JP2009292003A - 液滴吐出ヘッド、インクジェットプリンタ、液滴吐出ヘッドの製造方法およびインクジェットプリンタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変位量を向上させることができる液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】本発明に係る液滴吐出ヘッドの圧電体膜(17)は、キャビティ(Ca)の第１方向の略中央部に配置され、圧電体膜の前記第１方向の幅(Wp1)は、前記キャビティの前記第１方向の幅（Wc1)より小さく、前記圧電体膜の前記第１方向の両側に前記キャビティの形成領域であって、前記圧電体膜の形成領域とならない第１領域(腕部20)を有し、下部電極(15)は、前記第１領域に配置された開口部(OA1)と、前記開口部と交互に配置される橋部(BA)と、を有する。かかる構成によれば、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない第１領域の下部電極が抜かれた構成となり、変位量を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、インクジェットプリンタ、液滴吐出ヘッドの製造方法およびインクジェットプリンタの製造方法に関するものである。

液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドは、キャビティ（圧力室）を圧電素子により加圧し、その内部のインク（吐出液）をキャビティ底部のノズル孔から吐出する部材である。このような、インクジェットヘッドは、インクジェットプリンタ等に利用され、ノズル孔から吐出されるインクによって印刷がなされる。

例えば、上記構成のインクジェットヘッドとして、例えば、下記特許文献１には、ノズル開口に連通する圧力発生室１２の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室１２に対応する領域に下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０を有するインクジェットヘッドが記載されている（図７参照）。
特開２０００−２４６８８８号公報

本発明者は、液滴吐出ヘッド、特に、インクジェットプリンタに用いるヘッド部に関する研究・開発を行っている。

例えば、上記特許文献１にも記載のとおり、下部電極（下電極６０）は、各圧電素子（ＴＦＰ：Thin Film Piezo）の共通電極として一連の大パターンとして形成されることが多い。

一方、高精細印刷を目的としてノズル密度を高めようとすると、必然的にキャビティ幅を狭くする必要がある。このキャビティ幅を狭くすると、拘束力が実行的に大きくなるため弾性板（振動板）の変位量が低下し、所望の圧電変位量を得ることができなくなる。その結果インク吐出量が低下してしまう。

例えば、キャビティのノズル密度を２倍にする、すなわちキャビティ幅を１／２にする際には、同じ圧電変位量を得るために圧電体膜の下層に位置する弾性板の膜厚を約１／２にすることが求められる。弾性板の場合、その膜厚を１／２にしても、弾性板としての機能を果たし得るが、圧電体膜の下層に位置する下部電極に関しては、圧電体膜に対する基礎部としての機能があるため、単純に薄くすることはできない。

即ち、下部電極が薄いと、圧電体膜（ＰＺＴ）の結晶配向性が低下し、実効的な圧電定数が低下する。したがって、結局のところ変位量が低下してしまう。

そこで、本発明に係る具体的態様は、その特性を向上、特に、変位量を向上させることができる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。また、高性能の液滴吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の上部に配置され第１方向に並ぶ第１および第２の圧電素子と、前記振動板の下部に、隔壁により区画され、前記第１および第２の圧電素子にそれぞれ対応して配置される第１および第２のキャビティと、を有し、前記第１および第２の圧電素子は、それぞれ振動板側から下部電極、圧電体膜および上部電極の積層構造を有し、前記圧電体膜は、前記キャビティの前記第１方向の略中央部に配置され、前記圧電体膜の前記第１方向の幅は、前記キャビティの前記第１方向の幅より小さく、前記圧電体膜の前記第１方向の両側に前記キャビティの形成領域であって、前記圧電体膜の形成領域とならない第１領域を有し、前記下部電極は、前記第１および第２の圧電素子に共通の導電膜であり、前記第１の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第１電極部と、前記第２の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第２電極部と、前記第１領域に配置された開口部と、前記開口部と交互に配置され、前記第１電極部と第２電極部とを接続する橋部と、を有する。

かかる構成によれば、圧電体膜形成領域間において、開口部と橋部を交互に配置することで、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない第１領域の下部電極が抜かれた構成となり、変位量を向上させることができる。また、橋部により各圧電素子部の下部電極が接続されているため、各圧電素子に均一に共通電位を印加することができる。なお、開口部を薄膜部とし、薄膜部と厚膜部（橋部）を交互に配置してもよい。

