JP5637286B2 - アクチュエーター装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

液体噴射ヘッドには、ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に、第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子を設け、圧電素子の駆動によって圧力発生室に圧力変化を生じさせて、ノズル開口からインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドがある。このようなインクジェット式記録ヘッドに採用されている圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題がある。この問題を解決するために、例えば、圧電体層の外周面を第２電極で覆うように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、第１電極が共通電極、第２電極が個別電極となっている。

また、圧電素子の第１電極を圧力発生室毎に設けて個別電極とし、第２電極を複数の圧力発生室に亘って連続して設けて共通電極としたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この構造によれば、第２電極自身が圧電体層の沿面部の保護膜として寄与するため、別途保護膜を設ける必要がない。

特開２００５−８８４４１号公報 特開２００９−１７２８７８号公報（図２及び図４参照）

ここで、特許文献２の図２及び図４に示すような第２電極を共通電極とするような圧電素子では、例えば、上下いずれかの電極が存在しない圧電体部において、応力変形により圧電体表面に誘起された分極電荷を遮蔽する電子の供給源（電極）がないため、誘起された分極電荷によって絶縁破壊やクラックが生じ易いという問題があった。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の破壊を抑制することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が短手方向に沿って並設された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に対応して設けられて、第１電極、該第１電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧電素子と、を具備し、前記第１電極が、前記圧力発生室に対応して独立して設けられていると共に、前記第２電極が、前記圧力発生室の並設方向に亘って連続して設けられており、前記圧力発生室の並設方向と交差する方向において、前記第１電極の前記圧電体層の実質的に駆動する活性部と実質的に駆動しない非活性部との境界の少なくとも一方には、少なくとも１つの開口部で構成される開口部群が、前記活性部と前記非活性部とに亘って設けられてい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、圧電素子の活性部と非活性部との境界に亘って開口部群を設けることで、境界における圧電体層の単位面積当たりの第１電極の電界を印加する面積を減少させることができ、活性部と非活性部との境界への応力集中を低減して、圧電素子の破壊を抑制することができる。

ここで、前記開口部群は、前記第１電極の表面の単位面積に対する開口率が、前記活性部から前記非活性部側に向かって徐々に大きくなるように設けられていることが好ましい。これによれば、電界が印加される活性部から電界が印加されない非活性部に向かって圧電体層に印加する電界を徐々に変化させることができるため、応力集中による破壊をさらに確実に抑制することができる。

また、前記開口部群は、２以上の開口部によって構成されていることが好ましい。これによれば、複数の開口部を設けることで、開口部の端面上に形成される圧電体層の結晶性を低下させて、開口部上に形成された圧電体層の変位量を低下させて、さらに応力集中による破壊を抑制することができる。

また、前記圧力発生室の並設方向と交差する方向において、前記第１電極の一端部側には、前記圧力発生室の外側まで延設された延設部が設けられており、前記開口部群は、前記活性部と前記非活性部との境界の少なくとも前記延設部とは反対側に設けられていることが好ましい。これによれば、圧電素子の活性部と非活性部の境界の延設部側では、当該延設部によって剛性の急激な変化が発生しないことから、延設部とは反対側に比べて圧電素子の破壊は発生し難い。このため、より破壊され易い延設部とは反対側の境界に開口部群を設けることで、より破壊され易い領域の応力集中を抑制することができる。

また、前記開口部は、前記活性部と非活性部との境界の前記延設部側にも設けるようにしてもよい。これによれば、破壊され難い延設部側の境界の破壊をさらに確実に抑制することができる。

また、前記開口部は、前記活性部となる領域において、長手方向に対称となるように設けられていることが好ましい。これによれば、テーパー部を容易に形成することができると共に、応力の分散の偏りを抑制して、安定した変位を得ることができる。

