JP2007036142A

JP2007036142A - 圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンター

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Publication number: JP2007036142A
Application number: JP2005221277A
Authority: JP
Inventors: Koichi Morozumi; 浩一両角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP5168439B2

Abstract

【課題】良好な圧電特性を有する圧電体膜を提供する。また、上記圧電体膜を用いた圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターを提供する。
【解決手段】
本発明にかかる圧電素子は、ペロブスカイト型酸化物からなり、かつ、マルチドメイン構造およびモザイク構造を有する圧電体膜を含む。また本発明にかかる圧電素子は、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を含み、前記ペロブスカイト型酸化物において、Ａサイトに優先的に位置するイオンをＡサイトイオンとし、Ｂサイトに優先的に位置するイオンをＢサイトイオンとした場合に、前記Ａサイトイオンは、前記Ｂサイトイオンと相互置換されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターに関する。

高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）に代表される圧電体膜を用いた圧電素子が用いられている（たとえば、特許文献１）。
特開２００１−２２３４０４号公報

本発明の目的は、良好な圧電特性を有する圧電体膜を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電体膜を用いた圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターを提供することにある。

本発明にかかる圧電素子は、
ペロブスカイト型酸化物からなり、かつ、マルチドメイン構造を有する圧電体膜を含む。

本発明にかかる圧電素子において、
前記圧電体膜は、モザイク構造を有することができる。

本発明にかかる圧電素子において、
ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を含み、
前記ペロブスカイト型酸化物において、Ａサイトに優先的に位置するイオンをＡサイトイオンとし、Ｂサイトに優先的に位置するイオンをＢサイトイオンとした場合に、前記Ａサイトイオンは、前記Ｂサイトイオンと相互置換されていることができる。

本発明にかかる圧電素子おいて、
前記Ａサイトイオンの価数は、前記Ｂサイトイオンの価数と等しいことができる。

本発明にかかる圧電素子おいて、
ＡサイトイオンとＢサイトイオンのイオン半径比は２．０〜２．５であることができる。

本発明にかかる圧電素子おいて、
Ａサイトイオンは鉛イオン（Ｐｂ^２＋）であることができる。

本発明にかかる圧電素子おいて、
前記ペロブスカイト型酸化物は、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３−ｘＰｂＴｉＯ_３であることができる。

本発明にかかる圧電素子おいて、
前記Ａサイトイオンは、鉛イオン（Ｐｂ^２＋）であり、
前記Ｂサイトイオンは、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）であることができる。

本発明にかかる圧電アクチュエーターは、上述した圧電素子を有することができる。

本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述した圧電素子を有することができる。

本発明にかかるインクジェットプリンターは、上述したインクジェット式記録ヘッドを有することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

１．圧電体膜の構造
本実施の形態にかかる圧電体膜は、ペロブスカイト型酸化物からなる。ペロブスカイト型とは、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すような結晶構造を有するもので、図１（ａ）、図１（ｂ）においてＡで示す位置をＡサイト、Ｂに示す位置をＢサイト、Ｏで示す位置をＯサイトという。本実施の形態では、Ａサイトに優先的に位置するイオンをＡサイトイオンといい、Ｂサイトに優先的に位置するイオンをＢサイトイオンという。たとえばＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３−ｘＰｂＴｉＯ_３（以下、ＰＭＮ−ＰＴとする。）において、ＡサイトイオンはＰｂ^２＋であり、ＢサイトイオンはＭｇ^２＋、Ｔｉ^４+およびＮｂ^５＋である。なお、ＯサイトにはＯ^２−が位置している。圧電体膜を構成するペロブスカイト型酸化物には、単純ペロブスカイト型酸化物、複合ペロブスカイト型酸化物が含まれる。また、圧電体膜はリラクサー材料からなることもできる。

本実施の形態にかかる圧電体膜において、ＡサイトイオンとＢサイトイオンは相互置換されている。たとえば圧電体膜としてＰＭＮ−ＰＴを用いた場合、Ｂサイトイオンの組成をモルフォトロピック相境界（以下、ＭＰＢとする。）になるよう（ｘ≒０．３５）に調整したとき、結晶系は正方晶または菱面体晶であるが、Ｐｂ^２＋とＭｇ^２＋とを相互置換すると、結晶系はより対称性の低い単斜晶または斜方晶になる。

