JP4774666B2 - 液滴吐出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子、これを用いた液滴吐出ヘッド、および、該液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置に関し、さらに詳しくは、液滴を吐出して記録媒体上に文字や画像などを記録したり、基板上に微細パターンや薄膜の形成等を行うための圧電素子、これを用いた液滴吐出ヘッド、および、該液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力発生室内に充填された液体に対し、圧電アクチュエータ等の圧力発生手段を用いて圧力波（音響波）を発生させ、その圧力波によって圧力発生室（あるいは圧力室）に連結されたノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドは一般によく知られている。一般に圧電アクチュエータは、画像情報に応じて変形する圧電素子（ピエゾ素子）と、この圧電素子の変形によって振動して、圧力発生室を膨張又は圧縮させる振動板とで構成されている。
【０００３】
圧電素子は、圧電体と、その電極材の構成の１例として、圧電体の表裏面に形成された電極層１(金／ニッケル／クロム)／圧電体層／電極層２(クロム／金)とで構成されているものが挙げられる。このような構造の圧電素子を、常温常湿や高温高湿環境下で電圧印加、連続駆動を行うと電極が褐色に変色、電極が剥離して、圧電特性が劣化するという不具合が発生する場合があった。この不具合について調査した結果、
（１）特に高湿環境で不具合が多発する傾向である
（２）褐色変色部は、クロム、ニッケル各々の酸化物である
（３）圧電体と電極層の断面露出部に水分が付着した際に同不具合が発生する
ことがわかり、水分の存在と電界印加による電気化学的反応の進行に起因する不具合現象であることが判明した。
【０００４】
即ち、水分存在下で高電界駆動中の圧電体近傍において局部電池が形成され、水分の局部的電気分解によるｐＨ変化が発生、ｐＨ値により溶出しやすい材料、電気化学的腐食の起こり易い材料(上記した材料ではクロム)が優先的に溶出し、電極変色、圧電特性劣化の形で不具合が発生すると考えられる。
これら現象を抑制するために、たとえば、幅広いｐＨ範囲で電気化学的に安定な金属の酸化膜、具体的には酸化錫を電極材として使用することが考えられる。
例えば、特許文献１には、圧電体９１の両面に、導電性酸化物層９３と金属層９２との積層膜からなる電極が形成された圧電素子９ｂが記載されている（図４参照）。この構成では、圧電体９１で生成される鉛を含む負イオンが電極を通過して電極表面まで移動することを阻止し、電極表面の変色・汚染や電極の浮き上がりが発生しなくなっている。そして、圧電体９１を薄板化し、高温高湿の環境下で高電界強度で使用しても、十分な信頼性と耐久性を有するとされている。
【０００５】
しかし、この圧電素子９ｂでは、導電性酸化物層９３の導電性によって、特に高湿下や結露下においては十分な耐久性が無くなっている。すなわち、水分の存在下（たとえば、空気中には必ず水分が存在している）で高電界を印加すると、局部的に水の電解が発生して局部ｐＨが変化する為、導電性を保有するが故に導電キャリアを多数有する、より金属ライクな振る舞いをする導電性酸化膜も上記のような電気化学的反応の進行により経時的に圧電特性を劣化させる場合があった。
【０００６】
また、圧電素子を利用した液滴吐出ヘッドとしては、上記以外にも様々な検討がなされている。
例えば、Ｐｂの含有量を抑えたABO3系の化合物からなる層を圧電体膜の少なくとも片面に設けることにより圧電素子のリーク電流の低減や駆動電圧の低下を防止することにより経時的に安定した圧電特性を維持する技術（特許文献２参照）や、湿度が上昇した際に、圧電膜に接して設けられた上下電極間での短絡防止や、絶縁性低下を防止する技術（特許文献３参照）、圧縮膜を弾性膜として使用し初期撓みを低減する技術（特許文献４参照）、変位特性や信頼性を向上させる技術（特許文献５）等が挙げられる。これらの技術を利用した液滴吐出ヘッドにおいても上記と同様に経時的に圧電特性が劣化する場合があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−８８２９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１０８８８号公報
【特許文献３】
特開平１１−３３４０６２号公報
【特許文献４】
特許第３０１９８４号明細書
【特許文献５】
特開平１１−１５７０７０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような問題点を解決すべくなされたものである。すなわち、本発明は、高温高湿下において液滴吐出ヘッドを長時間使用し続けた場合でも、液滴吐出ヘッドの圧電素子の圧電特性の経時的な劣化を防止することができ、信頼性の高い液滴吐出装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、液滴吐出ヘッドに用いられる圧電素子の圧電特性の経時的劣化について鋭意検討を行なった。以下に圧電素子の高電位が印加される側の構成と、低電位が印加される側の構成とにそれぞれわけて説明する。
【００１０】
−高電位印加側−
まず、既述したように、本発明者らは、電極層１(金／ニッケル／クロム)／圧電体層／電極層２(クロム／金)という典型的な構成からなる場合の圧電素子では、特に高温高湿環境下で連続駆動を行なうと、圧電素子近傍（特に断面露出近傍）において、水の電解、局部ｐＨ変化等による局部電池形成によって電気化学的反応が進行し、電極材の一部がイオン化して溶出する結果、電極変色、電極剥離、圧電特性劣化に繋がることを確認した。
【００１１】
また、既述したように、特許文献１のような「正電位印加側（高電位印加側）に導電性金属酸化物を形成」した構成でも、特に高温高湿環境耐性は十分ではなく、圧電特性が劣化する場合があることを確認した。以上のことから、本発明者らは圧電体層の高電位印加側に接して設けられる層が電気化学的に安定な金属材料から構成される必要があるものと考えた。
【００１２】
−低電位印加側−
次に、本発明者らは、上記のような圧電体層の高電位側に接する層が金属酸化物であり、且つ、圧電体層の低電位側に接する層が金属酸化物からなる圧電素子を、高電界下で圧電特性が十分に劣化するまで長時間駆動させた後に、逆向きの電界印加駆動を行ってみた。その結果、順向きに電界印加駆動を行なう前の初期の静電容量値までは回復しないものの、初期の静電容量値比７０〜９０％レベルまでは回復させることができることを確認した。また、このような試験を高温高湿環境下で実施した場合、上記のような順向き電界印加時の圧電特性の劣化や、その逆の電界印加時の圧電特性の回復がより顕著になることを確認した。
【００１３】
一方、一般に、圧電素子を長時間、高電界駆動を行うと、いわゆる「疲労現象」が発生することが知られている。この現象の原因には諸説有り、明確な説明が成されていないが、この中に電極と圧電体界面部に酸素空孔（＋電荷）が蓄積、低誘電率層を形成するとの説がある。
【００１４】
以上のことから、上記のような劣化／回復は、上記の説を裏付けるものであり、ゆえに、本発明者らは圧電体層の低電位側に接して設けられた金属層が、圧電体層の低電位側に移動してきた酸素空孔を圧電体層／金属層界面近傍で蓄積させやすくしているものと考えた。さらに、高温高湿で劣化／回復が加速することから、温湿度が酸素空孔の発生量に関係していると考えられ、必ず水分が存在する通常の大気雰囲気下で圧電素子を使用する限り、圧電体層における酸素空孔の発生自体は根本的に回避できないものと推定した。
【００１５】
このため、低電位側に起因する圧電素子の経時的劣化を防止するためには、電界により圧電体層に発生し圧電体層の低電位側に蓄積されると考えられる酸素空孔を、外部から酸素を供給することにより打ち消すことが重要であると考えられる。したがって、本発明者らは、このような酸素空孔を打ち消すための酸素供給源として、圧電体層の低電位側に接する層に金属酸化物層を設ける必要があるものと考えた。
【００１６】
本発明者らは、以上に説明したような圧電素子の高電位印加側および低電位印加側における圧電特性の経時的劣化に関する検討を元に、以下の本発明を見出した。
【００３１】
＜１＞ 液体が充填される圧力発生室と、
前記圧力発生室と連通し、液滴を吐出可能なノズルと、
前記圧力発生室の壁面の少なくとも一部を構成し、振動することにより前記圧力発生室を膨張又は収縮させる振動板、および、画像情報に応じて印加された電圧によって変形することにより前記振動板を振動させる圧電素子を少なくとも備えたアクチュエーターと、を有する液滴吐出ヘッドを備え、
前記圧電素子が、圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられた高電位が印加される第１の電極層と、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられた側と反対の面側に設けられた低電位が印加される第２の電極層とを少なくとも含み、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる金属層が前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられる側の面に接して設けられ、金属酸化物からなる金属酸化物層が前記圧電体層の前記第２の電極層が設けられる側の面に接して設けられており、
前記画像情報に応じて印加される電圧を、前記第１の電極層が、前記第２の電極層より高電位となるように印加することを特徴とする液滴吐出装置。
＜２＞ 前記第１の電極層が、前記金属層を含む３つの層からなり、前記圧電素子側から、前記金属層と、Ｎｉを含む層と、Ａｕを含む層とがこの順に積層された構成を有することを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜３＞ 前記金属材料が、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の金属元素を含むことを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜４＞ 前記金属層の厚みが、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜５＞ 前記金属酸化物が、ＳｎＯ ２ であることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜６＞ 前記金属酸化物層の厚みが、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜７＞ 前記圧電素子が端面を有し、前記端面の少なくとも一部が露出していることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜８＞ 前記圧電素子の前記第２の電極層が設けられた側の面が、前記振動板と接して設けられていることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を、圧電素子、液滴吐出ヘッド、および、液滴吐出装置の順に大きくわけて説明する。
【００３３】
（圧電素子）
本発明の圧電素子は、圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられた高電位が印加される第１の電極層と、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられた側と反対の面側に設けられた低電位が印加される第２の電極層とを少なくとも含む圧電素子において、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられる側の面に接して、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる金属層が設けられ、前記圧電体層の前記第２の電極層が設けられる側の面に接して、金属酸化物からなる金属酸化物層が設けられたことを特徴とする。
【００３４】
従って、本発明の圧電素子は、これを高温高湿下において長時間使用したとしても圧電素子の経時的な劣化が小さい。このため、本発明の圧電素子を液滴吐出ヘッドに用いた場合には、高温高湿下において長時間使用したとしても、安定した液滴吐出特性を長時間に渡り維持することができる。
【００３５】
また、本発明の圧電素子は、上記に説明したようにインクジェット方式の記録装置に用いられるような液滴吐出ヘッドの圧電素子として用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、高温高湿下において長時間使用される可能性がある圧電素子を備えた部材・装置であればこれ以外の用途にも好適に利用することができる。
【００３６】
