JP2009231777A - 圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに圧電アクチュエータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタ法などのエピタキシャル成長法或いは配向成長法によって成膜された圧電体膜を有する圧電アクチュエータの好ましい駆動を可能とする、圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに圧電アクチュエータの駆動方法を提供する。
【解決手段】基板の上面に下部電極１１８を成膜し、下部電極１１８上にスパッタ法で圧電体膜１２０を成膜し、圧電体膜１２０の上面に上部電極１２２を成膜する。更に、上部電極１２２の上面に拘束板１２３を設ける。拘束板１２３を設けていない場合には、圧電体膜１２０の分極方向と反対向きの電界を印加すると、圧電アクチュエータ１２５は上向きに凸となるように変形するのに対して、拘束板１２３を設けることで圧電体膜１２０の分極方向と反対向きの電界を印加すると、圧電アクチュエータ１２５は下向きに凸となるように変形する。
【選択図】図１２

Description

本発明は圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに圧電アクチュエータの駆動方法に係り、特にスパッタ法などの手法により成膜された配向性を有する圧電素子の駆動技術に関する。

汎用の画像形成装置として、インクジェットヘッドから記録媒体上にインク液滴を吐出して所望の画像を形成するインクジェット記録装置が広く用いられている。インクジェット記録装置では、インクジェットヘッドからインク液滴を吐出させるための圧力付与手段として圧電素子（圧電アクチュエータ）が好適に用いられる。

インクジェットヘッドには、印字性能の向上、特に、高解像度化及び印字速度の高速化が求められている。そのために、ノズルを微細化するとともに高密度に配置したマルチノズルヘッド構造を用いて、高解像度化及び印字速度の高速化が試みられている。ノズルの高密度配置化を実現するために圧力発生素子である圧電素子の小型化が強く求められている。

圧電素子の小型化のためには、その厚みを薄くすることが有効であり、圧電素子の薄膜化を実現するために、例えば、特許文献１にはスパッタ法により圧電体層（圧電体膜）を成膜する技術が開示されている。
特開２００３−１８８４２９号公報

特許文献１に記載されているようなスパッタ法で作製した圧電体膜は、図２２(a)に示すように、基板（振動板）３１５に下部電極３１８を成膜し、下部電極３１８に圧電体膜３２０をスパッタ法で成膜し、更に、圧電体膜３２０に上部電極３２２を成膜して形成された圧電素子３２３を考えると、当該圧電体膜３２０の成膜時の分極方向Ａは下部電極３１８から上部電極３２２に向かう方向となっている。

一方、圧電素子３２３をインクジェットヘッドに用いる場合には、上部電極３２２及び下部電極３１８への配線を形成する観点から、上部電極３２２をアドレス電極、下部電極３１８をグランド電極とする構造が好ましい。

しかし、図２２(a)に示す圧電素子３２３の上部電極３２２をアドレス電極、下部電極３１８をグランド電極とし、上部電極３２２にプラス電圧を印加すると（圧電体膜３２０の分極方向と反対方向の電界を印加すると）、図２２(b)に示すように、圧電素子３２３は伸張する方向（図２２(b)に符号Ｂで図示）にたわみ変形し、振動板３１５が圧力室３２４の外側に（圧力室３２４の体積を増加させる方向に）変形してしまい、ノズル（不図示）からインクを吐出させることができない。

一方、上部電極３２２をアドレス電極、下部電極３１８をグランド電極とし、上部電極３２２にマイナス電圧を印加すると（圧電体膜３２０の分極方向と同一方向の電界を印加すると）、図２２(c)に示すように、圧電素子３２３は収縮する方向（図２２(c)に符号Ｂ’で図示）にたわみ変形し、振動板３１５が圧力室３２４の内側に（圧力室３２４の体積を減少させる方向に）変形し、ノズルからインクを吐出させることができる。

図２３には、図２２(a)〜(c)に図示した構造を有する圧電アクチュエータの印加電圧（Ｖ）と変位量（ｎｍ）との関係を示す。なお、「圧電アクチュエータ」とは、振動板３１５に圧電素子３２３が接合された構造体を表している。

図２３において、印加電圧は下部電極３１８をグランド電位としたときの上部電極３２２の電圧であり、変位量は振動板３１５の静定状態からの変位量であり、圧力室３２４の内側に変形するときの変位方向をプラス方向としている。

図２３に示すように、スパッタ法によって成膜された圧電体膜３２０（圧電素子３２３）は、下部電極３１８を基準電位（グランド電位）として上部電極３２２にプラス電圧を印加した場合と、下部電極３１８を基準電位として上部電極３２２にマイナス電圧を印加した場合とは、特性が変わってしまう。

例えば、−４０Ｖ印加時の変位量は略６００（ｎｍ）であるのに対して、＋４０Ｖ印加時の変位量は略１５０（ｎｍ）である。即ち、印加される電界の方向によって変位量が減少するとともに変位方向が逆転してしまう。即ち、図２３において、マイナス電圧を印加する場合とプラス電圧を印加する場合とは、特性が異なっている。

図２３のマイナス電圧に対応する方向の電界を圧電素子３２３に印加する方法には、マイナス電圧用の電源装置や駆動ＩＣ（駆動回路）を使用する方法や、上部電極３２２をグランド電極とし、下部電極３１８をアドレス電極として、下部電極３１８にプラス電圧を印加する方法が挙げられる。

しかしながら、上部電極３２２にマイナス電圧を印加する方法は、マイナス電圧用の電源装置や駆動回路はプラス電圧用のものに比べて価格が極端に高くなってしまうので、コスト面で不利である。また、下部電極３１８をアドレス電極としてプラス電界を印加する方法は、振動板３１５を通じて隣接する下部電極間にリーク電流が発生してしまい、電界を印加していない非駆動の圧電素子でも振動板が変位してしまう。その結果、意図しない圧力室（ノズル）からインクが吐出してしまう電気的クロストークが問題となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、スパッタ法などのエピタキシャル成長法或いは配向成長法によって成膜された圧電体膜を有する圧電アクチュエータの好ましい駆動を可能とする、圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに圧電アクチュエータの駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、振動板と、前記振動板の上面に形成される下部電極と、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を備え、各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆは、次式（１）

