液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子
【課題】圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上した液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子を提供する。
【解決手段】液体を噴射するノズル開口２１に連通する圧力発生室１２が設けられた流路形成基板１０と、該流路形成基板１０上に設けられた第１電極６０、該第１電極６０上に設けられた圧電体層７０及び該圧電体層７０上に設けられた第２電極８０を有する圧電素子３００と、を具備し、前記圧電体層７０が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、前記第２電極８０側の前記圧電体層７０の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極６０側の前記圧電体層７０の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭い。
【解決手段】液体を噴射するノズル開口２１に連通する圧力発生室１２が設けられた流路形成基板１０と、該流路形成基板１０上に設けられた第１電極６０、該第１電極６０上に設けられた圧電体層７０及び該圧電体層７０上に設けられた第２電極８０を有する圧電素子３００と、を具備し、前記圧電体層７０が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、前記第２電極８０側の前記圧電体層７０の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極６０側の前記圧電体層７０の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィー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。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、圧電素子を構成する圧電体層のＸ線回折広角法によって測定される（１００）面の半価幅が０．２度以下であると共に、（２００）面の半価幅が０．２５度以上であることを規定したものが知られている（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２００６−２７８４８９号公報（請求項１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１に代表される圧電素子では、駆動しても圧電体層にクラック等の破壊が発生しない圧電素子が望まれている。
【０００６】
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子だけではなく、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、圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上した液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられた第１電極、該第１電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、前記第２電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電素子の駆動時の圧電体層の内部応力を緩和させることができるため、圧電体層にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【０００９】
ここで、前記圧電体層は、鉛、チタン及びジルコニアを含むことが好ましい。これによれば、低い駆動電圧で高い圧電特性を得ることができる圧電素子を実現できる。
【００１０】
また、前記圧電体層は、前記第１電極側から前記第２電極側に向かって、（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、徐々に漸小していることが好ましい。これによれば、さらに圧電体層の内部応力を緩和させて、圧電体層の破壊を抑制することができる。
【００１１】
さらに、本発明の他の態様は、上記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。
かかる態様では、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００１２】
また、第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、前記第２電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電素子の駆動時の圧電体層の内部応力を緩和させることができるため、圧電体層にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態１に係る測定結果を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本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、図２（ａ）は図１の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【００１５】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０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、この弾性膜５０上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる絶縁体膜５５が形成されている。
【００１６】
また、流路形成基板１０には、異方性エッチングすることにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。各列の圧力発生室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、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。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。連通部１３は、後述する保護基板３０のマニホールド部３１と連通して圧力発生室１２の列毎に共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する。
【００１７】
流路形成基板１０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。本実施形態では、流路形成基板１０にノズルプレート２０を接着剤で接着した。
【００１８】
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、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とが、成膜及びリソグラフィー法により積層形成されて、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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。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、変位可能に設けられた圧電素子３００を圧電アクチュエーターと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０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及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。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。
