JP2009012207A

JP2009012207A - 液体吐出ヘッド

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Publication number: JP2009012207A
Application number: JP2007173852A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Iwashita; 修三岩下; Kazumasa Furuhashi; 和雅古橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: JP5260900B2

Abstract

【課題】駆動劣化が抑制された液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層し、該振動板上にコモン電極、圧電セラミック層、および複数の駆動電極をこの順に積層した液体吐出ヘッドであって、前記複数の駆動電極は前記複数の液体加圧室にそれぞれ対向して形成されているとともに、前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれた前記駆動部は前記圧電セラミック層の主面に垂直に分極されており、さらに、積層方向から見て前記液体加圧室と対向する前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれていない非駆動部が前記圧電セラミック層の主面に対して斜めに分極されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関し、特に微小液滴を噴出させたり、微小液体を送出するための液体吐出装置や文字や画像の印刷に用いるインクジェット式プリンタに搭載される印刷ヘッドに好適に使用できる液体吐出ヘッドに関する。

近時、パーソナルコンピューターの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出力する記録装置として、インクジェット方式の記録装置の利用が急速に拡大している。該記録装置は、市販の小型プリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも、広く利用されている。

インクジェット方式の記録装置においては、インクジェットヘッドを主走査方向に移動させるとともに、記録紙や基板等を、上記主走査方向と交差する副走査方向に移動させながら、記録情報に応じてインクジェットヘッドを駆動させて、当該インクジェットヘッドのノズル開口から断続的にインク滴を吐出させることにより記録が行われる。例えば、小型プリンタの場合には、記録紙等の表面に文字や画像が記録される。また、工業用の記録装置の場合には、基板等の表面に電子回路、液晶ディスプレイのカラーフィルタ、有機ＥＬディスプレイの発光セル等が形成される。

かかるインクジェット方式の記録装置には、液体を吐出させるための液体吐出装置が、印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒーターを備え、このヒーターによりインクを加熱して沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、液体吐出孔より、インク滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、液体吐出孔よりインク滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

圧電方式を利用したインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドは、例えば図５（ａ）に示したように、アクチュエータ５１が、流路部材５３の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１、２参照。）。流路部材５３は、複数の隔壁５３ｂによって仕切られた複数の液体加圧室５３ａを有し、液体加圧室５３ａの開口部は圧電アクチュエータ５１によって覆われるように形成されている。

圧電アクチュエータ５１は、振動板５２上に、コモン電極５４、圧電セラミック層５５および駆動電極５６がこの順に積層され、駆動電極５６とコモン電極５４とこれらに挟まれた圧電セラミック層５５とで構成される変位素子５７が複数形成されている。そして、駆動電極５６とコモン電極５４とに挟まれた圧電セラミック層５５は圧電セラミック層５５の主面に垂直に分極されている。

また、駆動電極５６は、図５（ｂ）に示したように、圧電セラミック層５５の表面にマトリックス状に配置され、液体加圧室５３ａの直上に駆動電極５６が配置されている。駆動電極５６ａには、外部配線回路（図示せず）と接続するための引出電極５６ｂが接続されている。また、コモン電極５４も、外部配線回路と接続するためのコモン電極接続部５４ａに電気的に接続している。

上記のようなインクジェットヘッドでは、コモン電極５４と所定の駆動電極５６との間に電圧を印加して、駆動電極５６直下の圧電セラミック層５５を変位させることにより、変位領域５７ａが対応する液体加圧室５３ａの体積を変化させ、液体加圧室５３ａ内のインクを加圧して、流路部材５３の底面に開口した液体吐出口５８よりインク滴を吐出することができる。

そして、積層方向から見て、駆動電極５６ａは液体加圧室５３ａより小さい面積を有している。つまり、圧電セラミック層５５には、駆動電極５６の直下の分極された駆動部５５ａとそれを取り囲むように分極されていない非活性部５５ｂがあり、さらに、それらの外側に流路部材５３と接合されているため変位しない拘束部５５ｃがあることにより変位素子５７は大きな変位が得られるようになる。
特開平１１−３４３２１号公報特開平１１−３４３２３号公報

しかしながら、特許文献１あるいは２に記載の液体吐出ヘッドでは、コモン電極５４と駆動電極５６との間に電圧を印加して変位素子５７に駆動を繰り返し行なうと、非駆動部５５ｂに外部からの応力が加わるため、内包する強誘電体ドメインウォールが移動し（ドメインスイッチング）、圧電セラミックの伸びや縮みが発生する。そして、駆動回数が非常に多くなると圧電体自身の逆圧電効果による磁器の伸びや縮みにより発生する駆動部５５ａと非駆動部５５ｂとの間の応力によってドメインウォールの移動が進行し、変位素子５７の、変位量が低下するという駆動劣化の問題が発生するおそれがあった。

