JP5733374B2

JP5733374B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置

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Publication number: JP5733374B2
Application number: JP2013241675A
Authority: JP
Inventors: 宮澤　弘; 弘宮澤; 伊藤　浩; 浩伊藤; 浩一両角; 治郎加藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: JP2014064027A

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置に関する。

液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気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。なお、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を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２７３６６号公報（第４〜７頁、第１〜４図）

しかしながら、圧電体層を構成する圧電材料は、駆動中に分極の回転伸縮を繰り返すため、時間の経過と共にその分極方向が電界印加方向に沿うように一部固定される、いわゆる疲労現象が発生し、圧電変位量が減少してしまうという問題がある。このような圧電素子を例えば液体噴射ヘッドに用いた場合、圧電変位量が使用と共に変化してしまうため、安定した液体の吐出を行うことができない。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに用いられるアクチュエーター装置に限定されず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置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、繰り返し駆動による変位量の変化率を小さくして、耐久性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター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、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、を具備し、前記圧電体層は単斜晶系構造を有し、前記第１電極及び前記第２電極の間に発生する電界の方向と、前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度θは、前記圧電体層の圧電定数が極大となる際の前記電界の方向と前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度θ０よりも大きい角度θａに設定され、前記角度θは、前記圧電素子を繰り返し駆動した際において、繰り返し回数に従って、角度θａから角度θ０を経て、前記角度θ０よりも小さい角度θｂに変化することを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、前記角度θは、前記圧電素子を繰り返し駆動した際において、繰り返し回数に従って、角度θａから角度θ０を経て、前記角度θ０よりも小さい角度θｂに変化する。これによれば、電界の印加により圧電体層の分極の一部が固定される疲労現象が発生した際に、圧電体層の変位量の変化率を小さくすることができる。また、角度θが小さくなる方向のみに変化するのに比べて、変化率が小さくなることから、圧電素子の駆動制御を簡略化できる。

ここで、前記第１電極及び第２電極の間に発生する電界の方向と前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度は、前記圧電体層の圧電定数が極大となる際の前記電界の方向と前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度よりも３°以上大きいことが好ましい。これによれば、変位量の低下を抑制することができる。

また、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることのできる変位特性に優れた圧電素子を実現できる。

また、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向していることが好ましい。これによれば、変位特性及び耐久性に優れた圧電素子を実現できる。

また、前記第１電極及び第２電極の間に発生する電界の方向を、前記第１電極から前記第２電極の方向とすることができる。

また、本発明の他の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、上記態様の圧電アクチュエーターと、を備え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、前記角度θは、前記圧電素子を繰り返し駆動した際において、繰り返し回数に従って、角度θａから角度θ０を経て、前記角度θ０よりも小さい角度θｂに変化する。これによれば、電界の印加により圧電体層の分極の一部が固定される疲労現象が発生した際に、圧電体層の変位量の変化率が大きくなるのを防止することができる。また、角度θが小さくなる方向のみに変化するのに比べて、変化率が小さくなることから、圧電素子の駆動制御を簡略化できる。

また、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドと、前記第１電極及び第２電極に電圧を印可して、前記圧電素子に所定の方向の電界を発生させる駆動手段とを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、変位量の変化率を低減して、信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。本発明の実施形態１に係る分極モーメントの方向を示すグラフである。本発明の実施形態１に係る分極モーメントの方向を示すグラフである。本発明の試験結果を示すグラフである。本発明の実施形態１に係る記録装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態１に係る制御構成を示すブロック図である。本発明の実施形態１に係る駆動パルスを示す波形図である。本発明の実施形態２に係る分極モーメントの方向を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る駆動パルスを示す波形図である。本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。本発明の実施形態４に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の実施形態４に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１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２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。

図示するように、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リザーバー部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバーの一部を構成する。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。

なお、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、絶縁体膜５５が形成されている。弾性膜５０は酸化シリコンからなり、膜厚が１０００ｎｍである。また、絶縁体膜５５はスパッタリング法により形成され、イットリウムを２モルパーセント含有した酸化ジルコニウムからなる。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、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、絶縁体膜５５及び第１電極６０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及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。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。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ₃で示される酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト型構造を有する結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ₃）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃で、ｘが０．５のＰＺＴを用いた。

