JP2010214634A - 薄膜アクチュエータ、液体吐出ヘッド、インクカートリッジ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータサイズを小さくして更なる高密度化、低駆動電圧化、素子の小型化に対応できる薄膜エクチュエータを提供することを目的とする。液滴吐出装置として述べれば、更なる高密度化に際して必要とされる発生力の飛躍的な増大或いは高粘度の液滴吐出（例えば、ＵＶインクなどの高粘度インク、高顔料濃度インク、各種薄膜形成用原料インク、液状レジスト、ＤＮＡ試料などの生物由来液体等）のために要求される発生力を飛躍的に増大させることを目的とする。
【解決手段】振動板５５を変形させて力を発生させる薄膜アクチュエータ１において、振動板５５上に下電極１１と、第一圧電層１２と、中間電極１３と、第二圧電層１４と、上電極１５と、を順次積層したことを特徴とする薄膜アクチュエータ。
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜アクチュエータ及びそれを使用してインク等の液滴を吐出する液体吐出装置に関するものであり、更にはその液体吐出装置を使用して画像を形成する画像形成装置にも適用可能な技術である。

液体吐出装置を使用して画像を形成する画像形成装置、具体的にはインクジェット記録装置は、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点があるために、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等に広く展開されている。
インクジェット記録装置において使用する液滴吐出装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。）と、液室内のインクを吐出するための圧力発生手段で構成されている。
上記のような圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のものなどがある。更にピエゾ型のものにはｄ３３方向の変形を利用した縦振動型、ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベンドモード）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等があるが、最近では半導体プロセスやＭＥＭＳの進歩により、Ｓｉ基板に直接液室及びピエゾ素子を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。

特許文献１には、振動板とそれを変形させる圧電素子を備えた圧電アクチュエータに関する発明が記載されている。低コストで高密度かつ高精度なインクジェット記録ヘッドを実現するために、振動板に発生する残留応力（ストレス）を抑制するという課題に対して、振動板に不純物を導入して応力を緩和する構成を提案している。圧電体であるＰＺＴ膜としてはスパッタ法による５μｍ厚の薄膜を使用しており、振動板としてはＳｉ酸化膜を使用し、そこに不純物としてＧｅ、Ｐ、Ｂ等を導入する技術を提案している。ドープ量は３５ｍｏｌ％以下が適量であると開示している。
また、特許文献２には、薄膜タイプの圧電アクチュエータにおける、圧電体の変位変動やバラツキを抑制するといった課題に対して、圧電体の動作領域を規定するために開口部を有する層間絶縁層を設けて、その開口部内のみに変位可能な圧電体を作製し、開口部以外では変位しない圧電体となるような構成とする技術を開示している。圧電体であるＰＺＴ膜としてはスパッタ法による４μｍ厚の薄膜を使用しており、振動板としては４μｍ厚のＳｉ膜を使用している。
また、特許文献３には、薄膜タイプの圧電アクチュエータに関するものであって、低駆動電圧、高吐出効率、高密度化を図るために圧電体の厚さ５μｍ以下で、振動板の短辺幅ａを１６０μｍ以下にした構成を開示している。

しかしながら、特許文献１の発明では、振動板の応力緩和に対してはある程度の効果があるものの、特に更なる高密度化に際して必要とされる発生力の飛躍的な増大といった課題に対しては解決することができないという問題がある。
また、特許文献２の発明では、上述の構造を有することにより、不要な静電容量を減少でき、かつ圧電体の動作領域を限定することができるため、圧電体の変位の変動やバラツキをある程度抑制することはできるが、特許文献１の発明と同様に更なる高密度化に際して必要とされる発生力の飛躍的な増大といった課題に対しては解決することができないという問題がある。
また、特許文献３の発明では、上述の構成による圧電アクチュエータであればその発生する力は現状のノズル密度を達成することはできても、更なる高密度化に際して必要とされる発生力の飛躍的な増大といった課題に対しては必ずしも十分ではないという問題がある。

