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特開2022-175223圧電デバイス、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電デバイスの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022175223
(43)【公開日】2022-11-25
(54)【発明の名称】圧電デバイス、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電デバイスの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 41/187 20060101AFI20221117BHJP
B41J 2/14 20060101ALI20221117BHJP
B41J 2/16 20060101ALI20221117BHJP
H01L 41/09 20060101ALI20221117BHJP
【ＦＩ】
H01L41/187
B41J2/14 301
B41J2/14 607
B41J2/14 613
B41J2/16 301
H01L41/09
【審査請求】未請求
【請求項の数】18
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021081454
(22)【出願日】2021-05-13
(71)【出願人】
【識別番号】000002369
【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100179475
【弁理士】
【氏名又は名称】仲井 智至
(74)【代理人】
【識別番号】100216253
【弁理士】
【氏名又は名称】松岡 宏紀
(74)【代理人】
【識別番号】100225901
【弁理士】
【氏名又は名称】今村 真之
(72)【発明者】
【氏名】古池 晴信
(72)【発明者】
【氏名】沢崎 立雄
(72)【発明者】
【氏名】中山 雅夫
(72)【発明者】
【氏名】清水 稔弘
(72)【発明者】
【氏名】西 智尋
【テーマコード（参考）】
2C057
【Ｆターム（参考）】
2C057AF65
2C057AG14
2C057AG44
2C057AG55
2C057AN01
2C057AP02
2C057AP14
2C057BA04
2C057BA14
(57)【要約】 （修正有）
【課題】振動板の破壊を抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】液体噴射ヘッド２は、基板１０と、振動板５０と、圧電アクチュエーター３００と、を具備し、基板、振動板及び圧電アクチュエーターがこの順で第１方向Ｚに積層している。振動板は、構成元素としてケイ素を含む第１層５１と、第１層と圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層５３と、第１層と第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素及びジルコニウム以外の金属、半金属及び半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層５２と、を有する。振動板において、第２層及び第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が第２層にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が第３層にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が第１層にある。
【選択図】図４
【解決手段】液体噴射ヘッド２は、基板１０と、振動板５０と、圧電アクチュエーター３００と、を具備し、基板、振動板及び圧電アクチュエーターがこの順で第１方向Ｚに積層している。振動板は、構成元素としてケイ素を含む第１層５１と、第１層と圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層５３と、第１層と第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素及びジルコニウム以外の金属、半金属及び半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層５２と、を有する。振動板において、第２層及び第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が第２層にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が第３層にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が第１層にある。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
振動板と、
圧電アクチュエーターと、を具備し、
前記基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、
前記振動板は、
構成元素としてケイ素を含む第１層と、
前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、
前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、
を有し、
前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、
ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、
ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある
ことを特徴とする圧電デバイス。
振動板と、
圧電アクチュエーターと、を具備し、
前記基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、
前記振動板は、
構成元素としてケイ素を含む第１層と、
前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、
前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、
を有し、
前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、
ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、
ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある
ことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項2】
前記第２層は、クロム、チタンおよびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの金属元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項3】
前記不純物は、鉄、クロムおよびケイ素からなる群から選択される少なくとも１つの化合物である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電デバイス。
【請求項4】
前記不純物は、鉄およびクロムの少なくとも一方を含む化合物である
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項5】
前記不純物の濃度は、前記第３層が、前記第１層よりも高い
ことを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイス。
【請求項6】
前記第２層の前記第３層側の界面には、前記不純物が層状に偏在している
ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項7】
前記不純物がケイ素を含み、前記第２層の前記第１方向における厚さは１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項8】
前記不純物が、鉄またはクロムを含み、前記第２層の前記第１方向における厚さは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項9】
前記第２層と前記第３層とは、価数が異なる
ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項10】
前記第２層と前記第３層とは、価数が同じである
ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項11】
前記第１層は、酸化シリコンを含み、
前記第３層は、酸化ジルコニウムを含む
ことを特徴とする請求項１～１０の何れか一項に記載の圧電デバイス。
前記第３層は、酸化ジルコニウムを含む
ことを特徴とする請求項１～１０の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項12】
前記第２層は、酸化クロムを含む
ことを特徴とする請求項１～１１の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～１１の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項13】
前記第２層に含まれる酸化クロムは、アモルファス構造を有する
ことを特徴とする請求項１２に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１２に記載の圧電デバイス。
【請求項14】
前記第２層は、酸化チタンを含む
ことを特徴とする請求項１～１１の何れか一項に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１～１１の何れか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項15】
前記第２層に含まれる酸化チタンは、ルチル構造を有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の圧電デバイス。
ことを特徴とする請求項１４に記載の圧電デバイス。
【請求項16】
圧電アクチュエーターと、
前記圧電アクチュエーターの駆動により振動する振動板と、
前記振動板の振動により液体に圧力を付与する圧力室が設けられた流路形成基板と、を具備し、
前記流路形成基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、
前記振動板は、
構成元素としてケイ素を含む第１層と、
前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、
前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、
を有し、
前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、
ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、
ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある
ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧電アクチュエーターの駆動により振動する振動板と、
前記振動板の振動により液体に圧力を付与する圧力室が設けられた流路形成基板と、を具備し、
前記流路形成基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、
前記振動板は、
構成元素としてケイ素を含む第１層と、
前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、
前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、
を有し、
前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、
ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、
ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある
ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項17】
請求項１６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。
