JP5329820B2

JP5329820B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP5329820B2
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Inventors: 靖和二瓶
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Description

本発明は、液体が貯留される液体貯留室及び液体貯留室から外部に液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置に関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、この圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッド等の液体吐出装置に搭載されるアクチュエータ等として使用されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系等のペロブスカイト型酸化物が知られている。かかる材料は電界無印加時において自発分極性を有する強誘電体である。

図７に示すように、従来のインクジェット式記録ヘッドは例えば、インクが貯留されるインク室（液体貯留室）２２１を有するインクノズル（液体貯留吐出部材）２２０上に、振動板２３０を介して、下部電極２１１と圧電体２１３と上部電極２１４とを順次備えた圧電素子２１０が形成された構造を有している。

図示するように、圧電素子の圧電変形によりインク室を加圧してインクノズルからインクを吐出する際には、圧電素子の周縁部はインクノズルに拘束され、圧電素子の中央部がインク室側に若干撓んだ状態となる。この状態では、圧電体の周縁部（図中○で囲む領域）に応力がかかりやすい。そのため、長期使用後繰り返し変位駆動によって、圧電体の応力が強くかかる部分とそうでない部分との間にクラックが発生するなどの機械的耐久性の問題が生じる恐れがある。本明細書においては、このクラック等が発生して耐久性に問題が生じる臨界応力全般を広く「破壊応力」と称している（本明細書で言う「破壊応力」は、いわゆる材料物性としての狭義の破壊応力（破壊靭性）には限られない）。

上記対策としては、圧電体をインク室よりも小さい面積で形成して、圧電体がインクノズルに拘束される部分をなくすことが考えられる。この場合、薄い振動板だけで圧電素子を支えることになるので、振動板の長期耐久性に問題が生じる恐れがあり、好ましくない。

特許文献１には、アモルファス構造の圧電体を備えた超音波アクチュエータが記載されている。アモルファス構造は結晶粒界がなく機械的耐久性に優れる。

圧電歪には、
（１）自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する通常の電界誘起圧電歪、
（２）電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非１８０°回転することで生じる圧電歪、
（３）電界印加強度の増減によって結晶を相転移させ、相転移による体積変化を利用する圧電歪、
（４）電界印加により相転移する特性を有する材料を用い、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有する強誘電体相を含む結晶配向構造とすることで、より大きな歪が得られるエンジニアードドメイン効果を利用する圧電歪（エンジニアードドメイン効果を利用する場合には、相転移が起こる条件で駆動してもよいし、相転移が起こらない範囲で駆動してもよい）などが挙げられる。

上記の圧電歪（１）〜（４）を単独で又は組み合わせて利用することで、所望の圧電歪が得られる。また、上記の圧電歪（１）〜（４）はいずれも、それぞれの歪発生の原理に応じた結晶配向構造とすることで、より大きな圧電歪が得られる。したがって、高い圧電性能を得るには、圧電体は結晶配向性を有することが好ましい。

特許文献２には、圧電材料を用いてアモルファス膜を成膜した後、該膜のインク室上に位置する部分のみを選択的にレーザアニールにより多結晶化することが提案されている。
特開平5-30763号公報特開2005-349714号公報

特許文献２に記載の方法によれば、応力のかかりやすい圧電体の周縁部はアモルファス構造のまま残し、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体のインク室上に位置する主要部を多結晶構造とすることができる。しかしながら、一旦アモルファス構造を経由してから多結晶化する手法では、高い結晶配向性を得ることが難しく、高い圧電性能を得ることが難しい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電体の機械的耐久性と圧電性能とが良好な液体吐出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の液体吐出装置は、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電体は、少なくとも前記液体貯留室の壁面位置より外側部分を含む周縁部とその他の部分である主要部とが異なる下地上に形成されたものであり、かつ、前記周縁部の破壊応力が前記主要部の破壊応力よりも大きい特性を有するものであることを特徴とするものである。

周縁部と主要部とが異なる下地上に形成された圧電体を有する液体吐出装置１と、周縁部と主要部とが同一の下地上に形成された圧電体を有し、かつその他の条件は同一である液体吐出装置２とを比較した場合に（但し、液体吐出装置２の周縁部及び主要部の下地は液体吐出装置１の周縁部又は主要部の下地と同一とする。）、後記実施例記載の駆動耐久性試験による破壊応力が液体吐出装置１の方が大きいときに、周縁部の破壊応力は主要部の破壊応力よりも大きいと言える。

