JP6418311B2 - アクチュエーター、及び、センサー - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を備えたアクチュエーター、及び、センサーに関するものである。

液体噴射装置は液体噴射ヘッドを備え、この噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記の液体噴射ヘッドは、圧力室に液体を導入し、当該圧力室の液体に圧力変動を生じさせて、この圧力室に通じるノズルから液体を噴射するように構成されている。上記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段としては、圧電素子が好適に用いられる。この圧電素子としては、例えば、圧力室に近い側から順に、圧力室毎に設けられる個別電極として機能する下電極膜と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体層と、複数の圧力室に共通な共通電極として機能する上電極膜とが、成膜技術によりそれぞれ積層形成されて構成される（例えば、特許文献１）。このような圧電素子では、圧力室に対応する領域において、圧電体層が下電極膜を覆うように、圧電体層の幅が下電極膜の幅よりも幅広に形成されている。そして、圧電体層において上下の電極膜によって挟まれた部分が、電極膜への電圧の印加によって変形する能動部（活性部）となる。このような圧電素子は、圧力室の一側（例えば、ノズルが形成されるノズルプレートとは反対側）を区画した振動板上に形成される。この振動板は、可撓性を有し、圧電素子の変形に伴って変形する。

ここで、液体噴射ヘッドの性能評価の指標として、排除体積と呼ばれるものがある。排除体積とは、所定の駆動電圧を印加して圧電素子を駆動させたときの圧力室の容積の変化量（圧力室から排除される液体の体積）を意味する。この排除体積は、圧力室に対応する領域に積層された圧電素子の能動部の面積に応じて増減する。そして、排除体積を向上させることで、ノズルから液体を効率良く噴射させることができる。

特開２００９−１７２８７８号公報

ところで、圧電素子の能動部の面積を増やすべく、下電極膜（個別電極）の幅（ノズル列方向における寸法）を広くすると、かえって排除体積が減少する場合がある。具体的には、圧電体層は、上電極膜と下電極膜との間の絶縁破壊を抑制する目的で、下電極膜を覆うように構成されているため、下電極膜の幅が広がることに伴って、圧電体層の幅も広がる。これにより、圧力室（圧力室となる空間の圧電素子側の開口）の幅に対する圧電体層の幅が相対的に広くなり、圧力室に対応する領域における圧電体層が積層されていない領域の幅が相対的に狭くなる。その結果、当該領域における振動板の変形が阻害され、排除体積が減少する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排除体積を向上させることができるアクチュエーター、及び、センサーを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第１の方向に複数並設された圧力室形成基板と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、前記振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層された圧電素子と、を備え、
前記圧力室に対応する領域において、前記第１の方向に前記圧力室の幅の５０％以上、８０％以下の幅で形成された前記第１の電極層と、前記第１の方向に前記第１の電極層を覆い且つ前記圧力室の幅の９０％以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、第１の電極層が圧力室の幅に対して５０％以上、８０％以下の幅で形成され、圧電体層が圧力室の幅に対して９０％以下の幅で形成されたので、圧電素子駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。その結果、ノズルから液体を効率良く噴射させることが可能となる。

上記構成において、前記圧力室に対応する領域において、前記第１の方向に前記圧力室の幅の５４％以上、７２％以下の幅で形成された前記第１の電極層と、前記第１の方向に前記圧力室の幅の８０％以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えたことが望ましい。
すなわち、ノズルに連通して圧力室となるべき空間が第１の方向に複数並設された圧力室形成基板と、
前記圧力室形成部材における前記空間の開口を封止して圧力室を区画した振動板に対し、前記振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層された圧電素子と、を備え、
前記圧力室に対応する領域において、前記第１の方向に前記圧力室の幅の５４％以上、７２％以下の幅で形成された前記第１の電極層と、前記第１の方向に前記第１の電極層を覆い且つ前記圧力室の幅の８０％以下の幅で形成された前記圧電体層と、を備えたことが望ましい。

