(57)【要約】      （修正有）【課題】高温高湿下での経時的な劣化を防止可能な圧電素子、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の提供。【解決手段】圧電体層１５６と、圧電体層１５６の一方の面側に接するようにして設けられた高電位側の第１の電極層１５８と、圧電体層１５６の反対の面側に接するようにして設けられた低電位側の第２の電極層１６０とを少なくとも含む圧電素子であって、第１の電極層１５８が、標準電極電位が０Ｖよりも高い金属Ａと前記金属Ａよりも標準電極電位が高い金属Ｂとを含み、第２の電極層１６０が、前記金属Ａよりも標準電極電位が低い金属Ｃを含む。金属ＡはＡｇ又はＣｕ，金属ＢはＩｒ，Ｐｔ又はＰｄであることが好ましい。【選択図】図２
2007035801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と、前記圧電体層の一方の面側に前記圧電体層に接するようにして設けられた高電位側の第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前記圧電体層に接するようにして設けられた低電位側の第２の電極層とを少なくとも含む圧電素子であって、
前記第１の電極層が、標準電極電位が０Ｖよりも高い金属Ａと前記金属Ａよりも標準電極電位が高い金属Ｂとを、前記金属Ａを前記第１の電極層に含まれる金属元素の総量のうち質量比で最大となるように、且つ前記金属Ｂを前記第１の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５〜３５質量％となるように含み、
前記第２の電極層が、前記金属Ａよりも標準電極電位が低い金属Ｃを、前記第２の電極層に含まれる金属元素の総量のうち質量比で最大となるように含む圧電素子。
【請求項２】
前記金属Ａが、半田接続可能な金属である請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記金属Ａが、Ａｇ又はＣｕである請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄである請求項１に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記金属Ｃが、半田接続可能な金属である請求項１に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである請求項１に記載の圧電素子。
【請求項７】
前記金属Ｃの標準電極電位が、０Ｖ未満である請求項１に記載の圧電素子。
【請求項８】
前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである請求項１に記載の圧電素子。
【請求項９】
前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、前記金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである請求項１に記載の圧電素子。
【請求項１０】
前記第２の電極層が、前記金属Ｃよりも標準電極電位の高い金属Ｄを、前記第２の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５〜３５質量％となるようにさらに含む請求項１に記載の圧電素子。
【請求項１１】
前記金属Ａが、半田接続可能な金属である請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１２】
前記金属Ａが、Ａｇ又はＣｕである請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１３】
前記金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄである請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１４】
前記金属Ｃが、半田接続可能な金属である請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１５】
前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１６】
前記金属Ｃの標準電極電位が、０Ｖ未満である請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１７】
前記金属Ｄが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄである請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１８】
前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１９】
前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、前記金属Ｂ及び前記金属Ｄが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項２０】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層が、スパッタ法又は蒸着法により形成された請求項１に記載の圧電素子。
【請求項２１】
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請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の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。
【請求項２２】
請求項２１に記載の液滴吐出ヘッドを少なくとも備える液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液滴吐出ヘッド及び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。
【背景技術】
【０００２】
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】
圧電アクチュエータの長期信頼性を確保するために、特に高湿度環境下での駆動による圧電素子の故障（中でも酸素空孔の形成による容量の低下や、鉛イオンの溶出）、電極膜の故障（エレクトロマイグレーション）といった問題を改善する必要があり、さまざまな電極構成が検討されてきている。
【０００４】
