JP6361598B2 - 圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の圧電素子が並設された圧電デバイス、これを備えた液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、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。

上記の液体噴射ヘッドは、複数の圧力室と、各圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧電デバイスとを備えている。この圧電デバイスは、圧力室の一側（例えば、ノズルが形成されるノズルプレートとは反対側）を区画した振動板と、この振動板上において圧力室毎に形成された圧電素子とからなる。ここで、圧電素子としては、例えば、振動板に近い側から順に、圧力室毎に設けられる個別電極として機能する下電極層と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体層と、複数の圧力室に共通な共通電極として機能する上電極層とが、成膜技術によりそれぞれ積層形成されて構成される（例えば、特許文献１）。そして、圧電体層において上下の電極層によって挟まれた部分が、両電極層への電圧の印加によって変形する能動部（活性部）となる。

特開２００９−１７２８７８号公報

ここで、振動板に対して圧電体層が相対的に薄い場合には、圧力室内の圧電体層が取り除かれた箇所（腕部）の剛性が相対的に上がるため、圧電素子および振動板の変形を阻害してしまう。さらに、圧電体そのものの信頼性が低下するなど弊害が発生する。反対に、振動板に対して圧電体層が相対的に厚い場合には、圧電素子の剛性が上がってしまうため、圧電素子および振動板の変形の効率が低下するが、圧電体の信頼性は向上する。このように、圧電素子の変形と圧電体の膜厚（信頼性）には背反の関係が存在している。

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、圧電素子の信頼性を確保しつつ、圧電素子の変形を効率化することが可能な圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置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、第１の支持層上に第２の支持層が積層された支持体と、前記第２の支持層上から順に第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、を備え、 前記第１の電極層を前記支持体の撓み変形が許容される第１の領域に設ける一方、前記第２の電極層を前記第１の領域から当該領域の外側の第２の領域に亘って連続して設け、
前記第１の領域において、前記圧電体層を前記第１の電極層の外側まで形成すると共に、当該圧電体層より外側の領域の前記第２の支持層を除去して前記第１の支持層上に前記第２の電極層を積層したことを特徴とする。

この構成によれば、圧電体層が積層された領域の振動板の厚さを維持しつつ、圧電体層より外側の領域（腕部）の振動板の厚さを薄くすることができる。これにより、十分に信頼性が得られる圧電体層の厚さ（膜厚）を確保しつつ、腕部の剛性を下げて圧電素子の変形効率を向上させることができる。その結果、圧電素子の変形量を大きくすることができる。また、圧電体層の厚さ（膜厚）を確保できるため、両電極層に駆動電圧が印加されていない状態（初期状態）における圧電素子の過度の変形を抑制できる。さらに、圧電素子の外側における振動板の動きが阻害されることを抑制でき、圧電素子の変形による圧力変動を圧力室内の液体に効率よく伝えることができる。

上記構成において、前記第１の電極層、前記圧電体層および前記第２の電極層が積層された領域における前記第２の支持層の厚さを、前記第１の電極層より外側であって、前記圧電体層および前記第２の電極層が積層された領域における前記第２の支持層の厚さよりも厚くしたことが望ましい。

この構成によれば、初期状態における圧電素子の過度の変形を一層抑制できる。

また、上記各構成において、前記圧電体層および前記第２の電極層が積層された領域における前記第１の支持層の厚さを、前記圧電体層より外側であって、前記第１の支持層上に前記第２の電極層が積層された領域における前記第１の支持層の厚さよりも厚くしたことが望ましい。