【請求項18】
基板と、
振動板と、
圧電アクチュエーターと、を具備し、
前記基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、
前記振動板は、
構成元素としてケイ素を含む第１層と、
前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、
前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、
を有し、
前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、
ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、
ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある圧電デバイスの製造方法であって、
前記基板上に前記第１層を形成する工程と、
前記第１層上に構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む元素層を形成し、当該元素層を加熱して酸化物で構成される前記第２層を形成する工程と、
前記第２層上にジルコニウムを含むジルコニウム層を形成し、当該ジルコニウム層を加熱して酸化ジルコニウムで構成される前記第３層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
振動板と、
圧電アクチュエーターと、を具備し、
前記基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、
前記振動板は、
構成元素としてケイ素を含む第１層と、
前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、
前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、
を有し、
前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、
ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、
ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある圧電デバイスの製造方法であって、
前記基板上に前記第１層を形成する工程と、
前記第１層上に構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む元素層を形成し、当該元素層を加熱して酸化物で構成される前記第２層を形成する工程と、
前記第２層上にジルコニウムを含むジルコニウム層を形成し、当該ジルコニウム層を加熱して酸化ジルコニウムで構成される前記第３層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基板上に設けられた振動板および圧電アクチュエーターを有する圧電デバイス、液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電子デバイスの一つである液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録ヘッドが知られている。インクジェット式記録ヘッドは、ノズルに連通する圧力室が設けられた基板と、基板の一方面側に設けられた振動板と、振動板上に設けられた圧電アクチュエーターとを備え、圧電アクチュエーターの駆動によって圧力室内のインクに圧力変化を生じさせてノズルからインク滴を吐出させる。例えば、特許文献１では、二酸化シリコンからなる弾性膜と酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜とを有する振動板が開示される。ここで、弾性膜は、シリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより形成される。絶縁体膜は、スパッタリング法等により弾性膜上に形成されたジルコニウム単体の層を熱酸化することにより形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００８－７８４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
圧電アクチュエーターの変形による外力が加わった際に振動板に層間剥離や割れなどの破壊が生じるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決する本発明の態様は、基板と、振動板と、圧電アクチュエーターと、を具備し、前記基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、前記振動板は、構成元素としてケイ素を含む第１層と、前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、を有し、前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にあることを特徴とする圧電デバイスにある。
【0006】
また、本発明の他の態様は、圧電アクチュエーターと、前記圧電アクチュエーターの駆動により振動する振動板と、前記振動板の振動により液体に圧力を付与する圧力室が設けられた流路形成基板と、を具備し、前記流路形成基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、前記振動板は、構成元素としてケイ素を含む第１層と、前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、を有し、前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にあることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【0007】
また、本発明の他の態様は、上記態様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にある。
【0008】
さらに本発明の他の態様は、基板と、振動板と、圧電アクチュエーターと、を具備し、前記基板、前記振動板および前記圧電アクチュエーターがこの順で第１方向に積層されており、前記振動板は、構成元素としてケイ素を含む第１層と、前記第１層と前記圧電アクチュエーターとの間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層と、前記第１層と前記第３層との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層と、を有し、前記第２層および前記第３層において、前記第２層および前記第３層の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が前記第２層にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が前記第３層にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が前記第１層にある圧電デバイスの製造方法であって、前記基板上に前記第１層を形成する工程と、前記第１層上に構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む元素層を形成し、当該元素層を加熱して酸化物で構成される前記第２層を形成する工程と、前記第２層上にジルコニウムを含むジルコニウム層を形成し、当該ジルコニウム層を加熱して酸化ジルコニウムで構成される前記第３層を形成する工程と、を具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法にある。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態１に係るインクジェット式記録装置の模式図である。
【図2】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図3】実施形態１に係る記録ヘッドの流路形成基板の平面図である。
【図4】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図5】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図6】実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。
【図7】試験例１に係るＳＴＥＭ－ＥＤＳによる分析結果を示す図である。
【図8】試験例１に係るＳＴＥＭ－ＥＤＳによる分析結果を示す図である。
【図9】試験例１に係るＳＴＥＭ－ＥＤＳによる分析結果を示す図である。
【図10】サンプル１のＳＴＥＭ画像である。
【図11】サンプル４のＳＴＥＭ画像である。
【図12】サンプル８のＳＴＥＭ画像である。
【図13】サンプル１０のＳＴＥＭ画像である。
【図14】リーク電流の結果を示すグラフである。
【図15】サンプル１６のＳＴＥＭ画像である。
【図16】サンプル１７のＳＴＥＭ画像である。
【図17】サンプル１８のＳＴＥＭ画像である。
【図18】サンプル１９のＳＴＥＭ画像である。
【図19】サンプル２０のＳＴＥＭ画像である。
【図20】サンプル２０のＳＴＥＭ－ＥＤＳによる分析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、各図においてＸ、Ｙ、Ｚは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向をＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向とする。各図の矢印が向かう方向を正（＋）方向、矢印の反対方向を負（－）方向として説明する。また、正方向および負方向を限定しない３つのＸ、Ｙ、Ｚの空間軸については、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として説明する。また、以下の各実施形態では、一例として「第１方向」を－Ｚ方向、「第２方向」を＋Ｚ方向としている。また、Ｚ軸に沿う方向で見ることを「平面視」という。
【0011】
ここで、典型的には、Ｚ軸が鉛直な軸であり、＋Ｚ方向が鉛直方向での下方向に相当する。ただし、Ｚ軸は、鉛直な軸でなくともよい。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、典型的には互いに直交するが、これに限定されず、例えば、８０°以上１００°以下の範囲内の角度で交差すればよい。
【0012】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置１を模式的に示す図である。
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置１を模式的に示す図である。
【0013】
図１に示すように液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置１は、液体の一種であるインクをインク滴として印刷用紙等の媒体Ｓに噴射・着弾させて、当該媒体Ｓに形成されるドットの配列により画像等の印刷を行う印刷装置である。なお、媒体Ｓとしては、記録用紙の他、樹脂フィルムや布等の任意の材質を用いることができる。
【0014】
以下において、Ｘ、Ｙ、Ｚの３つの空間軸のうち、後述する記録ヘッド２の移動方向（換言すると、主走査方向）をＸ軸とし、当該主走査方向と直交した媒体Ｓの搬送方向をＹ軸とし、記録ヘッド２のノズル２１（図２参照）が形成されたノズル面に平行な面をＸＹ平面とし、ノズル面、すなわち、ＸＹ平面に交差する方向、本実施形態では、ＸＹ平面に直交する方向をＺ軸とし、インク滴はＺ軸に沿った＋Ｚ方向に噴射されるものとする。
【0015】
インクジェット式記録装置１は、液体容器３と、媒体Ｓを送り出す搬送機構４と、制御部である制御ユニット５と、移動機構６と、インクジェット式記録ヘッド２（以下、単に記録ヘッド２とも言う）と、を具備する。
【0016】
液体容器３は、記録ヘッド２から噴射される複数種類（例えば、複数色）のインクを個別に貯留する。液体容器３としては、例えば、インクジェット式記録装置１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、インクを補充可能なインクタンクなどが挙げられる。また、特に図示していないが、液体容器３には、色や種類の異なる複数種類のインクが貯留されている。
【0017】
