JP2023132489A - 圧電デバイス、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電アクチュエーターの焼損や活性部の駆動不良を抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供する。【解決手段】複数の凹部12を有する基板10と、前記基板10の一方面側に設けられる振動板50と、前記振動板50側から第1電極60、圧電体層70および第2電極80が積層される圧電アクチュエーター300と、を具備し、前記圧電アクチュエーター300は、前記第1電極60と前記第2電極80とで前記圧電体層70が挟まれる活性部310を複数有し、前記第1電極60は前記活性部310の各々に独立する個別電極を構成し、前記第2電極80は複数の前記活性部310に共通する共通電極を構成し、前記第2電極80は、基準となる第1端部83と、前記活性部310の端部から前記第1電極60と電気的に接続する接続電極82に向かって前記第1端部83よりも突出する凸部84と、を有する。【選択図】図5
Description
本発明は、基板と振動板と圧電アクチュエーターとを有する圧電デバイス、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。
電子デバイスの一つである液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録ヘッドが知られている。インクジェット式記録ヘッドは、ノズルに連通する圧力室が複数設けられた基板と、基板上に設けられた振動板と、振動板上に設けられた第1電極、圧電体層および第2電極を有する圧電アクチュエーターと、を具備する。このようなインクジェット式記録ヘッドの圧電アクチュエーターは、第1電極と第2電極とで圧電体層を挟んだ活性部を複数有し、第1電極を活性部の各々に独立した個別電極とし、第2電極を複数の活性部に共通した共通電極としたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、活性部を繰り返し駆動することで、活性部の端部に応力集中が生じ、応力集中によって圧電体層にクラックが生じ、クラックに沿って電流のリークが生じることで焼損や活性部の駆動不良が生じ易いという問題がある。
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドだけではなく、圧電デバイスにおいても同様に存在する。
上記課題を解決する本発明の態様は、複数の凹部を有する基板と、前記基板の一方面側に設けられる振動板と、前記振動板側から第1電極、圧電体層および第2電極が積層される圧電アクチュエーターと、を具備し、前記圧電アクチュエーターは、前記第1電極と前記第2電極とで前記圧電体層が挟まれる活性部を複数有し、前記第1電極は前記活性部の各々に独立する個別電極を構成し、前記第2電極は複数の前記活性部に共通する共通電極を構成し、前記第2電極は、基準となる第1端部と、前記活性部の端部から前記第1電極と電気的に接続する接続電極に向かって前記第1端部よりも突出する凸部と、を有することを特徴とする圧電デバイスにある。
また、本発明の他の態様は、液体を噴射するノズルに連通する圧力室が複数形成される基板と、前記基板の一方面側に設けられる振動板と、前記振動板側から第1電極、圧電体層および第2電極が積層される圧電アクチュエーターと、を具備し、前記圧電アクチュエーターは、前記第1電極と前記第2電極とで前記圧電体層が挟まれる活性部を複数有し、前記第1電極は前記活性部の各々に独立する個別電極を構成し、前記第2電極は複数の前記活性部に共通する共通電極を構成し、前記第2電極は、基準となる第1端部と、前記活性部の端部から前記第1電極と電気的に接続する接続電極に向かって前記第1端部よりも突出する凸部と、を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
また、本発明の他の態様は、上記態様に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にある。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、各図においてX、Y、Zは、互いに直交する3つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向をX方向、Y方向、およびZ方向とする。各図の矢印が向かう方向を正(+)方向、矢印の反対方向を負(-)方向として説明する。また、正方向および負方向を限定しない3つのX、Y、Zの空間軸については、X軸、Y軸、Z軸として説明する。
(実施形態1)
図1は、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1の分解斜視図である。図2は、記録ヘッド1の流路形成基板10の平面図である。図3は、図2のA-A′線に準じた記録ヘッド1の断面図である。図4は、図2のB-B′線に準じた記録ヘッド1の断面図である。図5は、図2の要部を拡大した平面図およびその断面図である。
図1は、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1の分解斜視図である。図2は、記録ヘッド1の流路形成基板10の平面図である。図3は、図2のA-A′線に準じた記録ヘッド1の断面図である。図4は、図2のB-B′線に準じた記録ヘッド1の断面図である。図5は、図2の要部を拡大した平面図およびその断面図である。
図示するように、本実施形態の記録ヘッド1は、「基板」の一例として流路形成基板10を具備する。流路形成基板10は、シリコン基板、ガラス基板、SOI基板、各種セラミック基板からなる。
流路形成基板10には、複数の圧力室12が第1方向である+X方向に沿って並んで配置された列が、+Y方向に2列設けられている。圧力室12の列を構成する複数の圧力室12は、+Y方向の位置が同じ位置となるように、+X方向に沿った直線上に配置されている。また、+X方向で互いに隣り合う圧力室12は、隔壁11によって区画されている。もちろん、圧力室12の配置は特にこれに限定されず、例えば、+X方向に並んで配置された圧力室12において、1つ置きに+Y方向にずれた位置に配置した、所謂、千鳥配置としてもよい。
また、本実施形態の圧力室12は、+Z方向に見て矩形状を有する。もちろん、圧力室12を+Z方向に見た形状は、矩形状に限定されず、平行四辺形状、長方形状を基本として長手方向の両端部を半円形状とした、いわゆる、角丸長方形状や楕円形状や卵形状などのオーバル形状や、円形状、多角形状等であってもよい。この圧力室12が、「基板」に設けられた「凹部」に相当する。
