(57)【要約】【課題】液体吐出ヘッドにおいて、圧電特性をよくし、且つ、クロストークも生じにくくする。【解決手段】流路部材２１に形成された複数の圧力室２６が、振動膜３０に覆われている。振動膜３０の圧力室２６と反対側の面の圧力室と上下方向に重なる部分に第１電極３２が配置されている。第１電極３２の振動膜３０と反対側の面に、ゾルゲル法によって形成された圧電膜３３が配置されている。圧電膜３３の第１電極３２と反対側の面に第２電極３４が配置されている。第２電極３４は圧縮応力を有している。圧電膜３３は、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率が５０％以上である。第１電極３２と第２電極３４とに電位差が生じていない状態で、振動膜３０及び圧電膜３３の圧力室２６と上下方向に重なる部分は、圧力室２６側に凸となるように撓んでいる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルと前記複数のノズルに連通する複数の圧力室とを含む液体流路が形成された流路部材と、
前記複数の圧力室を覆う振動膜と、
前記振動膜の前記複数の圧力室と反対側の面に配置された圧電膜と、
前記振動膜と前記圧電膜との間に配置され、前記圧力室と対向する第１電極と、
前記圧電膜の前記振動膜と反対側の面に配置され、前記圧力室と対向する第２電極と、を備え、
前記第２電極は、圧縮応力を有しており、
前記圧電膜が、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率が５０％以上であり、
前記第１電極と前記第２電極とに電位差が生じていない状態で、前記振動膜及び前記圧電膜が、前記圧力室側に凸となるように撓んでいることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電膜がゾルゲル法で形成された膜であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記圧電膜は、前記振動膜よりも厚みが薄いことを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記圧電膜の厚みが２μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記圧力室の深さの、前記圧力室の幅に対する比率が１倍以上３倍以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記圧力室の深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記第１電極と前記第２電極とに電位差が生じていない状態での前記圧電膜の撓み量が、前記圧力室の幅の１％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記第１電極と前記第２電極とに電位差が生じていない状態での前記圧電膜の撓み量が、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の液体吐出装置。
【請求項９】
前記圧電膜は、前記配向比率が８０％以上となるように分極されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルから液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズルから液体を吐出する液体吐出ヘッドとして、特許文献１には、ノズルからインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドが記載されている。特許文献１のインクジェット式記録ヘッドでは、ノズルに連通する圧力室が弾性膜に覆われ、弾性膜の圧力室と反対側の面に圧電体膜が配置され、弾性膜と圧電体膜との間に下電極膜が形成され、圧電体膜の弾性膜と反対側の面に上電極膜が配置されている。圧電体膜はゾルゲル法によって形成されている。また、上電極膜が圧縮応力を有しており、この圧縮応力によって、弾性膜、圧電体膜、下電極膜及び上電極膜が、圧力室と反対側に凸となるように撓んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2000-94688号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来知られているように、組成式ＡＢＯ３であらわされるペロブスカイト型構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）において、その結晶配向性が、電圧を印加した際に結晶にひずみを生じる圧電特性に大きな影響を与えることが知られている。特に、ペロブスカイト型正方晶のＰＺＴでは、c軸方向、すなわち（００１）方向に優先配向した薄膜を得ることが、大きな圧電特性を発現させるために有効であると考えられている。a軸方向、すなわち（１００）方向に優先配向した薄膜などは、大きな電界を印加した際に、基板表面と平行な方向を向いていたc軸が、基板表面と垂直な方向に立ち上がることで大きな変形を生み出す場合もあるが、変形量が不安定になりがちで安定した駆動に問題がある。
【０００５】
ここで、特許文献１では、上電極膜が圧縮応力を有しているため、圧電体膜が引っ張り応力を有し、その結果、圧電体膜は圧電膜（１００）配向になりやすい。また、特許文献１のようなゾルゲル法で形成された圧電体膜は、一般に（１００）配向となりやすい。上述したように、（１００）配向の配向比率が高い圧電体膜は、上電極膜と下電極膜との間に電圧を印加したときに良好な圧電特性を得ることが難しい。
【０００６】
また、特許文献１では、上電極膜の圧縮応力により、弾性膜及び振動膜が、圧力室と反対側に凸となるように撓んだ状態となる。弾性膜及び振動膜が、圧力室と反対側に凸となるように撓んでいるインクジェット式記録ヘッドでは、後述するように、駆動時にクロストークが発生しやすい。
【０００７】
