JP6972808B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、例えば、液体吐出ヘッドに好適に利用される圧電デバイスの構造に関する。

圧力室の壁面を形成する振動板を圧電素子により振動させることにより圧力室内の液体をノズルから吐出する液体吐出ヘッドが、従来から提案されている。圧電素子は、焼成によって結晶化した圧電体層を含む。例えば特許文献１には、ポリシリコン層、酸化シリコン層、および窒化シリコン層が積層されて形成された振動板を有する液体吐出ヘッドが開示されている。

特開２０１６−１５０４７１号公報

しかし、特許文献１の構成では、圧電体層を緻密な結晶体とするために、圧電素子を高温で焼成すると、圧電素子と振動板との剥離が発生し易くなる。具体的には、圧電素子に含まれる電極の線膨張係数と、振動板の線膨張係数との差が大きいため、高温で焼成すると、電極と振動板との間に大きな熱応力が発生し、この熱応力によって圧電素子と振動板とが剥離し易くなる。また、貴金属製の電極とその直下の誘電体材料との界面が最も密着力が脆弱である。以上の事情を考慮して、本発明の好適な態様は、圧電素子に対して高温で焼成する場合であっても振動板と圧電素子との剥離を抑制することを目的とする。

＜態様１＞
以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、液体を収容する圧力室と、前記圧力室の壁面を形成する振動板と、前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、０．６以上１．４以下である。ヤング率と線膨張係数との積は、単位温度上昇時に発生する熱応力を示す。圧電素子に対して焼成する際に、圧電素子および振動板の中で、熱応力が最も大きくなるのは圧電素子内の電極であり、電極の熱応力と、振動板内の電極近傍の部材の熱応力との差が大きい程、振動板と圧電素子とが剥離し易くなる。従って、以上の態様では、前述の割合が０．６以上１．４以下であるため、電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が小さくなり、高温で焼成する場合であっても振動板と圧電素子との剥離を抑制することが可能になる。
＜態様２＞
態様１の好適例（態様２）において、前記電極は、白金によって形成されており、前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含む。白金のヤング率は、２００ＧＰａであり、窒化シリコン層を形成する窒化シリコンのヤング率は、３００ＧＰａであるのに対し、酸化シリコンのヤング率は７５ＧＰａである。従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、ヤング率が白金に近い材料は窒化シリコンである。
また、白金の線膨張係数は、８．９×１０^−６／Ｋであり、窒化シリコンの線膨張係数は、２．５×１０^−６／Ｋであるのに対し、酸化シリコンの線膨張係数は０．５×１０^−６／Ｋである。従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、線膨張係数が白金に近い材料は窒化シリコンである。
従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、線膨張係数とヤング率との積が白金に近い材料は窒化シリコンとなるため、以上の態様では、振動板が酸化シリコンを含む場合と比較して、高温で焼成しても、電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が小さくなり、振動板と圧電素子との剥離を抑制することが可能になる。
＜態様３＞
態様２の好適例（態様３）において、前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する酸化シリコン層が形成される。一般的に、２つの層の密着力は、２つの層に共通の元素が含まれると強くなる。密着層と酸化シリコン層とは、ともに酸素を含むため、密着層と酸化シリコン層との密着力が強くなる。また、酸化シリコン層と窒化シリコン層とは、ともにシリコンを含むため、酸化シリコン層と窒化シリコン層との密着力が強くなる。以上により、振動板内の密着力を向上させることが可能である。
しかし、前述したように、酸化シリコンのヤング率および線膨張係数は、白金のヤング率および線膨張係数とは離れているため、酸化シリコンを含む程、高温で焼成した場合の電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が大きくなる。上述した態様では、酸化シリコン層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるため、酸化シリコンによる振動板の熱応力への影響が抑えられる。従って、上述した態様では、高温で焼成した場合に電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板と圧電素子との剥離を抑制し、さらに振動板内の密着力を向上させることが可能になる。密着層は、例えば、酸化チタン、酸化イリジウム、または酸化スズ等といった酸化金属である。
＜態様４＞
態様２の好適例（態様４）において、前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、前記密着層の厚さより薄い厚さを有する酸化シリコン層が形成される。前述したように、酸化シリコンのヤング率および線膨張係数は、白金のヤング率および線膨張係数とは離れているため、酸化シリコンを含む程、高温で焼成した場合の熱応力が大きくなる。上述した態様では、酸化シリコン層が密着層より薄いため、酸化シリコンによる振動板の熱応力への影響が抑えられる。従って、上述した態様では、高温で焼成した場合に電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板と圧電素子との剥離を抑制し、さらに振動板内の密着力を向上させることが可能になる。
＜態様５＞
本発明の好適な態様（態様５）に係る液体吐出装置は、以上に例示した何れかの態様に係る液体吐出ヘッドを具備する。液体吐出装置の好例は、インクを吐出する印刷装置であるが、本発明に係る液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。
＜態様６＞
本発明の好適な態様（態様６）に係る圧電デバイスは、圧力室の壁面を形成する振動板と、前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、０．６以上１．４以下である。以上の態様によれば、前述の割合が、０．６以上１．４以下であるため、電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が小さくなり、高温で焼成する場合であっても振動板と圧電素子との剥離を抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る液体吐出装置を例示する構成図である。 液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 図２におけるIII−III線の断面図である。 複数の圧電デバイスの平面図である。 図４におけるV−V線の断面図である。 実施例１における振動板を、図４のV−V線で破断した際の断面図である。 実施例２における振動板を、図４のV−V線で破断した際の断面図である。 対比例における振動板を、図４のV−V線で破断した際の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。ただし、各図において、各部の寸法および縮尺は、実際のものと適宜に異ならせてある。また、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、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るものではない。

