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(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】P2024123403
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置
(51)【国際特許分類】
B41J 2/14 20060101AFI20240905BHJP
H10N 30/06 20230101ALI20240905BHJP
H10N 30/87 20230101ALI20240905BHJP
H10N 30/20 20230101ALI20240905BHJP
【ＦＩ】
B41J2/14 305
B41J2/14 613
H10N30/06
H10N30/87
H10N30/20
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023030797
(22)【出願日】2023-03-01
(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】御子柴 匡矩
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼部 本規
【テーマコード（参考）】
2C057
【Ｆターム（参考）】
2C057AG37
2C057AG44
2C057AG52
2C057AG59
2C057AG92
2C057AG93
2C057BA04
2C057BA14
(57)【要約】
【課題】液体吐出ヘッドの吐出効率を向上させる。
【解決手段】液体吐出ヘッドは、第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、圧電素子の駆動により振動することにより、圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、圧力室基板、振動板および圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、圧電素子および振動板で構成される積層体の中立面は、圧電体層内に位置し、圧電体層を中立面により区分した２つの領域のうち、振動板に近いほうの領域を下部領域とし、振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき、下部領域の圧電定数は、上部領域の圧電定数よりも小さい。
【選択図】図５
【解決手段】液体吐出ヘッドは、第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、圧電素子の駆動により振動することにより、圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、圧力室基板、振動板および圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、圧電素子および振動板で構成される積層体の中立面は、圧電体層内に位置し、圧電体層を中立面により区分した２つの領域のうち、振動板に近いほうの領域を下部領域とし、振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき、下部領域の圧電定数は、上部領域の圧電定数よりも小さい。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、
ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、
前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、
前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、
前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、
前記圧電体層を前記中立面により区分した２つの領域のうち、
前記振動板に近いほうの領域を下部領域とし、
前記振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき、
前記下部領域の圧電定数は、前記上部領域の圧電定数よりも小さい、
ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、
前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、
前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、
前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、
前記圧電体層を前記中立面により区分した２つの領域のうち、
前記振動板に近いほうの領域を下部領域とし、
前記振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき、
前記下部領域の圧電定数は、前記上部領域の圧電定数よりも小さい、
ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項2】
前記圧力室は、前記積層方向にみて長手形状をなしており、
前記圧力室の短手方向での端は、前記積層方向にみて前記圧電体層に重ならない、
ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
前記圧力室の短手方向での端は、前記積層方向にみて前記圧電体層に重ならない、
ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項3】
前記下部領域の圧電定数は、前記上部領域の圧電定数の半分以下である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項4】
前記圧電体層は、複数の層を有し、
前記複数の層のうち、
前記下部領域に含まれ、かつ、前記振動板に最も近い層を第１圧電体層とし、
前記上部領域に含まれ、かつ、前記振動板から最も遠い層を第２圧電体層としたとき、
前記第２圧電体層は、（１００）面に優先配向した結晶で構成され、
前記第１圧電体層は、（１００）面以外に優先配した結晶で構成される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
前記複数の層のうち、
前記下部領域に含まれ、かつ、前記振動板に最も近い層を第１圧電体層とし、
前記上部領域に含まれ、かつ、前記振動板から最も遠い層を第２圧電体層としたとき、
前記第２圧電体層は、（１００）面に優先配向した結晶で構成され、
前記第１圧電体層は、（１００）面以外に優先配した結晶で構成される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項5】
前記下部領域の厚さは、前記上部領域の厚さよりも薄い、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項6】
前記下部領域および前記上部領域は、互いに組成の異なる圧電材料で構成される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項7】
前記下部領域の誘電率は、前記上部領域の誘電率よりも高い、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項8】
前記圧力室は、前記積層方向にみて長手形状をなし、
前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とは、この順で前記積層方向に積層されており、
前記第２電極は、前記下部領域および前記上部領域のそれぞれの側面上に配置される部分を有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とは、この順で前記積層方向に積層されており、
前記第２電極は、前記下部領域および前記上部領域のそれぞれの側面上に配置される部分を有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項9】
第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、
ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、
前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、
前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、
前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、
前記圧電体層は、
（１００）面以外に優先配向した結晶で構成される第１圧電体層と、
（１００）面に優先配向した結晶で構成される第２圧電体層と、を含み、
前記第１圧電体層は、前記振動板と前記中立面との間に位置し、
前記中立面は、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間に位置する、
ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、
前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、
前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、
前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、
前記圧電体層は、
（１００）面以外に優先配向した結晶で構成される第１圧電体層と、
（１００）面に優先配向した結晶で構成される第２圧電体層と、を含み、
前記第１圧電体層は、前記振動板と前記中立面との間に位置し、
前記中立面は、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間に位置する、
ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項10】
請求項１または９に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部と、を備える、
ことを特徴とする液体吐出装置。
前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部と、を備える、
ことを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ピエゾ方式のインクジェットプリンターに代表される液体吐出装置に用いる液体吐出ヘッドは、例えば、特許文献１に開示されるように、インク等の液体を吐出するノズルに連通する圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、この振動板を振動させる圧電素子と、を有する。
【0003】
特許文献１では、振動板が圧力室の端部に対応する第１領域に肉厚部を有するとともに圧力室の中央部に対応する第２領域に厚肉部よりも薄い薄肉部を有することにより、振動板の第１領域および第２領域のそれぞれにおいて中立軸が適切な位置に設定される。これにより、圧電素子の駆動による振動板の変位量が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２２－１１６６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、従来では、特許文献１に記載の技術を適用しようとしても、振動板の厚さを薄くすると、中立面が圧電体層内に位置してしまう。ここで、従来では、圧電素子の圧電体層の圧電定数が厚さ方向に一様であるため、中立面が圧電体層内に位置すると、圧電素子の駆動による振動板の変位効率が低下してしまう場合がある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
以上の課題を解決するために、本開示に係る液体吐出ヘッドの一態様は、第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、前記圧電体層を前記中立面により区分した２つの領域のうち、前記振動板に近いほうの領域を下部領域とし、前記振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき、前記下部領域の圧電定数は、前記上部領域の圧電定数よりも小さい。
【0007】
本開示に係る液体吐出ヘッドの他の一態様は、第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、前記圧電体層は、（１００）面以外に優先配向した結晶で構成される第１圧電体層と、（１００）面に優先配向した結晶で構成される第２圧電体層と、を含み、前記第１圧電体層は、前記振動板と前記中立面との間に位置し、前記中立面は、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間に位置する。
【0008】
本開示に係る液体吐出装置の一態様は、前述の態様の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態に係る液体吐出装置を模式的に示す構成図である。
【図2】実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図4】実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を示す平面図である。
【図6】圧電素子および振動板で構成される積層体の部分拡大断面図である。
【図7】圧電体層下部の圧電定数を変化させたサンプルＮＯ．１～１８の条件と積層体の変形効率比との関係を示す図である。
【図8】圧電体層下部の圧電定数比率と積層体の変形効率比との関係を示すグラフである。
【図9】圧電体層下部の膜厚を変化させたサンプルＮｏ．１９～３４の条件と積層体の変形効率比との関係を示す図である。
【図10】圧電体層下部の膜厚比と積層体の変形効率比との関係を示すグラフである。
【図11】変形例１に係る液体吐出ヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付図面を参照しながら本開示に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法および縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本開示の範囲は、以下の説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。
【0011】
なお、以下の説明は、互いに交差するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、以下では、Ｘ軸に沿う一方向がＸ１方向であり、Ｘ１方向と反対の方向がＸ２方向である。同様に、Ｙ軸に沿って互いに反対の方向がＹ１方向およびＹ２方向である。また、Ｚ軸に沿って互いに反対の方向がＺ１方向およびＺ２方向である。Ｚ１方向は、「積層方向」の一例である。また、Ｚ軸に沿う方向でみることを「平面視」という場合がある。
【0012】
ここで、典型的には、Ｚ軸が鉛直軸であり、Ｚ２方向が鉛直下方に相当する。ただし、Ｚ軸は、鉛直軸でなくともよい。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。
【0013】
１．実施形態
１－１．液体吐出装置の全体構成
図１は、実施形態に係る液体吐出装置１００を模式的に示す構成図である。液体吐出装置１００は、液体の一例であるインクを液滴として媒体Ｍに吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体Ｍは、典型的には印刷用紙である。なお、媒体Ｍは、印刷用紙に限定されず、例えば、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象でもよい。
１－１．液体吐出装置の全体構成
図１は、実施形態に係る液体吐出装置１００を模式的に示す構成図である。液体吐出装置１００は、液体の一例であるインクを液滴として媒体Ｍに吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体Ｍは、典型的には印刷用紙である。なお、媒体Ｍは、印刷用紙に限定されず、例えば、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象でもよい。
【0014】
図１に示すように、液体吐出装置１００は、液体容器１０と、「制御部」の一例である制御ユニット２０と、搬送機構３０と、移動機構４０と、液体吐出ヘッド５０と、を備える。
【0015】
液体容器１０は、インクを貯留する容器である。液体容器１０の具体的な態様としては、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、および、インクを補充可能なインクタンクが挙げられる。なお、液体容器１０に貯留されるインクの種類は、特に限定されず、任意である。
【0016】
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の各要素の動作を制御する。ここで、制御ユニット２０は、液体吐出ヘッド５０の駆動を制御する。このため、後述するように、液体吐出ヘッド５０の吐出特性が優れることから、吐出特性に優れた液体吐出装置１００を提供することができる。
【0017】
搬送機構３０は、制御ユニット２０による制御のもとで、媒体ＭをＹ２方向に搬送する。移動機構４０は、制御ユニット２０による制御のもとで、液体吐出ヘッド５０をＸ１方向とＸ２方向とに往復させる。図１に示す例では、移動機構４０は、液体吐出ヘッド５０を収容する略箱型のキャリッジ４１と、キャリッジ４１が固定される搬送ベルト４２と、を有する。なお、キャリッジ４１に搭載される液体吐出ヘッド５０の数は、１個に限定されず、複数個でもよい。また、キャリッジ４１には、液体吐出ヘッド５０のほかに、前述の液体容器１０が搭載されてもよい。
【0018】
