JP5511202B2 - 圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド及び記録装置 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド及び記録装置に関する。
圧電体材料は、圧電アクチュエータとも呼ばれる圧電体素子、ピエゾ型液体吐出ヘッドとも呼ばれる液体吐出ヘッド、前記液体吐出ヘッドを備えた記録装置などの幅広い分野で用いらている。
下電極とも呼ばれる第１電極と、上電極とも呼ばれる第２電極との間に圧電体層を配置し振動板を接合したユニモルフ型圧電体素子とも呼ばれる圧電体素子（以下、単に圧電体素子と呼ぶ）の断面は、例えば図１２に示すような構成からなる。この圧電体素子は、ユニモルフ駆動と呼ばれる駆動により振動板２２をたわみ変位させている。図１３は、ユニモルフ駆動による振動板のたわみ変位を説明する概略図である。図１３に示すように、振動板面に垂直な方向へ外部電界が印加された際に発生する２種類の変位への寄与の和により、たわみ変位の大きさが決定される。この２種類の変位への寄与とは、外部電界と同じ方向へ発生する結晶歪みに伴う変位への寄与、及び外部電界に垂直な方向へ発生する結晶歪みに伴い外部電界と同じ方向へ発生する変位への寄与である。
前記２種類の変位への寄与のうち、前者はｄ３３という圧電定数に密接に関係しており、後者はｄ３１という圧電定数に密接に関係している。
また、圧電定数としては、前記ｄ３３及びｄ３１以外に、例えばｄ１５という圧電定数がある。ｄ３３、ｄ３１及びｄ１５の値は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３）の一つであるＰｂＺｒ０．５５Ｔｉ０．４５Ｏ３では、ｄ３３＝１４７、ｄ３１＝−５７．３、ｄ１５＝３９９（×１０−１２Ｃ／Ｎ）である。また、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）では、ｄ３３＝１９１、ｄ３１＝−７９、ｄ１５＝２９３（×１０−１２Ｃ／Ｎ）である。
また、圧電定数としては、前記ｄ３３及びｄ３１以外に、例えばｄ１５という圧電定数がある。ｄ３３、ｄ３１及びｄ１５の値は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３）の一つであるＰｂＺｒ０．５５Ｔｉ０．４５Ｏ３では、ｄ３３＝１４７、ｄ３１＝−５７．３、ｄ１５＝３９９（×１０−１２Ｃ／Ｎ）である。また、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）では、ｄ３３＝１９１、ｄ３１＝−７９、ｄ１５＝２９３（×１０−１２Ｃ／Ｎ）である。
図１４は、ｄ３３、ｄ３１及びｄ１５の圧電定数、外部電界、結晶歪み、及び結晶変位との関係を示す図である。図１４に示すように、ｄ１５はいわゆるせん断歪みに関係する圧電定数であり、圧電体層における外部電界と平行する一つの面に、電界方向へ結晶歪みを起こすことで発生する変位と、密接に関連している圧電定数である。
前記圧電体素子においては、従来のたわみ変位のみでは十分な振動板変位を得ることが出来ないことがある。これは、圧電定数の絶対値の大きさが１０−１２Ｃ／Ｎ程度のオーダーという極めて小さな値であることに起因している。係る場合、例えば前記ユニモルフ型圧電体素子を備えたピエゾ型液体吐出ヘッドにおいては、液室内の液体を吐出させることが出来なくなる可能性もある。
このような事実を鑑みると、何らかの方法により振動板のたわみ変位を大きく得る方法が重要であることが、容易に推察される。
振動板のたわみ変位を大きくする方法の一つとして、圧電体素子の断面構造に何らかの工夫を施す方法がある。例えば、特許文献１には、圧電体層の幅方向を凸状の断面構造にすることで、両端部の中立面を振動板方向へ下げることが可能となり、振動板の変位を増加させることができる液体吐出ヘッドが開示されている。また、非特許文献１には、圧電体層の断面を概台形状の格子構造にすることで、振動板の変位を増加させることができる圧電体素子が開示されている。
