JP6150038B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイス - Google Patents

液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイス Download PDF

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Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイスに関する。
液体噴射ヘッドや超音波トランスデューサーに用いられる圧電素子としては、例えば、基板上に設けられた振動板と、振動板上に設けられた第１電極と、第１電極上に設けられた電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層と、圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備する。
このような圧電素子は、振動板の一部として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層を設けたものが知られている。そして、振動板に用いられる酸化ジルコニウム層は、スパッタリング法等の気相法によってジルコニウム層を形成した後、熱酸化することで形成する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１７６４３３号公報 特開２００９−２７２６４２号公報
しかしながら、気相法によって形成した酸化ジルコニウム層と、その下地となる膜や酸化ジルコニウム層の上に形成された膜との密着力が低く、信頼性が低下するという問題がある。
また、圧電体層に含まれる成分が、振動板や、振動板の下地等に拡散して、振動板や下地の剛性が低下してしまう虞があるという問題がある。
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドや超音波トランスデューサーに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電素子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、振動板を厚膜化することができると共に、圧電体層の成分の拡散を抑制し、密着性を向上した液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイス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、液体を噴射する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と、該流路形成基板上に設けられた振動板、該振動板上に設けられた第１電極、該第１電極上に設けられた圧電体層及び該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、前記振動板が、気相法によって設けられた金属酸化物からなる金属酸化層と、液相法によって設けられた酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層と、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、金属酸化層によって振動板を容易に厚膜化することができる。また、酸化ジルコニウム層によって酸化ジルコニウム層との上下の膜との密着力を向上することができる。さらに、酸化ジルコニウム層が、圧電体層に含まれる成分の拡散を抑制する拡散防止層として機能するため、酸化ジルコニウム層の圧電体層とは反対側に設けられた下地への圧電体層の成分の拡散を抑制することができる。
ここで、前記酸化ジルコニウム層が、前記流路形成基板側に設けられていることが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウム層と流路形成基板側との密着力を向上することができる。
また、前記酸化ジルコニウム層が、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、酸化ジルコニウム層が圧電体層や第１電極との密着力を向上すると共に、圧電体層に含まれる成分が振動板の全体に拡散す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層が、２つの前記金属酸化層の間に設けられていることが好ましい。これによれば、振動板をさらに厚膜化することができると共に、２つの金属酸化層同士の密着力を向上することができる。
また、前記振動板が、前記流路形成基板側に、前記金属酸化物とは異なる材料の酸化物で形成された酸化層をさらに具備していてもよい。
また、前記金属酸化物が、酸化ジルコニウム、酸化チタン、イットリア安定化ジルコニア及び酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種であってもよい。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様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。
かかる態様では、層間剥離等の破壊を抑制して信頼性を向上することができる液体噴射装置を実現できる。
さらに、本発明の他の態様は、振動板と、該振動板上に設けられた第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、前記振動板が、気相法によって設けられた金属酸化物からなる金属酸化層と、液相法によって設けられた酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層と、を具備することを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、金属酸化層によって振動板を容易に厚膜化することができる。また、酸化ジルコニウム層によって酸化ジルコニウム層との上下の膜との密着力を向上することができる。さらに、酸化ジルコニウム層が、圧電体層に含まれる成分の拡散を抑制する拡散防止層として機能するため、酸化ジルコニウム層の圧電体層とは反対側に設けられた下地への圧電体層の成分の拡散を抑制することができる。
また、本発明の他の態様は、少なくとも上記態様の圧電素子を具備することを特徴とする超音波トランスデューサーにある。
かかる態様では、金属酸化膜によって振動板を容易に厚膜化することができ、高周波駆動が可能となる。
さらに、本発明の他の態様は、開口を有する基板と、前記基板上に設けられた上記態様の超音波トランスデューサーと、を具備することを特徴とする超音波デバイスにある。
かかる態様では、高周波駆動が可能な超音波デバイスを実現できる。
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に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 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に係る酸化ジルコニウムのＳＥＭ画像である。 本発明の実施形態１に係る酸化ジルコニウムの拡散を示す図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る振動板の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録装置の概略図である。 本発明の実施形態２に係る超音波デバイスの平面図及び断面図である。
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の一例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、インクジェット式記録ヘッドの平面図及びＡ−Ａ′線断面図であり、図３は、第１の方向Ｘの要部を拡大した断面図である。
図示するように、本実施形態の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Ｉが備える流路形成基板１０には、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口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が第１の方向Ｘに沿って形成された圧力発生室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。
また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端部側、すなわち第１の方向Ｘに直交する第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。