変位素子５７に駆動劣化が発生すると液体吐出ヘッドから吐出される液体の量や速度が変わるため、適切な画像を記録できなくなるなどの問題となる。

本発明の目的は、駆動劣化が抑制された液体吐出ヘッドを提供することである。

本発明の液体吐出ヘッドは、複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層し、該振動板上にコモン電極、圧電セラミック層、および複数の駆動電極をこの順に積層した液体吐出ヘッドであって、前記複数の駆動電極は前記複数の液体加圧室にそれぞれ対向して形成されているとともに、前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれた駆動部は前記圧電セラミック層の主面に垂直に分極されており、さらに、積層方向から見て前記液体加圧室と対向する前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれていない非駆動部が前記圧電セラミック層の主面に対して斜めに分極されていることを特徴とする。

また、積層方向から見て、前記液体加圧室の周囲と対向する前記圧電セラミック層の表面もしくは内部に分極用電極を備えたことが好ましい。

また、積層方向から見て前記分極用電極と前記コモン電極とが重なっていないことが好ましい。

また、前記分極用電極と前記駆動電極とが同じ層に形成され、それらの間の距離が前記圧電セラミック層の厚み以下であることが好ましい。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層し、該振動板上にコモン電極、圧電セラミック層、および複数の駆動電極をこの順に積層した液体吐出ヘッドであって、前記複数の駆動電極は前記複数の液体加圧室にそれぞれ対向して形成されているとともに、前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれた駆動部は前記圧電セラミック層の主面に垂直に分極されており、さらに、積層方向から見て前記液体加圧室と対向する前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれていない非駆動部が前記圧電セラミック層の主面に対して斜めに分極されていることにより、非駆動部が応力によってドメイン回転が起きるのが抑制され、非駆動部の変位特性が変わり、駆動劣化が起こることが抑制できる。

また、積層方向から見て、前記液体加圧室の周囲と対向する前記圧電セラミック層の表面もしくは内部に分極用電極を備えた場合は、分極時に電極を高精度に位置合わせする必要がなく、簡単に非駆動部を斜め方向に分極させることができる。

また、積層方向から見て前記分極用電極と前記コモン電極とが重なっていない場合は、分極時に対向した前記分極用電極と前記コモン電極とが重なった部分に電荷が集中することがなくなるため、非駆動部の分極を強くできる。

また、前記分極用電極と前記駆動電極が同じ層に形成され、それらの間の距離が前記圧電セラミック層の厚み以下である場合は、前記分極用電極と前記駆動電極との間の非駆動部の斜めの分極をより強くできる。

以下、本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態にかかる液体吐出ヘッド部分縦断面図であり、図１（ｂ）は、をその上面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＸ−Ｘ線の断面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、この液体吐出ヘッドは、複数の液体加圧室３ａと複数の液体加圧室３ａに連通した複数の液体吐出孔８とを有する流路部材３の上、複数の液体加圧室３ａを覆うように圧電アクチュエータ１が積層されている。圧電アクチュエータ１は、振動板２に上にコモン電極４、圧電セラミック層５、および複数の駆動電極６とがこの順に積層されている。流路部材３は圧電アクチェエータ１の振動板２の側に積層されている。複数の駆動電極６はそれぞれ複数の液体加圧室３ａの直上にある。駆動電極６は、圧電セラミック層５の表面に２次元的かつ規則的（すなわちマトリックス状）に複数配列されている。

そして、圧電アクチュエータ１には、駆動電極６と、コモン電極４と、駆動電極６とコモン電極４とで挟まれた圧電セラミック層５ａで構成される変位素子７が複数形成されている。これにより、駆動電極６とコモン電極４間に電圧を印加すると、該電圧が印加された駆動電極６とコモン電極４に挟まれた部位の圧電セラミック層５ａが変位する。具体的には、駆動電極６に駆動電極を印加すると、振動板２により積層方向と直交する方向の変位が抑制されるので、変位素子７は積層方向に屈曲する。すなわち、圧電アクチュエータ１はユニモルフ型のアクチュエータである。

ここで、圧電アクチュエータ１において、互いに隣接する各変位素子７間に位置する圧電セラミック層５ｂが、圧電セラミック層５の主面に垂直な方向に対して斜め方向に分極されていることが重要である。ここでいう斜めに分極されているとは、分極されていない状態ではないこと、圧電セラミックス層５の主面に垂直な方向と平行には分極されていないことを意味している。すなわち、ここのいう斜め方向の分極とは、圧電セラミック層の主面と平行な方向に分極されている場合も含む。これにより、変位の駆動劣化が抑制される。この理由としては、下記のような理由が推察される。

