(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極とに挟まれた、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる結晶が（１００）面に優先配向している圧電体薄膜層、を有する圧電素子を備えた前記圧電素子の駆動に伴う圧力変動によりノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドであって、
前記圧電素子の駆動を制御する駆動制御手段と、
前記第２電極上に設けられた発熱体により前記圧電素子を加熱する加熱手段と、を備え、
該駆動制御手段は、前記圧電体薄膜層の温度を６０℃以上７０℃以下に保持し、この状態で前記圧電素子を駆動させ、前記圧電素子はシリコン単結晶からなる保護基板と流路形成基板との間にあることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子を複数備え、前記発熱体が並設された前記圧電素子間に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
前記発熱体が、ニッケル及びクロムを含む合金、鉄及びクロムを含む合金、タングステン、白金又はモリブデンの何れかの材料で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えていることを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子（圧電アクチュエーター）を備え、圧電素子を変形させることによってノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。その代表例としては、液滴としてインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドがある。
【０００３】
液体噴射ヘッドを構成する圧電素子としては、電気的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。また圧電素子を構成する圧電体層として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められている。このため、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等で圧電体層を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、圧電素子を構成する圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛等で形成されていることで、圧電素子を比較的大きく変形させることができる。しかしながら、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドを構成する圧電素子としては、より高密度のものが求められており、さらなる変位量の向上が望まれている。
【０００６】
圧電素子の変位量を向上するために、例えば、圧電素子に高電圧を印加することが考えられる。しかしながら、印加する電圧を単に高くしただけでは、圧電素子の変位量が向上したとしても圧電体層が破壊されてしまう虞がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電体層の破壊を抑制しつつ圧電素子の変位量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を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明は、第１電極と、該第１電極上に設けられて、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子を備え、該圧電素子の駆動に伴う圧力変動によりノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドであって、該圧電素子の駆動を制御する駆動制御手段を備え、該駆動制御手段が、前記圧電体層の温度を６０℃以上７０℃以下とした状態で当該圧電素子を駆動させて前記ノズルから液滴を噴射させることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、圧電体層の破壊を抑制しつつ圧電素子の変位量を向上することができる。
【０００９】
さらに前記圧電素子に近接する位置に発熱体を備え、該発熱体を発熱させることで前記圧電体層の温度を上昇させるようにすることが好ましい。また前記圧電素子を複数備える場合、前記発熱体は並設された前記圧電素子間に設けられていることが好ましい。これにより、圧電体層の温度を良好に調整することができる。
【００１０】
また前記発熱体は、ニッケル及びクロムを含む合金、鉄及びクロムを含む合金、タングステン、白金又はモリブデンの何れかの材料で形成されていることが好ましい。これにより、発熱体を十分に発熱させて、圧電体層を所定の温度とすることができる。
【００１１】
また本発明は、このような液体噴射ヘッドを備えていることを特徴とする液体噴射装置にある。さらに本発明は、第１電極と、該第１電極上に設けられて、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を有する圧電素子を備え、該圧電素子の駆動に伴う圧力変動によりノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドと、前記圧電素子の駆動を制御する駆動制御手段と、を備え、該駆動制御手段は、前記圧電体層の温度を６０℃以上７０℃以下とした状態で当該圧電素子を駆動させて前記ノズルから液滴を噴射させることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる本発明では、液滴の噴射特性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る液体噴射ヘッドを示す分解斜視図。
【図２】一実施形態に係る液体噴射ヘッドを示す断面図。
【図３】一実施形態に係る液体噴射ヘッドを示すＡ−Ａ′線部分の拡大断面図。
【図４】圧電体層の温度と圧電素子の変位量との関係を示すグラフ。
【図５】圧電体層の温度と耐電圧及び耐電圧のばらつきとの関係を示すグラフ。
【図６】一実施形態に係る液体噴射装置を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図３に示すように、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２が第１の方向に並設されている。また流路形成基板１０には、第１の方向とは直交する第２の方向における圧力発生室１２の外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２と連通部１３とは、インク供給路１４及び連通路１５によって連通されている。すなわち流路形成基板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。