制御ユニット５は、特に図示していないが、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の制御装置と半導体メモリー等の記憶装置とを含んで構成される。制御ユニット５は、記憶装置に記憶されたプログラムを制御装置が実行することでインクジェット式記録装置１の各要素、すなわち、搬送機構４、移動機構６、記録ヘッド２等を統括的に制御する。
【0018】
搬送機構４は、制御ユニット５によって制御されて媒体ＳをＹ方向に搬送するものであり、例えば、搬送ローラー４ａを有する。なお、媒体Ｓを搬送する搬送機構４は、搬送ローラー４ａに限らず、ベルトやドラムによって媒体Ｓを搬送するものであってもよい。
【0019】
移動機構６は、制御ユニット５によって制御されて記録ヘッド２をＸ軸に沿って＋Ｘ方向および－Ｘ方向に往復させる。
【0020】
具体的には、本実施形態の移動機構６は、搬送体７と搬送ベルト８とを具備する。搬送体７は、記録ヘッド２を収容する略箱形の構造体、所謂、キャリッジであり、搬送ベルト８に固定される。搬送ベルト８は、Ｘ軸に沿って架設された無端ベルトである。制御ユニット５による制御のもとで搬送ベルト８が回転することで記録ヘッド２が搬送体７と共に＋Ｘ方向および－Ｘ方向に図示しないガイドレールに沿って往復移動する。なお、液体容器３を記録ヘッド２と共に搬送体７に搭載することも可能である。
【0021】
記録ヘッド２は、制御ユニット５による制御のもとで、液体容器３から供給されたインクを複数のノズル２１のそれぞれからインク滴として＋Ｚ方向に媒体Ｓに噴射する。この記録ヘッド２からのインク滴の噴射が、搬送機構４による媒体Ｓの搬送と移動機構６による記録ヘッド２の往復移動とに平行して行われることにより、媒体Ｓの表面にインクによる画像が形成される、所謂、印刷が行われる。ここで、記録ヘッド２は、「圧電デバイス」の一例である。
【0022】
図２は、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２の分解斜視図である。図３は、記録ヘッド２の流路形成基板１０の平面図である。図４は、図３のＡ－Ａ′線に準じた記録ヘッド２の断面図である。図５は、図３のＢ－Ｂ′線の断面図である。
【0023】
図示するように、本実施形態の記録ヘッド２は、「基板」の一例として流路形成基板１０を具備する。流路形成基板１０は、シリコン基板、ガラス基板、ＳＯＩ基板、各種セラミック基板からなる。
【0024】
流路形成基板１０には、複数の圧力室１２が第１方向である＋Ｘ方向に沿って並んで配置されている。複数の圧力室１２は、＋Ｙ方向の位置が同じ位置となるように、＋Ｘ方向に沿った直線上に配置されている。＋Ｘ方向で互いに隣り合う圧力室１２は、隔壁１１によって区画されている。もちろん、圧力室１２の配置は特にこれに限定されず、例えば、＋Ｘ方向に並んで配置された圧力室１２において、１つ置きに＋Ｙ方向にずれた位置に配置した、所謂、千鳥配置としてもよい。
【0025】
また、本実施形態の圧力室１２は、＋Ｚ方向に見た形状は、矩形状、平行四辺形状、長方形状を基本として長手方向の両端部を半円形状とした、いわゆる、角丸長方形状や楕円形状や卵形状などのオーバル形状や、円形状、多角形状等であってもよい。この圧力室１２が、「基板」に設けられた「凹部」に相当する。
【0026】
流路形成基板１０の＋Ｚ方向側には、連通板１５とノズルプレート２０とが順次積層されている。
【0027】
連通板１５には、圧力室１２とノズル２１とを連通するノズル連通路１６が設けられている。
また、連通板１５には、複数の圧力室１２が共通して連通する共通液室となるマニホールド１００の一部を構成する第１マニホールド部１７と第２マニホールド部１８とが設けられている。第１マニホールド部１７は、連通板１５を＋Ｚ方向に貫通して設けられている。また、第２マニホールド部１８は、連通板１５を＋Ｚ方向に貫通することなく、＋Ｚ方向側の面に開口して設けられている。
また、連通板１５には、複数の圧力室１２が共通して連通する共通液室となるマニホールド１００の一部を構成する第１マニホールド部１７と第２マニホールド部１８とが設けられている。第１マニホールド部１７は、連通板１５を＋Ｚ方向に貫通して設けられている。また、第２マニホールド部１８は、連通板１５を＋Ｚ方向に貫通することなく、＋Ｚ方向側の面に開口して設けられている。
【0028】
さらに、連通板１５には、圧力室１２のＹ軸の端部に連通する供給連通路１９が圧力室１２の各々に独立して設けられている。供給連通路１９は、第２マニホールド部１８と圧力室１２とを連通して、マニホールド１００内のインクを圧力室１２に供給する。
【0029】
このような連通板１５としては、シリコン基板、ガラス基板、ＳＯＩ基板、各種セラミック基板、ステンレス基板等の金属基板などを用いることができる。なお、連通板１５は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。このように流路形成基板１０と連通板１５とを熱膨張率が略同一の材料を用いることで、熱膨張率の違いによって熱により反りが発生するのを低減することができる。
【0030】
ノズルプレート２０は、連通板１５の流路形成基板１０とは反対側、すなわち、＋Ｚ方向側の面に設けられている。
【0031】
ノズルプレート２０には、各圧力室１２にノズル連通路１６を介して連通するノズル２１が形成されている。本実施形態では、複数のノズル２１は、＋Ｘ方向に沿って一列となるように並んで配置されたノズル列が＋Ｙ方向に離れて２列設けられている。すなわち、各列の複数のノズル２１は、＋Ｙ方向の位置が同じ位置となるように配置されている。もちろん、ノズル２１の配置は特にこれに限定されず、例えば、＋Ｘ方向に並んで配置されたノズル２１において、１つ置きに＋Ｙ方向にずれた位置に配置した、所謂、千鳥配置としてもよい。このようなノズルプレート２０としては、シリコン基板、ガラス基板、ＳＯＩ基板、各種セラミック基板、ステンレス基板等の金属基板、ポリイミド樹脂のような有機物などを用いることができる。なお、ノズルプレート２０は、連通板１５の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。このようにノズルプレート２０と連通板１５とを熱膨張率が略同一の材料を用いることで、熱膨張率の違いによって熱により反りが発生するのを低減することができる。
【0032】
流路形成基板１０の－Ｚ方向側の面には、振動板５０と圧電アクチュエーター３００とが順次積層されている。すなわち、流路形成基板１０、振動板５０および圧電アクチュエーター３００とは、この順に－Ｚ方向に積層されている。
【0033】
流路形成基板１０の－Ｚ方向の面には、図２および図４に示すように、流路形成基板１０と略同じ大きさを有する保護基板３０が接合されている。保護基板３０は、圧電アクチュエーター３００を保護する空間である保持部３１を有する。保持部３１は、＋Ｘ方向に並んで配置される圧電アクチュエーター３００の列毎に独立して設けられたものであり、＋Ｙ方向に２つ並んで形成されている。また、保護基板３０には、＋Ｙ方向に並んで配置される２つの保持部３１の間に＋Ｚ方向に貫通する貫通孔３２が設けられている。圧電アクチュエーター３００の電極から引き出された個別リード電極９１および共通リード電極９２の端部は、この貫通孔３２内に露出するように延設され、個別リード電極９１および共通リード電極９２と配線基板１２０とは、貫通孔３２内で電気的に接続されている。
【0034】
また、図４に示すように、保護基板３０上には、複数の圧力室１２に連通するマニホールド１００を流路形成基板１０と共に画成するケース部材４０が固定されている。ケース部材４０は、平面視において上述した連通板１５と略同一形状を有し、保護基板３０に接合されると共に、上述した連通板１５にも接合されている。本実施形態では、ケース部材４０は、連通板１５に接合されている。また、特に図示していないが、ケース部材４０と保護基板３０とも接合されている。
【0035】
このようなケース部材４０は、保護基板３０側に流路形成基板１０および保護基板３０が収容される深さの凹部４１を有する。この凹部４１は、保護基板３０の流路形成基板１０に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、凹部４１に流路形成基板１０等が収容された状態で凹部４１のノズルプレート２０側の開口面が連通板１５によって封止されている。これにより、流路形成基板１０の外周部には、ケース部材４０と流路形成基板１０とによって第３マニホールド部４２が画成されている。そして、連通板１５に設けられた第１マニホールド部１７および第２マニホールド部１８と、ケース部材４０と流路形成基板１０とによって画成された第３マニホールド部４２と、によって本実施形態のマニホールド１００が構成されている。マニホールド１００は、圧力室１２が並んで配置される＋Ｘ方向に亘って連続して設けられており、各圧力室１２とマニホールド１００とを連通する供給連通路１９は、＋Ｘ方向に並んで配置されている。また、ケース部材４０には、マニホールド１００に連通して各マニホールド１００にインクを供給するための導入口４４が設けられている。また、ケース部材４０には、詳しくは後述する保護基板３０の貫通孔３２に連通して配線基板１２０が挿通される接続口４３が設けられている。
【0036】
また、連通板１５の第１マニホールド部１７および第２マニホールド部１８が開口する＋Ｚ方向側の面には、コンプライアンス基板４５が設けられている。このコンプライアンス基板４５が、第１マニホールド部１７と第２マニホールド部１８の液体噴射面２０ａ側の開口を封止している。このようなコンプライアンス基板４５は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜４６と、金属等の硬質の材料からなる固定基板４７と、を具備する。固定基板４７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４８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４６のみで封止された可撓部であるコンプライアンス部４９となっている。
【0037】
本実施形態の振動板５０および圧電アクチュエーター３００について説明する。
【0038】
図４および図５に示すように、圧電アクチュエーター３００は、振動板５０側である＋Ｚ方向側から－Ｚ方向側に向かって順次積層された第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを具備する。圧電アクチュエーター３００が、圧力室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段となっている。このような圧電アクチュエーター３００は、圧電素子とも言い、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを含む部分を言う。また、第１電極６０と第２電極８０との間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活性部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活性部と称する。すなわち、活性部３１０は、圧電体層７０が第１電極６０と第２電極８０とで挟まれた部分を言う。本実施形態では、凹部である圧力室１２毎に活性部３１０が形成されている。つまり、圧電アクチュエーター３００には複数の活性部３１０が形成されていることになる。そして、一般的には、活性部３１０の何れか一方の電極を活性部３１０毎に独立する個別電極とし、他方の電極を複数の活性部３１０に共通する共通電極として構成する。本実施形態では、第１電極６０が個別電極を構成し、第２電極８０が共通電極を構成している。もちろん、第１電極６０が共通電極を構成し、第２電極８０が個別電極を構成してもよい。この圧電アクチュエーター３００のうち、圧力室１２にＺ軸で対向する部分が可撓部となり、圧力室１２の外側部分が非可撓部となる。
【0039】
具体的には、第１電極６０は、図３～図５に示すように、圧力室１２毎に切り分けられて活性部３１０毎に独立する個別電極を構成する。第１電極６０は、＋Ｘ方向において、圧力室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、＋Ｘ方向において、第１電極６０の端部は、圧力室１２に対向する領域の内側に位置している。また、図４に示すように、第１電極６０のＹ軸において、ノズル２１側の端部は、圧力室１２よりも外側に配置されている。この第１電極６０のＹ軸において圧力室１２よりも外側に配置された端部に、引き出し配線である個別リード電極９１が接続されている。
【0040】
このような第１電極６０としては、導電性を有する材料であり、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、酸化チタン（ＴｉＯＸ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）等を用いることができる。