の関係を満たすことを特徴する。

本発明によれば、圧電アクチュエータの上部電極の圧電体膜と反対側に拘束板を備え、圧電アクチュエータを構成する各部材が上記式（１）を満たすように構成することで、上部電極の圧電体膜と反対側に拘束面が設けられるので、圧電体膜を伸張させるようにたわみ変形する方向の電界を印加すると、当該圧電アクチュエータは圧電体膜の拘束板と反対側に変形する。したがって、下部電極から上部電極に向かう方向の配向方向を有する圧電体膜に対して、下部電極を基準電位とし上部電極にプラス電圧を印加して配向方向と反対方向の電界を付与すると、圧電体膜は伸長する方向にたわみ変形し、当該圧電アクチュエータは振動板側に変形する。

各部材の厚み方向とは、各部材の積層接合してゆくときの接合方向である。

圧電体膜を成膜する際に、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法のうち少なくとも何れか１つの手法を用いると、膜厚が非常に薄い圧電体膜を成膜することができ、好ましい。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の圧電アクチュエータの一態様に係り、前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、振動板と下部電極を兼用することで、拘束板の厚みをより薄くすることができ、圧電アクチュエータの小型化に寄与する。また。圧電アクチュエータの構造自体が簡素化される。

振動板と下部電極と兼用する態様では、上記式（１）のＡ_１を省略し、Ａ_２＋Ａ_３＜Ａ_４＋Ａ_５の関係を満たせばよい。なお、絶縁層などの中間層を考慮する場合には、当該中間層のヤング率とポアソン比から算出される指標値を求め、圧電体膜の拘束板側の指標値の合計が、拘束板の反対側（圧電体膜を含む）の指標値の合計よりも大きくなればよい。

また、上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、前記圧力室の１つの壁面を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を備え、各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆは、次式（１）

の関係を満たすことを特徴する。

請求項３に記載の発明によれば、下部電極を基準電位として上部電極にプラス電圧を印加し、圧電体膜の配向方向（分極方向）と反対方向に電界を印加した場合にも、振動板を圧力室の内側に変形させることができるとともに、印加される電界強度に比例した変位量を得ることができる。したがって、上部電極をアドレス電極とし、下部電極をグランド電極として、プラス電圧を用いて圧電アクチュエータを駆動して、ノズルから液体を吐出させることが可能となる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、複数のノズル及び複数の圧力室に対応して、複数の圧電アクチュエータを備える態様では、下部電極をグランド電極として共通化することができ、配線構造の簡素化に寄与する。

また、上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明に係る液体吐出装置は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、前記圧力室の１つの壁面を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を具備する液体吐出ヘッドと、前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与する電界付与手段と、を備え、前記液体吐出ヘッドは、各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆは、次式（１）

の関係を満たすことを特徴とする。

液体吐出装置の一例として、ノズルからインクを吐出して記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置が挙げられる。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする。

下部電極の圧力室内の液体と接触する部分には、保護処理（絶縁処理）を施す態様が好ましい。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電体膜は、前記下部電極から前記上部電極に向かう配向方向を有し、前記電界付与手段は、前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与することを特徴する。

請求項７に記載の発明によれば、下部電極をグランド電極とし、上部電極をアドレス電極として上部電極にプラス電圧を印加して圧電アクチュエータを所望の動作モードで駆動することができるので、上部電極の配線構造が複雑にならずにすむ。

また、本発明は上記目的を達成するための方法発明を提供する。即ち、請求項８に記載の圧電アクチュエータの駆動方法は、振動板と、前記振動板の上面に形成される下部電極と、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を備え、各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆが、次式（１）

の関係を満たす圧電アクチュエータを駆動する際に、前記上部電極と前記下部電極の間に前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を印加することを特徴とする。

本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、当該圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドの駆動方法に適用可能である。

請求項９に記載の発明は、請求項８記載の圧電アクチュエータの駆動方法の一態様に係り、前記圧電体膜は前記下部電極から前記上部電極に向かう配向方向を有し、前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜に前記上部電極から前記下部電極へ向かう方向の電界を付与することを特徴とする。

本発明によれば、圧電アクチュエータの上部電極の圧電体膜と反対側に拘束板を備え、圧電アクチュエータを構成する各部材が上記式（１）を満たすように構成することで、上部電極の圧電体膜と反対側に拘束面が設けられるので、圧電体膜を伸張させるようにたわみ変形する方向の電界を印加すると、当該圧電アクチュエータは圧電体膜の拘束板と反対側に変形する。したがって、下部電極から上部電極に向かう方向の配向方向を有する圧電体膜に対して、下部電極を基準電位とし上部電極にプラス電圧を印加して配向方向と反対方向の電界を付与すると、圧電体膜は伸長する方向にたわみ変形し、当該圧電アクチュエータは振動板側に変形する。

また、当該圧電アクチュエータを液体吐出ヘッドに適用すると、下部電極を基準電位として上部電極にプラス電圧を印加し、圧電体膜の配向方向（分極方向）と反対方向に電界を印加して当該圧電アクチュエータを駆動する場合にも、振動板を圧力室の内側に変形させることができるとともに、印加される電界強度に比例した変位量を得ることができる。したがって、上部電極をアドレス電極とし、下部電極をグランド電極として、プラス電圧を用いて圧電アクチュエータを駆動して、ノズルから液体を吐出させることが可能となる。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔液体吐出ヘッドの製造方法の説明〕
図１〜図１１を用いて、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法（圧電アクチュエータの製造方法）を説明する。

（１）下部電極形成工程
図１には、表面絶縁基板であるＳＯＩ基板（ＳｉＯ_２の絶縁膜を備えたシリコン基板、以下、基板と記載する。）１１０を図示する。図１に示す基板１１０は、シリコン基材１１１と、シリコン酸化膜からなる絶縁層１１２と、シリコン基材１１４と、シリコン酸化膜からなる絶縁層１１６と、を下から順に積層した構造を有している。

