JP2023137369A - 圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電アクチュエーターの活性部の端部近傍において、非活性部との歪み差異に起因する圧電体層のクラックや焼損等が発生する。
【解決手段】基板10の一方面側に設けられる振動板50と、振動板50の基板10とは反対面側に積層される第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を有する圧電アクチュエーター300と、を備える圧電デバイスであって、圧電アクチュエーター300は、圧電体層70が第1電極60と第2電極80とで挟まれる活性部310を備え、活性部310の端部における第1電極60の圧電体層70側の表面に、複数の凸部61と凸部61の間に形成される凹部62とで構成される凹凸部63を有する構成とする。
【選択図】図7
【解決手段】基板10の一方面側に設けられる振動板50と、振動板50の基板10とは反対面側に積層される第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を有する圧電アクチュエーター300と、を備える圧電デバイスであって、圧電アクチュエーター300は、圧電体層70が第1電極60と第2電極80とで挟まれる活性部310を備え、活性部310の端部における第1電極60の圧電体層70側の表面に、複数の凸部61と凸部61の間に形成される凹部62とで構成される凹凸部63を有する構成とする。
【選択図】図7
Description
本発明は、振動板と、第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電アクチュエーターとを有する圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
圧電デバイスの一つである液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を噴射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、例えばノズルに連通する圧力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振動板を介して設けられた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室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射するものが知られている。
また圧電アクチュエーターとしては、振動板上に形成された第1電極と、第1電極上に電気機械変換特性を有する圧電材料で形成された圧電体層と、圧電体層上に設けられた第2電極と、を具備するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1には、圧電アクチュエーターとしての複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が一列に並設された構成が開示されている。そして各圧電素子は、圧電体層が第1電極と第2電極とで挟まれる能動部(活性部ともいう)を具備し、圧電素子の並設方向とは直交する方向において、能動部の端部が第2電極の端部によって規定されている。
このように圧電アクチュエーターの活性部の端部が第2電極の端部で規定されている構成では、活性部の端部近傍において、非活性部との歪み差異に起因する圧電体層のクラックや焼損等が発生する虞がある。具体的には、圧電アクチュエーターの撓み変形により圧電体層に微小なクラックが発生し、この圧電体層の微小クラックに起因するリーク電流値に伴う焼損が発生する虞がある。
なお、このような問題は、インクを噴射する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。
上記課題を解決する本発明の一つの態様は、基板の一方面側に設けられる振動板と、前記振動板の前記基板とは反対面側に積層される第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電アクチュエーターと、を備える圧電デバイスであって、前記圧電アクチュエーターは、前記圧電体層が前記第1電極と前記第2電極とで挟まれる活性部を備え、前記活性部の端部における前記第1電極の前記圧電体層側の表面に、複数の凸部と前記凸部の間に形成される凹部とで構成される凹凸部を有することを特徴とする圧電デバイスにある。
また本発明の他の態様は、上記態様の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。
また本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドが搭載されることを特徴とする液体噴射装置にある。
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様についての説明であり、本発明の構成は、発明の範囲内で任意に変更可能である。
また、各図においてX、Y、Zは、互いに直交する3つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向をX方向、Y方向、及びZ方向とする。各図の矢印が向かう方向を正(+)方向、矢印の反対方向を負(-)方向として説明する。またZ方向は、鉛直方向を示し、+Z方向は鉛直下向き、-Z方向は鉛直上向きを示す。さらに、正方向及び負方向を限定しない3つのX、Y、Zの空間軸については、X軸、Y軸、Z軸として説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。図2は、記録ヘッドの平面図であり、図3は、図2のA-A線断面図である。図4は、圧電アクチュエーター部分を拡大した断面図であり、図5は、図4のB-B線断面図である。また図6は、圧電アクチュエーターの端部付近を拡大した平面図であり、図7は、図6のC-C線に対応する断面図である。
図1は、本発明の実施形態1に液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。図2は、記録ヘッドの平面図であり、図3は、図2のA-A線断面図である。図4は、圧電アクチュエーター部分を拡大した断面図であり、図5は、図4のB-B線断面図である。また図6は、圧電アクチュエーターの端部付近を拡大した平面図であり、図7は、図6のC-C線に対応する断面図である。