本発明の目的は、圧電特性がよく、且つ、クロストークも生じにくい液体吐出ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る液体吐出ヘッドは、複数のノズルと前記複数のノズルに連通する複数の圧力室とを含む液体流路が形成された流路部材と、前記複数の圧力室を覆う振動膜と、前記振動膜の前記複数の圧力室と反対側の面に配置された圧電膜と、前記振動膜と前記圧電膜との間に配置され、前記圧力室と対向する第１電極と、前記圧電膜の前記振動膜と反対側の面に配置され、前記圧力室と対向する第２電極と、を備え、前記第２電極は、圧縮応力を有しており、前記圧電膜が、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率が５０％以上であり、前記振動膜及び前記圧電膜が、前記圧力室側に凸となるように撓んでいる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るプリンタ１の概略的な平面図である。
【図２】インクジェットヘッド４の平面図である。
【図３】図２のインクジェットヘッド４の後端部の拡大図である。
【図４】図３のＡ部拡大図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４のVI−VI線断面図である。
【図７】インクジェットヘッド４を製造する手順を示すフローチャートである。
【図８】流路部材２１に圧力室２６を形成したときの状態を示す、図６に対応する図である。
【図９】撓み量と静電容量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１１】
＜プリンタ１の概略構成＞
図１に示すように、本実施形態に係るプリンタ１は、キャリッジ３と、インクジェットヘッド４と、搬送機構５と、制御装置６とを備えている。
【００１２】
キャリッジ３は、走査方向に延びる２本のガイドレール１０，１１に取り付けられている。また、キャリッジ３は、無端ベルト１４を介してキャリッジ駆動モータ１５と連結されている。キャリッジ３は、駆動モータ１５により駆動されて、プラテン２上の記録用紙１００の上方において走査方向に往復移動する。なお、以下では、図１に示すように走査方向の右方及び左方を定義して説明を行う。
【００１３】
インクジェットヘッド４は、キャリッジ３に搭載されている。インクジェットヘッド４には、ホルダ７の４色（ブラック、イエロー、シアン、マゼンタ）のインクカートリッジ１７のそれぞれから、図示しないチューブによりインクが供給される。インクジェットヘッド４は、キャリッジ３とともに走査方向に移動しつつ、複数のノズル２４（図２〜図６参照）から、プラテン２上の記録用紙１００に向けてインクを吐出する。
【００１４】
搬送機構５は、２つの搬送ローラ１８，１９によって、プラテン２上の記録用紙１００を、走査方向と直交する搬送方向に搬送する。また、以下では、図１に示すように搬送方向の前方及び後方を定義して説明を行う。
【００１５】
制御装置６は、ＰＣ等の外部装置から入力された印刷指令に基づいて、インクジェットヘッド４やキャリッジ駆動モータ１５等を制御して、記録用紙１００に画像等を印刷させる。
【００１６】
＜インクジェットヘッド４＞
次に、インクジェットヘッド４の構成について、図２〜図６を参照して詳細に説明する。尚、図３、図４では、図２に示される保護部材２３の図示を省略している。
【００１７】
本実施形態のインクジェットヘッド４は、上述した４色（ブラック、イエロー、シアン、マゼンタ）全てのインクを吐出するものである。図２〜図６に示すように、インクジェットヘッド４は、ノズルプレート２０と、流路部材２１と、圧電アクチュエータ２２を含むアクチュエータ装置２５とを備えている。尚、本実施形態のアクチュエータ装置２５は、圧電アクチュエータ２２のみを指すのではなく、圧電アクチュエータ２２の上に配置される、保護部材２３と、配線部材であるＣＯＦ（Chip On Film）５０をも含む概念である。
【００１８】
＜ノズルプレート２０＞
ノズルプレート２０は、例えば、シリコン等で形成されたプレートである。ノズルプレート２０には、搬送方向に配列された複数のノズル２４が形成されている。
【００１９】
より詳細には、図２、図３に示すように、ノズルプレート２０には、走査方向に並ぶ４つのノズル群２７が形成されている。４つのノズル群２７は、互いに異なるインクを吐出する。１つのノズル群２７は、左右２つのノズル列２８からなる。各ノズル列２８において、複数のノズル２４が配列ピッチＰで配列されている。また、２つのノズル列２８の間では、ノズル２４の位置が搬送方向にＰ／２ずれている。即ち、１つのノズル群２７を構成する複数のノズル２４は、２列の千鳥状に配列されている。
【００２０】
尚、以下の説明において、インクジェットヘッド４の構成要素のうち、ブラック（Ｋ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）のインクにそれぞれ対応するものについては、その構成要素を示す符号の後に、どのインクに対応するかが分かるように、適宜、ブラックを示す“ｋ”、イエローを示す“ｙ”、シアンを示す“ｃ”、マゼンタを示す “ｍ”の何れかの記号を付す。例えば、ノズル群２７ｋとは、ブラックインクを吐出するノズル群２７のことを指す。
【００２１】
＜流路部材＞
流路部材２１は、シリコン単結晶の基板である。図２〜図６に示すように、流路部材２１には、複数のノズル２４とそれぞれ連通する複数の圧力室２６が形成されている。各圧力室２６は、走査方向に長い、矩形の平面形状を有する。複数の圧力室２６は、上述した複数のノズル２４の配列に応じて搬送方向に配列され、１色のインクに対して２つの圧力室列、合計８つの圧力室列を構成している。流路部材２１の下面はノズルプレート２０で覆われている。また、各圧力室２６の走査方向外側の端部がノズル２４と重なっている。
【００２２】
また、圧力室２６の走査方向の長さＬは５００μｍ〜１０００μm程度であり、圧力室２６の幅Ｗ（搬送方向の長さ）は６５μｍ程度であり、圧力室２６の深さＤは、１２５μｍ（５０μｍ以上１５０μｍ以下）である。これにより、本実施形態では、圧力室２６の深さＤの、圧力室２６の幅Ｗに対する比率が約２倍（１倍以上３倍以下）となっている。
【００２３】
