JP6766927B2 - Piezoelectric devices, liquid discharge heads, and liquid discharge devices - Google Patents
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Description
本発明は、圧電デバイス、液体吐出ヘッド、および、液体吐出装置に関し、特に、空室に対し可撓面を挟んで形成された圧電素子を備える圧電デバイス、圧電デバイス、液体吐出ヘッド、および、液体吐出装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric device, a liquid discharge head, and a liquid discharge device, and in particular, a piezoelectric device, a piezoelectric device, a liquid discharge head, and a liquid having a piezoelectric element formed with a flexible surface sandwiched between vacant chambers. Regarding the discharge device.
圧電デバイスは、圧電素子を備え、各種の液体吐出装置や振動センサー等に応用されている。例えば、液体吐出装置では、圧電デバイスを利用して液体吐出ヘッドから各種の液体を吐出(噴射)する。この液体吐出装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置,有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイやFED(面発光ディスプレイ)等の電極を形成する電極形成装置,バイオチップ(生物化学素子)を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを吐出し、ディスプレイ製造装置用の色材吐出ヘッドではR(Red)・G(Green)・B(Blue)の各色材の溶液を吐出する。また、電極形成装置用の電極材吐出ヘッドでは液状の電極材料を吐出し、チップ製造装置用の生体有機物吐出ヘッドでは生体有機物の溶液を吐出する。 Piezoelectric devices include piezoelectric elements and are applied to various liquid discharge devices, vibration sensors, and the like. For example, in a liquid discharge device, various liquids are discharged (injected) from a liquid discharge head using a piezoelectric device. As this liquid discharge device, for example, there are image recording devices such as an inkjet printer and an inkjet plotter, but recently, various types of liquid discharge devices are manufactured by taking advantage of the feature that a very small amount of liquid can be accurately landed at a predetermined position. It is also applied to devices. For example, a display manufacturing device that manufactures color filters such as liquid crystal displays, an electrode forming device that forms electrodes such as an organic EL (Electro Luminescence) display and a FED (field emission display), and a chip that manufactures a biochip (biochemical element). It is applied to manufacturing equipment. Then, the recording head for the image recording device ejects liquid ink, and the color material ejection head for the display manufacturing apparatus ejects solutions of each color material of R (Red), G (Green), and B (Blue). Further, the electrode material discharge head for the electrode forming apparatus discharges the liquid electrode material, and the bioorganic matter discharge head for the chip manufacturing apparatus discharges the bioorganic matter solution.
上記圧電デバイスを利用した液体吐出ヘッドは、圧電素子を駆動することで圧力室の液体に圧力変動を生じさせて、この圧力室に通じるノズルから液体を吐出するように構成されている。上記圧力室は、例えばシリコン等の結晶性基板に対して異方性エッチングによって形成されている。この圧力室の一部は可撓部材により区画されて可撓面となっており、この可撓面上に下電極と、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料からなる圧電体と、上電極とが、成膜技術によりそれぞれ積層されて構成されている。例えば、特許文献1に開示されている液体吐出ヘッドでは、上下の電極のうちの下電極が、圧力室毎にパターニングされた個別電極であり、他方の上電極が、複数の圧力室に亘って連続して形成された共通電極となっている。このような構成を採用することで、圧電体の大部分が上電極によって被覆されるので、上電極が保護膜としても機能し、圧電体の耐湿性が高められている。この構成では、上電極、圧電体、および下電極が、平面視(すなわち、各層の積層方向で見た状態)において互いに重なり合う部分が、電極への電圧の印加によって変形する能動部である。
The liquid discharge head using the piezoelectric device is configured to cause a pressure fluctuation in the liquid in the pressure chamber by driving the piezoelectric element, and discharge the liquid from a nozzle leading to the pressure chamber. The pressure chamber is formed by anisotropic etching on a crystalline substrate such as silicon. A part of this pressure chamber is partitioned by a flexible member to form a flexible surface, and a lower electrode and a piezoelectric material made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) are formed on the flexible surface. The upper electrodes are laminated by a film forming technique. For example, in the liquid discharge head disclosed in
ところが、上記の構成では、圧力室の開口の外側まで能動部が形成されている。このため、上下電極に駆動電圧が印加されると、圧力室の開口の外側に位置する能動部の端部においても電界が生じ、当該端部も動こうとする。しかしながら、能動部の端部の下は、構造体、すなわち、圧力室形成基板において圧力室等の空室が形成されていない部分であるため、実際には能動部の端部は拘束されて動けない。これにより、能動部の端部に応力が集中して亀裂や剥離等が生じる虞があった。 However, in the above configuration, the active portion is formed to the outside of the opening of the pressure chamber. Therefore, when a driving voltage is applied to the upper and lower electrodes, an electric field is also generated at the end of the active portion located outside the opening of the pressure chamber, and the end also tries to move. However, since the area under the end of the active portion is a structure, that is, a portion of the pressure chamber forming substrate in which no vacant chamber such as a pressure chamber is formed, the end of the active portion is actually restrained and moved. Absent. As a result, stress may be concentrated on the end of the active portion, causing cracks, peeling, and the like.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、能動部の端部における応力を緩和することが可能な圧電デバイス、液体吐出ヘッド、および、液体吐出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric device, a liquid discharge head, and a liquid discharge device capable of relieving stress at an end portion of an active portion. There is.
