JP2024024200A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体による振動板の変位量の低下を抑制し、吐出特性に優れる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドは、ノズル基板、圧力室基板、振動板および圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、圧力室基板と振動板との界面を含む平面を基準面とし、圧力室と振動板との界面において、当該積層方向で基準面から最も離れた位置をたわみ位置とし、圧力室に液体を収容せずに圧電素子を駆動しない状態における基準面とたわみ位置との間の距離をたわみ量としたとき、たわみ量は、たわみ位置が基準面に対してノズル基板に向かう方向に位置する場合、正の値として表され、たわみ位置が基準面に対してノズル基板に向かう方向とは反対方向に位置する場合、負の値として表され、たわみ量は、１６０ｎｍ以下である。【選択図】図６

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

ピエゾ方式のインクジェットプリンターに代表される液体吐出装置に用いる液体吐出ヘッドは、例えば、特許文献１に開示されるように、圧電素子と、圧電素子の駆動により振動する振動板と、を有する。圧電素子は、下電極と圧電体膜と上電極とがこの順に積層された構成を有する。

特開２０１８－８５４０３号公報

特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、疲労現象による圧電体膜の変位量の低下に伴って吐出性能が低下しやすいという問題がある。

以上の課題を解決するために、本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、第１電極と圧電体と第２電極とを含む圧電素子と、液体を収容する圧力室を区画する隔壁を有する圧力室基板と、前記圧電体の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、前記圧力室に連通するノズルを有するノズル基板と、を有し、前記ノズル基板、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、前記圧力室基板と前記振動板との界面を含む平面を基準面とし、前記圧力室と前記振動板との界面において、前記積層方向で前記基準面から最も離れた位置をたわみ位置とし、前記圧力室に液体を収容せず、かつ、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しない状態における前記基準面と前記たわみ位置との間の距離をたわみ量としたとき、
前記たわみ量は、前記たわみ位置が前記基準面に対して前記ノズル基板に向かう方向に位置する場合、正の値として表され、前記たわみ位置が前記基準面に対して前記ノズル基板に向かう方向とは反対方向に位置する場合、負の値として表され、前記たわみ量は、１６０ｎｍ以下である。

本発明に係る液体吐出装置の一態様は、前述の態様の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部と、を備える。

本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法の一態様は、第１電極と圧電体と第２電極とを含む圧電素子と、液体を収容する圧力室を区画する隔壁を有する圧力室基板と、前記圧電体の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、前記圧力室に連通するノズルを有するノズル基板と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記ノズル基板、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子を形成する形成工程と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより前記圧電体に分極処理を施す分極処理工程と、をこの順で含み、前記ノズル基板、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、前記圧力室基板と前記振動板との界面を含む平面を基準面とし、前記圧力室と前記振動板との界面において、前記積層方向で前記基準面から最も離れた位置をたわみ位置とし、前記圧力室に液体を収容せず、かつ、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しない状態における前記基準面と前記たわみ位置との間の距離をたわみ量とし、前記形成工程後、かつ、前記分極処理工程よりも前の前記たわみ量を第１たわみ量とし、前記分極処理工程後の前記たわみ量を第２たわみ量としたとき、前記第２たわみ量に対する前記第１たわみ量の割合は、１０％以下である。

第１実施形態に係る液体吐出装置を模式的に示す構成図である。 第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 図２中のＡ－Ａ線断面図である。 第１実施形態における液体吐出ヘッドの一部を示す平面図である。 図４中のＢ－Ｂ線断面図である。 振動板のたわみ位置およびたわみ量を説明するための模式図である。 圧電素子の駆動回数と振動板の変位量の低下率との関係を示すグラフである。 振動板の初期たわみ率と耐久による変位量の低下率との関係を示すグラフである。 振動板の初期たわみ率と駆動による変位量との関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る液体吐出ヘッドの断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法および縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、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、これらの形態に限られない。

なお、以下の説明は、互いに交差するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、以下では、Ｘ軸に沿う一方向がＸ１方向であり、Ｘ１方向と反対の方向がＸ２方向である。同様に、Ｙ軸に沿って互いに反対の方向がＹ１方向およびＹ２方向である。また、Ｚ軸に沿って互いに反対の方向がＺ１方向およびＺ２方向である。また、Ｚ軸に沿う方向でみることを「平面視」という場合がある。

ここで、典型的には、Ｚ軸が鉛直軸であり、Ｚ２方向が鉛直下方に相当する。ただし、Ｚ軸は、鉛直軸でなくともよい。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、典型的には互いに直交するが、これに限定されず、例えば、８０°以上１００°以下の範囲内の角度で交差すればよい。

１．第１実施形態
１－１．液体吐出装置の全体構成
図１は、第１実施形態に係る液体吐出装置１００を模式的に示す構成図である。液体吐出装置１００は、液体の一例であるインクを液滴として媒体Ｍに吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体Ｍは、典型的には印刷用紙である。なお、媒体Ｍは、印刷用紙に限定されず、例えば、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象でもよい。

図１に示すように、液体吐出装置１００は、液体容器１０と、「制御部」の一例である制御ユニット２０と、搬送機構３０と、移動機構４０と、液体吐出ヘッド５０と、を有する。

液体容器１０は、インクを貯留する容器である。液体容器１０の具体的な態様としては、例えば、液体吐出装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、および、インクを補充可能なインクタンクが挙げられる。なお、液体容器１０に貯留されるインクの種類は任意である。

制御ユニット２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体吐出装置１００の各要素の動作を制御する。ここで、制御ユニット２０は、液体吐出ヘッド５０の駆動を制御する。

搬送機構３０は、制御ユニット２０による制御のもとで、媒体ＭをＹ２方向に搬送する。移動機構４０は、制御ユニット２０による制御のもとで、液体吐出ヘッド５０をＸ１方向とＸ２方向とに往復させる。図１に示す例では、移動機構４０は、液体吐出ヘッド５０を収容する略箱型のキャリッジ４１と、キャリッジ４１が固定される搬送ベルト４２と、を有する。なお、キャリッジ４１に搭載される液体吐出ヘッド５０の数は、１個に限定されず、複数個でもよい。また、キャリッジ４１には、液体吐出ヘッド５０のほかに、前述の液体容器１０が搭載されてもよい。

液体吐出ヘッド５０は、制御ユニット２０による制御のもとで、液体容器１０から供給されるインクを複数のノズルのそれぞれからＺ２方向に媒体Ｍに吐出する。この吐出が搬送機構３０による媒体Ｍの搬送と移動機構４０による液体吐出ヘッド５０の往復移動とに並行して行われることにより、媒体Ｍの表面にインクによる画像が形成される。なお、液体吐出ヘッド５０の構成および製造方法については、後に詳述する。

１－２．液体吐出ヘッドの全体構成
図２は、第１実施形態に係る液体吐出ヘッド５０の分解斜視図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図２および図３に示すように、液体吐出ヘッド５０は、流路基板５１と圧力室基板５２とノズル基板５３と吸振体５４と振動板５５と複数の圧電素子５６と封止板５７とケース５８と配線基板５９とを有する。

