JP2012196873A - 圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電素子は、第１電極１０と、第１電極１０の上方に形成され、貫通孔２２が形成された絶縁体層２０と、貫通孔２２の内部および貫通孔２２の上方に形成された第１部分３２、および絶縁体層２０の上方に形成された第２部分３４を有する圧電体層３０と、第１部分３２および第２部分３４の上方に形成された第２電極４０と、を含み、第２部分３４は、第１部分３２の周囲を囲み、圧電体層３０の側面３６は、絶縁体層２０の上面２４に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関する。

圧電素子は、電圧印加によりその形状を変化させる特性を有する素子であり、圧電体層を上部電極および下部電極で挟んだ構造を有する。圧電素子は、例えばインクジェットプリンターの液体噴射ヘッド部分や、各種アクチュエーターなど多様な用途に用いられている。

圧電素子は、その製造時または駆動時などにおいて、圧電体層の側面に水分等が付着する場合がある。圧電体層の側面に水分等が付着すると、この圧電体層の側面に付着した水分等が上部電極と下部電極との間でリークパスとなり、リーク電流が発生する。これにより、圧電素子が破壊され、信頼性が低下する場合がある。

例えば、特許文献１に開示された圧電素子では、上部電極と下部電極との間に発生するリーク電流を防ぐために、上部電極の上面の周縁および圧電体層の側面を絶縁体層で覆っている。

特開平１０−２２６０７１号公報

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、信頼性の高い圧電素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記圧電素子を含む液体噴射ヘッド、および液体噴射装置を提供することにある。

本発明に係る圧電素子は、
第１電極と、
前記第１電極の上方に形成され、貫通孔が形成された絶縁体層と、
前記貫通孔の内部および前記貫通孔の上方に形成された第１部分、および前記絶縁体層の上方に形成された第２部分を有する圧電体層と、
前記第１部分および前記第２部分の上方に形成された第２電極と、
を含み、
前記第２部分は、前記第１部分の周囲を囲み、
前記圧電体層の側面は、前記絶縁体層の上面に接続されている。

このような圧電素子によれば、例えば、圧電体層の側面が直接第１電極の上面に接続している場合と比べて、圧電体層の側面が絶縁体層の上面に接続されているため、第１電極と第２電極との間のリークパスの経路を長くすることができる。したがって、第１電極と第２電極との間にリーク電流が発生することを抑制することができる。よって、このような圧電素子は、高い信頼性を有することができる。

また、このような圧電素子によれば、圧電体層の第２部分が、絶縁体層の上方に形成されているため、第２部分を非能動部とすることができる。さらに、第２部分が第１部分の周囲を囲んでいる。したがって、第２部分を、大気中の湿気等から第１部分を保護するためのバリアとして機能させることができる。

本発明に係る圧電素子において、
前記絶縁体層の材質は、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンであってもよい。

このような圧電素子によれば、圧電体層の誘電率が絶縁体層の誘電率より遥かに大きいため、圧電体層と絶縁体層を挟む第１と第２電極間に印加される電圧のうちの大部分を絶縁体層が受け持ち、圧電体層の第２部分にかかる電圧を、絶縁体層のない第１部分にかかる電圧と比べて、小さくすることができる。これにより、第２部分を、第１部分に比べて、能動的に変形させないことができる。

本発明に係る圧電素子において、
前記絶縁体層の膜厚は、前記第２部分の膜厚の１／１０以上であってもよい。

このような圧電素子によれば、第２部分にかかる電圧を、第１部分にかかる電圧と比べて、小さくすることができる。これにより、第２部分を、第１部分に比べて、能動的に変形させないことができる。

本発明に係る圧電素子において、
前記絶縁体層の膜厚は、前記第２部分の膜厚の２／１０以下であってもよい。

本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、複数設けられ、
隣り合う前記圧電体層の間の領域において、前記第１電極は、前記絶縁体層で覆われていてもよい。

このような圧電素子によれば、隣り合う圧電体層の間の領域において、第１電極が絶縁体層によって覆われているため、より確実に第１電極と第２電極との間にリーク電流が発生することを抑制することができる。したがって、このような圧電素子は、より高い信頼性を有することができる。

本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、複数設けられ、
隣り合う前記圧電体層の間の領域において、前記第１電極は、露出していてもよい。

このような圧電素子によれば、例えば、圧電素子を液体噴射ヘッドに用いた場合に、絶縁体層が形成されることによる振動板の変位量の低下を低減することができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電素子を含む。

