液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置
【課題】変位量の向上と配線抵抗の増加による液体噴射のばらつきの解消とを両立することが困難であった。
【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、前記圧力発生室に対応して形成された第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記第１電極間に形成された第３電極を備え、前記第２電極が前記第３電極に積層されている、構成とした。
【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、前記圧力発生室に対応して形成された第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記第１電極間に形成された第３電極を備え、前記第２電極が前記第３電極に積層されている、構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を噴射するためのノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、圧電体層、圧電体層の下方側に形成された下電極および圧電体層の上方側に形成された上電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドが知られている（特許文献１，２参照）。
ここで、圧電体層は数μｍ程度と薄く形成されているため、湿気等の外的要因（圧電体層の側面への水分の付着あるいは圧電体層への水分の浸入等）により、上電極と下電極とが短絡等して圧電体層に絶縁破壊が起こり得るという問題がある。このような外的要因への対策として、特許文献１では、下電極の上面および端面を覆う圧電体層の上面および端面を上電極によって覆う構成を採用しており、また、特許文献２では、複数の圧電素子を構成する各圧電体層を複数の圧電素子の共通電極となる上電極がまとめて覆う構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５‐８８４４１号公報
【特許文献２】特開２０１０‐１４９３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、圧電素子の変位量を向上させるためには、圧電体層上の上電極の膜厚をできるだけ薄く形成することが効果的である。しかしながら、共通電極である上電極の膜厚を薄くすると、共通電極の配線抵抗を増加させてしまう。このような配線抵抗の増加は、複数の圧電素子を同時に駆動して複数のノズル開口から液体を噴射させるときに、大きな電圧降下を引き起こし、圧電素子毎の変位量をばらつかせてしまう。このようなばらつきは、ノズル開口毎の液体噴射量のばらつきとして表れる。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、圧電素子の変位量を向上させ、さらに圧電素子毎の変異量のばらつきを抑えて良好な液体噴射特性を実現することが可能な液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様の一つは、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、前記圧力発生室に対応して形成された第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記第１電極間に形成された第３電極を備え、前記第２電極が前記第３電極に積層されている構成としてある。
【０００７】
当該構成によれば、共通電極は第２電極および第３電極によって構成されるため、圧電体層上の共通電極部分は第２電極のみで比較的薄く形成し、第１電極間の共通電極部分は第２電極および第３電極により比較的厚く形成することができる。そのため、圧電素子の変位量を高く保持しつつ共通電極における配線抵抗を下げることができ、圧電素子毎の変異量のばらつきを抑えた良好な液体噴射特性を実現することができる。
【０００８】
本発明の態様の一つは、前記第３電極は、前記第１電極と同じ素材で形成されている構成としてもよい。
当該構成によれば、圧電素子の製造過程において、第１電極および第３電極は同一の素材を用いて、共通のプロセス（パターニング）の中で形成されるため、これら電極を効率的に製造することができる。
【０００９】
隣り合う第１電極と第１電極との間の部分は、非能動部（変位しない部分）の一部であるが、この非能動部の厚みや構成が第１電極の組毎に異なると、圧電素子の変位量に異なる影響を与え得る。そこで本発明の態様の一つとして、液滴を噴射する圧力発生室に対応した隣り合う２つの第１電極の組の全てにおいて、第１電極間に前記第２電極および第３電極が積層されている構成としてもよい。
当該構成によれば、液滴を噴射する圧力発生室に対応した隣り合う２つの第１電極の組の全てにおいて、第１電極間に前記第２電極および第３電極からなる共通電極が形成されているため、各圧電素子の変位量が均一化される。
【００１０】
ここで、前記基板には振動板が積層されており、振動板に対して前記圧電体層の一部、第１電極および第３電極が接して形成されている。圧電素子の製造過程において、成膜した圧電体層をエッチングによりパターニングする際、圧電体層の下地が圧電体層と似た性質を持った素材（振動板）であると、オーバーエッチングにより当該下地まで削ってしまう虞がある。そこで本発明の態様の一つとして、第１電極間の第３電極は、両側の第１電極に対応した圧電体層間を接続する状態で形成される構成としてもよい。
当該構成によれば、エッチングで除去される圧電体層の範囲に対して第３電極が下地の役割を果たし、上述したようなオーバーエッチングにより振動板の一部が削れてしまうことを防止するため、良好な液体噴射特性が実現される。
【００１１】
本発明の態様の一つは、前記圧電体層の第１電極と第３電極に挟まれた部分の膜厚は、前記第１電極、圧電体層および第２電極の積層方向における圧電体層の膜厚よりも厚い構成としてもよい。
上記積層方向における圧電体層の膜厚は、通常、第１‐第２電極間の短絡を回避できる程度の厚みで形成されるため、当該膜厚よりも圧電体層の第１電極と第３電極に挟まれた部分の膜厚を厚く形成すれば、第１‐第３電極間の短絡回避の確実性が増す。
【００１２】
本発明の態様の一つは、第１電極間に略対応する振動板の領域の厚みが当該振動板の他の領域の厚みよりも薄く形成され、当該薄く形成した領域上に前記第２電極および第３電極が積層されている構成としてもよい。
当該構成によれば、第１電極間に略対応する範囲の振動板上の共通電極が第２電極および第３電極により比較的厚く形成されても、当該範囲の振動板および振動板上の共通電極の合計の厚みの増加を容易に避けられるため、隣接する圧電素子の変位量が低下することを防止できる。
【００１３】
本発明の態様の一つは、前記基板は圧力発生室間を隔てる隔壁を有し、前記第３電極は当該隔壁に対応する位置に形成される構成としてもよい。
当該構成によれば、非能動部を構成する第３電極を上記隔壁に対応する位置に形成するため、圧力発生室に対応する位置における圧電素子の変位を第３電極が妨げることを、的確に防止できる。
【００１４】
本発明にかかる技術的思想は液体噴射ヘッドという形態のみで実現されるものではなく、例えば、上述したいずれかの態様の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置も、一つの発明として把握することができる。また、上述したようないずれかの態様の液体噴射ヘッドの製造過程を含む製造方法の発明も把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。
【図２】記録ヘッドの長手方向に平行な面による断面図である。
【図３】記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図および振動板上の一部領域を示す平面図である。
【図４】記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。
【図５】記録ヘッドの長手方向に平行な面による一部断面図である。
【図６】比較例としての、記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。
【図７】第２実施形態にかかる記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図および振動板上の一部領域を示す平面図である。
【図８】第３実施形態にかかる記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。
【図９】第４実施形態にかかる記録ヘッドの振動板上の一部領域を示す平面図である。
【図１０】インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
１．第１実施形態
