JP2013166330A

JP2013166330A - 液体噴射装置

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Publication number: JP2013166330A
Application number: JP2012031451A
Authority: JP
Inventors: Akio Konishi; 晃雄小西
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-29

Abstract

【課題】環境負荷が小さく且つ変位量が高い液体噴射装置を提供する。
【解決手段】圧電体層と該圧電体層に設けられた電極とを備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有してノズル開口から液体を吐出する液体噴射装置であって、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、前記駆動波形は、前記圧電素子の待機状態において印加される中間電圧であるＶｍを印加する工程と、前記中間電圧の印加状態から当該中間電圧とは逆極性の第１電圧Ｖ１まで電圧を変化させる第１の電圧変化工程Ｐ０２と、前記第１電圧の印加状態から前記中間電圧と同極性で大きな第２電圧まで電圧を変化させる第２の電圧変化工程Ｐ０４と、を有し、前記第１電圧が−５Ｖ以上である。
【選択図】図６

Description

本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる電極及び圧電体層を有する圧電素子を具備する液体噴射装置に関する。

液体噴射装置に搭載される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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。

液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的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、２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。ここで、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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。

このような圧電素子を構成する圧電体層として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められており、圧電材料の代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられるが、環境問題の観点から、非鉛又は鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。鉛を含有しない圧電材料としては、例えば、Ｂｉ及びＦｅを含有するＢｉＦｅＯ_３系の圧電材料がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８７７４５号公報

しかしながら、このような非鉛又は鉛の含有量を抑えた複合酸化物からなる圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較すると変位量が十分ではないので、変位量の向上が求められている。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子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、環境負荷が小さく且つ変位量が高い液体噴射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、圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、前記駆動波形は、前記圧電素子の待機状態において印加される中間電圧であるＶｍを印加する工程と、前記中間電圧の印加状態から当該中間電圧とは逆極性の第１電圧まで電圧を変化させる第１の電圧変化工程と、前記第１電圧の印加状態から前記中間電圧と同極性で大きな第２電圧まで電圧を変化させる第２の電圧変化工程と、を有し、前記第１電圧が−５Ｖ以上であ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、（１００）面に優先配向している、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる圧電体層を用い、中間電圧であるＶｍを印加する工程と、中間電圧の印加状態から逆極性の第１電圧まで電圧を変化させる第１の電圧変化工程と、第１電圧の印加状態から中間電圧と同極性で大きな第２電圧まで電圧を変化させる第２の電圧変化工程と、を有し、第１電圧が−５Ｖ以上である駆動波形を用いることにより、特別に大きな電源を用いることなく、大きな変位量を得ることができる。また、圧電材料を、非鉛系、すなわち、鉛を含有しないまたは鉛含有の少ないものとしているため、環境への負荷が小さい。

本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略構成を示す図。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。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図。実施形態１に係る記録ヘッドの断面図。実施形態１に係るインクジェット式記録装置の制御構成を示すブロック図。実施形態１に係る駆動信号（駆動波形）例を示す図。試験例で用いた駆動波形を説明する図。試験例の結果を示す図。

（実施形態１）
図１は、本発明にかかる液体噴射装置の一例である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１に示すように、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、駆動モーター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ー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。

ここで、このようなインクジェット式記録装置ＩＩに搭載されるインクジェット式記録ヘッドについて、図２〜図４を参照して説明する。なお、図２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３は、図２の平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。

図２〜図４に示すように、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マニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。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。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、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、弾性膜５０等の第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。

さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子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ー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜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や密着層５６を設けなくてもよい。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。

そして、本実施形態においては、圧電体層７０を構成する圧電材料は、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。ペロブスカイト構造、すなわち、ＡＢＯ_３型構造のＡサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。このＡサイトにＢｉ及びＢａが、ＢサイトにＦｅ及びＴｉが位置している。

このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表される。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。

ここで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、ＢｉＦｅＯ_３やＢａＴｉＯ_３以外に、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、ＴｉやＯ）が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。

このようなペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０の組成は、例えば、下記一般式（１）で表される混晶として表される。また、この式（１）は、下記一般式（１’）で表すこともできる。ここで、一般式（１）及び一般式（１’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が１とすると、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３] （１）
（０＜ｘ＜０．４０）
（Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘ）（Ｆｅ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（１’）
（０＜ｘ＜０．４０）

