(57)【要約】【課題】駆動素子の共振振動が非駆動素子に拡散するのを防ぎ、解像度が高く、構造上の強度や耐環境性にすぐれた液体吐出ヘッドを実現する。【解決手段】ベース基板１上に共通電極２および共振駆動部分に対応するようにパターニングされたシード層３を形成し、その上に圧電体薄膜層４を成膜することで、シード層３上に配向結晶からなる共振駆動部分の圧電体薄膜４ａを形成する。共振駆動部分の圧電体薄膜４ａの間には無配向の圧電体薄膜４ｂによって非共振駆動部分が形成され、しかも共振駆動部分の圧電体薄膜４ａはシード層３の厚みだけ非共振駆動部分の圧電体薄膜４ｂより突出しているため、共振駆動部分の共振振動が周囲に拡散するのを防ぐことができる。【選択図】      図１
2004291528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間した複数の共振駆動部分を有する圧電体基板と、前記圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ配設された共振駆動用の一対の電極手段と、前記一対の電極手段によって前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分に選択的に共振振動を発生させるための電圧を印加する駆動手段と、前記圧電体基板の表面に沿って形成された液流路と、前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分にそれぞれ対応する複数の液吐出口とを有し、
前記圧電体基板が、配向結晶からなる前記複数の共振駆動部分と、その間に一体的に形成された無配向の非共振駆動部分と、各共振駆動部分を前記非共振駆動部分より前記液流路側に突出させる段差を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
互いに離間した複数の共振駆動部分を有する圧電体基板と、前記圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ配設された共振駆動用の一対の電極手段と、前記一対の電極手段によって前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分に選択的に共振振動を発生させるための電圧を印加する駆動手段と、前記圧電体基板の表面に沿って形成された液流路と、前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分にそれぞれ対応する複数の液吐出口とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
ベース基板上に一方の電極手段とシード層を積層しパターニングする工程と、一方の電極手段とシード層を積層したベース基板の表面に圧電体薄膜を成膜することで、シード層上の配向結晶からなる共振駆動部分および無配向の非共振駆動部分を有する圧電体基板を形成する工程と、形成された圧電体基板の表面に他方の電極手段を形成する工程を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体の振動を利用して液体であるインクを記録媒体上に吐出して記録を行うインクジェット記録装置等に用いられる液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体吐出ヘッドのノズル（液吐出口）から液滴を吐出し、これを記録媒体上に付着させて画像形成を行なう記録方法は、高速印字、高印字品質、低騒音、容易なカラー画像記録、安いランニングコスト、普通紙印字、さらに容易な装置の小型化といった多くの優れた利点を有しており、有望な記録装置として実用化されている。
【０００３】
例えば、インクジェットヘッドの代表例としては、米国特許第３９４６３９８号明細書に開示されているように、圧電素子を振動させてインク室の容積を変形させて，インク滴を各インク室に設けられたノズルから吐出させる方式や、特開昭５４−１６１９３５号公報に開示されているようにインク室内のインクを発熱素子により瞬間的に気泡を生じさせ、気泡の膨張力によりインクをノズルから吐出させる方式がある。また、最近では、特許第３０３８８７９号公報に記載されているように、表面弾性波を利用してインクをミスト状にしてノズルから吐出することにより濃度階調表現が可能になされたインクジェットヘッドが提案されている。
【０００４】
しかしながら、ヘッド構造体の一部分を共振振動させてインクミストを吐出させるインクジェットヘッドでは、その振動が拡散することから、解像度を向上させることが困難であった。そこで従来は、振動の拡散が隣接電極へ干渉するのを防ぐために、ヘッド構造体の表面にダイシングソウで溝を切ったり、エッチング等で溝を形成したりしたものが提案されていた。また、前記インクミストを利用したインクジェット方式には、特開平５−３１８９６号公報において、非駆動素子に直流電圧を印加することによって、駆動素子からの振動の干渉を減少させるものも開示されている。さらに、特開平５−３８８１１号公報においては、圧電体基板に入れた溝の底部に電極を形成したインクジェットヘッドが開示されている。
【０００５】
