TWI586007B - 壓電器件、液體噴射頭、液體噴射裝置及壓電器件的製造方法 - Google Patents

Description

壓電器件、液體噴射頭、液體噴射裝置及壓電器件的製造方法

本發明係關於並設有複數個壓電元件之壓電器件、包含該壓電器件之液體噴射頭、包含該液體噴射頭之液體噴射裝置、及該壓電器件之製造方法者。

液體噴射裝置係包含液體噴射頭，而自該噴射頭噴射各種液體之裝置。作為該液體噴射裝置，例如有噴墨式印表機或噴墨式描繪機等圖像記錄裝置，近來，亦發揮可使極少量之液體準確彈著於特定位置之特點而應用於各種製造裝置。例如應用於製造液晶顯示器等之彩色濾光片之顯示器製造裝置、形成有機EL(Electro Luminescence：電致發光)顯示器或FED(面發光顯示器)等之電極之電極形成裝置、或製造生物晶片(生物化學元件)之晶片製造裝置。又，以圖像記錄裝置用之記錄頭噴射液狀之墨水，以顯示器製造裝置用之色材料噴射頭噴射R(Red：紅色)/G(Green：綠色)/B(Blue：藍色)之各色材料之溶液。又，以電極形成裝置用之電極材料噴射頭噴射液狀之電極材料，以晶片製造裝置用之生物有機物噴射頭噴射生物有機物溶液。

上述液體噴射頭包含：複數個壓力室、及使各壓力室之液體產生壓力變動之壓電器件。該壓電器件包含：振動板，其區劃壓力室之一側(例如與形成噴嘴之噴嘴板為相反側)；及壓電元件，其係針對每個壓力室而形成於該振動板上。此處，作為壓電元件，其係例如藉由 成膜技術，自靠近振動板之側開始依序分別積層形成作為設置於每個壓力室之個別電極發揮功能之下電極層、鋯鈦酸鉛(PZT)等壓電體層、及作為對複數個壓力室共通之共通電極發揮功能之上電極層而構成(例如，專利文獻1)。又，壓電體層中被上下之電極層夾著之部分，成為因對兩電極層施加電壓而變形之能動部。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2009-172878號公報

此處，於壓電體層對於振動板相對較薄之情形時，因壓力室內之已去除壓電體層之部位(腕部)之剛性相對提高，故會阻礙壓電元件及振動板之變形。進而，產生壓電體本身之可靠度降低等弊害。相反地，於壓電體層對於振動板相對較厚之情形時，因壓電元件之剛性提高，雖壓電元件及振動板之變形效率下降，但壓電體之可靠度提高。如此般，壓電元件之變形與壓電體之膜厚(可靠度)存在折衷關係。

本發明係鑑於此種狀況而完成者，其目的在於提供一種可確保壓電元件之可靠度，並使壓電元件之變形效率化之壓電器件、液體噴射頭、及液體噴射裝置。

[應用例1]本應用例之壓電器件其特徵係包含：變形部，其容許第1支持層之彎曲變形；非變形部，其與上述變形部相鄰，並阻礙上述第1支持層之彎曲變形；及壓電元件，其依序積層有第1電極層、壓電體層及第2電極層，並使上述第1支持層彎曲變形；且上述變形部具有供配置上述壓電元件之第1區域、與上述非變形部相鄰之第3區域、及配置於上述第1區域與上述第3區域之間之第2區域；於上述第1區域，依序積層有上述第1支持層、第2支持層、上述第1電極層、上述 壓電體層、及上述第2電極層；於上述第2區域，依序積層有上述第1支持層、上述第2支持層、上述壓電體層、及上述第2電極層；於上述第3區域，依序積層有上述第1支持層及上述第2電極層；上述第1支持層係氧化矽；於上述第3區域之上述氧化矽中，於上述第2電極層側添加有雜質。

因配置於第1區域之壓電元件之壓電應變，變形部之第1支持層彎曲變形。第3區域之第1支持層係支持變形部之第1支持層之支持部(腕部)。變形部之第1支持層係以第3區域之第1支持層為支點(變形之起點)而彎曲變形。

另一方面，第3區域之第1支持層係由氧化矽與添加有雜質之氧化矽構成。添加有雜質之氧化矽例如因雜質而使晶格受到干擾，故與未添加雜質之氧化矽相比更容易變形。因此，若由氧化矽與添加有雜質之氧化矽構成第3區域之第1支持層，則與僅由氧化矽構成第3區域之第1支持層之情形相比，第3區域之第1支持層更容易變形。

因此，以第3區域之第1支持層為支點而彎曲變形之變形部之第1支持層亦容易變形，從而可增大壓電元件之變形量(變形部之第1支持層之彎曲變形)，使壓電元件之變形效率化。進而，因無需改變壓電體層之膜厚(可靠度)即可使壓電元件之變形效率化，故可確保壓電器件之可靠度，並謀求壓電器件之高性能化。

[應用例2]上述應用例之壓電器件中，較佳上述雜質為鉛。

若對氧化矽添加鉛作為雜質，則該鉛作為氧化鉛而被氧化矽納入，形成所謂鉛玻璃。進而，添加有鉛作為雜質之氧化矽(鉛玻璃)與未添加雜質之氧化矽相比，楊氏係數較小，而更容易變形。因此，若由氧化矽與添加有鉛作為雜質之氧化矽(鉛玻璃)構成第3區域之第1支持層，則與僅由氧化矽構成第3區域之第1支持層之情形相比，第3區域之第1支持層更容易變形。

因此，將第3區域之第1支持層作為支點而變形之變形部之第1支持層亦容易變形，從而可增大壓電元件之變形量(變形部之第1支持層之彎曲變形)，使壓電元件之變形效率化。進而，因無需改變壓電體層之膜厚(可靠度)即可使壓電元件之變形效率化，故可確保壓電器件之可靠度，並謀求壓電器件之高性能化。