流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。すなわち、ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。
流路形成基板１０の他方面側には、振動板５０が形成されている。本実施形態に係る振動板５０は、図３に示すように、流路形成基板１０上に形成された酸化物からなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯＸ）からなる酸化ジルコニウム層５２と、酸化ジルコニウム層５２上に気相法によって形成された金属酸化物からなる金属酸化層５３と、を具備する。
酸化層５１としては、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等を用いることができる。なお、本実施形態では、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面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等の液体流路の他方面は、酸化層５１によって構成されている。このため、振動板５０の流路形成基板１０側には、圧電体層７０の形成時の温度（一般に５００℃以上）に耐えうることが必須であるほか、シリコンウェハーを流路形成基板１０に用いて、且つ圧力発生室１２等の流路を形成する際に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）による異方性エッチングを用いる場合、振動板（積層の場合、シリコンウェハー側）はエッチングストップ層として機能することが必要である。このため、酸化シリコンである酸化層５１を設けるのが好ましいが、もちろん、流路の形状や製造方法等によっては、酸化層５１を設けずに、流路形成基板１０上に直接酸化ジルコニウム層５２を設けるようにしてもよい。
酸化ジルコニウム層５２は、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる。すなわち、振動板５０には、液相法によって形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる酸化ジルコニウム層５２が基板（流路形成基板１０）側に設けられている。
このように液相法で形成された酸化ジルコニウム層５２は、気相法で形成されたものと比較して極めて緻密であり、下地（酸化層５１）や、この上に設けられた層（金属酸化層５３）との密着性が向上する。
なお、液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２の結晶状態は、粒状の結晶粒からなる場合と、柱状又は柱状に近い結晶状態となる場合があり、何れの結晶状態でもよい。しかしながら、粒状の結晶状態の方がより緻密なものとなるので、密着性を考慮すると粒状の結晶状態のものの方が好ましい。
金属酸化層５３は、酸化ジルコニウム層５２上にスパッタリング法、ＣＶＤ法（化学蒸着法）等の気相法によって形成された金属酸化物からなる。また、本実施形態では、詳しくは後述するが、振動板５０側に設けられた第１電極６０が能動部毎に電気的に独立した個別電極となっている。このため、複数の能動部を振動板５０が電気的に接続すると、圧電素子３００を駆動することができなくなってしまう。したがって、金属酸化層５３は、絶縁性を有する材料を用いるのが好ましい。このような金属酸化層５３の材料としては、金属酸化物で且つ絶縁性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯＸ）、酸化チタン（ＴｉＯＸ）、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）等を用いることができる。本実施形態では、金属酸化層５３として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を用いた。このように、酸化ジルコニウム層５２及び金属酸化層５３として、酸化ジルコニウムを用いることで、従来のように酸化層と気相法によって形成された金属酸化層５３とだけで構成される振動板を用いた圧電素子３００と同じ変位特性とすることができる。つまり、液相法で形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２と、気相法で形成された酸化ジルコニウムからなる金属酸化層５３とは、材料が同じことから物性が似ているため、酸化ジルコニウム層５２と金属酸化層５３とを積層した場合であっても、金属酸化層５３だけを設けた場合と同じ特性、すなわち、剛性や靭性などを得ることができる。したがって、振動板５０として、酸化層５１、酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２及び酸化ジルコニウムからなる金属酸化層５３を用いることで、従来の酸化ジルコニウム及び金属酸化層５３のみで構成された圧電素子に対して、流路や圧電素子３００の各層の設計を変更することがないため、容易に実現することができる。
なお、気相法によって形成された金属酸化層５３は、結晶状態が柱状となっている。そして、このように気相法によって金属酸化層５３を形成することで、振動板５０の厚さを厚くすることができる。つまり、気相法によれば、液相法に比べて膜厚を厚く形成するのが容易なため、液相法で形成した酸化ジルコニウム層５２だけで振動板５０を構成するのに比べて、気相法で形成した金属酸化層５３を有することで、振動板５０の厚さを容易に厚くすることができる。ただし、気相法であっても、厚さを厚くし過ぎると、表面が荒れてしまう。
このように、振動板５０を流路形成基板１０側に設けられた酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウム層５２と、酸化ジルコニウム層５２上に気相法によって形成された金属酸化層５３とで構成することで、振動板５０の厚さを厚くすることができると共に、酸化ジルコニウム層５２と酸化層５１及び金属酸化層５３との密着性を向上して、剥離を抑制することができる。
また、酸化ジルコニウム層５２を設けることで、詳しくは後述する圧電体層７０に含まれる鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）などの成分が、酸化ジルコニウム層５２よりも下、つまり流路形成基板１０側に拡散するのを抑制することができる。すなわち、酸化ジルコニウム層５２を設けることで、圧電体層７０に含まれる成分が酸化層５１や流路形成基板１０に拡散するのを抑制して、酸化層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。ちなみに、本実施形態では、金属酸化層５３として気相法によって形成した酸化ジルコニウムを用いたため、金属酸化層５３も圧電体層７０の成分が流路形成基板１０側に拡散する拡散防止層として機能する。
ここで、液相法によって形成した酸化ジルコニウムと、気相法によって形成した酸化ジルコニウムとの表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果を図４に示す。
図４（ａ）に示すように、液相法によって形成した酸化ジルコニウムは、粒状の結晶となっている。これに対して、図４（ｂ）に示すように、気相法によって形成した酸化ジルコニウムは、下地側から圧電体層７０側に向かって形成された柱状の結晶となっている。
このため、図５（ａ）に示すように、液相法によって形成した粒状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムの場合、圧電体層７０側から当該圧電体層７０に含まれる鉛やビスマスなどの成分が拡散しようとしても、複雑な結晶粒界を通る必要があるため、柱状結晶の酸化ジルコニウムに比べて拡散し難い。
これに対して、図５（ｂ）に示すように、気相法によって形成した柱状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムの場合、圧電体層７０に含まれる鉛やビスマスなどの成分は、比較的直線状に設けられた境界を通って下地側（流路形成基板１０側）に拡散しようとするため、粒状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムに比べて鉛やビスマスなどが拡散し易いと考えられる。もちろん、柱状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムであっても、圧電体層７０に含まれる成分の拡散を抑制することができるが、粒状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムの方が拡散防止層としてさらに優れたものとなる。
