WO1998046429A1

WO1998046429A1 - Tete a jet d'encre

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Publication number: WO1998046429A1
Application number: PCT/JP1998/001691
Authority: WO
Inventors: Isaku Kanno; Satoru Fujii; Ryoichi Takayama; Takeshi Kamada
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1998-10-22
Also published as: EP0930165A4; KR100309405B1; JPH10286953A; US6347862B1; EP0930165A1; EP0930165B1; JP3666177B2; DE69818793D1; DE69818793T2; KR20000016488A

Description

明細書インクジエツ卜へッド技術分野

インクジュッ卜記録装置に使用されるインクジヱットへッドに関する。背景技術

近年、パソコンなどの印刷装置としてインクジエツト記録装置を用いたプリンタが印字性能がよく取り扱いが簡単、低コストなどの理由から広く普及している。このインクジヱット記録装置には、熱エネルギーによってインク中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式がある。

一般に、圧電素子を用いたものは、例えば、インク供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通したインク吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインクを圧縮することによりインク吐出口からインク液滴を吐出させる。現在カラーのインクジェ卜記録装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字が求められている。そのためインクへッドを微細化したマルチノズルへッド構造を用いて高解像度および高速印字を実現する事が試みられている。ィンクへッドを微細化するためには、インクを吐き出させるための圧電素子を小型化することが必要になる。しかしながら、この圧電素子の圧電膜は、 P b O、 2 1« 0₂及び丁 1 0₂ の粉末をシート状に成型加工した後、焼成することにより形成する方法が採用されていたことから、圧電膜を例えば 2 0 m以下に薄く形成することが困難であった。このために、圧電膜を微細に加工することが困難であり、圧電素子を小型化することが困難であった。また、このように粉末を焼成することにより形成された圧電膜は、その厚さが薄くなるに従って、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電特性を得ることができなかった。その結果、粉末を焼成することにより形成された圧電膜は、 1 5 / m以下になるとィンクを吐き出させるための十分な圧電特性を得ることができないという問題点があった。このため、十分なインクの吐出に必要な特性を有する小型のインクへッドをこれまで実現することができな力、つた o 発明の開示

本発明は、膜厚が薄くても大きな圧電特性を有する薄膜材料を開発し、圧電素子を構成する圧電体ゃ振動板等を薄膜化することで半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とし、高密度に形成された吐出口を有するインクジュットへッドを実現する構成と、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、膜厚が薄くても大きな圧電特性を有する薄膜材料を開発し、圧電素子を構成する圧電体ゃ振動板等を薄膜化することで半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とし、高密度に形成された吐出口を有するインクジエツトへッドを実現する構成と、その製造方法を提供するものである。

すわち、本発明に係る第 1のインクジヱットへッドは、インク吐出口と上記インク吐出口に接続された圧力室とを有する本体部と、 P b、 T i 及び Z rを有する圧電膜と該圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり上記圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、上記圧電振動部をたわみ振動させることによりインク吐出口からインクを吐き出させるィンクジヱッ卜へッ卜 Cあつ一、

上記圧電膜が、 S r又は B aを含むベロブスカイト構造を有する第 1層と、該第 1層に接するように形成された P b、 T i及び Z rを有するベロブスカイト構造の第 2層とを含んでいることを特徴とする。

このように、 S r又は B aを含むぺロブスカイト構造を有する第 1層と上記第 1層に接するように第 2層とを含んで構成することにより、 Z rを含んでいる第 2層を良質でかつ薄くしかも大きな圧電定数を有するように形成することができる。これによつて、本発明の第 1のィンクジヱットへッドは極めて小型で軽量にできる。

また、本発明に係る第 2のィンクジヱットへッドは、ィンク吐出口と上記インク吐出口に接続された圧力室とを備えた本体部と、 P b、 T i及び

Z rを有する圧電膜と該圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり上記圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、上記圧電振動部をたわみ振動させることによりインク吐出口からィンクを吐き出させるィンクジェッ卜へッドでめつて、

上記圧電膜が、それぞれベロブスカイト構造を有しかつ互いに接するように形成された第 1層と第 2層とを含んでなり、上記第 1層の Z rの含有量が上記第 2層の Z rの含有量に比較して少ないことを特徴とする。

このように、上記圧電膜を互いに接するように形成された第 1層と第 2 層とを含んで構成することにより、 Z rを比較的多く含んでいる第 2層を良質でかつ薄くしかも大きな圧電定数を有するように形成することができる。これによつて、本発明の第 2のインクジヱットへッドは極めて小型で軽量にできる。

また、本発明に係る第 3のインクジュットへッドは、インク吐出口と上記インク吐出口に接続された圧力室とを備えた本体部と、 P b、 T i及び Z rを有する圧電膜と該圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり上記圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、上記圧電振動部をたわみ振動させることによりインク吐出口からィンクを吐き出させるィンクジュットへット Cめって、

上記圧電膜が、それぞれぺロブスカイト構造を有しかつ互いに接するように形成された Z rを有していない第 1層と Z rを有する第 2層とを含んでなりることを特徴とする。これによつて、第 2のインクジヱットへッドに比較してさらに良質で圧電定数の高い第 2層が形成できる。

また、本発明に係る第 2と第 3のインクジュッ卜へッドでは、第 1層を容易にかつ低温で形成するために、上記第 1層が L aを含んでいることが好ましい。

さらに、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドでは、上記圧電膜の圧電定数をさらに高くするために、上記第 2層において Z r /T i 比が、 3 0 / 7 0以上 7 0ノ 3 0以下に設定されることが好ましい。

また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジエツトへッドにおいて、上記圧電膜は単結晶であることがさらに好ましい。これによつて、圧電膜を構成する材料の固有の圧電定数を効果的に利用することができる。

また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジエツトへッドにおいて、上記圧電膜が、 1 0 )u m以下の厚さに形成されていることが好ましく、これによって、上記圧電膜の形状を微細に加工できる。

また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドにおいて、上記圧電膜が、 1 z m以上、 3 / m以下の厚さに形成されていることがさらに好ましく、これによつて、上記圧電膜を微細に加工できるとともに、十分なインク吐出力及び十分な圧電膜の信頼性が得られる。この場合、上記第 1層は、 5 0 n m以上、 1 0 0 n m以下の厚さに形成されていることが好ましく、これによつて、良質な第 2層を形成することができ、上記圧電膜全体としての圧電定数を低下させることもない。

また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドにおいて、上記圧電振動部が振動板を備えることにより、上記圧電振動部を容易にたわみ振動させることができる。この場合、上記振動板が、 N i、 C r、 A 1及びそれらの酸化物、 S i、 S i酸化物、高分子有機物からなる群から選ばれた少なくとも 1つの材料からなることが好ましい。

また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドにおいては、上記圧電振動部において、上記電極間にさらに、上記圧電膜と中間電極層を介して対向する、上記圧電膜とは別の圧電膜を設け、その 2つの圧電膜によってたわみ振動をさせてもよい。このように 2つの圧電膜でたわみ振動させると振動板を用いる場合に比較してより大きな振幅をえることができる。

また、本発明に係る第 1と第 3のインクジュットへッドにおいては、上記圧電膜の第 2層が、 N b及び S nを含む反強誘電性を有する圧電体であつてもよい。

さらに、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドにおいては、上記第 1層を、 Z r濃度が厚さ方向に連続的に増加するように分布している層とし、かつ第 1層の Z r濃度が高い一方の面で上記第 2層と接するように構成してもよい。

