(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電材料として、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いて十分な変位特性を得ることができる液体噴射装置を提供する。【解決手段】圧電体層および電極を備えた圧電素子と、駆動波形を供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、駆動波形は、圧電体層の抗電圧以上の第１電圧を印加して分極状態とする分極工程と、第１電圧から第１電圧とは逆極性の電圧を印加して圧電体層の分極を緩和させると共に最小電位まで降下させる第１の電圧変化工程と、最小電位から、第１電圧より大きな電圧を印加して液体を吐出すると共に最大電位まで上昇させる第２の電圧変化工程と、を有し、最大電位と最小電位における圧電体層にかかる電界の差が、６．１×１０７（Ｖ／ｍ）以上とする。【選択図】図７
2013180530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、
前記圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、
前記駆動波形は、
前記圧電体層の抗電圧以上の第１電圧を印加して分極状態とする分極工程と、
前記第１電圧の印加状態から前記第１電圧とは逆極性の電圧を印加して前記圧電体層の分極を緩和させると共に最小電位まで降下させる第１の電圧変化工程と、
前記最小電位から、前記第１電圧より大きな電圧を印加して液体を吐出すると共に最大電位まで上昇させる第２の電圧変化工程と、を有し、
前記最大電位と最小電位における前記圧電体層にかかる電界の差が、６．１×１０７（Ｖ／ｍ）以上であ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、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子を具備する液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。
【０００３】
このような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の代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（以下「ＰＺＴ」という）が挙げられるが、環境問題の観点から、非鉛又は鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。そこで、非鉛系の圧電材料としては、例えば、Ｂｉ及びＦｅを含有するＢｉＦｅＯ３系の圧電材料がある（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２００７−２８７７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような非鉛又は鉛の含有量を抑えた複合酸化物からなる圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較すると変位量が十分ではないので、変位量の向上が求められている。
【０００６】
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子においても同様に存在する。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電材料として、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いて十分な変位特性を得ることができる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の態様は、圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、前記駆動波形が、前記圧電体層の抗電圧以上の第１電圧を印加して分極状態とする分極工程と、前記第１電圧の印加状態から前記第１電圧とは逆極性の電圧を印加して前記圧電体層の分極を緩和させると共に最小電位まで降下させる第１の電圧変化工程と、前記最小電位から、前記第１電圧より大きな電圧を印加して液体を吐出すると共に最大電位まで上昇させる第２の電圧変化工程と、を有し、前記最大電位と最小電位における前記圧電体層にかかる電界の差が、６．１×１０７（Ｖ／ｍ）以上であることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる本発明によれば、低電界で優れた圧電特性を有する液体噴射装置を実現できる。また、圧電材料を、非鉛系、すなわち、鉛を含有しないものとしているため、環境への負荷が小さい液体噴射装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略構成を示す図。
【図２】実施形態に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。
【図３】実施形態に係る記録ヘッドの平面図。
【図４】実施形態に係る記録ヘッドの断面図。
【図５】実施形態に係る記録装置の制御構成を示すブロック図。
【図６】実施形態に係る駆動信号（駆動波形）を示す図。
【図７】試験例の電界−変位量を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施形態）
図１は、本発明にかかる液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩにおいて、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に軸方向移動可能に設けられている。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。
【００１１】
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。
【００１２】
ここで、このような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について、図２〜図４を参照して説明する。なお、図２は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、図２の平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。
【００１３】
図２〜図４に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
【００１４】
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。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、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のマニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。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。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、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ことになる。
【００１５】
