特許 7600625 液体吐出ヘッドおよびアクチュエーター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】液体吐出ヘッドおよびアクチュエーター

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/14 20060101AFI20241210BHJP

   H10N 30/079 20230101ALI20241210BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20241210BHJP

   H10N 30/853 20230101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 305

B41J2/14 613

H10N30/079

H10N30/20

H10N30/853

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020182868

(22)【出願日】2020-10-30

(65)【公開番号】P2022073090

(43)【公開日】2022-05-17

【審査請求日】2023-08-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】北田 和也

【審査官】中村 博之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０３７９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０８４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５４０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８１２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１６２７７９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ４１Ｊ ２／０１－２／２１５

Ｈ１０Ｎ ３０／０７９

Ｈ１０Ｎ ３０／２０

Ｈ１０Ｎ ３０／８５３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に並ぶ複数の圧力室を有する圧力室基板と、
前記圧力室基板よりも前記第１方向と交差する第２方向に配置された振動板と、
前記振動板よりも前記第２方向に配置された第１電極と、
前記第１電極よりも前記第２方向に配置された圧電体層と、
前記第１電極よりも前記第２方向に配置された第２電極と、
前記圧電体層と前記振動板との間に位置し、前記圧電体層の配向を制御するためのシー
ド層と、を有する液体吐出ヘッドであって、
前記圧電体層は、前記第１方向で前記第１電極と重ならない第１領域と、前記第１方向
で前記第１電極と重なる第２領域と、を有し、
前記圧電体層をＸ線回折法により解析したとき、前記第１領域は、第１面方位に優先配
向し、前記第２領域は、前記第１面方位に優先配向し、
前記シード層は、前記第１領域と前記第２領域との両方に対応して配置され、
前記シード層の前記第１領域と対応する部分は、前記シード層の前記第２領域と対応す
る部分よりも厚いことを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項2】

前記第１面方位は、（１００）面であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘ
ッド。

【請求項3】

前記圧電体層をＸ線回折法により解析したときの前記第１面方位への配向の度合いを示
すロットゲーリングファクターは、前記第１領域および前記第２領域のそれぞれで０．６
以上１．０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項4】

前記ロットゲーリングファクターは、前記第１領域および前記第２領域のそれぞれで０
．８以上１．０以下であることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項5】

前記圧電体層は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であることを特徴とする請求
項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項6】

前記圧電体層は、少なくともＰｂ、ＺｒおおびＴｉを含むことを特徴とする請求項１か
ら５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項7】

前記第１電極は、ＰｔまたはＩｒのいずれかを含むことを特徴とする請求項１から６の
いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項8】

前記振動板のうちの前記第１方向の端部は、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｉのいずれかを含むこ
とを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項9】

前記圧電体層は、前記第１領域で平均結晶粒が２．０μｍ以下であり、前記第２領域で
平均結晶粒が２．０以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の
液体吐出ヘッド。

【請求項10】

前記第１電極は、前記複数の圧力室に対して個別に配置され、
前記第２電極は、前記複数の圧力室に対して共通に配置されることを特徴とする請求項
１から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項11】

前記第２電極は、前記圧電体層の前記第２方向の面の周囲を覆うようにして配置される
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項12】

前記シード層は、前記第１電極の前記第２方向の面の周囲を覆うようにして配置されて
いることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項13】

前記シード層は、Ｂｉ、Ｐｂ、ＦｅおよびＴｉのすべてを含むことを特徴とする請求項
１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項14】

第１方向に並ぶ複数の圧力室を有する圧力室基板と、
前記圧力室基板よりも前記第１方向と交差する第２方向に配置された振動板と、
前記振動板よりも前記第２方向に配置された第１電極と、
前記第１電極よりも前記第２方向に配置された圧電体層と、
前記第１電極よりも前記第２方向に配置された第２電極と、
前記圧電体層と前記振動板との間に位置し、前記圧電体層の配向を制御するためのシー
ド層と、を有するアクチュエーターであって、
前記圧電体層は、前記第１方向で前記第１電極と重ならない第１領域と、前記第１方向
で前記第１電極と重なる第２領域と、を有し、
前記圧電体層をＸ線回折法により解析したとき、前記第１領域は、第１面方位に優先配
向し、前記第２領域は、前記第１面方位に優先配向し、
前記シード層は、前記第１領域と前記第２領域との両方に対応して配置され、
前記シード層の前記第１領域と対応する部分は、前記シード層の前記第２領域と対応す
る部分よりも厚いことを特徴とするアクチュエーター。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体吐出ヘッドおよびアクチュエーターに関する。

