JP6904101B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電デバイスに関する。

圧力室内に充填されたインク等の液体を噴射する液体噴射ヘッドが従来から提案されている。例えば特許文献１や特許文献２には、圧力室の壁面を構成する振動板を圧電素子により振動させることで液体を噴射する液体噴射ヘッドが開示されている。

特開２００８−２５８５７５号公報 特開２００２−２９９７１４号公報

液体噴射ヘッドの性能を向上させるためには、圧電素子と振動板とを含む圧電デバイスの高性能化が非常に重要である。以上の事情を考慮して、本発明の好適な態様は、圧電デバイスの性能の向上を目的とする。

＜態様１＞
以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様（態様１）に係る液体噴射ヘッドは、圧力室内の液体を圧電デバイスにより噴射する液体噴射ヘッドであって、前記圧電デバイスは、振動板と、鉛を含む圧電体層と、前記振動板と前記圧電体層との間に設けられた第１電極と、前記圧電体層からみて前記第１電極とは反対側に設けられた第２電極とを含み、前記圧電体層は、{１００}面に優先配向し、前記圧電体層において膜面に平行な結晶面によって構成される格子定数ｃと、当該膜面に垂直な結晶面によって構成される格子定数ａとは、０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２を満たし、かつ、前記圧電デバイスの厚さは、前記圧電体層の厚さｔ（ｔ＜５μｍ）の２倍以上である。以上の態様では、圧電体層において膜面に平行な結晶面によって構成される格子定数ｃと、当該膜面に垂直な結晶面によって構成される格子定数ａとが、０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２を満たす。したがって、前述の条件を満たさない構成と比較して、圧電デバイスの性能を向上させることが可能である。また、圧電デバイスの厚さＴが圧電体層の厚さｔの２倍以上であるから、圧電デバイスの中立面は圧電体層の外側に位置する。したがって、圧電体層の内部に中立面が位置する構成と比較して圧電体層を効率的に変位させることが可能である。

＜態様２＞
態様１の好適例（態様１）において、前記格子定数ｃと前記格子定数ａとは、ｃ／ａ＞０．９９６を満たす。以上の構成によれば、圧電デバイスの性能を向上させることができるという効果が顕著である。

＜態様３＞
態様１または態様２の好適例（態様３）では、前記圧力室の外側に形成された圧電デバイス（例えば液体の噴射に寄与しないダミー圧電デバイス）において、前記格子定数ｃと前記格子定数ａとは、ｃ／ａ≦０．９９６を満たす。

＜態様４＞
態様１から態様３の何れかの好適例（態様４）において、前記圧電体層のうち、前記圧電デバイスの中立面からみて前記圧力室とは反対側に位置する部分について、前記格子定数ｃと前記格子定数ａとが、０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２を満たす。以上の態様によれば、振動板を効率的に変形させることが可能である。

＜態様５＞
本発明の他の態様（態様５）に係る液体噴射ヘッドは、圧力室内の液体を圧電デバイスにより噴射する液体噴射ヘッドであって、前記圧電デバイスは、振動板と、鉛を含む圧電体層と、前記振動板と前記圧電体層との間に設けられた第１電極と、前記圧電体層からみて前記第１電極とは反対側に設けられた第２電極とを含み、前記圧電体層の結晶において膜面に平行な格子面の間隔Ｃと、当該膜面に垂直な格子面の間隔Ａとは、０．９９４５≦Ｃ／Ａ≦１．０１２を満たし、かつ、前記圧電デバイスの厚さは、前記圧電体層の厚さｔ（ｔ＜５μｍ）の２倍以上である。以上の態様では、圧電体層の結晶において膜面に平行な格子面の間隔Ｃと、当該膜面に垂直な格子面の間隔Ａとが、０．９９４５≦Ｃ／Ａ≦１．０１２を満たすから、圧電体層の分極方向が＜１１１＞に維持される。したがって、前述の条件を満たさない構成と比較して、圧電デバイスの性能を向上させることが可能である。また、圧電デバイスの厚さＴが圧電体層の厚さｔの２倍以上であるから、圧電デバイスの中立面は圧電体層の外側に位置する。したがって、圧電体層の内部に中立面が位置する構成と比較して圧電体層を効率的に変位させることが可能である。

