JP2019130765A - 圧電デバイス、液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置 - Google Patents

圧電デバイス、液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】水分によって振動板の特性が変化するのを抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置を提供する。【解決手段】複数の第1凹部12が形成された基板10と、基板の一方面側に設けられ振動板50と、基板の一方面側に振動板を介して設けられた第1電極60、第1電極上に設けられた圧電体層70、圧電体層上に設けられた第2電極80を有する圧電素子300と、を具備し、圧電素子には、圧電体層の第1電極と第2電極とで挟まれた活性部310が第1凹部毎に設けられ、第1電極は、活性部の各々に設けられた個別電極を構成し、第2電極は、複数の活性部に設けられた共通電極を構成し、圧電体層には、活性部の外側に設けられ基板とは反対側に開口する第2凹部71が設けられており、基板と圧電素子との積層方向において、振動板は、少なくとも第2凹部の底面711に重なる領域の第2電極側の最上層に窒化膜52を有する。【選択図】図5

Description

本発明は、圧電デバイス、圧電デバイスを有する液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置に関する。
従来、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から液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。その代表例としては、液滴としてインク滴を噴射す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振動板を介して圧電素子を備え、この圧電素子の駆動によって振動板を変形させて圧力発生室に圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射させる。
ここで、圧電素子は、最上層に酸化ジルコニウムを含む振動板上に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極で構成されている(例えば、特許文献1参照)。また、このような圧電素子は、第1電極と第2電極とで挟まれて実質的な駆動部となる活性部が、振動板の圧力発生室に対向する領域毎に設けられている。そして、圧力発生室に対向する領域の活性部の両側には、振動板または振動板と圧電素子の非活性部とが積層された領域があり、腕部と呼ばれる。さらに、このような圧電素子では、圧電体層の腕部に対応する領域に基板とは反対側に開口する凹部を設けることで、圧電素子の変位特性を向上、すなわち、低い電圧で大きく変位させることができる。
特開2010−228268号公報
しかしながら、圧電体層に凹部を設けることで、振動板が露出、または、外部の雰囲気に近くなるため、高湿度環境下において振動板の酸化ジルコニウムと水分とが反応し、振動板の特性が変化してしまうという問題がある。
また、凹部の内部、特に、凹部の底面を第2電極で覆う構成も開示されているものの、第2電極を水分が透過し、第2電極を透過した水分と振動板の酸化ジルコニウムとが反応して、振動板の特性が変化してしまうという問題がある。
特に、特許文献1のように、第2電極を複数の活性部に亘って共通して設けた構成のインクジェット式記録ヘッドでは、活性部の高密度化に伴い、第2電極の膜厚が薄くなり、第2電極を水分が透過し易くなることから振動板の水分による特性の変化が生じ易い。
なお、このような問題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限定されず、他の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、水分によって振動板の特性が変化するのを抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置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、複数の第1凹部が形成された基板と、前記基板の一方面側に設けられた振動板と、前記基板の一方面側に前記振動板を介して設けられた第1電極、前記第1電極上に設けられた圧電体層、前記圧電体層上に設けられた第2電極を有する圧電素子と、を具備し、前記圧電素子には、前記圧電体層の前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた活性部が前記第1凹部毎に独立して設けられており、前記第1電極は、前記活性部の各々に独立して設けられた個別電極を構成し、前記第2電極は、複数の前記活性部に共通して設けられた共通電極を構成し、前記圧電体層には、前記活性部の外側に設けられて前記基板とは反対側に開口する第2凹部が設けられており、前記基板と前記圧電素子との積層方向において、前記振動板は、少なくとも前記第2凹部の底面に重なる領域の前記第2電極側の最上層に窒化膜を有することを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、第2凹部を設けることで、圧電素子の変位特性を向上することができると共に、第2凹部によって振動板が外部の雰囲気に近づいても、振動板の第2凹部の底面に重なる領域の最上層に窒化膜を設けることで、雰囲気に含まれる水分などの外部からの水分と振動板が反応するのを抑制することができ、振動板の水分による特性の変化を抑制することができる。
ここで、前記振動板は、前記積層方向において、前記圧電体層が形成される領域に重なる領域のうち、前記第2凹部の底面に重ならない領域であって、少なくとも前記活性部と重なる領域に、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜を有し、前記酸化ジルコニウム膜は、前記窒化膜よりも前記圧電体層側に設けられていることが好ましい。これによれば、振動板に酸化ジルコニウム膜を設けることで、振動板の剛性及び靱性を向上することができる。また、酸化ジルコニウム膜を設けることで、少なくとも圧電体層の活性部の結晶面を(100)面に優先配向させることができ、活性部の変位特性を向上することができる。また、酸化ジルコニウム膜を設けることで、圧電体層に含まれる成分が、酸化ジルコニウム膜よりも下に拡散するのを抑制することができる。
また、前記第2凹部の内面上には、前記第2電極が形成されていることが好ましい。これによれば、第2電極の電気抵抗値を下げて、電圧降下を抑制することができる。また、第2凹部に第2電極を設けることで、第2電極によって第2凹部から振動板側に水分が透過し難くすることができる。
また、前記酸化ジルコニウム膜は、前記活性部と前記第2凹部の底面との間に重なる領域に、前記第2凹部の側面上に形成された前記第2電極と接触することなく延設されていることが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウム膜を活性部よりも広い面積で設けることで、酸化ジルコニウム膜を活性部に重なる領域のみに設ける場合に比べて、振動板の剛性及び靱性をさらに向上することができる。また、酸化ジルコニウム膜を前記活性部と前記第2凹部の底面との間に重なる領域に延設することで、延設した領域においても、圧電体層に含まれる成分が酸化ジルコニウム膜よりも下に拡散するのを抑制することができる。さらに、酸化ジルコニウム膜を第2電極と接触させないようにすることで、第2電極を透過した水分が酸化ジルコニウム膜に達し難く、酸化ジルコニウム膜が水分によって加水分解されるのを抑制することができる。
また、前記酸化ジルコニウム膜は、前記積層方向において、前記活性部に重なる領域のみに設けられていることが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウム膜が第2凹部の内面に露出することがなく、酸化ジルコニウム膜が外部の雰囲気に含まれる水分と反応して、加水分解されるのを抑制することができる。
また、複数の前記活性部が第1の方向に並設され、前記活性部の前記第1の方向の両側に前記第2凹部が設けられていることが好ましい。これによれば、活性部を第1の方向Xに高密度に配設することができると共に、活性部の変位量を向上することができる。
また、前記積層方向において、前記第2凹部と前記第1凹部とは、少なくとも一部が重なる位置に配置されていることが好ましい。これによれば、圧電素子の第1凹部の壁面と活性部との間の腕部の剛性を低下させて、活性部の変位特性を向上することができる。
