JP2015193163A

JP2015193163A - 圧電アクチュエータ

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Publication number: JP2015193163A
Application number: JP2014072695A
Authority: JP
Inventors: 廣田　淳; Atsushi Hirota; 淳廣田
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP6217495B2; US20150273830A1; US9419200B2

Abstract

【課題】圧電アクチュエータの高い変形能力を確保しつつ、圧電アクチュエータが破壊されるのを抑制する。【解決手段】圧電アクチュエータ１は、圧縮応力を有する振動板２と、引っ張り応力を有する圧電層３と、個別電極４とを有する。振動板２の圧縮応力が、圧電アクチュエータ１のコンプライアンスと電圧印加時の圧力室１０の変位体積との関係において、コンプライアンスの増加に対し、変位体積が増加から減少に転じる極点を生じる閾値以上の大きさである。そして、圧電アクチュエータ１の厚みは、極点を与えるコンプライアンスに対応した所定厚みよりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力室の液体に圧力を付与することが可能な圧電アクチュエータに関する。

特許文献１には、複数の個別液室（圧力室）が形成され、各個別液室を覆う振動板上に下部電極、圧電体（圧電層）、上部電極から構成される電気機械変換素子が形成された個別流路基板を含む記録ヘッドについて記載されている。この記録ヘッドの電気機械変換素子は、ゾルゲル法を用いた成膜方式によって形成されており、電気信号が供給されることで駆動される。この電気機械変換素子の駆動に伴う振動板の機械振動により、個別液室内のインクに圧力が付与され、ノズルからインクが吐出される。

特開２０１３−６３５５９号公報

上記特許文献１に記載の記録ヘッドにおいては、電気機械変換素子の圧電体がゾルゲル法（焼結工程を含む）などで形成されていることから、圧電体には引っ張り応力が残留する。このため、振動板には圧電体から強い張力が加えられ、電気機械変換素子の上部及び下部電極に電圧が印加（電気信号の供給）されたときの、振動板及び電気機械変換素子の変形能力が低下する。この結果、振動板及び電気機械変換素子による変位体積（振動板が変位することで個別液室内に存在する体積）が低下する問題が生じる。

そこで、本発明者が、振動板に種々の大きさの圧縮応力を残留させ、圧電層（圧電体）の引っ張り応力を緩和させる構成を検討したところ、以下の課題を知見した。

この検討時に採用した圧電アクチュエータ１について、図１を参照しつつ説明する。図１に示すように、圧電アクチュエータ１は、支持基板１１の上面１１ａ（一平面）に固定され、支持基板１１に形成された圧力室１０の開口を覆う。圧電アクチュエータ１は、個別電極４及び共通電極２ｃ（ともに後述する）に所定の電圧が印加されることで、対応する圧力室１０に向かって凸状に変位し（図１（ａ）中二点鎖線で示す）、圧力室１０内の液体に圧力を付与する。圧力室１０は、ノズル（不図示）と連通している。圧力室１０内の液体に圧力が付与されると、ノズルから液体が吐出される。このとき、液体供給部（ともに不図示）から圧力室１０内に液体が供給される。複数の圧力室１０が、図１（ｂ）に示すように、左右方向に長尺な矩形平面形状を有し、一方向（上下方向）に並んで配置されている。

圧電アクチュエータ１は、振動板２と、複数の圧電層３と、複数の個別電極４とを有する。振動板２は、複数の圧力室１０に跨って形成され、振動板本体２ａと、保護層２ｂと、共通電極２ｃとを有する。振動板本体２ａは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）及びシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の２層構造からなり、シリコン酸化膜の下面が支持基板１１との固定面である。保護層２ｂは、酸化アルミニウム（ＡＬ₂Ｏ₃）からなり、振動板本体２ａの上面全体に形成されている。保護層２ｂは、拡散防止膜であり、保護層２ｂを介しての酸素や水素に加え、他の層を構成する元素の移動を規制する。共通電極２ｃは、チタン（Ｔｉ）及びプラチナ（Ｐｔ）の２層構造からなり、保護層２ｂの上面全体に形成されている。なお、振動板本体２ａは、公知のプラズマＣＶＤ法により、圧力室１０が形成される前の支持基板１１の上面１１ａに形成される。また、保護層２ｂ及び共通電極２ｃは、公知のスパッタ法により、振動板本体２ａに順に形成される。

