CN107949480A - 压电装置、液体喷射头、液体喷射设备及压电装置的制造方法 - Google Patents

压电装置、液体喷射头、液体喷射设备及压电装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种压电装置，包括：基板(10)，所述基板上设置有多个凹部(12)；振动板(50)，其设置在所述基板的一个表面侧；和压电元件(300)，其设置在所述振动板(50)上方，并且在所述压电元件上自基板(10)侧层叠有第一电极(60)、压电层(70)以及第二电极(80)，其中所述第一电极(60)形成为具有第一宽度，所述第一宽度在至少一个凹部(12)的并排设置方向上比所述凹部在所述并排设置方向上的尺寸小，并且所述压电层(70)延伸到所述第一电极(60)的在所述并排设置方向上的外侧，并且所述压电层(70)具有第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度大且比所述凹部(12)在所述并排设置方向上的宽度小，所述振动板(50)含有氧化锆层(52)，并且当氧化锆层(52)的与具有所述第一宽度的所述第一电极相对应的区域被设定为第一区域(p)，氧化锆层(52)的与所述压电层(70)设置在所述第一区域(p)的在所述并排设置方向的外侧的区域相对应的区域被设定为第二区域(q)，并且氧化锆层(52)的与在所述第二区域(q)的所述并排设置方向的外侧的凹部(12)相对应的区域被设定为第三区域(r)时，所述氧化锆层(52)在所述第一区域(p)中在厚度方向的至少第一电极(60)侧含有粒状晶体，并且在所述第三区域(r)中含有柱状晶体。

Description

压电装置、液体喷射头、液体喷射设备及压电装置的制造方法
技术领域
本发明涉及一种包括压电元件的压电装置、包括压电装置的液体喷射头、包括液体喷射头的液体喷射设备以及压电装置的制造方法，其中压电元件包括含有氧化锆层的振动板。
背景技术
在用于压电装置的压电元件中，由具有机电转换功能的压电材料形成的铁电层(例如，结晶的介电材料)介于两个电极之间，并且已知作为振动板的一部分的包括氧化锆(ZrO2)层的压电元件为这样的压电元件。
已经提出了通过使用溅射方法等形成金属锆层并且通过进行金属锆层的热氧化来形成氧化锆层的方法(例如，参见PTL1)。另外，为了获得与基底层或振动板的第一电极的粘着性优异的氧化锆层，使用了粒状晶粒(参见PTL2和3)。
引用列表
专利文献
PTL1：JP-A-2005-294438
PTL2：JP-A-2013-202858
PTL3：JP-A-2014-176985
发明内容
技术问题
然而，近年来，期望提供一种能够以低驱动电压实现大位移的具有高位移效率的所谓的压电元件，但是其可靠性尚不足够。这不仅是关于氧化锆层和第一电极之间的粘着性的问题，而且氧化锆层的韧性不足也可能是该问题的原因。
这样的问题不仅存在于诸如喷墨式记录头的液体喷射头中使用的压电元件中，而且还以相同方式存在于其他装置中使用的压电元件中。
本发明是考虑到这些情况而做出的，并且其目的在于提供一种包括具有提高的可靠性的压电元件的压电装置、液体喷射头、液体喷射设备以及压电装置的制造方法。
解决问题的方案
根据解决上述问题的本发明的一个方案，提供了一种压电装置，包括：基板，所述基板上设置有多个凹部；振动板，其设置在所述基板的一个表面侧；以及压电元件，其设置在所述振动板上方，并且在所述压电元件上自基板侧层叠有第一电极、压电层以及第二电极，其中所述第一电极形成为具有第一宽度，所述第一宽度在至少一个凹部的并排设置方向上比所述凹部在所述并排设置方向上的尺寸小，并且所述压电层延伸到所述第一电极的在所述并排设置方向上的外侧，并且所述压电层具有第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度大且比所述凹部在所述并排设置方向上的宽度小，所述振动板含有氧化锆层，并且当氧化锆层的与具有所述第一宽度的所述第一电极相对应的区域被设定为第一区域时，氧化锆层的与所述压电层设置在所述第一区域的在所述并排设置方向的外侧的区域相对应的区域被设定为第二区域，并且所述氧化锆层的与在所述第二区域的在所述并排设置方向的外侧的凹部相对应的区域被设定为第三区域时，所述氧化锆层在所述第一区域中在厚度方向的至少第一电极侧含有粒状晶体，并且在所述第三区域中含有柱状晶体。
在这种情况下，氧化锆层的与第一电极接触的部分作为粒状晶体确保了粘着性。同时，当压电元件向凹部侧变形时作为支撑压电元件的臂部的第三区域作为柱状晶体确保了韧性，并且通过防止损坏和位移减小，能够得到具有高可靠性的压电装置。
此处，优选地，所述氧化锆层在所述第二区域中含有粒状晶体。据此，第二区域中的压电层与氧化锆层的粘着性提高，韧性也提高，因此可靠性也提高。
优选地，所述氧化锆层至少在所述第一区域中，包括设置在所述厚度方向的所述第一电极侧的含有粒状晶体的第一层以及设置在所述基板侧的含有柱状晶体的第二层。据此，第一区域中的第一电极和氧化锆层之间的粘着性提高，韧性也提高，因此可靠性也提高。
优选地，所述氧化锆层的在所述第一区域中的厚度大于在所述第三区域中的厚度。据此，压电元件的一部分中的振动板厚，臂部具有薄的结构，因此提高了位移效率。