また、流路形成基板１０の開口面側には、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によって固着されている。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、ステンレス鋼等からなる。
【００１６】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、弾性膜５０等の第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。
【００１７】
さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極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を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極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。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子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ー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０や密着層５６を設けなくてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００１８】
そして、本実施形態においては、圧電体層７０を構成する圧電材料は、（１００）面に優先配向した、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。ペロブスカイト構造、すなわち、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。このＡサイトにＢｉ及びＢａが、ＢサイトにＦｅ及びＴｉが位置している。
【００１９】
このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表される。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。
【００２０】
ここで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、ＢｉＦｅＯ３やＢａＴｉＯ３以外に、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、ＴｉやＯ）が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。
【００２１】
このようなペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０の組成は、例えば、下記一般式（１）で表される混晶として表される。また、この式（１）は、下記一般式（１’）で表すこともできる。ここで、一般式（１）及び一般式（１’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が１とすると、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]        （１）
（０＜ｘ＜０．４０）
（Ｂｉ１−ｘＢａｘ）（Ｆｅ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３      （１’）
（０＜ｘ＜０．４０）
【００２２】
また、本実施形態の圧電体層７０を構成する複合酸化物は、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉ以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒなどが挙げられる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。
【００２３】
圧電体層７０が、Ｍｎ、ＣｏやＣｒを含む場合、Ｍｎ、ＣｏやＣｒはペロブスカイト構造のＢサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Ｍｎを含む場合、圧電体層７０を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のＦｅの一部がＭｎで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上することがわかっている。また、ＣｏやＣｒを含む場合も、Ｍｎと同様にリーク特性が向上するものである。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Ｍｎ、ＣｏおよびＣｒを例として説明したが、その他遷移金属元素の２元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層７０とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。
【００２４】
このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０は、例えば、下記一般式（２）で表される混晶である。また、この式（２）は、下記一般式（２’）で表すこともできる。なお一般式（２）及び一般式（２’）において、Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒである。ここで、一般式（２）及び一般式（２’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論が１であれば、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ１−ｙＭｙ）Ｏ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]        （２）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）
（Ｂｉ１−ｘＢａｘ）（（Ｆｅ１−ｙＭｙ）１−ｘＴｉｘ）Ｏ３      （２’）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）
【００２５】
そして、圧電体層７０は、（１００）面に優先配向しているものである。ここで、本明細書において、「（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８０％以上）が（１００）面に配向している場合とを含むものである。具体的には、本実施形態の圧電体層７０は、（１００）面の配向度が０．８０以上、好ましくは０．９０以上である。なお、圧電体層７０の（１００）面の配向度は下記式で求められる。
【００２６】
圧電体層７０の（１００）面の配向度＝［圧電体層７０の（１００）面に由来する回折ピークの面積］／［圧電体層７０に由来する（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面の回折ピークの面積の総和］
【００２７】
このような圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、弾性膜５０上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
【００２８】
