JP7247555B2 - 圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法に関する。
圧電アクチュエータとして、特許文献１には、ノズルに連通する圧力発生室のインクを加圧する圧電素子が記載されている。特許文献１の圧電素子は、弾性膜、絶縁体膜、複数の第１圧電層、第２圧電層、第１共通電極、複数の個別電極及び第２共通電極を備えている。弾性膜は、一方向に配列された複数の圧力室を覆う。絶縁体膜は、弾性膜の上面に配置され、弾性膜とともに複数の圧力室を覆う。複数の第１圧電層は、絶縁体膜の上面の、複数の圧力室と上下方向に重なる部分に配置されている。第２圧電層は、複数の第１圧電層にわたって連続的に延びて、絶縁体膜の上面、第１圧電層の上面、及び、第１圧電層の上記一方向の端面を覆っている。第１共通電極は、絶縁体膜と第１圧電層との間に配置され、複数の第１圧電層にわたって連続的に延びている。複数の個別電極は、複数の第１圧電層と第２圧電層との間に配置されている。第２共通電極は、第２圧電層の上面に配置され、複数の第１圧電層と上下方向に重なる部分にわたって連続的に延びている。
特許文献１では、特許文献１の圧電素子では、第１圧電層の第１共通電極と個別電極とに挟まれた部分が、個別電極と第１共通電極との電位差によって圧電変形する活性部となっているのに加えて、第２圧電層の第２共通電極と個別電極とに挟まれた部分も、個別電極と第２共通電極との電位差によって圧電変形する活性部となっている。これにより、これら２つの活性部が圧電変形することで、弾性膜、絶縁体膜及び第１、第２圧電層の圧力室と上下方向に重なる部分を大きく変形し、圧力室内のインクに大きな圧力を付与することができる。
特開2013-256137号公報
ここで、特許文献１に記載されている圧電素子を製造するときには、例えば、圧電材料の層を形成し、この圧電材料の層に対してエッチングを行って第１圧電体層を形成する。その後、第１圧電体層を覆う別の圧電材料の層を形成し、この圧電材料の層に対してエッチングを行って第２圧電体層を形成する。また、このとき、例えば、スピンコート法によって圧電材料を塗布することで圧電材料の層を形成することがある。この場合、第１圧電体層が形成された時点では、この後に、第２圧電体層となる圧電材料の層が形成される面が、第１圧電体層が配置された部分と、第１圧電体層が配置されていない部分とによって形成される凹凸のある面となっている。そのため、この後、スピンコート法によって圧電材料を塗布して第２圧電体層となる圧電材料の層を形成すると、圧電材料の層の厚みにばらつきが生じる。そのため、第２圧電体層の厚みにもばらつきが生じる。第２圧電体層の厚みがあると、圧電素子を駆動したときの変形量が、第２圧電体層の厚みによって変わり、所望の駆動特性が得られない虞がある。
本発明の目的は、積層された２層の圧電体を備え、且つ、圧電体の厚みにばらつきが生じにくい圧電アクチュエータ、及び、圧電アクチュエータの製造方法を提供することである。
本発明の圧電アクチュエータは、振動板と、前記振動板の厚み方向における一方側に配置され、前記厚み方向と直交する第１方向に配列された複数の第１圧電体と、前記厚み方向において、複数の前記第１圧電体の前記振動板と反対側に配置された複数の第２圧電体と、前記厚み方向において、前記振動板と前記第１圧電体との間に配置された第１電極と、前記厚み方向において前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に配置され、前記第１電極と前記厚み方向に重なる第２電極と、前記厚み方向において、前記第２圧電体の前記第１圧電体と反対側に配置され、前記厚み方向に前記第２電極と重なる第３電極と、を備え、前記第２圧電体は、前記第１圧電体よりも前記第１方向の長さが短く、前記第１圧電体の、前記第１方向の端面である第１端面の一部分のみを覆い、前記第１端面は、前記第２圧電体の前記第１方向の端面である第２端面よりも、前記第１方向に対する傾斜角度が小さい。
本発明の実施形態に係るプリンタの概略構成図である。 ヘッドユニットの平面図である。 図２のIII－III線断面図である。 図２のIV－IV線断面図である。 （ａ）は、下電極４１を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図であり、（ｂ）は、第１層１０１を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図であり、（ｃ）は、エッチングにより第１圧電体４２を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図であり、（ｄ）は、中間電極４３を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図であり、（ｅ）は、第２層１０２を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図であり、（ｆ）は、第２圧電体４４を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図であり、（ｇ）は、上下電極４５を形成する工程を説明するための図３の一部分に対応する図である。 （ａ）は、下電極４１を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図であり、（ｂ）は、第１層１０１を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図であり、（ｃ）は、エッチングにより第１圧電体４２を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図であり、（ｄ）は、中間電極４３を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図であり、（ｅ）は、第２層１０２を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図であり、（ｆ）は、第２圧電体４４を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図であり、（ｇ）は、上下電極４５を形成する工程を説明するための図４の一部分に対応する図である。 （ａ）は図５（ｂ）のVIIＡ部の拡大図であり、（ｂ）は図５（ｃ）のVIIＢ部の拡大図であり、（ｃ）は図５（ｅ）のVIIＣ部の拡大図であり、（ｄ）は図５（ｆ）のVIIＤ部の拡大図である。 （ａ）は図６（ｂ）のVIIIＡ部の拡大図であり、（ｂ）は図６（ｃ）のVIIIＢ部の拡大図であり、（ｃ）は図６（ｅ）のVIIIＣ部の拡大図であり、（ｄ）は図６（ｆ）のVIIIＤ部の拡大図である。 一変形例に係るヘッドユニット１５０の図３に対応する断面図である。
