JP2014177099A - Piezoelectric actuator, piezoelectric actuator manufacturing method, droplet discharge head, and image formation device - Google Patents

Piezoelectric actuator, piezoelectric actuator manufacturing method, droplet discharge head, and image formation device Download PDF

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武 竹本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator capable of having sufficient stiffness and increasing displacement magnitude while suppressing drive power, with small size and low cost.SOLUTION: Multiple piezoelectric walls 8 and electrodes 3 are alternately disposed in a surface direction, the piezoelectric walls 8 formed to be sandwiched between grooves 7 provided in a piezoelectric thin layer 2 formed on a diaphragm 1, the electrodes 3 disposed to be buried in the grooves sandwiching the piezoelectric walls. Voltage is applied to the electrodes to generate displacement generated in each of the piezoelectric walls 8 to deform the thin layer in the surface direction, so that the diaphragm integrally provided to the thin layer is deflected.

Description

本発明は、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータの製造方法、その圧電アクチュエータを用いて液滴を吐出する液滴吐出ヘッド、及び、その液滴吐出ヘッドを採用した画像形成装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, a method for manufacturing the piezoelectric actuator, a droplet discharge head that discharges droplets using the piezoelectric actuator, and an image forming apparatus that employs the droplet discharge head.

一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタ、或いはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインクの液滴(以下、インク滴という)を、吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドによりインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、インクジェット記録装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。   In general, a printer, a fax machine, a copier, a plotter, or an image forming apparatus that combines a plurality of these functions includes, for example, a droplet discharge head that discharges ink droplets (hereinafter referred to as ink droplets). Inkjet recording apparatus. In an ink jet recording apparatus, an image is formed by adhering ink droplets to a sheet by a droplet discharge head while conveying a medium. The medium here is also referred to as “paper”, but the material is not limited, and a recording medium, a recording medium, a transfer material, a recording paper, and the like are also used synonymously. Further, the ink jet recording apparatus means an apparatus for forming an image by discharging a liquid onto a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics or the like. The image formation is not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to the medium but also giving an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply ejecting a droplet). Also means. The ink is not limited to so-called ink, and is not particularly limited as long as it becomes liquid when ejected. For example, the ink is a generic term for liquids including DNA samples, resists, pattern materials, and the like. Use.

液滴吐出ヘッドでは、ノズルに連通する液室に、振動板と圧電素子とからなる圧電アクチェータを設け、圧電アクチュエータにより液室内に圧力変動を発生させることにより、ノズルから液滴を吐出する構成が知られている。圧電アクチュエータとしては、振動板上に、圧電体と電極とを交互に複数個積層した積層構造の圧電素子を設け、振動板に垂直な方向に電界を加え、電界に対して平行な方向(d33方向)の変形を直接振動板に伝達して振動板を変位させるものが実用化されている。また、振動板上に、2枚の電極に挟まれた圧電体からなる圧電素子を設け、振動板に垂直な方向に電界を加え、電界に対して垂直な方向(d31方向)の変形により振動板を撓ませるユニモルフ構造のものが実用化されている。   In the liquid droplet ejection head, a piezoelectric actuator composed of a diaphragm and a piezoelectric element is provided in a liquid chamber communicating with the nozzle, and a pressure fluctuation is generated in the liquid chamber by a piezoelectric actuator, thereby ejecting liquid droplets from the nozzle. Are known. As a piezoelectric actuator, a piezoelectric element having a laminated structure in which a plurality of piezoelectric bodies and electrodes are alternately stacked is provided on a diaphragm, an electric field is applied in a direction perpendicular to the diaphragm, and a direction parallel to the electric field (d33 (Direction) is directly transmitted to the diaphragm to displace the diaphragm. In addition, a piezoelectric element made of a piezoelectric body sandwiched between two electrodes is provided on the diaphragm, an electric field is applied in a direction perpendicular to the diaphragm, and vibration is caused by deformation in a direction perpendicular to the electric field (d31 direction). A unimorph structure that bends the plate has been put into practical use.

特許文献1には、液室の隔壁を形成するSi基板上に、直接、振動板と、2枚の電極に挟まれた圧電体の薄膜からなるユニモルフ構造の圧電アクチュエータを形成した液滴吐出ヘッドが記載されている。このような液滴吐出ヘッドは、小型で低コストにできることが評価されて、近年、製品に採用される例が増加している。   In Patent Document 1, a liquid droplet ejection head in which a piezoelectric actuator having a unimorph structure composed of a diaphragm and a piezoelectric thin film sandwiched between two electrodes is directly formed on a Si substrate forming a partition of a liquid chamber. Is described. Such a droplet discharge head has been evaluated to be small in size and low in cost, and in recent years, the number of examples employed in products is increasing.

また、近年、インクジェット記録装置の高画質、高速の要求から、液滴吐出ヘッドの高集積化が求められている。高集積化の方法としては、1列での集積度は従来と変わらないが多列に並べて見かけ上の集積度を上げる方法と、1列で集積度を上げる方法がある。多列で見かけ上の集積度を上げる方法は、1列で集積度を上げる方法に比べて圧電アクチュエータの面積が大きくなる。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により、1枚のSi基板上に複数の圧電アクチェータを形成し、個別のアクチュエータに切り分ける工法では、1枚のSi基板からつくることのできる圧電アクチュエータの数が少なくなる。このため、多列で見かけ上の集積度を上げた液滴吐出ヘッドは高コストとなってしまい、低コスト化のためには1列で集積度を上げる方法が好ましい。   In recent years, high integration of a droplet discharge head has been demanded from the demand for high image quality and high speed of an ink jet recording apparatus. As a method of high integration, there are a method of increasing the integration degree in one row, while a method of increasing the integration degree in one row is a method of increasing the apparent integration degree by arranging in multiple rows, although the integration degree in one row is not different from the conventional one. The method of increasing the apparent degree of integration in multiple rows increases the area of the piezoelectric actuator compared to the method of increasing the degree of integration in one row. In the method of forming a plurality of piezoelectric actuators on a single Si substrate by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology and separating them into individual actuators, the number of piezoelectric actuators that can be made from a single Si substrate is reduced. . For this reason, a droplet discharge head having an apparent degree of integration in multiple rows is expensive, and a method of increasing the degree of integration in one row is preferable for reducing the cost.

1列で集積度を上げるためには、液室を高密度に配列することが必要であり、並び方向の幅を小さく作ることが必要になる。しかし、d31方向の変形を利用したユニモルフ構造の圧電アクチュエータを用いる液滴吐出ヘッドで、液室の幅を小さくすると圧電アクチュエータの変位量も小さくなり吐出特性が劣化するという不具合が発生する。   In order to increase the integration degree in one row, it is necessary to arrange the liquid chambers at a high density, and it is necessary to make the width in the arrangement direction small. However, in a droplet discharge head using a piezoelectric actuator having a unimorph structure utilizing deformation in the d31 direction, if the width of the liquid chamber is reduced, the displacement amount of the piezoelectric actuator is also reduced, resulting in a deterioration in discharge characteristics.

特許文献2には、圧電体層の表面の中央部以外の縁部に配置された環状の上電極と、圧電体層の下面に配置された下電極と、下電極から圧電体層の中央部を貫通する柱部及び上電極と離間した表面部からなる中央電極とを有するユニモルフ構造の圧電アクチュエータが記載されている。
特許文献3には、下電極、圧電体、上電極のうち少なくとも一つの平面形状を櫛歯形状に配列したユニモルフ構造の圧電アクチュエータが記載されている。
Patent Document 2 discloses an annular upper electrode disposed on an edge other than the central portion of the surface of the piezoelectric layer, a lower electrode disposed on the lower surface of the piezoelectric layer, and a central portion of the piezoelectric layer from the lower electrode. A piezoelectric actuator having a unimorph structure having a column portion penetrating through a central electrode and a central electrode having a surface portion spaced apart from an upper electrode is described.
Patent Document 3 describes a unimorph-structured piezoelectric actuator in which at least one planar shape of a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode is arranged in a comb shape.

ユニモルフ構造の液滴吐出ヘッドにおいて、圧電アクチュエータの変位量を高めるためには、振動板を薄くする方法が考えられる。しかし、振動板を薄くすると、振動板の剛性が低下して吐出特性が悪くなり、応答周波数が低下したり、粘度の高いインクが吐出できなくなったりするなどの不具合が生じる。また、駆動電圧を高くする方法も考えられるが、消費電力が大きくなるという不具合が生じる。   In order to increase the displacement amount of the piezoelectric actuator in the unimorph liquid droplet ejection head, a method of thinning the diaphragm can be considered. However, if the diaphragm is made thin, the rigidity of the diaphragm is lowered and ejection characteristics are deteriorated, resulting in problems such as a response frequency being lowered and ink having high viscosity cannot be ejected. Although a method of increasing the drive voltage is also conceivable, there is a problem that power consumption increases.

特許文献2の圧電アクチュエータでは、下電極と上電極との間に生じる電界に加え、中央電極と上電極とに生じる電界により振動板の変位量を高めている。しかし、この電界は圧電体層の表層部のみに形成されるものであり、変位量の格別な増大は期待できない。
特許文献3の圧電アクチュエータでは、下電極、圧電体、上電極のうち少なくとも一つの平面形状を櫛歯形状に配列することにより、液室幅方向の剛性を低くして変位量を高めている。しかしながら、アクチュエータの剛性が低くなるため、上述の振動板の剛性が低下した場合と同様の、剛性不足による不具合が発生することは否めない。
このように、従来のユニモルフ構造の圧電アクチュエータは、剛性を確保し、駆動電圧を抑えつつ、変位量を高めることは難しい。
In the piezoelectric actuator of Patent Document 2, the displacement amount of the diaphragm is increased by the electric field generated between the center electrode and the upper electrode in addition to the electric field generated between the lower electrode and the upper electrode. However, this electric field is formed only on the surface layer portion of the piezoelectric layer, and a significant increase in the amount of displacement cannot be expected.
In the piezoelectric actuator of Patent Document 3, at least one planar shape among the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode is arranged in a comb shape, thereby reducing the rigidity in the liquid chamber width direction and increasing the amount of displacement. However, since the rigidity of the actuator becomes low, it is undeniable that a problem due to insufficient rigidity occurs as in the case where the rigidity of the diaphragm described above is lowered.
Thus, it is difficult for the conventional unimorph-structured piezoelectric actuator to ensure rigidity and suppress the drive voltage while increasing the amount of displacement.

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、剛性を確保し、駆動電力を抑えつつ変位量の高めることのできる、小型で低コストの圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッド、及び、画像形成装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and a purpose thereof is a compact and low-cost piezoelectric actuator capable of increasing rigidity while ensuring rigidity and suppressing driving power, and a method for manufacturing the piezoelectric actuator. And a droplet discharge head and an image forming apparatus.

上記目的を達成するために、請求項1の発明は、面方向に圧電体と電極とを交互に複数配置した第1層部分と、該面方向にわたって延在するように厚み方向に該第1層部分と一体的に形成された第2層部分とからなり、該第1層部分の電極への電圧印加で該第1層部分が面方向変形して、両層全体が撓むことを特徴とする圧電アクチュエータである。   In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is characterized in that a first layer portion in which a plurality of piezoelectric bodies and electrodes are alternately arranged in a surface direction and the first layer portion in the thickness direction so as to extend over the surface direction. And a second layer portion formed integrally with the layer portion, and the first layer portion is deformed in the surface direction by applying a voltage to the electrode of the first layer portion, and both layers are bent. This is a piezoelectric actuator.