【背景技術】

【0002】

圧力室を有する振動板を圧電素子により振動させることで、当該圧力室に充填された液体をノズルから吐出する液体吐出ヘッドが従来から提案されている。

【0003】

特許文献１に記載の圧電素子は、下部電極、圧電薄膜および上部電極を有する。下部電極上には、圧電薄膜の面方位を所望の配向にするためのシード層が配置される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－２３８７７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば、特許文献１のように下電極上にシード層を配置した場合、圧電体層の下電極と重なる領域は、シード層が存在することにより所望の面方位を有するが、圧電体層の下電極と重ならない領域はシード層が存在しないために無配向になってしまう。したがって、圧電体層の下電極と重なる領域と、圧電体層の下電極と重ならない領域とで、結晶の面方位が異なってしまう。圧電体層の下電極と重なる領域と下電極と重ならない領域とで面方位が異なると、これらの領域で熱膨張係数等の物性が互いに異なってしまう。この結果、これらの領域の間でクラック等が生じ、吐出性能や耐久性能が低下するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る液体吐出ヘッドは、第１方向に並ぶ複数の圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室基板よりも前記第１方向と交差する第２方向に配置された振動板と、前記振動板よりも前記第２方向に配置された第１電極と、前記第１電極よりも前記第２方向に配置された圧電体層と、前記第１電極よりも前記第２方向に配置された第２電極と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記圧電体層は、前記第１方向で前記第１電極と重ならない第１領域と、前記第１方向で前記第１電極と重なる第２領域と、を有し、前記圧電体層をＸ線回折法により解析したとき、前記第１領域は、第１面方位に優先配向し、前記第２領域は、前記第１面方位に優先配向する。

【0007】

本発明の好適な態様に係るアクチュエーターは、第１方向に並ぶ複数の圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室基板よりも前記第１方向と交差する第２方向に配置された振動板と、前記振動板よりも前記第２方向に配置された第１電極と、前記第１電極よりも前記第２方向に配置された圧電体層と、前記第１電極よりも前記第２方向に配置された第２電極と、を有するアクチュエーターであって、前記圧電体層は、前記第１方向で前記第１電極と重ならない第１領域と、前記第１方向で前記第１電極と重なる第２領域と、を有し、前記圧電体層をＸ線回折法により解析したとき、前記第１領域は、第１面方位に優先配向し、前記第２領域は、前記第１面方位に優先配向する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る液体吐出装置の構成を例示する概略図である。

【図2】液体吐出ヘッドの分解斜視図である。

【図3】液体吐出ヘッドの断面図である。

【図4】アクチュエーターの一部を示す平面図である。

【図5】図３におけるｂ－ｂ線の断面図である。

【図6】第２領域におけるＸＲＤの結果を示す図である。

【図7】第１領域におけるＸＲＤの結果を示す図である。

【図8】第２実施形態におけるアクチュエーターの一部を示す断面図である。

【図9】変形例におけるアクチュエーターの一部を示す断面図である。

【図10】変形例におけるアクチュエーターの一部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

１．第１実施形態
１－１．液体吐出装置１００の全体構成
図１は、第１実施形態に係る液体吐出装置１００を例示する構成図である。なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜用いて説明する。

【0010】

第１実施形態の液体吐出装置１００は、液体の例示であるインクを媒体１２に吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用される。図１に示すように、液体吐出装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。例えば液体吐出装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、または、インクを補充可能なインクタンクが、液体容器１４として利用される。

【0011】

図１に示すように、液体吐出装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体吐出ヘッド２６とを備える。制御ユニット２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の１または複数の処理回路と半導体メモリー等の１または複数の記憶回路とを含み、液体吐出装置１００の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ軸に沿って搬送する。

【0012】

移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体吐出ヘッド２６をＸ軸に沿って往復させる。移動機構２４は、液体吐出ヘッド２６を収容する略箱型の搬送体２４２と、搬送体２４２が固定された搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体吐出ヘッド２６を搬送体２４２に搭載した構成、または、液体容器１４を液体吐出ヘッド２６とともに搬送体２４２に搭載した構成も採用され得る。

【0013】

液体吐出ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズルから媒体１２に吐出する。搬送機構２２による媒体１２の搬送と搬送体２４２の反復的な往復とに並行して各液体吐出ヘッド２６が媒体１２にインクを吐出することで、媒体１２の表面に画像が形成される。

【0014】

１－２．液体吐出ヘッド２６の全体構成
図２は、液体吐出ヘッド２６の分解斜視図である。図３は、図２おけるａ－ａ線の断面図である。図３に図示された断面は、Ｘ－Ｚ平面に平行な断面である。Ｚ軸は、液体吐出ヘッド２６によるインクの吐出方向に沿う軸線である。また、Ｘ軸に沿う一方向をＸ１方向と表記し、Ｘ１方向とは反対の方向をＸ２方向と表記する。同様に、Ｙ軸に沿う一方向をＹ１方向と表記し、Ｙ１方向とは反対の方向をＹ２方向と表記する。Ｚ軸に沿う一方向をＺ１方向と表記し、Ｚ１方向とは反対の方向をＺ２方向と表記する。また、以下では、Ｚ１方向またはＺ２方向に見ることを「平面視」とする。また、例えばＹ１方向は「第１方向」に相当する。Ｚ２方向は、第１方向と交差する「第２方向」に相当する。なお、Ｙ２方向を「第１方向」として捉えてもよい。