また、振動板５０の流路形成基板１０側に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２を設けることで、酸化ジルコニウム層５２の下地である酸化層５１及び金属酸化層５３との密着性を向上して、剥離等の発生を抑制することができる。
ここで、酸化シリコン上に液相法によって形成した酸化ジルコニウムと、気相法によって形成した酸化ジルコニウムとについてスクラッチ試験機によって酸化シリコンと酸化ジルコニウムとの密着力を測定した。
この結果、気相法によって形成した酸化ジルコニウムでは３００〜６００ｍＮとなったのに対し、液相法によって形成した酸化ジルコニウムでは、１０００ｍＮ以上（測定限界）となった。この結果からも分かるように、液相法では、酸化シリコンと酸化ジルコニウムとが科学的な結合となるため、密着強度が高くなるものと考えられる。
したがって、液相法によって形成した酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２を設けることで、酸化ジルコニウム層５２の下地である酸化層５１との密着力を向上して、剥離等の不具合を抑制することができる。また、酸化ジルコニウム層５２と、酸化ジルコニウム層５２上に気相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる金属酸化層５３との密着力も向上することができ、酸化ジルコニウム層５２と金属酸化層５３との剥離等の不具合も抑制することができる。
振動板５０上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが形成されている。本実施形態では、振動板５０、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０で圧電素子３００が構成されている。この基板（流路形成基板１０）上に変形可能に設けられた圧電素子３００が本実施形態の圧電アクチュエーターとなる。
ここで、圧電素子３００を構成する第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられ、後述する能動部３１０毎に電気的に独立する個別電極を構成する。そして第１電極６０は、圧力発生室１２の第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。また、第２の方向Ｙにおいて、第１電極６０の両端部は、それぞれ圧力発生室１２の外側まで延設されている。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、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。圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広い。このため、圧力発生室１２の第２の方向Ｙでは、圧電体層７０は圧力発生室１２の外側まで設けられている。
圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側（本実施形態では、インク供給路側）における圧電体層７０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。圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における圧電体層７０の端部は、第１電極６０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。
なお、圧電体層７０の外側まで延設された第１電極６０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。図示は省略するが、このリード電極９０は、駆動回路等に繋がる接続配線が接続される端子部を構成する。
また、圧電体層７０には、各隔壁１１に対向する凹部７１が形成されている。この凹部７１の第１の方向Ｘの幅は、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。これにより、振動板５０の圧力発生室１２の幅方向端部に対向する部分（いわゆる振動板５０の腕部）の剛性が抑えられるため、圧電素子３００を良好に変位させることができる。
圧電体層７０としては、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）が挙げられる。圧電体層７０の材料としては、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含むもの、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができる。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、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）Ｏ３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。
また、圧電体層７０は、鉛を含まない非鉛系圧電材料、例えば、鉄酸ビスマスや鉄酸マンガン酸ビスマスと、チタン酸バリウムやチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物などとしてもよい。
圧電体層７０は、詳しくは後述するが、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。なお、本実施形態では、圧電体層７０の形成時の内部応力は引張応力となっている。
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、複数の能動部３１０に共通する共通電極を構成する。
第２電極８０としては、圧電体層７０との界面を良好に形成できること、絶縁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。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。
このような第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対側の面と、凹部７１の内面、つまり、圧電体層７０の側面と、振動板５０上とに亘って連続して設けられている。
また、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端側（インク供給路側）における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。つまり、圧電体層７０の第２の方向Ｙの端部は、第２電極８０よりも外側に突出して設けられている。
このような構成の圧電素子３００は、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極６０，８０の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。そして、両電極６０，８０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能動部３１０と称する。これに対して、圧電体層７０に圧電歪みが生じない部分を非能動部と称する。また、圧電体層７０に圧電歪みが生じる能動部３１０において、圧力発生室１２に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室１２の外側の部分を非可撓部と称する。
本実施形態では、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の全てが圧力発生室１２の第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部３１０が圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部３１０のうち圧電素子３００の圧力発生室１２に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部となっている。
ここで、本実施形態では、図２に示すように、能動部３１０の第２の方向Ｙの端部は、第２電極８０によって規定されており、且つ能動部３１０の第２の方向Ｙの端部は、圧力発生室１２に相対向する領域の外側、すなわち、非可撓部に設けられている。
そして、能動部３１０の第２の方向Ｙの外側、本実施形態では、インク供給路１３とは反対側には、第２電極８０が設けられていない非能動部が配置されている。
このような圧電素子３００では、第２電極８０が、圧電体層７０を覆っているため、第１電極６０と第２電極８０との間で電流がリークすることがなく、圧電素子３００の破壊を抑制することができる。ちなみに、第１電極６０と第２電極８０とが近接した状態で露出されていると、圧電体層７０の表面を電流がリークし、圧電体層７０が破壊されてしまう。ちなみに、第１電極６０と第２電極８０とが露出されていても距離が近くなければ、電流のリークは発生しない。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、図１及び図２に示すように、圧電素子３００を保護する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。
