(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電体膜の変形により生じた変位量を、従来よりも圧力室に大きく伝えることができる構造を有し、かつ従来品よりも製造コストの低いインクジェット式記録ヘッドを提供する。【解決手段】圧力室２２を形成するための金属からなる圧力室基板２０と、圧力室基板の上に形成された下部電極膜３０と、下部電極膜の上に圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜４０と、圧電体膜の上に形成された上部電極膜５０、５２とを備えているインクジェット式記録ヘッド。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる圧力室基板と、
前記圧力室基板の上に形成された下部電極膜と、
前記下部電極膜の上に、前記圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜と、
前記圧電体膜の上に形成された上部電極膜と、
を備えた、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧力室基板は、ステンレス、チタンおよびチタン合金から選択される１種の金属からなる、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記圧力室基板は、金属基板をエッチングすることにより形成された圧力室と、
前記圧力室を形成する側壁と、
前記圧力室の上壁を形成する振動壁と、
を備えた、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記下部電極膜は、ＳｒＲｕＯ３およびＬａＮｉＯ３のいずれか一方からなる、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記圧電体膜は、ジルコン酸チタン酸鉛からなる、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記上部電極膜は、ＳｒＲｕＯ３およびＬａＮｉＯ３のいずれか一方を含む、インクジェット式記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット式記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電方式を採用するインクジェット式記録ヘッドは、一般に、インク吐出可能なノズルを有するノズル板と、圧力室を有する圧力室基板と、圧力室基板のノズル板が設けられた面とは異なる面に設けられた振動板と、振動板の上に形成された下部電極膜、下部電極膜の上に圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜および上部電極膜から構成される圧電素子とを備えている。このような構成において、圧力室にインクを充填し、上部電極膜と下部電極膜との間に電圧が印加されると、圧電体膜が変形する。そうすると、圧力室では振動板がたわみ、圧力室内の圧力が瞬間的に高まる。この圧力変化によりノズルからインクが吐出される。
【０００３】
このような原理に基づいたインクジェット式記録ヘッドは、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２８６９５３号公報
【特許文献２】特開平１１−８７７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、インクジェット式記録ヘッドの高解像度化の要請が高まっている。インクジェット式記録ヘッドの高解像度化を実現するためには、圧電素子を小型化し、その変位量を向上させることが必要である。そこで、上記課題を解決するために、圧電体膜の材料として高い圧電特性を有するジルコン酸チタン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」ともいう。）に関する研究が進められてきた。
【０００５】
しかしながら、ＰＺＴを材料とした圧電体膜の圧電特性にも限界があり、例えば、圧電体膜の厚さを薄くし小型化していくと、電圧に対する圧電体膜の変位量は非常に小さいため、圧電特性の低下からインクを吐出することができなくなる。一方、変位量を向上させるために圧電体膜の厚さを厚くしていくと、内部応力が発生し、クラックを生じることがある。このように、圧電体膜の材質面や構造面からの改良のみでは、変位量を向上させることが大変難しい状況にある。
【０００６】
また、従来から一般的に圧力室を形成するための圧力室基板にはシリコン（Ｓｉ）基板が用いられている。通常、そのＳｉ基板の上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等からなる振動板が形成され、その上には白金（Ｐｔ）からなる下部電極膜が形成されるが、このＰｔが高価な原料であるため、製造コストが高くなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明の第１の目的は、圧電体膜の変形により生じた変位量を、従来よりも圧力室に大きく伝えることができる構造を有するインクジェット式記録ヘッドを提供することである。また、第２の目的は、従来品よりも製造コストの低いインクジェット式記録ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、金属からなる圧力室基板と、前記圧力室基板の上に形成された下部電極膜と、前記下部電極膜の上に前記圧力室に対応する位置に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜の上に形成された上部電極膜と、を備えている。
【０００９】
かかる形態によれば、前記圧電体膜の変形により生じた変位量（体積変化）を、従来構造よりも圧力室に大きく伝えることができる。
【００１０】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力室基板は、ステンレス、チタンおよびチタン合金から選択される１種の金属からなることができる。
【００１１】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力室基板は金属基板をエッチングすることにより形成された圧力室と、前記圧力室を形成する側壁と、前記圧力室の上壁を構成する振動壁とを備えることができる。
【００１２】
