JP2017147356A - Piezoelectric device and liquid ejecting head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に振動板を介して設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子を具備する圧電デバイス及び液体噴射ヘッドに関する。 The present invention relates to a piezoelectric device including a piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode provided on a substrate via a vibration plate, and a liquid ejecting head.
液滴を吐出する液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドとしては、例えばノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に設けられた圧電素子である圧電アクチュエーターと、を具備し、圧電アクチュエーターによって圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズル開口からインク滴を噴射するものが知られている。 A typical example of a liquid ejecting head that ejects droplets is an ink jet recording head that ejects ink droplets. The ink jet recording head includes, for example, a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is formed, and a piezoelectric actuator that is a piezoelectric element provided on one surface side of the flow path forming substrate. In addition, there is known a technique in which an ink droplet is ejected from a nozzle opening by causing a pressure change in ink in a pressure generating chamber by a piezoelectric actuator.
圧電アクチュエーターは、流路形成基板上に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を具備する。第1電極を能動部ごとの個別電極とし、第2電極を複数の能動部に共通する共通電極として構成した圧電アクチュエーターが知られている(特許文献1及び2等参照)。
The piezoelectric actuator includes a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode provided on the flow path forming substrate. A piezoelectric actuator is known in which a first electrode is an individual electrode for each active part and a second electrode is a common electrode common to a plurality of active parts (see
第2電極の端部で能動部の端部を規定した場合、第2電極の端部において圧電体層に電界が集中し、電界集中によって圧電体層が破壊されるなどの信頼性が低下してしまうという問題がある。 When the end of the active part is defined by the end of the second electrode, the electric field concentrates on the piezoelectric layer at the end of the second electrode, and reliability such as destruction of the piezoelectric layer due to the electric field concentration decreases. There is a problem that it ends up.
このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、その他の圧電デバイスにおいても同様に存在する。 Such a problem is not limited to a liquid jet head typified by an ink jet recording head, and similarly exists in other piezoelectric devices.
本発明は、このような事情に鑑み、圧電体層の破壊を抑制して信頼性を向上した圧電デバイス及び液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a piezoelectric device and a liquid ejecting head that have improved reliability by suppressing destruction of a piezoelectric layer.
上記課題を解決する本発明の態様は、基板の上方に設けられて前記基板側から第1電極、圧電体層及び第2電極が積層された圧電素子を備え、前記圧電体層には、前記第2電極の一端部に接続した導電性を有する電界緩和部、及び前記電界緩和部を介して前記第2電極に接続された離れ電極が設けられ、前記電界緩和部は前記第2電極よりも電気抵抗が高いことを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、離れ電極により規定される能動部と非能動部との境界において、電界強度の変化を緩和することができる。これにより、当該境界に応力が集中するのを抑制して、応力集中による破壊を抑制することができ、圧電デバイスの信頼性を向上することができる。また、離れ電極の電界強度を低減するだけで、能動部の主要部を占める第2電極の電界を低減することがない。これにより、圧電デバイスは、能動部の主要部に十分な電界を印加して、十分な圧電特性、すなわち、小さな電圧で大きな変位を行わせる変位特性を得ることができる。
An aspect of the present invention that solves the above problem includes a piezoelectric element that is provided above a substrate and includes a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode laminated from the substrate side. A conductive electric field relaxation part connected to one end of the second electrode, and a separation electrode connected to the second electrode through the electric field relaxation part are provided, and the electric field relaxation part is more than the second electrode. The piezoelectric device is characterized by high electrical resistance.
In this aspect, the change in electric field strength can be mitigated at the boundary between the active part and the inactive part defined by the separation electrode. Thereby, it can suppress that stress concentrates on the said boundary, can suppress destruction by stress concentration, and can improve the reliability of a piezoelectric device. Further, the electric field of the second electrode occupying the main part of the active part is not reduced only by reducing the electric field strength of the separation electrode. Thereby, the piezoelectric device can obtain a sufficient piezoelectric characteristic, that is, a displacement characteristic that causes a large displacement with a small voltage by applying a sufficient electric field to the main part of the active part.
