JP2020088219A - 圧電デバイス、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の電極の蓄積した電荷に起因して圧電体層に電圧が印加される可能性を低減する。【解決手段】第１方向に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む圧電素子と、前記第１方向に直交する第２方向において前記第１電極に間隔をあけて隣合う導電部とを具備し、前記導電部は、前記第２電極に電気的に接続され、前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との間の第１間隔に対する、前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間の第２間隔の比Ｑが、５≦Ｑ≦３０を満たす圧電デバイス。【選択図】図６

Description

本発明は、振動板の振動によりインク等の液体を噴射する技術に関する。

圧電素子を利用して圧力室内の液体をノズルから噴射する技術が従来から提案されている。例えば特許文献１に開示される通り、圧電素子は、第１電極と圧電体層と第２電極との積層で構成される。第１電極に対する駆動信号の供給をスイッチにより制御することで圧電素子が駆動される。

特開２０１７−４３００７号公報

駆動信号の供給を制御するスイッチのオフ抵抗が小さい構成では、オフ状態に維持されたスイッチを介して圧電素子の第１電極に電荷が供給される場合がある。第１電極に電荷が蓄積されると、第１電極と第２電極との間に直流電圧が継続的に印加される。したがって、圧電素子が変形した状態に維持されるという問題がある。なお、以上の説明では、スイッチを介して供給される電荷が第１電極に蓄積される場合を便宜的に例示したが、他の理由により第１電極に電荷が蓄積される可能性もある。

以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る圧電デバイスは、第１方向に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む圧電素子と、前記第１方向に直交する第２方向において前記第１電極に間隔をあけて隣合う導電部とを具備し、前記導電部は、前記第２電極に電気的に接続され、前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との間の第１間隔に対する、前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間の第２間隔の比Ｑが、５≦Ｑ≦３０を満たす。

本発明の好適な態様に係る液体噴射ヘッドは、第１方向に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含み、圧力室内の液体をノズルから噴射させる圧電素子と、前記第１方向に直交する第２方向において前記第１電極に間隔をあけて隣合う導電部とを具備し、前記導電部は、前記第２電極に電気的に接続され、前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との間の第１間隔に対する、前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間の第２間隔の比Ｑが、５≦Ｑ≦３０を満たす。

第１実施形態に係る液体噴射装置の構成を例示する模式図である。 液体噴射装置の機能的な構成を例示するブロック図である。 液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 液体噴射ヘッドの断面図である。 圧電素子の近傍を拡大した平面図である。 図５におけるｂ−ｂ線の断面図である。 第１電極と第２電極と第１導電部との関係を例示する平面図である。 第１電極から第１導電部にリークする電流量と経過時間との関係を表すグラフである。 振動板の破損の有無とリークの電流量とを調査した結果である。 第２実施形態における圧電素子の近傍を拡大した断面図である。 第３実施形態における圧電素子の近傍を拡大した断面図である。 第４実施形態における圧電素子の近傍を拡大した断面図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る液体噴射装置１００を例示する模式図である。第１実施形態の液体噴射装置１００は、液体の例示であるインクを媒体１２に噴射するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用される。図１に例示される通り、液体噴射装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。例えば液体噴射装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、またはインクを補充可能なインクタンクが液体容器１４として利用される。

図１に例示される通り、液体噴射装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体噴射ヘッド２６とを具備する。制御ユニット２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体噴射装置１００の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ軸に沿って搬送する。

移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体噴射ヘッド２６をＸ軸に沿って往復させる。Ｘ軸は、媒体１２が搬送されるＹ軸に交差する。例えばＸ軸とＹ軸とは相互に直交する。第１実施形態の移動機構２４は、液体噴射ヘッド２６を収容する略箱型の搬送体２４２と、搬送体２４２が固定された搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体噴射ヘッド２６を搬送体２４２に搭載した構成、または、液体容器１４を液体噴射ヘッド２６とともに搬送体２４２に搭載した構成も採用され得る。

液体噴射ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズルから媒体１２に噴射する。搬送機構２２による媒体１２の搬送と搬送体２４２の反復的な往復とに並行して各液体噴射ヘッド２６が媒体１２にインクを噴射することで、媒体１２の表面に画像が形成される。

図２は、液体噴射装置１００の機能的な構成を例示するブロック図である。搬送機構２２および移動機構２４の図示は便宜的に省略した。図２に例示される通り、第１実施形態の制御ユニット２０は、制御信号Ｓおよび駆動信号Ｄを液体噴射ヘッド２６に供給する。制御信号Ｓは、複数のノズルの各々についてインクの噴射の有無および噴射量を指示する信号である。駆動信号Ｄは、所定の周期で時間的に変動する電圧信号である。

