JPH11348285A

JPH11348285A - インクジェット記録装置とその製造方法

Info

Publication number: JPH11348285A
Application number: JP16183698A
Authority: JP
Inventors: Isaku Jinno; 伊策神野; Ryoichi Takayama; 良一高山; Takeshi Kamata; 健鎌田; Satoru Fujii; 覚藤井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子を構成する圧電体や振動板等を薄膜
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
インクジェットヘッドを実現する。【解決手段】インク吐出口２と、インク吐出口に接続
された圧力室１と、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを有する圧電膜
５と圧電膜５の両側に設けられた電極６，７とを含んで
なり圧力室１の一部に設けられた圧電振動部とを備え、
圧電膜５を、それぞれペ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８と第２層９とを含
んでなり、第１層８をＺｒを含まない層、又はＺｒの含
有量が第２層９のＺｒの含有量に比較して少ない層とす
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、インクジェット記
録装置に使用されるインクジェットヘッド記録装置及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パソコンなどの印刷装置としてイ
ンクジェッ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。このインクジェット記録装置には、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。

【０００３】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ト
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
インクヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を用
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。インクヘ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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この圧
電素子の圧電膜は、ＰｂＯ、ＺｒＯ2及びＴｉＯ2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
０μｍ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、１５μｍ以下になるとイ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ヘッドをこれまで実現することが
できなかった。

【０００５】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
や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ェットヘ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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１のイン
クジェットヘッドは、インク吐出口とそのインク吐出口
に接続された圧力室とを有する本体部と、Ｐｂ、Ｔｉ及
びＺｒを有する圧電膜と圧電膜の両側に設けられた電極
とを含んでなり圧力室の一部に設けられた圧電振動部と
を備え、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ェットヘッ
ドであって、圧電膜が、Ｓｒ又はＢａを含むペロブスカ
イト構造を有する第１層と、第１層に接するように形成
されたＰｂ、Ｔｉ及びＺｒを有するペロブスカイト構造
の第２層とを含んでいることを特徴とする。

【０００７】このように、Ｓｒ又はＢａを含むペロブス
カイト構造を有する第１層と第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、Ｚｒ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。これによって、本発明の第
１のインクジェットヘッドは極めて小型で軽量にでき
る。

【０００８】また、本発明に係る第２のインクジェット
ヘッドは、インク吐出口とインク吐出口に接続された圧
力室とを備えた本体部と、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを有する
圧電膜と圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり
圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、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ェットヘッドであって、圧
電膜が、それぞれペ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、第１層のＺｒの含有量が第２層のＺｒの含有量に比
較して少ないことを特徴とする。

【０００９】このように、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、Ｚｒ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。これによって、本発明の第２のインクジェット
ヘッドは極めて小型で軽量にできる。

【００１０】また、本発明に係る第３のインクジェット
ヘッドは、インク吐出口とインク吐出口に接続された圧
力室とを備えた本体部と、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを有する
圧電膜と圧電膜の両側に設けられた電極とを含んでなり
圧力室の一部に設けられた圧電振動部とを備え、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ェットヘッドであって、圧
電膜が、それぞれペ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Ｚｒ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。

【００１１】これによって、第２のインクジェットヘッ
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。

【００１２】また、本発明に係る第２と第３のインクジ
ェットヘッドでは、第１層を容易にかつ低温で形成する
ために、第１層がＬａを含んでいることが好ましい。

【００１３】さらに、本発明に係る第１〜第３のインク
ジェットヘッドでは、圧電膜の圧電定数をさらに高くす
るために、第２層においてＺｒ／Ｔｉ比が、３０／７０
以上７０／３０以下に設定されることが好ましい。

【００１４】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいて、圧電膜は単結晶であることがさ
らに好ましい。これによって、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。

【００１５】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいて、圧電膜が、１０μｍ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、圧電
膜の形状を微細に加工できる。

【００１６】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいて、圧電膜が、１μｍ以上、３μｍ
以下の厚さに形成されていることがさらに好ましく、こ
れによって、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、第１層は、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ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、
良質な第２層を形成することができ、圧電膜全体として
の圧電定数を低下させることもない。

【００１７】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいて、圧電振動部が振動板を備えるこ
とにより、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、振動板が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びそ
れらの酸化物、Ｓｉ、Ｓｉ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。

【００１８】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいては、圧電振動部において、電極間
にさらに、圧電膜と中間電極層を介して対向する、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。

【００１９】また、本発明に係る第１と第３のインクジ
ェットヘッドにおいては、圧電膜の第２層が、Ｎｂ及び
Ｓｎを含む反強誘電性を有する圧電体であってもよい。

【００２０】さらに、本発明に係る第１〜第３のインク
ジェットヘッドにおいては、第１層を、Ｚｒ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Ｚｒ濃度が高い一方の面で第２層と接するよ
うに構成してもよい。

