JP2017013388A - 圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空室が形成された第１の基板と第１の基板に積層された第２の基板との剥離を抑制できる圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、圧電デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】空室３０が形成された第１の基板２９と、空室３０の一側の面を区画する振動板３１と、振動板３１の空室３０とは反対側において、振動板３１側から順に第１の電極層３６、圧電体層３７、および第２の電極層３９が積層されてなる圧電素子３２と、第１の基板２９の振動板３１側とは反対側に積層された第２の基板２４と、を備え、第１の基板２９の空室３０の開口周縁領域における少なくとも一部は、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚くなっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、空室が形成された第１の基板と、空室を区画する振動板上に積層された圧電素子と、を備えた圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、圧電デバイスの製造方法に関するものである。

圧電デバイスは、圧電素子を備え、各種の液体噴射装置や振動センサー等に応用されている。例えば、液体噴射装置では、圧電デバイスを利用して液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射（吐出）する。この液体噴射装置としては、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記圧電デバイスを利用した液体噴射ヘッドは、複数のノズル、これに対応する圧力室及び圧電素子を備えている。圧力室は圧力室形成基板（アクチュエーター基板）をエッチングすることで形成され、その一部は可撓性を有する振動板により区画されている。この振動板上には、下電極層、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる圧電体層、及び、上電極層等が積層されてなる圧電素子が形成されている。また、圧力室形成基板とは反対側には連通基板が接合され、この連通基板に形成されたノズル連通路を介して圧力室とノズルとが連通されている。そして、この様に構成された液体噴射ヘッドは、各ノズルに対応する圧電素子を電圧の印加によりを変形させ、対応する圧力室内の液体に圧力変動を生じさて各ノズルから液体を噴射する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−０８９６１４号公報

ところで、液体噴射ヘッドの小型化に伴い、圧力室形成基板の板厚は薄くなる傾向にある。このため、圧力室形成基板は、剛性が低くなることにより、変形し易くなっていた。特に、圧力室形成基板のうち隣り合う圧力室を区画する隔壁は、近年のノズルの高密度化に伴う圧力室の狭ピッチ化により圧力室の列設方向における寸法が小さくなる傾向にある。このため、圧力室を区画する隔壁の剛性は、一層低くなる傾向にある。その結果、圧力室形成基板が変形し易くなり、圧力室形成基板とこれに接合された連通基板とが乖離する虞があった。例えば、図１２に例示される記録ヘッド１００のように、複数の層が積層されてなる圧電素子９０は、当該圧電素子９０を構成する層（膜）による引張力等により、初期状態（電圧が印加されていない状態）で圧力室９１とは反対側に撓む虞がある。この撓みが振動板９２を介して圧力室９１の周囲を区画する圧力室形成基板９３の一部に伝わると、特に圧力室９１の周辺部における圧力室形成基板９３（すなわち、圧力室９１を区画する隔壁部）が圧電素子９０側に反るように変形する。その結果、圧力室形成基板９３と連通基板９４とを接合する接着剤等が剥がれ、圧力室形成基板９３の一部が連通基板９４から剥離する虞がある。このような問題は、空室上に圧電素子が積層された第１の基板とこれに接合される第２の基板とを備えた圧電デバイスにおいても同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、空室が形成された第１の基板と第１の基板に積層された第２の基板との剥離を抑制できる圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、圧電デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の圧電デバイスは、上記目的を達成するために提案されたものであり、空室が形成された第１の基板と、
前記空室の一側の面を区画する振動板と、
前記振動板の前記空室とは反対側において、振動板側から順に第１の電極層、圧電体層、および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、
前記第１の基板の振動板側とは反対側に積層された第２の基板と、を備え、
前記第１の基板の前記空室の開口周縁領域における少なくとも一部は、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚いことを特徴とする。

この構成によれば、圧電素子が振動板とは反対側に変形したとしても、第１の基板と第２の基板との剥離を抑制できる。その結果、圧電デバイスの信頼性を高めることができる。

また、上記構成において、前記開口周縁領域の全周が、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚いことが望ましい。

この構成によれば、第１の基板と第２の基板との剥離を一層抑制できる。その結果、圧電デバイスの信頼性を一層高めることができる。

さらに、本発明の圧電デバイスは、空室が形成された第１の基板と、
前記空室の一側の面を区画する振動板と、
前記振動板の前記空室とは反対側において、振動板側から順に第１の電極層、圧電体層、および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、
前記第１の基板の振動板側とは反対側に積層された第２の基板と、を備え、
前記第１の基板の少なくとも一部は、前記空室に向けて次第に板厚が厚くなることを特徴とする。

