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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(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 20060101AFI20241008BHJP
H10N 30/20 20230101ALI20241008BHJP
H10N 30/88 20230101ALI20241008BHJP
【ＦＩ】
B41J2/14 305
B41J2/14 613
H10N30/20
H10N30/88
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020163341
(22)【出願日】2020-09-29
(65)【公開番号】P2022055748
(43)【公開日】2022-04-08
【審査請求日】2023-09-22
(73)【特許権者】
【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】110000028
【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所
(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】西 智尋
(72)【発明者】
【氏名】清水 稔弘
(72)【発明者】
【氏名】山崎 泰志
【審査官】高松 大治
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１９４８３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０１４２２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８３７６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０００７２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０８８２９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１４４５９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２２８９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２４５５６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０６４７８４１２（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】中国特許出願公開第１０４７７２９８８（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ４１Ｊ ２／０１－２／２１５
Ｈ１０Ｎ ３０／２０
Ｈ１０Ｎ ３０／８８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
液体吐出ヘッドであって、圧電素子と、
前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ２を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ２を含む第二層を含む振動板と、を備え、
前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、
前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高く、
前記第一不純物元素は、Ｆｅを含む、液体吐出ヘッド。
【請求項2】
液体吐出ヘッドであって、
圧電素子と、
前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ ２ を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ ２ を含む第二層を含む振動板と、を備え、
前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、
前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高く、
前記第一不純物元素は、Ｃｒを含む、液体吐出ヘッド。
【請求項3】
液体吐出ヘッドであって、
圧電素子と、
前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ ２ を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ ２ を含む第二層を含む振動板と、を備え、
前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、
前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高く、
前記第一不純物元素は、Ｓｉを含む、液体吐出ヘッド。
【請求項4】
液体吐出ヘッドであって、
圧電素子と、
前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ ２ を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ ２ を含む第二層を含む振動板と、を備え、
前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、
前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高く、
前記内部領域は、前記第一不純物元素を含み、
前記内部領域に含まれる前記第一不純物元素は、Ｓｉを含み、
前記内部領域におけるＳｉの濃度分布は、少なくとも一部の濃度が一定となる平坦領域を有する、
液体吐出ヘッド。
【請求項5】
液体吐出ヘッドであって、
圧電素子と、