＜態様６＞
態様１から態様５の好適例（態様６）において、前記圧電デバイスの厚さは、６ｔ以下である。以上の態様によれば、圧電体層に作用する応力（例えば電圧が印加されていない状態での応力）を低減することが可能である。

＜態様７＞
態様１から態様６の好適例（態様７）において、前記振動板は、ＺrＯ_２を含む。

＜態様８＞
本発明の好適な態様（態様８）に係る液体噴射装置は、以上に例示した各態様に係る液体噴射ヘッドを具備する。液体噴射装置の好例は、インクを噴射する印刷装置であるが、本発明に係る液体噴射装置の用途は印刷に限定されない。

＜態様９＞
本発明の好適な態様（態様９）に係る圧電デバイスは、振動板と、鉛を含む圧電体層と、前記振動板と前記圧電体層との間に設けられた第１電極と、前記圧電体層からみて前記第１電極とは反対側に設けられた第２電極とを含み、前記圧電体層は、{１００}面に優先配向し、前記圧電体層において膜面に平行な結晶面によって構成される格子定数ｃと、当該膜面に垂直な結晶面によって構成される格子定数ａとは、０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２を満たし、かつ、前記圧電体層の厚さｔ（ｔ＜５μｍ）の２倍以上である。以上の態様では、圧電体層において膜面に平行な結晶面によって構成される格子定数ｃと、当該膜面に垂直な結晶面によって構成される格子定数ａとが、０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２を満たす。したがって、前述の条件を満たさない構成と比較して、圧電デバイスの性能を向上させることが可能である。また、圧電デバイスの厚さＴが圧電体層の厚さｔの２倍以上であるから、圧電デバイスの中立面は圧電体層の外側に位置する。したがって、圧電体層の内部に中立面が位置する構成と比較して圧電体層を効率的に変位させることが可能である。

本発明の好適な形態に係る液体噴射装置の構成図である。 液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 液体噴射ヘッドの断面図（図２のIII-III線の断面図）である。 圧電素子の断面図である。 圧電体層と振動板との間の膜厚比と、圧電体層の内部に発生する応力との関係を示すグラフである。 圧電体層の分極方向と圧電体層の性能との関係を表す図表である。 圧電体層の結晶における格子面間隔比の説明図である。 圧電体層の結晶における格子定数比と圧電体層における電子系の全エネルギーとの関係を示すグラフである。 圧電体層の結晶における格子定数比と圧電体層における電子系の全エネルギーとの関係を示すグラフである。 圧電デバイスにおける格子定数比と圧電性能との関係を示すグラフである。 格子面間隔比の測定値の図表である。 回折角の測定値のグラフである。 ダミー圧電デバイスの断面図である。 他の形態に係るダミー圧電デバイスの断面図である。 他の形態に係るダミー圧電デバイスの断面図である。

図１は、本発明の好適な形態に係る液体噴射装置１００を例示する構成図である。本実施形態の液体噴射装置１００は、液体の例示であるインクを媒体１２に噴射するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用され得る。図１に例示される通り、液体噴射装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。例えば液体噴射装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、またはインクを補充可能なインクタンクが液体容器１４として利用される。

図１に例示される通り、液体噴射装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体噴射ヘッド２６とを具備する。制御ユニット２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体噴射装置１００の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ方向に搬送する。

移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体噴射ヘッド２６をＸ方向に往復させる。Ｘ方向は、媒体１２が搬送されるＹ方向に交差（典型的には直交）する方向である。本実施形態の移動機構２４は、液体噴射ヘッド２６を収容する略箱型の搬送体２４２（キャリッジ）と、搬送体２４２が固定された搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体噴射ヘッド２６を搬送体２４２に搭載した構成や、液体容器１４を液体噴射ヘッド２６とともに搬送体２４２に搭載した構成も採用され得る。

液体噴射ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズル（噴射孔）から媒体１２に噴射する。搬送機構２２による媒体１２の搬送と搬送体２４２の反復的な往復とに並行して各液体噴射ヘッド２６が媒体１２にインクを噴射することで、媒体１２の表面に所望の画像が形成される。なお、Ｘ-Ｙ平面（例えば媒体１２の表面に平行な平面）に垂直な方向を以下ではＺ方向と表記する。各液体噴射ヘッド２６によるインクの噴射方向（典型的には鉛直方向）がＺ方向に相当する。

