JP6780252B2 - 圧電素子、液体噴射ヘッド及び圧電素子デバイス - Google Patents

圧電素子、液体噴射ヘッド及び圧電素子デバイス Download PDF

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Description

本発明は、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子、圧電素子を備える液体噴射ヘッド及び圧電素子を備える圧電素子デバイスに関する。
圧電素子を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズル開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドが知られている。この液体噴射ヘッドの代表例としては、液滴としてインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドがある。
インクジェット式記録ヘッドは、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に圧電素子を備え、圧電素子の駆動によって振動板を変形させることで、圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせて、ノズル開口からインク滴を噴射させる。
このような圧電素子では、圧電素子が振動板を変形させた際に、圧電素子を支持する振動板の一部である、いわゆる腕部の強度を向上させる構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、振動板の変位を向上させるために厚さを薄くした腕部の一部に梁部を設け、強度の向上を図っている。
特開２０００−５２５５０号公報
しかしながら、圧電素子の端部近傍には梁部を形成できない、又は梁部を形成しにくいため、当該端部への応力集中により圧電素子が破壊されることを効果的に抑制できない虞がある。また、圧電素子の非能動部における端部近傍に応力が集中し、圧電素子が破壊される虞がある。
このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電素子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、信頼性の向上した圧電素子、液体噴射ヘッド及び圧電素子デバイス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、振動板と、前記振動板の上方に設けられた第１電極と、前記第１電極の上方に設けられた圧電体層と、前記圧電体層の上方に設けられた第２電極とを備え、前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とで挟まれて少なくとも一端部が前記第１電極によって規定された能動部と、前記第１電極の前記能動部を規定する端部よりも外側に設けられた非能動部とを有し、前記振動板は、前記非能動部の下方の第１振動部と、前記第１振動部よりも外側の第２振動部とを備え、前記第２振動部は、前記第１振動部に向かって厚さが漸大した部分を含むことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、非能動部の下方の振動板の第２振動部が第１振動部に向けて厚さが漸大している。すなわち応力が集中する圧電体層の端部近傍における振動板の厚さが厚くなるので、応力による振動板の破壊を抑制することができる。また、第２振動部の厚さは、第１振動部よりも薄くなっている。このため、圧電素子の変形にともなう振動板の変位を高くすることができる。このように本態様では、信頼性が向上し、かつ振動板の変位も良好な圧電素子が提供される。
また、前記第２振動部の前記第１振動部に向かって厚さが漸大するテーパー部の傾斜角は、前記圧電体層の側面の傾斜角よりも小さいことが好ましい。これによれば、圧電体層の端部での応力の集中が緩和され、振動板の破壊をより一層抑制することができる。
また、前記振動板は、前記第１電極側の第１層、前記第１層の前記第１電極とは反対側の第２層とを備え、前記第１層は、前記第１振動部に向かって厚さが漸大した部分を含むことが好ましい。これによれば、第１層と第２層とで材料を使い分けて振動板を形成することができる。例えば、靱性の高い材料で第１層を形成することで、第２振動部よりも厚い第１振動部に靱性を付与することができ、より確実に、振動板の破壊を抑制することができる。
また、前記第１電極は、前記能動部の下方の第１膜厚部と、前記第１膜厚部よりも外側の第２膜厚部とを備え、前記第２膜厚部は、前記第１膜厚部に向かって厚さが漸大した部分を含むことが好ましい。これによれば、能動部の下方の第１電極の第２膜厚部が第１膜厚部に向けて厚さが漸大している。すなわち応力が集中する圧電体層の端部近傍における第１電極の厚さが厚くなるので、応力による第１電極の破壊を抑制することができる。また、第２膜厚部の厚さは、第１膜厚部よりも薄くなっている。このため、圧電素子の変形にともなう振動板の変位を第１電極が阻害しにくくなっている。このように本態様では、信頼性が向上し、かつ振動板の変位も良好な圧電素子が提供される。