优选地，所述氧化锆层含有钇。据此，氧化锆层的韧性提高，并且可靠性进一步提高。
根据本发明的另一方案，提供了一种液体喷射头，包括：上述的压电装置；和与凹部连通以喷射液体的喷嘴口。
在这种情况下，可以实现包括具有提高的可靠性的压电元件的液体喷射头。
根据本发明的又一方案，提供了一种液体喷射设备，包括上述的液体喷射头。
在这种情况下，可以实现包括具有提高的可靠性的压电元件的液体喷射设备。
根据本发明的再一方案，提供了一种压电装置的制造方法，所述压电装置包括：基板，所述基板上设置有多个凹部；振动板，其设置在所述基板的一个表面侧；以及压电元件，其设置在所述振动板上方，并且在所述压电元件上自基板侧层叠有第一电极、压电层以及第二电极，其中所述第一电极形成为具有第一宽度，所述第一宽度在至少一个凹部的并排设置方向上比所述凹部在所述并排设置方向的尺寸小，并且所述压电层延伸到所述第一电极的在所述并排设置方向的外侧，并且所述压电层具有第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度大且比所述凹部在所述并排设置方向上的宽度小，所述振动板含有氧化锆层，并且
当氧化锆层的与具有所述第一宽度的所述第一电极相对应的区域被设定为第一区域，所述氧化锆层的与所述压电层设置在所述第一区域的在所述并排设置方向的外侧的区域相对应的区域被设定为第二区域，并且所述氧化锆层的与在所述第二区域的在所述并排设置方向的外侧的凹部相对应的区域被设定为第三区域时，所述氧化锆层在所述第一区域中在厚度方向的至少第一电极侧含有粒状晶体，并且在所述第三区域中含有柱状晶体，所述方法包括：通过使用液相法形成所述氧化锆层的含有粒状晶体的一部分；和通过氧化使用气相法形成的锆层来形成所述氧化锆层的含有柱状晶体的一部分。
在这种情况下，氧化锆层的与第一电极接触的部分作为粒状晶体确保了粘着性。同时，当压电元件向凹部侧变形时作为支撑压电元件的臂部的第三区域作为柱状晶体确保了韧性，并且通过防止损坏或位移减小，能够制造具有高可靠性的压电装置。
附图说明
[图1]图1示出了根据本发明实施例1的记录头的分解立体图。
[图2A]图2A示出了根据本发明实施例1的记录头的平面图。
[图2B]图2B示出了根据本发明实施例1的记录头的截面图。
[图3]图3示出了根据本发明实施例1的记录头的主要部分的放大截面图。
[图4A]图4A示出了根据本发明实施例1的氧化锆的SEM图像。
[图4B]图4B示出了根据本发明实施例1的氧化锆的SEM图像。
[图5A]图5A示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图5B]图5B示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图5C]图5C示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图5D]图5D示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图5E]图5E示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图6A]图6A示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图6B]图6B示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图6C]图6C示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图7A]图7A示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图7B]图7B示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图8A]图8A示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图8B]图8B示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图8C]图8C示出了显示根据本发明实施例1的记录头的制造方法的截面图。
[图9]图9是根据本发明实施例2的记录头的截面图。
[图10A]图10A示出了显示根据本发明实施例2的记录头的制造方法的截面图。
[图10B]图10B示出了显示根据本发明实施例2的记录头的制造方法的截面图。
[图11]图11是根据本发明实施例3的记录头的截面图。
[图12A]图12A示出了显示根据本发明实施例3的记录头的制造方法的截面图。
[图12B]图12B示出了显示根据本发明实施例3的记录头的制造方法的截面图。
[图13]图13是根据本发明的一个实施例的记录设备的示意图。
具体实施方式
在下文中，将基于实施例来详细描述本发明。
(实施例1)
图1是作为根据本发明实施例1的液体喷射头的例子的喷墨式记录头的立体图，图2A是喷墨式记录头的平面图，图2B是沿着图2A的IIB-IIB线所截取的截面图，并且图3是第一方向X的主要部分的放大截面图。