前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ ２ を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ ２ を含む第二層を含む振動板と、を備え、
前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、
前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高く、
前記第二層は、さらに、Ｚｒおよび前記第一不純物元素とは異なる第二不純物元素を含み、
前記界面における前記第二不純物元素の濃度と、前記内部領域における前記第二不純物元素の濃度との差は、
前記界面における前記第一不純物元素の濃度と、前記内部領域における前記第一不純物元素の濃度との差よりも小さい、
液体吐出ヘッド。
【請求項6】
前記界面における前記第二不純物元素の濃度と、前記内部領域における前記第二不純物元素の濃度とが等しい、請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項7】
前記第二不純物元素は、金属元素を含む、請求項５または請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項8】
前記第二不純物元素は、Ｈｆを含む、請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項9】
前記第二不純物元素は、Ｔｉを含む、請求項７または請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項10】
液体吐出ヘッドであって、
圧電素子と、
前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ ２ を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ ２ を含む第二層を含む振動板と、を備え、
前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、
前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高く、
前記第二層の前記界面は、圧縮応力を有し、
前記第二層の前記内部領域は、引張応力を有する、
液体吐出ヘッド。
【請求項11】
前記第一層における前記第一不純物元素の濃度は、前記界面における前記第一不純物元素の濃度よりも低く、且つ、前記内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも低い、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項12】
前記第二層は、柱状の結晶構造を有するＺｒＯ２を含む、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項13】
前記第二層は、単斜晶系のＺｒＯ２を含む、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項14】
請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドからの吐出動作を制御する制御部と、を有する、
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、液体吐出装置、アクチュエーターに関する。
【背景技術】
【0002】
ＺｒＯ２からなる絶縁膜と、ＳｉＯ２からなる弾性膜とを有する振動板と、振動板を変位させる圧電素子とを備える液体噴射ヘッドが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】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】
絶縁膜は、引張応力等の残留応力を有することがある。そのため、圧電素子の駆動により振動板に外力が加わると振動板が割れることがある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の第１の形態によれば、液体吐出ヘッドが提供される。この液体吐出ヘッドは、圧電素子と、前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ２を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ２を含む第二層を含む振動板と、を備える。前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高くてよい。
【0006】
本開示の第２の形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、上記第１の形態における液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドからの吐出動作を制御する制御部と、を有する。
【0007】
本開示の第３の形態によれば、アクチュエーターが提供される。このアクチュエーターは、圧電素子と、前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ２を含む第一層、および前記第一層に積層され、ＺｒＯ２を含む第二層を含む振動板と、を備える。前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記第一層と接する界面の方が、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までの内部領域よりも高くてよい。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本実施形態の液体吐出装置を示す説明図。
【図2】液体吐出ヘッドの平面図。
【図4】振動板を拡大して示す説明図。
【図5】弾性膜および絶縁体膜に含まれる元素の濃度分布の一例を示す説明図。
【図6】絶縁体膜の膜厚に対する残留応力の分布を示す説明図。