図２には、図１に示す基板１１０に下部電極となる金属膜１１８を成膜した状態を図示する。基板１１０の上面（絶縁層１１６が形成されている面）に、スパッタ、蒸着等の手法を用いて下部電極となる金属膜１１８が成膜される。その後、図３に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて金属膜１１８は所定の形状に加工される。金属膜（下部電極）１１８には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）などが好適に用いられる。

なお、下部電極１１８の配置パターンが圧電素子を含む圧電アクチュエータ（図８〜１１に符号１２５で示す構造体）の配置パターンとなり、この圧電アクチュエータの配置パターンに対応してインクを吐出ノズルや圧力室（図１０，１１に符号１２４で図示）が配置される。言い換えると、インクを吐出するノズルや圧力室の配置に対応して下部電極１１８の配置パターンが決められる。

（２）圧電体膜成膜工程
下部電極（金属膜）１１８が所定の形状（パターン）に加工されると、下部電極１１８の上側（下部電極１１８の絶縁層１１６と反対側）の面には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等のエピタキシャル成長法による薄膜形成プロセスを用いて、配向性を持つ圧電体膜１２０が成膜される。圧電体膜１２０には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Ｐｂ(Ｚｒ,Ｔｉ)Ｏ_３）が好適に用いられる。図４には、圧電体膜１２０が成膜された状態を図示する。

（３）上部電極成膜工程
圧電体膜１２０が成膜されると、圧電体膜１２０の上側（圧電体膜１２０の下部電極１１８と反対側）の面には、スパッタ、蒸着等の手法を用いて上部電極となる金属膜１２２が成膜される。金属膜（上部電極）１２２には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）などが好適に用いられる。図５には、上部電極となる金属膜１２２が成膜された状態を図示する。

その後、図６に示すように、金属膜（上部電極）１２２は所定の形状にパターンニングされる。なお、上部電極１２２のパターンニングや下部電極１１８のパターンニングにはエッチングが好適に用いられ、当該上部電極１２２（下部電極１１８）のパターンニング（エッチング処理）は１５０℃程度の温度で行われる。

（４）拘束板成膜工程
次に、上部電極１２２の圧電体膜１２０の反対側面に拘束板１２３が成膜される。拘束板１２３の成膜には、スパッタ法、ＣＶＤ法などの薄膜成膜技術が用いられ、拘束板１２３の材料にはＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などの酸化金属が用いられる。なお、拘束板１２３の構造及び機能等の詳細については後述する。

（５）配線層形成工程
拘束板１２３が成膜されると、下部電極１１８の取出となる部分の拘束板１２３及び圧電体膜１２０がエッチングによって除去される（配線層形成工程）。当該配線層形成工程は、２００℃〜３５０℃の温度で行われる。なお、配線層形成工程の図示は省略する。

（６）拘束板エッチング工程
次に、上部電極１２２の取出となる部分（後述するＦＰＣが接合される部分）の拘束板１２３がエッチングにより除去される。図８には、拘束板１２３が除去されて上部電極１２２の一部が露出した状態を図示する。

本明細書では、下部電極１１８と上部電極１２２に圧電体膜１２０がはさまれた構造体を「圧電素子」と呼び、該圧電素子を駆動して、圧電素子自体または他の部材を変形（振動）させる構成を圧電アクチュエータと呼ぶことにする。本例では、圧電素子の上部電極１２２の上面に拘束板１２３が設けられた構造体が圧電アクチュエータ１２５である。

（７）圧力室形成工程
次に、エッチング等の手法を用いて、シリコン基材１１１に圧力室となる開口（形状）１２４が形成される。図９には、圧力室となる開口１２４が形成された状態を図示する。

（８）流路基板接合工程、ノズル基板接合工程
図９に示すように、圧力室１２４が形成されると、基板１１０の圧力室１２４が形成される側には、インク流路となる構造（溝、穴等）を有する流路基板１２６が接合される。基板１１０と流路基板１２６とを接合する際には、インク流路と圧力室１２４が正確に位置合わせされる。

更に、ノズルとなる微細孔１２７が形成されたノズル基板１２８を流路基板１２６の基板１１０と反対側に接合し、ヘッド構造体１２９となる。ノズル基板１２８と流路基板１２６とを接合する際には、微細孔１２７と吐出側流路が正確に位置合わせされる。図１０には、流路基板１２６及びノズル基板１２８が接合された状態を図示する。

（９）フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）接着工程
上記（１）〜（８）の各工程を経て、圧電アクチュエータ１２５を備えたヘッド構造体１２９が形成されると、圧電アクチュエータ１２５に印加される駆動電圧の配線が形成されたフレキシブルケーブル（ＦＰＣ）１３２が、上記（５）の配線層形成工程で形成された下部電極１１８のコンタクト、及び（６）の拘束板エッチング工程によって形成された上部電極１２２コンタクトと接合される。上部電極１２２のコンタクト及び下部電極１１８のコンタクトとＦＰＣとの接合には導電性接着剤が好適に用いられ、ＦＰＣ接合工程は、１００℃程度の温度環境下で行われる。

図１１には、ＦＰＣ１３２とヘッド構造体１２９の接合状態を模式的に図示する。なお、上部電極１２２からヘッド構造体１２９の端部に配線を引き出して、ヘッド構造体１２９の端部に設けられたコネクタを介して上部電極１２２とＦＰＣ１３２とを接合してもよい。

上記（１）〜（９）の各工程を経て作製されたヘッド構造体１２９の寸法の一例を挙げると、振動板（絶縁層１１２、シリコン基材１１４、絶縁層１１６から成る構造体）の厚みは１μｍ、上部電極１２２及び下部電極１１８の厚みは０．３μｍ、圧電体膜１２０の厚みは４μｍ、圧力室１２４の開口サイズは^□３００μｍである。

〔圧電アクチュエータの説明〕
次に、上記（１）〜（９）の各工程を経て作製された圧電アクチュエータ１２５について説明する。

図１２(a),(b)には、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータ１２５の動作モードを模式的に図示する。図１２(a)に示すように、圧電アクチュエータ１２５は、上部電極１２２をアドレス電極、下部電極１１８をグランド電極として、電源装置１３０から上部電極１２２にプラス電圧を印加すると（圧電体膜１２０の成膜時の分極方向Ａと反対方向の電界を印加すると）、圧電体膜１２０は伸張する方向（符号Ｂで図示する方向）にたわみ変形する。

