(57)【要約】      （修正有）【課題】クラックなどの破壊を抑制して変位特性を向上した液体噴射ヘッド、液体噴射装置並びに圧電素子の提供。【解決手段】振動板５０上に設けられた第１電極６０と、第１電極６０上に設けられた圧電体層７０と、圧電体層７０上に設けられた第２電極８０と、を有する圧電素子３００を具備し、圧電体層７０は、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれた能動部３２０を複数有し、第２電極８０が複数の能動部３２０に亘って連続して設けられた共通電極を構成し、圧電体層７０は、第１電極６０の端部の外側に延設されて設けられており、振動板５０は、第１電極６０に対向する第１領域Ｐ１と、圧電体層７０の第１電極６０よりも外側に延設された部分に対向する第２領域Ｐ２と、圧電体層７０よりも外側に設けられた第３領域Ｐ３と、を具備し、第２領域Ｐ２は、第１領域Ｐ１と実質的に同等又はそれ以上の厚さであり、第３領域Ｐ３は、第１領域Ｐ１よりも厚さが薄い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動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、
前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子を具備し、
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複数有し、
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を構成し、
前記圧電体層は、前記第１電極の端部の外側に延設されて設けられており、
前記振動板は、前記第１電極に対向する第１領域と、
前記圧電体層の前記第１電極よりも外側に延設された部分に対向する第２領域と、
前記圧電体層よりも外側に設けられた第３領域と、を具備し、
前記第２領域は、前記第１領域と実質的に同等又はそれ以上の厚さであり、
前記第３領域は、前記第１領域よりも厚さが薄いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記振動板が、第１振動板と、該第１振動板の前記第１電極側に設けられた第２振動板と、を具備することを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記第２振動板の前記第２領域の前記第１領域に対する厚さの差は、前記第２振動板の前記第１領域の厚さの１０％以下であることを特徴とする請求項２記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記第２振動板の前記第３領域の厚さは、前記第２振動板の前記第１領域の厚さの２０〜８０％であることを特徴とする請求項２又は３記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４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。
【請求項６】
振動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、
前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
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複数有し、
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を構成し、
前記圧電体層は、前記第１電極の端部の外側に延設されて設けられており、
前記振動板は、前記第１電極に対向する第１領域と、
前記圧電体層の前記第１電極よりも外側に延設された部分に対向する第２領域と、
前記圧電体層よりも外側に設けられた第３領域と、を具備し、
前記第２領域は、前記第１領域と実質的に同等又はそれ以上の厚さであり、
前記第３領域は、前記第１領域よりも厚さが薄いことを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【０００５】
また、圧電体層の第１電極と第２電極とで挟まれた領域を能動部とし、第２電極を複数の能動部に亘って連続して設けることで複数の能動部に共通する共通電極とした構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１７２８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、第２電極を共通電極とした構成の圧電素子では、さらなる変位特性の向上が求められている。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、クラックなどの破壊を抑制して変位特性を向上した液体噴射ヘッド、液体噴射装置並びに圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の態様は、振動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、前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子を具備し、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複数有し、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を構成し、前記圧電体層は、前記第１電極の端部の外側に延設されて設けられており、前記振動板は、前記第１電極に対向する第１領域と、前記圧電体層の前記第１電極よりも外側に延設された部分に対向する第２領域と、前記圧電体層よりも外側に設けられた第３領域と、を具備し、前記第２領域は、前記第１領域と実質的に同等又はそれ以上の厚さであり、前記第３領域は、前記第１領域よりも厚さが薄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、振動板の第３領域の厚さを第１領域の厚さよりも薄くすることで、圧電素子の変位特性を向上することができる。また、振動板の第２領域の厚さを第１領域と実質的に同等又はそれ以上とすることで、圧電素子の変形時に振動板にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【００１１】
ここで、前記振動板は、第１振動板と、該第１振動板の前記第１電極側に設けられた第２振動板と、を具備してもよい。
【００１２】
また、前記第２振動板の前記第２領域の前記第１領域に対する厚さの差は、前記第２振動板の前記第１領域の厚さの１０％以下であることが好ましい。これによれば、振動板の第２領域での破壊を抑制することができる。
【００１３】