また、圧電体層７０は、結晶の配向面が疑キュービック表示で（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、単斜晶系（monoclinic）となっている。圧電体層７０の結晶構造は、製造条件等により大きく左右されるが、圧電体層７０の膜厚が５μｍ以下の場合、例えば、ｘの範囲を０．４５〜０．５５程度とすることで、単斜晶系構造を取ることができる。なお、本発明で「結晶が（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。本実施形態の圧電体層７０は、Ｘ線回折試験を行った結果、（１００）面の配向率は９２％であった。また、本発明で「結晶構造が、単斜晶系（monoclinic）となっている」とは、全ての結晶が単斜晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が単斜晶系であり、単斜晶系ではない残りの結晶が正方晶系（tetragonal）等である場合と、を含むものである。

さらに、圧電体層７０は、分極モーメントの方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向）に対して所定角度傾いているものであり、第１電極６０及び第２電極８０の間に発生する電界の方向と、圧電体層７０の分極モーメントの方向とがなす角度が、圧電体層７０の圧電定数（ｄ₃₁）が極大となる際の電界の方向と圧電体層７０の分極モーメントの方向とがなす角度よりも大きくなっている。

具体的には、図３に示すように、圧電体層７０に第２電極８０から第１電極６０に向かって電圧を印加した際に、第２電極８０から第１電極６０に向かう方向に電界Ｅが発生する。ここで、第２電極８０から第１電極６０に向かって電圧を印加するとは、第１電極６０が第２電極８０に対して相対的に負極性となるように、各電極６０、８０に電位を印加することである。また、このときの電圧の印加によって圧電素子３００を駆動させるとは、ノズル開口２１からインク滴が吐出されるように駆動する吐出駆動、インク滴が吐出されない程度に駆動する微振動駆動等を含むものである。なお、圧電素子３００への電圧を印加する駆動手段及び駆動パルスについては、詳しくは後述する。

また、圧電体層７０の圧電定数（ｄ₃₁）が極大となる際の電界の方向、すなわち、エンジニアード・ドメイン配置では、分極モーメントの方向が［１１１］方向に向いており、この場合の圧電体層７０の圧電定数（ｄ₃₁）が極大となる際の電界Ｅの方向と圧電体層７０の分極モーメントの方向とがなす角度はθ０となる（図４（ａ）及び図５参照）。例えば、圧電体層７０の結晶構造が疑キュービックで表されるペロブスカイト型構造である場合、角度θ０は約５７度となる。

そして、本実施形態では、圧電体層７０の分極モーメントの方向と電界Ｅの方向とのなす角度θａは、圧電体層７０の圧電定数（ｄ₃₁）が極大となる際の電界の方向と圧電体層７０の分極モーメントの方向とがなす角度θ０よりも大きな角度となっている。

ここで、図４（ａ）に示すように、θａがθ０よりも大きい角度の場合、第２電極８０から第１電極６０に電圧を印加して電界Ｅを発生させて圧電素子３００を繰り返し駆動すると、分極方向が電界印加方向に沿って一部固定される、いわゆる疲労現象が発生し、分極モーメントの方向（角度θａ）が図５に示す曲線に沿ってＡ方向に移動する（角度θｂとなる）。このとき圧電定数（ｄ₃₁）は、角度の変化に伴い圧電定数の増減が反転する極大値となる点を通過するため、圧電定数（ｄ₃₁）の変化率Δｔは比較的小さくなる。

これに対して、例えば、圧電体層７０として、図４（ｂ）に示すように、分極モーメントの方向と電界Ｅの方向とのなす角度θａ′が、θ０よりも小さい角度の場合、疲労現象によって分極モーメントの方向（角度θａ′）が、図５に示す曲線に沿ってＡ′方向に移動して角度θｂ′となる。この角度の変化（θａ′からθｂ′への変化）に伴い、圧電定数は、単純に低下する方向に変化するため、同じ疲労現象が生じた場合であっても、その変化率Δｔ′は、Δｔに比べて大きくなる。