【００２１】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいては、圧電膜の両側に形成された電
極層がＰｔ又はＡｕで形成されていることが好ましい。
これによって、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、エッチング液により電極にダメージを
与えないようにできる。

【００２２】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいては、本体部が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、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
えたインクジェットヘッドを構成できる。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
れたインクジェットヘッドを作製できる。この場合、圧
電膜を圧力室に対応するように分離して設け、一方の電
極を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ェットヘッド
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、分離された圧電膜の間に、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。
これによって、ヘッドの信頼性を高くできる。

【００２３】また、本発明に係る第１〜第３のインクジ
ェットヘッドにおいて、圧電振動部は、その周辺部が圧
力室の周辺部と弾性を有しかつ膜厚が３μｍ以下の樹脂
層を介して接合するようにしてもよく、これによって、
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。

【００２４】圧電振動部は、その周辺部が圧力室の周辺
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
を圧電振動部から離すことができるので、圧電振動部を
安定して振動させることができる。

【００２５】また、本発明に係るインクジェットヘッド
の製造方法は、インク吐出口と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、開口部を塞ぐように設けられた圧電振動部とを備え
たインクジェットヘッドの製造方法であって、基板上
に、Ｐｂ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する第
１層を形成し、第１層上にＺｒとＰｂ及びＴｉとを含む
ペ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、第１層と第２層とを含む圧電膜を形成する工程
とを含み、基板上に圧電膜を有する圧電振動部を形成す
る第１工程と、本体部の開口部の周辺部と圧電振動部の
周辺部とを対向させて接合する第２工程と、接合後に基
板を除去する第３工程とを含み、第１工程において、第
１層をＺｒを含まないように、又は第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。

【００２６】本製造方法により、Ｚｒ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。これによって、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
ェットヘッドを製造できる。

【００２７】本発明に係る製造方法では、第１層及び第
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ＣＶＤ法により形成することが好ましい。

【００２８】本発明に係る製造方法では、基板としてＭ
ｇＯ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、第３工程
において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。

【００２９】本発明に係る製造方法では、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、ＭｇＯ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、第３工程において、基板をフッ酸系溶
液又は水酸化カリウ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。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、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。

【００３１】（実施の形態１）本発明に係る実施の形態
１のインクジェットヘッド１００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、従来例のインクジェットヘッドに比較し
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。

【００３２】図１（ａ）は、本発明にかかる実施の形態
１のインクジェットヘッド１００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
ある。

【００３３】このインクジェットヘッド１００は、図１
（ａ）（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。

【００３４】インクジェットヘッド１００において、吐
出口２は本体部５０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５０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５０の上面にはの
各圧力室１にそれぞれ対応して開口部５１が形成され、
さらに本体部５０の上面には開口部５１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５１上に位置するように圧電素子３が設けら
れる。

【００３５】また、圧電素子３は、図２に示すように、
それぞれ０．１μｍ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３μｍ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２μｍのＳｉＯ₂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３０が形成される。

【００３６】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ペロブスカイト型
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、Ｚｒ及びＴｉを含む、一
般式Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃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、Ｐｂ（Ｚｒ
_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃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。

【００３７】そこで、実施の形態１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Ｚｒの
含有していないＰｂＴｉＯ₃又はＰｂＴｉＯ₃にランタン
を添加したＰＬＴを形成し、第２層９としてＰｂ（Ｚｒ
_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ3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Ｚｒの含
有していないＰｂＴｉＯ₃又はＰｂＴｉＯ₃にランタンを
添加したＰＬＴを形成し、第２層としてＰｂ（Ｚｒ_0.53
Ｔｉ_0.47）Ｏ₃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。

【００３８】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Ｚｒ／Ｔｉの比率が約５０／５０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はスパッタ法や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、Ｔｉに対するＺｒ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、Ｚｒの酸化物が基板表面に吸着し、そ
の後の膜成長を阻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、Ｐｔ電極上にＰＺＴ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、ＰｂＴｉＯ₃又はＰｂＴｉＯ₃にＬ
ａを１０ｍｏｌ％程度添加し結晶化温度を低下させた
（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃（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、ＰｂＴｉＯ₃及びＰＬＴは、
ＰＺＴと同様ペロブスカイト構造を有し、薄膜形成方法
を用いてＰｔ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
てペロブスカイト型構造を有していることが必要で、Ｐ
ｂＴｉＯ₃、ＰＬＴ以外にもＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ ₃
及びＳｒＲｕＯ3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Ｒ
Ｆ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。