ここで、流路基板５１よりもＺ１方向に位置する領域には、圧力室基板５２と振動板５５と複数の圧電素子５６とケース５８と封止板５７とが設置される。他方、流路基板５１よりもＺ２方向に位置する領域には、ノズル基板５３と吸振体５４とが設置される。液体吐出ヘッド５０の各要素は、概略的にはＹ軸に沿う方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤により互いに接合される。

図２に示すように、ノズル基板５３は、Ｙ軸に沿う方向に配列される複数のノズルＮが設けられる板状部材である。各ノズルＮは、インクを通過させる貫通孔である。ノズル基板５３は、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチング等の加工技術を用いる半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、ノズル基板５３の製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。

流路基板５１は、インクの流路を形成するための板状部材である。図２および図３に示すように、流路基板５１には、開口部Ｒ１と複数の供給流路Ｒａと複数の連通流路Ｎａとが設けられる。開口部Ｒ１は、複数のノズルＮにわたり連続するように、Ｚ軸に沿う方向でみた平面視で、Ｙ軸に沿う方向に延びる長尺状の貫通孔である。他方、供給流路Ｒａおよび連通流路Ｎａそれぞれは、ノズルＮごとに個別に設けられる貫通孔である。複数の供給流路Ｒａのそれぞれは、開口部Ｒ１に連通する。流路基板５１は、前述のノズル基板５３と同様に、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、流路基板５１の製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。

圧力室基板５２は、複数のノズルＮに対応する複数の圧力室Ｃが形成される板状部材である。圧力室Ｃは、流路基板５１と振動板５５との間に位置し、当該圧力室Ｃ内に充填されるインクに圧力を付与するためのキャビティと称される空間である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ軸に沿う方向に配列される。各圧力室Ｃは、圧力室基板５２の両面に開口する孔５２ａで構成されており、Ｘ軸に沿う方向に延びる長尺状をなす。各圧力室ＣのＸ２方向での端は、対応する供給流路Ｒａに連通する。一方、各圧力室ＣのＸ１方向での端は、対応する連通流路Ｎａに連通する。圧力室基板５２は、前述のノズル基板５３と同様に、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、圧力室基板５２のそれぞれの製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。

圧力室基板５２のＺ１方向を向く面には、振動板５５が配置される。振動板５５は、弾性的に変形可能な板状部材である。なお、振動板５５の詳細については、後に図５に基づいて説明する。

振動板５５のＺ１方向を向く面には、互いに異なるノズルＮまたは圧力室Ｃに対応する複数の圧電素子５６が配置される。各圧電素子５６は、駆動信号の供給により変形する受動素子であり、Ｘ軸に沿う方向に延びる長尺状をなす。複数の圧電素子５６は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ軸に沿う方向に配列される。圧電素子５６の変形に連動して振動板５５が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することにより、インクがノズルＮから吐出される。なお、圧電素子５６の詳細については、後に図４および図５に基づいて説明する。

ケース５８は、複数の圧力室Ｃに供給されるインクを貯留するためのケースであり、流路基板５１のＺ１方向を向く面に接着剤等により接合される。ケース５８は、例えば、樹脂材料で構成されており、射出成形により製造される。ケース５８には、収容部Ｒ２と導入口ＩＨとが設けられる。収容部Ｒ２は、流路基板５１の開口部Ｒ１に対応する外形の凹部である。導入口ＩＨは、収容部Ｒ２に連通する貫通孔である。開口部Ｒ１および収容部Ｒ２による空間は、インクを貯留するリザーバーである液体貯留室Ｒとして機能する。液体貯留室Ｒには、液体容器１０からのインクが導入口ＩＨを介して供給される。

吸振体５４は、液体貯留室Ｒ内の圧力変動を吸収するための要素である。吸振体５４は、例えば、弾性変形可能な可撓性のシート部材であるコンプライアンス基板である。ここで、吸振体５４は、流路基板５１の開口部Ｒ１と複数の供給流路Ｒａとを閉塞して液体貯留室Ｒの底面を構成するように、流路基板５１のＺ２方向を向く面に配置される。

封止板５７は、複数の圧電素子５６を保護するとともに圧力室基板５２および振動板５５の機械的な強度を補強する構造体である。封止板５７は、振動板５５の表面に例えば接着剤により接合される。封止板５７には、複数の圧電素子５６を収容する凹部が設けられる。

圧力室基板５２または振動板５５のＺ１方向を向く面には、配線基板５９が接合される。配線基板５９は、制御ユニット２０と液体吐出ヘッド５０とを電気的に接続するための複数の配線が形成される実装部品である。配線基板５９は、例えば、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板である。配線基板５９には、圧電素子５６を駆動するための駆動回路６０が搭載される。駆動回路６０は、各圧電素子５６を駆動するための駆動信号を配線基板５９を介して各圧電素子５６に選択的に供給する。

１－３．振動板および圧電素子の詳細
図４は、第１実施形態における液体吐出ヘッド５０の一部を示す平面図である。図５は、図４中のＢ－Ｂ線断面図である。液体吐出ヘッド５０では、図４および図５に示すように、圧力室基板５２、振動板５５および複数の圧電素子５６がこの順で積層方向としてのＺ１方向に積層される。なお、図５では、説明の便宜上、後述の初期たわみの図示が省略される。初期たわみについては、後に図６に基づいて説明する。

図５に示すように、圧力室基板５２には、圧力室Ｃを構成する孔５２ａが設けられる。これに伴い、圧力室基板５２には、互いに隣り合う２つの孔５２ａの間に、Ｘ軸に沿う方向に延びる壁状の隔壁５２ｂが設けられる。図４では、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成した場合の孔５２ａの平面視形状が破線で示される。なお、孔５２ａの平面視形状は、図４に示す例に限定されず、任意である。

図４に示すように、圧電素子５６は、平面視で圧力室Ｃに重なる。図５に示すように、圧電素子５６は、第１電極５６ａと圧電体５６ｂと第２電極５６ｃとを有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。なお、圧電素子５６は、電極と圧電体層が交互に多層に積層され、振動板５５に向けて伸縮する構成でもよい。また、圧電素子５６の層間、または圧電素子５６と振動板５５との間には、密着性を高めるための層等の他の層が適宜介在してもよい。

第１電極５６ａは、圧電素子５６ごとに互いに離間して配置される個別電極である。具体的には、Ｘ軸に沿う方向に延びる複数の第１電極５６ａが、互いに間隔をあけてＹ軸に沿う方向に配列される。各圧電素子５６の第１電極５６ａには、配線６１を介して駆動回路６０が電気的に接続される。

第１電極５６ａは、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される層と、チタン（Ｔｉ）で構成される層と、を有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。ここで、イリジウムは、導電性に優れた電極材料である。このため、第１電極５６ａの構成材料にイリジウムを用いることにより、第１電極５６ａの低抵抗化を図ることができる。また、チタンで構成される層は、圧電体５６ｂを形成する際に、島状のＴｉが結晶核となって圧電体５６ｂの配向を制御して、圧電体５６ｂの結晶性または配向性を高める。なお、イリジウムで構成される層に代えて、または、当該層に加えて、他の金属材料で構成される層が設けられてもよい。当該他の金属材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、第１電極５６ａを構成する材料は、金属材料に限定されず、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）およびＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の導電性の金属酸化物であってもよい。

