JP5061990B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子の変位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並びに圧電素子を具備するアクチュエータに関する。

液滴を噴射する液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、圧力発生室が形成された流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備し、この圧電素子の変位によって圧力発生室内に圧力を付与することで、ノズルからインク滴を噴射するものがある。このようなインクジェット式記録ヘッドに採用されている圧電素子は、圧電体層の結晶配向によって変位特性が大きく変化することが知られている。そして、圧電素子を構成する圧電体層の結晶が所定配向となるようにすることで、変位特性を向上させたものが複数提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このように下電極、圧電体層及び上電極で構成される圧電素子においては、圧電体層の端面が、その外側に向かって下り傾斜する傾斜面（テーパ面）となっているものがある（例えば、特許文献２参照）。

例えば、特許文献２に記載の構成では、圧電体層の傾斜面となっている部分（以下、テーパ部という）には上電極が形成されていないものの、下電極が複数の圧電素子に亘って連続的に形成されているため、この圧電体層のテーパ部にも駆動電界が強くかかってしまい圧電体層のテーパ部が破壊されてしまう虞がある。

また特許文献１及び２に記載の構成では、圧電素子を構成する下電極が、複数の圧電素子に亘って連続的に形成されているが、例えば、下電極が各圧電素子毎にパターニングされ、圧電体層が下電極の外側まで連続的に形成されているものもある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−６６６００号公報 特開２００７−１１８１９３号公報 特開２０００−３２６５３号公報

このような特許文献３に記載の圧電素子においては、圧電体層のテーパ部に駆動電界が強くかかることは無いため、このことに起因して圧電体層が破壊されてしまう虞はなくなる。しかしながら、このような特許文献３に記載の構成に、例えば、特許文献１に記載の圧電体層を採用して圧電素子の変位特性を向上させようとした場合、下電極上の圧電体層と下電極の外側（振動板上）の圧電体層とで結晶性が変化してしまうためか、圧電素子を駆動した際に、下電極の端部近傍で圧電体層が破壊されてしまう虞がある。

なお、このような問題は、インク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、他の液滴を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また液体噴射ヘッドだけでなく、圧電素子を具備するアクチュエータであれば同様に存在する。また、圧電素子の応答速度が遅く、圧電素子を高速駆動するのが難しいという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の変位特性を向上して高速駆動を実現でき且つ圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上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は、液滴を吐出するノズルにそれぞれ連通する圧力発生室が複数並設された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、前記圧電体層の端面がその外側に向かって傾斜する傾斜面で構成されており、各圧電素子を構成する前記下電極が前記圧力発生室の幅よりも狭い幅で形成されていると共に前記圧電体層が前記下電極よりも広い幅で形成され、前記振動板の最表層が酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）からなる絶縁体膜で構成され、前記下電極の最表層がニッケル酸ランタン（ＬａＮｉ_ｙＯ_ｘ）からなる配向制御層で構成され、且つ前記圧電体層が柱状結晶からなると共に、前記絶縁体膜上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径が、前記配向制御層上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径よりも小さいことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、圧電体層全体の結晶性が向上すると共に実質的に均一化される。これにより、圧電素子の高速駆動を実現できると共に圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上することができる。

ここで、前記圧電体層の結晶構造は、菱面体晶、正方晶又は単斜晶であることが好ましい。また前記配向制御層及び少なくとも当該配向制御層上に形成された圧電体層が、ペロブスカイト構造の結晶からなり且つ結晶面方位が（１１０）、（００１）、（１１１）又は（１１３）に優先配向していることが好ましい。これにより、圧電素子をより確実に高速駆動することができると共に、繰り返し駆動に伴う圧電体層の破壊をより確実に抑えることができる。

また前記圧電体層で覆われた前記下電極の端面がその外側に向かって傾斜する傾斜面となっていることが好ましい。これにより、下電極の端面部分に形成される圧電体層の結晶性がさらに向上する。したがって、圧電素子をより確実に高速駆動することができると共に、繰り返し駆動に伴う圧電体層の破壊をより確実に抑えることができる。