図２に例示される通り、第１実施形態の液体噴射ヘッド２６は、複数のノズルにそれぞれ対応する複数の圧電素子３８と、複数の圧電素子３８の各々を駆動する駆動回路６２とを具備する。駆動回路６２は、複数の圧電素子３８にそれぞれ対応する複数のスイッチＳＷを具備する。複数のスイッチＳＷの各々は、圧電素子３８に対する駆動信号Ｄの供給／停止を制御信号Ｓに応じて切替えるトランスファーゲートで構成される。

図３は、液体噴射ヘッド２６の分解斜視図であり、図４は、図３におけるａ−ａ線の断面図である。図３に例示される通り、Ｘ-Ｙ平面に垂直なＺ軸を想定する。図４に図示された断面は、Ｘ-Ｚ平面に平行な断面である。Ｚ軸は、液体噴射ヘッド２６によるインクの噴射方向に沿う軸線である。図３に例示される通り、任意の地点からみてＺ軸に沿う一方側を「Ｚ1側」と表記し、反対側を「Ｚ2側」と表記する。同様に、任意の地点からみてＸ軸に沿う一方側を「Ｘ1側」と表記し、反対側を「Ｘ2側」と表記する。

図３および図４に例示される通り、液体噴射ヘッド２６は、Ｙ軸に沿って長い略矩形状の流路基板３２を具備する。流路基板３２におけるＺ1側の面上には、圧力室基板３４と振動板３６と複数の圧電素子３８と筐体部４２と封止体４４とが設置される。流路基板３２におけるＺ2側の面上には、ノズル板４６と吸振体４８とが設置される。液体噴射ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２と同様にＹ軸に沿って長い板状部材であり、例えば接着剤を利用して相互に接合される。

図３に例示される通り、ノズル板４６は、Ｙ軸に沿って配列する複数のノズルＮが形成された板状部材である。各ノズルＮは、インクが通過する貫通孔である。なお、流路基板３２と圧力室基板３４とノズル板４６とは、例えばシリコン（Ｓi）の単結晶基板をエッチング等の半導体製造技術により加工することで形成される。ただし、液体噴射ヘッド２６の各要素の材料や製法は任意である。Ｙ軸の方向は、複数のノズルＮが配列する方向とも換言され得る。第１実施形態の液体噴射ヘッド２６においては、Ｙ軸に沿って１インチあたり３００個以上の高密度で複数のノズルＮが形成される。すなわち、複数のノズルＮがＹ軸に沿って３００ｎｐｉ（nozzle per inch）以上の密度で形成される。さらに好適な態様では、Ｙ軸に沿って１インチあたり６００個（６００ｎｐｉ）以上の高密度で複数のノズルＮが形成される。

流路基板３２は、インクの流路を形成するための板状部材である。図３および図４に例示される通り、流路基板３２には、開口部３２２と供給流路３２４と連通流路３２６とが形成される。開口部３２２は、Ｚ軸の方向からの平面視において、Ｙ軸に沿って複数のノズルＮにわたり連続する貫通孔である。供給流路３２４および連通流路３２６は、ノズルＮ毎に個別に形成された貫通孔である。また、図４に例示される通り、流路基板３２のうちＺ2側の表面には、複数の供給流路３２４にわたる中継流路３２８が形成される。中継流路３２８は、開口部３２２と複数の供給流路３２４とを連通させる流路である。

筐体部４２は、例えば樹脂材料の射出成形で製造された構造体であり、流路基板３２におけるＺ1側の表面に固定される。図４に例示される通り、筐体部４２には収容部４２２と導入口４２４とが形成される。収容部４２２は、流路基板３２の開口部３２２に対応した外形の凹部である。導入口４２４は、収容部４２２に連通する貫通孔である。図４から理解される通り、流路基板３２の開口部３２２と筐体部４２の収容部４２２とを相互に連通させた空間が液体貯留室（リザーバー）Ｒとして機能する。液体容器１４から供給されて導入口４２４を通過したインクが液体貯留室Ｒに貯留される。

吸振体４８は、液体貯留室Ｒ内の圧力変動を吸収する。吸振体４８は、例えば弾性変形が可能な可撓性のシート部材を含む。具体的には、流路基板３２の開口部３２２と中継流路３２８と複数の供給流路３２４とを閉塞して液体貯留室Ｒの底面を構成するように、流路基板３２におけるＺ2側の表面に吸振体４８が設置される。

図３および図４に例示される通り、圧力室基板３４は、複数のノズルＮにそれぞれ対応する複数の圧力室Ｃが形成された板状部材である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ軸に沿って相互に間隔をあけて配列する。各圧力室Ｃは、Ｘ軸に沿って長い開口である。圧力室ＣのＸ1側の端部は、平面視で１個の供給流路３２４に重なり、圧力室ＣのＸ2側の端部は、平面視で流路基板３２の１個の連通流路３２６に重なる。