このような液体噴射ヘッドによれば、本発明に係る圧電素子を含むため、高い信頼性を有することができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電素子と、
前記圧電素子の動作によって容積が変化する流路が形成された流路形成基板と、
を含み、
前記絶縁体層の幅は、前記流路の幅よりも小さい。

このような液体噴射ヘッドによれば、本発明に係る圧電素子を含むため、高い信頼性を有し、かつ良好な液体噴射特性を有することができる。

本発明に係る液体噴射装置は、
本発明に係る液体噴射ヘッドを含む。

このような液体噴射装置によれば、本発明に係る液体噴射ヘッドを含むため、高い信頼性を有することができる。

第１実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る圧電素子を模式的に示す平面図。 圧電体層の各部分の電界強度を計算した結果のグラフ。 第１実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態の変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。 第２実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。 第３実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 圧電素子の構成
まず、第１実施形態に係る圧電素子の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、圧電素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。

圧電素子１００は、図１および図２に示すように、第１電極１０と、絶縁体層２０と、圧電体層３０と、第２電極４０と、を含む。圧電素子１００は、例えば、基板１上に形成されている。

基板１は、例えば、半導体、絶縁体で形成された平板である。基板１は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。基板１は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。

基板１は、可撓性を有し、圧電体層３０の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板を含んでいてもよい。振動板の材質としては、例えば、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、またはこれらの積層体が挙げられる。

第１電極１０は、基板１上に形成されている。隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０は、絶縁体層２０で覆われている。すなわち、第１電極１０は、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、露出していない。また、図示の例では、第１電極１０は、貫通孔２２が形成された領域を除いて、絶縁体層２０で覆われている。すなわち、図示の例では、第１電極１０は、貫通孔２２が形成された領域を除いて、露出していない。第１電極１０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第１電極１０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第１電極１０の平面形状は、第２電極４０が対向して配置されたときに両者の間に圧電体層３０および絶縁体層２０を配置できる形状であれば、特に限定されないが、例えば、矩形である。

第１電極１０の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムとの複合酸化物（ＳｒＲｕＯｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルとの複合酸化物（ＬａＮｉＯｘ：ＬＮＯ）が挙げられる。第１電極１０は、上記に例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。

第１電極１０は、第２電極４０と一対になって、圧電体層３０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層３０の下方に形成された下部電極）となることができる。

なお、基板１が振動板を有さず、第１電極１０が振動板としての機能を有していてもよい。すなわち、第１電極１０は、圧電体層３０に電圧を印加するための一方の電極としての機能と、圧電体層３０の動作によって変形することのできる振動板としての機能と、を有していてもよい。

また、図示はしないが、第１電極１０と基板１との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。このような層の例としては、例えば、チタン、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの酸化物の層が挙げられる。

絶縁体層２０は、第１電極１０上に形成されている。絶縁体層２０の材質は、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコンである。絶縁体層２０には、絶縁体層２０を厚さ方向（Ｚ軸方向）に貫通する貫通孔２２が形成されている。絶縁体層２０の膜厚は、後述するように、第２部分３４を非能動部とすることができる程度の膜厚である。具体的には、絶縁体層２０が酸化アルミニウムまたは酸化シリコンである場合、絶縁体層２０の膜厚は、例えば、圧電体層３０の第２部分３４（第１領域３４ａ）の膜厚ａの１／１０以上である。また、絶縁体層２０の膜厚は、例えば、圧電体層３０の第２部分３４の膜厚ａの２／１０以下であることが望ましい。圧電体層３０の第２部分３４の膜厚ａが１μｍの場合、絶縁体層２０の膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

貫通孔２２は、絶縁体層２０を上面２４から下面まで貫通する孔である。貫通孔２２の内部には、圧電体層３０（第１部分３２の一部）が形成されている。貫通孔２２は、図２に示すように、平面視において、第２電極４０の外縁の内側に形成されている。貫通孔２２の平面形状は、例えば、四角形である。図示の例では、貫通孔２２の平面形状は、Ｘ軸方向に沿う辺を長辺とする長方形である。貫通孔２２の幅（Ｙ軸方向の大きさ）は、第２電極４０の幅（Ｙ軸方向の大きさ）よりも小さい。貫通孔２２の長さ（Ｘ軸方向の大きさ）は、第２電極４０の長さ（Ｘ軸方向の大きさ）よりも小さい。ここで、貫通孔２２の幅とは、貫通孔２２のＹ軸方向の大きさをいう。以下、他の部材についても、部材の幅とは、Ｙ軸方向の大きさをいう。また、貫通孔２２の長さとは、貫通孔２２のＸ軸方向の大きさをいう。以下、他の部材についても、部材の幅とは、Ｘ軸方向の大きさをいう。