すなわち、圧電アクチュエータ１における圧電セラミック層５は次の３つの部分に分けられる。駆動電極６とコモン電極４で挟まれた部分の圧電セラミック層５ａは圧電セラミック層５の主面に垂直に分極された活性部であり、ここでは駆動部５ａと呼ぶ。駆動電極６とコモン電極４の間に電圧が印加されると、駆動部５ａは圧電性により寸法が変化し、変位する。次に、振動板２およびコモン電極４を介して流路部材３と接合している圧電セラミック層５ｃは拘束部５ｃであり、流路部材３により固定されているため、変位しない部分である。積層方向から見て、液体加圧室３ａ内でかつ駆動電極６とは重ならない部分圧電セラミック層５ｂがある。ここではこの圧電セラミック層５ｂを非駆動部５ｂと呼ぶ。非駆動部５ｂは、従来は分極処理が行われていない非活性部であった。

非駆動部５ｂは、拘束部５ｃではなく、流路部材３に固定されていないため、変位素子７が変位する際に変位する。このため、従来の非駆動部５ｂが分極されていない液体吐出ヘッドでは、変位素子７の変位回数が多くなると変位の応力を受けて非駆動部５ｂのドメインが回転していくおそれがあった。

これに対して、非駆動部５ｂを所定の斜め方向に分極すると、非駆動部５ｂの結晶方位（ｃ軸結晶方位）が圧電セラミック層５の主面と平行な方向（すなわち振動板２の厚み方向に対して垂直方向）に近いに方向に揃う。その結果、駆動時における変位の低下原因である非駆動部５ｂのドメイン回転が抑制され、ユニモルフ振動を繰り返しても変位の駆動劣化を抑制することができる。

なお、圧電アクチュエータ１をユニモルフ型のアクチュエータとする上で、コモン電極４と駆動電極６挟まれた活性部５ａは、積層方向に分極される。

圧電アクチュエータ１の厚みＴ_１は、変位量を大きくするという点で１００μｍ以下、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。また、厚みＴ_１の下限値は、取扱中や作動中に破損しない程度の機械的強度を有する上で２０μｍ以上、好ましくは２５μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上であるのがよい。

駆動電極６は液体加圧室３ａと同数、液体加圧室の直上に形成される。駆動電極６に駆動電極接続部６ａが接続され、駆動電極接続部６ａは、積層方向から見て拘束部５ｃの上で外部配線回路（図示せず）と接続される。また、コモン電極４とコモン電極接続部４ａはビア電極（図示せず）で接続され、コモン電極接続部４ａは外部配線回路（図示せず）に接続される。すなわち、外部配線回路からコモン電極接続部４ａといずれかの駆動電極接続部６ａとの間に電圧を加えると、電圧が加えられた駆動電極部６ａに電気的に接続された駆動電極６が含まれる変位素子７が変位する。

分極用電極９は、前述の非駆動部５ｂを斜めに分極するための電極である。非駆動部５ｂを斜めに分極するには、分極時に外部から圧電セラミックス層５の上に外部電極を押し当てることにより行なうことができるため、分極用電極９は必ずしも必要ではないが、分極用電極９を形成することにより、分極時に外部電極を高精度に位置合わせする必要がなく、簡単に非駆動部５ｂを斜め方向に分極させることができる。また、後述するが、分極用電極９と駆動電極６と間の距離により、非駆動部５ｂの斜め方向の分極の程度が変わるため、分極の精度を高くするためには、分極用電極９を形成することが好ましい。

積層方向から見て、分極用電極９は、コモン電極４と重ならないことが好ましい。コモン電極４と重なる部分があるとその部分に電界が比較的集中しやすいため、非駆動部５ｂの斜め方向への分極がかかりにくくなることがある。積層方向から見て、分極用電極９が液体加圧室と重ならないことにより、振動板２および圧電セラミック層５の変位に影響を与えなくなるため、液体吐出ヘッドを設計する際の考慮が必要なくなるため、設計が容易になる。積層方向から見て、分極用電極９が液体加圧室と重ならせることにより、駆動電極６と分極用電極９の距離を近くにすることができ、非駆動部５ｂの斜め方向への分極を強くすることができる。

コモン電極４、コモン電極接続部４ａの厚みは０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上であるのがよい。これにより、圧電アクチュエータ１の剛性を向上させて反り変形の抑制効果を高めることができる。駆動電極６および駆動電極接続部６ａの厚みは２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であるのがよく、コモン電極接続部４ａの厚みは５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上であるのがよい。

コモン電極４およびコモン電極接続部４ａは、同一材料により形成されるのが好ましい。例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属またはこれらのうち少なくとも１種以上を主成分とする合金などを用いるのが好ましく、密着強度を高めるという点で、特にＡｇ−Ｐｄ合金、さらに圧電セラミック層５と同じ材料（例えばペロブスカイト結晶構造型の圧電セラミック）を微量添加して用いるのがより好ましい。

ビア電極およびコモン電極接続部４ａとしては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属またはこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金などを用いることができ、好ましくはＡｕまたはＡｇを主成分とする金属（もしくは合金）であるのがよい。

