(57)【要約】【課題】圧電素子に不具合が発生するのを防止して、安定した変位特性を確保することが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液滴吐出装置を提供する。【解決手段】  液体を吐出するノズル１１ａに連通し、かつ隔壁１２Ａに囲まれてなるキャビティ１２ａを有するインク室基板１２と、キャビティ１２ａ及び隔壁１２Ａに当接して形成された弾性膜１３と、該弾性膜１３上に設けられた下部電極４、圧電体膜５、上部電極６からなる圧電素子１４と、を具備する液滴吐出ヘッド１０であって、弾性膜１３は、キャビティ１２ａに当接する領域においてキャビティ１２ａ側に凸形状とされ、かつ該凸形状は側面が斜面とされている。【選択図】図３
2008296417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するノズル開口に連通し、かつ隔壁に囲まれてなる圧力発生室を有する流路形成部と、
前記圧力発生室及び前記隔壁に当接して形成された弾性膜と、
該弾性膜上に設けられた下部電極、圧電体膜、上部電極からなる圧電素子と、
を具備する液滴吐出ヘッドであって、
前記弾性膜は、前記圧力発生室に当接する領域において前記圧力発生室側に凸形状とされ、かつ該凸形状は側面が斜面とされていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記流路形成部はシリコン基板に形成され、
前記弾性膜は、該シリコン基板の表面を熱酸化処理することによって形成された酸化シリコン膜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。
【請求項３】
液体を吐出するノズル開口に連通し、かつ隔壁に囲まれてなる圧力発生室を有する流路形成部と、
前記圧力発生室及び前記隔壁に当接して形成された弾性膜と、
該弾性膜上に設けられた下部電極、圧電体膜、上部電極からなる圧電素子と、
を具備する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
基板に前記流路形成部を形成する流路形成部形成工程と、
前記基板に、前記弾性膜を形成する弾性膜形成工程と、
前記弾性膜上に前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記基板がシリコンからなり、
前記弾性膜形成工程は、
前記基板の前記圧力発生室と反対の表面において前記圧力発生室の隔壁に対応する領域に窒化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化シリコン膜をマスクとして熱酸化処理を行い第１の酸化膜を形成する工程と、
前記窒化シリコン膜及び前記第１の酸化膜を除去する工程と、
前記基板の表面を熱酸化処理し、第２の酸化膜を形成する工程と、
前記第２の酸化膜の表面を平坦化する工程と、を備えていることを特徴とする請求項３記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液滴吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像の形成やマイクロデバイスの製造に際して液滴吐出法（インクジェット法）を用いることが提案されている。この液滴吐出法としては、例えば半導体デバイスにおいて配線材料を含んだ機能液を液滴状にして液滴吐出ヘッドより吐出し、基体上に所望の配線パターンを形成する方法がある。
【０００３】
このような液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通するキャビティ（圧力発生室）と、該キャビティの側壁面を形成する隔壁と、該キャビティの天面を形成する弾性膜と、該弾性膜上に形成された圧電素子とを備えている。そして、圧電素子を駆動することにより、弾性膜を変位させてノズルからインク滴を吐出するようになっている。上記圧電素子は、下部電極と上部電極と、これら１対の電極間にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性材料からなる圧電体膜を挟持した構造を有したものである。
【０００４】
圧電体膜上に上部電極を形成した圧電体能動部を駆動すると、圧電体能動部の端部において特にクラックが発生しやすく、圧電体能動部に致命的なダメージを引き起こす虞がある。ここで、圧電体能動部とは、両電極への電圧の印加により圧電歪が生じる部分のことである。上記したことから、上部電極の周囲に、上部電極とは電気的に独立したフローティング電極を形成し、変位が生じる部分と変位が全く生じない部分とを直接隣接させないことで上部電極のクラックの発生を防止したり（特許文献１参照）、圧電体能動部の端部とキャビティの周壁との間にクリアランスを持たせて、振動時に圧電体能動部の端部にクラックが発生することを抑えたり（特許文献２参照）、流路形成基板と弾性膜との間に流路形成層を設け、キャビティの開口部を流路形成層の開口部で規定することにより弾性膜の破壊を防止したりする（特許文献３参照）ものが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１１５１８４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７９９９０２号公報
【特許文献３】特開２００２−５９５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１〜３によれば、駆動時における圧電体能動部のダメージを従来に比べて抑制することが可能となった。しかしながら、上記文献に記載の液滴吐出ヘッドには、以下に述べる改善すべき課題がある。