【００３９】尚、本発明では、この様な多層構造とせず
に、Ｚｎを含まないＰｂＴｉＯ₃からＰｂ（Ｚｒ_0.5Ｔｉ
_0.5）Ｏ₃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を用いても同様の効果が
得られる。

【００４０】以下、実施の形態１のインクジェットヘッ
ドの製造方法について図５（ａ）を参照しながら説明す
る。

【００４１】本製造方法ではまず、２ｃｍ角の（１０
０）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Ｐｔ電極膜を配向させて０．１μｍの厚さ
に形成する（図５（ａ）のステップＳ１）。

【００４２】次に、Ｐｔ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Ａｒ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）。

【００４３】次に、ＰｂＴｉＯ₃からなる初期層（第１
層）を約０．０１μｍの厚さに形成する（図５（ａ）の
ステップＳ３）。

【００４４】そして、初期層上にＰＺＴ薄膜をスパッタ
リングにより約３μｍの厚さに形成する（図５（ａ）の
ステップＳ４）。

【００４５】尚、このステップＳ３，４において、基板
温度は５００から６００℃の温度に設定して膜を成長さ
せる。

【００４６】このように、本製造方法においては、ＰＺ
Ｔ薄膜を形成する前に、ＰｂＴｉＯ ₃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ＰＺＴ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。

【００４７】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５（ａ）のステップＳ５及び図４）。

【００４８】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Ｓ６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にわたって連続し
た電極としてもよい。

【００４９】次に、共通電極１３上にＳｉＯ₂を２μｍ
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Ｓ７）。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。

【００５０】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。これによって、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Ｓ８）。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。

【００５１】次に、ＭｇＯ基板を、最終的に酸性溶液に
より除去する（図５（ａ）のステップ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
圧電膜にダメージを与えることなく安定して溶解するこ
とができる。

【００５２】さらに、例えば１０μｍ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、実
施の形態１のインクジェットヘッドは作成される。

【００５３】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１１は、共通電極１３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１３を形成しＭｇ
Ｏ基板１０をエッチング後に、圧電膜及びＰｔ個別電極
をパターンニングするようにしてもよい。

【００５４】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
クジェットヘッドを作製することができる。

【００５５】例えば、１５０ｄｐｉの密度のノズルヘッ
ドを作製しようとすると、通常圧力室の幅が１００μｍ
で隣接する圧力室間の隔壁が６６μｍ程度に設定される
が、ＰＺＴ薄膜の膜厚を５μｍ以下にすると、ＰＺＴ薄
膜を５０μｍ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１００μｍ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、２０μｍ
以上の厚さの従来の圧電膜では、５０μｍ幅の圧電膜に
加工することは困難である。本実施の形態１において、
圧電膜を２０μｍ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、５０
０ｄｐｉ又はそれ以上の密度を有するノズルヘッドを作
製することも可能である。図６は、この方法で製作し
た、吐出口（ノズル）が２００ｄｐｉの密度で形成され
たノズルヘ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、これによって、階調を向上させることがで
きる。尚、圧力室の幅を１００μｍ（すなわち、１５０
ｄｐｉ）とすると共振周波数は約１ＭＨｚである。

【００５６】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ｄ31、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。

【００５７】Ｙ・Ｐ＝ｋ・ｄ312・Ｖ2／ｔ・・・・・式（１）以上の方法に従って、Ｚｒ／Ｔｉ比が５０／５０のＰＺ
Ｔ薄膜を、各圧力室１に対応して幅１０μｍ、長さ１ｍ
ｍ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係を測定した。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３０Ｖの電圧に対して約２μｍ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ェットヘッド
を作製できることが確認できた。

【００５８】以上説明したように、実施の形態１のイン
クジェットヘッドは、圧電膜５を、Ｚｒを含まないペロ
ブスカイト型の第１層と、Ｚｒを含むＰＺＴ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。これによっ
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、従来例のインクジェットヘッドに比較して
極めて小型でかつ高密度に形成されたインクの吐出口を
備えたインクジェットヘッドを提供できる。

【００５９】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。

【００６０】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５ｎｍ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、Ｐｔ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、５０ｎ
ｍ〜１００ｎｍ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、実施の形態１では、第１層
８として膜厚０．１μｍのＰｂＴｉＯ₃層、第２層９と
して膜厚２．９μｍのＰｂ（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃の
組成を有するＰＺＴ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ェットヘッ
ドを作製できることが確認されている。

【００６１】また、本発明において、ＰＺＴ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、１０μｍ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５μｍ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
μｍ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、１〜３μｍ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。

【００６２】実施の形態１において、本体部５０は、ス
テンレス（ＳＵＳ）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。