例えば、圧電素子の電極に卑金属を使用した例が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に係る発明は、圧電素子の上下電極を異なる金属で形成することにより、圧電素子の還元反応を防止するものである。
また、電極層を水分の還元作用を妨げる組成で形成する例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に係る発明は、圧電素子上に２層の異なる金属により電極を形成し、その標準電極電位の関係を規定する事により、水の電気分解を抑制し、圧電体の還元反応を防止するものである。
【０００５】
さらに、圧電素子のプラス電極側に導電性金属酸化膜層を形成し、その上に半田接合用金属層を形成する例が知られている（例えば、特許文献３参照。）。特許文献３に係る発明は、プラス電極の主金属に半田接合可能な金属を使用し、Ｐｂイオン溶出防止のために貴金属等を含有させた合金で層を形成するため、金属層を少なくでき、製造容易性／低コスト化の点で有利である。
さらに、高電位側に標準電極電位が０Ｖ以上の金属を使用し、低電位側に金属酸化物を使用する例が知られている（例えば、特許文献４参照。）。特許文献４に係る発明は、上下電極の標準電極電位の関係を規定することにより、水の電気分解を抑制し、圧電素子の還元反応を防止するものである。また低電位側を金属酸化膜としないことにより、電気特性（特に導電性）を安定して確保することが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１５２９１１号公報
【特許文献２】特開平１０−２６４３８４号公報
【特許文献３】特開２００１−８８２９６号公報
【特許文献４】特開２００５−３２９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の発明では高温高湿下での使用による圧電素子の経時的な劣化を十分に防止することができなかった。本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、高温高湿下での経時的な劣化を防止可能な圧電素子、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明は、
＜１＞  圧電体層と、前記圧電体層の一方の面側に前記圧電体層に接するようにして設けられた高電位側の第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前記圧電体層に接するようにして設けられた低電位側の第２の電極層とを少なくとも含む圧電素子であって、前記第１の電極層が、標準電極電位が０Ｖよりも高い金属Ａと前記金属Ａよりも標準電極電位が高い金属Ｂとを、前記金属Ａを前記第１の電極層に含まれる金属元素の総量のうち質量比で最大となるように、且つ前記金属Ｂを前記第１の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５〜３５質量％となるように含み、前記第２の電極層が、前記金属Ａよりも標準電極電位が低い金属Ｃを、前記第２の電極層に含まれる金属元素の総量のうち質量比で最大となるように含む圧電素子である。
【０００８】
＜２＞  前記金属Ａが、半田接続可能な金属である＜１＞に記載の圧電素子である。
【０００９】
＜３＞  前記金属Ａが、Ａｇ又はＣｕである＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１０】
＜４＞  前記金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄである＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１１】
＜５＞  前記金属Ｃが、半田接続可能な金属である＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１２】
＜６＞  前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１３】
＜７＞  前記金属Ｃの標準電極電位が、０Ｖ未満である＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１４】
＜８＞  前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１５】
＜９＞  前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、前記金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１６】
＜１０＞  前記第２の電極層が、前記金属Ｃよりも標準電極電位の高い金属Ｄを、前記第２の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５〜３５質量％となるようにさらに含む＜１＞に記載の圧電素子である。
【００１７】
＜１１＞  前記金属Ａが、半田接続可能な金属である＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００１８】
＜１２＞  前記金属Ａが、Ａｇ又はＣｕである＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００１９】
＜１３＞  前記金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄである＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２０】
＜１４＞  前記金属Ｃが、半田接続可能な金属である＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２１】
＜１５＞  前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２２】
＜１６＞  前記金属Ｃの標準電極電位が、０Ｖ未満である＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２３】
＜１７＞  前記金属Ｄが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄである＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２４】
＜１８＞  前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２５】