また、前記離れ電極に接続された絶縁性を有する絶縁部を備え、前記絶縁部に前記第1電極が接続されていることが好ましい。これによれば、第1電極と第2電極との短絡を抑制することができる。 In addition, it is preferable that an insulating part having an insulating property connected to the separation electrode is provided, and the first electrode is connected to the insulating part. According to this, it is possible to suppress a short circuit between the first electrode and the second electrode.
また、前記絶縁部は、前記離れ電極よりも電気抵抗値が高い導電性材料で形成されていることが好ましい。これによれば、絶縁部を電界緩和部と同じ工程で形成することができ、製造工程を簡略化することができる。 Moreover, it is preferable that the said insulation part is formed with the electroconductive material whose electrical resistance value is higher than the said separation electrode. According to this, an insulating part can be formed in the same process as an electric field relaxation part, and a manufacturing process can be simplified.
また、前記基板の前記圧電素子側に接着される保護基板を備え、前記絶縁部は、絶縁性を有する樹脂で形成され、前記保護基板は、前記樹脂により前記絶縁部に接着されていることが好ましい。これによれば、保護基板を基板に接着する際に、絶縁部を形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。保護基板を接着する樹脂が絶縁部と一体的であるので、保護基板を剥がれにくくすることができる。 A protective substrate bonded to the piezoelectric element side of the substrate; wherein the insulating portion is formed of an insulating resin; and the protective substrate is bonded to the insulating portion by the resin. preferable. According to this, since the insulating part can be formed when the protective substrate is bonded to the substrate, the manufacturing process can be simplified. Since the resin for bonding the protective substrate is integrated with the insulating portion, the protective substrate can be made difficult to peel off.
また、上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記態様に記載する前記圧電デバイスを備えることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電体層の破壊を抑制して信頼性が向上した液体噴射ヘッドが提供される。
According to another aspect of the invention for solving the above problem, a liquid ejecting head includes the piezoelectric device described in the above aspect.
In this aspect, a liquid ejecting head in which destruction of the piezoelectric layer is suppressed and reliability is improved is provided.
〈実施形態1〉
図1は、本実施形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略構成を示している。
<
FIG. 1 shows a schematic configuration of an ink jet recording apparatus which is an example of a liquid ejecting apparatus according to the present embodiment.
インクジェット式記録装置Iにおいて、記録ヘッド1は、インク供給手段を構成するカートリッジ2が着脱可能に設けられ、記録ヘッド1を搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動可能に設けられている。
In the ink jet recording apparatus I, the
駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッド1を搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the
なお、インクジェット式記録装置Iとして、記録ヘッド1がキャリッジ3に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置Iは、例えば、記録ヘッド1を固定し、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。
In addition, as the ink jet recording apparatus I, an example in which the
