JP5429482B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、例えば、撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。

このようなインクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子は、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある（特許文献１参照）。

特開２００３−１２７３６６号公報

このような圧電素子では、電圧の印加時に圧電体層に応力がかかり、その際に圧電体層にクラックが生じる場合があるという問題を有する。特に、金属酸化物の粒子を焼結して形成するいわゆるバルクの圧電体層とは異なり、圧電体層が溶液法やＣＶＤ法など薄膜成膜法によって形成される薄膜の場合は、圧電体層にかかる応力が強大になるので、このクラックの発生の問題が顕著になる。なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに限定されず、他の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層に生じるクラックの発生が抑制された液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室側から順に、第１電極と、前記第１電極上に形成され鉛、ジルコニウム及びチタンを含む圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備し、前記圧電体層の前記第２電極側表面のグレイン間に存在する溝部が、０＜ｄ／ρ≦０．９００（ｄ：溝部の深さ、ｗ：溝部の幅、ρ：曲率半径（ｄ^２＋ｗ^２／４）／２ｄ）を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

そして、前記圧電体層の厚さは６μｍ以下であってもよい。圧電体層の厚さが薄いほど圧電体層にかかる応力が強大になってクラックが発生し易くなるが、本構成によれば、６μｍ以下の薄い圧電体層としても、クラックの発生を抑制することができる。

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、圧電体層に生じるクラックの発生が抑制された圧電素子を有する液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置を実現できる。

本発明の実施形態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。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。 圧電体層の要部拡大断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 圧電素子Ａの圧電体層のＡＦＭ像である。 圧電素子Ｂの圧電体層のＡＦＭ像である。 圧電素子Ｃの圧電体層のＡＦＭ像である。 圧電素子Ｄの圧電体層のＡＦＭ像である。 圧電素子Ｅの圧電体層のＡＦＭ像である。 圧電素子Ａの圧電体層の溝部の測定結果の一例を示す図である。 クラック発生率の結果を示す図である。 電圧印加時間と圧電体層の破壊発生応力との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。

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′断面図であり、図３は、インクジェット式記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。

図１及び図２に示すように、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、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。

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ー部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ーの一部を構成する。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。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。

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。

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、白金やイリジウム等からなる第１電極６０と、厚さ６μｍ以下、好ましくは、０．３〜１．５μｍの薄膜の圧電体層７０と、イリジウム等からなる第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００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ー装置と称する。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や絶縁体膜５５を設けなくてもよく、また、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。

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ペロブスカイト構造を有し、金属としてＰｂ、Ｚｒ、及びＴｉを含む強誘電体材料からなる。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、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、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）Ｏ_３）等を用いることができる。

また、圧電体層７０には、圧電素子３００の厚さ方向の断面図である図３に示すように、圧電体層７０の厚さ方向に連続した柱状のグレイン５０１が複数形成されている。なお、グレインとは、同じ結晶配向である結晶の領域である。

そして、圧電体層７０は、圧電体層７０の拡大断面図である図４に示すように、第２電極８０側の表面において複数のグレイン５０１が存在し、通常グレイン５０１は隣り合うグレイン５０１と表面まで隙間無く形成されるものではないので、隣り合うグレイン５０１同士によって、圧電体層７０の表面から窪んだ溝部５０２が形成されている。そして、本実施形態においては、この溝部５０２は、０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たすものである。式中、ｄは溝部５０２の深さで、ｗは溝部５０２の幅であり、ρは曲率半径、すなわち、（ｄ^２＋ｗ^２／４）／２ｄである。溝部５０２の深さｄや幅ｗの測定方法は特に限定されず、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）でも走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）でもよく、例えば下記の条件で測定することができる。なお、下記の測定条件においては、測定範囲における厚さ方向の高さの平均値を零としこの零の平面を基準として、深さｄ及び幅ｗを測定するものである。

＜測定条件＞
装置名：ＮａｎｏｓｃｏｐｅIII（デジタルインスツルメンツ製）
ＡＦＭ針：ＮＣＨ（チップ形状：ＰｏｉｎｔＰｒｏｂｅ、長さ１２５［μｍ］、バネ定数４２［Ｎ／ｍ］、共振周波数３２０［ｋＨｚ］）
測定モード：ＡＣモード（タッピングモード）
測定範囲：５μｍ×５μｍ
測定解像度：１０６４×１０６４

また、圧電体層７０の第２電極８０側の表面に複数の溝部５０２が形成されている場合は、各溝部５０２のｄ／ρを平均した値が０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たしていればよい。