駆動電極６および駆動電極接続部６ａは、同一材料により形成されるのが好ましい。例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属、またはこれらのうち少なくとも１種以上を主成分とする合金などを用いるのが好ましく、薄層化しても高い導電性が得られるという点で、特にＡｕを用いるのが好ましい。

圧電セラミック層５は、圧電性を示すセラミックス、例えばチタン酸ジルコン酸鉛化合物［ＰｂＺｒＴｉＯ_３系化合物（ＰＺＴ系）］、チタン酸鉛化合物、チタン酸バリウム化合物などのペロブスカイト結晶構造型の圧電材料、Ｂｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物を好適に用いることができる。

上記で例示したものの内、Ｐｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）が電極（コモン電極４，駆動電極６）との濡れ性を高めるとともに、電極との密着強度を高める点で好適である。さらに、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、かつＢサイト構成元素としてＺｒおよびＴｉを含有する結晶であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のジルコン酸チタン酸鉛系化合物が、より絶対値の高い圧電定数ｄ_３１を有する安定な圧電焼結体（圧電アクチュエータ１）を得るうえで好ましい。

特に、ジルコン酸チタン酸鉛系化合物などの圧電セラミックス（すなわち、圧電セラミック層５および振動板２）のＡサイトとＢサイトの組成比が｛Ａサイト／Ｂサイト｝≦１であるのが好ましい。これにより、圧電セラミック層５の結晶形が正方晶になるので、互いに隣接する変位素子７間に位置する圧電セラミックス層５ｂを所定の斜め方向に分極すると、駆動部周辺における非駆動部の圧電セラミック層５ｂの結晶方位（ｃ軸結晶方位）が、基板面方向（すなわち振動板２の厚み方向に対して垂直方向）に揃う構成とすることができる。

振動板２は、種々のセラミックや金属、あるいはこれらの複合体を用いることができるが、圧電セラミック層５との接合強度を高めかつ熱膨張係数差を小さくできるという点で、振動板２にも圧電セラミック層５と略同一材料を使用することが望ましい。例えば、ＰＴ、ＰＺＴ等の圧電体、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスを用いることができる。これらの中でも、熱膨張係数の差を小さくするため、圧電セラミック層５に使用される圧電体と略同一材料を用いることが好ましい。一般に、振動板２は、コモン電極４、圧電セラミック層５などと同時に焼成して得ることができる。

圧電セラミック層５および振動板２は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、ＹｂおよびＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１）を得ることがでる。このような圧電セラミック層５および振動板２としては、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３およびＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３を固溶してなるものを例示できる。

また、圧電セラミック層５および振動板２は、特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては、Ｂａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが、正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るうえで有利である。

このような圧電セラミック層５および振動板２としては、例えばＰｂ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋α重量％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）等で表されものが挙げられる。

圧電セラミック層５の厚みは、低電圧化という点で、３０μｍ以下にするのがよく、取扱中や作動中に破損しない程度の機械的強度を有する上で、好ましくは１０〜２０μｍの範囲であるのがよい。振動板２の厚みは５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。これにより、圧電アクチュエータ１をユニモルフ型にすることができる。

また、圧電セラミック層５および振動板２は、ｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであることが好ましい。ｃ軸の格子定数を上記範囲内に調整するには、例えばコモン電極４のＡｇ／ＰｄのＡｇ比率を９０体積％以下にする、あるいはＰＺＴ原料調合時のＡサイトとＢサイトの組成比を１以下にすればよい。

次に、上記で説明した圧電アクチュエータ１の製造方法について、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。まず、チタン酸ジルコン酸鉛化合物（例えば純度９９％、平均粒子径１μｍ以下の粉末）、チタン酸鉛化合物（例えば純度９９％、平均粒子径１μｍ以下の粉末）、チタン酸バリウム化合物（例えば純度９９％、平均粒子径１μｍ以下の粉末）などの圧電セラミックスを主成分とする原料粉体を準備し、これらを混合してスラリーを作製する。得られたスラリーを用いて、グリーンシートを作製する。グリーンシートの作製方法は、例えばドクターブレード法、ロールコータ等の周知のテープ成形方法を採用することができる。

次いで、作製したグリーンシートのうち、焼成後に振動板２となるグリーンシートの主面に、導体ペーストの塗布層を形成し、焼成後にコモン電極４となる金属パターンを形成する。金属パターンの形成方法は、例えばスクリーン印刷法等を例示することができるが、他の公知の手法を採用することも可能である。