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、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部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圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室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、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００２９】
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有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
【００３０】
このような保護基板３０としては、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、セラミック材料等を用いることが好ましく、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形成した。
【００３１】
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００３２】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、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を介して電気的に接続されている。
【００３３】
また、このような保護基板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。また、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となっているため、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。
【００３４】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部の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からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号（駆動信号）に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００３５】
図５は、このようなインクジェット式記録装置の制御構成例を示すブロック図である。図５を参照して、本実施形態のインクジェット式記録装置の制御について説明する。本実施形態のインクジェット式記録装置は、図５に示すように、プリンターコントローラー５１１とプリントエンジン５１２とから概略構成されている。プリンターコントローラー５１１は、外部インターフェース５１３（以下、外部Ｉ／Ｆ５１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ５１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部５１６と、クロック信号を発生する発振回路５１７と、インクジェット式記録ヘッドＩへ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路５１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン５１２に送信する内部インターフェース５２０（以下、内部Ｉ／Ｆ５２０という）とを備えている。
【００３６】
外部Ｉ／Ｆ５１３は、例えば、キャラクターコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピューター等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ５１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピューター等に対して出力される。ＲＡＭ５１４は、受信バッファー５２１、中間バッファー５２２、出力バッファー５２３、及び、図示しないワークメモリーとして機能する。そして、受信バッファー５２１は外部Ｉ／Ｆ５１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファー５２２は制御部５１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー５２３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。
【００３７】
また、ＲＯＭ５１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。
【００３８】
制御部５１６は、受信バッファー５２１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファー５２２に記憶させる。また、中間バッファー５２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ５１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部５１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファー５２３に記憶させる。さらに、制御部５１６は、波形設定手段としても機能し、駆動信号発生回路５１９を制御することにより、この駆動信号発生回路５１９から発生される駆動信号の波形形状を設定する。かかる制御部５１６は、後述する駆動回路（図示なし）などと共に本発明の駆動手段を構成する。また、インクジェット式記録ヘッドＩを駆動する液体噴射駆動装置としては、この駆動手段を少なくとも具備するものであればよく、本実施形態では、プリンターコントローラー５１１を含むものとして例示してある。
【００３９】
そして、インクジェット式記録ヘッドＩの１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ５２０を通じてインクジェット式記録ヘッドＩに出力される。また、出力バッファー５２３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファー５２２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。
【００４０】
プリントエンジン５１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構５２４と、キャリッジ機構５２５とを含んで構成してある。紙送り機構５２４は、紙送りモーターとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体をインクジェット式記録ヘッドＩの記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この紙送り機構５２４は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。
【００４１】
キャリッジ機構５２５は、図１に示すようにインクジェット式記録ヘッドＩを搭載可能なキャリッジ３と、このキャリッジ３を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してあり、キャリッジ３を走行させることによりインクジェット式記録ヘッドＩを主走査方向に移動させる。なお、キャリッジ駆動部は、上述したように駆動モーター６及びタイミングベルト７等で構成されている。
【００４２】