上記構成の場合、流路形成基板上に形成された弾性膜が、圧電体能動部の繰り返し振動によってクラック等が発生してしまうことがあった。つまり、弾性膜は、振動によってキャビティに対応する領域（可動部）が変形することから、キャビティの隔壁によって固定される領域（固定部）との境界で応力集中が生じやすくなっている。そのため、上記可動部と固定部との境界において弾性膜にクラック等が発生し、これが振動信頼性や変位量に影響を与えて印字不良を引き起こす虞があった。
そのため、弾性膜のキャビティ隔壁近傍の応力集中を緩和することにより、クラックの発生を抑える技術が望まれている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、圧電素子に不具合が発生するのを防止して、安定した変位特性を確保することが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液滴吐出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液滴吐出ヘッドは、上記課題を解決するために、液体を吐出するノズル開口に連通し、かつ隔壁に囲まれてなる圧力発生室を有する流路形成部と、圧力発生室及び隔壁に当接して形成された弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下部電極、圧電体膜、上部電極からなる圧電素子と、を具備する液滴吐出ヘッドであって、弾性膜は、圧力発生室に当接する領域において圧力発生室側に凸形状とされ、かつ該凸形状は側面が斜面とされていることを特徴とする。
【０００８】
本実施形態の液滴吐出ヘッドによれば、圧力発生室に当接する領域圧力発生室側に凸形状とされ、かつ該凸形状は側面が斜面とされている弾性膜を設けることで、弾性膜の、圧電素子によって振動する領域と、隔壁によって固定される領域との境目（近傍部）に掛かる応力を緩和することができる。
このように、弾性膜の圧力発生室に対応する領域よりも隔壁に対応する領域の膜厚が薄くなるように形成することで、弾性膜がその機械的強度を維持しつつ撓み易くなる。また、前記近傍部におけるヤング率が減少し、弾性膜の変位量が増加することから、駆動時に、弾性膜にクラック等が生じることを抑えることが可能となるとともに、弾性膜の変位量増加に伴いインクの吐出量を高めることができる。
したがって、弾性膜のクラック等に起因する印字不良を改善することができ、液滴吐出ヘッドの信頼性を向上させることができる。また、圧電素子の振動信頼性や変位量を向上することができるとともにそれらを長期的に維持することが可能となる。
【０００９】
また、流路形成部はシリコン基板に形成され、弾性膜は、該シリコン基板の表面を熱酸化処理することによって形成された酸化シリコン膜を有することが好ましい。
このような構成によれば、優れた振動特性を有する弾性膜とすることができる。
【００１０】
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出するノズル開口に連通し、かつ隔壁に囲まれてなる圧力発生室を有する流路形成部と、圧力発生室及び隔壁に当接して形成された弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下部電極、圧電体膜、上部電極からなる圧電素子と、を具備する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、基板に流路形成部を形成する流路形成部形成工程と、基板に、弾性膜を形成する弾性膜形成工程と、弾性膜上に前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、圧力発生室に対応する領域よりも圧力発生室の隔壁に対応する領域の方が薄く、且つ圧力発生室に対応する領域と圧力発生室の隔壁に対応する領域との境界部分が斜面になっている弾性膜を形成することで、弾性膜の、圧電素子によって振動する領域と、隔壁によって固定される領域との境目に掛かる応力を緩和することができる。
このように、弾性膜の圧力発生室に対応する領域よりも圧力発生室の隔壁に対応する領域の方が薄く、且つその境界部分が傾斜面となるように形成することで、弾性膜がその機械的強度を維持しつつ撓み易くなる。また、同時に、境界部分におけるヤング率が減少し、弾性膜の変位量が増加することから、駆動時に、弾性膜にクラック等が生じることを抑えることが可能となるとともに、弾性膜の変位量増加に伴いインクの吐出量を高めることができる。
したがって、弾性膜のクラック等に起因する印字不良を改善することができ、液滴吐出ヘッドの信頼性を向上させることができる。また、圧電素子の振動信頼性や変位量を向上することができるとともにそれらを長期的に維持することが可能となる。
【００１２】
また、基板がシリコンからなり、弾性膜形成工程は、基板の圧力発生室と反対の表面において圧力発生室の隔壁に対応する領域に窒化シリコン膜を形成する工程と、窒化シリコン膜をマスクとして熱酸化処理を行い、圧力発生室に対応する領域に第１の酸化膜を形成する工程と、窒化シリコン膜および第１の酸化膜を除去する工程と、窒化シリコン膜および第１の酸化膜を除去した基板の表面を熱酸化処理し、第２の酸化膜を形成する工程と、第２の酸化膜の表面を平坦化する工程と、を備えていることが好ましい。
【００１３】
このような製造方法によれば、シリコンからなる基板上に、圧力発生室の隔壁に対応する領域と、圧力発生室に対応する領域とで膜厚の異なる弾性膜を、確実且つ容易に形成することができる。また、近傍部を、所望とする斜面にすることができる。
【００１４】
本発明の電子機器は、先に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
上述したように信頼性に優れた液滴吐出ヘッドを備えているので、この液滴吐出装置自体も吐出性能が良好で高性能かつ信頼性の高いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１６】
（液滴吐出ヘッドの構成）
