JP6972808B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および圧電デバイス - Google Patents
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Description
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、液体を収容する圧力室と、前記圧力室の壁面を形成する振動板と、前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、0.6以上1.4以下である。ヤング率と線膨張係数との積は、単位温度上昇時に発生する熱応力を示す。圧電素子に対して焼成する際に、圧電素子および振動板の中で、熱応力が最も大きくなるのは圧電素子内の電極であり、電極の熱応力と、振動板内の電極近傍の部材の熱応力との差が大きい程、振動板と圧電素子とが剥離し易くなる。従って、以上の態様では、前述の割合が0.6以上1.4以下であるため、電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が小さくなり、高温で焼成する場合であっても振動板と圧電素子との剥離を抑制することが可能になる。
<態様2>
態様1の好適例(態様2)において、前記電極は、白金によって形成されており、前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含む。白金のヤング率は、200GPaであり、窒化シリコン層を形成する窒化シリコンのヤング率は、300GPaであるのに対し、酸化シリコンのヤング率は75GPaである。従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、ヤング率が白金に近い材料は窒化シリコンである。
また、白金の線膨張係数は、8.9×10−6/Kであり、窒化シリコンの線膨張係数は、2.5×10−6/Kであるのに対し、酸化シリコンの線膨張係数は0.5×10−6/Kである。従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、線膨張係数が白金に近い材料は窒化シリコンである。
従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、線膨張係数とヤング率との積が白金に近い材料は窒化シリコンとなるため、以上の態様では、振動板が酸化シリコンを含む場合と比較して、高温で焼成しても、電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が小さくなり、振動板と圧電素子との剥離を抑制することが可能になる。
<態様3>
態様2の好適例(態様3)において、前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、2nm以上10nm以下の厚さを有する酸化シリコン層が形成される。一般的に、2つの層の密着力は、2つの層に共通の元素が含まれると強くなる。密着層と酸化シリコン層とは、ともに酸素を含むため、密着層と酸化シリコン層との密着力が強くなる。また、酸化シリコン層と窒化シリコン層とは、ともにシリコンを含むため、酸化シリコン層と窒化シリコン層との密着力が強くなる。以上により、振動板内の密着力を向上させることが可能である。
しかし、前述したように、酸化シリコンのヤング率および線膨張係数は、白金のヤング率および線膨張係数とは離れているため、酸化シリコンを含む程、高温で焼成した場合の電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が大きくなる。上述した態様では、酸化シリコン層の厚さが2nm以上10nm以下であるため、酸化シリコンによる振動板の熱応力への影響が抑えられる。従って、上述した態様では、高温で焼成した場合に電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板と圧電素子との剥離を抑制し、さらに振動板内の密着力を向上させることが可能になる。密着層は、例えば、酸化チタン、酸化イリジウム、または酸化スズ等といった酸化金属である。
<態様4>
態様2の好適例(態様4)において、前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、前記密着層の厚さより薄い厚さを有する酸化シリコン層が形成される。前述したように、酸化シリコンのヤング率および線膨張係数は、白金のヤング率および線膨張係数とは離れているため、酸化シリコンを含む程、高温で焼成した場合の熱応力が大きくなる。上述した態様では、酸化シリコン層が密着層より薄いため、酸化シリコンによる振動板の熱応力への影響が抑えられる。従って、上述した態様では、高温で焼成した場合に電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板と圧電素子との剥離を抑制し、さらに振動板内の密着力を向上させることが可能になる。
<態様5>
本発明の好適な態様(態様5)に係る液体吐出装置は、以上に例示した何れかの態様に係る液体吐出ヘッドを具備する。液体吐出装置の好例は、インクを吐出する印刷装置であるが、本発明に係る液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。
<態様6>
本発明の好適な態様(態様6)に係る圧電デバイスは、圧力室の壁面を形成する振動板と、前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、0.6以上1.4以下である。以上の態様によれば、前述の割合が、0.6以上1.4以下であるため、電極と振動板内の電極近傍の部材との熱応力の差が小さくなり、高温で焼成する場合であっても振動板と圧電素子との剥離を抑制することが可能になる。
図1は、本発明の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。第1実施形態の液体吐出装置100は、液体の例示であるインクを媒体(吐出対象)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。
以下、振動板36の詳細な構成に着目した実施例(実施例1および実施例2)を説明する。図6および図7に例示された実施例1および実施例2においては、振動板36の積層構造(具体的には積層数)が相違する。また、図8には、実施例と対比されるべき対比例の構成が図示されている。実施例1および実施例2では、下記(1)式を満たすのに対し、対比例では、下記(1)式を満たさない。
図6は、実施例1における振動板36を、図4のV−V線で破断した際の断面図である。図6では、図面の煩雑化を避けるために、第1配線55およびコンタクトホールH1の描画を省略する。実施例1における振動板36は、シリコン熱酸化層365と、第1窒化シリコン層362−1と、第1酸化シリコン層366−1と、ポリシリコン層363と、第2酸化シリコン層366−2と、第2窒化シリコン層362−2と、密着層364とが、圧力室C側からこの順番で積層されて形成される。
