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JP7585690B2 - Actuator and inkjet head - Google Patents
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Description

本発明は、アクチュエータ及びインクジェットヘッドに関する。より詳しくは、本発明は、圧電体の変位を効率よく伝達できるアクチュエータ及びそれを用いたインクジェットヘッドに関する。 The present invention relates to an actuator and an inkjet head. More specifically, the present invention relates to an actuator that can efficiently transmit the displacement of a piezoelectric body and an inkjet head using the actuator.

インクジェット装置は、インクジェットヘッドからインクを吐出することにより、被印刷面に印字や描画を行う装置である。インクジェット装置に搭載されるインクジェットヘッドは、インクを充填するための圧力室と、圧力室にインクを導くための流路と、圧力室に繋がるノズルと、圧力室に充填されたインクに圧力を付与するアクチュエータとを備える。アクチュエータを駆動して圧力室内の圧力を高めることにより、圧力室に充填されたインクがノズルから吐出される。 An inkjet device is a device that prints or draws on a surface to be printed by ejecting ink from an inkjet head. The inkjet head installed in an inkjet device has a pressure chamber for filling with ink, a flow path for guiding ink to the pressure chamber, a nozzle connected to the pressure chamber, and an actuator for applying pressure to the ink filled in the pressure chamber. By driving the actuator to increase the pressure in the pressure chamber, the ink filled in the pressure chamber is ejected from the nozzle.

アクチュエータは、例えば、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する圧電体をその厚さ方向に2つの電極で挟んでなる積層体である圧電体素子と、圧電体素子で発生した機械的変位を有効にインクに伝えるために設けた振動板を有する構成である。アクチュエータは、例えば、圧力室に対してノズルと反対側に設けられ、圧電体に電圧を印加し振動板が変形することに伴い圧力室の体積が減少することで、圧力室内の圧力が高められノズルからインクが吐出される機構となっている。 The actuator, for example, has a piezoelectric element, which is a laminate consisting of a piezoelectric material that converts mechanical energy into electrical energy or converts electrical energy into mechanical energy, sandwiched between two electrodes in the thickness direction, and a vibration plate that is provided to effectively transmit the mechanical displacement generated by the piezoelectric material element to the ink. The actuator is provided, for example, on the opposite side of the pressure chamber to the nozzle, and is a mechanism in which the pressure in the pressure chamber is increased and ink is ejected from the nozzle when a voltage is applied to the piezoelectric material and the vibration plate deforms, reducing the volume of the pressure chamber.

近年、インクジェットヘッドに対する小型化、高密度化の要求により、アクチュエータにおいても小型化が求められ、圧電体素子の変位を振動板に効率よく伝達し変形させる設計が求められるようになった。このような要求に応えるために、例えば、特許文献1では、振動板を膜厚方向に異なる材料で複数積層させるとともに、振動板のインクと接する部分と圧力室部材の主成分を同一材料とする構成を採用している。しかしながら、さらなる変位伝達の効率化が求められている。 In recent years, the demand for smaller and higher density inkjet heads has led to demands for smaller actuators as well, and a design that efficiently transmits the displacement of the piezoelectric element to the diaphragm for deformation is now required. To meet such demands, for example, Patent Document 1 employs a configuration in which the diaphragm is made of multiple layers of different materials in the film thickness direction, and the main component of the part of the diaphragm that comes into contact with the ink and the pressure chamber member are made of the same material. However, there is a demand for even more efficient displacement transmission.

特開2009-215473号公報JP 2009-215473 A

本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、圧電体の変位を効率よく伝達できるアクチュエータを提供することである。また、当該アクチュエータを用いた効率よくインクの吐出が行えるインクジェットヘッドを提供することである。 The present invention was made in consideration of the above problems and circumstances, and the problem to be solved is to provide an actuator that can efficiently transmit the displacement of a piezoelectric body. Also, the present invention is to provide an inkjet head that can efficiently eject ink using the actuator.

本発明者は、上記課題を解決すべく、上記問題の原因等について検討する過程において、圧電体層の変位を伝える振動板を3層以上の構成とし、さらにこれらの各層を構成する材料のヤング率が圧電体層から遠ざかるにつれて大きくなる構成とすることで、圧電体の変位を効率よく伝達できること見出し本発明に至った。すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。 In the process of investigating the causes of the above problems in order to solve them, the inventors discovered that the displacement of the piezoelectric layer can be efficiently transmitted by configuring the diaphragm that transmits the displacement of the piezoelectric layer to have a structure of three or more layers, and further configuring the Young's modulus of the material that composes each of these layers to increase with distance from the piezoelectric layer, which led to the invention. In other words, the above problems of the present invention are solved by the following means.

1.第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面及び前記第2の主面にそれぞれ配置された第1の電極及び第2の電極と、前記第2の電極の前記圧電体層とは反対側に配置された振動板とを備えるアクチュエータであって、
前記振動板が、互いに異なる材料から構成される少なくとも3つの層が厚さ方向に積層されてなり、かつ
前記振動板において前記各層を構成する材料のヤング率が、前記第2の電極に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなるように構成され、前記3つの層を、前記圧電体層の前記第2の主面から前記圧電体層に遠い側の層に向かって、第1層、第2層、及び第3層とし、前記第1層を構成する材料のヤング率をY 41a 、前記第2層を構成する材料のヤング率をY 42a 、及び前記第3層を構成する材料のヤング率をY 43a とした場合に、前記ヤング率Y 41a 、Y 42a 及びY 43a が、下記(1a-2)~(1a-4)の関係を満たすことを特徴とするアクチュエータ。
(1a-2)10GPa≦Y 41a
(1a-3)1.05≦Y 42a /Y 41a ≦4.0
(1a-4)1.05≦Y 43a /Y 42a ≦4.0
1. An actuator comprising: a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface; a first electrode and a second electrode disposed on the first main surface and the second main surface of the piezoelectric layer, respectively; and a vibration plate disposed on the opposite side of the second electrode to the piezoelectric layer,
an actuator, characterized in that the vibration plate is formed by laminating at least three layers made of different materials in a thickness direction, and the Young's modulus of the materials constituting each of the vibration plate layers increases in order from the layer closer to the second electrode to the layer furthest from the second electrode, the three layers being a first layer, a second layer and a third layer from the second main surface of the piezoelectric layer to the layer furthest from the piezoelectric layer, and the Young's modulus of the material constituting the first layer is Y41a , the Young's modulus of the material constituting the second layer is Y42a , and the Young's modulus of the material constituting the third layer is Y43a , the Young's modulus Y41a , Y42a and Y43a satisfy the following relationships (1a-2) to (1a-4) .
(1a-2) 10GPa≦Y 41a
(1a-3) 1.05≦Y 42a /Y 41a ≦4.0
(1a-4) 1.05≦Y 43a /Y 42a ≦4.0

2.第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面に配置された第1の電極と、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された、振動板とを備えるアクチュエータであって、
前記振動板は、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された導体層と、前記導体層の前記圧電体層とは反対側に厚さ方向に積層された、前記導体層を構成する材料とはそれぞれ異なる材料から構成される少なくともつの層を有し、
前記振動板において前記導体層及び前記各層を構成する材料のヤング率が、前記導体層から前記圧電体層に遠い側の層に向かって順に高くなるように構成され、前記導体層及び前記3つの層を、前記圧電体層の前記第2の主面から前記圧電体層に遠い側の層に向かって、第1層、第2層、第3層、及び第4層として、前記第1層を構成する材料のヤング率をY 41b 、前記第2層を構成する材料のヤング率をY 42b 、前記第3層を構成する材料のヤング率をY 43b 、前記第4層を構成する材料のヤング率をY 44b とした場合に、前記ヤング率Y 41b 、Y 42b 、Y 43b 、及びY 44b が、下記(2b-2)~(2b-5)の関係を満たすことを特徴とするアクチュエータ。
(2b-2)10GPa≦Y 41b
(2b-3)1.05≦Y 42b /Y 41b ≦4.0
(2b-4)1.05≦Y 43b /Y 42b ≦4.0
(2b-5)1.05≦Y 44b /Y 43b ≦4.0
2. An actuator comprising a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface, a first electrode disposed on the first main surface of the piezoelectric layer, and a vibration plate disposed on the second main surface of the piezoelectric layer,
the vibration plate has a conductor layer disposed on the second main surface of the piezoelectric layer, and at least three layers stacked in a thickness direction on a side of the conductor layer opposite to the piezoelectric layer, the layers being made of a material different from the material constituting the conductor layer;
an actuator comprising: a diaphragm configured such that the Young's modulus of materials constituting the conductor layer and each of the layers increases in that order from the conductor layer toward the layer furthest from the piezoelectric layer; the conductor layer and the three layers are, from the second main surface of the piezoelectric layer toward the layer furthest from the piezoelectric layer, a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer; a Young's modulus of a material constituting the first layer is Y41b ; a Young's modulus of a material constituting the second layer is Y42b ; a Young's modulus of a material constituting the third layer is Y43b ; and a Young's modulus of a material constituting the fourth layer is Y44b ; the Young's modulus Y41b , Y42b , Y43b , and Y44b satisfy the following relationships (2b-2) to (2b-5) .
(2b-2) 10GPa≦Y 41b
(2b-3) 1.05≦Y 42b /Y 41b ≦4.0
(2b-4) 1.05≦Y 43b /Y 42b ≦4.0
(2b-5) 1.05≦Y 44b /Y 43b ≦4.0

3.前記振動板の前記圧電体層に最も近い層を構成する材料が、前記圧電体層における還元反応を抑制する材料であることを特徴とする第1項又は第2項に記載のアクチュエータ。 3. The actuator described in paragraph 1 or 2, characterized in that the material constituting the layer of the vibration plate closest to the piezoelectric layer is a material that suppresses a reduction reaction in the piezoelectric layer.

4.前記還元反応を抑制する材料が、標準電極電位が-0.126Vよりも大きい金属、又は前記金属を含有する導電性材料であることを特徴とする第3項に記載のアクチュエータ。 4. The actuator described in paragraph 3, characterized in that the material that inhibits the reduction reaction is a metal with a standard electrode potential greater than -0.126 V, or a conductive material that contains the metal.

5.前記還元反応を抑制する材料が、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム及びルテニウムから選ばれる白金族金属、又は前記白金族金属を含有する導電性材料であることを特徴とする第3項又は第4項に記載のアクチュエータ。 5. The actuator according to paragraph 3 or 4, characterized in that the material that inhibits the reduction reaction is a platinum group metal selected from platinum, iridium, palladium, rhodium, and ruthenium, or a conductive material that contains the platinum group metal.

6.前記振動板の前記圧電体層から最も遠い層を構成する材料が、主としてクロム又はニッケルであることを特徴とする第1項から第5項までのいずれか一項に記載のアクチュエータ。 6. The actuator described in any one of paragraphs 1 to 5, characterized in that the material constituting the layer of the diaphragm farthest from the piezoelectric layer is mainly chromium or nickel.

7.第1項から第6項までのいずれか一項に記載のアクチュエータと、
インクが充填され、前記アクチュエータが駆動されることにより前記インクの圧力が変化する圧力室と、
前記アクチュエータが駆動されることにより前記圧力室に充填された前記インクを吐出するノズルと、を備える、
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
7. An actuator according to any one of claims 1 to 6,
a pressure chamber filled with ink, the pressure of the ink being changed by driving the actuator;
a nozzle that ejects the ink filled in the pressure chamber by driving the actuator.
An inkjet head comprising:

以下の説明において、上記1.で規定される本発明のアクチュエータを、本発明の第1の態様のアクチュエータといい、上記2.で規定される本発明のアクチュエータを、本発明の第2の態様のアクチュエータという。 In the following description, the actuator of the present invention defined in 1 above is referred to as the actuator of the first aspect of the present invention, and the actuator of the present invention defined in 2 above is referred to as the actuator of the second aspect of the present invention.

本発明の上記手段により、圧電体の変位を効率よく伝達できるアクチュエータを提供することができる。また、当該アクチュエータを用いた効率よくインクの吐出が行えるインクジェットヘッドを提供することができる。本発明の効果の発現機構ないし作用機構については、材料力学的考察から、以下のように推察している。 The above-mentioned means of the present invention can provide an actuator that can efficiently transmit the displacement of a piezoelectric body. In addition, it can provide an inkjet head that can efficiently eject ink using the actuator. The mechanism of expression or action of the effects of the present invention is inferred as follows from material mechanics considerations.

本発明の第1の態様のアクチュエータは、1対の電極に挟持された圧電体層と、当該電極の一方の電極の圧電体層と反対側に少なくとも3層からなる振動板を有する構成である。本発明の第2の態様のアクチュエータは、圧電体層とその一方の主面に位置する電極と、他方の主面に位置する振動板を有し、当該振動板は圧電体層側から導体層と2層以上の層が積層されてなる少なくとも3層からなる振動板である。 The actuator of the first aspect of the present invention has a piezoelectric layer sandwiched between a pair of electrodes, and a vibration plate consisting of at least three layers on the side of one of the electrodes opposite the piezoelectric layer. The actuator of the second aspect of the present invention has a piezoelectric layer, an electrode located on one of its main surfaces, and a vibration plate located on the other main surface, and the vibration plate is a vibration plate consisting of at least three layers, with a conductor layer and two or more layers stacked from the piezoelectric layer side.

本発明のアクチュエータにおいては、振動板が3層以上の積層構造を有しており、各層を構成する材料のヤング率は、圧電体層に近い側から遠い側に向かって順に大きくなるように設計されている。 In the actuator of the present invention, the vibration plate has a laminated structure of three or more layers, and the Young's modulus of the material that constitutes each layer is designed to increase in order from the side closest to the piezoelectric layer to the side furthest from the layer.

たわみが生じた際の振動板の変位量δは、圧電体の発生する変形力Fと、振動板中の圧電体/振動板界面からの厚さ方向における距離Lに存在する中立面のLに対し、δ∝F×Lが成り立つから、一定の変形力Fに対し、Lをより大きく設けることで大きなδを得ることができる。 The amount of displacement δ of the diaphragm when it bends is determined by the deformation force F generated by the piezoelectric body and the neutral plane L that exists at a distance L in the thickness direction from the piezoelectric body/diaphragm interface in the diaphragm, and is expressed as δ ∝ F × L. Therefore, for a given deformation force F, a larger δ can be obtained by making L larger.

Lは一般的にi層目のヤング率と、累積膜厚をE、hとそれぞれ置いた際に下記式となることから、iが大きい層においてEを高く設定するのが好ましい。
L=ΣE(h -hi-1 )/2×ΣE(h-hi-1
Generally, L is expressed by the following formula when the Young's modulus of the i-th layer and the cumulative film thickness are designated as E i and h i, respectively. Therefore, it is preferable to set E i high in layers with larger i.
L=ΣE i (h i 2 - h i-1 2 )/2×ΣE i (h i - h i-1 )

さらに、現実的には振動板変形に伴い、発生力の損失が存在するため伸縮しづらい仮想面が圧電素子に近い領域に局在するのを避けるのが好ましいため、iが漸増するに従いEが一貫して増大するのが好ましい。従って、3層以上の構成とし、圧電体/振動板界面から離れるにしたがってヤング率を増大させる構成が、もっとも。圧電体層の変位を振動板が効率よく伝達できる。 Furthermore, in reality, it is preferable to avoid localization of the imaginary surface, which is difficult to expand and contract due to loss of generated force caused by deformation of the diaphragm, in the area close to the piezoelectric element, so it is preferable that Ei increases consistently as i increases. Therefore, a structure of three or more layers, in which the Young's modulus increases with distance from the piezoelectric/diaphragm interface, is the best. The diaphragm can efficiently transmit the displacement of the piezoelectric layer.

本発明の第1の態様のアクチュエータの実施形態の一例を示す断面図FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of an actuator according to a first aspect of the present invention. 本発明の第1の態様のアクチュエータの実施形態の変形例を示す断面図FIG. 2 is a cross-sectional view showing a modified embodiment of the actuator according to the first aspect of the present invention; 基板に設置された図1に示すアクチュエータの動作を模式的に示す平面図FIG. 2 is a plan view showing the operation of the actuator shown in FIG. 1 installed on a substrate; 図3AのX-X線断面図XX line cross-sectional view of FIG. 本発明の第2の態様のアクチュエータの実施形態の一例を示す断面図FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of the actuator according to the second aspect of the present invention. 本発明の第2の態様のアクチュエータの実施形態の変形例を示す断面図FIG. 1 is a cross-sectional view showing a modified embodiment of the actuator according to the second aspect of the present invention; 本発明のインクジェットヘッドの実施形態の一例の上面図FIG. 1 is a top view of an example of an embodiment of an inkjet head according to the present invention. 図6に示すインクジェットヘッドのY-Y線断面図7 is a cross-sectional view of the inkjet head shown in FIG. 6 taken along line YY. 図6に示すインクジェットヘッドのY-Y線拡大断面図7 is an enlarged cross-sectional view of the inkjet head shown in FIG. 6 taken along line YY.

本発明の第1の態様のアクチュエータは、第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面及び前記第2の主面にそれぞれ配置された第1の電極及び第2の電極と、前記第2の電極の前記圧電体層とは反対側に配置された振動板とを備えるアクチュエータであって、前記振動板が、互いに異なる材料から構成される少なくとも3つの層が厚さ方向に積層されてなり、かつ前記振動板において前記各層を構成する材料のヤング率が、前記第2の電極に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなることを特徴とする。 The actuator of the first aspect of the present invention is an actuator including a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface, a first electrode and a second electrode arranged on the first main surface and the second main surface of the piezoelectric layer, respectively, and a vibration plate arranged on the opposite side of the second electrode to the piezoelectric layer, characterized in that the vibration plate is formed by stacking at least three layers made of different materials in the thickness direction, and the Young's modulus of the material constituting each layer in the vibration plate increases in order from the layer closest to the second electrode to the layer furthest from the second electrode.

本発明の第2の態様のアクチュエータは、第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面に配置された第1の電極と、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された振動板とを備えるアクチュエータであって、前記振動板は、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された導体層と、前記導体層の前記圧電体層とは反対側に厚さ方向に積層された、前記導体層を構成する材料とはそれぞれ異なる材料から構成される少なくとも2つの層を有し、前記振動板において前記導体層及び前記各層を構成する材料のヤング率が、前記導体層から前記圧電体層に遠い側の層に向かって順に高くなることを特徴とする。 The actuator of the second aspect of the present invention is an actuator including a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface, a first electrode disposed on the first main surface of the piezoelectric layer, and a vibration plate disposed on the second main surface of the piezoelectric layer, the vibration plate having a conductor layer disposed on the second main surface of the piezoelectric layer, and at least two layers made of a material different from the material constituting the conductor layer, stacked in the thickness direction on the side of the conductor layer opposite the piezoelectric layer, the Young's modulus of the material constituting the conductor layer and each of the layers in the vibration plate increases in order from the conductor layer to the layer farther from the piezoelectric layer.

以下の説明において、「本発明のアクチュエータ」という場合は、本発明の第1の態様のアクチュエータ及び第2の態様のアクチュエータの両方を含む。下記各実施形態は、本発明の第1の態様のアクチュエータ及び第2の態様のアクチュエータに共通する実施形態である。 In the following description, the term "actuator of the present invention" includes both the actuator of the first aspect of the present invention and the actuator of the second aspect of the present invention. The following embodiments are common to the actuator of the first aspect of the present invention and the actuator of the second aspect of the present invention.

本発明のアクチュエータの実施態様としては、圧電体層を保護する観点から、前記振動板の前記圧電体層に最も近い層を構成する材料が、前記圧電体層における還元反応を抑制する材料であることであることが好ましい。当該実施態様において、前記還元反応を抑制する材料は、標準電極電位が-0.126Vよりも大きい金属、又は前記金属を含有する導電性材料であることが好ましい。さらに、上記実施態様において、前記還元反応を抑制する材料は、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム及びルテニウムから選ばれる白金族金属、又は前記白金族金属を含有する導電性材料であることが好ましい。 In an embodiment of the actuator of the present invention, from the viewpoint of protecting the piezoelectric layer, it is preferable that the material constituting the layer of the diaphragm closest to the piezoelectric layer is a material that suppresses a reduction reaction in the piezoelectric layer. In this embodiment, it is preferable that the material that suppresses the reduction reaction is a metal having a standard electrode potential greater than -0.126 V, or a conductive material containing the metal. Furthermore, in the above embodiment, it is preferable that the material that suppresses the reduction reaction is a platinum group metal selected from platinum, iridium, palladium, rhodium, and ruthenium, or a conductive material containing the platinum group metal.

本発明のアクチュエータの実施態様としては、前記圧電体層が、主としてチタン酸ジルコン酸鉛から構成されることが好ましい。圧電体層が主としてチタン酸ジルコン酸鉛で構成されることで、圧電体層の薄膜化が可能となるとともに、良好な変位効率が得られる。 In an embodiment of the actuator of the present invention, the piezoelectric layer is preferably composed mainly of lead zirconate titanate. By having the piezoelectric layer composed mainly of lead zirconate titanate, it is possible to reduce the thickness of the piezoelectric layer and obtain good displacement efficiency.

圧電体層が主としてチタン酸ジルコン酸鉛を含む場合に、チタン酸ジルコン酸鉛が還元モードでの劣化が顕著であることが知られている。したがって、圧電体層が主としてチタン酸ジルコン酸鉛を含む場合には特に、前記振動板の前記圧電体層に最も近い層を構成する材料の標準電極電位が-0.126Vよりも大きい材料であり、より酸化されにくい材料であることが好ましい。具体的には、上記金属、特に白金族金属又はこのような金属を含有する導電性材料で構成されることが好ましい。 It is known that when the piezoelectric layer mainly contains lead zirconate titanate, the deterioration of lead zirconate titanate in the reduction mode is significant. Therefore, particularly when the piezoelectric layer mainly contains lead zirconate titanate, it is preferable that the material constituting the layer of the diaphragm closest to the piezoelectric layer has a standard electrode potential of greater than -0.126 V and is less susceptible to oxidation. Specifically, it is preferable that the material be made of the above metals, particularly platinum group metals, or a conductive material containing such metals.

振動板の上記構成により、前記圧電体層に含有される酸素が、界面間移動・層間拡散によって、より酸化されやすい振動板の前記圧電体に最も近い層に補足され、同時に前記圧電体が還元され劣化すること、つまり、振動板の構成材料による圧電体層からの酸素の引き抜きを防ぐことができ、駆動にともなう経時劣化から圧電体層を十分に保護できる。 The above-mentioned structure of the diaphragm allows oxygen contained in the piezoelectric layer to be captured by the layer of the diaphragm closest to the piezoelectric, which is more susceptible to oxidation, through interfacial migration and interlayer diffusion, and at the same time, the piezoelectric is reduced and deteriorated. In other words, it is possible to prevent oxygen from being extracted from the piezoelectric layer by the constituent material of the diaphragm, and the piezoelectric layer can be adequately protected from deterioration over time that occurs during operation.