このように圧電体層７０の繰り返し駆動による圧電定数（ｄ₃₁）の変化率Δｔが小さいということは、圧電素子３００を繰り返し駆動した際の変位量の変化率が低いということである。すなわち、圧電素子３００の繰り返し駆動による変位量の変化率が低ければ、初期使用時の変位量と、繰り返し駆動した後の変位量との差が少なくなるということであり、インク吐出量や吐出速度などのインク吐出特性が圧電素子３００の使用中に変化することはなく、常に安定した印刷特性を維持することができる。したがって、高品質な印刷を実現できる。

このような、圧電体層７０の分極モーメントの方向は、透過電子顕微鏡を用いて、強度輸送方程式による電子線の位相計測と、それに基づいた電場計測とを行うことにより内部電界を測定することで取得することができる。

具体的には、透過電子顕微鏡の明視野像（透過波だけの結像）を利用する。正焦点の像に対して、アンダーとオーバーの両側に同じフォーカスをした３枚の像を用意し、強度の伝播方向の微分を観測強度の差分で近似（強度輸送方程式）し、位相を測定する。この位相から電場ベクトルを求めるために位相を微分する。

そして、電場ベクトル（分極モーメントが作る内部電界のベクトル方向）は、分極モーメントのベクトル方向とは互いに反平行となっているため、圧電体層７０の電場ベクトルを測定することにより、圧電体層７０の分極モーメントの方向（電界方向とのなす角度）を測定することができるものである。

また、内部電界の絶対値と分極モーメントの絶対値は比例するため、内部電界の絶対値の相対比較で分極モーメントの絶対値の相対比較が可能となる。

このように、分極モーメントの方向を規定することにより、圧電体層７０の繰り返し駆動による変位量の変化率を低くすることができる。すなわち、耐久性が向上することになる。例えば、上述したように圧電定数が極大となる方向を示す角度θ０が５５度の場合、分極モーメントの方向を示す角度θａが５８度、すなわち、３度大きな角度では、図６に示すように、２００億回繰り返し駆動した際であっても、圧電体層７０の変位量の変化率を５％以下とすることができる（実施例）。そして、例えば、上述した分極モーメントの方向と電界の方向とのなす角度θａ′が、θ０よりも小さな角度、例えば、５２度の場合、図６に示すように、繰り返し駆動による圧電体層７０の変位量の変化率は１０％程度と大きくなってしまう（比較例）。したがって、分極モーメントの方向を示す角度θａは、角度θ０よりも３度以上大きいことが好ましい。また、角度θａが、角度θ０よりも２０度以上大きくなると、耐久試験において圧電定数は上昇し続けることになるが、初期変位量が低下するという問題が生じるため、角度θａと角度θ０との差は２０度以下とすることが好ましい。また、図６に示すように、実施例の圧電体層７０の変位量は、繰り返しの電界印加に対して、繰り返し回数に従って上昇し（５％以下の範囲で上昇することが好ましい）、その後に緩やかに低下する。これは、図６に示す比較例のように、変位量が繰り返しの電界印加に対して繰り返し回数に従って徐々に降下するのに比べて、変位量の変化率を低減することができる。さらに、実施例の圧電体層７０の変位量は、繰り返しの電界印加に対して、繰り返し回数に従って上昇し、その後に低下するため、すぐに実使用（出荷）することができる。すなわち、図６に示す比較例のように初期の変位量の変化率が大きいと、使用前（出荷前）に変位量の大きな変化率を超して安定した変化率になるまで、分極を一部固定する駆動を行わなければならないが、実施例であれば分極を一部固定する駆動が不要となってコストを低減することができる。なお、図６は、実施例及び比較例の実験例を示すグラフである。

このような、分極モーメントの方向は、例えば、圧電体層７０の第２電極側に他の領域よりも酸素が欠損した酸素欠損層を設けることや、圧電体層７０をエピタキシャル成長により形成する際の下地となる第１電極６０の圧電体層７０側の材料を適宜選択することにより、分極モーメントの方向を電界の方向に対して所望の角度に調整することができる。

圧電体層７０の第２電極８０側に酸素欠損層が存在すると、酸素欠損層がプラス２価の仮想的なイオンとして働き、圧電体層７０には第２電極８０から第１電極６０に向かう内部電界が現れる。発生する内部電界は、酸素欠損の量により調整することが可能であり、この内部電界の作用により、分極モーメントの方向を所望の方向に調整することができる。