圧電層３は、振動板２の上面（共通電極２ｃの上面）において、各圧力室１０と鉛直方向（上面１１ａと直交する方向）に対向する領域（図１（ｂ）中破線で示す領域）内にそれぞれ積層されている。この圧電層３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、ゾルゲル法で形成される。個別電極４は、プラチナ（Ｐｔ）からなり、各圧電層３の上面に積層されている。個別電極４は、公知のスパッタ法により形成される。

ここで、振動板２に残留させる圧縮応力を、例えば、１００ＭＰａ〜５００ＭＰａの範囲で変化させるとともに、各圧縮応力における圧電アクチュエータ１の厚みＴを等間隔で変化させ、これら条件の組み合わせに対するコンプライアンス（ｐｌ／ＭＰａ）と変位体積（ｐｌ）との関係を調べた。このとき、振動板本体２ａの厚みは０．４μｍ〜２．０μｍの範囲で変更し、圧電層３の厚みは０．４μｍ〜１．０μｍの範囲で変更した。圧電アクチュエータ１の厚みＴは、１．０５μｍ〜３．２５μｍの範囲を、０．２μｍ刻みで変更した。なお、振動板本体２ａおよび圧電層３以外は、総厚が０．２５μｍの一定で、共通の成膜条件で形成されている。また、圧力室１０の幅（図１（ｂ）中上下方向の幅）Ｗ１は７０μｍ、圧電層３の幅（図１（ｂ）中上下方向の幅）Ｗ２は５０μｍ、圧電層３の引っ張り応力は２００ＭＰａ、個別電極４及び共通電極２ｃに印加する電圧は所定の固定値とした。なお、コンプライアンスは、圧電アクチュエータ１を両端固定の２次元モデルとしてとらえ、各層の寸法・内部応力等の組み合わせに対して、所定の加重を印加したときの変位量より算出した。測定結果を図２に示す。図２（ａ）は残留圧縮応力が２００ＭＰａの場合であり、図２（ｂ）は残留圧縮応力が５００ＭＰａの場合である。図２（ａ）と図２（ｂ）には、圧縮応力が互いに異なるだけで、厚みが同じ（振動板本体２ａの厚み及び圧電層３の厚みも同じ）圧電アクチュエータのデータが含まれている。

横軸の変位体積は、大きいほど望ましく、より低い電圧での駆動や圧力室１０の小型化に寄与する。縦軸のコンプライアンスは、圧電アクチュエータ１の厚みが増すと小さくなり、高剛性の圧電アクチュエータ１が得られる。これは高周波駆動や圧電変形力（駆動力）の吐出エネルギーへの効果的変換に寄与する。図２（ａ）に示す残留圧縮応力が低い場合、圧電アクチュエータ１の厚みの変化範囲内において、コンプライアンス：Ｃｐが大きいと変位体積も大きくなる。図２（ｂ）に示す残留圧縮応力が高い場合、コンプライアンスが約３０ｐｌ／ＭＰａ（図中のバツ印が示す地点）より低い領域で、残留圧縮応力が低い場合と同様の傾向を示す。両者を比較すると、同じコンプライアンスであれば、残留圧縮応力が高いほど変位体積は大きい。実効的に、エネルギー伝達効率が向上している。

しかし、コンプライアンスが約３０ｐｌ／ＭＰａより高い領域では、コンプライアンスが大きくなると、変位体積は減少する。つまり、残留圧縮応力が高いと、コンプライ
アンス−変位体積特性に極点（図２（ｂ）中のバツ印）が生じる。なお、図中の極点は、複数の測定点に基づいて、その分布の近似曲線より導出してある。

圧電アクチュエータ１は、圧力室１０を画定する隔壁(支持基板１１)に拘束されている。実際の圧電アクチュエータ１は、各層に残留応力があり、電圧印加の無い初期状態でも既に変形（初期変位）している。本実施例では、圧電アクチュエータ１は、圧力室１０側に凸状である。この状態で駆動されると、圧電アクチュエータ１には、２つの変形効果が働く。

