JP2010089470A

JP2010089470A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置

Info

Publication number: JP2010089470A
Application number: JP2008264651A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyazawa; 弘宮澤; Hiroshi Ito; 浩伊藤; Koichi Morozumi; 浩一両角; Jiro Kato; 治郎加藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-04-22
Also published as: CN101722730B; CN101722730A; US8210662B2; US20100091075A1

Abstract

【課題】変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置を提供する。
【解決手段】液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、第１電極６０と、該第１電極６０上に形成された圧電体層７０と、該圧電体層７０の前記第１電極６０とは反対側に形成された第２電極８０と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子３００と、を具備し、前記第１電極６０及び前記第２電極８０に電圧が印加されていない状態において、前記圧電体層７０の内部電界が、前記第１電極６０側又は第２電極８０側に偏っている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置に関する。

液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、複数の電極で挟んで構成されたものがある。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２７３６６号公報

しかしながら、この圧電体層を用いて圧電素子を設けたとしても十分な電圧で大きな変位量を得ることができず、低い電圧に対して大きな変異量を得ることはできないのが現状である。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、高い変位特性を有する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されていない状態において、前記圧電体層の内部電界が、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、内部電界を規定することによって、圧電素子を低い駆動電圧で駆動して大きな変位量を得る、いわゆる変位特性を向上して、液体噴射特性を向上することができる。

また、本発明の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層の残留分極モーメントが、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、残留分極モーメントを規定することによって、圧電素子を低い駆動電圧で駆動して大きな変位量を得る、いわゆる変位特性を向上して、液体噴射特性を向上することができる。

また、前記圧電体層は、ペロブスカイト構造を有し、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、優れた変位特性を有する圧電素子を実現できる。

また、前記圧電体層は単斜晶系構造を有することが好ましい。さらに、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向していることが好ましい。これによれば、優れた変位特性を有する圧電素子を実現できる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、液体噴射特性を向上した液体噴射装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、基板上に変異可能に設けられて、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備える圧電素子を具備し、前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されていない状態において、前記圧電体層の内部電界が、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、内部電界を規定することによって、圧電素子を低い駆動電圧で駆動して大きな変位量を得る、いわゆる変位特性を向上することができる。

また、本発明の他の態様は、基板上に変異可能に設けられて、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備える圧電素子を具備し、前記圧電体層の残留分極モーメントが、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、残留分極モーメントを規定することによって、圧電素子を低い駆動電圧で駆動して大きな変位量を得る、いわゆる変位特性を向上することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。

図示するように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。

なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ_３で示される酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト型構造を有する結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３で、ｘが０．５のＰＺＴを用いた。

また、圧電体層７０は、結晶の配向面が擬キュービック表示で（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、単斜晶系（monoclinic）となっている。圧電体層７０の結晶構造は、製造条件等により大きく左右されるが、圧電体層７０の膜厚が５μｍ以下の場合、例えば、ｘの範囲を０．４５〜０．５５程度とすることで、単斜晶系を取ることができる。なお、本発明で「結晶が（１００）面に優先配向している」とは、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、９０％以上）が（１００）面に配向している場合と、を含むものである。また、本発明で「結晶構造が、単斜晶系（monoclinic）となっている」とは、全ての結晶が単斜晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が単斜晶系であり、単斜晶系ではない残りの結晶が正方晶系（tetragonal）等である場合と、を含むものである。

さらに、圧電体層７０は、分極モーメントの方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ）に対して所定角度傾いているものである。

また、圧電体層７０は、内部電界が、第１電極６０側又は第２電極８０側に偏っているものである。圧電体層７０の内部電界が第１電極６０側又は第２電極８０側に偏っているとは、第１電極６０、第２電極８０に電圧が印加されていない状態で、内部電界の膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向）の成分が、第１電極６０側又は第２電極８０側でほぼ均等ではなく、何れか一方側が他方側に比べて絶対値が大きくなっていることを言う。すなわち、内部電界の膜面垂直方向は、第１電極６０と第２電極８０との並び方向や、外部から電圧が印加されて発生する電界の方向などに言い換えることもできる。本実施形態では、内部電界の膜面垂直方向の成分のことをｚ方向の成分（図３参照）と称する。