この構成によれば、第１の電極層が圧力室の幅に対して５４％以上、７２％以下の幅で形成され、圧電体層を圧力室の幅に対して８０％以下の幅で形成されたので、圧電素子駆動時の排除体積をより向上させることが可能となる。その結果、ノズルから液体を一層効率良く噴射させることが可能となる。

そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために提案される本発明は、以下の構成を備えたものであってもよい。
すなわち、本発明のアクチュエーターは、空間が第１の方向に複数並設された板材と、
前記板材における前記空間の開口を封止する振動板と、
前記振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層された圧電素子と、
を備え、
前記第１の電極層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記空間の幅の５４％以上、７２％以下の幅で形成され、
前記圧電体層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記第１の電極層を覆い且つ前記空間の幅の８０％以下の幅で形成されたことを特徴とする。
また、本発明のセンサーは、空間が第１の方向に複数並設された板材と、
前記板材における前記空間の開口を封止する振動板と、
前記振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層された圧電素子と、
を備え、
前記第１の電極層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記空間の幅の５４％以上、７２％以下の幅で形成され、
前記圧電体層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記第１の電極層を覆い且つ前記空間の幅の８０％以下の幅で形成されたことを特徴とする。
これらの構成によれば、第１の電極層が空間の幅に対して５４％以上、７２％以下の幅で形成され、圧電体層を空間の幅に対して８０％以下の幅で形成されたので、圧電素子駆動時の排除体積をより向上させることが可能となる。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの分解斜視図である。 記録ヘッドの平面図である。 記録ヘッドの要部の構成を説明するノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図である。 図３におけるＡ−Ａ′断面図である。 圧電体層の幅を変えたときの排除体積の変化を示したグラフである。 第２実施形態における記録ヘッドの平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明では、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を搭載したインクジェット式プリンター（以下、プリンター）を例に挙げる。

プリンター１の構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２（着弾対象の一種）の表面に対して液体状のインクを噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送する搬送機構６等を備えている。ここで、上記のインクは、本発明の液体の一種であり、液体供給源としてのインクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジがプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジからインク供給チューブを通じて記録ヘッドに供給される構成を採用することもできる。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。従ってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。

図２は、本実施形態の記録ヘッド３の構成を示す分解斜視図である。また、図３は、記録ヘッド３の平面図（上面図）である。なお、図３は、後述する封止板２０が接合されていない状態を示している。すなわち、図３は、後述する各層が積層された振動板２１の平面図である。さらに、図４及び図５は、記録ヘッド３の要部構成を示す図であり、図４はノズル列に直交する方向に沿った断面の模式図、図５はノズル列方向に沿った断面（図３におけるＡ−Ａ′断面）の模式図である。

本実施形態における記録ヘッド３は、圧力室形成基板１５、ノズルプレート１６、アクチュエーターユニット１４、及び、封止板２０等を積層して構成されている。なお、圧力室形成基板１５及びアクチュエーターユニット１４が本発明におけるアクチュエーターに相当する。圧力室形成基板１５は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなる板材である。この圧力室形成基板１５には、複数の圧力室２２となる空間（本発明における空間に相当。以下、適宜、圧力室空間と称する。）が、隔壁２２ａを間に挟んで並設されている。これらの圧力室空間は、ノズル列方向に直交する方向に長尺な空部であり、ノズルプレート１６の各ノズル２５に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室空間（或いは圧力室２２）は、ノズル列方向（本発明における第１の方向）に沿って、ノズル２５の形成ピッチと同じピッチで形成されている。