【００６３】また、振動板４はスパッタ法などの薄膜プ
ロ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、実施の形態１では、酸化シリコンＳｉＯ₂
を用いたが、本発明はこれに限らず、ニッケル、クロ
ム、アルミニウ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、真空蒸着およびメッキ法によ
り容易に形成することができ、ＳｉＯ₂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ＳｉＯ₂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、インクジェッ
ト記録装置の振動板として適した材料であった。

【００６４】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、インクを
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。

【００６５】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２μｍのＳｉＯ₂層とし、圧電膜
５の第２層９としてＰｂ（Ｚｒ_0.5Ｔｉ_0.5)Ｏ₃の組成式
で示される厚み３μｍのＰＺＴ薄膜、厚み０．１μｍ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２μｍ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。

【００６６】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、ペ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。

【００６７】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
ｒ／Ｔｉ比が３０／７０〜７０／３０の範囲内にあるＰ
ＺＴ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、例えば、Ｐｂ_0.99Ｎｂ
_0.02[(Ｚｒ_0.6Ｓｎ_0.4)_1-yＴｉ_y]_0.98Ｏ₃ (0.060≦ y
≦0.065)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、Ｐｂ_0.99
Ｎｂ_0.02[(Ｚｒ_0.6Ｓｎ_0.4)_1-yＴｉ_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、２０Ｖで約０．８μｍの変位が発生し
た。２０Ｖ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、インク吐出量のばらつ
きを少なくする事ができた。更にＰｂ_0.99Ｎｂ_0.02[(Ｚ
ｒ_0.6Ｓｎ_0.4)_1-yＴｉ_y]_0.98Ｏ₃ (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
も安定なインク吐出能力を有する圧電素子とすることが
できた。

【００６８】また、実施の形態１では、第１層８として
Ｚｒの含有していないＰｂＴｉＯ₃又はＰｂＴｉＯ₃にラ
ンタンを添加したＰＬＴを形成し、第２層９としてＰｂ
（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃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（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃からなるＰＺＴ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（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃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、ｘ＜０．２に設定された
Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃からなるＰＺＴ層又はその層
にさらにＬａを含む層を用いることが好ましい。

【００６９】（実施の形態２）図９，１０は、本発明に
係る実施の形態２のインクジェットヘッドの製造方法を
説明する図である。この実施の形態２の製造方法は、実
施の形態１で説明した製造方法において、ＭｇＯ基板に
代えてＳｉ基板を用いた他は実施の形態１とほぼ同様で
ある。

【００７０】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、実
施の形態１と同様、Ｚｒを含まない鉛系誘電体からなる
第１層を形成した後、Ｚｒを含むＰＺＴ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１２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、
Ｚｒを含むＰＺＴ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１２として、ＰＺＴ系の多結晶層を
３μｍ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１２の形成法として、上述のスパッタ法
に代えて、ＭＯＣＶＤ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１２の上に共
通電極１３となるＰｔ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Ｚｒ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Ｚｒ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１２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１２を形成することができる。

【００７１】その共通電極１３の上にＳｉＯ₂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１５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１０において、個別電極１１は
圧電膜１２の形成前にパターンニングしているが、シリ
コン基板１５をエッ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１２は、図１０におい
て、共通電極１３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１５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、
ＭｇＯ基板１０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１５を用いること
ができ、インクジェ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
たインクジェトのヘッドは、図６と同様の構成が可能で
ノズルが２００ｄｐｉ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ェットヘッドを作製する
ことも可能である。この構成のインクジェットヘッドの
製造において、シリコン基板１５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ェットヘッド
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ェットヘッドを形成することが
できた。

【００７２】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、ペロブスカイト構造
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インク吐出能力の素子間のば
らつきの少ないインクジェットヘッドが作成できた。ま
た圧電材料として用いる圧電膜１２としては、Ｚｒ／Ｔ
ｉ比が３０／７０〜７０／３０の範囲内にあるＰＺＴ層
であれば、更に良好な圧電特性を有し、インク吐出能力
の高いインクジェットヘッドとすることができた。ま
た、圧電膜１２としてＰｂ_0.99Ｎｂ_0.02[(Ｚｒ_0.6Ｓｎ
_0.4)_1-yＴｉ_y]_0.98Ｏ₃(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。

【００７３】更に振動板４の材料として、酸化シリコン
ＳｉＯ₂の他、ニッケル、アルミニウムなどの金属もス
パッタリング、真空蒸着およびメッキ法により容易に形
成することができ、ＳｉＯ₂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ＳｉＯ₂
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、インクジェットヘッド
の振動板として適した材料であった。

