５０が形成される面とは逆側の面には、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固着されている。ノズルプレート２０においては、各圧力発生室１２に対応して、上記長手方向の他端側近傍に連通するノズル開口２１が穿設されている。ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

振動板５０の、基板１０とは逆側の面には、下電極膜２と、圧電体層５と、上電極膜４とを有する圧電素子３が複数上記幅方向に並んで形成されている。圧電素子３は、各圧力発生室１２に対応して形成されている。下電極膜２は、圧電体層３の基板１０側において圧力発生室１２毎に対応して形成された第１電極に該当する。一方、上電極膜４は、圧電体層５の第１電極が形成された側とは逆側において複数の圧力発生室１２に対応する領域に亘って形成された第２電極に該当する。圧電素子３は、下電極膜２、圧電体層５及び上電極膜４が重なる範囲（能動部）を含む。また、圧電素子３と当該圧電素子３の駆動により変位が生じる振動板５０とを合わせてアクチュエータ装置と称する。一般的に圧電素子３は、圧電体層５を挟むいずれか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を個別電極として構成されるが、本実施形態では、下電極膜２が各圧力発生室１２に対応する圧電素子３毎の個別電極であり、上電極膜４が各圧力発生室１２に対応する各圧電素子３にとっての共通電極である。

また図１に示したように、圧電体層５には、圧電体層５が除去されて凹部となった開口部５ａが複数形成されている。複数の開口部５ａは上記幅方向に並んでおり、圧力発生室１２間に略対応する領域に形成されている。言い換えると、開口部５ａと開口部５ａとの間に、能動部を含み一つの圧力発生室１２に対応する圧電素子３が形成されている。なお、開口部５ａの表面は上電極膜４によって覆われている。

さらに、振動板５０の圧電素子３が形成される側には、コンプライアンス基板４０が固着された保護基板３０が固着されている。本実施形態では、記録ヘッド１のコンプライアンス基板４０側を上側、ノズルプレート２０側を下側として適宜説明を行なう。
圧電素子３が形成された振動板５０上には、圧電素子３に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３２を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。圧電素子３は、圧電素子保持部３２内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護される。また、保護基板３０には、基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３１が設けられている。リザーバ部３１は、例えば、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に沿って設けられており、上述したように基板１０の連通部１３と連通してリザーバ９を構成している。保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

さらに、図２に示すように、共通電極としての上電極膜４に対してはリード電極６０が接続しており、個別電極としての下電極膜２に対してはリード電極６１が接続している。図１では、リード電極６０，６１やリード電極６１を下電極膜２に接続するために圧電体層５を貫通するスルーホール５ｂ（後述）等については図示を省略している。リード電極６０，６１は、不図示のリード線等を介して、圧電素子３を駆動するための駆動ＩＣ等を実装した駆動回路１２０（図１）に接続される。リード電極６０は、第２電極に対して積層されて配線として機能する金属層に該当する。なお図２の例では、個別電極に接続するリード電極６１を、上記長手方向の他端側に配置した構成を示したが、当該リード電極６１の位置は上記長手方向の一端側であってもよい。

保護基板３０上には、更に、封止膜４１及び固定板４２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によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。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のリザーバ９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、リザーバ９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。

このような記録ヘッド１では、図示しない外部のインク供給手段からインクを取り込み、リザーバ９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、上記駆動ＩＣ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圧電素子３に電圧を印加し、圧電素子３を撓み変形させる。その結果、各圧力発生室１２内の圧力が高まり、ノズル開口２１からインク滴（液体）が吐出（噴射）する。

２．能動部の形成範囲
次に、本実施形態にかかる圧電素子３の構造について図１，２および以下の図３，４に基づいて詳しく説明する。図３は、基板１０上の一部領域であって一つの圧力発生室１２に対応する圧電素子３が形成された領域についての平面図である。図４Ａは、図３におけるＡ‐Ａ´線による垂直断面図、図４Ｂは、図３におけるＢ‐Ｂ´線による垂直断面図、図４Ｃは、図３におけるＣ‐Ｃ´線による垂直断面図をそれぞれ示している。