また、前記延設部の前記開口部によって、前記第１電極の中央側よりも幅が狭くなった領域は、前記中央側に比べて厚さが厚いことが好ましい。これによれば、幅が狭くなった領域の抵抗を下げて、電圧降下を抑制することができる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、信頼性及び耐久性を向上した液体噴射装置を実現できる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大平面図及び断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの駆動状態を示す断面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの要部拡大平面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの変形例を示す要部拡大平面図である。 実施形態３に係る記録ヘッドの要部拡大平面図である。 実施形態４に係る記録ヘッドの要部拡大平面図である。 他の実施形態に係る記録ヘッドの要部拡大平面図及び断面図である。 一実施形態に係る記録装置の概略図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１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分解斜視図であり、図２（ａ）は、インクジェット式記録ヘッドの断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＸ−Ｘ′線断面図である。

図示するように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のマニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。

なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍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固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。また、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、圧電体層７０の２つの電極に挟持された領域で、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を活性部３２０という。本実施形態では、第１電極６０を各圧力発生室１２毎に設けることで、圧電素子３００の個別電極とし、第２電極８０を複数の圧力発生室１２に亘って設けることで共通電極としている。すなわち、圧電体層７０の第１電極６０及び第２電極８０に挟まれて実質的に駆動する領域を活性部３２０とし、圧電体層７０の一方の電極６０、８０又は両方の電極が設けられておらず、実質的に駆動しない領域を非活性部３３０としている。また、ここでは、変位可能な圧電素子３００を有する装置をアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５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。

ここで、圧電素子３００の構成について図３及び図４を参照して詳細に説明する。
図３及び図４に示すように、圧電素子３００を構成する第１電極６０は、各圧力発生室１２に対応して独立して設けられている。ここで、第１電極６０が各圧力発生室１２に対応して独立して設けられているとは、第１電極６０が圧力発生室１２の並設方向において不連続となるように切り分けられていることを言う。本実施形態では、第１電極６０を圧力発生室１２の短手方向の幅（圧力発生室１２の並設方向における幅）よりも幅狭に設けることで、第１電極６０を各圧力発生室１２に対応して独立して設けるようにした。

また、このような圧力発生室１２毎に独立して設けられた第１電極６０同士は、電気的に導通されないようにすることで、圧電素子３００の個別電極として機能する。

さらに、圧力発生室１２の長手方向において、第１電極６０のインク供給路１４とは反対側の端部には、圧電体層７０の端部よりも外側まで延設された延設部６５が設けられている。この延設部６５の端部は、圧電体層７０によって覆われずに露出されることで、詳しくは後述する駆動回路１２０と電気的に接続される接続端子となっている。すなわち、第１電極６０は、圧電素子３００から引き出されて駆動回路１２０が接続される引き出し配線としても機能する。もちろん、第１電極６０とは異なる導電性を有する配線を引き出し配線として別途設けるようにしてもよい。

圧電体層７０は、本実施形態では、圧力発生室１２に対応して独立して設けられている。すなわち、圧力発生室１２毎に設けられた圧電体層７０は、圧力発生室１２の並設方向において不連続となるように圧力発生室１２毎に切り分けられて設けられていることを言う。

圧電体層７０は、圧力発生室１２の短手方向（圧力発生室１２の並設方向）において、第１電極６０よりも幅広で、且つ圧力発生室１２の短手方向の幅よりも幅狭に設けられており、圧電体層７０は第１電極６０の幅方向の端面を覆っている。

また、圧電体層７０は、圧力発生室１２の長手方向（圧力発生室１２の並設方向と交差する方向）において、圧力発生室１２よりも長く設けられている。本実施形態では、圧電体層７０は、圧力発生室１２の長手方向において第１電極６０のインク供給路１４側の端部を覆う大きさで設けられている。

さらに、圧電体層７０は、圧力発生室１２の長手方向において、第１電極６０の連通部１３とは反対側の端部よりも短く設けられており、第１電極６０の引き出し配線の一部を露出している。この露出された第１電極６０の端部に駆動回路１２０が電気的に接続される。

また、本実施形態では、第１電極６０には後述する開口部６１が設けられているが、圧電体層７０は、開口部６１の内部、すなわち、開口部６１によって露出された絶縁体膜５５上にも形成されている。