【００１９】
また、本実施形態の圧電体層７０としては、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）が挙げられる。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、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）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。
【００２０】
もちろん、圧電体層７０の材料としては、鉛、チタン、ジルコニウムを含む圧電材料に限定されず、非鉛系の圧電材料であってもよい。
【００２１】
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を５μｍ以下の厚さで形成した。
【００２２】
また、圧電体層７０は、結晶面方位が（１００）面に優先配向している。なお、本発明で「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）面に優先配向している場合と、を含むものである。本実施形態の配向制御層は、Ｘ線回折広角法による測定を行った結果、（１００）面の配向率は９３％以上であった。このように圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることで、圧電体層７０の耐久性及び圧電特性（歪み量）を向上することができる。
【００２３】
また、圧電体層７０は、第１電極６０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅に対して、第２電極８０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅は狭くなっている。すなわち、圧電体層７０は、厚さ方向（第１電極６０から第２電極８０に向かう方向）において、（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅が異なるように設けられている。
【００２４】
なお、Ｘ線回折強度分布は、Ｘ線回折広角法（ＸＲＤ）によって圧電体層７０を測定すると、（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面等に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「半価幅」（FWHM:Full Width at Half Maximum）とは、Ｘ線回折チャートで示されるロッキングカーブの各結晶面に相当するピーク強度の半価での幅（ピークの極地の半分の値を取る２点の回折角度差）のことを言う。
【００２５】
ここで、圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅が狭いということは、圧電体層７０の結晶性が良く、同じ駆動電圧でも高い変位量を得ることができる。逆に、圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅が広いということは、圧電体層７０の結晶性が悪く、同じ駆動電圧でも変位量が低くなってしまう。
【００２６】
しかしながら、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面の半価幅を、第１電極６０側の半価幅よりも狭くすることで、圧電体層７０の内部応力を小さくすることができる。ここで、圧電素子３００を駆動した際には、図３に示すように、圧力発生室１２内に凸となるように変形することで、ノズル開口２１からインク滴を吐出させる。このとき、圧電体層７０の第１電極６０側の変位量を小さく、第２電極８０側の変位量を大きくすることで、圧電体層７０の内部応力を緩和させることができる。すなわち、圧電素子３００は、圧電体層７０が厚さ方向で同じ変位量で変位したとしても、流路形成基板１０によって拘束されていることから、圧電体層７０は流路形成基板１０側である第１電極６０側で変形量が小さくなる。これに対して、圧電体層７０の第２電極８０側は、拘束された流路形成基板１０から離れているため、圧電体層７０の第２電極８０側は、変形量が大きくなる。このため、圧電体層７０の第１電極６０側を、第２電極８０側よりも小さく変位させることで、圧電体層７０の第１電極６０側の流路形成基板１０の拘束によって変形が抑制されることによる内部応力を小さくすることができる。したがって、内部応力を小さくすることで、圧電体層７０にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【００２７】
なお、図３に示す例では、圧電素子３００が圧力発生室１２側に凸となるように変形するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電素子３００が圧力発生室１２とは反対側に凸となるように変形したとしても、流路形成基板１０側が拘束されていることから、同じように、第１電極６０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅に対して、第２電極８０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を狭くすることで、圧電体層７０の内部応力を小さくして、クラック等の破壊を抑制することができる。
【００２８】
本実施形態では、圧電体層７０の第１電極６０側の（１００）面の半価幅は、０．２８〜０．３８であるのが好ましい。これに対して、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面の半価幅は、第１電極６０側よりも狭く、０．１８〜０．２８であるのが好ましい。このように、圧電体層７０の半価幅を規定することで、繰り返し駆動による変位低下を抑制して、変位量を大きくすることができる。
【００２９】
なお、圧電体層７０は、ゾル−ゲル法、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）法等で形成することができる。そして、圧電体層７０は、例えば、製造時のゾルの組成や熱処理温度などを調整することで上述した結晶特性、すなわち、Ｘ線回折強度分布の（１００）面に由来する回折ピークの半価幅を調整して形成することができる。
【００３０】
具体的には、例えば、ゾル−ゲル法又はＭＯＤ法で圧電体層７０を形成する場合、まず、圧電体層７０となる材料の有機物を含むゾルを塗布する（塗布工程）。次に、塗布したゾルを所定温度に加熱して一定時間乾燥させて圧電体前駆体膜を形成する（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することにより脱脂する（脱脂工程）。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前躯体膜の有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることであり、圧電体前駆体膜が結晶化しない程度に、すなわち、非晶質の圧電体前駆体膜を形成することを言う。次に、脱脂した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体層７０を形成する（焼成工程）。そして、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を繰り返し行うことで、複数層の圧電体層７０を形成することができる。ちなみに、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程を複数回繰り返し行った後、複数の脱脂した圧電体前駆体膜を同時に焼成するようにしてもよい。
【００３１】
