CN106142841B - 压电促动器和记录头 - Google Patents

Abstract

提供一种压电促动器，向压力室呈凸出状地位移并对压力室内的液体施加压力，其包括具有压缩应力的振动板、具有拉伸应力的压电层和分立电极。所述振动板的压缩应力为在所述压电促动器的柔量和电压施加时的所述压力室的位移体积的关系中产生极点的阈值以上的大小，该极点是所述位移体积相对于所述柔量的增加而从增加转向减少的点，所述压电促动器的厚度比与给出所述极点的所述柔量对应的第一厚度大。

Description

压电促动器和记录头

技术领域

本发明涉及能够对压力室的液体施加压力的压电促动器及具备该压电促动器的记录头。

背景技术

在日本特开2013-63559号公报中记载了包含独立流路基板的记录头，该独立流路基板形成有多个独立液室(压力室)，在覆盖各独立液室的振动板上形成由下部电极、压电体(压电层)、上部电极构成的电机械转换元件。该记录头的电机械转换元件通过使用溶胶凝胶法的成膜方式形成，并通过供给电信号而被驱动。通过伴随着该电机械转换元件的驱动的振动板的机械振动，对独立液室内的墨水施加压力，墨水从喷嘴喷出。

在日本特开2013-63559号公报所记载的记录头中，由于电机械转换元件的压电体通过溶胶凝胶法(包含烧结工序)等而形成，因此拉伸应力残留于压电体。由此，从压电体向振动板施加较强的张力且在电机械转换元件的上部电极和下部电极施加了电压(电信号的供给)时的振动板和电机械转换元件的变形能力下降。其结果是，产生由振动板和电机械转换元件引起的位移体积(通过振动板位移而存在于独立液室内的体积)下降的问题。

因此，本发明人研究使各种大小的压缩应力残留在振动板来缓和压电层(压电体)的拉伸应力的构成后，认识到以下的课题，并得到本发明。

参照图1的记录头说明在该研究时采用的压电促动器1。如图1所示，压电促动器1固定在支撑基板11的上表面11a(一个平面)，并覆盖形成于支撑基板11的压力室10的开口。压电促动器1通过对分立电极4和共用电极2c(在下文一起叙述)施加预定的电压而朝向对应的压力室10呈凸出状地位移(图1(a)中以双点划线表示)，对压力室10内的液体施加压力。压力室10与喷嘴(未图示)连通。当压力施加到压力室10内的液体时，液体从喷嘴喷出。此时，从液体供给部(均未图示)向压力室10内供给液体。如图1(b)所示，多个压力室10在俯视视角中具有左右方向较长的矩形形状，并在一个方向(上下方向)上并列地配置。

压电促动器1具有振动板2、多个压电层3和多个分立电极4。振动板2横跨多个压力室10地形成，并具有振动板主体2a、保护层2b和共用电极2c。振动板主体2a由硅氧化物膜(SiO₂)和硅氮化物膜(SiN)的两层结构构成，硅氧化物膜的下表面是与支撑基板11的固定面。保护层2b由氧化铝(Al₂O₃)构成，并形成在振动板主体2a的整个上表面。保护层2b是防扩散膜，经由保护层2b，除了氧和氢之外还限制构成其他层的元素的移动。共用电极2c由钛(Ti)和铂(Pt)的两层结构构成，并形成在保护层2b的整个上表面。此外，振动板主体2a利用公知的等离子CVD法形成在压力室10形成前的支撑基板11的上表面11a。而且，保护层2b和共用电极2c利用公知的溅射法依次形成在振动板主体2a。

压电层3在振动板2的上表面(共用电极2c的上表面)分别层叠在沿竖直方向(与上表面11a正交的方向)与各压力室10相对的区域(图1(b)中以虚线表示的区域)内。该压电层3由锆钛酸铅(PZT)构成，并利用溶胶凝胶法形成。分立电极4由铂(Pt)构成，并层叠在各压电层3的上表面。分立电极4利用公知的溅射法形成。

在此，使残留在振动板2内的压缩应力在例如100MPa～500MPa的范围内变更，并且使各压缩应力下的压电促动器1的厚度T等间距地变更，检测柔量(p1/MPa)和位移体积(p1)相对于这些条件的组合的关系。此时，振动板主体2a的厚度在0.4μm～2.0μm的范围内变更，压电层3的厚度在0.4μm～1.0μm的范围内变更。压电促动器1的厚度T按每0.2μm地在1.05μm～3.25μm范围内变更。另外，除了振动板主体2a和压电层3之外部分的总厚度恒定为0.25μm，并在共用的成膜条件下形成。而且，压力室10的宽度(图1(b)中上下方向的宽度)W1为70μm，压电层3的宽度(图1(b)中上下方向的宽度)W2为50μm，压电层3的拉伸应力为200MPa，施加到分立电极4和共用电极2c的电压是预定的固定值。另外，柔量(compliance)是将压电促动器1看作两端固定的二维模型，针对各层的尺寸、内部应力等的组合，利用施加了预定的加权时的位移量来计算出的。在图2中示出测定结果。图2(a)是残留压缩应力为200MPa的情况，图2(b)是残留压缩应力为500MPa的情况，在图2(a)和图2(b)中包含仅压缩应力相互不同而厚度相同(振动板主体2a的厚度和压电层3的厚度也相同)的压电促动器的数据。