ここで、圧力室２６の走査方向の長さＬとは、圧力室２６の走査方向の両側の内壁面の間の距離のことである。また、圧力室２６の幅Ｗとは、圧力室２６の搬送方向の両側の内壁面の間の距離のことである。また、後述するように圧力室２６の上面を形成する振動膜３０が撓んでいることから、圧力室２６の上下方向の長さは、圧力室２６の部分によって異なる。これに対して、上記の圧力室２６の深さＤとは、振動膜３０の圧力室２６側の面のうち、隣接する圧力室２６の間に位置する部分（撓んでいない部分）と、ノズルプレート２０の上面との間の距離のことである。
【００２４】
尚、流路部材２１の上面には、後述する圧電アクチュエータ２２の構成要素の１つである振動膜３０が、複数の圧力室２６を覆うように配置されている。振動膜３０は、圧力室２６を覆う絶縁性の膜であれば特には限定されない。例えば、本実施形態では、振動膜３０は、シリコン基板の表面が酸化、あるいは、窒化されることにより形成された膜である。振動膜３０の、各圧力室２６の走査方向内側の端部（ノズル２４と反対側の端部）を覆う部分には、インク供給孔３０ａが形成されている。また、振動膜３０の厚みＥ１は、１〜３μｍ程度である。ここで、振動膜３０の厚みＥ１とは、振動膜３０の、流路部材２１側の面と流路部材２１と反対側の面との距離のことである。
【００２５】
＜アクチュエータ装置２５＞
流路部材２１の上面には、アクチュエータ装置２５が配置されている。先にも触れたが、アクチュエータ装置２５は、複数の圧電素子３１を含む圧電アクチュエータ２２と、保護部材２３と、２枚のＣＯＦ５０を有する。
【００２６】
圧電アクチュエータ２２は、流路部材２１の上面全域に配置されている。図３、図４に示すように、圧電アクチュエータ２２は、複数の圧力室２６とそれぞれ重なって配置された複数の圧電素子３１を有する。複数の圧電素子３１は、圧力室２６の配列に従って搬送方向に配列され、８列の圧電素子列３８を構成している。左側４つの圧電素子列３８からは、複数の駆動接点４６と２つのグランド接点４７が左側に引き出され、図２、図３のように、接点４６，４７は流路部材２１の左端部に配置されている。右側４つの圧電素子列からは、複数の駆動接点４６と２つのグランド接点４７が右側に引き出され、接点４６，４７は流路部材２１の右端部に配置されている。圧電アクチュエータ２２の詳細構成については後述する。
【００２７】
保護部材２３は、複数の圧電素子３１を覆うように圧電アクチュエータ２２の上面に配置されている。詳しくは、保護部材２３は、８つの凹状保護部２３ａによって８つの圧電素子列３８を個別に覆っている。尚、図２に示すように、保護部材２３は圧電アクチュエータ２２の左右両端部は覆っておらず、駆動接点４６及びグランド接点４７は保護部材２３から露出している。また、保護部材２３は、ホルダ７の４つのインクカートリッジ１７と接続される４つのリザーバ２３ｂを有する。各リザーバ２３ｂ内のインクは、インク供給流路２３ｃ、振動膜３０のインク供給孔３０ａを介して、各圧力室２６に供給される。
【００２８】
図２〜図５に示されるＣＯＦ５０は、ポリイミドフィルム等の絶縁材料からなる基板５６を有する、可撓性の配線部材である。基板５６にはドライバＩＣ５１が実装されている。２枚のＣＯＦ５０の一端部は、それぞれ、プリンタ１の制御装置６（図１参照）に接続されている。２枚のＣＯＦ５０の他端部は、圧電アクチュエータ２２の左右両端部にそれぞれ接合されている。図４に示すように、ＣＯＦ５０は、ドライバＩＣ５１に接続された複数の個別配線５２と、グランド配線５３とを有する。個別配線５２の先端部には個別接点５４が設けられ、個別接点５４は圧電アクチュエータ２２の駆動接点４６と接続される。グランド配線５３の先端部にはグランド接続接点５５が設けられ、グランド接続接点５５は、圧電アクチュエータ２２のグランド接点４７と接続される。ドライバＩＣ５１は、個別接点５４及び駆動接点４６を介して、圧電アクチュエータ２２の複数の圧電素子３１の各々に駆動信号を出力する。
【００２９】
＜圧電アクチュエータ２２＞
次に、圧電アクチュエータ２２について、詳細に説明する。図２〜図６に示すように、圧電アクチュエータ２２は、上述の振動膜３０と、共通電極３６（複数の第１電極３２）と、圧電膜３３と、複数の第２電極３４とを有する。尚、図面を簡素化するため、図３、図４では、図５、図６の断面図では示されている保護膜４０、絶縁膜４１、及び、配線保護膜４３の図示を省略している。
【００３０】
図５、図６に示すように、複数の第１電極３２は、振動膜３０の上面の複数の圧力室２６と対向する領域に形成されている。また、図６に示すように、複数の第１電極３２は、振動膜３０の上面の圧力室２６と上下方向に重ならない領域に配置された導電部３５を介して繋がっている。これにより、複数の第１電極３２とそれらを繋ぐ導電部３５によって、振動膜３０の上面のほぼ全域を覆う共通電極３６が形成されている。共通電極３６は、例えば、白金（Ｐｔ）で形成されている。また、共通電極３６の厚みは、例えば、０．１μｍである。
【００３１】
圧電膜３３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料により形成される。あるいは、圧電膜３３は、鉛が含有されていない非鉛系の圧電材料で形成されていてもよい。圧電膜３３の厚みＤ２は、例えば、１．０〜２．０μｍ（２．０μｍ以下）であり、振動膜３０の厚みＤ１よりも小さい。ここで、圧電膜３３の厚みＤ２とは、圧電膜３３の、振動膜３０側の面と振動膜３０と反対側の面との距離のことである。
【００３２】
図３、図４、図６に示すように、圧電膜３３は、共通電極３６が形成された振動膜３０の上面に配置されている。圧電膜３３は、圧力室列毎に設けられており、圧力室列を構成する複数の圧力室２６にまたがって搬送方向に延びている。
【００３３】
第２電極３４は、圧電膜３３の上面に配置されている。第２電極３４は、圧力室２６よりも一回り小さい矩形の平面形状を有し、圧力室２６の中央部と上下方向に重なっている。複数の第２電極３４は、第１電極３２とは異なり、互いに分離されている。つまり、第２電極３４は、圧力室２６毎に個別に設けられた個別電極である。第２電極３４は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）で形成されている。第２電極３４の厚みは、例えば、０．１μｍである。また、第２電極３４は、後述するようにスパッタ法によって形成されたものであり、圧縮応力を有している。
