JP2015074174A - 圧電素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、画像形成装置及び圧電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得る。【解決手段】圧電素子２０は、振動板４の上部に下部電極３と圧電膜２と上部電極２とが順次積層されて構成されている。圧電膜２と上部電極１との積層方向Ｖから見た圧電膜２における上部電極１との界面１２近傍の平面視形状は、上部電極１の輪郭とほぼ同じ形状に形成されている。上部電極１との界面端１２ａから離れると圧電膜２の幅Ｗｙ２が急峻に広くなるように、且つ、圧電膜２の幅Ｗｙ２の領域内の圧電膜２の厚みが、圧電膜２の幅Ｗｙ２の急峻に広くなるのに相応した厚みをもって形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、画像形成装置及び圧電素子の製造方法に関し、詳しくは、プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ又はそれら複数の機能を複合した複合機等の画像形成装置などに用いられる、圧電素子を備えた液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置及び圧電素子の製造方法に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ又はこれら複数の機能を複合した装置として、例えばインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備え、記録媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドからインク滴を吐出させて記録媒体に付着させて画像形成を行うものがある。液滴吐出ヘッドとしては、圧電素子を備えた圧電型の液滴吐出ヘッドが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。圧電型の液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出する複数の並列されたノズルに個別に対応して配置された複数の液室の少なくとも一部の壁面を振動板で形成し、この振動板を圧電素子によって変形させ液室の容積を変化させることでインク滴を吐出させる方式である。

液滴吐出ヘッドの信頼性を向上させるには、圧電素子の破壊を防止し、寿命を延ばす必要がある。圧電素子の破壊には、大きくクラックと絶縁破壊の２つに分類できる。絶縁破壊に関しては、外部からの異物混入等のイレギュラーなケースを除いては、電極・圧電素子形成及び保護膜形成の設計最適化により比較的回避しやすい。

特許文献１には、信頼性の高い圧電素子を提供する目的で、以下の技術が開示されている。即ち、圧電体層２０の短手方向の側面２２の少なくとも一部は、凹凸面２３であり、第２電極３０から第１電極１０に向かうに従って、圧電体層２０の短手方向の幅Ｗｙは、凹凸面２３によって変化する技術である。

特許文献２には、インクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ及びその形成方法を提供する目的で、以下の技術が開示されている。即ち、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成される下部電極と、下部電極上の圧力チャンバに対応する位置に形成され、その周辺部と下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、圧電膜上に形成されて圧電膜に電圧を印加する上部電極とを備える。一方、圧電膜は、周辺部に形成された空間の代わりにその側面が下部電極の上面に対して実質的に直角をなすように形成できる技術である。

特許文献３には、耐久性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置を提供する目的で、以下の技術が開示されている。即ち、第１電極６０は、複数の能動部３２０に亘って形成されると共に、第１電極６０の能動部３２０に対応する第１領域６５の端部６６に、薄膜部６９の厚さ及び第１電極６０の能動部３２０間の第２領域６７の厚さよりも厚い厚膜部６８を設ける技術である。

上記特許文献１〜３技術では、圧電素子形状に特徴を持たせ、信頼性を向上させたり、応力集中を低減させたりしようとする意図は本発明と類似しているものの、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得る本発明の構成とは異なる。

上記特許文献１〜３で説明した内容を踏まえ、本発明の課題は次のようになる。即ち、クラックは絶縁破壊とは異なり、様々な要因で発生する可能性があり、且つ発生するタイミングも様々であることからスクリーニングも困難であり、抜本的な対策が必要である。クラックは構造的な要因がもたらす応力集中に因る場合が多く、応力集中が発生しにくい構造にする必要がある。
数μｍレベルの薄膜の圧電膜や圧電体層を変形させる吐出形式の場合（いわゆるベンドモード）、ＰＺＴの端部は変形による応力を受けやすく、また電極エッジにおける電界集中、電界強度差による応力を受けやすい。従って、ＰＺＴ端部の応力集中を緩和するという飛躍した新しい発想からの設計が信頼性向上には必要である。なお、ＰＺＴは、圧電素子の圧電層を形成するものであり、「ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ_３）の固溶体」ないしは「チタン酸ジルコン酸鉛」を意味する。