図７は、上記従来例による液体吐出ヘッドの主要部を示すもので、長尺な圧電体基板１０１に複数の幅方向の液流路である溝１０４を刻設して、各溝１０４の底部にそれぞれ駆動電極１０２を形成し、圧電体基板１０１の裏面側に配設した長手方向の共通電極１０３と各駆動電極１０２との交差領域１０６に対応する位置に、ノズルプレート１０５の各ノズル１０７を開口させた積層構造を有する。そして、各溝１０４の後方に形成された液供給室から、図７の（ｃ）に矢印で示すように各溝１０４に供給されたインク１０８を、両電極１０２、１０３間に印加された交流電圧により、両電極１０２、１０３間の交差領域１０６において発生する共振振動によってミスト化し、ノズル１０７から吐出する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術では、ヘッド構造体に対してダイシングソウ等により溝を形成させる方法は、製作工程が煩雑化するうえに、充分な効果を得るためにはヘッド構造体の厚さに対して５０％以上の深さの溝を切らなければならず、構造体としての強度が不足するという問題がある。
【０００７】
また、特開平５−３１８９６号公報のインクジェットヘッドにおいては、共振させるための交流電圧とは別に直流電圧を印加するものであるため、消費電力が高くなる点や、駆動回路の構成が複雑になるといった点が課題となる。そして特開平５−３８８１１号公報に開示されたものは、図７に示すように、各ノズルに対峙している共振駆動部分と非共振駆動部分が同じ圧電体基板上にあるために、駆動素子の共振振動が周囲の非駆動素子に拡散してしまい、解像度の向上が困難であるという未解決の課題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、共振駆動部分と非共振駆動部分の厚さおよび配向性が異なる圧電体基板を用いることで、駆動素子の振動の拡散を防ぎ、解像度を向上させることのできる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、液体吐出ヘッドの駆動素子の振動の拡散を防ぎ解像度を向上させるとともに、液体吐出ヘッドの強度を保ち、かつ、大気中の水分等による劣化を低減することである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、駆動時の消費電力が低く、しかも解像度が高く、強度や耐久性も充分であり、かつ製造コストの低い液体吐出ヘッドを実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、互いに離間した複数の共振駆動部分を有する圧電体基板と、前記圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ配設された共振駆動用の一対の電極手段と、前記一対の電極手段によって前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分に選択的に共振振動を発生させるための電圧を印加する駆動手段と、前記圧電体基板の表面に沿って形成された液流路と、前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分にそれぞれ対応する複数の液吐出口とを有し、前記圧電体基板が、配向結晶からなる前記複数の共振駆動部分と、その間に一体的に形成された無配向の非共振駆動部分と、各共振駆動部分を前記非共振駆動部分より前記液流路側に突出させる段差を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
圧電体基板の複数の共振駆動部分が、無配向の非共振駆動部分を介してそれぞれ分離されており、しかも共振駆動部分の方が非共振駆動部分より突出しているため、駆動された共振駆動部分に発生した共振振動が周辺の非駆動素子部に拡散するのを効果的に回避できる。これによって、印字画像等の解像度を大幅に向上させるとともに、消費電力の低減等にも貢献できる。
【００１３】
また、共振駆動部分と非共振駆動部分を同じ圧電体基板に形成する構成であるため、強度が高く、また、周囲と別体である圧電素子を用いた場合のように、大気中の水分が圧電素子の側面から侵入することによる性能劣化等を防ぐこともできる。
【００１４】
また、パターニングされたシード層を有するベース基板上に圧電体薄膜を成膜することで、共振駆動部分と非共振駆動部分を同時に形成する方法により、上記の液体吐出ヘッドを極めて簡単な工程で安価に製造することができる。
【００１５】
このようにして、解像度が高く、耐久性にすぐれており、しかも消費電力が少なくて製造コストも低い高品質な液体吐出ヘッドを実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの吐出部を示すもので、これは、ベース基板１、一方の電極手段である共通電極２、パターニングしたシード層３、シード層３とともに圧電体基板を構成する複数の共振駆動部分である圧電体薄膜４ａおよび非共振駆動部分である圧電体薄膜４ｂを有する圧電体薄膜層４、他方の電極手段である駆動電極５、圧電体薄膜層４の表面に沿った液流路Ａを構成するノズルプレート６を有し、図７の従来例と同様に、液流路Ａの後方の図示しない液供給室から供給されたインク等の液体を、液流路Ａを経て、ノズルプレート６の液吐出口であるノズル７から吐出し、ミストＢを発生する。各ノズル７は、図１の（ｂ）に示すように、共通電極２と、複数の共振駆動部分の圧電体薄膜４ａ上にそれぞれ配設された複数の駆動電極５の交差領域Ｃに位置する。共振駆動部分の圧電体薄膜４ａは、厚み方向の電界に対して変位するように分極した配向結晶からなり、この圧電体薄膜４ａと無配向である非共振駆動部分の圧電体薄膜４ｂを含む圧電体薄膜層４の下面に共通電極２が、上面には共通電極２と同幅の複数の駆動電極５が相対峙して配置され、両電極２、５は図１の（ａ）の上方からみたときに、（ｂ）に示すような矩形状の交差領域Ｃを形成する。
