(57)【要約】【課題】高い信頼性を有する圧電素子を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電素子１００は、第１電極１０と、第１電極１０の上方に形成され、第１のヤング率を有する圧電体層２０と、電体層２０の上方に形成された第２電極３０と、第１のヤング率より大きい第２のヤング率を有する絶縁体層４０と、を含み、圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０とに挟まれた部分２２を有し、挟まれた部分２２の外側に、絶縁体層４０が隣接している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極の上方に形成され、第１のヤング率を有する圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、
前記第１のヤング率より大きい第２のヤング率を有する絶縁体層と、を含み、
前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とに挟まれた部分を有し、
前記挟まれた部分の外側に、前記絶縁体層が隣接している、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
さらに、他の第１電極を含み、
前記絶縁体層は、前記第１電極と前記他の第１電極との間の領域を避けて、形成されている、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
さらに、前記第２電極の上方に形成された部材を含み、
前記部材は、前記挟まれた部分の外周の上方に、配置されている、圧電素子。
【請求項４】
請求項３において、
前記部材は、金属性である、圧電素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記挟まれた部分は、長方形の平面形状を有し、
前記絶縁体層は、前記挟まれた部分の短辺に隣接して形成されている、圧電素子。
【請求項６】
請求項５において、
前記絶縁体層の前記短辺に沿う方向の長さは、前記短辺の長さより大きい、圧電素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載された圧電素子を含む、液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液体噴射ヘッドを含む、液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばインクジェットプリンター等の液体噴射装置において、インク等の液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。液体噴射ヘッドは、圧力室内の圧力を変化させるために圧電素子を備えている。圧電素子は、上部電極および下部電極に挟まれた圧電体層を有し、駆動信号等によって圧電体層が変形することにより、振動板を屈曲させることができる。これにより、液体噴射ヘッドは、ノズル孔から圧力発生室内に供給されたインク等を噴射させることができる。
【０００３】
このような圧電素子の圧電体層は、上部電極および下部電極に挟まれた能動部と、上部電極および下部電極に挟まれていない非能動部と、を有する（特許文献１参照）。能動部は、駆動信号等によって能動的に駆動する部分であり、下部電極近傍の能動部と非能動部との界面に応力が集中することがある。そして、この応力により圧電体層にクラックが発生し、圧電素子の信頼性が低下してしまうことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７２８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、クラックの発生を抑制でき、高い信頼性を有する圧電素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記圧電素子を有する液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧電素子は、
第１電極と、
前記第１電極の上方に形成され、第１のヤング率を有する圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、
前記第１のヤング率より大きい第２のヤング率を有する絶縁体層と、を含み、
前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とに挟まれた部分を有し、
前記挟まれた部分の外側に、前記絶縁体層が隣接している。
【０００７】
このような圧電素子によれば、能動部の、能動部と絶縁体層との界面近傍に位置する部分では、絶縁体層によって変位が抑制される。これにより、第１電極近傍の能動部と絶縁体層との界面に、応力が集中することを抑制できる。したがって、圧電体層にクラックが発生することを抑制できる。その結果、このような圧電素子は、高い信頼性を有することができる。
【０００８】
なお、本発明に係る記載では、「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。本発明に係る記載では、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。
【０００９】
本発明に係る圧電素子において、
さらに、他の第１電極を含み、
前記絶縁体層は、前記第１電極と前記他の第１電極との間の領域を避けて、形成されていてもよい。
【００１０】
このような圧電素子によれば、所望の変位量を得ることができる。例えば、隣り合う第１電極の間に絶縁体層が形成されていると、能動部の変位が絶縁体層によって著しく抑制されてしまい、所望の変位量を得ることができない場合がある。
【００１１】
本発明に係る圧電素子において、
さらに、前記第２電極の上方に形成された部材を含み、
