JP2014183054A

JP2014183054A - 圧電素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、画像形成装置及び圧電素子の製造方法

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Publication number: JP2014183054A
Application number: JP2013054393A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Hayashi; 啓輔林
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-29

Abstract

【課題】駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得る。
【解決手段】圧電膜１を備えた圧電素子２０は、振動板４の上部に下部電極３と圧電膜１と上部電極２とが順次積層されて構成されている。上部電極２と下部電極３とが、それぞれの厚さ方向において重ならない圧電膜１の少なくとも一部である端部に空隙１１が形成されている。空隙１１を設けることによって、圧電膜１の変形で生じた応力が、空隙１１の変形によって緩和され、応力集中の発生を防止することが可能となり、クラック等による圧電膜１の破壊を未然に防止することができる。また、万が一クラックが入っても、クラックの進展を防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、画像形成装置及び圧電素子の製造方法に関し、詳しくは、プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ又はそれら複数の機能を複合した複合機等の画像形成装置などに用いられる、圧電素子を備えた液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置及び圧電素子の製造方法に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ又はこれら複数の機能を複合した装置として、例えばインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備え、記録媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドからインク滴を吐出させて記録媒体に付着させて画像形成を行うものがある。液滴吐出ヘッドとしては、圧電素子を備えた圧電型の液滴吐出ヘッドが知られている（例えば、特許文献１ないし４参照）。この圧電型の液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出する複数の並列されたノズルに個別に対応して配置された複数の液室の少なくとも一部の壁面を振動板で形成し、この振動板を圧電素子によって変形させ液室の容積を変化させることでインク滴を吐出させる方式である。

この方式の場合、インク滴を吐出させるための信頼性は、圧電素子の寿命に因るところが大きい。言い換えると、圧電素子の破壊を防ぐことができれば、ヘッドの寿命をそれだけ長くすることができるといえる。圧電素子の破壊には、大きくクラックと絶縁破壊の２つに分類できる。絶縁破壊に関しては、外部からの異物混入等のイレギュラーなケースを除いては、電極・圧電素子形成及び保護膜形成の設計最適化により比較的回避しやすい。

特許文献１には、圧電アクチュエータにおいて、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の短絡による絶縁破壊を防止するために、ＰＺＴと基板との界面に空間（空隙）を設けた技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１の圧電アクチュエータでは、空間（空隙）の一部が厚み方向において上部電極とオーバーラップしているため、電界強度が不均一となり、これによって圧電素子の変形が不均一となることで、応力集中が発生してしまう。また、界面で応力集中が発生することで、界面にクラックが入りやすくなってしまう問題がある。

特許文献２には、残留応力を緩和してクラックの発生を抑制できる圧電素子等を提供する目的で、圧電素子を構成する圧電体層中に複数の空孔を有する技術が開示されている。
しかしながら、上記技術では、圧電アクチュエータの電界が発生する箇所に空孔があることにより、電界強度が不均一となり局所的な応力集中が発生してしまう問題がある。そして、空孔・ボイドの性状によっては部分放電が発生しやすい。

特許文献３には、圧電素子の破壊を防止する目的で、下電極の端部に、圧電素子の外側に向かって厚さが段階的に漸次小さくなる側面部を設け、この側面部を基板の面方向と同一方向の第１の面と、第１の面に垂直な第２の面とで画成された階段状に形成するアクチュエータ装置に係る技術が開示されている。
しかしながら、上記技術では、下電極と圧電体層との端部において、電界強度が不均一となるのは明らかであり、応力集中が発生しやすくなる構成である。

特許文献４には、振動板の変位時に圧電膜自体に生じる応力を緩和する目的で、圧電膜が溝部によって複数に分割され、かつ溝部に樹脂が充填されて構成された圧電素子に係る技術が開示されている。
しかしながら、上記技術では、そもそも圧電膜の電界強度が不均一となり、局所的に応力集中が発生しやすい問題がある。

上記特許文献１ないし４で説明した内容を踏まえ、本発明の課題は次のようになる。すなわち、クラックは絶縁破壊とは異なり、様々な要因で発生する可能性があり、且つ発生するタイミングも様々であることからスクリーニングも困難であり、抜本的な対策が必要である。クラックは構造的な要因がもたらす応力集中に因る場合が多く、応力集中が発生しにくい構造にする必要がある。
数μｍレベルの薄膜の圧電膜や圧電体層を変形させる吐出形式の場合（いわゆるベンドモード）、ＰＺＴの端部は変形による応力を受けやすく、また電極エッジにおける電界集中、電界強度差による応力を受けやすい。従って、ＰＺＴ端部の応力集中を緩和するという飛躍した新しい発想からの設計が信頼性向上には必要である。なお、ＰＺＴは、圧電素子の圧電層を形成するものであり、「ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ_３）の固溶体」ないしは「チタン酸ジルコン酸鉛」を意味する。