この構成によれば、圧電素子の外側における振動板の動きが阻害されることを一層抑制できる。

さらに、本発明の液体噴ヘッドは、上記各構成の圧電デバイスを備えたことを特徴とする。また、本発明の液体噴装置は、上記構成の液体噴ヘッドを備えたことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために提案される本発明の圧電デバイスは、以下の構成を備えたものであってもよい。
すなわち、第１の部分、第２の部分、および、前記第１の部分との間に前記第２の部分が位置するように設けられた第３の部分を有する第１の支持層と、前記第１の支持層の前記第１の部分上、および前記第２の部分上に設けられた第２の支持層と、を有する支持体と、
前記第１の部分上において、前記支持体上から順に第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、を備え、
前記第２の支持層は、前記第１の部分上に位置する第１の厚みと、前記第１の厚みよりも薄く前記第２の部分上に位置する第２の厚みと、を有し、
前記第２の部分上において、前記支持体上から順に前記圧電体層および前記第２の電極層が積層され、
前記第３の部分上において、前記第１の支持層上に前記第２の電極層が設けられ、
前記第２の部分上に設けられた前記第２の支持層は、前記第３の部分上に設けられた前記第２の電極と接触することを特徴とする。
本発明の圧電デバイスによれば、圧電体層が積層された領域の支持体の厚さを維持しつつ、圧電体層より外側の領域（換言すると、腕部）の支持体の厚さを薄くすることができる。これにより、十分に信頼性が得られる圧電体層の厚さを確保しつつ、腕部の剛性を下げて圧電素子の変形効率を向上させることができる。その結果、圧電素子の変形量を大きくすることができる。また、圧電体層の厚さを確保できるため、両電極層に駆動電圧が印加されていない初期状態における圧電素子の過度の変形を抑制できる。さらに、圧電素子の外側における支持体の動きが阻害されることを抑制でき、圧電素子の変形による圧力変動を圧力室内の液体に効率よく伝えることができる。
また、上記構成において、前記第１の部分及び前記第２の部分における前記第１の支持層の厚さは、前記第３の部分における前記第１の支持層の厚さよりも大きいことが望ましい。
この構成によれば、圧電素子の外側における支持体の動きが阻害されることを一層抑制できる。
さらに、本発明の液体噴ヘッドは、上記各構成の圧電デバイスを備えたことを特徴とする。また、本発明の液体噴装置は、上記構成の液体噴ヘッドを備えたことを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの分解斜視図である。 圧電デバイスの平面図である。 記録ヘッドの要部の構成を説明するノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図である。 図３におけるＡ−Ａ′断面図である。 図５における領域Ｂの拡大図である。 振動板の形成過程を説明する模式図である。 振動板の形成過程を説明する模式図である。 第２実施形態における圧電デバイスの平面図である。

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、以下の説明では、本発明に係る圧電デバイスとして、液体吐出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）を搭載した液体吐出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）においてインクを噴射するためのアクチュエーターとして用いた場合の例を挙げる。

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）の表面に対して液体の一種であるインク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、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。従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。

図２は、本実施形態の記録ヘッド３の構成を示す分解斜視図である。また、図３は、圧電デバイス１４の平面図（上面図）であり、後述する封止板２０が接合されていない記録ヘッド３の平面図である。さらに、図４及び図５は、記録ヘッド３の要部の構成を示す図であり、図４はノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図、図５はノズル列方向（第１の方向、あるいは、後述する下電極層２７の幅方向（短手方向））に沿った断面（図３におけるＡ−Ａ′断面）の模式図である。

本実施形態における記録ヘッド３は、圧力室形成基板１５、ノズルプレート１６、圧電デバイス１４、及び、封止板２０等を積層して構成されている。圧力室形成基板１５は、例えばシリコン単結晶基板からなる板材である。この圧力室形成基板１５には、図５に示すように、複数の圧力室２２となる空間（以下、適宜、圧力室空間と称する。）が、隔壁２２ａを間に挟んで並設されている。これらの圧力室空間（圧力室２２）は、図３に示すように、ノズル列方向に直交する方向（第２の方向）に長尺な空部であり、ノズルプレート１６の各ノズル２５に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室空間（各圧力室２２）は、ノズル列方向に沿って、ノズル２５の形成ピッチと同じピッチで並設されている。なお、本実施形態における圧力室空間（圧力室２２）の上部開口（ノズル２５側とは反対側の開口）は、図３に示すように、台形状を呈している。この圧力室空間の寸法に関し、高さ（すなわち、圧力室形成基板１５の厚さ）は約７０〔μｍ〕に設定されている。また、圧力室空間（詳しくは上部開口）の長さ（ノズル列方向あるいは圧力室並設方向に直交する方向における圧力室空間の寸法）は約３６０〔μｍ〕に設定されている。さらに、圧力室空間（詳しくは上部開口）の幅ｗ１（ノズル列方向あるいは圧力室並設方向における圧力室空間の寸法ｗ１（図５参照））は約７０〔μｍ〕に設定されている。