如图所示，在作为本实施例的液体喷射头的例子的喷墨式记录头I中所包括的流路形成基板10中形成有作为凹部的压力发生室12。由多个分隔壁11分隔的压力发生室12并排设置在排出具有相同颜色的墨水的多个喷嘴口21并排设置的方向上。下文，将该方向称为压力发生室12的并排设置方向或者第一方向X。压力发生室12沿第一方向X并排设置在流路形成基板10上以具有多列，在本实施例中，为两列。在下文，将设置有压力发生室12沿第一方向X形成的多列压力发生室12的列设置方向称为第二方向Y。另外，在下文中，将与第一方向X和第二方向Y两者都正交的方向称为第三方向Z。
在流路形成基板10的压力发生室12的在长度方向上的一端侧，即在与第一方向X正交的第二方向Y上的一端侧，由多个分隔壁11分隔有墨水供给路径13和连通路径14。在连通路径14的外侧(第二方向Y上与压力发生室12相反的一侧)形成有构成作为压力发生室12的共用墨水室(液体室)的歧管100的一部分的连通部15。即，在流路形成基板10中设置有由压力发生室12、墨水供给路径13、连通路径14以及连通部15形成的液体流路。
通过使用粘合剂或热焊接膜，与压力发生室12连通的喷嘴口21所贯穿的喷嘴板20被结合到流路形成基板10的一表面侧，即压力发生室12等的液体流路开口所朝向的表面。也就是说，喷嘴口21在喷嘴板20上沿第一方向X并排设置。
振动板50形成在流路形成基板10的另一表面侧。如图3所示，根据本实施例的振动板50包括在流路形成基板10上形成的由氧化物形成的氧化层51以及通过使用液相法在氧化层51上形成的由氧化锆(ZrO2)形成的氧化锆层52。
例如可以使用二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)作为氧化层51。在本实施例中，通过对流路形成基板10从其一个表面进行各向异性蚀刻而形成压力发生室12等的液体流路，并且压力发生室12等的液体流路的另一表面由氧化层51构造。因此，振动板50的流路形成基板10侧必须耐受形成压电层70时的温度(通常，等于或高于500℃)，并且在使用硅晶片作为流路形成基板10来形成诸如压力发生室12等的流路时，在使用KOH(氢氧化钾)进行各向异性蚀刻的情况下，振动板(在层叠的硅晶片侧)必须起到蚀刻停止层的作用。因此，优选设置为氧化硅的氧化层51，但是取决于流路的形状或制造方法，氧化锆层52可以直接设置在流路形成基板10上而不设置氧化层51。
第一电极60、压电层70和第二电极80形成在振动板50上。在本实施例中，压电元件300由振动板50、第一电极60、压电层70和第二电极80构成。能够变形地设置在该基板(流路形成基板10)上的压电元件300是本实施例的压电致动器。
这里，构成压电元件300的第一电极60针对每个压力发生室12而划分，并构成针对后述的每个活动部是电性独立的个别电极。第一电极60形成为在压力发生室12的第一方向X上，具有比压力发生室12的宽度窄的宽度(对应于第一宽度)。也就是说，第一电极60的在压力发生室12的第一方向X上的端部位于与压力发生室12相对的区域中。第一电极60的第二方向Y上的两端部延伸到每个压力发生室12的外侧。作为第一电极60的材料，必须使用在形成后述的压电层70时不被氧化或即使在氧化时也保持导电性的材料，例如优选地使用诸如铂(Pt)或铱(Ir)的贵金属，或由镧镍氧化物(LNO)代表的导电性氧化物。
作为第一电极60，可以使用用于确保上述导电性材料和振动板50之间的粘着力的粘着层。在本实施例中，尽管未特别示出，但使用了钛作为粘着层。可以使用锆、钛或氧化钛作为粘着层。也就是说，在本实施例中，第一电极60形成有由钛形成的粘着层以及由选自上述导电性材料中的至少一种形成的导电层。
压电层70沿第一方向X连续设置，以在第二方向Y上具有预定宽度。压电层70的在第二方向Y上的宽度比压力发生室12的在第二方向Y上的长度宽。因此，在压力发生室12的第二方向Y上，压电层70被设置成延伸到压力发生室12的外侧。
压电层70的在压力发生室12的第二方向Y的一端侧(在本实施例中为墨水供给路径侧)的端部，相对于第一电极60的端部位于外侧。也就是说，第一电极60的端部被压电层70覆盖。压电层70的在压力发生室12的第二方向Y的另一端侧的端部，相对于第一电极60的端部位于内侧(压力发生室12侧)。
例如由金(Au)形成的引线电极90连接到延伸到压电层70的外侧的第一电极60。尽管未示出，但引线电极90构成了连接到与驱动电路等连接的连接配线的端子部。
在压电层70上形成了与分隔壁11相对的凹部71。凹部71的在第一方向X上的宽度与每个分隔壁11在第一方向X上的宽度大致相同或比其宽。因此，压电层70被划分成具有这样的宽度(对应于第二宽度)：第一方向上的该宽度小于压力发生室12的宽度，防止了振动板50的与压力发生室12的在宽度方向上的端部相对的部分(所谓的振动板50的臂部)的刚性增加，因此能够使压电元件300良好地位移。
作为压电层70，使用了在第一电极60之上形成且具有由呈现机电转换作用的铁电陶瓷材料形成的钙钛矿结构的晶体膜(钙钛矿型晶体)。作为压电层70的材料，可以使用含有铅(Pb)、钛(Ti)、锆(Zr)的材料，例如，诸如钛酸锆酸铅(PZT)的铁电压电材料，或者通过将诸如氧化铌、氧化镍或氧化镁的金属氧化物添加到铁电压电材料而获得的材料。其具体的例子可以包括钛酸铅(PbTiO3)、钛酸锆酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅镧((Pb,La),TiO3)、锆酸钛酸铅镧((Pb,La)(Zr,Ti)O3)以及镁铌酸锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)。在本实施例中，钛酸锆酸铅(PZT)被用作压电层70。