流路形成基板10の+Z方向側には、連通板15とノズルプレート20とが順次積層されている。
連通板15は、板状部材からなり、圧力室12とノズル21とを連通するノズル連通路16が+Z方向に貫通して設けられている。
また、連通板15には、複数の圧力室12が共通して連通する共通液室となるマニホールド100の一部を構成する第1マニホールド部17と第2マニホールド部18とが設けられている。第1マニホールド部17は、連通板15を+Z方向に貫通して設けられている。また、第2マニホールド部18は、連通板15を+Z方向に貫通することなく、+Z方向側の面に開口して設けられている。
さらに、連通板15には、圧力室12のY軸の端部に連通する供給連通路19が圧力室12の各々に独立して設けられている。供給連通路19は、第2マニホールド部18と圧力室12とを連通して、マニホールド100内のインクを圧力室12に供給する。
このような連通板15としては、シリコン基板、ガラス基板、SOI基板、各種セラミック基板、ステンレス基板等の金属基板などを用いることができる。なお、連通板15は、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。このように流路形成基板10と連通板15とを熱膨張率が略同一の材料を用いることで、熱膨張率の違いによって熱により反りが発生するのを低減することができる。
ノズルプレート20は、板状部材からなり、連通板15の流路形成基板10とは反対側、すなわち、+Z方向側の面に設けられている。
ノズルプレート20には、各圧力室12にノズル連通路16を介して連通するノズル21が形成されている。本実施形態では、複数のノズル21は、+X方向に沿って一列となるように並んで配置されたノズル列が+Y方向に離れて2列設けられている。すなわち、各列の複数のノズル21は、+Y方向の位置が同じ位置となるように配置されている。もちろん、ノズル21の配置は特にこれに限定されず、例えば、+X方向に並んで配置されたノズル21において、1つ置きに+Y方向にずれた位置に配置した、所謂、千鳥配置としてもよい。このようなノズルプレート20としては、シリコン基板、ガラス基板、SOI基板、各種セラミック基板、ステンレス基板等の金属基板、ポリイミド樹脂のような有機物などを用いることができる。なお、ノズルプレート20は、連通板15の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。このようにノズルプレート20と連通板15とは、熱膨張率が略同一の材料を用いることで、熱膨張率の違いによって熱により反りが発生するのを低減することができる。
流路形成基板10の-Z方向側には、振動板50と圧電アクチュエーター300とが順次積層されている。すなわち、流路形成基板10、振動板50および圧電アクチュエーター300とは、この順に-Z方向に積層されている。
振動板50は、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、を有する。なお、流路形成基板10に設けられた圧力室12等の流路は、流路形成基板10を+Z方向側の面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力室12の-Z方向の面は、弾性膜51によって画成されている。また、振動板50は、上述したものに限定されず、例えば、弾性膜51のみで構成されていてもよく、絶縁体膜52のみで構成されていてもよい。また、振動板50は、弾性膜51および絶縁体膜52に加えて他の膜を有するものであってもよい。また、振動板50の材料は上述したものに限定されるものではない。
圧電アクチュエーター300は、振動板50の-Z方向側に設けられたものであり、振動板50側から-Z方向に向かって順次積層された第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを具備する。圧電アクチュエーター300が、圧力室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段となっている。このような圧電アクチュエーター300は、圧電素子とも言い、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを含む部分を言う。また、第1電極60と第2電極80との間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活性部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活性部と称する。すなわち、活性部310は、圧電体層70が第1電極60と第2電極80とで挟まれた部分を言う。本実施形態では、凹部である圧力室12毎に活性部310が形成されている。つまり、圧電アクチュエーター300には複数の活性部310が形成されていることになる。また、本実施形態では、圧力室12に合わせて活性部310が+X方向に並設された列が、+Y方向に2列設けられている。そして、本実施形態では、第1電極60は活性部310毎に独立する個別電極を構成し、第2電極80は複数の活性部310に共通する共通電極として構成している。また、圧電アクチュエーター300のうち、圧力室12にZ軸に沿った方向で対向する部分が可撓部となり、圧力室12にZ軸に沿った方向で対向しない外側の部分が非可撓部となる。
第1電極60は、図2および図4に示すように、圧力室12毎に切り分けられて活性部310毎に独立する個別電極を構成する。第1電極60は、+X方向において、圧力室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、+X方向において、第1電極60の端部は、圧力室12に対向する領域の内側に位置している。また、図3に示すように、Y軸において第1電極60のノズル21側の一端部は、圧力室12よりも外側に配置されている。この第1電極60のY軸において圧力室12よりも外側に配置された端部に、引き出し配線である個別リード電極91が接続されている。
圧電体層70は、図2、図3および図4に示すように、+Y方向の幅が所定の幅で、+X方向に亘って連続して設けられている。圧電体層70の+Y方向の幅は、圧力室12の長手方向である+Y方向の長さよりも長い。このため、圧力室12の+Y方向および-Y方向の両側では、圧電体層70は、圧力室12に対向する領域の外側まで延設されている。このような圧電体層70のY軸においてノズル21とは反対側の端部は、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のノズル21とは反対側の端部は圧電体層70によって覆われている。また、圧電体層70のノズル21側の端部は、第1電極60の端部よりも内側に位置しており、第1電極60のノズル21側の端部は、圧電体層70に覆われていない。なお、第1電極60の圧電体層70に覆われていないノズル21側の端部には、上述したように金(Au)等からなる個別リード電極91が接続されている。