[應用例3]本應用例之液體噴射頭之特徵在於包含上述構應用例之壓電器件。

上述構應用例之壓電器件可確保可靠度，並謀求高性能化。因此，包含上述構應用例之壓電器件之液體噴射頭亦可確保可靠度，並謀求高性能化。

[應用例4]本應用例之液晶噴裝置之特徵在於包含上述構應用例之液體噴頭。

上述構應用例之液體噴射頭可確保可靠度，並謀求高性能化。因此，包含上述構應用例之液體噴射頭之液體噴射裝置亦可確保可靠度，並謀求高性能化。

[應用例5]本應用例之壓電器件之製造方法之特徵在於其係一種壓電器件之製造方法，該壓電器件包含：第1區域，其依序積層有氧化矽、第2支持層、第1電極層、包含鉛之壓電體層、及第2電極層；第2區域，其依序積層有上述氧化矽、上述第2支持層、上述壓電體層、及上述第2電極層；及第3區域，其依序積層有上述氧化矽、及上述第2電極層；且該製造方法係於形成上述氧化矽、上述第2支持層及上述壓電體層後，去除形成於上述第3區域之上述第2支持層與上述壓電體層，於形成於上述第3區域之上述氧化矽與上述壓電體層分離之狀態下實施熱處理，使上述壓電體層之上述鉛擴散至形成於上述第3區域之上述氧化矽，於上述第3區域之上述氧化矽之上述第2電極層側，添加上述鉛作為雜質。

於本應用例之壓電器件之製造方法中，因於形成於第3區域之氧化矽與含有鉛之壓電體層分離之狀態下實施熱處理，而使鉛作為雜質擴散至形成於第3區域之氧化矽，故與於氧化矽與壓電體層相接之狀態下實施熱處理之情形相比，擴散至氧化矽之鉛量減少，而例如可抑制過量之鉛作為雜質擴散至氧化矽而使氧化矽之表面形狀被破壞等之不良。

進而，因作為雜質擴散至氧化矽之鉛量可根據氧化矽與包含鉛之壓電體層之分離距離(第2支持層之膜厚)而調整，故藉由調整氧化矽與包含鉛之壓電體層之分離距離(第2支持層之膜厚)，可使擴散至氧化矽之鉛雜質之量適當化。

1‧‧‧印表機

2‧‧‧記錄媒體

3‧‧‧記錄頭

4‧‧‧支架

5‧‧‧支架移動機構

6‧‧‧搬送機構

7‧‧‧墨盒

8‧‧‧時規皮帶

9‧‧‧脈衝馬達

10‧‧‧導桿

14‧‧‧壓電器件

14'‧‧‧壓電器件

15‧‧‧壓力室形成基板

16‧‧‧噴嘴板

17‧‧‧彈性層

17a‧‧‧氧化矽

17b‧‧‧氧化矽

17c‧‧‧氧化矽

18‧‧‧絕緣體層

19‧‧‧壓電元件

20‧‧‧密封板

21‧‧‧振動板

22‧‧‧壓力室

22'‧‧‧壓力室

22a‧‧‧隔板

23‧‧‧連通部

24‧‧‧墨水供給路徑

24'‧‧‧墨水供給路徑

25‧‧‧噴嘴

26‧‧‧連通開口部

27‧‧‧下電極層

27'‧‧‧下電極層

27a‧‧‧下金屬層

28‧‧‧壓電體層

28'‧‧‧壓電體層

28a‧‧‧PZT層

28b‧‧‧開口部

28b'‧‧‧開口部

29‧‧‧上電極層

29'‧‧‧上電極層

29a‧‧‧上金屬層

32‧‧‧收容空部

33‧‧‧液室空部

35‧‧‧抗蝕劑

41‧‧‧引線電極部

42‧‧‧通孔

B‧‧‧區域

B⁺‧‧‧硼離子

P1‧‧‧區域

P2‧‧‧區域

P2'‧‧‧區域

P3‧‧‧區域

P3'‧‧‧區域

t1‧‧‧厚度

t2‧‧‧厚度

t3‧‧‧厚度

t4‧‧‧厚度

w1‧‧‧寬度

w2‧‧‧寬度

w3‧‧‧寬度

w4‧‧‧寬度

圖1係說明印表機之構成之立體圖。

圖2係記錄頭之分解立體圖。

圖3係壓電器件之平面圖。

圖4係說明記錄頭之主要部分之構成之沿著正交於噴嘴行之方向之剖面示意圖。

圖5係圖3之A-A'剖視圖。

圖6係圖5之區域B之放大圖。

圖7(a)~(c)係說明振動板之形成過程之示意圖。

圖8(a)、(b)係說明振動板之形成過程之示意圖。

圖9係表示添加硼作為雜質之方法之示意圖。

圖10係第2實施形態之壓電器件之平面圖。

以下，參照附加圖式說明用於實施本發明之形態。另，於以下所闡述之實施形態中，作為本發明之較佳之具體例雖進行各種限定，但本發明之範圍係只要於以下說明中不存在特別限定本發明之內容的 記載，則並非限定於該等態樣。又，於以下說明中，作為本發明之壓電器件，例舉於搭載有液體噴射頭之一例之噴墨式記錄頭(以下，稱為記錄頭)之液體噴射裝置之一例，即噴墨式印表機(以下，稱為印表機)中作為用於噴射墨水之致動器使用的情形。

對印表機1之構成，參照圖1進行說明。本實施形態之印表機1係對記錄紙等記錄媒體2(彈著對象之一種)之表面噴射液體之一種即墨水，而進行圖像等之記錄的裝置。該印表機1包含：記錄頭3、供安裝該記錄頭3之支架4、使支架4沿主掃描方向移動之支架移動機構5、及沿副掃描方向移送記錄媒體2之搬送機構6等。此處，上述墨水存儲於作為液體供給源之墨盒7。該墨盒7係可相對於記錄頭3裝卸地安裝。另，亦可採用將墨盒配置於印表機之本體側，而自該墨盒通過墨水供給管供給至記錄頭之構成。

上述支架移動機構5包含時規皮帶8。且，該時規皮帶8係由DC馬達等脈衝馬達9驅動。因此，若脈衝馬達9作動，則支架4由架設於印表機1之導桿10引導而沿主掃描方向(記錄媒體2之寬度方向)往復移動。

圖2係表示本實施形態之記錄頭3之構成之分解立體圖。又，圖3係壓電器件14之平面圖(俯視圖)，且為未接合後述之密封板20之記錄頭3的平面圖。進而，圖4及圖5係表示記錄頭3之主要部分之構成的圖，圖4係沿著正交於噴嘴行之方向之剖面之示意圖，圖5係沿著噴嘴行方向(第1方向，或後述之下電極層27之寬度方向(短邊方向))之剖面(圖3之A-A'剖面)之示意圖。

