(57)【要約】【課題】発生力を向上させることができる圧電アクチュエータなどを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ１７０は、第一主面１３２及び第一主面１３２とは反対側の第二主面１３３を有するダイヤフラム１３１と、ダイヤフラム１３１を囲むように配置された支持部１１８と、ダイヤフラム１３１の第二主面１３３に配置された圧電駆動部１５０とを備えている。ダイヤフラム１３１は、平面視において長尺な矩形状に形成されている。圧電駆動部１５０は、平面視において矩形状の矩形状部１５５と、矩形状部１５５の一端部から先細るように形成された先細り部１５６とを備えている。圧電駆動部１５０は、平面視矩形状のダイヤフラム１３１の長手方向と、矩形状部１５５と先細り部１５６との並び方向とが平行となるように配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一主面及び前記第一主面とは反対側の第二主面を有するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムを囲むように配置された支持部と、
前記ダイヤフラムの第二主面に配置された圧電駆動部と、
一端部が前記圧電駆動部に接続され、他端部が平面視で前記ダイヤフラム外に配置された引き出し電極と、を備え、
前記圧電駆動部は、
前記ダイヤフラムの前記第二主面に積層された第一電極と、
前記第一電極における前記ダイヤフラムとは反対側に積層されて、平面視において前記ダイヤフラムに包含された圧電体層と、
前記圧電体層における前記第一電極とは反対側に積層されて、平面視において前記ダイヤフラムに包含された第二電極とを備え、
前記ダイヤフラムは、平面視において長尺な矩形状に形成されており、
前記圧電駆動部は、平面視において矩形状の矩形状部と、前記矩形状部の一端部から先細るように形成された先細り部とを備え、前記ダイヤフラムの長手方向と、前記矩形状部と前記先細り部との並び方向とが平行となるように配置されている
圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電駆動部及び前記ダイヤフラムの少なくとも一方は、平面視における角部が曲線状に形成されている
請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第二電極における前記圧電体層とは反対側に積層された絶縁層を備え、
前記引き出し電極の前記一端部は、前記絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して、前記第二電極に接続されている
請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記ダイヤフラムは、前記第一主面をなす硬質層と、前記第二主面をなすように前記硬質層に積層され、当該硬質層よりも縦弾性係数が小さい弾性層とを備える
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記矩形状部と前記先細り部との並び方向に直交する方向での前記圧電駆動部の幅Ｗ１と、前記長手方向に直交する方向での前記ダイヤフラムの幅Ｗ２との関係が、０．６≦Ｗ１／Ｗ２＜０．８を満たす
請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電体層は、ニオブが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛により形成されている
請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの前記ダイヤフラムによって一部が形成され、内部の液体に対して圧力を付与する圧力室と、
前記圧力室に連通し、前記液体と吐出する吐出流路とを備える
液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ及び液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、インクジェット式プリンタなどの液体吐出装置に搭載される液体吐出ヘッドは、圧電アクチュエータを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３２９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、インクジェットプリンタを用いて布などに画像を形成することもあるが、布の表面には凹凸があるために、液体吐出ヘッドと布との間隔（プリントギャップ）をある程度確保しておく必要がある。プリントギャップを大きくしても、画像形成の正確性を維持するには、液体吐出ヘッドから液滴を強く吐出させなければならない。