JP2000326507A

JP2000326507A - アクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド及びインクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP2000326507A
Application number: JP11136066A
Authority: JP
Inventors: Koji Sumi; 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2000-11-28
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP3551357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の圧電アクチュエータよりも変位量が大
きく、駆動特性に優れたアクチュエータを提供する。【解決手段】本発明のアクチュエータ（１３）は、膜
内部に生じた応力に起因して結晶構造が相転移し、歪み
を生じる相転移膜（８）と、逆圧電効果により圧電歪み
を生じ、相転移膜（８）に応力を与える圧電体膜（７）
との積層構造を有する。圧電体膜（７）は電圧の印加に
より圧電歪みを生じ、このときの歪みによって相転移膜
（８）に応力が掛かる。かかる応力により相転移膜
（８）は結晶構造が相転移するため、体積変化が生じ
る。相転移膜（８）の体積変化は効率良く縦歪みに変換
できるため、従来の圧電アクチュエータよりも大きな変
位を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は結晶構造の相転移に
起因する薄膜の体積変化を利用してアクチュエータ（ac
tuator）を構成する技術に係わる。特に、オンデマンド
方式のインクジェット式記録ヘッドに好適なアクチュエ
ータの構造に係わる。

【０００２】

【従来の技術】オンデマンド方式のインクジェット式記
録ヘッドは、一般的に、多数の個別インク通路（インク
キャビティ、インク溜り等）が形成された加圧室基板
と、インク通路を覆うようにヘッド基台に取付けた振動
板膜と、振動板膜の個別インク通路上に対応して被着形
成された圧電アクチュエータ（圧電体素子）を備えて構
成されている。圧電アクチュエータはインクジェット式
記録ヘッドのインク吐出駆動源として機能する電気機械
変換素子であり、チタン酸ジルコン酸鉛、ジルコニウム
酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ラン
タン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等
の圧電性セラミックスを主成分とする。中心対称性を持
たない結晶点群に属する物質、特に、ペロブスカイト結
晶構造を有する圧電性セラミックスはこの作用を顕著に
示すものが多いため、圧電アクチュエータに用いられて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、チタン酸バ
リウム、ジルコン酸鉛等は圧力や温度条件に応じて相転
移を示すことが知られている。このような相転移膜の体
積歪みと縦歪みには下式に示す関係がある。

【０００４】Ｖ＋ΔＶ＝ａ（１＋ε）・ａ（１−νε）・ａ（１−νε）＝ａ^３｛１＋（１−２ν）ε＋（ν^２−２ν）ε^２＋ν^２ε^３｝ ≒ａ^３｛１＋（１−２ν）ε｝ここで、Ｖは相転移膜の単位格子の体積であり、ａは結
晶系（立方晶系）の一辺の長さである。このため、Ｖ＝
ａ^３の関係を満たす。εは縦方向の歪みであり、νはポ
アソン比である。ε^２、ε^３≪１であるから上式のε^２
項、ε^３項を無視すると、体積歪み（ΔＶ／Ｖ）と縦歪
み（ε）の間には、ΔＶ／Ｖ＝（１−２ν）εの関係が
ある。相転移膜に伴う体積歪みは０．３％〜０．４％程
度であるから、体積歪みを効率良く縦歪みに変換したと
すると、縦歪みは０．７５％〜１．０％程度になる（但
し、νを０．３程度で計算）。圧電体膜の逆圧電効果で
得られる縦歪みはせいぜい０．４％程度であるから、相
転移膜の変位量は圧電体膜の変位量を大きく上回る。こ
のため、インク吐出駆動源として相転移膜を利用したア
クチュエータを用いることで、従来よりもインク吐出特
性に優れたインクジェット式記録ヘッドを提供すること
ができると考えられる。

【０００５】そこで、本発明は従来の圧電アクチュエー
タよりも変位量が大きく、駆動特性に優れたアクチュエ
ータ、インクジェット式記録ヘッド及びインクジェット
プリンタを提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、膜内部に生
じた応力に起因して結晶構造が相転移し、歪みを生じる
相転移膜と、逆圧電効果により圧電歪みを生じ、相転移
膜に応力を与える圧電体膜との積層構造を有するアクチ
ュエータによって解決できる。圧電体膜は電圧の印加に
より圧電歪みを生じ（逆圧電効果）、このときの歪みに
よって相転移膜に応力（引張り応力又は圧縮応力）が掛
かる。かかる応力により相転移膜は結晶構造が相転移
（強誘電的相転移）するため、体積変化が生じる。相転
移膜の体積変化は効率良く縦歪みに変換できるため、従
来の圧電アクチュエータよりも大きな変位を得ることが
できる。