例えば、前記下部電極は、さらに、前記第１および第２の圧電素子の前記キャビティ形成領域間において、前記橋部間を前記第１方向と交差する第２方向に接続する接続部を有する。このように、少なくとも前記第１領域に開口部を有せばよく、キャビティ形成領域間に接続部を有する構成としてもよい。

例えば、前記圧電体膜は、前記第１方向と交差する第２方向に長辺を有する略矩形状である。このように、圧電体膜を略矩形状としてもよい。

好ましくは、前記下部電極は、格子状のパターンである。このように、下部電極を格子状のパターンとしてもよい。

例えば、前記下部電極は、白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）を含有する。このように、変形し難い電極材料を用いても変位量を確保することができる。

本発明に係るインクジェットプリンタは、インク吐出ヘッドとして上記液滴吐出ヘッドを有する。かかる構成によれば、インクジェットプリンタの特性の向上を図ることができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、基板上に振動板を形成する工程と、前記振動板上に、導電性膜を形成し、前記導電性膜を選択的に除去することにより、開口部を有する下部電極を形成する工程と、前記開口部を除く領域上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第１方向の幅が前記圧電体膜の前記第１方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、を有する。

かかる製造方法によれば、圧電体膜形成領域間において、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない領域（腕部）の下部電極が抜かれた構成となり、変位量の大きい液滴吐出ヘッドを製造することができる。なお、前記開口部を完全に開口せず、薄膜部としてもよい。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、基板上に振動板を形成する工程と、前記振動板上に、導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、前記圧電体膜の両側の前記導電性膜を選択的に除去することにより開口部を有する下部電極を形成する工程と、前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第１方向の幅が前記圧電体膜の前記第１方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、を有する。

この場合も、圧電体膜形成領域間において、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない領域（腕部）の下部電極が抜かれた構成となり、変位量の大きい液滴吐出ヘッドを製造することができる。このように、圧電体膜の形成後、下部電極の開口部を形成してもよい。なお、前記開口部を完全に開口せず、薄膜部としてもよい。

例えば、前記圧電体膜は、下部電極を下地膜として結晶成長する。かかる方法によれば、圧電体膜形成領域においては、下部電極の膜厚が確保されているため、圧電体膜の結晶配向性が向上し、圧電定数を向上させることができる。

例えば、前記圧電体膜は、前記第１方向と交差する第２方向に長辺を有する略矩形状である。このように、圧電体膜を略矩形状としてもよい。

好ましくは、前記下部電極は、格子状のパターンである。このように、下部電極を格子状のパターンとしてもよい。

例えば、前記下部電極は、白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）を含有する。このように、変形し難い電極材料を用いても変位量を確保することができる。

例えば、前記圧電体膜は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜である。このように、ＰＺＴ膜を用いてもよい。

本発明に係るインクジェットプリンタの製造方法は、上記液滴吐出ヘッドの製造方法を有する。かかる方法によれば、高性能のインクジェットプリンタを製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を
有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

（液滴吐出ヘッド構成）
図１は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの構成を示す要部断面図および平面図等である。図１（Ａ）に示すように、本実施の形態の液滴吐出ヘッドは、振動板１３の表面（第１面）上に配置された圧電素子Ｐｉと、振動板１３の裏面（第２面）に、隔壁（１１）により区画され、圧電素子Ｐｉに対応して配置されるキャビティＣａと、キャビティＣａを塞ぎ、ノズル孔２１ａを有するノズルプレート２１を有する。

振動板１３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３ａおよび酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）膜１３ｂの積層膜である。

また、圧電素子Ｐｉは、振動板１３側から下部電極１５、圧電体膜１７および上部電極１９積層構造を有し、圧電体膜１７は、キャビティＣａの略中央部に配置され、その両側には腕部２０と呼ばれる、キャビティ形成領域ＣＡであって、圧電体膜１７が形成されない領域が存在する。具体的には、圧電体膜１７の幅（Ｗｐ１）は、キャビティＣａの幅（Ｗｃ１）より小さく、圧電体膜の両側に、腕部２０として、「Ｗｃ１−Ｗｐ１」の半分の幅（例えば、幅約７μｍ）の領域が存在する。