【００３４】
また、圧電膜３３の第１電極３２と第２電極３４とに挟まれた部分は分極されている。これにより、圧電膜３３は、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率が５０％以上となっている。圧電膜３３の上記配向比率は、８０％以上であることがより好ましい。
【００３５】
また、第２電極３４が圧縮応力を有し、圧電膜３３において（１００）配向に対する（００１）配向の比率が５０％以上となっている圧電アクチュエータ２２では、第１電極３２と第２電極３４とに電位差が生じていない状態で、振動膜３０及び圧電膜３３の圧力室２６と上下方向に重なる部分（圧電素子３１を形成する部分）が、圧力室２６側に凸となるように撓んでいる。また、振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量Ｔが４５０ｎｍ程度（４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下）となっている。ここで、上記撓み量Ｔは、圧力室２６の側壁面と振動膜３０との境界Ｋと、振動膜３０の下面の圧力室６２の搬送方向の中心と上下方向に重なる部分との、上下方向の距離のことである。
【００３６】
そして、このような圧電アクチュエータ２２では、振動膜３０及び圧電膜３３の圧力室２６と上下方向に重なる部分と、圧電膜３３のこの部分と上下方向に重なる第１電極３２及び第２電極３４とを合わせたものがそれぞれ、圧電素子３１を形成している。即ち、複数の圧電素子３１が、複数の圧力室２６の配列に従って搬送方向に配列されている。これにより、複数の圧電素子３１は、ノズル２４及び圧力室２６の配列に従って、１色のインクにつき２つの圧電素子列３８、合計８つの圧電素子列３８を構成している。尚、１色のインクに対応した２つの圧電素子列３８からなる圧電素子３１の群を、圧電素子群３９と称する。図３に示すように、４色のインクにそれぞれ対応した、４つの圧電素子群３９ｋ，３９ｙ，３９ｃ，３９ｍが走査方向に並んで配置されている。
【００３７】
図５、図６に示すように、圧電アクチュエータ２２は、さらに、保護膜４０、絶縁膜４１、配線４２、及び、配線保護膜４３を有する。
【００３８】
図５に示すように、保護膜４０は、第２電極３４の中央部が配置された領域を除いて、圧電膜３３の表面を覆うように配置されている。保護膜４０の主な目的の１つは、空気中の水分の圧電膜３３への浸入防止である。保護膜４０は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）等の酸化物、あるいは、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の窒化物など、透水性の低い材料で形成される。
【００３９】
保護膜４０の上には、絶縁膜４１が形成されている。絶縁膜４１の材質は特に限定されないが、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成される。この絶縁膜４１は、第２電極３４に接続される次述の配線４２と、共通電極３６との間の、絶縁性を高めるために設けられている。
【００４０】
絶縁膜４１の上には、複数の圧電素子３１の第２電極３４からそれぞれ引き出された複数の配線４２が形成されている。配線４２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）で形成されている。図５に示すように、配線４２の一端部は、圧電膜３３の上の第２電極３４の端部と重なる位置に配置され、保護膜４０と絶縁膜４１を貫通する貫通導電部４８によって第２電極３４と導通している。
【００４１】
複数の圧電素子３１にそれぞれ対応する複数の配線４２は、左右に分かれて延びている。詳細には、図３に示すように、４つの圧電素子群３９のうち、右側２つの圧電素子群３９ｋ，３９ｙを構成する圧電素子３１からは、配線４２が右方へ延び、左側２つの圧電素子群３９ｃ，３９ｍを構成する圧電素子３１からは、配線４２が左方へ延びている。
【００４２】
配線４２の、第２電極３４と反対側の端部には駆動接点４６が設けられている。圧電アクチュエータ２２の左端部及び右端部のそれぞれにおいて、複数の駆動接点４６が搬送方向に一列に並んでいる。本実施形態では、１色のノズル群２７を構成するノズル２４が、６００ｄｐｉ（＝４２μｍ）のピッチで配列されている。また、２色のノズル群２７に対応する圧電素子３１の配線４２が左方又は右方に引き出されている。そのため、圧電アクチュエータ２２の左端部及び右端部のそれぞれにおいて、複数の駆動接点４６は、１つのノズル群２７におけるノズル２４の配列間隔のさらに半分、即ち、２１μｍ程度の、非常に狭い間隔で配列されている。
【００４３】
また、前後に一列に並ぶ複数の駆動接点４６に対して、その配列方向の両側には２つのグランド接点４７がそれぞれ配置されている。１つのグランド接点４７は、１つの駆動接点４６よりも接点面積が大きい。グランド接点４７は、直下の保護膜４０及び絶縁膜４１を貫通する図示しない導通部を介して、共通電極３６と接続されている。
【００４４】
先にも触れたが、圧電アクチュエータ２２の左端部及び右端部に配置された駆動接点４６とグランド接点４７は、保護部材２３から露出している。また、圧電アクチュエータ２２の左端部と右端部には、２枚のＣＯＦ５０がそれぞれ接合される。駆動接点４６は、ＣＯＦ５０の個別接点５４、個別配線５２を介してドライバＩＣ５１と接続され、ドライバＩＣ５１から駆動接点４６に駆動信号が供給される。これにより、各第２電極３４には個別に、グランド電位及び所定の駆動電位（例えば２０Ｖ程度）のいずれかが選択的に付与される。グランド接点４７は、ＣＯＦ５０のグランド接続接点５５と接続されることによって、グランド電位が付与される。
【００４５】
図５に示すように、配線保護膜４３は、複数の配線４２を覆うように配置されている。配線保護膜４３により、複数の配線４２の間の絶縁性が高められている。また、配線保護膜４３により、配線４２を構成する配線材料（Ａｌ等）の酸化も抑制される。配線保護膜４３は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等で形成されている。