なお、高温高湿環境下における圧電特性の劣化は、既述したように水分による電極自身の劣化の他にも、圧電体層での酸素空孔の発生が挙げられる。この酸素空孔の発生は、水分が電解されてイオンの形で圧電体層に進入して圧電体層を構成する材料を還元し、酸素空孔を発生させていることが大きな要因である。また、圧電体層に進入する水分のイオン化には圧電体層両側近傍の電極部分での電極反応が大きく寄与しているものと思われる。
【００３７】
しかしながら、本発明の圧電素子は、圧電体層の高電位印加側に面に接して設けられる金属層が、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなるため、電極自身の劣化を防止できるのみならず、圧電体層近傍の水分が電解によりイオン化して圧電体層に進入することを抑制できるため、圧電体層に発生する酸素空孔の発生量そのものを少なくすることができるというメリットがある。
一方、圧電体層に発生した酸素空孔は圧電体層の低電位印加側の面に接して設けられた金属酸化物層から供給される酸素により打ち消される。これに加えて上記したように酸素空孔の発生量自体が抑えられているため、金属酸化物層の酸素供給能力がより長期に渡り安定して維持しやすいというメリットがある。
【００３８】
このように、本発明の圧電素子の高温高湿環境下における圧電特性の経時的劣化の抑制は、圧電体層の高電位印加側の面に接して上記の金属層を設けたことと、圧電体層の低電位印加側の面に接して上記の金属酸化物層を設けたこととによる積算的な寄与のみならず、両者の相乗的な寄与も影響している。
【００３９】
なお、本発明において、「標準電極電位」とは下式（１）で定義される反応において、ΔＶで示される値を意味する。
・式（１） Ｍn+＋ｎｅ- → Ｍ＋ΔＶ
但し、式（１）において、Ｍn+は金属イオン、Ｍは金属原子、ｎは１以上の整数、ｅ-は電子、ΔＶは標準電極電位（Ｖ）を表す。
【００４０】
このような標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料としては、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属元素単体、あるいは、これらの金属元素の合金であれば特に限定されないが、具体的には、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の金属元素を含むことが好ましい。
また、配線接続を実施する際の高温耐性や、成膜の容易さから、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄを用いることがより好ましい。
【００４１】
また、このような金属材料からなる金属層の厚みは、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましい。
金属層の厚みが５０ｎｍよりも薄い場合には、特に高温高湿下において圧電素子近傍で水電解を十分に抑制することができず、圧電特性の経時的劣化を招いてしまう場合がある。また、金属層の厚みが１μｍよりも厚い場合には、この金属層が圧電素子の変形を阻害したり、圧電素子として求められる十分な変位量が確保できなくなる場合がある。
【００４２】
なお、上記の金属層は導電性を有するため、第１の電極層そのものとして機能するものであってもよい。あるいは、金属層は第１の電極層の一部として機能するものであってもよく、この場合には、他の導電性材料からなる層がこの金属層の圧電体層が設けられた側の反対側の面に積層することができる。
後者の場合には、第１の電極層が、金属層を含む３つの層からなり、圧電素子側から、金属層と、Ｎｉを含む層と、Ａｕを含む層とがこの順に積層された構成を有することが好ましい。第１の電極層をこのような３層構成とすることにより、本発明の圧電素子を用いて液滴吐出ヘッドを作製する際に、圧電素子への配線接続を容易に行なうことができる。
【００４３】
また、金属酸化物層を構成する金属酸化物としては公知の金属酸化物であれば特に限定されないが、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｏｓ、Ｈｆから選択される少なくとも１種の金属元素を含む金属酸化物であることが好ましい。
これらの金属酸化物の中でも、圧電体層への酸素供給能力をより大きくすることができる点で、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｓｎを含む金属酸化物がより好ましく、例えば、Ｉｒ2Ｏ3、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2、ＳｎＯ2、ＳｎＯ等が挙げられる。
なお、Ｉｒ等は水素発生触媒となりうるため、圧電体層を還元、劣化させる場合があるので、これら金属元素を含む金属酸化物を使用する際には、高電位側で選択する金属層との組合せを考慮した上で適宜使用することができる。
【００４４】
また、このような金属酸化物からなる金属酸化物層の厚みは、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましい。
金属酸化物層の厚みが５０ｎｍよりも薄い場合には、特に高温高湿下において圧電素子の第２の電極層側に酸素空孔が蓄積され、圧電特性の経時的劣化を招いてしまう場合がある。また、金属酸化物層の厚みが１μｍよりも厚い場合には、この金属酸化物層が圧電素子の変形を阻害したり、圧電素子として求められる十分な変位量が確保できなくなる場合がある。
【００４５】
なお、この金属酸化物層は導電性については特に限定されないが、導電性を有する場合には、金属酸化物層は第２の電極層の全体あるいは一部として機能することができる。一方、金属酸化物層が非導電性である場合には、この金属酸化物層の圧電体層が設けられた側と反対側の面に公知の金属や導電性金属酸化物等の導電性材料からなる第２の電極層が設けられる。
【００４６】
本発明の圧電素子は、電圧を印加した際に圧電体層の厚み方向に変形することが可能で、圧電体層の高電位印加側の全面が実質的に上記に説明した金属層で覆われ、圧電体層の低電位印加側の全面が実質的に上記に説明した金属酸化物層で覆われているのであれば特に限定されないが、通常は圧電素子を構成する各層の縦横の位置が全て揃うように端面が設けられた平板状の形状として用いられる。
【００４７】
この場合、圧電素子の端面が露出していることが好ましい。但し、「端面が露出している」とは、第１の電極層、金属層、圧電体層、金属酸化物層、あるいは、第２の電極層の少なくともいずれかの端面部分の表面に、何らの保護層が設けられることなく、これらの層を構成する材料が剥き出しとなった状態を意味する。なお、圧電素子の構成を簡易にし、その作製工程がより簡素化できる点では、圧電素子の全ての端面が露出していることが好ましい。
【００４８】
本発明の圧電素子は端面が露出していても、上述したように高電位印加側では電気化学的な反応を抑制する能力が高く、また、低電位印加側においては、圧電体層中の酸素空孔の蓄積を抑制することができるため、従来の圧電素子と比べて端面部分を大気雰囲気から保護しなくとも十分に圧電特性の経時的劣化を抑制することが可能である。勿論、圧電特性の経時的劣化を更に長期間に渡って抑制できるようにしたり、より劣悪な高温高湿環境下での使用にも耐えうるように端面部分に特に大気中の水分を遮断する能力の高い保護層（例えば、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機膜や、ポリイミド、パリレン等の有機膜）を設けてもよい。
【００４９】
次に、本発明の圧電素子を構成する圧電体層について説明する。圧電体層を構成する材料としては電圧を印加した際に変形可能な公知の圧電体材料であれば特に限定されないが、例えば液滴吐出用の圧電素子としては、その必要とされる特性上の観点から、圧電定数が比較的大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電体を用いることが好ましい。特にドナー（例えばＮｂ等）を添加した変性ＰＺＴは圧電定数が大きく、液滴吐出用途としては好適である。しかし一方でドナー添加ＰＺＴは耐環境性の点から経時劣化が大きいものもあり、本発明を適用することによる効果は大きい。
また、圧電体層の厚みは特に限定されないが、実用上は１〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００５０】
本発明の圧電素子の製造方法は特に限定されず、従来の圧電素子と同様にして作製することができる。例えば、予め所望の厚みに加工された圧電体材料からなる板の片面に、上述した金属層を構成する材料を公知の成膜法、例えばスパッタリング法や蒸着法等の気相成膜法を利用して形成することができる。更に、第１の電極層が、金属層を含む２層以上の構成からなる場合には、この金属層の表面に更に他の導電性材料を公知の成膜方法を利用して形成することができる。
【００５１】
また、圧電体材料のもう片方の面には、金属酸化物を公知の成膜法、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等の気相成膜法やゾルゲル法等の液相成膜法を利用して形成することができる。更に、この金属酸化物層の表面に第２の電極層を構成する層を形成する場合には、金属や導電性金属酸化物等の公知の導電性材料を公知の成膜方法を利用して形成することができる。
【００５２】
このようにして作製された大きい板状の圧電体素子は、ダイシング法やブラスト法等の公知の加工方法により所望のサイズに加工することにより、液滴吐出ヘッドの作製等に用いることができる。
あるいは、本発明の圧電体素子を、振動板を有する液滴吐出ヘッドの作製にのみ用いるような場合には、振動板となる基板上に、圧電体素子を構成する各層を上記に例示したような液相成膜法や気相成膜法を利用して順次成膜することにより積層して圧電体素子を形成することもできる。
【００５３】
なお、金属酸化物層は、この層を構成する酸素原子が、金属原子に対して化学量論的に過不足が無い状態か、あるいは、過剰気味であることが好ましい。金属酸化物層を構成する酸素原子が、金属原子に対して化学量論的に欠乏気味の場合には、圧電体層へ酸素を十分に供給することができなくなる場合がある。
従って、例えば、金属酸化物層を、ゾルゲル法等の液相成膜法を利用して塗膜を形成し、この塗膜を焼成することにより形成する場合には、塗膜の焼成を酸素雰囲気中で行なうことが好ましい。また、スパッタリング法を利用して金属酸化物層を形成する場合には、アルゴンガスに酸素ガスも加えたガス雰囲気で成膜したり、成膜後に一旦形成された金属酸化物層を酸素雰囲気中でアニールしたりすることが好ましい。あるいは、金属酸化物ターゲットを用いる場合には、このターゲットを予め酸素雰囲気で十分にアニール処理しておいてもよい。
【００５４】
（液滴吐出ヘッドおよびこれを用いた液滴吐出装置）
次に、本発明の液滴吐出ヘッドおよびこれを用いた液滴吐出装置について説明する。本発明の液滴吐出ヘッドは、本発明の圧電素子を利用して液滴をノズルから吐出可能なものであれば特に限定されないが、具体的には次のような構成を有するものであることが好ましい。
すなわち、本発明の液滴吐出ヘッドは、液体が充填される圧力発生室と、前記圧力発生室と連通し、液滴を吐出可能なノズルと、前記圧力発生室の壁面の少なくとも一部を構成し、振動することにより前記圧力発生室を膨張又は収縮させる振動板、および、画像情報に応じて印加された電圧によって変形することにより前記振動板を振動させる圧電素子を少なくとも備えたアクチュエーターと、を有してなるものであることが好ましい。また、本発明の液滴吐出装置は、本発明の液滴吐出ヘッドを少なくとも備えたものであれば特に限定されない。
以下に、本発明の液滴吐出ヘッドの具体例について図面を用いて説明する。
【００５５】
図１は、本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す斜視図であり、図２は、（図１に示す）本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す断面図であり、図３は、（図１および２に示す）本発明の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置である。
【００５６】
図１及び図２には、本発明の液滴吐出ヘッド１１２の液滴吐出部が部分的に示されている。また、図３には、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２が示されている。本実施形態の液滴吐出ヘッド１１２はいわゆるインクジェット記録ヘッドとされており、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２は、インクジェット記録装置とされている。液滴吐出装置１０２は、記録媒体である記録用紙Ｐ上に、液滴吐出ヘッド１１２のノズル１４０から着色インクの液滴（インク滴）を吐出し、この液滴によるドットで画像を記録するために使用される。
【００５７】
