JP2010194742A - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上凸変位駆動方式の液体吐出装置における応力に起因したマイクロクラックが抑制され、耐久性に優れた液体吐出装置を提供する。
【解決手段】液体吐出装置３Ａは、圧電素子１Ａが上部電極４０側に凸変位駆動する素子であり、圧電体３０の上部電極４０側の面に、液体貯留室６１の内壁面位置Ｗ又はその近傍、若しくは液体貯留室６１の内壁面位置Ｗより外側の領域に溝部３１が形成されている。上部電極がリング状電極の場合には、圧電体の上部電極側の面に、リング状の上部電極の内端面位置又はその近傍に溝部が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体が貯留される液体貯留室及び液体貯留室から外部に液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置に関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、この圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッド等の液体吐出装置に搭載されるアクチュエータ等として使用されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系等のペロブスカイト型酸化物が知られている。

液体吐出装置としては、図９に示すように、液体が貯留される液体貯留室２６１と液体吐出口２６２とを有する液体貯留吐出部材２６０上に、振動板２５０を介して、基板２１０と下部電極２２０と圧電体２３０と円状等の中心部に開口部のない上部電極２４０とを順次備えた圧電素子２０１が形成された液体吐出装置２０２が知られている。また、図１０に示すように、液体貯留吐出部材２６０上に、同様の構成でリング状の上部電極２７０を備えた圧電素子２０３が形成された液体吐出装置２０４が知られている。

圧電素子の駆動方式としては、圧電素子が液体貯留室側に凸変位して液体を押出して吐出する駆動方式（下凸変位駆動方式）と、いったん圧電素子が上部電極側に凸変位した後、無変位のフラット状態に戻ることで、液体を押出して吐出する駆動方式（上凸変位駆動方式）とがある。

液体吐出装置２０２では、圧電体の自発分極軸方向と電界印加方向に応じて、下凸変位駆動あるいは上凸変位駆動となる。いずれの駆動方式においても、液体吐出装置２０２では、圧電素子が圧電変形する際には、圧電素子の周縁部は液体貯留吐出部材に拘束され、圧電素子の中央部が若干撓んだ状態となる。この状態では、圧電体の液体貯留室の壁面位置又はその近傍に応力がかかりやすい。図９中、符号２６１Ｗが液体貯留室の内壁面を示し、符号Ｗが液体貯留室の壁面位置を示している。

図１１に、下凸変位駆動方式及び上凸変位駆動方式の液体吐出装置２０２における圧電体への応力のかかり具合を矢印で示す（図１１では圧電体の変位を誇張して図示してある。）。いずれの方式においても、圧縮応力がかかる方にマイクロクラックが入りやすい傾向がある。すなわち、矢印で示した部分の中でも、下凸変位駆動方式では特に下側部分、上凸変位駆動方式では特に上側部分に、マイクロクラックが入りやすい傾向がある。

下凸変位駆動方式で圧電素子のマイクロクラックが入りやすい側には振動板が形成されているので、マイクロクラックが発生したとしても、そこから圧電体に水分が浸入することは振動板によって防げる。これに対して、上凸変位駆動方式で圧電素子のマイクロクラックが入りやすい側には圧電体が露出しているため、マイクロクラックが発生すれば、そこから圧電体に水分が浸入して、圧電体を劣化させてしまう。

液体吐出装置２０４は通常、上凸変位駆動方式となる。液体吐出装置２０４では、リング状の上部電極の内端面位置又はその近傍に応力がかかりやすい。図１０中、符号２７０Ｅがリング状の上部電極の内端面を示し、符号Ｅがリング状の上部電極の内端面位置を示している。

図１２に、液体吐出装置２０４における圧電体への応力のかかり具合を矢印で示してある（図１２では圧電体の変位を誇張して図示してある。）。上凸変位駆動方式の液体吐出装置２０２と同様に、圧縮応力がかかる方にマイクロクラックが入りやすい傾向があるので、矢印で示した部分の中でも特に上側部分にマイクロクラックが入りやすい傾向がある。上部電極がリング状である上凸変位駆動方式の液体吐出装置２０４においても、上凸変位駆動方式の液体吐出装置２０２と同様、圧電素子のマイクロクラックが入りやすい側には圧電体が露出しているため、マイクロクラックが発生すれば、そこから圧電体に水分が浸入して、圧電体を劣化させてしまう。