インクジェット式記録ヘッドＩは、副走査方向に沿って多数のノズル開口２１を有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズル開口２１から液滴を吐出する。そして、このようなインクジェット式記録ヘッドＩの圧電素子３００には、図示しない外部配線を介して電気信号、例えば、後述する駆動信号（ＣＯＭ）や記録データ（ＳＩ）等が供給される。このように構成されるプリンターコントローラー５１１及びプリントエンジン５１２では、プリンターコントローラー５１１と、駆動信号発生回路５１９から出力された所定の駆動波形を有する駆動信号を選択的に圧電素子３００に入力するラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４等を有する駆動回路（図示なし）とが圧電素子３００に所定の駆動信号を印加する駆動手段となる。
【００４３】
なお、これらのシフトレジスター（ＳＲ）５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３、スイッチ５３４及び圧電素子３００は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッドＩの各ノズル開口２１毎に設けられており、これらのシフトレジスター５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４は、駆動信号発生回路５１９が発生した吐出駆動信号や緩和駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電素子３００に印加される印加パルスのことである。
【００４４】
このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、最初に発振回路５１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する記録データ（ＳＩ）が出力バッファー５２３からシフトレジスター５３１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル開口の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送され、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。
【００４５】
そして、当該ビットの記録データの全ノズル分が各シフトレジスター５３１にセットされたならば、制御部５１６は、所定のタイミングでラッチ５３２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ５３２は、シフトレジスター５３１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ５３２がラッチした記録データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフター５３３に印加される。このレベルシフター５３３は、記録データが例えば「１」の場合に、スイッチ５３４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの記録データを昇圧する。そして、この昇圧された記録データは各スイッチ５３４に印加され、各スイッチ５３４は、当該記録データにより接続状態になる。
【００４６】
そして、各スイッチ５３４には、駆動信号発生回路５１９が発生した駆動信号（ＣＯＭ）も印加されており、スイッチ５３４が選択的に接続状態になると、このスイッチ５３４に接続された圧電素子３００に選択的に駆動信号が印加される。このように、例示したインクジェット式記録ヘッドＩでは、記録データによって圧電素子３００に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、記録データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５３４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電素子３００に供給することができ、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電素子３００が変位（変形）する。また、記録データが「０」の期間においてはスイッチ５３４が非接続状態となるので、圧電素子３００への駆動信号の供給は遮断される。この記録データが「０」の期間において、各圧電素子３００は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。
【００４７】
なお、上記の圧電素子３００は、撓み振動モードの圧電素子３００である。この、撓み振動モードの圧電素子３００を用いると、圧電体層７０が電圧印加に伴い電圧と垂直方向（３１方向）に縮むことで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２側に撓み、これにより圧力発生室１２を収縮させる。一方電圧を減少させることにより圧電体層７０が３１方向に伸びることで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２の逆側に撓み、これにより圧力発生室１２を膨張させる。このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、圧電素子３００に対する充放電に伴って対応する圧力発生室１２の容積が変化するので、圧力発生室１２の圧力変動を利用してノズル開口２１から液滴を吐出させることができる。
【００４８】
ここで、圧電素子３００に入力される本実施形態の駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形について説明する。なお、図６は、本実施形態の駆動信号を示す駆動波形である。
【００４９】
圧電素子３００に入力される駆動波形は、共通電極（第１電極６０）を基準電位（本実施形態ではＶｂｓ）として、個別電極（第２電極８０）に印加されるものである。すなわち、駆動波形によって個別電極（第２電極８０）に印加される電圧は、基準電位（Ｖｂｓ）を基準としての電位として示される。
【００５０】
本実施形態の基準となる駆動波形は、図６に示すように、駆動波形を入力する準備状態（駆動待機状態）となると、例えば、抗電圧以上の中間電位Ｖｍが印加される状態となる。この中間電位Ｖｍを維持する工程は、圧電体層７０を分極状態とする分極工程Ｐ０１であり、これに続いて中間電位Ｖｍを維持した状態から中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電位である第１電位Ｖ１まで降下させると共に圧力発生室１２を膨張させる第１の電圧変化工程Ｐ０２と、第１電位Ｖ１を一定時間維持する第１のホールド工程Ｐ０３と、第１電位Ｖ１から第１電位Ｖ１とは逆極性で中間電位Ｖｍとは同極性で当該中間電位Ｖｍより大きい最大電位である第２電位Ｖ２まで上昇させて圧力発生室１２を収縮させる第２の電圧変化工程Ｐ０４と、第２電位Ｖ２を一定時間維持する第２のホールド工程Ｐ０５と、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより小さな第３電位Ｖ３まで下降させて圧力発生室１２を膨張させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、第３電位Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、第３電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで電位を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８と、中間電位Ｖｍを維持する第４のホールド工程Ｐ０９とで構成されるようにしてもよい。ここで、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより少し低い第３電位Ｖ３まで下降させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、第３電位Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、第３電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで電位を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８とは、液滴を吐出した後のメニスカスを安定化させるためのものであり、従来より公知のものである。
