液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法
【課題】構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】圧電素子の変位を圧力室内の液体に伝達することで圧力室に連通するノズルの吐出孔から液体の液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、ノズルが体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスより形成されているノズルプレートと、ノズルプレートに形成されているノズルが連通する圧力室となる圧力室溝がＳｉ又は石英より形成されているボディプレートとを含み、圧電素子の第１の面は、圧力室内の液体に接する圧力室の壁の一部をなしている。
【解決手段】圧電素子の変位を圧力室内の液体に伝達することで圧力室に連通するノズルの吐出孔から液体の液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、ノズルが体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスより形成されているノズルプレートと、ノズルプレートに形成されているノズルが連通する圧力室となる圧力室溝がＳｉ又は石英より形成されているボディプレートとを含み、圧電素子の第１の面は、圧力室内の液体に接する圧力室の壁の一部をなしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録方式は、ノンインパクト記録方式の１つであり、高速記録が可能であると共に、種々の記録媒体に対して記録が可能であり、しかも、高精細な画像が得られる。このような利点から、インクジェット記録方式は、コンピューターの周辺機器としてのプリンタばかりでなく、複写機、写真、各種印刷、産業用高精細パターニング等の記録手段として近年用途を拡大しながら急速に普及している。
【０００３】
このようなインクジェット記録を行う記録ヘッドには、インク等の液体を飛翔させるためのノズルと、このノズルに連通する圧力室のインク等の液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー発生手段とを備えている。そして、エネルギー発生手段として電気機械変換素子である圧電素子（ピエゾ素子）を用いた液体吐出ヘッドは、圧電素子が発生した圧力波の伝搬によってノズル先端のメニスカスを制御して液滴を吐出させるもので、このような圧電素子の機械エネルギーを液体に伝搬させるための振動板を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
振動板と圧電素子との間には、圧力波を発生させるために圧電素子を変形させる電圧を印加するための電極が配置されている。よって、圧電素子の変形が吐出される液体に伝搬するまでには、上記の電極や振動板が介在しているため、圧電素子の駆動効率が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
上記の圧電素子の駆動効率を改善する方法として、複数のインク室と、これらのインク室に連通する噴出口と、各インク室に圧力を加えるための振動板を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記の振動板を導電性無機材料で形成するとともに、この振動板に圧電素子を接合し、更にこの圧電素子上に駆動用電極を形成して、振動板と駆動用電極間に駆動用電圧を印加する方法がある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３２１８６６４号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１においては、振動板として、厚み２０μｍから１００μｍのパイレックス（登録商標）ガラスやＳｉ酸化物の薄膜が形成された４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）が例として挙げられている。これらの振動板に電極を持った圧電素子を接着して設けている。
【０００７】
また、特許文献２においては、圧電素子の変形が吐出される液体に伝搬するまでに介在するものは、導電性無機材料で形成される振動板が一方の圧電素子駆動用電極としても機能するためこの電極を別途設けることが不要となっているものの、導電性無機材料で形成される振動板が存在している。
【０００８】
この振動板は、その厚みを薄くすればするほど、圧電素子の変形をより効率よく液体に伝達することができることから、振動板の変形量を同じとする場合、圧電素子の駆動電圧をより低くすることが可能であり、また駆動電圧の印加に対する圧電素子の変形の応答性がより良くなることは十分に期待される。
【０００９】
本発明は、構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
【００１１】
１． 圧電素子の変位を圧力室内の液体に伝達することで該圧力室に連通するノズルの吐出孔から該液体の液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルが体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスより形成されているノズルプレートと、
前記ノズルプレートに形成されている前記ノズルが連通する前記圧力室となる圧力室溝がＳｉ又は石英より形成されているボディプレートとを含み、
前記圧電素子の第１の面は、前記圧力室内の液体に接する該圧力室の壁の一部をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【００１２】
２． 前記圧電素子は、該圧電素子の第２の面のみに１つの電極を有し、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素と、を含んでいることを特徴とする１に記載の液体吐出ヘッド。
【００１３】
３． 前記液体は、導電性であることを特徴とする１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【００１４】
４． 前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面は、撥液処理されていることを特徴とする１乃至３の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【００１５】
５． 前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【００１６】
６． 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通する前記ノズルの前記吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＳｉＯ2膜を形成する工程と、
前記ＳｉＯ2膜上に（１００）に優先配向するＰｔ、Ｐｄの少なくとも一つからなる第１の電極膜を形成する工程と、
前記第１の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜をスパッタリング法を用いて形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第２の電極膜を形成する工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記ＳｉＯ2膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記ＳｉＯ2膜を前記第１の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第１の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【００１７】
７． 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通するノズルの吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＰｔ、Ｔｉ，Ｐｄ、Ｚｒの少なくとも一つからなる第３の電極膜を形成する工程と、
前記第３の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第４の電極膜を形成する工程と、
前記圧電体膜を加熱しながら、前記第３の電極膜と前記第４の電極膜との間に直流電圧を印加して前記圧電体膜の分極処理を行う工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記第３の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第３の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【００１８】
８． 前記ボディプレートは、Ｓｉ又は石英から形成することを特徴とする６又は７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００１９】
９． 前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスから形成することを特徴とする６乃至８の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００２０】
１０． 前記圧電体膜は、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素とを含む材料より形成されることを特徴とする６乃至９の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００２１】
１１． 前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面に撥液処理を行う工程を有することを特徴とする６乃至１０の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００２２】
１２． ６乃至１１の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【００２３】
１３． 前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする１２に記載の液体吐出ヘッド。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によれば、精度の良い加工が容易にされることができるＳｉ又は石英より形成されているボディプレートが有する圧力室内の吐出される液体に圧電素子の第１の面が直接触れることが可能である。よって、圧電素子の変形は、精度良く加工された圧力室内に存在する、間に何も介在されることなくノズルから吐出される液滴となる液体に伝達されることになる。従って、構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。
【００２５】
更に、液体を液滴として吐出する吐出孔を有するノズルが形成されているノズルプレートは、体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスとしているため、圧力室内の液体に電界を印加すると、圧電素子の変形により吐出される液体にてノズル先端に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を液滴の吐出が安定して行われることに十分な大きさとすることができることから、静電吸引型の液体吐出ヘッドとして利用可能とすることができる。
【００２６】
請求項６、７及び１２に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのボディプレートに形成される圧力室溝の底部は、ボディプレートの圧力室溝が形成される面の反対面に向かって、順に分極した圧電体膜、第２の電極膜又は第４の電極膜が存在することになる。分極した圧電体膜は、圧電素子として機能するため、圧力室をなす底面部は圧電素子となり、この圧電素子は圧力室内の液体に直接触れることが可能となる。よって、この圧電素子の変形は、間に何も介在されることなくノズルから吐出される液滴となる液体に伝達されることになる。従って、構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドの製造方法及びこの製造方法により製造された液体吐出ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドの実施形態に関して、図を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態の一例とする液体吐出ヘッド２（断面図）を使用した液体吐出装置１の全体構成を示す図である。なお、液体吐出ヘッド２は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
【００２９】
液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出するノズル１０が形成された液体吐出ヘッド２と、動作制御手段４と、液体吐出ヘッド２のノズル１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極３とを備えている。
【００３０】
液体吐出ヘッド２の対向電極３に対向する側には、複数のノズル１０を有するノズルプレート１１が設けられている。液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１の対向電極３に対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いはノズル１０が３０μｍ程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。また、ノズル１０は、断面形状が円に形成される代わりに、断面形状が多角形や星形等であってもよい。尚、断面形状が円でない場合の直径とは、対象とする断面の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。
【００３１】
各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、ノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する貫通した孔とされている。ここで、ノズル径とは、ノズル１０の吐出孔１３の直径を示し、吐出孔の開口形状が円でない場合の直径は、上記と同様に対象とする開口面の開口面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。
【００３２】