また、上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記態様に記載する圧電素子を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。これによれば、上記態様の圧電素子を備えることで、信頼性が向上し、かつ液体の噴射特性が良好な液体噴射ヘッドが提供される。
また、上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記態様に記載する圧電素子を備えることを特徴とする圧電素子デバイスにある。これによれば、振動板の破壊が抑制され、信頼性の向上した圧電素子デバイスが提供される。
記録装置の斜視図である。 記録ヘッドの斜視図である。 記録ヘッドの平面図である。 図３のＡ−Ａ′線断面図である。 図４のＢ−Ｂ′線断面図である。 図４のＣ−Ｃ′線断面図である。 圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の斜視図である。インクジェット式記録ヘッドは液体噴射ヘッドの一例であり、単に記録ヘッドともいう。
インクジェット式記録装置Ｉは、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５を備えている。このキャリッジ軸５には、キャリッジ軸５の軸方向に沿って移動可能なキャリッジ３が設けられている。キャリッジ３には、記録ヘッド１が設けられている。また、キャリッジ３には、カートリッジ２Ａ及びカートリッジ２Ｂが着脱可能に設けられている。カートリッジ２Ａ及びカートリッジ２Ｂは、インク供給手段の一例であり、インクを記録ヘッド１に供給する。
装置本体４には駆動モーター６が設けられている。駆動モーター６の駆動力は、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。これにより、キャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動する。一方、装置本体４には、搬送手段としての搬送ローラー８が設けられている。搬送ローラー８により、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送される。なお、搬送手段は、搬送ローラー８に限られず、ベルトやドラム等であってもよい。
このようなインクジェット式記録装置Ｉでは、キャリッジ３がキャリッジ軸５に沿って移動すると共に記録ヘッド１によってインクが吐出されて記録シートＳに印刷される。
なお、本実施形態では、記録ヘッド１がインクを吐出する方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する平面においてキャリッジ３が往復移動する方向をＹ方向、Ｙ方向及びＺ方向に直交する方向をＸ方向とする。
図２は記録ヘッドの斜視図であり、図３は記録ヘッドの平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。
記録ヘッド１は、流路形成基板１０を備え、流路形成基板１０には、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。圧力発生室１２は、同じインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又はＸ方向と称する。また、このＸ方向と直交する方向を、Ｙ方向と称する。さらに、Ｘ方向及びＹ方向の両方に直交する方向をＺ方向と称する。Ｚ方向は、ノズル開口２１からインクが吐出される方向である。なお、本実施形態では、各方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。
流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端部側、すなわちＹ方向の一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（Ｙ方向において圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。
流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、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接合されている。ノズルプレート２０には、Ｘ方向にノズル開口２１が並設されている。ノズルプレート２０は、各ノズル開口２１が各圧力発生室１２に連通するように流路形成基板１０に接合されている。
流路形成基板１０の他方面側には、振動板５０が形成されている。本実施形態に係る振動板５０は、圧電素子３００により変形される部位であり、流路形成基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体膜５２とで構成されている。この振動板５０についての詳細な構成については後述する。
絶縁体膜５２上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とで構成される圧電素子３００が形成されている。本実施形態では、圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０と、振動板５０と、圧電素子３００とが、圧電素子を備える圧電デバイスの一例であるアクチュエーター装置となっている。
