JP2021053853A - Liquid discharge head, liquid discharge device, and piezoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置および圧電デバイスに関する。 The present invention relates to a liquid discharge head, a liquid discharge device and a piezoelectric device.
例えば、インク等の液体をノズルから吐出させる液体吐出ヘッドが従来から提案されている。特許文献1には、ノズルに連通する圧力室内の圧力を変動させる圧電素子を具備する液体吐出ヘッドが開示されている。圧電素子は、下部電極と圧電体層と上部電極との積層で構成される。 For example, a liquid ejection head that ejects a liquid such as ink from a nozzle has been conventionally proposed. Patent Document 1 discloses a liquid discharge head including a piezoelectric element that fluctuates the pressure in a pressure chamber communicating with a nozzle. The piezoelectric element is composed of a laminate of a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode.
特許文献1の構成では、圧電体層における上部電極の端部の位置に電界が集中して、圧電体層の応力が局所的に大きくなる。圧電体層の応力が局所的に大きくなると、クラックの発生が問題になる。 In the configuration of Patent Document 1, the electric field is concentrated at the position of the end of the upper electrode in the piezoelectric layer, and the stress of the piezoelectric layer is locally increased. When the stress of the piezoelectric layer increases locally, the occurrence of cracks becomes a problem.
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液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、前記圧力室から前記振動板への方向を第1方向とした場合において、前記振動板における前記第1方向の面上に設けられる第1電極と、前記第1電極における前記第1方向の面上に設けられ、平面視において第1領域と当該第1領域に隣り合う第2領域とを含む圧電体層と、前記第1領域に設けられる第2電極と、前記第2領域に設けられ、前記第2電極の側面に接触する第1層と、前記第1層を覆い、前記平面視において前記第1領域と前記第2領域とに重なる第2層とを具備し、前記第1層の比誘電率は、前記第2層の比誘電率よりも大きく、前記第2層のヤング率は、前記第1層のヤング率よりもが小さい。また、当該液体吐出ヘッドと、当該液体吐出ヘッドを制御する制御部とを具備する液体吐出装置としても本発明は観念できる。 In order to solve the above problems, the liquid discharge head according to a preferred embodiment of the present invention includes a pressure chamber communicating with a nozzle for discharging liquid, a vibrating plate forming a part of a wall surface of the pressure chamber, and the above. When the direction from the pressure chamber to the vibrating plate is the first direction, the first electrode provided on the surface of the vibrating plate in the first direction and the surface of the first electrode in the first direction A piezoelectric layer provided and including a first region and a second region adjacent to the first region in a plan view, a second electrode provided in the first region, and a second region provided in the second region. A first layer that contacts the side surfaces of the two electrodes and a second layer that covers the first layer and overlaps the first region and the second region in the plan view are provided, and the relative permittivity of the first layer is provided. The ratio is larger than the relative permittivity of the second layer, and the Young ratio of the second layer is smaller than the Young ratio of the first layer. Further, the present invention can be conceived as a liquid discharge device including the liquid discharge head and a control unit for controlling the liquid discharge head.
本発明の好適な態様に係る圧電デバイスは、弾性変形可能な振動板と、前記振動板の面上に設けられる第1電極と、前記第1電極の面上に設けられ、第1領域と当該第1領域に隣り合う第2領域とを表面が含む圧電体層と、前記第1領域に設けられる第2電極と、前記第2電極の側面に接触し、前記第2領域に設けられる第1層と、前記第1層を覆い、平面視において前記第1領域と前記第2領域とに重なる第2層とを具備し、前記第2層の比誘電率は、前記第1層の比誘電率よりも大きく、前記第2層のヤング率は、前記第1層のヤング率よりもが小さい。 The piezoelectric device according to a preferred embodiment of the present invention is provided with an elastically deformable vibrating plate, a first electrode provided on the surface of the vibrating plate, and a first region and the said one provided on the surface of the first electrode. A first region provided in the second region, which is in contact with a piezoelectric layer whose surface includes a second region adjacent to the first region, a second electrode provided in the first region, and a side surface of the second electrode. A layer and a second layer that covers the first layer and overlaps the first region and the second region in a plan view are provided, and the relative permittivity of the second layer is the relative dielectric constant of the first layer. It is larger than the rate, and the young rate of the second layer is smaller than the young rate of the first layer.