また、図２に示すように、圧力室形成基板１５において、圧力室空間に対して当該圧力室空間の長手方向の側方（ノズル２５との連通側とは反対側）に外れた領域には、圧力室形成基板１５を貫通する連通部２３が、圧力室空間の並設方向（ノズル列方向）に沿って形成されている。この連通部２３は、各圧力室空間に共通な空部である。この連通部２３と各圧力室空間とは、インク供給路２４を介してそれぞれ連通されている。なお、連通部２３は、後述する振動板２１の連通開口部２６および封止板２０の液室空部３３と連通して、各圧力室空間（圧力室２２）に共通なインク室であるリザーバー（共通液室）を構成する。インク供給路２４は、圧力室空間よりも狭い幅で形成されており、連通部２３から圧力室空間に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。

圧力室形成基板１５の下面（圧電デバイス１４との接合面側とは反対側の面）には、ノズルプレート１６（ノズル形成基板）が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。本実施形態におけるノズルプレート１６は、ドット形成密度（例えば、３００ｄｐｉ〜６００ｄｐｉ）に相当するピッチ（すなわち、隣接ノズル２５の中心間距離）で各ノズル２５が並設されている。図３に示すように、各ノズル２５は、圧力室空間に対してインク供給路２４とは反対側の端部で連通する。なお、ノズルプレート１６は、例えば、シリコン単結晶基板やステンレス鋼などから作製される。

圧電デバイス１４は、図２に示すように、各圧力室２２内のインクに圧力変動を生じさせるアクチュエーターとして機能する薄板状のデバイスであり、振動板２１（本発明における支持体）および複数の圧電素子１９から構成される。振動板２１は、圧力室形成基板１５の上面に形成された酸化シリコン（ＳｉＯｘ）（例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２））からなる弾性層１７（本発明における第１の支持層に相当）と、この弾性層１７上に積層された酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）（例えば、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２））からなる絶縁体層１８（本発明における第２の支持層に相当）と、から成る。この振動板２１における圧力室空間に対応する部分、すなわち、圧力室空間の上部開口を塞いで圧力室２２の一部を区画する部分は、圧電素子１９の撓み変形に伴ってノズル２５から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変位する変位部として機能する。換言すると、振動板２１における圧力室空間に対応する領域は撓み変形が許容される第１の領域であり、振動板２１における圧力室空間から外れた領域は撓み変形が阻害される第２の領域である。ここで、この変位部（圧力室空間に対応する領域）における振動板２１は、図６に示すように、後述する上電極層２９、圧電体層２８および下電極層２７の位置関係から３つの領域Ｐ１（本発明における第１の部分に相当）、Ｐ２（本発明における第２の部分に相当）、Ｐ３（本発明における第３の部分に相当）に分けることができる。また、図５および図６に示すように、圧電素子１９間（詳しくは、領域Ｐ３）における絶縁体層１８が除去されている。なお、各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の振動板２１の厚さに関し、詳しくは後述する。また、図２に示すように、この振動板２１における圧力室形成基板１５の連通部２３に対応する部分には、当該連通部２３と連通する連通開口部２６が開設されている。

振動板２１（絶縁体層１８）の圧力室空間に対応する部分、換言すると圧力室２２の変位部の上面（ノズル２５側とは反対側の面）には、圧電素子１９がそれぞれ形成されている。すなわち、ノズル列方向に沿って並設された圧力室空間に対応して、圧電素子１９がノズル列方向に沿って並設されている。本実施形態における圧電素子１９は、図４および図５に示すように、絶縁体層１８側から順に下電極層２７（本発明における第１の電極層に相当）、圧電体層２８および上電極層２９（本発明における第２の電極層に相当）が、成膜技術により積層されて構成されている。

なお、上電極層２９および下電極層２７は、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属や、これらの合金等が用いられる。合金電極の一例として、ＬａＮｉＯ_３等が挙げられる。また、圧電体層２８としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その他、チタン酸バリウムなどの非鉛材料も用いることが可能である。さらに、これらの膜厚に関し、上電極層２９の厚さは、１５〜１００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約７０〔ｎｍ〕に設定されている。また、圧電体層２８の厚さ（詳しくは、領域Ｐ１における圧電体層２８の厚さ）は、０．７〜５〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約１〔μｍ〕に設定されている。さらに、下電極層２７の厚さは、５０〜３００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約１５０〔ｎｍ〕に設定されている。

ここで、図５に示すように、下電極層２７は、個々の圧力室２２毎に独立して設けられる一方、上電極層２９は、複数の圧力室２２に亘って連続して設けられている。したがって、下電極層２７は、圧力室２２毎の個別電極となり、上電極層２９は、各圧力室２２に共通な共通電極となる。