一方、焼成後に圧電セラミック層５となる他のグリーンシートに、ビア導体を充填するためのビアホールを穿孔して形成する。ビアホールの穿孔方法は、例えばパンチング、レーザー加工等の周知の手法を採用することができる。得られたビアホールには、所望のビア導体を充填する。なお、ビアホールへのビア導体の充填は、焼成前であっても、焼成後であってもよい。すなわち、焼成前にビア導体を充填し、グリーンシートと同時に焼成することもできるが、ビア導体を形成する前に焼成し、焼結体のビアホールに導体ペーストを充填して加熱処理を行なってビア導体を形成することもできる。

次に、これらのグリーンシートを積層し、密着させて積層成形体を得る。この積層成形体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成して、コモン電極４およびビア電極を内蔵する積層圧電体を作製する。

この積層圧電体の表面に、スクリーン印刷法等の方法により導体ペーストを印刷して、駆動電極６および分極用電極９となる金属パターンを形成し、６００〜８５０℃程度で熱処理する。最後に、コモン電極接続部４ａ、駆動電極接続部６ａとなる金属パターンをスクリーン印刷法等により形成して６００〜８５０℃程度で熱処理する。これにより、分極前の圧電アクチュエータ１を得ることができる。なお、コモン電極接続部４ａ、駆動電極６、駆動電極接続部６ａおよび分極用電極９は、それぞれ同一の導体ペーストを使用する等の方法により、１回の熱処理で作製することも可能である。

次に、上記で得た分極前の圧電アクチュエータ１の分極方法について、図面を参照して詳細に説明する。図２（ａ）および（ｂ）は、図１（ａ）で示した本実施形態にかかる液体吐出ヘッドの部分拡大縦断面図であり、圧電アクチュエータの分極方法を説明するための概略説明図である。なお、図２（ａ）および（ｂ）においては、前述した図１（ａ）の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。各図のＡは圧電セラミックス５の主面に垂直な方向を示す。

図２（ａ）では、駆動部５ａの分極と同時に非駆動部５ｂを分極している。すなわち、コモン電極４と分極用電極９を同電位とし、これらに対して、駆動電極６に分極電圧を印加する。これにより、駆動部５ａがＢのように圧電セラミックス５の主面に垂直な方向に分極されると同時に、非駆動部５ｂがＣのように圧電セラミックス５の主面に垂直な方向に対して斜めに分極される。

図２（ｂ）では、まず非駆動部５ｂを分極する。コモン電極４と駆動電極６を同電位とし、これらに対して、分極用電極９に分極電圧を印加する。これにより、非駆動部５ｂがＤのように圧電セラミックス５の主面に垂直な方向に対して斜めに分極される。続いて、コモン電極４に対して駆動電極６に分極電圧を印加する。これにより、駆動部５ａがＢのように圧電セラミックス５の主面に垂直な方向に分極される。この際、分極用電極９は外部と接続せず電位的に浮かしておくのがよい。

図２（ｃ）は図２（ａ）および（ｂ）からコモン電極１４のパターンを変更したものであり、積層方向から見て、分極用電極１９とコモン電極１４が重ならないようになっている。コモン電極１４のパターンは図３（ｂ）に示す。分極用電極る。図２（ｃ）で示した液体吐出ヘッドも、図２（ａ）で示した分極方法、図２（ｂ）で示した分極方法のいずれでも分極可能である。

図２（ｃ）では、図２（ｂ）で示したのと同様に分極する方法が示されている。すなわち、まず非駆動部１５ｂを分極する。コモン電極１４と駆動電極１６を同電位とし、これらに対して、分極用電極１９に分極電圧を印加する。これにより、非駆動部１５ｂがＤのように圧電セラミックス１５の主面に垂直な方向に対して斜めに分極される。この際、積層方向から見て、分極用電極１９とコモン電極１４が重ならないようになっているため、より効果的に、斜め方向の分極Ｄを行なうことができる。続いて、コモン電極１４に対して駆動電極１６に分極電圧を印加する。これにより、駆動部１５ａがＢのように圧電セラミックス１５の主面に垂直な方向に分極される。この際、分極用電極１９は外部と接続せず電位的に浮かしておくのがよい。

図３（ａ）は、分極用電極２９が圧電セラミックス２５の振動板２２と接合された面に形成されている以外の構造は図１（ａ）に示されたと同じ液体吐出時ヘッドである。図３（ａ）では分極する方法が示されている。すなわち、まず非駆動部２５ｂを分極する。コモン電極２４と駆動電極２６を同電位とし、これらに対して、分極用電極２９に分極電圧を印加する。これにより、非駆動部２５ｂがＥのように圧電セラミックス２５の主面に垂直な方向に対して斜めに分極される。この際、積層方向から見て、分極用電極２９とコモン電極２４が重ならないようになっているため、より効果的に、斜め方向の分極Ｅを行なうことができる。続いて、コモン電極２４に対して駆動電極２６に分極電圧を印加する。これにより、駆動部２５ａがＢのように圧電セラミックス２５の主面に垂直な方向に分極される。この際、分極用電極２９は外部と接続せず電位的に浮かしておくのがよい。