図１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（以下、記録ヘッド１）の概略を、分解斜視図により示している。
図２は、記録ヘッド１における圧力発生室１２の長手方向に平行な面による断面図を示している。
記録ヘッド１は、基板（流路形成基板）１０を備える。基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方側の面には、酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。基板１０には、隔壁１１によって区画されて一方側の面が弾性膜５０で閉じられた複数の圧力発生室１２が、その短手方向（幅方向）に並設されている。
【００１７】
基板１０には、圧力発生室１２の長手方向の一端側に、隔壁１１によって区画されて各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する。
【００１８】
インク供給路１３は、上記幅方向における断面積が圧力発生室１２よりも狭くなるように形成されており、連通部１５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、インク供給路１３の断面積は、上記幅方向において絞るのではなく、基板１０の厚さ方向において絞ることで、圧力発生室１２の断面積よりも狭くなるようにしてもよい。基板１０の材料としては、シリコン単結晶基板に限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いても良い。
【００１９】
基板１０の、弾性膜５０が形成される面とは逆側の面には、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。ノズルプレート２０においては、各圧力発生室１２に対応して、上記長手方向の他端側近傍に連通するノズル開口２１が穿設されている。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。
【００２０】
弾性膜５０の、基板１０とは逆側の面には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。弾性膜５０および絶縁体膜５５を合せて、振動板とも呼ぶ。更に、絶縁体膜５５上には、第１電極としての下電極膜６０と、圧電体層７０と、第２電極としての上電極膜８０とを有する圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０が重なった範囲を含む。また、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。さらに、振動板の圧電素子３００が形成される側には、コンプライアンス基板４０が固着された保護基板３０が固着されている。本実施形態では、記録ヘッド１のコンプライアンス基板４０側を上側、ノズルプレート２０側を下側として適宜説明を行なう。
【００２１】
次に、本実施形態にかかる圧電素子３００および圧電素子３００間の構造について詳しく説明する。
図３（ａ）は、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図であり、図３（ｂ）は、記録ヘッド１の圧電素子３００が形成された振動板上の一部領域を上面から示した平面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）におけるＡ‐Ａ線による断面を示しており、複数の圧電素子３００が並んでいる。
さらに図４は、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図であり、図３（ｂ）におけるＢ‐Ｂ線による断面を示している。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、弾性膜５０の下方には、隔壁１１が一定間隔で上記幅方向に並んでおり、隔壁１１に挟まれた空間が一つの圧力発生室１２に該当する。各圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられ、各圧電素子３００の個別電極を構成している。また図２に示すように下電極膜６０は、上記長手方向の一端側において圧力発生室１２外まで延設されており、下電極膜６０の圧力発生室１２の外側の領域で露出した部分に対し、例えば、金（Ａｕ）等からなる図１および図２に示すリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。一方、上記長手方向の他端側の下電極膜６０の端部は、例えば、圧力発生室１２に対向する領域内に位置している（図２）。なお、下電極膜６０とリード電極９０との接続態様は、図１および図２に示すものと、図３（ｂ）および後述の図５に示すものとで異なっているが、どちらの態様を採用することも可能である。
【００２３】
ここで、本実施形態の特徴の一つは、図３（ａ），（ｂ）および図４に示すように、第３電極としての共通下電極膜６５が形成されることにある。共通下電極膜６５は、後述するように、上電極膜８０と接して実質的に各圧電素子３００の共通電極の一部として機能することから“共通”という語を付して表現している。共通下電極膜６５は、下電極膜６０と同一の素材で形成される。下電極膜６０と共通下電極膜６５は、絶縁体膜５５上において、上記幅方向に交互に形成され、共通下電極膜６５は、隔壁１１に対応する領域内に形成される。言い換えると、共通下電極膜６５は、上記幅方向に並ぶ圧力発生室１２毎に対応する圧電素子３００間の少なくとも一部の範囲に形成されている。図３（ｂ）においては、下電極膜６０が形成される範囲と共通下電極膜６５が形成される範囲とを、それぞれ鎖線で囲んで示している。
【００２４】
また、図３（ｂ）では、圧電体層７０が形成される範囲を２点鎖線で囲んで示している。図３（ａ），（ｂ）に示すように、圧電体層７０は、圧電素子３００毎の各下電極膜６０に亘ってそれらを略覆いつつ、各共通下電極膜６５の上面側および各スルーホール７０ａに相当する範囲が除去されている。各スルーホール７０ａは、図３（ｂ）に示すように各下電極膜６０の上記長手方向の両端まで覆う圧電体層７０を、各下電極膜６０の上記長手方向の一端側近傍において各下電極膜６０まで貫通する孔である。図５に示すように、例えば、金（Ａｕ）等からなる上記リード電極９０を、各下電極膜６０に対応して圧電体層７０に形成された各スルーホール７０ａを通過させて各下電極膜６０に接続するとしてもよい。図５は、記録ヘッド１の上記長手方向に平行な面による一部断面図であって、図２に示したリード電極９０と下電極膜６０との接続態様とは異なる例を示している。
【００２５】
また、図３（ｂ）では、上電極膜８０が形成される範囲を実線で囲んで示している。上電極膜８０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域および複数の隔壁１１に対向する領域に連続的に形成されて各圧電素子３００の共通電極を構成している。上述したように、圧電体層７０は共通下電極膜６５の上面側においては除去されているため、隔壁１１に対向する領域では上電極膜８０は共通下電極膜６５の上面に対して積層される。よって、共通下電極膜６５は、上電極膜８０と一体となって各圧電素子３００の共通電極として機能する。上電極膜８０については、共通電極の一部を構成することから、共通上電極膜と呼ぶこともできる。また、上電極膜８０は、上記長手方向の一端側において、圧電体層７０の一部（図１および図２の例では、圧電体層７０および下電極膜６０の一部）を露出させ、上記長手方向の他端側において、圧電体層７０の一部を、略矩形の上電極膜開口８０ａを介して露出させている（図４も適宜参照のこと）。
【００２６】
図３（ｂ）から判るように、圧電素子３００間において積層された共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる電極膜は、両側の圧電素子３００の能動部（下電極膜６０、圧電体層７０および上電極膜８０が重なった範囲）を超えて上記長手方向の他端側に延出することで、圧電素子３００間の領域から該他端側へ引き出された格好となっている。そして、各圧電素子３００間から引き出されたこれら電極膜の先端は、該他端側に引き廻された上電極膜８０の一部と連結し、この結果、上電極膜８０および各共通下電極膜６５が一つの共通電極を構成している。このような共通電極の厚みは、図３（ａ）から明らかなように、各圧電素子３００を構成する圧電体層７０上では（上電極膜８０のみであるため）薄く、各圧電素子３００間では（共通下電極膜６５および上電極膜８０からなるため）厚く形成されている。
【００２７】
図１および図２に戻って説明を続ける。