A.第1実施形態
図1は、第1実施形態に係る液体吐出装置100を例示する構成図である。液体吐出装置100は、液体の一例であるインクを媒体12に吐出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、液体吐出装置100には、インクを貯留する液体容器14が設置される。例えば液体吐出装置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。
A. 1st Embodiment FIG. 1 is a block diagram which illustrates the
図1に例示される通り、液体吐出装置100は、制御ユニット20と搬送機構22と移動機構24と液体吐出ヘッド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1または複数の処理回路と半導体メモリー等の1または複数の記憶回路とを含み、液体吐出装置100の各要素を統括的に制御する。制御ユニット20は「制御部」の例示である。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軸の方向に搬送する。
As illustrated in FIG. 1, the
移動機構24は、制御ユニット20による制御のもとで液体吐出ヘッド26をX軸に沿って往復させる。X軸は、媒体12が搬送される方向に沿うY軸に交差する。典型的には、X軸とY軸とは直交する。第1実施形態の移動機構24は、液体吐出ヘッド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、複数の液体吐出ヘッド26を搬送体242に搭載した構成、または、液体容器14を液体吐出ヘッド26とともに搬送体242に搭載した構成も採用され得る。
The
液体吐出ヘッド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に吐出する。インクはZ軸に沿って吐出される。X-Y平面に垂直な軸がZ軸である。すなわち、X軸とY軸とはZ軸に直交する。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吐出ヘッド26が媒体12にインクを吐出することで、媒体12の表面に画像が形成される。
The
図2は、液体吐出ヘッド26の分解斜視図である。図3は、図2おけるIII−III線の断面図である。X−Z平面に平行な断面の断面図が図3である。図2に例示される通り、液体吐出ヘッド26は、Y軸に沿って配列された複数のノズルNを具備する。第1実施形態の複数のノズルNは、X軸に沿って相互に間隔をあけて並設された第1列Laと第2列Lbとに区分される。第1列Laおよび第2列Lbの各々は、Y軸に沿って直線状に配列された複数のノズルNの集合である。図3から理解される通り、第1実施形態の液体吐出ヘッド26は、第1列Laの各ノズルNに関連する要素と第2列Lbの各ノズルNに関連する要素とが略面対称に配置された構造である。以下の説明では、第1列Laに対応する要素を重点的に説明し、第2列Lbに対応する要素の説明は適宜に省略する。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
図2および図3に例示される通り、液体吐出ヘッド26は、流路構造体30と複数の圧電素子34と封止体35と筐体部36と配線基板51とを具備する。流路構造体30は、複数のノズルNの各々にインクを供給するための流路が内部に形成された構造体である。流路構造体30は、流路基板31と圧力室基板32と振動板33とノズル板41と吸振体42とで構成されZ軸の方向に沿って積層される。流路構造体30を構成する各部材は、Y軸に沿った長尺な板状部材である。流路基板31におけるZ軸の正方向の表面に圧力室基板32と筐体部36とが設置される。他方、流路基板31におけるZ軸の負方向の表面に、ノズル板41および吸振体42が設置される。例えば接着剤により各部材が固定される。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, the
ノズル板41は、複数のノズルNが形成された板状部材である。複数のノズルNの各々は、インクを吐出する円形状の貫通孔である。例えばフォトリソグラフィおよびエッチング等の半導体製造技術を利用してシリコン(Si)の単結晶基板を加工することで、ノズル板41が製造される。ただし、ノズル板41の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。
The
図2および図3に例示される通り、流路基板31には、空間Raと複数の供給流路312と複数の連通流路314と中継液室316とが形成される。空間Raは、Y軸に沿う長尺状に形成された開口である。供給流路312および連通流路314の各々は、ノズルN毎に形成された貫通孔である。中継液室316は、複数のノズルNにわたりY軸に沿う長尺状に形成された空間であり、空間Raと複数の供給流路312とを相互に連通させる。Z軸の方向からの平面視において、連通流路314とノズルNとは重なる。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, the
図2および図3に例示される通り、圧力室基板32には複数の圧力室Cが形成される。圧力室Cは、ノズル板41と振動板33の間に位置し、圧力室基板32の壁面320により形成される空間である。圧力室Cと振動板33はZ軸の方向に沿って配置される。圧力室CからみてZ軸の正方向に振動板33が配置される。Z軸の正方向は「第1方向」の例示である。圧力室Cから振動板33への方向が第1方向とも換言できる。圧力室Cは、ノズルN毎に形成される。圧力室Cは、平面視でX軸に沿う長尺状の空間である。複数の圧力室CはY軸に沿って配列される。流路基板31および圧力室基板32は、前述のノズル板41と同様に、例えば半導体製造技術を利用してシリコンの単結晶基板を加工することで製造される。ただし、流路基板31および圧力室基板32の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, a plurality of pressure chambers C are formed on the