＜実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る液体吐出装置１００を例示する構成図である。第１実施形態の液体吐出装置１００は、液体の例示であるインクを媒体（吐出対象）１２に吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用される。図１に例示される通り、液体吐出装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。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、またはインクを補充可能なインクタンクが液体容器１４として利用される。

図１に例示される通り、液体吐出装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体吐出ヘッド２６とを具備する。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の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ方向（Ｙ1，Ｙ2）に搬送する。

移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体吐出ヘッド２６をＸ方向（Ｘ1，Ｘ2）に往復させる。Ｘ方向は、媒体１２が搬送されるＹ方向に交差（典型的には直交）する方向である。第１実施形態の移動機構２４は、液体吐出ヘッド２６を収容する略箱型の搬送体２４２（キャリッジ）と、搬送体２４２が固定された搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体吐出ヘッド２６を搬送体２４２に搭載した構成や、液体容器１４を液体吐出ヘッド２６とともに搬送体２４２に搭載した構成も採用され得る。

液体吐出ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズル（吐出孔）から媒体１２に吐出する。搬送機構２２による媒体１２の搬送と搬送体２４２の反復的な往復とに並行して各液体吐出ヘッド２６が媒体１２にインクを吐出することで、媒体１２の表面に所望の画像が形成される。

図２は、液体吐出ヘッド２６の分解斜視図であり、図３は、図２におけるIII−III線の断面図（Ｘ−Ｚ平面に平行な断面）である。図２に例示される通り、Ｘ-Ｙ平面（例えば媒体１２の表面に平行な平面）に垂直な方向を以下ではＺ方向（Ｚ1，Ｚ2）と表記する。各液体吐出ヘッド２６によるインクの吐出方向（典型的には鉛直方向）がＺ方向に相当する。なお、以下の説明では、Ｘ方向の一方側を「Ｘ1側」と表記するとともに他方側を「Ｘ2側」と表記する。同様に、Ｙ方向の一方側を「Ｙ1側」と表記するとともに他方側を「Ｙ2側」と表記し、Ｚ方向の一方側を「Ｚ1側」と表記するとともに他方側を「Ｚ2側」と表記する。

図２および図３に例示される通り、液体吐出ヘッド２６は、Ｙ方向に長尺な略矩形状の流路基板３２を具備する。流路基板３２のうちＺ方向におけるＺ2側の面上には、圧力室基板３４と振動板３６と複数の圧電素子３８と筐体部４２と封止体４４とが設置される。他方、流路基板３２のうちＺ方向におけるＺ1側の面上には、ノズル板４６と吸振体４８とが設置される。液体吐出ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２と同様にＹ方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤を利用して相互に接合される。

図２に例示される通り、ノズル板４６は、Ｙ方向に配列する複数のノズルＮが形成された板状部材である。各ノズルＮは、インクが通過する貫通孔である。なお、流路基板３２と圧力室基板３４とノズル板４６とは、例えばシリコン（Ｓi）の単結晶基板をエッチング等の半導体製造技術により加工することで形成される。ただし、液体吐出ヘッド２６の各要素の材料や製法は任意である。Ｙ方向は、複数のノズルＮが配列する方向とも換言され得る。

流路基板３２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に例示される通り、流路基板３２には、開口部３２２と供給流路３２４と連通流路３２６とが形成される。開口部３２２は、複数のノズルＮにわたり連続するように平面視で（すなわちＺ方向からみて）Ｙ方向に沿う長尺状に形成された貫通孔である。他方、供給流路３２４および連通流路３２６は、ノズルＮ毎に個別に形成された貫通孔である。また、図３に例示される通り、流路基板３２のうちＺ方向におけるＺ1側の表面には、複数の供給流路３２４にわたる中継流路３２８が形成される。中継流路３２８は、開口部３２２と複数の供給流路３２４とを連通させる流路である。