図1~図3に示すように、本実施形態の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド(以下、単に記録ヘッドとも言う)1は、第1方向であるZ軸方向、より具体的は+Z方向にインク滴を噴射するものである。
インクジェット式記録ヘッド1は、基板の一例として流路形成基板10を具備する。流路形成基板10は、例えば、シリコン基板、ガラス基板、SOI基板、各種セラミック基板等からなる。なお、流路形成基板10は、(100)面優先配向した基板であっても、(110)面優先配向した基板であってもよい。
流路形成基板10には、複数の圧力室12が、第1方向であるZ軸方向とは交差する第2方向であるX軸方向に2列配置されている。すなわち各列を構成する複数の圧力室12は、X軸方向とは交差する第3方向であるY軸方向に沿って配置されている。
各列を構成する複数の圧力室12は、X軸方向の位置が同じ位置となるように、Y軸方向に沿った直線上に配置されている。Y軸方向で互いに隣り合う圧力室12は、隔壁11によって区画されている。もちろん、圧力室12の配置は特に限定されるものではない。例えば、Y軸方向に並ぶ複数の圧力室12の配置は、各圧力室12を1つ置きにX軸方向にずれた位置とする、いわゆる千鳥配置となっていてもよい。
また本実施形態の圧力室12は、+Z方向からの平面視においてX軸方向の長さがY軸方向の長さよりも長い、例えば、長方形に形成されている。もちろん、+Z方向からの平面視における圧力室12の形状は、特に限定されず、平行四辺形状、多角形状、円形状、オーバル形状等であってもよい。なお、ここでいうオーバル形状とは、長方形状を基本として長手方向の両端部を半円状とした形状をいい、角丸長方形状、楕円形状、卵形状などが含まれるものとする。
流路形成基板10の+Z方向側には、連通板15とノズルプレート20及びコンプライアンス基板45とが順次積層されている。
連通板15には、圧力室12とノズル21とを連通するノズル連通路16が設けられている。また連通板15には、複数の圧力室12が連通する共通液室となるマニホールド100の一部を構成する第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18が設けられている。第1マニホールド部17は、連通板15をZ軸方向に貫通して設けられている。また、第2マニホールド部18は、連通板15をZ軸方向に貫通することなく、+Z方向側の面に開口して設けられている。
さらに連通板15には、圧力室12のX軸方向の一方の端部に連通する供給連通路19が圧力室12の各々に独立して設けられている。供給連通路19は、第2マニホールド部18と各圧力室12とを連通して、マニホールド100内のインクを各圧力室12に供給する。
連通板15としては、シリコン基板、ガラス基板、SOI基板、各種セラミック基板、金属基板等を用いることができる。金属基板としては、例えば、ステンレス基板等が挙げられる。なお連通板15は、熱膨張率が流路形成基板10と略同一の材料を用いることが好ましい。これにより、流路形成基板10及び連通板15の温度が変化した際、熱膨張率の違いに起因する流路形成基板10及び連通板15の反りを抑制することができる。
ノズルプレート20は、連通板15の流路形成基板10とは反対側、すなわち、+Z方向側の面に設けられている。ノズルプレート20には、各圧力室12にノズル連通路16を介して連通するノズル21が形成されている。
本実施形態では、複数のノズル21は、Y軸方向に沿って一列となるように並んで配置されている。そしてノズルプレート20には、これら複数のノズル21が列設されたノズル列がX軸方向に2列設けられている。すなわち、各列の複数のノズル21は、X軸方向の位置が同じ位置となるように配置されている。なおノズル21の配置は特に限定されるものではない。例えば、Y軸方向に並んで配置されるノズル21は、1つ置きにX軸方向にずれた位置に配置されていてもよい。
ノズルプレート20の材料としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板、ガラス基板、SOI基板、各種セラミック基板、金属基板を用いることができる。金属板としては、例えば、ステンレス基板等が挙げられる。さらにノズルプレート20の材料としては、ポリイミド樹脂のような有機物などを用いることもできる。ただし、ノズルプレート20は、連通板15の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。これにより、ノズルプレート20及び連通板15の温度が変化した際、熱膨張率の違いに起因するノズルプレート20及び連通板15の反りを抑制することができる。
コンプライアンス基板45は、ノズルプレート20と共に、連通板15の流路形成基板10とは反対側、すなわち、+Z方向側の面に設けられている。このコンプライアンス基板45は、ノズルプレート20の周囲に設けられ、連通板15に設けられた第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18の開口を封止する。コンプライアンス基板45は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜46と、金属等の硬質の材料からなる固定基板47と、を具備する。固定基板47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48となっている。このため、マニホールド100の一方面は、可撓性を有する封止膜46のみで封止されたコンプライアンス部49となっている。
一方、流路形成基板10のノズルプレート20等とは反対側、すなわち-Z方向側の面には、詳しくは後述するが、振動板50と、この振動板50を撓み変形させて圧力室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧電アクチュエーター300とが設けられている。なお図3は記録ヘッド1の全体構成を説明するための図であり、圧電アクチュエーター300については簡略化して示している。
流路形成基板10の-Z方向側の面には、さらに、流路形成基板10と略同じ大きさを有する保護基板30が接着剤等によって接合されている。保護基板30は、圧電アクチュエーター300を保護する空間である保持部31を有する。保持部31は、Y軸方向に並んで配置された圧電アクチュエーター300の列毎に独立して設けられたものであり、X軸方向に2つ並んで形成されている。また、保護基板30には、X軸方向に並んで配置された2つの保持部31の間にZ軸方向に貫通する貫通孔32が設けられている。