另外，作为压电层70的材料，可以使用不含有铅的无铅压电材料，例如具有含有铁酸铋或铁酸锰酸铋以及钛酸钡或钛酸铋钾的钙钛矿结构的复合氧化物。
如后面将详细描述的，压电层70可以通过使用诸如溶胶-凝胶法或金属有机物分解(MOD)法的液相法，或者诸如溅射法或激光烧蚀法的物理气相沉积(PVD)法(气相法)。在本实施例中，当形成压电层70时的内部应力是拉伸应力。
第二电极80设置在压电层70的与第一电极60相反的一侧，并且构成用于全部多个活动部310的共用电极。
作为第二电极80，期望能够良好地形成与压电层70的界面并且发挥绝缘性和压电特性的材料，可以使用诸如铱(Ir)、铂(Pt)、钯(Pd)或金(Au)的贵金属材料，或者由镧镍氧化物(LNO)代表的导电性氧化物。第二电极80可以是多种材料的层叠。另外，第二电极80可以通过使用诸如溅射法或激光烧蚀法的物理气相沉积(PVD)法(气相法)、或者诸如溶胶-凝胶法、金属有机物分解(MOD)法或镀敷法的液相法来形成。
第二电极80连续设置在压电层70的与第一电极60相反的一侧的表面上、凹部71的内表面(即，压电层70的侧表面)上和振动板50上。
第二电极80的在压力发生室12的第二方向Y的一端侧(墨水供给路径侧)的端部，相对于压电层70的端部位于内侧(压力发生室12侧)。即，压电层70的在第二方向上的端部设置成相对于第二电极80突出到外侧。
具有这种构造的压电元件300通过在第一电极60和第二电极80之间施加电压而位移。即，通过在两个电极之间施加电压，在被第一电极60和第二电极80夹持的压电层70上产生压电应变。当在两个电极之间施加电压时，在压电层70上产生压电应变的部分被称为活动部310。同时，在压电层70上没有产生压电应变的部分被称为非活动部。在压电层70上产生压电应变的活动部310中，与压力发生室12相对的部分称为可挠部，而压力发生室12的外侧的部分称为非可挠部。
在本实施例中，第一电极60、压电层70以及第二电极80全部在压力发生室12的第二方向Y上连续地设置到压力发生室12的外侧。即，活动部310连续地设置到压力发生室12的外侧。因此，在活动部310中，压电元件300的与压力发生室12相对的部分是可挠部，而其在压力发生室12的外侧的部分是非可挠部。
这里，在本实施例中，如图2A和2B所示，活动部310在第二方向Y上的端部由第二电极80规定，且活动部310在第二方向Y上的端部设置在与压力发生室12相对的区域的外侧，即非活动部。
未设置第二电极80的非活动部，布置在活动部310的在第二方向Y上的外侧，在本实施例中，布置在与墨水供给路径13相反的一侧。
在压电元件300中，由于第二电极80覆盖压电层70，所以在第一电极60与第二电极80之间无电流泄漏从而能够防止压电元件300损坏。另外，当第一电极60和第二电极80在接近状态下露出时，电流泄漏到压电层70的表面，并且压电层70被损坏。尽管第一电极60和第二电极80露出，但如果它们之间的距离短，则也不会发生电流泄漏。
如图1以及图2A和图2B所示，通过使用粘合剂35将保护压电元件300的保护基板30结合到形成有压电元件300的流路形成基板10上。
在保护基板30上设置有作为用于划分出容纳压电元件300的空间的凹部的压电元件保持部31。构成歧管100的一部分的歧管部32设置在保护基板30上。歧管部32在厚度方向上贯通保护基板30并沿着压力发生室12的宽度方向而形成，并且如上所述与流路形成基板10的连通部15连通。另外，在保护基板30上设置了在厚度方向上贯通保护基板30的贯通孔33。与各活动部310的第一电极60连接的引线电极90在贯通孔33中露出，并且与驱动电路(未示出)连接的连接配线的一端连接到贯通孔33中的引线电极90。
由密封膜41和固定板42形成的适应性基板40被结合到保护基板30上。密封膜41由具有低刚性的可挠性材料形成，并且歧管部32的一个表面用该密封膜41密封。另外，固定板42由诸如金属等的硬质材料形成。由于固定板42的与歧管100相对的区域被设定为在厚度方向上被完全去除的开口部43，因此歧管100的一个表面仅由具有挠性的密封膜41密封。
在本实施例的喷墨式记录头I中，从与外部墨水供给单元(未示出)连接的墨水导入口导入墨水，并且从歧管100到喷嘴口21的内部填充有墨水。之后，根据来自驱动电路的记录信号，在对应于压力发生室12的第一电极60和第二电极80之间施加电压。因此，振动板50与压电元件300一起变形，每个压力发生室12中的压力增大，并且墨水滴从每个喷嘴口21喷射。
这里，将详细描述本实施例的氧化锆层52。图3是沿着系压力发生室12的并排设置方向的第一方向X的截面图。在图3中，与第一电极60的宽度对应的区域被设定为第一区域p，在第一区域p的第一方向X的两侧存在压电层70的区域被设定为第二区域q，并且在第二区域q的第一方向X的两侧与压力发生室12对应的区域被设定为第三区域r。
