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JP2010221420A - 圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置 - Google Patents

圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置 Download PDF

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JP2010221420A JP2009068556A JP2009068556A JP2010221420A JP 2010221420 A JP2010221420 A JP 2010221420A JP 2009068556 A JP2009068556 A JP 2009068556A JP 2009068556 A JP2009068556 A JP 2009068556A JP 2010221420 A JP2010221420 A JP 2010221420A
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Tatsuji Tsukamoto
竜児 塚本
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Fujifilm Corp
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Abstract

【課題】 耐久性が高く、変位量の劣化を抑制することが可能な圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】 成膜法（スパッタ法）により配向を有するように形成された圧電体を適用する。これにより、繰り返し駆動しても分極方向が容易に変化しないようにすることができる。また、振動板の変位量が安定し、耐久性が高い圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッドを実現することできる。更に、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体は、耐電圧が高いので、圧電アクチュエータ１３４印加する電圧を高くして（一例で３ｋＶ／ｍｍ以上、２５ｋＶ／ｍｍ以下）、振動板１３０の変位量を大きくすることできる。
【選択図】 図４

Description

本発明は圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置に関する。
特許文献１には、インクジェットヘッドにおいて、層厚方向に分極された圧電セラミック層と外側圧電セラミック層とを積層してなる圧電体を使用し、印加時に圧電セラミック層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電セラミック層をシェアモードで変形させるとともに、外側圧電セラミック層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電セラミック層を伸縮モードで変形させることにより、圧電セラミック層のシェアモード変形と外側圧電セラミック層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくすることが開示されている。
特許文献２には、インクジェット吐出装置本体に形成された圧力室の開放面側に圧電層を固定し、圧電層の圧力室に対応する位置の両面に電極が形成されるとともに、圧電層の圧力室から外れた周縁位置の両面に電極が形成されたインクジェットヘッドが開示されている。特許文献２では、上記圧電層が層厚方向に分極されており、分極方向に直交する方向に電界を発生させて、圧電層にシェアモード変形を生じさせるようになっている。
特開２００６−１５７６４号公報 米国特許第４５８４５９０号明細書
特許文献１に記載のインクジェットヘッドは、セラミックス焼成により作成された後に分極処理が施された圧電セラミック層を用いている。上記のような圧電セラミック層をシェアモードで駆動する場合、圧電セラミック層の分極方向と直交する方向に電界がかかるため、分極方向が容易に変化し、圧電セラミック層の変位量が劣化するという不具合がある。また、特許文献２においても、圧電層の分極方向と直交する方向に電界がかかる。このため、圧電層として圧電セラミック層を用いる場合、分極方向が容易に変化し、変位量が劣化するという不具合がある。このため、セラミックス焼成により作成された圧電層では、信頼性が高い圧電アクチュエータを得ることが困難であった。
更に、セラミックス焼成により作成された圧電セラミック層は耐電圧が低いため、印加する電圧値を上げて、圧電セラミック層の変位量を大きくすることが困難であった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、耐久性が高く、変位量の劣化を抑制することが可能な圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る圧電アクチュエータは、成膜法により所定の配向方向に配向を有するように形成された圧電層と、前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に配置され、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対とを備える。