かかる形態によれば、圧力室の上壁を形成する振動壁が可撓性に優れた金属であるため、一般的に使用されるＳｉＯ２やＺｒＯ２からなる振動板と比べて、圧電体膜の変形により生じた変位量（体積変化）を、圧力室に大きく伝えることができる。
【００１３】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記下部電極膜は、ＳｒＲｕＯ３およびＬａＮｉＯ３のいずれか一方からなることができる。
【００１４】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体膜は、ジルコン酸チタン酸鉛からなることができる。
【００１５】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記上部電極膜は、ＳｒＲｕＯ３およびＬａＮｉＯ３のいずれか一方を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
１．インクジェット式記録ヘッドの構造
図１は、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの構造を模式的に示す断面図である。
【００１８】
本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、ノズル板１０、圧力室基板２０、下部電極膜３０、圧電体膜４０、第１の上部電極膜５０および第２の上部電極膜５２から構成されている。
【００１９】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に並列に複数設けられた各圧力室２２に対応する位置にノズル１２が配置されるよう、圧力室基板２０の下面に貼り合わせて構成されている。
【００２０】
圧力室基板２０は、圧力室２２、側壁２４および上壁を形成する振動壁２６から構成されている。圧力室基板２０として、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）またはチタン（Ｔｉ）若しくはチタン合金からなる金属製の基板を用いることができる。これらの金属は、機械的強度が高く、可撓性、成形性および耐酸化性に優れているため、圧力室基板２０として好適に用いることができる。ＳＵＳ基板としては、例えば、汎用されているＳＵＳ３０４（１８％Ｃｒ−８％Ｎｉを含むステンレス鋼）等を好適に用いることができる。
【００２１】
圧力室２２は、ＳＵＳ等の金属基板をエッチングすることにより複数形成されるものであり、個々の圧力室２２にはインクが充填可能に形成される。側壁２４は、圧力室２２を形成する際にエッチングされずに残った部分であり、圧力室間を仕切るように形成されている。
【００２２】
振動壁２６は、圧力室２２の上壁であり、インクを下部電極膜３０と接触させるのを防止するとともに、振動板としての機能をも有する。すなわち、ＳＵＳ基板等から形成される振動壁２６は、可撓性に大変優れており、圧電体膜４０の変形により生じた変位量（体積変化）を、従来構造よりも圧力室２２に大きく伝えることができる。これらの機能を発揮するためには、振動壁２６は材質に応じて所望の膜厚とすることが必要となる。
【００２３】
下部電極膜３０は、圧力室基板２０のノズル板１０を設けた面とは反対の面に設けられる。下部電極膜３０は、圧電体膜４０に電圧を印加するための一方の電極であり、圧力室基板２０上に形成される複数の圧電素子６０の共通電極として機能する。下部電極膜３０は、導電性金属酸化物、特にＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）またはＬａＮｉＯ３（ＬＮＯ）により構成される。ＳＲＯ膜およびＬＮＯ膜は、ＳＵＳ基板等の金属基板の上に配向しやすい性質を有し、またＰＺＴ等と同じペロブスカイト型の結晶構造を有しているため、当該膜上にＰＺＴ膜等の強誘電体膜が形成されやすい。
【００２４】
圧電素子６０は、下部電極膜３０、圧電体膜４０、第１の上部電極膜５０および第２の上部電極膜５２の順に積層されて構成されている。圧電体膜４０、第１の上部電極膜５０および第２の上部電極膜５２は、各圧力室２２に対応する位置に所定の形状で形成される。
【００２５】
圧電体膜４０は、下部電極膜３０の上に所定の形状で形成される。圧電体膜４０は、下部電極膜３０と上部電極膜５０、５２との間に一定の電圧が印加された場合、変形（体積変化）を生じる。圧電体膜４０は、ペロブスカイト構造を有する強誘電体、特にジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなるものを好適に用いることができる。あるいは、ジルコン酸チタン酸鉛のチタン（Ｔｉ）サイトにニオブ（Ｎｂ）をドープしたもの（ＰＺＴＮ）を用いてもよい。
【００２６】
第１の上部電極膜５０は、圧電体膜４０の上に所定の形状で形成される。第１の上部電極膜５０は、圧電体膜４０に電圧を印加するためのもう一方の電極であり、各圧電素子６０に設けられている。第１の上部電極膜５０は、導電性金属酸化物、特にＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）またはＬａＮｉＯ３（ＬＮＯ）により構成される。ＳＲＯ膜およびＬＮＯ膜は、ＰＺＴ膜と同じペロブスカイト型の結晶構造を有しているため、ＰＺＴ膜上に配向しやすく形成されやすい。
【００２７】
第２の上部電極膜５２は、第１の上部電極膜５０の上に所定の形状で形成される。第２の上部電極膜５２も第１の上部電極膜５０と同様、圧電体膜４０に電圧を印加するためのもう一方の電極であり、各圧電素子６０に設けられている。第２の上部電極膜５２は、導電性を有する材料、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等により構成される。
【００２８】
本実施の形態に係る上部電極膜は、第１の上部電極膜５０および第２の上部電極膜５２の二種類の膜から構成されているが、もちろんいずれか一方の膜から構成されてもよい。
【００２９】
上述した圧力室基板２０は、図示しない筐体に取り付けられ、インクジェット式記録ヘッドを構成する。
【００３０】
このようなインクジェット式記録ヘッドであれば、圧力室の上壁を形成する振動壁２６が可撓性に優れたＳＵＳ等の金属であるため、一般的に利用されているＳｉＯ２やＺｒＯ２からなる振動板と比べて、圧電体膜の変形により生じた変位量（体積変化）を圧力室により大きく伝えることができる。また、振動壁２６の膜厚をＳｉＯ２やＺｒＯ２からなる振動板よりも薄くすることができ、インクジェット式記録ヘッドの小型化を実現することができる。さらに、下部電極膜３０に白金（Ｐｔ）を使用せずに済むため、製造コストを下げることができる。その結果、低製造コスト、かつ高解像度化されたインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式プリンタを提供することが可能となる。