なお、圧電体層７０は、電気機械変換作用を示す圧電材料、例えば、ペロブスカイト構造を有し金属としてＺｒやＴｉを含む強誘電体材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、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からなる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、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）等が挙げられる。

圧電体層７０の厚さについては、特に限定されないが、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成すればよい。例えば、圧電体層７０を０．２〜５μｍ前後の厚さで形成することで、所望の結晶構造を得ることが容易となる。本実施形態においては、最適な圧電特性を得るため、圧電体層７０の膜厚を１．２μｍとした。

また、圧電体層７０の製造方法は特に限定されず、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成することができる。もちろん、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい。

また、本実施形態では、圧電体層７０を圧力発生室１２毎に独立して設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体層７０を複数の圧力発生室１２に亘って連続するように設けてもよい。本実施形態では、圧電体層７０を圧力発生室１２毎に切り分けて独立して設けることで、圧電体層７０が圧電素子３００の変位を阻害することがない。

第２電極８０は、複数の圧力発生室１２の並設方向に亘って連続して設けられている。ここで、第２電極８０が複数の圧力発生室１２に連続して設けられているとは、図３（ａ）に示すように、隣り合う圧力発生室１２の間で連続しているものを含む。

また、第２電極８０は、圧力発生室１２の長手方向（圧力発生室１２の並設方向と交差する方向）において、圧力発生室１２に相対向する領域内に設けられている。すなわち、第２電極８０の長手方向（圧力発生室１２の長手方向）の端部は、圧力発生室１２の領域内に位置するように設けられている。

また、第２電極８０は、圧力発生室１２の長手方向において、第１電極６０の端部よりも内側（圧力発生室１２の中央側）、すなわち、第１電極６０よりも圧力発生室１２側が端部となるように設けられており、第２電極８０が圧電体層７０の活性部３２０の長手方向の両端部を規定している。

このような第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０で構成される圧電素子３００では、第１電極６０の幅方向（圧力発生室１２の短手方向であって並設方向のこと）の端部によって、圧電体層７０の実質的な駆動部である活性部３２０の短手方向（幅）の端部が規定され、第２電極８０の長さ方向（圧力発生室１２の長手方向）の端部によって、活性部３２０の長手方向の端部（長さ）が規定されている。そして、それ以外の圧電体層７０の領域、すなわち、第１電極６０及び第２電極８０の何れか一方又は両方が設けられていない領域を非活性部３３０としている。したがって、活性部３２０と非活性部３３０との境界は、第１電極６０と第２電極８０とによって規定されている。ここで、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向における活性部３２０と非活性部３３０との境界について、インク供給路１４側を境界Ａ、インク供給路１４とは反対側（延設部６５側）を境界Ｂとしている。

このような圧電素子３００の第１電極６０には、圧力発生室１２の並設方向と交差する方向（圧力発生室１２の長手方向）において、圧電体層７０の活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａ、Ｂの一方の境界Ａには、圧電体層７０の活性部３２０と非活性部３３０とに亘って開口する複数の開口部６１によって構成される開口部群６２が設けられている。

開口部６１は、第１電極６０を貫通して形成されたものであり、圧力発生室１２の長手方向に長い矩形状の開口が第１電極６０の端部で開口するスリット形状を有する。また、本実施形態では、開口部６１を圧力発生室１２の短手方向に沿って複数個、例えば、４個設けて、１つの開口部群６２を構成するようにした。もちろん、開口部６１の並設方向はこれに限定されず、例えば、圧力発生室１２の長手方向に沿って複数個の開口部６１を並設するようにしてもよい。

ここで、開口部群６２が活性部３２０と非活性部３３０とに亘って開口するとは、言い換えると、第１電極６０を第２電極８０側から平面視した際に、開口部群６２が、第２電極８０に重なる位置から重ならない位置に亘って連続して設けられているということである。すなわち、本実施形態では、開口部群６２を構成する開口部６１が、活性部３２０と非活性部３３０とを跨って連続して設けられている。

