(57)【要約】【課題】圧電素子の変位量の低下を防止したアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供する。【解決手段】基板１０上に設けられる酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５１を含む振動板５０と、振動板５０上に設けられる下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００とを具備し、振動板５０が、圧電素子３００を変位させた状態で圧電素子３００に３００［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の引張り応力を与える応力を有するようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられる酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜を含む振動板と、該振動板上に設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、前記振動板が、前記圧電素子を変位させた状態で当該圧電素子に３００［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の引張り応力を与える応力を有することを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記振動板が酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜をさらに含み当該振動板の厚さが１６００［ｎｍ］以下であり且つ前記弾性膜の厚さが前記絶縁体膜の厚さの３倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記振動板の厚さが１３００［ｎｍ］〜１４００［ｎｍ］であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記圧電素子上には、当該圧電素子を覆って設けられる無機絶縁材料からなる保護膜をさらに具備することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のアクチュエータ装置を、前記基板に形成された圧力発生室に当該圧力発生室内の液体をノズル開口から噴射させるための圧力を発生させる圧力発生手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液体噴射ヘッドを具備す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、基板上に設けられた振動板とこの振動板上に設けられる圧電素子とを具備するアクチュエータ装置及びこのアクチュエータ装置を用いた液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子の駆動により振動板を変位させるアクチュエータ装置は、例えば、液体を噴射する液体噴射ヘッド等に搭載される。液体噴射ヘッドとしては、例えば、ノズル開口と連通する圧力発生室が形成される流路形成基板上にアクチュエータ装置を設け、このアクチュエータ装置を駆動することでインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが知られている。すなわち、インクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室の一部が振動板で構成され、圧電素子の駆動により振動板を変形させることで圧力発生室内にインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させている。また、このインクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置としては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により、例えば、薄膜ＰＺＴ等の圧電体層を均一に形成し、この圧電体層をリソグラフィ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）。
【０００３】
そして、このような薄膜からなる圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、圧電素子を比較的高密度に配列することができるという利点があり、例えば、インクジェット式記録ヘッドに搭載することで、印刷品質を向上することができる。しかしながら、圧電素子の駆動回数が増えるに伴って、インク吐出特性が徐々に低下してしまうという問題がある。すなわち、圧電体層の残留分極に起因して圧電素子の変位量（振動板の変位量）が低下してしまうという問題がある。特に、初期段階では、この圧電素子の変位量の変化が大きい。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０９４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の変位量の低下を防止したアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する第１の態様は、基板上に設けられる酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜を含む振動板と、該振動板上に設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、前記振動板が、前記圧電素子を変位させた状態で当該圧電素子に３００［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の引張り応力を与える応力を有することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１の態様では、圧電素子が、電圧印加によってたわみ変形した状態から、振動板から受ける引張り応力によって元の状態、すなわち実質的にたわみ変形がない状態に戻される。このため、圧電素子を繰り返し駆動しても、それに伴う圧電素子の変位量（振動板の変位量）の低下を防止することができる。
【０００７】
本発明の第２の態様は、前記振動板が酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜をさらに含み当該振動板の厚さが１６００［ｎｍ］以下であり且つ前記弾性膜の厚さが前記絶縁体膜の厚さの３倍以上であることを特徴とする第１の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第２の態様では、振動板が確実に上記範囲内の応力を有するようになり、且つ振動板の厚さを比較的薄くしておくことで、圧電素子の高速駆動も可能となる。
【０００８】
本発明の第３の態様は、前記振動板の厚さが１３００［ｎｍ］〜１４００［ｎｍ］であることを特徴とする第２の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第３の態様では、圧電素子をより確実に高速駆動することができ、且つ振動板の応力も上記範囲内の値となる。
【０００９】
本発明の第４の態様は、前記圧電素子上には、当該圧電素子を覆って設けられる無機絶縁材料からなる保護膜をさらに具備することを特徴とする第１〜３の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第４の態様では、保護膜によって圧電素子の水分に起因する破壊を防止できる。また、このような保護膜が形成された状態でも、圧電素子の変位量の低下を防止することができる。
【００１０】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様のアクチュエータ装置を、前記基板に形成された圧力発生室に当該圧力発生室内の液体をノズル開口から噴射させるための圧力を発生させる圧力発生手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、常に良好な液滴の吐出特性が得られる液体噴射ヘッドを実現することができる。
【００１１】
本発明の第６の態様は、第５の態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第６の態様では、信頼性及び耐久性に優れた液体噴射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、その平面図及びＡ−Ａ′断面図であり、図３は、Ｂ−Ｂ′断面におけるアクチュエータ装置部分の拡大断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。この流路形成基板１０の一方面側には、詳しくは後述するが弾性膜５１を含む振動板５０が形成されており、圧力発生室１２の一方の面はこの振動板５０（弾性膜５１）によって構成されている。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とがインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部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。
【００１３】
また、流路形成基板１０の一方の面には、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を介して固着されている。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、ステンレス鋼などからなる。
【００１４】
一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、弾性膜５１が形成されている。そして、この弾性膜５１上には絶縁体膜５２が形成され、これら弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が構成されている。また、この振動板５０には、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜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、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜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。なお、このような圧電素子３００と圧電素子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装置と称する。