液体吐出ヘッド５０は、制御ユニット２０による制御のもとで、液体容器１０から供給されるインクを複数のノズルのそれぞれからＺ２方向に媒体Ｍに吐出する。この吐出が搬送機構３０による媒体Ｍの搬送と移動機構４０による液体吐出ヘッド５０の往復移動とに並行して行われることにより、媒体Ｍの表面にインクによる画像が形成される。なお、液体吐出ヘッド５０の構成および製造方法については、後に詳述する。
【0019】
１－２．液体吐出ヘッドの全体構成
図２は、実施形態に係る液体吐出ヘッド５０の分解斜視図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図２および図３に示すように、液体吐出ヘッド５０は、流路基板５１と圧力室基板５２とノズル基板５３と吸振体５４と振動板５５と複数の圧電素子５６と封止板５７とケース５８と配線基板５９とを有する。
図２は、実施形態に係る液体吐出ヘッド５０の分解斜視図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図２および図３に示すように、液体吐出ヘッド５０は、流路基板５１と圧力室基板５２とノズル基板５３と吸振体５４と振動板５５と複数の圧電素子５６と封止板５７とケース５８と配線基板５９とを有する。
【0020】
ここで、流路基板５１よりもＺ１方向に位置する領域には、圧力室基板５２と振動板５５と複数の圧電素子５６とケース５８と封止板５７とが設置される。他方、流路基板５１よりもＺ２方向に位置する領域には、ノズル基板５３と吸振体５４とが設置される。液体吐出ヘッド５０の各要素は、概略的にはＹ軸に沿う方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤により互いに接合される。
【0021】
図２に示すように、ノズル基板５３は、Ｙ軸に沿う方向に配列される複数のノズルＮが設けられる板状部材である。各ノズルＮは、インクを通過させる貫通孔である。ノズル基板５３は、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチング等の加工技術を用いる半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、ノズル基板５３の製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。
【0022】
流路基板５１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に示すように、流路基板５１には、開口部Ｒ１と複数の供給流路Ｒａと複数の連通流路Ｎａとが設けられる。開口部Ｒ１は、複数のノズルＮにわたり連続するように、Ｚ軸に沿う方向でみた平面視で、Ｙ軸に沿う方向に延びる長尺状の貫通孔である。他方、供給流路Ｒａおよび連通流路Ｎａそれぞれは、ノズルＮごとに個別に設けられる貫通孔である。複数の供給流路Ｒａのそれぞれは、開口部Ｒ１に連通する。流路基板５１は、前述のノズル基板５３と同様に、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、流路基板５１の製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。
【0023】
圧力室基板５２は、複数のノズルＮに対応する複数の圧力室Ｃが形成される板状部材である。圧力室Ｃは、流路基板５１と振動板５５との間に位置し、当該圧力室Ｃ内に充填されるインクに圧力を付与するためのキャビティと称される空間である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ軸に沿う方向に配列される。各圧力室Ｃは、圧力室基板５２の両面に開口する孔５２ａで構成されており、Ｘ軸に沿う方向に延びる長尺状をなす。各圧力室ＣのＸ２方向での端は、対応する供給流路Ｒａに連通する。一方、各圧力室ＣのＸ１方向での端は、対応する連通流路Ｎａに連通する。圧力室基板５２は、前述のノズル基板５３と同様に、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、圧力室基板５２のそれぞれの製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。
【0024】
圧力室基板５２のＺ１方向を向く面には、振動板５５が配置される。振動板５５は、弾性的に変形可能な板状部材である。なお、振動板５５の詳細については、後に図５に基づいて説明する。
【0025】
振動板５５のＺ１方向を向く面には、互いに異なるノズルＮまたは圧力室Ｃに対応する複数の圧電素子５６が配置される。各圧電素子５６は、駆動信号の供給により変形する受動素子であり、Ｘ軸に沿う方向に延びる長尺状をなす。複数の圧電素子５６は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ軸に沿う方向に配列される。圧電素子５６の変形に連動して振動板５５が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することにより、インクがノズルＮから吐出される。なお、圧電素子５６の詳細については、後に図４および図５に基づいて説明する。
【0026】
ケース５８は、複数の圧力室Ｃに供給されるインクを貯留するためのケースであり、流路基板５１のＺ１方向を向く面に接着剤等により接合される。ケース５８は、例えば、樹脂材料で構成されており、射出成形により製造される。ケース５８には、収容部Ｒ２と導入口ＩＨとが設けられる。収容部Ｒ２は、流路基板５１の開口部Ｒ１に対応する外形の凹部である。導入口ＩＨは、収容部Ｒ２に連通する貫通孔である。開口部Ｒ１および収容部Ｒ２による空間は、インクを貯留するリザーバーである液体貯留室Ｒとして機能する。液体貯留室Ｒには、液体容器１０からのインクが導入口ＩＨを介して供給される。
【0027】
吸振体５４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る。吸振体５４は、例えば、弾性変形可能な可撓性のシート部材であるコンプライアンス基板である。ここで、吸振体５４は、流路基板５１の開口部Ｒ１と複数の供給流路Ｒａとを閉塞して液体貯留室Ｒの底面を構成するように、流路基板５１のＺ２方向を向く面に配置される。
【0028】
封止板５７は、複数の圧電素子５６を保護するとともに圧力室基板５２および振動板５５の機械的な強度を補強する構造体である。封止板５７は、振動板５５の表面に例えば接着剤により接合される。封止板５７には、複数の圧電素子５６を収容する凹部が設けられる。
【0029】
圧力室基板５２または振動板５５のＺ１方向を向く面には、配線基板５９が接合される。配線基板５９は、制御ユニット２０と液体吐出ヘッド５０とを電気的に接続するための複数の配線が形成される実装部品である。配線基板５９は、例えば、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板である。配線基板５９には、圧電素子５６を駆動するための駆動回路６０が搭載される。駆動回路６０は、各圧電素子５６を駆動するための駆動信号を配線基板５９を介して各圧電素子５６に選択的に供給する。
【0030】
以上のように、液体吐出ヘッド５０は、圧電素子５６と、ノズルＮに連通する圧力室Ｃが設けられた圧力室基板５２と、圧電素子５６の駆動により振動することにより、圧力室Ｃの液体に圧力を付与する振動板５５と、を有する。ここで、前述のように、圧力室基板５２、振動板５５および圧電素子５６がこの順でＺ１方向に積層される。
【0031】
１－３．振動板および圧電素子の詳細
図４は、実施形態に係る液体吐出ヘッド５０の一部を示す平面図である。図５は、図４中のＢ－Ｂ線断面図である。以下、図４および図５に基づいて、圧力室基板５２、圧電素子５６および振動板５５をこの順で説明する。
図４は、実施形態に係る液体吐出ヘッド５０の一部を示す平面図である。図５は、図４中のＢ－Ｂ線断面図である。以下、図４および図５に基づいて、圧力室基板５２、圧電素子５６および振動板５５をこの順で説明する。
【0032】
図４および図５に示すように、圧力室基板５２には、圧力室Ｃを構成する孔５２ａが設けられる。これに伴い、圧力室基板５２には、互いに隣り合う２つの孔５２ａの間には、Ｘ軸に沿う方向に延びる壁状の隔壁５２ｂが設けられる。圧力室基板５２は、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。図４では、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成した場合の孔５２ａの平面視形状が破線で示される。なお、孔５２ａの平面視形状は、図４に示す例に限定されず、任意である。
【0033】
ここで、圧力室Ｃの形成は、圧電素子５６の形成後に行われる。圧力室Ｃの形成は、例えば、圧電素子５６の形成後のシリコン単結晶基板の両面のうち圧電素子５６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行われる。このとき、当該異方性エッチングのエッチング液として、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、弾性膜５５ａが酸化シリコンで構成される場合、弾性膜５５ａ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。以上の圧力室Ｃの形成後、圧力室基板５２に流路基板５１等が接着剤により接合される。