また、前記第2凹部は、前記圧電体層を前記積層方向に貫通して設けられていることが好ましい。これによれば、第2凹部を、圧電体層を積層方向に貫通して設けることで、腕部の剛性を低下させて活性部の変位特性を向上することができると共に、振動板上に直接第2電極が設けられていても、振動板の最上層に窒化膜を設けることで第2電極を透過した水分が振動板と反応するのを抑制することができる。
また、前記振動板は、前記基板側に酸化膜を有することが好ましい。これによれば、振動板の基板側に酸化膜を設けることで、基板を異方性エッチングして第1凹部を形成する際に、振動板がオーバーエッチングされるのを抑制することができ、振動板の厚さのばらつきを抑制することができ、活性部の変位特性にばらつきが生じるのを抑制することができる。
また、前記酸化膜は、前記第1凹部に連通する開口部を有することが好ましい。これによれば、酸化膜によって活性部の変位が拘束されるのを抑制して、活性部の変位特性を向上することができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記記載の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、振動板の水分による破壊を抑制して信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
また、本発明の他の態様は、上記記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
振動板の水分による破壊を抑制して信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態1に係る流路形成基板の平面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態2に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態3に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態4に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態5に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態6に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態7に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図である。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図2は、記録ヘッドの流路形成基板の平面図であり、図3は、図2のA−A′線断面図であり、図4は、図3の要部を拡大した図であり、図5は、図2のB−B′線断面図である。
図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド1(以下、単に記録ヘッド1とも言う)を構成する基板である流路形成基板10は、ステンレス鋼やNiなどの金属、ZrOあるいはAlを代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、MgO、LaAlOのような酸化物などを用いることができる。本実施形態では、流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなる。この流路形成基板10には、一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11によって区画された第1凹部である圧力発生室12がインクを吐出する複数のノズル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、又は第1の方向Xと称する。また、流路形成基板10には、圧力発生室12が第1の方向Xに並設された列が複数列、本実施形態では、2列設けられている。この圧力発生室12の列が複数列設された列設方向を、以降、第2の方向Yと称する。なお、本実施形態では、流路形成基板10の第1の方向Xに並設された圧力発生室12の間の部分を隔壁11と称する。この隔壁11は、第2の方向Yに沿って形成されている。すなわち、隔壁11は、流路形成基板10の第2の方向Yにおける圧力発生室12に重なる部分のことをいう。さらに、第1の方向X及び第2の方向Yの両方に直交する方向を第3の方向Zと称し、詳しくは後述するケース部材40側をZ1側、ノズルプレート20側をZ2側と称する。なお、第1の方向X、第2の方向Y及び第3の方向Zは、互いにそれぞれ直交する方向としたが、特にこれに限定されず、直交以外の角度で交差する方向であってもよい。
このような流路形成基板10の一方面側であるZ2側には、連通板15と、ノズルプレート20とが順次積層されている。
連通板15には、図3に示すように、圧力発生室12とノズル21とを連通するノズル連通路16が設けられている。連通板15は、流路形成基板10よりも大きな面積を有し、ノズルプレート20は流路形成基板10よりも小さい面積を有する。このように連通板15を設けることによってノズルプレート20のノズル21と圧力発生室12とを離せるため、圧力発生室12の中にあるインクは、ノズル21付近のインクで生じるインク中の水分の蒸発による増粘の影響を受け難くなる。また、ノズルプレート20は圧力発生室12とノズル21とを連通するノズル連通路16の開口を覆うだけで良いので、ノズルプレート20の面積を比較的小さくすることができ、コストの削減を図ることができる。なお、本実施形態では、ノズルプレート20のノズル21が開口されて、インク滴が吐出される面を液体噴射面20aと称する。
また、連通板15には、マニホールド100の一部を構成する第1マニホールド部17と第2マニホールド部18とが設けられている。
第1マニホールド部17は、連通板15を第3の方向Zに貫通して設けられている。
第2マニホールド部18は、連通板15を第3の方向Zに貫通することなく、連通板15のノズルプレート20側に開口して設けられている。
また、連通板15には、圧力発生室12の第2の方向Yの一端部に連通する供給連通路19が、圧力発生室12の各々に対して独立して設けられている。供給連通路19は、第2マニホールド部18と圧力発生室12とを連通して、マニホールド100内のインクを圧力発生室12に供給する。
このような連通板15としては、ステンレス鋼やニッケル(Ni)などの金属、またはジルコニウム(Zr)などのセラミックス等を用いることができる。なお、連通板15は、流路形成基板10と線膨張係数が同等の材料が好ましい。すなわち、連通板15として流路形成基板10と線膨張係数が大きく異なる材料を用いた場合、加熱や冷却されることで、流路形成基板10と連通板15との線膨張係数の違いにより反りが生じてしまう。本実施形態では、連通板15として流路形成基板10と同じ材料、すなわち、シリコン単結晶基板を用いることで、熱による反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
ノズルプレート20には、各圧力発生室12にノズル連通路16を介して連通するノズル21が形成されている。すなわち、ノズル21は、同じ種類の液体(インク)を噴射するものが第1の方向Xに並設され、この第1の方向Xに並設されたノズル21の列が第2の方向Yに2列形成されている。
このようなノズルプレート20としては、例えば、ステンレス鋼(SUS)等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート20としてシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート20と連通板15との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