本発明のアクチュエータの実施態様としては、前記振動板の前記圧電体層から最も遠い層を構成する材料が、主としてクロム又はニッケルであることが好ましい。振動板をこのような構成とすることで、本発明のアクチュエータを、例えば、インクジェットヘッドとしたときに、アクチュエータに連結されるインクを収容する圧力室の形成が容易となり、かつ高精度化において優れる利点を有する。 In one embodiment of the actuator of the present invention, it is preferable that the material constituting the layer of the diaphragm farthest from the piezoelectric layer is mainly chromium or nickel. By configuring the diaphragm in this way, when the actuator of the present invention is made into, for example, an inkjet head, it becomes easy to form a pressure chamber that contains ink and is connected to the actuator, and has the advantage of being excellent in terms of high precision.

本発明のインクジェットヘッドは、上記本発明のアクチュエータと、インクが充填され、前記アクチュエータが駆動されることにより前記インクの圧力が変化する圧力室と、前記アクチュエータが駆動されることにより前記圧力室に充填された前記インクを吐出するノズルと、を備える、ことを特徴とする。 The inkjet head of the present invention is characterized by comprising the actuator of the present invention described above, a pressure chamber filled with ink and in which the pressure of the ink changes when the actuator is driven, and a nozzle that ejects the ink filled in the pressure chamber when the actuator is driven.

以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、本願において、「~」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。 The present invention, its components, and the forms and modes for implementing the present invention are described in detail below. Note that in this application, "~" is used to mean that the numerical values before and after it are included as the lower and upper limits.

[第1の態様のアクチュエータ]
本発明の第1の態様のアクチュエータは、第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面及び前記第2の主面にそれぞれ配置された第1の電極及び第2の電極と、前記第2の電極の前記圧電体層とは反対側に配置された振動板とを備えるアクチュエータであり、前記振動板が、互いに異なる材料から構成される少なくとも3つの層が厚さ方向に積層されてなり、かつ前記振動板において前記各層を構成する材料のヤング率が、前記第2の電極に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなることを特徴とする。
[Actuator of the first embodiment]
The actuator of a first aspect of the present invention is an actuator comprising a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface, a first electrode and a second electrode respectively arranged on the first main surface and the second main surface of the piezoelectric layer, and a vibration plate arranged on the opposite side of the second electrode to the piezoelectric layer, characterized in that the vibration plate is formed by stacking at least three layers made of different materials in the thickness direction, and the Young's modulus of the material constituting each of the layers in the vibration plate increases in the order from the layer closer to the second electrode to the layer furthest from the second electrode.

第1の態様のアクチュエータの振動板において、各層を構成する材料は、金属のように単独の元素からなってもよく、2種以上の元素を有する合金や化合物であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。また、各層を構成する材料は、同じ元素で構成されていても、密度や結晶構造が異なる場合は、異なる材料とみなす。 In the diaphragm of the actuator of the first embodiment, the material constituting each layer may be a single element such as a metal, an alloy or compound containing two or more elements, or a combination of these. Furthermore, even if the materials constituting each layer are composed of the same elements, if they have different densities or crystal structures, they are considered to be different materials.

第1の態様のアクチュエータは、上記構成により、第1及び第2の電極から供給される電気エネルギーにより圧電体層で発生した機械的変位を、振動板を介して有効に伝播するものである。機械的変位を伝播する対象は、特に制限されないが、例えば、インクが挙げられる。本発明の第1の態様のアクチュエータは、具体的には、被印刷面に印字や描画を行うためにインクジェットヘッドからインクを吐出する用途に有効に用いられる。インクジェットヘッドにおいて、インクはノズルに繋がる圧力室に充填される。圧力室は、例えば、壁面の一部がアクチュエータで構成され、印刷時には、アクチュエータを駆動して圧力室内の圧力を高めることにより、圧力室からインクがノズルを介して外部へ吐出される機構である。 The actuator of the first aspect, with the above configuration, effectively propagates mechanical displacement generated in the piezoelectric layer by electrical energy supplied from the first and second electrodes via the vibration plate. The object to which the mechanical displacement is propagated is not particularly limited, but an example is ink. Specifically, the actuator of the first aspect of the present invention is effectively used for ejecting ink from an inkjet head to perform printing or drawing on a printing surface. In the inkjet head, ink is filled in a pressure chamber connected to a nozzle. The pressure chamber is a mechanism in which, for example, part of the wall surface is composed of an actuator, and when printing, the actuator is driven to increase the pressure in the pressure chamber, thereby ejecting ink from the pressure chamber to the outside via the nozzle.

第1の態様のアクチュエータは、上記第1の電極、圧電体層、第2の電極、及び振動板以外に、必要に応じて任意の部材を有してもよい。任意の部材としては、例えば、第1の電極の圧電体層とは反対側の主面に第1の電極を絶縁保護する目的で配置される絶縁保護層、ガスバリア層等が挙げられる。 The actuator of the first aspect may have any other components as necessary in addition to the first electrode, the piezoelectric layer, the second electrode, and the diaphragm. Examples of the optional components include an insulating protection layer and a gas barrier layer that are arranged on the main surface of the first electrode opposite the piezoelectric layer for the purpose of insulating and protecting the first electrode.

以下、図1、図2、図3A及び図3Bを参照して第1の態様のアクチュエータを説明するが、第1の態様のアクチュエータはこれらに限定されるものではない。これらの図で示した第1の態様のアクチュエータは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。図1及び図2は、本発明の第1の態様のアクチュエータの実施形態の一例及び変形例を示す断面図である。図3A及び図3Bは、基板に設置された図1に示すアクチュエータの動作を模式的に示す平面図及び断面図である。 The actuator of the first aspect will be described below with reference to Figures 1, 2, 3A, and 3B, but the actuator of the first aspect is not limited to these. The actuator of the first aspect shown in these figures can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Figures 1 and 2 are cross-sectional views showing an example of an embodiment and a modified example of the actuator of the first aspect of the present invention. Figures 3A and 3B are plan and cross-sectional views showing the operation of the actuator shown in Figure 1 installed on a substrate.

図1に示すアクチュエータ11Aは、第1の主面S1と第2の主面S2を有する圧電体層1と、圧電体層1の第1の主面S1及び第2の主面S2にそれぞれ配置された第1の電極2及び第2の電極3を有する。アクチュエータ11Aは、第2の電極3の圧電体層1とは反対側に振動板4Aを有する。 The actuator 11A shown in FIG. 1 has a piezoelectric layer 1 having a first main surface S1 and a second main surface S2, and a first electrode 2 and a second electrode 3 arranged on the first main surface S1 and the second main surface S2 of the piezoelectric layer 1, respectively. The actuator 11A has a vibration plate 4A on the side of the second electrode 3 opposite the piezoelectric layer 1.

振動板4Aは、第2の電極3側から第1層41a、第2層42a、及び第3層43aが厚さ方向に積層されてなる。第1層41a、第2層42a、及び第3層43aをそれぞれ構成する材料は互いに異なる。 The diaphragm 4A is formed by stacking a first layer 41a, a second layer 42a, and a third layer 43a in the thickness direction from the second electrode 3 side. The materials constituting the first layer 41a, the second layer 42a, and the third layer 43a are different from each other.

振動板4Aにおいて、第1層41aを構成する材料のヤング率をY41a、第2層42aを構成する材料のヤング率をY42a、第3層43aを構成する材料のヤング率をY43aとすると、Y41a、Y42a及びY43aの間には以下の関係が成り立つ。
41a<Y42a<Y43a
In the diaphragm 4A, if the Young's modulus of the material constituting the first layer 41a is Y41a , the Young's modulus of the material constituting the second layer 42a is Y42a , and the Young's modulus of the material constituting the third layer 43a is Y43a , the following relationship holds between Y41a , Y42a , and Y43a .
Y 41a <Y 42a <Y 43a

図2に示すアクチュエータ11Bは、第1の電極2の圧電体層1とは反対側の主面に絶縁保護層5を備え、振動板が3層構成の振動板4Aに替わって4層で構成される振動板4Bからなる以外は、図1に示すアクチュエータ11Aと同じ構成である。 The actuator 11B shown in FIG. 2 has the same configuration as the actuator 11A shown in FIG. 1, except that it has an insulating protective layer 5 on the main surface of the first electrode 2 opposite the piezoelectric layer 1, and the vibration plate is a vibration plate 4B composed of four layers instead of the vibration plate 4A composed of three layers.

アクチュエータ11Bでは、振動板4Bは、第2の電極3側から第1層41a、第2層42a、第3層43a及び第4層44aが厚さ方向に積層されてなる。振動板4Bにおいて、第1層41aを構成する材料のヤング率をY41a、第2層42aを構成する材料のヤング率をY42a、第3層43aを構成する材料のヤング率をY43a、第4層44aを構成する材料のヤング率をY44aとすると、Y41a、Y42a、Y43a及びY44aの間には以下の関係が成り立つ。
41a<Y42a<Y43a<Y44a
In the actuator 11B, the vibration plate 4B is formed by stacking a first layer 41a, a second layer 42a, a third layer 43a, and a fourth layer 44a in the thickness direction from the side of the second electrode 3. In the vibration plate 4B, if the Young's modulus of the material constituting the first layer 41a is Y41a , the Young's modulus of the material constituting the second layer 42a is Y42a, the Young's modulus of the material constituting the third layer 43a is Y43a , and the Young's modulus of the material constituting the fourth layer 44a is Y44a, the following relationship is established among Y41a , Y42a , Y43a , and Y44a .
Y 41a <Y 42a <Y 43a <Y 44a

図3A及び図3Bは、基板6上に設置されたアクチュエータ11Aの動作を模式的に示す図である。図3Aは平面図であり、図3Bは図3AのX-X線断面図である。アクチュエータ11Aを搭載する基板6は、例えば、平面形状が矩形の板状体であり、中央に円柱状の貫通部7を有する形態である。アクチュエータ11Aは、例えば、第2の電極3及び振動板4Aは、平面形状が基板6の外周と同寸同形の矩形であり、圧電体層1及び第1の電極2は、平面形状が基板6の貫通部7の外周より小さい円形である。図3A及び図3Bでは、アクチュエータ11Aは、圧電体層1及び第1の電極2の外周は貫通部7の外周の内側に位置する構成である。 3A and 3B are diagrams showing the operation of the actuator 11A placed on the substrate 6. FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view of line X-X in FIG. 3A. The substrate 6 on which the actuator 11A is mounted is, for example, a plate-like body having a rectangular planar shape and a cylindrical through-hole 7 in the center. In the actuator 11A, for example, the second electrode 3 and the vibration plate 4A have a rectangular planar shape of the same size and shape as the outer periphery of the substrate 6, and the piezoelectric layer 1 and the first electrode 2 have a circular planar shape smaller than the outer periphery of the through-hole 7 of the substrate 6. In FIG. 3A and FIG. 3B, the outer periphery of the piezoelectric layer 1 and the first electrode 2 of the actuator 11A is located inside the outer periphery of the through-hole 7.

アクチュエータ11Aの第1の電極2及び第2の電極3は、駆動回路8に接続されている。アクチュエータ11Aは、駆動回路8から第1の電極2及び第2の電極3に印加される電圧(駆動信号)に基づいて駆動される。具体的には、駆動回路8による電圧の印加により、第1の電極2及び第2の電極3との間に電位差を付与すると、圧電体層1が、第1の電極2と第2の電極3との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向、すなわち第1の主面S1及び第2の主面S2に平行な方向、に伸縮する。当該伸縮に伴い圧電体層1が厚さ方向に変位しようとする。 The first electrode 2 and the second electrode 3 of the actuator 11A are connected to a drive circuit 8. The actuator 11A is driven based on a voltage (drive signal) applied from the drive circuit 8 to the first electrode 2 and the second electrode 3. Specifically, when a potential difference is applied between the first electrode 2 and the second electrode 3 by applying a voltage from the drive circuit 8, the piezoelectric layer 1 expands and contracts in a direction perpendicular to the thickness direction, i.e., in a direction parallel to the first main surface S1 and the second main surface S2, according to the potential difference between the first electrode 2 and the second electrode 3. As a result of this expansion and contraction, the piezoelectric layer 1 attempts to displace in the thickness direction.

そして、振動板4Aの基板6の貫通部7を臨む部分に曲率が生じるようにして、振動板4Aの貫通部7を臨む部分が貫通部7側に変位(湾曲、振動)する。この振動板4Aの変位により、貫通部7の体積が減少する。本発明のアクチュエータを、例えば、インクジェットヘッドに適用する場合、図3A及び図3Bに示す基板6の貫通部7を圧力室としてインクを収容し、さらに、基板6に、圧力室の振動板4Aとは反対側にノズルを有する基板を接合する。当該構成のインクジェットヘッドでは、上述した振動板4Aの振動が圧力室内のインクに伝播され、インクがノズルからインク滴として外部に吐出される。 Then, a curvature is generated in the portion of the vibration plate 4A facing the through-hole 7 of the substrate 6, and the portion of the vibration plate 4A facing the through-hole 7 is displaced (bent, vibrates) toward the through-hole 7. This displacement of the vibration plate 4A reduces the volume of the through-hole 7. When the actuator of the present invention is applied to an inkjet head, for example, the through-hole 7 of the substrate 6 shown in Figures 3A and 3B serves as a pressure chamber to contain ink, and further, a substrate having a nozzle on the opposite side of the pressure chamber from the vibration plate 4A is bonded to the substrate 6. In an inkjet head having this configuration, the vibration of the vibration plate 4A described above is transmitted to the ink in the pressure chamber, and the ink is ejected from the nozzle to the outside as ink droplets.

アクチュエータ11A及びアクチュエータ11Bにおいては、振動板を厚さ方向に3層以上で構成し、各層のヤング率の関係が、それぞれY41a<Y42a<Y43a及びY41a<Y42a<Y43a<Y44aを満たす。これにより、圧電体層の中立面がより外側に設定されるため、より効率的なエネルギーの発生が得られる。すなわち、圧電体層の変位が振動板により効率よく伝達できるものである。 In the actuators 11A and 11B, the vibration plate is composed of three or more layers in the thickness direction, and the relationship of the Young's modulus of each layer satisfies Y41a < Y42a < Y43a and Y41a < Y42a < Y43a < Y44a , respectively. This allows the neutral plane of the piezoelectric layer to be set further outward, resulting in more efficient energy generation. In other words, the displacement of the piezoelectric layer can be transmitted to the vibration plate more efficiently.

以下、第1の態様のアクチュエータの各部材について詳細に説明する。 Below, we will explain each component of the actuator of the first aspect in detail.

(圧電体層)
圧電体層1は圧電体で構成される。圧電体としては、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO)及びチタン酸ジルコン酸鉛([Pb(Zr・Ti)O]、以下「PZT」ともいう。)に代表されるペロブスカイト型化合物を含むことが好ましく、主としてPZTを含むことが好ましい。なお、PZTにおけるZrとTiの含有割合はモル比で、Zr/Ti=30/70~70/30が好ましい。また、主としてPZTを含むとは、圧電体の全量に対して、PZTが85質量%以上であることをいう。
(Piezoelectric Layer)
The piezoelectric layer 1 is composed of a piezoelectric material. The piezoelectric material preferably contains a perovskite compound such as barium titanate (BaTiO 3 ) and lead zirconate titanate ([Pb(Zr.Ti)O 3 ], hereinafter also referred to as "PZT"), and preferably contains mainly PZT. The molar ratio of Zr to Ti in PZT is preferably Zr/Ti=30/70 to 70/30. "Containing mainly PZT" means that PZT accounts for 85 mass % or more of the total amount of the piezoelectric material.

圧電体の性能を向上させつるために、PZTにドナーイオンを添加してもよく、ドナーイオンとしては、ランタン(La)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、ストロンチウム(Sr)等の金属イオンが挙げられ、La、Nb、Ta、及びWからなる群から選ばれる1種以上のイオンを含んでいることが好ましい。アクセプタイオンとしては、鉄(Fe)、コバルト(Co)及びマンガン(Mn)からなる群から選ばれる1種以上の金属イオンを含んでいることが好ましい。 To improve the performance of the piezoelectric body, donor ions may be added to PZT. Examples of donor ions include metal ions such as lanthanum (La), niobium (Nb), tantalum (Ta), tungsten (W), aluminum (Al), and strontium (Sr), and it is preferable that the PZT contains one or more ions selected from the group consisting of La, Nb, Ta, and W. It is preferable that the PZT contains one or more metal ions selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and manganese (Mn).

圧電体層1は、単層からなってもよく、複数層からなってもよい。単層の場合であっても、複数層からなる場合であっても、圧電体層1は、PZTを主体とする層を含むことが好ましい。また、PZTを主体とする層と組み合わせる層として、チタン酸ランタン酸鉛(PLT)、マグネシウムニオブ酸-チタン酸鉛(PMN)、亜鉛ニオブ酸-チタン酸鉛(PZN)等からなる層が挙げられる。 The piezoelectric layer 1 may be composed of a single layer or multiple layers. Whether it is a single layer or multiple layers, the piezoelectric layer 1 preferably includes a layer mainly made of PZT. In addition, examples of layers that can be combined with a layer mainly made of PZT include layers made of lead lanthanate titanate (PLT), lead magnesium niobate titanate (PMN), lead zinc niobate titanate (PZN), etc.

圧電体層1の厚さは、第1の態様のアクチュエータの用途により適宜選択できる。例えば、第1の態様のアクチュエータをインクジェットヘッドに用いる場合には、圧電体層1の各層の厚さ及び合計厚さは、それぞれ1~10μmの範囲にあることが好ましい。圧電体層1の合計厚さが1μm以上であると、アクチュエータとした際に、振動板を十分に変位させることが可能であり、圧電体層1の各層の厚さ及び合計厚さが10μm以下であれば、製膜時にクラックや膜剥がれ等の不具合が発生することが殆どない。 The thickness of the piezoelectric layer 1 can be appropriately selected depending on the application of the actuator of the first embodiment. For example, when the actuator of the first embodiment is used in an inkjet head, the thickness of each layer and the total thickness of the piezoelectric layer 1 are preferably in the range of 1 to 10 μm. If the total thickness of the piezoelectric layer 1 is 1 μm or more, it is possible to sufficiently displace the vibration plate when made into an actuator, and if the thickness of each layer and the total thickness of the piezoelectric layer 1 are 10 μm or less, defects such as cracks and peeling off during film formation hardly occur.

圧電体層1の成膜方法としては、CVD法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、及び、ゾルゲル法などの液相での成長法が挙げられる。 Methods for forming the piezoelectric layer 1 include chemical methods such as CVD, physical methods such as sputtering and ion plating, and liquid phase growth methods such as the sol-gel method.

圧電体層1の平面形状及び大きさ(面積)は特に制限されない。用途に応じて適宜選択できる。同じ面積であれば、駆動効率に有利な円形が好ましい。第1の態様のアクチュエータをインクジェットヘッドに用いる場合、インクの吐出量に応じて適宜設定される。 The planar shape and size (area) of the piezoelectric layer 1 are not particularly limited. They can be selected appropriately depending on the application. For the same area, a circular shape is preferable because it is advantageous for drive efficiency. When the actuator of the first embodiment is used in an inkjet head, the planar shape and size (area) are appropriately set depending on the amount of ink ejected.

(第1の電極)
アクチュエータ11A及びアクチュエータ11Bにおいて、第1の電極2は、圧電体層1の第1の主面S1の全面に形成されている。第1の主面S1における第1の電極の配設範囲は、特に制限されないが、圧電体層1の全体を効率よく用いるために、通常、全面に第1の電極が配設される。
(First Electrode)
In the actuators 11A and 11B, the first electrode 2 is formed on the entire first main surface S1 of the piezoelectric layer 1. The range of the first electrode on the first main surface S1 is not particularly limited, but in order to efficiently use the entire piezoelectric layer 1, the first electrode is usually disposed on the entire surface.

第1の電極2を構成する材料としては、導電材料であれば特に制限されない。具体的には、白金(Pt)、金(Au)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、タングステン(W)、イリジウム(Ir)等の金属の1種以上を含む導電材料が挙げられる。導電材料は、これらの金属の1種又は2種以上を含む材料とすることができる。導電材料は、金属の混合物であってもよく、合金であってもよい。その場合、上記金属の少なくとも1種と他の金属の混合物又は合金であってもよい。 The material constituting the first electrode 2 is not particularly limited as long as it is a conductive material. Specifically, conductive materials containing one or more of metals such as platinum (Pt), gold (Au), copper (Cu), palladium (Pd), ruthenium (Ru), titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), chromium (Cr), tungsten (W), and iridium (Ir) can be used. The conductive material can be a material containing one or more of these metals. The conductive material may be a mixture of metals or an alloy. In that case, it may be a mixture or alloy of at least one of the above metals with another metal.

導電材料は、酸化イリジウム(IrO)、酸化ルテニウム(RuO)、ニッケル酸ランタン(LaNiO;LNO)、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO;SRO)等の金属酸化物の1種又は2種以上を含む材料であってもよい。 The conductive material may be a material containing one or more of metal oxides such as iridium oxide (IrO 2 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), lanthanum nickelate (LaNiO 3 ; LNO), and strontium ruthenate (SrRuO 3 ; SRO).

導電材料には、p型シリコンのように、ケイ素に、微量元素(リン、ホウ素等)をドープした材料が含まれる。導電材料は、炭素から構成される材料であってもよい。炭素から構成される材料としては、ホウ素等をドープし導電性を付与したダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン等が含まれる。 Conductive materials include materials in which silicon is doped with trace elements (phosphorus, boron, etc.), such as p-type silicon. Conductive materials may also be materials made of carbon. Materials made of carbon include diamond and diamond-like carbon that are doped with boron or the like to give them electrical conductivity.

第1の電極2は、単層からなってもよく、複数層からなってもよい。第1の電極2の厚さは0.005~2μmの範囲にあることが好ましい。第1の電極2が複数層からなる場合は、合計の厚さとして上記範囲にあることが好ましい。第1の電極2は、CVD法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、及び、ゾルゲル法などの液相での成長法等で成膜できる。 The first electrode 2 may consist of a single layer or multiple layers. The thickness of the first electrode 2 is preferably in the range of 0.005 to 2 μm. When the first electrode 2 consists of multiple layers, the total thickness is preferably in the above range. The first electrode 2 can be formed by a chemical method such as a CVD method, a physical method such as a sputtering method or an ion plating method, or a liquid phase growth method such as a sol-gel method.

第1の電極2は、例えば、圧電体層1側に密着性の高い導電材料からなる層を有し、その上に導電性の高い層を有する2層の積層構成が好ましい。圧電体層1側の層としては、例えば、Ti層、Ir層等が挙げられる。また、密着性の層に積層される層としては、Pt層、Au層等が挙げられる。密着性の層の厚さは、例えば、0.002~1μm程度が好ましく、その上に積層される層の厚さは、例えば、0.1~0.2μm程度が好ましい。 The first electrode 2 preferably has a two-layer laminate structure, for example, having a layer made of a highly adhesive conductive material on the piezoelectric layer 1 side, and a highly conductive layer on top of that. Examples of the layer on the piezoelectric layer 1 side include a Ti layer and an Ir layer. Examples of the layer laminated on the adhesive layer include a Pt layer and an Au layer. The thickness of the adhesive layer is preferably, for example, about 0.002 to 1 μm, and the thickness of the layer laminated on top of that is preferably, for example, about 0.1 to 0.2 μm.