また、本実施形態の圧電体層７０を構成する複合酸化物は、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉ以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒなどが挙げられる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。

圧電体層７０が、Ｍｎ、ＣｏやＣｒを含む場合、Ｍｎ、ＣｏやＣｒはペロブスカイト構造のＢサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Ｍｎを含む場合、圧電体層７０を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のＦｅの一部がＭｎで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上することがわかっている。また、ＣｏやＣｒを含む場合も、Ｍｎと同様にリーク特性が向上するものである。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Ｍｎ、ＣｏおよびＣｒを例として説明したが、その他遷移金属元素の２元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層７０とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。

このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０は、例えば、下記一般式（２）で表される混晶である。また、この式（２）は、下記一般式（２’）で表すこともできる。なお一般式（２）及び一般式（２’）において、Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒである。ここで、一般式（２）及び一般式（２’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論が１であれば、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）Ｏ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３] （２）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）
（Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘ）（（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（２’）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）

そして、圧電体層７０は、（１００）面に優先配向しているものである。ここで、本明細書において、「（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。具体的には、本実施形態の圧電体層７０は、（１００）面の配向度が０．９０以上、好ましくは０．９９以上である。なお、圧電体層７０の（１００）面の配向度は下記式で求められる。

圧電体層７０の（１００）面の配向度＝［圧電体層７０の（１００）面に由来する回折ピークの面積］／［圧電体層７０に由来する（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面の回折ピークの面積の総和］

このような圧電素子３００の個別電極である各第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、弾性膜５０上や必要に応じて設ける絶縁体膜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、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部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。このマニホールド部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マニホールド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、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。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、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド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１２０が固定されている。この駆動回路１２０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１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１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によってマニホールド部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のマニホールド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、マニホールド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Ｉ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、マニホールド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１２０からの記録信号（駆動信号）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、密着層５６、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。

図５は、このようなインクジェット式記録装置の制御構成例を示すブロック図である。図５を参照して、本実施形態のインクジェット式記録装置の制御について説明する。本実施形態のインクジェット式記録装置は、図５に示すように、プリンターコントローラー５１１とプリントエンジン５１２とから概略構成されている。プリンターコントローラー５１１は、外部インターフェース５１３（以下、外部Ｉ／Ｆ５１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ５１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部５１６と、クロック信号を発生する発振回路５１７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５１９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５１２に送信する内部インターフェース５２０（以下、内部Ｉ／Ｆ５２０という）とを備えている。

外部Ｉ／Ｆ５１３は、例えば、キャラクターコード、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ー等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ５１３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ー等に対して出力される。ＲＡＭ５１４は、受信バッファー５２１、中間バッファー５２２、出力バッファー５２３、及び、図示しないワークメモリーとして機能する。そして、受信バッファー５２１は外部Ｉ／Ｆ５１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファー５２２は制御部５１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー５２３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。

また、ＲＯＭ５１５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５１６は、受信バッファー５２１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ー５２２に記憶させる。また、中間バッファー５２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ５１５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５１６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ー５２３に記憶させる。さらに、制御部５１６は、波形設定手段としても機能し、駆動信号発生回路５１９を制御することにより、この駆動信号発生回路５１９から発生される駆動信号の波形形状を設定する。かかる制御部５１６は、後述する駆動回路（図示なし）などと共に本発明の駆動手段を構成する。また、インクジェット式記録ヘッドＩを駆動する液体噴射駆動装置としては、この駆動手段を少なくとも具備するものであればよく、本実施形態では、プリンターコントローラー５１１を含むものとして例示してある。

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／Ｆ５２０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、出力バッファー５２３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ー５２２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５１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構５２４と、キャリッジ機構５２５とを含んで構成してある。紙送り機構５２４は、紙送りモーターとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体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５２４は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。

キャリッジ機構５２５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ー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、後述する駆動信号（ＣＯＭ）や記録データ（ＳＩ）等が供給される。このように構成されるプリンターコントローラー５１１及びプリントエンジン５１２では、プリンターコントローラー５１１と、駆動信号発生回路５１９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５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４等を有する駆動回路（図示なし）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。

なお、これらのシフトレジスター（ＳＲ）５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３、スイッチ５３４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ー５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４は、駆動信号発生回路５１９が発生した吐出駆動信号や緩和駆動信号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。

このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、最初に発振回路５１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する記録データ（ＳＩ）が出力バッファー５２３からシフトレジスター５３１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル開口２１の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送され、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。