図４および図５に示す例では、圧電体５６ｂは、複数の圧電素子５６にわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状をなす。

圧電体５６ｂは、一般組成式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する圧電材料で構成される。当該圧電材料としては、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等が挙げられる。中でも、圧電体５６ｂの構成材料には、チタン酸ジルコン酸鉛が好適に用いられる。

第２電極５６ｃは、複数の圧電素子５６にわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極である。第２電極５６ｃには、所定の基準電圧が印加される。

第２電極５６ｃは、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される。なお、第２電極５６ｃの構成材料は、イリジウムに限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）等の金属材料でもよい。また、第２電極５６ｃは、これらの金属材料のうち、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を積層等の形態で組み合わせて用いてもよい。なお、第２電極５６ｃを構成する材料は、金属材料に限定されず、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）およびＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の導電性の金属酸化物であってもよい。

以上のように、液体吐出ヘッド５０は、圧電体５６ｂと、圧電体５６ｂの駆動により振動する振動板５５と、液体の一例であるインクに振動板５５の振動により圧力を付与する圧力室Ｃが設けられる圧力室基板５２と、を有する。また、圧力室基板５２、振動板５５および圧電体５６ｂは、この順で積層される。

図５に示すように、振動板５５は、第１層５５ａと第２層５５ｂと第３層５５ｃとを有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。すなわち、振動板５５は、第１層５５ａと、第１層５５ａと圧電体５６ｂとの間に配置される第２層５５ｂと、第２層５５ｂと圧電体５６ｂとの間に配置される第３層５５ｃと、を有する。ここで、第１層５５ａは、圧力室基板５２に接合される。第３層５５ｃは、複数の圧電素子５６に接合される。第２層５５ｂは、第１層５５ａと第３層５５ｃとの層間に介在する。なお、図５では、説明の便宜上、振動板５５を構成する層同士の界面が明確に図示されるが、当該界面が明確でなくともよく、例えば、互いに隣り合う２つの層の界面付近において当該２つの層の構成材料同士が混在してもよい。

第１層５５ａは、構成元素としてケイ素（Ｓｉ）を含む層である。より具体的には、第１層５５ａは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成される弾性膜である。ここで、第１層５５ａには、酸化シリコンおよびその構成元素のほか、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）等の元素が不純物として少量含まれてもよい。このような不純物は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を柔らかくする効果をもたらす。

このように、第１層５５ａは、例えば、酸化シリコンを含む。このような第１層５５ａは、シリコン単結晶基板の熱酸化により、スパッタ法により形成する場合に比べて生産性よく形成することができる。

なお、第１層５５ａ中のケイ素は、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物等の状態で存在してもよい。また、第１層５５ａ中の不純物は、第１層５５ａの形成の際に不可避的に混入される元素でもよいし、意図的に第１層５５ａに混入される元素でもよい。

第１層５５ａの厚さｔ１は、振動板５５の厚さｔおよび幅等に応じて決められ、特に限定されないが、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内であると更に好ましい。

第３層５５ｃは、構成元素としてジルコニウム（Ｚｒ）を含む層である。より具体的には、第３層５５ｃは、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）で構成される絶縁膜である。ここで、第３層５５ｃには、酸化ジルコニウムおよびその構成元素のほか、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）等の元素が不純物として少量含まれてもよい。このような不純物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を柔らかくする効果をもたらす。

このように、第３層５５ｃは、例えば、酸化ジルコニウムを含む。このような第３層５５ｃは、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第３層５５ｃを形成する際、所望厚さの第３層５５ｃを容易に得ることができる。また、酸化ジルコニウムが優れた電気絶縁性、機械的強度および靭性を有するので、第３層５５ｃが酸化ジルコニウムを含むことにより、振動板５５の特性を高めることができる。また、例えば、圧電体５６ｂがチタン酸ジルコン酸鉛で構成される場合、第３層５５ｃが酸化ジルコニウムを含むことにより、圧電体５６ｂを形成する際、高配向率で（１００）配向した圧電体５６ｂを得やすいという利点もある。

なお、第３層５５ｃ中のジルコニウムは、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物等の状態で存在してもよい。また、第３層５５ｃ中の不純物は、第３層５５ｃの形成の際に不可避的に混入される元素でもよいし、意図的に第３層５５ｃに混入される元素でもよい。例えば、当該不純物は、第３層５５ｃをスパッタ法で形成する際に用いるジルコニウムターゲット中に含まれる不純物である。

第３層５５ｃの厚さｔ３は、振動板５５の厚さｔおよび幅等に応じて決められ、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内である。

以上の第１層５５ａと第３層５５ｃとの間には、第２層５５ｂが介在する。このため、第１層５５ａと第３層５５ｃとの接触が防止される。このため、第１層５５ａと第３層５５ｃとが接触する構成に比べて、第１層５５ａ中のシリコン酸化物が第３層５５ｃ中のジルコニウムにより還元されることが低減される。

第２層５５ｂは、構成元素としてジルコニウム以外の金属元素を含む層である。より具体的には、第２層５５ｂは、構成元素としてジルコニウムよりも酸化され難い金属元素を含む層であり、例えば、当該金属元素の酸化物で構成される。当該金属元素は、典型的には、後述のように、アルミニウム、チタン、クロムがあるが、これに限定されず、例えば、マンガン、バナジウム、タングステン、鉄、銅等の元素でもよい。

このように、第２層５５ｂは、ジルコニウムよりも酸化され難い金属元素を含む。言い換えると、第２層５５ｂは、ジルコニウムよりも酸化物生成自由エネルギーの大きい金属元素を含む。第２層５５ｂは、構成元素としてクロム、チタンおよびアルミニウムのうちのいずれかの金属元素を含むことが好ましい。なお、酸化物生成自由エネルギーの大小関係は、例えば、公知のエリンガムダイアグラムに基づいて評価することが可能である。

第２層５５ｂに含まれる金属元素がジルコニウムよりも酸化され難い。言い換えると、第２層に含まれる金属元素の酸化物生成自由エネルギーは、ジルコニウムの酸化物生成自由エネルギーよりも大きい。これにより、第２層５５ｂに含まれる金属元素がジルコニウムよりも酸化されやすい構成に比べて、第１層５５ａに含まれるシリコン酸化物の還元を低減することができる。このため、当該還元により生成するケイ素単体が第１層５５ａから第２層５５ｂに拡散することが低減されるので、第１層５５ａと第３層５５ｃとの間における当該拡散に起因する空隙の発生を低減することができる。この結果、第２層５５ｂを用いない構成に比べて、第１層５５ａと第３層５５ｃとの間の密着力を高めることができる。

クロムは、ケイ素よりも酸化され難い。言い換えると、クロムの酸化物生成自由エネルギーは、ケイ素の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい。このため、第２層５５ｂに金属元素としてクロムが含まれる場合、ケイ素よりも酸化され難い金属元素が第２層５５ｂに含まれない場合に比べて、第１層５５ａに含まれるシリコン酸化物の還元を低減することができる。