氧化锆层52由具有粒状晶体的氧化锆层521和具有柱状或大致柱状晶体(本说明书中统称为柱状晶体)的氧化锆层522形成。具有粒状晶体的氧化锆层521由通过使用诸如溶胶-凝胶法或金属有机物分解(MOD)法的液相法形成的氧化锆(ZrO2)形成，并且该氧化锆层存在于第一区域p和其两侧的第二区域q的中间部。同时，具有柱状晶体的氧化锆层522由通过使用诸如溅射法或化学气相沉积法(CVD法)的气相法形成的氧化锆(ZrO2)形成，并且该氧化锆层存在于氧化锆层521的在第一方向X的外侧的剩余第二区域q和第三区域r中，并且也延伸到第三区域r的外侧。
在此，在将具有粒状晶体的氧化锆层521的表面粗糙度与含有柱状晶体的氧化锆层522的表面粗糙度相比的情况下，氧化锆层521的表面粗糙度大于柱状晶体的表面粗糙度，因此提高了与基底(氧化层51)或者设置在其上的第一电极60和压电层70的粘着性。同时，含有柱状晶体的氧化锆层522的韧性高于氧化锆层521的韧性，耐受反复变形，并具有优异的耐久性。
形成具有粒状晶体的氧化锆层521的方法不限于液相法，也可以通过使用气相法形成氧化锆层521，并且形成具有柱状晶体的氧化锆层522的方法不限于气相法，也可以通过使用液相法形成氧化锆层522。
如上所述，在本实施例的压电装置中，氧化锆层52的与第一电极接触的部分作为粒状晶体确保了粘着性。同时，当压电元件向凹部侧变形时作为支撑压电元件的臂部的第三区域r作为柱状晶体确保了韧性，并且通过防止损坏和位移减小可以获得具有更高可靠性的压电装置。这里，由于具有粒状晶体的氧化锆层521从作为与第一电极60对应的区域的第一区域p到其外侧的第二区域q的一些部分连续地设置，因此可靠地确保了与第一电极60的粘着性，并且确保了与压电层70和第一电极60之间的边界部的粘着性。由于相当于压电元件的臂部的第三区域r仅由具有柱状晶体的氧化锆层522形成，并且氧化锆层522自第三区域r的内侧的第二区域q连续延伸，所以可靠地提高了臂部的韧性，更可靠地防止了损坏和位移不良，并且可靠性提高。
与在具有柱状晶体的氧化锆层522上形成压电层的情况相比，在具有粒状晶体的氧化锆层521上形成的压电层70具有更大的(100)面的配向率。这是因为配向率的值取决于氧化锆层521的表面粗糙的程度。因此，压电元件300的变形效率进一步提高。
这里，图4A和4B显示了通过使用扫描电子显微镜(SEM)观察通过液相法形成的氧化锆和通过气相法形成的氧化锆的表面所获得的结果。
如图4A所示，通过液相法形成的氧化锆是粒状晶体。相对于此，如图4B所示，通过气相法形成的氧化锆是从基底侧朝向压电层侧形成的柱状晶体。
这里将描述本实施例的喷墨式记录头的制造方法。图5A至图8C是示出喷墨式记录头的制造方法的截面图。
首先，在作为硅晶片的流路形成基板晶片110的表面上形成振动板50。具体地，如图5A所示，通过进行流路形成基板晶片110的热氧化来形成由二氧化硅形成的氧化层51。
接下来，如图5B所示，通过溅射在氧化层51上形成由具有柱状晶体的氧化锆(ZrOx)形成的氧化锆层522。例如，通过溅射形成锆(Zr)膜，然后进行热处理，例如以900℃退火，因此可以形成柱状ZrO2。ZrO2的膜厚可以例如被设定为200nm。
接下来，如图5C所示，氧化锆层522被图案化，并且在第一区域p和与第二区域q的一些部分相对应的区域中的氧化锆层522被去除。该图案化可以通过公知的干法蚀刻或离子铣削来进行。
接下来，如图5D所示，通过液相法在图案化的氧化锆层522上形成由具有粒状晶体的氧化锆(ZrOx)形成的氧化锆层521。
更具体地，首先，向羧酸中加入金属醇盐或金属羧酸盐以及增稠剂，然后向其中加入水(H2O)，并且在70℃下加热搅拌约2小时，得到均匀透明的前体溶液。将该前体溶液通过旋涂法(涂布步骤)以1400rpm的转速涂布到基板上。然后，将涂布到基板上的溶液在160℃至200℃下加热并干燥约5分钟，得到干燥膜(干燥步骤)。将该干燥膜在375℃至415℃下加热并保持约5分钟以进行脱脂(脱脂步骤)。这里的脱脂是干燥膜中含有的有机成分以例如NO2、CO2或H2O而脱脂。在获得更厚的氧化锆层52的情况下，工序在脱脂步骤之后返回至初始的涂布步骤，然后可以重复干燥步骤和脱脂步骤。在脱脂步骤之后，将干燥的膜在750℃至850℃下加热并保持约10秒至3分钟，以进行结晶(预烧成步骤)。在预烧成步骤中，当加热时间长时，表面变粗糙，产生了烧成边界表面上的空隙，并且蚀刻可能不能进行。因此，预烧成步骤优选地在短时间内进行。在获得更厚的氧化锆层52的情况下，工序在预烧成步骤之后返回到初始的涂布步骤，然后可以反复地进行干燥步骤、脱脂步骤和预烧成步骤。在预烧成步骤之后，将膜在800℃至950℃下加热并保持约1小时以形成氧化锆层521(最终烧成步骤)。作为在干燥步骤、脱脂步骤、预烧成步骤和最终烧成步骤中使用的加热装置，例如使用了通过用红外线灯或热板照射进行加热的快速热退火(RTA)装置。
如上所述，由通过液相法形成的氧化锆形成的氧化锆层521具有粒状晶体结构。
接下来，如图5E所示，将氧化锆层521的整个表面图案化以去除层叠在氧化锆层522上的氧化锆层521，并且氧化锆层522露出。该图案化可以通过公知的干法蚀刻或离子铣削来进行。