この腕部２０は、振動板１３の変位量を大きくするために設けられる。圧電体膜１７の幅（Ｗｐ１）と変位量との関係は、例えば、図１（Ｄ）に示す関係があり、Ｗｃ１＞Ｗｐ１の範囲において最大値を有する。

ここで、本実施の形態の液滴吐出ヘッドにおいては、図１（Ｂ）に示すように、腕部２０において、下部電極１５を抜いた構造となっているため、図１（Ｂ）の破線で示すように下部電極１５による拘束力が緩和され、振動板１３の変位量を大きくすることができる。

この下部電極１５は、図１（Ｃ）に示すように、開口部ＯＡ１として部分的に除去されており(図１（Ｂ））、他の部分においては、下部電極１５間の電気的導通を図る橋部ＢＡとして延在している（図１（Ａ））。

例えば、図１（Ｃ）に示すように、下部電極１５を格子状とし、開口部ＯＡ１と橋部ＢＡを交互に配置することで、変位量の確保と、電気的導通の確保との双方を図ることができる。例えば、図１（Ａ）は、図１（Ｃ）のＡ−Ａ部の、図１（Ｂ）は、図１（Ｃ）のＢ−Ｂ部の断面に対応する。

また、変位量を大きくできるため、低圧駆動が可能となる、また、駆動の制御性を向上させることができる。さらに、変位量を大きくできるため、ヘッドの微細化や高集積化にも容易に対応することができる。

なお、図１（Ａ）等には、一の圧電素子Ｐｉのみ記載されているが、通常の液滴吐出ヘッドには、圧電素子Ｐｉが一列又は複数列に配置されている、例えば、１インチ間に３６０〜６００個の圧電素子が配置される。

（液滴吐出ヘッドの製造工程）
図２〜図８は、本実施の形態の液滴吐出ヘッド（液体吐出ヘッド、インクジェットヘッド）の製造方法を示す工程断面図又は平面図である。図２〜図８を参照しながら、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法について説明するとともに、その構成をより明確にする。

図２（Ａ）に示すように、第１基板（流路形成用基板、加工基板、側壁材）として、例えば面方位（１１０）のシリコン基板１１を準備する。なお、第１基板として、シリコン以外の他の材料基板を用いてもよい。次いで、図２（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、シリコン基板１１の表面（第１面）上に、振動板（振動膜、弾性板、弾性膜、アクチュエータ板）１３として、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３ａおよび酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）膜１３ｂの積層膜を形成する。例えば、シリコン基板１１の表面を熱酸化することにより膜厚１０００ｎｍ程度の酸化シリコン膜１３ａを形成する（図２（Ｂ））。次いで、例えば、酸化シリコン膜１３ａ上にスパッタリング法によりジルコニウム膜を堆積し、このジルコニウム膜を熱酸化することにより膜厚５００ｎｍ程度の酸化ジルコニウム膜１３ｂを形成する（図２（Ｃ））。なお、他の絶縁膜を用いて振動板１３を構成してもよい。また、単一の絶縁膜（例えば、ＳｉＯ₂）で振動板１３を構成してもよい。

かかる振動板１３は、圧電体膜１７の変位をうけ、振動板自身がたわみ、キャビティＣａの体積を変える役割をはたす。上記酸化ジルコニウム膜１３ｂは、振動板としての機能に加えて、圧電体膜（ＰＺＴ膜）１７を焼成するときに発生する鉛（Ｐｂ）原子の拡散を防止する役目を担っている。Ｐｂ原子が拡散すると、ＳｉＯ₂層界面でＰｂＯ層が形成され、このＰｂＯ層により密着性が低下し剥離の原因となる。

次いで、図３（Ａ）に示すように、振動板１３上に、下部電極１５として、例えば、イリジウム（Ｉｒ）膜および白金（Ｐｔ）の積層膜を形成する。例えば、Ｉｒ膜をスパッタリング法で膜厚１０ｎｍ程度堆積した後、Ｐｔ膜をスパッタリング法で膜厚１５０ｎｍ程度堆積する。次いで、図３（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、上記積層膜を、開口部ＯＡ１を有する格子状にパターニングする。即ち、上記積層膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光・現像（フォトリソグラフィ）することにより格子状のフォトレジスト膜を形成する。次いで、当該フォトレジスト膜をマスクに、上記積層膜をエッチングすることにより下部電極１５を形成する。次いで、残存するフォトレジスト膜を除去する。このフォトレジスト膜の形成から除去までの一連の工程をパターニングという。