そこで、本発明は、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得ることを主な目的とする。

上述した課題を解決するとともに上述した目的を達成するために、本発明では、以下のような特徴ある手段・発明特定事項（以下、「構成」という）を採っている。
本発明は、振動板と、下部電極と、圧電膜と、上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が加えられる圧電素子において、前記上部電極と前記下部電極とが、それぞれの厚さ方向において重ならない前記圧電膜の少なくとも一部に空隙又は凹凸が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記構成により、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得ることができる。

（ａ）は本発明を適用する圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの断面図、（ｂ）は、（ａ）の圧電素子に電気エネルギーを与えた場合の圧電素子の構成部分の変形状態を模式的に示す断面図である。図１（ａ）の液滴吐出ヘッドの断面と直交する方向の模式的な断面図である。第１の実施形態の圧電素子における圧電膜の端部（図１の四角枠で囲んだａ部）の拡大断面図である。（ａ）は圧電膜の端部に空隙がない場合の、（ｂ）は圧電膜の端部に空隙がある場合の、それぞれの圧電膜変形時のＰＺＴの内部応力状態を模式的に示した拡大断面図である。（ａ）は圧電膜の端部に空隙がない場合の、（ｂ）は圧電膜の端部に空隙がある場合の、それぞれのクラックの進展状態を模式的に示した拡大断面図である。圧電膜の端部に形成される空隙又は凹凸の形状の一例を模式的に示した拡大断面図である。図６とは別の、圧電膜の端部に形成される空隙又は凹凸の形状例を模式的に示した拡大断面図である。図６、図７とは別の、圧電膜の端部に形成される空隙又は凹凸の形状例を模式的に示した拡大断面図である。図２に示した圧電素子に相当する本変形例の圧電素子の１つの平面図である。図９におけるＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’の断面図である。変形例２を示す圧電素子の圧電膜の端部の模式的な拡大断面図である。変形例３を示す圧電素子の圧電膜の端部の厚さ方向における空隙の空隙率又は凹凸の形成度合いを説明する拡大断面図である。図１２とは別の、変形例３を示す圧電素子の圧電膜の端部の厚さ方向における空隙の空隙率又は凹凸の形成度合いを説明する拡大断面図である。変形例４を示す圧電素子の模式的な拡大断面図である。図１４とは別の、変形例４を示す圧電素子の模式的な拡大断面図である。第２の実施形態を示す圧電素子の圧電膜の端部の顕微鏡写真である。第３の実施形態を示す液滴吐出装置の外観斜視図である。第４の実施形態を示す記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。図１８とは別の、第４の実施形態を示す記録装置を透視して説明する斜視図である。図１９に示す記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。

以下、図を参照して実施例を含む本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という）を詳細に説明する。各実施形態等に亘り、同一の機能及び形状等を有する構成要素（部材や構成部品等）については、混同の虞がない限り一度説明した後では同一符号を付すことによりその説明を省略する。図及び説明の簡明化を図るため、図に表されるべき構成要素であっても、その図において特別に説明する必要がない構成要素は適宜断わりなく省略することがある。公開特許公報等の構成要素を引用して説明する場合は、その符号に括弧を付して示し、各実施形態等のそれと区別するものとする。

以下、本願発明において、液滴吐出記録方式の「記録装置」や「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を着弾させて記録や画像形成を行う装置を意味する。「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を記録媒体に付与すること（単に液滴を媒体に着弾させること）をも意味する。「印刷」という用語は、「画像形成」と同じ意味で用いるものとする。
「液滴」とは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、樹脂、液体などと称されるものを含み、「画像形成」や「印刷」を行うことが可能に微細粒状化して液滴にできる全ての液体の液滴の総称として用いる。「記録媒体」とは、材質を紙に限定するものではなく、ＯＨＰシート、布なども含み、液滴が付着されるものの意味であり、被記録媒体、記録紙、記録用紙、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒あるいは単に用紙などと称されるものを含むものの総称として用いる。また、画像とは２次元画像に限らず、３次元画像も含まれる。