上凸変位駆動方式の液体吐出装置におけるマイクロクラックからの水分浸入の問題は、特に高湿度環境下の駆動において起こりやすい。

特許文献１には、圧電体膜に少なくとも１つの溝部が設けられており、かつ、その溝部内に絶縁体が充填された圧電素子が開示されている（請求項１、図３等）。
特許文献１の段落００１０には、かかる構成の圧電素子では、圧電体膜が、絶縁体が充填された溝部によって複数に分離されているため、振動板の変位時に圧電体膜に生じる応力が緩和され、これにより振動板の変位量を大きくすることができるとともに、圧電体膜の割れや剥がれを防止することができることが記載されている。また、溝部には絶縁体が充填されているため、この部分によって上部電極と下部電極との間の放電が抑制されることが記載されている。

特許文献２には、圧電素子側をエラストマー材料で直接被ったことを特徴とするインクジェットヘッドが開示されている（請求項１、図５等）。特許文献２の段落００２２には、かかる構成では、圧電素子に浸入する水分をほぼ零にすることができ、水分による圧電素子の絶縁破壊を阻止することができることが記載されている。

いずれの文献にも、上凸変位駆動方式の液体吐出装置における上記応力に起因したマイクロクラックを抑制するという課題については記載がなく、これに対する解決手段は記載されていない。

特開2007-281286号公報 特開2007-276184号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、上凸変位駆動方式の液体吐出装置における応力に起因したマイクロクラックが抑制され、耐久性に優れた液体吐出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の液体吐出装置は、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電素子は、前記圧電体が前記上部電極側に凸変位駆動する素子であり、
前記圧電体の前記上部電極側の面には、前記液体貯留室の内壁面位置又はその近傍、若しくは前記液体貯留室の内壁面位置より外側の領域に溝部が形成されており、該溝部より内側の領域に前記上部電極が形成されていることを特徴とするものである。

本明細書において、「液体貯留室の内壁面位置又はその近傍、若しくは液体貯留室の内壁面位置より外側の領域に溝部が形成されている」とは、溝部の少なくとも一部がかかる位置にあることを意味するものとする。
また、「内壁面位置の近傍」は、内壁面位置から０．１０ｍｍ以内の領域と定義する。通常の液体吐出装置では、液体貯留室の内壁面位置より外側の領域は０．１０ｍｍ以内であり、内壁面位置の近傍に含まれる。液体貯留室の内壁面位置より外側の領域が０．１０ｍｍ超の場合も、０．１０ｍｍを大幅に超えることは稀であり、せいぜい１．０ｍｍ程度である。

本発明の第２の液体吐出装置は、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体とリング状の上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電素子は、前記圧電体が前記上部電極側に凸変位駆動する素子であり、
前記圧電体の前記上部電極側の面には、前記リング状の上部電極の内端面位置又はその近傍に溝部が形成されていることを特徴とするものである。
本明細書において、「リング状の上部電極の内端面位置又はその近傍に溝部が形成されている」とは、溝部の少なくとも一部がかかる位置にあることを意味するものとする。
また、「リング状の上部電極の内端面位置の近傍」は、リング状の上部電極の内端面位置から０．１ｍｍ以内の領域と定義する。

本発明の第１，第２の液体吐出装置において、前記溝部の内部の少なくとも一部に樹脂材が充填されていることが好ましく、前記溝部の内部全体に樹脂材が充填されていることがより好ましく、前記樹脂材は前記溝部の外部に突出していることが特に好ましい。
前記樹脂材の４０℃における水蒸気透過率が１０００ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下であることが好ましい。

本明細書において、「樹脂材の水蒸気透過率」は以下の方法により測定するものとする。樹脂材と同一組成を有する樹脂フィルムを用意する。もしくは樹脂材をポリイミドフィルムやＰＥＴフィルムなどの汎用的なフィルムの上に塗布・乾燥した積層フィルムを用意してもよい。水蒸気透過率は試験規格としてＡＳＴＭ Ｆ１２４９（赤外線センサを用いる水蒸気透過度試験方法）に準拠するモコン法により測定する。試験法はＪＩＳ Ｋ７１２９Ｂ法に準拠し、試験機はＭＯＣＯＮ社製水蒸気透過試験機ＰＥＲＭＡＴＲＡＮを用いる。モコン法は、測定したいフィルムを透過する水蒸気を赤外線センサで測定する方法である。