圧電素子３００が形成された振動板上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部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。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。また、保護基板３０には、基板１０の連通部１５に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。リザーバ部３２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の幅方向に沿って設けられており、上述したように基板１０の連通部１５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。
【００２８】
更に、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、リード電極９０の端部がこの貫通孔３３内に露出されている。そして、図示しないが、下電極膜６０及びリード電極９０は、貫通孔３３内に延設される接続配線によって圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等に接続される。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、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。
【００２９】
保護基板３０上には、更に、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のリザーバ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。
【００３０】
このような記録ヘッド１では、図示しない外部インク供給手段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、図示しない駆動ＩＣ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圧電素子３００に電圧を印加し、圧電素子３００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。
【００３１】
次に、記録ヘッド１の製造方法の一例を説明する。
例えば、シリコン単結晶基板である基板１０上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる弾性膜５０および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる絶縁体膜５５を形成（特開２００５‐８８４１号公報等参照）する。そして、例えば、スパッタ法等により白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより、電極膜（下電極膜６０および共通下電極膜６５に相当する部分を含む電極膜）を成膜後、当該電極膜を所定形状に（図３，４等に示した下電極膜６０および共通下電極膜６５が残るように）パターニングする。
【００３２】
次に、例えば、圧電体層７０を、絶縁体膜５５、下電極膜６０および共通下電極膜６５の全面にいわゆるゾル−ゲル法等を用いて形成した後、図３，４等に示した形状にて各圧力発生室１２に対向する下電極膜６０の表面略全体を覆うようにパターニングする。なお、圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えばスパッタリング法で形成してもよい。また、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料が好適であるが、非鉛系のペロブスカイト型酸化物等を含む圧電体層７０を形成してもよい。次いで、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を、絶縁体膜５５、下電極膜６０、共通下電極膜６５および圧電体層７０の全面に形成した後、図３，４等に示した形状にて圧電体層７０や共通下電極膜６５を覆うようにパターニングする。その後は、圧電素子３００側への保護基板３０の接合、基板１０のエッチングによる圧力発生室１２等の形成、基板１０へのノズルプレート２０の接合、保護基板３０上へのコンプライアンス基板４０の接合といった各工程を経て、記録ヘッド１となる。
【００３３】
本実施形態による効果：
このように本実施形態によれば、各圧電素子３００の共通電極は、圧電素子３００間（下電極膜６０間）においては、共通下電極膜６５および上電極膜８０によって構成されるため、厚みを比較的厚く形成することができ、その結果、共通電極における配線抵抗を下げることができる。そのため、複数の圧電素子３００を同時に駆動して複数のノズル開口２１からインク（液体）を噴射させるときでも、電圧降下を抑制し、圧電素子３００毎の変位量のばらつきが抑えられ、良好なインク噴射特性（各ノズル開口２１からの均一的なインク吐出）が実現される。同時に、各圧電素子３００の共通電極は、圧電素子３００を構成する圧電体層７０上では上電極膜８０によって構成されるため、厚みを比較的薄く形成することができ、その結果、圧電素子３００の変位量向上に寄与する。
【００３４】
また本実施形態によれば、圧電素子３００間（下電極膜６０間）における振動板の膜厚を均一化し易いため、各圧電素子３００に対応する振動板の変位特性が均一化される。詳しく説明すると、成膜した圧電体層７０をエッチングによりパターニングする際、除去される圧電体層７０の下地が圧電体層７０と似た性質を持った素材であると、オーバーエッチングにより当該下地まで削ってしまう虞がある。具体的には、振動板を構成する絶縁体膜５５は酸化物であるため、同様に酸化物である圧電体層７０に対して直接の下地となっている場合には、圧電体層７０に対するエッチング時に併せて削れてしまう場合がある。振動板が不必要に（かつ不均一に）削れてしまうと、圧電素子７０の変位に伴う振動板の変位量に影響が生じ、各ノズル開口２１からの均一な液体噴射を担保できない。本実施形態では、エッチングにより除去される圧電体層７０の下地が共通下電極膜６５となっているため、上述したようなオーバーエッチングによる絶縁体膜５５の削れが防止され、結果的に、膜厚が均一な振動板が得られる。
【００３５】
ここで、比較例としての図６（上記幅方向に平行な面による記録ヘッドの一部断面図）に示すように、絶縁体膜５５上に形成される共通下電極膜６５の上記幅方向における長さが、所定膜厚で下電極膜６０をそれぞれ覆う両側の圧電体層７０間を接続するために必要な長さを有していない場合、圧電体層７０のエッチング後において共通下電極膜６５と両側の圧電体層７０との間に隙間が生じることを許容することとなる。このような隙間が発生するということは、同時に、図６においてＣで指し示した絶縁体膜５５の箇所が上記オーバーエッチングにより削られる虞があることを意味する。本実施形態では、特に図３（ａ）および図４に示したように、圧電素子３００間の共通下電極膜６５は、両側の圧電素子３００を構成するエッチング後の圧電体層７０間を接続する形状にパターニングされている。言い換えると、各共通下電極膜６５の上記長手方向に沿う両側面は、両側の圧電体層７０に接している。そのため、図６に示したような隙間が生じることは無く、結果、膜厚が均一な振動板が得られ易い。
【００３６】
さらに本実施形態では、図３（ａ），（ｂ）に示したように、インク滴を噴射する圧力発生室１２に対応した隣り合う２つの圧電素子３００（下電極膜６０）の組の全てにおいて、圧電素子３００（下電極膜６０）間に共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる共通電極を形成している。つまり、隣り合う圧電素子３００と圧電素子３００との間の部分は、その厚みや構成が圧電素子３００の組毎に異なると、各圧電素子３００の変位量に異なる影響を与え得るが、上述の構成によれば、圧電素子３００間の構成は全て同じであるため、各圧電素子３００の変位量が均一化される。
【００３７】
さらに本実施形態では、圧電体層７０の下電極膜６０と共通下電極膜６５に挟まれた部分の膜厚（図３（ａ）における“β”）は、下電極膜６０、圧電体層７０および上電極膜８０の積層方向における圧電体層７０の膜厚（図３（ａ）における“α”）よりも厚く形成する。上記積層方向における圧電体層７０の膜厚αは、通常、下電極膜６０‐上電極膜８０間の短絡を回避できる程度の厚みで形成される。そのため、上記膜厚αよりも上記膜厚βを厚く形成すれば、下電極膜６０‐共通下電極膜６５間の短絡も回避することができる。
【００３８】
さらに本発実施形態では、上述したように、共通下電極膜６５を振動板上における隔壁１１に対応する範囲内に形成している。共通下電極膜６５をかかる範囲内に形成することで、圧力発生室１２に対応する位置で変位する圧電素子３００や振動板の動きを共通下電極膜６５が妨げてしまうことを極力回避することができる。
【００３９】
本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下に述べるような実施形態も可能である。各実施形態を適宜組み合わせた内容も、本発明の開示範囲である。