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
＜プリンタ１の概略構成＞
図１に示すように、本実施形態に係るプリンタ１は、２つのインクジェットヘッド２Ａ、２Ｂと、プラテン３と、搬送ローラ４、５とを備えている。インクジェットヘッド２Ａとインクジェットヘッド２Ｂとは、記録用紙Ｐが搬送される搬送方向（本発明の「第２方向」）に並んでおり、インクジェットヘッド２Ｂがインクジェットヘッド２Ａよりも、搬送方向の下流側に位置している。インクジェットヘッド２Ａ、２Ｂは、それぞれ、４つのヘッドユニット１１と、保持部材１２とを備えている。
ヘッドユニット１１は、その下面に開口した複数のノズル１０を有する。複数のノズル１０は、搬送方向と直交する紙幅方向（本発明の「第１方向」、「一方向」）に配列されることによってノズル列９を形成しており、ヘッドユニット１１は、搬送方向に並んだ２列のノズル列９を有する。２列のノズル列９間で、紙幅方向のノズル１０の位置は同じである。なお、以下では、図１に示すように、紙幅方向の右側及び左側を定義して説明を行う。
インクジェットヘッド２Ａにおいては、２列のノズル列９のうち、搬送方向の上流側のノズル列９を構成するノズル１０からブラックインクが吐出され、搬送方向の下流側のノズル列９を構成するノズル１０からイエローインクが吐出される。インクジェットヘッド２Ｂにおいては、搬送方向の上流側のノズル列９を構成するノズル１０からシアンインクが吐出され、搬送方向の下流側のノズル列９を構成するノズル１０からマゼンタインクが吐出される。
また、インクジェットヘッド２Ａ、２Ｂにおいては、４つのヘッドユニット１１のうち、２つずつのヘッドユニット１１が、それぞれ、紙幅方向に間隔をあけて並んでいる。また、４つのヘッドユニット１１のうち、紙幅方向に並んだ２つのヘッドユニット１１と残り２つのヘッドユニット１１とは、搬送方向に間隔をあけて並んでいる。また、搬送方向の上流側に配置された２つのヘッドユニット１１と、下流側に配置された２つのヘッドユニット１１とは、紙幅方向の位置がずれている。そして、搬送方向の上流側に配置されたヘッドユニット１１の一部のノズル１０と、下流側に配置されたヘッドユニット１１の一部ノズル１０とが、搬送方向に重なっている。これにより、４つのヘッドユニット１１の複数のノズル１０が、紙幅方向に記録用紙Ｐの全長にわたって配置されている。すなわち、インクジェットヘッド２Ａ、２Ｂは、紙幅方向に記録用紙Ｐの全長にわたって延びた、いわゆるラインヘッドである。
保持部材１２は、紙幅方向に記録用紙Ｐの全長にわたって延びた長方形の板状の部材である。保持部材１２には、４つのヘッドユニット１１に対応する４つの貫通孔１２ａが形成されている。ヘッドユニット１１の複数のノズル１０は、対応する貫通孔１２ａを介して下側（記録用紙Ｐ側）に露出している。
プラテン３は、インクジェットヘッド２Ａ、２Ｂの下方に配置され、インクジェットヘッド２Ａ、２Ｂの複数のノズル１０と対向している。プラテン３は、記録用紙Ｐを下方から支持する。
搬送ローラ４は、搬送方向におけるインクジェットヘッド２Ａ、２Ｂ及びプラテン３よりも上流側に配置されている。搬送ローラ５は、搬送方向におけるインクジェットヘッド２Ａ、２Ｂ及びプラテン３よりも下流側に配置されている。搬送ローラ４、５は、記録用紙Ｐを搬送方向に搬送する。
そして、プリンタ１では、搬送ローラ４、５により記録用紙Ｐを搬送方向に搬送させながら、インクジェットヘッド２Ａ、２Ｂに複数のノズル１０から記録用紙Ｐに向けてインクを吐出させることによって、記録用紙Ｐへの記録を行う。
＜ヘッドユニット１１＞
次に、ヘッドユニット１１について説明する。図２～図４に示すように、ヘッドユニット１１は、ノズルプレート３１と、流路基板３２と、２つの圧電アクチュエータ３３と、保護基板３４とを備えている。
ノズルプレート３１は、ポリイミドなどの合成樹脂材料からなる。ノズルプレート３１は、上記２列のノズル列９を構成する複数のノズル１０を有する。
流路基板３２は、シリコン（Ｓｉ）からなり、ノズルプレート３１の上面に配置されている。流路基板３２は、複数の圧力室３０を有する。複数の圧力室３０は、複数のノズル１０に対して個別のものである。圧力室３０は、搬送方向を長手方向とし、搬送方向における一方側の端部において、対応するノズル１０と上下方向（本発明の「厚み方向」）に重なっている。これにより、ノズルプレート３１には、複数の圧力室３０が紙幅方向に配列されることによって形成された圧力室列８が、搬送方向に２列に並んでいる。ここで、搬送方向における一方側とは、搬送方向の上流側の圧力室列８に対応する構成について説明するときには搬送方向の上流側のことを示し、搬送方向の下流側の圧力室列８に対応する構成について説明するときには搬送方向の下流側のことを示す。
２つの圧電アクチュエータ３３は、２列の圧力室列８に対応しており、流路基板３２の上面に配置されている。圧電アクチュエータ３３は、振動板４０と、下電極４１（本発明の「第１電極」）と、複数の第１圧電体４２と、複数の中間電極４３（本発明の「第２電極」）と、複数の第２圧電体４４と、上電極４５（本発明の「第３電極」）とを備えている。
振動板４０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）等からなり、複数の圧力室３０の上端を覆っている。振動板４０は、流路基板３２の上端部を酸化又は窒化させたものである。