図１は、液滴吐出ヘッドの分解斜視図であり、図２は、液滴吐出ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図３は、液滴吐出ヘッドにおける圧電素子の構成を示す拡大図である。なお、図１は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
これらの図において符号１０は液滴吐出ヘッドである。この液滴吐出ヘッド１０は、図１に示すようにヘッド本体とこれの上に設けられた圧電素子１４とを備えて構成されたものである。なお、この液滴吐出ヘッド１０は、いわゆるインクジェット式記録ヘッドとして用いられるもので、後述する液滴吐出装置の一実施形態であるインクジェットプリンタで使用されるものである。
【００１７】
すなわち、この液滴吐出ヘッド１０は、図１に示すようにノズルプレート１１と、インク室基板１２と、弾性膜１３と、該弾性膜１３に接合された圧電素子１４とを備え、これらが基体１５に収納されて構成されている。基体１５は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されたもので、図１に示したようにこの基体１５にインク室基板１２が固定、支持されている。
【００１８】
そして、図１、図２に示すように、インク室基板１２をパターニングすることで形成された隔壁１２Ａ、ノズルプレート１１、及び弾性膜１３により、複数のキャビティ（圧力発生室）１２ａと、インクカートリッジ（図示せず）から供給されるインクを一時的に貯留するリザーバ１２ｂと、該リザーバ１２ｂから各キャビティ１２ａにインクをそれぞれ供給するインク供給口１２ｃと、が区画形成されたものとなっている。
【００１９】
ノズルプレート１１は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されており、インク滴を吐出するための多数のノズル１１ａが一列に形成されている。ノズル１１ａ間のピッチは、印刷精度に応じて適宜設定可能である。
【００２０】
また、上記インク室基板１２を構成する母材（基板）としては、後述するように面方位（１１０）のシリコン単結晶基板が用いられている。このような面方位は容易かつ確実な異方性エッチングを可能とするので、リザーバ１２ｂおよび各キャビティ１２ａ等の流路形成部の加工性及び信頼性が高いものとなっている。
【００２１】
また、上記各キャビティ１２ａは、図１に示したように各ノズル１１ａに対応して配設されたもので、弾性膜１３の振動によってそれぞれ容積が可変となっており、この容積変化によってノズル１１ａからインク滴を吐出するようになっている。
【００２２】
インク室基板１２の平均厚さ、すなわちキャビティ１２ａを含む厚さとしては、特に限定されないものの、１０〜１０００μｍ程度とするのが好ましく、１００〜５００μｍ程度とするのがより好ましい。また、キャビティ１２ａの容積としては、特に限定されないものの、０．１〜１００ｎＬ程度とするのが好ましく、０．１〜１０ｎＬ程度とするのがより好ましい。
【００２３】
ここで、図２に示すように、インク室基板１２のキャビティ１２ａ、リザーバ１２ｂおよびインク供給口１２ｃの内壁表面には、耐インク性を有する材料、例えば、酸化タンタル（ＴａＯｘ）からなる保護膜１６が、約５０ｎｍの厚さで設けられている。なお、ここで言う耐インク性とは、アルカリ性のインクに対する耐エッチング性のことである。また、本実施形態では、インク室基板１２のキャビティ１２ａ等が開口する側の表面、すなわち、ノズルプレート１１が接合される接合面にも保護膜１６が設けられている。勿論、このような領域には、インクが実質的に接触しないため、保護膜１６は設けられていなくてもよい。
【００２４】
弾性膜１３は、少なくとも一方の面に熱酸化膜層と金属酸化物層とが積層された構成となっている。具体的には、弾性膜１３は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性層１３ａと、該弾性層１３ａ上に設けられ、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる金属酸化物層１３ｂとが積層されてなるものである。
【００２５】
本実施形態の弾性膜１３は、領域によって膜厚が異なっている。具体的には、図４（ａ）に示すように、弾性層１３ａのキャビティ１２ａ側に凹部が形成されており、これによって弾性層１３ａのキャビティ１２ａ側は、キャビティ１２ａの隔壁１２Ａに対応して接する領域１３０Ａの膜厚が、キャビティ１２ａに対応して該キャビティ１２ａの天面を形成する領域１３０Ｂの膜厚に対して、相対的に薄くなっている。また、領域１３０Ｂにおける領域１３０Ａの近傍部１３０Ｃは、領域１３０Ａ側に行くに従って膜厚が漸次薄くなる傾斜分布を有しており、図４（ａ）に示すような、なだらかな斜面２０になっている。ここで、斜面２０は、平面だけでなく曲面によって形成されるものでもよい。そして図４（ｂ）に示すように、斜面２０は領域１３０Ｂの周縁部に形成される。弾性層１３ａの各領域１３０Ａ，１３０Ｂの膜厚は、キャビティ１２ａの大きさ等を考慮して各々適宜設定され、本実施形態では、領域１３０Ａの膜厚が０．５μｍ、領域１３０Ｂの中央部における膜厚が１．０μｍである。
このような弾性膜１３は、インク室基板１２のノズルプレート１１とは反対側の面に配設され、表面上に複数の圧電素子１４が備えられている。
【００２６】
なお、図２では、弾性膜１３の膜厚が均一となっているがこれは簡略して示したもので、実際には上述したように領域によって膜厚が異なっている。また、上記した金属酸化物層１３ｂは、酸化チタン（ＴｉＯ２）から構成してもよい。
【００２７】
さらに、弾性膜１３の所定位置には、図１に示したように弾性膜１３の厚さ方向に貫通する連通孔１３ｃが形成されている。そして、このような連通孔１３ｃにより、後述するインクカートリッジ６３１（図８参照）からリザーバ１２ｂへのインクの供給がなされるようになっている。