また、チタンまたはアルミニウムの酸化物は、熱により移動しやすい。このため、第２層５５ｂに金属元素としてチタンまたはアルミニウムが含まれる場合、当該金属元素の酸化物によるアンカー効果または化学結合により第１層５５ａおよび第３層５５ｃのそれぞれと第２層５５ｂとの層間での密着力を高めることができる。

しかも、チタンは、ケイ素またはジルコニウムとともに酸化物を形成しやすい。このため、第２層５５ｂに金属元素としてチタンが含まれる場合、チタンがケイ素とともに酸化物を形成することにより、第１層５５ａと第２層５５ｂとの密着力を高めたり、チタンがジルコニウムとともに酸化物を形成することにより、第１層５５ａと第３層５５ｃとの密着力を高めたりすることもできる。

また、第２層５５ｂは、クロムを含む場合、例えば、クロムが酸化物を構成しており、酸化クロムを含む。このような第２層５５ｂは、スパッタ法等によりクロム単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第２層５５ｂを形成する際、所望厚さの第２層５５ｂを容易に得ることができる。

ここで、第２層５５ｂに含まれる酸化クロムは、多結晶、アモルファスまたは単結晶のいずれの状態でもよい。ただし、第２層５５ｂに含まれる酸化クロムがアモルファス状態であるアモルファス構造を有する場合、第２層５５ｂに含まれる酸化クロムが多結晶または単結晶の状態である場合に比べて、第２層５５ｂに生じる圧縮応力を低減することができる。この結果、第１層５５ａまたは第３層５５ｃと第２層５５ｂとの界面に生じる歪みを低減することができる。

また、第２層５５ｂは、チタンを含む場合、例えば、チタンが酸化物を構成しており、酸化チタンを含む。このような第２層５５ｂは、スパッタ法等によりチタン単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第２層５５ｂを形成する際、所望厚さの第２層５５ｂを容易に得ることができる。

ここで、第２層５５ｂに含まれる酸化チタンは、多結晶、アモルファスまたは単結晶のいずれの状態でもよい。ただし、第２層５５ｂに含まれる酸化チタンは、多結晶または単結晶の状態であることが好ましく、特に、結晶構造としてルチル構造を有することが好ましい。酸化チタンがとり得る結晶構造の中でも、ルチル構造は、最も安定であり、熱により移動してもアナターゼまたはブロッカイト等の多形に変化し難い。したがって、第２層５５ｂに含まれる酸化チタンがルチル構造を有することにより、第２層５５ｂに含まれる酸化チタンの結晶構造が他の結晶構造である場合に比べて、第２層５５ｂの熱安定性を高めることができる。

また、第２層５５ｂは、アルミニウムを含む場合、例えば、アルミニウムが酸化物を構成しており、酸化アルミニウムを含む。このような第２層５５ｂは、スパッタ法等によりアルミニウム単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第２層５５ｂを形成する際、所望厚さの第２層５５ｂを容易に得ることができる。

ここで、第２層５５ｂに含まれる酸化アルミニウムは、多結晶、アモルファスまたは単結晶のいずれの状態でもよく、多結晶または単結晶の状態である場合、結晶構造として三方晶系構造を有する。

また、第２層５５ｂには、前述の金属元素のほか、チタン（Ｔｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）等の元素が不純物として少量含まれてもよい。例えば、当該不純物は、第１層５５ａまたは第３層５５ｃに含まれる元素である。当該不純物は、例えば、第２層５５ｂ中に当該金属元素とともに酸化物の状態で存在する。このような不純物は、第１層５５ａから第２層５５ｂへのケイ素の拡散を低減するか、または、第１層５５ａから第２層５５ｂへケイ素が拡散しても、当該ケイ素が第３層５５ｃへ拡散するのを低減する効果をもたらす。

このような観点から、第２層５５ｂおよび第３層５５ｃのそれぞれは、不純物を含むことが好ましい。この場合、そうでない場合に比べて、第２層５５ｂおよび第３層５５ｃのそれぞれを柔らかくすることにより、振動板５５のクラック等のリスクを低減することができる。

ここで、第２層５５ｂにおける不純物の含有率は、第３層５５ｃにおける不純物の含有率よりも高いことが好ましい。言い換えると、第２層５５ｂおよび第３層５５ｃからなる積層体における厚さ方向での不純物の濃度ピークが第２層５５ｂに位置することが好ましい。この場合、第２層５５ｂと第３層５５ｃとの界面または第３層５５ｃ中に隙間が形成されることが防止または低減される。これに対し、当該濃度ピークが第３層５５ｃに位置すると、第３層５５ｃ中の結晶構造が不純物により歪んでしまう。このため、第２層５５ｂと第３層５５ｃとの界面または第３層５５ｃ中に隙間されてしまい、この結果、振動板５５のクラック等のリスクが高まる場合がある。

以上の第２層５５ｂ中の金属元素は、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物等の状態で存在してもよい。また、第２層５５ｂ中の不純物は、第２層５５ｂの形成の際に不可避的に混入される元素でもよいし、意図的に第２層５５ｂに混入される元素でもよい。

また、第２層５５ｂの厚さｔ２は、振動板５５の厚さｔおよび幅に応じて決められ、特に限定されないが、第１層５５ａの厚さｔ１および第３層５５ｃの厚さｔ３のそれぞれよりも薄いことが好ましい。この場合、振動板５５の特性を最適化しやすいという利点がある。

具体的な第２層５５ｂの厚さｔ２は、第２層５５ｂに含まれる金属元素がチタンの場合、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、２５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。また、第２層５５ｂに含まれる金属元素がアルミニウムの場合、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、２０ｎｍ以上３５ｎｍ以下の範囲内にあることが特に好ましい。また、第２層５５ｂに含まれる金属元素がクロムの場合、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。ここから、第２層５５ｂに含まれる金属元素がチタン、アルミニウム、クロムのいずれである場合であっても、第２層５５ｂの厚さｔ２が２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内に含まれていれば、好ましい条件を満足することがわかる。厚さｔ２がこのような範囲内にあることにより、第１層５５ａと第３層５５ｃとの間の密着力を第２層５５ｂにより高める効果を好適に発揮させることができる。

これに対し、厚さｔ２が薄すぎると、第２層５５ｂに含まれる金属元素の種類等によっては、第１層５５ａからのケイ素単体の拡散を第２層５５ｂにより低減する効果が低下する傾向を示す。例えば、第２層５５ｂが酸化チタンで構成される場合、厚さｔ２が薄すぎると、製造時の熱処理の条件等によっては、第１層５５ａから第２層５５ｂに拡散したケイ素単体が第３層５５ｃに到達してしまう場合がある。一方、厚さｔ２が厚すぎると、第２層５５ｂの製造時の熱処理を十分に行うことができなかったり、当該熱酸化に長時間を要する結果、他の層に悪影響を与えたりする場合がある。