横轴的位移体积越大越好，这有助于利用更低的电压进行驱动及压力室10的小型化。当压电促动器1的厚度增加时，纵轴的柔量变小，能够获得高刚度的压电促动器1。这有助于高频驱动和压电变形力(驱动力)有效地转换成喷出能量。在图2(a)所示的残留压缩应力较小的情况下，在压电促动器1的厚度的变化范围内，当柔量：Cp大时，位移体积也增大。在图2(b)所示的残留压缩应力较大的情况下，在柔量比约30p1/Mpa(图中的叉记号所示的地点)低的区域示出与残留压缩应力较小的情况相同的倾向。当对两者进行比较时，如果柔量相同的话，残留压缩应力越高，则位移体积越大。在实际效果上，能量传送效率得到提高。

然而，在柔量比约30p1/Mpa大的区域，当柔量增大时，位移体积减小。也就是说，当残留压缩应力较大时，在柔量-位移体积特性产生极点(图2(b)中的叉记号)。另外，图中的极点是基于多个测定点并利用该多个测定点的分布的近似曲线求导出的点。

压电促动器1被划定压力室10的隔壁(支撑基板11)约束。实际上的压电促动器1在各层具有残留应力，即使在没有施加电压的初始状态下也已变形(初始位移)。在本实施例中，压电促动器1在压力室10侧为凸出状。当在该状态下被驱动时，在压电促动器1产生两种变形效果。

一种是压电促动器1的单层压电片(Unimorph)变形。通过基于压电层3和振动板2的组合的变形，压电层3自主地收缩，在压电层3和振动板2之间产生面方向的变形差，压电促动器1朝向压力室10呈凸出状地变形。在本实施例中，是压力室10的容积减少(位移体积增加)方向。此时，振动板2的残留压缩应力越大则柔量越高，因此单层压电片变形容易(变形量大)。另一种是压电促动器1向平坦状态复原。压电促动器1主要通过基于压电层3的自主收缩的变形而向平坦状态变化。在本实施例中，是压力室10的容积增加(位移体积减少)方向。此时，初始位移(振动板2的残留压缩应力)越大，则越大幅度地复原。

在此，上述极点是位移体积相对于柔量的变化而恒定的点，可以说是伴随着柔量的增加而使单层压电片变形对位移体积的贡献和复原对位移体积的贡献达到平衡的点。以极点为边界，在柔量小的区域，单层压电片变形的效果占优势，在柔量大的区域，复原的效果显著。因此，位移体积(相当于由驱动引起的变形和初始变形的差值即有效位移)相对于柔量的增长率从正向负转变。

使用图3进行具体说明。针对压电层3的厚度为0.4μm、残留拉伸应力为200MPa以及振动板2的厚度为0.8μm的情况，图3(a)示出柔量-位移体积特性，图3(b)示出位移-残留压缩应力特性。另外，压电位移包含单层压电片变形和复原这两种效果。图3(c)示出位移体积和柔量-残留压缩应力特性。柔量-位移体积特性将振动板2的残留压缩应力作为参数，在残留压缩应力为0MPa～500MPa的范围内，柔量按每100MPa且呈升序地与图中的数据点对应。

极点是残留压缩应力为300MPa时。此时，如图3(b)所示，有效位移变得极大。以此为界，初始位移激增，有效位移减少。如图3(c)所示，柔量相对于残留压缩应力以300MPa为界急剧增加。然而，如图3(b)所示，初始位移示出与此对应地变化，但是压电位移增加迟缓。可以认为，相对于压电位移，复原的作用的比例在增加。而且，在柔量大的区域中，压电促动器1内含有相对于刚度而言过大的压缩应力。此时，可以说压电促动器1处于初始变形非常大的状态。在本申请中，将这种非常大的变形称作翘曲变形(buckling-likedeformation)。另外，在本申请中，“翘曲变形”并不意味着大到压电促动器1产生裂纹而破损的严重变形，而是意味着虽然未破损但非常大的变形状态。当在这样状态下使用压电促动器1时，容易在该压电促动器1产生裂纹。其结果是，产生压电促动器1容易破损的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种压电促动器，能够确保压电促动器的较高的变形能力并且能抑制压电促动器被破坏。