図３（ｂ）は、分極用電極３９が圧電セラミックス３５の内部に形成されている以外の構造は図１（ａ）に示されたと同じ液体吐出時ヘッドである。図３（ｂ）では分極する方法が示されている。すなわち、まず非駆動部３５ｂを分極する。コモン電極３４と駆動電極３６を同電位とし、これらに対して、分極用電極３９に分極電圧を印加する。これにより、非駆動部３５ｂがＦのように圧電セラミックス３５の主面に垂直な方向に対して斜めに分極される。この際、積層方向から見て、分極用電極３９とコモン電極３４が重ならないようになっているため、より効果的に、斜め方向の分極Ｆを行なうことができる。続いて、コモン電極３４に対して駆動電極３６に分極電圧を印加する。これにより、駆動部３５ａがＢのように圧電セラミックス３５の主面に垂直な方向に分極される。この際、分極用電極３９は外部と接続せず電位的に浮かしておくのがよい。

以上の分極条件としては、圧電アクチュエータ１、１１の組成や厚み等に応じて、任意に選定すればよく、特に限定されるものではないが、例えば１〜５ｋｖ／ｍｍ程度の直流電圧を、１〜３０分間程度印加して分極を行なえばよい。

以上、斜め方向に分極する方法を例示したが、特にこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この液体吐出ヘッドは、圧電アクチュエータ１を流路部材３の上に設け、圧電アクチュエータ１の上に外部回路と接続するためのフレキシブル配線回路（図示せず）に接続している。流路部材３は、隔壁３ｂによって液体加圧室３ａを複数形成するとともに、各液体加圧室３ａには、インク吐出口８が連通している。

流路部材３は、例えば厚み３０〜１００μｍ程度の薄板を積層して作製することができる。各薄板は、エッチングや金型による打ち抜き等の方法によって形成された微細な溝や孔を備えており、複数の薄板を積層することによって、各薄板に形成された溝や孔が、液体加圧室３ａ、インク吐出口８およびインク流路（図示せず）等を構成するように組み合わせることができる。

上記のような薄板の材料としては、例えばステンレス板、アルミニウム板、モリブデン板などの金属材料、シリコン等の半導体材料、またはアルミナや炭化珪素等のセラミックス材料等が挙げられ、特に、導電性を有し、かつ安価で精密加工のできる金属材料を用いることが好ましい。

次に、変位素子７と液体加圧室３ａとの位置がそれぞれ揃うように、すなわちコモン電極４および駆動電極６が、液体加圧室３ａの真上に配置するように、例えばエポキシ樹脂などで圧電アクチュエータ１と流路部材３を接合する。さらに、圧電アクチュエ―タ１に対して、外部回路に接続するためにフレキシブル配線基板（図示せず）が配設され、フレキシブル配線基板を構成する個別端子（図示せず）、コモン電極接続部４ａおよび駆動電極接続部６ａとそれぞれ接続される。

上記のような構成の液体吐出ヘッドは、駆動時の応力で非駆動部５ｂが逆圧電作用で分極されることが抑制できるので変位の駆動劣化が抑制された液体吐出ヘッドとなる。

また、液体吐出ヘッドは、安価なＩＣを用いて駆動することができる。この液体吐出ヘッドは変位特性に優れるので、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、その結果、高速印刷に好適な液体吐出ヘッドを提供することができる。さらに、この液体吐出ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えばこの液体吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタでは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成することができる。

以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。例えば、上記の実施形態では、振動板２および圧電セラミック層５が、いずれも１層で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、振動板２および圧電セラミック層５が複数層で構成されていてもよい。この場合には、圧電アクチュエータ１の厚みを簡単に調整することができる。また、内部に電極等の配線回路層を形成してもよい。

また、上記で説明した通り、振動板２は圧電セラミック層５の圧電セラミックスと略同一の材料であるのが好ましいが、振動板２および圧電セラミック層５の圧電セラミックス組成は完全に一致している必要はなく、本発明の効果、すなわち液体吐出量のばらつきが少なく、かつ変位の駆動劣化が抑制された液体吐出ヘッドとすることができる範囲内で、その組成が異なっていてもよい。

また、流路部材３および圧電アクチュエータ１を、接着層を介して積層接着する場合について説明したが、流路部材と圧電アクチュエータとが一体形成された液体吐出ヘッド、すなわち流路一体型の圧電アクチュエータ（流路一体型磁器）であってもよい。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

断面が図２（ｃ）、内部の各層の構造が図３（ａ）〜（ｃ）に示した構成の液体吐出ヘッドを作製した。なお、断面の概略構造は図１（ａ）に示したものとコモン電極４のパターン以外同じである。