(絶縁保護層)
第1の態様のアクチュエータにおいて、図2に示すアクチュエータ11Bが有する絶縁保護層5は、第1の電極2の圧電体層1とは反対側に設けられる任意の層である。絶縁保護層5は、第1の電極2の主面の全体を被覆する構成が好ましい。絶縁保護層5は、必要に応じて、第1の電極2の端面も被覆する構成であってもよい。
(Insulating protective layer)
In the actuator of the first embodiment, the insulating protective layer 5 of the actuator 11B shown in Fig. 2 is an optional layer provided on the side of the first electrode 2 opposite to the piezoelectric layer 1. The insulating protective layer 5 is preferably configured to cover the entire main surface of the first electrode 2. The insulating protective layer 5 may also be configured to cover the end faces of the first electrode 2 as necessary.

絶縁保護層5は、絶縁材料で構成される。絶縁材料としては、樹脂、セラミックス、ガラス等が挙げられ、これらを組み合わせて使用してもよい。樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ナイロン樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。セラミックスとしては、例えば、SiO、Al等金属酸化物およびこれらを含む混合物が挙げられる。 The insulating protective layer 5 is made of an insulating material. Examples of the insulating material include resin, ceramics, glass, etc., and these may be used in combination. Specific examples of the resin include polyimide resin, polyester resin, acrylic resin, epoxy resin, melamine resin, nylon resin, urethane resin, polyolefin resin, polycarbonate resin, etc. Examples of the ceramic include metal oxides such as SiO 2 and Al 2 O 3 , and mixtures containing these.

絶縁保護層5は単層であっても複数層からなってもよい。絶縁保護層5の厚さは、合計の厚さとして、0.5~2.5μmの範囲にあることが好ましい。絶縁保護層5は、樹脂層の場合、一般的な精密塗布技術のうち特に限定されず、例えば、スピンコート法で形成可能である。セラミックス層の場合、例えば、ゾルゲル法のほか、気相成膜法である蒸着法、CVD法、スパッタリング法等で形成できる。 The insulating protective layer 5 may be a single layer or may be made up of multiple layers. The total thickness of the insulating protective layer 5 is preferably in the range of 0.5 to 2.5 μm. In the case of a resin layer, the insulating protective layer 5 can be formed by any general precision coating technique, including, for example, a spin coat method. In the case of a ceramic layer, it can be formed by, for example, a sol-gel method, as well as a vapor phase deposition method such as a deposition method, a CVD method, or a sputtering method.

(第2の電極)
アクチュエータ11A及びアクチュエータ11Bにおいて、第2の電極3は、圧電体層1の第2の主面S2の全面を被覆し、電圧が印加された際の圧電体層1の変位が、それぞれ振動板4A及び振動板4Bに伝播されるように形成される。第2の電極3の平面視の形状、大きさは、通常、圧電体層1の第2の主面S2の全面を被覆できる形状、大きさである。
(Second Electrode)
In the actuators 11A and 11B, the second electrode 3 is formed to cover the entire second main surface S2 of the piezoelectric layer 1 and to transmit the displacement of the piezoelectric layer 1 when a voltage is applied to the vibration plate 4A and the vibration plate 4B, respectively. The shape and size of the second electrode 3 in a plan view are usually such that the entire second main surface S2 of the piezoelectric layer 1 can be covered.

振動板4A及び振動板4Bは、主面の面積が、例えば、圧電体層1の第2の主面S2の面積より大きく構成される。振動板4A及び振動板4Bと圧電体層1の積層関係は、平面視で振動板4A及び振動板4Bの外周の内側に圧電体層1の外周が位置するように積層される。第2の電極3の平面視の形状、大きさは、例えば、圧電体層1の第2の主面S2と同寸、同形であってもよい。また、第2の電極3は、平面視における外周が圧電体層1の第2の主面S2の外周を超えるように、平面視の面積が圧電体層1の第2の主面S2の面積より大きく構成あれてもよい。具体的には、第2の電極3は、平面視の形状、大きさが、振動板4A及び振動板4Bの圧電体層1側の主面と同寸、同形程度に大きく構成されていてもよい。 The vibration plate 4A and the vibration plate 4B are configured so that the area of the main surface is larger than, for example, the area of the second main surface S2 of the piezoelectric layer 1. The vibration plate 4A and the vibration plate 4B and the piezoelectric layer 1 are stacked so that the outer periphery of the piezoelectric layer 1 is located inside the outer periphery of the vibration plate 4A and the vibration plate 4B in a planar view. The shape and size of the second electrode 3 in a planar view may be, for example, the same size and shape as the second main surface S2 of the piezoelectric layer 1. The second electrode 3 may also be configured so that the area in a planar view is larger than the area of the second main surface S2 of the piezoelectric layer 1 so that the outer periphery in a planar view exceeds the outer periphery of the second main surface S2 of the piezoelectric layer 1. Specifically, the shape and size of the second electrode 3 in a planar view may be configured to be approximately the same size and shape as the main surfaces of the vibration plate 4A and the vibration plate 4B on the piezoelectric layer 1 side.

第2の電極3は第1の電極2と同様の導電材料で構成することができる。第2の電極3は、第1の電極2と同様に単層からなってもよく、複数層からなってもよい。第2の電極3の厚さは0.005~2μmの範囲にあることが好ましい。第2の電極3が複数層からなる場合の例としては、第1の電極2と同様の例が挙げられる。 The second electrode 3 can be made of the same conductive material as the first electrode 2. The second electrode 3 may be made of a single layer, as with the first electrode 2, or may be made of multiple layers. The thickness of the second electrode 3 is preferably in the range of 0.005 to 2 μm. Examples of the second electrode 3 made of multiple layers include the same examples as the first electrode 2.

なお、第2の電極3の厚さは0.005~3μmの範囲にあることがより好ましい。第2の電極3のヤング率は、例えば、150~300GPa未満の範囲にあることが好ましい。 It is more preferable that the thickness of the second electrode 3 is in the range of 0.005 to 3 μm. The Young's modulus of the second electrode 3 is preferably in the range of 150 to less than 300 GPa, for example.

(振動板)
本発明の第1の態様のアクチュエータにおいて、振動板は、互いに異なる材料から構成される3以上の層が厚さ方向に積層され、各層を構成する材料のヤング率が、第2の電極に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなる構成である。第1の態様のアクチュエータにおいて振動板を構成する層の数は、3以上であれば特に制限されず、用途に応じて適宜選択される。振動板を構成する層の数は、振動板全体の厚さ、各層の厚さとヤング率によるが、圧電体層の応力や複合ヤング率などの物性を調整することで変位を効率よく伝播するためには4以上が好ましい。
(Vibration plate)
In the actuator of the first aspect of the present invention, the vibration plate is configured such that three or more layers made of different materials are laminated in the thickness direction, and the Young's modulus of the material of each layer increases in order from the layer closer to the second electrode to the layer farther from the second electrode. The number of layers constituting the vibration plate in the actuator of the first aspect is not particularly limited as long as it is three or more, and is appropriately selected depending on the application. The number of layers constituting the vibration plate depends on the thickness of the entire vibration plate, the thickness and Young's modulus of each layer, but four or more is preferable in order to efficiently propagate the displacement by adjusting the physical properties such as the stress of the piezoelectric layer and the composite Young's modulus.

振動板のヤング率は、各層を構成する材料のヤング率が、第2の電極に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなる構成である。振動板の各単層のヤング率は、当該条件を満たした上で、それぞれ概ね10~900GPaの範囲内にあるのが好ましく、60~800GPaの範囲内にあるのがより好ましい。すなわち、第2の電極に最も近い層を構成する材料のヤング率の下限は10GPaが最も好ましく、実用的には高くても300GPa未満が好ましい。また、第2の電極に最も遠い層を構成する材料のヤング率の上限は900GPaが好ましく、800GPaがより好ましい。また、振動板全体としてのヤング率の範囲は、概ね80~700GPaとすることができる。 The Young's modulus of the diaphragm is such that the Young's modulus of the material constituting each layer increases from the layer closest to the second electrode to the layer furthest from the second electrode. The Young's modulus of each single layer of the diaphragm, while satisfying the above conditions, is preferably in the range of approximately 10 to 900 GPa, and more preferably in the range of 60 to 800 GPa. In other words, the lower limit of the Young's modulus of the material constituting the layer closest to the second electrode is most preferably 10 GPa, and in practical terms, it is preferable that it be less than 300 GPa at most. The upper limit of the Young's modulus of the material constituting the layer furthest from the second electrode is preferably 900 GPa, and more preferably 800 GPa. The Young's modulus of the entire diaphragm can be in the range of approximately 80 to 700 GPa.

振動板の厚さは、第1の態様のアクチュエータの用途及び振動板のヤング率等に応じて適宜調整される。第1の態様のアクチュエータをインクジェットヘッドに用いる場合、振動板の厚さは全体として、1.5~12μmの範囲内にあることが、変位効率を高めながら薄型化を達成する観点から好ましい。 The thickness of the diaphragm is adjusted as appropriate depending on the application of the actuator of the first embodiment and the Young's modulus of the diaphragm. When the actuator of the first embodiment is used in an inkjet head, it is preferable that the overall thickness of the diaphragm be within the range of 1.5 to 12 μm, from the viewpoint of achieving a thin design while increasing the displacement efficiency.

第1の態様のアクチュエータにおいて、図1に示すアクチュエータ11Aは振動板の構成層数が3の例であり、図2に示すアクチュエータ11Bは、振動板の構成層数が4の例である。 In the actuator of the first embodiment, actuator 11A shown in FIG. 1 is an example in which the diaphragm has three layers, and actuator 11B shown in FIG. 2 is an example in which the diaphragm has four layers.

アクチュエータ11Aの振動板4Aにおいて、第1層41a、第2層42a及び第3層43aをそれぞれ構成する材料のヤング率Y41a、Y42a及びY43aは、以下の(1a-1)の関係を満たす。
(1a-1)Y41a<Y42a<Y43a
In the diaphragm 4A of the actuator 11A, the Young's moduli Y 41a , Y 42a and Y 43a of the materials constituting the first layer 41a, the second layer 42a and the third layer 43a, respectively, satisfy the following relationship (1a-1).
(1a-1) Y 41a <Y 42a <Y 43a

圧電体層1の変位の伝達効率(以下、「変位効率」ともいう。)を高める観点から、ヤング率Y41a、Y42a及びY43aは、上記(1a-1)を満たした上で、さらに、以下の(1a-2)~(1a-4)の関係のいずれかを満たすことが好ましく、2以上を満たすことがより好ましく、全てを満たすことがさらに好ましい。 From the viewpoint of increasing the displacement transmission efficiency (hereinafter also referred to as "displacement efficiency") of the piezoelectric layer 1, it is preferable that the Young's moduli Y41a , Y42a , and Y43a satisfy the above-mentioned (1a-1) and further satisfy any one of the following relationships (1a-2) to (1a-4), more preferably satisfy two or more of them, and further preferably satisfy all of them.

(1a-2)10GPa≦Y41a
(1a-3)1.05≦Y42a/Y41a≦4.0
(1a-4)1.05≦Y43a/Y42a≦4.0
(1a-2) 10GPa≦Y 41a
(1a-3) 1.05≦Y 42a /Y 41a ≦4.0
(1a-4) 1.05≦Y 43a /Y 42a ≦4.0

(1a-2)において、第1層41aを構成する材料のヤング率Y41aが10GPa以上、好ましくは60GPa以上であることで、振動板4A全体のヤング率を高めることができ、振動板を駆動させる目的で、高い共振周波数を得ることができる点で好ましい。ヤング率Y41aは、100GPa以上がより好ましい。ヤング率Y41aの上限は、上記(1a-1)を満たす観点から、300GPa程度が好ましい。 In (1a-2), the Young's modulus Y 41a of the material constituting the first layer 41a is 10 GPa or more, preferably 60 GPa or more, which is preferable in that the Young's modulus of the entire diaphragm 4A can be increased and a high resonance frequency can be obtained for the purpose of driving the diaphragm. The Young's modulus Y 41a is more preferably 100 GPa or more. The upper limit of the Young's modulus Y 41a is preferably about 300 GPa from the viewpoint of satisfying the above (1a-1).

(1a-3)及び(1a-4)は、第1層41a、第2層42a及び第3層43aの順に、振動板4Aを構成する層が第2の電極3から遠ざかるにしたがって、各層を構成する材料のヤング率がどの程度高くなるかを示す指標である。以下、第1層41aを構成する材料のヤング率Y41aを「第1層41aのヤング率Y41a」ともいう。他の層についても同様の扱いとする。 (1a-3) and (1a-4) are indexes showing how much the Young's modulus of the material constituting each layer increases as the layers constituting the diaphragm 4A become farther from the second electrode 3 in the order of the first layer 41a, the second layer 42a , and the third layer 43a. Hereinafter, the Young's modulus Y41a of the material constituting the first layer 41a is also referred to as the "Young's modulus Y41a of the first layer 41a." The same applies to the other layers.

(1a-3)は、第1層41aのヤング率Y41aに対する第2層42aのヤング率Y42aの比の値「Y42a/Y41a」を規定するものである。Y42a/Y41aが上記範囲にあることで、第1層41aと第2層42aとの間でヤング率は十分に増大し、かつ、(1a-1)の関係も満足でき好ましい。Y42a/Y41aは、1.05~1.85の範囲内にあることがより好ましい。 (1a-3) defines the value " Y42a / Y41a " of the ratio of the Young's modulus Y42a of the second layer 42a to the Young's modulus Y41a of the first layer 41a. When Y42a / Y41a is in the above range, the Young's modulus between the first layer 41a and the second layer 42a is sufficiently increased, and the relationship of (1a-1) is also satisfied, which is preferable. It is more preferable that Y42a / Y41a is in the range of 1.05 to 1.85.

(1a-4)は、第2層42aのヤング率Y42aに対する第3層43aのヤング率Y43aの比の値「Y43a/Y42a」を規定するものである。Y43a/Y42aが上記の下限値以上であることで第2層42aと第3層43aとの間でヤング率は十分に増大し好ましい。Y43a/Y42aが上記の上限値以下であることで、総膜厚の好ましい範囲、例えば、1.5~12μmの範囲を満たしつつ、応力調整などの目的で積層数を増やす余地ができる点で好ましい。Y43a/Y42aは、1.05~2.0の範囲内にあることがより好ましい。 (1a-4) defines the value "Y 43a /Y 42a " of the ratio of the Young's modulus Y 43a of the third layer 43a to the Young's modulus Y 42a of the second layer 42a. When Y 43a /Y 42a is equal to or greater than the lower limit, the Young's modulus between the second layer 42a and the third layer 43a increases sufficiently, which is preferable. When Y 43a /Y 42a is equal to or less than the upper limit, it is preferable that the total film thickness satisfies a preferable range, for example, 1.5 to 12 μm, while allowing room to increase the number of layers for the purpose of stress adjustment, etc. It is more preferable that Y 43a /Y 42a is within the range of 1.05 to 2.0.

また、Y42a/Y41aとY43a/Y42aの関係は、(1a-5)Y42a/Y41a:Y43a/Y42aとして1:1~1:2の範囲にあることが好ましい。Y42a/Y41a:Y43a/Y42aが当該範囲にあることで、第1層から第3層に向かってヤング率は均等に近いかたちで増加する。 Furthermore, the relationship between Y42a / Y41a and Y43a / Y42a , (1a-5) Y42a / Y41a : Y43a / Y42a, is preferably in the range of 1:1 to 1:2. With Y42a / Y41a : Y43a / Y42a in this range, the Young's modulus increases nearly uniformly from the first layer to the third layer.

上記(1a-1)を必須の要件として、(1a-2)~(1a-4)、さらに(1a-5)を勘案すると、具体的には、第1層41aのヤング率Y41aは、60~300GPaの範囲にあり、第2層42aのヤング率Y42aは、63~555GPaの範囲にあり、第3層43aのヤング率Y43aは、66~900GPaの範囲にあることが好ましい。 Taking the above (1a-1) as an essential requirement and taking into account (1a-2) to (1a-4) and further (1a-5), specifically, it is preferable that the Young's modulus Y41a of the first layer 41a is in the range of 60 to 300 GPa, the Young's modulus Y42a of the second layer 42a is in the range of 63 to 555 GPa, and the Young's modulus Y43a of the third layer 43a is in the range of 66 to 900 GPa.

第1層41aのヤング率Y41aは、100~300GPaの範囲にあり、第2層42aのヤング率Y42aは、105~555GPaの範囲にあり、第3層43aのヤング率Y43aは、110~900GPaの範囲にあることがより好ましい。 It is more preferable that the Young's modulus Y41a of the first layer 41a is in the range of 100 to 300 GPa, the Young's modulus Y42a of the second layer 42a is in the range of 105 to 555 GPa, and the Young's modulus Y43a of the third layer 43a is in the range of 110 to 900 GPa.

振動板4Aにおける第1層41a、第2層42a及び第3層43aの厚さをそれぞれT41a、T42a及びT43aで示す。アクチュエータ11Aをインクジェットヘッドに用いた場合を例にすると、変位効率を高めるために、例えば、T41a、T42a及びT43aはそれぞれ0.5~4μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは、0.5~3.5μmの範囲内である。また、振動板4Aの全体の厚さ、すなわち、T41a+T42a+T43aは、1.5~12μmの範囲内にあることが、変位効率を高めながら薄型化を達成する観点から好ましい。 The thicknesses of the first layer 41a, the second layer 42a, and the third layer 43a in the diaphragm 4A are indicated by T41a , T42a , and T43a , respectively. In the case where the actuator 11A is used in an inkjet head, for example, in order to increase the displacement efficiency, it is preferable that T41a , T42a , and T43a are each within the range of 0.5 to 4 μm, and more preferably within the range of 0.5 to 3.5 μm. Moreover, it is preferable that the total thickness of the diaphragm 4A, that is, T41a + T42a + T43a , is within the range of 1.5 to 12 μm, from the viewpoint of achieving a thin structure while increasing the displacement efficiency.

上記のとおり、振動板4Aの第1層41a、第2層42a及び第3層43aを構成する材料は、それぞれ、金属のように単独の元素からなってもよく、2種以上の元素を有する合金や化合物であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。また、各層を構成する材料は、同じ元素で構成されていても、密度や結晶構造が異なる場合は、異なる材料とみなす。 As described above, the materials constituting the first layer 41a, second layer 42a, and third layer 43a of the diaphragm 4A may each be composed of a single element such as a metal, an alloy or compound containing two or more elements, or a combination of these. Furthermore, even if the materials constituting each layer are composed of the same elements, they are considered to be different materials if they have different densities or crystal structures.

振動板4Aの第1層41a、第2層42a及び第3層43aをそれぞれ構成する材料としては、上記(1a-1)の関係を満足する限り、有機物であっても、無機物であってもよく、これらの複合物や混合物であってもよい。 The materials constituting the first layer 41a, second layer 42a, and third layer 43a of the diaphragm 4A may be organic or inorganic, or may be a composite or mixture of these, as long as they satisfy the relationship (1a-1) above.

振動板4Aの各層の構成材料として使用可能な無機物として、以下に金属と金属以外の無機物に分けて説明する。金属としては、アルミニウム、金、チタン、銅、白金、クロム、ニッケル、タングステン、ジルコニウム、銀、タンタル、オスミウム、ニオブ、モリブデン、鉄、コバルト、パラジウム、亜鉛、及びバナジウム等が挙げられる。金属はこれらから選ばれる2種以上の金属の合金であってもよく、混合物であってもよい。 Inorganic substances that can be used as constituent materials for each layer of the diaphragm 4A are described below, divided into metals and non-metallic inorganic substances. Metals include aluminum, gold, titanium, copper, platinum, chromium, nickel, tungsten, zirconium, silver, tantalum, osmium, niobium, molybdenum, iron, cobalt, palladium, zinc, and vanadium. The metal may be an alloy of two or more metals selected from these, or a mixture.

金属以外の無機物として、ケイ素、炭素、ホウ素、上記金属又はケイ素の窒化物、酸化物、酸窒化物、炭化物等が挙げられる。金属以外の無機物としては、さらに、p型シリコンのように、ケイ素に、微量元素(リン、ホウ素等)をドープした材料が含まれる。炭素から構成される無機物としては、ホウ素等をドープし導電性を付与したダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン等が含まれる。 Non-metallic inorganic substances include silicon, carbon, boron, and nitrides, oxides, oxynitrides, and carbides of the above metals or silicon. Non-metallic inorganic substances further include materials in which silicon is doped with trace elements (phosphorus, boron, etc.), such as p-type silicon. Inorganic substances composed of carbon include diamond and diamond-like carbon that are doped with boron or the like to give them electrical conductivity.

上記の窒化物、酸化物、酸窒化物、炭化物が含有する金属は1種であっても、2種以上であってもよい。また、これらの窒化物、酸化物、酸窒化物、炭化物においては、化学量論比から外れる組成の化合物であってもよい。 The above nitrides, oxides, oxynitrides, and carbides may contain one or more metals. Furthermore, these nitrides, oxides, oxynitrides, and carbides may be compounds with compositions that deviate from the stoichiometric ratio.

振動板4Aの各層の構成材料として使用可能な有機物としては、各種樹脂が挙げられる。樹脂としてはポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ナイロン樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。 Various types of resins can be used as organic materials for the layers of the diaphragm 4A. Examples of resins include polyimide resin, polyester resin, acrylic resin, epoxy resin, melamine resin, nylon resin, urethane resin, polyolefin resin, and polycarbonate resin.

振動板4Aにおいて各層を構成する材料は、上記のとおり、同じ元素で構成されていても、密度や結晶構造が異なる場合は、ヤング率が異なる。例えば、金属の場合、ヤング率は密度や結晶構造に影響される。また、窒化物、酸化物、酸窒化物、炭化物では、化学量論比から外れる組成の化合物を含むものであり、その組成によりヤング率を変化させることが可能である。 As mentioned above, even if the materials constituting each layer of the diaphragm 4A are composed of the same elements, if the densities and crystal structures are different, the Young's modulus will be different. For example, in the case of metals, the Young's modulus is affected by the density and crystal structure. In addition, nitrides, oxides, oxynitrides, and carbides contain compounds with compositions that deviate from the stoichiometric ratio, and it is possible to change the Young's modulus by changing the composition.

一般的に、無機物に比べて有機物のヤング率は低く、樹脂のヤング率は、概ね0.1~10GPaの範囲とされる。また、無機物について、典型的な製造方法で得られた場合のヤング率[GPa]を表Iに示す。表I中、ヤング率の値に幅があるものは、化学量論比以外の組成の化合物を含むもの、製造方法の違いにより密度が異なるもの等である。 Generally speaking, the Young's modulus of organic materials is lower than that of inorganic materials, and that of resins is generally in the range of 0.1 to 10 GPa. Table I shows the Young's modulus [GPa] of inorganic materials obtained using typical manufacturing methods. In Table I, materials with a range of Young's modulus values include those that contain compounds with compositions other than the stoichiometric ratio, and those with different densities due to differences in manufacturing methods.