〔手段1〕
本発明の圧電デバイスは、上記目的を達成するために提案されたものであり、空室を区画する空室部材と、
前記空室部材の一方の面において前記空室との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第1電極、圧電体、および第2電極が順に積層されてなる圧電素子と、
を備え、
前記空室部材において前記空室とは別個独立した空部が、前記第1電極、圧電体、および第2電極が互いに重なり合う能動部の端に対して平面視において重なる位置に形成されたことを特徴とする。
[Means 1]
The piezoelectric device of the present invention has been proposed in order to achieve the above object, and includes a vacant member for partitioning a vacant room and a vacant member.
A piezoelectric element provided on one surface of the vacant member with a flexible surface interposed therebetween, and a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode are laminated in this order from the flexible surface side. When,
With
The vacant portion of the vacant member, which is independent of the vacant chamber, is formed at a position where the first electrode, the piezoelectric body, and the second electrode overlap each other in a plan view with respect to the end of the active portion. It is a feature.
本発明によれば、空室部材において空室とは別個独立した空部が、能動部の端に対して平面視において重なる位置に形成され、意図的に脆弱な部分、すなわち外力が加わった際に多少変形可能な弱い部分が設けられているので、この部分により圧電素子の能動部の駆動時における応力が緩和される。その結果、圧電素子の能動部の端部において亀裂や剥離等が生じることが抑制される。 According to the present invention, when a vacant portion of the vacant member, which is independent of the vacant chamber, is formed at a position where it overlaps the end of the active portion in a plan view and is intentionally vulnerable, that is, when an external force is applied. Is provided with a weak portion that can be slightly deformed, and this portion relaxes the stress at the time of driving the active portion of the piezoelectric element. As a result, cracks, peeling, and the like are suppressed at the end of the active portion of the piezoelectric element.
〔手段2〕
また、手段1の構成において、前記空室部材は、前記空室を区画する空室形成基板と、前記可撓面として機能する可撓部材、を有し、
前記空部は、前記空室形成基板に設けられた凹部と前記可撓部材とにより区画された構成を採用することが可能である。
[Means 2]
Further, in the configuration of the
It is possible to adopt a configuration in which the vacant portion is partitioned by the recess provided in the vacancy forming substrate and the flexible member.
当該構成によれば、能動部の端により近い位置に空部が設けられるので、圧電素子の能動部の駆動時における応力を緩和する効果がより向上する。その結果、圧電素子の能動部の端部において亀裂や剥離等が生じることがより確実に抑制される。 According to this configuration, since the empty portion is provided at a position closer to the end of the active portion, the effect of relaxing the stress at the time of driving the active portion of the piezoelectric element is further improved. As a result, cracks, peeling, and the like are more reliably suppressed at the end of the active portion of the piezoelectric element.
〔手段3〕
また、上記手段1の構成において、前前記空室部材は、前記空室を区画する第1空室形成基板と、当該第1空室形成基板における前記圧電素子側とは反対側の面に接合される第2空室形成基板と、を有し、
前記空部は、前記第2空室形成基板に設けられた凹部と前記第1空室形成基板とにより区画された構成を採用することができる。
[Means 3]
Further, in the configuration of the
As the vacant portion, a configuration defined by a recess provided in the second vacancy forming substrate and the first vacancy forming substrate can be adopted.