圧電体層３０は、第１電極１０上および絶縁体層２０上に形成されている。圧電体層３０の側面３６は、絶縁体層２０の上面２４に接続されている。すなわち、圧電体層３０の側面３６は、第１電極１０の上面と接続されていない。圧電体層３０は、図２に示すように平面視において、Ｘ軸方向に延出している。圧電体層３０の平面形状は、例えば、Ｘ軸方向に沿う長辺を有する長方形である。圧電体層３０は、複数設けられていてもよい。図示の例では、圧電体層３０は、３つ設けられているが、その数は限定されない。複数の圧電体層３０は、例えば、Ｙ軸方向に配列している。

圧電体層３０は、第１部分３２と、第２部分３４と、を有する。第１部分３２と第２部分３４とは、一体的に形成されている。

第１部分３２は、貫通孔２２の内部および貫通孔２２上に形成されている。すなわち、第１部分３２は、絶縁体層２０を介さず、第１電極１０と第２電極４０とに直接挟まれている。したがって、第１部分３２は、圧電体層３０の実質的な駆動部分である能動部となる。また、第１部分３２は、図２に示すように、第２部分３４によって周囲を囲まれている。そのため、第１部分３２は露出していない。

第２部分３４は、絶縁体層２０上に形成されている。第２部分３４は、第１部分３２の周囲を囲むように形成されている。第２部分３４は、第１領域３４ａと、第２領域３４ｂと、を有している。第１領域３４ａは、図２に示すように、平面視において、第２部分３４のうち、第２電極４０の外縁の内側に位置する部分である。第１領域３４ａは、絶縁体層２０を介して、第１電極１０と第２電極４０とに挟まれている。第２領域３４ｂは、平面視において、第２部分３４のうち、第２電極４０の外縁の外側に位置する部分である。第２領域３４ｂは、第１電極１０と第２電極４０とに挟まれていない。

第２部分３４は、絶縁体層２０上に形成されている。これにより、第２部分３４を、第１部分３２に比べて、能動的に変形させないことができる。すなわち、第２部分３４を非能動部とすることができる。その理由について、以下に説明する。

第１電極１０と第２電極４０との間において、第２部分３４と絶縁体層２０とは、直列に接続されたコンデンサーを構成している。ここで、絶縁体層２０の誘電率は、圧電体層３０の誘電率に比べて、極めて低い。具体的には、絶縁体層２０の材質が酸化アルミニウムであり、圧電体層３０の材質がＰＺＴである場合、絶縁体層２０の誘電率は、圧電体層３０の誘電率の１／１０００程度である。そのため、第１電極１０および第２電極４０によって電圧が印加されたときに、絶縁体層２０にかかる電圧は大きく、第２部分３４にかかる電圧は小さい。

例えば、絶縁体層２０の材質が酸化アルミニウムであり、圧電体層３０の材質がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、絶縁体層２０の膜厚が第２部分３４の膜厚ａの１／１０である場合、第１領域３４ａにかかる電圧を、絶縁体層２０にかかる電圧の１／１０以下程度とすることができる。

図３は、圧電体層３０に電圧を印加したときの圧電体層３０の各部分３２，３４における電界強度を計算した結果のグラフである。縦軸は、圧電体層３０中の電界強度であり、横軸は、圧電体層３０の位置を示している。図３は、絶縁体層２０の材質が酸化アルミニウムであり、圧電体層３０の材質がＰＺＴであり、絶縁体層２０の膜厚が、第１領域３４ａの膜厚の１／１０である場合である。

図３に示すように、第２部分３４の第１領域３４ａの電界強度は、第１部分３２の電界強度と比べて、小さい。具体的には、第１領域３４ａの電界強度は、第１部分３２の電界強度の１／１０程度である。また、第２領域３４ｂでは、そもそも電圧が印加されないため、電界強度は０である。