保護基板３０には、圧電素子３００を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部３１が設けられている。また保護基板３０には、マニホールド１００の一部を構成するマニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２は、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１５と連通している。また保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。各能動部３１０の第１電極６０に接続されたリード電極９０は、この貫通孔３３内に露出しており、図示しない駆動回路に接続される接続配線の一端が、この貫通孔３３内でリード電極９０に接続されている。
保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２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開口部４３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４１のみで封止されている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加する。これにより圧電素子３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力発生室１２内の圧力が高まり、各ノズル開口２１からインク滴が噴射される。
ここで、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。なお、図６〜図９は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
まず、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に振動板５０を形成する。具体的には、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化することによって、二酸化シリコンからなる酸化層５１を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、酸化層５１上に液相法によって酸化ジルコニウム（ＺｒＯＸ）からなる酸化ジルコニウム層５２を形成する。
より詳細には、まず、カルボン酸に、金属アルコキシド又は金属カルボン酸塩と増粘剤を加え、その後、水（Ｈ２Ｏ）を加えて、約７０℃で約２時間の加熱攪拌を行い、均一で透明な前駆体溶液を得る。この前駆体溶液をスピンコート法により、回転数１４００ｒｐｍで基板に塗布する（塗布工程）。次に、この基板に塗布された溶液を１６０℃〜２００℃に加熱して、約５分間乾燥し、乾燥膜を得る（乾燥工程）。そして、この乾燥膜を３７５℃〜４１５℃に加熱して、約５分間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。なお、ここで言う脱脂とは、乾燥膜に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。より厚い酸化ジルコニウム層５２を得たい場合は、脱脂工程後に、最初の塗布工程に戻り、次いで乾燥工程及び脱脂工程を繰り返し行ってもよい。この脱脂工程の後、乾燥膜を７５０℃〜８５０℃に加熱して約１０秒間〜３分間保持することによって結晶化させる（仮焼成工程）。なお、仮焼成工程においては、加熱時間が長いと表面が荒れ、焼成界面のボイドが発生し、エッチングできなくなる虞がある。このため、仮焼成工程はなるべく短時間が好ましい。さらに厚い酸化ジルコニウム層５２を得たい場合は、この仮焼成工程の後に、最初の塗布工程に戻り、次いで乾燥工程、脱脂工程及び仮焼成工程を繰り返し行ってもよい。そして、仮焼成工程の後、８００℃〜９５０℃に加熱して約１時間保持することによって、酸化ジルコニウム層５２を形成する（本焼成工程）。なお、乾燥工程、脱脂工程、仮焼成工程及び本焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。
このように液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２は、上述のように柱状の結晶構造を有する。
次に、図６（ｃ）に示すように、酸化ジルコニウム層５２上に金属酸化層５３を気相法によって形成する。具体的には、ジルコニウム（Ｚｒ）をスパッタリング法によって成膜した後、ジルコニウムを８００℃に加熱して約１０秒間保持することによって結晶化させる（仮焼成工程）。そして、仮焼成工程の後、８５０℃に加熱して約１時間保持することによって、酸化ジルコニウムからなる金属酸化層５３を形成する（本焼成工程）。
このように気相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる金属酸化層５３は、柱状の結晶構造となる。
これにより、流路形成基板１０側（流路形成基板用ウェハー１１０側）から酸化層５１、酸化ジルコニウム層５２及び金属酸化層５３が積層された振動板５０が形成される。このように形成された振動板５０（積層膜の場合、電極形成側）は、絶縁体であること、かつ圧電体層７０の形成時の温度（一般に５００℃以上）に耐えうることが必須であるほか、シリコンウェハーを流路形成基板１０に用いて、且つ圧力発生室１２等の流路を形成する際に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）による異方性エッチングを用いる場合、振動板（積層の場合、シリコンウェハー側）はエッチングストップ層として機能することが必要である。また、振動板５０の一部に二酸化シリコンを使用した場合、圧電体層７０に含まれる鉛やビスマスなどが二酸化シリコンに拡散すると、二酸化シリコンが変質し、上層の電極や圧電体層７０が剥離する。このため、二酸化シリコンへの拡散防止層も必要となる。本実施形態では、酸化ジルコニウム層５２及び金属酸化層５３が拡散防止層として機能する。特に、液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２は、圧電体層７０に含まれる鉛やビスマスなどの成分の拡散を抑制する拡散防止層として高く機能する。
なお、本実施形態のように、二酸化シリコンと酸化ジルコニウムとを積層した振動板５０は、それぞれの材料が圧電体層７０を形成する際の温度に耐えて且つ、二酸化シリコンが絶縁層とエッチングストップ層を、酸化ジルコニウムが絶縁層と拡散防止層として機能するため、最も好適である。
次いで、図７（ａ）に示すように、振動板５０上の全面に第１電極６０を形成する。この第１電極６０の材料は特に限定されないが、圧電体層７０を形成する際の熱処理（一般に５００℃以上）時の酸化または圧電体層７０に含まれる材料の拡散などによって導電性を消失しない材料であることが必須である。このため、第１電極６０の材料としては高温でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料が好適に用いられる。また、第１電極６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。また、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。密着層の成膜方法は、電極材料と同様である。また、電極表面（圧電体層７０の成膜側）に圧電体層７０の結晶成長を制御するための制御層を形成してもよい。本実施形態では、圧電体層７０（ＰＺＴ）の結晶制御としてチタンを使用している。チタンは、圧電体層７０の成膜時に圧電体層７０内に取り込まれるため、圧電体層７０形成後には膜として存在していない。結晶制御層としては、ランタンニッケル酸化物などのペロブスカイト型結晶構造の導電性酸化物などを使用してもよい。結晶制御層の成膜方法は、電極材料と同様である。なお、絶縁性の結晶制御層は、圧電体層７０形成後、圧電体層７０と第１電極６０との間に存在しないことが望ましい。これは、結晶制御層と圧電体層７０のコンデンサの直列接続になるため、圧電体層７０に印加される電界が低下するためである。本実施形態のように、配向制御層としてチタンを用いることで、本来であれば酸化物（絶縁体）になる熱処理を受けるが、圧電体層７０中に取り込まれるため膜として存在しない。
次に、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層７０は液相法、気相法の何れで形成してもよい。本実施形態では、複数層の圧電体膜７４を積層することで圧電体層７０を形成するようにした。
