液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子
【課題】少なくとも圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる。
【解決手段】圧電素子は、複数の個別電極と、前記各個別電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極とを有している。更に、圧電素子における前記個別電極の上において、前記共通電極に覆われていない領域には、この領域を覆う保護膜を有している。
【解決手段】圧電素子は、複数の個別電極と、前記各個別電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極とを有している。更に、圧電素子における前記個別電極の上において、前記共通電極に覆われていない領域には、この領域を覆う保護膜を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶を歪ませると帯電し、また電界中に置くと歪む特徴を持つ圧電素子は、インクジェットプリンターといった液体噴射装置、アクチュエーター、センサー、等に広く使用されている。
また、圧電素子の構成としては、下電極を圧電体層毎の個別電極とし、上電極を複数の個別電極に対して共通の共通電極とするものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４２６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上電極を共通電極とする圧電素子において、上電極で覆われない圧電体層の領域においてクラックや焼損が生じることがあった。その原因としては、上電極又は配線をパターニングする際に、用いられる薬品等により圧電体層の組成を不安定にしていると考えられる。
【０００５】
以上を鑑み、本発明の目的の一つは、少なくとも圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の安定性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも１つを達成するために、本発明では、複数の個別電極と、前記個別電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極と、前記個別電極上において前記共通電極に覆われていない前記圧電体層の領域を覆う保護膜と、を有する。
【０００７】
上記のように構成された発明では、圧電素子は、上電極を共通電極とする構成である。そして、個別電極の上で、且つ、共通電極に覆われていない圧電体層の領域を保護膜が覆っている。そのため、個別電極の上であって、且つ、共通電極に覆われていない領域におけるクラックや焼損を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子３の要部を示す一部上面図、及び垂直断面図である。
【図２】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１を分解して示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【図５】上述した記録ヘッド１を有する記録装置（液体噴射装置）２００の外観を示している。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態に記載する構成は一例にすぎずこれに限定されない。
【００１０】
（１）液体吐出ヘッド、及び圧電素子の構成：
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子３の要部を示す一部上面図、及び垂直断面図である。また、図２は、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１を分解して示す分解斜視図である。そして、図３（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。さらに、図４（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【００１１】
図２に例示する記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１は、圧電体層３０、及び電極（２０、４０）を有する圧電素子３と、ノズル開口７１に連通し圧電素子３により圧力変化が生じる圧力発生室１２とを備えている。より具体的には、圧電素子３は、弾性膜を備える振動板１６上に下電極２０、圧電体層３０及び上電極４０の順に積層して構成されている。
そして、振動板１６の圧電素子３が積層されない側には、流路形成基板１０が固着されている。この流路形成基板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の圧力発生室の長手方向外側の領域には連通路１３が形成され、連通路１３と圧力発生室１２とが、圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。
【００１２】
そして、流路形成基板１０の振動板１６と固着されない側には、ノズルプレート７０が固着されている。このノズルプレート７０にはインクが吐出する流路の一部と成るノズル開口７１が複数穿設されている。さらに、振動板１６の圧電素子３が固着される側には、コンプライアンス基板６０が固着された保護基板５０が固着されている。
【００１３】
次に、図１を参照して、圧電素子３の構成を説明する。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、圧電素子３は、上電極４０を共通電極とする構成であり、振動板１６上に積層されて形成されている。
即ち、図１（ｂ）に示すように、振動板１６の直上には、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ir）とチタン（Ｔｉ）の少なくとも一つを含有する層を有する下電極２０が積層されている。下電極２０は、個別電極であり、本実施形態では４つの圧電素子毎に形成されている。無論、圧電素子を４つとすることは一例であり、これに限定されない。
【００１５】
そして、下電極２０の直上には、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）を少なくとも含む圧電体層３０が積層されている。この圧電体層３０は、ペロブスカイト型酸化物により構成され、Ａサイト元素にＰｂを含み、Ｂサイト元素にＺｒ及びＴｉをそれぞれ含むチタン酸ジルコン酸鉛により構成されている。このようなペロブスカイト型酸化物には、下記一般式で表される組成のペロブスカイト型酸化物が含まれる。
Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｘ … （１）
（Ｐｂ、ＭＡ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｘ … （２）
Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ、ＭＢ）Ｏｘ …（３）
（Ｐｂ、ＭＡ）（Ｚｒ、Ｔｉ、ＭＢ）Ｏｘ … （４）
ここで、ＭＡはＰｂを除く１種類以上の金属元素であり、ＭＢはＺｒ、Ｔｉ及びＰｂを除く１種類以上の金属元素である。ｘは３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲で３からずれてもよい。Ａサイト元素とＢサイト元素との比は１：１が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲で１：１からずれてもよい。
ＭＢ元素には、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、等が含まれる。
【００１６】
なお、圧電体層３０をチタン酸ジルコン酸鉛により形成することは一例にすぎず、これ以外の鉛系圧電材料や、非鉛系の圧電材料である組成が（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｘで示される圧電材料により形成するものであってもよい。
【００１７】