このため、圧電アクチュエータにおけるインクを押し出す力（発生力）を高めることが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、発生力を向上させることができる圧電アクチュエータ及び液体吐出ヘッドを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る圧電アクチュエータは、第一主面及び第一主面とは反対側の第二主面を有するダイヤフラムと、ダイヤフラムを囲むように配置された支持部と、ダイヤフラムの第二主面に配置された圧電駆動部と、一端部が圧電駆動部に接続され、他端部が平面視でダイヤフラム外に配置された引き出し電極と、を備え、圧電駆動部は、ダイヤフラムの第二主面に積層された第一電極と、第一電極におけるダイヤフラムとは反対側に積層されて、平面視においてダイヤフラムに包含された圧電体層と、圧電体層における第一電極とは反対側に積層されて、平面視においてダイヤフラムに包含された第二電極とを備え、ダイヤフラムは、平面視において長尺な矩形状に形成されており、圧電駆動部は、平面視において矩形状の矩形状部と、矩形状部の一端部から先細るように形成された先細り部とを備え、ダイヤフラムの長手方向と、矩形状部と先細り部との並び方向とが平行となるように配置されている。
【０００７】
本発明の一態様に係る液体吐出ヘッドは、上記圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータのダイヤフラムによって一部が形成され、内部の液体に対して圧力を付与する圧力室と、圧力室に連通し、液体と吐出する吐出流路とを備える。
【０００８】
この構成によれば、圧電駆動部は、ダイヤフラムの長手方向と、矩形状部と先細り部との並び方向とが平行となるように、平面視においてダイヤフラムに包含されて配置されているので、平面視においてダイヤフラムと圧電駆動部との両者が矩形状の圧電アクチュエータ（基準モデル）と比べると、発生力を高めることができる。
【０００９】
また、圧電駆動部及びダイヤフラムの少なくとも一方は、平面視における角部が曲線状に形成されててもよい。
【００１０】
この構成によれば、平面視における圧電駆動部及びダイヤフラムの少なくとも一方の角部が曲線状に形成されているので、発生力向上に伴う角部への応力集中を緩和することができ、長期的な信頼性を高めることができる。
【００１１】
また、第二電極における前記圧電体層とは反対側に積層された絶縁層を備え、引き出し電極の一端部は、絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して、第二電極に接続されていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、引き出し電極の一端部が、絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して第二電極に接続されているので、絶縁層が緩衝体として機能することになる。発生力が向上することによって、引き出し電極の一端部と第二電極との接続部に大きな力が作用するが、絶縁層があることで当該絶縁層がその力を緩和する。つまり、接続部の破損を抑制することができる。
【００１３】
また、ダイヤフラムは、第一主面をなす硬質層と、第二主面をなすように硬質層に積層され、当該硬質層よりも縦弾性係数が小さい弾性層とを備えてもよい。
【００１４】
この構成によれば、第一主面をなす硬質層と、第二主面をなす弾性層とによってダイヤフラムが形成されているので、ダイヤフラムの撓みの中立面と圧電駆動部までの距離を大きくすることができる。これにより、圧電駆動部で生じた力を効率的に撓みに変換することができる。
【００１５】
また、矩形状部と先細り部との並び方向に直交する方向での圧電駆動部の幅Ｗ１と、長手方向に直交する方向でのダイヤフラムの幅Ｗ２との関係が、０．６≦Ｗ１／Ｗ２＜０．８を満たしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、圧電駆動部の幅Ｗ１と、ダイヤフラムの幅Ｗ２との関係が、０．６≦Ｗ１／Ｗ２＜０．８を満たしているので、一定の共振周波数を維持したまま、ダイヤフラムの最大変位量を高めることができる。これにより、振動効率を高めることができる。
【００１７】
また、圧電体層は、ニオブが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛により形成されていてもよい。
【００１８】
この構成によれば、ニオブが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛により圧電体層が形成されているので、圧電体層の圧電定数を高めることができる。これにより、圧電駆動部の駆動効率が高められる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の圧電アクチュエータ及び液体吐出ヘッドは、発生力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態に係る液体吐出ヘッドの要部構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る圧電駆動部とダイヤフラムの平面視形状を示す平面図である。