圧電素子３００を構成する第１電極６０は、振動板５０の上方に設けられた電極である。本実施形態では、第１電極６０は、複数の圧力発生室１２に亘り連続して形成され、複数の圧電素子３００の共通電極となっている。第１電極６０の材料は、後述する圧電体層７０を成膜する際に酸化せず、導電性を維持できる材料が好ましく、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属、またはランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）などに代表される導電性酸化物が好適に用いられる。
第１電極６０及び振動板５０の間に、密着力を確保するための密着層が設けられていてもよい。つまり、第１電極６０は、振動板５０の表面上に直接設けられている必要はなく、当該密着層を介して振動板５０の上方に設けられていてもよい。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。
圧電体層７０は、圧力発生室１２ごとにパターニングされて形成されている。圧電体層７０のＹ方向の幅は、圧力発生室１２のＹ方向の長さよりも広い。このため、圧力発生室１２のＹ方向では、圧電体層７０は圧力発生室１２の外側まで設けられている。
圧力発生室１２のＹ方向において、圧電体層７０のインク供給路１３側の端部は、第１電極６０の端部よりも外側に位置している。すなわち、第１電極６０の端部は圧電体層７０によって覆われている。また、圧電体層７０のノズル開口２１側の端部は、第１電極６０の端部よりも外側に位置しており、第１電極６０のノズル開口２１側の端部は、圧電体層７０によって覆われている。
圧電体層７０は、電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）である。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、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を用いることができる。また、圧電体層７０の材料としては、鉛を含む鉛系の圧電材料に限定されず、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いることもできる。
第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面側に設けられており、複数の能動部３１０ごとに設けられた個別電極を構成する。第２電極８０は、圧電体層７０の上方に設けられていればよく、圧電体層７０の直上であってもよいし、間に他の部材が介在してもよい。
第２電極８０としては、圧電体層７０との界面を良好に形成できること、絶縁性及び圧電特性を発揮できる材料が望ましく、イリジウム（Ｉｒ）、白金 （Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の貴金属材料、及びランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）に代表される導電性酸化物が好適に用いられる。また、第２電極８０は、複数材料の積層であってもよい。
このような第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０で構成される圧電素子３００は、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。そして、両電極に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を能動部３１０と称する。これに対して、圧電体層７０に圧電歪みが生じない部分を非能動部３２０と称する。この能動部３１０のＸ方向の端部は、第２電極８０によって規定されている。また、能動部３１０のＹ方向の端部は、第１電極６０によって規定されている。
圧電素子３００の各第１電極６０には、圧電体層７０の外側に引き出された一部分にリード電極９０が接続されている。また、圧電素子３００の第２電極８０にも特に図示しないがリード電極が接続されている。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００を保護する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。保護基板３０には、圧電素子３００を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部３１が設けられている。
保護基板３０には、マニホールド１００の一部を構成するマニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２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１５と連通してマニホールド１００を形成している。
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。各第１電極６０に接続されたリード電極９０及び第２電極８０に接続された不図示のリード電極は、この貫通孔３３内に露出している。
保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動させるための駆動回路１２０が設けられている。駆動回路１２０は、例えば回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）を用いることができる。駆動回路１２０と、リード電極９０及び第２電極８０に接続されたリード電極とは、貫通孔３３内に挿通された接続配線１２１を介して電気的に接続されている。なお、図示しないが、駆動回路１２０はインクジェット式記録装置Ｉの動作を制御する制御装置に接続されており、当該制御装置からの信号に基づいて圧電素子３００を駆動させる。
