JP2012240366A - Piezoelectric element, head and device for jetting liquid - Google Patents

Piezoelectric element, head and device for jetting liquid Download PDF

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Tsutomu Kojima
力 小島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element that can suppress generation of cracks in a piezoelectric layer and provides high reliability.SOLUTION: The piezoelectric element 100 is formed on a first electrode 10 and upward the first electrode 10, and includes a piezoelectric layer 20 having a first Young's modulus, a second electrode 30 formed above the piezoelectric layer 20, and an insulating layer 40 having a second Young's modulus larger than the first Young's modulus. The piezoelectric layer 20 has a part 22 sandwiched by the first electrode 10 and the second electrode 30. The insulating layer 40 is adjacent to the outside of the sandwiched part 22.

Description

本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus.

例えばインクジェットプリンター等の液体噴射装置において、インク等の液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。液体噴射ヘッドは、圧力室内の圧力を変化させるために圧電素子を備えている。圧電素子は、上部電極および下部電極に挟まれた圧電体層を有し、駆動信号等によって圧電体層が変形することにより、振動板を屈曲させることができる。これにより、液体噴射ヘッドは、ノズル孔から圧力発生室内に供給されたインク等を噴射させることができる。   For example, in a liquid ejecting apparatus such as an ink jet printer, a liquid ejecting head that ejects droplets of ink or the like is known. The liquid ejecting head includes a piezoelectric element for changing the pressure in the pressure chamber. The piezoelectric element has a piezoelectric layer sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the diaphragm can be bent when the piezoelectric layer is deformed by a drive signal or the like. Accordingly, the liquid ejecting head can eject ink or the like supplied from the nozzle hole into the pressure generating chamber.

このような圧電素子の圧電体層は、上部電極および下部電極に挟まれた能動部と、上部電極および下部電極に挟まれていない非能動部と、を有する(特許文献1参照)。能動部は、駆動信号等によって能動的に駆動する部分であり、下部電極近傍の能動部と非能動部との界面に応力が集中することがある。そして、この応力により圧電体層にクラックが発生し、圧電素子の信頼性が低下してしまうことがある。   The piezoelectric layer of such a piezoelectric element has an active part sandwiched between the upper electrode and the lower electrode, and an inactive part not sandwiched between the upper electrode and the lower electrode (see Patent Document 1). The active portion is a portion that is actively driven by a drive signal or the like, and stress may concentrate on the interface between the active portion and the inactive portion near the lower electrode. This stress may cause cracks in the piezoelectric layer, which may reduce the reliability of the piezoelectric element.

特開2009−172878号公報JP 2009-172878 A

本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、クラックの発生を抑制でき、高い信頼性を有する圧電素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、上記圧電素子を有する液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することにある。   One of the objects according to some aspects of the present invention is to provide a piezoelectric element that can suppress generation of cracks and has high reliability. Another object of some aspects of the present invention is to provide a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus having the piezoelectric element.

本発明に係る圧電素子は、
第1電極と、
前記第1電極の上方に形成され、第1のヤング率を有する圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第2電極と、
前記第1のヤング率より大きい第2のヤング率を有する絶縁体層と、を含み、
前記圧電体層は、前記第1電極と前記第2電極とに挟まれた部分を有し、
前記挟まれた部分の外側に、前記絶縁体層が隣接している。
The piezoelectric element according to the present invention is
A first electrode;
A piezoelectric layer formed above the first electrode and having a first Young's modulus;
A second electrode formed above the piezoelectric layer;
An insulator layer having a second Young's modulus greater than the first Young's modulus;
The piezoelectric layer has a portion sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The insulator layer is adjacent to the outside of the sandwiched portion.

このような圧電素子によれば、能動部の、能動部と絶縁体層との界面近傍に位置する部分では、絶縁体層によって変位が抑制される。これにより、第1電極近傍の能動部と絶縁体層との界面に、応力が集中することを抑制できる。したがって、圧電体層にクラックが発生することを抑制できる。その結果、このような圧電素子は、高い信頼性を有することができる。   According to such a piezoelectric element, the displacement is suppressed by the insulator layer in a portion of the active portion located in the vicinity of the interface between the active portion and the insulator layer. Thereby, it can suppress that stress concentrates on the interface of the active part of the 1st electrode vicinity, and an insulator layer. Therefore, it is possible to suppress the generation of cracks in the piezoelectric layer. As a result, such a piezoelectric element can have high reliability.

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「A」という)の「上方」に他の特定のもの(以下「B」という)を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A上に直接Bを形成するような場合と、A上に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。   In the description of the present invention, the word “upper” is, for example, “forms another specific thing (hereinafter referred to as“ B ”)“ above ”a specific thing (hereinafter referred to as“ A ”)”. Etc. In the description according to the present invention, in the case of this example, the case where B is directly formed on A and the case where B is formed on A via another are included. The word “upward” is used.

本発明に係る圧電素子において、
さらに、他の第1電極を含み、
前記絶縁体層は、前記第1電極と前記他の第1電極との間の領域を避けて、形成されていてもよい。
In the piezoelectric element according to the present invention,
And further including another first electrode,
The insulator layer may be formed so as to avoid a region between the first electrode and the other first electrode.

このような圧電素子によれば、所望の変位量を得ることができる。例えば、隣り合う第1電極の間に絶縁体層が形成されていると、能動部の変位が絶縁体層によって著しく抑制されてしまい、所望の変位量を得ることができない場合がある。   According to such a piezoelectric element, a desired amount of displacement can be obtained. For example, when an insulator layer is formed between the adjacent first electrodes, the displacement of the active part is significantly suppressed by the insulator layer, and a desired displacement amount may not be obtained.

本発明に係る圧電素子において、
さらに、前記第2電極の上方に形成された部材を含み、
前記部材は、前記挟まれた部分の外周の上方に、配置されていてもよい。
In the piezoelectric element according to the present invention,
And a member formed above the second electrode,
The member may be disposed above an outer periphery of the sandwiched portion.

このような圧電素子によれば、第2電極の上方に形成された部材によって、第2電極外周近傍の能動部の変位を抑制することができる。そのため、第2電極近傍の能動部と絶縁体層との界面に、応力が集中することを抑制できる。   According to such a piezoelectric element, the displacement of the active portion near the outer periphery of the second electrode can be suppressed by the member formed above the second electrode. Therefore, it can suppress that stress concentrates on the interface of the active part and insulator layer near the 2nd electrode.

本発明に係る圧電素子において、
前記部材は、金属性であってもよい。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The member may be metallic.

このような圧電素子によれば、金属性の部材は、第2電極と電気的に接続する配線と同じ工程で形成されることができる。そのため、金属性の部材を形成するために新たな工程を必要とせず、工数の増大を防止することができる。   According to such a piezoelectric element, the metallic member can be formed in the same process as the wiring electrically connected to the second electrode. Therefore, a new process is not required to form a metallic member, and an increase in man-hours can be prevented.

本発明に係る圧電素子において、
前記挟まれた部分は、長方形の平面形状を有し、
前記絶縁体層は、前記挟まれた部分の短辺に隣接して形成されていてもよい。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The sandwiched portion has a rectangular planar shape,
The insulator layer may be formed adjacent to a short side of the sandwiched portion.

このような圧電素子によれば、高い信頼性を有することができる。   Such a piezoelectric element can have high reliability.

本発明に係る圧電素子において、
前記絶縁体層の前記短辺に沿う方向の長さは、前記短辺の長さより大きくてもよい。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The length of the insulator layer in the direction along the short side may be larger than the length of the short side.

このような圧電素子によれば、より確実に、能動部と絶縁体層との界面近傍の変位を抑制することができる。   According to such a piezoelectric element, displacement near the interface between the active portion and the insulator layer can be suppressed more reliably.

本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電素子を含む。
A liquid ejecting head according to the present invention includes:
The piezoelectric element according to the present invention is included.

このような液体噴射ヘッドによれば、本発明に係る圧電素子を含むため、高い信頼性を有することができる。   According to such a liquid jet head, since the piezoelectric element according to the present invention is included, high reliability can be obtained.

本発明に係る液体噴射装置は、
本発明に係る液体噴射ヘッドを含む。
A liquid ejecting apparatus according to the present invention includes:
The liquid ejecting head according to the invention is included.