また、前記第２振動板の前記第３領域の厚さは、前記第２振動板の前記第１領域の厚さの２０〜８０％であることが好ましい。これによれば、圧電素子の変位特性を確実に向上することができる。
【００１４】
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、破壊を抑制して変位特性を向上した圧電素子を具備する液体噴射装置を実現できる。
【００１５】
また、本発明の他の態様は、振動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、前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、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複数有し、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を構成し、前記圧電体層は、前記第１電極の端部の外側に延設されて設けられており、前記振動板は、前記第１電極に対向する第１領域と、前記圧電体層の前記第１電極よりも外側に延設された部分に対向する第２領域と、前記圧電体層よりも外側に設けられた第３領域と、を具備し、前記第２領域は、前記第１領域と実質的に同等又はそれ以上の厚さであり、前記第３領域は、前記第１領域よりも厚さが薄いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、振動板の第３領域の厚さを第１領域の厚さよりも薄くすることで、圧電素子の変位特性を向上することができる。また、振動板の第２領域の厚さを第１領域と実質的に同等又はそれ以上とすることで、圧電素子の変形時に振動板にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドを示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る振動板の膜厚と変位率を示すグラフである。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、要部を拡大した断面図である。
【００１８】
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、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、流路形成基板１０には、圧力発生室１２が第１の方向に並設された列が複数列、本実施形態では、２列設けられている。この圧力発生室１２が第１の方向Ｘに沿って形成された圧力発生室１２の列が複数列設された列設方向を、以降、第２の方向Ｙと称する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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上に形成された第１振動板である弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された第２振動板である絶縁体膜５２とを具備する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
なお、本実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に振動板５０を介して第１電極６０を設けた構成を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、振動板５０を設けずに第１電極６０を直接基板上に設けるようにしてもよい。すなわち、第１電極６０が振動板として作用するようにしてもよい。つまり、基板上とは、基板の直上も、間に他の部材が介在した状態（上方）も含むものである。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）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）Ｏ３）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。
【００３１】
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（（ＢｉＦｅＯ３）、略「ＢＦＯ」）、チタン酸バリウム（（ＢａＴｉＯ３）、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（（Ｂｉ1/2Ｋ1/2）ＴｉＯ3、略「ＢＫＴ」）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ1/2Ｎａ1/2）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［（ＢｉｘＫ１−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）[ＢｉＦｅＯ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]、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（Ｆｅ１−ｙＭｙ）Ｏ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]（Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒ））等が挙げられる。
【００３２】
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の端部よりも外側に位置している。つまり圧電体層７０の端部は第２電極８０によって覆われている。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。
【００３３】
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３２０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と称する。また、圧電体層７０に圧電歪みが生じる能動部３２０において、圧力発生室１２に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室１２の外側の部分を非可撓部と称する。
【００３４】
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３２０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３２０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となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部となっている。
【００３５】