まず、圧電アクチェエータ１１を作製する。純度９９％以上、平均粒径が０．５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）粉末を、バインダおよび有機溶剤とともに混合して圧電材料のスラリーを調合した。このスラリーを用いて、ロールコータ法で厚み３０μｍのグリ―ンシートを作製した。このグリーンシートは、焼成後、振動板１２および圧電セラミック層１５となる。

これとは別に、Ａｇ−Ｐｄ合金粉末を含有する導体ペーストを調製した。得られたグリーンシートのうち、振動板１２となるグリーンシートの表面に導電性ペーストをスクリーン印刷により印刷して、コモン電極１４となる金属パターンをそれぞれ形成した。

次いで、圧電セラミック層１５となる別のグリーンシートの所定位置に、ビアホールを打ち抜いてビアホールを形成した。そして、振動板１２となるグリーンシート上に、圧電セラミック層１５となるグリーンシートを積層し、加熱加圧して母体積層体を形成し、この母体積層体を切断して積層体を形成し、脱脂処理した後に酸素雰囲気中、１０００℃、２時間の焼成を行い、圧電アクチュエータ本体を作製した。

次に、この圧電アクチュエータ本体の一方の圧電セラミック層１５の側の表面にＡｕを主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷して７５０℃で焼付けを行い、駆動電極１６、駆動電極接続部１６ａ、分極用電極１９を形成した。さらに、Ａｇを主成分とする金属ペーストをビアホールに充填してビア電極を形成した後、同じ導体ペーストをスクリーン印刷して６００℃で焼付けを行い、コモン電極接続部１４ａを作製して、分極前の圧電アクチュエータ１１を得た。ここで、圧電セラミック層１５の厚みは２５μｍ、分極用電極１９と駆動電極１６の間の距離は２０μｍとなっている。なお、この圧電アクチュエータ１１における複数の変位素子は、振動板の主面上にマトリックス状に配列させた。

次に、この圧電アクチュエータ１１を流路部材１３にエポキシ系接着剤で接合し、図３に示した液体吐出ヘッドを得た。

上記で得た液体吐出ヘッドの圧電アクチュエータ１１を、下記に示す方法で分極を行なった。まず、コモン電極１４および駆動電極１６を同電位とし、これに対して分極用電極１９に分極電圧を印加することにより非駆動部１５ｂを斜め方向に分極した。分極の概略は図２（ｃ）のＤの状態となる。次いで、前記分極処理を行なった後、コモン電極１４と駆動電極１６との間に分極電圧を印加することにより駆動部１５ａを圧電セラミック層１５の主面に対して垂直に分極した。分極の概略は図２（ｃ）のＣの状態となる。各分極の条件は、４ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１０分間それぞれ印加した。

上記で得た液体吐出ヘッド（試料Ｎｏ．１）について、分極前後における圧電セラミック層１５の非駆動部１５ｂの結晶配向度を下記に示す方向で評価した。

基板面方向は、局所Ｘ線回折装置で測定し、ＰＺＴ（すなわち焼成前の振動板）の（００２）および（２００）面の回折ピーク強度比率より、圧電セラミック層１５の主面に垂直な方向のｃ軸配向度を算出して求めた。また、下記式ａで、圧電セラミック層における駆動部１５ａおよび非駆動部１５ｂのＰＺＴ基板（すなわち焼成後の振動板）の結晶配向度を求めた。次いで、非駆動部１５ｂの結晶配向度を上記手法で評価した。その結果、分極前の非駆動部１５ｂの結晶配向度は５８％であり、分極後の非駆動部１５ｂの結晶配向度は２５％であった。結晶配向度は、その値が小さいほど、非駆動部１５ｂの圧電セラミック層の結晶方位（ｃ軸結晶方位）が基板面方向（すなわち圧電セラミック層１５の主面に垂直な方向）に揃っていることを意味する。なお、非駆動部１５ｂの測定部位は、厚み方向には圧電セラミック層の厚みの中央部分、水平方向には積層方向から見て、液体加圧室１３ａの外辺と駆動電極１６の中央部分とした。

ｃ軸配向度（％）＝Ｉ（００２）／［Ｉ（００２）＋Ｉ（２００）×１００］・・・式ａ
ただし、Ｉ（００２）はＰＺＴ（００２）面のＸ線回折ピーク強度、Ｉ（２００）はＰＺＴ（２００）面のＸ線回折ピーク強度である。

この液体吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータ１１の変位量を下記に示す方法で評価した。その結果を表１に示す。

ドメインの分極方向は、上述Ｘ線回折以外に、圧電応答顕微鏡などでドメイン毎にその分極方向を測定してもよい。このようにすると、ドメインの角度だけでなく方向も測定することができる。

コモン電極と駆動電極との間に２５Ｖの直流電圧を印加し、室温で周波数１０ｋＨｚのｓｉｎ波形で駆動した際の、変位量をレーザードップラー振動計により測定した。各駆動回数における変位量を、式：［１−（各駆動回数における変位量／駆動初期の変位量）］×１００に当てはめて、変位低下率（％）を算出した。なお、駆動初期の変位量とは、駆動回数６サイクルにおける変位量を意味する。