本発明においては、第1層部分の電極への電圧印加により、電極に挟まれた個々の圧電体が変位することにより、第1層部分全体が面方向変形する。この第1層部分の面方向変形により、第1層部分と、厚み方向に第1層部分に一体的に形成された第2層部分との両層全体が撓む、新しい圧電アクチェータである。この構成では、電極に挟まれる圧電体の個数を増加させように第1層部分の圧電体と電極を設けることで、第1層部分全体の面方向変形を大きくして、両層全体の撓み量を大きくすることができる。このため、従来のユニモルフ構造の圧電アクチュエータのように、アクチュエータ自体の剛性を低下させたり、駆動電圧を上げたりしなくとも、変位量を高めることができる。   In the present invention, by applying a voltage to the electrode of the first layer portion, the individual piezoelectric bodies sandwiched between the electrodes are displaced, so that the entire first layer portion is deformed in the surface direction. Due to the deformation in the surface direction of the first layer portion, a new piezoelectric actuator in which both the first layer portion and the second layer portion integrally formed with the first layer portion in the thickness direction are bent. In this configuration, by providing the piezoelectric body and the electrodes of the first layer portion so as to increase the number of piezoelectric bodies sandwiched between the electrodes, the deformation in the surface direction of the entire first layer portion is increased, and the deflection of the whole of both layers is increased. The amount can be increased. For this reason, the amount of displacement can be increased without lowering the rigidity of the actuator itself or increasing the drive voltage as in a conventional unimorph piezoelectric actuator.

本発明によれば、剛性を確保し、駆動電力を抑えつつ変位量の高めることのできる、小型で低コストの圧電アクチュエータを提供することができるという優れた効果がある。   According to the present invention, there is an excellent effect that it is possible to provide a small-sized and low-cost piezoelectric actuator that can ensure rigidity and increase the amount of displacement while suppressing drive power.

実施形態の圧電アクチュエータの模式図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は拡大断面図。It is a schematic diagram of the piezoelectric actuator of an embodiment, (a) is a top view, (b) is a sectional view, (c) is an expanded sectional view. 図1の圧電アクチェータの製造工程の一例の説明図。Explanatory drawing of an example of the manufacturing process of the piezoelectric actuator of FIG. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図。The schematic diagram showing the cross section of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図。The schematic diagram showing the cross section of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図。The schematic diagram showing the cross section of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図。The schematic diagram showing the cross section of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの上面を表わす模式図。The schematic diagram showing the upper surface of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの上面を表わす模式図。The schematic diagram showing the upper surface of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの上面を表わす模式図。The schematic diagram showing the upper surface of the piezoelectric actuator of the other example of this embodiment. 本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの上面図。FIG. 3 is a top view of a piezoelectric actuator in the droplet discharge head according to the present embodiment. 図10の圧電アクチュエータの断面図であり、(a)は液室並び方向断面図、(b)は液室長さ方向断面図。It is sectional drawing of the piezoelectric actuator of FIG. 10, (a) is a liquid chamber row direction sectional view, (b) is a liquid chamber length direction sectional view. 図11のアクチュエータ基板上に支持基板を接合した断面図であり、(a)は液室並び方向A−A断面図、(b)は液室長さ方向B−B断面図。FIG. 12 is a cross-sectional view in which a support substrate is bonded onto the actuator substrate of FIG. 11, (a) is a liquid chamber arrangement direction AA cross-sectional view, and (b) is a liquid chamber length direction BB cross-sectional view. 本実施形態の液滴吐出ヘッドの全体斜視図。1 is an overall perspective view of a droplet discharge head according to an embodiment. 本実施形態の液滴吐出ヘッドの全体断面図。1 is an overall cross-sectional view of a droplet discharge head according to an embodiment. 本実施形態の液滴吐出ヘッドの液室長さ方向の断面図。Sectional drawing of the liquid chamber length direction of the droplet discharge head of this embodiment. 本実施形態の圧電アクチュエータの製法としてIJP工法を用いた模式図。The schematic diagram which used the IJP method as a manufacturing method of the piezoelectric actuator of this embodiment. 本実施形態の圧電アクチュエータを駆動する駆動波形の一例。An example of the drive waveform which drives the piezoelectric actuator of this embodiment. 液滴吐出時の圧電アクチュエータをプリロードするための説明図。Explanatory drawing for preloading the piezoelectric actuator at the time of droplet discharge. 本実施形態の圧電アクチュエータの製法としてMEMS技術を用いた模式図。The schematic diagram which used the MEMS technique as a manufacturing method of the piezoelectric actuator of this embodiment. 本実施形態の液滴吐出ヘッドを搭載したライン型インクジェットプリンタの模式図。1 is a schematic diagram of a line-type inkjet printer equipped with a droplet discharge head according to an embodiment. (a)、(b)ユニモルフ構造の圧電素子の断面を表わす模式図。(A), (b) The schematic diagram showing the cross section of the piezoelectric element of a unimorph structure.

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本実施形態の圧電アクチュエータの表わす模式図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は拡大断面図である。図1の圧電アクチュエータ37は、面方向に圧電体の壁8と電極3とを交互に複数配置した第1層部分と、振動板1からなる第2層部分とにより構成された圧電アクチュエータである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the piezoelectric actuator of the present embodiment, where (a) is a top view, (b) is a cross-sectional view, and (c) is an enlarged cross-sectional view. The piezoelectric actuator 37 in FIG. 1 is a piezoelectric actuator configured by a first layer portion in which a plurality of piezoelectric walls 8 and electrodes 3 are alternately arranged in a plane direction, and a second layer portion made of the diaphragm 1. .

図2は、図1の圧電アクチェータの製造工程の一例の説明図である。
この圧電アクチュエータ37は、金属板またはシリコン基板、ガラス板などで構成された振動板1の一面にピエゾで代表される圧電体薄膜2を形成する(図2(a))。圧電体薄膜2は、接着またはスパッタなどの成膜技術で振動板1に積層する。また、振動板1はSiO、SiN、PS(ポリシリコン)、SiONなど比較的ヤング率が高い材料で成膜されているものが好ましい。ただし、振動板1は数μm程度以下の厚みのため、後述するように液滴吐出ヘッドの液室基板15などの基体上に振動板1を成膜し、圧電体薄膜2の活性部の基体を除去し、隔壁19として残すことが必要となる(図2(e))参照)。
FIG. 2 is an explanatory diagram of an example of a manufacturing process of the piezoelectric actuator of FIG.
The piezoelectric actuator 37 forms a piezoelectric thin film 2 represented by a piezo on one surface of a diaphragm 1 made of a metal plate, a silicon substrate, a glass plate, or the like (FIG. 2A). The piezoelectric thin film 2 is laminated on the vibration plate 1 by a film forming technique such as adhesion or sputtering. The diaphragm 1 is preferably formed of a material having a relatively high Young's modulus such as SiO 2 , SiN, PS (polysilicon), or SiON. However, since the vibration plate 1 has a thickness of about several μm or less, the vibration plate 1 is formed on a substrate such as the liquid chamber substrate 15 of the droplet discharge head as described later, and the substrate of the active portion of the piezoelectric thin film 2 is formed. To be left as the partition wall 19 (see FIG. 2 (e)).

圧電体薄膜2に、フォトリソグラフィイを用いたエッジング工法(以下、フォトリソ工法という)等により、所定のピッチで溝7を形成することで、残部としての圧電体の壁8が形成する(図2(b))。Ti,SRO、Pt,Alまたはこれらの組み合わせ等で、溝7に電極3を埋設し(図2(c))、その後、圧電体薄膜2の表面にSiN、SiO,SiN、SiOなどで保護膜4を形成する(図2(d))。 The grooves 7 are formed at a predetermined pitch in the piezoelectric thin film 2 by an edging method using photolithography (hereinafter referred to as a photolithography method) or the like, thereby forming the remaining piezoelectric wall 8 (FIG. 2). (B)). The electrode 3 is embedded in the groove 7 with Ti, SRO, Pt, Al, or a combination thereof (FIG. 2C), and then the surface of the piezoelectric thin film 2 is made of SiN, SiO 2 , SiN, SiO 2 or the like. A protective film 4 is formed (FIG. 2D).

電極3は、図1(a)に示すように、交互に極性が変わる櫛歯状の電極として形成する。同極性となる電極3同士は、それぞれ第1電極5または第2電極6に接続され、第1電極5と第2電極6とは電源12に接続する。このような構成により、電極3に挟まれた圧電体の壁8に電界を形成することができる。ここで、圧電体の壁8に電界をかける溝7の電極3はTi,SRO,Ptで成膜し、導電体として使用する第1電極5と第2電極6とはAlで成膜することがコスト的に有利である。   As shown in FIG. 1A, the electrode 3 is formed as a comb-like electrode whose polarity is alternately changed. The electrodes 3 having the same polarity are connected to the first electrode 5 or the second electrode 6, respectively, and the first electrode 5 and the second electrode 6 are connected to the power source 12. With such a configuration, an electric field can be formed on the wall 8 of the piezoelectric body sandwiched between the electrodes 3. Here, the electrode 3 of the groove 7 for applying an electric field to the wall 8 of the piezoelectric body is formed of Ti, SRO, Pt, and the first electrode 5 and the second electrode 6 used as the conductor are formed of Al. Is advantageous in terms of cost.

この圧電アクチュエータ37では、複数の圧電体の壁8の両側の電極3に電圧を印加することにより、複数の圧電体の壁8に振動板1と平行な方向に電界が形成され、複数の圧電体の壁8にそれぞれ電界方向と平行な方向(d33方向)の変位(伸び)が生じる。図1(c)は、圧電体の壁8の変位(伸び)を説明するための拡大断面図である。このような変位(伸び)が各圧電体の壁8に発生すると、全体としては複数の壁8で発生した変位(伸び)を合わせた変位力で、図1(b)の円弧に示すように振動板1を撓ませる。このため、圧電体の壁8の数を増加させように溝7を形成することで、振動板1の撓み量を増大できる。また、d31方向に比べて、大きな変位量が得られるd33方向の変位を利用して振動板の撓みに変換しているので強い変位力を得ることができる。   In this piezoelectric actuator 37, by applying a voltage to the electrodes 3 on both sides of the walls 8 of the plurality of piezoelectric bodies, an electric field is formed in the direction parallel to the diaphragm 1 on the walls 8 of the plurality of piezoelectric bodies. Displacement (extension) in the direction parallel to the direction of the electric field (direction d33) occurs on the body wall 8 respectively. FIG.1 (c) is an expanded sectional view for demonstrating the displacement (elongation) of the wall 8 of a piezoelectric material. When such a displacement (elongation) is generated in the wall 8 of each piezoelectric body, as a whole, a displacement force that is a combination of the displacements (elongation) generated in the plurality of walls 8 is shown in the arc of FIG. The diaphragm 1 is bent. For this reason, the bending amount of the diaphragm 1 can be increased by forming the grooves 7 so as to increase the number of the walls 8 of the piezoelectric body. Further, since the displacement in the d33 direction, which can obtain a large amount of displacement compared to the d31 direction, is converted into the bending of the diaphragm, a strong displacement force can be obtained.

なお、図面は圧電体の壁8と電極3との配置を模式的に表したものであり、本発明における電極3の幅及び誘電体の壁8の幅は図面に示すものとは限らない。公知の技術では、圧電体薄層2に1[μm]〜サブミクロンの幅、間隔を有する溝7が形成し、溝7に1[μm]〜サブミクロンの幅となる電極3を埋設することが可能である。これより、後述する具体例のように、1[μm]〜サブミクロンの任意の幅を有する圧電体の壁8と、1[μm]〜サブミクロンの任意の幅を有する電極3と構成することができる。   The drawing schematically shows the arrangement of the piezoelectric wall 8 and the electrode 3, and the width of the electrode 3 and the width of the dielectric wall 8 in the present invention are not necessarily shown in the drawing. In the known technique, a groove 7 having a width and interval of 1 [μm] to submicron is formed in the piezoelectric thin layer 2, and an electrode 3 having a width of 1 [μm] to submicron is embedded in the groove 7. Is possible. Thus, as in a specific example described later, the piezoelectric body wall 8 having an arbitrary width of 1 [μm] to submicron and the electrode 3 having an arbitrary width of 1 [μm] to submicron are configured. Can do.