図3に例示される通り、圧力室Cの面上には、弾性的に変形可能な振動板33が配置される。振動板33は、圧力室基板32における流路基板31とは反対の表面に接触する。振動板33は、平面視でY軸に沿う長尺な矩形状に形成された板状部材である。圧力室Cの上面が振動板33により構成される。振動板33の厚さ方向は、Z軸と平行である。図2および図3に例示される通り、圧力室Cは、連通流路314および供給流路312に連通する。したがって、圧力室Cは、連通流路314を介してノズルNに連通し、かつ、供給流路312と中継液室316とを介して空間Raに連通する。
As illustrated in FIG. 3, an elastically
図3に例示される通り、振動板33のうち圧力室Cとは反対側の表面には圧力室C毎に圧電素子34が形成される。圧電素子34は、平面視でX軸に沿う長尺状の受動素子である。圧電素子34は、駆動信号が印加されることで駆動する駆動素子でもある。
As illustrated in FIG. 3, a
図3の筐体部36は、複数の圧力室Cに供給されるインクを貯留するためのケースであり、例えば樹脂材料の射出成形で形成される。筐体部36には空間Rbと供給口361とが形成される。供給口361は、液体容器14からインクが供給される管路であり、空間Rbに連通する。筐体部36の空間Rbと流路基板31の空間Raとは相互に連通する。空間Raと空間Rbとで構成される空間は、複数の圧力室Cに供給されるインクを貯留する液体貯留室Rとして機能する。液体容器14から供給されて供給口361を通過したインクが液体貯留室Rに貯留される。液体貯留室Rに貯留されたインクは、中継液室316から各供給流路312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。吸振体42は、液体貯留室Rの壁面を構成する可撓性のフィルムであり、液体貯留室R内のインクの圧力変動を吸収する。
The
封止体35は、複数の圧電素子34を保護するとともに圧力室基板32および振動板33の機械的な強度を補強する構造体であり、振動板33の表面に例えば接着剤で固定される。封止体35のうち振動板33との対向面に形成された凹部の内側に複数の圧電素子34が収容される。また、振動板33の表面には配線基板51が接合される。配線基板51は、制御ユニット20と液体吐出ヘッド26とを電気的に接続するための複数の配線が形成された実装部品である。例えばFPC(Flexible Printed Circuit)やFFC(Flexible Flat Cable)等の可撓性の配線基板51が好適に採用される。圧電素子34を駆動するための駆動信号および基準電圧が配線基板51から各圧電素子34に供給される。
The sealing
図4は、圧電素子34およびその近傍の平面図である。なお、図4においては、後述の第2電極342には便宜的にドットが付されている。また、図5は、図4におけるV−V線の断面図である。X−Z平面に平行な断面の断面図が図5である。図6は、図4におけるVI−VI線の断面図である。Y−Z平面に平行な断面の断面図が図6である。
FIG. 4 is a plan view of the
図4から図6に例示される振動板33は、前述のような圧電素子34の駆動により振動する。図5および図6に例示される通り、振動板33は、第1振動層331と第2振動層332とを含む積層体で構成される。第1振動層331は、圧力室基板32に接触する。第2振動層332は、第1振動層331に対して圧力室基板32とは反対に位置する。第1振動層331は、二酸化シリコン(SiO2)等の弾性材料で形成される弾性膜である。第2振動層332は、二酸化ジルコニウム(ZrO2)等の絶縁材料で形成される絶縁膜である。第1振動層331および第2振動層332の各々は、熱酸化またはスパッタリング等の公知の成膜技術により形成される。なお、所定の板厚の板状部材のうち圧力室Cに対応する領域について板厚方向の一部を選択的に除去することで、圧力室基板32と振動板33の一部または全部とを一体に形成することも可能である。
The
図5および図6に例示される通り、圧電素子34は、概略的には、第1電極341と圧電体層343と第2電極342とを振動板33側から以上の順番で積層した構造体である。第1電極341と第2電極342とは絶縁される。第1電極341と第2電極342とは電位が異なる。Z軸の方向は、第1電極341と圧電体層343と第2電極342とが積層される方向に相当する。
As illustrated in FIGS. 5 and 6, the
第1電極341は、振動板33におけるZ軸の正方向の面上に設けられる。第1電極341は、圧電素子34毎に相互に離間して形成された個別電極である。第1電極341には、電圧が変動する駆動信号が印加される。第1電極341は、X軸に沿う長尺状をなす。複数の第1電極341は、相互に間隔をあけてY軸に沿って配列される。第1電極341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。なお、「要素Aの面上に要素Bが設けられる」という表現は、要素Aの表面に直接的に要素Bが設けられることと、要素Aと要素Bとの間に他の要素が介在している状態で要素Aの面上に間接的に要素Bが設けられることの双方を包含する。
The
図5に例示される通り、圧電体層343は、第1電極341におけるZ軸の正方向の面上に設けられ、かつ、第1電極341に接触する。圧電体層343は、第1電極341に接触する第1面301と、第1面301とは反対の第2面302とを有する。図4に例示される通り、圧電体層343は、複数の圧電素子34にわたりY軸に沿って連続する帯状の誘電膜である。また、圧電体層343は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)またはセラミック等の公知の圧電材料で形成される。図4に例示される通り、圧電体層343のうち相互に隣り合う各圧力室Cの間隙に対応する領域には、X軸に沿う切欠Gが形成される。切欠Gは、圧電体層343を貫通する開口である。切欠Gが形成されることで、各圧電素子34は圧力室C毎に個別に変形し、圧電素子34の相互間における振動の伝播が抑制される。なお、圧電体層343の厚さ方向の一部を除去した有底孔を切欠Gとして形成してもよい。
As illustrated in FIG. 5, the