まず、図１及び図２を参照して、本発明を適用する圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの構成を説明する。図１（ａ）は、本発明を適用する圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の圧電素子に電気エネルギーを与えた場合の圧電素子の構成部分の変形状態を模式的に示す断面図である。図２は、図１（ａ）の液滴吐出ヘッドの断面と直交する方向の模式的な断面図である。
図１（ａ）及び図２に示すように、本発明を適用する圧電素子３００は、振動板４の上部に下部電極３が積層されて構成され、下部電極３の上部に厚さ数μｍ程度の圧電膜２００が積層されて構成され、圧電膜２００の上部に上部電極２が積層されて構成されている。下部電極３は、共通電極となっている。

本発明を適用する液滴吐出ヘッド４００は、図１（ａ）及び図２に示すように、ノズル基板７と、液室基板５と、支持体ないしはフレームとも呼ばれる保護基板６との３枚の基板を重ねた積層構造となっている。ノズル基板７には、液体（例えばインク等）を吐出するノズル孔を備えたノズル８が形成されている。液室基板５には、下方をノズル基板７に、上方を振動板４によって囲まれて、個別液室１０が形成されている。保護基板６は、クロストークを抑制するためのものであり、圧電素子保護空間１８が配されている。なお、図２において、符号９は振動板４上部に保護基板６を固着するための接着剤層を、符号１８は共通液室を、それぞれ示す。なお、液室基板は個別液室基板とも、個別液室は加圧液室とも、それぞれ呼ばれる。

上部電極２及び下部電極３の電極材料は、金、銀、白金等で構成されている。振動板４は、圧電膜２００の変形を個別液室１０に伝えるものである。
圧電膜２００を形成するＰＺＴは、「ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ_３）の固溶体」ないしは「チタン酸ジルコン酸鉛」で形成されている。圧電膜２００は、ゾルゲル液をスピンコートし、成膜した後にエッチングにより個別チャンネルに対応した形状を作ってもよいし、ゾルゲル液を直接パターニング塗布して作ってもよい。また、スパッタにより成膜し、その後エッチングにより形状を作りこんでもよい。
なお、本発明を適用する圧電素子３００を備えた液滴吐出ヘッド４００は、あくまでも本発明を適用する圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの一例であり、これに限定されるものではない。圧電膜は、圧電体、圧電層もしくは上位概念用語で電気機械変換膜とも呼ばれ、圧電素子は、上位概念用語で電気機械変換素子とも呼ばれる。

図１（ｂ）に示すように、圧電膜２００に電気エネルギーとしての電圧（電界）を与えた場合には、いわゆるベンドボードの変形を示す。圧電膜２００のｄ_３１変位を活用し、圧電膜２００と密着した振動板４が同図のように屈曲することによって、液室内圧力を変化させる。その圧力変動によって、ノズル８（図２参照）から液滴が吐出する構造である。

（第１の実施形態）
図３〜図８を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する（請求項１）。図３は、第１の実施形態の圧電素子における圧電膜の端部（図１の四角枠で囲んだａ部）の拡大断面図である。
第１の実施形態は、図１及び図２に示した圧電膜２００に代えた圧電膜１を用いる点、および圧電素子３００を備えた液滴吐出ヘッド４００に代えて、圧電素子２０を備えた液滴吐出ヘッド２５を用いる点が主に相違する。この相違点以外の本実施形態の構成および動作は、図１及び図２に示した、圧電素子３００を備えた液滴吐出ヘッド４００と同様である。

図３に示すように、本実施形態の圧電素子２０は、振動板４の上部に下部電極３と圧電膜１と上部電極２とが順次積層されて構成されている。換言すれば、圧電素子２０は、圧電膜１を挟んで上部電極２と下部電極３とが上下にサンドイッチ状に密着して形成されており、下部電極３は振動板４と密着している。上部電極２は、圧電膜１の全面に形成されている訳ではなく、圧電膜１の端部のエッジより少し内側に配置されている。なお、図１に示した上部電極２も、圧電膜２００の全面に形成されている訳ではなく、圧電膜２００の端部のエッジより少し内側に配置されている点は図に示すとおりである。

図３の上から下に向かう太矢印は、圧電膜１にかかる電界を表している。太矢印で示すように電界は、上部電極２と下部電極とが重なっている部分で発生する。逆にいうと、重なっていない部分は電界が発生しない、つまり圧電膜１自らは変形しないこととなる。本発明は、この領域に空隙１１を設けていることが特徴である。なお、空隙１１は、見方によっては本発明の凹凸（凹部分が空隙とみなせる）が含まれているとみなすこともできるので、符号を引用して説明するときは説明の簡明化を図るため、凹凸も含めた空隙１１で説明する。
すなわち、本実施形態では、上部電極２と下部電極３とが、それぞれの厚さ方向（図３における上下方向でもある）において重ならない圧電膜１の少なくとも一部である端部に空隙１１が形成されている特有の構成となっている。なお、空隙又は凹凸は、上位概念用語で表現すると、応力緩和形状とも表現できる。