以下、具体的に説明する。特許文献３に記載されているように、従来のアクチュエータにおいては、圧電層が一層のみの構造、すなわち下電極／圧電層／上電極の構造のものしかなく、アクチュエータの発生力を増大させるには、振動板の厚さに応じて圧電体の厚さと振動板の短辺幅を最適化するしかなかった。
そのため、更なる高密度化を図ろうとすると、振動板の短辺幅が著しく短くなってしまう。例えば６００ｄｐｉの場合は、短辺幅が３０μｍ程度となり、１２００ｄｐｉの場合には短辺幅が１５μｍ程度となる。この状況下において所望の発生力を得るには、振動板の厚さが著しく薄い領域（サブミクロン領域）で、かつ、圧電層の膜厚が極端に厚い状態（７μｍ程度以上）に設定しなければならない。この領域で、圧電層を一層しかもたない圧電アクチュエータを作製すると、振動板の厚さが薄いために歩留まりが低くなり、また、圧電層が厚いために駆動電圧が上昇してしまい（膜特性にも依存するが７μｍでの駆動電圧は約７０Ｖにも達する）、実用に耐えるものではなくなってしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、アクチュエータサイズを小さくして更なる高密度化、低駆動電圧化、素子の小型化に対応できる薄膜エクチュエータを提供することを目的とする。すなわち、液滴吐出装置として述べれば、更なる高密度化に際して必要とされる発生力の飛躍的な増大或いは高粘度の液滴吐出（例えば、ＵＶインクなどの高粘度インク、高顔料濃度インク、各種薄膜形成用原料インク、液状レジスト、ＤＮＡ試料などの生物由来液体等）のために要求される発生力の飛躍的増大という課題に対して、その解決方法を提供するものである。
なお、本発明の適用範囲は上述した液滴吐出装置（特にインクジェットヘッド）に限定されるものではなく、光学分野においては各種光走査用ミラー(プロジェクター、ヘッドマウントディスプレイ、光書込み用素子（ポリゴンミラー走査系）或いは光通信用光スイッチ、液体搬送では微小流量を搬送、移送に用いるマイクロポンプ、バイオチップ等と非常に広範囲に適用可能である。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、振動板を変形させて力を発生させる薄膜アクチュエータにおいて、前記振動板上に下電極と、第一圧電層と、中間電極と、第二圧電層と、上電極と、を順次積層した構成とする薄膜アクチュエータを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記中間電極の外周縁を前記第一圧電層の外周縁から所定距離離間させた中央部寄りに配置すると共に、前記上部電極の外周縁を前記第二圧電層の外周縁から所定距離離間させた中央部寄りに配置した薄膜アクチュエータを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記下電極を前記第一圧電層により被覆するとともに、前記中間電極を前記第二圧電層により被覆した薄膜アクチュエータを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２記載の前記薄膜アクチュエータにおいて、該薄膜アクチュエータを構成する前記下電極と前記第一圧電層と前記中間電極と前記第二圧電層と前記上電極の端面を、保護膜で被覆した薄膜アクチュエータを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一項記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記振動板の幅Ｌｍと、前記下電極と前記第一圧電層とを含む第一変形層の幅Ｌｐ１と、前記中間電極と前記第二圧電層とを含む第二変形層の幅Ｌｐ２との関係がＬｍ＞Ｌｐ１＞Ｌｐ２であるを特徴とする薄膜アクチュエータを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか一項記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記上電極と前記下電極とが電気的に接続されており、かつ、前記中間電極が共通電極であり、前記上電極と前記下電極とが信号電極である薄膜アクチュエータを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか一項記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記上電極と前記下電極とが電気的に接続されており、かつ、前記中間電極が信号電極であり、前記上電極と前記下電極とが共通電極である薄膜アクチュエータを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、液滴を吐出する複数のノズル孔と、夫々の前記ノズル孔に連通する加圧液室と、該加圧液室の一壁面を構成する振動板と、を備えて、前記振動板を変形させることにより前記ノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドであって、前記振動板を変形させる手段として請求項１乃至７何れか一項記載の薄膜アクチュエータ備えた液滴吐出ヘッドを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項８記載の液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクと、を一体化したインクカートリッジを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９記載の液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置を特徴とする。

本発明においては、振動板上に作製する薄膜アクチュエータを、下電極と、第一圧電層と、中間電極と、第二圧電層と、上電極とを順次積層した構成とした。すなわち、変形層を複数備えたので、アクチュエータサイズを小さくすることができ、更なる高密度化を図ることができる。また、低駆動電圧化、素子の小型化も可能となる。