このように、本実施形態では、圧電体層７０の第２電極８０側表面のグレイン５０１間に存在する溝部５０２が、０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たすため、後述する実施例に示すように、圧電体層７０のクラックの発生が顕著に抑制される。ここで、圧電素子３００に電圧を印加して駆動させると、圧電体層７０に応力がかかり、これにより圧電体層７０にクラックが生じやすくなる。そして、圧電体層７０において、電圧を印加した際に大きな応力がかかる領域は、第２電極８０側表面のグレイン５０１間に形成される溝部５０２に限らず、例えば、圧電体層７０の第１電極側表面の隣り合うグレイン５０１間等に形成される溝や、セラミックの不均一性に起因した低密度部分、液層プロセスに特有な焼成界面に現れるボイド等、いくつも存在する。しかしながら、圧電体層７０の第１電極６０側表面のグレイン５０１間等に形成される溝、セラミックの不均一性に起因した低密度部分、液層プロセスに特有な焼成界面に現れるボイド等は、圧電体層７０のクラックの発生にはほとんど影響を与えず、クラックの発生は、圧電体層７０の第２電極８０側表面のグレイン５０１間に形成される溝部５０２に依存することが分かった。例えば、電圧の印加時に、異物の存在により形成される隙間には、圧電体層７０の第２電極８０側表面のグレイン５０１間に存在する溝部５０２よりも、はるかに大きな応力がかかるが、この異物の存在により形成される隙間からクラックは発生し難かった。

そして、金属酸化物の粒子を焼結して形成するいわゆるバルク（厚膜）の圧電体層とは異なり、圧電体層が溶液法やＣＶＤ法など薄膜成膜法によって形成される薄膜の場合、厚膜に比べて電圧の印加時に強大な応力が圧電体層７０に付与されることになりクラックが発生しやすくなるが、本実施形態においては、圧電体層７０の第２電極８０側表面のグレイン５０１間に存在する溝部５０２が、０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たすため、厚さが６μｍと薄い圧電体層７０であっても、クラックの発生を抑制することができ、耐久性に優れたインクジェット式記録ヘッドとなる。

このような圧電素子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。

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、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部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。このリザーバー部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ー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、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。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）にリザーバーと各圧力発生室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。

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。

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。

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。

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ー１２１等の導電性ワイヤーからなる接続配線を介して電気的に接続されている。

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によってリザーバー部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のリザーバー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、リザーバー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。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩ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、リザーバー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。そして、本実施形態においては、インクジェット式記録ヘッドとして通常用いられる電圧である３５Ｖとしても、クラックの発生を抑制することができるため、３５Ｖ以下で良好に駆動することができ、信頼性のある液体噴射ヘッドとなる。

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図５〜図９を参照して説明する。なお、図５〜図９は、圧力発生室の長手方向の断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜）上に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５５を、反応性スパッタ法や熱酸化等で形成する。次に、図６（ａ）に示すように、ＤＣスパッタ法等で白金やイリジウム等からなる第１電極６０を絶縁体膜５５の全面に亘って形成する。

次いで、第１電極６０上全面に亘って、圧電体層７０を積層する。圧電体層７０の製造方法は、薄膜の圧電体層７０を形成することができるいわゆる薄膜成膜法であれば特に限定されないが、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、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、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて圧電体層７０を形成できる。なお、圧電体層７０の製造方法は、ＭＯＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法など、液相法でも固相法でもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順例としては、まず、図６（ｂ）に示すように、第１電極６０上に、有機金属化合物、具体的には、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する有機金属化合物を、所定の割合で含むＭＯＤ溶液やゾル（前駆体溶液）をスピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜７１を形成する（塗布工程）。

塗布する前駆体溶液は、鉛、ジルコニウム及びチタンをそれぞれ含む有機金属化合物を混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。鉛、ジルコニウム及びチタンをそれぞれ含む有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。

次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。

次に、図６（ｃ）に示すように、不活性ガス雰囲気中で、圧電体前駆体膜７１を所定温度、例えば６００〜８００℃程度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。

なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。

次に、図７（ａ）に示すように、圧電体膜７２上に所定形状のレジスト（図示無し）をマスクとして第１電極６０及び圧電体膜７２の１層目をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。

次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成することで、図７（ｂ）に示すように複数層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。例えば、塗布溶液の１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、例えば、１０層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜７２を積層して設けたが、１層のみでもよい。