以上の圧電素子５６では、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧が印加されることにより、圧電体５６ｂが逆圧電効果により変形する。この変形に伴って、振動板５５の振動領域ＰＶが変形する。振動領域ＰＶは、平面視で圧力室Ｃに重なる振動板５５の部分である。なお、平面視で圧力室Ｃに重ならない振動板５５の部分、すなわち、平面視で隔壁５２ｂに重なる部分は、固定領域ＲＥ３である。

振動領域ＰＶは、能動領域ＲＥ１と非能動領域ＲＥ２とに区分される。能動領域ＲＥ１は、平面視で圧力室Ｃと第１電極５６ａと圧電体５６ｂと第２電極５６ｃとに重なる振動板５５の部分である。非能動領域ＲＥ２は、平面視で、圧力室Ｃに重なり、かつ、能動領域ＲＥ１とは異なる振動板５５の部分である。

図５に示す例では、圧電体５６ｂが能動領域ＲＥ１、非能動領域ＲＥ２および固定領域ＲＥ３にわたり連続して設けられる。このため、非能動領域ＲＥ２で圧電体５６ｂが欠損した構成に比べて、後述の初期たわみを好適に低減することができる。

なお、圧力室Ｃの壁面上には、当該壁面をインクから保護する保護膜が配置されてもよい。この場合、振動領域ＰＶに接合される当該保護膜の部分は、振動領域ＰＶとともに振動する。当該保護膜は、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性が振動板５５よりも高い。当該保護膜の構成材料としては、圧力室Ｃ内のインクに対する耐性を有する材料であればよく、特に限定されないが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等のシリコン酸化物、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等の金属酸化物、ニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）等の金属等が挙げられる。当該保護膜は、単一材料の単層で構成されてもよいし、互いに異なる材料の複数層の積層体で構成されてもよい。当該保護膜の厚さは、特に限定されないが、０．１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。

１－４．振動板の初期たわみ
図６は、振動板５５のたわみ位置Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２およびたわみ量Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２を説明するための模式図である。図６では、説明の便宜上、圧電素子５６の図示が省略されるとともに、振動板５５が模式的に示される。

液体吐出ヘッド５０では、圧電素子５６が駆動しなくても、振動板５５および圧電素子５６を含む積層体内の残留応力に起因して、図６中実線で示すように、振動板５５のたわみが生じる場合がある。以下、このたわみを「初期たわみ」という場合がある。

振動板５５に初期たわみが生じない場合、振動板５５と圧力室Ｃとの界面ＢＤＢは、圧力室基板５２と振動板５５との界面を含む仮想的な平面として規定される基準面ＢＤＡに一致する。界面ＢＤＢは、前述の図５に示す振動領域ＰＶのＺ２方向を向く面に相当する。

図６に示す例では、振動板５５の初期たわみが基準面ＢＤＡに対してＺ２方向に位置する。ここで、振動板５５の初期たわみであるたわみ量Ｌ０は、たわみ位置Ｐ０と基準面ＢＤＡとの間の距離である。たわみ位置Ｐ０は、圧力室Ｃにインクを収容せず、かつ、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加しない状態で、圧力室Ｃと振動板５５との界面ＢＤＢがＺ軸に沿う方向で基準面ＢＤＡから最も離れた位置である。

なお、たわみ量Ｌ０は、たわみ位置Ｐ０が基準面ＢＤＡに対してノズル基板５３に向かう方向に位置する場合、正の値として表され、たわみ位置Ｐ０が基準面ＢＤＡに対してノズル基板５３に向かう方向とは反対方向に位置する場合、負の値として表される。

ノズルＮから液滴を吐出させる場合、圧電素子５６の駆動により、圧力室Ｃを収縮させる必要がある。図６では、ノズルＮから液滴を吐出させるのに必要な振動板５５のたわみ量Ｌ１となる界面ＢＤＢが二点鎖線で示される。たわみ量Ｌ１は、たわみ位置Ｐ０とたわみ位置Ｐ１と間の距離である。たわみ位置Ｐ１は、圧力室Ｃにインクを収容し、かつ、ノズルＮから液滴が吐出されるように第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加した状態で、圧力室Ｃと振動板５５との界面ＢＤＢがＺ２方向で基準面ＢＤＡから最も離れた位置である。たわみ位置Ｐ２は、圧力室Ｃにインクを収容した状態において、界面ＢＤＢがたわみ位置Ｐ２に移動した後の反動によって、界面ＢＤＢがＺ１方向で基準面ＢＤＡから最も離れた位置である。

このように圧電素子５６の駆動により振動板５５がたわむと、その後、圧力室Ｃを含む流路内のインクの振動により、振動板５５は、圧力室Ｃが膨張する方向にたわみ量Ｌ２でたわみ変形する。このとき、圧電体５６ｂの圧電効果による起電力が第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に生じる。当該起電力は、前述の圧電素子５６の駆動時の電圧とは逆極性であり、「逆バイアス」とも呼ばれ、圧電体５６ｂの焼損の原因となる。

このような逆バイアスの大きさは、たわみ量Ｌ２が大きくなるほど大きくなる。そこで、圧電体５６ｂの焼損を低減する観点から、たわみ量Ｌ０を小さくする必要がある。具体的には、たわみ量Ｌ０が１６０ｎｍ以下である。なお、たわみ量Ｌ１とたわみ量Ｌ２との合計である振幅Ｌ３は、たわみ量Ｌ０の大きさによらず、ほぼ一定である。

図７は、圧電素子５６の耐久試験の結果であり、駆動回数と振動板５５の変位量の低下率との関係を示すグラフである。ここで、変位量とは、図６における振幅Ｌ３に相当する。図７中、横軸は、圧電体５６ｂの分極処理直後からの圧電素子５６の駆動回数［億回］であり、耐久試験として２６０億回の駆動を実行した。縦軸は、振動板５５の変位量の低下率［％］である。当該低下率は、圧電体５６ｂの分極処理直後における振動板５５の変位量を１００％とした場合の振動板５５の変位量の低下の割合である。

図７では、サンプル１～４について、圧電素子５６の駆動回数と振動板５５の変位量の低下率との関係が示される。サンプル１では、分極処理後であって耐久試験前における振動板５５の初期たわみであるたわみ量Ｌ０が６２５ｎｍである。サンプル２では、分極処理後であって耐久試験前における振動板５５の初期たわみであるたわみ量Ｌ０が１３２ｎｍである。サンプル３では、分極処理後であって耐久試験前の初期たわみであるたわみ量Ｌ０が１５７ｎｍである。サンプル４では、分極処理後であって耐久試験前の初期たわみであるたわみ量Ｌ０が１３０ｎｍである。

図７に示すように、サンプル２～４では、圧電素子５６の駆動回数が２５０億回を超えても、振動板５５の変位量の低下率の絶対値を１０％以下に抑えることができる。これに対し、サンプル１では、圧電素子５６の駆動回数が３０億回程度であっても、振動板５５の変位量の低下率の絶対値が１０％を超えてしまう。

このように、分極処理後であって耐久試験前の初期たわみであるたわみ量Ｌ０が１６０ｎｍ以下である場合、振動板５５の変位量の低下率の絶対値を長期にわたり低減することができる。つまり、液体吐出ヘッドの出荷時において、圧電素子を駆動しない状態における初期たわみを１６０ｎｍ以下とすることが好ましい。