図5および図6に例示される通り、第2電極342は、圧電体層343の面上に設けられ、かつ、圧電体層343の第2面302に接触する。図4に例示される通り、第2電極342は、複数の圧電素子34にわたり連続するようにY軸に沿って延在する帯状の共通電極である。第2電極342には所定の基準電圧が印加される。基準電圧は一定の電圧であり、例えば接地電圧よりも高い電圧に設定される。すなわち、第2電極342には、例えば、電圧が一定である保持信号が印加される。第2電極342に印加される基準電圧と第1電極341に供給される駆動信号との差分に相当する電圧が圧電体層343に印加される。駆動信号は、吐出量に対応する。保持信号は、吐出量によらず一定であり、変動しない。なお、第2電極342には、接地電圧が印加されてもよい。また、第2電極342は、例えば白金(Pt)またはイリジウム(Ir)等の低抵抗な導電材料で形成される。
As illustrated in FIGS. 5 and 6, the
第1電極341と第2電極342との間に電圧が印加されることで圧電体層343が変形することにより、圧電素子34は、振動板33を撓み変形させるエネルギーを生成する。圧電素子34が生成したエネルギーにより振動板33が振動することにより圧力室Cの圧力が変化し、圧力室C内のインクが図3に示すノズルNから吐出される。
When a voltage is applied between the
図4および図5に例示される通り、第1電極341には第1配線37が電気的に接続される。1個の第1電極341には、1個の第1配線37が電気的に接続される。第1配線37は、図3に示す配線基板51に搭載された図示しない駆動回路から駆動信号が供給されるリード配線である。第1配線37は、第1電極341に駆動信号を印加する。図4に例示される通り、第1配線37の平面視形状は、X軸に沿って延在する長手形状である。また、図5に例示される通り、第1配線37の一部は、圧電体層343の面上に位置し、かつ、圧電体層343の第2面302に接触する。すなわち、第1配線37は、第2面302に配置される部分を有する。
As illustrated in FIGS. 4 and 5, the
図5に例示される通り、第1配線37は、第1密着層373と第1配線層374とを含む。第1密着層373は、第1電極341に接触する。第1密着層373は、第1電極341に対する第1配線37の密着性を高める。第1密着層373は、第1電極341よりも低抵抗な導電材料で形成される。例えば、第1密着層373は、ニクロム(NiCr)等の導電材料で形成される。第1配線層374は、第1密着層373を覆う。第1配線層374は、第1配線37の導電性を高める。第1配線層374は、第1電極341よりも低抵抗な導電材料で形成される。例えば、第1配線層374は、金(Au)等の導電材料で形成される。なお、第1密着層373と第1電極341との間には、電極層370が配置される。電極層370は、後述の第2電極342と同工程で形成される。電極層370は、第2電極342と同一の材料で形成される。なお、電極層370は、第1配線37の一部として捉えてもよい。
As illustrated in FIG. 5, the
図4および図5に例示される通り、第2電極342の面上には、第2電極342に電気的に接続される第2配線38が形成される。第2配線38には、図3に示す配線基板51を介して図1に示す制御ユニット20から基準電圧が供給される。第2配線38は、第2電極342に基準電圧を印加する。図5に例示される通り、第2配線38は、圧電体層343の面上に位置し、かつ第2電極342の圧電体層343とは反対の面に接触する。
As illustrated in FIGS. 4 and 5, a
図4に例示される通り、第2配線38は、Y軸に沿って延在する帯状の第1導電層381と、Y軸に沿って延在する帯状の第2導電層382とを有する。第1導電層381および第2導電層382は、X軸に沿って所定の間隔をあけて並ぶ。平面視において第1配線37と第2導電層382との間に第1導電層381が位置する。第1導電層381および第2導電層382が設けられることで、第2電極342における基準電圧の電圧降下が抑制される。また、第1導電層381および第2導電層382は、振動板33の振動を抑制するための錘としても機能する。
As illustrated in FIG. 4, the
図5に例示される通り、第2配線38は、第2密着層383と第2配線層384とを含む。第2密着層383は、第2電極342に接触する。第2密着層383は、第2電極342に対する第2配線38の密着性を高める。第2密着層383は、第2電極342よりも低抵抗な導電材料で形成される。例えば、第2密着層383は、ニクロム(NiCr)等の導電材料で形成される。第2配線層384は、第2密着層383を覆う。第2配線層384は、第2配線38の導電性を高める。第2配線層384は、第2電極342よりも低抵抗な導電材料で形成される。例えば、第2配線層384は、金(Au)等の導電材料で形成される。
As illustrated in FIG. 5, the
前述の第1配線37と第2配線38とは、互いに異なる材料によって形成されてもよいが、同一の材料によって形成されることが好ましい。同一の材料によって形成されることで、第1配線37および第2配線38を同一工程で形成することができる。
The
図7は、圧電体層343の平面図である。図8は、図7のVIII−VIII線における断面図である。図7および図8に例示される通り、圧電体層343の第2面302は、第1領域E1と第2領域E2とを含む。第1領域E1と第2領域E2とは相互に隣り合う。第1領域E1は、第2面302のうち第2電極342が設けられる領域である。すなわち、平面視において第1領域E1と第2電極342とは重なる。他方、第2領域E2は、第2面302のうち第2電極342が形成されない領域である。具体的には、第2領域E2は、第1領域E1と、複数の第1配線37が形成される領域との間の領域である。第1領域E1の周縁と、各第1配線37において第2電極342側の端部を通る直線Mとの間の領域が、第2領域E2に相当する。
FIG. 7 is a plan view of the
図7および図8に例示される通り、液体吐出ヘッド26は、保護層70を具備する。保護層70は、封止体35を接合するための接着剤として機能する。また、保護層70は、振動板33のうち第2電極342の端部の位置における過度な変位を抑制することで、第2電極342の剥離と圧電体層343に発生するクラックとを抑制する。第2面302と第2電極342と第1配線37と第2配線38とを覆うように保護層70が形成される。