また、保護基板30上には、複数の圧力室12に連通するマニホールド100を流路形成基板10と共に画成するケース部材40が固定されている。ケース部材40は、平面視において上述した連通板15と略同一形状を有し、保護基板30に接合されると共に、上述した連通板15にも接合されている。
このようなケース部材40は、流路形成基板10及び保護基板30を収容可能な深さの空間である収容部41を保護基板30側に有する。この収容部41は、保護基板30の流路形成基板10に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、収容部41に流路形成基板10及び保護基板30が収容された状態で収容部41のノズルプレート20側の開口面が連通板15によって封止されている。
またケース部材40には、X軸方向における収容部41の両外側に、第3マニホールド部42がそれぞれ画成されている。そして、連通板15に設けられた第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18と、第3マニホールド部42と、によって本実施形態のマニホールド100が構成されている。マニホールド100は、Y軸方向に亘って連続して設けられており、各圧力室12とマニホールド100とを連通する供給連通路19は、Y軸方向に並んで配置されている。
また、ケース部材40には、マニホールド100に連通して各マニホールド100にインクを供給するための導入口44が設けられている。さらにケース部材40には、保護基板30の貫通孔32に連通して配線基板120が挿通される接続口43が設けられている。
このような本実施形態の記録ヘッド1では、図示しない外部インク供給手段と接続した導入口44からインクを取り込み、マニホールド100からノズル21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路121からの記録信号に従い、圧力室12に対応するそれぞれの圧電アクチュエーター300に電圧を印加する。これにより圧電アクチュエーター300と共に振動板50がたわみ変形して各圧力室12内の圧力が高まり、各ノズル21からインク滴が噴射される。
以下、本実施形態に係る圧電アクチュエーター300の構成について説明する。上述のように圧電アクチュエーター300は、流路形成基板10のノズルプレート20とは反対側の面に振動板50を介して設けられている。
図4及び図5に示すように、振動板50は、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膜からなる絶縁体膜52と、で構成されている。圧力室12等の液体流路は、流路形成基板10を+Z方向側の面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力室12等の液体流路の-Z方向側の面は、弾性膜51で構成されている。
なお振動板50の構成は特に限定されるものではない。振動板50は、例えば、弾性膜51と絶縁体膜52との何れか一方で構成されていてもよく、さらには、弾性膜51及び絶縁体膜52以外のその他の膜が含まれていてもよい。その他の膜の材料としては、例えば、シリコン、窒化ケイ素等が挙げられる。
圧電アクチュエーター300は、圧力室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段であり圧電素子とも称される。この圧電アクチュエーター300は、振動板50側である+Z方向側から-Z方向側に向かって順次積層された第1電極60と、圧電体層70と、第2電極80とを具備する。
圧電アクチュエーター300のうち、第1電極60と第2電極80との間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活性部310と称する。これに対して、圧電体層70に圧電歪みが生じない部分を非活性部320と称する。すなわち、圧電アクチュエーター300のうち、圧電体層70が第1電極60と第2電極80とで挟まれた部分が活性部310となり、圧電体層70が第1電極60と第2電極80とで挟まれていない部分が非活性部320となる。
また圧電アクチュエーター300を駆動させた際、実際にZ軸方向に変位する部分を可撓部と称し、Z軸方向に変位しない部分を非可撓部と称する。すなわち、圧電アクチュエーター300の活性部310のうち、Z軸方向で圧力室12に対向する部分が可撓部となり、圧力室12の外側部分が非可撓部となる。
一般的には、活性部310の何れか一方の電極を圧電アクチュエーター300毎に独立する個別電極とし、他方の電極を複数の圧電アクチュエーター300に共通する共通電極として構成する。本実施形態では、第1電極60が個別電極を構成し、第2電極80が共通電極を構成している。
具体的には、第1電極60は、圧力室12毎に切り分けられて活性部310毎に独立する個別電極を構成する。第1電極60は、Y軸方向において、圧力室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、第1電極60の端部は、Y軸方向において、圧力室12に対向する領域の内側に位置している。
また第1電極60は、X軸方向においては、圧力室12に対向する領域から圧力室12の外側まで延設されており、図4における第1電極60の+X方向の端部60a及び-X方向の端部60bは、それぞれ圧力室12の外側に配置されている。また第1電極60の+X方向の端部60aは、圧力室12の+X方向の端部12aよりも+X方向となる位置に配置され、第1電極60の-X方向の端部60bは、圧力室12の-X方向の端部12bよりも-X方向となる位置に配置されている。
第1電極60の材料は、特に限定されないが、例えば、イリジウムや白金といった金属、ITOと略される酸化インジウムスズといった導電性金属酸化物等の導電材料が用いられる。
圧電体層70は、X軸方向の長さを所定長さとして、Y軸方向に沿って連続して設けられている。すなわち圧電体層70は、所定の厚さで圧力室12の並設方向に沿って連続して設けられている。圧電体層70の厚さは特に限定されないが、1~4μm程度の厚さで形成される。
