液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドの製造方法
【課題】酸化ジルコニウム層の亀裂や剥離等の破壊を低減することができる液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層５０と、該第１の層５０上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６と、該第２の層５６上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７と、該第３の層５７の上方に形成された圧力発生素子３００と、を具備する。
【解決手段】基板１０上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層５０と、該第１の層５０上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６と、該第２の層５６上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７と、該第３の層５７の上方に形成された圧力発生素子３００と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、例えば、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子のたわみ変形を用いたものが実用化されている。
【０００３】
振動板としては、圧力発生室の一部を画成する酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に設けられた酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層とを具備するものがある。
【０００４】
酸化ジルコニウム層の製造方法として、酸化シリコン層上にジルコニウムをスパッタリング法により形成後、ジルコニウムを熱酸化させることにより形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、酸化ジルコニウムからなるスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法により直接酸化ジルコニウム層を形成する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−１６６７１９号公報
【特許文献２】特開平０９−２５４３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように酸化ジルコニウム層を熱酸化で形成した場合、酸化シリコンとの密着性はよいものの、酸化シリコン層上に異物が存在すると、その異物を起点とした亀裂が発生してしまうという問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２のように酸化ジルコニウム層をスパッタリング法により直接形成すると、異物を起点とした亀裂の発生は抑制できるものの、酸化物、特に酸化シリコン層との密着性が低く、剥離などの破壊が生じる虞があるという問題がある。
【０００８】
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドだけではなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置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、酸化ジルコニウム層の亀裂や剥離等の破壊を低減することができる液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドの製造方法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、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備する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、熱酸化により形成された第２の層によって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、第２の層に亀裂が生じたとしても、スパッタリング法により形成された第３の層によって第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。なお、ここで言う上方とは、直上も、間に他の部材が介在した状態も含むものである。
【００１１】
ここで、前記第３の層が、前記第２の層と同じ厚さ以上の厚さを有することが好ましい。これによれば、第３の層によって第２の層に生じた亀裂を確実に覆うことができる。
【００１２】
また、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、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００１３】
さらに、本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、熱酸化により形成された第２の層によって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、第２の層に亀裂が生じたとしても、スパッタリング法により形成された第３の層によって第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００１４】
また、本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、該ジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、該第２の層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、第２の層を熱酸化により形成することによって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、第２の層に亀裂が生じたとしても、第３の層をスパッタリング法により形成することで、第３の層で第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００１５】
さらに、本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、該ジルコニウム層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、前記第３の層を形成した後、前記ジルコニウム層を熱酸化して、酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、第２の層を熱酸化により形成することによって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、ジルコニウム層上に第３の層を形成してからジルコニウム層を熱酸化して第２の層を形成することによって、第２の層の形成時に異物を起点とした亀裂が生じるのを抑制できる。もちろん、第２の層に亀裂が生じたとしても、第３の層が第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００１６】
ここで、前記第２の層及び前記第３の層を形成した後、前記第３の層の上方に第１電極、圧電体層及び第２電極を積層して圧電素子を形成する工程をさらに具備することが好ましい。これによれば、圧電素子を形成する際に第２の層に応力が印加されても、第３の層によって亀裂が生じるのを低減できると共に、亀裂の進行を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
【００１８】
本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化シリコンを主成分とする第１の層として弾性膜５０が形成されている。
【００１９】
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
【００２０】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。
【００２１】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍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固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００２２】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００（本実施形態の圧力発生素子）を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００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。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００２３】