図２は、液体噴射ヘッド２６の分解斜視図であり、図３は、図２におけるIII-III線の断面図（Ｘ-Ｚ平面に平行な断面）である。図２および図３に例示される通り、液体噴射ヘッド２６は、Ｙ方向に長尺な略矩形状の流路基板３２を具備する。流路基板３２のうちＺ方向の負側の面上には、圧力室基板３４と振動板３６と複数の圧電素子３８と筐体部４２と封止体４４とが設置される。他方、流路基板３２のうちＺ方向の正側の面上には、ノズル板４６と吸振体４８とが設置される。液体噴射ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２と同様にＹ方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤を利用して相互に接合される。

図２に例示される通り、ノズル板４６は、Ｙ方向に配列する複数のノズルＮが形成された板状部材である。各ノズルＮは、インクが通過する貫通孔である。なお、流路基板３２と圧力室基板３４とノズル板４６とは、例えばシリコン（Ｓi）の単結晶基板をエッチング等の半導体製造技術により加工することで形成される。ただし、液体噴射ヘッド２６の各要素の材料や製法は任意である。Ｙ方向は、複数のノズルＮが配列する方向とも換言され得る。

流路基板３２は、インクの流路を形成するための板状部材である。図２および図３に例示される通り、流路基板３２には、開口部３２２と供給流路３２４と連通流路３２６とが形成される。開口部３２２は、複数のノズルＮにわたり連続するように平面視で（すなわちＺ方向からみて）Ｙ方向に沿う長尺状に形成された貫通孔である。他方、供給流路３２４および連通流路３２６は、ノズルＮ毎に個別に形成された貫通孔である。また、図３に例示される通り、流路基板３２のうちＺ方向の正側の表面には、複数の供給流路３２４にわたる中継流路３２８が形成される。中継流路３２８は、開口部３２２と複数の供給流路３２４とを連通させる流路である。

筐体部４２は、例えば樹脂材料の射出成形で製造された構造体であり、流路基板３２のうちＺ方向の負側の表面に固定される。図３に例示される通り、筐体部４２には収容部４２２と導入口４２４とが形成される。収容部４２２は、流路基板３２の開口部３２２に対応した外形の凹部であり、導入口４２４は、収容部４２２に連通する貫通孔である。図３から理解される通り、流路基板３２の開口部３２２と筐体部４２の収容部４２２とを相互に連通させた空間が液体貯留室（リザーバー）Ｓｒとして機能する。液体容器１４から供給されて導入口４２４を通過したインクが液体貯留室Ｓｒに貯留される。

吸振体４８は、液体貯留室Ｓｒ内の圧力変動を吸収するための要素であり、例えば弾性変形が可能な可撓性のシート部材（コンプライアンス基板）を含んで構成される。具体的には、流路基板３２の開口部３２２と中継流路３２８と複数の供給流路３２４とを閉塞して液体貯留室Ｓｒの底面を構成するように、流路基板３２のうちＺ方向の正側の表面に吸振体４８が設置される。

図２および図３に例示される通り、圧力室基板３４は、相異なるノズルＮに対応する複数の圧力室Ｓｃが形成された板状部材である。複数の圧力室Ｓｃは、Ｙ方向に沿って配列する。各圧力室Ｓｃ（キャビティ）は、平面視でＸ方向に沿う長尺状の開口部である。Ｘ方向の正側における圧力室Ｓｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の供給流路３２４に重なり、Ｘ方向の負側における圧力室Ｓｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の連通流路３２６に重なる。

圧力室基板３４のうち流路基板３２とは反対側の表面には振動板３６（振動部の例示）が設置される。振動板３６は、弾性的に振動可能な板状部材である。図３に例示される通り、本実施形態の振動板３６は、第１層３６１と第２層３６２との積層で構成される。第２層３６２は、第１層３６１からみて圧力室基板３４とは反対側に位置する。第１層３６１は、酸化シリコン（ＳiＯ_２）等の弾性材料で形成された弾性膜であり、第２層３６２は、酸化ジルコニウム（ＺrＯ_２）等の絶縁材料で形成された絶縁膜である。なお、所定の板厚の板状部材のうち圧力室Ｓｃに対応する領域について板厚方向の一部を選択的に除去することで、圧力室基板３４と振動板３６の一部または全部とを一体に形成することも可能である。