具体的には、図３及び図５に示すように、上電極層２９のノズル列方向における両端部は、並設された複数の圧力室空間（圧力室２２）の外側まで圧力室空間の上部開口の縁を越えて延設されている。なお、上電極層２９の圧力室２２（圧力室空間）の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）における両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて当該圧力室空間（圧力室２２）の外側まで延設されている。一方、下電極層２７は、圧力室２２（圧力室空間）の長手方向において、一側（図３における上側）の端部が圧力室２２の上部開口縁を超えてインク供給路２４と重なる位置まで延在され、他側（図３における下側）の端部がリード電極部４１まで延在されている。また、本実施形態では、図５に示すように、圧力室空間上（圧力室２２に対応する領域）における下電極層２７のノズル列方向の幅ｗ３が、圧力室２２（詳しくは、圧力室空間の上部開口）の同方向の幅ｗ１よりも狭く形成されている。さらに、圧力室空間上における圧電体層２８は、ノズル列方向において下電極層２７の外側まで延在され、そのノズル列方向の幅ｗ２は、圧力室２２の同方向における幅ｗ１よりも狭く、且つ下電極層２７の同方向の幅ｗ３よりも広く形成されている。すなわち、ノズル列方向における寸法が、上電極層２９の幅、圧力室２２の幅ｗ１、圧電体層２８の幅ｗ２、下電極層２７の幅ｗ３の順に小さくなっている。

ここで、圧力室空間上のノズル列方向における圧電体層２８の幅ｗ２は、３０〜６０〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約５２〔μｍ〕に設定されている。また、下電極層２７の幅ｗ３は、１５〜６０〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約４０〔μｍ〕に設定されている。さらに、下電極層２７の一側の外端部から圧電体層２８の同側の外端部までの距離ｗ４（すなわち、ノズル列方向における一側の領域Ｐ２の幅ｗ４（図６参照））は、２．５〜８．０〔μｍ〕に設定されることが望ましく、本実施形態では約６〔μｍ〕に設定されている。

また、本実施形態では、図３に示すように、圧電体層２８（圧電体層２８となるＰＺＴ層２８ａ）が部分的に除去された開口部２８ｂによって、圧電体層２８が個々の圧電素子１９毎に分割されている。具体的には、圧電体層２８は、圧力室２２の長手方向の両端部（詳しくは、圧力室空間の両側の上部開口縁）を超えて外側まで延在されると共に、複数の圧力室２２に亘って形成されている。そして、隣り合う圧力室２２の間に対応する領域の圧電体層２８が部分的に除去されて、圧電体層２８が積層されていない開口部２８ｂが複数形成されている。すなわち、複数の開口部２８ｂがノズル列方向に沿って、圧力室２２の形成ピッチ（ノズル２５の形成ピッチ）と同じピッチで形成されている。言い換えると、開口部２８ｂと開口部２８ｂとの間に、１つの圧力室２２に対応する圧電素子１９が圧力室２２の形成ピッチと同じピッチで形成されている。なお、本実施形態の開口部２８ｂは、平面視において、圧力室２２の長手方向に沿って長尺な六角形状に形成されている。また、圧力室２２の長手方向において、開口部２８ｂから外れた領域の圧電体層２８は、複数の圧力室２２に亘って連続して形成されている。

さらに、本実施形態では、図４に示すように、圧力室空間の上部開口縁よりも圧力室空間長手方向の外側に外れた領域における圧電体層２８上であって、上電極層２９に対して所定の間隔を隔てた位置（図４における左側の位置）に、リード電極部４１が形成されている。このリード電極部４１は、個別電極である下電極層２７に対応してパターニングされ、各圧電素子１９に駆動電圧（駆動パルス）を伝達する。すなわち、リード電極部４１を介して各圧電素子１９に選択的に駆動電圧（駆動パルス）が印加される。なお、リード電極部４１における圧電体層２８には、当該圧電体層２８を貫通する状態で、圧電体層２８の上面から下電極層２７に至るスルーホール４２が形成されている。このスルーホール４２を通じて、リード電極部４１は下電極層２７に導通されている。