そこで、本発明は、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得ることを主な目的とする。

上述した課題を解決するとともに上述した目的を達成するために、本発明では、以下のような特徴ある手段・発明特定事項（以下、「構成」という）を採っている。
本発明は、振動板、下部電極、圧電膜及び上部電極が順に積層されて構成され、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が加えられる圧電素子において、前記圧電膜と前記上部電極との積層方向から見た前記圧電膜における前記上部電極との界面近傍の形状は、前記上部電極とほぼ同じ形状に形成されており、前記界面端から離れると前記圧電膜の幅が急峻に広くなるように、且つ、前記圧電膜の幅の前記上部電極が無い領域内の前記圧電膜の厚みが、前記圧電膜の幅の急峻に広くなるのに相応した厚みをもって形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記構成により、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子を得ることができる。

（ａ）は、第１の実施形態の圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの拡大断面図、（ｂ）は、（ａ）の四角枠で囲んだ部分を拡大して示す拡大断面図である。 第１の実施形態の図１（ａ）とは別例の圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの拡大断面図である。 第１の実施形態の図１（ａ）及び図２とは更に別例の圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの拡大断面図である。 変形例１及び２の液滴吐出ヘッドを示す拡大断面図である。 変形例１の一例を示す図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。 図５とは別の例を示す変形例１の図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。 図５及び図６とは更に別の例を示す変形例１の図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。 変形例２の一例を示す図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。 変形例３の液滴吐出ヘッドを示す拡大断面図である。 第２の実施形態を示す液滴吐出ヘッドの要部の実物の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第２の実施形態の主として圧電素子を得るための圧電素子の製造方法を説明する工程図である。 第３の実施形態を示す液滴吐出装置の外観斜視図である。 第４の実施形態を示す記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。 図１３とは別の、第４の実施形態を示す記録装置を透視して説明する斜視図である。 図１４に示す記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。

以下、図を参照して実施例を含む本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という）を詳細に説明する。各実施形態等に亘り、同一の機能及び形状等を有する構成要素（部材や構成部品等）については、混同の虞がない限り一度説明した後では同一符号を付すことによりその説明を省略する。図及び説明の簡明化を図るため、図に表されるべき構成要素であっても、その図において特別に説明する必要がない構成要素は適宜断わりなく省略することがある。公開特許公報等の構成要素を引用して説明する場合は、その符号に括弧を付して示し、各実施形態等のそれと区別するものとする。

以下、本願発明において、液滴吐出記録方式の「記録装置」や「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を着弾させて記録や画像形成を行う装置を意味する。「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を記録媒体に付与すること（単に液滴を媒体に着弾させること）をも意味する。「印刷」という用語は、「画像形成」と同じ意味で用いるものとする。
「液滴」とは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、樹脂、液体などと称されるものを含み、「画像形成」や「印刷」を行うことが可能に微細粒状化して液滴にできる全ての液体の液滴の総称として用いる。「記録媒体」とは、材質を紙に限定するものではなく、ＯＨＰシート、布なども含み、液滴が付着されるものの意味であり、被記録媒体、記録紙、記録用紙、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒あるいは単に用紙などと称されるものを含むものの総称として用いる。また、画像とは２次元画像に限らず、３次元画像も含まれる。

（第１の実施形態）
図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する（請求項１）。図１（ａ）は、第１の実施形態の圧電素子を備えた液滴吐出ヘッドの拡大断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の四角枠で囲んだ部分を拡大して示す拡大断面図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の圧電素子１０は、電気機械変換素子としての機能を有し、振動板４の上部に下部電極３と圧電膜２と上部電極１とが順次積層されて構成されている。換言すれば、圧電素子１０は、圧電膜２を挟んで上部電極１と下部電極３とが上下にサンドイッチ状に密着して形成されており、下部電極３は振動板４と密着している。上部電極１、圧電膜２、下部電極３及び振動板４からアクチュエータが構成される。

本実施形態の液滴吐出ヘッド２０は、圧電素子１０を有し、ノズル板６と、隔壁５と、支持体ないしはフレームとも呼ばれる図示しない保護基板との３枚の基板を重ねた積層構造となっている。ノズル板６には、液体（例えばインク等）を吐出するノズル孔を備えたノズル７が形成されている。隔壁５には、下方をノズル板６に、上方を振動板４によって囲まれて、個別液室とも呼ばれる液室８が形成されている。振動板４は、圧電膜２の変形を液室８に伝えるものである。
隔壁５とノズル板６とにより液室８を形成し、上記アクチュエータの駆動により、即ち下部電極３と上部電極１とにより圧電膜２に対して電界を加えることで、振動板４が変形し、液室８内の圧力変動により、ノズル７から液滴を吐出させることができる。