図３では、圧力発生室１２およびそれに連通するインク供給路１４の形状を、２点鎖線により例示している。なお、図３に示した圧力発生室１２およびインク供給路１４の形状は、図１，２に示したものと若干異なるが、どちらに示した形状を採用してもよい。また図３では、個別電極としての下電極膜２の範囲を細い鎖線で例示し、圧電体層５の範囲を太い鎖線で例示し、共通電極としての上電極膜４の範囲をグレーで塗ることにより例示している。さらに図３では、上電極膜４の一部に積層されるリード電極６０の範囲および圧電体層５の一部に積層されるリード電極６１の範囲を、ハッチングを付すことにより例示している。圧電体層５の一部には上記スルーホール５ｂが形成されており、リード電極６１は、スルーホール５ｂを介して下電極膜２と電気的に接続している。

下電極膜２は、上記幅方向においては圧力発生室１２の幅に収まるように形成され、上記長手方向においては圧力発生室１２よりも長く形成されている。具体的には、上記長手方向の一端側では、下電極膜２の端部はインク供給路１４の位置まで延伸しており、上記長手方向の他端側では、下電極膜２の端部は圧力発生室１２の端よりも外側へ延伸している。また、下電極膜２は、スルーホール５ｂと相対する範囲を除いて圧電体層５に覆われている。これにより、下電極膜２からのリーク電流が極力抑えられ、また、当該リーク電流を抑制するための特別な措置（例えば、酸化アルミニウム等の保護膜による保護）を施す手間を省くことができる。

圧力発生室１２の上記幅方向における両側の隔壁１１上に略対応する領域の一部では、上述の開口部５ａが形成されており、図４Ｂからも判るように圧電体層５が除去されている。かかる開口部５ａの存在により、圧力発生室１２上の圧電体層５は、大部分において圧力発生室１２の幅に収まるように形成されている。一方、上記長手方向においては、圧電体層５の両端は圧力発生室１２の外側まで延出して形成されており、圧力発生室１２の長さを完全にカバーしている。上電極膜４は、上記幅方向においてはもちろんのこと、上記長手方向においても、圧力発生室１２の外側まで延出して形成されており、圧力発生室１２の長さを完全にカバーしている。すなわち本実施形態では、圧力発生室１２毎に対応する能動部は、上記長手方向において圧力発生室１２の外側まで延出して形成されている。図３では、上記長手方向における能動部の長さをＬ１、圧力発生室１２の長さをＬ２としており、Ｌ１はＬ２の範囲を覆っていることが判る。

なお、基板１０上（正確には絶縁体膜５５上）には、図３に示した構成が各圧力発生室１２に対応して上記幅方向に繰り返し形成されているため、圧電体層５、上電極膜４およびリード電極６０の各々は、上記幅方向において連続して形成されている（適宜図１参照）。また、図３においては２か所に形成されているリード電極６０（図４Ａに示したリード電極６０と図４Ｃに示したリード電極６０）は不図示の所定位置で互いに接続しており、全体で一つの共通電極を形成している。

このように本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向において能動部の両端が圧力発生室１２の外側まで延出するように構成した。そのため、圧力発生室１２の長手方向において能動部の端部が圧力発生室１２の外側まで延出していない構成と比較して、圧電素子３の能動部が駆動して圧電素子３が撓み変形する際に、圧電素子３における能動部と非能動部との境界位置への歪みの集中が緩和され、圧電体層５のクラック等の不良発生が抑制される。また、圧電素子３のクラック等への耐性が従来よりも向上することで、同時に圧電素子３の耐電圧も向上することとなる。

また本実施形態では、図２，３から判るように、リード電極６０が、圧力発生室１２の内外（圧力発生室１２の端部）を跨ぐ位置に形成されている。このような位置にリード電極６０を形成することにより、圧電素子３における能動部と非能動部との境界や、当該端部近傍の圧電素子３の箇所への歪みの集中が緩和され、上記クラック等の不良発生の抑制効果がより高まる。

開口部５ａは、能動部周辺の膜厚を薄くすることで能動部のバネ性を担保する役割を果たす。従って、開口部５ａの広さは能動部の撓み易さに大きな影響を与える。ここで、本実施形態では図３から判るように、上記長手方向において開口部５ａの長さＬ３は圧力発生室１２の長さＬ２に収まるように形成されている。つまり、上記長手方向における開口部５ａの両端はいずれも、圧力発生室１２の両端よりも内側に在る。そのため、上記長手方向における圧力発生室１２の両端には圧電体層５が重なることとなり、結果、圧力発生室１２の当該両端近傍における圧電素子３の剛性が高まる。これにより、圧電素子３における、能動部と非能動部との境界や当該両端近傍の箇所への歪みの集中が緩和され、上記クラック等の不良発生の抑制効果がより高まる。

