(57)【要約】【課題】変位量の大きい圧電アクチュエーター及び液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電アクチュエーター１００は、振動板１０と、振動板１０上に形成された第１電極２１と、第１電極２１の上方に形成された配向制御層３０と、配向制御層３０の上方に形成された圧電体層４０と、圧電体層４０の上方に形成された第２電極５０と、を含み、振動板１０に収容部１１が凹状に加工してあり、第１電極２１が収容部１１内に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状の収容部が形成された振動板と、
前記収容部内に形成された第１電極と、
前記第１電極上に形成された配向制御層と、
前記配向制御層上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成された第２電極とを備える
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
前記収容部における前記第１電極の前記配向制御層と対向する面が、前記振動板の表面と同一面内である
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ー。
【請求項３】
前記圧電体層の側面を少なくとも覆うように形成された保護膜を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項４】
前記振動板が、ジルコニアからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットプリンターに代表される液体噴射装置は、圧電アクチュエーターにより圧力室に圧力を加え、インクをノズル孔から吐出している。この圧電アクチュエーターは、下部電極及び上部電極によって電圧が印加されることで圧電体層が変形して駆動し、対応する圧力室毎に吐出が独立して制御されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、液体噴射装置における解像度を向上させるには、さらなる高密度化が必要となり、単位面積あたりに設置する圧電アクチュエーターの数を増やすことが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１９１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、解像度向上のために圧電アクチュエーターを多く設置しようとすると、圧力室の幅が狭くなるため、圧電アクチュエーターの変位量が小さくなるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑み、変位量の大きい圧電アクチュエーター、この圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を得ることを目的とし、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る圧電アクチュエーターは、凹状の収容部が形成された振動板と、前記収容部内に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成された配向制御層と、前記配向制御層上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、振動板に凹状の収容部が形成され、収容部内に第１電極が形成されるため、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されて圧電体層が変形する際に、共に変形する振動板部分の膜厚が薄くなり、圧電アクチュエーターとして変位量が大きくなる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターは、前記収容部における前記第１電極の前記配向制御層と対向する面が、前記振動板の表面と同一面内にあることが好ましい。
ここで、同一面内とは、厳密に同一である必要はなく、第１電極の前記配向制御層と対向する面が、振動板の表面を含む面からずれていても、製造によるばらつきによるずれであれば同一面内に含まれるものとする。
【００１０】
本適用例によれば、振動板の表面と収容された第１電極の表面とが同一面内にあることから、圧電体層を一度に積層することができる。したがって、圧電体層を形成する工程が短縮される。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の前記圧電体層の側面を少なくとも覆うように形成された保護膜を有する圧電アクチュエーターであることが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、圧電体層の側面が大気に露出することがなく、大気中の湿気による圧電特性の劣化を抑制することができる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の前記振動板が、ジルコニアからなるのが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、圧電体層としてジルコン酸チタン酸鉛を用いた場合、ジルコニアからなる振動板が下層への鉛の拡散を防ぐことができる。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターが液体噴射ヘッドに用いられることが好ましい。
【００１６】
本適用例によれば、本適用例の態様の１つである圧電アクチュエーターを有する液体噴射ヘッドを提供することができる。
【００１７】
［適用例６］上記適用例に記載の液体噴射ヘッドが液体噴射装置に用いられることが好ましい。
【００１８】
本適用例によれば、本適用例の態様の１つである液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態に係る圧電アクチュエーターを模式的に示す断面図。
【図２】実施形態に係る圧電アクチュエーターを模式的に示す平面図。
【図３】実施形態に係る圧電アクチュエーターの製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】実施形態に係る圧電アクチュエーターの製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】変形例に係る圧電アクチュエーターを模式的に示す断面図。
【図６】実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図７】実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図８】実施形態に係る液体噴射装置の一例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２１】