【００５１】
本発明のＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、電源オフの状態では、分極が維持されておらず、非分極状態（極一部は分極が維持されているが、実質的に非分極状態といえる場合を含む）であり、上述した駆動波形２００が圧電素子３００に出力される準備状態（駆動待機状態）になると、中間電位Ｖｍが印加された状態となり、圧電体層７０が分極状態となる。そして、上述した駆動波形が入力されると、第１の電圧変化工程Ｐ０２によって中間電位Ｖｍから逆極性の最小電位Ｖ１まで電位が変化し、圧電体層７０の分極が緩和される。これと同時に圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変形して、ノズル開口２１内のメニスカスが圧力発生室１２側に引き込まれる。次いで、第２の電圧変化工程Ｐ０４によって、圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を収縮させる方向に変形することにより、ノズル開口２１内のメニスカスが圧力発生室１２側から大きく押し出され、ノズル開口２１から液滴が吐出される。
【００５２】
ここで、第１電位Ｖ１は、マイナス電位であり、例えば、−１Ｖ〜−１５Ｖとしている。この電位は、電界に換算すると、−１．１Ｖ／μｍ〜−１６．７Ｖ／μｍである。そして、第２の電圧変化工程Ｐ０４で、第１電位Ｖ１から第１電位Ｖ１とは逆極性で中間電位Ｖｍとは同極性で当該中間電位Ｖｍより大きい最大電位である第２電位Ｖ２まで上昇させる。本発明では、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との電位差を、５５Ｖ以上、電界に換算すると、６．１×１０７（Ｖ／ｍ）以上として圧力発生室１２を収縮させる。
【００５３】
本発明は、上述した所定の圧電材料からなる圧電体層７０を具備する圧電素子３００を駆動する場合、駆動波形が、抗電圧以上の中間電位Ｖｍに保持して当該圧電素子を分極状態とする工程と、中間電位Ｖｍの印加状態から当該中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電圧である第１電位Ｖ１を印加して前記圧電体層の分極を緩和させる工程と、第１電位Ｖ１の印加状態から前記中間電位Ｖｍより大きな最大電圧である第２電位Ｖ２を印加して液体を吐出する工程とを有するようにし、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との電位差を、５５Ｖ以上、電界に換算すると、６．１×１０７（Ｖ／ｍ）以上として圧力発生室１２を収縮させることで、大きな変位量を確保するという効果を奏するものである。ここで、抗電圧以上の中間電圧とは、低い周波数（例えば６６Ｈｚ〜１ｋＨｚ）で圧電体層７０のヒステリシスカーブを描いたときの抗電圧の電圧以上の電圧のことを指すが、駆動波形が高周波化することで実質的な抗電圧は高い方向に変化することに留意が必要である。本実施形態では、１０Ｖ以上であり、電界では１１．１Ｖ／μｍ以上となる。
【００５４】
かかる本発明を完成するにあたって、まず、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、分極状態を維持できず、電界を受けて分極して歪んだ状態から、電界が除去されると時間と共に分極緩和が生じて歪がない状態となり、分極状態から所定の電圧変化工程を付与すると、分極緩和が電界により促進され、短時間で分極緩和状態とし、その後、大きな変位が得られることを知見した。また、分極緩和した状態から最大電圧である第２電位Ｖ２まで電圧を変化させると、（１００）面と（１１０）面に優先配向したビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、配向性の違いにより変位量が異なることを知見した。具体的には、（１００）面配向の複合酸化物の変位量は、電界印加に伴い線形的に増加するが、（１１０）面配向の変位量は、非線形的に増加する。本実施形態で用いる、菱面対称構造の（１００）面配向の複合酸化物は、自発分極の方向がすべて電界方向に対して４５°程度の傾きをもち、分極方向の合成ベクトルが電界印加方向と一致する。このため、（１００）面配向の複合酸化物では、変位が安定した状態で起こり、前記駆動波形の第２の電圧変化工程Ｐ０４で、本来の圧電定数に比例した所望の変位量を得ることができ、電圧変化を大きくするほど大きな変位量が得られる。一方、菱面対称構造の（１１０）面配向のＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物、すなわち、ＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料では、分極方向が電界に対して２つの状態をとる。そして、その一方である、電界方向に対して垂直方向の分極軸は、前記駆動波形の第２の電圧変化工程Ｐ０４で、自発分極の向きの変化、すなわち、非１８０度ドメインローテーションが発生し、本来の圧電定数に基づく変位量よりも大きな変位が発生するが、この非１８０度ドメインローテーション現象の大部分は比較的低電界領域で起こる。よって、高電界領域で圧電素子を駆動する場合は、（１００）面配向の複合酸化物を圧電素子に用いた方が、より大きな変位量を得ることができる。この大きな変位量は、一般的に圧電材料として用いられているＰＺＴを圧電素子に用いた場合と比較すると、例えば、第２電位Ｖ２と第１電位Ｖ１との電位差が６０Ｖ、電界に換算すると、電界が６．７×１０７（Ｖ／ｍ）において、ほぼ同じ変位量となる。
【００５５】
（実施例）（１００）面配向
まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの膜厚で形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ５０ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。この白金膜上に、スパッター法もしくはゾル−ゲル法にてニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）を４０ｎｍの厚さで成膜し、配向制御のシード層とした。
【００５６】
次いで、第１電極６０上に圧電体膜を積層し、圧電体層７０とした。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸バリウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を、各元素がモル比でＢｉ：Ｂａ：Ｆｅ：Ｔｉ：Ｍｎ＝７５：２５：７１．２５：２５：３．７５となるように混合して（ＢＦＯ：ＢＴ＝７５：２５）、前駆体溶液を調製した。