図４〜図５を参照して、本実施形態の具体的な効果を説明する。図４（ａ）は圧電膜の端部に空隙がない場合の、図４（ｂ）は圧電膜の端部に空隙がある場合の、それぞれの圧電膜変形時のＰＺＴの内部応力状態を模式的に示す拡大断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）においては、黒色が濃い程、応力が高いことを意味しており、圧電膜の断面ハッチ表示を省略している。図５（ａ）は圧電膜の端部に空隙がない場合の、図５（ｂ）は圧電膜の端部に空隙がある場合の、それぞれのクラックの進展状態を模式的に示したものである。
図４（ａ）において、圧電膜２００における下部電極３の上面と圧電膜２００の下面端部とのエッジ２１０は、構造的に応力が高くなるのは避けられない。すなわち、図４（ｂ）に示すように圧電膜１の端部に空隙１１がある場合は、空隙１１がない図４（ａ）の場合に比べて、圧電膜１の端部の拘束力が小さくなるため、圧電膜１の端部の内部応力を小さくすることができる。

もうひとつの効果はクラックの進展防止にある。上述のように、圧電膜の端部は内部応力が高い故に、クラック発生の起点となり得る。図５（ａ）に示すように圧電膜２００の端部に空隙１１がない場合は、クラック２２０は圧電膜２００を裂くように進展してしまい、最悪、絶縁破壊に至る可能性がある。これに対し、図５（ｂ）に示すように圧電膜１の端部に空隙１１のある場合は、発生したクラック２２０が空隙１１（図５（ｂ）に示されている最下段の空隙１１）の部分で止まるために、クラック２２０の進展を防止することができる。

空隙１１の形状は、図６〜図８に示すように、図６に示す空孔形状を含むことは無論のこと、四角形状でもよいし、球、半球、三角形、溝形状でもよい。空隙１１のサイズは、０．０５〜０．１μｍ程度であればよいことが後述する評価試験の結果から分かっている。

空隙１１の有無による圧電膜１に対する影響を、圧電素子２０の振動耐久評価試験で確認した結果、チャネル当たりのクラックの発生率は、空隙１１なしの場合は数％あったが、空隙１１ありの場合は０％であった。これにより、本実施形態の上記効果を確認することができた。また、電界が働かない上記一部のエリアに空隙又は凹凸を設けることは、空隙又は凹凸自体が応力集中を発生させることはない上に、信頼性も損なうことなく、故障発生を未然に防ぐことができる。

上述したとおり、本実施形態によれば、空隙又は凹凸を設けることによって、圧電膜の変形で生じた応力が、空隙又は凹凸の変形によって緩和され、応力集中の発生を防止することが可能となる。これにより、耐クラック性を向上することができ、クラック等による圧電膜の破壊を未然に防止することができる。また、たとえクラックが発生した場合にも、空隙又は凹凸部分でクラックの進展を防止することができる。また、空隙又は凹凸を設けている箇所は電界が発生しない領域であるため、空隙又は凹凸の大きさや形状等の設計自由度を高くすることも可能となる。加えて、空隙又は凹凸そのものがクラックの起点となったり部分放電の起点となったりすることもないので、信頼性を容易に向上させることができる。

（変形例１）
図９、図１０を参照して、第１の実施形態の変形例１を説明する（請求項２）。図９は図２に示した圧電素子に相当する本変形例の圧電素子の１つの平面図、図１０は図９におけるＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面を示す。
図１０に示すように、変形例１における圧電膜１の端部に形成された空隙１１は、圧電素子２０の長さ方向である長手方向において、一定の箇所に形成されていることが特徴である。換言すれば、変形例１における圧電膜１の端部に形成された空隙１１はほぼ同一であるとも表現できる。

圧電膜、圧電素子は短手方向、長手方向両方に撓むので、圧電膜１の端部の空隙１１を圧電素子２０の長手方向において一様にすることにより、空隙や凹凸そのものが応力集中の起点になることを防止することができる。従って、長細い圧電素子形状の場合においても、耐クラック性を向上させることができる。

上述したとおり、変形例１によれば、圧電素子の圧電膜の端部に設けられた空隙又は凹凸が圧電素子の長手方向に沿って一定の箇所に形成されているので、圧電素子の長手方向および短手方向いずれにおいても、応力集中を発生させることなく均一な変形が得られる。このため、耐クラック性を向上させることが可能となる。