また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドにおいては、上記圧電膜の両側に形成された電極層が P t又は A uで形成されていることが好ましい。これによつて、例えばエッチングを用いて圧電膜を微細加工する場合に、エツチング液により電極にダメ一ジを与えないようにできる。また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジェットへッドにおいては、上記本体部が複数のィンク吐出口と各ィンク吐出口にそれぞれ対応して設けられた複数の圧力室を有し、上記圧電膜の両側に設けられた電極のうち少なくとも一方の電極を上記圧力室に対応するように分離して設けることにより、各圧力室に対応した圧電振動部を備えたインクジュットへッドを構成できる。このような構成により、複数のインク吐出口が極めて高密度に形成されたインクジエツトへッドを作製できる。この場合、上記圧電膜を上記圧力室に対応するように分離して設け、上記一方の電極を上記分離された各圧電膜上に形成するようにしても、同様に吐出口が高密度に形成されたインクジットへッドを作製できる。このように、圧電膜を各圧力室に対応するように分離して形成する場合、各圧電膜の幅を上記圧力室の幅より小さくすることが好ましい。また、圧電膜を分離して形成する場合、上記分離された圧電膜の間に、上記圧電膜の伸縮を阻害しない剛性の低い樹脂を充填してもよい。これによつて、へッドの信頼性を高くできる。また、本発明に係る第 1〜第 3のインクジヱットへッドにおいて、上記圧電振動部は、その周辺部が上記圧力室の周辺部と弾性を有しかつ膜厚が 3 u m以下の樹脂層を介して接合するようにしてもよく、これによつて、接合時に圧電振動部に歪みが加わることを防止でき、製造時の歩留まりを高くできかつ信頼性を高くできる。

上記圧電振動部は、その周辺部が上記圧力室の周辺部と、セラミック、金属又は樹脂からなる台座を介して接合されていることが好ましく、これによって、接合部を上記圧電振動部から離すことができるので、上記圧電振動部を安定して振動させることができる。

また、本発明に係るインクジヱットへッドの製造方法は、インク吐出口と上記インク吐出口に接続されかつ一部に開口部が形成された圧力室とを有する本体部と、上記開口部を塞ぐように設けられた圧電振動部とを備えたインクジヱットへッドの製造方法であって、

基板上に、 P b及び T iを含むベロブスカイト構造を有する第 1層を形成し、第 1層上に Z rと P b及び T iとを含むぺロプスカイト構造を有する第 2層を形成するすることにより、上記第 1層と上記第 2層とを含む圧電膜を形成する工程とを含み、上記基板上に上記圧電膜を有する圧電振動部を形成する第 1工程と、上記本体部の上記開口部の周辺部と上記圧電振動部の周辺部とを対向させて接合する第 2工程と、

上記接合後に上記基板を除去する第 3工程とを含み、

上記第 1工程において、上記第 1層を Z rを含まないように、又は上記第 2層に比較して Z rの量が少なくなるように形成することを特徵とする。本製造方法により、 Z rを比較的多く含んでいる第 2層を良質でかつ薄くしかも大きな圧電定数を有するように形成することができる。これによつて、本発明の製造方法によれば、極めて小型で軽量のインクジットへッドを製造できる。

本発明に係る製造方法では、上記第 1層及び上記第 2層を精度よくかつ良質に形成するためにスパッタ法又は C V D法により形成することが好ましい。

本発明に係る製造方法では、上記基板として M g 0基板を用いることにより、単結晶の第 1層及び第 2層を形成することができる。また、この場合、上記第 3工程において上記基板を燐酸を用いたエッチングにより除去することができる。本発明に係る製造方法では、上記基板としてシリコン基板又はガラス基板を用いることもでき、これにより、 M g O基板を用いる場合に比較して安価に製造できる。この場合、上記第.3工程において、上記基板をフッ酸系溶液又は水酸化力リゥム溶液を用いてエッチングにより除去することができる。図面の簡単な説明

図 1 Aは、本発明に係る第 1の実施の形態のインクジエツトへッドの構成を示す斜視であり、図 1 Bは、図 1 Aの A— A' 線についての断面図である。

図 2は、第 1の実施の形態のインクジットへッドにおける圧電振動部を拡大して示す部分断面図である。

図 3は、第 1の実施の形態のインクジエツトへッドにおける圧電膜 5を拡大して示す部分断面図である。

図 4は、第 1の実施の形態のインクジットへッドの製造方法において、 M g 0基板 1 0上に圧電振動部を形成した時の断面図である。

図 5 Aは、第 1の実施の形態のインクジットへッドにおける一例の製造方法の主要工程を示す工程図であり、図 5 Bは図 5 Aとは異なる例を示す工程図である。

図 6は、第 1の実施の形態のインクジヱットへッドの正面図である。図 7は、第 1の実施の形態のインクジヱッ卜へッドの一例における、印加電圧に対する振動板のたわみ量を示すグラフである。

図 8は、第 1の実施の形態のインクジェットへッドの他の例における、印加電圧に対する振動板のたわみ量を示すグラフである。

図 9は、本発明に係る第 2の実施の形態のインクジヱットへッドの製造方法において、シリコン基板 1 5上に圧電振動部を形成した時の断面図である o

図 1 0は、第 2の実施の形態のインクジエツトへッドの製造方法の主要な工程を示す工程図である。

図 1 1は、本発明に係る第 3の実施の形態の製造方法により作製されるインクジエツトへッドの特徵を示す部分断面図である。

図 1 2は、第 3の実施の形態のインクジットへッドの製造方法の主要な工程を示す工程図である。

図 1 3 Aは、本発明に係る第 4の実施の形態のインクジエツトへッドの構成を示す斜視図であり、図 1 3 Bは、図 1 3 Aの C— C ' 線についての断面図である。

図 1 4は、図 1 3 Aの D— D' 線についての断面図である。

図 1 5は、第 4の実施の形態の変形例の圧電振動部の構成を示す部分断面図である。

図 1 6は、第 4の実施の形態における好ましい接続構造を示す部分断面図である。

図 1 7は、第 4の実施の形態における他の好ましい接続構造を示す部分断面図である。

図 1 8は、本発明に係る第 5の実施の形態のインクジエツトへッドの構成を示す部分断面図である。

図 1 9は、本発明に係る第 6の実施の形態のィンクジェットへッドの構成を示す斜視図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。第 1の実施の形態.

本発明に係る第 1の実施の形態のインクジットへッド 1 0 0は、従来困難であったスパッタリング等のいわゆる薄膜形成方法を用いて形成された、薄くてかつ大きな圧電定数を有する圧電膜を用いて構成され、従来例のインクジヱットへッドに比較して極めて小型でかつインクの吐出口の間隔を狭く形成することができるという特徴を有する。

図 1 Aは、本発明にかかる第 1の実施の形態のインクジヱットヘッド 1 0 0の斜視図であり、図 1 Bは、図 1 Aの A— A' 線についての断面図であ o

このインクジヱットへッド 1 0 0は、図 1 A及び図 1 Bに示すように、複数の吐出口 2と、各吐出口 2に対応して設けられた圧力室 1と、圧力室 1にそれぞれ設けられた圧電素子 3とを備えて以下のように構成される。インクジエツトへッド 1 0 0において、吐出口 2は本体部 5 0の側面に所定の間隔で形成され、圧力室 1は、吐出口 2にそれぞれ対応するように本体部 5 0に並んで形成されている。そして各吐出口 2と対応する圧力室 1とは、本体部 5 0に形成されたインク流路 2 aを介して接続される。また、本体部 5 0の上面にはの各圧力室 1にそれぞれ対応して開口部 5 1が形成され、さらに本体部 5 0の上面には開口部 5 1を塞ぐように振動板 4 が形成され、振動板 4の上に各圧力室 1に対応して各開口部 5 1上に位置するように圧電素子 3が設けられる。

また、圧電素子 3は、図 2に示すように、それぞれ 0. l // mの厚さを有する白金から成る電極 6および 7と、電極 6 , 7の間に形成された 3 mの厚さの圧電膜 5からなり、振動板 4上に設けられる。ここで、振動板 4は、振動部分の厚みが 2 mの S i 0₂層からなる。以上のようにして、圧電素子 3と圧電板 4とによって圧電振動部 3 0が形成される。

圧電膜 5の材料として、鉛、チタン、ジルコニウムから構成された酸化物であるべロブスカイト型 PZT薄膜材料を用いることにより、低電圧でも良好な振動をさせることができる。尚、本明細書において、単に PZT というときは、 Pb、 Z r及び T iを含む、一般式 Pb (Z r xT i 0₃で表される圧電材料を言うものとする。この PZT薄膜の組成は、 P b (Z ro.ssT i 0.47) O ₃の場合に最大の圧電性を示すことが焼結体では明らかにされている。しかしながら、この組成の薄膜を直接電極上に形成することは容易ではない。