また、インクジェット式記録装置Iは、液体貯留手段であるカートリッジ2がキャリッジ3に搭載された構成であるが、特にこれに限定されない。例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体4に固定して、液体貯留手段と記録ヘッド1とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置Iに搭載されていなくてもよい。
Further, the ink jet recording apparatus I has a configuration in which the
図2〜図4を用いてインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッドともいう)について説明する。図2は本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図3は図2の平面図である。図4は図3のA−A′線断面図である。 An ink jet recording head (hereinafter also referred to as a recording head) will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is an exploded perspective view of the ink jet recording head of this embodiment, and FIG. 3 is a plan view of FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
基板の一例である流路形成基板10には圧力発生室12が形成され、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口21が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室12の並設方向、又は第1の方向Xと称する。第1の方向Xと直交する方向を第2の方向Yと称する。さらに、第1の方向X及び第2の方向Yの双方に交差する方向を、第3の方向Zと称する。各図に示した座標軸は第1の方向X、第2の方向Y、第3の方向Zを表しており、矢印の向かう方向を正(+)方向、反対方向が負(−)方向ともいう。なお、本実施形態では、各方向(X、Y、Z)の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。
A
流路形成基板10の圧力発生室12の第2の方向Yの一端部側には、圧力発生室12の片側を第1の方向Xから絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路13と、第1の方向Xにおいて圧力発生室12と略同じ幅を有する連通路14と、が複数の隔壁11によって区画されている。連通路14の外側(第2の方向Yの圧力発生室12とは反対側)には、各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100の一部を構成する連通部15が形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12、インク供給路13及び連通部15からなる液体流路が形成されている。
An
流路形成基板10の一方面側、すなわち圧力発生室12等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室12に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。ノズルプレート20には、第1の方向Xにノズル開口21が並設されている。
On one side of the flow
ノズルプレート20の材料としては、例えば、ステンレス鋼(SUS)等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート20としてシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート20と流路形成基板10との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
As a material of the
流路形成基板10のノズルプレート20とは反対面側(+Z方向側)には、振動板50が形成されている。本実施形態では、振動板50として、流路形成基板10側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜51と、弾性膜51上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜52と、を設けるようにした。なお、圧力発生室12等の液体流路は、流路形成基板10を一方面側から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室12等の液体流路の他方面は、弾性膜51によって画成されている。もちろん、振動板50は、特にこれに限定されるものではなく、弾性膜51と絶縁体膜52との何れか一方を設けるようにしてもよく、その他の膜が設けられていてもよい。
A
振動板50上には、圧力発生室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子300が設けられている。圧電素子300は、流路形成基板10側から順次積層された導電性電極である第1電極60、圧電体層70及び導電性電極である第2電極80を有する。このような圧電素子300は、第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第1電極60と第2電極80とで挟まれている圧電体層70に圧電歪みが生じる。両電極に電圧を印加した際に、圧電体層70に圧電歪みが生じる部分を能動部310と称する。
On the
第1電極60は、圧力発生室12毎に切り分けられており、圧電素子300の実質的な駆動部である能動部310毎に独立する個別電極を構成する。第1電極60は、第1の方向Xにおいて、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。また、第1電極60は、第2の方向Yにおいて、両端部がそれぞれ圧力発生室12の外側まで形成されており、その一端部側(第2の方向Yの連通路14とは反対側(−Y方向側)には、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。第1電極60の材料は、金属材料であれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等が好適に用いられる。