そして、本実施形態の圧電体層７０のように、第１電極６０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅に対して、第２電極８０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を狭くするには、繰り返し行う焼成工程を第１電極６０側から第２電極８０側に向かって高い温度で行うようにすればよい。すなわち、１層目の圧電体膜の焼成温度に比べて、最終層の圧電体膜の焼成温度を高くすればよい。ここで、圧電体層７０は、焼成温度が高くなると（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅は小さくなる傾向があるからである。ただし、１層目の圧電体膜の焼成温度と、最終層の圧電体膜の焼成温度との差は１００℃以下とするのが好ましい。１層目の圧電体膜の焼成温度と、最終層の圧電体膜の焼成温度との差が１００℃よりも高いと、最終層の焼成時に１層目の圧電体膜の半価幅も変化してしまい、第１電極６０側の半価幅と第２電極８０側の半価幅との差が少なくなってしまうからである。ちなみに、第２電極８０側の圧電体膜を焼成した際に、第１電極６０側の圧電体膜も同時に加熱されて半価幅が小さくなったとしても、両者には差が生じるため特に問題はない。なお、上述した例では、焼成工程時の温度について説明したが、温度だけではなく、所定温度で加熱する時間についても同様のことが言える。すなわち、圧電体層７０は、焼成時間が長くなれば半価幅は小さく、焼成時間が短ければ半価幅は大きくなる傾向を有する。
【００３２】
また、圧電体層７０を形成する際のゾルの組成を変更することでも、半価幅を調整することができる。具体的には、圧電体層７０を形成するゾルに添加するマンガン（Ｍｎ）やニッケル（Ｎｉ）の添加量を調整することで半価幅を調整することができる。ここで、図４に、添加物の添加量と半価幅との測定結果を示す。なお、図４に示す例では、各サンプルの焼成工程を７００℃で３０分の同一条件で行った。
【００３３】
図４に示すように、添加するマンガン（Ｍｎ）の添加量に比例して半価幅は小さくなる。また、添加するニッケル（Ｎｉ）の添加量に比例して半価幅は大きくなる。このことから、マンガンを添加して本実施形態の圧電体層７０を形成する場合には、第１電極６０側でマンガンの添加量を少なくするか添加しないようにし、第２電極８０側ではマンガンの添加量を多くする。同様に、ニッケルを添加して本実施形態の圧電体層７０を形成するには、第１電極６０側でニッケルの添加量を多くし、第２電極８０側でニッケルの添加量を小さくするか添加しないようにする。もちろん、マンガンやニッケルの添加を複合的に用いても良い。
【００３４】
このように、圧電体層７０に添加される添加量を調整することでも、（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を調整して、本実施形態の圧電体層７０を形成することができる。
【００３５】
ここで、焼成温度や添加物の添加量の異なる複数の圧電素子３００を用意し、１層目の圧電体層７０を焼成した後と、１２層目（最終層）の圧電体層７０を焼成した後とで、各圧電体層７０をＸ線回折広角法（ＸＲＤ）によって測定した。なお、本実施形態のＸ線回折広角法では、Ｘ線回折装置（ＧＸＲ３００；株式会社リガク社製）を用いて、光源がＣｕ−Ｋα、主波長が１．５４１８３８Å、スキャンスピードが２度／分、スキャン時のθの刻み（分解能）が０．０２度の条件で測定した。
【００３６】
また、各圧電素子３００を繰り返し駆動した際のクラックの発生の有無を測定した。これらの結果を図５に示す。なお、図５では、各圧電素子３００の１層目の（１００）面の半価幅と１２層目（最終層）の（１００）面の半価幅との差と、クラックの発生の有無とを表している。
【００３７】
図５に示すように、１層目の圧電体層７０、すなわち、第１電極６０側の圧電体層７０と、１２層目（最終層）、すなわち、第２電極８０側の圧電体層７０と、において、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面の半価幅を、第１電極６０側の半価幅よりも狭くすることで、クラックの発生を抑えることができる。また、半価幅の差と、クラックの発生率とは、相関係数が約０．５４であることから両者には相関がある。
【００３８】
したがって、上述したように、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を、第１電極６０側よりも狭くすることで、クラックの発生を抑制して、信頼性の高い圧電素子３００を得ることができる。
【００３９】
なお、上述のように、圧電体層７０のクラックを抑制するのは、圧電体層７０の第１電極６０側と第２電極８０側との変位量の差と、流路形成基板１０による拘束領域との関係に基づいて内部応力の影響を抑制したためであると考えられる。したがって、圧電体層７０は、第１電極６０側から第２電極８０側に向かって徐々に段階的に（１００）面の半価幅が狭くなるのが好ましい。
【００４０】
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、絶縁体膜５５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。
【００４１】
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、絶縁体膜５５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、絶縁体膜５５等）にマニホールドと各圧力発生室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。
【００４２】
保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、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。なお、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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１２０が固定されている。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、貫通孔３３を挿通させた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。
【００４５】
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と同一材料の面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４６】
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、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムからなり、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、金属等の硬質の材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等で形成される。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。
【００４７】
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、絶縁体膜５５、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。
【００４８】
そして、本実施形態では、繰り返し駆動してもクラック等の破壊を抑制した圧電体層７０を有する圧電素子３００を有するインクジェット式記録ヘッドＩとすることで、耐久性が高く信頼性の高いインクジェット式記録ヘッドＩを実現することができる。
【００４９】