図３に示すように、液滴吐出装置１０２は、液滴吐出ヘッド１１２が搭載されるキャリッジ１０４と、キャリッジ１０４を記録用紙Ｐの記録面に沿った所定の主走査方向方向に移動（主走査）させる主走査機構１０６、および、記録用紙Ｐを主走査方向と交差（好ましくは直交）する所定の副走査方向に搬送（副走査）させるための副走査機構１０８を含んで構成されている。なお、図面において主走査方向を矢印Ｍで、副走査方向を矢印Ｓでそれぞれ示す。
【００５８】
液滴吐出ヘッド１１２は、後述するノズル１４０が形成されたノズル面１１４Ｓ（図２参照）が記録用紙Ｐと対向するようにキャリッジ１０４上に搭載されており、主走査機構１０６によって主走査方向に移動されながら記録用紙Ｐに対して液滴を吐出することにより、一定のバンド領域ＢＥに対して画像の記録を行う。主走査方向への１回の移動が終了すると、副走査機構１０８によって記録用紙Ｐが副走査方向に搬送され、再びキャリッジ１０４を主走査方向に移動させながら次のバンド領域を記録する。こうした動作を複数回繰り返すことにより、記録用紙Ｐの全面にわたって画像記録を行うことができる。
【００５９】
図１及び図２から分かるように、液滴吐出ヘッド１１２は、積層流路板１１４を有している。積層流路板１１４は、ノズルプレート１１６、流路プレート１１８、供給路プレート１２０、圧力発生室プレート１２２、および振動板１２４の合計５枚のプレートを位置合わせして積層し、接着剤等の接合手段によって接合することにより形成されている。圧力発生室プレート１２２、供給路プレート１２０および流路プレート１１８には、副走査方向に沿って長孔１２６、１２８、１３０が形成されており、流路プレート１１８、供給路プレート１２０および圧力発生室プレート１２２が積層された状態で、長孔１２６、１２８、１３０によって、共通流路が構成される。
【００６０】
振動板１２４には、共通流路の端部に対応する位置に、インク供給孔１３４が形成されている。インク供給孔１３４には、図示しないインク供給装置が接続される。
【００６１】
流路プレート１１８には、長孔１３０から連続して、且つ主走査方向に沿って複数（図１では１２本のみ示す）の流路１３６が形成されており、供給路プレート１２０、流路プレート１１８およびノズルプレート１１６が積層された状態で、流路１３６内を液体が流れるようになる。
【００６２】
圧力発生室プレート１２２には、流路１３６のそれぞれに対応して複数の圧力発生室１４２を構成する開口が形成されており、この開口と、圧力発生室１４２及び供給路プレート１２０とで、圧力発生室１４２が構成されている。さらに、それぞれの圧力発生室１４２に対応して、振動板１２４には圧電素子１４４が取り付けられており、振動板１２４と圧電素子１４４とで、圧力発生室１４２にそれぞれに対応した単板型のピエゾアクチュエータ１５４（圧電アクチュエータ）が複数構成されている。
【００６３】
また、供給路プレート１２０には、図１から分かるように、圧力発生室１４２のそれぞれに１つずつ、インク供給路１４６およびインク排出路１４８が形成されている。さらに、流路プレート１１８およびノズルプレート１１６には、それぞれインク排出路１４８に対応する位置に、連通路１５０およびインク吐出口１５２が形成されている。インク排出路１４８、連通路１５０およびインク吐出口１５２によって、ノズル１４０が構成されている。さらに、圧力発生室１４２、ノズル１４０およびピエゾアクチュエータ１５４によって、イジェクタが構成されている。
【００６４】
したがって、図２の断面図からも分かるように、流路１３６から圧力発生室１４２、インク排出路１４８、連通路１５０およびインク吐出口１５２へと連続するインクの通路が構成されていることになる。図示しないインク供給装置から送られてきたインクは、インク供給孔１３４を介して液滴吐出ヘッド１１２に供給され、共通流路内からそれぞれの流路１３６を経て、圧力発生室１４２内に充填されている。
【００６５】
図２に示すように、圧電素子１４４は、圧電体（層）１５６と、この圧電体１５６の厚み方向の両端面に設けられた電極層１５８、１６０と、で構成されている。ここで、電極層１５８、１６０のいずれか一方が第１の電極層であり、もう一方が第２の電極層である。しかしながら、本発明の液滴吐出ヘッドにおいては、配線構造をより簡易にすることができる点から、振動板１２４と接して設けられる側の電極層１６０が第２の電極層であることが好ましく、電極層１５８が第１の電極層であることが好ましい（なお、以下の説明においては電極層１５８を第１の電極層とし、電極層１６０を第２の電極層として説明する）。この場合、第１の電極層１５８には、高電位が印加される側となるように配線が接続され、第２の電極層１６０には、低電位が印加される側となるように配線が接続される。
【００６６】
第１の電極層１５８は、圧電体１５６に接して設けられ、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる第１の金属層１６２と、この第１の金属層に接して設けられた第２の金属層１６４とから構成される。
また、第２の電極層１６０は、導電性金属酸化物を含み、圧電体１５６に接して設けられた金属酸化物層１６６と、この金属酸化物層１６６に接して設けられた第３の金属層１６８とから構成される。なお、金属酸化物層１６６は、導電性金属酸化物の代りに非導電性金属酸化物から構成されていてもよい。但し、この場合には、第３の金属層１６８のみが第２の電極層１６０として機能する。
【００６７】
この圧電素子１４４に、画像情報に応じた駆動電圧波形を印加すると、圧電素子１４４が変形して振動板１２４が振動し、圧力発生室１４２を膨張または圧縮させる。これによって圧力発生室１４２に体積変化が生じると、圧力発生室１４２内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってノズル１４０（インク排出路１４８、連通路１５０およびインク吐出口１５２）のインクが運動し、インク吐出口１５２から外部へ排出されることにより液滴が形成される。特に、本実施形態では、図１及び図２から分かるように、圧電素子１４４が、圧力発生室１４２のそれぞれに対応して一対一で設けられており、圧力発生室１４２ごとに圧電素子１４４が独立して個別化されている。このため、各々の圧電素子１４４が、隣接する圧電素子１４４の影響を受けることなく、それぞれの圧電特性を発揮できるようになっている。
【００６８】
また、圧電体１５６の高電位が印加される側の面に接して、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる第１の金属層１６２が設けられ、圧電体１５６の低電位が印加される側の面に接して、金属酸化物層１６６が設けられているため、圧電素子１４４を高温高湿環境下で長時間駆動させても圧電素子１４４の高電位側での電気化学的反応の進行を抑制することができ、また、圧電素子１４４の低電位側における圧電体１５６の低電位側部分への酸素空孔の蓄積を抑制することができる。このため、圧電素子１４４の圧電特性の経時的劣化を長時間にわたり抑制することができ、さらに、液滴吐出ヘッドとしても、長期に渡り安定した吐出性能と、高い信頼性を維持し続けることができる。
【００６９】
さらに、本実施形態では、圧電素子１４４の端面（圧電体１５６及び電極層１５８、１６０の断面）が露出した構造では、この断面露出部の近傍において、水の電解や局所的なｐＨ変化等が発生しやすい。このため、従来のように、電気化学的に不安定なクロムや導電性酸化膜が設けられた構成では、これら金属膜や導電性酸化膜の一部が溶出し、電極層の変色や圧電特性の劣化が生じるおそれがあった。これに対し、本実施形態では、圧電体１５６及び電極層１５８、１６０の断面が露出していても、電極層の変色や圧電特性の劣化を抑制することが可能であり、前述のような不都合を防止するために、圧電体１５６及び電極層１５８、１６０の断面を被覆する必要もないので、圧電素子１４４を低コストで構成できる。
【００７０】
次に、本実施形態の圧電素子１４４及び液滴吐出ヘッド１１２の製造方法について具体例を挙げて説明する。
【００７１】
（１）まず、必要な厚さに加工したＰＺＴからなる圧電体１５６の第２の電極層を形成する側の面上に金属酸化物層１６６と第３の金属層１６８とをこの順に順次成膜する。
金属酸化物層１６６として、例えば、酸化錫膜を形成する場合には、酸化錫ターゲットを用いてスパッタリング法により形成したり、錫ターゲットを用いて反応性スパッタリング法により形成したりすることができる。なお反応性スパッタリングに際しては、アルゴンガスに酸素ガス（全圧に対する酸素ガスの分圧は、例えば、４〜４０％の範囲内で調整することができる）も加えて行なう。また、酸化錫ターゲットをスパッタリングする際に、アルゴンガスに対して酸素を若干加えつつスパッタリングしてもよい。
その後、第３の金属層１６８を、下記に例示するようなＮｉやＡｕ等の金属ターゲットを用いて同様に形成することができる。
【００７２】
（２）次に、圧電体１５６の第１の電極層を形成する側の面上に、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる第１の金属層１６２と第２の金属層１６４とをこの順に順次成膜する。
第１の金属層１６２としては、Ａｕターゲットを用いてスパッタリング法により形成することができる。また、第２の金属層１６４としては、第１の電極層１５８に対する配線の接続を容易とするために、Ｎｉターゲットを用いてスパッタリング法によりＮｉ層を形成した後、Ａｕターゲットを用いてスパッタリング法によりＡｕ層を順次積層して形成することができる。
【００７３】
（３）このようにして構成された積層体を、各圧力発生室１４２に対応した形状で、且つ、積層体各層の断面が露出する構造となるようにブラスト法やダイシング法等により個別化し、圧電素子１４４を形成する。
【００７４】
（４）上記圧電素子１４４を、あらかじめ複数のプレートが積層された積層流路板１１４の振動板１２４に接着等の手段により接合し、圧電素子１４４と振動板１２４とでピエゾアクチュエータ１５４を構成する。
【００７５】
（５）圧電素子１４４の第１の電極層１５８に半田接合等の電気接点を介してフレキシブルケーブルを接続する。
【００７６】
以上により、本実施形態に係る圧電素子１４４を備えた液滴吐出ヘッド１１２が構成されるが、圧電素子１４４及び液滴吐出ヘッド１１２の製造方法は、これに限定されない。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明に好適な実施形態を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
すなわち、本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形、改良、修正、簡略化などを、上記実施形態に加えてもよい。
【００７８】
たとえば、積層流路板１１４として、上記説明では複数のプレートの積層によって流路を形成しているが、プレートの構成、材質などは上記実施形態に限定されない。例えば、セラミックス、ガラス、樹脂、シリコンなどの材料を用いて、流路を一体成型してもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出して文字や画像などの記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を例に挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置としては、このようなインクジェット記録、すなわち、記録用紙上への文字や画像の記録に用いられるものに限定されない。また、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、吐出する液体も着色インクに限定されるわけではない。「記録媒体」としては、液滴吐出ヘッドによって液滴を吐出する対象物であればよく、同様に、「画像」あるいは「記録画像」としても、液滴が記録媒体上に付着されることで得られる記録媒体上のドットのパターンであれば、すべて含まれる。したがって、「記録媒体」には、記録用紙やＯＨＰシートなどが含まれるのはもちろんであるが、これら以外にも、たとえば基板、ガラス板などが含まれる。また、「画像」あるいは「記録画像」には、一般的な画像（文字、絵、写真など）のみならず、基板上の配線パターンや３次元物体、有機薄膜などが含まれる。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出して行うディスプレイ用のカラーフィルターの作製、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う部品実装用のバンプの形成、有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させて行うＥＬディスプレイパネルの形成、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う電気実装用のバンプの形成など、様々な工業的用途を対象とした液滴噴射装置一般に対して、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を適用することも可能である。