以下、より具体的に説明する。
まず、比較例として、ユニモルフ構造の圧電アクチュエータについて説明する。図21(a)は、従来のユニモルフ構造の圧電アクチュエータ137の断面図である。従来のユニモルフ構造の圧電アクチュエータ137は、振動板1上に、下電極102、圧電体薄膜2、上電極103を順次積層した圧電素子を形成している。このユニモルフ構造の圧電アクチュエータ137では、下電極102または上電極103に電圧を印加することで、圧電体薄膜2に振動板1と垂直な方向の電界が形成され、電界方向と垂直なd31方向に変位(縮み)が生じる。これを利用しての、図21(b)の円弧にしめすよう振動板1を撓ませる。
More specific description will be given below.
First, a unimorph piezoelectric actuator will be described as a comparative example. FIG. 21A is a sectional view of a piezoelectric actuator 137 having a conventional unimorph structure. A conventional piezoelectric actuator 137 having a unimorph structure has a piezoelectric element in which a lower electrode 102, a piezoelectric thin film 2, and an upper electrode 103 are sequentially laminated on a vibration plate 1. In this unimorph piezoelectric actuator 137, by applying a voltage to the lower electrode 102 or the upper electrode 103, an electric field in the direction perpendicular to the diaphragm 1 is formed in the piezoelectric thin film 2, and in the d31 direction perpendicular to the electric field direction. Displacement (shrinkage) occurs. Utilizing this, the diaphragm 1 is bent so as to be bent into the arc of FIG.

ここで、圧電体薄膜2の幅をL、厚みをt、印加電圧をVとすると、圧電体薄膜2自身の変位量ΔL31は、ΔL31=L×d31×V/T (d31は、圧電体のd31方向の比例係数)であらわされる。例えば、L=60[μm]、t=20[μm]、V=30[V]とし、d31=−200[pm/m]とすると、圧電体薄膜2自身はΔL31=−1.8×10−7[m]縮むことになる。 Here, when the width of the piezoelectric thin film 2 is L, the thickness is t, and the applied voltage is V, the displacement amount ΔL 31 of the piezoelectric thin film 2 itself is ΔL 31 = L × d 31 × V / T (d31 is (Proportional coefficient in the d31 direction of the piezoelectric body). For example, when L = 60 [μm], t = 20 [μm], V = 30 [V] and d 31 = −200 [pm / m], the piezoelectric thin film 2 itself has ΔL 31 = −1.8. × 10 −7 [m] Shrink.

一方、図1の圧電アクチュエータにおいては、一つの圧電体の壁8に発生する変位量ΔL33は、ΔL33=d33×V (d33は、圧電体のd33方向の比例係数)であらわされる。例えば、壁8の幅Lkを2[μm]とすると、d33=400[pm/m]とすると、圧電体の壁8自身はΔL33=1.2×10−8[m]伸びることになる。仮に、電極3の幅Weを0として、Lk=2[μm]の圧電体の壁8を幅方向に重ねたL=60[μm]の圧電体薄膜2とすると、60÷2=30で、30個の圧電体の壁8を有することになる。圧電体薄膜2全体のΔL33=一つの圧電体の壁8に発生する変位量ΔL33×(圧電体の壁8の数) であり、圧電体薄膜2全体のΔL33=1.2×10−8×30=3.6×10−7[m]の伸びが得られる。L=60[μm]の圧電体薄膜2としてのΔL31とΔL33の比をとると、ΔL31/ΔL33=(−1.8×10−7)/(3.6×10−7=−1/2 となる。これは、d31=−200[pm/m]とd33=400[pm/m]の比率に対応している。 On the other hand, in the piezoelectric actuator of FIG. 1, the displacement amount ΔL 33 generated in the wall 8 of one piezoelectric body is expressed by ΔL 33 = d 33 × V (d33 is a proportional coefficient in the d33 direction of the piezoelectric body). For example, when the width Lk of the wall 8 is 2 [μm], when d 33 = 400 [pm / m], the wall 8 of the piezoelectric body itself extends by ΔL 33 = 1.2 × 10 −8 [m]. Become. Assuming that the width We of the electrode 3 is 0 and the piezoelectric thin film 2 of L = 60 [μm] in which the wall 8 of the piezoelectric body of Lk = 2 [μm] is overlapped in the width direction is 60 ÷ 2 = 30, There will be 30 piezoelectric walls 8. ΔL 33 of the entire piezoelectric thin film 2 = displacement amount ΔL 33 × (number of walls 8 of the piezoelectric body) generated in one piezoelectric body wall 8, and ΔL 33 of the entire piezoelectric thin film 2 = 1.2 × 10 An elongation of −8 × 30 = 3.6 × 10 −7 [m] is obtained. Taking the ratio of ΔL 31 and ΔL 33 as the piezoelectric thin film 2 of L = 60 [μm], ΔL 31 / ΔL 33 = (− 1.8 × 10 −7 ) / (3.6 × 10 −7 = This corresponds to a ratio of d 31 = −200 [pm / m] and d 33 = 400 [pm / m].

実際の図1の圧電アクチュエータにおいては、電極3は幅Weを有している。L=60[μm]の圧電体薄膜2に、壁8の幅Lkを2[μm]、電極の幅We=2[μm]となるよう溝7を形成すると、壁8の数は15個になる。この時の、圧電体薄膜2としてのΔL33=1.2×10−8×15=1.8×10−7[m]となり、ΔL31と同じ変位量となる。圧電体の壁8の幅Lk=1[μm]、電極の幅We=1[μm]となるよう溝7を形成すると、壁8の数は30個になる。この時の、圧電体薄膜2としてのΔL33=1.2×10−8×30=3.6×10−7[m]となり、ΔL31の倍の変位量となる。このように、本時実施形態では、圧電体の壁8の数を増加させように溝7を形成して電極3を設けることで、圧電体薄膜2全体としての変位量を大きくして、振動板1の撓み量を増大できる。 In the actual piezoelectric actuator of FIG. 1, the electrode 3 has a width We. When the groove 7 is formed in the piezoelectric thin film 2 with L = 60 [μm] so that the width Lk of the wall 8 is 2 [μm] and the electrode width We = 2 [μm], the number of walls 8 is fifteen. Become. At this time, ΔL 33 = 1.2 × 10 −8 × 15 = 1.8 × 10 −7 [m] as the piezoelectric thin film 2 is obtained, and the displacement is the same as ΔL 31 . If the grooves 7 are formed so that the width Lk = 1 [μm] of the wall 8 of the piezoelectric body and the width We = 1 [μm] of the electrode, the number of the walls 8 is 30. At this time, ΔL 33 = 1.2 × 10 −8 × 30 = 3.6 × 10 −7 [m] as the piezoelectric thin film 2 is obtained, which is a displacement amount twice as large as ΔL 31 . As described above, in this embodiment, the groove 7 is formed so as to increase the number of the walls 8 of the piezoelectric body and the electrode 3 is provided, so that the displacement amount of the piezoelectric thin film 2 as a whole is increased and vibration is generated. The amount of bending of the plate 1 can be increased.

図3は、本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図である。圧電体薄膜2に形成する溝の形状は、下部になるに従い狭くなるような傾斜角9を付けて形成することが好ましい。これにより、電極3の埋設が容易とすることができる。傾斜角9としては、45度以上90度以下が好ましい。また、このような傾斜角9を有することで、圧電体の壁8の厚さ方向に変位による力が効率よく伝えられる。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section of another example of the piezoelectric actuator of the present embodiment. The shape of the groove formed in the piezoelectric thin film 2 is preferably formed with an inclination angle 9 that becomes narrower toward the bottom. Thereby, embedding of the electrode 3 can be made easy. The inclination angle 9 is preferably 45 degrees or greater and 90 degrees or less. Moreover, by having such an inclination angle 9, the force due to the displacement is efficiently transmitted in the thickness direction of the wall 8 of the piezoelectric body.

図4は、本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図である。電極3はスパッタなどで成膜する時、図5に示すように、溝7の上部が凹状になる場合がある。このような場合は、凹状の部分を埋めるようにSiOなどの絶縁体11を形成し、平坦化処理などで平面性を向上させることが良い。平面性が良いと、後述する液滴吐出ヘッドの形成時に、支持基板21との接合時の隙間設定が容易になる。逆に、圧電体薄膜2より上部に電極3が成膜される場合は、少なくとも圧電体の壁8の上部の電極3はエッチング等で除去する必要がある。隣り合う電極3は絶縁性を保つ必要がある。このため、電極3を成膜後、溝7からはみ出した電極3は前述のようにエッチングで除去するか、平坦化処理をすることにより、確実な縁面距離を確保することが重要である。これにより、圧電アクチュエータ37の、信頼性、歩留まりを向上できる。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross section of another example of the piezoelectric actuator of the present embodiment. When the electrode 3 is formed by sputtering or the like, the upper portion of the groove 7 may be concave as shown in FIG. In such a case, it is preferable that the insulator 11 such as SiO 2 is formed so as to fill the concave portion, and the planarity is improved by a flattening process or the like. When the flatness is good, it becomes easy to set a gap at the time of joining to the support substrate 21 when a droplet discharge head described later is formed. Conversely, when the electrode 3 is formed above the piezoelectric thin film 2, at least the electrode 3 above the piezoelectric wall 8 needs to be removed by etching or the like. Adjacent electrodes 3 need to maintain insulation. For this reason, after the electrode 3 is formed, it is important to secure a certain edge distance by removing the electrode 3 protruding from the groove 7 by etching or performing a flattening process as described above. Thereby, the reliability and yield of the piezoelectric actuator 37 can be improved.

図6は、本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの断面を表わす模式図である。この圧電アクチュエータは、圧電体薄層2の下部に圧電体を残して上部に複数の溝7を設けたものであり、振動板1を設けない構成である。
図6の圧電アクチュエータおいては、圧電体薄層2の下部に圧電体を残して、上部に複数の溝7を設け、圧電体薄層2上部に溝7により挟まれた圧電体の壁8を複数形成する。そして、壁8の両側の溝7に埋設した電極3に電圧を印加する。この構成では、溝7が形成されていない圧電体薄層2の下部2aは、ほぼ不活性領域となって、振動板1の機能を有する。このため、図6に示すように、振動板1を設けずに、溝7が形成されていない圧電体薄層2の下部2aを振動板1の代わりに用いることが可能である。すなわち、この圧電アクチュエータ37は、圧電体薄膜2の上部が第1層部分、圧電体薄層2の下部2aが第2層部分である。この構成では、圧電体薄層2の下部2aと圧電体薄膜の壁8が一体に構成されることで、強度を確保することができる。さらに、振動板製作工程を省略できるので、低コスト化が図れる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a cross section of another example of the piezoelectric actuator of the present embodiment. In this piezoelectric actuator, a piezoelectric body is left below the piezoelectric thin layer 2 and a plurality of grooves 7 are provided on the top, and the diaphragm 1 is not provided.
In the piezoelectric actuator of FIG. 6, the piezoelectric body is left below the piezoelectric thin layer 2, a plurality of grooves 7 are provided on the top, and the piezoelectric wall 8 sandwiched between the grooves 7 on the piezoelectric thin layer 2. A plurality of are formed. A voltage is applied to the electrodes 3 embedded in the grooves 7 on both sides of the wall 8. In this configuration, the lower portion 2 a of the piezoelectric thin layer 2 in which the groove 7 is not formed is almost an inactive region and has the function of the diaphragm 1. For this reason, as shown in FIG. 6, it is possible to use the lower portion 2 a of the piezoelectric thin layer 2 in which the groove 7 is not formed instead of the diaphragm 1 without providing the diaphragm 1. That is, in the piezoelectric actuator 37, the upper part of the piezoelectric thin film 2 is a first layer part, and the lower part 2a of the piezoelectric thin layer 2 is a second layer part. In this configuration, the lower portion 2a of the piezoelectric thin layer 2 and the wall 8 of the piezoelectric thin film are integrally formed, so that strength can be ensured. Furthermore, since the diaphragm manufacturing process can be omitted, the cost can be reduced.