【００４６】
尚、図５、図６に示すように、本実施形態では、第２電極３４は、その周縁部を除いて保護膜４０、絶縁膜４１、配線保護膜４３から露出している。即ち、保護膜４０、絶縁膜４１、配線保護膜４３によって、圧電膜３３の変形が阻害されにくい構造である。
【００４７】
＜圧電アクチュエータ２２の駆動方法＞
ここで、圧電アクチュエータ２２（圧電素子３１）を駆動させて、ノズル２４からインクを吐出させる方法について説明する。圧電アクチュエータ２２では、予め全ての圧電素子３１の第２電極３４の電位が駆動電位に保持されている。この状態では、第１電極３２と第２電極３４との電位差により、圧電膜３３に厚み方向の電界が生じ、この電界によって圧電膜３３が厚み方向に直交する方向に収縮する。その結果、振動膜３０及び圧電膜３３の圧力室２６と上下方向に重なる部分は、圧力室２６側に凸となるように撓んでおり、且つ、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていないときよりもその撓み量が大きくなっている。また、本実施形態では、圧電膜３３の厚みが１．０〜２．０μｍ程度と薄いため、圧電膜３３に大きな電界が発生し、振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量が大きくなる。
【００４８】
あるノズル２４からインクを吐出させるときには、そのノズル２４に対応する圧電素子３１の第２電極３４の電位を一旦グランド電位に切り換えてから、駆動電位に戻す。第２電極３４の電位をグランド電位に切り換えると、第１電極３２と第２電極３４とが同電位となって上記電界が発生しなくなり、振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量が小さくなる。この後、第２電極３４の電位を駆動電位に戻すと、振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量が大きくなり、圧力室２６の容積が小さくなる。その結果、圧力室２６内のインクの圧力が上昇し、圧力室２６に連通するノズル２４からインクが吐出される。
【００４９】
＜クロストーク＞
ここで、圧電アクチュエータ２２を駆動させたときには、ある圧力室２６に対応する圧電素子３１の駆動が、別の圧力室２６に連通するノズル２４からのインクの吐出速度に影響を与える、いわゆるクロストーク（変位クロストーク及び吐出クロストーク）が発生する。以下、クロストークについて詳細に説明する。
【００５０】
クロストークの説明のために、例えば、図６に示すように、ある圧力室２６を圧力室２６Ａとし、圧力室２６Ａに対応する圧電素子３１を圧電素子３１Ａとする。また、搬送方向において圧力室２６Ａの両側に隣接する圧力室２６を圧力室２６Ｂとし、圧力室２６Ｂに対応する圧電素子３１を圧電素子３１Ｂとする。
【００５１】
圧電素子３１Ｂの第２電極３４に駆動電位が付与されている状態では、上述したように、振動膜３０の圧電素子３１Ｂを形成する部分が撓んでいる。振動膜３０の圧電素子３１Ｂを形成する部分が撓んでいる状態では、振動膜３０の圧電素子３１Ａを形成する部分に引張応力が生じる。この引張応力により、振動膜３０の圧電素子３１を形成する部分が伸び、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１を形成する部分が、圧力室２６Ａ側に凸となる方向に変形しようとする。
【００５２】
さらに、多数の圧力室２６が搬送方向に高密度に配列されており、流路部材２１の圧力室２６同士を隔てる隔壁２１ａの搬送方向の長さが短い場合、上述したように、振動膜３０の圧電素子３１Ｂを形成する部分が撓んでいる状態では、圧力室２６Ａと圧力室２６Ｂとの間の隔壁２１ａが、振動膜３０に引っ張られて圧力室２６Ｂ側に倒れようとする。これにより、振動膜３０の圧電素子３１Ａを形成する部分が平坦な状態に向かう方向に変形しようとする。
【００５３】
これらのことから、圧力室２６Ａに連通するノズル２４からインクを吐出させるために、上述したように圧電素子３１Ａの第２電極３４の電位を切り換えるときに、圧電素子３１Ｂの第２電極３４の電位を同時に切り換える場合と、圧電素子３１Ｂの第２電極３４の電位を同時に切り換えない場合とで、振動膜３０及び圧電膜３３のある圧力室２６と上下方向に重なる部分の変形量が変わる。そして、この変形量の違いによって生じるノズル２４からのインクの吐出速度の違いが変位クロストークである。
【００５４】
ここで、本実施形態と異なり、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていない状態で振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１を形成する部分が圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいる場合を考える。この場合、上記引張応力により、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が、圧力室２６側に凸となる方向に変形しようとする。また、隔壁２１ａが倒れようとするときに、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が、平坦となる方向（圧力室２６側に凸となる方向）に変形しようとする。すなわち、上記引張応力により、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が変形しようとする方向と、隔壁２１ａが倒れようとするときに、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が変形しようとする方向とが同じ方向となる。そのため、この場合には、圧電アクチュエータ２２の駆動時に、これらの変形しようとする力が足し合わされ、変位クロストークが大きくなる。
【００５５】