本発明の第２の液体吐出装置は、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電体は、少なくとも前記液体貯留室の壁面位置より外側部分を含む周縁部とその他の部分である主要部とが異なる下地上に形成されたものであり、かつ、前記周縁部のヤング率が前記主要部のヤング率よりも小さい特性を有するものであることを特徴とするものである。

周縁部と主要部のヤング率をそれぞれ測定する方法として、圧子を押し込み、その除荷課程での荷重−深さ曲線の傾きを使用して算出する手法が挙げられる。被評価部分のヤング率をＥとした場合、下記の式からＥが算出される。
E=(1-V²)/（1/Er-(1-Vi²)/Ei)
（式中、V：試料のポアソン比、
Ei：圧子のヤング率、
Vi：圧子のポアソン比、
1/Er=2・A0.5/S/π0.5、
S：除荷開始時の傾き、
A：弾性接触投影面積）

本発明の第３の液体吐出装置は、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電体は、少なくとも前記液体貯留室の壁面位置より外側部分を含む周縁部とその他の部分である主要部とが異なる下地上に形成されたものであり、かつ、前記周縁部の平均結晶粒径が前記主要部の平均結晶粒径よりも小さい特性を有するものであることを特徴とするものである。

本発明の第３の液体吐出装置において、周縁部はアモルファス構造でもよいし、主要部の平均結晶粒径よりも小さい平均結晶粒径を有する多結晶構造でもよい。アモルファス構造では、平均結晶粒径をゼロとみなす。
本明細書において、「平均結晶粒径」はＳＥＭ断面を観察し、ランダムに１００個以上の結晶粒を選択して、その平均から求めるものとする。

本発明の第１〜第３の液体吐出装置において、前記周縁部がアモルファス構造であり、前記主要部が多結晶構造であることが好ましい。

本発明の第１〜第３の液体吐出装置の好ましい態様としては、前記下部電極が前記圧電体の前記周縁部の領域を除く部分にパターン形成された態様が挙げられる。
かかる態様では、前記圧電体の前記周縁部の下地がアモルファス構造又はランダム多結晶構造を有する構造、若しくは、前記圧電体の前記周縁部の下地がＳｉ及び／又はＳｉ含有化合物を含み、かつ、前記圧電体がＰｂ含有化合物を含む構造が好ましい。

圧電素子を形成する基板自体を加工して振動板及び液体貯留吐出部材を形成する場合と、振動板及び液体貯留吐出部材とは別材の基板に圧電素子を形成する場合とがある。前者の場合には下地は振動板であり、後者の場合には下地は振動板及び液体貯留吐出部材とは別材の基板である。

本発明の第１〜第３の液体吐出装置の他の好ましい態様として、前記圧電体の前記周縁部の下地として、前記圧電体の前記周縁部の平均結晶粒径が前記主要部の平均結晶粒径よりも小さくなるよう制御する結晶粒径制御層が形成された態様が挙げられる。
かかる態様では、前記結晶粒径制御層がアモルファス層又はランダム多結晶層である構造、前記結晶粒径制御層がＳｉ及び／又はＳｉ含有化合物を含む層であり、かつ、前記圧電体がＰｂ含有化合物を含む構造、若しくは、前記結晶粒径制御層が前記下部電極よりも小さい熱伝導度を有する層である構造が好ましい。

本発明の第４の液体吐出装置は、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電体は、少なくとも前記液体貯留室の壁面位置より外側部分を含む周縁部とその他の部分である主要部とが異なる下地上に形成されたものであり、かつ、前記周縁部が前記主要部よりもヤング率の小さい組成を有するものであることを特徴とするものである。

「周縁部と主要部のヤング率」は、それぞれの組成のバルク材料のヤング率でもって、規定するものとする。

本発明の液体吐出装置では、圧電体において、液体貯留吐出部材によって拘束されて応力がかかりやすい周縁部（少なくとも液体貯留室の壁面位置より外側部分を含む部分）の破壊応力が、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部の破壊応力よりも大きい構成となっている。例えば、圧電体の周縁部の平均結晶粒径が主要部の平均結晶粒径よりも小さい構成、あるいは圧電体の周縁部が主要部よりもヤング率の小さい組成を有する構成とすることで、周縁部の破壊応力を主要部の破壊応力よりも大きくすることができる。

本発明の液体吐出装置ではまた、周縁部と主要部とを異なる下地上に形成する構成としているので、同一プロセスにより、異なる特性の周縁部と主要部とからなる圧電体を形成することができる。本発明の液体吐出装置では、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部を、特許文献２に記載の方法のようにアモルファス構造を経ることなく形成でき、その結晶配向性を良好なものとすることができる。
したがって、本発明によれば、圧電体の機械的耐久性と圧電性能とが良好な液体吐出装置を提供することができる。

「インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の第１実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第１実施形態のインクジェット式記録ヘッドの構成について、説明する。図１はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）１は、インクが貯留されるインク室（液体貯留室）２１及びインク室２１から外部にインクが吐出されるインク吐出口（液体吐出口）２２を有するインクノズル（液体貯留吐出部材）２０上に、振動板３０を介して、下部電極１１と圧電体１３と上部電極１４とを順次備えた圧電素子１０が形成されたものである。

インクジェット式記録ヘッド１では、圧電体１３に対して、下部電極１１と上部電極１４とにより厚み方向に電界が印加される。そして、圧電素子１０に印加する電界強度を増減させて圧電素子１０を伸縮させ、これによってインク室２１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１は、基板の裏面側をドライエッチング若しくはウエットエッチングしてオープンプール構造のインク室２１を形成し、基板自体の加工によりインクノズル２０と振動板３０とを形成してから、基板の表面側に圧電素子１０を形成して、製造されたものである。基板の表面側に圧電素子１０を形成してから、基板を加工してインクノズル２０と振動板３０とを形成しても構わない。

インクノズル２０と振動板３０とは一体でもよいし、別体でもよい。また、基板自体の加工によりインクノズル２０と振動板３０とを形成する代わりに、基板の表面に圧電素子１０を形成した後、基板の裏面側にインクノズル２０と振動板３０とを別途取り付けてもよい。

上記基板としては特に制限なく、シリコン，ガラス，ステンレス（ＳＵＳ），イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ），アルミナ，サファイヤ，及びシリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板としては、シリコン基板上にＳｉＯ_２膜とＳｉ活性層とが順次積層されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。

下部電極１１の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ_２，ＲｕＯ_２，ＬａＮｉＯ_３，及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。上部電極１４の主成分としては特に制限なく、下部電極１１で例示した材料，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極１１と上部電極１４の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。

本実施形態において、圧電体１３はスパッタ法等の気相成長法により成膜された圧電体膜である。圧電体１３の膜厚は特に制限なく、１０ｎｍ〜１００μｍが好ましく、１００ｎｍ〜２０μｍがより好ましい。

圧電体１３は１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物により構成されている（不可避不純物を含んでいてもよい）。圧電体１３は、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなることが好ましい。
一般式ＡＢＯ_３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素元素、
Ａサイト元素の総モル数及びＢサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１：３からずれてもよい。）

上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、
チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。

本実施形態において、圧電体１３は、少なくともインク室２１の壁面２１Ｗの位置Ｗより外側部分を含む周縁部１３Ａの平均結晶粒径がその他の部分である主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さい特性を有している。圧電体１３の周縁部１３Ａはインクノズル２０によって拘束されて応力がかかりやすい部分であり、主要部１３Ｂは圧電変形が良好に起らなければならない部分である。

圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部１３Ｂはペロブスカイト多結晶構造を有する必要があり、良好な圧電性能を呈するために、主要部１３Ｂは高い結晶配向性を有することが好ましい。周縁部１３Ａはアモルファス構造（パイロクロア構造）でもよいし、主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さい平均結晶粒径を有する多結晶構造でもよい。アモルファス構造では、平均結晶粒径をゼロとみなす。

本実施形態では、周縁部１３Ａの下地と主要部１３Ｂの下地とを変えることで、同一プロセスにより、異なる特性の周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとからなる圧電体１３が形成されている。
具体的には、本実施形態において、下部電極１１は圧電体１３の周縁部１３Ａの領域を除く部分にパターン形成されている。すなわち、圧電体１３の周縁部１３Ａの下地は振動板３０であり、主要部１３Ｂの下地は下部電極１１である。

圧電体１３の成膜温度等の成膜条件は、圧電体の主要部１３Ｂが高結晶配向度のペロブスカイト多結晶構造となる条件とする。下部電極１１としては、その上に結晶配向性の高い圧電体１３を形成できることから、結晶配向性を有するものが好ましい。

周縁部１３Ａの平均結晶粒径を相対的に小さくするには、例えば、圧電素子１０の基板として、アモルファス構造又はランダム多結晶構造の基板（組成は任意）を用いる構成とすればよい。この場合、周縁部１３Ａの下地がアモルファス構造又はランダム多結晶構造となるので、圧電体１３の組成に関係なく、周縁部１３Ａでは、下地の影響を受けて成膜初期に結晶性の低い層が形成される。圧電体１３の成膜では、成膜初期の結晶構造が重要であり、成膜初期の結晶性が低いと、全体的に結晶性の低いものが生成される。したがって、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとを同一プロセスで形成しても、周縁部１３Ａの平均結晶粒径を主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さくすることができ、周縁部１３Ａをアモルファス構造とすることもできる。結晶粒界が少ない方が機械的強度は高い。したがって、かかる構成では、周縁部１３Ａのヤング率が主要部１３Ｂのヤング率よりも小さい圧電体１３、すなわち周縁部１３Ａの破壊応力が主要部１３Ｂの破壊応力よりも大きい圧電体１３を形成することができる。