ここで、図３および図４を参照しながら、下部電極１５の形状（パターン）について説明する。下部電極１５は、図３（Ｃ）に示すように、その外周が略矩形であり、内部に複数の開口部ＯＡ１を有する。開口部ＯＡ１は略矩形であり、所定の間隔をおいてアレイ状に配置されている。ｘ方向に並ぶ開口部ＯＡ１間は、橋部（接続領域）ＢＡとなる。橋部ＢＡのｘ方向の幅をａ、開口部ＯＡ１のｘ方向の幅をｂとすると、例えば、ａは２０μｍ、ｂは１００μｍ程度である。

また、別の言い方をすれば、下部電極１５の形状は、格子状である。ｘ方向に延在する部分（配線）とｙ方向に延在する部分（配線）が交差した形状を有する。ｙ方向に延在する部分の幅はａである。図４中の、ＰＡは、圧電体膜形成領域であり、後述の圧電体膜１７が形成される領域である。また、ＣＡは、キャビティ形成領域であり、後述のキャビティＣａが形成される領域である。前述のｘ方向に延在する部分の幅は、圧電体膜形成領域ＰＡの幅（Ｗｐ１）となる。

図４（Ａ）に示すように、圧電体膜形成領域ＰＡおよびキャビティ形成領域ＣＡは、ｘ方向に長辺を有する略矩形状であり、圧電体形成領域ＰＡは、キャビティ形成領域ＣＡのｙ方向の略中央部に配置される。即ち、キャビティ形成領域ＣＡのｙ方向の両側には、圧電体膜が存在しない領域がある。したがって、下部電極１５のパターニングにおいては、
圧電体形成領域ＰＡのｙ方向の両側のキャビティ形成領域ＣＡ、言い換えれば、キャビティ形成領域ＣＡであって、圧電体形成領域ＰＡでない領域（腕部２０、図４（Ｂ）の斜線部）に、開口部ＯＡ１および橋部ＢＡを交互に配置する。

これにより、前述したとおり、腕部２０が下部電極１５の拘束力から開放され、変位しやすくなる(図１（Ｂ）参照）。特に、本実施の形態の下部電極１７の材料である、ＰｔやＩｒは変形し難い（ヤング率２００〜３００ＧＰａ）が、上記構成により、かかる材料を用いても変位量を確保することができる。

一方、各圧電素子Ｐｉ（電極部、セグメント）間は、橋部ＢＡにより接続されるため、下部電極部間の電気的導通を図ることができ、また、均一に一度に各圧電素子Ｐｉに電位を印加することができる。また、橋部ＢＡにより形成面積が増加し、電極の低抵抗化を図ることができる。

次いで、図５（Ａ）に示すように、下部電極１５上に圧電体膜１７として、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Ｐｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃）膜を形成する。ＰＺＴ膜は、例えば、膜の構成する金属の有機金属化合物溶液を下部電極１５上に塗布した後、乾燥・焼成する、いわゆる、ゾル・ゲル法により形成する。焼成温度は、例えば７００℃程度とし、ＺｒとＴｉの構成比が、それぞれ約５０％（ｘ＝０．５）で、膜厚１．０μｍ程度のＰＺＴ膜を形成する。このＰＺＴ膜は、（１００）に優先配向した、モノクリニック構造であり、分極方向は、膜の面に垂直な方向に対して一定の角度だけ傾いているエンジニアード・ドメイン配置である。ＰＺＴ膜の格子定数はほぼ４．０５Åであるが、具体的には面に垂直方向をｃ１、面内方向をａ１とすると、ｃ１＜ａ１である。このように、本実施の形態においては、下部電極１５の開口部ＯＡ１により変位量を向上させることができるため、圧電体膜形成領域ＰＡの下部電極１５の膜厚（例えば１２０ｎｍ以上の膜厚）を確保することができる。よって、ＰＺＴ膜の結晶配向性の維持・向上により、圧電特性を向上させることができる。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、圧電体膜１７上に上部電極１９として、例えば、Ｉｒ膜を形成する。Ｉｒ膜は、スパッタリング法を用いて、膜厚２００ｎｍ程度堆積する。次いで、圧電体膜１７および上部電極１９を所望の形状、例えば、ｙ方向に並ぶ複数の略矩形状（例えば、４０μｍ×６００μｍの矩形、図６（Ｃ）参照）にパターニングする。なお、当該パターンが、圧電体膜形成領域ＰＡと対応し、また、各パターンの下部に、キャビティＣａが形成される。図６（Ｃ）は、平面図であり、図６（Ａ）は、図６（Ｃ）のＡ−Ａ断面に、図６（Ｂ）は、図６（Ｃ）のＢ−Ｂ断面に対応する。