また前記下電極は、前記配向制御層の下側に当該配向制御層よりも抵抗率の低い材料からなる導電層を有することが好ましい。これにより、複数の圧電素子を同時に駆動しても十分な電流供給能力が得られる。したがって、並設された各圧電素子の変位特性を均一化することができる。

また、導電層を設ける場合、この導電層が前記配合制御層によって覆われていることが好ましい。これにより下電極の配向制御層のみが圧電体層と接触するため、圧電体層の結晶性がより確実に向上する。

また前記導電層が、金属材料、金属材料の酸化物又はこれらの合金からなることが好ましい。特に、金属材料が、銅、アルミニウム、タングステン、白金、イリジウム、ルテニウム、銀、ニッケル、オスミウム、モリブデン、ロジウム、チタン、マグネシウム及びコバルトからなる群から選択される少なくとも一種を含むことが望ましい。これらの材料を用いることで、より確実に上述した電流供給能力が得られる。

また前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とすることが好ましい。これにより、良好な変位特性を有する圧電素子となる。

また、前記圧電体層の端面が、耐湿性を有する保護膜によって覆われていることが好ましい。また前記圧電体層の端面が、前記上電極によって覆われていることが好ましい。これにより、大気中の水分等による圧電体層の破壊を抑制することができる。

また圧電素子の電極構造は特に限定されず、前記下電極が前記圧力発生室に対応して独立して設けられて前記圧電素子の個別電極を構成し、前記上電極が前記圧力発生室の並設方向に亘って連続的に設けられて前記圧電素子の共通電極を構成していてもよい。圧電素子の電極構造に拘わらず、圧電素子の変位特性を向上することができ且つ圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上することができる。

また本発明は、このような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。かかる本発明では、ヘッドの耐久性が向上した信頼性ある液体噴射装置を実現することができる。

さらに本発明は、基板の一方面側に設けられた振動板と、該振動板上に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備し、前記圧電体層の端面がその外側に向かって傾斜する傾斜面で構成されており、前記圧電体層が前記下電極よりも広い幅で形成されて当該下電極の端面が前記圧電体層によって覆われており、前記振動板の最表層が酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）からなる絶縁体膜で構成され、前記下電極の最表層がニッケル酸ランタン（ＬａＮｉ_ｙＯ_ｘ）からなる配向制御層で構成され、且つ前記圧電体層が柱状結晶からなると共に、前記絶縁体膜上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径が、前記配向制御層上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径よりも小さいことを特徴とするアクチュエータにある。
かかる本発明では、圧電体層全体の結晶性が向上すると共に実質的に均一化される。これにより、圧電素子の高速駆動を実現できると共に圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上することができる。つまり高速駆動することができ且つ耐久性を向上したアクチュエータを実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（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概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には酸化膜からなる弾性膜５１が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画され一方側の面が弾性膜５１で構成される複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。

流路形成基板１０には、圧力発生室１２の長手方向一端部側に、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。この連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２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１００の一部を構成する。

ここで、インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部１５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。例えば、インク供給路１３は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。

なお、流路形成基板１０の材料として、本実施形態ではシリコン単結晶基板を用いているが、勿論これに限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いてもよい。

流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１３とは反対側の端部近傍に連通するノズル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固着されている。なお、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、ステンレス鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、振動板５０を介して圧電素子３００が形成されている。そして、ここでは、この圧電素子３００と圧電素子３００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と称する。本実施形態では、流路形成基板１０上に、上述したように弾性膜５１が形成され、この弾性膜５１上には、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）からなる絶縁体膜５２が形成され、これら弾性膜５１と絶縁体膜５２とで振動板５０が構成されている。

振動板５０（絶縁体膜５２）上には、下電極膜６０と圧電体層７０と上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を有する部分だけでなく、少なくとも圧電体層７０を有する部分を含む。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を圧電体層７０と共に圧力発生室１２毎にパターニングして個別電極とする。