このようにＡサイトイオンとＢサイトイオンとを相互置換させることによって、ペロブスカイト型酸化物の結晶対称性を低下させることができ、分極反転をしやすくすることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性を向上させることができる。

また相互置換させるＢサイトイオンの価数は、Ａサイトイオンの価数と等しいことが好ましい。たとえば圧電体膜としてＰＭＮ−ＰＴを用いた場合、相互置換させるためのＢサイトイオンとしては、Ｎｂ^５＋よりＭｇ^２＋が好ましい。

また相互置換させるＡサイトイオンとＢサイトイオンのイオン半径比は、２．０〜２．５であることが好ましい。具体的にＡサイトイオンのイオン半径がＢサイトイオンのイオン半径の２．０〜２．５倍である場合について説明する。たとえば圧電体膜がＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）やＰＭＮ−ＰＴのように、ＡサイトイオンがＰｂ^２＋である結晶からなる場合、Ｐｂ^２＋（１２配位）のイオン半径（シャノンのイオン半径）は、１．４９Åであるため、相互置換されるＢサイトイオンのイオン半径は、０．６０〜０．７５Åであることができる。よって、Ｐｂ^２＋は、Ｍｇ^２＋（６配位）（イオン半径０．７２Å）、Ｚｎ^２＋（イオン半径０．７４５Å）、Ｎｂ^２＋（イオン半径０．７１Å）、Ｃｏ^２＋（イオン半径０．６５Å）、Ｃｒ^２＋（イオン半径０．７３Å）、Ｍｎ^２＋（イオン半径０．６７Å）、Ｆｅ^２＋（イオン半径０．６１Å）、Ｃｕ^２＋（イオン半径０．７３Å）等と相互置換されることができる。

これにより、結晶構造を大きく変化させ、ペロブスカイト型酸化物の結晶対称性を顕著に低下させることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性をより向上させることができる。

なお、ＡサイトイオンとＢサイトイオンの相互置換は、結晶全体の２ａｔ％以上であることができる。これにより、ペロブスカイト型酸化物の結晶対称性を顕著に低下させることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性をより向上させることができる。

また、圧電体膜は、たとえば１０ｎｍ以上の層状のマルチドメイン構造およびモザイク構造を有する。マルチドメイン構造とは、配向の異なるドメインが混在している単結晶をいう。ここで配向は、ａ軸、ｂ軸、およびｃ軸のすべてが異なっていてもよいし、いずれか１つまたは２つの軸が異なっていてもよい。これにより、圧電体膜の応力を緩和でき、クラック耐性を向上させることができる。モザイク構造とは、互いに隣接するドメインがわずかに異なる配向（１度以下）を有することをいう。圧電体膜がモザイク構造を有することにより、圧電体膜の応力を緩和でき、クラック耐性を向上させることができる。

２．実験例
２．１．試料の作製
Bridgman法により（００１）配向のＰＭＮ−ｘＰＴ（ｘ＝３２、３７ａｔ％）単結晶を作製した。評価用電極としてＡｇを形成し、１ｋＶ／ｍｍの電界で分極処理を施した。

Bridgman法は、単結晶原料を封入したるつぼを徐々に降下させながら結晶成長させ、ヒータ終端部に生じる温度勾配を利用して単核化させる方法である。ＰｔるつぼにＰＭＮ−ＰＴ原料のＰｂＯ、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２(各純度９９．９９％以上)粉末を各条件の比率で充填し、るつぼを炉内に設置して１３８０℃以上で溶解する。約１０時間保持した後、０．１〜１ｍｍ／ｈの速度で降下させ（００１）配向のＰＭＮ−ｘＰＴ単結晶を得た。

ｘ＝３２ａｔ％の単結晶をＰＭＮ−３２ＰＴとし、ｘ＝３７ａｔ％の単結晶をＰＭＮ−３７ＰＴとする。

２．２．評価方法および評価結果
得られた試料について、以下の評価を行った。

２．２．１．定量分析
ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴの単結晶を用いて、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、および誘導結合プラズマ発光分析装置(ＩＣＰ−ＡＥＳ)により定量分析を行った。ＩＣＰ−ＡＥＳの前処理として、試料を硝酸、弗化水素酸および過塩素酸で加水分解し、希硝酸および希弗化水素酸で加温溶解してろ別した。ろ液は希硝酸で定容とした。不溶解分は硝酸および硫酸で加熱分解し、希硝酸および希弗化水素酸で加温溶解して定容とした。定量分析の結果を用いてＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴのＢサイトを基準とした化学式を決定した。