筐体部４２は、例えば樹脂材料の射出成形で製造された構造体であり、流路基板３２のうちＺ方向におけるＺ2側の表面に固定される。図３に例示される通り、筐体部４２には収容部４２２と導入口４２４とが形成される。収容部４２２は、流路基板３２の開口部３２２に対応した外形の凹部であり、導入口４２４は、収容部４２２に連通する貫通孔である。図３から理解される通り、流路基板３２の開口部３２２と筐体部４２の収容部４２２とを相互に連通させた空間が液体貯留室（リザーバー）Ｒとして機能する。液体容器１４から供給されて導入口４２４を通過したインクが液体貯留室Ｒに貯留される。

吸振体４８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り、例えば弾性変形が可能な可撓性のシート部材（コンプライアンス基板）を含んで形成される。具体的には、流路基板３２の開口部３２２と中継流路３２８と複数の供給流路３２４とを閉塞して液体貯留室Ｒの底面を形成するように、流路基板３２のうちＺ方向におけるＺ1側の表面に吸振体４８が設置される。

図２および図３に例示される通り、圧力室基板３４は、相異なるノズルＮに対応する複数の圧力室Ｃが形成された板状部材である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ方向に沿って配列する。各圧力室Ｃ（キャビティ）は、平面視でＸ方向に沿う長尺状の開口部である。Ｘ方向におけるＸ1側における圧力室Ｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の供給流路３２４に重なり、Ｘ方向のＸ2側における圧力室Ｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の連通流路３２６に重なる。

圧力室基板３４のうち流路基板３２とは反対側の表面には振動板３６が設置される。振動板３６は、弾性的に変形可能な板状部材である。なお、所定の板厚の板状部材のうち圧力室Ｃに対応する領域について板厚方向の一部を選択的に除去することで、圧力室基板３４と振動板３６の一部または全部とを一体に形成することも可能である。

図３から理解される通り、流路基板３２と振動板３６とは、各圧力室Ｃの内側で相互に間隔をあけて対向する。圧力室Ｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置し、当該圧力室Ｃ内に充填されたインクに圧力を付与するための空間である。液体貯留室Ｒに貯留されたインクは、中継流路３２８から各供給流路３２４に分岐して複数の圧力室Ｃに並列に供給および充填される。以上の説明から理解される通り、振動板３６は、圧力室Ｃの壁面（具体的には、圧力室Ｃの一面である上面）を形成する。

図２および図３に例示される通り、振動板３６のうち圧力室Ｃとは反対側の表面には、相異なるノズルＮ（または圧力室Ｃ）に対応する複数の圧電素子３８が設置される。各圧電素子３８は、駆動信号の供給により変形するアクチュエーターであり、平面視でＸ方向に沿う長尺状に形成される。複数の圧電素子３８は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ方向に配列する。圧電素子３８の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することで、圧力室Ｃに充填されたインクが連通流路３２６とノズルＮとを通過して吐出される。

図２および図３の封止体４４は、複数の圧電素子３８を保護するとともに圧力室基板３４および振動板３６の機械的な強度を補強する構造体であり、振動板３６の表面に例えば接着剤で固定される。封止体４４のうち振動板３６との対向面に形成された凹部の内側に複数の圧電素子３８が収容される。

図３に例示される通り、振動板３６の表面（または圧力室基板３４の表面）には、例えば配線基板５０が接合される。配線基板５０は、制御ユニット２０または電源回路（図示略）と液体吐出ヘッド２６とを電気的に接続するための複数の配線（図示略）が形成された実装部品である。例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板５０が好適に採用される。圧電素子３８を駆動するための駆動信号が配線基板５０から各圧電素子３８に供給される。

各圧電素子３８の具体的な構成を以下に詳述する。図４は、複数の圧電素子３８の平面図である。なお、図４では、任意の１個の要素の奥側に位置する要素の周縁（本来は手前側の要素に隠れる部位）も便宜的に図示されている。また、図５は、図４におけるV−V線の断面図（圧電素子３８の長手方向に沿う断面）である。ここで、振動板３６は、複数の層を有するが、図５では、図面の煩雑化を避けるために、振動板３６内の複数の層を省略する。

図４および図５に例示される通り、圧電素子３８は、第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３と保護層５４と第１配線５５との積層により形成される。なお、本明細書において「要素Ａと要素Ｂとが積層される」という表現は、要素Ａと要素Ｂとが直接的に接触する構成には限定されない。すなわち、要素Ａと要素Ｂとの間に他の要素Ｃが介在する構成も、「要素Ａと要素Ｂとが積層される」という概念に包含される。また、「要素Ａの面上に要素Ｂが形成される」という表現も同様に、要素Ａと要素Ｂとが直接的に接触する構成には限定されない。すなわち、要素Ａの表面に要素Ｃが形成され、要素Ｃの表面に要素Ｂが形成された構成でも、要素Ａと要素Ｂとの少なくとも一部が平面視で重なる構成であれば、「要素Ａの面上に要素Ｂが形成される」という概念に包含される。

