DE69837362T2

DE69837362T2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit piezoelektrischer Anordnung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69837362T2
Application number: DE1998637362
Authority: DE
Inventors: Hong Suwa-shi QIU; Sohichi Suwa-shi Moriya; Hiroyuki Suwa-shi Kamei; Koji Suwa-shi Sumi
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: DE69837362D1; JP3832075B2; US6142615A; EP0877430B1; EP0877430A3; EP0877430A2; JPH11129478A

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahlschreibkopf, der dahingehend wirksam ist, dass er Tintentröpfchen durch Düsen zur Durchführung eines Druckvorgangs auf ein aufnehmendes Medium sprüht, und im besonderen auf einen Tintenstrahlschreibkopf, der eine piezoelektrische Schicht einschließt, die größeren Druck in einer Druckkammer, in welcher Tinte aufbewahrt wird, hervorbringen kann. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Herstellungsverfahren für einen solchen Tintenstrahlschreibkopf mit einer piezoelektrischen Schicht.
BESCHREIBUNG DES TECHNISCHEN HINTERGRUNDS
In einem Tintenstrahlschreibkopf verursacht eine Spannung, die einer piezoelektrischen Einrichtung angelegt wird, welche auf einer Vibrationsplatte ausgebildet ist, eine kurzzeitige Veränderung im Volumen einer Druckkammer, die mit Düsen in Verbindung steht und darin den Druck erhöht. Der erhöhte Druck lässt Tintentröpfchen aus den Düsen und auf ein aufnehmendes Medium sprühen.
Für einen herkömmlichen Tintenstrahldrucker wird eine piezoelektrische keramische Schicht aus Bleizirkonattitanat (PZT) zum Beispiel auf einer Fläche eines Druckkammersubstrats ausgebildet, um eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise wird eine polarisierte piezoelektrische Einrichtung verwendet.
Eine gewünschte Verbesserung für die piezoelektrischen Einrichtung, die in einem Tintenstrahldrucker verwendet wird, ist die Fähigkeit, eine größere Verschiebung bei Anlegung einer geringeren Betriebsspannung zur Verfügung zu stellen. Physikalisch kann diese Eigenschaft durch Verwendung eines Wertes gemessen werden, den man von der piezoelektrischen Konstante d erhält, welche ein Produkt der piezoelektrischen Konstante g und einer dielektrischen Konstante ist. Die piezoelektrische Konstante d ist ein Proportionalitätsfaktor, der aus einer Verschiebung und einem elektrischen Feld abgeleitet wird, und die piezoelektrische Konstante g ist ein Proportionalitätsfaktor zwischen einem elektrischen Feld und Spannung. Die dielektrische Konstante ist ein Proportionalitätsfak tor zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Dichte einer Ladung einer Fläche.
Wenn jedoch ein Experiment durchgeführt wird, bei dem die Zusammensetzung eines piezoelektrischen keramischen Materials verändert wird, welches dazu verwendet worden ist, eine piezoelektrische Einrichtung zu dem Zweck auszubilden, die gewünschte Eigenschaft für einen Tintenstrahlschreibkopf zu erhalten, ist es schwierig, eine einzige piezoelektrische keramische Zusammensetzung zu erhalten, die eine genügende piezoelektrische Konstante d aufweist.
Dem entsprechend ist es ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahlschreibkopf zur Verfügung zu stellen, der eine laminierte Struktur hat, welche piezoelektrische keramische Schichten umfasst, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, so dass eine piezoelektrische Einrichtung ausgebildet werden kann, die eine höhere piezoelektrische Konstante d aufweist als eine herkömmliche Einrichtung, wobei sie das Versprühen von mehr Tintentröpfchen in höherer Geschwindigkeit bei Anlegen einer niedrigeren Spannung erlaubt.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlschreibkopfes zur Verfügung zu stellen, der einen Schritt zum Laminieren einer Mehrzahl von piezoelektrischen keramischen Schichten umfasst, welche unterschiedliche Eigenschaften haben, so dass eine piezoelektrische Einrichtung ausgebildet werden kann, die eine höhere piezoelektrische Konstante d aufweist als eine herkömmliche Einrichtung, wobei sie das Versprühen von mehr Tintentröpfchen in höherer Geschwindigkeit bei Anlegen einer niedrigeren Spannung erlaubt.
DIE ERFINDUNG IM ÜBERBLICK
Um das erste Ziel zu erreichen, wird gemäß vorliegender Erfindung, wie in Anspruch 1 dargelegt, ein Tintenstrahlschreibkopf zur Verfügung gestellt. Ein Tintenstrahlschreibkopf hat eine Vibrationsplatte, auf welcher eine piezoelektrische Einrichtung angebracht ist, die das Volumen einer Druckkammer durch Anlegen einer Spannung verändert. Die piezoelektrische Einrichtung ist auf mindestens einer Fläche eines Druckkammersubstrats angebracht, das sich mit Tinte füllen soll. Die piezoelektrische Einrichtung umfasst: eine erste piezoelektrische Schicht, die eine dielektrische Konstante von spezifischem Wert (z.B. 1400 oder höher) aufweist, und eine zweite piezoelektrische Schicht, die eine piezoelektrische Konstante g von konstantem Wert (z.B. 13 × 10^–3 m V/N oder höher) auf weist. Wenn also die Laminierung der piezoelektrischen Schicht, die aus einer Mehrzahl von Schichten besteht, dielektrisch polarisiert wird, entspricht die piezoelektrische Konstante d als Ganze einem Produkt, das eine vergleichsweise hohe piezoelektrische Konstante g mit einer vergleichsweise hohen Dielektrizitätskonstante zwischen den Schichten aufweist, so dass eine piezoelektrische Einrichtung ausgebildet werden kann, die eine hohe piezoelektrische Konstante d aufweist. Im allgemeinen umfasst ein "piezoelektrisches Element" ein piezoelektrisches keramisches Material und ist ein Allgemeinbegriff für metallische Verbindungen, die bei Anlegen von Stärke dielektrische Polarisierung bewirken.
Die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten werden zum Beispiel durch Laminieren einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet, welche dieselbe Zusammensetzung haben.
Die erste piezoelektrische Schicht ist ein Perovskit-Kristall, der eine Zusammensetzung aufweist, die von der allgemeinen Formel Pb(Zr_(1-y)Ti_y)_1-z(b_(1-x)b'_x)_zO₃ dargestellt wird, in der b und b' zweiwertige bis sechswertige metallische Elemente bezeichnen, und in der das Element b n Valenzen besitzt (wobei n eine natürliche Zahl ist), b' m Valenzen besitzt, x eine reelle Zahl mit 0 < x < 1 ist, y eine reelle Zahl mit 0 < y < 1 ist und z eine reelle Zahl ist mit 0 < z < 1, wobei n, m und x der Gleichung genügen: n(1 – x) + mx = 4.
Gemäß dieser Zusammensetzung wird die piezoelektrische Konstante d erhöht, und entsprechend können der Spannungswiderstand und die Haltbarkeit verbessert werden. Die zweiwertigen bis sechswertigen metallischen Elemente b und b' bestehen aus zwei der folgenden Elemente: Mg, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Nb, Cd, In, Sn, Sb, La, Yb, Lu, Ta, W und Bi. Die erste piezoelektrische Schicht kann entweder sowohl Zr und Ti, oder nur eines von beiden aufweisen. Im besonderen weist die erste piezoelektrische Schicht die Zusammensetzung Pb(Zr_0.56Ti_0.44)_0.8(Mg_1/3Nb_2/3)_0.2O₃ auf.
Die zweite piezoelektrische Schicht ist eine piezoelektrische Keramik, welche die Elemente Pb, Zr und Ti enthält. Im besonderen weist die zweite piezoelektrische Schicht die Zusammensetzung PbZr_0.56Ti_0.44O₃ auf.
Wenn die erste piezoelektrische Schicht eine piezoelektrische Konstante g1 und die zweite piezoelektrische Schicht eine piezoelektrische Konstante g2 (g2 > g1) aufweist, sollte das Verhältnis der Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht zur Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht vorzugsweise so eingestellt werden, dass eine gewünschte piezoelektrische Konstante g (g2 > g > g1) erhalten wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat, wenn die zwei piezoelektrischen Schichten laminiert werden, die piezoelektrische Konstante g für die gesamte Laminierung der Schichten einen Wert, der in der Mitte der Werte für die piezoelektrischen Konstanten g für die einzelnen Schichten liegt. Da die piezoelektrische Konstante g der Laminierung der Schichten je nach dem Verhältnis der Dicke der zwei piezoelektrischen Schichten variiert, kann diese Dicke zwecks Erlangung einer gewünschten piezoelektrischen Konstante g verändert werden. Zum Beispiel wird die piezoelektrische Konstante g so eingestellt, dass sich 14 [mV m/N] ergibt. Dieses Phänomen soll auf der Ebene einer Molekularstruktur erörtert werden. Wenn zwei piezoelektrische Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung ausgebildet werden, während sie miteinander im Zusammenhang stehen, wachsen beide Schichten epitaktisch und verklammern sich ihre Perovskit-Strukturen. Wenn in einem der Kristalle große Spannung auftritt, wird der andere Kristall von dieser Kraft einer strukturellen Distorsion ausgesetzt und erwirbt dadurch eine piezoelektrische Konstante g, die größer ist als die Spannung, die in diesem Kristall auftreten könnte. Wenn daher unterschiedliche Arten keramischen Materials, die ähnliche Kristallstrukturen haben, laminiert werden, ist die piezoelektrische Konstante g eine andere, als wenn die piezoelektrischen keramischen Materialien durch Verwendung eines einzelnen Kristalls ausgebildet werden. Da eine piezoelektrische Schicht, die eine kleine piezoelektrische Konstante g aufweist, von einer piezoelektrischen Schicht angezogen wird, die eine hohe piezoelektrische Konstante aufweist, wird in praxi die piezoelektrische Konstante g der piezoelektrischen Schicht, die eine kleine Konstante g hat, erhöht.
Zusätzlich sollte, wenn die piezoelektrische Schicht eine dielektrische Konstante ε1 und die piezoelektrische Schicht eine dielektrische Konstante ε2 (ε2 > ε1) aufweist, ein Verhältnis der Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht zur Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht vorzugsweise so eingestellt werden, dass man eine gewünschte dielektrische Konstante ε (ε1 > ε > ε2) erhält. Das heißt: Wenn zwei piezoelektrische Schichten, die unterschiedliche dielektrische Konstanten aufweisen, laminiert sind, wird eine Halbleitereigenschaft zur Verfügung gestellt, welche ähnlich derjenigen ist, wenn Kondensatoren in Serie geschaltet werden. Die dielektrische Konstante der gesamten Laminierung der Schichten hat einen Wert, der in der Mitte zwischen den Werten für die dielektrischen Konstanten der einzelnen Schichten liegt. Da die dielektrische Konstante der Laminierung der Schichten je nach dem Verhältnis der Dicke der piezoelektrischen Schichten variiert, kann die Dicke der zwei Schichten so eingestellt werden, dass man eine gewünschte dielektrische Konstante, z.B. 1400, erhält.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß vorliegender Erfindung kann eine dritte piezoelektrische Schicht aufweisen, die aus einer oder mehr Arten von Schichten zusammengesetzt ist und eine Zusammensetzung aufweist, die sich unterscheidet von derjenigen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schichten. Mit anderen Worten: Die dritte piezoelektrische Schicht schließt eine Mehrzahl unterschiedlicher Arten von Schichten ein. Die dritte piezoelektrische Schicht wird zum Beispiel durch Kombination der Zusammensetzungen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schichten ausgebildet.
Was die Struktur der Schicht betrifft, so schließt der Tintenstrahlschreibkopf eine Mehrzahl der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schichten ein, wobei die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten gleichförmig laminiert sind.
Weiterhin schließt der Tintenstrahlschreibkopf eine Mehrzahl der ersten, der zweiten und der dritten piezoelektrischen Schichten ein, die aus einer oder mehreren Arten von Schichten besteht, wobei die zweiten und die dritten piezoelektrischen Schichten gleichförmig laminiert sein können.
Der Tintenstrahlschreibkopf schließt eine oder mehrere der ersten, der zweiten und der dritten piezoelektrischen Schichten ein, wobei die ersten und die zweiten und die dritten piezoelektrischen Schichten ungleichförmig laminiert sein können.
Vorzugsweise sollte die piezoelektrische Einrichtung eine obere Elektrode und eine untere Elektrode aufweisen, die als Träger für Kristallwachstum dient, und eine piezoelektrische Schicht, die fest an der unteren Elektrode befestigt ist, sollte vorzugsweise ein Kristallteilchen aufweisen, das als der Kern für das Kristallwachstum dient: Dies deswegen, weil das Kristallwachstum, wenn sich ein Kristallteilchen in der piezoelektrischen Schicht befindet, die an der unteren Elektrode fest angebracht ist, an diesem Teilchen beginnt und eine piezoelektrische Schicht ausgebildet werden kann, die eine vorzuziehende Kristallisierungsbedingung aufweist.