上記第１の態様によれば、成膜法（例えば、スパッタ法）により配向を有するように形成された圧電層を用いることにより、繰り返し駆動しても分極方向が容易に変化しないようにすることができる。このため、振動板の変位量が安定し、耐久性が高い圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッドを実現することできる。更に、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体は、耐電圧が高いので、圧電アクチュエータ印加する電圧を高くして（好ましくは、３ｋＶ／ｍｍ以上、２５ｋＶ／ｍｍ以下）、振動板の変位量を大きくすることできる。
本発明の第２の態様に係る圧電アクチュエータは、上記第１の態様において、前記圧電層は、振動板上に設けられ、前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置されるようにしたものである。
本発明の第３の態様に係る液体吐出ヘッドは、平面に沿って配置された複数の圧力室と、前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備え、前記圧電アクチュエータが、成膜法により所定の配向方向に配向を有するように形成された圧電層と、前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に配置され、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対とを備える。
上記第３の態様によれば、圧電アクチュエータの耐久性を高め、変位量の劣化を抑制することができ、液体の吐出量が安定し、耐久性が高い液体吐出ヘッドを作成することができる。
本発明の第４の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第３の態様において、前記圧電層は、振動板上に設けられ、前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置され、前記振動板は、前記圧力室の一壁面を構成するようにしたものである。
本発明の第５の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第３の態様において、前記圧電層が、前記複数の圧力室の一壁面を構成するようにしたものである。
上記第５の態様によれば、圧電層が振動板によって拘束されないため、圧電層の変位量をより大きくすることが可能になる。
本発明の第６の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第３から第５の態様において、前記電極対が、前記平面に直交する面から見て、前記圧力室と略相似形の環状の第１の電極と、前記第１の電極の内側に配置された第２の電極とを備える。
本発明の第７の態様に係る画像形成装置は、上記第４から第６の態様に係る液体吐出ヘッドと、前記電極対に電圧を印加する電圧印加手段と、前記圧電素子に生じさせる電界の強度が３ｋＶ／ｍｍ以上、２５ｋＶ／ｍｍ以下になるように、前記電極対に印加する電圧を制御する電圧制御手段とを備える。
上記第７の態様によれば、焼成法に形成された圧電セラミックと比較して、高い電圧を印加することができるので、圧電素子の変位量を大きくすることができる。これにより、液体吐出ヘッドの高密度化を図ることができる。
本発明の第８の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法は、成膜法により所定の配向方向に配向を有するように圧電層を形成するステップと、前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対を形成するステップとを備える。
本発明の第９の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法は、上記第８の態様において、前記圧電層は、振動板上に設けられ、前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置される。
本発明の第１０の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、平面に沿って配置された複数の圧力室と、前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、成膜法により所定の配向方向に配向を有するように圧電層を形成するステップと、前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対を形成するステップとを備える。
本発明の第１１の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、上記第１０の態様において、前記圧電層は、振動板上に設けられ、前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置され、前記振動板は、前記圧力室の一壁面を構成するようにしたものである。
本発明の第１２の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、上記第１０の態様において、前記圧電層が、前記複数の圧力室の一壁面を構成するようにしたものである。