根据本发明的第一方式，提供一种压电促动器，固定于一个平面并覆盖在该一个平面开口的压力室，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，所述压电促动器包括：振动板，固定于所述一个平面并具有压缩应力；压电层，层叠在所述振动板的与所述一个平面相反侧且在与所述一个平面正交方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及分立电极，层叠在所述压电层上。所述振动板的压缩应力为在所述压电促动器的柔量和电压施加时的所述压力室的位移体积的关系中产生极点的阈值以上的大小，所述极点是所述位移体积相对于所述柔量的增加而从增加转向减少的点，所述压电促动器的厚度大于与给出所述极点的所述柔量对应的第一厚度。

据此，压电层具有拉伸应力，利用振动板的压缩应力缓和压电层的拉伸应力，并且压电促动器自身的柔量小到阈值以上(压电促动器自身的厚度大到阈值以上)，因此与振动板的压缩应力对应而提高压电促动器的变形能力。而且，压电促动器由于其残留压缩应力相对于其自身的刚度而言并不会过大，能够避免翘曲变形，因此能够确保压电促动器的较高的变形能力，并且能够抑制压电促动器被破坏。

在本发明中，优选所述压电层利用溶胶凝胶法形成在所述振动板上。由此，能够用比较简单的方法廉价地形成厚度小的压电层，能够使拉伸应力残留在压电层。

根据本发明的第二方式，提供一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的多个压力室；以及如本发明第一方式所述的压电促动器，所述振动板横跨所述多个压力室并固定在所述支撑基板的所述一个表面。

根据本发明的第三方式，提供一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的多个压力室；以及压电促动器，以覆盖所述多个压力室的方式固定于所述支撑基板的所述一个表面，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，所述压电促动器包括：振动板，固定在所述一个表面且具有压缩应力；压电层，层叠在所述振动板的与所述一个表面相反侧的面上的在与所述一个表面正交方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及分立电极，层叠在所述压电层上，所述多个压力室和多个压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，所述各压力室的宽度方向的宽度的长度为100μm～132μm，所述振动板具有300MPa～500MPa的压缩应力，所述各压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述各压电层的宽度方向的长度为70μm～92μm，且所述各压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，所述压电促动器的厚度为4.5μm以上。

根据本发明的第四方式，提供一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的多个压力室；以及压电促动器，以覆盖所述多个压力室的方式固定于所述支撑基板的所述一个表面，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，该压电促动器包括：振动板，固定在所述一个表面且具有压缩应力；压电层，层叠在所述振动板的与所述一个表面相反侧的面上的在与所述一个表面正交方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及分立电极，层叠在所述压电层上，所述多个压力室和多个压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，所述各压力室的宽度方向的长度为100μm～132μm，所述振动板具有300MPa～400MPa的压缩应力，所述各压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述各压电层的宽度方向的长度为70μm～92μm，且所述各压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，所述压电促动器的厚度为3.9μm以上。

根据本发明的第五方式，提供一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的多个压力室；以及压电促动器，以覆盖所述多个压力室的方式固定于所述支撑基板的所述一个表面，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，该压电促动器包括：振动板，固定在所述一个表面且具有压缩应力；压电层，层叠在所述振动板的与所述一个表面相反侧的面上的在与所述一个表面正交方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及分立电极，层叠在所述压电层上，所述多个压力室和多个压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，所述各压力室的宽度方向的长度为70μm～100μm，所述振动板具有440MPa～500MPa的压缩应力，所述各压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述各压电层的宽度方向的长度为50μm～70μm，且所述各压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，所述压电促动器的厚度为3.3μm以上。

附图说明

图1(a)、图1(b)表示将本发明应用于记录头的一实施方式中的压电促动器，图1(a)是主要部分的剖视图，图1(b)是主要部分的俯视图。

图2(a)是表示压电层的残留拉伸应力为200MPa、振动板的残留压缩应力为200MPa时的柔量和位移体积的关系的图表，图2(b)是表示压电层的残留拉伸应力为200MPa、振动板的残留压缩应力为500MPa时的柔量和位移体积的关系的图表。

图3(a)是表示压电层的厚度为0.4μm、残留拉伸应力为200MPa以及振动板的厚度为0.8μm时的柔量-位移体积特性的图表，图3(b)是表示压电层的厚度为0.4μm、残留拉伸应力为200MPa以及振动板的厚度为0.8μm时的位移-残留压缩应力特性的图表，图3(c)是表示压电层的厚度为0.4μm、残留拉伸应力为200MPa以及振动板的厚度为0.8μm时的位移体积及柔量-残留压缩应力特性的图表。