ここで、本実施形態に係る圧電素子３００の構造について詳しく説明する。図３に示すように、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられて各圧電素子３００の個別電極を構成している。そして下電極膜６０の端面は、その外側に向かって傾斜する傾斜面となっている。また下電極膜６０は、各圧力発生室１２の長手方向一端部側から周壁上まで延設され、圧力発生室１２の外側の領域で、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０とそれぞれ接続されており、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている（図２参照）。

また下電極膜６０は、本実施形態では、絶縁体膜５２上に形成された導電層６１と、導電層６１上に形成されたニッケル酸ランタン（ＬａＮｉ_ｙＯ_ｘ）からなる配向制御層６２とで構成されている。導電層６１は、配向制御層６２よりも抵抗率の低い材料、例えば、金属材料、金属材料の酸化物又はこれらの合金等からなる。導電層６１を形成する金属材料としては、具体的には、銅、アルミニウム、タングステン、白金、イリジウム、ルテニウム、銀、ニッケル、オスミウム、モリブデン、ロジウム、チタン、マグネシウム及びコバルトからなる群から選択される少なくとも一種が含むものであることが好ましい。

配向制御層６２として用いられるニッケル酸ランタンとしては、例えば、本実施形態では、ｘ＝３、ｙ＝１のＬａＮｉＯ_３を用いた。このようなニッケル酸ランタンからなる配向制御層６２は、下地となる導電層６１の面方位の影響を実質的に受けず、ペロブスカイト構造の結晶からなる。

なお、このような配向制御層６２を形成する方法は、特に限定されず、例えば、スパッタ法、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法等が挙げられ、成膜条件を適宜調整することで、上記のような結晶性を有する配向制御層６２を形成することができる。

圧電体層７０は、下電極膜６０の幅よりも広い幅で且つ圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられている。つまり、圧電体層７０は、下電極膜６０上からその外側の絶縁体膜５２上まで連続的に形成され、圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０は圧電体層７０によって覆われている。圧力発生室１２の長手方向においては、圧電体層７０の両端部は、圧力発生室１２の端部の外側まで延設されている。また圧力発生室１２の長手方向一端部側の圧電体層７０の端部は、圧力発生室１２の端部近傍に位置しておりその外側の領域には下電極膜６０がさらに延設されている。

そして本発明では、絶縁体膜５２上に形成されている圧電体層７０ａが、配向制御層６２上の圧電体層７０ｂの結晶よりも粒径の小さい結晶で構成されている。すなわち、絶縁体膜５２上の圧電体層７０ａの結晶粒径Ｄ１が、配向制御層６２上の圧電体層７０ｂの結晶粒径Ｄ２よりも小さくなっている。ここでいう結晶粒径Ｄ１、Ｄ２とは、圧電体層を平面視した際の結晶粒の平均粒径である。

これにより、圧電体層７０全体の結晶性が良好且つ実質的に均一になる。すなわち、圧電素子３００の変位量が向上すると共に、圧電素子３００の変位に伴う圧電体層７０の破壊の発生を抑制することができる。上述したように配向制御層６２上の圧電体層７０ｂは配向制御層６２上に結晶がエピタキシャル成長している。このため、圧電体層７０ｂは比較的結晶粒径が大きくても良好な結晶性を有するものとなる。一方、絶縁体膜５２上に形成された圧電体層７０ａは、エピタキシャル成長はしていないものの、配向制御層６２上の圧電体層７０ｂよりも小さい粒径の結晶からなるため、配向制御層６２上の圧電体層７０ｂと同等の良好な結晶性を有する。

また圧電体層７０は、少なくとも配向制御層６２上に形成されている部分７０ｂは、配向制御層６２と同様に、ペロブスカイト構造の結晶からなることが好ましい。さらに、これら配向制御層６２及び配向制御層６２上の圧電体層７０ｂは、結晶面方位が（１１０）、（００１）、（１１１）又は（１１３）に優先配向していることが好ましい。すなわち配向制御層６２の結晶面方位が（１１０）、（００１）、（１１１）又は（１１３）に優先配向し、配向制御層６２上の圧電体層７０ｂが、配向制御層６２上にエピタキシャル成長していることが好ましい。なお配向制御層６２以外の部分に形成されている圧電体層７０ａ、つまり圧電体層７０の絶縁体膜５２上に形成されている部分７０ａも、ペロブスカイト構造の結晶からなり且つ結晶面配向が（１１０）、（００１）、（１１１）又は（１１３）に優先配向していることが好ましい。

