JP6186784B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び超音波センサー - Google Patents
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Description
本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び超音波センサーに関する。
従来、圧電素子（アクチュエーター）を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。その代表例としては、液滴としてインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドがある。
インクジェット式記録ヘッドは、例えば、ノズル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圧電素子を備え、この圧電素子の駆動によって振動板を変形させて圧力発生室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させる。
ここで、圧電素子は、振動板上に設けられる第１電極、圧電体層及び第２電極で構成され、圧電体層は、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。具体的には、例えば、第１電極を圧力発生室毎に設けて個別電極、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、この第２電極で圧電体層の外周面を覆うようにしたものがある（例えば、特許文献１及び２参照）。
しかしながら、圧電素子を駆動すると、圧力発生室等の空間の端部上の圧電素子に応力が集中し、圧電素子にクラック等の破壊が発生する虞があるという問題がある。
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、液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。また、このような問題は液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子だけではなく、超音波センサーに用いられる圧電素子においても同様に存在し、液体噴射ヘッド及び超音波センサー以外の他のデバイスに用いられる圧電素子においても同様に存在する。
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、液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。また、このような問題は液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子だけではなく、超音波センサーに用いられる圧電素子においても同様に存在し、液体噴射ヘッド及び超音波センサー以外の他のデバイスに用いられる圧電素子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、破壊を抑制した液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び超音波センサー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設けら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た第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子と、を具備し、前記第１電極が、当該圧電素子の実質的な駆動部となる能動部毎に独立する個別電極を構成し、前記第２電極が、前記能動部に共通する共通電極を構成し、前記圧電素子は、前記圧力発生室の少なくとも一端部において当該圧力発生室の外側まで延設されており、前記圧電素子は、前記圧力発生室の外側まで延設された領域において、前記第２電極上に前記圧力発生室の端部を跨いで設けられた重り膜を有し、（当該重り膜の膜厚×ヤング率）／（前記圧電体層の膜厚×ヤング率）が０．６以上、１．２以下となる範囲となっ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、重り膜の膜厚を規定することにより、圧電素子の圧力発生室の端部における応力集中及び重り膜の能動部側の端部における応力集中を抑制して、応力集中による破壊を抑制することができる。
かかる態様では、重り膜の膜厚を規定することにより、圧電素子の圧力発生室の端部における応力集中及び重り膜の能動部側の端部における応力集中を抑制して、応力集中による破壊を抑制することができる。
ここで、前記圧電体層の膜厚が０．５μｍ以上、３．０μｍ以下であることが好ましい。これによれば、高密度で且つ圧電特性に優れた圧電素子を実現できる。
また、前記重り膜が、金、銅及びニッケルからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成されていることが好ましい。これによれば、導電性が高く、第２電極及び重り膜の電気抵抗値を下げて、第２電極を薄く形成することができ、圧電素子の変位特性を向上することができる。
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、破壊を抑制して信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
かかる態様では、破壊を抑制して信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、空間が設けられた基板の一方面側に前記空間に対応して設けられた第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子と、を具備し、前記第１電極が、当該圧電素子の実質的な駆動部となる能動部毎に独立する個別電極を構成し、前記第２電極が、前記能動部に共通する共通電極を構成し、前記圧電素子は、前記空間の少なくとも一端部において当該空間の外側まで延設されており、前記圧電素子は、前記空間の外側まで延設された領域において、前記第２電極上に前記空間の端部を跨いで設けられた重り膜を有し、前記重り膜の膜厚を、前記圧電体層の膜厚と当該圧電体層のヤング率との積に対する当該重り膜の膜厚と当該重り膜のヤング率との積の比率が０．６以上、１．２以下となる範囲となっていることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、重り膜の膜厚を規定することにより、圧電素子の圧力発生室の端部における応力集中及び重り膜の能動部側の端部における応力集中を抑制して、応力集中による破壊を抑制することができる。
かかる態様では、重り膜の膜厚を規定することにより、圧電素子の圧力発生室の端部における応力集中及び重り膜の能動部側の端部における応力集中を抑制して、応力集中による破壊を抑制することができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を少なくとも１つ具備することを特徴とする超音波センサーにある。
かかる態様では、重り膜の膜厚を規定することにより、圧電素子の圧力発生室の端部における応力集中及び重り膜の能動部側の端部における応力集中を抑制して、応力集中による破壊を抑制することができる。
かかる態様では、重り膜の膜厚を規定することにより、圧電素子の圧力発生室の端部における応力集中及び重り膜の能動部側の端部における応力集中を抑制して、応力集中による破壊を抑制することができる。