Um gemäß der vorliegenden Erfindung das zweite Ziel zu erreichen, gibt es, wie in Anspruch 16 dargelegt, ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlschreibkopfes. Eine Vibrationsplatte, auf der eine piezoelektrische Einrichtung angebracht ist, die das Volumen einer Druckkammer bei Anlegen einer Spannung verändert, wird auf mindestens einer Fläche eines Druckkammersubstrats angebracht, das sich mit Tinte füllen soll. Das Verfahren umschließt:
einen Schritt zum Ausbilden einer Vibrationsplatte durch Ausbilden eines Isolierfilms und eines Films für eine untere Elektrode auf einer Fläche des Druckkammersubstrats;
einen Schritt zum Ausbilden einer zweiten piezoelektrischen Schicht durch Ausbilden einer zweiten piezoelektrischen Schicht, die eine zweite Zusammensetzung auf dem Film für die untere Elektrode aufweist, der bei dem Schritt zum Ausbilden der Vibrationsplatte ausgebildet worden ist;
einen Schritt zum Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht durch Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht, die eine erste Zusammensetzung auf der zweiten piezoelektrischen Schicht aufweist, die beim Schritt zum Ausbilden der zweiten piezoelektrischen Schicht ausgebildet worden ist;
einen Schritt zum Ausbilden einer oberen Elektrode durch Ausbilden eines Films für die obere Elektrode auf der ersten piezoelektrischen Schicht, die bei dem Schritt zum Ausbilden der ersten piezoelektrischen Schicht ausgebildet worden ist;
einen Ätzschritt zum Ätzen des Druckkammersubstrats, auf dem der Film für die obere Elektrode bei dem Schritt zur Ausbildung der oberen Elektrode ausgebildet wird, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden.
Vorzugsweise sollten der Schritt zum Ausbilden der ersten piezoelektrischen Schicht und der Schritt zum Ausbilden der zweiten piezoelektrischen Schicht einschließen: einen Beschichtungsschritt zum Beschichten eines Vorläufers für eine piezoelektrische Schicht; einen Trocknungsschritt zum Trocknen des Vorläufers der piezoelektrischen Schicht, die in dem Beschichtungsschritt beschichtet worden ist; einen Pyrolisierungsschritt zum Pyrolisieren der piezoelektrischen Schicht, die in dem Trocknungsschritt getrocknet worden ist; und einen Kristallisierungsschritt zum Ausführen eines schnellen thermischen Prozesses für die piezoelektrische Schicht, die in dem Pyrolisierungsschritt pyrolisiert worden ist. Weiterhin sollte eine Mehrzahl der piezoelektrischen Schichten, die getrocknet und pyrolisiert sind, vorzugsweise laminiert werden durch mehrmaliges Wiederholen des Beschichtungsschrittes, des Trocknungsschrittes und des Entfettungsschrittes. Denn durch den Trocknungs-, den Pyrolisierungs- und den Kristallisierungsprozess werden die einzelnen piezoelektrischen Schichten in einer spezifischen Richtung dielektrisch polarisiert, und durch jene Prozesse wird der amorphe Zustand eliminiert, wobei der Unterschied in der Zusammensetzung der piezoelektrischen Schichten, welche die ersten und die zweiten Zusammensetzungen aufweisen, verringert werden kann. Soll heißen: Wenn unterschiedliche Arten amorpher piezoelektrischer Schichten laminiert werden, pflegt ein Diffusionsphänomen aufzutreten, bei dem die Unterschiede in den Zusammensetzungen eliminiert zu werden pflegen. Wenn eine Mehrzahl von Schichten in eine Mehrzahl von Schichtengruppen eingeteilt und dann getrocknet, pyrolisiert und kristallisiert werden, tritt das Diffusionsphänomen seltener auf, und dann können die Unterschiede in den Zusammensetzungen als die originale keramische Zusammensetzung beibehalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin:
Einen Schritt zur Ausbildung einer Druckkammer durch Ausbilden einer Druckkammer auf der anderen Fläche des Druckkammersubstrats; und einen Schritt zur Ausbildung einer Düsenplatte durch Ausbildung einer Düsenplatte auf einer Fläche des Druckkammersubstrats gegenüber der Fläche, auf der eine Druckkammer bei dem Schritt zur Ausbildung einer Druckkammer ausgebildet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Querschnittsansicht der Schichtenstruktur einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß Ausführungsform 1 dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
2 stellt eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckers dar, der die vorliegende Erfindung verwendet.
3 stellt eine perspektivischen Explosionsansicht eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß vorliegender Erfindung dar.
4 stellt eine partielle perspektivische Querschnittsansicht eines Druckkammersubstrats eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß vorliegender Erfindung dar.
5 stellt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Funktionsprinzips eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß vorliegender Erfindung dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
6a bis 6h stellen Querschnittsansichten einer Struktur dar, die während eines Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß vorliegender Erfindung ausgebildet worden ist.
7 stellt eine Grafik der Zusammensetzungsverteilung eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Sprühdauer entlang der Vertikalachse der Tiefe von der Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht in Richtung der Dicke entspricht.
8 stellt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Schichtenstruktur einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß der Ausführungsform 2 dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
9 stellt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Schichtenstruktur einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß der Ausführungsform 3 dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
10 stellt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Schichtenstruktur einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß der Ausführungsform 4 dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
11 stellt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Schichtenstruktur einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß der Ausführungsform 4 dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
12 stellt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung einer Modifikation der Schichtenstruktur einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß der Ausführungsform 5 dar, wie dargestellt in einem Querschnitt entlang A-A in 4.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
Zunächst soll eine Erläuterung der Struktur eines Tintenstrahldruckers gegeben werden, in dem ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird. Wie in 2 gezeigt, umfasst ein Tintenstrahldrucker 100, der sich auf die vorliegende Erfindung bezieht, einen Tintenstrahlschreibkopf 101 vorliegender Erfindung, einen Hauptteil 102 und eine Einzugslade 103. Wenn ein Blatt 105 eingezogen wird, wird der Tintenstrahlschreibkopf in eine Richtung bewegt, die von einem Pfeil angezeigt wird, und sprüht durch seine Düsen 11 (siehe 3) auf das Blatt 105 zum Zweck des Druckens Tintentröpfchen. Das Hauptteil 102, welches die Einzugslade 103 einschließt, birgt im Innern den Tintenstrahlschreibkopf, der bewegt werden soll. Wenn aus einem Computer (nicht abgebildet) Druckdaten übertragen werden, wird das Blatt 105, nachdem es aus der Einzugslade 103 eingezogen worden ist, an eine Auswurföffnung 104 abgegeben. Die Einzugslade 103 ist so entworfen, dass ein Blatt 105, das ihr eingegeben wird, dem Innern des Hauptteils 102 zugeführt wird.
Wie in 3 dargestellt, setzt sich der Tintenstrahlschreibkopf 101 aus einer Düsenplatte 1, einem Druckkammersubstrat 2, einer Vibrationsplatte 3 und einem Gehäuse 5 zusammen.
Die Düsenplatte 1 ist an dem Druckkammersubstrat 2 so angebracht, dass sich Düsen in Stellungen befinden, welche denjenigen einer Mehrzahl von Hohlräumen (Druckkammern) 21 entsprechen, die auf dem Druckkammersubstrat 2 ausgebildet worden sind.
Das Druckkammersubstrat 2 schließt die Hohlräume 21, Seitenwände 22, ein Reservoir 23 und Zufuhröffnungen 24 ein. Die Hohlräume 21 sind ausgebildet durch Ätzung des Substrats, das aus Silikon besteht, die Seitenwände 22 dienen als Unterteilungen der Höhlräume 21, und das Reservoir 23 dient als Strömungsweg, durch den gewöhnlich der Zufluss von Tinte verläuft, nachdem die Hohlräume 21 sich mit Tinte gefüllt haben. Die Zufuhröffnungen 24 sind so ausgebildet, das durch sie hindurch den Hohlräumen 21 Tinte zugeführt werden kann.
Das Gehäuse 5 besteht aus einem Kunstharz oder Metall und soll das Druckkammersubstrat 2 halten, an dem die Düsenplatte 1 und die Vibrationsplatte 3 angebracht sind. Tinte wird dem Gehäuse 5 aus einem Tintentank (nicht abgebildet) und dem Druckkammersubstrat 2 aus einer Tintentanköffnung 33 (siehe 4) zugeführt.
Die Vibrationsplatte 3 kann, wie in 2 dargestellt, an einer Fläche des Druckkammersubstrats 2 angebracht werden. Piezoelektrische Einrichtungen 4, die eine vorherbestimmte Form haben, sind auf der Vibrationsplatte 3 ausgebildet.
Wie in 1 dargestellt, schließt die Schichtenstruktur der Vibrationsplatte 3 und der piezoelektrischen Einrichtungen 4 (Querschnitt vorgenommen entlang A-A in 4) im besonderen einen Film 40 einer oberen Elektrode als piezoelektrische Einrichtung 4 ein, eine erste piezoelektrische Schicht 41, eine zweite piezoelektrische Schicht 42, einen Film 30 einer unteren Elektrode, der als Vibrationsplatte 3 dient, und einen Isolierfilm 31.
Der obere Elektrodenfilm 40 dient als Elektrode zum Anlegen einer Spannung an der piezoelektrischen Schicht und ist aus einem leitenden Material wie Platin (Pt), 0.1 μm dick, hergestellt.
Die erste piezoelektrische Schicht 41 wird aus einer Mehrzahl von Schichten, z. B. vier keramischen Schichten 411 bis 414, gebildet. Die einzelnen keramischen Schichten werden polarisiert, indem sie einzeln getrocknet und pyrolisiert werden. Die keramischen Schichten 411 bis 414 setzen sich aus einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung zusammen, die eine vergleichsweise hohe dielektrische Konstante aufweist. Im besonderen sollte die erste piezoelektrische Schicht 41 vorzugsweise aus einem Perovskitstruktur-Kristall bestehen, der von der allgemeinen Formel Pb(Zr_(1-y)Ti_y)_(1-z)(b_(1-x)b'_x)_zO₃ (1)dargestellt wird, wobei b und b' zweiwertige bis sechswertige metallische Elemente sind und x eine reelle Zahl von 0 < x < 1 ist, y eine reelle Zahl von 0 < y < 1 ist und z eine reelle Zahl von 0 < z < 1 ist. Wenn Element b n Valenzen hat (wobei n eine natürliche Zahl ist) und b' m Valenzen hat, werden n und m so eingestellt, dass sie der folgenden Gleichung genügen: n(1 – x) + mx = 4 (2)
Gleichung (2) besagt, dass die Elemente elektrisch neutral sind. Die zweiwertigen bis sechswertigen metallischen Elemente sind zum Beispiel Mg, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Nb, Cd, In, Sn, Sb, La, Yb, Lu, Ta, W und Bi. Die Zusammensetzung, wie sie sich auf b und b' in der ersten piezoelektrischen Schicht 41 bezieht, ist zum Beispiel
Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃, Pb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃, Pb(Zn_1/3Pb_2/3)O₃, Pb(Co_1/3Nb_2/3)O₃, Pb(Mn_1/2W_1/2)O₃, Pb(Zn_1/2W_1/2)O₃, Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃, Pb(Co_1/2W_1/2)O₃, Pb(Ni_1/2W_1/2)O₃ oder
Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃. Die typische Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht, die eine bevorzugte piezoelektrische Eigenschaft aufweist, ist
Pb(Zr_0.56Ti_0.44)_0.8(Mg_1/3Nb_2/3)_0.2O₃.
Da Mg vergleichsweise leicht in Richtung der Tiefe (Dicke) zu diffundieren pflegt und den Spannungswiderstand der piezoelektrischen Einrichtung verringert, darf die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht Mg nicht einschließen. Bei der oben beschriebenen Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht wird die dielektrische Konstante ε, die proportional zur piezoelektrischen Eigenschaft d ist, erhöht, so dass die piezoelektrische Eigenschaft d erhöht wird. Wenn Mg, das in Richtung der Tiefe zu diffundieren pflegt, nicht verwendet wird, wird das dritte Element gleichmäßiger in Richtung der Tiefe verteilt, so dass der Spannungswiderstand und die Haltbarkeit der piezoelektrischen Schicht verbessert werden.