一方、流路形成基板10の他方面側であるZ1側には、振動板50が形成されている。振動板50は、詳しくは後述するが、流路形成基板10側に設けられた酸化シリコン(SiO)を含む酸化膜51と、酸化膜51上に形成された窒化膜52と、窒化膜52上の一部に形成された酸化ジルコニウム(ZrO)を含む酸化ジルコニウム膜53と、を有する。本実施形態では、二酸化シリコン(SiO)を含む酸化膜51と、酸化ジルコニウム(ZrO)を含む酸化ジルコニウム膜53とを用いた。ここで、酸化膜51は、酸化シリコンを主成分として含むものであれば、その他の材料を含むものであってもよい。ちなみに、酸化膜51の主成分が酸化シリコンであるとは、酸化膜51に含まれる酸化シリコンが50質量%以上であることを言う。また、酸化ジルコニウム膜53とは、酸化ジルコニウムを主成分として含むものであれば、その他の材料を含むものであってもよい。なお、酸化ジルコニウム膜53の主成分が酸化ジルコニウムであるとは、酸化ジルコニウム膜53に含まれる酸化ジルコニウムが50質量%以上であることを言う。また、酸化膜51の材料は、酸化シリコンに限定されず、酸化チタン等であってもよい。また、酸化膜51の第2電極80側は窒化膜52で保護されているため、酸化膜51の材料として酸化ジルコニウムを用いてもよい。
なお、圧力発生室12等の液体流路は、流路形成基板10を一方面側(ノズルプレート20が接合された面側)から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室12の他方面は、酸化膜51によって画成されている。すなわち、酸化膜51は、流路形成基板10を異方性エッチングする際のエッチングストップ層として機能する。つまり、酸化シリコンを含む酸化膜51を設けることで、流路形成基板10を異方性エッチングする際に振動板50がオーバーエッチングされるのを抑制することができ、振動板50の厚さのばらつきを抑制することができる。もちろん、流路形成基板10の一方面側に酸化シリコン以外の材料の酸化膜51を設けるようにしてもよい。酸化シリコン以外の材料の酸化膜51を用いて、酸化膜51が異方性エッチングのエッチングストップ層として機能しない場合には、流路形成基板10をドライエッチングすることで圧力発生室12を形成すればよい。
また、図4及び図5に示すように、流路形成基板10の振動板50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アクチュエーター300が形成されている。本実施形態では、圧電アクチュエーター300が圧力発生室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段となっている。ここで、圧電アクチュエーター300は、圧電素子300とも言い、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分を言う。また、第1電極60と第2電極80との間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活性部310と称する。すなわち、活性部310は、圧電体層70が第1電極60と第2電極80とによって第3の方向Zで挟まれた部分を言う。本実施形態では、第1凹部である圧力発生室12毎に活性部310が形成されている。そして、本実施形態では、第1電極60は、活性部310の各々に独立して設けられた個別電極を構成し、第2電極80は、複数の活性部310に共通して設けられた共通電極を構成している。
ここで、本実施形態の圧電アクチュエーター300を構成する第1電極60は、圧力発生室12毎に切り分けてあり、圧電アクチュエーター300の実質的な駆動部である活性部310毎に独立する個別電極を構成する。この第1電極60は、活性部310の並設方向である第1の方向Xにおいては、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室12の第1の方向Xにおいて、第1電極60の端部は、圧力発生室12に対向する領域の内側に位置している。そして、詳しくは後述するが、第1の方向Xにおいて、第2電極80は、第1電極60よりも幅広に設けられているため、本実施形態の活性部310の第1の方向Xの幅は、第1電極60によって規定されている。
なお、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であることが必要であり、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。
また、第1電極60として、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。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。すなわち、本実施形態では、チタンからなる密着層と、上述した導電材料から選択される少なくとも一種の導電層とで第1電極60が形成されている。
圧電体層70は、図4に示すように、第2の方向Yが所定の幅となるように、第1の方向Xに亘って連続して設けられている。
圧力発生室12の第2の方向Yにおいて、圧電体層70の供給連通路19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、第2の方向Yにおいて、圧電体層70のノズル21側の端部は、第1電極60の端部よりも内側(圧力発生室12側)に位置しており、第1電極60のノズル21側の端部は、圧電体層70に覆われていない。
圧電体層70は、第1電極60上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ABOで示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。圧電体層70は、例えば、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)などで形成することができる。
このような圧電体層70には、図5に示すように、活性部310の外側に流路形成基板10とは反対側に開口する第2凹部71が形成されている。すなわち、本実施形態の活性部310は、第1の方向Xにおいて、第1電極60によって規定されているため、第1の方向Xにおいて、第2凹部71は第1電極60よりも外側に設けられている。また、活性部310は、第1の方向Xに並設されているため、第1の方向Xで互いに隣り合う活性部310の間に第2凹部71が配置されている。
また、本実施形態では、第2凹部71は、圧電体層70を積層方向である第3の方向Zに貫通して設けられている。すなわち、第2凹部71は、振動板50に達する深さで形成されており、第2凹部71の底面711には圧電体層70が形成されておらず、第2凹部71の底面711に振動板50が露出されている。
ここで、第2凹部71と第1凹部である圧力発生室12とは、流路形成基板10と圧電素子300との積層方向である第3の方向Zにおいて、少なくとも一部が互いに重なる位置に配置されている。また、第2凹部71の第1の方向Xにおける幅は、各隔壁11の第1の方向Xの幅と略同一、もしくはそれよりも広くなっていることが好ましい。ここで、第1の方向Xにおける第2凹部71の幅とは、第3の方向Zにおいて最も第1凹部である圧力発生室12側の幅、すなわち、第2凹部71の底面側の幅のことである。また、第1の方向Xにおいて、第1凹部である圧力発生室12の幅とは、第3の方向Zにおいて最も第2凹部71側、すなわち、底面側の幅のことである。
ちなみに、第1凹部である圧力発生室12と第2凹部71とが第3の方向Zで少なくとも一部が重なる位置に配置されているとは、圧力発生室12及び第2凹部71の幅を規定する底面711側が互いに重なっていないものも含む。つまり、例えば、圧力発生室12の側面や第2凹部71の側面712が傾斜して設けられていれば、これらの底面側同士が重なっていなくても、これらの開口側の一部が重なるように配置することも可能である。
このように、圧電体層70に第2凹部71を設けることで、振動板50及び圧電素子300の圧力発生室12の壁面と活性部310との間の腕部の剛性を低下させることができ、圧電素子300を良好に変位させることができる。
なお、第2凹部71の第1の方向Xにおける幅は、各隔壁11の第1の方向Xの幅と略同一、もしくはそれよりも広くすること、すなわち、圧力発生室12と第2凹部71の第1の方向Xの幅を規定する底面側において、第3の方向Zで少なくとも一部が重なる位置に配置することで、腕部を構成する膜の第3の方向Zの厚さを薄くすることができ、圧電素子300の変位特性を向上、すなわち、低い電圧で高い変位を得ることができる。
また、第2凹部71は、本実施形態では、圧電体層70を第3の方向Zに貫通して設けられているため、第2凹部71の底面711は、振動板50の表面によって形成されている。
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、複数の活性部310に共通する共通電極を構成する。また、第2電極80は、第2凹部71の内面、すなわち、第2凹部71の流路形成基板10側の底面711と、圧電体層70側の側面712とに亘って連続して設けられている。なお、第2電極80は、第2凹部71の内面に設けられていなくてもよい。