そこで、第 1の実施の形態では、図 3に示すように、圧電膜 5を 2層で構成し、第 1層 8として Z rの含有していない PbT i 0₃又は PbT i 0₃にランタンを添加した PL Tを形成し、第 2層 9として Pb (Z r_{0 5} ₃Τ ΐ 0.47) 0₃の組成の層を形成することにより、良好な圧電特性を有する高品質圧電薄膜（圧電膜 5) を形成した。すなわち、本発明は、第 1層として Z rの含有していない PbT i 0₃又は PbT i 0₃にランタンを添加した PLTを形成し、第 2層として Pb (Zro.53T i o.47) 0₃の組成の層を形成することにより、良好な圧電特性を有する高品質圧電薄膜を形成することができることを見いだして完成させたものである。

以下、 2層からなる圧電膜 5についてさらに詳細に説明する。

上述のように、 PZTは、良好な圧電特性を有し、かつ ZrZT iの比率が約 50ノ 50になると極めて高い圧電係数を有することが知られている。しかしながら、 PZTはスパッタ法ゃ CVD法等の薄膜形成方法を用いて良好な膜を形成する事が困難であり、 T iに対する Z rの比率が大きくなる程その傾向は顕著である。我々の検討によると、その原因は、薄膜形成過程において、 Z rの酸化物が基 ¾表面に吸着し、その後の膜成長を P且害するためであることが明らかになった。また、その傾向は、 P t電極上に P Z T膜を成長させようとした場合にさらに顕著であることも明らかになった。しかしながら、 PbT i 0₃又は PbT i 0₃に L aを 1 Omo 1 %程度添加し結晶化温度を低下させた（Pb, La) T i O3 (以下、単に PLTという。）上に、薄膜形成方法を用いて PZTを成長させると、 Z r酸化物を析出させることなく、良好な PZT膜を作成することができる。また、 PbT i 0₃及び PLTは、 PZTと同様べロブスカイト構造を有し、薄膜形成方法を用いて P t電極上にも比較的容易に形成することができる膜である。この第 1層としては、基本的な条件としてべ口ブス力イト型構造を有していることが必要で、 PbT i 0₃、 PLT以外にも S r T i 0₃、 B aT i 0₃及び S r R u 0₃等も効果があることが我々の検討により実証されている。また、この第 1層は PZTと同様 RFスパッタリング装置を用いて形成でき、多元ターゲットを装着できるスパッタ装置を用いることにより、第 1層 8と第 2層 9の形成を一連の工程で進めることができる。

尚、本発明では、この様な多層構造とせずに、 Znを含まない PbTi 0₃から Pb (Zrc.₅Ti _{0 5}) 0₃付近の組成へと連続的に変化させた組成傾斜を有する第 1層を用いて圧電膜 5を用いても同様の ^果が得られる。以下、第 1の実施の形態のインクジ Xットへッドの製造方法について図

5 Aを参照しながら説明する。

本製造方法ではまず、 2 cm角の（100)面を上面として有する単結晶 MgO基板 10の上面に、単結晶の P t電極膜を配向させて 0. l#m の厚さに形成する（図 5 Aのステップ S1)。

次に、 P t電極膜を各圧力室に対応するようにドライエッチング（真空中で A rイオンによる）を用いてパターンニングして個別の電極 11に分離する（図 5 Aのステップ S2及び図 4) 。

次に、 PbT i 0₃からなる初期層（第 1層）を約 0. 01 mの厚さに形成する（図 5 Aのステップ S3)。

そして、初期層上に PZT薄膜をスパッタリングにより約 3^mの厚さに形成する（図 5 Aのステップ S 4)。

尚、このステップ S3, 4において、基板温度は 500から 600。Cの温度に設定して膜を成長させる。

このように、本製造方法においては、 PZT薄膜を形成する前に、 Pb T i 0₃からなる初期層を形成しているので、組成の偏りの少ない結晶性に優れた、 c軸に配向した単結晶の P Z T薄膜を形成することができる。尚、 PZTは、 c軸方向に最も高い圧電係数を有する。

次に、 PZT薄膜（初期層を含む）を強酸性溶液を用いたエッチングによりパターンニングして、各圧力室に対応するように個別の圧電膜 12に分離する（図 Aのステップ S 5及び図 4) 。

次に、各圧電膜 12上に共通電極 13を形成する（図 5 Aのステップ S 6及び図 4) 。尚、共通電極は図 4に示すように、各圧電膜 12毎に個別の電極としてもよいし、複数の圧電膜 12にわたつて連続した電極としてもよい。

次に、共通電極 13上に S i 0₂を 2 mの厚さに形成することにより振動板 4を形成する（図 5 Aのステップ S 7) 。尚、図 4には図示していないが、振動板 4を形成する前に、圧電膜 12の両側に樹脂を埋め込み振動板 4を形成する表面を平坦にして振動板 4を形成する。

MgO基板上に上述の各層を形成した後、予め圧力室、インク流路が形成されたステンレスからなる本体部を接着剤を用いて接合する。これによつて、圧力室、インク流路が、振動板上に形成される（図 5 Aのステップ S 8)。尚、ここで使用する接着剤は、圧電振動を吸収することがないように、比較的硬度が高い方が好ましい。

次に、 MgO基板を、最終的に酸性溶液により除去する（図 5 Aのステツプ S9)。 MgO基板 10は、この酸性溶液として燐酸溶液を用いることで圧電膜にダメ一ジを与えることなく安定して溶解することができる。さらに、例えば 1 0 m径の吐出口を所定の間隔で形成した部材を本体部の側面に取り付けて、第 1の実施の形態のインクジエツトへッドは作成される。

尚、図 5 Aを参照して説明した製造方法では、圧電膜及び個別電極 1 1 は、共通電極 1 3を形成する前にパターンニングしたが、本発明はこれに限らず、図 5 Bに示すように共通電極 1 3を形成し M g O基板 1 0をエツチング後に、圧電膜及び P t個別電極をパターンニングするようにしてもよい。

以上説明した製造方法によれば圧電特性の良い薄い圧電膜を形成することができ、その薄い圧電膜を半導体の製造に用いられる微細加工技術を応用することで極めて小さい圧力室に対応した圧電素子を形成することができるので、高い密度で吐出口が形成されたイングジヱットへッドを作製することができる。

例えば、 1 5 0 d p iの密度のノズルへッドを作製しょうとすると、通常圧力室の幅が 1 0 0 μπιで隣接する圧力室間の隔壁が 6 6 zm程度に設定されるが、？2丁薄膜の膜厚を5 /^ 111以下にすると、 P Z T薄膜を 5 0 m以下の幅に加工することが十分可能であるから、圧電膜の形状を 1 0 0 β m幅の圧力室に対応する大きさに加工することが十分可能である。尚、 2 0 m以上の厚さの従来の圧電膜では、 5 0 z m幅の圧電膜に加工することは困難である。本第 1の実施の形態において、圧電膜を 2 0 m以下の幅に加工することも可能であるから、圧電膜の加工可能な形状をもとに考えると、 5 0 0 d p i又はそれ以上の密度を有するノズルへッドを作製することも可能である。図 6は、上記の方法で製作した、吐出口（ノズル）が 2 0 0 d p iの密度で形成されたノズルへッドを正面から見た図である。また、圧力室の幅を狭くできることで、その圧力室の共振周波数を高くでき、その分高い周波数で駆動することができるという利点もある。また、この高い周波数で駆動できるということは、印加電圧に対する応答を早くできることを意味し、インクの吐き出し量の細かな制御が可能であることを意味し、これによつて、階調を向上させることができる。尚、圧力室の幅を 1 0 0〃m (すなわち、 1 5 0 d p i ) とすると共振周波数は約 1 M H zである。

さらに、インクの吐出性能は、一般にたわみ量 Yと発生圧力 Pの積で表され、この値は圧電膜の膜厚を t、圧電定数を d ₃₁、電圧を Vとすると、次の式（1 ) で表されるので、膜厚が薄いと印加電圧を低くできるという利点も有する。