圧電アクチュエータ１２５は、上部電極１２２の上面に拘束板１２３が設けられているので、上部電極１２２よりも上に拘束面が存在し、振動板１１５は（圧電アクチュエータ１２５は全体として）圧力室１２４の内側に変形する。

一方、図１２(b)に示すように、電源装置１３０から下部電極１１８を基準電位として上部電極１２２にマイナス電圧を印加すると（圧電体膜１２０の成膜時の分極方向Ａと同一方向の電界を印加すると）、圧電体膜１２０は収縮する方向（符号Ｂ’で図示する方法）にたわみ変形し、振動板１１５は圧力室の外側に変形する。

即ち、本例に示す圧電アクチュエータ１２５は、ｄ_３１モードの方向に変形する圧電体膜１２０を含み、上部電極１２２の上面に拘束板１２３を設けることで、従来技術に係る圧電アクチュエータ（図２２に示す圧電素子３２５と振動板３１５から構成される構造体）に対して変形方向が反転するものである。

本例では、圧電アクチュエータ１２５の上部電極１２２よりも上に拘束面を設け、圧電アクチュエータ１２５の上部電極１２２側を拘束して圧電アクチュエータ１２５の上部電極１２２側の剛性を下部電極１１８側よりも大きくすることで、圧電体膜１２０が横方向（ｄ_３１方向）に縮んだときには、振動板１１５は上方向に凸となり、圧電体膜１２０が横方向に伸びたときには、振動板１１５は下方向に凸となる。

図１３には、圧電アクチュエータ１２５の印加電圧と変位量との関係を示す。同図に示すように、印加電圧が０（Ｖ）〜２０（Ｖ）の範囲では、印加電圧に比例した変位量を得ることができる。また、図２２に示した従来技術に係る圧電アクチュエータを、下部電極３１８を基準電位として上部電極３２２にマイナス電圧を印加して振動板３１５を圧力室３２４の内部に変形させたときと、同程度の変位量を得ることができる。

なお、図１３に示す変位量は、振動板１１５の下面（圧力室１２４の内側面）の鉛直方向の変位量であり、図１２(a),(b)における下方向をプラス方向として、静定状態（印加電圧が０（Ｖ）の振動板がフラットな状態）を基準としたときの変位量である。

ここで、本例に示す圧電アクチュエータ１２５の変形モードについて、更に詳細に説明する。圧電アクチュエータ１２５を構成する各部材の接合方向（厚み方向、図１４における上下方向）をｙ方向として、圧電アクチュエータ１２５を構成する各部材のｙ方向の位置を図１４に図示するように規定する。

振動板１１５の下面（圧電アクチュエータ１２５の最下面）をｙ_０、下部電極１１８の下面（振動板１１５と下部電極１１８の境界面）をｙ_１、圧電体膜１２０の下面（下部電極１１８と圧電体膜１２０の境界面）をｙ_２、上部電極１２２の下面（圧電体膜１２０と上部電極１２２の境界面）をｙ_３、拘束板１２３の下面（上部電極１２２と拘束板１２３の境界面）をｙ_４、拘束板１２３の上面（圧電アクチュエータ１２５の最上面）をｙ_５とする。

また、振動板１１５のヤング率をＹ_ｖ、ポアソン比をＶ_ｖ、下部電極１１８のヤング率をＹ_ｕ、ポアソン比をＶ_ｕ、圧電体膜１２０のヤング率をＹ_ｐ、ポアソン比をＶ_ｐ、上部電極１２２のヤング率をＹ_ｍ、ポアソン比をＶ_ｍとし、拘束板１２３のヤング率をＹ_ｆ、ポアソン比をＶ_ｆとすると、次式（１）の関係を満足するときに、図１２(a),(b)及び図１３に示す特性を有する圧電アクチュエータ１２５を得ることができる。

上記式（１）は、圧電アクチュエータ１２５を構成する部材のうち、圧電体膜１２０の下側（圧電体膜１２０を含む）の部材の指標値の合計よりも、圧電体膜１２０の上側の部材の指標値の合計が大きくなるように拘束板１２３の物性及び厚みが決められる。

下記〔表１〕には、拘束板１２３の厚み及びヤング率Ｙ_ｆを変えたときに振動板の変位量を測定した測定結果を示す。下記〔表１〕に結果を示す評価実験では、振動板１１５（Ｓｉ）の膜厚は１．０（μｍ）、ヤング率Ｙ_Ｖは７３（ＧＰａ）、下部電極１１８（Ｐｔ）の膜厚は０．３（μｍ）、ヤング率Ｙ_ｕは１５０（ＧＰａ）、圧電体膜（ＰＺＴ）１２０の膜厚は４．０μｍ、ヤング率Ｙ_ｐは７０（ＧＰａ）、上部電極（Ｐｔ）１２２の膜厚は０．３μｍ、ヤング率Ｙ_ｍは１５０（ＧＰａ）とした。なお、各部材のポアソン比はすべて０．３とした。

また、拘束板１２３には、ポリイミド（実施例１〜４）、Ａｌ_２Ｏ_３（実施例５）、ＳｉＣ（実施例６）を用い、比較例として膜厚１．０μｍのポリイミドを用いた。

上記〔表１〕の実施例１〜４に示すように、拘束板１２３の厚みを相対的に大きくすると振動板の変位は相対的に大きくなる。また、製造上の制約や構造上の制約によって拘束板１２３の厚みを大きくすることができないときには、ヤング率が大きい材料を用いるとよい。

本例では、圧力室１２４の上面を構成する振動板１１５を含む圧電アクチュエータ１２５を例示したが、振動板１１５を省略する態様も可能である。

例えば、（７）圧力室形成工程において、振動板１１５となる絶縁層１１２、シリコン基材１１４、絶縁層１１６を除去してもよい。かかる構造では、上記式（１）のＡ_１が省略され（Ａ_２＋Ａ_３＜Ａ_４＋Ａ_５）、拘束板１２３の厚みをより薄くすることができる。なお、下部電極１１８が圧力室内の液体に接触すると絶縁不良や下部電極１１８の腐食といった問題が起こるので、絶縁層１１６を除去せずに残すか、下部電極１１８の圧力室１２４内の液体と接触する部分に保護処理を施す必要がある。

