JP2006019718A - Method of manufacturing piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator and ink jet head - Google Patents

Method of manufacturing piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator and ink jet head Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a piezoelectric actuator capable of improving adhesiveness between a piezoelectric layer and an electrode, and to provide the piezoelectric actuator. <P>SOLUTION: A plurality of individual electrodes 32 are formed on the surface of an insulating material layer 31, a recess (through hole 32a) is formed on the surface of each of the individual electrodes 32, a piezoelectric layer 33 is formed on the surface of the individual electrodes 32, and a common electrode 34 is further formed on the surface of the piezoelectric layer 33. Accordingly, since one part of the piezoelectric layer 33 on the surface of the individual electrodes 32 enters the through hole 32a and is adhered to the layer 31, the piezoelectric layer 33 is unlikely to be peeled off from the individual electrodes 32; and the adhesion between the individual electrodes 32 and the piezoelectric layer 33 is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータ、及び、圧電アクチュエータを有するインクジェットヘッドに関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric actuator, a piezoelectric actuator, and an inkjet head having the piezoelectric actuator.

従来から、圧電層に電界を作用させることによりこの圧電層を変形させて駆動対象を駆動する圧電アクチュエータが知られている。このような圧電アクチュエータとしては、特許文献1に記載されているように、インクジェット記録装置に用いられるものがある。この特許文献1の圧電アクチュエータは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電層と、この圧電層の下面にインクジェットヘッドの複数の圧力室に夫々対応して設けられた複数の下部電極と、圧電層の上面に複数の下部電極に夫々対応して設けられた複数の上部電極とを有する。そして、圧電アクチュエータに駆動電圧が供給されたときには、下部電極と上部電極の電位が異なった状態となり、両電極間に挟まれた圧電層に電界が作用して圧電層が変形して、振動板としての役割も果たしている下部電極を介して圧力室内のインクに圧力が印加される。   2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric actuators that drive an object to be driven by deforming the piezoelectric layer by applying an electric field to the piezoelectric layer are known. As such a piezoelectric actuator, there is one used in an ink jet recording apparatus as described in Patent Document 1. The piezoelectric actuator of Patent Document 1 includes a piezoelectric layer made of lead zirconate titanate (PZT), a plurality of lower electrodes provided on the lower surface of the piezoelectric layer so as to correspond to a plurality of pressure chambers of the inkjet head, and A plurality of upper electrodes provided on the upper surface of the piezoelectric layer respectively corresponding to the plurality of lower electrodes. When a drive voltage is supplied to the piezoelectric actuator, the potentials of the lower electrode and the upper electrode become different, and an electric field acts on the piezoelectric layer sandwiched between the two electrodes, causing the piezoelectric layer to deform, and the diaphragm Pressure is applied to the ink in the pressure chamber through the lower electrode that also serves as

この圧電アクチュエータは以下のようにして製造される。まず、単結晶MgO基板上に上部電極をスパッタ法により形成する。次に、上部電極の表面にPZTの層をスパッタ法により形成し、この層に熱処理を施して圧電層を形成する。さらに、圧電層の表面に下部電極をスパッタ法で形成する。   This piezoelectric actuator is manufactured as follows. First, an upper electrode is formed on a single crystal MgO substrate by sputtering. Next, a PZT layer is formed on the surface of the upper electrode by sputtering, and this layer is subjected to heat treatment to form a piezoelectric layer. Further, a lower electrode is formed on the surface of the piezoelectric layer by sputtering.

特開2003−154646号公報(図3)Japanese Patent Laying-Open No. 2003-154646 (FIG. 3)

しかし、前記特許文献1に記載の圧電アクチュエータにおいては、電極を形成する導電性材料とこの電極に接触する圧電層を形成するPZTの熱膨張係数の差が大きい。そのため、PZTに熱処理を施して圧電層を形成する際の変形量がPZTと電極とでは大きく異なるため、圧電層と電極との間の界面応力が大きくなり、圧電層が電極から剥離しやすくなる。そのため、圧電アクチュエータの耐久性が低下するし、製造段階における歩留まりも悪くなる。   However, in the piezoelectric actuator described in Patent Document 1, there is a large difference in the thermal expansion coefficient between the conductive material forming the electrode and the PZT forming the piezoelectric layer in contact with the electrode. For this reason, the deformation amount when the PZT is heat-treated to form the piezoelectric layer is greatly different between the PZT and the electrode, so that the interfacial stress between the piezoelectric layer and the electrode is increased, and the piezoelectric layer is easily peeled off from the electrode. . Therefore, the durability of the piezoelectric actuator is lowered, and the yield in the manufacturing stage is also deteriorated.

本発明の目的は、圧電層と電極との間の密着性を向上させることが可能な圧電アクチュエータの製造方法及び圧電アクチュエータを提供することである。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator manufacturing method and a piezoelectric actuator capable of improving the adhesion between a piezoelectric layer and an electrode.

課題を解決するための手段及び発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

第1の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、絶縁材料層の表面上に第1の電極を形成するとともに、この第1の電極の表面に凹部を形成する第1工程と、前記第1の電極の表面に圧電層を形成する第2工程と、この圧電層の表面に第2の電極を形成する第3工程とを備えたことを特徴とするものである。なお、この発明における第1の電極の表面に形成された凹部は、第1の電極を貫通する貫通穴の形態をも含むものである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a piezoelectric actuator, comprising: forming a first electrode on a surface of an insulating material layer; and forming a recess on the surface of the first electrode; And a third step of forming a second electrode on the surface of the piezoelectric layer. The second step of forming a piezoelectric layer on the surface of the piezoelectric layer and the third step of forming a second electrode on the surface of the piezoelectric layer. In addition, the recessed part formed in the surface of the 1st electrode in this invention also includes the form of the through-hole which penetrates the 1st electrode.

第2の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第1の発明において、前記凹部が、前記第1の電極を貫通する貫通穴であることを特徴とするものである。   A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the recess is a through-hole penetrating the first electrode.

第3の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第2の発明において、前記貫通穴が複数形成されていることを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezoelectric actuator according to the second aspect, wherein a plurality of the through holes are formed.

これらの圧電アクチュエータの製造方法においては、第1工程において、絶縁材料層の表面上に第1の電極を形成するとともに、この第1の電極の表面に凹部を形成し、次に、第2工程において、第1の電極の表面に圧電層を形成し、さらに、第3工程において、圧電層の表面に第2の電極を形成する。そのため、圧電層の一部が凹部内に入り込み、第1の電極と圧電層との界面において圧電層が凹凸に形成されるため、圧電層が凹部により拘束されることになる。従って、圧電層が第1の電極の表面から剥離しにくくなり、圧電層と第1の電極の密着性が向上する。従って、圧電アクチュエータの耐久性が向上するし、さらに、製造段階における歩留まりも改善される。なお、第1の電極の表面に形成された凹部は、第1の電極を貫通する貫通穴であっても良く、さらに、貫通穴は複数形成されていても良い。これらの場合によれば、圧電層の拘束がより強固になされるため、圧電層と第1の電極の密着性がより向上する。   In these piezoelectric actuator manufacturing methods, in the first step, a first electrode is formed on the surface of the insulating material layer, a recess is formed on the surface of the first electrode, and then the second step. In step 3, a piezoelectric layer is formed on the surface of the first electrode, and in the third step, a second electrode is formed on the surface of the piezoelectric layer. For this reason, a part of the piezoelectric layer enters the recess, and the piezoelectric layer is formed to be uneven at the interface between the first electrode and the piezoelectric layer, so that the piezoelectric layer is constrained by the recess. Therefore, the piezoelectric layer is difficult to peel from the surface of the first electrode, and the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is improved. Accordingly, the durability of the piezoelectric actuator is improved and the yield in the manufacturing stage is also improved. Note that the concave portion formed on the surface of the first electrode may be a through hole penetrating the first electrode, and a plurality of through holes may be formed. According to these cases, since the constraint of the piezoelectric layer is made stronger, the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is further improved.