Y · P = k · d si ² · W t · · · · ·式（1 ) 以上の方法に従って、 2 1>ダ丁 1比が5 0 5 0の？2丁薄膜を、各圧力室 1に対応して幅 1 0〃m、長さ 1 mmの大きさにパターンニングした試料を用いて、印加電圧と振動板 4の最大たわみ量の関 ¾を測定した。その結果を図 7に示す。図 7より印加電圧を増加すると振動板がたわみ 3 0 Vの電圧に対して約 2 mの変位を発生させることができることがわかる。この良好な圧電特性を利用して、インク吐出能力の高いインクジヱットへッドを作製できることが確認できた。

以上説明したように、第 1の実施の形態のインクジエツトへッドは、圧電膜 5を、 Z rを含まないぺロブスカイト型の第 1層と、 Z rを含む P Z Tからなる第 2層とによって構成された、圧電特性の優れた薄い圧電膜を加工することによって形成している。これによつて、圧電特性の優れた微細な圧電膜 5を形成することができるので、従来例のインクジヱッ卜へッドに比較して極めて小型でかつ高密度に形成されたィングの吐出口を備えたインクジュットへッドを提供できる。以上の説明において、適宜、具体的な材料及び数字を挙げて説明したが、本発明は上述した数字に限定されるものではない。

圧電膜における第 1層（初期層）について言えば、上述したようにこの第 1層 8は、結晶性の良好な第 2層 9を形成するための層であり、圧電性を有する膜としての機能は専ら第 2層 9が担っている。従って、第 1層 8 の膜厚は、良好な第 2層を形成するという機能を果たすかぎり、圧電膜 5 の全体としての圧電特性を低下させないように、薄ければ薄い程よい。我々は、膜厚制御性のよいスパッタリング装置を用いた場合、第 1層 8は 5 n m以下であっても、その機能を十分発揮できることを確認している。しかしながら、 P" t電極をムラ無く覆い、かつ製造工程上の管理等を考慮すると、 5 0 n m〜l 0 0 n mの範囲に設定することが好ましい。この範囲に設定すると、圧電膜 5の全体としての圧電特性を実質的に低下させないようにでき、かつ良質の第 2層を形成するという効果を十分果たすことができ、しかも圧電膜 5を形成する工程における工程管理負担を増加させることも少なくできる。尚、第 1の実施の形態では、第 1層 8として膜厚 0. 1 mの P b T i 0₃層、第 2層 9として膜厚 2. 9 mの P b ( Z r _{0 5} ₃T i o .₄₇) 0₃の組成を有する P Z T層とすることにより、低電圧においても十分なインク吐出能力を有するインクジエツトへッドを作製できることが確認されている。

また、本発明において、 Ρ Ζ Τで構成される第 2層 9の膜厚は特に限定されるものではないが、薄膜形成方法を用いて形成する場合、膜厚が厚くなると膜の形成時間が長くなるので、 1 O ii m以下に設定することが好ましい。また、圧電膜 5は、成膜後に各圧力室にそれぞれ対応する所定の形状にパターンニングされるが、吐出口 2の間隔を今後ますます狭くする必要が生じることを考慮すると、それに対応した精度のよいパターンニングをするためには、圧電膜 5の膜厚は 5 mに以下に設定することがさらに好ましい。また、圧電膜 5の膜厚は、膜の強度や発生させる応力を考慮すると 0. 5 / m以上に設定することが好ましい。我々の検討によると、圧電膜 5の膜厚を、 l〜3 // mの範囲に設定することが最も好ましく、この範囲に設定することにより、インクを安定して飛翔させ、かつ膜の信頼性を一定以上に保つことができることが確認されている。

第 1の実施の形態において、本体部 5 0は、ステンレス（S U S ) を用いて形成したが、本発明はこれに限られず、感光性有機高分子材料、感光性ガラスおよびシリコンなどにより構成してもよい。

また、振動板 4はスパッタ法などの薄膜プ口セスを用いることにより微細加工が容易となる。その材料として、第 1の実施の形態では、酸化シリコン S i 0₂を用いたが、本発明はこれに限らず、ニッケル、クロム、ァルミニゥムなどの金属を用いることができる。これらの金属もスパッタ法、真空蒸着およびメツキ法により容易に形成することができ、 S i 0₂と同様良好な振動特性を得ることができた。また、振動板 4にアルミナを用いても S i 0₂と同様の効果を得ることができ、スパッタリング法により容易に形成できた。この他、振動板 4としてポリイミド系の樹脂を用いることもでき、このポリイミド系の樹脂はスピンコート法により容易に形成でき、またその微細加工も容易であり、インクジュッ小記録装置の振動板として適した材料であった

以上の各材料を用いて振動板 4を形成しても、振動中に亀裂が生じるなどの劣化はなく、ィンクを吐出するのに十分な振動を発生することができる。また、振動板 4の材料として上記各金属の酸化物を用いても同様の振動特性を得ることができる。さらに、振動板 4としては、感光性ポリイミドを用いることにより素子の製造を容易にできる。

以上のような構成において、圧力室 1に面する振動板 4を厚みが 2 m の S i 0₂層とし、圧電膜 5の第 2層 9として P b (Z r _{0 5}T i ₀ .₅)Ό ₃ の組成式で示される厚み 3 mの PZT薄膜、厚み 0. l /mの白金から成る電極 6および 7を用いた場合、 50V以下の電圧においても良好なたわみ振動を発生させることができた。しかしながら、本発明では、振動板 4の厚さは、上述の 2 xmに限られるものではなく、圧電膜 5の圧電特性及び厚さ、振動板 4を構成する材料の固有の振動特性等を考慮して適宜設定されるものである。

また、本発明では、 MgO基板 10上の電極 11として白金、金もしくはルテニウム酸化物を用いることにより、ベロブスカイト構造を有する鉛系誘電体層からなる圧電膜 5， 12を結晶性よく形成することができた。いずれの材料からなる電極上に形成された圧電膜 5, 12を用いても、特性バラツキが少ない複数の圧電膜 5, 12を形成することができ、インク吐出能力の素子間のばらつきを少なくすることができる。

また、 PZT薄膜の微細加工では弗酸や硝酸など強酸性の溶液を用いて行うが、電極として白金、金又はルテニウム酸化物を用いることにより電極材料が腐食することを防止し、素子の作成を安定に行うことができる。また、圧電膜 5, 12を構成する第 2層の圧電材料として用いた PZT は、良好な圧電特性を有する Z 1" 丁1比が30ノ70〜70 3ひの範囲内にある PZT層を用いることが好ましい。また、本発明において、第 2層として用いることができる圧電材料としては、上述の PZTのほか、え"、 P D 0.99N b 0.02[( 0.6 S η· 0.4ノト y 1 y] 0■ 98 Os (0.060≤ y 065)等の組成を有する、 Pb、 Ti、 Zr以外の元素を含む圧電材料を用いることができる。尚、 Pb₀.₉₉Nb₀.₀₂[(Z r ₀.eS η₀.4)ι -， T i y] ₀.9₈O₃ (0.060≤ y≤0.065)は、反強誘電体の材料であるが差し支えない。この場合について、印加電圧と振動板 4の最大変位との関係を図 8に示す。この場合、 15Vの電圧で、反強誘電体から強誘電体への相転移が起こるため不連続な変位特性を示し、 20 で約0. の変位が発生した。 2 OV以上のある電圧以上を印加した場合ほぼ一定の変位を発生させることができ、ィンク吐出量のばらきを少なくする事ができた。更に 1>。.₉₉]\[1)。.。₂[(21"₀.6311。.₄)₁-，1^,]。.₉₈0₃ (0. a ≤ y

≤0.065)の組成を有する反強誘電体薄膜では、多結晶質の薄膜でも安定なインク吐出能力を有する圧電素子とすることができた。

また、第 1の実施の形態では、第 1層 8として Z rの含有していない P bT i 0₃又は PbT i 0₃にランタンを添加した PL Tを形成し、第 2層 9として Pb (Z ro.ssT i 0.47) 0₃の組成の層を形成するした例を最も好ましい例として示したが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電膜 5， 12を構成する第 1層（初期層）の圧電材料として、 x<0. 3に設定された Pb (Z r xT i i-_x 0₃からなる P ZT層又はその層にさらに Laを含む層を用い、第 2層として 0. 7≥x≥0. 3に設定された Pb (Z r T i 0₃からなる PZT層を用いて形成しても、結晶性が良好でかつ圧電定数の比較的大きい第 2層を形成することができる。尚、この場合、第 1層として、 χ<0. 2に設定された Pb (Z r ,T i 1 -χ) 0₃からなる PZT層又はその層にさらに L aを含む層を用いることが好ましい。

第 2の実施の形態.

