(57)【要約】      （修正有）【課題】取り扱いにより割れ難い圧電セラミック基体、およびそれを用いた圧電アクチュエータ基板、液体吐出ヘッドならびに記録装置を提供する。【解決手段】圧電セラミック基体２１は、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする平板状の圧電セラミック基体であって、少なくとも一方の主面から深さ１０μｍの位置において、粒界部のカルシウム含有率が、結晶粒子内部のカルシウム含有率よりも高く、０．２質量％以上である。そのようにすることで、粒界からの破壊を起き難くするとともに、圧電セラミック基体２１の圧電ｄ定数などの特性を、比較的高い状態にすることとができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする平板状の圧電セラミック基体であって、少なくとも一方の主面から深さ１０μｍの位置において、粒界部のカルシウム含有率が、結晶粒子内部のカルシウム含有率よりも高く、０．２質量％以上であることを特徴とする圧電セラミック基体。
【請求項２】
前記主面から深さ１０μｍよりも深い位置における結晶粒子内部のカルシウム含有率が、前記主面から深さ１０μｍの位置における結晶粒子内部のカルシウム含有率より低いことを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミック基体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電セラミック基体と１対の電極とを含むことを特徴とする圧電アクチュエータ基板。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電アクチュエータ基板と、該圧電アクチュエータ基板に積層されている、液体を吐出する吐出孔を有する流路部材とを含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記圧電アクチュエータ基板を制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミック基体、およびそれを用いた圧電アクチュエータ基板、液体吐出ヘッドならびに記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体吐出ヘッドとして、例えば、液体を記録媒体上に吐出することによって、各種の印刷を行なうインクジェットヘッドが知られている。液体吐出ヘッドは、例えば、マニホールド（共通流路）およびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した平板状の流路部材と、加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有する圧電アクチュエータ基板とを積層して構成される（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第１３／０１４９７７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されている圧電アクチュエータ基板は、厚さが４０μｍと非常に薄く、割れなどが生じやすいため、取り扱いが非常に難しかった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、取り扱いにより割れ難い圧電セラミック基体、およびそれを用いた圧電アクチュエータ基板、液体吐出ヘッドならびに記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電セラミック基板は、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする平板状の圧電セラミック基体であって、少なくとも一方の主面から深さ１０μｍの位置において、粒界部のカルシウム含有率が、結晶粒子内部のカルシウム含有率よりも高く、０．２質量％以上であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の圧電アクチュエータ基板は、前記圧電セラミック基体と１対の電極とを含むことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明の液体吐出ヘッドは、前記圧電アクチュエータ基板と、該圧電アクチュエータ基板に積層されている、液体を吐出する吐出孔を有する流路部材とを含むことを特徴とする。
【０００９】
またさらに、本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記圧電アクチュエータ基板を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、圧電セラミック基体に割れや欠け生じ難くなるので、取り扱いが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを含む記録装置の側面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図２】図１の液体吐出ヘッドの要部であるヘッド本体の平面図である。
【図３】図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。
【図４】図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。
【図５】（ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、測定領域を示す圧電アクチュエータ基板の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスは、構造材料などとしても使用されるアルミナセラミックスなど比較して、強度が低く、割れや欠けなどが生じやすい。厚さ１ｍｍ以下、特に厚さ１００μｍ以下の薄い圧電セラミック基体は、製造工程中などで割れや欠けなどが生じやすいので、慎重な取り扱いが必要になる。
【００１３】