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斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの流路形成基板の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′線に準ずる断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ′線に準ずる断面図である。
（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斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの流路形成基板の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′線に準ずる断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ′線に準ずる断面図である。
図示するように、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Ｉが備える流路形成基板１０には、空間として圧力発生室１２が形成されている。そして、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。また、この第１の方向Ｘと直交する方向を、以降、第２の方向Ｙと称する。
また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端部側、すなわち第１の方向Ｘに直交する第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１３と連通路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において圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）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、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。
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。すなわち、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。
一方、流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対面側には、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（ノズルプレート２０が接合された面側）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。
ここで、振動板５０（積層膜の場合、電極形成側）は絶縁体であること、かつ圧電体層７０の形成時の温度（一般に５００℃以上）に耐えうることが必須であるほか、シリコンウェハーを流路形成基板１０に用いて、且つ圧力発生室１２等の流路を形成する際に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）による異方性エッチングを用いる場合、振動板（積層の場合、シリコンウェハー側）はエッチングストップ層として機能することが必要である。また、振動板５０の一部に二酸化シリコンを使用した場合、圧電体層７０に含まれる鉛やビスマスなどが二酸化シリコンに拡散すると、二酸化シリコンが変質し、上層の電極や圧電体層７０が剥離する。このため、二酸化シリコンへの拡散防止層も必要となる。
二酸化シリコンと酸化ジルコニウムとを積層した振動板５０は、それぞれの材料が圧電体層７０を形成する際の温度に耐えて且つ、二酸化シリコンが絶縁層とエッチングストップ層を、酸化ジルコニウムが絶縁層と拡散防止層として機能するため、最も好適である。本実施形態では、この弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が形成されるが、振動板５０として、弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。
また、振動板５０上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを有する圧電素子３００が形成されている。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。また、第１電極６０と第２電極８０と、これらの間で挟まれた圧電体層７０とで構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪が生じて実質的な駆動部となる部分を能動部３１０という。本実施形態では、詳しくは後述するが、第１電極６０を各能動部３１０毎に設けた個別電極とし、第２電極８０を複数の能動部３１０の共通電極としている。
具体的には、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、圧力発生室１２毎に切り分けられて、能動部３１０毎に独立する個別電極を構成する。この第１電極６０は、圧力発生室の第１の方向Ｘにおいては、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、第１電極６０の端部は、圧力発生室１２に対抗する領域の内側に位置している。また、第２の方向Ｙにおいて、第１電極６０の両端部は、それぞれ圧力発生室１２の外側まで延設されている。
なお、第１電極６０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、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が好適に用いられる。また、第１電極６０は、流路形成基板１０側（振動板５０側）に下地との密着力を向上する密着層を有してもよい。なお、密着層としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）やこれらの酸化物などを用いることができる。
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型酸化物からなることができ、Ａは、鉛を含み、Ｂは、ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも一方を含むことができる。前記Ｂは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮＳ）などを用いることができる。
また、圧電体層７０は、鉛を含まない非鉛系圧電材料、例えば、鉄酸ビスマスや鉄酸マンガン酸ビスマスと、チタン酸バリウムやチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物などとしてもよい。
このような圧電体層７０は、第２の方向Ｙが所定の幅となるように、第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。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の長さよりも広い。このため、圧力発生室１２の第２の方向Ｙでは、圧電体層７０は圧力発生室１２の外側まで設けられている。