上部電極１及び下部電極３の材料は、白金やイリジウム、金、銀等で構成されている。振動板４は、シリコン熱酸化膜あるいは酸化膜、窒化膜、シリコンの積層構成でも良い。隔壁５は、シリコンあるいはステンレススチール、あるいはその複合でも良い。ノズル板６は、ステンレススチールのエッチング品、ステンレススチールのプレス品、ニッケル電気鋳造品、樹脂レーザ加工品でも良い。
圧電膜２を形成するＰＺＴは、「ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ_３）の固溶体」ないしは「チタン酸ジルコン酸鉛」で形成されている。圧電膜２は、ゾルゲル液をスピンコートし、成膜した後にエッチングにより個別チャンネルに対応した形状を作ってもよいし、ゾルゲル液を直接パターニング塗布して作ってもよい。また、スパッタにより成膜し、その後エッチングにより形状を作りこんでもよい。圧電膜は、圧電体、圧電層もしくは上位概念用語で電気機械変換膜とも呼ばれ、圧電素子は、上位概念用語で電気機械変換素子とも呼ばれる。

本発明の特徴は、図１（ａ）では四角枠で囲んだ部分の形状、図２及び図３では丸枠で囲んだ部分の形状、即ち圧電素子１０の圧電膜２の端部形状にある。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、上部電極１と圧電膜２とが接する部分には、界面１２が形成されている。圧電膜２と上部電極１との積層方向Ｖから見た圧電膜２における上部電極１との界面１２近傍の平面視形状は、上部電極１の輪郭とほぼ同じ形状に形成されている。上部電極１は、圧電膜２の全面に形成されている訳ではなく、圧電膜２の端部のエッジ２１より内側に配置されている。即ち、図１（ａ）、図１（ｂ）において、Ｗｙ２は、界面端１２ａから外側に向かって圧電膜２の端部のエッジ２１まで延びた圧電膜２の幅を示す。圧電膜２の全幅Ｗｙは、圧電膜２の全周囲において、図において左右両側の圧電膜２の幅Ｗｙ２に、上部電極１の輪郭とほぼ同じ形状に形成されている圧電膜２の幅Ｗｙ１を加えた長さ・距離である。

最大の特徴は、上部電極１との界面端１２ａから離れると圧電膜２の幅Ｗｙ２が急峻に広くなるように、且つ、圧電膜２の幅Ｗｙ２の領域内の圧電膜２の厚みが、圧電膜２の幅Ｗｙ２の急峻に広くなるのに相応した厚みをもって形成されている点にある。換言すれば、圧電膜２の厚み方向（上下方向Ｚａ）において上部電極１から離れると圧電膜２の幅が急峻に広がり、一定の幅Ｗｙ２となる。急峻に広がっているので、一定の幅Ｗｙ２の圧電膜２も相応の厚みを有しており、剛性の高い圧電膜２の形状となっている。
図１（ａ）、図１（ｂ）では、液滴吐出ヘッド２０の圧電素子１０を１つの断面で示しているが、他の断面、即ち上部電極１に対する圧電膜２の全周囲において上述した特有の形状を有していることは無論である。つまり、圧電素子の平面視形状としては、概略矩形状や、長円形状が一般的であるが、これらの何れの形状においても圧電膜の全周囲において上述した特有の形状を有していることになる。

ここで、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、圧電膜２の幅Ｗｙ２が急峻に広くなる「急峻」という用語の意味について補説する。図１（ｂ）において、「圧電膜２の幅Ｗｙ２が急峻に広くなる」とは、圧電膜２の厚み方向において、圧電膜２の厚み２ｂに対する上部電極１と圧電膜２との界面１２から圧電膜２のエッジ２１までの距離２ｂの割合が１０％以下であることを意味する。

圧電膜２の端部形状の詳細については、図１では圧電膜２が凹んだ形状で幅Ｗｙ２が急峻に広がる例を示しているが、これに限らず、図２に示すように圧電膜２が直線的形状で幅Ｗｙ２が急峻に広がる例でも良い。また、図３に示すように圧電膜２の端が上に凸のような形状で幅Ｗｙ２が急峻に広がる例でも良い。