下電極４１は、２列の圧力室列８に対して共通のものであり、例えば白金（Ｐｔ）からなる。下電極４１は、振動板４０の上面に配置され、２列の圧力室列８を構成する複数の圧力室３０にわたって連続的に延びている。
複数の第１圧電体４２は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料からなる。複数の第１圧電体４２は、複数の圧力室３０に対して個別のものである。各第１圧電体４２は、下電極４１が配置された振動板４０の上面（厚み方向の一方側）の、対応する圧力室３０と上下方向に重なる部分に配置されている。これにより、複数の第１圧電体４２が、複数の圧力室３０と同様、紙幅方向に配列されている。第１圧電体４２の厚みは、例えば、０．５μｍ程度である。
また、第１圧電体４２の、紙幅方向の両側の端面４２ａ（本発明の「第１端面」）は、それぞれ、下方から上方に向かうほど、紙幅方向において第１圧電体４２の内側に向かうように、紙幅方向に対して傾斜角度α１だけ傾いて延びている。これにより、第１圧電体４２の紙幅方向の２つの端面４２ａは、紙幅方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いている。傾斜角度α１は、例えば、１５°以上２５°以下である。
また、第１圧電体４２の、搬送方向の両側の端面４２ｂ（本発明の「第３端面」）は、それぞれ、下方から上方に向かうほど、搬送方向において第１圧電体４２の内側に向かうように、搬送方向に対して、傾斜角度β１だけ傾いて延びている。これにより、第１圧電体４２の搬送方向の２つの端面４２ｂは、搬送方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いている。傾斜角度β１は、傾斜角度α１よりも小さい角度であり、例えば、１０～１５°である。
複数の中間電極４３は、例えば白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）からなる。複数の中間電極４３は、複数の第１圧電体４２に対して個別のものであり、対応する第１圧電体４２の上面に配置されている。また、各中間電極４３は、搬送方向における上記一方側に引き出され、流路基板３２の上記一方側の端部まで延びている。
複数の第２圧電体４４は、上述の圧電材料からなる。複数の第２圧電体４４は、複数の第１圧電体４２に対して個別のものである。各第２圧電体４４は、中間電極４３が配置された第１圧電体４２の上面（振動板４０と反対側）に配置されている。これにより、複数の第２圧電体４４が、複数の圧力室３０及び複数の第１圧電体４２と同様、紙幅方向に配列されている。第２圧電体４４の厚みは、例えば、０．５μｍ程度である。
また、紙幅方向において、第２圧電体４４の長さＷ２は、第１圧電体４２の長さＷ１よりも長く、第１圧電体４２の両端の位置が、第２圧電体４４の両端の位置よりも内側である。言い換えれば、紙幅方向において、第２圧電体４４の右端が、第１圧電体４２の右端よりも右側に位置し、第２圧電体４４の左端が、第１圧電体４２の左端よりも左側に位置する。これにより、第２圧電体４４は、第１圧電体４２の紙幅方向の両側の端面４２ａの全体を覆っている。
また、第２圧電体４４の、紙幅方向の両側の端面４４ａ（本発明の「第２端面」）は、それぞれ、下方から上方に向かうほど、紙幅方向において第２圧電体４４の内側に向かうように、紙幅方向に対して傾斜角度α２だけ傾いて延びている。これにより、第２圧電体４４の紙幅方向の２つの端面４４ａは、紙幅方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いている。傾斜角度α２は、傾斜角度α１よりも大きい角度であり、例えば、２５°以上３５°以下である。
また、搬送方向において、第２圧電体４４の長さＬ２は、第１圧電体４２の長さＬ１よりも長く、第１圧電体４２の両端の位置が、第２圧電体４４の両端の位置よりも内側である。言い換えれば、搬送方向において、第２圧電体４４の上流側の端が、第１圧電体４２の上流側の端よりも上流側に位置し、第２圧電体４４の下流側の端が、第１圧電体４２の下流側の端よりも下流側に位置する。これにより、第２圧電体４４は、第１圧電体４２の搬送方向の両側の端面４２ｂの全体を覆っている。例えば、第１圧電体４２の長さＬ１及び第２圧電体４４の長さＬ２は、それぞれ、５００μｍ程度、６００μｍ程度である。
また、第２圧電体４４の、搬送方向の両側の端面４４ｂ（本発明の「第４端面」）は、それぞれ、下方から上方に向かうほど、搬送方向において第２圧電体４４の内側に向かうように、搬送方向に対して傾斜角度β２だけ傾いて延びている。これにより、第２圧電体４４の２つの端面４４ｂは、搬送方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いている。傾斜角度β２は、傾斜角度β１よりも大きい角度であり、例えば、２５～３０°である。
上電極４５は、例えば白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）からなる。上電極４５は、複数の第２圧電体４４の上面と、複数の第２圧電体４４の紙幅方向の両側の端面４４ａとを覆うように延びている。また、上電極４５は、第１圧電体４２及び第２圧電体４４よりも搬送方向の他方側に引き出され、下電極４１と上下方向に重なっている。これにより、下電極４１と上電極４５とが互いに導通している。ここで、搬送方向における他方側とは、搬送方向の上流側の圧力室列８に対応する構成について説明するときには搬送方向の下流側のことを示し、搬送方向の下流側の圧力室列８に対応する構成について説明するときには搬送方向の上流側のことを示す。
また、上電極４５の厚みＴ３は、下電極４１の厚みＴ１及び中間電極４３の厚みＴ２よりも大きい。ただし、上電極４５の厚みＴ３は、後述するように圧電アクチュエータ３３を駆動したときの振動板４０、第１圧電体４２及び第２圧電体４４の変形を大きく阻害しない程度の厚みとなっている。例えば、厚みＴ１、Ｔ２は８０～９０ｎｍ程度、厚みＴ３は１００～２００ｎｍ程度である。