【図7】第二不純物元素としてＨｆを含む振動板における不純物元素の濃度の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態の液体吐出ヘッド１を搭載する液体吐出装置１００を示す説明図である。液体吐出装置１００は、液体であるインクを吐出するインクジェット方式の印刷装置である。液体吐出装置１００は、インクを貯留する液体容器２を備えており、液体容器２内のインクを用いて媒体ＰＭ上に画像を形成する。図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、ならびにＺ方向が模式的に示されている。図１に示す各方向は、図１以降の各図において共通する。
図１は、本実施形態の液体吐出ヘッド１を搭載する液体吐出装置１００を示す説明図である。液体吐出装置１００は、液体であるインクを吐出するインクジェット方式の印刷装置である。液体吐出装置１００は、インクを貯留する液体容器２を備えており、液体容器２内のインクを用いて媒体ＰＭ上に画像を形成する。図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、ならびにＺ方向が模式的に示されている。図１に示す各方向は、図１以降の各図において共通する。
【0010】
液体吐出装置１００は、液体吐出ヘッド１と、移動機構２４と、搬送機構８と、制御ユニット１２１と、を備えている。液体吐出ヘッド１は、液体容器２から供給されるインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドである。移動機構２４は、環状のベルト２４ｂと、液体吐出ヘッド１を保持するキャリッジ２４ｃとを備えている。キャリッジ２４ｃは、ベルト２４ｂに固定されている。移動機構２４は、ベルト２４ｂを正転と逆転との双方向に回転させることにより、キャリッジ２４ｃとともに液体吐出ヘッド１を一方向に沿って往復させる。搬送機構８は、液体吐出ヘッド１の移動方向とは交差する向きに沿って媒体ＰＭを搬送する。
【0011】
制御ユニット１２１は、搬送機構８と、移動機構２４と、液体吐出ヘッド１とを協働させることにより、媒体ＰＭ上に画像を形成させる制御部として機能する。より具体的には、制御ユニット１２１は、搬送機構８の駆動制御によって媒体ＰＭを搬送する間に、液体吐出ヘッド１によるインクの吐出制御と、移動機構２４の駆動制御による液体吐出ヘッド１の往復移動とを繰り返すことによって、媒体ＰＭ上に画像を形成する。
【0012】
図２は、液体吐出ヘッド１の平面図である。図２には、液体吐出ヘッド１において、媒体ＰＭと対向する面には、ノズルプレート２０が備えられている。ノズルプレート２０には、複数のノズル２１が一方向に沿って配列されている。
【0013】
図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ位置の断面図である。液体吐出ヘッド１は、流路形成基板１０と、連通板１５と、ノズルプレート２０と、コンプライアンス基板４９と、振動板５０と、アクチュエーター３００と、保護基板３０と、ケース部材４０とを備えている。図３の例において、ノズル２１によるインクの吐出方向と、Ｚ方向とは一致している。技術の理解を容易にするために、以下の説明において、一の基準位置に対するインクの吐出方向側を「下」とも呼び、一の基準位置に対するインクの吐出方向とは逆方向側を「上」とも呼ぶ。
【0014】
流路形成基板１０は、平板状の部材である。流路形成基板１０は、圧力室１２を備えている。連通板１５は、流路形成基板１０の下面側に配置されている。連通板１５は、インク流路を有する第一連通板１５１および第二連通板１５２が積層されることによって形成されている。連通板１５のインク流路には、第一連通部１６、第二連通部１７、第三連通部１８、第一流路２０１、第二流路２０２、ならびに供給路２０３が含まれる。第一流路２０１、第二流路２０２、供給路２０３、ならびに圧力室１２は、互いに連通することによってインクの流路を形成している。第一流路２０１、第二流路２０２、供給路２０３、ならびに圧力室１２は、ノズル２１の数と同一の数だけ備えられており、ノズル２１の配列方向に沿って配列されている。第一流路２０１、第二流路２０２、供給路２０３、ならびに圧力室１２を、まとめて「個別流路２００」とも呼ぶ。第一連通部１６、第二連通部１７、ならびに第三連通部１８は、それぞれ一つずつ備えられ、複数の個別流路２００に対して共通するインク流路として機能する。
【0015】
ノズルプレート２０は、連通板１５の下面側に配置されている。ノズルプレート２０は、連通板１５の下面側の開口の一部を塞いでおり、インク流路としての第一流路２０１、第二流路２０２、ならびに第三連通部１８の内壁として機能する。ノズルプレート２０における第一流路２０１を塞ぐ位置には、ノズル２１が形成されている。
【0016】
コンプライアンス基板４９は、連通板１５の下面側において、ノズルプレート２０を囲むように配置されている。コンプライアンス基板４９は、連通板１５の下面側の開口の一部を塞いでおり、インク流路としての第一連通部１６の内壁の一部として機能する。コンプライアンス基板４９は、封止膜４９１と、固定基板４９２とを備えている。固定基板４９２は、封止膜４９１の下面側に配置されている。固定基板４９２は、第一連通部１６を封止する領域にコンプライアンス部４９４を備えている。コンプライアンス部４９４は、封止膜４９１が露出される固定基板４９２に設けられる開口である。コンプライアンス部４９４は、連通板１５の第一連通部１６を封止する領域に配置されている。これにより、封止膜４９１は、固定基板４９２の開口内に向かって弾性変形することができ、第一連通部１６内の圧力変動を緩和する。
【0017】
保護基板３０は、アクチュエーター３００を収容する基板である。保護基板３０の内部には、凹状のアクチュエーター保持部３１を有する。アクチュエーター保持部３１は、複数のアクチュエーター３００を変形可能に収容するための空間を規定している。
【0018】
ケース部材４０は、流路形成基板１０、連通板１５、ならびに保護基板３０の上面を覆う部材である。ケース部材４０には、接続孔４５と、インク流路とが形成されている。接続孔４５は、ケース部材４０を上下に貫通する貫通孔である。接続孔４５内には、駆動回路１２６を備えるフレキシブルケーブル１２０が配置されている。駆動回路１２６は、圧電素子３２を駆動する駆動信号を供給するための半導体素子である。フレキシブルケーブル１２０は、接続孔４５内で、リード電極９０と電気的に接続されている。
【0019】
