JP5626512B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子 - Google Patents
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Description
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子に関する。
液体噴射ヘッドは、液体噴射装置の構成として、例えば、インクジェットプリンター等に用いられる。この場合、液体噴射ヘッドは、インクの小滴を吐出して飛翔させるために用いられ、これによりインクジェットプリンターは、当該インクを紙等の媒体に付着させて印刷を行うことができる。
液体噴射ヘッドは、一般に、ノズルから液体を吐出するために液体に圧力を加えるアクチュエーターを有している。アクチュエーターとしては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体層を、２つの電極で挟んだ構成を有するものがある。圧電体層は、２つの電極によって電圧が印加されることによって変形することができ、この変形を利用してアクチュエーターを、例えば、撓み振動モードで動作させることができる。
このようなアクチュエーターにおいて、圧電素子の圧電体層が複数形成され、圧電体を覆う電極（以下、「上部電極」とも言う）が、複数の圧電素子を連続して覆うように形成される共通上部電極構造が知られている（特許文献１）。
圧電体層が下部電極および上部電極に挟まれた構造の圧電素子の場合、圧電体層は、２つの電極に挟まれた能動領域と電極に挟まれていない非能動領域が形成される場合があった。この場合、圧電体層が変位するとき、能動領域の歪みが非能動領域によって押さえ込まれる結果、能動領域と非能動領域の境界付近に応力の集中が生じる。
一方、液体噴射装置の液体の噴射量を大きくする等の理由から、圧電体層の変位量は、より大きくすることが求められている。変位量を大きくすると、能動領域と非能動領域の境界付近には、より大きな応力が集中し、例えば、圧電体層にクラックが生じてしまうことがあった。
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、クラックが生じにくい圧電体層を有する信頼性の良好な液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、クラックの生じにくい圧電体層を含む信頼性の良好な圧電素子を提供することにある。
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
［適用例１］
本発明にかかる液体噴射ヘッドの一態様は、
第１電極と、
前記第１電極を覆って形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
前記第２電極の上に形成され、タングステンまたはチタンからなる被覆層と、
を有する圧電素子を備え、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、互いに重複する長方形の重複領域を形成し、
前記第１電極は、前記重複領域の長辺を規定し、
前記第２電極は、前記重複領域の短辺を規定し、
前記重複領域は、平面視において、一対の前記短辺に隣接する一対の第１領域および前記一対の第１領域の間に位置する第２領域を有し、
前記被覆層は、平面視において、前記重複領域の前記第２領域を避けて、少なくとも前記第１領域に形成されている。
本発明にかかる液体噴射ヘッドの一態様は、
第１電極と、
前記第１電極を覆って形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
前記第２電極の上に形成され、タングステンまたはチタンからなる被覆層と、
を有する圧電素子を備え、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、互いに重複する長方形の重複領域を形成し、
前記第１電極は、前記重複領域の長辺を規定し、
前記第２電極は、前記重複領域の短辺を規定し、
前記重複領域は、平面視において、一対の前記短辺に隣接する一対の第１領域および前記一対の第１領域の間に位置する第２領域を有し、
前記被覆層は、平面視において、前記重複領域の前記第２領域を避けて、少なくとも前記第１領域に形成されている。
本適用例の液体噴射ヘッドは、圧電素子の圧電体層の能動領域と非能動領域の境界付近に被覆層が形成されている。これにより圧電素子が動作するときに、圧電体層の能動領域と非能動領域の境界付近に生じる歪みを小さくすることができる。そのため、能動領域と非能動領域の境界付近への応力の集中が緩和され、圧電体層にクラックが生じにくい。これにより、本適用例の液体噴射ヘッドは、信頼性が高まっている。
［適用例２］
適用例１において、
前記圧電素子は、前記圧電体層の上に、前記第１電極と電気的に接続するリード電極を有し、
前記リード電極の材質は、ニッケルおよびクロムを含有することができる。
適用例１において、
前記圧電素子は、前記圧電体層の上に、前記第１電極と電気的に接続するリード電極を有し、
前記リード電極の材質は、ニッケルおよびクロムを含有することができる。
本適用例の液体噴射ヘッドは、製造時に、圧電素子のリード電極に、電蝕を生じにくい。すなわち、ニッケルおよびクロムの標準電極電位、並びに、タングステンおよびチタンの標準電極電位の差が小さいため、例えば、タングステンおよびチタンからなる被覆層をウエットエッチングする際に、電蝕を生じにくい。
［適用例３］
適用例１または適用例２において、
前記第２電極の材質は、イリジウムを主成分とすることができる。
適用例１または適用例２において、
前記第２電極の材質は、イリジウムを主成分とすることができる。
本適用例の液体噴射ヘッドは、第２電極の導電性が良好であるとともに、第２電極によって圧電体層が保護される。
［適用例４］
本発明にかかる液体噴射装置の一態様は、
適用例１ないし適用例３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備える。