また、圧電アクチュエータ３３は、各圧力室３０の搬送方向における他方側の端部と上下方向に重なる部分に、振動板４０、下電極４１及び上電極４５を上下方向に貫通する供給口３３ａを有する。
保護基板３４は、シリコン（Ｓｉ）からなり、圧電アクチュエータ３３が配置された流路基板３２の上面に配置されている。保護基板３４は、その下面に開口した２つの凹部３４ａを有する。２つの凹部３４ａは、２列の圧力室列８に対応しており、紙幅方向に延びて圧力室列８を構成する複数の圧力室３０に対応する複数の第１圧電体４２及び複数の第２圧電体４４を覆っている。
また、保護基板３４には、各供給孔３３ａと上下方向に重なる部分に、上下方向に延びた供給流路３４ｂを有する。供給流路３４ｂは、下端において供給孔３３ａに接続され、上端において、図示しないマニホールドに接続されている。これにより、供給流路３４ｂ及び供給孔３３ａを介して、マニホールドから複数の圧力室３０にインクが供給される。
また、本実施形態では、複数の中間電極４３の保護基板３４よりも搬送方向の一方側に位置する部分が露出している。そして、複数の中間電極４３の上記露出した部分に配線部材５２が接続され、複数の中間電極４３は、配線部材５２を介して図示しないドライバＩＣに接続され、ドライバＩＣにより、複数の中間電極４３に個別に、グランド電位及び所定の駆動電位（例えば２０Ｖ程度）のいずれかの電位が選択的に付与される。
また、図２に示すように、振動板４０の上面には、互いに重なった下電極４１及び上電極４５の紙幅方向における両端部に接続され、搬送方向の上記一方側に引き出された配線部４６が配置されている。配線部４６は、流路基板３２の搬送方向における上記一方側の端部まで延びている。そして、配線部４６の電極４１、４３と反対側の端部が、配線部材５２に接続されている。これにより、下電極４１及び上電極４５が、配線部材５２を介して図示しない電源に接続されてグランド電位に保持される。
ここで、圧電アクチュエータ３３を駆動させて、ノズル１０からインクを吐出させる方法について説明する。圧電アクチュエータ３３では、全ての中間電極４３の電位が、下電極４１及び上電極４５と同じグランド電位に保持されている。あるノズル１０からインクを吐出させるときには、そのノズル１０に対応する中間電極４３の電位をグランド電位から上記駆動電位に切り換える。すると、第１圧電体４２の下電極４１と中間電極４３とに挟まれた活性部、及び、第２圧電体４４の中間電極４３と上電極４５とに挟まれた活性部に、それぞれ厚み方向の電界が発生し、第１圧電体４２の活性部及び第２圧電体４４の活性部が圧電変形して、水平方向に収縮する。これにより、振動板４０、第１圧電体４２及び第２圧電体４４の圧力室３０と上下方向に重なる部分が、全体として圧力室３０側に凸となるように変形する。その結果、圧力室３０の容積が小さくなって、圧力室３０内のインクの圧力が上昇し、圧力室３０に連通するノズル１０からインクが吐出される。そして、ノズル１０からインクが吐出された後、中間電極４３の電位をグランド電位に戻す。
＜ヘッドユニット１１の製造方法＞
次に、圧電アクチュエータ３３を有するヘッドユニット１１の製造方法について説明する。なお、ヘッドユニット１１の製造段階においては、ヘッドユニット１１は、プリンタ１に組み付けられていないが、ここでは便宜上、製造時におけるヘッドユニット１１の「紙幅方向」、「搬送方向」及び「上下方向」に対応する方向を、それぞれ、「紙幅方向」、「搬送方向」及び「上下方向」として説明を行う。
ヘッドユニット１１を製造するときには、まず、図５（ａ）、図６（ａ）に示すように、流路基板３２となる基材１０１の上面を酸化又は窒化させることによって形成された振動板４０の上面に、下電極４１を形成する（第１電極形成工程）。
続いて、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すように、下電極４１が配置された振動板４０の上面に、ゾルゲル法によって、第１圧電体４２となる圧電材料の層である第１層１０２を形成する（第１層形成工程）。このとき、スピンコート法で圧電材料の塗布を行う。なお、ゾルゲル法による第１層１０２及び後述の第２層１０３の形成については、後程詳細に説明する。
続いて、図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すように、第１層１０２にエッチングを行うことによって、第１圧電体４２を形成する（第１エッチング工程）。このとき、第１圧電体４２の端面４２ａの紙幅方向に対する傾斜角度がα１となり、第１圧電体４２の端面４２ｂの搬送方向に対する傾斜角度がβ１となるようにエッチングを行う。第１圧電体４２の端面４２ａ、４２ｂの傾斜角度の調整、及び、後述の第２圧電体４４の端面４４ａ、４４ｂの傾斜角度の調整は、例えば、エッチングの際のバイアスパワーの調整によって行うことができる。バイアスパワーとは、エッチングの際に対象物が載置されるステージ上にプラズマを引き込むための電力のことである。
続いて、図５（ｄ）、図６（ｄ）に示すように、第１圧電体４２の上面に中間電極４３を形成する（第２電極形成工程）。
続いて、図５（ｅ）、図６（ｅ）に示すように、下電極４１、第１圧電体４２が配置された振動板４０の上面に、ゾルゲル法によって、第２圧電体４４となる圧電材料の層である第２層１０３を形成する（第２層形成工程）。このとき、スピンコート法で圧電材料の塗布を行う。続いて、図５（ｆ）、図６（ｆ）に示すように、第２層１０３にエッチングを行うことによって、第２圧電体４４を形成する（第２エッチング工程）。
このとき、第２圧電体４４の端面４４ａの紙幅方向に対する傾斜角度がα２となり、第２圧電体４４の端面４４ｂの搬送方向に対する傾斜角度がβ２となるようにエッチングを行う。また、このとき、第２層１０３の、第１圧電体４２の端面４２ａ、４２ｂを覆っている部分が除去されないようにエッチングを行う。
続いて、振動板４０、下電極４１、第１圧電体４２及び第２圧電体４４を覆う上電極４５を形成する（第３電極形成工程）。これにより、ヘッドユニット１１のうち、圧電アクチュエータ３３が完成する。この後、基材１０１の上面に保護基板３４を接合し、エッチングなどにより、基材１０１に圧力室３０などを形成して流路基板３２とし、流路基板３２の下面に、別途作製したノズルプレート３１を接合する。これにより、ヘッドユニット１１が完成する。