ケース部材４０のインク流路には、第一液室部４１、第二液室部４２、導入口４３、排出口４４が含まれる。導入口４３および排出口４４は、図示しないインク貯留室と接続されている。第一液室部４１は、連通板１５の第一連通部１６と連通し、第二液室部４２は、連通板１５の第二連通部１７と連通する。
【0020】
図３には、インクの流動方向が矢印を用いて模式的に示されている。インク貯留部から供給されたインクは、導入口４３からケース部材４０内の第一液室部４１に導入される。第一液室部４１に供給されたインクは、連通板１５の第一連通部１６に流動し、複数の個別流路２００のそれぞれに分流する。分流したインクは、供給路２０３、圧力室１２、第二流路２０２、ならびに第一流路２０１をこの順に流動して、第三連通部１８に至り合流する。第三連通部１８に供給されたインクは、第二連通部１７を経て、第二液室部４２に流動し、排出口４４からインク貯留部に排出される。インク貯留部に排出されたインクは、循環されて再び導入口４３から導入される。
【0021】
アクチュエーター３００は、流路形成基板１０の上面に配置されている。アクチュエーター３００は、入力された電気信号を物理的運動に変換して圧力室１２内のインクに伝達する。アクチュエーター３００は、圧電素子３２と、振動板５０とを備えている。圧電素子３２は、第一電極６０、圧電体層７０、ならびに第二電極８０を備えている。
【0022】
圧電体層７０は、第一電極６０と、第二電極８０との間に配置されている。圧電体層７０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる層であり、電圧が印加されることによって変形する。圧電体層７０は、ＰＺＴには限定されず、その他の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。
【0023】
圧電体層７０の下に設けられた第一電極６０は、圧電素子３２の共通電極であり、圧電体層７０の上に設けられた第二電極８０は、圧電素子３２の個別電極である。第二電極８０には、リード電極９０が接続されている。駆動回路１２６から出力される駆動信号は、フレキシブルケーブル１２０およびリード電極９０を介して第二電極８０に供給される。第一電極６０と、第二電極８０とによって圧電体層７０に電圧が印加され、圧電体層７０は変形する。なお、圧電体層７０の下に設けられた第一電極６０が個別電極とされ、圧電体層７０の上に設けられた第二電極８０が共通電極とされてもよい。
【0024】
振動板５０は、流路形成基板１０の上面において、アクチュエーター３００に接する状態で配置されている。振動板５０は、圧電素子３２の駆動、すなわち圧電体層７０の変形によって振動し、圧力室１２内のインクに圧力を付与する。圧力室１２内のインクの圧力変動が第二流路２０２および第一流路２０１内のインクに伝達されることによって、ノズル２１からインクが吐出される。
【0025】
振動板５０は、絶縁体膜５１と、弾性膜５２とを備えている。弾性膜５２は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含む層である。弾性膜５２を、「第一層５２」とも呼ぶ。弾性膜５２の厚さとしては、０．１μｍ以上０．５μｍ以下で設定されることが好ましい。弾性膜５２は、流路形成基板１０上に配置され、流路形成基板１０の上面側の開口を塞いでいる。弾性膜５２上には、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を含む絶縁体膜５１が積層されている。絶縁体膜５１を、「第二層５１」とも呼ぶ。絶縁体膜５１の厚みとしては、０．１μｍ以上１．２μｍ以下で設定されることが好ましい。本実施形態では、絶縁体膜５１は、柱状の結晶構造を有するＺｒＯ２を含んでいる。また、絶縁体膜５１は、単斜晶系のＺｒＯ２を含んでいる。本実施形態では、弾性膜５２および絶縁体膜５１には、例えば、合計量で１０質量％未満の不純物元素が含有されている。弾性膜５２および絶縁体膜５１に含まれる不純物元素の形態としては、原子や元素であってもよく、酸化物などの分子であってもよい。
【0026】
振動板５０の形成方法としては、流路形成基板１０を形成するためのシリコンウェハを約１１００度の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５２としての二酸化シリコン膜を形成する。形成された弾性膜５２上に、例えば、スパッタリング法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成し、５００度以上１２００度以下の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜５１を形成する。絶縁体膜５１に不純物元素を含有させる方法としては、例えば、スパッタリング法により絶縁体膜５１を形成する際に、不純物元素を予め含有させたターゲットを用いてスパッタリングすることにより絶縁体膜５１を成膜する方法が挙げられる。絶縁体膜５１に含有される不純物元素の濃度は、スパッタリングターゲット内の不純物元素の濃度の増減によって調節することができる。具体的には、不純物元素の濃度は、スパッタリングターゲット内の不純物元素の濃度を高くするほど高くできる。
【0027】
図４は、図３の範囲ＡＲを拡大して示す説明図である。図４には、技術の理解を容易にするために、振動板５０以外の部材の図示は省略されている。図４には、絶縁体膜５１の界面ＩＦ、絶縁体膜５１の表面ＳＲ１、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１、弾性膜５２の表面ＳＲ２、ならびに弾性膜５２の内部領域ＩＡ２が模式的に示されている。界面ＩＦは、絶縁体膜５１のうち弾性膜５２と接する領域を意味する。一般に、複数の層が積層された積層体の界面は、クラックの起点となり積層体の強度を低下させる要因となり得る。絶縁体膜５１の表面ＳＲ１は、界面領域ＦＡを挟んで弾性膜５２と反対側の領域に含まれる面であり、絶縁体膜５１における界面ＩＦとは逆側の面である。絶縁体膜５１の表面ＳＲ１は、図３に示すように、圧電素子３２と接する面である。絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１は、絶縁体膜５１の界面ＩＦから表面ＳＲ１までに含まれる領域である。弾性膜５２の表面ＳＲ２は、弾性膜５２のうち絶縁体膜５１と接する面とは逆側の面である。弾性膜５２の内部領域ＩＡ２は、弾性膜５２の表面ＳＲ２から、絶縁体膜５１と接する面までに含まれる領域である。界面ＩＦは、絶縁体膜５１のうち弾性膜５２と接する領域のみに限らず、絶縁体膜５１のうち弾性膜５２と接する領域と連続する一部の内部領域ＩＡ１が含まれていてもよい。