そして、圧電体層３０の直上には、上電極４０が積層されている。上電極４０は、全ての圧電素子３に共通となる共通電極であり、各圧電体層３０に連続して形成されている。上電極４０を構成する金属は、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。無論これ以外にも、上記した金属に異なる金属を含有するものであってもよい。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、下電極２０の長手方向端部は、圧力発生室１２の長手方向端部より外側まで延設している。また、各圧力発生室１２に対応するパターニングされた上電極４０の長手方向端部は、下電極２０が形成される領域の長手方向端部より手前に位置する。また、上電極４０の長手方向端部は、圧力発生室１２の長手方向端部より外側まで延設している。即ち、圧電体層３０においては、下電極２０上に位置するが上電極４０に覆われない領域と、下電極２０上に位置し、且つ上電極４０に覆われる領域とが存在することとなる。無論、下電極２０と上電極４０との長手方向端部の位置関係は一例にすぎず、例えば、上電極４０の長手方向端部が、圧力発生室１２の長手方向端部より手前に形成されていてもよい。
【００１９】
また、圧電素子３の内、電界の作用により変形する領域を能動部３ａ、電界の作用によっては変形しない領域を非能動部３ｂと規定する。図１（ｂ）に示す圧電素子３では、能動部３ａは、圧電体層３０が配置される領域の内、下電極２０が配置される領域であって、且つ上電極４０が配置される領域を能動部３ａとしている。また、非能動部３ｂは、圧電体層３０が配置される領域の内、下電極２０が配置される領域であるが、上電極４０に覆われない領域を非能動部３ｂとしている。なお、能動部３ａと非能動部３ｂとの境界は、発生する電界の位置によっても影響を受けるため、必ずしも、上記した下電極２０及び上電極４０の位置によって規定されるものではない。
【００２０】
そして、圧電体層３０の内、上電極４０が形成される側の能動部３ａと非能動部３ｂとの境を含む領域には、この領域を覆うように保護膜８０が形成されている。図１（ｂ）では、圧電体層３０における、下電極２０上であって、上電極４０で覆われない領域を覆うように保護膜８０が形成されている。
【００２１】
ここで、圧電体層３０における能動部３ａと非能動部３ｂとの境界付近においてクラックやこのクラックに起因する焼損の発生が顕著となることが分かっている。この原因の１つとして、上電極４０を共通電極とする圧電素子３では、上電極膜を圧電体層３０の上に製膜した後、パターニングして上電極４０を形成したり、配線をパターニングして形成するが、このパターニングの際に圧電体層３０に薬品等が付着し、圧電体層３０の組成を不安定化させているということが分かっている。また、別の原因の1つとして、圧電体層３０における能動部３ａと非能動部３ｂの境界付近において、圧電体層３０内のひずみの発生状態が不均一となることに起因する応力集中がある。そのため、能動部３ａと非能動部３ｂとの境界を覆うよう保護膜８０を形成することで、この領域におけるクラック及び焼損の発生を低減する構成としてある。
【００２２】
また、保護膜８０の長手方向における上電極４０側の端部は、圧力発生室１２上より手前に形成されることが好ましい。即ち、圧力発生室１２が形成される領域の上方には、保護膜８０が形成されないことが好ましい。保護膜８０を圧力発生室１２が形成される領域にかからないようにすることで、圧電素子３の駆動を阻害することを防止するためである。
【００２３】
保護膜８０の材質としては、ポリイミド（芳香族ポリイミド）等の有機材料を用いることができる。保護膜８０をポリイミドで形成する場合は、膜厚を１．７μｍ以上とすることが好ましい。また、これ以外にも、保護膜８０を、エポキシ系の接着剤やシリコン系の接着剤により形成するものであってもよい。また、保護膜８０を接着剤で形成する場合は、膜厚を１．６μｍ以上とすることが好ましい。
保護膜８０を有機保護膜とすれば、保護膜８０を形成し易くすることができる。
【００２４】
（２）圧電素子及び液体噴射ヘッドの製造方法
図２〜図４を参照して、上述した圧電素子３及びこの圧電素子３を備える記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１の製造方法を説明する。なお、ここでは、保護膜８０としてポリイミド（有機保護膜）を使用した場合を例に説明を行う。
【００２５】
記録ヘッド１の製造方法として、まずは、シリコン単結晶基板等から流路形成基板１０を形成する。そして、例えば、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコン基板１５を約１１００℃の拡散路で熱酸化等することによって二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る弾性膜（振動板１６）を一体的に形成する。弾性膜の厚みは、弾性を有する限り限定されないが、例えば０．５〜２μｍ程度とすることができる。
【００２６】
次いで、図３（ａ）に示すように、スパッタ法等により振動板１６上に下電極２０を構成するための下電極膜を形成する。下電極２０の構成金属は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｔｉ、等の１種類以上の金属を用いることができる。下電極の厚みは特に限定されないが、例えば５０〜５００ｎｍ程度とすることができる。なお、密着層又は拡散防止層として、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）膜、Ｉｒ膜、ＩｒＯ（酸化イリジュウム）膜、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）膜等の層を振動板１６上に形成したうえで、下電極２０を形成してもよい。
【００２７】
次いで、少なくとも、鉛塩、ジルコニウム塩、及びチタン塩、を含む前駆体溶液を下電極２０の表面に塗布する。前駆体溶液中の金属モル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができる。上述した式（１）〜（４）におけるＡサイト元素及びＢサイト元素のモル比は１：１が標準であるが、ペロブスカイト酸化物が形成される範囲内で１：１からずれてもよい。
【００２８】
そして、図３（ａ）に示すように塗布した前駆体溶液を結晶化させて圧電体層３０を形成する。一例として、好ましくは、前駆体溶液を、１４０〜１９０℃程度で加熱して乾燥させ、その後、例えば、３００℃〜４００℃程度で加熱して脱脂し、例えば、５５０℃〜８５０℃程度で加熱して結晶化させる。
なお、圧電体層３０を厚くするため、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程と焼成工程の組合せを複数回行ってもよい。焼成工程を減らすために、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せを複数回行った後に焼成工程を行ってもよい。さらに、これらの工程の組合せを複数回行ってもよい。図３（ｂ）に示す例では、下電極膜２０上に圧電体層３０を形成した後に下電極２０及び圧電体層３０を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングしている。
【００２９】
なお、上記した乾燥及び脱脂を行うための加熱装置には、ホットプレート、赤外線ランプの照射により加熱する赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。また、上記焼成を行うための加熱装置には、赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。好ましくは、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法等を用いて昇温レートを比較的早くするとよい。
【００３０】
こうして形成された圧電体層３０の上に、図３（ｂ）に示すように、スパッタ法等によって上電極４０を形成する。上電極を構成する金属には、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ等の１種類以上の金属を用いることができる。また、上電極の厚みは、特に限定されないが、例えば、１０〜２００ｎｍ程度とすることができる。なお、図３（ｃ）に示す例では、上電極膜を形成した後に、上電極膜を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３を形成している。
【００３１】
続いて、リード電極４５を形成する。例えば、図３（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の前面に亘って金層を形成した後、レジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子３毎にパターニングすることにより、リード電極４５が設けられる（図４（ａ））。図２に示す各下電極２０には、インク供給路１４側の端部付近から振動板１６に延びたリード電極４５が接続されている。