振動板のたわみ変位を大きくする方法の一つとして、圧電体素子の断面構造に何らかの工夫を施す方法がある。例えば、特許文献１には、圧電体層の幅方向を凸状の断面構造にすることで、両端部の中立面を振動板方向へ下げることが可能となり、振動板の変位を増加させることができる液体吐出ヘッドが開示されている。また、非特許文献１には、圧電体層の断面を概台形状の格子構造にすることで、振動板の変位を増加させることができる圧電体素子が開示されている。
Ｗ． Ｚｈｕ， Ｎ．Ｌｉ， Ｊ．Ｆｕ ａｎｄ Ｌ． Ｅ． Ｃｒｏｓｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １３ｔｈ ＵＳ−Ｊａｐａｎ Ｓｅｍｉｎａｒ ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｅｒａｍｉｃｓ，ｐｐ．８１から８４（２００７）
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１の方法は、いずれも主としてｄ３１を効率よく振動板の変位に寄与させる方法であり、ｄ３１及びｄ３３の圧電定数のみしか活用されていない圧電体素子の構造である。
然るに、前記のように、ＰＺＴやＢａＴｉＯ３等をはじめとする圧電材料においては、ｄ３１やｄ３３の絶対値よりもｄ１５の絶対値の方が大きい場合が多い。従って、ｄ１５を有効に活用する圧電体素子の提案が望まれている。
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、圧電定数ｄ１５を有効に活用し、振動板のたわみ変位を大きくすることが可能な圧電体素子を提供することにある。
また、本発明は、上記の圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び記録装置を提供することにある。
また、本発明は、上記の圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び記録装置を提供することにある。
上記の課題を解決する圧電体素子は、
第１電極と第２電極と振動板と圧電体膜とを有し、前記第１電極及び前記第２電極との間に圧電体膜を配置し、前記第１電極の外側に振動板を配置した圧電体素子であり、前記圧電体膜の前記第２電極の側に１箇以上の凹部を有し、前記凹部の内側壁に第３電極が形成され、前記第３電極が前記第２電極に接続されており、
かつ、前記圧電体膜が分極されている方向と交差する方向に前記第１電極および前記第２電極が設けられており、前記圧電体膜が分極された方向に沿って前記凹部の内側壁に前記第３電極が設けられていることを特徴とする圧電体素子である。
第１電極と第２電極と振動板と圧電体膜とを有し、前記第１電極及び前記第２電極との間に圧電体膜を配置し、前記第１電極の外側に振動板を配置した圧電体素子であり、前記圧電体膜の前記第２電極の側に１箇以上の凹部を有し、前記凹部の内側壁に第３電極が形成され、前記第３電極が前記第２電極に接続されており、
かつ、前記圧電体膜が分極されている方向と交差する方向に前記第１電極および前記第２電極が設けられており、前記圧電体膜が分極された方向に沿って前記凹部の内側壁に前記第３電極が設けられていることを特徴とする圧電体素子である。
上記の課題を解決する液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口に連通した個別液室と、前記個別液室に対応して設けられた圧電体素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電体素子が上記の圧電体素子であることを特徴とする。
上記の課題を解決する記録装置は、液体を吐出する液体吐出ヘッドを搭載した記録装置において、該液体吐出ヘッドが上記の液体吐出ヘッドであることを特徴とする。
本発明によれば、圧電定数ｄ１５を有効に活用し、振動板のたわみ変位を大きくすることが可能な圧電体素子を提供することができる。
また、本発明は、上記の圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び記録装置を提供することができる。
また、本発明は、上記の圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び記録装置を提供することができる。