第１電極５１は、振動板３６の面上に形成される。具体的には、第１電極５１は、複数の圧電素子３８（または複数の圧力室Ｃ）にわたり連続するようにＹ方向に延在する帯状の共通電極である。第１電極５１におけるＹ方向の端部には、例えば配線基板５０から所定の基準電圧Ｖbsが印加される。

図４および図５に例示される通り、第１電極５１のうちＸ方向におけるＸ1側の端部（周縁）Ｅa1は、圧力室ＣにおけるＸ1側の端部ｃ1からみてＸ2側に位置する。すなわち、各圧力室Ｃの端部ｃ1は、第１電極５１が形成された範囲の外側に位置する。

圧電体層５２は、第１電極５１の面上に形成される。圧電体層５２は、圧電素子３８毎（または圧力室Ｃ毎）に個別に形成されて平面視で圧力室Ｃに重なる。すなわち、Ｘ方向に長尺な複数の圧電体層５２が相互に間隔をあけてＹ方向に配列する。圧電体層５２の材料または製法は任意である。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料の薄膜をスパッタリング等の公知の成膜技術により形成し、フォトリソグラフィ等の公知の加工技術により当該薄膜を選択的に除去して焼成することにより、圧電体層５２を形成することが可能である。

図４および図５に例示される通り、圧電体層５２におけるＸ方向のＸ1側の端部Ｅb1は、第１電極５１の端部Ｅa1からみてＸ方向のＸ2側に位置する。図４および図５に例示される通り、各圧電体層５２は、第１電極５１が形成された範囲の内側に位置する。

第２電極５３は、圧電体層５２の面上に形成される。第２電極５３は、圧電素子３８毎（または圧力室Ｃ毎）に個別に形成された個別電極である。具体的には、Ｘ方向に延在する複数の第２電極５３が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列する。第２電極５３の材料または製法は任意である。例えば、白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の導電材料の薄膜をスパッタリング等の公知の成膜技術により形成し、フォトリソグラフィ等の公知の加工技術により当該薄膜を選択的に除去することで、第２電極５３を形成することが可能である。第２電極５３は、圧電体層５２が形成された範囲の内側に位置する。

第２電極５３のうちＸ方向におけるＸ1側の端部Ｅc1は、圧電体層５２の端部Ｅb1からみてＸ方向のＸ2側に位置する。また、第２電極５３は、Ｙ方向においても圧電体層５２の内側に位置する。以上の説明から理解される通り、第２電極５３は、圧電体層５２が形成された範囲の内側に位置する。

本実施形態の圧電素子３８は、図５に示すようなユニモルフ型を採用する。圧力室Ｃ毎（またはノズルＮ毎）に圧電素子３８が個別に形成される。Ｘ方向に長尺な複数の圧電素子３８が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列する。圧電体層５２のうち第１電極５１と第２電極５３とで挟まれた部分（いわゆる能動部）が、第１電極５１に印加される基準電圧Ｖbsと第２電極５３に供給される駆動信号Ｖdrとの電圧差に応じて変形する。なお、Ｚ方向は、圧電素子３８を形成する複数層が積層された方向とも換言され得る。

保護層５４は、複数の圧電素子３８が形成された振動板３６の表面を覆う絶縁性の被膜である。すなわち、保護層５４は、第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３とを被覆する。保護層５４は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁材料で形成される。

第１配線５５は、保護層５４の面上に形成された導電層である。第１配線５５は、圧電素子３８毎（または圧力室Ｃ毎）に個別に形成される。具体的には、Ｘ方向に長尺な複数の第１配線５５が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列する。

図４および図５に例示される通り、第１配線５５は、圧電体層５２の端部Ｘ1側に形成される。すなわち、第１配線５５は、圧電体層５２の端部Ｅb1に平面視で重なる。具体的には、第１配線５５のうちＸ方向におけるＸ1側の端部Ｅd1は、第１電極５１の端部Ｅa1からみてＸ方向のＸ1側に位置する。以上の説明から理解される通り、第１配線５５は、圧電体層５２および第２電極５３の面上と第１電極５１の第２部分Ｓ2（圧電体層５２に重ならない部分）の面上とにわたり連続する。なお、図４においては、第１配線５５が圧電体層５２よりも幅広である構成を例示したが、第１配線５５の配線幅は任意である。