Während des Herstellungsprozesses der piezoelektrischen Schicht ist die piezoelektrische Keramik (im folgenden "Vorläufer" genannt), unmittelbar nachdem sie beschichtet worden ist, amorph, und ein Diffusionsphänomen des Elements tritt auf einer Fläche auf, die mit einer anderen Zusammensetzung (z. B. der zweiten piezoelektrischen Schicht) in Kontakt gerät. In dieser Ausführungsform jedoch – da die zweite piezoelektrische Schicht 421 getrocknet, pyrolisiert und kristallisiert worden ist und eine keramische Schicht 414b ebenso als Ergebnis eines Trocknungs- und Pyrolisierungsprozesses nach ihrer Beschichtung kristallisiert worden ist – tritt ein Diffusionsphänomen zwischen dem Vorläufer und der zweiten piezoelektrischen Schicht selten auf. Deswegen werden die Zusammensetzungen zumindest der keramischen Schichten 411 bis 413 so beibehalten, wie sie beschichtet worden sind.
Die zweite piezoelektrische Schicht 42 besteht aus einer Mehrzahl von Schichten, z. B. aus vier keramischen Schichten 421 bis 424. Die einzelnen keramischen Schichten werden kristallisiert, indem jede Schicht, so wie sie ausgebildet ist, getrocknet und pyrolisiert wird. Die keramischen Schichten 421 bis 424 haben eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die eine vergleichsweise hohe piezoelektrische Konstante g aufweist. Eine solche Zusammensetzung ist zum Beispiel diejenige, welche ein Oxyd (PZT: Bleizirkonattitanat) aus Blei (Pb), Zirkonium (Zr) und Titan (Ti) enthält. Eine spezifische Zusammensetzung für die zweite piezoelektrische Schicht ist PbZr_0.56Ti_0.44O₃.
Während des Herstellungsprozesses der piezoelektrischen Schicht ist ein Vorläufer 422b der keramischen Schicht in der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 unmittelbar nach ihrer Beschichtung amorph, und ein Diffusionsphänomen des Elements tritt auf einer Fläche auf, die mit einer anderen Zusammensetzung (z. B. einer Titanium-Schicht 301 im Film 30 der unteren Elektrode) in Kontakt gerät. Da jedoch die keramische Schicht 424b, die beschichtet wird, getrocknet, pyrolisiert und kristallisiert wird, tritt ein Diffusionsphänomen zwischen dem Vorläufer 424b und der Zusammensetzung des Films 30 der unteren Elektrode selten auf. Deswegen werden die Zusammensetzungen zumindest der keramischen Schichten 421 bis 423 so beibehalten, wie sie beschichtet worden sind. Die piezoelektrische Schicht 424, die mit dem Film 30 der unteren Elektrode direkt in Kontakt gerät, ist eine Schicht, in der das erste Kristallwachstum stattfindet. Vorzugsweise sollte ein Kristallkern in den Vorläufer des piezoelektrischen Films eingeschlossen werden, der zur Ausbildung der piezoelektrischen Schicht angelegt wird. Wenn der Kristallkern in einer Schicht besteht, die mit dem Film der unteren Elektrode in Kontakt gerät, entwächst die Perovskit-Struktur der Phasengrenze des Kristallkerns. In einer piezoelektrischen Schicht, die mit dem Film der unteren Elektrode nicht in Kontakt gerät, setzt sich das Kristallwachstum in Übereinstimmung mit der Kristallstruktur einer piezoelektrischen Schicht fort, mit der sie in Kontakt sich befindet. Das heißt, dass ein Kristallkern vorzugsweise in einer Schicht bestehen sollte, die zumindest mit dem Film einer unteren Elektrode in Kontakt gerät, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden, die eine zufriedenstellende Kristallstruktur aufweist.
Die erste piezoelektrische Schicht 41 und die zweite piezoelektrische Schicht können in der umgekehrten Abfolge laminiert werden. Im besonderen kann die erste piezoelektrische Schicht 41 auf dem Film einer unteren Elektrode ausgebildet, darauf die zweite piezoelektrische Schicht 42 ausgebildet, und daraufhin der Film einer oberen Elektrode 40 ausgebildet werden.
Diese piezoelektrischen Schichten können sich aus entweder mehr oder weniger als vier Schichten zusammensetzen. Nicht unerwähnt sollte bleiben, dass, wenn zu viele Schichten laminiert werden, die Betriebsspannung erhöht und der Vorzug der vorliegenden Erfindung verloren geht. Wenn zu wenig Schichten laminiert sind, wird die Gleichförmigkeit der Zusammensetzungen infolge des Diffusionsphänomens zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten so erhöht, dass die resultierende Struktur der piezoelektrischen Einrichtung dieselbe wäre wie diejenige, welche aus einer einzigen Zusammensetzung bestünde, und dann könnte ein Anstieg in der piezoelektrischen Konstante d nicht erwartet werden. Wenn weiterhin jede keramische Schicht zu dick ist, steigt die Dicke der La minierung der gesamten Schicht entsprechend an, und dann wird eine höhere Betriebsspannung erforderlich. Wenn, umgekehrt, jede keramische Schicht zu dünn ausgebildet wird, wird die jeweilige Dicke der Schichten nicht gleichförmig sein, so dass die Eigenschaften der einzelnen piezoelektrischen Schichten, die durch Ätzung getrennt sind, variieren, die Anzahl der Fabrikationsschritte sich erhöhen und die Herstellungskosten steigen. Mithin werden vorzugsweise zwei bis sechs keramische Schichten für jede piezoelektrische Schicht laminiert – bevorzugter: vier Schichten. Vorzugsweise sollte die Dicke jeder keramischen Schicht 80 nm bis 200 nm – bevorzugter 125 nm – betragen.
Die keramischen Schichten, aus denen sich jede piezoelektrische Schicht zusammensetzt, brauchen nicht dieselbe Dicke zu haben. Zum Beispiel brauchen nur Schichten (414 und 424), die mit anderen Zusammensetzungen in Kontakt geraten, dünn ausgebildet zu sein; die anderen Schichten können dick sein. Auf diese Weise kann die Dicke der Schicht, durch welche die Diffusion von Zusammensetzungen vorkommt, reduziert werden.
Der Film 30 einer unteren Elektrode wird mit dem Film 40 einer oberen Elektrode gepaart, um den piezoelektrischen Schichten ein Spannung anzulegen, und durch Laminieren leitender Materialien ausgebildet wie etwa einer Titan-Schicht (Ti) 301, einer Platin-Schicht (Pt) 302 und einer Titan-Schicht (Ti) 303. Ferner werden, um den Kontakt zwischen dem Film einer unteren Elektrode 30, der die Titan-Schicht 301, die Platin-Schicht 302 und die Titan-Schicht 303 einschließt, und dem Isolierfilm 31 zu verbessern, eine Titanoxyd-Schicht 304 und eine Titan-Schicht 305 zwischen den Film 30 einer unteren Elektrode 30 und den Film zum Isolieren 31 eingefügt.
Der Isolierfilm 31 ist aus nichtleitendem Material wie etwa Silikondioxyd hergestellt, das durch Wärmeoxydation eines Silikonsubstrats ausgebildet worden ist. Der Isolierfilm 31 kann sich verformen, wenn die piezoelektrische Schicht in Richtung der Dicke und in senkrechter Richtung verschoben wird und innerhalb der Hohlräume 21 den Druck kurzzeitig erhöht.
Eine piezoelektrische Konstante d wird als Index für die Eigenschaft einer piezoelektrischen Einrichtung zur Verfügung gestellt und von der Einheit C/N, d. h. von der Menge elektrischer Ladungen dargestellt, die bei Anlegen eines Drucks von 1 Newton erzeugt werden. Die piezoelektrische Konstante d korreliert mit einem Produkt der piezoelektrischen Konstante g, welche ein Proportionalitätsfaktor ist, der aus einem elektrischen Feld und Spannung abgeleitet ist, und einer dielektrischen Konstante, welche ein Pro portionalitätsfaktor ist, der aus einem elektrischen Feld und einer Flächenladungsdichte abgeleitet ist.
Wenn laminierte keramische Schichten eine piezoelektrische Schicht sind, welche die erste piezoelektrische Konstante g₁ und die erste dielektrische Konstante ε₁ aufweist, und eine piezoelektrische Schicht, welche die zweite piezoelektrische Konstante g₂ (g₁ < g2) und die zweite dielektrische Konstante ε₂ (ε₁ > ε₂) aufweist, wird die piezoelektrische Konstante d in Richtung der Dicke der zwei Schichten dargestellt als: d ≡ g × ε × ε0 wobei g₁ < g ≤ g₂ ist, ε₂ < ε ≤ ε₁ ist, und ε₀ die dielektrische Konstante im Vakuum (= 8.85 × 10^–12 [F/m]) ist. Das heißt, wenn eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten laminiert sind, ist die piezoelektrische Konstante d der gesamten Struktur proportional zum Produkt der relativ hohen piezoelektrischen Konstante g und der relativ hohen dielektrischen Konstante. Und zwar deswegen, weil die Struktur der piezoelektrischen Einrichtung mittels Verwendung eines Kondensatoranordnungsmodells und eines mechanischen Anordnungsmodells analysiert werden kann. Die piezoelektrische Konstante d kann, wenn die piezoelektrischen Konstanten g der zwei Schichten differieren, durch Beobachtung der atomaren Struktur verstanden werden. Wenn piezoelektrische Schichten, die unterschiedliche Zusammensetzungen haben, in Kontakt ausgebildet werden, wächst der Kristall von einer der piezoelektrischen Schichten epitaktisch, und dieses Wachstum wird dann auf die andere piezoelektrische Schicht übertragen. Wenn die Grenze zwischen den zwei Schichten unter Verwendung hochauflösender Elektronenmikroskopie TEM (Transmission Electron Microscopy) im Querschnitt fotografiert wird, entdeckt man, dass ein Gitterwerk von Atomen sich über die Grenze zwischen den zwei Schichten hinaus erstreckt. Das heißt, die Elemente der zwei Schichten wachsen epitaktisch, und auf atomarer Stufe ist die Kristallstruktur zusammenhängend zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht und der ersten piezoelektrischen Schicht, ohne dass irgendein Defekt in der Struktur des Films aufträte. Die Veränderung in der Kristallstruktur einer piezoelektrischen Schicht beeinflusst die andere piezoelektrische Schicht; wenn in einem Kristall größere Spannung auftritt, beeinflusst sie den anderen Kristall, was in einer piezoelektrischen Konstante resultiert, die größer ist als die Spannung, die bei lediglich dem anderen Kristall auftreten könnte. Deswegen erhält man, wenn unterschiedliche Arten von keramischen Schichten mit ähnlicher Kristallstruktur laminiert werden, eine piezoelektrische Konstante g, die sich von derjenigen unterscheidet, die man erhält, wenn das piezoelektrische keramische Material aus einem einzigen Kristall ausgebildet wird. Da die piezoelektrische Schicht, welche die kleine piezoelektrische Konstante g aufweist, von der piezoelektrischen Schicht beeinflusst wird, welche die hohe Konstante g aufweist, kann die piezoelektrische Konstante g in der piezoelektrischen Schicht, welche die kleine Konstante g aufweist, erhöht werden.
Durch Beobachtung der piezoelektrischen Schichten im Hinblick auf das Verbindungsverhältnis von Kondensatoren ist es leicht zu verstehen, welchen Wert die dielektrische Konstante der piezoelektrischen Einrichtung aufweisen kann, wenn die zwei piezoelektrischen Schichten unterschiedliche dielektrische Konstanten aufweisen. Als Kondensator verglichen mit einer piezoelektrischen Einrichtung, die einen einzigen piezoelektrischen Schichtenkondensator aufweist, hat eine piezoelektrische Einrichtung, die eine Laminierung aus zwei piezoelektrischen Schichten mit unterschiedlichen dielektrischen Konstanten ist, eine dielektrische Eigenschaft ähnlich derjenigen, die man mit einer Serienverbindung von Kondensatoren erhält, welche unterschiedliche dielektrische Konstanten und einen geringeren Abstand aufweisen als derjenige, welcher in einer einzigen Art von Schichten sich befindet. Die dielektrische Konstante der gesamten piezoelektrischen Schicht ist ein Wert, der in der Mitte zwischen den Werten der dielektrischen Konstanten der zwei piezoelektrischen Schichten liegt. Mit anderen Worten: Die dielektrische Konstante der gesamten Einrichtung kann durch Laminieren von Schichten erhöht werden, die hohe dielektrische Konstanten aufweisen.
Da in dieser Ausführungsform die zweite piezoelektrische Schicht 42 aus PZT ausgebildet ist, ist ihre piezoelektrische Konstante g hoch. Die erste piezoelektrische Schicht 41, die zusätzlich zu PZT Magnesium (Mg) und Niobium (Nb) enthält, weist eine geringfügig niedrigere piezoelektrische Konstante g und eine höhere dielektrische Konstante auf, als sie die zweite piezoelektrische Schicht 42 aufweist. Wenn die erste piezoelektrische Schicht 41 und die zweite piezoelektrische Schicht 42 laminiert sind, ist gemäß Gleichung (3) die piezoelektrische Konstante d, die man erhält, höher als diejenige einer piezoelektrischen Einrichtung, die von der einen oder der anderen piezoelektrischen Schicht allein gebildet wird. Deshalb weist die piezoelektrische Einrichtung in dieser Ausführungsform eine höhere piezoelektrische Konstante d auf, als sie eine herkömmliche piezoelektrische Einrichtung hat, die sich aus einer einzigen Zusammensetzung zusammensetzt, und wird bei Anlegen derselben Spannung mehr verschoben als es bei einer herkömmlichen Einrichtung der Fall ist.