なお、上述のように第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられているため、圧電素子３００には、第２の方向Ｙに沿って、すなわち、能動部３２０の長手方向（第２の方向Ｙ）に沿って、第１電極６０の段差が形成されている。
【００３６】
すなわち、振動板５０は、第１の方向Ｘにおいて、振動板５０の第１電極６０に相対向する第１領域Ｐ１と、圧電体層７０の第１電極６０よりも外側に延設された部分に相対向する第２領域Ｐ２と、圧電体層７０よりも外側に設けられた領域を第３領域Ｐ３とを具備する。
【００３７】
そして、振動板５０の第２領域Ｐ２の厚さは、第１領域Ｐ１の厚さと実質的に同等又はそれ以上の厚さとなっている。ここで、振動板５０の厚さとは、流路形成基板１０の振動板５０が設けられた面とは直交する方向の厚さのことである。つまり、振動板５０の厚さとは、振動板５０、圧電素子３００の積層方向の厚さのことである。
【００３８】
そして、振動板５０の第２領域Ｐ２の厚さとは、上述のように、圧電体層７０の第１電極６０の外側の領域に相対向する部分のことである。なお、振動板５０の第２領域Ｐ２が、第１領域Ｐ１と実質的に同等の厚さとは、振動板５０を構成する第２振動板である絶縁体膜５２の第２領域の第１領域に対する厚さの差が１０％以下のことを言う。すなわち、絶縁体膜５２の第２領域Ｐ２の厚さｔ２、第１領域Ｐ１の厚さｔ１とすると、ｔ２≧０．９×ｔ１を満たすものである。
【００３９】
また、振動板５０の第３領域Ｐ３の厚さは、第１領域Ｐ１の厚さｔ１よりも薄くなっている。本実施形態では、振動板５０の絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さは、絶縁体膜５２の第１領域の厚さの２０％以上で、絶縁体膜５２の第１領域の厚さの８０％以下であるのが好ましい。つまり、絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さｔ３は、０．２×ｔ１≦ｔ３≦０．８×ｔ１を満たすものが好適である。
【００４０】
ここで、本実施形態では、第３領域Ｐ３が流路形成基板１０の隔壁１１と圧力発生室１２との境界部分に相対向して設けられているため、振動板の第３領域Ｐ３の厚さを第１領域Ｐ１に比べて薄くすることで、振動板５０の圧力発生室１２に相対抗する領域（可撓部）で、非能動部となる領域、いわゆる腕部の剛性を低下させることができ、圧電特性を向上することができる。したがって、低い電圧で大きな変位量を得ることができる。ちなみに、振動板５０の第３領域Ｐ３の厚さが厚くなると、腕部の剛性が高くなり、変位特性が低下してしまう。
【００４１】
また、振動板５０の第２領域Ｐ２の厚さを第１領域Ｐ１と同等またはそれ以上とすることで、第２領域Ｐ２における振動板５０のクラック等の破壊を抑制することができる。
【００４２】
ここで、第３領域Ｐ３の絶縁体膜５２の厚さｔ３を変更した場合の圧電素子３００の変位率について測定した。この結果を図４に示す。なお、図４は、弾性膜５１の膜厚が４７０ｎｍ、絶縁体膜５２の膜厚が１５０ｎｍの振動板５０を用いて、圧電素子３００に２５Ｖの電圧を印加した際の変位量を求め、絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さｔ３が第１領域Ｐ１の厚さｔ１と同じ厚さの時の変位量を１００％として、絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さを第１領域Ｐ１に対して変更した際の変位量の比率を変位率として示している。
【００４３】
図４に示すように、弾性膜５１の厚さに拘わらず、絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さｔ３を第１領域Ｐ１の厚さｔ１よりも薄くすることで、圧電素子３００（能動部３２０）の変位率を向上することができる。特に、弾性膜５１の厚さが４７０ｎｍの場合、絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さを第１領域Ｐ１の厚さの２０％とすることで、変位量を約３０％向上することができる。
【００４４】
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、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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５〜図８は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す第１の方向Ｘの断面図である。
【００４８】
まず、図５（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の材料は、二酸化シリコンに限定されず、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜、有機膜（ポリイミド、パリレンなど）等にしてもよい。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、ＣＶＤ法、スピンコート法等によって形成してもよい。
【００４９】
次いで、図５（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。もちろん、絶縁体膜５２は、酸化ジルコニウムに限定されず、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、アルミン酸ランタン（ＬａＡｌＯ３）等を用いるようにしてもよい。絶縁体膜５２を形成する方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等が挙げられる。
【００５０】
次いで、図５（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。
【００５１】
次いで、図６（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（ＴｉＯ２）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。
【００５２】
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。
【００５３】
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図６（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）。ゾルの塗布方法は特に限定されず、例えば、スピンコート装置を用いたスピンコート法やスリットコーターを用いたスリットコート法等が挙げられる。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。