本発明の圧電体素子は、圧電定数ｄ１５を有効に活用し、振動板のたわみ変位を大きくすることが可能である。
即ち、本発明に係る圧電体素子は、第１電極と第２電極と振動板と圧電体膜とを有し、前記第１電極及び第２電極との間に圧電体膜を配置し、前記第１電極の外側に振動板を配置した圧電体素子において、前記圧電体膜の第２電極側に１箇以上の凹部を有し、前記凹部の内側壁に第３電極が形成され、前記第３電極が前記第２電極に接続されていることを特徴とする。
即ち、本発明に係る圧電体素子は、第１電極と第２電極と振動板と圧電体膜とを有し、前記第１電極及び第２電極との間に圧電体膜を配置し、前記第１電極の外側に振動板を配置した圧電体素子において、前記圧電体膜の第２電極側に１箇以上の凹部を有し、前記凹部の内側壁に第３電極が形成され、前記第３電極が前記第２電極に接続されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記の圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び記録装置からなる。
即ち、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口に連通した個別液室と、前記個別液室に対応して設けられた圧電体素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電体素子が上記の圧電体素子であることを特徴とする。
即ち、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口に連通した個別液室と、前記個別液室に対応して設けられた圧電体素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電体素子が上記の圧電体素子であることを特徴とする。
本発明に係る記録装置は、液体を吐出する液体吐出ヘッドを搭載した記録装置において、該液体吐出ヘッドが上記の液体吐出ヘッドであることを特徴とする。
以下の実施例において、本発明の圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド及び記録装置について詳細に説明する。
以下の実施例において、本発明の圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド及び記録装置について詳細に説明する。
本発明の第１の実施形態として、圧電体素子の実施形態を、図１乃至図７を参考にして説明する。
図１は、本発明の圧電体素子の第１の実施形態の断面図を示す。図１において、本発明に係る圧電体素子は、第１電極１３と、第２電極１５と、振動板２２と、圧電体膜１４とを有し、対向する前記第１電極１３及び第２電極１５との間に圧電体膜１４を配置し、前記第１電極１３の外側に振動板２２を配置してなり、前記圧電体膜１４の第２電極側に１箇以上の凹部２０を有し、前記凹部２０の内側壁２４に第３電極３１が形成され、前記第３電極３１が前記第２電極１５に接続された断面構造からなる。
図１は、本発明の圧電体素子の第１の実施形態の断面図を示す。図１において、本発明に係る圧電体素子は、第１電極１３と、第２電極１５と、振動板２２と、圧電体膜１４とを有し、対向する前記第１電極１３及び第２電極１５との間に圧電体膜１４を配置し、前記第１電極１３の外側に振動板２２を配置してなり、前記圧電体膜１４の第２電極側に１箇以上の凹部２０を有し、前記凹部２０の内側壁２４に第３電極３１が形成され、前記第３電極３１が前記第２電極１５に接続された断面構造からなる。
前記図１に示す圧電体素子における振動板２２のたわみ変位の概略図は、図２のように動作する。第１電極１３及び第２電極１５との間に発生する図２における縦方向の電界により、ｄ３３及びｄ３１圧電定数に基づく変位が、振動板２２のたわみ変位に寄与する。さらに、第３電極付近に発生する図２における横方向の電界により、ｄ１５圧電定数に基づく変位も、振動板２２のたわみ変位に寄与をする。従って、本実施形態の図１の圧電体素子は、図１２の従来の圧電体と比べ、振動板のたわみ変位量が増加する。