【0041】
圧電体層７０は、図３～図５に示すように、＋Ｙ方向の幅が所定の幅で、＋Ｘ方向に亘って連続して設けられている。圧電体層７０の＋Ｙ方向の幅は、圧力室１２の長手方向である＋Ｙ方向の長さよりも長い。このため、圧力室１２の＋Ｙ方向および－Ｙ方向の両側では、圧電体層７０は、圧力室１２に対向する領域の外側まで延設されている。このような圧電体層７０のＹ軸においてノズル２１とは反対側の端部は、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のノズル２１とは反対側の端部は圧電体層７０によって覆われている。また、圧電体層７０のノズル２１側の端部は、第１電極６０の端部よりも内側に位置しており、第１電極６０のノズル２１側の端部は、圧電体層７０に覆われていない。なお、第１電極６０の圧電体層７０の外側まで延設された端部には、上述したように金（Ａｕ）等からなる個別リード電極９１が接続されている。
【0042】
また、圧電体層７０には、各隔壁１１に対応する凹部７１が形成されている。この凹部７１の＋Ｘ方向の幅は、隔壁１１の幅と同一、もしくは、それより広くなっている。本実施形態では、凹部７１の＋Ｘ方向の幅は、隔壁１１の幅よりも広くなっている。これにより、振動板５０の圧力室１２の＋Ｘ方向および－Ｘ方向の両端部に対向する部分、所謂、振動板５０の腕部の剛性が抑えられるため、圧電アクチュエーター３００を良好に変位させることができる。なお、凹部７１は、圧電体層７０を厚さ方向である＋Ｚ方向に貫通して設けられていてもよく、また、圧電体層７０を＋Ｚ方向に貫通することなく、圧電体層７０の厚さ方向の途中まで設けられていてもよい。すなわち、凹部７１の＋Ｚ方向の底面には、圧電体層７０が完全に除去されていてもよく、圧電体層７０の一部が残留していてもよい。
【0043】
このような圧電体層７０は、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物からなる圧電材料を用いて構成されている。本実施形態では、圧電材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を用いている。ＰＺＴを圧電材料に用いることで、圧電定数ｄ３１が比較的大きな圧電体層７０が得られる。
【0044】
一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物では、Ａサイトには酸素が１２配位しており、Ｂサイトには酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。本実施形態では、Ａサイトに鉛（Ｐｂ）が位置し、Ｂサイトにジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）が位置している。
【0045】
圧電材料は、上記のＰＺＴに限定されない。ＡサイトやＢサイトに他の元素が含まれていてもよい。例えば、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、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）、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）等のペロブスカイト材料であってもよい。
【0046】
その他、圧電材料は、Ｐｂの含有量を抑えた材料、いわゆる低鉛系材料、またはＰｂを使用しない材料、いわゆる非鉛系材料であってもよい。圧電材料として低鉛系材料を使用すればＰｂの使用量を低減することができる。また、圧電材料として非鉛系材料を使用すれば、Ｐｂを使用せずに済む。よって、圧電材料として低鉛系材料や非鉛系材料の使用により、環境負荷を低減することができる。
【0047】
非鉛系圧電材料として、例えば、鉄酸ビスマス（ＢＦＯ；ＢｉＦｅＯ３）を含むＢＦＯ系材料が挙げられる。ＢＦＯでは、Ａサイトにビスマス（Ｂｉ）が位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）が位置している。ＢＦＯに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ＢＦＯに、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、クロム（Ｃｒ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユウロピウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。
【0048】
また、非鉛系圧電材料の他の例として、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ；ＫＮａＮｂＯ３）を含むＫＮＮ系材料が挙げられる。ＫＮＮに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ＫＮＮに、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）およびユウロピウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。
【0049】
圧電材料には、元素の一部欠損した組成を有する材料、元素の一部が過剰である組成を有する材料、および元素の一部が他の元素に置換された組成を有する材料も含まれる。圧電体層７０の基本的な特性が変わらない限り、欠損・過剰により化学量論の組成からずれた材料や、元素の一部が他の元素に置換された材料も、本実施形態に係る圧電材料に含まれる。もちろん、本実施形態で使用可能な圧電材料は、上述したようなＰｂ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ等を含む材料に限定されない。
【0050】
第２電極８０は、図２～図５に示すように、圧電体層７０の第１電極６０とは反対側である－Ｚ方向側に連続して設けられており、複数の活性部３１０に共通する共通電極を構成する。第２電極８０は、＋Ｙ方向が所定の幅となるように、＋Ｘ方向に亘って連続して設けられている。また、第２電極８０は、凹部７１の内面、すなわち、圧電体層７０の凹部７１の側面上および凹部７１の底面である振動板５０上にも設けられている。もちろん、第２電極８０は、凹部７１の内面の一部のみに設けるようにしてもよく、凹部７１の内面の全面に亘って設けないようにしてもよい。すなわち、本実施形態では、流路形成基板１０上において、圧電アクチュエーター３００の＋Ｙ方向側および－Ｙ方向側の端部には、第２電極８０は設けられておらず、振動板５０が－Ｚ方向の表面に露出して設けられている。
【0051】
第２電極８０の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の貴金属材料、およ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などが用いられる。また、第２電極８０は、複数材料の積層であってもよい。第２電極８０としては、イリジウム（Ｉｒ）とチタン（Ｔｉ）とを含むものを用いるのが好ましい。第２電極８０は、本実施形態では、イリジウム（Ｉｒ）とチタン（Ｔｉ）との積層電極を使用している。
【0052】
また、第１電極６０からは、引き出し配線である個別リード電極９１が引き出されている。第２電極８０からは引き出し配線である共通リード電極９２が引き出されている。これら個別リード電極９１および共通リード電極９２の圧電アクチュエーター３００に接続された端部とは反対側の端部には、上述のように可撓性を有する配線基板１２０が接続されている。配線基板１２０は、圧電アクチュエーター３００を駆動するためのスイッチング素子を有する駆動回路１２１が実装されている。
【0053】
振動板５０は、図５に示すように、第１層５１と第２層５２と第３層５３とを有し、これらがこの順で－Ｚ方向に積層される。すなわち、振動板５０は、第１層５１と、第１層５１と圧電アクチュエーター３００との間に配置される第３層５３と、第１層５１と第３層５３との間に配置される第２層５２と、を有する。第１層５１は、振動板５０のうち最も流路形成基板１０側、つまり、＋Ｚ方向側に配置されるものであり、流路形成基板１０の－Ｚ方向側に面に接する。また、第３層５３は、振動板５０のうち最も－Ｚ方向側に配置されるものであり、圧電アクチュエーター３００に接する。第２層５２は、第１層５１と第３層５３との間に介在する。なお、図４および図５では、説明の便宜上、振動板５０を構成する層同士の界面が明確に図示されるが、当該界面は明確でなくともよく、例えば、互いに隣り合う２つの層の界面付近において当該２つの層の構成材料同士が混在してもよい。このような第１層５１、第２層５２および第３層５３を有する振動板５０は、流路形成基板１０の－Ｚ方向側の全面に亘って連続して設けられている。
【0054】
第１層５１は、構成元素としてケイ素（Ｓｉ）を含む層である。具体的には、第１層５１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成される弾性膜である。ここで、第１層５１には、酸化シリコンおよびその構成元素のほか、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）等の元素が不純物として少量含まれていてもよい。このような不純物は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を柔らかくする効果をもたらす。
【0055】
このように、本実施形態の第１層５１は、例えば、酸化シリコンを含む。このような第１層５１は、シリコン単結晶基板で構成される流路形成基板１０を熱酸化することにより形成することで、スパッタリング法により形成する場合に比べて生産性よく形成することができる。
【0056】
なお、第１層５１中のケイ素は、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物等の状態で存在してもよい。また、第１層５１中の不純物は、第１層５１の形成の際に不可避的に混入される元素であってもよく、意図的に第１層５１内に混入される元素であってもよい。
【0057】
第１層５１の厚さＴ１は、振動板５０の厚さＴおよび幅Ｗ等に応じて決められる。第１層５１の厚さＴ１は、例えば、１００ｎｍ以上２００００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。
【0058】
第３層５３は、構成元素としてジルコニウム（Ｚｒ）を含む層である。具体的には、第３層５３は、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で構成される絶縁膜である。ここで、第３層５３には、酸化ジルコニウムおよびその構成元素のほか、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）等の元素が不純物として少量含まれていてもよい。このような不純物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を柔らかくする効果をもたらす。ただし、第３層５３に含まれる不純物の濃度は、詳しくは後述する第２層５２に含まれる不純物の濃度よりも低い。
【0059】
このように第３層５３は、例えば、酸化ジルコニウムを含む。このような第３層５３は、例えば、スパッタリング法等によりジルコニウム単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第３層５３を形成する際、所望の厚さの第３層５３を容易に得ることができる。また、酸化ジルコニウムが優れた電気絶縁性、機械的強度および靱性を有するので、第３層５３が酸化ジルコニウムを含むことにより、振動板５０の特性を高めることができる。また、例えば、圧電体層７０がチタン酸ジルコン酸鉛で構成される場合、第３層５３が酸化ジルコニウムを含むことにより、圧電体層７０を形成する際、高い配向率で（１００）面に優先配向した圧電体層７０を得やすいという利点もある。
【0060】
なお、第３層５３中のジルコニウムは、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物等の状態で存在してもよい。また、第３層５３中の不純物は、第３層５３の形成の際に不可避的に混入される元素であってもよく、意図的に第３層５３内に混入される元素であってもよい。例えば、当該不純物は、第３層５３をスパッタリング法で形成する際に用いるジルコニウムターゲット中に含まれる不純物である。
【0061】
第３層５３の厚さＴ３は、振動板５０の厚さＴおよび幅Ｗ等に応じて決められる。第３層５３の厚さＴ３は、例えば、１００ｎｍ以上２００００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【0062】
