JP5463816B2 - 液滴噴射ヘッド、液滴噴射装置及び圧電アクチュエーター - Google Patents

Description

本発明は、液滴噴射ヘッド及び液滴噴射装置等に関する。

電圧を印加することにより変位する圧電素子を用いた液滴噴射ヘッドがある。液滴噴射ヘッドとしては、例えば、振動板を圧電アクチュエーターにより変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。液滴噴射ヘッドの振動板の材料としては、例えば酸化ジルコニウムが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９５９９４号公報

このような液体噴射ヘッドにおいて、振動板および圧電アクチュエーターは薄膜を積層した構造となっており、圧電アクチュエーターは、電圧の印加に伴い大きく変形する。このため、各層の界面における剥離を抑制することが重要である。

本発明のいくつかの態様に係る目的の一つは、振動板と圧電素子の電極との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子の歪みエネルギーを振動板の変形に効率よく使うことができる、液滴噴射ヘッド及び液滴噴射装置を提供することにある。

（１）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
第１振動板と、前記第１振動板上に形成された第２振動板と、前記第２振動板上に形成された第１導電層と、前記第１導電層上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２導電層と、を有する圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記第２振動板は、ヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である酸化ジルコニウムからなる。

このような液滴噴射ヘッドでは、振動板と圧電素子の電極との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子の歪みエネルギーを振動板の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッドが実現できる。

（２）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
前記第２振動板は、単斜晶及び正方晶を含む酸化ジルコニウムからなってもよい。

（３）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
前記第１振動板は、酸化シリコンからなってもよい。

このような液滴噴射ヘッドでは、第１振動板と第２振動板との密着性を高めて、界面剥離を抑制することができる。

（４）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
前記第１導電層は、白金からなってもよい。

（５）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
前記振動板は、正方晶を１％以下含んでもよい。

（６）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
前記振動板は、厚さ１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。

（７）本発明に係る液滴噴射ヘッドの態様の１つは、
この液滴噴射ヘッドでは、前記振動板を駆動する周波数は、２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下であってもよい。

（８）本発明に係る液滴噴射装置の態様の１つは、
これらのいずれかに記載された液滴噴射ヘッドを含む。

このような液滴噴射装置では、振動板と圧電素子の電極との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子の歪みエネルギーを振動板の変形に効率よく使うことができる液滴噴射装置が実現できる。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの要部を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの分解斜視図。 本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法を模式的に示す断面図。 アニール温度と振動板のヤング率との関係を示すグラフ。 振動板の駆動周波数と位相との関係を示すグラフ。 振動板をラマン分析した結果を示すグラフ。 本実施形態に係る液滴噴射装置を模式的に示す斜視図。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。また、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。

１．液滴噴射ヘッドの構成
本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド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。

液滴噴射ヘッド６００は、図１及び図２に示すように、ノズル孔６１２を有するノズル板６１０と、振動板２の変形により容積が変化する圧力室６２２を形成するための圧力室基板６２０と、圧電素子１００と、を含んでいる。さらに、液滴噴射ヘッド６００は、図２に示すように、筐体６３０を有することができる。なお、図２では、圧電素子１００を簡略化して図示している。

また、以下の例では、図１に示すように、圧力室６２２の上方に振動板２が形成され、振動板２の上方に振動板２を駆動する圧電素子１００が形成された液滴噴射ヘッド６００について説明する。

なお、本明細書における記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本明細書における記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。

圧力室基板６２０は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板とすることができる。圧力室基板６２０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。

振動板２は、可撓性を有し、圧電素子１００の動作によって変形（屈曲）することができる。ここで、振動板２が可撓性を有するとは、振動板２がたわむことができることを指す。振動板２のたわみは、吐出させる液体の体積と同程度に圧力室６２２の容積を変化させうる程度であれば十分である。また、振動板２は、第１振動板２ａと第２振動板２ｂとが積層されて構成されている。