圧力室基板３４のうち流路基板３２に対向する表面とは反対側の表面には振動板３６が設置される。振動板３６は、弾性的に変形可能な板状部材である。例えば、振動板３６は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成された第１層と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）で形成された第２層との積層で構成される。

図４から理解される通り、流路基板３２と振動板３６とは、各圧力室Ｃの内側で相互に間隔をあけて対向する。圧力室Ｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置し、当該圧力室Ｃ内に充填されたインクに圧力を付与するための空間である。振動板３６は、圧力室Ｃの壁面を構成する。液体貯留室Ｒに貯留されたインクは、中継流路３２８から各供給流路３２４に分岐して複数の圧力室Ｃに並列に供給および充填される。すなわち、液体貯留室Ｒは、複数の圧力室Ｃにインクを供給するための共通液室として機能する。

図３および図４に例示される通り、振動板３６のうち圧力室基板３４に対向する表面とは反対側の表面には、複数のノズルＮにそれぞれ対応する複数の圧電素子３８が設置される。各圧電素子３８は、駆動信号Ｄの供給により変形する圧電アクチュエーターであり、Ｘ軸に沿う長い形状に形成される。複数の圧電素子３８は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ軸に沿って配列する。圧電素子３８の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することで、圧力室Ｃに充填されたインクが連通流路３２６とノズルＮとを通過して噴射される。すなわち、圧電素子３８は、振動板３６を振動させることで圧力室Ｃ内のインクをノズルＮから噴射させる駆動素子である。

振動板３６と圧電素子３８とは、駆動信号Ｄの供給により振動する圧電デバイスとして機能する。液体噴射ヘッド２６は、インクを収容する圧力室Ｃと、圧力室Ｃからインクを噴射させる圧電デバイスとを具備する。

図３および図４の封止体４４は、複数の圧電素子３８を外気から保護するとともに圧力室基板３４および振動板３６の機械的な強度を補強する構造体である。封止体４４は、振動板３６の表面に例えば接着剤で固定される。封止体４４のうち振動板３６との対向面に形成された凹部の内側に複数の圧電素子３８が収容される。

図４に例示される通り、振動板３６の表面には、例えば配線基板６０が接合される。配線基板６０は、制御ユニット２０と液体噴射ヘッド２６とを電気的に接続するための複数の配線（図示略）が形成された実装部品である。例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板６０が好適に採用される。図２に例示した駆動回路６２は、配線基板６０に実装される。

各圧電素子３８の具体的な構成を以下に詳述する。図５は、圧電素子３８の近傍を拡大した平面図である。なお、図５においては、任意の１個の要素の奥側に位置する要素の輪郭も便宜的に実線で図示されている。また、図６は、図５におけるｂ−ｂ線の断面図である。

図２および図６に例示される通り、圧電素子３８は、概略的には、第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３とをＺ軸の方向に積層した構造体である。なお、本明細書において「要素Ａと要素Ｂとが積層される」という表現は、要素Ａと要素Ｂとが直接的に接触する構成に限定されない。すなわち、要素Ａと要素Ｂとが一部または全部において平面視で相互に重なるならば、要素Ａと要素Ｂとの間に他の要素Ｃが介在する構成でも、「要素Ａと要素Ｂとが積層される」という概念に包含される。また、「要素Ａの面上に要素Ｂが形成される」という表現も同様に、要素Ａと要素Ｂとが直接的に接触する構成には限定されない。すなわち、要素Ａの表面に要素Ｃが形成され、要素Ｃの表面に要素Ｂが形成された構成でも、要素Ａと要素Ｂとの一部または全部が平面視で重なる構成であれば、「要素Ａの面上に要素Ｂが形成される」という概念に包含される。第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３とが積層されるＺ軸の方向は「第１方向」の一例である。

図５および図６に例示される通り、第１電極５１は、振動板３６の面上に形成される。第１電極５１は、圧電素子３８毎に相互に離間して形成された個別電極である。具体的には、Ｘ軸に沿って長い複数の第１電極５１が、相互に間隔をあけてＹ軸の方向に配列する。第１電極５１は、例えば白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の導電材料で形成される。第１電極５１のうちＸ2側の端部に形成された接続端子に駆動回路６２から駆動信号Ｄが供給される。

図５および図６に例示される通り、振動板３６の面上には第１導電部５４Aが形成される。図５においては、第１電極５１と第１導電部５４Aとに便宜的に網掛が付加されている。図７は、第１電極５１と第２電極５３と第１導電部５４Aとに着目した平面図である。図５から図７に例示される通り、第１導電部５４Aは、複数の圧電素子３８にわたりＹ軸に沿って連続する帯状の電極である。すなわち、第１導電部５４Aと各第１電極５１とは相互に直交する方向に延在する。第１導電部５４Aは、複数の第１電極５１からみてＸ1側に位置する。具体的には、第１導電部５４Aは、Ｘ軸の方向に所定の間隔（以下「第２間隔」という）Ｄ2をあけて複数の第１電極５１に隣合う。第２間隔Ｄ2は、第１電極５１におけるＸ1側の端部と、第１導電部５４AにおけるＸ2側の周縁との距離である。第１導電部５４Aは「導電部」の一例であり、Ｘ軸の方向は「第２方向」の一例である。