具体的には、図７（ｂ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７４を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４を同時にパターニングする。なお、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
ここで、例えば、第１電極６０をパターニングしてから１層目の圧電体膜７４を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして第１電極６０をパターニングするため、第１電極６０の表面や、表面に設けた図示しないチタン等の結晶種層などが変質してしまう。そうすると変質した面上に圧電体膜７４を形成しても当該圧電体膜７４の結晶性が良好なものではなくなり、２層目以降の圧電体膜７４も１層目の圧電体膜７４の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体層７０を形成することができない。
それに比べ、１層目の圧電体膜７４を形成した後に第１電極６０と同時にパターニングすれば、１層目の圧電体膜７４はチタン等の結晶種に比べて２層目以降の圧電体膜７４を良好に結晶成長させる種（シード）としても性質が強く、たとえパターニングで表層に極薄い変質層が形成されていても２層目以降の圧電体膜７４の結晶成長に大きな影響を与えない。
なお、２層目の圧電体膜７４を成膜する前に露出した振動板５０上に、２層目以降の圧電体膜７４を成膜するときに、結晶制御層（中間結晶制御層）を用いてもよい。本実施形態では、中間結晶制御層としてチタンを用いるようにした。このチタンからなる中間結晶制御層は、第１電極６０上に形成する結晶制御層のチタンと同様に、圧電体膜７４を成膜する際に圧電体膜７４に取り込まれる。ちなみに、中間結晶制御層は、中間電極または直列接続されるコンデンサの誘電体となってしまった場合、圧電特性の低下を引き起こす。このため、中間結晶制御層は、圧電体膜７４（圧電体層７０）に取り込まれ、圧電体層７０の成膜後に膜として残らないものが望ましい。
次に、図７（ｃ）に示すように、２層目以降の圧電体膜７４を積層することにより、複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。
ちなみに、２層目以降の圧電体膜７４は、振動板５０上、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４の側面上、及び１層目の圧電体膜７４上に亘って連続して形成される。
このように圧電体層７０を形成した際に、圧電体層７０に含まれる成分、例えば、鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）の拡散は、酸化ジルコニウム層５２によって抑制される。
次に、図８（ａ）に示すように、圧電体層７０を各圧力発生室１２に対応してパターニングする。本実施形態では、圧電体層７０上に所定形状のマスク（図示なし）を設け、このマスクを介して圧電体層７０をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。なお、圧電体層７０のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングであっても、エッチング液を用いたウェットエッチングであってもよい。
次に、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面側（圧電体層７０が形成された面側）に亘って、圧電体層７０のパターニングした側面上、振動板５０上、及び第１電極６０上等に亘って第２電極８０を形成する。
次に、図示しないが、リード電極９０を形成すると共に所定形状にパターニングする（図２参照）。
次に、図９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５（図２参照）を介して接合した後、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。
次いで、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜５５を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図９（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５５を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５等を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー１１０の保護基板用ウェハー１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハー１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
なお、本実施形態では、振動板５０の流路形成基板１０側に液相法によって形成された酸化ジルコニウム層５２を設け、圧電体層７０側に気相法によって形成された金属酸化層５３を設けるようにしたが、特にこれに限定されるものではない。ここで、振動板の変形例について図１０〜図１６を参照して説明する。
図１０に示すように、振動板５０は、流路形成基板１０側に設けられた酸化物、本実施形態では、酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に気相法によって形成された金属酸化物からなる金属酸化層５３と、金属酸化層５３上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２と、を具備する。なお、金属酸化層５３を構成する金属酸化物は、上述した実施形態１と同様の材料を用いることができる。
このように振動板５０に金属酸化層５３を設けることで、振動板５０を容易に厚く形成することができる。また、振動板５０の圧電体層７０側の最上層に酸化ジルコニウム層５２を設けることで、振動板５０と第１電極６０及び圧電体層７０との密着力を向上することができる。また、振動板５０の圧電体層７０側の最上層に酸化ジルコニウム層５２を設けることで、圧電体層７０に含まれる成分が、金属酸化層５３や酸化層５１、流路形成基板１０等に拡散するのをさらに確実に抑制することができる。すなわち、金属酸化層５３が、圧電体層７０側に配置されていると、圧電体層７０に含まれる成分が金属酸化層５３に拡散し、金属酸化層５３が変質してしまう虞があるが、液相法によって形成された酸化ジルコニウム層５２を圧電体層７０側に配置することで、酸化ジルコニウム層５２が金属酸化層５３に圧電体層７０に含まれる成分の拡散を抑制することができ、金属酸化層５３が変質するのを抑制することができる。したがって、金属酸化層５３として、圧電体層７０の成分が拡散し易い材料を用いることも可能となる。
図１１に示すように、振動板５０は、流路形成基板１０側に設けられた酸化物、本実施形態では、酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第１金属酸化層５３Ａと、第１金属酸化層５３Ａ上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層５２と、酸化ジルコニウム層５２上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第２金属酸化層５３Ｂと、を具備する。なお、第１金属酸化層５３Ａ、第２金属酸化層５３Ｂを構成する金属酸化物は、上述した実施形態１の金属酸化層５３と同様の材料を用いることができる。
このように振動板５０に第１金属酸化層５３Ａ、第２金属酸化層５３Ｂを設けることで、振動板５０をさらに容易に厚く形成することができる。ちなみに、上述したように気相法によって酸化ジルコニウムを厚く形成すると、表面が荒れてしまい、その後に形成する膜（第１電極６０や圧電体層７０）に悪影響を及ぼしてしまう。図１１に示す構成では、気相法による成膜を２回に分けて、第１金属酸化層５３Ａと、第２金属酸化層５３Ｂと形成するようにしたため、振動板５０の表面が荒れることなく振動板５０を厚膜化することが可能となる。
また、液相法によって形成された酸化ジルコニウム層５２を第１金属酸化層５３Ａと第２金属酸化層５３Ｂとの間に設けることで、第１金属酸化層５３Ａと第２金属酸化層５３Ｂとの密着力を向上して、剥離が発生するのを抑制することができる。
さらに、酸化ジルコニウム層５２を設けることで、第１金属酸化層５３Ａ、酸化層５１及び流路形成基板１０に圧電体層７０に含まれる成分が拡散するのを抑制することができる。