このような第2電極80は、圧電体層70の界面を良好に形成できること、導電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。本実施形態では、イリジウムとチタンとの積層電極(イリジウムが圧電体層70と接する)を用いている。そして、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。また、第2電極80の形成後に、加熱処理を行うことにより、圧電体層70の特性改善を行うことができる。
ここで、振動板50は、上述したように、酸化膜51と窒化膜52と酸化ジルコニウム膜53とを具備する。
酸化膜51は、流路形成基板10のZ1側の全面に亘って設けられている。
窒化膜52は、流路形成基板10と圧電素子300との積層方向である第3の方向Zにおいて、少なくとも第2凹部71の底面711に重なる領域の第2電極80側の最上層に設けられている。すなわち、窒化膜52は、第3の方向Zにおいて少なくとも第2凹部71の底面711に第3の方向Zで重なる領域に形成されているものであり、少なくとも第2凹部71の底面711に重なる領域に設けられた窒化膜52が、振動板50の第2電極80側の最上層となっている。つまり、窒化膜52の少なくとも第2凹部71の底面711に重なる領域では、窒化膜52よりも上層である第2電極80側に振動板50の他の層、例えば、酸化ジルコニウム膜53が形成されていなければよい。本実施形態では、窒化膜52は、酸化膜51の圧電素子300側であるZ1側の全面に亘って設けるようにした。
このように窒化膜52を設けることで、第2凹部71の底面711は、窒化膜52の表面によって形成されている。
窒化膜52の材料としては、例えば、4族から6族の金属を用いた窒化物および10族から13族の金属、半金属を用いた窒化物から選択される少なくとも1つを用いることができる。すなわち、窒化膜52としては、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化タンタル(TaN)、窒化クロム(CrN)、窒化タングステン(WN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化炭素(CN)、窒化シリコン(SiN)、窒化インジウム(InN)から選択される少なくとも1つを用いることができる。また、窒化膜52としては、上述した材料を組み合わせた窒化物、例えば、TaAlN、AlGaN、TiCNなどを用いることができる。特に、窒化膜52としては、窒化シリコン(SiN)を用いるのが好ましい。窒化シリコンからなる窒化膜52を用いることで、緻密で密着性の高い膜を作り易い。
酸化ジルコニウム膜53は、窒化膜52よりも圧電体層70側、本実施形態では、窒化膜52上であるZ1側の面に設けられている。また、酸化ジルコニウム膜53は、積層方向である第3の方向Zにおいて圧電体層70が形成される領域に重なる領域のうち、第2凹部71の底面711に重ならない領域であって、少なくとも活性部310と重なる領域に設けられている。本実施形態では、酸化ジルコニウム膜53は、積層方向である第3の方向Zにおいて、活性部310に重なる領域のみに設けられている。すなわち、酸化ジルコニウム膜53は、第1電極60と窒化膜52との間のみに設けられている。このため、酸化ジルコニウム膜53と、圧電体層70の第2凹部71の側面712上に設けられた第2電極80とは、接触することなく設けられている。つまり、酸化ジルコニウム膜53と側面712上に設けられた第2電極80との間には圧電体層70の非活性部が存在する。
このように、第2凹部71によって振動板50の底面711が外部の雰囲気に近い位置に配置されても、第3の方向Zにおいて第2凹部71の少なくとも底面711に重なる領域の振動板50の最上層に窒化膜52を設けることで、高湿度環境下などにおいて第2電極80を透過した水分が振動板50と反応するのを抑制することができ、水分による振動板50の破断や剥離を抑制することができる。すなわち、窒化膜52は、水分と反応して加水分解しないため、第2凹部71に対応する領域で第2電極80を透過した水分が窒化膜52に達しても、窒化膜52が水分と反応することなく、振動板50の特性の変化が生じ難い。ちなみに、第2凹部71の底面711に重なる領域の振動板50の最上層に酸化ジルコニウム膜を設けると、高湿度環境下などにおいて振動板50が破断する。これは第2電極80を透過した水分が、酸化ジルコニウムと反応することで酸化ジルコニウムの特性が変化、すなわち、加水分解し、振動板50と第2電極80とが剥離することで活性部310を固定する腕部が振動板50だけで構成されることになり、活性部310の変位による引っ張り応力が振動板50に印加されることが要因である。また、酸化ジルコニウムと水分とが反応して加水分解することで、酸化ジルコニウムの靱性が低下することが要因である。したがって、本実施形態では、窒化膜52を設けることで、振動板50の破断の要因となる水分との反応を抑制することができ、高湿度環境下等において振動板50の破断を抑制することができる。なお、本実施形態では、振動板50の第2凹部71の底面に重なる領域の最上層に窒化膜52を設けることで、第2電極80を透過した水分が窒化膜52よりも下層に浸透し難い。したがって、窒化膜52の下層である酸化膜51の材料として、酸化ジルコニウムを用いても、酸化膜51が水分と反応するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、酸化膜51は、酸化シリコンを含むため、酸化シリコンを含む酸化膜51と窒化膜52との密着性は、酸化シリコンを含む酸化膜51と酸化ジルコニウム膜53との密着性よりも高い。したがって、酸化膜51上に酸化ジルコニウム膜53を直接積層する場合に比べて、酸化膜51上に窒化膜52を積層することで、酸化膜51とその上の膜である窒化膜52との密着性を向上して、積層構造を有する振動板50の層間剥離を抑制することができる。
また、第2凹部71の底面711において、第2電極80は振動板50の窒化膜52上に形成される。そして、窒化膜52と第2電極80との密着性は、酸化ジルコニウム膜53と第2電極80との密着性よりも高い。したがって、第2凹部71の底面711を酸化ジルコニウム膜53で形成して、第2電極80を酸化ジルコニウム膜53上に形成する場合に比べて、窒化膜52上に第2電極80を形成する方が、振動板50と第2電極80との密着性を向上することができ、振動板50と第2電極80との剥離や、振動板50と第2電極80との剥離によって腕部が振動板50のみで構成されることによる振動板50の破断を抑制することができる。
また、本実施形態では、第3の方向Zにおいて活性部310に重なる領域に酸化ジルコニウム膜53を設けることで、振動板50の剛性や靭性を確保することができる。また、酸化ジルコニウム膜53を活性部310に重なる領域のみに設けることで、酸化ジルコニウム膜53を外部の雰囲気に近づけることなく、第2電極80を透過した水分が酸化ジルコニウム膜53に達するのを抑制することができる。したがって、酸化ジルコニウム膜53が水分と反応するのを抑制して、酸化ジルコニウム膜53の水分による特性の変化を抑制することができる。
また、第1電極60の下に酸化ジルコニウム膜53を設けることで、第1電極60上にエピタキシャル成長により圧電体層70の結晶面を(100)面に優先配向させることができる。このように圧電体層70の活性部310の結晶面を(100)面に優先配向させることで、活性部310の変位特性を向上することができる。なお、圧電体層70は、(100)面に優先配向したものに限定されず、必要に応じて設けられる配向制御層によっては(110)面や(111)面に優先配向したものであってもよい。
また、第1電極60の下に酸化ジルコニウム膜53を設けることで、圧電体層70に含まれる鉛(Pb)やビスマス(Bi)などの成分が、酸化ジルコニウム膜53よりも下、つまり酸化膜51や流路形成基板10側に拡散するのを抑制することができる。すなわち、酸化ジルコニウム膜53を設けることで、圧電体層70に含まれる成分が酸化膜51や流路形成基板10に拡散するのを抑制して、酸化膜51や流路形成基板10などに圧電体層70の成分が拡散することによる剛性の低下などの不具合を抑制することができる。
なお、本実施形態では、第1凹部である圧力発生室12が形成された基板である流路形成基板10と、振動板50と、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を具備し、第2凹部71が形成された圧電素子300と、を合わせて圧電デバイスと称する。