第一の実施形態に係る薄膜アクチュエータの短辺方向の断面図である。 第二の実施形態に係る薄膜アクチュエータの短辺方向の断面図である。 第三の実施形態に係る薄膜アクチュエータの短辺方向の断面図である。 第四乃至第七の実施形態に係る薄膜アクチュエータについて説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ’断面図である。 本発明の薄膜アクチュエータが適用されるインクジェットヘッドの一部を断面にて示した分解斜視図である。 インクカートリッジの斜視図である。 インクジェット記録装置の一部透視斜視図である。 インクジェット記録装置の内部構造を示す概略図である。

〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態について図１に基づいて説明する。図１は、第一の実施形態に係る薄膜アクチュエータの短辺方向の断面図である。図４、図５に示すＸ−Ｘ’切断線にて切断した断面に相当する。本実施形態に係る薄膜アクチュエータ１は、振動板５５上に下電極１１と、第一圧電層１２と、中間電極１３と、第二圧電層１４と、上電極１５と、を順次積層した構造を有する点に特徴がある。
薄膜アクチュエータ１の作製方法について説明する。
先ずシリコン基板５４表面に、下電極１１となるＴｉ／Ｐｔ多層膜を基板温度２００℃で約１００ｎｍ厚にスパッタ法にて成膜し、通常のフォトリソ−エッチング工程で所定の形状にエッチングして下電極１１を形成した。
次に、薄膜アクチュエータ１としてパターニングされた第一圧電層１２及び中間電極１３、第二圧電層１４、及び上電極１５を順次積層して多層構造とした。夫々の膜の堆積条件をより具体的にあげれば、第一圧電層１２となるＰＺＴ膜を基板温度５５０℃でスパッタ法にて約２μｍ厚に堆積させ、中間電極１３となるＰｔ膜を約８０ｎｍ成膜し、更にその上に第二圧電層１４となるＰＺＴ膜を第一圧電層９と同様の条件で約３．５μｍ厚に堆積させ、更に上電極１５となるＰｔ膜を約１００ｎｍ堆積させた。各層のパターニングは通常のフォトリソ−エッチング工程にて行ったが、より具体的にはエッチングはＲＩＥ法（反応性イオンエッチング）或いはＩＣＰ法（容量性結合プラズマ）で行った。
最後に、シリコン基板５４の裏面（薄膜アクチュエータ１の作製されていない側の面）から、所定の厚さにて振動板５５となる部分を残すように、シリコン基板５４を振動板５５の位置までエッチングにて除去して、加圧液室５６と振動板５５を作製した。なお、加圧液室５６と振動板５５作成後のシリコン基板５４は、インクジェットヘッドにおける液室基板５２を構成する（図７参照）。
また、本明細書においては圧電層のなかで隣接する上下電極間の電界の影響を受けて変形する領域、いわば活性になる領域を変形層と呼ぶ。特に薄膜アクチュエータ１を構成する下電極１１及び第一圧電層１２を第一変形層１６と呼び、中間電極１３及び第二圧電層１４を第二変形層１７と呼ぶ。

上述のように作製された薄膜アクチュエータ１の効果について説明する。本発明の薄膜アクチュエータ１は、少なくとも二つの変形層、具体的には第一変形層１６と第二変形層１７とを有している。このように、変形層を複数（二層以上）有しているので、単層のものに比べて駆動電圧の上昇を抑制しつつ発生力の増加を図ることができる。本実施形態の構造によれば、アクチュエータサイズを小さくすることができ、高密度でありながら比較的駆動電圧が低くかつ発生力の大きな薄膜アクチュエータを実用上支障ないコストで得ることができる。また、素子の小型化も可能となる。
ここで、薄膜アクチュエータの作製方法に関してより具体的に記載する。ここに挙げた電極材料は一例に過ぎず、特にこれらに特に限定されるものではない。例えば、下電極１１と上電極１５の電極材料としては、圧電素子であるＰＺＴ材料との親和性が高く耐熱性がある材料、例えばＩｒ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔａ、ＰｔＯ₂、ＴａＯ₄、ＩｒＯ₂等が挙げられる。