【００１８】
ノズルプレート６は板状であり、圧電体薄膜層４と平行に一定距離を置いて配置され、ノズルプレート６に開けられたノズル７は前述のように両電極２、５の矩形状の交差領域Ｃに対応している。ノズルプレート６は電鋳により作製され、ノズル７の断面は下方に開いた形状である。液流路Ａの液体はノズルプレート６と圧電体薄膜層４との間に表面張力で保持される。そして、液流路Ａの液体は毛細管力により、交差領域Ｃのノズル７の直下に導かれる。
【００１９】
共通電極２と駆動電極５に接続された駆動手段である駆動回路（図示せず）により一定周期で変化する電圧を両電極２、５間に印加すると、その周期が共振駆動部分の圧電体薄膜４ａの厚み方向の縦振動の共振周波数の整数倍である周波数の逆数に近い時、両面を解放端とする電極間の交差領域Ｃに定在波振動が生じる。この振動により、交差領域Ｃ上に供給された液体が励振され、図示上方向への放射圧力と、液体表面に生じた表面波振動の干渉により、粒子の直径が１μｍないし５０μｍのミストＢとなってノズル開口面積より若干小さい面積から、ほぼ垂直に放射する。
【００２０】
図３は、図１の液体吐出ヘッドの製造方法を示すもので、まず、図３の（ａ）に示すように、ベース基板１上に共通電極２を形成する。ベース基板１には平滑な基板面を有する材料を用いる。好ましいものとしては、結晶の劈開面、溶融したガラス表面、Ｓｉウエハの表面熱酸化膜面などがあげられる。それらの中でもとりわけ本発明に好ましいものは以下の２つである。
【００２１】
（１）酸化物単結晶の劈開面：ＭｇＯ単結晶などは〈１００〉方位に容易に劈開して平滑な面を作製できる。このような結晶の劈開面は、必要に応じて研磨、エッチング処理、熱処理などの平坦化、清浄化処理を行うこともできる。好ましい材料として、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ３  単結晶、サファイアなどがあげられる。このような材料上にはＰＺＴなどの圧電体薄膜が形成できる。
【００２２】
（２）Ｓｉウエハ：現在の半導体技術によれば大面積で原子レベルの平滑性を有するものが安価に供給されており、表面に酸化膜、窒化膜を形成して用いる。よって低コストで平滑性の高い共通電極を形成できる。
【００２３】
共通電極２の材料としては高い導電性を有し、圧電体薄膜の結晶成長工程や焼成工程等の加熱などに耐えうるものの中から適宜選択する。好ましいものの例としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕなどの貴金属系材料やその酸化物電極があげられる。またこれらの合金、積層膜なども用いることができる。電極の形成方法としては、従来公知の薄膜形成方法を適宜用いることができ、例としてはスパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、ＭＢＥ法などである。
【００２４】
次に、図３の（ｂ）に示すように、共通電極２上に圧電体薄膜の配向結晶を成長させるためのシード層３を形成する。シード層３は、共振駆動部分に対応する形状にパターニングされ、シード層３上に配向した圧電体薄膜結晶を成長させる目的で用いられるものである。シード層３の厚さはその上の共振駆動部分である圧電体薄膜４ａの厚さの１／２０〜１／４であることが望ましい。これは、シード層３の厚さを１／２０より薄くすると、共振駆動部分と非共振駆動部分の段差が小さくなり、２つの部分の共振周波数の差異が小さくなるために、振動の拡散防止の効果を得るのが難しいからである。また、シード層の厚さを１／４より厚くすると、圧電体薄膜本来の圧電性や絶縁性、抵抗などの諸特性が悪くなるためである。
【００２５】
シード層３の作製方法としては、特に限定されないが、スパッタ法、ＣＶＤ法、イオンビーム蒸着法、ゾルゲル法など公知の方法が必要に応じて用いられる。また、シード層３のパターニングは、共振駆動部分に対応する部位をレジスト等で保護して、ウェットエッチングやドライエッチング等で行う。
【００２６】
次に、図３の（ｃ）に示すように、圧電体薄膜４ａ、４ｂからなる圧電体薄膜層４を成膜する。圧電体薄膜４ａは図３の（ｂ）で形成した共振駆動部分にあたるシード層３上に配向した結晶として成長し、シード層３のない非共振駆動部分には無配向の圧電体薄膜４ｂが形成される。圧電体薄膜４ａ、４ｂからなる圧電体薄膜層４に用いられる材料としては、圧電特性を有する材料であれば何でもよい。例としては、ペロブスカイト構造であるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３  （以後ＰＺＴと表記）やＰｂＴｉＯ３  、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３  、ＢａＴｉＯ３  、ＬｉＮｂＯ３  、あるいはＢｉ４  Ｔｉ３  Ｏ１２やＴａ２  Ｏ３  、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、水晶等が挙げられる。環境問題を考えると、圧電体材料には鉛、水銀、カドミウムやクロム等の重金属や温度変化等により有害な元素を放出しない安定な材料であることが望ましいことは言うまでもない。成膜温度に関しては材料や工程の選択幅を広げる上で低温の方が望ましい。圧電素子として広く用いられているＰＺＴ薄膜を例にとると、マルチイオンビームスパッタ法を用いて基板温度４１５℃においてｃ軸配向膜が得られている（Ｉ．Ｋａｎｎｏ  ｅｔ  ａｌ．：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３２（１９９３）ｐｐ４０５７−４０６０）。