【０００７】ここで、相転移とは、多形（polymorphis
m）のことをいい、化学組成が同一で結晶構造が異なる
現象をいう。同質多形、同質異形、同質多像ともいう。
多形の原因は主に温度、圧力等の物理的化学的条件によ
る。

【０００８】本発明のアクチュエータは、少なくとも上
記の積層構造を備えていればよく、圧電体膜と相転移膜
の積層順序や積層数等は問わない。例えば、上部電極／
相転移膜／圧電体膜／下部電極となる積層構造や、上部
電極／圧電体膜／相転移膜／下部電極となる積層構造、
更には、上部電極／圧電体膜／下部電極／相転移膜とな
る積層構造でもよい。尚、本明細書において下部電極と
は、アクチュエータの設置面（例えば、インクジェット
式記録ヘッドのアクチュエータであれば振動板膜）側に
形成されている電極をいい、上部電極とは圧電体膜又は
／及び相転移膜を介して下部電極に対向して配置された
電極をいうものとする。

【０００９】本発明の好適な形態として、相転移膜の歪
みによって延びる方向を、電圧が印加されたときの圧電
体膜の歪みによって延びる方向と概略一致させる。かか
る構成により、相転移膜の体積変化を効率良く縦歪みに
変換できるため、従来の圧電アクチュエータよりも大き
な変位を得ることができる。

【００１０】また、転移膜の歪みによって延びる方向
を、電圧が印加されたときの圧電体膜の歪みによって延
びる方向に概略直交させるように構成してもよい。かか
る構成によれば、後述する“引き打ち”を簡単な駆動制
御で実現することができる。

【００１１】相転移膜の組成は、膜内部に生じる応力に
よって相転移する薄膜、例えば、チタン酸バリウム、ジ
ルコニウム酸鉛、チタン酸バリウム・ストロンチウム、
チタン酸バリウム・スズのうち何れかが好ましい。ま
た、圧電体膜は逆圧電効果を示す薄膜、例えば、チタン
酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジ
ルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジ
ルコニウムチタン酸鉛、又は、ジルコン酸チタン酸鉛に
タングステン、ニッケル、マンガン、亜鉛、コバルトの
うち何れか２つの元素を含む系のうち何れかが好まし
い。

【００１２】本発明のインクジェット式記録ヘッドは、
加圧室（キャビティ）を複数備えた加圧室基板と、加圧
室に対応して設けられた本発明のアクチュエータとを備
える。好ましくは、加圧室とアクチュエータの間に振動
板膜を介在させる。

【００１３】本発明のインクジェットプリンタは、本発
明のインクジェット式記録ヘッドを備えている。また、
他の形態における本発明のインクジェットプリンタは、
相転移膜の歪みによって延びる方向を、電圧が印加され
たときの圧電体膜の歪みによって延びる方向に概略直交
させるように構成された本発明のアクチュエータと、略
台形状の電圧変化特性を有する駆動信号で前記アクチュ
エータを駆動する制御回路とを備えている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、各図を参照して本実施の形
態について説明する。図１にインクジェットプリンタの
構成図を示す。インクジェットプリンタは、主にインク
ジェット式記録ヘッド１００、本体１０２、トレイ１０
３、ヘッド駆動機構１０６を備えて構成されている。イ
ンクジェット式記録ヘッド１００は、イエロー、マゼン
ダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジ１
０１を備えており、フルカラー印刷が可能なように構成
されている。また、このインクジェットプリンタは、内
部にイメージ生成部、ワークメモリ、プリントエンジン
部等を備えている。イメージ生成部等は図示していない
が、専用のコントローラボード等で構成されている。イ
メージ生成部は外部から供給された印刷ジョブデータを
ワークメモリにバッファリングし、ラスタイメージデー
タを生成する。プリントエンジン部はラスタイメージデ
ータを基に、インクジェット式記録ヘッド１００のイン
ク吐出タイミング、及び、ヘッド駆動機構１０６の走査
を制御し、高精度なインクドット制御、ハーフトーン処
理等を実現する。また、本体１０２は背面にトレイ１０
３を備えるとともに、その内部にオートシートフィーダ
（自動連続給紙機構）１０５を備え、記録用紙１０７を
自動的に送り出し、正面の排出口１０４から記録用紙１
０７を排紙する。