封止板２０は、図２に示すように、圧電デバイス１４における圧力室形成基板１５との接合面である下面とは反対側の上面に接合されている。この封止板２０は、圧電素子１９を収容可能な収容空部３２と、当該収容空部３２よりもノズル列に直交する方向の外側に外れた位置であって、振動板２１の連通開口部２６および圧力室形成基板１５の連通部２３に対応する領域に形成された液室空部３３と、を備えている。液室空部３３は、封止板２０を厚さ方向に貫通して圧力室空間（圧力室２２）の並設方向に沿って設けられており、上述したように連通開口部２６および連通部２３と一連に連通して各圧力室空間の共通のインク室となるリザーバーを画成する。なお、図示しないが、封止板２０には、収容空部３２と液室空部３３の他に、封止板２０を厚さ方向に貫通する配線開口部が設けられ、この配線開口部内にリード電極部４１の端部が露出される。そして、このリード電極部４１の露出部分には、プリンター本体側からの図示しない配線部材の端子が電気的に接続される。

このような記録ヘッド３は、インクを噴射する際において、インクカートリッジ７からの供給により、リザーバー、インク供給路２４および圧力室２２等を介したノズル２５に至る一連の流路内をインクで満す。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２２に対応するそれぞれの下電極層２７と上電極層２９との間に両電極の電位差に応じた電界が付与されると、圧電素子１９および振動板２１の変位部が変位し、圧力室２２内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２５からインクが噴射される。

ここで、本発明に係る圧電デバイス１４は、上記したように、下電極層２７、圧電体層２８および上電極層２９が積層されて圧電素子１９が形成されているため、各層２７、２８、２９の重なり方によって、圧力室２２に対応する領域（変位部）における振動板２１が３つの領域に分けられる。具体的には、図６に示すように、下電極層２７、圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域Ｐ１と、下電極層２７から外れて圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域Ｐ２と、下電極層２７および圧電体層２８から外れて上電極層２９のみが積層された領域Ｐ３とに分けられる。なお、本実施形態では、振動板２１の変位部上においてノズル列方向の両側にそれぞれ領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が形成されるが、左右対称であるため、一側の領域に着目して説明する。

上記の領域Ｐ１における振動板２１上では、下電極層２７と上電極層２９との間に圧電体層２８が挟まれている。このため、この領域Ｐ１に積層された圧電体層２８が、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる能動部（活性部）となる。一方、下電極層２７が形成されていない領域Ｐ２における振動板２１上では、下電極層２７と上電極層２９との間に圧電体層２８が挟まれず、振動板２１（絶縁体層１８）と上電極層２９との間に圧電体層２８が挟まれている。このため、この領域Ｐ２に積層された圧電体層２８は、両電極への電圧の印加によっても圧電歪みが生じない非能動部（非活性部）となる。

そして、本発明に係る記録ヘッド３では、振動板２１の変形を阻害せずに、両電極層２７、２９に駆動電圧が印加されていない状態（初期状態）における圧電素子１９（圧電体層２８）の過度の撓みを抑制するべく、圧電体層２８が積層された領域より外側の領域（腕部）Ｐ３における振動板２１の厚さを圧電体層２８が積層された領域Ｐ１、Ｐ２における振動板２１の厚さよりも薄くしている。換言すると、領域Ｐ１、Ｐ２における振動板２１の厚さを領域Ｐ３における振動板２１の厚さよりも厚くしている。具体的には、領域Ｐ３における絶縁体層１８を除去し、弾性層１７上に上電極層２９を直接積層している。特に、本実施形態では、領域Ｐ３における弾性層１７の厚さｔ１を領域Ｐ１、Ｐ２における弾性層１７の厚さｔ２よりも薄くしている。すなわち、圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域Ｐ１、Ｐ２における弾性層１７の厚さｔ２を、圧電体層２８よりノズル列方向の外側であって、弾性層１７上に上電極層２９が積層された領域Ｐ３における弾性層１７の厚さｔ１よりも厚くしている。これにより、領域Ｐ３における振動板２１の厚さを、領域Ｐ１、Ｐ２における振動板２１の厚さに比べて一層薄くすることができる。

また、本実施形態では、領域Ｐ２における絶縁体層１８の厚さｔ３（本発明における第２の厚みに相当）を領域Ｐ１における絶縁体層１８の厚さｔ４（本発明における第１の厚みに相当）よりも薄くしている。すなわち、下電極層２７、圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域Ｐ１における絶縁体層１８の厚さｔ４を、下電極層２７よりノズル列方向の外側であって、圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域Ｐ２における絶縁体層１８の厚さｔ３よりも厚くしている。これにより、領域Ｐ１における振動板２１の厚さを、領域Ｐ２における振動板２１の厚さに比べて厚くすることができる。すなわち、振動板２１の各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における当該振動板２１の厚さの関係がＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３（すなわち、（ｔ２＋ｔ４）＞（ｔ２＋ｔ３）＞ｔ１）を満たすように構成されている。