電極により圧電体層７０に印加する電圧の極性を反転させたとき、分極モーメントは反転するが、本実施形態では、この様子は上下対称ではない。つまり、分極モーメントが上側に向けられているときと下側に向けられているときとで、分極モーメントのＺ方向の成分の絶対値が異なる。この場合の分極モーメントの測定値は、第１電極６０及び第２電極８０に電圧が印加されていない状態での値になるため、残留分極モーメントとも呼ばれている。残留分極モーメントは電気測定のＰ−Ｖヒステリシスループで測定することができ、ここではＰは電束密度、Ｖは電圧である。

図３に示すように、本実施形態において、圧電体層７０の分極モーメントが、Ｐ１、Ｐ２と向いている場合、Ｐ１のｚ方向の成分Ｐｕｐ（残留分極モーメントＰｕｐ）と、Ｐ２のｚ方向の成分Ｐｄｏｗｎ（残留分極モーメントＰｄｏｗｎ）とに差がある。この分極モーメントＰ１、Ｐ２は、マイナス（−）電荷からプラス（＋）電荷に向かうものであり、この分極モーメントＰ１、Ｐ２によって発生する内部電界Ｅ１、Ｅ２のｚ方向の成分Ｅｕｐ、Ｅｄｏｗｎにも差が出る。本実施形態では、分極モーメントＰ２のｚ方向の成分であるＰｄｏｗｎは、分極モーメントＰ１のｚ方向の成分であるＰｕｐよりも大きい。そして、分極モーメントＰ２（Ｐｄｏｗｎ）に対応する内部電極Ｐ１のｚ方向の成分であるＥｕｐは、分極モーメントＰ１（Ｐｕｐ）に対応する内部電界Ｅ１のｚ方向の成分であるＥｄｏｗｎよりも大きくなっている。すなわち、分極モーメントが、ｚ方向で図３中下方向に偏っていた場合、内部電界は、ｚ方向で図３中上方向に偏っていることになる。言い換えると、圧電体層７０の分極モーメントは第１電極６０側に偏っており、逆に内部電界は第２電極８０側に偏っていることになる。

このような分極モーメントＰ１、Ｐ２の偏りは、圧電体層７０の組成比や格子定数、酸素欠陥層の有無や厚さなどにより調整することができる。圧電体層７０の組成比は、ＰＺＴの場合には、チタンとジルコニウムに対する鉛（Ｐｂ）の量や、チタン（Ｔｉ）とジルコニウム（Ｚｒ）との比率などが挙げられる。

圧電体層７０の格子定数による分極モーメントの偏りとは、圧電体層７０の格子定数を変化させ、分極モーメントの方向を調整することをいう。例えば、第１電極６０として、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）などを用いると、このＬＮＯの面内の格子定数は、一般的な圧電体層７０の面内の格子定数に比べて小さいため、このＬＮＯ上には面内の格子定数が収縮された圧電体層７０が形成される。このように下地として用いる材料によって、圧電体層７０の面内の格子定数は伸張・収縮されるものであり、このような格子定数の伸張・収縮によっても分極モーメントの方向をずらすことができる。また、圧電体層７０の格子定数は、圧電体層７０を形成する際の製造条件によっても変化するものである。圧電体層７０の製造条件とは、例えば、焼成時の温度、時間及び湿度などのことである。そして、分極モーメントの方向が変化すれば、それに伴いｚ方向の成分も変化するため、分極モーメントがｚ方向の上下（第１電極６０側又は第２電極８０側）に偏らせることができる。