第１配線５５のうち圧電体層５２の面上に位置する端部Ｅd2側の部分は、保護層５４に形成されたコンタクトホールＨ1を介して第２電極５３に電気的に接続される。また、第１配線５５のうち圧電体層５２の端部Ｅb1からみてＸ方向のＸ1側の部分は、保護層５４を挟んで第１電極５１の第２部分Ｓ2に平面視で重なる。従って、第１配線５５（さらには第２電極５３）と第１電極５１とは電気的に絶縁される。第１配線５５のうち端部Ｅd1側の部分は、配線基板５０の配線に電気的に接続される。以上の構成において、配線基板５０から第１配線５５に供給された駆動信号Ｖdrは、第１配線５５を介して第２電極５３に供給される。

第１配線５５は、共通の導電層（単層または複数層）を選択的に除去することで一括的に形成される。従って、第１配線５５は、共通の導電材料により略同一の膜厚に形成される。例えば、金等の低抵抗な金属の導電層をスパッタリング等の公知の成膜技術により形成し、フォトリソグラフィ等の公知の加工技術により当該導電層を選択的に除去することで、第１配線５５が一括的に形成される。第１配線５５の膜厚は、第２電極５３の膜厚よりも厚い。例えば、第２電極５３は、圧電体層５２の変形を過度に抑制しないように充分に薄い膜厚に形成される。他方、第１配線５５については、配線抵抗が充分に低減されるように相応の膜厚が確保される。

＜実施例および対比例＞
以下、振動板３６の詳細な構成に着目した実施例（実施例１および実施例２）を説明する。図６および図７に例示された実施例１および実施例２においては、振動板３６の積層構造（具体的には積層数）が相違する。また、図８には、実施例と対比されるべき対比例の構成が図示されている。実施例１および実施例２では、下記（１）式を満たすのに対し、対比例では、下記（１）式を満たさない。

０．６≦（α２×Ｅ２）／（α１×Ｅ１）≦１．４ （１）

ここで、α１は、第１電極５１の線膨張係数を示し、Ｅ１は、第１電極５１のヤング率を示す。また、α２は、振動板３６のうち圧電素子３８側の面から第１電極５１の厚さまでに含まれる部材（以下、「近傍部材」と称する）の線膨張係数を示し、Ｅ２は、近傍部材のヤング率を示す。近傍部材は、振動板３６内の第１電極５１近傍の部材となる。（１）式内の（α２×Ｅ２）／（α１×Ｅ１）は、第１電極５１のヤング率と第１電極５１の線膨張係数との積に対する、近傍部材のヤング率と近傍部材の線膨張係数との積の割合を示す。（α２×Ｅ２）／（α１×Ｅ１）は、１に近いほうがより好ましい。１に近づく程、第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が小さくなり、圧電素子３８と振動板３６との剥離を抑制することができるためである。

ここで、複数の層から形成される板の線膨張係数は、複数の層の各層の線膨張係数の平均値となる。具体的には、複数の層から形成される板の線膨張係数は、下記（２）式により求められる。

αaveは、複数の層から形成される板の線膨張係数である。ｎは、層の数である。Ｅiは、i番目の層のヤング率である。ｔiは、i番目の層の厚さである。αiは、i番目の層の線膨張係数である。

複数の層から形成される板のヤング率も、線膨張係数と同様に、複数の層の各層のヤング率の平均値となる。具体的には、複数の層から形成される板のヤング率は、下記（３）式により求められる。

Ｅaveは、複数の層から形成される板の線膨張係数となる。

（２）式および（３）式により、αave×Ｅaveは、下記（４）式により求められる。

実施例１、実施例２、および対比例において、第１電極５１の材料は、白金であるとする。白金のヤング率は、２００ＧＰａであり、白金の線膨張係数は、８．９×１０^−６／Ｋである。また、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）のヤング率は、３００ＧＰａであり、窒化シリコンの線膨張係数は、２．５×１０^−６／Ｋである。また、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のヤング率は、７５ＧＰａであり、酸化シリコンの線膨張係数は、０．５×１０^−６／Ｋである。また、酸化チタン（ＴｉＯ_２）のヤング率は、３００ＧＰａであり、酸化チタンの線膨張係数は、９×１０^−６／Ｋである。実施例１、実施例２、および対比例において、以下の説明では、（１）式、（２）式、および（３）式に関係する層の厚さを記載する。

＜実施例１＞
図６は、実施例１における振動板３６を、図４のV−V線で破断した際の断面図である。図６では、図面の煩雑化を避けるために、第１配線５５およびコンタクトホールＨ１の描画を省略する。実施例１における振動板３６は、シリコン熱酸化層３６５と、第１窒化シリコン層３６２−１と、第１酸化シリコン層３６６−１と、ポリシリコン層３６３と、第２酸化シリコン層３６６−２と、第２窒化シリコン層３６２−２と、密着層３６４とが、圧力室Ｃ側からこの順番で積層されて形成される。
以下の説明では、同種の要素を区別する場合には、「第１窒化シリコン層３６２−１」、「第２窒化シリコン層３６２−２」のように参照符号を使用し、同種の要素を区別せずに総称する場合には、「窒化シリコン層３６２」のように参照符号のうちの共通番号だけを使用することがある。