続いて、コモン電極をベタパターンで形成した以外は上記実施例１と同様にして試料Ｎｏ．２の液体吐出ヘッドを作製した。この液体吐出ヘッドの圧電アクチュエータの分極前の非駆動部の結晶配向度は５８％であり、分極後の非駆動部の結晶配向度は４２％であった。

さらに、コモン電極をベタパターンで形成し、分極用電極と駆動電極の間の距離は３０μｍとした以外は上記実施例１と同様にして試料Ｎｏ．３の液体吐出ヘッドを作製した。この液体吐出ヘッドの圧電アクチュエータの分極前の非駆動部の結晶配向度は５８％であり、分極後の非駆動部の結晶配向度は４５％であった。

次に比較例１として、上記実施例１と同様にして試料Ｎｏ．４の液体吐出ヘッドを作製した。この液体吐出ヘッドは、圧電セラミック層１５の非駆動部１５ｂを所定の斜め方向に分極しない以外は、上記実施例１と同様にして作製した。この液体吐出ヘッドについて、分極前後における圧電セラミック層１５の非駆動部１５ｂの結晶配向度を、上記実施例１と同様にして評価した結果、分極前の非駆動部１５ｂの結晶配向度は５８％であり、分極後の非駆動部１５ｂの結晶配向度は５８％であった。

この液体吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの変位量を、上記実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、比較例１の液体吐出ヘッドに対し、試料Ｎｏ．１〜３の液体吐出ヘッドは、駆動劣化が抑制されており、１０^１１回駆動後での変位低下は３％以下となった。これに対して、非駆動部が斜めに分極されていない試料Ｎ０．４で２０％以上の駆動劣化が起こった。また、試料Ｎｏ．３よりも試料Ｎｏ．２の液体吐出ヘッドの変位劣化が少ない。これは分極用電極と駆動電極の距離が圧電セラミック層の厚さよりも短いため、非駆動部の斜め方向への分極が大きくなったためである。そして、試料Ｎｏ．２および３よりも試料Ｎｏ．１の液体吐出ヘッドの変位劣化がより少ない。これは分極用電極に対向するコモン電極がないため、非駆動部の斜め方向への分極がさらに大きくなったためである。

（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる液体吐出ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）は、その上面図である。本発明の一実施形態にかかる液体吐出ヘッドの分極方法を説明するための概略説明図である。本発明の別の一実施形態にかかる液体吐出ヘッドの各層の概略上面図である（ａ）は圧電セラミック層、（ｂ）は振動板、（ｃ）は流路部材の層である。本発明の別の一実施形態にかかる液体吐出ヘッドの分極方法を説明するための概略説明図である。

実施例における変位低下率と駆動回数との関係を示すグラフである。
（ａ）は、従来の液体吐出ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）は、その上面である。

符号の説明

１、１１、２１、３１・・・圧電アクチュエータ
２、１２、２２、３２・・・振動板
３、１３、２２、３３・・・流路部材
３ａ、１３ａ・・・液体加圧室
３ｂ、１３ｂ・・・隔壁
４、１４、２４、３４・・・コモン電極
４ａ、１４ａ・・・コモン電極接続部
５、１５、２５、３５・・・圧電セラミック層
５ａ、１５ａ、２５ａ、３５ａ・・・駆動部（圧電セラミック層）
５ｂ、１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ・・・非駆動部（圧電セラミック層）
５ｃ、１５ｃ、２５ｃ、３５ｃ・・・拘束部（圧電セラミック層）
６、１６、２６、３６・・・駆動電極
６ａ、１６ａ・・・駆動電極接続部
７、７ａ、１７、１７ａ・・・変位素子
８・・・液体吐出口
９、１９、２９、３９・・・分極用電極

Claims

複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層し、該振動板上にコモン電極、圧電セラミック層、および複数の駆動電極をこの順に積層した液体吐出ヘッドであって、前記複数の駆動電極は前記複数の液体加圧室にそれぞれ対向して形成されているとともに、前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれた駆動部は前記圧電セラミック層の主面に垂直に分極されており、さらに、積層方向から見て前記液体加圧室と対向する前記圧電セラミック層のうち前記駆動電極と前記コモン電極とで挟まれていない非駆動部が前記圧電セラミック層の主面に対して斜めに分極されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
積層方向から見て、前記液体加圧室の周囲と対向する前記圧電セラミック層の表面もしくは内部に分極用電極を備えたことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
積層方向から見て前記分極用電極と前記コモン電極とが重なっていないことを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
前記分極用電極と前記駆動電極とが同じ層に形成されており、それらの間の距離が前記圧電セラミック層の厚み以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。