本発明によれば、成膜法（例えば、スパッタ法）により配向を有するように形成された圧電層を用いることにより、繰り返し駆動しても分極方向が容易に変化しないようにすることができる。このため、振動板の変位量が安定し、耐久性が高い圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッドを実現することできる。更に、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体は、耐電圧が高いので、圧電アクチュエータ印加する電圧を高くして（一例で３ｋＶ／ｍｍ以上、２５ｋＶ／ｍｍ以下）、振動板の変位量を大きくすることできる。
本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置を模式的に示す図 インクジェット記録装置の印字部の周辺を示す平面図 インクジェット記録装置の制御系を示すブロック図 本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図 本発明の別の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図 スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）の電界強度と変位量の関係を示すグラフ セラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）の電界強度と変位量の関係を示すグラフ スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）とセラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）の耐久性を示すグラフ 本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドの製造方法の工程を示す断面図 本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドの製造方法の工程を示す断面図（図９のつづき）
以下、添付図面に従って本発明に係る圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置の好ましい実施の形態について説明する。
［画像形成装置の構成］
まず、本発明に係る圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッド及び画像形成装置（インクジェット記録装置）の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置を模式的に示す図であり、図２は、インクジェット記録装置の印字部の周辺を示す平面図である。
図１に示すように、本実施形態に係るインクジェット記録装置１は、それぞれ黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色のインクを吐出する液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１０を備えており、ホストコンピュータ（図３の符号６０）から入力された画像データに基づいて、印字部１０から記録紙１６の印字面に４色のインクを吐出してカラー画像を形成する装置である。
図２に示すように、印字部１０は、記録紙１６の最大紙幅に対応する長さを有するライン型の液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置された、いわゆるフルライン型のヘッドである。
インク貯蔵／装填部１４は、ＫＣＭＹの４色のインクを貯蔵する。インク貯蔵／装填部１４に貯蔵されたインクは、インク供給路を介して液体吐出ヘッド１２に供給される。
なお、インク色や色数については上記のＫＣＭＹの標準色（４色）には限定されず、例えば、淡インク、濃インクを吐出する液体吐出ヘッドを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する液体吐出ヘッドを追加してもよい。
給紙部１８は、印字部１０に記録紙１６を供給する。ロール紙（連続用紙）のマガジンを備えている。なお、紙幅や紙質等が異なるマガジンを複数設けてもよい。また、カット紙が装填されたカセットを設けてもよい。
デカール処理部２０は、給紙部１８から送り出された記録紙１６を加熱ドラム２２により加熱して記録紙１６の巻き癖（カール）を除去する。なお、デカール処理時には、加熱温度を制御して、印字面がやや外側にカールするようにすることが好ましい。
カッター２４は、記録紙１６の印字面の裏面側に配置された固定刃２４Ａと、印字面側に配置された丸刃２４Ｂとを備えている。給紙部１８から送り出された記録紙１６は、カッター２４によって所望のサイズにカットされる。デカール処理部２０によってデカール処理が施され、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２６へと送られる。
吸着ベルト搬送部２６は、２つのローラー２８及び３０と、ローラー２８と３０との間に巻き掛けられた無端状のベルト３２とを備えている。ローラー２８、３０の少なくとも一方にはモータの動力が伝達され、ベルト３２が図１の時計回り方向に駆動される。これにより、ベルト３２の表面に保持された記録紙１６が図１の左から右へと搬送される。