第１電極５１の厚さｔ_Ｐｔ１は、例えば、１６０ｎｍである。密着層３６４は、圧電素子３８側の最表層に位置し、酸化物である層である。密着層３６４は、例えば、圧電素子３８の焼成によってチタン（Ｔｉ）が酸化した酸化チタンにより形成される。密着層３６４の厚さｔ_ＴｉＯは、例えば、３０ｎｍである。窒化シリコン層３６２は、窒化シリコンにより形成された層である。第２窒化シリコン層３６２−２の厚さｔ_ＳｉＮは、例えば、１３０ｎｍである。ｔ_Ｐｔ１＝ｔ_ＴｉＯ＋ｔ_ＳｉＮとなるため、密着層３６４と第２窒化シリコン層３６２−２とから形成される部材が、前述した近傍部材となる。

酸化シリコン層３６６は、酸化シリコンによって形成された層である。シリコン熱酸化層３６５は、シリコンに対して熱酸化処理を行って得られた酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）によって形成された層である。ｘは１以上の整数である。

以上により、実施例１について、α１は、８．９×１０^−６／Ｋとなり、Ｅ１は、２００ＧＰａとなるから、α１×Ｅ１＝１７８０ｋＰａ／Ｋとなる。また、α２×Ｅ２は、（４）式により、１１１６ｋＰａ／Ｋとなる。従って、（α２×Ｅ２）／（α１×Ｅ１）＝約０．６３となり、（１）式を満たす。（１）式を満たすことにより、高温で焼成しても、第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が小さくなり、振動板３６と圧電素子３８との剥離を抑制することが可能になる。高温は、例えば、７００度から８００度までの間である。

＜実施例２＞
図７は、実施例２における振動板３６を、図４のV−V線で破断した際の断面図である。図７では、図面の煩雑化を避けるために、第１配線５５およびコンタクトホールＨ１の描画を省略する。実施例２における振動板３６は、シリコン熱酸化層３６５と、第１窒化シリコン層３６２−１と、第１酸化シリコン層３６６−１と、ポリシリコン層３６３と、第２酸化シリコン層３６６−２と、第２窒化シリコン層３６２−２と、第３酸化シリコン層３６６−３と、密着層３６４とが、圧力室Ｃ側からこの順番で積層されて形成される。

第１電極５１の厚さｔ_Ｐｔ１は、例えば、１６０ｎｍである。密着層３６４の厚さｔ_ＴｉＯは、例えば、３０ｎｍである。第３酸化シリコン層３６６−３の厚さｔ_ＳｉＯは、例えば、５ｎｍである。第２窒化シリコン層３６２−２の厚さｔ_ＳｉＮは、例えば、１２５ｎｍである。ｔ_Ｐｔ１＝ｔ_ＴｉＯ＋ｔ_ＳｉＯ＋ｔ_ＳｉＮとなるため、密着層３６４と第３酸化シリコン層３６６−３と第２窒化シリコン層３６２−２とから形成される部材が、前述した近傍部材となる。

以上により、実施例２について、α１は、８．９×１０^−６／Ｋとなり、Ｅ１は、２００ＧＰａとなるから、α１×Ｅ１＝１７８０ｋＰａ／Ｋとなる。また、α２×Ｅ２は、（４）式により、約１０９３ｋＰａ／Ｋとなる。従って、（α２×Ｅ２）／（α１×Ｅ１）＝約０．６１となり、（１）式を満たす。（１）式を満たすことにより、高温で焼成しても、第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が小さくなり、振動板３６と圧電素子３８との剥離を抑制することが可能になる。

＜対比例＞
図８は、対比例における振動板３６を、図４のV−V線で破断した際の断面図である。図８では、図面の煩雑化を避けるために、第１配線５５およびコンタクトホールＨ１の描画を省略する。対比例における振動板３６は、シリコン熱酸化層３６５と、第１ポリシリコン層３６３−１と、第１酸化シリコン層３６６−１と、第１窒化シリコン層３６２−１と、第２酸化シリコン層３６６−２と、第２窒化シリコン層３６２−２と、第３酸化シリコン層３６６−３と、第２ポリシリコン層３６３−２と、第４酸化シリコン層３６６−４と、密着層３６４とが、圧力室Ｃ側からこの順番で積層されて形成される。