【0015】

図２に示すように、液体吐出ヘッド２６は、Ｙ軸に沿って配列された複数のノズルＮを具備する。第１実施形態の複数のノズルＮは、Ｘ軸に沿って相互に間隔をあけて並設された第１列Ｌaと第２列Ｌbとに区分される。第１列Ｌaおよび第２列Ｌbの各々は、Ｙ１方向に配列された複数のノズルＮの集合である。図３に示す液体吐出ヘッド２６は、第１列Ｌaの各ノズルＮに関連する要素と第２列Ｌbの各ノズルＮに関連する要素とが略面対称に配置された構造である。そこで、以下の説明では、第１列Ｌaに対応する要素を重点的に説明し、第２列Ｌbに対応する要素の説明は適宜に割愛する。

【0016】

図２および図３に示すように、液体吐出ヘッド２６は、ノズルプレート４１と吸振体４２と流路基板３１と圧力室基板３２と振動板３３と複数の圧電素子３４と封止体３５と筐体部３６と配線基板５１とを備える。ノズルプレート４１、吸振体４２、流路基板３１、圧力室基板３２、振動板３３、封止体３５および筐体部３６のそれぞれは、Ｙ１方向に延在する長尺な部材である。ノズルプレート４１、流路基板３１、圧力室基板３２、振動板３３、圧電素子３４は、Ｚ２方向にこの順に並ぶ。また、液体吐出ヘッド２６は、アクチュエーター３０を有する。アクチュエーター３０は、圧力室基板３２と振動板３３と複数の圧電素子３４とを有する。

【0017】

ノズルプレート４１は、インクを吐出する複数のノズルＮを有する板状部材である。複数のノズルＮのそれぞれは、インクを吐出する一般的には円形状の貫通孔であるが円形では無い貫通孔であってもインクの吐出は可能である。例えばフォトリソグラフィーおよびエッチング等の半導体製造技術を利用してシリコン（Ｓｉ）の単結晶基板を加工することで、ノズルプレート４１が製造される。ただし、ノズルプレート４１の製造には公知の材料や製法が任意に採用され得る。

【0018】

流路基板３１には、空間Ｒaと複数の供給流路３１２と複数の連通流路３１４と中継液室３１６とが形成される。空間Ｒaは、Ｙ１方向に延在する長尺状に形成された開口である。供給流路３１２および連通流路３１４のそれぞれは、ノズルＮ毎に形成された貫通孔である。中継液室３１６は、複数のノズルＮにわたりＹ１方向に延在する長尺状に形成された空間であり、空間Ｒaと複数の供給流路３１２とを相互に連通させる。複数の連通流路３１４のそれぞれは、当該連通流路３１４に対応する１個のノズルＮに平面視で重なる。流路基板３１は、例えば半導体製造技術を利用してシリコンの単結晶基板を加工することで製造される。

【0019】

圧力室基板３２は、インクが配置される空間である複数の圧力室Ｃ１を有する。複数の圧力室Ｃ１は、複数のノズルＮに対して１対１で配置される。圧力室基板３２は、各ノズルＮに対応する圧力室Ｃ１を形成する壁面３２０を有する。図示しないが、圧力室基板３２の壁面３２０には、圧力室基板３２および振動板３３とインクとが接触しないよう圧力室基板３２および振動板３３を保護する保護膜が配置される。

【0020】

振動板３３は、圧力室基板３２よりもＺ２方向に配置される。振動板３３は、弾性的に変形可能である。なお、図２および図３に示す例では、圧力室基板３２と振動板３３を別部材で形成されるが、圧力室基板３２および振動板３３の一部は同一基板から形成されてもよい。

【0021】

複数の圧電素子３４は、振動板３３よりもＺ２方向に配置される。複数の圧電素子３４は、圧力室Ｃ１ごとに設けられる。圧電素子３４は、平面視でＸ１方向に延在する長尺状の受動素子である。圧電素子３４は、駆動信号が印加されることで駆動する駆動素子でもある。なお、圧力室基板３２、振動板３３および圧電素子３４を有するアクチュエーター３０についてはあとで詳述する。