ＰＭＮ−３２ＰＴの化学式は、
（１−０．３２）〔Ｐｂ_０．９９（Ｍｇ_０．３３Ｎｂ_０．６７）Ｏ_３．１６〕−０．３２Ｐｂ_０．９９ＴｉＯ_３．１６
であった。

ＰＭＮ−３７ＰＴの化学式は、
（１−０．３７）〔Ｐｂ_１．００（Ｍｇ_０．３３Ｎｂ_０．６７）Ｏ_３．０２〕−０．３７Ｐｂ_１．００ＴｉＯ_３．０２
であった。

２．２．２．角度分解電子チャンネリングＸ線分光法（ＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳ）
角度分解電子チャンネリングＸ線分光法とは、試料に電子線を複数の入射方向から照射し、試料から発生した特性Ｘ線を利用して結晶構造を解析する手法である。この測定手法では、電子線を試料に照射して試料内で強い回折が生じると、入射した電子は試料内部で透過波や回折波の間で散乱を繰り返し、結晶の特定の部位に振幅極大をもつ幾つかのブロッホ波成分に分岐する。それぞれのブロッホ波成分の励起振幅は電子線の入射方位に依存しており、あるブロッホ波成分が強く励起されると、入射電子は結晶の特定の部位に集中してすすむチャンネリングをおこし、そこに存在する元素からの特性Ｘ線シグナルが強められる。この測定によって、特定の結晶サイトに位置する元素の種類とその量に関する情報を得ることができる。

角度分解電子チャンネリングＸ線分光法により、ＰＭＮ−３２ＰＴを解析した。実験は、１１１および１３０系統反射列について行った。

１１１系統反射列は、Ａ−ＯサイトとＢサイトを、１３０系統反射列はＡ−ＢサイトとＯサイトを分離観測可能な面である。

１１１系統では−３ｇから２ｇブラック条件まで、１３０系統では−２ｇから２ｇブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性Ｘ線強度変化を連続的に観測し、図２（ａ）および図３（ａ）に示すプロファイルを得た。

図２（ａ）は、１１１系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳ実験プロファイルを示す。図２（ｂ）は、１１１系統反射列のＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳプロファイルの理論値を示す。

実験では、試料作製方位である［１１０］から［１１２］晶帯軸になるように試料を傾斜し、そこから［−１１０］方位に試料を傾斜させ、ｇ＝１１１系統反射列のみを励起させた。そして、−３ｇから２ｇブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性Ｘ線強度変化を連続的に観測し、プロファイルを得た。比較として、内殻電子励起を考慮した動力学的回折理論を基に、Ｐｂ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｎｂ^５＋、Ｔｉ^４＋、Ｏ^２ーがそれぞれＡ、Ｂ、Ｂ、Ｂ、Ｏサイトを占有している理想的イオン配列(自発変位無し、欠損無し、試料厚１５０ｎｍ)を仮定したＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルを図２（ｂ）に示す。ＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルは、規格化した各サイトの原子１個あたりのＸ線発生断面積(発生確率)を示している。また、計算を単純化させるため、結晶構造は立方晶(格子定数４．０１８Å)とした。

図２(ａ)において、回折条件に依存して特性Ｘ線強度が大きく変化しており、対称励起条件を挟んだ−１＜ｋ／ｇ１１１＜１の範囲では、Ｐｂ^２＋とＯ^２ーからのシグナルが強く、逆にＮｂ^５＋とＴｉ^４＋のシグナルは弱められ、高次反射側ではこの強度関係が逆転していることが確認された。これらの傾向は、図２（ｂ）に示す理論強度プロファイルと一致し、Ａ−ＯサイトにはＰｂ^２＋とＯ^２ーが位置し、ＢサイトにはＮｂ^５＋とＴｉ^４＋が位置していることが定性的に理解される。また、Ｍｇ^２＋については、回折条件の依存性が弱く、また理論強度プロファイルと挙動が明らかに異なるため、欠損または置換が生じていることが確認された。