図 9, 10は、本発明に係る第 2の実施の形態のインクジットへッドの製造方法を説明する図である。この第 2の実施の形態の製造方法は、第 1の実施の形態で説明した製造方法において、 MgO基板に代えて S i基板を用いた他は第 1の実施の形態とほぼ同様である。

本製造方法では、まず、図 9, 10に示すように、シリコン基板 15上に個別電極 11となる Pt層を形成し、その個別電極 11の上に圧電材料として鉛系誘電体層からなる圧電膜 12をスパッタ法により形成した。ここで、鉛系誘電体層からなる圧電膜 12は、第 1の実施の形態と同様、 Z rを含まない鉛系誘電体からなる第 1層を形成した後、 Z rも含む P Z T からなる第 2層を形成することにより形成される。以上のように構成された圧電膜 1 2は、多結晶体であるが、第 1層として Z rを含まない鉛系誘電体からなる第 1層を形成した後、 Z rを含む P Z Tからなる第 2層を形成しているので、極めて良好な圧電特性を有する第 2層を形成することができる。この圧電膜 1 2として、？2丁系の多結晶層を3 111形成することにより、良好な圧電性を得ることができた。圧電膜 1 2の形成法として、上述のスパッタ法に代えて、 MO C V Dもしくはゾルゲル溶液を用いたスピンコートにおいても良好な結晶性を有する圧電性薄膜を形成することができた。次にその圧電膜 1 2の上に共通電極 1 3となる P t層を形成する。尚、ゾルゲル溶液を用いたスピンコート法を用いる場合、まず、第 1層となる Z rを含まないゾルゲル溶液をコートし、その上に第 2層となる Z r を含むゾルゲル溶液を所定の厚さにコートした後、焼成することにより圧電膜 1 2を形成する。以上のようにしてスパッタ法と同様、多結晶層である圧電膜 1 2を形成することができる。

その共通電極 1 3の上に S i 0₂からなる材料で振動板 4をスパッタ法により形成した。次に振動板 4の上に、感光性樹脂により形成した圧力室 1を有する本体部を設けた後、最後にシリコン基板 1 5を弗酸系溶液、もしくは水酸化カリウム溶液でエッチング除去する。圧力室 1は、本体部において、感光性ガラスもしくは感光性樹脂などにより各吐出口に対応するように分割して形成されている。図 1 0において、個別電極 1 1は圧電膜 1 2の形成前にパターンニングしているが、シリコン基板 1 5をエツチングした後にパターンニングするようにしてもよい。また圧電膜 1 2は、図 1 0において、共通電極 1 3を形成する前にパターンニングしているが、シリコン基板 1 5をエッチング除去した後に、各圧力室 1に分割された形状となるようにパターンニングしてもよい。本実施の形態に示した製造方法によれば M g O基板 1 0より安価に、かつ大きな面積を有した単結晶基板が入手しやすいシリコン基板 1 5を用いることができ、ィンクジヱット用圧電素子を一度に多数形成することが可能で、更に圧電特性の良い薄膜材料を形成することができる。またこれまで確立されてきたシリコンの微細加工技術を応用し非常に高精度な微細加工から作り出される多素子化も容易となる。上記の方法で製作したインクジュトのヘッドは、図 6と同様の構成が可能でノズルが 2 0 0 d p iの密度にできた。またさらに、高密度のノズルを有するインクジエツトへッドを作製することも可能である。

この構成のインクジェットへッドの製造において、シリコン基板 1 5を用いる他、ガラス基板を用いても同様の多素子構成のインクジヱットへッドが作製できる。この場合弗酸系の溶液を用いてガラス基板をエッチングする事により、図 6と同様の構成を有する多素子化したインクジュットへッドを形成することができた。

上の個別電極 1 1として白金以外に、ルテニウム酸化物を用いることにより、ベロブスカイト構造を有する圧電膜 1 2を結晶性よく形成することができた。このため圧電膜として良好な特性を有することができ、多素子化した場合でもィンク吐出能力の素子間のばらつきの少ないィンクジエツトへッドが作成できた。また圧電材料として用いる圧電膜 1 2としては、 Z r ZT i比が 3 0ノ7 0〜7 0 Z 3 0の範囲内にある P Z T層であれば、更に良好な圧電特性を有し、インク吐出能力の高いインクジエツトへッドとすることができた。また、圧電膜 1 2として P b ₀.₉₉N b ₀.₀₂[(Z r 0 . e S n ₀.₄)i -y T i ,] o . o₈0₃ (0. 060≤ y≤0. 065)の組成を有する反強誘電体の薄膜を用いた場合、電圧印加に対して安定した応答が得ることができ、インク吐出量のばらつきを少なくする事ができた。

更に振動板 4の材料として、酸化シリコン S i 0₂の他、ニッケル、ァルミニゥムなどの金属もスパッタリング、真空蒸着およびメツキ法により容易に形成することができ、 S i 0₂と同様良好な振動特性を得ることができた。またアルミナ等の酸化物でも S i 0₂と同様の効果を得ることができ、スパッタリング法により容易に形成できた。この他、ポリイミド系の樹脂などの高分子有機物はスピンコート法により容易に形成でき、またその加工も容易であり、インクジェットへッドの振動板として適した材料であった。

第 3の実施の形態.

図 1 1， 1 2は、本発明に係る第 3の実施の形態のインクジェットへッドの製造方法を説明する図である。

本製造方法では、まず、図 1 1 , 1 2に示すように、シリコン基板 1 5 上に膜厚の S i 0₂からなる振動板 4をスパッタ法、もしくはシリコン基板を熱酸化することにより形成する。更にその上に共通電極 1 3となる P t層を形成する。共通電極 1 3の上に鉛系誘電体からなる圧電膜 1 2を r f スパッタ法により形成した。ここで、圧電膜 1 2は、第 1の実施の形態と同様、 Z rを含まない鉛系誘電体からなる第 1層を形成した後、 Z rを含む P Z Tからなる第 2層を形成することにより形成される。以上のように構成された圧電膜 1 2は、多結晶体であるが、第 1層として Z r を含まない鉛系誘電体からなる第 1層を形成した後、 Z rを含む P Z Tからなる第 2層を形成しているので、極めて良好な圧電特性を有する第 2層を形成するごとができる。この圧電膜 1 2としては、厚みが 3 // mの P Z T系の多結晶層を形成することにより優れた圧電特性を得ることができた。圧電膜 1 2の形成法として MO C V Dもしくはゾルゲル溶液を用いたスピンコートにおいても良好な結晶性を有する圧電性薄膜を形成することができた。次にその圧電膜 1 2の上に個別電極 1 1となる P t層を形成する。この個別電極 1 1はイオンエッチングによって微細加工し、各圧力室 1に対応した箇所に分離した形状となるようにした。なお、振動板 4が絶！^物である場合、個別電極 11を振動板 4上に形成し、共通電極 13を圧電膜 12上に形成しても良い。

次にシリコン基板 15を弗酸系溶液、もしくは水酸化力リゥム溶液で部分的にェッチング除去し、シリコン基板 15の一部を圧力室 1の構造部材として用いた。圧電膜 12は、共通電極 13を形成する前に、各圧力室 1 に対応し分割された形状となるようにパターンニングした。この方法では圧力室 1の形成を圧電素子を形成する基板の一部を用いて作製するため、工程が簡略化でき、かつシリコンの微細加工技術を用いることにより微細な素子化も可能になる。上記の方法で製作したインクジトのへッドは、図 6と同様の構成が可能でノを 200 d i以上の密度に形成できた。この構成のインクジヱットへッドの製造において、シリコン基板 15を用いる他、更に安価なガラス基板を用いても同様の多素子構成のィンクジェットへッドが作製できた。この場合弗酸系の溶液を用いてガラス基板 13 をェッチングする事により、図 6と同様の構成を有する多素子化したィンクジヱットへッドを形成することができた。