前記部材は、前記挟まれた部分の外周の上方に、配置されていてもよい。
【００１２】
このような圧電素子によれば、第２電極の上方に形成された部材によって、第２電極外周近傍の能動部の変位を抑制することができる。そのため、第２電極近傍の能動部と絶縁体層との界面に、応力が集中することを抑制できる。
【００１３】
本発明に係る圧電素子において、
前記部材は、金属性であってもよい。
【００１４】
このような圧電素子によれば、金属性の部材は、第２電極と電気的に接続する配線と同じ工程で形成されることができる。そのため、金属性の部材を形成するために新たな工程を必要とせず、工数の増大を防止することができる。
【００１５】
本発明に係る圧電素子において、
前記挟まれた部分は、長方形の平面形状を有し、
前記絶縁体層は、前記挟まれた部分の短辺に隣接して形成されていてもよい。
【００１６】
このような圧電素子によれば、高い信頼性を有することができる。
【００１７】
本発明に係る圧電素子において、
前記絶縁体層の前記短辺に沿う方向の長さは、前記短辺の長さより大きくてもよい。
【００１８】
このような圧電素子によれば、より確実に、能動部と絶縁体層との界面近傍の変位を抑制することができる。
【００１９】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電素子を含む。
【００２０】
このような液体噴射ヘッドによれば、本発明に係る圧電素子を含むため、高い信頼性を有することができる。
【００２１】
本発明に係る液体噴射装置は、
本発明に係る液体噴射ヘッドを含む。
【００２２】
このような液体噴射装置によれば、本発明に係る液体噴射ヘッドを含むため、高い信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す平面図。
【図２】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る圧電素子をモデル化したモデルを模式的に示す図。
【図８】比較例に係る圧電素子をモデル化したモデルを模式的に示す図。
【図９】本実施形態の第１変形例に係る圧電素子を模式的に示す平面図。
【図１０】本実施形態の第１変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図１１】本実施形態の第２変形例に係る圧電素子を模式的に示す平面図。
【図１２】本実施形態の第２変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図１３】本実施形態の第２変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図１４】本実施形態の第２変形例に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図１５】本実施形態の第２変形例に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図１６】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す平面図。
【図１７】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図１８】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図１９】本実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、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。
【００２５】
１．  圧電素子
まず、本実施形態に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２６】
圧電素子１００は、図１〜図４に示すように、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、絶縁体層４０と、を含む。圧電素子１００は、例えば、基板１上に形成されている。
【００２７】
基板１は、例えば、半導体、絶縁体で形成された平板である。基板１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。基板１は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。
【００２８】
基板１は、可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板を含んでいてもよい。振動板の材質としては、例えば、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、またはこれらの積層体が挙げられる。
【００２９】
第１電極１０は、基板１上に形成されている。第１電極１０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第１電極１０の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第１電極１０の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、第２電極３０が対向して配置されたときに両者の間に圧電体層２０を配置できる形状であれば、特に限定されない。図１に示す例では、第１電極１０は、Ｘ軸方向に沿う長辺１０ａと、Ｙ軸方向に沿う短辺１０ｂと、を有する長方形である。
【００３０】
第１電極１０は、１つ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。図示の例では、第１電極１０は、２つ設けられている。２つの第１電極１０は、図１に示すように、Ｙ軸方向に配列されていてもよい。第１電極１０（一方の第１電極１０）と他の第１電極１０（他方の第１電極１０）とは、互いに並設されていてもよい。
【００３１】