【００２７】
また、前記圧電体薄膜４ａ、４ｂの作膜方法としては、シード層３の形成の時と同様に特に限定されないが、スパッタ法、ＣＶＤ法、イオンビーム蒸着法、ゾルゲル法など公知の方法が必要に応じて用いられる。さらにこれらの成膜方法に、プラズマ、活性ガス、光照射などのアシストを組み合わせて用いることもできる。膜厚は１０μｍ以下とすることでフォトリソグラフィーなどの半導体加工プロセスを利用して高密度な圧電素子を安価に作製できる。
【００２８】
次に、図３の（ｄ）に示すように、駆動電極５を形成する。駆動電極５はマスク蒸着やエッチングプロセス等の手法を用いて、共振駆動部分の圧電体薄膜４ａ上にのみ形成する。駆動電極材料としては高い導電性を有するものの中から適宜選択する。また圧電体薄膜４ａと十分な密着性をもつものが好ましい。好ましい材料の例や形成方法等は共通電極２と同様とする。
【００２９】
最後に、図３の（ｅ）に示すように、ノズルプレート６を接合する。ノズルプレート６は前述のように共通電極２と駆動電極５の交差領域Ｃのちょうど上部にノズル７が合わさるように接合する。ノズルプレート６は液体による腐食がない材料で形成されている。
【００３０】
以上のようにして、インク等の液体によって記録媒体上に記録するインクジェットヘッド等の液体吐出ヘッドを作製することができる。
【００３１】
図２は、第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの吐出部を示すもので、第１の実施の形態と同様のシード層１３上に配向結晶を成長させて共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａを形成し、次いで第１の圧電体薄膜１４ａ上に配向結晶からなる共振駆動部分の第２の圧電体薄膜１４ｂおよび非共振駆動部分の無配向の圧電体薄膜１４ｃを同時に成膜する。圧電体基板は、共振駆動部分の第１、第２の圧電体薄膜１４ａ、１４ｂおよび非共振駆動部分の圧電体薄膜１４ｃからなる圧電体薄膜層１４とシード層１３によって構成される。ベース基板１１、共通電極１２、駆動電極１５、ノズルプレート１６等については第１の実施の形態と同様であるから説明は省略する。
【００３２】
共通電極１２と駆動電極１５に接続された駆動回路（図示せず）により一定周期で変化する電圧を両電極１２、１５間に印加する。周期が共振駆動部分の圧電体薄膜１４ａ、１４ｂの厚み方向の縦振動の共振周波数の整数倍である周波数の逆数に近い時、両面を解放端とする電極間の交差領域Ｃに定在波振動が生じる。この振動により、液流路Ａから交差領域Ｃ上に供給された液体が励振され、図示上方向への放射圧力と、液体表面に生じた表面波振動の干渉により、粒子の直径が１μｍないし５０μｍのミストＢとなってノズル開口面積より若干小さい面積から、ほぼ垂直に放射する。
【００３３】
図４は第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法を説明するもので、図４の（ａ）に示すように、まず、ベース基板１１上に共通電極１２を形成する。ベース基板１１に用いる材料や共通電極１２に用いる材料および形成方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００３４】
次に、図４の（ｂ）に示すように、共通電極１２上にシード層１３を形成するための薄膜１３ｅと共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａを形成するための薄膜１４ｅを順に成膜する。この薄膜１４ｅは配向した圧電体薄膜となる。また、シード層１３を形成するための薄膜１３ｅの膜厚は、第１の圧電体薄膜１４ａを形成するための薄膜１４ｅが配向し圧電体薄膜本来の圧電性や絶縁性、抵抗などの諸特性が悪くならない程度の膜厚であれば特に限定されない。シード層１３および第１の圧電体薄膜１４ａの作製方法や用いる材料は、第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
次に、図４の（ｃ）に示すように、各共振駆動部分に対応する形状に薄膜１３ｅ、１４ｅをパターニングする。パターニングは共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａをレジスト等で保護して、ウェットエッチングやドライエッチング等で行う。
【００３６】