As illustrated in FIGS. 7 and 8, the
具体的には、保護層70は、第1層71と第2層72とを含む。第1層71は、第2電極342の端部を覆う。具体的には、第1層71は、第2領域E2に設けられ、第2電極342に接触する。第2電極342の側面Wに第1層71が接触する。第1実施形態では、第2領域E2の全体にわたり第1層71が形成される。例えば、第1層71の膜厚と第2電極342の膜厚とは略同等である。膜厚はZ軸の方向における長さである。第2電極342と第1配線37との間隔を埋めるように第1層71が形成される。
Specifically, the
第2層72は、第1層71の面上に設けられる。具体的には、第2層72は、第1層71を覆い、平面視において第1領域E1と第2領域E2とに重なる。なお、第2層72は、第1領域E1の全体と第2領域E2の全体とに重なる必要はなく、第1領域E1の一部と第2領域E2の一部とに少なくとも重なればよい。第1実施形態では、第1層71と第2電極342と第1配線37と第2配線38とを覆うように第2層72が形成される。
The
図8には、第1層71の膜厚H1と第2層72の膜厚H2とが図示されている。第1層71の膜厚H1は、例えば第2領域E2上の第1層71の膜厚における最大値である。第2層72の膜厚H2は、例えば第2層72のうち第1層71に積層される部分の膜厚における最大値である。第2層72の膜厚H2は第1層71の膜厚H1よりも大きい。ただし、第2層72の膜厚H2が第1層71の膜厚H1よりも小さくでもよい。
FIG. 8 shows the film thickness H1 of the
第1層71の比誘電率は、第2層72の比誘電率よりも大きい。また、第2層72のヤング率は、第1層71のヤング率よりも小さい。第1層71の線膨張率は、第2層72の線膨張率よりも大きい。ただし、第1層71の線膨張率が第2層72の線膨張率よりも小さくてもよい。
The relative permittivity of the
第1層71と第2層72とは異なる材料で形成される。第1層71は材料Aにより形成され、第2層72は材料Bにより形成される。材料Aは、例えば、酸化タンタル(TaOx)、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(SiNx)、酸化アルミ(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOx)、または、炭化ケイ素(SiCx)等の絶縁材料である。第1実施形態では、酸化タンタルが材料Aとして例示される。酸化タンタルの比誘電率は、20〜30程度である。第2層72は、例えば絶縁性の樹脂材料で形成される。例えばエポキシ樹脂等の接着剤が材料Bとして例示される。第2層72の表面に封止体35が接合される。
The
例えば、液体吐出ヘッド26が保護層70を具備しない構成では、圧電体層343における第2電極342の端部の位置に電界が集中して応力が局所的に大きくなる。圧電体層343において応力が局所的に大きくなると、当該圧電体層343にクラックが発生する。クラックが発生すると、水分がクラックに進入することで第1電極341と第2電極342とが相互に導通し、両電極間に電流が流れることで焼損が発生する可能性がある。それに対して、第1実施形態の構成によれば、材料Aで形成される第1層71が第2電極342の側面Wに接触するように設けられるから、圧電体層343における第2電極342の端部の位置に発生する電界が第1層71にも分散される。したがって、圧電体層343における第2電極342の端部の位置に電界が集中することを抑制できる。すなわち、圧電体層343にクラックが発生することを抑制できる。
For example, in the configuration in which the
また、保護層70の全体が材料Aのみで形成される構成では、第2電極342の端部の位置に発生する電界が保護層70に分散されるものの、材料Aのヤング率が材料Bのヤング率よりも大きいから、振動板33の変位を過度に抑制して吐出量が確保できないという問題がある。一方で、保護層70の全体が材料Bのみで形成される構成では、振動板33の変位を過度に抑制されることはないものの、材料Bの比誘電率が材料Aの比誘電率よりも小さいから、第2電極342の端部の位置に発生する電界が保護層70に分散されにくいという問題がある。それに対して、第1実施形態では、材料Aで形成される第1層71と材料Bで形成される第2層72と保護層70が含むから、振動板33の変位を過度に抑制することなく、第2電極342の端部の位置に発生する電界を分散させることができる。
Further, in the configuration in which the entire
第2層72の膜厚H2が第1層71の膜厚H1よりも大きいから、振動板33の過度な変位を効率的に抑制できる。第1層71の線膨張率が第2層72の線膨張率よりも小さいから、線膨張率が小さい材料で圧電体層343が形成される場合でも、圧電体層343と第1層71との間における熱応力を低減することができる。したがって、圧電体層343と第1層71とが剥離することを抑制することができる。第1実施形態では、第1層71が酸化タンタルで形成されるから、他の材料で第1層71を形成するよりも、第1層71の比誘電率を大きくすることができる。
Since the film thickness H2 of the
B.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。
B. Second Embodiment The second embodiment will be described. For the elements having the same functions as those of the first embodiment in each of the following examples, the reference numerals used in the description of the first embodiment will be diverted and detailed description of each will be omitted as appropriate.