【００１５】
ここで、アクチュエータ装置を構成する振動板５０は、上述したように、弾性膜５１と絶縁体膜５２とからなる。例えば、本実施形態では、振動板５０を構成する弾性膜５１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、約１０００［ｎｍ］の厚さで形成されている。なお、この弾性膜５１は、流路形成基板１０を熱酸化することによって形成されている。一方、振動板５０を構成する絶縁体膜５２は、例えば、本実施形態では、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり、約４００［ｎｍ］の厚さで形成されている。
【００１６】
そして、本発明に係る振動板５０は、圧電素子３００に電圧を印加して変位させた状態で、圧電素子３００に、３００［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の引張り応力を与える応力を有する。すなわち、電圧が印加された変位した状態で、圧電素子３００には振動板５０によって元の状態に戻ろうとする力が働く。これにより、圧電素子３００は、実質的に変位がない状態に戻るため、圧電素子を繰り返し駆動しても、それに伴う圧電素子の変位量（振動板の変位量）の低下を防止することができる。なお、振動板５０が圧電素子３００に与える応力が３００［ＭＰａ］よりも小さいと圧電素子３００の変位量の低下を確実に防止することができず、また５００［ＭＰａ］よりも大きいと流路形成基板１０に反りや割れが発生する虞がある。
【００１７】
また、このように振動板５０が上記範囲の応力を有するようにするためには、振動板５０の厚さを１６００［ｎｍ］以下とし且つ弾性膜５１の厚さを絶縁体膜５２の厚さの３倍以上であるようにすることが好ましい。特に、振動板５０の厚さを１３００［ｎｍ］〜１４００［ｎｍ］とするのが好ましい。これにより、振動板５０が確実に上記範囲内の応力を有するようになり、また振動板を１６００［ｎｍ］以下と比較的薄くしておくことで、圧電素子３００の高速駆動も可能となる。
【００１８】
このような振動板５０上に形成される各圧電素子３００は、各圧力発生室１２に対応してそれぞれ設けられており、各圧電素子３００は、図３に示すように、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成され、少なくとも圧力発生室１２の幅方向では、各圧力発生室１２に対応する領域内に位置するように形成されている。なお、本実施形態では、各圧力発生室１２は、幅Ｗ１が５５［μｍ］程度となるように形成されている。
【００１９】
圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属材料からなり、本実施形態では、白金とイリジウムとを積層することによって約１５０［ｎｍ］の厚さで形成されている。圧電体層７０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等で形成されている。例えば、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を１１００［ｎｍ］程度の厚さに積層することによって圧電体層７０を形成している。また、上電極膜８０は、下電極膜６０と同様に、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属材料からなり、約５０［ｎｍ］の厚さで形成されている。なお、本実施形態では、上電極膜８０の材料として、イリジウム（Ｉｒ）を用いている。
【００２０】
また、圧電素子３００を構成する圧電体層７０及び上電極膜８０は、所定形状にパターニングされた下電極膜６０上に、例えば、スパッタリング法等により順次積層され、その後、同時にパターニングされる。そして、これら圧電体層７０及び上電極膜８０は、本実施形態では、上電極膜８０側から下電極膜６０側に向かって徐々に幅広となった略台形形状に形成されている。具体的には、図３に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０は、幅方向両側の傾斜面の底面に対する傾斜角度θ１が約３０［°］であり、圧電体層７０の上電極膜８０側の幅Ｗ２が約４０［μｍ］となるように形成されている。
【００２１】
なお、このような圧電素子３００の上電極膜８０には、リード電極９０が接続されており、このリード電極９０は上電極膜からインク供給路１４に対向する領域まで引き出されている（図２参照）。
【００２２】
なお、本実施形態では、このような圧電素子３００及びリード電極９０は、下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａに対向する領域を除いて、無機絶縁材料からなる保護膜１００によって覆われている。この保護膜１００の材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が好適に用いられる。この保護膜１００は、大気中の水分等に起因する圧電素子の破壊を防止するためのものであり、酸化アルミニウムは、水分透過率が極めて低いからである。また、保護膜１００の厚さは、１００［ｎｍ］程度の厚さとすることが好ましい。この厚さであれば、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができ且つ振動板５０の変位量の低下を防止することができるからである。
【００２３】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００を保護するための空間である圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤等によって接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、上述した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１１０を構成している。また保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する接続孔３３が設けられ、この接続孔３３内に上述した下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａが露出されている。そして、これら下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａに、保護基板３０上に実装された駆動ＩＣ１２０に一端が接続された接続配線１３０の他端が電気的に接続されている。
【００２４】
また、保護基板３０上には、剛性が低く可撓性を有する材料からなる封止膜４１と、金属等の硬質の材料からなる固定板４２とで構成されるコンプライアンス基板４０が接合されている。固定板４２のリザーバ１１０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１１０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。
【００２５】
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からインクを取り込み、リザーバ１１０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ＩＣ１２０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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加して圧電体層７０を撓み変形させることで、振動板５０（弾性膜５１及び絶縁体膜５２）を撓み変形させる。これにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインクが吐出する。
【００２６】
以上説明したように、本発明では、振動板５０が、圧電素子３００に電圧を印加して変位させた状態で、圧電素子３００に３００［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の引張り応力を与える応力を有するため、圧電素子３００の繰り返し駆動による変位量の低下を防止することができる。したがって、インク滴を常に安定して吐出することができ、印刷品質が長期に亘って良好に維持できる。
【００２７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではないことは言うまでもない。また、このようなインクジェット式記録ヘッドは、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４は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略斜視図である。図４に示すように、インクジェット式記録ヘッド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上を搬送されるようになっている。
【００２８】
また、上述した実施形態においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの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もの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（面発光ディスプレー）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。
【００２９】
さらに、本発明は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】一実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】一実施形態に係る記録ヘッドのアクチュエータ装置部分の断面図である。
【図４】一実施形態に係る記録装置の一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  ２０  ノズルプレート、  ３０  保護基板、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  振動板、  ５１  弾性膜、  ５２  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ８０  上電極膜、  １００  保護膜、  ３００  圧電素子
【図１】
2007281031.tif 000003
【図２】
2007281031.tif 000004
【図３】
2007281031.tif 000005
【図４】
2007281031.tif 000006