本實施形態之記錄頭3係將噴嘴板16、壓力室形成基板15、壓電器件14、及密封板20等積層而構成。壓力室形成基板15係包含例如單晶矽基板之板材。於該壓力室形成基板15，如圖5所示，成為複數個壓力室22之空間(以下，適當稱為壓力室空間。)係於中間夾著隔板 22a而並設。該等壓力室空間(壓力室22)係如圖3所示，於與噴嘴行方向正交之方向(第2方向)上為長形之空部，且與噴嘴板16之各噴嘴25一對一地對應而設置。亦即，各壓力室空間(各壓力室22)係沿著噴嘴行方向，以與噴嘴25之形成間距相同之間距並設。另，本實施形態之壓力室空間(壓力室22)之上部開口(與噴嘴25側為相反側之開口)係如圖3所示呈台形狀。關於該壓力室空間之尺寸，將高度(亦即壓力室形成基板15之厚度)設定為約70〔μm〕。又，將壓力室空間(詳細而言為上部開口)之長度(噴嘴行方向或與壓力室並設方向正交之方向之壓力室空間的尺寸)設定為約360〔μm〕。進而，將壓力室空間(詳細而言為上部開口)之寬度w1(噴嘴行方向或壓力室並設方向之壓力室空間之尺寸w1(參照圖5))設定為約70〔μm〕。

又，如圖2所示，於壓力室形成基板15上，於相對於壓力室空間朝該壓力室空間之長邊方向之側方(和與噴嘴25之連通側相反之側)偏離之區域，沿壓力室空間之並設方向(噴嘴行方向)，形成有貫通壓力室形成基板15之連通部23。該連通部23係對各壓力室空間共通之空部。該連通部23與各壓力室空間係經由墨水供給路徑24而相互連通。另，連通部23係與後述之振動板21之連通開口部26及密封板20之液室空部33連通，而構成對各壓力室空間(壓力室22)共通之墨水室即貯液器(共通液室)。墨水供給路徑24係以窄於壓力室空間之寬度形成，且為相對於自連通部23流入至壓力室空間之墨水成為流路阻力之部分。

於壓力室形成基板15之下表面(和與壓電器件14之接合面側為相反側之面)，將噴嘴板16(噴嘴形成基板)藉由接著劑或熱熔著薄膜等而接合。本實施形態之噴嘴板16係以相當於點形成密度(例如300dpi~600dpi)之間距(亦即，鄰接噴嘴25之中心間距離)而並設有各噴嘴25。如圖3所示，各噴嘴25係於相對於壓力室空間與墨水供給路徑24為相反側之端部連通。另，噴嘴板16係例如由單晶矽基板或不鏽鋼等 製作。

壓電器件14係如圖2所示，作為使各壓力室22內之墨水產生壓力變動之致動器發揮功能之薄板狀的器件，包含振動板21及複數個壓電元件19。振動板21包含：彈性層17(相當於本發明之第1支持層)，其形成於壓力室形成基板15之上表面，且包含氧化矽(SiOx)(例如二氧化矽(SiO₂))；及絕緣體層18(相當於本發明之第2支持層)，其積層於該彈性層17上，且包含氧化鋯(ZrOx)(例如二氧化鋯(ZrO₂))。

該振動板21之與壓力室空間對應之部分、亦即蓋住壓力室空間之上部開口而區劃壓力室22之一部分的部分，係作為隨著壓電元件19之彎曲變形而朝遠離噴嘴25之方向或接近噴嘴25之方向位移(變形)之變形部發揮功能。換言之，振動板21之與壓力室空間對應之區域係容許彈性層17之彎曲變形之變形部。振動板21之自壓力室空間偏離之區域係阻礙振動板21(彈性層17)之彎曲變形之非變形部。非變形部係與變形部相鄰配置。

此處，該變形部(與壓力室空間對應之區域)之振動板21係如圖6所示，可根據後述之上電極層29、壓電體層28及下電極層27之位置關係，而劃分為3個區域P1、P2、P3。又，如圖5及圖6所示，去除壓電元件19間(詳細而言為區域P3)之絕緣體層18，於區域P1配置有壓電元件19。另，各區域P1、P2、P3之振動板21之厚度之詳細內容，將於後敘述。另，如圖2所示，於該振動板21之與壓力室形成基板15之連通部23對應之部分，開設有與該連通部23連通之連通開口部26。

換言之，變形部(與壓力室空間對應之區域)具有：供配置壓電元件19之區域P1、與非變形部(自壓力室空間偏離之區域)相鄰之區域P3、及配置於區域P1與區域P3之間之區域P2。

另，區域P1係「第1區域」之一例，區域P2係「第2區域」之一例，區域P3係「第3區域」之一例。

於振動板21(絕緣體層18)之與壓力室空間對應之部分，換言之，壓力室22之變形部之上表面(與噴嘴25側為相反側之面)，分別形成有壓電元件19。亦即，對應於沿著噴嘴行方向並設之壓力室空間，將壓電元件19沿著噴嘴行方向並設。本實施形態之壓電元件19係如圖4及圖5所示，藉由成膜技術自絕緣體層18側依序積層下電極層27(相當於本發明之第1電極層)、壓電體層28及上電極層29(相當於本發明之第2電極層)而構成。

另，上電極層29及下電極層27係使用銥(Ir)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Mo)等各種金屬或其等之合金等。作為合金電極之一例，可舉出LaNiO₃等。又，作為壓電體層28，可使用包含鉛(Pb)、鈦(Ti)及鋯(Zr)者、例如鋯鈦酸鉛(PZT)等鐵電性壓電性材料，或於其內添加有鈮、鎳、鎂、鉍或釔等金屬之弛豫鐵電體等。此外，亦可使用鈦酸鋇等非鉛材料。進而，關於其等之膜厚，期望將上電極層29之厚度設為15~100〔nm〕，於本實施形態中，設定為約70〔nm〕。又，期望將壓電體層28之厚度(詳細而言，為區域P1之壓電體層28之厚度)設定為0.7~5〔μm〕，於本實施形態中，設定為約1〔μm〕。進而，期望將下電極層27之厚度設定為50~300〔nm〕，於本實施形態中，設定為約150〔nm〕。