接下来，如图6A所示，第一电极60形成在振动板50的整个表面上。第一电极60的材料没有特别的限制，但必须的是使用不会因在形成压电层70时在热处理时(通常等于或高于500℃)的氧化或在压电层70中含有的材料的扩散而丧失导电性的材料。因此，作为第一电极60的材料，使用在高温下不失去导电性的诸如铂、铱的金属，诸如氧化铱、镧镍氧化物的导电性氧化物，以及这些材料的层叠材料。第一电极60例如可以通过使用诸如溅射法、物理气相沉积(PVD)法或激光烧蚀法的气相法，或者诸如旋涂法的液相法来形成。可以在上述导电材料和振动板50之间使用用于确保粘着力的粘着层。在本实施例中，尽管没有特别示出，但是使用钛作为粘着层。锆、钛或氧化钛可以用作粘着层。粘着层的形成方法与电极材料的形成方法相同。用于控制压电层70的晶体生长的控制层可以形成在电极(形成有压电层70的一侧)的表面上。在本实施例中，使用钛来控制压电层70(PZT)的晶体。由于在形成压电层70时将引入到压电层70中，所以在形成压电层70后钛不作为膜存在。作为晶体控制层，可以使用诸如镧镍氧化物的具有钙钛矿型晶体结构的导电性氧化物。晶体控制层的形成方法与电极材料的形成方法相同。理想地，在形成压电层70之后，在压电层70和第一电极60之间不存在绝缘晶体控制层。这是因为晶体控制层和压电层70的电容器串联连接，因此，施加到压电层70的电场减小。如本实施例那样，通过使用钛作为配向控制层，进行原本用于得到氧化物(绝缘体)的热处理，但由于将配向控制层引入到压电层70中，因此其不作为膜存在。
接着，在本实施例中，形成由钛酸锆酸铅(PZT)形成的压电层70。在此，在本实施例中，压电层70通过使用所谓的溶胶-凝胶法来形成，该溶胶-凝胶法通过涂布并干燥所谓的溶胶以转化成凝胶并通过在高温下烘烤该凝胶来获得由金属氧化物形成的压电层70，而所述溶胶是通过在溶剂中溶解和分散金属配合物来获得的。压电层70的制造方法不限于溶胶-凝胶法，也可以使用例如金属有机物分解(MOD)法、或者诸如溅射法或激光烧蚀法的物理气相沉积(PVD)法。也就是说，压电层70可以通过使用液相法和气相法中的任一种来形成。在本实施例中，压电层70通过层叠多个压电膜74而形成。
具体地，如图6B所示，在第一电极60上形成第一层的压电膜74的阶段，第一电极60和第一层的压电膜74同时图案化使得其侧表面倾斜。第一电极60和第一层的压电膜74的图案化可以通过例如进行诸如反应性离子蚀刻(RIE)或离子铣削的干法蚀刻来进行。
在此，例如，在使第一电极60图案化之后形成第一层的压电膜74的情况下，由于通过进行光刻步骤、离子铣削和灰化来使第一电极60图案化，因此第一电极60的表面或其表面上设置的诸如钛(未示出)的晶种层会变质。这样，即使在变质的表面上形成压电膜74时，也不能获得压电膜74的优良的晶体特性，并且由于第二层和后续层的压电膜74也会经历受到第一层的压电膜74的晶体状态影响的晶体生长，因此难以形成具有优良晶体特性的压电层70。
与此相比，当第一层的压电膜74形成然后与第一电极60同时图案化时，第一层的压电膜74作为与诸如钛的晶种相比用于第二层和后续层的压电膜74的优异晶体生长的晶种，具有强的特性，虽然通过图案化在表面层上形成极薄的变质层，但第二层和后续层的压电薄膜74的晶体生长不受显著影响。
在形成第二层的压电膜74之前露出的振动板50上形成第二层和后续层的压电膜74时，可以使用晶体控制层(中间晶体控制层)。在本实施例中，使用钛作为中间晶体控制层。以与在第一电极60上形成的晶体控制层的钛相同的方式，由钛形成的中间晶体控制层在形成压电膜74时被引入到压电膜74。另外，在中间晶体控制层成为中间电极或串联连接的电容器的电介质的情况下，压电特性降低。因此，理想地，中间晶体控制层被引入到压电膜74(压电层70)，且在形成压电层70之后不作为膜残存。
接下来，如图6C所示，由多个层的压电膜74形成的压电层70通过层叠第二层和后续层的压电膜74而形成。
另外，第二层和后续层的压电膜74连续地形成在振动板50上、第一电极60和第一层的压电膜74的侧表面上以及第一层的压电膜74上。
当如上所述进行压电层70时，通过使用氧化锆层52来防止在压电层70中包含的成分(例如铅(Pb)或铋(Bi))的扩散。
接下来，如图7A所示，压电层70图案化以对应于每个压力发生室12。在本实施例中，通过用于设置在压电层70上形成的预定形状的掩模(未示出)并通过该掩模蚀刻压电层70的所谓光刻进行图案化。压电层70的图案化可以通过诸如反应性离子蚀刻或离子铣削的干法蚀刻来进行，并且可以通过例如使用蚀刻溶液的湿法蚀刻来进行。
接下来，如图7B所示，第二电极80形成在流路形成基板晶片110的一个表面侧(形成有压电层70的表面侧)(即，压电层70图案化的一侧表面)上、振动板50上以及第一电极60上。
接着，尽管未示出，但引线电极90形成并图案化为预定形状(参见图2A和2B)。
接着，如图8A所示，作为硅晶片且为多个保护基板30的保护基板晶片130通过粘合剂35结合到流路形成基板晶片110的压电元件300侧(参见图2A和图2B)，然后流路形成基板晶片110被设定为薄的以具有预定厚度。
接下来，如图8B所示，掩模薄膜55新形成在流路形成基板晶片110上，并且图案化为预定形状。然后，如图8C所示，流路形成基板晶片110通过掩模薄膜55使用诸如KOH的碱性溶液经历各向异性蚀刻(湿法蚀刻)，因此形成了与压电元件300相对应的压力发生室12、墨水供给路径13、连通路径14和连通部15。