なお、本実施形態における圧力室２２（圧力室空間）の上部開口（ノズル２５側とは反対側の開口）は、図３に示すように、台形状を呈している。また、圧力室２２（圧力室空間）の長手方向のノズル２５側端部の壁２２ｂは、図４に示すように、流路形成基板１５の上下面に対して部分的に傾斜している。この圧力室２２（圧力室空間）の寸法に関し、圧力室２２の高さ（すなわち、圧力室形成基板１５の厚さ）は、約７０〔μｍ〕に設定されている。また、圧力室２２の長手方向の長さ（ノズル列方向に直交する方向の寸法）は、約３６０〔μｍ〕に設定されている。さらに、図５に示す圧力室２２の短手方向の幅ｗ１（ノズル列方向の寸法）は、約７０〔μｍ〕に設定されている。なお、本発明における圧力室２２の寸法（長さ及び幅）は、圧力室空間の上部開口（振動板２１側の開口）の内法を意味している。

また、図２に示すように、圧力室形成基板１５において、圧力室空間に対して当該圧力室空間長手方向の側方（ノズル２５との連通側とは反対側）に外れた領域には、圧力室形成基板１５を貫通する連通部２３が、圧力室空間の並設方向に沿って形成されている。この連通部２３は、各圧力室空間に共通な空部である。この連通部２３と各圧力室空間とは、インク供給路２４を介してそれぞれ連通されている。なお、連通部２３は、後述する振動板２１の連通開口部２６および封止板２０の液室空部３３と連通して、各圧力室空間（圧力室２２）に共通なインク室であるリザーバー（共通液室）を構成する。インク供給路２４は、圧力室空間よりも狭い幅で形成されており、連通部２３から圧力室空間に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。

圧力室形成基板１５の下面（アクチュエーターユニット１４との接合面側とは反対側の面）には、ノズルプレート１６（ノズル形成基板）が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。本実施形態におけるノズルプレート１６は、ドット形成密度（例えば、３００ｄｐｉ〜６００ｄｐｉ）に相当するピッチ（隣接ノズル２５の中心間距離）で各ノズル２５が並設されている。各ノズル２５は、圧力室空間に対してインク供給路２４とは反対側の端部で連通する。なお、ノズルプレート１６は、例えば、シリコン単結晶基板やステンレス鋼などから作製される。

アクチュエーターユニット１４は、振動板２１および圧電素子１９から構成される。振動板２１は、圧力室形成基板１５の上面に形成された酸化シリコン（ＳｉＯｘ）（例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２））からなる弾性膜１７と、この弾性膜１７上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体膜１８と、から成る。この振動板２１における圧力室空間に対応する部分、即ち、圧力室空間の上部開口を塞いで圧力室２２の一部を区画する部分は、圧電素子１９の撓み変形に伴ってノズル２５から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変位する変位部として機能する。なお、弾性膜１７の厚さは３００〜２０００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましく、絶縁体膜１８の厚さは３０〜６００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましい。また、図２に示すように、この振動板２１における圧力室形成基板１５の連通部２３に対応する部分には、当該連通部２３と連通する連通開口部２６が開設されている。

振動板２１（絶縁体膜１８）の圧力室空間に対応する部分、すなわち変位部の上面（ノズル２５側とは反対側の面）には、圧電素子１９が形成されている。本実施形態における圧電素子１９は、振動板２１側から順に下電極膜２７（本発明における第１の電極層に相当）、圧電体層２８および上電極膜２９（本発明における第２の電極層に相当）が、成膜技術により積層されて構成されている。図５に示すように、下電極膜２７は、個々の圧力室２２毎に独立して設けられる一方、上電極膜２９は、複数の圧力室２２に亘って連続して設けられている。したがって、下電極膜２７は、圧力室２２毎の個別電極となり、上電極膜２９は、各圧力室２２に共通な共通電極となる。