上記樹脂フィルムを一対のＯ−リングにて挟み込み、片面側の雰囲気を４０℃相対湿度１００％の高湿雰囲気とし、逆面側に透過してくる水蒸気量を定量測定する。フィルムの透過面積は５０ｃｍ^２とする。水蒸気透過量の値としては逆面側に透過してきた水蒸気量が安定して一定値になったときの値を採用する。
上記積層フィルムを用いる場合には、ベースフィルム単体の水蒸気透過量ｂ、積層（２層）フィルムの水蒸気透過量ａとしたとき、塗布した樹脂層単体の水蒸気透過量ｃは１／ｃ＝１／ａ−１／ｂの式より求めることができる。
水蒸気透過量はフィルム厚みと反比例の関係にあるため、厚み補正を行うことで、実際の使用樹脂厚の水蒸気透過率を算出することができる。

本発明によれば、上凸変位駆動方式の液体吐出装置における応力に起因したマイクロクラックが抑制され、耐久性に優れた液体吐出装置を提供することができる。
本発明によれば、４０℃相対湿度８５％の高温高湿環境下における耐久性が良好な液体吐出装置を提供することができる。

本発明に係る第１実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造を示す断面図 図１の設計変更例を示す図 図１の設計変更例を示す図 本発明に係る第２実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造を示す断面図 図４の設計変更例を示す図 図４の設計変更例を示す図 インクジェット式記録装置の構成例を示す図 図７のインクジェット式記録装置の部分上面図 従来の液体吐出装置の構造を示す断面図 従来の液体吐出装置の構造を示す断面図 従来の課題を説明するための図 従来の課題を説明するための図

「インクジェット式記録ヘッドの第１実施形態」
図１を参照して、本発明に係る第１実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造について説明する。図１はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

圧電素子１Ａは、基板１０上に、下部電極２０と圧電体３０と上部電極４０とが順次積層された素子であり、圧電体３０に対して下部電極２０と上部電極４０とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。

下部電極２０及び圧電体３０は基板１０の略全面に形成されており、この上に上部電極４０がパターン形成されている。本実施形態において、上部電極４０は中心部に開口部のない円形状パターンで、後記する溝部３１より内側の領域に形成されている。

圧電体３０はパターン形成されても構わない。圧電体３０は、互いに分離した複数の凸部からなるパターンで形成することで、個々の凸部の伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。

基板１０としては特に制限なく、シリコン，酸化シリコン，ステンレス（ＳＵＳ），イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ），アルミナ，サファイヤ，ＳｉＣ，及びＳｒＴｉＯ_３等の基板が挙げられる。基材１０としては、シリコン基板上にＳｉＯ_２膜とＳｉ活性層とが順次積層されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。

下部電極２０の組成は特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ_２，ＲｕＯ_２，ＬａＮｉＯ_３，及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。上部電極４０の組成は特に制限なく、下部電極２０で例示した材料，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極２０と上部電極４０の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。

圧電アクチュエータ２Ａは、圧電素子１Ａの基板１０の裏面に、圧電体３０の伸縮により振動する振動板５０が取り付けられたものである。圧電アクチュエータ２Ａには、圧電素子１の駆動を制御する駆動回路等の制御手段（図示略）も備えられている。

インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３Ａは、概略、圧電アクチュエータ２Ａの裏面に、インクが貯留されるインク室（液体貯留室）６１及びインク室６１から外部にインクが吐出されるインク吐出口（液体吐出口）６２を有するインクノズル（液体貯留吐出部材）６０が取り付けられたものである。インクジェット式記録ヘッド３Ａでは、圧電素子１Ａに印加する電界強度を増減させて圧電素子１Ａを伸縮させ、これによってインク室６１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。

基板１０とは独立した部材の振動板５０及びインクノズル６０を取り付ける代わりに、基板１０の一部を振動板５０及びインクノズル６０に加工してもよい。例えば、基板１０がＳＯＩ基板等の積層基板からなる場合には、基板１０を裏面側からエッチングしてインク室６１を形成し、基板自体の加工により振動板５０とインクノズル６０とを形成することができる。

圧電体３０の形態としては特に制限なく、単結晶、バルクセラミックス、及び膜が挙げられる。圧電素子１Ａの薄型化・小型化、生産性等を考慮すれば、圧電体３０の形態としては膜が好ましく、厚み１０ｎｍ〜１００μｍの薄膜がより好ましく、厚み１００ｎｍ〜２０μｍの薄膜が特に好ましい。

圧電体３０の成膜方法は特に制限されず、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、及びＰＬＤ法等の気相法；ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法；及びエアロゾルデポジション法等が挙げられる。