これに対して、本実施形態のように、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていない状態で振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１を形成する部分が圧力室２６側に凸となるように撓んでいる場合を考える。この場合には、上記引張応力により、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が、圧力室２６側に凸となる方向に変形しようとする。また、隔壁２１ａが倒れようとするときに、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が、平坦となる方向（圧力室２６と反対側に凸となる方向）に変形しようとする。すなわち、上記引張応力により、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が変形しようとする方向と、隔壁２１ａが倒れようとするときに、振動膜３０及び圧電膜３３の圧電素子３１Ａを形成する部分が変形しようとする方向とが反対方向となる。そのため、この場合には、これらの変形しようとする力が相殺され、変位クロストークが小さくなる。
【００５６】
さらに、隔壁２１ａの搬送方向の長さが短く、圧力室２６の深さが大きい（隔壁２１ａの上下方向の長さが長い）ほど、圧力室２６内のインクの圧力が変動したときに、隔壁２１ａが変形しやすい（隔壁２１ａのコンプライアンスが大きい）。そのため、圧力室２６のコンプライアンスが大きい場合には、上述したように圧電素子３１を駆動させて圧力室２６内のインクに圧力を付与したときに、隔壁２１ａが変形することで圧力変動が別の圧力室２６に伝搬する。このとき、圧電素子３１Ａと圧電素子３１Ｂとを同時に駆動している場合には、圧力室２６Ａ内のインクの圧力と圧力室２６Ｂ内のインクの圧力が同時に変動するため、隔壁３１ａが変形しにくく、上述したような圧力変動の伝搬は生じにくい。これに対して、圧電素子３１Ａを駆動させる際に、圧電素子３１Ｂを同時に駆動させない場合には、圧力室２６Ａにおける圧力変動が、圧力室２６Ｂに伝搬しやすい。そして、上述の変位クロストークと、上記圧力変動の伝搬しやすさの違いとによる、ノズル２４からのインクの吐出速度の違いが、吐出クロストークである。
【００５７】
＜インクジェットヘッドの製造方法＞
次に、インクジェットヘッド４の製造方法について説明する。インクジェットヘッド４は、例えば、図７のフローに沿った手順で製造することができる。
【００５８】
図７のフローについて詳細に説明する。インクジェットヘッド４を製造するためには、まず、流路部材２１となるシリコン基板の表面を酸化あるいは窒化させることによってシリコン基板上に振動膜３０を形成する（Ｓ１０１）。続いて、振動膜３０の表面に、共通電極３６（第１電極３２）となる電極膜を形成する（Ｓ１０２）。
【００５９】
続いて、共通電極３６となる電極層の表面に、圧電膜３３となる圧電材料膜を形成する（Ｓ１０３）。圧電材料膜は、ゾルゲル法によって形成する。より詳細には、圧電材料の溶液をスピンコートで形成し、形成した圧電材料をアニール処理によって結晶化させる、という処理を繰り返すことによって、圧電材料膜を形成する。
【００６０】
続いて、圧電材料膜の表面に複数の第２電極３４となる電極膜を形成する（Ｓ１０４）。この電極膜は、スパッタ法などで形成し、このとき、条件をコントロールすることによって、電極膜が圧縮応力を有するようにする。
【００６１】
続いて、上述したようにして形成した電極膜及び圧電膜を、フォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターニングすることによって、共通電極３６（第１電極３２）、圧電膜３３及び第２電極３４を形成する（Ｓ１０５）。この後、保護膜４０、絶縁膜４１、配線４２、配線保護膜４３、接点４６、４７を順次形成する（Ｓ１０６）。続いて、シリコン基板に保護部材２３を接合する（Ｓ１０７）。
【００６２】
続いて、シリコン基板に研磨加工を施して、シリコン基板を圧力室２６の深さに対応した厚みにしてから、シリコン基板に、保護部材２３と反対側からウエットエッチングやドライエッチングなどを施すことによって、複数の圧力室２６を形成する（Ｓ１０８）。シリコン基板に圧力室２６を形成すると、振動膜３０及び圧電膜３３の各圧力室２６と上下方向に重なる部分が、シリコン基板によって拘束されなくなる。一方で、上述したように、第２電極３４は圧縮応力を有している。これにより、図８に示すように、振動膜３０及び圧電体の各圧力室２６と上下方向に重なる部分が、第２電極３４の圧縮応力によって、圧力室２６と反対側に凸となるように撓んだ状態となる。
【００６３】
続いて、複数のノズル２４が形成されたノズルプレート２０をシリコン基板に接合する（Ｓ１０９）。このとき、ノズルプレート２０の流路部材２１と反対側の表面に撥水膜を形成してもよい。続いて、ダイシング加工によってシリコン基板を切断することによって、シリコン基板を流路部材２１に対応するサイズに分割する（Ｓ１１０）。
【００６４】
続いて、高温下で、第１電極３２と第２電極３４との間に電圧を印加して圧電膜３３を分極させる分極処理を行う（Ｓ１１１）。このとき、圧電膜３３の配向が（００１）に優先配向し、（１００）配向に対する（００１）配向の比率が５０％以上、好ましくは８０％以上となるようにする。そして、このように、（００１）に優先配向されることにより、図８に示すように圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいた振動膜３０及び圧電膜３３の圧力室２６と上下方向に重なる部分が、図６に示すように圧力室２６側に凸となるように撓んだ状態となる。
【００６５】
なお、分極処理は、Ｓ１１０のダイシング加工の前や、次に説明するＳ１１２のＣＯＦ５０の接合の後などに行ってもよい。
【００６６】
続いて、圧電アクチュエータ２２の左端部及び右端部にＣＯＦ５０を接合し（Ｓ１１２）、図示しない他の部品との接合を行う（Ｓ１１３）。これにより、インクジェットヘッド４が完成する。
【実施例】
【００６７】
次に、本発明の好適な実施例について説明する。
【００６８】
実施例Ａ１〜Ａ１１及び比較例Ａは、変位クロストークの実験結果である。実施例Ａ１〜Ａ１１及び比較例Ａでは、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていない状態での、振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量を異ならせている。