本発明にかかる液体噴射装置の一態様は、
適用例１ないし適用例３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備える。
本適用例の液体噴射装置は、上述の液体噴射ヘッドを備えるため、信頼性が高まっている。
［適用例５］
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
第１電極と、
前記第１電極を覆って形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
前記第２電極の上に形成され、タングステンまたはチタンからなる被覆層と、
を有し、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、互いに重複する長方形の重複領域を形成し、
前記第１電極は、前記重複領域の長辺を規定し、
前記第２電極は、前記重複領域の短辺を規定し、
前記重複領域は、平面視において、一対の前記短辺に隣接する一対の第１領域および前記一対の第１領域の間に位置する第２領域を有し、
前記被覆層は、平面視において、前記重複領域の前記第２領域を避けて、少なくとも前記第１領域に形成されている。
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
第１電極と、
前記第１電極を覆って形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
前記第２電極の上に形成され、タングステンまたはチタンからなる被覆層と、
を有し、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、互いに重複する長方形の重複領域を形成し、
前記第１電極は、前記重複領域の長辺を規定し、
前記第２電極は、前記重複領域の短辺を規定し、
前記重複領域は、平面視において、一対の前記短辺に隣接する一対の第１領域および前記一対の第１領域の間に位置する第２領域を有し、
前記被覆層は、平面視において、前記重複領域の前記第２領域を避けて、少なくとも前記第１領域に形成されている。
本適用例の圧電素子は、圧電体層の能動領域と非能動領域の境界付近に被覆層が形成されている。これにより第１電極および第２電極の間に電界が印加されたときに、圧電体層の能動領域と非能動領域の境界付近に生じる歪みを小さくすることができる。そのため、能動領域と非能動領域の境界付近への応力の集中が緩和され、圧電体層にクラックが生じにくく素子の信頼性が高い。
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。そのため、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で実施される各種の変形例も含む。なお、下記の実施形態で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．液体噴射ヘッド
図１は、本実施形態の液体噴射ヘッド１０００の断面の模式図である。図２は、本実施形態の液体噴射ヘッド１０００の他の断面の模式図である。図３は、本実施形態の液体噴射ヘッド１０００を模式的に示す平面図である。図３のＡ−Ａ線の断面が図１に、図３のＢ−Ｂ線の断面が図２にそれぞれ相当する。
図１は、本実施形態の液体噴射ヘッド１０００の断面の模式図である。図２は、本実施形態の液体噴射ヘッド１０００の他の断面の模式図である。図３は、本実施形態の液体噴射ヘッド１０００を模式的に示す平面図である。図３のＡ−Ａ線の断面が図１に、図３のＢ−Ｂ線の断面が図２にそれぞれ相当する。
本実施形態の液体噴射ヘッド１０００は、少なくとも圧電素子１００を備えている。
１．１．圧電素子
圧電素子１００は、基板１と、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、被覆層４０と、を有する。圧電素子１００は、基板１が可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板（絶縁層）である場合には、振動板が振動する圧電アクチュエーター１０２とみなすことができる。
圧電素子１００は、基板１と、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、被覆層４０と、を有する。圧電素子１００は、基板１が可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板（絶縁層）である場合には、振動板が振動する圧電アクチュエーター１０２とみなすことができる。
１．１．１．基板
基板１は、平板状の形状を有している。基板１は、可撓性を有することができ、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板（絶縁層）であってもよい。基板１が振動板である場合は、基板１の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機酸化物、無機窒化物、およびステンレス鋼などの合金を例示することができる。これらのうち、基板１（振動板）の材質としては、化学的安定性および剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。基板１は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
基板１は、平板状の形状を有している。基板１は、可撓性を有することができ、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板（絶縁層）であってもよい。基板１が振動板である場合は、基板１の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機酸化物、無機窒化物、およびステンレス鋼などの合金を例示することができる。これらのうち、基板１（振動板）の材質としては、化学的安定性および剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。基板１は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