３．製造方法
次に、本実施形態にかかる記録ヘッド１の製造方法の一例を説明する。
図５Ａ，Ｂ，Ｃおよび図６Ａ，Ｂ，Ｃは、記録ヘッド１を構成する圧電素子３が製造される過程を順に示している。これら図５，６では、図２と同様の視点による上記長手方向に平行な面での垂直断面図と、図中のＤ‐Ｄ´線による垂直断面図との組合せにより、各工程による変化を示している。ただし図５，６では、圧電素子３の構成要素以外の基板１０等は適宜省略している。まず、基板１０の素材となるシリコン単結晶基板（不図示）上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる弾性膜５１および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなる絶縁体膜５５を形成（特開２００５‐８８４１号公報等参照）する。そして、例えば、スパッタ法等により白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜を成膜後、下電極膜上に、例えばゾル−ゲル法等を用いて圧電体層を薄く形成する。ここで言う、薄く形成するとは、少なくとも最終的に完成する圧電素子３において必要とされる圧電体層５の膜厚よりも薄く形成するという意味である。

このように形成された下電極膜および圧電体層に対して、フォトエッチングを施すことにより、各圧力発生室１２が形成される予定の各位置に対応する所定形状に下電極膜および圧電体層をパターニングする。図５Ａでは、このパターニングにより形成された下電極膜２および下電極膜２上の圧電体層５００を示している。次に、図５Ａに示した状態に対し、さらにゾル−ゲル法等を用いて圧電体層を上記圧電素子３において最終的に必要とされる膜厚となるまで形成し、当該圧電体層上に、例えばイリジウムからなる上電極膜をスパッタ法等により薄く形成する。ここで言う、薄く形成するとは、少なくとも最終的に完成する圧電素子３において必要とされる上電極膜４の膜厚よりも薄く形成するという意味である。図５Ｂでは、ここまでの工程により形成された圧電体層５０１および圧電体層５０１上の上電極膜４００を示している。

次に、図５Ｂに示した状態において、上電極膜４００および圧電体層５０１に対してフォトエッチングを施すことにより、下電極膜２を覆う所定膜厚分の圧電体層およびその上の上電極膜が残るようにパターニングする。つまり、開口部５ａに相当する凹部を形成する。本実施形態ではこのような開口部５ａを形成するための圧電体層のエッチングを、適宜“圧電体層の第１エッチング工程”と呼ぶ。図５Ｃでは、ここまでの工程により形成された圧電体層５０２および圧電体層５０２上の上電極膜４０１を示している。

次に、図５Ｃに示した状態において、上電極膜４０１および圧電体層５０２に対してフォトエッチングを施すことにより、下電極膜２の一部を露出させるスルーホール５ｂを形成する。本実施形態ではスルーホール５ｂを形成するための圧電体層のエッチングを、適宜“圧電体層の第２エッチング工程”と呼ぶ。図６Ａでは、ここまでの工程により形成された圧電体層５および圧電体層５上の上電極膜４０２を示している。図６Ａに示すように、圧電体層５および上電極膜４０２には、スルーホール５ｂが貫通している。このように本実施形態では、図５Ｂに示した状態以後において、開口部５ａを形成するための圧電体層のエッチングと、スルーホール５ｂを形成するための圧電体層のエッチングとを分けて行なっている。その理由については後述する。

次に、図６Ａに示した状態に対し、さらにスパッタ法等により上電極膜を上記圧電素子３において最終的に必要とされる膜厚となるまで形成し、その上で、上電極膜に対してフォトエッチングを施すことにより、各圧力発生室１２が形成される予定の各位置に対応する所定形状およびスルーホールの範囲を含む所定形状（図３参照）に上電極膜をパターニングする。図６Ｂでは、このパターニングにより形成された上電極膜４を示している。次に、図６Ｂに示した状態に対し、リード電極６０，６１の素材となる金属層（例えば、金ＡｕおよびニクロムＮｉＣｒを含む金属層）をスパッタ法等により形成し、かつ当該金属層に対するフォトエッチングを行なうことにより、リード電極６０，６１を形成する。リード電極６０は上電極膜４に接続している。一方、リード電極６１は、スルーホール５ｂおよびスルーホール５ｂの表面に成膜された上電極膜４（図６Ｂ）を介して下電極膜２に接続している。なお、スルーホール５ｂの表面に成膜された上電極膜４（図６Ｂ）は、上記駆動回路１２０と個別電極（下電極膜２）とを接続する配線の一部として機能する。