さらに、圧電体層７０の酸素欠陥層の有無や厚さによる分極モーメントの偏りとは、図４に示すように、圧電体層７０の第２電極８０側に酸素欠陥層７１を設けると、酸素欠陥層がプラス２価の原子サイトとして働き、圧電体層７０には、第２電極８０から第１電極６０に向かって常に実効的な内部電界Ｅ０が印加される。この実効的な内部電界Ｅ０によって、分極モーメントは回転を起こし、分極モーメントの方向を第１電極６０側に偏らせることもできる。すなわち、第２電極８０側に向かう分極モーメントＰ１のＺ軸成分であるＰｕｐは、第１電極６０側に向かう内部電界Ｅ０によって小さくなる。一方、第１電極６０側に向かう分極モーメントＰ２のＺ軸成分であるＰｄｏｗｎは、第１電極６０側に向かう内部電界Ｅ０によって大きくなる。このように、酸素欠陥層７１の存在の有無や酸素欠陥層７１による内部電界Ｅ０の大きさによって、分極モーメントの方向を調整することができる。

すなわち、圧電体層７０の内部電界とは、例えば、酸素欠陥層７１等による内部電界Ｅ０と、この内部電界Ｅ０の影響により偏った分極モーメントにより発生した内部電界とを合計したものである。ちなみに、本実施形態では、酸素欠陥層７１によって第１電極６０側に向かう内部電界Ｅ０が存在するものの、分極モーメントによって発生する内部電界Ｅｕｐ、Ｅｄｏｗｎは、Ｅｕｐの方が大きく、分極モーメントによって発生する内部電界は、第２電極８０側に偏っている。したがって、第１電極６０側に向かう酸素欠陥層７１による内部電界Ｅ０及び分極モーメントによる内部電界Ｅｄｏｗｎの合計の絶対値と、第２電極８０側に向かう分極モーメントによる内部電界Ｅｕｐの絶対値とに差を生じさせて、何れか一方に偏らせている。ただし、上述したように、分極モーメントの偏りは、酸素欠陥層７１の内部電界Ｅ０による影響だけではなく、圧電体層７０の組成比や格子定数などの要因によっても変化し、調整することができるものである。

また、圧電体層７０の内部電界は、透過電子顕微鏡を用いて、強度輸送方程式による電子線の位相計測と、それに基づいた電場計測とを行うことにより測定することができる。

具体的には、透過電子顕微鏡の明視野像（透過波だけの結像）を利用する。正焦点の像に対して、アンダーとオーバーの両側に同じでフォーカスをした３枚の像を用意し、強度の伝播方向の微分を観測強度の差分で近似（強度輸送方程式）し、位相を測定する。この位相から電場ベクトルを求めるために位相を微分する。

そして、電場ベクトル（内部電界のベクトル方向）は、分極モーメントのベクトル方向とは互いに反平行となっているため、圧電体層７０の電場ベクトルを測定することにより、圧電体層７０の分極モーメントの方向も測定することができる。

また、内部電界の絶対値と分極モーメントの絶対値は比例するため、内部電界の絶対値の相対比較で分極モーメントの絶対値の相対比較が可能となる。

ここで、酸素欠陥層７１が作る内部電解Ｅ０の大きさが十分小さい場合、酸素欠陥層７１が作る内部電解Ｅ０を無視し、本測定方式から得られた内部電解の方向および大きさを、そのまま分極モーメントの方向（向きは逆方向となる）および大きさに対応すると近似することもできる。

このように、圧電体層７０に内部電界の偏りを設けることにより、圧電体層７０の変位特性を向上させることができる。

なお、圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。

また、圧電体層７０の製造方法は特に限定されず、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成することができる。もちろん、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい。