また、基板１は、シリコン基板や水晶基板であってもよい。この場合、基板１を例えば音叉型に形成し、圧電体層２０の動作によって基板１を励振する、または、圧電体層２０の歪みによって基板１の動作を検出するタイミングデバイスを構成することができる。また、この場合、超音波発振器等の超音波デバイス、超音波モーターのような機械的出力を有するデバイス、および、基板１に加わる応力や基板１の変形を圧電体層２０の歪み等によって検出する圧力センサー等の圧電デバイスを構成することができる。
本実施形態では、基板１は、可撓性を有し、液体噴射ヘッド１０００の圧力室の壁面を構成する振動板となっている。そのため、圧電体層２０の動作により、基板１が変形することにより、圧力室の容積を変化させることができ、これにより、液体噴射ヘッド１０００のノズル孔から液体を噴射させることができる。
１．１．２．第１電極
第１電極１０は、基板１の上に形成される。第１電極１０は、圧電体層２０に覆われ、圧電体層２０の上に形成される第２電極３０とともに、圧電体層２０を挟む領域を有するように設けられる。第１電極１０は、基板１の上に設けられるが、基板１の全面を覆う必要はない。第１電極１０は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第１電極１０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができる。第１電極１０の厚みが２０ｎｍよりも小さいと、第１電極１０の導電性が不足する場合がある。
第１電極１０は、基板１の上に形成される。第１電極１０は、圧電体層２０に覆われ、圧電体層２０の上に形成される第２電極３０とともに、圧電体層２０を挟む領域を有するように設けられる。第１電極１０は、基板１の上に設けられるが、基板１の全面を覆う必要はない。第１電極１０は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第１電極１０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができる。第１電極１０の厚みが２０ｎｍよりも小さいと、第１電極１０の導電性が不足する場合がある。
第１電極１０は、平面的に見たとき（基板１の法線方向から見たとき）に、長手を有する形状を有する。第１電極１０の平面的な形状は、例えば、長方形である。第１電極１０は、圧電素子１００が複数の可動部を有する場合の個別電極であることができる。
第１電極１０は、平面的に見たときに、第２電極３０とオーバーラップする重複領域５０を形成する。重複領域５０は、平面視において長方形の形状を有し、当該重複領域５０の長辺５０ａを、第１電極１０の長手方向に平行な辺が規定している。
第１電極１０の機能の一つとしては、圧電体層２０に電界を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層２０の下方に形成された下部電極）となることが挙げられる。
第１電極１０の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯｘ：ＬＮＯ）などを例示することができる。第１電極１０は、例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
第１電極１０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により形成することができる。そしてフォトリソグラフィ法等によって、上記の形状にパターニングされることができる。なお、第１電極１０は、印刷、インプリンティングなどの方法で形成することもでき、この場合は、基板１に直接、第１電極１０を形成することができる。
１．１．３．圧電体層
圧電体層２０は、第１電極１０を覆って形成される。圧電体層２０は、第１電極１０がパターニングされている場合には、基板１の上に形成されていてもよい。圧電体層２０は、第１電極１０および第２電極３０によって挟まれた領域を有する。本明細書ではこのような圧電体層２０の領域のことを能動領域２０ａと称することがある。圧電体層２０の能動領域２０ａは、平面視において、第１電極１０および第２電極３０とが重複する重複領域５０と一致している。
圧電体層２０は、第１電極１０を覆って形成される。圧電体層２０は、第１電極１０がパターニングされている場合には、基板１の上に形成されていてもよい。圧電体層２０は、第１電極１０および第２電極３０によって挟まれた領域を有する。本明細書ではこのような圧電体層２０の領域のことを能動領域２０ａと称することがある。圧電体層２０の能動領域２０ａは、平面視において、第１電極１０および第２電極３０とが重複する重複領域５０と一致している。
圧電体層２０は、第１電極１０を覆って形成され、上記の能動領域２０ａを有するが、重複領域５０（能動領域２０ａ）以外の領域（非能動領域）には、圧電体層２０が形成されていない部分があってもよい。例えば、図３の例では、圧電体層２０の非能動領域に貫通穴２２が形成されている。圧電体層２０に貫通穴２２が設けられると、例えば、圧電体層２０による基板１の振動の阻害を低減することができる。
本実施形態では、圧電体層２０が第１電極１０を覆って形成されるため、圧電体層２０によって第１電極１０を、例えば外部から侵入する不純物等から保護することができる。
第１電極１０および圧電体層２０の間には、他の層が形成されてもよい。他の層としては、例えばチタン層などが挙げられる。図１の例では、圧電体層２０は、第１電極１０に接して設けられている、圧電体層２０の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることができる。圧電体層２０の厚みがこの範囲であれば、圧電素子１００（圧電アクチュエーター１０２）の十分な変形（電気機械変換）が得られる。また、圧電体層２０のより好ましい厚みとしては、１０００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。圧電体層２０の厚みが、このような範囲内であると、圧電素子１００の変位量を十分大きくとることができるとともに、圧電素子１００の薄膜化に寄与することができる。