図６Ｃでは、ここまでの工程により形成された構成を示している。図６Ｃに示した構成は、図２や図３に示した圧電素子３の構成と一致している。その後は、圧電素子３側への保護基板３０の接合、基板１０のエッチングによる圧力発生室１２やインク供給路１４等の形成、基板１０へのノズルプレート２０の接合、保護基板３０上へのコンプライアンス基板４０の接合といった各工程を経て、記録ヘッド１が完成する。なお、上述した記録ヘッド１の製造方法は、あくまで一例であり、種々の変更が可能である。上述した圧電体層の成膜方法も限定されず、スパッタ法で形成してもよい。また、圧電体層の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料やチタン酸バリウム等に代表される非鉛（鉛を使用しない。）のペロブスカイト型酸化物等、種々の材料を採用可能である。

上記製造方法において、圧電体層の第１エッチング工程と圧電体層の第２エッチング工程とをそれぞれ設けた理由について説明する。図５Ｂに示したように、下電極膜２および下電極膜２周囲の絶縁体膜５５を覆うように圧電体層５０１を成膜した場合、製造の精度上、絶縁体膜５５上の圧電体層５０１の膜厚と、下電極膜２上の圧電体層５０１の膜厚とを同じにすることは必ずしも容易ではない。特に、ゾル‐ゲル法に代表されるように液体を用いて圧電体層を形成した場合に、このような膜厚の不均一性が顕著である。そのため、絶縁体膜５５を露出させるため（開口部５ａを形成するため）に最適な圧電体層５０１のエッチング量と下電極膜２を露出させるため（スルーホール５ｂを形成するため）に最適な圧電体層５０１へのエッチング量も同じではない。このような状況において、絶縁体膜５５を露出させるためのエッチングと下電極膜２を露出させるためのエッチングを同時に実行すると、場所毎のエッチング量の正確なコントロールは困難であるため、絶縁体膜５５と下電極膜２の一方に対してはオーバーエッチング（削り過ぎの状態）となったり、他方に対してはアンダーエッチング（削り足りない状態）となったりし得る。

例えば、絶縁体膜５５上の圧電体層５０１の膜厚＞下電極膜２上の圧電体層５０１の膜厚である場合、これらのエッチングを同時に行なうと、絶縁体膜５５上の圧電体層５０１を除去しようとする際に下電極膜２に対しオーバーエッチングとなり、下電極膜２の断線の可能性が生じる。また、下電極膜２のオーバーエッチングを避けようとすると、絶縁体膜５５を露出させられないことがある。あるいは、絶縁体膜５５上の圧電体層５０１の膜厚＜下電極膜２上の圧電体層５０１の膜厚である場合、これらのエッチングを同時に行なうと、下電極膜２上の圧電体層５０１を除去しようとする際に絶縁体膜５５に対しオーバーエッチングとなる。すると、開口部５ａにおける膜厚が必要以上に薄くなり、必要な剛性が得られず開口部５ａにクラック等が発生する可能性がある。また、絶縁体膜５５のオーバーエッチングを避けようとすると、下電極膜２を露出させられないことがある。

そこで上述したように、本実施形態では、圧電体層の第１エッチング工程と圧電体層の第２エッチング工程とをそれぞれ設け、それぞれの工程にて処理対象とする範囲の圧電体層の膜厚に最適なエッチング量を設定する。これにより、開口部５ａを形成するために最適な圧電体層５０１のエッチングと、スルーホール５ｂを形成するために最適な圧電体層５０１のエッチングとを実現し、上述したようなオーバーエッチングやアンダーエッチングの発生を回避することができる。なお、圧電体層の第１エッチング工程と圧電体層の第２エッチング工程の実行順序は、上記説明と逆であってもよい。