本実施形態の効果を実証するため、有限要素法によるシミュレーション結果を、以下に示す。本シミュレーション結果は、有限要素法パッケージソフト“ＡＮＳＹＳ”（ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．）により行われた結果である。
シミュレーションは、以下の４種類の構造について行った。
（ａ）図１２に示す従来技術の構造（図３（ａ））である。振動板２２をシリコン（Ｓｉ）とし、厚さ４．５μｍとする。膜厚１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜２３を形成した後、膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第１電極１３、膜厚３．０μｍの圧電体膜１４、及び膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第２電極１５を形成した。振動板２２及びＳｉＯ２膜２３の幅は１００μｍ、圧電体膜１４及び第２電極１５の幅は７９μｍ、また、これら各膜の奥行方向の長さは、２０００μｍとした。
（ａ）図１２に示す従来技術の構造（図３（ａ））である。振動板２２をシリコン（Ｓｉ）とし、厚さ４．５μｍとする。膜厚１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜２３を形成した後、膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第１電極１３、膜厚３．０μｍの圧電体膜１４、及び膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第２電極１５を形成した。振動板２２及びＳｉＯ２膜２３の幅は１００μｍ、圧電体膜１４及び第２電極１５の幅は７９μｍ、また、これら各膜の奥行方向の長さは、２０００μｍとした。
（ｂ）凹部のみを形成した構造（図３（ｂ））である。上記（ａ）の構造に、幅０．４μｍ、深さ１．７μｍの凹部を形成した。この凹部は、下記（ｄ）の凹部と同じサイズである。
（ｃ）凹部のみを形成し、上記（ｂ）とは凹部のサイズが異なる構造（図３（ｃ））である。上記（ａ）の構造に、幅１μｍ、深さ２μｍの凹部を形成した。
（ｄ）図１に示した本実施形態の構造（図３（ｄ））。上記（ｃ）の構造に、膜厚０．３μｍの第３電極３１を該凹部内側壁及び底部に形成した。
（ｄ）図１に示した本実施形態の構造（図３（ｄ））。上記（ｃ）の構造に、膜厚０．３μｍの第３電極３１を該凹部内側壁及び底部に形成した。
但し、圧電体膜１４は、ＰｂＺｒ０．５５Ｔｉ０．４５Ｏ３とし、ｄ３３＝１４７、ｄ３１＝−５７．３、ｄ１５＝３９９（×１０−１２Ｃ／Ｎ）の圧電定数を用いた。
上記４種類の構造に対し、第１電極１３に０Ｖ、第２電極１５及び第３電極３１に３０Ｖの電圧を印加した結果、振動板２２の変位量は下記の表１に示す値が得られた。
上記４種類の構造に対し、第１電極１３に０Ｖ、第２電極１５及び第３電極３１に３０Ｖの電圧を印加した結果、振動板２２の変位量は下記の表１に示す値が得られた。
また、図３（ａ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）における電界分布の等高線図は、それぞれ図４（ａ）、図４（ｃ）及び図４（ｄ）となった。
表１に示すように、本実施形態の構造（図３（ｄ））では、従来技術の構造（図３（ａ））に較べて、約６％の変位量の増加が見られた。また、図４（ａ）の結果から、凹部付近には横方向の電界が発生していることが明らかとなった。即ち、図２に示した動作概略図の正当性が証明された。
表１に示すように、本実施形態の構造（図３（ｄ））では、従来技術の構造（図３（ａ））に較べて、約６％の変位量の増加が見られた。また、図４（ａ）の結果から、凹部付近には横方向の電界が発生していることが明らかとなった。即ち、図２に示した動作概略図の正当性が証明された。
また、表１において、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の結果から、凹部の形成のみでは、むしろ従来技術の構造（図３（ａ））よりも変位量が減少することが確認された。この理由は、凹部形成の部分が電界発生に寄与しておらず（図４（ｃ））、ｄ３３に寄与する圧電体膜１４の実効領域の減少していること、及び凹部付近に発生するｄ３１の歪みが、振動板変位の増加を妨げる方向に働くこと、の２点であると考えられる。