圧電体層２０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分として形成され圧電性を有する。圧電体層２０に用いられるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物としては、例えば、化学組成が、一般式ＭＡＭＢＯ３（式中ＭＡで表される元素が酸素を１２配位し、ＭＢで表される元素が酸素を６配位する）で表される酸化物が挙げられる。圧電体層２０の主成分となる酸化物は、圧電性を有するものであるかぎり特に限定されないが、例えば、一般式ＭＡＭＢＯ３において、ＭＡが、Ｐｂ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、およびＢｉからなる群より選択される少なくとも１種であり、ＭＢが、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎａ、ＴａおよびＬａからなる群より選択される少なくとも１種である酸化物が好ましい。
これらのうち、圧電体層２０の材質としてより好ましくは、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とすることが好適である。圧電体層２０の主成分として好適な酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下これを「ＰＺＴ」と略記することがある）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）などが挙げられる。
このような酸化物は、いずれも式中、ＭＡサイトの酸化物とＭＢサイトの酸化物の固溶体を形成することができる。そして、このような複合酸化物は、結晶化により、ペロブスカイト型の結晶構造をとることができる。このような酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造をとることにより、圧電性を呈することができる。これにより、圧電体層２０は、第１電極１０および第２電極３０によって電界が印加されることで変形することができる（電気機械変換）。圧電素子１００が圧電体層２０の変形によって変形するため、例えば、基板１が振動板である場合には、基板１を変形させたり（たわませたり）、振動させたりすることができる。
圧電体層２０は、積層構造であってもよい。例えば、互いに異なる組成の圧電体の層や、同一の組成の圧電体の層が、複数層積層していてもよい。また、圧電体層２０には、厚みの方向に組成が傾斜していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。
圧電体層２０は、例えば、スパッタ法（ＤＣスパッタ、イオンスパッタ、マグネトロンスパッタを含む）、蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（レーザーアブレーション）法、ミスト成膜法、およびゾルゲル法などの薄膜法により形成されることができる。このような薄膜法によって、厚みの大きい圧電体層２０を形成する場合には、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ法などの物質を堆積させる種の方法では堆積時間を長くすることにより形成することができ、また例えば、ＭＯＤ法やゾルゲル法などのコーティング−焼成を行う種の方法では、該方法を繰り返して積層することにより形成することができる。さらに、積層する場合には、各層毎に異なる薄膜法を用いて積層してもよい。
１．１．４．第２電極
第２電極３０は、圧電体層２０の上に形成される。第２電極３０は、圧電体層２０の上に設けられるが、圧電体層２０の全面を覆う必要はない。また、第２電極３０は、圧電体層２０に貫通穴２２等が設けられている場合には、当該貫通穴２２等の部分において、例えば基板１の上に形成されていてもよい。第２電極３０は、圧電体層２０に覆われている第１電極１０とともに、圧電体層２０を挟む領域を有するように設けられる。第２電極３０は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第２電極３０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。第２電極３０の厚みが２０ｎｍよりも小さいと、第２電極３０の導電性が不足する場合がある。
第２電極３０は、圧電体層２０の上に形成される。第２電極３０は、圧電体層２０の上に設けられるが、圧電体層２０の全面を覆う必要はない。また、第２電極３０は、圧電体層２０に貫通穴２２等が設けられている場合には、当該貫通穴２２等の部分において、例えば基板１の上に形成されていてもよい。第２電極３０は、圧電体層２０に覆われている第１電極１０とともに、圧電体層２０を挟む領域を有するように設けられる。第２電極３０は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第２電極３０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。第２電極３０の厚みが２０ｎｍよりも小さいと、第２電極３０の導電性が不足する場合がある。
第２電極３０は、平面的に見たとき（基板１の法線方向から見たとき）に、第１電極１０とオーバーラップする重複領域５０を形成する。重複領域５０は、平面視において長方形の形状を有し、当該重複領域５０の短辺５０ｂを、第２電極３０が規定している。第２電極３０の平面的な形状は、例えば、長方形である。第２電極３０は、圧電素子１００が複数の可動部を有する場合の共通電極であることができる。
第２電極３０の機能の一つとしては、圧電体層２０に電界を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層２０の上方に形成された上部電極）となることが挙げられる。