【0022】

筐体部３６は、複数の圧力室Ｃ１に供給されるインクを貯留するためのケースであり、例えば樹脂材料の射出成形で形成される。筐体部３６には、空間Ｒbと供給口３６１とが形成される。供給口３６１は、液体容器１４からインクが供給される管路であり、空間Ｒbに連通する。筐体部３６の空間Ｒbと流路基板３１の空間Ｒaとは相互に連通する。空間Ｒaと空間Ｒbとで構成される空間は、複数の圧力室Ｃ１に供給されるインクを貯留する液体貯留室Ｒとして機能する。液体容器１４から供給されて供給口３６１を通過したインクが液体貯留室Ｒに貯留される。液体貯留室Ｒに貯留されたインクは、中継液室３１６から各供給流路３１２に分岐して複数の圧力室Ｃ１に並列に供給および充填される。吸振体４２は、液体貯留室Ｒの壁面を構成する可撓性のフィルムであり、液体貯留室Ｒ内のインクの圧力変動を吸収する。

【0023】

封止体３５は、複数の圧電素子３４を保護するとともに圧力室基板３２および振動板３３の機械的な強度を補強する構造体である。封止体３５は、振動板３３の表面に例えば接着剤で固定される。封止体３５のうち振動板３３との対向面に形成された凹部の内側に複数の圧電素子３４が収容される。また、振動板３３の表面には配線基板５１が接合される。配線基板５１は、制御ユニット２０と液体吐出ヘッド２６とを電気的に接続するための複数の配線が形成された実装部品である。例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板５１が好適に採用される。圧電素子３４を駆動するための駆動信号および基準電圧が配線基板５１から各圧電素子３４に供給される。

【0024】

１－３．アクチュエーター３０
図４は、アクチュエーター３０の一部を示す平面図である。図５は、図４におけるｂ－ｂ線の断面図である。図４および図５に示すアクチュエーター３０は、圧力室基板３２と振動板３３と複数の圧電素子３４と第１配線３７と第２配線３８とシード層３９とを有する。なお、図４では、第２電極３４２に便宜的にドットが付されている。

【0025】

図４に示すように、圧力室基板３２が有する圧力室Ｃ１は、平面視でＸ１方向に延在する長尺状の空間である。複数の圧力室Ｃ１は、Ｙ１方向に並ぶ。圧力室基板３２は、例えば半導体製造技術を利用してシリコンの単結晶基板を加工することで製造される。なお、圧力室Ｃ１の平面視形状は、図４に示す四角形に限定されず、例えば平行四辺形であってもよい。

【0026】

振動板３３は、圧力室基板３２とともに圧力室Ｃ１を形成する。また、振動板３３の圧力室Ｃ１に対応する部分は、圧電素子３４の駆動により振動する。図５に示す例では、振動板３３は、第１層３３１と第２層３３２とを有する。第１層３３１は、圧力室基板３２に接触する。第２層３３２は、第１層３３１よりもＺ２方向に配置される。第２層３３２は、第１層３３１と第１電極３４１との間に配置され、これらに接触する。

【0027】

第１層３３１の材料は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。第１層３３１は、例えば、シリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより形成される。なお、第１層３３１の材料は、酸化シリコンに限定されず、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の他の弾性材料でもよい。

【0028】

第２層３３２は、非導電性であることが好ましく、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）またはＳｉ（シリコン）のいずれかを含むことが特に好ましい。すなわち、振動板３３のうちのＺ２方向の端部は、好ましくはＺｒ、Ｔｉ、Ｓｉのいずれかを含む。本実施形態では、振動板３３が有する第２層３３２は、Ｚｒを含む。具体的には、第２層３３２の材料は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）である。なお、第２層３３２の材料は、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の他の絶縁材料でもよい。第２層３３２は、例えば、スパッタ法および熱酸化により形成される。なお、第２層３３２は無配向な層である。ただし、特に無配向に限定されない。

【0029】

振動板３３のうちのＺ２方向の端部がＺｒ、Ｔｉ、Ｓｉのいずれかを含むことで、これらのいずれかを含まない場合に比べ、圧電素子３４の振動に応じた必要な変形量を確保しつつ、振動板３３の機械的な強度を高くすることができる。そのため、振動板３３のクラックの発生をより抑制することができる。

【0030】

なお、第１層３３１と第２層３３２との間には、金属酸化物等の他の層が介在してもよい。第１層３３１または第２層３３２が互いに同一または異なる複数の層であってもよい。また、振動板３３は、複数層でなく、１層であってもよい。また、図５に示す例では、第２層３３２の厚みは、第１層３３１の厚みよりも薄いが、第１層３３１と第２層３３２の各厚みは、互いに異なっていても等しくてもよい。

【0031】

図５に示すように、圧電素子３４は、概略的には、振動板３３から順に、第１電極３４１と圧電体層３４３と第２電極３４２とを有する。第１電極３４１と圧電体層３４３と第２電極３４２との積層方向は、Ｚ２方向である。

【0032】

第１電極３４１は、振動板３３よりもＺ２方向に配置され、振動板３３に接触する。第１電極３４１は、Ｘ１方向に延在する長尺状である。複数の第１電極３４１は、相互に間隔をあけてＹ１方向に配列される。第１電極３４１は、圧電素子３ごとに相互に離間して形成された個別電極である。

