(57)【要約】【課題】圧電膜を介して対向する電極膜を形成して圧電素子とし、電圧を印加したとしても、その圧電特性は低いものであり、安定性も悪く、この圧電素子をインクジェット記録ヘッドに用いたとしても、十分なインクの吐出速度が得られないために、情報を記録媒体に出力する速度が遅く、各インクの吐出速度にばらつきが生じて、高精細な画像が得られないなどの問題があった。【解決手段】圧電セラミックスからなる圧電膜の表面に、該圧電膜を介して互いに対向する電極膜が積層された圧電素子であって、前記圧電膜の膜厚みが１〜２０μｍであり、かつ前記圧電膜表面における圧電セラミックスの結晶の欠損部占有面積が、単位面積当り５％以下であるとともに、前記電極膜の厚みが０．１μｍ以上で、かつ前記圧電膜の厚みに対し電極膜の厚みが６０％以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスからなる圧電膜の表面に、該圧電膜を介して互いに対向する電極膜が積層された圧電素子であって、前記圧電膜の膜厚みが１〜２０μｍであり、かつ前記圧電膜表面における圧電セラミックスの結晶の欠損部占有面積が、単位面積当り５％以下であるとともに、前記電極膜の厚みが０．１μｍ以上で、かつ前記圧電膜の厚みに対し電極膜の厚みが６０％以下であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記請求項１に記載の圧電素子を用いたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスを用いた圧電膜、及びこれを用いた圧電素子、並びにインクジェット記録ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気信号が与えられると機械的動作を行う圧電素子として、上部電極と下部電極との間に圧電基板からなる圧電体が設けられた圧電アクチュエータなどが知られている。
【０００３】
このような圧電アクチュエータは、圧電体の圧電効果を利用して電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するものであり、例えば、インクジェット記録ヘッド等のアクチュエータなど、幅広い用途に利用されている。
【０００４】
そして、近年、パーソナルコンピューターの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出力する画像形成装置として、インクジェット記録装置の利用が急速に拡大しているなかで、インクジェット記録ヘッド等の小型化が進み、これに伴って、圧電アクチュエータ自体の小型化が望まれるようになり、そのために圧電体の膜化による圧電膜が用いられることが進められてきた。
【０００５】
しかし、このような圧電膜には、単に膜化しただけでは圧電基板のセラミックスに比べて圧電特性が劣るので特性の向上が求められていた。
【０００６】
そのため、特許文献１に示されるように、スパッタリング法により形成される圧電膜の堆積速度や、スパッタガス圧などを制御して、圧電特性の高い圧電膜を得る方法が示され、また、特許文献２では、圧電膜の膜厚と比誘電率の値を所定範囲に設定すること、また、Ｘ線回折ピーク強度が最大となる面を（００１）面とすることによって、耐電圧性の向上や省エネルギー化、圧電特性の向上や安定化を計る考案がなされている。そして、特許文献３では、圧電膜の成分のうち、ジルコニア及びチタンを膜厚方向に濃度勾配を持って含有させて、圧電膜の発熱や圧電歪定数を安定的に保持することなどが示されている。そして、このような圧電膜を用いて圧電素子を形成し、インクジェット記録ヘッドに用いることが示されている。
【特許文献１】特開２００２−２１７４６９号公報
【特許文献２】特開２００１−２８４６７０号公報
【特許文献３】特開平１０−２９００３５号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１〜３に示されるような圧電膜の圧電特性を向上させたとしても、なお且つ前記圧電膜を介して互いに対向する電極膜を形成して圧電素子とし、電圧を印加したとしても、その圧電特性、例えばアクチュエータとして重要な変位量は低いものであり、安定性も悪く、この圧電素子をインクジェット記録ヘッドに用いたとしても、十分なインクの吐出速度が得られないために、情報を記録媒体に出力する速度が遅くなるとともに、各インクの吐出速度にばらつきが生じて、高精細な画像が得られないなどの問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、圧電セラミックスからなる圧電膜の表面に、該圧電膜を介して互いに対向する電極膜が積層された圧電素子であって、前記圧電膜の膜厚みが１〜２０μｍであり、かつ前記圧電膜表面における圧電セラミックスの結晶の欠損部占有面積が、単位面積当り５％以下であるとともに、前記電極膜の厚みが０．１μｍ以上で、かつ前記圧電膜の厚みに対し電極膜の厚みが６０％以下であることを特徴とする。