此處，如圖5所示，下電極層27係分別於每個壓力室22獨立設置，另一方面，上電極層29係遍及複數個壓力室22而連續設置。因此，下電極層27成為每個壓力室22之個別電極，上電極層29成為對各壓力室22共通之共通電極。

具體而言，如圖3及圖5所示，上電極層29之噴嘴行方向之兩端部越過壓力室空間之上部開口之緣而延設至並設之複數個壓力室空間(壓力室22)之外側。另，上電極層29之壓力室22(壓力室空間)之長邊方向(與噴嘴行方向正交之方向)之兩端部越過壓力室空間之上部開口 之緣而延設至該壓力室空間(壓力室22)之外側。另一方面，下電極層27係沿壓力室22(壓力室空間)之長邊方向，一側(圖3之上側)之端部越過壓力室22之上部開口緣而延伸至與墨水供給路徑24重疊之位置，另一側(圖3之下側)之端部延伸至引線電極部41。

又，於本實施形態中，如圖5所示，壓力室空間上(與壓力室22對應之區域)之下電極層27之噴嘴行方向的寬度w3，形成為窄於壓力室22(詳細而言，為壓力室空間之上部開口)之相同方向的寬度w1。進而，壓力室空間上之壓電體層28係沿噴嘴行方向延伸至下電極層27之外側，其噴嘴行方向之寬度w2形成為窄於壓力室22之相同方向之寬度w1，且寬於下電極層27之相同方向之寬度w3。亦即，噴嘴行方向之尺寸係以上電極層29之寬度、壓力室22之寬度w1、壓電體層28之寬度w2、下電極層27之寬度w3之順序變小。

此處，期望將壓力室空間上之噴嘴行方向之壓電體層28之寬度w2設定為30~60〔μm〕，於本實施形態中，設定為約52〔μm〕。又，期望將下電極層27之寬度w3設定為15~60〔μm〕，於本實施形態中，設定為約40〔μm〕。進而，期望將下電極層27之一側之外端部至壓電體層28之同側之外端部之距離w4(亦即，噴嘴行方向之一側之區域P2的寬度w4(參照圖6))，設定為2.5~8.0〔μm〕，於本實施形態中，設定為約6〔μm〕。

又，於本實施形態中，如圖3所示，藉由將壓電體層28(成為壓電體層28之PZT層28a)局部去除之開口部28b，將壓電體層28分割至各壓電元件19。具體而言，壓電體層28係越過壓力室22之長邊方向之兩端部(詳細而言，為壓力室空間之兩側之上部開口緣)而延伸至外側，且遍及複數個壓力室22而形成。且，將與相鄰之壓力室22之間對應之區域的壓電體層28局部去除，而形成有複數個未積層壓電體層28之開口部28b。亦即，複數個開口部28b係沿著噴嘴行方向，以與壓力室22之 形成間距(噴嘴25之形成間距)相同之間距形成。換言之，於開口部28b與開口部28b之間，以與壓力室22之形成間距相同之間距，形成有與1個壓力室22對應之壓電元件19。另，本實施形態之開口部28b係於俯視下沿壓力室22之長邊方向形成為長形之六角形狀。又，於壓力室22之長邊方向，偏離開口部28b之區域之壓電體層28係遍及複數個壓力室22而連續形成。

進而，於本實施形態中，如圖4所示，於較壓力室空間之上部開口緣朝壓力室空間長邊方向之外側偏離之區域之、壓電體層28上，且相對於上電極層29隔開特定間隔之位置(圖4之左側位置)，形成有引線電極部41。該引線電極部41係對應於個別電極即下電極層27而圖案化，且對各壓電元件19傳達驅動電壓(驅動脈衝)。亦即，經由引線電極部41對各壓電元件19選擇性地施加驅動電壓(驅動脈衝)。另，於引線電極部41之壓電體層28，以貫通該壓電體層28之狀態，形成有自壓電體層28之上表面到達至下電極層27之通孔42。通過該通孔42，引線電極部41與下電極層27導通。

密封板20係如圖2所示，接合於壓電器件14之與壓力室形成基板15之接合面即下表面為相反側之上表面。該密封板20具備：收容空部32，其可收容壓電元件19；及液室空部33，其形成於較該收容空部32朝與噴嘴行正交之方向之外側偏離的位置，且與振動板21之連通開口部26及壓力室形成基板15之連通部23對應之區域。液室空部33係於厚度方向貫通密封板20且沿壓力室空間(壓力室22)之並設方向設置，如上所述與連通開口部26及連通部23一系列連通，而區劃出成為各壓力室空間共通之墨水室的貯液器。另，雖未圖示，但於密封板20，除了收容空部32與液室空部33以外，亦設置有於厚度方向貫通密封板20之配線開口部，於該配線開口部內，露出引線電極部41之端部。且，於該引線電極部41之露出部分，電性連接有來自印表機本體側之未圖示 之配線構件之端子。

此種記錄頭3係於噴射墨水時，藉由來自墨盒7之供給，將經由貯液器、墨水供給路徑24及壓力室22等而到達至噴嘴25之一連串之流路內以墨水填滿。且，若藉由來自印表機本體側之驅動信號之供給，對與壓力室22對應之各個下電極層27與上電極層29之間，賦予與兩電極之電位差相應之電場，則壓電元件19及振動板21(彈性層17)之變形部產生位移，於壓力室22內產生壓力變動。藉由控制該壓力變動而自噴嘴25噴射墨水。

此處，因本發明之壓電器件14係如上所述，積層下電極層27、壓電體層28及上電極層29而形成壓電元件19。於上述變形部(與壓力室空間對應之區域)之3個區域P1、P2、P3中，各層27、28、29之重疊方式不同。詳細而言，如圖6所示，於區域P1，依序積層有下電極層27、壓電體層28、及上電極層29；於區域P2，依序積層有壓電體層28、及上電極層29；於區域P3，僅配置有上電極層29。即，於區域P1配置有壓電元件19，於區域P2及區域P3配置有壓電元件19之構成要件之一部分。

進而，於以彈性層17為基準之情形時，於區域P1，依序積層有彈性層17、絕緣體層18、下電極層27、壓電體層28、及上電極層29；於區域P2，依序積層有彈性層17、絕緣體層18、壓電體層28、及上電極層29；於區域P3，依序積層有彈性層17、及上電極層29。