図８は、振動板５５の初期たわみ率と耐久による変位量の低下率との関係を示すグラフである。図８中、横軸は、振動板５５の初期たわみ率［％］であり、縦軸は、耐久による変位量の低化率［％］である。振動板５５の初期たわみ率は、圧電体５６ｂの分極処理後（より好ましくはエイジング処理後）の振動板５５のたわみ量Ｌ０である第１たわみ量に対する圧電体５６ｂの分極処理前（より好ましくは後述の形成工程Ｓ１０の直後）の振動板５５のたわみ量Ｌ０である第２たわみ量の割合である。耐久による変位量の低下率は、２６０億回駆動した場合の振動板５５の変位量の低下率である。

図８に示すように、サンプル２～４では、サンプル１に比べて、耐久による変位量の低下率を少なくすることができる。このように、初期たわみ率が１０％以下であることにより、耐久による変位量の低下率を少なくすることができる。

なお、サンプル１、２では、図８中「上に凸」で示すように、圧電体５６ｂの分極処理前の振動板５５の初期たわみが圧力室Ｃに向かう方向とは反対方向にたわむように負の値で表される。これに対し、サンプル３、４では、図８中「下に凸」で示すように、圧電体５６ｂの分極処理前の振動板５５の初期たわみが圧力室Ｃに向かう方向にたわむように正の値で表される。

図９は、振動板５５の初期たわみ率と駆動による変位量との関係を示すグラフである。図９中、横軸は、振動板５５の初期たわみ率［％］であり、縦軸は、駆動による変位量［ｎｍ］であり。振動板５５の初期たわみ率は、図８と同様である。駆動による変位量は、圧電素子５６を駆動した場合の振動板５５の変位量である。

図９に示すように、サンプル２～４のうち、サンプル１、２は、サンプル３に比べて、駆動による変位量を大きくすることができる。このように、初期たわみ率が１０％以下であっても、初期たわみ率を０％以下とすることにより、駆動による変位量を大きくすることができる。

１－５．圧電デバイスの製造方法
図１０は、第１実施形態に係る液体吐出ヘッド５０の製造方法を示すフローチャートである。液体吐出ヘッド５０の製造方法は、図１０に示すように、形成工程Ｓ１０と分極処理工程Ｓ２０とエイジング処理工程Ｓ３０とをこの順で含む。以下、各工程を順次説明する。

形成工程Ｓ１０は、ノズル基板５３、圧力室基板５２、振動板５５および圧電素子５６を形成する。

ノズル基板５３は、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチング等の加工技術を用いる半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。圧力室基板５２は、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。振動板５５は、圧力室基板５２を形成するためのシリコン単結晶基板上に第１層５５ａ、第２層５５ｂおよび第３層５５ｃをこの順で成膜することにより形成される。第１層５５ａは、例えば、当該シリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより形成される。第２層５５ｂは、例えば、第１層５５ａ上に、スパッタ法によりクロム、チタンまたはアルミニウムの層を形成し、当該層を熱酸化することにより形成される。第３層５５ｃは、例えば、第２層５５ｂ上に、スパッタ法によりジルコニウムの層を形成し、当該層を熱酸化することにより形成される。圧電素子５６は、例えば、第３層５５ｃ上に、第１電極５６ａ、圧電体５６ｂおよび第２電極５６ｃをこの順で成膜することにより形成される。第１電極５６ａおよび第２電極５６ｃのそれぞれは、例えば、スパッタ法等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。圧電体５６ｂは、例えば、ゾルゲル法により圧電体の前駆体層を形成し、その前駆体層を焼成して結晶化することにより形成される。

ここで、圧力室Ｃの形成は、圧電素子５６の形成後に行われる。圧力室Ｃの形成は、例えば、圧電素子５６の形成後のシリコン単結晶基板の両面のうち圧電素子５６が形成される面とは異なる面を異方性エッチングすることにより行われる。このとき、当該異方性エッチングのエッチング液として、例えば、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等が用いられる。また、このとき、第１層５５ａは、当該異方性エッチングを停止させる停止層として機能する。以上の圧力室Ｃの形成後、圧力室基板５２に流路基板５１等が接着剤により接合される。

なお、第２層５５ｂの形成は、熱酸化を用いる方法に限定されず、例えば、ＣＶＤ法または原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法等を用いてもよい。また、第２層５５ｂおよび第３層５５ｃを形成するための熱酸化は、一括して行ってもよい。また、圧電素子５６の形成後には、必要に応じて、その形成後の基板の両面のうち圧電素子５６が形成される面とは異なる面がＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等により研削され、当該面の平坦化または当該基板の厚さ調整が行われる。

分極処理工程Ｓ２０は、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加することにより圧電体５６ｂに分極処理を施す。分極処理とは、圧電素子５６の製造時に結晶の分極方向が任意の方向を向いている圧電体５６ｂに対して、圧電体５６ｂの一方向に電界を印加することにより、分極モーメントのｃ軸方向の成分の方向を揃えることをいう。ここで、分極処理時の電界の方向は、液体吐出ヘッド５０の使用時に圧電体５６ｂに印加する電界と同じ方向である。また、分極処理時の電界の大きさは、液体吐出ヘッド５０の使用時に圧電体５６ｂに印加する電界の絶対値よりも大きい。

エイジング処理工程Ｓ３０は、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加することにより圧電体５６ｂにエイジング処理を施す。エイジング処理では、例えば、液体吐出ヘッド５０の使用時に圧電体５６ｂに印加する電界と同じ電界が圧電体５６ｂに印加される。また、エイジング処理での圧電素子５６の駆動回数は、例えば、３０億回程度である。これにより、前述の図７に示すように、エイジング処理後の振動板５５の変位低下率の変化を小さくすることができる。なお、エイジング処理工程Ｓ３０は、分極処理工程Ｓ２０と連続的または一括して行われてもよい。

以上のように、液体吐出ヘッド５０は、圧電素子５６と圧力室基板５２と振動板５５とノズル基板５３と、を有する。ノズル基板５３、圧力室基板５２、振動板５５および圧電素子５６がこの順で積層方向に積層される。圧電素子５６は、第１電極５６ａと圧電体５６ｂと第２電極５６ｃとを含む。圧力室基板５２は、「液体」の一例であるインクを収容する圧力室Ｃを区画する隔壁５２ｂを有する。振動板５５は、圧電体５６ｂの駆動により振動することにより、圧力室Ｃのインクに圧力を付与する。ノズル基板５３は、圧力室Ｃに連通するノズルＮを有する。

そのうえで、圧力室基板５２と振動板５５との界面を含む平面を基準面ＢＤＡとし、圧力室Ｃと振動板５５との界面ＢＤＢにおいて、当該積層方向で基準面ＢＤＡから最も離れた位置をたわみ位置とし、圧力室Ｃにインクを収容せず、かつ、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加しない状態における基準面ＢＤＡとたわみ位置Ｐ０との間の距離をたわみ量Ｌ０としたとき、たわみ量Ｌ０は、１６０ｎｍ以下である。なお、たわみ量Ｌ０は、たわみ位置Ｐ０が基準面ＢＤＡに対してノズル基板５３に向かう方向に位置する場合、正の値として表され、たわみ位置Ｐ０が基準面ＢＤＡに対してノズル基板５３に向かう方向とは反対方向に位置する場合、負の値として表される。