このような液体噴射装置によれば、本発明に係る液体噴射ヘッドを含むため、高い信頼性を有することができる。   According to such a liquid ejecting apparatus, since the liquid ejecting head according to the present invention is included, high reliability can be obtained.

本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the piezoelectric element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the piezoelectric element according to the embodiment. 本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the piezoelectric element according to the embodiment. 本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the piezoelectric element according to the embodiment. 本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る圧電素子をモデル化したモデルを模式的に示す図。The figure which shows typically the model which modeled the piezoelectric element which concerns on this embodiment. 比較例に係る圧電素子をモデル化したモデルを模式的に示す図。The figure which shows typically the model which modeled the piezoelectric element which concerns on a comparative example. 本実施形態の第1変形例に係る圧電素子を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the piezoelectric element which concerns on the 1st modification of this embodiment. 本実施形態の第1変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the piezoelectric element which concerns on the 1st modification of this embodiment. 本実施形態の第2変形例に係る圧電素子を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態の第2変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態の第2変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態の第2変形例に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態の第2変形例に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す平面図。FIG. 3 is a plan view schematically showing the liquid ejecting head according to the embodiment. 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating the liquid ejecting head according to the embodiment. 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view schematically illustrating the liquid ejecting head according to the embodiment. 本実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating the liquid ejecting apparatus according to the embodiment.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

1. 圧電素子
まず、本実施形態に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る圧電素子100を模式的に示す平面図である。図2は、本実施形態に係る圧電素子100を模式的に示す図1のII−II線断面図である。図3は、本実施形態に係る圧電素子100を模式的に示す図1のIII−III線断面図である。図4は、本実施形態に係る圧電素子100を模式的に示す図1のIV−IV線断面図である。
1. Piezoelectric Element First, the piezoelectric element according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view schematically showing a piezoelectric element 100 according to this embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 schematically showing the piezoelectric element 100 according to the present embodiment. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 1 schematically showing the piezoelectric element 100 according to the present embodiment. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 1 schematically showing the piezoelectric element 100 according to the present embodiment.

圧電素子100は、図1〜図4に示すように、第1電極10と、圧電体層20と、第2電極30と、絶縁体層40と、を含む。圧電素子100は、例えば、基板1上に形成されている。   As shown in FIGS. 1 to 4, the piezoelectric element 100 includes a first electrode 10, a piezoelectric layer 20, a second electrode 30, and an insulator layer 40. The piezoelectric element 100 is formed on the substrate 1, for example.

基板1は、例えば、半導体、絶縁体で形成された平板である。基板1は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。基板1は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。   The substrate 1 is a flat plate formed of, for example, a semiconductor or an insulator. The substrate 1 may be a single layer or a structure in which a plurality of layers are stacked. The internal structure of the substrate 1 is not limited as long as the upper surface is planar. For example, the substrate 1 may have a structure in which a space or the like is formed.

基板1は、可撓性を有し、圧電体層20の動作によって変形(屈曲)することのできる振動板を含んでいてもよい。振動板の材質としては、例えば、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、またはこれらの積層体が挙げられる。   The substrate 1 may include a diaphragm that is flexible and can be deformed (bent) by the operation of the piezoelectric layer 20. Examples of the material of the diaphragm include silicon oxide, zirconium oxide, and a laminate thereof.

第1電極10は、基板1上に形成されている。第1電極10の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第1電極10の厚み(Z軸方向の長さ)は、例えば、50nm以上300nm以下である。第1電極10の平面形状(Z軸方向から見た形状)は、第2電極30が対向して配置されたときに両者の間に圧電体層20を配置できる形状であれば、特に限定されない。図1に示す例では、第1電極10は、X軸方向に沿う長辺10aと、Y軸方向に沿う短辺10bと、を有する長方形である。   The first electrode 10 is formed on the substrate 1. The shape of the first electrode 10 is, for example, a layer shape or a thin film shape. The thickness (length in the Z-axis direction) of the first electrode 10 is, for example, not less than 50 nm and not more than 300 nm. The planar shape of the first electrode 10 (the shape viewed from the Z-axis direction) is not particularly limited as long as the piezoelectric layer 20 can be disposed between the second electrodes 30 when they are disposed to face each other. . In the example shown in FIG. 1, the first electrode 10 is a rectangle having a long side 10a along the X-axis direction and a short side 10b along the Y-axis direction.

第1電極10は、1つ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。図示の例では、第1電極10は、2つ設けられている。2つの第1電極10は、図1に示すように、Y軸方向に配列されていてもよい。第1電極10(一方の第1電極10)と他の第1電極10(他方の第1電極10)とは、互いに並設されていてもよい。   One first electrode 10 may be provided, or a plurality of first electrodes 10 may be provided. In the illustrated example, two first electrodes 10 are provided. The two first electrodes 10 may be arranged in the Y-axis direction as shown in FIG. The first electrode 10 (one first electrode 10) and the other first electrode 10 (the other first electrode 10) may be arranged in parallel with each other.

第1電極10の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物(例えば酸化イリジウムなど)、ストロンチウムとルテニウムとの複合酸化物(SrRuO:SRO)、ランタンとニッケルとの複合酸化物(LaNiO:LNO)が挙げられる。第1電極層10は、上記に例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。 Examples of the material of the first electrode 10 include various metals such as nickel, iridium, and platinum, conductive oxides thereof (for example, iridium oxide), composite oxides of strontium and ruthenium (SrRuO x : SRO), A composite oxide of lanthanum and nickel (LaNiO x : LNO) can be given. The first electrode layer 10 may have a single-layer structure made of the materials exemplified above, or may have a structure in which a plurality of materials are stacked.

第1電極10は、第2電極30と一対になって、圧電体層20に電圧を印加するための一方の電極(例えば、圧電体層20の下方に形成された下部電極)となることができる。   The first electrode 10 may be paired with the second electrode 30 to be one electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer 20 (for example, a lower electrode formed below the piezoelectric layer 20). it can.

なお、基板1が振動板を有さず、第1電極10が振動板としての機能を有していてもよい。すなわち、第1電極10は、圧電体層20に電圧を印加するための一方の電極としての機能と、圧電体層20の動作によって変形することのできる振動板としての機能と、を有していてもよい。   In addition, the board | substrate 1 does not have a diaphragm, but the 1st electrode 10 may have a function as a diaphragm. That is, the first electrode 10 has a function as one electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer 20 and a function as a diaphragm that can be deformed by the operation of the piezoelectric layer 20. May be.

また、図示はしないが、第1電極10と基板1との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。このような層の例としては、例えば、チタン、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの酸化物の層が挙げられる。   Moreover, although not shown in figure, between the 1st electrode 10 and the board | substrate 1, the layer which provides both adhesiveness, and the layer which provides intensity | strength and electroconductivity may be formed, for example. Examples of such layers include various metals such as titanium, nickel, iridium, and platinum, and oxide layers thereof.

圧電体層20は、第1電極10上に形成されている。圧電体層20の厚みは、例えば、300nm以上3000nm以下である。   The piezoelectric layer 20 is formed on the first electrode 10. The thickness of the piezoelectric layer 20 is, for example, not less than 300 nm and not more than 3000 nm.

圧電体層20は、第1電極10と第2電極30とに挟まれた部分22を有する。圧電体層20の部分22は、第1電極10および第2電極30によって電圧が印加されることで能動的に変形することができる。そのため、圧電体層20の部分22を、能動部22ともいうことができる。能動部22は、実質的に駆動する部分であるともいえる。これに対し、圧電体層20の、第1電極10と第2電極30とに挟まれていない部分は、能動的には駆動しない非能動部ともいうことができる。   The piezoelectric layer 20 has a portion 22 sandwiched between the first electrode 10 and the second electrode 30. The portion 22 of the piezoelectric layer 20 can be actively deformed when a voltage is applied by the first electrode 10 and the second electrode 30. Therefore, the portion 22 of the piezoelectric layer 20 can also be referred to as the active portion 22. It can be said that the active portion 22 is a substantially driven portion. On the other hand, the portion of the piezoelectric layer 20 that is not sandwiched between the first electrode 10 and the second electrode 30 can also be referred to as an inactive portion that is not actively driven.