【００６９】
表１は、実施例Ａ１〜Ａ１１及び比較例Ａについて、上記撓み量Ｔと変位クロストーク（変位ＣＴ）との関係を示している。表１の撓み量Ｔは、正の値が圧力室２６側に凸となるように撓んでいることを示しており、負の値が圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいることを示している。また、表１の変位クロストークの値は全て正の値であるが、これは、隣接する圧電素子３１を同時に駆動したときの変位量が、隣接する圧電素子３１を同時に駆動しないときの変位量よりも大きくなることを示している。
【表１】
2020026037.tif 000003
【００７０】
表１の結果から、振動膜３０及び圧電膜３３が圧力室２６側に凸となるように撓んでいる実施例Ａ１〜Ａ１１において、圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいる比較例Ａよりも、変位クロストークが小さくなることがわかる。
【００７１】
また、実施例Ｂ１〜Ｂ６及び比較例Ｂ１〜Ｂ３は、吐出クロストークの実験結果である。実施例Ｂ１〜Ｂ６及び比較例Ｂ１〜Ｂ３では、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていない状態での、振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量を異ならせている。
【００７２】
表２は、各例について、上記撓み量Ｔと吐出クロストーク（吐出ＣＴ）との関係を示している。表２の撓み量Ｔは、正の値が圧力室２６側に凸となるように撓んでいることを示しており、負の値が圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいることを示している。また、表２では、吐出クロストークが正の値であることが、隣接する圧電素子３１を同時に駆動したときの吐出速度が、隣接する圧電素子３１を同時に駆動しないときの吐出速度よりも速くなることを示しており、吐出クロストークが負の値であることが、隣接する圧電素子３１を同時に駆動したときの吐出速度が、隣接する圧電素子３１を同時に駆動しないときの吐出速度よりも遅くなることを示している。
【表２】
2020026037.tif 000004
【００７３】
表２の結果から、振動膜３０及び圧電膜３３が圧力室２６側に凸となるように撓んでいる実施例Ｂ１〜Ｂ６において、圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいる比較例Ｂ１〜Ｂ３よりも、吐出クロストークが小さくなることがわかる。
【００７４】
また、表１、表２からわかるように、実施例Ａ１〜Ａ１１及び実施例Ｂ１〜Ｂ６における撓み量Ｔは、いずれも、圧力室２６の幅の１％以下（約６５０ｎｍ以下）である。したがって、上記撓み量が圧力室２６の幅の１％以下である場合には、クロストークを十分に小さく（変位クロストークを１２％以下、吐出クロストークを１６％以下）できることがわかる。
【００７５】
また、表１の実施例Ａ７、Ａ８及び表２の実施例Ｂ１〜Ｂ６の結果から、上記撓み量Ｔが４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の場合には、クロストークを十分に小さく（変位クロストークを１０％以下、吐出クロストークを１６％以下）できることがわかる。
【００７６】
また、実施例Ａ１と同一分極処理を行うことで圧力室側に凸となったサンプルと、比較例Ａと同等の物である圧力室と反対側に凸となったサンプルについて、（１００）配向と（００１）配向の比をｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎによるミラー指数（４００）および（００４）のピーク強度により評価した。その結果、圧力室と反対側に凸となったサンプルでは、（４００）のシングルピーク(観測条件下では（４００）と（００４）に分離不可能)であるのに対し、圧力室側に凸となったサンプルでは、（４００）と（００４）のツインピークが観測され、それぞれの積分強度の比は、５．７：４．３であった。圧力室側に凸となったサンプルでは、（００４）の比率が約５０％程度に増えていることがわかる。
【００７７】
また、一般に、ＰＺＴの比誘電率は、（１００）配向の場合のほうが（００１）配向よりも大きいことが知られている。すなわち静電容量は（００１）の方が（１００）よりも小さくなり、消費電力も低減できる。図９は、撓み量と静電容量の関係をプロットしたものである。撓み量が圧力室側に大きくなるに従い、静電容量は低下する。このことは、撓み量が大きくなるに従い（００１）の配向比率が大きくなることを示している。実施例Ａ１の条件では撓み量２７６ｎｍで（００１）の配向比率が約５０％となり、クロストーク低減に好適な撓み量が大きい条件では（００１）の配向比率がさらに大きいことが分かる。
【００７８】
＜効果＞
本実施形態では、第２電極３４が圧縮応力を有しているため、圧電膜３３は、引張応力を有することになり、（１００）配向になりやすい。これに対して、本実施形態では、圧電膜３３を分極させることによって、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率が５０％以上としている。したがって、圧電膜３３の圧電特性がよい。
【００７９】
また、このように、圧電膜を分極させて、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率を高くすることにより、圧電膜３３を収縮させて、振動膜３０及び圧電膜３３を圧力室２６側に凸となるように撓ませることができる。そして、上述したように、振動膜３０及び圧電膜３３が圧力室２６側に凸となるように撓んでいる場合には、圧力室２６と反対側に凸となるように撓んでいる場合よりも、クロストークを生じにくくすることができる。
【００８０】
さらに、このとき、圧電膜３３の（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率を８０％以上とすれば、圧電膜３３の圧電特性を十分によくすることができる。