ジルコン酸チタン酸鉛にＣａ（カルシウム）を添加すると、添加量にしたがって、セラミック結晶粒子が小さくなり、圧電セラミック基体の強度（抗折強度など）を高くできる。他方、Ｃａの添加は、圧電ｄ定数など、本来、圧電セラミック基体に必要とされる特性を低下させる傾向があり、いたずらに添加量を増やすわけにもいかない。
【００１４】
そこで、圧電セラミック基体の粒界部におけるＣａ含有率を高くするとともに、結晶粒子内部におけるＣａ含有率を、粒界部におけるＣａ含有率よりも低くする。そのようにすることで、粒界からの破壊を起き難くするとともに、圧電セラミック基体の圧電ｄ定数などの特性を、比較的高い状態にすることとができる。
【００１５】
粒界部におけるＣａ含有率は、圧電セラミック基体の主面から１０μｍの位置において、０．２質量％以上、さらに０．４質量％以上であることが好ましい。また、圧電セラミック基体の主面から１０μｍより深い位置における結晶粒子内部のＣａ含有率は、１０μｍの位置における結晶粒子内部のＣａ含有率より低いことにより、１０μｍより深い位置における圧電セラミック基体の圧電ｄ定数などの特性を、比較的高い状態にすることができる。なお、ここで言う深いとは、圧電セラミック基体の厚さ方向の中心に近いということであり、他方の主面に近づいたところで、Ｃａ含有率が高くなっても構わない。
【００１６】
そのような圧電セラミック基体は、例えば、圧電セラミック基体となる原料粉末を含んだグリーンシートの主面と、Ｃａを含んだ部材とを接触させながら焼成することで作製できる。Ｃａは、焼成中に主に粒界を伝わって圧電セラミック基体に拡散していくため、結晶粒子内部のＣａ含有率を低くしたまま、粒界部のＣａ含有率を高くできる。
【００１７】
具体的には、焼成時に平板状のジルコニアセッター上に、圧電セラミック基体となるグリーンシートなどを置いて焼成すればよい。圧電セラミック基体の両方の主面においてＣａ含有率を高くしたい場合は、圧電セラミック基体となるグリーンシートなどを平板状のジルコニアセッターの間に挟んで焼成すればよい。
【００１８】
なお、あらかじめ原料粉末中にＣａを含ませておくと、Ｃａ含有率は、結晶粒子内部と粒界部とで差がなくなるか、Ｃａはチタン酸ジルコン酸鉛に固溶するため、むしろ結晶粒子内部の方が、Ｃａ含有率が高くなってしまう。
【００１９】
圧電セラミック基体の強度が高くなるのは、Ｃａにより結晶粒子の粒成長が抑制されて
、結晶粒子の大きさが小さくなることによると考えられる。圧電セラミック基体の表面から１０μｍ以上の内部の断面における結晶粒子径と比較して、圧電セラミック基体表面の結晶粒子径は半部以下になる。具体的には、圧電セラミック基体の内部の断面における結晶粒子径は５〜８μｍ程度、表面における結晶粒子径は２〜３μｍになる。
【００２０】
Ｃａを含んだ部材の材質は、例えばジルコニアである。ジルコニアに含まれるＣａの含有率は、圧電セラミック基体を焼成する際に必要となる焼成温度および焼成時間において、ジルコニアのＣａ含有率と、拡散により圧電セラミック基体の粒界部に含まれるＣａ含有率の関係を調べることで、決めることができる。
【００２１】
圧電セラミック基体の特性のために、少量のＣａが含まれていた方が好ましい場合は、原料中にもＣａを含ませ、原料に含まれていたＣａと拡散によるＣａとが合わさったか含有率が上述の範囲内となるようにしてもよい。
【００２２】
以上説明した、粒界部のＣａ含有率は、次のように測定できる。図５（ｂ）は、本発明の一実施形態の圧電セラミック基体である圧電アクチュエータ基板２１の断面図である。圧電アクチュエータ基板２１については、後で詳述するが、主面に個別電極３５のない部分測定を行なう。圧電アクチュエータ基板２１にそのような部分がない場合、酸などにより個別電極３５を除去してもよい。
【００２３】
深さＤμｍにおける測定を行なう場合は、圧電セラミック基体を断面研磨し、深さＤμｍの位置で主面とほぼ平行な帯状の測定領域Ｍにおける平均Ｃａ含有率を、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）で測定する。測定領域Ｍの深さ方向の幅は、例えば１〜
５μｍであり、測定領域Ｍの深さ方向の中央の深さをＤμｍとする。測定領域Ｍの長さは、例えば１０〜１００μｍである。
【００２４】
続いて、深さＤμｍにおける結晶粒子内部のＣａ含有率を測定する。ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）によって、断面の深さＤμｍの位置にある（断面における結晶粒子の面積重心がＤ±１μｍ程度以内）任意の結晶粒子において、結晶粒子の外周のうちの任意の一点と、結晶粒子面積重心との中点のＣａ含有率を測定し、これを結晶粒子内部のＣａ含有率とする。
【００２５】
粒界部のＣａ含有率は、上述の測定領域Ｍにおける平均Ｃａ含有率から結晶粒子内部のＣａ含有率を引いた値とする。直接粒界部のＣａ含有率を測定しようすると、粒界部の幅の選び方によりＣａ含有率の値が変わることになるが、上述のように算出すれば、この問題を回避できる。
【００２６】
続いて、このような圧電セラミック基体を用いた、圧電アクチュエータ基板、液体吐出ヘッドおよび記録装置について説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド２を含む記録装置である（カラーインクジェット）プリンタ１の概略の側面図であり、図１（ｂ）は、概略の平面図である。プリンタ１は、記録媒体である印刷用紙Ｐを搬送ローラ８０ａから搬送ローラ８０ｂへと搬送することにより、印刷用紙Ｐを液体吐出ヘッド２に対して相対的に移動させる。制御部８８は、画像や文字のデータに基づいて、液体吐出ヘッド２を制御して、記録媒体Ｐに向けて液体を吐出させ、印刷用紙Ｐに液滴を着弾させて、印刷用紙Ｐに印刷などの記録を行なう。
【００２７】
本実施形態では、液体吐出ヘッド２はプリンタ１に対して固定されており、プリンタ１はいわゆるラインプリンタとなっている。本発明の記録装置の他の実施形態としては、液体吐出ヘッド２を、印刷用紙Ｐの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に往復させるなどして移動させる動作と、印刷用紙Ｐの搬送を交互に行なう、いわゆるシリ
アルプリンタが挙げられる。
【００２８】