【図４】実施の形態に係る圧電アクチュエータを製造する際の各工程を示す断面図である。
【図５】実施の形態に係る圧電アクチュエータを製造する際の各工程を示す断面図である。
【図６】比較例に係る圧電アクチュエータの圧電駆動部とダイヤフラムの平面視形状を示す平面図である。
【図７】実施の形態に係る圧電アクチュエータの発生力と、比較例に係る圧電アクチュエータの発生力を示すグラフである。
【図８】実施の形態に係る圧電駆動部の幅を変化させた場合の、ダイヤフラムの最大変位量及び共振周波数を示すグラフである。
【図９】変形例１に係る圧電駆動部とダイヤフラムの平面視形状を示す平面図である。
【図１０】変形例２に係る振動層の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は一例であり、本発明はこれらの実施の形態により限定されるものではない。つまり、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２２】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
【００２３】
図１は、実施の形態に係る液体吐出ヘッド１００の要部構成を示す断面図である。液体吐出ヘッド１００は、例えばインクジェット式記録ヘッドであり、インクジェットプリンタなどの画像形成装置に搭載されている。このインクジェットプリンタは、例えば布Ｓなどのシート状の記録媒体に対して画像を形成する。布Ｓには、画像形成面に凹凸があるため、液体吐出ヘッド１００と布Ｓとの間隔（プリントギャップＧ）が、例えば紙に画像を形成するインクジェットプリンタよりも大きく設定されている。
【００２４】
液体吐出ヘッド１００は、ノズルプレート層１１０と、複数の流路形成層１２１、１２２、１２３、１２４と、振動層１３０とを、駆動部１４０とを備えている。
【００２５】
ノズルプレート層１１０は、例えばＳｉ（ケイ素）等の単結晶材料から形成されており、布Ｓに対向する面（吐出面１１１）を備えている。吐出面１１１には、布Ｓに対してインク滴ｄを吐出する複数の吐出口１１２が形成されている。複数の吐出口１１２は、Ｙ軸方向に沿って配列されている。図１では、１つの吐出口１１２のみを図示している。
【００２６】
複数の流路形成層１２１、１２２、１２３、１２４は、例えばＳｉ等の単結晶材料から形成されており、ノズルプレート層１１０からＺ軸方向に流路形成層１２１、１２２、１２３、１２４という順で積層されている。この流路形成層１２１、１２２、１２３、１２４には、インクＩを各吐出口１１２まで案内するインク流路１２５が形成されている。
【００２７】
インク流路１２５は、共通液室１２６と、供給流路１２７と、圧力室１２８と、吐出流路１２９とを備えている。共通液室１２６は、インク供給源（図示省略）から液体吐出ヘッド１００に送られたインクを一時的に貯留する部分であり、流路形成層１２２に形成されている。この共通液室１２６から、各吐出口１１２までインクが案内されるように、供給流路１２７と、圧力室１２８と、吐出流路１２９とが形成されている。具体的には、供給流路１２７と、圧力室１２８と、吐出流路１２９とは、複数の吐出口１１２のそれぞれに対して一組設けられている。つまり、１つの共通液室１２６から分岐して各吐出口１１２にインクが供給されるようになっている。なお、いずれの組の供給流路１２７と、圧力室１２８と、吐出流路１２９とは同じ構成であるので、以下の説明では、一組の供給流路１２７と、圧力室１２８と、吐出流路１２９とについて説明する。
【００２８】
供給流路１２７は、共通液室１２６から圧力室１２８までインクを案内する流路であり、流路形成層１２３に形成されている。圧力室１２８は、流路形成層１２４に対してＸ軸方向に長尺な形状に形成されており、その一端部に供給流路１２７が連通され、他端部に吐出流路１２９が連通されている。吐出流路１２９は、圧力室１２８から吐出口１１２までＺ軸方向に沿って連通するように、流路形成層１２１、１２２、１２３に形成されている。画像形成時においては、インク流路１２５はインクＩで満たされており、圧力室１２８でインクＩに圧力が付与されると、吐出流路１２９を介して吐出口１１２からインク滴ｄが吐出するようになっている。
【００２９】
振動層１３０は、例えばＳｉＯ２（二酸化ケイ素）により形成されており、流路形成層１２４における流路形成層１２３側とは反対側の面に積層されている。振動層１３０は、圧力室１２８に対応する部分（ダイヤフラム１３１）が振動して、圧力室１２８内のインクＩに圧力（発生力）を付与する。この圧力によって、圧力室１２８内のインクＩは吐出流路１２９を介して吐出口１１２からインク滴ｄとなって吐出する。
【００３０】
駆動部１４０は、ダイヤフラム１３１を駆動させるための部位であり、圧電駆動部１５０と、引き出し部１６０とを備えている。この駆動部１４０と、ダイヤフラム１３１と、流路形成層１２４の一部とによって、圧電アクチュエータ１７０が形成されている。
【００３１】
以下、圧電アクチュエータ１７０について説明する。