次に、本発明の圧電体素子における凹部の断面形状について説明する。
図５は、本発明の圧電体素子の断面図を示す。図に示すように、第２電極１５の面と、凹部２０の内側壁２４とのなす角度をθとする。理想的な凹部の断面形状における角度θは９０度である。第２電極１５及び第３電極３１に電圧を印加した際の圧電体膜１４中の等電位面は、角度θを挟角とする二等辺三角形の対辺について概平行となる。圧電体膜１４中の電界は、前記等電位面に直交するように発生する。従って、本実施形態において、ｄ１５に関係する電界の大きさは、前記電界の大きさとｃｏｓ（θ／２）との積であり、前記電界の横方向への射影成分である。本実施形態において、ｄ１５に関連する結晶歪みが振動板２２のたわみ変位に十分寄与するためには、前記電界の少なくとも５０％程度以上の電界が存在することが望ましい。即ち、角度θは、１２０度以下であることが望ましい。以上より、図５における角度θは、９０度以上１２０度以下程度であることが望ましい。
図５は、本発明の圧電体素子の断面図を示す。図に示すように、第２電極１５の面と、凹部２０の内側壁２４とのなす角度をθとする。理想的な凹部の断面形状における角度θは９０度である。第２電極１５及び第３電極３１に電圧を印加した際の圧電体膜１４中の等電位面は、角度θを挟角とする二等辺三角形の対辺について概平行となる。圧電体膜１４中の電界は、前記等電位面に直交するように発生する。従って、本実施形態において、ｄ１５に関係する電界の大きさは、前記電界の大きさとｃｏｓ（θ／２）との積であり、前記電界の横方向への射影成分である。本実施形態において、ｄ１５に関連する結晶歪みが振動板２２のたわみ変位に十分寄与するためには、前記電界の少なくとも５０％程度以上の電界が存在することが望ましい。即ち、角度θは、１２０度以下であることが望ましい。以上より、図５における角度θは、９０度以上１２０度以下程度であることが望ましい。
また、本実施形態の効果が十分に出現するためには、凹部２０の深さは、圧電体膜１４の膜厚の少なくとも５０％以上、好ましくは５０％以上８０％以下であることが望ましい。凹部２０は可能な限り深い方が本実施形態の効果が十分に出現する。しかしながら、第３電極３１の形成前に加工する凹部（図３（ｃ））は、圧電体膜１４の膜厚に対し、１μｍ程度のマージンを考慮した深さで形成することが、プロセス上望ましいからである。
一方、凹部２０の幅は、小さい方が望ましく、例えば１μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以上０．８μｍ以下であることが望ましい。何故なら、本実施形態は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）のような凹部のみの構造で発生した振動板変位の減少分も含んでいるからである。表１の結果から、凹部２０の幅は、可能な限り小さい方が振動板変位の減少分も少なくなる。
次に、本実施形態における凹部の数について説明する。
図６に示すように、本実施形態では、圧電体膜の第２電極側に形成される凹部は、１箇所以上であり、複数であってもよい。さらに、凹部は、図６に示すような圧電体素子の幅方向の断面だけでなく、圧電体素子の長手方向の断面に設けられてもよい。即ち、圧電体素子の第２電極側の面に、凹部が格子状に配列されていてもよい。但し、前記複数の凹部の内側壁には各々第３電極が形成され、該第３電極は全て共通の第２電極に接続されていることが必要である。
図６に示すように、本実施形態では、圧電体膜の第２電極側に形成される凹部は、１箇所以上であり、複数であってもよい。さらに、凹部は、図６に示すような圧電体素子の幅方向の断面だけでなく、圧電体素子の長手方向の断面に設けられてもよい。即ち、圧電体素子の第２電極側の面に、凹部が格子状に配列されていてもよい。但し、前記複数の凹部の内側壁には各々第３電極が形成され、該第３電極は全て共通の第２電極に接続されていることが必要である。
次に、本実施形態における圧電体素子の製造方法について説明する。