さらに、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向におけるインク供給路１４とは反対側の活性部３２０と非活性部３３０との境界Ｂにも、活性部３２０と非活性部３３０とに亘って開口する複数の開口部６１で構成される開口部群６２を設けるようにした。延設部６５側（境界Ｂ側）の開口部群６２を構成する開口部６１は、第１電極６０の端部に至るまで設けられておらず、矩形状に開口する開口形状を有するものである。ここで、第１電極６０のインク供給路１４とは反対側では、上述のように圧電体層７０の外部まで延設されて、駆動回路１２０が接続される延設部６５が設けられている。この延設部６５は、境界Ｂ側で第１電極６０に連続して活性部３２０の外側に延設された領域を言う。すなわち、延設部６５側では、上述のように第２電極８０の端部が活性部３２０の端部（境界Ｂ）を規定しているため、第１電極６０の第２電極８０に相対向しない領域を延設部６５としている。

このように、第１電極６０に活性部３２０から非活性部３３０に亘って開口する開口部６１によって構成される開口部群６２を設けることによって、活性部３２０の端部（境界Ａ）近傍では、圧電体層７０の単位面積に対する第１電極６０の面積が減少する。これにより、開口部群６２が設けられた領域（境界Ａ及びその近傍）では、開口部６１の面積分だけ（面積が減少した分だけ）、圧電変位する領域の面積が減少する。ここで圧電体層７０は、電界が印加される面積に対応して変位量が変化するため、第１電極６０に開口部群６２が設けられた境界Ａを跨った領域では、変位量が低下する。具体的には、第１電極６０の開口部群６２が設けられていない中央側で印加される面積を１００％とすると、例えば、第１電極６０の開口部群６２が開口部６１によって５０％の面積となるように設けられていた場合、第１電極６０の開口部群６２が設けられた領域で印加される面積は５０％となる。ちなみに、非活性部３３０では、電界が印加される面積は０％である。このように、圧力発生室１２の長手方向において、圧電体層７０には、電界が印加される領域（活性部３２０）と、電界が印加されない領域（非活性部３３０）とが存在し、このうち、電界が印加される領域（活性部３２０）には、中央で電界が印加される面積が１００％の領域と、活性部３２０と非活性部３３０との境界領域（境界Ａ及びその近傍）で中央よりも電界が印加される面積が狭い領域とが存在する。ちなみに、開口部群６２が設けられていない圧電素子３００に電圧を印加して変形させると、図４の点線で示す変形が行われて、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａに応力集中が発生する。これは、第２電極８０が設けられた活性部３２０と、第２電極８０が設けられていない非活性部３３０とで、第２電極８０の有無による剛性差が生じているからである。また、境界Ａの応力集中は、活性部３２０には電界が印加されて変形し、非活性部３３０には電界が印加されずに自発的に変形しない（活性部３２０の変形によって追随する変形は行われる）ことからも発生する。

しかしながら、本実施形態では、開口部６１からなる開口部群６２を設けることで、活性部３２０の非活性部３３０側の端部（境界Ａ）側に中央側よりも電界が印加される面積が狭くなり、活性部３２０の非活性部３３０側の端部の変位量を減少させることができる。また、第１電極６０は、開口部６１が設けられた領域（境界Ａ及びその近傍）は、中央側に比べて剛性が低くなる。このため、活性部３２０の中央側の剛性が高くなった領域と、非活性部３３０の第１電極６０が設けられずに剛性が低くなった領域との境界Ａ及びその近傍の剛性を、開口部群６２によって第１電極６０の活性部３２０の中央部よりも低くして、境界Ａにおける剛性の急激な変化を低減することができる。これらのことによって、図４に示すように、圧電素子３００が変位した際の境界Ａ及びその近傍の傾斜角度を緩やかにすることができ、圧電体層７０の境界Ａ及びその近傍に応力が集中するのを低減して、クラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、延設部６５側の活性部３２０と非活性部３３０との境界Ｂにも、活性部３２０と非活性部３３０とに亘って開口する開口部群６２を設けるようにしたため、上述した境界Ａ側の開口部群６２と同様に、境界Ｂ側の開口部群６２によっても圧電体層７０の境界Ｂ側の境界部分の応力集中を低減して、クラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。