図３から理解される通り、流路基板３２と振動板３６とは、各圧力室Ｓｃの内側で相互に間隔をあけて対向する。圧力室Ｓｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置し、当該圧力室Ｓｃ内に充填されたインクに圧力を付与するための空間である。液体貯留室Ｓｒに貯留されたインクは、中継流路３２８から各供給流路３２４に分岐して複数の圧力室Ｓｃに並列に供給および充填される。以上の説明から理解される通り、振動板３６は、圧力室Ｓｃの壁面（具体的には、圧力室Ｓｃの一面である上面）を構成する。

図２および図３に例示される通り、振動板３６のうち圧力室Ｓｃとは反対側の表面（すなわち第２層３６２の表面）には、相異なるノズルＮ（または圧力室Ｓｃ）に対応する複数の圧電素子３８が設置される。各圧電素子３８は、駆動信号の供給により変形する受動素子であり、平面視でＸ方向に沿う長尺状に形成される。複数の圧電素子３８は、複数の圧力室Ｓｃに対応するようにＹ方向に配列する。圧電素子３８の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｓｃ内の圧力が変動することで、圧力室Ｓｃに充填されたインクが連通流路３２６とノズルＮとを通過して噴射される。なお、以下の説明では、振動板３６と圧電素子３８とを含む構造体を「圧電デバイス」と表記する場合がある。圧電デバイスは、圧力室Ｓｃの内部圧力を変化させるアクチュエーターである。

図２および図３の封止体４４は、複数の圧電素子３８を保護するとともに圧力室基板３４および振動板３６の機械的な強度を補強する構造体であり、振動板３６の表面に例えば接着剤で固定される。封止体４４のうち振動板３６との対向面に形成された凹部の内側に複数の圧電素子３８が収容される。

図４は、任意の１個の圧電デバイスＤの断面図である。Ｘ方向に垂直な断面（すなわち圧電素子３８の長手方向に垂直な断面）が図４には図示されている。図４に例示される通り、各圧電素子３８は、第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３とが積層された構造体である。

第１電極５１は、振動板３６と圧電体層５２との間に形成された導電膜である。具体的には、振動板３６の表面（さらに詳細には第２層３６２の表面）に第１電極５１が形成される。第２電極５３は、圧電体層５２からみて第１電極５１とは反対側に形成された導電膜である。なお、第１電極５１および第２電極５３の一方は、圧電デバイスＤ毎に個別に形成され、第１電極５１および第２電極５３の他方は、複数の圧電デバイスＤにわたり連続に形成される。ただし、第１電極５１および第２電極５３の双方を圧電デバイスＤ毎に個別に形成してもよい。

圧電体層５２は、鉛（Ｐｂ）を含む圧電材料で形成された薄膜である。具体的には、ペロブスカイト型の結晶構造を有する強誘電体の結晶膜が圧電体層５２として好適である。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）またはニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）が圧電体層５２の材料として例示される。本実施形態の圧電体層５２は、{１００}面に優先配向する。「優先配向」とは、{１００}面に配向している結晶の割合が、{１１０}面や{１１１}面等の他の結晶面に配向している結晶の割合を上回ることを意味する。圧電体層５２の厚さｔは、例えば５μｍ未満である（ｔ＜５μｍ）。以上の例示のように圧電体層５２の厚さｔを５μｍ未満とした構成によれば、圧電体層５２のクラックを抑制できるという利点がある。

＜圧電デバイスＤの厚さＴ＞
圧電デバイスＤの厚さＴに着目する。厚さＴは、Ｚ方向における圧電デバイスＤの全体の寸法である。具体的には、振動板３６の第１層３６１における圧力室Ｓｃ側の表面（すなわち圧電デバイスＤの最下面）と、圧電素子３８における第２電極５３の表面（すなわち圧電デバイスＤの最上面）との間隔が、当該圧電デバイスＤの厚さＴに相当する。本実施形態における圧電デバイスＤの厚さＴは、圧電体層５２の厚さｔの２倍以上である（Ｔ≧２ｔ）。以上の構成によれば、圧電デバイスＤの中立面（すなわち引張歪および圧縮歪の何れも発生しない仮想面）が圧電体層５２の外側（具体的には振動板３６の内部）に位置する。したがって、圧電体層５２を効率的に変形させることが可能である。