この構成によれば、第１の基板と第２の基板との剥離を抑制できる。その結果、圧電デバイスの信頼性を高めることができる。

そして、本発明の液体噴射ヘッドは、上記各構成の圧電デバイスと、
前記空室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、上記目的を達成するために提案されたものであり、空室が形成された第１の基板と、
前記空室の一側の面を区画する振動板と、
前記振動板の前記空室とは反対側において、振動板側から順に第１の電極層、圧電体層、および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、
前記第１の基板の振動板側とは反対側に積層された第２の基板と、を備えた圧電デバイスの製造方法であって、
前記第１の基板及び前記振動板となる素基板の前記振動板となる側の面に、前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、
前記素基板の前記圧電素子から外れた領域を圧電素子側から板厚方向に押圧した状態で、前記素基板を圧電素子側とは反対側から研磨して、押圧されなかった領域における前記素基板の板厚を押圧された領域における前記素基板の板厚よりも厚くする研磨工程と、
研磨された前記素基板の板厚が厚い領域であって、前記圧電素子に対応する領域に前記空室を形成して、前記素基板を前記第１の基板及び前記振動板とする空室形成工程と、
前記第１の基板の圧電素子側とは反対側に前記第２の基板を接合する基板接合工程と、を含むことを特徴とする。

また、上記方法における前記研磨工程において、前記素基板の押圧されなかった領域は、押圧された領域よりも圧電素子側とは反対側に隆起することが望ましい。

これらの方法によれば、第１の基板と第２の基板との剥離を抑制でき、信頼性の高い圧電デバイスを作製できる。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する要部を拡大した断面図である。 圧力室形成基板を振動板側から見た平面図である。 図３におけるＡ−Ａ断面図である。 図３におけるＢ−Ｂ断面図である。 記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。 記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。 記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。 第２の実施形態における記録ヘッドの圧力室形成基板を振動板側から見た平面図である。 第２の実施形態における記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。 第２の実施形態における記録ヘッドの製造工程を説明する概略図である。 従来の記録ヘッドの構成を説明する要部を拡大した断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明に係る圧電デバイスを備えた液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を搭載した液体噴射装置の一種であるインクジェット式プリンター（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。

プリンター１の構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２（着弾対象の一種）の表面に対してインク（液体の一種）を噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送する搬送機構６等を備えている。ここで、上記のインクは、液体供給源としてのインクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、キャリッジ４、すなわち記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジがプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジからインク供給チューブを通じて記録ヘッドに供給される構成を採用することもできる。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。したがってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。キャリッジ４の主走査方向の位置は、位置情報検出手段の一種であるリニアエンコーダー（図示せず）によって検出される。リニアエンコーダーは、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス（位置情報の一種）をプリンター１の制御部に送信する。

図２は、上記記録ヘッド３の主要部分の構成を説明する断面図である。図３は、記録ヘッド３を構成する圧力室形成基板２９を振動板３１側（封止板３３側）から平面視した概略図である。なお、図３では、封止板３３を透過して表わしている。また、図４は図３におけるＡ−Ａ断面の拡大図であり、図５は図３におけるＢ−Ｂ断面の拡大図である。本実施形態における記録ヘッド３は、図２に示すように、圧力発生ユニット１７および流路ユニット１８を備え、これらの部材が積層された状態でヘッドケース１９に取り付けて構成されている。流路ユニット１８は、ノズルプレート２１、コンプライアンス基板２３、及び、連通基板２４（本発明における第２の基板に相当）を有している。また、圧力発生ユニット１７は、圧力室３０が形成された圧力室形成基板２９（本発明における第１の基板に相当）、振動板３１、圧電素子３２、および封止板３３が積層されてユニット化されている。なお、各ユニット間は接着剤により接合されている。

ヘッドケース１９は、例えば合成樹脂から作製された箱体状の部材であり、圧力発生ユニット１７が接合された連通基板２４が底面側に固定されている。このヘッドケース１９の下面側には、当該下面からヘッドケース１９の高さ方向の途中まで直方体状に窪んだ収容空部２７が形成されている。流路ユニット１８がヘッドケース１９の下面に位置決めされた状態で接合されると、連通基板２４上に積層された圧力発生ユニット１７が収容空部２７に収容される。また、ヘッドケース１９には、液体導入路２０が形成されている。液体導入路２０は、インクカートリッジ７側からのインクが導入される空部である。この液体導入路２０に流入したインクは、連通基板２４の共通液室２５（後述）に導入される。