また、圧電層をチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの熱処理が必要な材料で形成する場合には、圧電層を形成する材料と第1の電極を形成する材料では、両者の熱膨張係数の差に起因して熱処理時の変形量に差が生じ、それに伴って両者の間に界面応力が生じる。そして、この界面応力が大きいと圧電層が第1の電極から剥がれやすくなる。しかし、第3の発明によれば、第1の電極と圧電層の接触面が複数の貫通穴により所々分断されて両者の間の界面応力が小さくなるため、このような圧電層に対して熱処理が行われる場合においても、圧電層と第1の電極の密着性が向上する。   Also, when the piezoelectric layer is formed of a material that requires heat treatment such as lead zirconate titanate (PZT), the material for forming the piezoelectric layer and the material for forming the first electrode have a thermal expansion coefficient of both. Due to the difference, a difference occurs in the deformation amount during the heat treatment, and accordingly, an interfacial stress occurs between the two. If the interfacial stress is large, the piezoelectric layer is easily peeled off from the first electrode. However, according to the third aspect of the invention, the contact surface between the first electrode and the piezoelectric layer is divided at some places by the plurality of through holes, and the interfacial stress between the two is reduced. Even when is performed, the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is improved.

第4の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第2又は第3の発明において、前記絶縁材料層を、熱膨張係数が前記第1の電極よりも前記圧電層に近い材料で形成することを特徴とするものである。圧電層をチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの熱処理が必要な材料で形成される場合でも、絶縁材料層の熱膨張係数が第1の電極よりも圧電層に近いため、圧電層に熱処理を施したときには、圧電層と第1の電極の間の変形量の差に比べて、圧電層と絶縁材料層の間の変形量の差は小さくなる、従って、圧電層は、絶縁材料層に密着しやすくなり、圧電層が第1の電極に形成された貫通穴を通して部分的に絶縁材料層に密着することで、圧電層と第1の電極の密着性がより向上する。   According to a fourth method of manufacturing a piezoelectric actuator, in the second or third invention, the insulating material layer is formed of a material whose thermal expansion coefficient is closer to the piezoelectric layer than the first electrode. It is a feature. Even when the piezoelectric layer is formed of a material requiring heat treatment such as lead zirconate titanate (PZT), the thermal expansion coefficient of the insulating material layer is closer to that of the piezoelectric layer than that of the first electrode. When applied, the difference in deformation between the piezoelectric layer and the insulating material layer is smaller than the difference in deformation between the piezoelectric layer and the first electrode. Therefore, the piezoelectric layer is in close contact with the insulating material layer. The piezoelectric layer is in close contact with the insulating material layer partially through the through hole formed in the first electrode, so that the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is further improved.

第5の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第2〜第2の何れかの発明において、前記貫通穴の穴径は前記第1の電極の厚さよりも大きいことを特徴とするものである。従って、圧電層が貫通穴を通して絶縁材料層に密着しやすくなり、圧電層と第1の電極の密着性が向上する。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of the second to second aspects, wherein the diameter of the through hole is larger than the thickness of the first electrode. . Therefore, the piezoelectric layer is easily adhered to the insulating material layer through the through hole, and the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is improved.

第6の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第2〜第5の何れかの発明において、前記貫通穴の穴径は前記圧電層の厚さよりも小さいことを特徴とするものである。従って、貫通穴により、圧電層に印加される電界に乱れが生じて、圧電層の変形効率が低下してしまうのを極力抑えることができる。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of the second to fifth aspects, wherein the diameter of the through hole is smaller than the thickness of the piezoelectric layer. Therefore, it is possible to suppress as much as possible that the electric field applied to the piezoelectric layer is disturbed by the through hole and the deformation efficiency of the piezoelectric layer is reduced.

第7の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第3〜第6の何れかの発明において、前記第1の電極の外周側部分における前記複数の貫通穴の配置密度は、前記第1の電極の中央部における配置密度よりも大きいことを特徴とするものである。圧電層と第1の電極の界面においては、第1の電極の外周側ほど界面応力が大きく、その外周側から圧電層が剥がれやすいが、この第1の電極の外周側部分における貫通穴の配置密度を中央部よりも大きくすることにより、外周側部分における密着性を高くすることができるため、圧電層が第1の電極から剥がれにくくなる。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to a seventh aspect of the present invention is the method according to any one of the third to sixth aspects, wherein the arrangement density of the plurality of through holes in the outer peripheral portion of the first electrode is the first electrode. It is characterized by being larger than the arrangement density in the central part. At the interface between the piezoelectric layer and the first electrode, the interface stress increases toward the outer peripheral side of the first electrode, and the piezoelectric layer tends to peel off from the outer peripheral side. However, the arrangement of the through holes in the outer peripheral side portion of the first electrode By making the density larger than the central portion, it is possible to increase the adhesion at the outer peripheral side portion, so that the piezoelectric layer is less likely to be peeled off from the first electrode.

第8の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第3〜第7の何れかの発明において、前記第1工程において、前記第1の電極から延び且つこの第1の電極に駆動電圧を印加する為の配線部を形成し、この配線部にも複数の貫通穴を形成することを特徴とするものである。このように、第1の電極から延びる配線部にも複数の貫通穴を形成することにより、第1の電極及び配線部と圧電層との密着性をより向上させることができる。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to an eighth aspect of the present invention is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of the third to seventh aspects, wherein, in the first step, a driving voltage is applied to the first electrode and extends from the first electrode. For this purpose, a wiring portion is formed, and a plurality of through holes are also formed in this wiring portion. Thus, by forming a plurality of through holes in the wiring portion extending from the first electrode, the adhesion between the first electrode and the wiring portion and the piezoelectric layer can be further improved.

第9の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第1〜第8の何れかの発明において、前記第2工程において、前記圧電層を、エアロゾルデポジション法、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法の何れかにより形成することを特徴とするものである。これらの方法により圧電層を形成した場合、圧電層を形成する材料の粒子が凹部内に入り込みやすいため、圧電層と第1の電極の密着性が向上する。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator manufacturing method according to any one of the first to eighth aspects, wherein the piezoelectric layer is formed by an aerosol deposition method, a sputtering method, a CVD method, or a sol-gel method in the second step. It is formed by either. When the piezoelectric layer is formed by these methods, since the particles of the material forming the piezoelectric layer easily enter the recess, the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is improved.

第10の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記第1〜第9の何れかの発明において、前記絶縁材料層を、金属製の振動板の表面に形成することを特徴とするものである。従って、振動板を弾性率の高い金属材料で構成して、圧電アクチュエータの応答性を高めることができ、さらに、絶縁材料層により、金属製の振動板と第1の電極とを電気的に絶縁することができる。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of the first to ninth aspects, wherein the insulating material layer is formed on a surface of a metal diaphragm. Therefore, the vibration plate can be made of a metal material having a high elastic modulus to enhance the responsiveness of the piezoelectric actuator. Furthermore, the metal vibration plate and the first electrode are electrically insulated by the insulating material layer. can do.

第11の発明の圧電アクチュエータは、絶縁材料層の表面上に設けられ且つその表面に凹部が形成された第1の電極と、この第1の電極の表面上に形成された圧電層と、この圧電層の表面上に形成された第2の電極とを有することを特徴とするものである。なお、この発明における第1の電極の表面に形成された凹部は、第1の電極を貫通する貫通穴の形態を含むものである。   A piezoelectric actuator according to an eleventh aspect of the invention is provided with a first electrode provided on the surface of the insulating material layer and having a recess formed on the surface, a piezoelectric layer formed on the surface of the first electrode, And a second electrode formed on the surface of the piezoelectric layer. In addition, the recessed part formed in the surface of the 1st electrode in this invention includes the form of the through-hole which penetrates the 1st electrode.

第12の発明の圧電アクチュエータは、前記第11の発明の圧電アクチュエータにおいて、前記凹部が、前記第1の電極を貫通する貫通穴であることを特徴とするものである。   A piezoelectric actuator of a twelfth aspect of the invention is the piezoelectric actuator of the eleventh aspect of the invention, wherein the recess is a through hole that penetrates the first electrode.

第13の発明の圧電アクチュエータは、前記第12の発明の圧電アクチュエータにおいて、前記貫通穴が複数形成されていることを特徴とするものである。   According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator according to the twelfth aspect, wherein a plurality of the through holes are formed.

これらの圧電アクチュエータにおいては、圧電層が凹部内に入り込み、第1の電極と圧電層との界面において圧電層が凹凸に形成されて、圧電層が凹部により拘束されるため、圧電層が第1の電極の表面から剥離しにくくなり、圧電層と第1の電極との密着性が向上する。従って、圧電アクチュエータの耐久性が向上するし、さらに、製造段階における歩留まりも改善される。なお、第1の電極の表面に形成された凹部は、第1の電極を貫通する貫通穴であっても良く、さらに、貫通穴は複数形成されていても良い。これらの場合によれば、圧電層の拘束がより強固になされるため、圧電層と第1の電極の密着性がより向上する。   In these piezoelectric actuators, the piezoelectric layer enters the recess, and the piezoelectric layer is formed to be uneven at the interface between the first electrode and the piezoelectric layer, and the piezoelectric layer is constrained by the recess. It becomes difficult to peel from the surface of the electrode, and the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is improved. Accordingly, the durability of the piezoelectric actuator is improved and the yield in the manufacturing stage is also improved. Note that the concave portion formed on the surface of the first electrode may be a through hole penetrating the first electrode, and a plurality of through holes may be formed. According to these cases, since the constraint of the piezoelectric layer is made stronger, the adhesion between the piezoelectric layer and the first electrode is further improved.