【００７４】（実施の形態３）図１１，１２は、本発明
に係る実施の形態３のインクジェットヘッドの製造方法
を説明する図である。

【００７５】本製造方法では、まず、図１１，１２に示
すように、シリコン基板１５上に膜厚２μｍのＳｉＯ₂
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１３となるＰt 層を形成する。共通電極１３の上に鉛
系誘電体からなる圧電膜１２をｒｆスパッタ法により形
成した。ここで、圧電膜１２は、実施の形態１と同様、
Ｚｒを含まない鉛系誘電体からなる第１層を形成した
後、Ｚｒを含むＰＺＴ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１２
は、多結晶体であるが、第１層としてＺｒを含まない鉛
系誘電体からなる第１層を形成した後、Ｚｒを含むＰＺ
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１２としては、厚みが３μｍのＰＺＴ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１２の形成法としてＭＯＣＶＤ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１２の上に個別電極１１となるＰｔ層を形成す
る。この個別電極１１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が絶縁物である場合、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。

【００７６】次にシリコン基板１５を弗酸系溶液、もし
くは水酸化カリウム溶液で部分的にエッチング除去し、
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
ンクジェトのヘッドは、図６と同様の構成が可能でノズ
ルを２００ｄｐｉ以上の密度に形成できた。この構成の
インクジェットヘッドの製造において、シリコン基板１
５を用いる他、更に安価なガラス基板を用いても同様の
多素子構成のインクジェットヘッドが作製できた。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
インクジェットヘッドを形成することができた。

【００７７】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、ペロブスカイト構造
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インク吐出能力の素子間のば
らつきの少ないインクジェットヘッドが作成できた。ま
た圧電材料として用いる圧電膜１２としては、Ｚｒ／Ｔ
ｉ比が３０／７０〜７０／３０の範囲内にあるＰＺＴ層
であれば、更に良好な圧電特性を有し、インク吐出能力
の高いインクジェットヘッドとすることができた。ま
た、圧電膜１２としてＰｂ_0.99Ｎｂ_0.02[(Ｚｒ_0.6Ｓｎ
_0.4)_1-yＴｉ_y]_0.98Ｏ₃ (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Ｐｂ_0.99
Ｎｂ_0.02[(Ｚｒ_0.6Ｓｎ_0.4)_1-yＴｉ_y]_0.98Ｏ₃ (０．０
６０≦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。

【００７８】更に振動板４の材料として、酸化シリコン
ＳｉＯ₂の他、ニッケル、アルミニウムなどの金属もス
パッタリング、真空蒸着およびメッキ法により容易に形
成することができ、ＳｉＯ₂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ＳｉＯ₂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、
インクジェットヘッドの振動板として適した材料であっ
た。

【００７９】（実施の形態４）図１３(a)は、本発明に
かかる実施の形態４のインクジェットヘッド２００の斜
視図であり、図１３（ｂ）は、（ａ）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。

【００８０】このインクジェットヘッド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２０
４上に設けられた圧電素子２０３とを備えて以下のよう
に構成される。

【００８１】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２０
１は、吐出口２０２にそれぞれ対応するように本体部２
５０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２０２ａ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。

【００８２】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、実施の形態１と同
様、第１層としてＺｒの含有していないＰｂＴｉＯ₃又
はＰｂＴｉＯ3にランタンを添加したＰＬＴを形成し、
第２層９としてＰｂ（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃の組成の
層を約３μｍの厚さに形成した。これによって、実施の
形態１と同様、良好な圧電特性を有する圧電体２０５が
形成される。

【００８３】振動板２０４は、スパッタ法を用いて形成
した２μｍの厚さのアルミナ層からなり、共通電極２０
８及び個別電極２０９は、いずれも０．１μｍのＰｔ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、Ｚｒ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、Ｚｒ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、良好なインク吐き出
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。

【００８４】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、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インクを吐き出させるようにしても
よい。

【００８５】また、隣接する圧電体２０５の間に埋め込
まれる充填材２１０は、上述のポリイミド樹脂に限定さ
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２０５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。

【００８６】例えば、圧力室２０１の幅を７０μｍと
し、圧電体２０５の幅を圧力室２０１の幅より若干狭く
なるように形成したとき、１０Ｖの電圧を印加すること
により、最大５０ｎｍ変化させることができた。

【００８７】以上のように、実施の形態４においては、
実施の形態１と同様、圧電体２０５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い圧電
体２０５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２０
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、実施の形態１と同様、圧電体２０５を極めて
薄くすることができるので、微細化が容易で、２００ｄ
ｐｉのノズル密度を有するヘッドが容易に作製できるよ
うになった。