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。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によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。また、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のマニホールド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、マニホールド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記録ヘッド１では、外部のカートリッジ２Ａ及びカートリッジ２Ｂ（図１参照）からインクを取り込み、マニホールド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からの信号に従い、圧力発生室１２に対応する第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加する。これにより圧電素子３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力発生室１２内の圧力が高まり、各ノズル開口２１からインク滴が噴射される。
ここで、図４から図６を用いて、圧電素子３００の構成について詳細に説明する。図５は図４のＢ−Ｂ′線断面図であり、図６は図４のＣ−Ｃ′線断面図である。図５のＢ−Ｂ′線断面は圧電素子の非能動部をＸ方向に沿って横断し、図６のＣ−Ｃ′線断面は圧電素子の能動部をＸ方向に沿って横断している。
図４及び図５に示すように、圧電素子３００は、非能動部３２０を備えている。非能動部３２０とは、圧電素子３００を構成する圧電体層７０のうち、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれていない部分である。本実施形態では、圧電体層７０のＹ方向の両端部は、第１電極６０のＹ方向の両端部よりも外側まで延設され、振動板５０上に形成されている。すなわち、圧電体層７０のＹ方向の両端部は第１電極６０上には設けられていない。当該両端部は、第１電極６０及び第２電極８０に挟まれていない非能動部３２０である。
振動板５０は、上述した非能動部３２０の下方の第１振動部５３と第１振動部５３よりも外側の第２振動部５４とを備えている。
第１振動部５３は、振動板５０のうち圧電体層７０の非能動部３２０の下方（圧電素子３００からみて第１電極６０側）の一部である。換言すれば、振動板５０のうち圧電体層７０の非能動部３２０が重なった部分である。本実施形態では、圧電体層７０の下方にある弾性膜５１及び絶縁体膜５２の一部が第１振動部５３に相当する。この第１振動部５３においては、弾性膜５１及び絶縁体膜５２は厚さがほぼ均等となっている。なお、第１振動部５３は、本実施形態のように、圧電体層７０の下面側に接した場合に限らず、別部材を挟んで間接的に圧電体層７０の下方に位置していてもよい。
第２振動部５４は、振動板５０のうち第１振動部５３よりも外側の一部である。換言すれば、振動板５０のうち圧電体層７０が重なっていない部分である。本実施形態では、第１振動部５３よりもＸ方向において外側の弾性膜５１及び絶縁体膜５２が第２振動部５４に相当する。
このような第２振動部５４は、第１振動部５３に向かって厚さが漸大する部分を含んでいる。第２振動部５４の厚さが漸大した部分をテーパー部５５と称する。本実施形態では、絶縁体膜５２に、第１振動部５３に向かって厚さが漸大するテーパー部５５が設けられている。また、絶縁体膜５２はテーパー部５５から外側は除去されており、弾性膜５１は絶縁体膜５２に覆われていない部分を有する。弾性膜５１は、厚さはほぼ均等となっている。弾性膜５１のうち、絶縁体膜５２に覆われておらず、圧力発生室１２を構成している一部が腕部５９となっている。
このように、振動板５０は、第１振動部５３及び第２振動部５４を有し、また、第２振動部５４はテーパー部５５と腕部５９とを有している。これらは、圧力発生室１２の上面を構成しており、圧電素子３００の変形にともない変位し、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる部位となる。
振動板５０は、このようなテーパー部５５を含む第２振動部５４を備えている。したがって、振動板５０は、圧電体層７０の端部に近くなるほど厚さが厚くなり、圧電体層７０から離れて隔壁１１に近づくほど厚さが薄くなっている。
このような構成の圧電素子３００では、非能動部３２０は能動部３１０とは異なり変形しない部位である。しかし、能動部３１０の変形にともない振動板５０は変位する。この振動板５０の変位によって、非能動部３２０の下方における第１振動部５３及び第２振動部５４も変位する。この変位によって、圧電体層７０の非能動部３２０の下方において、第１振動部５３と第２振動部５４との境界近傍に応力が集中する。