上述したとおり、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。第１に、圧電膜２と上部電極１との積層方向Ｖから見た圧電膜２における上部電極１との界面１２近傍の平面視形状は、上部電極１の輪郭とほぼ同じ形状に形成されていることにより、電界強度のばらつきが抑えられるので応力集中の発生を抑制することができる。第２に、上記界面以外（界面端１２ａから圧電膜のエッジ２１までの幅Ｗｙ２部分）は、圧電膜２の厚みを厚く確保できる領域を多く確保することができるので、圧電膜２の剛性を向上させることが可能となり、その結果残留振動を抑えて高周波駆動ができる。以上により、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子１０を得ることができ、信頼性の高い液滴吐出ヘッド２０を得ることができる。

（変形例１）
図４〜図７を参照して、第１の実施形態の変形例１を説明する（請求項２）。図４は、変形例１の液滴吐出ヘッドを示す拡大断面図である。図５は、変形例１の一例を示す図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。図６は、図５とは別の例を示す変形例１の図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。図７は、図５及び図６とは更に別の例を示す変形例１の図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。
図４に示す変形例１の液滴吐出ヘッド２０Ａは、図１に示した第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と比較して、圧電素子１０に代えた圧電素子１０Ａを用いる点のみ相違する。上記相違点以外の液滴吐出ヘッド２０Ａは、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と同様である。

本変形例１の圧電素子１０Ａは、第１の実施形態の圧電素子１０と比較して、上部電極１の厚みｔ１が、上部電極１の端部から上部電極端１ａ、界面端１２ａにいくにつれて徐々に薄く形成されている点のみ相違する。図５に示す例は、上部電極１の端部から上部電極端１ａ、界面端１２ａにいくにつれて、上部電極１の厚みｔ１が直線的に傾斜した傾きをもって徐々に薄くなっていく場合を示している。これに限らず、図６に示す例のように、上部電極１の厚みｔ１が上部電極１の端部から上部電極端１ａ、界面端１２ａにいくにつれて下に凸のような形状で徐々に薄く形成しても良いし、また図７に示す例のように上に凸のような形状で徐々に薄く形成しても良い。

上述したとおり、本変形例１では、上部電極端１ａにおいて上部電極１の厚みｔ１を徐々に薄く形成している。これにより、本変形例１によれば、電極材料による圧電膜２の拘束力を徐々に小さくすることができるので、上部電極端１ａの応力集中を低減しながら、圧電膜２の変位効率を向上させることができる圧電素子１０Ａ及び液滴吐出ヘッド２０Ａを得ることができる。

（変形例２）
図４及び図８を参照して、第１の実施形態の変形例２を説明する（請求項３）。図４は、変形例２の液滴吐出ヘッドを示す拡大断面図である。図８は、変形例２の一例を示す図であって、図４の四角で囲んだ領域の圧電素子における上部電極端部及び圧電膜の拡大断面図である。
図４に示す変形例２の液滴吐出ヘッド２０Ｂは、図１に示した第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と比較して、圧電素子１０に代えた圧電素子１０Ｂを用いる点のみ相違する。上記相違点以外の液滴吐出ヘッド２０Ｂは、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と同様である。

変形例２の圧電素子１０Ｂは、第１の実施形態の圧電素子１０と比較して、図８に示すように、上部電極１の界面端１２ａ近傍に位置する圧電膜２の形状が、丸みとしてのＲ形状をもって形成されている点のみ相違する。換言すれば、図８に示す変形例２では、上部電極１の界面端１２ａ近傍に位置する圧電膜２の形状がＲを描きながら急峻に幅Ｗｙ２が広がるように形成されている。

上述したとおり、本変形例２によれば、上記構成により、圧電膜２の変形度合いの変化を小さくすることができるので、応力集中の発生を抑制することができる圧電素子１０Ｂ及び液滴吐出ヘッド２０Ｂを得ることができる。本変形例２は、上記した変形例１にも適用可能なことは無論である。

（変形例３）
図９を参照して、第１の実施形態の変形例３を説明する（請求項４）。図９は、変形例３の液滴吐出ヘッドを示す拡大断面図である。
図９に示す変形例３の液滴吐出ヘッド２０Ｃは、図１に示した第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と比較して、圧電素子１０に代えた圧電素子１０Ｃを用いる点のみ相違する。上記相違点以外の液滴吐出ヘッド２０Ｃは、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と同様である。