また、圧力発生室１２の第２の方向Ｙにおいて、圧電体層７０のインク供給路側の端部は、第１電極６０の端部よりも外側に位置している。すなわち、第１電極６０の端部は圧電体層７０によって覆われている。また、圧電体層７０のノズル開口２１側の端部は、第１電極６０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置しており、第１電極６０のノズル開口２１側の端部は、圧電体層７０に覆われていない。
さらに圧電体層７０には、各隔壁１１に対応する凹部７１（図１参照）が形成されている。この凹部７１の第１の方向Ｘの幅は、各隔壁１１の第１の方向の幅と略同一、もしくはそれよりも広くなっている。これにより、振動板５０の圧力発生室１２の第２の方向Ｙの端部に対抗する部分（いわゆる振動板５０の腕部）の剛性が押さえられるため、圧電素子３００を良好に変位させることができる。
このような圧電体層７０としては、例えば、０．４μｍ以上、３μｍ以下の厚さのものを用いることができる。
また、本実施形態の圧電体層７０は、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法（気相法）などで形成することができる。
第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面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。
このような第２電極８０は、本実施形態では、圧電体層７０の側面上と、第１電極６０上とに亘って連続して設けられている。そして、第１電極６０上に形成された第２電極８０と、圧電体層７０上に形成された第２電極８０とは、除去部８３を介して電気的に切断されている。ここで、除去部８３は、圧電体層７０上の第１電極６０が引き出された側に、第２の方向Ｙに亘って、第２電極８０を厚さ方向に（圧電体層７０及び第２電極８０の積層方向）に貫通して設けられている。この除去部８３によって第１電極６０と第２電極８０とは電気的に導通しないように分離して設けられている。
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。そして、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。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能動部と称する。また、圧電体層７０に圧電歪みが生じる能動部３１０において、圧力発生室１２に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室１２の外側の部分を非可撓部と称する。
本実施形態では、第２の方向Ｙにおいて、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の全てが圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部３１０が圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部３１０のうち圧電素子３００の圧力発生室１２に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部となっている。
すなわち、本実施形態では、図３に示すように、能動部３１０の第２の方向Ｙの端部は、第２電極８０の端部（除去部８３による端部も含む）によって規定されている。
また、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部は、第１電極６０によって規定されている。そして、第１電極６０の第１の方向Ｘの端部は、圧力発生室１２に相対向する領域内に設けられている。したがって、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部は、可撓部に設けられていることになり、第１の方向Ｘにおいて、能動部３１０と非能動部との境界における応力が振動板の変形によって開放される。このため、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部における応力集中に起因する焼損やクラック等の破壊を抑制することができる。
このような圧電素子３００では、第１電極６０の主要部分を圧電体層７０が覆っているため、第１電極６０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の破壊を抑制することができる。ちなみに、第１電極６０と第２電極８０とが近接した状態で露出されていると、圧電体層７０の表面を電流がリークし、圧電体層７０が破壊されてしまう。なお、第１電極６０と第２電極８０とが露出されていても距離が近くなければ、電流のリークは発生しない。
また、このような圧電素子３００の第１電極６０と、第２電極８０とには、本実施形態の配線層であるリード電極９０（個別リード電極９１及び共通リード電極９２）が接続されている。
個別リード電極９１及び共通リード電極９２（以降、両者を合わせてリード電極９０と称する）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。
個別リード電極９１は、圧電体層７０の外側に引き出された第１電極６０上から振動板５０上まで引き出されている。
また、共通リード電極９２は、第１の方向Ｘの両端部において、第２電極８０上から振動板５０上まで第２の方向Ｙに引き出されている。
また、共通リード電極９２は、第２の方向Ｙにおいて、圧力発生室１２の壁面上に、すなわち、可撓部と非可撓部との境界部分に跨って設けられた本実施形態の重り膜である延設部９３を有する。延設部９３は、複数の能動部３１０の第１の方向Ｘに亘って連続して設けられており、第１の方向Ｘの両端部で共通リード電極９２に連続する。すなわち、延設部９３を有する共通リード電極９２は、保護基板３０側から平面視した際に、能動部３１０の周囲を囲むように連続して配置されている。このように、延設部９３を設けることで、可撓部と非可撓部との境界の剛性を向上して、この境界に応力集中が生じることによる圧電体層７０の破壊を抑制することができる。また、共通リード電極９２（延設部９３）は、可撓部と非可撓部との境界に跨って形成されているが、可撓部の中央部に相対向する領域には設けられておらず、開口部９４が画成されている。すなわち、開口部９４は、可撓部に相対向する領域で、能動部３１０の範囲内に配置されている。このように共通リード電極９２に可撓部の主要部を開口する開口部９４を設けることで、能動部３１０の変位低下を抑えることができる。
また、共通リード電極９２から延設された延設部９３で重り膜を形成することで、共通リード電極９２は、延設部９３によって能動部３１０の並設方向（第１の方向）において、複数の能動部３１０の第２電極８０と連続的に電気的に接続される。このため、複数の能動部３１０の共通電極である第２電極８０に電圧（バイアス電圧等）を印加する際に、能動部３１０の並設方向で、電圧低下による不具合を抑制することができる。つまり、能動部３１０は、第１の方向Ｘに並設されており、第２電極８０の電気抵抗値が高いと、第１の方向Ｘにおいて、両端部側の能動部３１０と、中央部の能動部３１０とに印加される電圧に差が生じてしまう。このため、複数の能動部３１０を同じ電圧で駆動することができず、変位量にばらつきが生じて、インク滴の吐出特性のばらつきによる印刷不具合が生じてしまう。これに対して、第２電極８０の電気抵抗値を下げるために、第２電極８０の厚さを厚くすると、第２電極８０が能動部３１０の変位を阻害し、能動部３１０の変位量の低下が生じてしまう。本実施形態では、延設部９３を設けることで、延設部９３及び第２電極８０の電気抵抗値を下げて、第２電極８０に印加する電圧の低下を抑制することができる。したがって、第２電極８０を厚く形成する必要がなく、能動部３１０の変位低下を抑制することができると共に、能動部３１０の変位量のばらつきを抑制して、インク滴の吐出特性のばらつきを低減し、印刷品質を向上することができる。