＜１９＞  前記金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、前記金属Ｂ及び前記金属Ｄが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄであり、且つ前記金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂである＜１０＞に記載の圧電素子である。
【００２６】
＜２０＞  前記第１の電極層及び前記第２の電極層が、スパッタ法又は蒸着法により形成された＜１＞に記載の圧電素子である。
【００２７】
＜２１＞  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＜１＞乃至＜２０＞のいずれか１つに記載の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である。
【００２８】
＜２２＞  ＜２１＞に記載の液滴吐出ヘッドを少なくとも備える液滴吐出装置。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高温高湿下での経時的な劣化を防止可能な圧電素子、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の圧電素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置について詳細に説明する。
＜圧電素子＞
本発明の第一実施形態に係る圧電素子は、圧電体層と、前記圧電体層の一方の面側に前記圧電体層に接するようにして設けられた高電位側の第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前記圧電体層に接するようにして設けられた低電位側の第２の電極層とを少なくとも含む圧電素子であって、前記第１の電極層が、標準電極電位が０Ｖよりも高い金属Ａと前記金属Ａよりも標準電極電位が高い金属Ｂとを、前記金属Ａを前記第１の電極層に含まれる金属元素の総量のうち質量比で最大となるように、且つ前記金属Ｂを前記第１の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５〜３５質量％となるように含み、前記第２の電極層が、前記金属Ａよりも標準電極電位が低い金属Ｃを、前記第２の電極層に含まれる金属元素の総量のうち質量比で最大となるように含むものである。
【００３１】
本発明の圧電素子は、高電位側の第１の電極層に標準電極電位が０Ｖよりも高い金属Ａと金属Ａよりも標準電極電位が高い金属Ｂとを所定量含み、低電位側の第２の電極層に金属Ａよりも標準電極電位が低い金属Ｃを所定量含むものであるため、水の電気分解を起こしがたい構成となる。これにより、水の電気分解により生ずる水素イオンに起因する圧電素子の劣化を防止することが可能となる。特に、高湿環境下での圧電素子の劣化を防止することができる。
【００３２】
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で示される値をいう。
・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。金属原子Ｍに価数の異なるイオン状態が２以上ある場合、「標準電極電位」とは１価、２価、３価のうち標準電極電位の値が低い状態での標準電極電位をいう。
なお、本発明に係る電極層中に含まれる金属は酸化物や窒化物等、化合物の状態で存在していてもよい。この場合の金属の標準電極電位とは、化合物を構成する金属の単体での標準電極電位をいう。
【００３３】
金属Ｂの含有量が第１の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５質量％未満であるとエレクトロマイグレーションや圧電素子中のＰｂイオン抜け等の問題を生ずることがある。また、３５質量％よりも多いとコスト高の要因となる。
金属Ｂの含有量は、第１の電極層に含まれる金属元素の総量の１〜２０質量％が好ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
金属Ａとしては、金属Ｂ及び金属Ｃと所定の関係を満たすものであれば特に限定されるものではないが、半田接続可能な金属であることが好ましい。これにより第１の電極層に半田接合性を確保できると共に、半田接合性の確保のために第１の電極層上に半田接続可能な層を新たに設ける必要がなくなりコスト軽減を図ることができる。
また、金属Ｃは金属Ａと所定の関係を満たすものであれば特に限定されるものではないが、上述の理由から半田接続可能な金属であることが好ましい。
【００３６】
本発明においては、金属ＡがＡｇであると第１の電極層に半田接合性を確保することができるため好ましい。また、金属ＡがＣｕであるとＡｇよりもエレクトロマイグレーションを押さえることができるため好ましい。
【００３７】
金属Ｂとしては、金属Ａと所定の関係を満たすものであれば特に限定されるものではないが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄが好ましい。金属ＢとしてＰｔ又はＰｄを用いると、圧電体層としてＰｂを含むＰＺＴを用いた場合に高電位側で発生する圧電体層からのＰｂイオンの溶け出しを抑制することができる。さらに、金属ＡとしてＡｇを用いた場合にＡｇのエレクトロマイグレーションを抑制することができる。
さらに、Ｉｒの酸化物であるＩｒＯ2は、圧電体層との密着性に優れるため好ましい。
【００３８】
金属Ｃとしては、金属Ａと所定の関係を満たすものであれば特に限定されるものではないが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂであることが好ましい。金属Ｃとしてこれらの金属を用いることにより、安価に電極を形成することができる。
さらに、Ｓｎの酸化物であるＳｎＯは圧電体層に酸素供給することができるため、使用中に還元された圧電素子の酸素空孔を補修する効果が得られる。
【００３９】
また、金属Ｃとして標準電極電位が０Ｖ未満の金属を用いると、金属Ａとの組み合わせにより、水の電気分解を抑える効果が得られるため好ましい。
【００４０】
第一実施形態に係る圧電素子に用いられる金属Ａ及び金属Ｃの組み合わせとしては、金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、且つ金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂであることが好ましく、金属ＡがＡｇであり、且つ金属ＣがＴｉ又はＳｎであることがさらに好ましい。