（実施例）
圧電体層７０の酸素欠陥層７１の厚みを調整し、圧電体層７０に内部電界の偏りを設けた圧電素子３００を形成した。圧電体層７０の形成方法としては、ゾル−ゲル法により形成した。具体的には、（１００）面のシリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０上に厚さが１０００ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜５０を形成し、弾性膜５０上に厚さが５００ｎｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜５５を形成する。そして、絶縁体膜５５上に白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを順次積層することで厚さ２００ｎｍの第１電極６０をスパッタリング法により形成する。その後、第１電極６０上に圧電体層７０となる組成液を塗布する塗布工程、塗布された組成液を乾燥して圧電体前駆体膜を形成する乾燥工程、乾燥した圧電体前駆体膜を結晶化しない程度に加熱して脱脂する脱脂工程、脱脂された圧電体前駆体膜を焼成する焼成工程を、組成液を２００ｎｍ塗布する毎に繰り返し行い、厚さが１．１μｍの圧電体層７０を形成した。各焼成工程では、酸素が２０％の雰囲気下で、７８０℃で３０秒の加熱を３回行った。また、圧電体層７０上には、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極８０をスパッタリング法により形成した。

（比較例）
圧電体層７０の焼成工程において、酸素１００％の雰囲気下で、７００℃で６０秒間の加熱を１回行った以外、実施例と同じ構成及び製造方法とした。

（試験例）
実施例及び比較例の圧電体層７０の第２電極８０側の酸素量をエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer）によって相対比較した。酸素欠陥量を比較する具体的な位置Ｘは、第２電極８０との界面から５０ｎｍ圧電体層７０側に入った位置である。この位置を第２電極界面側の組成を表す位置とする。そして、圧電体層７０の厚さの中心部分の酸素量を基準（１．０）とし、位置Ｘでの酸素量の信号強度をＯｘとする。このＯｘを実施例と比較例とで相対比較する。具体的には下記表１に比較例のＯｘを１００％とした場合の実施例のＯｘを百分率の相対値の結果を示す。

また、実施例及び比較例の圧電体層７０について、透過電子顕微鏡を用いて、強度輸送方程式による電子線の位相計測と、それに基づいた電場計測とにより内部電界と分極モーメントのｚ方向の成分（残留分極モーメント）とを測定した。

さらに、実施例及び比較例の圧電体層７０について、圧電体層７０の面内方向の格子定数（ａ軸）と、厚さ方向の格子定数（ｂ軸）を測定した。格子定数の測定は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって測定したＸ線の回折ピークから測定した。

また、実施例及び比較例の圧電素子７０について、上限電圧３０Ｖ、下限電圧−２Ｖ、５０ｋＨｚの矩形波を印加し、圧電素子７０の変位量をレーザー変位計で測定した。これらの結果を下記表１に示す。

表１に示すように、実施例の圧電体層７０は、第２電極８０側の酸素量が少ない（酸素欠陥量が多い）のに対して、比較例の圧電体層７０は、厚さ方向において酸素量は均一となっている。

このように酸素欠陥層７１を設けたことにより、実施例の圧電体層７０では内部電界がＥup_total＞Ｅdown_totalと第２電極８０側に偏っているのに対して、比較例の圧電体層７０では、内部電界がＥup_total＝Ｅdown_totalとなっており第１電極６０側又は第２電極８０側の何れの方向にも内部電界が偏っていない。また、実施例の圧電体層７０の分極モーメントの大きさは、Pdown＞Pupとなり、したがって分極モーメントの大きさは第１電極６０側に偏っている。これに対して、比較例の圧電体層７０では、Pdown＝Pupとなっており、第１電極６０側及び第２電極８０側の何れの方向にも分極モーメントの大きさが偏っていない。

そして、実施例の内部電界が第２電極８０側に偏った圧電体層７０を有する圧電素子３００では、変位量が４３０ｎｍと、比較例に対して大きな変位量が得られた。

この現象は１つの要因として、分極モーメントがピニングされることによる圧電素子３００の変異低下を抑えることができたためだと考えられる。圧電素子３００に電圧を印加した際、その上限電圧では圧電体層７０のほとんどの領域で、分極モーメントのＺ方向成分は印加した電圧のベクトル方向に向く。しかし、印加電圧が０Ｖ付近に低下すると、圧電体層７０の反電界により、圧電体層７０の一部領域で分極反転が起こり始める。そして、この印加電圧とは逆方向に反転した分極モーメントに対して分極ピニングが発生する場合がある。この異常反転領域は、圧電変位を低下させる抵抗勢力として寄与するが、実施例のように、分極モーメントの大きさを予め片側に偏らせておくことで、逆方向にピニングされた領域の分極モーメントの値を小さくでき、圧電変位の低下を抑えることができる。この結果、高い変位量が得られるものと考えられる。