具体的には、図３及び図５に示すように、ノズル列方向における上電極膜２９の両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて列設された複数の圧力室空間（圧力室２２）の外側まで延設されている。また、図３及び図４に示すように、圧力室２２の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）における上電極膜２９の両端部は、圧力室空間の上部開口の縁を越えて当該圧力室空間（圧力室２２）の外側まで延設されている。圧力室２２の長手方向における下電極膜２７は、一側（図３における上側）の端部が圧力室空間の上部開口縁を超えてインク供給路２４と重なる位置まで延在され、他側（図３における下側）の端部がリード電極部４１まで延在されている。そして、図５に示すように、圧力室空間上（圧力室２２に対応する領域）における下電極膜２７のノズル列方向の幅ｗ３は、ノズル列方向における圧力室２２の幅ｗ１よりも狭く形成されている。また、圧力室空間上における圧電体層２８は、ノズル列方向における幅ｗ２が圧力室２２の同方向における幅ｗ１よりも狭く形成されると共に、下電極膜２７の同方向における幅ｗ３よりも広く形成され、下電極膜２７を覆っている。ここで、本発明では、圧力室２２の幅ｗ１に対する下電極膜２７の幅ｗ３の割合及び圧力室２２の幅ｗ１に対する圧電体層２８の幅ｗ２の割合を規定することで、排除体積を向上させている。詳細については、後述する。

なお、ノズル列方向において、下電極膜２７の一側の外端から圧電体層２８の同側の外端までの距離ｗ４、換言すると、一側における下電極膜２７より外側の圧電体層２８の幅ｗ４は、製造公差を考慮して２〔μｍ〕以上に設定されることが望ましい。すなわち、ノズル列方向において、下電極膜２７から外れた領域の圧電体層２８の幅は、両側合計４〔μｍ〕以上に設定されることが望ましい。このようにすれば、この領域における下電極膜２７と上電極膜２９との間の距離を、公差を含めても十分に確保することができ、電極膜間の絶縁破壊（静電破壊）を抑制することができる。

また、本実施形態では、図３に示すように、圧電体層２８が部分的に除去された開口部２８ａによって、圧電体層２８が個々の圧電素子１９毎に分割されている。具体的には、圧電体層２８は、圧力室２２の長手方向の両端部（詳しくは、圧力室空間の両側の上部開口縁）を超えて外側まで延在されると共に、複数の圧力室２２に亘って形成されている。そして、隣り合う圧力室２２の間に対応する領域の圧電体層２８が部分的に除去されて、圧電体層２８が積層されていない開口部２８ａが複数形成されている。すなわち、複数の開口部２８ａがノズル列方向に沿って、圧力室２２の形成ピッチ（ノズル２５の形成ピッチ）と同じピッチで形成されている。換言すると、開口部２８ａと開口部２８ａとの間に、１つの圧力室２２に対応する圧電素子１９が圧力室２２の形成ピッチと同じピッチで形成されている。なお、本実施形態の開口部２８ａは、平面視において、圧力室２２の長手方向に沿って長尺な細長六角形状に形成されている。また、圧力室２２の長手方向において、開口部２８ａから外れた領域の圧電体層２８は、複数の圧力室２２に亘って連続して形成されている。本実施形態では、開口部２８ａの長手方向の長さが約３６０〔μｍ〕に形成され、細長六角形状の開口部２８ａの長辺（図３における左側または右側の辺）の長さが約３４２〔μｍ〕に形成されている。ここで、本実施形態における圧電体層２８の幅ｗ２とは、一方の開口部２８ａの長辺と他方の開口部２８ａの長辺との間に形成された圧電体層２８の幅のことである。要するに、圧力室２２の幅ｗ１、圧電体層２８の幅ｗ２及び下電極膜２７の幅ｗ３とは、各圧力室２２において圧電素子１９が実質的に振動する部分の幅である。

このように構成された圧電素子１９では、下電極膜２７、圧電体層２８および上電極膜２９が積層された領域、すなわち下電極膜２７と上電極膜２９との間に圧電体層２８が挟まれた領域が両電極膜２７、２９への電圧の印加により圧電歪みが生じる能動部（活性部）となる。