以下の説明では、同種の要素を区別する場合には、「第1窒化シリコン層362−1」、「第2窒化シリコン層362−2」のように参照符号を使用し、同種の要素を区別せずに総称する場合には、「窒化シリコン層362」のように参照符号のうちの共通番号だけを使用することがある。
図7は、実施例2における振動板36を、図4のV−V線で破断した際の断面図である。図7では、図面の煩雑化を避けるために、第1配線55およびコンタクトホールH1の描画を省略する。実施例2における振動板36は、シリコン熱酸化層365と、第1窒化シリコン層362−1と、第1酸化シリコン層366−1と、ポリシリコン層363と、第2酸化シリコン層366−2と、第2窒化シリコン層362−2と、第3酸化シリコン層366−3と、密着層364とが、圧力室C側からこの順番で積層されて形成される。
図8は、対比例における振動板36を、図4のV−V線で破断した際の断面図である。図8では、図面の煩雑化を避けるために、第1配線55およびコンタクトホールH1の描画を省略する。対比例における振動板36は、シリコン熱酸化層365と、第1ポリシリコン層363−1と、第1酸化シリコン層366−1と、第1窒化シリコン層362−1と、第2酸化シリコン層366−2と、第2窒化シリコン層362−2と、第3酸化シリコン層366−3と、第2ポリシリコン層363−2と、第4酸化シリコン層366−4と、密着層364とが、圧力室C側からこの順番で積層されて形成される。
上述したように、実施例1および実施例2では、(1)式を満たす。ここで、(1)式のα×Eは、単位温度上昇時に発生する熱応力を示す。圧電素子38に対して焼成する際に、圧電素子38および振動板36の中で、熱応力が最も大きくなるのは第1電極51であり、第1電極51と近傍部材との熱応力の差が大きい程、振動板36と圧電素子38とが剥離し易くなる。従って、(1)式を満たすことにより、高温で焼成しても第1電極51と近傍部材との熱応力の差が小さくなり、振動板36と圧電素子38との剥離を抑制することが可能になる。なお、第1電極51と圧電体層52との関係については、考慮しなくてよい。考慮しなくてよい理由としては、圧電体層52は、高温焼成する温度より低い温度でキュリー温度を有し、キュリー温度の前後では圧電体層52の結晶構造が大きく変化して、第1電極51と圧電体層52との熱応力の差が小さくなるためである。
また、白金の線膨張係数は、8.9×10−6/Kであり、窒化シリコンの線膨張係数は、2.5×10−6/Kであるのに対し、酸化シリコンの線膨張係数は0.5×10−6/Kである。従って、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、線膨張係数が白金に近い材料は窒化シリコンである。
以上により、窒化シリコンと酸化シリコンとのうち、α×Eが白金に近い材料も窒化シリコンとなる。従って、振動板36が酸化シリコンを含む場合と比較して、高温で焼成しても第1電極51と近傍部材との熱応力の差が低減し、振動板36と圧電素子38との剥離を抑制することが可能になる。
しかし、前述したように、酸化シリコンのヤング率および線膨張係数は、白金のヤング率および線膨張係数とは離れているため、振動板36が酸化シリコンを含む程、高温で焼成した場合の第1電極51と近傍部材との熱応力の差が大きくなってしまう。そこで、実施例2におけるtSiOのように、密着層364と窒化シリコン層362との間に形成される酸化シリコン層366の厚さが、2nm以上10nm以下であることが好ましい。この厚さの範囲であれば、酸化シリコンによる振動板36の熱応力への影響が抑えられる。従って、高温で焼成した場合に第1電極51と近傍部材との熱応力の差が大きくなることを抑制して、振動板36と圧電素子38との剥離を抑制することが可能になり、さらに、振動板36内の密着力を向上させることが可能になる。
以上の各形態は多様に変形され得る。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内で適宜に併合され得る。なお、以下に例示する変形例において作用や機能が実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照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。
Claims (5)
- 液体を収容する圧力室と、
前記圧力室の壁面を形成する振動板と、
前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、0.6以上1.4以下であり、
前記電極は、白金によって形成されており、
前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、2nm以上10nm以下の厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
液体吐出ヘッド。 - 液体を収容する圧力室と、
前記圧力室の壁面を形成する振動板と、
前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、0.6以上1.4以下であり、
前記電極は、白金によって形成されており、
前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、前記密着層の厚さより薄い厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
液体吐出ヘッド。 - 請求項1または請求項2の液体吐出ヘッドを具備する液体吐出装置。
- 圧力室の壁面を形成する振動板と、
前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、0.6以上1.4以下であり、
前記電極は、白金によって形成されており、
前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、2nm以上10nm以下の厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
圧電デバイス。 - 圧力室の壁面を形成する振動板と、
前記振動板を挟んで前記圧力室とは反対側に設けられて前記振動板を振動させる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子の前記振動板側の電極のヤング率と前記電極の線膨張係数との積に対する、前記振動板のうち前記圧電素子側の面から前記電極の厚さまでに含まれる部材のヤング率と前記部材の線膨張係数との積の割合が、0.6以上1.4以下であり、
前記電極は、白金によって形成されており、
前記部材は、窒化シリコンによって形成された窒化シリコン層を含み、
前記振動板は、前記圧電素子側の最表層に位置し、酸化物である密着層を含み、
前記密着層と前記窒化シリコン層との間には、酸化シリコンによって形成されており、前記密着層の厚さより薄い厚さを有する酸化シリコン層が形成される、
圧電デバイス。
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