【００８０】
また、液滴吐出装置として、上記では液滴吐出ヘッドをキャリッジによって移動させながら液滴吐出を行う形態としたが、インク吐出口１５２を記録媒体の全幅にわたって配置したライン型の液滴吐出ヘッドを用い、このライン型ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬送しながら記録を行う（この場合は主走査のみとなる）など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。
【００８１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例は、図１〜３に例示したような構成を有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を作製して各種評価を行なった。
【００８２】
（実施例１）
＜圧電素子の作製＞
まず、厚み３０μｍのＰＺＴの板の片面に錫ターゲットを用いて反応性スパッタリング法により厚み０．２μｍの酸化錫層を形成した。なお、この酸化錫層の形成は、Ａｒガスの流量を２０ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｏ2ガスの流量を５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、錫ターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、この酸化錫層は非導電性であるため、酸化錫上に、更にＮｉターゲットを用いて厚み０．６μｍのＮｉ層と、Ａｕターゲットを用いて厚み０．２μｍのＡｕ層を順次スパッタリング法により形成した。
【００８３】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＡｕターゲットを用いて、スパッタリングにより厚み０．２μｍのＡｕ層を形成した。なお、このＡｕ層の形成は、Ａｒガスの流量を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ａｕターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、このＡｕ層上に更に、Ｎｉターゲットを用いて厚み０．６μｍのＮｉ層と、Ａｕターゲットを用いて厚み０．２μｍのＡｕ層を順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子１を得た。
【００８４】
＜液滴吐出ヘッドの作製＞
次に、圧電素子１を、図１や２に示されるように第２の電極層１６０側を振動板１２４上に接着して固定し、また、第１の電極層１５８の上面に半田接合により高電位を印加するためのフレキシブルケーブルを接続し、またこれ以外の部分についても定法により順次組み立てを行ない液滴吐出ヘッドを作製した。なお、この液滴吐出ヘッドは、圧電素子を３６０個搭載するものである。
【００８５】
＜評価＞
次に、上記の液滴吐出ヘッドを、図３に示すような液滴吐出装置に取り付けて高温高湿環境（４０℃、８０％ＲＨ）下で、駆動電圧１ＫＶ／ｍｍ、ユニポーラ波形で３×１０9サイクル数駆動させた。
この際、試験開始前の各々の圧電素子の静電容量を１００％とし、試験後の各々の圧電素子の静電容量の相対的な値の内、最小な値（静電容量変化（％））、試験後の静電容量が試験前に比べて２％以上低下した圧電素子の割合（不良発生率（％））、試験後の液滴吐出ヘッドの圧電素子部分を顕微鏡で観察した際の電極変色の有無、以上３点について評価した。結果を表１に示す。
【００８６】
（比較例１）
＜圧電素子の作製＞
まず、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＡｕターゲットを用いてスパッタリング法により厚み０．２μｍのＡｕ層を形成した。なお、このＡｕ層の形成は、Ａｒガスの流量を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ａｕターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。
【００８７】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＩｒターゲットを用いて、反応性スパッタリングにより厚み０．２μｍの酸化イリジウム層を形成した。なお、この酸化イリジウム層の形成は、Ａｒガスの流量を２０ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｏ2ガスの流量を５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｉｒターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、実施例１と同様にしてこのＩｒＯ2層上に更にＮｉ層と、Ａｕ層とを順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子２を得た。
【００８８】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子２を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００８９】
（比較例２）
＜圧電素子の作製＞
まず、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＡｕターゲットを用いてスパッタリング法により厚み０．２μｍのＡｕ層を形成した。なお、この層の形成は、Ａｒガスの流量を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ａｕターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。
【００９０】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＳｎターゲットを用いて、反応性スパッタリングにより厚み０．２μｍの酸化錫層を形成した。なお、この酸化錫層の形成は、Ａｒガスの流量を２０ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｏ2ガスの流量を５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｓｎターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、実施例１と同様にしてこのＳｎＯ2層上に更にＮｉ層と、Ａｕ層とを順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子３を得た。
【００９１】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子３を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００９２】
（比較例３）
＜圧電素子の作製＞
まず、比較例２と同様にして、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＳｎＯ2層、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順に順次スパッタリング法により形成した。
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にも比較例２と同様の条件でＳｎＯ2層、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順に順次スパッタリング法により形成した。このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子４を得た。
【００９３】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子４を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００９４】
（比較例４）
まず、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＣｒターゲットを用いてスパッタリング法により厚み０．２μｍのＣｒ層を形成した。なお、このＣｒ層の形成は、Ａｒガスの流量を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｃｒターゲット（８ｉｎｃｈ）に５００Ｗの電力を加えて行なった。その後、更にこのＣｒ層上に厚み０．０１μｍのＡｕ層をＡｕターゲットを用いてスパッタリング法により形成した。
【００９５】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＣｒターゲットを用いて、スパッタリングにより厚み０．２μｍのＣｒ層を形成した。なお、このＣｒ層の形成は、Ａｒガスの流量を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｃｒターゲット（８ｉｎｃｈ）に５００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、実施例１と同様にしてこのＣｒ層上に更にＮｉ層と、Ａｕ層とを順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子５を得た。
【００９６】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子４を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００９７】
【表１】
【００９８】
表１からわかるように、実施例１では、試験後の圧電素子の変色は観察されず、長時間駆動させた後の静電容量の低下も僅かであり、また、圧電素子の不良発生率も１％と少なく、高温高湿下でも圧電特性の劣化が少なく高い信頼性を有していることがわかった。
しかしながら、比較例１〜４においては、静電容量の低下も大きく、圧電素子の不良発生率も最低でも１０％台と大きく、また、比較例４においては圧電素子の変色も確認された。すなわち、高温高湿下においては、圧電特性の劣化が顕著で、信頼性も低いことがわかった。
【００９９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、高温高湿下において液滴吐出ヘッドを長時間使用し続けた場合でも、液滴吐出ヘッドの圧電素子の圧電特性の経時的な劣化を防止することができ、信頼性の高い圧電素子、これを用いた液滴吐出ヘッド、および、該液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す斜視図である。
【図２】 本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態の液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図４】 従来のインクジェット記録ヘッドの圧電素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０２ 液滴吐出装置
１０４ キャリッジ
１１２ 液滴吐出ヘッド
１２４ 振動板
１４０ ノズル
１４２ 圧力発生室
１４４ 圧電素子
１５６ 圧電体
１５８ 電極層（第１の電極層）
１６０ 電極層（第２の電極層）
１６２ 第１の金属層
１６４ 第２の金属層
１６６ 金属酸化物層
１６８ 第３の金属層
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子、これを用いた液滴吐出ヘッド、および、該液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置に関し、さらに詳しくは、液滴を吐出して記録媒体上に文字や画像などを記録したり、基板上に微細パターンや薄膜の形成等を行うための圧電素子、これを用いた液滴吐出ヘッド、および、該液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力発生室内に充填された液体に対し、圧電アクチュエータ等の圧力発生手段を用いて圧力波（音響波）を発生させ、その圧力波によって圧力発生室（あるいは圧力室）に連結されたノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドは一般によく知られている。一般に圧電アクチュエータは、画像情報に応じて変形する圧電素子（ピエゾ素子）と、この圧電素子の変形によって振動して、圧力発生室を膨張又は圧縮させる振動板とで構成されている。
【０００３】
圧電素子は、圧電体と、その電極材の構成の１例として、圧電体の表裏面に形成された電極層１(金／ニッケル／クロム)／圧電体層／電極層２(クロム／金)とで構成されているものが挙げられる。このような構造の圧電素子を、常温常湿や高温高湿環境下で電圧印加、連続駆動を行うと電極が褐色に変色、電極が剥離して、圧電特性が劣化するという不具合が発生する場合があった。この不具合について調査した結果、