【0028】
図５は、弾性膜５２および絶縁体膜５１に含まれる元素の濃度分布の一例を示す説明図である。図５には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による振動板５０の膜厚に対する各元素および各分子の二次イオン強度の測定結果、すなわち振動板５０の膜厚に対する元素および分子ごとの濃度分布が示されている。図５の縦軸は、二次イオン強度を示し、横軸は、絶縁体膜５１の表面ＳＲ１からの深さ、すなわち振動板５０の膜厚を示している。図５の横軸には、弾性膜５２および絶縁体膜５１の表面ＳＲ１の位置と、界面ＩＦの位置とが示されている。図５の横軸の下側には、技術の理解を容易にするために、界面ＩＦの位置と、ＳｉＯ２層としての弾性膜５２の表面ＳＲ２の位置と、ＺｒＯ２層としての絶縁体膜５１の表面ＳＲ１の位置とが模式的に示されている。
【0029】
二次イオン強度の測定方法としては、２ｃｍ角のサイズに切り出した振動板５０のサンプルを準備する。振動板５０の形成方法としては、上述したように、シリコンウェハの表面に弾性膜５２としての二酸化シリコン膜を形成し、形成された弾性膜５２上にＺｒ層を形成し、熱酸化により酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜５１を形成する。準備した振動板５０のサンプルを、温度４５度かつ湿度９５％、ならびに重水が比較的多い環境である重水雰囲気に２４時間曝した後に回収する。回収した振動板５０のサンプルを二次イオン質量分析装置に投入し、測定した。測定対象とする元素は、例えば、水素、重水素、酸素、シリコン、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、鉄、クロムなどである。
【0030】
本実施形態において、弾性膜５２および絶縁体膜５１に含まれる不純物元素としては、第一不純物元素と、第二不純物元素とが含まれている。弾性膜５２の不純物元素には、Ｓｉは含まれず、絶縁体膜５１の不純物元素には、Ｚｒは含まれない。第一不純物元素と、第二不純物元素とは、絶縁体膜５１内での濃度分布の傾向が異なる点で相違する。
【0031】
第一不純物元素は、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１での濃度より、界面ＩＦでの濃度の方が高い不純物元素を意味する。第一不純物元素としては、図５の例において、クロム（Ｃｒ）および鉄（Ｆｅ）が該当する。Ｃｒは、例えば、組成式ＣｒＯとする酸化クロム（ＩＩ）として存在し、Ｆｅは、組成式ＦｅＯとする酸化鉄（ＩＩ）として存在する。Ｃｒは、組成式Ｃｒ２Ｏ３とする酸化クロム（ＩＩＩ）や組成式ＣｒＯ２とする酸化クロム（ＩＶ）、組成式ＣｒＯ３とする酸化クロム（ＶＩ）として存在していてもよい。界面ＩＦでの第一不純物元素の濃度が内部領域ＩＡ１よりも高くなる要因としては、弾性膜５２上に配置したＺｒ層を熱酸化させて絶縁体膜５１を形成する際に、Ｚｒ層が表面ＳＲ１から界面ＩＦに向かって順に酸化することにともなって、絶縁体膜５１内に含まれる第一不純物元素が界面ＩＦに向かって移動するためと考えられる。第一不純物元素は、金属元素であることが好ましい。なお、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１には、第一不純物元素が含まれなくてもよい。
【0032】
本実施形態では、絶縁体膜５１の第一不純物元素には、ＣｒおよびＦｅの他に、さらにＳｉが含まれている。図５に示すように、Ｓｉの濃度分布において、内部領域ＩＡ１でのＳｉの濃度よりも界面ＩＦでのＳｉの濃度の方が高い。Ｓｉの濃度分布では、図５に領域ＰＡとして示すように、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１において、濃度が一定となる平坦領域を有している。この平坦領域を「プラトー領域」とも呼ぶ。また、内部領域ＩＡ１でのＳｉの濃度分布は、界面ＩＦに向かうに従って緩やかに上昇する。
【0033】
本実施形態において、第一不純物元素は、弾性膜５２には含まれていない。ただし、第一不純物元素は、弾性膜５２に含まれていてもよい。この場合において、弾性膜５２内での第一不純物元素の濃度は、界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度よりも低く、且つ、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１における第一不純物元素の濃度よりも低くてよい。
【0034】
第二不純物元素は、絶縁体膜５１内での濃度が略一定となる傾向を示す元素を意味する。第二不純物元素としては、図５の例において、Ｔｉが該当する。Ｔｉは、例えば、組成式ＴｉＯとする一酸化チタンとして存在する。Ｔｉは、組成式ＴｉＯ２とする二酸化チタンや、組成式Ｔｉ２Ｏ３とする酸化チタン（ＩＩＩ）として存在していてもよい。第二不純物元素の濃度が一定となる要因としては、スパッタを完了して弾性膜５２上に形成されたＺｒ層内に拡散した第二不純物元素の熱酸化がＺｒとともに進行するためと考えられる。第二不純物元素は、金属元素であることが好ましく、Ｚｒよりも粒径の大きい金属元素であることがより好ましい。
【0035】
絶縁体膜５１において、界面ＩＦにおける第二不純物元素の濃度と、内部領域ＩＡ１における第二不純物元素の濃度との差ＤＦ１は、第一不純物元素であるＣｒの界面ＩＦでの濃度と、内部領域ＩＡ１におけるＣｒの濃度との差ＤＦ２よりも小さい。換言すれば、第二不純物元素は、界面ＩＦでの濃度が内部領域ＩＡ１よりも高くならない不純物元素である。界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度と、内部領域ＩＡ１における第一不純物元素の濃度とは、互いに等しくてもよい。
【0036】