このような圧電体層７０を具備する圧電素子３００は、変位量を十分に確保しつつ耐久性が向上する。すなわち圧電体層７０の結晶性が優れているため、圧電素子３００として十分な変位量が確保され、且つ圧電素子３００の繰り返し駆動による圧電素子３００の変位量の低下が抑えられる。圧電素子３００を繰り返し駆動すると、圧電素子３００の劣化に伴ってその変位量は徐々に低下してしまうが、圧電体層７０が良好な結晶性を有することで、このような変位量の低下が抑制される。さらに圧電体層７０が良好な結晶性を有することで、圧電素子３００の応答性も向上するため、圧電素子３００を高速駆動させることも可能となる。

また、圧電体層７０、特に配向制御層６２上の圧電体層７０ｂの結晶構造は、菱面体晶、正方晶又は単斜晶であることが好ましく、さらに柱状結晶からなることが好ましい。これにより、圧電素子３００の変位量の低下をより確実に抑えることができる。本発明では、下電極膜６０の最表層がニッケル酸ランタンからなる配向制御層６２で構成され且つ振動板５０の最表層が酸化チタンからなる絶縁体膜５２で構成されている。したがって、上記の何れかの結晶構造で且つ柱状結晶からなる圧電体層７０を比較的容易に形成することができる。

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［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ］を主成分とする材料で形成されていることが好ましいが、その他、マグネシウム酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛の固溶体［Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３：ＰＭＮ−ＰＴ］、亜鉛酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛の固溶体［Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３：ＰＺＮ−ＰＴ］等を用いてもよい。

なお、このような圧電体層７０の製造方法は、特に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法等が挙げられる。そして、このような方法によって圧電体層７０を形成する際、成膜条件や、加熱（焼成）条件等を適宜調整することで、上記のような結晶性を有する圧電体層７０を形成することができる。

また、本実施形態では上述したように下電極膜６０の端面が、振動板５０の表面に対して略垂直な面ではなく傾斜面で構成されている。この下電極膜６０の端面の振動板５０の表面に対する傾斜角度は、例えば、１０〜３０°であることが好ましい。これにより、この下電極膜６０の端面上にも圧電体層７０が比較的良好に形成される。つまり、圧電体層７０の結晶性が全体に亘ってさらに均一化される。したがって、圧電素子３００及び振動板５０の変位量の低下がより確実に抑えられる。

さらに、本実施形態では、上述したように下電極膜６０が配向制御層６２よりも抵抗率の低い導電層６１を有するため、複数の圧電素子３００を同時に駆動しても、十分な電流供給能力が得られる。したがって、並設された複数の圧電素子３００を同時に駆動しても、各圧電素子３００の変位特性にばらつきが生じることなく、安定した略均一な変位特性が得られる。

上電極膜８０は、本実施形態では、複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に形成され、また圧力発生室１２の長手方向他端部側から周壁上まで延設されている。すなわち、上電極膜８０は、圧力発生室１２に対向する領域の圧電体層７０の上面及び端面のほぼ全域を覆って設けられている。これにより、圧電体層７０への大気中の水分（湿気）の浸透が上電極膜８０によって実質的に防止される。したがって、水分（湿気）に起因する圧電素子３００（圧電体層７０）の破壊を抑制することができ、圧電素子３００の耐久性を著しく向上することができる。

このような振動板５０及び圧電素子３００からなるアクチュエータが形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００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３１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３００は、この圧電素子保持部３１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ている。また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１５に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。

さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、下電極膜６０及びリード電極９０の端部がこの貫通孔３３内に露出されている。そして、図示しないが、これら下電極膜６０及びリード電極９０は、貫通孔３３内に延設される接続配線によって圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等に接続される。

なお、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、流路形成基板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、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