当該構成によれば、空室の高さ(深さ)によって厚みが規定される第1空室形成基板よりも、この空室が設けられておらず、第1空室形成基板よりも厚くすることが可能な第2空室形成基板に凹部を形成する方が、凹部の加工が容易である。 According to this configuration, this vacancy is not provided and is thicker than the first vacancy forming substrate than the first vacancy forming substrate whose thickness is defined by the height (depth) of the vacancy. It is easier to process the recesses by forming the recesses on the second vacancy forming substrate.
〔手段4〕
また、上記手段3の構成において、前記空部は、前記第1空室形成基板に設けられた凹部と前記第2空室形成基板とにより区画された第1空部、及び、前記第2空室形成基板に設けられた凹部と前記第1空室形成基板とにより区画された第2空部を含み、
前記空室部材において、前記第1空部と前記第2空部とが、前記空室の並設方向に沿って交互に形成された構成を採用することが望ましい。
[Means 4]
Further, in the configuration of the
In the vacant room member, it is desirable to adopt a configuration in which the first vacant part and the second vacant part are alternately formed along the parallel direction of the vacant rooms.
当該構成によれば、第1空部と第2空部とが交互に形成されることで、一方の基板のみに空部が形成される構成と比較して第1空室形成基板と第2空室形成基板の強度が低下することが抑制されるため、これらの基板に破損等が生じる危険性を抑えることができる。 According to this configuration, the first vacant portion and the second vacant portion are formed alternately, so that the first vacant space forming substrate and the second vacant portion are formed as compared with the configuration in which the vacant portion is formed only on one substrate. Since the decrease in the strength of the vacancy-forming substrates is suppressed, the risk of damage to these substrates can be suppressed.
〔手段5〕
また、上記手段3または手段4の構成において、前記可撓面は、前記第1空室形成基板に一体的に形成された構成を採用することもできる。
[Means 5]
Further, in the configuration of the
この構成によれば、第1空室形成基板と可撓面が別部材である構成では圧電素子の駆動時に能動部の端の近傍において第1空室形成基板と可撓面とが剥離するおそれがあるのに対し、第1空室形成基板と可撓面が一体である構成では圧電素子の駆動時に第1空室形成基板と可撓面とが剥離するリスクを抑えることができる。また、このような構成であっても、第1空室形成基板における第2空室形成基板側の面から空部を形成したり、第2空室形成基板側に空部を形成したりすることで、空部を問題なく設けることができる。 According to this configuration, in a configuration in which the first vacancy forming substrate and the flexible surface are separate members, the first vacancy forming substrate and the flexible surface may be separated from each other in the vicinity of the end of the active portion when the piezoelectric element is driven. On the other hand, in the configuration in which the first vacant chamber forming substrate and the flexible surface are integrated, the risk of the first vacant chamber forming substrate and the flexible surface being separated when the piezoelectric element is driven can be suppressed. Further, even with such a configuration, a vacant portion is formed from the surface of the first vacancy forming substrate on the side of the second vacancy forming substrate, or a vacant portion is formed on the side of the second vacancy forming substrate. As a result, the empty space can be provided without any problem.
〔手段6〕
また、本発明の液体吐出ヘッドは、上記手段1から手段5の何れか一の圧電デバイスと、
前記圧電デバイスの空室と連通するノズルと、
を備え、
前記圧電デバイスにおける圧電素子の駆動により前記空室内の液体に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動により前記ノズルから液体を吐出させることを特徴とする。
[Means 6]
Further, the liquid discharge head of the present invention includes the piezoelectric device of any one of the above means 1 to 5 and the piezoelectric device.
A nozzle that communicates with the vacant room of the piezoelectric device,
With
The drive of the piezoelectric element in the piezoelectric device causes a pressure fluctuation in the liquid in the air chamber, and the pressure fluctuation causes the liquid to be discharged from the nozzle.
〔手段7〕
また、本発明の液体吐出装置は、上記液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
[Means 7]
Further, the liquid discharge device of the present invention is characterized by including the above liquid discharge head.
手段6および手段7の構成によれば、圧電素子の能動部の駆動時における応力が緩和され、圧電素子の能動部の端部において亀裂や剥離等が生じることが抑制されるので、信頼性が向上する。
According to the configurations of the means 6 and the
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明に係る圧電デバイスを備えた液体吐出ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッド)を搭載した液体吐出装置の一種であるインクジェット式プリンター(以下、プリンター)を例に挙げて説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the embodiments described below, various limitations are given as suitable specific examples of the present invention, but the scope of the present invention is the scope of the present invention unless otherwise specified in the following description to limit the present invention. It is not limited to these aspects. Further, in the following, an inkjet printer (hereinafter, printer) which is a kind of liquid ejection device equipped with an inkjet recording head (hereinafter, recording head) which is a kind of liquid ejection head provided with the piezoelectric device according to the present invention. Will be described as an example.