絶縁体膜５５は、ジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６と、第２の層５６上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７とを具備する。
【００２４】
具体的には、第２の層５６は、弾性膜５０上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成後、このジルコニウム層を加熱することにより熱酸化させて形成されたものである。このように、第２の層５６を弾性膜５０上で熱酸化により形成することで、弾性膜５０と密着性の高い絶縁体膜５５を形成することができる。すなわち、第２の層５６は、絶縁体膜５５の密着層として機能する。
【００２５】
第３の層５７は、第２の層５６上に酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることにより形成されたものである。このように、第３の層５７を第２の層５６上に直接スパッタリング法により形成することで、第２の層５６に亀裂が生じるのを低減することができると共に、第２の層５６の形成時に亀裂が発生したとしても、第３の層５６でこの亀裂を覆い、亀裂が進行するのを抑制することができる。
【００２６】
ちなみに、絶縁体膜５５を第３の層５７のみで構成すると、酸化物（酸化シリコン）である弾性膜５０上に直接、酸化物（酸化ジルコニウム）である絶縁体膜５５をスパッタリング法により形成することになるが、酸化物を直接スパッタリング法によって酸化物上に形成した場合、酸化物を熱酸化により形成した場合に比べて密着性が低くなってしまう。本実施形態では、酸化物（酸化シリコン）である弾性膜５０上に、第２の層５６を熱酸化により形成することで、弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上することができ、圧電素子３００の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。
【００２７】
また、絶縁体膜５５を第２の層５６のみで構成することも考えられるが、弾性膜５０上に異物が存在すると、熱酸化した際にこの異物を起点として第２の層５６に亀裂が生じてしまう。また、第２の層５６の形成時に亀裂が生じなかったとしても、圧電素子３００を形成するときの応力や圧電素子３００を駆動した際の変位によって第２の層５６に亀裂が生じることがある。本実施形態では、第２の層５６に亀裂が生じたとしても、第２の層５６上にスパッタリング法により第３の層５７を形成することで、第２の層５６の亀裂を第３の層５７で覆って、第２の層５６の亀裂が進行するのを抑制することができる。また、第２の層５６の形成時に亀裂が生じていない場合であっても、第３の層５７によって覆うことで、第２の層５６を保護することができるため、その後の圧電素子３００の形成時の応力や圧電素子３００の駆動によっても第２の層５６に亀裂が生じるのを低減できる。
【００２８】
なお、本実施形態では、厚さが０．２μｍの第２の層５６と、厚さが０．２μｍの第３の層５７とを形成した。すなわち、絶縁体膜５５は、約０．４μｍの厚さを有する。ここで、第３の層５７は、第２の層５６と同じ厚さ以上の厚さで形成するのが好ましい。言い換えると、第２の層５６は、第２の層５６と第３の層５７との合計の厚さ（本実施形態では、絶縁体膜５５の厚さ）の半分以下であるのが好ましい。このように第３の層５７を第２の層５６の厚さ以上の厚さで形成することにより、第３の層５７によって、第２の層５６に発生した亀裂を確実に覆うことができると共に、第２の層５６に亀裂が生じ難くすることができる。
【００２９】
ちなみに、本実地形態で言う酸化ジルコニウムとは、ジルコニウムと酸素とが結合したＺｒＯ２などの既知の化合物や、酸化ジルコニウム、ジルコニウム及び酸素の混合状態を言い、第２の層５６及び第３の層５７は、酸化ジルコニウムを主成分としていれば、その他の元素を含有するものであってもよい。
【００３０】
また、第２の層５６と第３の層５７とは、材料が同じであったとしても、その製造方法が異なるため、第２の層５６と第３の層５７とは、その組成比及び結晶構造が異なる。このような組成比の違いや結晶構造の違いは、分析することで容易に検出することができる。
【００３１】
圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、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が好適である。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。本実施形態は、特定の圧電材料のみに限定しないと作用効果を発揮しないというものではないことを付言する。
【００３２】
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜５μｍ前後の厚さで形成した。
【００３３】
また、圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
【００３４】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の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１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００３５】
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
【００３６】
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００３７】
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。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００３８】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
【００３９】
また、このような保護基板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。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００４０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部の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、リザーバ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１２０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し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００４１】
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、本発明の実施形態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製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００４２】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハであり流路形成基板１０が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を構成する酸化膜５１を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０を熱酸化することにより、二酸化シリコンからなる酸化膜５１を形成した。
【００４３】
次に、弾性膜５０（酸化膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる第２の層５６を形成する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に例えば、スパッタ法等によりジルコニウムを主成分とするジルコニウム層１５６を形成後、図３（ｃ）に示すように、このジルコニウム層１５６を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６を形成する。
【００４４】
次に、図３（ｄ）に示すように、第２の層５６上に酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７を形成する。具体的には、第３の層５７は、第２の層５６の上に酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることで形成する。これにより、第２の層５６及び第３の層５７からなる絶縁体膜５５が形成される。