１つは、圧電アクチュエータ１のユニモルフ変形である。圧電層３と振動板２との組み合わせに基づく変形で、圧電層３が自発的に縮み、振動板２との間に面方向の歪み差が生じて、圧電アクチュエータ１は圧力室１０に向かって凸に変形する。本実施例では、圧力室１０の容積が減る（変位体積が増加する）方向である。このとき、振動板２の残留圧縮応力が大きいほど、コンプライアンスは高いので、ユニモルフ変形が容易（変形量大）となる。他は、圧電アクチュエータ１の平坦状態への復元である。主に圧電層３の自発的縮み基づく変形で、圧電アクチュエータ１は、平坦状態に向けて変化する。本実施例では、圧力室１０の容積が増す（変位体積が減少する）方向である。このとき、初期変位（振動板２の残留圧縮応力）が大きいほど、大きく復元する。

ここで、上述の極点は、コンプライアンスの変化に対して変位体積が一定となる点であって、コンプライアンスの増加に伴って、ユニモルフ変形による変位体積への寄与と、復元による変位体積への寄与が釣り合う点といえる。極点を境にして、コンプライアンスが小さい領域ではユニモルフ変形の効果が優勢であり、コンプライアンスが大きい領域では復元の効果が顕著となる。そのため、変位体積（駆動による変形と初期変形の差分である実効変位に相当）は、コンプライアンスに対する増加率が、プラスからマイナスに転じることになる。

図３を用いて、具体的に説明する。圧電層３の厚み０．４μｍおよび残留引っ張り応力２００ＭＰａ、振動板２の厚み０．８μｍの場合について、図３（ａ）はコンプライアンス−変位体積特性を示し、図３（ｂ）は変位−残留圧縮応力特性を示す。なお、圧電変位には、ユニモルフ変形および復元の両効果が含まれている。図３（ｃ）は、変位体積およびコンプライアンス−残留圧縮応力特性を示す。コンプライアンス−変位体積特性は、振動板２の残留圧縮応力をパラメータとしており、図中のデータ点は、残留圧縮応力が０ＭＰａ〜５００ＭＰａの範囲で、コンプライアンスが小さい順に１００ＭＰａ刻みで対応している。

極点は、残留圧縮応力３００ＭＰａ時である。このとき、図３（ｂ）に示すように、実効変位が極大となる。これを境に、初期変位が急増し、実効変位は減少する。図３（ｃ）に示すように、コンプライアンスは、残留圧縮応力に対して、３００ＭＰａを境に急増する。しかし、図３（ｂ）に示すように、初期変位はこれに対応した変化を示すが、圧電変位は増加が鈍い。圧電変位に対して、復元の寄与する割合が増加していると言える。また、コンプライアンスが大きい領域では、圧電アクチュエータ１に対して、剛性の割に過大な圧縮応力が内在している。このとき、圧電アクチュエータ１は、座屈的変形といえるほど初期変形が大きい。このような状態で圧電アクチュエータ1を使用すると、当該圧電アクチュエータ１にクラックが発生しやすくなる。この結果、圧電アクチュエータ１が破壊されやすくなるという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、圧電アクチュエータの高い変形能力を確保しつつ、圧電アクチュエータが破壊されるのを抑制することが可能な圧電アクチュエータを提供することである。

本発明の圧電アクチュエータは、一平面に固定されて当該一平面に開口する圧力室を覆い、印加される電圧により前記圧力室に向かって凸状に変位し当該圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータにおいて、前記一平面に固定され、圧縮応力を有する振動板と、前記振動板の前記一平面とは反対側で前記一平面と直交する方向に沿って前記圧力室と重なって積層され、引っ張り応力を有する圧電層と、前記圧電層上に積層された個別電極とを含んでいる。そして、前記振動板の圧縮応力が、前記圧電アクチュエータのコンプライアンスと電圧印加時の前記圧力室の変位体積との関係において、前記コンプライアンスの増加に対し、前記変位体積が増加から減少に転じる極点を生じる閾値以上の大きさであり、前記圧電アクチェエータの厚みは、前記極点を与える前記コンプライアンスに対応した所定厚みよりも大きい。