＜ゾルゲル法による第１層１０２及び第２層１０３の形成＞
次に、ゾルゲル法による第１層１０２及び第２層１０３の形成について説明する。ゾルゲル法により圧電材料の層を形成するときには、スピンコート法により圧電材料を塗布することによって、圧電材料の薄膜を形成する。そして、このような圧電材料の薄膜の形成を繰り返し行うことで、圧電材料の薄膜を複数層積層させて第１層１０２や第２層１０３を形成する。
また、このとき、所定数の圧電材料の薄膜が積層される毎に、圧電材料の焼成を行う。これにより、最終的に形成される第１層１０２及び第２層１０３においては、それぞれ、焼成時に最も上方に位置していた圧電材料の薄膜の上面となる部分に積層境界１１１、１１２ができる。
上述したように、第１層１０２は、下電極４１が配置された振動板４０の上面に形成される。この面は紙幅方向及び搬送方向と平行な平坦な面であるため、第１層１０２を構成する上記薄膜は、紙幅方向及び搬送方向と平行に延びたものとなる。
そのため、図７（ａ）、図８（ａ）に示すように、第１層１０２における積層境界１１１は、紙幅方向及び搬送方向に延びたものとなる。その結果、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、第１層１０２にエッチングが行われることによって形成された第１圧電体４２においても、積層境界１１１は、紙幅方向及び搬送方向に延びたものとなる。
これに対して、第２層１０３は、下電極４１及び第１圧電体４２が配置された振動板４０の上面に形成される。この面は、第１圧電体４２が配置されている部分と、第１圧電体４２が配置されていない部分とを有する凹凸のある面となっている。
そのため、図７（ｃ）、図８（ｃ）に示すように、第２層１０３における積層境界１１２は、第１圧電体４２の上面を覆う部分、及び、下電極４１を覆う部分では、紙幅方向及び搬送方向に延びたものとなる。また、第２層１０３における積層境界１１２は、第１圧電体４２の端面４２ａを覆っている部分では、紙幅方向に対して傾斜した方向に沿って延びたものとなり、第１圧電体４２の端面４２ｂを覆っている部分では、搬送方向に対して傾斜した方向に沿って延びたものとなる。
その結果、図７（ｄ）、図８（ｄ）に示すように、第２層１０３にエッチングが行われることによって形成された第２圧電体４４においても、積層境界１１２は、第１圧電体４２の上面を覆う部分では、紙幅方向及び搬送方向に延びたものとなり、第１圧電体４２の端面４２ａを覆っている部分では、紙幅方向に対して傾斜した方向に沿って延びたものとなり、第１圧電体４２の端面４２ｂを覆っている部分では、搬送方向に対して傾斜した方向に沿って延びたものとなる。
＜効果＞
ここで、上述したような手順で圧電アクチュエータ３３を製造する場合、振動板４０の第１圧電体４２が配置されていない部分の上面と、第１圧電体４２の表面を含む凹凸のある面に、第２層１０３を形成することになる。このような凹凸のある面に、スピンコート法で圧電材料を塗布して第２層１０３を形成すると、第２層１０３の厚みにばらつきが生じてしまう。その結果、第２層１０３にエッチングを行うことによって形成される第２圧電体４４の厚みにもばらつきが生じる。第２圧電体４４の厚みがあると、圧電アクチュエータ３３を駆動したときの振動板４０、第１圧電体４２及び第２圧電体４４の変形量が、第２圧電体４４の厚みによって変わり、所望の駆動特性が得られない虞がある。
そこで、本実施形態では、第１圧電体４２の紙幅方向の端面４２ａの、紙幅方向に対する傾斜角度α１を、第２圧電体４４の紙幅方向の端面４４ａの、紙幅方向に対する傾斜角度α２よりも小さくしている。傾斜角度α１を小さくすることにより、振動板４０の第１圧電体４２が配置された部分と、第１圧電体４２が配置されていない部分との境界部分での凹凸が緩やかになる。その結果、第２圧電体４４の厚みのばらつきを極力抑えることができる。また、傾斜角度α２を大きくすることにより、第２圧電体４４の紙幅方向の長さを極力短くして、圧電アクチュエータの紙幅方向への大型化を抑えることができる。
また、このとき、第１圧電体４２の端面４２ａの傾斜角度α１を１５°以上２０°以下とすれば、第２圧電体４４を厚みのばらつきを効果的に抑えることができる。また、第２圧電体４４の端面４４ａの傾斜角度α２を２５°以上３５°以下とすることにより、第２圧電体４４の紙幅方向の長さを極力短くすることができる。
また、複数の第１圧電体４２及び複数の第２圧電体４４が紙幅方向に並ぶ圧電アクチュエータ３３では、第２圧電体４４の紙幅方向の長さが長くなると、圧電アクチュエータ３３の紙幅方向への大型化が顕著なものとなる。したがって、本実施形態のように、第２圧電体４４の端面４４ａの傾斜角度α２を大きくして、第２圧電体４４の紙幅方向の長さを極力短くする意義は大きい。
また、本実施形態では、第１圧電体４２の紙幅方向の２つの端面４２ａは、紙幅方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いている。したがって、第１層１０２の第１圧電体４２となる部分の紙幅方向の両側に位置する部分に対して同じようにエッチングを行うことにより、このような構造の第１圧電体４２を簡単に形成することができる。
また、本実施形態では、第２圧電体４４の紙幅方向の２つの端面４４ａは、紙幅方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いている。したがって、第２層１０３の第２圧電体４４となる部分の紙幅方向の両側に位置する部分に対して同じようにエッチングを行うことにより、このような構造の第２圧電体４４を簡単に形成することができる。
また、本実施形態では、第２圧電体４４が、第１圧電体４２の紙幅方向の端面４２ａの全体を覆っている。したがって、第１圧電体４２の形成後、第２層１０３を形成し、第２層１０３にエッチングを行って第２圧電体４４を形成するときに、オーバーエッチングにより第１圧電体４２の一部を除去してしまわないようにすることを考慮する必要がなく、第２圧電体４４を簡単に形成することができる。