次に、図４の（ｄ）に示すように、共振駆動部分の第２の圧電体薄膜１４ｂおよび無配向の圧電体薄膜１４ｃと駆動電極１５を形成する。圧電体薄膜１４ｂは図４の（ｃ）で形成した共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａ上で配向した圧電体薄膜となり、第１の圧電体薄膜１４ａの間の非共振駆動部分には無配向の圧電体薄膜１４ｃが形成される。第２の圧電体薄膜１４ｂの厚さは第１の圧電体薄膜１４ａより薄くする。第２の圧電体薄膜１４ｂの方が第１の圧電体薄膜１４ａより厚さが大きいと、共振駆動部分と非共振駆動部分の段差が小さくなり、その結果、２つの部分の共振周波数の差異が小さくなって振動の拡散防止の効果が少なくなる。圧電体薄膜１４ｂ、１４ｃおよび駆動電極１５に用いられる材料と作製方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００３７】
最後に、図４の（ｅ）に示すように、ノズルプレート１６を接合する。ノズルプレート１６は上記したように共通電極１２と駆動電極１５の交差領域Ｃのちょうど上部にノズル１７が合わさるように接合する。ノズルプレート１６は液体による腐食がない材料で形成されている。
【００３８】
以上のようにして、インク等の液体を記録媒体上に記録するインクジェットヘッド等の液体吐出ヘッドを作製することができる。
【００３９】
以下に、本発明による液体吐出ヘッドの製造方法の実施例を説明する。
【００４０】
（実施例１）
図３に示す第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法によって液体吐出ヘッドを製作した。
【００４１】
まず、図３の（ａ）に示すように、十分平滑性のよいホウケイ酸ガラス基板をベース基板１とし、その上にスパッタ蒸着法により、共通電極２としてＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。共通電極２の成膜は、室温で、ＲＦパワー３００Ｗ、Ａｒガス圧０．６７Ｐａの条件で行った。
【００４２】
次に、図３の（ｂ）に示すように、前記Ｐｔ上にシード層３となる薄膜を形成し、その後共振駆動部分に対応する形状にパターニングした。シード層３には、ＺｎＯを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて３００ｎｍ堆積した。成膜は、ターゲットとしてＺｎＯの焼結体を用い、Ａｒガスを基板近傍に供給しながら基板温度２００℃として成膜を行った。シード層３のパターニングは共振駆動部分に対応する形状をレジストで保護し、酢酸水溶液を用いてエッチングした。
【００４３】
次に、図３の（ｃ）に示すように、圧電体薄膜４ａ、４ｂを形成した。圧電体薄膜材料には、ＺｎＯを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて３μｍ堆積した。成膜は、ターゲットとしてＺｎＯの焼結体を用い、ＡｒとＯ２  の混合ガスを基板近傍に供給しながら基板温度２００℃として成膜を行った。図３の（ｂ）で形成した共振駆動部分にあたるシード層３上には、図５のＸ線回折図形に示すようなｃ軸に配向した圧電体薄膜であるＺｎＯ薄膜４ａが、シード層３のない非共振駆動部分には、図６のＸ線回折図形に示すような無配向の圧電体薄膜であるＺｎＯ薄膜４ｂが形成された。
【００４４】
次に、図３の（ｄ）に示すように、駆動電極５を形成した。駆動電極５には前記共通電極２と同様にＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。駆動電極５は共振駆動部分に対応する形状のパターンが形成されたメタルマスクを用いて、共振駆動部分の圧電体薄膜４ａ上にのみ形成した。
【００４５】
最後に、図３の（ｅ）に示すように、ノズルプレート６を積層した。ノズルプレート６は電鋳により作製した厚さ２５μｍのＮｉ板を用い、上記したように駆動電極５と共通電極２の交差領域Ｃのちょうど上部にノズル７が合わさるようにエポキシ系接着剤で加熱圧接して接着した。
【００４６】
本実施例の方法で作製した液体吐出ヘッドに所定の電圧と制御信号を与え、任意の駆動電極５に９００ｋＨｚの矩形電圧を加えると、駆動電極５と共通電極２との間の圧電体薄膜４ａが共振し、液体をミストとして吐出させることができた。
【００４７】
（実施例２）
第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法の別の具体例を説明する。
【００４８】
まず、図３の（ａ）に示すように、十分平滑性のよいＳｉ（１００）基板を熱酸化して表面にＳｉＯ２  膜１００ｎｍを形成し、ベース基板１とし、その上にスパッタ蒸着法により、共通電極２としてＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。共通電極２の成膜は、室温で、ＲＦパワー３００Ｗ、Ａｒガス圧０．６７Ｐａの条件で行った。
【００４９】
次に、図３の（ｂ）に示すように、前記Ｐｔ上にシード層３となる薄膜を形成し、その後共振駆動部分に対応する形状にパターニングした。シード層３には、ＰｂＴｉＯ３  （以後ＰＴＯと表記）を用い、マルチイオンビームスパッタ法を用いて２００ｎｍ堆積した。成膜は、ターゲットとしてＰＴＯの焼結体を用い、約１ＫＶに加速したＡｒイオンビームを照射してスパッタリングし、同時にＯ２  ガスを基板近傍に供給しながら室温にて成膜を行い、その後４００℃で仮焼成した。シード層３のパターニングは共振駆動部分に対応する形状をレジストで保護し、フッ硝酸を用いてエッチングした。