ノズルプレート１１は、後述する体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上とするガラス（以降、高抵抗ガラスと称する。）又は体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上とする樹脂（以降、高抵抗樹脂と称する。）から形成するのが好ましい。高抵抗ガラスとしては、例えば石英、合成石英、高純度ガラス等から適宜選べば良く、高抵抗樹脂としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＩ（ポリイミド）等から適宜選べば良い。
【００３３】
高抵抗ガラスにノズルを設けてノズルプレート１１を作製する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば高抵抗ガラス基板を用いてフッ化カーボン、フッ化水素化カーボン系ガスを反応ガスとするドライエッチング処理を行う方法がある。また、高抵抗樹脂にノズルを設けてノズルプレートを作製する方法としては、特に限定されるものはなく、例えば樹脂成形方法や塗布した樹脂膜に公知のフォトリソグラフィ技術を用いる方法がある。
【００３４】
本実施形態では、ノズルプレート１１のノズル１０の内周面１７及びこれに続く圧力室２０の底面部には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１０内の液体Ｌに電圧を印加して帯電させることで後述する静電吸引力を生じさせるための静電電圧印加手段である帯電用電極１６が設けられている。帯電用電極１６は、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。
【００３５】
この帯電用電極１６は、図示しない配線により静電電圧電源１８に接続されており、静電電圧電源１８より帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力が発生させることができる。
【００３６】
ノズルプレート１１の吐出面１２と反対側の面には、ボディプレート１９が設けられている。ノズルプレート１１に吐出孔１３が設けられている面の反対側の各ノズル１０の開口端に面するボディプレート１９の部分には、ノズル１０の開口より大きい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は吐出される液体Ｌを一時貯蔵するための圧力室２０とされている。
【００３７】
また、ボディプレート１９は、半導体製造プロセスに準じる加工方法が使用出来ることから精度の良い加工を容易にすることができ、複数の圧力室間のクロストークが少なくすることができる剛性の高いＳｉ又は石英から形成するのが好ましい。Ｓｉ基板または石英基板を用いて公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びエッチング法を用いて圧力室２０、共通流路、および共通流路と圧力室２０とを結ぶ流路を設けることができる。Ｓｉを使用する場合のエッチング法としては、例えば反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法があり、また石英を使用する場合は、上記のノズルプレートと同じくフッ化カーボン、フッ化水素化カーボン系ガスを反応ガスとするドライエッチング法がある。
【００３８】
また、図示しない共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路や圧力室２０、ノズル１０等の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。
【００３９】
ここで、圧力室２０の底部は厚みが１μｍから数十μｍ程度の圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２２が形成されており、液体Ｌに圧力を生じさせる様に変形可能としている。
【００４０】
ピエゾ素子２２は、一方の面にのみ電極１０７が設けられており、他方の面は圧力室２０内の液体Ｌに接している。また帯電用電極１６も液体Ｌに接するように設けられている。ここで、液体Ｌを導電性とすることで、ピエゾ素子２２を駆動するための駆動電圧電源２３による駆動電圧の印加は、電極１０７と帯電用電極１６との間にすることができるため、ピエゾ素子２２に設ける電極は電極１０７の一つのみとすることができる。
【００４１】
よって、ピエゾ素子２２は、一方の面にのみ電極１０７を有していることから、低い駆動電圧でも容易に変形可能となり、また、その変形は間に何も介在されることなくノズル１０内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスをより効率良く形成させることができ、その結果、より効率的に液滴を吐出することができる。ピエゾ素子２２に関して、以降でさら詳細に説明する。
【００４２】
駆動電圧電源２３および帯電用電極１６に静電電圧を印加する静電電圧電源１８は、それぞれ動作制御手段４に接続されており、それぞれ動作制御手段４による制御を受けるようになっている。
【００４３】
動作制御手段４は、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピューターからなっており、ＣＰＵ２５は、ＲＯＭ２６に格納された電源制御プログラムに基づいて静電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。
【００４４】
ノズルユニット１１の吐出面１２の全面には、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層２８が設けられている。撥液層２８を設けることにより、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しが抑制され、ノズル１０の吐出孔１３部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔１３の周囲の吐出面に広がり難くされることでメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することが可能となる。
【００４５】
撥液層２８は、例えば、液体Ｌが水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体Ｌが油性であれば撥油性を有する材料が用いられるが、一般に、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面１２に成膜されている。なお、撥液層２８は、ノズルプレート１１の吐出面１２に直接成膜しても良いし、撥液層２８の密着性を向上させるために中間層を介して成膜しても良い。
【００４６】
液体吐出ヘッド２の液体Ｌの吐出方向には、基材Ｋを支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２に平行に所定距離離して配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との所定距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。
【００４７】
本実施形態の液体吐出ヘッド２を用いた液体吐出装置１では、対向電極３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、静電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界が生じるようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると、対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。
【００４８】
なお、対向電極３または液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド２の各ノズル１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾させることが可能とされている。
【００４９】
液体吐出装置１により吐出される液体Ｌは、導電性の液体とし、無機液体、有機液体、高電気伝導率の物質（銀粉等）が多く含まれるような導電性ペーストが挙げられ、導電性ペーストを使用する場合には、前述した無機又は有機液体に溶解又は分散させる上記の高電気伝導率の物質が、ノズル１０で目詰まりを発生するような粗大粒子であることを除けば、特に制限されない。
【００５０】
ここで上記の液体吐出ヘッド２の圧力室２０の底部に形成されているピエゾ素子２２に関して以下に詳しく説明する。
【００５１】
図２は、図１における１つの圧力室２０に注目して、その周辺を拡大して示した図である。ボディプレート１９の圧力室２０を有する面側には、ＳｉＯ2膜１０１を有し、このＳｉＯ2膜１０１上に、Ｐｔ（白金）膜１０３を圧力室２０の開口部の周囲に有し、このＰｔ膜１０３上に圧力室２０の空間を被う圧電体１０５を有し、更に圧電体１０５上に電極１０７を有している。ボディプレート１９上に、この様なピエゾ素子２２を形成することに関して以下に説明する。
【００５２】
第１の実施形態として、圧力室の底部に分極処理を行うことなくピエゾ素子を形成する方法を図３に沿って説明する。
【００５３】
図３は、ボディプレート上にピエゾ素子を形成する工程を１つのピエゾ素子に注目して模式的に示している。まず、Ｓｉ基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びエッチング法を用いて圧力室３００、図示しない共通流路及び共通流路と圧力室３００とを結ぶ流路等を備えるボディプレート３０１を形成する（図３（ａ））。
【００５４】
次に、圧力室３００の底面の背面３０１ａに厚みを０．１μｍから２μｍ程度とするＳｉＯ2層３０２を形成する（図３（ｂ））。ＳｉＯ2層３０２の形成方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）処理や熱酸化処理等が挙げられる。尚、このＳｉＯ2層３０２は、上記のＴＥＯＳ処理等のＳｉＯ2層形成工程を独立した工程として設けなくても、例えば圧力室３００やこれに連通する流路の形成工程中において形成される場合もある。従って、このＳｉＯ2層の形成工程は、必要に応じて独立した工程として設けなくても良い。
【００５５】
次に、このＳｉＯ2層３０２の上に（１００）に優先配向したＰｔ（白金）又はＰｄ（パラジウム）膜３０３をピエゾ素子を設ける領域に形成する（図３（ｃ））。以降は、例としてこの膜をＰｔ膜として説明する。この（１００）に優先配向したＰｔ（白金）膜３０３の形成方法は、本発明者らにより開示されているスパッタリング法を用いた薄膜製造装置（特開平６−１０８２４２号公報）による。この薄膜製造装置を用いてＰｔ膜３０３をピエゾ素子を設ける領域に形成するに際し、不必要な領域にＰｔ膜が形成されないように、例えば防着マスク等を用いるのが良い。
【００５６】
次に、上記の（１００）に優先配向したＰｔ膜上に、ピエゾ素子となる圧電体膜３０４を形成する（図３（ｄ））。この圧電体膜は、Ｔｉ（チタン）及びＺｒ（ジルコニウム）の少なくとも１つと、Ｐｂ（鉛）と、酸素とを含んでいることが好ましい。圧電体膜３０４の形成方法は、特に限定されるものではなく、圧電体膜の公知の形成方法として知られているＲＦマグネトロンスパッタ法を用いても良い。このＲＦマグネトロンスパッタ法による圧電体膜３０４の成膜に使用するターゲットは、例えばＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3（チタン酸ジルコン酸鉛、９０質量％）とＰｂＯ（酸化鉛、１０体積％）とが混合されているものが挙げられる。圧電体膜３０４の成膜時のＳｉ基板の温度は、５５０℃程度が好ましく、成膜速度は、０．０１μｍ／分程度といった比較的低い成膜速度とするのが好ましい。上記の方法にて形成された圧電体膜３０４の配向性をＸ線回折の粉末法を用いて配向状態を確認することができ、この圧電体膜３０４は、ペロブスカイト構造を有し、分極軸が基板面に対して垂直方向に優先配向したｃ軸配向のエピタキシャル膜となっている。従って、特に分極処理を必要とすることなく、圧電素子として機能させることができる。
【００５７】
次に、ピエゾ素子の電極となる金属膜３０５を設ける（図３（ｅ））。金属膜３０５とする材料は、電極として使用可能であれば特に限定されるものではなく、例えばＰｔ，Ａｕ，Ａｌ等が挙げられる。またこれらを材料とする金属膜３０５は圧電体膜３０４上へ直接成膜しても良いし、金属膜３０５の圧電体膜３０４への密着性を向上させるために中間層、例えばＣｒ（クロム）を設けても良い。
【００５８】
次に、ボディプレート３０１の圧力室溝３００の底面部を圧電体膜３０４に達するまで掘り下げる（図３（ｆ））。最初に圧力室溝３００の底面のＳｉを、この背面に形成したＳｉＯ2層に達するまで、除去する。除去方法としては、公知の方法で良くて特に限定されるものではなく、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）を用いた異方性ドライエッチング法がある。この除去方法はＳｉＯ2をほとんど除去できないため、Ｓｉ除去後はエッチングが停止するので除去条件の設定が容易であることから好ましい。
【００５９】
次に、ＳｉＯ2層３０２をＰｔ膜３０３に達するまで除去する（図３（ｇ））。ＳｉＯ2層の除去方法としては、公知の方法で良くて特に限定されるものではなく、例えば反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法がある。この除去方法はＰｔ膜をほとんど除去できないため、ＳｉＯ2除去後はエッチングが停止するので除去条件の設定が容易であることから好ましい。
【００６０】
更に、Ｐｔ膜を圧電体膜３０４に達するまで除去する（図３（ｈ））。Ｐｔ層の除去方法としては、公知の方法で良くて特に限定されるものではなく、例えばＡｒ（アルゴン）によるプラズマ処理法がある。このプラズマ処理は、圧電体膜も除去可能な方法であるため、予め実験等により圧電体膜に不具合が生じないＰｔ膜の除去条件を決めておくのが良い。
【００６１】
上記のＰｔ膜の除去が完了した時点で、ボディプレート３０１への圧電体膜３０４と電極３０５とから構成されるピエゾ素子の形成が完了したことになる。
【００６２】
尚、上記のＳｉ、ＳｉＯ2及びＰｔの除去処理において、特にＳｉの除去処理において、ボディプレート３０１の圧力室溝３００の底面部以外の圧力室溝３００が形成されている面もエッチング処理されることになる。従って、これらの除去処理を考慮した圧力室溝３００等の流路溝の形成、例えば流路溝形成時のマスクをこれらの除去処理を考慮した厚みとし、Ｓｉ除去後にこのマスクを除去すれば良い。
【００６３】
次に別途用意したノズルを有するノズルプレート３１０をボディプレート３０１の圧力室３００を被うように接合することで液体吐出ヘッド３２０を完成させることができる。
【００６４】
ノズルプレート３１０は、高抵抗ガラスを用いて、例えば反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法を用いれば良い。
【００６５】