圧電体３０の組成は特に制限されず、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ことが好ましい。
一般式ＡＢＯ_３・・・（Ｐ）
（Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｏ：酸素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）

上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、
チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。

電気特性がより良好となることから、上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｂｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，及びＬｎ（＝ランタニド元素（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，及びＬｕ））等の金属イオンを、１種又は２種以上含むものであることが好ましい。

本実施形態において、圧電素子１Ａは、圧電体３０が上部電極４０側に凸変位駆動する素子である。
通常の駆動では、下部電極２０がグランド電極とされ、上部電極４０がアドレス電極とされる。圧電体３０の電界無印加時の自発分極軸方向、及び電界印加方向を調整することで、凸変位駆動の圧電素子１Ａが得られる。

具体的には、圧電体３０の電界無印加時の自発分極軸を、基板側がマイナス／上部電極側がプラスとし、上部電極４０にプラス電圧を印加することで、電圧印加時に圧電体３０に対して引張応力がかかり、圧電体３０は上部電極４０側に凸変位する。

例えば、ＰＺＴ系等の膜を通常のスパッタ法により成膜した場合、成膜終了時の自発分極軸は通常、基板側がプラス／上部電極側がマイナスとなる。したがって、凸変位駆動とするには、分極反転処理が必要である。分極反転処理については、特開2006-203190号公報等を参照されたい。

圧電体３０の上部電極４０側の面には、インク室６１の内壁面位置Ｗ又はその近傍（内壁面位置Ｗより０．１ｍｍ以内の領域）、若しくはインク室６１の内壁面位置Ｗより外側の領域に溝部３１が形成されている。図中、符号６１Ｗはインク室の内壁面を示している。

通常のインクジェット式記録ヘッドでは、インク室６１の内壁面位置Ｗより外側の領域は０．１ｍｍ以内であり、内壁面位置Ｗの近傍に含まれる。インク室６１の内壁面位置Ｗより外側の領域が０．１０ｍｍ超の場合も、０．１０ｍｍを大幅に超えることは稀であり、せいぜい１．０ｍｍ程度である。

溝部３１の中心位置は、インク室６１の内壁面位置Ｗに近い方が好ましく、インク室６１の内壁面位置Ｗにあることが最も好ましい。図１では、溝部３１の中心位置がインク室６１の内壁面位置Ｗにある場合について図示してある。

インク室６１の内壁面位置Ｗは圧電体３０の上部電極４０側への凸変位が起こる末端部分であり、この位置とその近傍には応力がかかりやすい（図１１右図を参照）。
本実施形態では、圧電体３０に対して応力がかかりやすいインク室６１の内壁面位置Ｗ又はその近傍、若しくはインク室６１の内壁面位置Ｗより外側の領域に溝部３１を設ける構成としているので、溝部３１によって応力が緩和され、上凸変位駆動方式における応力に起因したマイクロクラックを抑制することができる。

本実施形態において、溝部３１は上部電極４０の外周に沿って、リング状に形成されている。上部電極４０の外周に沿って、互いに離間した複数の溝部３１を設ける構成としてもよく、溝部３１の形成パターンは任意である。
溝部３１の断面形状は特に制限されず、断面視Ｖ字状の場合について図示してある。溝部３１の形状は、半円状、ディンプル状、及び矩形状など任意である。
溝部３１の深さ及び幅は特に制限されない。溝部３１は圧電体３０の底面まで到達しても構わない。ただし、溝部３１が深くなりすぎると、溝部３１から圧電体３０に水分が浸入しやすくなるため、溝部３１の深さは圧電体３０の厚みの５０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１５％以下が特に好ましい。
溝部３１の加工方法は特に制限されず、ドライエッチング等が挙げられる。

本実施形態の圧電素子１Ａ及びインクジェット式記録ヘッド３Ａは、以上のように構成されている。本実施形態によれば、上凸変位駆動方式のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）における応力に起因したマイクロクラックが抑制され、耐久性に優れたインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３Ａを提供することができる。本実施形態によれば、４０℃相対湿度８５％の高温高湿環境下における耐久性が良好なインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３Ａを提供することができる。

「第１実施形態の設計変更」
図２に示す圧電素子１Ｂ，圧電アクチュエータ２Ｂ，インクジェット式記録ヘッド３Ｂ、及び図３に示す圧電素子１Ｃ，圧電アクチュエータ２Ｃ，インクジェット式記録ヘッド３Ｃは、第１実施形態の設計変更例である。