４．変形例
本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下に述べるような変形例も可能である。各実施形態や変形例を適宜組み合わせた内容も、本発明の開示範囲である。
以下では、上述の実施形態と異なる点について説明し、上述の実施形態と共通する構成や作用は説明を適宜省略する。

図７は、一つの変形例にかかる基板１０上の一部領域についての平面図であって、図３と同様に一つの圧力発生室１２に対応する圧電素子３が形成された領域を示している。図７と図３の構成を比較した場合、開口部５ａの上記長手方向の長さが両構成間で異なる。具体的には、図７に示した開口部５ａの方が長く、当該開口部５ａは、上記長手方向において圧力発生室１２の両端よりも外側まで形成されている。つまり、図７においては、上記長手方向の開口部５ａの長さＬ３は、圧力発生室１２の長さＬ２を含むように形成されている。かかる構成によれば、上記長手方向における圧力発生室１２の両端近傍における圧電素子３の剛性が低下し、圧力発生室１２の両端付近における圧電素子３の変位量が向上する。

図８は、当該変形例による効果を説明するための図である。図８では、上記長手方向における圧力発生室１２と、圧力発生室１２の上側を閉じる弾性膜５１との位置関係をごく簡単に例示している。圧力発生室１２に対応して形成された圧電素子３に電圧が印加されて能動部が駆動すると、能動部の変位と共に弾性膜５１が圧力発生室１２内へ撓む。この撓む前の位置（図８において実線で示した弾性膜５１の位置）と撓んだ状態の位置との上下方向における差が変位量Δｈである。また、図８では、撓んだ状態の弾性膜５１の位置を、鎖線、２点鎖線のそれぞれで例示している。鎖線で示した位置は、開口部５ａの長さＬ３が圧力発生室１２の長さＬ２に収まるように形成された構成を採用した場合の位置を例示し、２点鎖線で示した位置は、開口部５ａの長さＬ３が圧力発生室１２の長さＬ２を含むように形成された構成（図７の構成）を採用した場合の位置を例示している。

図８から判るように、上記長手方向における圧力発生室１２の中央部での変位量Δｈは、開口部５ａの長さＬ３の上記違いによらずほぼ同じである。しかし、圧力発生室１２の端付近では、開口部５ａの長さＬ３が長い構成の方が、変位量Δｈが増えている。このように圧力発生室１２の端付近で変位量Δｈが増加することで、圧電素子３の撓みによって吐出される液体量が増加する。すなわち図７に示した変形例によれば、当該吐出される液体量をより増加させることで、記録ヘッド１の性能を向上させることができる。なお図７に示した構成においては、Ｂ‐Ｂ´線による垂直断面図は、図４Ｂに示したものと同様となる。また、Ａ‐Ａ´線による垂直断面図およびＣ‐Ｃ´線による垂直断面図にも、Ｂ‐Ｂ´線による垂直断面図と同様に開口部５ａが出現し、開口部５ａへは上電極膜４およびリード電極６０が積層される。

その他：
上述した記録ヘッド１は、インクカートリッジ等と連通するインク流路を備える記録ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置に搭載される。図９は、そ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９に示すように、記録ヘッド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１Ａ，１Ｂを搭載したキャリッジ１６は、装置本体１７に取り付けられたキャリッジ軸１８に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ１９の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト７を介してキャリッジ１６に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂを搭載したキャリッジ１６はキャリッジ軸１８に沿って移動される。一方、装置本体１７には、キャリッジ軸１８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などによって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上を搬送されるようになっている。

なお、上記においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッドは、上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の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、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。

また、本発明にかかる圧電素子は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モータ、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などが挙げられる。
また、センサーとして用いられる圧電素子、強誘電体メモリーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、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）等が挙げられる。

１…記録ヘッド、１Ａ，１Ｂ…記録ヘッドユニット、２Ａ，２Ｂ…カートリッジ、２…下電極膜、３…圧電素子、４…上電極膜、５…圧電体層、５ａ…開口部、５ｂ…スルーホール、７…タイミングベルト、８…プラテン、９…リザーバ、１０…基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室、１３…連通部、１４…インク供給路、１６…キャリッジ、１７…装置本体、１８…キャリッジ軸、１９…駆動モータ、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、３０…保護基板、３１…リザーバ部、３２…圧電素子保持部、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、５５…絶縁体膜、６０，６１…リード電極