この保護基板３０上には、さらに、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によってリザーバ部３２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、リザーバ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では、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動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３００に電圧を印加し、圧電素子３００をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル２１からインク滴が吐出する。

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図７を参照して説明する。なお、図４〜図７は、インクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなるシリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０の表面に振動板５０を形成する。具体的には、まず、弾性膜５１を構成する二酸化シリコン膜５３を形成する。例えば、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の表面を熱酸化することによって弾性膜５１（二酸化シリコン膜５３）を形成している。勿論、弾性膜５１は、熱酸化以外の方法で形成してもよい。さらに、この弾性膜５１（二酸化シリコン膜５３）上に、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）からなる絶縁体膜５２を形成する。絶縁体膜５２の形成方法は、特に限定されず、例えば、スパッタ法等によって形成すればよい。

ところで、振動板５０を構成する絶縁体膜５２は、圧電素子３００を構成する圧電体層７０の鉛成分が弾性膜５１や流路形成基板１０に拡散するのを防止するための役割も果たしている。

次いで、図４（ｂ）に示すように、振動板５０（絶縁体膜５２）上に、下電極膜６０を形成し、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。具体的には、例えば、白金（Ｐｔ）等の所定の金属材料を絶縁体膜５２上にスパッタリング法等によって導電層６１を形成し、さらにこの導電層６１上にニッケル酸ランタンからなる配向制御層６２を形成する。その後、これら配向制御層６２と導電層６１とを順次パターニングする。

なお、配向制御層６２の形成方法は、上述したように、例えば、スパッタ法、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法等が挙げられる。そして成膜条件を適宜調整することで、上述したように結晶性に優れた配向制御層６２を形成することができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０を、下電極膜６０が形成された流路形成基板用ウェハ１１０の全面に成膜する。圧電体層７０の形成方法は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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を形成した。勿論、圧電体層７０の形成方法は、ゾル−ゲル法に限定されるものではなく、例えば、ＭＯＤ法やスパッタリング法等を用いてもよい。

そして、このような方法で圧電体層７０を形成する際に、成膜条件や、加熱（焼成）条件等を適宜調整することで、上述したように結晶性に優れた圧電体層７０を形成することができる。

次に、この圧電体層７０を所定形状にパターニングする。具体的には、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０上にレジストを塗布してこのレジストを露光及び現像することにより所定パターンのレジスト膜２００を形成する。すなわち、例えば、ネガレジストをスピンコート法等により圧電体層７０上にレジストを塗布し、その後、所定のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことによりレジスト膜２００を形成する。勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。なお本実施形態では、レジスト膜２００の端面が所定角度で傾斜するように形成している。

次いで、図５（ｂ）に示すように、このレジスト膜２００をマスクとして圧電体層７０をイオンミリングすることによって所定形状にパターニングする。このとき、圧電体層７０は、レジスト膜２００の傾斜した端面に沿ってパターニングされる。つまり、圧電体層７０の端面が傾斜面となる。

次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体層７０上のレジスト膜２００を剥離させる。レジスト膜２００の剥離方法は、特に限定されないが、例えば、有機剥離液等によって剥離させればよい。その後、さらに圧電体層７０の表面を所定の洗浄液等によって洗浄することでレジスト膜２００を完全に除去する。

次に、図６（ａ）に示すように、上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、この上電極膜８０を所定形状にパターニングすることによって圧電素子３００が形成される。上電極膜８０の材料としては、導電性が比較的高い材料であれば、特に限定されないが、例えば、イリジウム、白金、パラジウム等の金属材料を用いることが好ましい。また、上電極膜８０の厚さは、圧電素子３００の変位を妨げない程度の厚さで形成する必要がある。ただし、この上電極膜８０は、本実施形態では、水分に起因する圧電体層７０の破壊を防止するための耐湿保護膜を兼ねているため、比較的厚く形成されていることが望ましい。

次に、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って金（Ａｕ）からなるリード電極９０を形成後、各圧電素子３００毎にパターニングする。次に、図６（ｃ）に示すように、複数の保護基板３０が一体的に形成される保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板用ウェハ１１０上に接着剤３５によって接着する。なお保護基板用ウェハ１３０には、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３が予め形成されている。