第14の発明の圧電アクチュエータは、前記第12又は第13の発明において、前記絶縁材料層は、熱膨張係数が前記第1の電極よりも前記圧電層に近い材料で形成されており、前記圧電層が前記貫通穴を通して部分的に前記絶縁材料層に密着していることを特徴とするものである。圧電層がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの熱処理が必要な材料で形成される場合でも、絶縁材料層の熱膨張係数が第1の電極よりも圧電層に近いため、圧電層に熱処理を施したときには、圧電層と第1の電極の間の変形量の差に比べて、圧電層と絶縁材料層の間の変形量の差は小さくなる、従って、圧電層は絶縁材料層に密着しやすくなり、圧電層が第1の電極に形成された貫通穴を通して部分的に絶縁材料層に密着することで、圧電層と第1の電極の密着性がより向上する。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the twelfth or thirteenth aspect, the insulating material layer is formed of a material whose thermal expansion coefficient is closer to the piezoelectric layer than the first electrode. The layer is partially adhered to the insulating material layer through the through hole. Even when the piezoelectric layer is formed of a material that requires heat treatment such as lead zirconate titanate (PZT), the thermal expansion coefficient of the insulating material layer is closer to that of the piezoelectric layer than that of the first electrode. When applied, the difference in deformation between the piezoelectric layer and the insulating material layer is smaller than the difference in deformation between the piezoelectric layer and the first electrode. Therefore, the piezoelectric layer adheres closely to the insulating material layer. It becomes easy, and the adhesiveness between the piezoelectric layer and the first electrode is further improved because the piezoelectric layer is partially adhered to the insulating material layer through the through hole formed in the first electrode.

第15の発明のインクジェットヘッドは、インクを吐出するノズルに連通した複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記複数の圧力室の容積を選択的に変化させる圧電アクチュエータとを有し、前記圧電アクチュエータは、絶縁材料層と、前記複数の圧力室に夫々対応して前記絶縁材料層の表面上に形成された複数の個別電極と、これら複数の個別電極に跨ってそれらの表面に形成された圧電層と、この圧電層の表面に形成された共通電極とを備え、各個別電極の表面には凹部が設けられていることを特徴とするものである。なお、この発明における個別電極の表面に形成された凹部は、個別電極を貫通する貫通穴の形態を含むものである。   An ink jet head according to a fifteenth aspect of the present invention includes a flow path unit having a plurality of pressure chambers communicating with nozzles that eject ink, and a piezoelectric actuator that selectively changes the volume of the plurality of pressure chambers. The actuator is formed on the surface of the insulating material layer, the plurality of individual electrodes formed on the surface of the insulating material layer corresponding to the plurality of pressure chambers, and the plurality of individual electrodes straddling the plurality of individual electrodes. A piezoelectric layer and a common electrode formed on the surface of the piezoelectric layer are provided, and a concave portion is provided on the surface of each individual electrode. In addition, the recessed part formed in the surface of the individual electrode in this invention includes the form of the through-hole which penetrates an individual electrode.

第16の発明のインクジェットヘッドは、前記第15の発明のインクジェットヘッドにおいて、前記凹部が、前記個別電極を貫通する貫通穴であることを特徴とするものである。   An ink jet head according to a sixteenth aspect is the ink jet head according to the fifteenth aspect, wherein the concave portion is a through-hole penetrating the individual electrode.

第17の発明のインクジェットヘッドは、前記第16の発明のインクジェットヘッドにおいて、前記貫通穴が複数形成されていることを特徴とするものである。   An ink jet head according to a seventeenth aspect is the ink jet head according to the sixteenth aspect, wherein a plurality of the through holes are formed.

これらのインクジェットヘッドにおいては、圧電アクチュエータの複数の個別電極に選択的に駆動電圧が供給されたときに、個別電極と共通電極との間の圧電層に電界が生じて圧電層が変形し、この圧電層の変形により圧力室内のインクに圧力が印加されて、ノズルからインクが吐出される。ここで、圧電アクチュエータにおいて、各個別電極の表面に凹部が設けられているため、圧電層が個別電極から剥がれにくくなり、個別電極と圧電層の密着性が向上する。なお、個別電極の表面に形成された凹部は、個別電極を貫通する貫通穴であっても良く、さらに、貫通穴は複数形成されていても良い。これらの場合によれば、個別電極と圧電層の密着性がより向上する。   In these ink jet heads, when a driving voltage is selectively supplied to a plurality of individual electrodes of a piezoelectric actuator, an electric field is generated in the piezoelectric layer between the individual electrode and the common electrode, and the piezoelectric layer is deformed. Pressure is applied to the ink in the pressure chamber by the deformation of the piezoelectric layer, and the ink is ejected from the nozzle. Here, in the piezoelectric actuator, since the concave portion is provided on the surface of each individual electrode, the piezoelectric layer is hardly peeled off from the individual electrode, and the adhesion between the individual electrode and the piezoelectric layer is improved. In addition, the recessed part formed in the surface of the individual electrode may be a through hole penetrating the individual electrode, and a plurality of through holes may be formed. According to these cases, the adhesion between the individual electrode and the piezoelectric layer is further improved.

第18の発明のインクジェットヘッドは、前記第16又は第17の発明において、前記絶縁材料層は、熱膨張係数が前記個別電極よりも前記圧電層に近い材料で形成されており、前記圧電層が前記複数の貫通穴を通して部分的に前記絶縁材料層に密着していることを特徴とするものである。この第18の発明によれば、前述の第14の発明と同様に、貫通穴を通して圧電層が絶縁材料層に密着するため、圧電層と個別電極との密着性が向上する。   An ink jet head according to an eighteenth aspect of the present invention is the ink jet head according to the sixteenth or seventeenth aspect, wherein the insulating material layer is formed of a material whose thermal expansion coefficient is closer to the piezoelectric layer than the individual electrode. The insulating material layer is partially adhered to the insulating material layer through the plurality of through holes. According to the eighteenth aspect, as in the fourteenth aspect described above, the piezoelectric layer is in close contact with the insulating material layer through the through hole, so that the adhesion between the piezoelectric layer and the individual electrode is improved.

本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明をインクジェットヘッドに用いられる圧電アクチュエータに適用した一例である。   Embodiments of the present invention will be described. This embodiment is an example in which the present invention is applied to a piezoelectric actuator used in an inkjet head.

図1に示すように、インクジェットヘッド1は、内部にインク流路が形成された流路ユニット2と、この流路ユニット2の上面に積層された圧電アクチュエータ3とを備えている。   As shown in FIG. 1, the inkjet head 1 includes a flow path unit 2 in which an ink flow path is formed, and a piezoelectric actuator 3 stacked on the upper surface of the flow path unit 2.

まず、流路ユニット2について説明する。図2は、図1のインクジェットヘッド1の右半分の概略平面図である。また、図3は図2のIII-III線断面図、図4は図2のIV-IV線断面図である。図2〜図4に示すように、流路ユニット2はキャビティプレート10、ベースプレート11、マニホールドプレート12、及びノズルプレート13を備えており、これら4枚のプレート10〜13が積層状態で接着されている。このうち、キャビティプレート10、ベースプレート11及びマニホールドプレート12は略矩形のステンレス鋼製の板である。そのため、これら3枚のプレート10〜12に、後述するマニホールド17や圧力室14等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート13は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート12の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート13も、3枚のプレート10〜12と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。   First, the flow path unit 2 will be described. FIG. 2 is a schematic plan view of the right half of the inkjet head 1 of FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. As shown in FIGS. 2 to 4, the flow path unit 2 includes a cavity plate 10, a base plate 11, a manifold plate 12, and a nozzle plate 13, and these four plates 10 to 13 are bonded in a laminated state. Yes. Among these, the cavity plate 10, the base plate 11, and the manifold plate 12 are substantially rectangular stainless steel plates. Therefore, ink flow paths such as a manifold 17 and a pressure chamber 14 described later can be easily formed on these three plates 10 to 12 by etching. The nozzle plate 13 is formed of, for example, a polymer synthetic resin material such as polyimide, and is bonded to the lower surface of the manifold plate 12. Or this nozzle plate 13 may be formed with metal materials, such as stainless steel, similarly to the three plates 10-12.