また、ノズルプレート３１０のノズル３１２の内周面及びこれに続く圧力室を被う部分には、例えばＮｉＰ、Ｐｔ，Ａｕ等の導電素材よりなる帯電用電極３１４を設ける（図３（ｉ））。この帯電用電極３１４を設ける方法は特に限定されるものではなく、公知の真空蒸着法、スパッタリング法等を用いれば良い。また、導電素材としては、上記の例に限定されるものではなく、吐出に用いられる液体に接することで腐食等を生じないものを適宜選択すれば良い。
【００６６】
また、図３において、ノズルの吐出孔３１２が設けてある吐出面には、撥液層３１６が設けている。
【００６７】
これで、第１の実施形態における液体吐出ヘッドが完成したことになる。
【００６８】
第２の実施形態として、圧力室の底部に分極処理を行いピエゾ素子を形成する方法を図４に沿って説明する。
【００６９】
図４に、ゾルゲル用ＰＺＴ液を用いてボディプレート上にピエゾ素子を形成する工程を１つのピエゾ素子に注目して模式的に示す。まずＳｉ基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びエッチング法を用いて圧力室４００、図示しない共通流路及び共通流路と圧力室４００とを結ぶ流路等を備えるボディプレート４０１を形成する（図４（ａ））。
【００７０】
この圧力室４００の底面の反対面４０１ａのピエゾ素子を設ける領域に金属膜４０３を形成する（図４（ｂ））。この金属膜４０３は、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｚｒ及びＩｎとするのが好ましい。これは、以降で行う圧電体の焼結を行うための５００℃以上の熱処理に耐え、積層される圧電体膜と反応しない材料であることが必要なためである。この金属膜４０３の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えばスパッタリング法等、公知の方法で良く、形成された金属膜の配向性は特に必要としない。
【００７１】
次に、上記で金属膜４０３を形成した以外の領域にリフトオフのための膜、例えば厚み１μｍ程度のＡｌ膜４０２’を形成する（図４（ｄ））。この形成方法は、例えば公知の真空蒸着等によりＡｌ膜４０２の成膜後（図４（ｃ））、公知のフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理を行って形成しても良く、特に限定されない。こうしてボディプレート４０１の圧力室溝４００の底面の背面は、金属膜４０３又はＡｌ膜４０２’の何れかの膜が形成されていることになる。
【００７２】
次に、上記のＡｌ膜４０２’及び金属膜４０３上にゾルのＰＺＴ液、例えばＰＺＴアルコラート（商品名、Ｉｎｏｓｔｅｋ社）、を塗布することで圧電体膜４０４ａを形成する（図４（ｅ））。具体的には、例えばスピンコート法による塗布により厚さ１μｍの圧電体膜を形成後、乾燥及び仮焼結する。この圧電体膜は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）の少なくとも１つと、Ｐｂ（鉛）と、酸素とを含んでいることが好ましい。
【００７３】
次に、Ａｌエッチングを行うことで、金属膜４０３と金属膜４０３上の圧電体膜４０４ｂをボディプレート４０１に残して、Ａｌ膜４０２’とＡｌ膜４０２’上の圧電体膜を取り除く（図４（ｆ））。再度、Ａｌ膜４０２の成膜、ゾルのＰＺＴ液の塗布により更に厚さ１μｍの膜形成後、乾燥及び仮焼結する工程（図４（ｃ）から（ｆ）まで）を繰り返して圧電体膜を積層することで、圧電体膜を所望の厚みとする。この後、本焼結のための５００℃以上での加熱処理を行うことで圧電体膜４０４ｃを形成することができる。この時点での圧電体膜４０４ｃは、配向が十分に揃っていない多結晶状態である。
【００７４】
ここで、本第２の実施の形態での圧電体膜の形成は、ゾルのＰＺＴ液の塗布としているが、第１の実施の形態と同じＲＦマグネトロンスパッタ法を用いても良い。但し、ここでＲＦマグネトロンスパッタ法で成膜された圧電体膜は、ペロブスカイト構造を有し、分極軸が基板面に対して垂直方向に優先配向したｃ軸配向のエピタキシャル膜とはならず、以降で説明する分極処理を必要とする。
【００７５】
次に、ピエゾ素子の電極となる金属膜４０５を設ける（図４（ｇ））。金属膜４０５とする材料は、電極として使用可能であれば特に限定されるものではなく、例えばＰｔ，Ａｕ，Ａｌ等が挙げられる。またこれらを材料とする金属膜４０５は圧電体膜４０４ｃ上へ直接成膜しても良いし、金属膜４０５の圧電体膜４０４ｃへの密着性を向上させるために中間層、例えばＣｒを設けても良い。
【００７６】
次に、圧電体膜４０４ｃの部分を２００℃から３００℃程度で加熱しながら、金属膜４０３と金属膜４０５との間に５０Ｖから１００Ｖ程度の直流電圧を約１時間程度印加することで圧電体膜の分極処理を行う（図４（ｈ））。これらの加熱温度、電圧及び処理時間は、分極処理の対象となる材料や厚み等を考慮し、予め実験等を行って決めれば良い。この分極処理後の圧電体膜は、Ｘ線回折により、ペロブスカイト構造のｃ軸に優先配向していることが確認できる。よって、圧電体膜４０４ｃは圧電素子として機能することができる。
【００７７】
以降（図４（ｉ）から（ｌ））は、第１の実施形態と同じ工程を行うことで液体吐出ヘッド４２０が完成させることができる。
【００７８】
これで、第２の実施形態における液体吐出ヘッドが完成したことになる。
【００７９】
尚、第１の実施形態及び第２の実施形態では、ボディプレートがＳｉから形成され、ノズルプレートが高抵抗ガラスから形成される場合として説明しているが、ボディプレートが石英から形成され、ノズルプレートが高抵抗樹脂から形成される場合又はこれら組み合わせ変える場合も上記と同様にすることで液体吐出ヘッドを作製することができる。
【００８０】
発明者らが、図５に示す液体吐出実験装置Ｓ’を使用して電極間の電界の電界強度が実用的な値である１．５ｋＶ／ｍｍとなるように構成し、各種の絶縁体でノズルプレート１１’を形成して下記の実験条件に基づいて行った実験では、ノズル１０’から液滴Ｄ’が吐出される場合と吐出されない場合があった。
［実験条件］
ノズルプレート１１’の吐出面１２’と対向電極３’の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１’の厚さ：１２５μｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
液体吐出実験に使用した実験用液体吐出ヘッドＡ’のノズル１０’には４°のテーパ角を持っている。このテーパ角は、ノズル１０’の断面において、吐出面１２’に対する垂線から吐出面１２’から離れる方向に広がる角度を示している。尚、このテーパ角は、吐出に対する影響は小さく、液滴を安定に吐出する条件への依存性は大きくないことが後で説明するシミュレーションから得られている。
【００８１】
ここで、液体吐出ヘッドにおける液体の吐出原理について図５を用いて説明する。実験用液体吐出ヘッドＡ’では、静電電圧電源６３’から静電電圧印加手段である帯電用電極１６’に静電電圧を印加し、ノズル１０’の吐出孔１３’の液体Ｌ’と対向電極３’の実験用液体吐出ヘッドＡ’に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源６１’から圧力発生手段であるピエゾ素子２２’に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２’を変形させ、それにより液体Ｌ’に生じた圧力でノズル１０’の吐出孔１３’に液体Ｌ’のメニスカスを形成させる。
【００８２】
ノズル１０’部の絶縁性が高くなると、図６にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズル１０’の内部に、吐出面１２’に対して略垂直方向に等電位線が並び、液体Ｌのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。
【００８３】
特に、図６でメニスカスの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体Ｌ’から分離されて液滴Ｄ’となる。さらに、液滴Ｄ’は静電力により加速され、対向電極３’に支持された基材Ｋ’に引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄ’は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋ’に対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。
【００８４】
このように、実験用液体吐出ヘッドＡ’における液体Ｌ’の吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する実験用液体吐出ヘッドＡ’においても、高い絶縁性を有するノズル１０’部を用い、吐出面１２’に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌ’の吐出状態を形成することができる。
【００８５】
この液体吐出実験装置Ｓ’による実験で、液滴Ｄ’がノズルから安定に吐出されたすべての場合について、メニスカス先端部の電界強度を求めた。実際には、メニスカス先端部の電界強度を直接測定することが困難であるため、電界シミュレーションソフトウエアである「ＰＨＯＴＯ−ＶＯＬＴ」（商品名、株式会社フォトン製）によるシミュレーションにより算出した。ここでの電界強度は、電流分布解析モードによる、電圧印加後３００秒後の電界強度を言う。その結果、すべての場合においてメニスカス先端部の電界強度は１．５×１０7Ｖ／ｍ以上であった。また、この実験において、液滴Ｄ’がノズルから安定して吐出されない場合についても、上記と同様のシミュレーションによりメニスカス先端部の電界強度を算出した。その結果、１．５×１０7Ｖ／ｍ未満であった。
【００８６】
また、上記の実験条件と同様のパラメータを同ソフトウエアに入力してメニスカス先端部の電界強度を計算した結果、図７に示すように、電界強度はノズルプレート１１’に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存することが分かった。また、ノズル１０’から液滴Ｄ’を安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上であることが必要であることが上記の実験より得られていることから、図７から明らかなように、ノズルプレート１１’の体積抵抗率は１０15Ω・ｍ以上であればよいことが分かった。
【００８７】
なお、図７に示したようなメニスカス先端部の電界強度のノズルプレート１１’の体積抵抗率に対する特徴的な依存関係は、ノズル径を種々に変化させてシミュレーションを行った場合でも同様に得られており、どの場合も体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上になることが分かっている。
【００８８】
従って、図１に示す液体吐出ヘッド２において、ノズルプレート１１を体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスとするのが好ましい。このような樹脂又はガラスを用いることで、吐出孔１３に形成される液滴のメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上になるため、液体の吐出が安定して行われることが出来ることになる。尚、ノズルプレート１１の樹脂が導電性の液体を吸収する場合、ノズルプレート１１の電気伝導度が大きくなり、その結果体積抵抗率が低下する場合がある。このような場合には、ノズルプレート１１の吐出される液体と接触する面に液体吸収防止層を設ければ良い。体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上のガラスとしは、具体的には、石英、合成石英及び高純度ガラス等が挙げられる。
【００８９】
更に、図５に示すノズルプレート１１’のノズル１０’を図２に示す吐出孔１３と同径の筒状とするテーパを持たない貫通した穴形状とした場合、ノズルプレート１１’の厚みを１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍとするパラメータとして、ノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度のシミュレーション結果を図８に示す。
【００９０】
図８より、ノズル径が小さくなる程、またノズルプレートの厚みが厚くなる程メニスカス先端部の電界強度が大きくなることが分かる。ノズル１０’から液滴Ｄ’が安定に吐出されるためにはメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上であることが必要であることから、例えばノズルプレートの厚みを１０μｍとする場合は、ノズル径を４μｍ未満とすることで液滴を安定して吐出させることができる。さらに、例えばノズルプレートの厚みを２０μｍとする場合はノズル径を６μｍ未満に、ノズルプレートの厚みを５０μｍとする場合はノズル径を１１μｍ未満に、ノズルプレートの厚みを１００μｍとする場合はノズル径を２４μｍ未満にすることで液滴を安定に吐出させることができる。
【００９１】
このように、体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスより成るノズルプレートの厚みを、図８を参照又はこの図８を求めたシミュレーションを用いて所望のノズル径より適宜決める値とすることにより、安定に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを得ることができる。
【００９２】
なお、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形により形成されたメニスカスを静電吸引力で分離して液滴化し、静電電圧による電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、この他にも、例えば、ピエゾ素子２２の変形による圧力のみで液体Ｌが液滴化する程度の強い駆動電圧を印加するように構成することも可能である。
【実施例】
【００９３】
以下、実施例を説明する。
【００９４】
石英（厚み１００μｍ）からなるノズルプレートの吐出面にノズル径を１０μｍとする３２個のノズルを公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）と反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法を用いて形成した。また、帯電用電極３１４としてノズル３１０内周面及び圧力室底部にＮｉＰ膜をＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて約０．５μｍの厚みに成膜した。
【００９５】
また、ボディプレートにおける圧力室溝、共通流路溝、および共通流路溝と圧力室溝とを結ぶ流路溝等の形成は、Ｓｉ基板を用いて公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）とＩＣＰを用いた異方性ドライエッチング技術を用いて形成した。