第１実施形態の第１導電部５４Aは、各第１電極５１と同層で形成される。すなわち、振動板３６の面上に成膜された導電膜を選択的に除去することで、複数の第１電極５１と第１導電部５４Aとが、共通の工程において共通の材料により一括的に形成される。したがって、第１電極５１と第１導電部５４Aとは、例えば白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の共通の導電材料で形成される。また、第１電極５１の膜厚と第１導電部５４Aの膜厚とは略同一である。なお、第１電極５１と第１導電部５４Aとを個別に形成してもよい。

圧電体層５２は、複数の第１電極５１および第１導電部５４Aの面上に形成される。圧電体層５２は、複数の圧電素子３８にわたりＹ軸に沿って連続する帯状の誘電膜である。各第１電極５１および第１導電部５４Aは、圧電体層５２により被覆される。圧電体層５２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）等の圧電材料で形成される。図６に例示される通り、Ｘ軸の方向における各第１電極５１と第１導電部５４Aとの第２間隔Ｄ2内には圧電体層５２が介在する。以上の構成によれば、第１電極５１と第１導電部５４Aとの間に圧電体層５２を介在させた簡便な構成により、第１電極５１と第１導電部５４Aとを電気的に絶縁することが可能である。

なお、第１導電部５４Aを省略した構成（以下「比較例」という）では、第１電極５１の膜厚を反映した段差が圧電体層５２の表面に形成される可能性がある。また、圧電体層５２を焼成する過程において、圧電体層５２のうち第１電極５１に重なる領域と第１電極５１に重ならない領域との間で温度差が発生する可能性がある。以上のような段差および温度差に起因して、比較例においては、圧電体層５２のうち第１電極５１に重なる領域と第１電極５１に重ならない領域との間で圧電特性が相違する可能性がある。比較例とは対照的に、第１実施形態では、第１電極５１および第１導電部５４Aの双方を下地として圧電体層５２が形成される。以上の構成によれば、圧電体層５２の表面の段差および焼成時の温度差が低減される。したがって、第１実施形態によれば、比較例と比較して、広範囲にわたり均質な圧電体層５２を形成できるという利点がある。すなわち、第１導電部５４Aは、圧電体層５２を均質に形成するための下地層として機能する。

図５に例示される通り、圧電体層５２のうち相互に隣合う各圧力室Ｃの間隙に対応する領域には、Ｘ軸に沿って長い切欠５２１が形成される。切欠５２１は、圧電体層５２を貫通する開口である。以上の構成によれば、各圧電素子３８は圧力室Ｃ毎に個別に変形し、圧電素子３８の相互間における振動の伝播が抑制される。したがって、各ノズルＮによるインクの噴射特性を高精度に制御することが可能である。噴射特性は、例えば噴射量、噴射方向または噴射速度である。

圧電体層５２において平面視で第１導電部５４Aに重なる領域には貫通孔Ｈが形成される。貫通孔Ｈは、圧電体層５２を貫通する開口である。図５においては貫通孔Ｈに斜線が付加されている。貫通孔Ｈは、複数の切欠５２１からみてＸ1側に形成され、複数の圧電素子３８にわたりＹ軸に沿って連続する。なお、圧電素子３８毎に個別に貫通孔Ｈを形成してもよい。圧電体層５２を選択的に除去することで切欠５２１と貫通孔Ｈとが一括的に形成される。

第２電極５３は、圧電体層５２の面上に形成される。第１実施形態の第２電極５３は、複数の圧電素子３８にわたりＹ軸に沿って連続する帯状の共通電極である。第２電極５３は、例えばアルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の導電材料で形成される。図６に例示される通り、Ｚ軸の方向における第１電極５１と第２電極５３との間隔（以下「第１間隔」という）Ｄ1は、圧電体層５２の膜厚に相当する。第２電極５３には所定の基準電圧Ｖbsが印加される。具体的には、図７に例示される通り、Ｙ軸に沿う第２電極５３の両端部の近傍に配線基板６０から基準電圧Ｖbsが供給される。