【００８１】
また、本実施形態のように、ゾルゲル法により圧電膜を形成すれば、緻密な圧電膜３３を形成することができるが、ゾルゲル法により形成した圧電膜３３は、一般に、（１００）配向となりやすい。したがって、上記のように、圧電膜を分極させて、（１００）配向に対する（００１）配向の配向比率を高くする意義は大きい。
【００８２】
また、ゾルゲル法によって緻密な圧電膜３３を形成する場合には、圧電膜３３を、２μｍ以下と薄く形成することができ、第１電極３２と第２電極３４との間に電圧を印加したときに圧電膜３３に発生する電界を大きくして、圧電膜３３の変位量を大きくすることができる。
【００８３】
また、圧力室２６の深さＤの圧力室２６の幅Ｗに対する比率が約２倍であり、１倍以上３倍以下の範囲にあれば、上述の実施例で示すようなクロストークを小さくするという効果を得ることができる。
【００８４】
また、圧力室２６の深さが１２５μｍ程度であり、５０μｍ以上１８０μｍ以下の範囲にあれば、上述の実施例のようなクロストークをに小さくするという効果を得ることができる。
【００８５】
また、振動膜１３及び圧電膜３３が圧力室２６側に凸となるように撓んでいる場合、この撓み量Ｔが圧力室２６の幅Ｗに対して大きすぎると、第１電極３２と第２電極３４との間に電圧を印加したときの振動膜３０及び圧電膜３３の変形量が小さくなり、十分な吐出速度が得られない虞がある。
【００８６】
そこで、本実施形態では、上記撓み量Ｔの圧力室２６の幅Ｗの１％以下となるようにしている。これにより、上述の実施例からわかるように、振動膜３０及び圧電膜３３が圧力室２６側に凸となるように撓むようにしてクロストークを生じにくくしつつも、第１電極３２と第２電極３４との間に電圧を印加したときの振動膜３０及び圧電膜３３の変形量を極力大きくすることができる。
【００８７】
また、本実施形態では、上記撓み量Ｔが４５０ｎｍ程度であり、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲にある。これにより、上述の実施例からわかるように、振動膜３０及び圧電膜３３が圧力室２６側に凸となるように撓むようにしてクロストークを生じにくくしつつも、第１電極３２と第２電極３４との間に電圧を印加したときの振動膜３０及び圧電膜３３の変形量を極力大きくすることができる。
【００８８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の限りにおいて様々な変更が可能である。
【００８９】
上述の実施形態では、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていない状態での振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量Ｔが、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であったが、これには限られない。上記撓み量Ｔは、４００ｎｍ未満であってもよいし、５００ｎｍよりも大きくてもよい。
【００９０】
また、上述の実施形態では、第１電極３２と第２電極３４との間に電位差が生じていない状態での振動膜３０及び圧電膜３３の撓み量Ｔが、圧力室２６の幅Ｗの１％以下であったが、これには限られない。上記撓み量Ｔは、圧力室２６の幅Ｗの１％よりも大きくてもよい。
【００９１】
また、上述の実施形態では、圧力室２６の深さＤが５０μｍ以上１５０μｍ以下であったが、これには限られない。圧力室２６の深さＤは、５０μｍ未満であってもよいし、１５０μｍよりも大きくてもよい。
【００９２】
また、上述の実施形態では、圧力室２６の深さＤの、圧力室２６の幅Ｗに対する比率が１倍以上３倍以下であったが、これには限られない。圧力室２６の深さＤの圧力室２６の幅Ｗに対する比率は、１倍未満であってもよいし、３倍よりも大きくてもよい。
【００９３】
また、上述の実施形態では、圧電膜３３の厚みＥ２を、振動膜３０の厚みＥ１よりも薄い２μｍ以下としたが、これには限られない。例えば、圧電膜３３の厚みＥ２は、振動膜３０の厚みＥ１よりも薄ければ、２μｍよりも大きくてもよい。あるいは、圧電膜３３の厚みＥ２は、振動膜３０の厚みＥ１以上であってもよい。
【００９４】
また、上述の実施形態では、ゾルゲル法によって圧電膜３３を形成したが、これには限られない。例えば、スパッタ法など、ゾルゲル法以外の方法によって圧電膜３３を形成してもよい。
【００９５】
また、上述の実施形態では、圧電膜３３と振動膜３０との間に配置される第１電極３２同士が導電部３５を介してつながった共通電極３６を形成しており、圧電膜３３の上面に配置される第２電極３４が、圧力室２６に個別の個別電極となっていたが、これには限られない。圧電膜３３と振動膜３０との間に配置される第１電極３２が圧力室２６に個別の個別電極であり、圧電膜３３の上面に配置される第２電極３４が互いにつながって共通電極を形成していてもよい。
【００９６】
また、以上では、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに本発明を適用した例について説明したが、これには限られない。例えば、液状化させた金属や樹脂など、インク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッドに本発明を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００９７】
４  インクジェットヘッド
２１  流路部材
２４  ノズル
２６  圧力室
３０  振動膜
３２  第１電極
３３  圧電膜
３４  第２電極
【図１】
2020026037.tif 000005
【図２】
2020026037.tif 000006
【図３】
2020026037.tif 000007
【図４】
2020026037.tif 000008
【図５】
2020026037.tif 000009
【図６】
2020026037.tif 000010
【図７】
2020026037.tif 000011
【図８】
2020026037.tif 000012
【図９】
2020026037.tif 000013