また、圧電体層70には、各隔壁11に対応する凹部71が形成されている。この凹部71の+X方向の幅は、隔壁11の幅と同一、もしくは、それより広くなっている。本実施形態では、凹部71の+X方向の幅は、隔壁11の幅よりも広くなっている。これにより、振動板50の圧力室12の+X方向および-X方向の両端部に対向する部分、所謂、振動板50の腕部の剛性が抑えられるため、圧電アクチュエーター300の変位効率を向上することができる。なお、凹部71は、圧電体層70を厚さ方向である+Z方向に貫通して設けられていてもよく、また、圧電体層70を+Z方向に貫通することなく、圧電体層70の厚さ方向の途中まで設けられていてもよい。すなわち、凹部71の+Z方向の底面には、圧電体層70が完全に除去されていてもよく、圧電体層70の一部が残留していてもよい。
このような圧電体層70は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物からなる圧電材料を用いて構成されている。本実施形態では、圧電材料としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT;Pb(Zr,Ti)O3)を用いている。PZTを圧電材料に用いることで、圧電定数d31が比較的大きな圧電体層70が得られる。なお、圧電体層70に用いる圧電材料は、Pbの含有量を抑えた材料、いわゆる低鉛系材料、またはPbを使用しない材料、いわゆる非鉛系材料であってもよい。圧電材料として低鉛系材料を使用すればPbの使用量を低減することができる。また、圧電材料として非鉛系材料を使用すれば、Pbを使用せずに済む。よって、圧電材料として低鉛系材料や非鉛系材料の使用により、環境負荷を低減することができる。
第2電極80は、図2~図5に示すように、圧電体層70の第1電極60とは反対側である-Z方向側に設けられており、複数の活性部310に共通する共通電極を構成する。第2電極80は、圧電体層70の-Z方向側のX軸とY軸とで規定されるXY平面に沿った面と、圧電体層70の側面上、つまり、前述のXY平面に交差する面上と、圧電体層70によって覆われていない第1電極60上と、に亘って設けられている。また、第2電極80は、圧電体層70上で第2電極80を厚さ方向であるZ軸に亘って貫通する除去部81を有する。除去部81は、圧電体層70上のノズル21側に、X軸に亘って連続して設けられており、第2電極80のY軸において第1電極60上に設けられた部分と、これとは反対側の部分とを電気的に切断する。以降、除去部81によって第1電極60上に設けられた部分とは切断された部分を第2電極80と称する。また、この第2電極80と同一層からなるが、圧電体層70に覆われていない第1電極60上から圧電体層70の-Z方向の面上まで設けられて、除去部81によって第2電極80とは電気的に切断された部分を第3電極82と称する。本実施形態では、この第3電極82が第1電極60に電気的に接続された「接続電極」に相当する。なお、本実施形態では、第2電極80と第3電極82とを同一層で形成するようにしたが、特にこれに限定されず、第2電極80と第3電極82とは、異なる層であってもよい。ここで、第2電極80と第3電極82とが異なる層であるとは、両者が同じ材料で異なるタイミングで形成された層であることも、また、異なる材料で異なるタイミングで形成された層であることも含む。
また、第1電極60と接続された第3電極82は、図5に示すように、第1電極60のそれぞれに対応して切り分けられて設けられている。つまり、第3電極82は、+X方向に亘って連続して設けられておらず、+X方向に沿って一定の間隔で複数並設されている。これにより、複数の第1電極60同士が第3電極82を介して電気的に導通しないようになっている。具体的には、本実施形態の除去部81は、第1除去部81aと第2除去部81bとを有する。第1除去部81aは、圧電体層70の-Z方向の面上において、+X方向に亘って連続して設けられている。また、第1除去部81aは、Y軸において圧電体層70のノズル21側の端部側に、当該端部とは若干離れた位置に配置されている。この第1除去部81aによって第1電極60上の第3電極82と第2電極80とが分断され、第1電極60と第2電極80とが互いに電気的に導通しないようになっている。
第2除去部81bは、圧電体層70の-Z方向の面上において、+X方向において互いに隣り合う第1電極60の間に配置され、一端が第1除去部81aに接続されると共に他端部が圧電体層70のY軸に沿った方向の端部に至るまでY軸に沿って設けられている。この第2除去部81bは、+X方向に沿って一定の間隔で複数配置されている。この第2除去部81bによって第3電極82を第1電極60毎に分割することで、複数の第1電極60同士が互いに電気的に導通しないようになっている。つまり、除去部81は、第1除去部81aと第2除去部81bとによって+Z方向に見て略櫛歯状となるように設けられている。
活性部310のY軸におけるノズル21側の端部は、第2電極80の第1除去部81aによって形成された端部によって規定されている。つまり、第1電極60は、第2電極80の除去部81側の端部を跨がってY軸に沿って設けられており、活性部310のノズル21側の端部は、第2電極80の第1除去部81a側の端部によって規定されている。
ここで、第2電極80は、第1除去部81aによって形成された基準となる第1端部83と、第1端部83よりも第3電極82に向かって突出する凸部84と、を有する。
第1端部83は、X軸に沿った直線状に形成されている。また、第1端部83は、主に非能動部の端部となっている。
凸部84は、活性部310の端部から第3電極82に向かって第1端部83よりも突出して設けられている。凸部84が活性部310の端部から突出して設けられているとは、Z軸に沿った+Z方向に見て、凸部84の根元が、第1電極60に重なる位置に配置されていることを言う。なお、凸部84の根元とは、Y軸に沿った方向の位置が第1端部83と同じ部分のことを言う。つまり、凸部84の根元が、+Z方向に見て第1電極60に重なる位置に配置されているとは、凸部84と第1端部83との接続部分が、+Z方向に見て第1電極60に重なっていることを言う。なお、本実施形態では、X軸に沿った方向において、凸部84の根元の幅は、第1電極60よりも小さい。