（１）特に高湿環境で不具合が多発する傾向である
（２）褐色変色部は、クロム、ニッケル各々の酸化物である
（３）圧電体と電極層の断面露出部に水分が付着した際に同不具合が発生する
ことがわかり、水分の存在と電界印加による電気化学的反応の進行に起因する不具合現象であることが判明した。
【０００４】
即ち、水分存在下で高電界駆動中の圧電体近傍において局部電池が形成され、水分の局部的電気分解によるｐＨ変化が発生、ｐＨ値により溶出しやすい材料、電気化学的腐食の起こり易い材料(上記した材料ではクロム)が優先的に溶出し、電極変色、圧電特性劣化の形で不具合が発生すると考えられる。
これら現象を抑制するために、たとえば、幅広いｐＨ範囲で電気化学的に安定な金属の酸化膜、具体的には酸化錫を電極材として使用することが考えられる。
例えば、特許文献１には、圧電体９１の両面に、導電性酸化物層９３と金属層９２との積層膜からなる電極が形成された圧電素子９ｂが記載されている（図４参照）。この構成では、圧電体９１で生成される鉛を含む負イオンが電極を通過して電極表面まで移動することを阻止し、電極表面の変色・汚染や電極の浮き上がりが発生しなくなっている。そして、圧電体９１を薄板化し、高温高湿の環境下で高電界強度で使用しても、十分な信頼性と耐久性を有するとされている。
【０００５】
しかし、この圧電素子９ｂでは、導電性酸化物層９３の導電性によって、特に高湿下や結露下においては十分な耐久性が無くなっている。すなわち、水分の存在下（たとえば、空気中には必ず水分が存在している）で高電界を印加すると、局部的に水の電解が発生して局部ｐＨが変化する為、導電性を保有するが故に導電キャリアを多数有する、より金属ライクな振る舞いをする導電性酸化膜も上記のような電気化学的反応の進行により経時的に圧電特性を劣化させる場合があった。
【０００６】
また、圧電素子を利用した液滴吐出ヘッドとしては、上記以外にも様々な検討がなされている。
例えば、Ｐｂの含有量を抑えたABO3系の化合物からなる層を圧電体膜の少なくとも片面に設けることにより圧電素子のリーク電流の低減や駆動電圧の低下を防止することにより経時的に安定した圧電特性を維持する技術（特許文献２参照）や、湿度が上昇した際に、圧電膜に接して設けられた上下電極間での短絡防止や、絶縁性低下を防止する技術（特許文献３参照）、圧縮膜を弾性膜として使用し初期撓みを低減する技術（特許文献４参照）、変位特性や信頼性を向上させる技術（特許文献５）等が挙げられる。これらの技術を利用した液滴吐出ヘッドにおいても上記と同様に経時的に圧電特性が劣化する場合があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−８８２９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１０８８８号公報
【特許文献３】
特開平１１−３３４０６２号公報
【特許文献４】
特許第３０１９８４号明細書
【特許文献５】
特開平１１−１５７０７０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような問題点を解決すべくなされたものである。すなわち、本発明は、高温高湿下において液滴吐出ヘッドを長時間使用し続けた場合でも、液滴吐出ヘッドの圧電素子の圧電特性の経時的な劣化を防止することができ、信頼性の高い液滴吐出装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、液滴吐出ヘッドに用いられる圧電素子の圧電特性の経時的劣化について鋭意検討を行なった。以下に圧電素子の高電位が印加される側の構成と、低電位が印加される側の構成とにそれぞれわけて説明する。
【００１０】
−高電位印加側−
まず、既述したように、本発明者らは、電極層１(金／ニッケル／クロム)／圧電体層／電極層２(クロム／金)という典型的な構成からなる場合の圧電素子では、特に高温高湿環境下で連続駆動を行なうと、圧電素子近傍（特に断面露出近傍）において、水の電解、局部ｐＨ変化等による局部電池形成によって電気化学的反応が進行し、電極材の一部がイオン化して溶出する結果、電極変色、電極剥離、圧電特性劣化に繋がることを確認した。
【００１１】
また、既述したように、特許文献１のような「正電位印加側（高電位印加側）に導電性金属酸化物を形成」した構成でも、特に高温高湿環境耐性は十分ではなく、圧電特性が劣化する場合があることを確認した。以上のことから、本発明者らは圧電体層の高電位印加側に接して設けられる層が電気化学的に安定な金属材料から構成される必要があるものと考えた。
【００１２】
−低電位印加側−
次に、本発明者らは、上記のような圧電体層の高電位側に接する層が金属酸化物であり、且つ、圧電体層の低電位側に接する層が金属酸化物からなる圧電素子を、高電界下で圧電特性が十分に劣化するまで長時間駆動させた後に、逆向きの電界印加駆動を行ってみた。その結果、順向きに電界印加駆動を行なう前の初期の静電容量値までは回復しないものの、初期の静電容量値比７０〜９０％レベルまでは回復させることができることを確認した。また、このような試験を高温高湿環境下で実施した場合、上記のような順向き電界印加時の圧電特性の劣化や、その逆の電界印加時の圧電特性の回復がより顕著になることを確認した。
【００１３】
一方、一般に、圧電素子を長時間、高電界駆動を行うと、いわゆる「疲労現象」が発生することが知られている。この現象の原因には諸説有り、明確な説明が成されていないが、この中に電極と圧電体界面部に酸素空孔（＋電荷）が蓄積、低誘電率層を形成するとの説がある。
【００１４】
以上のことから、上記のような劣化／回復は、上記の説を裏付けるものであり、ゆえに、本発明者らは圧電体層の低電位側に接して設けられた金属層が、圧電体層の低電位側に移動してきた酸素空孔を圧電体層／金属層界面近傍で蓄積させやすくしているものと考えた。さらに、高温高湿で劣化／回復が加速することから、温湿度が酸素空孔の発生量に関係していると考えられ、必ず水分が存在する通常の大気雰囲気下で圧電素子を使用する限り、圧電体層における酸素空孔の発生自体は根本的に回避できないものと推定した。
【００１５】
このため、低電位側に起因する圧電素子の経時的劣化を防止するためには、電界により圧電体層に発生し圧電体層の低電位側に蓄積されると考えられる酸素空孔を、外部から酸素を供給することにより打ち消すことが重要であると考えられる。したがって、本発明者らは、このような酸素空孔を打ち消すための酸素供給源として、圧電体層の低電位側に接する層に金属酸化物層を設ける必要があるものと考えた。
【００１６】
本発明者らは、以上に説明したような圧電素子の高電位印加側および低電位印加側における圧電特性の経時的劣化に関する検討を元に、以下の本発明を見出した。
【００３１】
＜１＞ 液体が充填される圧力発生室と、
前記圧力発生室と連通し、液滴を吐出可能なノズルと、
前記圧力発生室の壁面の少なくとも一部を構成し、振動することにより前記圧力発生室を膨張又は収縮させる振動板、および、画像情報に応じて印加された電圧によって変形することにより前記振動板を振動させる圧電素子を少なくとも備えたアクチュエーターと、を有する液滴吐出ヘッドを備え、
前記圧電素子が、圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられた高電位が印加される第１の電極層と、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられた側と反対の面側に設けられた低電位が印加される第２の電極層とを少なくとも含み、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる金属層が前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられる側の面に接して設けられ、金属酸化物からなる金属酸化物層が前記圧電体層の前記第２の電極層が設けられる側の面に接して設けられており、
前記画像情報に応じて印加される電圧を、前記第１の電極層が、前記第２の電極層より高電位となるように印加することを特徴とする液滴吐出装置。
＜２＞ 前記第１の電極層が、前記金属層を含む３つの層からなり、前記圧電素子側から、前記金属層と、Ｎｉを含む層と、Ａｕを含む層とがこの順に積層された構成を有することを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜３＞ 前記金属材料が、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の金属元素を含むことを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜４＞ 前記金属層の厚みが、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜５＞ 前記金属酸化物が、ＳｎＯ ２ であることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜６＞ 前記金属酸化物層の厚みが、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜７＞ 前記圧電素子が端面を有し、前記端面の少なくとも一部が露出していることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
＜８＞ 前記圧電素子の前記第２の電極層が設けられた側の面が、前記振動板と接して設けられていることを特徴とする＜１＞に記載の液滴吐出装置。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を、圧電素子、液滴吐出ヘッド、および、液滴吐出装置の順に大きくわけて説明する。
【００３３】
（圧電素子）
本発明の圧電素子は、圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられた高電位が印加される第１の電極層と、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられた側と反対の面側に設けられた低電位が印加される第２の電極層とを少なくとも含む圧電素子において、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられる側の面に接して、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる金属層が設けられ、前記圧電体層の前記第２の電極層が設けられる側の面に接して、金属酸化物からなる金属酸化物層が設けられたことを特徴とする。
【００３４】
従って、本発明の圧電素子は、これを高温高湿下において長時間使用したとしても圧電素子の経時的な劣化が小さい。このため、本発明の圧電素子を液滴吐出ヘッドに用いた場合には、高温高湿下において長時間使用したとしても、安定した液滴吐出特性を長時間に渡り維持することができる。
【００３５】
また、本発明の圧電素子は、上記に説明したようにインクジェット方式の記録装置に用いられるような液滴吐出ヘッドの圧電素子として用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、高温高湿下において長時間使用される可能性がある圧電素子を備えた部材・装置であればこれ以外の用途にも好適に利用することができる。
【００３６】
なお、高温高湿環境下における圧電特性の劣化は、既述したように水分による電極自身の劣化の他にも、圧電体層での酸素空孔の発生が挙げられる。この酸素空孔の発生は、水分が電解されてイオンの形で圧電体層に進入して圧電体層を構成する材料を還元し、酸素空孔を発生させていることが大きな要因である。また、圧電体層に進入する水分のイオン化には圧電体層両側近傍の電極部分での電極反応が大きく寄与しているものと思われる。
【００３７】
しかしながら、本発明の圧電素子は、圧電体層の高電位印加側に面に接して設けられる金属層が、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなるため、電極自身の劣化を防止できるのみならず、圧電体層近傍の水分が電解によりイオン化して圧電体層に進入することを抑制できるため、圧電体層に発生する酸素空孔の発生量そのものを少なくすることができるというメリットがある。
一方、圧電体層に発生した酸素空孔は圧電体層の低電位印加側の面に接して設けられた金属酸化物層から供給される酸素により打ち消される。これに加えて上記したように酸素空孔の発生量自体が抑えられているため、金属酸化物層の酸素供給能力がより長期に渡り安定して維持しやすいというメリットがある。
【００３８】
このように、本発明の圧電素子の高温高湿環境下における圧電特性の経時的劣化の抑制は、圧電体層の高電位印加側の面に接して上記の金属層を設けたことと、圧電体層の低電位印加側の面に接して上記の金属酸化物層を設けたこととによる積算的な寄与のみならず、両者の相乗的な寄与も影響している。