本実施形態の圧電素子３００は、応力が集中する第１振動部５３と第２振動部５４との境界近傍にはテーパー部５５が設けられている。このテーパー部５５により、第２振動部５４が第１振動部５３に向かって厚さが厚くなり、第２振動部５４は応力に対して補強される。これにより、圧電体層７０の非能動部３２０の下方において、応力による振動板５０の破壊を抑制することができる。
一方、第２振動部５４の厚さは、テーパー部５５よりも外側（腕部５９）では第１振動部５３よりも薄くなっている。このため、圧電素子３００の変形にともなう振動板５０の変位を高くすることができる。
このように、本実施形態によれば、第１振動部５３に向かって厚さが漸大する第２振動部５４を設けることで、非能動部３２０の下方に位置する振動板５０（第１振動部及び第２振動部）の破壊が抑制されて信頼性が向上し、かつ変位も良好な圧電素子３００が提供される。また、このような圧電素子３００を備えることで、信頼性が向上し、かつインクの噴射特性が良好な記録ヘッド１が提供される。
また、テーパー部５５の傾斜角は、圧電体層７０の側面７２の傾斜角よりも小さくなっている。テーパー部５５の傾斜角とは、振動板５０の弾性膜５１の表面を基準とするテーパー部５５の斜面の角度である。圧電体層７０の側面７２の傾斜角とは、圧電体層７０が設けられた第１電極６０の表面を基準とする側面７２の角度である。
テーパー部５５及び圧電体層７０の側面７２は、上述したような傾斜角を有している。このような構成により、圧電体層７０の側面７２からテーパー部５５に亘り、緩やかな傾斜を形成することができる。これにより、圧電体層７０の端部での応力の集中が緩和され、振動板５０の破壊をより一層抑制することができる。
また、本実施形態では、振動板５０を構成する弾性膜５１（請求項の第２層）及び絶縁体膜５２（請求項の第１層）のうち、絶縁体膜５２にテーパー部５５を設け、弾性膜５１は膜厚をほぼ均等にした。すなわち、第１層の絶縁体膜５２にのみ、第１振動部５３に向かって厚さが漸大するテーパー部５５を含む。このようなテーパー部５５を含む絶縁体膜５２は、靱性の高い酸化ジルコニウムで形成することが好ましい。
このような構成の圧電素子３００では、弾性膜５１と絶縁体膜５２とで材料を使い分けて振動板５０を形成することができる。本実施形態では、靱性の高い酸化ジルコニウムで絶縁体膜５２が形成されている。したがって、テーパー部５５の膜厚に加えて、材料の靱性によって、振動板５０が応力集中により破壊されることをより確実に抑制することができる。
一般に、酸化ジルコニウムはヤング率が比較的大きいことが知られている。しかし、腕部５９は絶縁体膜５２に覆われていない。このため、腕部５９の変位が絶縁体膜５２で抑制されないので、振動板５０の変位を向上させることができる。なお、絶縁体膜５２は酸化ジルコニウムで形成されている場合に限定されない。
図４及び図６に示すように、圧電素子３００は、能動部３１０を備えている。能動部３１０とは、圧電素子３００を構成する圧電体層７０のうち、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている部分である。能動部３１０は、第１電極６０及び第２電極８０への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分であり、この圧電歪みにより第１電極６０、絶縁体膜５２、及び弾性膜５１が圧電素子３００の幅方向（Ｘ方向）に撓む。
第１電極６０は、上述した能動部３１０の下方の第１膜厚部６３と第１膜厚部６３よりも外側の第２膜厚部６４とを備えている。
第１膜厚部６３は、第１電極６０のうち圧電体層７０の能動部３１０の下方（圧電素子３００からみて第１電極６０側）の一部である。換言すれば、第１電極６０のうち圧電体層７０の能動部３１０が重なった部分である。この第１膜厚部６３においては、厚さがほぼ均等となっている。なお、第１膜厚部６３は、本実施形態のように、圧電体層７０の下面側に接した場合に限らず、密着層などの別部材を挟んで間接的に圧電体層７０の下方に位置していてもよい。
第２膜厚部６４は、第１電極６０のうち第１膜厚部６３よりも外側の一部である。換言すれば、第１電極６０のうち圧電体層７０が重なっていない部分である。
このような第２膜厚部６４は、第１膜厚部６３に向かって厚さが漸大する部分を含んでいる。第２膜厚部６４の厚さが漸大した部分をテーパー部６５と称する。また、第２膜厚部６４のうちテーパー部６５以外の部分であって圧力発生室１２に対向する部分を腕部６９と称する。
このように、第１電極６０は、第１膜厚部６３及び第２膜厚部６４を有し、また、第２膜厚部６４はテーパー部６５と腕部６９とを有している。このようなテーパー部６５を設けることで、第１電極６０は、圧電体層７０の端部に近くなるほど厚さが厚くなり、圧電体層７０から離れて隔壁１１に近づくほど厚さが薄くなっている。
このような構成の圧電素子３００では、能動部３１０の変形にともない第１電極６０は変位する。この第１電極６０の変位によって、圧電体層７０の能動部３１０の下方において、第１膜厚部６３と第２膜厚部６４との境界近傍に応力が集中する。
本実施形態の圧電素子３００は、応力が集中する第１膜厚部６３と第２膜厚部６４との境界近傍にはテーパー部６５が設けられている。このテーパー部６５により、第２膜厚部６４が第１膜厚部６３に向かって厚さが厚くなり、第２膜厚部６４は応力に対して補強される。これにより、圧電体層７０の能動部３１０の下方において、応力による第１電極６０の破壊を抑制することができる。