図２に示す例では、溝部３１の内部全体に樹脂材３２が充填されている。図３に示す例では、溝部３１の内部全体に樹脂材３２が充填されており、さらに樹脂材３２は溝部３１の外部に突出している。溝部３１の内部の少なくとも一部に樹脂材３２を充填することにより、溝部３１から圧電体３０に水分が浸入することを抑制することができる。

溝部３１から圧電体３０に水分が浸入することを良好に抑制できることから、樹脂材３２の４０℃における水蒸気透過率が１０００ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下であることが好ましく、１００ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下であることがより好ましく、１０ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下であることが特に好ましい。樹脂材３２の最大厚みが厚くなる程、水分バリア性が高くなり、好ましい。

樹脂材３２の組成は特に制限されず、エポキシ系、アクリル系、及びシリコーン系等が挙げられる。エポキシ系は水分バリア性が高く、好ましい。ただし、エポキシ系は硬度が高いため、素子によっては圧電変位を阻害する可能性がある。シリコーン系はエポキシ系及びアクリル系に比較して水分バリア性が低い傾向にある。水分バリア性と硬度のバランスから、アクリル系が最も好ましい。
溝部３１への樹脂材３２の充填方法としては、ディスペンス法等が挙げられる。

第１実施形態において、溝部３１が深くなりすぎると、圧電体３０に水分が浸入しやすくなるため、溝部３１の深さは圧電体３０の厚みの５０％以下が好ましいことを述べた。樹脂材３２を充填する図２及び図３に示す例では、溝部３１から圧電体３０に水分が浸入することを良好に抑制できるので、溝部３１の深さは任意であり、圧電体３１の底面に到達しても構わない。

図２及び図３に示す設計変更では、第１実施形態よりも、４０℃相対湿度８５％の高温高湿環境下における耐久性がより良好なインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３Ｂ，３Ｃを提供することができる。

「インクジェット式記録ヘッドの第２実施形態」
図４を参照して、本発明に係る第２実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造について説明する。図４はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。第１実施形態と同じ構成要素については同じ参照符号を付して、説明は省略する。

圧電素子４Ａは、基板１０上に、下部電極２０と圧電体７０と上部電極８０とが順次積層された素子であり、圧電体７０に対して下部電極２０と上部電極８０とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。

下部電極２０及び圧電体７０は基板１０の略全面に形成されており、この上に上部電極８０がパターン形成されている。本実施形態において、上部電極８０は中心部に開口部のあるリング状パターンで形成されている。

圧電アクチュエータ５Ａは、圧電素子４Ａの基板１０の裏面に振動板５０が取り付けられたものである。インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）６Ａは、概略、圧電アクチュエータ５Ａの裏面に、インクノズル（液体貯留吐出部材）６０が取り付けられたものである。

本実施形態において、圧電素子４Ａは、圧電体７０が上部電極８０側に凸変位駆動する素子である。
通常の駆動では、下部電極２０がグランド電極とされ、上部電極８０がアドレス電極とされる。圧電体７０の電界無印加時の自発分極軸方向、及び電界印加方向を調整することで、凸変位駆動の圧電素子４Ａが得られる。

具体的には、圧電体７０の電界無印加時の自発分極軸を基板側がプラス／上部電極側がマイナスとし、上部電極８０にマイナス電圧を印加することで、電圧印加時に、圧電体７０においてリング状の上部電極８０の形成領域には圧縮応力がかかると共に、リング状の上部電極８０より内側の領域には引張応力がかかり、圧電体７０においてリング状の上部電極８０より内側の部分が上部電極８０側に凸変位する。

例えば、ＰＺＴ系等の膜を通常のスパッタ法により成膜した場合、成膜終了時の自発分極軸は通常、基板側がプラス／上部電極側がマイナスとなる。したがって、本実施形態では、分極反転処理をすることなく、凸変位駆動を実施できる。

本実施形態において、圧電体７０の上部電極８０側の面には、リング状の上部電極８０の内端面位置Ｅ又はその近傍（リング状の上部電極８０の内端面位置Ｅより０．１ｍｍ以内の領域）に溝部７１が形成されている。溝部７１はリング状の上部電極８０より内側の領域に形成されることが好ましい。図中、符号８０Ｅはリング状の上部電極８０の内端面を示している。

溝部７１は、リング状の上部電極８０の内端面位置Ｅに近い方が好ましく、リング状の上部電極８０の内端面８０Ｅに連接されることが最も好ましい。図４には、溝部７１がリング状の上部電極８０の内端面８０Ｅに連接している場合について図示してある。