能動部22は、複数の第1電極10に対応して複数形成されている。能動部22の形状は、特に限定されないが、図1に示す例では、X軸方向に沿う長辺22aと、Y軸方向に沿う短辺22bと、を有する長方形である。   A plurality of active portions 22 are formed corresponding to the plurality of first electrodes 10. The shape of the active portion 22 is not particularly limited, but in the example illustrated in FIG. 1, the active portion 22 is a rectangle having a long side 22 a along the X-axis direction and a short side 22 b along the Y-axis direction.

圧電体層20には、図1および図4に示すように、開口部24が形成されていてもよい。開口部24は、平面視において(Z軸方向から見て)、隣り合う第1電極10の間に、形成されている。開口部24の平面形状は、特に限定されない。開口部24によって、隣り合う能動部22間におけるクロストークを抑制することができる。   As shown in FIGS. 1 and 4, an opening 24 may be formed in the piezoelectric layer 20. The opening 24 is formed between the adjacent first electrodes 10 in a plan view (viewed from the Z-axis direction). The planar shape of the opening 24 is not particularly limited. The opening 24 can suppress crosstalk between the adjacent active portions 22.

圧電体層20には、図1および図2に示すように、開口部26が形成されていてもよい。開口部26は、第1電極10上に設けられている。開口部26内には、配線部34が形成され、配線部34は、第1電極10に接続されている。配線部34は、外部電源(図示せず)と電気的に接続されており、配線部34を介して、第1電極10に電圧を印加することができる。配線部34の材質は、例えば、後述する第2電極30の材質と同じである。   As shown in FIGS. 1 and 2, an opening 26 may be formed in the piezoelectric layer 20. The opening 26 is provided on the first electrode 10. A wiring portion 34 is formed in the opening 26, and the wiring portion 34 is connected to the first electrode 10. The wiring part 34 is electrically connected to an external power source (not shown), and a voltage can be applied to the first electrode 10 via the wiring part 34. The material of the wiring part 34 is the same as the material of the 2nd electrode 30 mentioned later, for example.

圧電体層20としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いることができる。より具体的には、圧電体層20の材質としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O:PZT)、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O:PZTN)が挙げられる。圧電体層20のヤング率(第1のヤング率)は、例えば、50GPa以上100GPa以下である。 As the piezoelectric layer 20, a perovskite oxide piezoelectric material can be used. More specifically, examples of the material of the piezoelectric layer 20 include lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 : PZT) and lead zirconate titanate niobate (Pb (Zr, Ti, Nb). ) O 3 : PZTN). The Young's modulus (first Young's modulus) of the piezoelectric layer 20 is, for example, 50 GPa or more and 100 GPa or less.

第2電極30は、圧電体層20上に形成されている。第2電極30は、圧電体層20を介して、第1電極10と対向して配置されている。第2電極30の形状は、例えば、層状または薄膜状の形状である。第2電極30の厚みは、例えば、50nm以上300nm以下である。第2電極30の平面形状は、第1電極10に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層20を配置できる形状であれば、特に限定されない。   The second electrode 30 is formed on the piezoelectric layer 20. The second electrode 30 is disposed to face the first electrode 10 with the piezoelectric layer 20 in between. The shape of the second electrode 30 is, for example, a layered or thin film shape. The thickness of the second electrode 30 is, for example, not less than 50 nm and not more than 300 nm. The planar shape of the second electrode 30 is not particularly limited as long as the piezoelectric body layer 20 can be disposed between the two electrodes 30 when facing the first electrode 10.

第2電極30の材質としては、例えば、第1電極10の材質として上記に列挙したものを適用することができる。第2電極30の機能の一つとしては、第1電極10と一対になって、圧電体層20に電圧を印加するための他方の電極(例えば、圧電体層20の上方に形成された上部電極)となることが挙げられる。   As a material of the 2nd electrode 30, what was enumerated above as a material of the 1st electrode 10 is applicable, for example. One of the functions of the second electrode 30 is to form a pair with the first electrode 10 to apply a voltage to the piezoelectric layer 20 (for example, an upper portion formed above the piezoelectric layer 20). Electrode).

図示の例では、第1電極10は、複数の能動部22に対応して複数設けられている。複数の第1電極10は、互いに電気的に分離している。これに対し、第2電極30は、複数の能動部22に対して1つ設けられ、複数の能動部22に対して共通の電極である。すなわち、第1電極10は、個別電極となり、第2電極30は、共通電極となることができる。これにより、複数の能動部22の各々を、独立して駆動させることができる。   In the illustrated example, a plurality of first electrodes 10 are provided corresponding to the plurality of active portions 22. The plurality of first electrodes 10 are electrically separated from each other. On the other hand, one second electrode 30 is provided for the plurality of active portions 22 and is a common electrode for the plurality of active portions 22. That is, the first electrode 10 can be an individual electrode, and the second electrode 30 can be a common electrode. Thereby, each of the some active part 22 can be driven independently.

絶縁体層40は、能動部22の外側に隣接して形成されている。図1〜図3に示すように、圧電体層20には、開口部28が形成されており、開口部28を充填するように絶縁体層40が形成されていてもよい。絶縁体層40は、図1に示すように、例えば、隣り合う第1電極10の間(第1電極10と他の第1電極10との間)の領域を避けて、形成されている。より具体的には、絶縁体層40は、能動部22の短辺22bに隣接して形成されている。図示の例では、絶縁体層40は、2つの短辺22bの各々に隣接して2つ形成されているが、いずれか一方の短辺22bにのみ隣接して形成されていてもよい。   The insulator layer 40 is formed adjacent to the outside of the active portion 22. As shown in FIGS. 1 to 3, an opening 28 is formed in the piezoelectric layer 20, and an insulator layer 40 may be formed so as to fill the opening 28. As shown in FIG. 1, the insulator layer 40 is formed, for example, avoiding a region between adjacent first electrodes 10 (between the first electrode 10 and another first electrode 10). More specifically, the insulator layer 40 is formed adjacent to the short side 22 b of the active portion 22. In the illustrated example, two insulator layers 40 are formed adjacent to each of the two short sides 22b, but may be formed adjacent to only one of the short sides 22b.

なお、絶縁体層40は、能動部22の外側に隣接していれば、どこに形成されていてもよく、例えば、能動部22の長辺22aに隣接して形成されていてもよいし、能動部22を囲んで形成されていてもよい。また、図2に示す例では、絶縁体層40は、第1電極10上に形成されているが、第1電極10の+X側の端面11が能動部22の+X側の端面23と面一の場合は、絶縁体層40は、基板1上に形成されていてもよい。   The insulator layer 40 may be formed anywhere as long as it is adjacent to the outside of the active portion 22, for example, may be formed adjacent to the long side 22 a of the active portion 22, or active It may be formed surrounding the portion 22. In the example shown in FIG. 2, the insulator layer 40 is formed on the first electrode 10, but the + X side end face 11 of the first electrode 10 is flush with the + X side end face 23 of the active portion 22. In this case, the insulator layer 40 may be formed on the substrate 1.

絶縁体層40の厚みは、圧電体層20の厚み以上であることが好ましい。これにより、絶縁体層40の剛性を、より大きくすることができる。図2および図3に示す例では、絶縁体層40の厚みは、圧電体層20の厚みと同じである。   The thickness of the insulator layer 40 is preferably equal to or greater than the thickness of the piezoelectric layer 20. Thereby, the rigidity of the insulator layer 40 can be further increased. In the example shown in FIGS. 2 and 3, the thickness of the insulator layer 40 is the same as the thickness of the piezoelectric layer 20.

絶縁体層40の平面形状は、特に限定されないが、図1に示す例では、四角形である。絶縁体層40の短辺22bに沿う方向(Y軸方向)の長さLは、例えば、短辺22bの長さより大きい。すなわち、絶縁体層40は、第1電極10をY軸方向に跨いで形成されている。   The planar shape of the insulator layer 40 is not particularly limited, but in the example shown in FIG. For example, the length L in the direction along the short side 22b (Y-axis direction) of the insulator layer 40 is larger than the length of the short side 22b. That is, the insulator layer 40 is formed across the first electrode 10 in the Y-axis direction.