図５は、圧電体層５２の厚さｔに対する振動板３６の厚さの比（以下「膜厚比」という）αと、圧電体層５２の内部に発生する応力（具体的には引張応力）との関係を示すグラフである。図５の観測では、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の単層で構成された振動板３６の表面の圧電体層５２に、初期的に約２５ＭＰａの引張応力が作用する状況を仮定し、有限要素法により圧電体層５２の応力を測定した。

図５から理解される通り、膜厚比αが小さい（すなわち、圧電体層５２の厚さｔに対して振動板３６の厚さが小さい）ほど、圧電体層５２に作用する応力は小さい。圧電体層５２に作用する応力を典型的な数値（２５ＭＰａ）の半分にするためには、膜厚比αを５以下に設定する必要がある。すなわち、振動板３６と圧電体層５２とを含む圧電デバイスＤの厚さＴを、圧電体層５２の厚さｔの６倍以下（Ｔ≦６ｔ）に設定した構成が好適である。以上の構成によれば、圧電体層５２に初期的に作用する応力（例えば電圧が印加されていない状態での応力）を低減することが可能である。

＜圧電体層５２の結晶構造＞
圧電体層５２の分極方向について説明する。以下の説明では、ＡＢＯ_３の化学式で表されるペロブスカイト型の結晶構造について、分極方向を以下のように定義する。まず、Pseudo-Cubic（疑似立方晶）のCentro-Symmetricな位置（中立点）に対してＢサイト原子が変位する方向に着目する。
・分極方向Ｐが＜１１１＞であるというときには、＜１１１＞方向にＢサイト原子が変位して安定化している状態を意味する。
・分極方向Ｐが＜１１０＞であるというときには、＜１１０＞方向にＢサイト原子が変位して安定化している状態を意味する。
・分極方向Ｐが＜００１＞であるというときには、＜００１＞方向にＢサイト原子が変位して安定化している状態を意味する。
ただし、Ｂサイト原子の変位は、薄膜内のＢサイト原子の平均値として考える。したがって、一部のＢサイト原子が異なるミラー指数の方向に変位していてもよい。

圧電デバイスＤの性能を向上させる観点から圧電体層５２の結晶構造を検討する。図６は、圧電体層５２の分極方向と圧電体層５２の性能（以下「圧電性能」という）との関係を表す図表である。ここでは、印加電圧がPseudo-Cubicの表示で＜００１＞を向いていることを仮定している。これは、例えば、（１００）面配向したペロブスカイト型の結晶構造では、印加電圧が膜面に垂直な方向に向いていることに対応する。圧電定数ｅ_３３（Ｃ／ｍ^２）が圧電性能の指標として図６では例示されている。図６から理解される通り、圧電体層５２の分極方向が＜１１１＞である場合に圧電性能が最大となる。したがって、圧電デバイスＤの性能を向上させる観点からは、圧電体層５２の分極方向を＜１１１＞に維持した構成が好適である。

ここで、圧電体層５２の膜面に平行な結晶面によって構成される格子定数ｃと、圧電体層５２の膜面に垂直な結晶面によって構成される格子定数ａとに着目する。膜面とは、圧電体層５２の上面または下面である。図８および図９は、圧電体層５２の結晶における格子定数ａに対する格子定数ｃの比率（以下「格子定数比」という）ｃ／ａと、圧電体層５２におけるエネルギーとの関係を示すグラフである。図８においては、圧電体層５２を膜面に垂直な方向（格子定数ｃの方向）に伸縮した場合のエネルギーの変化が図示され、図９においては、圧電体層５２を膜面に平行な方向（格子定数ａの方向）に伸縮した場合のエネルギーの変化が図示されている。

図６、図８および図９の演算には、固体の第一原理計算を利用した。特に密度汎関数法による局所密度近似の範囲で電子系の全エネルギーを算定した。計算コードにはＶＡＳＰ(Vienna Ab initio SimulationPackage; G. Kresse and J. Furthm?ler, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996) )を利用した。圧電定数ｅ_３３の算定には線形応答理論を適用する。実際の演算には海洋研究開発機構の地球シミュレーターを利用した。また、逆格子間隔のｋ点メッシュを（３×３×３）に設定し、ＡＢＯ_３のペロブスカイト型の結晶構造を２×２×２のスーパーセルと仮定した。計算に関する他の条件は以下の通りである。
エネルギーカットオフ：４００ｅＶ
エネルギーの収束範囲：１×１０^−７ｅＶ以下
原子に作用する力の収束範囲：０．００１ｅＶ／Å