これによると、圧電層が引っ張り応力を有し、振動板の圧縮応力により圧電層の引っ張り応力が緩和されるとともに、圧電アクチュエータ自体のコンプライアンスが閾値以上に小さい（圧電アクチュエータ自体の厚みが閾値以上に大きい）ので、振動板の圧縮応力に対応して圧電アクチュエータの変形能力が向上する。また、圧電アクチュエータは、その残留圧縮応力が自信の剛性の割に過大とならず、座屈的変形を避けることができるので、圧電アクチュエータの高い変形能力を確保しつつ、圧電アクチュエータが破壊されるのを抑制することが可能になる。

本発明において、前記圧電層は、ゾルゲル法により前記振動板上に形成されることが好ましい。これにより、厚みの小さい圧電層を比較的簡便な方法で安価に形成でき、圧電層に引っ張り応力を残留させることも可能となる。

本発明の圧電アクチュエータによると、圧電層が引っ張り応力を有し、振動板の圧縮応力により圧電層の引っ張り応力が緩和されるとともに、圧電アクチュエータ自体のコンプライアンスが閾値以上に小さい（圧電アクチュエータ自体の厚みが閾値以上に大きい）ので、振動板の圧縮応力に対応して圧電アクチュエータの変形能力が向上する。また、圧電アクチュエータは、その残留圧縮応力が自信の剛性の割に過大とならず、座屈的変形を避けることができるので、圧電アクチュエータの高い変形能力を確保しつつ、圧電アクチュエータが破壊されるのを抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態による圧電アクチュエータを示しており、（ａ）は要部断面図であり、（ｂ）は要部平面図である。（ａ）は圧電層の残留引っ張り応力が２００ＭＰａ、振動板の残留圧縮応力が２００ＭＰａのときのコンプライアンスと変位体積との関係を示すグラフであり、（ｂ）は圧電層の残留引っ張り応力が２００ＭＰａ、振動板の残留圧縮応力が５００ＭＰａのときのコンプライアンスと変位体積との関係を示すグラフである。（ａ）は圧電層の厚みが０．４μｍ及び残留引っ張り応力が２００ＭＰａ、振動板の厚み０．８μｍのときのコンプライアンス−変位体積特性を示すグラフであり、（ｂ）は圧電層の厚みが０．４μｍ及び残留引っ張り応力が２００ＭＰａ、振動板の厚み０．８μｍのときの変位−残留圧縮応力特性を示すグラフであり、（ｃ）は圧電層の厚みが０．４μｍ及び残留引っ張り応力が２００ＭＰａ、振動板の厚み０．８μｍのときの変位体積及びコンプライアンス−残留圧縮応力特性を示すグラフである。第１条件におけるコンプライアンスと変位体積との関係を示すグラフである。第２条件におけるコンプライアンスと変位体積との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、以下に説明する。

本実施形態における圧電アクチュエータの構成は、図１に示す上述の圧電アクチュエータ１と同様であるため、詳細の説明を省略する。本実施形態の圧電アクチュエータ１は、引っ張り応力が残留した圧電層３に対して、振動板２に後述する閾値以上の圧縮応力を残留させる。圧電アクチュエータ１の厚みＴは、振動板２に残留させる圧縮応力に応じて所定厚みよりも大きくする。ここでいう所定厚みとは、圧電アクチュエータ１がコンプライアンス−変位体積特性において極点をとる厚みである。

以下に、所定条件（第１及び第２条件）において生じる、極点について、図４及び図５を参照しつつ説明する。本実施形態における圧電アクチュエータ１の圧電層３は、上述したように公知のゾルゲル法で形成される。このとき、圧電材料のゾルゲル溶液が、振動板２上に所定条件でスピンコートされた後、所定温度で乾燥される。この操作は、数回繰り返される。その後、所定温度の焼成により、所定厚みの圧電層３が形成される。この場合、薄膜状の圧電層３を比較的簡便な方法で安価に形成することができ、内部に引っ張り応力が残留する。圧電層３は、スピンコート毎の乾燥及び焼成により形成してもよい。