第２層５２は、第１層５１と第３層５３との間に介在する。このため、第１層５１と第３層５３との接触が防止される。したがって、第１層５１と第３層５３とが接触する構成に比べて、第１層５１中のシリコン酸化物が第３層５３中のジルコニウムにより還元されることが低減される。
【0063】
また、第２層５２は、第３層５３中の不純物を吸収し、第３層５３の第２層５２側に不純物が溜まり、第３層５３が変質することで隙間（ボイド）が生じるのを抑制する不純物吸収層として機能する。
【0064】
このような第２層５２は、構成元素として、鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む。このような第２層５２の構成元素は、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物の状態で存在してもよい。なお、第２層５２は、金属元素を１つだけ含むものであってもよく、２以上の複数の金属元素を含むものであってもよい。また、第２層５２は、半金属や半導体の構成元素においても１つだけ含むものであってもよく、２以上の複数を含むものであってもよい。さらに、第２層５２は、金属、半金属および半導体の何れか１つまたは２つ以上を組み合わせて含むものであってもよい。
【0065】
また、第２層５２は、構成元素としてクロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも１つの金属元素を含むことが好ましい。このような第２層５２の金属元素は、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物の状態で存在してもよい。また、第２層５２は、前述の金属元素を１つだけ含むものであってもよく、２以上の複数含むものであってもよい。
【0066】
また、第２層５２は、ジルコニウムよりも酸化され難い金属元素を含む層であることが好ましく、第２層５２は、例えば、当該金属元素の酸化物で構成されるのが好適である。言い換えると、第２層５２は、ジルコニウムよりも酸化物生成自由エネルギーの大きい金属元素を含むのが好ましい。当該金属元素としては、クロム、チタンおよびアルミニウムのうち何れかの金属元素を含むことが好ましく、当該金属元素の酸化物で構成されるのが好適である。なお、酸化物生成自由エネルギーの大小関係は、例えば、公知のエリンガムダイアグラムに基づいて評価することが可能である。
【0067】
第２層５２は、ジルコニウムよりも酸化され難い金属元素を含むことで、第２層５２に含まれる金属元素がジルコニウムよりも酸化されやすい構成に比べて、つまり第２層５２に含まれる金属元素の酸化物生成自由エネルギーがジルコニウムの酸化物生成自由エネルギーよりも小さい構成に比べて、第１層５１に含まれるシリコン酸化物の還元を低減することができる。この結果、第２層５２を用いない構成に比べて、第１層５１と第３層５３との密着力を高めることができる。
【0068】
また、第２層５２は、クロム、チタンおよびアルミニウムの酸化物で構成されることにより、単体、窒化物、炭素系の材料よりも第１層５１および第３層５３との密着力を高めることができる。
【0069】
クロムは、ケイ素よりも酸化され難い。言い換えると、クロムの酸化物生成自由エネルギーは、ケイ素の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい。このため、第２層５２に金属元素としてクロムが含まれる場合、ケイ素よりも酸化され難い金属元素が第２層５２に含まれない場合に比べて、第１層５１に含まれるシリコン酸化物の還元を低減することができる。
【0070】
また、第２層５２は、クロムを含む場合、例えば、クロムが酸化物を構成しており、酸化クロムを含む。このような第２層５２は、スパッタリング法等によりクロム単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第２層５２を形成する際、所望厚さの第２層５２を容易に得ることができる。
【0071】
ここで、第２層５２に含まれる酸化クロムは、多結晶、アモルファスまたは単結晶のいずれの状態でもよい。ただし、第２層５２に含まれる酸化クロムがアモルファス状態であるアモルファス構造を有する場合、第２層５２に含まれる酸化クロムが多結晶または単結晶の状態である場合に比べて、第２層５２に生じる圧縮応力を低減することができる。この結果、第１層５１または第３層５３と第２層５２との界面に生じる歪みを低減することができる。
【0072】
チタンまたはアルミニウムの酸化物は、熱により移動しやすい。このため、第２層５２に金属元素としてチタンまたはアルミニウムが含まれる場合、当該金属元素の酸化物によるアンカー効果または化学結合により第１層５１または第３層５３のそれぞれと第２層５２との層間での密着力を高めることができる。しかもチタンは、ケイ素またはジルコニウムとともに酸化物を形成しやすい。このため、第２層５２に金属元素としてチタンが含まれる場合、チタンがケイ素とともに酸化物を形成することにより、第１層５１と第２層５２との密着力を高めたり、チタンがジルコニウムとともに酸化物を形成することにより、第２層５２と第３層５３との密着力を高めたりすることができる。
【0073】
また、第２層５２は、チタンを含む場合、例えば、チタンが酸化物を構成しており、酸化チタンを含む。このような第２層５２は、スパッタリング法等によりチタン単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第２層５２を形成する際、所望の厚さの第２層５２を容易に得ることができる。
【0074】
ここで、第２層５２に含まれる酸化チタンは、多結晶、アモルファスまたは単結晶の何れの状態でもよい。ただし、第２層５２に含まれる酸化チタンは、多結晶または単結晶の状態であることが好ましく、特に、結晶構造としてルチル構造を有することが好ましい。酸化チタンがとり得る結晶構造の中でも、ルチル構造は最も安定であり、熱により移動してもアナターゼまたはブロッカイト等の多形に変化し難い。したがって、第２層５２に含まれる酸化チタンの結晶構造が他の結晶構造である場合に比べて、第２層５２の熱安定性を高めることができる。
【0075】
また、第２層５２は、アルミニウムを含む場合、例えば、アルミニウムが酸化物を構成しており、酸化アルミニウムを含む。このような第２層５２は、スパッタリング法等によりアルミニウム単体の層を形成した後に、当該層を熱酸化することにより得られる。このため、第２層５２を形成する際、所望の厚さの第２層５２を容易に得ることができる。
【0076】
ここで、第２層５２に含まれる酸化アルミニウムは、多結晶、アモルファスまたは単結晶の何れの状態でもよく、多結晶または単結晶の状態である場合、結晶構造として三方晶系構造を有する。
【0077】
また、第２層５２には、前述の金属元素のほか、チタン（Ｔｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）等の元素が不純物として含まれている。第２層５２に含まれる不純物は、第１層５１または第３層５３に含まれる元素である。なお、不純物は、例えば、第２層５２の当該金属元素とともに酸化物の状態で存在する。
【0078】
また、第２層５２および第３層５３において、不純物の濃度は、第２層５２が最も高い。ここで言う「第２層５２および第３層５３における不純物」とは、第２層５２および第３層の主成分である構成元素以外の元素のことである。主成分とは、各層から検出される強度が最も高い元素を言い、各層に含まれる主成分の状態は特に限定されず、それぞれ単体、酸化物の状態、窒化物の状態、酸窒化物の状態で存在してもよい。つまり、「第２層５２および第３層５３における不純物」とは、第２層５２を構成する前述の金属元素および第３層５３を構成するジルコニウム以外の元素のことである。したがって、第２層５２および第３層５３における不純物には、第１層５１の構成元素であるケイ素も含まれる。また、第２層５２および第３層５３において不純物の濃度は、第２層５２が最も高いとは、第２層５２および第３層５３の－Ｚ方向における不純物の濃度分布において最も高い濃度の位置が第２層５２の膜中に存在することを言う。
【0079】
第２層５２は、第３層５３に含まれる不純物を吸収して、第２層５２および第３層５３において不純物の濃度が最も高い位置を第２層５２内にすることで、第３層５３の不純物の濃度を低くすることができる。したがって、第３層５３の第２層５２側の界面に不純物が局在するのを抑制して、不純物による隙間が形成されるのを抑制することができる。このため、振動板５０の靱性が隙間によって低下するのを抑制し、圧電アクチュエーター３００の変形によって振動板５０に外力が加わった際に振動板５０が破壊されるのを抑制することができる。また、前述の金属元素を構成元素として含む第２層５２を設けることで、第１層５１側からケイ素が第３層５３に拡散するのを抑制することができる。したがって、ケイ素とジルコニウムとの化合物が形成されるのを抑制して、ケイ素由来の不純物による第２層５２と第３層５３との隙間の発生を抑制することができる。
【0080】
また、第２層５２を設けることで、第３層５３と第２層５２との界面に隙間が形成されるのを抑制することができるため、圧電アクチュエーター３００の端面側から第２層５２と第３層５３との界面に水分が侵入するのを抑制することができる。したがって、第３層５３のジルコニウムが水分によって脆化するのを抑制することができ、第３層５３と当該第３層５３の上下の層との間で層間剥離や、第３層５３のクラック等の破損を抑制することができる。
【0081】
また、振動板５０は、ジルコニウム濃度が最も高い位置が第３層５３にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が第１層５１にある。つまり、振動板５０は、－Ｚ方向におけるジルコニウムの濃度分布において、最も高い濃度の位置が第３層５３の膜中に存在する。また、振動板５０は、－Ｚ方向におけるケイ素の濃度分布において、最も高い濃度の位置が第１層５１の膜中に存在する。第３層５３は、ジルコニウムを主成分とするため、ジルコニウムの濃度は、第３層５３の－Ｚ方向に亘って略同じ最も高い濃度となっている。同様に、第１層５１は、ケイ素を主成分とするため、ケイ素の濃度は、－Ｚ方向に亘って略同じ最も高い濃度となっている。
【0082】
なお、第２層５２および第３層５３に含まれる不純物が、鉄、クロムの少なくとも一方の場合、第３層５３の不純物の濃度は、第１層５１の不純物の濃度よりも高いことが好ましい。第１層５１の不純物の濃度を小さくすることで、第１層５１の第２層５２側の界面に不純物が局在するのを抑制して、当該界面に隙間が形成されるのを抑制することができる。これにより、当該界面からの水分浸入が抑制でき、第２層５２と第１層５１が水分により、脆化するのを抑制することができ、第２層５２と第１層５１の間での層間剥離や、第２層５２や第１層５１のクラック等の破損を抑制することができる。
【0083】
また、第２層５２の厚さＴ２は、第２層５２の材料および不純物によって決まる。例えば、第２層５２がチタンの酸化物で構成され、第２層５２および第３層５３の不純物が、鉄またはクロムの少なくとも一方を含む化合物の場合、第２層５２の－Ｚ方向における厚さは、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とするのが好ましい。このように第２層５２の厚さを１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることで、不純物である鉄およびクロムの濃度が最も高い位置を第２層５２内にすることができる。なお、第２層５２の厚さＴ２が前述の厚さよりも厚い場合、第２層５２の構成元素が第２層５２から第３層５３に多く拡散し、第３層５３の不純物が第２層５２に吸収され難くなる。この結果、不純物の濃度が最も高い位置が第２層５２内に存在しなくなり、第３層５３の第２層５２側の界面付近に不純物が局在した層が形成されてしまう。
【0084】
また、例えば、第２層５２がチタンの酸化物で構成され、第２層５２および第３層５３の不純物が、ケイ素を含む化合物の場合、第２層５２の－Ｚ方向における厚さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好適である。このように第２層５２の厚さを１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることで、不純物であるケイ素の濃度が最も高い位置を第２層５２内にすることができる。
【0085】
また、例えば、第２層５２がクロムの酸化物で構成され、第２層５２および第３層５３の不純物が、ケイ素を含む化合物の場合、第２層５２の－Ｚ方向における厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。このように第２層５２の厚さを５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることで、不純物であるケイ素の濃度が最も高い位置を第２層５２内にすることができる。