本実施形態における第２振動板２ｂは、単斜晶及び正方晶を含む酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなり、ヤング率は、２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。ヤング率は、ＤＩＮ規格（ドイツ連邦規格）５０９９２−１に基づき、表面弾性波法を用いて測定した値である。後述するように、第２振動板２ｂのヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の範囲内とすることにより、振動板２と圧電素子１００の電極（第１導電層１０）との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子１００の歪みエネルギーを振動板２の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッドが実現できる。

第２振動板２ｂは、正方晶を１％以下含んでもよい。後述するように、正方晶を１％以下含んだ第２振動板２ｂを用いると、振動板２と圧電素子１００の電極（第１導電層１０）との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子１００の歪みエネルギーを振動板２の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッドが実現できる。

第２振動板２ｂは、厚さ１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。厚さ１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である振動板２を用いると、振動板と圧電素子の電極との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子の歪みエネルギーを振動板の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッドが実現できる。

なお、第２振動板２ｂの厚さが１０ｎｍよりも薄い場合、Ｚｒ膜の熱酸化時にＺｒの凝集によって、面内でＺｒ膜が分断、すなわちＺｒＯｘが形成されない領域が発生してしまう可能性がある。また、第２振動板２ｂの厚さが１０００ｎｍより厚いと、Ｚｒ膜の熱酸化時に酸素が膜内部まで浸透せず、膜厚方向で酸化度合いが不均一になってしまう可能性がある。

本実施形態における第１振動板２ａは、酸化シリコンで構成されている。これにより、第１振動板２ａと第２振動板２ｂとの密着性を高めて、界面剥離を抑制することができる。

本実施形態に係る圧電素子１００は、第１導電層１０と、第２導電層２０と、圧電体層３０と、を含む。

第１導電層１０は、第２振動板２ｂの上方に形成される。第１導電層１０の形状は、第２導電層２０と対向できる限り限定されないが、圧電素子１００を薄膜状にする場合には、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。この場合の第１導電層１０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第１導電層１０の平面的な形状についても、第２導電層２０が対向して配置されたときに両者の間に圧電体層３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。

第１導電層１０の機能の一つとしては、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）となることが挙げられる。第１導電層１０には、圧電体層３０を結晶化する際の結晶配向を制御する機能を持たせてもよい。

本実施形態における第１導電層１０は、白金で構成されている。第１導電層１０の材質としては、他にも例えば、ニッケル、イリジウムなどの各種の金属、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の複合酸化物（ＳｒＲｕＯ_ｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯ_ｘ：ＬＮＯ）などを例示することができる。第１導電層１０は、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。また、第１導電層１０と第２振動板２ｂとの間には、例えば、密着層等が形成されていてもよい。この場合の密着層としては、例えばチタン層などが挙げられる。

第２導電層２０は、第１導電層１０に対向して配置される。第２導電層２０は、全体が第１導電層１０と対向していてもよいし、一部が第１導電層１０に対向していてもよい。第２導電層２０の形状は、第１導電層１０と対向できる限り限定されないが、圧電素子１００を薄膜状にする場合には、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。この場合の第２導電層２０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第２導電層２０の平面的な形状についても、第１導電層１０に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。

第２導電層２０の機能の一つとしては、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の上に形成された上部電極）となることが挙げられる。第２導電層２０には、圧電体層３０を結晶化する際の結晶配向を制御する機能を持たせてもよい。第２導電層２０の材質は、上述の第１導電層１０と同様とすることができる。

図１は、第１導電層１０が第２導電層２０よりも平面的に大きく形成された例を示しているが、第２導電層２０の方が第１導電層１０よりも平面的に大きく形成されてもよい。この場合は、第２導電層２０は、圧電体層３０の側面に形成されてもよく、第２導電層２０に、水分や水素等から圧電体層３０を保護する機能を兼ねさせることができる。