第１電極１０の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、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との複合酸化物（ＳｒＲｕＯｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルとの複合酸化物（ＬａＮｉＯｘ：ＬＮＯ）が挙げられる。第１電極層１０は、上記に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。
【００３２】
第１電極１０は、第２電極３０と一対になって、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層２０の下方に形成された下部電極）となることができる。
【００３３】
なお、基板１が振動板を有さず、第１電極１０が振動板としての機能を有していてもよい。すなわち、第１電極１０は、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極としての機能と、圧電体層２０の動作によって変形することのできる振動板としての機能と、を有していてもよい。
【００３４】
また、図示はしないが、第１電極１０と基板１との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。このような層の例としては、例えば、チタン、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの酸化物の層が挙げられる。
【００３５】
圧電体層２０は、第１電極１０上に形成されている。圧電体層２０の厚みは、例えば、３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
【００３６】
圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０とに挟まれた部分２２を有する。圧電体層２０の部分２２は、第１電極１０および第２電極３０によって電圧が印加されることで能動的に変形することができる。そのため、圧電体層２０の部分２２を、能動部２２ともいうことができる。能動部２２は、実質的に駆動する部分であるともいえる。これに対し、圧電体層２０の、第１電極１０と第２電極３０とに挟まれていない部分は、能動的には駆動しない非能動部ともいうことができる。
【００３７】
能動部２２は、複数の第１電極１０に対応して複数形成されている。能動部２２の形状は、特に限定されないが、図１に示す例では、Ｘ軸方向に沿う長辺２２ａと、Ｙ軸方向に沿う短辺２２ｂと、を有する長方形である。
【００３８】
圧電体層２０には、図１および図４に示すように、開口部２４が形成されていてもよい。開口部２４は、平面視において（Ｚ軸方向から見て）、隣り合う第１電極１０の間に、形成されている。開口部２４の平面形状は、特に限定されない。開口部２４によって、隣り合う能動部２２間におけるクロストークを抑制することができる。
【００３９】
圧電体層２０には、図１および図２に示すように、開口部２６が形成されていてもよい。開口部２６は、第１電極１０上に設けられている。開口部２６内には、配線部３４が形成され、配線部３４は、第１電極１０に接続されている。配線部３４は、外部電源（図示せず）と電気的に接続されており、配線部３４を介して、第１電極１０に電圧を印加することができる。配線部３４の材質は、例えば、後述する第２電極３０の材質と同じである。
【００４０】
圧電体層２０としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いることができる。より具体的には、圧電体層２０の材質としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）が挙げられる。圧電体層２０のヤング率（第１のヤング率）は、例えば、５０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下である。
【００４１】
第２電極３０は、圧電体層２０上に形成されている。第２電極３０は、圧電体層２０を介して、第１電極１０と対向して配置されている。第２電極３０の形状は、例えば、層状または薄膜状の形状である。第２電極３０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極３０の平面形状は、第１電極１０に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層２０を配置できる形状であれば、特に限定されない。
【００４２】
第２電極３０の材質としては、例えば、第１電極１０の材質として上記に列挙したものを適用することができる。第２電極３０の機能の一つとしては、第１電極１０と一対になって、圧電体層２０に電圧を印加するための他方の電極（例えば、圧電体層２０の上方に形成された上部電極）となることが挙げられる。
【００４３】
図示の例では、第１電極１０は、複数の能動部２２に対応して複数設けられている。複数の第１電極１０は、互いに電気的に分離している。これに対し、第２電極３０は、複数の能動部２２に対して１つ設けられ、複数の能動部２２に対して共通の電極である。すなわち、第１電極１０は、個別電極となり、第２電極３０は、共通電極となることができる。これにより、複数の能動部２２の各々を、独立して駆動させることができる。
【００４４】
絶縁体層４０は、能動部２２の外側に隣接して形成されている。図１〜図３に示すように、圧電体層２０には、開口部２８が形成されており、開口部２８を充填するように絶縁体層４０が形成されていてもよい。絶縁体層４０は、図１に示すように、例えば、隣り合う第１電極１０の間（第１電極１０と他の第１電極１０との間）の領域を避けて、形成されている。より具体的には、絶縁体層４０は、能動部２２の短辺２２ｂに隣接して形成されている。図示の例では、絶縁体層４０は、２つの短辺２２ｂの各々に隣接して２つ形成されているが、いずれか一方の短辺２２ｂにのみ隣接して形成されていてもよい。