このように、第２部分３４が絶縁体層２０上に形成されていることにより、第１電極１０および第２電極４０によって圧電体層３０に電圧が印加されたときに、第２部分３４にかかる電圧を小さくすることができる。したがって、第２部分３４を、第１部分３２に比べて、能動的に変形させないことができる。すなわち、第２部分３４を、非能動部とすることができる。

また、第２部分３４の第１領域３４ａの高さ（Ｚ軸方向の大きさ）ａと、第２部分３４の第１領域３４ａの幅（Ｙ軸方向の大きさ）ｂとは、例えば、ａ：ｂ＝１：１である。これにより、第１電極１０および第２電極４０によって圧電体層３０に電圧が印加されたときに、第２部分３４にかかる電圧をより小さくすることができ、第２部分３４を、より能動的に変形させないことができる。

圧電体層３０としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いることができる。より具体的には、圧電体層３０の材質としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３：ＰＺＴＮ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）が挙げられる。圧電体層３０の第２部分３４（第１領域３４ａ）の膜厚ａは、例えば、３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。

圧電体層３０は、圧電性を有することができ、第１電極１０および第２電極４０によって電圧が印加されることで変形することができる。

第２電極４０は、圧電体層３０の第１部分３２上および第２部分３４上に形成されている。第２電極４０は、図示の例では、圧電体層３０の上面の全面を覆うように形成されている。第２電極４０は、第１電極１０と対向して配置されている。第２電極４０の形状は、例えば、層状または薄膜状の形状である。第２電極４０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極４０の平面形状は、第１電極１０に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層３０および絶縁体層２０を配置できる形状であれば、特に限定されない。

第２電極４０の材質は、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムとの複合酸化物（ＳｒＲｕＯｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルとの複合酸化物（ＬａＮｉＯｘ：ＬＮＯ）などを例示することができる。第２電極４０は、これら例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。

第２電極４０の機能の一つとしては、第１電極１０と一対になって、圧電体層３０に電圧を印加するための他方の電極（例えば、圧電体層３０の上方に形成された上部電極）となることが挙げられる。

第２電極４０は、複数の圧電体層３０に対応して複数設けられてもよい。図２に示す例では、３つの圧電体層３０に対応して、第２電極４０は、３つ設けられている。複数の第２電極４０は、互いに電気的に分離している。すなわち、第２電極４０は個別電極である。一方、第１電極１０は、複数の圧電体層３０に対して、共通した電極であってもよい。図２に示す例では、複数の圧電体層３０に対して、第１電極１０が１つ形成されており、絶縁体層２０が１つ形成されている。そして、絶縁体層２０の貫通孔２２が各圧電体層３０に対応して設けられている。図示の例では、３つの圧電体層３０に対して、貫通孔２２が３つ設けられている。このようにして、第１電極１０は、複数の圧電体層３０に対して、共通した電極となっている。すなわち、図２に示す例では、複数の圧電体層３０に対して、第２電極４０は、個別電極であり、第１電極１０は、共通電極である。これにより、複数の圧電体層３０の各々を、独立して駆動させることができる。

以上のような圧電素子１００は、例えば、圧力発生室内の液体を加圧する圧電アクチュエーターとして、液体噴射ヘッドや、該液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置（インクジェットプリンター）などに適用されてもよいし、圧電体層の変形を電気信号として検出する圧電センサー等その他の用途として用いてもよい。

圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。

圧電素子１００では、圧電体層３０の側面３６が絶縁体層２０の上面２４に接続され、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０は、絶縁体層２０で覆われている。例えば、第１電極が絶縁体層で覆われていない場合、圧電体層の側面に水分等が付着すると、この圧電体層の側面に付着した水分等が第１電極と第２電極との間でリークパスとなり、リーク電流が発生する場合がある。圧電素子１００では、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０が絶縁体層２０によって覆われているため、第１電極１０と第２電極４０との間にリークパスができない。したがって、第１電極１０と第２電極４０との間にリーク電流が発生することを抑制することができる。よって、圧電素子１００は、高い信頼性を有することができる。

圧電素子１００では、圧電体層３０の第２部分３４が、絶縁体層２０の上方に形成されている。これにより、第２部分３４を非能動部とすることができる。第２部分３４を非能動部とすると、例えば、第２部分３４が吸湿等により劣化したとしても、圧電体層３０全体の動作に与える影響は小さい。さらに、第２部分３４は、第１部分３２の周囲を囲むように形成されている。したがって、第２部分３４を、大気中の湿気等から第１部分３２を保護するためのバリアとして機能させることができる。これにより、信頼性を高めることができ、かつ圧電体層に酸化アルミニウム等からなる保護膜を形成する場合と比べて、圧電体層の動作に与える影響を小さくできる。さらに、例えば、保護膜を形成する工程が不要となるため、工程を簡略化することができる。