そして、当該ビットの記録データの全ノズル分が各シフトレジスター５３１にセットされたならば、制御部５１６は、所定のタイミングでラッチ５３２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ５３２は、シフトレジスター５３１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ５３２がラッチした記録データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフター５３３に印加される。このレベルシフター５３３は、記録データが例えば「１」の場合に、スイッチ５３４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの記録データを昇圧する。そして、この昇圧された記録データは各スイッチ５３４に印加され、各スイッチ５３４は、当該記録データにより接続状態になる。

そして、各スイッチ５３４には、駆動信号発生回路５１９が発生した駆動信号（ＣＯＭ）も印加されており、スイッチ５３４が選択的に接続状態になると、このスイッチ５３４に接続された圧電素子３００に選択的に駆動信号が印加される。このように、例示したインクジェット式記録ヘッドＩでは、記録データによって圧電素子３００に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、記録データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５３４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電素子３００に供給することができ、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電素子３００が変位（変形）する。また、記録データが「０」の期間においてはスイッチ５３４が非接続状態となるので、圧電素子３００への駆動信号の供給は遮断される。この記録データが「０」の期間において、各圧電素子３００は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。

なお、上記の圧電素子３００は、撓み振動モードの圧電素子３００である。この撓み振動モードの圧電素子３００を用いると、圧電体層７０が電圧印加に伴い電圧と垂直方向（３１方向）に縮むことで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２側に撓み、これにより圧力発生室１２を収縮させる。一方、電圧を減少させることにより圧電体層７０が３１方向に伸びることで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２の逆側に撓み、これにより圧力発生室１２を膨張させる。このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、圧電素子３００に対する充放電に伴って対応する圧力発生室１２の容積が変化するので、圧力発生室１２の圧力変動を利用してノズル開口２１から液滴を吐出させることができる。

ここで、圧電素子３００に入力される本実施形態の駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形について説明する。なお、図６は、本実施形態の駆動信号を示す駆動波形である。

圧電素子３００に入力される駆動波形は、共通電極（第１電極６０）を基準電位（本実施形態ではＶｂｓ）として、個別電極（第２電極８０）に印加されるものである。すなわち、駆動波形によって個別電極（第２電極８０）に印加される電圧は、基準電位（Ｖｂｓ）を基準としての電位として示される。

本実施形態の基準となる駆動波形は、図６に示すように、駆動波形を入力する準備状態（駆動待機状態）となると、例えば、抗電圧より高い中間電位Ｖｍが印加される状態となる。この中間電位Ｖｍが印加される工程に続いて、中間電位Ｖｍを維持した状態から中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電位である第１電位Ｖ１まで降下させると共に圧力発生室１２を膨張させる第１の電圧変化工程Ｐ０２と、第１電位Ｖ１を一定時間維持する第１のホールド工程Ｐ０３と、第１電位Ｖ１から第１電位Ｖ１とは逆極性で中間電位Ｖｍとは同極性で当該中間電位Ｖｍより大きい最大電位である第２電位Ｖ２まで上昇させて圧力発生室１２を収縮させる第２の電圧変化工程Ｐ０４と、第２電位Ｖ２を一定時間維持する第２のホールド工程Ｐ０５と、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより小さな電位Ｖ３まで下降させて圧力発生室１２を膨張させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、電位Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで電位を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８と、中間電位Ｖｍを維持する工程Ｐ０９とで構成されるようにしてもよい。ここで、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより少し低い電位Ｖ３まで下降させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、電位Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで電位を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８とは、液滴を吐出下後のメニスカスを安定化させるためのものであり、従来より公知のものである。

本発明のＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、電源オフの状態では、分極が維持されておらず、非分極状態（極一部は分極が維持されているが、実質的に非分極状態といえる場合を含む）であり、上述した駆動波形が圧電素子３００に出力される準備状態（駆動待機状態）になると、中間電位Ｖｍが印加された状態となり、圧電体層７０が分極状態となる。そして、上述した駆動波形が入力されると、第１の電圧変化工程Ｐ０２によって中間電位Ｖｍから逆極性の最小電位Ｖ１まで電位が変化し、圧電体層７０の分極が緩和される。これと同時に圧電素子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内のメニスカスが圧力発生室１２側に引き込まれる。次いで、第２の電圧変化工程Ｐ０４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内のメニスカスが圧力発生室１２側から大きく押し出され、ノズル開口２１から液滴が吐出される。