図１２に示すように、振動板５０は、流路形成基板１０側に設けられた酸化物、本実施形態では、酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第１金属酸化層５３Ａと、第１金属酸化層５３Ａ上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層５２Ａと、酸化ジルコニウム層５２上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第２金属酸化層５３Ｂと、第２金属酸化層５３Ｂ上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第２酸化ジルコニウム層５２Ｂと、を具備する。なお、第１金属酸化層５３Ａ、第２金属酸化層５３Ｂを構成する金属酸化物は、上述した実施形態１の金属酸化層５３と同様の材料を用いることができる。
すなわち、図１２の構成では、図１１の構成に加えて、圧電体層７０側にさらに液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けるようにしたものである。これにより、図１１と同様の効果に加えて、さらに第２酸化ジルコニウム層５２Ｂによって、第２金属酸化層５３Ｂと第１電極６０及び圧電体層７０との密着性を向上することができる。また、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けることで、その下の流路形成基板１０、酸化層５１、第１金属酸化層５３Ａ、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ及び第２金属酸化層５３Ｂに圧電体層７０の成分が拡散するのを抑制することができる。
また、図１３に示すように、振動板５０は、流路形成基板１０側に設けられた酸化物、本実施形態では、酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層５２Ａと、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ上に気相法によって形成された金属酸化物からなる金属酸化層５３と、金属酸化層５３上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第２酸化ジルコニウム層５２Ｂと、を具備する。なお、金属酸化層５３を構成する金属酸化物は、上述した実施形態１の金属酸化層５３と同様の材料を用いることができる。
振動板５０に金属酸化層５３を設けることで、当該振動板５０を厚く形成することができる。また、第１酸化ジルコニウム層５２Ａを設けることで、酸化層５１と金属酸化層５３との密着力を向上することができる。さらに、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けることで、金属酸化層５３と第１電極６０及び圧電体層７０との密着力を向上することができる。さらに、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを圧電体層７０側の最上層に設けることで、圧電体層７０に含まれる成分が第２酸化ジルコニウム層５２Ｂの下地側に拡散するのを抑制することができる。つまり、図１３に示す構成の振動板５０は、最も各層の密着力を高めて剥離を抑制することができると共に、圧電体層７０に含まれる成分の拡散を最も抑制することができるものである。
図１４に示すように、振動板５０は、流路形成基板１０側に設けられた酸化物、本実施形態では、酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層５２Ａと、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第１金属酸化層５３Ａと、第１金属酸化層５３Ａ上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第２酸化ジルコニウム層５２Ｂと、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂ上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第２金属酸化層５３Ｂと、を具備する。なお、第１金属酸化層５３Ａ、第２金属酸化層５３Ｂを構成する金属酸化物は、上述した実施形態１の金属酸化層５３と同様の材料を用いることができる。
このように振動板５０に、第１金属酸化層５３Ａ及び第２金属酸化層５３Ｂを設けることで、振動板５０の表面が荒れることなく、振動板５０をさらに容易に厚く形成することができる。また、第１酸化ジルコニウム層５２Ａを設けることで、酸化層５１と第１金属酸化層５３Ａとの密着力を向上することができる。さらに、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けることで、第１金属酸化層５３Ａと第２金属酸化層５３Ｂとの密着力を向上することができる。さらに、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けることで、圧電体層７０に含まれる成分が第２酸化ジルコニウム層５２Ｂの下地側に拡散するのを抑制することができる。また、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ及び第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けることで、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂの下地側に圧電体層７０に含まれる成分が拡散するのをさらに抑制することができる。
図１５に示すように、振動板５０は、流路形成基板１０側に設けられた酸化物、本実施形態では、酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層５２Ａと、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第１金属酸化層５３Ａと、第１金属酸化層５３Ａ上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第２酸化ジルコニウム層５２Ｂと、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂ上に気相法によって形成された金属酸化物からなる第２金属酸化層５３Ｂと、第２金属酸化層５３Ｂ上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第３酸化ジルコニウム層５２Ｃと、を具備する。なお、第１金属酸化層５３Ａ、第２金属酸化層５３Ｂを構成する金属酸化物は、上述した実施形態１の金属酸化層５３と同様の材料を用いることができる。
このように振動板５０に、第１金属酸化層５３Ａ及び第２金属酸化層５３Ｂを設けることで、振動板５０の表面が荒れることなく、振動板５０をさらに容易に厚く形成することができる。また、第１酸化ジルコニウム層５２Ａを設けることで、酸化層５１と第１金属酸化層５３Ａとの密着力を向上することができる。さらに、第２酸化ジルコニウム層５２Ｂを設けることで、第１金属酸化層５３Ａと第２金属酸化層５３Ｂとの密着力を向上することができる。さらに、第３酸化ジルコニウム層５２Ｃを設けることで、振動板５０と第１電極６０及び圧電体層７０との密着力を向上することができる。
また、第３酸化ジルコニウム層５２Ｃを圧電体層７０側の最上層に設けることで、圧電体層７０に含まれる成分が第３酸化ジルコニウム層５２Ｃの下地側に拡散するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、振動板５０の酸化層５１、酸化ジルコニウム層５２及び金属酸化層５３を、流路形成基板１０（基板１０）の一方面側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、酸化ジルコニウム層５２及び金属酸化層５３は、少なくとも圧電体層７０の下に設けられていればよい。具体的には、図１６に示すように、振動板５０は、酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層５２Ａと、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ上に気相法によって設けられた金属酸化物からなる金属酸化層５３と、金属酸化層５３上に液相法によって形成された酸化ジルコニウムからなる第２酸化ジルコニウム層５２Ｂと、を具備する。
そして、酸化層５１は、流路形成基板１０の一方面側に亘って連続して設けられている。一方、第１酸化ジルコニウム層５２Ａ、金属酸化層５３及び第２酸化ジルコニウム層５２Ｂは、圧電体層７０と酸化層５１との間のみに選択的に形成されている。このような構成であっても、振動板５０は、酸化ジルコニウム層と金属酸化層５３とを有すると言え、上述した図１３と同様の効果を奏することができる。ちなみに、図１６のように、振動板５０の一部を切り欠く構成は、上述した本実施形態の何れの構成にも適用することができる。