次いで、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。次に、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）からなる保護膜５５を新たに形成し、所定のマスクを介して保護膜５５を所定形状にパターニングする。そして、図７（ｃ）に示すように、この保護膜５５をマスクとして流路形成基板用ウェハ１１０を、例えば、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、流路形成基板用ウェハ１１０に、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５を形成する。

その後は、図示しないが流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ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し、流路形成基板用ウェハ１１０にノズルプレート２０を接合すると共に保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合した後、これら流路形成基板用ウェハ１１０を、図１に示すような一つのチップサイズに分割することによってインクジェット式記録ヘッドが製造される。

（実施形態２）
図８は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す断面図である。
本実施形態は、下電極膜６０の構成の他の例であり、下電極膜６０以外の構成は実施形態１と同様である。すなわち、実施形態１では、配向制御層６２を導電層６１上（上面）に形成したのに対し、図８に示すように、本実施形態では、導電層６１の上面及び端面上、つまり導電層６１を覆って配向制御層６２Ａを設けている。

このような構成では、下電極膜６０の端面においても、圧電体層７０が配向制御層６２上に形成されることになるため、下電極膜６０の端部近傍における圧電体層７０の結晶性がさらに向上する。

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図１０は、図９の平面図及びそのＢ−Ｂ′断面図である。また図１１は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す断面図である。なお図１〜図３に示した部材と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、圧電素子３００を構成する下電極膜６０Ａが、圧電素子３００の共通電極膜を構成し、上電極膜８０Ａが個別電極を構成している以外は、実施形態１と同様である。

図示するように、本実施形態に係る下電極膜６０Ａは、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で、各圧力発生室１２の長手方向一端部側から周壁上まで延設され、周壁上で連結されて各圧電素子３００に共通する共通電極を構成している。圧力発生室１２の長手方向他端部側の下電極膜６０Ａの端部は、圧力発生室１２に対向する領域内に位置している。

圧電体層７０は、圧力発生室１２の長手方向に両端部の外側まで延設されており、圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０Ａの上面及び端面が圧電体層７０によって完全に覆われている。また圧力発生室１２の長手方向一端部側では、圧電体層７０の外側まで下電極膜６０Ａがさらに延設されている。

上電極膜８０Ａは、圧電体層７０の幅よりも広い幅で、各圧力発生室１２に対向する領域にそれぞれ独立して設けられている。すなわち上電極膜８０Ａは圧力発生室１２間の隔壁１１上で切り分けられて圧電素子３００の個別電極を構成している。また上電極膜８０Ａは、圧力発生室１２の長手方向他端部側から周壁上まで延設されている。

なお本実施形態では、上電極膜８０Ａは、各圧力発生室１２の長手方向他端部側で圧電体層７０の端部よりも外側まで延設されている。そして、この上電極膜８０Ａの端部近傍にリード電極９１が接続されており、このリード電極９１を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。

勿論、このような本実施形態の構成においても、圧電素子３００及び振動板５０の変位量を十分に確保することができ、また繰り返し駆動に伴う変位量の低下を抑えることができる。さらに、圧電体層７０の表面が上電極膜８０Ａによって覆われていることで、水分等に起因する圧電素子３００の破壊を抑制することができる。つまり、圧電素子３００の電極構造に拘わらず、圧電体層７０の破壊を確実に抑制することができ、耐久性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態では、下電極膜６０が、導電層６１と配向制御層６２との２層で構成された例を説明したが、下電極膜６０の構成は、これに限定されるものではない。下電極膜６０は、最表層がニッケル酸ランタンからなる配向制御層６２で構成されていれば、その下側の構成は特に限定されず、例えば、導電層６１が複数層で構成されていてもよい。

同様に、上述の実施形態では、振動板５０が弾性膜５１と絶縁体膜５２との２層で構成された例を説明したが、振動板５０の構成は、これに限定されるものではない。振動板５０は、最表層が酸化チタンからなる絶縁体膜５２で構成されていればよく、例えば、弾性膜５１と絶縁体膜５２との間、或いは弾性膜５１と流路形成基板１０との間に、他の層がさらに設けられていてもよい。