【００５４】
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、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。
【００５５】
次に、図６（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
次に、図６（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
また、本実施形態では、第１電極６０及び圧電体膜７４のエッチングでは、振動板５０の表面がエッチングされないように、又はほとんどエッチングされないように行う。これにより、振動板５０の第２領域がオーバーエッチングされずに、第１領域と実質的に同じ厚さ又は第１領域の厚さ以上の厚さとすることができる。
【００６２】
ちなみに、第１電極６０は、各能動部３２０の個別電極として機能するため、第１電極６０のエッチングによって能動部３２０毎に完全に切り分けられていなければならない。一方、振動板５０がほとんどオーバーエッチングされないように行うには、第１電極６０及び圧電体膜７４の厚さの管理と、エッチング時間の管理を行わなくてはならず、振動板５０が全くエッチングされないように第１電極６０と圧電体膜７４とをエッチングするのは困難である。したがって、本実施形態では、振動板５０を構成する絶縁体膜５２の第２領域の第１領域に対する厚さの差は、絶縁体膜５２の第１領域の厚さの１０％以下の場合も、振動板５０の第２領域が、第１領域の厚さと実質的に同等であることにしている。
【００６３】
次に、図６（ｅ）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、中間結晶種層は、結晶種層と同様に、層状であっても島状であってもよい。
【００６４】
次に、図７（ａ）に示すように、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。
【００６５】
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。
【００６６】
次に、図７（ｂ）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が挙げられる。また、圧電体層７０のエッチングでは、振動板５０の厚さ方向の一部をオーバーエッチングにより除去する。これにより、振動板５０の第３領域の厚さを、第１領域の厚さよりも薄くすることができる。
【００６７】
ちなみに、振動板５０をエッチングにより除去するオーバーエッチング量は、エッチング時間により調整することができる。なお、本実施形態では、圧電体層７０と振動板５０の一部のエッチングとをドライエッチングで同時に行うようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体層７０をウェットエッチングによりパターニングした後、ドライエッチングによって振動板５０の一部をエッチングにより除去してもよい。
【００６８】
このように、圧電体層７０をパターニングする際に振動板５０を同時にエッチングして第３領域を形成することで、製造工程を簡略化してコストを低減することができる。
【００６９】
次に、図７（ｃ）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。
【００７０】
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（図２（ｂ）参照）、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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。
【００７４】
例えば、上述した実施形態１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。
【００７５】
また、上述した実施形態１では、絶縁体膜５２の第３領域Ｐ３の厚さを薄くすることで、振動板５０の第３領域Ｐ３の厚さを薄くしたが、特にこれに限定されず、例えば、振動板５０を構成する第１振動板である弾性膜５１の厚さを調整するようにしてもよい。また、振動板５０が弾性膜５１及び絶縁体膜５２で構成されるものに限定されず、振動板５０が他の膜を有する場合であってもよく、他の膜の膜厚を調整して振動板５０の第３領域Ｐ３の厚さを第１領域Ｐ１よりも薄くしてもよい。
【００７６】
また、インクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図９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を有する記録ヘッドユニット１は、インク供給手段を構成するインクカートリッジ２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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
また、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩは、液体貯留手段であるインクカートリッジ２がキャリッジ３に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体４に固定して、貯留手段とインクジェット式記録ヘッドＩとをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
【００８１】
さらに、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。
【００８２】
また、本発明は、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、超音波モーター、圧電トランス等が挙げられる。また、センサ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、圧力センサー及び焦電センサー等が挙げられる。
【符号の説明】
【００８３】
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、  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、  ８０  第２電極、  ９０  リード電極、  １００  マニホールド、  ３００  圧電素子、  ３２０  能動部、  Ｐ１  第１領域、  Ｐ２  第２領域、  Ｐ３  第３領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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