【0034】
【0035】
第１電極５６ａは、圧電素子５６ごとに互いに離間して配置される個別電極である。具体的には、Ｘ軸に沿う方向に延びる複数の第１電極５６ａが、互いに間隔をあけてＹ軸に沿う方向に配列される。各圧電素子５６の第１電極５６ａには、制御ユニット２０から所定の電圧パルスを含む駆動信号が供給される。
【0036】
第１電極５６ａは、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される層と、チタン（Ｔｉ）で構成される層と、を有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。ここで、イリジウムは、導電性に優れた電極材料である。このため、第１電極５６ａの構成材料にイリジウムを用いることにより、第１電極５６ａの低抵抗化を図ることができる。また、チタンで構成される層は、圧電体層５６ｂを形成する際に、島状のＴｉが結晶核となって圧電体層５６ｂの配向を制御して、圧電体層５６ｂの結晶性または配向性を高める。
【0037】
なお、イリジウムで構成される層に代えて、または、当該層に加えて、他の金属材料で構成される層が設けられてもよい。当該他の金属材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。また、第１電極５６ａを構成する材料は、金属材料に限定されず、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）およびＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の導電性の金属酸化物であってもよい。
【0038】
図４および図５に示す例では、圧電体層５６ｂは、複数の圧電素子５６にわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状をなす。図４に示す例では、圧電体層５６ｂには、互いに隣り合う各圧力室Ｃの間隙に平面視で対応する領域に、圧電体層５６ｂを貫通する貫通孔５６ｂ１がＸ軸に沿う方向に延びて設けられる。これにより、図５に示す断面でみて、圧電体層５６ｂが圧電素子５６ごとに個別に設けられる。図４に示す例では、貫通孔５６ｂ１が設けられていない部分においては、圧電体層５６ｂが複数の圧力室Ｃに連続して設けられるが、こうした構成には限定されず、連続する部分を除去し、圧電体層５６ｂを複数の圧電素子５６に個別に設けられてもよい。
【0039】
圧電体層５６ｂは、一般組成式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する圧電材料で構成される。当該圧電材料としては、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）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）等が挙げられる。中でも、圧電体層５６ｂの構成材料には、圧電性能を高めやすいという観点から、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム、チタン酸バリウムが好適に用いられる。
【0040】
なお、圧電体層５６ｂは、単層で構成されてもよいし、後述の図６に基づいて説明するように複数層の積層で構成されてもよい。ただし、圧電体層５６ｂが複数層の積層で構成される場合、後述するように圧電体層５６ｂの圧電定数を厚さ方向に異ならせやすいという利点がある。
【0041】
第２電極５６ｃは、複数の圧電素子５６にわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極である。第２電極５６ｃには、所定の定電位が供給される。
【0042】
第２電極５６ｃは、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される。ただし、第２電極５６ｃの構成材料は、イリジウムに限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）等の金属材料でもよい。また、第２電極５６ｃは、これらの金属材料のうち、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を積層等の形態で組み合わせて用いてもよい。
【0043】
以上の第１電極５６ａ、圧電体層５６ｂおよび第２電極５６ｃは、この順で振動板５５上に成膜されることにより得られる。第１電極５６ａおよび第２電極５６ｃのそれぞれは、例えば、スパッタ法等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィ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５６ｂは、例えば、ゾルゲル法により圧電体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形成される。また、圧電体層５６ｂには、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧を印加することにより、分極処理が施される。
【0044】
以上の圧電素子５６では、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間に電圧が印加されることにより、圧電体層５６ｂが逆圧電効果により変形する。この変形に伴って、振動板５５が振動する。
【0045】
図５に示すように、振動板５５は、弾性膜５５ａと絶縁膜５５ｂとを有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。ここで、弾性膜５５ａは、圧力室基板５２上に設けられる。絶縁膜５５ｂは、弾性膜５５ａと圧電素子５６との間に設けられる。
【0046】
なお、図５では、説明の便宜上、振動板５５を構成する層同士の界面が明確に図示されるが、当該界面が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。また、振動板５５は、弾性膜５５ａおよび絶縁膜５５ｂを有する構成に限定されず、例えば、絶縁膜５５ｂが省略された構成でもよいし、弾性膜５５ａと絶縁膜５５ｂとの間に密着性を高めるためのＴｉＯＸ、ＡｌＯＸ、ＣｒＯＸ、ＴｉＮで構成される膜が設けられた構成でもよい。
【0047】
弾性膜５５ａは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成される膜である。ここで、弾性膜５５ａ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。当該不純物は、弾性膜５５ａの形成の際に不可避的に混入される元素でもよいし、意図的に弾性膜５５ａに混入される元素でもよい。また、弾性膜５５ａには、シリコンが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シリコンが存在してもよい。
【0048】
弾性膜５５ａの厚さｔｄ１は、振動板５５の厚さｔｄおよび幅等に応じて決められ、特に限定されないが、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ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とより好ましい。
【0049】
絶縁膜５５ｂは、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で構成される膜である。ここで、絶縁膜５５ｂ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。当該不純物は、絶縁膜５５ｂの形成の際に不可避的に混入される元素でもよいし、意図的に絶縁膜５５ｂに混入される元素でもよい。また、絶縁膜５５ｂには、ジルコニウムが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ジルコニウムが存在してもよい。
【0050】
なお、絶縁膜５５ｂを構成する材料は、ＺｒＯ２に限定されず、例えば、ＰｂＴｉＯＸ、ＴＩＯＸ、（（Ｐｂ，Ｂｉ）（Ｆｅ，Ｔｉ）ＯＸ）であってもよい。また、絶縁膜５５ｂは、単層で構成されてもよいし、複数層の積層で構成されてもよい。
【0051】
絶縁膜５５ｂの厚さｔｄ２は、振動板５５の厚さｔｄおよび幅等に応じて決められ、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ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とより好ましい。
【0052】
以上の弾性膜５５ａおよび絶縁膜５５ｂは、この順で、圧力室基板５２を形成するためのシリコン単結晶基板上に成膜されることにより得られる。例えば、弾性膜５５ａが酸化シリコンで構成される場合、弾性膜５５ａは、当該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。例えば、絶縁膜５５ｂが酸化ジルコニウムで構成される場合、絶縁膜５５ｂは、弾性膜５５ａ上に、スパッタ法によりジルコニウムの層を形成し、当該層を熱酸化することにより形成される。