なお、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａ側では、非活性部３３０には、第１電極６０が設けられているが、第１電極６０は、圧力発生室１２の長手方向の端部よりも内側が端部となるように設けられている。これに対して、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ｂ側の非活性部３３０では、圧力発生室１２の端部の外側まで第１電極６０（延設部６５）が設けられている。このため、境界Ｂの近傍に比べて境界Ａの近傍では、圧力発生室１２に相対向する領域内で、非活性部３３０の剛性と活性部３２０との剛性に大きな差が生じる。したがって、第１電極６０には、少なくとも境界Ａに開口部群６２を設けるのが好適である。

また、本実施形態では、テーパー部６１をインク供給路１４側と、延設部６５側の両方の境界Ａ、Ｂに設けるようにした。このようにすることにより、２つのテーパー部６１は、活性部３２０となる領域において、長手方向において略対称の構造とすることができる。

なお、本実施形態では、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、第１電極６０の端面（開口部６１の端面も含む）は厚さ方向に対して傾斜して設けられている。このように傾斜した端面上に圧電材料を結晶成長させて形成した圧電体層７０の結晶性と、水平面上に結晶成長させて形成した圧電体層７０の結晶性とは異なる。具体的には、傾斜面上に圧電材料を結晶成長させると、結晶は傾斜面に垂直な方向に向かって成長し、その後垂直方向に屈曲するように成長するため、水平面上に形成した圧電体層７０の結晶性よりも悪い結晶性を有する圧電体層７０が形成される。このような結晶性の悪い圧電体層７０は、開口部６１の開口端面上にも形成される。本実施形態では、境界Ａ、Ｂに複数の開口部６１からなる開口部群６２を設けることで、複数の端面が境界Ａ、Ｂを跨っているため、比較的結晶性の悪い圧電体層７０が開口部群６２の設けられた領域全体に亘って形成される。これにより、開口部群６２が設けられた領域上に形成された圧電体層７０は、その他の領域に比べて低い圧電特性を有することになり、これによっても開口部群６２上の圧電体層７０の変位量を低下させて、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａ、Ｂ及びその近傍の応力集中を低減することができる。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０及び絶縁体膜５５上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、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、上述のように流路形成基板１０の連通部１３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を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にマニホールドと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

また、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３２が設けられている。圧電素子保持部３２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。

このような保護基板３０としては、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、セラミック材料等を用いることが好ましく、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。

また、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。この駆動回路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と第１電極６０及び第２電極８０とは、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。

また、このような保護基板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。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板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。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口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に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

このとき、第１電極６０の延設部６５とは反対側の活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａに、活性部３２０と非活性部３３０とに亘って開口する開口部６１を有する開口部群６２を設けることで、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａへの応力集中が抑制される。同様に、延設部６５側の境界Ｂにも開口部群６２を設けることで、延設部６５側の活性部３２０と非活性部３３０との境界Ｂへの応力集中が抑制され、圧電体層７０にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。

（実施形態２）
図５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要部を拡大した平面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図５に示すように、実施形態２の圧電素子３００Ａは、第１電極６０Ａ、圧電体層７０及び第２電極８０を有する。

第１電極６０Ａには、境界Ａ側に、複数の開口部６１Ａによって構成された開口部群６２Ａが活性部３２０と非活性部３３０とに亘って設けられている。ここで、開口部６１Ａは矩形状の開口を有し、単体では活性部３２０と非活性部３３０とに亘って連続して設けられていないが、複数の開口部６１Ａが境界Ａの両側（活性部３２０及び非活性部３３０）に設けられることで、同一の開口面積を有する複数の開口部６１Ａにより構成される開口部群６２Ａが、活性部３２０と非活性部３３０とに亘って設けられていることになる。

