(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
前記第１の電極上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された第２の電極とを有し、
少なくとも一方の前記電極に、電極材料が存在しない領域である空乏領域を幾何学形状に形成して前記電極から部分的に電極材料をなくすことにより、前記電極全面にわたる実質的な電極面積を小さくすることを特徴とする強誘電体素子。
【請求項２】
前記空乏領域は前記電極面積の５０％以下であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体素子。
【請求項３】
前記空乏領域はスリット状または格子状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の強誘電体素子。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の強誘電体素子が用いられていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項４記載のアクチュエータと、
インク液が収容され、前記アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項６】
請求項５記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体素子およびそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドならびにインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置のインクジェットヘッドは、インク液を収容する圧力室を持つ圧力室部品と、この圧力室からインク滴を吐出させるためのアクチュエータ部である強誘電体素子とを備えている。強誘電体素子には、強誘電体膜と、この強誘電体膜に電圧を印加して収縮及び伸張させる個別電極及び共通電極とを備えており、強誘電体膜の圧電効果により変位する振動板により、インク滴を圧力室のノズル孔から吐出させるように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、強誘電体素子においては、強誘電体膜を形成するときに、異物の混入などにより、内部に結晶構造欠陥や結晶粒の異常成長が不可避的に発生する。
【０００４】
そして、そのような強誘電体膜を用いて強誘電体素子を作成した場合には、欠陥を起点にして個別電極と共通電極との間で電圧印加による絶縁破壊が生じて素子特性が低下することがある。
【０００５】
また特に強誘電体膜の膜厚が１０μｍ以下と非常に薄くなった場合には、この現象による影響が特に顕著に表れ、これを用いたアクチュエータでは、その動作に伴い電極間の短絡が発生する問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、強誘電体膜の欠陥に起因する素子特性の低下、電極間の短絡等を抑制することのできる強誘電体素子およびそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドならびにインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の強誘電体素子は、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第２の電極とを有し、少なくとも一方の前記電極に、電極材料が存在しない領域である空乏領域を幾何学形状に形成して前記電極から部分的に電極材料をなくすことにより、前記電極全面にわたる実質的な電極面積を小さくするものである。
【０００８】
これによれば、空乏領域に対応した部分の強誘電体膜には電極材料がないので、当該部分に欠陥があっても電圧印加による絶縁破壊は発生しない。また、空乏領域以外に対応した部分の強誘電体膜に欠陥があった場合には、電圧印加により当該部分が局所的に破壊されるので、強誘電体素子としての機能が毀損されることはない。したがって、強誘電体膜の欠陥に起因する素子特性の低下を抑制することが可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、第１の電極と、第１の電極上に形成された強誘電体膜と、強誘電体膜上に形成された第２の電極とを有し、少なくとも一方の電極に、電極材料が存在しない領域である空乏領域を幾何学形状に形成して電極から部分的に電極材料をなくすことにより、電極全面にわたる実質的な電極面積を小さくする強誘電体素子であり、強誘電体膜の欠陥に起因する素子特性の低下を抑制することが可能になるという作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、空乏領域は電極面積の５０％以下である強誘電体素子であり、強誘電体膜の欠陥に起因する素子特性の低下を抑制することが可能になるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、空乏領域はスリット状または格子状に形成されている強誘電体素子であり、強誘電体膜の欠陥に起因する素子特性の低下を抑制することが可能になるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の強誘電体素子が用いられているアクチュエータであり、安定した変位動作を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項４記載のアクチュエータと、インク液が収容され、アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたインクジェットヘッドであり、安定したインク吐出を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項５記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置であり、安定したインク吐出による高品質な印字を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図８を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態である強誘電体素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図２は図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図３は図２の要部を示す斜視図、図４は図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図、図５は本発明の一実施の形態である個別電極の一例を示す説明図、図６は本発明の一実施の形態である個別電極の他の一例を示す説明図、図７は本発明の一実施の形態である個別電極のさらに他の一例を示す説明図、図８は本発明の一実施の形態である個別電極のさらに他の一例を示す説明図である。