以下では、上述の実施形態（第１実施形態）と異なる点について説明し、第１実施形態と共通する構成や作用は説明を省略する。
【００４０】
２．第２実施形態
上述したように、共通下電極膜６５は、上記幅方向に並ぶ圧電素子３００間の少なくとも一部の範囲に形成されている。これは言い換えると、上記幅方向に並ぶ圧電素子３００と圧電素子３００との間の領域の一部においては共通下電極膜６５は形成されていなくてもよい、と解釈できる。かかる解釈を具体化した一例として図７（ａ），（ｂ）を示す。図７（ａ）は、図３（ａ）と同様に、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図であり、図７（ｂ）は、図３（ｂ）と同様に、記録ヘッド１の振動板上の一部領域を上面から示した平面図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）におけるＡ‐Ａ線による断面を示している。
【００４１】
図７（ｂ）に示すように、圧電素子３００間において絶縁体膜５５上で共通下電極膜６５と上電極膜８０とが重なる領域の略中央に、開口８０ｂが形成されている。開口８０ｂに囲まれた範囲では、図７（ａ）に示すように共通下電極膜６５および上電極膜８０が除去されており、絶縁体膜５５の表面が露出している。なお開口８０ｂの周縁では、共通下電極膜６５と上電極膜８０とが重なる領域が確保されており、当該重なる領域が上記長手方向の他端側へ引き出されているため、共通電極としての機能は担保されている。このような開口８０ｂを設けることで、圧電素子３００間の領域の一部をより薄く構成することができ、共通下電極膜６５と上電極膜８０とが重なる領域が存在することによる共通電極の低抵抗化とともに、圧電素子３００の変位量向上が図られる。なお、圧電素子３００間の領域の一部をより薄くして上記変位量を向上させるという視点に立てば、必ずしも当該領域の一部で共通下電極膜６５および上電極膜８０を完全に除去する必要はなく、当該一部の領域で共通下電極膜６５及び又は上電極膜８０の厚さを、当該領域の他部よりも薄く形成するとしてもよい。
【００４２】
３．第３実施形態
図８は、図３（ａ）や図７（ａ）と同様に、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図である。図８に示した例では、圧電素子３００（下電極膜６０）間に略対応する振動板の領域の厚みが、振動板の他の領域の厚みよりも薄く形成されている。具体的には、圧電素子３００（下電極膜６０）間に略対応する絶縁体膜５５の領域の厚みが薄く形成されている。そして、当該薄く形成された領域上に、共通下電極膜６５が形成され、さらに共通下電極膜６５の上面に上電極膜８０が積層されている。つまり、絶縁体膜５５を一部薄く形成した領域に共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる共通電極を形成したため、圧電素子３００間における共通電極の厚みを確保しながらも共通電極と振動板とを合わせた厚みの増加を抑えることができ、結果、隣接する圧電素子３００の変位量の低下を的確に防止できる。なお、当該第３実施形態を実現する際には、絶縁体膜５５の一部領域を図８に示したように薄くエッチングする工程が必要となる。
【００４３】
４．第４実施形態
図９は、図３（ｂ）や図７（ｂ）と同様に、記録ヘッド１の振動板上の一部領域を上面から示した平面図である。図９に示した例では、圧電素子３００間毎に形成された共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる電極膜のうち、一部の電極膜が（図９の例では、一つおきに）上記長手方向の他端側に延出している。そして、このように飛び飛びの圧電素子３００間から引き出された電極膜の先端が、該他端側に引き廻された上電極膜８０の一部（８１）と連結している。この場合、上記長手方向の他端側において圧電体層７０の一部を露出させる略矩形の上電極膜開口８０ａは、複数（図９の例では二つ）の圧電素子３００に亘って連続して形成されている。つまり、必ずしも圧電素子３００間毎に形成された共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる電極膜の全てが上記長手方向の他端側に延出して上電極膜８０の一部（８１）と連結されている必要はない。
【００４４】
５．その他の実施形態
上述した記録ヘッド１は、インクカートリッジ等と連通するインク流路を備える記録ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置に搭載される。図１０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。図１０に示すように、記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ，２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ，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，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。そして、駆動モータ６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，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って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上を搬送されるようになっている。
【００４５】
なお、上述した実施形態においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッドは、上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの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もの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。
【符号の説明】
【００４６】
１…記録ヘッド、１Ａ，１Ｂ…記録ヘッドユニット、２Ａ，２Ｂ…カートリッジ、３…キャリッジ、４…装置本体、５…キャリッジ軸、６…駆動モータ、７…タイミングベルト、８…プラテン、１０…基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室、１３…インク供給路、１４…連通路、１５…連通部、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、３０…保護基板、３１…圧電素子保持部、３２…リザーバ部、３３…貫通孔、３５…接着剤、４０…コンプライアンス基板、４１…封止膜、４２…固定板、４３…開口部、５０…弾性膜、５５…絶縁体膜、６０…下電極膜、６５…共通下電極膜、７０…圧電体層、７０ａ…スルーホール、８０…上電極膜、８０ａ…上電極膜開口、８０ｂ…開口、９０…リード電極、１００…リザーバ、３００…圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を噴射するためのノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、圧電体層、圧電体層の下方側に形成された下電極および圧電体層の上方側に形成された上電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドが知られている（特許文献１，２参照）。
ここで、圧電体層は数μｍ程度と薄く形成されているため、湿気等の外的要因（圧電体層の側面への水分の付着あるいは圧電体層への水分の浸入等）により、上電極と下電極とが短絡等して圧電体層に絶縁破壊が起こり得るという問題がある。このような外的要因への対策として、特許文献１では、下電極の上面および端面を覆う圧電体層の上面および端面を上電極によって覆う構成を採用しており、また、特許文献２では、複数の圧電素子を構成する各圧電体層を複数の圧電素子の共通電極となる上電極がまとめて覆う構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５‐８８４４１号公報