【０００８】
さらに前記圧電素子をインクジェット記録ヘッドに用いたことを特徴とする。
【作用】
本発明の構成によれば、圧電膜の欠損部に電極膜がかかる確率が低減され、仮に、欠損部に電極膜がかかったとしても、欠損部による電極膜切れが低減され、これにより電界の強度の低下が防げるものである。しかも、圧電膜の欠損部上に電極膜を形成する際、その中に入り込んだとしても対向する電極膜同士の短絡を防止できるものである。
【０００９】
そして、本発明の圧電素子をインクジェット記録ヘッドに用いると、圧電膜の欠損部が少ないので、よりインクの吐出速度の大きいインクジェット記録ヘッドを得ることができる。また、インクを吐出するための圧電素子として、１つのインクジェット記録ヘッドに多数用いられるのであるが、このような場合でも、各圧電素子間でばらつきが少なくなるために、インクの吐出速度が安定し、高精細な画像が形成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の圧電素子を用いたインクジェット記録へッドの一例を示す斜視図である。
【００１１】
このインクジェット記録ヘッドは、ノズル６を形成したノズル板２３と隔壁２２と支持体２１を積層して一体化することによって、複数のインク室１とこれに連通するインク流路（不図示）及びノズル６を備えたヘッド基板２を形成してあり、このヘッド基板２の各インク室１に対応する支持体２１上に圧電膜３及びその上下に電極膜４（４ａ、４ｂ）を配置して圧電素子５とし、これらと電圧を印加するための外部の駆動回路（不図示）とを接続する不図示の引出線を接続して、インクジェット記録ヘッドを構成してある。
【００１２】
なお、前記支持体２１は、圧電素子５の変位をインク室１内のインクに伝えるための振動板として用いている。
【００１３】
そして、前記外部の駆動回路から前記引出線を経て、電極膜４ａ、４ｂに電圧を印加することによって、圧電膜３を主面に平行方向に伸縮させて、圧電素子５を支持体２１とともに、インク室１側へ凸状に変形させることができるので、ノズル６より、インク室１内のインクを吐出させることができるようになっている。
【００１４】
そして、本発明は、前記圧電膜の膜厚みを１〜２０μｍとし、かつ前記電極膜と接合する圧電膜表面における結晶の欠損部占有面積が、単位面積当り５％以下とするとともに、前記電極膜の厚みを０．１μｍ以上で、かつ前記圧電膜の厚みに対し電極膜の厚みを６０％以下としてある。
【００１５】
すなわち、前記圧電膜表面は、互いに対向する電極膜に電圧を印加して圧電膜に電界を作用させるときに、できるだけ平坦かつ緻密であることが、均一な電界を発生させるうえで好ましいのであるが、圧電膜をスクリーン印刷法やゾルゲル法によって形成する場合には、有機パーテイクルが存在したり、あるいは粗粒が発生したりすると、そのまま圧電セラミックスを焼結させると、結晶の欠損部が発生することになる。
【００１６】
また、焼結条件の不適合などによってクラックが発生すると、この後、圧電膜表面に電極膜を形成しようとしても、前記欠損部は電極膜が形成されないために、電圧を印加した時の電界の強さが低下するということによって圧電膜の伸縮の度合いが低下し、圧電素子の変位量が低下する原因となる。
【００１７】
また、スパッタリング法、ＣＶＤ法などで、前記圧電膜を形成したのち、熱処理しない製造方法などを用いたとしても、スパッタリング法やＣＶＤ法の装置内に存在するパーテイクルによって同様の結晶の欠損部が発生しやすく、これをインクジェット記録ヘッドに圧電素子として使用する場合などは、使用する数が多いことから、個々の圧電素子の変位量の変化によって、インクの吐出速度にばらつきが発生する。
【００１８】
したがって、前記圧電膜は膜厚を１〜２０μｍとし、圧電膜表面の結晶の欠損部占有面積を単位面積当り５％以下とすることで、圧電素子の変位量の低下を防げるとともに、ばらつきを防止することができるのである。