ここで、第１電位Ｖ１は、マイナス電位であるが、−５Ｖ以上の電圧と、マイナス側に小さくしている。これにより、詳細は後述するように、比較的容易にマイナス電位であるＶ１を形成でき且つ（１００）面に優先配向している圧電体層７０の変位を安定して高く維持することができる。

本発明は、上述した所定の圧電材料からなる圧電体層７０を具備する圧電素子３００を駆動する場合、駆動波形が、抗電圧以上の中間電位Ｖｍに保持して当該圧電素子を分極状態とする工程と、中間電位Ｖｍの印加状態から当該中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電圧であるが、−５Ｖ以上の電位である第１電圧Ｖ１を印加して前記圧電体層の分極を緩和させる工程と、第１電圧の印加状態から前記中間電位Ｖｍより大きな最大電圧である第２電位Ｖ２を印加して液体を吐出する工程とを有するようにすることで、大きな変位量を確保するという効果を奏するものである。ここで、抗電圧以上の中間電圧とは、低い周波数（例えば６６Ｈｚ〜１ｋＨｚ）で圧電体層７０のヒステリシスカーブを描いたときの抗電圧の電圧以上の電圧のことをいい、本実施形態では、１０Ｖ以上となる。

かかる本発明を完成するにあたって、まず、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、分極状態を維持できず、電界を受けて分極して歪んだ状態から、電界が除去されると時間と共に分極緩和が生じて歪がない状態となり、分極状態から所定の電圧変化工程を付与すると、分極緩和が電界により促進され、短時間で分極緩和状態とし、その後、大きな変位が得られることを知見した。

また、分極緩和状態とする際の条件は、圧電体層７０の配向状態で大きく変化し、例えば、（１００）配向以外の配向状態では、分極緩和状態とするための最低電位の大きさが大きくなればなるほど、すなわち、マイナス電位が大きくなればなるほど、変位が大きくなるが、（１００）配向の場合には、マイナス電位を大きくして変位が大きくなる割合は他の配向より著しく小さいことを知見した。この知見により、マイナス電位を大きくして電源設計を複雑且つ高価にするより、マイナス電位を小さく保った方が、結果的に安価で安定した圧電素子を実現できることがわかった。

よって、本発明は、中間電位Ｖｍを維持した工程Ｐ０１の後に、中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電位である第１電位Ｖ１を、マイナス電位であるが−５Ｖ以上（−５以上、０Ｖ未満）とマイナス電位としては小さな電位とする点に特徴がある。この電位は、電界に換算すると、−５．６Ｖ／μｍ以上となる。

これは（１００）配向の圧電体層では、第１電位Ｖ１が−５Ｖ以上であっても、十分な変位が得られ、―５Ｖ以上であれば、特別な設計変更をしなくても、マイナス電位を印加でき、結果的にコストダウンにつながるからである。

なお、マイナス電圧であるＶ１は、共通電極である第２電極８０にＶｂｓ＝５Ｖを印加しておき、Ｖ１を２．５Ｖとすることで、Ｖ１＝−２．５Ｖが実現できる。このように−５Ｖ以上の電圧であれば、制御部となる制御チップを駆動させるために用意している電源を用いて容易に実現でき、特別な電源を用意する必要がない。

（試験例）
下記実施例１の組成の圧電体層７０を具備する圧電素子３００に、図７に示す駆動波形を基本として用い、当該駆動波形のΔＶ＝３５Ｖと一定として、Ｖｍ及びＶｍｉｎを変化させた波形を、２００ｍｓ間隔と十分なディレイタイムをとった状態で印加し、圧電素子３００の変位量を求めた結果を図８に示す。変位量は、グラフテック社製のレーザードップラー振動計で計測した速度データを、デクロイ社製のオシロスコープにて時間積分することにより、算出している（２５℃）。測定サンプルは図３の形状に加工され、キャビティーが形成されているセグメントを使用し、各駆動波形を印加して測定した。なお、各変位量は、ＶｍおよびＶｍｉｎ＝０の場合を１００として規格化して表した。