また、図5に示すように、振動板1上の圧電体薄層2の下部2aに圧電体を残して、上部に複数の溝7を設けた構成とすることもできる。この圧電アクチュエータ37は、圧電体薄膜2の上部が第1層部分、中間層部分となる圧電体薄層2の下部2aと振動板1とで本発明の第2層部分を構成する。図5の圧電アクチュエータにおいては、上記形状の溝7を設けることにより、中間層部分を剛性の調整、圧電体薄膜2の成膜時の熱による残留応力によるそりの調整等で自由度が増える効果が得られる。   Further, as shown in FIG. 5, the piezoelectric body may be left in the lower portion 2 a of the piezoelectric thin layer 2 on the vibration plate 1 and a plurality of grooves 7 may be provided in the upper portion. In the piezoelectric actuator 37, the lower portion 2 a of the piezoelectric thin layer 2 in which the upper portion of the piezoelectric thin film 2 becomes the first layer portion and the intermediate layer portion and the vibration plate 1 constitute the second layer portion of the present invention. In the piezoelectric actuator of FIG. 5, by providing the groove 7 having the above-described shape, an effect of increasing the degree of freedom by adjusting the rigidity of the intermediate layer portion and adjusting the warp due to the residual stress due to heat at the time of forming the piezoelectric thin film 2 is achieved. Is obtained.

図7、8、9は、本実施形態の他の例の圧電アクチュエータの上面を表わす模式図である。なお、図7、8,9においては、保護膜4を省略して示している。本実施形態の圧電アクチュエータにおける電極3は、直線状とは限らない。例えば、図7に示すように円弧状であったり、図8に示すように波型であったりしても良い。異型(楕円、平行四辺形など)なアクチュエータの形状でも曲線と直線を組み合わせることにより電極3の面積効率が良い高出力の圧電アクチュエータ37を構成できる。例えば、図9では、楕円形状のアクチュエータから第1電極5と第2電極6を取り出すため、中央部から引き出し線5a、6aを左右に形成する。それぞれの引き出し線5a、6aと同極性の電極3は接続し、異極性の電極3は溝7を形成しない圧電体薄膜2でそれぞれを絶縁している。図7、8の構成では圧電体の壁8の変位方向は楕円の主に短辺方向であるが、図9の構成では円周全体に変位する電極形状となっている。このように、効率的な電極3の配置とすることで、変位量が大きい圧電アクチュエータ37を作ることができる。また、電極3を両側に取り出せる構成であり、実用的な配線となっている。   7, 8, and 9 are schematic views showing the upper surface of another example of the piezoelectric actuator of the present embodiment. In FIGS. 7, 8, and 9, the protective film 4 is omitted. The electrode 3 in the piezoelectric actuator of this embodiment is not necessarily linear. For example, it may have an arc shape as shown in FIG. 7 or a wave shape as shown in FIG. Even if the shape of the actuator is atypical (ellipse, parallelogram, etc.), a high output piezoelectric actuator 37 with good area efficiency of the electrode 3 can be constructed by combining curves and straight lines. For example, in FIG. 9, in order to take out the 1st electrode 5 and the 2nd electrode 6 from an elliptical actuator, the lead-out lines 5a and 6a are formed in the right and left from the center part. The electrodes 3 having the same polarity as the lead wires 5a and 6a are connected to each other, and the electrodes 3 having different polarities are insulated from each other by the piezoelectric thin film 2 in which the grooves 7 are not formed. 7 and 8, the displacement direction of the wall 8 of the piezoelectric body is mainly the short side direction of the ellipse, but in the configuration of FIG. 9, it has an electrode shape that is displaced over the entire circumference. As described above, by arranging the electrodes 3 efficiently, the piezoelectric actuator 37 having a large displacement can be produced. Further, the electrode 3 can be taken out on both sides, which is a practical wiring.

次に、本実施形態の圧電アクチュエータ37を採用した液滴吐出ヘッド40について図に基づき説明する。図10は本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの上面図である。なお、液滴吐出ヘッド40の圧電アクチュエータ37は左右対称に構成されているが、図10ではその右半分のみを示している。図11(a)は本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの液室並び方向断面図であり、図10のA−A断面をしめしたものである。図12(b)、本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの液室長さ方向の断面図であり、図10のB−B断面図を示している。   Next, a droplet discharge head 40 that employs the piezoelectric actuator 37 of the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a top view of the piezoelectric actuator in the liquid droplet ejection head of this embodiment. In addition, although the piezoelectric actuator 37 of the droplet discharge head 40 is configured symmetrically, only the right half of the piezoelectric actuator 37 is shown in FIG. FIG. 11A is a sectional view of the piezoelectric actuators in the liquid droplet ejection head according to the present embodiment, which is a sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 12B is a cross-sectional view in the liquid chamber length direction of the piezoelectric actuator in the liquid droplet ejection head of the present embodiment, and shows a cross-sectional view taken along line BB in FIG.

図11(a)、(b)に示すように、液滴吐出ヘッドは、個別の液室18の側壁部を形成するSi基板からなる液室基板15の片側に、液室18の一壁面となる振動板1と、振動板1上にスパッタ、Solgel法等で成膜した圧電体薄膜2を有している。この圧電体薄膜2は、複数の溝7を形成し、その溝7にスパッタ等で電極3が埋設され、圧電アクチュエータ37が形成される。液室基板15の振動板1と反対側には、ノズルを有するノズル板16が接合され、ノズルに連通する各液室18が形成される。   As shown in FIGS. 11A and 11B, the droplet discharge head has one wall surface of the liquid chamber 18 on one side of the liquid chamber substrate 15 made of an Si substrate that forms the side wall portion of the individual liquid chamber 18. And a piezoelectric thin film 2 formed on the vibration plate 1 by sputtering, Solgel method, or the like. The piezoelectric thin film 2 is formed with a plurality of grooves 7, and the electrodes 3 are embedded in the grooves 7 by sputtering or the like to form a piezoelectric actuator 37. A nozzle plate 16 having nozzles is joined to the opposite side of the liquid chamber substrate 15 to the diaphragm 1 to form each liquid chamber 18 communicating with the nozzles.

圧電アクチュエータ37の配線について、図10を参照して説明する。圧電アクチュエータ37は各液室(図10では不図示)18の上部にそれぞれが配設されている。各圧電アクチュエータ37の第1電極5は個別電極として、第2電極6は他の圧電アクチュエータ37との共通の電極として配線されている。各液室18で個別電極となる第1電極5には駆動IC23を接続するハンダ又は金などで形成されるバンプ14が設けられている。圧電アクチュエータ37の一部である保護膜4は液室18の投影部及び液体導入口13は振動板1とともにエッチング等で除去されている。なお、図10中、C、D部は切り欠き部を示し、保護膜4の下部を表している。   Wiring of the piezoelectric actuator 37 will be described with reference to FIG. The piezoelectric actuator 37 is disposed above each liquid chamber (not shown in FIG. 10) 18. The first electrode 5 of each piezoelectric actuator 37 is wired as an individual electrode, and the second electrode 6 is wired as a common electrode with other piezoelectric actuators 37. The first electrode 5 which is an individual electrode in each liquid chamber 18 is provided with bumps 14 formed of solder or gold for connecting the driving IC 23. The protective film 4, which is a part of the piezoelectric actuator 37, is removed from the projection portion of the liquid chamber 18 and the liquid inlet 13 together with the vibration plate 1 by etching or the like. In FIG. 10, C and D parts indicate notches and represent the lower part of the protective film 4.

本実施形態の圧電アクチュエータ37では、第1電極(個別電極)5と第2電極(共通電極)は、上下に圧電体薄膜2を挟む構成ではないので、同一面上に同時に第1電極(個別電極)5と第2電極(共通電極)を成膜できる。このため、従来の上下の電極で圧電体薄膜2を挟むユニモルフ構造の圧電アクチュエータで必要な層間絶縁膜や、層間絶縁膜を介して電極と接続するための配線部材等が不要になり、成膜プロセスが大幅に簡略化できる。   In the piezoelectric actuator 37 of the present embodiment, the first electrode (individual electrode) 5 and the second electrode (common electrode) are not configured to sandwich the piezoelectric thin film 2 in the vertical direction, and therefore the first electrode (individually) An electrode) 5 and a second electrode (common electrode) can be formed. This eliminates the need for an interlayer insulating film necessary for a conventional unimorph piezoelectric actuator in which the piezoelectric thin film 2 is sandwiched between upper and lower electrodes and a wiring member for connecting to the electrode through the interlayer insulating film. The process can be greatly simplified.

図11(a)のA−A断面図に示すように、液室18の投影部の保護膜4は除去され、各液室を分けている隔壁19に対応する圧電体2の上部に形成された保護膜4は残されている。また、図11(b)のB−B断面図に示すように、液体導入口13は流体抵抗20を介して液室18と連通している。   As shown in the AA sectional view of FIG. 11A, the protective film 4 of the projection portion of the liquid chamber 18 is removed and formed on the piezoelectric body 2 corresponding to the partition wall 19 dividing each liquid chamber. The protective film 4 remains. In addition, as shown in the BB cross-sectional view of FIG. 11B, the liquid inlet 13 communicates with the liquid chamber 18 through the fluid resistance 20.

図12(a)、(b)は、アクチュエータ基板38の断面図であり、(a)は液室並び方向の断面図、(b)は液室幅方向の断面図である。図11(a)、(b)にしめす圧電アクチュエータ37を形成した液室基板15上に支持基板21を接合したものをアクチュエータ基板38という。支持基板21には液体導入口13と連通する液体供給口22が形成されている。支持基板21は、保護膜4と接合され、電極3とは保護膜4の厚さ分の隙間を有する。また、図示しないが、保護膜4の下部に薄い絶縁膜を全面に形成し、バンプ14の上部と周辺及び液体導入口13の開口部分は絶縁膜を除去し、電極3及び壁8の上部には絶縁膜を残した構成でも良い。   12A and 12B are cross-sectional views of the actuator substrate 38, FIG. 12A is a cross-sectional view in the liquid chamber arrangement direction, and FIG. 12B is a cross-sectional view in the liquid chamber width direction. A substrate obtained by bonding the support substrate 21 to the liquid chamber substrate 15 on which the piezoelectric actuator 37 shown in FIGS. 11A and 11B is formed is referred to as an actuator substrate 38. A liquid supply port 22 communicating with the liquid introduction port 13 is formed in the support substrate 21. The support substrate 21 is bonded to the protective film 4 and has a gap corresponding to the thickness of the protective film 4 from the electrode 3. Although not shown, a thin insulating film is formed on the entire surface below the protective film 4, and the insulating film is removed from the upper and peripheral portions of the bumps 14 and the openings of the liquid inlets 13. May be configured with the insulating film left.