図9は、第2実施形態に係る圧電体層343の断面図である。図9に例示される通り、第2実施形態の液体吐出ヘッド26は、Z軸の方向において、第1領域E1の位置と第2領域E2の位置とが異なる。Z軸の方向は、第1電極341と圧電体層343と第2電極342とが積層される方向に相当する。図9には、第1領域E1と第1電極341との間の距離D1、および、第2領域E2と第1電極341との間の距離D2が図示されている。距離D1は、例えば第1電極341の表面から第1領域E1までの最短距離である。距離D2は、例えば第1電極341の表面から第2領域E2までの最短距離である。第2実施形態では、Z軸の方向において、距離D2が距離D1よりも小さい。すなわち、圧電体層343のうち第2領域E2の部分に窪みが形成されるとも換言できる。圧電体層343のうち第2領域E2における位置の膜厚は、圧電体層343のうち第1領域E1における位置の膜厚よりも小さい。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
第1層71は、第1実施形態と同様に、第2領域E2に設けられ、第2電極342の側面Wに接触する。具体的には、第2電極342の側面Wに接触し、かつ、圧電体層343に形成された窪みを埋めるように第1層71が形成される。したがって、第1領域E1の位置と第2領域E2の位置とが同じである構成と比較して、圧電体層343のうち第2電極342の端部の位置において、当該圧電体層343と第1層71とが接触する領域が大きくなる。第2層72は、第1実施形態と同様に、第1層71を覆い、平面視において第1領域E1と第2領域E2とに重なる。第1実施形態と同様に、第1層71は材料Aにより形成され、第2層72は材料Bにより形成される。
The
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。第2実施形態では、Z軸の方向において、第2領域E2と第1電極341との間の距離D2が第1領域E1と第1電極341との間の距離D1よりも短いから、圧電体層343のうち第2電極342の端部の位置において、当該圧電体層343と第1層71とが接触する領域が大きくなる。したがって、圧電体層343における第2電極342の端部の位置に発生する電界を第1層71に分散できる、という効果が顕著である。
The same effect as that of the first embodiment is realized in the second embodiment. In the second embodiment, since the distance D2 between the second region E2 and the
C.変形例
以上に例示した実施形態は多様に変形され得る。前述の実施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。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。
C. Modifications The embodiments illustrated above can be variously modified. Specific embodiments that can be applied to the above-described embodiments are illustrated below. Two or more embodiments arbitrarily selected from the following examples can be appropriately merged to the extent that they do not contradict each other.
(1)前述の各形態において、例えば保護層70が第1層71と第2層72とは異なる層を含んでもよい。例えば、第1層71と第2層72との間に他の層が位置してもよい。
(1) In each of the above-mentioned forms, for example, the
(2)前述の各形態において、第2層72を形成する領域は任意である。図10に例示される通り、第2配線38を保護層70が覆うことは必須ではない。また、図11に例示される通り、第1層71の全体を第2層72により覆わなくてもよい。平面視において第1領域E1の一部と第2領域E2の一部とに少なくとも第2層72が重なれば、第2層72が形成される領域は任意である。
(2) In each of the above-mentioned forms, the region forming the
(3)前述の各形態において、図12に例示される通り、平面視で第1領域E1に重なるように第1層71を形成してもよい。具体的には、第1領域E1における第2電極342の表面と、第2領域E2の表面とを覆うように第1層71が形成される。また、図13に例示される通り、第1層71が第2領域E2の全体に形成されなくてもよい。以上の説明から理解される通り、第2電極342の側面Wと、第2領域E2とに接触するように第1層71が形成されれば、第1層71が形成される領域は任意である。
(3) In each of the above-described modes, as illustrated in FIG. 12, the
(4)前述の各形態において、第2領域E2の表面に圧電体層343よりも導電率が大きい導電層を設けてもよい。すなわち、第1層71は当該導電層の表面に設けられる。例えばドライエッチングにより第2電極342を圧電体層343の面上に形成する際に、当該圧電体層343の第2領域E2の表面に導電層が形成される。以上の構成によれば、圧電体層343における第2電極342の端部の位置に発生する電界を第1層71に分散できる、という効果が顕著である。
(4) In each of the above-described embodiments, a conductive layer having a higher conductivity than the
(5)前述の各形態では、第2配線38の全てが圧電体層343の面上に位置するが、第2配線38の少なくとも一部が圧電体層343の面上に位置していればよい。各実施形態では、第1配線37の一部が圧電体層343の面上に位置するが、第2配線38の全てが圧電体層343の面上に位置していてもよい。
(5) In each of the above-described embodiments, all of the
(6)前述の各形態では、第1配線37と第2配線38との間には、絶縁性の保護層70が配置されるが、第1配線37と第2配線38との間には、保護層70が配置されなくてもよい。例えば、第1配線37と第2配線38との間は、空間であってもよい。
(6) In each of the above-described embodiments, the insulating
(7)前述の各形態では、振動板33は第1振動層331と第2振動層332とを備えるが、振動板33は例えば第2振動層332が省略されてもよい。
(7) In each of the above-described embodiments, the
(8)前述の各形態では、圧電素子34の第1電極341を個別電極として第2電極342を共通電極としたが、第1電極341を共通電極として第2電極342を個別電極としてもよい。また、第1電極341および第2電極342の双方を個別電極としてもよい。また、各実施形態では、第1電極341が圧電体層343の下部に位置し、第2電極342が圧電体層343の面上に位置するが、第2電極342が圧電体層343の下部に位置し、第1電極341が圧電体層343の面上に位置してもよい。