図2に示すように、キャビティプレート10には、平面に沿って配列された複数の圧力室14が形成されている。これら複数の圧力室14は、流路ユニット2の表面(後述する振動板30が接合されるキャビティプレート10の上面)において開口している。尚、図2には、複数の圧力室14のうちの一部(8つ)が示されている。各圧力室14は、平面視で略楕円形状に形成されており、その長軸方向がキャビティプレート10の長手方向に平行になるように配置されている。   As shown in FIG. 2, the cavity plate 10 is formed with a plurality of pressure chambers 14 arranged along a plane. The plurality of pressure chambers 14 are open on the surface of the flow path unit 2 (the upper surface of the cavity plate 10 to which a diaphragm 30 described later is joined). FIG. 2 shows some (eight) of the plurality of pressure chambers 14. Each pressure chamber 14 is formed in a substantially elliptical shape in plan view, and is arranged so that the major axis direction thereof is parallel to the longitudinal direction of the cavity plate 10.

ベースプレート11の平面視で圧力室14の長軸方向両端部に重なる位置には、夫々連通孔15,16が形成されている。また、マニホールドプレート12には、マニホールドプレートの短手方向(図2の上下方向)に2列に延び、平面視で圧力室14の図2における右半分と重なるマニホールド17が形成されている。このマニホールド17には、キャビティプレート10に形成されたインク供給口18を介してインクタンク(図示省略)からインクが供給される。また、平面視で圧力室14の図2における左端部と重なる位置には、連通孔19も形成されている。さらに、ノズルプレート13には、平面視で複数の圧力室14の左端部に重なる位置に、複数のノズル20が夫々形成されている。ノズル20は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより形成される。   Communication holes 15 and 16 are formed at positions overlapping the both ends in the long axis direction of the pressure chamber 14 in plan view of the base plate 11, respectively. The manifold plate 12 is formed with a manifold 17 extending in two rows in the short direction of the manifold plate (vertical direction in FIG. 2) and overlapping the right half of the pressure chamber 14 in FIG. Ink is supplied to the manifold 17 from an ink tank (not shown) through an ink supply port 18 formed in the cavity plate 10. A communication hole 19 is also formed at a position overlapping the left end of the pressure chamber 14 in FIG. Further, the nozzle plate 13 is formed with a plurality of nozzles 20 at positions overlapping the left end portions of the plurality of pressure chambers 14 in plan view. The nozzle 20 is formed, for example, by performing excimer laser processing on a polymer synthetic resin substrate such as polyimide.

そして、図3に示すように、マニホールド17は連通孔15を介して圧力室14に連通し、さらに、圧力室14は、連通孔16,19を介してノズル20に連通している。このように、流路ユニット2内には、マニホールド17から圧力室14を経てノズル20に至る個別インク流路が形成されている。   As shown in FIG. 3, the manifold 17 communicates with the pressure chamber 14 through the communication hole 15, and the pressure chamber 14 communicates with the nozzle 20 through the communication holes 16 and 19. As described above, an individual ink flow path from the manifold 17 to the nozzle 20 through the pressure chamber 14 is formed in the flow path unit 2.

次に、圧電アクチュエータ3について説明する。図1〜図5に示すように、圧電アクチュエータ3は、流路ユニット2の表面に配置された振動板30と、この振動板30の表面に形成された絶縁材料層31と、複数の圧力室14に夫々対応して絶縁材料層31の表面に形成された複数の個別電極32(第1の電極)と、これら複数の個別電極32に跨ってそれらの表面に形成された圧電層33と、この圧電層33の表面に形成され、複数の個別電極32に亙って共通に設けられた共通電極34(第2の電極)とを備えている。   Next, the piezoelectric actuator 3 will be described. As shown in FIGS. 1 to 5, the piezoelectric actuator 3 includes a vibration plate 30 disposed on the surface of the flow path unit 2, an insulating material layer 31 formed on the surface of the vibration plate 30, and a plurality of pressure chambers. 14, a plurality of individual electrodes 32 (first electrodes) formed on the surface of the insulating material layer 31, and a piezoelectric layer 33 formed on these surfaces across the plurality of individual electrodes 32, A common electrode 34 (second electrode) formed on the surface of the piezoelectric layer 33 and provided in common across the plurality of individual electrodes 32 is provided.

振動板30は、平面視で略矩形状のステンレス鋼製の板であり、複数の圧力室14の開口を塞ぐ状態でキャビティプレート10の上面に積層された状態で接合されている。ここで、振動板30が比較的弾性率の高いステンレス鋼で形成されているため、後述するようにインクの吐出動作の際に圧電層33が変形したときに、振動板30の剛性の高さによって、圧電アクチュエータ3の応答性が高くなる。また、この振動板30は、同じくステンレス鋼で形成されたキャビティプレート10の表面に接合される。そのため、振動板30とキャビティプレート10の熱膨張係数が等しくなり、両者の接合強度が向上する。さらに、流路ユニット2内のインクは、インクに対する耐食性に優れるステンレス鋼で形成された振動板30と流路ユニット2に接触する。そのため、どのようなインクを選択しても流路ユニット2内あるいは振動板30に局部電池が形成される虞がなく、インクの選択が腐食面で制約されることがないため、インク選択の自由度が大きくなる。   The diaphragm 30 is a plate made of stainless steel having a substantially rectangular shape in plan view, and is joined in a state of being stacked on the upper surface of the cavity plate 10 so as to block the openings of the plurality of pressure chambers 14. Here, since the vibration plate 30 is formed of stainless steel having a relatively high elastic modulus, the rigidity of the vibration plate 30 is increased when the piezoelectric layer 33 is deformed during the ink ejection operation as described later. As a result, the responsiveness of the piezoelectric actuator 3 is increased. Further, the diaphragm 30 is joined to the surface of the cavity plate 10 which is also formed of stainless steel. Therefore, the thermal expansion coefficients of the diaphragm 30 and the cavity plate 10 become equal, and the bonding strength between the two is improved. Furthermore, the ink in the flow path unit 2 comes into contact with the flow path unit 2 and the vibration plate 30 formed of stainless steel having excellent corrosion resistance against the ink. Therefore, no matter what kind of ink is selected, there is no possibility that a local battery is formed in the flow path unit 2 or on the diaphragm 30, and the ink selection is not restricted by the corrosive surface. The degree is increased.

この振動板30の表面には、アルミナ、ジルコニア、あるいは、窒化ケイ素等の、弾性率が高いセラミックス材料よりなり、その表面が平面である絶縁材料層31が形成されている。このように、絶縁材料層31が弾性率の高いセラミックス材料で形成されているため、アクチュエータの剛性が上がり応答性がより高くなる。   An insulating material layer 31 made of a ceramic material having a high elastic modulus such as alumina, zirconia, or silicon nitride and having a flat surface is formed on the surface of the vibration plate 30. Thus, since the insulating material layer 31 is formed of a ceramic material having a high elastic modulus, the rigidity of the actuator is increased and the responsiveness is further increased.

さらに、この絶縁材料層31の表面には、圧力室14よりも一回り小さい楕円形の平面形状を有する複数の個別電極32が形成されている。個別電極32は、平面視で対応する圧力室14の中央部に重なる位置に形成されている。個別電極32は金などの導電性材料からなる。尚、隣接する個別電極32は絶縁材料層31により互いに電気的に絶縁されている。また、図3〜図5に示すように、各個別電極32には、この個別電極32を貫通する複数の貫通穴32aが形成されている。これら複数の貫通穴32aは、個別電極32の表面に形成される後述の圧電層33と個別電極32との密着性を向上させるために設けられているものである。これら複数の貫通穴32aについては後ほど詳しく説明する。   Furthermore, a plurality of individual electrodes 32 having an elliptical planar shape that is slightly smaller than the pressure chamber 14 are formed on the surface of the insulating material layer 31. The individual electrode 32 is formed at a position overlapping the central portion of the corresponding pressure chamber 14 in plan view. The individual electrode 32 is made of a conductive material such as gold. The adjacent individual electrodes 32 are electrically insulated from each other by the insulating material layer 31. As shown in FIGS. 3 to 5, each individual electrode 32 is formed with a plurality of through holes 32 a penetrating the individual electrode 32. The plurality of through holes 32 a are provided in order to improve adhesion between a piezoelectric layer 33 (described later) formed on the surface of the individual electrode 32 and the individual electrode 32. The plurality of through holes 32a will be described in detail later.