【００３９】
なお、本発明において、「標準電極電位」とは下式（１）で定義される反応において、ΔＶで示される値を意味する。
・式（１） Ｍn+＋ｎｅ- → Ｍ＋ΔＶ
但し、式（１）において、Ｍn+は金属イオン、Ｍは金属原子、ｎは１以上の整数、ｅ-は電子、ΔＶは標準電極電位（Ｖ）を表す。
【００４０】
このような標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料としては、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属元素単体、あるいは、これらの金属元素の合金であれば特に限定されないが、具体的には、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の金属元素を含むことが好ましい。
また、配線接続を実施する際の高温耐性や、成膜の容易さから、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄを用いることがより好ましい。
【００４１】
また、このような金属材料からなる金属層の厚みは、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましい。
金属層の厚みが５０ｎｍよりも薄い場合には、特に高温高湿下において圧電素子近傍で水電解を十分に抑制することができず、圧電特性の経時的劣化を招いてしまう場合がある。また、金属層の厚みが１μｍよりも厚い場合には、この金属層が圧電素子の変形を阻害したり、圧電素子として求められる十分な変位量が確保できなくなる場合がある。
【００４２】
なお、上記の金属層は導電性を有するため、第１の電極層そのものとして機能するものであってもよい。あるいは、金属層は第１の電極層の一部として機能するものであってもよく、この場合には、他の導電性材料からなる層がこの金属層の圧電体層が設けられた側の反対側の面に積層することができる。
後者の場合には、第１の電極層が、金属層を含む３つの層からなり、圧電素子側から、金属層と、Ｎｉを含む層と、Ａｕを含む層とがこの順に積層された構成を有することが好ましい。第１の電極層をこのような３層構成とすることにより、本発明の圧電素子を用いて液滴吐出ヘッドを作製する際に、圧電素子への配線接続を容易に行なうことができる。
【００４３】
また、金属酸化物層を構成する金属酸化物としては公知の金属酸化物であれば特に限定されないが、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｏｓ、Ｈｆから選択される少なくとも１種の金属元素を含む金属酸化物であることが好ましい。
これらの金属酸化物の中でも、圧電体層への酸素供給能力をより大きくすることができる点で、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｓｎを含む金属酸化物がより好ましく、例えば、Ｉｒ2Ｏ3、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2、ＳｎＯ2、ＳｎＯ等が挙げられる。
なお、Ｉｒ等は水素発生触媒となりうるため、圧電体層を還元、劣化させる場合があるので、これら金属元素を含む金属酸化物を使用する際には、高電位側で選択する金属層との組合せを考慮した上で適宜使用することができる。
【００４４】
また、このような金属酸化物からなる金属酸化物層の厚みは、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましい。
金属酸化物層の厚みが５０ｎｍよりも薄い場合には、特に高温高湿下において圧電素子の第２の電極層側に酸素空孔が蓄積され、圧電特性の経時的劣化を招いてしまう場合がある。また、金属酸化物層の厚みが１μｍよりも厚い場合には、この金属酸化物層が圧電素子の変形を阻害したり、圧電素子として求められる十分な変位量が確保できなくなる場合がある。
【００４５】
なお、この金属酸化物層は導電性については特に限定されないが、導電性を有する場合には、金属酸化物層は第２の電極層の全体あるいは一部として機能することができる。一方、金属酸化物層が非導電性である場合には、この金属酸化物層の圧電体層が設けられた側と反対側の面に公知の金属や導電性金属酸化物等の導電性材料からなる第２の電極層が設けられる。
【００４６】
本発明の圧電素子は、電圧を印加した際に圧電体層の厚み方向に変形することが可能で、圧電体層の高電位印加側の全面が実質的に上記に説明した金属層で覆われ、圧電体層の低電位印加側の全面が実質的に上記に説明した金属酸化物層で覆われているのであれば特に限定されないが、通常は圧電素子を構成する各層の縦横の位置が全て揃うように端面が設けられた平板状の形状として用いられる。
【００４７】
この場合、圧電素子の端面が露出していることが好ましい。但し、「端面が露出している」とは、第１の電極層、金属層、圧電体層、金属酸化物層、あるいは、第２の電極層の少なくともいずれかの端面部分の表面に、何らの保護層が設けられることなく、これらの層を構成する材料が剥き出しとなった状態を意味する。なお、圧電素子の構成を簡易にし、その作製工程がより簡素化できる点では、圧電素子の全ての端面が露出していることが好ましい。
【００４８】
本発明の圧電素子は端面が露出していても、上述したように高電位印加側では電気化学的な反応を抑制する能力が高く、また、低電位印加側においては、圧電体層中の酸素空孔の蓄積を抑制することができるため、従来の圧電素子と比べて端面部分を大気雰囲気から保護しなくとも十分に圧電特性の経時的劣化を抑制することが可能である。勿論、圧電特性の経時的劣化を更に長期間に渡って抑制できるようにしたり、より劣悪な高温高湿環境下での使用にも耐えうるように端面部分に特に大気中の水分を遮断する能力の高い保護層（例えば、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機膜や、ポリイミド、パリレン等の有機膜）を設けてもよい。
【００４９】
次に、本発明の圧電素子を構成する圧電体層について説明する。圧電体層を構成する材料としては電圧を印加した際に変形可能な公知の圧電体材料であれば特に限定されないが、例えば液滴吐出用の圧電素子としては、その必要とされる特性上の観点から、圧電定数が比較的大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電体を用いることが好ましい。特にドナー（例えばＮｂ等）を添加した変性ＰＺＴは圧電定数が大きく、液滴吐出用途としては好適である。しかし一方でドナー添加ＰＺＴは耐環境性の点から経時劣化が大きいものもあり、本発明を適用することによる効果は大きい。
また、圧電体層の厚みは特に限定されないが、実用上は１〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００５０】
本発明の圧電素子の製造方法は特に限定されず、従来の圧電素子と同様にして作製することができる。例えば、予め所望の厚みに加工された圧電体材料からなる板の片面に、上述した金属層を構成する材料を公知の成膜法、例えばスパッタリング法や蒸着法等の気相成膜法を利用して形成することができる。更に、第１の電極層が、金属層を含む２層以上の構成からなる場合には、この金属層の表面に更に他の導電性材料を公知の成膜方法を利用して形成することができる。
【００５１】
また、圧電体材料のもう片方の面には、金属酸化物を公知の成膜法、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等の気相成膜法やゾルゲル法等の液相成膜法を利用して形成することができる。更に、この金属酸化物層の表面に第２の電極層を構成する層を形成する場合には、金属や導電性金属酸化物等の公知の導電性材料を公知の成膜方法を利用して形成することができる。
【００５２】
このようにして作製された大きい板状の圧電体素子は、ダイシング法やブラスト法等の公知の加工方法により所望のサイズに加工することにより、液滴吐出ヘッドの作製等に用いることができる。
あるいは、本発明の圧電体素子を、振動板を有する液滴吐出ヘッドの作製にのみ用いるような場合には、振動板となる基板上に、圧電体素子を構成する各層を上記に例示したような液相成膜法や気相成膜法を利用して順次成膜することにより積層して圧電体素子を形成することもできる。
【００５３】
なお、金属酸化物層は、この層を構成する酸素原子が、金属原子に対して化学量論的に過不足が無い状態か、あるいは、過剰気味であることが好ましい。金属酸化物層を構成する酸素原子が、金属原子に対して化学量論的に欠乏気味の場合には、圧電体層へ酸素を十分に供給することができなくなる場合がある。
従って、例えば、金属酸化物層を、ゾルゲル法等の液相成膜法を利用して塗膜を形成し、この塗膜を焼成することにより形成する場合には、塗膜の焼成を酸素雰囲気中で行なうことが好ましい。また、スパッタリング法を利用して金属酸化物層を形成する場合には、アルゴンガスに酸素ガスも加えたガス雰囲気で成膜したり、成膜後に一旦形成された金属酸化物層を酸素雰囲気中でアニールしたりすることが好ましい。あるいは、金属酸化物ターゲットを用いる場合には、このターゲットを予め酸素雰囲気で十分にアニール処理しておいてもよい。
【００５４】
（液滴吐出ヘッドおよびこれを用いた液滴吐出装置）
次に、本発明の液滴吐出ヘッドおよびこれを用いた液滴吐出装置について説明する。本発明の液滴吐出ヘッドは、本発明の圧電素子を利用して液滴をノズルから吐出可能なものであれば特に限定されないが、具体的には次のような構成を有するものであることが好ましい。
すなわち、本発明の液滴吐出ヘッドは、液体が充填される圧力発生室と、前記圧力発生室と連通し、液滴を吐出可能なノズルと、前記圧力発生室の壁面の少なくとも一部を構成し、振動することにより前記圧力発生室を膨張又は収縮させる振動板、および、画像情報に応じて印加された電圧によって変形することにより前記振動板を振動させる圧電素子を少なくとも備えたアクチュエーターと、を有してなるものであることが好ましい。また、本発明の液滴吐出装置は、本発明の液滴吐出ヘッドを少なくとも備えたものであれば特に限定されない。
以下に、本発明の液滴吐出ヘッドの具体例について図面を用いて説明する。
【００５５】
図１は、本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す斜視図であり、図２は、（図１に示す）本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す断面図であり、図３は、（図１および２に示す）本発明の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置である。
【００５６】
図１及び図２には、本発明の液滴吐出ヘッド１１２の液滴吐出部が部分的に示されている。また、図３には、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２が示されている。本実施形態の液滴吐出ヘッド１１２はいわゆるインクジェット記録ヘッドとされており、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２は、インクジェット記録装置とされている。液滴吐出装置１０２は、記録媒体である記録用紙Ｐ上に、液滴吐出ヘッド１１２のノズル１４０から着色インクの液滴（インク滴）を吐出し、この液滴によるドットで画像を記録するために使用される。
【００５７】
図３に示すように、液滴吐出装置１０２は、液滴吐出ヘッド１１２が搭載されるキャリッジ１０４と、キャリッジ１０４を記録用紙Ｐの記録面に沿った所定の主走査方向方向に移動（主走査）させる主走査機構１０６、および、記録用紙Ｐを主走査方向と交差（好ましくは直交）する所定の副走査方向に搬送（副走査）させるための副走査機構１０８を含んで構成されている。なお、図面において主走査方向を矢印Ｍで、副走査方向を矢印Ｓでそれぞれ示す。
【００５８】
液滴吐出ヘッド１１２は、後述するノズル１４０が形成されたノズル面１１４Ｓ（図２参照）が記録用紙Ｐと対向するようにキャリッジ１０４上に搭載されており、主走査機構１０６によって主走査方向に移動されながら記録用紙Ｐに対して液滴を吐出することにより、一定のバンド領域ＢＥに対して画像の記録を行う。主走査方向への１回の移動が終了すると、副走査機構１０８によって記録用紙Ｐが副走査方向に搬送され、再びキャリッジ１０４を主走査方向に移動させながら次のバンド領域を記録する。こうした動作を複数回繰り返すことにより、記録用紙Ｐの全面にわたって画像記録を行うことができる。
【００５９】
図１及び図２から分かるように、液滴吐出ヘッド１１２は、積層流路板１１４を有している。積層流路板１１４は、ノズルプレート１１６、流路プレート１１８、供給路プレート１２０、圧力発生室プレート１２２、および振動板１２４の合計５枚のプレートを位置合わせして積層し、接着剤等の接合手段によって接合することにより形成されている。圧力発生室プレート１２２、供給路プレート１２０および流路プレート１１８には、副走査方向に沿って長孔１２６、１２８、１３０が形成されており、流路プレート１１８、供給路プレート１２０および圧力発生室プレート１２２が積層された状態で、長孔１２６、１２８、１３０によって、共通流路が構成される。