(8) In each of the above-described embodiments, the
(9)前述の各形態では、圧電素子34は、第1電極341と圧電体層343と第2電極342とが積層した構造体であるが、第1電極341と圧電体層343との間には、圧電素子34としての機能を損なわない程度に他の要素が介在していてもよい。同様に、第2電極342と圧電体層343との間には、他の要素が介在していてもよい。
(9) In each of the above-described embodiments, the
(10)前述の各形態において、振動板33と第1電極341と第2電極342と圧電体層343とは圧電デバイスに相当する。
(10) In each of the above-described embodiments, the
(11)前述の各形態では、液体吐出ヘッド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吐出装置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吐出装置にも本発明を適用することが可能である。
(11) In each of the above-described embodiments, the serial type
(12)前述の各形態の液体吐出装置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、本発明の液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を吐出する液体吐出装置は、液晶表示パネル等の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、導電材料の溶液を吐出する液体吐出装置は、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。また、生体に関する有機物の溶液を吐出する液体吐出装置は、例えばバイオチップを製造する製造装置として利用される。
(12) The
(13)本発明は圧電デバイスを対象としたものであり、液体吐出ヘッド以外の圧電デバイスにも適用することができる。電子デバイスの一例としては、超音波デバイス、モーター、圧力センサー、または、焦電素子などが挙げられる。また、これらの電子デバイスを利用した完成体、例えば、上記ヘッドを利用した液体等吐出装置、上記超音波デバイスを利用した超音波センサー、上記圧電センサを用いたジャイロセンサーや圧力センサーなども、圧電デバイスに含まれる。 (13) The present invention is intended for a piezoelectric device, and can be applied to a piezoelectric device other than a liquid discharge head. Examples of electronic devices include ultrasonic devices, motors, pressure sensors, pyroelectric elements and the like. In addition, finished products using these electronic devices, for example, a liquid discharge device using the head, an ultrasonic sensor using the ultrasonic device, a gyro sensor using the piezoelectric sensor, a pressure sensor, and the like are also piezoelectric. Included in the device.
100…液体吐出装置、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、242…搬送体、244…搬送ベルト、26…液体吐出ヘッド、30…流路構造体、301…第1面、302…第2面、31…流路基板、312…供給流路、314…連通流路、316…中継液室、32…圧力室基板、320…壁面、33…振動板、331…第1振動層、332…第2振動層、34…圧電素子、341…第1電極、342…第2電極、343…圧電体層、35…封止体、36…筐体部、361…供給口、37…第1配線、370…電極層、373…第1密着層、374…第1配線層、38…第2配線、381…第1導電層、382…第2導電層、383…第2密着層、384…第2配線層、41…ノズル板、42…吸振体、51…配線基板、70…保護層、71…第1層、72…第2層、C…圧力室、E1…第1領域、E2…第2領域、G…切欠、La…第1列、Lb…第2列、N…ノズル、R…液体貯留室、Ra…空間、Rb…空間。 100 ... liquid discharge device, 12 ... medium, 14 ... liquid container, 20 ... control unit, 22 ... transfer mechanism, 24 ... movement mechanism, 242 ... transfer body, 244 ... transfer belt, 26 ... liquid discharge head, 30 ... flow path Structure, 301 ... 1st surface, 302 ... 2nd surface, 31 ... Flow path substrate, 312 ... Supply flow path, 314 ... Communication flow path, 316 ... Relay liquid chamber, 32 ... Pressure chamber substrate, 320 ... Wall surface, 33 ... Vibrating plate, 331 ... 1st vibrating layer, 332 ... 2nd vibrating layer, 34 ... piezoelectric element, 341 ... 1st electrode, 342 ... 2nd electrode, 343 ... piezoelectric layer, 35 ... encapsulant, 36 ... Body, 361 ... Supply port, 37 ... 1st wiring, 370 ... Electrode layer, 373 ... 1st adhesion layer, 374 ... 1st wiring layer, 38 ... 2nd wiring, 381 ... 1st conductive layer, 382 ... 2nd Conductive layer, 383 ... Second adhesion layer, 384 ... Second wiring layer, 41 ... Nozzle plate, 42 ... Vibration absorber, 51 ... Wiring substrate, 70 ... Protective layer, 71 ... First layer, 72 ... Second layer, C ... Pressure chamber, E1 ... 1st region, E2 ... 2nd region, G ... Notch, La ... 1st row, Lb ... 2nd row, N ... Nozzle, R ... Liquid storage chamber, Ra ... Space, Rb ... Space.