【００４５】
次に、図３（ｅ）に示すように、絶縁体膜５５上の全面に第１電極６０を形成すると共に、所定形状にパターニングする。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。
【００４６】
次に、図４（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる第２電極８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。なお、圧電体層７０の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。なお、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、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。
【００４７】
次に、図４（ｂ）に示すように、第２電極８０及び圧電体層７０を同時にエッチングすることにより各圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する。ここで、第２電極８０及び圧電体層７０のエッチングは、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。
【００４８】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って金（Ａｕ）からなるリード電極９０を形成後、各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００４９】
次に、図５（ａ）に示すように、保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板用ウェハ１１０上に接着剤３５を介して接着する。ここで、この保護基板用ウェハ１３０は、保護基板３０が複数一体的に形成されたものであり、保護基板用ウェハ１３０には、リザーバ部３１及び圧電素子保持部３２が予め形成されている。保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
【００５０】
次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。
【００５１】
次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上にマスク５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図６に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク５２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、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。
【００５２】
その後は、流路形成基板用ウェハ１１０表面のマスク５２を除去し、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ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。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドＩの製造方法では、弾性膜５０上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層１５６を形成後、このジルコニウム層１５６を加熱することにより熱酸化させて形成することで、弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上することができ、圧電素子３００の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。
【００５４】
また、第３の層５７を第２の層５６上に直接スパッタリング法により形成することで、第２の層５６に亀裂が生じるのを低減することができると共に、第２の層５６の形成時に亀裂が発生したとしても、第３の層５６でこの亀裂を覆い、亀裂が進行するのを抑制することができる。
【００５５】
（実施形態２）
図７は、本発明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の製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５６】
上述した実施形態１の図３（ａ）に示す工程と同様に、流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を形成する。
【００５７】
次に、図７（ａ）に示すように、弾性膜５０上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層１５６を形成する。ジルコニウム層１５６は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成することができる。
【００５８】
次に、図７（ｂ）に示すように、ジルコニウム層１５６上に、酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７を形成する。この第３の層５７は、上述した実施形態１と同様に、ジルコニウム層１５６上に酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることにより形成する。
【００５９】
次に、図７（ｃ）に示すように、ジルコニウム層１５６を熱酸化することにより、酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６を形成する。ジルコニウム層１５６は、第３の層５７によってその表面が覆われているものの、加熱することにより第３の層５７を酸素が透過して、熱酸化することができる。
【００６０】
その後の工程、すなわち、圧電素子３００を形成する工程、保護基板用ウェハ１３０を接合する工程、圧力発生室１２等を形成する工程等については上述した実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００６１】
このような実施形態２の製造方法では、ジルコニウム層１５６を熱酸化して第２の層５６を形成する前に、ジルコニウム層１５６上に第３の層５７を形成するため、第３の層５７がジルコニウム層１５６の補強膜として働き、ジルコニウム層１５６が熱酸化する際に弾性膜５０上の異物を起点として第２の層５６に亀裂が生じるのを低減することができる。もちろん、第２の層５６に亀裂が生じたとしても、第３の層５７が第２の層５６の亀裂を覆っているため、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００６２】
なお、本実施形態の製造方法は、上述した実施形態１とは異なるが、完成されたインクジェット式記録ヘッド１は同じ構成となるため、上述した実施形態１と同様の効果、すなわち、第２の層５６によって弾性膜５０との密着力を向上すると共に、第３の層５７によって亀裂の進行を抑制できるという効果を奏するものである。
【００６３】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明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。例えば、上述した実施形態１及び２では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生素子として、薄膜型の圧電素子３００を有するアクチュエータ装置を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエータ装置や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型のアクチュエータ装置などを使用することができる。また、圧力発生素子として、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエータなどを使用することができる。
【００６４】
また、上述した実施形態１及び２では、第３の層５７上に圧力発生素子として圧電素子３００を設けるようにしたが、圧力発生素子は、第３の層５７の上方に形成されていればよいため、圧力発生素子は、第３の層５７の直上であっても、他の部材が間に介在した状態で積層されていてもよい。
【００６５】
また、例えば、上述した実施形態１及び２では、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
【００６６】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図８は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００６７】