（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１では、特に圧電素子３００を覆う保護膜等を設けていないが、圧電素子３００を覆う耐湿度性の保護膜等を設けるようにしても同様である。
【００５０】
また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩ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インクジェット式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６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００５１】
図６に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、複数のインクジェット式記録ヘッドＩを有するインクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、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、このインクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、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。このインクジェット式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。
【００５２】
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、インクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、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。
【００５３】
また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（インクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態においては、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、広く液体噴射ヘッド及び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ヘッドや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。
【００５５】
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
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、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィー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。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、圧電素子を構成する圧電体層のＸ線回折広角法によって測定される（１００）面の半価幅が０．２度以下であると共に、（２００）面の半価幅が０．２５度以上であることを規定したものが知られている（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２００６−２７８４８９号公報（請求項１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１に代表される圧電素子では、駆動しても圧電体層にクラック等の破壊が発生しない圧電素子が望まれている。
【０００６】
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子だけではなく、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、圧電体層の破壊を抑制して耐久性を向上した液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられた第１電極、該第１電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、前記第２電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電素子の駆動時の圧電体層の内部応力を緩和させることができるため、圧電体層にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【０００９】
ここで、前記圧電体層は、鉛、チタン及びジルコニアを含むことが好ましい。これによれば、低い駆動電圧で高い圧電特性を得ることができる圧電素子を実現できる。
【００１０】
また、前記圧電体層は、前記第１電極側から前記第２電極側に向かって、（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、徐々に漸小していることが好ましい。これによれば、さらに圧電体層の内部応力を緩和させて、圧電体層の破壊を抑制することができる。
【００１１】
さらに、本発明の他の態様は、上記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。
かかる態様では、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００１２】
また、第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、前記第２電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電素子の駆動時の圧電体層の内部応力を緩和させることができるため、圧電体層にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態１に係る測定結果を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本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、図２（ａ）は図１の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【００１５】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０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、この弾性膜５０上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる絶縁体膜５５が形成されている。
【００１６】
また、流路形成基板１０には、異方性エッチングすることにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。各列の圧力発生室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、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。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。連通部１３は、後述する保護基板３０のマニホールド部３１と連通して圧力発生室１２の列毎に共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する。
【００１７】
流路形成基板１０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。本実施形態では、流路形成基板１０にノズルプレート２０を接着剤で接着した。
【００１８】