リング状の上部電極８０の内端面位置Ｅは、圧電体７０の上部電極８０側への凸変位が起こる末端部分であり（図１２を参照）、また圧電体７０に引張応力がかかる部分と圧縮応力がかかる部分との境界であり、この位置とその近傍には応力がかかりやすい。
本実施形態では、圧電体３０に対して応力がかかりやすいリング状の上部電極８０の内端面位置Ｅ又はその近傍に溝部７１を設ける構成としているので、溝部７１によって応力が緩和され、上凸変位駆動方式における応力に起因したマイクロクラックを抑制することができる。

本実施形態では上記２つの要因による応力がかかるので、第１実施形態よりかかる応力は大きい。したがって、溝部を設けて応力を緩和する本発明の構成は、特にリング状の上部電極を備えたインクジェット式記録ヘッドに有効である。

本実施形態において、溝部７１は上部電極８０の内周に沿って、リング状に形成されている。上部電極８０の内外周に沿って、互いに離間した複数の溝部７１を設ける構成としてもよく、溝部７１の形成パターンは任意である。
溝部７１の断面形状は特に制限されず、断面視Ｖ字状の場合について図示してある。溝部７１の形状は、半円状、ディンプル状、及び矩形状など任意である。
溝部７１の深さ及び幅は特に制限されない。本実施形態では、圧電体７０が上部電極８０側に凸変位する範囲に溝部７１が形成されているので、溝部７１の深さ及び幅は、上記応力緩和の効果が良好に発現し、圧電変位を阻害しない範囲で設計される。溝部７１の深さは圧電体７０の厚みの５０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１５％以下が特に好ましい。
溝部７１の加工方法は特に制限されず、ドライエッチング等が挙げられる。

本実施形態の圧電素子４Ａ及びインクジェット式記録ヘッド６Ａは、以上のように構成されている。本実施形態によれば、上凸変位駆動方式のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）における応力に起因したマイクロクラックが抑制され、耐久性に優れたインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）６Ａを提供することができる。本実施形態によれば、４０℃相対湿度８５％の高温高湿環境下における耐久性が良好なインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）６Ａを提供することができる。

「第２実施形態の設計変更」
図５に示す圧電素子４Ｂ，圧電アクチュエータ５Ｂ，インクジェット式記録ヘッド６Ｂ、及び図６に示す圧電素子４Ｃ，圧電アクチュエータ５Ｃ，インクジェット式記録ヘッド６Ｃは、第２実施形態の設計変更例である。

図５に示す例では、溝部７１の内部全体に樹脂材７２が充填されている。図６に示す例では、溝部７１の内部全体に樹脂材７２が充填されており、さらに樹脂材７２は溝部７１の外部に突出している。溝部７１の内部の少なくとも一部に樹脂材７２を充填することにより、溝部７１から圧電体７０に水分が浸入することを抑制することができる。樹脂材７２の４０℃における水蒸気透過率、組成、及び溝部７１への樹脂材７２の充填方法等は、図２，図３の樹脂材３２と同様である。
図５及び図６に示す設計変更では、第２実施形態よりも、４０℃相対湿度８５％の高温高湿環境下における耐久性がより良好なインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）６Ｂ，６Ｃを提供することができる。

「インクジェット式記録装置」
図７及び図８を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３Ａ〜３Ｃ、６Ａ〜６Ｃのうちいずれかを備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図７は装置全体図であり、図８は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。
印字部１０２をなすヘッド１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３Ａ〜３Ｃ、６Ａ〜６Ｃのうちいずれかである。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
ロール紙を使用する装置では、図７のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図７上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図７の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。
吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図８を参照）。各印字ヘッド１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。
印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。

印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（比較例１−１）
成膜基板として、Ｓｉウエハ上に３０ｎｍ厚のＴｉ密着層と１５０ｎｍ厚のＰｔ下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。次いで、Ｐｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３のターゲットを用い、ＲＦスパッタリング装置により、５μｍ厚のＰＺＴ圧電体膜を成膜した。成膜条件は以下の通りとした。
基板温度：５２５℃、
ターゲット印加電圧：２．５Ｗ／ｃｍ^２、
基板−ターゲット間距離：６０ｍｍ、
真空度：０．５Ｐａ、
成膜ガス：Ａｒ／Ｏ_２混合ガス（Ｏ_２分圧１．３モル％）。
圧電体膜の成膜後に、特開2006-203190号公報に記載の分極反転処理を実施した。