アモルファス構造の基板としては、カーボン及びガラス（ＳｉＯ_２）等の基板が挙げられる。ランダム多結晶構造の基板としては、ＺｒＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，及びＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックス基板が挙げられる。

圧電素子１０の基板としてＳｉ単結晶基板あるいはＳＯＩ基板を用いる場合、周縁部１３Ａの下地はＳｉ単結晶となる。このように周縁部１３Ａの下地がＳｉを含み、かつ、圧電体１３がＰＺＴ等のＰｂ含有化合物を含む場合、圧電体１３の成膜を開始した瞬間に、周縁部１３Ａの領域では、Ｐｂイオンと基板のＳｉとの反応によりアモルファスのＰｂガラス層が生成される。条件にもよるが、１〜数μｍ厚程度のＰｂガラス層が生成される。

圧電体１３の成膜では、成膜初期の結晶構造が重要であり、成膜初期の結晶性が低いと、全体的に結晶性の低いものが生成される。したがって、かかる構成でも、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとを同一プロセスで形成しても、周縁部１３Ａの平均結晶粒径を主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さくすることができ、周縁部１３Ａをアモルファス構造とすることもできる。結晶粒界が少ない方が機械的強度は高い。また、Ｐｂガラスは一般的な圧電材料よりもヤング率が小さく、機械的強度が高い。かかる構成でも、周縁部１３Ａの破壊応力が主要部１３Ｂの破壊応力よりも大きい圧電体１３を形成することができる。

Ｐｂガラス層の生成は、周縁部１３Ａの下地がＳｉ及び／又はＳｉ含有化合物を含み、かつ、圧電体１３がＰｂ含有化合物を含む組合せであれば起こる。Ｓｉ含有化合物としては、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，及びＳｉＯ_２等が挙げられる。かかる組合せであれば、周縁部１３ＡではＰｂガラス層が生成されるので、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとは、同じターゲットを用いても、Ｐｂ量の若干異なる組成となる。

周縁部１３Ａは、少なくともインク室２１の壁面位置Ｗより外側部分を含む部分であることを述べた。本発明者は、圧電体１３において、インク室２１の壁面位置Ｗに最も応力がかかりやすいことを見出している。したがって、少なくともインク室２１の壁面位置Ｗより外側部分を含む周縁部１３Ａの機械的強度を高めることで、圧電体１３の機械的耐久性を高めることができる。

機械的強度を高める周縁部１３Ａは、インク室２１の壁面位置Ｗよりも若干内側部分まで含まれるようにすることが好ましい。ただし、圧電変形が良好に起らなければならない主要部１３Ｂの面積は充分に確保する必要がある。具体的には、インク室２１の幅をＬとしたとき、機械的強度を高める周縁部１３Ａの内端位置Ｅは、壁面位置Ｗから壁面位置Ｗより０．２×Ｌ内側の位置までの範囲内に設定することが好ましい。

上部電極１４は、少なくとも圧電体の主要部１３Ｂ上に形成すればよく、圧電体の周縁部１３Ａ上に形成しても構わない。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１は、以上のように構成されている。
本実施形態において、圧電体１３は、インクノズル２０によって拘束されて応力がかかりやすい周縁部（少なくともインク室２１の壁面位置Ｗより外側部分を含む部分）１３Ａの平均結晶粒径が、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さく、周縁部１３Ａの破壊応力が主要部１３Ｂの破壊応力よりも大きい構成となっている。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１は、駆動時の最大変位が大きい、あるいは高周波で高速駆動するなどの圧電体１３にとって負荷のかかりやすい駆動条件においても、良好な機械的耐久性を有するものとなる。

また、インクジェット式記録ヘッド１では、インク室２１の高密度化が進められており、互いに隣接する圧電体１３の間隔が狭くなってきている。圧電体１３の周縁部１３Ａの機械的強度が向上された本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１では、隣接する圧電体１３同士間の振動伝達が低減されるため、駆動時のクロストーク低減という効果も得られる。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１ではまた、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとを異なる下地上に形成する構成としているので、同一プロセスにより、異なる特性の周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとからなる圧電体１３を形成することができる。本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１では、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部１３Ｂを、特許文献２に記載の方法のようにアモルファス構造を経ることなく形成でき、その結晶配向性を良好なものとすることができる。
したがって、本実施形態によれば、圧電体１３の機械的耐久性と圧電性能とが良好なインクジェット式記録ヘッド１を提供することができる。

「インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の第２実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第２実施形態のインクジェット式記録ヘッドの構成について、説明する。図２は第１実施形態の図１に対応する断面図である。第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）２は、基本構成は第１実施形態と同様であるが、下部電極１１がベタ電極であり、この下部電極１１上に圧電体１３の周縁部１３Ａの下地として、圧電体１３の周縁部１３Ａの平均結晶粒径が主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さくなるよう制御する結晶粒径制御層１２が形成されたものである。下部電極１１は第１実施形態と同様に、圧電体１３の周縁部１３Ａの領域を除く部分にパターン形成してもよい。

結晶粒径制御層１２としては、アモルファス層又はランダム多結晶層を用いることができる。アモルファス構造の結晶粒径制御層１２としては、カーボン；ガラス（ＳｉＯ_２）及びＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等のアモルファス酸化物；アモルファス金属等の層が挙げられる。ランダム多結晶構造の結晶粒径制御層１２としては、ＺｒＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，及びＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックス層が挙げられる。

アモルファス構造又はランダム多結晶構造の結晶粒径制御層１２の上に結晶性の低い圧電体が生成されることは、第１実施形態において、圧電素子の基板として、アモルファス構造又はランダム多結晶構造の基板を用い、これを下地として圧電体を形成する場合と、理由は同様である。

圧電体１３がＰｂ含有化合物を含む場合には、結晶粒径制御層１２として、Ｓｉ及び／又はＳｉ含有化合物を含む層を用いることもできる。Ｓｉ含有化合物としては、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，及びＳｉＯ_２等が挙げられる。この場合、結晶粒径制御層１２は結晶配向性を有しても有していなくてもよい。かかる構成のときに、結晶粒径制御層１２の上に結晶性の低い圧電体が生成されることは、第１実施形態において、圧電体がＰｂ含有化合物を含むときに、圧電素子の基板としてＳｉ単結晶基板あるいはＳＯＩ基板等の基板を用い、これを下地として圧電体を形成する場合と、理由は同様である。

結晶粒径制御層１２として、下部電極１１よりも小さい熱伝導度を有する層を用いることもできる。下部電極１１よりも小さい熱伝導度を有する層としては、ガラス（ＳｉＯ_２）及び多孔質セラミックス等の層が挙げられる。多孔質セラミックス層としては、ＺｒＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，及びＳｉ_３Ｎ_４等の多孔質セラミックス層が挙げられる。下部電極１１に用いられる金属又は金属酸化物の熱伝導度に対して、ガラス層及び多孔質セラミックス層の熱伝導度は約１桁以上低い値である。多孔質セラミックス層は内部に多数の気孔を有することから、断熱性が高く熱伝導度が低い。

圧電体１３の主要部１３Ｂにおいて良質な結晶が成長する成膜温度に設定して、圧電体１３の成膜を行うが、下部電極１１よりも熱伝導度の小さい結晶粒径制御層１２は設定温度になるのに時間を要する。そのため、下部電極１１は良質な結晶が成長する温度に到達しているが、結晶粒径制御層１２は良質な結晶が成長する温度に到達していない状態で、圧電体１３の成膜を開始することができる。成膜開始時の下部電極１１と結晶粒径制御層１２との温度差を大きくすることができることから、成膜時には基板の急速加熱を行うことが好ましい。