第１電極５１の厚さｔ_Ｐｔ１は、例えば、１６０ｎｍである。密着層３６４の厚さｔ_ＴｉＯは、例えば、５０ｎｍである。第４酸化シリコン層３６６−４は、例えば、１１０ｎｍとなる。ｔ_Ｐｔ１＝ｔ_ＴｉＯ＋ｔ_ＳｉＯとなるため、密着層３６４と第４酸化シリコン層３６６−４とから形成される部材が、前述した近傍部材となる。

以上により、対比例について、α１は、８．９×１０^−６／Ｋとなり、Ｅ１は、２００ＧＰａとなるから、α１×Ｅ１＝１７８０ｋＰａ／Ｋとなる。また、α２×Ｅ２は、（４）式により、約８７０ｋＰａ／Ｋとなる。従って、（α２×Ｅ２）／（α１×Ｅ１）＝約０．４９となり、（１）式を満たさない。（１）式を満たさないことにより、高温での焼成による第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が大きくなって、振動板３６と圧電素子３８とが剥離し易くなる。また、対比例では、圧電体層５２内の鉛（Ｐｂ）が第４酸化シリコン層３６６−４へ拡散すると、酸化シリコンが変質するため、振動板３６と圧電素子３８とが剥離し易くなる。

＜実施形態の効果＞
上述したように、実施例１および実施例２では、（１）式を満たす。ここで、（１）式のα×Ｅは、単位温度上昇時に発生する熱応力を示す。圧電素子３８に対して焼成する際に、圧電素子３８および振動板３６の中で、熱応力が最も大きくなるのは第１電極５１であり、第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が大きい程、振動板３６と圧電素子３８とが剥離し易くなる。従って、（１）式を満たすことにより、高温で焼成しても第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が小さくなり、振動板３６と圧電素子３８との剥離を抑制することが可能になる。なお、第１電極５１と圧電体層５２との関係については、考慮しなくてよい。考慮しなくてよい理由としては、圧電体層５２は、高温焼成する温度より低い温度でキュリー温度を有し、キュリー温度の前後では圧電体層５２の結晶構造が大きく変化して、第１電極５１と圧電体層５２との熱応力の差が小さくなるためである。

また、実施例１および実施例２における第１電極５１は、白金によって形成されており、振動板３６には、窒化シリコン層３６２が含まれる。ここで、白金のヤング率は、２００ＧＰａであり、窒化シリコン層３６２を形成する窒化シリコンのヤング率は、３００ＧＰａであるのに対し、酸化シリコンのヤング率は７５ＧＰａである。窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、ヤング率が白金に近い材料は窒化シリコンである。
また、白金の線膨張係数は、８．９×１０^−６／Ｋであり、窒化シリコンの線膨張係数は、２．５×１０^−６／Ｋであるのに対し、酸化シリコンの線膨張係数は０．５×１０^−６／Ｋである。従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、線膨張係数が白金に近い材料は窒化シリコンである。
以上により、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、α×Ｅが白金に近い材料も窒化シリコンとなる。従って、振動板３６が酸化シリコンを含む場合と比較して、高温で焼成しても第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が低減し、振動板３６と圧電素子３８との剥離を抑制することが可能になる。

また、実施例２における振動板３６は、圧電素子３８側の最表層に位置する密着層３６４を含み、密着層３６４と窒化シリコン層３６２との間には、酸化シリコン層３６６が形成される。一般的に、２つの層の密着力は、２つの層に共通の元素が含まれると強くなる。密着層３６４と酸化シリコン層３６６とは、ともに酸化物であるため、密着層３６４と酸化シリコン層３６６との密着力が強くなる。また、酸化シリコン層３６６と窒化シリコン層３６２とは、ともにシリコンを含むため、酸化シリコン層３６６と窒化シリコン層３６２との密着力が強くなる。以上により、密着層３６４と窒化シリコン層３６２との間に酸化シリコン層３６６が形成されることにより、酸化シリコン層３６６が形成されない場合と比較して、振動板３６内の密着力を向上させることが可能である。
しかし、前述したように、酸化シリコンのヤング率および線膨張係数は、白金のヤング率および線膨張係数とは離れているため、振動板３６が酸化シリコンを含む程、高温で焼成した場合の第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が大きくなってしまう。そこで、実施例２におけるｔ_ＳｉＯのように、密着層３６４と窒化シリコン層３６２との間に形成される酸化シリコン層３６６の厚さが、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。この厚さの範囲であれば、酸化シリコンによる振動板３６の熱応力への影響が抑えられる。従って、高温で焼成した場合に第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板３６と圧電素子３８との剥離を抑制することが可能になり、さらに、振動板３６内の密着力を向上させることが可能になる。