圧電素子１００では、絶縁体層２０の材質が、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンである。酸化アルミニウムおよび酸化シリコンの誘電率は、圧電体層３０の誘電率と比べて極めて低い。したがって、上述したように、第２部分３４にかかる電圧を、第１部分３２にかかる電圧と比べて、小さくすることができる。これにより、第２部分３４を、第１部分３２に比べて、能動的に変形させないことができる。

圧電素子１００では、絶縁体層２０の膜厚は、第２部分３４の膜厚の１／１０以上である。これにより、例えば、絶縁体層２０の材質が、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンである場合に、第２部分３４にかかる電圧を、第１部分３２にかかる電圧と比べて、小さくすることができる。これにより、第２部分３４を、第１部分３２に比べて、能動的に変形させないことができる。

１．２． 圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４〜図７は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程を模式的に示す図である。なお、図４，５，７は、図１に対応する断面図であり、図６は、図２に対応する平面図である。

図４に示すように、基板１上に、第１電極１０を成膜する。第１電極１０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより成膜される。

次に、第１電極１０上に絶縁体層２０を成膜する。絶縁体層２０は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより成膜される。

図５および図６に示すように、絶縁体層２０に貫通孔２２を形成する。図６に示すように、貫通孔２２は、複数形成され、図示の例では３つ形成されている。貫通孔２２は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって形成される。エッチングは、例えば、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより行われる。

図７に示すように、貫通孔２２の内部および貫通孔２２上、絶縁体層２０上に圧電体層３０ａを成膜する。圧電体層３０ａは、例えば、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法により成膜される。より具体的には、圧電体の前駆体層をスピンコートで成膜し、酸素雰囲気中で７５０℃程度で焼成することにより、前駆体層を結晶化させる。この成膜・焼成工程を複数回繰り返すことにより、所望の膜厚を有する圧電体層３０ａを得ることができる。

次に、圧電体層３０ａ上に第２電極４０ａを成膜する。第２電極４０ａは、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法により成膜される。

図１に示すように、圧電体層３０ａおよび第２電極４０ａをパターニングして、圧電体層３０および第２電極４０を形成する。パターニングは、まず、第２電極４０ａの上面の貫通孔２２の上方の領域および当該領域を囲む領域にレジスト（図示しない）を形成する。次に、このレジストをマスクとして、第２電極４０ａおよび圧電体層３０ａをエッチングする。第２電極４０ａのエッチングは、例えば、ドライエッチングにより行われる。圧電体層３０ａのエッチングは、例えば、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより行われる。これにより、貫通孔２２の内部および貫通孔２２の上方に形成された第１部分３２、および絶縁体層２０の上方に形成された第２部分３４を有する圧電体層３０、および第２電極４０を形成することができる。また、圧電体層３０の側面３６が絶縁体層２０の上面２４に接続され、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０は、絶縁体層２０で覆われる。

以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。

圧電素子１００の製造方法によれば、圧電体層３０の側面３６が絶縁体層２０の上面２４に接続され、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０が、絶縁体層２０で覆われるように形成される。これにより、第１電極１０と第２電極４０との間にリーク電流が発生することを抑制することができる。したがって、信頼性の高い圧電素子を製造できる。

圧電素子１００の製造方法によれば、圧電体層３０の第２部分３４が第１部分３２を保護するためのバリアとして機能するように形成されるため、第１部分３２を保護するための保護膜を形成する工程が不要となり、製造工程を簡略化することができる。

圧電素子１００の製造方法によれば、絶縁体層２０をパターニングすることで、第１電極１０を所望の領域で露出させることができる。したがって、例えば、第１電極１０のパターニングが不要となる。

１．３． 変形例
次に、本実施形態の変形例に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態の変形例に係る圧電素子２００を模式的に示す断面図である。なお、図８（ａ）は、ＹＺ平面における断面図であり、図１に対応するものである。また、図８（ｂ）は、ＺＸ平面における断面図である。以下、本実施形態の変形例に係る圧電素子２００において、本実施形態に係る圧電素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

圧電素子１００の例では、図１に示すように、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０は、絶縁体層２０で覆われていた。