また、ＰＺＴ膜の積層（成膜）にはゾル−ゲル法、ＡＤ法、イオンプレーティング法等も用いることが可能である。特にゾル−ゲル法は成膜装置が安価であり、成膜温度も比較的低温であるにもかかわらず、絶縁耐圧及びｄ３１のすぐれた膜をえることができ特に有効である。
ゾル−ゲル法を用いて圧電体薄膜を成膜する場合に関してより具体的には述べる。まず、チタン、ジルコニウム、鉛などの金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシドもしくはブトキシドなどのアルコキシドまたはアセテート化合物を、酸等で加水分解してゾルを調整した。次いで、作製したゾルを下電極１１の上に塗布する。塗布は、スピンコート、ディップコートなどの方法を用いた。塗布後、これを一定温度下にて一定時間乾燥させゾルの溶媒を蒸発させる。乾燥温度は１５０℃以上２００℃以下であることが好ましく、時間は５分以上１５分以下が好ましい。さらに大気雰囲気下において一定温度にて一定時間仮焼成する。具体的には基板全体をホットプレートに密着させ、ホットプレートからの熱が基板全体に熱伝導するようにして加熱する方法が好ましい。仮焼成温度は３００℃以上５００℃以下であることが好ましく、時間は５分以上３０分以下が好ましい。この操作により金属に配位している有機物が金属から解離し酸化燃焼反応を生じ大気中に飛散する。次にこれを焼成して結晶化させることにより、圧電層が形成される。焼成には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置や拡散炉などを用いた。焼成温度は５５０℃以上７５０℃以下であることが好ましい。焼成時間は６０分以下であることが好ましい。

〔第二の実施形態〕
本発明の第二の実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る薄膜アクチュエータの短辺方向の断面図である。なお、各電極の短辺の一方の端部には配線が設けられている。第一の実施形態と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る静電アクチュエータ２の特徴は、中間電極２３より第一圧電層２２が、配線が設けられている辺を除くいずれの辺においても長く、上電極２５より第二圧電層２４を、配線が設けられている辺を除くいずれの辺においても長くしていることにある。なお、下電極２１と第一圧電層２２は、配線が設けられている辺を除くいずれの辺においても略同一である。また、中間電極２３と第二圧電層２４は、配線が設けられている辺を除くいずれの辺においても略同一である。言い換えれば、圧電層上に成膜する電極層の配線が設けられている辺を除く外周縁を、該圧電層を構成する薄膜の外周縁から所定距離離間させた中央部寄りに配置して、電極層の端縁を該電極層よりも下層にある電極層の端縁から離間させた点に特徴がある。具体的には、第一圧電層２２上に成膜する中間電極２３の外周縁を、第一圧電層２２の外周縁から所定距離離間させることにより、第一圧電層２２の端縁と中間電極２３の端縁とに段差を設けている。このように配置することにより、下電極２１の端縁と中間電極２３の端縁とを離間距離を長くすることができる。また、第二圧電層２４と上電極２５も同様に構成することで、中間電極２３の端縁と上電極２５の端縁とを離間距離を長くすることができる。

第一の実施形態に係る薄膜アクチュエータ１においては、積層されている各薄膜の端面が直線的に揃っている状態である。駆動に際して高電圧のパルスを印加すると、使用環境にもよるが、下電極１１と中間電極１３及び中間電極１３と上電極１５の間で、薄膜の端面を介して電流が流れてしまう表面リークが起こり、変形層に電圧がかからなくなる虞がある。また、更に高電圧を印加すると、大気Ｇａｐの絶縁破壊が生じて、素子が損傷を受ける虞がある。
これに対して本実施形態においては、圧電層上に成膜する電極層の外周縁を、該圧電層を構成する薄膜外周縁から離間させて中央部寄りに配置したので、夫々の電極間のＧａｐ長を長くすることができ、表面リーク及び大気の絶縁破壊を防ぐことができる。なお、本実施形態における静電アクチュエータ２の作製プロセスは、第一の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

〔第三の実施形態〕
本発明の第三の実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る薄膜アクチュエータの短辺方向の断面図である。上述の実施形態と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る静電アクチュエータ３は、上記の実施例２の構成よりもさらに、駆動時の電気的な故障を低減できる構成を与えるものである。具体的には、下電極３１が第一圧電層３２により被覆され、中間電極３３が第二圧電層３４により被覆されている構造とした点が特徴的である。この構成とすることで、電極を被覆した部分の圧電層が、電極に対する保護膜として機能して、駆動に際して夫々の電極間のＧａｐに生じるであろう表面リーク及び大気の絶縁破壊を有効に防止することができる。
なお、本実施形態における静電アクチュエータ３の作製プロセスは、第一の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