【００１９】
そして、前記欠損部占有面積をさらに３％以下とすればより好適であり、とくに、膜厚が１〜３μｍの場合には３％以下とすることが好ましい。
【００２０】
なお、前記膜厚を１〜２０μｍとしたのは、１μｍ未満だと、欠損部があると互いに対向する電極膜の短絡が発生しやすく、圧電素子が使えなくなり、２０μｍを超えると、緻密な膜を形成することが不可能であり、欠損部占有面積を５％以下とすることが不可能となるからである。
【００２１】
さらに、前記欠損部占有面積を単位面積当り５％以下としたのは、欠損部に電極膜がかかる確率が低減され、仮に、欠損部に電極膜がかかったとしても、欠損部による電極膜切れが低減され、これにより電界の強度の低下が防げ、圧電素子の変位量の低下を防げるからである。そして、欠損部占有面積が５％以下と制限されることから、多数の圧電素子を用いたとしても、前記圧電素子間の変位量のばらつきを防止できるのである。
【００２２】
ここで、前記圧電膜表面における結晶の欠損部占有面積とは、パーテイクルや粗粒によって結晶が配列されなかった部分、あるいはクラック等によって結晶の配列に空隙が生じて、結果的に結晶の欠損部となった部分を示し、このような欠損部を圧電膜表面からみたときの開口部の占める面積のことを指し、この欠損部占有面積は、例えば、圧電膜の表面を撮影した３０００倍のＳＥＭ写真で単位面積当りの前記欠損部の面積を画像処理装置で測定すればよい。
【００２３】
そして、前記単位面積当りとしては、上記ＳＥＭ写真で撮影できる、例えば３０μｍ×４０μｍ角の圧電膜表面の範囲を２〜５箇所、前記画像処理装置で測定した欠損部占有面積値を前記３０μｍ×４０μｍの測定した範囲の面積値で割って百分率（％）で算出すればよい。
【００２４】
また、前記欠損部の占有面積の単位面積当りの値は、圧電膜の相対する表面のうちどちらか一方の表面を測定するものであっても良く、両表面の値の平均をとっても構わない。
【００２５】
そして、前記電極膜の厚みを０．１μｍ以上とし、圧電膜の厚みに対し６０％までの厚みとすることによって、前記圧電膜表面の結晶の欠損部が、圧電膜を貫通して欠損していたとしても、この欠損部に入り込む電極膜の量が制限されるために、欠損部をすべて覆うことがなくなり、互いに対向する電極膜同士の短絡を防止できるのである。
【００２６】
ここで、電極膜の厚みを０．１μｍ以上とし、圧電膜の厚みに対し６０％までとしたのは、０．１μｍ未満だと電極膜の厚みが薄くなって、形成が困難となるからであり、６０％を超えると、前記のような電極膜の短絡の問題が発生するとともに、極端に電極膜の厚みが圧電膜に対して厚いと、圧電膜の変位が電極膜の剛性によって阻害されるなどの悪影響も出てくるからである。
【００２７】
なお、前記電極膜の厚みの測定は、圧電素子の厚み方向に任意に切断した断面の電極膜や圧電膜の厚みをＳＥＭ写真や金属顕微鏡写真などで測定すればよく、２〜５箇所程度測定し平均を求めればよいし、一般的な接触又は非接触式の厚み測定機を用いてもよい。
【００２８】
また、圧電膜を形成するために用いる圧電セラミックス粉末の平均粒径（Ｄ５０）は０．２μｍ〜０．５μｍであることが好ましい。
【００２９】
なぜなら、圧電セラミック粉末の平均粒径（Ｄ５０）を０．２μｍ〜０．５μｍとすることによって、圧電セラミックスとしての焼結性を向上でき、焼結温度が下げられるために、クラックの防止ができ、欠損部占有面積を５％以下と減少することができるからである。
【００３０】
また、前記平均粒径（Ｄ５０）が０．５μｍを超えると、圧電膜の結晶粒径が大きくなり、結晶の欠損部の大きさも大きくなりやすいので、０．５μｍ以下が好ましく、０．２μｍ未満だと圧電セラミック粉末自身を作ることが困難となり、コストアップになるので、前記平均粒径（Ｄ５０）は０．２μｍ〜０．５μｍの範囲が好ましい。
【００３１】
そして、このような圧電膜を得るには、一般的な膜形成法、例えばスクリーン印刷法、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法などを用いれば容易に形成できるが、圧電膜の欠損部を５％以下とするには、圧電膜を形成する材料中及び作業環境に起因する有機系パーテイクル及び圧電膜材料とは異なる組成の無機系のパーテイクルの存在を極力減少させることが重要である。
【００３２】