【００３２】
図２は、実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０の概略構成を示す断面図である。具体的には、図２は、図１における二点鎖線部を拡大して示している。なお、振動層１３０及びダイヤフラム１３１において、圧力室１２８側の主面を第一主面１３２とし、第一主面１３２とは反対側の主面を第二主面１３３とする。そして、流路形成層１２４のうち、ダイヤフラム１３１を囲むように、振動層１３０の第一主面１３２側に配置された部分を支持部１１８とする。つまり、支持部１１８は、振動層１３０におけるダイヤフラム１３１の外方に密着しており、これによりダイヤフラム１３１を振動層１３０の第一主面１３２側から支持している。また、支持部１１８は、圧力室１２８の内壁の一部を構成している。
【００３３】
駆動部１４０の圧電駆動部１５０は、第一電極１５１と、圧電体層１５２と、第二電極１５３とを備えている。第一電極１５１は、例えばＰｔ（白金）などの導電性材料により形成されており、ダイヤフラム１３１の第二主面１３３に積層されている。圧電体層１５２は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料により形成されており、第一電極１５１におけるダイヤフラム１３１とは反対側に積層されている。第二電極１５３は、例えばＡｕ（銅）などの導電性材料により形成されており、圧電体層１５２における第一電極１５１とは反対側に積層されている。
【００３４】
駆動部１４０の引き出し部１６０は、第一引き出し電極１６１と、絶縁層１６２と、第二引き出し電極１６３とを備えている。
【００３５】
第一引き出し電極１６１は、振動層１３０における第一電極１５１と同一面上に積層された導電層であり、第一電極１５１と連続して形成されている。第一引き出し電極１６１は、第一電極１５１と同じ導電性材料により形成されている。第一引き出し電極１６１は、ダイヤフラム１３１の外方まで引き出されている。
【００３６】
絶縁層１６２は、絶縁材料により形成されており、第一引き出し電極１６１及び第二電極１５３を連続して覆うように、第一引き出し電極１６１及び第二電極１５３に積層されている。つまり、絶縁層１６２の一部は、第二電極１５３における圧電体層１５２とは反対側に積層されている。そして、絶縁層１６２には、第一引き出し電極１６１の一部を露出する第一コンタクトホール１６４と、第二電極１５３の一部を露出する第二コンタクトホール１６５とが形成されている。第一コンタクトホール１６４を介して、第一引き出し電極１６１に電源１８０が電気的に接続されるので、第一電極１５１と電源１８０とが電気的に接続されている。第一コンタクトホール１６４の設置箇所は、第一引き出し電極１６１の一部を露出するのであれば如何様でもよい。同様に、第二コンタクトホール１６５の設置箇所は、第二電極１５３の一部を露出するのであれば如何様でもよい。
【００３７】
第二引き出し電極１６３は、例えばＰｔなどの導電性材料により形成されており、絶縁層１６２における振動層１３０とは反対側に積層されている。第二引き出し電極１６３の一端部は、第二コンタクトホール１６５を介して、圧電駆動部１５０の第二電極１５３に接続されている。また、第二引き出し電極１６３の他端部は、ダイヤフラム１３１外に配置されている。この第二引き出し電極１６３を介して電源１８０と第二電極１５３とが電気的に接続されている。これにより、圧電駆動部１５０に電圧が供給されることになり、圧電駆動部１５０が振動することになる。この圧電駆動部１５０が振動することによって、ダイヤフラム１３１も振動して、発生力が発生することになる。
【００３８】
ここで、発生力とは、圧力室１２８内のインクＩを押し出す力（圧力）である。具体的には、圧電駆動部１５０に一定電圧（例えばＤＣ１０Ｖ）を印加した際の、ダイヤフラム１３１の変位量（例えば図２における破線Ｌ１参照）がゼロとなるように、圧力室１２８側からダイヤフラム１３１に対して圧力を加えた際の圧力値を発生力とする。この発生力が大きいほど、インク滴ｄを強く吐出させることができる。発生力を高めるには、圧電駆動部１５０とダイヤフラム１３１との平面視形状が大きく寄与する。
【００３９】
図３は、実施の形態に係る圧電駆動部１５０とダイヤフラム１３１の平面視形状を示す平面図である。図３に示すように、ダイヤフラム１３１は、ダイヤフラム１３１は、平面視においてＸ軸方向に長尺な矩形状に形成されている。
【００４０】
具体的には、ダイヤフラム１３１は、Ｘ軸方向に平行な第一辺１３１ａと第二辺１３１ｂと、第一辺１３１ａ及び第二辺１３１ｂの一端部同士に連結され、Ｙ軸方向に平行な第三辺１３１ｃと、第一辺１３１ａ及び第二辺１３１ｂの他端部同士に連結され、Ｙ軸方向に平行な第四辺１３１ｄとを備えている。このように、ダイヤフラム１３１の平面視形状における角部は、いずれも一対の直線（辺）で構成されている。
【００４１】