変形例３の圧電素子１０Ｃは、第１の実施形態の圧電素子１０と比較して、図９に示すように、圧電膜２の幅Ｗｙ２が、更に、圧電膜２の端部において、上部電極１側から下部電極３側に近づくにつれて広がるような傾斜をもって形成されている点のみ相違する。なお、同図に示す例では、直線状に傾斜した傾きで、上部電極１側から下部電極３側に近づくにつれて広がるような傾斜例を示したが、これに限らず、上に凸状あるいは下に凸状にやや湾曲したような形状で傾斜した例でも良い。

上述したとおり、本変形例３によれば、上記構成により、圧電膜２の端部の不活性部による変形拘束力を抑え、変位効率を向上させることができる圧電素子１０Ｃ及び液滴吐出ヘッド２０Ｃを得ることができる。本変形例３は、上記した変形例１や変形例２にも適用可能なことは無論である。

（第２の実施形態）
図１０および図１１を参照して、第２の実施形態を説明する（請求項１〜４、８）。図１０は、第２の実施形態を示す液滴吐出ヘッドの要部の実物の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）は、第２の実施形態の主として圧電素子を得るための圧電素子の製造方法を説明する工程図である。
図１０および図１１において、圧電素子１０Ｄ及び液滴吐出ヘッド２０Ｄは、上記した第１の実施形態及び変形例１〜３を全て実施した際の第２の実施形態を示す。図１０から、圧電膜２の幅Ｗｙ２が急峻に広がる様子や、上部電極１の厚みが上部電極端１ａにおいて徐々に薄くなる様子が見て取れる。また、圧電膜２の端部の形状が裾広がりになる様子（上部電極１側から下部電極３側に近づくにつれて広がるような傾斜をもって形成されている状態）も見て取れる。なお、図１０では、上部電極１からはみ出た圧電膜２の全周囲において上記した特有の形状として圧電膜２の幅Ｗｙ２を有しているが、図１０では図の簡明化のため一部のみ圧電膜２の幅Ｗｙ２を形成し、図１０の左上部分はエッチングせずに故意に残している。

次に、図１１を参照して、第２の実施形態の主として圧電素子を得るための圧電素子の製造方法を説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、振動板４に対し、下部電極３をスパッタで成膜した後、圧電体層をスパッタあるいはスピンコートで成膜し圧電膜２を得る。更にその上に上部電極１をスパッタで成膜する。その後、図１１（ｂ）に示すように、上部電極１をエッチングする際に、リソグラフィ、エッチング条件を工夫することによって圧電膜２を部分的にエッチングするステップを踏み、最後に、図１１（ｃ）に示すように、圧電膜２をエッチングする。このように、上部電極１のエッチング時にオーバーエッチングさせて、圧電膜２をエッチングすることにより所望の形状を形成するものである。

上述したとおり、第２の実施形態によれば、上部電極１をエッチングする際に、圧電膜２も併せてエッチングするので、所望の形状を効率良く作りこむことが可能となる。

（第３の実施形態）
図１２を参照して、第３の実施形態として液滴吐出装置の一例としてのインクカートリッジについて説明する（請求項６）。図１２は、第３の実施形態を示す液滴吐出装置の外観斜視図である。液滴吐出装置３０の具体例としては、吐出させる液体として適宜の色のインクを格納したインクカートリッジが挙げられる。
液滴吐出装置３０は、図１等に示したノズル７を備えた第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０と、この液滴吐出ヘッド２０に供給する液体を格納する液体タンク３２とを一体化したものである。

第３の実施形態によれば、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子１０を備えた信頼性の高い液滴吐出ヘッド２０を搭載しているため、信頼性が高い液滴吐出装置３０を提供することができる。インクタンクを一体化した液滴吐出装置３０の場合、液滴吐出ヘッド２０の低コスト化は直ちに液滴吐出装置３０全体の低コスト化につながるので、ヘッドを一体化した液滴吐出装置３０の低コスト化を図れる。なお、搭載する液滴吐出ヘッド２０は、これに限らず、上記した変形例１〜３の液滴吐出ヘッド２０Ａ〜２０Ｃ、あるいは第２の実施形態の液滴吐出ヘッド２０Ｄであっても良いことは無論である。

（第４の実施形態）
図１３を参照して、第４の実施形態を説明する（請求項７）。この第４の実施形態は、本発明に係る画像形成装置に関するものである。図１３は、第４の実施形態の画像形成装置の一例としての記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。