そのためには、印刷法、ゾルゲル法においては、圧電材料粉末、溶液、ペースト中の有機パーテイクル及び粗粒の発生防止、除去を行うため、多段の分散処理を行うことが必要となるが、より好ましくは前記多段の分散処理に加えて濾過を行うことがよい。
【００３３】
多段の分散処理としては、１段目にホモジナイザー、ボールミル、遠心力による分散、２段目以降に、溶媒除去による濃縮処理等を挟み３本ロール等による高剪断力による分散を行うことが好ましい。
【００３４】
また、これらの多段の分散処理を行う前後での深層濾過型フィルターでの粗粒除去、表面濾過型フィルターによる循環濾過等を複数組み合わせることで、圧電膜を形成する材料中及び作業環境に起因する有機系パーテイクル及び圧電膜材料とは異なる組成の無機系のパーテイクルの存在を極力減少させることができる。
【００３５】
スパッタリング、ＣＶＤ法においては、被成膜材料、作業環境及び、チャンバー内からのパーテイクルを除去する工程を多段に実施することが必要である。
【００３６】
具体的には、被成膜材料をクリーンルーム内で、超純水による洗浄を行い、成膜を行うチャンバー内には、成膜工程で発生するチャンバー内の内壁付着物が被成膜材料表面へ落下、吸着等が起こらないよう、毎回取り外しや廃棄可能な内枠を配置し、チャンバー内に付着物が溜まらないようにすることが必要である。
【００３７】
そして、このような圧電膜３を用いて、圧電素子５を形成するには圧電膜３を支持する支持体２１上に、電極膜４ｂを形成した後、圧電膜３を上述の膜形成法のいずれかを用いて形成し、その上にさらに電極膜４ａを形成すればよく、この時、支持体２１を電極膜４ｂとして用いてもよい。
【００３８】
なお、このような圧電膜３は複数の圧電膜から形成したものでもよく、また、圧電膜３と電極膜４ａまたは４ｂとを交互に積層してなる積層型圧電素子としてもよく、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また、本発明のインクジェット記録ヘッドを作製するには、ノズル６を形成したノズル板２３と隔壁２２と支持体２１を積層して一体化することによって、ヘッド基板２を形成し、各インク室１に対応する支持体２１上に圧電膜３及びその上下に電極膜４ａ、４ｂを配置して圧電素子５を形成すればよい。
【００４０】
あるいは、先に、支持体２１上に圧電素子５を形成した後、支持体２１の圧電素子５と反対側と隔壁２２及びノズル板２３とを接合する順で製作してもよい。
【００４１】
ここで、圧電膜３に用いられる圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、マンガンニオブ酸鉛、チタン酸鉛などの１種以上を主成分とする圧電セラミックスから選んでも良く、一般的な圧電セラミックスを用いればよい。
【００４２】
また、支持体２１としては、ガラス、金属、セラミックス、シリコン、樹脂などから選択すればよく、特には拘らないが、例えば、支持体２１などに圧電素子５を形成する場合などのように、別に要求される特性がある場合は、適宜材料を選択することが必要である。
【００４３】
さらに、圧電膜３に接合する電極膜４ａ、４ｂは、金、銀、銀−パラジウム、パラジウム、白金、ニッケル、アルミニウムなどの一般的な電極材から選択して用いればよい。
【００４４】
そして、ノズル板２３や隔壁２２などは、ガラス、金属、セラミックス、シリコン、樹脂などを用いればよい。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした圧電セラミックスを用いて、予め白金を電極膜４ｂとして形成したアルミナ支持体２１をクリーンルーム内で超純水での洗浄を行い、成膜チャンバー内には、成膜工程で発生するチャンバー内の内壁付着物がアルミナ支持体２１上の電極膜４ｂ表面へ落下、吸着等が起こらないように、毎回取り外して、廃棄可能な内枠をチャンバー内に配置し、チャンバー内の内枠の中に付着物が溜まらないようしたのち、スパッタリング法により、表１の圧電膜３を形成した。この時、圧電膜３の寸法は１００μｍ×２０００μｍとした。
【００４６】
その後、圧電膜３上に金の電極膜４ａを形成した後、厚み方向に分極を行って、アルミナ支持体２１上の圧電膜３と電極膜４ａ、４ｂとを圧電素子５とした。
【００４７】
その後、このアルミナ支持体２１の圧電素子５を設けた反対側の面を加工して、アルミナ支持体２１の厚みを圧電素子の厚みと同等以下に設定するとともに、この加工した面側と、幅１５０μｍ×長さ２０００μｍ×高さ２００μｍのインク室１を仕切るように設けた幅１５０μｍの隔壁２２と、ノズル６を有したノズル板２３とをエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接合し、インクジェット記録ヘッドを製作した。