圧電駆動部１５０は、第一電極１５１、圧電体層１５２及び第二電極１５３が重なった部分で形成されている。つまり、圧電駆動部１５０の平面視形状は、第一電極１５１、圧電体層１５２及び第二電極１５３の重なり部分の外周形状によって定義される。この重なり部分の平面視形状は、全体としてダイヤフラム１３１よりも小さく形成されている。そして、圧電駆動部１５０は、平面視において矩形状の矩形状部１５５と、矩形状部１５５の一端部から先細るように形成された先細り部１５６とを備えている。
【００４２】
具体的には、矩形状部１５５は、Ｘ軸方向に長尺な矩形に形成されており、そのＸ軸方向プラス側の先端部に先細り部１５６が連続して形成されている。先細り部１５６は、Ｙ軸方向に平行な辺を底辺とした二等辺三角形であり、Ｘ軸方向に沿って先細る形状となっている。このため、圧電駆動部１５０は、Ｘ軸方向に平行な第五辺１５０ａと第六辺１５０ｂと、第五辺１５０ａ及び第六辺１５０ｂの一端部同士に連結されたＹ軸方向に平行な第七辺１５０ｃとを有している。さらに、圧電駆動部１５０は、第五辺１５０ａの他端部に連結され、Ｘ軸方向プラス側に進むに連れてＹ軸方向マイナス側に進む第八辺１５０ｄと、第六辺１５０ｂの他端部に連結され、Ｘ軸方向プラス側に進むに連れてＹ軸方向プラス側に進む第九辺１５０ｅとを備えている。第八辺１５０ｄと第九辺１５０ｅとが二等辺三角形の等辺をなしている。このように、圧電駆動部１５０の平面視形状における角部は、いずれも一対の直線（辺）で構成されている。
【００４３】
そして、圧電駆動部１５０は、ダイヤフラム１３１の長手方向と、矩形状部１５５と先細り部１５６との並び方向とが平行となるように、平面視においてダイヤフラムに包含されて配置されている。この状態では、ダイヤフラム１３１の長手方向と、並び方向とは、Ｘ軸方向に平行となっている。なお、この場合、ダイヤフラム１３１の中心軸（幅Ｗ２の中心を通るＸ軸方向に平行な軸）と、圧電駆動部１５０の中心軸（先細り部１５６の頂点を通るＸ軸方向に平行な軸）とは重なっている。
【００４４】
なお、本実施の形態では、第一電極１５１は、振動層１３０の第一主面１３２全体に形成され、圧電体層１５２及び第二電極１５３は、平面視でダイヤフラム１３１内に包含されており、かつ平面視で同じ形状に形成されて、積層されている場合を例示して説明した。しかしながら、第一電極１５１は、平面視においてダイヤフラム１３１に包含されていればよい。また、圧電体層１５２は、平面視において第一電極１５１に包含されていればよい。そして、第二電極１５３は、平面視において圧電体層１５２に包含されていればよい。つまり、第一電極１５１は、ダイヤフラム１３１よりも平面視で小さい形状であってもよい。また、圧電体層１５２は、第一電極１５１よりも平面視で小さい形状であってもよく、第二電極１５３は、圧電体層１５２よりも平面視で小さい形状であってもよい。また、平面視において、第一電極１５１と、圧電体層１５２と、第二電極１５３との少なくとも２つが一致していてもよい。
【００４５】
次に、圧電アクチュエータ１７０の製造方法について説明する。なお、圧電アクチュエータ１７０は、液体吐出ヘッド１００をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で製造することにより一緒に製造される。ここでは、液体吐出ヘッド１００を製造する全工程のうち、圧電アクチュエータ１７０を製造する工程について詳細に説明する。
【００４６】
図４及び図５は、実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０を製造する際の各工程を示す断面図である。図４及び図５は、いずれも図２に対応する図である。
【００４７】
まず図４の（ａ）に示すように、支持部１１８となるＳｉなどの単結晶材料からなる基板２００に対して、ＳｉＯ２製の第一膜２０１を成膜する。この第一膜２０１は、振動層１３０となる。次いで、図４の（ｂ）に示すように、第一膜２０１に対してＰｔ製の第二膜２０２を成膜する。その後、図４の（ｃ）に示すように、第二膜２０２に対してＰＺＴ製の第三膜２０３を成膜する。
【００４８】
そして、図４の（ｄ）に示すように、第三膜２０３に対してＡｕ製の第四膜２０４を成膜する。そして、図４の（ｅ）に示すように、ＡｕとＰＺＴを除去するエッチング処理を第三膜２０３と第四膜２０４とに施して、当該第三膜２０３と第四膜２０４とを部分的に除去して、第二膜２０２の一部を露出させる。
【００４９】
次いで、図５の（ａ）に示すように、第二膜２０２、第三膜２０３及び第四膜２０４のそれぞれの露出部分を覆うように、絶縁材料からなる第五膜２０５を成膜する。そして、図５の（ｂ）に示すように、第五膜２０５に対して、第一コンタクトホール１６４と、第二コンタクトホール１６５を形成する。これにより、第一コンタクトホール１６４が第二膜２０２を露出し、第二コンタクトホール１６５が第四膜２０４を露出する。
【００５０】
次いで、図５の（ｃ）に示すように、Ｐｔ製の第二引き出し電極１６３を形成する。このとき、第二引き出し電極１６３の一端部は第二コンタクトホール１６５を介して、第四膜２０４に接続されている。その後、Ｓｉを除去するエッチング処理を基板２００に対して施して、基板２００の一部を除去する。この除去された部分が圧力室１２８となって、図２に示す圧電アクチュエータ１７０が製造される。