Das Prinzip, auf dem das Versprühen der Tintentröpfchen beruht, soll nunmehr beschrieben werden. 5 ist eine Querschnittsansicht von zwei Hohlräumen des Tin tenstrahlschreibkopfs gemäß vorliegender Erfindung. Eine Spannung V0 wird an einer piezoelektrischen Einrichtung 4A entsprechend einem Hohlraum 21A angelegt, und eine Spannung V1 wird an einer piezoelektrischen Einrichtung 4B entsprechend einem Hohlraum 21B angelegt. Die Spannung V0 ist ein Spannungsniveau (z. B. 0 V), bei der es keine Verschiebung der piezoelektrischen Einrichtung gibt, und die Spannung V1 ist ein Spannungsniveau (z. B. 15 V), auf dem es eine Verschiebung der piezoelektrischen Einrichtung gibt.
Da es in der piezoelektrischen Einrichtung 4A, an welcher die Spannung V0 angelegt wird, keine Verschiebung gibt, wird der Druck in dem Hohlraum 21A nicht verändert. Nur ein Tinten-Meniskus 107A wird an einer Düse 11A ausgebildet; keine Tintentröpfchen werden versprüht.
In der piezoelektrischen Einrichtung 4B, welcher die Spannung V1 angelegt wird, findet infolge ihrer Struktur eine große Verschiebung statt: einer Laminierung, zusammengesetzt aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten. Der Film der unteren Elektrode 30 und der Isolierfilm 31 werden bis zu den Stellen verformt, die in 5 die gestrichelten Linien 32b und 31b anzeigen, und das Volumen innerhalb des Hohlraums 21B wird reduziert. Auf diese Weise wird der Druck in dem Hohlraum 21B kurzzeitig erhöht und ein Tintentröpfchen 108 durch eine Düse 11B versprüht.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß vorliegender Erfindung, die Schritte zu jeder zweckdienlichen Struktur umfasst, soll nunmehr beschrieben werden.
Ein Schritt zum Ausbilden einer Vibrationsplatte (6(a)): Zuerst werden ein Isolierfilm 31 und eine untere Elektrode 30, die als Filme 3 der Vibrationsplatte dienen, auf einem Silikonsubstrat 20 ausgebildet. Das Silikonsubstrat 20 wird 22 Stunden lang in einer Brennkammer bei 1100° C in einer trockenen Sauerstoff-Atmosphäre thermisch oxydiert, und auf diese Weise wird ein Hitzeoxyd-Film von annähernd 1 μm Dicke als der Isolierfilm 31 auf dem Silikonsubstrat 20 ausgebildet. Oder: Das Silikonsubstrat 20 kann fünf Stunden lang in einer Sauerstoff- und Wasserdampf-Atmosphäre thermisch oxydiert werden, um den annähernd 1 μm dicken Thermo-Oxyd-Film auszubilden. Der Isolierfilm 31, den man durch eines dieser beiden Verfahren erhält, wird sowohl zur elektrischen Isolation wie auch als Schutzschicht für einen Prozess des Ätzens verwendet.
Für die Ausbildung des Films der unteren Elektrode 30 werden zum Beispiel eine Titan-Schicht 305 von annähernd 20 nm, eine Titanoxyd-Schicht 304 von annähernd 20 nm, eine Titan-Schicht 303 von annähernd 5 nm, eine Platin-Schicht 302 von annähernd 500 nm und eine Titanschicht 301 von annähernd 5 nm laminiert, indem man nacheinander das Gleichstrom-Sputteringverfahren verwendet. Eine Platin-Schicht von annähernd 800 nm Dicke kann ausgebildet werden, indem man das Sputteringverfahren verwendet. Es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass die Titan-Schicht 303 unter der Platin-Schicht 302 notwendig ist.
Schritt zur Ausbildung der zweiten piezoelektrischen Schicht (6(b) und (c)): Die zweite piezoelektrische Schicht 42 wird ausgebildet.

i) Schritt zum Beschichten (6(b): Spincoating wird zum Beschichten der unteren Elektrode 30 mit einer piezoelektrischen Keramik (z. B. Bleizirkonattitanat) verwendet, die eine piezoelektrische Konstante g aufweist, welche gleich oder höher ist als ein spezifizierter Wert, oder mit einem Material, das eine feste Lösung der piezoelektrischen Keramik als primäres Element enthält. Wenn, wie in dieser Ausführungsform, vier Schichten laminiert werden sollen, sollte die Dicke jeder Schicht annähernd 125 nm betragen. Um für jede Schicht eine gleichmäßige Dicke zu erhalten, wird eine Drehfläche zum Spincoating zuerst in geringer Geschwindigkeit in Rotation versetzt (z.B. 30 Sekunden lang mit 500 UpM), dann in hoher Geschwindigkeit (z. B. 30 Sekunden lang mit 1500 UpM) und zuletzt wieder in geringer Geschwindigkeit (z. B. 10 Sekunden lang mit 500 UpM). Unmittelbar nach dem Beschichten des Materials tritt auf der Oberflächengrenze zwischen der keramischen Schicht und dem Film der unteren Elektrode ein Diffusionsphänomen auf. Dieses Phänomen verschwindet jedoch, wenn die keramische Schicht 424 beim folgenden Schritt zum Trocknen und Pyrolisieren kristallisiert wird.
ii) Schritt zum Trocknen und Pyrolisieren (6(c)): Unmittelbar nach ihrer Anlegung ist die keramische Schicht 424b ein Vorläufer eines piezoelektrischen Films in amorphem Zustand und noch nicht kristallisiert. Deswegen wird nach der Anlegung der keramischen Schicht 424b die resultierende Struktur für eine spezifische Dauer (z. B. 10 Minuten) bei einer spezifischen Temperatur (z. B. 180 Grad) getrocknet, um organische Lösungsmittel verdampfen zu lassen. Nach dem Trocknen wird die Struktur dann für eine spezifische Dauer (30 Minuten) bei einer spezifischen hohen Temperatur (z. B. 400 Grad) pyrolisiert. Die organische Verbindung, die metallischen Elementen eingeordnet ist, welche in dem Vorläufer der piezoelektrischen Schicht enthalten sind, wird thermisch zersetzt, und die metallischen Elemente werden oxydiert, um ein Metalloxyd auszubilden. Bei diesem Schritt verwandelt sich die keramische Schicht 424b, ein Vorläufer, in die keramische Schicht 424.

Wenn man die keramische Schicht 424 durch den Trocknungs- und Pyrolisierungsprozess erlangt hat, werden die o. a. Schritte i) und ii) wiederholt zwecks Ausbildung einer keramischen Schicht 423 auf der keramischen Schicht 424, und die Schritte i) und ii) werden zwei weitere Male wiederholt zwecks Ausbildung keramischer Schichten 422 und 421. Die Schritte zum Beschichten, Trocknen und Pyrolisieren werden in einer vorherbestimmten Anzahl, z. B. vier Mal, wiederholt. Beim Trocknungs- und Pyrolisierungsprozess wird Metallalkoxyd hydrolisiert oder polykondensiert, wodurch ein Metall-Sauerstoff-Metall-Netzwerk ausgebildet wird.
Wenn die vier keramischen Schichten laminiert sind, wird die Laminierung in einer spezifischen Atmosphäre thermisch entwickelt. In einer Oxygen-Atmosphäre zum Beispiel wird die Laminierung fünf Minuten lang bei 600° C erhitzt und dazu noch eine Minute lang bei 725° C im Verlauf eines schnellen thermischen Prozesses (RTA). Vermöge dieses thermischen Prozesses wird eine Kristallisierung des Gels in amorphem Zustand zwecks Erlangung einer Perovskit-Struktur beschleunigt und die Eigenschaft der piezoelektrischen Einrichtung erhöht.
Schritt zur Ausbildung einer ersten piezoelektrischen Schicht (6(d) und (e): Eine erste piezoelektrische Schicht 41 wird bei dem oben angeführten Schritt auf der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 ausgebildet.

i) Schritt zum Beschichten (6(d)): Ebenso wie bei der Ausbildung der ersten keramischen Schicht wird die zweite piezoelektrische Schicht beschichtet, indem Spincoating verwendet wird, mit einem piezoelektrischen keramischen Material (Oxyd von Pb, Zr, Ti, Mg und Nb), das eine dielektrische Konstante aufweist, welche gleich einem spezifischen Wert oder größer als dieser ist, oder dessen fester Lösung. Die Bedingungen der Beschichtung und die Dicke sind dieselbe wie beim Schritt zur Ausbildung der ersten keramischen Schicht.
ii) Schritt zum Trocknen und Entfetten (6(e)): Nachdem der Vorläufer 414b der ersten keramischen Schicht angelegt ist, wird der Trocknungs- und Entfettungsprozess auf dieselbe Weise und unter denselben Bedingungen ausgeführt wie beim Schritt zur Aus bildung der ersten keramischen Schicht. Nachdem die keramische Schicht 414 ausgebildet ist, werden daraufhin die keramischen Schichten 413 und 411 auf dieselbe Weise laminiert wie beim Schritt zur Ausbildung der ersten keramischen Schicht.

Wenn die vier keramischen Schichten laminiert sind, wird die resultierende Struktur einem Thermalprozess bei einer vorherbestimmten Atmosphäre unterzogen, um die Kristallisierung der keramischen Schichten zu beschleunigen und die Eigenschaft der piezoelektrischen Schicht zu erweitern. In einer Sauerstoff-Atmosphäre zum Beispiel wird die laminierte Struktur fünf Minuten lang bei 650° C und dann eine Minute lang bei 900° C im Verlauf des schnellen thermischen Prozesses (RTA) unter Verwendung von Sauerstoff erhitzt. Im Ergebnis wird eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt, die 1000 nm dick ist und acht laminierte Schichten aufweist.
Schritt zur Ausbildung der oberen Elektrode (6(f)): Ein Film (40) einer oberen Elektrode wird auf der ersten piezoelektrischen Schicht 41 ausgebildet unter Verwendung des Elektronenstrahl-Vakuumeindampfungsverfahrens oder des Sputteringverfahrens. Als Material der oberen Elektrode wird Aluminium oder Platin verwendet, und die Dicke des Materials beträgt annähernd 100 nm.
Schritt zum Ätzen (6(g)): Nachdem die einzelnen Schichten ausgebildet worden sind, wird die laminierte Struktur auf dem Film 3 der Vibrationsplatte so maskiert, dass sie den Formen der Hohlräume entspricht, und die Ätzung der umgebenden Fläche so ausgeführt, dass der Film der oberen Elektrode und die piezoelektrischen Schichten entfernt werden. Das heißt, eine Schutzschicht, die eine gleichmäßige Dicke aufweist, wird der laminierten Schicht entweder mittels des Spinverfahrens oder des Sputteringverfahrens angelegt und die resultierende Struktur wird belichtet und entwickelt, um die Schutzschicht auf dem Film 40 der oberen Elektrode auszubilden. Sodann werden überflüssige Bereiche der Schicht entfernt, entweder mittels Ionenfräsens oder mittels Trockenätzung, welches das Verfahren ist, das üblicherweise angewandt wird. Im Ergebnis können mittels Befolgung der oben beschriebenen Schritte piezoelektrische Einrichtungen zur Verfügung gestellt werden.
Schritt zur Ausbildung einer Druckkammer und einer Düsenplatte (6(h)): Ein Hohlraum 21 wird in der anderen Fläche des Druckkammersubstrats 2 ausgebildet. Das Ätzen zum Bereitstellen des Hohlraums wird zum Beispiel durch anisotropes Ätzen ausgeführt, indem ein aktives Gas verwendet wird, etwa parallelflächenreaktive Ionen-Ätzung. Die verbleibenden Bereiche nach Beendigung des Ätzens dienen als Seitenwände 22.
Düsenplatten 1 werden unter Verwendung von Kunstharz dem Druckkammersubstrat 2, das geätzt worden ist, abgeglichen und angebunden, so dass die Stellungen der Düsen 11 den Positionen der Hohlräume 21 in dem Druckkammersubstrat 2 entsprechen. Das Druckkammersubstrat 2, dem die Düsenplatten 1 angebunden werden, wird an dem Gehäuse 5 angebracht. Auf diese Art und Weise kann der Tintenstrahlschreibkopf 101 fertiggestellt werden.