圧電体層３０は、第１導電層１０及び第２導電層２０の間に配置される。圧電体層３０は、第１導電層１０及び第２導電層２０の少なくとも一方に接していてもよい。また、圧電体層３０と、第１導電層１０及び第２導電層２０の少なくとも一方と、の間には、他の層が形成されてもよい。この場合の他の層としては、例えば圧電体層３０の結晶の配向を制御するための配向制御層（例えばチタン層）などが挙げられる。

図示の例では、圧電体層３０は、第１導電層２０及び第２導電層２０に接して設けられている、圧電体層３０の厚さは、例えば、０．２μｍ以上５μｍ以下とすることができる。圧電体層３０の厚みがこの範囲を外れると、十分な変形（電気機械変換）が得られなくなる場合がある。

圧電体層３０は、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタン及び酸素を含む複合酸化物を含む。圧電体層３０に含まれる複合酸化物としては、一般式ＡＢＯ_３で示される酸化物（例えば、Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、Ｚｒ及びＴｉを含む。）が挙げられる。より具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）（以下これを「ＰＺＴ」と略記することがある）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）（以下これを「ＰＺＴＮ」と略記することがある。）などが挙げられる。このような複合酸化物は、いずれも式中、Ａサイトの酸化物とＢサイトの酸化物の固溶体を形成することができる。そして、このような複合酸化物は、結晶化により、ペロブスカイト型の結晶構造をとることができる。複合酸化物は、結晶化されて、ペロブスカイト型の結晶構造をとることにより、圧電性を呈することができる。これにより、圧電体層３０は、第１導電層１０及び第２導電層２０によって電界が印加されることで変形することができる（電気機械変換）。この変形によって、例えば基板１をたわませたり振動させたりすることができる。

ノズル板６１０は、図１及び図２に示すように、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、液体（インク等）が吐出されることができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。

圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上（図２の例では下）に設けられている。圧力室基板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。圧力室基板６２０がノズル板６１０と振動板２との間の空間を区画することにより、図２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と連通する圧力室６２２と、が設けられている。すなわち、リザーバー６２４、供給口６２６及び圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と振動板２とによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、基板１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内の液体（インク等）は、供給口６２６を介して、圧力室６２２に供給されることができる。

圧力室６２２は、振動板２の変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２から液体（インク等）が吐出される。振動板２に対して垂直に見た場合における圧力室６２２の大きさ及び形状は特に限定されないが、本実施形態の例では、３９μｍ×７００μｍの平行四辺形となっている。

圧電素子１００は、圧力室基板６２０上（図２の例では下）に設けられている。圧電素子１００は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子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。本実施形態の例では、圧電素子１００を駆動する周波数は、２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下となっている。駆動周波数を２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下とすると、比較的高速な液滴噴射ヘッドが実現できる。振動板２は、圧電素子１００の動作によって変形し、圧力室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２に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板６２０及び圧電素子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。

液滴噴射ヘッド６００は、上述したように、ヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となる第２振動板２ｂを含んでいる。ヤング率をこの範囲とすれば、第２振動板２ｂと第１導電層１０との界面の応力が第２振動板２ｂの変形に消費されるため、第２振動板２ｂと第１導電層１０との界面剥離を抑制することができる。また、ヤング率をこの範囲とすれば、圧電素子１００の歪みエネルギーを第１振動板２ａの変形に効率よく使うことができる。これにより、振動板２と圧電素子１００の電極（第１導電層１０）との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子１００の歪みエネルギーを振動板２の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッドを実現できる。

なお、ここでは、液滴噴射ヘッド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、本発明の液滴噴射ヘッドは、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．液滴噴射ヘッドの製造方法
以下、図面を参照して、本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法について説明する。