絶縁体層40は、例えば、平面視において、第2電極30と重ならないように配置されている。より具体的には、第2電極30には開口部32が形成されており、平面視において、絶縁体層40は、開口部32内に配置されている。なお、図2に示す例では、能動部22上に配置された第2電極30の+X側の端面31は、能動部22の端面23と面一だが、端面31は、端面23よりも+X方向に位置していてもよい。すなわち、絶縁体層40上に、第2電極30が形成されていてもよい。   For example, the insulator layer 40 is disposed so as not to overlap the second electrode 30 in plan view. More specifically, an opening 32 is formed in the second electrode 30, and the insulator layer 40 is disposed in the opening 32 in plan view. In the example shown in FIG. 2, the end surface 31 on the + X side of the second electrode 30 disposed on the active portion 22 is flush with the end surface 23 of the active portion 22, but the end surface 31 is more in the + X direction than the end surface 23. May be located. That is, the second electrode 30 may be formed on the insulator layer 40.

絶縁体層40のヤング率(第2のヤング率)は、圧電体層20のヤング率(第1のヤング率)より大きい。絶縁体層40のヤング率は、例えば、150GPa以上400GPa以下である。絶縁体層40の材質は、絶縁性を有し、かつ圧電体層20のヤング率より大きいヤング率を有していれば、特に限定されない。具体的には、絶縁体層40の材質としては、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化チタン(TiO)、Al−SiO、SiC−BeO、MgO−SiO、BaTiO、KNO、NaNO、BiTiO、SrBiTiO、BiFeOが挙げられる。 The Young's modulus (second Young's modulus) of the insulating layer 40 is larger than the Young's modulus (first Young's modulus) of the piezoelectric layer 20. The Young's modulus of the insulator layer 40 is, for example, 150 GPa or more and 400 GPa or less. The material of the insulator layer 40 is not particularly limited as long as it has an insulating property and has a Young's modulus larger than that of the piezoelectric layer 20. Specifically, the material of the insulator layer 40 is zirconium oxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), Al 2 O 3 —SiO 2 , SiC—BeO, MgO. -SiO 2, BaTiO 3, KNO 3 , NaNO 2, BiTiO 3, SrBiTiO 2, BiFeO 3 and the like.

以上のような圧電素子100は、例えば、圧力発生室内の液体を加圧する圧電アクチュエーターとして、液体噴射ヘッドや、該液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置(インクジェットプリンター)などに適用されてもよいし、圧電体層の変形を電気信号として検出する圧電センサー等その他の用途として用いてもよい。   The piezoelectric element 100 as described above may be applied to, for example, a liquid ejecting head or a liquid ejecting apparatus (ink jet printer) using the liquid ejecting head as a piezoelectric actuator that pressurizes the liquid in the pressure generating chamber. The piezoelectric layer may be used for other purposes such as a piezoelectric sensor that detects deformation of the piezoelectric layer as an electrical signal.

本実施形態に係る圧電素子100は、例えば、以下の特徴を有する。   The piezoelectric element 100 according to the present embodiment has, for example, the following characteristics.

圧電素子100によれば、圧電体層20のヤング率より大きなヤング率を有する絶縁体層40は、能動部22の外側に隣接して形成されている。そのため、能動部22の、能動部22と絶縁体層40との界面近傍に位置する部分では、絶縁体層40によって変位が抑制される。これにより、第1電極10近傍の能動部22と絶縁体層40との界面に、応力が集中することを抑制できる。したがって、圧電体層20にクラックが発生することを抑制できる。その結果、圧電素子100は、高い信頼性を有することができる。   According to the piezoelectric element 100, the insulator layer 40 having a Young's modulus larger than the Young's modulus of the piezoelectric layer 20 is formed adjacent to the outside of the active portion 22. Therefore, in the portion of the active portion 22 located near the interface between the active portion 22 and the insulator layer 40, the displacement is suppressed by the insulator layer 40. Thereby, it can suppress that a stress concentrates on the interface of the active part 22 and the insulator layer 40 of the 1st electrode 10 vicinity. Accordingly, the occurrence of cracks in the piezoelectric layer 20 can be suppressed. As a result, the piezoelectric element 100 can have high reliability.

圧電素子100によれば、絶縁体層40は、隣り合う第1電極10の間(第1電極10と他の第1電極10との間)の領域を避けて、形成されることができる。そのため、所望の変位量を得ることができる。例えば、隣り合う第1電極の間に絶縁体層が形成されていると、能動部の変位が絶縁体層によって著しく抑制されてしまい、所望の変位量を得ることができない場合がある。本実施形態に係る圧電素子100では、このような問題を回避することができる。   According to the piezoelectric element 100, the insulator layer 40 can be formed while avoiding a region between the adjacent first electrodes 10 (between the first electrode 10 and the other first electrode 10). Therefore, a desired amount of displacement can be obtained. For example, when an insulator layer is formed between the adjacent first electrodes, the displacement of the active part is significantly suppressed by the insulator layer, and a desired displacement amount may not be obtained. Such a problem can be avoided in the piezoelectric element 100 according to the present embodiment.

圧電素子100によれば、絶縁体層40は、能動部22の短辺22bに隣接して形成され、絶縁体層40の短辺22bに沿う方向(Y軸方向)の長さLは、短辺22bの長さより大きいことができる。そのため、より確実に、能動部22と絶縁体層40との界面近傍の変位を抑制することができる。例えば、絶縁体層のY軸方向の長さが、能動部の短辺の長さより小さいと、第1電極上で圧電体層の能動部と非能動部との界面が形成され、該界面において応力が集中してしまう場合がある。   According to the piezoelectric element 100, the insulator layer 40 is formed adjacent to the short side 22b of the active portion 22, and the length L in the direction along the short side 22b of the insulator layer 40 (Y-axis direction) is short. It can be larger than the length of the side 22b. Therefore, displacement near the interface between the active portion 22 and the insulator layer 40 can be suppressed more reliably. For example, if the length of the insulator layer in the Y-axis direction is smaller than the length of the short side of the active part, an interface between the active part and the inactive part of the piezoelectric layer is formed on the first electrode, Stress may be concentrated.

2. 圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5および図6は、本実施形態に係る圧電素子100の製造工程を模式的に示す断面図であって、図2に対応するものである。
2. Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 100 according to this embodiment will be described with reference to the drawings. 5 and 6 are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the piezoelectric element 100 according to the present embodiment, and correspond to FIG.

図5に示すように、基板1上に、第1電極10を形成する。第1電極10は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより導電層(図示せず)を成膜し、該導電層をパターニングすることによって形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。   As shown in FIG. 5, the first electrode 10 is formed on the substrate 1. The first electrode 10 is formed, for example, by forming a conductive layer (not shown) by sputtering, plating, vacuum deposition, or the like, and patterning the conductive layer. The patterning is performed by, for example, a photolithography technique and an etching technique.

次に、第1電極10上に、圧電体層20aを成膜する。圧電体層20aは、例えば、ゾルゲル法、MOD(Metal Organic Deposition)法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により成膜される。   Next, the piezoelectric layer 20 a is formed on the first electrode 10. The piezoelectric layer 20a is formed by, for example, a sol-gel method, a MOD (Metal Organic Deposition) method, a sputtering method, a laser ablation method, or a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.

図6に示すように、圧電体層20aをパターニングして、開口部26,28を形成する。同時に、開口部24(図4参照)を形成することができる。これにより、圧電体層20を形成することができる。   As shown in FIG. 6, the piezoelectric layer 20a is patterned to form openings 26 and. At the same time, the opening 24 (see FIG. 4) can be formed. Thereby, the piezoelectric layer 20 can be formed.

図2に示すように、開口部28内に絶縁体層40を形成する。絶縁体層40は、例えば、インクジェット法により形成される。   As shown in FIG. 2, the insulator layer 40 is formed in the opening 28. The insulator layer 40 is formed by, for example, an ink jet method.