図１は、実施形態に係る圧電アクチュエーター１００を模式的に示す断面図である。図２は、圧電アクチュエーター１００を模式的に示す平面図である。図２は、複数の圧電アクチュエーター１００が並んだ列を示している。図１は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。
まず、実施形態に係る圧電アクチュエーター１００の概略構成について説明する。
【００２２】
圧電アクチュエーター１００は図１に示すように、振動板１０と、下部電極としての第１電極２１と、配向制御層３０と、圧電体層４０と、上部電極としての第２電極５０とを含む。
振動板１０には、第１電極２１が収容される収容部１１が形成され、収容部１１内に、第１電極２１が形成されている。第１電極２１上には、配向制御層３０が第１電極２１と振動板１０とにわたって形成されている。ここで、収容部１１が形成された振動板１０の表面１２と、配向制御層３０と対向する第１電極２１の面２３（配向制御層３０がない場合は表面２３）は同一面内にあるように形成されている。
【００２３】
配向制御層３０上には、図２に示すように圧電体層４０が複数形成され、各々の圧電体層４０上には、図１に示した第２電極５０が形成されている。
図１及び図２では、各々の圧電体層４０の共通電極として第１電極２１が形成され、第２電極５０が個別電極として形成されている。
【００２４】
以下に、圧電アクチュエーター１００の製造方法について述べる。
図３（ａ）〜図４（ｈ）に、圧電アクチュエーター１００の製造工程を表す断面図を示した。図では、複数の圧電アクチュエーター１００が並んだ列を２列形成する場合を示している。
図３（ａ）において、振動板１０を用意する。振動板１０の材質は、ジルコニアを用いることができる。
図３（ｂ）において、図１及び図２に示した第１電極２１が形成される収容部１１を、振動板１０を凹状に加工して形成する。この加工には、ドライエッチングやウェットエッチングを用いることができる。
【００２５】
図３（ｃ）において、第１電極２１を、収容部１１内に形成する。より詳しくは、加工された振動板１０上に、第１電極２１を構成する材料をスパッタ等で厚めに成膜した後、振動板１０の表面１２が出るまで研磨することで第１電極２１が得られる。
第１電極２１の膜厚は、例えば、８０ｎｍ程度とすることができる。また、第１電極２１としては、例えば、イリジウム又は白金などの金属を用いることができる。第１電極２１は、圧電体層４０に電圧を印加するための一方の電極である。
【００２６】
第１電極２１の表面が振動板１０の表面１２と同一面内になるよう構成された領域は、図１及び図２に示した圧電体層４０が、第１電極２１と第２電極５０とで挟まれた圧電アクチュエーター１００の実質的な駆動領域であり、振動板１０は第１電極２１の膜厚だけ薄くなり、駆動による変位量を増加させることができる。
【００２７】
図３（ｄ）において、配向制御層３０を、第１電極２１の上に形成する。配向制御層３０は、圧電体層４０の結晶配向を制御するバッファー層としての機能も有する。配向制御層３０の厚さは、例えば、４０ｎｍ程度とすることができる。また、配向制御層３０としては、例えば、導電性酸化物を用いることができる。例えば、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ3：ＬＮＯ）（以下ＬＮＯという）又はストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯ3：ＳＲＯ）などを用いることができる。
【００２８】
図４（ｅ）において、配向制御層３０に導電性酸化物を用いる場合、第１電極２１間の導通を防止する必要がある。よって、図４（ｅ）に示すように配向制御層３０を加工して、圧電アクチュエーター１００が並んだ列ごとに配向制御層３０を分断する。
【００２９】
図４（ｆ）において、圧電体層４０を、配向制御層３０の上に形成する。圧電体層４０には、圧電性を有する材料を用いることができる。圧電体層４０は、例えば、一般式ＡＢＯ3で示されるペロブスカイト型酸化物を用いることができる。Ａは、鉛を含み、Ｂは、ジルコニウム及びチタンのうちの少なくとも一方を含む。Ｂは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層４０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3：ＰＺＴＮ）などを用いることができる。
【００３０】
また、圧電体層４０の膜厚は、圧電アクチュエーター１００の用途に依るが、例えば、３００ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。圧電体層４０は、図２に示すように、平面視において、短辺と長辺を有するように形成されている。圧電体層４０は、対向する短辺が第１電極より外側に位置するよう形成されている。
ここで、収容部１１における第１電極２１の表面２３が、振動板１０の表面と同一面内であるようにしたことにより、振動板１０の表面と第１電極２１の表面２３が平坦を成すことから圧電体層４０を一度で積層することができる。
【００３１】
図４（ｇ）において、第２電極５０を、圧電体層４０の上に形成する。第２電極５０は、第１電極２１と対になり他方の電極として機能する。第２電極５０の厚みは、例えば、２０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。第２電極５０としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物などを用いることができる。また、第２電極５０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００３２】
図４（ｈ）において、第２電極５０と圧電体層４０を加工することで、個々の圧電アクチュエーター１００を得ることができる。
【００３３】
変形例として、図５に示すように、配向制御層３０をチタニアなどの非導電性材料とすることもできる。図５では配向制御層３０を加工する必要がないため工程の短縮が見込める。
【００３４】
次に、実施形態に係る圧電アクチュエーター１００を有する液体噴射ヘッド６００について、図面を参照しながら説明する。図６は、実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図７は、実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
液体噴射ヘッド６００は、上述の圧電アクチュエーター１００を有する。
【００３５】
液体噴射ヘッド６００は、図６及び図７に示すように、ノズル孔５を有するノズル板６と、圧力室７を形成するための圧力室基板８と、圧電アクチュエーター１００と、を含む。
圧電アクチュエーター１００の数は特に限定されず、複数形成されていてよい。図６において、圧電アクチュエーター１００は、基板９に形成されている。また、圧電アクチュエーター１００上には、保護膜６０が圧電体層４０の側面を覆うように形成されている。ここで、第２電極５０上の保護膜６０の一部は、圧電アクチュエーター１００の動きを阻害しないように取り除かれている。