次に、通常のフォトリソグラフィ法により上部電極をパターン形成した。上部電極は、５０ｎｍ厚のＴｉ層と２００ｎｍ厚のＰｔ層との積層構造とした。上部電極のパターンは、１０００μｍφの円形状パターンとした。

その後、基板の裏面側をリアクティブイオンエッチングしてインク室を形成し、基板自体の加工により振動板とインク室及びインク吐出口を有するオープンプール構造のインクノズルとを形成した。振動板の厚みは１０μｍ程度、インク室の厚みは５００μｍ程度、インク室の幅は３００μｍとした。

得られたサンプルに対して、温度４０℃相対湿度８５％条件下において、印加電圧−５０ｋＶ／ｃｍ，周波数１０ｋＨｚの条件で台形波を入射させ、誘電正接が２０％に達した時の駆動サイクルの測定を行ったところ、耐久寿命は約３０億サイクルであり、実用上の目安となる１００億サイクルを下回る耐久性であった。

（実施例１−１）
比較例１のインクジェット式記録ヘッドに対して、図１に示したように、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、上記上部電極の外側の領域に断面視Ｖ字状の溝部を形成した。溝部の中心位置がインク室の内壁面位置となるように溝部を形成した。溝部は深さ約１．０μｍ／幅５０μｍとした。ドライエッチングは、あらかじめ上部電極上に形成する溝部と同一パターンの開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィ法により形成してから、実施した。ドライエッチング条件を以下に示す。
ドライエッチングガス：ＢＣｌ_３／Ｃｌ_３混合ガス（塩素系ガス）、
ガス流量：ＢＣｌ_３／Ｃｌ_３＝３０ｓｃｃｍ／３０ｓｃｃｍ、
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ、
ＲＦパワー：８００Ｗ、
圧力：４．０Ｐａ、
基板温度：３０℃。

得られたサンプルについて比較例１−１と同様の評価を実施したところ、耐久寿命は約３００億サイクルであり、実用上の目安となる１００億サイクルを上回る耐久性が得られた。

（実施例１−２）
実施例１−１のインクジェット式記録ヘッドに対してさらに、図２に示したように、溝部の内部全体にエポキシ樹脂を２次元オートディスペンサを使用して充填した後、１２０℃１時間の熱処理を実施して樹脂を硬化させた。樹脂材の最大厚みは、溝部の深さに対応し、約１．０μｍであった。１．０μｍのエポキシ樹脂フィルムを作製して４０℃における水蒸気透過率を測定したところ、１００ｇ／ｍ^２・ｄａｙであった。
得られたサンプルについて比較例１−１と同様の評価を実施したところ、耐久寿命は４５０億サイクル以上であり、実施例１−１よりも高い耐久性が得られた。

（実施例１−３）
実施例１−１のインクジェット式記録ヘッドに対してさらに、図２に示したように、溝部の内部全体にアクリル系樹脂を２次元オートディスペンサを使用して充填した後、常温２時間の硬化処理を実施した。樹脂材の最大厚みは、溝部の深さに対応し、約１．０μｍであった。１．０μｍのアクリル系樹脂フィルムを作製して４０℃における水蒸気透過率を測定したところ、７００ｇ／ｍ^２・ｄａｙであった。
得られたサンプルについて比較例１−１と同様の評価を実施したところ、耐久寿命は４００億サイクル以上であり、実施例１−１よりも高い耐久性が得られた。

（比較例２−１）
成膜基板として、Ｓｉウエハ上に３０ｎｍ厚のＴｉ密着層と１５０ｎｍ厚のＰｔ下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。次いで、Ｐｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３のターゲットを用い、ＲＦスパッタリング装置により、５μｍ厚のＰＺＴ圧電体膜を成膜した。成膜条件は以下の通りとした。
基板温度：５２５℃、
ターゲット印加電圧：２．５Ｗ／ｃｍ^２、
基板−ターゲット間距離：６０ｍｍ、
真空度：０．５Ｐａ、
成膜ガス：Ａｒ／Ｏ_２混合ガス（Ｏ_２分圧１．３モル％）。

次に、通常のフォトリソグラフィ法により上部電極をパターン形成した。上部電極は、５０ｎｍ厚のＴｉ層と２００ｎｍ厚のＰｔ層との積層構造とした。上部電極のパターンは、外径直径１０００μｍφ、内径直径８００μｍφのリング状パターンとした。