Beispiel 1
Der Tintenstrahlschreibkopf wurde durch Anwendung des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens erhalten. PB(Zr_0.56Ti_0.44)_0.8(Mg_1/3Nb_2/3)_0.2O₃ wurde als die Zusammensetzung für die erste piezoelektrische Schicht verwendet, und PbZr_0.56Ti_0.44O₃ wurde als die Zusammensetzung für die zweite piezoelektrische Schicht verwendet. Wenn die Anzahl der Ionen der einzelnen Elemente (Pb, Zr, Ti, Mg, Nb, O, Pt und Si) gemessen wurde im Verhältnis zur Tiefe der piezoelektrischen Schicht des Tintenstrahlschreibkopfs in diesem Beispiel, wurden sie, wie in 7 dargestellt, verändert.
Wie in 7 dargestellt, haben sich der Magnesium-Gehalt (Mg) und der Niobium-Gehalt (Nb) der ersten piezoelektrischen Schicht, verglichen mit denen der zweiten piezoelektrischen Schicht, erhöht. Es ist davon auszugehen, dass die Ionen-Diffusion geschützt war und die ursprünglichen Zusammensetzungen der zwei piezoelektrischen Schichten beibehalten blieben. Und zwar deswegen, weil jede piezoelektrische Schicht aus vier Schichten gebildet wird. Die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht betrug 500 nm, und die Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht betrug ebenfalls 500 nm. Wenn die Ebenmäßigkeit auf der Oberfläche von einem Rasterelektronenmikroskop SEM evaluiert wurde, betrug sie 30 nm zu 30 nm.
Tabelle 1 zeigt die Resultate, die aus dem Vergleich der piezoelektrischen Konstanten d, der piezoelektrischen Konstanten g und der dielektrischen Konstanten für den Tintenstrahlschreibkopf in diesem Beispiel gewonnen wurden, für eine piezoelektrische Einrichtung, die mit derselben Dicke wie der Tintenstrahlschreibkopf dieses Beispiels ausgebildet wurde mittels Verwendung der Zusammensetzung, die für die erste piezoelektrische Schicht verwendet wurde, und für eine piezoelektrische Einrichtung, die ausgebildet wurde mit derselben Dicke wie der Tintenstrahlschreibkopf dieses Beispiels mittels Verwendung der Zusammensetzung, die für die zweite piezoelektrische Schicht verwendet wurde. Die Feldstärke Ep der Polarisation wurde unter der Bedingung gemessen, dass Ep = 275 kV/cm ist.
Tabelle 1
Index 31 in Tabelle 1 zeigt einen Wert in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Einrichtung an. Verglichen mit der piezoelektrischen Einrichtung, die nur mit der ersten piezoelektrischen Schicht ausgebildet worden ist, und der piezoelektrischen Einrichtung, die nur mit der zweiten piezoelektrischen Schicht ausgebildet worden ist, hat, wie in Tabelle 1 dargestellt, die piezoelektrische Einrichtung in dieser Ausbildungsform, die von einer Laminierung der zwei Arten piezoelektrischer Schichten gebildet wird, eine vergleichsweise hohe piezoelektrische Konstante g und dielektrische Konstante, und dem entsprechend erhält man die hohe piezoelektrische Konstante d.
Beispiel 2
In Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung wurde die Wirkung von Mg auf die erste piezoelektrische Schicht untersucht. Tabelle 2 stellt die piezoelektrische Eigenschaft wie auch den Spannungswiderstand und die Haltbarkeit einer piezoelektrischen Einrichtung dar, welche mit einem Material ausgebildet ist, das die Zusammensetzung aufweist, wie sie in Gleichung (1) und (2) dargestellt wird, an Stelle der Zusammensetzung, wie sie in Beispiel 1 für die erste piezoelektrische Schicht verwendet wird. Die piezoelektrische Eigenschaft einer piezoelektrischen Einrichtung, die als einzelne Schicht ausgebildet ist, wird ebenfalls zum Vergleich dargestellt.
Tabelle 2
Wenn Mg in der ersten piezoelektrischen Schicht nicht enthalten ist, ist – wie aus Tabelle 2 erhellt – die piezoelektrische Eigenschaft d der gesamten Einrichtung erhöht und auch der Spannungswiderstand sowie die Dauerhaftigkeit höher.
Gemäß Ausführungsform 1 kann eine hohe piezoelektrische Konstante d durch Laminieren einer Mehrzahl von Arten piezoelektrischer Schichten erhalten und eine piezoelektrische Einrichtung hergestellt werden, die bei Anlegen derselben Spannung mehr verschoben werden kann, als es herkömmlich der Fall ist. Daher kann ein Tintenstrahlschreibkopf zur Verfügung gestellt werden, der bei Anlegen derselben Spannung eine größere Menge von Tintentröpfchen bei höherer Geschwindigkeit versprühen kann, als es im herkömmlichen Falle möglich ist.
Da jede keramische Schicht der piezoelektrischen Schicht kristallisiert wird, kann ein Diffusionsphänomen, selbst für ein amorphes keramisches Material, verhindert werden und eine Schichtenstruktur zur Verfügung gestellt werden, die eine hohe piezoelektrische Konstante d aufrechterhalten kann.
Die dielektrische Konstante der piezoelektrischen Einrichtung im ganzen kann erhöht werden, indem eine spezifische Zusammensetzung für eine der piezoelektrischen Schichten verwendet wird. Zumal wenn eine Zusammensetzung, die nicht Mg einschließt, für eine piezoelektrische Schicht verwendet wird, kann eine piezoelektrische Einrichtung bereitgestellt werden, die einen höheren Spannungswiderstand wie auch eine hohe piezoelektrische Konstante d aufweist.
Ausführungsform 2
Während in Ausführungsform 1 die Dicke der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schichten dieselbe ist, wird in Ausführungsform 2 eine neue Anwendung durch Veränderung der Dicke jener beiden zur Verfügung gestellt.
Da eine piezoelektrische Einrichtung gemäß Ausführungsform 2 für einen Tintenstrahldrucker (siehe 2) und einen Tintenstrahlschreibkopf (siehe 3 und 4) wie in Ausführungsform 1 verwendet wird, soll hierzu keine Erläuterung gegeben werden.
Die Schichtenstruktur der piezoelektrischen Einrichtung 4b in dieser Ausführungsform (Querschnitt entlang A-A in 4) schließt einen Film 40 einer oberen Elektrode und keramische Schichten 431 und 438 ein, wie es in 8 dargestellt ist.
Der Film 40 der oberen Elektrode, der eine der Elektroden ist, welche bereitgestellt worden sind, um der piezoelektrischen Schicht eine Spannung anzulegen, wird als leitende Schicht ausgebildet, etwa aus 0.1 μm dickem Platin (Pt), wie in Ausführungsform 1.
Die keramischen Schichten 431 bis 438 werden einer ersten piezoelektrischen Schicht 41 und einer zweiten piezoelektrischen Schicht 42 eingeordnet, wie in Ausführungsform 1. Die Grenze zwischen den zwei Schichten jedoch wird von derjenigen zwischen der zweiten Schicht 432 und der dritten Schicht 433 bis zu derjenigen zwischen der sechsten Schicht 436 und der siebten Schicht 437 beliebig verändert. Die Dicke jeder keramischen Schicht beträgt 125 nm, wie in Ausführungsform 1.
Die der ersten piezoelektrischen Schicht 41 zugeordneten keramischen Schichten haben eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die eine vergleichsweise hohe dielektrische Konstante aufweist, und dieselbe Zusammensetzung wie in Ausführungsform 1 kann verwendet werden. Ein Beispiel für die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht ist: Pb(Zr_0.56Ti_0.44)_0.8(Mg_1/3Nb_2/3)_0.2O₃.
Die der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 zugeordneten keramischen Schichten haben eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die eine vergleichsweise niedrige dielektrische Konstante und eine vergleichsweise hohe piezoelektrische Konstante g aufweist, und dieselbe Zusammensetzung wie in Ausführungsform 1 kann verwendet werden. Ein Beispiel für die Zusammensetzung der zweiten piezoelektrischen Schicht ist: PbZr_0.56Ti_0.44O₃.
Aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1 sollte vorzugsweise ein Kristallkern in zumindest der Schicht bestehen, die mit einem Film einer unteren Elektrode in Kontakt gerät, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden, die eine zufriedenstellende Kristallstruktur aufweist.
Ein Film 3 einer Vibrationsplatte wird von einem Film 30 einer unteren Elektrode und einem Isolierfilm 31 gebildet, und da die spezifische Struktur dieselbe ist wie in Ausführungsform 1, soll hier keine weitere Erläuterung dessen erfolgen.
Die erste piezoelektrische Schicht 41 und die zweite piezoelektrische Schicht 42 können in umgekehrter Abfolge laminiert werden. Das heißt, die erste piezoelektrische Schicht 41 kann auf dem Film 30 einer unteren Elektrode ausgebildet werden, die zweite piezoelektrische Schicht 42 darauf, und schließlich der Film 40 einer oberen Elektrode auf diesen beiden.
Das Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Einrichtung in Ausführungsform 2 ist im Kern dieselbe wie diejenige in Ausführungsform 2 – nur nicht, was die Anzahl der laminierten Schichten in jeder piezoelektrischen Schicht betrifft. Insbesondere werden beim Schritt zum Film der Vibrationsplatte (6(a)) der Isolierfilm 31 und der Film der unteren Elektrode 30, die als Film 3 der Vibrationsplatte dienen, auf einem Silikonsubstrat 20 ausgebildet, und die zweite piezoelektrische Schicht 42 wird beim Schritt zur Ausbildung der zweiten piezoelektrischen Schicht (6(b) und (c)) ausgebildet. Zu dieser Zeit wird, je nach Bedarf, die Anzahl der keramischen Schichten, die laminiert werden sollen, geändert. Die Anzahl der keramischen Schichten, die laminiert werden sollen, wird eingestellt, indem das Verhältnis der zwei piezoelektrischen Schichten so verändert wird, dass die gesamte piezoelektrische Einrichtung eine gewünschte piezoelektrische Konstante g oder eine gewünschte dielektrische Konstante aufweist. Insbesondere wenn die erste piezoelektrische Schicht die piezoelektrische Konstante g1 und die zweite piezoelektrische Schicht die piezoelektrische Konstante g2 (g2 > g1) aufweist, wird das Verhältnis der Dicke der zwei piezoelektrischen Schichten eingestellt, um eine erwünschte piezoelektrische Konstante g (g2 > g > g1) zu erhalten. Weiterhin wird, wenn die erste piezoelektrische Schicht die dielektrische Konstante ε1 und die zweite piezo elektrische Schicht die dielektrische Konstante ε2 (ε2 > ε1) aufweist, die Anzahl der keramischen Schichten in jeder piezoelektrischen Schicht eingestellt, um eine erwünschte dielektrische Konstante ε (ε1 > ε > ε2) zu erhalten. Natürlich kann das Verhältnis der Dicke der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schichten eingestellt werden, indem die Dicke der keramischen Schichten verändert wird. Die Gesamtzahl der keramischen Schichten in den ersten und den zweiten piezoelektrischen Schichten sollte 12 nicht überschreiten, denn wenn zu viele Schichten laminiert werden, muss die Betriebsspannung erhöht werden.
Die einzelnen keramischen Schichten werden ausgebildet, indem eine Beschichtung des oben beschriebenen piezoelektrischen keramischen Materials im Schritt (6(b)) zur Beschichtung angelegt wird und indem beim Schritt (6(c)) zum Trocknen und Entfetten die solcherart angelegten keramischen Schichten getrocknet und entfettet werden. Nachdem eine Mehrzahl von Schichten laminiert worden sind, wird der schnelle thermische Prozess RTA auf dieselbe Weise vollzogen. Die Zeitdauer für die Ausführung des schnellen thermischen Prozesses RTA wird in Übereinstimmung mit der Anzahl der laminierten Schichten in einer piezoelektrischen Schicht festgesetzt. Der erste schnelle thermische Prozess RTA wird vollzogen, wenn die Hälfte der keramischen Schichten laminiert ist. Für den ersten schnellen thermischen Prozess RTA werden die keramischen Schichten in einer Sauerstoff-Atmosphäre fünf Minuten lang bei 600° C und dann eine Minute lang bei 725° C erhitzt.
Danach wird die erste piezoelektrische Schicht 41 auf der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 beim Schritt zur Ausbildung der ersten keramischen Schicht (6(d) und (e)) ausgebildet. Die keramischen Schichten der ersten piezoelektrischen Schicht werden ausgebildet, indem eine Beschichtung des piezoelektrischen keramischen Materials angelegt und dieses getrocknet und entfettet wird auf dieselbe Weise wie bei der zweiten piezoelektrischen Schicht. Wenn alle keramischen Schichten laminiert worden sind, wird der abschließende schnelle thermische Prozess RTA einmal ausgeführt. Bei diesem Prozess werden die keramischen Schichten in einer Sauerstoff-Atmosphäre zum Beispiel fünf Minuten lang bei 650° C und dann eine Minute lang bei 900° C erhitzt. Dann ist der Film 20 der oberen Elektrode auf der ersten piezoelektrischen Schicht 41 beim Schritt zur Ausbildung der oberen Elektrode (6(f)) ausgebildet.