また、活性部310の端部と、第3電極82とは、圧力室12の長手方向であるY軸に沿った方向において対向する位置に配置されている。つまり、活性部310の端部と、第3電極82とは、X軸に沿った方向に同じ位置に配置されている。このため、凸部84が第3電極82に向かって突出する方向は、Y軸に沿った方向と一致する。
このような凸部84は、突出する方向と直交する方向であるX軸に沿った方向の幅が第3電極82に向かって徐々に細くなっている。つまり、凸部84は、Y軸に沿った方向の単位長さ当たりの面積が先端に近づくにつれて減少する、所謂、テーパー形状となっている。なお、凸部84は、これに限定されず、第3電極82に向かってX軸に沿った方向の幅が同じとなるように設けられた直線形状を有する直線部と、X軸に沿った方向の幅が徐々に細くなるテーパー形状を有するテーパー部と、を具備するものであってもよい。凸部84を直線部とテーパー部とで構成する場合には、直線部が第1端部83側に設けられ、テーパー部が第3電極82側に設けられている構成であっても、その逆の構成であってもよい。
また、本実施形態の凸部84は、先端も+Z方向に見て第1電極60と重なる位置に配置されている。つまり、凸部84は、その全てが+Z方向に見て第1電極60と重なる位置に配置されている。
このように第2電極80に凸部84を設けることで、凸部84の先端に向かって徐々に電気抵抗値を大きくすることができる。つまり、図5に示す第2電極80の第1端部83よりも内側、すなわち、圧力室12側を第1領域P1とし、第1除去部81aを第6領域P6とした場合、凸部84の電気抵抗値は、Y軸に沿って第1領域P1から第6領域P6に向かって徐々に大きくなる。本実施形態では、凸部84のX軸に沿った方向の幅が、第2電極80の第1端部83側の幅よりも狭いため、凸部84の電気抵抗値は、第3電極82に向かって徐々に大きくなる。また、凸部84のX軸に沿った方向の幅が、第3電極82に向かって徐々に細くなることで、凸部84の突出方向を横断する断面積が第3電極82に向かって徐々に減少する。これによっても、凸部84の電気抵抗値は、第3電極82に向かって徐々に大きくなる。つまり、凸部84をY軸に沿って4つの領域である第2領域P2、第3領域P3、第4領域P4および第5領域P5に分割した場合、第2領域P2の電気抵抗値は、第1領域P1よりも大きく、第3領域P3の電気抵抗値は第2領域P2よりも大きい。また、第4領域P4の電気抵抗値は第3領域P3よりも大きい。また、第5領域P5の電気抵抗値は第4領域P4よりも大きい。このため、凸部84に印加される電圧は、第1領域P1に印加される電圧に比べて、第2領域P2から第5領域P5に向かって徐々に低下する。したがって、活性部310に印加される電界を、第1領域P1に比べて、凸部84の第2領域P2から第5領域P5に向かって徐々に低下させることができる。このため、活性部310を駆動させた際に変形しようとして圧電体層70に印加される応力は、第1領域P1から凸部84の先端である第5領域P5に向かって徐々に低下し、圧電体層70への応力集中を低減することができる。また、第5領域P5では、活性部310に印加される電界が第1領域P1に比べて十分に低下していることから、活性部310を駆動した際に第5領域P5と第6領域P6との境界部分への応力集中を抑制することができる。したがって、活性部310と非活性部、つまり、第6領域P6との境界部分の応力集中を抑制して、圧電体層70にクラック等の破壊が生じるのを抑制し、第1電極60と第2電極80との間でクラックに沿ったリーク電流が生じるのを抑制することができる。したがって、圧電体層70の破壊による活性部310の駆動不良が生じるのを抑制することができる。
なお、活性部310のY軸におけるノズル21とは反対側の端部は、第1電極60の端部によって規定されている。つまり、第2電極80は、第1電極60のノズル21とは反対側の端部を跨がってY軸に沿って設けられており、活性部310のノズル21とは反対側の端部は、第1電極60の端部によって規定されている。この活性部310のY軸に沿ったノズル21とは反対側の端部を規定する第1電極60は、振動板50および圧電素子300の中立軸に近い位置に存在すると共に-Z方向に圧電体層70、第2電極80等が形成されているため、応力集中が生じ難く、圧電体層70の破壊が生じ難い。
また、本実施形態の第2電極80は、圧電体層70の凹部71の側面上および凹部71の底面である振動板50上にも設けられている。もちろん、第2電極80は、凹部71の内面の一部のみに設けるようにしてもよく、凹部71の内面の全面に亘って設けないようにしてもよい。
また、圧電アクチュエーター300の第1電極60と第2電極80とのそれぞれには、本実施形態の引き出し配線である個別リード電極91と、共通リード電極92と、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。このようなリード電極90は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、金(Au)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等を用いることができる。また、リード電極90は、第1電極60および第2電極80や振動板50との密着性を向上する密着層を有してもよい。本実施形態では、リード電極90として金(Au)を用いた。つまり、リード電極90の最上層は、金(Au)を含む。
個別リード電極91は、圧電体層70の外側に設けられた第1電極60上から振動板50上までY軸に沿って引き出されている。つまり、個別リード電極91は、Y軸において第1電極60のノズル21側の端部から振動板50上に向かって延設されている。なお、図2では、個別リード電極91の一部を屈曲しているが、もちろん、これに限定されず、Y軸に沿って直線状に設けるようにしてもよい。また、個別リード電極91は、Y軸において第1電極60上から第3電極82上まで延設されている。個別リード電極91は、第3電極82上の除去部81側の端部を覆うことなく第3電極82上のみに設けられている。第3電極82上に延設された個別リード電極91は、流路形成基板10の-Z方向側に保護基板30を接合する際に、個別リード電極91によって接着剤130が接着される接着面の高さを後述する延設部93と揃えて、接着剤130の厚さにばらつきが生じるのを抑制する。
共通リード電極92は、第2電極80のX軸に沿った両端部、つまり、+X方向の端部および-X方向の端部のそれぞれにおいて、第2電極80上から振動板50上までY軸に沿って引き出されている。