次に、１３０系統反射列のＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳプロファイルを図３（ａ）に示す。実験では、試料作製方位である［−３１０］晶帯軸から［００１］方位に試料を傾斜させ、ｇ＝１３０系統反射列のみを励起させた。そして、−２ｇから２ｇブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性Ｘ線強度変化を連続的に観測し、プロファイルを得た。比較として、Ｐｂ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｎｂ^５＋、Ｔｉ^４＋、Ｏ^２ーがそれぞれＡ、Ｂ、Ｂ、Ｂ、Ｏサイトを占有している理想的イオン配列(自発変位無し、欠損無し、試料厚１００ｎｍ)を仮定したＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルを図３（ｂ）に示す。

図３（ａ）では、回折条件に依存して特性Ｘ線強度が大きく変化しており、対称励起条件を挟んだ−１＜ｋ／ｇ１３０＜１の範囲では、Ｐｂ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｎｂ^５＋、Ｔｉ^４＋のシグナルが強く、また高次反射側ではこの強度関係が逆転している。一方で、Ｏ^２ーのシグナルは回折条件の依存をほとんど示していないことがわかる。これらの傾向は、図３（ｂ）に示す理論強度プロファイルと一致し、Ａ−ＢサイトにはＰｂ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｎｂ^５＋、Ｔｉ^４＋が位置し、ＯサイトにはＯ^２ーが位置していることが定性的に理解される。

図４（ｂ）は、Ｍｇ^２＋とＰｂ^２＋とを相互置換させた場合のＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルである。図４（ａ）は、図２（ａ）と同様にＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳ実験プロファイルを示す。具体的に図４（ｂ）は、Ｍｇ^２＋（総量４．３２ａｔ％）の約４５％（約２ａｔ％）がＡサイトへ、等量のＰｂ^２＋（総量１９．１５ａｔ％）の約１０％（約２ａｔ％）がＢサイトへ置換している場合のＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルである。図４（ｂ）は、図４（ａ）とほぼ一致していることから、ＰＭＮ−３２ＰＴにおいて、ＡサイトイオンとＢサイトイオンとが相互置換されていることが確認された。

図３（ａ）は、１３０系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳプロファイルを示す。図３（ｂ）は、１３０系統反射列のＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳプロファイルの理論値を示す。

１３０系統反射列についても同様に、ＰＭＮ−３２ＰＴにおいて、ＡサイトイオンとＢサイトイオンとが相互置換されていることが確認された。

また、ペロブスカイト構造の各サイトに位置するイオン種によって、結晶系のとり方が異なり、その目安としてＴｏｌｅｒａｎｃｅｆａｃｔｏｒ（ｔ）がある。Ａイオンの半径ｒ_Ａ、Ｂイオンの半径ｒ_Ｂ、Ｏイオンの半径ｒ_Ｏとすると、
ｔ＝（ｒ_Ａ＋ｒ_Ｏ）／√２（ｒ_Ｂ＋ｒ_Ｏ）
の関係式が得られる。ＰＭＮ−３２ＰＴにおいて、各サイトの格子占有率からｔ値を算出するとｔ≒０．９１、一方、Ｐｂ^２＋とＭｇ^２＋の置換がない状態では、ｔ≒０．９７となり、置換により歪むことが理解される。また、結晶の対称性低下は酸素八面体の傾きの大きさに結びつきＢサイトイオン変位とＴｏｌｅｒａｎｃｅｆａｃｔｏｒから、置換により対称性が低下していることが確認された。

２．２．３．ドメイン構造解析
高分解能エネルギーフィルタＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）法によりＰＭＮ−３２ＰＴのドメイン構造解析を行った。

図５は、１ｋＶ／ｍｍの電界で［００１］方位に分極処理を施した、ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴ単結晶の［１１０］入射ＥＦ−ＴＥＭ明視野像、および（１００）、（１１０）、（１１１）反射励起暗視野像(白いコントラスト部が反射励起したところ)を示す。単結晶はセラミックスに比べると比較的均一に自発分極の方向を揃えやすいが、各組成共に［００１］分極方位に沿って揺らいだドメイン壁が存在し、それを境に鏡面対称的に１０ｎｍ以上の幅の層状の微細なマルチドメイン構造を確認することができた。