図７は、本実施形態の圧電体素子の製造方法を示した図である。まず、図７（ａ）において、基板を用意する。基板は例えばＳｉ基板あるいはＳＯＩ基板等を用いるが、本実施形態ではＳＯＩ基板を用いる。また、基板の厚さについては、厚さ２００μｍのＳＯＩ基板でシリコン（Ｓｉ）厚が１９９μｍ、ＳｉＯ２膜２３の膜厚が１μｍである。ＳＯＩ基板の裏面を、必要に応じて研磨及びパターニング等をすることで、シリコン（Ｓｉ）の振動板２２が形成される。本実施態様では、例えば厚さ４．５μｍとする。この後、例えば、膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第１電極１３、膜厚３．０μｍの圧電体膜１４、及び膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第２電極１５を形成する。第１電極１３、圧電体膜１４及び第２電極１５の成膜方法としては、例えばスパッタリング、レーザーアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法など公知の成膜方法を用いる。以上の工程により、図７（ａ）の構造が形成される。なお、ＳｉＯ２膜２３は振動板２２と第１電極１３との間の密着性を向上させるために存在しているが、必ずしも必須の膜ではない。
図７は、本実施形態の圧電体素子の製造方法を示した図である。まず、図７（ａ）において、基板を用意する。基板は例えばＳｉ基板あるいはＳＯＩ基板等を用いるが、本実施形態ではＳＯＩ基板を用いる。また、基板の厚さについては、厚さ２００μｍのＳＯＩ基板でシリコン（Ｓｉ）厚が１９９μｍ、ＳｉＯ２膜２３の膜厚が１μｍである。ＳＯＩ基板の裏面を、必要に応じて研磨及びパターニング等をすることで、シリコン（Ｓｉ）の振動板２２が形成される。本実施態様では、例えば厚さ４．５μｍとする。この後、例えば、膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第１電極１３、膜厚３．０μｍの圧電体膜１４、及び膜厚０．３μｍの白金（Ｐｔ）第２電極１５を形成する。第１電極１３、圧電体膜１４及び第２電極１５の成膜方法としては、例えばスパッタリング、レーザーアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法など公知の成膜方法を用いる。以上の工程により、図７（ａ）の構造が形成される。なお、ＳｉＯ２膜２３は振動板２２と第１電極１３との間の密着性を向上させるために存在しているが、必ずしも必須の膜ではない。
次に、図７（ｂ）に示すように、圧電体膜１４及び第２電極１５のパターニングを行う。このパターニングは、例えば化学エッチングまたはイオンミリングによって行う。図７（ｂ）は化学エッチングでパターニングを行う過程の図を示しており、レジスト５１を塗布し、化学エッチングを行った直後の図である。この後、レジスト５１の除去を行う。
この後、スパッタリング、レーザーアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法など公知の成膜方法により、第３電極３１を形成する。以上の工程により、図７（ｃ）に示す圧電体素子が得られる。
圧電体膜１４を形成する圧電材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等が用いられる。
次に、第２の実施形態として、液体吐出ヘッドの実施形態を、図８乃至図１０により説明する。
液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口に連通した個別液室と、前記個別液室に対応して設けられた本発明の圧電体素子とを有する液体吐出ヘッドである。
液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口に連通した個別液室と、前記個別液室に対応して設けられた本発明の圧電体素子とを有する液体吐出ヘッドである。
図８は、本発明の第１の実施形態の圧電体素子を搭載した液体吐出ヘッドの立体構成を示す断面図である。供給口１８により、共通液室１９に連通した個別液室１６の下部に、第１の実施形態の圧電体素子が形成されている。