【００３２】
なお、下電極２０や上電極４０やリード電極４５は、ＤＣ（直流）マグネトロンスパッタリング法といったスパッタ法等によって形成することができる。各層の厚みは、スパッタ装置の印加電圧やスパッタ処理時間を変えることにより調整することができる。
【００３３】
そして、図４（ａ）に示すように、圧電体層３０の能動部と非能動部との境を覆うように保護膜８０を形成する。保護膜８０の形成方法としては、例えば、まず、上電極４０を含む圧電体層３０上にポリイミドの膜を製膜する。次に、例えば、レジスト等からなるマスクパターンを介してポリイミドの層をパターニングし、ドライエッチングして保護膜８０を形成する。また、保護膜８０として、感光性ポリイミドを用いれば、成膜後、マスクパターンを用いて、露光、現像してパターニングすればよい。
【００３４】
以上により、圧電体層３０及び電極（２０、４０）を有する圧電素子３が形成され、この圧電素子３及び振動板１６を備えた圧電アクチュエーターが形成される。
【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電素子保持部５２等を予め形成した保護基板５０を流路形成基板１０上に例えば接着剤によって接合する。保護基板５０には、例えば、シリコン単結晶基板、ガラス、セラミックス材料等を用いることができる。保護基板５０の厚みは、特に限定されないが、例えば４００μｍ程度とすることができる。保護基板５０の厚み方向に貫通したリザーバ部５１は、連通路１３とともに、共通のインク室となるリザーバ９を構成する。圧電素子３に対向する領域に設けられた圧電素子保持部５２は、圧電素子３の運動を阻害しない程度の空間を有する。保護基板５０の貫通孔５３内には、各圧電素子３から引き出されたリード電極４５の端部付近が露出する。
【００３６】
次いで、シリコン基板１５をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることによりシリコン基板１５を所定の厚み（例えば７０μｍ程度）にする。次いで、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１５上にマスク膜１７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。マスク膜１７には、窒化シリコン（ＳｉＮ）等を用いることができる。次いで、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いてシリコン基板１５を異方性エッチング（ウェットエッチング）する。これにより、複数の隔壁１１（図２参照）によって区画された圧力発生室１２と細幅のインク供給路１４を備えた複数の液体流路と、各インク供給路１４に繋がる共通の液体流路である連通路１３とが形成される。液体流路（１２，１４）は、圧力発生室１２の短手方向である幅方向Ｄ１へ並べられている。
なお、圧力発生室１２は、圧電素子３の形成前に形成されてもよい。
【００３７】
次いで、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１５の保護基板５０とは反対側の面にノズルプレート７０を接合する。ノズルプレート７０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼、等を用いることができ、流路形成基板１０の開口面側に固着される。この固着には、接着剤、熱溶着フィルム、等を用いることができる。ノズルプレート７０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７１が穿設されている。従って、圧力発生室１２は、液体を吐出するノズル開口７１に連通している。
【００３８】
次いで、封止膜６１及び固定板６２を有するコンプライアンス基板６０を保護基板５０上に接合する。封止膜６１は、例えば厚み６μｍ程度のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムといった剛性が低く可撓性を有する材料等が用いられ、リザーバ部５１の一方の面を封止する。固定板６２は、例えば厚み３０μｍ程度のステンレス鋼（ＳＵＳ）といった金属等の硬質の材料が用いられ、リザーバ９に対向する領域が開口部６３とされている。
【００３９】
また、保護基板５０上には、並設された圧電素子３を駆動するための駆動回路６５が固定される。駆動回路６５には、回路基板、半導体集積回路（ＩＣ）、等を用いることができる。駆動回路６５とリード電極４５とは、接続配線６６を介して電気的に接続される。接続配線６６には、ボンディングワイヤといった導電性ワイヤ等を用いることができる。
以上により、記録ヘッド１が製造される。
【００４０】
本記録ヘッド１は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ９からノズル開口７１に至るまで内部をインクで満たす。駆動回路６５からの記録信号に従い、圧力発生室１２毎に下電極２０と上電極４０との間に電圧を印加すると、圧電体層３０、下電極２０及び振動板１６の変形によりノズル開口７１からインク滴が吐出する。
【００４１】
（３）液体噴射装置：
図５は、上述した記録ヘッド１を有する記録装置（液体噴射装置）２００の外観を示している。記録ヘッド１を記録ヘッドユニット２１１，２１２に組み込むと、記録装置２００を製造することができる。図５に示す記録装置２００は、記録ヘッドユニット２１１，２１２のそれぞれに、記録ヘッド１が設けられ、外部インク供給手段であるインクカートリッジ２２１，２２２が着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット２１１，２１２を搭載したキャリッジ２０３は、装置本体２０４に取り付けられたキャリッジ軸２０５に沿って往復移動可能に設けられている。駆動モーター２０６の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト２０７を介してキャリッジ２０３に伝達されると、キャリッジ２０３がキャリッジ軸２０５に沿って移動する。図示しない給紙ローラー等により給紙される記録シート２９０は、プラテン２０８上に搬送され、インクカートリッジ２２１，２２２から供給され記録ヘッド１から吐出するインクにより印刷がなされる。
【００４２】
（４）実施例：
以下、実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
【００４３】
ここで、下記実施例１−３のインクジェット式記録ヘッドを作製し、圧電素子へＤＣ通電試験を行った。
［実施例１］
圧電素子における能動部端部（能動部と非能動部の境界付近）を覆うように、膜厚０．７μｍのポリイミドから成る保護膜を有するインクジェット式記録ヘッドを実施例１とした。この、ポリイミドのヤング率Ｅは３．０ＧＰａである。
［実施例２］
膜厚２．６μｍのポリイミドから成る保護膜以外は、実施例１と同様のインクジェット式記録ヘッドを実施例２とした。
［実施例３］
膜厚３．０μｍの接着剤から成る保護膜以外は、実施例１と同様のインクジェット式記録ヘッドを実施例３とした。また、接着剤のヤング率Ｅは３．０Ｇｐａである。
【００４４】
表１は、この耐電圧評価を行った場合の実施例１〜４の各条件（膜厚ｔ、ヤング率Ｅ、ヤング率と膜厚との積：Ｅ×ｔ）と、能動部の端部における焼損の状態を示している。即ち、「○」の場合は、焼損が発生しなかったことを示し、「△」の場合は保護膜を形成しない場合に比べて、焼損が低減していることを示す。
【表１】
【００４５】
表１に示すように、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が７８００（Ｐａ・ｍ）以上となる実施例２、３において、能動部３ａの端部での焼損が観察されなかった。また、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が２１００（Ｐａ・ｍ）となる実施例１において、能動部３ａの端部での焼損が低減されていることが観察された。
以上により、能動部３ａと非能動部３ｂとの境界を覆うよう保護膜８０を形成することで、焼損が抑制されることが分かった。また、ヤング率Ｅと膜厚ｔとの積が２０００（Ｐａ・ｍ）以上であれば焼損を低減でき、より好ましくは、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が７８００（Ｐａ・ｍ）以上であれば焼損を発生させないことが分かった。
【００４６】
（５）第２の実施形態：
以下、第２の実施形態として、保護膜８０を無機保護膜とする場合を説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。そして、図７（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【００４７】