The
圧電体層70は、第1の方向Xに亘って連続して設けられている。また、圧電体層70の第2の方向Yの幅は、圧力発生室12の第2の方向Yの長さよりも広く、圧力発生室12の外側まで設けられている。第2の方向Yにおいて、圧電体層70のインク供給路13側(+Y方向側)の端部は第1電極60の端部よりも外側に位置しており、第1電極60の端部が圧電体層70によって覆われている。一方、圧電体層70のノズル開口21側の(−Y方向側)は第1電極60の端部よりも内側に位置しており、第1電極60の端部は圧電体層70に覆われていない。
The
圧電体層70は、第1電極60上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ABO3で示されるペロブスカイト形酸化物からなることができる。圧電体層70に用いられるペロブスカイト形酸化物としては、例えば、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。
The
圧電体層70には、圧力発生室12の間の各隔壁に対応する位置に凹部71が形成されている。このように圧電体層70に凹部71を設けることで、圧電素子300を良好に変位させることができる。
In the
第2電極80は、圧電体層70の第1電極60とは反対面側(+Z方向側)に設けられており、複数の能動部310に共通する共通電極を構成する。第2電極80は、圧電体層70の凹部71内にも設けられているが、特にこれに限定されず、凹部71内に第2電極80を設けないようにしてもよい。
The
第2電極80の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。例えば、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)、タングステン(W)、チタン(Ti)等の金属材料、及びランタンニッケル酸化物(LNO)に代表される導電性酸化物を用いることができる。また、第2電極80は、一層ではなく、複数層から形成されていてもよい。
The material of the
上述したように、圧電素子300は、第1電極60を複数の能動部310毎に独立して設けることで個別電極とし、第2電極80を複数の能動部310に亘って連続して設けることで共通電極とした。もちろん、このような態様に限定されず、第1電極60を複数の能動部310に亘って連続して設けることで共通電極とし、第2電極を能動部310毎に独立して設けることで個別電極としてもよい。また、振動板50としては、弾性膜51及び絶縁体膜52を設けずに、第1電極60のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
As described above, in the
流路形成基板10には、第1リード電極91及び第2リード電極92を備えている。これらは、リード電極90とも総称する。
The flow
第1リード電極91は、各圧電素子300の第1電極60のそれぞれに接続されたリード電極である。第2リード電極92は、各圧電素子300に共通した第2電極80に接続されたリード電極である。本実施形態では、第1リード電極91及び第2リード電極92は、後述する保護基板30の貫通孔33に露出するように、配線されている。なお、第1リード電極91は、第2電極80と同一材料からなる導電層82を介して第1電極60に接続されている。もちろん、第1リード電極91は第1電極60に直接接続されていてもよい。
The
流路形成基板10には、保護基板30が接着剤35を介して接合されている。保護基板30はマニホールド部32を有している。マニホールド部32は、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上記のように、流路形成基板10の連通路14と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100が構成されている。
A
保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部31が設けられている。圧電素子保持部31は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板30は、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラスやセラミック材料等を用いることができ、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
A piezoelectric
保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍が、貫通孔33内に露出するように設けられている。保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。駆動回路120としては、例えば回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120及びリード電極90が、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
The
保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料から構成でき、封止膜41によってマニホールド部32の一方面が封止されている。固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
On the
このような構成の記録ヘッド1では、インクを噴射する際に、インクが貯留された液体貯留手段からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路120からの信号に従い、圧力発生室12に対応する各圧電素子300に電圧を印加することにより、圧電素子300と共に振動板50をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室12内の圧力が高まり所定のノズル開口21からインク滴が噴射される。
In the
図5を用いて、圧電素子300について詳細に説明する。図5は図4の要部を拡大した断面図である。
The
本実施形態に係る圧電素子300の圧電体層70は、第2の方向Yにおいて、第2電極80よりも第2の方向Yの外側まで延設されている。すなわち、圧電体層70の上方には、第2電極80が設けられていない領域がある。当該領域には電界緩和部130、離れ電極140、絶縁部150が設けられている。