图4(a)～(f)是表示第一条件下的柔量和位移体积的关系的图表。

图5(a)～(f)是表示第二条件下的柔量和位移体积的关系的图表。

图6(a)～(f)是表示其他条件下的柔量和位移体积的关系的图表。

具体实施方式

以下，说明本发明的实施方式。

由于本实施方式的记录头中的压电促动器的构成与图1所示的上述压电促动器1相同，因此省略详细的说明。在本实施方式的压电促动器1中，相对于残留了拉伸应力的压电层3，使后述的阈值以上的压缩应力残留在振动板2。压电促动器1的厚度T根据残留在振动板2的压缩应力而比预定厚度大。在此所谓的预定厚度是指压电促动器1在柔量-位移体积特性中取得极点的厚度。

以下，参照图4和图5说明在预定条件(第一和第二条件)下产生的极点。本实施方式中的压电促动器1的压电层3如上述那样采用公知的溶胶凝胶法形成。此时，压电材料的溶胶凝胶溶液在预定条件下旋转涂覆在振动板2上后，以预定温度干燥。该操作重复多次。然后，通过预定温度的烧结来形成预定厚度的压电层3。在此情况下，能够利用比较简单的方法廉价地形成薄膜状的压电层3，并在内部残留拉伸应力。压电层3也可以通过每次旋转涂覆后都进行干燥和烧结而形成。

作为第一条件，压力室10的宽度W1为100μm，压电层3的宽度W2为70μm，施加到分立电极4和共用电极2c的电压为预定的固定值，压电层3的残留拉伸应力为100Mpa，并使振动板2的压缩应力在0Mpa～500Mpa范围内按每100Mpa地进行变化。在图4(a)～(f)中表示此时的柔量(p1/Mpa)和位移体积(pl)的关系。另外，分立电极4、共用电极2c、保护层2b的厚度为预定的固定值。在本实施方式中，分立电极4为0.05μm、共用电极2c为0.12μm、保护层2b为0.08μm。将等离子CVD膜层叠在硅(Si)制支撑基板11的上表面所形成的热氧化膜(厚度0.1μm)上来形成振动板主体2a。此时，通过改变真空槽的压力、接通电力、气体流量等来调整振动板主体2a的厚度和残留在振动板主体2a的压缩应力。本实施方式中的振动板主体2a由硅氧化物膜(SiO₂)和硅氮化物膜(SiN)的两层结构构成，但也可以仅由硅氧化物膜构成。也可以由其他材料构成。另外，也可以采用除了等离子CVD法之外的方法(例如蒸镀法、溅射法、热氧化法)形成振动板主体2a。而且，支撑基板11的热氧化膜也成为形成压力室10时的蚀刻停止用的停止层。

图4(a)～(f)的各图中所示的多个点与在2.15μm～4.15μm的范围内按每0.2μm地变化的压电促动器1的厚度T对应。此时的压电层3的厚度范围为0.5μm～1.3μm，振动板主体2a的厚度范围为1.4μm～2.6μm的厚度范围，使各厚度范围内的压电层3和振动板主体2a组合。

图4(a)是振动板2的残留压缩应力为0Mpa时的图表，表示随着压电促动器1的厚度T变薄，位移体积和柔量均增大的倾向。此时，压电促动器1在柔量-位移体积特性不存在极点。图4(b)是振动板2的残留压缩应力为100Mpa时的图表，该情况下也表示与图4(a)相同的倾向。图4(c)是振动板2的残留压缩应力为200Mpa时的图表，该情况下也表示与图4(a)和图4(b)相同的倾向。

图4(d)是振动板2的残留压缩应力为300Mpa时的图表。该情况从基于多个点的近似曲线求导出极点(图中叉记号)。该极点在压电促动器1的厚度T为2.5μm时出现，柔量为34.3pl/Mpa，位移体积是5.5pl。在柔量比极点小的区域内，与图4(a)～4(c)相同地，表示随着压电促动器1的厚度T变薄，位移体积和柔量均增大的倾向。在该压电促动器1中，压电位移和初始位移的差值(相当于位移体积)在极点呈现最大。在极点和其附近，相对于预定的电压施加的单层压电片变形和复原这两种效果相抵，位移体积几乎不增加。随着压电促动器1的厚度T进一步变薄，柔量增大，位移体积逐渐减少。由此，相对于100MPa的压电层3的拉伸应力，与振动板2的压缩应力相关的极点产生的阈值处于200MPa～300MPa之间。