また、本実施形態では、第１圧電体４２の搬送方向の端面４２ｂの、搬送方向に対する傾斜角度β１を、第２圧電体４４の搬送方向の端面４４ａの、搬送方向に対する傾斜角度β２よりも小さくしている。傾斜角度β１を小さくすることにより、振動板４０の第１圧電体４２が配置された部分と、第１圧電体４２が配置されていない部分との境界部分での凹凸が緩やかになる。その結果、第２圧電体４４の厚みのばらつきを極力抑えることができる。また、傾斜角度β２を大きくすることにより、第２圧電体４４の搬送方向の長さを極力短くして、圧電アクチュエータ３３の搬送方向への大型化を抑えることができる。
また、本実施形態では、複数の第１圧電体４２が配列される紙幅方向については、第１圧電体４２の長さをできるだけ短くする必要があるが、搬送方向については、第１圧電体４２の長さが多少長くなっても圧電アクチュエータ３３の大型化へ影響は小さい。そこで、本実施形態では、第１圧電体４２の搬送方向の端面４２ｂの傾斜角度β１を、紙幅方向の端面４２ａの傾斜角度α１よりも小さくする。これにより、第２圧電体４４の厚みのばらつきをより効果的に抑えることができる。
また、第１圧電体４２となる第１層１０２、及び、第２圧電体４４となる第２層１０３をゾルゲル法で形成すれば、材料コストを抑えることができる。
また、ゾルゲル法によって第１層１０２（第１圧電体４２）、及び、第２層１０３（第２圧電体４４）を形成すれば、上述したように、第１圧電体４２の積層境界１１１が、紙幅方向及び搬送方向に延びたものとなる。また、第２圧電体４４の積層境界１１２は、第１圧電体４２と上下方向に重なる部分において、紙幅方向及び搬送方向に延びたものとなる。また、積層境界１１２は、第１圧電体４２の端面４２ａを覆っている部分において、紙幅方向に対して傾斜した方向に沿って延びたものとなる。また、積層境界１１２は、第１圧電体４２の端面４２ｂを覆っている部分において、搬送方向に対して傾斜した方向に沿って延びたものとなる。
また、本実施形態では、上記の通り、凹凸のある面に第２層１０３を形成しているため、第２圧電体４４には多少の厚みのばらつきはあり、第２圧電体４４の上面には、多少の凹凸がある。これに対して、本実施形態では、第２圧電体４４の上面を覆う上電極４５の厚みＴ３を、下電極４１の厚みＴ１及び中間電極４３の厚みＴ２よりも大きくしている。これにより、上電極４５によって凹凸のある第２圧電体４４の上面を確実に覆うことができる。その結果、圧電アクチュエータ３３の駆動時に、第２圧電体４４の中間電極４３と上電極４５とに挟まれた活性部に所望の電界を生じさせることができ、圧電アクチュエータ３３において所望の駆動特性を得ることができる。また、上電極４５によって、第２圧電体４４を外部の水分から確実に保護することができる。
＜変形例＞
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の限りにおいて様々な変更が可能である。
上述の実施形態では、第１圧電体４２の紙幅方向の端面４２ａの、紙幅方向に対する傾斜角度α１が１５°以上２０°以下であり、第２圧電体４４の紙幅方向の端面４４ａの、紙幅方向に対する傾斜角度α２が２５°以上３５°以下であったが、これには限られない。傾斜角度α２が傾斜角度α１よりも大きければ、傾斜角度α１、α２の少なくとも一方は、上記範囲外の角度であってもよい。このとき、圧電アクチュエータの紙幅方向への大型化を抑える観点から、傾斜角度α１が１０°以上であることが好ましい。ただし、傾斜角度α１は１０°未満であってもよい。
また、上述の実施形態では、第１圧電体４２の搬送方向の端面４２ｂの搬送方向に対する傾斜角度β１が、第１圧電体４２の紙幅方向の端面４２ａの紙幅方向に対する傾斜角度α１よりも小さくなっていたが、これには限られない。傾斜角度β１は、傾斜角度α１以上の角度であってもよい。
また、上述の実施形態では、第１圧電体４２の搬送方向の端面４２ｂの、搬送方向に対する傾斜角度β１が、第２圧電体４４の搬送方向の端面４４ｂの、紙幅方向に対する傾斜角度β２よりも小さくなっていたが、これには限られない。傾斜角度β１は、傾斜角度β２以上の角度であってもよい。
また、上述の実施形態では、第２圧電体４４により、第１圧電体４２の紙幅方向の端面４２ａ全体が覆われていたが、これには限られない。一変形例では、図９に示すように、圧電アクチュエータ１５０において、第２圧電体１５１の紙幅方向の長さＷ３が、第１圧電体４２の紙幅方向の長さＷ１よりも短い。そして、第２圧電体１５１は、第１圧電体４２の紙幅方向の端面４２ａのうち、一部分のみを覆っている。
ここで、圧電アクチュエータ１５０では、第２圧電体１５１のうち、中間電極４３と上電極４５とに挟まれた部分が、これらの電極の電位差によって圧電変形する活性部となっているが、第１圧電体４２の端面４２ａを覆っている部分については、中間電極４３と上電極４５とに挟まれておらず、圧電変形しない非活性部となっている。圧電アクチュエータ１５０では、非活性部が大きいほど、圧電アクチュエータ１５０を駆動させたときの変形が非活性部によって阻害される。
本変形例では、上述したように、第２圧電体１５１が、第１圧電体４２の端面４２ａの一部分のみを覆っている。したがって、本変形例では、第２圧電体４４が第１圧電体４２の端面４２ａ全体を覆う上述の実施形態と比較して、圧電アクチュエータの駆動時の変形効率を高くすることができる。
また、上述の実施形態では、第１圧電体４２の紙幅方向の２つの端面４２ａが、紙幅方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いていたが、これには限られない。第１圧電体４２の紙幅方向の２つの端面４２ａの、紙幅方向に対する傾斜角度の大きさが互いに異なっていてもよい。
また、上述の実施形態では、第１圧電体４２の搬送方向の２つの端面４２ｂが、搬送方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いていたが、これには限られない。第２圧電体４４の搬送方向の２つの端面４４ｂの、搬送方向に対する傾斜角度の大きさが互いに異なっていてもよい。