また、実施例２では、ｔ_ＴｉＯ＞ｔ_ＳｉＯという関係を満たす。換言すれば、密着層３６４と窒化シリコン層３６２との間に形成される酸化シリコン層３６６の厚さが、密着層３６４の厚さより薄い。この関係を満たしていれば、酸化シリコンによる振動板３６の熱応力への影響が抑えられる。従って、高温で焼成した場合に第１電極５１と近傍部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板３６と圧電素子３８との剥離を抑制することが可能になり、さらに、振動板３６内の密着力を向上させることが可能になる。

＜変形例＞
以上の各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲内で適宜に併合され得る。なお、以下に例示する変形例において作用や機能が実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照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。

（１）前述の各形態では、振動板３６のうち圧電素子３８側の面からの第１電極５１の厚さが、振動板３６内の複数の層の境界に位置していたが、複数の層のうち何れかの層内に位置してもよい。例えば、実施例１では、第２酸化シリコン層３６６−２の厚さｔ_ＳｉＮは、１３０ｎｍであったが、第２酸化シリコン層３６６−２の厚さｔ_ＳｉＮが１３０ｎｍより大きい場合であっても、（４）式におけるｔ_ＳｉＮは、１３０ｎｍとして計算する。

（２）前述の各形態では、第１電極５１は単層であったが、複数の層によって形成されてもよい。この場合、（１）式におけるα１×Ｅ１は、（４）式を用いて求めることができる。

（３）前述の各形態では、密着層３６４が圧電素子３８側の振動板３６の最表面に形成されていたが、密着層３６４は、焼成時に酸化して第１電極５１の中に拡散し、観測できない場合がある。従って、焼成後には密着層３６４を有さず、振動板３６の表面に第１電極５１が形成されてもよい。密着層３６４が第１電極５１の中に拡散し観測できない場合であっても、圧電素子３８と振動板３６との剥離を抑制することが可能になる。また、前述の各形態では、密着層３６４の材料は、酸化チタンであったが、これに限らず、酸化イリジウム、または酸化スズでもよい。

（４）前述の各形態では、複数の圧電素子３８にわたり連続する帯状の第１電極５１を例示したが、第１電極５１の平面形状は以上の例示に限定されない。例えば、第１電極５１を圧電素子３８毎に個別に形成してもよい。第１電極５１を個別電極とした構成では、第１電極５１が形成された範囲の内側に圧電体層５２が形成される。

（５）圧力室Ｃまたは圧電素子３８の平面形状は前述の各形態の例示に限定されない。例えば、シリコン（Ｓi）の単結晶基板を圧力室基板３４として利用した構成では、実際には、圧力室Ｃの平面形状に結晶面が反映される。

（６）前述の各形態では、液体吐出ヘッド２６を搭載した搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体吐出装置１００を例示したが、複数のノズルＮが媒体１２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。

（７）前述の各形態で例示した液体吐出装置１００は、印刷に専用される機器の他、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。

（８）前述の各形態で例示した圧電素子３８と振動板３６とを具備した圧電デバイスは、液体吐出ヘッド２６のみならず、超音波トランスデューサー、超音波モーター、圧力センサー、または焦電センサー等他の圧電デバイスにも適用することができる。このような他の圧電デバイスにおいても、圧電素子と振動板との剥離を抑制することが可能である。

１００…液体吐出装置、１２…媒体、１４…液体容器、２０…制御ユニット、２２…搬送機構、２４…移動機構、２６…液体噴射ヘッド、３２……流路基板、３４…圧力室基板、３４２…除去部、３６…振動板、３６２…窒化シリコン層、３６３…ポリシリコン層、３６４…密着層、３６５…シリコン熱酸化層、３６６…酸化シリコン層、３８…圧電素子、４２…筐体部、４４…封止体、４６…ノズル板、Ｎ…ノズル、４８…吸振体、５０…配線基板、５１…第１電極、５２…圧電体層、５３…第２電極、５４…保護層、Ｃ…圧力室、Ｒ…液体貯留室。

Claims (5)

1. 液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室の壁面を形成する振動板と、
   前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
   前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、０．６以上１．４以下であり、
   前記電極は、白金によって形成されており、
   前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
   前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
   前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
   液体吐出ヘッド。
2. 液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室の壁面を形成する振動板と、
   前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
   前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、０．６以上１．４以下であり、
   前記電極は、白金によって形成されており、
   前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
   前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
   前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、前記密着層の厚さより薄い厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
   液体吐出ヘッド。
3. 請求項１または請求項２の液体吐出ヘッドを具備する液体吐出装置。
4. 圧力室の壁面を形成する振動板と、
   前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
   前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、０．６以上１．４以下であり、
   前記電極は、白金によって形成されており、
   前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
   前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
   前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
   圧電デバイス。
5. 圧力室の壁面を形成する振動板と、
   前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
   前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、０．６以上１．４以下であり、
   前記電極は、白金によって形成されており、
   前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
   前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
   前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、前記密着層の厚さより薄い厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
   圧電デバイス。

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