また、図2に示すように、圧電アクチュエーター300の第1電極60からは、引き出し配線である個別配線91が引き出されている。また、第2電極80からは、引き出し配線である共通配線92が引き出されている。さらに、個別配線91及び共通配線92の圧電アクチュエーター300に接続された端部とは反対側の延設された端部には、フレキシブルケーブル120が接続されている。フレキシブルケーブル120は、可撓性を有する配線基板であって、本実施形態では、駆動素子である駆動回路121が実装されている。
このような流路形成基板10のZ1側の面側には、流路形成基板10と略同じ大きさを有する保護基板30が接合されている。保護基板30は、圧電アクチュエーター300を保護するための空間である保持部31を有する。保持部31は、第1の方向Xに並設された圧電アクチュエーター300の列の間に第2の方向Yに2つ並んで形成されている。また、保護基板30には、第2の方向Yで並設された2つの保持部31の間に第3の方向Zに貫通する貫通孔32が設けられている。圧電アクチュエーター300の電極から引き出された個別配線91及び共通配線92の端部は、この貫通孔32内に露出するように延設され、個別配線91及び共通配線92とフレキシブルケーブル120とは、貫通孔32内で電気的に接続されている。なお、個別配線91及び共通配線92と、フレキシブルケーブル120との接続方法は、特に限定されず、例えば、ハンダ付けやろう付けなどのろう接や、共晶接合、溶接、導電性粒子を含む導電性接着剤(ACP、ACF)、非導電性接着剤(NCP、NCF)等が挙げられる。
また、図3に示すように、保護基板30上には、複数の圧力発生室12に連通するマニホールド100を流路形成基板10と共に画成するケース部材40が固定されている。ケース部材40は、平面視において上述した連通板15と略同一形状を有し、保護基板30に接合されると共に、上述した連通板15にも接合されている。
このようなケース部材40は、保護基板30側に流路形成基板10及び保護基板30が収容される深さの凹部41を有する。この凹部41は、保護基板30の流路形成基板10に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、凹部41に流路形成基板10等が収容された状態で凹部41のノズルプレート20側の開口面が連通板15によって封止されている。これにより、流路形成基板10の外周部には、ケース部材40と流路形成基板10とによって第3マニホールド部42が画成されている。そして、連通板15に設けられた第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18と、ケース部材40と流路形成基板10とによって画成された第3マニホールド部42と、によって本実施形態のマニホールド100が構成されている。マニホールド100は、圧力発生室12の並設方向である第1の方向Xに亘って連続して設けられており、各圧力発生室12とマニホールド100とを連通する供給連通路19は、第1の方向Xに並設されている。
また、連通板15の第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18が開口するZ2側の面には、コンプライアンス基板45が設けられている。このコンプライアンス基板45が、第1マニホールド部17と第2マニホールド部18の液体噴射面20a側の開口を封止している。このようなコンプライアンス基板45は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜46と、金属等の硬質の材料からなる固定基板47と、を具備する。固定基板47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固定基板用開口部48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46のみで封止された可撓部であるコンプライアンス部49となっている。
なお、ケース部材40には、マニホールド100に連通して各マニホールド100にインクを供給するための導入路44が設けられている。また、ケース部材40には、保護基板30の貫通孔32に連通してフレキシブルケーブル120が挿通される接続口43が設けられている。
このような記録ヘッド1では、インクを噴射する際に、インクを導入路44から取り込み、マニホールド100からノズル21に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路121からの信号に従い、圧力発生室12に対応する各活性部310に電圧を印加することにより、活性部310と共に振動板50をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室12内の圧力が高まり所定のノズル21からインク滴が噴射される。
以上説明したように、本実施形態では、複数の第1凹部である圧力発生室12が形成された基板である流路形成基板10と、流路形成基板10の一方面側に設けられた振動板50と、流路形成基板10の一方面側に振動板50を介して設けられた第1電極60、第1電極60上に設けられた圧電体層70、圧電体層70上に設けられた第2電極80を有する圧電素子300と、を具備し、圧電素子300には、圧電体層70の第1電極60と第2電極80とで挟まれた活性部310が圧力発生室12毎に独立して設けられており、第1電極60は、活性部310の各々に独立して設けられた個別電極を構成し、第2電極80は、複数の活性部310に共通して設けられた共通電極を構成し、圧電体層70には、活性部310の外側に設けられて流路形成基板10とは反対側に開口する第2凹部71が設けられており、流路形成基板10と圧電素子300との積層方向である第3の方向Zにおいて、振動板50は、少なくとも第2凹部71の底面711に重なる領域の第2電極80側の最上層に窒化膜52を有する。
このように、第2凹部71を設けることで圧電素子300の変位特性を向上することができると共に、第2凹部71を設けることで第2凹部71に対応する振動板50の最上層が外部の雰囲気に近づいても、振動板50の第2凹部71に対応する最上層に窒化膜52を設けることで、水分によって振動板50の特性が変化するのを抑制することができ、振動板50が破壊されるのを抑制することができる。
また、振動板50は、積層方向である第3の方向Zにおいて、圧電体層70が形成される領域に重なる領域のうち、第2凹部71の底面711に重ならない領域であって、少なくとも活性部310と重なる領域に、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜53を有し、酸化ジルコニウム膜53は、窒化膜52よりも圧電体層70側に設けられていることが好ましい。これによれば、振動板50に酸化ジルコニウム膜53を設けることで、振動板50の剛性や靭性を確保することができる。また、振動板50の窒化膜52よりも活性部310側に酸化ジルコニウム膜53を設けることで、第1電極60上にエピタキシャル成長により圧電体層70の結晶面を(100)面に優先配向させることができ、活性部310の変位特性を向上することができる。また、振動板50の活性部310に重なる領域に酸化ジルコニウム膜53を設けることで、圧電体層70に含まれる鉛(Pb)やビスマス(Bi)などの成分が、酸化ジルコニウム膜53よりも下に拡散するのを抑制することができる。
また、酸化ジルコニウム膜53は、積層方向である第3の方向Zにおいて、活性部310に重なる領域のみに設けられていることが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウム膜53を外部の雰囲気に近づけることなく、第2電極80を透過した水分が酸化ジルコニウム膜53に達するのを抑制して、酸化ジルコニウム膜53が水分と反応するのを抑制して、酸化ジルコニウム膜53の水分による特性の変化を抑制することができる。
また、本実施形態では、複数の活性部310が第1の方向Xに並設され、活性部310の第1の方向Xの両側に第2凹部71が設けられていることが好ましい。これによれば、活性部310を第1の方向Xに高密度に配設することができると共に、活性部310の第1の方向Xの断面における第3の方向Zへの変位量を向上することができる。
また、積層方向である第3の方向Zにおいて、第2凹部71と第1凹部である圧力発生室12とは、少なくとも一部が重なる位置に配置されていることが好ましい。これによれば、第2凹部71によって流路形成基板10の壁面と活性部310との間の腕部の剛性を低下させることができ、活性部310の変位特性を向上することができる。
もちろん、第3の方向Zにおいて、第1凹部である圧力発生室12と第2凹部71とは、少なくとも一部が互いに重なる位置に配置されていなくてもよい。