なお、上電極膜２９および下電極膜２７は、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属や、これらの合金等が用いられる。また、圧電体層２８としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。なお、上電極膜２９の厚さは、３０〜１００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましい。また、下電極膜２７の厚さは、５０〜３００〔ｎｍ〕に設定されることが望ましい。さらに、圧電体層２８の厚さ（詳しくは、能動部における圧電体層２８の厚さ）は、０．７〜５〔μｍ〕に設定されることが望ましい。

圧力室空間の上部開口縁よりも圧力室空間長手方向の外側に外れた領域における圧電体層２８上であって、上電極膜２９に対して所定の間隔を隔てた位置（図４における左側の位置）には、リード電極部４１が形成されている。そして、圧電体層２８においてリード電極部４１が形成されている位置には、図４に示すように、当該圧電体層２８を貫通する状態で、圧電体層２８の上面から下電極膜２７に至るスルーホール４２が形成されている。リード電極部４１は、個別電極である下電極膜２７に対応してパターニングされている。このリード電極部４１は、上記のスルーホール４２を通じて下電極膜２７に導通されている。そして、このリード電極部４１を介して各圧電素子１９に選択的に駆動電圧（駆動パルス）が印加される。

図２に示すように、アクチュエーターユニット１４における圧力室形成基板１５との接合面である下面とは反対側の上面には、圧電素子１９を収容可能な収容空部３２を有する封止板２０が接合される。この封止板２０には、収容空部３２よりもノズル列に直交する方向の外側に外れた位置であって、振動板２１の連通開口部２６および圧力室形成基板１５の連通部２３に対応する領域には、液室空部３３が設けられている。液室空部３３は、封止板２０を厚さ方向に貫通して圧力室空間（圧力室２２）の並設方向に沿って設けられており、上述したように連通開口部２６および連通部２３と一連に連通して各圧力室空間の共通のインク室となるリザーバーを画成する。なお、図示しないが、封止板２０には、収容空部３２と液室空部３３の他に、封止板２０を厚さ方向に貫通する配線開口部が設けられ、この配線開口部内にリード電極部４１の端部が露出される。そして、このリード電極部４１の露出部分には、プリンター本体側からの図示しない配線部材の端子が電気的に接続される。

上記構成の記録ヘッド３では、インクカートリッジ７からインクを取り込み、リザーバー、インク供給路２４、圧力室２２、およびノズル２５に至るまでの流路内がインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２２に対応するそれぞれの下電極膜２７と上電極膜２９との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１９および振動板２１の変位部が変位することにより、圧力室２２内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２５からインクが噴射される。

ところで、このような記録ヘッド３の性能評価の指標として、圧電素子１９（圧電体層２８）の変位量或いは排除体積を求めることがある。圧電素子１９の変位量は、所定の駆動電圧を印加して圧電素子１９を駆動させたときの当該圧電素子１９の最大の変形量を意味する。一方、排除体積は、所定の駆動電圧を印加して圧電素子１９を駆動させたときの圧力室２２の容積の変化量（圧力室２２から排除される液体の体積）を意味する。何れも、ノズル２５からのインクの噴射量に関係し、圧電素子１９の能動部の大きさに応じて増減するが、必ずしも圧電素子１９の変位量と排除体積とが比例関係にあるわけではない。例えば、ノズル列方向における下電極膜２７の幅を変化させた場合、圧電素子１９の変位量が最大となる値と、排除体積が最大となる値とが異なる場合がある。すなわち、圧電素子１９の変位量のピーク値を示す下電極膜２７の幅と、排除体積のピーク値を示す下電極膜２７の幅とが一致しない場合がある。ここで、上記したように排除体積は圧力室２２の容積の変化量を表わすため、圧電素子１９の変位量よりも排除体積の方が正確にインクの噴射量を表わすことができる。そこで、本発明に係る記録ヘッド３では、ノズル列方向における下電極膜２７の幅及び圧電体層２８の幅を規定することで、排除体積の向上を図っている。