Wie in Ausführungsform 1 werden die Bereiche der Schichten, bis auf jene Bereiche, welche als piezoelektrische Einrichtungen beibehalten werden sollen, beim Schritt zum Ätzen (6(g)) entfernt, so dass die Formen der piezoelektrischen Einrichtungen de nen der Hohlräume entsprechen. Indem man den oben beschriebenen Schritten folgt, kann die piezoelektrische Einrichtung 4b vollendet werden. Danach werden beim Schritt (6(h)) zur Ausbildung der Druckkammer und zur Installation der Düsenplatte Hohlräume 21 in der anderen Fläche des Druckkammersubstrats 2 ausgebildet, das dann einer Düsenplatte angeschlossen wird.
Gemäß vorliegender Erfindung haben, wenn die zwei piezoelektrischen Schichten laminiert sind, die piezoelektrische Konstante g und die dielektrische Konstante der Schichtenlaminierung Werte, welche in der Mitte zwischen den Werten für die piezoelektrischen Konstanten g und den Werten für die dielektrischen Konstanten der einzelnen Schichten liegen. Da die piezoelektrische Konstante g und die dielektrische Konstante der Schichtenlaminierung entsprechend dem Verhältnis der Dicke der zwei Schichten verändert sind, kann die Dicke der zwei piezoelektrischen Schichten verändert werden, um eine erwünschte piezoelektrische Konstante g und eine erwünschte dielektrische Konstante zu erhalten.
Warum die piezoelektrische Konstante g ein Wert ist, der in der Mitte zwischen den Werten der piezoelektrischen Konstanten g der zwei Schichten liegt, kann aus der Beobachtung auf der Stufe der atomaren Struktur verstanden werden, wie in Ausführungsform 1. Da die dielektrische Konstante für die gesamte piezoelektrische Einrichtung je nach dem Verhältnis der Dicke der zwei Schichten verändert wird, kann die Dicke der zwei Schichten verändert werden, um eine erwünschte dielektrische Konstante zu erhalten. Und wenn dem Wert der piezoelektrischen Konstante g oder der dielektrischen Konstante der piezoelektrischen Einrichtung eine Begrenzung auferlegt ist, kann die Anzahl der Schichten, die laminiert werden sollen, in Übereinstimmung mit dem Grenzwert so geändert werden, dass eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt werden kann, für welche die piezoelektrische Konstante d erhöht und entweder die piezoelektrische Konstante g oder die dielektrische Konstante reduziert wird. Da ein Netzstrom vorzugsweise reduziert werden sollte zum Beispiel für einen Aktuator, der ein Signal von einer Compact Disc abliest, muss die dielektrische Konstante für eine piezoelektrische Einrichtung für einen solchen Aktuator reduziert werden. In diesem Fall braucht die dielektrische Konstante einer piezoelektrischen Einrichtung, die einen gewünschten Netzstrom zur Verfügung stellt, lediglich so berechnet zu werden, dass eine piezoelektrische Einrichtung gebildet wird, die eine dielektrische Konstante aufweist, welche der erhaltenen dielektrischen Konstante gleich ist oder niedriger ist als diese.
Wenn eine einzelne piezoelektrische Schicht eine Wirkung auf die andere piezoelektrische Schicht ausüben soll, muss in einer piezoelektrischen Schicht genügend Spannung auftreten, um eine Veränderung in dem Abstand zwischen den Kristallgittern jener piezoelektrischen Schicht zu ermöglichen, damit eine Veränderung im Abstand zwischen den Kristallgittern der anderen piezoelektrischen Schicht bewirkt werden kann. Wenn deshalb die keramischen Schichten, die eine Dicke von 125 nm haben, laminiert werden, müssen die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten 41 und 41 so geformt sein, dass sie der Dicke von Doppelschichten, d. h. etwa 250 nm, äquivalent sind.
Als Beispiel für Ausführungsform 2 stellt Tabelle 3 die piezoelektrische Konstante d₃₁ (piezoelektrische Eigenschaft d in Richtung der Tiefe), piezoelektrische Konstante g₃₁ (piezoelektrische Eigenschaft g in Richtung der Tiefe) und eine dielektrische Konstante dar, welche man erhält, wenn die Anzahl der Schichten für die erste piezoelektrische Schicht und für die zweite piezoelektrische Schicht einer piezoelektrischen Einrichtung, welche die gesamten acht Schichten einschließt, geändert wurden. Dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel 1 in Ausführungsform 1 wurde verwendet. Die Polarisations-Feldstärke Ep wurde unter der Bedingung gemessen, dass Ep = 275 kV/cm ist.
Tabelle 3
Wie aus Tabelle 3 erhellt, kann, wenn die Anzahl von Schichten und ihre Dicke in der ersten piezoelektrischen Schicht reduziert werden, eine hohe piezoelektrische Eigenschaft d₃₁ aufrechterhalten werden, während die elektrische Konstante gesenkt werden kann.
Wie oben beschrieben, werden die Wirkungen, die man in Ausführungsform 1 erhält, auch in Ausführungsform 2 erzielt. Die Dicke der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schichten wird so verändert, dass die dielektrische Konstante und die piezoelektrische Konstante g auf erwünschte Werte beschränkt werden können und eine hohe piezoelektrische Konstante d für eine piezoelektrische Einrichtung aufrechterhalten werden kann.
Ausführungsform 3
In Ausführungsform 3 wird nur eine einzige Schicht für jeweils die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht in oben beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung gestellt und eine weitere, dritte piezoelektrische Schicht ausgebildet, um eine Abwandlung der obigen Schichtenstruktur zur Verfügung zu stellen.
9 ist eine Querschnittsansicht einer piezoelektrischen Einrichtung 4c gemäß dieser Ausführungsform. In dieser Querschnittsansicht ist die piezoelektrische Einrichtung 4c einschließlich einer Vibrationsplatte 3 und eines Druckkammersubstrats 2 in Richtung der Breite durchschnitten. Da ein Tintenstrahldrucker (siehe 2) und ein Tintenstrahlschreibkopf (siehe 3 und 4), für welche die piezoelektrische Einrichtung 4c verwendet wird, dieselbe ist wie jene in Ausführungsform 1, soll für sie keine Erläuterung gegeben werden.
Die piezoelektrische Einrichtung in Ausführungsform 3 schließt drei oder mehr Arten von piezoelektrischen Schichten ein. In dieser Ausführungsform wird die piezoelektrische Schicht, welche die höchste dielektrische Konstante der drei aufweist, eine erste piezoelektrische Schicht genannt und die piezoelektrische Schicht, welche die höchste piezoelektrische Konstante g hat, eine zweite piezoelektrische Schicht genannt; die übrigen piezoelektrischen Schichten werden generell dritte piezoelektrische Schichten genannt. Insofern können die dritten piezoelektrischen Schichten aus einer Mehrzahl von Arten von Schichten bestehen.
Wie in 9 dargestellt, befinden sich in der Schichtenstruktur (Querschnitt entlang A-A in 4) der piezoelektrischen Einrichtung 4c in dieser Ausführungsform drei oder mehr Arten (sechs Arten in 9) von piezoelektrischen Schichten 41 bis 46 zwischen einem Film 40 einer oberen Elektrode und einer Vibrationsplatte 3.
Da der Film 40 einer oberen Elektrode, die Vibrationsplatte 3 und das Druckkammersubstrat 2 dieselben sind wie diejenigen in Ausführungsform 1, sollen sie hier nicht erläutert werden.
Die piezoelektrischen Einrichtungen 41 bis 46 weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf. Für sie werden die Zusammensetzungen verwendet, die für die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten verwendet und in Ausführungsform 1 im besonderen erläutert wurden. Angenommen, eine Schicht, gekennzeichnet von 41, derselben Nummer wie in Ausführungsform 1, ist eine erste piezoelektrische Schicht, und eine Schicht, gekennzeichnet von Nummer 42, ist eine zweite piezoelektrische Schicht. Die anderen Schichten, d. h. die dritten piezoelektrischen Schichten 43 bis 46, werden laminiert, um die dielektrische Konstante g zu erhöhen, oder zu einem anderen Zweck, etwa zur Reduzierung der inneren Spannung der piezoelektrischen Schicht. Besonders die Zusammensetzung, die von Gleichung (1) oder (2) in Ausführungsform 1 dargestellt wird, wird für die erste piezoelektrische Schicht 41 verwendet, PZT wird für die zweite piezoelektrische Schicht 42 verwendet, und eine Mischung aus den Zusammensetzungen, dargestellt von Gleichung (1) und (2), wird für die dritten piezoelektrischen Schichten 43 bis 46 verwendet. Die Zusammensetzung, die man zum Beispiel durch die Veränderung von metallischen Elementen b und b' in Gleichung (1) und (2) erhält, wird für jede der dritten piezoelektrischen Schichten 43 bis 46 verwendet.
Vorzugsweise sollte jede der piezoelektrischen Schichten 41 bis 46 gebildet werden, indem eine Mehrzahl von keramischen Schichten auf Grundlage derselben Idee wie in Ausführungsform 1 laminiert wird. Dies deswegen, weil, wenn eine dicke Schicht ausgebildet wird, ein Sprung auftritt und eine Schicht mit einer genügenden Kristallstruktur nicht ausgebildet werden kann. Aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1 sollte vorzugsweise ein Kristallkern in zumindest der Schicht bestehen, die mit dem Film der unteren Elektrode in Kontakt gerät, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden, die eine genügende Kristallstruktur aufweist.
Die Anordnung für die Laminierung der Schichten ist nicht auf diejenige beschränkt, die in 9 dargestellt ist, und kann auf verschiedene Weise verändert werden. Zum Beispiel ist die Anzahl der dritten piezoelektrischen Schichten 43 bis 46 nicht auf vier beschränkt; eine beliebige Anzahl von Schichten (43 bis 4n (wobei n eine natürliche Zahl ist)) kann ausgebildet werden. Außerdem brauchen die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten 41 und 42 nicht mit einander in Kontakt geraten. Darüber hinaus brauchen die Dicke der einzelnen piezoelektrischen Schichten und die Anzahl der lami nierten Schichten nicht dieselben zu sein und können auf verschiedene Weise abgewandelt werden in Übereinstimmung mit den Zwecken der einzelnen Schichten. Wenn zum Beispiel die dielektrische Konstante die gesamte Struktur stark beeinflussen soll, werden die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht 41 und die Anzahl der laminierten keramischen Schichten erhöht. Wenn die piezoelektrische Konstante g auf die gesamte Struktur erheblich einwirken soll, werden die Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 und die Anzahl der laminierten keramischen Schichten erhöht.
Da aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1 die solcherart strukturierte piezoelektrische Einrichtung 4c eine hohe dielektrische Konstante und eine hohe piezoelektrische Konstante g aufweist, kann die piezoelektrische Konstante d erhöht werden. Insbesondere wenn die dielektrischen Konstanten der piezoelektrischen Schichten 41 bis 4n ε₁ bis ε_n sind, ist ε₁ > ε₂ bis ε_n, und wenn die piezoelektrischen Konstanten g der piezoelektrischen Schichten 41 bis 4n g₁ bis g_n sind, ist g₂ > g₁ und g₃, g₄, ...g_n. Und wenn die piezoelektrischen Schichten, die diese dielektrischen Konstanten und piezoelektrischen Konstanten g haben, laminiert sind, wird die piezoelektrische Konstante d in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Einrichtung dargestellt d ≡ g × ε × ε₀, d.h. mit der oben angeführten Gleichung (3). Die niedrigste Konstante von g₁ und g₃ bis g_n < g ≤ g₂, und die niedrigste Konstante von ε₂, ε₃, ..., ε_n < ε ≤ ε₁, wobei ε₀ eine dielektrische Konstante im Vakuum (= 8.85 × 10^–12 [F/m]) ist. Wenn die hohen dielektrischen Konstanten der piezoelektrischen Schichten erreicht sind, kann, auch wenn eine einzige piezoelektrische Schicht eine niedrige dielektrische Konstante aufweist, die dielektrische Konstante der gesamten piezoelektrischen Einrichtung erhöht werden. Die Wirkung der dielektrischen Schicht ist stärker, wenn, wie oben beschrieben, die dickere Schicht ausgebildet wird. Auf ähnliche Weise kann, wenn die hohen piezoelektrischen Konstanten g der piezoelektrischen Schichten erreicht werden, die dielektrische Konstante g der gesamten piezoelektrischen Einrichtung erhöht werden, auch wenn eine einzige piezoelektrische Schicht eine niedrige piezoelektrische Konstante g aufweist. Um die dielektrische Konstante und die piezoelektrische Konstante g zu erhöhen, braucht lediglich die Dicke der piezoelektrischen Schichten, welche hohe dielektrische Konstanten und piezoelektrische Konstanten aufweisen, sowie die Anzahl keramischer Schichten erhöht zu werden.