一方、第２膜厚部６４の厚さは、テーパー部６５よりも外側（腕部６９）では第１膜厚部６３よりも薄くなっている。このため、圧電素子３００の変形にともなう振動板５０の変位を第１電極６０が阻害しにくくなっている。
このように、本実施形態によれば、第１膜厚部６３に向かって厚さが漸大する第２膜厚部６４を設けることで、能動部３１０の下方に位置する第１電極６０の破壊が抑制されて信頼性が向上し、かつ変位も良好な圧電素子３００が提供される。また、このような圧電素子３００を備えることで、信頼性が向上し、かつインクの噴射特性が良好な記録ヘッド１が提供される。
本実施形態の圧電素子の製造方法を含む記録ヘッドの製造方法について説明する。図７〜図１２は圧電素子及び記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。各図の左側は圧電素子３００の能動部３１０を通る断面であり、右側は圧電素子３００の非能動部３２０を通る断面を示している。
図７に示すように、流路形成基板１０が複数一体的に形成されるシリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に振動板５０を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化することによって形成した二酸化シリコン（弾性膜５１）と、スパッタリング法で成膜後、熱酸化することによって形成した酸化ジルコニウム（絶縁体膜５２）との積層からなる振動板５０を形成した。
次に、絶縁体膜５２の全面に第１電極６０を形成する。同図の左側は、能動部３１０を示す領域であるので、第１電極６０が設けられている。同図の右側は、非能動部３２０を示す領域であるので、第１電極は設けられていない。第１電極６０の材料は特に限定されないが、例えば、高温でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料が好適に用いられる。また、第１電極６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。
次に、圧電体層７０を形成する。本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる複数層の圧電体膜を積層することで圧電体層７０を形成するようにした。圧電体層７０は、金属錯体を溶媒に溶解・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圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法により形成することができる。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層７０は液相法、気相法の何れで形成してもよい。
次に、圧電体層７０上に、第２電極８０を形成する。第２電極８０は、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などの ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法（気相法）、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal- Organic Decomposition）法、メッキ法などの液相法により形成することができる。
次に、図８に示すように、第２電極８０の上にレジスト（図示せず）を形成し、第２電極８０、圧電体層７０をパターニングする。パターニングは例えば、ドライエッチングで行うことができる。ドライエッチングは、例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）などの高密度プラズマを用いたエッチング装置を用い、１．０Ｐａ以下の圧力で行うことが好ましい。エッチングガスとしては、例えば、塩素系のガスとフロン系のガスとの混合ガスを用いることができる。塩素系のガスとしては、例えば、ＢＣｌ３、Ｃｌ２等が挙げられる。フロン系のガスとしては、例えば、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６等が挙げられる。
圧電体層７０は、ドライエッチングのμローディング効果により、レジストパターンから離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー部７５が形成される。μローディング効果とは、パターン密度の局所的な差異により、エッチング速度や形状が変化する現象をいう。本実施形態では、レジストパターン近傍でエッチングガスの供給が不足してエッチング速度が遅くなり、レジストパターンから離れるほどエッチングガスが供給されやすくなるためエッチング速度が早くなる。
さらに、図９に示すように、圧電体層７０のドライエッチングを続け、能動部３１０においては第１電極６０をパターニングし、非能動部３２０においては振動板５０をパターニングする。
能動部３１０においては、圧電体層７０の端部近傍で厚さが厚くなったテーパー部６５を含み、圧電体層７０から離れた部分では厚さが薄くなった腕部６９が形成され始める。
非能動部３２０においては、圧電体層７０の端部近傍で厚さが厚くなったテーパー部５５を含み、圧電体層７０から離れた部分では振動板５０の厚さが薄くなった腕部５９が形成され始める。
そして、図５及び図６に示したように、さらにドライエッチングを続けることで、能動部３１０においては、圧電体層７０の端部近傍で厚さが厚くなったテーパー部６５を含み、圧電体層７０から離れた部分では厚さが薄くなった腕部６９を形成することができる。