さらに、例えば、上述の実施形態では、上電極膜８０によって圧電体層７０を覆い、これにより圧電体層７０の水分に起因する破壊を抑制するようにしたが、上電極膜８０の構成は、これに限定されるものではない。例えば、上電極膜８０は、下電極膜６０に対向する領域のみ設けられていてもよい。この場合には、圧電体層７０のその他の部分に、例えば、酸化アルミニウム等からなる耐湿性を有する材料からなる保護膜を形成し、この保護膜によって圧電体層７０の水分に起因する破壊を抑制するようにしてもよい。

また上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２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１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂ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に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び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１Ａ及び１Ｂ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上を搬送されるようになっている。

なお、上述した実施形態においては、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、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、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータに限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータにも、勿論適用することができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。 実施形態３に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態３に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態３に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。 一実施形態に係る記録装置の概略図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 振動板、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子

Claims (14)

1. 液滴を吐出するノズルにそれぞれ連通する圧力発生室が複数並設された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、前記圧電体層の端面がその外側に向かって傾斜する傾斜面で構成されており、
   各圧電素子を構成する前記下電極が前記圧力発生室の幅よりも狭い幅で形成されていると共に前記圧電体層が前記下電極よりも広い幅で形成され、
   前記振動板の最表層が酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）からなる絶縁体膜で構成され、前記下電極の最表層がニッケル酸ランタン（ＬａＮｉ_ｙＯ_ｘ）からなる配向制御層で構成され、
   且つ前記圧電体層が柱状結晶からなると共に、前記絶縁体膜上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径が、前記配向制御層上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径よりも小さいことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層の結晶構造は、菱面体晶、正方晶又は単斜晶であ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. 前記配向制御層及び少なくとも当該配向制御層上に形成された圧電体層が、ペロブスカイト構造の結晶からなり且つ結晶面方位が（１１０）、（００１）、（１１１）又は（１１３）に優先配向していることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記圧電体層で覆われた前記下電極の端面がその外側に向かって傾斜する傾斜面となっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記下電極は、前記配向制御層の下側に当該配向制御層よりも抵抗率の低い材料からなる導電層を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記導電層が前記配合制御層によって覆われていることを特徴とする請求項５に記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記導電層が、金属材料、金属材料の酸化物又はこれらの合金からなることを特徴とする請求項５又は６に記載の液体噴射ヘッド。
8. 前記金属材料が、銅、アルミニウム、タングステン、白金、イリジウム、ルテニウム、銀、ニッケル、オスミウム、モリブデン、ロジウム、チタン、マグネシウム及びコバルトからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項７に記載の液体噴射ヘッド。
9. 前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とすることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
10. 前記圧電体層の端面が、耐湿性を有する保護膜によって覆われていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
11. 前記圧電体層の端面が、前記上電極によって覆われていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
12. 前記下電極が前記圧力発生室に対応して独立して設けられて前記圧電素子の個別電極を構成し、前記上電極が前記圧力発生室の並設方向に亘って連続的に設けられて前記圧電素子の共通電極を構成していることを特徴とする請求項１１に記載の液体噴射ヘッド。
13. 請求項１〜１２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。
14. 基板の一方面側に設けられた振動板と、該振動板上に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備し、前記圧電体層の端面がその外側に向かって傾斜する傾斜面で構成されており、
    前記圧電体層が前記下電極よりも広い幅で形成されて当該下電極の端面が前記圧電体層によって覆われており、
    前記振動板の最表層が酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）からなる絶縁体膜で構成され、前記下電極の最表層がニッケル酸ランタン（ＬａＮｉ_ｙＯ_ｘ）からなる配向制御層で構成され、
    且つ前記圧電体層が柱状結晶からなると共に、前記絶縁体膜上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径が、前記配向制御層上に形成された圧電体層の結晶粒の平均粒径よりも小さいことを特徴とするアクチュエータ。

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