（変形例２）
図１１を参照して、第１の実施形態の変形例３を説明する（請求項３）。図１１は、変形例２を示す圧電素子の圧電膜の端部の模式的な拡大断面図である。図１１に示すように、変形例３における圧電素子２０の圧電膜１の端部に、スリット形状の空隙１１が複数ないしは多数形成されている。この相違点以外の変形例２の構成は、第１の実施形態と同様である。
このような多数のスリット形状の空隙１１にすることによって、擬似的に蛇腹構造となり、屈曲に対するストレスを軽減することが可能となり、耐クラック性をさらに向上させることができる。

上述したとおり、変形例２によれば、圧電素子の圧電膜の端部に設けられた空隙又は凹凸がスリット状に複数形成されることによって、いわゆる蛇腹のような機能を有することが可能となる。従って、大きな変形を伴う場合においても、応力を圧電膜の変形によって効率良く緩和させることが可能となるため、耐クラック性を向上させることができる。

（変形例３）
図１２及び図１３を参照して、第１の実施形態の変形例３を説明する（請求項４）。図１２及び図１３は、変形例３を示す圧電素子の端部の厚さ方向における空隙の空隙率又は凹凸の形成度合いを説明する拡大断面図である。
図１２及び図１３に示すように、変形例３は、第１の実施形態と比較して、圧電素子２０の圧電膜１の端部の空隙１１の割合である空隙率を、あるいは凹凸の度合いを、上部電極２側よりも下部電極３側に近いほど高くさせるか、あるいは大きくさせる点のみ相違する。この相違点以外の変形例３の構成は、第１の実施形態と同様である。
圧電膜１の変形時は、圧電膜１と振動板４との界面部に特に応力が発生しやすい。これは、異なる材料で形成された圧電膜１と振動板４との曲げ剛性が異なるからである。また、高温もしくは低温にシフトした場合には、熱膨張係数の影響も加わる。それ故に、高い応力が発生しやすい下部電極３側の空隙や凹凸を多くすることによって、圧電膜１の全域にかかる応力バランスを一定に保つことができ、耐クラック性を向上させることが可能となる。

上述したとおり、変形例３によれば、圧電素子の圧電膜の端部に設けられた空隙又は凹凸が上部電極側よりも下部電極側に多くあることによって、応力が大きくなりやすい振動板に近い側に位置する下部電極側の圧電膜の応力を積極的に緩和することができる。加えて、上部電極側の圧電膜の応力状態と同等レベルにすることができるため、全体の応力バランスを保ちながら、応力緩和が可能となり耐クラック性を向上させることができる。

（変形例４）
図１４及び図１５を参照して、第１の実施形態の変形例４を説明する（請求項５）。図１４及び図１５は、変形例４を示す圧電素子の模式的な拡大断面図である。
図１４及び図１５に示すように、変形例４は、第１の実施形態と比較して、圧電素子２０の圧電膜１の端部の空隙１１の部分が、圧電膜１とは異なる材料１２で埋められている点のみ相違する。この相違点以外の変形例４の構成は、第１の実施形態と同様である。圧電膜１と異なる材料１２としては、例えば適宜の樹脂等が用いられる。
本変形例によれば、上記構成にすることによって、圧電膜１における空隙又は凹凸を擬似的になくし、断面で見た場合に、四角形状（図１４参照）又はほぼ台形形状（図１４、図１５参照）にすることができる。

上述したとおり、変形例４によれば、圧電素子の圧電膜の端部に設けられた空隙又は凹凸を圧電膜とは異なる材料で埋めることによって、空隙又は凹凸そのものがクラックの起点になりにくくすることが可能となるため、耐クラック性を向上させることができる。また、擬似的に空隙又は凹凸のない形状となるため、圧電素子の保護膜のカバレッジ性を向上させたり、保護膜の成膜工法の選択肢を増やすことができるので設計の自由度を大きくすることが可能となる。

（第２の実施形態）
図１６を参照して、第２の実施形態を説明する（請求項９）。図１６は、第２の実施形態を示す圧電素子２０の圧電膜１の端部の顕微鏡写真である。具体的には、第１の実施形態等の圧電膜を得るための製造方法において、ゾルゲル液により成膜（これを複数層積層させる）し、エッチングにより個別チャネルに相当した形状形成後の写真である。
第２の実施形態は、第１の実施形態等の圧電膜を得るための製造方法において、圧電膜をゾルゲル工法から作製し、かつ、圧電膜を複数積層させることにより形成した。さらに、所望の形状をつくる際のエッチングプロセス条件の制御により、圧電膜の焼成界面を選択的にエッチングさせる。圧電膜エッチング後に薬液処理を施すことよって、複数積層させた圧電膜の層間を選択にエッチングさせることが可能となる。適切な薬液を選定すれば、空隙の作りこみは比較的容易にできる。