また、第2凹部71は、圧電体層70を積層方向である第3の方向Zに貫通して設けられていることが好ましい。これによれば、第2凹部71は、圧電体層70を第3の方向Zに貫通することで、腕部の剛性を低下させて活性部310の変位特性を向上することができる。また、第2電極80を第2凹部71の内面に亘って設けることで、第2凹部71の底面において窒化膜52と第2電極80との密着性を向上して、振動板50と第2電極80との剥離を抑制することができる。
もちろん、第2凹部71は、圧電体層70を第3の方向Zに貫通することなく設けられていてもよい。また、第2電極80は、第2凹部71の内面に設けられていなくてもよい。
また、振動板50は、基板である流路形成基板10側に酸化膜51を有することが好ましい。また、酸化膜51は、酸化シリコンを含むことが好適である。このように酸化シリコンを含む酸化膜51を設けることで、流路形成基板10を異方性エッチングして第1凹部である圧力発生室12を形成する際に、振動板50がオーバーエッチングされるのを抑制することができ、振動板50を厚さのばらつきを抑制することができ、活性部310の変位特性にばらつきが生じるのを抑制することができる。
(実施形態2)
図6は、本発明の実施形態2に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの要部断面図であって、図2のB−B′線に準じた断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図6に示すように、本実施形態の振動板50は、酸化シリコンを含む酸化膜51と窒化膜52と酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜53Aとを有する。
本実施形態の酸化ジルコニウム膜53Aは、窒化膜52よりも圧電体層70側に設けられている。また、酸化ジルコニウム膜53Aは、積層方向である第3の方向Zにおいて、圧電体層70が形成される領域に重なる領域のうち、第2凹部71の底面711に重ならない領域に亘って設けられている。すなわち、酸化ジルコニウム膜53Aは、第3の方向Zで活性部310に重なる領域と、活性部310と第2凹部71の底面711との間に重なる領域との全面に亘って設けられている。
そして、酸化ジルコニウム膜53Aは、第2凹部71の側面712の一部を形成するように露出して設けられており、第2凹部71の側面712に露出する酸化ジルコニウム膜53の端面上に第2電極80が形成されている。すなわち、酸化ジルコニウム膜53Aは、第2凹部71の側面712上に形成された第2電極80と接触して設けられている。
以上説明したように、本実施形態では、振動板50は、積層方向である第3の方向Zにおいて、圧電体層70が形成される領域に重なる領域のうち、第2凹部71の底面711に重ならない領域であって、少なくとも活性部310と重なる領域に、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜53Aを有し、酸化ジルコニウム膜53Aは、窒化膜52よりも圧電体層70側に設けられている。そして、本実施形態では、酸化ジルコニウム膜53Aを圧電体層70の下に、第2凹部71の底面711に重なる領域以外の領域に亘って設けることで、酸化ジルコニウム膜を活性部310に重なる領域のみに設けた場合に比べて、振動板50の剛性や靭性をさらに向上することができる。また、酸化ジルコニウム膜53Aによって、圧電体層70に含まれる鉛(Pb)やビスマス(Bi)などの成分が、酸化膜51や流路形成基板10に拡散するのをさらに抑制することができる。
なお、本実施形態では、酸化ジルコニウム膜53Aが第2電極80と接触して設けられているため、第2電極80を透過した水分が酸化ジルコニウム膜53Aと反応し、酸化ジルコニウム膜53Aが加水分解することで特性が変化する虞がある。しかしながら、酸化ジルコニウム膜53Aは、圧力発生室12の壁面と活性部310との間の腕部のうち、第2凹部71以外の部分に設けられているに過ぎない。そして、活性部310を駆動することによって腕部のうち第2凹部71が形成されることで剛性が低下した第2凹部71に重なる部分が主に変形するため、たとえ酸化ジルコニウム膜53Aが水分によって加水分解しても、振動板50の第2凹部71に重なる領域で水分による層間剥離が発生していなければ、腕部の主に変形する第2凹部71に重なる部分は、酸化膜51と窒化膜52と第2電極80とで支えられるため、振動板50に破断が発生するのを抑制することができる。
(実施形態3)
図7は、本発明の実施形態3に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの要部断面図であって、図2のB−B′線に準じた断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図7に示すように、本実施形態の振動板50は、酸化シリコンを含む酸化膜51と窒化膜52と酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜53Bとを有する。
本実施形態の酸化ジルコニウム膜53Bは、窒化膜52よりも圧電体層70側に設けられている。また、酸化ジルコニウム膜53Bは、積層方向である第3の方向Zにおいて、圧電体層70が形成される領域に重なる領域のうち、第2凹部71の底面711に重ならない領域であって、活性部310と重なる領域に設けられている。
また、酸化ジルコニウム膜53Bは、活性部310と第2凹部71の底面711との間に重なる領域に、第2凹部71の側面712上に形成された第2電極80と接触することなく延設されている。すなわち、第2凹部71の側面712上の第2電極80と酸化ジルコニウム膜53Bとの間には、圧電体層70が介在している。
以上説明したように、本実施形態では、振動板50は、積層方向である第3の方向Zにおいて、圧電体層70が形成される領域に重なる領域のうち、第2凹部71の底面711に重ならない領域であって、少なくとも活性部310と重なる領域に、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜53Bを有し、酸化ジルコニウム膜53Bは、窒化膜52よりも圧電体層70側に設けられている。そして、本実施形態では、第2凹部71の内面上には、第2電極80が形成されている。また、本実施形態では、酸化ジルコニウム膜53Bは、活性部310と第2凹部71の底面711との間に重なる領域に、第2凹部71の側面712上に形成された第2電極80と接触することなく延設されている。
このように、振動板50に酸化ジルコニウム膜53Bを設けることで、酸化ジルコニウム膜を活性部310に重なる領域のみに設けた場合に比べて、振動板50の剛性や靭性をさらに向上することができる。また、酸化ジルコニウム膜53Bによって、活性部310に重なる領域だけではなく、活性部310と第2凹部71の底面711との間に重なる領域においても、圧電体層70に含まれる鉛(Pb)やビスマス(Bi)などの成分が、酸化膜51や流路形成基板10に拡散するのをさらに抑制することができる。
また、本実施形態では、第2電極80を第2凹部71の内面に設けたため、第2凹部71によって振動板50が外部の雰囲気と近づいても、第2電極80によって振動板50まで水分が透過するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、酸化ジルコニウム膜53Bは、活性部310と第2凹部71の底面711との間に重なる領域に、第2凹部71の側面712上に形成された第2電極80と接触することなく延設されているため、第2凹部71の側面712上に形成された第2電極80を水分が透過しても、透過した水分が酸化ジルコニウム膜53Bに達し難く、酸化ジルコニウム膜53Bが水分と反応するのを抑制して、酸化ジルコニウム膜53Bの水分による加水分解を抑制することができる。したがって、振動板50と第2電極80との剥離、振動板50と圧電体層70との剥離、振動板50と第1電極60との剥離などによって活性部310を支える腕部が振動板50だけで構成されることによる破断を抑制することができる。
(実施形態4)
図8は、本発明の実施形態4に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの要部断面図であって、図2のB−B′線に準じた断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図8に示すように、本実施形態の振動板50は、酸化膜51と窒化膜52と酸化ジルコニウム膜53とを具備する。