第２電極３０の材質としては、第１電極１０と同様のものを挙げることができる。第２電極３０は、例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。これらのうち、第２電極３０は、イリジウムを主成分として形成されることにより、第２電極３０の導電性を良好とするとともに、第２電極３０によって圧電体層２０を、例えば、外部から侵入する水分や水素から保護する作用を高めることができる。
第２電極３０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により形成することができる。そしてフォトリソグラフィ法等によって、上記の形状にパターニングされることができる。なお、第２電極３０は、印刷、インプリンティングなどの方法で形成することもできる。
１．１．５．重複領域
上述のように、第１電極１０および第２電極３０は、平面視において、互いに重複する重複領域５０を有する。重複領域５０は、平面視において、長方形の形状を有する。平面視における重複領域５０の長方形形状の長辺５０ａは、第１電極１０によって規定され、短辺５０ｂは、第２電極３０によって規定される。
上述のように、第１電極１０および第２電極３０は、平面視において、互いに重複する重複領域５０を有する。重複領域５０は、平面視において、長方形の形状を有する。平面視における重複領域５０の長方形形状の長辺５０ａは、第１電極１０によって規定され、短辺５０ｂは、第２電極３０によって規定される。
重複領域５０は、一対の短辺５０ｂに隣接する一対の第１領域５１を有する。第１領域５１は、平面視における重複領域５０の長方形の長手方向の両端部に位置する。すなわち、第１領域５１は、平面視における重複領域５０の長方形の長手方向の中央部を避けた領域のことを指す。平面視における第１領域５１の面積は、重複領域５０の面積の２％以上９８％未満である。また、圧電体層２０の能動領域２０ａと非能動領域の境界における変位の抑制と、圧電体層２０の能動領域２０ａの変位の大きさとのバランスがより好ましくなる点で、平面視における第１領域５１の面積は、重複領域５０の面積の１０％以上８０％未満であることがより好ましい。
また、重複領域５０は、上記一対の第１領域５１の間に位置する第２領域５２を有する。第２領域５２は、平面視における重複領域５０の長方形の長手方向の中央部を含んでいる。すなわち、第２領域５２は、平面視における重複領域５０の長方形の長手方向の端部を避けた領域のことを指す。平面視における第２領域５２の面積は、重複領域５０の面積の２％以上９８％未満である。また、圧電体層２０の能動領域２０ａと非能動領域の境界における変位の抑制と、圧電体層２０の能動領域２０ａの変位の大きさとのバランスがより好ましくなる点で、平面視における第２領域５２の面積は、重複領域５０の面積の２０％以上９０％未満であることがより好ましい。
１．１．６．被覆層
被覆層４０は、第２電極３０の上に設けられる。被覆層４０は、平面視において、重複領域５０の第２領域５２を避けて設けられる。また、被覆層４０は、平面視において、少なくとも重複領域５０の第１領域５１に形成される。被覆層４０は、第２電極３０の上の他の部分に設けられてもよく、また、第２電極３０上の第２領域５２を避けた領域全体に設けられる必要はない。被覆層４０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。被覆層４０は、タングステンまたはチタンによって形成される。
被覆層４０は、第２電極３０の上に設けられる。被覆層４０は、平面視において、重複領域５０の第２領域５２を避けて設けられる。また、被覆層４０は、平面視において、少なくとも重複領域５０の第１領域５１に形成される。被覆層４０は、第２電極３０の上の他の部分に設けられてもよく、また、第２電極３０上の第２領域５２を避けた領域全体に設けられる必要はない。被覆層４０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。被覆層４０は、タングステンまたはチタンによって形成される。
被覆層４０の機能の一つとしては、圧電体層２０の駆動領域（重複領域５０）に電界が印加され変形が生じたときに、第１領域５１に位置する圧電体層２０の変形を抑制することが挙げられる。また、被覆層４０の機能の一つとしては第２電極３０の導電性を補助することが挙げられる。
被覆層４０は、平面視において、重複領域５０の第２領域５２に位置する長辺５０ａよりも外側に設けられる。そのため、被覆層４０によって、圧電体層２０の能動領域２０ａの短辺５０ｂ方向の変位の抑制の程度は小さい。したがって、圧電体層２０の変位は、十分に大きくすることができる。
１．１．７．その他の構成
本実施形態の圧電素子１００は、圧電体層２０の上に、第１電極１０と電気的に接続されたリード電極６０を有してもよい。
本実施形態の圧電素子１００は、圧電体層２０の上に、第１電極１０と電気的に接続されたリード電極６０を有してもよい。
リード電極６０の平面的な形状は、第１電極１０と電気的に接続し、第２電極３０と電気的に分離している限り特に限定されない。
リード電極６０は、例えば、圧電体層２０に、第１電極１０に連通する貫通孔２０ｂを設け、貫通孔２０ｂの内側および圧電体層２０上の所望の領域にニッケルおよびクロムの合金からなる下地層６２を形成し、下地層６２の上に、例えば金を積層してリード電極層６４を形成して設けられる。
リード電極６０の材質は、特に限定されないが、少なくとも下地層６２をニッケルおよびクロムの合金とすることで、圧電体層２０とリード電極６０との密着性を高めることができる。
リード電極６０の機能の一つとしては、圧電体層２０によって第１電極１０が覆われた状態を維持したまま圧電体層２０の上において第１電極１０と電気的接続を可能にすることが挙げられる。これにより、例えば、製造時に第１電極１０と外部との電気的接続を形成することを容易化することができる。また、これにより、例えば、圧電素子１００の平面的な専有面積を小さくすることができ、例えば液体噴射ヘッド１０００のノズル孔６１２の配置の密度を向上させることができる。
１．１．８．圧電素子の特徴