また、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図１７に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載される。インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１は、インク供給手段を構成するインクカートリッジ２が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット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に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。
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、記録ヘッドユニット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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
そして本発明では、上述のようにインクジェット式記録ヘッドＩを構成する圧電素子３００の破壊を抑制しつつ噴射特性の均一化を図ることができる。結果として、印刷品質を向上し耐久性を高めたインクジェット式記録装置ＩＩを実現することができる。
なお、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩとして、インクジェット式記録ヘッドＩ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、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置ＩＩは、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩを固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。
また、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩは、液体貯留手段であるインクカートリッジ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貯留手段を装置本体４に固定して、貯留手段とインクジェット式記録ヘッドＩとをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留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。
（実施形態２）
以下、本発明の一実施形態である超音波トランスデューサー及び超音波トランスデューサーを搭載する超音波デバイスについて説明する。なお、以下の説明する本実施形態は、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く、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であることとは限らない。また、上述した実施形態１と同一の部材には同一の符号をつけて重複する説明は省略する。
本実施形態においては、超音波の発信と受信は圧電効果を利用する電気音響変換器を用いて行われる。係る電気音響変換器は、圧電素子であり、超音波発信時には電気エネルギーを機械エネルギーに変換（逆圧電効果）を利用し、圧電体層の収縮と伸長による変化は、振動板を振動させるように励起させることによって超音波を発信する。従ってこの場合は、圧電素子は発信用超音波トランスデューサーである。
更に被検出体から反射された超音波を受信するには機械エネルギーを電気エネルギーに変換（正圧電効果）を利用し、圧電体層の変形によって電気エネルギーが生成され、電気エネルギーの信号を検出する。従ってこの場合は、圧電素子は受信用超音波トランスデューサーである。
なお、本実施形態においては、圧電素子とは、振動板と、振動板上に設けられた第１電極と、第１電極上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備するものである。
図１８は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサーを搭載する超音波デバイスの平面図及びそのＢ−Ｂ′線断面図である。
図１８（ａ）に示すように、複数の発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とが基板開口部１２を有する基板１０上にアレイ状に設けられ、超音波デバイス２００（アレイセンサー）を成している。複数の発信用超音波トランスデューサー３０１及び複数の受信用超音波トランスデューサー３０２を列ごとに交互に配置し、トランスデューサーの列ごとに通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてラインスキャンやセクタースキャンは実現される。また、通電するトランスデューサーの個数と列数とに応じて超音波の出力と入力とのレベルが決定される。図中では省略されて６行×６列が描かれる。配列の行数と列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定される。
なお、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とをトランスデューサーごとに交互に配置することも可能である。この場合は、発信側と受信側の中心軸を合わせた超音波発信・受信源とすることで発信・受信の指向角を合わせ易いものとする。
また、本実施例は、デバイスの小型化のため、一枚の基板１０上に発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２との両方を配置したが、超音波トランスデューサーの機能に応じて発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とはそれぞれ独立の基板上に配置するか、或いは用途に応じて複数枚の基板を用いることも可能である。更に発信と受信の時間差を利用して一つの超音波トランスデューサーに発信と受信との機能を両方備えることも可能である。
図１８（ｂ）において、超音波変換器として使用可能な実施例としては、例えば、基板１０は（１００）、（１１０）或いは（１１１）配向を有する単結晶シリコンによって構成される。または、シリコン材料以外にもＺｒＯ２あるいはＡｌ２Ｏ３を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３のような酸化物基板材料、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、多結晶シリコン、Ｓｉ３Ｎ４のような無機材料も使用できる。または、これらの材料の組合せによる積層材料でもよい。
基板１０の上方（圧電体層７０側）に振動板５０が形成されている。振動板５０は、上述した実施形態１と同様に、基板１０上に形成された酸化物からなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる酸化ジルコニウム層５２と、酸化ジルコニウム層５２上に気相法によって形成された金属酸化物からなる金属酸化層５３と、を具備する。
本実施形態では、金属酸化層５３を気相法によって形成することで、振動板５０を容易に厚膜化することができる。また、酸化ジルコニウム層５２を液相法によって形成することで、上下の膜との密着力を向上することができる。さらに、酸化ジルコニウム層５２が、圧電体層７０に含まれる成分の拡散を抑制する拡散防止層として機能するため、酸化ジルコニウム層５２の圧電体層７０とは反対側に設けられた下地への圧電体層７０の成分の拡散を抑制することができる。
なお、振動板５０の膜厚は、共振周波数に基づき決定する。本実施形態では、金属酸化層５３を気相法によって形成することで、振動板５０を容易に厚膜化することができるため、高周波数による駆動が可能である。
基板１０には、基板開口部１２が形成されている。基板開口部１２は、基板材料に応じてエッチング、研磨、レーザー加工などの加工方法を用いて形成することができる。
第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０については上述した実施形態１と同様のため、構成の説明は省略する。なお、実施形態１に対して、超音波デバイスはインクジェット式記録ヘッドＩに代表される液体噴射ヘッドに比べてより高周波数領域で駆動する必要が有るため、圧電体層７０、振動板５０と各電極材料と基板１０の構成、厚み及びヤング率などの物性値を調整してもよい。