【0086】
これに対し、厚さＴ２が薄すぎると、第２層５２に含まれる構成元素の種類等によっては、第１層５１からのケイ素単体の拡散を第２層５２により低減する効果が低下する傾向を示す。例えば、第２層５２が酸化チタンで構成される場合、厚さＴ２が薄すぎると、製造時の熱処理の条件等によっては、第１層５１から第２層５２に拡散したケイ素が第３層５３に到達してしまう場合がある。一方、厚さＴ２が厚すぎると、第２層５２の製造時の熱処理を十分に行うことができないことや、当該熱酸化に長時間を要する結果、他の層に悪影響を与えたりする場合がある。
【0087】
このように第３層５３の不純物を、第２層５２に吸収させることで、第２層５２および第３層５３における不純物の濃度が最も高い位置を第２層５２内に存在させることができる。したがって、第３層５３の不純物の濃度を低くすることができる。このため、第３層５３の第２層５２側の界面に不純物が局在するのを抑制して、第２層５２と第３層５３との界面に不純物による隙間が形成されるのを抑制することができる。これにより、振動板５０の靱性が隙間によって低下するのを抑制し、圧電アクチュエーター３００の変形によって振動板５０に外力が加わった際に振動板５０が破壊されるのを抑制することができる。また、前述の金属元素を構成元素として含む第２層５２を設けることで、第１層５１側からケイ素が第３層５３に拡散するのを抑制することができる。したがって、ケイ素とジルコニウムとの化合物が形成されるのを抑制して、ケイ素由来の不純物による第２層５２と第３層５３との隙間の発生を抑制することができる。
【0088】
なお、第３層５３の不純物は、第３層５３内において、酸化物の状態で存在するほか、単体、窒化物または酸窒化物の状態で存在してもよい。
【0089】
【0090】
記録ヘッドの製造方法は、図６に示すように、基板準備工程Ｓ１０と振動板形成工程Ｓ２０と圧電アクチュエーター形成工程Ｓ３０と圧力室形成工程Ｓ４０とを有する。ここで、振動板形成工程Ｓ２０は、第１層形成工程Ｓ２１と第２層形成工程Ｓ２２と第３層形成工程Ｓ２３とを有する。以下、各工程を順次説明する。
【0091】
基板準備工程Ｓ１０は、流路形成基板１０となるべき基板を準備する工程である。当該基板は、例えば、シリコン単結晶基板である。
【0092】
振動板形成工程Ｓ２０は、前述の振動板５０を形成する工程であり、基板準備工程Ｓ１０の後に行われる。振動板形成工程Ｓ２０では、第１層形成工程Ｓ２１と第２層形成工程Ｓ２２と第３層形成工程Ｓ２３とがこの順で行われる。
【0093】
第１層形成工程Ｓ２１は、前述の第１層５１を形成する工程である。第１層形成工程Ｓ２１では、例えば、基板準備工程Ｓ１０で準備したシリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成される第１層５１を形成する。なお、第１層５１の形成方法は、特にこれに限定されず、例えば、スパッタリング法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、真空蒸着法（ＰＶＤ法）、原子層堆積法（ＡＬＤ法）、スピンコート法等によって形成してもよい。
【0094】
第２層形成工程Ｓ２２は、前述の第２層５２を形成する工程である。第２層形成工程Ｓ２２では、例えば、第１層５１上に、スパッタリング法によりクロム、チタンまたはアルミニウムの元素層を形成し、当該元素層を加熱して酸化させることにより、酸化クロム、酸化チタンまたは酸化アルミニウムで構成される第２層５２を形成する。なお、第２層５２の形成方法は、特にこれに限定されず、例えば、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ＡＬＤ法、スピンコート法等を用いてもよい。もちろん、上述したように、第２層５２の構成元素は、クロム、チタンまたはアルミニウムに限定されず、鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体であればよい。
【0095】
第３層形成工程Ｓ２３は、前述の第３層５３を形成する工程である。第３層形成工程Ｓ２３では、例えば、第１層５１上に、スパッタリング法によりジルコニウムのジルコニウム層を形成し、当該ジルコニウム層を加熱して酸化させることにより、酸化ジルコニウムで構成される第３層５３を形成する。これら第１層形成工程Ｓ２１および第３層形成工程Ｓ２３によって振動板５０が形成される。なお、第３層５３の形成は、特にこれに限定されず、例えば、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ＡＬＤ法、スピンコート法等を用いてもよい。
【0096】
このように、第２層５２と第３層５３とをそれぞれ熱酸化して成膜することで、第３層５３内の不純物を第２層５２に拡散および吸収させて、第２層５２および第３層５３において不純物の濃度が最も高い位置を第２層５２にすることができる。つまり、第３層５３の不純物の濃度を低減することができる。
【0097】
圧電アクチュエーター形成工程Ｓ３０は、前述の圧電アクチュエーター３００を形成する工程であり、第３層形成工程Ｓ２３の後に行われる。圧電アクチュエーター形成工程Ｓ３０は、第３層５３上に第１電極６０、圧電体層７０および第２電極８０がこの順で形成される。
【0098】
第１電極６０および第２電極８０のそれぞれは、例えば、スパッタリング法等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィー法およびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。圧電体層７０は、例えば、ゾル－ゲル法により圧電体層７０の前駆体層を形成し、その前駆体層を焼成して結晶化することにより圧電体層７０を形成する。もちろん、圧電体層７０の形成方法は、特にこれに限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等で形成してもよい。また、圧電体層７０は、フォトリソグラフィー法およびエッチング等を用いる公知の加工技術により所定形状に形成される。
【0099】
圧電アクチュエーター３００の形成後には、必要に応じて、その形成後の基板の両面のうち圧電アクチュエーター３００が形成される面とは異なる面がＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等により研削され、当該面の平坦化または当該基板の厚さ調整が行われる。
【0100】
圧力室形成工程Ｓ４０は、前述の圧力室１２を形成する工程であり、圧電アクチュエーター形成工程Ｓ３０の後に行われる。圧力室形成工程Ｓ４０では、例えば、圧電アクチュエーター３００の形成後のシリコン単結晶基板の両面のうち圧電アクチュエーター３００が形成される面とは異なる面を異方性エッチングすることにより、圧力室１２が形成される。この結果、圧力室１２が形成される流路形成基板１０が得られる。このとき、シリコン単結晶基板を異方性エッチングするエッチング液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等が用いられる。また、このとき、第１層５１は、当該異方性エッチングを停止させる停止層として機能する。
【0101】
圧力室形成工程Ｓ４０の後、流路形成基板１０に保護基板３０、連通板１５等を接着剤により接合する工程等を適宜に行うことにより、記録ヘッド２が製造される。
【0102】
（サンプル１）
面方位（１１０）のシリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより、酸化シリコンで構成される厚さ１１８５ｎｍの第１層５１を形成した。
面方位（１１０）のシリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより、酸化シリコンで構成される厚さ１１８５ｎｍの第１層５１を形成した。
【0103】
次に、第１層５１上にスパッタリング法によりジルコニウムからなる膜を成膜し、当該膜を９００℃で熱酸化することにより、酸化ジルコニウムで構成される厚さ６４５ｎｍの第３層５３を形成した。
以上により第１層５１および第３層５３からなる振動板５０を製造した。
以上により第１層５１および第３層５３からなる振動板５０を製造した。
【0104】
（サンプル２）
上述したサンプル１と同じ第１層５１の上に、スパッタリング法でチタンからなる膜を成膜し、当該膜を熱酸化することにより酸化チタンで構成される厚さ１０ｎｍの第２層５２を形成した。
上述したサンプル１と同じ第１層５１の上に、スパッタリング法でチタンからなる膜を成膜し、当該膜を熱酸化することにより酸化チタンで構成される厚さ１０ｎｍの第２層５２を形成した。
【0105】
この第２層５２上にサンプル１と同じ第３層５３を形成した。
【0106】
以上により第１層５１、第２層５２および第３層５３からなる振動板５０を製造した。
【0107】
（サンプル３～１０）
第２層５２の厚さを変更した以外、上述したサンプル２と同じとした。サンプル３～１０は、第２層５２の厚さがそれぞれ順番に１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍである。
第２層５２の厚さを変更した以外、上述したサンプル２と同じとした。サンプル３～１０は、第２層５２の厚さがそれぞれ順番に１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍである。
【0108】
（試験例１）
サンプル１～１０を収束イオンビーム（ＦＩＢ）で断面を作成し、断面の元素分布をＳＴＥＭ－ＥＤＳにより分析した。この結果を図７～図９に示す。なお、図７は、鉄の元素分布を示すグラフである。図８は、クロムの元素分布を示すグラフである。図９は、ケイ素の元素分布を示すグラフである。
サンプル１～１０を収束イオンビーム（ＦＩＢ）で断面を作成し、断面の元素分布をＳＴＥＭ－ＥＤＳにより分析した。この結果を図７～図９に示す。なお、図７は、鉄の元素分布を示すグラフである。図８は、クロムの元素分布を示すグラフである。図９は、ケイ素の元素分布を示すグラフである。
【0109】
【0110】
【表1】
【0111】
図７～図９に示す結果から、第２層５２を設けていないサンプル１では、鉄、クロム、シリコンの不純物は、第３層５３の第１層５１側の界面に局在分布している。そして、サンプル１では、図１０に示すように、第３層５３の第１層５１側に鉄化合物が局在的に集積している。
これに対して、図７～図９、図１１～図１３に示す結果から、サンプル２～サンプル８では、鉄、クロムの濃度が最も高い位置が第２層５２に存在し、第３層５３の不純物が局在化するのを抑制している。また、サンプル２～サンプル８では、サンプル１に比べて、第１層５１のケイ素が第３層５３に拡散するのを抑制することができる。また、サンプル４～サンプル８では、サンプル２およびサンプル３に比べて、第３層５３へのケイ素の拡散をより抑制することができる。なお、サンプル４では、隙間が見られるものの、連続的につながった隙間ではなく点在する隙間であるため、水分侵入は抑制できる。
図１２に示すように、特にサンプル８では、不純物である鉄が第３層５３に殆ど見られない。
また、図７～図９に示すように、サンプル９およびサンプル１０では、第３層５３へのケイ素の拡散は抑制できるものの、第３層５３の第２層５２側の界面付近に鉄とクロムが局在分布している。そして、サンプル１０では、図１３に示すように、第３層５３と第１層５１との界面に隙間が形成されている。
このため、鉄、クロム、ケイ素の全ての不純物の第３層５３への拡散を抑制するには、第２層５２の厚さＴ２は、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。
これに対して、図７～図９、図１１～図１３に示す結果から、サンプル２～サンプル８では、鉄、クロムの濃度が最も高い位置が第２層５２に存在し、第３層５３の不純物が局在化するのを抑制している。また、サンプル２～サンプル８では、サンプル１に比べて、第１層５１のケイ素が第３層５３に拡散するのを抑制することができる。また、サンプル４～サンプル８では、サンプル２およびサンプル３に比べて、第３層５３へのケイ素の拡散をより抑制することができる。なお、サンプル４では、隙間が見られるものの、連続的につながった隙間ではなく点在する隙間であるため、水分侵入は抑制できる。
図１２に示すように、特にサンプル８では、不純物である鉄が第３層５３に殆ど見られない。
また、図７～図９に示すように、サンプル９およびサンプル１０では、第３層５３へのケイ素の拡散は抑制できるものの、第３層５３の第２層５２側の界面付近に鉄とクロムが局在分布している。そして、サンプル１０では、図１３に示すように、第３層５３と第１層５１との界面に隙間が形成されている。