また、上述の実施形態では、第２圧電体４４の紙幅方向の２つの端面４４ａは、紙幅方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いていたが、これには限られない。第２圧電体４４の紙幅方向の２つの端面４４ａの、紙幅方向に対する傾斜角度の大きさが互いに異なっていてもよい。
また、上述の実施形態では、第２圧電体４４の搬送方向の２つの端面４４ｂは、搬送方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いていたが、これには限られない。第２圧電体４４の搬送方向の２つの端面４４ｂの、搬送方向に対する傾斜角度の大きさが互いに異なっていてもよい。
また、上述の実施形態では、複数の圧力室３０が紙幅方向に配列され、これに対応して複数の第１圧電体及び複数の第２圧電体４４が紙幅方向に配列されていたが、これには限られない。複数の圧力室３０の配置が上述の実施形態と異なり、これに対応して複数の第１圧電体及び複数の第２圧電体の配置も、上述の実施形態と異なっていてもよい。この場合でも、各第２圧電体４４の紙幅方向の端面４４ａの紙幅方向に対する傾斜角度を大きくすることにより、各第２圧電体４４の紙幅方向への大型化を抑えることができる。
また、上述の実施形態では、上電極４５の厚みＴ３が、下電極４１の厚みＴ１及び中間電極４３の厚みＴ２よりも大きくなっていたが、これには限られない。下電極４１、中間電極４３及び上電極４５の厚みの大小関係は、上述の実施形態のものとは異なっていてもよい。例えば、下電極４１、中間電極４３及び上電極４５の厚みが全て同じであってもよい。
また、上述の実施形態では、ゾルゲル法によって第１圧電体４２となる第１層１０２、及び、第２圧電体４４となる第２層１０３を形成し、このとき、スピンコート法によって圧電材料の塗布を行ったが、これには限られない。ゾルゲル法で第１層１０２及び第２層１０３を形成する際に、スピンコート法以外の方法で圧電材料の塗布を行ってもよい。さらには、ゾルゲル法以外の方法で第１圧電体４２及び第２圧電体４４を形成してもよい。
また、以上の例では、第１圧電体４２の紙幅方向の両側の端面４２ａのうち少なくとも一部分が、それぞれ第２圧電体で覆われていたが、これには限られない。第１圧電体４２の紙幅方向の片側の端面４２ａのうち少なくとも一部分のみが、第２圧電体で覆われていてもよい。
また、以上では、ノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、圧力室内のインクに圧力を付与するための圧電アクチュエータに本発明を適用した例について説明したが、これには限られない。例えば、インク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて圧力室内の液体に圧力を付与するための圧電アクチュエータに本発明を適用することも可能である。また、液体吐出ヘッド以外の装置を構成する圧電アクチュエータに本発明を適用することも可能である。
３３ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 下電極
４２ 第１圧電体
４２ａ、４２ｂ 端面
４３ 中間電極
４４ 第２圧電体
４４ａ、４４ｂ 端面
４５ 上電極
１０２ 第１層
１０３ 第２層
１１１、１１２ 積層境界
１５０ 圧電アクチュエータ
１５１ 第２圧電体

Claims (13)

  1. 振動板と、
    前記振動板の厚み方向における一方側に配置され、前記厚み方向と直交する第１方向に配列された複数の第１圧電体と、
    前記厚み方向において、複数の前記第１圧電体の前記振動板と反対側に配置された複数の第２圧電体と、
    前記厚み方向において、前記振動板と前記第１圧電体との間に配置された第１電極と、
    前記厚み方向において前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に配置され、前記第１電極と前記厚み方向に重なる第２電極と、
    前記厚み方向において、前記第２圧電体の前記第１圧電体と反対側に配置され、前記厚み方向に前記第２電極と重なる第３電極と、を備え、
    前記第２圧電体は、前記第１圧電体よりも前記第１方向の長さが短く、前記第１圧電体の、前記第１方向の端面である第１端面の一部分のみを覆い、
    前記第１端面は、前記第２圧電体の前記第１方向の端面である第２端面よりも、前記第１方向に対する傾斜角度が小さいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 振動板と、
    前記振動板の厚み方向における一方側に配置され、前記厚み方向と直交する第１方向に配列された複数の第１圧電体と、
    前記厚み方向において、複数の前記第１圧電体の前記振動板と反対側に配置された複数の第２圧電体と、
    前記厚み方向において、前記振動板と前記第１圧電体との間に配置された第１電極と、
    前記厚み方向において前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に配置され、前記第１電極と前記厚み方向に重なる第２電極と、
    前記厚み方向において、前記第２圧電体の前記第１圧電体と反対側に配置され、前記厚み方向に前記第２電極と重なる第３電極と、を備え、
    前記第２圧電体は、前記第１圧電体の、前記厚み方向と直交する第１方向の端面である第１端面の少なくとも一部分を覆い、
    前記第１端面は、前記第２圧電体の前記第１方向の端面である第２端面よりも、前記第１方向に対する傾斜角度が小さく、
    前記第１圧電体の、前記厚み方向及び前記第１方向のいずれとも直交する第２方向の端面である第３端面は、前記第２圧電体の前記第２方向の端面である第４端面よりも、前記第２方向に対する傾斜角度が小さいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  3. 振動板と、
    前記振動板の厚み方向における一方側に配置された第１圧電体と、
    前記厚み方向において、前記第１圧電体の前記振動板と反対側に配置された第２圧電体と、