Figure 0007585690000001
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振動板4Aの各層を構成する材料は、上記例示した材料のなかから、各層のヤング率の関係が上記(1a-1)を満たすように選択される。さらに好ましくは、上記(1a-2)~(1a-4)、さらには(1a-5)を満たすように選択される。各層の形成方法は、構成材料に応じて、CVD法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、及び、ゾルゲル法などの液相での成長法等から適宜選択可能である。樹脂層の場合、例えば、スピンコート法、ディップ法、電着法等で形成可能である。 The materials constituting each layer of the diaphragm 4A are selected from the materials exemplified above so that the relationship between the Young's moduli of each layer satisfies the above (1a-1). More preferably, they are selected so that the above (1a-2) to (1a-4) and even (1a-5) are satisfied. The method of forming each layer can be appropriately selected from chemical methods such as CVD, physical methods such as sputtering and ion plating, and liquid phase growth methods such as sol-gel methods, depending on the constituent materials. In the case of a resin layer, it can be formed by, for example, spin coating, dipping, or electrodeposition.

振動板4Aの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、第1層41aを構成する材料は、以下の(A)の特性を有することが好ましい。 In addition to the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4A, it is preferable that the material constituting the first layer 41a has the following characteristic (A):

(A);振動板4Aにおける第1層41aを構成する材料は、圧電体層1における還元反応、具体的には、圧電体層1と第1層41a自身との界面における還元反応を抑制する材料であることが好ましい。 (A): The material constituting the first layer 41a of the diaphragm 4A is preferably a material that suppresses the reduction reaction in the piezoelectric layer 1, specifically, the reduction reaction at the interface between the piezoelectric layer 1 and the first layer 41a itself.

より具体的には、還元反応を抑制する材料は、標準電極電位が-0.126Vよりも大きい金属、又は当該金属を含有する導電性材料であることが好ましい。さらに、上記還元反応を抑制する材料は、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム及びルテニウムから選ばれる白金族金属、又は当該白金族金属を含有する導電性材料であることが好ましい。この場合、標準電極電位が-0.126Vよりも大きい金属又は白金族金属において、1種が単独で用いられてもよく2種以上が併用されてもよい。2種以上が併用される場合は混合物であってもよく、合金であってもよい。 More specifically, the material that inhibits the reduction reaction is preferably a metal having a standard electrode potential greater than -0.126 V, or a conductive material containing such a metal. Furthermore, the material that inhibits the reduction reaction is preferably a platinum group metal selected from platinum, iridium, palladium, rhodium, and ruthenium, or a conductive material containing such a platinum group metal. In this case, one type of metal or platinum group metal having a standard electrode potential greater than -0.126 V may be used alone, or two or more types may be used in combination. When two or more types are used in combination, they may be a mixture or an alloy.

金属を含有する材料を用いる場合において、このような、還元反応を抑制する材料としては、例えば、圧電体層1が主としてPZTから構成される場合、標準電極電位が、チタン(-1.630V)及びジルコニウム(-1.534V)、さらには、鉛(-0.216V)より大きい金属元素を含む材料が好ましい。 When using a material containing a metal, a material that suppresses such a reduction reaction is preferably a material containing a metal element whose standard electrode potential is greater than that of titanium (-1.630 V), zirconium (-1.534 V), or even lead (-0.216 V) when the piezoelectric layer 1 is mainly composed of PZT.

このような材料として、具体的には、Cr(-0.740V)、Ni(-0.257V)、Cu(+0.340V)、Ag(+0.799V)、Pd(+0.915V)、Ir(+1.156V)、Pt(+1.188V)、Au(+1.510V)等が好ましい。上記において、材料名の後ろの括弧内の数値は標準電極電位を示す。 Specific examples of such materials include Cr (-0.740 V), Ni (-0.257 V), Cu (+0.340 V), Ag (+0.799 V), Pd (+0.915 V), Ir (+1.156 V), Pt (+1.188 V), and Au (+1.510 V). In the above, the numbers in parentheses after the material names indicate the standard electrode potential.

さらに、圧電体層1と直接に接する第1層41aを構成する材料は、その膜中を酸素が拡散しにくい白金族金属であることがより好ましい。白金族金属にふくまれる元素とその標準電極電位は、ルテニウム(+0.460V)、ロジウム(+0.900V)、パラジウム(+0.915V)、イリジウム(+1.156V)、白金(+1.188V)である。これらは上述のように酸素の膜中拡散が生じづらいことに加え、圧電体層1と第1層41a自身との界面における還元反応を抑制することから、より好ましい。 Moreover, it is more preferable that the material constituting the first layer 41a that is in direct contact with the piezoelectric layer 1 is a platinum group metal, through which oxygen does not easily diffuse. The elements contained in platinum group metals and their standard electrode potentials are ruthenium (+0.460 V), rhodium (+0.900 V), palladium (+0.915 V), iridium (+1.156 V), and platinum (+1.188 V). As described above, these are more preferable because oxygen does not easily diffuse through the film, and because they suppress the reduction reaction at the interface between the piezoelectric layer 1 and the first layer 41a itself.

また、振動板4Aの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、圧電体層1から最も遠い層、すなわち、第3層43aを構成する材料は、主としてクロム又はニッケルであることが好ましい。例えば、第1の態様のアクチュエータをインクジェットヘッドに適用する場合、後述のように振動板の圧電体層1から最も遠い層が、インクが収容される圧力室に面する構成となる。その場合、振動板の圧電体層1から最も遠い層を構成する材料と、圧力室の隔壁(例えば、後述する図6~図8に示す本体基板51)を構成する材料は密着性が良好であることが好ましい。そのために、圧力室の隔壁を構成する材料と、振動板の圧電体層1から最も遠い層を構成する材料が、共通の成分を主成分とすることで両者の密着性を向上させることができる。 In addition to the Young's modulus of the material constituting each layer of the vibration plate 4A, it is preferable that the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer 1, i.e., the third layer 43a, is mainly chromium or nickel. For example, when the actuator of the first embodiment is applied to an inkjet head, the layer furthest from the piezoelectric layer 1 of the vibration plate faces the pressure chamber in which ink is stored, as described below. In that case, it is preferable that the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer 1 of the vibration plate and the material constituting the partition wall of the pressure chamber (for example, the main body substrate 51 shown in Figures 6 to 8 described later) have good adhesion. For this reason, the material constituting the partition wall of the pressure chamber and the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer 1 of the vibration plate have a common main component, thereby improving the adhesion between the two.

インクジェットヘッドの圧力室の隔壁は、典型的にはクロム又はニッケル等の主成分とする合金を用いてメッキにより形成される。したがって、振動板4Aにおいて、第3層43aを構成する材料は、主としてクロム又はニッケルであれば、インクジェットヘッドの圧力室の隔壁との密着性が良好となる。なお、インクジェットヘッドの圧力室の隔壁と、振動板4Aの第3層43aにおいて、主として含む金属を同じ金属とすることが好ましい。 The partition walls of the pressure chambers of the inkjet head are typically formed by plating using an alloy whose main component is chromium or nickel. Therefore, in the vibration plate 4A, if the material constituting the third layer 43a is mainly chromium or nickel, good adhesion with the partition walls of the pressure chambers of the inkjet head will be achieved. It is preferable that the partition walls of the pressure chambers of the inkjet head and the third layer 43a of the vibration plate 4A mainly contain the same metal.

振動板4Aの各層の構成の組み合わせとして、具体的には、以下の表IIに示す組み合わせが挙げられる。これら各材料は、組成や製造の方法によりヤング率は調整可能であるほか、各層に求められるヤング率の値は相対関係で規定される。従ってこの例示は、各層において用いられる材料を網羅・限定するものではない。 Specific examples of combinations of the configurations of the layers of the diaphragm 4A include the combinations shown in Table II below. The Young's modulus of each of these materials can be adjusted by the composition and manufacturing method, and the Young's modulus value required for each layer is specified in a relative relationship. Therefore, these examples do not cover all or limit the materials that can be used in each layer.

Figure 0007585690000002
Figure 0007585690000002

次いで、アクチュエータ11Bの振動板4Bについて説明する。振動板4Bにおいて、第1層41a、第2層42a、第3層43a及び第4層44aをそれぞれ構成する材料のヤング率Y41a、Y42a、Y43a及びY44aは、以下の(2a-1)の関係を満たす。
(2a-1)Y41a<Y42a<Y43a<Y44a
Next, the diaphragm 4B of the actuator 11B will be described. In the diaphragm 4B, the Young's moduli Y 41a , Y 42a , Y 43a and Y 44a of the materials constituting the first layer 41a, the second layer 42a, the third layer 43a and the fourth layer 44a respectively satisfy the following relationship (2a-1).
(2a-1) Y 41a <Y 42a <Y 43a <Y 44a

圧電体層1の変位効率を高める観点から、ヤング率Y41a、Y42a及びY43aは、上記(2a-1)を満たした上で、さらに、以下の(2a-2)~(2a-5)の関係のいずれかを満たすことが好ましく、2以上を満たすことがより好ましく、全てを満たすことがさらに好ましい。 From the viewpoint of enhancing the displacement efficiency of the piezoelectric layer 1, it is preferable that the Young's moduli Y41a , Y42a , and Y43a satisfy the above-mentioned (2a-1) and further satisfy any one of the following relationships (2a-2) to (2a-5), more preferably satisfy two or more of them, and further preferably satisfy all of them.

(2a-2)10GPa≦Y41a
(2a-3)1.05≦Y42a/Y41a≦4.0
(2a-4)1.05≦Y43a/Y42a≦4.0
(2a-5)1.05≦Y44a/Y43a≦4.0
(2a-2) 10GPa≦Y 41a
(2a-3) 1.05≦Y 42a /Y 41a ≦4.0
(2a-4) 1.05≦Y 43a /Y 42a ≦4.0
(2a-5) 1.05≦Y 44a /Y 43a ≦4.0

なお、上記(2a-2)~(2a-4)に示す条件は、上記(1a-2)~(1a-4)に示す条件と同じである。すなわち、振動板が4層で構成される場合、1~3層までのヤング率の関係は、振動板が3層で構成される場合の1~3層までのヤング率の関係と同様にすることができる。 The conditions shown in (2a-2) to (2a-4) above are the same as the conditions shown in (1a-2) to (1a-4) above. In other words, when the diaphragm is composed of four layers, the relationship of the Young's modulus of the first to third layers can be the same as the relationship of the Young's modulus of the first to third layers when the diaphragm is composed of three layers.

(2a-2)において、第1層41aを構成する材料のヤング率Y41aが10GPa以上、好ましくは60GPa以上であることで、振動板4B全体のヤング率を高めることができ、振動板を駆動させる目的で、高い共振周波数を得ることができる点で好ましい。ヤング率Y41aは、100GPa以上がより好ましい。ヤング率Y41aの上限は、上記(2a-1)を満たす観点から、300GPa程度が好ましい。 In (2a-2), the Young's modulus Y 41a of the material constituting the first layer 41a is 10 GPa or more, preferably 60 GPa or more, which is preferable in that the Young's modulus of the entire diaphragm 4B can be increased and a high resonance frequency can be obtained for the purpose of driving the diaphragm. The Young's modulus Y 41a is more preferably 100 GPa or more. The upper limit of the Young's modulus Y 41a is preferably about 300 GPa from the viewpoint of satisfying the above (2a-1).

(2a-3)、(2a-4)及び(2a-5)は、第1層41a、第2層42a、第3層43a及び第4層44aの順に、振動板4Bを構成する層が第2の電極3から遠ざかるにしたがって、各層を構成する材料のヤング率がどの程度高くなるかを示す指標である。 (2a-3), (2a-4), and (2a-5) are indices that indicate the extent to which the Young's modulus of the material constituting each layer increases as the layers constituting the diaphragm 4B become farther away from the second electrode 3 in the order of the first layer 41a, the second layer 42a, the third layer 43a, and the fourth layer 44a.

(2a-3)は、第1層41aのヤング率Y41aに対する第2層42aのヤング率Y42aの比の値「Y42a/Y41a」を規定するものである。Y42a/Y41aが上記範囲にあることで、第1層41aと第2層42aとの間でヤング率は十分に増大し、かつ、(2a-1)の関係も満足でき好ましい。Y42a/Y41aは、1.05~1.5の範囲内にあることがより好ましい。 (2a-3) defines the value " Y42a / Y41a " of the ratio of the Young's modulus Y42a of the second layer 42a to the Young's modulus Y41a of the first layer 41a. When Y42a / Y41a is in the above range, the Young's modulus between the first layer 41a and the second layer 42a is sufficiently increased, and the relationship of (2a-1) is also satisfied, which is preferable. It is more preferable that Y42a / Y41a is in the range of 1.05 to 1.5.

(2a-4)は、第2層42aのヤング率Y42aに対する第3層43aのヤング率Y43aの比の値「Y43a/Y42a」を規定するものである。Y43a/Y42aが上記範囲にあることで第2層42aと第3層43aとの間でヤング率は十分に増大し、かつ、(2a-1)の関係も満足でき好ましい。Y43a/Y42aは、1.05~1.8の範囲内にあることがより好ましい。 (2a-4) defines the value " Y43a / Y42a " of the ratio of the Young's modulus Y43a of the third layer 43a to the Young's modulus Y42a of the second layer 42a. When Y43a / Y42a is in the above range, the Young's modulus between the second layer 42a and the third layer 43a is sufficiently increased, and the relationship of (2a-1) is also satisfied, which is preferable. It is more preferable that Y43a / Y42a is in the range of 1.05 to 1.8.

(2a-5)は、第3層43aのヤング率Y43aに対する第4層44aのヤング率Y44aの比の値「Y44a/Y43a」を規定するものである。Y44a/Y43aが上記の下限値以上であることで第3層43aと第4層44aとの間でヤング率は十分に増大し好ましい。Y44a/Y43aが上記の上限値以下であることで、総膜厚の好ましい範囲、例えば2.0~12μmの範囲を満たしつつ、応力調整などの目的で積層数を増やす余地ができる点で好ましい。Y44a/Y43aは、1.05~1.8の範囲内にあることがより好ましい。 (2a-5) defines the value " Y44a / Y43a " of the ratio of the Young's modulus Y44a of the fourth layer 44a to the Young's modulus Y43a of the third layer 43a. When Y44a / Y43a is equal to or greater than the lower limit, the Young's modulus between the third layer 43a and the fourth layer 44a increases sufficiently, which is preferable. When Y44a / Y43a is equal to or less than the upper limit, it is preferable that the total film thickness is within a preferable range, for example, 2.0 to 12 μm, while there is room to increase the number of layers for the purpose of stress adjustment, etc. It is more preferable that Y44a / Y43a is within the range of 1.05 to 1.8.

また、Y42a/Y41aとY43a/Y42aの関係、及びY43a/Y42aとY44a/Y43aの関係は、(2a-6)Y42a/Y41a:Y43a/Y42aとして1:1~1:1.2及びY43a/Y42a:Y44a/Y43aとして1:1~1:1.5の範囲にあることが好ましい。Y42a/Y41a:Y43a/Y42a及びY43a/Y42a:Y44a/Y43aが当該範囲にあることで、第1層から第4層に向かってヤング率は均等に近いかたちで増加する。 In addition, the relationship between Y42a / Y41a and Y43a / Y42a , and the relationship between Y43a / Y42a and Y44a / Y43a are preferably in the range of 1:1 to 1:1.2 for (2a-6) Y42a / Y41a : Y43a / Y42a and 1:1 to 1:1.5 for Y43a/Y42a:Y44a/Y43a. By having Y42a / Y41a : Y43a / Y42a and Y43a / Y42a : Y44a / Y43a in the range, the Young's modulus increases almost uniformly from the first layer to the fourth layer.

上記(2a-1)を必須の要件として、(2a-2)~(2a-5)、さらに(2a-6)を勘案すると、 具体的には、第1層41aのヤング率Y41aは、60~300GPaの範囲にあり、第2層42aのヤング率Y42aは、63~450GPaの範囲にあり、第3層43aのヤング率Y43aは、66~810GPaの範囲にあり、第4層44aのヤング率Y44aは、69~900GPaの範囲にあることが好ましい。 Taking the above (2a-1) as an essential requirement and also taking into consideration (2a-2) to (2a-5) and further (2a-6), specifically, it is preferable that the Young's modulus Y 41a of the first layer 41a is in the range of 60 to 300 GPa, the Young's modulus Y 42a of the second layer 42a is in the range of 63 to 450 GPa, the Young's modulus Y 43a of the third layer 43a is in the range of 66 to 810 GPa, and the Young's modulus Y 44a of the fourth layer 44a is in the range of 69 to 900 GPa.

第1層41aのヤング率Y41aは、100~300GPaの範囲にあり、第2層42aのヤング率Y42aは、105~450GPaの範囲にあり、第3層43aのヤング率Y43aは、110~810GPaの範囲にあり、第4層44aのヤング率Y44aは、116~900GPaの範囲にあることがより好ましい。 More preferably, the Young's modulus Y 41a of the first layer 41a is in the range of 100 to 300 GPa, the Young's modulus Y 42a of the second layer 42a is in the range of 105 to 450 GPa, the Young's modulus Y 43a of the third layer 43a is in the range of 110 to 810 GPa, and the Young's modulus Y 44a of the fourth layer 44a is in the range of 116 to 900 GPa.

振動板4Bにおける第1層41a、第2層42a、第3層43a及び第4層44aの厚さをそれぞれT41a、T42a、T43a及びT44aで示す。アクチュエータ11Bをインクジェットヘッドに用いた場合を例にすると、変位効率を高めるために、例えば、T41a、T42a、T43a及びT44aはそれぞれ0.5~5.3μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは、0.5~4.7μmの範囲内である。また、振動板4Bの全体の厚さ、すなわち、T41a+T42a+T43a+T44aは、2.0~12μmの範囲内にあることが、変位効率を高めながら薄型化を達成する観点から好ましい。 The thicknesses of the first layer 41a, the second layer 42a, the third layer 43a, and the fourth layer 44a in the vibration plate 4B are indicated by T41a , T42a , T43a , and T44a , respectively. In the case where the actuator 11B is used in an inkjet head, for example, in order to increase the displacement efficiency, it is preferable that T41a , T42a , T43a , and T44a are each within the range of 0.5 to 5.3 μm, and more preferably within the range of 0.5 to 4.7 μm. Moreover, it is preferable that the total thickness of the vibration plate 4B, that is, T41a + T42a + T43a + T44a , is within the range of 2.0 to 12 μm, from the viewpoint of achieving a thin structure while increasing the displacement efficiency.

振動板4Bの各層を構成する材料は、上記例示した材料のなかから、各層のヤング率の関係が上記(2a-1)を満たすように選択される。さらに好ましくは、上記(2a-2)~(2a-5)、さらに(2b-6)を満たすように選択される。各層の形成方法は、構成材料に応じて、CVD法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、及び、ゾルゲル法などの液相での成長法等から適宜選択可能である。樹脂層の場合、例えば、スピンコート法、ディップ法、電着法等で形成可能である。 The materials constituting each layer of the diaphragm 4B are selected from the materials exemplified above so that the relationship between the Young's moduli of each layer satisfies the above (2a-1). More preferably, they are selected so that the above (2a-2) to (2a-5) and further (2b-6) are satisfied. The method of forming each layer can be appropriately selected from chemical methods such as CVD, physical methods such as sputtering and ion plating, and liquid phase growth methods such as sol-gel methods, depending on the constituent materials. In the case of a resin layer, it can be formed by, for example, spin coating, dipping, or electrodeposition.

振動板4Bの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、第1層41aを構成する材料は、上記の(A)の特性を有することが好ましい。また、振動板4Bの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、圧電体層1から最も遠い層、すなわち、第4層44aを構成する材料は、主としてクロム又はニッケルであることが好ましい。 As a characteristic other than the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4B, it is preferable that the material constituting the first layer 41a has the above characteristic (A). Also, as a characteristic other than the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4B, it is preferable that the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer 1, i.e., the fourth layer 44a, is mainly chromium or nickel.

振動板4Bの各層の構成の組み合わせとして、具体的には、以下の表IIIに示す組み合わせが挙げられる。これら各材料は、組成や製造の方法によりヤング率は調整可能であり、各層において用いられる材料を限定するものではない。 Specific examples of the combinations of the configurations of the layers of the diaphragm 4B include the combinations shown in Table III below. The Young's modulus of each of these materials can be adjusted by the composition and manufacturing method, and there are no limitations on the materials used in each layer.

Figure 0007585690000003
Figure 0007585690000003

以上、第1の態様のアクチュエータについて、振動板が3層又は4層からなる場合を例にして説明した。振動板が5層以上の層からなる場合については、上に示した振動板全体としてのヤング率の好ましい範囲、概ね80~700GPa、また、表II及び表IIIから算出した振動板全体のヤング率の範囲86~640GPaを勘案し、かつ、第2の電極に最も近い層から最も遠い層へのヤング率の増加のバランス、例えば、均等に近いかたちで増加させる等を考慮して、各層のヤング率を適宜選択すればよい。また、振動板が5層以上の層からなる場合においても、第2の電極に最も近い層を構成する材料の好ましい特性は上記のとおりであり、第2の電極から最も遠い層を構成する材料の好ましい特性は上記のとおりである。 The actuator of the first embodiment has been described above using an example in which the diaphragm is composed of three or four layers. In the case in which the diaphragm is composed of five or more layers, the Young's modulus of each layer may be appropriately selected taking into consideration the preferred range of Young's modulus of the entire diaphragm shown above, approximately 80 to 700 GPa, and the range of Young's modulus of the entire diaphragm calculated from Tables II and III, 86 to 640 GPa, and also the balance of the increase in Young's modulus from the layer closest to the second electrode to the layer furthest from the second electrode, for example, an increase that is nearly uniform. In addition, even in the case in which the diaphragm is composed of five or more layers, the preferred characteristics of the material that constitutes the layer closest to the second electrode are as described above, and the preferred characteristics of the material that constitutes the layer furthest from the second electrode are as described above.

なお、第1の態様のアクチュエータの振動板を構成する各層は、層内でヤング率を第2の電極3に近い側の主面から遠い側の主面に向かって漸増するように変化させる構成であってもよい。その場合、例えば、振動板4Aを例にすると、第1層の第2の電極3に遠い側のヤング率は、第2層の第2の電極3に近い側のヤング率より小さく、第2層の第2の電極3に遠い側のヤング率は、第3層の第2の電極3に近い側のヤング率より小さく構成される。 Each layer constituting the diaphragm of the actuator of the first embodiment may be configured so that the Young's modulus within the layer gradually increases from the main surface closer to the second electrode 3 toward the main surface farther from the second electrode 3. In that case, for example, taking diaphragm 4A as an example, the Young's modulus of the first layer on the side farther from the second electrode 3 is smaller than the Young's modulus of the second layer on the side farther from the second electrode 3, and the Young's modulus of the second layer on the side farther from the second electrode 3 is smaller than the Young's modulus of the third layer on the side near the second electrode 3.