上述したとおり、第２の実施形態によれば、圧電膜をゾルゲル工法から作製し、スピンコートによって成膜後、エッチングプロセス制御のみで空隙又は凹凸を選択的につくるため、容易に圧電素子における圧電膜の端部の空隙又は凹凸を形成することができる。

（第３の実施形態）
図１７を参照して、第３の実施形態として液滴吐出装置の一例としてのインクカートリッジについて説明する（請求項７）。図１７は、第３の実施形態を示す液滴吐出装置の外観斜視図である。液滴吐出装置３０の具体例としては、吐出させる液体として適宜の色のインクを格納したインクカートリッジが挙げられる。
液滴吐出装置３０は、図２に示すノズル８を備えた第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２５と、この液滴吐出ヘッド２５に供給する液体を格納する液体タンク３２とを一体化したものである。

第３の実施形態によれば、耐クラック性に優れた液滴吐出ヘッド２５を搭載しているため、信頼性が高い液滴吐出装置３０を提供することができる。インクタンクを一体化した液滴吐出装置３０の場合、液滴吐出ヘッド２５の低コスト化は直ちに液滴吐出装置３０全体の低コスト化につながるので、ヘッドを一体化した液滴吐出装置３０の低コスト化を図れる。

（第４の実施形態）
図１８を参照して、第４の実施形態を説明する（請求項８）。この第４の実施形態は、本発明に係る画像形成装置に関するものである。図１８は、第４の実施形態の画像形成装置の一例としての記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。

図１８に示す記録装置５０は、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２５である、ブラック（Ｂ）とシアン（Ｃ）とマゼンタ（Ｍ）とイエロー（Ｙ）の４色にそれぞれ対応した液滴吐出ヘッド２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｍ、２５Ｙを有する。記録装置５０は、いわゆるライン型の記録装置である。液滴吐出ヘッド２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｍ、２５Ｙは、それぞれ吐出させる液体の色のみ相違するだけで、他の構成は同じであるため液体の色を表す添え字符号を省略して説明する。記録装置５０の具体例としては、上記各色のインクを吐出させるインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置などが挙げられる。
各液滴吐出ヘッド２５には維持機構装置５１があり、パージ処理、ワイピング処理などの保全動作時には液滴吐出ヘッド２５のノズル面に対向する位置に移動する。この液滴吐出ヘッド２５は、記録媒体の印字領域幅以上の長さのノズル列を有するライン型からなる。給紙トレイ５２は圧板５３と、記録紙Ｐを給紙する給送回転体５４がベース５５に取り付けられている。圧板５３はベース５５に取り付けられた回転軸を中心に回転可能であり、圧板ばね５６により給送回転体５４に押圧される。給紙回転体５４と対向する圧板５３の部位には記録紙Ｐの重送を防止するため、人工皮等の摩擦係数の大きい材質からなる不図示の分離パッドが設けられている。また、圧板５３と給送回転体５４の当接を解除する不図示のリリースカムが設けられている。

この記録装置５０で、待機状態ではリリースカムが圧板５３を所定位置まで押し下げている。これにより、圧板５３と給送回転体５４の当接は解除される。この状態で搬送ローラ５７の有する駆動力がギヤ等により給送回転体５４及びリリースカムに伝達されると、リリースカムが圧板５３から離れて圧板５３は上昇して記録紙Ｐが給送回転体５４に当接する。すると、給送回転体５４の回転に伴い記録紙Ｐはピックアップされ給紙を開始し、不図示の分離爪によって１枚ずつ分離される。給送回転体５４は記録紙Ｐをプラテン５８に送り込むべく回転する。記録紙Ｐは一対のガイド５９、６０の間を通過して搬送ローラ５７まで導かれプラテン５８まで搬送される。その後、再び記録紙Ｐと給送回転体５４との当接を解除した待機状態となって搬送ローラ５７からの駆動力が切られる。
また、手差しトレイ６１から供給された記録紙Ｐも給送回転体６２により搬送ローラ５７からプラテン５８まで搬送される。プラテン５８まで搬送された記録紙Ｐは、液滴吐出ヘッド２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｍ、２５Ｙにより紙搬送速度と液滴吐出のタイミングを制御された信号に基づき所望の画像が形成される。画像が記録された記録紙Ｐは、排紙ローラ６３と拍車６４とにより搬送されて排紙トレイ６５に排出される。