これに対し、圧電素子２００では、図８に示すように、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０は、露出している。これにより、後述するように、圧電素子２００を液体噴射ヘッドに用いた場合に、絶縁体層２０が形成されることによる振動板の変位量の低下を低減することができる。その理由については、後述する「２．２． 変形例」で説明する。

図８（ａ）に示すように、絶縁体層２０の幅（Ｙ軸方向の大きさ）は、例えば、圧電体層３０の幅よりも大きい。絶縁体層２０のＹ軸方向の端部２０Ｙは、圧電体層３０の側面（平面視においてＸ軸方向に沿う側面）３６に対して、突出している。また、図８（ｂ）に示すように、絶縁体層２０の長さ（Ｘ軸方向の大きさ）は、例えば、圧電体層３０の長さよりも大きい。絶縁体層２０のＸ軸方向の端部２０Ｘは、圧電体層３０の側面（平面視においてＹ軸方向に沿う側面）３６に対して、突出している。

圧電体層３０の側面３６は、絶縁体層２０の上面２４に接続されている。これにより、例えば、圧電体層の側面が第１電極の上面に直接接続している場合と比べて、第１電極１０と第２電極４０との間のリークパスの経路を長くすることができる。具体的には、例えば、圧電体層の側面が第１電極の上面に直接接続している場合、第１電極と第２電極との間のリークパスは、圧電体層の側面に沿って形成される。これに対し、圧電素子２００では、圧電体層３０の側面３６が絶縁体層２０の上面２４に接続されているため、第１電極１０と第２電極４０との間のリークパスは、圧電体層３０の側面３６、絶縁体層２０の上面２４、絶縁体層２０の側面に沿って形成される。したがって、圧電素子２００によれば、リークパスの経路を長くすることができる。そのため、第１電極１０と第２電極４０との間にリーク電流が発生することを抑制することができる。よって、このような圧電素子２００は、高い信頼性を有することができる。

２． 第２実施形態
２．１． 液体噴射ヘッド
次に、第２実施形態に係る液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図９は、第２実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図１０は、液体噴射ヘッド６００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。

液体噴射ヘッド６００は、本発明に係る圧電素子を有する。以下では、本発明に係る圧電素子として、圧電素子１００を用いた例について説明する。

液体噴射ヘッド６００は、図９および図１０に示すように、例えば、振動板１ａと、ノズル板６１０と、流路形成基板６２０と、圧電素子１００と、筐体６３０と、を含む。なお、図１０では、圧電素子１００を簡略化して図示している。

ノズル板６１０は、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクが吐出される。ノズル板６１０には、例えば、複数のノズル孔６１２が設けられている。図１０に示す例では、複数のノズル孔６１２は、一列に並んで形成されている。ノズル板６１０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が挙げられる。

流路形成基板６２０は、ノズル板６１０上（図１０の例では下）に設けられている。流路形成基板６２０の材質としては、例えば、シリコンが挙げられる。流路形成基板６２０がノズル板６１０と振動板１ａとの間の空間を区画することにより、図１０に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力発生室６２２と、が設けられている。図１０に示す例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力発生室６２２と、が区別されているが、これらはいずれも液体の流路（例えば、マニホールドということもできる）であって、このような流路はどのように設計されても構わない。例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。

リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板１ａに設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力発生室６２２に供給されることができる。圧力発生室６２２は、振動板１ａの変形により容積が変化する。圧力発生室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧電素子１００の動作により圧力発生室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２からインク等が吐出される。

なお、リザーバー６２４および供給口６２６は、圧力発生室６２２と連通していれば、流路形成基板６２０とは別の部材（図示せず）に設けられていてもよい。

圧電素子１００は、流路形成基板６２０上（図１０の例では下）に設けられている。圧電素子１００は、駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、駆動回路の信号に基づいて動作（振動、変形）することができる。振動板１ａは、圧電体層３０の動作によって変形し、圧力発生室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。

筐体６３０は、図１０に示すように、ノズル板６１０、流路形成基板６２０、振動板１ａ、および圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。

液体噴射ヘッド６００によれば、圧電素子１００を有する。したがって、液体噴射ヘッド６００は、高い信頼性を有することができる。

なお、上記の例では、液体噴射ヘッド６００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本実施形態の液体噴射ヘッドは、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噴射ヘッド、有機ＥＬ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料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。