第一実施形態に係る圧電素子に用いられる金属Ａ、金属Ｂ及び金属Ｃの組み合わせとしては、金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、金属Ｂが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄであり、且つ金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂであることが好ましく、金属ＡがＡｇであり、金属ＢがＰｄであり、且つ金属ＣがＴｉ又はＳｎであることがさらに好ましい。
【００４１】
本発明の第二実施形態に係る圧電素子は、第２の電極層が、金属Ｃよりも標準電極電位の高い金属Ｄを、第２の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５〜３５質量％となるようにさらに含むものである。
第二実施形態に係る圧電素子に用いられる金属Ａ、金属Ｂ及び金属Ｃの具体例及び標準電極電位の差等は第一実施形態に係る圧電素子の場合と同様である。
【００４２】
金属Ｄの含有量が第２の電極層に含まれる金属元素の総量の０．５質量％未満であるとエレクトロマイグレーションやＰｂイオンの溶出が生ずることがある。また、３５質量％よりも多いと、水の電気分解を抑える効果が低下する問題を生ずることがある。
金属Ｄの含有量は、第２の電極層に含まれる金属元素の総量の１〜２０質量％が好ましい。
【００４３】
金属Ｄとしては、金属Ｃと所定の関係を満たすものであれば特に限定されるものではないが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄが好ましい。金属ＤとしてＰｔ又はＰｄを用いると、圧電体層としてＰｂを含むＰＺＴを用いた場合に圧電体層からのＰｂイオンの溶け出しを抑制することができる。
【００４４】
第二実施形態に係る圧電素子に用いられる金属Ａ及び金属Ｃの組み合わせとしては、金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、且つ金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂであることが好ましく、金属ＡがＡｇであり、且つ金属ＣがＴｉ又はＳｎであることがさらに好ましい。
第二実施形態に係る圧電素子に用いられる金属Ａ、金属Ｂ、金属Ｃ及び金属Ｄの組み合わせとしては、金属ＡがＡｇ又はＣｕであり、金属Ｂ及び金属Ｄが、Ｉｒ、Ｐｔ又はＰｄであり、金属Ｃが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｂであることが好ましく、金属ＡがＡｇであり、金属Ｂ及び金属ＤがＰｄであり、金属ＣがＴｉ又はＳｎであることがさらに好ましい。
【００４５】
第１の電極層及び第２の電極層の厚みの好ましい範囲は、０．１〜２μｍであり、さらに好ましくは０．２〜１μｍである。
【００４６】
本発明の圧電素子では、素子の圧電特性の経時的劣化を長期間に渡って抑制できるようにしたり、電極層への半田接合性付与のため第１及び／又は第２の電極層の表面に保護層（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）や半田接続可能な金属からなる金属層を設けてもよい。
【００４７】
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に、上述した電極層を構成する材料を公知の成膜法、例えばスパッタ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。
【００４８】
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素子を形成することもできる。
【００４９】
＜液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置＞
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本発明の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。
【００５０】
図１は、本発明の第一実施形態に係る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）本発明の第一実施形態に係る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。尚、同様の機能を有する部材には、全図面を通じて同じ符合を付与し、その説明を省略することがある。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。本実施形態においては、圧電体層１５６にＰＺＴを用い、電極層１５８にＰｄを１０質量％含むＡｇ合金を用い、電極層１６０にＴｉを用いた。この場合、電極層１５８が高電位側の電極として機能し、電極層１６０が低電位側の電極として機能する。
図４は、第一実施形態に係る圧電素子とプリント配線板との接続状態を示す。図４に示すように電極層１５８には電圧を印加可能なように半田１７２を介してフレキシブルプリント配線板１７０が接続される。電極層１６０はアースされる。
【００６１】
圧電素子１４４に、画像情報に応じた、例えば図５に示す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。
【００６２】
第一実施形態に係る圧電素子は、高電位側の電極に標準電極電位の高いＡｇとＰｄとの合金からなる層を用い、低電位側の電極にＡｇよりも標準電極電位の低いＴｉからなる層を用いるため、水の電気分解を起こしにくい。そのため、高湿環境下で圧電素子を駆動しても水の電気分解による水素イオンの発生を抑制することができ、圧電素子の劣化を低減することが可能となる。また、電極層１５８はＡｇを主成分とする合金であるため半田接合性を確保することができる。また、電極層１５８はＰｄを含有するため、高電位側で発生するＰＺＴからのＰｂイオンの溶出を低減することができると共にＡｇのエレクトロマイグレーションを低減することができる。電極層１５８に含まれるＰｄ量は１０質量％であるため圧電素子の低コスト化を図れる。さらに、第一実施形態に係る圧電素子の電極は１層構造であるため、圧電素子製造のコストを低減できる。
【００６３】
図６は、圧電体層１５６にＰＺＴを用い、電極層１５８にＰｄを１５質量％含むＳｎ合金を用い、電極層１６０にＰｄを１０質量％含むＡｇ合金を用いた場合の実施形態（第二実施形態）を示す。この場合、電極層１５８が低電位側の電極として機能し、電極層１６０が高電位側の電極として機能する。電極層１６０には電圧を印加可能なように不図示の配線が接続されている。電極層１５８はフレキシブルプリント配線板１７０を介してアースされている。