プリンター1の構成について、図1を参照して説明する。プリンター1は、記録紙等の記録媒体2の表面に対して液体状のインクを吐出して画像等の記録を行う装置である。このプリンター1は、インクを吐出する記録ヘッド3、この記録ヘッド3が取り付けられるキャリッジ4、キャリッジ4を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構5、記録媒体2を副走査方向に移送するプラテンローラー6等を備えている。ここで、上記のインクは、液体の一種であり、液体供給源としてのインクカートリッジ7に貯留されている。このインクカートリッジ7は、記録ヘッド3に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジ7がプリンター1の本体側に配置され、当該インクカートリッジ7からインク供給チューブを通じて記録ヘッド3に供給される構成を採用することもできる。
The configuration of the
図2は、上記記録ヘッド3の主要部分の構成を説明する断面図である。また、図3は、図2における領域Aの拡大断面図である。本実施形態における記録ヘッド3は、圧力発生ユニット9および流路ユニット12を備え、これらの部材が積層された状態でケース17に取り付けて構成されている。流路ユニット12は、ノズルプレート13、コンプライアンス基板16、及び、連通基板14(本発明における第2空室形成基板に相当)を有している。また、圧力発生ユニット9は、圧力室22が形成された圧力室形成基板20(本発明における第1空室形成基板に相当)、圧電素子26、および封止板15が積層されてユニット化されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the main portion of the
ケース17は、例えば合成樹脂から作製された箱体状の部材であり、ノズルプレート13および圧力発生ユニット9が接合された連通基板14が底面側に固定される。このケース17の下面側には、当該下面からケース17の高さ方向の途中まで直方体状に窪んだ収容空部19が形成されている。流路ユニット12がケース17の下面に位置決め状態で接合されると、連通基板14上に積層された圧力発生ユニット9が収容空部19に収容される。また、ケース17には、インク導入空部24が形成されている。インク導入空部24は、インクカートリッジ7側からのインクが導入される空部である。このインク導入空部24に流入したインクは、連通基板14の共通液室23(後述)に導入される。
The
図4は、圧力室形成基板20の下面図(連通基板14との接合面側)である。同図において、破線で示される部分は圧電素子26の下電極30(本発明における第1電極に相当)を示し、一点鎖線で示される部分は圧電素子26の上電極32(本発明における第2電極に相当)を示している。圧力発生ユニット9の構成部材である圧力室形成基板20は、シリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板とも言う)から作製されている。この圧力室形成基板20には、複数の圧力室22(本発明における空室に相当)の一部、本実施形態においては主に側壁および天井面を区画する圧力室空部が、ノズルプレート13に設けられた複数のノズル18に対応して複数形成されている。圧力室空部は、圧力室形成基板20の下面側からエッチングされ、上面側に板厚の薄い薄肉部分を残して圧力室形成基板20の厚さ方向の途中まで形成された空間である。薄肉部分は、圧電素子26の駆動に伴って変形する可撓面21として機能する。すなわち、本実施形態においては、圧力室形成基板20と可撓面21とが一体的に形成されている。この圧力室空部の下面側の開口部分が、後述する連通基板14によって塞がれることで圧力室22が区画される。以下、適宜この圧力室空部も含めて圧力室22という。
FIG. 4 is a bottom view of the pressure chamber forming substrate 20 (the joint surface side with the communicating substrate 14). In the figure, the portion indicated by the broken line indicates the
本実施形態における圧力室22は、平面視(圧力室基板20および連通基板14、その他の構成部材の積層方向において見た状態)においてノズル列方向に直交する方向に長尺な略平行四辺形状の空室である。また、この圧力室22(圧力室空部)における圧力室長手方向端部の壁22wは、圧力室形成基板20の上下面に対して傾斜している。具体的には、壁22wが、圧力室形成基板20の上面に向かうほど圧力室22の内寄りとなる状態に傾斜している。そして、各圧力室22は、ノズルプレート13の各ノズル18に一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室22の形成ピッチは、ノズル18の形成ピッチに対応している。
The
圧力室形成基板20が連通基板14に対して位置決めされた状態で接合されると、圧力室22の長手方向一端部は、後述する連通基板14のノズル連通路27を介してノズル18と連通する。また、圧力室22の長手方向他端部は、連通基板14の供給口28を介して共通液室23と連通する。本実施形態において、圧力室形成基板20および連通基板14からなる積層体が、本発明における空室部材に相当する。そして、この空室部材および圧電素子26の組み合わせが、本発明の圧電デバイスに相当する。
When the pressure
本実施形態においては、圧力室形成基板20の下面側において圧力室22の長手方向両側には、圧力室22よりも浅く、有底の凹部34が、当該圧力室形成基板20の厚さ方向の途中まで形成されている。すなわち、この凹部34は、当該凹部34の底板に相当する部分が脆弱部36として残された状態で、圧力室22と同様に圧力室形成基板20の下面側から異方性エッチングにより平面視で略平行四辺形状に形成されている。この凹部34の下面側の開口は、圧力室形成基板20の下面に連通基板14が接合されることにより当該連通基板14によって塞がれる。これにより、圧力室形成基板20の凹部34と連通基板14とにより空部35が区画される。図4に示されるように、この空部35は、平面視において圧電素子26の能動部の両端Eと重なる位置に、圧力室22毎に2つずつ形成されている。この空部35は、圧力室22等のインクが流れる流路とは連通することなく独立した空間であり、空気で満たされている。