【００２８】
各圧電素子１４は、図２に示すように、各々が各キャビティ１２ａのほぼ中央部に対応して配設されている。これら各圧電素子１４は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電素子１４はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエーター）として機能するものとなっており、弾性膜１３は、圧電素子１４の振動（撓み）によって振動し（撓み）、キャビティ１２ａの内部圧力を瞬間的に高めるよう機能するものとなっている。
【００２９】
以下に、圧電素子１４について詳しく説明する。
図３に示すように、上記圧電素子１４は、下部電極４と上部電極６との間にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜５が挟持された構造を有している。一般的には、圧電素子１４のいずれか一方の電極を共通電極とし、他方の電極および圧電体膜５を各キャビティ１２ａ毎にパターニングして構成される。本実施形態では、下部電極４を圧電素子１４の共通電極とし、上部電極６を圧電素子１４の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。いずれの場合においても、各キャビティ１２ａ毎に、下部電極４、圧電体膜５および上部電極６からなる積層体１４ａが形成されている。
【００３０】
下部電極４は、Ｐｔ層とＩｒ層とが順に積層されて構成されたもので、その膜厚が、約０．２μｍとなっている。また、上部電極６は、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができ、本実施形態では、イリジウムを用いて約０．１μｍの膜厚に形成されている。
【００３１】
下部電極４は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から構成されたもので、キャビティ１２ａの長手方向の両端部近傍においてパターニングされ、キャビティ１２ａの並設方向に沿って連続的に設けられている。
【００３２】
圧電体膜５は、結晶性を有する強誘電膜から構成され、各キャビティ１２ａ毎に独立して下部電極４上に設けられている。圧電体膜５は、その側端面５１ａが弾性膜１３に対して所定の角度で傾斜する傾斜面となっており、側断面視において、所謂テーパ形状をなすものとなっている。
【００３３】
上部電極６は、圧電体膜５と同様に各キャビティ１２ａ毎に独立して設けられる。本実施形態の上部電極６は、その側端面６１ａが圧電体膜５の側端面５１ａ（傾斜面）に連続する傾斜面となっており、圧電体膜５と同時にパターン形成されている。すなわち、上記圧電体膜５同様、側断面視においてテーパ形状をなすものとなっている。
【００３４】
本実施形態においては、下部電極４の表面に対する圧電体膜５の側端面５１ａおよび上部電極６の側端面６１ａの傾斜角度θが約１０°以上５０°以下の範囲、より好ましくは、４０°以下となるように形成され、ここでは側端面５１ａ，６１ａの傾斜角度θが３０°となるように形成されている。
【００３５】
そして、弾性膜１３上には、上部電極６、圧電体膜５、および下部電極４の露出面を覆う絶縁性水素バリア膜１７が設けられている。本実施形態では、絶縁性水素バリア膜１７を、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ：ＡｌＯｘ）を用いて形成し、その膜厚を０．２μｍとする。
【００３６】
絶縁性水素バリア膜１７は、水素（Ｈ２）、水（Ｈ２Ｏ）等の還元性物質による圧電体膜５の劣化を防止するものであって、これにより、キャパシタの電気的特性が変動するのを抑止でき、高品位な液滴吐出ヘッド１０が得られることになる。
【００３７】
そして、各上部電極６には、上記絶縁性水素バリア膜１７に設けられた貫通孔１７ａを介して、例えば、金（Ａｕ）等からなり、弾性膜１３上まで延設されたリード電極１８がそれぞれ接続されている。このようにして圧電素子１４が構成されている。
【００３８】
（液滴吐出）
続いて、このような構成からなる液滴吐出ヘッド１０からインク滴を吐出する場合について説明する。
上記液滴吐出ヘッド１０は、不図示の圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、図１に示す圧電素子１４の下部電極４と上部電極６との間に電圧が印加されていない状態では、圧電体膜５に変形が生じない。このため、弾性膜１３にも変形が生じず、キャビティ１２ａには容積変化が生じない。したがって、この状態にあるときはノズル１１ａからインク滴は吐出されない。
【００３９】
一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電素子１４の下部電極４と上部電極６との間に一定電圧（例えば３０Ｖ程度）が印加された状態では、圧電体膜５においてその短軸方向に撓み変形が生じる。これにより、弾性膜１３が例えば５００ｎｍ程度撓み、キャビティ１２ａの容積変化が生じる。このとき、キャビティ１２ａ内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル１１ａからインク滴を吐出できる。
【００４０】
すなわち、電圧を印加すると、圧電体膜５の結晶格子は面に対して垂直な方向に引き伸ばされるが、同時に面に平行な方向には圧縮される。この状態で、圧電体膜５には面内に引っ張り応力が働いていることになる。したがって、この応力によって弾性膜１３をそらせ、撓ませることになる。キャビティ１２ａの短軸方向での圧電体膜５の変位量（絶対値）が大きければ大きいほど、弾性膜１３の撓み量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。
【００４１】