図６は、絶縁体膜５１の膜厚に対する残留応力の分布を示す説明図である。図６には、第一不純物元素の濃度の異なる４つの絶縁体膜５１のサンプルにおける残留応力の測定結果が示されている。図６の横軸は、絶縁体膜５１の界面ＩＦから表面ＳＲ１までの膜厚を示しており、図６の縦軸は、絶縁体膜５１の残留応力を示している。残留応力の測定には、薄膜応力測定装置を用いた。残留応力は、サンプルの曲率を取得して応力に変換することによって得られる。絶縁体膜５１の各サンプルの残留応力は、絶縁体膜５１の表面ＳＲ１である残膜厚ＴＨ４から、アルゴンイオンを用いたイオンミリングによって内部領域ＩＡ１としての残膜厚ＴＨ１～ＴＨ３、ならびに界面ＩＦである残膜厚ＴＨ０まで削り、それぞれ測定した結果である。サンプルＳ１～Ｓ３の第一不純物元素の濃度は、１０質量％未満であり、それぞれ異なる。具体的には、サンプルＳ１の第一不純物元素の濃度が最も小さく、サンプルＳ３の第一不純物元素の濃度が最も大きく、サンプルＳ２の第一不純物元素の濃度は、サンプルＳ１より大きくサンプルＳ３よりも小さい。図６には、比較例として、第一不純物元素を含まないサンプルＳＲの結果が示されている。
【0037】
図６にサンプルＳＲとして示すように、絶縁体膜５１が第一不純物元素を含まない場合、絶縁体膜５１の界面ＩＦから表面ＳＲ１までのすべての残留応力が引張応力である。図６に残膜厚ＴＨ０でのサンプルＳ１～Ｓ３として示すように、第一不純物元素を含む絶縁体膜５１の界面ＩＦは、圧縮応力を有している。界面ＩＦでの圧縮応力は、第一不純物元素の濃度が高くなるに従って大きくなり、第一不純物元素の濃度が最も大きいサンプルＳ３で最も大きくなる。サンプルＳ１～Ｓ３において、界面ＩＦ以外、すなわち絶縁体膜５１の表面ＳＲ１である残膜厚ＴＨ４、ならびに内部領域ＩＡ１である残膜厚ＴＨ１～ＴＨ３の残留応力は、引張応力を有している。サンプルＳ１～Ｓ３において、表面ＳＲ１での引張応力は、内部領域ＩＡ１での引張応力よりも大きい。
【0038】
以上、説明したように、本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、振動板５０は、ＳｉＯ２を含む弾性膜５２と、ＺｒＯ２を含む絶縁体膜５１を備えている。絶縁体膜５１は、第一不純物元素を含んでおり、絶縁体膜５１の界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度は、内部領域ＩＡ１における第一不純物元素の濃度よりも高い。クラックの起点となりやすい界面ＩＦが残留応力としての圧縮応力を備えることによって、振動板５０の強度を向上することができる。
【0039】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、第一不純物元素は、金属元素を含む。したがって、界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度をより高くすることができ、振動板５０の強度をより向上することができる。
【0040】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、第一不純物元素は、Ｆｅを含む。したがって、界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度をより高くすることができ、振動板５０の強度をより向上することができる。
【0041】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、第一不純物元素は、Ｃｒを含む。したがって、界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度をより高くすることができ、振動板５０の強度をより向上することができる。
【0042】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、第一不純物元素は、Ｓｉを含む。したがって、絶縁体膜５１と弾性膜５２との密着性を向上することができ、振動板５０の強度を向上することができる。
【0043】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１は、第一不純物元素を含んでいる。したがって、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１に、第一不純物元素を含む振動板５０を得ることができる。
【0044】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、内部領域ＩＡ１には、第一不純物元素としてのＳｉを含んでいる。絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１におけるＳｉの濃度分布は、濃度が一定となる平坦領域を有している。したがって、内部領域ＩＡ１にＳｉ濃度の平坦領域を有する振動板５０を得ることができる。
【0045】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、絶縁体膜５１は、さらに、絶縁体膜５１内での濃度が略一定となる第二不純物元素を含んでいる。したがって、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１において濃度が略一定の第二不純物元素を含む振動板５０を得ることができる。
【0046】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、第二不純物元素は、金属元素を含む。したがって、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１において濃度が略一定となる金属元素を第二不純物元素として含む振動板５０を得ることができる。
【0047】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、第二不純物元素は、Ｔｉを含む。したがって、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１において濃度が略一定のＴｉを含む振動板５０を得ることができる。