【0033】

第１電極３４１は、金属等の導電材料を含む。第１電極３４１は、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等のいずれかを含む。これらのいずれかを含むことでこれらを含まない場合に比べ、圧電体層３４３の変形を許容しつつ、圧電体層３４３のクラックの発生を抑制することができる弾性を、第１電極３４１に付与することができる。また、例えば、第１電極３４１はＰｔの層とＩｒの層の積層体を有することができる。Ｐｔの層を有することで、圧電体層３４３の変形を許容できる第１電極３４１を提供することができる。また、Ｉｒの層を有することで、圧電体層３４３に含まれる成分が拡散することを抑制することができる。よって、圧電体層３４３の組成が変化することが抑制される。

【0034】

図４に示すように、第１電極３４１には第１配線３７が電気的に接続される。第１配線３７は、図３に示す配線基板５１に搭載された図示しない駆動回路から駆動信号が供給されるリード配線であり、第１電極３４１に駆動信号を供給する。第１配線３７は、第１電極３４１よりも低抵抗な導電材料で形成される。第１配線３７は、例えば、ニクロム（ＮｉＣｒ）で形成された導電膜の表面に金（Ａｕ）の導電膜を積層した構造の導電パターンである。

【0035】

図５に示すように、圧電体層３４３は、第１電極３４１よりもＺ２方向に配置される。図４に示すように、圧電体層３４３は、複数の圧電素子３４にわたり連続するようにＹ１方向に延在する帯状の誘電膜である。圧電体層３４３のうち相互に隣り合う各圧力室Ｃ１の間隙に対応する領域には、Ｘ軸に沿う切欠Ｇが形成される。切欠Ｇは、圧電体層３４３を貫通する開口である。切欠Ｇが形成されることで、各圧電素子３４は圧力室Ｃ１ごとに個別に変形し、圧電素子３４の相互間における振動の伝播が抑制される。なお、圧電体層３４３の厚さ方向の一部を除去した有底孔を切欠Ｇとして形成してもよい。

【0036】

図５に示すように、圧電体層３４３は、Ｘ１方向にみた断面視で、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とを有する。第１領域Ａ１は、平面視で第１電極３４１と重ならない領域である。第２領域Ａ２は、平面視で第１電極３４１と重なる領域である。別の言い方をすると、第１領域Ａ１のＹ１方向での位置は、第１電極３４１の位置と異なる。第２領域Ａ２のＹ１方向での位置は、第１電極３４１の位置と同じである。

【0037】

図５に示すように、第２電極３４２は、圧電体層３４３よりもＺ２方向に配置され、圧電体層３４３に接触する。図４および図５に示すように、第２電極３４２は、複数の圧電素子３４にわたり連続するようにＹ１方向に延在する帯状の共通電極である。第２電極３４２には、所定の基準電圧が印加される。基準電圧は一定の電圧であり、例えば接地電圧よりも高い電圧に設定される。第２電極３４２に印加される基準電圧と第１電極３４１に供給される駆動信号との差分に相当する電圧が圧電体層３４３に印加される。なお、第２電極３４２には、接地電圧が印加されてもよい。また、第２電極３４２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の導電材料で形成される。

【0038】

前述のように第１電極３４１は、複数の圧力室Ｃ１に対して個別に配置されるのに対し、第２電極３４２は、複数の圧力室Ｃ１に対して共通に配置される。このため、第２電極３４２によって圧電体層３４３を保護することができる。よって、第２電極３４２が個別に配置される場合、圧電体層３４３を保護する保護層を別途設ける必要があるが、その必要がない。

【0039】

さらに、第２電極３４２は、圧電体層３４３のＺ２方向の面の周囲を覆うようにして配置される。つまり、第２電極３４２は圧電体層３４３を覆う。このため、圧電体層３４３が第２電極３４２に覆われていない場合に比べ、圧電体層３４３等を保護することができる。よって、例えば、圧電体層３４３の水素還元による劣化を防止することができる。

【0040】

なお、第１電極３４１上または第２電極３４２上には、ニッケル酸ランタン（ＬＮＯ）等の導電性酸化物が配置されてもよい。また、第１電極３４１上または第２電極３４２上には、電極の導電性を損ねない範囲で、チタン等の層が配置されてもよい。

【0041】

図４に示すように、第２電極３４２よりもＺ２方向には、第２電極３４２に電気的に接続される第２配線３８が配置される。第２配線３８には、図３に示す配線基板５１を介して図示しない基準電圧が供給される。図４に示すように、第２配線３８は、Ｙ１方向に延在する帯状の第１導電層３８１と、Ｙ１方向に延在する帯状の第２導電層３８２とを有する。第１導電層３８１および第２導電層３８２は、Ｘ１方向に所定の間隔をあけて並ぶ。なお、第２配線３８は、振動板３３の振動を抑制するための錘としても機能する。第２配線３８は、例えば、ニクロムで形成された導電膜の表面に金の導電膜を積層した構造の導電パターンである。