また、共通リード電極92は、Y軸において圧力室12の壁面上に、可撓部と非可撓部との境界部分に跨って設けられた延設部93を有する。延設部93は、第2電極80上で複数の活性部310に対して+X方向に亘って連続して設けられており、X軸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、活性部310の周囲を囲むように連続して配置されている。つまり、延設部93は、共通リード電極92のうち、X軸に沿って設けられた2つの部分を言う。また、延設部93は、第2電極80の除去部81側の端部を覆うことなく、Y軸において第2電極80の除去部81側の端部よりも圧力室12側に設けられている。
このように共通リード電極92に延設部93を設けることで、第2電極80のX軸に沿った方向における電圧降下を抑制して、各ノズル21から噴射されるインクの噴射特性の低下およびばらつきを抑制することができる。特に、本実施形態では、活性部310のY軸に沿った方向の両端部のそれぞれに延設部93を設けることで、延設部93のY軸およびZ軸で規定されるYZ平面に沿った断面積を増大させて、電気抵抗値を比較的小さくすることができ、電圧降下を効果的に抑制することができる。また、延設部93を+Z方向に見て可撓部と非可撓部との境界に重なる位置に設けることで、可撓部と非可撓部との境界の剛性を向上して、可撓部と非可撓部との境界の応力集中における圧電体層70の破壊を抑制することができる。また、Y軸に沿った方向において延設部93を活性部310の変形量の比較的小さい両端部側に設け、変形量の比較的大きい中央部に設けないようにすることで、延設部93が活性部310の変形を阻害するのを抑制して、圧電アクチュエーター300の変形量が著しく低下するのを抑制することができる。さらに、延設部93は、-Z方向側に保護基板30を接着する際の高さ調整を行うことができる。
なお、個別リード電極91および共通リード電極92の圧電アクチュエーター300に接続された端部とは反対側の端部には、上述のように可撓性を有する配線基板121が接続されている。配線基板121は、圧電アクチュエーター300を駆動するためのスイッチング素子を有する駆動回路120が実装されている。
このような圧電アクチュエーター300が設けられた流路形成基板10の一方面側である-Z方向側には、図3に示すように、流路形成基板10と略同じ大きさを有する保護基板30が接着剤130によって接着されている。本実施形態では、保護基板30は、圧電アクチュエーター300と接着剤130によって接着されている。接着剤130は、圧電アクチュエーター300の延設部93、除去部81等に接着するように設けられている。
また、保護基板30は、図3に示すように、+Z方向に見て、2列の圧電アクチュエーター300の列の間に重なる位置に、+Z方向に貫通する貫通孔32が設けられている。圧電アクチュエーター300の電極から引き出された個別リード電極91および共通リード電極92の端部は、この貫通孔32内に露出するように延設され、個別リード電極91および共通リード電極92と配線基板121とは、貫通孔32内で電気的に接続されている。
また、保護基板30の-Z方向側には、複数の圧力室12に連通するマニホールド100を形成するケース部材40が固定されている。ケース部材40は、平面視において上述した連通板15と略同一形状を有し、保護基板30に接合されると共に、上述した連通板15にも接合されている。
このようなケース部材40は、+Z方向側の面に開口して流路形成基板10および保護基板30が収容される深さの凹部41を有する。この凹部41は、保護基板30の流路形成基板10に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、凹部41に流路形成基板10および保護基板30等が収容された状態で凹部41のノズルプレート20側の開口面が連通板15によって封止されている。また、ケース部材40には、凹部41のY軸に沿った方向の両方の外側、すなわち+Y方向および-Y方向のそれぞれに、+Z方向に開口する溝である第3マニホールド部42が設けられている。第3マニホールド部42は、連通板15に設けられた第1マニホールド部17の-Z方向側の開口と略同じ開口面積を有し、ケース部材40が連通板15と接合されることで、第3マニホールド部42と第1マニホールド部17とは連通する。このケース部材40に設けられた第3マニホールド部42と、連通板15に設けられた第1マニホールド部17および第2マニホールド部18と、によって、本実施形態のマニホールド100が構成されている。マニホールド100は、圧力室12が並んで配置される+X方向に亘って連続して設けられており、各圧力室12とマニホールド100とを連通する供給連通路19は、+X方向に並んで配置されている。
また、ケース部材40には、マニホールド100に連通して各マニホールド100にインクを供給するための導入口44が第3マニホールド部42の-Z方向側に設けられている。また、ケース部材40には、保護基板30の貫通孔32に連通して配線基板121が挿通される接続口43が設けられている。
また、連通板15の第1マニホールド部17および第2マニホールド部18が開口する+Z方向側の面には、コンプライアンス基板45が設けられている。このコンプライアンス基板45が、第1マニホールド部17と第2マニホールド部18の+Z方向側の開口を封止している。このようなコンプライアンス基板45は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜46と、金属等の硬質の材料からなる固定基板47と、を具備する。固定基板47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48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46のみで封止された可撓部であるコンプライアンス部49となっている。
このような本実施形態の記録ヘッド1では、図示しない外部インク供給手段と接続した導入口44からインクを取り込み、マニホールド100からノズル21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力室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。これにより圧電アクチュエーター300と共に振動板50がたわみ変形して各圧力室12内の圧力が高まり、各ノズル21からインクが噴射される。
以上説明したように、本願発明の圧電デバイスの一例である記録ヘッド1は、複数の凹部である圧力室12を有する基板である流路形成基板10と、流路形成基板10の一方面側に設けられる振動板50と、振動板50側から第1電極60、圧電体層70および第2電極80が積層される圧電アクチュエーター300と、を具備する。また、圧電アクチュエーター300は、第1電極60と第2電極80とで圧電体層70が挟まれる活性部310を複数有し、第1電極60は活性部310の各々に独立する個別電極を構成し、第2電極80は複数の活性部に共通する共通電極を構成する。そして、第2電極80は、基準となる第1端部83と、活性部310の端部から第1電極60と電気的に接続する接続電極である第3電極82に向かって第1端部83よりも突出する凸部84と、を有する。