なお、圧電アクチュエーター１００が複数形成される場合は、第１電極２１又は第２電極５０のどちらか一方を共通電極とすることができる。さらに、液体噴射ヘッド６００は、筐体８０を有することができる。
【００３６】
ノズル板６は、図６及び図７に示すように、ノズル孔５を有する。ノズル孔５からは、インクなどの液体等（液体のみならず、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、又は、メタルフレーク等を含むものなどを含む。以下同じ。）を液体として噴射することができる。ノズル板６には、例えば、多数のノズル孔５が一列に設けられている。ノズル板６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。
【００３７】
圧力室基板８は、ノズル板６上（図７の例では下）に設けられている。圧力室基板８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８がノズル板６と基板９との間の空間を区画することにより、圧力室７が設けられている。圧力室７は、振動板１０及び基板９の変形により容積が変化する。圧力室７はノズル孔５と連通しており、圧力室７の容積が変化することによって、ノズル孔５から液体等が噴射される。
【００３８】
圧電アクチュエーター１００は、圧力室基板８上（図７の例では下）に設けられている。圧電アクチュエーター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（振動、変形）することができる。振動板１０及び基板９は、積層構造（圧電体層４０）の動作によって変形し、圧力室７の内部圧力を適宜変化させることができる。
筐体８０は、図７に示すように、ノズル板６、圧力室基板８及び圧電アクチュエーター１００を収納することができる。筐体８０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。
【００３９】
なお、ここでは、液体噴射ヘッド６００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、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）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いることもできる。
【００４０】
次に、実施形態に係る液体噴射装置７００について、図面を参照しながら説明する。液体噴射装置７００は、上述の液体噴射ヘッド６００を有する。以下では、液体噴射装置７００が上述の液体噴射ヘッド６００を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図８は、実施形態に係る液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。
【００４１】
液体噴射装置７００は、図８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７００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。
【００４２】
ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド６００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（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、ヘッド及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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
なお、実施形態では、液体噴射ヘッド６００及び記録用紙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６００及び記録用紙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ってもよい。また、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。
【００４６】
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０及び給紙部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及び駆動ローラー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によって給紙部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。
【００４７】
ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０及び給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
液体噴射装置７００は、変位量の大きい圧電アクチュエーター１００を含んでいる。
【００４８】
なお、上記例示した液体噴射装置は、１つの液体噴射ヘッドを有し、この液体噴射ヘッドによって、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。
【００４９】
以上、本発明に係る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７００を説明したが、本発明に係る液体噴射装置は、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等（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。本発明の液体噴射装置は、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。
【００５０】
以上述べたように、実施形態に係る圧電アクチュエーター１００によれば、前述した振動板の薄膜化による効果で変位量が増加するため、高密度化による圧力室幅の短縮による変位量不足が解消される。
【符号の説明】
【００５１】
１０…振動板、１１…収容部、１２…振動板の表面、２１…第１電極、２３…第１電極の表面、３０…配向制御層、４０…圧電体層、５０…第２電極、６０…保護膜、１００…圧電アクチュエーター、６００…液体噴射ヘッド、７００…液体噴射装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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