【００５０】
次に、図３の（ｃ）に示すように、圧電体薄膜４ａ、４ｂを形成した。圧電体薄膜材料には、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３  （ＰＺＴ）を用い、マルチイオンビームスパッタ法を用いて３μｍ堆積した。成膜は、ターゲットとしてＰｂ、Ｚｒ、およびＴｉの金属を用い、それぞれのターゲットに約１ＫＶに加速したＡｒイオンビームを照射してスパッタリングし、同時にＯ２  ガスを基板近傍に供給しながら室温で成膜を行い、また膜組成がＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３  となるように各ターゲットに照射するイオンビームのイオン電流を調整して堆積した。その後５００℃で本焼成すると、圧電体薄膜層４の共振駆動部分にあたるシード層３上には、ｃ軸に配向した圧電体薄膜であるＰＺＴ薄膜４ａが、シード層３のない非共振駆動部分には、無配向の圧電体薄膜であるＰＺＴ薄膜４ｂが形成された。本実施例ではシード層、ＰＺＴ薄膜ともに室温成膜して焼成するという手段で形成したが、成膜中の基板温度を高温に保って成膜することも可能である。
【００５１】
次に、図３の（ｄ）に示すように、駆動電極５を形成した。駆動電極５には前記共通電極２と同様にＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。駆動電極５は共振駆動部分に対応する形状のパターンが形成されたメタルマスクを用いて、共振駆動部分の圧電体薄膜４ａ上にのみ形成した。
【００５２】
最後に、図３の（ｅ）に示すように、ノズルプレート６を積層した。ノズルプレート６は電鋳により作製した厚さ２５μｍのＮｉ板を用い、上記したように駆動電極５と共通電極２の交差領域Ｃのちょうど上部にノズル７が合わさるようにエポキシ系接着剤で加熱圧接し接着した。
【００５３】
本実施例の方法で作製した液体吐出ヘッドに所定の電圧と制御信号を与え、任意の駆動電極５に８００ｋＨｚの矩形電圧を加えると、駆動電極５と共通電極２との間の圧電体薄膜４ａが共振し、液体をミストとして吐出させることができた。
【００５４】
（実施例３）
図４に示す第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法によって液体吐出ヘッドを製作した。
【００５５】
まず、図４の（ａ）に示すように、十分平滑性のよいホウケイ酸ガラス基板をベース基板１１とし、その上にスパッタ蒸着法により、共通電極１２としてＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。共通電極１２の成膜は、室温で、ＲＦパワー３００Ｗ、Ａｒガス圧０．６７Ｐａの条件で行った。
【００５６】
次に、図４の（ｂ）に示すように、前記Ｐｔ上にシード層１３となる薄膜１３ｅと共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａとなる薄膜１４ｅを順に連続成膜した。シード層１３となる薄膜１３ｅには、ＺｎＯを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて５０ｎｍ堆積した。成膜は、ターゲットとしてＺｎＯの焼結体を用い、Ａｒガスを基板近傍に供給しながら基板温度２００℃として成膜を行った。また、圧電体薄膜１４ａとなる薄膜１４ｅであるＺｎＯの成膜もＺｎＯの焼結体を用い、ＡｒとＯ２  の混合ガスを基板近傍に供給しながら基板温度２００℃として１．６μｍ堆積した。
【００５７】
次に、図４の（ｃ）に示すように、共振駆動部分に対応する形状に薄膜１３ｅ、１４ｅをパターニングしてシード層１３と共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａを形成した。パターニングは共振駆動部分に対応する形状をレジストで保護し、酢酸水溶液を用いてエッチングした。
【００５８】
次に、図４の（ｄ）に示すように、共振駆動部分の第２の圧電体薄膜１４ｂおよび非共振駆動部分の圧電体薄膜１４ｃを同時に成膜し、次いで駆動電極１５を形成した。圧電体薄膜１４ｂ、１４ｃには、ＺｎＯを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて１．４μｍ堆積した。成膜は、ターゲットとしてＺｎＯの焼結体を用い、ＡｒとＯ２  の混合ガスを基板近傍に供給しながら基板温度２００℃として成膜を行った。図４の（ｃ）で形成した共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａ上には、図５のＸ線回折図形に示すようなｃ軸に配向した圧電体薄膜であるＺｎＯ薄膜１４ｂが、その間の非共振駆動部分には、図６のＸ線回折図形に示すような無配向の圧電体薄膜であるＺｎＯ薄膜１４ｃが形成された。また、駆動電極１５には前記共通電極１２と同様にＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。駆動電極１５は共振駆動部分に対応する形状のパターンが形成されたメタルマスクを用いて、共振駆動部分の圧電体薄膜１４ｂ上にのみ積層した。
【００５９】