之后，通过例如利用切割等切断来去除流路形成基板晶片110和保护基板晶片130的外周部的不需要的部分。喷嘴口21贯通的喷嘴板20结合到流路形成基板晶片110的在与保护基板晶片130相反的一侧的表面，适应性基板40结合到保护基板晶片130，并且流路形成基板晶片110等分割成其每个为图1所示的一个芯片尺寸的流路形成基板10等，因此得到了本实施例的喷墨式记录头。
在本实施例中，在振动板50的氧化锆层52中，具有粒状晶体的氧化锆层521设置在第一区域p和其外侧的第二区域q的一些部分中，并且由柱状晶体形成的氧化锆层552设置在剩余的第二区域q和第三区域r中，但是并不特别限定。以下，将描述其他实施例。
(实施例2)
图9是根据实施例2的喷墨记录头的截面图。对于与实施例1相同的部件使用相同的附图标记，并且将仅对由实施例1中的部件有改变的部件进行描述。
如图9所示，氧化锆层52A包括第一层521A和第二层522A，第一层521A设置在与第一电极60对应的第一区域p中以及作为与其外侧的压电层70对应的区域的第二区域q中，第二层522A设置在氧化层51上并连续设置在第一区域p、第二区域q、第三区域r及其外侧中。第一层521A由含有粒状晶体的氧化锆形成，而第二层522A由含有柱状晶体的氧化锆形成。
如图10A所示，当制造记录头时，第二层522A通过气相法层叠在氧化层51上，第一层521A通过液相法层叠，设置第一电极60以进行图案化，然后层叠压电层70。之后，如图10B所示，通过使第一层521A与压电层70一起图案化，氧化锆层52A形成。
在实施例2中，第一区域p和第二区域q具有层叠结构，该层叠结构包括具有柱状晶体结构的第二层522A和具有粒状晶体结构的第一层521A，确保了第一层521A、第一电极60和压电层70之间的粘着性，第三区域r由韧性优异的第二层522A构成，因此可靠性提高。
由于氧化锆层52A在第一区域p和第二区域q中的厚度大于其在第三区域r中的厚度，所以在压电元件的一部分中的振动板较厚，臂部具有薄的结构，位移效率提高，能够进行快速驱动，并且排出大墨点。
(实施例3)
图11是根据实施例3的喷墨记录头的截面图。对于与实施例1相同的部件使用相同的附图标记，并且将仅对由实施例1中的部件有改变的部件进行描述。
如图11所示，氧化锆层52B包括第一层521B和第二层522B，第一层521B设置在与第一电极60对应的第一区域p中，第二层522B设置在氧化层51上并连续设置在第一区域p、第二区域q、第三区域r及其外侧中。第一层521B由含有粒状晶体的氧化锆形成，而第二层522B由含有柱状晶体的氧化锆形成。
如图12A所示，当制造记录头时，第二层522B通过气相法层叠在氧化层51上，第一层521B通过液相法层叠，并且当通过设置第一电极60而进行图案化时，第一电极60和第二层522B被图案化，然后，执行与上述实施例中相同的工序，并且形成氧化锆层52B。
在实施例3中，第一区域p具有包括有柱状晶体结构的第二层522B和有粒状晶体结构的第一层521B的层叠结构，确保了第一层521B与第一电极60之间的粘着性，第三区域r由韧性优异的第二层522B形成，因此可靠性提高。
由于氧化锆层52B在第一区域p中的厚度大于其在第三区域r中的厚度，因此压电元件的一部分中的振动板较厚，臂部具有薄的结构，位移效率提高，能够进行快速驱动，并排出大墨点。
(其他)
以下，已经对实施例1至3进行了描述，但并不限定于此。构成氧化锆层的氧化锆不限于ZrO2，也可以添加钇。添加了钇的氧化锆作为钇稳定化的氧化锆而被已知。由于韧性提高，所以氧化锆特别适合用作具有柱状晶体的氧化锆。另外，氧化锆可以用作具有粒状晶体的氧化锆，并且由于氧化锆是通过液相法形成的，所以容易添加钇。
如图13所示，本实施例的喷墨式记录头I例如安装在喷墨式记录设备II上。包括喷墨式记录头I的记录头单元1被设置成使得构成油墨供给单元的墨盒2是可拆卸的，并且安装有记录头单元1的滑架3设置在附接到设备主体4的滑架轴5上以能够沿轴向移动。记录头单元1例如喷射黑色墨水混合物和彩色墨水混合物。
驱动电动机6的驱动力通过多个齿轮(未示出)和同步皮带7传递给滑架3，因此安装有记录头单元1的滑架3沿着滑架轴5移动。同时，压板8沿着滑架轴5设置在设备主体4上，并且作为诸如由进纸辊(未示出)进给的纸的记录介质的记录片材S卷绕在压板8上待传送。
在本发明中，可以实现喷射特性的均衡，同时如上所述防止构成喷墨式记录头I的压电元件300的损坏。因此，可以实现具有改进的打印质量和提高的耐久性的喷墨式记录设备II。
在上述例子中，使用了喷墨式记录头I安装在滑架3上并沿主扫描方向移动的设备作为喷墨式记录设备II，但并不特别限定于该构造。喷墨式记录设备II可以是例如喷墨式记录头I被固定并且通过沿副扫描方向移动诸如纸张的记录片材S进行打印的所谓的行式记录设备。
在上述的例子中，喷墨式记录设备II具有作为液体储存单元的墨盒2被安装在滑架3上的构造，但是没有特别的限制。诸如墨罐的液体储存单元可以被固定到设备主体4，并且所述储存单元和喷墨式记录头I可以通过诸如管的供给管而彼此连接。另外，液体储存单元可以不安装在喷墨式记录设备上。
(其他实施例)
以上，已经描述了本发明的各实施例，但是本发明的基本构造不限于此。