    前記厚み方向において、前記振動板と前記第１圧電体との間に配置された第１電極と、
    前記厚み方向において前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に配置され、前記第１電極と前記厚み方向に重なる第２電極と、
    前記厚み方向において、前記第２圧電体の前記第１圧電体と反対側に配置され、前記厚み方向に前記第２電極と重なる第３電極と、を備え、
    前記第２圧電体は、前記第１圧電体の、前記厚み方向と直交する第１方向の端面である第１端面の少なくとも一部分を覆い、
    前記第１端面は、前記第２圧電体の前記第１方向の端面である第２端面よりも、前記第１方向に対する傾斜角度が小さく、
    前記第３電極は、前記第１電極及び前記第２電極よりも前記厚み方向の長さが長いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  4. 前記第１方向に配列された複数の前記第１圧電体及び複数の前記第２圧電体、を備えていることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 前記第１端面は、前記第１圧電体の前記第１方向における両側の端面であり、
    前記第１圧電体の、前記第１方向における一方側の前記第１端面と他方側の前記第１端面とが、前記第１方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  6. 前記第２端面が、前記第２圧電体の前記第１方向における両側の端面であり、
    前記第２圧電体の、前記第１方向における一方側の前記第２端面と他方側の前記第２端面とが、前記第１方向に対して互いに反対側に同じ角度だけ傾いていることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
  7. 前記第２圧電体の前記第１方向の長さが、前記第１圧電体の前記第１方向の長さ以上であり、前記第２圧電体が、前記第１端面の全体を覆っていることを特徴とする請求項２，４～６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  8. 前記第３端面の前記第２方向に対する傾斜角度は、前記第１端面の前記第１方向に対する傾斜角度よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
  9. 前記第２端面の前記第１方向に対する傾斜角度が、２５°以上３５°以下であり、
    前記第１端面の前記第１方向に対する傾斜角度が、１５°以上２０°以下であることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  10. 前記第１圧電体及び前記第２圧電体は、ゾルゲル法によって形成されたものであり、
    前記第１圧電体の、ゾルゲル法における焼成によって生じる圧電材料の薄膜間の積層境界が、前記第１方向に並び、
    前記第２圧電体の、ゾルゲル法における焼成によって生じる、圧電材料の薄膜間の積層境界は、
    前記第１圧電体の前記厚み方向における前記振動板と反対側の面を覆う部分では、前記第１方向に並び、
    前記第１圧電体の前記第１方向の端面を覆う部分では、前記第１方向において前記第１圧電体の内側に向かうほど、前記厚み方向において前記振動板から離れるように、前記第１方向に対して傾いた方向に並ぶことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  11. 振動板の厚み方向における一方側に、第１電極を形成する第１電極形成工程と、
    前記振動板及び前記第１電極の前記厚み方向における一方側に、圧電材料からなり、前記振動板及び前記第１電極を覆う第１層を形成する第１層形成工程と、
    前記第１層に対してエッチングを行うことによって、前記第１層の一部からなる第１圧電体を形成する第１エッチング工程と、
    前記厚み方向における、前記第１圧電体の前記振動板と反対側に第２電極を形成する第２電極形成工程と、
    前記振動板及び前記第１圧電体の前記厚み方向における前記一方側に、圧電材料からなり、前記振動板及び前記第１圧電体を覆う第２層を形成する第２層形成工程と、
    前記第２層に対してエッチングを行うことによって、前記第２層の一部からなり、前記厚み方向における前記第１圧電体の前記振動板と反対側に配置される第２圧電体を形成する第２エッチング工程と、
    前記厚み方向における、前記第２圧電体の前記第１圧電体と反対側に第３電極を形成する第３電極形成工程と、を備え、
    前記第２エッチング工程において、前記第２圧電体が、前記厚み方向と直交する一方向における前記第１圧電体の端面である第１端面の少なくとも一部分を覆うものとなるように、前記第２層に対してエッチングを行い、
    前記第１端面が、前記一方向における前記第２圧電体の端面である第２端面よりも、前記一方向に対する傾斜角度が小さくなるように、前記第１エッチング工程において前記第１層に対してエッチングを行い、前記第２エッチング工程において前記第２層に対してエッチングを行うことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
  12. 前記第１層形成工程において、ゾルゲル法によって前記第１層を形成し、
    前記第２層形成工程において、ゾルゲル法によって前記第２層を形成することを特徴とする請求項１１に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
  13. 前記第１層形成工程において、スピンコート法によって前記第１層となる圧電材料を塗布し、
    前記第２層形成工程において、スピンコート法によって前記第２層となる圧電材料を塗布することを特徴とする請求項１２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
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