次に、圧電体層20上に第2電極30を形成する。第2電極30は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより導電層(図示せず)を成膜し、該導電層をパターニングすることによって形成される。第2電極30を形成する工程において、配線34を形成することができる。   Next, the second electrode 30 is formed on the piezoelectric layer 20. The second electrode 30 is formed by, for example, forming a conductive layer (not shown) by sputtering, plating, vacuum deposition, or the like, and patterning the conductive layer. In the step of forming the second electrode 30, the wiring 34 can be formed.

以上の工程により、本実施形態に係る圧電素子100を製造することができる。   Through the above steps, the piezoelectric element 100 according to this embodiment can be manufactured.

圧電素子100の製造方法によれば、高い信頼性を有する圧電素子100を得ることができる。   According to the method for manufacturing the piezoelectric element 100, the piezoelectric element 100 having high reliability can be obtained.

3. 実験例
次に、本実施形態に係る圧電素子の実験例について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
3. Experimental Example Next, an experimental example of the piezoelectric element according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited by the following experimental examples.

実験例として、本実施形態に係る圧電素子をモデル化したシミュレーションを行った。シミュレーションでは、圧電素子にかかる応力を有限要素法により解析を行った。   As an experimental example, a simulation was performed modeling the piezoelectric element according to the present embodiment. In the simulation, the stress applied to the piezoelectric element was analyzed by the finite element method.

図7は、本実施形態に係る圧電素子をモデル化したモデルM1を模式的に示す図である。モデルM1では、図7に示すように、基板として、厚み1100nmの酸化シリコン(SiO)層と、厚み400nmの酸化ジルコニウム(ZrO)層と、の積層体を用いた。第1電極として、厚み200nmの白金(Pt)層を用いた。圧電体層として、厚み1350nmのPZT層を用いた。第2電極として、厚み50nmのイリジウム(Ir)層を用いた。絶縁体層として、厚み1350nmの酸化ジルコニウム(ZrO)層を用いた。 FIG. 7 is a diagram schematically showing a model M1 obtained by modeling the piezoelectric element according to the present embodiment. In the model M1, as shown in FIG. 7, a laminated body of a silicon oxide (SiO 2 ) layer having a thickness of 1100 nm and a zirconium oxide (ZrO 2 ) layer having a thickness of 400 nm was used as a substrate. A platinum (Pt) layer having a thickness of 200 nm was used as the first electrode. A PZT layer having a thickness of 1350 nm was used as the piezoelectric layer. As the second electrode, an iridium (Ir) layer having a thickness of 50 nm was used. A zirconium oxide (ZrO 2 ) layer having a thickness of 1350 nm was used as the insulator layer.

図8は、比較例に係る圧電素子をモデル化したモデルM2を模式的に示す図である。モデルM2は、絶縁体層の代わりに、厚み1350nmのPZT層を用いたこと以外は、モデルM1と同じである。   FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a model M2 obtained by modeling the piezoelectric element according to the comparative example. The model M2 is the same as the model M1 except that a PZT layer having a thickness of 1350 nm is used instead of the insulator layer.

シミュレーションにおいて、酸化シリコン層は、ヤング率を75GPaとし、密度を2.2g/cmとし、残留応力(引張応力)を220MPaとした。酸化ジルコニウム層は、ヤング率を190GPaとし、密度を6.4g/cmとし、残留応力(圧縮応力)を170MPaとした。白金層は、ヤング率を200GPaとし、密度を16g/cmとし、残留応力(圧縮応力)を170MPaとした。PZT層は、ヤング率を75GPaとし、密度を6.4g/cmとし、残留応力(圧縮応力)を45MPaとした。イリジウム層は、ヤング率を200GPaとし、密度を22.5g/cmとし、残留応力(引張応力)を1200MPaとした。 In the simulation, the silicon oxide layer had a Young's modulus of 75 GPa, a density of 2.2 g / cm 3 , and a residual stress (tensile stress) of 220 MPa. The zirconium oxide layer had a Young's modulus of 190 GPa, a density of 6.4 g / cm 3 , and a residual stress (compressive stress) of 170 MPa. The platinum layer had a Young's modulus of 200 GPa, a density of 16 g / cm 3 , and a residual stress (compressive stress) of 170 MPa. The PZT layer had a Young's modulus of 75 GPa, a density of 6.4 g / cm 3 , and a residual stress (compressive stress) of 45 MPa. The iridium layer had a Young's modulus of 200 GPa, a density of 22.5 g / cm 3 , and a residual stress (tensile stress) of 1200 MPa.

図7および図8に示すように、モデルM1は、モデルM2に比べて、白金層(第1電極)近傍のPZT層(圧電体層)とZrO層(絶縁体層)との界面(点線で囲った部分)において応力が小さいことがわかった。したがって、絶縁体層によって、第1電極近傍の能動部と絶縁体層との界面に、応力が集中することを抑制できることがわかった。 As shown in FIGS. 7 and 8, the model M1 has an interface (dotted line) between the PZT layer (piezoelectric layer) and the ZrO 2 layer (insulator layer) in the vicinity of the platinum layer (first electrode) as compared with the model M2. It was found that the stress was small in the part surrounded by. Therefore, it has been found that the insulator layer can suppress stress concentration at the interface between the active portion near the first electrode and the insulator layer.

4. 圧電素子の変形例
4.1. 第1変形例に係る圧電素子
次に、本実施形態の第1変形例に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図9は、本実施形態の第1変形例に係る圧電素子200を模式的に示す平面図である。図10は、本実施形態の第1変形例に係る圧電素子200を模式的に示す図9のX−X線断面図である。
4). 4. Modified example of piezoelectric element 4.1. Next, a piezoelectric element according to a first modification of the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a plan view schematically showing a piezoelectric element 200 according to a first modification of the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 9 schematically showing a piezoelectric element 200 according to a first modification of the present embodiment.

以下、本実施形態の第1変形例に係る圧電素子200において、本実施形態に係る圧電素子100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。このことは、後述する本実施形態の第2変形例に係る圧電素子300においても同様である。   Hereinafter, in the piezoelectric element 200 according to the first modification of the present embodiment, members having the same functions as those of the constituent members of the piezoelectric element 100 according to the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. To do. The same applies to the piezoelectric element 300 according to a second modification of the present embodiment described later.

圧電素子200では、図9および図10に示すように、部材50を有する。部材50は、例えば、金属性である。したがって、部材50を金属部材50ということもできる。より具体的には、金属部材50の材質としては、金、ニッケル−クロム合金、白金、イリジウムが挙げられる。   The piezoelectric element 200 has a member 50 as shown in FIGS. The member 50 is, for example, metallic. Therefore, the member 50 can also be referred to as the metal member 50. More specifically, examples of the material of the metal member 50 include gold, nickel-chromium alloy, platinum, and iridium.

金属部材50は、能動部22の外周の上方であって、第2電極30上に形成されている。図9に示す例では、金属部材50は、能動部22の短辺22bに沿う外周の上方に形成されている。金属部材50は、平面視において、例えば、絶縁体層40と隣接して形成されている。図示の例では、金属部材50の平面形状は、長方形であるが、特に限定されない。   The metal member 50 is formed on the second electrode 30 above the outer periphery of the active portion 22. In the example shown in FIG. 9, the metal member 50 is formed above the outer periphery along the short side 22 b of the active portion 22. For example, the metal member 50 is formed adjacent to the insulator layer 40 in a plan view. In the illustrated example, the planar shape of the metal member 50 is a rectangle, but is not particularly limited.

圧電素子200によれば、金属部材50によって、第2電極30外周近傍の能動部22の変位を抑制することができる。そのため、第2電極30近傍の能動部22と絶縁体層40との界面に、応力が集中することを抑制できる。したがって、圧電素子200によれば、絶縁体層40によって、第1電極10近傍の能動部22と絶縁体層40との界面に、応力が集中することを抑制でき、かつ、金属部材50によって、第2電極30近傍の能動部22と絶縁体層40との界面に、応力が集中することを抑制できる。   According to the piezoelectric element 200, the displacement of the active portion 22 near the outer periphery of the second electrode 30 can be suppressed by the metal member 50. Therefore, it is possible to prevent stress from concentrating on the interface between the active portion 22 and the insulator layer 40 in the vicinity of the second electrode 30. Therefore, according to the piezoelectric element 200, the insulator layer 40 can suppress stress concentration on the interface between the active portion 22 and the insulator layer 40 in the vicinity of the first electrode 10, and the metal member 50 can It is possible to suppress stress concentration at the interface between the active portion 22 and the insulator layer 40 in the vicinity of the second electrode 30.