【００９６】
液体吐出の実験には、エタノールに染料（ＣＩアシッドレッド１）を３質量％含有した導電性の液体を用いた。
【００９７】
上記のノズルプレート、ボディプレート及び吐出用液体は、全く同じものを以下の実施例１及び２、参考例１に用いた。
【００９８】
尚、異方性ドライエッチング技術は、高アスペクト比（加工された凹部の深さと幅の比であり、アスペクト比が高いとは、溝の深さが深く幅が狭い状態を表す。）の構造を得るための技術であって、エッチングの最中にエッチングにより加工された凹部の側壁を保護するためにエッチング反応を生じさせる化学種（ラジカル、イオン等）を発生させるサイクルと、側壁を保護するための保護膜を堆積させるサイクルとを交互に行うエッチング処理のことである。この異方性ドライエッチング技術を用いることでシリコン基板に形成される凹部の側壁は基板表面に対して垂直に加工できる。本実施例の溝や穴等の形成のエッチングガスとしてはＳＦ6を、側壁保護膜の堆積用ガスとしてはＣ4Ｆ8を用いた。
【００９９】
（実施例１）
ボディプレート上へのピエゾ素子の形成の一例を図３に示す工程に沿って行った。Ｓｉで作製された圧力室溝３００、流路溝、共通流路溝からなるボディプレート３０１の圧力室溝３００の裏面３０１ａにＴＥＯＳ処理にて形成した厚み約０．３μｍのＳｉＯ2膜３０２を介して（１００）に優先配向したＰｔ膜３０３をステンレス製の防着マスクを用いて、圧電体を形成する領域に厚み０．３μｍ程成膜した（図３（ｃ））。Ｐｔ膜３０３の（１００）優先配向膜の製造方法は、本発明者らの出願した特開平６−１０８２４２を用いた。このＰｔ膜３０３上にＲＦマグネトロンスパッタ法でＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜３０４を５μｍ成膜した（図３（ｄ））。成膜条件を以下に示す。
・到達真空度：６．６７×１０-5Ｐａ
・放電真空度：６．６７×１０-1Ｐａ
・ガス：酸素２０体積％のアルゴン雰囲気
・基板温度：５５０℃
・ターゲット：ＰｂＺｒ0.48Ｔｉ0.52Ｏ3（９０％）＋ＰｂＯ（１０％）混合
・成膜速度：０．０１μｍ／分
圧電体膜３０４の形成は、Ｐｔ膜３０３の形成と同様に防着マスクを用いて不必要な領域に圧電体膜が形成されないようにカバーすることで対処した。得られた圧電体膜３０４は、Ｘ線回折で評価したところ、ペロブスカイト構造のＣ軸に優先配向したエピタキシャル膜であった。
【０１００】
この圧電体膜３０４の上に上記と同様に防着マスクを用いて圧電体膜３０４上にＣｒを０．０３μｍと、Ａｕを０．３μｍとを、ＲＦマグネトロンスパッタ法で積層成膜し、各圧電体の独立した電極３０５とした（図３（ｅ））。
【０１０１】
次に、ボディプレート３０１の圧力室溝３００の底部（厚み：１５μｍ）をＩＣＰを用いた異方性エッチング処理によりＳｉを除去し（図３（ｆ））、反応ガスＣＦ4を用いたドライエッチング処理によりＳｉＯ2膜を除去し（図３（ｇ））、Ａｒプラズマ処理（ＲＦ電力：５００Ｗ、処理圧力：６．６７Ｐａ）でＰｔを除去し（図３（ｈ））、圧力室溝３００ｃの底部に圧電体膜３０４が露出するようにした。尚、特にＳｉを除去する際に、ボディプレート３０１の圧力室溝３００ｃの底部以外の部分もエッチング処理されるため、これを考慮した流路溝等の形成を行った。
【０１０２】
このボディプレート３０１ａにノズルプレート３１０を接着剤にて貼り合わせ（図３（ｉ））、ノズルプレート表面に撥水処理（メルクジャパン社製Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ＷＲ１の蒸着）を行って撥液膜３１６を設けることで液体吐出ヘッド３２０を完成した（図３（ｊ））。
【０１０３】
次に、液体吐出ヘッド３２０の圧電素子の電極３０５及び帯電電極３１４を図１に示す動作制御手段４を含む静電電圧電源１８及び駆動電圧電源２３に接続して、この液体吐出ヘッド３２０の吐出面と対向電極との距離が１ｍｍとなるように設定した。吐出用液体は、導電性としていることから、圧力室内の液体が圧電素子の共通電極として機能することができる。この液体吐出ヘッド３２０の帯電用電極３１４と対向電極３との間に静電電圧電源１８により１．５ｋＶ印加した状態で、帯電用電極３１４と圧電素子の電極３０５との間に駆動電圧電源２３により２０ｋＨｚの矩形波を４０Ｖ印加して駆動させたところ、各ノズルから液体が良好に吐出されることを確認した。
【０１０４】
（実施例２）
ボディプレート上へのピエゾ素子の形成の一例を図４に示す工程に沿って行った。Ｓｉで作製された圧力室溝４００、流路溝、インク室からなるボディプレート４０１の圧力室溝４００の裏面４０１ａにＴｉ膜４０３をステンレス製の防着マスクを用いて、圧電体を形成する領域に０．３μｍ成膜した（図４（ｂ））。Ｔｉ膜４０３の形成は、Ａｒ雰囲気で基板温度２５０℃の条件で通常のＤＣマグネトロンスパッタを行った。
【０１０５】
この上に、圧電体の形成用のためのリフトオフに用いる厚み２μｍのＡｌ膜４０２を、ＤＣマグネトロンスパッタ法で作製し（図４（ｃ））、フォトリソグラフィ処理及びエッチング処理にてＴｉ膜４０３上のＡｌ膜を除去した（図４（ｄ））。
【０１０６】
ボディプレート４０１の上記のＴｉ膜４０３及びＡｌ膜４０２’上に圧電体となるゾルのＰＺＴアルコラート（Ｉｎｏｓｔｅｋ社：厚膜対応ＰＺＴアルコラート）４０４ａを１μｍの厚みになるようにスピンコート法で塗布し、１２０℃で５分（大気中）、５００℃で３０分（大気中）にて乾燥仮焼成（ゲル化）を行った（図４（ｅ））。次にＡｌのエッチング液（半井化学（株）、アルミエッチャント液）に浸漬し、Ａｌ膜ごと不要なＰＺＴの除去を行った（図４（ｆ））。これを１０回繰り返してＰＺＴ膜ｂを積層形成することで合計１０μｍとし、その後６７５℃で５時間（酸素雰囲気：１．０１×１０5Ｐａ）の熱処理を行った。得られた圧電体膜４０４ｃは、Ｘ線回折で評価したところ、ＰｂＺｒ0.48Ｔｉ0.52Ｏ3の多結晶膜であった。
【０１０７】
この圧電体膜４０４ｃの上に防着マスクを介して、Ｃｒを０．０３μｍとＡｕを０．３μｍを、ＲＦマグネトロンスパッタ法で成膜し、各圧電体の独立した電極４０５とした（図４（ｇ））。
【０１０８】
次に、約２５０℃で加熱しながらＴｉ膜４０３と電極４０５との間に直流電圧源４５０を用いて７０Ｖの直流電圧を両膜間に１時間印加して分極処理を行った（図４（ｈ））。
【０１０９】
次に、ボディプレート４０１の圧力室溝４００の底部（厚さ：１５μｍ）をＩＣＰを用いた異方性エッチング処理によりＳｉを除去し（図４（ｉ））、Ａｒプラズマ処理（ＲＦ電力：５００Ｗ、処理圧力：６．６７Ｐａ）でＰｔを除去し（図４（ｊ））、圧力室溝４００ｃの底部に圧電体４０４が露出するようにした。尚、特にＳｉを除去する際に、ボディプレートの圧力室の底部以外の部分もエッチング処理されるため、これを考慮した流路溝等の形成を行った。
【０１１０】
このボディプレート４０１にノズルプレート４１０を接着剤にて貼り合わせ（図４（ｋ））、ノズルプレート表面に撥水処理（メルクジャパン社製、Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ＷＲ１）により、撥液膜４１６を設けることで液体吐出ヘッド４２０を完成した（図４（ｌ））。
【０１１１】
次に、吐出ヘッド４２０の圧電素子の電極４０５及び帯電電極４１４を図１に示す動作制御手段４を含む静電電圧電源１８及び駆動電圧電源２３に接続して、この液体吐出ヘッド４２０の吐出面と対向電極との距離が１ｍｍとなるように設定した。吐出用液体は、導電性としていることから、圧力室内の液体が圧電素子の共通電極として機能することができる。この液体吐出ヘッド４２０の帯電用電極４１４と対向電極３との間に静電電圧電源１８により１．５ｋＶ印加した状態で、帯電用電極４１４と電極４０５との間に駆動電圧電源２３により２０ｋＨｚの矩形波を４０Ｖ印加して駆動させたところ、各ノズルから液体が良好に吐出されることを確認した。
【０１１２】
（参考例１）
特許文献１における厚み２０μｍから１００μｍのパイレックス（登録商標）ガラスを振動板としていることを参考にして、実施例１におけるボディプレートの圧力室溝の底部（厚さ：１５μｍ）をＩＣＰを用いた異方性エッチング処理によりＳｉの除去するに際し、厚み１０μｍのＳｉを振動板として使用するため、５μｍだけ除去した以外は全く同じとした液体吐出ヘッドを作製した。
【０１１３】
この液体吐出ヘッドを実施例１と同じ条件で吐出実験を行ったところ、液体が同じ状態で吐出されるには、印加電圧が６０Ｖを必要とした。また、実施例１の液体吐出ヘッドと本参考例１の液体吐出ヘッドの駆動印加電圧を同じ４０Ｖとして、印加する矩形波の周波数を変化させて吐出したところ、１５ｋＨｚを超える辺りから、参考例１の液体吐出ヘッドから吐出される液滴量が実施例１の液体吐出ヘッドから吐出される液滴量に比較して量のムラや減少が確認された。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本実施形態の一例である液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置例の全体構成を示す図である。
【図２】図１におけるピエゾ素子周辺部分を拡大して模式的に示す図である。
【図３】ボディプレートにピエゾ素子を形成する一例を模式的に示す図である。
【図４】ボディプレートにピエゾ素子を形成する一例を模式的に示す図である。
【図５】液体の吐出条件を検討するために使用した実験用液体吐出ヘッドを示す図である。
【図６】シミュレーションによるノズルの吐出孔付近の電位分布を示す模式図である。
【図７】ノズルプレートの体積抵抗率とメニスカス先端部の電界強度との関係を示す図である。
【図８】ノズル径とメニスカス先端部の電界強度との関係をノズルプレートの厚みをパラメータにして示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 液体吐出装置
２ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
４ 動作制御手段
１０ ノズル
１１ ノズルプレート
１２ 吐出面
１３ 吐出孔
１６ 帯電用電極
１８ 静電電圧電源
１９ ボディプレート
２０ 圧力室
２２ ピエゾ素子
２３ 駆動電圧電源
２８ 撥液層
１０１ ＳｉＯ２膜
１０３ Ｐｔ膜
１０５ 圧電体
１０７ 電極
Ｌ 液体
Ｄ 液滴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録方式は、ノンインパクト記録方式の１つであり、高速記録が可能であると共に、種々の記録媒体に対して記録が可能であり、しかも、高精細な画像が得られる。このような利点から、インクジェット記録方式は、コンピューターの周辺機器としてのプリンタばかりでなく、複写機、写真、各種印刷、産業用高精細パターニング等の記録手段として近年用途を拡大しながら急速に普及している。
【０００３】
このようなインクジェット記録を行う記録ヘッドには、インク等の液体を飛翔させるためのノズルと、このノズルに連通する圧力室のインク等の液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー発生手段とを備えている。そして、エネルギー発生手段として電気機械変換素子である圧電素子（ピエゾ素子）を用いた液体吐出ヘッドは、圧電素子が発生した圧力波の伝搬によってノズル先端のメニスカスを制御して液滴を吐出させるもので、このような圧電素子の機械エネルギーを液体に伝搬させるための振動板を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
振動板と圧電素子との間には、圧力波を発生させるために圧電素子を変形させる電圧を印加するための電極が配置されている。よって、圧電素子の変形が吐出される液体に伝搬するまでには、上記の電極や振動板が介在しているため、圧電素子の駆動効率が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
上記の圧電素子の駆動効率を改善する方法として、複数のインク室と、これらのインク室に連通する噴出口と、各インク室に圧力を加えるための振動板を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記の振動板を導電性無機材料で形成するとともに、この振動板に圧電素子を接合し、更にこの圧電素子上に駆動用電極を形成して、振動板と駆動用電極間に駆動用電圧を印加する方法がある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３２１８６６４号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１においては、振動板として、厚み２０μｍから１００μｍのパイレックス（登録商標）ガラスやＳｉ酸化物の薄膜が形成された４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）が例として挙げられている。これらの振動板に電極を持った圧電素子を接着して設けている。
【０００７】
また、特許文献２においては、圧電素子の変形が吐出される液体に伝搬するまでに介在するものは、導電性無機材料で形成される振動板が一方の圧電素子駆動用電極としても機能するためこの電極を別途設けることが不要となっているものの、導電性無機材料で形成される振動板が存在している。
【０００８】
この振動板は、その厚みを薄くすればするほど、圧電素子の変形をより効率よく液体に伝達することができることから、振動板の変形量を同じとする場合、圧電素子の駆動電圧をより低くすることが可能であり、また駆動電圧の印加に対する圧電素子の変形の応答性がより良くなることは十分に期待される。
【０００９】
本発明は、構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
【００１１】
１． 圧電素子の変位を圧力室内の液体に伝達することで該圧力室に連通するノズルの吐出孔から該液体の液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルが体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスより形成されているノズルプレートと、
前記ノズルプレートに形成されている前記ノズルが連通する前記圧力室となる圧力室溝がＳｉ又は石英より形成されているボディプレートとを含み、
前記圧電素子の第１の面は、前記圧力室内の液体に接する該圧力室の壁の一部をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【００１２】
２． 前記圧電素子は、該圧電素子の第２の面のみに１つの電極を有し、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素と、を含んでいることを特徴とする１に記載の液体吐出ヘッド。
【００１３】
３． 前記液体は、導電性であることを特徴とする１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【００１４】