なお、領域Ｐ１の振動板２１の厚さと領域Ｐ２の振動板２１の厚さとの差、および、領域Ｐ２の振動板２１の厚さと領域Ｐ３の振動板２１の厚さとの差は、それぞれ５〜５０〔ｎｍ〕であることが望ましく、１０〔ｎｍ〕以上であることがより望ましい。例えば、領域Ｐ１、Ｐ２における弾性層１７の厚さを約１５００〔ｎｍ〕に設定し、領域Ｐ１における絶縁体層１８の厚さを約４２０〔ｎｍ〕、領域Ｐ２における絶縁体層１８の厚さを約３８０〔ｎｍ〕に設定する。このようにすれば、圧電体層２８の剛性をより確実に高めることができると共に、圧電体層２８の外側における振動板２１の動きが阻害されることをより確実に抑制できる。また、各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の弾性層１７の厚さは、３００〜２０００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましい。さらに、領域Ｐ１の絶縁体層１８の厚さは、６００〔ｎｍ〕以下であることが望ましい。

このように、圧電体層２８より外側の領域Ｐ３の絶縁体層１８を除去することで、圧電体層２８が積層された領域Ｐ１、Ｐ２の振動板２１の厚さを維持しつつ、領域Ｐ３の振動板２１の厚さを薄くすることができる。これにより、十分に信頼性が得られる圧電体層２８の厚さ（膜厚）を確保しつつ、圧電体層２８より外側の領域Ｐ３の剛性を下げて圧電素子１９の変形効率を向上させることができる。その結果、圧電素子１９の変形量を大きくすることができるまた、能動部となる圧電体層２８の剛性を維持でき、その結果、初期状態における圧電素子１９の過度の撓みを抑制することができる。一方、領域Ｐ３の振動板２１の厚さを薄くしたので、圧電体層２８の外側における振動板２１の動きが阻害されることを抑制でき、圧電素子１９の変形による圧力変動を圧力室２２内のインクに効率よく伝えることができる。すなわち、圧力室２２内のインクに対する圧電素子１９の駆動力の伝達ロスを低減することができる。これにより、ノズル２５から一定量のインクを噴射させるのに必要な圧電素子１９の駆動電圧を低く抑えることができ、省電力化が図れるとともに圧電素子１９の寿命を延ばすことが可能となる。その結果、記録ヘッド３の信頼性が向上する。また、圧電体層２８が積層される領域Ｐ１、Ｐ２に酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体層１８を形成したので、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層２８を焼成により形成する際に、当該圧電体層２８に含まれる鉛が下層（弾性層１７）側に拡散されることを抑制できる。

特に、本実施形態では、領域Ｐ１における絶縁体層１８の厚さｔ４を領域Ｐ２における絶縁体層１８の厚さｔ３よりも厚くして、領域Ｐ１における振動板２１の厚さを領域Ｐ２における振動板２１の厚さよりも厚くしたので、圧電素子１９の過度の変形を一層抑制できる。また、領域Ｐ３における弾性層１７の厚さｔ１を領域Ｐ１、Ｐ２における弾性層１７の厚さｔ２よりも薄くして、領域Ｐ３における振動板２１の厚さを領域Ｐ１、Ｐ２における振動板２１の厚さよりも薄くしたので、圧電素子１９の外側における振動板２１の動きが阻害されることを一層抑制できる。

次に、圧電デバイス１４の製造方法について説明する。まず、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）からなる弾性層１７上にスパッタ法等により酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体層１８を形成する。次に、図７（ａ）に示すように、絶縁体層１８上の全面にスパッタ法等により下電極層２７となる下金属層２７ａを形成する。その後、この下金属層２７ａをエッチングにより所定形状にパターニングする。具体的には、フォトリソグラフィー法によって、エッチングに対するマスクとなるレジストパターンを下金属層２７ａ上に設け、水溶液などのエッチング溶液によって下金属層２７ａを上面側からエッチングした後、レジストパターンを除去する。このとき、エッチング時間等の制御によって下金属層２７ａの厚さ以上にエッチングを行うことで、図７（ｂ）に示すように、下電極層２７として残る下金属層２７ａ以外の領域（領域Ｐ２およびＰ３）に対応する絶縁体層１８をエッチングする。これにより、振動板２１の領域Ｐ１に対応する絶縁体層１８がエッチングされず、この絶縁体層１８上に下電極層２７が形成されると共に、振動板２１の領域Ｐ２およびＰ３に対応する絶縁体層１８がオーバーエッチングされる。その結果、領域Ｐ１と領域Ｐ２との境界に段差が形成され、領域Ｐ２およびＰ３に対応する絶縁体層１８が、領域Ｐ１に対応する部分より一段下がった状態になる。