【００１５】次に、インクジェット式記録ヘッドの分解
斜視図を図２に示す。ここではインクの共通通路が加圧
室基板内に設けられるタイプを示す。同図に示すよう
に、インクジェット式記録ヘッドは加圧室基板１、ノズ
ルプレート２及び基体３から構成される。加圧室基板１
はシリコン単結晶基板がエッチング加工された後、各々
に分離される。加圧室基板１には複数の短冊状の加圧室
１０が設けられ、全ての加圧室１０にインクを供給する
ための共通通路１２を備える。加圧室１０の間は側壁１
１により隔てられている。加圧室基板１の基体３側には
インク吐出駆動源としてアクチュエータが設けられてい
る。また、各アクチュエータからの配線はフレキシブル
ケーブルである配線基板４に収束され、インク吐出制御
回路（図示せず）に接続される。インク吐出制御回路は
プリントエンジン部により制御され、所定の駆動信号で
アクチュエータを駆動する。駆動信号の詳細については
後述する。

【００１６】ノズルプレート２は加圧室基板１に貼り合
わされる。ノズルプレート２における加圧室１０の対応
する位置にはインク滴を吐出するためのノズル２１が形
成されている。ノズル２１間のピッチは印刷精度に応じ
て適宜設定され、例えば、４００ｄｐｉ等の解像度が設
定されている。基体３はプラスチック等で形成されてお
り、加圧室基板１の取付台となる。

【００１７】インクジェット式記録ヘッドの主要部の断
面図を図３に示す。加圧室基板１には加圧室１０がエッ
チング加工により形成されている。加圧室１０の上面に
は振動板膜５を介してアクチュエータ１３が形成されて
いる。アクチュエータ１３の振動は振動板膜５を介して
加圧室１０内のインクに伝達される。アクチュエータ１
３はインク圧を瞬時に高めることでインク滴をノズル２
１から吐出する。同図に図示してないが、アクチュエー
タ１３及び表面に露出している下部電極６の全面を覆う
ようにパッシベーション膜で被覆してもよい。パッシベ
ーション膜としてフッ素樹脂、シリコン酸化膜、エポキ
シ樹脂等が好適である。

【００１８】同図に示すアクチュエータ１３は、振動板
膜５側から順に下部電極６、圧電体膜７、相転移膜８及
び上部電極９の積層構造を構成している。圧電体膜７は
電圧の印加により圧電歪みの生じる薄膜、例えば、チタ
ン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，
Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン
（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシ
ウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）、ニッケル・ニオブ酸ジルコ
ニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ_３−Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＮＮ−ＰＺＴ））、又は、ジルコン
酸チタン酸鉛にＷ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｏのうち何れ
か２つの元素を含む系等を使用できる。また、相転移膜
８として、応力（引張り応力又は圧縮応力）の印加によ
り結晶構造が相転移する薄膜、例えば、チタン酸バリウ
ム（ＢａＴｉＯ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒ
Ｏ_３）、チタン酸バリウム・ストロンチウム（（Ｂａ，
Ｓｒ）ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム・スズ（Ｂａ（Ｔ
ｉ，Ｓｎ）Ｏ_２）等を使用できる。相転移膜の種類とし
ては、例えば、正方晶系から菱面体晶系へ（或は菱面体
晶系から正方晶系へ）又は菱面体晶系から立方晶系へ
（或は立方晶系から菱面体晶系へ）転移する薄膜を用い
ることができる。特に、後者の相転移は強誘電体と常誘
電体間の相転移に相当する。また、キュリー点を境に存
在する強誘電相（ferroelectric phase）と常誘電相
（paraelectricphase）の間で相転移する強誘電体も使
用することができる。

【００１９】ここで、本明細書における膜応力の定義を
する。薄い基板に膜が成膜されると、基板には膜応力に
よる反りが現れるのが一般的である。この反りの基板に
対する方向により引張り応力と圧縮応力を区別する。例
えば、図９（Ａ）に示すように、基板が膜を内側にして
反る場合を膜内に引張り応力（Ｔ応力）が存在すると定
義し、同図（Ｂ）に示すように、基板が膜を外側にして
反る場合を膜内に圧縮応力（Ｃ応力）が存在すると定義
する。基板を加圧室に喩えると、膜に引張り応力が存在
する場合には膜は加圧室を加圧する方向に反り、膜に圧
縮応力が存在する場合には膜は加圧室を減圧する方向に
反ることになる。以上の定義は、“薄膜の力学的特性評
価技術（株）リアライズ社第２１８頁〜２１９頁平
成４年３月１９日発行”に基づいている。