また圧電体層70のX軸方向の長さは、圧力室12の長手方向であるX軸方向の長さよりも長く、圧電体層70は、X軸方向において圧力室12の両外側まで延在している。また図4における圧電体層70の+X方向の端部70aは、第1電極60の+X方向の端部60aよりも外側に位置している。すなわち、第1電極60の端部60aは圧電体層70によって覆われている。一方、圧電体層70の-X方向の端部70bは、第1電極60の-X方向の端部60bよりも内側に位置しており、第1電極60の端部60bは、圧電体層70では覆われていない。
なお圧電体層70には、図5に示すように、他の領域よりも厚さが薄い部分である溝部71が各隔壁11に対応する位置に形成されている。本実施形態の溝部71は、圧電体層70をZ軸方向に完全に除去することで形成されている。すなわち、圧電体層70が他の領域よりも厚さの薄い部分を有するとは、圧電体層70がZ軸方向に完全に除去されたものも含む。もちろん、溝部71の底面には、圧電体層70が他の部分よりも薄く残っていてもよい。
圧電体層70に溝部71を設けることにより、振動板50の圧力室12のY軸方向の端部に対向する部分、いわゆる振動板50の腕部の剛性が抑えられるため、圧電アクチュエーター300をより良好に変位させることができる。
圧電体層70としては、第1電極60上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜(ペロブスカイト型結晶)が挙げられる。圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができる。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層70として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。
また、圧電体層70の材料としては、鉛を含む鉛系の圧電材料に限定されず、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いることもできる。非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス((BiFeO3)、略「BFO」)、チタン酸バリウム((BaTiO3)、略「BT」)、ニオブ酸カリウムナトリウム((K,Na)(NbO3)、略「KNN」)、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム((K,Na,Li)(NbO3))、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリチウム((K,Na,Li)(Nb,Ta)O3)、チタン酸ビスマスカリウム((Bi1/2K1/2)TiO3、略「BKT」)、チタン酸ビスマスナトリウム((Bi1/2Na1/2)TiO3、略「BNT」)、マンガン酸ビスマス(BiMnO3、略「BM」)、ビスマス、カリウム、チタン及び鉄を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物(x[(BixK1-x)TiO3]-(1-x)[BiFeO3]、略「BKT-BF」)、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物((1-x)[BiFeO3]-x[BaTiO3]、略「BFO-BT」)や、これにマンガン、コバルト、クロムなどの金属を添加したもの((1-x)[Bi(Fe1-yMy)O3]-x[BaTiO3](Mは、Mn、CoまたはCr))等が挙げられる。
第2電極80は、圧電体層70の第1電極60とは反対側である-Z方向側に設けられ、複数の活性部310に共通する共通電極を構成する。第2電極80は、X軸方向の長さを所定長さとして、Y軸方向に亘って連続して設けられている。この第2電極80は、溝部71の内面、すなわち圧電体層70の溝部71の側面上及び溝部71の底面である絶縁体膜52上にも設けられている。なお溝部71内においては、第2電極80は、溝部71の内面の一部のみに設けられていてもよく、溝部71の内面の全面に亘って設けられていなくてもよい。
また図4において、第2電極80の+X方向の端部80aは、圧電体層70で覆われた第1電極60の端部60aよりも外側となるように配置されている。すなわち第2電極80の端部80aは、圧力室12の+X方向の端部12aよりも外側で、第1電極60の端部60aよりも外側に位置している。このため、活性部310の+X方向側の端部、すなわち活性部310と非活性部320との境界は、第1電極60の端部60aによって規定されている。
一方、図4において、第2電極80の-X方向の端部80bは、圧力室12の-X方向の端部12bよりも外側に配置されているが、圧電体層70の-X方向側の端部70bよりも内側に配置されている。上述のように圧電体層70の端部70bは、第1電極60の端部60bよりも内側に位置している。したがって第2電極80の端部80bは、第1電極60の端部60bよりも内側の圧電体層70上に位置している。このため、第2電極80の端部80bの外側には、圧電体層70の表面が露出された部分が存在する。
このように第2電極80の端部80bは、圧電体層70及び第1電極60の-X方向の端部60b,70bよりも+X方向に配置されているため、活性部310の-X方向の端部、すなわち活性部310と非活性部320との境界は、第2電極80の端部80bによって規定される。
第2電極80の材料は、特に限定されないが、第1電極60と同様に、例えば、イリジウムや白金といった金属、酸化インジウムスズといった導電性金属酸化物などの導電材料が好適に用いられる。
また、第2電極80の端部80bの外側、すなわち第2電極80の端部80bのさらに-X方向には、第2電極80と同一層からなるが第2電極80とは電気的に不連続となる配線部85が設けられている。配線部85は、第2電極80の端部80bと接触しないように間隔を空けた状態で、圧電体層70上から圧電体層70よりも-X方向に延設された第1電極60上に亘って形成されている。配線部85は、活性部310毎に独立して設けられている。すなわち配線部85は、Y軸方向に沿って所定の間隔で複数配置されている。なお配線部85は、第2電極80とは別の層で形成されていてもよいが、第2電極80と同一層で形成することが好ましい。これにより、配線部85の製造工程を簡略化してコストの低減を図ることができる。