In the present embodiment, on the lower surface side of the pressure
圧力室形成基板20の上面における各圧力室22に対応する位置(可撓面21に対応する領域)に、圧電素子26が形成されている。本実施形態における圧電素子26は、所謂撓みモードの圧電素子である。この圧電素子26は、圧力室形成基板20上に、金属製の下電極30、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなる圧電体31、および、金属製の上電極32が順次積層されて構成されている。本実施形態における圧電素子26は、圧力室形成基板20上において、圧力室22の長手方向の端を越えて当該圧力室22よりも外側に外れた位置(可撓面21よりも外側の位置)まで延設されている。そして、図3および図4に示されるように、下電極30および圧電体31は、上電極32の圧力室長手方向の端部よりも同方向の外側の位置までさらに延設されている。
The
本実施形態においては、下電極30および圧電体31が圧力室22毎にパターニングされており、下電極30は、圧力室22毎に個別の電極となっている。また、上電極32は、複数の圧電素子26に共通な電極となっている。そして、平面視において、すなわち各層の積層方向において、上電極32、圧電体31、および下電極30がオーバーラップする部分が、両電極30,32への電圧の印加により圧電歪みが生じる能動部である。このため、上電極32の圧力室長手方向の端が、実質的に能動部の端Eを規定している。なお、下電極30が複数の圧電素子26に共通な電極とされ、上電極32が圧電素子26毎に個別な電極とされる構成を採用することもできる。
In the present embodiment, the
上記圧電素子26が形成された連通基板14の上面には封止板15が配置される。この封止板15は、例えば、ガラス、セラミックス材料、シリコン単結晶基板、金属、合成樹脂等から作製される。この封止板15の内部には、圧電素子26に対向する領域に当該圧電素子26の駆動を阻害しない程度の大きさの圧電素子収容空部39が形成されている。封止板15は、圧電素子収容空部39内に圧電素子26の主に能動部を収容した状態で、連通基板14の上面に接合される。この封止板15には、基板厚さ方向を貫通した図示しない配線空部が形成されており、この配線空部内に圧電素子26から延出された電極端子が配置されている。この電極端子に、図示しない配線部材の端子が電気的に接続される。
A sealing
連通基板14の下面には、ノズルプレート13およびコンプライアンス基板16が接合される。ノズルプレート13は、複数のノズル18が開設された板材であり、本実施形態においてはシリコン基板から作製されている。そして、当該基板に対してドライエッチングを施すことにより円筒形状のノズル18が形成されている。このノズルプレート13は、各ノズル18が連通基板14のノズル連通路27とそれぞれ連通する状態で連通基板14の下面の中央部分に接合されている。コンプライアンス基板16は、連通基板14の下面において、共通液室23の開口を塞ぐ状態で接合された可撓性を有する部材である。このコンプライアンス基板16は、共通液室23内のインクの圧力変化を吸収する機能を奏する。
The
連通基板14は、圧力室形成基板20と同様にシリコン基板から作製された板材である。この連通基板14には、ノズル連通路27および共通液室23となる空部が、異方性エッチングによって形成されている。ノズル連通路27は、圧力室22に対応して当該圧力室の並設方向(ノズル列方向)に沿って複数形成されている。連通基板14と圧力室形成基板20とが位置決め状態で接合された状態で、各ノズル連通路27は、それぞれ対応する圧力室22の長手方向における一端部と連通する。共通液室23は、ノズル列方向(換言すると圧力室22の並設方向)に沿って延在され、各圧力室22に共通のインクが導入される空部である。連通基板14がケース17に位置決め状態で接合されると、共通液室23がインク導入空部24と連通し、インクカートリッジ7からのインクがインク導入空部24を通じて共通液室23に導入される。この共通液室23と各圧力室22とは、圧力室毎に個別に設けられた供給口28を介して連通している。このため、共通液室23内のインクは、供給口28を通じて各圧力室22に分配・供給される。
The
ここで、上記構成の記録ヘッド3では、圧力室形成基板20において圧力室22の可撓面21よりも外側に対応する位置まで圧電素子26の能動部が形成されている。このため、上下の電極30,32に駆動電圧が印加されると、圧力室上部開口の外側における能動部の端部においても上下電極間に電界が生じ、当該能動部の端部も動こうとする。従来の同様な構成の記録ヘッドでは、圧力室の可撓面よりも外側における能動部の端部の下は、構造体、すなわち、圧力室が形成された基板において圧力室等の空室の無い部分であるため、実際には当該能動部の端部は拘束されているので動けない。これにより、能動部の端部に応力が集中して亀裂や剥離等が生じる虞があった。このような不具合に関し、本発明に係る記録ヘッド3では、上述したように、平面視において圧電素子26の能動部の両端Eと重なる位置に空部35が形成されて、意図的に脆弱な部分、すなわち外力が加わった際に多少変形可能な弱い部分が設けられているので、この部分により圧電素子26の能動部の駆動時における応力が緩和される。その結果、圧電素子26の能動部の端部(特に電極)において亀裂や剥離等が生じることが抑制される。また、空部35は、圧力室22等のインク流路とは別個独立した空間であるので、ノズル18におけるインクの吐出特性(吐出されるインクの重量や飛翔速度)に影響を与えることが無い。