以上の工程により、振動板１３上に、下部電極１５、圧電体膜１７および上部電極１９よりなる圧電素子Ｐｉが形成される。

次いで、図７に示すように、シリコン基板１１を選択的に除去することにより圧電体膜１７の下部にキャビティ（圧力室、空間）Ｃａおよびリザーバ（流路）Ｒを形成する。

即ち、シリコン基板１１の裏面（第２面）上に、フォトレジスト膜を形成し、露光・現像することにより、上記キャビティＣａおよびリザーバＲに対応する位置に開口を有するフォトレジスト膜を形成する。次いで、当該膜をマスクに、シリコン基板１１を振動板（酸化シリコン膜１３ａ）１３が露出するまでエッチングする。エッチング液としては、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を用いる。この際、振動板１３を構成する酸化シリコン膜１３ａは、エッチングストッパーとしての役割を果たす。図７（Ｃ）中の斜線部が、シリコン基板１１の残存部分である。図７（Ｃ）は、シリコン基板１１の裏面側から見た平面図である。図７（Ａ）は、図７（Ｃ）のＣ−Ｃ断面に、図７（Ｂ）は、図７（Ｃ）のＢ−Ｂ断面に対応する（図８についても同じ）。

残存するシリコン基板１１は、キャビティＣａを区画する隔壁となる。例えば、リザーバＲの幅は２００μｍ程度、キャビティＣａの幅は５５μｍ、長さは８００μｍ、高さは６０μｍ程度である。なお、キャビティＣａとリザーバＲとの間には、キャビティＣａ部のｙ方向の幅（Ｗｃ１）より幅の狭い接続流路（しぼり）Ｃｂが形成される。

次いで、図８に示すように、キャビティＣａの下側に、ノズル孔２１ａを有するノズルプレート（第２基板、接合基板、支持基板、平板部材）２１を接合する。ノズルプレート２１は、例えば、シリコン基板よりなり、その厚さは、例えば、６０μｍ程度である。図８（Ｃ）は、ノズルプレート２１の裏面側から見た平面図である。

このノズルプレート２１のノズル孔２１ａは、ノズルプレート２１のエッチングにより形成し、その直径は、例えば２０μｍ程度である。エッチング液としては、例えば、ＫＯＨ溶液を用い、エッチング用のマスクとしては、例えば酸化シリコン膜を用いる。

このノズル孔２１ａが、各キャビティＣａに対応するよう位置あわせされ、例えば熱圧着によりシリコン基板１１とノズルプレート２１を接合する。

次いで、必要に応じて、リザーバＲにインク（溶液）を供給するための供給孔などを加工する。

以上の工程により、本実施の形態の液滴吐出ヘッドが略完成する。圧電素子Ｐｉへの印加電圧は、例えば２０Ｖ程度、振動板１３の変位量は例えば４００ｎｍ程度である。また、液滴（インク）の吐出量は、例えば４ピコリットル程度であり、その吐出速度は、８ｍ／ｓｅｃ程度である。

図９は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図示するように、必要に応じて、振動板１３上に、コンプライアンス基板４１を配置してもよい。コンプライアンス基板４１には、例えば、圧電素子保持部４１ａと開口領域４１ｂ、４１ｃが設けられている。開口領域４１ｂからは、リード電極Ｅが露出し、このリード電極Ｅは、図示しない駆動ＩＣなどに接続される。なお、図７等において、リード電極Ｅは省略されている。