第２の実施形態に係る保護膜８０は、圧電体層３０における能動部３ａと非能動部３ｂとの境を覆うよう形成される構成において第１の実施形態と同一である。一方、保護膜８０が形成される工程の順序が、上電極４０が形成された工程の直後である点において、第１の実施形態と異なる。これは、第１の実施形態が有機材料により保護膜８０を形成したのに対して、第２の実施形態が無機材料により保護膜８０を形成することに起因する。
【００４８】
一例として、第２の実施形態に係る保護膜８０は、無機保護膜として例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）により形成される。そして、保護膜８０をＡｌ２Ｏ３で形成する場合は、好ましくは、膜厚を２５ｎｍ以上とすることができる。
【００４９】
図６、及び図７を参照して、上述した圧電素子３及びこの圧電素子３を備える記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１の製造方法を説明する。なお、ここでは、保護膜８０としてＡＬ２Ｏ３（無機保護膜）を使用した場合を例に説明を行う。なお、記録ヘッド１を構成する際の各条件は第１の実施形態と同じである。
【００５０】
まず、第１の実施形態同様、シリコン単結晶基板等から流路形成基板１０を形成する。そして、シリコン基板１５を約１１００℃の拡散路で熱酸化等することによって二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る弾性膜（振動板１６）を一体的に形成する。
【００５１】
次いで、図６（ａ）に示すように、スパッタ法等により弾性膜１６上に下電極２０を形成する。そして、図６（ｂ）に示すように塗布した前駆体溶液を結晶化させて圧電体層３０を形成する。こうして形成された圧電体層３０の上に、図６（ｂ）に示すように、スパッタ法等によって上電極４０を形成する。
【００５２】
そして、圧電体層３０の能動部３ａと非能動部３ｂとの境界を覆うよう保護膜８０を形成する。保護膜８０の形成方法としては、図６（ｃ）に示すように、まず、上電極４０を含む圧電体層３０上にＡｌ２Ｏ３の膜を製膜する。次に、例えば、レジスト等からなるマスクパターンを介して酸化アルミニウムの層をパターニングし、更に、ドライエッチングして保護膜８０を形成する。
【００５３】
続いて、図７（ａ）に示すように、保護膜８０上にリード電極４５を形成する。例えば、流路形成基板１０の前面に亘って金層を形成した後にレジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子３毎にパターニングすることにより、リード電極４５が設けられる。即ち、第２の実施形態では、保護膜８０の形成の後、リード電極４５を形成するためのパターニングが行われる。そのため、保護膜８０によりリード電極４５をパターニングする際に使用される薬剤から圧電体層３０を保護することもできる。
【００５４】
そして、図７（ｂ）に示すように、圧電素子保持部５２等を予め形成した保護基板５０を流路形成基板１０上に例えば接着剤によって接合する。次いで、シリコン基板１５上にマスク膜１７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板１５の保護基板５０とは反対側の面にノズルプレート７０を接合する。次いで、封止膜６１及び固定板６２を有するコンプライアンス基板６０を保護基板５０上に接合し、所定のチップサイズに分割する。以上により、記録ヘッド１が形成される。
【００５５】
（６）実施例
以下、第２の実施形態に係る実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
【００５６】
ここで、下記の実施例４におけるインクジェット式記録ヘッドを作製し、圧電素子へＤＣ通電試験を行った。
［実施例４］
圧電素子を構成する圧電体層の能動部端部（能動部と非能動部の境界付近）を覆うように、膜厚９０ｎｍのＡｌ２Ｏ３から成る保護膜を有するインクジェット式記録ヘッドを実施例４とした。この、Ａｌ２Ｏ３のヤング率Ｅは２００ＧＰａである。
［実施例５］
膜厚４５ｎｍのＡｌ２Ｏ３から成る保護膜以外は、実施例４と同様のインクジェット式記録ヘッドを実施例５とした。
【００５７】
表２は、この耐電圧評価を行った場合の実施例４〜５の各条件（膜厚ｔ、ヤング率Ｅ、ヤング率と膜厚の積：Ｅ×ｔ）と、能動部の端部における焼損の有無を示している。
【表２】
【００５８】
表２に示すように、第２の実施形態においても、圧電体層の焼損が低減されているのが分かる。即ち、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が４５００（Ｐａ・ｍ）以上となる保護膜において、能動部の端部での焼損が観察されなかった。
第１の実施形態と第２の実施形態より、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が５０００（Ｐａ・ｍ）以上とすれば、能動部の端部での焼損が抑制できる。
そのため、能動部と非能動部との境界に無機材料で形成された保護膜を形成することで、焼損が抑制されることが分かった。
【００５９】
（７）応用、その他：
本発明は、種々の変形例が考えられる。
上述した実施形態では圧力発生室毎に個別の圧電体を設けているが、複数の圧力発生室に共通の圧電体を設け圧力発生室毎に個別電極を設けることも可能である。
上述した実施形態では流路形成基板にリザーバの一部を形成しているが、流路形成基板とは別の部材にリザーバを形成することも可能である。
上述した実施形態では圧電素子の上側を圧電素子保持部で覆っているが、圧電素子の上側を大気に開放することも可能である。
上述した実施形態では振動板を隔てて圧電素子の反対側に圧力発生室を設けたが、圧電素子側に圧力発生室を設けることも可能である。例えば、固定した板間及び圧電素子間で囲まれた空間を形成すれば、この空間を圧力発生室とすることができる。
【００６０】
流体噴射ヘッドから吐出される液体は、液体噴射ヘッドから吐出可能な材料であればよく、染料等が溶媒に溶解した溶液、顔料や金属粒子といった固形粒子が分散媒に分散したゾル、等の流体が含まれる。このような流体には、インク、液晶、等が含まれる。液体噴射ヘッドは、プリンターといった画像記録装置の他、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造装置、有機ＥＬディスプレー等の電極の製造装置、バイオチップ製造装置、等に搭載可能である。
【００６１】
以上説明したように、本発明によると、種々の態様により、少なくとも圧電体層を有する圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる技術等を提供することができる。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１…記録ヘッド、３…圧電素子、９…リザーバ、１０…流路形成基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室、１５…シリコン基板、１６…振動板、２０…下電極、３０…圧電体層、４０…上電極、４５…リード電極、５０…保護基板、６０…コンプライアンス基板、７０…ノズルプレート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶を歪ませると帯電し、また電界中に置くと歪む特徴を持つ圧電素子は、インクジェットプリンターといった液体噴射装置、アクチュエーター、センサー、等に広く使用されている。
また、圧電素子の構成としては、下電極を圧電体層毎の個別電極とし、上電極を複数の個別電極に対して共通の共通電極とするものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４２６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上電極を共通電極とする圧電素子において、上電極で覆われない圧電体層の領域においてクラックや焼損が生じることがあった。その原因としては、上電極又は配線をパターニングする際に、用いられる薬品等により圧電体層の組成を不安定にしていると考えられる。
【０００５】
以上を鑑み、本発明の目的の一つは、少なくとも圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の安定性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも１つを達成するために、本発明では、複数の個別電極と、前記個別電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極と、前記個別電極上において前記共通電極に覆われていない前記圧電体層の領域を覆う保護膜と、を有する。