また図2及び図3に示すように、圧電アクチュエーター300を構成する第1電極60と第2電極80とには、個別リード電極91と駆動用共通電極である共通リード電極92とがそれぞれ接続されている。個別リード電極91及び共通リード電極92の圧電アクチュエーター300に接続された端部とは反対側の端部には、可撓性を有する配線基板120が接続されている。本実施形態では、個別リード電極91及び共通リード電極92は、保護基板30に形成された貫通孔32内に露出するように延設され、この貫通孔32内で配線基板120と電気的に接続されている。配線基板120には、圧電アクチュエーター300を駆動するためのスイッチング素子を有する駆動回路121が実装されている。
個別リード電極91及び共通リード電極92は、本実施形態では、同一層からなるが、電気的に不連続となるように形成されている。これにより、個別リード電極91と共通リード電極92とをそれぞれ個別に形成する場合に比べて、製造工程を簡略化してコストを低減することができる。もちろん、個別リード電極91と共通リード電極92とを異なる層で形成するようにしてもよい。
個別リード電極91及び共通リード電極92の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、金(Au)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等を用いることができる。本実施形態では、個別リード電極91及び共通リード電極92として金(Au)を用いた。また個別リード電極91及び共通リード電極92は、第1電極60及び第2電極80や振動板50との密着性を向上するためのニッケルクロム(NiCr)等からなる密着層を有していてもよい。
個別リード電極91は、活性部310毎、すなわち、第1電極60毎に設けられたものである。個別リード電極91は、圧電体層70の外側に設けられた第1電極60の-X方向の端部60b付近に配線部85を介して接続され、流路形成基板10上、実際には振動板50上までX軸方向に引き出されている。
一方、共通リード電極92は、Y軸方向の両端部において、圧電体層70上の共通電極を構成する第2電極80上から振動板50上にまでX軸方向に引き出されている。また共通リード電極92は、圧力室12のX軸方向の一端部に対応する領域にY軸方向に沿って延設される延設部93を有する。さらに共通リード電極92は、圧力室12のX軸方向の他端部に対応する領域にY軸方向に沿って延設される延設部94を具備する。これら延設部93,94は、複数の活性部310に対してY軸方向に沿って連続して設けられている。
また延設部93,94は、X軸方向において、圧力室12の内側から圧力室12の外側まで延設されている。本実施形態では、圧電アクチュエーター300の活性部310は、圧力室12のX軸方向の両端部において圧力室12の外側まで延設されており、延設部93,94は、この活性部310上を圧力室12の内側から外側まで延設されている(図4参照)。
ところで、このような圧電アクチュエーター300の活性部310のX軸方向の端部において、第1電極60の圧電体層70側の表面には、図6及び図7に示すように、複数の凸部61とこれら凸部61の間に形成される凹部62とで構成される凹凸部63が設けられている。本実施形態では、第1電極60の表面には、Y軸方向で並設される2つの凸部61と、これら2つの凸部61の間に形成される1つの凹部62とで構成される凹凸部63が設けられている。各凸部61は、第1電極60の引き出し方向であるX軸方向に沿って連続する線状に形成されている。その結果、凹部62も第1電極60の引き出し方向であるX軸方向に沿って連続する線状に形成されている。
なお凹凸部63を構成する凸部61及び凹部62の数は特に限定されず、例えば、凹凸部63は、3つ以上の凸部61を含んで構成されていてもよい。例えば、凹凸部63は、5つの凸部61とこれら5つの凸部61の間に形成される4つの凹部62とで構成されていてもよい。
また凹凸部63は、第1電極60と同一の金属材料で形成されている。本実施形態では、凹凸部63は、第1電極60自体に形成されている。第1電極60は、絶縁体膜52上に流路形成基板10の全面に成膜した後、所定形状にパターニングすることで形成されるが、その際、第1電極60の表面に、例えば、レーザー加工やイオンミリング等のドライエッチング加工を行うことで凹凸部63を形成する。勿論、第1電極60の表面に凹凸部63を形成する方法は、特に限定されるものではない。
また凹凸部63を構成する各凸部61は、山型に形成されており、図7に示すように、その断面は略三角形となっている。したがって、各凸部61の表面は、流路形成基板10の表面10aに対して傾斜する傾斜面となっている。これら凸部61間に形成される凹部62は、第1電極60の厚さと同程度の深さで形成されているが、第1電極60を厚さ方向であるZ軸方向に貫通することなく形成されている。このため、凹部62の表面(内面)も傾斜面となっている。つまり第1電極60は、Y軸方向においても連続的に設けられている。
圧電体層70は、このような凹凸部63を含む第1電極60上に略一定の厚さで形成されている。このため、凹凸部63に対応する部分の圧電体層70の表面は、凹凸部63の表面形状に沿った凹凸形状となっている。同様に、凹凸部63に対応する部分の第2電極80の表面も、凹凸部63の表面に沿った凹凸形状となっている。
ここで、第1電極60の凹凸部63に形成された圧電体層70は、第1電極60の凹凸部63以外の部分に形成された圧電体層70よりも配向率が低くなる。凹凸部63を構成する凸部61及び凹部62の表面は、上述のように傾斜面となっている。このような第1電極60の傾斜面上に形成された圧電体層70は、傾斜面である下地の影響等により、流路形成基板10の表面10aに対して平行な第1電極60の平坦面に形成された圧電体層70よりも配向率が低くなる。つまり第1電極60の凹凸部63に形成された圧電体層70は、第1電極60の凹凸部63以外の部分に形成された圧電体層70よりも配向率が低くなる。
本実施形態では、第1電極60上に形成される圧電体層70は、基本的に(100)面優先配向をしているが、凹凸部63に形成される圧電体層70の(100)面配向率は、凹凸部63以外の部分に形成される圧電体層70の(100)面配向率よりも低くなっている。
すなわち、第1電極60上に形成される圧電体層70は、基本的には(100)面優先配向をしているが、活性部310の端部に対応する部分は、凹凸部63が形成されていることで(100)面配向率が他の部分よりも低い低配向部75となっている。