以下に、上記実施の形態の応用例について説明する。図１０〜図１２は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの他の構成等を示す断面図又は平面図である。なお、以下の応用例１〜３においては、下部電極１５の形状や形成工程が異なること以外は、上記の場合と同様であるため、その詳細な構成および製造工程の説明を省略する。

（応用例１）
上記実施の形態においては、下部電極１５に開口部ＯＡ１を設けたが、当該部分を薄膜部ＴＡとしてもよい。

即ち、図３を参照しながら説明した下部電極１５のパターニングの際、下層の振動板１３が露出するまでエッチングせず、途中で終了し、図１０に示すように、部分的に薄い下部電極１５を残し、腕部２０に薄膜部ＴＡと橋部ＢＡを交互に配置してもよい。かかる構成によれば、図１０（Ｃ）に示すように、腕部２０における下部電極１５の拘束力が低減し、変位量を向上することができる。なお、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＡ−Ａ断面に、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のＢ−Ｂ断面に対応する。

（応用例２）
また、上記実施の形態においては、下部電極１５の開口部ＯＡ１をパターニングした後、圧電体膜１７等をパターニングしたが、図１１（Ａ）に示すように、一度、下部電極１５を略矩形にパターニングした後、圧電体膜１７等をパターニングし（図１１（Ｂ））、下部電極１５を圧電体膜１７間に露出させた後、開口部ＯＡ１を形成してもよい（図１１（Ｃ））。この場合の平面図は、図６（Ｃ）と同様である。

また、この際、開口部ＯＡ１とせず、薄膜部ＴＡとしてもよい。この場合の断面図および平面図は、図１０と同様である。このように、圧電体膜１７を結晶成長させた後、開口部ＯＡ１や薄膜部ＴＡを形成する場合、工程数は増加するが、より結晶性が良くなる。

（応用例３）
また、上記実施の形態においては、開口部ＯＡ１のｙ方向に延在する辺を圧電体膜１７間の距離と一致させたが、図１２に示すように、キャビティＣａ間の隔壁上に下部電極１５を残存させてもよい。即ち、橋部ＢＡ間をｘ方向に接続部３０で接続した形状としてもよい。この場合も、下部電極１５は、図１２（Ａ）に示すように、その外周が略矩形であり、内部に複数の開口部ＯＡ２を有する。開口部ＯＡ２は略矩形であり、所定の間隔をおいてアレイ状に配置されている。

また、別の言い方をすれば、下部電極１５の形状は、格子状である。即ち、ｘ方向に延在する部分（配線）とｙ方向に延在する部分（配線）が交差した形状を有する。ｙ方向に延在する部分の幅はａである。ｘ方向に延在する部分は、圧電体膜形成領域ＰＡの幅（Ｗｐ１）である部分と、幅がキャビティＣａ間の距離Ｄとなる部分が交互に配置される。

かかる下部電極１５の形状においては、図３（Ｃ）に示す形状より形成領域が大きく、抵抗が小さく、また、より均一の電位を印加できる。

また、図１２に示す液滴吐出ヘッドにおいても、下部電極１５の開口部ＯＡ２部を薄膜部ＴＡとしてもよい。また、図１２に示す液滴吐出ヘッドにおいても、下部電極１５を、一度、略矩形にパターニングした後、圧電体膜１７等をパターニングし（図１２（Ｂ））、下部電極１５を圧電体膜１７間に露出させた後、開口部ＯＡ２を形成してもよい（図１２（Ｃ））。また、この際、開口部ＯＡ２とせず、薄膜部ＴＡとしてもよい。

（実施例）
図１３は、上記実施の形態の液滴吐出ヘッドの特性（電圧変位量）を示す表である。

図１３（Ａ）に示すように、Ｎｏ．１の場合、図３（Ｃ）に示す下部電極構成のヘッド、即ち、腕部２０に開口が有り、さらに、キャビティ間上にも開口が有る（即ち、接続部３０が無い）場合には、変位量が４１０ｎｍであり、腕部２０に開口を設けない比較例（変位量：３７０ｎｍ）より、変位量が増加した。また、Ｎｏ．２（図１２（Ａ）に示す下部電極構成のヘッド）の場合、腕部２０に開口が有り、キャビティ間上には開口が無い（即ち、接続部３０が有る）場合は、変位量が４０５ｎｍであり、この場合も、比較例より、変位量が増加した。