另，於本實施形態中，雖於振動板21(彈性層17)之變形部上，於噴嘴行方向之兩側，分別形成區域P1、P2、P3，但因左右對稱，故著眼於一側之區域進行說明。

於上述區域P1之振動板21上，於下電極層27與上電極層29之間夾著壓電體層28。因此，積層於該區域P1之壓電體層28成為藉由對兩電極施加電壓而產生壓電應變之能動部。另一方面，於未形成下電極 層27之區域P2之振動板21上，於下電極層27與上電極層29之間未夾著壓電體層28，於振動板21(絕緣體層18)與上電極層29之間夾著壓電體層28。因此，積層於該區域P2之壓電體層28成為即便對兩電極施加電壓亦不產生壓電應變之非能動部。因於區域P3並未配置壓電體層28，故區域P3係與區域P2同樣地成為非能動部。

亦即，於區域P1中，於壓電元件19產生壓電應變，使彎曲變形之力(使振動之力)作用於振動板21。區域P3之振動板21係支持變形部(與壓力室空間對應之區域)之振動板21之支持部(腕部)，以區域P3之振動板21為支點(變形之起點)，變形部之振動板21朝遠離噴嘴25之方向或接近噴嘴25之方向彎曲變形。例如，若區域P3之振動板21不容易變形，則變形部之振動板21變得不容易變形，若區域P3之振動板21容易變形，則變形部之振動板21變得容易變形。

又，於本實施形態之記錄頭3中，因區域P3之振動板21與其他區域(區域P1、區域P2)之振動板21相比更容易變形，故變形部之振動板21容易彎曲變形，從而可增大變形部之振動板21之彎曲變形。

詳細而言，於本發明之記錄頭3中，將較積層有壓電體層28之區域更外側之區域(腕部)P3之振動板21的厚度，設為薄於積層有壓電體層28之區域P1、P2之振動板21的厚度。換言之，將區域P1、P2之振動板21之厚度設為厚於區域P3之振動板21之厚度。具體而言，去除區域P3之絕緣體層18，而直接於彈性層17上積層上電極層29。尤其於本實施形態中，將區域P3之彈性層17之厚度t1設為薄於區域P1、P2之彈性層17之厚度t2。亦即，將積層有壓電體層28及上電極層29之區域P1、P2之彈性層17之厚度t2，設為厚於較壓電體層28更靠近噴嘴行方向之外側且於彈性層17上積層有上電極層29之區域P3之彈性層17的厚度t1。藉此，可將區域P3之振動板21之厚度，設為與區域P1、P2之振動板21之厚度相比更薄。

又，於本實施形態中，將區域P2之絕緣體層18之厚度t3，設為薄於區域P1之絕緣體層18之厚度t4。亦即，將積層有下電極層27、壓電體層28及上電極層29之區域P1之絕緣體層18的厚度t4，設為厚於較下電極層27更靠近噴嘴行方向之外側且積層有壓電體層28及上電極層29之區域P2之絕緣體層18的厚度t3。藉此，可將區域P1之振動板21之厚度設為與區域P2之振動板21之厚度相比更厚。亦即，以滿足P1>P2>P3(亦即，(t2+t4)>(t2+t3)>t1)之方式構成振動板21之各區域P1、P2、P3之該振動板21之厚度關係。

另，期望區域P1之振動板21之厚度與區域P2之振動板21之厚度之差、及區域P2之振動板21之厚度與區域P3之振動板21之厚度之差，分別為5~50〔nm〕，更期望為10〔nm〕以上。例如，將區域P1、P2之彈性層17之厚度設定為約1500〔nm〕，將區域P1之絕緣體層18之厚度設定為約420〔nm〕，將區域P2之絕緣體層18之厚度設定為約380〔nm〕。若如此般進行，則可更確實地提高壓電體層28之剛性，且可更確實地抑制壓電體層28之外側之振動板21之運動被阻礙。又，期望將各區域P1、P2、P3之彈性層17之厚度設定為300~2000〔nm〕。進而，期望區域P1之絕緣體層18之厚度為600〔nm〕以下。

如此般，藉由去除較壓電體層28更外側之區域P3之絕緣體層18，可維持積層有壓電體層28之區域P1、P2之振動板21之厚度，並減薄區域P3之振動板21之厚度。藉此，可確保可充分獲得可靠度之壓電體層28之厚度(膜厚)，且降低較壓電體層28更外側之區域P3之剛性而提高壓電元件19之變形效率。其結果，可增大壓電元件19之變形量。

進而，因本實施形態具有可使區域P3之振動板21更容易變形，進一步增大壓電元件19之變形量(變形部之振動板21之彎曲變形)之構成，故以下說明其細節。

如上所述，壓力室形成基板15係由單晶矽基板構成。如圖5及圖 6所示，區域P1、P2之彈性層17係藉由將構成壓力室形成基板15之矽熱氧化而形成之氧化矽17a。藉由將矽熱氧化而形成之氧化矽17a係幾乎不含雜質之非晶質之氧化矽，相較於結晶質之氧化矽更容易變形。

區域P3之彈性層17係由將構成壓力室形成基板15之矽熱氧化而形成之氧化矽17a、及於氧化矽17a之上電極層29之側添加鉛作為雜質之氧化矽17b構成。

若於氧化矽17a添加鉛作為雜質，則所添加之鉛作為氧化鉛而被氧化矽17a納入，成為含有氧化鉛之玻璃。亦即，氧化矽17b係含有氧化鉛之玻璃，即所謂鉛玻璃。氧化矽17a(不含雜質之氧化矽)之楊氏係數約為70GPa。氧化矽17b(鉛玻璃)之楊氏係數約小於60GPa。因氧化矽17b之楊氏係數小於氧化矽17a之楊氏係數，故氧化矽17b較氧化矽17a更容易變形。

如此，於本實施形態中，因由氧化矽17a與於氧化矽17a之上電極層29之側添加鉛作為雜質之氧化矽17b(鉛玻璃)構成區域P3之彈性層17，故與僅由氧化矽17a構成區域P3之彈性層17之情形相比，區域P3之彈性層17更容易變形，從而可進一步增大壓電元件19之變形量(變形部之振動板21之彎曲變形)，使壓電元件19之變形效率化。