图4(e)是振动板2的残留压缩应力为400Mpa时的图表。由近似曲线求导出的极点在压电促动器1的厚度T为2.9μm时出现，柔量为35.1pl/Mpa，位移体积是6.3pl。隔着极点的柔量和位移体积的关系与残留压缩应力为300Mpa时相同。

图4(f)是振动板2的残留压缩应力为500Mpa时的图表。从近似曲线求导出的极点在压电促动器1的厚度T为3.3μm时出现，柔量为33.0pl/Mpa，位移体积是7.1pl。隔着极点的柔量和位移体积的关系与残留压缩应力为300Mpa和400Mpa时相同。另外，虽然压电促动器1的厚度和柔量的关系因振动板2和压电层3的残留应力彼此组合而不同，但当任一个厚度变小时，存在柔量增大的倾向。

接下来，作为第二条件，将压力室10的宽度W1变更成132μm，将压电层3的宽度W2变更成92μm，并且也变更压电促动器1的厚度T的范围。除此之外，与第一条件相同。在图5(a)～(f)中表示此时的柔量(p1/Mpa)和位移体积(p1)的关系。

图5(a)～(f)的各图所示的多个点与在2.55μm～6.25μm的范围内变化的压电促动器1的厚度T对应。更具体地说，使压电促动器1的厚度T变化为2.55μm、2.65μm、2.95μm、3.05μm、3.15μm、5.25μm、5.35μm、5.45μm、5.75μm、5.85μm、6.25μm，在3.35μm～5.05μm范围内按每0.1μm地进行变化。而且，此时的压电层3的厚度范围为0.4μm～2.0μm，振动板主体2a的厚度范围是1.5μm～4.0μm的厚度范围，使各厚度范围内的压电层3和振动板主体2a组合。

图5(a)是振动板2的残留压缩应力为0Mpa时的图表，表示随着压电促动器1的厚度T变薄，位移体积和柔量均增大的倾向。此时，压电促动器1在柔量-位移体积特性不存在极点。图5(b)是振动板2的残留压缩应力为100Mpa时的图表，该情况下也表示与图5(a)相同的倾向。

图5(c)是振动板2的残留压缩应力为200Mpa时的图表。该情况从基于多个点的近似曲线求导出极点(图中叉记号)。该极点在压电促动器1的厚度T为2.8μm时出现，柔量为80.0pl/Mpa，位移体积是8.1pl。在柔量比极点小的区域内，表示随着压电促动器1的厚度T变小而位移体积和柔量均增大的倾向。在该压电促动器1中，压电位移和初始位移的差值(相当于位移体积)在极点呈现最大。在极点和其附近，相对于预定电压施加的单层压电片变形和复原这两种效果相抵，位移体积几乎不增加。当柔量进一步增大时，位移体积逐渐减少。由此，相对于100MPa的压电层3的拉伸应力，与振动板2的压缩应力相关的极点产生的阈值处于100MPa～200MPa之间。

图5(d)是振动板2的残留压缩应力为300Mpa时的图表。从近似曲线求导出的极点在压电促动器1的厚度T为3.5μm时出现，柔量为80.0pl/Mpa，位移体积是9.6pl。图5(e)是振动板2的残留压缩应力为400Mpa时的图表。在此情况下，极点在压电促动器1的厚度T为3.9μm时出现，柔量为75.0pl/Mpa，位移体积是10.5pl。图5(f)是振动板2的残留压缩应力为500Mpa时的图表。极点在压电促动器1的厚度T为4.5μm时出现，柔量为65.0pl/Mpa，位移体积是11.6pl。由此，隔着极点的柔量和位移体积在图5(d)～图5(f)中也表示与图5(c)相同的关系。

由此，从图4(a)～4(f)和图5(a)～5(f)可知，即使压电促动器1的厚度T为相同值，随着振动板2的压缩应力增大，也能够获得更大的位移体积。在此，具有残留拉伸应力的压电层3处于在与面正交的方向难以变形(翘曲变形)的状态。另一方面，具有残留压缩应力的振动板2根据应力值和尺寸、形状的关系而处于容易翘曲变形的状态。如果将两者组合，则在振动板2侧呈凸出状(在本实施例中向压力室凸出)地变形的状态下稳定，随着残留压缩应力的增加而变形量(初始变形量)也增加。压电促动器1呈现与振动板2和压电层3的组合对应的翘曲状态。残留压缩应力越大，则压电促动器1示出越大的翘曲。针对与电压施加时的驱动力对应的弯曲力矩在初始变形越大时越容易变形的现象，能够从结构力学角度进行说明。即，压电层3的拉伸应力被振动板2的压缩应力缓和，压电促动器1的变形能力提高。而且，即使从在相同的柔量下也能够获得更大的位移体积这方面考虑，也优选振动板2的压缩应力越高越好。