【０００７】
上記のように構成された発明では、圧電素子は、上電極を共通電極とする構成である。そして、個別電極の上で、且つ、共通電極に覆われていない圧電体層の領域を保護膜が覆っている。そのため、個別電極の上であって、且つ、共通電極に覆われていない領域におけるクラックや焼損を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子３の要部を示す一部上面図、及び垂直断面図である。
【図２】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１を分解して示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【図５】上述した記録ヘッド１を有する記録装置（液体噴射装置）２００の外観を示している。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態に記載する構成は一例にすぎずこれに限定されない。
【００１０】
（１）液体吐出ヘッド、及び圧電素子の構成：
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子３の要部を示す一部上面図、及び垂直断面図である。また、図２は、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１を分解して示す分解斜視図である。そして、図３（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。さらに、図４（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【００１１】
図２に例示する記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１は、圧電体層３０、及び電極（２０、４０）を有する圧電素子３と、ノズル開口７１に連通し圧電素子３により圧力変化が生じる圧力発生室１２とを備えている。より具体的には、圧電素子３は、弾性膜を備える振動板１６上に下電極２０、圧電体層３０及び上電極４０の順に積層して構成されている。
そして、振動板１６の圧電素子３が積層されない側には、流路形成基板１０が固着されている。この流路形成基板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の圧力発生室の長手方向外側の領域には連通路１３が形成され、連通路１３と圧力発生室１２とが、圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。
【００１２】
そして、流路形成基板１０の振動板１６と固着されない側には、ノズルプレート７０が固着されている。このノズルプレート７０にはインクが吐出する流路の一部と成るノズル開口７１が複数穿設されている。さらに、振動板１６の圧電素子３が固着される側には、コンプライアンス基板６０が固着された保護基板５０が固着されている。
【００１３】
次に、図１を参照して、圧電素子３の構成を説明する。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、圧電素子３は、上電極４０を共通電極とする構成であり、振動板１６上に積層されて形成されている。
即ち、図１（ｂ）に示すように、振動板１６の直上には、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ir）とチタン（Ｔｉ）の少なくとも一つを含有する層を有する下電極２０が積層されている。下電極２０は、個別電極であり、本実施形態では４つの圧電素子毎に形成されている。無論、圧電素子を４つとすることは一例であり、これに限定されない。
【００１５】
そして、下電極２０の直上には、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）を少なくとも含む圧電体層３０が積層されている。この圧電体層３０は、ペロブスカイト型酸化物により構成され、Ａサイト元素にＰｂを含み、Ｂサイト元素にＺｒ及びＴｉをそれぞれ含むチタン酸ジルコン酸鉛により構成されている。このようなペロブスカイト型酸化物には、下記一般式で表される組成のペロブスカイト型酸化物が含まれる。
Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｘ … （１）
（Ｐｂ、ＭＡ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｘ … （２）
Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ、ＭＢ）Ｏｘ …（３）
（Ｐｂ、ＭＡ）（Ｚｒ、Ｔｉ、ＭＢ）Ｏｘ … （４）
ここで、ＭＡはＰｂを除く１種類以上の金属元素であり、ＭＢはＺｒ、Ｔｉ及びＰｂを除く１種類以上の金属元素である。ｘは３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲で３からずれてもよい。Ａサイト元素とＢサイト元素との比は１：１が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲で１：１からずれてもよい。
ＭＢ元素には、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、等が含まれる。
【００１６】
なお、圧電体層３０をチタン酸ジルコン酸鉛により形成することは一例にすぎず、これ以外の鉛系圧電材料や、非鉛系の圧電材料である組成が（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｘで示される圧電材料により形成するものであってもよい。
【００１７】
そして、圧電体層３０の直上には、上電極４０が積層されている。上電極４０は、全ての圧電素子３に共通となる共通電極であり、各圧電体層３０に連続して形成されている。上電極４０を構成する金属は、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。無論これ以外にも、上記した金属に異なる金属を含有するものであってもよい。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、下電極２０の長手方向端部は、圧力発生室１２の長手方向端部より外側まで延設している。また、各圧力発生室１２に対応するパターニングされた上電極４０の長手方向端部は、下電極２０が形成される領域の長手方向端部より手前に位置する。また、上電極４０の長手方向端部は、圧力発生室１２の長手方向端部より外側まで延設している。即ち、圧電体層３０においては、下電極２０上に位置するが上電極４０に覆われない領域と、下電極２０上に位置し、且つ上電極４０に覆われる領域とが存在することとなる。無論、下電極２０と上電極４０との長手方向端部の位置関係は一例にすぎず、例えば、上電極４０の長手方向端部が、圧力発生室１２の長手方向端部より手前に形成されていてもよい。
【００１９】
また、圧電素子３の内、電界の作用により変形する領域を能動部３ａ、電界の作用によっては変形しない領域を非能動部３ｂと規定する。図１（ｂ）に示す圧電素子３では、能動部３ａは、圧電体層３０が配置される領域の内、下電極２０が配置される領域であって、且つ上電極４０が配置される領域を能動部３ａとしている。また、非能動部３ｂは、圧電体層３０が配置される領域の内、下電極２０が配置される領域であるが、上電極４０に覆われない領域を非能動部３ｂとしている。なお、能動部３ａと非能動部３ｂとの境界は、発生する電界の位置によっても影響を受けるため、必ずしも、上記した下電極２０及び上電極４０の位置によって規定されるものではない。
【００２０】
そして、圧電体層３０の内、上電極４０が形成される側の能動部３ａと非能動部３ｂとの境を含む領域には、この領域を覆うように保護膜８０が形成されている。図１（ｂ）では、圧電体層３０における、下電極２０上であって、上電極４０で覆われない領域を覆うように保護膜８０が形成されている。
【００２１】