酸化膜51は、隔壁11と窒化膜52との間のみに設けられており、圧力発生室12に対向する領域には設けられていない。つまり、酸化膜51には、圧力発生室12の第3の方向ZのZ1側の開口を含み、この開口よりも大きな開口面積を有する開口部511が設けられている。このため、振動板50の圧力発生室12に対向する領域は、窒化膜52及び酸化ジルコニウム膜53のみが設けられており、窒化膜52と酸化ジルコニウム膜53とが実質的に振動板50として機能する。
このような酸化膜51は、流路形成基板10のZ1側の一方面の全面に亘って形成した後、流路形成基板10を異方性エッチングすることで圧力発生室12を形成する。その後、圧力発生室12内に露出する酸化膜51をフッ酸等によってエッチングすることで開口部511を形成することができる。なお、酸化膜51の形成方法としては、例えば、酸化シリコンからなる流路形成基板10の一方面側を熱酸化する方法、CVD法またはスパッタリング法等により成膜などが挙げられる。
このように、酸化シリコンを含む酸化膜51を流路形成基板10のZ1側の全面に形成することで、流路形成基板10を異方性エッチングして圧力発生室12を形成する際に酸化膜51をエッチングストップ層として用いることができ、振動板50のオーバーエッチングによる厚さのばらつきを抑制することができる。また、圧力発生室12を形成した後、酸化膜51をフッ酸等でエッチングして開口部511を形成することで、振動板50の圧力発生室12に対向する領域を窒化膜52及び酸化ジルコニウム膜53のみで構成することができる。したがって、振動板50の圧力発生室12に対向する可撓部の剛性が酸化膜51によって著しく高くなるのを抑制して、活性部310の変位特性を向上することができる。
なお、本実施形態では、酸化シリコンを含む酸化膜51をフッ酸等によってエッチングすることで、開口部511を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、流路形成基板10及び酸化膜51をドライエッチングすることによって圧力発生室12及び開口部511を形成するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態では、振動板50は、基板である流路形成基板10側に酸化膜51を有する。そして、本実施形態の酸化膜51は、第1凹部である圧力発生室12に連通する開口部511を有する。このように酸化膜51を設けることで、流路形成基板10を異方性エッチングして第1凹部である圧力発生室12を形成する際に、振動板50がオーバーエッチングされるのを抑制することができ、振動板50を厚さのばらつきを抑制することができ、活性部310の変位特性にばらつきが生じるのを抑制することができる。
また、酸化膜51に圧力発生室12に連通する開口部511を設けることで、活性部310が酸化膜51によって拘束されるのを抑制して、活性部310の変位特性を向上することができる。
なお、本実施形態では、上述した実施形態1と同様の酸化ジルコニウム膜53を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、上述した実施形態2の酸化ジルコニウム膜53A又は実施形態3の酸化ジルコニウム膜53Bを設けるようにしてもよい。
(実施形態5)
図9は、本発明の実施形態5に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの要部断面図であって、図2のB−B′線に準じた断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図9に示すように、本実施形態の振動板50は、窒化膜52と酸化ジルコニウム膜53とを有する。すなわち、本実施形態の振動板50には、酸化膜51が設けられていない。
このように流路形成基板10側の最下層に窒化膜52が設けられた振動板50は、流路形成基板10を異方性エッチングした際に同時にエッチングされてしまう虞があるため、流路形成基板10に圧力発生室12をドライエッチングにより形成すればよい。
このような構成であっても、上述した実施形態1と同様に、窒化膜52を設けることで、振動板50の水分による特性の変化を抑制して、振動板50と第2電極80等との剥離を抑制して、振動板50の破断を抑制することができる。
なお、本実施形態では、上述した実施形態1と同様の酸化ジルコニウム膜53を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、上述した実施形態2の酸化ジルコニウム膜53Aまたは実施形態3の酸化ジルコニウム膜53Bを設けるようにしてもよい。
(実施形態6)
図10は、本発明の実施形態6に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの要部断面図であって、図2のB−B′線に準じた断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図10に示すように、本実施形態では、第2凹部71は、圧電体層70を積層方向である第3の方向Zに貫通することなく、底面711側に圧電体層70を残した状態で形成されている。そして、振動板50は、上述した実施形態1と同様に酸化膜51と窒化膜52と酸化ジルコニウム膜53とを有する。
このような構成としても、上述した実施形態1と同様に、第2凹部71を設けることで圧電素子300の変位特性を向上することができると共に、第2凹部71を設けることで振動板50の第2凹部71の底面711が外部の雰囲気に近づいても、振動板50の底面711に重なる領域の最上層には窒化膜52が形成されているため、振動板50が水分と反応するのを抑制することができる。したがって、振動板50が破壊されるのを抑制することができる。つまり、第2凹部71の底面711には、圧電体層70が設けられているものの、圧電体層70の第3の方向Zの厚みは、活性部310に比べて薄く、第2電極80を浸透した水分が、厚さの薄い圧電体層70を浸透して振動板50まで達してしまう場合がある。このように外部の雰囲気に含まれる水分が第2凹部71の底面711で第2電極80及び圧電体層70を浸透したとしても、振動板50の底面711に重なる部分は窒化膜52で形成されているため、振動板50が水分によって反応するのを抑制することができる。
なお、本実施形態では、上述した実施形態1の振動板50を設けた構成を例示したが、特にこれに限定されず、上述した実施形態2〜5の振動板50を設けるようにしてもよい。
(実施形態7)
図11は、本発明の実施形態7に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの要部断面図であって、図2のB−B′線に準じた断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図11に示すように、本実施形態の第2電極80は、第2凹部71の内面、すなわち、底面711及び側面712上に形成されていない。そして、振動板50は、上述した実施形態1と同様に酸化膜51と窒化膜52と酸化ジルコニウム膜53とを具備する。すなわち、窒化膜52は、第2凹部71の底面711において第2電極80に覆われることなく外部に露出されている。
このような構成としても、上述した実施形態1と同様に、第2凹部71を設けることで圧電素子300の変位特性を向上することができると共に、第2凹部71を設けることで振動板50の第2凹部71の底面711が外部の雰囲気に近づいても、振動板50の底面711に重なる領域の最上層には窒化膜52が形成されているため、振動板50が水分と反応するのを抑制することができる。したがって、振動板50が破壊されるのを抑制することができる。
なお、本実施形態では、上述した実施形態1の振動板50を設けた構成を例示したが、特にこれに限定されず、本実施形態の圧電体層70は、上述した実施形態2〜5の振動板50を設けるようにしてもよい。
(他の実施形態)
以上、本発明の各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、上述した各実施形態では、振動板50に酸化ジルコニウム膜53〜53Bを設けるようにしたが、振動板50には、酸化ジルコニウム膜53Bを設けないようにしてもよい。
また、上述した各実施形態では、窒化膜52を流路形成基板10のZ1側の全面に亘って連続して設けるようにしたが、特にこれに限定されず、窒化膜52は、少なくとも第2凹部71の底面711に重なる領域の第2電極80側の最上層に設けられていれば、振動板50の最も外部の雰囲気に近い部分を水分から保護することができるため、窒化膜52よりも流路形成基板10側の下層に水分に弱い材料を用いることも可能である。