In the second direction Y, the
電界緩和部130は、導電性を有する材料で圧電体層70上に形成され、第2電極80の第2の方向Yの一端部80aに接続されている。また、電界緩和部130の電気抵抗は第2電極80の電気抵抗よりも高い。
The electric
本実施形態では、電界緩和部130は、第1電界緩和部83と第2電界緩和部93とから構成されている。第1電界緩和部83は、第2電極80とほぼ同じ厚さに形成され、第2電界緩和部93は、第2リード電極92とほぼ同じ厚さであり、第1電界緩和部83よりも第2の方向Yの幅が狭く形成されている。第1電界緩和部83及び第2電界緩和部93は何れも同材料で形成されているが、異なる材料で形成されていてもよい。
In the present embodiment, the electric
電界緩和部130の材料としては、第2電極80よりも高い電気抵抗値を有し、導電性を有するものであれば特に限定されない。例えば、樹脂や銀、銅、カーボンペーストを挙げることができる。また、電界緩和部130は、第2電極80と同材料で形成した電極層、当該材料とは別物質(不純物)のイオンを注入することで形成してもよい。すなわち、電界緩和部130は、第2電極80を構成する物質とは別物質の不純物で且つ第2電極80の電気抵抗値よりも高くすることができるもの、例えば、酸素(O)、窒素(N)、ホウ素(B)、炭素(C)、フッ素(F)、リン(P)及び硫黄(S)からなる群から選択される少なくとも1つのイオンを第2電極80と同材料で形成した注入して形成することができる。
The material of the electric
離れ電極140は、電界緩和部130を介して第2電極80に接続されている。上述したように電界緩和部130は導電性を有しているので、離れ電極140は、電界緩和部130を介して第2電極80と導通している。このような離れ電極140は、能動部310の端部を規定している。すなわち、圧電体層70のうち、離れ電極140と第1電極60に挟まれた領域は、離れ電極140及び第1電極60間に印加された電圧によって歪み変形する能動部310の一部である。
The
本実施形態では、離れ電極140は、第1離れ電極84と第2離れ電極94とから構成されている。第1離れ電極84は、第2電極80とほぼ同じ厚さに形成されている。第2離れ電極94は、第2リード電極92とほぼ同じ厚さであり、第1離れ電極84よりも第2の方向Yの幅が広く形成されている。
In the present embodiment, the
離れ電極140の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定はない。また、離れ電極140は、第2電極80と同材料で形成されることが好ましいが、異なる材料で形成してもよい。
The material of the
絶縁部150は、離れ電極140に接続された絶縁性を有する材料で圧電体層70上に形成されている。したがって、絶縁部150と第1電極60に挟まれた圧電体層70の一部は、歪み変形しない非能動部320となる。
The insulating
本実施形態では、絶縁部150は、第1絶縁部85と第2絶縁部95とから構成されている。第1絶縁部85は、第2電極80とほぼ同じ厚さに形成されている。第2絶縁部95は、第2リード電極92とほぼ同じ厚さであり、第1絶縁部85よりも第2の方向Yの幅が狭く形成されている。第1絶縁部85及び第2絶縁部95は何れも同材料で形成されているが、異なる材料で形成されていてもよい。絶縁部150の材料は、絶縁性を有する材料であれば特に限定はないが、ここでは絶縁部150は二酸化シリコンなどの金属酸化膜により形成されている。
In the present embodiment, the insulating
絶縁部150(第2絶縁部95)には、第1リード電極91を介して第1電極60が接続されている。上述したように絶縁部150は絶縁性を有しているので、第1リード電極91、すなわち第1電極60は、電界緩和部130、離れ電極140、及び第2リード電極92を介して第2電極80に短絡していない。また、導電層82も絶縁部150(第1絶縁部85)に接続されているので、第1電極60(第1リード電極91)は、導電層82を介して第2電極80(第2リード電極92)に短絡していない。なお、第1電極60は、第1リード電極91を介して絶縁部150に接続されているが、第1リード電極91を介さず絶縁部150に接続されていてもよい。
The
以上に説明した、第2電極80の一端部80aから連続した電界緩和部130、離れ電極140、及び絶縁部150は、各第1電極60に対応して、第1の方向Xに沿って複数設けられている(図2、図3参照)。
The electric
なお、電界緩和部130、離れ電極140及び絶縁部150は、第1電極60に対応して複数設けられていなくてもよい。例えば、図6に示すように、電界緩和部130、離れ電極140及び絶縁部150が複数の第1電極60に共通していてもよい。このような構成とする場合、少なくとも、各第1電極60及びこれに接続された第1リード電極91が第2電極80及びこれに接続された第2リード電極92に短絡しないように、絶縁部150によって絶縁されていればよい。また、各第1電極60に接続された第1リード電極91同士が短絡しないように切り分けられていればよい。
Note that the electric
上述したように、第2電極80の一端部80aに、導電性を有する電界緩和部130を介して離れ電極140が設けられている。すなわち、第2電極80から電界緩和部130及び離れ電極140までは、圧電体層70に電界を印加する一体の電極として作用する。したがって、圧電体層70の能動部310は、第2電極80、電界緩和部130及び離れ電極140と、第1電極60とに挟まれた部分となる。
As described above, the
そして、電界緩和部130は、第2電極80よりも電気抵抗が高くなっている。これにより、離れ電極140と第1電極60との間に印加される電界の強さは、第2電極80と第1電極60との間に印加される電界の強さよりも弱くなる。
The electric
図7は、電界の強さを示すグラフである。横軸は、第2の方向Yにおける位置を示し、縦軸は電界の強さを示している。第2電極80における電界の強さを電界強度E0とする。第2電極80に接続された電界緩和部130においては、第2の方向Yにおいて第2電極80から離れるほど、徐々に電界が弱くなっている。離れ電極140の電界強度E1は、電界緩和部130により緩和され、第2電極80の電界強度E0よりも弱い。