図１３に示す記録装置５０は、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０である、ブラック（Ｂ）とシアン（Ｃ）とマゼンタ（Ｍ）とイエロー（Ｙ）の４色にそれぞれ対応した液滴吐出ヘッド２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｙを有する。記録装置５０は、いわゆるライン型の記録装置である。液滴吐出ヘッド２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｙは、それぞれ吐出させる液体の色のみ相違するだけで、他の構成は同じであるため液体の色を表す添え字符号を省略して説明する。記録装置５０の具体例としては、上記各色のインクを吐出させる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などが挙げられる。
各液滴吐出ヘッド２０には、維持機構装置５１があり、パージ処理、ワイピング処理などの保全動作時には液滴吐出ヘッド２０のノズル面に対向する位置に移動する。この液滴吐出ヘッド２０は、記録媒体の印字領域幅以上の長さのノズル列を有するライン型からなる。給紙トレイ５２は圧板５３と、記録紙Ｐを給紙する給送回転体５４がベース５５に取り付けられている。圧板５３は、ベース５５に取り付けられた回転軸を中心に回転可能であり、圧板ばね５６により給送回転体５４に押圧（圧して押さえ付けることを意味する）される。給紙回転体５４と対向する圧板５３の部位には、記録紙Ｐの重送を防止するため、人工皮等の摩擦係数の大きい材質からなる不図示の分離パッドが設けられている。また、圧板５３と給送回転体５４の当接（突き当てた状態に接することを意味する）を解除する不図示のリリースカムが設けられている。

この記録装置５０で、待機状態ではリリースカムが圧板５３を所定位置まで押し下げている。これにより、圧板５３と給送回転体５４の当接は解除される。この状態で搬送ローラ５７の有する駆動力がギヤ等により給送回転体５４及びリリースカムに伝達されると、リリースカムが圧板５３から離れて圧板５３は上昇して記録紙Ｐが給送回転体５４に当接する。すると、給送回転体５４の回転に伴い記録紙Ｐはピックアップされ給紙を開始し、不図示の分離爪によって１枚ずつ分離される。給送回転体５４は記録紙Ｐをプラテン５８に送り込むべく回転する。記録紙Ｐは一対のガイド５９、６０の間を通過して搬送ローラ５７まで導かれプラテン５８まで搬送される。その後、再び記録紙Ｐと給送回転体５４との当接を解除した待機状態となって搬送ローラ５７からの駆動力が切られる。
また、手差しトレイ６１から供給された記録紙Ｐも給送回転体６２により搬送ローラ５７からプラテン５８まで搬送される。プラテン５８まで搬送された記録紙Ｐは、液滴吐出ヘッド２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｙにより紙搬送速度と液滴吐出のタイミングを制御された信号に基づき所望の画像が形成される。画像が記録された記録紙Ｐは、排紙ローラ６３と拍車６４とにより搬送されて排紙トレイ６５に排出される。

本実施形態４の記録装置５０によれば、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子１０を備えた信頼性の高い液滴吐出ヘッド２０を搭載しているため、信頼性が高く、長寿命の記録装置５０を得ることができる。また、上記ライン型の液滴吐出ヘッド２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｙを使用して記録紙Ｐに所望の画像を迅速に形成することができる。
なお、本実施形態４の記録装置５０においても搭載する液滴吐出ヘッド２０は、これに限らず、上記した変形例１〜３の液滴吐出ヘッド２０Ａ〜２０Ｃ、あるいは第２の実施形態の液滴吐出ヘッド２０Ｄであっても良いことは無論である。

次に、図１４及び図１５を参照して、画像形成装置の一例としての図１３に示した記録装置５０とは別の方式の記録装置１００について説明する。図１４は、図１３に示した記録装置とは別の第４の実施形態を示す記録装置を透視して説明する斜視図、図１５は、同記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。

図１４および図１５に示す記録装置１００は、第１の実施形態の液滴吐出ヘッド２０を搭載している。両図において、Ｙは主走査方向を、Ｘは主走査方向Ｙと直交する副走査方向を、それぞれ示している。
両図に示すように、記録装置１００は、いわゆるシリアル型のインクジェット記録装置であり、印字機構部１０４を有している。印字機構部１０４は、記録装置本体１００Ａの内部に主走査方向Ｙに移動可能なキャリッジ１０１と、キャリッジ１０１の下側に搭載された液滴吐出ヘッド２０と、液滴吐出ヘッド２０へインクを供給するインク供給手段としてのインクカートリッジ１０３とを備えている。