〔第四の実施形態〕
本発明の第四の実施形態について図４に基づいて説明する。図４は第四乃至第七の実施形態に係る薄膜アクチュエータについて説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ’断面図である。なお、図面の煩雑さを避けるため（ａ）には第一圧電層２２、第二圧電層２４、保護膜４１を図示していない。上述の実施形態と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態における薄膜アクチュエータ４は、（ｂ）に示すように薄膜アクチュエータの素子端面、すなわち薄膜アクチュエータ４を構成する各薄膜の端縁を、絶縁体からなる保護膜４１で被服した点が特徴的である。
一般的に圧電体は、大気中の成分（主には水分等）に接すると除々にではあるが変化を起こし、特性が変化することがある。この現象は電圧が印加させることで促進され、特にＰｔ電極を使用した場合はその触媒効果によって発生する水素で圧電体材料が変化をきたす。本実施形態においては、この材料変化を防ぐために薄膜アクチュエータ４の端面を保護膜４１で被覆したものである。保護膜の材料としてはＳｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜、Ｓｉ酸窒化膜等が使用可能である。成膜はスパッタ法で行い、パターニングはドライ法で行った。
なお、保護膜４１以外の本実施形態における薄膜アクチュエータ４の作製プロセスは、第一の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

〔第五の実施形態〕
本発明の第五の実施形態について図４に基づいて説明する。
本実施形態においては、振動板５５の幅Ｌｍと第一変形層２６の幅Ｌｐ１と第二変形層２７の幅Ｌｐ２との関係がＬｍ＞Ｌｐ１＞Ｌｐ２となるように薄膜アクチュエータ４を構成した点に特徴がある。このような構成を有することにより、振動板５５の変形量を大きくすることができる。
すなわち、四辺が固定されて自由端を有さない振動板５５において、第一変形層２６の幅Ｌｐ１よりも振動板５５の幅Ｌｍが小さい場合、すなわち第一変形層２６が振動板５５の外側の基板の厚い部分にも堆積している場合は、厚い部分が固定端になるために第一圧電層２２が変形しても、その変形が厚い部分で拘束され振動板５５が有効に変位しない。また、第二変形層２７の幅Ｌｐ２のほうが第一変形層２６の幅Ｌｐ１よりも長いと、電気的な絶縁が取り難くなることと、第二変形層２７以下の変形を阻害する可能性があり、薄膜アクチュエータの動作に支障をきたすことになる。
なお、薄膜アクチュエータ３（図３参照）の変形層の幅Ｌｐは、電極を被覆している部分の圧電層を含む概念である。

〔第六の実施形態〕
本発明の第六の実施形態について図４に基づいて説明する。薄膜アクチュエータの動作に関し、その駆動配線及び駆動信号の与え方に関すものである。なお、便宜上、第四の実施形態に係る薄膜アクチュエータ４の例により説明するが、本実施形態は、第一乃至第五の実施形態に係る薄膜アクチュエータに適用可能である。
本発明における薄膜アクチュエータ４は、下電極２１と中間電極２３と上電極２５の少なくとも３本の電極が必要であり、そのままの構造では夫々を駆動回路と接続するにはそれに対応して３本の電気配線（引出し配線）が必要になってくる。インクジェットヘッドは薄膜アクチュエータの多数ビット列で構成されるため、引出し配線の数が多いと、層間絶縁層を設けて配線しても、配線どうしの交差点が増加し、配線ショートの確立が一挙に増加して歩留まりが著しく悪くなる。またパターンが複雑になり配線部の面積が大きくなり、チップ面積が増加して、Ｓｉウエハからのチップ取り数が少なくなってコストが高くなる。本実施形態は以上のことに鑑みてなされたものである。
図４（ｂ）に示すように、下電極２１と上電極２５は上下電極接続部４２で電気的に接続されており、そこから１本の上下電極配線４３で引出される、一方、中間電極２３はそのまま中間電極配線４４で引出される。この構造とすることで上述したように、電極配線の数を少なくでき素子の歩留まりとチップ取り数を向上でき、引いてはより低コスト化がはかれる。
一方、駆動信号の与え方としては、中間電極２３を共通電極として、下電極２１と上電極２５とを信号電極にする場合と、これとは対称的に中間電極２３を信号電極として、下電極２１と上電極２５とを共通電極にする場合とあるが、どちらでも実用に供せられる。