本実施形態においては、この段階、すなわち、圧電体前駆体膜７１を結晶化させて圧電体膜７２を形成する段階で、第２電極８０を形成する側の表面に、厚さ方向に連続した複数の柱状のグレイン５０１が存在し、隣り合うグレイン５０１によって溝部が形成されるようにする。なお、焼成工程、脱脂工程や乾燥工程の温度を調整したり、鉛の量を調整したり、絶縁体膜５５等の上にチタンを含む層を設けその上に圧電体前駆体膜７１を設けることによってグレイン５０１の密度を調整したり、また、圧電体層７０の最表面を強く逆スパッタして破壊することや、グラインド（研削）又はＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシュ）等することにより、圧電体層７０の第２電極８０側の表面に存在させる溝部５０２の形状や大きさ、すなわち、溝部５０２の深さｄ、幅ｗや曲率半径（ｄ^２+ｗ^２/４）/２ｄ）を調整することができる。例えば、焼成温度を高くすると、他の製造条件とのバランスにも依存するが、ｄ／ρを小さくすることができる。また、他の製造条件とのバランスにも依存するが、鉛の量を少なくしたり、圧電体層７０の最表面を強く逆スパッタして破壊したりグラインドすると、溝部５０２の深さｄを浅くすることができる。

このように圧電体層７０を形成した後は、図８（ａ）に示すように、圧電体層７０上に白金等からなる第２電極８０をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電体層７０や第２電極８０をそれぞれパターニングして、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０からなる圧電素子３００を形成する。なお、圧電体層７０や第２電極８０のパターニングでは、所定形状に形成したレジスト（図示なし）を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。

その後、必要に応じて、６００℃〜８００℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層７０と第１電極６０や第２電極８０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層７０の結晶性を改善することができる。

次に、図８（ｂ）に示すように、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングする。

次に、図８（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さに薄くする。

次に、図９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上に、マスク膜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９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜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。

その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー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ー１１０の保護基板用ウェハー１３０とは反対側の面のマスク膜５２を除去した後にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハー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ー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Ｉとする。

以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（試験例）
上述した実施形態に従って、基板上に圧電体層７０の焼成温度や鉛量を変化させた５種類の圧電素子Ａ〜Ｅを形成した。具体的には、シリコン基板（流路形成基板１０）を熱酸化して設けた弾性膜５０上に酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を設けた。次いで、この絶縁体膜５５上に、スパッタ法により膜厚１３０ｎｍの白金と５ｎｍのイリジウムからなる第１電極６０を形成した。そして、第１電極６０上に、チタンからなるチタン層（種チタン）を形成し、このチタン層上に、鉛、ジルコニウム及びチタンをそれぞれ含有する有機金属化合物を有する前駆体溶液を用いて、塗布工程・乾燥工程・脱脂工程・焼成工程を得て、１２層の圧電体膜７２からなる厚さ１．３２００μｍの圧電体層７０を形成した。各圧電素子Ａ〜Ｅの圧電体層７０の厚さ方向の断面を観察したところ、圧電体層７０は厚さ方向に連続した複数の柱状のグレイン５０１で形成されており、表面では隣り合うグレイン５０１間に溝部５０２が存在した。

この圧電体層７０を形成した段階で、各圧電素子Ａ〜Ｅの圧電体層７０の第１電極６０側とは反対側の表面、すなわち、後段の工程で第２電極を形成する側の表面について、下記の条件で、隣り合うグレイン５０１により形成された溝部５０２の深さｄ及び幅ｗを測定し、ｄ／ρを求めた。結果を表１に示す。また、各圧電素子の圧電体層７０の第２電極を形成する側の表面のＡＦＭ像を、圧電素子Ａについては図１０に、圧電素子Ｂについては図１１に、圧電素子Ｃについては図１２に、圧電素子Ｄについては図１３に、圧電素子Ｅについては図１４に示す。なお、下記条件で、１００箇所測定し、各溝部５０２についてｄ／ρを求め、その値の平均値を下記表１に記載した。ここで、溝部５０２の測定結果の一例である図１５に示すように、本発明において行った溝部５０２の楕円近似（図１５中で、太線で示す）は、妥当なものであることが分かる。

＜測定条件＞
装置名：ＮａｎｏｓｃｏｐｅIII（デジタルインスツルメンツ製）
ＡＦＭ針：ＮＣＨ（チップ形状：ＰｏｉｎｔＰｒｏｂｅ、長さ１２５［μｍ］、バネ定数４２［Ｎ／ｍ］、共振周波数３２０［ｋＨｚ］）
測定モード：ＡＣモード（タッピングモード）
測定範囲：５μｍ×５μｍ
測定解像度：１０６４×１０６４

その後、圧電体層７０上の一部に、スパッタ法により厚さ５０ｎｍのイリジウムからなる第２電極８０を形成してパターニングすることで圧電素子３００を形成した。なお、この段階の圧電体層の第２電極側の表面に形成された溝部は、上記で測定した第２電極を形成する前の溝部から形状や大きさが変化していなかった。

次いで、上述した実施形態に従って、インクジェット式記録ヘッドを作成し、インクジェット式記録装置に搭載した。同条件で複数個のインクジェット式記録装置を作成し、それぞれ３５Ｖの印加電圧で吐出回数１０^１１回の駆動をさせて、その間にクラックが発生したものの割合（クラック発生率）を求めた。結果を表１及び図１６に示す。