なお「優先配向をする」とは、50%以上、好ましくは80%以上の結晶が、所定の結晶面に配向することを示すものとする。例えば「(100)面優先配向をしている」とは、全ての結晶が(100)面配向をしている場合だけでなく、半分以上の結晶(換言すると50%以上、好ましくは80%以上)が(100)面配向をしている場合、を含む。また圧電体層70の低配向部75は、(100)面配向率が他の部分よりも低ければよく、もちろん(100)面配向をしていてもよいが、(100)面配向をしていなくてもよい。
第1電極60の凹凸部63に形成された圧電体層70、つまり(100)面配向率が他の部分よりも低い低配向部75は、圧電アクチュエーター300に電圧を印加した際の圧電歪みが、活性部310の他の部分よりも適度に小さくなる。このため、第1電極60に凹凸部63が設けられた活性部310の端部では、圧電アクチュエーター300の変形が他の部分よりも適度に小さく抑えられる。
これにより、活性部310の端部、つまり活性部310と非活性部320との境界部分において、圧電アクチュエーター300の撓み変形による圧電体層70への微小クラックの発生を抑制できる。したがって、圧電体層70の微小クラックに起因するリーク電流に伴う焼損の発生を抑制することができる。つまり活性部310の端部において、非活性部320との歪み差異に起因する圧電体層70のクラックや焼損等の発生を抑制できる。
以上説明したように、本発明に係る圧電デバイスは、基板の一方面側に設けられる振動板と、振動板の基板とは反対面側に積層される第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電アクチュエーターと、を備え、圧電アクチュエーターは、圧電体層が第1電極と第2電極とで挟まれる活性部を備え、活性部の端部における第1電極の圧電体層側の表面は、複数の凸部と凸部の間に形成される凹部とで構成される凹凸部となっていることを特徴とする。
これにより、活性部310の端部、つまり活性部310と非活性部320との境界部分において、圧電アクチュエーター300の撓み変形による圧電体層70への微小クラックの発生を抑制できる。したがって、圧電体層70の微小クラックに起因するリーク電流に伴う焼損の発生を抑制することができる。
ここで、凹凸部63は、圧電アクチュエーター300の活性部310のうち非可撓部となる部分、すなわち圧力室12の外側に延在する部分に、極力広い範囲で形成されていることが好ましい。言い換えれば、圧電体層70の低配向部75は、圧電アクチュエーター300の活性部310のうち非可撓部となる部分に、極力広い範囲で形成されていることが好ましい。これにより、圧電体層70に対するクラックや焼損の発生をさらに抑制し易くなる。
また凹凸部63を構成する凸部61及び凹部62は、第1電極60の引き出し方向に沿って線状に形成されていることが好ましい。凸部61及び凹部62をこのような形状とすることで、第1電極60の表面をパターニングすることで凹凸部63を比較的容易に形成できる。また第1電極60自体に凹凸部63を形成する場合でも、第1電極60は凹凸部63を介して電気的に連続するため、第1電極60としての機能も確保し易くなる。
また凹凸部63は、第1電極60と同一の金属材料で形成されていることが好ましい。本実施形態では、凹凸部63が第1電極60自体に形成されている。これにより第1電極60を成膜した後に、パターニングにより凹凸部63を比較的容易に形成できる。なお凹凸部63は、第1電極60とは別の層に形成されていてもよい。例えば、第1電極60の圧電体層70側に第1電極60と同一の金属材料からなる追加層を形成し、この追加層をパターニングすることで凹凸部63を形成するようにしてもよい。
また凹凸部63は、本実施形態のように、圧電アクチュエーター300の活性部310から非活性部320まで連続して設けられていることが好ましい。例えば、図4において、凹凸部63の-X方向側の端部63aは、第2電極80の-X方向側の端部80bよりも外側に位置していることが好ましい。すなわち図4において、圧電体層70の低配向部75の-X方向側の端部75aは、第2電極80の端部80bよりも外側に位置していることが好ましい。
第2電極80の端部80bは、電圧印加時に圧電歪みが生じる活性部310と圧電歪みが生じない非活性部320との境界を規定している。このため、第2電極80の端部80b近傍においては、電圧印加時に圧電体層70に微小クラックが生じやすい。
しかしながら、凹凸部63が活性部310から非活性部320まで連続して設けられていることで、つまり凹凸部63が第2電極80の端部80bよりも外側まで延設されていることで、活性部310の非活性部320との境界における圧電歪みが適度に小さく抑えられる。したがって、活性部310の端部近傍における圧電体層70のクラックの発生をさらに抑制し易くなる。
また凹凸部63の形状は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Y軸方向に沿って凸部61が連続的に形成されているが、例えば、図8に示すように、各凸部61は、隙間を空けて設けられていてもよい。言い換えれば、各凹部62は、第1電極60を厚さ方向に貫通して設けられていてもよい。各凹部62の表面は、流路形成基板10の表面10aに対して傾斜する傾斜面であり第1電極60で構成される側面部62aと、絶縁体膜52で構成される底面部62bとで形成されていてもよい。
なお図8の例では、凹部62の底面部62bは、流路形成基板10の表面10aと略平行な平坦面となる。ただし、この底面部62bは、上述のように絶縁体膜52で構成されている。このため、底面部62bに形成される圧電体層70の配向率は、側面部62aに形成される圧電体層70の配向率と同様に、凹凸部63以外の部分に形成される圧電体層70の配向率よりも低くなる。つまり、この構成においても凹凸部63に形成される圧電体層70は、他の部分よりも配向率が低い低配向部75となる。
したがって、このような構成においても、活性部310の端部において、圧電アクチュエーター300の撓み変形による圧電体層70への微小クラックの発生を抑制できる。したがって、圧電体層70の微小クラックに起因するリーク電流に伴う焼損の発生を抑制することができる。
さらに凹部62が第1電極60を貫通して設けられていることで、凹凸部63を形成した際の製品検査が容易となる。すなわち凹部62内に絶縁体膜52が露出されていることで、製品検査において、凹部62が適切に形成されたか否かの判定が容易となる。
(実施形態2)