[第2の態様のアクチュエータ]
本発明の第2の態様のアクチュエータは、第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面に配置された第1の電極と、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された振動板とを備えるアクチュエータであり、前記振動板は、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された導体層と、前記導体層の前記圧電体層とは反対側に厚さ方向に積層された、前記導体層を構成する材料とはそれぞれ異なる材料から構成される少なくとも2つの層を有し、前記振動板において前記導体層及び前記各層を構成する材料のヤング率が、前記導体層から前記圧電体層に遠い側の層に向かって順に高くなることを特徴とする。
[Actuator of the Second Aspect]
The actuator of a second aspect of the present invention is an actuator comprising a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface, a first electrode arranged on the first main surface of the piezoelectric layer, and a vibration plate arranged on the second main surface of the piezoelectric layer, wherein the vibration plate has a conductor layer arranged on the second main surface of the piezoelectric layer, and at least two layers made of a material different from the material constituting the conductor layer, stacked in the thickness direction on the side of the conductor layer opposite the piezoelectric layer, and wherein the Young's modulus of the materials constituting the conductor layer and each of the layers in the vibration plate increases in order from the conductor layer to the layer farther from the piezoelectric layer.

本発明の第2の態様のアクチュエータと、第1の態様のアクチュエータは、第1の態様のアクチュエータが圧電体層の第2の主面に第2の電極を有し、第2の電極の圧電体層とは反対側に振動板を有するのに対して、第2の態様のアクチュエータは、圧電体層の第2の主面に、当該圧電体層側に導体層を備える振動板を有する構成である点で異なる。言い換えれば、第2の態様のアクチュエータにおける振動板は、第1の態様のアクチュエータにおける第2の電極と振動板の機能を兼ね備える構成である。 The actuator of the second aspect of the present invention differs from the actuator of the first aspect in that the actuator of the first aspect has a second electrode on the second main surface of the piezoelectric layer and a vibration plate on the side of the second electrode opposite the piezoelectric layer, whereas the actuator of the second aspect has a vibration plate on the second main surface of the piezoelectric layer with a conductor layer on the side of the piezoelectric layer. In other words, the vibration plate in the actuator of the second aspect has the functions of both the second electrode and the vibration plate in the actuator of the first aspect.

第2の態様のアクチュエータにおける第1の電極及び圧電体層は、第1の態様のアクチュエータにおける第1の電極及び圧電体層と好ましい態様を含めて同様にすることができる。第2の態様のアクチュエータは、上記第1の電極、圧電体層及び振動板以外に、必要に応じて任意の部材を有してもよい。任意の部材としては、例えば、第1の電極の圧電体層とは反対側の主面に第1の電極を絶縁保護する目的で配置される絶縁保護層、湿度による圧電体層の劣化を防止する目的で配置される防湿層等が挙げられる。第2の態様のアクチュエータにおける、上記絶縁保護層についても、第1の態様のアクチュエータにおける絶縁保護層と好ましい態様を含めて同様にすることができる。 The first electrode and piezoelectric layer in the actuator of the second embodiment can be the same as the first electrode and piezoelectric layer in the actuator of the first embodiment, including preferred aspects. The actuator of the second embodiment may have any optional members as necessary, in addition to the first electrode, piezoelectric layer, and diaphragm. Examples of optional members include an insulating protective layer arranged on the main surface of the first electrode opposite the piezoelectric layer for the purpose of insulating and protecting the first electrode, and a moisture-proof layer arranged for the purpose of preventing deterioration of the piezoelectric layer due to humidity. The insulating protective layer in the actuator of the second embodiment can also be the same as the insulating protective layer in the actuator of the first embodiment, including preferred aspects.

以下、図4及び図5を参照して第2の態様のアクチュエータを説明するが、第2の態様のアクチュエータはこれに限定されるものではない。これらの図で示した第2の態様のアクチュエータは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。図4及び図5は、本発明の第2の態様のアクチュエータの実施形態の一例及び変形例を示す断面図である。 The actuator of the second aspect will be described below with reference to Figs. 4 and 5, but the actuator of the second aspect is not limited thereto. The actuator of the second aspect shown in these figures can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Figs. 4 and 5 are cross-sectional views showing an example of an embodiment of the actuator of the second aspect of the present invention and a modified example.

図4に示すアクチュエータ12Aは、第1の主面S1と第2の主面S2を有する圧電体層1と、圧電体層1の第1の主面S1及び第2の主面S2にそれぞれ配置された第1の電極2及び振動板4Cを有する。 The actuator 12A shown in FIG. 4 has a piezoelectric layer 1 having a first main surface S1 and a second main surface S2, and a first electrode 2 and a vibration plate 4C arranged on the first main surface S1 and the second main surface S2 of the piezoelectric layer 1, respectively.

振動板4Cは、圧電体層1側から第1層41b、第2層42b、及び第3層43bが厚さ方向に積層されてなる。第1層41bは導体層であり、第2層42b、及び第3層43bは、第1層41bとはそれぞれ異なる材料から構成される。 The vibration plate 4C is formed by stacking a first layer 41b, a second layer 42b, and a third layer 43b in the thickness direction from the piezoelectric layer 1 side. The first layer 41b is a conductor layer, and the second layer 42b and the third layer 43b are each made of a material different from that of the first layer 41b.

振動板4Cにおいて、第1層41bを構成する材料のヤング率をY41b、第2層42bを構成する材料のヤング率をY42b、第3層43bを構成する材料のヤング率をY43bとすると、Y41b、Y42b及びY43bの間には以下の関係が成り立つ。
41b<Y42b<Y43b
In the diaphragm 4C, if the Young's modulus of the material constituting the first layer 41b is Y41b , the Young's modulus of the material constituting the second layer 42b is Y42b , and the Young's modulus of the material constituting the third layer 43b is Y43b , the following relationship holds between Y41b , Y42b , and Y43b .
Y 41b <Y 42b <Y 43b

図5に示すアクチュエータ12Bは、第1の電極2の圧電体層1とは反対側の主面に絶縁保護層5を備え、振動板が3層構成の振動板4Cに替わって4層で構成される振動板4Dからなる以外は、図3に示すアクチュエータ12Aと同じ構成である。 The actuator 12B shown in FIG. 5 has the same configuration as the actuator 12A shown in FIG. 3, except that it has an insulating protective layer 5 on the main surface of the first electrode 2 opposite the piezoelectric layer 1, and the vibration plate is a vibration plate 4D composed of four layers instead of the vibration plate 4C composed of three layers.

アクチュエータ12Bでは、振動板4Dは、圧電体層1側から第1層41b、第2層42b、第3層43b及び第4層44bが厚さ方向に積層されてなる。振動板4Dにおいて、第1層41bは導体層であり、第2層42b、第3層43b及び第4層44bは、第1層41bとはそれぞれ異なる材料から構成される。 In the actuator 12B, the vibration plate 4D is formed by stacking a first layer 41b, a second layer 42b, a third layer 43b, and a fourth layer 44b in the thickness direction from the piezoelectric layer 1 side. In the vibration plate 4D, the first layer 41b is a conductor layer, and the second layer 42b, the third layer 43b, and the fourth layer 44b are each made of a material different from that of the first layer 41b.

振動板4Dにおいて、第1層41bを構成する材料のヤング率をY41b、第2層42bを構成する材料のヤング率をY42b、第3層43bを構成する材料のヤング率をY43b、第4層44bを構成する材料のヤング率をY44bとすると、Y41b、Y42b、Y43b及びY44bの間には以下の関係が成り立つ。
41b<Y42b<Y43b<Y44b
In the diaphragm 4D, if the Young's modulus of the material making up the first layer 41b is Y41b , the Young's modulus of the material making up the second layer 42b is Y42b, the Young's modulus of the material making up the third layer 43b is Y43b , and the Young's modulus of the material making up the fourth layer 44b is Y44b , then the following relationship holds between Y41b , Y42b , Y43b , and Y44b .
Y 41b <Y 42b <Y 43b <Y 44b

第2の態様のアクチュエータは、振動板の圧電体層側の層である導体層が第1の態様のアクチュエータの第2の電極と同様に機能して、上に説明した第1の態様のアクチュエータと同様に動作するものである。第2の態様のアクチュエータにおいては振動板の圧電体層側の層である導体層は振動板としての機能も果たす。 In the actuator of the second embodiment, the conductor layer on the piezoelectric layer side of the diaphragm functions in the same manner as the second electrode of the actuator of the first embodiment, and operates in the same manner as the actuator of the first embodiment described above. In the actuator of the second embodiment, the conductor layer on the piezoelectric layer side of the diaphragm also functions as a diaphragm.

第2の態様のアクチュエータである、アクチュエータ12A及びアクチュエータ12Bにおいては、振動板を厚さ方向に3層以上で構成し、各層のヤング率の関係が、それぞれY41b<Y42b<Y43b及びY41b<Y42b<Y43b<Y44bを満たす。これにより、圧電体層の変位面がより外側に設定されるため、より効率的なエネルギーの発生が得られる。すなわち、圧電体層の変位が振動板により効率よく伝達できるものである。また、このような構成とすることで、振動板形成時に圧電体層の応力集中が緩和され安定した製造プロセスが構築できる。 In the actuators 12A and 12B, which are the actuators of the second embodiment, the vibration plate is composed of three or more layers in the thickness direction, and the relationship of the Young's modulus of each layer satisfies Y41b < Y42b < Y43b and Y41b < Y42b < Y43b < Y44b , respectively. As a result, the displacement surface of the piezoelectric layer is set further outward, so that more efficient energy generation is obtained. In other words, the displacement of the piezoelectric layer can be transmitted to the vibration plate more efficiently. In addition, by adopting such a configuration, the stress concentration of the piezoelectric layer is alleviated during the formation of the vibration plate, and a stable manufacturing process can be established.

たわみが生じた際の振動板の変位量δは、圧電体の発生する変形力Fと、振動板中の圧電体/振動板界面からの厚さ方向における距離Lに存在する中立面のLに対し、δ∝F×Lが成り立つから、一定の変形力Fに対し、Lをより大きく設けることで大きなδを得ることができる。 The amount of displacement δ of the diaphragm when it bends is determined by the deformation force F generated by the piezoelectric body and the neutral plane L that exists at a distance L in the thickness direction from the piezoelectric body/diaphragm interface in the diaphragm, and is expressed as δ ∝ F × L. Therefore, for a given deformation force F, a larger δ can be obtained by making L larger.

Lは一般的にi層目のヤング率と、累積膜厚をE、hとそれぞれ置いた際に下記式となることから、iが大きい層においてEを高く設定するのが好ましい。
L=ΣE(h -hi-1 )/2×ΣE(h-hi-1
さらに、現実的には振動板変形に伴い、発生力の損失が存在するため伸縮しづらい仮想面が圧電素子に近い領域に局在するのを避けるのが好ましいため、iが漸増するに従いEが一貫して増大するのが好ましい。従って、3層以上の構成とし、圧電体/振動板界面から離れるにしたがってヤング率を増大させる構成が、もっとも。圧電体層の変位を振動板が効率よく伝達できる。
Generally, L is expressed by the following formula when the Young's modulus of the i-th layer and the cumulative film thickness are designated as E i and h i, respectively. Therefore, it is preferable to set E i high in layers with larger i.
L=ΣE i (h i 2 - h i-1 2 )/2×ΣE i (h i - h i-1 )
Furthermore, in reality, it is preferable to avoid localization of the imaginary surface, which is difficult to expand and contract due to loss of generated force caused by deformation of the diaphragm, in the area close to the piezoelectric element, so it is preferable that Ei increases consistently as i increases. Therefore, a structure of three or more layers, in which the Young's modulus increases with distance from the piezoelectric/diaphragm interface, is the best. The diaphragm can efficiently transmit the displacement of the piezoelectric layer.

第2の態様のアクチュエータについて、第1の態様のアクチュエータと異なる構成、すなわち、振動板について以下に詳細に説明する。 The second embodiment of the actuator has a different configuration from the first embodiment of the actuator, namely the diaphragm, which will be described in detail below.

(振動板)
本発明の第2の態様のアクチュエータにおいて、振動板は、圧電体層の第2の主面に、互いに異なる材料から構成される3以上の層が厚さ方向に積層されてなり、少なくとも圧電体層に最も近い層が導体層であるとともに、各層を構成する材料のヤング率が、圧電体層に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなる構成である。第2の態様のアクチュエータにおいて振動板を構成する層の数は、3以上であれば特に制限されず、用途に応じて適宜選択される。振動板を構成する層の数は、振動板全体の厚さ、各層の厚さとヤング率によるが、圧電体層の変位を効率よく伝播するためには4以上が好ましい。
(Vibration plate)
In the actuator of the second aspect of the present invention, the vibration plate is configured such that three or more layers made of different materials are laminated in the thickness direction on the second main surface of the piezoelectric layer, at least the layer closest to the piezoelectric layer is a conductor layer, and the Young's modulus of the material of each layer increases in order from the layer closest to the piezoelectric layer to the layer furthest from the piezoelectric layer. The number of layers constituting the vibration plate in the actuator of the second aspect is not particularly limited as long as it is three or more, and is appropriately selected depending on the application. The number of layers constituting the vibration plate depends on the thickness of the entire vibration plate, the thickness and Young's modulus of each layer, but is preferably four or more in order to efficiently propagate the displacement of the piezoelectric layer.

第2の態様のアクチュエータにおける振動板は、第1の態様のアクチュエータにおける振動板において、圧電体層に最も近い層が導体層のものをそのまま用いることができる。第2の態様のアクチュエータにおける振動板のヤング率は、上記条件を満たした上で、全体として概ね80~700GPaの範囲内にあるのが好ましい。すなわち、圧電体層に最も近い層を構成する材料のヤング率の下限は10GPaが好ましく、300GPaがより好ましい。また、圧電体層に最も遠い層を構成する材料のヤング率の上限は900GPaが好ましい。 The diaphragm in the actuator of the second embodiment can be the diaphragm in the actuator of the first embodiment, in which the layer closest to the piezoelectric layer is a conductor layer. The Young's modulus of the diaphragm in the actuator of the second embodiment is preferably within the range of approximately 80 to 700 GPa overall, while satisfying the above conditions. In other words, the lower limit of the Young's modulus of the material constituting the layer closest to the piezoelectric layer is preferably 10 GPa, and more preferably 300 GPa. Also, the upper limit of the Young's modulus of the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer is preferably 900 GPa.

振動板の厚さは、第2の態様のアクチュエータの用途及び振動板のヤング率等に応じて適宜調整される。第2の態様のアクチュエータをインクジェットヘッドに用いる場合、振動板の厚さは全体として、1.5~12μmの範囲内にあることが、変位効率を高めながら薄型化を達成する観点から好ましい。 The thickness of the diaphragm is adjusted as appropriate depending on the application of the actuator of the second embodiment and the Young's modulus of the diaphragm. When the actuator of the second embodiment is used in an inkjet head, it is preferable that the overall thickness of the diaphragm be within the range of 1.5 to 12 μm, from the viewpoint of achieving a thin design while increasing the displacement efficiency.

第2の態様のアクチュエータにおいて、図4に示すアクチュエータ12Aは振動板の構成層数が3の例であり、図5に示すアクチュエータ12Bは、振動板の構成層数が4の例である。 In the actuator of the second embodiment, the actuator 12A shown in FIG. 4 is an example in which the diaphragm has three layers, and the actuator 12B shown in FIG. 5 is an example in which the diaphragm has four layers.

アクチュエータ12Aの振動板4Cにおいて、第1層41bは導体層であって、第1層41b、第2層42b及び第3層43bをそれぞれ構成する材料のヤング率Y41b、Y42b及びY43bは、以下の(1b-1)の関係を満たす。
(1b-1)Y41b<Y42b<Y43b
In the diaphragm 4C of the actuator 12A, the first layer 41b is a conductive layer, and the Young's moduli Y 41b , Y 42b and Y 43b of the materials constituting the first layer 41b, the second layer 42b and the third layer 43b respectively satisfy the following relationship (1b-1).
(1b-1) Y 41b <Y 42b <Y 43b

圧電体層1の変位効率を高める観点から、ヤング率Y41b、Y42b及びY43bは、上記(1b-1)を満たした上で、さらに、以下の(1b-2)~(1b-4)の関係のいずれかを満たすことが好ましく、2以上を満たすことがより好ましく、全てを満たすことがさらに好ましい。 From the viewpoint of enhancing the displacement efficiency of the piezoelectric layer 1, it is preferable that the Young's moduli Y41b , Y42b , and Y43b satisfy the above-mentioned (1b-1) and further satisfy any one of the following relationships (1b-2) to (1b-4), more preferably satisfy two or more of them, and further preferably satisfy all of them.

(1b-2)10GPa≦Y41b
(1b-3)1.05≦Y42b/Y41b≦4.0
(1b-4)1.05≦Y43b/Y42b≦4.0
(1b-2) 10GPa≦Y 41b
(1b-3) 1.05≦Y 42b /Y 41b ≦4.0
(1b-4) 1.05≦Y 43b /Y 42b ≦4.0

(1b-2)において、第1層41bを構成する導電材料のヤング率Y41bは10GPa以上を示す。ヤング率Y41bは60GPa以上であることで、振動板4C全体のヤング率を高めることができ、高い共振周波数を得ることができる点で好ましい。ヤング率Y41bは、100GPa以上がより好ましい。ヤング率Y41bの上限は、上記(1b-1)を満たす観点から、300GPa程度が好ましい。 In (1b-2), the Young's modulus Y 41b of the conductive material constituting the first layer 41b is 10 GPa or more. The Young's modulus Y 41b being 60 GPa or more is preferable in that the Young's modulus of the entire diaphragm 4C can be increased and a high resonance frequency can be obtained. The Young's modulus Y 41b is more preferably 100 GPa or more. The upper limit of the Young's modulus Y 41b is preferably about 300 GPa from the viewpoint of satisfying the above (1b-1).

(1b-3)及び(1b-4)は、第1層41b、第2層42b及び第3層43bの順に、振動板4Cを構成する層が圧電体層1から遠ざかるにしたがって、各層を構成する材料のヤング率がどの程度高くなるかを示す指標である。 (1b-3) and (1b-4) are indices that indicate the extent to which the Young's modulus of the material constituting each layer increases as the layers constituting the diaphragm 4C become farther from the piezoelectric layer 1 in the order of the first layer 41b, the second layer 42b, and the third layer 43b.

(1b-3)は、第1層41bのヤング率Y41bに対する第2層42bのヤング率Y42bの比の値「Y42b/Y41b」を規定するものである。Y42b/Y41bが上記範囲にあることで、第1層41bと第2層42bとの間でヤング率は十分に増大し、かつ、(1b-1)の関係も満足でき好ましい。Y42b/Y41bは、1.05~1.85の範囲内にあることがより好ましい。 (1b-3) defines the value " Y42b / Y41b " of the ratio of the Young's modulus Y42b of the second layer 42b to the Young's modulus Y41b of the first layer 41b. When Y42b / Y41b is in the above range, the Young's modulus between the first layer 41b and the second layer 42b is sufficiently increased, and the relationship of (1b-1) is also satisfied, which is preferable. It is more preferable that Y42b / Y41b is in the range of 1.05 to 1.85.

(1b-4)は、第2層42bのヤング率Y42bに対する第3層43bのヤング率Y43bの比の値「Y43b/Y42b」を規定するものである。Y43b/Y42bが上記の下限値以上であることで第2層42bと第3層43bとの間でヤング率は十分に増大し好ましい。Y43b/Y42bが上記の上限値以下であることで、総膜厚の好ましい範囲、例えば、1.5~12μmの範囲を満たしつつ、応力調整などの目的で積層数を増やす余地ができる点で好ましい。Y43b/Y42bは、1.05~2.0の範囲内にあることがより好ましい。 (1b-4) defines the value "Y 43b /Y 42b " of the ratio of the Young's modulus Y 43b of the third layer 43b to the Young's modulus Y 42b of the second layer 42b. When Y 43b /Y 42b is equal to or greater than the lower limit, the Young's modulus between the second layer 42b and the third layer 43b increases sufficiently, which is preferable. When Y 43b /Y 42b is equal to or less than the upper limit, it is preferable that the total film thickness satisfies a preferable range, for example, 1.5 to 12 μm, while allowing room to increase the number of layers for the purpose of stress adjustment, etc. It is more preferable that Y 43b /Y 42b is within the range of 1.05 to 2.0.

また、Y42b/Y41bとY43b/Y42bの関係は、(1b-5)Y42b/Y41b:Y43b/Y42bとして1:1~1:2の範囲にあることが好ましい。Y42b/Y41b:Y43b/Y42bが当該範囲にあることで、第1層から第3層に向かってヤング率は均等に近いかたちで増加する。 Furthermore, the relationship between Y42b/ Y41b and Y43b / Y42b , (1b-5) Y42b / Y41b : Y43b / Y42b, is preferably in the range of 1:1 to 1:2. With Y42b/Y41b:Y43b/Y42b in this range , the Young's modulus increases nearly uniformly from the first layer to the third layer.

上記(1b-1)を必須の要件として、(1b-2)~(1b-4)、さらに(1b-5)を勘案すると、具体的には、第1層41bのヤング率Y41bは、60~300GPaの範囲にあり、第2層42bのヤング率Y42bは、63~555GPaの範囲にあり、第3層43bのヤング率Y43bは、66~900GPaの範囲にあることが好ましい。 Considering the above (1b-1) as an essential requirement and (1b-2) to (1b-4) and further (1b-5), specifically, it is preferable that the Young's modulus Y 41b of the first layer 41b is in the range of 60 to 300 GPa, the Young's modulus Y 42b of the second layer 42b is in the range of 63 to 555 GPa, and the Young's modulus Y 43b of the third layer 43b is in the range of 66 to 900 GPa.

第1層41bのヤング率Y41bは、100~300GPaの範囲にあり、第2層42bのヤング率Y42bは、105~555GPaの範囲にあり、第3層43bのヤング率Y43bは、110~900GPaの範囲にあることがより好ましい。 More preferably, the Young's modulus Y 41b of the first layer 41b is in the range of 100 to 300 GPa, the Young's modulus Y 42b of the second layer 42b is in the range of 105 to 555 GPa, and the Young's modulus Y 43b of the third layer 43b is in the range of 110 to 900 GPa.

振動板4Cにおける第1層41b、第2層42b及び第3層43bの厚さをそれぞれT41b、T42b及びT43bで示す。アクチュエータ12Aをインクジェットヘッドに用いた場合を例にすると、変位効率を高めるために、例えば、T41b、T42b及びT43bはそれぞれ0.5~4μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは、0.5~3.5μmの範囲内である。また、振動板4Cの全体の厚さ、すなわち、T41b+T42b+T43bは、1.5~12μmの範囲内にあることが、変位効率を高めながら薄型化を達成する観点から好ましい。 The thicknesses of the first layer 41b, the second layer 42b, and the third layer 43b in the diaphragm 4C are indicated by T41b , T42b , and T43b , respectively. In the case where the actuator 12A is used in an inkjet head, for example, in order to increase the displacement efficiency, it is preferable that T41b , T42b , and T43b are each within the range of 0.5 to 4 μm, and more preferably within the range of 0.5 to 3.5 μm. Moreover, it is preferable that the total thickness of the diaphragm 4C, that is, T41b + T42b + T43b , is within the range of 1.5 to 12 μm, from the viewpoint of achieving a thin structure while increasing the displacement efficiency.