ヘッドケース１９の下面側に接合される連通基板２４は、例えばシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板とも言う）から作製された板材である。この連通基板２４には、ノズル連通路３５および共通液室２５となる空部が、異方性エッチング等によって形成されている。ノズル連通路３５は、後述するノズル２２と圧力室３０とを連通する流路であり、ノズル２２毎に形成されている。各ノズル連通路３５は、それぞれ対応する圧力室３０の長手方向における一端部と連通する。また、共通液室２５は、ノズル列方向（換言すると圧力室３０の列設方向）に沿って延在され、各圧力室３０に共通のインクが導入される空部である。この共通液室２５は、液体導入路２０と連通しており、液体導入路２０からのインクが導入される。共通液室２５と各圧力室３０とは、圧力室３０毎に個別に設けられた供給口２８を介して連通している。各供給口２８は、それぞれ対応する圧力室３０の長手方向における他端部と連通する。このため、共通液室２５内のインクは、供給口２８を通じて各圧力室３０に分配・供給される。

連通基板２４の下面（ヘッドケース１９とは反対側の面）には、ノズルプレート２１およびコンプライアンス基板２３が接合されている。ノズルプレート２１は、複数のノズル２２が開設された板材であり、例えばシリコン基板から作製される。ノズル２２は、副走査方向に沿って列状に形成されてノズル列を構成する。このノズル列は、一端側のノズル２２から他端側のノズル２２までドット形成密度に対応したピッチで列設されている。特に、本実施形態では、高画質な画像を形成できるように、狭ピッチ（例えば、４２．４μｍピッチ（すなわち６００ｄｐｉ））に形成されている。このノズルプレート２１は、各ノズル２２が連通基板２４のノズル連通路３５とそれぞれ連通する状態で連通基板２４の下面の中央部分に接合されている。コンプライアンス基板２３は、連通基板２４の下面において、共通液室２５の開口を塞ぐ状態で接合された可撓性を有する部材である。このコンプライアンス基板２３は、共通液室２５内のインクの圧力変化を吸収する機能を奏する。

連通基板２４の上面（ノズルプレート２１とは反対側の面）に接続（積層）される圧力室形成基板２９は、例えばシリコン基板から作製される。特に、本実施形態では、後述するようにシリコン基板を研磨することで、圧力室形成基板２９の板厚を例えば約４０〜５０μｍに形成している。この圧力室形成基板２９には、当該圧力室形成基板２９を板厚方向に貫通した圧力室３０（本発明における空室に相当）がノズル２２のピッチと同じピッチで複数形成されている。本実施形態では、図３に示すように、平面視（圧力室形成基板２９の表面から見た状態、又は、構成部材の積層方向から見た状態）において、ノズル列方向に直交する方向に長尺な略平行四辺形状に形成されている。また、図２および図４に示すように、圧力室３０の長手方向において、当該圧力室３０を区画する内壁は、上面側から下面側に向けて外側に広がるように、圧力室形成基板２９の表面に対して傾斜している。そして、圧力室形成基板２９の各圧力室３０を区画する隔壁は他の部分と比較して厚く形成されている。この点に関し、詳しくは後述する。

振動板３１は、圧力室形成基板２９の上面に積層され、圧力室３０の一側の面（上面）を区画する可撓膜である。この振動板３１は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜と、この弾性膜上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体膜と、からなる。この振動板３１における圧力室３０を区画する部分、即ち、圧力室３０となる空間の上部開口を塞ぐ部分は、圧電素子３２の撓み変形に伴ってノズル２２から遠ざかる方向あるいは近接する方向に撓み変形が許容される領域である。なお、本実施形態においては、振動板３１と圧力室形成基板２９とが異なる部材で別個に形成されているが、これには限られず、振動板と圧力室形成基板とが一体的に形成されても良い。例えば、圧力室形成基板に相当する基板の下面側から、上面側に板厚の薄い薄肉部を残した状態で当該基板の厚さ方向の途中までエッチングして圧力室を形成しても良い。この場合、残された薄肉部が振動板に相当する。

振動板３１の圧力室３０に対応する部分における圧力室３０とは反対側には、圧電素子３２が形成されている。本実施形態における圧電素子３２は、所謂撓みモードの圧電素子である。この圧電素子３２は、図２に示すように、振動板３１側から順に金属製の下電極層３６（本発明における第１の電極に相当）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層３７および金属製の上電極層３８（本発明における第２の電極に相当）が、成膜技術により積層されている。すなわち、圧電素子３２は、下電極層３６および上電極層３８への電圧の印加により圧電体層３７に圧電歪みが生じる部分である。本実施形態における圧電素子３２は、図３に示すように、長手方向における両端部が圧力室３０の長手方向の端を越えて当該圧力室３０よりも外側に外れた位置まで延設されている。一方、短手方向における両端部は、圧力室３０の短手方向の端よりも内側に形成されている。