また、開口部群６２Ａは、第１電極６０Ａの単位面積に対する開口率が活性部３２０から非活性部３３０に向かって徐々に大きくなる。本実施形態では、開口部群６２として、活性部３２０の中央側に圧力発生室１２の短手方向に２つの開口部６１Ａを並設し、活性部３２０の端部（境界Ａ）側に３つの開口部６１Ａを並設した。また、非活性部３３０にも同様に３つの開口部６１Ａを並設した。これにより、開口部群６２Ａは、第１電極６０の中央側では、２つの開口部６１Ａによって開口率が低くなり、非活性部３３０側では、３つの開口部６１Ａによって開口率が高くなる。

このような開口部群６２Ａを有する第１電極６０Ａが存在する領域では、圧電変位量が、開口部群６２Ａによって活性部３２０から境界Ａに向かって徐々に低くなる。

これにより、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａ及びその近傍への応力集中をさらに低減して、クラック等の破壊が発生するのをさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、第１電極６０Ａの境界Ｂ側にも開口部群６２Ａを設けるようにした。境界Ｂ側の開口部群６２Ａについても、境界Ａ側の開口部群６２Ａと同様に、活性部３２０から非活性部３３０に向かって開口率が徐々に大きくなるようにした。

このように、第１電極６０Ａの境界Ｂ側にも開口部群６２Ａを設けることによって、境界Ｂ及びその近傍での応力集中をさらに低減して、クラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。

なお、本実施形態では、境界Ｂ側に開口部群６２Ａを１つだけ設けるようにしたが、特にこれに限定されない。ここでその他の例を図６に示す。なお、図６は、本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す平面図である。

図６に示すように、第１電極６０Ａの境界Ｂ側には、開口部群６２Ａを活性部３２０側と非活性部３３０との両方にそれぞれ１つずつ設けるようにした。このような２つの開口部群６２Ａは、それぞれ境界Ｂに向かって第１電極６０Ａの単位面積当たりの開口率が漸大するように設けられている。

このように境界Ｂに２つの開口部群６２Ａを設け、且つ各開口部群６２Ａを境界Ｂに向かって開口率が漸大するようにしても、境界Ｂにおける応力集中を緩和することができる。

（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３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要部を拡大した平面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図７に示すように、実施形態３の圧電素子３００Ｂは、第１電極６０Ｂ、圧電体層７０及び第２電極８０を具備する。

第１電極６０Ｂには、境界Ａ側に複数の開口部６１Ｂによって構成された開口部群６２Ｂが活性部３２０と非活性部３３０とに亘って設けられている。

ここで開口部６１Ｂは、矩形状の開口を有し、単体では活性部３２０と非活性部３３０とに亘って連続して設けられていないが、複数の開口部６１Ｂが境界Ａの両側（活性部３２０及び非活性部３３０）に設けられることで、複数の開口部６１Ｂにより構成される開口部群６２Ｂが、活性部３２０と非活性部３３０とに亘って設けられていることになる。

また、開口部群６２Ｂは、第１電極６０Ｂの単位面積に対する開口率が活性部３２０から非活性部３３０に向かって徐々に大きくなる。本実施形態では、開口部群６２Ｂの活性部３２０から非活性部３３０に向かって並設された開口部６１Ｂの列が３列設けられており、このうちの中心の１列において、活性部３２０の中央側の開口部６１Ｂの一部の開口面積を小さくし、非活性部３３０側の開口部６１Ｂの開口面積を大きくするようにした。また、開口部６１Ｂの並設されたその他の２列については、同じ開口面積となるようにした。これにより、第１電極６０Ｂの開口部群６２Ｂは、活性部３２０から非活性部３３０に向かって、開口率が徐々に高くなる。また、このような開口部群６２Ｂの開口率の漸大は、実施例２よりも滑らかに変化するため、実施例２に比べてさらに応力の集中を低減することができる。