【0053】
なお、振動板５５を構成する複数の膜のそれぞれの形成方法は、前述の例に限定されず、任意である。例えば、弾性膜５５ａの少なくとも一部の形成は、ＣＶＤ法等を用いてもよい。また、絶縁膜５５ｂの形成は、熱酸化を用いる方法に限定されず、例えば、ＣＶＤ法または原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法等を用いてもよい。
【0054】
以上の振動板５５は、圧電素子５６の駆動により振動する振動領域ＰＶを有する。振動領域ＰＶは、平面視で圧力室Ｃに重なる振動板５５の部分である。ここで、前述の弾性膜５５ａと絶縁膜５５ｂとのそれぞれは、Ｚ軸に沿う方向みて振動領域ＰＶの全域にわたり設けられる。
【0055】
振動領域ＰＶは、能動領域ＲＥ１と非能動領域ＲＥ２とに区分される。能動領域ＲＥ１は、振動板５５において、Ｚ軸に沿う方向にみて、圧力室Ｃと第１電極５６ａと圧電体層５６ｂと第２電極５６ｃとに重なる部分である。非能動領域ＲＥ２は、振動板５５において、Ｚ軸に沿う方向にみて、圧力室Ｃと重なり、かつ、能動領域ＲＥ１とは異なる部分である。
【0056】
図５に示す例では、非能動領域ＲＥ２が腕部ＲＥ２ａを有する。腕部ＲＥ２ａは、Ｚ軸に沿う方向にみて、能動領域ＲＥ１と圧力室Ｃの幅方向での端との間で、圧電体層５６ｂに重ならずに圧力室Ｃに重なる振動板５５の部分である。
【0057】
したがって、圧力室Ｃの短手方向での端は、Ｚ軸に沿う方向にみて圧電体層５６ｂに重ならない。このように腕部ＲＥ２ａを設けることにより、振動板５５の幅方向での端部を変形しやすくすることができる。このため、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させることができる。
【0058】
以上の圧電素子５６および振動板５５で構成される積層体ＬＡを圧電素子５６の駆動により効率的に変形させるには、従来では、圧電体層５６ｂの圧電定数が一様であるため、積層体ＬＡの中立面を振動板５５と圧電素子５６との間に位置させることが好ましいとされていた。
【0059】
一方、近年のノズルＮの狭ピッチ化に伴い、振動板５５の幅が小さくなるので、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させるには、振動板５５の厚さｔｄを薄くする必要がある。
【0060】
振動板５５の厚さｔｄが薄くなると、図５に示すように、積層体ＬＡの中立面ＡＮは、圧電体層５６ｂ内に位置する。ここで、積層体ＬＡの「中立面ＡＮ」とは、Ｘ軸とＹ軸との両方に平行な面のうち、積層体ＬＡに曲げモーメントが生じた際に、圧縮歪みおよび引っ張り歪みが生じない面である。また、積層体ＬＡの中立軸とは、Ｘ軸とＺ軸との両方に平行な任意の平面のうち、中立面と交差する軸状の部分に相当する。本実施形態では、圧電素子５６はＺ方向に沿って撓み変形し、圧力室ＣがＸ軸に沿って長手に形成されるため、Ｘ軸にみたときに積層体ＬＡの変形が顕著となり、中立軸はＸ方向に沿った軸である。
【0061】
ここで、ｎ個の層からなる積層体の１層目側の表面を基準とするとき、当該積層体の中立面の位置ｙ０は、以下の式（１）で定義される。
この式（１）中、ｋは１以上ｎ以下の整数であり、Ａｋは当該積層体全体の断面積であり、Ｅｋは各層のヤング率［ＧＰａ］であり、ｈｋは各層の膜厚［ｎｍ］であり、ａは層の幅［μｍ］である。
【数1】
【0062】
当該積層体を積層体ＬＡに当てはめると、ｋは５であり、１層目が弾性膜５５ａであり、２層目が絶縁膜５５ｂであり、３層目が第１電極５６ａであり、４層目が圧電体層５６ｂであり、５層目が第２電極５６ｃである。したがって、位置ｙ０は、積層体ＬＡのＺ２方向を向く面を基準とする中立面ＡＮの位置であり、当基準と位置ｙ０との間の距離に相当する。ここで、ヤング率Ｅ１は弾性膜５５ａのヤング率［ＧＰａ］であり、ヤング率Ｅ２は絶縁膜５５ｂのヤング率［ＧＰａ］であり、ヤング率Ｅ３は第１電極５６ａのヤング率［ＧＰａ］であり、ヤング率Ｅ４は圧電体層５６ｂのヤング率［ＧＰａ］であり、ヤング率Ｅ５は第２電極５６ｃのヤング率［ＧＰａ］である。また、膜厚ｈ１は弾性膜５５ａの厚さｔｄ１［ｎｍ］であり、膜厚ｈ２は絶縁膜５５ｂの厚さｔｄ２［ｎｍ］であり、膜厚ｈ３は第１電極５６ａの厚さ［ｎｍ］であり、膜厚ｈ４は圧電体層５６ｂの厚さｔｐ［ｎｍ］であり、膜厚ｈ５は第２電極５６ｃの厚さ［ｎｍ］である。断面積Ａｋは、積層体ＬＡの断面積であり、積層体ＬＡの厚さＴ×幅ａに相当する。幅ａは、能動領域ＲＥ１の幅Ｗである。
【0063】
このような中立面ＡＮにより圧電体層５６ｂを区分した２つの領域のうち、振動板５５に近いほうの領域が下部領域ＲＢであり、振動板５５から遠いほうの領域が上部領域ＲＴである。すなわち、下部領域ＲＢが中立面ＡＮよりもＺ２方向に位置する圧電体層５６ｂの領域であり、上部領域ＲＴが中立面ＡＮよりもＺ１方向に位置する圧電体層５６ｂの領域である。このように、圧電体層５６ｂが下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴを有する。
【0064】
ここで、下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴのそれぞれの側面上には、圧電素子５６の第２電極５６ｃの一部が配置される。このように第２電極５６ｃが下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴのそれぞれの側面上に配置される部分を有することにより、前述のように第１電極５６ａを個別電極とするとともに第２電極５６ｃを共通電極とすることができる。
【0065】
このように、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置しているとき、圧電体層５６ｂの圧電定数をＺ軸方向において概ね一様とすることで、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率が低下してしまう場合がある。この理由について説明する。２つの電極によって圧電素子５６に電圧が印加されたとき、圧電素子は、逆圧電効果によって、概ねＹ軸に沿って収縮するように変形し、積層体ＬＡが圧力室側に凸となるように曲げモーメントが生じる。ここで、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合、上部領域ＲＴの圧電体層５６ｂの変位は、当該曲げモーメントに寄与するのに対し、下部領域ＲＢの圧電体層５６ｂの変形は、当該曲げモーメントを阻害してしまう。これは、積層体ＬＡが圧力室側に凸となることで、引っ張り歪みが生じる、つまり伸びる方向の力が加えられる下部領域ＲＢにおいて、圧電体層５６ｂが逆圧電効果によって収縮する方向の力を加えるためである。以上のような理由により、圧電体層５６ｂの圧電定数をＺ軸方向において概ね一様とした構成では、変形効率が低下してしまう。
【0066】
そこで、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させるべく、液体吐出ヘッド５０では、下部領域ＲＢの圧電定数が上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さい。このため、圧電素子５６に電圧が印加されたとき、下部領域ＲＢが上部領域ＲＴに比べて逆圧電効果により変形し難い。したがって、下部領域ＲＢが実質的に振動板５５として機能するので、下部領域ＲＢの逆圧電効果による変形が、上部領域ＲＴの逆圧電効果による変形に起因する積層体ＬＡの曲げモーメントを阻害することが低減される。この結果、積層体ＬＡの中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置しても、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させることができる。しかも、下部領域ＲＢの圧電定数が、下部領域ＲＢを実質的に振動板５５として見做すことができる程度に低い場合、振動板５５の幅方向での端部の厚さを薄くしたことと同等の構成が疑似的に得られるため、当該変形効率のさらなる向上を図ることができる。以下、図６から図１０に基づいて、下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴについて詳述する。
【0067】
図６は、圧電素子５６および振動板５５で構成される積層体ＬＡの部分拡大断面図である。図６では、説明の便宜上、圧電体層５６ｂが５層の積層で構成される場合が例示される。なお、圧電体層５６ｂを構成する層の数は、５層に限定されず、任意であり、４層以下または６層以上であってもよい。また、圧電体層５６ｂを構成する複数の層の厚さは、互いに等しくても異なってもよい。
【0068】
図６に示すように、圧電体層５６ｂは、複数の層ＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３、ＬＡ４、ＬＡ５を有する。層ＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３、ＬＡ４、ＬＡ５は、この順でＺ１方向に積層される。ここで、層ＬＡ１は、「第１圧電体層」の一例であり、振動板５５と中立面ＡＮとの間に位置しており、複数の層ＬＡ１～ＬＡ５のうち、下部領域ＲＢに含まれ、かつ、振動板５５に最も近い層である。また、層ＬＡ５は、「第２圧電体層」の一例であり、複数の層ＬＡ１～ＬＡ５のうち、上部領域ＲＴに含まれ、かつ、振動板５５から最も遠い層である。このような層ＬＡ１と層ＬＡ５との間には、中立面ＡＮが位置する。