【００６０】
振動板１２４には、共通流路の端部に対応する位置に、インク供給孔１３４が形成されている。インク供給孔１３４には、図示しないインク供給装置が接続される。
【００６１】
流路プレート１１８には、長孔１３０から連続して、且つ主走査方向に沿って複数（図１では１２本のみ示す）の流路１３６が形成されており、供給路プレート１２０、流路プレート１１８およびノズルプレート１１６が積層された状態で、流路１３６内を液体が流れるようになる。
【００６２】
圧力発生室プレート１２２には、流路１３６のそれぞれに対応して複数の圧力発生室１４２を構成する開口が形成されており、この開口と、圧力発生室１４２及び供給路プレート１２０とで、圧力発生室１４２が構成されている。さらに、それぞれの圧力発生室１４２に対応して、振動板１２４には圧電素子１４４が取り付けられており、振動板１２４と圧電素子１４４とで、圧力発生室１４２にそれぞれに対応した単板型のピエゾアクチュエータ１５４（圧電アクチュエータ）が複数構成されている。
【００６３】
また、供給路プレート１２０には、図１から分かるように、圧力発生室１４２のそれぞれに１つずつ、インク供給路１４６およびインク排出路１４８が形成されている。さらに、流路プレート１１８およびノズルプレート１１６には、それぞれインク排出路１４８に対応する位置に、連通路１５０およびインク吐出口１５２が形成されている。インク排出路１４８、連通路１５０およびインク吐出口１５２によって、ノズル１４０が構成されている。さらに、圧力発生室１４２、ノズル１４０およびピエゾアクチュエータ１５４によって、イジェクタが構成されている。
【００６４】
したがって、図２の断面図からも分かるように、流路１３６から圧力発生室１４２、インク排出路１４８、連通路１５０およびインク吐出口１５２へと連続するインクの通路が構成されていることになる。図示しないインク供給装置から送られてきたインクは、インク供給孔１３４を介して液滴吐出ヘッド１１２に供給され、共通流路内からそれぞれの流路１３６を経て、圧力発生室１４２内に充填されている。
【００６５】
図２に示すように、圧電素子１４４は、圧電体（層）１５６と、この圧電体１５６の厚み方向の両端面に設けられた電極層１５８、１６０と、で構成されている。ここで、電極層１５８、１６０のいずれか一方が第１の電極層であり、もう一方が第２の電極層である。しかしながら、本発明の液滴吐出ヘッドにおいては、配線構造をより簡易にすることができる点から、振動板１２４と接して設けられる側の電極層１６０が第２の電極層であることが好ましく、電極層１５８が第１の電極層であることが好ましい（なお、以下の説明においては電極層１５８を第１の電極層とし、電極層１６０を第２の電極層として説明する）。この場合、第１の電極層１５８には、高電位が印加される側となるように配線が接続され、第２の電極層１６０には、低電位が印加される側となるように配線が接続される。
【００６６】
第１の電極層１５８は、圧電体１５６に接して設けられ、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる第１の金属層１６２と、この第１の金属層に接して設けられた第２の金属層１６４とから構成される。
また、第２の電極層１６０は、導電性金属酸化物を含み、圧電体１５６に接して設けられた金属酸化物層１６６と、この金属酸化物層１６６に接して設けられた第３の金属層１６８とから構成される。なお、金属酸化物層１６６は、導電性金属酸化物の代りに非導電性金属酸化物から構成されていてもよい。但し、この場合には、第３の金属層１６８のみが第２の電極層１６０として機能する。
【００６７】
この圧電素子１４４に、画像情報に応じた駆動電圧波形を印加すると、圧電素子１４４が変形して振動板１２４が振動し、圧力発生室１４２を膨張または圧縮させる。これによって圧力発生室１４２に体積変化が生じると、圧力発生室１４２内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってノズル１４０（インク排出路１４８、連通路１５０およびインク吐出口１５２）のインクが運動し、インク吐出口１５２から外部へ排出されることにより液滴が形成される。特に、本実施形態では、図１及び図２から分かるように、圧電素子１４４が、圧力発生室１４２のそれぞれに対応して一対一で設けられており、圧力発生室１４２ごとに圧電素子１４４が独立して個別化されている。このため、各々の圧電素子１４４が、隣接する圧電素子１４４の影響を受けることなく、それぞれの圧電特性を発揮できるようになっている。
【００６８】
また、圧電体１５６の高電位が印加される側の面に接して、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる第１の金属層１６２が設けられ、圧電体１５６の低電位が印加される側の面に接して、金属酸化物層１６６が設けられているため、圧電素子１４４を高温高湿環境下で長時間駆動させても圧電素子１４４の高電位側での電気化学的反応の進行を抑制することができ、また、圧電素子１４４の低電位側における圧電体１５６の低電位側部分への酸素空孔の蓄積を抑制することができる。このため、圧電素子１４４の圧電特性の経時的劣化を長時間にわたり抑制することができ、さらに、液滴吐出ヘッドとしても、長期に渡り安定した吐出性能と、高い信頼性を維持し続けることができる。
【００６９】
さらに、本実施形態では、圧電素子１４４の端面（圧電体１５６及び電極層１５８、１６０の断面）が露出した構造では、この断面露出部の近傍において、水の電解や局所的なｐＨ変化等が発生しやすい。このため、従来のように、電気化学的に不安定なクロムや導電性酸化膜が設けられた構成では、これら金属膜や導電性酸化膜の一部が溶出し、電極層の変色や圧電特性の劣化が生じるおそれがあった。これに対し、本実施形態では、圧電体１５６及び電極層１５８、１６０の断面が露出していても、電極層の変色や圧電特性の劣化を抑制することが可能であり、前述のような不都合を防止するために、圧電体１５６及び電極層１５８、１６０の断面を被覆する必要もないので、圧電素子１４４を低コストで構成できる。
【００７０】
次に、本実施形態の圧電素子１４４及び液滴吐出ヘッド１１２の製造方法について具体例を挙げて説明する。
【００７１】
（１）まず、必要な厚さに加工したＰＺＴからなる圧電体１５６の第２の電極層を形成する側の面上に金属酸化物層１６６と第３の金属層１６８とをこの順に順次成膜する。
金属酸化物層１６６として、例えば、酸化錫膜を形成する場合には、酸化錫ターゲットを用いてスパッタリング法により形成したり、錫ターゲットを用いて反応性スパッタリング法により形成したりすることができる。なお反応性スパッタリングに際しては、アルゴンガスに酸素ガス（全圧に対する酸素ガスの分圧は、例えば、４〜４０％の範囲内で調整することができる）も加えて行なう。また、酸化錫ターゲットをスパッタリングする際に、アルゴンガスに対して酸素を若干加えつつスパッタリングしてもよい。
その後、第３の金属層１６８を、下記に例示するようなＮｉやＡｕ等の金属ターゲットを用いて同様に形成することができる。
【００７２】
（２）次に、圧電体１５６の第１の電極層を形成する側の面上に、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる第１の金属層１６２と第２の金属層１６４とをこの順に順次成膜する。
第１の金属層１６２としては、Ａｕターゲットを用いてスパッタリング法により形成することができる。また、第２の金属層１６４としては、第１の電極層１５８に対する配線の接続を容易とするために、Ｎｉターゲットを用いてスパッタリング法によりＮｉ層を形成した後、Ａｕターゲットを用いてスパッタリング法によりＡｕ層を順次積層して形成することができる。
【００７３】
（３）このようにして構成された積層体を、各圧力発生室１４２に対応した形状で、且つ、積層体各層の断面が露出する構造となるようにブラスト法やダイシング法等により個別化し、圧電素子１４４を形成する。
【００７４】
（４）上記圧電素子１４４を、あらかじめ複数のプレートが積層された積層流路板１１４の振動板１２４に接着等の手段により接合し、圧電素子１４４と振動板１２４とでピエゾアクチュエータ１５４を構成する。
【００７５】
（５）圧電素子１４４の第１の電極層１５８に半田接合等の電気接点を介してフレキシブルケーブルを接続する。
【００７６】
以上により、本実施形態に係る圧電素子１４４を備えた液滴吐出ヘッド１１２が構成されるが、圧電素子１４４及び液滴吐出ヘッド１１２の製造方法は、これに限定されない。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明に好適な実施形態を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
すなわち、本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形、改良、修正、簡略化などを、上記実施形態に加えてもよい。
【００７８】
たとえば、積層流路板１１４として、上記説明では複数のプレートの積層によって流路を形成しているが、プレートの構成、材質などは上記実施形態に限定されない。例えば、セラミックス、ガラス、樹脂、シリコンなどの材料を用いて、流路を一体成型してもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出して文字や画像などの記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を例に挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置としては、このようなインクジェット記録、すなわち、記録用紙上への文字や画像の記録に用いられるものに限定されない。また、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、吐出する液体も着色インクに限定されるわけではない。「記録媒体」としては、液滴吐出ヘッドによって液滴を吐出する対象物であればよく、同様に、「画像」あるいは「記録画像」としても、液滴が記録媒体上に付着されることで得られる記録媒体上のドットのパターンであれば、すべて含まれる。したがって、「記録媒体」には、記録用紙やＯＨＰシートなどが含まれるのはもちろんであるが、これら以外にも、たとえば基板、ガラス板などが含まれる。また、「画像」あるいは「記録画像」には、一般的な画像（文字、絵、写真など）のみならず、基板上の配線パターンや３次元物体、有機薄膜などが含まれる。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出して行うディスプレイ用のカラーフィルターの作製、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う部品実装用のバンプの形成、有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させて行うＥＬディスプレイパネルの形成、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う電気実装用のバンプの形成など、様々な工業的用途を対象とした液滴噴射装置一般に対して、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を適用することも可能である。
【００８０】
また、液滴吐出装置として、上記では液滴吐出ヘッドをキャリッジによって移動させながら液滴吐出を行う形態としたが、インク吐出口１５２を記録媒体の全幅にわたって配置したライン型の液滴吐出ヘッドを用い、このライン型ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬送しながら記録を行う（この場合は主走査のみとなる）など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。
【００８１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例は、図１〜３に例示したような構成を有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を作製して各種評価を行なった。
【００８２】
（実施例１）
＜圧電素子の作製＞