本実施形態においては、下電極層３６および圧電体層３７が圧力室３０毎にパターニングされ、上電極層３８が複数の圧力室３０に亘ってパターニングされている。すなわち、下電極層３６は、圧力室３０毎に個別な個別電極となっている。上電極層３８は、複数の圧電素子３２に共通な共通電極となっている。また、本実施形態においては、図２に示すように、上電極層３８上にチタン（Ｔｉ）やニッケル（Ｎｉ）からなる密着層（図示せず）を介して金（Ａｕ）等からなる金属層３９が積層されている。この金属層３９は、圧電素子３２の長手方向における両端部であって、圧力室３０の長手方向の内側と外側との境界に亘って積層されている。この金属層３９により、圧力室３０の内側と外側との境界における圧電素子３２の変形（変位）を抑制し、応力が集中することによる圧電素子３２の破損を抑制している。そして、圧電素子３２の一側（記録ヘッド３の中央部側）の端部には、リード電極４０が接続されている。このリード電極４０は、封止板３３の外側まで延設され、図示しないフレキシブルケーブルと接続されている。なお、下電極層３６が複数の圧電素子３２に共通な共通電極とされ、上電極層３８が圧電素子３２毎に個別な個別電極とされる構成を採用することもできる。

圧電素子３２が形成された圧力室形成基板２９の上面には封止板３３が配置されている。この封止板３３は、例えば、ガラス、セラミックス材料、シリコン単結晶基板、金属、合成樹脂等から作製される。この封止板３３の内部には、各圧電素子３２に対向する領域に当該圧電素子３２の駆動を阻害しない程度の大きさの圧電素子収容空部４１が形成されている。すなわち、封止板３３の圧電素子収容空部４１は、圧電素子３２と対向する天井部３３ａと、この天井部３３ａの外周から圧電素子３２側に延出した側壁部３３ｂとにより区画されている。この側壁部３３ｂは、圧電素子収容空部４１内に列設された圧電素子３２を全て収容できるように、圧電素子３２の列設方向（ノズル列方向）に沿って、当該圧電素子３２の列の外方まで延設されている。そして、圧電素子収容空部４１内に圧電素子３２の列を収容した状態で、側壁部３３ｂの下端面が圧力室形成基板２９の上面に接合される。

このように構成された記録ヘッド３においては、インクカートリッジ７からのインクを液体導入路２０、共通液室２５及び供給口２８を介して圧力室３０に導入する。この状態で、制御部からの駆動信号をフレキシブルケーブル及びリード電極４０等を介して圧電素子３２に供給し、圧電素子３２を駆動する。これにより、圧力室３０の容積が変動し、圧力室３０内に圧力変動が生じる。この圧力変動を利用することで、ノズル連通路３５を介してノズル２２からインク滴を噴射する。なお、本実施形態においては、記録ヘッド３を構成する各層のうち、連通基板２４、圧力室形成基板２９、振動板３１、及び、圧電素子３２の組み合わせが、本発明における圧電デバイスに相当する。

次に、本実施形態における圧力室形成基板２９について、詳しく説明する。図４および図５に示すように、圧力室形成基板２９の各圧力室３０の開口周縁領域Ａｅ（図３におけるハッチングされた領域、各圧力室３０の開口周縁の全周）は、当該開口周縁領域Ａｅより外側の領域における板厚よりも厚く形成されている。特に、本実施形態では、圧力室３０に向けて次第に板厚が厚くなるように構成されている。より詳しく説明すると、図４および図５に示すように、圧電素子３２を構成する層（例えば金属層３９等）による引張力により、圧電素子３２は初期状態（上電極層３８および下電極層３６に電圧が印加されていない状態）で圧力室３０とは反対側に撓んでいるため、圧力室３０の略中央部における天井面（圧力室３０の上部開口を塞ぐ振動板３１）は、上方（封止板３３側）に持ち上がっている。すなわち、圧力室３０の略中央部における振動板３１の下面と連通基板２４の上面との距離（すなわち、圧力室３０の略中央部の高さ）ｔａは、圧力室形成基板２９の開口周縁領域Ａｅより外側の領域の板厚ｔｂよりも大きく（厚く）なっている。