表１に示すように、圧電素子Ａ〜Ｅを比較すると、圧電体層７０の第２電極８０側表面のグレイン間に形成される溝部５０２の深さや幅が異なっていた。なお、圧電体層７０の結晶性など、上記溝部５０２の深さや幅以外の特性は、ほぼ同様であった。そして、溝部５０２が０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たす圧電素子Ａ及びＢでは、０＜ｄ／ρ≦０．９００の範囲外である圧電素子Ｃ、Ｄ及びＥと比べて、顕著にクラックの発生率が低かった。

ここで、上述の結果から、圧電体層７０の第２電極８０側の表面のグレイン５０１間に存在する溝部５０２が、０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たすと、クラックの発生率が顕著に抑制されることが示されているが、この効果は、以下のように推測される。

例えば、上記実施例１のインクジェット式記録装置に電圧を３０Ｖ印加すると、１．３２００μｍの圧電体層の膜厚が１．３２３８μｍに変化する。なお、圧電体層の膜厚の測定は、ダブルビームレーザー干渉計（測定装置ＤＢＬＩ−ＳＥ０１，ＡＩＸＡＣＣＴ社）にて測定した。

また、この圧電体層のヤング率を、表面弾性波測定（ＬＡｗａｖｅ Ｖ５．２，ＡＬＯｔｅｃ社）で測定すると、９８［Ｇｐａ］であった。なお、この圧電体層を形成するＰＺＴのＸＲＤで測定した密度は、８．１９［ｇ／ｃｍ^３］であった。

そして、圧電体層の膜厚の変化率とヤング率から圧電体層の応力を求めると、（１．３２３８−１．３２００）／１．３２００×９８＝２８２［ＭＰａ］となる。

この値から、液体噴射ヘッドとして通常用いられる駆動電圧である３５Ｖの電圧を印加した場合について求めると、２８２×３５／３０＝３２９［ＧＰａ］になる。換言すると、３５Ｖの電圧を印加すると、３２９［ＧＰａ］の応力が圧電体層に平均的にかかる、すなわち、３２９［ＧＰａ］の応力が圧電体層の平坦部分にかかることになる。

そして、圧電体層の平坦部分にかかるこの応力の値に、グレイン間の溝部の深さｄ及び幅ｗから算出される、Ｉｎｇｌｉｓの楕円形欠陥の応力集中度（１＋２√（ｄ／ρ））を乗ずると、３５Ｖ印加した際に圧電体層にかかる最大の応力（表２中、「３５Ｖ駆動最大応力」と記載する。）が、グレイン間の溝部にかかる応力として求められる。求めた応力を表２に示す。

ここで、クラックの発生による圧電体層の破壊に至る応力は、電圧印加時間と圧電体層の破壊発生応力との関係を示す図である図１７に示すように、電圧印加時間、即ち、吐出回数により変動する。具体的には、印加時間の対数と破壊発生応力の対数は比例関係が成り立つ。そして、インクジェット式記録ヘッドの通常使用における吐出回数として十分な回数である１０^１１回の吐出に耐えうるインクジェット式記録ヘッドにするためには、図１７に示すように、９５３［ＭＰａ］（ｌｏｇ表記では、２．９８）以下の応力で利用することが必要となる。この値を、表２の値を比べると、圧電素子Ａ及びＢでは３５Ｖ駆動最大応力が９５３以下であり、また、圧電素子Ｃ〜Ｄでは９８０及び１０７４であり、整合する。

これより、溝部のｄ／ρが０＜ｄ／ρ≦０．９００を満たすことによって、少なくとも、液体噴射装置の吐出回数としては十分な１０^１１回以下の吐出回数では、確実にクラックの発生を抑制できることが分かる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一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では、圧電体層７０を柱状結晶で形成されたものとしたが、柱状結晶でなくてもよい。また、例えば、上述した実施形態では、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、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

さらに、これらインクジェット式記録ヘッドＩ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１８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１８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。

そして、駆動モーター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ー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。

なお、上述した実施形態１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、プリンター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ー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。

Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板、 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、 ３１ リザーバー部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバー、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子、 ５０１ グレイン、 ５０２ 溝部

Claims (3)

1. ノズル開口に連通する圧力発生室と、
   前記圧力発生室側から順に、第１電極と、前記第１電極上に形成され鉛、ジルコニウム及びチタンを含む圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備し、
   前記圧電体層の前記第２電極側表面のグレイン間に存在する溝部が、０＜ｄ／ρ≦０．９００（ｄ：溝部の深さ、ｗ：溝部の幅、ρ：曲率半径（ｄ^２＋ｗ^２／４）／２ｄ）を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層の厚さは６μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
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。