ＰＺＴ系の圧電体１３では、プラズマ等の条件にもよるが、通常４００〜６００℃で良質なペロブスカイト結晶が成長し、４００℃未満でパイロクロア相が生成されてアモルファス構造となる。例えば、下部電極１１の表面温度が５００〜５７０℃であり、結晶粒径制御層１２の表面温度が３５０℃以下の条件で圧電体１３の成膜が開始されると、周縁部１３Ａの成膜初期に結晶性の低い層が形成される。圧電体１３の成膜では、成膜初期の結晶構造が重要であり、成膜初期の結晶性が低いと、全体的に結晶性の低いものが生成される。したがって、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとを同一プロセスで形成しても、周縁部１３Ａの平均結晶粒径を主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さくすることができ、周縁部１３Ａをアモルファス構造とすることもできる。結晶粒界が少ない方が機械的強度は高い。したがって、かかる構成では、周縁部１３Ａの破壊応力が主要部１３Ｂの破壊応力よりも大きい圧電体１３を形成することができる。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド２は、以上のように構成されている。
本実施形態においても、圧電体１３は、インクノズル２０によって拘束されて応力がかかりやすい周縁部１３Ａの平均結晶粒径が、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部１３Ｂの平均結晶粒径よりも小さく、周縁部１３Ａの破壊応力が主要部１３Ｂの破壊応力よりも大きい構成となっている。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド２ではまた、周縁部１３Ａの下地として結晶粒径制御層１２を設けて、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとを異なる下地上に形成する構成としているので、同一プロセスにより、異なる特性の周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとからなる圧電体１３を形成することができる。本実施形態のインクジェット式記録ヘッド２では、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部１３Ｂを、特許文献２に記載の方法のようにアモルファス構造を経ることなく形成でき、その結晶配向性を良好なものとすることができる。
したがって、本実施形態においても、圧電体１３の機械的耐久性と圧電性能とが良好なインクジェット式記録ヘッド２を提供することができる。

「設計変更」
上記第１，第２実施形態において、周縁部１３Ａの平均結晶粒径は、内端側（主要部１３Ｂ側）が大きく外端側が小さく、分布を有していることが好ましい。周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとの間で平均結晶粒径が急激に変化するよりも、平均結晶粒径の変化がなだらかである方が、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとの境界部分にかかる応力が緩和され、好ましい。

例えば、熱伝導度の低い結晶粒径制御層１２を設ける態様では、図３に示すように、結晶粒径制御層１２に主要部１３Ｂ側が相対的に薄く外側が相対的に厚い厚み分布を持たせて、圧電体１３の成膜開始時に結晶粒径制御層１２に温度分布を持たせることで、周縁部１３Ａの平均結晶粒径に分布を持たせることができる。図示する例では、結晶粒径制御層１２の厚みを連続的に変化させているが、その変化は段階的でもよい。他段階リソグラフィやエッチング等の方法を用いることにより、結晶粒径制御層１２に厚み分布を持たせることができる。

また、圧電体１３は、周縁部１３Ａが主要部１３Ｂよりもヤング率の小さい組成を有する構成としてもよい。ヤング率は機械的強度の１つの指標である。例えば、ＰＺＴ系等のＰｂ含有圧電材料では、Ｐｂモル含量が高くなると、結晶粒径が大きくなりヤング率が大きくなる傾向にある。周縁部１３Ａのヤング率は、主要部１３Ｂのヤング率の８０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましい。

圧電体１３の周縁部１３Ａと主要部１３Ｂの組成を変える方法としては、周縁部１３Ａの下地として、第２実施形態の結晶粒径制御層１２の代わりに、周縁部１３Ａの組成を制御する組成制御層を設ける方法が挙げられる。この場合、下部電極１１は第２実施形態と同様にベタ状に形成してもよいし、第１実施形態と同様に圧電体１３の周縁部１３Ａの領域を除く部分にパターン形成してもよい。

組成制御層としては、Ｌａ,Ｎｄ,Ｎｂ,Ｓｂ,Ｂｉ,Ｔａ,Ｗ等の金属又はその酸化物を含むものが挙げられる。かかる組成制御層を下地として圧電体を成膜すると、組成制御層の上記成分がドナーイオンとして圧電体中に拡散添加される。かかるドナーイオンが添加された圧電体１３の周縁部１３Ａのヤング率は添加されていない圧電体１３の主要部１３Ｂのヤング率よりも相対的に低くなる。組成制御層の厚さは数ｎｍ〜数百μｍ程度であり、周縁部１３Ａへのドナードープ量に応じて設計される。

上記方法を採用することで、同一プロセスにより、異なる組成の周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとからなる圧電体１３を形成することができる。かかる構成としても、インクノズル２０によって拘束されて応力がかかりやすい周縁部１３Ａの破壊応力を、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部１３Ｂの破壊応力よりも大きくすることができる。したがって、上記第１，第２実施形態と同様の効果が得られる。

組成制御層を設けて、圧電体１３の周縁部１３Ａと主要部１３Ｂの組成を変える場合も、図３に示した結晶粒径制御層１２と同様に、組成制御層に主要部１３Ｂ側が相対的に薄く外側が相対的に厚い厚み分布を持たせることで（組成制御層の厚み変化は連続的でも段階的でもよい。）、周縁部１３Ａ中の組成及びヤング率の変化をなだらかにすることができる。この場合には、主要部１３Ｂへの横方向のドナーイオンの拡散抑制効果と、周縁部１３Ａと主要部１３Ｂとの境界部分にかかる応力の緩和効果とが得られ、好ましい。