本実施形態によれば、耐クラック性に優れた液滴吐出ヘッド２５を搭載しているため、信頼性が高く、長寿命の記録装置５０を得ることができる。また、上記ライン型の液滴吐出ヘッド２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｍ、２５Ｙを使用して記録紙Ｐに所望の画像を迅速に形成することができる。

次に、図１９及び図２０を参照して、画像形成装置の一例としての図１８に示した記録装置５０とは別の方式の記録装置１００について説明する。図１９は、第４の実施形態を示す記録装置を透視して説明する斜視図、図２０は、同記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。

図１９および図２０に示す記録装置１００は、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２５を搭載している。両図において、符号Ｙは主走査方向を、符号Ｘは主走査方向Ｙと直交する副走査方向を、それぞれ示している。
両図に示すように、記録装置１００は、いわゆるシリアル型のインクジェット記録装置であり、印字機構部１０４を有している。印字機構部１０４は、記録装置本体１００Ａの内部に主走査方向Ｙに移動可能なキャリッジ１０１と、キャリッジ１０１の下側に搭載された液滴吐出ヘッド２５と、液滴吐出ヘッド２５へインクを供給する移動手段としてのインクカートリッジ１０３とを備えている。

記録装置本体１００Ａの下方部には、図２０における左側の前方側から多数枚の記録紙Ｐを積載可能な給紙カセット１０６が、記録装置本体１００Ａに対して引き出し・押し込み自在に設けられている。給紙カセット１０６の上方には、用紙を手差しで給紙するための手差しトレイ１０７が記録装置本体１００Ａに対して揺動・開閉可能に設けられている。給紙カセット１０６あるいは手差しトレイ１０７から給送される記録紙Ｐを取り込み、印字機構部１０４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１０８に排紙する。なお、給紙カセット１０６は、これに限らず、給紙トレイでもよい。

印字機構部１０４は、図示しない左右の側板に横架（横方向に架け渡すことを意味する）したガイド部材である主ガイドロッド１０９と従ガイドロッド１１０とでキャリッジ１０１を主走査方向Ｙに摺動（接触してすり動くことを意味する）自在に保持している。キャリッジ１０１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液滴吐出ヘッド２５を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向Ｙ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。

キャリッジ１０１には、液滴吐出ヘッド２５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１０３を交換可能に装着している。インクカートリッジ１０３は、上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド２５へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。これにより、インクカートリッジ１０３は、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド２５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、液滴吐出ヘッド２５としてはここでは各色の液滴吐出ヘッド２５を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個の液滴吐出ヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ１０１は、後方側（記録紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１０９に摺動自在に支持され、前方側（記録紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１１０に摺動自在に載置されている。そして、このキャリッジ１０１を主走査方向Ｙに移動走査するため、タイミングベルト１１４をキャリッジ１０１に固定している。タイミングベルト１１４は、主走査モータ１１１で回転駆動される駆動プーリ１１２と従動プーリ１１３との間に張架（張力を付与する状態で掛け渡され装着されていることを意味する）されている。この主走査モータ１１１の正逆回転により、キャリッジ１０１が往復移動される。

一方、給紙カセット１０６にセットした記録紙Ｐを液滴吐出ヘッド２５の下方側に搬送するために、給紙ローラ１１５およびフリクションパッド１１６と、ガイド部材１１７と、搬送ローラ１１８と、搬送コロ１１９とを設けている。給紙ローラ１１５およびフリクションパッド１１６は給紙カセット１０６から記録紙Ｐを分離給装する機能を、ガイド部材１１７は記録紙Ｐを案内する機能を、搬送ローラ１１８は給紙された記録紙Ｐを反転させて搬送する機能を、それぞれ有する。また、搬送コロ１１９は搬送ローラ１１８の周面に押し付けられるものであり、先端コロ１２０は搬送ローラ１１８からの記録紙Ｐの送り出し角度を規定するものである。

搬送ローラ１１８は、副走査モータ１２１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１０１の主走査方向Ｙの移動範囲に対応して搬送ローラ１１８から送り出された記録紙Ｐを液滴吐出ヘッド２５の下方側で案内する記録紙ガイド部材である印写受け部材１２２を設けている。この印写受け部材１２２の用紙搬送方向下流側には、記録紙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１２３、拍車１２４を設けている。さらに、記録紙Ｐを排紙トレイ１０８に送り出す排紙ローラ１２５および拍車１２６と、排紙経路を形成するガイド部材１２７、１２８とを配設（配置して設けること、または位置を決めて設けることを意味する）している。