【００４５】
なお、絶縁体層４０は、能動部２２の外側に隣接していれば、どこに形成されていてもよく、例えば、能動部２２の長辺２２ａに隣接して形成されていてもよいし、能動部２２を囲んで形成されていてもよい。また、図２に示す例では、絶縁体層４０は、第１電極１０上に形成されているが、第１電極１０の＋Ｘ側の端面１１が能動部２２の＋Ｘ側の端面２３と面一の場合は、絶縁体層４０は、基板１上に形成されていてもよい。
【００４６】
絶縁体層４０の厚みは、圧電体層２０の厚み以上であることが好ましい。これにより、絶縁体層４０の剛性を、より大きくすることができる。図２および図３に示す例では、絶縁体層４０の厚みは、圧電体層２０の厚みと同じである。
【００４７】
絶縁体層４０の平面形状は、特に限定されないが、図１に示す例では、四角形である。絶縁体層４０の短辺２２ｂに沿う方向（Ｙ軸方向）の長さＬは、例えば、短辺２２ｂの長さより大きい。すなわち、絶縁体層４０は、第１電極１０をＹ軸方向に跨いで形成されている。
【００４８】
絶縁体層４０は、例えば、平面視において、第２電極３０と重ならないように配置されている。より具体的には、第２電極３０には開口部３２が形成されており、平面視において、絶縁体層４０は、開口部３２内に配置されている。なお、図２に示す例では、能動部２２上に配置された第２電極３０の＋Ｘ側の端面３１は、能動部２２の端面２３と面一だが、端面３１は、端面２３よりも＋Ｘ方向に位置していてもよい。すなわち、絶縁体層４０上に、第２電極３０が形成されていてもよい。
【００４９】
絶縁体層４０のヤング率（第２のヤング率）は、圧電体層２０のヤング率（第１のヤング率）より大きい。絶縁体層４０のヤング率は、例えば、１５０ＧＰａ以上４００ＧＰａ以下である。絶縁体層４０の材質は、絶縁性を有し、かつ圧電体層２０のヤング率より大きいヤング率を有していれば、特に限定されない。具体的には、絶縁体層４０の材質としては、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、ＳｉＣ−ＢｅＯ、ＭｇＯ−ＳｉＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ２、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＢｉＴｉＯ２、ＢｉＦｅＯ３が挙げられる。
【００５０】
以上のような圧電素子１００は、例えば、圧力発生室内の液体を加圧する圧電アクチュエーターとして、液体噴射ヘッドや、該液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置（インクジェットプリンター）などに適用されてもよいし、圧電体層の変形を電気信号として検出する圧電センサー等その他の用途として用いてもよい。
【００５１】
本実施形態に係る圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００５２】
圧電素子１００によれば、圧電体層２０のヤング率より大きなヤング率を有する絶縁体層４０は、能動部２２の外側に隣接して形成されている。そのため、能動部２２の、能動部２２と絶縁体層４０との界面近傍に位置する部分では、絶縁体層４０によって変位が抑制される。これにより、第１電極１０近傍の能動部２２と絶縁体層４０との界面に、応力が集中することを抑制できる。したがって、圧電体層２０にクラックが発生することを抑制できる。その結果、圧電素子１００は、高い信頼性を有することができる。
【００５３】
圧電素子１００によれば、絶縁体層４０は、隣り合う第１電極１０の間（第１電極１０と他の第１電極１０との間）の領域を避けて、形成されることができる。そのため、所望の変位量を得ることができる。例えば、隣り合う第１電極の間に絶縁体層が形成されていると、能動部の変位が絶縁体層によって著しく抑制されてしまい、所望の変位量を得ることができない場合がある。本実施形態に係る圧電素子１００では、このような問題を回避することができる。
【００５４】
圧電素子１００によれば、絶縁体層４０は、能動部２２の短辺２２ｂに隣接して形成され、絶縁体層４０の短辺２２ｂに沿う方向（Ｙ軸方向）の長さＬは、短辺２２ｂの長さより大きいことができる。そのため、より確実に、能動部２２と絶縁体層４０との界面近傍の変位を抑制することができる。例えば、絶縁体層のＹ軸方向の長さが、能動部の短辺の長さより小さいと、第１電極上で圧電体層の能動部と非能動部との界面が形成され、該界面において応力が集中してしまう場合がある。
【００５５】
２．  圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図５および図６は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図であって、図２に対応するものである。
【００５６】
図５に示すように、基板１上に、第１電極１０を形成する。第１電極１０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより導電層（図示せず）を成膜し、該導電層をパターニングすることによって形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。
【００５７】
次に、第１電極１０上に、圧電体層２０ａを成膜する。圧電体層２０ａは、例えば、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により成膜される。
【００５８】
図６に示すように、圧電体層２０ａをパターニングして、開口部２６，２８を形成する。同時に、開口部２４（図４参照）を形成することができる。これにより、圧電体層２０を形成することができる。
【００５９】
図２に示すように、開口部２８内に絶縁体層４０を形成する。絶縁体層４０は、例えば、インクジェット法により形成される。
【００６０】