ここで、圧電体層３０における能動部３ａと非能動部３ｂとの境界付近においてクラックやこのクラックに起因する焼損の発生が顕著となることが分かっている。この原因の１つとして、上電極４０を共通電極とする圧電素子３では、上電極膜を圧電体層３０の上に製膜した後、パターニングして上電極４０を形成したり、配線をパターニングして形成するが、このパターニングの際に圧電体層３０に薬品等が付着し、圧電体層３０の組成を不安定化させているということが分かっている。また、別の原因の1つとして、圧電体層３０における能動部３ａと非能動部３ｂの境界付近において、圧電体層３０内のひずみの発生状態が不均一となることに起因する応力集中がある。そのため、能動部３ａと非能動部３ｂとの境界を覆うよう保護膜８０を形成することで、この領域におけるクラック及び焼損の発生を低減する構成としてある。
【００２２】
また、保護膜８０の長手方向における上電極４０側の端部は、圧力発生室１２上より手前に形成されることが好ましい。即ち、圧力発生室１２が形成される領域の上方には、保護膜８０が形成されないことが好ましい。保護膜８０を圧力発生室１２が形成される領域にかからないようにすることで、圧電素子３の駆動を阻害することを防止するためである。
【００２３】
保護膜８０の材質としては、ポリイミド（芳香族ポリイミド）等の有機材料を用いることができる。保護膜８０をポリイミドで形成する場合は、膜厚を１．７μｍ以上とすることが好ましい。また、これ以外にも、保護膜８０を、エポキシ系の接着剤やシリコン系の接着剤により形成するものであってもよい。また、保護膜８０を接着剤で形成する場合は、膜厚を１．６μｍ以上とすることが好ましい。
保護膜８０を有機保護膜とすれば、保護膜８０を形成し易くすることができる。
【００２４】
（２）圧電素子及び液体噴射ヘッドの製造方法
図２〜図４を参照して、上述した圧電素子３及びこの圧電素子３を備える記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１の製造方法を説明する。なお、ここでは、保護膜８０としてポリイミド（有機保護膜）を使用した場合を例に説明を行う。
【００２５】
記録ヘッド１の製造方法として、まずは、シリコン単結晶基板等から流路形成基板１０を形成する。そして、例えば、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコン基板１５を約１１００℃の拡散路で熱酸化等することによって二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る弾性膜（振動板１６）を一体的に形成する。弾性膜の厚みは、弾性を有する限り限定されないが、例えば０．５〜２μｍ程度とすることができる。
【００２６】
次いで、図３（ａ）に示すように、スパッタ法等により振動板１６上に下電極２０を構成するための下電極膜を形成する。下電極２０の構成金属は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｔｉ、等の１種類以上の金属を用いることができる。下電極の厚みは特に限定されないが、例えば５０〜５００ｎｍ程度とすることができる。なお、密着層又は拡散防止層として、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）膜、Ｉｒ膜、ＩｒＯ（酸化イリジュウム）膜、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）膜等の層を振動板１６上に形成したうえで、下電極２０を形成してもよい。
【００２７】
次いで、少なくとも、鉛塩、ジルコニウム塩、及びチタン塩、を含む前駆体溶液を下電極２０の表面に塗布する。前駆体溶液中の金属モル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができる。上述した式（１）〜（４）におけるＡサイト元素及びＢサイト元素のモル比は１：１が標準であるが、ペロブスカイト酸化物が形成される範囲内で１：１からずれてもよい。
【００２８】
そして、図３（ａ）に示すように塗布した前駆体溶液を結晶化させて圧電体層３０を形成する。一例として、好ましくは、前駆体溶液を、１４０〜１９０℃程度で加熱して乾燥させ、その後、例えば、３００℃〜４００℃程度で加熱して脱脂し、例えば、５５０℃〜８５０℃程度で加熱して結晶化させる。
なお、圧電体層３０を厚くするため、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程と焼成工程の組合せを複数回行ってもよい。焼成工程を減らすために、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せを複数回行った後に焼成工程を行ってもよい。さらに、これらの工程の組合せを複数回行ってもよい。図３（ｂ）に示す例では、下電極膜２０上に圧電体層３０を形成した後に下電極２０及び圧電体層３０を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングしている。
【００２９】
なお、上記した乾燥及び脱脂を行うための加熱装置には、ホットプレート、赤外線ランプの照射により加熱する赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。また、上記焼成を行うための加熱装置には、赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。好ましくは、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法等を用いて昇温レートを比較的早くするとよい。
【００３０】
こうして形成された圧電体層３０の上に、図３（ｂ）に示すように、スパッタ法等によって上電極４０を形成する。上電極を構成する金属には、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ等の１種類以上の金属を用いることができる。また、上電極の厚みは、特に限定されないが、例えば、１０〜２００ｎｍ程度とすることができる。なお、図３（ｃ）に示す例では、上電極膜を形成した後に、上電極膜を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３を形成している。
【００３１】
続いて、リード電極４５を形成する。例えば、図３（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の前面に亘って金層を形成した後、レジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子３毎にパターニングすることにより、リード電極４５が設けられる（図４（ａ））。図２に示す各下電極２０には、インク供給路１４側の端部付近から振動板１６に延びたリード電極４５が接続されている。
【００３２】
なお、下電極２０や上電極４０やリード電極４５は、ＤＣ（直流）マグネトロンスパッタリング法といったスパッタ法等によって形成することができる。各層の厚みは、スパッタ装置の印加電圧やスパッタ処理時間を変えることにより調整することができる。
【００３３】
そして、図４（ａ）に示すように、圧電体層３０の能動部と非能動部との境を覆うように保護膜８０を形成する。保護膜８０の形成方法としては、例えば、まず、上電極４０を含む圧電体層３０上にポリイミドの膜を製膜する。次に、例えば、レジスト等からなるマスクパターンを介してポリイミドの層をパターニングし、ドライエッチングして保護膜８０を形成する。また、保護膜８０として、感光性ポリイミドを用いれば、成膜後、マスクパターンを用いて、露光、現像してパターニングすればよい。
【００３４】
以上により、圧電体層３０及び電極（２０、４０）を有する圧電素子３が形成され、この圧電素子３及び振動板１６を備えた圧電アクチュエーターが形成される。
【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電素子保持部５２等を予め形成した保護基板５０を流路形成基板１０上に例えば接着剤によって接合する。保護基板５０には、例えば、シリコン単結晶基板、ガラス、セラミックス材料等を用いることができる。保護基板５０の厚みは、特に限定されないが、例えば４００μｍ程度とすることができる。保護基板５０の厚み方向に貫通したリザーバ部５１は、連通路１３とともに、共通のインク室となるリザーバ９を構成する。圧電素子３に対向する領域に設けられた圧電素子保持部５２は、圧電素子３の運動を阻害しない程度の空間を有する。保護基板５０の貫通孔５３内には、各圧電素子３から引き出されたリード電極４５の端部付近が露出する。
【００３６】