さらに、金属部材50は、第2電極30と電気的に接続する配線(図示せず)と同じ工程で形成されることができる。そのため、金属部材50を形成するために新たな工程を必要とせず、工数の増大を防止することができる。金属部材50は、例えば、スパッタ法、めっき法などによって成膜した後、所定形状にパターニングすることによって形成される。   Furthermore, the metal member 50 can be formed in the same process as a wiring (not shown) electrically connected to the second electrode 30. Therefore, a new process is not required to form the metal member 50, and an increase in man-hours can be prevented. The metal member 50 is formed by, for example, forming a film by a sputtering method, a plating method, or the like and then patterning the film into a predetermined shape.

4.2. 第2変形例に係る圧電素子
次に、本実施形態の第2変形例に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図11は、本実施形態の第2変形例に係る圧電素子300を模式的に示す平面図である。図12は、本実施形態の第2変形例に係る圧電素子300を模式的に示す図11のXII−XII線断面図である。図13は、本実施形態の第2変形例に係る圧電素子300を模式的に示す図11のXIII−XIII線断面図である。
4.2. Next, a piezoelectric element according to a second modification of the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a plan view schematically showing a piezoelectric element 300 according to a second modification of the present embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 11 schematically showing a piezoelectric element 300 according to a second modification of the present embodiment. FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII of FIG. 11 schematically showing a piezoelectric element 300 according to a second modification of the present embodiment.

圧電素子100の例では、図1〜図3に示すように、圧電体層20の上面の一部は、露出していた。これに対し、圧電素子300では、図11〜図13に示すように、圧電体層20の上面は露出しておらず、圧電体層20は、第2電極30または配線34の下に形成されている。図示の例では、圧電素子300は、平面視において、第2電極30および配線34に覆われていない部分に、絶縁体層40が形成されている。   In the example of the piezoelectric element 100, as shown in FIGS. 1 to 3, a part of the upper surface of the piezoelectric layer 20 is exposed. On the other hand, in the piezoelectric element 300, as shown in FIGS. 11 to 13, the upper surface of the piezoelectric layer 20 is not exposed, and the piezoelectric layer 20 is formed under the second electrode 30 or the wiring 34. ing. In the illustrated example, the piezoelectric element 300 has an insulator layer 40 formed in a portion not covered with the second electrode 30 and the wiring 34 in a plan view.

圧電素子300によれば、圧電素子100に比べて、絶縁体層40の面積を大きくすることができる。そのため、より確実に、能動部22と絶縁体層40との界面近傍の変位を抑制することができる。   According to the piezoelectric element 300, the area of the insulator layer 40 can be increased as compared with the piezoelectric element 100. Therefore, displacement near the interface between the active portion 22 and the insulator layer 40 can be suppressed more reliably.

圧電素子300は、例えば、以下のとおり製造される。図14および図15は、本実施形態の第2変形例に係る圧電素子300の製造工程を模式的に示す断面図であって、図12に対応するものである。なお、圧電素子300の製造方法の説明において、圧電素子100の製造方法と同様の箇所については、省略ないし簡略化する。   The piezoelectric element 300 is manufactured as follows, for example. 14 and 15 are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the piezoelectric element 300 according to the second modification of the present embodiment, and correspond to FIG. In the description of the method of manufacturing the piezoelectric element 300, the same parts as those of the method of manufacturing the piezoelectric element 100 are omitted or simplified.

圧電素子300の製造方法では、圧電体層20aを成膜した後(図5参照)、図14に示すように、開口部26を形成する。次に、全面に、導電層(図示せず)を成膜し、該導電層を所定のパターニングすることによって、第2電極30および配線34を形成する。次に、図15に示すように、第2電極30および配線34をマスクとして、圧電体層20aをエッチングして、圧電体層20を形成する。そして、図12に示すように、圧電体層20の開口部28内に絶縁体層40を形成する。   In the method for manufacturing the piezoelectric element 300, after forming the piezoelectric layer 20a (see FIG. 5), the opening 26 is formed as shown in FIG. Next, a conductive layer (not shown) is formed on the entire surface, and the conductive layer is patterned to form the second electrode 30 and the wiring 34. Next, as shown in FIG. 15, the piezoelectric layer 20 a is etched by using the second electrode 30 and the wiring 34 as a mask to form the piezoelectric layer 20. Then, as shown in FIG. 12, an insulator layer 40 is formed in the opening 28 of the piezoelectric layer 20.

圧電素子300の製造方法によれば、開口部28を形成するためにレジストを用いず、第2電極30および配線34をマスクとして、圧電体層20aをエッチングすることができる。そのため、第2電極30に対する絶縁体層40の位置精度を高めることができる。   According to the method for manufacturing the piezoelectric element 300, the piezoelectric layer 20 a can be etched using the second electrode 30 and the wiring 34 as a mask without using a resist to form the opening 28. Therefore, the positional accuracy of the insulator layer 40 with respect to the second electrode 30 can be increased.

5. 液体噴射ヘッド
次に、本実施形態に係る液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図16は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド600の要部を模式的に示す平面図である。図17は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド600の要部を模式的に示す図16のXVII−XVII線断面図である。図18は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド600の分解斜視図である。なお、図18では、図16および図17に示した状態と、上下逆さまの状態を示している。
5. Liquid Ejecting Head Next, the liquid ejecting head according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 16 is a plan view schematically showing a main part of the liquid jet head 600 according to the present embodiment. FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line XVII-XVII in FIG. 16 schematically illustrating the main part of the liquid jet head 600 according to the present embodiment. FIG. 18 is an exploded perspective view of the liquid jet head 600 according to the present embodiment. FIG. 18 shows the state shown in FIGS. 16 and 17 and the upside down state.

液体噴射ヘッド600は、本発明に係る圧電素子を有する。以下では、本発明に係る圧電素子として、圧電素子300を用いた例について説明する。   The liquid ejecting head 600 includes the piezoelectric element according to the present invention. Below, the example using the piezoelectric element 300 is demonstrated as a piezoelectric element which concerns on this invention.

液体噴射ヘッド600は、図16〜図18に示すように、例えば、ノズル板610と、流路形成基板620と、振動板630と、圧電素子300と、筐体640と、を含む。なお、図18では、圧電素子100を簡略化して図示している。   As shown in FIGS. 16 to 18, the liquid ejecting head 600 includes, for example, a nozzle plate 610, a flow path forming substrate 620, a vibration plate 630, a piezoelectric element 300, and a housing 640. In FIG. 18, the piezoelectric element 100 is illustrated in a simplified manner.

ノズル板610は、図17および図18に示すように、ノズル孔612を有する。ノズル孔612からは、液体(インク)が吐出される。ノズル板610には、例えば、複数のノズル孔612が設けられている。図18に示す例では、複数のノズル孔612は、一列に並んで形成されている。ノズル板610の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼(SUS)が挙げられる。   The nozzle plate 610 has a nozzle hole 612 as shown in FIGS. 17 and 18. A liquid (ink) is ejected from the nozzle hole 612. The nozzle plate 610 is provided with a plurality of nozzle holes 612, for example. In the example illustrated in FIG. 18, the plurality of nozzle holes 612 are formed in a line. Examples of the material of the nozzle plate 610 include silicon and stainless steel (SUS).

流路形成基板620は、ノズル板610上(図18の例では下)に設けられている。流路形成基板620の材質としては、例えば、シリコンが挙げられる。流路形成基板620がノズル板610と振動板630との間の空間を区画することにより、リザーバー(液体貯留部)624と、リザーバー624と連通する供給口626と、供給口626と連通する圧力発生室622と、が設けられている。図18に示す例では、リザーバー624と、供給口626と、圧力発生室622と、が区別されているが、これらはいずれも液体の流路(例えば、マニホールドということもできる)であって、このような流路はどのように設計されても構わない。例えば、供給口626は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。   The flow path forming substrate 620 is provided on the nozzle plate 610 (lower in the example of FIG. 18). Examples of the material of the flow path forming substrate 620 include silicon. The flow path forming substrate 620 divides the space between the nozzle plate 610 and the vibration plate 630, so that the reservoir (liquid storage unit) 624, the supply port 626 that communicates with the reservoir 624, and the pressure that communicates with the supply port 626 Generation chamber 622 is provided. In the example shown in FIG. 18, the reservoir 624, the supply port 626, and the pressure generation chamber 622 are distinguished, but these are all liquid flow paths (for example, can be called manifolds) Such a flow path may be designed in any way. For example, although the supply port 626 has a shape in which a part of the flow path is narrowed in the illustrated example, it can be arbitrarily formed according to the design and is not necessarily an essential configuration.