このようなリード電極９０（延設部９３）の材料としては、導電性の高い金属又は金属酸化物であれば特に限定されないが、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。
このような重り膜である延設部９３は、圧電体層７０の膜厚と圧電体層７０のヤング率との積に対する延設部９３の膜厚と延設部９３のヤング率との積の比率、すなわち下記式（１）で表されるαが０．６以上、１．２以下となる範囲を満たして形成されている。
ここで、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの端部における破壊の指標となる相当ひずみ（％）とαとを有限要素法によって計算した。また、同様に、延設部９３の開口部９４の第２の方向Ｙの端部における相当ひずみ（％）とαとを有限要素法によって計算した。これらの結果を図５に示す。なお、相当ひずみは、αが２．１のときを１００％とした場合の歪み量の割合（％）で示している。
図５に示すように、αに対して圧力発生室１２の端部における相当ひずみを表す曲線９０１と、αに対して延設部９３の開口部９４の端部における相当ひずみを表す曲線９００とは、αが１．１近傍で交わっている。
また、αに対して延設部９３の開口部９４の端部における相当ひずみを表す曲線９００はαに対して比例しているのに対し、圧力発生室１２の端部における相当ひずみを表す曲線９０１はαに対して反比例する関係となっている。また、曲線９００の傾きは、曲線９０１の傾きよりも大きい。
以上のことから、曲線９００と曲線９０１とが交わる交点（α＝１．１）よりも、αは小さいほうが好ましい。つまり、曲線９０１の傾きは曲線９００よりも小さく、曲線９００はαが大きくなるにしたがって相当ひずみが急激に大きくなるため、αが１．１よりも大きくなり過ぎると、延設部９３の開口部９４の端部で応力集中が発生し、破壊が発生する虞がある。
ただし、αは、１．１よりも若干大きい程度であれば、応力集中による破壊が発生し難いが、曲線９００のαに対する傾きが大きいため、αは１．２以下が好ましい。
また、αが小さくなり過ぎると、圧力発生室１２の端部に応力集中が発生するため、αは、曲線９０１のαに対する傾きが変わる０．６以上であるのが好ましい。
すなわち、延設部９３の膜厚と延設部９３のヤング率との積と、圧電体層７０の膜厚と圧電体層７０のヤング率との積と、の比率（以降、α）が０．６以上、１．２以下となる範囲で形成されるように、延設部９３の膜厚を規定すればよい。
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）を用いて、共通リード電極９２として金（Ａｕ）を用いた場合、圧電体層７０の膜厚を０．７０μｍ、圧電体層７０のヤング率を７５ＧＰａ、延設部９３のヤング率を８５ＧＰａとすると、０．６≦α≦１．２とするには、延設部９３の膜厚は、０．３７μｍ以上、０．７４μｍ以下となる。そして、αが１．１となる延設部９３の膜厚は、０．６８μｍとなり、延設部９３は、０．６８μｍの厚さで形成するのが好適である。
このようなリード電極９０は、詳しくは後述するが、流路形成基板１０の一方面の全面に亘って形成した後、所定の形状にパターニングされて形成することができる。
なお、例えば、リード電極９０（共通リード電極９２）として、第１電極６０及び第２電極８０や振動板５０との密着力を向上する密着層を設け、密着層上に電気抵抗値の低い導電層を設けた構成とした場合は、αは以下の式（２）となる。
このように、延設部９３を形成する共通リード電極９２を複数層で形成したとしても、αを０．６以上、１．２以下とすれば、圧力発生室１２の端部及び開口部９４の端部における応力集中を抑制して破壊を抑制することができる。もちろん、導電層を材料の異なる複数層で形成することも可能である。この場合には、上述した式（２）と同様に、材料毎に膜厚とヤング率との積を求め、これらを加算すればよい。
このように延設部９３の膜厚を規定することで、圧力発生室１２の端部及び開口部９４の端部における応力集中を平滑化して、圧力発生室１２の端部及び開口部９４の端部におけるクラック等の発生を抑制して信頼性を向上することができる。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、図１〜図３に示すように、圧電素子３００を保護する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。保護基板３０には、圧電素子３００を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部３１が設けられている。また保護基板３０には、マニホールド１００の一部を構成するマニホールド部３２が設けられている。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、上述のように流路形成基板１０の連通部１５と連通している。また保護基板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。各能動部３１０の第１電極６０に接続されたリード電極９０（個別リード電極９１及び共通リード電極９２）は、この貫通孔３３内に露出するように設けられている。
また、保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路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とリード電極９０とは、貫通孔３３を挿通させた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（本実施形態の外部配線）を介して電気的に接続されている。なお、外部配線は、導電性ワイヤーからなる接続配線１２１に限定されず、例えば、チップオンフィルム（ＣＯＦ）やテープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）等のフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）をリード電極９０に接続するようにしてもよい。
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なり、この封止膜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。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。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Ｉでは、図示しない外部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する。これにより圧電素子３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力発生室１２内の圧力が高まり、各ノズル開口２１からインク滴が噴射される。
（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、上述した実施形態１では、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの両端に重り膜である延設部９３を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの何れか一方の端部のみに延設部９３を設けるようにしてもよい。また、圧力発生室１２の第１の方向Ｘの端部に相対向する位置に、重り膜を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、重り膜として共通リード電極９２の一部を延設した延設部９３を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、共通リード電極９２と同一層からなるが、共通リード電極９２とは連続しないように重り膜を設けてもよく、また、重り膜が共通リード電極９２とは異なる材料で形成されたものであってもよい。