【0069】
ここで、下部領域ＲＢの圧電定数を上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さくするには、層ＬＡ１～ＬＡ５のうち、下部領域ＲＢに属する層の圧電定数の平均値が、上部領域ＲＴに属する層の圧電定数の平均値よりも小さければよい。ただし、下部領域ＲＢの圧電定数を小さくすることによる効果を好適に得る観点から、下部領域ＲＢに属する層のうち、最も振動板５５に近い層ＬＡ１の圧電定数が最も小さいことが好ましい。また、上部領域ＲＴの圧電定数を大きくすることによる効果を好適に得る観点から、上部領域ＲＴに属する層のうち、最も振動板５５から遠い層ＬＡ５の圧電定数が最も大きいことが好ましい。
【0070】
以下、圧電体層５６ｂのうち、圧電定数を小さくする層の厚さおよび圧電定数について詳述する。
【0071】
図７は、圧電体層５６ｂの下部の圧電定数ｄ１を変化させたサンプルＮｏ．１～１８の条件と積層体ＬＡの変形効率比との関係を示す図である。圧電体層５６ｂの下部とは、圧電体層５６ｂを厚さ方向に区分した２つの部分のうちの振動板５５に近いほうの部分である。また、以下では、圧電体層５６ｂを厚さ方向に区分した２つの部分のうちの振動板５５から遠いほうの部分は、圧電体層５６ｂの上部と称される。
【0072】
図７中の「中立面の位置」は、中立面ＡＮの位置である。ここで、「部材」の項目において、「圧電体層」は、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置することを示し、「振動板」は、中立面ＡＮが振動板５５内に位置することを示す。また、「第１電極からの距離」は、第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離［ｎｍ］である。ただし、当該距離は、中立面ＡＮが第１電極５６ａよりもＺ１方向に位置する場合に正の値であり、一方、中立面ＡＮが第１電極５６ａよりもＺ２方向に位置する場合に負の値である。
【0073】
サンプルＮｏ．１～９では、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する。図７に示す例では、サンプルＮｏ．１～９における第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離が１１５ｎｍである。これに対し、サンプルＮｏ．１０～１８では、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する。図７に示す例では、サンプルＮｏ．１０～１８における第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離が－２７５ｎｍである。なお、サンプルＮｏ．１０～１８では、振動板５５の厚さｔｄがサンプルＮｏ．１～９よりも厚いことにより、中立面ＡＮの位置が振動板５５内に位置する。
【0074】
図７中の「圧電体層の膜厚」は、圧電体層５６ｂの厚さｔｐ［ｎｍ］である。また、図７中の「圧電体層下部の膜厚」は、圧電体層５６ｂの下部の厚さｔｐｂ［ｎｍ］である。さらに、図７中の「ｔｐｂ／ｔｐ」は、厚さｔｐに対する厚さｔｐｂの比ｔｐｂ／ｔｐである。
【0075】
サンプルＮｏ．１～１８における厚さｔｐ、ｔｐｂおよび比ｔｐｂ／ｔｐのそれぞれが互いに等しい。図７に示す例では、厚さｔｐが１２００ｎｍであり、厚さｔｐｂが１００ｎｍであり、比ｔｐｂ／ｔｐが８％である。より具体的には、１層あたりの膜厚が１００ｎｍの層を１２個積層することで、厚さ１２００ｎｍの圧電体層５６ｂとしている。
【0076】
図７中の「圧電体層下部の圧電定数」は、圧電体層５６ｂの下部の圧電定数ｄ１である。また、図７中の「圧電体層上部の圧電定数」は、圧電体層５６ｂの上部の圧電定数ｄ２である。さらに、図７中の「ｄ１／ｄ２」は、圧電定数ｄ２に対する圧電定数ｄ１の比ｄ１／ｄ２である。
【0077】
サンプルＮｏ．１～１８における圧電定数ｄ２が互いに等しい。図７に示す例では、サンプルＮｏ．１～１８における圧電定数ｄ２が２００［ｐｍ／Ｖ］である。一方、サンプルＮｏ．１～９における圧電定数ｄ１が互いに異なる。同様に、サンプルＮｏ．１０～１８における圧電定数ｄ１が互いに異なる。図７に示す例では、サンプルＮｏ．１、１０における圧電定数ｄ１が１０［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．２、１１における圧電定数ｄ１が２５［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．３、１２における圧電定数ｄ１が５０［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．４、１３における圧電定数ｄ１が７５［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．５、１４における圧電定数ｄ１が１００［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．６、１５における圧電定数ｄ１が１２５［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．７、１６における圧電定数ｄ１が１５０［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．８、１７における圧電定数ｄ１が１７５［ｐｍ／Ｖ］であり、サンプルＮｏ．９、１８における圧電定数ｄ１が２００［ｐｍ／Ｖ］である。
【0078】
図７中の「変形効率比」は、圧電定数ｄ１および圧電定数ｄ２が互いに等しい場合の変形効率を基準「１」とした変形効率の比である。変形効率は、例えば、圧電素子５６に印加した電圧に対する振動板５５の変位量の割合である。図７に示す変形効率比の結果は、シミュレーションにより求めた結果である。
【0079】
図８は、圧電体層５６ｂの下部の圧電定数比率ｄ１／ｄ２と積層体ＬＡの変形効率比との関係を示すグラフである。図８では、前述の図７に示す圧電定数比率ｄ１／ｄ２と積層体ＬＡの変形効率比との関係が示される。図８中、縦軸は、積層体ＬＡの変形効率比を示し、横軸は、圧電定数比率ｄ１／ｄ２を示す。
【0080】
図８に示すように、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合、圧電定数比率ｄ１／ｄ２が小さくなるほど、積層体ＬＡの変形効率比が高くなる。これは、下部領域ＲＢが上部領域ＲＴの作用を阻害しない効果が高まるからである。
【0081】
ここで、積層体ＬＡの変形効率比を好適に高める観点から、圧電定数比率ｄ１／ｄ２は、２５％以下であることが好ましく、１２．５％以下であることがより好ましい。
【0082】
これに対し、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する場合、圧電定数比率ｄ１／ｄ２が小さくなるほど、積層体ＬＡの変形効率比が低くなる。これは、圧電体層５６ｂを構成する層のうち振動板５５の撓み変形に寄与すべき層の圧電定数が単に低下するからである。また、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する場合、圧電定数比率ｄ１／ｄ２が０％と１００％との間の全範囲にわたり、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合に比べて、積層体ＬＡの変形効率比が低い。これは、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する場合、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合に比べて、振動板５５の厚さｔｄが厚いからである。
【0083】
以上のような図８に示す結果から理解される通り、下部領域ＲＢの圧電定数は、上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さければよいが、上部領域ＲＴの圧電定数の半分以下であることが好ましい。この場合、下部領域ＲＢの圧電定数が上部領域ＲＴの圧電定数の半分よりも大きい態様に比べて、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させることができる。また、前述のように、圧電定数比率ｄ１／ｄ２は、２５％以下であることが好ましく、１２．５％以下であることがより好ましいことから、より好ましくは、下部領域ＲＢの圧電定数は、上部領域ＲＴの圧電定数に対して、２５％以下であり、さらに好ましくは、１２．５％以下である。
【0084】