第１条件としては、圧力室１０の幅Ｗ１が１００μｍ、圧電層３の幅Ｗ２が７０μｍ、個別電極４及び共通電極２ｃに印加する電圧は所定の固定値とし、圧電層３の残留引っ張り応力が１００ＭＰａにおいて、振動板２の圧縮応力を０ＭＰａ〜５００ＭＰａまで１００ＭＰａごとに変化させる。このときのコンプライアンス（ｐｌ／ＭＰａ）と変位体積（ｐｌ）との関係を図４（ａ）〜（ｆ）に示す。なお、個別電極４、共通電極２ｃ、保護層２ｂの厚みは、所定の固定値とする。本実施形態においては、個別電極４が０．０５μｍ、共通電極２ｃが０．１２μｍ、保護層２ｂが０．０８μｍである。振動板本体２ａは、シリコン（Ｓｉ）製支持基板１１の上面に形成された熱酸化膜（厚さ０．１μｍ）上に、プラズマＣＶＤ膜を積層して形成される。このとき、真空槽の圧力、投入電力、ガス流量等を変えることで、振動板本体２ａに厚みや残留させる圧縮応力を調整する。本実施形態における振動板本体２ａは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）及びシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の２層構造からなるが、シリコン酸化膜だけから構成されていてもよいし、別の材料から構成されていてもよい。なお、振動板本体２ａをプラズマＣＶＤ法以外の方法（例えば、蒸着法、スパッタ法、熱酸化法等）で形成してもよい。また、支持基板１１の熱酸化膜は、圧力室１０を形成する際のエッチング停止用のストップ層にもなる。

図４（ａ）〜（ｆ）の各図に示す複数の点は、２．１５μｍ〜４．１５μｍの範囲内で０．２μｍずつ変化させた圧電アクチュエータ１の厚みＴに対応する。このときの圧電層３の厚み範囲は０．５μｍ〜１．３μｍであり、振動板本体２ａの厚み範囲は１．４μｍ〜２．６μｍの厚み範囲であり、各厚み範囲内の圧電層３と振動板本体２ａとを組み合わせた。

図４（ａ）は、振動板２の残留圧縮応力が０ＭＰａのときのグラフであり、変位体積及びコンプライアンスが、ともに増大する傾向を示す。このとき、圧電アクチュエータ１は、コンプライアンス−変位体積特性に極点が存在しない。図４（ｂ）は、振動板２の残留圧縮応力が１００ＭＰａのときのグラフであり、この場合も図４（ａ）と同様の傾向を示す。図４（ｃ）は、振動板２の残留圧縮応力が２００ＭＰａのときのグラフであり、この場合も図４（ａ）及び図４（ｂ）と同様の傾向を示す。

図４（ｄ）は、振動板２の残留圧縮応力が３００ＭＰａのときのグラフである。この場合は、複数の点に基づく近似曲線から極点（図中バツ印）が導出される。この極点は圧電アクチュエータ１の厚みＴが２．５μｍのときに現れ、コンプライアンスが３４．３ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が５．５ｐｌである。コンプライアンスが極点よりも小さい領域においては、図４（ａ）〜図４（ｃ）と同様に、変位体積及びコンプライアンスがともに増大する傾向を示す。一方、極点をとるコンプライアンス以下の圧電アクチュエータ１では、圧電変位と初期変位との差分（変位体積に相当）が最大を示す。しかし、所定の電圧印加に対するユニモルフ変形と復元の両効果が拮抗しており、極点とその近傍では変位体積が増加しない。さらにコンプライアンスが増大すると、変位体積は次第に減少していく。これより、圧電層３の引っ張り応力：１００ＭＰａに対して、振動板２の圧縮応力に関する極点発生の閾値は、２００ＭＰａ〜３００ＭＰａの間にある。

図４（ｅ）は、振動板２の残留圧縮応力が４００ＭＰａのときのグラフである。近似曲線から導出された極点は、圧電アクチュエータ１の厚みＴが２．９μｍのときに現れ、コンプライアンスが３５．１ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が６．３ｐｌである。極点を挟んだコンプライアンスと変位体積の関係は、残留圧縮応力が３００ＭＰａの場合と同様である。