FIG. 7 is a graph showing the electric field strength. The horizontal axis indicates the position in the second direction Y, and the vertical axis indicates the strength of the electric field. The intensity of the electric field in the
電界緩和部130を設けることで、能動部310の端部となる離れ電極140において、電界が低減されている。これにより、能動部310と非能動部320との境界において、電界強度の変化が緩和される。同図の例であれば、当該境界では電界強度がE1から0に変化する。
By providing the electric
仮に、電界緩和部130及び離れ電極140を設けない場合では、第2電極80が能動部310の端部を規定することになる。この場合、能動部310と非能動部320との境界では、電界緩和部130及び離れ電極140を設ける場合よりも、電界強度が急峻に変化することになる。同図の例であれば、当該境界では電界強度がE0から0に変化する。
If the electric
本実施形態の記録ヘッド1では、能動部310と非能動部320との境界では電界強度の変化が緩和されている。これにより、当該境界に応力が集中するのを抑制して、応力集中による破壊を抑制することができ、記録ヘッド1の信頼性を向上することができる。また、離れ電極140の電界強度を低減するだけで、能動部310の主要部を占める第2電極80の電界を低減することがない。これにより、記録ヘッド1は、能動部310の主要部に十分な電界を印加して、十分な圧電特性、すなわち、小さな電圧で大きな変位を行わせる変位特性を得ることができる。
In the
本実施形態の記録ヘッド1では、離れ電極140には、絶縁部150が接続され、されに絶縁部150に第1電極60が第1リード電極91を介して接続されている。これにより、第2電極80(及びこれに接続される離れ電極140)と、第1電極60(及びこれに接続される第1リード電極91)との短絡を抑制することができる。
In the
このような圧電素子300は、製法に限定はないが、例えば次のように形成することができる。特に図示しないが、まず、圧力発生室12に対向して複数の第1電極60を形成し、圧電体層70を形成する。これらの第1電極60及び圧電体層70を覆うように、第2電極80を形成する材料からなる第2電極層を形成する。
Such a
次に、この第2電極層をパターニングして、第1除去部86及び第2除去部87を形成する。第1除去部86及び第2除去部87は、いずれも第2電極層の一部が除去されて圧電体層70が露出した部分である。これらの第1除去部86及び第2除去部87によって第2電極層が切り分けられ、第2電極80、第1離れ電極84及び導電層82が形成される。このようにして、同一材料からなる第2電極層から、第2電極80、第1離れ電極84及び導電層82を形成するので、それらを異なる別材料で形成するよりも、工数を削減し、コストを抑えることができる。
Next, the second electrode layer is patterned to form the
次に、第1除去部86に第1電界緩和部83を形成する。具体的には、第1電界緩和部83を形成する材料を成膜してパターニングすることで、第1除去部86内に第1電界緩和部83を形成する。次に、第2除去部87に第1絶縁部85を形成する。具体的には、第1絶縁部85を形成する材料を成膜してパターニングすることで、第2除去部87内に第1絶縁部85を形成する。
Next, the first electric
次に、圧電体層70、第2電極80、第1電界緩和部83、第1離れ電極84、第1絶縁部85及び導電層82を覆うように、第1リード電極91及び第2リード電極92を形成する材料からなるリード電極層を形成する。
Next, the
次に、リード電極層をパターニングして、第3除去部96及び第4除去部97を形成する。第3除去部96は、リード電極層の一部が除去された貫通孔であり、第1除去部86に連通した部分である。第4除去部97は、リード電極層の一部が除去された貫通孔であり、第2除去部87に連通した部分である。これらの第3除去部96及び第4除去部97によってリード電極層が切り分けられ、第2リード電極92、第2離れ電極94及び第1リード電極91が形成される。このようにして、同一材料からなるリード電極層から、第1リード電極91、第2離れ電極94及び第2リード電極92を形成するので、それらを異なる別材料で形成するよりも、工数を削減し、コストを抑えることができる。
Next, the lead electrode layer is patterned to form the
次に、第3除去部96に第2電界緩和部93を形成する。具体的には、第2電界緩和部93を形成する材料を成膜してパターニングすることで、第3除去部96内に第2電界緩和部93を形成する。本実施形態では、第1電界緩和部83及び第2電界緩和部93は同材料とした。次に、第4除去部97に第2絶縁部95を形成する。具体的には、第2絶縁部95を形成する材料を成膜してパターニングすることで、第4除去部97内に第2絶縁部95を形成する。
Next, the second electric
以後は、流路形成基板10に圧力発生室12等の液体流路を形成し、保護基板30及びノズルプレート20を接合することで、本実施形態に係る記録ヘッド1を製造することができる。
Thereafter, the
〈実施形態2〉
実施形態1に係る記録ヘッド1では、絶縁部150は、絶縁性のある金属酸化膜を用いたが、このような態様に限定されない。絶縁部は、導電性を有していても、離れ電極140よりも電気抵抗値が高い導電性材料で形成されていてもよい。
<
In the
図8は、実施形態2に係る記録ヘッド1の要部を示す断面図である。実施形態1と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の記録ヘッド1は、絶縁部150Aの材料に導電性材料を用い、絶縁部150Aの電気抵抗は離れ電極140よりも高い。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a main part of the
このような絶縁部150Aの材料としては、電界緩和部130に適用できる材料を用いることができる。そして、絶縁部150Aの電気抵抗を電界緩和部130よりも高くなるようにする。少なくとも、絶縁部150Aを介して第1電極60(第1リード電極91)と第2電極80(第2リード電極92)とが短絡しない程度の電気抵抗を有するように絶縁部150Aを形成する。