また、例えば、上述した各実施形態では、流路形成基板10のZ2側に連通板15及びノズルプレート20を有するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、連通板15を設けずに、流路形成基板10のZ2側の面にノズルプレート20が直接、接着されるものであってもよい。
また、上述した実施形態1では、流路形成基板10として単結晶シリコン基板を用いるようにしたが、特にこれに限定されず、流路形成基板10として、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
このような記録ヘッド1は、インクジェット式記録装置Iに搭載される。図12は、本実施形態のインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
図12に示すインクジェット式記録装置Iにおいて、記録ヘッド1は、液体供給手段を構成するカートリッジ2が着脱可能に設けられ、この記録ヘッド1を搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。
そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッド1を搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
また、上述した例では、インクジェット式記録装置Iは、インク供給手段であるカートリッジ2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供給手段を装置本体4に固定して、液体供給手段と記録ヘッド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、液体供給手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
さらに、上述したインクジェット式記録装置Iでは、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、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド1が固定されて、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
また、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、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インクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、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にも適用することができる。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Iを挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。
また、本発明は、液体噴射ヘッドに限定されず、凹部が設けられた基板と圧電アクチュエーターとを有する他の圧電デバイスにも用いることができる。他の圧電デバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルター、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、及びジャイロセンサー(角速度センサー)等の各種センサー、強誘電体メモリーなどが挙げられる。
I…インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、1…インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、2…カートリッジ、3…キャリッジ、4…装置本体、5…キャリッジ軸、6…駆動モーター、7…タイミングベルト、8…搬送ローラー、10…流路形成基板(基板)、11…隔壁、12…圧力発生室(第1凹部)、15…連通板、16…ノズル連通路、17…第1マニホールド部、18…第2マニホールド部、19…供給連通路、20…ノズルプレート、20a…液体噴射面、21…ノズル、30…保護基板、31…保持部、32…貫通孔、40…ケース部材、41…凹部、42…第3マニホールド部、43…接続口、44…導入路、45…コンプライアンス基板、46…封止膜、47…固定基板、48…固定基板用開口部、49…コンプライアンス部、50…振動板、51…酸化膜、511…開口部、52…窒化膜、53、53A、53B…酸化ジルコニウム膜、60…第1電極、70…圧電体層、71…第2凹部、711…底面、712…側面、80…第2電極、91…個別配線、92…共通配線、100…マニホールド、120…フレキシブルケーブル、121…駆動回路、300…圧電素子(圧電アクチュエーター)、310…活性部、S…記録シート、X…第1の方向、Y…第2の方向、Z…第3の方向

Claims (12)

  1. 複数の第1凹部が形成された基板と、
    前記基板の一方面側に設けられた振動板と、
    前記基板の一方面側に前記振動板を介して設けられた第1電極、
    前記第1電極上に設けられた圧電体層、
    前記圧電体層上に設けられた第2電極を有する圧電素子と、
    を具備し、
    前記圧電素子には、前記圧電体層の前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた活性部が前記第1凹部毎に独立して設けられており、
    前記第1電極は、前記活性部の各々に独立して設けられた個別電極を構成し、
    前記第2電極は、複数の前記活性部に共通して設けられた共通電極を構成し、
    前記圧電体層には、前記活性部の外側に設けられて前記基板とは反対側に開口する第2凹部が設けられており、
    前記基板と前記圧電素子との積層方向において、前記振動板は、少なくとも前記第2凹部の底面に重なる領域の前記第2電極側の最上層に窒化膜を有することを特徴とする圧電デバイス。
  2. 前記振動板は、前記積層方向において、前記圧電体層が形成される領域に重なる領域のうち、前記第2凹部の底面に重ならない領域であって、少なくとも前記活性部と重なる領域に、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム膜を有し、
    前記酸化ジルコニウム膜は、前記窒化膜よりも前記圧電体層側に設けられていることを特徴とする請求項1記載の圧電デバイス。
  3. 前記第2凹部の内面上には、前記第2電極が形成されていることを特徴とする請求項2記載の圧電デバイス。
  4. 前記酸化ジルコニウム膜は、前記活性部と前記第2凹部の底面との間に重なる領域に、前記第2凹部の側面上に形成された前記第2電極と接触することなく延設されていることを特徴とする請求項3記載の圧電デバイス。
  5. 前記酸化ジルコニウム膜は、前記積層方向において、前記活性部に重なる領域のみに設けられていることを特徴とする請求項2記載の圧電デバイス。
  6. 複数の前記活性部が第1の方向に並設され、
    前記活性部の前記第1の方向の両側に前記第2凹部が設けられていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電デバイス。
  7. 前記積層方向において、前記第2凹部と前記第1凹部とは、少なくとも一部が重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の圧電デバイス。
  8. 前記第2凹部は、前記圧電体層を前記積層方向に貫通して設けられていることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の圧電デバイス。
  9. 前記振動板は、前記基板側に酸化シリコンを含む酸化膜を有することを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電デバイス。
  10. 前記酸化膜は、前記第1凹部に連通する開口部を有することを特徴とする請求項9記載の圧電デバイス。
  11. 請求項1〜10の何れか一項に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
  12. 請求項11記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
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