このため、鉄、クロム、ケイ素の全ての不純物の第３層５３への拡散を抑制するには、第２層５２の厚さＴ２は、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。
【0112】
また、第２層５２と第３層５３とは、価数が同じであることが好ましい。ここで、第２層５２と第３層５３との価数が同じであるとは、第２層５２の主となる構成元素の価数と第３層５３の主となる構成元素の価数との差Ｘが、－０．５≦Ｘ＜＋０．５の範囲内にあることを言う。このように第２層５２と第３層５３との価数を同じにすることで、振動板５０全体の絶縁性が高くなるため、圧電アクチュエーター３００の複数の活性部３１０の間におけるリーク電流を抑制することができる。したがって、リーク電流を抑制して、リーク電流による活性部３１０の変位低下を低減することができる。
【0113】
例えば、第３層５３が酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の＋４価で構成される場合には、第２層５２の構成元素は、同じ＋４価で安定なチタン等を用いるのが好ましい。
【0114】
また、第２層５２と第３層５３とは、価数が異なることが好ましい。ここで、第２層５２と第３層５３との価数が異なるとは、第２層５２の主となる構成元素の価数と第３層５３の主となる構成元素の価数との差Ｘが、Ｘ＜－０．５、＋０．５≦Ｘの範囲内にあることを言う。つまり、第２層５２の構成元素が＋４価の場合、第３層５３の構成元素は、＋３．５価よりも小さい、または、＋４．５価以上であることが好ましい。
【0115】
このように、第２層５２と第３層５３との価数を異ならせることで、第２層５２の構成元素が、第３層５３の－Ｚ方向側に移動し易くなる。このため、活性部３１０を選択的に駆動した際に、駆動しない他の活性部３１０にリーク電流を発生させて微少な電流を流すことにより、動かし続けた活性部３１０と動かしていない他の活性部３１０との劣化ばらつきを抑制することができる。したがって、複数の活性部３１０の変位低下のばらつきを抑制することができ、インク滴の吐出特性のばらつきを抑制し、印刷品質を向上することができる。
【0116】
例えば、第３層５３が酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の＋４価で構成される場合には、第２層５２の構成元素は、第３層５３と異なる価数のクロム、アルミニウム等を用いるのが好ましい。
【0117】
（サンプル１１）
サンプル１と同じ振動板５０上に第１電極６０、圧電体層７０および第２電極８０を成膜及びパターニングして実施形態１と同様の形状の圧電アクチュエーター３００を形成した。
サンプル１と同じ振動板５０上に第１電極６０、圧電体層７０および第２電極８０を成膜及びパターニングして実施形態１と同様の形状の圧電アクチュエーター３００を形成した。
【0118】
その後、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等をエッチング液として用いてシリコン単結晶基板の他方の面を異方性エッチングすることにより、第１層５１を底面とする凹部を形成した。
【0119】
（サンプル１２）
第３層５３の厚みを６４５ｎｍとした以外は、サンプル１１と同じとした。
第３層５３の厚みを６４５ｎｍとした以外は、サンプル１１と同じとした。
【0120】
（サンプル１３）
サンプル１１の第１層５１上にスパッタリング法でチタンからなる膜を成膜し、当該膜を熱酸化することにより、酸化チタンで構成される厚さ４０ｎｍの第２層５２を形成した。
サンプル１１の第１層５１上にスパッタリング法でチタンからなる膜を成膜し、当該膜を熱酸化することにより、酸化チタンで構成される厚さ４０ｎｍの第２層５２を形成した。
【0121】
また、第２層５２上に形成する第３層５３の厚さを２５０ｎｍとした以外、上述したサンプル１１と同じとした。
【0122】
（サンプル１４）
サンプル１１の第１層５１上にスパッタリング法でクロムからなる膜を成膜し、当該膜を熱酸化することにより、酸化クロムで構成される厚さ４０ｎｍの第２層５２を形成した。
サンプル１１の第１層５１上にスパッタリング法でクロムからなる膜を成膜し、当該膜を熱酸化することにより、酸化クロムで構成される厚さ４０ｎｍの第２層５２を形成した。
【0123】
また、第２層５２上に形成する第３層５３の厚さを５００ｎｍとした以外、上述したサンプル１１と同じとした。
【0124】
（サンプル１５）
第３層５３の厚さを２５０ｎｍとした以外、前述のサンプル１４と同じとした。
第３層５３の厚さを２５０ｎｍとした以外、前述のサンプル１４と同じとした。
【0125】
（試験例２）
サンプル１１から１５のそれぞれの圧電アクチュエーターの複数の活性部に対して、後述の耐圧試験を行って平均値を求めた。この結果を図１４および下記表２に示す。
サンプル１１から１５のそれぞれの圧電アクチュエーターの複数の活性部に対して、後述の耐圧試験を行って平均値を求めた。この結果を図１４および下記表２に示す。
【0126】
なお、耐圧試験は、第１電極６０と第２電極８０との間に印加する電圧を４０Ｖから１８０Ｖまで変化させ、その中でリーク電流が１０００ｎＡを越えたら電圧の印加を停止し、その１０００ｎＡを越えた電圧を「耐圧」とする。
【0127】
【表2】
【0128】
図１４および表２に示す結果からサンプル１３のように第３層５３と第２層５２との価数を揃えることで振動板５０の絶縁性が高くなり、複数の活性部３１０の間におけるリーク電流を抑制することができる。
【0129】
また、サンプル１４および１５のように第３層５３と第２層５２との価数を異ならせることで、リーク電流を大きくして他の活性部３１０を微振動駆動させることができる。
【0130】
また、第２層５２は、第３層５３側に層状の不純物が偏在していることが好ましい。当該不純物は、鉄酸化物からなる。つまり、第２層５２内において不純物である鉄はＺ軸に沿って均一に分布されておらず、第３層５３側のみに偏在することで、不純物である鉄の濃度を局所的に高くすることができる。このような第２層５２の第３層５３側の鉄の原子濃度は、０．９％以上であることが好ましい。
【0131】
このように第２層５２の第３層５３側に層状の鉄酸化物を有することで、第２層５２の膜厚と垂直方向に結晶格子の変形を大きくすることができ、第２層５２全体の内部応力である引張応力を低減し、振動板５０全体における内部応力を低減することができる。したがって、圧電アクチュエーター３００の変形によって振動板５０に外力が加わった際に振動板５０が破壊されるのを抑制することができる。特に破壊されやすい第２層５２と第３層５３との界面近傍に鉄酸化物を層状に偏在させることで、界面付近における第２層５２の結晶格子の変形を大きくして応力集中を抑制することができ、破壊されやすい界面付近の破壊を効果的に抑制することができる。
【0132】
（サンプル１６）
第３層５３の厚さを４００ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
第３層５３の厚さを４００ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
【0133】
（サンプル１７）
第３層５３の厚さを４９１ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
第３層５３の厚さを４９１ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
【0134】
（サンプル１８）
第３層５３の厚さを６４５ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
第３層５３の厚さを６４５ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
【0135】
（サンプル１９）
第３層５３の厚さを１２８０ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
第３層５３の厚さを１２８０ｎｍとした以外は、サンプル１と同じ振動板５０とした。
【0136】
（サンプル２０）
第３層５３の厚さを６０５ｎｍとした以外は、サンプル８と同じ振動板５０とした。すなわち、厚さが４０ｎｍの第２層５２を設ける構成とした。
サンプル１６～２０の第３層の膜厚と図１５～１９の膜厚が対応していないように見えます。
第３層５３の厚さを６０５ｎｍとした以外は、サンプル８と同じ振動板５０とした。すなわち、厚さが４０ｎｍの第２層５２を設ける構成とした。
サンプル１６～２０の第３層の膜厚と図１５～１９の膜厚が対応していないように見えます。
【0137】
（試験例３）
サンプル１６～２０を収束イオンビーム（ＦＩＢ）で断面を作成し、この断面をＳＴＥＭにより観察した。この結果を図１５～図１９に示す。また、サンプル２０をＳＴＥＭ－ＥＤＳによる分析を行った。この結果を図２０に示す。
サンプル１６～２０を収束イオンビーム（ＦＩＢ）で断面を作成し、この断面をＳＴＥＭにより観察した。この結果を図１５～図１９に示す。また、サンプル２０をＳＴＥＭ－ＥＤＳによる分析を行った。この結果を図２０に示す。
【0138】
【0139】
また、図１７および図１８に示すように、サンプル１８およびサンプル１９の第３層５３の第１層５１側には、粒状の鉄酸化物が局所的に形成されている。
これに対して、図１９および図２０に示すように、サンプル２０の第２層５２の第３層５３側には、層状の鉄酸化物が局所的に形成されている。
これに対して、図１９および図２０に示すように、サンプル２０の第２層５２の第３層５３側には、層状の鉄酸化物が局所的に形成されている。
【0140】
以上の結果から、第２層５２を設けることで、第２層５２の第３層５３側に層状の不純物、本実施形態では、鉄酸化物を形成することができる。また、上述したサンプル２０では、第２層５２の第１層５１側にも鉄酸化物からなる不純物が層状に形成されている。これによっても第２層５２の第１層５１側の界面付近における第２層５２の結晶格子の変形を大きくして応力集中を抑制することができ、破壊されやすい界面付近の破壊を効果的に抑制することができる。
【0141】
（試験例４）
サンプル１６～２０に対して、シリコン単結晶基板の反り量を薄膜応力測定装置（別名、薄膜ストレス測定装置）で測定し、シリコン単結晶基板の反り量から第３層５３の膜応力を算出した。この結果を下記表３に示す。
サンプル１６～２０に対して、シリコン単結晶基板の反り量を薄膜応力測定装置（別名、薄膜ストレス測定装置）で測定し、シリコン単結晶基板の反り量から第３層５３の膜応力を算出した。この結果を下記表３に示す。
【0142】
【表3】
【0143】
表３に示すように、第２層５２に鉄酸化物である不純物が層状に偏在するサンプル２０では、サンプル１６～サンプル１９と比較して引張応力となる膜応力を低減することができる。したがって、サンプル２０のように第２層５２の第３層５３側に鉄酸化物の不純物を偏在させることで、振動板５０に外力が加わった際に、振動板５０が応力限界に達するのを抑制して、振動板５０の破壊を抑制することができる。
【0144】
以上説明したように、本発明の圧電デバイスの一例である記録ヘッド２は、基板である流路形成基板１０と、振動板５０と、圧電アクチュエーター３００と、を具備し、流路形成基板１０、振動板５０および圧電アクチュエーター３００がこの順で第１方向である－Ｚ方向に積層されている。また、振動板５０は、構成元素としてケイ素を含む第１層５１と、第１層５１と圧電アクチュエーター３００との間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層５３と、を有する。また、振動板５０は、第１層５１と第３層５３との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層５２を有する。そして、第２層５２および第３層５３において、第２層５２および第３層５３の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が第２層５２にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が第３層５３にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が第１層５１にある。
【0145】
このように第２層５２および第３層５３において不純物の濃度が最も高い位置を第２層５２とする、すなわち、第３層５３の不純物を第２層５２で吸収することで、第３層５３内の不純物を低減することができる。特に、第３層５３内の不純物が第２層５２との界面付近に局在するのを抑制して、第３層５３と第２層５２との界面に隙間が形成されるのを抑制することができる。このため、振動板５０の靱性が隙間によって低下するのを抑制し、圧電アクチュエーター３００の変形によって振動板５０に外力が加わった際に振動板５０が破壊されるのを抑制することができる。また、第３層５３と第２層５２との隙間に水分が侵入するのを抑制して、第３層５３のジルコニウムが水分によって脆化するのを抑制することができ、第３層５３と当該第３層５３の上下の層との間で層間剥離や、第３層５３のクラック等の破損を抑制することができる。