図８は、格子定数ｃを伸長することで格子定数比ｃ／ａを変化させたときの電子系の全エネルギーの変化の様子を示すグラフである。また、図９は、格子定数ａを伸長することで格子定数比ｃ／ａを変化させたときの電子系の全エネルギーの変化の様子を示すグラフである。図８および図９の何れにおいても、縦軸は、ＡＢＯ_３のセルあたりの電子系の全エネルギーとした。

図８から理解される通り、圧電体層５２を格子定数ｃの方向に伸長すると、格子定数比ｃ／ａが＋１．２％に到達した段階で、圧電体層５２の分極方向が＜１１１＞から＜００１＞に回転する確率が発生する。すなわち、電子系の全エネルギーに関して、分極方向＜１１１＞よりも分極方向＜００１＞の状態が低くなり安定化する。したがって、分極方向を＜１１１＞に維持するためには、格子定数比ｃ／ａを１．０１２以下に設定する必要がある。

図９から理解される通り、圧電体層５２を格子定数ａの方向に伸長すると、格子定数比ｃ／ａが−０．５５％に到達した段階で、圧電体層５２の分極方向が＜１１１＞から＜１１０＞に回転する確率が発生する。すなわち、電子系の全エネルギーに関して、分極方向＜１１１＞よりも分極方向＜１１０＞の状態が低くなり安定化する。したがって、分極方向を＜１１１＞に維持するためには、格子定数比ｃ／ａを０．９９４５以上に設定する必要がある。

以上の説明から理解される通り、分極方向を＜１１１＞に維持することで高い圧電性能を確保する観点からは、圧電体層５２における結晶の格子定数ａと格子定数ｃとが、以下の数式(1)の関係を満たす構成が好適である。
０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２ …(1)

格子定数比ｃ／ａの好適な範囲をさらに検討する。図１０は、圧電デバイスＤにおける格子定数比ｃ／ａと圧電性能との関係を示すグラフである。図１０の縦軸には、特定の数値が基準値（すなわち１）となるように正規化した圧電定数が、圧電性能の指標として表記されている。

図１０を参照すると、格子定数比ｃ／ａが０．９９６を上回る範囲で圧電性能が特に向上するという傾向を確認できる。したがって、以下の数式(2)で表現される通り、数式(1)の範囲のうち、格子定数比ｃ／ａが０．９９６を上回る範囲が格別に好適である。
０．９９６＜ｃ／ａ≦１．０１２ …(2)

ここで、図７に例示される通り、圧電体層５２において膜面に平行な格子面の間隔Ｃと、当該膜面に垂直な格子面の間隔Ａとに着目する。膜面とは、前述の通り、圧電体層５２の上面または下面である。間隔Ｃは、Ｚ方向に垂直な格子面の間隔（すなわち、Ｚ方向に相互に隣合う２つの格子面の間隔）であり、間隔Ａは、Ｚ方向に平行な格子面の間隔である。圧電体層５２が{１００}面に優先配向する構成を想定すると、以上に説明した格子定数比ｃ／ａは、圧電体層５２において膜面に平行な格子面の間隔Ｃと当該膜面に垂直な格子面の間隔Ａとの比（以下「格子面間隔比」という）と等価である。圧電体層５２の結晶における格子面間隔比Ｃ／Ａに着目すると、前述の数式(1)は以下の数式(1a)でも表現され、前述の数式(2)は以下の数式(2a)でも表現される。
０．９９４５≦Ｃ／Ａ≦１．０１２ …(1a)
０．９９６＜Ｃ／Ａ≦１．０１２ …(2a)

なお、図８および図９から理解される通り、格子定数比ｃ／ａが１に近いほど、圧電体層５２はエネルギー的に安定するという傾向がある。以上の傾向を考慮すると、圧電体層５２の分極方向を＜１１１＞に維持するためには、数式(1)または数式(2)の範囲内において格子定数比ｃ／ａが１に近い構成が特に好適である。