「インクジェット式記録装置」
図４及び図５を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド１を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図４は装置全体図であり、図５は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド１である。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。

ロール紙を使用する装置では、図４のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図４上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図４の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。

吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図５を参照）。各印字ヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。

印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。

本発明に係る実施例について説明する。

（実施例１）
Ｓｉ単結晶基板の裏面側をリアクティブイオンエッチングしてインク室を形成し、基板自体の加工により振動板とインク室及びインク吐出口を有するオープンプール構造のインクノズルとを形成した。振動板の厚みは１０μｍ程度、インク室の厚みは５００μｍ程度、インク室の幅は３００μｍとした。

次に、リフトオフ法により下部電極をパターニングした。具体的には、上記基板の表面に、フォトリソグラフィ法にて、後に形成する圧電体の周縁部の領域にのみフォトレジストをパターン形成した。続いて、スパッタ法にて、２００ｎｍ厚のＴｉ層と５００ｎｍ厚のＩｒ層との積層構造の下部電極をベタ状に成膜し、アセトンに浸漬させてフォトレジストを除去して、後に形成される圧電体の周縁部の領域を除く部分の下部電極のみを残すパターニング実施した。下部電極はインク室の壁面位置から２０μｍ内側の位置より内側部分のみを残した。

次いで、スパッタ法にて、５．０μｍ厚のＰＺＴ（ＰｂＺｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３）圧電体を基板温度５５０℃の条件で成膜した。最後に、圧電体上にＰｔ上部電極をスパッタ法にて１００ｎｍ厚で形成し、本発明のインクジェット式記録ヘッドを得た。

＜ＸＲＤ評価＞
圧電体を成膜した後、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定を実施した。下地が基板である圧電体の周縁部はアモルファス構造であるのに対して、下地が下部電極である圧電体の主要部は（１００）結晶配向の多結晶構造（配向度９０％）であった。
本発明者は別途試験を行い、下部電極をベタ電極とし、室温でスパッタ法にてアモルファス構造のＰＺＴ圧電体を成膜した後、６００℃アニールにより多結晶化したところ、（１００）結晶配向度は７０％以下であった。このことは、本実施例では、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部を、アモルファス構造を経てから結晶化させる特許文献２に記載の方法よりも高配向度の多結晶構造にできることを示している。

＜ＳＥＭ観察＞
圧電体のＳＥＭによる断面観察を実施した。下地が基板である圧電体の周縁部のＳＥＭ断面写真を図６Ａに示し、下地が下部電極である圧電体の主要部のＳＥＭ断面写真を図６Ｂに示す。
図６Ａに示すように、下地がＳｉ基板である圧電体の周縁部の領域では、基板上にＰｂガラス層が形成され、その上にアモルファス構造のＰＺＴ膜が形成されていた。これに対して、図６Ｂに示すように、下地が下部電極である圧電体の主要部の領域では多結晶構造のＰＺＴ膜が形成されていた。

＜駆動耐久性試験＞
圧電体に３０Ｖの電圧を印加した状態で、圧電体に印加する周波数を変化させて圧電体の変位量を変化させた。共振周波数に近づくほど圧電体の変位量が増し、膜にかかる応力が増加する。
下部電極をベタ電極として圧電体の周縁部をアモルファス構造とせず、圧電体全体を結晶配向膜とした場合には、応力３００ＭＰａで圧電体にクラックが生じたが、周縁部をアモルファス構造とした本実施例では応力５００ＭＰａで圧電体にクラックが生じ、耐久性が向上されていた。

（実施例２）
実施例１と同様に、Ｓｉ単結晶基板を用いて、基板自体の加工により振動板とインク室及びインク吐出口を有するオープンプール構造のインクノズルとを形成した。次に、この基板の表面に、スパッタ法にて、２００ｎｍ厚のＴｉ層と５００ｎｍ厚のＩｒ層との積層構造の下部電極をベタ状に成膜した。

次に、スパッタ法及びフォトリソグラフィ法により、後に形成する圧電体の周縁部の領域にのみ、結晶粒径制御層として１．０μｍ厚のＳｉＯ_２アモルファス膜をパターン形成した。結晶粒径制御層の内端位置はインク室の壁面位置から２０μｍ内側の位置とした。

次いで、スパッタ法にて、実施例１と同じターゲットを用いて５．０μｍ厚の圧電体を基板温度５５０℃の条件で成膜した。最後に、圧電体上にＰｔ上部電極をスパッタ法にて１００ｎｍ厚で形成し、本発明のインクジェット式記録ヘッドを得た。