従来、圧電アクチュエータを形成した液室基板15上へ支持基板21を接合する際は、特許3690098号公報に記載されるように、圧電素子に接触しないように各圧電素子を区切る区画壁を有する裏打ち材を接着する方法が用いられる。300dpi/列以上の高集積ヘッドになると、部品精度、組立て精度が要求されて高コストになり、場合によっては製作が困難になる。本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、図12(a)、(b)に示すように、圧電体薄膜2の上部に形成した保護膜4に支持基板21を接合する。このため、支持基板21に特別高精度の接着部を設ける必要や、圧電アクチュエータ37側に特別に接着するための加工や部品は必要がなく、電極3の絶縁性を高める保護膜4を利用するだけでよい。組み立て精度も支持基板21の液体供給口22と液室基板15の液体導入口13の位置合わせをするだけでよく、格段に組み立て性が向上する。   Conventionally, when the support substrate 21 is bonded onto the liquid chamber substrate 15 on which the piezoelectric actuator is formed, as described in Japanese Patent No. 3690098, a backing having a partition wall that divides each piezoelectric element so as not to contact the piezoelectric element A method of adhering materials is used. When a highly integrated head of 300 dpi / row or more is required, parts accuracy and assembly accuracy are required, resulting in high costs and, in some cases, manufacture becomes difficult. In the liquid droplet ejection head of this embodiment, as shown in FIGS. 12A and 12B, a support substrate 21 is bonded to the protective film 4 formed on the piezoelectric thin film 2. For this reason, it is not necessary to provide a special high-accuracy adhesive portion on the support substrate 21, and there is no need for processing and parts for special adhesion to the piezoelectric actuator 37 side, and the protective film 4 that enhances the insulation of the electrode 3 is used. Just do it. As for the assembly accuracy, it is only necessary to align the liquid supply port 22 of the support substrate 21 and the liquid introduction port 13 of the liquid chamber substrate 15, and the assemblability is remarkably improved.

図13は本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図であり、図14は本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの組み立て斜視図である。液滴吐出ヘッド40は、ノズルカバー39、ノズル板16、アクチュエータ基板38、バッキングプレート26、ダンパプレート29、及び、ハウジング31等を含んで構成されている。また、記録画像に応じてインクジェット記録装置の制御部からの電気信号をアクチュエータ基板38に伝達するFPC(Flexible Printed Circuits)41を有している。なお、図13中に、液滴吐出ヘッド40の液室幅方向及び液室並び方向を示している。   FIG. 13 is an exploded perspective view of the droplet discharge head according to the present embodiment, and FIG. 14 is an assembled perspective view of the droplet discharge head according to the present embodiment. The droplet discharge head 40 includes a nozzle cover 39, a nozzle plate 16, an actuator substrate 38, a backing plate 26, a damper plate 29, a housing 31, and the like. In addition, an FPC (Flexible Printed Circuits) 41 that transmits an electrical signal from the control unit of the ink jet recording apparatus to the actuator substrate 38 in accordance with the recorded image is provided. In FIG. 13, the liquid chamber width direction and the liquid chamber arrangement direction of the droplet discharge head 40 are shown.

図15は、液滴吐出ヘッド40の全体の断面図である。なお、図15には、FPC41は示していない。液室基板15に接合された支持基板21の中央部には駆動IC23が配置される空間24が形成されている。この空間24に対応する位置の、圧電アクチュエータ37の第1電極5に形成されたバンプ14上に、金からなるスタッドバンプ(不図示)を形成し、駆動IC23をフリップチップ接合する。支持基板21の上部には、例えばSUS板の第1バッキングプレート25と第2バッキングプレート26が接合される。第1バッキングプレート25と第2バッキングプレート26にはそれぞれ共通液室27を形成する開口部を有しており、支持基板21の液体供給口22に連通している。第2バッキングプレート26上には、圧電アクチュエータ37の変位による液体の衝撃波を吸収する樹脂フィルムのダンパフィルムとSUS板のダンパプレート29が一体になって接合されている。ダンパプレート29には共通液室27に対応する部分に所定の穴を空けて空気室30を形成し、ダンパフィルム28が変位できるようになっている。さらに上部には、液体を共通液室27に供給するための通路(不図示)が形成されたハウジング31が接合されている。   FIG. 15 is a sectional view of the entire droplet discharge head 40. Note that the FPC 41 is not shown in FIG. A space 24 in which the drive IC 23 is disposed is formed at the center of the support substrate 21 bonded to the liquid chamber substrate 15. A stud bump (not shown) made of gold is formed on the bump 14 formed on the first electrode 5 of the piezoelectric actuator 37 at a position corresponding to the space 24, and the drive IC 23 is flip-chip bonded. For example, a first backing plate 25 and a second backing plate 26, which are SUS plates, are joined to the upper portion of the support substrate 21. Each of the first backing plate 25 and the second backing plate 26 has an opening for forming a common liquid chamber 27 and communicates with the liquid supply port 22 of the support substrate 21. On the second backing plate 26, a damper film 29 of a resin film and a damper plate 29 of an SUS plate are integrally bonded to absorb the shock wave of the liquid due to the displacement of the piezoelectric actuator 37. A predetermined hole is formed in a portion corresponding to the common liquid chamber 27 in the damper plate 29 to form an air chamber 30 so that the damper film 28 can be displaced. Furthermore, a housing 31 in which a passage (not shown) for supplying liquid to the common liquid chamber 27 is formed is joined to the upper part.

図16は、圧電アクチュエータの製法としてIJPを用いた模式図である。圧電アクチュエータ37の圧電体薄膜2及び電極3の形成方法として好ましいIJP(インクジェットパターニング)工法を示す。圧電材料を分散したインクをIJヘッド32からインク滴33として吐出するIPJ工法を用いて、振動板1の上に壁8を形成し、電極材料を分散したインクをIJヘッド32からインク滴33として吐出して溝7に相当する電極3を形成し、その後乾燥焼成する。IJP工法で壁8と電極3を簡便に形成することにより、低コストを実現するものである。   FIG. 16 is a schematic diagram using IJP as a method of manufacturing a piezoelectric actuator. A preferred IJP (inkjet patterning) method will be described as a method for forming the piezoelectric thin film 2 and the electrode 3 of the piezoelectric actuator 37. The wall 8 is formed on the diaphragm 1 by using the IPJ method in which the ink in which the piezoelectric material is dispersed is ejected from the IJ head 32 as ink droplets 33, and the ink in which the electrode material is dispersed is formed as ink droplets 33 from the IJ head 32. The electrode 3 corresponding to the groove 7 is formed by discharging, and then dried and fired. By forming the wall 8 and the electrode 3 simply by the IJP method, low cost is realized.

図17は、本実施形態の液滴吐出ヘッドの圧電アクチュエータを駆動する駆動波形の一例である。図18は、液滴吐出時に圧電アクチュエータをプリロードするための説明図である。圧電体が積層方向に変位する場合、一般的にプリロードをかけて振動させている。本実施形態の圧電アクチュエータ37においては、プリロードに相当する厚みが増える方向に電圧をかける駆動方法が信頼性、耐久性を確保する上で重要となる。プリロードするには、振動板1が上に凸になることが必要である。下に凹であると、中立点を超えてスタンバイすることが必要となる(図18参照)。本実施形態の圧電アクチュエータでは、図17のように基準電圧Vbを印加することにより、壁8の厚みが増えて所定のプリロードが設定できる。駆動信号により電圧をVtまで上げ、所定時間後電圧をVcまで下げて吐出する。さらに所定時間後、基準電圧Vbに戻す。なお、Vb=Vcでも良い。   FIG. 17 shows an example of a drive waveform for driving the piezoelectric actuator of the droplet discharge head of this embodiment. FIG. 18 is an explanatory diagram for preloading the piezoelectric actuator during droplet discharge. When the piezoelectric body is displaced in the stacking direction, it is generally vibrated by applying a preload. In the piezoelectric actuator 37 according to the present embodiment, a driving method in which a voltage is applied in a direction in which the thickness corresponding to preload increases is important in securing reliability and durability. In order to preload, the diaphragm 1 needs to be convex upward. If it is concave downward, it is necessary to stand by beyond the neutral point (see FIG. 18). In the piezoelectric actuator of this embodiment, by applying the reference voltage Vb as shown in FIG. 17, the thickness of the wall 8 is increased and a predetermined preload can be set. The voltage is raised to Vt by the drive signal, and after a predetermined time, the voltage is lowered to Vc and discharged. Further, after a predetermined time, the voltage is returned to the reference voltage Vb. Note that Vb = Vc may be used.

このような波形は一般的に使われている駆動波形であるが、本実施形態の圧電アクチュエータ37に採用することにより、電極3と圧電体の壁8との界面の剥離が低減される。圧電アクチュエータ37では、電極3と圧電体との界面における剥離が、信頼性、耐久性の面から懸念されている。本実施形態において、プリロード電圧が加えられている時には、圧電体の壁8が電界が形成された方向に伸びている状態であり、電極3とは離れる方向とは逆となる(図1(c)参照)。このようにプリロード電圧を印加することで、壁8と電極3が離間する方向の力は発生しなくなるので、信頼性、耐久性の優れた高集積された圧電アクチュエータ、液滴吐出ヘッドが実現できる。   Such a waveform is a driving waveform that is generally used. However, when the waveform is employed in the piezoelectric actuator 37 of the present embodiment, the peeling of the interface between the electrode 3 and the piezoelectric wall 8 is reduced. In the piezoelectric actuator 37, there is a concern about peeling at the interface between the electrode 3 and the piezoelectric body from the viewpoint of reliability and durability. In this embodiment, when a preload voltage is applied, the piezoelectric wall 8 extends in the direction in which the electric field is formed, which is opposite to the direction away from the electrode 3 (FIG. 1 (c). )reference). By applying the preload voltage in this way, no force in the direction in which the wall 8 and the electrode 3 are separated from each other is generated, and thus a highly integrated piezoelectric actuator and droplet discharge head with excellent reliability and durability can be realized. .

図19は、本実施形態の圧電アクチュエータの製法としてMEMS技術を用いた模式図である。これは、液滴吐出ヘッド40のアクチュエータ基板38を、液室基板ウェハ34と支持基板ウェハ35のウェハレベルで接合することにより製造するものであり、量産工法として優れ、低コストで提供できる。
概略の全体プロセスとしては、以下のプロセスが好ましい。
1、液室基板ウェハ34にSiO、SiN、PS(ポリシリコン)、SiONなど比較的ヤング率が高い材料で振動板1をスパッタなどの成膜方法で形成する。
2、振動板1上に圧電体をスパッタ、Solgel工法又はIJP工法などで成膜し、エッチングで溝7を形成する。
3.溝7に電極3及び第1電極5、第2電極6をスパッタまたはIJP工法などで形成する。
4.電極面を平滑処理し、SiO、SiNなどで保護膜4を形成し、不要部をエッチング除去する。
5.駆動IC23を接合するためのバンプをスパッタで成膜し、スタッドバンプ形成後、駆動IC23をフリップチップ接合する。
6.所定の厚さに研摩した支持基板ウェハ35に液体供給口22と空間24を形成し、液室基板ウェハ34に接合する。
7.液室基板ウェハ34を所定の厚さに研摩し、液室、流体抵抗、液体導入口をエッチング形成する。
8.ヘッドチップ36にダイシングし、ノズル板16を接合する。
FIG. 19 is a schematic view using the MEMS technology as a method for manufacturing the piezoelectric actuator of the present embodiment. This is manufactured by bonding the actuator substrate 38 of the droplet discharge head 40 at the wafer level of the liquid chamber substrate wafer 34 and the support substrate wafer 35, and is excellent as a mass production method and can be provided at low cost.
As the general overall process, the following process is preferable.
1. The diaphragm 1 is formed on the liquid chamber substrate wafer 34 by a film forming method such as sputtering using a material having a relatively high Young's modulus such as SiO 2 , SiN, PS (polysilicon), or SiON.
2. A piezoelectric material is formed on the diaphragm 1 by sputtering, Solgel method or IJP method, and the groove 7 is formed by etching.
3. The electrode 3, the first electrode 5, and the second electrode 6 are formed in the groove 7 by sputtering or IJP method.
4). The electrode surface is smoothed, the protective film 4 is formed of SiO 2 , SiN or the like, and unnecessary portions are removed by etching.
5. Bumps for bonding the drive IC 23 are formed by sputtering, and after the stud bumps are formed, the drive IC 23 is flip-chip bonded.
6). The liquid supply port 22 and the space 24 are formed in the support substrate wafer 35 polished to a predetermined thickness and bonded to the liquid chamber substrate wafer 34.
7). The liquid chamber substrate wafer 34 is polished to a predetermined thickness, and the liquid chamber, the fluid resistance, and the liquid inlet are formed by etching.
8). The head chip 36 is diced and the nozzle plate 16 is joined.