次に、圧電体層２０上に第２電極３０を形成する。第２電極３０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより導電層（図示せず）を成膜し、該導電層をパターニングすることによって形成される。第２電極３０を形成する工程において、配線３４を形成することができる。
【００６１】
以上の工程により、本実施形態に係る圧電素子１００を製造することができる。
【００６２】
圧電素子１００の製造方法によれば、高い信頼性を有する圧電素子１００を得ることができる。
【００６３】
３．  実験例
次に、本実施形態に係る圧電素子の実験例について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
【００６４】
実験例として、本実施形態に係る圧電素子をモデル化したシミュレーションを行った。シミュレーションでは、圧電素子にかかる応力を有限要素法により解析を行った。
【００６５】
図７は、本実施形態に係る圧電素子をモデル化したモデルＭ１を模式的に示す図である。モデルＭ１では、図７に示すように、基板として、厚み１１００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）層と、厚み４００ｎｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層と、の積層体を用いた。第１電極として、厚み２００ｎｍの白金（Ｐｔ）層を用いた。圧電体層として、厚み１３５０ｎｍのＰＺＴ層を用いた。第２電極として、厚み５０ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）層を用いた。絶縁体層として、厚み１３５０ｎｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層を用いた。
【００６６】
図８は、比較例に係る圧電素子をモデル化したモデルＭ２を模式的に示す図である。モデルＭ２は、絶縁体層の代わりに、厚み１３５０ｎｍのＰＺＴ層を用いたこと以外は、モデルＭ１と同じである。
【００６７】
シミュレーションにおいて、酸化シリコン層は、ヤング率を７５ＧＰａとし、密度を２．２ｇ／ｃｍ３とし、残留応力（引張応力）を２２０ＭＰａとした。酸化ジルコニウム層は、ヤング率を１９０ＧＰａとし、密度を６．４ｇ／ｃｍ３とし、残留応力（圧縮応力）を１７０ＭＰａとした。白金層は、ヤング率を２００ＧＰａとし、密度を１６ｇ／ｃｍ３とし、残留応力（圧縮応力）を１７０ＭＰａとした。ＰＺＴ層は、ヤング率を７５ＧＰａとし、密度を６．４ｇ／ｃｍ３とし、残留応力（圧縮応力）を４５ＭＰａとした。イリジウム層は、ヤング率を２００ＧＰａとし、密度を２２．５ｇ／ｃｍ３とし、残留応力（引張応力）を１２００ＭＰａとした。
【００６８】
図７および図８に示すように、モデルＭ１は、モデルＭ２に比べて、白金層（第１電極）近傍のＰＺＴ層（圧電体層）とＺｒＯ２層（絶縁体層）との界面（点線で囲った部分）において応力が小さいことがわかった。したがって、絶縁体層によって、第１電極近傍の能動部と絶縁体層との界面に、応力が集中することを抑制できることがわかった。
【００６９】
４．  圧電素子の変形例
４．１．  第１変形例に係る圧電素子
次に、本実施形態の第１変形例に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態の第１変形例に係る圧電素子２００を模式的に示す平面図である。図１０は、本実施形態の第１変形例に係る圧電素子２００を模式的に示す図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【００７０】
以下、本実施形態の第１変形例に係る圧電素子２００において、本実施形態に係る圧電素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。このことは、後述する本実施形態の第２変形例に係る圧電素子３００においても同様である。
【００７１】
圧電素子２００では、図９および図１０に示すように、部材５０を有する。部材５０は、例えば、金属性である。したがって、部材５０を金属部材５０ということもできる。より具体的には、金属部材５０の材質としては、金、ニッケル−クロム合金、白金、イリジウムが挙げられる。
【００７２】
金属部材５０は、能動部２２の外周の上方であって、第２電極３０上に形成されている。図９に示す例では、金属部材５０は、能動部２２の短辺２２ｂに沿う外周の上方に形成されている。金属部材５０は、平面視において、例えば、絶縁体層４０と隣接して形成されている。図示の例では、金属部材５０の平面形状は、長方形であるが、特に限定されない。
【００７３】
圧電素子２００によれば、金属部材５０によって、第２電極３０外周近傍の能動部２２の変位を抑制することができる。そのため、第２電極３０近傍の能動部２２と絶縁体層４０との界面に、応力が集中することを抑制できる。したがって、圧電素子２００によれば、絶縁体層４０によって、第１電極１０近傍の能動部２２と絶縁体層４０との界面に、応力が集中することを抑制でき、かつ、金属部材５０によって、第２電極３０近傍の能動部２２と絶縁体層４０との界面に、応力が集中することを抑制できる。
【００７４】
さらに、金属部材５０は、第２電極３０と電気的に接続する配線（図示せず）と同じ工程で形成されることができる。そのため、金属部材５０を形成するために新たな工程を必要とせず、工数の増大を防止することができる。金属部材５０は、例えば、スパッタ法、めっき法などによって成膜した後、所定形状にパターニングすることによって形成される。
【００７５】
４．２．  第２変形例に係る圧電素子
次に、本実施形態の第２変形例に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態の第２変形例に係る圧電素子３００を模式的に示す平面図である。図１２は、本実施形態の第２変形例に係る圧電素子３００を模式的に示す図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。図１３は、本実施形態の第２変形例に係る圧電素子３００を模式的に示す図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【００７６】