【００１７】
図１に示すインクジェット式記録装置４０は、強誘電体素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド４１を備え、このインクジェットヘッド４１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体４２に着弾させて、記録媒体４２に記録を行うものである。インクジェットヘッド４１は、主走査方向Ｘに配置したキャリッジ軸４３に設けられたキャリッジ４４に搭載されていて、キャリッジ４４がキャリッジ軸４３に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置４０は、記録媒体４２をインクジェットヘッド４１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（移動手段）４５を備える。
【００１８】
なお、ここではシリアル型のインクジェット式記録装置の構成を説明したが、本発明は、ライン型のインクジェット式記録装置に用いるヘッド、アクチュエータ、強誘電体素子にも当然適用可能である。
【００１９】
図２は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド４１の全体構成を示し、図３はその要部の構成を示す。図２および図３において、Ａは圧力室部品であって、圧力室用開口部１が形成される。Ｂは圧力室用開口部１の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Ｃは圧力室用開口部１の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Ａの圧力室用開口部１は、その上下に位置するアクチュエータ部Ｂおよびインク液流路部品Ｃにより区画されて圧力室２となる。アクチュエータ部Ｂには、圧力室２の上方に位置する個別電極（第２の電極）３が配置されている。これ等圧力室２および個別電極３は、図２から判るように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ圧力室２間で共用する共通液室５と、この共通液室５を圧力室２に連通する供給口６と、圧力室２内のインク液が流出するインク流路７とが形成される。Ｄはノズル板であって、インク流路７に連通するノズル孔８が形成されている。また、図２において、ＥはＩＣチップであって、ボンディングワイヤーＢＷを介して多数の個別電極３に対して電圧を供給する。
【００２０】
次に、アクチュエータ部Ｂの構成を図４に基づいて説明する。
【００２１】
同図において、アクチュエータ部Ｂは、図２に示したインク液供給方向とは直交する方向の断面図を示す。同図では、直交方向に並ぶ４個の圧力室２を持つ圧力室部品Ａが参照的に描かれている。
【００２２】
このアクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の上方に位置する個別電極３、この個別電極３の直下に位置する強誘電体膜１０、この強誘電体膜１０の圧電効果により変位し振動する振動板兼共通電極１１とを有する。振動板兼共通電極１１は、導電性物質で形成されていて、各圧力室２で共通する共通電極（第１の電極）を兼用する。さらに、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の相互を区画する区画壁２ａの上方に位置する縦壁１３を持つ。なお、同図中、１４は圧力室部品Ａとアクチュエータ部Ｂとを接着する接着剤である。各縦壁１３は、接着剤１４を用いた接着時に、一部の接着剤１４が区画壁２ａの外方にはみ出した場合にも、この接着剤１４が振動板兼共通電極１１に付着せず、振動板兼共通電極１１が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室２の上面と振動板兼共通電極１１の下面との距離を拡げる役割を持つ。但し、振動板と共通電極は別体となっていてもよい。
【００２３】
そして、個別電極３、強誘電体膜１０および振動板兼共通電極１１で強誘電体素子が構成されている。
【００２４】
なお、個別電極３は例えばＰｔ（白金）で、強誘電体膜１０は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で、振動板兼共通電極１１は例えばＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）またはＴａ（タンタル）で、形成されている。また、個別電極３は厚さ０．１〜０．５μｍに、強誘電体膜１０は厚さ１〜６μｍに、振動板兼共通電極１１は厚さ２〜１５μｍに、各々成膜されている。
【００２５】
なお、ここでは振動板は共通電極と兼用としたが、別々の部材で構成しても構わない。その場合、振動板は導電性の材料で形成しても、絶縁性の材料で形成してもどちらでも構わない。また振動板側の電極を個々の強誘電体膜に対応する個別電極とし、反対側の電極を共通電極としてもよい。
【００２６】
さらにアクチュエータ部Ｂを構成する、個別電極３，強誘電体膜１０，振動板兼共通電極１１，共通電極は全てスパッタリングやＣＶＤ等の真空成膜技術やゾルゲル法などで形成されることが好ましい。これらの方法を用いることにより、各構成部位への異物の混入を最小限に抑制することができ、電極間の短絡等を製造方法の面からも抑制することができるようになり、本願発明との相乗効果により、さらに高い電極間短絡の抑制が可能になる。
【００２７】
図５に示すように、個別電極３には、電極材料が存在しない領域である空乏領域である空乏領域４６が全面にわたって形成されている。
【００２８】
ここで、本発明者は、図５に示すパターンの空乏領域４６を作成した個別電極３を用いて強誘電体膜１０の変位量と変位特性の低下率について解析した。その結果を（表１）に示す。なお、（表１）において、リードとはスリットとスリットにはさまれた電極材料の存在する部分である。
【００２９】
【表１】
0004244547.tif 000002
【００３０】