ローラー２８、３０及びベルト３２は、印字部１０の各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙのノズル面及び印字検出部３４のセンサ面に対向する部分が平面になるように配置されている。
ベルト３２の幅は、記録紙１６の幅よりも広くなっている（図２参照）。ベルト３２の表面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。ベルト３２の内側の印字部１０のノズル面及び印字検出部３４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３６が設けられている。吸着チャンバー３６は、ファン３８によって負圧にされる。これにより、記録紙１６がベルト３２の表面に吸着されて保持される。
加熱部４０は、インクが記録紙１６に着弾してから乾燥するまでの時間を短縮するために、印字前に記録紙１６を加熱する。加熱部４０としては、例えば、記録紙１６に加熱空気を吹きつけて加熱する加熱ファンが用いられる。
印字検出部３４は、印字部１０によるインクの打滴結果を撮像するためのイメージセンサを含んでいる。図２に示すように、印字検出部３４は、各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサにより構成される。なお、印字検出部３４としては、例えば、エリアセンサを用いてもよい。
後乾燥部４２は、記録紙１６の印字面を乾燥させる装置である。後乾燥部４２としては、例えば、加熱ファンが用いられる。
ベルト清掃部４４は、ベルト３２に付着したインクを除去する。ベルト３２を清掃する方式としては、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式を適用することが可能である。
加熱・加圧部４６は、記録紙１６に印字された画像の表面の光沢度を制御するための装置である。加熱・加圧部４６は、後乾燥部４２の後段に配置されており、印字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ー４８で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
上記のようにして画像が印字された記録紙１６（プリント物）は、排紙部５２から排出される。本実施形態に係るインクジェット記録装置１は、印字対象の画像が印字されたプリント物と、印字結果検出用のテストパターンが印字されたプリント物とを選別してそれぞれの排紙部５２Ａ、５２Ｂに送るために排紙経路を切り換える選別手段（不図示）を備えている。
なお、記録紙１６に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター５０によってテスト印字の部分を切り離す。カッター５０は、上記カッター２４と同様、固定刃５０Ａと丸刃５０Ｂとを含んでいる。
図３は、インクジェット記録装置１の制御系を示すブロック図である。
システムコントローラ６４は、インクジェット記録装置１の各部を制御する制御部である。システムコントローラ６４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路を含んでおり、ホストコンピュータ６０との間の通信制御、メモリ６８の読み書き制御等を行うとともに、モータ７２及びヒータ７６を制御する制御信号を生成する。
プログラム格納部６６は、各種制御プログラムが格納される記憶領域である。プログラム格納部６６としては、例えば、ＲＯＭやＥＥＰＲＯＭ等の半導体メモリ、ハードディスク等の磁気媒体を用いることができる。
メモリ６８は、各種のデータの記憶領域、及びシステムコントローラ６４が演算を行うときの作業領域を含む記憶装置である。メモリ６８としては、例えば、ＲＡＭ等の半導体メモリ、ハードディスク等の磁気媒体を用いることができる。
通信インターフェース６２は、ホストコンピュータ６０との間で通信接続を行うためのインターフェースである。通信インターフェース６２としては、例えば、ＵＳＢ、IEEE1394等のシリアルインターフェース、セントロニクス等のパラレルインターフェース、無線ネットワーク、イーサネット（登録商標）を適用することができる。通信インターフェース６２を介して入力された画像データは、メモリ６８に一時記憶される。
プリント制御部７８は、システムコントローラ６４から入力される制御信号に従って、メモリ６８に一時記憶された画像データに対して所定の信号処理を施し、印字制御信号（ドットデータ）を生成する。プリント制御部７８は、上記印字制御信号に基づいてヘッドドライバ８２を制御して、印字部１０の各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙから吐出されるインクの吐出量や吐出タイミングの制御を行う。また、プリント制御部７８は、印字検出部３４から得られるインクの打滴結果に基づいて、印字制御信号を補正する。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。
バッファメモリ８０は、プリント制御部７８が画像データを処理するときの作業領域を含む記憶装置である。
ヘッドドライバ８２は、プリント制御部７８から入力されるドットデータに基づいて、印字部１０（各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙ）を駆動するための駆動信号を生成し、各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給する。