図６は、ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴのφ０．９５μｍ領域から得た［１００］、［１１０］、［１１１］入射の制限視野電子回折図形を示す。いずれも基本格子反射のみ現れており、超格子反射等は観測されなかった。マルチドメイン領域においても単結晶の回折図形で構成されているが、高次反射において僅かなスプリットが観測された。そこで、高次反射のスプリットを利用して晶系の同定を以下のように試みた。

図７は、ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴのφ０．２５μｍ領域から得た［１１０］、［１１１］入射の高次反射の制限視野電子回折図形を示す。図８は、ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴの反射のスプリットをモデル化した電子回折シミュレーション結果を示す。ＰＭＮ−３２ＰＴの［１１０］入射において、００１系統列の００−４反射で００１系統列に沿ったスプリットと、１１０系統列の−４４０反射で００１系統列に沿ったスプリットが観測された。また、同領域の［１１１］入射からも−１２−１反射でスプリットが観測された。さらに、別の視野では、［１１０］入射の００４反射で００１系統列に沿った３つのスプリットが観測された。これは、単位胞の３つの軸長がそれぞれ異なることを意味しており、晶系は斜方晶以下の対称性に属すると考えられる。単斜晶系を仮定した構造モデルによれば、スプリットの位置関係は、［１１０］＋［１０１］（［１１１］＋［−１１１］）の２種類のドメインの組合わせ、すなわち配向の混在(ｂ、ｃ軸混在)であることが確認された。

ＰＭＮ−３７ＰＴの［１１０］入射において、００１系統列の００−６反射で３つのスプリットと、１１０系統列の−３３０反射でも同様に３つのスプリットが観測された。そのうち、２つのスプリットは同じ軸長をもつもので、残りはそれよりも軸長が短い。また、同領域の［１１１］入射からも−４４０反射で３つのスプリットが観測された。さらに、電子回折図形を観察しながら視野を移動させたところ、回折図形がわずかに回転し、モザイク構造になっていることが確認された。正方晶系を仮定した構造モデルによると、これらのスプリットの位置関係は、［１０−１］、［１１０］が時計・反時計方向に同じ角度だけわずかに回転した(以下［１０−１］＋［１１０］±回転、［１１１］＋［−１−１−１］±回転)、３種類のドメインの組合わせ、すなわち配向の混在(ａ＝ｂ、ｃ軸混在)とモザイク構造(ｃ軸が時計・反時計方向に僅かに回転)の導入が確認された。

２．２．４．ヒステリシス特性
図９は、ＰＭＮ−３２ＰＴのヒステリシス特性を示すバラフライ曲線を示す。これによると、ヒステリシスが若干現れているため、エンジニアードドメインから若干ずれていることが確認された。晶系が単斜晶の場合、正方晶の分極軸［００１］と斜方晶の分極軸［１０１］をつなぐ直線上、あるいは正方晶の分極軸［００１］と菱面体晶の分極軸［１１１］をつなぐ直線上に分極軸が存在することから、斜方晶あるいは菱面体晶からのずれが大きくなる程ヒステリシスが増大する。図９に示すヒステリシス特性によって、斜方晶あるいは菱面体晶に近似した単斜晶構造であることが確認された。

３．応用例
３．１．インクジェット式記録ヘッド
次に、圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドについて説明する。図１０は、圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図１１は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図１１は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。

インクジェット式記録ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう）５０は、図１０に示すように、ヘッド本体５７と、ヘッド本体５７の上に設けられた圧電部５４と、を備える。なお、図１０に示した圧電部５４は、本実施の形態にかかる圧電素子に相当する。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。圧電アクチュエーターとは、ある物質を動かす機能を有する素子である。圧電素子は、たとえば下部電極４と、下部電極４の上方に形成された圧電体膜５と、圧電体膜５の上方に形成された上部電極６と、を含む。

ヘッド５０は、図１１に示すようにノズル板５１と、インク室基板５２と、弾性膜５５と、弾性膜５５に接合された圧電部（振動源）５４とを備え、これらが基体５６に収納されて構成されている。なお、このヘッド５０は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。

ノズル板５１は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル５１１を一列に形成したものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。

ノズル板５１には、インク室基板５２が固着（固定）されている。インク室基板５２は、上述の基板２によって形成されたものである。インク室基板５２は、ノズル板５１、側壁（隔壁）５２２、および後述する弾性膜５５によって、複数のキャビティー（インクキャビティー）５２１と、リザーバ５２３と、供給口５２４と、を区画形成したものである。リザーバ５２３は、インクカートリッジ６３１（図１４参照）から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティー５２１にインクが供給される。