進而，因無需改變壓電體層28之膜厚(可靠度)即可使壓電元件19之變形效率化，故可確保壓電元件19之可靠度，並謀求壓電元件19之高性能化。因此，可確保壓電器件14之可靠度，並謀求壓電器件14之高性能化。

因此，可將壓電元件19之變形所引起之壓力變動高效率傳遞至壓力室22內之墨水。亦即，可減少壓電元件19之驅動力對於壓力室22內之墨水傳遞損耗。藉此，可將自噴嘴25噴射一定量之墨水所必要之壓電元件19之驅動電壓抑制至較低，從而可謀求省電力化，且可延長壓電元件19之壽命。其結果，記錄頭3之可靠度提高。又，因於積層 壓電體層28之區域P1、P2形成有包含氧化鋯(ZrOx)之絕緣體層18，故於藉由焙燒形成包含鋯鈦酸鉛(PZT)之壓電體層28時，可抑制該壓電體層28所含有之鉛朝下層(彈性層17)側擴散。

其次，對壓電器件14之製造方法進行說明。首先，於包含氧化矽(SiOx)之彈性層17上，藉由濺鍍法等形成包含氧化鋯(ZrOx)之絕緣體層18。其次，如圖7(a)所示，於絕緣體層18上之整面，藉由濺鍍法等於區域P1、區域P2、區域P3形成成為下電極層27之下金屬層27a。其後，對該下金屬層27a藉由蝕刻而於區域P1形成下電極層27。具體而言，藉由光微影法，於下金屬層27a上設置成為針對蝕刻之遮罩之抗蝕劑圖案，利用水溶液等蝕刻溶液，自上表面側蝕刻下金屬層27a後，去除抗蝕劑圖案。此時，藉由蝕刻時間等之控制，進行蝕刻至下金屬層27a之厚度以上，而如圖7(b)所示，蝕刻區域P2及區域P3之絕緣體層18。藉此，振動板21之與區域P1對應之絕緣體層18未被蝕刻，振動板21之與區域P2及P3對應之絕緣體層18被過度蝕刻。其結果，於區域P1與區域P2之邊界形成階差，區域P2及區域P3之絕緣體層18成為比區域P1之絕緣體層18低一階的狀態。

若於絕緣體層18上形成有下電極層27，則如圖7(c)所示，於形成有該下電極層27之絕緣體層18上之整面，形成成為壓電體層28之PZT層28a。PZT層28a係包含鉛(Pb)、鈦(Ti)、鋯(Zr)之鋯鈦酸鉛。PZT層28a之形成方法並無特別限定，例如可使用所謂溶膠-凝膠法，其係將使金屬有機物溶解、分散於觸媒中而成之所謂溶膠進行塗佈乾燥且凝膠化，進而以高溫焙燒，藉此獲得包含金屬氧化物之PZT層28a。此外，亦可藉由濺鍍或IJ塗佈法等各種方法形成PZT層28a。

例如，於高溫焙燒以溶膠-凝膠法形成之前驅體膜而形成PZT層28a之情形時，因高溫焙燒，前驅體膜中之鉛容易揮發。因此，以於PZT層28a中殘留特定之鉛之方式，前驅體膜之含鉛量大於PZT層28a 之含鉛量。

於本實施形態中，於以絕緣體層18(氧化鋯)覆蓋彈性層17(氧化矽17a)之狀態下形成前驅體膜，高溫焙燒前驅體膜而形成PZT層28a。假若於彈性層17(氧化矽17a)上直接形成前驅體膜而進行高溫焙燒，亦即於彈性層17(氧化矽17a)與前驅體膜相接之狀態下實施熱處理，則過量之鉛自前驅體膜擴散至彈性層17(氧化矽17a)，彈性層17(氧化矽17a)之表面形狀顯著遭到破壞，而產生例如積層於彈性層17(氧化矽17a)之膜剝落等之不良。

如此般，絕緣體層18(氧化鋯)係於高溫焙燒該前驅體膜而形成PZT層28a之情形時，抑制PZT層28a中之鉛擴散至彈性層17(氧化矽17a)。

其後，藉由光微影法，於PZT層28a上形成成為針對蝕刻之遮罩之抗蝕劑圖案，並藉由蝕刻將該PZT層28a圖案化，而於區域P1及區域P2形成壓電體層28。其後，實施灰化處理去除抗蝕劑圖案。此時，藉由乾蝕刻時間等之控制，進行蝕刻至PZT層28a之厚度以上，藉此，而如圖8(a)所示，去除區域P3之絕緣體層18，且亦去除彈性層17之一部分。藉此，振動板21之與區域P1、P2對應之彈性層17及絕緣體層18未被蝕刻，於其上表面形成壓電體層28，且振動板21之與區域P3對應之彈性層17被過度蝕刻。其結果，於振動板21之區域P2與區域P3之邊界形成階差，而成為與區域P3對應之彈性層17比與區域P2對應之彈性層17低一階之狀態。

於上述之乾蝕刻或去除抗蝕劑之灰化處理中，於壓電體層28之錐部產生製程損傷，進而，於壓電體層28上，以濺鍍成膜上電極第1層之情形時，因有產生濺鍍損傷之虞，故而接著實施用於去除濺鍍損傷之熱處理。藉由該熱處理，去除壓電體層28中所產生之濺鍍損傷。

進而，藉由該熱處理，使壓電體層28中之鉛作為雜質而擴散至 區域P3之氧化矽17a側，於區域P3形成添加有鉛作為雜質之氧化矽17b(鉛玻璃)。詳細而言，以於區域P1依序積層有氧化矽17a、絕緣體層18、下電極層27及壓電體層28，於區域P2依序積層有氧化矽17a、絕緣體層18及壓電體層28，於區域P3配置有氧化矽17a之狀態下，實施熱處理，使壓電體層28中之鉛擴散至區域P3之氧化矽17a側，而於區域P3形成添加有鉛作為雜質之氧化矽17b(鉛玻璃)。