【００２０】本発明のアクチュエータ１３の駆動方法に
ついて説明する。相転移膜８として、例えば、（１１
１）方向に引張り応力を受けると正方晶系から菱面体晶
系へ転移する任意のペロブスカイト型結晶を選んだ場合
を説明する。この相転移膜８は、（１１１）方向に圧縮
応力を受けると菱面体晶系から正方晶系へ転移する性質
をも備える。この相転移膜８は正方晶系の結晶構造を
（１００）配向（ａ軸配向）処理をして成膜される。下
部電極６と上部電極９に電圧を印加すると、圧電体膜７
は電界方向に延び、その影響で振動板膜５及び相転移膜
８は膜面方向（膜厚方向と垂直方向）に引張り応力を受
ける。すると、振動板膜５は引張り応力の影響により加
圧室１０側に撓む。一方、相転移膜８に生じる引張り応
力の方向（膜面方向）は（１１１）方向と３５°の角度
があるものの、引張り応力の影響により結晶系は（１０
０）配向した菱面体晶系へ相転移を起こす。この結果、
相転移膜８は膜厚方向に延び、振動板膜５に生じる引張
り応力を増大させるため、振動板膜５の撓みをより一層
増大させることができる。相転移膜８の体積変化は効率
良く縦歪みに変換できるため、圧電体膜７の歪みによっ
て延びる方向と相転移膜８の歪みによって延びる方向を
概略一致させることで、振動板膜５の変位量を従来のア
クチュエータ（圧電体膜のみを使用した圧電アクチュエ
ータ）よりも大幅に増大させることができる。

【００２１】一方、相転移膜８の歪みによって延びる方
向を圧電体膜７の歪みによって延びる方向と概略直交さ
せることでいわゆる“引き打ち”を実現することができ
る。“引き打ち”とは、インク滴を吐出する前に一旦加
圧室を減圧する方向に振動板膜を変位させ、次の瞬間に
加圧室を加圧してインク滴を吐出することをいう。従来
の圧電アクチュエータで“引き打ち”を実現するために
は、図６（Ｂ）に示す駆動波形で圧電アクチュエータを
駆動していた。圧電アクチュエータの“引き打ち”動作
を図８と併せて説明する。時刻０≦Ｔ≦Ｔ_１では、圧電
アクチュエータ１４にオフセット電圧Ｖ_０が印加されて
おり、振動板膜５は微少距離ｄｘだけ変位した位置でイ
ンク吐出の待機状態になっている（図８（Ａ））。イン
ク吐出の直前、即ち、時刻Ｔ_１≦Ｔ≦Ｔ_２では、圧電ア
クチュエータ１４に印加される電圧を０Ｖにまで減少さ
せ、加圧室内の圧力を瞬時に低下させる。このステップ
により、振動板膜５は元の位置に戻り、変位量は０にな
る。このときノズル２１近傍にはメニスカス６１が形成
される（同図（Ｂ））。時刻Ｔ_２≦Ｔ≦Ｔ_３では、印加
電圧をＶ_Ｈまで瞬時に上昇させることで、圧電アクチュ
エータ１４は膜厚方向に延びる向きに歪みが生じる。す
ると、振動板膜５は引張り応力により、加圧室側に撓
み、インク滴６２を吐出する（同図（Ｃ））。時刻Ｔ_３
≦Ｔ≦Ｔ_４において圧電アクチュエータ１４の印加電圧
Ｖ_Ｈを保持した後、時刻Ｔ_４≦Ｔ≦Ｔ_５において印加電
圧をオフセット電圧Ｖ_０に戻す。