【００１４】
流路形成基板１０の一方面側には、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２１が穿設されたノズルプレート２０が接合されている。
【００１５】
流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面である他方面には振動板を構成する弾性膜５０及び絶縁体膜５５が形成されている。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とで構成される圧電素子（圧電アクチュエーター）３００が設けられている。圧電素子３００の何れか一方の電極を複数の圧電素子３００に共通する共通電極とし、他方の電極を圧電素子３００毎に独立する個別電極としている。本実施形態では、第１電極６０を個別電極とし、第２電極８０を共通電極としている。
【００１６】
ここで、第１電極６０は、各圧力発生室１２に対応して独立して設けられている。すなわち第１電極６０は圧力発生室１２の並設方向（第１の方向）において不連続となるように切り分けられている。さらに第１電極６０は、第２の方向において圧電体層７０の端部よりも外側まで延設された延設部６５を備えている。この延設部６５は、本実施形態では、流路形成基板１０の端部近傍まで延設されており、延設部６５の先端部は、後述する駆動回路が電気的に接続される接続端子となっている。
【００１７】
圧電素子３００を構成する圧電体層７０は、本実施形態では、圧力発生室１２に対応して独立して設けられている。すなわち、圧電体層７０は、第１の方向において不連続となるように設けられている。圧電体層７０は、第１の方向において第１電極６０よりも幅広に形成されており、第１電極６０の幅方向の端面は圧電体層７０によって覆われている。
【００１８】
なお圧電体層７０は、電気機械変換作用を示す圧電材料、例えば、ペロブスカイト型構造を有し、金属としてＺｒやＴｉを含む強誘電体材料、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、酸化マグネシウム及び酸化ランタン等の金属酸化物を添加したもの等からなる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、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）等が挙げられる。また、圧電体層７０は、本実施形態では、結晶が（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。なお、「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。
【００１９】
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。また圧電体層７０の製造方法としては、ゾル−ゲル法の他、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等のいわゆる薄膜形成方法を採用することもできる。
【００２０】
第２電極８０は、電気的に連続して設けられていればよく、例えば、本実施形態では、第１の方向に沿って複数の第１電極６０に相対向する領域に亘って連続して設けられている。なお第２電極８０の構成は特に限定されず、例えば、第２の方向における圧力発生室１２の外側で第２電極８０が連続していれば、圧力発生室１２を区画する隔壁１１上では第２電極８０が分離されていてもよい。また本実施形態では、各圧電素子３００を構成する第２電極８０は、第２の方向において、その両端部が圧力発生室１２に対向する領域内に位置するように設けられている。
【００２１】
また各隔壁１１に対向する第２電極８０上には、発熱体としての発熱電線９０が設けられている。この発熱電線９０は、詳しくは後述するが、圧電素子３００を構成する圧電体層７０を加熱するために設けられている。発熱電線９０の材料は、特に限定されないが、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ系やＦｅ−Ｃｒ系などの金属合金や、Ｗ、Ｐｔ、Ｍｏなどの融点が比較的高い金属材料を用いることが好ましい。これにより、発熱電線９０を効果的に発熱させることができ、その熱によって圧電体層７０を所定温度に加熱保持することができる。
【００２２】
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及び絶縁体膜５５上には、マニホールド部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。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して設けられており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて複数の圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。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画成する凹部である圧電素子保持部３２が設けられている。
【００２３】
このような保護基板３０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、セラミック材料等で形成されていることが好ましい。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保護基板３０を形成した。
【００２４】
保護基板３０上には、例えば、半導体集積回路（ＩＣ）等で構成され、複数の圧電素子３００を個別に駆動するための駆動制御部（駆動制御手段）を備える駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０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１２１によって各圧電素子３００の第１電極６０及び第２電極８０と電気的に接続されている。
【００２５】
また保護基板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によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。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のマニホールド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となっており、マニホールド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。