最後に、図４の（ｅ）に示すように、ノズルプレート１６を積層した。ノズルプレート１６は電鋳により作製した厚さ２５μｍのＮｉ板を用い、上記したように駆動電極１５と共通電極１２の交差領域Ｃのちょうど上部にノズル１７が合わさるようにエポキシ系接着剤で加熱圧接し接着した。
【００６０】
本実施例の方法で作製した液体吐出ヘッドに所定の電圧と制御信号を与え、任意の駆動電極１５に９００ｋＨｚの矩形電圧を加えると、駆動電極１５と共通電極１２との間の圧電体薄膜１４ａ、１４ｂが共振し、液体をミストとして吐出させることができた。
【００６１】
（実施例４）
図４に示す第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法の別の具体例を説明する。
【００６２】
まず、図４の（ａ）に示すように、十分平滑性のよいＭｇＯ基板をベース基板１１とし、その上にスパッタ蒸着法により、共通電極１２としてＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。共通電極１２の成膜は、室温で、ＲＦパワー３００Ｗ、Ａｒガス圧０．６７Ｐａの条件で行った。
【００６３】
次に、図４の（ｂ）に示すように、前記Ｐｔ上にシード層１３となる薄膜１３ｅと共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａとなる薄膜１４ｅを順に連続形成した。シード層１３となる薄膜１３ｅには、ＭＯＣＶＤを用いてＰＴＯを３０ｎｍ堆積した。また、第１の圧電体薄膜１４ａとなる薄膜１４ｅにも同じくＭＯＣＶＤを用いてＰＺＴを１．５μｍ堆積した。いずれも基板温度は４５０℃とした。原料ガスにはＰｂ（ＤＰＭ）２  、Ｚｒ（ＯｔＢｕ）４  、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）４  、酸化剤ＮＯ２  を用いた。成膜中の圧力は６×１０−１Ｐａであった。
【００６４】
次に、図４の（ｃ）に示すように、共振駆動部分に対応する形状に薄膜１３ｅ、１４ｅをパターニングしてシード層１３と共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａを形成した。パターニングは共振駆動部分に対応する形状をレジストで保護し、フッ硝酸を用いてエッチングした。
【００６５】
次に、図４の（ｄ）に示すように、共振駆動部分の第２の圧電体薄膜１４ｂおよび非共振駆動部分の圧電体薄膜１４ｃを同時に成膜し、次いで駆動電極１５を形成した。圧電体薄膜１４ｂ、１４ｃには、ＭＯＣＶＤを用いてＰＺＴを１μｍ堆積した。成膜条件は図４の（ｂ）の第１の圧電体薄膜１４ａと同様とした。共振駆動部分の第１の圧電体薄膜１４ａ上には、ｃ軸に配向した圧電体薄膜であるＰＺＴ薄膜１４ｂが、その間の非共振駆動部分には無配向の圧電体薄膜であるＰＺＴ薄膜１４ｃが形成された。また、駆動電極１５には前記共通電極１２と同様にＴｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順に形成した。駆動電極１５は共振駆動部分に対応する形状のパターンが形成されたメタルマスクを用いて、共振駆動部分の圧電体薄膜１４ｂ上にのみ形成した。
【００６６】
最後に、図４の（ｅ）に示すように、ノズルプレート１６を積層した。ノズルプレート１６は電鋳により作製した厚さ２５μｍのＮｉ板を用い、上記したように駆動電極１５と共通電極１２の交差領域Ｃのちょうど上部にノズル１７が合わさるようにエポキシ系接着剤で加熱圧接し接着した。
【００６７】
本実施例の方法で作製した液体吐出ヘッドに所定の電圧と制御信号を与え、任意の駆動電極１５に８００ｋＨｚの矩形電圧を加えると、駆動電極１５と共通電極１２との間の圧電体薄膜１４ａ、１４ｂが共振し、液体をミストとして吐出させることができた。
【００６８】
なお、上記の本実施例ではすべて駆動電極側より液体の吐出をする構成で説明したが、共通電極側からの液体吐出も可能である。
【００６９】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【００７０】
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の共振駆動部分を有する圧電体基板と、前記圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ配設された共振駆動用の一対の電極手段と、前記一対の電極手段によって前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分に選択的に共振振動を発生させるための電圧を印加する駆動手段と、前記圧電体基板の表面に沿って形成された液流路と、前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分にそれぞれ対応する複数の液吐出口とを有し、前記圧電体基板が、配向結晶からなる前記複数の共振駆動部分と、その間に一体的に形成された無配向の非共振駆動部分と、各共振駆動部分を前記非共振駆動部分より前記液流路側に突出させる段差を備えたことを特徴とする。