その後、基板の裏面側をリアクティブイオンエッチングしてインク室を形成し、基板自体の加工により振動板とインク室及びインク吐出口を有するオープンプール構造のインクノズルとを形成した。振動板の厚みは１０μｍ程度、インク室の厚みは５００μｍ程度、インク室の幅は３００μｍとした。

得られたサンプルに対して、温度４０℃相対湿度８５％条件下において、印加電圧−５０ｋＶ／ｃｍ，周波数１０ｋＨｚの条件で台形波を入射させ、誘電正接が２０％に達した時の駆動サイクルの測定を行ったところ、耐久寿命は約３０億サイクルであり、実用上の目安となる１００億サイクルを下回る耐久性であった。

（実施例２−１）
比較例１のインクジェット式記録ヘッドに対して、図４に示したように、ドライエッチングにより、上記リング状の上部電極より内側の領域に、上部電極の内端面に連接するように断面視Ｖ字状の溝部を形成した。溝部は深さ約１．０μｍ／幅５０μｍとした。ドライエッチング条件は実施例１−１と同様とした。
得られたサンプルについて比較例１と同様の評価を実施したところ、耐久寿命は約３００億サイクルであり、実用上の目安となる１００億サイクルを上回る耐久性が得られた。

（実施例２−２）
実施例１のインクジェット式記録ヘッドに対してさらに、図５に示したように、溝部の内部全体にエポキシ樹脂を２次元オートディスペンサを使用して充填した後、１２０℃１時間の熱処理を実施して樹脂を硬化させた。樹脂材の最大厚みは、溝部の深さに対応し、約１．０μｍであった。１．０μｍのエポキシ樹脂フィルムを作製して４０℃における水蒸気透過率を測定したところ、１００ｇ／ｍ^２・ｄａｙであった。
得られたサンプルについて比較例１と同様の評価を実施したところ、耐久寿命は４５０億サイクル以上であり、実施例１よりも高い耐久性が得られた。

（実施例２−３）
実施例２−１のインクジェット式記録ヘッドに対してさらに、図２に示したように、溝部の内部全体にアクリル系樹脂を２次元オートディスペンサを使用して充填した後、常温２時間の硬化処理を実施した。樹脂材の最大厚みは、溝部の深さに対応し、約１．０μｍであった。１．０μｍのアクリル系樹脂フィルムを作製して４０℃における水蒸気透過率を測定したところ、７００ｇ／ｍ^２・ｄａｙであった。
得られたサンプルについて比較例２−１と同様の評価を実施したところ、耐久寿命は４００億サイクル以上であり、実施例２−１よりも高い耐久性が得られた。

本発明の液体吐出装置は、インクジェット式記録ヘッド及びマイクロポンプ等に好ましく適用できる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 圧電素子
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）
１０ 基板
２０ 下部電極
３０、７０ 圧電体
３１、７１ 溝部
３２、７２ 樹脂材
４０、８０ 上部電極
５０ 振動板
６０ インクノズル（液体貯留吐出部材）
６１ インク室（液体貯留室）
６２ インク吐出口（液体吐出口）
６１Ｗ インク室（液体貯留室）の内壁面
８０Ｅ リング状の上部電極の内端面
Ｗ インク室（液体貯留室）の内壁面位置
Ｅ リング状の上部電極の内端面位置
１００ インクジェット式記録装置
１０２Ｋ，１０２Ｃ，１０２Ｍ，１０２Ｙ インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）

Claims (6)

1. 液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
   前記圧電素子は、前記圧電体が前記上部電極側に凸変位駆動する素子であり、
   前記圧電体の前記上部電極側の面には、前記液体貯留室の内壁面位置又はその近傍、若しくは前記液体貯留室の内壁面位置より外側の領域に溝部が形成されており、該溝部より内側の領域に前記上部電極が形成されていることを特徴とする液体吐出装置。
2. 液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体とリング状の上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
   前記圧電素子は、前記圧電体が前記上部電極側に凸変位駆動する素子であり、
   前記圧電体の前記上部電極側の面には、前記リング状の上部電極の内端面位置又はその近傍に溝部が形成されていることを特徴とする液体吐出装置。
3. 前記溝部の内部の少なくとも一部に樹脂材が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出装置。
4. 前記溝部の内部全体に樹脂材が充填されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
5. 前記樹脂材は前記溝部の外部に突出していることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出装置。
6. 前記樹脂材の４０℃における水蒸気透過率が１０００ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の液体吐出装置。

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