圧電素子１００の例では、図１〜図３に示すように、圧電体層２０の上面の一部は、露出していた。これに対し、圧電素子３００では、図１１〜図１３に示すように、圧電体層２０の上面は露出しておらず、圧電体層２０は、第２電極３０または配線３４の下に形成されている。図示の例では、圧電素子３００は、平面視において、第２電極３０および配線３４に覆われていない部分に、絶縁体層４０が形成されている。
【００７７】
圧電素子３００によれば、圧電素子１００に比べて、絶縁体層４０の面積を大きくすることができる。そのため、より確実に、能動部２２と絶縁体層４０との界面近傍の変位を抑制することができる。
【００７８】
圧電素子３００は、例えば、以下のとおり製造される。図１４および図１５は、本実施形態の第２変形例に係る圧電素子３００の製造工程を模式的に示す断面図であって、図１２に対応するものである。なお、圧電素子３００の製造方法の説明において、圧電素子１００の製造方法と同様の箇所については、省略ないし簡略化する。
【００７９】
圧電素子３００の製造方法では、圧電体層２０ａを成膜した後（図５参照）、図１４に示すように、開口部２６を形成する。次に、全面に、導電層（図示せず）を成膜し、該導電層を所定のパターニングすることによって、第２電極３０および配線３４を形成する。次に、図１５に示すように、第２電極３０および配線３４をマスクとして、圧電体層２０ａをエッチングして、圧電体層２０を形成する。そして、図１２に示すように、圧電体層２０の開口部２８内に絶縁体層４０を形成する。
【００８０】
圧電素子３００の製造方法によれば、開口部２８を形成するためにレジストを用いず、第２電極３０および配線３４をマスクとして、圧電体層２０ａをエッチングすることができる。そのため、第２電極３０に対する絶縁体層４０の位置精度を高めることができる。
【００８１】
５．  液体噴射ヘッド
次に、本実施形態に係る液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図１６は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す平面図である。図１７は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。図１８は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の分解斜視図である。なお、図１８では、図１６および図１７に示した状態と、上下逆さまの状態を示している。
【００８２】
液体噴射ヘッド６００は、本発明に係る圧電素子を有する。以下では、本発明に係る圧電素子として、圧電素子３００を用いた例について説明する。
【００８３】
液体噴射ヘッド６００は、図１６〜図１８に示すように、例えば、ノズル板６１０と、流路形成基板６２０と、振動板６３０と、圧電素子３００と、筐体６４０と、を含む。なお、図１８では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
【００８４】
ノズル板６１０は、図１７および図１８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）が吐出される。ノズル板６１０には、例えば、複数のノズル孔６１２が設けられている。図１８に示す例では、複数のノズル孔６１２は、一列に並んで形成されている。ノズル板６１０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が挙げられる。
【００８５】
流路形成基板６２０は、ノズル板６１０上（図１８の例では下）に設けられている。流路形成基板６２０の材質としては、例えば、シリコンが挙げられる。流路形成基板６２０がノズル板６１０と振動板６３０との間の空間を区画することにより、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と連通する圧力発生室６２２と、が設けられている。図１８に示す例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力発生室６２２と、が区別されているが、これらはいずれも液体の流路（例えば、マニホールドということもできる）であって、このような流路はどのように設計されても構わない。例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。
【００８６】
なお、図１８では、圧力発生室６２２および供給口６２６を、簡略化して図示している。
【００８７】
リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板６３０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内のインクは、供給口６２６を介して、圧力発生室６２２に供給されることができる。
【００８８】
圧力発生室６２２は、振動板６３０の変形により容積が変化する。圧力発生室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力発生室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２からインク等が吐出される。圧力発生室６２２は、複数の能動部２２に対応して、複数設けられている。図１６に示すように平面視において、絶縁体層４０の一部は、圧力発生室６２２の一部と重なっていてもよい。図１６に示す例では、絶縁体層４０のＹ軸方向の長さＬは、圧力発生室６２２のＹ軸方向の長さより大きい。すなわち、絶縁体層４０は、圧力発生室６２２をＹ軸方向に跨いで形成されている。これにより、より確実に、能動部２２と絶縁体層４０との界面近傍の変位を抑制することができる。