図３〜図６は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００の製造方法を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法は、図３〜図６に示すように、基板１の上方に形成される振動板２を形成する工程と、振動板２の上方に第１導電部１０を形成する工程と、第１導電部１０の上方に圧電体層３０を形成する工程と、圧電体層３０の上方に第２導電層２０を形成する工程と、基板１から圧力室基板６２０と圧力室６２２を形成する工程と、を含む。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法は、基板１及びノズル板６１０を形成するために用いられる材質として単結晶シリコン等を用いる場合と、ステンレス等を用いる場合とによって異なる。以下において、単結晶シリコンを用いた場合の液滴噴射ヘッドの製造方法を一例として記載する。本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの製造方法は、特に以下の製造方法に限定されず、ニッケルやステンレス鋼、ステンレス等を材料として用いる場合は、公知の電鋳法等の工程を含んでいてもよい。また、各工程の先後は、以下に記載の製造方法に限定されるものではない。

まず、図３（Ａ）に示すように、準備された単結晶シリコンからなる基板１の上に、振動板２を形成する。図３（Ａ）において、後述される製造工程において、基板１において圧力室６２２が形成される領域を領域６２２ａとする。振動板２は、公知の成膜技術によって形成される。例えば、単結晶シリコンである基板１を熱酸化することによって酸化シリコンからなる第１振動板２ａを形成した後に、第１振動板２ａの上に酸化ジルコニウムからなる第２振動板２ｂを形成することにより、振動板２を形成してもよい。

具体的には、まず、酸化シリコンからなる第１振動板２ａ上に、スパッタリング法等によりジルコニウム層を形成する。例えば、メタルのジルコニウムあるいはイットリウム等の添加物が加えられたターゲットをもちいて、基板−ターゲット間にＤＣパワーを印加することでジルコニウムが第１振動板２ａ上に堆積される。このとき基板加熱は無くても良いが、５００℃程度までの温度範囲で保持すると、Ｚｒの結晶性・緻密性が向上する。また例えば、ジルコニウム層の厚さは５ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。次に、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法等を用いてジルコニウム層を熱酸化させることにより、酸化ジルコニウムからなる第２振動板２ｂを形成する。例えば、ＲＴＡ温度を９００℃としてジルコニウム層を熱酸化させることができる。ＲＴＡの後に、酸化ジルコニウムからなる第２振動板２ｂを所定温度でさらにアニール処理を行うことで、酸化ジルコニウムからなる第２振動板２ｂの応力を調整するようにしてもよい。例えば、アニール温度を８００℃〜８５０℃としてアニール処理を行うことができる。

振動板２を形成した後に、図３（Ｂ）に示すように、振動板２の上方に第１導電層１０を形成する。ここで、第１導電層１０は、実施の形態に応じて所望の形状にパターニングされる。第１導電層１０は、公知の成膜技術によって形成されてもよい。例えば、第１導電層１０は、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法等により形成されることができる。また例えば、白金、イリジウム等をスパッタ法等によって積層することによって導電層を形成し、導電層を所定の形状にエッチングすることによって第１導電層１０を形成してもよい。また、第１導電層１０をパターニングする際に、同時に第１導電層１０に電気的に接続されるリード部を形成してもよい。

次に、図４（Ａ）に示すように、第１導電層１０を覆うように圧電体層３０ａを形成する。圧電体層３０ａをパターニングすることによって、圧電体層３０が形成される。詳細は後述される。圧電体層３０ａは、公知の成膜技術によって形成されてもよい。例えば、圧電体層３０ａは、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法、スパッタ法、レーザーアブレーション法等により形成されることができる。圧電体層３０ａは、例えば、公知の圧電材料である前駆体を第１導電層１０の上に塗布して加熱処理されて形成されてもよい。用いられる前駆体としては、加熱処理によって焼成した後、分極処理され、圧電特性を発生させるものであれば特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の前駆体を用いてもよい。

次に、図４（Ｂ）に示すように、圧電体層３０ａがエッチングによって所望の形状にパターニングされる前に、圧電体層３０ａを覆うように導電性を有するマスク層２０ａを形成してもよい。マスク層２０ａは、後述される第２導電層２０と同じ材料から形成された金属層である。マスク層２０ａを形成後、圧電体層３０ａがエッチングによりパターニングされ、圧電体層３０が所望の形成にパターニングされる。ここで、マスク層２０ａを形成することによって、マスク層２０ａがエッチング工程においてハードマスクとして作用するため、図４（Ｂ）に示すように圧電体層３０にテーパー状の側面を容易に形成することができる。