また、圧力室３０の開口縁における圧力室形成基板２９の上面は、上方に隆起している。すなわち、圧力室３０の開口縁における圧力室形成基板２９の板厚（換言すると、圧力室３０を区画する側壁の高さ、或いは、圧力室３０の端における高さ）ｔａ′は、開口周縁領域Ａｅより外側の領域の板厚ｔｂよりも３μｍ程度厚くなっている。本実施形態において、圧力室３０の開口縁における圧力室形成基板２９の板厚ｔａ′は、圧力室３０の略中央部における振動板３１の下面と連通基板２４の上面との距離ｔａと略同じ、或いは、僅かに小さく（低く）形成されている。なお、図４に示すように、圧力室３０の長手方向における側壁は、上面側から下面側に向けて外側に広がるように傾斜しているが、ここで言う圧力室３０の開口縁における圧力室形成基板２９の板厚ｔａ′とは、上面側の開口縁（内側の開口縁）から垂直に下ろして圧力室形成基板２９の下面から延長した仮想面と直交する位置までの距離である。すなわち、ここで言う圧力室形成基板２９の板厚には、圧力室形成基板２９が削られて一部に空間が含まれている部分も含まれる。

そして、圧力室３０の開口縁における圧力室形成基板２９の上面は、外側（圧力室形成基板２９の外周側）に向けて下り傾斜している。すなわち、圧力室形成基板２９の板厚は、板厚が最も厚い圧力室３０の開口縁から外側に向けて次第に薄くなっている。この圧力室形成基板２９の板厚が他の領域よりも厚い領域が開口周縁領域Ａｅに相当する。なお、本実施形態における圧力室３０の開口周縁領域Ａｅ以外の領域は、圧力室形成基板２９の端部（外周）に至るまで略同じ板厚ｔｂに設定されている。また、本実施形態では、圧力室３０の長手方向における開口縁と圧力室３０の短手方向における開口縁とが同じ板厚ｔｂになっているが、異なる板厚になっていても良い。

このように、圧力室３０の開口周縁領域Ａｅにおける圧力室形成基板２９の板厚を当該開口周縁領域Ａｅより外側の領域における圧力室形成基板２９の板厚よりも厚くしたので、初期状態における圧電素子３２が振動板３１とは反対側に変形したとしても、開口周縁領域Ａｅが圧電素子３２の変形に追従して変形することが抑制される。このため、開口周縁領域Ａｅにおいて、圧力室形成基板２９と連通基板２４とを接合する接着剤が剥がれて両基板が剥離することを抑制できる。これにより、圧力室形成基板２９と連通基板２４とが剥離した部分からインクが浸入し、圧力室形成基板２９と連通基板２４との接着力が低下する不具合を抑制できる。また、剥離した接着剤が異物となってノズル２２の目詰まりやインク滴の飛翔曲がりの原因となることを抑制できる。その結果、圧電デバイスの信頼性を高めることができる。また、圧電素子３２の駆動を繰り返したとしても、圧力室形成基板２９と連通基板２４とが剥離することを抑制できる。さらに、圧力室形成基板２９の板厚が圧力室３０に向けて次第に厚くなるように構成されているので、圧力室形成基板２９に段差が形成されることによる振動板３１或いは連通基板２４との接合不良を抑制することができる。

次に、上記した記録ヘッド３のうち、圧電デバイスに相当する部分、すなわち、連通基板２４、圧力室形成基板２９、振動板３１、及び、圧電素子３２等が積層された部分の製造方法について説明する。まず、圧力室形成基板２９となる基板（例えばシリコン基板）上に振動板３１となる層（例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）上に酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）を積層した膜）を形成して、圧力室形成基板２９および振動板３１となる素基板４３を形成する。素基板４３を形成したならば、圧電素子形成工程に移行する。圧電素子形成工程では、図６（ａ）に示すように、素基板４３の振動板３１となる側の面に圧電素子３２を形成する。具体的には、素基板４３の振動板３１となる側の面に下電極層３６となる金属膜を製膜し、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、下電極層３６をパターニングする。同様に、圧電体層３７、上電極層３８、および、金属層３９を順次形成することで、素基板４３上に圧電素子３２を作製する（図６（ａ）参照）。なお、圧電素子３２には、当該圧電素子３２を構成する層による引張力により、素基板４３とは反対側に撓もうとする力が働いているが、素基板４３の剛性が高いため、変形しない。