【００８８】圧電体２０５の形成方法は、上述のスピン
コートの他、ＣＶＤ法等の他の薄膜形成方法を用いても
よい。

【００８９】また、この圧電体２０５の厚さは、１０μ
ｍ以上になると、微細加工が困難となるので、圧電体２
０５の厚さは、１０μｍ以下に設定することが好まし
い。

【００９０】実施の形態４において、この圧電体２０５
は、実施の形態１又は実施の形態２と同様、ＭｇＯ基板
又はＳｉ基板を用いて形成したものが用いられる。

【００９１】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、Ｚｒを含まない初期層
を形成した後、その初期層上に一般式（Ｐｂ_1-xＬａ_x）
（Ｚｒ_1-yＴｉ_y）Ｏ₃で表される圧電体を形成すること
により、ｃ軸に配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（Ｚｒ_1-yＴｉ_y）Ｏ₃で表さ
れる圧電体に、Ｌａ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（Ｐｂ_1-xＬａ_x）（Ｚｒ_1-yＴｉ_y）Ｏ₃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ＣＶＤ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１μｍ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、ヘッド作製コ
ストを下げることができる。

【００９２】また、一般式（Ｐｂ_1-xＬａ_x）（Ｚｒ_1-y
Ｔｉ_y）Ｏ₃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（Ｚｒの割合を小さく
する）することにより、電極上にＺｒ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。従って、電極
のすぐ上に上述のＺｒ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μｍ形成することにより、高い圧
電定数を有する圧電体２０５を結晶性よく形成すること
ができる。

【００９３】また、本発明のインクジェットヘッドで
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２０５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。

【００９４】そこで、本実施の形態４では、図１６に示
すように、膜厚が２μｍ程度の剛性の低い樹脂層２１２
を介して本体部の隔壁２０７と振動板２０４を接合する
ことが好ましい。この樹脂層２１２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１６において、２１３の符号を付して示
すものは、接着剤である。

【００９５】以上のようにポリイミドからなる樹脂層２
１２を設けることにより、接着剤２１３の収縮により、
圧電体２０５に応力が加わるのを防止でき、圧電体２０
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２１２の厚さ
は、３μｍ以下にすることが好ましく、３μｍ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
インクの吐き出し性能が劣化する。

【００９６】また、インクの吐き出し性能を効果的に発
揮させかつイ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２１２及び接着剤２１３の
量及び厚さを精度よく管理する必要がある。図１７は、
圧電振動部（圧電素子と振動板からなる）２３０におけ
る隔壁と接着される部分に７μｍの厚さのアルミナ層２
１４を形成したものである。このアルミナ層２１４は、
圧電振動部２３０上に７μｍの厚さの膜を形成した後、
隔壁に対する部分を残して、酸によるウェットエッチン
グすることにより形成される。このように、アルミナ層
２１４を介して隔壁２０７と圧電振動部２３０とを接合
することにより、圧電振動部２３０のうち、圧力室２０
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２１４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、Ｃｒ等を用いてもよい。すなわち、
圧電振動部２３０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。

【００９７】以上の圧電振動部では、圧電体２０５を１
層で構成したが、本発明はこれに限らず、図１５に示す
ように、圧電体２０５ａ及び圧電体２０５ｂの２層で構
成してもよい。この場合、個別電極２０９を、圧電体２
０５ａ上に形成された電極２０９ａと圧電体２０５ｂの
下に形成された電極２０９ｂとに分割して形成し、圧電
体２０５ａと圧電体２０５ｂとの間に、共通の接地電極
である中間電極２１１を形成する。このように、圧電体
２０５を圧電体２０５ａ，２０５ｂ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２０５ａ，２０５ｂ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２０５ａ，２０５ｂ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２０４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１μｍ程度の樹脂層を形成
するだけでよい。言い換えると図１５に示す構成では、
振動板を備えることなく、圧電体２０５ａ，２０５ｂの
２層を備えることで圧電振動部を構成している。

【００９８】（実施の形態５）図１８は、本発明に係る
実施の形態５のインクジェットヘッドの構成を示す部分
断面図であり、この実施の形態５のインクジェットヘッ
ドは以下のような手順で作製される。

【００９９】まず、単結晶のシリコン基板上に共通電極
２０８となるＰｔ層を形成し、その共通電極２０８上に
実施の形態１と同様にして、各圧力室に対応する膜厚３
μｍの圧電体２０５及び個別電極２０９を形成する。そ
して、個別電極２０９上に振動板２０４ａ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２０５の
間は、ポリイミド樹脂からなる埋め込み樹脂２１０によ
り埋め込まれている。次に、シリコン基板を約０．１ｍ
ｍ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１５）
が残るように、例えばＫＯＨ水溶液等のアルカリ溶液に
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１５とを対向させて接着して、図１８に示す実施
の形態５のインクジェットヘッドが作製される。尚、本
実施の形態５において、圧力室２０１の幅は、例えば、
７０μｍに設定される。

【０１００】以上のように、実施の形態５のインクジェ
ットヘッドでは、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、実施の形態５のインクジェットヘッドで
は、イ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、（Ｐｂ_0.95Ｌａ_0.05）ＴｉＯ₃からなる初
期層を形成したところ、Ｐｔからなる共通電極２０８上
に、５００℃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。