具体的には、本発明に係る記録ヘッド３では、ノズル列方向において、下電極膜２７が圧力室２２の幅に対して５０％以上、８０％以下の幅で形成され、圧電体層２８が下電極膜２７を覆い且つ圧力室２２の幅に対して９０％以下の幅で形成されている。このように形成することで、排除体積が最適な範囲となった記録ヘッド３を提供することができる。この点につていて図６を用いて説明する。

図６は、圧電体層２８の幅ｗ１を変えたときの排除体積の変化を示したグラフである。グラフ中の「ＢＥ幅比」は、ノズル列方向における圧力室２２の幅ｗ１に対する下電極膜２７の幅ｗ３の比を表わし、「ＴＰ幅比」は、ノズル列方向における圧力室２２の幅ｗ１に対する圧電体層２８の幅ｗ２の比を表わしている。図６では、ＢＥ幅比が４５．７％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が３２〔μｍ〕）の場合、ＢＥ幅比が５０．０％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が３５〔μｍ〕）の場合、ＢＥ幅比が５４．３％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が３８〔μｍ〕）の場合、ＢＥ幅比が６０．０％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が４２〔μｍ〕）の場合、ＢＥ幅比が７１．４％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が５０〔μｍ〕）の場合、ＢＥ幅比が８０．０％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が５６〔μｍ〕）の場合、ＢＥ幅比が８５．７％（本実施形態では下電極膜２７の幅ｗ３が６０〔μｍ〕）の場合において、ＴＰ幅比を変えたときの排除体積の変化を調べている。また、排除体積の値は、ＢＥ幅比が６０．０％、ＴＰ幅比が７１．４％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が５０〔μｍ〕）のときの値を基準（１００％）とし、この値に対する割合（％）で表わしている。

なお、上述したように、絶縁破壊を抑制する観点から、圧電体層２８の幅ｗ２を下電極膜２７の幅ｗ３よりも少なくとも４〔μｍ〕以上広くする必要がある。このため、ＢＥ幅比が４５．７％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は５１．４％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が３６〔μｍ〕）となる。ＢＥ幅比が５０．０％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は５５．７％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が３９〔μｍ〕）となる。ＢＥ幅比が５４．３％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は６０．０％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が４２〔μｍ〕）となる。ＢＥ幅比が６０．０％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は６５．７％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が４６〔μｍ〕）となる。ＢＥ幅比が７１．４％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は７７．１％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が５４〔μｍ〕）となる。ＢＥ幅比が８０．０％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は８５．７％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が６０〔μｍ〕）となる。ＢＥ幅比が８５．７％の場合、とり得るＴＰ幅比の最小値は９１．４％（本実施形態では圧電体層２８の幅ｗ２が６４〔μｍ〕）となる。

図６から分かるように、ＢＥ幅比が４５．７％及び８５．７％の場合は、排除体積の値が９０％を下回る。一方、ＢＥ幅比が５０．０％、５４．３％、６０．０％、７１．４％及び８０．０％の場合は、排除体積の値が９０％を上回る。ここで、排除体積が９０％以上あれば、排除堆積１００％に対する落ち込みが許容できる程度の十分な排除堆積が得られる。すなわち、記録ヘッド３の噴射性能を十分に得られる。このため、排除体積が９０％以上を許容値として定め、ＢＥ幅比が５０％以上、８０％以下の範囲に収めるようにした。また、ＢＥ幅比が５０．０％から８０．０％の間のいずれの場合でも、ＴＰ幅比がおおよそ８０．０％を超えたあたりから排除体積の値が急激に落ち始める。そして、ＴＰ幅比が９０．０％の時に排除体積の値が約９０％になり、これよりＴＰ幅比が大きくなると排除体積の値が９０％を下回ることが予想される。このため、ＴＰ幅比は９０％以下の範囲に収めるようにした。