【００５７】
そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、６５０℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１２回繰り返し、１２層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。
【００５８】
その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてスパッター法により厚さ５０ｎｍのイリジウム膜（第２電極８０）を形成することで、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を圧電体層７０とする圧電素子３００を形成した。
【００５９】
（比較例）（１１０）面配向
まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの厚さで形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ１００ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。
【００６０】
次いで、第１電極６０上に圧電体膜を積層し、圧電体層７０とした。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸バリウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を、各元素がモル比でＢｉ：Ｂａ：Ｆｅ：Ｔｉ：Ｍｎ＝７５：２５：７１．２５：２５：３．７５となるように混合して（ＢＦＯ：ＢＴ＝７５：２５）、前駆体溶液を調製した。
【００６１】
そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、７５０℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１２回繰り返し、１２層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。
【００６２】
その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてスパッター法により厚さ５０ｎｍのイリジウム膜（第２電極８０）を形成することで、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を圧電体層７０とする圧電素子３００を形成した。
【００６３】
（試験例）
実施例の（１００）面配向の圧電体層７０を具備する圧電素子３００と比較例の（１１０）面配向の圧電体層７０を具備する圧電素子３００の変位量を測定した。
【００６４】
図６に示す駆動波形を基本波形として用い、前記駆動波形の中間電位をＶｍ＝２０Ｖとし、最小電位である第１電位Ｖ１を各配向において変位量が最も高くなる電位、すなわち、（１００）面配向の場合はＶ１＝−７Ｖ、（１１０）面配向の場合はＶ１＝−１０Ｖとした。そして、前記駆動波形の最小電位Ｖ１から最大電位Ｖ２までの電位差ΔＶを駆動電圧（Ｖ）として、この電位差ΔＶを変化させた波形を２００ｍｓ間隔と十分なディレイタイムをとった状態で印加することにより、圧電素子３００の変位量を求めた。なお、前記駆動電圧（Ｖ）と圧電体層７０の膜厚（９００ｎｍ）との関係から電界（Ｖ／ｍ）を算出した。変位量は、グラフテック社製のレーザードップラー振動計で計測した速度データを、デクロイ社製のオシロスコープにて時間積分することにより算出している（２５℃）。測定サンプルは図３の形状に加工され、キャビティーが形成されているセグメントを使用し、各駆動波形を印加して測定した。
【００６５】
上記の手法で測定した各圧電素子３００の変位量（ｎｍ）と電界（Ｖ／ｍ）との関係を図７に示す。なお、電界（Ｖ／ｍ）は、図６に示す駆動波形の第２電位Ｖ２と第１電位Ｖ１との電位差ΔＶと圧電体層７０の膜厚（９００ｎｍ）とを考慮して、印加された電界の変化として示した。
【００６６】
この結果、実施例の（１００）面配向の圧電素子を駆動すると、前記駆動波形の第２電位Ｖ２と第１電位Ｖ１との電位差から換算した電界が６．１×１０７（Ｖ／ｍ）より大きい領域で、変位量が（１１０）面配向の比較例より大きくなり、電界が６．１×１０７（Ｖ／ｍ）より小さくなると、（１１０）面配向より小さくなることがわかった。よって、（１００）面配向のＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料を用いた圧電素子を所定の駆動波形で、電界が６．１×１０７（Ｖ／ｍ）以上となるように駆動することにより、変位量の向上の効果を得ることができる。また、（１００）面配向の圧電素子の変位量は、低電界から高電界領域にかけて、線形的に増加するので、（１００）面配向のＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料を用いることにより、電界強度に対応する所望の変位量を得ることができる。
【００６７】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明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。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
【００６８】
さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子を具備する液体噴射装置にも本発明を適用することができる。
【００６９】
なお、上記各実施形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射装置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液体噴射装置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、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００７０】
Ｉ  インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、  ＩＩ  インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、  １０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  １３  連通部、  １４  インク供給路、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  マニホールド部、  ３２  圧電素子保持部、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ６０  第１電極、  ７０  圧電体層、  ８０  第２電極、  ９０  リード電極、  １００  マニホールド、  １２０  駆動回路、  ３００  圧電素子
【図１】
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【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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【図７】
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