【００７１】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、互いに離間した複数の共振駆動部分を有する圧電体基板と、前記圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ配設された共振駆動用の一対の電極手段と、前記一対の電極手段によって前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分に選択的に共振振動を発生させるための電圧を印加する駆動手段と、前記圧電体基板の表面に沿って形成された液流路と、前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分にそれぞれ対応する複数の液吐出口とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、ベース基板上に一方の電極手段とシード層を積層しパターニングする工程と、一方の電極手段とシード層を積層したベース基板の表面に圧電体薄膜を成膜することで、シード層上の配向結晶からなる共振駆動部分および無配向の非共振駆動部分を有する圧電体基板を形成する工程と、形成された圧電体基板の表面に他方の電極手段を形成する工程を有することを特徴とする。
【００７２】
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、互いに離間した複数の共振駆動部分を有する圧電体基板と、前記圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ配設された共振駆動用の一対の電極手段と、前記一対の電極手段によって前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分に選択的に共振振動を発生させるための電圧を印加する駆動手段と、前記圧電体基板の表面に沿って形成された液流路と、前記圧電体基板の前記複数の共振駆動部分にそれぞれ対応する複数の液吐出口とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、ベース基板上に一方の電極手段とシード層および第１の配向結晶からなる圧電体薄膜を積層しパターニングする工程と、一方の電極手段とシード層および第１の圧電体薄膜を積層したベース基板の表面に第２の圧電体薄膜を成膜することで、配向結晶からなる共振駆動部分および無配向の非共振駆動部分を有する圧電体基板を形成する工程と、形成された圧電体基板の表面に他方の電極手段を形成する工程を有することを特徴とするものでもよい。
【００７３】
上記液体吐出ヘッドにおいて、圧電体基板の共振駆動部分が、少なくとも非共振駆動部分の厚さの１／２０〜１／４だけ液流路側に突出しているとよい。
【００７４】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００７５】
圧電体基板と、該圧電体基板の表面と裏面に配された少なくとも一対の電極と、前記電極間にこの圧電体基板の共振周波数に等しい周期で変化する電圧を選択的に印加する駆動手段と、前記圧電体基板と平行に配されたノズルプレートを有し、前記圧電体基板とノズルプレートのギャップに保持された液体をノズルプレートのノズルからミストとして吐出する液体吐出ヘッドにおいて、共振駆動部分と非共振駆動部分の厚さと配向性が異なることより、振動の拡散を防ぎ、解像度を向上させることができる。さらに、共振駆動部分の間に非共振駆動部分が介在しているため、液体吐出ヘッドの構造体としての強度が高く、さらに大気中の水分等による劣化も低減できる。また、半導体プロセスを利用した簡単な工程で作製でき、駆動の消費電力も少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの一部分を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は電極とノズルの配置を説明する説明図である。
【図２】第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの一部分を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は電極とノズルの配置を説明する説明図である。
【図３】第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法を説明する工程図である。
【図４】第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの製造方法を説明する工程図である。
【図５】共振駆動部分の圧電体薄膜（ＺｎＯ）および共振電極（Ｐｔ）を表わすＸ線回折グラフである。
【図６】非共振駆動部分の圧電体薄膜（ＺｎＯ）および共振電極（Ｐｔ）を表わすＸ線回折グラフである。
【図７】一従来例による液体吐出ヘッドの構成を示すもので、（ａ）はノズルプレートを分離して示す分解斜視図、（ｂ）はヘッド主要部を示す模式断面図、（ｃ）は（ｂ）に交差する方向の模式断面図である。
【符号の説明】
１、１１    ベース基板
２、１２    共通電極
３、１３    シード層
４、１４    圧電体薄膜層
４ａ、１４ａ、１４ｂ    共振駆動部分の圧電体薄膜
４ｂ、１４ｃ    非共振駆動部分の圧電体薄膜
５、１５    駆動電極
６、１６    ノズルプレート
７、１７    ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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