Here, in the
ここで、仮に圧力室形成基板と可撓面(可撓部材)が別部材である構成では、圧電素子の駆動時に能動部の端の近傍において圧力室形成基板と可撓部材とが剥離するおそれがあるのに対し、本実施形態においては、圧力室形成基板20と可撓面21が一体である構成であるため、圧電素子26の駆動時に圧力室形成基板20と可撓面21とが剥離するリスクを抑えることができる。また、このように圧力室形成基板20と可撓面21が一体である構成であっても、圧力室形成基板20における連通基板14側の面に空部35を区画する凹部34が形成されるので、空部35を問題なく設けることができる。さらに、本実施形態においては、圧力室形成基板20に対し圧力室22と同一のエッチング工程により凹部を形成することができるので、工程数が増加することが無い。
Here, if the pressure chamber forming substrate and the flexible surface (flexible member) are separate members, the pressure chamber forming substrate and the flexible member may be separated from each other in the vicinity of the end of the active portion when the piezoelectric element is driven. On the other hand, in the present embodiment, since the pressure
図5は、本発明の第2の実施形態における記録ヘッド3の要部断面図である。上記第1の実施形態においては、圧力室形成基板20の凹部34と連通基板14とにより空部35が区画された構成を例示したが、これには限られない。第2の実施形態においては、連通基板14側に凹部34′が形成され、この凹部34′が圧力室形成基板20により塞がれることで空部35′が区画形成されている点で第1の実施形態と異なっている。すなわち、圧力室間の隔壁の強度を確保する観点から圧力室22の高さ(深さ)は、共通液室23やノズル連通路27等と比較して浅く形成されるため、これに応じて圧力室形成基板20の厚さは連通基板14の厚さ(例えば、200〔μm〕以上500〔μm〕の範囲)よりも薄くなっている(例えば、40〔μm〕以上100〔μm〕の範囲)。このため、より厚みのある連通基板14に凹部34′を形成する方が容易に加工でき、また、基板の破損もし難い。この第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、平面視において圧電素子26の能動部の両端Eと重なる位置に空部35′が形成されているので、圧電素子26の能動部の駆動時における応力が緩和される。なお、その他の構成は第1の実施形態の構成と同様である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of the
図6および図7は、本発明の第3の実施形態の構成を説明する図であり、図6は、圧力室形成基板20の下面図、図7は、記録ヘッド3の要部断面図である。本実施形態においては、圧力室形成基板20に形成された凹部34aと連通基板14とにより区画された第1空部35aと、連通基板14に形成された凹部34bと圧力室形成基板とにより区画された第2空部35bが、ノズル列方向(圧力室の並設方向)に沿って交互に形成されている点が、上記第1の実施形態および第2の実施形態と異なっている。すなわち、圧力室形成基板20または連通基板14の一方の基板のみに凹部が形成される構成では、その分、基板が脆弱になり、破損等の虞がある。これに対し、本実施形態のように、第1空部35aと第2空部35bとが交互に形成されることで、圧力室形成基板20と連通基板14の強度が低下することが抑制されるため、破損等が生じる危険性を抑えることができる。この第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、平面視において圧電素子26の能動部の両端Eと重なる位置に空部35a,35bが形成されているので、圧電素子26の能動部の駆動時における応力が緩和される。なお、その他の構成は第1の実施形態の構成と同様である。
6 and 7 are views for explaining the configuration of the third embodiment of the present invention, FIG. 6 is a bottom view of the pressure
図8は、本発明の第4の実施形態における記録ヘッド3の要部断面図である。上記第1の実施形態においては、圧力室形成基板20における圧力室空部は、当該圧力室基板20の板厚方向を貫通して形成されており、圧力室形成基板20に弾性膜40(本発明における可撓部材に相当)および連通基板14が接合されることにより圧力室22が区画されている。弾性膜40は、例えば、二酸化シリコン(SiO2)からなる第1の層と、この第1の層上に形成された酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる第2の層と、から成る。この弾性膜40における圧力室22の上部開口を塞ぐ部分が圧電素子26(能動部)の駆動に伴って変形する可撓面として機能する。また、圧力室形成基板20における上面側から下面側に向けて基板厚さ方向の途中まで窪んだ凹部34cが形成されている。この凹部34cの上面側の開口が弾性膜40により塞がれる。これにより、圧力室形成基板20の凹部34cと弾性膜40とにより空部35cが区画される。この構成によれば、圧力室形成基板20および連通基板14の積層方向において、能動部の端Eにより近い位置に空部35cが設けられるので、圧電素子26の能動部の駆動時における応力を緩和する効果がより向上する。その結果、圧電素子26の能動部の端部において亀裂や剥離等が生じることがより確実に抑制される。なお、その他の構成は第1の実施形態の構成と同様である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of the