本実施形態では、液滴吐出ヘッドの液室18の高密度化に伴い、従来の圧電アクチュエータでは振動板1の撓みが得られなくなることに対して、d33方向の変位を用いて振動板1を撓ませたものである。液室18の高密度化と、振動板1の固定端の距離の減少は比例するので、高密度化により硬い振動板になると換言できる。上述のように、本実施形態の圧電アクチュエータ37では、圧電体薄層2に形成する溝7の数を増加させることで、振動板1の撓み量を増大できるので、特に、600dpi以上の集積化には必須の技術である。また、このような高密度化した液滴吐出ヘッド40では、硬い振動板1を変形させる必要があり、結果として振動板の固有振動数が上がる。固有振動数の向上は、高速な周波数に対する追随性を高め、結果として、結果として周波数特性の良好な、また固有振動数(Tc)の短い液滴吐出ヘッド40が達成できる。さらに、インクに与える衝撃波は力積に比例する。この場合の力積は、単位時間当たりの変位量であるので、高い周波数で、一定の変位が得られることは大きなエネルギーを生成する。従って、高粘度インクなどの吐出も可能になる。   In the present embodiment, as the liquid chamber 18 of the droplet discharge head is increased in density, the vibration of the vibration plate 1 cannot be obtained with the conventional piezoelectric actuator. It is bent. Since the increase in the density of the liquid chamber 18 and the decrease in the distance of the fixed end of the diaphragm 1 are proportional, it can be said that the diaphragm becomes a hard diaphragm by increasing the density. As described above, in the piezoelectric actuator 37 of the present embodiment, the amount of flexure of the diaphragm 1 can be increased by increasing the number of grooves 7 formed in the piezoelectric thin layer 2, and in particular, integration of 600 dpi or more. Is an essential technology. Further, in such a high density droplet discharge head 40, it is necessary to deform the hard diaphragm 1, and as a result, the natural frequency of the diaphragm increases. The improvement of the natural frequency improves the followability to a high-speed frequency, and as a result, the droplet discharge head 40 having a good frequency characteristic and a short natural frequency (Tc) can be achieved. Further, the shock wave applied to the ink is proportional to the impulse. Since the impulse in this case is a displacement amount per unit time, obtaining a constant displacement at a high frequency generates a large amount of energy. Accordingly, it is possible to discharge high viscosity ink or the like.

次に、上記液滴吐出ヘッド40を搭載する画像形成装置としてのインクジェット記録装置について説明する。
図20は液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置としてのライン型インクジェットプリンタ概略図である。ベルト駆動ローラ64とベルト従動ローラ63に巻回された搬送ベルト65が図示しないモータにより駆動される。搬送ベルト65の内側には搬送ベルトのガイドとしてプラテン66が設置されている。給紙カセット67に堆積されている記録紙61は給紙ローラ60により分離されガイド板68に沿って給送される。
プラテン66に対向する位置に、搬送ベルト65に向かって噴射ができるようにインクジェットラインヘッドの各色(Bk、C、M、Y)それぞれ50Bk,50C,50M,50Yが配設されている。これらのインクジェットラインヘッド50は通常いくつかの短いインクジェットヘッド、例えば、本実施形態の図15に示す液滴吐出ヘッド40を精度良く並べて紙幅以上の長さに構成されている。
Next, an ink jet recording apparatus as an image forming apparatus on which the droplet discharge head 40 is mounted will be described.
FIG. 20 is a schematic diagram of a line type ink jet printer as an image forming apparatus equipped with a droplet discharge head. A conveyor belt 65 wound around a belt driving roller 64 and a belt driven roller 63 is driven by a motor (not shown). A platen 66 is installed inside the conveyor belt 65 as a guide for the conveyor belt. The recording paper 61 accumulated in the paper feed cassette 67 is separated by the paper feed roller 60 and fed along the guide plate 68.
50Bk, 50C, 50M, and 50Y of the respective colors (Bk, C, M, and Y) of the ink jet line head are disposed at positions facing the platen 66 so that the ink can be ejected toward the conveyance belt 65. These inkjet line heads 50 are usually configured to have a length equal to or greater than the paper width by accurately arranging several short inkjet heads, for example, the droplet discharge heads 40 shown in FIG. 15 of the present embodiment.

さらに、記録紙に前処理を施す前処理ユニット51を設けても良い。前処理ユニット51は、例えば、記録紙61上にインクを定着できる前処理液を塗布するユニットである。また、55は記録紙61に付着したインクを乾燥させる後処理ユニットである。剥し爪56は搬送ベルト65から記録紙61を剥すように設置され、一対の排紙ローラ57,58に記録紙61は送り込まれ、排紙カセット59に堆積される。このように、小型、高集積、低コストのヘッドをアレイ化して構成するため、低コスト、高画質の画像形成装置を提供することができる。   Furthermore, a preprocessing unit 51 that performs preprocessing on the recording paper may be provided. The pretreatment unit 51 is, for example, a unit that applies a pretreatment liquid that can fix ink on the recording paper 61. Reference numeral 55 denotes a post-processing unit that dries the ink attached to the recording paper 61. The peeling claw 56 is installed so as to peel off the recording paper 61 from the conveying belt 65, and the recording paper 61 is sent to the pair of paper discharge rollers 57 and 58 and deposited on the paper discharge cassette 59. As described above, since the small, highly integrated, and low-cost heads are configured as an array, a low-cost and high-quality image forming apparatus can be provided.

なお、本実施形態の圧電アクチュエータ37は、上述の液滴吐出ヘッド40のみならず、ブザーやスピーカー、さらには液体を移送するポンプ等に用いることができる。本実施形態の圧電アクチュエータ37は、上述のように変位量を増大させることができるので、圧電アクチュエータ37の低電力駆動を行うことができる。例えば、ブザーに用いた場合は、音量は変位量に依存するため、変位量を増大させることにより、低電圧で大音量とすることができ、消費電力の低減が可能となる。   In addition, the piezoelectric actuator 37 of this embodiment can be used not only for the above-described droplet discharge head 40 but also for a buzzer, a speaker, a pump for transferring liquid, and the like. Since the piezoelectric actuator 37 of the present embodiment can increase the amount of displacement as described above, the piezoelectric actuator 37 can be driven with low power. For example, when used for a buzzer, the sound volume depends on the amount of displacement, so increasing the amount of displacement makes it possible to increase the sound volume with a low voltage, thereby reducing power consumption.

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様ごとに特有の効果を奏する。
(態様A)
面方向に圧電体の壁8と電極3とを交互に複数配置した第1層部分と、面方向にわたって延在するように厚み方向に第1層部分と一体的に形成された第2層部分とからなり、第1層部分の電極への電圧印加で該第1層部分が面方向変形して、両層全体が撓むことを特徴とする圧電アクチュエータである。
この構成によれば、上記実施形態について説明したように、第1層部分の電極への電圧印加により、電極に挟まれた個々の圧電体が変位することにより、第1層部分全体が面方向変形する。この第1層部分の面方向変形により、第1層部分と、厚み方向に第1層部分に一体的に形成された第2層部分との両層全体が撓む、新しい圧電アクチェータである。この構成では、電極に挟まれる圧電体の個数を増加させように第1層部分の圧電体と電極を設けることで、第1層部分全体の面方向変形を大きくして、両層全体の撓み量を大きくすることができる。このため、従来のユニモルフ構造の圧電アクチュエータのように、アクチュエータ自体の剛性を低下させたり、駆動電圧を上げたりしなくとも、変位量を高めることができる。
What has been described above is merely an example, and the present invention has specific effects for each of the following modes.
(Aspect A)
A first layer portion in which a plurality of piezoelectric walls 8 and electrodes 3 are alternately arranged in the surface direction, and a second layer portion integrally formed with the first layer portion in the thickness direction so as to extend over the surface direction The piezoelectric actuator is characterized in that when the voltage is applied to the electrode of the first layer portion, the first layer portion is deformed in the surface direction, and both layers are bent.
According to this configuration, as described in the above embodiment, when the voltage applied to the electrodes of the first layer portion is displaced, the individual piezoelectric bodies sandwiched between the electrodes are displaced, so that the entire first layer portion is in the surface direction. Deform. Due to the deformation in the surface direction of the first layer portion, a new piezoelectric actuator in which both the first layer portion and the second layer portion integrally formed with the first layer portion in the thickness direction are bent. In this configuration, by providing the piezoelectric body and the electrodes of the first layer portion so as to increase the number of piezoelectric bodies sandwiched between the electrodes, the deformation in the surface direction of the entire first layer portion is increased, and the deflection of the whole of both layers is increased. The amount can be increased. For this reason, the amount of displacement can be increased without lowering the rigidity of the actuator itself or increasing the drive voltage as in a conventional unimorph piezoelectric actuator.

(態様B)
(態様A)において、第2層部分として振動板1を有する。これによれば、図1、3、4または5にしめす構成の圧電アクチュエータ37が得られる。
(Aspect B)
In (Aspect A), the diaphragm 1 is provided as the second layer portion. According to this, the piezoelectric actuator 37 having the configuration shown in FIG. 1, 3, 4 or 5 is obtained.

(態様C)
(態様B)において、第2層部分が振動板1によって構成され、第1層部分の電極3を第2層部分に接するよう配置する。これによれば、図1、3または4にしめす構成の圧電アクチュエータ37が得られる。
(Aspect C)
In (Aspect B), the second layer portion is constituted by the diaphragm 1, and the electrode 3 of the first layer portion is disposed so as to be in contact with the second layer portion. According to this, the piezoelectric actuator 37 having the structure shown in FIG.

(態様D)
(態様B)において、圧電体の壁8と電極3とからなる第1層部分と振動板1との間に、圧電体の壁8と連続する圧電体薄膜の下部2aなどの中間層部分を有し、第2層部分を振動板1と中間層部分とで構成する。これによれば、図5にしめす構成の圧電アクチュエータ37が得られる。この圧電アクチュエータにおいて、中間層部分は、ほぼ不活性領域となり、剛性の調整、成膜時の熱による残留応力によるそりの調整に用いることができる。このため、設計の自由度が増えるという効果が得られる。
(Aspect D)
In (Aspect B), an intermediate layer portion such as a lower portion 2a of the piezoelectric thin film continuous with the piezoelectric wall 8 is provided between the first layer portion including the piezoelectric wall 8 and the electrode 3 and the diaphragm 1. And the second layer portion is constituted by the diaphragm 1 and the intermediate layer portion. According to this, the piezoelectric actuator 37 having the configuration shown in FIG. 5 is obtained. In this piezoelectric actuator, the intermediate layer portion is substantially an inactive region and can be used for adjustment of rigidity and warpage due to residual stress caused by heat during film formation. For this reason, the effect that the freedom degree of design increases is acquired.