なお、図18では、圧力発生室622および供給口626を、簡略化して図示している。   In FIG. 18, the pressure generating chamber 622 and the supply port 626 are illustrated in a simplified manner.

リザーバー624は、外部(例えばインクカートリッジ)から、振動板630に設けられた貫通孔628を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー624内のインクは、供給口626を介して、圧力発生室622に供給されることができる。   The reservoir 624 can temporarily store ink supplied from the outside (for example, an ink cartridge) through a through hole 628 provided in the vibration plate 630. The ink in the reservoir 624 can be supplied to the pressure generation chamber 622 via the supply port 626.

圧力発生室622は、振動板630の変形により容積が変化する。圧力発生室622はノズル孔612と連通しており、圧力発生室622の容積が変化することによって、ノズル孔612からインク等が吐出される。圧力発生室622は、複数の能動部22に対応して、複数設けられている。図16に示すように平面視において、絶縁体層40の一部は、圧力発生室622の一部と重なっていてもよい。図16に示す例では、絶縁体層40のY軸方向の長さLは、圧力発生室622のY軸方向の長さより大きい。すなわち、絶縁体層40は、圧力発生室622をY軸方向に跨いで形成されている。これにより、より確実に、能動部22と絶縁体層40との界面近傍の変位を抑制することができる。   The volume of the pressure generation chamber 622 changes due to the deformation of the diaphragm 630. The pressure generation chamber 622 communicates with the nozzle hole 612, and ink or the like is discharged from the nozzle hole 612 when the volume of the pressure generation chamber 622 changes. A plurality of pressure generation chambers 622 are provided corresponding to the plurality of active portions 22. As shown in FIG. 16, a part of the insulator layer 40 may overlap a part of the pressure generation chamber 622 in a plan view. In the example shown in FIG. 16, the length L in the Y-axis direction of the insulator layer 40 is larger than the length of the pressure generating chamber 622 in the Y-axis direction. That is, the insulator layer 40 is formed across the pressure generation chamber 622 in the Y-axis direction. Thereby, the displacement of the interface vicinity of the active part 22 and the insulator layer 40 can be suppressed more reliably.

なお、リザーバー624および供給口626は、圧力発生室622と連通していれば、流路形成基板620とは別の部材(図示せず)に設けられていてもよい。   Note that the reservoir 624 and the supply port 626 may be provided on a member (not shown) different from the flow path forming substrate 620 as long as the reservoir 624 and the supply port 626 communicate with the pressure generation chamber 622.

振動板630は、流路形成基板620上(図18の例では下)に設けられている。図示の例では、振動板630は、流路形成基板620側から、酸化シリコン層632および酸化ジルコニウム層634を、この順で積層させて形成されている。酸化シリコン層632は、例えば、水酸化カリウム溶液(KOH溶液)を用いたウェットエッチングにより圧力発生室622等を形成する際に、エッチングストッパーとして機能することができる。   The diaphragm 630 is provided on the flow path forming substrate 620 (lower in the example of FIG. 18). In the illustrated example, the diaphragm 630 is formed by laminating a silicon oxide layer 632 and a zirconium oxide layer 634 in this order from the flow path forming substrate 620 side. The silicon oxide layer 632 can function as an etching stopper when the pressure generating chamber 622 and the like are formed by wet etching using a potassium hydroxide solution (KOH solution), for example.

圧電素子300は、振動板630上(図18の例では下)に設けられている。圧電素子300は、駆動回路(図示せず)に電気的に接続され、駆動回路の信号に基づいて動作(振動、変形)することができる。振動板630は、圧電体層20の動作によって変形し、圧力発生室622の内部圧力を適宜変化させることができる。   The piezoelectric element 300 is provided on the diaphragm 630 (lower in the example of FIG. 18). The piezoelectric element 300 is electrically connected to a drive circuit (not shown) and can operate (vibrate or deform) based on a signal from the drive circuit. The diaphragm 630 can be deformed by the operation of the piezoelectric layer 20 to change the internal pressure of the pressure generation chamber 622 as appropriate.

筐体640は、図18に示すように、ノズル板610、流路形成基板620、振動板630、および圧電素子300を収納することができる。筐体640の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。   As shown in FIG. 18, the housing 640 can accommodate the nozzle plate 610, the flow path forming substrate 620, the vibration plate 630, and the piezoelectric element 300. Examples of the material of the housing 640 include a resin and a metal.

液体噴射ヘッド600によれば、圧電素子300を有する。したがって、液体噴射ヘッド600は、高い信頼性を有することができる。   The liquid ejecting head 600 includes the piezoelectric element 300. Therefore, the liquid ejecting head 600 can have high reliability.

なお、上記の例では、液体噴射ヘッド600がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本実施形態の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。   In the above example, the case where the liquid ejecting head 600 is an ink jet recording head has been described. However, the liquid ejecting head of the present embodiment is, for example, an electrode material ejecting head used for electrode formation such as a color material ejecting head, an organic EL display, and an FED (surface emitting display) used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display. It can also be used as a bio-organic matter ejecting head used for biochip manufacturing.

6. 液体噴射装置
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図19は、本実施形態にかかる液体噴射装置700を模式的に示す斜視図である。
6). Next, the liquid ejecting apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 19 is a perspective view schematically showing the liquid ejecting apparatus 700 according to the present embodiment.

液体噴射装置700は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、液体噴射ヘッド600を用いた例について説明する。   The liquid ejecting apparatus 700 includes the liquid ejecting head according to the invention. Hereinafter, an example in which the liquid ejecting head 600 is used as the liquid ejecting head according to the invention will be described.

液体噴射装置700は、図19に示すように、ヘッドユニット730と、駆動部710と、制御部760と、を含む。液体噴射装置700は、さらに、装置本体720と、給紙部750と、記録用紙Pを設置するトレイ721と、記録用紙Pを排出する排出口722と、装置本体720の上面に配置された操作パネル770と、を含むことができる。   As illustrated in FIG. 19, the liquid ejecting apparatus 700 includes a head unit 730, a driving unit 710, and a control unit 760. The liquid ejecting apparatus 700 further includes an apparatus main body 720, a paper feeding unit 750, a tray 721 for installing the recording paper P, a discharge port 722 for discharging the recording paper P, and an operation arranged on the upper surface of the apparatus main body 720 A panel 770.

ヘッドユニット730は、上述した液体噴射ヘッド600から構成されるインクジェット式記録ヘッド(以下単に「ヘッド」ともいう)を有する。ヘッドユニット730は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ731と、ヘッドおよびインクカートリッジ731を搭載した運搬部(キャリッジ)732と、を備える。   The head unit 730 includes an ink jet recording head (hereinafter, also simply referred to as “head”) configured from the liquid ejecting head 600 described above. The head unit 730 further includes an ink cartridge 731 that supplies ink to the head, and a transport unit (carriage) 732 on which the head and the ink cartridge 731 are mounted.

駆動部710は、ヘッドユニット730を往復動させることができる。駆動部710は、ヘッドユニット730の駆動源となるキャリッジモーター741と、キャリッジモーター741の回転を受けて、ヘッドユニット730を往復動させる往復動機構742と、を有する。   The drive unit 710 can reciprocate the head unit 730. The drive unit 710 includes a carriage motor 741 serving as a drive source for the head unit 730, and a reciprocating mechanism 742 that receives the rotation of the carriage motor 741 and reciprocates the head unit 730.