まず、厚み３０μｍのＰＺＴの板の片面に錫ターゲットを用いて反応性スパッタリング法により厚み０．２μｍの酸化錫層を形成した。なお、この酸化錫層の形成は、Ａｒガスの流量を２０ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｏ2ガスの流量を５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、錫ターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、この酸化錫層は非導電性であるため、酸化錫上に、更にＮｉターゲットを用いて厚み０．６μｍのＮｉ層と、Ａｕターゲットを用いて厚み０．２μｍのＡｕ層を順次スパッタリング法により形成した。
【００８３】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＡｕターゲットを用いて、スパッタリングにより厚み０．２μｍのＡｕ層を形成した。なお、このＡｕ層の形成は、Ａｒガスの流量を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ａｕターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、このＡｕ層上に更に、Ｎｉターゲットを用いて厚み０．６μｍのＮｉ層と、Ａｕターゲットを用いて厚み０．２μｍのＡｕ層を順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子１を得た。
【００８４】
＜液滴吐出ヘッドの作製＞
次に、圧電素子１を、図１や２に示されるように第２の電極層１６０側を振動板１２４上に接着して固定し、また、第１の電極層１５８の上面に半田接合により高電位を印加するためのフレキシブルケーブルを接続し、またこれ以外の部分についても定法により順次組み立てを行ない液滴吐出ヘッドを作製した。なお、この液滴吐出ヘッドは、圧電素子を３６０個搭載するものである。
【００８５】
＜評価＞
次に、上記の液滴吐出ヘッドを、図３に示すような液滴吐出装置に取り付けて高温高湿環境（４０℃、８０％ＲＨ）下で、駆動電圧１ＫＶ／ｍｍ、ユニポーラ波形で３×１０9サイクル数駆動させた。
この際、試験開始前の各々の圧電素子の静電容量を１００％とし、試験後の各々の圧電素子の静電容量の相対的な値の内、最小な値（静電容量変化（％））、試験後の静電容量が試験前に比べて２％以上低下した圧電素子の割合（不良発生率（％））、試験後の液滴吐出ヘッドの圧電素子部分を顕微鏡で観察した際の電極変色の有無、以上３点について評価した。結果を表１に示す。
【００８６】
（比較例１）
＜圧電素子の作製＞
まず、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＡｕターゲットを用いてスパッタリング法により厚み０．２μｍのＡｕ層を形成した。なお、このＡｕ層の形成は、Ａｒガスの流量を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ａｕターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。
【００８７】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＩｒターゲットを用いて、反応性スパッタリングにより厚み０．２μｍの酸化イリジウム層を形成した。なお、この酸化イリジウム層の形成は、Ａｒガスの流量を２０ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｏ2ガスの流量を５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｉｒターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、実施例１と同様にしてこのＩｒＯ2層上に更にＮｉ層と、Ａｕ層とを順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子２を得た。
【００８８】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子２を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００８９】
（比較例２）
＜圧電素子の作製＞
まず、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＡｕターゲットを用いてスパッタリング法により厚み０．２μｍのＡｕ層を形成した。なお、この層の形成は、Ａｒガスの流量を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ａｕターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。
【００９０】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＳｎターゲットを用いて、反応性スパッタリングにより厚み０．２μｍの酸化錫層を形成した。なお、この酸化錫層の形成は、Ａｒガスの流量を２０ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｏ2ガスの流量を５ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｓｎターゲット（３ｉｎｃｈ）に１００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、実施例１と同様にしてこのＳｎＯ2層上に更にＮｉ層と、Ａｕ層とを順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子３を得た。
【００９１】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子３を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００９２】
（比較例３）
＜圧電素子の作製＞
まず、比較例２と同様にして、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＳｎＯ2層、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順に順次スパッタリング法により形成した。
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にも比較例２と同様の条件でＳｎＯ2層、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順に順次スパッタリング法により形成した。このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子４を得た。
【００９３】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子４を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００９４】
（比較例４）
まず、実施例１で用いたＰＺＴの板の片面にＣｒターゲットを用いてスパッタリング法により厚み０．２μｍのＣｒ層を形成した。なお、このＣｒ層の形成は、Ａｒガスの流量を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｃｒターゲット（８ｉｎｃｈ）に５００Ｗの電力を加えて行なった。その後、更にこのＣｒ層上に厚み０．０１μｍのＡｕ層をＡｕターゲットを用いてスパッタリング法により形成した。
【００９５】
次に、ＰＺＴ板のもう片方の面にＣｒターゲットを用いて、スパッタリングにより厚み０．２μｍのＣｒ層を形成した。なお、このＣｒ層の形成は、Ａｒガスの流量を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、全圧を４×１０-3Ｐａとした状態で、Ｃｒターゲット（８ｉｎｃｈ）に５００Ｗの電力を加えて行なった。その後、電気的な接点を確保するために、実施例１と同様にしてこのＣｒ層上に更にＮｉ層と、Ａｕ層とを順次スパッタリング法により形成した。
このようにＰＺＴ板の両面に各層が形成された積層体をブラスト法により所定の形状に個別化加工して圧電素子５を得た。
【００９６】
＜液滴吐出装置の作製および評価＞
その後、この圧電素子４を用いたこと以外は、実施例１と同様にして液滴吐出装置を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。結果を表１に示す。
【００９７】
【表１】
表１からわかるように、実施例１では、試験後の圧電素子の変色は観察されず、長時間駆動させた後の静電容量の低下も僅かであり、また、圧電素子の不良発生率も１％と少なく、高温高湿下でも圧電特性の劣化が少なく高い信頼性を有していることがわかった。
しかしながら、比較例１〜４においては、静電容量の低下も大きく、圧電素子の不良発生率も最低でも１０％台と大きく、また、比較例４においては圧電素子の変色も確認された。すなわち、高温高湿下においては、圧電特性の劣化が顕著で、信頼性も低いことがわかった。
【００９９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、高温高湿下において液滴吐出ヘッドを長時間使用し続けた場合でも、液滴吐出ヘッドの圧電素子の圧電特性の経時的な劣化を防止することができ、信頼性の高い圧電素子、これを用いた液滴吐出ヘッド、および、該液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す斜視図である。
【図２】 本発明の一実施形態の液滴吐出ヘッドを部分的に示す断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態の液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図４】 従来のインクジェット記録ヘッドの圧電素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０２ 液滴吐出装置
１０４ キャリッジ
１１２ 液滴吐出ヘッド
１２４ 振動板
１４０ ノズル
１４２ 圧力発生室
１４４ 圧電素子
１５６ 圧電体
１５８ 電極層（第１の電極層）
１６０ 電極層（第２の電極層）
１６２ 第１の金属層
１６４ 第２の金属層
１６６ 金属酸化物層
１６８ 第３の金属層
Claims (8)
- 液体が充填される圧力発生室と、
前記圧力発生室と連通し、液滴を吐出可能なノズルと、
前記圧力発生室の壁面の少なくとも一部を構成し、振動することにより前記圧力発生室を膨張又は収縮させる振動板、および、画像情報に応じて印加された電圧によって変形することにより前記振動板を振動させる圧電素子を少なくとも備えたアクチュエーターと、を有する液滴吐出ヘッドを備え、
前記圧電素子が、圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられた高電位が印加される第１の電極層と、前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられた側と反対の面側に設けられた低電位が印加される第２の電極層とを少なくとも含み、標準電極電位が０Ｖよりも大きい金属材料からなる金属層が前記圧電体層の前記第１の電極層が設けられる側の面に接して設けられ、金属酸化物からなる金属酸化物層が前記圧電体層の前記第２の電極層が設けられる側の面に接して設けられており、
前記画像情報に応じて印加される電圧を、前記第１の電極層が、前記第２の電極層より高電位となるように印加することを特徴とする液滴吐出装置。 - 前記第１の電極層が、前記金属層を含む３つの層からなり、前記圧電素子側から、前記金属層と、Ｎｉを含む層と、Ａｕを含む層とがこの順に積層された構成を有することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
- 前記金属材料が、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の金属元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
- 前記金属層の厚みが、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
- 前記金属酸化物が、ＳｎＯ ２ であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
- 前記金属酸化物層の厚みが、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
- 前記圧電素子が端面を有し、前記端面の少なくとも一部が露出していることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
- 前記圧電素子の前記第２の電極層が設けられた側の面が、前記振動板と接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
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