図８に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、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１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００６８】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００６９】
また、上述した実施形態１及び２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り、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
【００７０】
さらに、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】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４】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５】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】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】実施形態２に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図８】一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板（基板）、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板（結晶基板）、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜（第１の層）、 ５５ 絶縁体膜、 ５６ 第２の層、 ５７ 第３の層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子（圧力発生素子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、例えば、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子のたわみ変形を用いたものが実用化されている。
【０００３】
振動板としては、圧力発生室の一部を画成する酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に設けられた酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層とを具備するものがある。
【０００４】
酸化ジルコニウム層の製造方法として、酸化シリコン層上にジルコニウムをスパッタリング法により形成後、ジルコニウムを熱酸化させることにより形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、酸化ジルコニウムからなるスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法により直接酸化ジルコニウム層を形成する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−１６６７１９号公報
【特許文献２】特開平０９−２５４３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように酸化ジルコニウム層を熱酸化で形成した場合、酸化シリコンとの密着性はよいものの、酸化シリコン層上に異物が存在すると、その異物を起点とした亀裂が発生してしまうという問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２のように酸化ジルコニウム層をスパッタリング法により直接形成すると、異物を起点とした亀裂の発生は抑制できるものの、酸化物、特に酸化シリコン層との密着性が低く、剥離などの破壊が生じる虞があるという問題がある。
【０００８】
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドだけではなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置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、酸化ジルコニウム層の亀裂や剥離等の破壊を低減することができる液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドの製造方法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、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備する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、熱酸化により形成された第２の層によって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、第２の層に亀裂が生じたとしても、スパッタリング法により形成された第３の層によって第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。なお、ここで言う上方とは、直上も、間に他の部材が介在した状態も含むものである。
【００１１】
ここで、前記第３の層が、前記第２の層と同じ厚さ以上の厚さを有することが好ましい。これによれば、第３の層によって第２の層に生じた亀裂を確実に覆うことができる。
【００１２】
また、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、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００１３】
さらに、本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、熱酸化により形成された第２の層によって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、第２の層に亀裂が生じたとしても、スパッタリング法により形成された第３の層によって第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００１４】
また、本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、該ジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、該第２の層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、第２の層を熱酸化により形成することによって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、第２の層に亀裂が生じたとしても、第３の層をスパッタリング法により形成することで、第３の層で第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００１５】
さらに、本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、該ジルコニウム層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、前記第３の層を形成した後、前記ジルコニウム層を熱酸化して、酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、第２の層を熱酸化により形成することによって第１の層との密着力を確保して酸化ジルコニウム層が剥離するのを低減することができる。また、ジルコニウム層上に第３の層を形成してからジルコニウム層を熱酸化して第２の層を形成することによって、第２の層の形成時に異物を起点とした亀裂が生じるのを抑制できる。もちろん、第２の層に亀裂が生じたとしても、第３の層が第２の層の亀裂を覆い、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００１６】
ここで、前記第２の層及び前記第３の層を形成した後、前記第３の層の上方に第１電極、圧電体層及び第２電極を積層して圧電素子を形成する工程をさらに具備することが好ましい。これによれば、圧電素子を形成する際に第２の層に応力が印加されても、第３の層によって亀裂が生じるのを低減できると共に、亀裂の進行を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
【００１８】
本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化シリコンを主成分とする第１の層として弾性膜５０が形成されている。