本実施形態の圧電素子１００（圧電アクチュエーター１０２）は、以下のような特徴を有する。
本実施形態の圧電素子１００（圧電アクチュエーター１０２）は、以下のような特徴を有する。
本実施形態の圧電素子１００は、被覆層４０がタングステンまたはチタンからなる。タングステンまたはチタンは、比較的ヤング率の高い材料であり、これらの材料からなる被覆層４０が第１領域５１に形成されることにより、第１領域５１の圧電体層２０の変位を本来の変位よりも小さく抑えることができる。一方、第２領域５２には、被覆層４０が形成されないため、第２領域５２に位置する圧電体層２０の変位は、抑制されることがなく、圧電素子１００の変位量を十分に大きく確保することができる。
ここで、圧電体層２０に生じる応力について述べる。圧電体層２０の能動領域２０ａは、第１電極１０および第２電極３０によって電界が印加されることにより、伸縮等の変形を生じる。このとき能動領域２０ａに隣接する圧電体層２０の領域には、電界がほとんど印加されず変形しないため、これらの領域の境界部分では変位が拘束されて、応力が発生する。この応力は、能動領域２０ａが圧電体層２０の平面内で膨張または収縮するときに発生するが、特に能動領域２０ａが収縮するときには、圧電体層２０を引っ張る方向の成分を有する応力が発生する。この応力が特定の大きさ以上になると、圧電体層２０の能動領域２０ａと非能動領域の境界にクラック（亀裂）が生じることになる。このようなクラックは、能動領域２０ａ（重複領域５０）が長手を有するため、能動領域２０ａの収縮の成分が大きくなる長手方向の端（重複領域５０の短辺５０ｂに沿う位置）において他の部位よりも先に発生しやすい。
一方、圧電体層２０にクラックを生じさせる応力は、変位の拘束の程度に依存する。すなわち、変位の拘束の度合いが大きいと、より大きな応力が発生する。したがって、圧電体層２０の隣り合う領域の間の変位量の差が大きければ、より大きな応力が発生する。逆に、圧電体層２０の隣り合う領域の間の変位量の差を小さくすることにより、発生する応力を小さくすることができる。
本実施形態の圧電素子１００は、被覆層４０が、変位領域２０ａの長手方向の端に対応する位置の第１領域５１に形成されている。したがって被覆層４０によって、能動領域２０ａの長手方向の端における変位が本来の変位よりも小さく抑えられる。これにより、能動領域２０ａと非能動領域の境界における変位の拘束の程度が小さくなり、当該境界部分に発生する応力を小さくすることができる。よって、本実施形態の圧電素子１００は、被覆層４０が形成されることにより、圧電体層２０に発生する応力が抑制され、圧電体層２０にクラック等の破壊を生じにくいという特徴を有する。
また、被覆層４０の材質であるタングステンおよびチタンは、標準電極電位の値が、ニッケルおよびクロムに近い。具体的には、ＷＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−←→Ｗ＋２Ｈ２Ｏの反応、およびＷ２Ｏ５＋２Ｈ＋＋２ｅ−←→Ｗ＋２Ｈ２Ｏの反応における標準電極電位は、いずれも−０．１１９Ｖであり、Ｔｉ２＋＋２ｅ−←→Ｔｉの反応における標準電極電位は、−１．６３Ｖ、Ｔｉ３＋＋ｅ−←→Ｔｉ２＋の反応における標準電極電位は、−０．３６０Ｖである。これに対して、Ｎｉ２＋＋２ｅ−←→Ｎｉの反応における標準電極電位は、−０．２５７Ｖ、Ｃｒ２＋＋２ｅ−←→Ｃｒの反応における標準電極電位は、−０．９Ｖである。
一方、Ｉｒ３＋＋３ｅ−←→Ｉｒの反応における標準電極電位は、＋１．１５６Ｖである。
したがって、ニッケルおよびクロムを含有するリード電極６０を設ける態様であって、プロセス上、ウエットエッチングを行う必要がある場合に、被覆層４０が第２電極３０の上に設けられることにより、エッチャントによるニッケルまたはクロムの電蝕を小さく抑えることができる。すなわち、被覆層４０が形成されていない場合には、当該エッチングの際に、エッチャントに、標準電極電位の高いイリジウムと、標準電極電位の低いニッケルおよびクロムとが、浸漬され、電気化学的反応が生じやすい。これに対して、本実施形態の圧電素子１００においては、被覆層４０を形成しているため、ニッケルおよびクロムを含有するリード電極６０を設ける態様において、イリジウムがエッチャントに接触する面積が減少するとともに、標準電極電位がニッケルおよびクロムに近いタングステンまたはチタンに覆われるため、このような電気化学的反応が抑制され、ニッケルおよびクロムの電蝕が生じにくいという特徴がある。
１．２．その他の構成
本実施形態の液体噴射ヘッド１０００は、上述の圧電素子１００を有し、振動板１ａ、圧力室基板６２０、およびノズル板６１０を有する。液体噴射ヘッド１０００の振動板１ａは、上述の圧電素子１００で述べた基板１が振動板である場合に相当する。なお、図１ではノズル板６１０は省略されている。
本実施形態の液体噴射ヘッド１０００は、上述の圧電素子１００を有し、振動板１ａ、圧力室基板６２０、およびノズル板６１０を有する。液体噴射ヘッド１０００の振動板１ａは、上述の圧電素子１００で述べた基板１が振動板である場合に相当する。なお、図１ではノズル板６１０は省略されている。
ノズル板６１０は、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクが吐出されることができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている（図４参照）。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。
圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上（図４の例では下）に設けられている。圧力室基板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。圧力室基板６２０がノズル板６１０と振動板１ａとの間の空間を区画することにより、図４に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力室６２２と、が設けられている。この例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力室６２２とを区別して説明するが、これらはいずれも液体の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、このような形状は必ずしも必須の構成ではない。リザーバー６２４、供給口６２６および圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と振動板１ａとによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板１ａに設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、振動板１ａの変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２からインク等が吐出される。
圧電素子１００は、圧力室基板６２０上（図４の例では下）に設けられている。圧電素子１００は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作することができる。振動板１ａは、圧電素子１００の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
筐体６３０は、図４に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板６２０および圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。
液体噴射ヘッド１０００は、圧電素子１００を有する。そのため、圧電体層２０にクラック等の破壊を生じにくく信頼性が高い。
本実施形態の液体噴射ヘッド１０００は、たとえば、プリンター等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、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（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射ヘッドとしても好適に利用することができる。
また、なお上記説明では、本発明にかかる圧電素子（圧電アクチュエーター）の一例として、基板１が撓み等の変形動作される振動板１ａとなっている場合について説明した。本発明にかかる圧電素子（圧電アクチュエーター）としては、例えば、基板１が音叉型の振動片となっているようなタイミングデバイスや、基板１が超音波領域の周波数で振動され超音波を発生する超音波発振器等の超音波デバイス、基板１が超音波領域の周波数で振動して他の部材を駆動する超音波モーターのような機械的出力を有するデバイス、および、基板１に加わる応力や基板１の変形を検出するような圧力センサー等、他の圧電デバイスも例示することができる。
２．液体噴射装置
図５は、液体噴射装置２０００を模式的に示す斜視図である。
図５は、液体噴射装置２０００を模式的に示す斜視図である。
液体噴射装置２０００は、図５に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。さらに、液体噴射装置２０００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。
ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド１０００（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット７３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。
駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。
往復動機構７４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド１０００および記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド１０００および記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０および給紙部７５０を制御することができる。
給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー７５２ａおよび駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。
ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０および給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
液体噴射装置２０００は、液体噴射ヘッド１０００を有する。したがって信頼性が良好なものとなっている。
なお、上記例示した液体噴射装置２０００は、１つの液体噴射ヘッド１０００を有し、この液体噴射ヘッド１０００によって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液体噴射ヘッドを有してもよい。液体噴射装置が複数の液体噴射ヘッドを有する場合には、複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体噴射ヘッドが互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
以上、本発明にかかる圧電素子（圧電アクチュエーター）を有する液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしての液体噴射装置２０００を説明したが、本発明にかかる液体噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明にかかる液体噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