〔第七の実施形態〕
本発明の第七の実施形態について図５に基づいて説明する。図５は、本発明の薄膜アクチュエータが適用されるインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）の一部を断面にて示した分解斜視図である。本実施形態においては、本発明の薄膜アクチュエータをインクジェットヘッドに搭載した点に特徴がある。なお、便宜上、第四の実施形態に係る薄膜アクチュエータ４の例により説明するが、本実施形態は、第一乃至第六の実施形態に係る薄膜アクチュエータに適用可能である。以下ではインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシューター方式の例により説明する。
本実施形態に係るインクジェットヘッド５０は、インクを吐出するノズル孔６０を有するノズル基板５１と、吐出室、振動板、圧電素子を形成した液室基板５２と圧電素子保護空間６１を配した保護基板５３の３枚の基板を重ねた積層構造となっている。
液室基板５２はシリコン基板５４上に積層膜により振動板５５が形成されている（図４参照）。本実施形態における振動板５５はＳＯＩ基板を用いてシリコン基板５４の片側面にシリコン酸化膜、シリコン活性層、シリコン酸化膜、及び圧電素子の下電極となるＴｉ／Ｐｔ膜を堆積させたものである。更にその上に前述の実施形態において説明してきたような構成と工程で本発明に係る薄膜アクチュエータ４を作製し、加圧液室５６、振動板５５、流体抵抗５７（供給路）、共通液室５８を形成した。
ノズル基板５１はニッケル高速電鋳法を用いて厚さ２０ミクロンに形成したニッケル基板であり、液室基板５２の面部に加圧液室５６と連通するようにそれぞれノズル孔６０を有する。
保護基板５３は圧電素子の保護及び変位を妨げない為の保護空間６１を形成した基板である。

上記のように構成されたインクジェットヘッド５０の動作を説明する。
前処理として、構造完成後に圧電材の分極処理（ポーリング）を行なう。上電極２５及び中間電極２３を短絡させて下電極２１との間に１０Ｖから３０Ｖ迄電圧を徐々に上昇させ約１０分間印加する。更に上電極２５と中間電極２３及び下電極２１を短絡させた間に同様に電圧を印加する。これにより第一圧電層２２及び第二圧電層２４の分極方向を揃えることができる。このように前処理を行なったインクジェットヘッド５０に対しインク充填を行なう。インク供給孔６２から共通液室５８及び流体抵抗５７を経由して各加圧液室５６内にインクが供給される。加圧液室５６がインクにより満たされた状態で下電極２１及び中間電極２３間と中間電極２３及び上電極２５間に同時に２０Ｖのパルス電位を加える。これにより第一圧電層２２及び第二圧電層２４が横振動モードで変形（縮み）し、圧電素子と密着している振動板５５の全体が加圧液室５６側に凸形状に変形する。これにより加圧液室５６の体積が減少し加圧液室５６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔６０よりインク液滴を記録紙Ｐに向けて吐出する。パルス電圧を連続的に印加し繰り返すことによりインクを連続的に吐出することが出来る。
本実施形態のインクジェットヘッドは、本発明の薄膜アクチュエータを備えたので、高密度で、駆動電圧が低く、小型なインクジェットヘッドを提供することができる。

〔第八の実施形態〕
次に、本発明に係るインクカートリッジについて図６を参照して説明する。
このインクカートリッジ７０は、ノズル孔６０等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド５０と、このインクジェットヘッド５０に対してインクを供給するインクタンク７１とを一体化したものである。
このようにインクタンクを一体型としたインクジェットヘッドの場合、インクジェットヘッドの低コスト化、信頼性向上を図ることができ、ただちにインクカートリッジ全体の低コスト化、信頼性向上につながるので、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図ることができる。