【００２２】次に、簡単な駆動波形で“引き打ち”を容
易に実現する本実施の形態のアクチュエータについて説
明する。前述したように、相転移膜８はその歪みによっ
て延びる方向が圧電体膜７の歪みによって延びる方向と
概略直交するように成膜する。例えば、正方晶系の結晶
を（００１）配向（ｃ軸配向）処理をして相転移層８を
成膜する。圧電体膜７に電圧を印加すると、圧電体膜７
が電界方向（膜厚方向）に延びることにより相転移膜８
は膜面方向に引張り応力を受けて（１００）配向した菱
面体晶系へ相転移する。この結果、相転移膜８は膜厚方
向に縮み、膜面方向に延びる。即ち、相転移膜８の歪み
によって延びる方向は圧電体膜７の歪みによって延びる
方向と概略直交することになる。

【００２３】本アクチュエータの“引き打ち”の動作説
明を図６（Ａ）及び図７を参照して説明する。加圧室１
０内にはインク７０が充填されている。時刻Ｔ≦Ｔ_１に
おいてはアクチュエータ１３には電圧が印加されておら
ず、インク吐出待機時にある（図７（Ａ））。時刻Ｔ_１
≦Ｔ≦Ｔ_２において印加電圧を０からＶ_Ｐまで上昇させ
ると、圧電体膜７が電界方向（膜厚方向）に延びる影響
で振動板膜５及び相転移膜８は引張り応力を受ける。振
動板膜５内に生じる引張り応力により振動板膜５は加圧
室１０を加圧する方向に撓む（同図（Ｂ））。さらに印
加電圧を上昇させると、時刻Ｔ_２≦Ｔ≦Ｔ_４において、
膜面方向に引張り応力を受けた相転移膜８は（１００）
配向した菱面体晶系へ相転移し、膜厚方向に縮み、膜面
方向に延びる。この結果、相転移膜８には膜面方向に圧
縮応力が掛かり、加圧室を減圧する方向に撓む。このと
き、ノズル２１にはメニスカス７１が形成される（同図
（Ｃ））。時刻Ｔ_４≦Ｔ≦Ｔ_５において、印加電圧を０
にすると、振動板膜５等に掛かっている圧縮応力が開放
され、振動板膜５は元の状態に戻る。このとき加圧室１
０内のインク圧は瞬時に高められ、ノズル２１からイン
ク滴７２が吐出される（同図（Ｄ））。

【００２４】このように、本実施の形態のアクチュエー
タによれば、“引き打ち”のような複雑な制御を略台形
状の電圧変化特性を有する駆動信号で実現することがで
きる。このため、制御回路の部品点数を減少させること
ができ、インクジェットプリンタの製造コストを下げる
ことができる。また、従来のようにインク吐出の待機時
にオフセット電圧を印加する必要はないため、アクチュ
エータの寿命が短くなる問題を解消できる。

【００２５】アクチュエータ１３の変形例を図４に示
す。図４（Ａ）はアクチュエータ１３を構成する各薄膜
の積層順序を下部電極６／相転移膜８／圧電体膜７／上
部電極９としたものであり、相転移膜８と圧電体膜７の
積層順序が逆になっているが、図３に示したアクチュエ
ータ１３と同様の動作特性を備えている。図４（Ｂ）に
示すアクチュエータ１３では、圧電体膜７を上部電極９
と下部電極６で挟んだ積層構造をなしているため、圧電
体膜７に直接電圧を印加することができる。また、“引
き打ち”を実現する相転移膜８として、（１１１）配向
した菱面体晶系を（１１１）配向した正方晶系に相転移
させる薄膜を選ぶこともできる。

【００２６】また、本発明のアクチュエータでは、相転
移膜と圧電体膜の積層構造を備えていればよく、積層順
序や積層数等に制限はない。例えば、下部電極／圧電体
膜／相転移膜／圧電体膜／相転移膜／上部電極、となる
積層構造でもよく、下部電極／相転移膜／圧電体膜／相
転移膜／圧電体膜／上部電極、となる積層構造でもよ
い。また、これら複数の圧電体膜及び相転移膜は組成の
異なる膜を選んでもよい。また、圧電体膜を上部電極と
下部電極で直接挟む構成以外では、相転移膜における電
界のロスを減少させるため、相転移膜に導電性を与える
ことが好ましい。

【００２７】尚、本発明のアクチュエータはインクジェ
ット式記録ヘッドのインク吐出駆動源の他に、マイクロ
ポンプ、マイクロスイッチ等の各種精密機器のアクチュ
エータとして使用することもできる。