図５から図７に例示される通り、第２電極５３は、第１導電部５４Aに平面視で重なる。また、第２電極５３は、圧電体層５２の貫通孔Ｈに平面視で重なる。第２電極５３のうち貫通孔Ｈの内側に位置する部分は、当該貫通孔Ｈの内側に露出した第１導電部５４Aに接触する。すなわち、第１導電部５４Aは、圧電体層５２の貫通孔Ｈを介して第２電極５３に電気的に接続される。したがって、第１導電部５４Aには第２電極５３を介して基準電圧Ｖbsが印加される。以上の通り、第１実施形態では、第１導電部５４Aと第２電極５３とが平面視で重なるから、第１導電部５４Aと第２電極５３とを簡便な構成により電気的に接続できる。具体的には、圧電体層５２に貫通孔Ｈを形成する簡便な構成により第１導電部５４Aと第２電極５３とを電気的に接続することが可能である。

第１電極５１に供給される駆動信号Ｄと第２電極５３に供給される基準電圧Ｖbsとの電圧差に応じて両電極間の圧電体層５２が変形する。すなわち、第１電極５１と第２電極５３とが圧電体層５２を挟んで相互に対向する部分が圧電素子３８として機能する。圧力室Ｃ毎に圧電素子３８が個別に形成される。具体的には、Ｘ軸に沿って長い複数の圧電素子３８が、相互に間隔をあけてＹ軸の方向に配列する。

図５および図６に例示される通り、第２電極５３には第１補助電極５５と第２補助電極５６とが積層される。第１補助電極５５および第２補助電極５６は、第２電極５３の表面に接触することで、第２電極５３に電気的に接続される。第１補助電極５５は、第２電極５３におけるＸ1側の縁辺に沿ってＹ軸の方向に延在する帯状の導電膜である。第１補助電極５５は、圧電体層５２の貫通孔Ｈに平面視で重なる。第１補助電極５５のうち貫通孔Ｈに対応する部分は、第２電極５３とともに貫通孔Ｈの内側に位置する。以上の構成によれば、貫通孔Ｈの内部において第１導電部５４Aと第２電極５３と第１補助電極５５とを確実に導通させることが可能である。

第２補助電極５６は、第２電極５３におけるＸ2側の縁辺に沿ってＹ軸の方向に延在する帯状の導電膜である。第１補助電極５５および第２補助電極５６は、第２電極５３よりも導電率が高い導電材料により形成される。例えば、第１補助電極５５および第２補助電極５６の各々は、ニクロム（ＮｉＣｒ）で形成された導電膜の表面に金（Ａｕ）の導電膜を積層した電極である。例えば、第２電極５３の面上に形成された導電膜を選択的に除去することで、第１補助電極５５と第２補助電極５６とが、共通の工程において共通の材料で一括的に形成される。なお、第１補助電極５５および第２補助電極５６を省略してもよい。また、第１補助電極５５および第２補助電極５６の各々を金（Ａｕ）のみで形成してもよいが、前述の例示のようにニクロム（ＮｉＣｒ）を併用することで製造コストを削減できるという利点がある。

液体噴射ヘッド２６がインクを噴射しない待機状態では、第２電極５３に基準電圧Ｖbsが印加された状態で、駆動回路６２の複数のスイッチＳＷがオフ状態に維持される。駆動回路６２における各スイッチＳＷのオフ抵抗が小さい構成では、待機状態においてオフ状態に維持されたスイッチＳＷを介して電流のリークが発生し得る。すなわち、各スイッチＳＷを介して圧電素子３８の第１電極５１に電荷が供給される。第１電極５１に電荷が蓄積されると、第１電極５１と第２電極５３との間に意図しない直流電圧が継続的に印加される。以上の状態では、圧電素子３８が変形した状態に維持されるから、振動板３６に継続的に応力が作用する結果となる。したがって、圧電素子３８または振動板３６に破損が発生する可能性がある。以上の課題を解決する観点から、第１実施形態では、待機状態において駆動回路６２から第１電極５１に供給される電荷が第１導電部５４Aに徐々に放電されるように、第１電極５１と第１導電部５４Aとの第２間隔Ｄ2が選定される。

第１電極５１の電荷を第１導電部５４Aに放電する観点からは、第２間隔Ｄ2が充分に小さいことが要求される。他方、第２間隔Ｄ2が過度に小さい構成では、第１電極５１と第１導電部５４Aとが短絡し、液体噴射ヘッド２６の動作時に圧電素子３８に所期の電圧を印加できない可能性がある。以上の事情を背景として、本願発明者は、第１電極５１から第１導電部５４Aに対する電荷の放電と、第１電極５１と第１導電部５４Aとの短絡の防止とを両立するという観点から、第２間隔Ｄ2の好適な範囲を決定するための実験を実施した。

図８は、第２間隔Ｄ2を相違させた複数の場合について、第１電極５１から第１導電部５４Aにリークする電流量Ｌと経過時間Ｔとの関係を表すグラフである。第２間隔Ｄ2が小さいほど、第１電極５１から第１導電部５４Aにリークする電流量Ｌが増加する、という傾向が図８から確認できる。また、図９は、第２間隔Ｄ2を相違させた複数の場合について、第１電極５１の電荷に起因した振動板３６の破損の有無と、第１電極５１から第１導電部５４Aにリークする電流量Ｌとを調査した結果である。図９の電流量Ｌは、図８のうち経過時間Ｔが８００秒の時点における電流量である。図９の構成１は、第１導電部５４Aを省略した比較例の構成である。構成２から構成５の各々では、第１電極５１と第１導電部５４Aとの第２間隔Ｄ2を相違させた。