【特許文献２】特開２０１０‐１４９３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、圧電素子の変位量を向上させるためには、圧電体層上の上電極の膜厚をできるだけ薄く形成することが効果的である。しかしながら、共通電極である上電極の膜厚を薄くすると、共通電極の配線抵抗を増加させてしまう。このような配線抵抗の増加は、複数の圧電素子を同時に駆動して複数のノズル開口から液体を噴射させるときに、大きな電圧降下を引き起こし、圧電素子毎の変位量をばらつかせてしまう。このようなばらつきは、ノズル開口毎の液体噴射量のばらつきとして表れる。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、圧電素子の変位量を向上させ、さらに圧電素子毎の変異量のばらつきを抑えて良好な液体噴射特性を実現することが可能な液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様の一つは、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、前記圧力発生室に対応して形成された第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、前記第１電極間に形成された第３電極を備え、前記第２電極が前記第３電極に積層されている構成としてある。
【０００７】
当該構成によれば、共通電極は第２電極および第３電極によって構成されるため、圧電体層上の共通電極部分は第２電極のみで比較的薄く形成し、第１電極間の共通電極部分は第２電極および第３電極により比較的厚く形成することができる。そのため、圧電素子の変位量を高く保持しつつ共通電極における配線抵抗を下げることができ、圧電素子毎の変異量のばらつきを抑えた良好な液体噴射特性を実現することができる。
【０００８】
本発明の態様の一つは、前記第３電極は、前記第１電極と同じ素材で形成されている構成としてもよい。
当該構成によれば、圧電素子の製造過程において、第１電極および第３電極は同一の素材を用いて、共通のプロセス（パターニング）の中で形成されるため、これら電極を効率的に製造することができる。
【０００９】
隣り合う第１電極と第１電極との間の部分は、非能動部（変位しない部分）の一部であるが、この非能動部の厚みや構成が第１電極の組毎に異なると、圧電素子の変位量に異なる影響を与え得る。そこで本発明の態様の一つとして、液滴を噴射する圧力発生室に対応した隣り合う２つの第１電極の組の全てにおいて、第１電極間に前記第２電極および第３電極が積層されている構成としてもよい。
当該構成によれば、液滴を噴射する圧力発生室に対応した隣り合う２つの第１電極の組の全てにおいて、第１電極間に前記第２電極および第３電極からなる共通電極が形成されているため、各圧電素子の変位量が均一化される。
【００１０】
ここで、前記基板には振動板が積層されており、振動板に対して前記圧電体層の一部、第１電極および第３電極が接して形成されている。圧電素子の製造過程において、成膜した圧電体層をエッチングによりパターニングする際、圧電体層の下地が圧電体層と似た性質を持った素材（振動板）であると、オーバーエッチングにより当該下地まで削ってしまう虞がある。そこで本発明の態様の一つとして、第１電極間の第３電極は、両側の第１電極に対応した圧電体層間を接続する状態で形成される構成としてもよい。
当該構成によれば、エッチングで除去される圧電体層の範囲に対して第３電極が下地の役割を果たし、上述したようなオーバーエッチングにより振動板の一部が削れてしまうことを防止するため、良好な液体噴射特性が実現される。
【００１１】
本発明の態様の一つは、前記圧電体層の第１電極と第３電極に挟まれた部分の膜厚は、前記第１電極、圧電体層および第２電極の積層方向における圧電体層の膜厚よりも厚い構成としてもよい。
上記積層方向における圧電体層の膜厚は、通常、第１‐第２電極間の短絡を回避できる程度の厚みで形成されるため、当該膜厚よりも圧電体層の第１電極と第３電極に挟まれた部分の膜厚を厚く形成すれば、第１‐第３電極間の短絡回避の確実性が増す。
【００１２】
本発明の態様の一つは、第１電極間に略対応する振動板の領域の厚みが当該振動板の他の領域の厚みよりも薄く形成され、当該薄く形成した領域上に前記第２電極および第３電極が積層されている構成としてもよい。
当該構成によれば、第１電極間に略対応する範囲の振動板上の共通電極が第２電極および第３電極により比較的厚く形成されても、当該範囲の振動板および振動板上の共通電極の合計の厚みの増加を容易に避けられるため、隣接する圧電素子の変位量が低下することを防止できる。
【００１３】
本発明の態様の一つは、前記基板は圧力発生室間を隔てる隔壁を有し、前記第３電極は当該隔壁に対応する位置に形成される構成としてもよい。
当該構成によれば、非能動部を構成する第３電極を上記隔壁に対応する位置に形成するため、圧力発生室に対応する位置における圧電素子の変位を第３電極が妨げることを、的確に防止できる。
【００１４】
本発明にかかる技術的思想は液体噴射ヘッドという形態のみで実現されるものではなく、例えば、上述したいずれかの態様の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置も、一つの発明として把握することができる。また、上述したようないずれかの態様の液体噴射ヘッドの製造過程を含む製造方法の発明も把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。
【図２】記録ヘッドの長手方向に平行な面による断面図である。
【図３】記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図および振動板上の一部領域を示す平面図である。
【図４】記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。
【図５】記録ヘッドの長手方向に平行な面による一部断面図である。
【図６】比較例としての、記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。
【図７】第２実施形態にかかる記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図および振動板上の一部領域を示す平面図である。
【図８】第３実施形態にかかる記録ヘッドの幅方向に平行な面による一部断面図である。
【図９】第４実施形態にかかる記録ヘッドの振動板上の一部領域を示す平面図である。
【図１０】インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
１．第１実施形態
図１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（以下、記録ヘッド１）の概略を、分解斜視図により示している。
図２は、記録ヘッド１における圧力発生室１２の長手方向に平行な面による断面図を示している。
記録ヘッド１は、基板（流路形成基板）１０を備える。基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方側の面には、酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。基板１０には、隔壁１１によって区画されて一方側の面が弾性膜５０で閉じられた複数の圧力発生室１２が、その短手方向（幅方向）に並設されている。
【００１７】
基板１０には、圧力発生室１２の長手方向の一端側に、隔壁１１によって区画されて各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する。
【００１８】
インク供給路１３は、上記幅方向における断面積が圧力発生室１２よりも狭くなるように形成されており、連通部１５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、インク供給路１３の断面積は、上記幅方向において絞るのではなく、基板１０の厚さ方向において絞ることで、圧力発生室１２の断面積よりも狭くなるようにしてもよい。基板１０の材料としては、シリコン単結晶基板に限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いても良い。
【００１９】
基板１０の、弾性膜５０が形成される面とは逆側の面には、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。ノズルプレート２０においては、各圧力発生室１２に対応して、上記長手方向の他端側近傍に連通するノズル開口２１が穿設されている。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。
【００２０】
弾性膜５０の、基板１０とは逆側の面には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。弾性膜５０および絶縁体膜５５を合せて、振動板とも呼ぶ。更に、絶縁体膜５５上には、第１電極としての下電極膜６０と、圧電体層７０と、第２電極としての上電極膜８０とを有する圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０が重なった範囲を含む。また、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。さらに、振動板の圧電素子３００が形成される側には、コンプライアンス基板４０が固着された保護基板３０が固着されている。本実施形態では、記録ヘッド１のコンプライアンス基板４０側を上側、ノズルプレート２０側を下側として適宜説明を行なう。