次いで、シリコン基板１５をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることによりシリコン基板１５を所定の厚み（例えば７０μｍ程度）にする。次いで、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１５上にマスク膜１７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。マスク膜１７には、窒化シリコン（ＳｉＮ）等を用いることができる。次いで、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いてシリコン基板１５を異方性エッチング（ウェットエッチング）する。これにより、複数の隔壁１１（図２参照）によって区画された圧力発生室１２と細幅のインク供給路１４を備えた複数の液体流路と、各インク供給路１４に繋がる共通の液体流路である連通路１３とが形成される。液体流路（１２，１４）は、圧力発生室１２の短手方向である幅方向Ｄ１へ並べられている。
なお、圧力発生室１２は、圧電素子３の形成前に形成されてもよい。
【００３７】
次いで、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１５の保護基板５０とは反対側の面にノズルプレート７０を接合する。ノズルプレート７０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼、等を用いることができ、流路形成基板１０の開口面側に固着される。この固着には、接着剤、熱溶着フィルム、等を用いることができる。ノズルプレート７０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７１が穿設されている。従って、圧力発生室１２は、液体を吐出するノズル開口７１に連通している。
【００３８】
次いで、封止膜６１及び固定板６２を有するコンプライアンス基板６０を保護基板５０上に接合する。封止膜６１は、例えば厚み６μｍ程度のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムといった剛性が低く可撓性を有する材料等が用いられ、リザーバ部５１の一方の面を封止する。固定板６２は、例えば厚み３０μｍ程度のステンレス鋼（ＳＵＳ）といった金属等の硬質の材料が用いられ、リザーバ９に対向する領域が開口部６３とされている。
【００３９】
また、保護基板５０上には、並設された圧電素子３を駆動するための駆動回路６５が固定される。駆動回路６５には、回路基板、半導体集積回路（ＩＣ）、等を用いることができる。駆動回路６５とリード電極４５とは、接続配線６６を介して電気的に接続される。接続配線６６には、ボンディングワイヤといった導電性ワイヤ等を用いることができる。
以上により、記録ヘッド１が製造される。
【００４０】
本記録ヘッド１は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ９からノズル開口７１に至るまで内部をインクで満たす。駆動回路６５からの記録信号に従い、圧力発生室１２毎に下電極２０と上電極４０との間に電圧を印加すると、圧電体層３０、下電極２０及び振動板１６の変形によりノズル開口７１からインク滴が吐出する。
【００４１】
（３）液体噴射装置：
図５は、上述した記録ヘッド１を有する記録装置（液体噴射装置）２００の外観を示している。記録ヘッド１を記録ヘッドユニット２１１，２１２に組み込むと、記録装置２００を製造することができる。図５に示す記録装置２００は、記録ヘッドユニット２１１，２１２のそれぞれに、記録ヘッド１が設けられ、外部インク供給手段であるインクカートリッジ２２１，２２２が着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット２１１，２１２を搭載したキャリッジ２０３は、装置本体２０４に取り付けられたキャリッジ軸２０５に沿って往復移動可能に設けられている。駆動モーター２０６の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト２０７を介してキャリッジ２０３に伝達されると、キャリッジ２０３がキャリッジ軸２０５に沿って移動する。図示しない給紙ローラー等により給紙される記録シート２９０は、プラテン２０８上に搬送され、インクカートリッジ２２１，２２２から供給され記録ヘッド１から吐出するインクにより印刷がなされる。
【００４２】
（４）実施例：
以下、実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
【００４３】
ここで、下記実施例１−３のインクジェット式記録ヘッドを作製し、圧電素子へＤＣ通電試験を行った。
［実施例１］
圧電素子における能動部端部（能動部と非能動部の境界付近）を覆うように、膜厚０．７μｍのポリイミドから成る保護膜を有するインクジェット式記録ヘッドを実施例１とした。この、ポリイミドのヤング率Ｅは３．０ＧＰａである。
［実施例２］
膜厚２．６μｍのポリイミドから成る保護膜以外は、実施例１と同様のインクジェット式記録ヘッドを実施例２とした。
［実施例３］
膜厚３．０μｍの接着剤から成る保護膜以外は、実施例１と同様のインクジェット式記録ヘッドを実施例３とした。また、接着剤のヤング率Ｅは３．０Ｇｐａである。
【００４４】
表１は、この耐電圧評価を行った場合の実施例１〜４の各条件（膜厚ｔ、ヤング率Ｅ、ヤング率と膜厚との積：Ｅ×ｔ）と、能動部の端部における焼損の状態を示している。即ち、「○」の場合は、焼損が発生しなかったことを示し、「△」の場合は保護膜を形成しない場合に比べて、焼損が低減していることを示す。
【表１】
【００４５】
表１に示すように、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が７８００（Ｐａ・ｍ）以上となる実施例２、３において、能動部３ａの端部での焼損が観察されなかった。また、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が２１００（Ｐａ・ｍ）となる実施例１において、能動部３ａの端部での焼損が低減されていることが観察された。
以上により、能動部３ａと非能動部３ｂとの境界を覆うよう保護膜８０を形成することで、焼損が抑制されることが分かった。また、ヤング率Ｅと膜厚ｔとの積が２０００（Ｐａ・ｍ）以上であれば焼損を低減でき、より好ましくは、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が７８００（Ｐａ・ｍ）以上であれば焼損を発生させないことが分かった。
【００４６】
（５）第２の実施形態：
以下、第２の実施形態として、保護膜８０を無機保護膜とする場合を説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。そして、図７（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。
【００４７】
第２の実施形態に係る保護膜８０は、圧電体層３０における能動部３ａと非能動部３ｂとの境を覆うよう形成される構成において第１の実施形態と同一である。一方、保護膜８０が形成される工程の順序が、上電極４０が形成された工程の直後である点において、第１の実施形態と異なる。これは、第１の実施形態が有機材料により保護膜８０を形成したのに対して、第２の実施形態が無機材料により保護膜８０を形成することに起因する。
【００４８】
一例として、第２の実施形態に係る保護膜８０は、無機保護膜として例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）により形成される。そして、保護膜８０をＡｌ２Ｏ３で形成する場合は、好ましくは、膜厚を２５ｎｍ以上とすることができる。
【００４９】
図６、及び図７を参照して、上述した圧電素子３及びこの圧電素子３を備える記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１の製造方法を説明する。なお、ここでは、保護膜８０としてＡＬ２Ｏ３（無機保護膜）を使用した場合を例に説明を行う。なお、記録ヘッド１を構成する際の各条件は第１の実施形態と同じである。
【００５０】
まず、第１の実施形態同様、シリコン単結晶基板等から流路形成基板１０を形成する。そして、シリコン基板１５を約１１００℃の拡散路で熱酸化等することによって二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る弾性膜（振動板１６）を一体的に形成する。
【００５１】
次いで、図６（ａ）に示すように、スパッタ法等により弾性膜１６上に下電極２０を形成する。そして、図６（ｂ）に示すように塗布した前駆体溶液を結晶化させて圧電体層３０を形成する。こうして形成された圧電体層３０の上に、図６（ｂ）に示すように、スパッタ法等によって上電極４０を形成する。
【００５２】