４． 前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面は、撥液処理されていることを特徴とする１乃至３の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【００１５】
５． 前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【００１６】
６． 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通する前記ノズルの前記吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＳｉＯ2膜を形成する工程と、
前記ＳｉＯ2膜上に（１００）に優先配向するＰｔ、Ｐｄの少なくとも一つからなる第１の電極膜を形成する工程と、
前記第１の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜をスパッタリング法を用いて形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第２の電極膜を形成する工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記ＳｉＯ2膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記ＳｉＯ2膜を前記第１の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第１の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【００１７】
７． 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通するノズルの吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＰｔ、Ｔｉ，Ｐｄ、Ｚｒの少なくとも一つからなる第３の電極膜を形成する工程と、
前記第３の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第４の電極膜を形成する工程と、
前記圧電体膜を加熱しながら、前記第３の電極膜と前記第４の電極膜との間に直流電圧を印加して前記圧電体膜の分極処理を行う工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記第３の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第３の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【００１８】
８． 前記ボディプレートは、Ｓｉ又は石英から形成することを特徴とする６又は７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００１９】
９． 前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスから形成することを特徴とする６乃至８の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００２０】
１０． 前記圧電体膜は、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素とを含む材料より形成されることを特徴とする６乃至９の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００２１】
１１． 前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面に撥液処理を行う工程を有することを特徴とする６乃至１０の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【００２２】
１２． ６乃至１１の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【００２３】
１３． 前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする１２に記載の液体吐出ヘッド。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によれば、精度の良い加工が容易にされることができるＳｉ又は石英より形成されているボディプレートが有する圧力室内の吐出される液体に圧電素子の第１の面が直接触れることが可能である。よって、圧電素子の変形は、精度良く加工された圧力室内に存在する、間に何も介在されることなくノズルから吐出される液滴となる液体に伝達されることになる。従って、構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。
【００２５】
更に、液体を液滴として吐出する吐出孔を有するノズルが形成されているノズルプレートは、体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスとしているため、圧力室内の液体に電界を印加すると、圧電素子の変形により吐出される液体にてノズル先端に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を液滴の吐出が安定して行われることに十分な大きさとすることができることから、静電吸引型の液体吐出ヘッドとして利用可能とすることができる。
【００２６】
請求項６、７及び１２に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのボディプレートに形成される圧力室溝の底部は、ボディプレートの圧力室溝が形成される面の反対面に向かって、順に分極した圧電体膜、第２の電極膜又は第４の電極膜が存在することになる。分極した圧電体膜は、圧電素子として機能するため、圧力室をなす底面部は圧電素子となり、この圧電素子は圧力室内の液体に直接触れることが可能となる。よって、この圧電素子の変形は、間に何も介在されることなくノズルから吐出される液滴となる液体に伝達されることになる。従って、構造がより簡単で、より効率的に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドの製造方法及びこの製造方法により製造された液体吐出ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドの実施形態に関して、図を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態の一例とする液体吐出ヘッド２（断面図）を使用した液体吐出装置１の全体構成を示す図である。なお、液体吐出ヘッド２は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
【００２９】
液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出するノズル１０が形成された液体吐出ヘッド２と、動作制御手段４と、液体吐出ヘッド２のノズル１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極３とを備えている。
【００３０】
液体吐出ヘッド２の対向電極３に対向する側には、複数のノズル１０を有するノズルプレート１１が設けられている。液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１の対向電極３に対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いはノズル１０が３０μｍ程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。また、ノズル１０は、断面形状が円に形成される代わりに、断面形状が多角形や星形等であってもよい。尚、断面形状が円でない場合の直径とは、対象とする断面の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。
【００３１】
各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、ノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する貫通した孔とされている。ここで、ノズル径とは、ノズル１０の吐出孔１３の直径を示し、吐出孔の開口形状が円でない場合の直径は、上記と同様に対象とする開口面の開口面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。
【００３２】
ノズルプレート１１は、後述する体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上とするガラス（以降、高抵抗ガラスと称する。）又は体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上とする樹脂（以降、高抵抗樹脂と称する。）から形成するのが好ましい。高抵抗ガラスとしては、例えば石英、合成石英、高純度ガラス等から適宜選べば良く、高抵抗樹脂としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＩ（ポリイミド）等から適宜選べば良い。
【００３３】
高抵抗ガラスにノズルを設けてノズルプレート１１を作製する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば高抵抗ガラス基板を用いてフッ化カーボン、フッ化水素化カーボン系ガスを反応ガスとするドライエッチング処理を行う方法がある。また、高抵抗樹脂にノズルを設けてノズルプレートを作製する方法としては、特に限定されるものはなく、例えば樹脂成形方法や塗布した樹脂膜に公知のフォトリソグラフィ技術を用いる方法がある。
【００３４】
本実施形態では、ノズルプレート１１のノズル１０の内周面１７及びこれに続く圧力室２０の底面部には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１０内の液体Ｌに電圧を印加して帯電させることで後述する静電吸引力を生じさせるための静電電圧印加手段である帯電用電極１６が設けられている。帯電用電極１６は、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。
【００３５】
この帯電用電極１６は、図示しない配線により静電電圧電源１８に接続されており、静電電圧電源１８より帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力が発生させることができる。
【００３６】
ノズルプレート１１の吐出面１２と反対側の面には、ボディプレート１９が設けられている。ノズルプレート１１に吐出孔１３が設けられている面の反対側の各ノズル１０の開口端に面するボディプレート１９の部分には、ノズル１０の開口より大きい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は吐出される液体Ｌを一時貯蔵するための圧力室２０とされている。
【００３７】
また、ボディプレート１９は、半導体製造プロセスに準じる加工方法が使用出来ることから精度の良い加工を容易にすることができ、複数の圧力室間のクロストークが少なくすることができる剛性の高いＳｉ又は石英から形成するのが好ましい。Ｓｉ基板または石英基板を用いて公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びエッチング法を用いて圧力室２０、共通流路、および共通流路と圧力室２０とを結ぶ流路を設けることができる。Ｓｉを使用する場合のエッチング法としては、例えば反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法があり、また石英を使用する場合は、上記のノズルプレートと同じくフッ化カーボン、フッ化水素化カーボン系ガスを反応ガスとするドライエッチング法がある。
【００３８】
また、図示しない共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路や圧力室２０、ノズル１０等の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。
【００３９】
ここで、圧力室２０の底部は厚みが１μｍから数十μｍ程度の圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２２が形成されており、液体Ｌに圧力を生じさせる様に変形可能としている。
【００４０】
ピエゾ素子２２は、一方の面にのみ電極１０７が設けられており、他方の面は圧力室２０内の液体Ｌに接している。また帯電用電極１６も液体Ｌに接するように設けられている。ここで、液体Ｌを導電性とすることで、ピエゾ素子２２を駆動するための駆動電圧電源２３による駆動電圧の印加は、電極１０７と帯電用電極１６との間にすることができるため、ピエゾ素子２２に設ける電極は電極１０７の一つのみとすることができる。
【００４１】
よって、ピエゾ素子２２は、一方の面にのみ電極１０７を有していることから、低い駆動電圧でも容易に変形可能となり、また、その変形は間に何も介在されることなくノズル１０内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスをより効率良く形成させることができ、その結果、より効率的に液滴を吐出することができる。ピエゾ素子２２に関して、以降でさら詳細に説明する。
【００４２】
駆動電圧電源２３および帯電用電極１６に静電電圧を印加する静電電圧電源１８は、それぞれ動作制御手段４に接続されており、それぞれ動作制御手段４による制御を受けるようになっている。
【００４３】
動作制御手段４は、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピューターからなっており、ＣＰＵ２５は、ＲＯＭ２６に格納された電源制御プログラムに基づいて静電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。
【００４４】
ノズルユニット１１の吐出面１２の全面には、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層２８が設けられている。撥液層２８を設けることにより、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しが抑制され、ノズル１０の吐出孔１３部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔１３の周囲の吐出面に広がり難くされることでメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することが可能となる。
【００４５】