換言之，於區域P3之氧化矽17a、與區域P1及區域P2之壓電體層28分離之狀態下，使壓電體層28中之鉛擴散至區域P3之氧化矽17a側。如上所述，若於氧化矽17a與壓電體層28之前驅體膜相接之狀態下實施熱處理，則過量之鉛會擴散至氧化矽17a，而招致氧化矽17a之表面形狀被破壞之不良。若於氧化矽17a與壓電體層28分離之狀態下實施熱處理，則與於氧化矽17a與壓電體層28相接之狀態下實施熱處理之情形相比，擴散至氧化矽17a中之鉛量較少，從而可抑制過量之鉛擴散至氧化矽17a而使氧化矽17a之表面形狀遭到破壞之不良。

另，作為雜質添加至區域P3之氧化矽17a之鉛量可根據區域P3之氧化矽17a與壓電體層28之分離距離(絕緣體層18之膜厚)而調整。因此，藉由調整區域P3之氧化矽17a與壓電體層28之分離距離(絕緣體層18之膜厚)，可使作為雜質而添加至區域P3之氧化矽17a之鉛量適當化。

如此般，於本實施形態之壓電器件14之製造方法中，係於形成氧化矽17a、絕緣體層18、及包含鉛之壓電體層28後，去除形成於區域P3之絕緣體層18與壓電體層28，於形成於區域P3之氧化矽17a與壓電體層28分離之狀態下實施熱處理，使壓電體層28之鉛擴散至形成於區域P3之氧化矽17a，於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側，添加鉛作為雜質。接著，於區域P3，於氧化矽17a之上電極層29側形成添加有鉛作為雜質之氧化矽17b(鉛玻璃)。

因添加有鉛作為雜質之氧化矽17b(鉛玻璃)其楊氏係數小於氧化矽17a，故區域P3之彈性層17更容易變形。因此，以區域P3之振動板21作為振動支點而變形之振動板21容易彎曲變形，從而可進一步增大變形部之振動板21之彎曲變形(壓電元件19之變形量)，使壓電元件19之變形進一步效率化。

其後，如圖8(b)所示，於形成有下電極層27及壓電體層28之絕緣體層18上之整面，藉由濺鍍法等形成成為上電極層29之上金屬層29a。且，藉由光微影法，於上金屬層29a上形成成為針對蝕刻之遮罩之抗蝕劑圖案，並藉由蝕刻將該上金屬層29a以特定形狀圖案化後，去除抗蝕劑圖案。

如此般，製造壓電器件14，其包含：區域P1，其依序積層有彈性層17(氧化矽17a)、絕緣體層18、下電極層27、壓電體層28、上電極層29；區域P2，其依序積層有彈性層17(氧化矽17a)、絕緣體層18、壓電體層28、上電極層29；及區域P3，其依序積層有彈性層17(氧化矽17a、氧化矽17b(鉛玻璃))、上電極層29。

於本實施形態之壓電器件14之製造方法中，無需改變壓電體層28之膜厚(可靠度)即可使壓電元件19之變形進一步效率化，故可確保壓電元件19之可靠度，並使壓電元件19進一步高性能化。因此，可確保壓電器件14之可靠度，並使壓電器件14進一步高性能化。

進而，於本實施形態之壓電器件14之製造方法中，係藉由用於去除電漿損傷之熱處理，使壓電體層28之鉛擴散至區域P3之氧化矽17a側，從而於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側添加鉛作為雜質。因此，與分別進行用於去除電漿損傷之熱處理及使壓電體層28之鉛擴散之熱處理之情形相比，可使製造步驟簡略化，而可提高壓電器件14之生產率。

另，作為雜質而添加於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側之元 素並非限定於鉛，例如亦可為硼(B)、鋁(Al)等之第13族元素，磷(P)或砷(As)等之第15族元素。進而，作為雜質而添加至區域P3之氧化矽17a之上電極層29側之元素並非限定於一種元素，亦可由複數個不同之元素構成。

圖9係與圖8(a)對應之圖，且為表示於氧化矽17a之上電極層29側添加硼(B)作為雜質之方法之示意圖。

如圖9所示，於區域P1及區域P2形成壓電體層28，於去除區域P3之絕緣體層18後，以抗蝕劑35覆蓋區域P1及區域P2。覆蓋區域P1及區域P2之抗蝕劑35亦可使用於區域P1及區域P2形成壓電體層28時所形成之抗蝕劑。進而，使用離子注入裝置，將硼離子B⁺注入至區域P3之氧化矽17a之上電極層29側。亦即，使用離子注入裝置，於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側，注入(添加)硼作為雜質，而形成添加有硼作為雜質之氧化矽17c。

離子注入裝置具有離子源部、質量分離部、加速部、基板保持部及測定部等。以離子源部將材料氣體(例如雙硼烷)離子化，以質量分離部去除不需要之雜質離子，擷取所需要之雜質離子(例如硼離子B⁺)。以加速部對硼離子B⁺施加高電壓(加速電壓)，賦予可進入區域P3之氧化矽17a中之能量。將經加速之硼離子B⁺之波束照射至被固定於基板保持部之基板，形成於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側添加硼作為雜質之氧化矽17c。

若形成於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側添加硼作為雜質之氧化矽17c，則與形成於區域P3之氧化矽17a之上電極層29側添加鉛作為雜質之氧化矽17b之情形同樣地，區域P3之彈性層17變得容易變形，從而可進一步增大變形部之振動板21之彎曲變形(壓電元件19之變形量)，使壓電元件19之變形進一步效率化。

然而，本發明並非限定於上述實施形態。例如，於上述實施形 態中，將區域P1之絕緣體層18之厚度t4設為厚於區域P2之絕緣體層18之厚度t3，但並非限定於此，可將區域P1之絕緣體層18之厚度t4與區域P2之絕緣體層18之厚度t3設為相同。又，雖將區域P3之彈性層17之厚度t1設為薄於區域P1、P2之彈性層17之厚度t2，但並非限定於此，亦可將區域P3之彈性層17之厚度t1與區域P1、P2之彈性層17之厚度t2設為相同。