そして、圧電体層３０の能動部３ａと非能動部３ｂとの境界を覆うよう保護膜８０を形成する。保護膜８０の形成方法としては、図６（ｃ）に示すように、まず、上電極４０を含む圧電体層３０上にＡｌ２Ｏ３の膜を製膜する。次に、例えば、レジスト等からなるマスクパターンを介して酸化アルミニウムの層をパターニングし、更に、ドライエッチングして保護膜８０を形成する。
【００５３】
続いて、図７（ａ）に示すように、保護膜８０上にリード電極４５を形成する。例えば、流路形成基板１０の前面に亘って金層を形成した後にレジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子３毎にパターニングすることにより、リード電極４５が設けられる。即ち、第２の実施形態では、保護膜８０の形成の後、リード電極４５を形成するためのパターニングが行われる。そのため、保護膜８０によりリード電極４５をパターニングする際に使用される薬剤から圧電体層３０を保護することもできる。
【００５４】
そして、図７（ｂ）に示すように、圧電素子保持部５２等を予め形成した保護基板５０を流路形成基板１０上に例えば接着剤によって接合する。次いで、シリコン基板１５上にマスク膜１７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板１５の保護基板５０とは反対側の面にノズルプレート７０を接合する。次いで、封止膜６１及び固定板６２を有するコンプライアンス基板６０を保護基板５０上に接合し、所定のチップサイズに分割する。以上により、記録ヘッド１が形成される。
【００５５】
（６）実施例
以下、第２の実施形態に係る実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
【００５６】
ここで、下記の実施例４におけるインクジェット式記録ヘッドを作製し、圧電素子へＤＣ通電試験を行った。
［実施例４］
圧電素子を構成する圧電体層の能動部端部（能動部と非能動部の境界付近）を覆うように、膜厚９０ｎｍのＡｌ２Ｏ３から成る保護膜を有するインクジェット式記録ヘッドを実施例４とした。この、Ａｌ２Ｏ３のヤング率Ｅは２００ＧＰａである。
［実施例５］
膜厚４５ｎｍのＡｌ２Ｏ３から成る保護膜以外は、実施例４と同様のインクジェット式記録ヘッドを実施例５とした。
【００５７】
表２は、この耐電圧評価を行った場合の実施例４〜５の各条件（膜厚ｔ、ヤング率Ｅ、ヤング率と膜厚の積：Ｅ×ｔ）と、能動部の端部における焼損の有無を示している。
【表２】
【００５８】
表２に示すように、第２の実施形態においても、圧電体層の焼損が低減されているのが分かる。即ち、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が４５００（Ｐａ・ｍ）以上となる保護膜において、能動部の端部での焼損が観察されなかった。
第１の実施形態と第２の実施形態より、ヤング率Ｅと膜厚ｔの積が５０００（Ｐａ・ｍ）以上とすれば、能動部の端部での焼損が抑制できる。
そのため、能動部と非能動部との境界に無機材料で形成された保護膜を形成することで、焼損が抑制されることが分かった。
【００５９】
（７）応用、その他：
本発明は、種々の変形例が考えられる。
上述した実施形態では圧力発生室毎に個別の圧電体を設けているが、複数の圧力発生室に共通の圧電体を設け圧力発生室毎に個別電極を設けることも可能である。
上述した実施形態では流路形成基板にリザーバの一部を形成しているが、流路形成基板とは別の部材にリザーバを形成することも可能である。
上述した実施形態では圧電素子の上側を圧電素子保持部で覆っているが、圧電素子の上側を大気に開放することも可能である。
上述した実施形態では振動板を隔てて圧電素子の反対側に圧力発生室を設けたが、圧電素子側に圧力発生室を設けることも可能である。例えば、固定した板間及び圧電素子間で囲まれた空間を形成すれば、この空間を圧力発生室とすることができる。
【００６０】
流体噴射ヘッドから吐出される液体は、液体噴射ヘッドから吐出可能な材料であればよく、染料等が溶媒に溶解した溶液、顔料や金属粒子といった固形粒子が分散媒に分散したゾル、等の流体が含まれる。このような流体には、インク、液晶、等が含まれる。液体噴射ヘッドは、プリンターといった画像記録装置の他、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造装置、有機ＥＬディスプレー等の電極の製造装置、バイオチップ製造装置、等に搭載可能である。
【００６１】
以上説明したように、本発明によると、種々の態様により、少なくとも圧電体層を有する圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる技術等を提供することができる。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１…記録ヘッド、３…圧電素子、９…リザーバ、１０…流路形成基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室、１５…シリコン基板、１６…振動板、２０…下電極、３０…圧電体層、４０…上電極、４５…リード電極、５０…保護基板、６０…コンプライアンス基板、７０…ノズルプレート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、
前記振動板上に形成された複数の個別電極と、
前記個別電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極と、
前記個別電極上において前記共通電極に覆われていない前記圧電体層の領域を覆う保護膜と、を有する圧電素子を備えた、液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記保護膜は、有機保護膜である、請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記保護膜は、無機保護膜である、請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記保護膜は圧力発生室の上には形成されていない、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１に記載の前記液体噴射ヘッドを備える、液体噴射装置。
【請求項６】
複数の個別電極と、
前記個別電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極と、
前記個別電極上において前記共通電極に覆われていない前記圧電体層の領域を覆う保護膜と、を有する圧電素子。
【請求項１】
振動板と、
前記振動板上に形成された複数の個別電極と、
前記個別電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極と、
前記個別電極上において前記共通電極に覆われていない前記圧電体層の領域を覆う保護膜と、を有する圧電素子を備えた、液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記保護膜は、有機保護膜である、請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記保護膜は、無機保護膜である、請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記保護膜は圧力発生室の上には形成されていない、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１に記載の前記液体噴射ヘッドを備える、液体噴射装置。
【請求項６】
複数の個別電極と、
前記個別電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成され、前記個別電極に対して共通の電極となる共通電極と、
前記個別電極上において前記共通電極に覆われていない前記圧電体層の領域を覆う保護膜と、を有する圧電素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１１１８０７（Ｐ２０１３−１１１８０７Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８６０８（Ｐ２０１１−２５８６０８）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【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２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【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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