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、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とが、成膜及びリソグラフィー法により積層形成されて、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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。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、変位可能に設けられた圧電素子３００を圧電アクチュエーターと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０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及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。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。
【００１９】
また、本実施形態の圧電体層７０としては、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）が挙げられる。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、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）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。
【００２０】
もちろん、圧電体層７０の材料としては、鉛、チタン、ジルコニウムを含む圧電材料に限定されず、非鉛系の圧電材料であってもよい。
【００２１】
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を５μｍ以下の厚さで形成した。
【００２２】
また、圧電体層７０は、結晶面方位が（１００）面に優先配向している。なお、本発明で「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）面に優先配向している場合と、を含むものである。本実施形態の配向制御層は、Ｘ線回折広角法による測定を行った結果、（１００）面の配向率は９３％以上であった。このように圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることで、圧電体層７０の耐久性及び圧電特性（歪み量）を向上することができる。
【００２３】
また、圧電体層７０は、第１電極６０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅に対して、第２電極８０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅は狭くなっている。すなわち、圧電体層７０は、厚さ方向（第１電極６０から第２電極８０に向かう方向）において、（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅が異なるように設けられている。
【００２４】
なお、Ｘ線回折強度分布は、Ｘ線回折広角法（ＸＲＤ）によって圧電体層７０を測定すると、（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面等に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「半価幅」（FWHM:Full Width at Half Maximum）とは、Ｘ線回折チャートで示されるロッキングカーブの各結晶面に相当するピーク強度の半価での幅（ピークの極地の半分の値を取る２点の回折角度差）のことを言う。
【００２５】
ここで、圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅が狭いということは、圧電体層７０の結晶性が良く、同じ駆動電圧でも高い変位量を得ることができる。逆に、圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅が広いということは、圧電体層７０の結晶性が悪く、同じ駆動電圧でも変位量が低くなってしまう。
【００２６】
しかしながら、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面の半価幅を、第１電極６０側の半価幅よりも狭くすることで、圧電体層７０の内部応力を小さくすることができる。ここで、圧電素子３００を駆動した際には、図３に示すように、圧力発生室１２内に凸となるように変形することで、ノズル開口２１からインク滴を吐出させる。このとき、圧電体層７０の第１電極６０側の変位量を小さく、第２電極８０側の変位量を大きくすることで、圧電体層７０の内部応力を緩和させることができる。すなわち、圧電素子３００は、圧電体層７０が厚さ方向で同じ変位量で変位したとしても、流路形成基板１０によって拘束されていることから、圧電体層７０は流路形成基板１０側である第１電極６０側で変形量が小さくなる。これに対して、圧電体層７０の第２電極８０側は、拘束された流路形成基板１０から離れているため、圧電体層７０の第２電極８０側は、変形量が大きくなる。このため、圧電体層７０の第１電極６０側を、第２電極８０側よりも小さく変位させることで、圧電体層７０の第１電極６０側の流路形成基板１０の拘束によって変形が抑制されることによる内部応力を小さくすることができる。したがって、内部応力を小さくすることで、圧電体層７０にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。
【００２７】
なお、図３に示す例では、圧電素子３００が圧力発生室１２側に凸となるように変形するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電素子３００が圧力発生室１２とは反対側に凸となるように変形したとしても、流路形成基板１０側が拘束されていることから、同じように、第１電極６０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅に対して、第２電極８０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を狭くすることで、圧電体層７０の内部応力を小さくして、クラック等の破壊を抑制することができる。
【００２８】
本実施形態では、圧電体層７０の第１電極６０側の（１００）面の半価幅は、０．２８〜０．３８であるのが好ましい。これに対して、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面の半価幅は、第１電極６０側よりも狭く、０．１８〜０．２８であるのが好ましい。このように、圧電体層７０の半価幅を規定することで、繰り返し駆動による変位低下を抑制して、変位量を大きくすることができる。
【００２９】
なお、圧電体層７０は、ゾル−ゲル法、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）法等で形成することができる。そして、圧電体層７０は、例えば、製造時のゾルの組成や熱処理温度などを調整することで上述した結晶特性、すなわち、Ｘ線回折強度分布の（１００）面に由来する回折ピークの半価幅を調整して形成することができる。
【００３０】