図９には、第２間隔Ｄ2に加えて第１間隔Ｄ1と間隔比Ｑとが図示されている。第１間隔Ｄ1は、前述の通り、Ｚ軸の方向における第１電極５１と第２電極５３との間隔である。図９の間隔比Ｑは、第１間隔Ｄ1に対する第２間隔Ｄ2の比（Ｑ＝Ｄ2／Ｄ1）である。すなわち、間隔比Ｑが大きいほど、第１電極５１と第１導電部５４Aとの間の第２間隔Ｄ2が第１間隔Ｄ1に対して大きいことを意味する。

図９から理解される通り、間隔比Ｑが３０以下の数値に設定された構成では、第１電極５１と第１導電部５４Aとの間に流れる電流量Ｌが適度に確保される。すなわち、第１電極５１に供給された電荷が第１導電部５４Aに充分に放電される。なお、第１電極５１と第１導電部５４Aとは第２間隔Ｄ2をあけて相互に離間するが、実際には、第１電極５１に供給された電荷が、圧電体層５２における結晶部分の格子欠陥または多結晶の粒界等を介して第１導電部５４Aに移動すると推測される。以上のように第１電極５１から第１導電部５４Aに電荷が移動する結果、図９から確認できる通り、電流量Ｌが適切に確保される構成では、第１電極５１の電荷に起因した圧電素子３８または振動板３６の破損が有効に抑制される。具体的には、間隔比Ｑが３０以下に設定された構成３から構成５においては、圧電素子３８または振動板３６の破損が抑制された。なお、前述の通り、第１電極５１の電荷は、圧電体層５２の多結晶の粒界を介して第１導電部５４Aに移動すると推測される。したがって、圧電体層５２を多結晶で形成した構成によれば、第１電極５１から第１導電部５４Aに電荷を移動させ易い。

以上の知見を考慮して、第１実施形態では、間隔比Ｑが３０以下となるように第１間隔Ｄ1および第２間隔Ｄ2が設定される。以上の構成によれば、第１電極５１に蓄積された電荷が第１導電部５４Aに適度に放電されるから、待機状態において圧電体層５２に直流電圧が継続的に印加される可能性が低減される。したがって、第１電極５１に蓄積された電荷に起因して圧電素子３８または振動板３６に破損が発生する可能性を低減することが可能である。

他方、間隔比Ｑが過度に小さい場合、第１電極５１から第１導電部５４Aに電荷が過剰に移動し、前述の通り第１電極５１に所期の電圧を印加できない可能性がある。また、第１電極５１から第１導電部５４Aに対する電荷の移動により第１電極５１の電圧が低下するから、第１電極５１に所期の電圧を印加するためには駆動信号Ｄの電圧を上昇させる必要がある。本願発明者による実験によれば、間隔比Ｑが５未満の数値に設定された構成では、第１電極５１から第１導電部５４Aに対して電荷が過剰に移動するという傾向が観測された。他方、間隔比Ｑを５以上の数値に設定した構成によれば、第１電極５１の電荷を適度に第１導電部５４Aに放電しながら、圧電素子３８または振動板３６の破損を有効に抑制できる。以上の知見を考慮して、第１実施形態では、間隔比Ｑが５以上となるように第１間隔Ｄ1および第２間隔Ｄ2が設定される。

以上に説明した通り、第１実施形態においては、間隔比Ｑが５以上かつ３０以下の範囲内（５≦Ｑ≦３０）の適切な数値に設定される。したがって、第１電極５１と第１導電部５４Aとの短絡の可能性を低減しながら、第１電極５１に蓄積された電荷に起因して圧電体層５２に直流電圧が継続的に印加される可能性を低減することが可能である。

ところで、第２電極５３に印加される基準電圧Ｖbsには圧電素子３８毎のバラツキが発生し得る。例えば、図７の例示のように第２電極５３の両端部の接続端子から基準電圧Ｖbsを印加する構成では、Ｙ軸の方向における第２電極５３の中央部のように接続端子から離間した位置において、第１電極５１の駆動信号Ｄに追従して基準電圧Ｖbsが変動する場合がある。また、第２電極５３が延在する方向に沿って基準電圧Ｖbsの電圧降下が顕著となる場合もある。以上のように基準電圧Ｖbsに圧電素子３８毎のバラツキが発生すると、第１電極５１と第２電極５３との間に印加される電圧が圧電素子３８毎に相違する。したがって、インクの噴射量または噴射速度等の噴射特性がノズルＮ毎に相違し得るという問題がある。