〔第九の実施形態〕
次に、本発明に係るインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図７及び図８を参照して説明する。なお、図７はインクジェット記録装置の一部透視斜視図であり、図８はインクジェット記録装置の内部構造を示す概略図である。
このインクジェット記録装置８０は、装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９３、キャリッジ９３に搭載した本発明を実施したインクジェットヘッド５０からなる記録ヘッド９４、記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙Ｐを積載可能な給紙カセット８４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙Ｐを手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙Ｐを取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。

印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッド５０からなる記録ヘッド９４を複数のノズル孔６０を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３には記録ヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。
インクカートリッジ９５は、上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッド５０へインクを供給する供給口、内部にインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッド５０へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッド９４としてここでは各色の記録ヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル孔６０を有する１個の記録ヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に挿通し、用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。

一方、給紙カセット８４にセットした用紙Ｐを記録ヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙Ｐを分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙Ｐを案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙Ｐを反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙Ｐの送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙Ｐを記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０８を設けている。この印写受け部材１０８の用紙搬送方向下流側には、用紙Ｐを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙Ｐを排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙Ｐにインクを吐出して１行分を記録し、用紙Ｐを所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙Ｐの後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙Ｐを排紙する。

また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド９４のノズル孔６０を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。

１、２、３、４…薄膜アクチュエータ、１１、２１、３１…下電極、１２、２２、３２…第一圧電層、１３、２３、３３…中間電極、１４、２４、３４…第二圧電層、１５、２５、３５…上電極、１６、２６、３６…第一変形層、１７、２７、３７…第二変形層、４１…保護膜、４２…上下電極接続部、４３…上下電極配線、４４…中間電極配線、５０…インクジェットヘッド、５１…ノズル基板、５２…液室基板、５３…保護基板、５４…シリコン基板、５５…振動板、５６…加圧液室、５７…流体抵抗、５８…共通液室、５９…液室隔壁、６０…ノズル孔、６１…保護空間、６２…インク供給孔、７０…インクカートリッジ、７１…インクタンク

特開２００８−４７６８９公報 特開２００８―４４２１７公報 特許第４１３８４２０号

Claims (10)

1. 振動板を変形させて力を発生させる薄膜アクチュエータにおいて、前記振動板上に下電極と、第一圧電層と、中間電極と、第二圧電層と、上電極と、を順次積層した構成とすることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
2. 請求項１記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記中間電極の外周縁を前記第一圧電層の外周縁から所定距離離間させた中央部寄りに配置すると共に、前記上部電極の外周縁を前記第二圧電層の外周縁から所定距離離間させた中央部寄りに配置したことを特徴とする薄膜アクチュエータ。
3. 請求項１又は２記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記下電極を前記第一圧電層により被覆するとともに、前記中間電極を前記第二圧電層により被覆したことを特徴とする薄膜アクチュエータ。
4. 請求項１又は２記載の前記薄膜アクチュエータにおいて、該薄膜アクチュエータを構成する前記下電極と前記第一圧電層と前記中間電極と前記第二圧電層と前記上電極の端面を、保護膜で被覆したことを特徴とする薄膜アクチュエータ。
5. 請求項１乃至４の何れか一項記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記振動板の幅Ｌｍと、前記下電極と前記第一圧電層とを含む第一変形層の幅Ｌｐ１と、前記中間電極と前記第二圧電層とを含む第二変形層の幅Ｌｐ２との関係がＬｍ＞Ｌｐ１＞Ｌｐ２であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
6. 請求項１乃至５の何れか一項記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記上電極と前記下電極とが電気的に接続されており、かつ、前記中間電極が共通電極であり、前記上電極と前記下電極とが信号電極であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
7. 請求項１乃至５の何れか一項記載の薄膜アクチュエータにおいて、前記上電極と前記下電極とが電気的に接続されており、かつ、前記中間電極が信号電極であり、前記上電極と前記下電極とが共通電極であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
8. 液滴を吐出する複数のノズル孔と、夫々の前記ノズル孔に連通する加圧液室と、該加圧液室の一壁面を構成する振動板と、を備えて、前記振動板を変形させることにより前記ノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドであって、前記振動板を変形させる手段として請求項１乃至７何れか一項記載の薄膜アクチュエータ備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 請求項８記載の液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクと、を一体化したことを特徴とするインクカートリッジ。
10. 請求項９記載のインクカートリッジを備えたことを特徴とする画像形成装置。

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