上の個別電極 11として白金以外に、ルテニウム酸化物を用いることにより、ベロブスカイト構造を有する圧電膜 12を結晶性よく形成することができた。このため圧電膜として良好な特性を有することができ、多素子化した場合でもィンク吐出能力の素子間のばらつきの少ないィンクジヱットへッドが作成できた。また圧電材料として用いる圧電膜 12としては、 Z rZT i比が 30Z70〜70Z30の範囲内にある P Z T層であれば、更に良好な圧電特性を有し、インク吐出能力の高いインクジエツトへッドとすることができた。

また、圧電膜 12として Pb₀.₉9Nb₀.₀₂[(Z ro.eS nQ. j-yT i ,] ο.9₈0₃ (0. 060≤y≤0. 065)の組成を有する反強誘電体の薄膜を用いた場合、電圧印加に対して安定した応答が得ることができ、インク吐出量のばらつきを少なくする事ができた。また P b₀._eeNb₀.₀₂[(Z r _{o e}Sn_{0 4})い， T i _y]。._a80₃ (0. 060≤ y≤ 0. 065)の組成を有する反強誘電体薄膜では、多結晶質の薄膜でも安定なィンク吐出能力を有する圧電素子とすることができた。

更に振動板 4の材料として、酸化シリコン S i 0₂の他、ニッケル、ァルミニゥムなどの金属もスパッタリング、真空蒸着およびメツキ法により容易に形成することができ、 S i 0₂と同様良好な振動特性を得ることができた。またアルミナでも S i 0₂と同様の効果を得ることができ、スパッタリング法により容易に形成できた。この他、ポリイミド系の樹脂はスピンコート法により容易に形成でき、またその加工も容易であり、インクジュットへッドの振動板として適した材料であった

第 4の実施の形態.

図 13 Aは、本発明にかかる第 4の実施の形態のインクジヱッ卜ヘッド 200の斜視図であり、図 13Bは、図 13Aの C— C' 線についての断面図である。また、図 14は、図 13 Aの D— D' 線についての断面図である。

このィンクジヱットへッド 200は、複数の吐出口 202と、各吐出口 202に対応して設けられた圧力室 201とが形成された本体部 250と、本体部 250の上面に設けられた振動板 204と、振動板 204上に設けられた圧電衆子 203とを備えて以下のように構成される。

本体部 250において、吐出口 202は本体部 250の下面に所定の間隔で形成され、圧力室 201は、吐出口 202にそれぞれ対応するように本体部 250に並んで形成されている。そして各吐出口 202と対応する圧力室 201とは、本体部 250に形成されたインク流路 202 aを介して接続されている。尚、本体部 250は、樹脂、ガラス、ステンレス、セラミック及びシリコン等、剛性の高い素材を用いて構成されている。

圧電素子 203は、図 14に示すように、振動板 204上に形成された共通電極 208と、共通電極 208上に各圧力室 201に対応して所定の間隔で形成された圧電体 205と、各圧電体 205上にそれぞれ設けられた個別電極 209とを備え、隣接する圧電体 5の間にポリイミド樹脂からなる充填材が埋め込まれて構成される。ここで、圧電体 205は、第 1の実施の形態と同様、第 1層として Z rの含有していない PbT i 0₃又は PbT i 0₃にランタンを添加した PLTを形成し、第 2層 9として Pb

(Z r o ssT i 0.47) 0₃の組成の層を約 3 mの厚さに形成した。これによって、第 1の実施の形態と同様、良好な圧電特性を有する圧電体 20

5が形成される。

振動板 204は、スパッタ法を用いて形成した 2 mの厚さのアルミナ層からなり、共通電極 208及び個別電極 209は、いずれも 0. 1 iim の P t層で構成した。振動板 204の素材としては、アルミナの他、 Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Z rを使用することができ、いずれの材料を用いても、圧電体 205及び電極材料との密着性及び振動特性において優れている。また、本発明では、 Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Z rの酸化物、さらにシリコン酸化物及び樹脂材料を用いることができる。また、振動板 204の厚さは、良好なィンク吐き出し性能を得るためには圧電体 205と同等又はそれ以下の厚さであることが好ましい。

圧電体 205は、圧電体 205の幅が対応する圧力室の幅より狭くなるように形成することが好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、分離されていない 1つの圧電膜を用い、個別電極 209 を各圧力室 201に対応させて形成することにより、該圧電体層のうち各圧力室に対応する部分のみを振動させるようにしてィンクを吐き出させるようにしてもよい。

また、隣接する圧電体 2 0 5の間に埋め込まれる充填材 2 1 0は、上述のポリィミド樹脂に限定されるものではなく、比較的剛性の低い材料であれば使用することができる。このように充填材として、比較的剛性の低い材料を用いることにより、圧電体 2 0 5の横方向の伸縮を阻害することなく圧電体を振動させることができるので、振動特性を劣化させることがない

例えば、圧力室 2 0 1の幅を 7 とし、圧電体 2 0 5の幅を圧力室 2 0 1の幅より若干狭くなるように形成したとき、 1 0 Vの電圧を印加することにより、最大 5 0 n m変化させることができた。

以上のように、第 4の実施の形態においては、第 1の実施の形態と同様、圧電体 2 0 5を第 1層と第 2層との 2重構造としてスパッタリング等の薄膜形成方法を用いて作製しているので、極めて緻密で結晶性のよ、圧電体 2 0 5を形成することができ、比較的簡単な構成で良好な振動特性を得ることができた。これは、圧電体 2 0 5として結晶性のよい圧電膜が形成できるので、通常の焼結体では絶縁破壊を起こすような高い電圧を印加して駆動することができるようになったことによるものである。また、第 1の実施の形態と同様、圧電体 2 0 5を極めて薄くすることができるので、微細化が容易で、 2 0 0 d p iのノズル密度を有するへッドが容易に作製できるようになった。

圧電体 2 0 5の形成方法は、上述のスピンコートの他、 C V D法等の他の薄膜形成方法を用いてもよい。

また、この圧電体 2 0 5の厚さは、以上になると、微細加工が困難となるので、圧電体 2 0 5の厚さは、 1 以下に設定することが好ましい。第 4の実施の形態において、この圧電体 205は、第 1の実施の形態又は第 2の実施の形態と同様、 1^20基板又は3 i基板を用いて形成したものが用いられる。

すなわち、基板として、（100) 面が表面に表れるように劈開された単結晶 MgO基板を用い、 MgO基板の（100) 面上に、 Z rを含まない初期層を形成した後、その初期層上に一般式（Pl -iL a,) (Z r !- yT i _y) 0₃で表される圧電体を形成することにより、 c軸に記向した圧電体を形成することができる。このように一般式 Pb (Z r !-,Τ i ,) Ο ₃で表される体に、 L aを添加することにより、結晶化温度を下げることができ、薄膜圧電体の圧電性を向上させることができる。さらに、このようにして形成された単結晶の（Pbi-_xLa_x) (Z r !-,Τ i _y) 0₈ は、同組成の多結晶体に比較して 1. 5倍の圧電定数を得ることができる。また、圧電体 205を形成する方法としては、スパッタ法もしくは CV D法を用いることにより、結晶性のよい単結晶の膜が、 1時間に l m以上の早い堆積速度で形成することができる。さらに、電極材料として白金もしくはルテニウム酸化物を用いることにより、良好な界面特性を維持しながら圧電膜を成長させることができる。また、白金又はルテニウム酸化物を電極として用いた場合、基板材料として MgO以外に、微細加工が容易であるシリコン又はガラス、もしくは剛性の高いステンレス材料を用いることも可能となり、へッド作製コストを下げることができる。