即ち、圧電アクチュエータ１２５の圧電体膜１２０の圧力室１２４側を、第１の膜から第ｎ−１の膜と圧電体膜１２０のｎ層の膜で構成し、一方、圧電体膜１２０の圧力室１２４と反対側を第ｎ＋１の膜から第ｍの膜の（ｍ−ｎ−１）層の膜で構成すると、上部電極１２２の上面に拘束面が設けられ、圧電体膜１２０の分極方向と逆方向の電界を印加して圧電アクチュエータ１２５を駆動したときに、圧電アクチュエータ１２５を圧力室１２４の内側向きに変形させるとともに、印加される電界強度（電圧）に比例した変位量を得ることが可能となる。

言い換えると、上部電極１２２の上面に拘束面が設けられる条件は、各部材の指標値（式（１）参照）Ａ_１からＡ_ｎの合計とＡ_ｎ＋１からＡ_ｍの合計との関係が、次式（２）を満たすときである。

Ａ_１＋Ａ_２＋…＋Ａ_ｎ＜Ａ_ｎ＋１＋Ａ_ｎ＋２＋…＋Ａ_ｍ …（２）
なお、上記式（２）において、第ｎ−１の膜は下部電極１１８であり、第ｎ＋１の膜は上部電極１２２である。

上記の如く構成された圧電アクチュエータ１２５は、最上面に拘束板１２３を備えることで、上部電極１２２の上側に拘束面が設けられるので、拘束板１２３（拘束面）がない場合に上方向に変形するように駆動されても、振動板１１５は下側に変形するとともに、印加電圧に比例した変位量を得ることができる。

即ち、下部電極１１８から上部電極１２２へ向かう方向の配向方向（分極方向）を有する圧電体膜１２０に対して、配向方向と反対方向の電界を印加したときに、拘束板がない場合と変形方向を反転させることができ、かつ、
拘束板がない場合の変位量と同程度の変位量を得ることができる。

〔装置例〕
次に、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータ（圧電素子）を吐出発生素子に適用したインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を備えたインクジェット記録装置（液体吐出装置）について説明する。

（全体構成）
図１５は、インクジェット記録装置２００の全体構成を示す概略図である。同図に示すように、インクジェット記録装置２００は、黒（Ｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）の各インクに対応して設けられた複数のインクジェットヘッド（以下、ヘッドという。）２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙを有する印字部２１２と、各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部２１４と、記録媒体（被吐出媒体）たる記録紙２１６を供給する給紙部２１８と、記録紙２１６のカールを除去するデカール処理部２２０と、各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙのノズル面に対向して配置され、記録紙２１６の平面性を保持しながら記録紙２１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２２と、印字部２１２の印字結果を読み取る印字検出部２２４と、記録済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２２６と、を備えている。

図１５には図示しないが、印字部２１２に含まれる各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙのそれぞれの上面（記録紙２１６と対向する面と反対側の面）には、各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙの制御基板が立てた状態で配置される。

インク貯蔵／装填部２１４は、各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するインク供給タンク（図１５中不図示、図２０に符号２６０で図示）を有し、各色のインクは所要のインク流路を介してヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙと連通されている。

また、インク貯蔵／装填部２１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

詳細は後述するが、本例のインクジェット記録装置２００は、各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙの上面にインク供給部を備え、インク貯蔵／装填部２１４からインク供給部を介して各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙにインクが供給される。

図１５では、給紙部２１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコード或いは無線タグなどの情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される記録媒体の種類（メディア種）を自動的に判別し、メディア種に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部２１８から送り出される記録紙２１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム３３０で記録紙２１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１５のように、裁断用のカッター（第１のカッター）２２８が設けられており、該カッター２２８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２２８は、記録紙２１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２２８Ａと、該固定刃２２８Ａに沿って移動する丸刃２２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２２８Ｂが配置される。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２２８は不要である。

デカール処理後、カットされた記録紙２１６は、吸着ベルト搬送部２２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２２は、ローラ２３１、２３２間に無端状のベルト２３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくともヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙのノズル面（ノズル開口が形成されるインク吐出面）に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト２３３は、記録紙２１６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穴（不図示）が形成されている。図１５に示したとおり、ローラ２３１、２３２間に掛け渡されたベルト２３３の内側においてヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙのノズル面に対向する位置には吸着チャンバ２３４が設けられており、この吸着チャンバ２３４をファン２３５で吸引して負圧にすることによって記録紙２１６がベルト２３３上に吸着保持される。

ベルト２３３が巻かれているローラ２３１、２３２の少なくとも一方にモータ（図１５中不図示、図２１に符号２８８で図示）の動力が伝達されることにより、ベルト２３３は図１５上の時計回り方向に駆動され、ベルト２３３上に保持された記録紙２１６は図１５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２３３上にもインクが付着するので、ベルト２３３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２３６が設けられている。ベルト清掃部２３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアを吹き掛けるエアーブロー方式、或いはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラ線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２２に代えて、ローラ・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラ・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラが接触するので画像が染み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面を接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２２により形成される用紙搬送路上において印字部２１２の上流側には、加熱ファン２４０が設けられている。加熱ファン２４０は、印字前の記録紙２１６に加熱空気を吹き付け、記録紙２１６を加熱する。印字直前に記録紙２１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部２１２のヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙは、当該インクジェット記録装置２００が対象とする記録紙２１６の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの記録媒体の少なくとも一辺を超える長さ（描画可能範囲の全幅）にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている（図１６参照）。

ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙは、記録紙２１６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）の色順に配置され、それぞれのヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙが記録紙２１６の搬送方向（紙送り方向）延在するように固定設置される。