絶縁材料層31の表面において、複数の個別電極32の一端部(図2における右端部)からは、夫々、個別電極32の長軸方向に平行に複数の配線部35が延びており、これら複数の配線部35の端部には夫々端子部36が形成されている。そして、複数の個別電極32に夫々対応する複数の端子部36には、複数の個別電極32に対して選択的に駆動電圧を供給するドライバIC37の出力端子37aが半田等の導電性ろう材からなるバンプ38を介して接合され、ドライバIC37は絶縁材料層31の表面に配置されている。   On the surface of the insulating material layer 31, a plurality of wiring portions 35 extend in parallel with the long axis direction of the individual electrode 32 from one end portion (the right end portion in FIG. 2) of the plurality of individual electrodes 32. Terminal portions 36 are respectively formed at the ends of the wiring portions 35. An output terminal 37a of a driver IC 37 that selectively supplies a drive voltage to the plurality of individual electrodes 32 is formed on a plurality of terminal portions 36 respectively corresponding to the plurality of individual electrodes 32 from a conductive brazing material such as solder. The driver ICs 37 are disposed on the surface of the insulating material layer 31.

さらに、絶縁材料層31上には、複数の接続端子40も形成されており、これら複数の接続端子40とドライバIC37の入力端子37bとを半田等からなるバンプ39を介して夫々接合されて、ドライバIC37とこのドライバIC37を制御する制御装置(図示省略)とが接続端子40を介して接続されている。   Furthermore, a plurality of connection terminals 40 are also formed on the insulating material layer 31, and the plurality of connection terminals 40 and the input terminals 37b of the driver IC 37 are respectively joined via bumps 39 made of solder or the like. The driver IC 37 and a control device (not shown) that controls the driver IC 37 are connected via the connection terminal 40.

複数の個別電極32の表面には、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする圧電層33が形成されている。この圧電層33は、複数の個別電極32の表面全域を覆うように、複数の個別電極32の全てに亙る連続した1つの層として形成されている。   On the surface of the plurality of individual electrodes 32, a piezoelectric layer 33 mainly composed of lead zirconate titanate (PZT), which is a solid solution and is a ferroelectric substance, of lead titanate and lead zirconate is formed. The piezoelectric layer 33 is formed as one continuous layer over all of the plurality of individual electrodes 32 so as to cover the entire surface of the plurality of individual electrodes 32.

ここで、前述のように、各個別電極32には複数の貫通穴32aが形成されている。そして、図3、図4に示すように、圧電層33の一部が貫通穴32a内に入り込み、圧電層33の下面が凹凸状に形成されているため、圧電層33が貫通穴32により拘束され、個別電極32と圧電層33の密着性が高くなっている。また、後述するように、圧電層33は、個別電極32の表面に形成された状態で熱処理が施される。ここで、個別電極32を形成する金などの導電性材料の熱膨張係数が14×10-6程度であるのに対し、圧電層33を形成するPZTの熱膨張係数が3×10-6程度であるため、圧電層33に熱処理を施した後には、個別電極32と圧電層33を形成するPZTの熱変形量の差により両者の間に界面応力が生じる。この界面応力が大きいと圧電層33が個別電極32から剥がれやすくなるが、個別電極32と圧電層33の接触面が複数の貫通穴32aにより所々分断されて両者の間の界面応力が小さくなっているため、圧電層33が個別電極32から剥がれにくくなっている。さらには、個別電極32の下の絶縁材料層31の熱膨張係数は、例えば、アルミナの場合、7×10-6程度であり、個別電極32の熱膨張係数よりも圧電層33の熱膨張係数に近いため、圧電層33が複数の貫通穴32aを通して絶縁材料層31に密着しやすくなる。このように、圧電層33が複数の貫通穴32aを通して部分的に絶縁材料層31に密着することにより、圧電層33が個別電極32からさらに剥離しにくい状態となっている。 Here, as described above, each individual electrode 32 has a plurality of through holes 32a. As shown in FIGS. 3 and 4, a part of the piezoelectric layer 33 enters the through hole 32 a and the lower surface of the piezoelectric layer 33 is formed in an uneven shape, so that the piezoelectric layer 33 is restrained by the through hole 32. In addition, the adhesion between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 is enhanced. Further, as will be described later, the piezoelectric layer 33 is subjected to heat treatment in a state where it is formed on the surface of the individual electrode 32. Here, the thermal expansion coefficient of the conductive material such as gold forming the individual electrode 32 is about 14 × 10 −6 , whereas the thermal expansion coefficient of PZT forming the piezoelectric layer 33 is about 3 × 10 −6. Therefore, after the heat treatment is performed on the piezoelectric layer 33, an interfacial stress is generated between the individual electrode 32 and the PZT forming the piezoelectric layer 33 due to a difference in thermal deformation amount. When this interfacial stress is large, the piezoelectric layer 33 is easily peeled off from the individual electrode 32, but the contact surface between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 is divided at some points by a plurality of through holes 32a, and the interfacial stress between the two is reduced. Therefore, the piezoelectric layer 33 is difficult to peel off from the individual electrode 32. Furthermore, the thermal expansion coefficient of the insulating material layer 31 below the individual electrode 32 is, for example, about 7 × 10 −6 in the case of alumina, and the thermal expansion coefficient of the piezoelectric layer 33 is higher than the thermal expansion coefficient of the individual electrode 32. Therefore, the piezoelectric layer 33 can easily adhere to the insulating material layer 31 through the plurality of through holes 32a. As described above, the piezoelectric layer 33 is partially adhered to the insulating material layer 31 through the plurality of through holes 32a, so that the piezoelectric layer 33 is more difficult to be separated from the individual electrode 32.

圧電層33の表面には、複数の個別電極32に共通の共通電極34が圧電層33の全面に亙って形成されている。図2に示すように、共通電極34からは1本の配線部41が延びており、この配線部41は圧電層33の表面と絶縁材料層31の表面とに亙って延在するように形成されている。また、この配線部41の端部に設けられた端子部42は、ドライバIC37の端子(図示せず)と接している。これにより、共通電極34は、この配線部41及びドライバIC37を介して接地され、グランド電位に保持されている。この共通電極34も金などの導電性材料からなる。   A common electrode 34 common to the plurality of individual electrodes 32 is formed on the entire surface of the piezoelectric layer 33 on the surface of the piezoelectric layer 33. As shown in FIG. 2, one wiring part 41 extends from the common electrode 34, and this wiring part 41 extends over the surface of the piezoelectric layer 33 and the surface of the insulating material layer 31. Is formed. Further, the terminal portion 42 provided at the end of the wiring portion 41 is in contact with a terminal (not shown) of the driver IC 37. Thereby, the common electrode 34 is grounded via the wiring portion 41 and the driver IC 37 and is held at the ground potential. The common electrode 34 is also made of a conductive material such as gold.

次に、インク吐出時における圧電アクチュエータ3の作用について説明する。ドライバIC37に複数の配線部35を介して夫々接続された複数の個別電極32に対して、ドライバIC37から選択的に駆動電圧が供給されると、駆動電圧が供給された圧電層33下側の個別電極32とグランド電位に保持されている圧電層33上側の共通電極34の電位が異なった状態となり、両電極32,34の間に挟まれた圧電層33に上下方向の電界が生じる。すると、圧電層33のうち、駆動電圧が印加された個別電極32の直上の部分が、分極方向である上下方向と直交する水平方向に収縮する。ここで、圧電層33の下側の絶縁材料層31及び振動板30はキャビティプレート10に対して固定されているため、両電極32,34の間に挟まれた圧電層33の部分が圧力室14側に凸となるように変形し、この圧電層33の部分的な変形に伴い、振動板30の圧力室14を覆う部分も圧力室14側に凸となるように変形する。すると、圧力室14内の容積が減少するためにインク圧力が上昇し、圧力室14に連通するノズル20からインクが吐出される。   Next, the operation of the piezoelectric actuator 3 during ink ejection will be described. When a drive voltage is selectively supplied from the driver IC 37 to the plurality of individual electrodes 32 respectively connected to the driver IC 37 via the plurality of wiring sections 35, the lower side of the piezoelectric layer 33 to which the drive voltage is supplied is provided. The electric potentials of the individual electrodes 32 and the common electrode 34 on the upper side of the piezoelectric layer 33 held at the ground potential are different from each other, and an electric field in the vertical direction is generated in the piezoelectric layer 33 sandwiched between the electrodes 32 and 34. Then, a portion of the piezoelectric layer 33 immediately above the individual electrode 32 to which the drive voltage is applied contracts in a horizontal direction orthogonal to the vertical direction that is the polarization direction. Here, since the insulating material layer 31 and the diaphragm 30 below the piezoelectric layer 33 are fixed to the cavity plate 10, the portion of the piezoelectric layer 33 sandwiched between both electrodes 32 and 34 is the pressure chamber. It deforms so as to be convex toward the 14 side, and with the partial deformation of the piezoelectric layer 33, the portion covering the pressure chamber 14 of the diaphragm 30 is also deformed so as to be convex toward the pressure chamber 14 side. Then, since the volume in the pressure chamber 14 decreases, the ink pressure rises, and ink is ejected from the nozzle 20 communicating with the pressure chamber 14.