上記のとおり、振動板4Cの第1層41b、第2層42b及び第3層43bを構成する材料は、それぞれ、金属のように単独の元素からなってもよく、2種以上の元素を有する合金や化合物であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。また、各層を構成する材料は、同じ元素で構成されていても、密度や結晶構造が異なる場合は、異なる材料とみなす。 As described above, the materials constituting the first layer 41b, second layer 42b, and third layer 43b of the diaphragm 4C may each be composed of a single element such as a metal, an alloy or compound containing two or more elements, or a combination of these. Furthermore, even if the materials constituting each layer are composed of the same elements, if they have different densities or crystal structures, they are considered to be different materials.

振動板4Cの第1層41b、第2層42b及び第3層43bをそれぞれ構成する材料としては、第1層41bについては導電材料であって、それ以外の層を構成する材料との関係が(1b-1)の関係を満足する限り、特に制限されない。 The materials constituting the first layer 41b, second layer 42b, and third layer 43b of the diaphragm 4C are not particularly limited, so long as the first layer 41b is a conductive material and the relationship with the materials constituting the other layers satisfies the relationship (1b-1).

振動板4Cの第1層41bを構成する材料としては、振動板4Aを構成する材料として例示した材料のうち、導電性を有する材料が挙げられる。導電材料として具体的には、上記第1又は第2の電極を構成する材料として例示した導電材料の使用が可能である。振動板4Cの第2層42b及び第3層43bを構成する材料として、具体的には、振動板4Aを構成する材料として例示した材料のうち、(1b-1)の関係を満足する材料の使用が可能である。 The material constituting the first layer 41b of the diaphragm 4C may be any of the materials exemplified as the material constituting the diaphragm 4A that are conductive. Specifically, the conductive materials exemplified as the material constituting the first or second electrode may be used as the conductive material. Specifically, the materials constituting the second layer 42b and third layer 43b of the diaphragm 4C may be any of the materials exemplified as the material constituting the diaphragm 4A that satisfy the relationship (1b-1).

振動板4Cの各層を構成する材料は、さらに好ましくは、上記(1b-2)~(1b-4)、さらには(1b-5)を満たすように選択される。各層の形成方法は、構成材料に応じて、CVD法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、及び、ゾルゲル法などの液相での成長法等から適宜選択可能である。 More preferably, the materials constituting each layer of the diaphragm 4C are selected so as to satisfy the above (1b-2) to (1b-4) and further (1b-5). The method for forming each layer can be appropriately selected from chemical methods such as CVD, physical methods such as sputtering and ion plating, and liquid phase growth methods such as the sol-gel method, depending on the constituent materials.

振動板4Cの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、第1層41aを構成する導電材料は、上記の(A)の特性を有することが好ましい。また、振動板4Cの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、圧電体層1から最も遠い層、すなわち、第3層43bを構成する材料は、主としてクロム又はニッケルであることが好ましい。 As a characteristic other than the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4C, it is preferable that the conductive material constituting the first layer 41a has the above characteristic (A). Also, as a characteristic other than the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4C, it is preferable that the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer 1, i.e., the third layer 43b, is mainly chromium or nickel.

振動板4Cの各層の構成の組み合わせとして、具体的には、以下の表VIに示す組み合わせが挙げられる。これら各材料は、組成や製造の方法によりヤング率は調整可能であるほか、各層に求められるヤング率の値は相対関係で規定される。従ってこの例示は、各層において用いられる材料を網羅・限定するものではない。表中、DLCはダイヤモンドライクカーボンを示す。また、振動板の導体層は電極として機能するために、絶縁層が必要となるため、上記組み合わせにおいて第2層、第3層の少なくとも1層は、非導電性材料を選択する必要がある。 Specific examples of combinations of the configurations of the layers of the diaphragm 4C include the combinations shown in Table VI below. The Young's modulus of each of these materials can be adjusted by the composition and manufacturing method, and the Young's modulus value required for each layer is specified in a relative relationship. Therefore, these examples do not exhaustively limit the materials used in each layer. In the table, DLC stands for diamond-like carbon. Also, since the conductor layer of the diaphragm requires an insulating layer to function as an electrode, at least one of the second and third layers in the above combinations must be made of a non-conductive material.

Figure 0007585690000004
Figure 0007585690000004

次いで、アクチュエータ12Bの振動板4Dについて説明する。振動板4Dにおいて、第1層41bは導体層であって、第1層41b、第2層42b、第3層43b及び第4層44bをそれぞれ構成する材料のヤング率Y41b、Y42b、Y43b及びY44bは、以下の(2b-1)の関係を満たす。
(2b-1)Y41b<Y42b<Y43b<Y44b
Next, the diaphragm 4D of the actuator 12B will be described. In the diaphragm 4D, the first layer 41b is a conductor layer, and the Young's moduli Y41b , Y42b , Y43b and Y44b of the materials constituting the first layer 41b, the second layer 42b, the third layer 43b and the fourth layer 44b respectively satisfy the following relationship (2b-1).
(2b-1) Y 41b <Y 42b <Y 43b <Y 44b

圧電体層1の変位効率を高める観点から、ヤング率Y41b、Y42b及びY43bは、上記(2b-1)を満たした上で、さらに、以下の(2b-2)~(2b-5)の関係のいずれかを満たすことが好ましく、2以上を満たすことがより好ましく、全てを満たすことがさらに好ましい。 From the viewpoint of enhancing the displacement efficiency of the piezoelectric layer 1, it is preferable that the Young's moduli Y41b , Y42b , and Y43b satisfy the above-mentioned (2b-1) and further satisfy any one of the following relationships (2b-2) to (2b-5), more preferably satisfy two or more of them, and further preferably satisfy all of them.

(2b-2)10GPa≦Y41b
(2b-3)1.05≦Y42b/Y41b≦4.0
(2b-4)1.05≦Y43b/Y42b≦4.0
(2b-5)1.05≦Y44b/Y43b≦4.0
(2b-2) 10GPa≦Y 41b
(2b-3) 1.05≦Y 42b /Y 41b ≦4.0
(2b-4) 1.05≦Y 43b /Y 42b ≦4.0
(2b-5) 1.05≦Y 44b /Y 43b ≦4.0

なお、上記(2b-2)~(2b-4)に示す条件は、上記(1b-2)~(1b-4)に示す条件と同じである。すなわち、振動板が4層で構成される場合、1~3層までのヤング率の関係は、振動板が3層で構成される場合の1~3層までのヤング率の関係と同様にすることができる。 The conditions shown in (2b-2) to (2b-4) above are the same as the conditions shown in (1b-2) to (1b-4) above. In other words, when the diaphragm is composed of four layers, the relationship of the Young's modulus of the first to third layers can be the same as the relationship of the Young's modulus of the first to third layers when the diaphragm is composed of three layers.

(2b-2)において、第1層41bを構成する導電材料のヤング率Y41bが10GPa以上、好ましくは60GPa以上であることで、振動板4D全体のヤング率を高めることができ、振動板を駆動させる目的で、高い共振周波数を得ることができる点で好ましい。ヤング率Y41bは、100GPa以上がより好ましい。ヤング率Y41bの上限は、上記(2b-1)を満たす観点から、300GPa程度が好ましい。 In (2b-2), the Young's modulus Y 41b of the conductive material constituting the first layer 41b is 10 GPa or more, preferably 60 GPa or more, which is preferable in that the Young's modulus of the entire diaphragm 4D can be increased and a high resonance frequency can be obtained for the purpose of driving the diaphragm. The Young's modulus Y 41b is more preferably 100 GPa or more. The upper limit of the Young's modulus Y 41b is preferably about 300 GPa from the viewpoint of satisfying the above (2b-1).

(2b-3)、(2b-4)及び(2b-5)は、第1層41b、第2層42b、第3層43b及び第4層44bの順に、振動板4Dを構成する層が圧電体層1から遠ざかるにしたがって、各層を構成する材料のヤング率がどの程度高くなるかを示す指標である。 (2b-3), (2b-4), and (2b-5) are indices that indicate the extent to which the Young's modulus of the material constituting each layer increases as the layers constituting the diaphragm 4D become farther away from the piezoelectric layer 1 in the order of the first layer 41b, the second layer 42b, the third layer 43b, and the fourth layer 44b.

(2b-3)は、第1層41bのヤング率Y41bに対する第2層42bのヤング率Y42bの比の値「Y42b/Y41b」を規定するものである。Y42b/Y41bが上記範囲にあることで、第1層41bと第2層42bとの間でヤング率は十分に増大し、かつ、(2b-1)の関係も満足でき好ましい。Y42b/Y41bは、1.05~1.5の範囲内にあることがより好ましい。 (2b-3) defines the value " Y42b / Y41b " of the ratio of the Young's modulus Y42b of the second layer 42b to the Young's modulus Y41b of the first layer 41b. When Y42b / Y41b is in the above range, the Young's modulus between the first layer 41b and the second layer 42b is sufficiently increased, and the relationship of (2b-1) is also satisfied, which is preferable. It is more preferable that Y42b / Y41b is in the range of 1.05 to 1.5.

(2b-4)は、第2層42bのヤング率Y42bに対する第3層43bのヤング率Y43bの比の値「Y43b/Y42b」を規定するものである。Y43b/Y42bが上記範囲にあることで第2層42bと第3層43bとの間でヤング率は十分に増大し、かつ、(2b-1)の関係も満足でき好ましい。Y43b/Y42bは、1.05~1.8の範囲内にあることがより好ましい。 (2b-4) defines the value " Y43b / Y42b " of the ratio of the Young's modulus Y43b of the third layer 43b to the Young's modulus Y42b of the second layer 42b. When Y43b / Y42b is in the above range, the Young's modulus between the second layer 42b and the third layer 43b is sufficiently increased, and the relationship of (2b-1) is also satisfied, which is preferable. It is more preferable that Y43b / Y42b is in the range of 1.05 to 1.8.

(2b-5)は、第3層43bのヤング率Y43bに対する第4層44bのヤング率Y44bの比の値「Y44b/Y43b」を規定するものである。Y44b/Y43bが上記の下限値以上であることで第3層43bと第4層44bとの間でヤング率は十分に増大し好ましい。Y44b/Y43bが上記の上限値以下であることで、総膜厚の好ましい範囲、例えば2.0~12μmの範囲を満たしつつ、応力調整などの目的で積層数を増やす余地ができる点で好ましい。Y44b/Y43bは、1.05~1.8の範囲内にあることがより好ましい。 (2b-5) defines the value " Y44b / Y43b " of the ratio of the Young's modulus Y44b of the fourth layer 44b to the Young's modulus Y43b of the third layer 43b. When Y44b / Y43b is equal to or greater than the lower limit, the Young's modulus between the third layer 43b and the fourth layer 44b is sufficiently increased, which is preferable. When Y44b / Y43b is equal to or less than the upper limit, it is preferable that the total film thickness is within a preferable range, for example, 2.0 to 12 μm, while there is room to increase the number of layers for the purpose of stress adjustment, etc. It is more preferable that Y44b / Y43b is within the range of 1.05 to 1.8.

また、Y42b/Y41bとY43b/Y42bの関係、及びY43b/Y42bとY44b/Y43bの関係は、(2b-6)Y42b/Y41b:Y43b/Y42bとして1:1~1:1.2及びY43b/Y42b:Y44b/Y43bとして1:1~1:1.5の範囲にあることが好ましい。Y42b/Y41b:Y43b/Y42b及びY43b/Y42b:Y44b/Y43bが当該範囲にあることで、第1層から第4層に向かってヤング率は均等に近いかたちで増加する。 In addition, the relationship between Y42b / Y41b and Y43b / Y42b , and the relationship between Y43b / Y42b and Y44b / Y43b are preferably in the range of 1:1 to 1:1.2 for (2b-6) Y42b / Y41b : Y43b / Y42b and 1:1 to 1:1.5 for Y43b/Y42b:Y44b/Y43b. By having Y42b / Y41b : Y43b / Y42b and Y43b / Y42b : Y44b / Y43b in the range, the Young's modulus increases almost uniformly from the first layer to the fourth layer.

上記(2b-1)を必須の要件として、(2b-2)~(2b-5)、さらに(2b-6)を勘案すると、具体的には、第1層41bのヤング率Y41bは、60~300GPaの範囲にあり、第2層42bのヤング率Y42bは、63~450GPaの範囲にあり、第3層43bのヤング率Y43bは、66~810GPaの範囲にあり、第4層44bのヤング率Y44bは、69~900GPaの範囲にあることが好ましい Taking the above (2b-1) as an essential requirement and taking into consideration (2b-2) to (2b-5) and further (2b-6), specifically, it is preferable that the Young's modulus Y 41b of the first layer 41b is in the range of 60 to 300 GPa, the Young's modulus Y 42b of the second layer 42b is in the range of 63 to 450 GPa, the Young's modulus Y 43b of the third layer 43b is in the range of 66 to 810 GPa, and the Young's modulus Y 44b of the fourth layer 44b is in the range of 69 to 900 GPa.

第1層41bのヤング率Y41bは、100~300GPaの範囲にあり、第2層42bのヤング率Y42bは、105~450GPaの範囲にあり、第3層43bのヤング率Y43bは、110~810GPaの範囲にあり、第4層44bのヤング率Y44bは、116~900GPaの範囲にあることがより好ましい。 More preferably, the Young's modulus Y 41b of the first layer 41b is in the range of 100 to 300 GPa, the Young's modulus Y 42b of the second layer 42b is in the range of 105 to 450 GPa, the Young's modulus Y 43b of the third layer 43b is in the range of 110 to 810 GPa, and the Young's modulus Y 44b of the fourth layer 44b is in the range of 116 to 900 GPa.

振動板4Dにおける第1層41b、第2層42b、第3層43b及び第4層44bの厚さをそれぞれT41b、T42b、T43b及びT44bで示す。アクチュエータ12Bをインクジェットヘッドに用いた場合を例にすると、変位効率を高めるために、例えば、T41b、T42b、T43b及びT44bはそれぞれ0.5~5.3μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは、0.5~4.7μmの範囲内である。また、振動板4Dの全体の厚さ、すなわち、T41b+T42b+T43b+T44bは、2.0~12μmの範囲内にあることが、変位効率を高めながら薄型化を達成する観点から好ましい。 The thicknesses of the first layer 41b, the second layer 42b, the third layer 43b, and the fourth layer 44b in the vibration plate 4D are indicated by T41b , T42b , T43b , and T44b , respectively. In the case where the actuator 12B is used in an inkjet head, for example, in order to increase the displacement efficiency, it is preferable that T41b , T42b , T43b , and T44b are each within the range of 0.5 to 5.3 μm, and more preferably within the range of 0.5 to 4.7 μm. Moreover, it is preferable that the total thickness of the vibration plate 4D, that is, T41b + T42b + T43b + T44b , is within the range of 2.0 to 12 μm, from the viewpoint of achieving a thin structure while increasing the displacement efficiency.

振動板4Dの各層を構成する材料としては、第1層41bについては導電材料であって、それ以外の層を構成する材料との関係が(2b-1)の関係を満足する限り、特に制限されない。 The materials constituting each layer of the diaphragm 4D are not particularly limited, as long as the first layer 41b is a conductive material and the relationship with the materials constituting the other layers satisfies the relationship (2b-1).

振動板4Dの第1層41bを構成する材料としては、振動板4Aを構成する材料として例示した材料のうち、導電性を有する材料が挙げられる。導電材料として具体的には、上記第1又は第2の電極を構成する材料として例示した導電材料の使用が可能である。振動板4Dの第2層42b、第3層43b及び第4層44bを構成する材料として、具体的には、振動板4Aを構成する材料として例示した材料のうち、(2b-1)の関係を満足する材料の使用が可能である。 The material constituting the first layer 41b of the diaphragm 4D may be any of the conductive materials given as examples of the materials constituting the diaphragm 4A. Specifically, the conductive materials given as examples of the materials constituting the first or second electrode may be used. Specifically, the materials constituting the second layer 42b, third layer 43b, and fourth layer 44b of the diaphragm 4D may be any of the materials given as examples of the materials constituting the diaphragm 4A that satisfy the relationship (2b-1).

振動板4Dの各層を構成する材料は、さらに好ましくは、上記(2b-2)~(2b-5)、さらに(2b-6)を満たすように選択される。各層の形成方法は、構成材料に応じて、CVD法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、及び、ゾルゲル法などの液相での成長法等から適宜選択可能である。樹脂層の場合、例えば、スピンコート法、ディップ法、電着法等で形成可能である。 The material constituting each layer of the diaphragm 4D is more preferably selected so as to satisfy the above (2b-2) to (2b-5) and further (2b-6). The method of forming each layer can be appropriately selected from chemical methods such as CVD, physical methods such as sputtering and ion plating, and liquid phase growth methods such as the sol-gel method, depending on the constituent material. In the case of a resin layer, it can be formed by, for example, spin coating, dipping, or electrodeposition.

振動板4Dの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、第1層41bを構成する導電材料は、上記の(A)の特性を有することが好ましい。また、振動板4Dの各層を構成する材料のヤング率以外の特性として、圧電体層1から最も遠い層、すなわち、第4層44bを構成する材料は、主としてクロム又はニッケルであることが好ましい。 As a characteristic other than the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4D, it is preferable that the conductive material constituting the first layer 41b has the above characteristic (A). Also, as a characteristic other than the Young's modulus of the material constituting each layer of the diaphragm 4D, it is preferable that the material constituting the layer furthest from the piezoelectric layer 1, i.e., the fourth layer 44b, is mainly chromium or nickel.

振動板4Dの各層の構成の組み合わせとして、具体的には、以下の表Vに示す組み合わせが挙げられる。これら各材料は、組成や製造の方法によりヤング率は調整可能であるほか、各層に求められるヤング率の値は相対関係で規定される。従ってこの例示は、各層において用いられる材料を網羅・限定するものではない。表中、DLCはダイヤモンドライクカーボンを示す。また、振動板の導体層は電極として機能するために、絶縁層が必要となるため、上記組み合わせにおいて第2層、第3層の少なくとも1層は、非導電性材料を選択する必要がある Specific examples of combinations of the layers of the diaphragm 4D are shown in Table V below. The Young's modulus of each of these materials can be adjusted by the composition and manufacturing method, and the Young's modulus value required for each layer is specified in a relative relationship. Therefore, this example does not cover or limit the materials used in each layer. In the table, DLC stands for diamond-like carbon. In addition, since the conductor layer of the diaphragm needs an insulating layer to function as an electrode, at least one of the second and third layers in the above combinations must be made of a non-conductive material.

Figure 0007585690000005
Figure 0007585690000005

以上、第2の態様のアクチュエータについて、振動板が3層又は4層からなる場合を例にして説明した。振動板が5層以上の層からなる場合については、上に示した振動板全体としてのヤング率の好ましい範囲、概ね80~700GPa、また、表IV及び表Vから算出した振動板全体のヤング率の範囲127~640GPaを勘案し、かつ、圧電体層に最も近い層から最も遠い層へのヤング率の増加のバランス、例えば、均等に近いかたちで増加させる等を考慮して、各層のヤング率を適宜選択すればよい。また、振動板が5層以上の層からなる場合においても、圧電体層に最も近い層を構成する材料の好ましい特性は上記のとおりであり、圧電体層から最も遠い層を構成する材料の好ましい特性は上記のとおりである。 The actuator of the second embodiment has been described above using an example in which the diaphragm is composed of three or four layers. In the case in which the diaphragm is composed of five or more layers, the Young's modulus of each layer may be appropriately selected taking into consideration the preferred range of Young's modulus for the entire diaphragm shown above, approximately 80 to 700 GPa, and the range of Young's modulus for the entire diaphragm calculated from Tables IV and V, 127 to 640 GPa, and also taking into consideration the balance of the increase in Young's modulus from the layer closest to the piezoelectric layer to the layer furthest from the piezoelectric layer, for example, an increase that is nearly uniform. In addition, even in the case in which the diaphragm is composed of five or more layers, the preferred characteristics of the material that constitutes the layer closest to the piezoelectric layer are as described above, and the preferred characteristics of the material that constitutes the layer furthest from the piezoelectric layer are as described above.

なお、第2の態様のアクチュエーの振動板を構成する各層は、層内でヤング率を圧電体層1に近い側の主面から遠い側の主面に向かって漸増するように変化させる構成であってもよい。その場合、例えば、振動板4Cを例にすると、第1層の圧電体層1に遠い側のヤング率は、第2層の圧電体層1に近い側のヤング率より小さく、第2層の圧電体層1に遠い側のヤング率は、第3層の圧電体層1に近い側のヤング率より小さく構成される。 The layers constituting the diaphragm of the actuator of the second embodiment may be configured so that the Young's modulus within the layer gradually increases from the main surface closer to the piezoelectric layer 1 toward the main surface farther from the piezoelectric layer 1. In that case, for example, in the case of diaphragm 4C, the Young's modulus of the first layer on the side farther from the piezoelectric layer 1 is smaller than the Young's modulus of the second layer on the side farther from the piezoelectric layer 1, and the Young's modulus of the second layer on the side farther from the piezoelectric layer 1 is smaller than the Young's modulus of the third layer on the side closer to the piezoelectric layer 1.

また、本発明のアクチュエータを、例えば、インクジェットヘッドに使用する場合、振動板における各層の少なくとも1つを室温で応力に対して脆性破壊を示す脆性材料によって構成することが好ましい。それにより、圧電体層1の機械的な変位エネルギーから大きな発生圧力を得ることが可能となる。脆性材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の酸化物や窒化シリコン等の窒化物からなる無機セラミックス材料や鋳鉄、タングステン等が挙げられる。 When the actuator of the present invention is used in, for example, an inkjet head, it is preferable that at least one of the layers in the diaphragm is made of a brittle material that exhibits brittle fracture when subjected to stress at room temperature. This makes it possible to obtain a large generated pressure from the mechanical displacement energy of the piezoelectric layer 1. Examples of brittle materials include inorganic ceramic materials made of oxides such as aluminum oxide and zirconium oxide, and nitrides such as silicon nitride, as well as cast iron and tungsten.

このような脆性材料からなる層を、上記第1の態様のアクチュエータ及び第2の態様のアクチュエータにおける振動板に、上記必須条件に適合するように、さらに必要に応じて任意の条件に適合するように組み入れることで、振動板を製造する際のプロセスの好適化とインク吐出の好適化が可能となる。 By incorporating a layer of such a brittle material into the diaphragm of the actuator of the first embodiment and the actuator of the second embodiment so as to meet the above essential conditions and, if necessary, any conditions, it becomes possible to optimize the process for manufacturing the diaphragm and optimize ink ejection.

本発明の第1の態様のアクチュエータは、例えば、以下の(1)~(6)の工程を有する方法で製造できる。 The actuator of the first aspect of the present invention can be manufactured, for example, by a method having the following steps (1) to (6).

(1)基板上に、第1の電極を形成する工程
ここで用いる基板は以下の(6)の工程で除去される。基板上への第1の電極の形成には、スパッタリング成膜等の気相成長法が利用可能である。
(2)第1の電極上に圧電体層を形成する工程
圧電体層の形成には、構成材料に応じて、スパッタリング成膜等の気相成長法、ゾルゲル法が利用可能である。
(1) Step of forming a first electrode on a substrate The substrate used here is removed in the following step (6). A vapor phase growth method such as sputtering deposition can be used to form the first electrode on the substrate.
(2) Step of forming a piezoelectric layer on the first electrode. To form the piezoelectric layer, a vapor phase growth method such as sputtering deposition or a sol-gel method can be used depending on the constituent material.