例如，在上述实施例中，活动部310的压电层70被连续设置，但是压电层70也可以针对每个活动部310独立地设置。例如，在上述实施例中，第二电极80被设定为多个活动部310的共用电极，并且第一电极60被设定为每个活动部310的个别电极，但是没有特别限制，第一电极60可被设定为多个活动部310的共用电极，而第二电极80被设定为每个活动部310的个别电极。
例如，在上述实施例中，压电膜74是通过涂布、干燥、脱脂和烧成而形成的，但没有特别限制。例如，压电膜74可以通过在重复涂布、干燥和脱脂步骤若干次(例如两次)之后进行烧成来形成。
在上述实施例中，已经通过使用喷墨式记录头作为液体喷射头的一个例子描述了本发明，但是本发明用于一般的液体喷射头。作为液体喷射头，可以使用在诸如打印机的图像记录设备中使用的各种记录头、在制造诸如液晶显示器的彩色滤光片中使用的彩色材料喷射头、在诸如有机EL显示器或场发射显示器(FED)的电极形成中使用的电极材料喷射头、在生物芯片制造中使用的生物有机材料喷射头。
本发明不仅应用于液体喷射头(喷墨式记录头)或超声波装置，而且还应用于安装在各种装置上的致动器装置或使用压电元件的各种传感器。
[附图标记列表]
I 喷墨式记录头(液体喷射头)
II 喷墨式记录设备(液体喷射设备)
10 流路形成基板
11 分隔壁
12 压力发生室
13 油墨供给路径
14 连通路径
15 连通部
20 喷嘴板
21 喷嘴口
30 保护基板
31 压电元件保持部
32 歧管部
33 贯通孔
35 粘合剂
40 适应性基板
41 密封膜
42 固定板
43 开口部
50 振动板
51 氧化层
52，52A，52B 氧化锆层
60 第一电极
70 压电层
71 凹部
80 第二电极
90 引线电极
100 歧管
300 压电元件
521，521A，521B 氧化锆层(第一层)
522，522A，522B 氧化锆层(第二层)

Claims (8)

1.一种压电装置，包括：
基板，所述基板上设置有多个凹部；
振动板，其设置在所述基板的一个表面侧；以及
压电元件，其设置在所述振动板上方，并且在所述压电元件上自基板侧层叠有第一电极、压电层和第二电极，
其中所述第一电极形成为具有第一宽度，所述第一宽度在至少一个凹部的并排设置方向上比所述凹部在所述并排设置方向上的尺寸小，并且所述压电层延伸到所述第一电极的在所述并排设置方向上的外侧，并且所述压电层具有第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度大且比所述凹部在所述并排设置方向上的宽度小，
所述振动板含有氧化锆层，并且
当所述氧化锆层的与具有所述第一宽度的所述第一电极相对应的区域被设定为第一区域，所述氧化锆层的与所述压电层设置在所述第一区域的在所述并排设置方向的外侧的区域相对应的区域被设定为第二区域，并且所述氧化锆层的与在所述第二区域的所述并排设置方向的外侧的凹部相对应的区域被设定为第三区域时，
所述氧化锆层在所述第一区域中在厚度方向的至少第一电极侧含有粒状晶体，并且在所述第三区域中含有柱状晶体。
2.根据权利要求1所述的压电装置，其中所述氧化锆层在所述第二区域中含有粒状晶体。
3.根据权利要求1或2所述的压电装置，其中所述氧化锆层至少在所述第一区域中，包括设置在所述厚度方向的所述第一电极侧的含有粒状晶体的第一层以及设置在所述基板侧的含有柱状晶体的第二层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电装置，其中所述氧化锆层的在所述第一区域中的厚度大于在所述第三区域中的厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压电装置，其中所述氧化锆层含有钇。
6.一种液体喷射头，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的压电装置；和
与凹部连通以喷射液体的喷嘴口。
7.一种液体喷射设备，包括根据权利要求6所述的液体喷射头。
8.一种压电装置的制造方法，所述压电装置包括：
基板，所述基板上设置有多个凹部；
振动板，其设置在所述基板的一个表面侧；以及
压电元件，其设置在所述振动板上方，并且在所述压电元件上自基板侧层叠有第一电极、压电层以及第二电极，
其中所述第一电极形成为具有第一宽度，所述第一宽度在至少一个凹部的并排设置方向上比所述凹部在所述并排设置方向的尺寸小，并且所述压电层延伸到所述第一电极的在所述并排设置方向上的外侧，并且所述压电层具有第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度大且比所述凹部在所述并排设置方向上的宽度小，
所述振动板含有氧化锆层，并且
当氧化锆层的与具有所述第一宽度的所述第一电极相对应的区域被设定为第一区域，所述氧化锆层的与所述压电层设置在所述第一区域的在所述并排设置方向的外侧的区域相对应的区域被设定为第二区域，并且所述氧化锆层的与在所述第二区域的所述并排设置方向的外侧的凹部相对应的区域被设定为第三区域时，
所述氧化锆层在所述第一区域中在厚度方向的至少第一电极侧含有粒状晶体，并且在所述第三区域中含有柱状晶体，
所述方法包括：
通过使用液相法形成所述氧化锆层的含有粒状晶体的一部分；和
通过氧化使用气相法形成的锆层来形成所述氧化锆层的含有柱状晶体的一部分。
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