次に、圧電アクチュエータ3の製造方法について説明する。まず、図6に示すように、ステンレス製の3枚のプレート10〜12と、同じくステンレス製の振動板30とを拡散接合等により接合する。ここで、キャビティプレート10と振動板30は同じステンレス製であるため、熱膨張係数が等しくなり、接合面における残留応力が小さいために、両者の接合強度は極めて良好なものとなる。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric actuator 3 will be described. First, as shown in FIG. 6, the three stainless steel plates 10 to 12 and the stainless steel diaphragm 30 are joined by diffusion bonding or the like. Here, since the cavity plate 10 and the diaphragm 30 are made of the same stainless steel, the thermal expansion coefficients are equal, and the residual stress on the joint surface is small, so that the joint strength between them is extremely good.

次に、図7に示すように、振動板30の表面に、アルミナ、ジルコニア、あるいは、窒化ケイ素等のセラミックス材料より絶縁材料層31を形成する。この絶縁材料層31を形成する方法としては、例えば、超微粒子材料を高速で衝突させて堆積させるエアロゾルデポジション法を用いて非常に薄い層を用いることができる。その他、ゾルゲル法、スパッタ法、あるいは、CVD(化学蒸着)法を用いて絶縁材料層31を形成することもできる。   Next, as shown in FIG. 7, an insulating material layer 31 is formed on the surface of the diaphragm 30 from a ceramic material such as alumina, zirconia, or silicon nitride. As a method of forming the insulating material layer 31, for example, an extremely thin layer can be used by using an aerosol deposition method in which ultrafine particle material is deposited by colliding at high speed. In addition, the insulating material layer 31 can be formed using a sol-gel method, a sputtering method, or a CVD (chemical vapor deposition) method.

次に、絶縁材料層31の表面に個別電極32を形成するとともに、各個別電極に複数の貫通穴32aを形成する(第1工程)。図8に示すように、メッキ法、スパッタ法又は蒸着法などにより、絶縁材料層31の全面に導電層40を形成してから、図9に示すように、レーザーやマスク、レジスト法等によりこの導電層40を部分的に除去して、個別電極32及び複数の貫通穴32aを形成する。あるいは、絶縁材料層31の表面に導電性ペーストをスクリーン印刷することにより個別電極32及び複数の貫通穴32aを一度に形成してもよい。   Next, the individual electrodes 32 are formed on the surface of the insulating material layer 31, and a plurality of through holes 32a are formed in each individual electrode (first step). As shown in FIG. 8, a conductive layer 40 is formed on the entire surface of the insulating material layer 31 by plating, sputtering, vapor deposition, or the like. Then, as shown in FIG. The conductive layer 40 is partially removed to form the individual electrode 32 and the plurality of through holes 32a. Alternatively, the individual electrodes 32 and the plurality of through holes 32a may be formed at a time by screen-printing a conductive paste on the surface of the insulating material layer 31.

次に、図10に示すように、個別電極32の表面にPZTからなる圧電層33を、エアロゾルデポジション法、ゾルゲル法、スパッタ等、あるいは、CVD法を用いて形成する(第2工程)。これらの方法により圧電層33を形成することにより、圧電層33を形成するPZTの粒子が個別電極32に形成された複数の貫通穴32a内に入り込みやすくなり、圧電層33が複数の貫通穴32aを介して部分的に絶縁材料層31に密着しやすくなる。続いて、圧電層33の組織を微細化するために、圧電層33に600℃程度の熱処理を施す。   Next, as shown in FIG. 10, a piezoelectric layer 33 made of PZT is formed on the surface of the individual electrode 32 using an aerosol deposition method, a sol-gel method, sputtering, or the CVD method (second step). By forming the piezoelectric layer 33 by these methods, the PZT particles forming the piezoelectric layer 33 can easily enter into the plurality of through holes 32a formed in the individual electrode 32, and the piezoelectric layer 33 is formed into the plurality of through holes 32a. It becomes easy to adhere to the insulating material layer 31 partly through. Subsequently, in order to refine the structure of the piezoelectric layer 33, the piezoelectric layer 33 is subjected to heat treatment at about 600 ° C.

そして、図11に示すように、圧電層33の表面の全面に、スクリーン印刷、蒸着法、あるいは、スパッタ法等を用いて共通電極34を形成する(第3工程)。最後に、図12に示すように、マニホールドプレート12の下面にノズルプレート13を接着する。   Then, as shown in FIG. 11, a common electrode 34 is formed on the entire surface of the piezoelectric layer 33 using screen printing, vapor deposition, sputtering, or the like (third step). Finally, as shown in FIG. 12, the nozzle plate 13 is bonded to the lower surface of the manifold plate 12.

尚、圧電層33が複数の貫通穴32aを通して絶縁材料層31に密着しやすくするために、複数の貫通穴32aの穴径は、個別電極32の厚さよりも大きいことが好ましい。貫通孔32aの穴径がこの程度の大きさであれば、圧電層33の貫通孔32aに形成される部分がその深さに対して十分な大きさの径を有するため、貫通孔32a内及びその付近の圧電層33が破断する虞は少なくなる。一方で、複数の貫通穴32aの穴径があまりにも大きすぎると、個別電極32と共通電極34との間の圧電層33に印加される電界に乱れが生じて、圧電層33の変形効率が低下してしまう虞があるため、貫通穴32aの穴径は、圧電層33の厚さよりも小さいことが好ましい。例えば、個別電極32の厚さが2μm程度、圧電層33の厚さが10μm程度であるときに、複数の貫通穴32aの穴径は2〜10μm程度であることが好ましい。   In order to make the piezoelectric layer 33 easily adhere to the insulating material layer 31 through the plurality of through holes 32a, the diameter of the plurality of through holes 32a is preferably larger than the thickness of the individual electrode 32. If the hole diameter of the through-hole 32a is such a large size, the portion formed in the through-hole 32a of the piezoelectric layer 33 has a diameter that is sufficiently large with respect to the depth thereof. There is less possibility that the piezoelectric layer 33 in the vicinity thereof is broken. On the other hand, if the hole diameters of the plurality of through holes 32a are too large, the electric field applied to the piezoelectric layer 33 between the individual electrode 32 and the common electrode 34 is disturbed, and the deformation efficiency of the piezoelectric layer 33 is reduced. Since there is a risk of lowering, the hole diameter of the through hole 32 a is preferably smaller than the thickness of the piezoelectric layer 33. For example, when the thickness of the individual electrode 32 is about 2 μm and the thickness of the piezoelectric layer 33 is about 10 μm, the hole diameter of the plurality of through holes 32 a is preferably about 2 to 10 μm.

また、ノズルプレート13がステンレス鋼等の金属材料で形成されている場合には、予め、ノズルプレート13を他の3枚のプレートと同時に接合して流路ユニット2を形成してから、この流路ユニット2の表面に振動板30、個別電極32及び圧電層33を順に積層させて、圧電層33に熱処理を施すようにすることもできる。   When the nozzle plate 13 is formed of a metal material such as stainless steel, the nozzle plate 13 is joined together with the other three plates at the same time to form the flow path unit 2, and then the flow of the nozzle plate 13 is increased. The diaphragm 30, the individual electrode 32, and the piezoelectric layer 33 may be sequentially laminated on the surface of the path unit 2, and the piezoelectric layer 33 may be heat treated.

以上説明したインクジェットヘッド1、圧電アクチュエータ3及び圧電アクチュエータ3の製造方法によれば、次のような効果が得られる。   According to the inkjet head 1, the piezoelectric actuator 3, and the method for manufacturing the piezoelectric actuator 3 described above, the following effects can be obtained.