このように第2電極80に凸部84を設けることで、第1端部83側の電気抵抗値よりも凸部84の電気抵抗値を先端に向かって徐々に高くすることができる。したがって、凸部84に印加される電圧を先端に向かって徐々に降下させることができ、活性部310の端部に印加される電界強度を凸部84の先端に向かって徐々に低下させることができる。この結果、活性部310の端部に印加される応力を分散させることができ、応力集中による圧電体層70にクラック等の破壊が生じることや、クラックに沿って第1電極60と第2電極80との間にリーク電流が生じることによる活性部310の駆動不良が生じるのを抑制することができる。
また、本実施形態の記録ヘッド1では、凸部84は、突出方向と直交する方向であるX軸に沿った方向の幅が接続電極である第3電極82に向かって徐々に細くなっていることが好ましい。これによれば、凸部84の電気抵抗値を、第3電極82に向かってさらに徐々に増大させることができるため、活性部310の端部への応力集中を効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の記録ヘッド1では、圧電アクチュエーター300と基板である流路形成基板10との積層方向である+Z方向に見て、凸部84の根元は、第1電極60と重なっていることが好ましい。これによれば、活性部310の端部から凸部84を突出させることができ、凸部84によって活性部310の端部への応力集中を抑制することができる。
なお、本実施形態では、凸部84の全体が、+Z方向に見て第1電極60と重なる位置に配置されるようにしたが、特にこれに限定されない。凸部84は、+Z方向に見て少なくとも根元が第1電極60と重なる位置に配置されていれば、先端が第1電極60に重ならない位置に配置されていてもよい。これは、凸部84の先端が、+Z方向に見て第1電極60と重ならない位置に配置されていても、凸部84は先端に向かって電気抵抗値が徐々に高くなるため、凸部84が+Z方向に見て第1電極60に重なる領域内においても第3電極82に向かって電気抵抗値が徐々に高くなるためである。
(実施形態2)
図6は、本発明の実施形態2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1の流路形成基板10の要部を拡大した平面図およびその断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図6は、本発明の実施形態2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1の流路形成基板10の要部を拡大した平面図およびその断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
第2電極80の凸部84は、第1凸部84aと平行部84bとを有する。
第1凸部84aは、上述した実施形態1の凸部84と同様の形状を有する。つまり、第1凸部84aは、活性部310の端部から第3電極82に向かって第1端部83よりも突出して設けられている。また、凸部84は、突出する方向と直交する方向であるX軸に沿った方向の幅が第3電極82に向かって徐々に細くなるテーパー形状を有する。さらに、本実施形態の凸部84は、先端も+Z方向に見て第1電極60と重なる位置に配置されている。つまり、凸部84は、その全てが+Z方向に見て第1電極60と重なる位置に配置されている。
平行部84bは、第1凸部84aの先端に連続して設けられたものであり、第3電極82の第2電極80側の端面と平行に設けられている。つまり、平行部84bが第3電極82と並行であるとは、凸部84の突出方向であるY軸に沿った方向において、平行部84bと第3電極82との間隔がX軸に沿って同じ間隔で設けられていることを言う。本実施形態では、第3電極82のY軸に沿った第2電極80側の端面は、X軸に沿って直線状に設けられているため、平行部84bの第3電極82側の端面は、X軸に沿った直線状に設けられている。また、平行部84bのY軸に沿った方向の幅は、X軸に亘って同じ幅で設けられている。つまり、本実施形態の平行部84bは、X軸に沿った直線上に沿って、X軸に亘って同じ幅で設けられている。
また、平行部84bのX軸に沿った幅W1は、第3電極82の幅W2以上であることが好ましい。つまり、平行部84bの幅W1と第3電極82の幅W2とは、W1≧W2の関係を満たすことが好ましい。平行部84bの幅W1は、第1凸部84aのX軸に沿った幅よりも大きい。つまり、凸部84は、先端部である平行部84bが最も太くなっている。
以上説明したように、本実施形態の圧電デバイスの一例である記録ヘッド1では、凸部84は、先端部に接続電極である第3電極82と平行な平行部84bを有する。このように、凸部84に第3電極82と平行な平行部84bを設けることで、第3電極82と凸部84との間の電界が平行部84bのX軸に亘って印加される。したがって、凸部84と第3電極82との間の電界が、凸部84の一箇所に集中して印加されるのを抑制することができるため、第3電極82と凸部84との間で短絡が生じるのを抑制することができる。また、凸部84は、第1凸部84aによって先端側に向かって電気抵抗値を増大させることができるため、平行部84bの電気抵抗値が第1凸部84aよりも大きくなっても、第1凸部84aによって先端側に向かって印加される電圧を降下させることができるため、平行部84bに印加される電圧を十分に降下させることができる。つまり、第2電極80の第1端部83よりも内側、すなわち、圧力室12側を第1領域P1とし、第1除去部81aを第6領域P6とし、凸部84の第1凸部84aを第1領域P1側から第2領域P2、第3領域P3、第4領域P4とし、平行部84bが設けられた領域を第5領域P5とする。このとき、凸部84の平行部84bが設けられた第5領域P5の電気抵抗値は、第2領域P2、第3領域P3および第4領域P4のそれぞれよりも高くなるが、第4領域P4では電圧が十分に低下しているため、第5領域P5の平行部84bに印加される電圧は、第4領域P4と同じか、それよりも低くなる。したがって、平行部84bを設けても、凸部84によって活性部310の端部に印加される電界を凸部84の先端に向かって徐々に減少させることができるため、活性部310の端部に応力集中が生じるのを抑制し、圧電体層70にクラック等の破壊が発生することや、クラックに沿ったリーク電流によって活性部310の駆動不良が発生するのを抑制することができる。なお、本実施形態では、凸部84に第1凸部84aと平行部84bとを設けるようにしたが、第1凸部84aの平行部84b側のX軸に沿った方向の幅が、平行部84bと同じ幅であってもよい。つまり、凸部84の全体を、X軸に沿った方向の幅が徐々に広くなるテーパー形状で形成することで、平行部が形成されていてもよい。もちろん、凸部84の一部にX軸に沿った方向の幅が同じ幅で形成された直線形状の直線部を有する形状であってもよい。