吸着ベルト搬送部２２２により記録紙２１６を搬送しつつ各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙからそれぞれ異色のインクを吐出することにより記録紙２１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするノズル列を有するフルライン型のヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙを色別に設ける構成によれば、紙送り方向について記録紙２１６と印字部２１２を相対的に移動させる動作を１回行うだけで（即ち、１回の副走査で）、記録紙２１６の全面に画像を記録することができる。このようなシングルパス印字が可能な構成により、ヘッドが紙搬送方向と直交する方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インク、特別色インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出するインクジェットヘッドを追加する構成も可能である。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。更に、記録紙２１６に処理液とインクとを付着させた後に、記録紙２１６上でインク色材を凝集又は不溶化させて、記録紙２１６上でインク溶媒とインク色材とを分離させる２液系のインクジェット記録装置では、処理液を記録紙２１６に付着させる手段としてインクジェットヘッドを備えてもよい。

また、ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙは、それぞれ複数のヘッドモジュール（不図示）を記録紙２１６の幅方向につなぎ合わせた構造を有しているが、各ヘッドは一体に形成された構造を有していてもよい。

印字部２１２の後段に設けられる印字検出部２２４は、印字部２１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサを含み、該イメージ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その他吐出異常をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２２４は、少なくとも各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙ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で構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲ受光素子列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧ受光素子列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢ受光素子列と、から成る色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が２次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２２４は、各色のヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドットの着弾位置の測定などで構成される。

印字検出部２２４の後段には後乾燥部２４２が設けられている。後乾燥部２４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。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ほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部２４２の後段には、加熱・加圧部２４４が設けられている。加熱・加圧部２４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、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２４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

加熱・加圧部２４４によって記録紙２１６を押圧すると、多孔質のペーパーに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパーの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

こうして生成されたプリント物は排紙部２２６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記録装置２００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２２６Ａ、２２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙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（第２のカッター）２４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター２４８は、排紙部２２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター２４８の構造は前述した第１のカッター２２８と同様であり、固定刃２４８Ａと丸刃２４８Ｂとから構成される。

また、図１５には示さないが、本画像の排出部２２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられる。

（ヘッドの構造）
次に、ヘッドの構造について説明する。色別のヘッド２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号２５０によってヘッドを示すものとする。

図１７(a)はヘッド２５０の構造例を示す平面透視図であり、図１７(b)はその一部の拡大図である。また、図１７(c)はヘッド２５０の他の構造例を示す平面透視図、図１８はヘッド２５０の立体的構成を示す断面図（図１７(a),(b)中のXVIII−XVIII線に沿う断面図である。

記録紙２１６上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、ヘッド２５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド２５０は、図１７(a),(b)に示すように、インク滴の吐出孔であるノズル２５１と、各ノズル２５１に対応する圧力室２５２等からなる複数のインク室ユニット２５３を千鳥でマトリクス状に（２次元的に）配置させた構造を有し、これにより、ヘッド２５０の長手方向（紙送り方向と直交する主走査方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。

記録紙２１６の送り方向と略直交する主走査方向に記録紙２１６の全幅に対応する長さにわたり１列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図１７(a)の構成に代えて、図１７(c)に示すように、複数のノズル２５１が２次元的に配列された短尺のヘッドユニット２５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録紙２１６の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。また、図示は省略するが、短尺のヘッドユニットを一列に並べてラインヘッドを構成してもよい。

各ノズル２５１に対応して設けられている圧力室２５２は、その平面形状が概略正方形となっており、対角線上の両隅部にノズル２５１と供給口２５４が設けられている。各圧力室２５２は供給口２５４を介して共通流路２５５と連通されている。共通流路２５５はインク供給源たるインク供給タンク（図１７(a)〜(c)中不図示、図２０に符号２６０で図示）と連通しており、該インク供給タンクから供給されるインクは図１８の共通流路２５５を介して各圧力室２５２に分配供給される。

圧力室２５２の天面を構成する振動板２５６には下部電極（グランド電極、共通電極）２５７Ａと上部電極（アドレス電極、個別電極）２５７Ｂと圧電体膜２５８Ａを備えた圧電素子２５８が接合されている。

先に説明したように、本例の圧電素子２５８は、上部電極２５７Ｂの上面に拘束板１２３が設けられ、振動板２５６、圧電素子２５８及び拘束板１２３によって、圧電アクチュエータ１２５を構成している。

本例に示す圧電アクチュエータ１２５は、下部電極２５７Ａをグランドとして上部電極２５７Ｂにプラス電圧を印加することで、圧電素子２５８の分極方向と反対方向の電界を圧電素子２５８に付与し、振動板２５６を圧力室２５２の内側に変形させるように駆動される。

即ち、上部電極２５７Ｂと下部電極２５７Ａに所定の駆動電圧を印加することによって圧電素子２５８が変形してノズル２５１からインクが吐出される。インクが吐出されると、共通流路２５５から供給口２５４を通って新しいインクが圧力室２５２に供給される。なお、振動板２５６と下部電極２５７Ａとを共通化する態様も可能である。

また、振動板２５６の圧力室２５２側の面には、絶縁層（ＳｉＯ_２層）２５９が設けられ、圧力室２５２内のインクと振動板２５６との絶縁性能を確保するとともに、圧力室２５２内のインクが振動板２５６に接触することによる振動板２５６の腐食を防止する。

かかる構造を有するインク室ユニット２５３を図１９に示す如く、主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向に沿って一定の配列パターンで格子状に多数配列させることにより、本例の高密度ノズルヘッドが実現されている。

即ち、主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット２５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ×cosθとなり、主走査方向については、各ノズル２５１が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。

なお、印字可能幅の全幅に対応した長さのノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、記録紙２１６の幅方向（記録紙２１６の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるラインまたは複数列のドットから成るライン）を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。

特に、図１７(a),(b)、図１９に示すようなマトリクス状に配置されたノズル２５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。即ち、ノズル２５１−１１、２５１−１２、２５１−１３、２５１−１４、２５１−１５、２５１−１６を１つのブロックとし（他にはノズル２５１−２１、…、２５１−２６を１つのブロック、ノズル２５１−３１、…、５１−３６を１つのブロック、…として）、記録紙２１６の搬送速度に応じてノズル２５１−１１、５１−１２、…、５１−１６を順次駆動することで記録紙２１６の幅方向に１ラインを印字する。