このように、ＢＥ幅比が５０％以上、８０％以下に設定され、ＴＰ幅比が９０％以下の範囲に設定されれば、排除体積の値が約９０％を上回る範囲に設定される。すなわち、圧力室２２に対応する領域において、下電極膜２７が圧力室２２の幅に対して５０％以上、８０％以下の幅で形成され、圧電体層２８が圧力室２２の幅に対して９０％以下の幅で形成されれば、圧電素子１９の駆動時の排除体積を向上させることが可能となる。その結果、ノズル２５からインクを効率良く噴射させることが可能となる。

ところで、図６に示すように、ＢＥ幅比が５４．３％、６０．０％及び７１．４％の場合、ＴＰ幅比が８０％以下において、排除体積の値が９７％以上になることが分かる。すなわち、圧力室２２に対応する領域において、下電極膜２７が圧力室２２の幅に対して５４％以上、７２％以下の幅で形成され、圧電体層２８が圧力室２２の幅に対して８０％以下の幅で形成されれば、排除体積の値が約９７％を上回る範囲に設定される。このため、下電極膜２７は圧力室２２の幅に対して５４％以上、７２％以下の幅にすることが望ましく、圧電体層２８は圧力室２２の幅に対して８０％以下の幅にすることが望ましい。これにより、圧電素子１９の駆動時の排除体積をより向上させることが可能となる。その結果、ノズル２５からインクを一層効率良く噴射させることが可能となる。

なお、排除体積の測定方法は種々の方法が考えられるが、本実施形態では、圧力室形成基板１５にアクチュエーターユニット１４を積層した状態のものに対して制御信号を接続し、所定の駆動電圧を圧電素子１９に印加して当該圧電素子１９の撓み量を光干渉顕微鏡で測定することで求めた。なお、圧電素子１９の変位量を測定する方法としては、レーザードップラー振動計等を用いる方法がある。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、圧力室空間（圧力室２２）の上部開口が台形状を呈し、圧電体層２８に形成された開口部２８ａが細長六角形状を呈していたがこれには限られない。圧力室空間（圧力室）の形状、圧電体層（開口部）の形状、各電極膜の形状等は、種々の形状を取り得る。例えば、図７に示す、第２実施形態の記録ヘッド３′では、平面視において、圧力室空間（圧力室２２′）の上部開口が略楕円形状（或いは略菱形形状）を呈している。また、下電極膜２７′は、この圧力室２２′の形状に合わせて、略楕円形状（或いは略菱形形状）に形成されている。さらに、圧電体層２８の開口部２８ａ′は、圧力室２２′の上部開口の縁に沿って、圧力室２２′のノズル列方向における両側に形成されている。なお、上電極膜２９′は、上記実施形態と同様に、圧力室列設方向（ノズル列方向）において列設された複数の圧力室２２′の外側まで延設されている。また、圧力室２２′の長手方向における上電極膜２９′は、一側（図７における上側）の端部がインク供給路２４′と重なる位置まで延在され、他側（図７における下側）の端部が圧力室２２′の外側まで延在されている。

そして、本実施形態でも、圧力室２２′に対応する領域において、下電極膜２７′が圧力室２２′の幅に対して５０％以上、８０％以下の幅に形成され、圧電体層２８′が下電極膜２７′を覆い且つ圧力室２２′の幅に対して９０％以下の幅に形成されている。特に、圧力室２２′に対応する領域において、下電極膜２７′は圧力室２２′の幅に対して５４％以上、７２％以下の幅に形成されることが望ましく、圧電体層２８′は圧力室２２′の幅に対して８０％以下の幅に形成されることが望ましい。これにより、圧電素子１９′の駆動時の排除体積をより向上させることが可能となり、インクを一層効率良く噴射させることが可能となる。なお、その他の構成は上記実施形態と同じであるため、説明を省略する。