個別電極32に複数の貫通穴32aを形成することにより、個別電極32の表面上の圧電層33の一部が貫通穴32a内に入り込んで、その部分が貫通穴32aにより拘束されるため、個別電極32から剥がれにくくなる。また、個別電極32と圧電層33との間の接触面が複数の貫通穴32aにより分断されるため、圧電層33の熱処理後に生じた個別電極32と圧電層33との間の界面応力が小さくなり、個別電極32と圧電層33の密着性が向上する。さらに、個別電極32の下側の絶縁材料層31は、その熱膨張係数が個別電極31よりも圧電層33に近く、複数の貫通穴32aに入り込んだ圧電層33の一部が絶縁材料層31に密着しやすくなるため、個別電極32と圧電層33の密着性がさらに向上する。   By forming a plurality of through holes 32a in the individual electrode 32, a part of the piezoelectric layer 33 on the surface of the individual electrode 32 enters the through hole 32a, and that part is restrained by the through hole 32a. It becomes difficult to peel off from the electrode 32. In addition, since the contact surface between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 is divided by the plurality of through holes 32a, the interfacial stress between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 generated after the heat treatment of the piezoelectric layer 33 is small. Thus, the adhesion between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 is improved. Further, the insulating material layer 31 below the individual electrode 32 has a thermal expansion coefficient closer to that of the piezoelectric layer 33 than the individual electrode 31, and a part of the piezoelectric layer 33 that has entered the plurality of through holes 32 a is part of the insulating material layer 31. Therefore, the adhesion between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 is further improved.

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。   Next, modified embodiments in which various modifications are made to the embodiment will be described. However, components having the same configuration as in the above embodiment are given the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.

1]一般的に、個別電極32と圧電層33との間の界面応力は、個別電極32の外周側部分ほど大きくなるため、圧電層33は個別電極32の外周側から剥がれやすい。そこで、図13に示すように、個別電極32の外周側部分における貫通穴32aの配置密度を中央部よりも大きくして、外周側部分における個別電極32と圧電層33の密着性をより高くすることにより、圧電層33が個別電極32から剥離するのをより確実に防止できる。   1] Generally, the interfacial stress between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 increases toward the outer peripheral portion of the individual electrode 32, so that the piezoelectric layer 33 is easily peeled off from the outer peripheral side of the individual electrode 32. Therefore, as shown in FIG. 13, the arrangement density of the through holes 32a in the outer peripheral portion of the individual electrode 32 is made larger than that in the central portion, and the adhesion between the individual electrode 32 and the piezoelectric layer 33 in the outer peripheral portion is further increased. This can more reliably prevent the piezoelectric layer 33 from peeling from the individual electrode 32.

2]図14に示すように、個別電極32に複数の貫通穴32aを形成する際に、個別電極32から延びる配線部35にも複数の貫通穴35aを形成して、個別電極32及び配線部35と圧電層33との密着性をさらに高めるようにしてもよい。   2] As shown in FIG. 14, when the plurality of through holes 32a are formed in the individual electrode 32, the plurality of through holes 35a are also formed in the wiring portion 35 extending from the individual electrode 32, so that the individual electrode 32 and the wiring portion are formed. You may make it improve the adhesiveness of 35 and the piezoelectric layer 33 further.

3]前記実施形態の圧電アクチュエータの製造方法では、金属製の振動板30の表面に絶縁材料層31を形成し、さらに、その絶縁材料層31の表面に複数の個別電極32を形成しているが、図15に示すように、絶縁材料で構成された振動板50(本願発明の絶縁材料層に相当する)の表面に直接複数の個別電極32を形成し、さらに、各個別電極32に複数の貫通穴32aを形成してもよい。このようにして製造された圧電アクチュエータ53においては、個別電極32の表面に形成される圧電層33の一部が複数の貫通穴32aを通して振動板50に密着する。尚、圧電アクチュエータ53の応答性を高めるため、振動板50を構成する絶縁材料は、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料や、ほうけい酸ガラス等のガラス材料など、弾性率の高い材料であることが好ましい。   3] In the method of manufacturing the piezoelectric actuator of the above embodiment, the insulating material layer 31 is formed on the surface of the metallic diaphragm 30, and the plurality of individual electrodes 32 are formed on the surface of the insulating material layer 31. However, as shown in FIG. 15, a plurality of individual electrodes 32 are formed directly on the surface of a diaphragm 50 (corresponding to the insulating material layer of the present invention) made of an insulating material, and a plurality of individual electrodes 32 are formed on each individual electrode 32. The through hole 32a may be formed. In the piezoelectric actuator 53 thus manufactured, a part of the piezoelectric layer 33 formed on the surface of the individual electrode 32 is in close contact with the diaphragm 50 through the plurality of through holes 32a. In order to improve the responsiveness of the piezoelectric actuator 53, the insulating material constituting the diaphragm 50 may be a material having a high elastic modulus such as a ceramic material such as alumina or zirconia, or a glass material such as borosilicate glass. preferable.

4]前記実施形態においては、絶縁材料層31の表面(圧電層33の下面)に個別電極32を形成し、圧電層33の表面に共通電極34を形成しているが、絶縁材料層31の表面に共通電極34を形成し、圧電層33の表面に個別電極32を形成してもよい。この場合、共通電極34に、圧電層33との密着性を向上させるための複数の貫通穴を形成することになる。   4] In the above embodiment, the individual electrode 32 is formed on the surface of the insulating material layer 31 (the lower surface of the piezoelectric layer 33), and the common electrode 34 is formed on the surface of the piezoelectric layer 33. The common electrode 34 may be formed on the surface, and the individual electrode 32 may be formed on the surface of the piezoelectric layer 33. In this case, a plurality of through holes for improving the adhesion with the piezoelectric layer 33 are formed in the common electrode 34.

5〕前記実施形態においては、個別電極32に複数の貫通穴32aがそれぞれ形成されていたが、例えば、図16〜図19に概念的に示すように各個別電極に一つだけの貫通穴を形成してもよい。図16では、個別電極60にスパイラル状の一本の溝(貫通穴)が形成されている。あるいは、図17に示すように、個別電極62にS字状の溝62aを形成してもよい。溝は任意の形状に形成することができる。また、個別電極の外周付近が中央部よりも剥離が生じやすいことを考慮して、図18に示すように、個別電極64の外周付近にのみU字状あるいは略環状の溝を形成してもよい。さらに、図19に示すように、個別電極66に複数の溝66a、66bを設けてもよい。   5] In the above-described embodiment, the plurality of through holes 32a are formed in the individual electrodes 32. For example, as shown conceptually in FIGS. 16 to 19, only one through hole is formed in each individual electrode. It may be formed. In FIG. 16, a single spiral groove (through hole) is formed in the individual electrode 60. Alternatively, as shown in FIG. 17, an S-shaped groove 62 a may be formed in the individual electrode 62. The groove can be formed in an arbitrary shape. Further, in consideration of the fact that the vicinity of the outer periphery of the individual electrode is more likely to be peeled off than the center portion, a U-shaped or substantially annular groove may be formed only in the vicinity of the outer periphery of the individual electrode 64 as shown in FIG. Good. Furthermore, as shown in FIG. 19, a plurality of grooves 66 a and 66 b may be provided in the individual electrode 66.

6〕上記実施形態では、個別電極32に複数の貫通穴32aがそれぞれ形成されていたが、それに代えて、例えば、図20に示すように個別電極132の圧電層33の側の表面に1つ以上の凹部132aを設けてもよい。凹部132aを有する個別電極132はメッキ法、スパッタ法、蒸着法などで形成することができる。凹部132aの径は、貫通穴の場合と同様に、個別電極132の厚みよりも大きく、圧電層33の厚みよりも小さいことが望ましい。凹部132aの深さは、個別電極132からの圧電層33の耐剥離性を考慮して適宜選択し得る。例えば、個別電極132の外周部と中央部に凹部132aを設けた場合には外周部の凹部132aを中央部に凹部132aよりも深く形成してもよい。ここで、個別電極132に形成された凹部132aと凹部132aの間に画成された部分は凸部とみなすこともできる。すなわち、個別電極132にその表面から突出する凸部または突起を設けた場合も、二つの凸部により挟まれた部分に凹部が形成されてことになる。従って、複数の凸部が形成されている場合も本発明に含まれるものである。なお、凹部132a(または凸部)の平面形状は、円形に限らず、矩形や種々の形状にし得る。また、凹部132aは、個別電極132に一つのみ形成することであってもよい。   6] In the above embodiment, the plurality of through holes 32a are respectively formed in the individual electrode 32. Instead, for example, one is provided on the surface of the individual electrode 132 on the piezoelectric layer 33 side as shown in FIG. You may provide the above recessed part 132a. The individual electrode 132 having the recess 132a can be formed by a plating method, a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. The diameter of the recess 132 a is desirably larger than the thickness of the individual electrode 132 and smaller than the thickness of the piezoelectric layer 33 as in the case of the through hole. The depth of the recess 132 a can be selected as appropriate in consideration of the peel resistance of the piezoelectric layer 33 from the individual electrode 132. For example, when the concave portions 132a are provided in the outer peripheral portion and the central portion of the individual electrode 132, the outer peripheral concave portion 132a may be formed deeper than the concave portion 132a in the central portion. Here, a portion defined between the concave portion 132a formed in the individual electrode 132 and the concave portion 132a can be regarded as a convex portion. That is, even when the individual electrode 132 is provided with a protrusion or protrusion protruding from the surface, a recess is formed in a portion sandwiched between the two protrusions. Therefore, the present invention includes a case where a plurality of convex portions are formed. In addition, the planar shape of the concave portion 132a (or the convex portion) is not limited to a circle, and may be a rectangle or various shapes. Further, only one recess 132 a may be formed in the individual electrode 132.