このようにして１回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極４と上部電極６との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電素子１４は元の形状に戻り、キャビティ１２ａの容積が増大する。なお、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ６３１（図８参照）からノズル１１ａへ向かう圧力（正方向への圧力）が作用している。このため、空気がノズル１１ａからインク室５２１へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ６３１からリザーバ１２ｂを経てキャビティ１２ａへ供給される。上記液滴吐出ヘッド１０によれば、圧電素子１４と弾性膜１３との間の密着性が高く剥離し難いため、長期間に亘って上述したインクの吐出を行うことが可能となっている。
このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電素子１４に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の（所望の）文字や図形等を印刷することができる。
【００４２】
本実施形態では、圧電素子１４の駆動によって、領域１３０Ｂの近傍部１３０Ｃにおける斜面２０が面方向に伸長し、領域１３０Ｂ全体をキャビティ１２ａ内に凸に変形させてインクを吐出するようになっている。すなわち、弾性膜１３は、キャビティ１２ａの隔壁Ａによって固定される領域１３０Ａと、圧電素子１４の振動によって変形する領域１３０Ｂとの境界部分に応力集中が生じやすいが、上述したような本実施形態の構成とすることで、上記境界部分、すなわち近傍部１３０Ｃにおけるヤング率が減少することになり、領域１３０Ｂの変形量が向上して所望とするインクの吐出量が得られることになる。
【００４３】
（液滴吐出ヘッドの製造方法）
続いて、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法の一実施形態として、上記液滴吐出ヘッド１０を製造する工程について図面を参照して説明する。図５〜図７は、液滴吐出ヘッドの製造工程を説明する工程図である。
まず、インク室基板１２となる母材、すなわち前述した（１１０）配向のシリコン単結晶基板（Ｓｉ基板）からなる基板２を用意する。そして、この基板２上に弾性膜１３を形成する。弾性膜１３は、上述したように二酸化シリコンからなる弾性層１３ａと、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる金属酸化物層１３ｂとが積層されて構成されたものである。そのため、まず基板２上に、当該基板２を熱酸化処理することで上記弾性層１３ａとして機能する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成し、該二酸化シリコン層上に金属酸化物層１３ｂとして酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層を形成する。このようにして基板２と一体に弾性膜１３を形成する。
【００４４】
以下に、弾性膜１３の形成方法について詳述する。
（ＬＯＣＯＳ酸化）
まず、所望とする形状の弾性膜１３を得るべく基板２にＬＯＣＯＳ法を用いた熱酸化処理を施す。
図５（ａ）に示すように、基板２上にＣＶＤ法あるいはスパッタ法等によりＳｉＮ膜３１を成膜した後、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、上記キャビティ１２ａの隔壁１２Ａに対応する領域以外、すなわちキャビティ１２ａに対応する領域１２０ＢのＳｉＮ膜３１を除去し、キャビティ１２ａの隔壁１２Ａに対応する領域１２０Ａを覆うマスクＭ１をパターン形成する。
【００４５】
次に、図５（ｃ）に示すように、上記マスクＭ１を酸化防止膜として基板２を熱酸化することによって、キャビティ１２ａに対応する領域１２０Ｂに第１の酸化膜３２を形成する。このとき、熱酸化処理の温度および時間を調整して第１の酸化膜３２を所定の厚さに形成する。その後、図５（ｄ）に示すように、基板２上の第１の酸化膜３２およびマスクＭ１をエッチングにより除去する。すると、隔壁１２Ａに対応する領域１２０Ａに凸部３３が出現し、基板２の表面が凹凸形状となる。また、ＬＯＣＯＳ酸化を行うことによって、凸部３３の側壁がなだらかな斜面となり、領域１２０Ａと領域１２０Ｂとを緩やかな曲線によって繋ぐ形状にすることができる。
【００４６】
（弾性膜の形成）
次に、図５（ｅ）に示すように、第１の酸化膜３２およびマスクＭ１を除去した基板２を熱酸化処理することによって、その表面全体に第２の酸化膜３４を形成する。第２の酸化膜３４は、基板２の表面形状に沿って形成され、凸部３３の外形を反映したものとなっている。
【００４７】
続いて、図５（ｆ）に示すように凹凸形状の第２の酸化膜３４の表面をＣＭＰまたはエッチバックによって平坦化した後、図６（ａ）に示すように基板２上に二酸化シリコンからなる上記弾性層１３ａを形成する。弾性層１３ａは、基板２に形成された凸部３３により、キャビティ１２ａの隔壁１２Ａに対応する領域１３０Ａと、キャビティ１２ａに対応する領域１３０Ｂとでその厚さが相対的に異なっている。また、領域１３０Ｂにおける領域１３０Ａの近傍部１３０Ｃは、なだらかな傾斜面２０となっている。
【００４８】
弾性層１３ａは、領域１３０Ａの膜厚が領域１３０Ｂの膜厚に対して２０％以上７０％以下の膜厚となっていることが好ましく、本実施形態では、領域１３０Ａの膜厚が０．５μｍ、領域１３０Ｂの膜厚が１．０μｍとなっている。ここで、領域１３０Ａの膜厚が領域１３０Ｂの膜厚に対して２０％未満であった場合、弾性膜１３としての機械的強度が低くなり、駆動時に振動の反復作用が良好に得られなくなってしまう。また、領域１３０Ａの膜厚が領域１３０Ｂの膜厚に対して７０％を越えると、領域１３０Ａと領域１３０Ｂとの境界部分におけるクラックの発生防止効果が低くなってしまう。そのため、弾性膜１３の領域１３０Ａの膜厚を、領域１３０Ｂの膜厚に対して２０％以上７０％以下の膜厚とすることにより、クラック等の発生を抑えて、弾性疲労による耐久性の低下を防止することができる。