【００３１】
２．インクジェット式記録ヘッドの製造方法
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおける圧電素子の製造工程を示す断面図である。また、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおける圧力室の製造工程を示す断面図である。以下、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）および図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照しながら、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。
【００３２】
（１）まず、金属基板２０ａを用意する。金属基板２０ａとして、例えば、厚さ１００μｍ〜２００μｍのＳＵＳ（ステンレス）基板を用いる。
【００３３】
次に、図２（Ａ）のように、金属基板２０ａの上に、下部電極膜３０を成膜する。下部電極膜３０の成膜法として、例えば、ゾル・ゲル法、レーザーアブレーション法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法等の方法を用いることができる。下部電極膜３０としては、上述したＳＲＯ膜またはＬＮＯ膜を厚さ約５００ｎｍに成膜する。ＳＲＯ膜やＬＮＯ膜は、ＳＵＳ基板の上に形成されやすく、またＰＺＴ膜と同じペロブスカイト型の結晶構造を有しているため、当該膜上に形成されるＰＺＴ膜の結晶配向性を高めることができる。
【００３４】
（２）図２（Ｂ）のように、下部電極膜３０の上に、圧電体膜４０を成膜する。本実施形態では、圧電体膜４０として、例えば、ＰＺＴ膜をゾル・ゲル法で成膜する。すなわち、金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させて非晶質膜である圧電体前駆体膜を成膜し、さらに焼成によって結晶化させる。ペロブスカイト構造を得るためには、通常５００〜７００℃の酸素雰囲気中で焼成する必要があるが、ＰＺＴ膜は、ペロブスカイト結晶構造を有するＳＲＯ膜やＬＮＯ膜上に配向しやすいため、６００℃以下の温度でも十分に結晶化させることができる。６００℃以上の温度で焼成すると、ＳＵＳ基板の酸化を引き起こすことがあるため、６００℃以下の温度で焼成することが望ましい。圧電体膜４０の厚さは、例えば、１μｍ以上２μｍ以下とする。
【００３５】
（３）図２（Ｃ）のように、圧電体膜４０の上に、第１の上部電極膜５０を成膜する。第１の上部電極膜５０の成膜法として、下部電極膜の成膜法と同様に、ゾル・ゲル法、レーザーアブレーション法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法等の方法を用いることができる。第１の上部電極膜５０としては、下部電極膜３０と同様に、ＳＲＯ膜またはＬＮＯ膜を厚さ約５００ｎｍに成膜する。ＳＲＯ膜やＬＮＯ膜は、ＰＺＴ膜と同じペロブスカイト型の結晶構造を有しているため、ＰＺＴ膜上に形成されやすい。
【００３６】
また、本実施形態では、第１の上部電極膜５０の上に第２の上部電極膜５２を成膜する。第２の上部電極膜５２の成膜法として、白金（Ｐｔ）等を直流スパッタ法で成膜する。
【００３７】
（４）図３（Ａ）に示すように、圧電体膜４０、第１の上部電極膜５０および第２の上部電極膜５２を所定の形状に加工して、圧電素子６０を形成する。具体的には、第２の上部電極膜５２上にレジストをスピンコートした後、圧力室２２が形成されるべき位置に合わせて露光および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圧電体膜４０、第１の上部電極膜５０および第２の上部電極膜５２をイオンミリング、またはドライエッチング等により不要な部分を除去する。以上の工程により、圧電素子６０が形成される。
【００３８】
（５）図３（Ｂ）に示すように、圧電素子６０が形成された位置に対応するように圧力室２２を形成する。圧力室２２の形成方法として、ドライエッチング、プラズマエッチング、またはイオンエッチング等を用いることができる。エッチングされずに残った部分は側壁２４となる。
【００３９】
圧力室基板のうち圧力室２２を設けた箇所については、下部電極膜３０の下に圧力室基板の振動壁２６を設けるようにエッチングする。上述したように、振動壁２６は、インクを下部電極３０と接触するのを防止するとともに、圧電体膜４０の変形により生じた変位量（体積変化）を、従来よりも圧力室２２に大きく伝えることができる振動板としての機能を有する。
【００４０】
（６）図３（Ｃ）に示すように、樹脂等を用いてノズル板１０を金属基板２０ａに接合する。ノズル板１０を金属基板２０ａに接合する際には、ノズル１２が圧力室２２の個々の空間に対応して配置されるように位置合わせをする。以上の工程により、インクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００４１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの層構造を説明する断面図である。
【図２】（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおける圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図３】（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおける圧力室の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…ノズル板、１２…ノズル、２０…圧力室基板、２０ａ…金属基板、２２…圧力室、２４…側壁、２６…振動壁、３０…下部電極膜、４０…圧電体膜、５０…第１の上部電極膜、５２…第２の上部電極膜、６０…圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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