素基板４３上に圧電素子３２を形成したならば、研磨工程に移行する。研磨工程では、圧力室形成基板２９となる基板を圧力室形成基板２９の厚さ（例えば、約４０〜５０μｍ）まで研磨する。この際、素基板４３の圧電素子３２から外れた領域（開口周縁領域Ａｅより外側の領域）を圧電素子３２側から板厚方向に押圧した状態で、素基板４３を圧電素子３２側とは反対側から研磨（研削）して、押圧されなかった領域（開口周縁領域Ａｅ）における素基板４３の板厚を押圧された領域における素基板４３の板厚よりも厚くする。本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、素基板４３の研磨面とは反対側の面（圧電素子３２側の面）に押圧用基板４４を押し当てることで、素基板４３を押圧する。この押圧用基板４４は、素基板４３の開口周縁領域Ａｅに相当する領域と対向する部分に板厚方向の途中まで凹んだ空部４４ａが設けられており、素基板４３に押し当てられた状態で空部４４ａ内に圧電素子３２を収容する。押圧用基板４４の空部４４ａの外側は、素基板４３の開口周縁領域Ａｅに相当する領域より外側の領域を押圧する押圧部４４ｂとなっている。そして、図７（ａ）に示すように、押圧用基板４４を素基板４３に押し当てて押圧した状態で、反対側からＣＭＰ（化学機械研磨）法等により素基板４３を研磨すると、押圧されていない部分に対応する領域の研磨（研削）レートが落ちて、この領域における板厚が、押圧部４４ｂにより押圧される領域の板厚と比較して厚くなる。その後、押圧用基板４４を取り外すと、図７（ｂ）に示すように、押圧されなかった領域が押圧された領域よりも圧電素子３２側とは反対側に隆起した素基板４３が作成される。すなわち、素基板４３の板厚が、圧電素子３２から外れた位置に対応する領域から圧電素子３２に対応する領域に向けて次第に厚くなる。

この状態で、図８（ａ）に示すように、素基板４３の圧電素子３２側の面に、圧電素子収容空部４１内に圧電素子３２を収容した状態で封止板３３を取り付ける。素基板４３に封止板３３を取り付けたならば、圧力室形成工程（本発明における空室形成工程に相当）に移行する。圧力室形成工程では、研磨された素基板４３の板厚が厚い領域であって、圧電素子３２に対応する領域に圧力室３０を形成する。具体的には、素基板４３の圧電素子３２側とは反対側の面にフォトリソグラフィー工程によりフォトレジストをパターニングする。次に、エッチング工程により素基板４３の圧力室形成基板２９となる基板を板厚方向に貫通させて圧力室３０を形成する。その後、フォトレジストを除去すると、図８（ｂ）に示すように、圧力室３０が形成され、素基板４３が圧力室形成基板２９及び振動板３１となる。すなわち、圧力室３０が形成されると共に、当該圧力室３０に向けて次第に板厚が厚くなった圧力室形成基板２９が作成される。ここで、圧力室３０の形成により圧力室形成基板２９の剛性が弱くなるため、圧電素子３２の圧力室形成基板２９とは反対側に撓もうとする力により、圧力室３０の開口周縁領域Ａｅにおける圧力室形成基板２９および振動板３１が圧電素子３２側に引っ張られる。すなわち、圧力室形成基板２９の板厚が厚い部分であって、圧力室３０が形成される前の状態において圧電素子３２側とは反対側に隆起していた部分が、圧電素子３２側に隆起する。これにより、圧力室形成基板２９の圧電素子３２側とは反対側の面（連通基板２４との接合面）が略平坦になる。

最後に、基板接合工程において、図８（ｃ）に示すように、圧力室形成基板２９の圧電素子３２側とは反対側に連通基板２４を接合することで、圧電デバイスに相当する部分が作成される。なお、本実施形態では、圧力室形成工程において、圧力室形成基板２９の圧電素子３２側とは反対側の面が略平坦になっていたが、圧電素子３２の初期形状や圧力室形成基板２９の厚さ等により、圧力室３０を形成したとしても圧力室形成基板２９の圧電素子３２側とは反対側の面が略平坦にならない場合がある。この場合でも、連通基板２４を圧力室形成基板２９側に押圧しながら接合することで、圧力室形成基板２９の圧電素子３２側とは反対側の面を略平坦にし、圧力室３０の開口周縁領域Ａｅを圧電素子３２側に隆起させることができる。この場合、開口周縁領域Ａｅが元の形状（すなわち、連通基板２４側に隆起した状態）に戻ろうとする応力が残るので、圧電素子３２が振動板とは反対側に変形した場合においても開口周縁領域Ａｅが変形し難くなる。このため、圧力室形成基板２９と連通基板２４とが剥離することが、より確実に抑制される。

ところで、上記した第１の実施形態における圧力室形成基板２９では、圧力室３０の開口周縁領域Ａｅの全体、すなわち、圧力室３０の開口周縁の全周が開口周縁領域Ａｅの外側の領域における板厚よりも厚く形成されていたが、これには限られない。圧力室形成基板の圧力室の開口周縁領域における少なくとも一部が、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚く形成されていればよい。また、上記した第１の実施形態における圧力室形成基板２９では、圧力室３０の開口周縁領域Ａｅの全体において、板厚が圧力室３０に向けて次第に厚くなっていたが、これには限られない。圧力室形成基板の圧力室の開口周縁領域における少なくとも一部が、圧力室に向けて次第に板厚が厚くなっていればよい。さらに、上記した第１の実施形態における圧力室形成基板２９では、圧力室３０の開口周縁領域Ａｅ以外の領域は略同じ板厚に設定されていたが、これには限られない。例えば、圧力室の開口周縁領域以外の領域における圧力室形成基板の一部の板厚が厚くなっていても良い。要するに、圧力室形成基板の圧力室の開口周縁領域の板厚が、開口周縁領域より外側の領域の少なくとも一部の板厚よりも厚くなっていればよい。