当振动板2的压缩应力增大时，在柔量—位移体积特性出现极点。该极点不仅在上述第一和第二条件下出现，而且在对压力室10的形状、压电促动器1的材质和层构成乃至拉伸应力的大小进行各种变更并进行的相同的实验中，当振动板2具有某个压缩应力时，极点也与上述相同地出现。例如，针对第二条件，在将压电层3的残留拉伸应力变更为400Mpa的情况下，虽然达不到100Mpa的情况下的程度，但是当振动板2的压缩应力增大时，极点向位移体积大的一侧偏移。具体而言，振动板2的极点发生的阈值处于100Mpa～200Mpa之间，在压缩应力为200Mpa时给出极点的压电促动器1的厚度为3.1μm，柔量为50.0pl/MPa，位移体积为6.0pl。在压缩应力为300Mpa时，给出极点的压电促动器1的厚度为3.6μm，柔量为50.0pl/MPa，位移体积为7.0pl。在压缩应力为400Mpa时，厚度为4.1μm，柔量为40.0pl/MPa，位移体积为7.6pl。在压缩应力为500Mpa时，厚度为4.6μm，柔量为40.0pl/MPa，位移体积为8.0pl。在将压电层3的残留拉伸应力设为200Mpa的情况下，各指标值分别示出100Mpa时和400Mpa时的中间值。

在获得极点的厚度T以下的压电促动器中，内含有相对于刚度而言过大的压缩应力。此时，压电促动器1的初始变形大到可以称为翘曲变形的程度。这种状态的压电促动器1相对于外力而言较脆弱。由此，当压电促动器被驱动时，容易在该位移区域内产生裂纹。然而，本实施方式的压电促动器1比获得极点的厚度厚。由此，其残留压缩应力相对于其自身刚度而言并不会过大，能够避免翘曲变形。因此，压电促动器1不会产生裂纹等损伤，而能够自由地进行与驱动条件相应的变形。

如上所述，本实施方式的压电促动器1的压电层3具有拉伸应力，利用振动板2的压缩应力缓和压电层3的拉伸应力，并且压电促动器1自身的柔量至少小于给出与振动板2的压缩应力相关的阈值所对应的柔量-位移体积特性上的极点的柔量(即压电促动器1自身厚度是与该阈值对应的厚度以上的厚度)，因此与振动板2的压缩应力对应而使压电促动器1的变形能力提高。而且，压电促动器1由于其残留压缩应力相对于其自身刚度而言并不会过大，能够避免翘曲变形，因此能够确保压电促动器1的较高的变形能力，并且能够抑制压电促动器1被破坏。此外，通过振动板2具有阈值以上的压缩应力，从而位移体积增大，即压电促动器1具有较高的变形能力。

而且，在压电层3具有拉伸应力且振动板2具有压缩应力的压电促动器中，在除了上述第一和第二条件之外的条件下出现极点的情况下，只要压电促动器1具有比获得该极点的柔量小的柔量即可。由此，能够获得与上述相同的效果。而且，压电促动器1的厚度T优选是获得极点的预定厚度的120％以上。由此，压电促动器1切实地具有较高的变形能力。更优选的是，压电促动器1的厚度T为预定厚度的110％以上。由此，压电促动器1具有更高的变形能力。最优选的是，压电促动器1的厚度T为预定厚度的105％以上。由此，压电促动器1具有极高的变形能力。

进而，本发明人研究了使各种大小的压缩应力残留在振动板来缓和压电层(压电体)的拉伸应力的其他结构。使残留在振动板2的压缩应力例如在400MPa～500MPa的范围内变化，并且使各压缩应力下的压电促动器1的厚度T等间隔地变化，检测柔量(p1/MPa)和位移体积(p1)相对于这些条件的组合的关系。此时，振动板主体2a的厚度在1.2μm～2.0μm的范围内变更，压电层3的厚度在0.4μm～1.0μm的范围内变更。压电促动器1的厚度T在1.6μm～3.0μm范围内按每0.2μm地变更。另外，除了振动板主体2a和压电层3之外的部分的总厚度恒定为0.33μm，并在共用的成膜条件下形成。具体而言，分立电极4为0.05μm、共用电极2c为0.12μm、保护层2b为0.08μm，在硅制支撑基板11的上表面形成的热氧化膜的厚度为0.08μm。而且，压力室10的宽度(图1(b)中上下方向的宽度)W1为70μm，压电层3的宽度(图1(b)中上下方向的宽度)W2为50μm，压电层3的拉伸应力为200MPa，施加到分立电极4和共用电极2c的电压为预定的固定值。