【０１０１】また、実施の形態５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
ヘッドを作製することができる。また、基板として（１
００）面に配向させたＭｇＯ基板を用いることにより、
実施の形態１で説明したように、Ｐｔ電極上に初期層を
介してｃ軸に配向したＰｂ（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃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。

【０１０２】（実施の形態６）図１９は、実施の形態６
のインクジェットヘッドの構成を示す斜視図である。こ
の実施の形態６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３５０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、インク吐出口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）で分離されたインク室
３０１はそれぞれ、各インク吐出口３０２に対応して設
けられている。圧電素子３０３は、共通電極（図示せ
ず）と圧電膜３０５と個別電極３０９とからなり、個別
電極３０９がそれぞれ、各圧力室３０１の直上に形成さ
れて、各圧力室３０１に対応する個別の圧電素子が構成
される。ここで、圧電膜３０５は、実施の形態１〜５と
同様に構成される。

【０１０３】以上の実施の形態６では、ステンレス板３
５１〜３５４を用いて本体部３５０を形成したが、本発
明はこれに限らず、ガラス板を積層して本体部を構成す
るようにしてもよい。また、図１９に示す構造の本体部
を樹脂を用いて形成してもよい。

【０１０４】

【発明の効果】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ＣＶＤ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
ヘッドが提供できる。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ェットヘ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インクジェット記録
装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）実施の形態１のインクジェットヘッドの
構成を示す斜視図（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ’線についての断面図