つまり、圧電体層７０の内部電界が第１電極６０側又は第２電極８０側に偏ることで、変位特性に優れた、すなわち、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる。

加えて、実施例及び比較例の格子定数（ａ軸、ｂ軸）は同じであるため、この実施例及び比較例においては、格子定数や組成比による内部電界の方向（分極モーメントの方向）の変化は現れておらず、酸素欠陥層７１の有無や厚さの調整によって内部電界の方向を変化させているものの、もちろん、これに限られたものではなく、組成比や格子定数を調整することや、それらを複合させることにより、内部電界の方向（分極モーメントの方向）を変化させることもできる。

また、第２電極８０は、例えば、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる。この第２電極８０は、圧電素子３００の個別電極として機能する。また、第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバ１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１１０が固定されている。この駆動回路１１０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１１０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１１０ａを介して電気的に接続されている。

また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１１０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、上述した実施形態１では、圧電体層７０の内部電界が第２電極８０側に偏ったものを例示したが、もちろん、圧電体層の内部電界は、第１電極６０側に偏っていてもよい。

さらに、上述したインクジェット式記録ヘッドＩは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図５に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、インクジェット式記録装置ＩＩには、図示しない駆動手段が設けられている。ここで、インクジェット式記録装置ＩＩの制御構成について説明する。なお、図６は、本実施形態のインクジェット式記録装置ＩＩの制御構成を示すブロック図である。

インクジェット式記録装置は、図６に示すように、プリンタコントローラ１１１とプリントエンジン１１２とから概略構成されている。プリンタコントローラ１１１は、外部インターフェース１１３（以下、外部Ｉ／Ｆ１１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ１１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ１１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部１１６と、クロック信号を発生する発振回路１１７と、インクジェット式記録ヘッドＩへ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路１１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン１１２に送信する内部インターフェース１２０（以下、内部Ｉ／Ｆ１２０という）とを備えている。

外部Ｉ／Ｆ１１３は、例えば、キャラクタコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピュータ等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ１１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピュータ等に対して出力される。ＲＡＭ１１４は、受信バッファ１２１、中間バッファ１２２、出力バッファ１２３、及び、図示しないワークメモリとして機能する。そして、受信バッファ１２１は外部Ｉ／Ｆ１１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファ１２２は制御部１１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファ１２３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。

駆動信号発生回路１１９は、本発明の駆動信号発生手段に相当し、駆動信号ＣＯＭを発生する。そして、駆動信号ＣＯＭは、インクを吐出させるように圧電素子３００を駆動（吐出駆動）する吐出パルスを１記録周期内に有する信号であり、記録周期Ｔ毎に繰り返し発生される。

また、ＲＯＭ１１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。制御部１１６は、受信バッファ１２１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファ１２２に記憶させる。また、中間バッファ１２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ１１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部１１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファ１２３に記憶させる。

そして、インクジェット式記録ヘッドＩの１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ１２０を通じてインクジェット式記録ヘッドＩに出力される。また、出力バッファ１２３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファ１２２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。

プリントエンジン１１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構１２４と、キャリッジ機構１２５とを含んで構成してある。紙送り機構１２４は、紙送りモータとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の記録シートＳをインクジェット式記録ヘッドＩの記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この紙送り機構１２４は、記録シートＳを副走査方向に相対移動させる。

キャリッジ機構１２５は、インクジェット式記録ヘッドＩを搭載可能なキャリッジ３と、このキャリッジ３を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してあり、キャリッジ３を走行させることによりインクジェット式記録ヘッドＩを主走査方向に移動させる。なお、キャリッジ駆動部は、上述したように駆動モータ６及びタイミングベルト７等で構成されている。