なお、橋部の幅ａは５０μｍ、印加電圧は、０〜３５Ｖとし、レーザドップラー計を用いて変位量を測定した。

次いで、図１３（Ｂ）に示すように、上記Ｎｏ．１（図３（Ｃ）に示す下部電極構成）において、橋部ＢＡのｘ方向の幅をａ、開口部ＯＡ１のｘ方向の幅をｂとした場合の比（ａ／ｂ）を変えて、変位量を測定した。ここでは、比較例の変位量を１とした場合の比で示した。ａ／ｂが、０．５から０．２へ低下するにしたがって変位量が増加している。

このように、開口部を設けることにより、変位量が大きくなり、さらに、橋部の幅（ａ）が小さくなるにしたがって変位量が増加することが確認できた。なお、ａ／ｂについては、特に、０．３以下が好ましいと考えられる。

（インクジェットプリンタ）
図１４は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドが適用されるインクジェットプリンタの一例を示す斜視図である。

例えば、インクジェットプリンタ６００は、装置本体６２０を備えており、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。

装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。

制御部６６０の制御により、給紙装置６５０は、記録用紙Ｐを一枚ずつ間欠送りするようになっている。間欠送りされる記録用紙Ｐは、ヘッドユニット６３０の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット６３０が記録用紙Ｐの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動し、記録用紙Ｐへの印刷を行うようになっている。すなわち、ヘッドユニット６３０の往復動と、記録用紙Ｐの間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となり、インクジェット方式の印刷が行なわれる。

印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えている。

ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数の吐出孔（ノズル孔）２１ａを備えるインクジェット式記録ヘッド５０と、このインクジェット式記録ヘッド５０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。

インクカートリッジ６３１として、例えば、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック（黒）の４色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。この場合、ヘッドユニット６３０には、各色にそれぞれ対応したインクジェット式記録ヘッド５０が設けられることになる。

往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４４の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５０から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。

給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。このような構成によって給紙ローラ６５２は、トレイ６２１に設置した多数枚の記録用紙Ｐを、印刷装置６４０に向かって１枚ずつ送り込むことができる。なお、トレイ６２１に代えて、記録用紙Ｐを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成とすることもできる。

制御部６６０は、たとえばパーソナルコンピュータやディジタルカメラなどのホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷装置６４０や給紙装置６５０などを制御することにより印刷を行うものである。

制御部６６０には、いずれも図示しないものの、主に各部を制御する制御プログラムなどを記憶するメモリ、圧電素子（振動源）を駆動してインクの吐出タイミングを制御する圧電素子駆動回路、印刷装置６４０（キャリッジモータ６４１）を駆動する駆動回路、給紙装置６５０（給紙モータ６５１）を駆動する駆動回路、およびホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うＣＰＵとが備えられている。

ＣＰＵには、たとえば、インクカートリッジ６３１のインク残量、ヘッドユニット６３０の位置、温度、湿度などの印刷環境などを検出可能な各種センサが、それぞれ電気的に接続されている。制御部６６０は、通信回路を介して印刷データを入手してメモリに格納する。ＣＰＵは、この印刷データを処理し、この処理データおよび各種センサからの入力データに基づき、各駆動回路に駆動信号を出力する。この駆動信号により圧電素子、印刷装置６４０および給紙装置６５０は、それぞれ作動する。これにより、記録用紙Ｐに所望の印刷がなされる。

本実施の形態にかかるインクジェットプリンタ６００によれば、前述したように、液滴吐出特性が良好なヘッドを備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。また、前述のヘッドを当該インクジェットプリンタ６００に組み込むことで、その生産性を向上させることができる。