図４（ｆ）は、振動板２の残留圧縮応力が５００ＭＰａのときのグラフである。近似曲線から導出された極点は、圧電アクチュエータ１の厚みＴが３．３μｍのときに現れ、コンプライアンスが３３．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が７．１ｐｌである。極点を挟んだコンプライアンスと変位体積の関係は、残留圧縮応力が３００ＭＰａおよび４００ＭＰａの場合と同様である。なお、圧電アクチュエータ１の厚みとコンプライアンスとの関係は、振動板２及び圧電層３の残留応力同士の組み合わせにより異なるが、いずれも厚みが小さくなるとコンプライアンスは大きくなる傾向がある。

続いて、第２条件としては、圧力室１０の幅Ｗ１を１３２μｍ、圧電層３の幅Ｗ２を９２μｍに変更するとともに、圧電アクチュエータ１の厚みＴの範囲も変更する。これ以外は、第１条件と同様である。このときのコンプライアンス（ｐｌ／ＭＰａ）と変位体積（ｐｌ）との関係を図５（ａ）〜（ｆ）に示す。

図５（ａ）〜（ｆ）の各図に示す複数の点は、２．５５μｍ〜６．２５μｍの範囲内で変化させた圧電アクチュエータ１の厚みＴに対応する。より詳細には、圧電アクチュエータ１の厚みＴを、２．５５μｍ、２．６５μｍ、２．９５μｍ、３．０５μｍ、３．１５μｍ、５．２５μｍ、５．３５μｍ、５．４５μｍ、５．７５μｍ、５．８５μｍ、６．２５μｍと変化させ、３．３５μｍ〜５．０５μｍの範囲では０．１μｍずつ変化させている。そして、このときの圧電層３の厚み範囲は０．４μｍ〜２．０μｍであり、振動板本体２ａの厚み範囲は１．５μｍ〜４．０μｍの厚み範囲であり、各厚み範囲内の圧電層３と振動板本体２ａとを組み合わせた。

図５（ａ）は、振動板２の残留圧縮応力が０ＭＰａのときのグラフであり、変位体積及びコンプライアンスが、ともに増大する傾向を示す。このとき、圧電アクチュエータ１は、コンプライアンス−変位体積特性に極点が存在しない。図５（ｂ）は、振動板２の残留圧縮応力が１００ＭＰａのときのグラフであり、この場合も図５（ａ）と同様の傾向を示す。

図５（ｃ）は、振動板２の残留圧縮応力が２００ＭＰａのときのグラフである。この場合は、複数の点に基づく近似曲線から極点（図中バツ印）が導出される。この極点は圧電アクチュエータ１の厚みＴが２．８μｍのときに現れ、コンプライアンスが８０．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が８．１ｐｌである。コンプライアンスが極点よりも小さい領域においては、圧電アクチュエータ１の厚みＴが小さくなるに連れて、変位体積及びコンプライアンスがともに増大する傾向を示す。一方、極点をとるコンプライアンス以下の圧電アクチュエータ１では、圧電変位と初期変位との差分（変位体積に相当）が最大を示す。しかし、所定の電圧印加に対するユニモルフ変形と復元の両効果が拮抗しており、極点とその近傍では変位体積が増加しない。さらにコンプライアンスが増大すると、変位体積が次第に減少していく。これより、圧電層３の引っ張り応力：１００ＭＰａに対して、振動板２の圧縮応力に関する極点発生の閾値は、１００ＭＰａ〜２００ＭＰａの間にある。

図５（ｄ）は、振動板２の残留圧縮応力が３００ＭＰａのときのグラフである。近似曲線から導出された極点は、圧電アクチュエータ１の厚みＴが３．５μｍのときに現れ、コンプライアンスが８０．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が９．６ｐｌである。図５（ｅ）は、振動板２の残留圧縮応力が４００ＭＰａのときのグラフである。この場合、極点は圧電アクチュエータ１の厚みＴが３．９μｍのときに現れ、コンプライアンスが７５．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が１０．５ｐｌである。図５（ｆ）は、振動板２の残留圧縮応力が５００ＭＰａのときのグラフである。極点は圧電アクチュエータ１の厚みＴが４．５μｍのときに現れ、コンプライアンスが６５．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が１１．６ｐｌである。このように、極点を挟んでコンプライアンスと変位体積が、図５（ｄ）〜図５（ｆ）においても、図５（ｃ）と同様の関係を示す。