インクジェット式記録ヘッドＩは、副走査方向に沿って多数のノズル開口２１を有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズル開口２１から液滴を吐出する。そして、このようなインクジェット式記録ヘッドＩの圧電素子３００には、図示しない外部配線を介して電気信号、例えば、駆動信号ＣＯＭや印字データ（ＳＩ）等が供給される。

なお、このように構成されるプリンタコントローラ１１１及びプリントエンジン１１２では、プリンタコントローラ１１１と、駆動信号発生回路１１９から出力された所定の駆動波形を有する駆動信号を選択的に圧電素子３００に入力するラッチ１３２、レベルシフタ１３３及びスイッチ１３４等を有する駆動回路１１０とが圧電素子３００に所定の駆動信号を印加する駆動手段となる。

また、これらのシフトレジスタ１３１、ラッチ１３２、レベルシフタ１３３、スイッチ１３４及び圧電素子３００は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッドＩの各ノズル開口２１毎に設けられており、これらのシフトレジスタ１３１、ラッチ１３２、レベルシフタ１３３及びスイッチ１３４は、駆動信号発生回路１１９が発生した駆動信号ＣＯＭから駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電素子３００に印加される印加パルスのことである。

ここで、駆動パルスの一例を図７に示す。なお、図７は、駆動パルスを示す。駆動パルス２００は、図７に示すように、第１電極６０を基準電位Ｖ０として、第２電極８０に印加されるものである。駆動パルス２００は、駆動電位Ｖを基準電位Ｖ０よりも高い第１電位Ｖ１から、この第１電位Ｖ１よりも高い第２電位Ｖ２まで上昇させて圧力発生室１２の容積を収縮させる収縮工程４００と、第２電位Ｖ２を所定の期間保持する第１保持工程４０１と、駆動電位Ｖを第２電位Ｖ２から第１電位Ｖ１よりも低く、且つ基準電位Ｖ０よりも低い第３電位Ｖ３まで降下させて圧力発生室１２の容積を膨張させる膨張工程４０２と、第３電位Ｖ３を所定の期間保持する第２保持工程４０３と、駆動電位Ｖを第３電位Ｖ３から第１電位Ｖ１まで上昇させる工程４０４とで構成されている。

そして、このような駆動パルス２００が圧電素子３００に出力されると、収縮工程４００によって圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を収縮させる方向に変形することにより、ノズル開口２１のメニスカスが押し出される。次いで、膨張工程４０２によって圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変形して、ノズル開口２１のメニスカスが圧力発生室１２側に急激に引き込まれることで、ノズル開口２１から押し出されていたインクが千切れ、ノズル開口２１から吐出されたインクがインク滴となって飛翔する。すなわち、この駆動パルス２００は、いわゆる引き打ち式のものである。

なお、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係る内部電界と分極モーメントとを示すグラフである。実施形態１に係る内部電界と分極モーメントとを示す断面図である。一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。一実施形態に係る制御構成を示すブロック図である。一実施形態に係る駆動パルスを示す波形図である。

符号の説明

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、１５連通路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１リザーバ部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、６０第１電極、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極、１００リザーバ、１１０駆動回路、３００圧電素子、Ｅ０、Ｅ１、Ｅ２内部電界、Ｐ１、Ｐ２分極モーメント

Claims

液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、
第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、
前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されていない状態において、前記圧電体層の内部電界が、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、
第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、
前記圧電体層の残留分極モーメントが、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧電体層は、ペロブスカイト構造を有し、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
前記圧電体層は単斜晶系構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
前記圧電体層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
基板上に変異可能に設けられて、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備える圧電素子を具備し、
前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されていない状態において、前記圧電体層の内部電界が、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とするアクチュエータ装置。
基板上に変異可能に設けられて、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備える圧電素子を具備し、
前記圧電体層の残留分極モーメントが、前記第１電極側又は第２電極側に偏っていることを特徴とするアクチュエータ装置。