具体的には、例えば、ゾル−ゲル法又はＭＯＤ法で圧電体層７０を形成する場合、まず、圧電体層７０となる材料の有機物を含むゾルを塗布する（塗布工程）。次に、塗布したゾルを所定温度に加熱して一定時間乾燥させて圧電体前駆体膜を形成する（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することにより脱脂する（脱脂工程）。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前躯体膜の有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることであり、圧電体前駆体膜が結晶化しない程度に、すなわち、非晶質の圧電体前駆体膜を形成することを言う。次に、脱脂した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体層７０を形成する（焼成工程）。そして、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を繰り返し行うことで、複数層の圧電体層７０を形成することができる。ちなみに、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程を複数回繰り返し行った後、複数の脱脂した圧電体前駆体膜を同時に焼成するようにしてもよい。
【００３１】
そして、本実施形態の圧電体層７０のように、第１電極６０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅に対して、第２電極８０側の当該圧電体層７０の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を狭くするには、繰り返し行う焼成工程を第１電極６０側から第２電極８０側に向かって高い温度で行うようにすればよい。すなわち、１層目の圧電体膜の焼成温度に比べて、最終層の圧電体膜の焼成温度を高くすればよい。ここで、圧電体層７０は、焼成温度が高くなると（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅は小さくなる傾向があるからである。ただし、１層目の圧電体膜の焼成温度と、最終層の圧電体膜の焼成温度との差は１００℃以下とするのが好ましい。１層目の圧電体膜の焼成温度と、最終層の圧電体膜の焼成温度との差が１００℃よりも高いと、最終層の焼成時に１層目の圧電体膜の半価幅も変化してしまい、第１電極６０側の半価幅と第２電極８０側の半価幅との差が少なくなってしまうからである。ちなみに、第２電極８０側の圧電体膜を焼成した際に、第１電極６０側の圧電体膜も同時に加熱されて半価幅が小さくなったとしても、両者には差が生じるため特に問題はない。なお、上述した例では、焼成工程時の温度について説明したが、温度だけではなく、所定温度で加熱する時間についても同様のことが言える。すなわち、圧電体層７０は、焼成時間が長くなれば半価幅は小さく、焼成時間が短ければ半価幅は大きくなる傾向を有する。
【００３２】
また、圧電体層７０を形成する際のゾルの組成を変更することでも、半価幅を調整することができる。具体的には、圧電体層７０を形成するゾルに添加するマンガン（Ｍｎ）やニッケル（Ｎｉ）の添加量を調整することで半価幅を調整することができる。ここで、図４に、添加物の添加量と半価幅との測定結果を示す。なお、図４に示す例では、各サンプルの焼成工程を７００℃で３０分の同一条件で行った。
【００３３】
図４に示すように、添加するマンガン（Ｍｎ）の添加量に比例して半価幅は小さくなる。また、添加するニッケル（Ｎｉ）の添加量に比例して半価幅は大きくなる。このことから、マンガンを添加して本実施形態の圧電体層７０を形成する場合には、第１電極６０側でマンガンの添加量を少なくするか添加しないようにし、第２電極８０側ではマンガンの添加量を多くする。同様に、ニッケルを添加して本実施形態の圧電体層７０を形成するには、第１電極６０側でニッケルの添加量を多くし、第２電極８０側でニッケルの添加量を小さくするか添加しないようにする。もちろん、マンガンやニッケルの添加を複合的に用いても良い。
【００３４】
このように、圧電体層７０に添加される添加量を調整することでも、（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を調整して、本実施形態の圧電体層７０を形成することができる。
【００３５】
ここで、焼成温度や添加物の添加量の異なる複数の圧電素子３００を用意し、１層目の圧電体層７０を焼成した後と、１２層目（最終層）の圧電体層７０を焼成した後とで、各圧電体層７０をＸ線回折広角法（ＸＲＤ）によって測定した。なお、本実施形態のＸ線回折広角法では、Ｘ線回折装置（ＧＸＲ３００；株式会社リガク社製）を用いて、光源がＣｕ−Ｋα、主波長が１．５４１８３８Å、スキャンスピードが２度／分、スキャン時のθの刻み（分解能）が０．０２度の条件で測定した。
【００３６】
また、各圧電素子３００を繰り返し駆動した際のクラックの発生の有無を測定した。これらの結果を図５に示す。なお、図５では、各圧電素子３００の１層目の（１００）面の半価幅と１２層目（最終層）の（１００）面の半価幅との差と、クラックの発生の有無とを表している。
【００３７】
図５に示すように、１層目の圧電体層７０、すなわち、第１電極６０側の圧電体層７０と、１２層目（最終層）、すなわち、第２電極８０側の圧電体層７０と、において、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面の半価幅を、第１電極６０側の半価幅よりも狭くすることで、クラックの発生を抑えることができる。また、半価幅の差と、クラックの発生率とは、相関係数が約０．５４であることから両者には相関がある。
【００３８】
したがって、上述したように、圧電体層７０の第２電極８０側の（１００）面に由来するＸ線回折強度分布の回折ピークの半価幅を、第１電極６０側よりも狭くすることで、クラックの発生を抑制して、信頼性の高い圧電素子３００を得ることができる。
【００３９】
なお、上述のように、圧電体層７０のクラックを抑制するのは、圧電体層７０の第１電極６０側と第２電極８０側との変位量の差と、流路形成基板１０による拘束領域との関係に基づいて内部応力の影響を抑制したためであると考えられる。したがって、圧電体層７０は、第１電極６０側から第２電極８０側に向かって徐々に段階的に（１００）面の半価幅が狭くなるのが好ましい。
【００４０】
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、絶縁体膜５５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。
【００４１】
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、絶縁体膜５５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、絶縁体膜５５等）にマニホールドと各圧力発生室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。
【００４２】
保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、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。なお、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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１２０が固定されている。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、貫通孔３３を挿通させた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。
【００４５】
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と同一材料の面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４６】