又，於上述實施形態中，將與壓力室22對應之區域之振動板21之區域中之、積層有下電極層27、壓電體層28及上電極層29之區域整體設為區域P1；將不包含下電極層27而積層有壓電體層28及上電極層29之區域整體設為區域P2；將不包含下電極層27及壓電體層28而僅積層有上電極層29之區域整體設為區域P3，但並非限定於此。於各區域中亦可包含振動板之厚度不同之區域。例如，不包含下電極層27而積層有壓電體層28及上電極層29之區域亦可包含由彈性層17及絕緣體層18構成之區域P2、及振動板21之厚度較該區域P2更厚或更薄之區域P2'。又，不包含下電極層27及壓電體層28而僅積層有上電極層29之區域亦可包含僅由彈性層17構成之區域P3、及彈性層17之厚度較該區域P3更厚或更薄之區域P3'。進而，區域P1亦為同樣之情形。此處，尤其於區域P2'厚於區域P2之情形時，將區域P2設為大於(寬於)區域P2'則不阻礙振動板之變形之效果更大。且，區域P3'厚於區域P3時亦為同樣之情形。亦有此種各區域內所包含之振動板之厚度之差異係因製造公差等而形成之情形。

圖10係第2實施形態之壓電器件之平面圖。

進而，壓力室22(壓力室空間)之形狀並非限定於上述實施形態。例如，區劃壓力室空間之內壁面可相對於壓力室形成基板15之上下表面而分別傾斜。於該情形時，上述壓力室22之寬度相當於壓力室空間之上部開口之開口寬度。又，於上述實施形態中，沿噴嘴行方向並設 有複數個壓電元件19，但並非限定於此。壓電元件係只要於振動板上形成至少1個即可。

又，於上述實施形態中，壓力室空間(壓力室22)之上部開口呈台形狀，形成於壓電體層28之開口部28b呈六角形狀，但並非限定於此。壓力室空間(壓力室)之形狀、壓電體層(開口部)之形狀、各電極層之形狀等可採取各種形狀。例如，如圖10所示，於第2實施形態之壓電器件14'中，於俯視下，壓力室空間(壓力室22')之上部開口呈大致橢圓形狀。又，下電極層27'配合該壓力室22'之形狀而形成為大致橢圓形狀。進而，壓電體層28'之開口部28b'沿著壓力室22'之上部開口緣，形成於壓力室22'之噴嘴行方向之兩側。另，上電極層29'係與上述實施形態同樣，延設至列設於壓力室列設方向(噴嘴行方向)之複數個壓力室22'之外側。又，壓力室22'之長邊方向之上電極層29'係一側(圖10之上側)之端部延伸至與墨水供給路徑24'重疊之位置，另一側(圖10之下側)之端部延伸至壓力室22'之外側。

此處，於本實施形態中，噴嘴行方向之各層之尺寸亦以上電極層29'之寬度、壓力室22'之寬度、壓電體層28'之寬度、下電極層27'之寬度之順序變小。因此，存在積層有下電極層27'、壓電體層28'及上電極層29'之區域P1、不包含下電極層27'而積層有壓電體層28'及上電極層29'之區域P2、及不包含下電極層27'及壓電體層28'而僅積層有上電極層29'之區域P3。又，去除區域P3之絕緣體層，且以滿足P1>P2>P3之方式構成振動板之各區域P1、P2、P3之該振動板之厚度關係。藉此，振動板容易活動(容易變形)，可使壓電元件之變形效率化，謀求壓電器件14'之高性能化。

又，於上述實施形態中，已例示搭載於噴墨式印表機之噴墨式記錄頭，但只要為具有上述構成之壓電器件者，則亦可應用於噴射墨水以外之液體者。例如，亦可將本發明應用於液晶顯示器等之彩色濾 光片之製造所使用之色材料噴射頭、有機EL(Electro Luminescence：電致發光)顯示器、FED(面發光顯示器)等之電極形成所使用之電極材料噴射頭、或生物晶片(生物化學元件)之製造所使用之生物有機物噴射頭等。

又，本發明並非限定於作為致動器而使用於液體噴射頭或液體噴射裝置者，而例如亦可應用於各種感測器等所使用之壓電器件等。

17‧‧‧彈性層

17a‧‧‧氧化矽

17b‧‧‧氧化矽

18‧‧‧絕緣體層

19‧‧‧壓電元件

21‧‧‧振動板

22‧‧‧壓力室

27‧‧‧下電極層

28‧‧‧壓電體層

29‧‧‧上電極層

P1‧‧‧區域

P2‧‧‧區域

P3‧‧‧區域

t1‧‧‧厚度

t2‧‧‧厚度

t3‧‧‧厚度

t4‧‧‧厚度

w4‧‧‧寬度

Claims (5)

1. 一種壓電器件，其特徵在於包含：變形部，其容許第1支持層之彎曲變形；非變形部，其與上述變形部相鄰，並阻礙上述第1支持層之彎曲變形；及壓電元件，其依序積層有第1電極層、壓電體層及第2電極層，並使上述第1支持層彎曲變形；且上述變形部具有供配置上述壓電元件之第1區域、與上述非變形部相鄰之第3區域、及配置於上述第1區域與上述第3區域之間之第2區域；於上述第1區域，依序積層有上述第1支持層、第2支持層、上述第1電極層、上述壓電體層、及上述第2電極層；於上述第2區域，依序積層有上述第1支持層、上述第2支持層、上述壓電體層、及上述第2電極層；於上述第3區域，依序積層有上述第1支持層及上述第2電極層；上述第1支持層係氧化矽；且於上述第3區域之上述氧化矽中，於上述第2電極層側添加有雜質。
2. 如請求項1之壓電器件，其中上述雜質係鉛。
3. 一種液體噴射頭，其特徵在於包含如請求項1或2中任一項之壓電器件。
4. 一種液體噴射裝置，其特徵在於包含如請求項3之液體噴射頭。
5. 一種壓電器件之製造方法，其特徵在於該壓電器件包含：第1區域，其依序積層有氧化矽、第2支持層、第1電極層、包 含鉛之壓電體層、及第2電極層；第2區域，其依序積層有上述氧化矽、上述第2支持層、上述壓電體層、及上述第2電極層；及第3區域，其依序積層有上述氧化矽及上述第2電極層；且該製造方法係如下：於形成上述氧化矽、上述第2支持層及上述壓電體層後，去除形成於上述第3區域之上述第2支持層與上述壓電體層，於形成於上述第3區域之上述氧化矽與上述壓電體層分離之狀態下實施熱處理，使上述壓電體層之上述鉛擴散至形成於上述第3區域之上述氧化矽，於上述第3區域之上述氧化矽之上述第2電極層側，添加上述鉛作為雜質。