【００４９】
次に、第２の酸化膜３４上にＣＶＤ法あるいはスパッタ法等によりジルコニア（Ｚｒ）からなる金属膜を成膜する。そして、金属膜を熱酸化することによって、当該金属膜を酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）に変換して金属酸化物層１３ｂを形成する。
このようにして、基板２上に弾性層１３ａおよび金属酸化物層１３ｂを形成し、基板２と一体とされた弾性膜１３を得る。
【００５０】
続いて、弾性膜１３における基板２側とは反対側の面、すなわち金属酸化物層１３ｂの表面に対して表面処理を行う。具体的に本実施形態では、上記表面処理として、水素（Ｈ２）を添加したアルゴン（Ａｒ）を処理ガスとして用いた雰囲気下で弾性膜１３にプラズマ処理を行う。
【００５１】
次に、弾性膜１３上に圧電素子１４を形成する。
まず、図６（ｂ）に示すように、上記プラズマ処理によって金属化された弾性膜１３（金属酸化物層１３ｂ）の処理面５５ａ上に、スパッタ法等の公知の方法によって下部電極４を形成する。なお、下部電極４はＰｔ層４ａとＩｒ層４ｂとを積層して形成されるため、処理面５５ａ上にＰｔ層４ａ、Ｉｒ層４ｂを順に積層する。
【００５２】
下部電極４を成膜する工程は、上述したプラズマ処理（表面処理）を行ったチャンバ（処理室）内で不活性雰囲気の下で連続的に処理することが望ましい。このようにすれば、処理面５５ａが大気に曝されるのを防止できるので、処理面５５ａの汚染や酸化、不純物の付着等によってＰｔ層４ａとの密着性が低下するのを防止できる。
【００５３】
図６（ｃ）に示すように、下部電極４上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜５の前駆層５Ａを成膜する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒（分散性）に溶解・分散してなるゾルを塗布乾燥しゲル化して前駆層５Ａを形成し、さらにこの前駆層５Ａを脱脂して有機成分を離脱させた後、焼成して結晶化させることで各圧電体膜５を得ている。なお、下部電極４と圧電体膜５との密着層としてＴｉを設けるようにしてもよい。また、圧電体膜５の製造方法は、上述したゾルゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等を用いてもよい。
【００５４】
なお、圧電体膜５の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛等の強誘電性材料の他、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマスまたはイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。
【００５５】
続いて、圧電体膜５の前駆層５Ａ上に上部電極６の前駆層６Ａを、上記前駆層５Ａと同様にスパッタ法等の公知の方法によって成膜する。
この前駆層６Ａとしては導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等を採用できる。なお、アルミニウムが用いられる場合、電蝕対策のため、この上にイリジウム等が積層される。
【００５６】
このように、下部電極４上に圧電体膜５の前駆層５Ａおよび上部電極６の前駆層６Ａを形成した後、図６（ｄ）に示すように、前駆層５Ａと前駆層６Ａとを同時にパターニングし、圧電体膜５及び上部電極６を形成する。このとき、パターニングによって形成される圧電体膜５の側端面５１ａと上部電極６の側端面６１ａとの下部電極４に対する傾斜角度θが、約１０°〜５０°の範囲、本実施形態では、約３０°となるようにパターニングする。
【００５７】
具体的には、前駆層６Ａ上に設けられた所定の開口パターンを有するレジストをマスクＭ２としてパターニングを行うが、このとき、マスクＭ２の端面の前駆層６Ａに対する角度θ１が、約３０°の角度となっている。そして、マスクＭ２を用いて前駆層５Ａ及び前駆層６Ａをエッチングすると、これら前駆層５Ａ及び前駆層６ＡとともにマスクＭ２がエッチングされて上部電極６の側端面６１ａが傾斜面となり、前駆層５Ａの表面がエッチングされることで、圧電体膜５の側端面５１ａが上部電極６の側端面６１ａに連続する傾斜面となる。このように、圧電体膜５の側端面５１ａ及び上部電極６の側端面６１ａは、互いに同じ角度で傾斜することになる。
以上の工程により、弾性膜１３上に圧電素子１４を構成する積層体１４ａが形成される。
【００５８】
なお、このような圧電体膜５、上部電極６の形成にあたっては、例えば、イオンミリング法を用いて上記側端面５１ａ、６１ａを形成することもできる。
【００５９】
その後、図６（ｅ）に示すように、下部電極４、圧電体膜５、上部電極６からなる積層体１４ａを覆うようにして、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いてスパッタ法等により絶縁性水素バリア膜１７を成膜した後、図７（ａ）に示すように、この絶縁性水素バリア膜１７を各積層体１４ａ毎にパターニングすることによって、下層に位置する上部電極６を露出させる貫通孔１７ａを形成する。そして、各貫通孔１７ａを埋めるようにして、金（Ａｕ）からなる金属層（図示略）を基板２の全面に亘って形成した後、この金属層を各積層体１４ａ毎にパターニングすることによってリード電極１８を形成する。このようにして、各キャビティ１２ａに対向する領域内に圧電素子１４を形成する。
【００６０】