撥液層２８は、例えば、液体Ｌが水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体Ｌが油性であれば撥油性を有する材料が用いられるが、一般に、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面１２に成膜されている。なお、撥液層２８は、ノズルプレート１１の吐出面１２に直接成膜しても良いし、撥液層２８の密着性を向上させるために中間層を介して成膜しても良い。
【００４６】
液体吐出ヘッド２の液体Ｌの吐出方向には、基材Ｋを支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２に平行に所定距離離して配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との所定距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。
【００４７】
本実施形態の液体吐出ヘッド２を用いた液体吐出装置１では、対向電極３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、静電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界が生じるようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると、対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。
【００４８】
なお、対向電極３または液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド２の各ノズル１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾させることが可能とされている。
【００４９】
液体吐出装置１により吐出される液体Ｌは、導電性の液体とし、無機液体、有機液体、高電気伝導率の物質（銀粉等）が多く含まれるような導電性ペーストが挙げられ、導電性ペーストを使用する場合には、前述した無機又は有機液体に溶解又は分散させる上記の高電気伝導率の物質が、ノズル１０で目詰まりを発生するような粗大粒子であることを除けば、特に制限されない。
【００５０】
ここで上記の液体吐出ヘッド２の圧力室２０の底部に形成されているピエゾ素子２２に関して以下に詳しく説明する。
【００５１】
図２は、図１における１つの圧力室２０に注目して、その周辺を拡大して示した図である。ボディプレート１９の圧力室２０を有する面側には、ＳｉＯ2膜１０１を有し、このＳｉＯ2膜１０１上に、Ｐｔ（白金）膜１０３を圧力室２０の開口部の周囲に有し、このＰｔ膜１０３上に圧力室２０の空間を被う圧電体１０５を有し、更に圧電体１０５上に電極１０７を有している。ボディプレート１９上に、この様なピエゾ素子２２を形成することに関して以下に説明する。
【００５２】
第１の実施形態として、圧力室の底部に分極処理を行うことなくピエゾ素子を形成する方法を図３に沿って説明する。
【００５３】
図３は、ボディプレート上にピエゾ素子を形成する工程を１つのピエゾ素子に注目して模式的に示している。まず、Ｓｉ基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びエッチング法を用いて圧力室３００、図示しない共通流路及び共通流路と圧力室３００とを結ぶ流路等を備えるボディプレート３０１を形成する（図３（ａ））。
【００５４】
次に、圧力室３００の底面の背面３０１ａに厚みを０．１μｍから２μｍ程度とするＳｉＯ2層３０２を形成する（図３（ｂ））。ＳｉＯ2層３０２の形成方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）処理や熱酸化処理等が挙げられる。尚、このＳｉＯ2層３０２は、上記のＴＥＯＳ処理等のＳｉＯ2層形成工程を独立した工程として設けなくても、例えば圧力室３００やこれに連通する流路の形成工程中において形成される場合もある。従って、このＳｉＯ2層の形成工程は、必要に応じて独立した工程として設けなくても良い。
【００５５】
次に、このＳｉＯ2層３０２の上に（１００）に優先配向したＰｔ（白金）又はＰｄ（パラジウム）膜３０３をピエゾ素子を設ける領域に形成する（図３（ｃ））。以降は、例としてこの膜をＰｔ膜として説明する。この（１００）に優先配向したＰｔ（白金）膜３０３の形成方法は、本発明者らにより開示されているスパッタリング法を用いた薄膜製造装置（特開平６−１０８２４２号公報）による。この薄膜製造装置を用いてＰｔ膜３０３をピエゾ素子を設ける領域に形成するに際し、不必要な領域にＰｔ膜が形成されないように、例えば防着マスク等を用いるのが良い。
【００５６】
次に、上記の（１００）に優先配向したＰｔ膜上に、ピエゾ素子となる圧電体膜３０４を形成する（図３（ｄ））。この圧電体膜は、Ｔｉ（チタン）及びＺｒ（ジルコニウム）の少なくとも１つと、Ｐｂ（鉛）と、酸素とを含んでいることが好ましい。圧電体膜３０４の形成方法は、特に限定されるものではなく、圧電体膜の公知の形成方法として知られているＲＦマグネトロンスパッタ法を用いても良い。このＲＦマグネトロンスパッタ法による圧電体膜３０４の成膜に使用するターゲットは、例えばＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3（チタン酸ジルコン酸鉛、９０質量％）とＰｂＯ（酸化鉛、１０体積％）とが混合されているものが挙げられる。圧電体膜３０４の成膜時のＳｉ基板の温度は、５５０℃程度が好ましく、成膜速度は、０．０１μｍ／分程度といった比較的低い成膜速度とするのが好ましい。上記の方法にて形成された圧電体膜３０４の配向性をＸ線回折の粉末法を用いて配向状態を確認することができ、この圧電体膜３０４は、ペロブスカイト構造を有し、分極軸が基板面に対して垂直方向に優先配向したｃ軸配向のエピタキシャル膜となっている。従って、特に分極処理を必要とすることなく、圧電素子として機能させることができる。
【００５７】
次に、ピエゾ素子の電極となる金属膜３０５を設ける（図３（ｅ））。金属膜３０５とする材料は、電極として使用可能であれば特に限定されるものではなく、例えばＰｔ，Ａｕ，Ａｌ等が挙げられる。またこれらを材料とする金属膜３０５は圧電体膜３０４上へ直接成膜しても良いし、金属膜３０５の圧電体膜３０４への密着性を向上させるために中間層、例えばＣｒ（クロム）を設けても良い。
【００５８】
次に、ボディプレート３０１の圧力室溝３００の底面部を圧電体膜３０４に達するまで掘り下げる（図３（ｆ））。最初に圧力室溝３００の底面のＳｉを、この背面に形成したＳｉＯ2層に達するまで、除去する。除去方法としては、公知の方法で良くて特に限定されるものではなく、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）を用いた異方性ドライエッチング法がある。この除去方法はＳｉＯ2をほとんど除去できないため、Ｓｉ除去後はエッチングが停止するので除去条件の設定が容易であることから好ましい。
【００５９】
次に、ＳｉＯ2層３０２をＰｔ膜３０３に達するまで除去する（図３（ｇ））。ＳｉＯ2層の除去方法としては、公知の方法で良くて特に限定されるものではなく、例えば反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法がある。この除去方法はＰｔ膜をほとんど除去できないため、ＳｉＯ2除去後はエッチングが停止するので除去条件の設定が容易であることから好ましい。
【００６０】
更に、Ｐｔ膜を圧電体膜３０４に達するまで除去する（図３（ｈ））。Ｐｔ層の除去方法としては、公知の方法で良くて特に限定されるものではなく、例えばＡｒ（アルゴン）によるプラズマ処理法がある。このプラズマ処理は、圧電体膜も除去可能な方法であるため、予め実験等により圧電体膜に不具合が生じないＰｔ膜の除去条件を決めておくのが良い。
【００６１】
上記のＰｔ膜の除去が完了した時点で、ボディプレート３０１への圧電体膜３０４と電極３０５とから構成されるピエゾ素子の形成が完了したことになる。
【００６２】
尚、上記のＳｉ、ＳｉＯ2及びＰｔの除去処理において、特にＳｉの除去処理において、ボディプレート３０１の圧力室溝３００の底面部以外の圧力室溝３００が形成されている面もエッチング処理されることになる。従って、これらの除去処理を考慮した圧力室溝３００等の流路溝の形成、例えば流路溝形成時のマスクをこれらの除去処理を考慮した厚みとし、Ｓｉ除去後にこのマスクを除去すれば良い。
【００６３】
次に別途用意したノズルを有するノズルプレート３１０をボディプレート３０１の圧力室３００を被うように接合することで液体吐出ヘッド３２０を完成させることができる。
【００６４】
ノズルプレート３１０は、高抵抗ガラスを用いて、例えば反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法を用いれば良い。
【００６５】
また、ノズルプレート３１０のノズル３１２の内周面及びこれに続く圧力室を被う部分には、例えばＮｉＰ、Ｐｔ，Ａｕ等の導電素材よりなる帯電用電極３１４を設ける（図３（ｉ））。この帯電用電極３１４を設ける方法は特に限定されるものではなく、公知の真空蒸着法、スパッタリング法等を用いれば良い。また、導電素材としては、上記の例に限定されるものではなく、吐出に用いられる液体に接することで腐食等を生じないものを適宜選択すれば良い。
【００６６】
また、図３において、ノズルの吐出孔３１２が設けてある吐出面には、撥液層３１６が設けている。
【００６７】
これで、第１の実施形態における液体吐出ヘッドが完成したことになる。
【００６８】
第２の実施形態として、圧力室の底部に分極処理を行いピエゾ素子を形成する方法を図４に沿って説明する。
【００６９】
図４に、ゾルゲル用ＰＺＴ液を用いてボディプレート上にピエゾ素子を形成する工程を１つのピエゾ素子に注目して模式的に示す。まずＳｉ基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びエッチング法を用いて圧力室４００、図示しない共通流路及び共通流路と圧力室４００とを結ぶ流路等を備えるボディプレート４０１を形成する（図４（ａ））。
【００７０】
この圧力室４００の底面の反対面４０１ａのピエゾ素子を設ける領域に金属膜４０３を形成する（図４（ｂ））。この金属膜４０３は、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｚｒ及びＩｎとするのが好ましい。これは、以降で行う圧電体の焼結を行うための５００℃以上の熱処理に耐え、積層される圧電体膜と反応しない材料であることが必要なためである。この金属膜４０３の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えばスパッタリング法等、公知の方法で良く、形成された金属膜の配向性は特に必要としない。
【００７１】
次に、上記で金属膜４０３を形成した以外の領域にリフトオフのための膜、例えば厚み１μｍ程度のＡｌ膜４０２’を形成する（図４（ｄ））。この形成方法は、例えば公知の真空蒸着等によりＡｌ膜４０２の成膜後（図４（ｃ））、公知のフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理を行って形成しても良く、特に限定されない。こうしてボディプレート４０１の圧力室溝４００の底面の背面は、金属膜４０３又はＡｌ膜４０２’の何れかの膜が形成されていることになる。
【００７２】
次に、上記のＡｌ膜４０２’及び金属膜４０３上にゾルのＰＺＴ液、例えばＰＺＴアルコラート（商品名、Ｉｎｏｓｔｅｋ社）、を塗布することで圧電体膜４０４ａを形成する（図４（ｅ））。具体的には、例えばスピンコート法による塗布により厚さ１μｍの圧電体膜を形成後、乾燥及び仮焼結する。この圧電体膜は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）の少なくとも１つと、Ｐｂ（鉛）と、酸素とを含んでいることが好ましい。
【００７３】
次に、Ａｌエッチングを行うことで、金属膜４０３と金属膜４０３上の圧電体膜４０４ｂをボディプレート４０１に残して、Ａｌ膜４０２’とＡｌ膜４０２’上の圧電体膜を取り除く（図４（ｆ））。再度、Ａｌ膜４０２の成膜、ゾルのＰＺＴ液の塗布により更に厚さ１μｍの膜形成後、乾燥及び仮焼結する工程（図４（ｃ）から（ｆ）まで）を繰り返して圧電体膜を積層することで、圧電体膜を所望の厚みとする。この後、本焼結のための５００℃以上での加熱処理を行うことで圧電体膜４０４ｃを形成することができる。この時点での圧電体膜４０４ｃは、配向が十分に揃っていない多結晶状態である。
【００７４】
ここで、本第２の実施の形態での圧電体膜の形成は、ゾルのＰＺＴ液の塗布としているが、第１の実施の形態と同じＲＦマグネトロンスパッタ法を用いても良い。但し、ここでＲＦマグネトロンスパッタ法で成膜された圧電体膜は、ペロブスカイト構造を有し、分極軸が基板面に対して垂直方向に優先配向したｃ軸配向のエピタキシャル膜とはならず、以降で説明する分極処理を必要とする。
【００７５】
次に、ピエゾ素子の電極となる金属膜４０５を設ける（図４（ｇ））。金属膜４０５とする材料は、電極として使用可能であれば特に限定されるものではなく、例えばＰｔ，Ａｕ，Ａｌ等が挙げられる。またこれらを材料とする金属膜４０５は圧電体膜４０４ｃ上へ直接成膜しても良いし、金属膜４０５の圧電体膜４０４ｃへの密着性を向上させるために中間層、例えばＣｒを設けても良い。
【００７６】
次に、圧電体膜４０４ｃの部分を２００℃から３００℃程度で加熱しながら、金属膜４０３と金属膜４０５との間に５０Ｖから１００Ｖ程度の直流電圧を約１時間程度印加することで圧電体膜の分極処理を行う（図４（ｈ））。これらの加熱温度、電圧及び処理時間は、分極処理の対象となる材料や厚み等を考慮し、予め実験等を行って決めれば良い。この分極処理後の圧電体膜は、Ｘ線回折により、ペロブスカイト構造のｃ軸に優先配向していることが確認できる。よって、圧電体膜４０４ｃは圧電素子として機能することができる。
【００７７】
以降（図４（ｉ）から（ｌ））は、第１の実施形態と同じ工程を行うことで液体吐出ヘッド４２０が完成させることができる。
【００７８】
これで、第２の実施形態における液体吐出ヘッドが完成したことになる。
【００７９】
尚、第１の実施形態及び第２の実施形態では、ボディプレートがＳｉから形成され、ノズルプレートが高抵抗ガラスから形成される場合として説明しているが、ボディプレートが石英から形成され、ノズルプレートが高抵抗樹脂から形成される場合又はこれら組み合わせ変える場合も上記と同様にすることで液体吐出ヘッドを作製することができる。
【００８０】
発明者らが、図５に示す液体吐出実験装置Ｓ’を使用して電極間の電界の電界強度が実用的な値である１．５ｋＶ／ｍｍとなるように構成し、各種の絶縁体でノズルプレート１１’を形成して下記の実験条件に基づいて行った実験では、ノズル１０’から液滴Ｄ’が吐出される場合と吐出されない場合があった。
［実験条件］
ノズルプレート１１’の吐出面１２’と対向電極３’の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１’の厚さ：１２５μｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