キャビティー５２１は、図１０および図１１に示すように、各ノズル５１１に対応して配設されている。キャビティー５２１は、後述する弾性膜５５の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティー５２１は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。

インク室基板５２のノズル板５１と反対の側には弾性膜５５が配設されている。さらに弾性膜５５のインク室基板５２と反対の側には複数の圧電部５４が設けられている。弾性膜５５の所定位置には、図１１に示すように、弾性膜５５の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。連通孔５３１により、後述するインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされる。

各圧電部５４は、前述したように下部電極４と上部電極６との間に圧電体膜５が介挿されて構成されている。各圧電部５４は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエーター）として機能する。弾性膜５５は、圧電部５４の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、キャビティー５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。

基体５６は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図１１に示すように、この基体５６にインク室基板５２が固定、支持されている。

３．２．インクジェット式記録ヘッドの動作
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド５０の動作について説明する。本実施の形態におけるヘッド５０は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電部５４の下部電極４と上部電極６との間に電圧が印加されていない状態では、図１２に示すように圧電体膜５に変形が生じない。このため、弾性膜５５にも変形が生じず、キャビティー５２１には容積変化が生じない。したがって、ノズル５１１からインク滴は吐出されない。

一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電部５４の下部電極４と上部電極６との間に一定電圧（例えば３０Ｖ程度）が印加された状態では、図１３に示すように圧電体膜５においてその短軸方向にたわみ変形が生じる。これにより、弾性膜５５が例えば５００ｎｍ程度たわみ、キャビティー５２１の容積変化が生じる。このとき、キャビティー５２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル５１１からインク滴が吐出される。

すなわち、電圧を印加すると、圧電体膜５の結晶格子は面に対して垂直な方向に引き伸ばされるが、同時に面に平行な方向には圧縮される。この状態では、圧電体膜５にとっては面内に引っ張り応力が働いていることになる。したがって、この応力によって弾性膜５５をそらせ、たわませることになる。キャビティー５２１の短軸方向での圧電体膜５の変位量（絶対値）が大きければ大きいほど、弾性膜５５のたわみ量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。本実施の形態では、前述したように、圧電部５４（圧電素子）の圧電体膜５の圧電定数（ｄ_３１）が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなっている。これにより、弾性膜５５のたわみ量が大きくなり、インク滴をより効率的に吐出できる。

ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル５１１のピッチをより高密度に形成することができる。または、キャビティー５２１の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。

１回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極４と上部電極６との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電部５４は図１２に示した元の形状に戻り、キャビティー５２１の容積が増大する。なお、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ６３１からノズル５１１へ向かう圧力（正方向への圧力）が作用している。このため、空気がノズル５１１からキャビティー５２１へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３を経てキャビティー５２１へ供給される。

このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電部５４に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の（所望の）文字や図形等を印刷することができる。

３．３．インクジェット式記録ヘッドの製造方法
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド５０の製造方法の一例について説明する。

まず、インク室基板５２となる母材（基板）を用意する。次に、基板上に弾性膜５５を形成する。次に弾性膜上に下部電極４、圧電体膜５、上部電極６を順次形成する。

次いで、上部電極６、圧電体膜５、および下部電極４を、図１２および図１３に示すように、個々のキャビティー５２１に対応させてパターニングし、図１０に示すように、キャビティー５２１の数に対応した数の圧電部５４を形成する。

次いで、インク室基板５２となる母材を加工（パターニング）し、圧電部５４に対応する位置にそれぞれキャビティー５２１となる凹部を、また、所定位置にリザーバ５２３および供給口５２４となる凹部を形成する。

母材を、その厚さ方向に弾性膜５５が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板５２を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁５２２となる。

次に、複数のノズル５１１が形成されたノズル板５１を、各ノズル５１１が各キャビティー５２１となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティー５２１、リザーバ５２３および複数の供給口５２４が形成される。ノズル板５１の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、インク室基板５２を基体５６に取り付ける。

以上の工程によって、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５０を製造することができる。

３．４．作用・効果
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５０によれば、前述したように、圧電部５４が良好な圧電特性を有することで効率的なインクの吐出が可能となっていることから、ノズル５１１の高密度化などが可能となる。したがって、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。