一方、上述したフルラインヘッドと記録紙２１６とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるラインまたは複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。

そして、上述の主走査によって記録される１ライン（或いは帯状領域の長手方向）の示す方向を主走査方向といい、上述の副走査を行う方向を副走査方向という。即ち、本実施形態では、記録紙２１６の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する記録紙２１６の幅方向が主走査方向ということになる。なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されない。

なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、副走査方向に１列のノズル列を有する配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。

（インク供給系の構成）
図２０はインクジェット記録装置２００におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インク供給タンク２６０はヘッド２５０にインクを供給する基タンクであり、図１５で説明したインク貯蔵／装填部２１４に含まれる。インク供給タンク２６０の形態には、インク残量が少なくなった場合に不図示の補充口からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を変える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じた吐出制御を行うことが好ましい。

図２０に示すように、インク供給タンク２６０とヘッド２５０の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ２６２が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは、ノズル径と同等若しくはノズル径以下（一般的には、２０μｍ程度）とすることが好ましい。

なお、図２０には示さないが、ヘッド２５０の近傍又はヘッド２５０と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。

また、インクジェット記録装置２００には、ノズル２５１の乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ２６４と、ヘッド２５０のインク吐出面の清掃手段としてクリーニングブレード２６６が設けられている。キャップ２６４は、不図示の移動機構によってヘッド２５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置からヘッド２５０下方のメンテナンス位置に移動される。

キャップ２６４は、図示せぬ昇降機構によってヘッド２５０に対して相対的に昇降変位される。電源ＯＦＦ時や印刷待機時にキャップ２６４を所定の上昇位置まで上昇させ、ヘッド２５０に密着させることにより、ノズル面をキャップ２６４で覆う。

印字中又は待機中において、特定のノズル２５１の使用頻度が低くなり、ある時間以上インクが吐出されない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してインク粘度が高くなってしまう。このような状態になると、圧電素子２５８が動作してもノズル２５１からインクを吐出できなくなってしまう。

このような状態になる前に（圧電素子２５８の動作により吐出が可能な粘度の範囲内で）圧電素子２５８を動作させ、その劣化インク（粘度が上昇したノズル近傍のインク）を排出すべくキャップ２６４（インク受け）に向かって予備吐出（パージ、空吐出、つば吐き、ダミー吐出）が行われる。

また、ヘッド２５０内のインク（圧力室２５２内）に気泡が混入した場合、圧電素子２５８が動作してもノズルからインクを吐出させることができなくなる。このような場合にはヘッド２５０にキャップ２６４を当て、吸引ポンプ２６７で圧力室２５２内のインク（気泡が混入したインク）を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク２６８へ送液する。

この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも粘度上昇（固化）した劣化インクの吸い出しが行われる。なお、吸引動作は圧力室２５２内のインク全体に対して行われるので、インク消費量が大きくなる。したがって、インクの粘度上昇が小さい場合には予備吐出を行う態様が好ましい。

（制御系の説明）
図２１は、インクジェット記録装置２００のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置２００は、通信インターフェース２７０、システムコントローラ２７２、メモリ２７４、モータドライバ２７６、ヒータドライバ２７８、プリント制御部２８０、画像バッファメモリ２８２、ヘッドドライバ２８４等を備えている。

通信インターフェース２７０は、ホストコンピュータ２８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース２７０にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（不図示）を搭載してもよい。ホストコンピュータ２８６から送出された画像データは通信インターフェース２７０を介してインクジェット記録装置２００に取り込まれ、一旦メモリ２７４に記憶される。

メモリ２７４は、通信インターフェース２７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ２７２を通じてデータの読み書きが行われる。メモリ２７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ２７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従ってインクジェット記録装置２００の全体を制御する制御装置として機能するとともに、各種演算を行う演算装置として機能する。即ち、システムコントローラ２７２は、通信インターフェース２７０、メモリ２７４、モータドライバ２７６、ヒータドライバ２７８等の各部を制御し、ホストコンピュータ２８６との間の通信制御、メモリ２７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ２８８やヒータ２８９を制御する制御信号を生成する。

メモリ２７４には、システムコントローラ２７２のＣＰＵが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。なお、メモリ２７４は、書換不能な記憶手段であってもよいし、ＥＥＰＲＯＭのような書換可能な記憶手段であってもよい。メモリ２７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。

モータドライバ２７６は、システムコントローラ２７２からの指示にしたがってモータ２８８を駆動するドライバである。図２１では、装置内の各部に配置されるモータ（アクチュエータ）を代表して符号２８８で図示している。例えば、図２１に示すモータ２８８には、図１５のベルト２３３の駆動ローラ２３１（２３２）を駆動するモータや、図２０のキャップ２６４を移動させる移動機構のモータなどが含まれている。

ヒータドライバ２７８は、システムコントローラ２７２からの指示にしたがって、図１５に示す加熱ファン２４０の熱源たるヒータや、後乾燥部２４２のヒータなどを含むヒータ２８９を駆動するドライバである。

プリント制御部２８０は、システムコントローラ２７２の制御に従い、メモリ２７４内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字データ（ドットデータ）をヘッドドライバ２８４に供給する制御部である。プリント制御部２８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいて、ヘッドドライバ２８４を介してヘッド２５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。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。

プリント制御部２８０には画像バッファメモリ２８２が備えられており、プリント制御部２８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ２８２に一時的に格納される。また、プリント制御部２８０とシステムコントローラ２７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ２８４は、プリント制御部２８０から与えられる画像データに基づいてヘッド２５０の圧電素子２５８に印加される駆動信号を生成するとともに、該駆動信号を圧電素子２５８に印加して圧電素子２５８駆動する駆動回路（図１２(a),(b)の電源装置１３０）を含んで構成される。なお、図２１に示すヘッドドライバ２８４には、ヘッド２５０の駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

印字検出部２２４は、図１５で説明したようにラインセンサを含むブロックであり、記録紙２１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部２８０に提供する。