【００２１】
次に、本実施形態にかかる圧電素子３００および圧電素子３００間の構造について詳しく説明する。
図３（ａ）は、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図であり、図３（ｂ）は、記録ヘッド１の圧電素子３００が形成された振動板上の一部領域を上面から示した平面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）におけるＡ‐Ａ線による断面を示しており、複数の圧電素子３００が並んでいる。
さらに図４は、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図であり、図３（ｂ）におけるＢ‐Ｂ線による断面を示している。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、弾性膜５０の下方には、隔壁１１が一定間隔で上記幅方向に並んでおり、隔壁１１に挟まれた空間が一つの圧力発生室１２に該当する。各圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられ、各圧電素子３００の個別電極を構成している。また図２に示すように下電極膜６０は、上記長手方向の一端側において圧力発生室１２外まで延設されており、下電極膜６０の圧力発生室１２の外側の領域で露出した部分に対し、例えば、金（Ａｕ）等からなる図１および図２に示すリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。一方、上記長手方向の他端側の下電極膜６０の端部は、例えば、圧力発生室１２に対向する領域内に位置している（図２）。なお、下電極膜６０とリード電極９０との接続態様は、図１および図２に示すものと、図３（ｂ）および後述の図５に示すものとで異なっているが、どちらの態様を採用することも可能である。
【００２３】
ここで、本実施形態の特徴の一つは、図３（ａ），（ｂ）および図４に示すように、第３電極としての共通下電極膜６５が形成されることにある。共通下電極膜６５は、後述するように、上電極膜８０と接して実質的に各圧電素子３００の共通電極の一部として機能することから“共通”という語を付して表現している。共通下電極膜６５は、下電極膜６０と同一の素材で形成される。下電極膜６０と共通下電極膜６５は、絶縁体膜５５上において、上記幅方向に交互に形成され、共通下電極膜６５は、隔壁１１に対応する領域内に形成される。言い換えると、共通下電極膜６５は、上記幅方向に並ぶ圧力発生室１２毎に対応する圧電素子３００間の少なくとも一部の範囲に形成されている。図３（ｂ）においては、下電極膜６０が形成される範囲と共通下電極膜６５が形成される範囲とを、それぞれ鎖線で囲んで示している。
【００２４】
また、図３（ｂ）では、圧電体層７０が形成される範囲を２点鎖線で囲んで示している。図３（ａ），（ｂ）に示すように、圧電体層７０は、圧電素子３００毎の各下電極膜６０に亘ってそれらを略覆いつつ、各共通下電極膜６５の上面側および各スルーホール７０ａに相当する範囲が除去されている。各スルーホール７０ａは、図３（ｂ）に示すように各下電極膜６０の上記長手方向の両端まで覆う圧電体層７０を、各下電極膜６０の上記長手方向の一端側近傍において各下電極膜６０まで貫通する孔である。図５に示すように、例えば、金（Ａｕ）等からなる上記リード電極９０を、各下電極膜６０に対応して圧電体層７０に形成された各スルーホール７０ａを通過させて各下電極膜６０に接続するとしてもよい。図５は、記録ヘッド１の上記長手方向に平行な面による一部断面図であって、図２に示したリード電極９０と下電極膜６０との接続態様とは異なる例を示している。
【００２５】
また、図３（ｂ）では、上電極膜８０が形成される範囲を実線で囲んで示している。上電極膜８０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域および複数の隔壁１１に対向する領域に連続的に形成されて各圧電素子３００の共通電極を構成している。上述したように、圧電体層７０は共通下電極膜６５の上面側においては除去されているため、隔壁１１に対向する領域では上電極膜８０は共通下電極膜６５の上面に対して積層される。よって、共通下電極膜６５は、上電極膜８０と一体となって各圧電素子３００の共通電極として機能する。上電極膜８０については、共通電極の一部を構成することから、共通上電極膜と呼ぶこともできる。また、上電極膜８０は、上記長手方向の一端側において、圧電体層７０の一部（図１および図２の例では、圧電体層７０および下電極膜６０の一部）を露出させ、上記長手方向の他端側において、圧電体層７０の一部を、略矩形の上電極膜開口８０ａを介して露出させている（図４も適宜参照のこと）。
【００２６】
図３（ｂ）から判るように、圧電素子３００間において積層された共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる電極膜は、両側の圧電素子３００の能動部（下電極膜６０、圧電体層７０および上電極膜８０が重なった範囲）を超えて上記長手方向の他端側に延出することで、圧電素子３００間の領域から該他端側へ引き出された格好となっている。そして、各圧電素子３００間から引き出されたこれら電極膜の先端は、該他端側に引き廻された上電極膜８０の一部と連結し、この結果、上電極膜８０および各共通下電極膜６５が一つの共通電極を構成している。このような共通電極の厚みは、図３（ａ）から明らかなように、各圧電素子３００を構成する圧電体層７０上では（上電極膜８０のみであるため）薄く、各圧電素子３００間では（共通下電極膜６５および上電極膜８０からなるため）厚く形成されている。
【００２７】
図１および図２に戻って説明を続ける。
圧電素子３００が形成された振動板上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部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。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。また、保護基板３０には、基板１０の連通部１５に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。リザーバ部３２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の幅方向に沿って設けられており、上述したように基板１０の連通部１５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。
【００２８】
更に、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、リード電極９０の端部がこの貫通孔３３内に露出されている。そして、図示しないが、下電極膜６０及びリード電極９０は、貫通孔３３内に延設される接続配線によって圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等に接続される。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、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。
【００２９】
保護基板３０上には、更に、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のリザーバ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。
【００３０】
このような記録ヘッド１では、図示しない外部インク供給手段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、図示しない駆動ＩＣ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圧電素子３００に電圧を印加し、圧電素子３００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。
【００３１】
次に、記録ヘッド１の製造方法の一例を説明する。
例えば、シリコン単結晶基板である基板１０上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる弾性膜５０および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる絶縁体膜５５を形成（特開２００５‐８８４１号公報等参照）する。そして、例えば、スパッタ法等により白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより、電極膜（下電極膜６０および共通下電極膜６５に相当する部分を含む電極膜）を成膜後、当該電極膜を所定形状に（図３，４等に示した下電極膜６０および共通下電極膜６５が残るように）パターニングする。