２．２． 変形例
次に、第２実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図１１は、第２実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド６０１を模式的に示す断面図であって、図９に対応するものである。以下、本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド６０１において、本実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

液体噴射ヘッド６００の例では、圧電素子１００を有していた。これに対して、液体噴射ヘッド６０１では、圧電素子２００を有している。

圧電素子２００では、図１１に示すように、隣り合う圧電体層３０の間の領域において、第１電極１０は、露出している。図示の例では、絶縁体層２０の幅は、圧力発生室（流路）６２２の幅よりも小さい。例えば、絶縁体層の幅が圧力発生室の幅以上であった場合、振動板の変位が阻害され、振動板の変位量が低下してしまう場合がある。圧電素子２００では、絶縁体層２０の幅が圧力発生室（流路）６２２の幅よりも小さいため、絶縁体層の幅が圧力発生室の幅以上である場合と比べて、絶縁体層２０が形成されることによる振動板１ａの変位量の低下を低減することができる。

したがって、液体噴射ヘッド６０１によれば、圧電素子２００を有するため、高い信頼性を有し、かつ良好な液体噴射特性を有することができる。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態に係る液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。

液体噴射装置７００は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、液体噴射ヘッド６００を用いた例について説明する。

液体噴射装置７００は、図１２に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。液体噴射装置７００は、さらに、液体噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。

ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド６００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット７３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。

駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。

往復動機構７４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。

なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。

制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０および給紙部７５０を制御することができる。

給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー７５２ａおよび駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０および給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。

液体噴射装置７００によれば、液体噴射ヘッド６００を有する。したがって、液体噴射装置７００は、高い信頼性を有することができる。

なお、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 基板、１ａ 振動板、１０ 第１電極、２０ 絶縁体層、２２ 貫通孔、
２４ 上面、３０ 圧電体層、３２ 第１部分、３４ 第２部分、３４ａ 第１領域、
３４ｂ 第２領域、３６ 側面、４０ 第２電極、１００，２００ 圧電素子、
６００，６０１ 液体噴射ヘッド、６１０ ノズル板、６１２ ノズル孔、
６２０ 流路形成基板、６２２ 圧力発生室、６２４ リザーバー、６２６ 供給口、
６２８ 貫通孔、６３０ 筐体、７００ 液体噴射装置、７１０ 駆動部、
７２０ 装置本体、７２１ トレイ、７２２ 排出口、７３０ ヘッドユニット、
７３１ インクカートリッジ、７３２ キャリッジ、７４１ キャリッジモーター、
７４２ 往復動機構、７４３ タイミングベルト、７４４ キャリッジガイド軸、
７５０ 給紙部、７５１ 給紙モーター、７５２ 給紙ローラー、
７５２ａ 従動ローラー、７５２ｂ 駆動ローラー、７６０ 制御部、
７７０ 操作パネル

Claims (9)

1. 第１電極と、
   前記第１電極の上方に形成され、貫通孔が形成された絶縁体層と、
   前記貫通孔の内部および前記貫通孔の上方に形成された第１部分、および前記絶縁体層の上方に形成された第２部分を有する圧電体層と、
   前記第１部分および前記第２部分の上方に形成された第２電極と、
   を含み、
   前記第２部分は、前記第１部分の周囲を囲み、
   前記圧電体層の側面は、前記絶縁体層の上面に接続されている、圧電素子。
2. 請求項１において、
   前記絶縁体層の材質は、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンである、圧電素子。
3. 請求項２において、
   前記絶縁体層の膜厚は、前記第２部分の膜厚の１／１０以上である、圧電素子。
4. 請求項２または３において、
   前記絶縁体層の膜厚は、前記第２部分の膜厚の２／１０以下である、圧電素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記圧電体層は、複数設けられ、
   隣り合う前記圧電体層の間の領域において、前記第１電極は、前記絶縁体層で覆われている、圧電素子。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記圧電体層は、複数設けられ、
   隣り合う前記圧電体層の間の領域において、前記第１電極は、露出している、圧電素子。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電素子を含む、液体噴射ヘッド。
8. 請求項６に記載の圧電素子と、
   前記圧電素子の動作によって容積が変化する流路が形成された流路形成基板と、
   を含み、
   前記絶縁体層の幅は、前記流路の幅よりも小さい、液体噴射ヘッド。
9. 請求項７または８に記載の液体噴射ヘッドを含む、液体噴射装置。

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