また、本実施形態の記録ヘッド1では、凸部84の突出する方向と直交する方向であるX軸に沿った方向において、平行部84bの幅W1は、接続電極である第3電極82の幅W2以上であることが好ましい。このように、平行部84bの幅W1を第3電極82の幅W2以上とすることで、平行部84bのX軸に亘って印加される電界を分散させることができるため、第3電極82と凸部84との間で短絡が生じるのをさらに抑制することができる。
また、本実施形態の記録ヘッド1では、凸部84の突出方向と直交する方向であるX軸に沿った方向の幅は、先端部が最も太いことが好ましい。つまり、凸部84を平行部84bのみで構成する場合に比べて、凸部84を第1凸部84aとこれよりも太い平行部84bとで構成することで、第1凸部84aによって先端に向かって電圧降下を生じさせることができると共に、凸部84の先端部である平行部84bに電界集中が発生するのを抑制することができる。
なお、本実施形態の第1凸部84aは、先端に向かってX軸の両側の幅を絞ったテーパー形状としたが、特にこれに限定されない。ここで、凸部84の変形例を図7~図9に示す。なお、図7~図9は、凸部84の変形例を説明する流路形成基板10の要部平面図である。
図7に示すように、凸部84は、第1凸部84aと平行部84bとを具備し、第1凸部84aは、先端に向かってX軸の片側の幅を絞ったテーパー形状、すなわち、第1凸部84aの+X方向の側面はY軸に沿って設け、-X方向の側面をY軸に対して傾斜させることで先端に向かって幅が徐々に細くなるテーパー形状となっている。このように第1凸部84aは、X軸の片側から幅を絞った形状であっても、上述したものと同様の効果を奏することができる。
また、図8に示すように、凸部84は、第1凸部84aと平行部84bとを具備する。第1凸部84aは、X軸に沿った幅が、先端に向かって徐々に細くなり、途中から徐々に太くなる形状を有する。第1凸部84aがこのように途中から太くなる形状であっても、上述したものと同様の効果を奏することができる。
また、図9に示すように、凸部84は、第1凸部84aと平行部84bとを具備する。第1凸部84aは、X軸に沿った幅がY軸に亘って同じ幅で形成されている。第1凸部84aがこのような形状であっても、図6に示す第1凸部84aに比べて先端に向かって電気抵抗値が大きくなる割合は低くなるが、図6と同様の効果を奏することができる。つまり、第1凸部84aは、Y軸に沿って同じ幅で形成されていても、先端に行くほど第1端部83に比べて電気抵抗値が大きくなり、先端側ほど電圧降下が生じる。このため、Y軸に沿って同じ幅の第1凸部84aであっても活性部310の端部において印加される電界強度を徐々に低下させることができる。したがって、活性部310の端部に応力集中が生じるのを抑制して、圧電体層70の破壊によるリーク電流や焼損を抑制することができる。
もちろん、図7~図9に示す第1凸部84aは、上述した実施形態1の凸部84に適用することも可能である。
(他の実施形態)
以上本発明の一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。
以上本発明の一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、上述した各実施形態では、凸部84は、第2電極80の一部で形成するようにしたが、特にこれに限定されず、第2電極80と異なる層、例えば、共通リード電極92やその他の層で形成されていてもよい。つまり、凸部84が第2電極80と電気的に接続されていれば、実質的に凸部84は第2電極80の一部となる。
また、例えば、上述した実施形態1の凸部84および実施形態2の図6~図8に示す第1凸部84aは、X軸に沿った方向の幅が先端に向かって徐々に細くなるテーパー形状としたが、特にこれに限定されず、凸部84は、X軸に沿った幅が、先端に向かって段階的に細くなる、所謂、階段形状としてもよい。
また、これら実施形態1の記録ヘッド1は、インクジェット式記録装置Iに搭載される。図10は、インクジェット式記録装置Iの一例を示す概略図である。
図10に示すインクジェット式記録装置Iにおいて、記録ヘッド1は、液体供給手段を構成するカートリッジ2が着脱可能に設けられ、この記録ヘッド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に軸方向移動自在に設けられている。
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には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
さらに、上述したインクジェット式記録装置Iでは、記録ヘッド1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、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド1が固定されて、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
なお、上記実施形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の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、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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。
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限定されず、超音波デバイス、モーター、圧力センサー、焦電素子、強誘電体素子などの圧電デバイスにも適用することができる。また、これらの圧電デバイスを利用した完成体、たとえば、上記液体等噴射ヘッドを利用した液体等噴射装置、上記超音波デバイスを利用した超音波センサー、上記モーターを駆動源として利用したロボット、上記焦電素子を利用したIRセンサー、強誘電体素子を利用した強誘電体メモリーなども、圧電デバイスに含まれる。