図５（Ａ）に示すように、マスク層２０ａを覆うように導電層２０ｂが形成される。導電層２０ｂは、第２導電層２０と同じ材料によって形成される。導電層２０ｂは、公知の成膜技術によって形成されてもよい。例えば、導電層２０ｂは、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法等により形成されることができる。例えば、白金、イリジウム等をスパッタ法等によって積層することによって導電層２０ｂを形成してもよい。マスク層２０ａと導電層２０ｂとは、第２導電層２０と同じ材料を用いているため、マスク層２１ｂと導電層２０ｂとを一体化することができる。なお、本実施形態においては、マスク層２０ａと導電層２０ｂとを同じ材料を用いて形成したが、マスク層２０ａと導電層２０ｂとを異なる材料を用いて形成してもよい。

次に、図５（Ｂ）に示すように、導電層２０ｂをエッチングによって所望の形状にパターニングし、第２導電層２０を形成する。ここで、第２導電層２０は、実施の形態に応じて所望の形状にパターニングされる。また、第２導電層２０をパターニングする際に、同時に第２導電層２０に電気的に接続されるリード部を形成してもよい。

次に、図６（Ａ）及び図２に示すように、封止領域６３２が形成された筐体６３０を圧電素子１００の上方より搭載する。ここで、圧電素子１００は、封止領域６３２内に封止されることができる。筐体６３０は、例えば、接着剤によって圧電素子１００を封止してもよい。次に、図６（Ｂ）に示すように、基板１を所定の厚みに薄くし、圧力室６２２などを区画する。例えば、所定の厚みを有した基板１に対し、所望の形状にパターニングされるようにマスクを振動板２が形成された面と反対の面に形成し、エッチング処理することによって、圧力室基板６２０、圧力室６２２、リザーバー６２４及び供給口６２６を区画する。以上によって、振動板２の下方に圧力室６２２を有した基板１を形成することができる。基板１を形成した後、図６（Ｃ）に示すように、ノズル孔６１２を有したノズル板６１０を、例えば接着剤等により所定の位置に接合する。これによって、ノズル孔６１２は、圧力室６２２と連通する。

以上のいずれかの方法により、液滴噴射ヘッド６００を製造することができる。なお、前述の通り、液滴噴射ヘッド６００の製造方法は、上述の製造方法に限定されずに、基板１及びノズル板６１０を、電鋳法等を用いて一体形成してもよい。

３．実験例
以下に、実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

３．１．ヤング率測定
本実験例においては、振動板２を以下の条件で形成し、各条件で形成された第２振動板２ｂのヤング率を測定した。

まず、酸化シリコンからなる第１振動板２ａ上に、スパッタリング法等によりジルコニウム層を形成した。次に、ＲＴＡ法を用いてジルコニウム層を熱酸化させることにより、酸化ジルコニウムからなる厚さ４００ｎｍの第２振動板２ｂを形成した。ＲＴＡ温度はいずれも９００℃とした。その後、酸化ジルコニウムからなる第２振動板２ｂをそれぞれ８００℃、８５０℃、９００℃でさらにアニール処理を行った。

本実験例においては、アニール温度の条件ごとに、ウエハーの中心部で形成した液滴噴射ヘッドのサンプルと、ウエハーの周辺部で形成した液滴噴射ヘッドのサンプルとについてそれぞれヤング率を測定した。ヤング率の測定は、ＤＩＮ規格（ドイツ連邦規格）５０９９２−１に基づき、表面弾性波法を用いて行った。表面弾性波法とは、試料表面にパルスレーザーを照射し、試料表面に励起された音波（表面弾性波）を圧電素子で検出し、検出した信号をフーリエ変換することにより分散曲線（周波数−位相速度曲線）を求め、この曲線を解析することによりヤング率を計算する方法である。本実験例においては、ＡＬＯｔｅｃ社製の超薄膜ヤング率測定装置（品名：ＬＡｗａｖｅ）を用いてヤング率を測定した。本実験例におけるヤング率の測定方法の概略は以下の通りである。