プリンタ１には、印刷用紙Ｐとほぼ平行するように平板状の（ヘッド搭載）フレーム７０が固定されている。フレーム７０には図示しない２０個の孔が設けられており、２０個の液体吐出ヘッド２がそれぞれの孔の部分に搭載されていて、液体吐出ヘッド２の、液体を吐出する部位が印刷用紙Ｐに面するようになっている。液体吐出ヘッド２と印刷用紙Ｐとの間の距離は、例えば０．５〜２０ｍｍ程度とされる。５つの液体吐出ヘッド２は、１つのヘッド群７２を構成しており、プリンタ１は、４つのヘッド群７２を有している。
【００２９】
液体吐出ヘッド２は、図１（ａ）の手前から奥へ向かう方向、図１（ｂ）の上下方向に細長い長尺形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。１つのヘッド群７２内において、３つの液体吐出ヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に沿って並んでおり、他の２つの液体吐出ヘッド２は搬送方向に沿ってずれた位置で、３つ液体吐出ヘッド２の間にそれぞれ一つずつ並んでいる。液体吐出ヘッド２は、各液体吐出ヘッド２で印刷可能な範囲が、印刷用紙Ｐの幅方向に（印刷用紙Ｐの搬送方向に交差する方向に）繋がるように、あるいは端が重複するように配置されており、印刷用紙Ｐの幅方向に隙間のない印刷が可能になっている。
【００３０】
４つのヘッド群７２は、記録用紙Ｐの搬送方向に沿って配置されている。各液体吐出ヘッド２には、図示しない液体タンクから液体（インク）が供給される。１つのヘッド群７２に属する液体吐出ヘッド２には、同じ色のインクが供給されるようになっており、４つのヘッド群で４色のインクが印刷できる。各ヘッド群７２から吐出されるインクの色は、例えば、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。このようなインクを、制御部８８で制御して印刷すれば、カラー画像が印刷できる。
【００３１】
プリンタ１に搭載される液体吐出ヘッド２の個数は、単色で、１つの液体吐出ヘッド２で印刷可能な範囲を印刷するのなら１つでもよい。ヘッドの群７２に含まれる液体吐出ヘッド２の個数や、ヘッド群７２の個数は、印刷する対象や印刷条件により適宜変更できる。例えば、さらに多色の印刷をするためにヘッドの群７２の個数を増やしてもよい。また、同色で印刷するヘッド群７２を複数配置して、搬送方向に交互に印刷することで、印刷速度（搬送速度）を速くすることができる。また、同色で印刷するヘッド群７２を複数準備して、搬送方向と交差する方向にずらして配置して、印刷用紙Ｐの幅方向の解像度を高くしてもよい。
【００３２】
さらに、色の付いたインクを印刷する以外に、印刷用紙Ｐの表面処理をするために、コーティング剤などの液体を印刷してもよい。
【００３３】
プリンタ１は、記録媒体である印刷用紙Ｐに印刷を行なう。印刷用紙Ｐは、給紙ローラ８０ａに巻き取られた状態になっており、２つのガイドローラ８２ａの間を通った後、フレーム７０に搭載されている液体吐出ヘッド２の下側を通り、２つの搬送ローラ８２ｂの間を通り、回収ローラ８０ｂに回収される。印刷する際には、搬送ローラ８２ｂを回転させることで印刷用紙Ｐは、一定速度で搬送され、液体吐出ヘッド２によって印刷される。回収ローラ８０ｂは、搬送ローラ８２ｂから送り出された印刷用紙Ｐを巻き取る。搬送速度は、例えば、７５ｍ／分とされる。各ローラは、制御部８８によって制御されてもよいし、人によって手動で操作されてもよい。
【００３４】
記録媒体は、印刷用紙Ｐ以外に、布などでもよい。また、プリンタ１を、印刷用紙Ｐの代わりに搬送ベルトを搬送する形態にし、記録媒体は、ロール状のもの以外に、搬送ベルト上に置かれた、枚葉紙や裁断された布、木材、タイルなどにしてもよい。さらに、液体吐出ヘッド２から導電性の粒子を含む液体を吐出するようにして、電子機器の配線パター
ンなどを印刷してもよい。またさらに、液体吐出ヘッド２から反応容器などに向けて所定量の液体の化学薬剤や化学薬剤を含んだ液体を吐出させて、反応させるなどして、化学薬品を作製してもよい。
【００３５】
また、プリンタ１に、位置センサ、速度センサ、温度センサなどを取り付け、制御部８８が、各センサからの情報から分かるプリンタ１各部の状態に応じて、プリンタ１の各部を制御してもよい。特に、液体吐出ヘッド２から吐出される液体の吐出特性（吐出量や吐出速度など）が外部の影響を受けるようであれば、液体吐出ヘッド２の温度や液体タンクの液体の温度、液体タンクの液体が液体吐出ヘッド２に加えている圧力に応じて、液体吐出ヘッド２において液体を吐出させる駆動信号を変えるようにしてもよい。
【００３６】
次に、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッド２について説明する。図２は、図１に示された液体吐出ヘッド２の要部であるヘッド本体１３を示す平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、ヘッド本体１３の一部である。図３では、説明のため、一部の流路を省略して描いている。図４は、図３と同じ位置の拡大平面図であり、図３とは別の一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ基板２１の下方にあって破線で描くべき加圧室１０（加圧室群９）、しぼり１２および吐出孔８などを実線で描いている。図５（ａ）は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図であり、（ｂ）は、測定領域を示す圧電アクチュエータ基板の縦断面図である。
【００３７】
ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、接着積層された圧電アクチュエータ基板２１とを有している。圧電アクチュエータ基板２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータ基板２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータ基板２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータ基板２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる。
【００３８】