プリント制御部２８０は、必要に応じて印字検出部２２４から得られた情報に基づいてヘッド２５０に対する各種補正やヘッド２５０のメンテナンスを行うように各部を制御する。

印刷すべき画像のデータは、通信インターフェース２７０を介して外部から入力され、メモリ２７４に蓄えられる。この段階では、ＲＧＢの画像データがメモリ２７４に記憶される。

メモリ２７４に蓄えられた画像データは、システムコントローラ２７２を介してプリント制御部２８０に送られ、該プリント制御部２８０においてインク色ごとのドットデータに変換される。即ち、プリント制御部２８０は、入力されたＲＧＢ画像データをＫＣＭＹの４色のドットデータに変換する処理を行う。プリント制御部２８０で生成されたドットデータは、画像バッファメモリ２８２に蓄えられる。

プログラム格納部２９０には各種制御プログラムが格納されており、システムコントローラ２７２の指令に応じて、制御プログラムが読み出され、実行される。プログラム格納部２９０はＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリを用いてもよいし、磁気ディスクなどを用いてもよい。外部インターフェースを備え、メモリカードやＰＣカードを用いてもよい。もちろん、これらの記録媒体のうち、複数の記録媒体を備えてもよい。なお、プログラム格納部２９０は動作パラメータ等の記録手段（不図示）と兼用してもよい。

なお、図１５〜２１に示した装置構成は、本発明に係る圧電アクチュエータを適用した液体吐出ヘッド（圧電素子）を具備する装置の一例であって、適宜変更可能である。例えば、図１５には、記録紙２１６をベルト搬送する態様を例示したが、ドラム形状の搬送部材を用いて記録紙２１６を搬送しながら、ドラムの周面に配置された印字部２１２によって画像記録を行う態様も可能である。

本例では、本発明が適用される装置例として、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を例示したが、吐出発生素子として圧電アクチュエータを用いる液体吐出ヘッド及び装置に対して、広く本発明を適用することが可能である。他の装置例としては、基板（媒体）上に液体を吐出して所望の形状、パターンを形成する液体吐出装置（例えば、ディスペンサー）などが挙げられる。

本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータが形成される基板を説明する図 下部電極形成工程を説明する図 下部電極のパターンニング工程を説明する図 圧電体膜成膜工程を説明する図 上部電極形成工程を説明する図 上部電極のパターンニング工程を説明する図 拘束板製膜工程を説明する図 拘束板エッチング工程を説明する図 圧力室形成工程を説明する図 流路プレート接合工程及びノズルプレート接合工程を説明する図 ＦＰＣ接合工程を説明する図 本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの動作を説明する図 図１２に示す圧電アクチュエータの印加電圧と変位量の関係を説明する図 図１２に示す圧電アクチュエータの構造を説明する図 図１２に示す圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドを具備するインクジェット記録装置の全体構成図 図１５に示すインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図 図１５に示すヘッドの構成例を示す平面透視図 図１７中XVIII−XVIII線に沿う断面図 図１７に示すヘッドのノズル配列を示す拡大図 図１５に示すインクジェット記録装置におけるインク供給系の構成を示す概要図 図１５に示すインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図 従来技術に係る圧電アクチュエータの動作を説明する図 従来技術に係る圧電アクチュエータの電界強度に対する変位量の関係を示す特性図

符号の説明

１１８，２７５Ａ…下部電極、１２０，２５８Ａ…圧電体膜、１２２，２５７Ｂ…上部電極、１２３，２５８…圧電素子、１２５…圧電アクチュエータ、２９，２１２Ｋ，２１２Ｃ，２１２Ｍ，２１２Ｙ，２５０…ヘッド、３０…電源装置、２００…インクジェット記録装置、２８４…ヘッドドライバ

Claims (9)

1. 振動板と、
   前記振動板の上面に形成される下部電極と、
   エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、
   前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、
   前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
   を備え、
   各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、
   前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆは、次式（１）
   

   

   の関係を満たすことを特徴する圧電アクチュエータ。
2. 前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室の１つの壁面を構成する振動板と、
   前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、
   前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、
   前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、
   前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
   を備え、
   各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、
   前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆは、次式（１）
   

   

   の関係を満たすことを特徴する液体吐出ヘッド。
4. 前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室の１つの壁面を構成する振動板と、
   前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、
   前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、
   前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、
   前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
   を具備する液体吐出ヘッドと、
   前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与する電界付与手段と、
   を備え、
   前記液体吐出ヘッドは、各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、
   前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆは、次式（１）
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする液体吐出装置。
6. 前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする請求項５記載の液体吐出装置。
7. 前記圧電体膜は、前記下部電極から前記上部電極に向かう配向方向を有し、
   前記電界付与手段は、前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与することを特徴する請求項５又は６記載の液体吐出装置。
8. 振動板と、
   前記振動板の上面に形成される下部電極と、
   エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、
   前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、
   前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
   を備え、
   各部材の厚みの方向をｙ方向とし、前記ｙ方向における前記振動板の下面の位置をｙ_０、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をｙ_１、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をｙ_２、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をｙ_３、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をｙ_４、前記拘束板の上面位置をｙ_５とするときに、
   前記振動板のヤング率Ｙ_ｖ、前記振動板のポアソン比Ｖ_ｖ、前記下部電極のヤング率Ｙ_ｕ、前記下部電極のポアソン比Ｖ_ｕ、前記圧電体膜のヤング率Ｙ_ｐ、前記圧電体膜のポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率ポアソン比Ｖ_ｐ、前記上部電極のヤング率Ｙ_ｍ、前記上部電極のポアソン比Ｖ_ｍ、前記拘束板のヤング率Ｙ_ｆ、前記拘束板のポアソン比Ｖ_ｆが、次式（１）
   

   

   の関係を満たす圧電アクチュエータを駆動する際に、前記上部電極と前記下部電極の間に前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を印加することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
9. 前記圧電体膜は前記下部電極から前記上部電極に向かう配向方向を有し、
   前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜に前記上部電極から前記下部電極へ向かう方向の電界を付与することを特徴とする請求項８記載の圧電アクチュエータの駆動方法。

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