【００２８】次に、図５を参照してインクジェット式記
録ヘッドの製造プロセスについて説明する。まず、同図
（Ａ）に示すように、加圧室基板１に振動板膜５及び下
部電極６を成膜する。加圧室基板として、例えば、直径
１００ｍｍ、厚さ２２０μｍのシリコン単結晶基板を用
いる。振動板膜５は、例えば、１１００℃の炉の中で、
乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化させ、約１μｍの
膜厚の熱酸化膜とすることで成膜する。あるいは、１１
００℃の炉の中で、水蒸気を含む酸素を流して５時間程
度熱酸化させ、約１μｍの膜厚の熱酸化膜を形成しても
よい。その他、ＣＶＤ法等の成膜法を適宜選択して成膜
してもよい。振動板膜５として、二酸化珪素膜に限られ
ず、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコ
ン膜、酸化アルミニウム膜でもよい。但し、振動板膜５
は必ずしも必要ではなく、これを省略して下部電極自体
に振動板膜の役割を兼ねてもよい。次に、金、白金又は
アルミニウム等の導電性物質をターゲットとして振動板
膜５の全面に下部電極をスパッタ成膜する。膜厚は０．
３μｍ程度とする。この場合、振動板膜５と下部電極６
間の密着力を高めるために、極薄のチタン、クロム等を
中間層として介在させてもよい。

【００２９】次に、同図（Ｂ）に示すように、下部電極
６上に圧電体膜７を成膜する。成膜例として例えば、チ
タン酸鉛とジルコン酸鉛のモル混合比が４４％：５６％
となるようなＰＺＴ系圧電体膜の前駆体（金属アルコキ
シド溶液）をゾル・ゲル法にて、最終的な膜厚が１．０
μｍとなるまで６回の塗工／乾燥／脱脂を繰り返して成
膜する。次に、圧電体膜前駆体を結晶させるため、基板
全体を加熱する。本例では、赤外線輻射光源を用いて基
板の両面から酸素雰囲気中で６５０℃に５分間保持した
後、９００℃で１分間加熱し、自然降温させることで圧
電体膜７の結晶化を行った。尚、圧電体膜前駆体の結晶
化は水熱処理で行ってもよい。水熱処理とは、例えば、
論文"Application of Hydrothermal Mechanism for Tai
lor-making Perovskite Titanate Films", IEEE Proc.
of the 9^th Int'l Symp. on Electrets, Shanghai, Chi
na, Sept. 25-30, pp. 617-622(1996), W-ping Xu, Mas
anori Okuyama, et al.,に記述されているように、アル
カリ水溶液に強誘電体膜前駆体を浸漬し、結晶化させる
工程である。この水熱法によれば、比較的低温（例え
ば、２００℃以下）で圧電体膜前駆体を結晶化させるこ
とができる。また、ゾル・ゲル法の他に、高周波スパッ
タ成膜法や、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）
法、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition Proces
s）法、レーザアブレーション法、印刷法等を用いるこ
とができる。

【００３０】次に、同図（Ｃ）に示すように、圧電体膜
７上に相転移膜８及び上部電極９を成膜する。本例で
は、チタン酸バリウムをＭＯＤ法で成膜する方法を説明
する。まず、相転移膜８の前駆体となるゾルを調整す
る。酢酸バリウム（Ｂａ（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）_２）を酢酸
に溶解させた溶液と、テトライソプロポキシチタン（Ｔ
ｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４）をブトキシエタノールに溶
解させた溶液とを混合し、溶質濃度を１Ｍ、ＢａとＴｉ
のモル比を１：１としたゾルを調整する。このゾルを１
５００ｒｐｍで０．１μｍの厚さにスピンコーティング
し、４００℃の温度環境下で脱脂する。この工程を５回
繰り返し、膜厚０．５μｍのゲルとする。最後にＲＴＡ
（Rapid Thermal Annealing）で結晶化する。この処
理は６５０℃で５分、又は、９００℃で１分とする。以
上の工程を経て圧電体膜７上に膜厚０．５μｍの相転移
膜８が成膜される。次に、相転移膜８上に白金をスパッ
タ成膜して上部電極９を得る。