図9は、本発明の実施形態2に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの断面図であり、図6のC-C線に対応する断面図である。なお、実施形態1と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図9は、本発明の実施形態2に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの断面図であり、図6のC-C線に対応する断面図である。なお、実施形態1と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、第1電極60の表面に形成される凹凸部63の変形例であり、それ以外の構成は実施形態1と同様である。
本実施形態では、第1電極の下地となる下地層の表面にも、複数の凸部と凸部の間に形成される凹部とで構成される凹凸部が設けられている例である。具体的には、図9に示すように、第1電極60の下地層である絶縁体膜52の表面には、第1電極60の凹凸部63に対応する部分に、2つの凸部53とこれら2つの凸部53の間に形成される1つの凹部54とで構成される凹凸部55が設けられている。
第1電極60は、このように凹凸部55が設けられた絶縁体膜52上に略一定の厚さで形成されており、その結果、第1電極60の圧電体層70側に2つの凸部61と1つの凹部62とで構成される凹凸部63が形成されている。
このように本実施形態では、活性部の端部における第1電極の下地となる下地層の表面にも、複数の凸部と凸部の間に形成される凹部とで構成される凹凸部が設けられている。このような構成においても、凹凸部63に形成された圧電体層70は、第1電極60の凹凸部63以外の部分に形成された圧電体層70よりも配向率が低くなる。したがって、活性部310の端部において、圧電アクチュエーター300の撓み変形による圧電体層70への微小クラックの発生を抑制できる。したがって、圧電体層70の微小クラックに起因するリーク電流に伴う焼損の発生を抑制することができる。さらに第1電極60は凹凸部63においても略一定の厚さであるため、第1電極60としての機能も確保し易くなる。
なお本実施形態では、第1電極60の下地層として、絶縁体膜52に凹凸部55を設けるようにしたが、凹凸部55は、必ずしも絶縁体膜52に設けなくてもよい。凹凸部55は、例えば、弾性膜51に設けてもよく、また振動板50として弾性膜51及び絶縁体膜52以外のその他の膜が含まれている場合には、その他の膜に設けてもよい。
(実施形態3)
図10は、実施形態3に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す断面図であり、図6のC-C線に対応する断面図である。なお同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図10は、実施形態3に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す断面図であり、図6のC-C線に対応する断面図である。なお同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、第1電極60の表面に形成される凹凸部63の変形例であり、それ以外の構成は実施形態1と同様である。
具体的には、図10に示すように、本実施形態では、凹凸部63Aを構成する凸部61Aが、第1電極60とは異なる材料で形成されている。すなわち凸部61Aは、第1電極60の圧電体層70側に形成された第1電極60とは異なる材料からなる追加層65によって構成されている。
この凸部61Aは、例えば、断面が略台形状に形成されており、上述の実施形態と同様に第1電極60の引き出し方向に沿って線状に形成されている。また凹凸部63Aを構成する各凹部62Aは、追加層65の厚さと同程度の深さで形成されているが、追加層65をZ軸方向に貫通することなく形成されている。つまり追加層65は、Y軸方向においても連続的に設けられている。したがって、第1電極60は、凹凸部63内において表面が露出されることなく追加層65によって覆われている。
このように凹凸部63Aを構成する凸部61Aが第1電極60とは異なる材料で形成されていることで、凸部61A上に形成される圧電体層70の配向性は阻害され易くなる。このため、実施形態1の場合と同様に、第1電極60の凹凸部63Aに形成された圧電体層70は、第1電極60の凹凸部63A以外の部分に形成された圧電体層70よりも配向率が低くなる。したがって本実施形態においても、活性部310の端部での撓み変形による圧電体層70への微小クラックの発生を抑制できる。したがって、圧電体層70の微小クラックに起因するリーク電流に伴う焼損の発生を抑制することができる。
なお凸部61Aの材料は、第1電極60とは異なる材料であればよいが、圧電体層70の配向性への寄与が少ない材料、つまり圧電体層70の配向性を阻害し易い材料で形成されていることが好ましい。言い換えれば、追加層65は、圧電体層70の配向を阻害する配向阻害層として機能するものであることが好ましい。さらには、凸部61Aの材料としては、圧電体層70の配向性を阻害する絶縁材料、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)等を用いることが好ましい。これにより、活性部310の端部における圧電歪みを適度に小さく抑えることができ、圧電体層70のクラック等の発生をさらに抑制し易くなる。
なお凹凸部63Aの形成方法は、特に限定されないが、第1電極60に追加層65を全面に形成した後、追加層65をパターニングすることによって形成することができる。例えば、レーザー加工により、追加層65の凹部62Aに対応する部分を除去することで、凸部61A及び凹部62Aで構成される凹凸部63Aを比較的容易に形成できる。
(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、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態では、各凸部61が傾斜面のみで形成された構成を例示したが、各凸部61は、流路形成基板10の表面10aに略平行な平坦面を若干含んで構成されていてもよい。このような構成では、上述のように凸部61が傾斜面のみで形成されたものと比べると影響は小さいかもしれないが、従来の構成と比べて圧電体層70の微小クラックに起因するリーク電流に伴う焼損の発生を抑制することができるという効果は見込める。