下部領域ＲＢの圧電定数を上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さくするには、例えば、層ＬＡ１～５６ｂ５のうち、下部領域ＲＢに属する層を（１００）面以外に優先配した結晶で構成するとともに、上部領域ＲＴに属する層を（１００）面に優先配向した結晶で構成すればよい。この場合、層ＬＡ５は、（１００）面に優先配向した結晶で構成され、層ＬＡ１は、（１００）面以外に優先配した結晶で構成される。このような構成により、下部領域ＲＢの圧電定数を上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さくすることができる。
【0085】
また、下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴは、互いに組成の異なる圧電材料で構成されてもよい。例えば、下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴが互いに鉛の含有率の異なる圧電材料で構成される。この場合、下部領域ＲＢおよび上部領域ＲＴのそれぞれが（１００）面に優先配向した結晶で構成されても、下部領域ＲＢの圧電定数を上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さくすることができる。また、第２圧電体層を（１００）面に優先配向した結晶で構成するとともに第１圧電体層を（１００）面以外に優先配した結晶で構成する場合、下部領域および上部領域を互いに組成の異なる圧電材料で構成することにより、下部領域の圧電定数を上部領域の圧電定数よりも効果的に小さくすることができる。
【0086】
なお、圧電体層５６ｂを構成する複数の層ＬＡ１～ＬＡ５の結晶状態が互いに異なってもよい。例えば、下部領域ＲＢに属する層がアモルファス状態であるとともに、上部領域ＲＴに属する層が多結晶状態または単結晶状態であってもよい。
【0087】
また、下部領域ＲＢの誘電率は、上部領域ＲＴの誘電率よりも高いことが好ましい。この場合、下部領域ＲＢが第１電極５６ａと上部領域ＲＴとの間に介在しても、下部領域ＲＢの誘電率が上部領域ＲＴの誘電率以下である態様に比べて、第１電極５６ａと第２電極５６ｃとの間の電圧を上部領域ＲＴに効率的に印加することができる。
【0088】
図９は、圧電体層５６ｂの下部の膜厚を変化させたサンプルＮｏ．１９～３４の条件と積層体ＬＡの変形効率比との関係を示す図である。
【0089】
サンプルＮｏ．１９～２６では、前述のサンプルＮｏ．１～９と同様、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する。図９に示す例では、サンプルＮｏ．１９～２６における第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離が１１５ｎｍである。これに対し、サンプルＮｏ．２７～３４では、前述のサンプルＮｏ．１０～１８と同様、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する。図９に示す例では、サンプルＮｏ．２７～３４における第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離が－２７５ｎｍである。
【0090】
また、前述のサンプルＮｏ．１～１８と同様、サンプルＮｏ．１９～３４における厚さｔｐが互いに等しい。ただし、サンプルＮｏ．１９～２６における厚さｔｐｂが互いに異なる。同様に、サンプルＮｏ．２７～３４における厚さｔｐｂが互いに異なる。図９に示す例では、サンプルＮｏ．１９、２７における厚さｔｐｂが０ｎｍであり、サンプルＮｏ．２０、２８における厚さｔｐｂが２００ｎｍであり、サンプルＮｏ．２１、２９における厚さｔｐｂが３００ｎｍであり、サンプルＮｏ．２２、３０における厚さｔｐｂが４００ｎｍであり、サンプルＮｏ．２３、３１における厚さｔｐｂが６００ｎｍであり、サンプルＮｏ．２４、３２における厚さｔｐｂが８００ｎｍであり、サンプルＮｏ．２５、３３における厚さｔｐｂが１０００ｎｍであり、サンプルＮｏ．２６、３４における厚さｔｐｂが１２００ｎｍである。
【0091】
サンプルＮｏ．１９～３４における圧電定数ｄ１、ｄ２および比ｄ１／ｄ２のそれぞれが互いに等しい。図９に示す例では、圧電定数ｄ１が１０［ｐｍ／Ｖ］であり、圧電定数ｄ２が２００［ｐｍ／Ｖ］であり、比ｄ１／ｄ２が５．０％である。
【0092】
図１０は、圧電体層５６ｂの下部の膜厚比である比ｔｐｂ／ｔｐと積層体ＬＡの変形効率比との関係を示すグラフである。図１０では、前述の図９に示す比ｔｐｂ／ｔｐと積層体ＬＡの変形効率比との関係が示される。図９中、縦軸は、積層体ＬＡの変形効率比を示し、横軸は、比ｔｐｂ／ｔｐを示す。
【0093】
図１０に示すように、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合、比ｔｐｂ／ｔｐが４０％以下の範囲において、層ＬＡ１の圧電定数ｄ１を小さくすることによる積層体ＬＡの変位効率比の向上が認められる。ここで、比ｔｐｂ／ｔｐが４０％であるとき、厚さｔｐｂは、第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離よりも大きい。したがって、厚さｔｐｂが第１電極５６ａと中立面ＡＮとの間の距離よりも大きい場合においても、層ＬＡ１の圧電定数ｄ１を小さくすることによる積層体ＬＡの変位効率比の向上が認められる。
【0094】
これに対し、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する場合、比ｔｐｂ／ｔｐが０％から１００％までの全範囲において、比ｔｐｂ／ｔｐが大きくなるほど、積層体ＬＡの変形効率比が低くなる。これは、振動板５５の撓み変形に寄与すべき圧電体層５６ｂの圧電定数が単に低下するからである。また、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する場合、比ｔｐｂ／ｔｐが０％から１００％までの全範囲において、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合に比べて、積層体ＬＡの変形効率比が低い。これは、中立面ＡＮが振動板５５内に位置する場合、中立面ＡＮが圧電体層５６ｂ内に位置する場合に比べて、振動板５５の厚さｔｄが厚く変形が阻害されやすいからである。
【0095】
以上のような図１０に示す結果から理解される通り、下部領域ＲＢの厚さｔｐ１は、上部領域ＲＴの厚さｔｐ２よりも薄いことが好ましい。この場合、下部領域ＲＢの厚さｔｐ１が上部領域ＲＴの厚さｔｐ２以上である態様に比べて、下部領域ＲＢの逆圧電効果による作用を小さくすることにより、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させることができる。また、前述の比ｔｐｂ／ｔｐと変形効率比との関係から、下部領域ＲＢの厚さｔｐ１は、上部領域ＲＴの厚さｔｐ２に対して、４０％以下であることがより好ましい。
【0096】
以上のように、液体吐出ヘッド５０では、下部領域ＲＢの圧電定数を上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さくすることにより、圧電素子５６の駆動による振動板５５の変形効率を向上させることができる。
【0097】
２．変形例
以上の例示における形態は多様に変形され得る。前述の形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択される２以上の態様は、互いに矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。
以上の例示における形態は多様に変形され得る。前述の形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択される２以上の態様は、互いに矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。
【0098】
２－１．変形例１
図１１は、変形例１に係る液体吐出ヘッド５０Ａの断面図である。液体吐出ヘッド５０Ａは、圧電素子５６に代えて圧電素子５６Ａを有すること以外は、前述の液体吐出ヘッド５０と同様に構成される。圧電素子５６Ａは、第１電極５６ａが共通電極であるとともに第２電極５６ｃが個別電極であること以外は、前述の圧電素子５６と同様に構成される。すなわち、変形例１では、第１電極５６ａが複数の圧電素子５６Ａにわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極であるのに対し、第２電極５６ｃが圧電素子５６Ａごとに互いに離間して配置される個別電極である。
図１１は、変形例１に係る液体吐出ヘッド５０Ａの断面図である。液体吐出ヘッド５０Ａは、圧電素子５６に代えて圧電素子５６Ａを有すること以外は、前述の液体吐出ヘッド５０と同様に構成される。圧電素子５６Ａは、第１電極５６ａが共通電極であるとともに第２電極５６ｃが個別電極であること以外は、前述の圧電素子５６と同様に構成される。すなわち、変形例１では、第１電極５６ａが複数の圧電素子５６Ａにわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極であるのに対し、第２電極５６ｃが圧電素子５６Ａごとに互いに離間して配置される個別電極である。
【0099】
以上の変形例１によっても、下部領域ＲＢの圧電定数を上部領域ＲＴの圧電定数よりも小さくすることにより、圧電素子５６Ａの駆動による振動板５５の変形効率を向上させることができる。