図９は、図８の液体吐出ヘッドに電圧を印加した際の、振動板変位及びメニスカス変位の時間変化を示す。メニスカスとは、吐出口２１から吐出しようとする液体の盛り上がりを意味する。図８に示すように、第１の実施形態の圧電体素子の場合は変位量が最大となり、振動板変位は８％の変位量の増加が、メニスカス変位は約７％の変位量の増加が認められる。
図１０は、図８に示す液体吐出ヘッドの断面を示した断面図である。以下、図１０（ａ）乃至（ｂ）を参照しながら、本実施形態の圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド全体の構造及び製法を説明する。
まず、図１０（ａ）に示すように、基板１及び基板２を用意する。
基板１は、圧電体素子を形成後、例えば幅１００μｍ、高さ２００μｍ、奥行６０００μｍの個別液室１６、幅３０μｍ、高さ２００μｍ、奥行２２０μｍの供給口１８のパターニングを行う。パターニングは、例えば化学エッチングまたはイオンミリングによって行い、その後に平坦化を行う。
基板１は、圧電体素子を形成後、例えば幅１００μｍ、高さ２００μｍ、奥行６０００μｍの個別液室１６、幅３０μｍ、高さ２００μｍ、奥行２２０μｍの供給口１８のパターニングを行う。パターニングは、例えば化学エッチングまたはイオンミリングによって行い、その後に平坦化を行う。
次に、パターニング用の基板２を用意する。基板２は、例えばＳｉ基板あるいはＳＯＩ基板等を用いるが、次のパターニングの工程を鑑みると、ＳＯＩ基板を用いることが望ましい。また、基板の厚さについては、例えば基板２は、厚さ４００μｍのＳＯＩ基板で、シリコン（Ｓｉ）厚が３９９μｍ、酸化シリコン（ＳｉＯ２）厚が１μｍである。
次に、基板２のパターニングを行う。例えば高さ１５０μｍ、奥行８００μｍの共通液室１９、直径６０μｍ、高さ３５０μｍのオリフィス連通部１７、及び直径３０μｍ、高さ５０μｍの吐出口２１のパターニングを行う。前記パターニングは、例えば化学エッチングまたはイオンミリングによって行う。パターニングした後、基板２の平坦化を行う。
最後に、図１０（ｂ）に示すように、基板１及び基板２の貼り合わせを行う。貼り合わせには、例えば金（Ａｕ）−金（Ａｕ）接合を用いる。この工程により、基板１及び基板２が一体化される。
以上の工程を経て、図８に示した液体吐出ヘッドが形成される。図９に示すように、液体吐出ヘッドは、振動板変位及びメニスカス変位のいずれの場合においても、大きな変位をとる性能を有する。
次に、第３の実施形態として、記録装置の実施形態を、図１１により説明する。
図１１は、本発明の記録装置の斜視図である。図中、１００は液体吐出ヘッドユニット、１０１はインクタンク、１０２はガイド軸、１０６は被記録媒体、１０７はガイド軸、１０９は送りローラ、１１０は送りローラ、１１２は回復系ユニット、１１３は液体吐出ヘッド、１２０はクリーニング手段である。
図１１は、本発明の記録装置の斜視図である。図中、１００は液体吐出ヘッドユニット、１０１はインクタンク、１０２はガイド軸、１０６は被記録媒体、１０７はガイド軸、１０９は送りローラ、１１０は送りローラ、１１２は回復系ユニット、１１３は液体吐出ヘッド、１２０はクリーニング手段である。
図１１に示す記録装置は液体吐出装置であり、液体吐出装置に挿入された被記録媒体Ｐは、送りローラ１０９，１１０によって液体吐出ヘッドユニット１００の記録可能領域へ搬送される。液体吐出ヘッドユニット１００は、２つのガイド軸１０２，１０７によって、それらの延在方向（主走査方向）に沿って移動可能にガイドされており、記録領域を往復走査する。本実施形態では、液体吐出ヘッドユニット１００の走査方向が主走査方向であり、被記録媒体Ｐの搬送方向が副走査方向となる。液体吐出ヘッドユニット１００には、図８に示す液体吐出ヘッド１１３と、共通液室１９にインクを供給するためのインクタンク１０１が搭載されている。インクタンク１０１は、例えばブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色である。
液体吐出ヘッドユニット１００が移動可能な領域の右端の下部には、回復系ユニット１１２が配備されており、非記録動作時に記録ヘッドの吐出口部を回復処理したりする。