なお、本発明のインクジェットプリンタ６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。

なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。

本実施の形態の液滴吐出ヘッドの構成を示す要部断面図および平面図等である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの他の構成を示す断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの他の製造方法を示す工程断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの他の構成を示す断面図および平面図である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドの特性（電圧変位量）を示す表である。 本実施の形態の液滴吐出ヘッドが適用されるインクジェットプリンタの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１１…シリコン基板、１３…振動板、１３ａ…酸化シリコン膜、１３ｂ…酸化ジルコニウム膜、１５…下部電極、１７…圧電体膜、１９…上部電極、２０…腕部、２１…ノズルプレート、２１ａ…ノズル孔、３０…接続部、４１…コンプライアンス基板、４１ａ…圧電素子保持部、４１ｂ、４１ｃ…開口領域、６００…インクジェットプリンタ、６２０…装置本体、６２１…トレイ、６２２…排出口、６３０…ヘッドユニット、６３１…インクカートリッジ、６３２…キャリッジ、６４０…印刷装置、６４１…キャリッジモータ、６４２…往復動機構、６４３…キャリッジガイド軸、６４４…タイミングベルト、６５０…給紙装置、６５１…給紙モータ、６５２…給紙ローラ、６６０…制御部、６７０…操作パネル、ａ…橋部の幅、ｂ…開口部の幅、ＢＡ…橋部、ＣＡ…キャビティ形成領域、Ｃａ…キャビティ、Ｃｂ…接続流路、Ｅ…リード電極、ＯＡ１、ＯＡ２…開口部、Ｐｉ…圧電素子、ＰＡ…圧電体膜形成領域、Ｒ…リザーバ、ＴＡ…薄膜部、Ｗｐ１…圧電体膜（形成領域）の幅、Ｗｃ１…キャビティ（形成領域）の幅

Claims (14)

1. 振動板の上部に配置され第１方向に並ぶ第１および第２の圧電素子と、
   前記振動板の下部に、隔壁により区画され、前記第１および第２の圧電素子にそれぞれ対応して配置される第１および第２のキャビティと、を有し、
   前記第１および第２の圧電素子は、それぞれ振動板側から下部電極、圧電体膜および上部電極の積層構造を有し、
   前記圧電体膜は、前記キャビティの前記第１方向の略中央部に配置され、前記圧電体膜の前記第１方向の幅は、前記キャビティの前記第１方向の幅より小さく、前記圧電体膜の前記第１方向の両側に前記キャビティの形成領域であって、前記圧電体膜の形成領域とならない第１領域を有し、
   前記下部電極は、前記第１および第２の圧電素子に共通の導電膜であり、
   前記第１の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第１電極部と、
   前記第２の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第２電極部と、
   前記第１領域に配置された開口部と、前記開口部と交互に配置され、前記第１電極部と第２電極部とを接続する橋部と、を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記下部電極は、さらに、
   前記第１および第２の圧電素子の前記キャビティ形成領域間において、前記橋部間を前記第１方向と交差する第２方向に接続する接続部を有することを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記圧電体膜は、前記第１方向と交差する第２方向に長辺を有する略矩形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記下部電極は、格子状のパターンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッド。
5. 前記下部電極は、白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッド。
6. インク吐出ヘッドとして請求項１乃至５のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とするインクジェットプリンタ。
7. 基板上に振動板を形成する工程と、
   前記振動板上に、導電性膜を形成し、前記導電性膜を選択的に除去することにより、開口部を有する下部電極を形成する工程と、
   前記開口部を除く領域上に圧電体膜を形成する工程と、
   前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、
   前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第１方向の幅が前記圧電体膜の前記第１方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、
   を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
8. 基板上に振動板を形成する工程と、
   前記振動板上に、導電性膜を形成する工程と、
   前記導電性膜上に圧電体膜を形成する工程と、
   前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、
   前記圧電体膜の両側の前記導電性膜を選択的に除去することにより開口部を有する下部電極を形成する工程と、
   前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第１方向の幅が前記圧電体膜の前記第１方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、
   を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記圧電体膜は、下部電極を下地膜として結晶成長することを特徴とする請求項７又は８記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
10. 前記圧電体膜は、前記第１方向と交差する第２方向に長辺を有する略矩形状であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
11. 前記下部電極は、格子状のパターンであることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
12. 前記下部電極は、白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）を含有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
13. 前記圧電体膜は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜であることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
14. インク吐出ヘッドの製造方法として請求項７乃至１３のいずれか一項記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を有することを特徴とするインクジェットプリンタの製造方法。

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