(態様E)
(態様A)において、圧電体の壁8と電極3とからなる第1層部分と、第1層部分の圧電体と連続する圧電体薄膜の下部2aなどの圧電体層部分を有し、第2層部分が圧電体薄膜の下部2aからなる。これによれば、図6にしめす構成の圧電アクチュエータ37が得られる。この圧電アクチュエータにおいて、圧電体薄層2の下部2aは、ほぼ不活性領域となって、振動板1の機能を有する。このため、振動板1を設けずに、圧電体薄層2の下部を振動板1の代わりに第2層部分として用いることが可能である。この構成では、圧電体薄層2の下部2aと圧電体の壁8が一体に構成されることで、強度を確保することができる。さらに、振動板製作工程を省略できるので、低コスト化が図れる。
(Aspect E)
(Aspect A) includes a first layer portion composed of the piezoelectric wall 8 and the electrode 3, and a piezoelectric layer portion such as a lower portion 2a of the piezoelectric thin film continuous with the piezoelectric member of the first layer portion. The two-layer portion is composed of the lower portion 2a of the piezoelectric thin film. According to this, the piezoelectric actuator 37 having the configuration shown in FIG. 6 is obtained. In this piezoelectric actuator, the lower portion 2 a of the piezoelectric thin layer 2 is substantially an inactive region and has the function of the diaphragm 1. For this reason, it is possible to use the lower part of the piezoelectric thin layer 2 as the second layer portion instead of the diaphragm 1 without providing the diaphragm 1. In this configuration, the lower portion 2a of the piezoelectric thin layer 2 and the piezoelectric wall 8 are integrally formed, so that strength can be ensured. Furthermore, since the diaphragm manufacturing process can be omitted, the cost can be reduced.

(態様F)
(態様A)乃至(態様E)の何れかにおいて、電極3は振動板1などの第2層部分に近づくに従い、面方向長さが狭くなるような傾斜角9を有するものであり、傾斜角が45度以上90°以下である。これによれば、圧電体の壁8の変位を効率よく伝え振動板1などの第2層部分に伝えることができる。
(Aspect F)
In any one of (Aspect A) to (Aspect E), the electrode 3 has an inclination angle 9 such that the length in the surface direction becomes narrower as it approaches the second layer portion such as the diaphragm 1. Is 45 degrees or more and 90 degrees or less. According to this, the displacement of the wall 8 of the piezoelectric body can be efficiently transmitted to the second layer portion such as the diaphragm 1.

(態様G)
(態様A)乃至(態様F)の何れかにおいて、電極3の表面は平坦化処理が施されたものである。これによれば、電極表面は、凸部を研摩され、凹部を埋めて電極間の絶縁性を確保されたものとなるため、圧電体の変位を効率よく発生させることができる。
(Aspect G)
In any one of (Aspect A) to (Aspect F), the surface of the electrode 3 is subjected to a planarization treatment. According to this, since the convex portion of the electrode surface is polished and the concave portion is filled to ensure insulation between the electrodes, the displacement of the piezoelectric body can be generated efficiently.

(態様H)
(態様A)乃至(態様G)の何れかにおいて、複数の電極3のうち互いに隣接する一方の電極と、他方の電極とが、圧電体の薄膜と同一面上で対向配置される第1電極5と第2電極6等により櫛歯状の電極を形成する。これによれば、圧電体の壁8に電圧を印加する電極を効率的に配置することができる。
(Aspect H)
In any one of (Aspect A) to (Aspect G), a first electrode in which one electrode adjacent to each other among the plurality of electrodes 3 and the other electrode are arranged to face each other on the same plane as the piezoelectric thin film. 5 and the second electrode 6 form a comb-like electrode. According to this, the electrode which applies a voltage to the wall 8 of a piezoelectric material can be arrange | positioned efficiently.

(態様I)
(態様A)乃至(態様H)の何れかにおいて、圧電体の壁8と電極3とが、円弧状、波型などの曲線状に配置される。これによれば、電極面積を大きく設定でき圧電体の変位力を増し、異型な積層体でも面積効率を上げることができる。
(Aspect I)
In any one of (Aspect A) to (Aspect H), the wall 8 of the piezoelectric body and the electrode 3 are arranged in a curved shape such as an arc shape or a wave shape. According to this, the electrode area can be set large, the displacement force of the piezoelectric body can be increased, and the area efficiency can be increased even with an irregular laminate.

(態様J)
(態様A)乃至(態様I)の何れかにおいて、圧電体の壁8と電極3とからなる第1層部分の表面に保護膜4を形成する。これによれば、電極間の絶縁性を高めるとともに電極の酸化等を防止することができる。
(Aspect J)
In any one of (Aspect A) to (Aspect I), the protective film 4 is formed on the surface of the first layer portion composed of the piezoelectric wall 8 and the electrode 3. According to this, the insulation between the electrodes can be improved and the oxidation of the electrodes can be prevented.

(態様K)
(態様A)乃至(態様I)の何れかにおいて、第1層部分の圧電体の壁8が面方向に伸張する電圧が印加される。これによれば、変位効率の良い電界形成加方向と平行な方向の変位を用いて、圧電体の壁8の変位量を大きくすることができる。
(Aspect K)
In any one of (Aspect A) to (Aspect I), a voltage is applied so that the piezoelectric wall 8 of the first layer portion extends in the plane direction. According to this, the displacement amount of the wall 8 of the piezoelectric body can be increased by using the displacement in the direction parallel to the direction in which the electric field is formed with good displacement efficiency.

(態様L)
(態様B)乃至(態様D)、または、(態様F)乃至(態様K)の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法として、振動板1上に圧電体薄膜2を形成し、圧電体薄膜2に複数の溝7を形成し、溝部に電極3を埋設することで圧電体と電極とを交互に配置して第1層部分を形成する方法を用いる。これによれば、圧電体薄層2に高精細、高密度な溝7が形成し、溝7に電極3を埋設することが可能である。このため、多数の圧電体の壁8を容易に形成することができ、低コストを実現することができる。
(Aspect L)
As a method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of (Aspect B) to (Aspect D) or (Aspect F) to (Aspect K), a piezoelectric thin film 2 is formed on a vibration plate 1, and the piezoelectric thin film is formed. A method is used in which a plurality of grooves 7 are formed in 2 and the electrodes 3 are embedded in the grooves to alternately arrange the piezoelectric bodies and the electrodes to form the first layer portion. According to this, it is possible to form a high-definition and high-density groove 7 in the piezoelectric thin layer 2 and embed the electrode 3 in the groove 7. For this reason, many wall 8 of a piezoelectric material can be formed easily, and low cost is realizable.

(態様M)
(態様D)または(態様E)に記載の圧電アクチュエータの製造方法として、圧電体薄膜2の上部に複数の溝7を形成し、溝部に電極3を埋設することで圧電体と電極とを交互に配置して第1層部分を形成する方法を用いる。これによれば、圧電体薄層2に高精細、高密度な溝7が形成し、溝7に電極3を埋設することが可能である。このため、多数の圧電体の壁8を容易に形成することができ、低コストを実現することができる。
(Aspect M)
As a method of manufacturing the piezoelectric actuator described in (Aspect D) or (Aspect E), a plurality of grooves 7 are formed in the upper part of the piezoelectric thin film 2 and the electrodes 3 are embedded in the grooves, thereby alternately alternating the piezoelectric bodies and the electrodes. A method of forming the first layer portion by disposing the first layer portion is used. According to this, it is possible to form a high-definition and high-density groove 7 in the piezoelectric thin layer 2 and embed the electrode 3 in the groove 7. For this reason, many wall 8 of a piezoelectric material can be formed easily, and low cost is realizable.

(態様N)
(態様A)乃至(態様K)の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電材料または電極材料を分散したインクをインクジェットヘッドで吐出し基板上に塗布するインクジェット工法を用いて、第1層部分を形成する。これによれば、IJP工法で壁と電極を簡便に形成することにより、低コストを実現することができる。
(Aspect N)
(Aspect A) A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of (Aspect K), using an inkjet method in which an ink in which a piezoelectric material or an electrode material is dispersed is ejected by an inkjet head and applied onto a substrate. A first layer portion is formed. According to this, low cost can be realized by simply forming the wall and the electrode by the IJP method.

(態様O)
ノズル17に連通する液室18を形成する液室基板15などの基板上に圧電アクチュエータを設け、圧電アクチュエータに電圧を印加して、液室に圧力を発生させることによりノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、(態様A)乃至(態様K)の何れかの圧電アクチュエータを採用する。これによれば、上記実施形態について説明したように、剛性を確保し、駆動電力を抑えつつ、吐出性能の安定した高集積した液滴吐出ヘッドとすることができる。
(Aspect O)
A piezoelectric actuator is provided on a substrate such as the liquid chamber substrate 15 that forms the liquid chamber 18 communicating with the nozzle 17, and a voltage is applied to the piezoelectric actuator to generate pressure in the liquid chamber, thereby discharging droplets from the nozzle. In the droplet discharge head, any one of the piezoelectric actuators of (Aspect A) to (Aspect K) is employed. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to obtain a highly integrated liquid droplet ejection head having a stable ejection performance while ensuring rigidity and suppressing driving power.

(態様P)
(態様O)において、液室18と液室に連通する液体導入口の投影面上は圧電アクチュエータの保護膜4を除去し、且つ、残りの保護膜を用いて基板を支持する支持基板を接合する。これによれば、液室を形成する基板を補強する効果と、圧電体を外部環境から保護するための空間を簡便な成膜工程で形成することができる。
(Aspect P)
In (Aspect O), the protective film 4 of the piezoelectric actuator is removed on the projection surface of the liquid introduction port communicating with the liquid chamber 18 and the liquid chamber, and the supporting substrate that supports the substrate is bonded using the remaining protective film. To do. According to this, the effect of reinforcing the substrate forming the liquid chamber and the space for protecting the piezoelectric body from the external environment can be formed by a simple film forming process.

(態様Q)
(態様P)において、液室として2列の千鳥配置される液室列を有し、液室列の中央に上記電極に電圧を印加する駆動回路を配置し、支持基板は該駆動回路が隙間を持って収納される空間と該液体導入口と連通する液体供給口が設ける。これによれば、圧電アクチュエータの第1電極5などからの取り出し配線が簡便化し、取り出し配線の低抵抗化も実現できるという効果がある。
(Aspect Q)
In (Aspect P), the liquid chamber has two liquid chamber rows arranged in a staggered manner as the liquid chamber, and a drive circuit for applying a voltage to the electrode is arranged at the center of the liquid chamber row, and the drive circuit has a gap between the drive circuits. And a liquid supply port communicating with the liquid introduction port. According to this, there is an effect that the extraction wiring from the first electrode 5 of the piezoelectric actuator can be simplified and the resistance of the extraction wiring can be reduced.