【００５１】
これにより、基板２００によって支持部１１８が形成され、第一膜２０１によってダイヤフラム１３１（振動層１３０）が形成され、第二膜２０２によって第一電極１５１及び第一引き出し電極１６１が形成されている。また、第三膜２０３によって圧電体層１５２が形成され、第四膜２０４によって第二電極１５３が形成され、第五膜２０５によって絶縁層１６２が形成されている。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０と、比較例に係る圧電アクチュエータ５００とのそれぞれの特性を比較する。
【００５３】
図６は、比較例に係る圧電アクチュエータ５００の圧電駆動部５５０とダイヤフラム５３１の平面視形状を示す平面図である。具体的には、図６は図３に対応する図である。図６に示すように、ダイヤフラム５３１は、平面視において長尺な矩形状に形成されている。また、圧電駆動部５５０は、平面視において長尺な矩形状に形成されており、ダイヤフラム５３１よりも小さく形成されている。そして、圧電駆動部５５０は、当該圧電駆動部５５０の長手方向とダイヤフラム５３１の長手方向とが平行な状態で、全体としてダイヤフラム５３１内に包含されるように配置されている。
【００５４】
そして、上記実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０と、比較例に係る圧電アクチュエータ５００とのそれぞれのモデルに対して、例えばモーダル解析などの周知のシミュレーションを施すことによって、圧電アクチュエータ１７０、５００のそれぞれの特性を求めた。具体的には、圧電アクチュエータ１７０、５００のそれぞれの発生力、一次モード及び二次モードでの共振周波数である。なお、圧電駆動部１５０、５５０の平面視形状と、ダイヤフラム１３１、５３１の平面視形状以外の条件は、同等としてシミュレーションを行っている。
【００５５】
図７は、実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０の発生力と、比較例に係る圧電アクチュエータ５００の発生力を示すグラフである。図７に示すように、実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０の方が、比較例に係る圧電アクチュエータ５００よりも発生力が１．０１５倍程度に高められていることが分かる。
【００５６】
現時点では正確なメカニズムは不明であるが、この要因について発明者は以下のように推測している。実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０の場合、圧電駆動部１５０の平面視形状が先細る形状となっているために、圧電駆動部１５０の面積も先に向かうほど小さくなる。この変化に伴い発生力の分布も変化する。発生力の分布にこのような変化が生じていると、複数の分布の組み合わせにより、全体として大きな発生力が生じるものと推測される。
【００５７】
次に、圧電駆動部１５０の幅を変化させた場合の圧電アクチュエータ１７０の特性変化について説明する。なお、この場合においても、上述した圧電アクチュエータ１７０のモデルに対して周知のシミュレーションを施すことで、特性変化を求めている。具体的には、圧電駆動部１５０の幅Ｗ１（図３参照）を、６５μｍから１２５μｍまで５μｍ間隔で変化させて特性を求めている。この幅Ｗ１は、ダイヤフラム１３１の長手方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）での圧電駆動部１５０の最大長さである。
【００５８】
このとき、圧力室１２８の幅Ｗ２（図３参照）は１２０μｍとしている。この幅Ｗ２は、ダイヤフラム１３１の長手方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）でのダイヤフラム１３１の最大長さである。そして、ここで求める圧電アクチュエータ１７０の特性は、振動時におけるダイヤフラム１３１の最大変位量と、共振周波数とである。
【００５９】
図８は、実施の形態に係る圧電駆動部１５０の幅Ｗ１を変化させた場合の、ダイヤフラム１３１の最大変位量及び共振周波数を示すグラフである。ここで、本モデルの場合、ダイヤフラム１３１の最大変位量の適正値は５０ｎｍ以上である。図８に示すように、最大変位量が５０ｎｍ以上となる幅Ｗ１は、７５μｍ以上９５μｍ以下に収まる値である。さらに、例えば線形補間によって補間することで、最大変位量が５０ｎｍ以上となる幅Ｗ１は、７２μｍ以上９６μｍ以下の範囲に収まる値であればよいことが分かる。そして、この範囲においては、共振周波数も大きく変動していないので、この範囲の幅Ｗ１が好適であることが分かる。そして、このことから、ダイヤフラム１３１の幅Ｗ１と、圧力室１２８の幅Ｗ２との関係は、０．６≦Ｗ１／Ｗ２＜０．８を満たしていればよいと言える。
【００６０】