【００１９】
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
【００２０】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。
【００２１】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍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固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００２２】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００（本実施形態の圧力発生素子）を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００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。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００２３】
絶縁体膜５５は、ジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６と、第２の層５６上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７とを具備する。
【００２４】
具体的には、第２の層５６は、弾性膜５０上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成後、このジルコニウム層を加熱することにより熱酸化させて形成されたものである。このように、第２の層５６を弾性膜５０上で熱酸化により形成することで、弾性膜５０と密着性の高い絶縁体膜５５を形成することができる。すなわち、第２の層５６は、絶縁体膜５５の密着層として機能する。
【００２５】
第３の層５７は、第２の層５６上に酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることにより形成されたものである。このように、第３の層５７を第２の層５６上に直接スパッタリング法により形成することで、第２の層５６に亀裂が生じるのを低減することができると共に、第２の層５６の形成時に亀裂が発生したとしても、第３の層５６でこの亀裂を覆い、亀裂が進行するのを抑制することができる。
【００２６】
ちなみに、絶縁体膜５５を第３の層５７のみで構成すると、酸化物（酸化シリコン）である弾性膜５０上に直接、酸化物（酸化ジルコニウム）である絶縁体膜５５をスパッタリング法により形成することになるが、酸化物を直接スパッタリング法によって酸化物上に形成した場合、酸化物を熱酸化により形成した場合に比べて密着性が低くなってしまう。本実施形態では、酸化物（酸化シリコン）である弾性膜５０上に、第２の層５６を熱酸化により形成することで、弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上することができ、圧電素子３００の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。
【００２７】
また、絶縁体膜５５を第２の層５６のみで構成することも考えられるが、弾性膜５０上に異物が存在すると、熱酸化した際にこの異物を起点として第２の層５６に亀裂が生じてしまう。また、第２の層５６の形成時に亀裂が生じなかったとしても、圧電素子３００を形成するときの応力や圧電素子３００を駆動した際の変位によって第２の層５６に亀裂が生じることがある。本実施形態では、第２の層５６に亀裂が生じたとしても、第２の層５６上にスパッタリング法により第３の層５７を形成することで、第２の層５６の亀裂を第３の層５７で覆って、第２の層５６の亀裂が進行するのを抑制することができる。また、第２の層５６の形成時に亀裂が生じていない場合であっても、第３の層５７によって覆うことで、第２の層５６を保護することができるため、その後の圧電素子３００の形成時の応力や圧電素子３００の駆動によっても第２の層５６に亀裂が生じるのを低減できる。
【００２８】
なお、本実施形態では、厚さが０．２μｍの第２の層５６と、厚さが０．２μｍの第３の層５７とを形成した。すなわち、絶縁体膜５５は、約０．４μｍの厚さを有する。ここで、第３の層５７は、第２の層５６と同じ厚さ以上の厚さで形成するのが好ましい。言い換えると、第２の層５６は、第２の層５６と第３の層５７との合計の厚さ（本実施形態では、絶縁体膜５５の厚さ）の半分以下であるのが好ましい。このように第３の層５７を第２の層５６の厚さ以上の厚さで形成することにより、第３の層５７によって、第２の層５６に発生した亀裂を確実に覆うことができると共に、第２の層５６に亀裂が生じ難くすることができる。
【００２９】
ちなみに、本実地形態で言う酸化ジルコニウムとは、ジルコニウムと酸素とが結合したＺｒＯ２などの既知の化合物や、酸化ジルコニウム、ジルコニウム及び酸素の混合状態を言い、第２の層５６及び第３の層５７は、酸化ジルコニウムを主成分としていれば、その他の元素を含有するものであってもよい。
【００３０】
また、第２の層５６と第３の層５７とは、材料が同じであったとしても、その製造方法が異なるため、第２の層５６と第３の層５７とは、その組成比及び結晶構造が異なる。このような組成比の違いや結晶構造の違いは、分析することで容易に検出することができる。
【００３１】
圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、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が好適である。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。本実施形態は、特定の圧電材料のみに限定しないと作用効果を発揮しないというものではないことを付言する。
【００３２】
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜５μｍ前後の厚さで形成した。
【００３３】
また、圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
【００３４】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の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１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００３５】
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
【００３６】
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００３７】
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。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００３８】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
【００３９】
また、このような保護基板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。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００４０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部の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、リザーバ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１２０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し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００４１】
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、本発明の実施形態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製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００４２】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハであり流路形成基板１０が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を構成する酸化膜５１を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０を熱酸化することにより、二酸化シリコンからなる酸化膜５１を形成した。