絶縁体層１８上に下電極層２７を形成したならば、図７（ｃ）に示すように、当該下電極層２７が形成された絶縁体層１８上の全面に圧電体層２８となるＰＺＴ層２８ａを形成する。ＰＺＴ層２８ａの形成方法は、特に限定されないが、例えば、金属有機物を触媒に溶解・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ＰＺＴ層２８ａを得る、いわゆるゾル−ゲル法が用いられる。その他、スパッタやＩＪ塗布法等の種々の方法でＰＺＴ層２８ａを形成してもよい。その後、フォトリソグラフィー法によって、ＰＺＴ層２８ａ上にエッチングに対するマスクとなるレジストパターンを形成し、このＰＺＴ層２８ａをエッチングにより所定形状にパターニングした後、レジストパターンを除去する。このとき、エッチング時間等の制御によってＰＺＴ層２８ａの厚さ以上にエッチングを行うことで、図８（ａ）に示すように、圧電体層２８として残るＰＺＴ層２８ａ以外の領域（領域Ｐ３）に対応する絶縁体層１８を除去すると共に、同領域の弾性層１７をエッチングする。これにより、振動板２１の領域Ｐ１、Ｐ２に対応する弾性層１７および絶縁体層１８がエッチングされず、その上面に圧電体層２８が形成されると共に、振動板２１の領域Ｐ３（開口部２８ｂ）に対応する弾性層１７がオーバーエッチングされる。その結果、振動板２１の領域Ｐ２と領域Ｐ３との境界に段差が形成され、領域Ｐ３に対応する弾性層１７が領域Ｐ２に対応する弾性層１７よりも一段下がった状態になる。

その後、図８（ｂ）に示すように、下電極層２７および圧電体層２８が形成された絶縁体層１８上の全面にスパッタ法等により上電極層２９となる上金属層２９ａを形成する。そして、フォトリソグラフィー法によって、上金属層２９ａ上にエッチングに対するマスクとなるレジストパターンを形成し、この上金属層２９ａをエッチングにより所定形状にパターニングした後、レジストパターンを除去する。このようにして、本実施形態の圧電デバイス１４を形成することができる。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されない。例えば、上記施形態では、領域Ｐ１における絶縁体層１８の厚さｔ４を領域Ｐ２における絶縁体層１８の厚さｔ３よりも厚くしたが、これには限られず、領域Ｐ１における絶縁体層１８の厚さｔ４と領域Ｐ２における絶縁体層１８の厚さｔ３とを同じにすることができる。また、領域Ｐ３における弾性層１７の厚さｔ１を領域Ｐ１、Ｐ２における弾性層１７の厚さｔ２よりも薄くしたが、これには限られず、領域Ｐ３における弾性層１７の厚さｔ１と領域Ｐ１、Ｐ２における弾性層１７の厚さｔ２とを同じにすることもできる。

また、上記実施形態では、圧力室２２に対応する領域の振動板２１の領域のうち、下電極層２７、圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域の全体を領域Ｐ１、下電極層２７から外れて圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域の全体を領域Ｐ２、下電極層２７および圧電体層２８から外れて上電極層２９のみが積層された領域の全体を領域Ｐ３としたが、これには限られない。各領域において、振動板の厚さが異なる領域を含んでも良い。例えば、下電極層２７から外れて圧電体層２８および上電極層２９が積層された領域が、弾性層１７および絶縁体層１８からなる領域Ｐ２と、この領域Ｐ２よりも振動板２１の厚さが厚いまたは薄い領域Ｐ２′を含んでも良い。また、下電極層２７および圧電体層２８から外れて上電極層２９のみが積層された領域が、弾性層１７のみからなる領域Ｐ３と、この領域Ｐ３よりも弾性層１７の厚さが厚いまたは薄い領域Ｐ３′を含んでも良い。さらに、領域Ｐ１も同様である。ここで、特に領域Ｐ２より領域Ｐ２′の方が厚い場合において、領域Ｐ２′に比して領域Ｐ２を大きく（広く）した方が、振動板の変形を阻害しない効果が大きい。また、領域Ｐ３より領域Ｐ３′の方が厚い場合も同様である。このような各領域内に含まれる振動板の厚さの違いは、製造公差等により形成される場合もある。