記録装置本体１００Ａの下方部には、図１５における左側の前方側から多数枚の記録紙Ｐを積載可能な給紙カセット１０６が、記録装置本体１００Ａに対して引き出し・押し込み自在に設けられている。給紙カセット１０６の上方には、用紙を手差しで給紙するための手差しトレイ１０７が記録装置本体１００Ａに対して揺動・開閉可能に設けられている。給紙カセット１０６あるいは手差しトレイ１０７から給送される記録紙Ｐを取り込み、印字機構部１０４によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１０８に排紙する。なお、給紙カセット１０６は、これに限らず、給紙トレイでもよい。

印字機構部１０４は、図示しない左右の側板に横架（横方向に架け渡すことを意味する）したガイド部材である主ガイドロッド１０９と従ガイドロッド１１０とでキャリッジ１０１を主走査方向Ｙに摺動（接触してすり動くことを意味する）自在に保持している。キャリッジ１０１には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂ）の各色のインク滴を吐出する液滴吐出ヘッド２０を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向Ｙと交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。

キャリッジ１０１には、液滴吐出ヘッド２０に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１０３を交換可能に装着している。インクカートリッジ１０３は、上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド２０へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。これにより、インクカートリッジ１０３は、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド２０へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液滴吐出ヘッド２０としてはここでは各色の液滴吐出ヘッド２０を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個の液滴吐出ヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ１０１は、後方側（記録紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１０９に摺動自在に支持され、前方側（記録紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１１０に摺動自在に載置されている。そして、このキャリッジ１０１を主走査方向Ｙに移動走査するため、タイミングベルト１１４をキャリッジ１０１に固定している。タイミングベルト１１４は、主走査モータ１１１で回転駆動される駆動プーリ１１２と従動プーリ１１３との間に張架（張力を付与する状態で掛け渡され装着されていることを意味する）されている。この主走査モータ１１１の正逆回転により、キャリッジ１０１が往復移動される。

一方、給紙カセット１０６にセットした記録紙Ｐを液滴吐出ヘッド２０の下方側に搬送するために、給紙ローラ１１５およびフリクションパッド１１６と、ガイド部材１１７と、搬送ローラ１１８と、搬送コロ１１９とを設けている。給紙ローラ１１５およびフリクションパッド１１６は給紙カセット１０６から記録紙Ｐを分離給装する機能を、ガイド部材１１７は記録紙Ｐを案内する機能を、搬送ローラ１１８は給紙された記録紙Ｐを反転させて搬送する機能を、それぞれ有する。また、搬送コロ１１９は搬送ローラ１１８の周面に押し付けられるものであり、先端コロ１２０は搬送ローラ１１８からの記録紙Ｐの送り出し角度を規定するものである。

搬送ローラ１１８は、副走査モータ１２１によってギヤ列を介して回転駆動される。そして、キャリッジ１０１の主走査方向Ｙの移動範囲に対応して搬送ローラ１１８から送り出された記録紙Ｐを液滴吐出ヘッド２０の下方側で案内する記録紙ガイド部材である印写受け部材１２２を設けている。この印写受け部材１２２の用紙搬送方向下流側には、記録紙Ｐを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１２３、拍車１２４を設けている。さらに、記録紙Ｐを排紙トレイ１０８に送り出す排紙ローラ１２５および拍車１２６と、排紙経路を形成するガイド部材１２７、１２８とを配設（配置して設けること、または位置を決めて設けることを意味する）している。

記録時には、キャリッジ１０１を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド２０を駆動することにより、停止している記録紙Ｐにインクを吐出して１行分を記録し、記録紙Ｐを所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、記録紙Ｐの後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ記録紙Ｐを排紙する。また、キャリッジ１０１の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド２０の吐出不良を回復するための回復装置１２９を配置している。回復装置１２９は、キャップ手段と、吸引手段と、クリーニング手段とを有している。キャリッジ１０１は印字待機中には回復装置１２９側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド２０をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド２０の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去される。これにより、吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、記録装置本体１００Ａの下部に設置された廃インク溜（図示せず）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

本実施形態の記録装置１００によれば、駆動させても応力集中しにくく、耐クラック性の高い圧電素子１０を備えた信頼性の高い液滴吐出ヘッド２０を搭載しているため、信頼性が高く、長寿命の記録装置１００を得ることができる。また、記録装置１００においてはアクチュエータユニットを有する液滴吐出ヘッド２０を搭載しているので、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上することができる。
なお、本実施形態４の記録装置１００においても搭載する液滴吐出ヘッド２０は、これに限らず、上記した変形例１〜３の液滴吐出ヘッド２０Ａ〜２０Ｃ、あるいは第２の実施形態の液滴吐出ヘッド２０Ｄであっても良いことは無論である。