流路部材４の内部には液体流路の一部であるマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つの圧電アクチュエータ基板２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には開口５ｂを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。
【００３９】
流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド５ａということがある）。開口５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータ基板２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。２つの圧電アクチュエータ基板２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド５が、隣接する圧電アクチュエータ基板２１に共有されており、副マニホールド５ａがマニホールド５の両側から分岐している。これらの副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域に互いに隣接してヘッド本体１３の長手方向に延在している。
【００４０】
流路部材４は、複数の加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に
形成されている４つの加圧室群９を有している。加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域のほぼ全面に渡って配列されている。したがって、これらの加圧室１０によって形成された各加圧室群９は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータ基板２１が接着されることで閉塞されている。
【００４１】
本実施形態では、図３に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。
【００４２】
全体では、マニホールド５から繋がる加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各加圧室列に含まれる加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。吐出孔８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。
【００４３】
つまり、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔８を投影すると、図３に示した仮想直線のＲの範囲に、各副マニホールド５ａ繋がっている４つの吐出孔８、つまり全部で１６個の吐出孔８が６００ｄｐｉの等間隔になっている。また、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の吐出孔８を４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されているということである。
【００４４】
圧電アクチュエータ基板２１の上面における各加圧室１０および後述のダミー加圧室に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。すなわち、個別電極３５は、圧電アクチュエータ基板２１の上面に、第１の方向および第１の方向とは異なる方向に渡って形成されている。個別電極３５は加圧室１０より一回り小さく、加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。
【００４５】
流路部材４の下面の液体吐出面には多数の吐出孔８が形成されている。これらの吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータ基板２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔群は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータ基板２１の変位素子５０を変位させることにより吐出孔８から液滴が吐出できる。吐出孔８の配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の吐出孔８は、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。
【００４６】
以上の流路は、液滴の吐出に直接関係する流路であるが、流路部材４には、図では省略してあるダミー加圧室が設けられている。ダミー加圧室は、加圧室１０が設けられている台形状の領域の周囲に一列形成されている。ダミー加圧室により、加圧室１０のうちの最
も外側にある加圧室１０の周囲の流路部材４の剛性などが、他の加圧室１０の状態と近くなるので、液体吐出特性のばらつきを少なくできる。ダミー加圧室の形状は加圧室と同じであるが、他の流路に繋がってはいない。ダミー加圧室の配置は、加圧室１０のマトリクス状の配置を延長するように配置される。 
【００４７】
ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体１３は、図６に示されているように、加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、吐出孔８は下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、加圧室１０を介して副マニホールド５ａと吐出孔８とが繋がる構成を有している。
【００４８】
各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された加圧室１０である。第２に、加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。
【００４９】