非能動部３２０においては、圧電体層７０の端部近傍で厚さが厚くなったテーパー部５５を含み、圧電体層７０から離れた部分では絶縁体膜５２が除去された腕部５９を形成することができる。
次に、図示しないが、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面の全面に亘ってリード電極９０を形成する材料からなる配線層を形成し、当該配線層を所定形状にパターニングしてリード電極９０を形成する。
次に、図１０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を接着剤で接合した後、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。
次に、図１１に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜５８を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図１２に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５８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、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５等を形成する（図４参照）。
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２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、本実施形態の記録ヘッド１とする。
以上に説明した本実施形態の圧電素子の製造方法によれば、第１振動部５３に向かって厚さが漸大する第２振動部５４を設けることで、圧電素子３００の非能動部３２０の下方において、応力による振動板５０の破壊が抑制され、信頼性が向上し、かつ変位も良好な圧電素子３００を製造することができる。そして、このような圧電素子３００を備えた信頼性の高い記録ヘッド１を製造することができる。
〈他の実施形態〉
以上、本発明の実施形態について説明したが、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、第２振動部５４は、第１振動部５３に向かって漸大する形状としてテーパー部５５を有していたが、これに限定されない。例えば、第２振動部５４は、図５の断面視において、上方又は下方に凸な曲線状となるように、第１振動部５３に向かって漸大する部分を有していてもよい。
また、図６に示した能動部３１０の下方における振動板５０は厚さがほぼ均等であるが、これに限定されない。例えば、能動部３１０の下方においても、非能動部３２０の下方の振動板５０と同様に、第１振動部５３及び第２振動部５４を形成してもよい。
実施形態１では、テーパー部５５の傾斜角は、圧電体層７０の側面７２の傾斜角より小さかったが、これに限定されない。すなわち、テーパー部５５の傾斜角は、圧電体層７０の側面７２の傾斜角より大きくてもよい。このような形状であってもテーパー部５５の傾斜により、圧電体層７０の端部では厚さが厚くなっているので、振動板５０の破壊を抑制することができる。第１電極６０のテーパー部６５についても同様である。
実施形態１では、テーパー部５５よりも外側では、弾性膜５１が絶縁体膜５２に覆われていなかったが、このような態様に限定されない。例えば、弾性膜５１が絶縁体膜５２を覆っていてもよい。例えば、絶縁体膜５２にテーパー部５５を設け、テーパー部５５よりも外側には第１振動部５３よりも薄い絶縁体膜５２を残し、弾性膜５１を覆わせてもよい。さらに、振動板５０は弾性膜５１及び絶縁体膜５２の２層から形成されていたが、これに限定されない。振動板５０は、１層、又は３層以上から形成されていてもよい。
実施形態１では、第１電極６０は、第１膜厚部６３に向かって漸大する形状としてテーパー部６５を有していたが、これに限定されない。第２膜厚部６４は、図６の断面視において、上方又は下方に凸な曲線状となるように、第１膜厚部６３に向かって漸大する部分を有していてもよい。また、第１電極６０にテーパー部６５が設けられておらず、厚さがほぼ一定の第１電極としてもよい。
実施形態１では、インクジェット式記録装置Ｉとして、記録ヘッド１がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置Ｉは、例えば、記録ヘッド１を固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。
また、インクジェット式記録装置Ｉは、液体貯留手段であるカートリッジ２Ａ、カートリッジ２Ｂがキャリッジ３に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体４に固定して、液体貯留手段と記録ヘッド１とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置Ｉに搭載されていなくてもよい。
なお、上記実施の形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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や液体噴射装置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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。