图6(a)～(f)的各图所示的多个点与在1.6μm～3.0μm范围内按每0.2μm地变化的压电促动器1的厚度T对应。此时的压电层3的厚度范围为0.4μm～1.0μm，振动板主体2a的厚度范围为1.2μm～2.0μm，使各厚度范围内的压电层3和振动板主体2a组合。

图6(a)是振动板2的残留压缩应力为400Mpa时的图表，表示随着压电促动器1的厚度T变薄，位移体积和柔量均增大的倾向。此时，压电促动器1在柔量-位移体积特性不存在极点。图6(b)是振动板2的残留压缩应力为420Mpa时的图表，该情况下也示出与图6(a)相同的倾向。

图6(c)是振动板2的残留压缩应力为440Mpa时的图表。该情况从基于多个点的近似曲线求导出极点(图中叉记号)。该极点在压电促动器1的厚度T比2.0μm薄时出现，柔量为34pl/Mpa，位移体积是7.7pl。在柔量比极点小的区域中，与图6(a)～6(b)相同地，表示随着压电促动器1的厚度T变薄，位移体积和柔量均增大的倾向。在该压电促动器1中，压电位移和初始位移的差值(相当于位移体积)在极点呈现最大。在极点与其附近，相对于预定的电压施加的单层压电片变形和复原这两种效果相抵，位移体积几乎不增加。随着压电促动器1的厚度T进一步变薄，柔量增大，位移体积逐渐减少。由此，相对于200MPa的压电层3的拉伸应力，与振动板2的压缩应力相关的极点产生的阈值处于420MPa～440MPa之间。

图6(d)是振动板2的残留压缩应力为460Mpa时的图表。从近似曲线求导出的极点在压电促动器1的厚度T比2.0μm薄时出现，柔量为34pl/Mpa，位移体积是7.7pl。隔着极点的柔量和位移体积的关系与残留压缩应力为440Mpa时相同。

图6(e)是振动板2的残留压缩应力为480Mpa时的图表。从近似曲线求导出的极点在压电促动器1的厚度T比2.0μm薄时出现，柔量为34pl/Mpa，位移体积是7.8pl。隔着极点的柔量和位移体积的关系与残留压缩应力为440Mpa时相同。

图6(f)是振动板2的残留压缩应力为500Mpa时的图表。从近似曲线求导出的极点在压电促动器1的厚度T比2.0μm薄时出现，柔量为34.0pl/Mpa，位移体积是8.0pl。隔着极点的柔量和位移体积的关系与残留压缩应力为440Mpa时相同。

作为变形方式，即使在以在制造时不残留预定的压缩应力的方式形成了振动板2的情况下，随着减少振动板2的厚度，也通过压电层3的残留拉伸应力的影响，即通过压电层3将要收缩的外部应力来使振动板2成为具有压缩应力的状态。而且，当进一步减少振动板2的厚度时，通过该压缩应力(由拉伸应力的影响产生的应力)，在柔量-位移体积特性产生极点。即，产生上述极点，压缩应力成为阈值以上的大小。既使在此情况下，通过将压电促动器1的厚度T设为超过获得该极点的厚度(预定厚度)的厚度，也能获得与上述相同的效果。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，在权利要求书所记载的范围内能够进行各种变更。只要是用于喷出液体的装置，本发明的压电促动器能够应用于任何装置。进而，本发明的压电促动器并不局限于在用于喷出液体的用途中被采用，本发明还可以适用于在除此之外的用途中用于对液体施加压力的压电促动器。而且，公共电极2c也可以仅设置在与分立电极4相对的区域内。而且，也可以是，分立电极4配置在共用电极2c的位置，共用电极2c配置在分立电极4的位置。即，只要分立电极4和共用电极2c夹持着压电层3而配置，则可以任意地进行配置。而且，也可以没有保护层2b。而且，保护层2b、共用电极2c、压电层3和分立电极4也可以由除了上述之外的材料构成。

Claims (14)

1.一种压电促动器，固定于一个平面并覆盖在该一个平面开口的压力室，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，

所述压电促动器包括：振动板，固定于所述一个平面并具有压缩应力；

压电层，层叠在所述振动板的与所述一个平面相反侧且在与所述一个平面正交的方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及

分立电极，层叠在所述压电层上，

所述振动板的压缩应力为在所述压电促动器的柔量和电压施加时的所述压力室的位移体积的关系中产生极点的阈值以上的值，所述极点是所述位移体积相对于所述柔量的增加而从增加转向减少的点，