第３に、加圧室１０の他端から吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔である。この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には吐出孔８）までの各プレートに形成されている。第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。
【００５０】
このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホールド５ａの出口）から吐出孔８に至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で吐出孔８から吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔８へと進む。
【００５１】
圧電アクチュエータ基板２１は、図６に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。圧電アクチュエータ基板２１の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂの厚さは、それぞれ１５〜２５μｍ程度である。圧電アクチュエータ基板２１は、流路部材４の加圧室１０の開口している平面状の面に積層されており、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の加圧室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。圧電セラミック層２１ａは、セラミック振動板として働いており、圧電性を有する必要性は特になく、ジルコニアなどの他のセラミックス材料を用いてもよい。
【００５２】
圧電アクチュエータ基板２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる、内部電極であ
る共通電極３４、Ａｕ系などの金属材料からなる第１の表面電極である個別電極３５、個別電極３５の上に形成されているＡｇ系などの金属材料からなる接続ランド３６を有している。個別電極３５だけをＡｇ系の金属材料で形成してもよい。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０およびダミー加圧室と対向する位置に配置されている個別電極本体３５ａと、個別電極本体３５ａから加圧室１０のない位置まで引き出されている接続電極３５ｂとを含んでいる。Ａｕ系導体の形成する場合の個別電極３５の厚さは、０．３〜１μｍであり、Ａｇ系導体の形成する場合の個別電極３５の厚さは、１〜３μｍである。接続電極３５ｂには接続ランド３６が形成されている。接続ランド３６は例えばガラスフリットを含む銀からなり、厚さが５〜１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続ランド３６には、必要に応じてさらに接続バンプを形成した上、図示されていないＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部８８からＦＰＣを通じて駆動信号（駆動電圧）が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。
【００５３】
なお、以上は、圧電アクチュエータ基板２１が２層の圧電セラミック層の場合の構造であるが、３相層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極３５と共通電極３４が交互になるように配置してもよい。
【００５４】
個別電極３５は、圧電アクチュエータ基板２１の一方の主面の略全面に渡ってマトリクス状に形成されている。すなわち、第１の方向および第１の方向とは異なる方向に渡って形成されている。
【００５５】
図５（ａ）に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータ基板２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータ基板２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。
【００５６】
なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する液体吐出口８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータ基板２１における各加圧室１０に対向する部分は、各加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図６に示されているような構造を単位構造とする変位素子５０が加圧室１０毎に、加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータ基板２１には変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって液体吐出口８から吐出される液体の量は５〜７ｐＬ（ピコリットル）程度である。
【００５７】
多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがＦＰＣ上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。
【００５８】
本実施形態における圧電アクチュエータ基板２１の液体吐出時の駆動方法の一例を、個別電極３５に供給される駆動電圧（駆動信号）に関して説明する。個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加し
たとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。電界が加わったとき、圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向に収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域を持たない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータ基板２１は、上側（つまり、加圧室１０とは離れた側）の圧電セラミック層２１ｂを、活性部を含む層とし、かつ下側（つまり、加圧室１０に近い側）の圧電セラミック層２１ａを非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている。