モータドライバ７０は、システムコントローラ６４から入力される制御信号に従ってモータ７２を駆動して、吸着ベルト搬送部２６のローラー２８、３０に動力を伝達し、記録紙１６の搬送制御を行う。
ヒータドライバ７４は、システムコントローラ６４から入力される制御信号に従ってヒータ７６（デカール処理部２０、加熱部４０、後乾燥部４２及び加熱・加圧部４６等に含まれる各種の加熱手段）の加熱制御を行う。
［液体吐出ヘッドの構成］
図４は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図である。図４（ａ）は液体吐出ヘッドの上面を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の（ｂ）−（ｂ）断面図である。
図４（ｂ）に示すように、圧力室１１８が形成された流路ユニット１３２と、圧力室１１８の容積を変化させて圧力室１１８内の液体（インク）に圧力を付与する圧電アクチュエータ１３４とを含んでいる。
流路ユニット１３２は、圧力室プレート１２８及びノズルプレート１２０が積層されて構成される。圧力室プレート１２８は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、石英ガラス等のシリコン系材料、又はステンレス等の金属系材料を用いることができる。また、ノズルプレート１２０の材料としては、例えば、ポリイミド等の樹脂系材料、ステンレス等の金属系材料又はシリコンを用いることができる。
圧力室プレート１２８には、複数の圧力室（圧力室孔）１１８が形成されている。圧力室１１８は、平面視で主走査方向に長い略長円形状（略楕円形状）である。圧力室１１８の大きさ（長手方向の長さ）は一例でφ３００μｍである。
ノズルプレート１２０にはノズル１２４が形成されている。液体吐出ヘッド１２の吐出面（ノズル面）には複数のノズル１２４が２次元状（マトリクス状）に設けられている。ノズル１２４は、例えば、ノズルプレート１２０にエキシマレーザ−加工を施すことにより形成される。
圧電アクチュエータ１３４は、圧力室１１８の壁面となる振動板１３０の表面に形成され圧電層１１０と、圧電層１１０の表面に形成されたアドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６とを含んでいる。アドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６が形成されている面に対して略垂直な方向に配向しており、アドレス電極１１４とグラウンド電極１１６との間に電位差を生じさせ、圧電層１１０の配向方向（分極方向）と略垂直な向きの電界を加えることにより、分極方向に平行な方向に厚み滑りを生じさせて、圧電層１１０を変形させる、いわゆるシェアモードにより駆動される。
振動板１３０は、少なくとも圧電層１１０が形成される側の面（表面）が絶縁層（例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層）となっている。振動板１３０の厚さは一例で１０μｍである。なお、振動板１３０全体を絶縁層としてもよいし、振動板１３０の表面のみを絶縁層としてもよい。
圧電層１１０は、圧電体（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３））の層である。圧電層１１０は、振動板１３０の表面に成膜法（例えば、スパッタ法）により、振動板１３０平面に対して略垂直な方向に、振動板１３０平面からアドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６が形成される面にのびる向き（図中の矢印Ａ１０）に配向を有するように成膜される。圧電層１１０の膜厚は、圧電層１１０の膜厚方向全体に電界を作用させるため、約５μｍ以下とすることが好ましい。
図４（ａ）に示すように、アドレス電極１１４は、圧電層１１０の表面に圧力室１１８の中心部に重なる領域に形成されている。グラウンド電極１１６は、圧力室１１８の中心部以外の領域である縁部（圧力室プレート１２８（圧力室隔壁）の近傍の領域）と重なるように形成されている。
アドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６には、それぞれ配線（例えば、フレキシブルケーブル）１２６及び配線１３６が接続される。アドレス電極１１４には、外部配線１２６を介してヘッドドライバ８２から電圧が印加される。グラウンド電極１１６は、外部配線１３６を介して接地される。
アドレス電極１１４に電圧（例えば、正の電圧）が印加されると、アドレス電極１１４からグラウンド電極１１６に向かう方向Ａ１２（分極方向Ａ１０に直交する方向）に電界が発生する。これにより、圧電層１１０が変位して振動板１３０が図中上に凸に変形し、インク貯蔵／装填部１４から共通流路（図１０の符号１２２）を介して圧力室１１８にインクが引き込まれる。そして、アドレス電極１１４への電圧の印加が停止されると、振動板１３０が図４（ｂ）に示す形状に復帰し、ノズル１２４からインクが吐出される。