【００４３】
次に、弾性膜５０（酸化膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる第２の層５６を形成する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に例えば、スパッタ法等によりジルコニウムを主成分とするジルコニウム層１５６を形成後、図３（ｃ）に示すように、このジルコニウム層１５６を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６を形成する。
【００４４】
次に、図３（ｄ）に示すように、第２の層５６上に酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７を形成する。具体的には、第３の層５７は、第２の層５６の上に酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることで形成する。これにより、第２の層５６及び第３の層５７からなる絶縁体膜５５が形成される。
【００４５】
次に、図３（ｅ）に示すように、絶縁体膜５５上の全面に第１電極６０を形成すると共に、所定形状にパターニングする。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。
【００４６】
次に、図４（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる第２電極８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。なお、圧電体層７０の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。なお、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、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。
【００４７】
次に、図４（ｂ）に示すように、第２電極８０及び圧電体層７０を同時にエッチングすることにより各圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する。ここで、第２電極８０及び圧電体層７０のエッチングは、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。
【００４８】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って金（Ａｕ）からなるリード電極９０を形成後、各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００４９】
次に、図５（ａ）に示すように、保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板用ウェハ１１０上に接着剤３５を介して接着する。ここで、この保護基板用ウェハ１３０は、保護基板３０が複数一体的に形成されたものであり、保護基板用ウェハ１３０には、リザーバ部３１及び圧電素子保持部３２が予め形成されている。保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
【００５０】
次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。
【００５１】
次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上にマスク５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図６に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク５２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、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。
【００５２】
その後は、流路形成基板用ウェハ１１０表面のマスク５２を除去し、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ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。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドＩの製造方法では、弾性膜５０上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層１５６を形成後、このジルコニウム層１５６を加熱することにより熱酸化させて形成することで、弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上することができ、圧電素子３００の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。
【００５４】
また、第３の層５７を第２の層５６上に直接スパッタリング法により形成することで、第２の層５６に亀裂が生じるのを低減することができると共に、第２の層５６の形成時に亀裂が発生したとしても、第３の層５６でこの亀裂を覆い、亀裂が進行するのを抑制することができる。
【００５５】
（実施形態２）
図７は、本発明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の製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５６】
上述した実施形態１の図３（ａ）に示す工程と同様に、流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を形成する。
【００５７】
次に、図７（ａ）に示すように、弾性膜５０上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層１５６を形成する。ジルコニウム層１５６は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成することができる。
【００５８】
次に、図７（ｂ）に示すように、ジルコニウム層１５６上に、酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層５７を形成する。この第３の層５７は、上述した実施形態１と同様に、ジルコニウム層１５６上に酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることにより形成する。
【００５９】
次に、図７（ｃ）に示すように、ジルコニウム層１５６を熱酸化することにより、酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層５６を形成する。ジルコニウム層１５６は、第３の層５７によってその表面が覆われているものの、加熱することにより第３の層５７を酸素が透過して、熱酸化することができる。
【００６０】
その後の工程、すなわち、圧電素子３００を形成する工程、保護基板用ウェハ１３０を接合する工程、圧力発生室１２等を形成する工程等については上述した実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００６１】
このような実施形態２の製造方法では、ジルコニウム層１５６を熱酸化して第２の層５６を形成する前に、ジルコニウム層１５６上に第３の層５７を形成するため、第３の層５７がジルコニウム層１５６の補強膜として働き、ジルコニウム層１５６が熱酸化する際に弾性膜５０上の異物を起点として第２の層５６に亀裂が生じるのを低減することができる。もちろん、第２の層５６に亀裂が生じたとしても、第３の層５７が第２の層５６の亀裂を覆っているため、当該亀裂が進行するのを低減することができる。
【００６２】
なお、本実施形態の製造方法は、上述した実施形態１とは異なるが、完成されたインクジェット式記録ヘッド１は同じ構成となるため、上述した実施形態１と同様の効果、すなわち、第２の層５６によって弾性膜５０との密着力を向上すると共に、第３の層５７によって亀裂の進行を抑制できるという効果を奏するものである。
【００６３】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明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。例えば、上述した実施形態１及び２では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生素子として、薄膜型の圧電素子３００を有するアクチュエータ装置を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエータ装置や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型のアクチュエータ装置などを使用することができる。また、圧力発生素子として、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエータなどを使用することができる。