以上のように、本実施の形態に係る圧電アクチュエータ１７０は、第一主面１３２及び第一主面１３２とは反対側の第二主面１３３を有するダイヤフラム１３１と、ダイヤフラム１３１を囲むように配置された支持部１１８と、ダイヤフラム１３１の第二主面１３３に配置された圧電駆動部１５０と、一端部が圧電駆動部１５０に接続され、他端部が平面視でダイヤフラム１３１外に配置された引き出し電極（第二引き出し電極１６３）と、を備えている。圧電駆動部１５０は、ダイヤフラムの第二主面１３３に積層された第一電極１５１と、第一電極１５１におけるダイヤフラム１３１とは反対側に積層されて、平面視においてダイヤフラム１３１に包含された圧電体層１５２と、圧電体層１５２における第一電極１５１とは反対側に積層されて、平面視においてダイヤフラム１３１に包含された第二電極１５３とを備えている。ダイヤフラム１３１は、平面視において長尺な矩形状に形成されている。圧電駆動部１５０は、平面視において矩形状の矩形状部１５５と、矩形状部１５５の一端部から先細るように形成された先細り部１５６とを備えている。圧電駆動部１５０は、ダイヤフラム１３１の長手方向と、矩形状部１５５と先細り部１５６との並び方向とが平行となるように配置されている。
【００６１】
また、本実施の形態に係る液体吐出ヘッド１００は、上記の圧電アクチュエータ１７０と、圧電アクチュエータ１７０のダイヤフラム１３１によって一部が形成され、内部の液体に対して圧力を付与する圧力室１２８と、圧力室１２８に連通し、インクＩ（液体）を吐出する吐出流路１２９とを備えている。
【００６２】
この構成によれば、圧電駆動部１５０は、ダイヤフラム１３１の長手方向と、矩形状部１５５と先細り部１５６との並び方向とが平行となるように、平面視においてダイヤフラム１３１に包含されて配置されているので、平面視においてダイヤフラム５３１と圧電駆動部５５０との両者が矩形状の圧電アクチュエータ（比較例）と比べると、発生力を高めることができる。
【００６３】
また、圧電アクチュエータ１７０は、さらに第二電極１５３における圧電体層１５２とは反対側に積層された絶縁層１６２を備えている。第二引き出し電極１６３の一端部は、絶縁層１６２に形成された第二コンタクトホール１６５を介して、第二電極１５３に接続されている。
【００６４】
この構成によれば、第二引き出し電極１６３の一端部が、絶縁層１６２に形成された第二コンタクトホール１６５を介して第二電極１５３に接続されているので、絶縁層１６２が緩衝体として機能することになる。発生力が向上することによって、第二引き出し電極１６３の一端部と第二電極１５３との接続部に大きな力が作用するが、絶縁層１６２があることで当該絶縁層１６２がその力を緩和する。つまり、接続部の破損を抑制することができる。
【００６５】
また、矩形状部１５５と先細り部１５６との並び方向に直交する方向での圧電駆動部１５０の幅Ｗ１と、長手方向に直交する方向でのダイヤフラム１３１の幅Ｗ２との関係が、０．６≦Ｗ１／Ｗ２＜０．８を満たしている。
【００６６】
この構成によれば、圧電駆動部１５０の幅Ｗ１と、ダイヤフラム１３１の幅Ｗ２との関係が０．６≦Ｗ１／Ｗ２＜０．８を満たしているので、一定の共振周波数を維持したまま、ダイヤフラム１３１の最大変位量を高めることができる。これにより、振動効率を高めることができる。
【００６７】
（変形例１）
上記実施の形態では、圧電駆動部１５０の平面視形状における角部が、一対の直線（辺）で構成される場合を例示して説明した。この変形例１では、圧電駆動部の平面視における角部が曲線状に形成されている場合について説明する。なお、以降の説明において、上記実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６８】
図９は、変形例１に係る圧電駆動部１５０Ａとダイヤフラム１３１の平面視形状を示す平面図である。具体的には、図９は図３に対応する図である。図９に示すように、変形例１に係る圧電駆動部１５０Ａの平面視形状における全ての角部が、曲線状に形成されている。具体的には、圧電駆動部１５０Ａの角部は、外方に向けて凸となるＲ形状に形成されている。
【００６９】
この構成によれば、平面視における圧電駆動部１５０Ａの角部が曲線状に形成されているので、発生力向上に伴う角部への応力集中を緩和することができ、長期的な信頼性を高めることができる。
【００７０】
なお、変形例１では、圧電駆動部１５０Ａの平面視形状における全ての角部が曲線状に形成されている場合を例示した。しかし、圧電駆動部１５０Ａの平面視形状における少なくとも一つの角部が曲線状に形成されていればよい。また、ダイヤフラム１３１においても、少なくとも１つの角部が曲線状に形成されてもよい。この場合においても、発生力向上に伴う角部への応力集中を緩和することができる。
【００７１】
（変形例２）
上記実施の形態では、ダイヤフラム１３１（振動層１３０）が単層である場合を例示して説明した。この変形例２では、ダイヤフラムが硬質層と弾性層との二層から形成されている場合について説明する。
【００７２】