なお、本実施形態では、アドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６、圧力室１１８の形状を長円形状としたが、その他の形状（例えば、真円、矩形、多角形）であってもよい。圧力室１１８の平面形状は、アドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６の平面形状と略相似な形状とし、圧力室１１８とアドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６とは互いの中心を共有するように配置することが好ましい。これにより、圧電層１１０の圧力室１１８の中心部側の領域に略均等に電界を作用させることができるので、圧力室１１８に略均等に圧力を付与することが可能になる。
なお、図５に示すように、圧電層１１０を圧力室１１８の壁面とし、振動板１３０を設けないようにすることも可能である。この場合、圧電層１１０が振動板１３０によって拘束されないため、圧電層１１０の変位量をより大きくすることが可能になる。
［圧電層の物性及び耐久性］
本実施形態に係る圧電層１１０は、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体から構成される。以下、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）の物性について、セラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）と比較して説明する。なお、本実施例に係る圧電体をスパッタにより形成するときの条件は、電力５００Ｗ、ガス圧力１．０Ｐａ、基板温度５５０℃とする。
スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）は、セラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）と比較して、空孔の含有割合が小さく、膜の成長方向（縦方向）に沿う界面の間隔が狭い。このため、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）は、セラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）と比較して電気を通しにくいという性質を有する。
図６は、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）の電界強度と変位量の関係を示すグラフである。図７は、セラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）の電界強度と変位量の関係を示すグラフである。図６及び図７において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）を示しており、縦軸は圧電体の変位量（ｎｍ）を示している。
図７に示すように、セラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）は、電界強度がプラスの場合（即ち、圧電体セラミックスの分極方向と同方向の電界が印加された場合）、圧電セラミックスの変位量がプラスになり、そのときの変位量は電界強度に比例して大きくなる（図中の符号Ｌ２２の領域）。一方、電界強度がマイナスの場合（即ち、圧電体セラミックスの分極方向と反対方向の電界が印加された場合）、圧電セラミックスの分極方向が変化（反転）し、圧電セラミックスの変位量は電界強度がプラスのときと同様にプラスになり、そのときの変位量は電界強度の絶対値に比例して大きくなる（図中の符号Ｌ２０の領域）。このように、比較例の圧電体セラミックスは、分極方向と異なる方向に電界が印加されると、分極方向が変化しやすいという性質がある。
これに対して、図６に示すように、スパッタ法により形成された圧電体（実施例）は、電界強度がプラスの場合（即ち、圧電体の分極方向と同方向の電界が印加された場合）、圧電体の変位量はプラスになり、圧電体の変位量は電界強度の絶対値に比例して大きくなる（図中の符号Ｌ１０の領域）。一方、電界強度がマイナスの場合（即ち、圧電体の分極方向と反対方向の電界が印加された場合）、電界強度が小さい領域（約３．０ｋＶ／ｍｍ以下）では、圧電体の変位量がマイナスになる（図中の符号Ｌ１２の領域）。これは、圧電体の分極方向と逆向きの電界が印加されても、圧電体の分極方向が維持されるためである。一方、電界強度の値が所定の値を越えると（約３．０ｋＶ／ｍｍ以上）、分極方向は変化（反転）し、圧電体の変位量が徐々にプラス側に変化する。このように、スパッタ法により形成された圧電体は、圧電体の分極方向と異なる方向に電界をかけて使用しても、比較例と比べて分極方向が変化しにくいという性質がある。
なお、図６に示す例では、電界の向きを圧電体の分極方向と反対方向にかけているが、圧電体の分極方向に直交する方向に電界をかけた場合も、スパッタ法により形成された圧電体の方が比較例の圧電体セラミックスよりも分極方向が変化しにくいという性質は変わらない。
図８は、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体（実施例）とセラミックス焼成法により形成された圧電体セラミックス（比較例）の耐久性を示すグラフである。図８において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）を示しており、縦軸は圧電体の変位量（ｎｍ）を示している。
図８に示すように、比較例の圧電体セラミックスは約３．０ｋＶ／ｍｍで破壊されるのに対して、本実施例に係る圧電体約２５ｋＶ／ｍｍで破壊される。即ち、本実施例に係る圧電体は比較例の圧電体セラミックスの約１０倍の耐電圧を示す。