圧電素子１４を形成した後は、図７（ｂ）に示すように、インク室基板１２となる母材となる基板２をマスクＭ３を用いてパターニングし、図７（ｃ）に示すように、圧電素子１４に対応する位置にそれぞれキャビティ１２ａとなる凹部２２Ａを、また、所定位置にリザーバ１２ｂおよびインク供給口１２ｃとなる凹部（不図示）をそれぞれ形成することによって隔壁１２Ａが形成される。なお、本実施形態では、このインク室基板１２を構成する基板２として、例えば面方位（１１０）のシリコン単結晶からなるものを用いている。このような面方位（１１０）を有した基板２は異方性エッチングに適しているために、容易かつ確実にインク室基板１２を形成することができる。
【００６１】
具体的には、基板２の弾性膜１３とは反対側の表面に、キャビティ１２ａ、リザーバ１２ｂおよびインク供給口１２ｃを形成すべき位置に合せてマスクＭ３を形成し、例えば５重量％〜４０重量％程度の水酸化カリウム、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等の高濃度アルカリ水溶液によるウエットエッチングを行う。
このとき、ＬＯＣＯＳ酸化で形成した凸部３３の中心が隔壁１２Ａの中心となるように上記マスクＭ３を形成する。
【００６２】
このようにして基板２を、その厚さ方向に弾性膜１３が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板１２を形成することができる。また、このときエッチングされずに残った部分が隔壁１２Ａとなる。なお、上記基板２をパターニングする方法としては、上述したウエットエッチングに限定されることはなく、例えば平行平板型反応性イオンエッチング、誘導結合型方式、エレクトロンサイクロトロン共鳴方式、ヘリコン波励起方式、マグネトロン方式、プラズマエッチング方式、イオンビームエッチング方式等のドライエッチングを採用することもできる。
【００６３】
次いで、複数のノズル１１ａが形成されたノズルプレート１１を、各ノズル１１ａが各キャビティ１２ａとなる凹部２２Ａに対応するように位置合わせした状態で接合する。これにより、複数のキャビティ１２ａ、リザーバ１２ｂおよび複数のインク供給口１２ｃが形成される。なお、ノズルプレート１１の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法等を用いることができる。
その後、インク室基板１２を基体１５に取り付け、これにより液滴吐出ヘッド１０が製造される。
【００６４】
以上説明したように、本発明では、インク室基板１２上に設けられる弾性膜１３の膜厚が、キャビティ１２ａに対応する領域１３０Ｂよりもキャビティ１２ａの隔壁１２Ａに対応する領域１３０Ａの方が薄く、且つ上記領域１３０Ａと領域１３０Ｂとの境界（近傍部１３０Ｃ）が斜面２０となっているので、圧電素子１４によって振動する領域１３０Ｂと、隔壁１２Ａによって固定される領域１３０Ａとの境目（境界部１３０Ｃ）に掛かる応力を効果的に緩和することができる。このように、弾性膜１３が、領域１３０Ｂから領域１３０Ａにかけて膜厚が漸次薄くなる傾斜分布を有することにより、弾性膜１３がその機械的強度を維持しつつ撓み易くなる。これにより、駆動時に、弾性膜１３にクラック等が生じることを抑えることが可能となり、弾性疲労による耐久性の低下を抑制することができる。同時に、弾性膜１３の近傍部１３０Ｃにおけるヤング率が減少するため、圧電素子１４の変位が増加し、インクの吐出量を高めることができる。このように、圧電素子１４の振動信頼性や変位量を向上することができるとともにそれらを長期的に維持することができる。
以上により、弾性膜１３のクラック等に起因する印字不良を改善することができ、液滴吐出ヘッド１０の信頼性を向上させることができる。
【００６５】
また、上記したような所望形状の弾性膜１３を得るべく、基板２に対してＬＯＣＯＳ法による熱酸化処理を施すことによってその表面を凹凸形状とした。ＬＯＣＯＳ法を用いることにより、基板２のキャビティ１２ａに対応する領域１２０Ｂとキャビティ１２ａの隔壁１２Ａに対応する領域１２０Ａとの境目に、段差のない、なだらかな斜面を形成することができる。この斜面は、弾性膜１３の近傍部１３０Ｃにおける斜面２０の形状を反映するものである。なお、基板２の加工は、イオンミリングやエッチングによっても可能であるが、段差のないなだらかな斜面２０を好適に得るには、ＬＯＣＯＳ法を用いることが好ましい。
【００６６】
また、本発明では、絶縁性水素バリア膜１７によって水素や水による圧電体膜５の劣化を防止しているので、圧電素子１４としての長期的な信頼性が確保されたものとなっている。
【００６７】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもなく、上記各実施形態を組み合わせても良い。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６８】
上記実施形態では基板２と一体に弾性膜１３を形成したが、例えば、別途用意した弾性膜１３を基板２に貼り合わせてもよい。この場合、上記実施形態と同様に、基板２の裏面（二酸化シリコン層が形成されていない面）側から弾性膜１３を露出させるようにエッチングし、キャビティ１２ａやリザーバ１２ｂを形成し、弾性膜１３を基板２と一体に形成することができる。
【００６９】
（液滴吐出装置）
次に、液滴吐出ヘッド１０を備えた液滴吐出装置の一実施形態としてのインクジェットプリンタについて説明する。なお、インクジェットプリンタとは、紙等に印刷するものは勿論、工業的に用いられる液滴吐出装置も含めたものとする。
【００７０】
図８は、インクジェットプリンタの概略構成図であり、図８中符号６０はインクジェットプリンタである。なお、以下の説明では、図８中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