Claims (11)

1. ノズル開口に連通し隔壁によって区画される第１の圧力発生室と第２の圧力発生室とが形成された基板と、
   圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記圧力発生室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記第１の圧力発生室及び前記第２の圧力発生室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、
   前記基板の前記圧電素子側に設けられる振動板と、を備える液体噴射ヘッドであって、
   前記第２電極は、前記第１の圧力発生室の長手方向の一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、
   前記第２電極は、前記第２の圧力発生室の前記長手方向の前記一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、
   前記第１の圧力発生室と前記第２の圧力発生室は、前記長手方向に直交する方向に沿って並設されており、
   前記第１の圧力発生室と前記第２の圧力発生室との間において前記圧電体層の開口部が形成されており、当該開口部の前記長手方向の前記一方側の端部は、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の圧力発生室の端部より内側、かつ、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の圧力発生室の端部より内側に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記開口部は六角形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲が、前記長手方向の前記一方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の圧力発生室の端部の外側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記第２電極は、前記第１の圧力発生室の長手方向の他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、
   前記第２電極は、前記第２の圧力発生室の前記長手方向の前記他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の圧力発生室の端部の外側まで延出して形成されており、
   前記開口部の前記長手方向の前記他方側の端部は、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の圧力発生室の端部より内側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の圧力発生室の端部より内側に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
5. ノズル開口に連通し隔壁によって区画される複数の圧力発生室が形成された基板と、
   圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記圧力発生室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記複数の圧力発生室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、
   前記複数の圧力発生室は、前記圧力発生室の長手方向に直交する方向に沿って並設されており、
   前記圧力発生室間において前記圧電体層の開口部が形成されており、
   前記基板の前記圧電素子が設けられる側の面に垂直な方向からみたとき、前記長手方向における前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲の距離をＬ１、前記長手方向における前記圧力発生室を区画する隔壁間の距離をＬ２、前記長手方向における前記開口部の長さをＬ３としたときに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
7. 隔壁によって区画される第１の室と第２の室が形成された基板と、
   圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記第１の室及び前記第２の室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、
   前記基板の前記圧電素子側に設けられる振動板と、を備える圧電デバイスであって、
   前記第２電極は、前記第１の室の長手方向の一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の室の端部の外側まで延出して形成されており、
   前記第２電極は、前記第２の室の前記長手方向の前記一方側において、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の室の端部の外側まで延出して形成されており、
   前記第１の室と前記第２の室は、前記長手方向に直交する方向に沿って並設されており、
   前記第１の室と前記第２の室との間において前記圧電体層の開口部が形成されており、当該開口部の前記長手方向の前記一方側の端部は、前記隔壁の前記振動板側の前記第１の室の端部より内側、かつ、前記隔壁の前記振動板側の前記第２の室の端部より内側に形成されていることを特徴とする圧電デバイス。
8. 前記開口部は六角形の形状を有することを特徴とする請求項７に記載の圧電デバイス。
9. 前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲が、前記長手方向の前記一方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の室の端部の外側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の室の端部の外側まで延出して形成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の圧電デバイス。
10. 前記第２電極は、前記第１の室の長手方向の他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の室の端部の外側まで延出して形成されており、
    前記第２電極は、前記第２の室の前記長手方向の前記他方側において、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の室の端部の外側まで延出して形成されており、
    前記開口部の前記長手方向の前記他方側の端部は、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第１の室の端部より内側、かつ、前記振動板と前記隔壁で区画される前記第２の室の端部より内側に形成されていることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載の圧電デバイス。
11. 隔壁によって区画される複数の室が形成された基板と、
    圧電体層と、前記圧電体層の前記基板側において前記室毎に対応して形成された第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側とは逆側において前記複数の室に亘って形成された第２電極と、を有する圧電素子と、を備える圧電デバイスであって、
    前記複数の室は、前記室の長手方向に直交する方向に沿って並設されており、
    前記室間において前記圧電体層の開口部が形成されており、
    前記基板の前記圧電素子が設けられる側の面に垂直な方向からみたとき、前記長手方向における前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極が重なる範囲の距離をＬ１、前記長手方向における前記室を区画する隔壁間の距離をＬ２、前記長手方向における前記開口部の長さをＬ３としたときに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係を有することを特徴とする圧電デバイス。