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。1 is a perspective view of an inkjet head according to an embodiment of the present invention. 図1におけるインクジェットヘッドの右半部の平面図である。It is a top view of the right half part of the inkjet head in FIG. 図2のIII-III線断面図である。It is the III-III sectional view taken on the line of FIG. 図2のIV-IV線断面図である。It is the IV-IV sectional view taken on the line of FIG. 図2の一部拡大図である。FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2. 流路ユニットと振動板を接合する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of joining a flow path unit and a diaphragm. 絶縁層を形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming an insulating layer. 個別電極を形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming an individual electrode. 複数の貫通穴を形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming a several through-hole. 圧電層を形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming a piezoelectric layer. 共通電極を形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming a common electrode. ノズルプレートを接合する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of joining a nozzle plate. 変更形態の図5相当図である。FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 別の変更形態の図5相当図である。FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 5 in another modified form. さらに別の変更形態の図3相当図である。FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 3 in still another modified form. さらに別の変更形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows another modification. さらに別の変更形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows another modification. さらに別の変更形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows another modification. さらに別の変更形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows another modification. さらに別の変更形態を示す図である。It is a figure which shows another modification.

符号の説明Explanation of symbols

1 インクジェットヘッド
2 流路ユニット
3,53 圧電アクチュエータ
14 圧力室
30,50 振動板
31 絶縁材料層
32,60,62,64,66,132 個別電極
32a 貫通穴
33 圧電層
34 共通電極
35 配線部
35a 貫通穴
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inkjet head 2 Flow path unit 3,53 Piezoelectric actuator 14 Pressure chamber 30,50 Diaphragm 31 Insulating material layer 32,60,62,64,66,132 Individual electrode 32a Through hole 33 Piezoelectric layer 34 Common electrode 35 Wiring part 35a Through hole

Claims (18)

絶縁材料層の表面上に第1の電極を形成するとともに、この第1の電極の表面に凹部を形成する第1工程と、
前記第1の電極の表面に圧電層を形成する第2工程と、
この圧電層の表面に第2の電極を形成する第3工程と、を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
Forming a first electrode on the surface of the insulating material layer and forming a recess on the surface of the first electrode;
A second step of forming a piezoelectric layer on the surface of the first electrode;
And a third step of forming a second electrode on the surface of the piezoelectric layer.
前記凹部が、前記第1の電極を貫通する貫通穴であることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the concave portion is a through-hole penetrating the first electrode. 前記貫通穴が複数形成されていることを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 2, wherein a plurality of the through holes are formed. 前記絶縁材料層を、熱膨張係数が前記第1の電極よりも前記圧電層に近い材料で形成することを特徴とする請求項2又は3に記載の圧電アクチュエータの製造方法。   4. The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the insulating material layer is formed of a material having a thermal expansion coefficient closer to that of the piezoelectric layer than that of the first electrode. 前記貫通穴の穴径は前記第1の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項2〜4の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。   5. The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 2, wherein a diameter of the through hole is larger than a thickness of the first electrode. 前記貫通穴の穴径は前記圧電層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項2〜5の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 2, wherein a diameter of the through hole is smaller than a thickness of the piezoelectric layer. 前記第1の電極の外周側部分における前記複数の貫通穴の配置密度は、前記第1の電極の中央部における配置密度よりも大きいことを特徴とする請求項3〜6の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。   7. The arrangement density according to claim 3, wherein an arrangement density of the plurality of through holes in an outer peripheral side portion of the first electrode is larger than an arrangement density in a central portion of the first electrode. A method for manufacturing a piezoelectric actuator. 前記第1工程において、前記第1の電極から延び且つこの第1の電極に駆動電圧を印加する為の配線部を形成し、この配線部にも複数の貫通穴を形成することを特徴とする請求項3〜7の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。   In the first step, a wiring portion that extends from the first electrode and applies a driving voltage to the first electrode is formed, and a plurality of through holes are formed in the wiring portion. The manufacturing method of the piezoelectric actuator in any one of Claims 3-7. 前記第2工程において、前記圧電層を、エアロゾルデポジション法、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法の何れかにより形成することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein in the second step, the piezoelectric layer is formed by any one of an aerosol deposition method, a sputtering method, a CVD method, and a sol-gel method. Method. 前記絶縁材料層を、金属製の振動板の表面に形成することを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the insulating material layer is formed on a surface of a metal diaphragm. 絶縁材料層の表面上に設けられ且つその表面に凹部が形成された第1の電極と、
この第1の電極の表面上に形成された圧電層と、
この圧電層の表面上に形成された第2の電極とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
A first electrode provided on the surface of the insulating material layer and having a recess formed on the surface;
A piezoelectric layer formed on the surface of the first electrode;
And a second electrode formed on the surface of the piezoelectric layer.
前記凹部が、前記第1の電極を貫通する貫通穴であることを特徴とする請求項11に記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 11, wherein the concave portion is a through-hole penetrating the first electrode. 前記貫通穴が複数形成されていることを特徴とする請求項12に記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 12, wherein a plurality of the through holes are formed. 前記絶縁材料層は、熱膨張係数が前記第1の電極よりも前記圧電層に近い材料で形成されており、前記圧電層が前記貫通穴を通して部分的に前記絶縁材料層に密着していることを特徴とする請求項12又は13に記載の圧電アクチュエータ。 The insulating material layer is formed of a material having a thermal expansion coefficient closer to that of the piezoelectric layer than the first electrode, and the piezoelectric layer is partially adhered to the insulating material layer through the through hole. The piezoelectric actuator according to claim 12 or 13, characterized in that: インクを吐出するノズルに連通した複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記複数の圧力室の容積を選択的に変化させる圧電アクチュエータとを有し、
前記圧電アクチュエータは、
絶縁材料層と、
前記複数の圧力室に夫々対応して前記絶縁材料層の表面上に形成された複数の個別電極と、
これら複数の個別電極に跨ってそれらの表面に形成された圧電層と、
この圧電層の表面に形成された共通電極とを備え、
各個別電極の表面には凹部が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
A flow path unit having a plurality of pressure chambers communicating with a nozzle for discharging ink, and a piezoelectric actuator for selectively changing the volume of the plurality of pressure chambers,
The piezoelectric actuator is
An insulating material layer;
A plurality of individual electrodes formed on the surface of the insulating material layer corresponding to the plurality of pressure chambers;
A piezoelectric layer formed on the surface of the plurality of individual electrodes,
A common electrode formed on the surface of the piezoelectric layer,
An ink jet head, wherein the surface of each individual electrode is provided with a recess.
前記凹部が、前記個別電極を貫通する貫通穴であることを特徴とする請求項15に記載のインクジェットヘッド。   The inkjet head according to claim 15, wherein the recess is a through-hole penetrating the individual electrode. 前記貫通穴が複数形成されていることを特徴とする請求項16に記載のインクジェットヘッド。   The inkjet head according to claim 16, wherein a plurality of the through holes are formed. 前記絶縁材料層は、熱膨張係数が前記個別電極よりも前記圧電層に近い材料で形成されており、前記圧電層が前記複数の貫通穴を通して部分的に前記絶縁材料層に密着していることを特徴とする請求項16又は17に記載のインクジェットヘッド。
The insulating material layer is formed of a material having a thermal expansion coefficient closer to that of the piezoelectric layer than the individual electrode, and the piezoelectric layer is partially adhered to the insulating material layer through the plurality of through holes. The inkjet head according to claim 16 or 17, wherein
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