インクジェットプリンタ６０は、装置本体６２０を備えたもので、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を有したものである。
【００７１】
操作パネル６７０は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤランプ等で構成されたもので、エラーメッセージ等を表示する表示部（図示せず）と、各種スイッチ等で構成される操作部（図示せず）とを備えたものである。
【００７２】
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。
【００７３】
制御部６６０の制御により、給紙装置６５０は、記録用紙Ｐを１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ようになっている。
【００７４】
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とを備えたものである。
【００７５】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、多数のノズル１１ａを備える液滴吐出ヘッド１０と、この液滴吐出ヘッド１０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、液滴吐出ヘッド１０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有したものである。
【００７６】
なお、インクカートリッジ６３１として、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液滴吐出ヘッド１０が設けられることになる。
【００７７】
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とを有したものである。
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の一部に固定されたものである。
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。そして、この往復動の際に、液滴吐出ヘッド１０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ようになっている。
【００７８】
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とを有したものである。
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とで構成されたものであり、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されたものである。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枚ずつ送り込めるようになっている。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してもよい。
【００７９】
制御部６６０は、例えばパーソナルコンピュータやディジタルカメラ等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等を制御することにより印刷を行うものである。
この制御部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等を記憶するメモリ、圧電素子（振動源）１４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。
【００８０】
また、ＣＰＵには、例えば、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、湿度等の印刷環境等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１４、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。
【００８１】
このようなインクジェットプリンタ６０にあっては、上述したように弾性膜１３と圧電素子１４との密着性が高く、信頼性の高い液滴吐出ヘッド１０を備えているので、このインクジェットプリンタ自体も吐出性能が良好な高性能かつ高信頼性なものとなる。
なお、本発明のインクジェットプリンタは、前述したように工業的に用いられる液滴吐出装置とすることもできる。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、使用する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの概略構成を示す側断面図である。
【図３】液滴吐出ヘッドにおける圧電素子の構成を示す拡大図である。
【図４】液滴吐出ヘッドにおける弾性膜の構成を示す拡大図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】液滴吐出ヘッドの製造方法を示す製造工程図である。
【図６】図５に続く製造工程図である。
【図７】図６に続く製造工程図である。
【図８】インクジェットプリンタの概略構成図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０…液滴吐出ヘッド、１１ａ…ノズル、１２ａ…キャビティ（圧力発生室）、１２…インク室基板（流路形成部）、１３…弾性膜、４…下部電極、５…圧電体膜、６…上部電極、１４…圧電素子、５１ａ…側端面、６１ａ…側端面、１７…絶縁性水素バリア膜、６０…インクジェットプリンタ
【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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