Claims (8)
前記圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、
前記圧力室から前記振動板への方向を第1方向とした場合において、
前記振動板における前記第1方向の面上に設けられる第1電極と、
前記第1電極における前記第1方向の面上に設けられ、平面視において第1領域と当該第1領域に隣り合う第2領域とを含む圧電体層と、
前記第1領域に設けられる第2電極と、
前記第2領域に設けられ、前記第2電極の側面に接触する第1層と、
前記第1層を覆い、前記平面視において前記第1領域と前記第2領域とに重なる第2層とを具備し、
前記第1層の比誘電率は、前記第2層の比誘電率よりも大きく、
前記第2層のヤング率は、前記第1層のヤング率よりもが小さい
液体吐出ヘッド。 A pressure chamber that communicates with the nozzle that discharges the liquid,
The diaphragm forming a part of the wall surface of the pressure chamber and
When the direction from the pressure chamber to the diaphragm is the first direction,
A first electrode provided on the surface of the diaphragm in the first direction and
A piezoelectric layer provided on the surface of the first electrode in the first direction and including a first region and a second region adjacent to the first region in a plan view.
The second electrode provided in the first region and
A first layer provided in the second region and in contact with the side surface of the second electrode, and
It covers the first layer and includes a second layer that overlaps the first region and the second region in the plan view.
The relative permittivity of the first layer is larger than the relative permittivity of the second layer.
A liquid discharge head in which the Young's modulus of the second layer is smaller than the Young's modulus of the first layer.
請求項1の液体吐出ヘッド。 The liquid discharge head according to claim 1, wherein the film thickness of the second layer is larger than the film thickness of the first layer.
請求項1または請求項2の液体吐出ヘッド。 The liquid discharge head according to claim 1 or 2, wherein the coefficient of linear expansion of the first layer is smaller than the coefficient of linear expansion of the second layer.
請求項1から請求項3の何れかの液体吐出ヘッド。 The first layer is a liquid discharge head according to any one of claims 1 to 3, which is formed of tantalum oxide.
請求項1から請求項4の何れかの液体吐出ヘッド。 In the direction in which the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode are laminated, the distance between the second region and the first electrode is between the first region and the first electrode. The liquid discharge head according to any one of claims 1 to 4, which is smaller than the distance of.
請求項1から請求項5の何れかの液体吐出ヘッド。 The liquid discharge head according to any one of claims 1 to 5, wherein a conductive layer having a higher conductivity than the piezoelectric layer is provided on the surface of the second region.
前記液体吐出ヘッドを制御する制御部と
を具備する液体吐出装置。 With the liquid discharge head according to any one of claims 1 to 6.
A liquid discharge device including a control unit that controls the liquid discharge head.
前記振動板の面上に設けられる第1電極と、
前記第1電極の面上に設けられ、平面視において第1領域と当該第1領域に隣り合う第2領域とを含む圧電体層と、
前記第1領域に設けられる第2電極と、
前記第2電極の側面に接触し、前記第2領域に設けられる第1層と、
前記第1層を覆い、平面視において前記第1領域と前記第2領域とに重なる第2層とを具備し、
前記第2層の比誘電率は、前記第1層の比誘電率よりも大きく、
前記第2層のヤング率は、前記第1層のヤング率よりもが小さい
圧電デバイス。 Elastically deformable diaphragm and
The first electrode provided on the surface of the diaphragm and
A piezoelectric layer provided on the surface of the first electrode and including a first region and a second region adjacent to the first region in a plan view,
The second electrode provided in the first region and
A first layer that comes into contact with the side surface of the second electrode and is provided in the second region,
It covers the first layer and includes a second layer that overlaps the first region and the second region in a plan view.
The relative permittivity of the second layer is larger than the relative permittivity of the first layer.
A piezoelectric device in which the Young's modulus of the second layer is smaller than the Young's modulus of the first layer.
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