【００４８】
そして、このインクジェット記録ヘッドと同じ物を各試料Ｎｏ毎に２０個製作した。
【００４９】
なお、試料Ｎｏ２８は圧電膜を３層積層して形成したものである。
【００５０】
そして、各試料の圧電素子５の電極膜４ａ、４ｂに電圧を印加して、圧電素子５面に垂直な方向の変位量をレーザー変位計で測定し各試料毎に平均値をもとめた。
【００５１】
さらに、インクを供給して、インクの吐出速度を画像撮影装置で測定したのち、そのばらつきを求めた。
【００５２】
また、圧電膜３及び電極膜４ａ、４ｂの厚み測定には各試料を圧電膜３の厚み方向に破断して、圧電膜３及び電極膜４ａ，４ｂの厚みをＳＥＭ写真にて測定した。
【００５３】
そして、圧電膜３の欠損部占有面積については、前記電極膜４ａを酸により溶かして除去し、圧電膜３の表面の３０００倍のＳＥＭ写真を撮影して、画像処理装置によって欠損部占有面積を５箇所測定した。
【００５４】
以上の結果から、インクの吐出速度については、５ｍ／ｓｅｃ以上を本発明の範囲内とし、各インクの吐出速度のばらつき（％）を求め、総合評価を◎優、○適、×不適として行った。
【００５５】
結果は表１に示す通りである。また、表１中の＊印は本発明の範囲外を示しており、−印はインク吐出速度のばらつきが±７％以上であったことを示す。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
この表１から、試料１〜２８のうち、＊印の本発明の範囲外を除いた試料いずれもが、圧電膜３の膜厚が１〜２０μｍの範囲で、圧電膜３の欠損部占有面積が単位面積当り５％以下、かつ電極膜４の厚みが圧電膜３の厚みに対して６０％以下のときに、インクの吐出速度、及び各インク吐出のばらつきにおいて良好な結果を得ており、総合評価も○（適）の評価を得た。
【００５８】
さらに、前記圧電膜３の欠損部占有面積が単位面積当り３％以下だと、より好適な結果を得ており、総合評価も◎（優）の評価を得た。
【００５９】
そして、圧電セラミック粉末の平均粒径（Ｄ５０）を０．２μｍ〜０．５μｍとしたものは圧電素子５の変位量が若干ではあるが向上する傾向が見られ、インクの吐出速度が向上する結果となっている。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、圧電膜の膜厚みが１〜２０μｍであり、かつ前記圧電膜表面における圧電セラミックスの結晶の欠損部占有面積が、単位面積当り５％以下であるとともに、前記電極膜の厚みが０．１μｍ以上で、かつ前記圧電膜の厚みに対し電極膜の厚みが６０％以下としたために、圧電膜の欠損部に電極膜がかかる確率が低減され、仮に、欠損部に電極膜がかかったとしても、欠損部による電極膜切れが低減され、これにより電界の強度の低下が防げることから、圧電素子の圧電特性、例えば、変位量の低下が防止できるのである。しかも、圧電膜の欠損部上に電極膜を形成する際、その中に入り込んだとしても、対向する電極膜同士の短絡を防止することができ、良好な製品を多用に生産することができる。
【００６１】
そして、本発明の圧電素子をインクジェット記録ヘッドに用いると、圧電膜の欠損部が少ないので、よりインクの吐出速度の大きいインクジェット記録ヘッドを得ることができる。また、インクを吐出するための圧電素子として、１つのインクジェット記録ヘッドに多数用いられたとしても、各圧電素子間でばらつきが小さいために、インクの吐出速度が安定し、高精細な画像が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット記録へッドの一例を示す一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１              インク室
２              ヘッド基板
３              圧電膜
４，４ａ，４ｂ  電極膜
５              圧電素子
６              ノズル
２１            支持体
２２            隔壁
２３            ノズル板
【図１】
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