図9は、本発明の第5の実施形態における圧力室基板20′の平面図である。本実施形態における圧力室22′は、平面視において楕円形状、あるいは菱形形状を呈している。また、図9において、破線で示す部分は、圧電素子の個別電極の形状で規定される能動部の端Eを示している。すなわち、本実施形態における能動部の端Eも圧力室22′よりも外側(可撓面よりも外側)に位置している。そして、圧力室基板20′あるいは、当該圧力室基板20′と共に空室部材を構成する基板において、能動部の端Eと平面視で重なる位置に、溝状の空部35cが、能動部の端Eの全周に亘って円環状に形成されている。このような構成においても、平面視において圧電素子の能動部の両端Eと重なる位置に空部35dが形成されることにより、圧電素子26の能動部の駆動時における応力が緩和される。その結果、圧電素子の能動部の端部において亀裂や剥離等が生じることが抑制される。なお、図10に示される変形例のように、例えば圧力室22′に連通する供給路45が圧力室基板20′に形成されている構成では、空部35dが、供給路45を避けて平面視で馬蹄状に形成される等、必ずしも空部35dが能動部の端Eの全周に亘って形成されていなくてもよい。
FIG. 9 is a plan view of the pressure chamber substrate 20'in the fifth embodiment of the present invention. The pressure chamber 22'in the present embodiment has an elliptical shape or a rhombic shape in a plan view. Further, in FIG. 9, the portion shown by the broken line indicates the end E of the active portion defined by the shape of the individual electrode of the piezoelectric element. That is, the end E of the active portion in the present embodiment is also located outside the pressure chamber 22'(outside the flexible surface). Then, in the pressure chamber substrate 20'or the substrate constituting the vacant chamber member together with the pressure chamber substrate 20', the groove-shaped
そして、以上では、圧電デバイスとして記録ヘッド3における圧力室形成基板20、連通基板14、および圧電素子26からなる構成を例に挙げて説明したが、本発明は、空室を区画する空室部材および圧電素子を備える他の圧電デバイスにも適用することができる。また、液体吐出ヘッドとしては、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吐出ヘッド、有機EL(Electro Luminescence)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吐出ヘッド、バイオチップ(生物化学素子)の製造に用いられる生体有機物吐出ヘッド等にも本発明を適用することができる。
In the above, the configuration of the
1…プリンター,3…記録ヘッド,9…圧力発生ユニット,12…流路ユニット,13…ノズルプレート,14…連通基板,15…封止板,18…ノズル,20…圧力室形成基板,21…可撓面,22…圧力室,23…共通液室,26…圧電素子,30…下電極,31…圧電体,32…上電極,34…凹部,35…空部,40…弾性膜,42…凹部,43…空部,45…供給路 1 ... Printer, 3 ... Recording head, 9 ... Pressure generating unit, 12 ... Flow path unit, 13 ... Nozzle plate, 14 ... Communication substrate, 15 ... Sealing plate, 18 ... Nozzle, 20 ... Pressure chamber forming substrate, 21 ... Flexible surface, 22 ... Pressure chamber, 23 ... Common liquid chamber, 26 ... Piezoelectric element, 30 ... Lower electrode, 31 ... Piezoelectric body, 32 ... Upper electrode, 34 ... Recession, 35 ... Empty space, 40 ... Elastic film, 42 ... recess, 43 ... empty space, 45 ... supply path
Claims (8)
前記空室部材の一方の面において前記空室との間に可撓面を挟んで設けられ、当該可撓面側から第1電極、圧電体、および第2電極が順に積層されてなる圧電素子と、
を備え、
前記空室部材において前記空室とは別個独立した空部が、前記第1電極、圧電体、および第2電極が互いに重なり合う能動部の端に対して平面視において重なる位置に形成され、
平面視において前記空部が前記能動部の両端に形成されたことを特徴とする圧電デバイス。 Vacancy members that partition vacancies and