以上の液体吐出ヘッド５０では、たわみ量Ｌ０を１６０ｎｍ以下とすることにより、圧電体５６ｂの駆動後の圧電効果による起電力に起因する焼損を低減することができる。この結果、長期にわたり使用しても、圧電体５６ｂによる振動板５５の変位量の低下を抑制することができる。以上により、吐出特性に優れる液体吐出ヘッド５０を提供することができる。

また、前述のように、圧電体５６ｂは、能動領域ＲＥ１、非能動領域ＲＥ２および固定領域ＲＥ３にわたり連続して設けられる。ここで、能動領域ＲＥ１は、振動板５５において、当該積層方向にみて、圧力室Ｃと第１電極５６ａと圧電体５６ｂと第２電極５６ｃとに重なる部分である。非能動領域ＲＥ２は、振動板５５において、当該積層方向にみて、圧力室Ｃに重なり、かつ、能動領域ＲＥ１とは異なる部分である。固定領域ＲＥ３は、振動板５５において、当該積層方向にみて、隔壁５２ｂに重なる部分である。このような構成の圧電体５６ｂでは、圧電体５６ｂの膜応力が振動板５５に好適に作用するので、たわみ量を１６０ｍｍ以下としやすいという利点がある。

さらに、前述のように、振動板５５は、第１層５５ａと第２層５５ｂと第３層５５ｃとを含む。ここで、第１層５５ａは、構成元素としてケイ素を含む。第２層５５ｂは、第１層５５ａと圧電体５６ｂとの間に配置され、構成元素としてジルコニウム以外の金属元素を含む。第３層５５ｃは、第２層５５ｂと圧電体５６ｂとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む。このような層構成の振動板５５では、第２層５５ｂにより第１層５５ａと第３層５５ｃとの密着力を高めることができる。この結果、第１層５５ａと第３層５５ｃとの間への水分の侵入を低減することができる。このように、第２層５５ｂが第１層５５ａと第３層５５ｃとの間への水分の侵入を防止する水分防止層として機能する。

また、前述のように、第２層５５ｂは、構成元素としてジルコニウムよりも酸化され難い金属元素を含む。このため、第２層５５ｂに含まれる金属元素がジルコニウムよりも酸化されやすい構成に比べて、第１層５５ａに含まれるシリコン酸化物の還元を低減することができる。したがって、当該還元により生成するケイ素単体が第１層５５ａから第２層５５ｂに拡散することが低減されるので、第１層５５ａと第３層５５ｃとの間における当該拡散に起因する空隙の発生を低減することができる。この結果、第２層５５ｂを用いない構成に比べて、第１層５５ａと第３層５５ｃとの間の密着力を高めることができる。

さらに、前述のように、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加することにより圧電体５６ｂに分極処理を施す前のたわみ量Ｌ０を第１たわみ量とし、当該分極処理後のたわみ量Ｌ０を第２たわみ量としたとき、第２たわみ量に対する第１たわみ量の割合は、１０％以下であることが好ましい。この場合、第２たわみ量を１６０ｎｍ以下とすることができ、この結果、長期にわたり圧電体５６ｂによる振動板５５の変位量の低下を抑制する効果が顕著に得られる。

ここで、液体吐出ヘッド５０の製造方法は、前述のように、形成工程Ｓ１０と分極処理工程Ｓ２０とをこの順で含む。形成工程Ｓ１０は、ノズル基板５３、圧力室基板５２、振動板５５および圧電素子５６を形成する。分極処理工程Ｓ２０は、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加することにより圧電体５６ｂに分極処理を施す。

また、前述のように、第２たわみ量に対する第１たわみ量の割合は、０％以下、つまり、形成工程Ｓ１０の直後においては振動板５５が上に凸であって、分極処理工程Ｓ２０もしくはエイジング処理工程Ｓ３０の後においては振動板５５が下に凸であることが好ましい。この場合、第２たわみ量を１６０ｎｍ以下としつつ、当該割合が０％よりも大きい場合に比べて、圧電体５６ｂによる振動板５５の変位量の絶対値を大きくすることができる。

さらに、前述のように、第１電極５６ａ、圧電体５６ｂおよび第２電極５６ｃがこの順で当該積層方向に積層される。そして、第２電極５６ｃは、当該積層方向にみて圧力室Ｃおよび隔壁５２ｂにわたり連続して設けられる。この場合、圧電体５６ｂが複数の圧力室Ｃにわたり連続して設けられても、圧力室Ｃごとに駆動可能な圧電素子５６が実現される。

以上の液体吐出ヘッド５０は、液体吐出装置１００に用いられる。液体吐出装置１００は、液体吐出ヘッド５０と、「制御部」の一例である制御ユニット２０と、を備える。制御ユニット２０は、液体吐出ヘッド５０の駆動を制御する。以上の液体吐出装置１００では、前述のように液体吐出ヘッド５０の吐出特性が優れるので、長期にわたり画質低下を抑制することができる。

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用または機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
図１１は、第２実施形態に係る液体吐出ヘッド５０Ａの断面図である。液体吐出ヘッド５０Ａは、圧電素子５６に代えて圧電素子５６Ａを有する以外は、前述の第１実施形態の液体吐出ヘッド５０と同様である。圧電素子５６Ａは、第１電極５６ａおよび第２電極５６ｃに代えて第１電極５６ｄおよび第２電極５６ｅを有する以外は、前述の第１実施形態の圧電素子５６と同様である。

第１電極５６ｄは、複数の圧電素子５６Ａにわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極である以外は、前述の第１実施形態の第１電極５６ａと同様に構成される。第２電極５６ｅは、圧電素子５６Ａごとに互いに離間して配置される個別電極である以外は、前述の第１実施形態の第２電極５６ｃと同様に構成される。

以上の圧電素子５６Ａでは、第１電極５６ｄと第２電極５６ｅとの間に電圧が印加されることにより、圧電体５６ｂが逆圧電効果により変形する。この変形に伴って、振動板５５の振動領域ＰＶが変形する。振動領域ＰＶは、前述のように、能動領域ＲＥ１と非能動領域ＲＥ２とに区分される。ここで、能動領域ＲＥ１は、平面視で圧力室Ｃと第１電極５６ｄと圧電体５６ｂと第２電極５６ｅとに重なる振動板５５の部分である。非能動領域ＲＥ２は、平面視で、圧力室Ｃに重なり、かつ、能動領域ＲＥ１とは異なる振動板５５の部分である。

図１１に示す例においても、圧電体５６ｂが能動領域ＲＥ１、非能動領域ＲＥ２および固定領域ＲＥ３にわたり連続して設けられる。このため、非能動領域ＲＥ２で圧電体５６ｂが欠損した構成に比べて、後述の初期たわみを好適に低減することができる。