このように図４（ａ）〜図４（ｆ）及び図５（ａ）〜図５（ｆ）から、圧電アクチュエータ１の厚みＴが同じ値であっても、振動板２の圧縮応力が高くなるに連れてより大きな変位体積が得られることが分かる。ここで、残留引っ張り応力を持つ圧電層３は、面に直交する方向に変形(座屈変形)しにくい状態にある。一方、残留圧縮応力を持つ振動板２は、応力値とサイズ・形状との関係から、座屈変形容易の状態にある。両者を組み合わせれば、振動板２側が凸(本実施例では、圧力室に向かって凸)に変形した状態で安定し、残留圧縮応力の増加に伴い変形量(初期変形量)も増す。圧電アクチュエータ１は、振動板２及び圧電層３の組み合わせに応じた座屈状態をとる。残留圧縮応力が大きいほど、圧電アクチュエータ１は大きな座屈を示す。電圧印加時の駆動力に対応した曲げモーメントに対して、初期変形が大きい程変形容易であることは、構造力学的に説明できる。つまり、圧電層３の引っ張り応力が振動板２の圧縮応力によって緩和され、圧電アクチェエータ１の変形能力が向上する。また、同じコンプライアンスでもより大きな変位体積が得られるという点でも、振動板２の圧縮応力は高くするほど望ましい。

振動板２の圧縮応力が高くなると、コンプライアンス−変位体積特性に極点が現れる。この極点は、上述の第１及び第２条件のみならず、圧力室１０の形状、圧電アクチュエータ１の材質及び層構成、並びに、引っ張り応力の大きさを種々に変更して行った同様の実験からも、振動板２がある圧縮応力を有すると、上述と同様に現れる。例えば、第２条件に対して、圧電層３の残留引っ張り応力を４００ＭＰａに変更した場合、１００ＭＰａの場合ほどではないが、振動板２の圧縮応力が増大すると、極点は変位体積の大きい側へシフトした。具体的には、振動板２の極点発生の閾値が１００ＭＰａ〜２００ＭＰａの間にあり、圧縮応力２００ＭＰａ時に極点を与える圧電アクチュエータ１の厚みは３．１μｍ、コンプライアンスは５０．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積は６．０ｐｌである。圧縮応力３００ＭＰａ時は、厚みが３．６μｍ、コンプライアンスが５０．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が７．０ｐｌである。圧縮応力４００ＭＰａ時は、厚みが４．１μｍ、コンプライアンスが４０．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が７．６ｐｌである。圧縮応力５００ＭＰａ時は、厚みが４．６μｍ、コンプライアンスが４０．０ｐｌ／ＭＰａ、変位体積が８．０ｐｌである。圧電層３の残留引っ張り応力を２００ＭＰａとした場合、１００ＭＰａ時及び４００ＭＰａの中間的な値をそれぞれ示した。

極点をとる厚みＴ以下の圧電アクチュエータでは、剛性の割に過大な圧縮応力が内在している。このとき、圧電アクチュエータ１は、座屈的変形といえるほど初期変形が大きい。このような状態の圧電アクチュエータ１は、外力に対して脆い。このため、圧電アクチュエータが駆動されると、当該変位領域内にクラックが発生しやすくなる。しかしながら、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、極点をとる厚みよりも厚い。このため、その残留圧縮応力が自信の剛性の割に過大とならず、座屈的変形を避けることができる。そのため、圧電アクチュエータ１は、クラック等の損傷を生じることなく、駆動条件に見合う変形を自由に起こすことができる。