【００３２】
次に、例えば、圧電体層７０を、絶縁体膜５５、下電極膜６０および共通下電極膜６５の全面にいわゆるゾル−ゲル法等を用いて形成した後、図３，４等に示した形状にて各圧力発生室１２に対向する下電極膜６０の表面略全体を覆うようにパターニングする。なお、圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えばスパッタリング法で形成してもよい。また、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料が好適であるが、非鉛系のペロブスカイト型酸化物等を含む圧電体層７０を形成してもよい。次いで、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を、絶縁体膜５５、下電極膜６０、共通下電極膜６５および圧電体層７０の全面に形成した後、図３，４等に示した形状にて圧電体層７０や共通下電極膜６５を覆うようにパターニングする。その後は、圧電素子３００側への保護基板３０の接合、基板１０のエッチングによる圧力発生室１２等の形成、基板１０へのノズルプレート２０の接合、保護基板３０上へのコンプライアンス基板４０の接合といった各工程を経て、記録ヘッド１となる。
【００３３】
本実施形態による効果：
このように本実施形態によれば、各圧電素子３００の共通電極は、圧電素子３００間（下電極膜６０間）においては、共通下電極膜６５および上電極膜８０によって構成されるため、厚みを比較的厚く形成することができ、その結果、共通電極における配線抵抗を下げることができる。そのため、複数の圧電素子３００を同時に駆動して複数のノズル開口２１からインク（液体）を噴射させるときでも、電圧降下を抑制し、圧電素子３００毎の変位量のばらつきが抑えられ、良好なインク噴射特性（各ノズル開口２１からの均一的なインク吐出）が実現される。同時に、各圧電素子３００の共通電極は、圧電素子３００を構成する圧電体層７０上では上電極膜８０によって構成されるため、厚みを比較的薄く形成することができ、その結果、圧電素子３００の変位量向上に寄与する。
【００３４】
また本実施形態によれば、圧電素子３００間（下電極膜６０間）における振動板の膜厚を均一化し易いため、各圧電素子３００に対応する振動板の変位特性が均一化される。詳しく説明すると、成膜した圧電体層７０をエッチングによりパターニングする際、除去される圧電体層７０の下地が圧電体層７０と似た性質を持った素材であると、オーバーエッチングにより当該下地まで削ってしまう虞がある。具体的には、振動板を構成する絶縁体膜５５は酸化物であるため、同様に酸化物である圧電体層７０に対して直接の下地となっている場合には、圧電体層７０に対するエッチング時に併せて削れてしまう場合がある。振動板が不必要に（かつ不均一に）削れてしまうと、圧電素子７０の変位に伴う振動板の変位量に影響が生じ、各ノズル開口２１からの均一な液体噴射を担保できない。本実施形態では、エッチングにより除去される圧電体層７０の下地が共通下電極膜６５となっているため、上述したようなオーバーエッチングによる絶縁体膜５５の削れが防止され、結果的に、膜厚が均一な振動板が得られる。
【００３５】
ここで、比較例としての図６（上記幅方向に平行な面による記録ヘッドの一部断面図）に示すように、絶縁体膜５５上に形成される共通下電極膜６５の上記幅方向における長さが、所定膜厚で下電極膜６０をそれぞれ覆う両側の圧電体層７０間を接続するために必要な長さを有していない場合、圧電体層７０のエッチング後において共通下電極膜６５と両側の圧電体層７０との間に隙間が生じることを許容することとなる。このような隙間が発生するということは、同時に、図６においてＣで指し示した絶縁体膜５５の箇所が上記オーバーエッチングにより削られる虞があることを意味する。本実施形態では、特に図３（ａ）および図４に示したように、圧電素子３００間の共通下電極膜６５は、両側の圧電素子３００を構成するエッチング後の圧電体層７０間を接続する形状にパターニングされている。言い換えると、各共通下電極膜６５の上記長手方向に沿う両側面は、両側の圧電体層７０に接している。そのため、図６に示したような隙間が生じることは無く、結果、膜厚が均一な振動板が得られ易い。
【００３６】
さらに本実施形態では、図３（ａ），（ｂ）に示したように、インク滴を噴射する圧力発生室１２に対応した隣り合う２つの圧電素子３００（下電極膜６０）の組の全てにおいて、圧電素子３００（下電極膜６０）間に共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる共通電極を形成している。つまり、隣り合う圧電素子３００と圧電素子３００との間の部分は、その厚みや構成が圧電素子３００の組毎に異なると、各圧電素子３００の変位量に異なる影響を与え得るが、上述の構成によれば、圧電素子３００間の構成は全て同じであるため、各圧電素子３００の変位量が均一化される。
【００３７】
さらに本実施形態では、圧電体層７０の下電極膜６０と共通下電極膜６５に挟まれた部分の膜厚（図３（ａ）における“β”）は、下電極膜６０、圧電体層７０および上電極膜８０の積層方向における圧電体層７０の膜厚（図３（ａ）における“α”）よりも厚く形成する。上記積層方向における圧電体層７０の膜厚αは、通常、下電極膜６０‐上電極膜８０間の短絡を回避できる程度の厚みで形成される。そのため、上記膜厚αよりも上記膜厚βを厚く形成すれば、下電極膜６０‐共通下電極膜６５間の短絡も回避することができる。
【００３８】
さらに本発実施形態では、上述したように、共通下電極膜６５を振動板上における隔壁１１に対応する範囲内に形成している。共通下電極膜６５をかかる範囲内に形成することで、圧力発生室１２に対応する位置で変位する圧電素子３００や振動板の動きを共通下電極膜６５が妨げてしまうことを極力回避することができる。
【００３９】
本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下に述べるような実施形態も可能である。各実施形態を適宜組み合わせた内容も、本発明の開示範囲である。
以下では、上述の実施形態（第１実施形態）と異なる点について説明し、第１実施形態と共通する構成や作用は説明を省略する。
【００４０】
２．第２実施形態
上述したように、共通下電極膜６５は、上記幅方向に並ぶ圧電素子３００間の少なくとも一部の範囲に形成されている。これは言い換えると、上記幅方向に並ぶ圧電素子３００と圧電素子３００との間の領域の一部においては共通下電極膜６５は形成されていなくてもよい、と解釈できる。かかる解釈を具体化した一例として図７（ａ），（ｂ）を示す。図７（ａ）は、図３（ａ）と同様に、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図であり、図７（ｂ）は、図３（ｂ）と同様に、記録ヘッド１の振動板上の一部領域を上面から示した平面図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）におけるＡ‐Ａ線による断面を示している。
【００４１】
図７（ｂ）に示すように、圧電素子３００間において絶縁体膜５５上で共通下電極膜６５と上電極膜８０とが重なる領域の略中央に、開口８０ｂが形成されている。開口８０ｂに囲まれた範囲では、図７（ａ）に示すように共通下電極膜６５および上電極膜８０が除去されており、絶縁体膜５５の表面が露出している。なお開口８０ｂの周縁では、共通下電極膜６５と上電極膜８０とが重なる領域が確保されており、当該重なる領域が上記長手方向の他端側へ引き出されているため、共通電極としての機能は担保されている。このような開口８０ｂを設けることで、圧電素子３００間の領域の一部をより薄く構成することができ、共通下電極膜６５と上電極膜８０とが重なる領域が存在することによる共通電極の低抵抗化とともに、圧電素子３００の変位量向上が図られる。なお、圧電素子３００間の領域の一部をより薄くして上記変位量を向上させるという視点に立てば、必ずしも当該領域の一部で共通下電極膜６５および上電極膜８０を完全に除去する必要はなく、当該一部の領域で共通下電極膜６５及び又は上電極膜８０の厚さを、当該領域の他部よりも薄く形成するとしてもよい。
【００４２】
３．第３実施形態
図８は、図３（ａ）や図７（ａ）と同様に、記録ヘッド１の上記幅方向に平行な面による一部断面図である。図８に示した例では、圧電素子３００（下電極膜６０）間に略対応する振動板の領域の厚みが、振動板の他の領域の厚みよりも薄く形成されている。具体的には、圧電素子３００（下電極膜６０）間に略対応する絶縁体膜５５の領域の厚みが薄く形成されている。そして、当該薄く形成された領域上に、共通下電極膜６５が形成され、さらに共通下電極膜６５の上面に上電極膜８０が積層されている。つまり、絶縁体膜５５を一部薄く形成した領域に共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる共通電極を形成したため、圧電素子３００間における共通電極の厚みを確保しながらも共通電極と振動板とを合わせた厚みの増加を抑えることができ、結果、隣接する圧電素子３００の変位量の低下を的確に防止できる。なお、当該第３実施形態を実現する際には、絶縁体膜５５の一部領域を図８に示したように薄くエッチングする工程が必要となる。