【図２】実施の形態１のインクジェットヘッドにおける
圧電振動部を拡大して示す部分断面図

【図３】実施の形態１のインクジェットヘッドにおける
圧電膜５を拡大して示す部分断面図

【図４】実施の形態１のインクジェットヘッドの製造方
法において、ＭｇＯ基板１０上に圧電振動部を形成した
時の断面図

【図５】（ａ）実施の形態１のインクジェットヘッドに
おける一例の製造方法の主要工程を示す工程図（ｂ）（ａ）とは異なる例を示す工程図

【図６】実施の形態１のインクジェットヘッドの正面図

【図７】実施の形態１のインクジェットヘッドの一例に
おける、印加電圧に対する振動板のたわみ量を示す図

【図８】実施の形態１のインクジェットヘッドの他の例
における、印加電圧に対する振動板のたわみ量を示す図

【図９】実施の形態２のインクジェットヘッドの製造方
法において、シリコン基板１５上に圧電振動部を形成し
た時の断面図

【図１０】実施の形態２のインクジェットヘッドの製造
方法の主要な工程を示す工程図

【図１１】実施の形態３の製造方法により作製されるイ
ンクジェットヘッドの特徴を示す部分断面図

【図１２】実施の形態３のインクジェットヘッドの製造
方法の主要な工程を示す工程図

【図１３】（ａ）実施の形態４のインクジェットヘッド
の構成を示す斜視図（ｂ）図１３（ａ）のＣ−Ｃ’線についての断面図

【図１４】図１３（ａ）のＤ−Ｄ’線についての断面図

【図１５】実施の形態４の変形例の圧電振動部の構成を
示す部分断面図

【図１６】実施の形態４における好ましい接続構造を示
す部分断面図

【図１７】実施の形態４における他の好ましい接続構造
を示す部分断面図

【図１８】実施の形態５のインクジェットヘッドの構成
を示す部分断面図

【図１９】実施の形態６のインクジェットヘッドの構成
を示す斜視図

【符号の説明】

１圧力室２吐出口３圧電素子４振動板５圧電膜６，７電極８第１層９第２層３０圧電振動部５０本体部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井覚大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク吐出口と、前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、鉛、チタン及びジ
ルコニウムを有する圧電膜と前記圧電膜の両側に設けら
れた電極とを含んでなり前記圧力室の一部に設けられた
圧電振動部とを備え、前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
ンクジェットヘッド記録装置であって、前記圧電膜が、
ストロンチウム又はバリウムを含むペロブスカイト構造
を有する第１層と、前記第１層に接するように形成され
た鉛、チタン及びジルコニウムを有するペロブスカイト
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
ェットヘッド記録装置。
【請求項２】インク吐出口と、前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、鉛、チタン及びジ
ルコニウムを有する圧電膜と前記圧電膜の両側に設けら
れた電極とを含んでなり前記圧力室の一部に設けられた
圧電振動部とを備え、前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
ンクジェットヘッド記録装置であって、前記圧電膜が、
それぞれペ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、前記第
１層のジルコニウムの含有量が前記第２層のジルコニウ
ムの含有量に比較して少ないことを特徴とするインクジ
ェットヘッド記録装置。
【請求項３】インク吐出口と、前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、鉛、チタン及びジ
ルコニウムを有する圧電膜と前記圧電膜の両側に設けら
れた電極とを含んでなり前記圧力室の一部に設けられた
圧電振動部とを備え、前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
ンクジェットヘッド記録装置であって、前記圧電膜が、
それぞれペロブスカイト構造を有しかつ互いに接するよ
うに形成されたジルコニウムを有していない第１層とジ
ルコニウムを有する第２層とを含んでなることを特徴と
するインクジェットヘッド記録装置。
【請求項４】第１層がランタンを含んでいる請求項２
又は３のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項５】第２層において、ジルコニウム／チタン
比が、３０／７０以上７０／３０以下に設定された請求
項１〜４のうちのいずれか１項に記載のインクジェット
ヘッド記録装置。
【請求項６】圧電膜が単結晶である請求項１〜５のう
ちのいずれか１項に記載のインクジェットヘッド記録装
置。
【請求項７】圧電膜が、１０μｍ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
ンクジェットヘッド記録装置。
【請求項８】圧電膜が、１μｍ以上、３μｍ以下の厚
さに形成されている請求項７に記載のインクジェットヘ
ッド記録装置。
【請求項９】第１層が、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ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
クジェットヘッド記録装置。
【請求項１０】圧電振動部がさらに振動板を備え、前
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ェットヘッド記録装置。
【請求項１１】振動板が、ニッケル、クロム、アルミ
ニウム及びそれらの酸化物、シリコン、シリコン酸化
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１０記載のインクジェットヘッ
ド記録装置。
【請求項１２】圧電振動部において、電極間にさら
に、圧電膜と中間電極層を介して対向する、前記圧電膜
とは別の圧電膜を設け、その２つの圧電膜によってたわ
み振動をさせる請求項１〜９のうちのいずれか１項に記
載のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項１３】圧電膜の第２層が、ニオブ及びスズを
含み反強誘電性を有する請求項１〜１２のうちのいずれ
か１項に記載のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項１４】第１層において、ジルコニウムの濃度
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
ジルコニウムの濃度が高い一方の面で第２層と接してい
る請求項１〜１３のうちのいずれか１項に記載のインク
ジェットヘッド記録装置。
【請求項１５】圧電膜の両側に設けられた電極層が、
白金又は金で形成されている請求項１〜１４のうちのい
ずれか１項に記載のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項１６】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、圧電膜の両側に設けられた電極のうち少なくとも
一方の電極を前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１〜１５のうちのいずれか１項に記載のインク
ジェットヘッド記録装置。
【請求項１７】圧電膜を圧力室に対応するように分離
して設け、一方の電極を前記分離された各圧電膜上に形
成した請求項１６に記載のインクジェットヘッド記録装
置。
【請求項１８】分離された圧電膜の間に、前記圧電膜
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に記載のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項１９】圧電振動部は、その周辺部が圧力室の
周辺部と弾性を有しかつ膜厚が３μｍ以下の樹脂層を介
して接合されている請求項１〜１８のうちのいずれか１
項に記載のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項２０】圧電振動部は、その周辺部が圧力室の
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請求項１〜１８のうちのいずれか１
項に記載のインクジェットヘッド記録装置。
【請求項２１】インク吐出口と前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、前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ェットヘッド記録装置の製造方法
であって、基板上に、鉛及びチタンを含むペロブスカイ
ト構造を有する第１層を形成し、第１層上にジルコニウ
ムと鉛及びチタンとを含むペ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、前記第１層と第２層
とを含む圧電膜を形成する工程とを含み、前記基板上に
前記圧電膜を有する圧電振動部を形成する第１工程と、
前記本体部の前記開口部の周辺部と前記圧電振動部の周
辺部とを対向させて接合する第２工程と、接合後に前記
基板を除去する第３工程とを含み、前記第１工程におい
て、前記第１層をジルコニウムを含まないように、又は
前記第２層に比較してジルコニウム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ェットヘッド記
録装置の製造方法。
【請求項２２】第１層及び第２層をスパッタリングに
より形成した請求項２１記載のインクジェットヘッド記
録装置の製造方法。
【請求項２３】基板として酸化マグネシウム基板を用
い、第３工程において、前記記基板を燐酸を用いたエッ
チングにより除去した請求項２１又は２２記載のインク
ジェットヘッド記録装置の製造方法。
【請求項２４】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２１又は２２記載のインクジェットヘ
ッド記録装置の製造方法。
【請求項２５】第３工程において、基板をフッ酸系溶
液又は水酸化カリウム溶液を用いてエッチングにより除
去する請求項２４記載のインクジェットヘッド記録装置
の製造方法。