As a material of such an
例えば、実施形態1の電界緩和部130のように、導電性のある材料に、別物質(不純物)のイオンを注入することで絶縁部150Aを形成してもよい。または、絶縁部150Aの断面積を狭くし、またXY平面における長さを長くするなどして電気抵抗を高めることで絶縁部150Aとしてもよい。
For example, like the electric
本実施形態に係る記録ヘッド1では、電界緩和部130と絶縁部150Aとを同材料で形成することができ、製造工程を簡略化することができる。
In the
〈実施形態3〉
図9は、実施形態3に係る記録ヘッド1の要部を示す断面図である。実施形態1と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の記録ヘッド1では、絶縁部150Bは、絶縁性を有する樹脂で形成されている。当該樹脂は、保護基板30を絶縁部150Bに接着するための接着剤35と同じものである。このような樹脂としては、例えばエポキシ系樹脂を用いることができる。
<Embodiment 3>
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a main part of the
このように、本実施形態の記録ヘッド1は、第1電極60と第2電極80とを絶縁するための絶縁部150Bと、保護基板30を絶縁部150Bに接着するための接着剤35とが同じ材料で形成されている。
As described above, the
例えば、保護基板30を流路形成基板10に接着する際に、第2除去部87及び第4除去部97内に接着剤35を充填させることで絶縁部150Bを形成することができる。
For example, when the
本実施形態に係る記録ヘッド1では、保護基板30を流路形成基板10に接着する際に、絶縁部150Bを形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。また、接着剤35が絶縁部150Bと一体的であるので、接着剤35の接着強度が向上し、保護基板30を剥がれにくくすることができる。
In the
〈他の実施形態〉
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。
<Other embodiments>
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, the structure of this invention is not limited to what was mentioned above.
実施形態1から実施形態3に係る記録ヘッド1は、第1電極60は圧電素子300ごとの個別電極であり、第2電極80は圧電素子300に共通した共通電極であったが、これに限定されない。
In the
第1電極60を圧電素子300に共通した共通電極とし、第2電極80を圧電素子ごとの個別電極としてもよい。このような場合では、各第2電極の一端部に電界緩和部をそれぞれ接続し、各電界緩和部に離れ電極を接続すればよい。このような態様であっても、実施形態1の記録ヘッド1と同様の作用効果を奏する。
The
実施形態1から実施形態3に係る記録ヘッド1では、絶縁部150を有しているが、絶縁部150を設けなくてもよい。例えば、離れ電極140と、第1リード電極91及び導電層82との間に絶縁部150を設けず、それらを第2除去部87及び第4除去部97で切り離すことで絶縁しておけばよい。
The
実施形態1から実施形態3に係る記録ヘッド1は、圧電体層70上に第1リード電極91の一部が設けられているが、このような態様に限定されない。第1リード電極91は、圧電体層70上ではなく、導電層82上や第1電極60上に設けられている態様であってもよい。
In the
実施形態1から実施形態3に係る記録ヘッド1では、電界緩和部130は第1電界緩和部83及び第2電界緩和部93の複数層から構成されていた。同様に、離れ電極140は第1離れ電極84及び第2離れ電極94の複数層から構成され、絶縁部150は第1絶縁部85及び第2絶縁部95の複数層から構成されていた。しかしながら、電界緩和部130、離れ電極140及び絶縁部150は、このような複数層からなる構成に限定されない。
In the
例えば、第1リード電極91及び第2リード電極92と同じ層である、第2電界緩和部93、第2離れ電極94及び第2絶縁部95を設けなくてもよい。すなわち、第1電界緩和部83、第1離れ電極84、及び第1絶縁部85を、それぞれ電界緩和部、離れ電極、絶縁部としてもよい。
For example, the second electric
なお、上記実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、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(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。 In the above embodiment, an ink jet recording head has been described as an example of a liquid ejecting head, and an ink jet recording apparatus has been described as an example of a liquid ejecting apparatus. Of course, the present invention is intended for the whole, and can be applied to a liquid ejecting head or a liquid ejecting apparatus that ejects liquid other than ink. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bio-organic matter ejection head used for biochip production, and the like, and can also be applied to a liquid ejection apparatus including such a liquid ejection head.