【００４３】
４．第４実施形態
図９は、図３（ｂ）や図７（ｂ）と同様に、記録ヘッド１の振動板上の一部領域を上面から示した平面図である。図９に示した例では、圧電素子３００間毎に形成された共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる電極膜のうち、一部の電極膜が（図９の例では、一つおきに）上記長手方向の他端側に延出している。そして、このように飛び飛びの圧電素子３００間から引き出された電極膜の先端が、該他端側に引き廻された上電極膜８０の一部（８１）と連結している。この場合、上記長手方向の他端側において圧電体層７０の一部を露出させる略矩形の上電極膜開口８０ａは、複数（図９の例では二つ）の圧電素子３００に亘って連続して形成されている。つまり、必ずしも圧電素子３００間毎に形成された共通下電極膜６５および上電極膜８０からなる電極膜の全てが上記長手方向の他端側に延出して上電極膜８０の一部（８１）と連結されている必要はない。
【００４４】
５．その他の実施形態
上述した記録ヘッド１は、インクカートリッジ等と連通するインク流路を備える記録ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置に搭載される。図１０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。図１０に示すように、記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ，２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ，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，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。そして、駆動モータ６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，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って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上を搬送されるようになっている。
【００４５】
なお、上述した実施形態においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッドは、上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの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もの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。
【符号の説明】
【００４６】
１…記録ヘッド、１Ａ，１Ｂ…記録ヘッドユニット、２Ａ，２Ｂ…カートリッジ、３…キャリッジ、４…装置本体、５…キャリッジ軸、６…駆動モータ、７…タイミングベルト、８…プラテン、１０…基板、１１…隔壁、１２…圧力発生室、１３…インク供給路、１４…連通路、１５…連通部、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、３０…保護基板、３１…圧電素子保持部、３２…リザーバ部、３３…貫通孔、３５…接着剤、４０…コンプライアンス基板、４１…封止膜、４２…固定板、４３…開口部、５０…弾性膜、５５…絶縁体膜、６０…下電極膜、６５…共通下電極膜、７０…圧電体層、７０ａ…スルーホール、８０…上電極膜、８０ａ…上電極膜開口、８０ｂ…開口、９０…リード電極、１００…リザーバ、３００…圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、
前記圧力発生室に対応して形成された第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、
前記第１電極間に形成された第３電極を備え、
前記第２電極が前記第３電極に積層されている、ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記第３電極は、前記第１電極と同じ素材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
液滴を噴射する圧力発生室に対応した隣り合う２つの第１電極の組の全てにおいて、第１電極間に前記第２電極および第３電極が積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記基板に積層された振動板に対して前記圧電体層の一部、第１電極および第３電極が接して形成されており、第１電極間の第３電極は、両側の第１電極に対応した圧電体層間を接続する状態で形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記圧電体層の第１電極と第３電極に挟まれた部分の膜厚は、前記第１電極、圧電体層および第２電極の積層方向における圧電体層の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
前記基板に積層された振動板に対して前記圧電体層の一部、第１電極および第３電極が接して形成されており、第１電極間に略対応する振動板の領域の厚みが当該振動板の他の領域の厚みよりも薄く形成され、当該薄く形成した領域上に前記第２電極および第３電極が積層されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項７】
前記基板は圧力発生室間を隔てる隔壁を有し、前記第３電極は当該隔壁に対応する位置に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【請求項１】
ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された基板と、
前記圧力発生室に対応して形成された第１電極、一方側において第１電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側に形成された第２電極を有する圧電素子と、を備える液体噴射ヘッドであって、
前記第１電極間に形成された第３電極を備え、
前記第２電極が前記第３電極に積層されている、ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記第３電極は、前記第１電極と同じ素材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
液滴を噴射する圧力発生室に対応した隣り合う２つの第１電極の組の全てにおいて、第１電極間に前記第２電極および第３電極が積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記基板に積層された振動板に対して前記圧電体層の一部、第１電極および第３電極が接して形成されており、第１電極間の第３電極は、両側の第１電極に対応した圧電体層間を接続する状態で形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記圧電体層の第１電極と第３電極に挟まれた部分の膜厚は、前記第１電極、圧電体層および第２電極の積層方向における圧電体層の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
前記基板に積層された振動板に対して前記圧電体層の一部、第１電極および第３電極が接して形成されており、第１電極間に略対応する振動板の領域の厚みが当該振動板の他の領域の厚みよりも薄く形成され、当該薄く形成した領域上に前記第２電極および第３電極が積層されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項７】
前記基板は圧力発生室間を隔てる隔壁を有し、前記第３電極は当該隔壁に対応する位置に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１１１８１９（Ｐ２０１３−１１１８１９Ａ）
【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２０１１−２５９１９１（Ｐ２０１１−２５９１９１）
【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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