３．実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
３．１．計算機実験
有限要素法により、上記実施形態で説明した圧電体層２０の能動領域２０ａと非能動領域との境界に生じるせん断歪みを評価した。
有限要素法により、上記実施形態で説明した圧電体層２０の能動領域２０ａと非能動領域との境界に生じるせん断歪みを評価した。
有限要素法では、第１電極１０を厚み２００ｎｍの白金で形成し、その上に、ＰＺＴ層（圧電体層）を１０００ｎｍの厚みで形成し、その上に第２電極３０を厚み５０ｎｍのイリジウムで形成したものをモデルとした。また、重複領域５０の長辺５０ａを５００μｍ、短辺５０ｂを１００μｍとし、被覆層４０の平面的な形状は、短辺５０ｂから重複領域５０の内側に向かって、５０μｍの部分が覆われる形状とした。本実験例では、被覆層４０の材質はタングステンとした。
有限要素法において、各素材のヤング率は、イリジウムは、３００ＧＰａ、タングステンは、２１０ＧＰａ、ＰＺＴは、７５ＧＰａ、とした。また、イリジウムおよびタングステンのポアソン比は、０．３とした。
そして、被覆層４０の厚みを、０ｎｍから１５０ｎｍまで変化させ、圧電体層２０を駆動させたときに生じるせん断歪みを計算した。なお、ＰＺＴの歪みの態様は、面内方向の収縮とし、いずれの計算においても０．００３７６％収縮させたときに生じるせん断歪みを求めた。
その結果を図６に示す。図６は、横軸に被覆層４０の厚みをとり、縦軸に被覆層４０の厚みが０ｎｍであるときのせん断歪みを１（１００％）として規格化したものをとっている。
図６をみると、被覆層の厚みが大きくなるにつれて、圧電体層の能動領域と非能動領域との境界に生じるせん断歪みは小さくなっていることが分かった。この結果から、第２電極の上に、被覆層を設けることにより、圧電体層の能動領域と非能動領域との境界に生じる応力が小さく抑えられることが判明した。
３．２．電子顕微鏡観察
図７および図８は、圧電体層２０（ＰＺＴ）の上の第２電極３０（イリジウム）の上に、被覆層４０として、それぞれ、タングステンおよびチタンを形成した試料の透過型電子顕微鏡写真である。
図７および図８は、圧電体層２０（ＰＺＴ）の上の第２電極３０（イリジウム）の上に、被覆層４０として、それぞれ、タングステンおよびチタンを形成した試料の透過型電子顕微鏡写真である。
図７および図８をみると、いずれの試料においても、第２電極３０の上に、被覆層４０が隙間等の欠陥を有することなく均一に形成されている。これらの結果は、圧電体層２０、第２電極３０および被覆層４０の密着性がいずれも良好であることを示しており、これにより、被覆層４０によって、圧電体層２０に生じる歪みを抑制する効果が発揮できるものと考えられる。
以上に述べた実施形態等は、任意の複数の形態を適宜組み合わせることが可能である。これにより、組み合わされた実施形態は、それぞれの実施形態が有する効果または相乗的な効果を奏することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１…基板、１ａ…振動板、１０…第１電極、２０…圧電体層、２０ａ…能動領域、２２…貫通穴、３０…第２電極、４０…被覆層、５０…重複領域、５０ａ…長辺、５０ｂ…短辺、５１…第１領域、５２…第２領域、６０…リード電極、６２…下地層、６４…リード電極層、１００…圧電素子、１０２…圧電アクチュエーター、６１０…ノズル板、６１２…ノズル孔、６２０…圧力室基板、６２２…圧力室、６２４…リザーバー、６２６…供給口、６２８…貫通孔、６３０…筐体、７１０…駆動部、７２０…装置本体、７２１…トレイ、７２２…排出口、７３０…ヘッドユニット、７３１…インクカートリッジ、７３２…キャリッジ、７４１…キャリッジモーター、７４２…往復動機構、７４３…タイミングベルト、７４４…キャリッジガイド軸、７５０…給紙部、７５１…給紙モーター、７５２…給紙ローラー、７５２ａ…従動ローラー、７５２ｂ…駆動ローラー、７６０…制御部、７７０…操作パネル、１０００…液体噴射ヘッド、２０００…液体噴射装置
Claims (3)
- 第１電極と、
前記第１電極を覆って形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
前記第２電極の上に形成され、タングステンからなる被覆層と、
前記圧電体層の上に形成され、前記第１電極と電気的に接続するリード電極と、
を有する圧電素子を備え、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、互いに重複する長方形の重複領域を形成し、
前記第１電極は、前記重複領域の長辺を規定し、
前記第２電極は、前記重複領域の短辺を規定し、
前記重複領域は、平面視において、一対の前記短辺に隣接する一対の第１領域および前記一対の第１領域の間に位置する第２領域を有し、
前記被覆層は、平面視において、前記重複領域の前記第２領域を避けて、少なくとも前記第１領域に形成され、
前記リード電極の材質は、ニッケルおよびクロムを含有し、
前記第２電極の材質は、イリジウムを主成分とする、液体噴射ヘッド。 - 請求項１に記載の液体噴射ヘッドを備えた、液体噴射装置。
- 第１電極と、
前記第１電極を覆って形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
前記第２電極の上に形成され、タングステンからなる被覆層と、
を有し、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、互いに重複する長方形の重複領域を形成し、
前記第１電極は、前記重複領域の長辺を規定し、
前記第２電極は、前記重複領域の短辺を規定し、
前記重複領域は、平面視において、一対の前記短辺に隣接する一対の第１領域および前記一対の第１領域の間に位置する第２領域を有し、
前記被覆層は、平面視において、前記重複領域の前記第２領域を避けて、少なくとも前記第１領域に形成され、
前記リード電極の材質は、ニッケルおよびクロムを含有し、
前記第２電極の材質は、イリジウムを主成分とする、圧電素子。
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