ところで、下電極膜、圧電体層及び圧力室の幅に関し、上記した第１実施形態のように圧力室２２に対応する領域における下電極膜２７、圧電体層２８及び圧力室２２の幅（ノズル列方向における寸法）がほぼ同じ場合、下電極膜２７、圧電体層２８及び圧力室２２の平均の幅をそれぞれ下電極膜２７、圧電体層２８及び圧力室２２の幅として上記した数値範囲に設定することができる。また、圧力室、下電極膜又は圧電体層の幅が途中で変化する場合、圧電素子の長手方向における能動部の中心を含む、当該能動部の主要部分に対応する領域の幅を、圧力室の幅、下電極膜の幅又は圧電体層の幅として上記した数値範囲に設定することができる。例えば、下電極膜のリード電極部側の端部が途中から細くなる場合、当該細くなる部分を除いた圧力室に対応する領域の下電極膜の幅を、上記した数値範囲に設定する。さらに、上記した第２実施形態のように圧力室２２′に対応する領域における下電極膜２７′、圧電体層２８′及び圧力室２２′の幅（ノズル列方向における寸法）が場所（ノズル列方向に直交する方向）によって大きく異なる場合、それぞれの場所において下電極膜２７′、圧電体層２８′及び圧力室２２′の幅が上記した数値範囲に設定されることが望ましいが、少なくとも、変位量への影響が大きい圧電素子１９′の能動部が最大幅となるところで、下電極膜２７′、圧電体層２８′及び圧力室２２′の幅が上記した数値範囲に設定されればよい。例えば、ノズル列方向に直交する方向における略中央部分であって、略楕円形状（或いは略菱形形状）の圧力室２２′の幅が最大となる領域において、下電極膜２７′、圧電体層２８′及び圧力室２２′の幅が上記した数値範囲に設定されればよい。要は、圧力室２２′の幅が最大となるところ（すなわち圧電素子１９′の能動部の幅が最大となるところ）は、圧電素子１９′の変位量（変形量）が大きく、排除体積への影響が大きいため、排除体積の向上がより期待できる。

そして、上述した実施形態では、インクジェットプリンターに搭載されるインクジェット式記録ヘッドを例示したが、上記構成の圧電素子および圧力室を有するものであれば、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。例えば、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（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。その他、電圧の印加により能動的に変形する、いわゆるアクチュエータとして機能する圧電素子を備えたものに限らず、外部から動きが与えられることで受動的に電気信号を出力する、いわばセンサーとして機能する圧電素子を備えたものにも適用できる。

１…プリンター，３…記録ヘッド，１４…アクチュエーターユニット，１５…圧力室形成基板，１６…ノズルプレート，１７…弾性膜，１８…絶縁体膜，１９…圧電素子，２１…振動板，２２…圧力室，２３…連通部，２５…ノズル，２７…下電極膜，２８…圧電体層，２９…上電極膜，４１…リード電極部，４２…スルーホール

Claims (2)

1. 空間が第１の方向に複数並設された板材と、
   前記板材における前記空間の開口を封止する振動板と、
   前記振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層された圧電素子と、
   を備え、
   前記第１の電極層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記空間の幅の５４％以上、７２％以下の幅で形成され、
   前記圧電体層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記第１の電極層を覆い且つ前記空間の幅の８０％以下の幅で形成されたことを特徴とするアクチュエーター。
2. 空間が第１の方向に複数並設された板材と、
   前記板材における前記空間の開口を封止する振動板と、
   前記振動板側から順に第１の電極層、圧電体層および第２の電極層が積層された圧電素子と、
   を備え、
   前記第１の電極層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記空間の幅の５４％以上、７２％以下の幅で形成され、
   前記圧電体層は、前記空間に対応する領域において、前記第１の方向に前記第１の電極層を覆い且つ前記空間の幅の８０％以下の幅で形成されたことを特徴とするセンサー。

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