所述压电促动器的厚度大于与给出所述极点的所述柔量对应的第一厚度。

2.根据权利要求1所述的压电促动器，其中，

所述压电层利用溶胶凝胶法形成在所述振动板上。

3.根据权利要求1所述的压电促动器，其中，

所述压电促动器的厚度为所述第一厚度的105％以上。

4.根据权利要求3所述的压电促动器，其中，

所述压电促动器的厚度为所述第一厚度的120％以上。

5.一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，

所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的多个压力室；以及

权利要求1～4中的任一项所述的压电促动器，

所述振动板横跨所述多个压力室并固定在所述支撑基板的所述一个表面。

6.根据权利要求5所述的记录头，其中，

所述振动板包含相对电极，所述相对电极和所述分立电极配置为在该压电层层叠于所述振动板的层叠方向上夹持所述压电层，

所述压电促动器在所述分立电极和所述相对电极之间未施加电压的状态下以朝向所述压力室侧凸出的方式变形。

7.根据权利要求5所述的记录头，其中，

所述压力室和压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，

所述压力室的宽度方向的长度为100μm～132μm，所述振动板具有300MPa～500MPa的压缩应力，所述压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述压电层的宽度方向的长度为70μm～92μm，且所述压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，

所述压电促动器的厚度为4.5μm以上。

8.根据权利要求5所述的记录头，其中，

所述压力室和压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，

所述压力室的宽度方向的长度为100μm～132μm，所述振动板具有300MPa～400MPa的压缩应力，所述压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述压电层的宽度方向的长度为70μm～92μm，且所述压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，

所述压电促动器的厚度为3.9μm以上。

9.根据权利要求5所述的记录头，其中，

所述压力室和压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，

所述压力室的宽度方向的长度为70μm～100μm，所述振动板具有440MPa～500MPa的压缩应力，所述压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述压电层的宽度方向的长度为50μm～70μm，且所述压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，

所述压电促动器的厚度为3.3μm以上。

10.根据权利要求5所述的记录头，其中，

所述支撑基板是硅制基板，

所述振动板包含形成在所述支撑基板的所述一个表面的热氧化膜和层叠在所述热氧化膜上的硅氧化物膜的两层结构。

11.根据权利要求10所述的记录头，其中，

所述振动板包括：

振动板主体，包含所述热氧化膜以及所述硅氧化物膜；

硅氮化物膜，层叠在所述硅氧化物膜上；以及

作为保护层的氧化铝膜，层叠在所述硅氮化物膜上。

12.一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，

所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的压力室；以及

压电促动器，以覆盖所述压力室的方式固定于所述支撑基板的所述一个表面，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，

所述压电促动器包括：振动板，固定在所述一个表面且具有压缩应力；

压电层，层叠在所述振动板的与所述一个表面相反侧的面上的在与所述一个表面正交方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及

分立电极，层叠在所述压电层上，

所述压力室和压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，

所述压力室的宽度方向的长度为100μm～132μm，所述振动板具有300MPa～500MPa的压缩应力，所述压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述压电层的宽度方向的长度为70μm～92μm，且所述压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，

所述压电促动器的厚度为4.5μm以上。

13.一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，

所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的压力室；以及

压电促动器，以覆盖所述压力室的方式固定于所述支撑基板的所述一个表面，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，

该压电促动器包括：振动板，固定在所述一个表面且具有压缩应力；

压电层，层叠在所述振动板的与所述一个表面相反侧的面上的在与所述一个表面正交方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及

分立电极，层叠在所述压电层上，

所述压力室和压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，

所述压力室的宽度方向的长度为100μm～132μm，所述振动板具有300MPa～400MPa的压缩应力，所述压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述压电层的宽度方向的长度为70μm～92μm，且所述压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，

所述压电促动器的厚度为3.9μm以上。

14.一种记录头，向介质喷出液体而进行记录，

所述记录头包括：支撑基板，形成有在其一个表面开口的压力室；以及

压电促动器，以覆盖所述压力室的方式固定于所述支撑基板的所述一个表面，利用被施加的电压向所述压力室呈凸出状地位移，而对该压力室内的液体施加压力，

该压电促动器包括：振动板，固定在所述一个表面且具有压缩应力；

压电层，层叠在所述振动板的与所述一个表面相反侧的面上的在与所述一个表面正交的方向上与所述压力室重合的位置，并具有拉伸应力；以及

分立电极，层叠在所述压电层上，

所述压力室和压电层具有长度方向的长度比与长度方向正交的宽度方向的长度长的形状，

所述压力室的宽度方向的长度为70μm～100μm，所述振动板具有440MPa～500MPa的压缩应力，所述压电层层叠在所述振动板的与所述压力室中的一个相对的区域，所述压电层的宽度方向的长度为50μm～70μm，且所述压电层具有100MPa～400MPa的拉伸应力，

所述压电促动器的厚度为3.3μm以上。