例えば、図９に示す第２の実施形態における圧力室形成基板２９′（圧電デバイス）では、圧力室３０′の開口周縁領域、および、これらの間の領域の板厚が厚くなっている。なお、図９では、板厚が厚くなっている領域をハッチングで表している。具体的に説明すると、第２の実施形態における圧力室形成基板２９′では、圧力室３０′の長手方向における両端部の外側から圧力室３０′の列に向けて次第に板厚が厚くなっている。すなわち、圧力室３０′の長手方向における幅よりも幅広であって、圧電素子３２の列設方向に沿って延在した帯状の領域（圧力室３０′を除く）における板厚が、当該領域より外側の領域における板厚よりも厚くなっている。なお、この帯状の領域に、圧力室３０′の開口周縁領域が含まれている。本実施形態においては、圧力室形成基板２９′の板厚が、ノズル列方向（すなわち、圧力室３０′の列設方向）に沿った方向において略一定に揃えられている。なお、圧力室３０′の列設ピッチが本実施形態のように狭ピッチ（例えば、６００ｄｐｉ）の場合、隣り合う圧力室３０′の間に挟まれた領域も、各圧力室３０′の開口周縁領域とみなすこともできる。すなわち、上記した帯状の領域は、各圧力室３０′の開口周縁領域が連なったものとみなすこともできる。また、その他の構成は、上記した第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

次に、第２の実施形態における圧電デバイスの製造方法について説明する。なお、第２の実施形態における圧電デバイスでも、第１の実施形態の製造方法と同じ方法で作成することもできるが、ここではより簡便な製造方法を説明する。まず、第１の実施形態の製造方法と同様に、圧力室形成基板２９′となる基板（例えばシリコン基板）上に振動板３１となる層を形成して、圧力室形成基板２９′および振動板３１となる素基板４３′を形成する。素基板４３′を形成したならば、第１の実施形態の製造方法と同様に、圧電素子形成工程において、素基板４３′の振動板３１となる側の面に圧電素子３２を形成する（図１０（ａ）参照）。素基板４３′上に圧電素子３２を形成したならば、図１０（ｂ）に示すように、素基板４３′の圧電素子３２側の面に封止板３３を取り付ける。本実施形態における製造方法では、この状態で研磨工程に移行する。

研磨工程では、封止板３３を天井部３３ａ側から押圧しながら、圧力室形成基板２９′となる基板を研磨する。封止板３３の側壁部３３ｂは、素基板４３′の圧電素子３２の長手方向における両端部よりも外側において、圧電素子３２の列設方向（ノズル列方向）に沿った領域に当接されるため、この領域が押圧される。そして、封止板３３を圧電素子３２側から押圧した状態で、第１の実施形態の製造方法と同様に、素基板４３′を圧電素子３２側とは反対側から研磨（研削）して押圧されなかった領域における素基板４３′の板厚を押圧された領域における素基板４３′の板厚よりも厚くする。これにより、図１０（ａ）に示すように、押圧されなかった領域（圧電素子収容空部４１に対応する領域）が押圧された領域よりも圧電素子３２側とは反対側に隆起した素基板４３′が作成される。すなわち、素基板４３′の板厚が、圧電素子３２の列から外れた位置に対応する領域から圧電素子３２に対応する領域に向けて次第に厚くなる。

素基板４３′を研磨したならば、第１の実施形態の製造方法と同様に、圧力室形成工程において、研磨された素基板４３′の板厚が厚い領域であって、圧電素子３２に対応する領域に圧力室３０′を形成する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、圧力室３０′が形成されて素基板４３′が圧力室形成基板２９′及び振動板３１となる。すなわち、圧力室３０′が形成されると共に、圧力室３０′の列の外側から当該圧力室３０′の列に向けて次第に板厚が厚くなった圧力室形成基板２９′が作成される。ここで、本実施形態でも、圧力室３０′の形成により圧力室形成基板２９′の剛性が弱くなるため、圧電素子３２の圧力室形成基板２９′とは反対側に撓もうとする力により、圧力室３０′の列の外側における圧力室形成基板２９′および振動板３１が圧電素子３２側に引っ張られる。すなわち、圧力室形成基板２９′の板厚が厚い部分であって、圧力室３０′が形成される前の状態において圧電素子３２側とは反対側に隆起していた部分が、圧電素子３２側に隆起する。このため、本実施形態でも、圧力室形成基板２９′の圧電素子３２側とは反対側の面が略平坦になる。そして、最後に、基板接合工程において、図１０（ｃ）に示すように、圧力室形成基板２９′の圧電素子３２側とは反対側に連通基板２４を接合することで、圧電デバイスに相当する部分が作成される。