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、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムからなり、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、金属等の硬質の材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等で形成される。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。
【００４７】
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、絶縁体膜５５、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。
【００４８】
そして、本実施形態では、繰り返し駆動してもクラック等の破壊を抑制した圧電体層７０を有する圧電素子３００を有するインクジェット式記録ヘッドＩとすることで、耐久性が高く信頼性の高いインクジェット式記録ヘッドＩを実現することができる。
【００４９】
（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１では、特に圧電素子３００を覆う保護膜等を設けていないが、圧電素子３００を覆う耐湿度性の保護膜等を設けるようにしても同様である。
【００５０】
また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩ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インクジェット式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６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００５１】
図６に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、複数のインクジェット式記録ヘッドＩを有するインクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、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、このインクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、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。このインクジェット式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。
【００５２】
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、インクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、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。
【００５３】
また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（インクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態においては、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、広く液体噴射ヘッド及び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ヘッドや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。
【００５５】
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
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、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、
該流路形成基板上に設けられた第１電極、該第１電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧電素子と、を具備し、
前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、
前記第２電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記圧電体層は、鉛、チタン及びジルコニアを含むことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体層は、前記第１電極側から前記第２電極側に向かって、（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、徐々に漸小していることを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
【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具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項５】
第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、
前記第２電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする圧電素子。
【請求項１】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、
該流路形成基板上に設けられた第１電極、該第１電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層上に設けられた第２電極を有する圧電素子と、を具備し、
前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、
前記第２電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の前記圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記圧電体層は、鉛、チタン及びジルコニアを含むことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体層は、前記第１電極側から前記第２電極側に向かって、（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、徐々に漸小していることを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
【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具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項５】
第１電極と、該第１電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備し、
前記圧電体層が、（１００）配向のペロブスカイト構造を有し、
前記第２電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅が、前記第１電極側の当該圧電体層の（１００）配向に対応するＸ線回折強度分布の半価幅よりも狭いことを特徴とする圧電素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２４２３３（Ｐ２０１２−１２４２３３Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７２００５（Ｐ２０１０−２７２００５）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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