記録時には、キャリッジ１０１を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド２５を駆動することにより、停止している記録紙Ｐにインクを吐出して１行分を記録し、記録紙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、記録紙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記録紙Ｐを排紙する。また、キャリッジ１０１の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド２５の吐出不良を回復するための回復装置１２９を配置している。回復装置１２９は、キャップ手段と、吸引手段と、クリーニング手段とを有している。キャリッジ１０１は印字待機中には回復装置１２９側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド２５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液滴吐出ヘッド２５の吐出口（ノズル）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る。これにより、吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、記録装置本体１００Ａの下部に設置された廃インク溜（図示せず）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。

本実施形態によれば、耐クラック性に優れた液滴吐出ヘッド２５を搭載しているため、信頼性が高く、長寿命の記録装置１００を得ることができる。また、記録装置１００においてはアクチュエータユニットを有する液滴吐出ヘッド２５を搭載しているので、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上することができる。

前記説明では記録装置５０、１００に液滴吐出ヘッド２５を使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド２５を適用してもよい。

本発明を特定の実施形態等について説明したが、本発明が開示する技術内容は、上述した実施形態等に例示されているものに限定されるものではなく、それらを適宜組み合わせて構成してもよい。そして、本発明の範囲内において、その必要性及び用途等に応じて種々の実施形態や変形例あるいは実施例を構成し得ることは当業者ならば明らかである。

本発明に係る画像形成装置は、記録装置５０、１００に限らず、本発明の液滴吐出ヘッドによる液体吐出方式の画像形成装置を含む画像形成装置にも適用可能である。すなわち例えば、プリンタ、プロッタ、ワープロ、ファクシミリ、複写機、又はこれら２つ以上の機能を備えた複合機等において記録装置を含む画像形成装置にも適用可能である。
本発明の適用分野としては、直接的には印刷分野、特にデジタル印刷分野が挙げられ、画像形成装置としては、マルチファンクション・プリンタ（ＭＦＰ）を使用するデジタル印刷装置、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、ＭＦＰなどが挙げられる。また、応用分野としては、インクジェット技術を利用する三次元造型技術などにも適用可能である。
また、記録媒体としては、記録紙Ｐに限らず、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒、或いはＯＨＰシート等まで、液滴吐出ヘッドを用いて画像形成可能な全ての記録媒体を含むものである。

１圧電膜
２上部電極
３下部電極
４振動板
５液室基板
６保護基板
７ノズル基板
８ノズル
９接着剤層
１０個別液室
１１空隙又は凹凸
１９共通液室
２０圧電素子（電気機械変換素子の一例）
２５液滴吐出ヘッド
３０液滴吐出装置
５０、１００記録装置（画像形成装置の一例）
１００Ａ記録装置本体
１０１キャリッジ
１０３インクカートリッジ
１０４印字機構部
１１１主走査モータ
１２１副走査モータ
Ｐ記録紙（記録媒体の一例）

特許第５００２０３０号公報特許第４７６１０７１号公報特開２００８−０４１８２６号公報特開２００７−２８１２８６号公報

Claims

振動板と、下部電極と、圧電膜と、上部電極とを有し、
前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が加えられる圧電素子において、
前記上部電極と前記下部電極とが、それぞれの厚さ方向において重ならない前記圧電膜の少なくとも一部に空隙又は凹凸が形成されていることを特徴とする圧電素子。
請求項１記載の圧電素子において、
前記空隙又は前記凹凸が、前記圧電膜の長さ方向において一定の箇所に形成されていることを特徴とする圧電素子。
請求項１又は２記載の圧電素子において、
前記空隙又は前記凹凸が、スリット状に複数形成されていることを特徴とする圧電素子。
請求項１ないし３の何れか一つに記載の圧電素子において、
前記上部電極側よりも前記下部電極側の、前記空隙の割合である空隙率が高いか、あるいは前記凹凸の度合いが大きいことを特徴とする圧電素子。
請求項１ないし４の何れか一つに記載の圧電素子において、
前記空隙又は前記凹凸の部分は、前記圧電膜とは異なる材料で埋められていることを特徴とする圧電素子。
請求項１ないし５の何れか一つに記載の圧電素子を用いたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項６記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドに供給する液体を格納するタンクと、
を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
請求項６記載の液滴吐出ヘッド又は請求項７記載の液滴吐出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
請求項１ないし５の何れか一つに記載の圧電素子の製造方法において、
前記圧電膜をゾルゲル工法から作製し、かつ、前記圧電膜を複数積層させることにより形成し、所望の形状をつくる際のエッチングプロセス条件の制御により、前記圧電膜の焼成界面を選択的にエッチングさせることで前記空隙又は前記凹凸を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。