以上の第２実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様、長期にわたり使用しても、圧電体５６ｂによる振動板５５の変位量の低下を抑制することができる。本実施形態では、前述のように、第１電極５６ｄ、圧電体５６ｂおよび第２電極５６ｅがこの順で積層方向に積層されており、第１電極５６ｄは、当該積層方向にみて圧力室Ｃおよび隔壁５２ｂにわたり連続して設けられる。このため、圧電体５６ｂが複数の圧力室Ｃにわたり連続して設けられても、圧力室Ｃごとに駆動可能な圧電素子５６Ａが実現される。

３．変形例
以上の例示における各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択される２以上の態様は、互いに矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。

３－１．変形例１
液体吐出ヘッドは、圧電体および振動板を有する構成であればよく、前述の実施形態の構成に限定されない。また、前述の実施形態では、圧電デバイスの一例として液体吐出ヘッドを説明したが、これに限定されない。圧電デバイスは、液体吐出ヘッドのほか、例えば、圧電体および振動板を有する圧電アクチュエーター等の駆動デバイスでもよく、圧電体および振動板を有する圧力センサー等の検出デバイス等でもよい。

３－２．変形例２
前述の各形態では、圧電体５６ｂが複数の圧力室Ｃに共通に設けられるが、これに限定されず、圧力室Ｃごとに圧電体５６ｂが分割されてもよい。また、第１電極５６ａおよび第２電極５６ｃの双方を個別電極としてもよい。

３－３．変形例３
前述の各形態では、液体吐出ヘッド５０を搭載するキャリッジ４１を往復させるシリアル方式の液体吐出装置１００を例示するが、複数のノズルＮが媒体Ｍの全幅にわたり分布するライン方式の液体吐出装置にも本発明を適用することが可能である。

３－４．変形例４
前述の各形態で例示する液体吐出装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を吐出する液体吐出装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を吐出する液体吐出装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。

１０…液体容器、２０…制御ユニット、３０…搬送機構、４０…移動機構、４１…キャリッジ、４２…搬送ベルト、５０…液体吐出ヘッド、５０Ａ…液体吐出ヘッド、５１…流路基板、５２…圧力室基板、５２ａ…孔、５２ｂ…隔壁、５３…ノズル基板、５４…吸振体、５５…振動板、５５ａ…第１層、５５ｂ…第２層、５５ｃ…第３層、５６…圧電素子、５６Ａ…圧電素子、５６ａ…第１電極、５６ｂ…圧電体、５６ｃ…第２電極、５６ｄ…第１電極、５６ｅ…第２電極、５７…封止板、５８…ケース、５９…配線基板、６０…駆動回路、６１…配線、１００…液体吐出装置、ＢＤＡ…基準面、ＢＤＢ…界面、Ｃ…圧力室、ＩＨ…導入口、Ｌ０…量、Ｌ１…量、Ｌ２…量、Ｌ３…振幅、Ｍ…媒体、Ｎ…ノズル、Ｎａ…連通流路、Ｐ０…位置、Ｐ１…位置、Ｐ２…位置、ＰＶ…振動領域、Ｒ…液体貯留室、Ｒ１…開口部、Ｒ２…収容部、ＲＥ１…能動領域、ＲＥ２…非能動領域、ＲＥ３…固定領域、Ｒａ…供給流路、Ｓ１０…形成工程、Ｓ２０…分極処理工程、Ｓ３０…エイジング処理工程、ｔ…厚さ、ｔ１…厚さ、ｔ２…厚さ、ｔ３…厚さ。

Claims (10)

1. 第１電極と圧電体と第２電極とを含む圧電素子と、
   液体を収容する圧力室を区画する隔壁を有する圧力室基板と、
   前記圧電体の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、
   前記圧力室に連通するノズルを有するノズル基板と、を有し、
   前記ノズル基板、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、
   前記圧力室基板と前記振動板との界面を含む平面を基準面とし、
   前記圧力室と前記振動板との界面において、前記積層方向で前記基準面から最も離れた位置をたわみ位置とし、
   前記圧力室に液体を収容せず、かつ、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しない状態における前記基準面と前記たわみ位置との間の距離をたわみ量としたとき、
   前記たわみ量は、前記たわみ位置が前記基準面に対して前記ノズル基板に向かう方向に位置する場合、正の値として表され、前記たわみ位置が前記基準面に対して前記ノズル基板に向かう方向とは反対方向に位置する場合、負の値として表され、
   前記たわみ量は、１６０ｎｍ以下である、
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記振動板において、前記積層方向にみて、前記圧力室と前記第１電極と前記圧電体と前記第２電極とに重なる部分を能動領域とし、
   前記振動板において、前記積層方向にみて、前記圧力室に重なり、かつ、前記能動領域とは異なる部分を非能動領域とし、
   前記振動板において、前記積層方向にみて、前記隔壁に重なる部分を固定領域としたとき、
   前記能動領域、前記非能動領域および前記固定領域にわたり、前記圧電体が連続して設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記振動板は、
   構成元素としてケイ素を含む第１層と、
   前記第１層と前記圧電体との間に配置され、構成元素としてジルコニウム以外の金属元素を含む第２層と、
   前記第２層と前記圧電体との間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、を含む、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２層は、構成元素としてジルコニウムよりも酸化され難い金属元素を含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより前記圧電体に分極処理を施す前の前記たわみ量を第１たわみ量とし、前記分極処理後の前記たわみ量を第２たわみ量としたとき、
   前記第２たわみ量に対する前記第１たわみ量の割合は、１０％以下である、
   ことを特徴とした請求項１または２の液体吐出ヘッド。
6. 前記第２たわみ量に対する前記第１たわみ量の割合は、０％以下である、
   ことを特徴とした請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第１電極、前記圧電体および前記第２電極がこの順で前記積層方向に積層されており、
   前記第２電極は、前記積層方向にみて前記圧力室および前記隔壁にわたり連続して設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１電極、前記圧電体および前記第２電極がこの順で前記積層方向に積層されており、
   前記第１電極は、前記積層方向にみて前記圧力室および前記隔壁にわたり連続して設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
9. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドと、
   前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部と、を備える、
   ことを特徴とする液体吐出装置。
10. 第１電極と圧電体と第２電極とを含む圧電素子と、
    液体を収容する圧力室を区画する隔壁を有する圧力室基板と、
    前記圧電体の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、
    前記圧力室に連通するノズルを有するノズル基板と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記ノズル基板、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子を形成する形成工程と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより前記圧電体に分極処理を施す分極処理工程と、をこの順で含み、
    前記ノズル基板、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、
    前記圧力室基板と前記振動板との界面を含む平面を基準面とし、
    前記圧力室と前記振動板との界面において、前記積層方向で前記基準面から最も離れた位置をたわみ位置とし、
    前記圧力室に液体を収容せず、かつ、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しない状態における前記基準面と前記たわみ位置との間の距離をたわみ量とし、
    前記形成工程後、かつ、前記分極処理工程よりも前の前記たわみ量を第１たわみ量とし、
    前記分極処理工程後の前記たわみ量を第２たわみ量としたとき、
    前記第２たわみ量に対する前記第１たわみ量の割合は、１０％以下である、
    ことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

Images