まず、Ｎ_２レーザーにより紫外線を振動板２の表面に照射し、振動板２表面の表面弾性波を検出した。各サンプルにつき、１点あたり３回の測定を行い、平均値を算出した。次に、振動板２表面の表面弾性波から分散曲線を求め、第１振動板２ａの寄与分を除き、第２振動板２ｂのヤング率を計算した。既知のパラメーターとして、酸化ジルコニウムの密度を２．３３ｇ／ｃｍ^３、ポアソン比を０．３３として、ヤング率を計算した。

図７は、アニール温度と第２振動板２ｂのヤング率との関係を示すグラフである。横軸はアニール温度、縦軸はヤング率を表す。

図７に示すように、アニール温度が８００℃のサンプルと８５０℃のサンプルでは、ウエハーの中心部のサンプルについても周辺部のサンプルについても、第２振動板２ｂのヤング率は２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の範囲に収まった。一方、アニール温度が９００℃のサンプルでは、ウエハーの中心部のサンプルについても周辺部のサンプルについても、第２振動板２ｂのヤング率は２７０ＧＰａを上回った。

３．２．周波数特性
次に、アニール温度の条件ごとに、第２振動板２ｂの周波数特性を測定した。本実験例においては、第２振動板２ｂの厚さは４００ｎｍ、第２振動板２ｂに対して垂直に見た場合における圧力室６２２の大きさ及び形状は３９μｍ×７００μｍの平行四辺形である。また、本実験例においては、第１導電層１０と第２導電層２０との間に最大１０Ｖ程度の直流バイアスを印加した状態で、５００ｍＶ程度の微小振幅の交流波によって容量を測定することにより周波数特性を測定した。

図８は、第２振動板２ｂの駆動周波数と位相との関係を示すグラフである。横軸は駆動周波数、縦軸は位相を表す。図８においては、位相が小さい（図８のグラフで上方に表される）ほど圧電素子１００の歪みエネルギーを効率よく使って第２振動板２ｂを変位させることができる。したがって、位相が小さいほど、第２振動板２ｂの変位量は大きく、液滴噴射ヘッド６００の液体吐出量も大きくなる。

本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００において、圧電素子１００を駆動する周波数は、２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下となっている。したがって、第２振動板２ｂの共振周波数がこの周波数範囲にあること、すなわち、この周波数範囲において位相が小さくなっていること（図８のグラフにおいてピークが現れること）が好ましい。

図８に示すように、第２振動板２ｂのヤング率が２４０ＧＰａとなるサンプルのデータ１００１と第２振動板２ｂのヤング率が２６５ＧＰａとなるサンプルのデータ１００２（すなわち、第２振動板２ｂのヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の範囲内であるサンプルのデータ）では、２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下の範囲内に位相が小さくなるピークが存在する。

したがって、第２振動板２ｂのヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の範囲内であれば、振動板２と圧電素子１００の電極（第１導電層１０）との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子１００の歪みエネルギーを振動板２の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッドが実現できる。

３．３．ラマン分析
次に、アニール温度の条件ごとに、第２振動板２ｂの結晶状態をラマン分析により観測した。測定条件としては、励起レーザーの波長は５１４．５ｎｍ、測定温度は４．２Ｋ、測定構成はバックスキャッタリング配置、対物レンズは５０倍、測定時間は２０分である。

図９は、第２振動板２ｂをラマン分析した結果を示すグラフである。横軸はラマンシフト値、縦軸はラマン強度を表す。

図９に示すように、アニール温度を８００℃としたサンプルのデータ２００１と８５０℃としたサンプルのデータ２００２（すなわち、第２振動板２ｂのヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の範囲内であるサンプルのデータ）では、ラマンシフト値が約２７０ｃｍ^−１となる付近にピークが存在する。一方、アニール温度を９００℃としたサンプルのデータ２００３では、ラマンシフト値が約２７０ｃｍ^−１となる付近にピークが存在しない。