【0042】

かかる圧電素子３４では、第１電極３４１と第２電極３４２との間に電圧が印加されることで圧電体層３４３が変形する。この変形により、圧電素子３４は、振動板３３を撓み変形させる。そして、振動板３３が振動することにより圧力室Ｃ１の圧力が変化し、圧力室Ｃ１内のインクが図３に示すノズルＮから吐出される。

【0043】

図５に示すように、シード層３９は、第１電極３４１と圧電体層３４３との間に配置される。また、シード層３９は、第１電極３４１、振動板３３および圧電体層３４３に接触する。シード層３９は、圧電体層３４３の種結晶となる結晶構造を含む。シード層３９は、圧電体層３４３の結晶の配向性を制御するための配向制御層である。シード層３９が存在することで、圧電体層３４３の配向性を向上させることができる。このため、圧電素子３４の変位力を高めることができる。よって、液体吐出ヘッド２６の吐出性能を高めることができる。

【0044】

前述したように、液体吐出ヘッド２６が有するアクチュエーター３０は、圧力室基板３２と、振動板３３と、第１電極３４１と、圧電体層３４３と、第２電極３４２と、を有する。圧力室基板３２は、Ｙ１方向に並ぶ複数の圧力室Ｃ１を有する。また、圧電体層３４３は、Ｙ１方向で第１電極３４１と重ならない第１領域Ａ１と、Ｙ１方向で第１電極３４１と重なる第２領域Ａ２と、を有する。

【0045】

かかる圧電体層３４３をＺ１方向にＸ線回折法（ＸＲＤ）により解析したとき、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２のそれぞれは、第１面方位に優先配向する。すなわち、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２は、互いに同一の結晶の面方位に優先配向する。よって、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とは、互いに、面方位の配向が過度に大きく異ならない。このため、圧電体層３４３の第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とでの結晶の面方位の差の違いによるヤング率および熱膨張係数等の物性の違いが抑制される。よって、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間で当該物性の差によりクラックが生じるおそれが抑制される。それゆえ、吐出性能や耐久性能の低下を抑制することができる。

【0046】

本実施形態では、当該第１面方位は、（１００）面である。すなわち、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２は、（１００）面に優先配向する。このため、他の結晶の面方位に優先配向する場合に比べ、本実施形態の圧電素子３４における吐出特性を向上させることができる。なお、第１面方位は、（１００）面以外の（１１１）面等であってもよい。

【0047】

また、圧電体層３４３をＺ１方向にＸ線回折法により解析したときの第１面方位への配向の度合いを示すロットゲーリングファクターは、好ましくは、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２のそれぞれで０．６以上１．０以下である。ロットゲーリングファクターがかかる範囲内であると、範囲外である場合に比べ、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とでの結晶の面方位の差による物性の違いを抑制することができる。よって、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間でクラックが生じるおそれがより抑制される。

【0048】

当該ロットゲーリングファクターは、より好ましくは、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２のそれぞれで０．８以上１．０以下である。なお、ロットゲーリングファクターの最大値は、１．０である。ロットゲーリングファクターがかかる範囲内であると、範囲外である場合に比べ、圧電体層３４３の圧電特性を高めることができ、かつ、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とでの結晶の面方位の差による物性の違いを抑制することができる。

【0049】

圧電体層３４３の材料は、好ましくは一般組成式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。このため、圧電体層３４３が当該複合酸化物以外の他の材料で形成される場合に比べ、第１電極３４１と第２電極３４２との間に電圧が印加されることにより優れた圧電特性を発揮することができる。よって、吐出特性を高めることができる。

【0050】

圧電体層３４３は、当該複合酸化物の中でも、好ましくは、少なくとも鉛（Ｐｂ）、ジルコニア（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含む。これらを含むことでこれら含まない場合に比べ、第１電極３４１と第２電極３４２との間に電圧が印加されることにより優れた圧電特性を発揮することができる。圧電体層３４３の好ましい材料としては、具体的には例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）やマグネシウムニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体（Ｐｂ（Ｍｇ,Ｎｂ）Ｏ_３－ＰｂＴｉＯ_３）等の圧電材料が挙げられる。なお、圧電体層３４３は、ニオブ酸カリウムナトリウム（（ＫＮａ）ＮｂＯ_３）やチタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ、Ｎａ）ＴｉＯ_３）等の鉛を含まない材料であってもよい。

【0051】

圧電体層３４３は、第１領域Ａ１で平均結晶粒が２．０μｍ以下であり、第２領域Ａ２で平均結晶粒が２．０μｍ以下である。なお、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の各平均結晶粒は、好ましくは５．０ｎｍ以上である。第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の各平均結晶粒径が２．０μｍ以下であることで、２．０μｍを超える場合に比べ、圧電体層３４３のクラックの発生を抑制することができる。