(態様R)
(態様O)、(態様P)または(態様Q)において、圧電アクチュエータに圧電体の壁の厚みが増している状態に維持する第1の電圧Vbを印加し、次いで壁の厚みをさらに増す第2の電圧Vtを印加し、所定時間経過後、壁の厚みを戻す第3の電圧を印加することにより液滴を吐出をさせる。これによれば、積層方向にプリロードをかけて振動させるため、信頼性、耐久性を向上することができる。
(Aspect R)
In (Aspect O), (Aspect P), or (Aspect Q), a first voltage Vb is applied to the piezoelectric actuator to maintain the thickness of the wall of the piezoelectric body increasing, and then the thickness of the wall is further increased. A voltage Vt of 2 is applied, and after a lapse of a predetermined time, a third voltage for returning the wall thickness is applied to discharge the droplet. According to this, since preload is applied in the stacking direction to vibrate, reliability and durability can be improved.

(態様S)
(態様O)、(態様P)、(態様Q)または(態様R)において、液室を形成する基板上に圧電アクチュエータを複数形成した液室基板ウェハと、支持基板を複数形成した支持基板ウェハとをウェハをウェハレベルで接合した後、個別に切断したヘッドチップを搭載する。これによれば、MEMS技術で圧電アクチュエータを低コストで製作することができる。
(Aspect S)
In (Aspect O), (Aspect P), (Aspect Q) or (Aspect R), a liquid chamber substrate wafer in which a plurality of piezoelectric actuators are formed on a substrate in which a liquid chamber is formed, and a support substrate wafer in which a plurality of support substrates are formed After bonding the wafers at the wafer level, individually cut head chips are mounted. According to this, the piezoelectric actuator can be manufactured at low cost by the MEMS technology.

(態様T)
媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を該媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、液滴吐出手段として(態様O)乃至(態様S)の何れかの液滴体吐出ヘッドを採用する。これによれば、高密度で、高品位な画像が得られる画像形成装置を提供できる。
(Aspect T)
In an image forming apparatus that forms an image by adhering droplets ejected by the droplet ejecting unit to the medium while transporting the medium, the liquid of any one of (Aspect O) to (Aspect S) is used as the droplet ejecting unit. Adopt a droplet discharge head. According to this, it is possible to provide an image forming apparatus capable of obtaining a high-density and high-quality image.

1 振動板
2 圧電体薄膜
2a 圧電体薄膜の下部
3 電極
4 保護膜
5 第1電極
6 第2電極
7 溝
9 傾斜角
8 圧電体の壁
12 電源
15 液室基板
16 ノズル基板
17 ノズル
18 液室
21 支持基板
37 圧電アクチュエータ
40 液滴吐出ヘッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diaphragm 2 Piezoelectric thin film 2a Lower part of piezoelectric thin film 3 Electrode 4 Protective film 5 First electrode 6 Second electrode 7 Groove 9 Inclination angle 8 Wall of piezoelectric body 12 Power supply 15 Liquid chamber substrate 16 Nozzle substrate 17 Nozzle 18 Liquid chamber 21 Support substrate 37 Piezoelectric actuator 40 Droplet discharge head

特許3882915号公報Japanese Patent No. 3882915 特開2010−208300号公報JP 2010-208300 A 特開2008−149662号公報JP 2008-149662 A

Claims (20)

面方向に圧電体と電極とを交互に複数配置した第1層部分と、該面方向にわたって延在するように厚み方向に該第1層部分と一体的に形成された第2層部分とからなり、該第1層部分の電極への電圧印加で該第1層部分が面方向変形して、両層全体が撓むことを特徴とする圧電アクチュエータ。   A first layer portion in which a plurality of piezoelectric bodies and electrodes are alternately arranged in the surface direction; and a second layer portion integrally formed with the first layer portion in the thickness direction so as to extend over the surface direction. The piezoelectric actuator is characterized in that when the voltage is applied to the electrode of the first layer portion, the first layer portion is deformed in the surface direction, and both layers are bent. 請求項1の圧電アクチュエータにおいて、上記第2層部分として振動板を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。   2. The piezoelectric actuator according to claim 1, further comprising a diaphragm as the second layer portion. 請求項2の圧電アクチュエータにおいて、上記第2層部分が振動板によって構成され、上記第1層部分の電極を該第2層部分に接するよう配置したことを特徴とする圧電アクチュエータ。   3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the second layer portion is constituted by a diaphragm, and the electrode of the first layer portion is arranged in contact with the second layer portion. 請求項2の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分と上記振動板との間に該第1層部分の圧電体と連続する圧電体からなる中間層部分を有し、上記第2層部分が、該中間層部分と該振動板とによって構成されることを特徴とする圧電アクチュエータ。   3. The piezoelectric actuator according to claim 2, further comprising an intermediate layer portion formed of a piezoelectric body continuous with the piezoelectric body of the first layer portion between the first layer portion and the diaphragm, wherein the second layer portion is A piezoelectric actuator comprising the intermediate layer portion and the diaphragm. 請求項1の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の圧電体と連続する圧電体層部分を有し、上記第2層部分が該第1層部分の圧電体と連続する圧電体層部分によって構成されることを特徴とする圧電アクチュエータ。   2. The piezoelectric actuator according to claim 1, further comprising a piezoelectric layer portion continuous with the piezoelectric body of the first layer portion, wherein the second layer portion is constituted by a piezoelectric layer portion continuous with the piezoelectric body of the first layer portion. Piezoelectric actuator characterized by being made. 請求項1、2、3、4または5の何れか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の電極は上記第2層部分に近づくに従い、面方向長さが狭くなるような傾斜角を有するものであり、該傾斜角が45度以上90°以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。   6. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the electrode of the first layer portion is inclined so that the length in the surface direction becomes narrower as it approaches the second layer portion. 7. A piezoelectric actuator having an angle and having an inclination angle of 45 degrees or more and 90 degrees or less. 請求項1、2、3、4、5または6の何れか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の電極の表面は平坦化処理が施されたものであることを特徴とする圧電アクチュエータ。   7. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the surface of the electrode of the first layer portion is subjected to a planarization process. Piezoelectric actuator. 請求項1、2、3、4、5、6または7の何れか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の複数の電極のうち互いに隣接する一方の電極と、他方の電極とが、上記第1層部分と同一面上で対向する櫛歯状の電極であることを特徴とする圧電アクチュエータ。   8. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein one of the plurality of electrodes of the first layer portion adjacent to each other, and the other electrode, Is a comb-like electrode facing the first layer portion on the same plane. 請求項1乃至8の何れか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の圧電体と電極とが曲線状に配置されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein the piezoelectric body and the electrode of the first layer portion are arranged in a curved shape. 請求項1乃至9の何れか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の表面に保護膜を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。   10. The piezoelectric actuator according to claim 1, further comprising a protective film on a surface of the first layer portion. 11. 請求項1乃至10の何れか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、上記第1層部分の圧電体が面方向に伸張する電圧が印加されることを特徴とする圧電アクチュエータ。   11. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a voltage is applied so that the piezoelectric body of the first layer portion extends in a plane direction. 請求項2、3、4、6、7、8、9、10または11の何れか1項に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、振動板上に圧電体の薄膜を形成し、該圧電体の薄膜に複数の溝を形成し、該溝部に電極を埋設することで該圧電体と該電極とを交互に配置して上記第1層部分を形成したことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。   12. The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10 or 11, wherein a piezoelectric thin film is formed on a diaphragm and the piezoelectric actuator is manufactured. A plurality of grooves are formed in a thin film of a body, and the first layer portion is formed by alternately arranging the piezoelectric bodies and the electrodes by embedding electrodes in the grooves. Method. 請求項4または5に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電体の薄膜の上部に複数の溝を形成し、該溝部に電極を埋設することで該圧電体の薄膜の上部に該圧電体と該電極とを交互に配置して上記第1層部分を形成したことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。   6. The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 4, wherein a plurality of grooves are formed on an upper portion of the piezoelectric thin film, and an electrode is embedded in the groove portion to bury the piezoelectric on the upper portion of the piezoelectric thin film. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the first layer portion is formed by alternately arranging a body and the electrode. 請求項1乃至11の何れか1項に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電材料または電極材料を分散したインクをインクジェットヘッドで吐出し基板上に塗布するインクジェット工法を用いて、上記第1層部分を形成したことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。   12. The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein an ink jet method in which an ink in which a piezoelectric material or an electrode material is dispersed is ejected by an ink jet head and applied onto a substrate is used. A method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein a single layer portion is formed. ノズルに連通する液室を形成する基板上に圧電アクチュエータを設け、該圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記液室に圧力を発生させることにより該ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、
上記圧電アクチュエータとして請求項1乃至11の何れか1項に記載の圧電アクチュエータを採用することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
In a liquid droplet ejection head, in which a piezoelectric actuator is provided on a substrate forming a liquid chamber communicating with a nozzle, and a voltage is applied to the piezoelectric actuator to generate pressure in the liquid chamber to eject liquid droplets from the nozzle ,
A liquid droplet ejection head, wherein the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 11 is adopted as the piezoelectric actuator.
請求項15の液滴吐出ヘッドにおいて、上記液室と該液室に連通する液体導入口の投影面上は上記圧電アクチュエータの保護膜を除去し、且つ、残りの保護膜を用いて基板を支持する支持基板を接合したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   16. The liquid droplet ejection head according to claim 15, wherein the protective film of the piezoelectric actuator is removed on the projection surface of the liquid chamber and the liquid introduction port communicating with the liquid chamber, and the remaining protective film is used to support the substrate. A droplet discharge head characterized by bonding a supporting substrate to be bonded. 請求項16の液滴吐出ヘッドにおいて、上記液室として2列の千鳥配置される液室列を有し、該液室列の中央に上記電極に電圧を印加する駆動回路を配置し、上記支持基板は該駆動回路が隙間を持って収納される空間と該液体導入口と連通する液体供給口が設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。   17. The liquid droplet ejection head according to claim 16, wherein the liquid chamber has two rows of liquid chambers arranged in a staggered manner, and a driving circuit for applying a voltage to the electrode is arranged at the center of the liquid chamber row, and the support is provided. A droplet discharge head, wherein the substrate is provided with a space in which the drive circuit is accommodated with a gap and a liquid supply port communicating with the liquid introduction port. 請求項15,16または17の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、上記圧電アクチュエータに上記第1層部分の圧電体が面方向に伸張している状態に維持する第1の電圧を印加し、次いで該圧電体がさらに面方向に伸張する第2の電圧を印加し、所定時間経過後、該面方向の変位を戻す第3の電圧を印加することにより上記液滴を吐出をさせることを特徴とする液滴吐出ヘッド。   18. The droplet discharge head according to claim 15, wherein a first voltage that maintains the piezoelectric body of the first layer portion in a plane direction is applied to the piezoelectric actuator. And then applying a second voltage that further expands the piezoelectric body in the surface direction, and after a predetermined time has elapsed, applying a third voltage that returns the displacement in the surface direction causes the droplets to be ejected. A droplet discharge head characterized by that. 請求項15,16、17または18の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、上記液室を形成する基板上に上記圧電アクチュエータを複数形成した液室基板ウェハと、上記支持基板を複数形成した支持基板ウェハとをウェハをウェハレベルで接合した後、個別に切断したヘッドチップを搭載したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   19. The liquid droplet ejection head according to claim 15, wherein a liquid chamber substrate wafer in which a plurality of the piezoelectric actuators are formed on a substrate on which the liquid chamber is formed, and a plurality of the support substrates are provided. A droplet discharge head comprising: a head chip that is cut individually after bonding the wafer to the formed support substrate wafer at a wafer level. 媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を該媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、
上記前記液滴吐出手段として請求項15乃至19の何れか1項に記載の液滴体吐出ヘッドを採用したことを特徴とする画像形成装置。
In an image forming apparatus for forming an image by adhering droplets ejected by droplet ejecting means to the medium while conveying the medium,
20. An image forming apparatus using the droplet discharge head according to claim 15 as the droplet discharge unit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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