また、本実施形態では、第１電極６０Ｂの境界Ｂ側にも開口部群６２Ｂを設けるようにした。境界Ｂ側の開口部群６２Ｂについても同様に、活性部３２０から非活性部３３０に向かって開口率が漸大するようにした。このように、第１電極６０Ｂの境界Ｂ側にも開口部群６２Ｂを設けることによって、境界Ｂ及びその近傍での応力集中をさらに低減して、クラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。

もちろん、上述した実施形態３の図６に示す例のように、開口部群６２Ｂを境界Ｂの両側の活性部３２０及び非活性部３３０のそれぞれに設けるようにしてもよい。

（実施形態４）
図８は、本発明の実施形態４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要部を拡大した平面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図８に示すように、圧電素子３００Ｃは、第１電極６０Ｃ、圧電体層７０及び第２電極８０を具備する。

第１電極６０Ｃには、境界Ａ側に複数のスリット状の開口部６１Ｃによって構成された開口部群６２Ｃが活性部３２０と非活性部３３０とに亘って設けられている。

ここで開口部６１Ｃは、開口幅が、活性部３２０から非活性部３３０に向かって徐々に漸大する形状を有し、第１電極６０Ｃの端部に開口するようにスリット状に設けられている。また、本実施形態では、開口部６１Ｃは、圧力発生室１２の短手方向に沿って４個並設されている。このような開口部６１Ｃで構成される開口部群６２Ｃによれば、活性部３２０から非活性部３３０に向かって、開口率が徐々に高くなる。このため、圧電体層７０に印加される電界が開口部群６２Ｃによって活性部３２０から境界Ａに向かって徐々に低くなる。これにより、活性部３２０と非活性部３３０との境界Ａ及びその近傍への応力集中をさらに低減して、クラック等の破壊が発生するのをさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、第１電極６０Ｃの境界Ｂ側にも開口部群６２Ｃを設けるようにした。境界Ｂ側の開口部群６２Ｃについても同様に、活性部３２０から非活性部３３０に向かって開口率が漸大するようにした。ちなみに、境界Ｂ側の開口部群６２Ｃは、隣り合う開口部６１Ｃ同士が連通しないように配置することで、延設部６５と活性部３２０の第１電極６０Ｃとが開口部６１Ｃによって断線しないようになっている。

このように、第１電極６０Ｃの境界Ｂ側にも開口部群６２Ｃを設けることによって、境界Ｂ及びその近傍での応力集中をさらに低減して、クラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。

もちろん、上述した実施形態３の図６に示す例のように、開口部群６２Ｃを境界Ｂの両側の活性部３２０及び非活性部３３０のそれぞれに設けるようにしてもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、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、上述した実施形態１〜４では、第１電極６０〜６０Ｃの連通部１３とは反対側の活性部３２０の端部にも、開口部群６２〜６２Ｃを設けるようにしたが、この部分は、第１電極６０〜６０Ｃの延設部６５が圧力発生室１２の外側に至るまで設けられているため、圧力発生室１２に相対向する領域内での第１電極６０〜６０Ｃの存在の有無による剛性の変化が少ない。したがって、開口部群６２〜６２Ｃは、少なくとも延設部６５とは反対側の端部に設けていればよく、延設部６５側に開口部群６２〜６２Ｃを設けないようにしてもよい。勿論、延設部６５側の開口部群６２〜６２Ｃは、それとは反対側であるインク供給路１４側の開口部群６２〜６２Ｃとは異なる組み合わせとしてもよい。

また、上述した実施形態１〜４では、第１電極６０〜６０Ｃを略同一の厚さで形成するようにしたが、特にこれに限定されるものではない。ここで、上述した実施形態１の変形例を図９に示す。なお、図９は、本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す平面図及び断面図である。

図９に示すように、圧電素子３００Ｄは、第１電極６０Ｄ、圧電体層７０及び第２電極８０を具備する。第１電極６０Ｄは、境界Ａ、Ｂに設けられた開口部群６２を具備する。また、第１電極６０Ｄは、境界Ｂ側に開口部群６２に連続する延設部６５が設けられている。