【００６４】
また、上述した実施形態１及び２では、第３の層５７上に圧力発生素子として圧電素子３００を設けるようにしたが、圧力発生素子は、第３の層５７の上方に形成されていればよいため、圧力発生素子は、第３の層５７の直上であっても、他の部材が間に介在した状態で積層されていてもよい。
【００６５】
また、例えば、上述した実施形態１及び２では、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
【００６６】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図８は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００６７】
図８に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、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１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００６８】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００６９】
また、上述した実施形態１及び２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り、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
【００７０】
さらに、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】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４】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５】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】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】実施形態２に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図８】一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板（基板）、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板（結晶基板）、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜（第１の層）、 ５５ 絶縁体膜、 ５６ 第２の層、 ５７ 第３の層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子（圧力発生素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、
該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、
該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、
該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記第３の層が、前記第２の層と同じ厚さ以上の厚さを有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】
請求項１又は２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４】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、
該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、
該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、
該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項５】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、
該ジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、
該第２の層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項６】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、
該ジルコニウム層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、
前記第３の層を形成した後、前記ジルコニウム層を熱酸化して、酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記第２の層及び前記第３の層を形成した後、前記第３の層の上方に第１電極、圧電体層及び第２電極を積層して圧電素子を形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項５又は６記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、
該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、
該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、
該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記第３の層が、前記第２の層と同じ厚さ以上の厚さを有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】
請求項１又は２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４】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層と、
該第１の層上に設けられたジルコニウムを熱酸化することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層と、
該第２の層上にスパッタリング法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層と、
該第３の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項５】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、
該ジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、
該第２の層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項６】
基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第１の層上にジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、
該ジルコニウム層上に酸化ジルコニウムをスパッタリングすることにより酸化ジルコニウムを主成分とする第３の層を形成する工程と、
前記第３の層を形成した後、前記ジルコニウム層を熱酸化して、酸化ジルコニウムを主成分とする第２の層を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記第２の層及び前記第３の層を形成した後、前記第３の層の上方に第１電極、圧電体層及び第２電極を積層して圧電素子を形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項５又は６記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【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２０１０−１２０２７０（Ｐ２０１０−１２０２７０Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９６０８２（Ｐ２００８−２９６０８２）
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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