本実施形態の場合、Ｂｋ，Ｃ，Ｍ，Ｙ各色のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。液体吐出ヘッドユニット１００には、Ｂｋ用インクタンク１０１Ｂ、Ｃ用インクタンク１０１Ｃ、Ｍ用インクタンク１０１Ｍ、Ｙ用インクタンク１０１Ｙが搭載されている。液体吐出ヘッド１１３は４ユニット搭載されており、各ユニットは４色の各インクタンクとそれぞれ接続され、各ユニットの共通液室１９にそれぞれのインクを供給する。
本実施形態の場合、Ｂｋ，Ｃ，Ｍ，Ｙ各色のインクタンクが全て独立に交換可能な構成となっている。液体吐出ヘッドユニット１００には、Ｂｋ用インクタンク１０１Ｂ、Ｃ用インクタンク１０１Ｃ、Ｍ用インクタンク１０１Ｍ、Ｙ用インクタンク１０１Ｙが搭載されている。液体吐出ヘッド１１３は４ユニット搭載されており、各ユニットは４色の各インクタンクとそれぞれ接続され、各ユニットの共通液室１９にそれぞれのインクを供給する。
本発明の圧電体素子は、圧電定数ｄ１５を有効に活用し、振動板のたわみ変位を大きくすることが可能なので、前記圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び記録装置に利用することができる。
１ 基板１
２ 基板２
１３ 第１電極
１４ 圧電体膜
１５ 第２電極
１６ 個別液室
１７ オリフィス連通部
１８ 供給口
１９ 共通液室
２０ 凹部
２１ 吐出口
２２ 振動板
２３ ＳｉＯ２膜
２４ 内側壁
３１ 第３電極
５１ レジスト
２ 基板２
１３ 第１電極
１４ 圧電体膜
１５ 第２電極
１６ 個別液室
１７ オリフィス連通部
１８ 供給口
１９ 共通液室
２０ 凹部
２１ 吐出口
２２ 振動板
２３ ＳｉＯ２膜
２４ 内側壁
３１ 第３電極
５１ レジスト
Claims (7)
- 第１電極と第２電極と振動板と圧電体膜とを有し、前記第１電極及び前記第２電極との間に圧電体膜を配置し、前記第１電極の外側に振動板を配置した圧電体素子であり、前記圧電体膜の前記第２電極の側に１箇以上の凹部を有し、前記凹部の内側壁に第３電極が形成され、前記第３電極が前記第２電極に接続されており、
かつ、前記圧電体膜が分極されている方向と交差する方向に前記第１電極および前記第２電極が設けられており、前記圧電体膜が分極された方向に沿って前記凹部の内側壁に前記第３電極が設けられていることを特徴とする圧電体素子。 - 前記第２電極の面と凹部の内側壁とのなす角度は９０度以上１２０度以下であることを特徴とする請求項１記載の圧電体素子。
- 前記第３電極は、さらに前記凹部の底部に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電体素子。
- 液体を吐出する吐出口に連通した個別液室と、前記個別液室に対応して設けられた圧電体素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電体素子が請求項１〜請求項３にいずれか一項に記載の圧電体素子であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 前記凹部が前記個別液室の長手方向に沿って設けられており、前記振動板の変位により前記個別液室内の液体が前記吐出口から吐出されることを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出する液体吐出ヘッドを搭載した記録装置において、該液体吐出ヘッドが請求項３に記載の液体吐出ヘッドであることを特徴とする記録装置。
- 第１電極と第２電極と振動板と圧電体膜とを有し、前記第１電極及び前記第２電極との間に圧電体膜を配置し、前記第１電極の外側に振動板を配置した圧電体素子であり、前記圧電体膜の前記第２電極の側に１箇以上の凹部を有し、前記凹部の内側壁に第３電極が形成され、前記第３電極が前記第２電極に接続されており、
前記第１電極と前記第２電極とに電圧を印加すると、前記圧電体素子の厚さ方向にｄ３３による変位およびｄ３１による変位およびｄ１５が発生し、前記圧電体素子の幅方向にｄ３１による歪が発生し、前記凹部にｄ１５による歪が発生することを特徴とする圧電体素子。
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