数式(1)や数式(2)（さらには数式(1a)や数式(2a)）の条件式は、圧電体層５２の膜厚方向の全体にわたり成立する必要は必ずしもない。具体的には、圧電体層５２において圧電デバイスＤの中立面からみて圧力室Ｓｃとは反対側（上側）に位置する部分について前述の条件式が成立することが望ましい。例えば、圧電体層５２のうち膜厚方向において第２電極５３側に位置する１／３の部分が前述の条件式を満たすことが望ましい。以上の構成によれば、中立面から遠い位置における圧電変位を、より大きな力のモーメントを介してダイアフラム構造の変形に寄与させることが可能である。

＜格子定数比ｃ／ａの測定＞
以上に説明した観測では、図１１に例示される通り、圧力室基板３４に圧力室Ｓｃが形成されていない状態（以下「圧力室形成前」という）と圧力室Ｓｃが形成された状態（以下「圧力室形成前」という）とについて試料の間隔Ｃおよび間隔Ａと格子面間隔比Ｃ／Ａとを測定した（測定値Ｍ１）。具体的には、図１１に例示された測定１から測定６は圧力室形成後の試料に関する測定の結果であり、測定７および測定８は、圧力室形成前の試料に関する測定の結果である。また、第２電極５３の膜厚を相違させた複数の場合について格子定数比ｃ／ａを測定した。なお、測定１から測定５は、圧電デバイスＤのうち平面視で圧力室Ｓｃの内側に位置する領域（メンブレン）内での測定結果である。他方、測定６は、平面視で圧力室Ｓｃの内側と外側との双方にわたり圧電デバイスＤが形成される構成において、圧電デバイスＤのうち平面視で圧力室Ｓｃの外側に位置する領域内での測定結果である。

具体的には、微小部ＸＲＤ測定装置を利用して非対称反射測定を実施した。すなわち、走査面（２θ走査面）と試料表面の法線とがなす角度Ψを変化させながら回折角２θを測定した。回折角２θの測定では、格子面｛３０１｝の回折ピークが観測される回折角を中心として、ピークシフトが発生した場合でもピークの全体を観測できる充分な範囲を確保した。図１２は、角度２Ψの正弦値の自乗ｓｉｎ^２Ψと回折角２θとの関係を測定した結果（いわゆる側傾法の２θ−ｓｉｎ^２Ψ）のグラフである。

図１２に図示された測定の結果を直線Ｌにより近似することで、図１１に測定値Ｍ１として例示される通り、結晶の膜面に平行な格子面（Ψ＝０°）での回折角２θと、結晶の膜面に垂直な格子面（Ψ＝９０°）での回折角２θとを算定する。図１１の測定値Ｍ２は、圧電体層５２の結晶構造をPseudo-Cubic（疑似立方晶）として測定値Ｍ１を格子定数に換算した数値である。以上の手順により、圧力室形成後における格子定数比ｃ／ａまたは格子面間隔比Ｃ／Ａを測定することが可能である。

以上に説明した通り、本実施形態では、圧電体層５２の結晶における格子定数比ｃ／ａまたは格子面間隔比Ｃ／Ａが、０．９９４５以上かつ１．０１２以下という条件（０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２）を満たす。以上の構成によれば、圧電体層５２の分極方向が＜１１１＞に維持される。したがって、格子定数比ｃ／ａまたは格子面間隔比Ｃ／Ａが前述の条件を満たさない構成と比較して、圧電デバイスＤの性能を向上させることが可能である。本実施形態では特に、格子定数比ｃ／ａまたは格子面間隔比Ｃ／Ａが０．９９６を上回る（０．９９６＜ｃ／ａ，０．９９６＜Ｃ／Ａ）から、圧電体層５２の性能の向上という効果は格別に顕著である。

また、本実施形態では、圧電デバイスＤの厚さＴが圧電体層５２の厚さｔの２倍以上である（Ｔ≧２ｔ）から、圧電デバイスＤの中立面は圧電体層５２の外側に位置する。したがって、圧電体層５２の内部に中立面が位置する構成と比較して、圧電体層５２を効率的に変位させることが可能である。本実施形態では特に、圧電デバイスＤの厚さＴが、圧電体層５２の厚さｔの６倍以下である（Ｔ≦６ｔ）から、圧電体層５２に作用する応力（例えば電圧が印加されていない状態での応力）を低減することが可能である。

＜変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。

（１）圧電デバイスＤの構成は以上の例示に限定されない。例えば、圧電素子３８の平面形状は任意である。具体的には、圧電素子３８が円形状または円環状に形成された構成についても前述の実施形態が適用される。