また、圧電体層７０の下地の材料を選択することによっても、圧電体層７０の分極モーメントを所望の方向に調整することができる。圧電体層７０の下地として、例えば、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）等を用いると、このＬＮＯの面内の格子定数は、一般的な圧電体層７０の面内の格子定数に比べて小さいため、このＬＮＯ上には面内の格子定数が収縮された圧電体層７０が形成される。このように、下地として用いる材料によって圧電体層７０の面内の格子定数は伸張・収縮されるものであり、格子定数の伸張・収縮によっても分極モーメントの方向を調整することもできる。

さらに、本実施形態では、上述のように第２電極８０から第１電極６０に向かって電圧を印加するようにしたが、この電圧の印加する方向は、詳しくは後述するインクジェット式記録装置ＩＩに設けられた駆動手段によって規定されるものである。したがって、詳しくは後述する駆動手段によって、第１電極６０から第２電極８０側に向かって電圧を印加するようにしてもよい。

圧電体層７０の厚さについては、特に限定されないが、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成すればよい。例えば、圧電体層７０を０．２〜４μｍ前後の厚さで形成することで、所望の結晶構造を得ることが容易となる。本実施形態においては、最適な圧電特性を得るため、圧電体層７０の膜厚を１．２μｍとした。

また、圧電体層７０の製造方法は特に限定されず、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成することができる。もちろん、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい。

また、第２電極８０は、例えば、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる。この第２電極８０は、圧電素子３００の個別電極として機能する。また、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、絶縁体膜５５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、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部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。このリザーバー部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リザーバー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、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。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、絶縁体膜５５等）にリザーバーと各圧力発生室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１１０が固定されている。この駆動回路１１０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１１０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１１０ａ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によってリザーバー部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のリザーバー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、リザーバー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、リザーバー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１１０からの記録信号に従い、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、絶縁体膜５５、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。

また、上述したインクジェット式記録ヘッドＩは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図７は、その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７に示す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Ｉ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。

また、インクジェット式記録装置ＩＩには、図示しない駆動手段が設けられている。ここで、インクジェット式記録装置ＩＩの制御構成について説明する。なお、図８は、本実施形態のインクジェット式記録装置ＩＩの制御構成を示すブロック図である。

本実施形態のインクジェット式記録装置ＩＩは、図８に示すように、プリンターコントローラー１１１とプリントエンジン１１２とから概略構成されている。プリンターコントローラー１１１は、外部インターフェース１１３（以下、外部Ｉ／Ｆ１１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ１１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ１１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部１１６と、クロック信号を発生する発振回路１１７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１１９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１１２に送信する内部インターフェース１２０（以下、内部Ｉ／Ｆ１２０という）とを備えている。

外部Ｉ／Ｆ１１３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／Ｆ１１３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。ＲＡＭ１１４は、受信バッファー１２１、中間バッファー１２２、出力バッファー１２３、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１２１は外部Ｉ／Ｆ１１３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１２２は制御部１１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー１２３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。

駆動信号発生回路１１９は、本発明の駆動信号発生手段に相当し、駆動信号ＣＯＭを発生する。そして、駆動信号ＣＯＭは、インクを吐出させるように圧電素子３００を駆動（吐出駆動）する吐出パルスを１記録周期内に有する信号であり、記録周期Ｔ毎に繰り返し発生される。

また、ＲＯＭ１１５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１１６は、受信バッファー１２１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１２２に記憶させる。また、中間バッファー１２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ１１５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１１６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１２３に記憶させる。

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／Ｆ１２０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１２３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１２２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１１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構１２４と、キャリッジ機構１２５とを含んで構成してある。紙送り機構１２４は、紙送りモーターとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の記録シートＳ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１２４は、記録シートＳを副走査方向に相対移動させる。

キャリッジ機構１２５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、駆動信号ＣＯＭや印字データ（ＳＩ）等が供給される。

なお、このように構成されるプリンターコントローラー１１１及びプリントエンジン１１２では、プリンターコントローラー１１１と、駆動信号発生回路１１９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１３２、レベルシフター１３３及びスイッチ１３４等を有する駆動回路１１０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。