往復動機構742は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸744と、キャリッジガイド軸744と平行に延在するタイミングベルト743と、を備える。キャリッジガイド軸744は、キャリッジ732が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ732を支持している。さらに、キャリッジ732は、タイミングベルト743の一部に固定されている。キャリッジモーター741の作動により、タイミングベルト743を走行させると、キャリッジガイド軸744に導かれて、ヘッドユニット730が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。   The reciprocating mechanism 742 includes a carriage guide shaft 744 supported at both ends by a frame (not shown), and a timing belt 743 extending in parallel with the carriage guide shaft 744. The carriage guide shaft 744 supports the carriage 732 while allowing the carriage 732 to freely reciprocate. Further, the carriage 732 is fixed to a part of the timing belt 743. When the timing belt 743 is caused to travel by the operation of the carriage motor 741, it is guided to the carriage guide shaft 744 and the head unit 730 reciprocates. During this reciprocation, ink is appropriately discharged from the head, and printing on the recording paper P is performed.

なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド600および記録用紙Pがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド600および記録用紙Pが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Pに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Pに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。   In the present embodiment, an example of a liquid ejecting apparatus that performs printing while both the liquid ejecting head 600 and the recording paper P move is shown, but the liquid ejecting apparatus of the present invention includes the liquid ejecting head 600 and the recording. Any mechanism may be used as long as the paper P is printed on the recording paper P with its position relatively changed. Further, in the present embodiment, an example is shown in which printing is performed on the recording paper P. However, the recording medium that can be printed by the liquid ejecting apparatus of the present invention is not limited to paper, and may be cloth, film, A wide range of media such as metal can be used, and the configuration can be changed as appropriate.

制御部760は、ヘッドユニット730、駆動部710および給紙部750を制御することができる。   The control unit 760 can control the head unit 730, the drive unit 710, and the paper feed unit 750.

給紙部750は、記録用紙Pをトレイ721からヘッドユニット730側へ送り込むことができる。給紙部750は、その駆動源となる給紙モーター751と、給紙モーター751の作動により回転する給紙ローラー752と、を備える。給紙ローラー752は、記録用紙Pの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー752aおよび駆動ローラー752bを備える。駆動ローラー752bは、給紙モーター751に連結されている。制御部760によって供紙部750が駆動されると、記録用紙Pは、ヘッドユニット730の下方を通過するように送られる。ヘッドユニット730、駆動部710、制御部760および給紙部750は、装置本体720の内部に設けられている。   The paper feeding unit 750 can feed the recording paper P from the tray 721 to the head unit 730 side. The paper feed unit 750 includes a paper feed motor 751 serving as a drive source thereof, and a paper feed roller 752 that rotates by the operation of the paper feed motor 751. The paper feed roller 752 includes a driven roller 752a and a drive roller 752b that face each other up and down across the feeding path of the recording paper P. The drive roller 752b is connected to the paper feed motor 751. When the paper supply unit 750 is driven by the control unit 760, the recording paper P is sent so as to pass below the head unit 730. The head unit 730, the drive unit 710, the control unit 760, and the paper feed unit 750 are provided inside the apparatus main body 720.

液体噴射装置700によれば、液体噴射ヘッド600を有する。したがって、液体噴射装置700は、高い信頼性を有することができる。   The liquid ejecting apparatus 700 has the liquid ejecting head 600. Therefore, the liquid ejecting apparatus 700 can have high reliability.

なお、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。   In addition, embodiment mentioned above and a modification are examples, Comprising: It is not necessarily limited to these. For example, it is possible to appropriately combine each embodiment and each modification.

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art will readily understand that many modifications are possible without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

1 基板、10 第1電極、10a 長辺、10b 短辺、11 端面、
20 圧電体層、20a 圧電体層、22 能動部、22a 長辺、22b 短辺、
23 端面、24 開口部、26 開口部、28 開口部、30 第2電極、
31 端面、32 開口部、34 配線、40 絶縁体層、50 金属部材、
100〜300 圧電素子、600 液体噴射ヘッド、610 ノズル板、
612 ノズル孔、620 流路形成基板、622 圧力発生室、624 リザーバー、
626 供給口、628 貫通孔、630 振動板、632 酸化シリコン層、
634 酸化ジルコニウム層、640 筐体、700 液体噴射装置、710 駆動部、
720 装置本体、721 トレイ、722 排出口、730 ヘッドユニット、
731 インクカートリッジ、732 キャリッジ、741 キャリッジモーター、
742 往復動機構、743 タイミングベルト、744 キャリッジガイド軸、
750 給紙部、751 給紙モーター、752 給紙ローラー、
752a 従動ローラー、752b 駆動ローラー、760 制御部、
770 操作パネル
1 substrate, 10 first electrode, 10a long side, 10b short side, 11 end face,
20 piezoelectric layer, 20a piezoelectric layer, 22 active portion, 22a long side, 22b short side,
23 end face, 24 opening, 26 opening, 28 opening, 30 second electrode,
31 end face, 32 opening, 34 wiring, 40 insulator layer, 50 metal member,
100 to 300 piezoelectric element, 600 liquid ejecting head, 610 nozzle plate,
612 nozzle hole, 620 flow path forming substrate, 622 pressure generating chamber, 624 reservoir,
626 supply port, 628 through-hole, 630 diaphragm, 632 silicon oxide layer,
634 Zirconium oxide layer, 640 housing, 700 liquid ejecting apparatus, 710 drive unit,
720 device main body, 721 tray, 722 discharge port, 730 head unit,
731 Ink cartridge, 732 carriage, 741 carriage motor,
742 reciprocating mechanism, 743 timing belt, 744 carriage guide shaft,
750 paper feed unit, 751 paper feed motor, 752 paper feed roller,
752a driven roller, 752b drive roller, 760 controller,
770 Operation panel

Claims (8)

第1電極と、
前記第1電極の上方に形成され、第1のヤング率を有する圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第2電極と、
前記第1のヤング率より大きい第2のヤング率を有する絶縁体層と、を含み、
前記圧電体層は、前記第1電極と前記第2電極とに挟まれた部分を有し、
前記挟まれた部分の外側に、前記絶縁体層が隣接している、圧電素子。
A first electrode;
A piezoelectric layer formed above the first electrode and having a first Young's modulus;
A second electrode formed above the piezoelectric layer;
An insulator layer having a second Young's modulus greater than the first Young's modulus;
The piezoelectric layer has a portion sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The piezoelectric element in which the insulator layer is adjacent to the outside of the sandwiched portion.
請求項1において、
さらに、他の第1電極を含み、
前記絶縁体層は、前記第1電極と前記他の第1電極との間の領域を避けて、形成されている、圧電素子。
In claim 1,
And further including another first electrode,
The insulator layer is a piezoelectric element formed so as to avoid a region between the first electrode and the other first electrode.
請求項1または2において、
さらに、前記第2電極の上方に形成された部材を含み、
前記部材は、前記挟まれた部分の外周の上方に、配置されている、圧電素子。
In claim 1 or 2,
And a member formed above the second electrode,
The member is a piezoelectric element disposed above an outer periphery of the sandwiched portion.
請求項3において、
前記部材は、金属性である、圧電素子。
In claim 3,
The member is a piezoelectric element that is metallic.
請求項1ないし4のいずれか1項において、
前記挟まれた部分は、長方形の平面形状を有し、
前記絶縁体層は、前記挟まれた部分の短辺に隣接して形成されている、圧電素子。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The sandwiched portion has a rectangular planar shape,
The insulator layer is a piezoelectric element formed adjacent to a short side of the sandwiched portion.
請求項5において、
前記絶縁体層の前記短辺に沿う方向の長さは、前記短辺の長さより大きい、圧電素子。
In claim 5,
The piezoelectric element, wherein a length of the insulator layer in a direction along the short side is larger than a length of the short side.
請求項1ないし6のいずれか1項に記載された圧電素子を含む、液体噴射ヘッド。   A liquid ejecting head including the piezoelectric element according to claim 1. 請求項7に記載の液体噴射ヘッドを含む、液体噴射装置。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 7.
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EP4255161A1 (en) 2022-03-31 2023-10-04 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, head chip, liquid ejection device, and sensor
JP7439568B2 (en) 2020-03-03 2024-02-28 コニカミノルタ株式会社 Inkjet head and inkjet head manufacturing method
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