【００５９】
この構成において、電界と分極とが同方向となるように、アクチュエータ制御部により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。
【００６０】
本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極３５を共通電極３４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが加圧室１０側へ凸となるように変形し、加圧室１０の容積減少により加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である。
これによると、加圧室１０内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。
【００６１】
以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。
【００６２】
続いて、グリーンシートの一部には、その表面に共通電極３４となる電極ペーストを印刷等により形成する。さらに、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を、Ｃａを含有したジルコニアセッターの間に挟んで高濃度酸素雰囲気下で焼成し、圧電アクチュエータ素体を作製する。その後、Ａｇペーストを用いて圧電アクチュエータ素体表面に個別電極３５および共通電極用表面電極３７を印刷した後、焼成する。
【００６３】
次に、流路部材４と、圧延法等により得られプレート２２〜３１とを、接着層を介して積層して作製する。プレート２２〜３１に、マニホールド５、個別供給流路６、加圧室１０およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。
【００６４】
これらプレート２２〜３１は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体として
インクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。
【００６５】
圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ基板２１や流路部材４への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを加熱接合することができる。
【実施例】
【００６６】
図２〜５に示した圧電アクチュエータ基板２１を作製して評価した。表１の試料Ｎｏ．１〜３は、Ｃａの含有率が不純物量程度であるチタン酸ジルコン酸鉛を原料として作製した。試料Ｎｏ．４〜６は、上述のチタン酸ジルコン酸鉛を原料に対して、Ｃａの含有率が、それぞれ０．１質量％、０．２質量％、０．５質量％程度となるようにＣａ（を含んだ原料）を添加して作製した。
【００６７】
試料Ｎｏ．４〜６は、Ｃａを含まない（不純物程度の）ジルコニアセッターに挟んで焼成し、試料Ｎｏ．１〜３は、Ｃａの含有率を変えたジルコニアセッターに挟んで焼成した。焼成条件は、原料によって調整したが、１０５０℃、３時間程度であり、試料Ｎｏ．１〜３に用いたジルコニアセッターのＣａの含有率は、５〜１０モル％程度である。
【００６８】
作製した圧電アクチュエータ基板２１のＣａ含有率および、落下試験結果を表１に示す。Ｃａ含有率は、主面から深さ１０μｍの位置で行なった。結晶粒子内部のＣａ含有率は、ＴＥＭで測定した値であり、粒界部のＣ含有率は、ＥＰＭＡで測定した、図５（ｂ）に示した帯状の測定領域Ｍの平均Ｃａ含有率から結晶粒子内部のＣａ含有率を引いた値である。落下試験は、各試料５０個行ない、割れが４個以下の場合を◎、５以上１９個以下の場合を○、２０個以上の場合を×で表した。
【００６９】
【表１】
2015088611.tif 000003
【００７０】
本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４〜６に対して、本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜６は、落下試験の結果が良好であった。また、粒界部におけるＣａ含有率が０．４質量％以上であった、試料Ｎｏ．２および３は、粒界部におけるＣａ含有率が０．２質量％である試料Ｎｏ．１よりも落下試験の結果が良好であった。
【符号の説明】
【００７１】
１・・・（カラーインクジェット）プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
５・・・マニホールド
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・マニホールドの開口
６・・・個別供給流路
８・・・吐出孔
９・・・加圧室群
１０・・・加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータ基板
２１ａ・・・圧電セラミック層（セラミック振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極（内部電極）
３５・・・個別電極（第１の表面電極）
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・接続電極
３６・・・接続ランド
５０・・・加圧部（変位素子）
７０・・・（ヘッド搭載）フレーム
７２・・・ヘッド群
８０ａ・・・給紙ローラ
８０ｂ・・・回収ローラ
８２ａ・・・ガイドローラ
８２ｂ・・・搬送ローラ
８８・・・制御部
Ｄ・・・測定部深さ
Ｍ・・・量測定領域
Ｐ・・・印刷用紙
【図１】
2015088611.tif 000004
【図２】
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【図３】
2015088611.tif 000006
【図４】
2015088611.tif 000007
【図５】
2015088611.tif 000008