さらに、圧力室２２（圧力室空間）の形状は、上記実施形態に限られない。例えば、圧力室空間を区画する内壁面が、圧力室形成基板１５の上下面に対してそれぞれ傾斜していてもよい。この場合、上記した圧力室２２の幅は、圧力室空間の上部開口の開口幅に相当する。また、上記実施形態では、ノズル列方向に沿って複数の圧電素子１９を並設したが、これには限られない。圧電素子が、振動板上に少なくとも１つ形成されていればよい。

そして、上記実施形態では、圧力室空間（圧力室２２）の上部開口が台形状を呈し、圧電体層２８に形成された開口部２８ｂが六角形状を呈していたがこれには限られない。圧力室空間（圧力室）の形状、圧電体層（開口部）の形状、各電極層の形状等は、種々の形状を取り得る。例えば、図９に示す、第２実施形態の圧電デバイス１４′では、平面視において、圧力室空間（圧力室２２′）の上部開口が略楕円形状を呈している。また、下電極層２７′は、この圧力室２２′の形状に合わせて、略楕円形状に形成されている。さらに、圧電体層２８の開口部２８ｂ′は、圧力室２２′の上部開口の縁に沿って、圧力室２２′のノズル列方向における両側に形成されている。なお、上電極層２９′は、上記実施形態と同様に、圧力室列設方向（ノズル列方向）において列設された複数の圧力室２２′の外側まで延設されている。また、圧力室２２′の長手方向における上電極層２９′は、一側（図９における上側）の端部がインク供給路２４′と重なる位置まで延在され、他側（図９における下側）の端部が圧力室２２′の外側まで延在されている。

ここで、本実施形態でも、ノズル列方向における各層の寸法が、上電極層２９′の幅、圧力室２２′の幅、圧電体層２８′の幅、下電極層２７′の幅の順に小さくなっている。このため、下電極層２７′、圧電体層２８′および上電極層２９′が積層された領域Ｐ１と、下電極層２７′から外れて圧電体層２８′および上電極層２９′が積層された領域Ｐ２と、下電極層２７′および圧電体層２８′から外れて上電極層２９′のみが積層された領域Ｐ３とが存在する。そして、領域Ｐ３の絶縁体層が除去されると共に、振動板の各領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における当該振動板の厚さの関係がＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３を満たすように構成されている。これにより、初期状態における圧電体層２８′の過度の撓みを抑制できると共に、圧電体層２８′の外側における振動板の動きが阻害されることを抑制できる。なお、その他の構成は上記実施形態と同じであるため、説明を省略する。

そして、上述した実施形態では、インクジェットプリンターに搭載されるインクジェット式記録ヘッドを例示したが、上記構成の圧電デバイスを有するものであれば、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。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噴射ヘッド、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噴射ヘッド、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噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。

また、本発明は、液体噴射ヘッド或は液体噴射装置にアクチュエーターとして用いられるものには限られず、例えば、各種センサー等に使用される圧電デバイス等にも適用することができる。

１…プリンター，３…記録ヘッド，１４…圧電デバイス，１５…圧力室形成基板，１６…ノズルプレート，１７…弾性層，１８…絶縁体層，１９…圧電素子，２１…振動板，２２…圧力室，２３…連通部，２５…ノズル，２７…下電極層，２８…圧電体層，２９…上電極層，４１…リード電極部，４２…スルーホール

Claims (4)

1. 第１の部分、第２の部分、および、前記第１の部分との間に前記第２の部分が位置するように設けられた第３の部分を有する第１の支持層と、前記第１の支持層の前記第１の部分上、および前記第２の部分上に設けられた第２の支持層と、を有する支持体と、
   前記第１の部分上において、前記支持体上から順に第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、を備え、
   前記第２の支持層は、前記第１の部分上に位置する第１の厚みと、前記第１の厚みよりも薄く前記第２の部分上に位置する第２の厚みと、を有し、
   前記第２の部分上において、前記支持体上から順に前記圧電体層および前記第２の電極層が積層され、
   前記第３の部分上において、前記第１の支持層上に前記第２の電極層が設けられ、
   前記第２の部分上に設けられた前記第２の支持層は、前記第３の部分上に設けられた前記第２の電極と接触することを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記第１の部分および前記第２の部分における前記第１の支持層の厚さは、前記第３の部分における前記第１の支持層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電デバイスを備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項３に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。

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