＜ＸＲＤ評価＞
実施例１と同様に、圧電体を成膜した後、ＸＲＤ測定を実施した。下地がＳｉＯ_２アモルファス膜である圧電体の周縁部はアモルファス構造であるのに対して、下地が下部電極である圧電体の主要部は（１００）結晶配向の多結晶構造（配向度９０％）であった。実施例１と同様に、本実施例では、圧電変形が良好に起らなければならない圧電体の主要部を、アモルファス構造を経てから結晶化させる特許文献２に記載の方法よりも高配向度の多結晶構造とすることができた。

＜ＳＥＭ観察＞
圧電体のＳＥＭによる断面観察を実施した。下地がＳｉＯ_２アモルファス膜である圧電体の周縁部はアモルファス構造であるのに対して、下地が下部電極である圧電体の主要部は多結晶構造であった。

＜駆動耐久性試験＞
実施例１と同様に駆動耐久性試験を実施した。結晶粒径制御層を設けずに圧電体の周縁部をアモルファス構造とせず、圧電体全体を結晶配向膜とした場合には、応力３００ＭＰａで圧電体にクラックが生じたが、結晶粒径制御層を設けて周縁部をアモルファス構造とした本実施例では応力５００ＭＰａで圧電体にクラックが生じ、耐久性が向上されていた。

（実施例３）
実施例１と同様に、Ｓｉ単結晶基板を用いて、基板自体の加工により振動板とインク室及びインク吐出口を有するオープンプール構造のインクノズルとを形成した。次に、この基板の表面に、スパッタ法にて、２００ｎｍ厚のＴｉ層と５００ｎｍ厚のＩｒ層との積層構造の下部電極をベタ状に成膜した。

次に、実施例１と同様に、リフトオフ法により、後に形成される圧電体の周縁部の領域を除く部分の下部電極のみを残すパターニング実施した。下部電極はインク室の壁面位置から２０μｍ内側の位置より内側部分のみを残した。

次に、スパッタ法及びフォトリソグラフィ法により、後に形成する圧電体の周縁部の領域にのみ、組成制御層として５００ｎｍ厚のＬａ_２Ｏ_３膜をパターン形成した。組成制御層の内端位置はインク室の壁面位置から２０μｍ内側の位置とした。

＜駆動耐久性試験＞
実施例１と同様に駆動耐久性試験を実施した。組成制御層を設けなかった場合には、応力３００ＭＰａで圧電体にクラックが生じたが、組成制御層を設けた本実施例では応力４５０ＭＰａで圧電体にクラックが生じ、耐久性が向上されていた。

本発明の液体吐出装置は、インクジェット式記録ヘッド等として好ましく利用することができる。

本発明に係る第１実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造を示す断面図本発明に係る第２実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造を示す断面図図２の設計変更例図１のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図図４のインクジェット式記録装置の部分上面図実施例１のＳＥＭ断面写真（下地が基板である圧電体の周縁部）実施例１のＳＥＭ断面写真（下地が下部電極である圧電体の主要部）従来のインクジェット式記録ヘッドの構成とその課題を説明する図

符号の説明

１，２インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）
１０圧電素子
１１下部電極
１２結晶粒径制御層
１３圧電体
１３Ａ周縁部
１３Ｂ主要部
１４上部電極
２０インクノズル（液体貯留吐出部材）
２１インク室（液体貯留室）
２１Ｗ壁面
２２インク吐出口（液体吐出口）
１００インクジェット式記録装置
Ｗインク室の壁面位置

Claims

液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材上に、振動板を介して、下部電極と圧電体と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成された液体吐出装置において、
前記圧電体は、少なくとも前記液体貯留室の壁面位置より外側部分を含む周縁部とその他の部分である主要部とが異なる下地上に形成されてなり、
前記周縁部の前記下地が、前記圧電体の成膜時に前記周縁部にドナーイオンとして拡散添加される成分を含む組成制御層であり、
前記ドナーイオンが拡散添加されてなる前記周縁部が前記主要部よりもヤング率が小さいことを特徴とする液体吐出装置。
前記組成制御層の厚みは、内側から外側に向かって厚くなる厚み分布を有することを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
前記組成制御層の厚み変化が連続的であることを特徴とする請求項２記載の液体吐出装置。
前記ドナーイオンが、Ｌａ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｔａ，及びＷのうち少なくとも1種の金属又はその酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の液体吐出装置。
前記圧電体がPb含有圧電材料であり、前記周縁部が前記主要部よりもPbモル含量が小さい組成を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の液体吐出装置。