第二実施形態に係る圧電素子は、高電位側の電極に標準電極電位の高いＡｇとＰｄとの合金からなる層を用い、低電位側の電極にＡｇよりも標準電極電位の低いＳｎとＰｄとの合金からなる層を用いるため、水の電気分解を起こしにくい。そのため、高湿環境下で圧電素子を駆動しても水の電気分解による水素イオンの発生を抑制することができ、圧電素子の劣化を低減することが可能となる。また、電極層１５８はＳｎを主成分とする合金であるため半田接合性を確保することができる。また、電極層１５８はＰｄを含有するためＳｎのエレクトロマイグレーションを低減することができる。電極層１５８に含まれるＰｄ量は１５質量％であるため圧電素子の低コスト化を図れる。さらに、第二実施形態に係る圧電素子の電極は１層構造であるため、圧電素子製造のコストを低減できる。
【００６４】
図７は、圧電体層１５６にＰＺＴを用い、電極層１５８にＰｄを１０質量％含むＣｕ合金を用い、電極層１６０にＴｉを用いた場合の実施形態（第三実施形態）を示す。この場合、電極層１５８が高電位側の電極として機能し、電極層１６０が低電位側の電極として機能する。Ｃｕは半田接合性を有さないため、フレキシブルプリント配線板１７０に設けられたバンプ１７４と電極層１５８とを異方導電性接着剤（ＡＣＰ）１７６を用いて接着することによりフレキシブルプリント配線板１７０と電極層１５８とは接続される。電極層１６０はアースされる。
第三実施形態に係る圧電素子は、高電位側の電極に標準電極電位の高いＣｕとＰｄとの合金からなる層を用い、低電位側の電極にＡｇよりも標準電極電位の低いＴｉからなる層を用いるため、水の電気分解を起こしにくい。そのため、高湿環境下で圧電素子を駆動しても水の電気分解による水素イオンの発生を抑制することができ、圧電素子の劣化を低減することが可能となる。また、電極層１５８はＰｄを含有するため、高電位側で発生するＰＺＴからのＰｂイオンの溶出を低減することができる。電極層１５８に含まれるＰｄ量は１０質量％であるため圧電素子の低コスト化を図れる。さらに、第三実施形態に係る圧電素子の電極は１層構造であるため、圧電素子製造のコストを低減できる。ＣｕはＡｇと比較してエレクトロマイグレーションを発生しにくい金属であるため、第一実施形態に係る圧電素子と比較して本実施形態の圧電素子はエレクトロマイグレーションによる故障をさらに減少させることができる。
【００６５】
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。
【００６６】
（１）まず、必要な厚さに加工したＰＺＴからなる圧電体１５６の第１の電極層を形成する側の面上及び第２の電極層を形成する側の面上にスパッタ法や蒸着法等の気相成膜法を利用して電極層を形成する。
【００６７】
（２）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。
【００６８】
（３）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。
【００６９】
（４）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プリント配線板１７０を接続する。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【実施例】
【００７５】
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。
【００７６】
＜圧電素子の作製＞
厚み３５μｍのＰＺＴの板の片面に厚さ０．２μｍの第２の電極層（ＧＮＤ）を形成した。ＰＺＴの第２の電極が設けられた面とは反対側の面に厚さ０．２μｍの第１の電極層と、厚さ０．６μｍのＮｉ層と、厚さ０．２μｍのＡｕ層と、をこの順に形成した。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乃至８を得た。第１の電極層に含まれる金属及び第２の金属層に含まれる金属は表１に示す組み合わせとした。なお、上記金属層は、スパッタリング法又は反応性スパッタリング法により形成した。
【００７７】
【表１】
2007035801.tif 000003
【００７８】
＜液滴吐出ヘッドの作製＞
次に、圧電素子１乃至８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プリント配線板を接続し、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１乃至８（ヘッド１乃至８）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。
【００７９】
＜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（３８℃、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（故障率（％））について評価した。結果を図８に示す。図８において横軸は金属Ａの標準電極電位の相対値を示し、縦軸は液滴吐出ヘッドの故障率を示す。
図８から、高電位側の電極の標準電極電位が大きく、低電位側の電極の標準電極電位が小さい方が故障率が小さくなることがわかる。なお、ヘッド４は故障率は低いが、Ｉｒは高価なためコスト的にヘッド１及び２に劣る。
また、液滴吐出ヘッド１及び２を上記条件下で２．１×１０10サイクル数駆動させた後の故障率は０％であった。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【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】第一実施形態に係る圧電素子とプリント配線板との接続状態を示す図である。
【図５】駆動電圧波形の一例を示す図である。
【図６】第二実施形態に係る圧電素子とプリント配線板との接続状態を示す図である。
【図７】第三実施形態に係る圧電素子とプリント配線板との接続状態を示す図である。
【図８】実施例の評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
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    圧電体層
１５８、１６０    電極層
【図１】
2007035801.tif 000004
【図２】
2007035801.tif 000005
【図３】
2007035801.tif 000006
【図４】
2007035801.tif 000007
【図５】
2007035801.tif 000008
【図６】
2007035801.tif 000009
【図７】
2007035801.tif 000010
【図８】
2007035801.tif 000011