【００３１】次に、同図（Ｄ）に示すように、上部電極
９上にレジストをスピンコートし、加圧室が形成される
べき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。
残ったレジストをマスクとして上部電極９、相転移膜８
及び圧電体膜７をエッチングしてアクチュエータ１３を
形成する。次に、加圧室が形成されるべき位置に合わせ
てエッチングマスク（図示せず）を施し、平行平板型反
応性イオンエッチング等の活性気体を用いたドライエッ
チング、或は、５重量％〜４０重量％の水酸化カリウム
水溶液等の高濃度アルカリ水溶液によるウエットエッチ
ングで加圧室１０を形成する。エッチングされずに残っ
た部分は側壁１１となる。最後に樹脂等を用いてノズル
プレート２を加圧室基板１に接合する。このとき、各ノ
ズル２１が加圧室１０の各々の空間に対応して配置され
るよう位置合せする。ノズルプレート２を接合した加圧
室基板１を基体３に取り付ければ、インクジェット式記
録ヘッドが完成する

【発明の効果】本発明によれば、圧電体膜の歪みを利用
して相転移膜を相転移させ、このときの体積変化を利用
してアクチュエータを駆動するため、従来の圧電アクチ
ュエータよりも大きな変位を得ることができる。また、
相転移膜の歪み方向と圧電体膜の歪み方向を概略直交さ
せることで、簡単な駆動信号で“引き打ち”を実現する
ことができる。また、応答速度が速いため、インク吐出
スピードを向上させることができ、印字品質を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェットプリンタの構成図である。

【図２】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であ
る。

【図３】本発明のインクジェット式記録ヘッドの断面図
である。

【図４】本発明の他の形態に係わるインクジェット式記
録ヘッドの断面図である。

【図５】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造工
程断面図である。

【図６】アクチュエータの駆動信号波形である。

【図７】本発明のアクチュエータの“引き打ち”の説明
図である。

【図８】従来の圧電アクチュエータの“引き打ち”の説
明図である。

【図９】膜応力の説明図である。

【符号の説明】１…加圧室基板、２…ノズルプレート、３…基体、４…
配線基板、５…振動板膜、６…下部電極、７…圧電体
膜、８…相転移膜、９…上部電極、１０…加圧室、１１
…側壁、１２…共通流路、１３…アクチュエータ、１４
…圧電アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜内部に生じた応力に起因して結晶構造
が相転移し、歪みを生じる相転移膜と、逆圧電効果によ
り圧電歪みを生じ、前記相転移膜に応力を与える圧電体
膜との積層構造を有するアクチュエータ。
【請求項２】前記相転移膜の歪みによって延びる方向
は、電圧が印加されたときの前記圧電体膜の歪みによっ
て延びる方向に概略一致することを特徴とする請求項１
に記載のアクチュエータ。
【請求項３】前記相転移膜の歪みによって延びる方向
は、電圧が印加されたときの前記圧電体膜の歪みによっ
て延びる方向に概略直交することを特徴とする請求項１
に記載のアクチュエータ。
【請求項４】前記相転移膜の組成は、チタン酸バリウ
ム、ジルコニウム酸鉛、チタン酸バリウム・ストロンチ
ウム、チタン酸バリウム・スズうち何れかであることを
特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記
載のアクチュエータ。
【請求項５】前記圧電体膜の組成は、チタン酸鉛、ジ
ルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸
チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウ
ムチタン酸鉛、又は、ジルコン酸チタン酸鉛にタングス
テン、ニッケル、マンガン、亜鉛、コバルトのうち何れ
か２つの元素を含む系のうち何れかであることを特徴と
する請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載のア
クチュエータ。
【請求項６】前記薄膜の積層構造は、上部電極／相転
移膜／圧電体膜／下部電極であることを特徴とする請求
項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載のアクチュエ
ータ。
【請求項７】前記薄膜の積層構造は、上部電極／圧電
体膜／相転移膜／下部電極であることを特徴とする請求
項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載のアクチュエ
ータ。
【請求項８】前記薄膜の積層構造は、上部電極／圧電
体膜／下部電極／相転移膜であることを特徴とする請求
項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載のアクチュエ
ータ。
【請求項９】加圧室を複数備えた加圧室基板と、前記
加圧室に対応して設けられた請求項１乃至請求項８のう
ち何れか１項に記載のアクチュエータと、を備えるイン
クジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】前記加圧室と前記アクチュエータの間
に振動板膜を介在させたことを特徴とする請求項９に記
載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】請求項９又は請求項１０に記載のイン
クジェット式記録ヘッドを備えたインクジェットプリン
タ。
【請求項１２】請求項３に記載のアクチュエータと、
略台形状の電圧変化特性を有する駆動信号で前記アクチ
ュエータを駆動する制御回路と、を備えたインクジェッ
トプリンタ。