前記説明では記録装置５０、１００に液滴吐出ヘッド２０を使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に上記した液滴吐出ヘッド２０、２０Ａ〜２０Ｄを適用してもよい。

本発明を特定の実施形態等について説明したが、本発明が開示する技術内容は、上述した実施形態や変形例等に例示されているものに限定されるものではなく、それらを適宜組み合わせて構成してもよい。そして、本発明の範囲内において、その必要性及び用途等に応じて種々の実施形態や変形例あるいは実施例を構成し得ることは当業者ならば明らかである。

本発明に係る画像形成装置は、記録装置５０、１００に限らず、本発明の液滴吐出ヘッドによる液体吐出方式の画像形成装置を含む画像形成装置にも適用可能である。即ち例えば、プリンタ、プロッタ、ワープロ、ファクシミリ、複写機、又はこれら２つ以上の機能を備えた複合機等において記録装置を含む画像形成装置にも適用可能である。
本発明の適用分野としては、直接的には印刷分野、特にデジタル印刷分野が挙げられ、画像形成装置としては、マルチファンクション・プリンタ（ＭＦＰ）を使用するデジタル印刷装置、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、ＭＦＰなどが挙げられる。また、応用分野としては、インクジェット技術を利用する三次元造型技術などにも適用可能である。
また、記録媒体としては、記録紙Ｐに限らず、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒、或いはＯＨＰシート等まで、液滴吐出ヘッドを用いて画像形成可能な全ての記録媒体を含むものである。

１ 上部電極
２ 圧電膜
３ 下部電極
４ 振動板
５ 隔壁
６ ノズル板
７ ノズル
８ 液室
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 圧電素子
１２ 界面
１２ａ 界面端
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 液滴吐出ヘッド
２１ エッジ
３０ 液滴吐出装置
５０、１００ 記録装置（画像形成装置の一例）
１００Ａ 記録装置本体
１０１ キャリッジ
１０３ インクカートリッジ
１０４ 印字機構部
１１１ 主走査モータ
１２１ 副走査モータ
Ｐ 記録紙（記録媒体の一例）
Ｗｙ１ 圧電膜の全幅
Ｗｙ２ 圧電膜の幅

特開２０１２−１９２５４１号公報 特開２０１０−１３２００８号公報 特開２０１０−２２８２７６号公報

Claims (8)

1. 振動板、下部電極、圧電膜及び上部電極が順に積層されて構成され、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が加えられる圧電素子において、
   前記圧電膜と前記上部電極との積層方向から見た前記圧電膜における前記上部電極との界面近傍の形状は、前記上部電極とほぼ同じ形状に形成されており、
   前記界面端から離れると前記圧電膜の幅が急峻に広くなるように、且つ、前記圧電膜の幅の前記上部電極が無い領域内の前記圧電膜の厚みが、前記圧電膜の幅の急峻に広くなるのに相応した厚みをもって形成されていることを特徴とする圧電素子。
2. 請求項１記載の圧電素子において、
   前記上部電極の厚みが、前記上部電極の端部から前記上部電極端にいくにつれて徐々に薄く形成されていることを特徴とする圧電素子。
3. 請求項１又は２記載の圧電素子において、
   前記上部電極との界面近傍に位置する前記圧電膜の形状が、丸みを形成されていることを特徴とする圧電素子。
4. 請求項１ないし３の何れか一つに記載の圧電素子において、
   前記圧電膜の幅が、更に、前記上部電極から前記下部電極に近づくにつれて広がるような傾斜をもって形成されていることを特徴とする圧電素子。
5. 請求項１ないし４の何れか一つに記載の圧電素子を用いたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項５記載の液滴吐出ヘッドと、
   前記液滴吐出ヘッドに供給する液体を格納するタンクと、
   を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
7. 請求項５記載の液滴吐出ヘッド又は請求項６記載の液滴吐出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項１ないし４の何れか一つに記載の圧電素子の製造方法において、
   前記圧電膜及び前記上部電極を成膜した後、前記上部電極のエッチング時にオーバーエッチングさせて、前記圧電膜をエッチングすることにより所望の形状を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。

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