図１０は、変形例２に係る振動層１３０Ｂの概略構成を示す断面図である。具体的には、図１０は図２に対応する図である。図１０に示すように、変形例２に係る振動層１３０Ｂは、硬質層１３６と、硬質層１３６よりも縦弾性係数が小さい弾性層１３７との二層により形成されている。具体的には、硬質層１３６は、圧力室１２８側に配置されており、弾性層１３７は、硬質層１３６における圧力室１２８とは反対側に積層されている。また、硬質層１３６は、例えば銅などの無機材料により形成されている。他方、弾性層１３７は、例えばエポキシ樹脂などの有機材料により形成されている。このように、振動層１３０Ｂが形成されているので、ダイヤフラム１３１Ｂでは、第一主面１３２が硬質層１３６から形成され、第二主面１３３が弾性層１３７から形成されている。これにより、ダイヤフラム１３１Ｂの撓みの中立面（ダイヤフラム１３１Ｂが撓んでも長さが変わらない面）は、単層のダイヤフラム１３１よりも圧力室１２８側にシフトする。つまり、撓みの中立面から圧電駆動部１５０までの距離を大きくすることができる。これにより、圧電駆動部１５０で生じた力を効率的に撓みに変換することができる。
【００７３】
（変形例３）
上記実施の形態では、圧電体層１５２がチタン酸ジルコン酸鉛のみから形成されている場合を例示して説明した。しかし、ニオブが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛により圧電体層を形成してもよい。このようにニオブが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛により圧電体層が形成されていると、圧電体層の圧電定数を高めることができる。したがって、圧電駆動部の駆動効率が高められる。
【００７４】
（その他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施の形態を説明した。しかしながら、本実施の形態における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【００７５】
例えば、上記実施の形態では、液体吐出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説明したが、本開示は液体吐出ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッドにも適用することができる。その他の液体吐出ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材吐出ヘッド、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吐出ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物吐出ヘッド等が挙げられる。
【００７６】
また、本開示は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体吐出ヘッドに搭載される圧電アクチュエータに限られず、他の装置に搭載される圧電アクチュエータにも適用することができる。その他の装置としては、例えば、圧電スピーカなどが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係る圧電アクチュエータ及び液体吐出ヘッドは、インクジェットプリンタなどの液体吐出装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１００  液体吐出ヘッド
１１０  ノズルプレート層
１１１  吐出面
１１２  吐出口
１１８  支持部
１２１、１２２、１２３、１２４  流路形成層
１２５  インク流路
１２６  共通液室
１２７  供給流路
１２８  圧力室
１２９  吐出流路
１３０、１３０Ｂ  振動層
１３１、５３１、１３１Ｂ  ダイヤフラム
１３１ａ  第一辺
１３１ｂ  第二辺
１３１ｃ  第三辺
１３１ｄ  第四辺
１３１ｅ  第五辺
１３２  第一主面
１３３  第二主面
１３６  硬質層
１３７  弾性層
１４０  駆動部
１５０、５５０、１５０Ａ  圧電駆動部
１５０ａ  第五辺
１５０ｂ  第六辺
１５０ｃ  第七辺
１５０ｄ  第八辺
１５０ｅ  第九辺
１５１  第一電極
１５２  圧電体層
１５３  第二電極
１５５  矩形状部
１５６  先細り部
１６０  引き出し部
１６１  第一引き出し電極
１６２  絶縁層
１６３  第二引き出し電極（引き出し電極）
１６４  第一コンタクトホール
１６５  第二コンタクトホール（コンタクトホール）
１７０、５００  圧電アクチュエータ
１８０  電源
２００  基板
２０１  第一膜
２０２  第二膜
２０３  第三膜
２０４  第四膜
２０５  第五膜
ｄ  インク滴
Ｇ  プリントギャップ
Ｉ  インク
Ｌ１  破線
Ｓ  布
Ｗ１  幅
Ｗ２  幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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