この結果、実施例１の（１００）面に優先配向している圧電体層７０を具備する圧電素子３００では、Ｖｍ＝０Ｖ、Ｖｍ＝５Ｖの場合、Ｖｍｉｎをマイナス側に大きくしていくと、変位量が低下していくが、Ｖｍ＝１０Ｖ、Ｖｍ＝１５Ｖ、Ｖｍ＝２０Ｖ、Ｖｍ＝２５Ｖの場合には、Ｖｍｉｎをマイナス側に大きくしていくほど、変位量が向上し、ある電圧で飽和することがわかった。

一方、Ｖｍ＝１０Ｖ、Ｖｍ＝１５Ｖ、Ｖｍ＝２０Ｖ、Ｖｍ＝２５Ｖでは、待機状態では分極状態となり、Ｖｍｉｎがマイナス側に大きくなるほど、分極して歪んだ状態から、電界が除去されると時間と共に分極緩和が生じて歪がない状態となり、分極状態から所定の電圧変化工程を付与すると、分極緩和が電界により促進され、短時間で分極緩和状態とし、その後、大きな変位が得られるようになることを示している。しかしながら、（１００）面配向の実施例では、Ｖｍｉｎをマイナス側に大きくしていくことによる分極緩和による効果が小さいことから、Ｖｍｉｎは−５Ｖ程度までとして電源の低コスト化を図った方がよいことも表している。

比較のため、（１１０）面に配向又は（１１１）面に配向した圧電体層を具備するもの（下記比較例１、２）とした場合を同様に行った結果も同じく図８に示す。この結果、圧電材料が（１１０）面配向又は（１１１）面配向の場合には、Ｖｍ＝１５Ｖ、Ｖｍ＝２０Ｖ、Ｖｍ＝２５Ｖの場合には、Ｖｍｉｎが０〜−５程度では、変位量がＶｍ＝０の場合より小さくなるが、Ｖｍが−５Ｖを越えてマイナス側に大きくしていくほど、変位量が向上し、ある電圧で飽和することがわかった。よって、（１１０）面配向又は（１１１）面配向の圧電体層を有する場合には、Ｖｍｉｎが−５Ｖ以上（マイナス側で小さい）の場合には変位量が小さくなって使用できないことがわかった。

（実施例１）（１００）面配向
まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの厚さで形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ５０ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。この白金膜上に、スパッター法もしくはゾル−ゲル法にてニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）を４０ｎｍの厚さで成膜し、配向制御のシード層とした。

次いで、第１電極６０上に圧電体膜を積層し、圧電体層７０とした。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸バリウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を、各元素がモル比でＢｉ：Ｂａ：Ｆｅ：Ｔｉ：Ｍｎ＝７５：２５：７１．２５：２５：３．７５となるように混合して（ＢＦＯ：ＢＴ＝７５：２５）、前駆体溶液を調製した。

そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、６５０℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１２回繰り返し、１２層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。

その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてスパッター法により厚さ５０ｎｍのイリジウム膜（第２電極８０）を形成することで、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を圧電体層７０とする圧電素子３００を形成した。

（比較例１）（１１０）面配向
まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの厚さで形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ１００ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。

そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、７５０℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１２回繰り返し、１２層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。

（比較例２）（１１１）面配向
（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの厚さで形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ１００ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。次いで、鉄酸コバルト酸ビスマスとチタン酸バリウムの複合酸化物（ＢｉＦｅＣｏＯ_３−ＢａＴｉＯ_３）をゾル−ゲル法にてコーティングし、７２５℃３分ＲＴＡ焼成することにより、２０ｎｍの薄膜を形成した。この前述の層をシード層として、配向制御を行った。

そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、７７５℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１０回繰り返し、１０層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、以上説明した駆動波形については、正負を逆にしても効果は同じである。

また、上述した実施形態では、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、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子を具備する液体噴射装置にも本発明を適用することができる。

なお、上記実施形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射装置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装置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、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。

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、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１マニホールド部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、６０第１電極、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極、１００マニホールド、１２０駆動回路、３００圧電素子

Claims

圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、
前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、
前記圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、
前記駆動波形は、
前記圧電素子の待機状態において印加される中間電圧であるＶｍを印加する工程と、前記中間電圧の印加状態から当該中間電圧とは逆極性の第１電圧まで電圧を変化させる第１の電圧変化工程と、前記第１電圧の印加状態から前記中間電圧と同極性で大きな第２電圧まで電圧を変化させる第２の電圧変化工程と、を有し、
前記第１電圧が、−５Ｖ以上であることを特徴とする液体噴射装置。