【００８９】
なお、リザーバー６２４および供給口６２６は、圧力発生室６２２と連通していれば、流路形成基板６２０とは別の部材（図示せず）に設けられていてもよい。
【００９０】
振動板６３０は、流路形成基板６２０上（図１８の例では下）に設けられている。図示の例では、振動板６３０は、流路形成基板６２０側から、酸化シリコン層６３２および酸化ジルコニウム層６３４を、この順で積層させて形成されている。酸化シリコン層６３２は、例えば、水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ溶液）を用いたウェットエッチングにより圧力発生室６２２等を形成する際に、エッチングストッパーとして機能することができる。
【００９１】
圧電素子３００は、振動板６３０上（図１８の例では下）に設けられている。圧電素子３００は、駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、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。振動板６３０は、圧電体層２０の動作によって変形し、圧力発生室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
【００９２】
筐体６４０は、図１８に示すように、ノズル板６１０、流路形成基板６２０、振動板６３０、および圧電素子３００を収納することができる。筐体６４０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。
【００９３】
液体噴射ヘッド６００によれば、圧電素子３００を有する。したがって、液体噴射ヘッド６００は、高い信頼性を有することができる。
【００９４】
なお、上記の例では、液体噴射ヘッド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、本実施形態の液体噴射ヘッドは、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。
【００９５】
６．  液体噴射装置
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図１９は、本実施形態にかかる液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。
【００９６】
液体噴射装置７００は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、液体噴射ヘッド６００を用いた例について説明する。
【００９７】
液体噴射装置７００は、図１９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。液体噴射装置７００は、さらに、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。
【００９８】
ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド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、ヘッドおよ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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
【０１０２】
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０および給紙部７５０を制御することができる。
【０１０３】
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および駆動ローラー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および給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
【０１０４】
液体噴射装置７００によれば、液体噴射ヘッド６００を有する。したがって、液体噴射装置７００は、高い信頼性を有することができる。
【０１０５】
なお、上述した実施形態およ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、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０１０６】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１０７】
１  基板、１０  第１電極、１０ａ  長辺、１０ｂ  短辺、１１  端面、
２０  圧電体層、２０ａ  圧電体層、２２  能動部、２２ａ  長辺、２２ｂ  短辺、
２３  端面、２４  開口部、２６  開口部、２８  開口部、３０  第２電極、
３１  端面、３２  開口部、３４  配線、４０  絶縁体層、５０  金属部材、
１００〜３００  圧電素子、６００  液体噴射ヘッド、６１０  ノズル板、
６１２  ノズル孔、６２０  流路形成基板、６２２  圧力発生室、６２４  リザーバー、
６２６  供給口、６２８  貫通孔、６３０  振動板、６３２  酸化シリコン層、
６３４  酸化ジルコニウム層、６４０  筐体、７００  液体噴射装置、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
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図７】
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【図８】
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