（２）平面視で圧力室Ｓｃの内側と外側との各々に圧電デバイスＤを形成した構成（以下「構成Ａ」という）も採用され得る。圧力室Ｓｃの外側に形成された圧電デバイスＤは、実際にはインクの噴射に寄与しないダミー圧電デバイスである。

例えば図１３に例示される通り、ダミー圧電デバイスＤｄは、ノズルＮからインクを噴射させる正規の圧電デバイスＤと同様の構成である。ただし、ダミー圧電デバイスＤｄの下方には圧力室Ｓｃが形成されない。なお、ダミー圧電デバイスＤｄの構成は任意である。例えば、図１４に例示される通り、振動板３６と第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３とがパターニングされていない状態（いわゆるベタ状）で積層された部分も、ダミー圧電デバイスＤｄに相当する。また、図１５に例示される通り、第１電極５１がパターニングされていない状態も、ダミー圧電デバイスＤｄに相当する。なお、ダミー圧電デバイスＤｄは、実際にはインクの噴射に寄与しないから、図１５の例示のように第１電極５１と第２電極５３とが導通していても問題ない。

以上に例示した構成Ａでは、圧力室Ｓｃが形成された通常の圧電デバイスＤについて、前述の数式(1)または数式(2)（数式(1a)または数式(2a)）の関係が成立する。他方、図１３から図１５に例示したダミー圧電デバイスＤｄについては、格子定数比ｃ／ａまたは格子面間隔比Ｃ／Ａが０．９９６以下である構成（ｃ／ａ≦０．９９６，Ｃ／Ａ≦０．９９６）が好適である。以上の構成によれば、引張応力を受ける圧電体層５２がその引張応力に逆らうことなく横に引き伸ばされた形状（Ａ，ａが大きくなる形状）になっており、クラックが発生しにくいという利点がある。

（３）前述の各形態では、液体噴射ヘッド２６を搭載した搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体噴射装置１００を例示したが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体噴射装置にも本発明を適用することが可能である。また、前述の各形態で例示した液体噴射装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。

（４）本発明の液体噴射装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を噴射する液体噴射装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を噴射する液体噴射装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。薬液等の溶液を搬送するポンプや環境エネルギーを収集する環境発電（エナジーハーベスト）にも、前述の各形態で例示した構成を適用することが可能である。

１００…液体噴射装置、１２…媒体、１４…液体容器、２０…制御ユニット、２２…搬送機構、２４…移動機構、２６…液体噴射ヘッド、３２……流路基板、３４……圧力室基板、３６……振動板、３６１…第１層、３６２…第２層、３８……圧電素子、４２……筐体部、４４……封止体、４６……ノズル板、Ｎ……ノズル、４８……吸振体、５１…第１電極、５２…圧電体層、５３…第２電極、Ｓｃ…圧力室、Ｓｒ…液体貯留室、Ｄ…圧電デバイス。

Claims (5)

1. 圧力室内の液体を圧電デバイスにより噴射する液体噴射ヘッドであって、
   前記圧電デバイスは、
   振動板と、
   鉛を含む圧電体層と、
   前記振動板と前記圧電体層との間に設けられた第１電極と、
   前記圧電体層からみて前記第１電極とは反対側に設けられた第２電極とを含み、
   前記圧力室の外側に形成され、
   前記圧電体層は、{１００}面に優先配向し、
   前記圧電体層において膜面に平行な結晶面によって構成される格子定数ｃと、当該膜面に垂直な結晶面によって構成される格子定数ａとは、
   ｃ／ａ≦０．９９６を満たし、かつ、
   前記圧電デバイスの厚さは、前記圧電体層の厚さｔ（ｔ＜５μｍ）の２倍以上である
   液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層のうち、前記圧電デバイスの中立面からみて前記圧力室とは反対側に位置する部分について、前記格子定数ｃと前記格子定数ａとが、
   ０．９９４５≦ｃ／ａ≦１．０１２
   を満たす請求項１の液体噴射ヘッド。
3. 前記圧電デバイスの厚さは、６ｔ以下である
   請求項１または請求項２の液体噴射ヘッド。
4. 前記振動板は、ＺrＯ_２を含む
   請求項１から請求項３の何れかの液体噴射ヘッド。
5. 請求項１から請求項４の何れかの液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置。
   

Images