【0052】

また、前述のように、液体吐出ヘッド２６は、圧電体層３４３の配向を制御するためのシード層３９を有する。シード層３９は、圧電体層３４３と振動板３３の間に位置し、かつ、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との両方に対応する。かかるシード層３９を有することで、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２のそれぞれを第１面方位に優先配向させることができる。すなわち、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２を互いに同一の結晶の面方位に優先配向させることができる。

【0053】

さらに、本実施形態では、シード層３９は、第１電極３４１のＺ１方向の面の周囲を覆うようにして配置されている。別の言い方をすると、シード層３９は、平面視で第１電極３４１と重なり、シード層３９の平面視での面積は、第１電極３４１の平面視での面積よりも大きい。第１電極３４１のＺ１方向の面の周囲を覆うようにして配置されていることで、シード層３９が第１電極３４１を覆うように配置されていない場合に比べ、第１電極３４１の上面の凹凸を緩和することができる。よって、当該凹凸の影響により圧電体層３４３にクラックが生じるおそれを抑制することができる。

【0054】

また、シード層３９の第１領域Ａ１と対応する部分の厚さは、シード層３９の第２領域Ａ２と対応する部分の厚さよりも厚い。このため、シード層３９のＺ２方向の面３９０を平坦面またはそれに近づけることができる。それゆえ、第１電極３４１の段差により圧電体層３４３にクラックは発生するおそれが抑制される。

【0055】

シード層３９は、配向制御層としての機能を有すればいかなる材料を含んでもよいが、好ましくは、チタン（Ｔｉ）、またはペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含む。特に、シード層３９は、好ましくはペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含み、より好ましくはビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）のいずれかを含む。これらのいずれかを含むことで含まない場合に比べ、圧電体層３４３の配向特性を向上させることができる。特に、圧電体層３４３が少なくともＰｂ、ＺｒおよびＴｉを含む場合、シード層３９がＢｉ、Ｐｂ、ＦｅまたはＴｉのいずれかを含むことで、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２を同一の結晶の面方位に優先配向し易くなる。また、圧電体層３４３が少なくともＰｂ、ＺｒおよびＴｉを含む場合、圧電体層３４３とシード層３９の構成元素が近いのであるため、圧電体層３４３とシード層３９の間での製造プロセスにおける不純物の拡散を低減することも可能となる。

【0056】

図６は、本実施形態における圧電体層３４３の第２領域Ａ２におけるＸＲＤの結果を示す図である。図７は、本実施形態における圧電体層３４３の第１領域Ａ１におけるＸＲＤの結果を示す図である。ここでは、シード層３９の材料が、Ｂｉ、Ｐｂ、ＦｅおよびＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物である場合の結果を示している。

【0057】

具体的には、以下のようにして、Ｂｉ、Ｐｂ、ＦｅおよびＴｉを含むシード層３９を有するアクチュエーター３０を形成し、圧電体層３４３をＸＲＤにより解析した。

【0058】

まず、圧力室基板３２としてのシリコン基板上に、第１層３３１としての二酸化シリコン膜を形成する。次に、スパッタ法にてジルコニウム膜を形成し、当該ジルコニウム膜を熱酸化させることで第２層３３２としての酸化ジルコニウム膜を形成する。その後、第２層３３２上に、スパッタ法により、チタンの層、白金の層およびイリジウムの層で構成される積層体を形成する。次に、当該積層体をフォトリソグラフィー法およびドライエッチングにより複数の第１電極３４１を形成する。

【0059】

次に、Ｂｉ：Ｔｉ：Ｆｅ：Ｔｉ＝１１０：１０：５０：５０である溶液を、第１電極３４１を覆うようにスピンコート法により塗布する。その後、３５０°で乾燥させ、７４０°で５分加熱処理を行うことにより、シード層３９を形成する。次に、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１８：５３：４８である溶液をシード層３９上にスピンコート法により塗布する。その後、２００°および４１０°で乾燥させ、７４０°で５分加熱処理を行うことにより、圧電体層３４３を形成する。次に、圧電体層３４３上に、スパッタ法により、イリジウムの層およびチタンの層で構成される第２電極３４２を形成する。以上によりアクチュエーター３０が形成される。

【0060】

以上のようにして形成されたアクチュエーター３０の圧電体層３４３について、ＸＲＤで解析した。なお、ＸＲＤは、Ｂｒｕｋｅｒ社製Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ ｗｉｔｈ ＧＡＤＤＳを用いた。

【0061】

図６および図７に示すように、本実施形態では、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の両方において、（１００）面に優先配向することが分かる。これにより、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２の間のクラックを低減し、吐出性能や耐久性能の低下を抑制できる。