【0048】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、弾性膜５２における第一不純物元素の濃度は、界面ＩＦにおける第一不純物元素の濃度よりも低く、且つ、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１における第一不純物元素の濃度よりも低い。弾性膜５２での第一不純物元素の濃度を低減することができ、弾性膜５２の生産性を高くすることができる。
【0049】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、絶縁体膜５１は、柱状の結晶構造を有するＺｒＯ２を含む。したがって、絶縁体膜５１と弾性膜５２との密着性を向上することができ、振動板５０の剥離等の発生を低減または防止することができる。
【0050】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、単斜晶系のＺｒＯ２を含む。したがって、絶縁体膜５１と弾性膜５２との密着性を向上することができ、振動板５０の剥離等の発生を低減または防止することができる。
【0051】
本実施形態の液体吐出ヘッド１によれば、絶縁体膜５１の界面ＩＦは、圧縮応力を有している。したがって、クラックの起点となりやすい界面ＩＦが残留応力としての圧縮応力を備えることによって、振動板５０の強度を向上することができる。また、内部領域ＩＡ１が残留応力としての引張応力を有することにより、絶縁体膜５１全体の残留応力のバランスを適正にすることができ、より強度の高い振動板５０を得ることができる。
【0052】
Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記各実施形態では、絶縁体膜５１には、第二不純物元素としてＴｉが含まれている例を示した。これに対して、絶縁体膜５１には、Ｔｉ以外の第二不純物元素が含まれてもよい。絶縁体膜５１に含まれる第二不純物元素としては、Ｔｉに代えて、またはＴｉとともに、Ｈｆが含まれていてもよい。Ｈｆは、組成式ＨｆＯ２とする酸化ハフニウムとして存在していてもよい。図７は、第二不純物元素としてＨｆを含む振動板５０の不純物元素の濃度の一例を示す説明図である。図７に示すように、Ｈｆは内部領域ＩＡ１での濃度が略一定となる。界面ＩＦにおけるＨｆの濃度と、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１におけるＨｆの濃度との差ＤＦ３は、第一不純物元素であるＣｒの界面ＩＦでの濃度と、内部領域ＩＡ１におけるＣｒの濃度との差ＤＦ４よりも小さい。
（Ｂ１）上記各実施形態では、絶縁体膜５１には、第二不純物元素としてＴｉが含まれている例を示した。これに対して、絶縁体膜５１には、Ｔｉ以外の第二不純物元素が含まれてもよい。絶縁体膜５１に含まれる第二不純物元素としては、Ｔｉに代えて、またはＴｉとともに、Ｈｆが含まれていてもよい。Ｈｆは、組成式ＨｆＯ２とする酸化ハフニウムとして存在していてもよい。図７は、第二不純物元素としてＨｆを含む振動板５０の不純物元素の濃度の一例を示す説明図である。図７に示すように、Ｈｆは内部領域ＩＡ１での濃度が略一定となる。界面ＩＦにおけるＨｆの濃度と、絶縁体膜５１の内部領域ＩＡ１におけるＨｆの濃度との差ＤＦ３は、第一不純物元素であるＣｒの界面ＩＦでの濃度と、内部領域ＩＡ１におけるＣｒの濃度との差ＤＦ４よりも小さい。
【0053】
Ｃ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【0054】
（１）本開示の一形態によれば、液体吐出ヘッドが提供される。この液体吐出ヘッドは、圧電素子と、前記圧電素子の駆動により振動する振動板であって、ＳｉＯ２を含む第一層、および前記第一層に積層されるＺｒＯ２を含む第二層を含む振動板と、を備える。前記第二層は、Ｚｒとは異なる第一不純物元素を含み、前記第二層のうち前記第一層と接する界面における前記第一不純物元素の濃度は、前記第二層のうち前記界面から前記第二層の表面までに含まれる内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも高くてよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、振動板の強度を向上し、圧電素子の駆動により振動板が割れてしまう不具合を低減または防止することができる。
【0055】
（２）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第一不純物元素は、金属元素を含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、振動板の強度をより向上することができる。
【0056】
（３）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第一不純物元素は、Ｆｅを含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、振動板の強度をより向上することができる。
【0057】
（４）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第一不純物元素は、Ｃｒを含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、振動板の強度をより向上することができる。
【0058】
（５）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第一不純物元素は、Ｓｉを含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層と第一層との密着性を向上することができる。
【0059】
（６）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記内部領域は、前記第一不純物元素を含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層の内部領域に、第一不純物元素を含む振動板を得ることができる。
【0060】
（７）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記内部領域に含まれる前記第一不純物元素は、Ｓｉを含んでよい。前記内部領域におけるＳｉの濃度分布は、少なくとも一部の濃度が一定となる平坦領域を有してよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、内部領域にＳｉ濃度の平坦領域を有する振動板を得ることができる。