また、これらのシフトレジスター１３１、ラッチ１３２、レベルシフター１３３、スイッチ１３４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１３１、ラッチ１３２、レベルシフター１３３及びスイッチ１３４は、駆動信号発生回路１１９が発生した駆動信号ＣＯＭ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。

本実施形態の駆動パルスの一例を図９に示す。なお、図９は、駆動パルスを示す。本実施形態の駆動パルス２００は、図９に示すように、第１電極６０を基準電位Ｖ０として、第２電極８０に印加されるものである。駆動パルス２００は、駆動電位Ｖを基準電位Ｖ０よりも高い第１電位Ｖ１から、この第１電位Ｖ１よりも高い第２電位Ｖ２まで上昇させて圧力発生室１２の容積を収縮させる収縮工程４００と、第２電位Ｖ２を所定の期間保持する第１保持工程４０１と、駆動電位Ｖを第２電位Ｖ２から第１電位Ｖ１よりも低く、且つ基準電位Ｖ０よりも高い第３電位Ｖ３まで降下させて圧力発生室１２の容積を膨張させる膨張工程４０２と、第３電位Ｖ３を所定の期間保持する第２保持工程４０３と、駆動電位Ｖを第３電位Ｖ３から第１電位Ｖ１まで上昇させる工程４０４とで構成されている。

そして、このような駆動パルス２００が圧電素子３００に出力されると、収縮工程４００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のメニスカスが押し出される。次いで、膨張工程４０２によって圧電素子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のメニスカスが圧力発生室１２側に急激に引き込まれることで、ノズル開口２１から押し出されていたインクが千切れ、ノズル開口２１から吐出されたインクがインク滴となって飛翔する。すなわち、この駆動パルス２００は、いわゆる引き打ち式のものである。

そして、本実施形態の圧電体層７０には、上述のように第２電極８０から第１電極６０に向かって電圧を印加するとは、基準電位Ｖ０を第１電極６０に印加するため、第２電極８０に印加する第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２及び第３電位Ｖ３が基準電位Ｖ０よりも相対的に大きいことを言っている。たとえ基準電位Ｖ０が正極性だとしても、第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２及び第３電位Ｖ３が基準電位Ｖ０よりも大きな正極性であれば、第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２及び第３電位Ｖ３が印加された第２電極８０が正極性、第１電極６０が負極性となる。

なお、本実施形態では、第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２及び第３電位Ｖ３の全てが、第１電極６０に印加される基準電位Ｖ０よりも大きな正極性となるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、第２電位Ｖ２が、基準電位Ｖ０よりも低い電位、すなわち、第２電極８０が負極性となるようにしてもよい。この場合、第１電極６０に印加される電位を基準として、駆動パルス２００の積分で表される電圧と印加時間とにより規定される要素が、基準電位Ｖ０より負極性側に比べて正極性側が大きくなるようになっていれば、本発明の上述した効果を奏することができるものである。

（実施形態２）
上述した実施形態１では、第２電極８０から第１電極６０に向かって電圧を印加するようにしたが、本実施形態では、第１電極６０から第２電極８０側に向かって電圧を印加するようにしたものである。

ここで、圧電体層７０の分極モーメントの方向について図１０を参照して説明する。なお、図１０は、電界の方向と分極モーメントの方向とを示す図である。図１０に示すように、圧電体層７０の分極モーメントの方向と電界の方向とがなす角度θｃは、圧電体層７０の圧電定数（ｄ₃₁）が極大となる際の電界の方向と圧電体層７０の分極モーメントの方向とがなす角度θ０よりも大きな角度となっている。ここで、実施形態１と同様に内部電界を測定すると、θ０が５５度、θｃが６０度であった。

そして、圧電素子３００を繰り返し駆動して、疲労現象が発生すると、分極モーメント方向は、電界の方向に対する角度がθ０よりも小さなθｄとなる。これにより、上述した実施形態１と同様に、圧電定数（ｄ₃₁）の変化率、すなわち、圧電体層７０の変位量の低下率を低減することができる。具体的には、本実施形態においては、２００億回の繰り返し駆動に対して、初期の変位量に対して一旦２％上昇した後、最終的に初期の変位量に対して２％の低下となった。