【００２６】
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、マニホールド１００からノズル２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０によって所定の圧電素子３００に電圧が印加される。これにより圧電素子３００と共に弾性膜５０及び絶縁体膜５５を含む振動板がたわみ変形して圧力発生室１２内に圧力変動が生じる。そして、この圧電素子３００の駆動に伴う圧力発生室１２内の圧力変動により、ノズル２１からインク滴が噴射される。
【００２７】
ここで、上述のように駆動回路１２０によって圧電素子３００を駆動させてノズル２１からインク滴を噴射させる際、本発明では、圧電体層７０の温度が６０℃以上７０℃以下となるようにしている。すなわち、駆動制御手段としての駆動回路１２０は、圧電素子３００を駆動する前に圧電体層７０を６０℃以上７０℃以下の温度に加熱保持し、この状態で圧電素子３００に電圧を印加して圧電素子３００を駆動させる。
【００２８】
本実施形態では、隔壁１１に対向して設けられている発熱電線９０に第２電極８０を介して電圧を印加し、発熱電線９０を発熱させることで、圧電体層７０が６０℃以上７０℃以下の温度となるようにしている。そして、この状態で圧電素子３００に電圧を印加して圧電素子３００を駆動させる。
【００２９】
このように圧電体層７０を６０℃以上７０℃以下の温度に保持した状態で、圧電素子３００を駆動させることで、圧電体層７０の破壊を抑制しつつ圧電素子３００の変位量を向上することができる。
【００３０】
ここで、図４に示すように、圧電素子３００に一定の電圧を印加していても、圧電体層７０の温度が上昇すると、それに伴って圧電素子３００の変位量が向上する。なお図４では、室温（２５℃）における圧電素子３００の変位量を１としている。
【００３１】
さらに、図５に示すように、圧電体層７０の温度を６０℃以上の温度とすると、圧電体層７０の耐電圧（Ａｖｅ．）が大幅に向上する。したがって、圧電体層７０の温度を６０℃以上として、圧電素子３００を駆動することで、従来よりも高い電圧を圧電素子３００に印加して圧電素子３００の変位量を向上することができ、且つ圧電体層７０の破壊も抑えられる。ただし圧電体層７０の温度を７０℃よりも高くすると、耐電圧のばらつき（σ／Ａｖｅ．）が１０％を超えて大幅に大きくなってしまい、製品の品質を維持することができなくなってしまう。
【００３２】
したがって、圧電体層７０を６０℃以上７０℃以下の温度に保持した状態で圧電素子３００を駆動させるようにすれば、圧電体層７０の破壊を抑制しつつ圧電素子３００の変位量を向上することができ、且つ製品の品質も良好に維持することができる。さらに本実施形態では、所定の材料からなる発熱電線９０を各隔壁１１に対向して設け、この発熱電線９０の熱によって圧電体層７０を加熱するようにしているため、圧電体層７０の温度を良好に調整することができる。
【００３３】
なお本実施形態では、このように発熱電線９０によって圧電体層７０の温度を調整するようにしたが、発熱電線９０は必ずしも設けられていなくてもよい。つまり圧電体層７０を加熱する手段は、特に限定されるものではない。例えば、第２電極８０を十分に発熱させることができれば、第２電極８０の熱によって圧電体層７０の温度を調整するようにしてもよい。さらには、例えば、マニホールド１００等の流路内に、ヒータ等の加熱手段を設け、加熱手段によってインクを加熱することで圧電体層７０の温度を調整するようにしてもよい。
【００３４】
またインクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図６に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載される。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１は、インク供給手段を構成するカートリッジ２が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１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に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。
【００３５】
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１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。
【００３６】
そして本発明では、上述のようにインクジェット式記録ヘッドＩを構成する圧電素子３００の変位量を向上することができるため、印刷品質を高めたインクジェット式記録装置ＩＩを実現することができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３８】
上述の実施形態では、例えば、発熱電線９０を第２電極８０上に設け、第２電極８０を介して発熱電線９０に電圧を印加するようにしたが、第２電極８０上に絶縁層を介して発熱電線９０を設け、第２電極８０とは別系統で発熱電線９０に電圧を印加するようにしてもよい。これにより、発熱電線９０の温度をより細かく制御することができる。
【００３９】
また例えば、第１電極６０を複数の圧電素子３００の個別電極とし、第２電極８０を複数の圧電素子３００に共通する共通電極としたが、例えば、第１電極６０を共通電極とし、第２電極８０を個別電極としてもよい。
【００４０】
また例えば、圧電素子の駆動を制御する駆動制御部（駆動制御手段）を備える駆動回路がインクジェット式記録ヘッドＩに設けられた構成を例示したが、インクジェット式記録装置ＩＩが駆動回路（駆動制御手段）を備えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０  流路形成基板、  １１  隔壁、  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、  ３０  保護基板、  ３１  マニホールド部、  ３２  圧電素子保持部、  ３５  接着剤、  ４０  コンプライアンス基板、  ４１  封止膜、  ４２  固定板、  ４３  開口部、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  第１電極、  ６５  延設部、  ７０  圧電体層、  ８０  第２電極、  ９０  発熱電線、  １００  マニホールド、  １２０  駆動回路、  １２１  接続配線、  ３００  圧電素子、  Ｉ  インクジェット式記録ヘッド、  ＩＩ  インクジェット式記録装置
【図１】
0006332895.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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