本実施形態によれば、シェアモードを用いた液体吐出ヘッド１２に、成膜法（例えば、スパッタ法）により配向を有するように形成された圧電体を適用することにより、繰り返し駆動しても分極方向が容易に変化しないようにすることができる。これにより、振動板の変位量が安定し、耐久性が高い圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータを備える液体吐出ヘッドを実現することできる。更に、スパッタ法により配向を有するように形成された圧電体は、耐電圧が高いので、圧電アクチュエータ１３４に印加する電圧を高くして（一例で３ｋＶ／ｍｍ以上、２５ｋＶ／ｍｍ以下）、振動板１３０の変位量を大きくすることできる。
［液体吐出ヘッドの製造方法］
図９及び図１０は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドの製造方法の工程を示す断面図である。
まず、表面（図中上面）に絶縁層１０８が形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１００が形成される（図９（ａ））。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板（Ｓｉ基板）により構成される支持体１０２と、酸化シリコン（ＳｉＯ２）により構成されるＢｏｘ層１０４と、シリコン基板（Ｓｉ基板）により構成される活性層１０６とを含む多層基板である。絶縁層１０８は、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）であり、例えば、熱酸化法、スパッタ法又は化学気相成長法（ＣＶＤ法）により形成される。なお、絶縁層１０８の材料としては、上記酸化シリコンのほか、例えば、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物、ＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＡｌＣｒＮ等の窒化物、ＳｉＯＮ等の酸窒化物又は樹脂を用いることもできる。
次に、絶縁層１０８の表面（図中上面）に圧電体の層１１０が形成される（図９（ｂ））。圧電層１１０は、圧電体（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３））の層であり、絶縁層１０８の表面に成膜法（例えば、スパッタ法）により配向を有するように成膜される。これにより、圧電層１１０は、絶縁層１０８（振動板１３０）平面に対して垂直な方向に分極する。図９（ｂ）の工程におけるスパッタ条件は、例えば、電力５００Ｗ、ガス圧力１．０Ｐａ、基板温度５００℃以上（５５０℃）である。圧電層１１０の膜厚は、圧電層１１０の膜厚方向全体に電界を作用させるため、約５μｍ以下とすることが好ましい。
次に、圧電層１１０の表面に上部電極膜１１２が形成される（図９（ｃ））。上部電極膜１１２の材料は、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、又は合金材料（Ｔｉ−Ｉｒ、ＴｉＷ−Ｉｒ、Ｔｉ−Ｐｔ又はＴｉＷ−Ｐｔ）である。上部電極膜１１２の形成方法（成膜方法）は、例えば、スパッタ法である。上部電極膜１１２の厚さは、例えば、１００〜３００ｎｍである。
次に、上部電極膜１１２がパターニングされ、アドレス電極１１４及びグラウンド電極１１６が形成される（図９（ｄ））。図９（ｄ）の工程では、例えば、有機膜又は金属膜をマスクとして、フッ素系ガス又は塩素系ガスを用いたドライエッチング（ＲＩＥ）又はウェットエッチングにより上部電極膜１１２がパターニングされる。なお、エッチング時の基板温度は一例で１５０℃である。
次に、圧電層１１０の表面にグラウンド電極１１６に接続する配線層（図４の符号１３６）が形成される。なお、配線層形成時の基板温度は一例で２００〜３５０℃である。グラウンド電極１１６は配線１３６を介して接地される。
また、酸化シリコン層１０４をエッチングストッパーとしてシリコン基板１０２がエッチングされ、圧力室１１８が形成される（図１０（ａ））。圧力室１１８が形成されたシリコン基板１０２及び酸化シリコン層１０４を圧力室プレート１２８という。また、シリコン活性層１０６及び絶縁層１０８を振動板１３０という。
次に、圧力室プレート１２８の図中下面にノズルプレート１２０が接合される（図１０（ｂ））。これにより、インク貯蔵／装填部１４に貯蔵されたインクが共通流路１２２を介して圧力室１１８に供給され、圧力室１１８を経てノズル１２４に至るインク流路が形成される。
次に、アドレス電極１１４にフレキシブル配線１２６が接合される（図１０（ｃ））。これにより、アドレス電極１１４に印加された電圧により振動板１３０が変形し、圧力室１１８内のインクを吐出する液体吐出ヘッド１２が作成される。
なお、本発明は、上記インクを吐出する液体吐出ヘッド以外の液体吐出ヘッド（例えば、導電ペーストを吐出して基板上に微細な配線パターンを形成するための液体吐出ヘッドや、有機発光体を基板上に吐出して高精細ディスプレイを形成するための液体吐出ヘッド、光学樹脂を基板上に吐出して光導波路等の微小電子デバイスを形成するための液体吐出ヘッド）にも適用することが可能である。