また、本発明の圧電素子は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電アクチュエーターに限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の圧電デバイスにも適用することができる。このような圧電素子デバイスにおいても、振動板の破壊が抑制され、信頼性の向上したものとなる。
Ｉ…インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１…記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、１０…流路形成基板、１２…圧力発生室、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、５０…振動板、５１…弾性膜（第２層）、５２…絶縁体膜（第１層）、５３…第１振動部、５４…第２振動部、５５…テーパー部、５９…腕部、６０…第１電極、６３…第１膜厚部、６４…第２膜厚部、６５…テーパー部、６９…腕部、７０…圧電体層、７２…側面、８０…第２電極、３００…圧電素子、３１０…能動部、３２０…非能動部

Claims (11)

  1. 振動板と、
    前記振動板の上方に設けられた第１電極と、
    前記第１電極の上方に設けられた圧電体層と、
    前記圧電体層の上方に設けられた第２電極と、を備えた圧電素子デバイスであって、
    前記圧電素子デバイスは、前記第１電極が配置された能動部と、前記能動部よりも第１方向における前記圧電素子デバイスの端部側に位置し、前記第１電極が配置されない非能動部と、を含み、
    前記非能動部における前記振動板は、前記非能動部の下方の第１振動部と、前記第１振動部よりも前記第１方向と交差する第２方向における前記圧電素子デバイスの端部側に位置する第２振動部とを備え、
    前記第２振動部は、前記第２方向に沿って前記第１振動部側に向かうにしたがって厚さが漸大したテーパー部分を含む
    ことを特徴とする圧電素子デバイス。
  2. 請求項１に記載する圧電素子デバイスにおいて、
    前記テーパー部分上には、前記第２電極が設けられていないことを特徴とする圧電素子デバイス。
  3. 請求項１又は請求項２に記載する圧電素子デバイスにおいて、
    前記テーパー部分の傾斜角は、前記圧電体層の側面の傾斜角よりも小さい
    ことを特徴とする圧電素子デバイス。
  4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載する圧電素子デバイスにおいて、
    前記非能動部における前記振動板は、前記第１電極側の第１層、前記第１層の前記第１電極とは反対側の第２層とを備え、
    前記第１層は、前記第２方向に沿って前記第１振動部側に向かうにしたがって厚さが漸大した部分を含み、
    前記第２層は、前記第２方向に沿って前記第１振動部側に向かうにしたがって厚さが漸大した部分を含まない
    ことを特徴とする圧電素子デバイス。
  5. 請求項４に記載する圧電素子において、
    前記第１振動部の上方には、前記第１層が形成され、
    前記第２振動部の上方の少なくとも一部には、前記第１層が形成されていない
    ことを特徴とする圧電素子。
  6. 請求項５に記載する圧電素子において、
    前記第２振動部の上方の少なくとも一部の前記第１層が形成されていない領域のさらに上方には、前記第２電極が形成されていないことを特徴とする圧電素子。
  7. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載する圧電素子デバイスにおいて、
    前記第１電極は、前記能動部の下方の第１膜厚部と、前記第１膜厚部よりも外側の第２膜厚部とを備え、
    前記第２膜厚部は、前記第１膜厚部に向かって厚さが漸大した部分を含む
    ことを特徴とする圧電素子デバイス。
  8. 請求項１から６の何れか一項に記載する圧電素子デバイスにおいて、
    前記非能動部における前記圧電体層は、前記能動部における前記圧電体層よりも厚いことを特徴とする圧電素子デバイス。
  9. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載する圧電素子デバイスであって、
    前記振動板の下方に設けられ、内部に複数の圧力発生室が形成された流路形成基板を更に備え、
    前記複数の圧力発生室のそれぞれは、前記第１方向に延在し、
    前記複数の圧力発生室は、前記第２方向に配列することを特徴とする圧電素子デバイス。
  10. 請求項９に記載する圧電素子デバイスであって、
    前記複数の圧力発生室それぞれには、前記第１電極が共通に設けられ、且つ、複数の前記第２電極が個別に設けられることを特徴とする圧電素子デバイス。
  11. 請求項１から請求項９の何れか一項に記載する圧電素子デバイスを備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
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