【0061】
（８）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二層は、さらに、Ｚｒおよび前記第一不純物元素とは異なる第二不純物元素を含んでよい。前記界面における前記第二不純物元素の濃度と、前記内部領域における前記第二不純物元素の濃度との差は、前記界面における前記第一不純物元素の濃度と、前記内部領域における前記第一不純物元素の濃度との差よりも小さくてよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層の内部領域において濃度が略一定の第二不純物元素を含む振動板を得ることができる。
【0062】
（９）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記界面における前記第二不純物元素の濃度と、前記内部領域における前記第二不純物元素の濃度とが等しくてよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、内部領域において濃度が略一定となる第二不純物元素を含む振動板を得ることができる。
【0063】
（１０）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二不純物元素は、金属元素を含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、内部領域において濃度が略一定となる金属元素を第二不純物元素として含む振動板を得ることができる。
【0064】
（１１）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二不純物元素は、Ｈｆを含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層の内部領域においてＨｆを含む振動板を得ることができる。
【0065】
（１２）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二不純物元素は、Ｔｉを含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層の内部領域においてＴｉを含む振動板を得ることができる。
【0066】
（１３）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第一層における前記第一不純物元素の濃度は、前記界面における前記第一不純物元素の濃度よりも低く、且つ、前記内部領域における前記第一不純物元素の濃度よりも低くてよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第一層での第一不純物元素の濃度を低減することができ、第一層の生産性を高くすることができる。
【0067】
（１４）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二層は、柱状の結晶構造を有するＺｒＯ２を含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層と第一層との密着性を向上することができ、振動板の剥離等の発生を低減または防止することができる。
【0068】
（１５）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二層は、単斜晶系のＺｒＯ２を含んでよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、第二層と第一層との密着性を向上することができ、振動板の剥離等の発生を低減または防止することができる。
【0069】
（１６）上記形態の液体吐出ヘッドにおいて、前記第二層の前記界面は、圧縮応力を有し、前記第二層の前記内部領域は、引張応力を有してよい。この形態の液体吐出ヘッドによれば、残留応力としての圧縮応力を界面に備え、引張応力を内部領域に備えることができ、振動板全体の強度を向上することができる。
【0070】
（１７）本開示の他の形態によれば、液体吐出装置が提供される。液体吐出装置は、上記形態の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドからの吐出動作を制御する制御部と、を有する。この形態の液体吐出ヘッドによれば、振動板の強度を向上した液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置を得ることができる。
【0071】
本開示は、液体吐出ヘッド以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、アクチュエーター、液体吐出装置、印刷装置、液体吐出装置の制御方法、液体吐出ヘッドの制御方法、アクチュエーターの制御方法、液体吐出方法、それらの方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【符号の説明】
【0072】
１…液体吐出ヘッド、２…液体容器、８…搬送機構、１０…流路形成基板、１２…圧力室、１５…連通板、１６…第一連通部、１７…第二連通部、１８…第三連通部、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、２４…移動機構、２４ｂ…ベルト、２４ｃ…キャリッジ、３０…保護基板、３１…アクチュエーター保持部、３２…圧電素子、４０…ケース部材、４１…第一液室部、４２…第二液室部、４３…導入口、４４…排出口、４５…接続孔、４９…コンプライアンス基板、５０…振動板、５１…絶縁体膜、５２…弾性膜、６０…第一電極、７０…圧電体層、８０…第二電極、９０…リード電極、１００…液体吐出装置、１２０…フレキシブルケーブル、１２１…制御ユニット、１２６…駆動回路、１５１…第一連通板、１５２…第二連通板、２００…個別流路、２０１…第一流路、２０２…第二流路、２０３…供給路、３００…アクチュエーター、４９１…封止膜、４９２…固定基板、４９４…コンプライアンス部、ＰＭ…媒体、Ｓ１～Ｓ３，ＳＲ…サンプル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】