Wie oben gemäß Ausführungsform 3 beschrieben, wird eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt, die drei oder mehr Arten von piezoelektrischen Schichten aufweist und mit der dieselben Wirkungen erzielt werden können wie in Ausführungsform 1. Die Schichtenstruktur in dieser Ausführungsform kann zumal dann angelegt wei den, wenn Schichten laminiert werden sollen, die niedrige dielektrische Konstanten und piezoelektrische Konstanten g aufweisen, aber andere Vorzüge besitzen.
Ausführungsform 4
Während in den oben beschriebenen Ausführungsformen piezoelektrische Schichten, die sich von einander unterscheiden, laminiert werden, wird in dieser Ausführungsform eine Abwandlung der Schichtenstruktur zur Verfügung gestellt, die eine Mehrzahl von ersten piezoelektrischen Schichten und eine Mehrzahl von zweiten piezoelektrischen Schichten einschließt.
(Erläuterung der Schichtenstruktur)
10 ist eine Querschnittsansicht einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform. In dieser Querschnittsansicht ist die piezoelektrische Einrichtung 4d, einschließlich einer Vibrationsplatte 3 und eines Druckkammersubstrats 2, in Richtung der Breite durchschnitten. Ein Tintenstrahldrucker (siehe 2) und ein Tintenstrahlschreibkopf (siehe 3 und 4), für den die piezoelektrische Einrichtung 4d verwendet wird, haben dieselbe Struktur wie in Ausführungsform 1, und es soll keine Erläuterung hierzu gegeben werden.
Wie in 10 dargestellt, wird die piezoelektrische Einrichtung 4d (Querschnitt entlang A-A in 4) in Ausführungsform 4 ausgebildet, indem die erste piezoelektrische Schicht 41 und die zweite piezoelektrische Schicht 42 in Ausführungsform 1 mehrmals abwechselnd laminiert werden. Da ihre spezifische Zusammensetzung dieselbe ist wie diejenige in Ausführungsform 1, soll hierzu keine Erläuterung gegeben werden.
Vorzugsweise sollten, auf Grundlage derselben Idee wie in Ausführungsform 1, die piezoelektrischen Schichten 41 und 42 durch Laminieren einer Mehrzahl von keramischen Schichten ausgebildet werden. Dies deswegen, weil, wenn eine dicke Schicht ausgebildet wird, ein Sprung auftritt und eine Schicht, die eine genügende Kristallstruktur aufweist, nicht ausgebildet werden kann. Aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1 sollte vorzugsweise ein Kristallkern zumindest in einer Schicht vorhanden sein, die mit dem Film der unteren Elektrode in Kontakt gerät, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden, die eine genügende Kristallstruktur aufweist.
Die Anordnung der Laminierung ist nicht auf diejenigen beschränkt, die in 10 dargestellt sind, und kann auf verschiedene Weise geändert werden. Zum Beispiel können die Lagen der ersten piezoelektrischen Schicht 41 und der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 umgekehrt werden. Darüber hinaus brauchen weder die Dicke der einzelnen piezoelektrischen Schichten noch die Anzahl der laminierten keramischen Schichten dieselben zu sein; sie können je nach Bedarf auf verschiedene Weise abgewandelt werden. Wenn zum Beispiel die dielektrische Konstante die gesamte Struktur stark beeinflussen soll, werden die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht 41 und die Anzahl der laminierten keramischen Schichten erhöht. Wenn die piezoelektrische Konstante g die gesamte Struktur erheblich beeinflussen soll, werden die Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht 42 und die Anzahl der laminierten keramischen Schichten erhöht.
Da, aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1, die solcherart strukturierte piezoelektrische Einrichtung 4d eine hohe dielektrische Konstante und eine hohe piezoelektrische Konstante g aufweist, kann die piezoelektrische Konstante d erhöht werden. Die dielektrischen Konstanten der einzelnen piezoelektrischen Schichten sind dieselbe wie die dielektrische Konstante einer piezoelektrischen Schicht, welche eine Dicke aufweist, die der Gesamtdicke der einzelnen piezoelektrischen Schichten entspricht. Dies deswegen, weil, da die piezoelektrische Einrichtung eine Serienverbindung von Kondensatoren ist, selbst wenn ihre Positionen wechseln, die dielektrische Konstante der piezoelektrischen Einrichtung nicht verändert wird. Das heißt, solange die Laminierung der ersten piezoelektrischen Schicht so dick ist wie die erste piezoelektrische Schicht in Ausführungsform 1, ist die Wirkung der dielektrischen Konstante im Verhältnis zur piezoelektrischen Einrichtung unverändert. Die piezoelektrische Konstante g kann höher sein als diejenige in Ausführungsform 1. Da, wie oben beschrieben, die Spannung in der zweiten piezoelektrischen Schicht, die eine höhere piezoelektrische Konstante g aufweist, die Kristallstruktur der ersten piezoelektrischen Schicht beeinflusst, die eine geringere piezoelektrische Konstante g aufweist, wird in dieser Ausführungsform die piezoelektrische Konstante g der gesamten piezoelektrischen Einrichtung erhöht. Zieht man in Betracht, dass die Wirkung der Spannung größer wird, wenn die Entfernung von der Oberfläche der zweiten piezoelektrischen Schicht verringert wird, ist die mechanische Wirkung auf die erste piezoelektrische Schicht größer, wenn die zweiten piezoelektrischen Schichten separat angeordnet sind, wie in 10 dargestellt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß Ausführungsform 4 eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt, die ausgebildet wird, indem abwechselnd die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten laminiert werden, und welche dieselbe Wirkung bereitstellen kann wie diejenige in Ausführungsform 1. Besonders in dieser Ausführungsform kann die Wirkung der piezoelektrischen Konstante g erhöht werden.
Ausführungsform 5
Während in Ausführungsform 4 die ersten und die zweiten piezoelektrischen Schichten abwechselnd laminiert werden, wird in Ausführungsform 5 eine Abwandlung der Schichtenstruktur zur Verfügung gestellt, etwa eine abgewandelte Struktur der Laminierung, welche die dritte piezoelektrische Schicht in Ausführungsform 3 verwendet.
11 ist eine Querschnittsansicht einer piezoelektrischen Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform. In dieser Querschnittsansicht ist die piezoelektrische Einrichtung einschließlich einer Vibrationsplatte 3 und eines Druckkammersubstrats 2 in Richtung der Breite durchschnitten. Ein Tintenstrahldrucker (siehe 2) und ein Tintenstrahlschreibkopf (siehe 3 und 4), für den die piezoelektrische Einrichtung 4e verwendet wird, weisen dieselbe Struktur wie in Ausführungsform 1 auf, und keine Erläuterung soll hierzu gegeben werden.
Wie in 11 dargestellt, wird die piezoelektrische Einrichtung 4e in Ausführungsform 5 (Querschnitt entlang A-A in 4) hergestellt, indem eine Schichtenstruktur mehrere Male laminiert wird, welche die erste piezoelektrische Schicht 41 und die zweite piezoelektrische Schicht 42 in Ausführungsform 4 sowie die dritte piezoelektrische Schicht 43 in Ausführungsform 3 einschließt. Wiewohl in 11 nur eine einzige Art der dritten piezoelektrischen Schicht 43 dargestellt ist, kann, wie in 9 erläutert, eine Mehrzahl von Arten dritter piezoelektrischer Schichten 43 bis 4n (wobei n eine natürliche Zahl ist) wiederholt werden. Da spezifische Zusammensetzungen dieselben sind wie diejenigen in Ausführungsform 1 und 3, soll hierzu keine Erläuterung gegeben werden.
Vorzugsweise sollten, auf Grundlage derselben Idee wie in Ausführungsform 1, die piezoelektrischen Schichten 41 bis 43 durch Laminierung einer Mehrzahl von keramischen Schichten ausgebildet werden. Dies deswegen, weil, wenn eine dicke Schicht ausgebildet wird, ein Sprung auftritt und eine Schicht, die eine genügende Kristallstruktur aufweist, nicht ausgebildet werden kann. Ferner sollte, aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1, ein Kristallkern zumindest in der Schicht vorhanden sein, die mit dem Film der unteren Elektrode in Kontakt gerät, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden, die eine genügende Kristallstruktur aufweist.
Die Anordnung der Laminierung der Schichten ist nicht auf diejenige beschränkt, die in 11 dargestellt ist, und kann auf verschiedene Weise verändert werden. Zum Beispiel können die relativen Positionen von zwei der ersten, der zweiten und der dritten piezoelektrischen Schichten 41, 42 und 43 umgekehrt werden. Ferner kann, wie in 12 dargestellt, eine piezoelektrische Einrichtung 4f verwendet werden, wobei die Abfolge, in der die piezoelektrischen Schichten 41, 42 und 43 laminiert sind, ungleichförmig ist. Auch kann die Anzahl von piezoelektrischen Schichten einer spezifischen Art von der Anzahl der anderen Arten von piezoelektrischen Schichten abweichen. Und weder die Dicke der einzelnen piezoelektrischen Schichten noch die Anzahl laminierter keramischer Schichten brauchen dieselbe zu sein; sie können je nach Bedarf auf verschiedene Weise verändert werden. Wenn zum Beispiel die dielektrische Konstante die gesamte Struktur erheblich beeinflussen soll, werden die Anzahl der ersten piezoelektrischen Schichten 41, die Dicke jeder Schicht und die Anzahl laminierter keramischer Schichten erhöht. Wenn die piezoelektrische Konstante g die gesamte Struktur erheblich beeinflussen soll, werden die Anzahl der zweiten piezoelektrischen Schichten 42, die Dicke jeder Schicht und die Anzahl laminierter keramischer Schichten erhöht.
Da, aus demselben Grund wie in Ausführungsform 1, die solcherart strukturierten piezoelektrischen Einrichtungen 4e und 4f eine hohe dielektrische Konstante und eine hohe piezoelektrische Konstante g aufweisen, können ihre piezoelektrischen Konstanten d erhöht werden. Deshalb kann, wenn die hohen dielektrischen Konstanten der piezoelektrischen Schichten eingestellt sind, auch wenn eine einzige piezoelektrische Schicht eine geringe dielektrische Konstante aufweist, die dielektrische Konstante der gesamten piezoelektrischen Einrichtung erhöht werden. Die Wirkung der dielektrischen Schicht ist größer, wenn, wie oben beschrieben, eine dickere Schicht ausgebildet wird. Auf ähnliche Weise kann, wenn die hohen piezoelektrischen Konstanten g der piezoelektrischen Schichten eingestellt sind, auch wenn eine einzige piezoelektrische Schicht eine niedrige piezoelektrische Konstante g aufweist, die dielektrische Konstante g der gesamten piezoelektrischen Einrichtung erhöht werden. Um die dielektrische Konstante und die piezoelektrische Konstante g zu erhöhen, brauchen lediglich die Anzahl der piezoelektrischen Schichten, welche hohe dielektrische Konstanten und hohe piezoelektrische Konstanten g aufweisen, die Dicke jeder Schicht und die Anzahl keramischer Schichten erhöht zu werden. Insbesondere derselbe Vorgang wie in Ausführungsform 4 beeinflusst die piezoelektrische Konstante g, was mechanische Wirkungen für die erste piezoelektrische Schicht zur Verfügung stellen kann.
Wie oben beschrieben, wird gemäß Ausführungsform 5 eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt, wobei eine oder mehrere piezoelektrische Schichten von drei oder mehr Arten an beliebigen Stellen laminiert werden, um dieselbe Wirkung zu erzielen wie diejenige in den oben beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere wenn eine Mehrzahl von Arten piezoelektrischer Schichten angeordnet werden soll in Übereinstimmung mit ihrer Funktion, eine dicke piezoelektrische Einrichtung auszubilden, kann die piezoelektrische Eigenschaft der piezoelektrischen Einrichtung eingestellt werden durch Einsatz der Funktionen der einzelnen piezoelektrischen Schichten und der Idee, die von dieser Ausführungsform verkörpert wird.