液体吐出実験に使用した実験用液体吐出ヘッドＡ’のノズル１０’には４°のテーパ角を持っている。このテーパ角は、ノズル１０’の断面において、吐出面１２’に対する垂線から吐出面１２’から離れる方向に広がる角度を示している。尚、このテーパ角は、吐出に対する影響は小さく、液滴を安定に吐出する条件への依存性は大きくないことが後で説明するシミュレーションから得られている。
【００８１】
ここで、液体吐出ヘッドにおける液体の吐出原理について図５を用いて説明する。実験用液体吐出ヘッドＡ’では、静電電圧電源６３’から静電電圧印加手段である帯電用電極１６’に静電電圧を印加し、ノズル１０’の吐出孔１３’の液体Ｌ’と対向電極３’の実験用液体吐出ヘッドＡ’に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源６１’から圧力発生手段であるピエゾ素子２２’に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２’を変形させ、それにより液体Ｌ’に生じた圧力でノズル１０’の吐出孔１３’に液体Ｌ’のメニスカスを形成させる。
【００８２】
ノズル１０’部の絶縁性が高くなると、図６にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズル１０’の内部に、吐出面１２’に対して略垂直方向に等電位線が並び、液体Ｌのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。
【００８３】
特に、図６でメニスカスの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体Ｌ’から分離されて液滴Ｄ’となる。さらに、液滴Ｄ’は静電力により加速され、対向電極３’に支持された基材Ｋ’に引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄ’は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋ’に対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。
【００８４】
このように、実験用液体吐出ヘッドＡ’における液体Ｌ’の吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する実験用液体吐出ヘッドＡ’においても、高い絶縁性を有するノズル１０’部を用い、吐出面１２’に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌ’の吐出状態を形成することができる。
【００８５】
この液体吐出実験装置Ｓ’による実験で、液滴Ｄ’がノズルから安定に吐出されたすべての場合について、メニスカス先端部の電界強度を求めた。実際には、メニスカス先端部の電界強度を直接測定することが困難であるため、電界シミュレーションソフトウエアである「ＰＨＯＴＯ−ＶＯＬＴ」（商品名、株式会社フォトン製）によるシミュレーションにより算出した。ここでの電界強度は、電流分布解析モードによる、電圧印加後３００秒後の電界強度を言う。その結果、すべての場合においてメニスカス先端部の電界強度は１．５×１０7Ｖ／ｍ以上であった。また、この実験において、液滴Ｄ’がノズルから安定して吐出されない場合についても、上記と同様のシミュレーションによりメニスカス先端部の電界強度を算出した。その結果、１．５×１０7Ｖ／ｍ未満であった。
【００８６】
また、上記の実験条件と同様のパラメータを同ソフトウエアに入力してメニスカス先端部の電界強度を計算した結果、図７に示すように、電界強度はノズルプレート１１’に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存することが分かった。また、ノズル１０’から液滴Ｄ’を安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上であることが必要であることが上記の実験より得られていることから、図７から明らかなように、ノズルプレート１１’の体積抵抗率は１０15Ω・ｍ以上であればよいことが分かった。
【００８７】
なお、図７に示したようなメニスカス先端部の電界強度のノズルプレート１１’の体積抵抗率に対する特徴的な依存関係は、ノズル径を種々に変化させてシミュレーションを行った場合でも同様に得られており、どの場合も体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上になることが分かっている。
【００８８】
従って、図１に示す液体吐出ヘッド２において、ノズルプレート１１を体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスとするのが好ましい。このような樹脂又はガラスを用いることで、吐出孔１３に形成される液滴のメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上になるため、液体の吐出が安定して行われることが出来ることになる。尚、ノズルプレート１１の樹脂が導電性の液体を吸収する場合、ノズルプレート１１の電気伝導度が大きくなり、その結果体積抵抗率が低下する場合がある。このような場合には、ノズルプレート１１の吐出される液体と接触する面に液体吸収防止層を設ければ良い。体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上のガラスとしは、具体的には、石英、合成石英及び高純度ガラス等が挙げられる。
【００８９】
更に、図５に示すノズルプレート１１’のノズル１０’を図２に示す吐出孔１３と同径の筒状とするテーパを持たない貫通した穴形状とした場合、ノズルプレート１１’の厚みを１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍとするパラメータとして、ノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度のシミュレーション結果を図８に示す。
【００９０】
図８より、ノズル径が小さくなる程、またノズルプレートの厚みが厚くなる程メニスカス先端部の電界強度が大きくなることが分かる。ノズル１０’から液滴Ｄ’が安定に吐出されるためにはメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０7Ｖ／ｍ以上であることが必要であることから、例えばノズルプレートの厚みを１０μｍとする場合は、ノズル径を４μｍ未満とすることで液滴を安定して吐出させることができる。さらに、例えばノズルプレートの厚みを２０μｍとする場合はノズル径を６μｍ未満に、ノズルプレートの厚みを５０μｍとする場合はノズル径を１１μｍ未満に、ノズルプレートの厚みを１００μｍとする場合はノズル径を２４μｍ未満にすることで液滴を安定に吐出させることができる。
【００９１】
このように、体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスより成るノズルプレートの厚みを、図８を参照又はこの図８を求めたシミュレーションを用いて所望のノズル径より適宜決める値とすることにより、安定に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを得ることができる。
【００９２】
なお、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形により形成されたメニスカスを静電吸引力で分離して液滴化し、静電電圧による電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、この他にも、例えば、ピエゾ素子２２の変形による圧力のみで液体Ｌが液滴化する程度の強い駆動電圧を印加するように構成することも可能である。
【実施例】
【００９３】
以下、実施例を説明する。
【００９４】
石英（厚み１００μｍ）からなるノズルプレートの吐出面にノズル径を１０μｍとする３２個のノズルを公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）と反応ガスをＣＦ4とするドライエッチング法を用いて形成した。また、帯電用電極３１４としてノズル３１０内周面及び圧力室底部にＮｉＰ膜をＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて約０．５μｍの厚みに成膜した。
【００９５】
また、ボディプレートにおける圧力室溝、共通流路溝、および共通流路溝と圧力室溝とを結ぶ流路溝等の形成は、Ｓｉ基板を用いて公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）とＩＣＰを用いた異方性ドライエッチング技術を用いて形成した。
【００９６】
液体吐出の実験には、エタノールに染料（ＣＩアシッドレッド１）を３質量％含有した導電性の液体を用いた。
【００９７】
上記のノズルプレート、ボディプレート及び吐出用液体は、全く同じものを以下の実施例１及び２、参考例１に用いた。
【００９８】
尚、異方性ドライエッチング技術は、高アスペクト比（加工された凹部の深さと幅の比であり、アスペクト比が高いとは、溝の深さが深く幅が狭い状態を表す。）の構造を得るための技術であって、エッチングの最中にエッチングにより加工された凹部の側壁を保護するためにエッチング反応を生じさせる化学種（ラジカル、イオン等）を発生させるサイクルと、側壁を保護するための保護膜を堆積させるサイクルとを交互に行うエッチング処理のことである。この異方性ドライエッチング技術を用いることでシリコン基板に形成される凹部の側壁は基板表面に対して垂直に加工できる。本実施例の溝や穴等の形成のエッチングガスとしてはＳＦ6を、側壁保護膜の堆積用ガスとしてはＣ4Ｆ8を用いた。
【００９９】
（実施例１）
ボディプレート上へのピエゾ素子の形成の一例を図３に示す工程に沿って行った。Ｓｉで作製された圧力室溝３００、流路溝、共通流路溝からなるボディプレート３０１の圧力室溝３００の裏面３０１ａにＴＥＯＳ処理にて形成した厚み約０．３μｍのＳｉＯ2膜３０２を介して（１００）に優先配向したＰｔ膜３０３をステンレス製の防着マスクを用いて、圧電体を形成する領域に厚み０．３μｍ程成膜した（図３（ｃ））。Ｐｔ膜３０３の（１００）優先配向膜の製造方法は、本発明者らの出願した特開平６−１０８２４２を用いた。このＰｔ膜３０３上にＲＦマグネトロンスパッタ法でＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜３０４を５μｍ成膜した（図３（ｄ））。成膜条件を以下に示す。
・到達真空度：６．６７×１０-5Ｐａ
・放電真空度：６．６７×１０-1Ｐａ
・ガス：酸素２０体積％のアルゴン雰囲気
・基板温度：５５０℃
・ターゲット：ＰｂＺｒ0.48Ｔｉ0.52Ｏ3（９０％）＋ＰｂＯ（１０％）混合
・成膜速度：０．０１μｍ／分
圧電体膜３０４の形成は、Ｐｔ膜３０３の形成と同様に防着マスクを用いて不必要な領域に圧電体膜が形成されないようにカバーすることで対処した。得られた圧電体膜３０４は、Ｘ線回折で評価したところ、ペロブスカイト構造のＣ軸に優先配向したエピタキシャル膜であった。
【０１００】
この圧電体膜３０４の上に上記と同様に防着マスクを用いて圧電体膜３０４上にＣｒを０．０３μｍと、Ａｕを０．３μｍとを、ＲＦマグネトロンスパッタ法で積層成膜し、各圧電体の独立した電極３０５とした（図３（ｅ））。
【０１０１】
次に、ボディプレート３０１の圧力室溝３００の底部（厚み：１５μｍ）をＩＣＰを用いた異方性エッチング処理によりＳｉを除去し（図３（ｆ））、反応ガスＣＦ4を用いたドライエッチング処理によりＳｉＯ2膜を除去し（図３（ｇ））、Ａｒプラズマ処理（ＲＦ電力：５００Ｗ、処理圧力：６．６７Ｐａ）でＰｔを除去し（図３（ｈ））、圧力室溝３００ｃの底部に圧電体膜３０４が露出するようにした。尚、特にＳｉを除去する際に、ボディプレート３０１の圧力室溝３００ｃの底部以外の部分もエッチング処理されるため、これを考慮した流路溝等の形成を行った。
【０１０２】
このボディプレート３０１ａにノズルプレート３１０を接着剤にて貼り合わせ（図３（ｉ））、ノズルプレート表面に撥水処理（メルクジャパン社製Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ＷＲ１の蒸着）を行って撥液膜３１６を設けることで液体吐出ヘッド３２０を完成した（図３（ｊ））。
【０１０３】
次に、液体吐出ヘッド３２０の圧電素子の電極３０５及び帯電電極３１４を図１に示す動作制御手段４を含む静電電圧電源１８及び駆動電圧電源２３に接続して、この液体吐出ヘッド３２０の吐出面と対向電極との距離が１ｍｍとなるように設定した。吐出用液体は、導電性としていることから、圧力室内の液体が圧電素子の共通電極として機能することができる。この液体吐出ヘッド３２０の帯電用電極３１４と対向電極３との間に静電電圧電源１８により１．５ｋＶ印加した状態で、帯電用電極３１４と圧電素子の電極３０５との間に駆動電圧電源２３により２０ｋＨｚの矩形波を４０Ｖ印加して駆動させたところ、各ノズルから液体が良好に吐出されることを確認した。
【０１０４】
（実施例２）
ボディプレート上へのピエゾ素子の形成の一例を図４に示す工程に沿って行った。Ｓｉで作製された圧力室溝４００、流路溝、インク室からなるボディプレート４０１の圧力室溝４００の裏面４０１ａにＴｉ膜４０３をステンレス製の防着マスクを用いて、圧電体を形成する領域に０．３μｍ成膜した（図４（ｂ））。Ｔｉ膜４０３の形成は、Ａｒ雰囲気で基板温度２５０℃の条件で通常のＤＣマグネトロンスパッタを行った。
【０１０５】
この上に、圧電体の形成用のためのリフトオフに用いる厚み２μｍのＡｌ膜４０２を、ＤＣマグネトロンスパッタ法で作製し（図４（ｃ））、フォトリソグラフィ処理及びエッチング処理にてＴｉ膜４０３上のＡｌ膜を除去した（図４（ｄ））。
【０１０６】
ボディプレート４０１の上記のＴｉ膜４０３及びＡｌ膜４０２’上に圧電体となるゾルのＰＺＴアルコラート（Ｉｎｏｓｔｅｋ社：厚膜対応ＰＺＴアルコラート）４０４ａを１μｍの厚みになるようにスピンコート法で塗布し、１２０℃で５分（大気中）、５００℃で３０分（大気中）にて乾燥仮焼成（ゲル化）を行った（図４（ｅ））。次にＡｌのエッチング液（半井化学（株）、アルミエッチャント液）に浸漬し、Ａｌ膜ごと不要なＰＺＴの除去を行った（図４（ｆ））。これを１０回繰り返してＰＺＴ膜ｂを積層形成することで合計１０μｍとし、その後６７５℃で５時間（酸素雰囲気：１．０１×１０5Ｐａ）の熱処理を行った。得られた圧電体膜４０４ｃは、Ｘ線回折で評価したところ、ＰｂＺｒ0.48Ｔｉ0.52Ｏ3の多結晶膜であった。
【０１０７】
この圧電体膜４０４ｃの上に防着マスクを介して、Ｃｒを０．０３μｍとＡｕを０．３μｍを、ＲＦマグネトロンスパッタ法で成膜し、各圧電体の独立した電極４０５とした（図４（ｇ））。
【０１０８】