酸化ジルコニウムは、常温においては単斜晶となる傾向があることが知られているが、ラマンシフト値が約２７０ｃｍ^−１となる付近にピークが存在することは、正方晶が混在していることを示す。よって、アニール温度を８００℃としたサンプルと８５０℃としたサンプル（すなわち、第２振動板２ｂのヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の範囲内であるサンプル）は、単斜晶及び正方晶を含んでいることが分かる。また、ラマンシフト値が約２７０ｃｍ^−１となる付近のピークにおけるラマン強度から、正方晶を１％以下含むことが分かる。

４．液滴噴射装置
次に、本実施形態に係る液滴噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態に係る液滴噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。液滴噴射装置７００は、本発明に係る液滴噴射ヘッドを有する。以下では、液滴噴射装置７００が上述の液滴噴射ヘッド６００を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。

液滴噴射装置７００は、図１０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。さらに、液滴噴射装置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、上述した液滴噴射ヘッド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、ヘッド及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。

制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０及び給紙部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及び駆動ローラー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及び給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。

液滴噴射装置７００は、振動板２と圧電素子１００の電極（第１導電層１０）との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子１００の歪みエネルギーを振動板２の変形に効率よく使うことができる液滴噴射ヘッド６００を有する。したがって、振動板２と圧電素子１００の電極（第１導電層１０）との界面剥離を抑制しつつ、圧電素子１００の歪みエネルギーを振動板２の変形に効率よく使うことができる液滴噴射装置７００を実現できる。

以上、本発明に係る液滴噴射装置の一例として、インクジェットプリンターについて説明したが、本発明に係る液滴噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明の液滴噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。

なお、上述した実施形態及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。例えば各実施形態及び各変形例は、複数を適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施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、２ 振動板、２ａ 第１振動板、２ｂ 第２振動板、１０ 第１導電層、２０ 第２導電層、２０ａ マスク層、２０ｂ 導電層、３０ 圧電体層、３０ａ 圧電体層、１００ 圧電素子、６００ 液滴噴射ヘッド、６１０ ノズル板、６１２ ノズル孔、６２０ 圧力室基板、６２２ 圧力室、６２２ａ 領域、６２４ リザーバー、６２６ 供給口、６２８ 貫通孔、６３０ 筐体、６３２ 封止領域、７００ 液滴噴射装置、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、１００１，１００２，２００１，２００２，２００３ データ

Claims (8)

1. 第１振動板と、前記第１振動板上に形成された第２振動板と、前記第２振動板上に形成された第１導電層と、前記第１導電層上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２導電層と、を有する圧電アクチュエーターを備えた液滴噴射ヘッドであって、
   前記第２振動板は、ヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である酸化ジルコニウムからなり、
   前記第２振動板の共振周波数は、２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下であることを特徴とする液滴噴射ヘッド。
2. 前記第２振動板は、単斜晶と正方晶とを含むことを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射ヘッド。
3. 前記第１振動板は、酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１及び２の何れかに記載の液滴噴射ヘッド。
4. 前記第１導電層は、白金からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の液滴噴射ヘッド。
5. 前記第２振動板は、正方晶を１％以下含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の液滴噴射ヘッド。
6. 前記振動板は、厚さ１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である請求項１乃至５の何れかに記載の液滴噴射ヘッド。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の液滴噴射ヘッドを具備することを特徴とする液滴噴射装置。
8. 第１振動板と、前記第１振動板上に形成された第２振動板と、前記第２振動板上に形成された第１導電層と、前記第１導電層上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２導電層と、を有する圧電アクチュエーターであって、
   前記第２振動板は、ヤング率が２３０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である酸化ジルコニウムからなり、
   前記第２振動板の共振周波数は、２．３８ＭＨｚ以上２．４２ＭＨｚ以下であることを特徴とする圧電アクチュエーター。