例えば、上述した各実施形態では、第1電極60が活性部310毎の個別電極を構成し、第2電極80が複数の活性部310の共通電極を構成するようにしたが、第1電極60が複数の活性部310の共通電極を構成し、第2電極80が活性部310毎の個別電極を構成するようにしてもよい。この場合であっても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
また、これら各実施形態の記録ヘッド1は、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置に搭載される。図11は、一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一例を示す概略図である。
図11に示す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、キャリッジ3に搭載されている。この記録ヘッド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の軸方向に移動自在に設けられている。
そして、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。
このようなインクジェット式記録装置Iでは、記録ヘッド1に対して記録シートSをX軸方向に搬送しながら、キャリッジ3を記録シートSに対してY軸方向に往復移動させ、その間に、記録ヘッド1からインク滴を噴射することで、記録シートSの略全面に亘ってインク滴を着弾させる、いわゆる印刷が実行される。
また上述の実施形態では、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であるX軸方向に往復移動するものを例示したが、インクジェット式記録ヘッドIの構成は、これに限定されない。インクジェット式記録装置Iは、例えば、記録ヘッド1が固定されて、紙等の記録シートSを副走査方向であるY軸方向に移動させるだけで印刷を行う、いわゆるライン式記録装置であってもよい。
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。
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。
I…インクジェット式記録装置、 1…インクジェット式記録ヘッド(記録ヘッド)、 2…カートリッジ、 3…キャリッジ、 4…装置本体、 5…キャリッジ軸、 6…駆動モーター、 7…タイミングベルト、 8…搬送ローラー、 10…流路形成基板、 11…隔壁、 12…圧力室、 15…連通板、 16…ノズル連通路、 17…第1マニホールド部、 18…第2マニホールド部、 19…供給連通路、 20…ノズルプレート、 21…ノズル、 30…保護基板、 31…保持部、 32…貫通孔、 40…ケース部材、 41…収容部、 42…第3マニホールド部、 43…接続口、 44…導入口、 45…コンプライアンス基板、 46…封止膜、 47…固定基板、 48…開口部、 49…コンプライアンス部、 50…振動板、 51…弾性膜、 52…絶縁体膜、 53…凸部、 54…凹部、 55…凹凸部、 60…第1電極、 61…凸部、 62…凹部、 63…凹凸部、 65…追加層、 70…圧電体層、 71…溝部、 75…低配向部、 80…第2電極、 85…配線部、 91…個別リード電極、 92…共通リード電極、 93,94…延設部、 100…マニホールド、 120…配線基板、 121…駆動回路、 300…圧電アクチュエーター、 310…活性部、 320…非活性部、 S…記録シート
Claims (10)
- 基板の一方面側に設けられる振動板と、
前記振動板の前記基板とは反対面側に積層される第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電アクチュエーターと、を備える圧電デバイスであって、
前記圧電アクチュエーターは、前記圧電体層が前記第1電極と前記第2電極とで挟まれる活性部を備え、
前記活性部の端部における前記第1電極の前記圧電体層側の表面に、複数の凸部と前記凸部の間に形成される凹部とで構成される凹凸部を有する
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1に記載の圧電デバイスであって、
前記凸部及び前記凹部は、前記第1電極の引き出し方向に沿って線状に設けられる
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1又は2に記載の圧電デバイスであって、
前記凹凸部は、前記第1電極と同一の金属材料で形成される
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項3に記載の圧電デバイスであって、
前記凹部が、前記第1電極を厚さ方向に貫通して設けられる
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1又は2に記載の圧電デバイスであって、
前記凹凸部が、前記第1電極とは異なる材料で形成される
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1~5の何れか一項に記載の圧電デバイスであって、
前記凹凸部が、前記活性部から非活性部まで連続して設けられる
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1~6の何れか一項に記載の圧電デバイスであって、
前記活性部の端部における前記第1電極の下地となる下地層の表面にも、複数の凸部と前記凸部の間に形成される凹部とで構成される凹凸部が設けられる
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1~7の何れか一項に記載の圧電デバイスであって、
前記第1電極が、前記圧電アクチュエーター毎に独立する個別電極であり、前記第2電極が複数の前記圧電アクチュエーターに共通する共通電極である
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1~8の何れか一項に記載の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。 - 請求項9に記載の液体噴射ヘッドが搭載される
ことを特徴とする液体噴射装置。
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