さらに、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とにそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線はフレキシブルプリント基板（図示略）を介して制御基板（図示略）の端子部（図示略）に接続されている。制御基板には演算部、記憶部などからなる制御部（図示略）が設けられている。制御部は、発信用超音波トランスデューサー３０１に入力する入力信号を制御すると共に、受信用超音波トランスデューサー３０２から出力された出力信号を処理するように構成されている。
このように、本願の超音波デバイスでは、バルク型圧電体セラミックスなどを利用したセンサーに比べてＭＥＭＳの技術を用いて作成した圧電素子３００を狭いピッチ（高分解能）で配置でき、且つ駆動電圧が低いため、デバイスと該デバイスを搭載する装置の小型化、薄型化と省エネルギー化に効果がある。また、圧電素子３００間の製造ばらつきが少ないため、認識精度が高くなる効果もある。
さらに、圧電体層７０の膜厚を薄くすることによって変位特性を向上させ、超音波の発信と受信の効率を向上できる効果が得られる。
なお、本実施形態の超音波デバイスを構成する超音波トランスデューサーは、上述した実施形態１の図１０〜図１６の何れの構成も適用することが可能である。
（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、各能動部３１０の圧電体層７０が連続的に設けられた構成を例示したが、勿論、圧電体層７０は、能動部３１０毎に独立して設けられていてもよい。また、例えば、上述した各実施形態では、第２電極８０を複数の能動部３１０の共通電極とし、第１電極６０を各能動部３１０の個別電極としたが、特にこれに限定されず、例えば、第１電極６０を複数の能動部３１０に共通する共通電極とし、第２電極８０を各能動部３１０の個別電極としてもよい。
さらに、例えば、上述した各実施形態では、塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７４を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７４を形成するようにしてもよい。
また、上述の実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて本発明を説明したが、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る。液体噴射ヘッドとしては、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記録ヘッドの他、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が挙げられる。
さらに本発明は、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）や超音波デバイスだけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置ないし圧電素子を利用した各種センサー類等にも適用することができる。
Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板（基板）、 １１ 隔壁、 １２ 圧力発生室（基板開口部）、 １３ インク供給路、 １４ 連通路、 １５ 連通部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ マニホールド部、 ３３ 貫通孔、 ３５ 接着剤、 ４０ コンプライアンス基板、 ４１ 封止膜、 ４２ 固定板、 ４３ 開口部、 ５０ 振動板、 ５１ 酸化層、 ５２ 酸化ジルコニウム層、 ５２Ａ 第１酸化ジルコニウム層、 ５２Ｂ 第２酸化ジルコニウム層、 ５２Ｃ 第３酸化ジルコニウム層、 ５３ 金属酸化層、 ５３Ａ 第１金属酸化層、 ５３Ｂ 第２金属酸化層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ７１ 凹部、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 ２００ 超音波デバイス、 ３００ 圧電素子、 ３０１ 発信用超音波トランスデューサー、 ３０２ 受信用超音波トランスデューサー、 ３１０ 能動部

Claims (10)

  1. 振動板と、
    該振動板上に設けられた第１電極と、
    該第１電極上に設けられた圧電体層と、
    該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
    前記振動板が、それぞれ気相法によって設けられた金属酸化物からなる第１金属酸化層及び第２金属酸化層と、
    液相法によって設けられた酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層と、を具備し、
    前記酸化ジルコニウム層は、前記第１金属酸化層と前記第２金属酸化層との間に設けられていることを特徴とする圧電素子。
  2. 振動板と、
    該振動板上に設けられた第１電極と、
    該第１電極上に設けられた圧電体層と、
    該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
    前記振動板が、気相法によって設けられた金属酸化物からなる金属酸化層と、
    それぞれ液相法によって設けられた酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層及び第２酸化ジルコニウム層と、を具備し、
    前記金属酸化層は、前記第１酸化ジルコニウム層と前記第２酸化ジルコニウム層との間に設けられていることを特徴とする圧電素子。
  3. 振動板と、
    該振動板上に設けられた第１電極と、
    該第１電極上に設けられた圧電体層と、
    該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
    前記振動板が、それぞれ柱状の結晶構造を有する金属酸化物からなる第１金属酸化層及び第２金属酸化層と、
    粒状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層と、を具備し、
    前記酸化ジルコニウム層は、前記第１金属酸化層と前記第２金属酸化層との間に設けられていることを特徴とする圧電素子。
  4. 振動板と、
    該振動板上に設けられた第１電極と、
    該第１電極上に設けられた圧電体層と、
    該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
    前記振動板が、柱状の結晶構造を有する金属酸化物からなる金属酸化層と、
    それぞれ粒状の結晶構造を有する酸化ジルコニウムからなる第１酸化ジルコニウム層及び第２酸化ジルコニウム層と、を具備し、
    前記金属酸化層は、前記第１酸化ジルコニウム層と前記第２酸化ジルコニウム層との間に設けられていることを特徴とする圧電素子。
  5. 前記金属酸化物が、酸化ジルコニウム、酸化チタン、イットリア安定化ジルコニア及び酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電素子。
  6. 液体を噴射する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と、
    請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電素子と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
  7. 前記振動板が、前記流路形成基板側に、前記金属酸化物とは異なる材料の酸化物で形成された酸化層をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の液体噴射ヘッド。
  8. 請求項６又は７に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。
  9. 少なくとも請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とする超音波トランスデューサー。
  10. 開口を有する基板と、
    前記基板上に設けられた請求項９に記載の超音波トランスデューサーと、
    を具備することを特徴とする超音波デバイス。
JP2013051086A 2013-03-13 2013-03-13 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイス Active JP6150038B2 (ja)

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