(3)配線部絶縁パターン層を形成する工程
続き形成される第2の電極と、第1の電極は、それぞれ、圧電体を挟んで活性化させる部分の他に、駆動回路へ延伸される配線を設ける必要がある。この配線部も、圧電体層を挟みこんでそれぞれ圧電体層の第1の面、第2の面に形成されることから、圧力室に対向した圧電体活性部以外の領域においては、配線に挟み込まれることによる圧電体の活性を防ぎ、また予期せぬ短絡を防ぐために、十分な厚さを有した絶縁パターン層が所望領域に設けられていることが好ましい。
(3) Process for forming wiring part insulating pattern layer The second electrode and the first electrode formed subsequently need to have wiring extending to the drive circuit in addition to the part that sandwiches the piezoelectric body and activates it. Since this wiring part is also formed on the first surface and the second surface of the piezoelectric layer, respectively, sandwiching the piezoelectric layer, in the region other than the piezoelectric activation part facing the pressure chamber, it is preferable that an insulating pattern layer having a sufficient thickness is provided in the desired region to prevent the piezoelectric body from being activated by being sandwiched between the wiring and to prevent unexpected short circuits.

この配線部絶縁パターン層は、例えば、感光性ポリイミド樹脂をはじめとする絶縁樹脂の塗布後、硬化前にパターン露光させ、選択的に硬化させることで得ることができる。なお、このような配線部絶縁パターン層を形成する工程にかわり、所望の第1電極との圧電体層との重なりを避けるべく第2電極に対して所望のパターニングを用いてもよい。以下は、配線部絶縁パターン層が設けられる場合にそって記述する。 This wiring insulation pattern layer can be obtained, for example, by applying an insulating resin such as a photosensitive polyimide resin, exposing the resin to light in a pattern before curing, and selectively curing the resin. Note that instead of the process of forming such a wiring insulation pattern layer, a desired patterning may be used for the second electrode to avoid overlapping of the desired first electrode with the piezoelectric layer. The following is a description of the case where a wiring insulation pattern layer is provided.

(4)圧電体層・配線部絶縁パターン層上に第2の電極を形成する工程
第2の電極の形成には、スパッタリング成膜等の気相成長法が利用可能である。
(4) Step of forming a second electrode on the piezoelectric layer and the wiring portion insulating pattern layer. The second electrode can be formed by a vapor phase growth method such as sputtering deposition.

(5)第2の電極上に振動板を形成する工程
振動板は互いに異なる材料から構成される3層以上からなる。振動板の各層は、第2の電極に近い側から遠ざかる方向に向かって順にヤング率が大きくなる積層順で形成される。振動板を構成する各層の形成は、当該層を構成する材料に応じて、電着法、スピンコート等の塗布成膜法、スパッタリング成膜等の気相成長法が利用可能である。
(6)基板を除去する工程
基材の除去には、ドライ・ウェットのエッチングが利用可能である。
(5) Step of forming a diaphragm on the second electrode The diaphragm is composed of three or more layers made of different materials. Each layer of the diaphragm is formed in a stacking order in which the Young's modulus increases from the side closer to the second electrode to the direction away from the second electrode. Each layer constituting the diaphragm can be formed by electrochemical deposition, coating deposition methods such as spin coating, or vapor deposition methods such as sputtering deposition, depending on the material constituting the layer.
(6) Step of Removing the Substrate Dry or wet etching can be used to remove the substrate.

さらに、第1の電極上に絶縁保護層を有する場合、通常、以下の工程を得て、第1の態様のアクチュエータが得られる。
(7)第1の電極をパターニングする工程
第1の電極をパターニングするには、レジストパターニング後ドライエッチングする方法が利用可能である。
(8)圧電体層をパターニングする工程
(7)の後さらに、圧電体層をパターニングするには、レジストパターニング後ドライエッチングする方法が利用可能である。
Furthermore, when an insulating protective layer is provided on the first electrode, the actuator of the first embodiment is usually obtained by the following steps.
(7) Step of Patterning the First Electrode To pattern the first electrode, a method of resist patterning followed by dry etching can be used.
(8) Step of Patterning the Piezoelectric Layer After (7), in order to further pattern the piezoelectric layer, a method of resist patterning followed by dry etching can be used.

(9)パターニングされた第1の電極の表面に絶縁保護層を形成する工程
絶縁保護層の形成には、スピンコート等の塗布成膜、スパッタリング成膜等の気相成長法が利用可能である。絶縁保護層の形成領域は、第1の電極及び圧電体層のパターンに応じて、第1の電極表面のみでなく圧電体層の表面におよぶこともある。
(9) Step of forming an insulating protection layer on the surface of the patterned first electrode The insulating protection layer can be formed by a coating method such as spin coating, or a vapor phase growth method such as sputtering. The insulating protection layer may be formed not only on the surface of the first electrode but also on the surface of the piezoelectric layer depending on the patterns of the first electrode and the piezoelectric layer.

本発明の第2の態様のアクチュエータは、例えば、上記第1の態様のアクチュエータを製造する工程において、(4)の工程を省略し、(5)の振動板の形成を圧電体層・配線部絶縁パターン層上に行う以外は上記と同様の方法で製造できる。ただし、第2の態様のアクチュエータにおける振動板は、圧電体層に最も近い側が導体層で構成され、導体層を含めて3層以上で構成され、導体層から圧電体層に遠い側の層に向かって順にヤング率が高くなる構成である。 The actuator of the second aspect of the present invention can be manufactured in the same manner as above, except that in the manufacturing process of the actuator of the first aspect, step (4) is omitted and the formation of the diaphragm of step (5) is performed on the piezoelectric layer and the wiring insulating pattern layer. However, the diaphragm in the actuator of the second aspect is configured such that the side closest to the piezoelectric layer is composed of a conductor layer, and the diaphragm is composed of three or more layers including the conductor layer, and the Young's modulus increases in the order from the conductor layer to the layer furthest from the piezoelectric layer.

[インクジェットヘッド]
本発明のインクジェットヘッドは、上記本発明のアクチュエータと、インクが充填され、前記アクチュエータが駆動されることにより前記インクの圧力が変化する圧力室と、前記アクチュエータが駆動されることにより前記圧力室に充填された前記インクを吐出するノズルと、を備える、ことを特徴とする。
[Inkjet head]
The inkjet head of the present invention is characterized by comprising: the actuator of the present invention; a pressure chamber filled with ink and in which the pressure of the ink changes when the actuator is driven; and a nozzle that ejects the ink filled in the pressure chamber when the actuator is driven.

図6は本発明のインクジェットヘッドの実施形態の一例の上面図である。図7は、図6に示すインクジェットヘッドのY-Y線に沿った断面図である。図8は図6に示すインクジェットヘッドのY-Y線に沿った拡大断面図である。なお、本発明のインクジェットヘッドはこれらに限定されるものではない。これらの図で示した本発明のインクジェットヘッドは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 Figure 6 is a top view of an example of an embodiment of an inkjet head of the present invention. Figure 7 is a cross-sectional view taken along line Y-Y of the inkjet head shown in Figure 6. Figure 8 is an enlarged cross-sectional view taken along line Y-Y of the inkjet head shown in Figure 6. Note that the inkjet head of the present invention is not limited to these. The inkjet head of the present invention shown in these figures can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

図6~図8に示すように、インクジェットヘッド100は、振動板4D上に、圧電体層1、第1の電極2及び絶縁保護層5のセットが複数配置されたアクチュエータ12Cと、平面視においてアクチュエータ12Cと同寸、同形の主面を有する本体基板51とノズル基板52を備える。 As shown in Figures 6 to 8, the inkjet head 100 includes an actuator 12C in which multiple sets of a piezoelectric layer 1, a first electrode 2, and an insulating protective layer 5 are arranged on a vibration plate 4D, and a main substrate 51 and a nozzle substrate 52 that have main surfaces of the same size and shape as the actuator 12C in a plan view.

本体基板51はインクを充填する圧力室70となる貫通部を有し、本体基板51の一方の主面にアクチュエータ12Cの振動板4D側が接合され、他方の主面にノズル基板52が接合されることでインクジェットヘッド100が構成されている。圧力室70は、本体基板51が有する貫通部の壁面S3とアクチュエータ12Cの振動板4Dの主面S4とノズル基板52の本体基板51に接合された側の主面S5とで形成される空間である。 The main substrate 51 has a through hole that becomes a pressure chamber 70 filled with ink, and the vibration plate 4D side of the actuator 12C is bonded to one main surface of the main substrate 51, and the nozzle substrate 52 is bonded to the other main surface to form the inkjet head 100. The pressure chamber 70 is a space formed by the wall surface S3 of the through hole in the main substrate 51, the main surface S4 of the vibration plate 4D of the actuator 12C, and the main surface S5 of the nozzle substrate 52 on the side bonded to the main substrate 51.

インクジェットヘッド100では、本体基板51の主面は矩形であり、圧力室70は、上面から見て(図6を参照)略円形である。圧力室70は、本体基板51の長辺に平行する2本の直線上に複数個(図6では各7個)が略等間隔に配置されている。 In the inkjet head 100, the main surface of the main substrate 51 is rectangular, and the pressure chambers 70 are generally circular when viewed from above (see FIG. 6). Multiple pressure chambers 70 (seven on each side in FIG. 6) are arranged at approximately equal intervals on two straight lines parallel to the long sides of the main substrate 51.

アクチュエータ12Cにおいて、圧電体層1は振動板4D上に、平面視で圧力室70の外周から略等距離間隔小さい相似形状(略円形)により形成されている。複数の圧電体層1の第1の主面S1上には、第1の主面S1と同寸、同形の主面を有する第1の電極2及び絶縁保護層5がそれぞれ積層されている。アクチュエータ12Cは本発明の第2の態様のアクチュエータに相当し、アクチュエータ12Cが有する圧電体層1、第1の電極2、絶縁保護層5及び振動板4Dは、アクチュエータ12Bが有する圧電体層1、第1の電極2、絶縁保護層5及び振動板4Dとそれぞれ同様の構成とすることができる。 In actuator 12C, the piezoelectric layer 1 is formed on vibration plate 4D in a similar shape (approximately circular) that is approximately equidistant from the outer periphery of pressure chamber 70 in plan view. A first electrode 2 and an insulating protective layer 5 having a main surface of the same size and shape as the first main surface S1 are laminated on the first main surface S1 of the multiple piezoelectric layers 1. Actuator 12C corresponds to the actuator of the second aspect of the present invention, and the piezoelectric layer 1, first electrode 2, insulating protective layer 5, and vibration plate 4D of actuator 12C can be configured similarly to the piezoelectric layer 1, first electrode 2, insulating protective layer 5, and vibration plate 4D of actuator 12B.

ノズル基板52は、各圧力室70に対応して、圧力室70を臨む主面S5から主面S5の反対側の主面S6に貫通するノズル60を有する。 The nozzle substrate 52 has nozzles 60 that correspond to each pressure chamber 70 and penetrate from the main surface S5 that faces the pressure chamber 70 to the main surface S6 on the opposite side of the main surface S5.

インクジェットヘッド100の圧力室70にはインクが充填されている。印刷時には、アクチュエータ12Cに電圧が印加され振動板4Dがノズル基板52方向に曲率を有するように変位する。これにより圧力室70内のインクは、圧力が高められ、ノズル60から吐出される。 The pressure chamber 70 of the inkjet head 100 is filled with ink. During printing, a voltage is applied to the actuator 12C, displacing the vibration plate 4D so that it has a curvature toward the nozzle substrate 52. This increases the pressure of the ink in the pressure chamber 70, causing it to be ejected from the nozzle 60.

本発明のインクジェットヘッドにおいては、本発明のアクチュエータが高い変位効率を有することから、インクの吐出を効率よく行うことができる。 In the inkjet head of the present invention, the actuator of the present invention has high displacement efficiency, so ink can be ejected efficiently.

本発明のインクジェットヘッドは、例えば、以下の(11)及び(12)の工程を有する方法で製造できる。 The inkjet head of the present invention can be manufactured, for example, by a method including the following steps (11) and (12).

(11)アクチュエータに圧力室を形成する工程
圧力室をアクチュエータに積層形成する手段は、パターニングされた圧力室用の本体基板(板状圧力室部材)をアクチュエータの振動板面にアライメントし、接合・接着するなどの方法が可能である。
(11) Step of forming pressure chambers in actuator Possible means for laminating and forming pressure chambers in the actuator include aligning a patterned main body substrate for the pressure chambers (plate-shaped pressure chamber member) with the diaphragm surface of the actuator and bonding/adhering the same.

この他に、後述する実施例のように、振動板の圧力室に接する最表層を、圧力室用の本体基板を形成する素材の主成分と同一の組成からなる金属で形成する場合には、圧力室用の本体基板(板状圧力室部材)を、アクチュエータの振動板側の面において直接メッキさせて(電鋳)得ることができる。具体的には、振動板の最表層の金属層をメッキのシード層とし、表面に圧力室パターンのネガパターンをフォトレジストにて形成したうえで電気メッキを実施し、レジストを除去することで、圧力室の壁面に相当する構造(圧力室用の本体基板)を、アクチュエータに直接加工することができる。このようにして形成された圧力室は寸法精度や硬度において好ましい。 In addition, as in the embodiment described below, when the outermost layer of the diaphragm that contacts the pressure chamber is formed from a metal having the same composition as the main component of the material forming the main body substrate for the pressure chamber, the main body substrate for the pressure chamber (plate-shaped pressure chamber member) can be obtained by directly plating (electroforming) the surface of the actuator facing the diaphragm. Specifically, the metal layer of the outermost layer of the diaphragm is used as a seed layer for plating, a negative pattern of the pressure chamber pattern is formed on the surface with photoresist, electroplating is performed, and the resist is removed, so that a structure equivalent to the wall surface of the pressure chamber (main body substrate for the pressure chamber) can be directly processed into the actuator. The pressure chamber formed in this way has favorable dimensional accuracy and hardness.

(12)ノズルを有するノズル基板を、アクチュエータを備えた圧力室用の本体基板に合一させる工程
ノズル基板を、アクチュエータを備えた圧力室用の本体基板に接合・接着する。必要に応じて、ノズル基板のノズルに連通する流路を備えた流路基板を圧力室用の本体基板とノズル基板の間に設けてもよい。その場合、ノズル基板と流路基板を相互に接合・接着し、さらにアクチュエータを備えた圧力室用の本体基板に接合・接着する。
(12) A process of merging a nozzle substrate having a nozzle with a main substrate for a pressure chamber equipped with an actuator The nozzle substrate is bonded and adhered to a main substrate for a pressure chamber equipped with an actuator. If necessary, a flow path substrate having a flow path communicating with the nozzle of the nozzle substrate may be provided between the main substrate for the pressure chamber and the nozzle substrate. In this case, the nozzle substrate and the flow path substrate are bonded and adhered to each other, and are further bonded and adhered to a main substrate for a pressure chamber equipped with an actuator.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例において「部」あるいは「%」の表示を用いるが、特に断りがない限り「質量部」あるいは「質量%」を表す。 The present invention will be specifically explained below with reference to examples, but the present invention is not limited to these. In the examples, the terms "parts" and "%" are used, but unless otherwise specified, they represent "parts by mass" or "% by mass."

[実施例1]
表VIに示す構成の第1の態様のアクチュエータIを以下の方法により作製した。なお、表VIは圧力室に対応する、圧電体層の活性部について示している。以下、表VII~表XI及び表XIIIについても同様である。いずれの場合も、圧電層の非活性部(圧力室の隔壁に対応する)においては、異なる要素が積層されている場合がある。
[Example 1]
Actuator I of the first embodiment having the configuration shown in Table VI was fabricated by the following method. Table VI shows the active parts of the piezoelectric layer that correspond to the pressure chambers. The same applies to Tables VII to XI and XIII below. In any case, different elements may be laminated in the inactive parts of the piezoelectric layer (corresponding to the partition walls of the pressure chambers).

アクチュエータIは、図1に示すアクチュエータ11Aにおいて第1の電極2上に絶縁保護層を有する積層構成である。ただし、図1においては、配線部絶縁パターン層の図示は省略されている。 Actuator I has a laminated structure with an insulating protective layer on the first electrode 2 in actuator 11A shown in FIG. 1. However, the wiring insulating pattern layer is omitted in FIG. 1.

第1の電極は、Ptターゲットを用い、基板を600℃に加熱しながら1Paのアルゴンガス中において200Wの高周波電力で12分間形成することにより得た。 The first electrode was obtained by using a Pt target and forming the electrode in argon gas at 1 Pa with 200 W high-frequency power for 12 minutes while heating the substrate to 600°C.

圧電体層は、多元スパッタ装置を用いて作製した。ターゲットには、化学量論組成よりPb量の多いPZT(Zr/Ti=53/47、Pbが20モル%過剰)の焼結体ターゲットを用いた。真空中であらかじめヒーターにより基板加熱を行い、基板温度580℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O=15:5)において、真空度0.3Pa、高周波電力250Wの条件で180分間形成することにより圧電体層を得た。 The piezoelectric layer was fabricated using a multi-target sputtering device. A sintered PZT target (Zr/Ti=53/47, 20 mol% excess Pb) with a larger Pb content than the stoichiometric composition was used as the target. The substrate was preheated in a vacuum using a heater, and the piezoelectric layer was formed for 180 minutes at a substrate temperature of 580° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio Ar:O 2 =15:5) with a vacuum degree of 0.3 Pa and a high-frequency power of 250 W.

次いで、圧電体層の非活性部において第1の電極と第2の電極を絶縁する配線部絶縁パターン層を、感光性ポリイミド樹脂(パイメル(製品名、旭化成社製)をスピンコート法で塗布し、フォトレジストで選択的硬化パターニングを施すことで、圧力室に対応する圧電体層の活性部以外の領域に設けた。 Next, a wiring insulating pattern layer that insulates the first electrode from the second electrode in the inactive part of the piezoelectric layer was formed in the area other than the active part of the piezoelectric layer corresponding to the pressure chamber by applying a photosensitive polyimide resin (Pimel (product name, manufactured by Asahi Kasei Corporation) by spin coating and performing selective hardening patterning with a photoresist.

第2の電極は、Auターゲットを用いて、室温において1Paのアルゴンガス中、100Wの高周波電力で10分間形成することにより得た。 The second electrode was obtained by forming it using an Au target at room temperature in argon gas at 1 Pa with a high-frequency power of 100 W for 10 minutes.

振動板における、第1層を、窒化ケイ素(以下、「SiN」で示す。)ターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で90分間形成することにより得た。振動板における、第2層を、窒化アルミニウム(以下、「AlN」で示す。)ターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で55分間形成することにより得た。振動板における、第3層を、窒化チタン(以下、「TiN」で示す。)ターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で90分間形成することにより得た。 The first layer of the diaphragm was obtained by forming it with a silicon nitride (hereinafter referred to as "SiN") target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high frequency power of 250 W for 90 minutes. The second layer of the diaphragm was obtained by forming it with an aluminum nitride (hereinafter referred to as "AlN") target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high frequency power of 250 W for 55 minutes. The third layer of the diaphragm was obtained by forming it with a titanium nitride (hereinafter referred to as "TiN") target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high frequency power of 250 W for 90 minutes.

絶縁保護層を、感光性ポリイミド樹脂(パイメル(製品名、旭化成社製)、表中、「PI」と記載した。)を用いて、スピンコート法及び紫外線照射により得た。 The insulating protective layer was obtained by spin coating and ultraviolet irradiation using a photosensitive polyimide resin (Pimel (product name, manufactured by Asahi Kasei Corporation), indicated as "PI" in the table).

Figure 0007585690000006
Figure 0007585690000006

[実施例2]
表VIIに示す構成の第1の態様のアクチュエータIIを以下の方法により作製した。アクチュエータIIは、図2に示すアクチュエータ11Bにおいて振動板の積層数を5層とした以外、アクチュエータ11Bと同様の積層構成である。ただし、図2においては、配線部絶縁パターン層の図示は省略されている。
[Example 2]
The actuator II of the first embodiment having the configuration shown in Table VII was fabricated by the following method. The actuator II has the same layered configuration as the actuator 11B shown in Fig. 2, except that the number of layers of the diaphragm in the actuator 11B is five. However, in Fig. 2, the wiring portion insulating pattern layer is omitted.

アクチュエータIIにおける第1の電極、圧電体層、配線部絶縁パターン層及び第2の電極は、アクチュエータIと同様に作製した。 The first electrode, piezoelectric layer, wiring insulation pattern layer, and second electrode of Actuator II were fabricated in the same manner as Actuator I.

振動板における、第1層を感光性ポリイミド樹脂(パイメル(製品名、旭化成社製)、表中、「PI」と記載した。)を用いて、スピンコート法及び紫外線照射により得た。振動板における、第2層を、SiOターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で90分間形成することにより得た。 The first layer of the diaphragm was obtained by spin coating and ultraviolet irradiation using a photosensitive polyimide resin (Pimel (product name, manufactured by Asahi Kasei Corporation), indicated as "PI" in the table). The second layer of the diaphragm was obtained by forming the layer using a SiO2 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W for 90 minutes.

振動板における、第3層を、ZrOターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で80分間形成することにより得た。振動板における、第4層を、MgOターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で100分間形成することにより得た。振動板における、第5層を、Alターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で40分間形成することにより得た。 The third layer of the diaphragm was obtained by forming it for 80 minutes using a ZrO2 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W. The fourth layer of the diaphragm was obtained by forming it for 100 minutes using a MgO target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W. The fifth layer of the diaphragm was obtained by forming it for 40 minutes using an Al2O3 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W.

基板をプラズマエッチング法により除去し、絶縁保護層を、アクチュエータIと同様に作製した。 The substrate was removed by plasma etching, and an insulating protective layer was fabricated in the same manner as for actuator I.

Figure 0007585690000007
Figure 0007585690000007

[実施例3]
表VIIIに示す構成の第2の態様のアクチュエータIIIを以下の方法により作製した。アクチュエータIIIは、図5に示すアクチュエータ12Bと同様の積層構成である。ただし、図5においては、配線部絶縁パターン層の図示は省略されている。
[Example 3]
The actuator III of the second embodiment having the configuration shown in Table VIII was fabricated by the following method. The actuator III has the same layered structure as the actuator 12B shown in Fig. 5. However, in Fig. 5, the wiring portion insulating pattern layer is omitted.

アクチュエータIIIにおける第1の電極、圧電体層及び配線部絶縁パターン層は、アクチュエータIと同様に作製した。 The first electrode, piezoelectric layer, and wiring insulating pattern layer in actuator III were fabricated in the same manner as actuator I.

振動板における、第1層を、Cuターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、200Wの高周波電力で50分間形成することにより得た。振動板における、第2層を、Crターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、200Wの高周波電力で55分間形成することにより得た。 The first layer of the diaphragm was obtained by forming it with a Cu target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 200 W for 50 minutes. The second layer of the diaphragm was obtained by forming it with a Cr target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 200 W for 55 minutes.