また、一般式（Pbい， L a,) (Z r !-,Τ i _y) 0₃で表される圧電膜を白金もしくはルテニウム酸化物の電極上に形成する場合、電極と接する部分の組成で、特に yを 0. 7以上に設定（Z rの割合を小さくする）することにより、電極上に Z rの酸化物等の不純物層の析出を押さえることができ、良好に結晶性を有する圧電体 205を形成することができる。従つて、電極のすぐ上に上述の Z rの少ない初期層を形成しその初期層の上に、 yが 0. 7以下に設定された、大きな圧電定数を有する圧電膜を数;/ m形成することにより、高い圧電定数を有する圧電体 2 0 5を結晶性よく形成することができる。

また、本発明のインクジュットへッドでは、上述のように薄い圧電体及び振動板を用いて構成されるので、圧力室が形成された本体部と振動板との接着には留意する必要がある。すなわち、本体部の隔壁と振動板とを接着剤で接合する場合、接着剤の硬化による収縮により薄い圧電体 2 0 5に大きな応力がかかり、亀裂が発生したり剥離する場合がある。また、亀裂や剥離にまで至らない場合でも、安定した振動を妨げることになるからである。

そこで、本第 4の実施の形態では、図 1 6に示すように、膜厚が 2 m 程度の剛性の低い樹脂層 2 1 2を介して本体部の隔壁 2 0 7と振動板 2 0 4を接合することが好ましい。この樹脂層 2 1 2は、例えばポリイミドからなり、スピンコート法等を用いて形成することができる。尚、図 1 6において、 2 1 3の符号を付して示すものは、接着剤である。

以上のようにポリイミドからなる樹脂層 2 1 2を設けることにより、接着剤 2 1 3の収縮により、圧電体 2 0 5に応力が加わるのを防止でき、圧電体 2 0 5を安定して振動させることができると同時に破損等を防止することができた。また、このポリイミド樹脂により、インクが振動板に直接接することがなくなり、寿命を向上させることができる。尚、樹脂層 2 1 2の厚さは、 3 m以下にすることが好ましく、 3 m以上の厚さにすると、振動板の振動を樹脂層が吸収して効果的にィンクの吐き出し性能が劣化する。

また、ィンクの吐き出し性能を効果的に発揮させかつィンクの吐き出し量や吐き出し速度のばらつきを押さえるために、樹脂層 2 1 2及び接着剤 2 1 3の量及び厚さを精度よく管理する必要がある。図' 1 7は、圧電振動部（圧電素子と振動板からなる） 2 3 0における隔壁と接着される部分に 7 / mの厚さのアルミナ層 2 1 4を形成したものである。このアルミナ層 2 1 4は、圧電振動部 2 3 0上に 7 i mの厚さの膜を形成した後、隔壁に対する部分を残して、酸によるゥュットエッチングすることにより形成される。このように、アルミナ層 2 1 4を介して隔壁 2 0 7と圧電振動部 2 3 0とを接合することにより、圧電振動部 2 3 0のうち、圧力室 2 0 1上に位置する部分のみに限って振動させることができ、インク吐き出し量等のばらつきを減少させることができる。尚、本発明では、アルミナ層 2 1 4に代えて、各種金属酸化物からなるセラミック、エポキシ樹脂等の剛性の高い樹脂や、 C r等を用いてもよい。すなわち、圧電振動部 2 3 0との密着性がよく、微細加工が可能な材料を用いることができる。

以上の圧電振動部では、圧電体 2 0 5を 1層で構成したが、本発明はこれに限らず、図 1 5に示すように、圧電体 2 0 5 a及び圧電体 2 0 5 の 2層で構成してもよい。この場合、個別電極 2 0 9を、圧電体 2 0 5 a上に形成された電極 2 0 9 aと圧電体 2 0 5 bの下に形成された電極 2 0 9 bとに分割して形成し、圧電体 2 0 5 aと圧電体 2 0 5 bとの間に、共通の接地電極である中間電極 2 1 1を形成する。このように、圧電体 2 0 5 を圧電体 2 0 5 a , 2 0 5 bの 2層で構成することにより、 1層で構成した場合の 2倍の変位を得ることができる。尚、圧電体 2 0 5 a , 2 0 5 b はそれぞれ、初期層（第 1層）と第 2層とからなる。また、このような構成にすると、圧電体 2 0 5 a , 2 0 5 bによってたわみ振動をするので、原理的には圧電体と共同して振動を発生する振動板 2 0 4が不要となり、インクから圧電体を保護するための、例えば 1 m程度の樹脂層を形成するだけでよい。言い換えると図 1 5に示す構成では、振動板を備えることなく、圧電体 2 0 5 a , 2 0 5 bの 2層を備えることで圧電振動部を構成している。

第 5の実施の形態.

図 1 8は、本発明に係る第 5の実施の形態のインクジエツトへヅドの構成を示す部分断面図であり、この第 5の実施の形態のインクジエツトへッドは以下のような手順で作製される。

まず、単結晶のシリコン基板上に共通電極 2 0 8となる P t層を形成し、その共通電 2 0 8上に第 1の実施の形態と同様にして、各圧力室に対応する膜厚 3 mの圧電体 2 0 5及び個別電極 2 0 9を形成する。そして、個別電極 2 0 9上に振動板 2 0 4 aとなる膜厚 2のアルミナ層を形成する。尚、隣接する圧電体 2 0 5の間は、ポリイミド樹脂からなる埋め込み樹脂 2 1 0により埋め込まれている。次に、シリコン基板を約 0. 1 mmの厚さに研磨し、さらに研磨後のシリコン基板を各圧力室を隔てる隔壁に対応する部分（シリコン台座 1 5 ) が残るように、例えば K O H水溶液等のァルカリ溶液によりエッチングする。そして、ステンレス、樹脂又はガラスからなる圧力室が形成された本体部の隔壁とシリコン台座 1 5とを対向させて接着して、図 1 8に示す第 5の実施の形態のインクジットへッドが作製される。尚、本第 5の実施の形態において、圧力室 2 0 1の幅は、例えば、 7 0 mに設定される。

以上のように、第 5の実施の形態のインクジヱットへッドでは、シリコン基板を微細加工することにより、その一部を用いて圧力室を形成し、本体部との接着部を圧電体から離れるように構成しているので、接着部の影響による振動特性の劣化を実質的に無くすことができる。従って、第 5の実施の形態のィンクジヱッ卜へッドでは、ィンクの吐き出し性能のばらつきを極めて小さくできる。また、本実施の形態において、圧電体 205を形成する時に、（Pb₀.₉₅La₀.₀₅) T i 0₃からなる初期層を形成したところ、 P tからなる共通電極 208上に、 500°Cの低い基板温度で、結晶性のよい初期層を形成することができることが確認された。このように低い温度で初期層が形成できることは、実用上極めて有益である。

また、第 5の実施の形態では、基板としてシリコン基板の代わりに石英ガラスを用いることができ、この石英ガラスを用いると、基板の微細加工にフッ酸によるエッチングを用いることができるので、さらに安価にへッドを作製することができる。また、基板として（100)面に配向させた MgO基板を用いることにより、第 1の実施の形態で説明したように、 P t電極上に初期層を介して c軸に配向した Pb (Z r o.ssT i 0.47) Os からなる圧電体 205を形成することができるので、同様の組成の多結晶薄膜からなる圧電体の約 1. 5倍の圧電定数を得ることができる。また、 MgO基板を用いた場合も同様に、基板を約 0. 1mmの厚さに研磨もしくはエッチングした後、図 18に示すように加工し、その部分を本体部の隔壁と接合することができる。

第 6の実施の形態.