Zusätzlich zu den Beispielen, die von den oben beschriebenen Ausführungsformen verkörpert werden, sind verschiedene weitere Modifikationen der vorliegenden Erfindung möglich. Die Schichtenstrukturen in den Ausführungsformen sind ebenfalls lediglich Beispiele, und verschiedene andere Schichtenstrukturen können ersonnen werden. Insbesondere wenn eine piezoelektrische Einrichtung von einer Mehrzahl von Zusammensetzungen gebildet wird und wenn eine Anordnung eine Schicht, die eine hohe dielektrische Konstante aufweist, und eine Schicht einschließt, die eine hohe piezoelektrische Konqstante g aufweist, kann eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt werden, die dieselbe Wirkung hat wie diejenige, die man in den Ausführungsformen erhält. Die Zusammensetzungen, welche für die piezoelektrische Einrichtung verwendet werden, sind nicht auf die Beispiele in den Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Zusammensetzungen, die eine hohe dielektrische Konstante oder eine hohe piezoelektrische Konstante g zur Verfügung stellen, können angelegt werden.
Die Form und Anordnung einer piezoelektrischen Einrichtung sowie die Strukturen der Vibrationsplatte und des Druckkammersubstrats können auf verschiedene Weise modifiziert werden. Diese haben keinen direkten Einfluss auf den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Da ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß vorliegender Erfindung eine laminierte Struktur hat, die aus piezoelektrischen Schichten besteht, welche unterschiedliche Eigenschaften haben, kann solch eine piezoelektrische Einrichtung eine höhere piezoelektrische Konstante d aufweisen, als eine herkömmliche sie hat; außerdem können mehr Tintentröpfchen in höherer Geschwindigkeit unter Verwendung einer geringeren Spannung versprüht werden.
Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Tintenstrahlschreibkopfes einen Schritt zum Laminieren piezoelektrischer keramischer Schichten aufweist, welche unterschiedliche Eigenschaften haben, kann eine piezoelektrische Einrichtung eine höhere piezoelektrische Konstante d aufweisen, als eine herkömmliche sie hat; außerdem können mehr Tintentröpfchen in höherer Geschwindigkeit unter Verwendung einer geringeren Spannung versprüht werden.

Claims

Ein Tintenstrahlschreibkopf mit Düsen (11), umfassend: eine Druckkammer (2), die in dem Kopf ausgebildet ist, wobei die genannte Druckkammer (2) mit den Düsen in Verbindung steht; und eine piezoelektrische Einrichtung (4), die auf einer der Wände der genannten Druckkammer (2) ausgebildet ist, wobei die genannte piezoelektrische Einrichtung (4) dahingehend wirksam ist, das Volumen der genannten Druckkammer (3) durch Anlegung einer Spannung zu verändern, wobei die genannte piezoelektrische Einrichtung eine erste piezoelektrische Schicht (41), welche eine erste Dielektrizitätskonstante ε1 und eine erste piezoelektrische Konstante g1 aufweist, und eine zweite piezoelektrische Schicht (42), welche eine zweite Dielektrizitätskonstante ε2 und eine zweite piezoelektrische Konstante g2 aufweist, umfasst, wobei die erste Dielektrizitätskonstante ε1 größer als die zweite Dielektrizitätskonstante ε2 ist, und die zweite piezoelektrische Konstante g2 größer als die erste piezoelektrische Konstante g1 ist.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem die genannte erste piezoelektrische Schicht (41) durch Laminieren einer Mehrzahl von ersten Schichten (411, 412, 413, 414), von denen jede dieselbe Zusammensetzung aufweist, ausgebildet ist, und die genannte zweite piezoelektrische Schicht (42) durch Laminieren einer Mehrzahl von zweiten Schichten (421, 422, 423, 424), von denen jede dieselbe Zusammensetzung aufweist, ausgebildet ist.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem die genannte erste piezoelektrische Schicht (41) ein Perovskit-Kristall ist, der eine Zusammensetzung aufweist, die durch die allgemeine Formel Pb(Zr_(1-y)Ti_y)_1-z(b_(1-x)b'_x)_zO₃ dargestellt wird, in der b und b' zweiwertige bis sechswertige metallische Elemente bezeichnen, und in der das Element b n Valenzen besitzt (wobei n eine natürliche Zahl ist), b' m Valenzen besitzt, x eine reelle Zahl mit 0 < x < 1 ist, y eine reelle Zahl mit 0 < y < 1 ist und z eine reelle Zahl mit 0 < z < 1 ist, wobei n, m und x der Gleichung genügen n(1 – x) + mx = 4.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 3, in dem die genannten zweiwertigen bis sechswertigen metallischen Elemente b und b' aus zwei der folgenden Elemente bestehen: Mg, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Nb, Cd, In, Sn, Sb, La, Yb, Lu, Ta, W und Bi.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem die genannte erste piezoelektrische Schicht (41) eine Zusammensetzung gemäß Pb(Zr_0,56T_0,44)_0,8(Mg_1/3Nb_2/3)_0,2O₃ besitzt.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem die genannte zweite piezoelektrische Schicht (42) eine piezoelektrische Keramik ist, welche Elemente aus Pb, Zr und Ti enthält.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem die genannte zweite piezoelektrische Schicht (42) eine Zusammensetzung aus PbZr_0.56Ti_0,44O₃ aufweist.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem ein Verhältnis der Dicke der genannten ersten piezoelektrischen Schicht (41) zu der Dicke der genannten zweiten piezoelektrischen Schicht (42) so eingestellt ist, dass eine gewünschte piezoelektrische Konstante g für die genannte piezoelektrische Einrichtung mit g2 > g > g1 erhalten wird.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem ein Verhältnis der Dicke der genannten ersten piezoelektrischen Schicht (41) zu der Dicke der genannten zweiten piezoelektrischen Schicht (42) so eingestellt ist, dass eine gewünschte Dielektrizitätskonstante ε für die genannte piezoelektrische Einrichtung mit ε1 > ε > ε2 erhalten wird.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine dritte piezoelektrische Schicht (43, 44, 45, 46), welche zumindest eine Art von Schicht umfasst, und welche eine Zusammensetzung besitzt, die von derjenigen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schicht (41, 42) verschieden ist.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 10, in dem die genannte dritte piezoelektrische Schicht (43, 44, 45, 46) durch Kombinieren der genannten Zusammensetzung der genannten ersten und der genannten zweiten piezoelektrischen Schicht (41, 42) ausgebildet wird.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, weiterhin eine Mehrzahl von den genannten ersten und den genannten zweiten piezoelektrischen Schichten (41, 42) umfassend, wobei die genannten ersten und die genannten zweiten piezoelektrischen Schichten (41, 42) gleichförmig laminiert sind.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 10, weiterhin eine Mehrzahl von den genannten ersten, den genannten zweiten und den genannten dritten piezoelektrischen Schichten (41, 42, 43) umfassend, wobei die genannten ersten, die genannten zweiten und die genannten dritten piezoelektrischen Schichten (41, 42, 43) gleichförmig laminiert sind.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 10, weiterhin eine oder mehrere von den genannten ersten, den genannten zweiten und den genannten dritten piezoelektrischen Schichten (41, 42, 43) umfassend, wobei die genannten ersten, die genannten zweiten und die genannten dritten piezoelektrischen Schichten (41, 42, 43) ungleichförmig laminiert sind.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem die genannte piezoelektrische Einrichtung (4) weiterhin eine obere Elektrode (40) und eine untere Elektrode (30) umfasst, wobei die genannte untere Elektrode (30) als ein Träger für ein Kristallwachstum dient, und in dem eine piezoelektrischen Schicht (424), welche fest an der genannten unteren Elektrode (30) befestigt ist, ein Kristallteilchen aufweist, welches als der Kern für das genannte Kristallwachstum dient.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlschreibkopfs, der ein Hauptteil mit einer Druckkammer (2) umfasst, die darin ausgebildet ist, und der ein Druckkam mersubstrat (2) mit zumindest einer Fläche, Düsen (11), eine Vibrationsplatte (3), eine piezoelektrische Einrichtung (4), welche auf der genannten Vibrationsplatte (3) angebracht ist und wirksam ist, das Volumen der genannten Druckkammer (3) durch Anlegung einer Spannung zu verändern, wobei die genannte piezoelektrische Einrichtung (4) auf der genannten zumindest einen Fläche des genannten Druckkammersubstrats (2) angebracht ist und mit den genannten Düsen (11) in Verbindung steht, besitzt, wobei das genannte Verfahren umfasst: einen Schritt zum Ausbilden der Vibrationsplatte durch Ausbilden eines Isolationsfilms (31) und eines Films (30) für eine untere Elektrode auf einer Fläche des genannten Druckkammersubstrats (20); einen Schritt zum Ausbilden einer zweiten piezoelektrischen Schicht (42) auf dem genannten Film (30) für eine untere Elektrode, welcher in dem genannten Schritt des Ausbildens der Vibrationsplatte ausgebildet worden ist; einen Schritt zum Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht (41) auf der genannten zweiten piezoelektrischen Schicht (42), welche in dem genannten Schritt zum Ausbilden einer zweiten piezoelektrischen Schicht ausgebildet worden ist; einen Schritt zum Ausbilden einer oberen Elektrode durch Ausbilden eines Films (40) einer oberen Elektrode auf der genannten ersten piezoelektrischen Schicht (41), welche in dem genannten Schritt zum Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht ausgebildet worden ist; und einen Ätzschritt des Ätzens des genannten Druckkammersubstrats, auf dem der genannte Film einer oberen Elektrode in dem genannten Schritt zum Ausbilden einer oberen Elektrode ausgebildet worden ist, um eine piezoelektrische Einrichtung auszubilden, wobei eine von der genannten ersten piezoelektrischen Schicht (41) und der genannten zweiten piezoelektrischen Schicht (42) eine erste Dielektrizitätskonstante ε1 und eine erste piezoelektrische Konstante g1 aufweist; wobei die andere von der genannten ersten piezoelektrischen Schicht (41) und der genannten zweiten piezoelektrischen Schicht (42) eine zweite Dielektrizitätskonstante ε2 und eine zweite piezoelektrische Konstante g2 aufweist, und wobei die erste Dielektrizitätskonstante ε1 größer als die zweite Dielektrizitätskonstante ε2 ist, und die zweite piezoelektrische Konstante g2 größer als die erste piezoelektrische Konstante g1 ist.
Ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, in dem der genannte Schritt zum Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht und der genannte Schritt zum Ausbilden einer zweiten piezoelektrischen Schicht einschließen: einen Beschichtungsschritt des Beschichtens eines Vorläufers (424b, 414b) für eine piezoelektrische Schicht (424, 414); einen Trocknungsschritt des Trocknens des genannten Vorläufers (424b, 414b) der genannten piezoelektrischen Schicht (424, 414), welcher in dem genannten Beschichtungsschritt beschichtet worden ist; einen Pyrolisierungsschritt des Pyrolisierens der genannten piezoelektrischen Schicht (424, 414), welche in dem genannten Trocknungsschritt getrocknet worden ist; und einen Kristallisationsschritt des Ausführens eines schnellen thermischen Prozesses für die genannte piezoelektrische Schicht (424, 414), welche in dem genannten Pyrolisierungsschritt pyrolisiert worden ist.
Ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, in dem eine Mehrzahl von den genannten piezoelektrischen Schichten (421, 422, 423, 411, 412, 413), die getrocknet, entfettet und kristallisiert sind, durch mehrfaches Wiederholen des genannten Beschichtungsschritts, des genannten Trocknungsschritts, des genannten Entfettungsschritts und des genannten Kristallisationsschritts laminiert werden.
Ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, weiterhin umfassend: einen Schritt zum Ausbilden einer Druckkammer auf der anderen Fläche des genannten Druckkammersubstrats (2), und einen Schritt zum Ausbilden einer Düsenplatte (1) auf einer Fläche des genannten Druckkammersubstrats (2) gegenüber der Fläche, auf der eine Druckkammer in dem genannten Schritt zum Ausbilden einer Druckkammer ausgebildet wird.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 1, in dem ein dielektrischer Wert nicht kleiner als 1400 ist und die genannte spezifische piezoelektrische Konstante nicht kleiner als 13 × 10^–3 m.V/N Schichten ist.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 10, in dem der genannte spezifische dielektrische Wert nicht kleiner als 1400 ist und die genannte spezifische piezoelektrische Konstante nicht kleiner als 13 × 10^–3 m.V/N Schichten ist.
Ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, in dem ein dielektrischer Wert nicht kleiner als 1400 ist und die genannte spezifische piezoelektrische Konstante nicht kleiner als 13 × 10^–3 m.V/N Schichten ist.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 2, in dem die genannte Mehrzahl zwischen 2 und 6 Schichten inklusive umfasst.
Ein Tintenstrahlschreibkopf gemäß Anspruch 10, in dem jede von der genannten ersten, der genannten zweiten und der genannten dritten piezoelektrischen Schicht (41, 42, 43) durch Laminieren einer Mehrzahl von keramischen Schichten ausgebildet wird, und in dem die genannte Mehrzahl zwischen 2 und 6 Schichten inklusive umfasst.
Ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, in dem jeder der genannten Schritte des Ausbildens der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schicht das Laminieren einer Mehrzahl von keramischen Schichten einschließt, und in dem die genannte Mehrzahl zwischen 2 und 6 Schichten inklusive umfasst.