【0100】
なお、第１電極５６ａおよび第２電極５６ｃの双方を個別電極としてもよい。
【0101】
２－２．変形例２
前述の形態では、液体吐出ヘッド５０を搭載するキャリッジ４１を往復させるシリアル方式の液体吐出装置１００を例示するが、複数のノズルＮが媒体Ｍ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開示を適用することが可能である。
前述の形態では、液体吐出ヘッド５０を搭載するキャリッジ４１を往復させるシリアル方式の液体吐出装置１００を例示するが、複数のノズルＮが媒体Ｍ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開示を適用することが可能である。
【0102】
２－３．変形例３
前述の形態で例示する液体吐出装置１００は、印刷に専用される機器のほか、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、本開示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。
前述の形態で例示する液体吐出装置１００は、印刷に専用される機器のほか、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、本開示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。
【0103】
３．本開示のまとめ
以下、本開示のまとめを付記する。
以下、本開示のまとめを付記する。
【0104】
（付記１）本開示の好適例である第１態様の液体吐出ヘッドは、第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、前記圧電体層を前記中立面により区分した２つの領域のうち、前記振動板に近いほうの領域を下部領域とし、前記振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき、前記下部領域の圧電定数は、前記上部領域の圧電定数よりも小さい。
【0105】
以上の第１態様では、下部領域の圧電定数が上部領域の圧電定数よりも小さいので、下部領域が圧電素子に印加される電圧により変形し難い。このため、下部領域が実質的に振動板として機能することにより、下部領域の逆圧電効果による変形が上部領域の逆圧電効果による変形の妨げとなることが低減される。この結果、圧電素子および振動板で構成される積層体の中立面が圧電体層内に位置しても、圧電素子の駆動による振動板の変形効率を向上させることができる。しかも、振動板の幅方向での端部の厚さを薄くすることにより、当該変形効率のさらなる向上を図ることができる。
【0106】
（付記２）第１態様の好適例である第２態様において、前記圧力室は、前記積層方向にみて長手形状をなしており、前記圧力室の短手方向での端は、前記積層方向にみて前記圧電体層に重ならない。以上の第２態様では、振動板の幅方向での端部を変形しやすくすることができる。このため、圧電素子の駆動による振動板の変形効率を向上させることができる。
【0107】
（付記３）第１態様または第２態様の好適例である第３態様において、前記下部領域の圧電定数は、前記上部領域の圧電定数の半分以下である。以上の第３態様では、下部領域の圧電定数が上部領域の圧電定数の半分よりも大きい態様に比べて、圧電素子の駆動による振動板の変形効率を向上させることができる。
【0108】
（付記４）第１態様から第３態様のいずれかの好適例である第４態様において、前記圧電体層は、複数の層を有し、前記複数の層のうち、前記下部領域に含まれ、かつ、前記振動板に最も近い層を第１圧電体層とし、前記上部領域に含まれ、かつ、前記振動板から最も遠い層を第２圧電体層としたとき、前記第２圧電体層は、（１００）面に優先配向した結晶で構成され、前記第１圧電体層は、（１００）面以外に優先配した結晶で構成される。以上の第４態様では、下部領域の圧電定数を上部領域の圧電定数よりも小さくすることができる。
【0109】
（付記５）第１態様から第４態様のいずれかの好適例である第５態様において、前記下部領域の厚さは、前記上部領域の厚さよりも薄い。以上の第５態様では、下部領域の厚さが上部領域の厚さ以上である態様に比べて、圧電素子の駆動による振動板の変形効率を向上させることができる。
【0110】
（付記６）第１態様から第５態様のいずれかの好適例である第６態様において、前記下部領域および前記上部領域は、互いに組成の異なる圧電材料で構成される。以上の第６態様では、下部領域および上部領域のそれぞれが（１００）面に優先配向した結晶で構成されても、下部領域の圧電定数を上部領域の圧電定数よりも小さくすることができる。また、第２圧電体層を（１００）面に優先配向した結晶で構成するとともに第１圧電体層を（１００）面以外に優先配した結晶で構成する場合、下部領域および上部領域を互いに組成の異なる圧電材料で構成することにより、下部領域の圧電定数を上部領域の圧電定数よりも効果的に小さくすることができる。
【0111】
（付記７）第１態様から第６態様のいずれかの好適例である第７態様において、前記下部領域の誘電率は、前記上部領域の誘電率よりも高い。以上の第７態様では、下部領域が第１電極と上部領域との間に介在しても、下部領域の誘電率が上部領域の誘電率以下である態様に比べて、第１電極と第２電極との間の電圧を上部領域に効率的に印加することができる。
【0112】
（付記８）第１態様から第７態様のいずれかの好適例である第８態様において、前記圧力室は、前記積層方向にみて長手形状をなし、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とは、この順で前記積層方向に積層されており、前記第２電極は、前記下部領域および前記上部領域のそれぞれの側面上に配置される部分を有する。以上の第８態様では、第１電極を個別電極とするとともに第２電極を共通電極とすることができる。
【0113】
（付記９）本開示の好適例である第９態様の液体吐出ヘッドは、第１電極と圧電体層と第２電極とを有する圧電素子と、ノズルに連通する圧力室が設けられた圧力室基板と、前記圧電素子の駆動により振動することにより、前記圧力室の液体に圧力を付与する振動板と、を有し、前記圧力室基板、前記振動板および前記圧電素子がこの順で積層方向に積層されており、前記圧電素子および前記振動板で構成される積層体の中立面は、前記圧電体層内に位置し、前記圧電体層は、（１００）面以外に優先配向した結晶で構成される第１圧電体層と、（１００）面に優先配向した結晶で構成される第２圧電体層と、を含み、前記第１圧電体層は、前記振動板と前記中立面との間に位置し、前記中立面は、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間に位置する。
【0114】
以上の第９態様では、圧電体層を中立面により区分した２つの領域のうち、前記振動板に近いほうの領域を下部領域とし、前記振動板から遠いほうの領域を上部領域としたとき下部領域の圧電定数を上部領域の圧電定数よりも小さくすることができる。このため、下部領域が圧電素子に印加される電圧により変形し難いので、下部領域が実質的に振動板として機能することにより、下部領域の逆圧電効果による変形が上部領域の逆圧電効果による変形の妨げとなることが低減される。この結果、圧電素子および振動板で構成される積層体の中立面が圧電体層内に位置しても、圧電素子の駆動による振動板の変形効率を向上させることができる。しかも、振動板の幅方向での端部の厚さを薄くすることにより、当該変形効率のさらなる向上を図ることができる。
【0115】
（付記１０）本開示の好適例である第１０態様の液体吐出装置は、第１態様から第９態様のいずれかの液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドの駆動を制御する制御部と、を備える。以上の第１０態様では、液体吐出ヘッドの吐出効率が優れるので、吐出特性に優れた液体吐出装置を提供することができる。
【符号の説明】
【0116】
１０…液体容器、２０…制御ユニット（制御部）、３０…搬送機構、４０…移動機構、４１…キャリッジ、４２…搬送ベルト、５０…液体吐出ヘッド、５０Ａ…液体吐出ヘッド、５１…流路基板、５２…圧力室基板、５２ａ…孔、５２ｂ…隔壁、５３…ノズル基板、５４…吸振体、５５…振動板、５５ａ…弾性膜、５５ｂ…絶縁膜、５６…圧電素子、５６Ａ…圧電素子、５６ａ…第１電極、５６ｂ…圧電体層、５６ｂ１…貫通孔、５６ｃ…第２電極、５７…封止板、５８…ケース、５９…配線基板、６０…駆動回路、１００…液体吐出装置、ＡＮ…中立面、Ａｋ…断面積、Ｃ…圧力室、ＩＨ…導入口、ＬＡ…積層体、ＬＡ１…層、ＬＡ２…層、ＬＡ３…層、ＬＡ４…層、ＬＡ５…層、Ｍ…媒体、Ｎ…ノズル、Ｎａ…連通流路、ＰＶ…振動領域、Ｒ…液体貯留室、Ｒ１…開口部、Ｒ２…収容部、ＲＢ…下部領域、ＲＥ１…能動領域、ＲＥ２…非能動領域、ＲＥ２ａ…腕部、ＲＴ…上部領域、Ｒａ…供給流路、Ｗ…幅、ｄ１…圧電定数、ｄ２…圧電定数、ｔｄ…厚さ、ｔｄ１…厚さ、ｔｄ２…厚さ、ｔｐ…厚さ、ｔｐ１…厚さ、ｔｐ２…厚さ、ｔｐｂ…厚さ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】