【0146】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２は、クロム、チタンおよびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの金属元素を含むことが好ましい。第２層５２の構成元素として、クロム、チタンおよびアルミニウムを用いることで、成膜し易く、第２層５２と第１層５１および第３層５３との密着性を向上することができる。また、前述の金属元素を構成元素として含む第２層５２を設けることで、第１層５１側からケイ素が第３層５３に拡散するのを抑制することができる。したがって、ケイ素とジルコニウムとの化合物が形成されるのを抑制して、ケイ素由来の不純物による第２層５２と第３層５３との隙間の発生を抑制することができる。したがって、ケイ素とジルコニウムとの化合物が形成されるのを抑制して、ケイ素由来の不純物による第２層５２と第３層５３との隙間の発生を抑制することができる。
【0147】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、不純物は、鉄、クロムおよびケイ素からなる群から選択される少なくとも１つの化合物であることが好ましい。第３層５３に含まれる鉄、クロムや、第１層５１のケイ素の第３層５３における濃度を低減して、第３層５３と第２層５２との界面に隙間が形成されるのを抑制することができる。
【0148】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、不純物は、鉄およびクロムの少なくとも一方を含む化合物であることが好ましい。これによれば、第３層５３における鉄、クロムの濃度を低減し、第３層５３と第２層５２との界面に隙間が形成されるのを抑制することができる。
【0149】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、不純物の濃度は、第３層５３が、第１層５１よりも高いことが好ましい。これによれば、第１層５１の不純物の濃度を低くすることで、第１層５１の第２層５２側の界面に不純物が局在するのを抑制して、当該界面に隙間が形成されるのを抑制することができる。これにより、当該界面からの水分浸入が抑制でき、第２層５２と第１層５１が水分により、脆化するのを抑制することができ、第２層５２と第１層５１の間での層間剥離や、第２層５２や第１層５１のクラック等の破損を抑制することができる。
【0150】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２の第３層５３側の界面には、不純物が層状に偏在していることが好ましい。このように第２層５２の第３層５３側に層状の不純物を有することで、第２層５２の膜厚と垂直方向に結晶格子の変形を大きくすることができ、第２層５２全体の内部応力である引張応力を低減し、振動板５０全体における内部応力を低減することができる。したがって、圧電アクチュエーター３００の変形によって振動板５０に外力が加わった際に振動板５０が破壊されるのを抑制することができる。特に、第２層５２と第３層５３との界面における応力集中を抑制して、当該界面における破壊を抑制することができる。
【0151】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、不純物がケイ素を含み、第２層５２の第１方向である－Ｚ方向における厚さは１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。このように第２層５２を前述の厚さの範囲とすることで、第１層５１から第２層５２に拡散したケイ素が第３層５３に到達するのを抑制して、第３層５３におけるケイ素の濃度を低減することができる。
【0152】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、不純物が、鉄またはクロムを含み、第２層５２の第１方向である－Ｚ方向における厚さは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。このように第２層５２を前述の厚さの範囲とすることで、第３層５３内の不純物を第２層５２に吸収して、第３層５３の不純物の濃度を低減することができる。
【0153】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２と第３層５３とは、価数が異なることが好ましい。これによれば、活性部３１０を選択的に駆動した際に、駆動しない他の活性部３１０にリーク電流を発生させて微少な電流を流すことにより、動かし続けた活性部３１０と動かしていない他の活性部３１０との劣化ばらつきを抑制することができる。したがって、複数の活性部３１０の変位低下のばらつきを抑制することができ、インク滴の吐出特性のばらつきを抑制し、印刷品質を向上することができる。
【0154】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２と第３層５３とは、価数が同じであることが好ましい。これによれば、振動板５０の絶縁性を高くして、リーク電流を抑制し、活性部３１０の変位低下を抑制することができる。
【0155】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第１層５１は、酸化シリコンを含み、第３層５３は、酸化ジルコニウムを含むことが好ましい。これによれば、第１層５１をエッチングストップ層として流路形成基板１０に圧力室１２をエッチングにより高精度に形成することができる。また、第３層５３の表面状態により、圧電体層７０の結晶構造を制御することができる。
【0156】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２は、酸化クロムを含むことが好ましい。このように、第２層５２が酸化クロムを含むことで、第２層５２と第３層５３との密着力を向上して、界面に空隙が形成されるのを抑制することができる。
【0157】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２に含まれる酸化クロムは、アモルファス構造を有することが好ましい。これによれば、第２層５２の内部応力である圧縮応力を低減することができ、第１層５１または第３層５３との界面に生じる歪みを低減することができる。
【0158】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２は、酸化チタンを含むことが好ましい。このように、第２層５２が酸化チタンを含むことで、第２層５２と第３層５３との密着力を向上して、界面に空隙が形成されるのを抑制することができる。
【0159】
また、本実施形態の記録ヘッド２では、第２層５２に含まれる酸化チタンは、ルチル構造を有することが好ましい。このように、第２層５２に含まれる酸化チタンがルチル構造を有することにより、第２層５２に含まれる酸化チタンの結晶構造が他の結晶構造である場合に比べて、第２層５２の熱安定性を高めることができる。
【0160】
また、本発明の液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置１は、前述の記録ヘッド２を具備する。振動板５０の破壊を抑制して信頼性を向上したインクジェット式記録装置１を実現できる。
【0161】
本発明の圧電デバイスの一例である記録ヘッド２は、基板である流路形成基板１０と、振動板５０と、圧電アクチュエーター３００と、を具備し、流路形成基板１０、振動板５０および圧電アクチュエーター３００がこの順で第１方向である－Ｚ方向に積層されている。また、振動板５０は、構成元素としてケイ素を含む第１層５１と、第１層５１と圧電アクチュエーター３００との間に配置され、構成元素としてジルコニウムを含む第３層５３と、を有する。また、振動板５０は、第１層５１と第３層５３との間に配置され、構成元素として鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む第２層５２を有する。そして、第２層５２および第３層５３において、第２層５２および第３層５３の構成元素以外の不純物の濃度が最も高い位置が第２層５２にあり、ジルコニウム濃度が最も高い位置が第３層５３にあり、ケイ素濃度が最も高い位置が第１層５１にある。このような記録ヘッド２の製造方法は、流路形成基板１０上に第１層５１を形成する工程を有する。また、第１層５１上に鉄、ケイ素およびジルコニウム以外の金属、半金属および半導体からなる群から選択される少なくとも１つを含む元素層を形成し、当該元素層を加熱して酸化物で構成される第２層５２を形成する工程を有する。また、第２層５２上にジルコニウムを含むジルコニウム層を形成し、当該ジルコニウム層を加熱して酸化ジルコニウムで構成される第３層５３を形成する工程と、を具備する。
【0162】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、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。
以上、本発明の各実施形態を説明したが、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。
【0163】
例えば、上述した各実施形態では、第１電極６０を圧電アクチュエーター３００の個別電極とし、第２電極８０を複数の圧電アクチュエーター３００の共通電極としたが、特にこれに限定されず、第１電極６０を複数の圧電アクチュエーター３００の共通電極とし、第２電極８０を各圧電アクチュエーター３００の個別電極としてもよい。
【0164】
また、上述したインクジェット式記録装置１では、記録ヘッド２が搬送体７に搭載されて主走査方向であるＸ軸に沿って往復移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド２が固定されて、紙等の媒体Ｓを副走査方向であるＹ軸に沿って移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
【0165】
なお、上記実施形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の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、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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。
【0166】
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、超音波デバイス、モーター、圧力センサー、焦電素子、強誘電体素子などの圧電デバイスにも適用することができる。また、これらの圧電デバイスを利用した完成体、たとえば、上記液体等噴射ヘッドを利用した液体等噴射装置、上記超音波デバイスを利用した超音波センサー、上記モーターを駆動源として利用したロボット、上記焦電素子を利用したＩＲセンサー、強誘電体素子を利用した強誘電体メモリーなども、圧電デバイスに含まれる。
【符号の説明】
【0167】
１…インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、２…インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、３…液体容器、４…搬送機構、４ａ…搬送ローラー、５…制御ユニット、６…移動機構、７…搬送体、８…搬送ベルト、１０…流路形成基板（基板）、１１…隔壁、１２…圧力室（凹部）、１５…連通板、１６…ノズル連通路、１７…第１マニホールド部、１８…第２マニホールド部、１９…供給連通路、２０…ノズルプレート、２０ａ…液体噴射面、２１…ノズル、３０…保護基板、３１…保持部、３２…貫通孔、４０…ケース部材、４１…凹部、４２…第３マニホールド部、４３…接続口、４４…導入口、４５…コンプライアンス基板、４６…封止膜、４７…固定基板、４８…開口部、４９…コンプライアンス部、５０…振動板、５１…第１層、５２…第２層、５３…第３層、６０…第１電極、７０…圧電体層、７１…凹部、８０…第２電極、９１…個別リード電極、９２…共通リード電極、１００…マニホールド、１２０…配線基板、１２１…駆動回路、３００…圧電アクチュエーター、３１０…活性部、Ｓ…媒体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