第１実施形態によれば、複数の圧電素子３８にわたる第１導電部５４Aに第２電極５３が電気的に接続されるから、第１導電部５４Aが形成されない比較例と比較して、第２電極５３に印加される基準電圧Ｖbsの誤差が低減される。したがって、各圧電素子３８に対応するノズルＮからのインクの噴射特性を複数のノズルＮにわたり均一に近付けることが可能である。第１実施形態では、第２電極５３が複数の圧電素子３８にわたる共通電極であるから、第２電極５３に印加される基準電圧Ｖbsの誤差を低減できるという効果は格別に有効である。また、第２電極５３よりも導電率が高い導電材料で形成された第１補助電極５５および第２補助配線４５が第２電極５３に積層されるから、第２電極５３に印加される基準電圧Ｖbsの誤差を低減できるという効果は格別に顕著である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態を説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１０は、第２実施形態における液体噴射ヘッド２６のうち圧電素子３８の近傍を拡大した断面図である。第１実施形態で参照した図６に対応する断面が図１０には図示されている。

図１０に例示される通り、第２実施形態では圧電体層５２に貫通孔Ｈが形成されない。第２電極５３は、圧電体層５２の表面と当該圧電体層５２のＸ1側の側面と第１導電部５４Aの表面とを被覆するように形成される。すなわち、第２電極５３は、圧電体層５２の表面からＸ1側の側面を介して第１導電部５４Aの表面に到達する。したがって、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、第２電極５３と第１導電部５４Aとが電気的に接続される。第１導電部５４Aには第２電極５３を介して基準電圧Ｖbsが印加される。

第２実施形態における第１導電部５４Aの平面形状は第１実施形態と同様である。すなわち、第１導電部５４Aは、Ｘ軸の方向に第２間隔Ｄ2をあけて複数の第１電極５１に隣合う。第１間隔Ｄ1に対する第２間隔Ｄ2の間隔比Ｑが５以上かつ３０以下の数値であることも、第１実施形態と同様である。したがって、第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第２実施形態では、圧電体層５２に貫通孔Ｈを形成する必要がないという利点がある。

＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態における液体噴射ヘッド２６のうち圧電素子３８の近傍を拡大した断面図である。第１実施形態で参照した図６に対応する断面が図１１には図示されている。図１１に例示される通り、第３実施形態では、第１電極５１および第２電極５３から独立した第１導電部５４Aは省略される。

図１１に例示される通り、第３実施形態の第２電極５３は、圧電体層５２の表面およびＸ1側の側面を被覆する部分と、振動板３６の面上に位置する部分（以下「第２導電部」という）５４Bとを含む。すなわち、第２導電部５４Bは第２電極５３に連続し、複数の圧電素子３８にわたりＹ軸に沿って連続する。第２導電部５４Bは、Ｘ軸の方向に第２間隔Ｄ2をあけて複数の第１電極５１に隣合う。各第１電極５１と第２導電部５４Bとの第２間隔Ｄ2内には圧電体層５２が介在する。第２導電部５４Bは「導電部」の一例である。

第３実施形態においても第１実施形態と同様に、第１間隔Ｄ1に対する第２間隔Ｄ2の間隔比Ｑが５以上かつ３０以下の範囲内の数値に設定される。したがって、待機状態において第１電極５１に供給される電荷は、圧電体層５２を介して第２導電部５４Bに放電される。以上の説明から理解される通り、第３実施形態においても、第１電極５１と第２導電部５４Bとの短絡を抑制しながら、第１電極５１の電荷を適度に第１導電部５４Aに放電することが可能である。また、第３実施形態では、第２導電部５４Bが第２電極５３に連続するから、第２電極５３と第２導電部５４Bとを、共通の工程において共通の材料で一括的に形成できるという利点もある。

＜第４実施形態＞
図１２は、第４実施形態における液体噴射ヘッド２６のうち圧電素子３８の近傍を拡大した断面図である。第１実施形態で参照した図６に対応する断面が図１２には図示されている。図１２に例示される通り、第４実施形態の液体噴射ヘッド２６は、第３実施形態と同様の構成に絶縁膜５８を追加した構成である。

絶縁膜５８は、酸化シリコン等の絶縁材料で形成された被膜である。例えば圧電体層５２よりも比誘電率が低い絶縁材料で絶縁膜５８が形成される。図１２に例示される通り、絶縁膜５８は、圧電体層５２の表面のうちＸ1側の周縁の部分と当該圧電体層５２におけるＸ1側の側面と振動板３６の表面とを被覆する。以上の構成によれば、圧電体層５２がＸ1側の周縁の部分から剥離する可能性、または、圧電体層５２と第１電極５１または振動板３６との界面から水分が進入する可能性を低減することが可能である。すなわち、絶縁膜５８は、圧電体層５２を保護する保護膜として機能する。