１…インクジェット記録装置、１０…印字部、１２…液体吐出ヘッド、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…加熱ドラム、２４…カッター、２６…吸着ベルト搬送部、２８、３０…ローラー、３２…ベルト、３４…印字検出部、３６…吸着チャンバー、３８…ファン、４０…加熱部、４２…後乾燥部、４４…ベルト清掃部、４６…加熱・加圧部、４８…加圧ローラー、５０…カッター、５２…排紙部、６０…ホストコンピュータ、６２…通信インターフェース、６４…システムコントローラ、６６…プログラム格納部、６８…メモリ、７０…モータドライバ、７２…モータ、７４…ヒータドライバ、７６…ヒータ、７８…プリント制御部、８０…バッファメモリ、８２…ヘッドドライバ、１００…ＳＯＩ基板、１０２…シリコン基板（支持体）、１０４…酸化シリコン（Ｂｏｘ）層、１０６…シリコン基板（活性層）、１０８…絶縁層、１１０…圧電層、１１２…上部電極膜、１１４…アドレス電極、１１６…グラウンド電極、１１８…圧力室、１２０…ノズルプレート、１２２…共通流路、１２４…ノズル、１２６…配線（フレキシブルケーブル）、１２８…圧力室プレート、１３０…振動板、１３２…流路ユニット、１３４…圧電アクチュエータ、１３６…配線

Claims (12)

  1. 成膜法により所定の配向方向に配向を有するように形成された圧電層と、
    前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に配置され、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対と、
    を備える圧電アクチュエータ。
  2. 前記圧電層は、振動板上に設けられ、
    前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置される請求項１記載の圧電アクチュエータ。
  3. 平面に沿って配置された複数の圧力室と、
    前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備え、
    前記圧電アクチュエータが、
    成膜法により所定の配向方向に配向を有するように形成された圧電層と、
    前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に配置され、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対と、
    を備える液体吐出ヘッド。
  4. 前記圧電層は、振動板上に設けられ、
    前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置され、
    前記振動板は、前記圧力室の一壁面を構成する請求項３記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記圧電層が、前記複数の圧力室の一壁面を構成する請求項３記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記電極対が、前記平面に直交する面から見て、前記圧力室と略相似形の環状の第１の電極と、前記第１の電極の内側に配置された第２の電極とを備える請求項３から５のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
  7. 請求項３から６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドと、
    前記電極対に電圧を印加する電圧印加手段と、
    前記圧電素子に生じさせる電界の強度が３ｋＶ／ｍｍ以上、２５ｋＶ／ｍｍ以下になるように、前記電極対に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
    を備える画像形成装置。
  8. 成膜法により所定の配向方向に配向を有するように圧電層を形成するステップと、
    前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対を形成するステップと、
    を備える圧電アクチュエータの製造方法。
  9. 前記圧電層は、振動板上に設けられ、
    前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置される請求項８記載の圧電アクチュエータの製造方法。
  10. 平面に沿って配置された複数の圧力室と、前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    成膜法により所定の配向方向に配向を有するように圧電層を形成するステップと、
    前記圧電層の前記配向方向に略垂直な同一面上に、前記圧電層に対して、前記配向方向に略垂直な方向に電界を印加するための電極対を形成するステップと、
    を備える液体吐出ヘッドの製造方法。
  11. 前記圧電層は、振動板上に設けられ、
    前記電極対は、前記圧電層に対して前記振動板とは反対側の面に配置され、
    前記振動板は、前記圧力室の一壁面を構成する請求項１０記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  12. 前記圧電層が、前記複数の圧力室の一壁面を構成する請求項１０記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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