このような第１電極６０Ｄは、開口部６１が設けられた幅が狭い領域、すなわち、圧力発生室１２の短手方向における開口部６１の両側は、その他の領域に比べて厚さが厚い厚膜部６６となっている。このように開口部６１によって他の領域よりも幅が狭くなった領域を、他の領域よりも厚くした厚膜部６６とすることで、厚膜部６６の電気抵抗を下げて、厚膜部６６によって圧電素子３００Ｄに印加する電圧が低下するのを抑制することができる。もちろん、厚膜部６６以外の領域、例えば、厚膜部６６の延設部６５側等を厚膜部６６と同様に厚く形成してもよい。ただし、活性部３２０側の第１電極６０Ｄの厚さを厚くすると、活性部３２０の剛性が高くなり、圧電素子３００の変位を阻害してしまう虞があるため、活性部３２０の第１電極６０Ｄはできるだけ薄く形成する方がよい。

また、上述した例では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、上述した例では、圧電素子３００〜３００Ｄの上に耐湿度性を有する保護膜を設けなくても、第１電極６０〜６０Ｃの圧力発生室１２の長手方向における一端部は、圧電体層７０によって覆われているため、第１電極６０〜６０Ｃと第２電極８０との間で電流がリークすることがなく、圧電素子３００〜３００Ｄの破壊を抑制することができる。なお、第１電極６０〜６０Ｃの圧力発生室１２の長手方向の他端部は圧電体層７０に覆われていないが、第１電極６０〜６０Ｃと第２電極８０との間に距離があるため、特に影響が無い。もちろん、上述した例の圧電素子３００〜３００Ｄに耐湿度性を有する保護膜を設けることで、圧電素子３００〜３００Ｄをさらに確実に保護することができるが、上述した例の圧電素子３００〜３００Ｄのように保護膜を設けないようにすることで、保護膜が圧電素子３００〜３００Ｄの変位を阻害することがなく、大きな変位量を得ることができる。

さらに、上述した例では、圧電体層７０を各圧力発生室１２毎に切り分けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧力発生室１２の並設方向に亘って連続する圧電体層７０を設けるようにしてもよい。

また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、その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１０に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂ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に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

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、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂ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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）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、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

なお、上述した例では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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る。

Ａ、Ｂ 境界、 Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ マニホールド部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ 第１電極、 ６１、６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ 開口部、 ６２、６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ 開口部群、 ６５ 延設部、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 ３００、３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ 圧電素子、 ３２０ 活性部、 ３３０ 非活性部。

Claims (7)

1. 第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子を具備するアクチュエーター装置であって、
   前記第１電極は、所定幅で長手方向に形成され、
   前記圧電体層は、前記第１電極と前記第２電極とで挟持された活性部と、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方が設けられていない非活性部とを備え、
   前記活性部は、前記長手方向において２つの前記非活性部の間に位置し、
   前記第１電極には、少なくとも１つの開口部で構成される開口部群が設けられ、
   前記開口部群は、前記活性部と前記非活性部との境界の少なくとも一方に、前記活性部と前記非活性部とに亘って設けられていることを特徴とするアクチュエーター装置。
2. 前記開口部群は、前記第１電極の表面の単位面積に対する開口率が、前記活性部から前記非活性部側に向かって徐々に大きくなるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター装置。
3. 前記開口部群は、複数の開口部によって構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエーター装置。
4. 前記長手方向において、前記第１電極が延設された延設部が設けられており、前記開口部群は、前記活性部と前記非活性部との境界の少なくとも前記延設部とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアクチュエーター装置。
5. 前記開口部は、前記活性部と非活性部との境界の前記延設部側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエーター装置。
6. 前記開口部は、前記活性部となる領域において、長手方向に対称となるように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエーター装置。
7. 前記延設部の前記開口部によって、前記第１電極の中央側よりも幅が狭くなった領域は、前記中央側に比べて厚さが厚いことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載のアクチュエーター装置。

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