第４実施形態の第２電極５３は、圧電体層５２および絶縁膜５８を被覆する部分と、振動板３６の面上に位置する第２導電部５４Bとを含む。第２導電部５４Bは、第３実施形態と同様に、Ｘ軸の方向に第２間隔Ｄ2をあけて複数の第１電極５１に隣合う。第４実施形態では、図１２から理解される通り、各第１電極５１と第２導電部５４Bとの第２間隔Ｄ2内に絶縁膜５８が介在する。

第４実施形態においても第１実施形態と同様に、第１間隔Ｄ1に対する第２間隔Ｄ2の間隔比Ｑが５以上かつ３０以下の範囲内の数値に設定される。したがって、待機状態において第１電極５１に供給される電荷は、絶縁膜５８を介して第２導電部５４Bに放電される。以上の説明から理解される通り、第４実施形態においても、第１電極５１と第２導電部５４Bとの短絡を抑制しながら、第１電極５１の電荷を適度に第１導電部５４Aに放電することが可能である。

＜変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。なお、以下の説明では、前述の各形態で例示した第１導電部５４Aと第２導電部５４Bとを総称して便宜的に「導電部５４」と表記する。

（１）前述の各形態では、第２電極５３を複数の圧電素子３８にわたり連続する共通電極としたが、第２電極５３を、圧電素子３８毎に個別に形成された個別電極としてもよい。例えば、圧電素子３８毎に個別に形成された第２電極５３を、圧電素子３８毎に形成された貫通孔Ｈを介して導電部５４に電気的に接続してもよい。

（２）前述の各形態では、複数の圧電素子３８にわたり連続する導電部５４を例示したが、圧電素子３８毎に個別に導電部５４を形成してもよい。また、所定個の圧電素子３８の集合毎に導電部５４を形成してもよい。

（３）前述の各形態では、液体噴射ヘッド２６を搭載した搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体噴射装置１００を例示したが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体噴射装置にも本発明を適用することが可能である。

（４）前述の各形態で例示した液体噴射装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体噴射装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を噴射する液体噴射装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を噴射する液体噴射装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。細胞等の生体分子を噴射する液体噴射装置は、生体分子を基板上に固定したバイオチップの製造装置として利用される。

１００…液体噴射装置、１２…媒体、１４…液体容器、２０…制御ユニット、２２…搬送機構、２４…移動機構、２６…液体噴射ヘッド、３２……流路基板、３４……圧力室基板、３６……振動板、３８……圧電素子、４２……筐体部、４４……封止体、４６……ノズル板、Ｎ……ノズル、４８……吸振体、５１…第１電極、５２…圧電体層、５３…第２電極、５４A…第１導電部、５４B…第２導電部、５５…第１補助電極、５６…第２補助電極、５８…絶縁膜、６０……配線基板、６２…駆動回路、Ｃ…圧力室、Ｒ…液体貯留室。

Claims (10)

1. 第１方向に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む圧電素子と、
   前記第１方向に直交する第２方向において前記第１電極に間隔をあけて隣合う導電部とを具備し、
   前記導電部は、前記第２電極に電気的に接続され、
   前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との間の第１間隔に対する、前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間の第２間隔の比Ｑが、５≦Ｑ≦３０を満たす
   圧電デバイス。
2. 前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間には、前記圧電体層が介在する
   請求項１の圧電デバイス。
3. 前記第２電極は、前記導電部に平面視で重なる
   請求項１または請求項２の圧電デバイス。
4. 前記第２電極は、前記圧電体層に形成された貫通孔を介して前記導電部に電気的に接続される
   請求項３の圧電デバイス。
5. 前記第２電極に積層され、当該第２電極に電気的に接続される補助電極を具備し、
   前記補助電極の一部は前記貫通孔の内側に位置する
   請求項４の圧電デバイス。
6. 前記導電部は、前記第２電極に連続する部分である
   請求項１または請求項２の圧電デバイス。
7. 前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間には、前記圧電体層よりも比誘電率が低い絶縁膜が介在する
   請求項６の圧電デバイス。
8. 第１方向に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含み、圧力室内の液体をノズルから噴射させる圧電素子と、
   前記第１方向に直交する第２方向において前記第１電極に間隔をあけて隣合う導電部とを具備し、
   前記導電部は、前記第２電極に電気的に接続され、
   前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との間の第１間隔に対する、前記第２方向における前記第１電極と前記導電部との間の第２間隔の比Ｑが、５≦Ｑ≦３０を満たす
   液体噴射ヘッド。
9. 前記圧電素子を含む複数の圧電素子を具備し、
   前記第２電極および前記導電部は、前記複数の圧電素子にわたり連続する
   請求項８の液体噴射ヘッド。
10. 請求項８または請求項９の液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置。

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