振動板における、第3層を、AlNターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で40分間形成することにより得た。振動板における、第4層を、Alターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で100分間形成することにより得た。 The third layer of the diaphragm was obtained by forming it for 40 minutes using an AlN target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W. The fourth layer of the diaphragm was obtained by forming it for 100 minutes using an Al2O3 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W.

基板をプラズマエッチング法により除去し、絶縁保護層を、アクチュエータIと同様に作製した。 The substrate was removed by plasma etching, and an insulating protective layer was fabricated in the same manner as for actuator I.

Figure 0007585690000008
Figure 0007585690000008

[実施例4]
表IXに示す構成の第2の態様のアクチュエータIVを以下の方法により作製した。アクチュエータIVは、図5に示すアクチュエータ12Bと同様の積層構成である。ただし、図5においては、配線部絶縁パターン層の図示は省略されている。
[Example 4]
Actuator IV of the second embodiment having the configuration shown in Table IX was fabricated by the following method. Actuator IV has the same layered structure as actuator 12B shown in Fig. 5. However, in Fig. 5, the wiring portion insulating pattern layer is omitted.

アクチュエータIVにおける第1の電極、圧電体層及び配線部絶縁パターン層は、アクチュエータIと同様に作製した。 The first electrode, piezoelectric layer, and wiring insulating pattern layer of actuator IV were fabricated in the same manner as actuator I.

振動板における、第1層を、Pdターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、200Wの高周波電力で30分間形成することにより得た。振動板における、第2層を、Crターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で50分間形成することにより得た。 The first layer on the diaphragm was obtained by forming it with a Pd target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa and high-frequency power of 200 W for 30 minutes. The second layer on the diaphragm was obtained by forming it with a Cr target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa and high-frequency power of 250 W for 50 minutes.

振動板における、第3層を、AlNターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で55分間形成することにより得た。振動板における、第4層を、Alターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で100分間形成することにより得た。 The third layer of the diaphragm was obtained by forming it for 55 minutes using an AlN target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high frequency power of 250 W. The fourth layer of the diaphragm was obtained by forming it for 100 minutes using an Al2O3 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high frequency power of 250 W.

基板をプラズマエッチング法により除去し、絶縁保護層を、アクチュエータIと同様に作製した。 The substrate was removed by plasma etching, and an insulating protective layer was fabricated in the same manner as for actuator I.

Figure 0007585690000009
Figure 0007585690000009

[比較例1]
表Xに示す構成の比較例のアクチュエータCf-Iを以下の方法により作製した。アクチュエータCf-Iにおける第1の電極、圧電体層、配線部絶縁パターン層及び第2の電極は、アクチュエータIと同様に作製した。
[Comparative Example 1]
Comparative actuator Cf-I having the configuration shown in Table X was fabricated by the following method. The first electrode, piezoelectric layer, wiring portion insulating pattern layer, and second electrode of actuator Cf-I were fabricated in the same manner as actuator I.

振動板における、第1層を、TiNターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で90分間形成することにより得た。振動板における、第2層を、AlNターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で55分間形成することにより得た。振動板における、第3層を、SiNターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で90分間形成することにより得た。 The first layer on the diaphragm was obtained by forming it with a TiN target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W for 90 minutes. The second layer on the diaphragm was obtained by forming it with an AlN target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W for 55 minutes. The third layer on the diaphragm was obtained by forming it with a SiN target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W for 90 minutes.

基板をプラズマエッチング法により除去し、絶縁保護層を、アクチュエータIと同様に作製した。 The substrate was removed by plasma etching, and an insulating protective layer was fabricated in the same manner as for actuator I.

Figure 0007585690000010
Figure 0007585690000010

[比較例2]
表XIに示す構成の比較例のアクチュエータCf-IIを以下の方法により作製した。アクチュエータCf-IIにおける第1の電極、圧電体層、配線部絶縁パターン層及び第2の電極は、アクチュエータIと同様に作製した。
[Comparative Example 2]
Comparative actuator Cf-II having the configuration shown in Table XI was fabricated by the following method. The first electrode, the piezoelectric layer, the wiring insulating pattern layer, and the second electrode of actuator Cf-II were fabricated in the same manner as actuator I.

振動板における、第1層を、Alターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で42分間形成することにより得た。振動板における、第2層を、SiOターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で90分間形成することにより得た。振動板における、第3層を、ZrOターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で80分間形成することにより得た。振動板における、第4層を、MgOターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で105分間形成することにより得た。 The first layer of the diaphragm was obtained by forming it for 42 minutes using an Al2O3 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W. The second layer of the diaphragm was obtained by forming it for 90 minutes using a SiO2 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W. The third layer of the diaphragm was obtained by forming it for 80 minutes using a ZrO2 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W. The fourth layer of the diaphragm was obtained by forming it for 105 minutes using an MgO target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa with a high-frequency power of 250 W.

基板をプラズマエッチング法により除去し、絶縁保護層を、アクチュエータIと同様に作製した。 The substrate was removed by plasma etching, and an insulating protective layer was fabricated in the same manner as for actuator I.

Figure 0007585690000011
Figure 0007585690000011

[変位量の評価(1)]
上記で作製した実施例及び比較例のアクチュエータは、上記アクチュエータをインクジェットヘッドに組み込んで使用する際の同一の想定駆動周波数と、インクを充填した際のアクチュエータ振動板の固有振動数が一致するように設計されている。変位量の評価は、アクチュエータ単体に、ヘッド駆動周波数をインクが充填されていない系に補正した補正共振周波数からなる駆動電圧を印加し、その際のアクチュエータの微小な変位量[nm]をレーザードップラー振動計で直接に測定することで比較した。
[Evaluation of Displacement Amount (1)]
The actuators of the examples and comparative examples prepared above are designed so that the assumed driving frequency when the actuator is incorporated into an inkjet head and used is equal to the natural frequency of the actuator diaphragm when filled with ink. The displacement amount was evaluated by applying a driving voltage consisting of a corrected resonance frequency obtained by correcting the head driving frequency to a system not filled with ink to the actuator alone, and directly measuring the minute displacement amount [nm] of the actuator at that time with a laser Doppler vibrometer.

具体的には、全アクチュエータの変位量[nm]の平均(水準間平均)に対する各アクチュエータの変位量の増大%を以下の式(I)で求め、以下の評価基準で評価した。結果を表XIIに示す。
式(I) (変位量-変位量の平均)/変位量の平均×100
Specifically, the percentage increase in the displacement of each actuator relative to the average (average between levels) of the displacements [nm] of all actuators was calculated using the following formula (I), and the results were evaluated according to the following criteria. The results are shown in Table XII.
Formula (I) (displacement amount-average of displacement amount)/average of displacement amount×100

(評価基準)
◎:5%以上
〇:0%以上5%未満
×:0%未満(マイナス)
(Evaluation Criteria)
◎: 5% or more 〇: 0% or more but less than 5% ×: Less than 0% (negative)

Figure 0007585690000012
Figure 0007585690000012

表XIIから分かるように、本発明の実施例はいずれも同じ駆動周波数条件において、比較例に対し優れた変位特性を示した。 As can be seen from Table XII, all of the examples of the present invention showed superior displacement characteristics compared to the comparative examples under the same driving frequency conditions.

[実施例5]
さらに、実施例で示したアクチュエータIVを例にとり、本発明のアクチュエータにおいて、振動板の第1層に白金族金属を用いた構成が圧電体の劣化を低減させることを以下のとおり評価した。
[Example 5]
Furthermore, using actuator IV shown in the embodiment as an example, it was evaluated as follows that the use of a platinum group metal in the first layer of the diaphragm in the actuator of the present invention reduces the deterioration of the piezoelectric body.

アクチュエータIVと比較するためアクチュエータIVにおいて、振動板の第1層の構成材料をPdからTiに変更したアクチュエータVを以下のように作製した。さらに、この構成の相違がアクチュエータの還元性劣化に与える影響を評価した。 To compare with Actuator IV, Actuator V was fabricated as follows, in which the material of the first layer of the diaphragm in Actuator IV was changed from Pd to Ti. Furthermore, the effect of this difference in structure on the reduction degradation of the actuator was evaluated.

なお、PdとTiは、ヤング率が比較的近く(Pd:121GPa、Ti:116GPa)、電気抵抗率も同程度(バルクの抵抗率はどちらも100nΩ・mのオーダーであり、Pd:105nΩ・m、Ti:420nΩ・m)であることから、第2の態様のアクチュエータにおける1層目を導体とした振動板の構成材料としては、基本機能においてほぼ等価な材料であるが、白金族金属に類されるパラジウムと、チタン族に類されるチタンでは標準電極電位に相違がある(Pd:+0.987V、Ti:-1.630V)。 The Young's modulus of Pd and Ti are relatively close (Pd: 121 GPa, Ti: 116 GPa) and the electrical resistivity is also similar (bulk resistivity is on the order of 100 nΩ·m for both, Pd: 105 nΩ·m, Ti: 420 nΩ·m), so they are essentially equivalent materials in terms of basic function when used as materials for the diaphragm, the first layer of which is a conductor in the actuator of the second embodiment. However, there is a difference in the standard electrode potential between palladium, which is a platinum group metal, and titanium, which is a titanium group metal (Pd: +0.987 V, Ti: -1.630 V).

具体的には、表XIIIに示す構成の第2の態様のアクチュエータVを以下の方法により作製した。アクチュエータVは、図5に示すアクチュエータ12Bと同様の積層構成である。ただし、図5においては、配線部絶縁パターン層の図示は省略されている。 Specifically, the actuator V of the second embodiment having the configuration shown in Table XIII was fabricated by the following method. The actuator V has the same layered structure as the actuator 12B shown in FIG. 5. However, in FIG. 5, the wiring portion insulating pattern layer is omitted.

アクチュエータVにおける第1の電極、圧電体層及び配線部絶縁パターン層は、アクチュエータIと同様に作製した。 The first electrode, piezoelectric layer, and wiring insulation pattern layer of actuator V were fabricated in the same manner as actuator I.

振動板における、第1層を、Tiターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、200Wの高周波電力で30分間形成することにより得た。振動板における、第2層を、Crターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で50分間形成することにより得た。振動板における、第3層を、AlNターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で55分間形成することにより得た。振動板における、第4層を、Alターゲットを用いて、室温において0.5Paのアルゴンガス中、250Wの高周波電力で100分間形成することにより得た。 The first layer of the diaphragm was obtained by forming it with a Ti target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa and high frequency power of 200 W for 30 minutes. The second layer of the diaphragm was obtained by forming it with a Cr target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa and high frequency power of 250 W for 50 minutes. The third layer of the diaphragm was obtained by forming it with an AlN target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa and high frequency power of 250 W for 55 minutes. The fourth layer of the diaphragm was obtained by forming it with an Al2O3 target at room temperature in argon gas at 0.5 Pa and high frequency power of 250 W for 100 minutes.

基板をプラズマエッチング法により除去し、絶縁保護層を、アクチュエータIと同様に作製した。 The substrate was removed by plasma etching, and an insulating protective layer was fabricated in the same manner as for actuator I.

Figure 0007585690000013
Figure 0007585690000013

[変位量の評価(2)]
アクチュエータIV及びアクチュエータVに所定の電圧を印加した際の変位量を、上記変位量の評価(1)の方法と同様のレーザードップラー振動計による直接測定で評価した。結果を、表XIVに示す。第2の態様のアクチュエータにおける振動板の構成材料としてほぼ等価な材料であり、アクチュエータIV及びアクチュエータVはともに、振動板を構成する全層のヤング率が好ましい範囲で形成されていることから、ともに良好な変位を示した。
[Evaluation of Displacement Amount (2)]
The amount of displacement when a predetermined voltage was applied to Actuator IV and Actuator V was evaluated by direct measurement using a laser Doppler vibrometer similar to the method for evaluating the amount of displacement (1) above. The results are shown in Table XIV. The materials used are almost equivalent as the materials for the diaphragm in the actuator of the second embodiment, and both Actuator IV and Actuator V were formed with the Young's modulus of all layers constituting the diaphragm within a preferred range, so both showed good displacement.

Figure 0007585690000014
Figure 0007585690000014

[耐熱性の評価]
アクチュエータIV、及び振動板の第1層をTiに置き換えたアクチュエータVを、それぞれ60℃の条件下に留置し、パルス電圧(15V印加、デューティ比0.2、周波数100kHz)を連続印加し、耐久性試験を行った。
[Evaluation of heat resistance]
Actuator IV and actuator V in which the first layer of the diaphragm was replaced with Ti were each placed under a condition of 60° C., and a pulse voltage (15 V applied, duty ratio 0.2, frequency 100 kHz) was continuously applied to perform a durability test.

耐久性の評価は、一定時間ののちにアクチュエータを取り出し、アクチュエータをコンデンサとみなした場合の静電容量を、LCR測定によって比較した。結果を表XVに示す。 To evaluate durability, the actuator was removed after a certain period of time, and the capacitance of the actuator was compared using LCR measurements when it was treated as a capacitor. The results are shown in Table XV.

10時間を超える時系列データのすべてにおいて、振動板と圧電体層の境界に位置する振動板第1層に、白金族金属であるPdが用いられているアクチュエータIVの静電容量の低下率は、振動板と圧電体層の境界に位置する振動板第1層に、チタン族であるTiが用いられているアクチュエータVの低下率を下回っていた。 In all time series data exceeding 10 hours, the rate of decrease in capacitance of Actuator IV, in which Pd, a platinum group metal, is used in the first diaphragm layer located at the boundary between the diaphragm and the piezoelectric layer, was lower than the rate of decrease in capacitance of Actuator V, in which Ti, a titanium group metal, is used in the first diaphragm layer located at the boundary between the diaphragm and the piezoelectric layer.

静電容量の低下は、電極に挟まれた誘電体である圧電体の誘電率が見かけのうえで低下したことを示すことから、耐久性試験を通してより静電容量が低下したアクチュエータVでは、圧電体の電極に近接した領域において、圧電体から振動板第1層のTi層に酸素が引き抜かれ、わずかながら導電性が高まった領域が形成された結果とみられる。 The decrease in capacitance indicates an apparent decrease in the dielectric constant of the piezoelectric body, which is a dielectric material sandwiched between the electrodes. Therefore, in actuator V, which showed a greater decrease in capacitance through durability testing, oxygen was extracted from the piezoelectric body to the Ti layer of the first diaphragm layer in the area close to the electrodes of the piezoelectric body, resulting in the formation of an area with slightly increased conductivity.

しかしながら、アクチュエータIVは振動板と圧電体層の境界に位置する振動板第1層に、白金族金属であるPdが用いられていることから、圧電体と振動板との界面・層間における酸素の拡散が抑えられ、圧電体層の還元性劣化を抑制することができており、リーク電流のおそれをはじめとするアクチュエータとしての信頼性が高まることから、第2の態様のアクチュエータにおいて、振動板の第1層が白金族金属を含む場合、圧電体の還元性劣化を防ぐことができるという点でより好ましいことが確認された。 However, in actuator IV, Pd, a platinum group metal, is used in the first diaphragm layer located at the boundary between the diaphragm and the piezoelectric layer. This suppresses the diffusion of oxygen at the interface and between the layers of the piezoelectric and diaphragm, suppressing reductive deterioration of the piezoelectric layer and increasing the reliability of the actuator, including the risk of leakage current. Therefore, it has been confirmed that in the actuator of the second embodiment, when the first layer of the diaphragm contains a platinum group metal, it is more preferable in that reductive deterioration of the piezoelectric can be prevented.

Figure 0007585690000015
Figure 0007585690000015

11A、11B 第1の態様のアクチュエータ
12A、12B、12C 第2の態様のアクチュエータ
1 圧電体層
2 第1の電極
3 第2の電極
4A、4B、4C、4D 振動板
41a、41b 第1層
42a、42b 第2層
43a、43b 第3層
44a、44b 第4層
5 絶縁保護層
6 基板
7 貫通部
8 駆動回路
100 インクジェットヘッド
70 圧力室
51 本体基板
52 ノズル基板
60 ノズル
Reference Signs List 11A, 11B Actuator of first embodiment 12A, 12B, 12C Actuator of second embodiment 1 Piezoelectric layer 2 First electrode 3 Second electrode 4A, 4B, 4C, 4D Vibration plate 41a, 41b First layer 42a, 42b Second layer 43a, 43b Third layer 44a, 44b Fourth layer 5 Insulating protective layer 6 Substrate 7 Penetration portion 8 Driving circuit 100 Inkjet head 70 Pressure chamber 51 Main body substrate 52 Nozzle substrate 60 Nozzle

Claims (7)

第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面及び前記第2の主面にそれぞれ配置された第1の電極及び第2の電極と、前記第2の電極の前記圧電体層とは反対側に配置された振動板とを備えるアクチュエータであって、
前記振動板が、互いに異なる材料から構成される少なくとも3つの層が厚さ方向に積層されてなり、かつ
前記振動板において前記各層を構成する材料のヤング率が、前記第2の電極に近い側の層から遠い側の層に向かって順に高くなるように構成され、前記3つの層を、前記圧電体層の前記第2の主面から前記圧電体層に遠い側の層に向かって、第1層、第2層、及び第3層とし、前記第1層を構成する材料のヤング率をY 41a 、前記第2層を構成する材料のヤング率をY 42a 、及び前記第3層を構成する材料のヤング率をY 43a とした場合に、前記ヤング率Y 41a 、Y 42a 及びY 43a が、下記(1a-2)~(1a-4)の関係を満たすことを特徴とするアクチュエータ。
(1a-2)10GPa≦Y 41a
(1a-3)1.05≦Y 42a /Y 41a ≦4.0
(1a-4)1.05≦Y 43a /Y 42a ≦4.0
An actuator comprising: a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface; a first electrode and a second electrode disposed on the first main surface and the second main surface of the piezoelectric layer, respectively; and a vibration plate disposed on an opposite side of the second electrode to the piezoelectric layer,
an actuator, characterized in that the vibration plate is formed by laminating at least three layers made of different materials in a thickness direction, and the Young's modulus of the materials constituting each of the vibration plate layers increases in order from the layer closer to the second electrode to the layer furthest from the second electrode, the three layers being a first layer, a second layer and a third layer from the second main surface of the piezoelectric layer to the layer furthest from the piezoelectric layer, and the Young's modulus of the material constituting the first layer is Y41a , the Young's modulus of the material constituting the second layer is Y42a , and the Young's modulus of the material constituting the third layer is Y43a , the Young's modulus Y41a , Y42a and Y43a satisfy the following relationships (1a-2) to (1a-4) .
(1a-2) 10GPa≦Y 41a
(1a-3) 1.05≦Y 42a /Y 41a ≦4.0
(1a-4) 1.05≦Y 43a /Y 42a ≦4.0
第1の主面と第2の主面を有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第1の主面に配置された第1の電極と、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された振動板とを備えるアクチュエータであって、
前記振動板は、前記圧電体層の前記第2の主面に配置された導体層と、前記導体層の前記圧電体層とは反対側に厚さ方向に積層された、前記導体層を構成する材料とはそれぞれ異なる材料から構成される少なくともつの層を有し、
前記振動板において前記導体層及び前記各層を構成する材料のヤング率が、前記導体層から前記圧電体層に遠い側の層に向かって順に高くなるように構成され、前記導体層及び前記3つの層を、前記圧電体層の前記第2の主面から前記圧電体層に遠い側の層に向かって、第1層、第2層、第3層、及び第4層として、前記第1層を構成する材料のヤング率をY 41b 、前記第2層を構成する材料のヤング率をY 42b 、前記第3層を構成する材料のヤング率をY 43b 、前記第4層を構成する材料のヤング率をY 44b とした場合に、前記ヤング率Y 41b 、Y 42b 、Y 43b 、及びY 44b が、下記(2b-2)~(2b-5)の関係を満たすことを特徴とするアクチュエータ。
(2b-2)10GPa≦Y 41b
(2b-3)1.05≦Y 42b /Y 41b ≦4.0
(2b-4)1.05≦Y 43b /Y 42b ≦4.0
(2b-5)1.05≦Y 44b /Y 43b ≦4.0
An actuator comprising: a piezoelectric layer having a first main surface and a second main surface; a first electrode disposed on the first main surface of the piezoelectric layer; and a vibration plate disposed on the second main surface of the piezoelectric layer,
the vibration plate has a conductor layer disposed on the second main surface of the piezoelectric layer, and at least three layers stacked in a thickness direction on a side of the conductor layer opposite to the piezoelectric layer, the layers being made of a material different from the material constituting the conductor layer;
an actuator comprising: a diaphragm configured such that the Young's modulus of materials constituting the conductor layer and each of the layers increases in that order from the conductor layer toward the layer furthest from the piezoelectric layer; the conductor layer and the three layers are, from the second main surface of the piezoelectric layer toward the layer furthest from the piezoelectric layer, a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer; a Young's modulus of a material constituting the first layer is Y41b ; a Young's modulus of a material constituting the second layer is Y42b ; a Young's modulus of a material constituting the third layer is Y43b ; and a Young's modulus of a material constituting the fourth layer is Y44b ; the Young's modulus Y41b , Y42b , Y43b , and Y44b satisfy the following relationships (2b-2) to (2b-5) .
(2b-2) 10GPa≦Y 41b
(2b-3) 1.05≦Y 42b /Y 41b ≦4.0
(2b-4) 1.05≦Y 43b /Y 42b ≦4.0
(2b-5) 1.05≦Y 44b /Y 43b ≦4.0
前記振動板の前記圧電体層に最も近い層を構成する材料が、前記圧電体層における還元反応を抑制する材料であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the material constituting the layer of the vibration plate closest to the piezoelectric layer is a material that suppresses a reduction reaction in the piezoelectric layer. 前記還元反応を抑制する材料が、標準電極電位が-0.126Vよりも大きい金属、又は前記金属を含有する導電性材料であることを特徴とする請求項3に記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 3, characterized in that the material that inhibits the reduction reaction is a metal whose standard electrode potential is greater than -0.126 V, or a conductive material that contains the metal. 前記還元反応を抑制する材料が、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム及びルテニウムから選ばれる白金族金属、又は前記白金族金属を含有する導電性材料であることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 3 or 4, characterized in that the material that inhibits the reduction reaction is a platinum group metal selected from platinum, iridium, palladium, rhodium, and ruthenium, or a conductive material containing the platinum group metal. 前記振動板の前記圧電体層から最も遠い層を構成する材料が、主としてクロム又はニッケルであることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のアクチュエータ。 An actuator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the material constituting the layer of the diaphragm farthest from the piezoelectric layer is mainly chromium or nickel. 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のアクチュエータと、
インクが充填され、前記アクチュエータが駆動されることにより前記インクの圧力が変化する圧力室と、
前記アクチュエータが駆動されることにより前記圧力室に充填された前記インクを吐出するノズルと、を備える、
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
An actuator according to any one of claims 1 to 6;
a pressure chamber filled with ink, the pressure of the ink being changed by driving the actuator;
a nozzle that ejects the ink filled in the pressure chamber by driving the actuator.
An inkjet head comprising:
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