次に、約２５０℃で加熱しながらＴｉ膜４０３と電極４０５との間に直流電圧源４５０を用いて７０Ｖの直流電圧を両膜間に１時間印加して分極処理を行った（図４（ｈ））。
【０１０９】
次に、ボディプレート４０１の圧力室溝４００の底部（厚さ：１５μｍ）をＩＣＰを用いた異方性エッチング処理によりＳｉを除去し（図４（ｉ））、Ａｒプラズマ処理（ＲＦ電力：５００Ｗ、処理圧力：６．６７Ｐａ）でＰｔを除去し（図４（ｊ））、圧力室溝４００ｃの底部に圧電体４０４が露出するようにした。尚、特にＳｉを除去する際に、ボディプレートの圧力室の底部以外の部分もエッチング処理されるため、これを考慮した流路溝等の形成を行った。
【０１１０】
このボディプレート４０１にノズルプレート４１０を接着剤にて貼り合わせ（図４（ｋ））、ノズルプレート表面に撥水処理（メルクジャパン社製、Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ＷＲ１）により、撥液膜４１６を設けることで液体吐出ヘッド４２０を完成した（図４（ｌ））。
【０１１１】
次に、吐出ヘッド４２０の圧電素子の電極４０５及び帯電電極４１４を図１に示す動作制御手段４を含む静電電圧電源１８及び駆動電圧電源２３に接続して、この液体吐出ヘッド４２０の吐出面と対向電極との距離が１ｍｍとなるように設定した。吐出用液体は、導電性としていることから、圧力室内の液体が圧電素子の共通電極として機能することができる。この液体吐出ヘッド４２０の帯電用電極４１４と対向電極３との間に静電電圧電源１８により１．５ｋＶ印加した状態で、帯電用電極４１４と電極４０５との間に駆動電圧電源２３により２０ｋＨｚの矩形波を４０Ｖ印加して駆動させたところ、各ノズルから液体が良好に吐出されることを確認した。
【０１１２】
（参考例１）
特許文献１における厚み２０μｍから１００μｍのパイレックス（登録商標）ガラスを振動板としていることを参考にして、実施例１におけるボディプレートの圧力室溝の底部（厚さ：１５μｍ）をＩＣＰを用いた異方性エッチング処理によりＳｉの除去するに際し、厚み１０μｍのＳｉを振動板として使用するため、５μｍだけ除去した以外は全く同じとした液体吐出ヘッドを作製した。
【０１１３】
この液体吐出ヘッドを実施例１と同じ条件で吐出実験を行ったところ、液体が同じ状態で吐出されるには、印加電圧が６０Ｖを必要とした。また、実施例１の液体吐出ヘッドと本参考例１の液体吐出ヘッドの駆動印加電圧を同じ４０Ｖとして、印加する矩形波の周波数を変化させて吐出したところ、１５ｋＨｚを超える辺りから、参考例１の液体吐出ヘッドから吐出される液滴量が実施例１の液体吐出ヘッドから吐出される液滴量に比較して量のムラや減少が確認された。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本実施形態の一例である液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置例の全体構成を示す図である。
【図２】図１におけるピエゾ素子周辺部分を拡大して模式的に示す図である。
【図３】ボディプレートにピエゾ素子を形成する一例を模式的に示す図である。
【図４】ボディプレートにピエゾ素子を形成する一例を模式的に示す図である。
【図５】液体の吐出条件を検討するために使用した実験用液体吐出ヘッドを示す図である。
【図６】シミュレーションによるノズルの吐出孔付近の電位分布を示す模式図である。
【図７】ノズルプレートの体積抵抗率とメニスカス先端部の電界強度との関係を示す図である。
【図８】ノズル径とメニスカス先端部の電界強度との関係をノズルプレートの厚みをパラメータにして示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 液体吐出装置
２ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
４ 動作制御手段
１０ ノズル
１１ ノズルプレート
１２ 吐出面
１３ 吐出孔
１６ 帯電用電極
１８ 静電電圧電源
１９ ボディプレート
２０ 圧力室
２２ ピエゾ素子
２３ 駆動電圧電源
２８ 撥液層
１０１ ＳｉＯ２膜
１０３ Ｐｔ膜
１０５ 圧電体
１０７ 電極
Ｌ 液体
Ｄ 液滴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子の変位を圧力室内の液体に伝達することで該圧力室に連通するノズルの吐出孔から該液体の液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルが体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスより形成されているノズルプレートと、
前記ノズルプレートに形成されている前記ノズルが連通する前記圧力室となる圧力室溝がＳｉ又は石英より形成されているボディプレートとを含み、
前記圧電素子の第１の面は、前記圧力室内の液体に接する該圧力室の壁の一部をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電素子は、該圧電素子の第２の面のみに１つの電極を有し、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素と、を含んでい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】
前記液体は、導電性であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面は、撥液処理されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通する前記ノズルの前記吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＳｉＯ2膜を形成する工程と、
前記ＳｉＯ2膜上に（１００）に優先配向するＰｔ、Ｐｄの少なくとも一つからなる第１の電極膜を形成する工程と、
前記第１の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜をスパッタリング法を用いて形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第２の電極膜を形成する工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記ＳｉＯ2膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記ＳｉＯ2膜を前記第１の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第１の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通するノズルの吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＰｔ、Ｔｉ，Ｐｄ、Ｚｒの少なくとも一つからなる第３の電極膜を形成する工程と、
前記第３の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第４の電極膜を形成する工程と、
前記圧電体膜を加熱しながら、前記第３の電極膜と前記第４の電極膜との間に直流電圧を印加して前記圧電体膜の分極処理を行う工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記第３の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第３の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記ボディプレートは、Ｓｉ又は石英から形成することを特徴とする請求項６又は７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項９】
前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスから形成することを特徴とする請求項６乃至８の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
前記圧電体膜は、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素とを含む材料より形成されることを特徴とする請求項６乃至９の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面に撥液処理を行う工程を有することを特徴とする請求項６乃至１０の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１２】
請求項６乃至１１の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１３】
前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１】
圧電素子の変位を圧力室内の液体に伝達することで該圧力室に連通するノズルの吐出孔から該液体の液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルが体積抵抗率を１０15Ω・ｍ以上とする樹脂又はガラスより形成されているノズルプレートと、
前記ノズルプレートに形成されている前記ノズルが連通する前記圧力室となる圧力室溝がＳｉ又は石英より形成されているボディプレートとを含み、
前記圧電素子の第１の面は、前記圧力室内の液体に接する該圧力室の壁の一部をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電素子は、該圧電素子の第２の面のみに１つの電極を有し、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素と、を含んでい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】
前記液体は、導電性であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面は、撥液処理されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通する前記ノズルの前記吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＳｉＯ2膜を形成する工程と、
前記ＳｉＯ2膜上に（１００）に優先配向するＰｔ、Ｐｄの少なくとも一つからなる第１の電極膜を形成する工程と、
前記第１の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜をスパッタリング法を用いて形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第２の電極膜を形成する工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記ＳｉＯ2膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記ＳｉＯ2膜を前記第１の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第１の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、圧力変化によって液滴を連通するノズルの吐出孔から吐出させる圧力室と、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備え、
前記ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートが被さって前記圧力室となる圧力室溝が形成されたボディプレートとが接合されてなる液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成される面の反対面上にＰｔ、Ｔｉ，Ｐｄ、Ｚｒの少なくとも一つからなる第３の電極膜を形成する工程と、
前記第３の電極膜の上に前記圧力発生手段となる圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上に第４の電極膜を形成する工程と、
前記圧電体膜を加熱しながら、前記第３の電極膜と前記第４の電極膜との間に直流電圧を印加して前記圧電体膜の分極処理を行う工程と、
前記圧力室溝の底部のボディプレートをなす部材を前記第３の電極膜に達するまで除去する工程と、
前記圧力室溝の底部の前記第３の電極膜を前記圧電体膜に達するまで除去する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記ボディプレートは、Ｓｉ又は石英から形成することを特徴とする請求項６又は７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項９】
前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０15Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスから形成することを特徴とする請求項６乃至８の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
前記圧電体膜は、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも一つと、Ｐｂと、酸素とを含む材料より形成されることを特徴とする請求項６乃至９の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
前記ノズルの前記吐出孔が存在する最表面に撥液処理を行う工程を有することを特徴とする請求項６乃至１０の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１２】
請求項６乃至１１の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１３】
前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の液体吐出ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１８１９７１（Ｐ２００７−１８１９７１Ａ）
【公開日】平成１９年７月１９日（２００７．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２６３（Ｐ２００６−１２６３）
【出願日】平成１８年１月６日（２００６．１．６）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１９日（２００７．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月６日（２００６．１．６）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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