３．５．インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド５０を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図１４は、本発明のインクジェットプリンター６００を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図１４中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。

インクジェットプリンター６００は、装置本体６２０を備えており、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。

装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。

印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えている。

ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を備えるインクジェット式記録ヘッド５０と、このインクジェット式記録ヘッド５０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。

往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４４の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５０から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。

給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。

本実施の形態にかかるインクジェットプリンター６００によれば、前述したように、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド５０を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。

なお、本発明のインクジェットプリンター６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

ペロブスカイト型酸化物の結晶構造を説明するための図。図２（ａ）は、１１１系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳ実験プロファイルを示す。図２（ｂ）は、１１１系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルを示す。図３（ａ）は、１３０系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳ実験プロファイルを示す。図３（ｂ）は、１３０系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルを示す。図４（ａ）は、１１１系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＡＬＣＨＥＭＩ−ＨＡＲＥＣＸＳ実験プロファイルを示す。図２（ｂ）は、ＡサイトイオンとＢサイトイオンとを相互置換させた場合における、１１１系統反射列のＰＭＮ−３２ＰＴのＨＡＲＥＣＸＳ理論プロファイルを示す。１ｋＶ／ｍｍの電界で［００１］方位に分極処理を施した、ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴ単結晶の［１１０］入射ＥＦ−ＴＥＭ明視野像、および（１００）、（１１０）、（１１１）反射励起暗視野像を示す図である。ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴのφ０．９５μｍ領域から得た（１００）、（１１０）、（１１１）入射の制限視野電子回折図形を示す図である。ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴのφ０．２５μｍ領域から得た（１１０）、（１１１）入射の制限視野電子回折図形を示す図である。ＰＭＮ−３２ＰＴおよびＰＭＮ−３７ＰＴの反射のスプリットをモデル化した電子回折シミュレーション結果を示す図である。ＰＭＮ−３２ＰＴのヒステリシス特性を示す図である。実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略構成図。実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略構成分解斜視図。インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図。

符号の説明

４下部電極、５圧電体膜、６上部電極、５０インクジェット式記録ヘッド、５１ノズル板、５２インク室基板、５４圧電部、５５弾性板、５６基体、５７ヘッド本体、５１１ノズル、５２１キャビティー、５２２側壁、５２３リザーバ、５２４供給口、５３１連通孔、６００インクジェットプリンター、６２０装置本体、６２１トレイ、６２２排出口、６３０ヘッドユニット、６３１インクカートリッジ、６３２キャリッジ、６４０印刷装置、６４１キャリッジモータ、６４２往復動機構、６４３キャリッジガイド軸、６４４タイミングベルト、６５０給紙装置、６５１給紙モータ、６５２給紙ローラ、６６０制御部、６７０操作パネル

Claims

ペロブスカイト型酸化物からなり、かつ、マルチドメイン構造を有する圧電体膜を含む、圧電素子。
請求項１において、
前記圧電体膜は、モザイク構造を有する、圧電素子。
請求項１または２において、
前記ペロブスカイト型酸化物において、Ａサイトに優先的に位置するイオンをＡサイトイオンとし、Ｂサイトに優先的に位置するイオンをＢサイトイオンとした場合に、前記Ａサイトイオンは、前記Ｂサイトイオンと相互置換されている、圧電素子。
請求項３において、
前記Ａサイトイオンの価数は、前記Ｂサイトイオンの価数と等しい、圧電素子。
請求項３または４において、
ＡサイトイオンとＢサイトイオンのイオン半径比は２．０〜２．５である、圧電素子。
請求項３ないし５のいずれかにおいて、
Ａサイトイオンは鉛イオン（Ｐｂ^２＋）である、圧電素子。
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記ペロブスカイト型酸化物は、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３−ｘＰｂＴｉＯ_３である、圧電素子。
請求項７において、
前記Ａサイトイオンは、鉛イオン（Ｐｂ^２＋）であり、
前記Ｂサイトイオンは、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）である、圧電素子。
請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電素子を有する、圧電アクチュエーター。
請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電素子を有する、インクジェット式記録ヘッド。
請求項１０に記載のインクジェット式記録ヘッドを有する、インクジェットプリンター。