図 19は、第 6の実施.の形態のインクジュットへッドの構成を示す斜視図である。この第 6の実施の形態のインクジェットヘッドは、 4つのステンレス板 351, 352, 353, 354を積層して構成した本体部 35 0と、本体部 350に形成された圧力室 301を塞ぐように設けられた圧電振動部（圧電素子 303及び振動板 304からなる）とからなる。なお、本体部 350において、ィンク吐出口 302は、図 19に示すようにステンレス板 354の下面に幅方向に並置して設けられ、隔壁（図示せず）で分離されたィンク室 301はそれぞれ、各ィンク吐出口 302に対応して設けられている。圧電素子 3 0 3は、共通電極（図示せず）圧電膜 3 0 5と個別電極 3 0 9とからなり、個別電極 3 0 9がそれぞれ、各圧力室 3 0 1の直上に形成されて、各圧力室 3 0 1に対応する個別の圧電素子が構成される。ここで、圧電膜 3 0 5は、第 1〜第 5の実施の形態と同様に構成される o

以上の第 6の実施の形態では、ステンレス板 3 5 1〜3 5 4を用いて本体部 3 5 0を形成したが、本発明はこれに限らず、ガラス扳を積層して本体部を構成するようにしてもよい。また、図 1 9に示す構造の本体部を樹脂を用いて形成してもよい。産業上の利用の可能性

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、スパッタ法及び C V D 法等の薄膜形成方法を用いて、従来例に比較して薄くかつ大きい圧電定数を有する圧電膜を形成することができるので、圧電膜の微細加工が可能となり、高密度にインク吐出口が形成され、かつ高速応答が可能なインクジェット記録装置用の小型のへッドが提供できる。従って、この小型で高密度に吐出口が形成されたインクジエツトへッドを使用することにより、高解像度で高速印字が可能なィンクジ Xット記録装置を実現できる。

Claims

請求の範囲

1. ィンク吐出口と上記ィンク吐出口に接続された圧力室とを有する本体部と、 P b、 T i及び Z rを有する圧電膜と該圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり上記圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、上記圧電振動部をたわみ振動させることによりインク吐出口からインクを吐き出させるインクジヱットへッドであって、

上記圧電膜が、 S r又は B aを含むベロブスカイト構造を有する第 1層と、該第 1層に接するように形成された P t>、 T i及び Z rを有するベロブスカイト構造の第 2層とを含んでいることを特徴とするインクジュットへッ卜 o

2. ィンク吐出口と上記ィンク吐出口に接続された圧力室とを有する本体部と、 P b、 T i及び Z rを有する圧電膜と該圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり上記圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、上記圧電振動部をたわみ振動させることによりインク吐出口からインクを吐き出させるインクジヱットヘッドであって、

上記圧電膜が、それぞれベロブスカイト構造を有しかつ互いに接するように形成された第 1層と第 2層とを含んでなり、上記第 1層の Z rの含有量が上記第 2層の Z rの含有量に比較して少ないことを特徵とするインクジヱッ卜へッ卜。

3. ィンク吐出口と上記インク吐出口に接続された圧力室とを有する本体部と、 P b、 T i及び Z rを有する圧電膜と該圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり上記圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、上記圧電振動部をたわみ振動させることによりインク吐出口からインクを吐き出させるィンクジュットへッドであって、上記圧電膜が、それぞれベロブスカイト構造を有しかつ互いに接するように形成された Z rを有していない第 1層と Z rを有する第 2層とを含んでなることを特徴とするインクジエツトへッド。

4. 上記第 1層が L aを含んでいる請求項 2又は 3記載のインクジエツトへッド。

5. 上記第 2層において、 Z r ZT i比が、 3 0 Z 7 0以上 7 0ノ3 0以下に設定された請求項 1〜 4のうちのいずれか 1項に記載のィンクジエツ卜へット

6. 上記圧電膜が単結晶である請求項 1〜 5のうちのいずれか 1項に記載のィンクジエツトへッド。

7. 上記圧電膜が、 1 0 // m以下の厚さに形成されている請求項 1〜6のうちのいずれか 1項に記載のインクジエツトへッド。

8. 上記圧電膜が、 l / m以上、 3 z m以下の厚さに形成されている請求項 7に記載のィンクジヱットへッド。

9. 上記第 1層が、 5 0 n m以上、 1 0 0 n m以下の厚さに形成されている請求項 7又は 8に記載のインクジヱットヘッド。

1 0. 上記圧電振動部がさらに振動板を備え、上記圧電振動部がたわみ振動する請求項 1〜9のうちのいずれか 1項に記載のインクジュットへッド。

1 1. 上記振動板が、 N i、 C r、 A 1及びそれらの酸化物、 S i、 S i 酸化物、高分子有機物からなる群から選ばれた少なくとも 1つの材料からなる請求項 1 0記載のィンクジェットへッド。

1 2. 上記圧電振動部において、上記電極間にさらに、上記圧電膜と中間電極層を介して対向する、上記圧電膜とは別の圧電膜を設け、その 2つの圧電膜によつてたわみ振動をさせた請求項 1〜 9のうちのいずれか 1項に記載のインクジヱットへッド。

1 3. 上記圧電膜の第 2層が、 N b及び S nを含み反強誘電性を有する請求項 1〜1 2のうちのいずれか 1項に記載のインクジエツトへッド。

1 4. 上記第 1層において、 Z r濃度が厚さ方向に連続的に増加するように分布しておりかつ Z r濃度が高い一方の面で上記第 2層と接している請求項 1〜1 3のうちのいずれか 1項に記載のィンクジエツトへッド。

1 5. 上記圧電膜の両側に設けられた電極層が、 P t又は A uで形成されている請求項 1〜1 4のうちのいずれか 1項に記載のインクジヱットへッ

1 6. 上記本体部は複数のインク吐出口と各インク吐出口にそれぞれ対応して設けられた複数の圧力室を有し、上記圧電膜の両側に設けられた電極のうち少なくとも一方の電極を上記圧力室に対応するように分離して設けることにより、各圧力室に対応した圧電振動部を構成した請求項 1〜1 5 のうちのいずれか 1項に記載のインクジヱットへッド。

1 7. 上記圧電膜を上記圧力室に対応するように分離して設け、上記一方の電極を上記分離された各圧電胰上に形成した請求項 1 6に記載のインクジェッ卜へッ卜。

1 8. 上記分離された圧電膜の間に、上記圧電膜の伸縮を阻害しない剛性の低い樹脂を充填した請求項 1 6に記載のインクジエツトへッド。

1 9. 上記圧電振動部は、その周辺部が上記圧力室の周辺部と弾性を有しかつ膜厚が 3 m以下の樹脂層を介して接合されて L、る請求項 1〜 1 8のうちのいずれか 1項に記載のインクジュットへッド。

2 0. 上記圧電振動部は、その周辺部が上記圧力室の周辺部と、セラミツク、金属又は樹脂からなる台座を介して接合されている請求項 1 ~ 1 8のうちのいずれか 1項に記載のインクジヱットへッド。

2 1. インク吐出口と上記ィンク吐出口に接続されかつ一部に開口部が形成された圧力室とを有する本体部と、上記開口部を塞ぐように設けられた圧電振動部とを備えたインクジヱットへッドの製造方法であって、基板上に、 P b及び T iを含むベロブスカイト構造を有する第 1層を形成し、第 1層上に Z rと P b及び T iとを含むぺロプスカイト構造を有する第 2層を形成するすることにより、上記第 1層と上記第 2層とを含む圧電膜を形成する工程とを含み、上記基板上に上記圧電膜を有する圧電振動部を形成する第 1工程と、上記本体部の上記開口部の周辺部と上記圧電振動部の周辺部とを対向させて接合する第 2工程と、

上記接合後に上記基板を除去する第 3工程とを含み、

上記第 1工程において、上記第 1層を Z rを含まないように、又は上記第 2層に比較して Z rの量が少なくなるように形成することを特徴とするインクジュットへッドの製造方法。

2 2. 上記第 1層及び上記第 2層をスパッタリングにより形成した請求項 2 1記載のインクジエツトへッドの製造方法。

2 3. 上記基板として M g O基板を用い、上記第 3工程において上記基板を燐酸を用いたェツチングにより除去した請求項 2 1又は 2 2記載のィンクジェットへッドの製造方法。

2 4. 上記基板としてシリコン基板又はガラス基板を用いた請求項 2 1又は 2 2記載のインクジュットへッドの製造方法。

2 5. 上記第 3工程において、上記基板をフッ酸系溶液又は水酸化力リウム溶液を用いてエッチングにより除去する請求項 2 4記載のィンクジエツトへッドの製造方法。