A piezoelectric element provided on one surface of the vacant member with a flexible surface interposed therebetween, and a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode are laminated in this order from the flexible surface side. When,
With
A vacant portion of the vacant member that is independent of the vacant chamber is formed at a position where the first electrode, the piezoelectric body, and the second electrode overlap each other in a plan view with respect to the end of the active portion .
A piezoelectric device characterized in that the empty portion is formed at both ends of the active portion in a plan view .
前記空部は、前記空室形成基板に設けられた凹部と前記可撓部材とにより区画されたことを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス。 The vacant member includes a vacant space forming substrate for partitioning the vacant room and a flexible member that functions as the flexible surface.
The piezoelectric device according to claim 1, wherein the vacant portion is partitioned by a recess provided in the vacancy forming substrate and the flexible member.
前記空部は、前記第2空室形成基板に設けられた凹部と前記第1空室形成基板とにより区画されたことを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス。 The vacant member includes a first vacancy forming substrate that partitions the vacancy, and a second vacancy forming substrate that is joined to a surface of the first vacancy forming substrate that is opposite to the piezoelectric element side. Have,
The piezoelectric device according to claim 1, wherein the vacant portion is partitioned by a recess provided in the second vacancy forming substrate and the first vacancy forming substrate.
前記空室部材において、前記第1空部と前記第2空部とが、前記空室の並設方向に沿って交互に形成されたことを特徴とする請求項3に記載の圧電デバイス。 The vacant portion includes a recess provided in the first vacancy forming substrate, a first vacant portion partitioned by the second vacancy forming substrate, and a recess provided in the second vacancy forming substrate. Includes a second vacant portion partitioned by the first vacancy forming substrate.
The piezoelectric device according to claim 3, wherein in the vacant member, the first vacant portion and the second vacant portion are alternately formed along the parallel direction of the vacant chamber.
前記圧電デバイスの空室と連通するノズルと、
を備え、
前記圧電デバイスにおける圧電素子の駆動により前記空室内の液体に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動により前記ノズルから液体を吐出させることを特徴とする液体吐出ヘッド。 The piezoelectric device according to claims 1 any one of claims 6,
A nozzle that communicates with the vacant room of the piezoelectric device,
With
A liquid discharge head characterized in that a pressure fluctuation is caused in a liquid in the air chamber by driving a piezoelectric element in the piezoelectric device, and the liquid is discharged from the nozzle by the pressure fluctuation.
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