I…インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、1…インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、2…カートリッジ、3…キャリッジ、4…装置本体、5…キャリッジ軸、6…駆動モーター、7…タイミングベルト、8…搬送ローラー、10…流路形成基板、12…圧力室、15…連通板、16…ノズル連通路、17…第1マニホールド部、18…第2マニホールド部、19…供給連通路、20…ノズルプレート、21…ノズル、30…保護基板、32…貫通孔、40…ケース部材、41…凹部、42…第3マニホールド部、43…接続口、44…導入口、45…コンプライアンス基板、46…封止膜、47…固定基板、48…開口部、49…コンプライアンス部、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、81…除去部、81a…第1除去部、81b…第2除去部、82…第3電極、83…第1端部、84…凸部、84a…第1凸部、84b…平行部、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、100…マニホールド、120…駆動回路、121…配線基板、130…接着剤、300…圧電アクチュエーター(圧電素子)、310…活性部
Claims (8)
- 複数の凹部を有する基板と、
前記基板の一方面側に設けられる振動板と、
前記振動板側から第1電極、圧電体層および第2電極が積層される圧電アクチュエーターと、
を具備し、
前記圧電アクチュエーターは、前記第1電極と前記第2電極とで前記圧電体層が挟まれる活性部を複数有し、
前記第1電極は前記活性部の各々に独立する個別電極を構成し、
前記第2電極は複数の前記活性部に共通する共通電極を構成し、
前記第2電極は、基準となる第1端部と、前記活性部の端部から前記第1電極と電気的に接続する接続電極に向かって前記第1端部よりも突出する凸部と、を有することを特徴とする圧電デバイス。 - 前記凸部は、突出方向と直交する方向の幅が前記接続電極に向かって徐々に細くなっていることを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス。
- 前記凸部は、先端部に前記接続電極と平行な平行部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の圧電デバイス。
- 前記凸部の突出する方向と直交する方向において、前記平行部の幅は、前記接続電極の幅以上であることを特徴とする請求項3に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電アクチュエーターと前記基板との積層方向に見て、前記凸部の根元は、前記第1電極と重なっていることを特徴とする請求項1~4の何れか一項に記載の圧電デバイス。
- 前記凸部の突出方向と直交する方向の幅は、先端部が最も太いことを特徴とする請求項1~5の何れか一項に記載の圧電デバイス。
- 液体を噴射するノズルに連通する圧力室が複数形成される基板と、
前記基板の一方面側に設けられる振動板と、
前記振動板側から第1電極、圧電体層および第2電極が積層される圧電アクチュエーターと、
を具備し、
前記圧電アクチュエーターは、前記第1電極と前記第2電極とで前記圧電体層が挟まれる活性部を複数有し、
前記第1電極は前記活性部の各々に独立する個別電極を構成し、
前記第2電極は複数の前記活性部に共通する共通電極を構成し、
前記第2電極は、基準となる第1端部と、前記活性部の端部から前記第1電極と電気的に接続する接続電極に向かって前記第1端部よりも突出する凸部と、を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 請求項7に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。
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JP2022037849A JP2023132489A (ja) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 圧電デバイス、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 |
US18/181,915 US20230286274A1 (en) | 2022-03-11 | 2023-03-10 | Piezoelectric Device, Liquid Ejecting Head, And Liquid Ejecting Apparatus |
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JP2022037849A JP2023132489A (ja) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 圧電デバイス、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 |
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JP2022037849A Pending JP2023132489A (ja) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 圧電デバイス、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 |
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US (1) | US20230286274A1 (ja) |
JP (1) | JP2023132489A (ja) |
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2022
- 2022-03-11 JP JP2022037849A patent/JP2023132489A/ja active Pending
-
2023
- 2023-03-10 US US18/181,915 patent/US20230286274A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
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US20230286274A1 (en) | 2023-09-14 |
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