【0062】

２．第２実施形態
第２実施形態を説明する。なお、以下の各例示において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用してそれぞれの詳細な説明を適宜に省略する。

【0063】

図８は、第２実施形態におけるアクチュエーター３０Ａを示す断面図であり、第１実施形態の図５に対応する。本実施形態では、第１実施形態のアクチュエーター３０の代わりに、アクチュエーター３０Ａが用いられる。以下では、アクチュエーター３０Ａについて、第１実施形態のアクチュエーター３０と異なる事項を説明し、同様の事項の説明は適宜省略する。

【0064】

図８に示すアクチュエーター３０Ａは、第１実施形態のシード層３９を有さない。アクチュエーター３０Ａが有する振動板３３Ａは、第１層３３１と第２層３３２Ａとを有する。第２層３３２Ａは、圧電体層３４３の結晶の配向性を制御する配向制御層しての機能を有する。例えば、第２層３３２Ａは、圧電体層３４３と同一の第１面方位に優先配向する。

【0065】

かかるアクチュエーター３０Ａにおいても、第１実施形態と同様に、圧電体層３４３をＺ１方向にＸＲＤにより解析したとき、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２のそれぞれは、第１面方位に優先配向する。このため、圧電体層３４３の第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とでの結晶の面方位の差の違いによるヤング率および熱膨張係数等の物性の違いが抑制される。よって、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間で当該物性の差によりクラックが生じるおそれが抑制される。それゆえ、吐出性能や耐久性能の低下を抑制することができる。

【0066】

２．変形例
以上に例示した実施形態は多様に変形され得る。前述の実施形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。なお、第１実施形態に関する以下の変形例は、矛盾しない範囲で第２実施形態にも適用され得る。

【0067】

第１実施形態では、圧電素子３４の第１電極３４１を個別電極として第２電極３４２を共通電極としたが、第１電極３４１を共通電極として第２電極３４２を個別電極としてもよい。但し、この場合であっても、圧電体層３４３と共通電極である第１電極３４１上が重ならない領域を含む。その場合には、本実施形態を好適に適用することができる。また、第１電極３４１および第２電極３４２の双方を個別電極としてもよい。

【0068】

図９は、変形例におけるアクチュエーター３０の一部を示す断面図である。第１実施形態では、シード層３９のＺ２方向の面３９０が平坦面である。しかし、図９に示すように、シード層３９のＺ２方向の面３９０は、第１電極３４１の段差に応じた凹凸を有してもよい。

【0069】

図１０は、変形例におけるアクチュエーター３０の一部を示す断面図である。第１実施形態では、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とで、シード層３９は共通である。しかし、図１０に示すように、シード層３９は、第１領域Ａ１に対応する第１部分３９１と、第２領域Ａ２に対応する第２部分３９２とを有してもよい。第１部分３９１と第２部分３９２とでは、互いに材料が異なる。なお、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とは、同一の第１面方位に優先配向する。

【0070】

第１実施形態では、液体吐出ヘッド２６を搭載した搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体吐出装置１００を例示したが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体吐出装置にも本発明を適用することが可能である。

【0071】

第１実施形態で例示した液体吐出装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。本発明の液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を吐出する液体吐出装置は、液晶表示パネル等の表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を吐出する液体吐出装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。また、生体に関する有機物の溶液を吐出する液体吐出装置は、例えばバイオチップを製造する製造装置として利用される。

【0072】

本発明のアクチュエーターは、液体吐出ヘッドに搭載されるアクチュエーターに限定されず、他のデバイスに搭載されるアクチュエーターにも適用することができる。他のデバイスとしては、例えば、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等が挙げられる。

【符号の説明】

【0073】

１２…媒体、１４…液体容器、２０…制御ユニット、２２…搬送機構、２４…移動機構、２６…液体吐出ヘッド、３０…アクチュエーター、３０Ａ…アクチュエーター、３１…流路基板、３２…圧力室基板、３３…振動板、３３Ａ…振動板、３４…圧電素子、３５…封止体、３６…筐体部、３７…第１配線、３８…第２配線、３９…シード層、４１…ノズルプレート、４２…吸振体、４６…水素バリア膜、５１…配線基板、１００…液体吐出装置、２４２…搬送体、２４４…搬送ベルト、３１２…供給流路、３１４…連通流路、３１６…中継液室、３２０…壁面、３３１…第１層、３３２…第２層、３３２Ａ…第２層、３４１…第１電極、３４２…第２電極、３４３…圧電体層、３６１…供給口、３８１…第１導電層、３８２…第２導電層、Ａ１…第１領域、Ａ２…第２領域、Ｃ１…圧力室、Ｄ１…厚さ、Ｄ２…厚さ、Ｇ…切欠、Ｌa…第１列、Ｌb…第２列、Ｎ…ノズル、Ｒ…液体貯留室、Ｒa…空間、Ｒb…空間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】