（表１）において、空乏領域４６がない場合には、電極面積率が１００％のときに変位量が２６．２７ｎｍ、変位低下率が０．００％で、電極面積が減少するにつれて変位特性が低下して行き、電極面積率が８０％の時に変位特性が２．１５％低下し、電極面積率が６０％の時に変位特性が１１．１９％低下した。
【００３１】
これに対して、空乏領域４６を全面にわたって形成した場合には、電極面積率が５２％（スリット幅３μｍ、リード幅３μｍ）のときでも、変位特性は２．１０％の低下にとどまった。
【００３２】
これは、空乏領域４６を全面にわたって形成しても電界分布が大きく変化せず、また部分的に電極材料がなくなったことにより個別電極３全体の剛性が低下したためと考えられる。
【００３３】
そして、このような構成によれば、空乏領域４６に対応した部分の強誘電体膜１０には電極材料がないので、当該部分に欠陥があっても電圧印加による絶縁破壊は発生しない。また、空乏領域４６以外に対応した部分の強誘電体膜１０に欠陥があった場合には、電圧印加により当該部分が局所的に破壊されるので、強誘電体素子としての機能が毀損されることはない。
【００３４】
そして、（表１）から判るように、空乏領域４６を５０％以下にすれば素子表面の電界分布が大きく変化しないために、素子特性の低下を非常に小さい範囲（ここでは２％程度）に抑えることができ、実用上の振動特性に与える影響はほとんどない。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、個別電極３には、電極材料が存在しない領域である空乏領域４６が個別電極３の全面にわたって形成されているので、強誘電体膜１０の欠陥に起因する素子特性の低下を抑制することが可能になる。
【００３６】
なお、空乏領域４６は、図６に示すように、個別電極３の短辺に沿って形成すること、あるいは図７に示すように、辺に対して斜めに形成することができる。
【００３７】
また、このようなスリット状にとどまらず、図８に示すような格子状、あるいはドット状など、様々な形状をとることができる。また、それらの空乏領域４６の配置は、図示しているような幾何学状でも良いし、線幅やドット径等の領域形状が不揃いなランダム状のものとしても良い。
【００３８】
なお、本実施の形態においては、空乏領域４６は個別電極３に形成されているが、振動板兼共通電極１１、あるいは個別電極３と振動板兼共通電極１１の両方に形成しても、前述と同様の作用効果を得ることができる。さらに、個別電極３や振動板兼共通電極１１に加えて、これらに対する給電線に空乏領域４６が形成されていてもよい。特に個別電極３と振動板兼共通電極１１との間で、それぞれに対して排他的な配置関係とすることにより、異物の混入等に起因した電極間の短絡をより効果的に防止することができ、信頼性の高い強誘電体素子、インクジェットヘッド、ひいてはインクジェット式記録装置を実現できる。
【００３９】
また、本実施の形態では、本発明の強誘電体素子をインクジェット式記録装置のインク吐出に用いられるアクチュエータに適用した場合について説明したが、その焦電性を利用して温度センサに用いるなど、他の種々の用途に適用することが可能である。
【００４０】
さらに、本実施の形態では、説明の便宜上、個別電極を第２の電極とし、共通電極を第１の電極としたが、個別電極を第１の電極とし、共通電極を第２の電極としてもよい。
【００４１】
なお、以上説明した強誘電体素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になり、このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、多数あるノズルのうちに不吐出のノズルができてしまうことを抑制できるので、安定したインク吐出を行うことが可能になる。そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、信頼性が高く、また安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、空乏領域に対応した部分の強誘電体膜に欠陥があっても電圧印加による絶縁破壊は発生せず、空乏領域以外に対応した部分の強誘電体膜に欠陥があった場合には電圧印加により当該部分が局所的に破壊されるので、強誘電体素子としての機能が毀損されることがなく、強誘電体膜の欠陥に起因する素子特性の低下を抑制することが可能になるという有効な効果が得られる。
【００４３】
このような強誘電体素子を用いたアクチュエータによれば、信頼性を向上させ、安定した変位動作を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【００４４】
このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【００４５】
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、信頼性が高く、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である強誘電体素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図２】図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図
【図３】図２の要部を示す斜視図
【図４】図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図５】本発明の一実施の形態である個別電極の一例を示す説明図
【図６】本発明の一実施の形態である個別電極の他の一例を示す説明図
【図７】本発明の一実施の形態である個別電極のさらに他の一例を示す説明図
【図８】本発明の一実施の形態である個別電極のさらに他の一例を示す説明図
【符号の説明】
３  個別電極（第２の電極）
１０  強誘電体膜
１１  振動板兼共通電極
４１  インクジェットヘッド
４０  インクジェット式記録装置
４６  空乏領域
【図１】
0004244547.tif 000003
【図２】
0004244547.tif 000004
【図３】
0004244547.tif 000005
【図４】
0004244547.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004244547.tif 000008
【図７】
0004244547.tif 000009
【図８】
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