このような圧電素子３００では、駆動手段が圧電素子３００を駆動する駆動パルスは、例えば、図１１に示すものとなる。

すなわち、駆動パルス２０１は、第１電極６０を基準電位Ｖ０として、第２電極８０に印加されるものである。駆動パルス２０１は、駆動電位Ｖを基準電位Ｖ０よりも低い（相対的に負極性となる）第１電位Ｖ１１から、この第１電位Ｖ１１よりも低い第２電位Ｖ１２まで降下させて圧力発生室１２の容積を膨張させる膨張工程４１０と、第２電位Ｖ１２を所定の期間保持する第１保持工程４１１と、駆動電位Ｖを第２電位Ｖ１２から第３電位Ｖ１３まで上昇させて圧力発生室１２の容積を収縮させる収縮工程４１２と、第３電位Ｖ１３を所定の期間保持する第２保持工程４１３と、駆動電位Ｖを第３電位Ｖ１３から第１電位Ｖ１１まで戻す工程４１４とで構成されている。そして、このような駆動パルス２０１が圧電素子３００に出力されると、膨張工程４１０によって圧電素子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、収縮工程４１２で、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からインク滴が吐出される。すなわち、この駆動パルス２０１は、いわゆる押し打ち式のものである。

このような第１電位Ｖ１１、第２電位Ｖ１２及び第３電位Ｖ１３は、基準電位Ｖ０よりも低い電位である。したがって、このような駆動パルス２０１を用いることにより、第１電極６０には、正極性の電位が印加され、第２電極８０には負極性の電位が印加される。

（実施形態３）
図１２は、本発明の実施形態３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平面図及びそのＢ−Ｂ′断面図であり、図１３は、記録ヘッドの圧力発生室の並設方向の要部を拡大した断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドを構成する流路形成基板１０上には、弾性膜５０が形成され、弾性膜５０上に絶縁体膜５５が形成されている。また、絶縁体膜５５上には、第１電極６０Ａ、圧電体層７０Ａ及び第２電極８０Ａで構成される圧電素子３００Ａが設けられている。

第１電極６０Ａは、各圧力発生室１２に相対向する領域に個別に設けられており、第１電極６０Ａが各圧電素子３００Ａの個別電極となっている。具体的には、第１電極６０Ａは、圧力発生室１２の短手方向（圧力発生室１２の並設方向）において、圧力発生室１２の幅よりも幅狭となるように設けられている。また、第１電極６０Ａは、圧力発生室１２の長手方向（圧力発生室１２の並設方向と直交する方向）の一端部側が、圧力発生室１２の外側まで引き出されている。

圧電体層７０Ａは、第１電極６０Ａ上に各圧力発生室１２に対応して個別に設けられている。具体的には、圧電体層７０Ａは、第１電極６０Ａ上に第１電極６０Ａの幅方向（圧力発生室１２の幅方向）の両端面を覆うように設けられており、互いに隣り合う圧電素子３００Ａにおいて、隔壁１１上で不連続となるように区分けされている。また、圧電体層７０Ａは、第１電極６０Ａの長手方向（圧力発生室１２の長手方向）の一端部を覆い、且つ他端部を露出する大きさで設けられている。圧電体層７０Ａから露出された第１電極６０Ａの端部は、各圧電素子３００Ａを駆動する駆動回路に電気的に接続される端子として機能する。

第２電極８０Ａは、圧電体層７０Ａ上に設けられ、且つ複数の圧電素子３００Ａに亘って連続して設けられた共通電極である。具体的には、第２電極８０Ａは、圧電体層７０Ａの上と、互いに隣り合う圧電素子３００Ａの間の絶縁体膜５５上とに亘って連続して設けられている。

このような構成の圧電素子３００Ａでは、各圧電体層７０Ａが、第２電極８０Ａによって覆われている。特に、圧電体層７０Ａの側面が第２電極８０Ａによって覆われているため、圧電素子３００Ａの上に耐湿度性を有する保護膜を設けることなく、第２電極８０Ａによって圧電体層７０Ａを外部の湿度等から保護することができる。これにより、保護膜を設けることによる圧電素子３００Ａの変位量の低下を抑制することができる。すなわち、保護膜を設けないことで、コストを低減することができると共に、変位特性に優れた圧電素子３００Ａを実現できる。