このように、本実施形態の製造方法では、封止板３３により素基板４３′を押圧するため、第１の実施形態の製造方法と異なり、別途押圧用基板４４を用いて素基板４３′を押圧する必要が無く、製造工程を減らすことができる。その結果、圧力室形成基板２９′と連通基板２４との剥離を抑制して信頼性を高めた圧電デバイスを、一層容易に作製できるようになる。

ところで、上記した各実施形態では、圧力室３０、３０′が平面視において略平行四辺形状に形成されていたが、これには限られない。例えば、平面視において矩形状、台形状、円形状、楕円形状等、種々の形状を取り得る。要するに、圧力室がどのような形状であっても、圧力室形成基板の圧力室の開口周縁領域における少なくとも一部が、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚く形成されていればよい。また、圧力室形成基板の圧力室の開口周縁領域における少なくとも一部が、圧力室に向けて次第に板厚が厚くなっていればよい。

そして、以上では、圧電デバイスとして記録ヘッド３における連通基板２４、圧力室形成基板２９、振動板３１、及び、圧電素子３２からなる構成を例に挙げて説明したが、本発明は、空室が形成された第１の基板と、振動板を介して空室上に形成された圧電素子と、第１の基板の圧電素子側とは反対側に積層された第２の基板と、を備える他の圧電デバイスにも適用することができる。また、液体噴射ヘッドとしては、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材吐出ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材吐出ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物吐出ヘッド等にも本発明を適用することができる。

１…プリンター，２…記録媒体，３…記録ヘッド，４…キャリッジ，５…キャリッジ移動機構，６…搬送機構，７…インクカートリッジ，１７…圧力発生ユニット，１８…流路ユニット，１９…ヘッドケース，２０…液体導入路，２１…ノズルプレート，２２…ノズル，２３…コンプライアンス基板，２４…連通基板，２５…共通液室，２９…圧力室形成基板，３０…圧力室，３１…振動板，３２…圧電素子，３３…封止板，３５…ノズル連通路，３６…下電極層，３７…圧電体層，３８…上電極層，３９…金属層，４１…圧電素子収容空部，４３…素基板，４４…押圧用基板

Claims (6)

1. 空室が形成された第１の基板と、
   前記空室の一側の面を区画する振動板と、
   前記振動板の前記空室とは反対側において、振動板側から順に第１の電極層、圧電体層、および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、
   前記第１の基板の振動板側とは反対側に積層された第２の基板と、を備え、
   前記第１の基板の前記空室の開口周縁領域における少なくとも一部は、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚いことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記開口周縁領域の全周が、当該開口周縁領域より外側の領域における板厚よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 空室が形成された第１の基板と、
   前記空室の一側の面を区画する振動板と、
   前記振動板の前記空室とは反対側において、振動板側から順に第１の電極層、圧電体層、および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、
   前記第１の基板の振動板側とは反対側に積層された第２の基板と、を備え、
   前記第１の基板の少なくとも一部は、前記空室に向けて次第に板厚が厚くなることを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の圧電デバイスと、
   前記空室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 空室が形成された第１の基板と、
   前記空室の一側の面を区画する振動板と、
   前記振動板の前記空室とは反対側において、振動板側から順に第１の電極層、圧電体層、および第２の電極層が積層されてなる圧電素子と、
   前記第１の基板の振動板側とは反対側に積層された第２の基板と、を備えた圧電デバイスの製造方法であって、
   前記第１の基板及び前記振動板となる素基板の前記振動板となる側の面に、前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、
   前記素基板の前記圧電素子から外れた領域を圧電素子側から板厚方向に押圧した状態で、前記素基板を圧電素子側とは反対側から研磨して、押圧されなかった領域における前記素基板の板厚を押圧された領域における前記素基板の板厚よりも厚くする研磨工程と、
   研磨された前記素基板の板厚が厚い領域であって、前記圧電素子に対応する領域に前記空室を形成して、前記素基板を前記第１の基板及び前記振動板とする空室形成工程と、
   前記第１の基板の圧電素子側とは反対側に前記第２の基板を接合する基板接合工程と、を含むことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
6. 前記研磨工程において、前記素基板の押圧されなかった領域は、押圧された領域よりも圧電素子側とは反対側に隆起することを特徴とする請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法。
   

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