さらに、上述した実施形態１では、振動板５０として弾性膜５１及び絶縁体膜５２を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、振動板５０として弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方を設けないようにしてもよく、弾性膜５１及び絶縁体膜５２に加えて他の層を設けるようにしてもよい。
また、インクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図６に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載される。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１は、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ、２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット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。この記録ヘッドユニット１は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。
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。
そして本発明では、上述のようにインクジェット式記録ヘッドＩを構成する圧電素子３００の破壊を抑制しつつ噴射特性の均一化を図ることができる。結果として、印刷品質を向上し耐久性を高めたインクジェット式記録装置ＩＩを実現することができる。
なお、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩとして、インクジェット式記録ヘッドＩ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ＩＩは、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩ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。
また、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩは、液体貯留手段であるインクカートリッジ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ず、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、貯留手段とインクジェット式記録ヘッドＩ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に搭載されていなくてもよい。
また、上述の実施形態では、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本発明を説明したが、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る。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の他、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。
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に搭載される圧電素子に限られず、超音波センサー、圧力センサー等他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
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（基板）、 １１ 隔壁、 １２ 圧力発生室（空間）、 １３ インク供給路、 １４ 連通路、 １５ 連通部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ マニホールド部、 ３３ 貫通孔、 ３５ 接着剤、 ４０ コンプライアンス基板、 ４１ 封止膜、 ４２ 固定板、 ４３ 開口部、 ５０ 振動板、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ７１ 凹部、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 ９１ 個別リード電極、 ９２ 共通リード電極、 ９３ 延設部（重り膜）、 ９４ 開口部、 １００ マニホールド、 ３００ 圧電素子、 ３１０ 能動部
Claims (5)
- 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た第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子と、を具備し、
前記第１電極が、当該圧電素子の実質的な駆動部となる能動部毎に独立する個別電極を構成し、
前記第２電極が、前記能動部に共通する共通電極を構成し、
前記圧電素子は、前記圧力発生室の少なくとも一端部において当該圧力発生室の外側まで延設されており、
前記圧電素子は、前記圧力発生室の外側まで延設された領域において、前記第２電極上に前記圧力発生室の端部を跨いで設けられた重り膜を有し、
（当該重り膜の膜厚×ヤング率）／（前記圧電体層の膜厚×ヤング率）が０．６以上、１．２以下となる範囲となっており、
前記重り膜が、金、銅及びニッケルからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 前記圧電体層の膜厚が０．５μｍ以上、３．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
- 請求項１又は２記載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。
- 空間が設けられた基板の一方面側に前記空間に対応して設けられた第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子と、を具備し、
前記第１電極が、当該圧電素子の実質的な駆動部となる能動部毎に独立する個別電極を構成し、
前記第２電極が、前記能動部に共通する共通電極を構成し、
前記圧電素子は、前記空間の少なくとも一端部において当該空間の外側まで延設されており、
前記圧電素子は、前記空間の外側まで延設された領域において、前記第２電極上に前記空間の端部を跨いで設けられた重り膜を有し、
（当該重り膜の膜厚×ヤング率）／（前記圧電体層の膜厚×ヤング率）が０．６以上、１．２以下となる範囲となっており、
前記重り膜が、金、銅及びニッケルからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成されていることを特徴とする圧電素子。 - 請求項４記載の圧電素子を少なくとも１つ具備することを特徴とする超音波センサー。
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