また、第１電極６０Ａを複数の圧電素子３００Ａの個別電極とすることで、上述した実施形態２のように、第１電極６０Ａから第２電極８０Ａに向かって電圧を印加し易くすることができる。

（実施形態４）
図１４は、本発明の実施形態４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平面図及びそのＣ−Ｃ′断面図であり、図１５は、記録ヘッドの圧力発生室の並設方向の要部を拡大した断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドを構成する流路形成基板１０上には、弾性膜５０が形成され、弾性膜５０上に絶縁体膜５５が形成されている。また、絶縁体膜５５上には、第１電極６０Ａ、圧電体層７０Ｂ及び第２電極８０Ｂで構成される圧電素子３００Ｂが設けられている。

第１電極６０Ａは、上述した実施形態３と同様に、各圧力発生室１２毎に独立して設けられている。

圧電体層７０Ｂは、第１電極６０Ａ上に設けられ、且つ複数の圧電素子３００Ｂに亘って連続して設けられている。具体的には、圧電体層７０Ｂは、第１電極６０Ａの並設方向に向かって、第１電極６０Ａ上と絶縁体膜５５上とに亘って連続して略同一厚さで形成されている。なお、圧電体層７０Ｂは、第１電極６０Ａの長手方向の一端部上には設けられておらず、圧電体層７０Ｂが設けられていない第１電極６０Ａの一端部から電極が引き出されている。

第２電極８０Ｂは、圧電体層７０Ｂ上に亘って連続して設けられている。すなわち、第２電極８０Ｂは、圧電素子３００Ｂに亘って連続する共通電極として機能する。

このような構成の圧電素子３００Ｂは、圧電体層７０Ｂが、第２電極８０Ｂによって覆われている。特に、互いに隣り合う第１電極６０Ａの間の圧電体層７０Ｂが第２電極８０Ｂによって覆われているため、圧電素子３００Ｂの上に耐湿度性を有する保護膜を設けることなく、第２電極８０Ｂによって圧電体層７０Ｂを外部の湿度等から保護することができる。これにより、保護膜を設けることによる圧電素子３００Ｂの変位量の低下を抑制することができる。すなわち、保護膜を設けないことで、コストを低減することができると共に、変位特性に優れた圧電素子３００Ｂを実現できる。

また、第１電極６０Ａを複数の圧電素子３００Ｂの個別電極とすることで、上述した実施形態２のように、第１電極６０Ａから第２電極８０Ｂに向かって電圧を印加し易くすることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１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、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

なお、上述した実施形態１では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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ヘッド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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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る。

また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエーター装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置にも適用することができる。

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、１５連通路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１リザーバー部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、６０、６０Ａ第１電極、７０、７０Ａ、７０Ｂ圧電体層、８０、８０Ａ、８０Ｂ第２電極、９０リード電極、１００リザーバー、１１０駆動回路、３００、３００Ａ、３００Ｂ圧電素子。

Claims

第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、
からなる圧電素子を具備し、
前記圧電体層は単斜晶系構造を有し、
前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含み、
前記第１電極及び前記第２電極の間に発生する電界の方向と、前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度θは、前記圧電体層の圧電定数が極大となる際の前記電界の方向と前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度θ０よりも大きい角度θａに設定され、
前記角度θは、前記圧電素子を繰り返し駆動した際において、繰り返し回数に従って、角度θａから角度θ０を経て、前記角度θ０よりも小さい角度θｂに変化することを特徴とする
ことを特徴とするアクチュエーター装置。
前記第１電極及び第２電極の間に発生する電界の方向と前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度は、前記圧電体層の圧電定数が極大となる際の前記電界の方向と前記圧電体層の分極モーメントの方向とがなす角度よりも３°以上大きいことを特徴とする請求項１記載のアクチュエーター装置。
前記圧電体層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエーター装置。
前記第１電極及び第２電極の間に発生する電界の方向は、前記第１電極から前記第２電極の方向であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアクチュエーター装置。
液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、請求項１〜４の何れか一項に記載のアクチュエーター装置と、を備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項５に記載の液体噴射ヘッドと、前記第１電極及び第２電極に電圧を印加して、前記圧電素子に所定の方向の電界を発生させる駆動手段とを備えることを特徴とする液体噴射装置。