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドのみならず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の圧電デバイスにも適用することができる。このような圧電素子デバイスにおいても、信頼性を向上することができる。 The present invention is applicable not only to a liquid jet head typified by an ink jet recording head but also to other piezoelectric devices such as an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a pressure sensor, and a pyroelectric sensor. be able to. Even in such a piezoelectric element device, the reliability can be improved.
I…インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、1…記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、10…流路形成基板(基板)、50…振動板、60…第1電極、70…圧電体層、80…第2電極、80a…一端部、90…リード電極、91…第1リード電極、92…第2リード電極、130…電界緩和部、140…離れ電極、150、150A、150B…絶縁部、300…圧電素子、310…能動部、320…非能動部 DESCRIPTION OF SYMBOLS I ... Inkjet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 1 ... Recording head (liquid ejecting head), 10 ... Flow path forming substrate (substrate), 50 ... Vibrating plate, 60 ... First electrode, 70 ... Piezoelectric layer, 80 ... second electrode, 80a ... one end, 90 ... lead electrode, 91 ... first lead electrode, 92 ... second lead electrode, 130 ... electric field relaxation part, 140 ... remote electrode, 150, 150A, 150B ... insulating part, 300 ... Piezoelectric element, 310 ... Active part, 320 ... Inactive part
Claims (5)
前記圧電体層には、前記第2電極の一端部に接続した導電性を有する電界緩和部、及び前記電界緩和部を介して前記第2電極に接続された離れ電極が設けられ、
前記電界緩和部は前記第2電極よりも電気抵抗が高い
ことを特徴とする圧電デバイス。 A piezoelectric element provided above the substrate and laminated with a first electrode, a piezoelectric layer and a second electrode from the substrate side;
The piezoelectric layer is provided with a conductive electric field relaxation part connected to one end of the second electrode, and a separation electrode connected to the second electrode through the electric field relaxation part,
The electric field relaxation portion has an electric resistance higher than that of the second electrode.
前記離れ電極に接続された絶縁性を有する絶縁部を備え、
前記絶縁部に前記第1電極が接続されている
ことを特徴とする圧電デバイス。 The piezoelectric device according to claim 1,
An insulating portion having an insulating property connected to the separation electrode;
The piezoelectric device, wherein the first electrode is connected to the insulating portion.
前記絶縁部は、前記離れ電極よりも電気抵抗値が高い導電性材料で形成されている
ことを特徴とする圧電デバイス。 The piezoelectric device according to claim 2, wherein
The said insulating part is formed with the electroconductive material whose electrical resistance value is higher than the said separation electrode. The piezoelectric device characterized by the above-mentioned.
前記基板の前記圧電素子側に接着される保護基板を備え、
前記絶縁部は、絶縁性を有する樹脂で形成され、
前記保護基板は、前記樹脂により前記絶縁部に接着されている
ことを特徴とする圧電デバイス。 The piezoelectric device according to claim 2, wherein
A protective substrate bonded to the piezoelectric element side of the substrate;
The insulating part is formed of an insulating resin,
The piezoelectric device, wherein the protective substrate is bonded to the insulating portion with the resin.
A liquid ejecting head comprising the piezoelectric device according to claim 1.
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