以上のように、本実施形態による圧電アクチュエータ１は、圧電層３が引っ張り応力を有し、振動板２の圧縮応力により圧電層３の引っ張り応力が緩和されるとともに、圧電アクチュエータ１自体のコンプライアンスが閾値以上に小さい（圧電アクチュエータ１自体の厚みが閾値以上に大きい）ので、振動板２の圧縮応力に対応して圧電アクチュエータ１の変形能力が向上する。また、圧電アクチュエータ１は、その残留圧縮応力が自信の剛性の割に過大とならず、座屈的変形を避けることができるので、圧電アクチュエータ１の高い変形能力を確保しつつ、圧電アクチュエータ１が破壊されるのを抑制することが可能になる。加えて、振動板２が閾値以上の圧縮応力を有することで、変位体積が大きくなる、すなわち、圧電アクチュエータ１が高い変形能力を有することとなる。

また、圧電層３が引っ張り応力を有し、振動板２が圧縮応力を有する圧電アクチュエータにおいて、上述の第１及び第２条件以外の条件で極点が現れる場合は、その極点をとるコンプライアンスよりも小さいコンプライアンスを圧電アクチュエータ１が有しておればよい。こうすることで、上述と同様な効果を得ることができる。また、圧電アクチュエータ１の厚みＴは、極点をとる所定厚みの１２０％以下が好ましい。これにより、圧電アクチュエータ１が高い変形能力を確実に有する。さらに好ましくは、圧電アクチュエータ１の厚みＴが所定厚みの１１０％以下である。これにより、圧電アクチュエータ１がさらに高い変形能力を有する。最も好ましくは、圧電アクチュエータ１の厚みＴが所定厚みの１０５％以下である。これにより、圧電アクチュエータ１が極めて高い変形能力を有する。

変形例として、製造時において所定の圧縮応力が残留しないように振動板２を形成した場合でも、振動板２の厚みを小さくするに連れて、圧電層３の残留引っ張り応力の影響、すなわち、圧電層３が縮もうとする外部応力によって振動板２が圧縮応力を有する状態となる。そして、振動板２の厚みをさらに小さくすると、当該圧縮応力（引っ張り応力の影響による応力）によって、コンプライアンス−変位体積特性に極点が生じる。つまり、上述の極点が生じ、圧縮応力が閾値以上の大きさとなる。この場合においても、圧電アクチュエータ１の厚みＴを、当該極点をとる厚み（所定厚み）を超える厚みとすることで、上述と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。本発明の圧電アクチュエータは、液体を吐出するための装置であれば、どのような装置にも採用することができる。さらに、本発明の圧電アクチュエータは、液体を吐出するための用途に採用されるものに限られるわけではなく、それ以外の用途で液体に圧力を付与するために採用される圧電アクチュエータに対しても、本発明は適用しうる。また、共通電極２ｃは、個別電極４と対向する領域のみに設けられていてもよい。また、個別電極４が共通電極２ｃの位置に配置され、共通電極２ｃが個別電極４の位置に配置されてもよい。つまり、個別電極４と共通電極２ｃは、圧電層３を挟んで配置されておれば、どのように配置されていてもよい。また、保護層２ｂはなくてもよい。また、保護層２ｂ、共通電極２ｃ、圧電層３、個別電極４は、上述以外の材料から構成されていてもよい。

１圧電アクチュエータ
２振動板
３圧電層
４個別電極
１０圧力室
１１ａ上面（一平面）

Claims

一平面に固定されて当該一平面に開口する圧力室を覆い、印加される電圧により前記圧力室に向かって凸状に変位し当該圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータにおいて、
前記一平面に固定され、圧縮応力を有する振動板と、
前記振動板の前記一平面とは反対側で前記一平面と直交する方向に沿って前記圧力室と重なって積層され、引っ張り応力を有する圧電層と、
前記圧電層上に積層された個別電極とを含んでおり、
前記振動板の圧縮応力が、前記圧電アクチュエータのコンプライアンスと電圧印加時の前記圧力室の変位体積との関係において、前記コンプライアンスの増加に対し、前記変位体積が増加から減少に転じる極点を生じる閾値以上の大きさであり、
前記圧電アクチェエータの厚みは、前記極点を与える前記コンプライアンスに対応した所定厚みよりも大きいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記圧電層は、ゾルゲル法により前記振動板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。